滚轮开裂原因分析及工艺改进

邹湘军

（南华大学机械系，湖南衡阳　420011）

　　滚轮是机电厂调速器中的关键零件，要求工作400h无故障。其工作环境差，零件作高速运转，受到挤、压、扭转变形的影响，要求有较好的抗疲劳强度、硬度、韧性、弹性、耐磨性、耐腐蚀性。该零件在使用过程中有时产生碎裂，是易损件，使用寿命短。针对该零件易碎裂的原因进行了工艺分析，提出了2种可行的工艺改进方法。

　　1　滚轮激光热处理工艺分析

　　1.1零件结构与工艺分析

　　滚轮材料为GCr15钢，其结构见图1，从图中可知零件的加工精度高，属变截面的套类零件，工作性质与轴承相似。传统热处理后15%的工件使用寿命不到400h，在使用过程中产生碎裂，达不到技术要求。检验其金相组织为较粗大的针状马氏体（见图2），这是由于淬火温度控制不当和淬火前金相组织没有细化。同时由于变截面，传统工艺淬火（含回火）后在进行机加工时产生微裂纹，零件耐磨性差。改进前的工艺为：锻造→粗加工各面→半精加工各面→淬火→粗磨→精磨。

　　1.2激光热处理工艺

　　选用10kW功率的激光器，进给速度为12.7mm/s对零件各面进行热处理（见图3）。得到淬火硬度为58-62HRC，厚度为0.4mm，组织以细小马氏体为主和均匀分布的少数细小碳化物。激光热处理工序放在粗磨之后。其改进后的工艺为：锻造→预先热处理→粗加工各面→半精加工各面→粗磨→激光淬火→精磨。

　　在预先热处理时要求得到较细的珠光体，否则淬火后的硬度会降低，同时，心部要求有一定的硬度。由于激光淬火几乎没有变形，因此可以放在粗磨之后，精磨之前，留精磨余量0.1mm。淬火之后其心部硬度仍保持淬火前的硬度。

　　2　改选零件材料和工艺的试验

　　原工艺选用的零件材料是GCr15钢，滚轮厚壁部位淬不透，因此表面各组织不一致；精加工时选用或修磨砂轮参数不合理，容易使零件产生微裂纹。再加上原工艺对始锻和终锻参数选取不合理使得材料金相组织没有得到较好地改善。针对上述原因，改用GCr15SiMn钢，在工艺中选取合理的始锻和终锻参数，并且采用等温退火工艺，这样充分改善淬火前材料的金相组织，使网状碳化物得到改善，退火后得到球状珠光体。经过试验，选择图4所示的工艺可得到隐针马氏体组织。

　　淬火后进行粗磨时为了避免零件表面划伤或产生微裂纹，合理选取砂轮参数，保持砂轮锋利。在粗磨后增加时效以进一步减少奥氏体^[1]，保证尺寸的稳定性。改进后的工艺为：
锻造→等温退火→粗加工各面→半精加工各面→淬火→回火→粗磨→时效→精磨。改进后零件的使用寿命提高，耐磨性、抗疲劳强度、耐冲击性提高。

　　3　试验对比

　　采用激光淬火，零件使用650h无故障。由于工件几乎没有变形，且变截面处的硬度一致，内应力小，工作时工件不易开裂。其耐磨性、耐冲击性、抗疲劳强度提高。但要求在淬火前细化金相组织，才可得到细小马氏体。

　　选用价格与GCr15钢相当的GCr15SiMn钢，其耐磨性和淬透性比GCr15钢好。控制锻造温度并锻后等温退火，得到球状珠光体组织。改进后的滚轮使用400h无故障，保证了技术要求。原工艺和改进后的工艺试验结果对比见表1。

　　激光热处理设备费用高，但对于大批量生产的定型产品来说，设备运转费用低，两年内即可收回投资。在常温下工作的激光设备寿命长，维修费用低，就长远效益和产品质量而言用激光热处理是经济的。改用GCr15SiMn钢不需要热处理新设备，比较经济，但产品寿命和综合性能比激光热处理的低。

　　参考文献：

　　[1]胡昭如.机械工程材料[M].长沙：中南工业大学出版社，1991，3：109-110.
 

来源：《金属热处理》