選換檔搖臂撥頭冷鐓加工和熱處理工藝的改進

龍必查

(佛山安久電配汽車零部件有限公司，廣東 佛山 528234)

選換檔搖臂撥頭屬于汽車變速器的重要組成零部件，選換檔搖臂撥頭與變速器桿、撥叉、同步器、選換檔軸、定位鎖(自鎖、互鎖、倒檔鎖)裝置參與改變傳動比、變換傳動方向和中斷發動機的動力傳遞[1]。

1 零件材料、形狀及技術要求

選換檔搖臂撥頭材料為SWRCH45K，根據日本工業標準JIS G3507-1：2005冷鐓用碳素鋼和湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司企業標準Q/OHAB 113—2005的要求[2]，其化學成分要求見表1，力學性能要求見表2。

表1 SWRCH45K鋼化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composition of SWRCH45K steel (mass fraction，%)

表2 SWRCH45K 鋼熱軋態的力學性能Table 2 Mechanical properties of hot-rolled SWRCH45K steel

選換檔搖臂撥頭零件形狀見圖1。虛線區域高頻淬火，要求表面硬度≥440 HV；表面處理要求Fe/Zn12電鍍鋅去氫，彩色三價鈍化鹽零試驗96 h無紅銹；表面無毛刺、開裂等有害缺陷。

圖1 零件外形圖Fig.1 Part outline drawing

2 工藝改進前后

汽配產品選換檔搖臂撥頭的加工生產流程為：盤圓材料→球化退火→酸洗磷化→盤圓拉絲→檢驗→冷鐓成型→檢驗→清洗去油→高頻淬火→回火→電鍍去氫→包裝[3]。

2.1 冷鐓前工藝改進

在實際生產中，冷鐓和冷擠壓用鋼的含碳量大于0.25%時，要求鋼材在冷撥前進行球化退火；對于變形為65%～85%的冷鐓件，未經過中間退火而達到三次冷鐓鍛變形時，其含碳量不應大于0.4%[4]。因原材料的含碳量為0.45%，且選換檔搖臂撥頭要經四序工位(共4次冷鐓變形)，根據該產品變形量大，且SWRCH45K難于冷鐓、成型時易出現開裂(見圖2)的特點，經過技術分析，熱處理車間從源頭上開始了質量控制和改進。在原有的球化退火工藝后，增加了再結晶退火，使片狀珠光體分解為細粒狀滲碳體，更均勻地分布在鐵素體的基體中，可以消除加工硬化，提高塑性，進一步改善材料的冷鐓性能[4]，消除和避免了選換檔搖臂撥頭冷鐓時發生內裂。

圖2 裂紋缺陷 100×Fig.2 Crack defect

由原工藝的一次球化改為球化退火+再結晶退火(或高溫回火)，加工生產流程更改為： 盤圓材料→球化退火→粗抽至φ13 mm→高溫回火→精抽至φ11.8 mm→酸洗磷化→盤圓拉絲→檢驗→冷鐓成型→檢驗→清洗去油→高頻淬火→電鍍去氫→包裝。

金相組織按JB/T 5074—2007標準評定，金相組織合格級別控制在5～6級，硬度≤80 HRB。球化退火后金相組織見圖3。

圖3 球化退火后金相組織 400×Fig.3 Microstructure after spheroidizing annealing

2.2 冷鐓工藝的改進及效果

由于產品在冷鐓成型前的過程中與空氣和酸接觸，因而在鋼液中會吸收氧、氫、氮等元素，對鋼的質量產生不良影響[5]。氧元素在鋼中主要以夾雜物的形式存在，但氧化物夾雜與基體的結合力弱，冷鐓過程不易變形，易成為疲勞裂紋源。氫對鋼的危害性更大，主要表現為氫脆。常溫下氫在鋼中的溶解度很低，原子態的過飽和氫將降低鋼的韌性，引起氫脆，從而形成裂紋，見圖4。室溫下氮在鐵素體中的溶解度很低，鋼中的過飽和氮在常溫放置過程中會以Fe2N、Fe4N的形式析出而使鋼變脆。

圖4 氫脆裂紋Fig.4 Hydrogen embrittlement crack

改善前的冷鐓成型過程中，型槽內氣體不能排出，產生壓力，也阻礙著金屬充滿型槽；同時，受脆性和疲勞裂紋源及微裂紋等的影響。冷鐓成型的選換檔搖臂撥頭外端表面經常出現裂紋，見圖5。而對于高頻用鋼，要求高頻淬火的零件表面不得有微裂紋等缺陷，由于微裂紋會導致產品經高頻淬火后裂紋進一步延伸和擴展。

圖5 冷鐓成型開裂產品Fig.5 Cold heading forming cracking products

為此，對冷鐓模具進行了技術改進，將冷鐓成型工序的第三序和第四序沖棒分別增加了φ1 mm和φ0.7 mm排氣孔[6]，同時沖棒頭部與冷鐓產品的接觸面由原來的平面改成了圓弧面接觸，如圖6 (a)、6(b)所示。選換檔搖臂撥頭經冷鐓成型后外觀合格、無裂紋，見圖7。

(a)冷鐓三序工藝圖；(b)冷鐓四序工藝圖圖6 冷鐓模具改進(a) cold heading three-sequence process diagram；(b) cold heading four-sequence process diagramFig.6 Cold heading die improvement

(a)三序成型產品；(b)四序成型產品；(c)電鍍產品圖7 改進后冷鐓成型產品圖片(a) three-sequence forming products; (b) four-sequence forming products; (c) plating productsFig.7 Cold heading forming product drawing after improved

2.3 高頻淬火硬化層深度改進及效果

為提高產品質量，對原技術要求進行了調整：1)周邊去毛刺、表面無刮傷、裂紋等缺陷，所有過渡R≤0.3 mm；2)表面處理：Fe/Zn12, IV，參照標準QJ/GAC 1340 002；3)表面局部高頻淬火，硬度為440～650 HV，層深0.5～1.5 mm；4)未注機加工尺寸按 GB/T 1804—m標準要求；5)零部件和材料中禁用有害物質要求參照標準QJ/GAC 1110.025。

根據改善前原圖紙要求：虛線區域高頻淬火要求表面硬度≥440 HV，未要求硬化層深度。而實踐證明，淬硬層深度一般為零件直徑的10%～30%時，可以得到良好的綜合機械性能[7]。在產品試生產過程中，由于圖紙未標明硬化層深度，所以在前期進行高頻淬火時，也未對硬化層深度進行嚴格控制，產品硬化層深度有所增加，平均深度達2.0 mm。雖然有利于提高產品的機械性能，增加淬硬層的硬度，但增加了淬火開裂的傾向。

在高頻淬火加熱過程中，原來的球狀珠光體組織轉變成馬氏體組織后體積增大，從而產生內應力，這種由相變而產生的內應力稱為組織內應力。馬氏體轉變由于比容增大，其組織內應力較大，球狀珠光體組織轉變成馬氏體組織數量也增加，增加了淬火變形甚至開裂的傾向。

在實際生產中，根據工件技術要求，采用100 kW高頻淬火，結合現有設備條件，通過調整陽極電流、柵極電流、振蕩電壓、陽極電壓等參數(見表3)，重新制作感應器，得到硬化層深度符合圖紙技術要求0.5～1.5mm的硬化層，從而降低了選換檔搖臂撥頭淬火時產生變形甚至開裂的傾向。

表3 改進后淬火參數Table 3 Quenching parameters after improved

2.4 高頻淬火冷卻介質的改進及效果

因高頻淬火是一項需要操作工人具備豐富工作經驗的工作，在實際生產往往需要結合工作經驗和試淬情況來判斷冷卻介質和淬火溫度。淬火溫度高，組織易粗大，產品易開裂；淬火溫度低組織轉變不完全，得不到理想的淬火硬度[8]。在選換檔搖臂撥頭高頻淬火前期生產試驗時發現：采用油淬，則會低于技術要求的硬度；采用自來水冷卻，則極易開裂。

本文采用水溶性淬火劑進行淬火冷卻。通過調整溶液的濃度，可以很大范圍內調整其冷卻能力，見圖8和表4，使用溫度為25～45 ℃，冷卻能力介于油、水之間，從而滿足選換檔搖臂撥頭產品淬火后不開裂，硬度符合技術要求。

圖8 淬火液冷卻特性曲線Fig.8 Cooling characteristic curve of quenching liquid

表4 淬火劑的冷卻特性Table 4 Cooling characteristic of quenching agent

3 分析

通過球化退火、冷鐓成型、高頻淬火層深、高頻淬火介質等工藝改進后，選換檔搖臂撥頭由50%合格率提升至99.9%，消除了淬火開裂源，從而提高了產品質量。選換檔搖臂撥頭經高頻淬火+回火后表面組織為細馬氏體組織，心部組織為珠光體，見圖9。按標準JB/T 9204—2008《鋼件感應淬火金相檢驗》評定，高頻淬火、回火后表面組織4～6級，完全符合圖紙和標準的要求。

圖9 高頻淬火+回火后金相組織(400×)Fig.9 Microstructure after high frequency quenching+tempering