30CrMnSiA鋼外齒摩擦片的工藝改進

周洪剛, 劉 克, 熊明定, 王鑫銘, 余 杰, 左經緯

(1. 江麓機電集團有限公司, 湖南 湘潭 411100; 2. 湘潭大學 材料科學與工程學院, 湖南 湘潭 411105)

綜合傳動裝置廣泛采用一種以油為冷卻介質的濕式換檔離合器,其輸入端與發動機相連,輸出端與驅動輪相連,通過控制結合油壓使主被動摩擦片結合,摩擦片在摩擦力的作用下傳遞動力,影響整車動力性和操縱性[1-2]。30CrMnSiA鋼作為在航空領域廣泛使用的中碳低合金鋼,因其優異的塑韌性、屈服比、良好的耐磨性與較低的脆性轉變溫度等綜合性能,廣泛應用在飛機連接件、剎車盤連接片等方面[3-4]。

某綜合傳動裝置30CrMnSiA鋼外齒摩擦片(后簡稱摩擦片)的結構尺寸如圖1所示。產品主要技術要求為硬度28～35 HRC,碟形高度h=0.3～0.5 mm,厚度(2.00±0.03) mm,表面粗糙度Ra≤0.8 μm。在試制階段采用的制造流程為下料(3 mm厚熱軋板)→調質處理至28～35 HRC+熱校平→粗磨至厚度(2.50±0.05) mm→熱校平→精磨至厚度(2.00±0.03) mm及表面粗糙度Ra≤0.8 μm→線切割外形→模壓碟形回火→氧化處理。

圖1 外齒摩擦片示意圖

該方案存在制造工序繁瑣、碟形回火效率及合格率低(15件/模,一次合格率約50%)、生產成本高等問題[3]。隨著綜合傳動裝置的批量生產,摩擦片相關制造問題逐漸暴露,難以滿足生產需求。本文以30CrMnSiA鋼摩擦片的制造工藝為研究對象,探索一套基于非專業生產線的高效精密制造工藝。

1 總體方案

根據現有生產條件,借鑒汽車膜片彈簧生產工藝,擬定30CrMnSiA鋼摩擦片的批量生產工藝方案,其簡要加工流程為下料(2 mm冷軋板)→精沖→淬火+預回火+熱成形→氧化處理。由于30CrMnSiA鋼用量小等原因,在市場上購買該材料冷軋板較困難,因此聯合某金屬制品廠研發30CrMnSiA鋼冷軋板的制備技術,重點對冷軋前的球化退火工藝進行探究。在熱成形方面,利用可控氣氛多用爐等設備,擬優化熱處理工藝和模具,提高裝夾量及一次碟形合格率。

2 球化退火工藝

2.1 試驗材料及方法

試驗所用材料為30CrMnSiA鋼,其化學成分(質量分數,%)為0.28～0.34C、0.90～1.20Si、0.80～1.10Mn、≤0.025P、≤0.025S、0.80～1.10Cr、≤0.030Ni、≤0.025Cu。試驗擬采用球化退火工藝,查閱30CrMnSiA鋼奧氏體等溫轉變曲線可知該材料的A1點約為760 ℃,根據球化退火原理[5-6],選定試驗溫度為725、735和745 ℃,保溫時間分別為6、12和18 h。試驗設備為全氫罩式退火爐,試樣為300 mm×300 mm×3 mm 熱軋板。球化等級評判參照GB/T 1299—2014《工模具鋼》,1～5級為合格,3級最優。

2.2 試驗結果與分析

30CrMnSiA鋼經不同工藝球化退火后的顯微組織如圖2所示。由圖2(a～c)可知,當退火溫度為725 ℃時,保溫6 h后晶粒的纖維形態仍有所保留,滲碳體形態主要為片狀滲碳體和點狀滲碳體,球化級別較低,約為1級。當保溫時間達到12～18 h時,已經開始出現球狀滲碳體,滲碳體形態包括片狀滲碳體、球狀滲碳體及點狀滲碳體,球化級別約為2級。由圖2(d～f)可知,當退火溫度735 ℃時,保溫6 h后滲碳體形態主要為片狀滲碳體、球狀滲碳體及點狀滲碳體,滲碳體細小彌散,球化級別約為2級。當保溫時間達到12～18 h時,球粒間距開始加大,滲碳體球粒的尺寸開始變大,球化率較高,滲碳體形態主要為球狀滲碳體、點狀滲碳體和短棒狀滲碳體,球化級別約為3級。由圖2(g～i)可知,當退火溫度745 ℃時,保溫6 h后有滲碳體粘接在一起,球化級別約4級。隨著保溫時間的延長,滲碳體持續長大,當保溫時間達到12～18 h時,長條狀滲碳體已較多,球化級別達到5～6級。根據試驗結果和評級標準可知,30CrMnSiA鋼在溫度為735 ℃保溫12～18 h時球化效果較好,后經多次試驗及試生產,最終確定球化退火參數為(735±3) ℃×(13～15) h[7-8]。

3 熱成形工藝

3.1 淬火控形

球化退火后進行相關的冷軋處理,冷軋完后下料,然后采用精密沖裁工藝成形摩擦片的徑向尺寸和形狀,完成上述工序后轉入熱處理。為達到零件設計要求的硬度(28～35 HRC),需進行淬火+回火處理。由于摩擦片厚度僅2 mm,若在自由狀態下淬火,其翹曲變形將非常嚴重,在回火成形過程中,需釋放的內應力將非常大,不利于尺寸和碟形的穩定。為限制摩擦片在淬火過程發生較大翹曲,制定的裝爐方法為,將3層摩擦片整齊疊放后用鐵絲網壓緊,最上層用料板壓實,在可控氣氛多用爐中經860 ℃保溫60 min后油淬,然后進行380 ℃×60 min預回火,防止模具預緊過程中零件被壓裂。

3.2 回火熱成形模優化與裝爐方式探究

科研試制階段的模壓碟形回火所用熱成形模具(以下簡稱原模具)如圖3(a)所示,其在使用時主要存在3個問題:①采用人工打緊鐵楔子,預緊力小且隨機性太大,間接導致裝夾量小;②凹模、凸模和摩擦片成形部位普遍未直接受力,壓力分布嚴重不均,導致成形效果不好;③凹模、凸模所用材料為5CrMnMo鋼,550 ℃時(碟形時的回火溫度)的高溫性能一般。針對該問題,本文對原熱成形模具的結構和預緊方式進行了改進,主要措施:①采用油壓機預緊,預緊力恒定;②采 用大螺母鎖緊,大螺母底面和摩擦片平面大小相當,成形模受力均勻;③增大裝夾量至30～90件;④凹、凸模所用材料改用H13鋼,550 ℃時的高溫性能較5CrMnMo鋼更優。圖3(b, c)為設計的兩種熱成形模具,分別稱為改進模具1和改進模具2,其中改進模具2在改進模具1的基礎上增加了一組碟形壓頭作為中間層?；谶@兩種改進模具,設計了3種不同的裝爐方式,以提高裝夾量及一次碟形合格率,如表1所示。

圖3 模壓碟形回火用熱成形模具示意圖

表1 30CrMnSiA鋼模壓碟形回火的裝爐方式

按照表2的裝爐方式進行模壓碟形回火后,對3種 不同的裝爐方式進行工件質量抽檢,抽取比例為方案Ⅰ按裝夾順序每2件抽取1件,方案Ⅱ按裝夾順序每6件抽取1件,方案Ⅲ按裝夾順序每4件抽取1件,共計各抽檢15件,檢測結果如圖4所示。由圖4可知,方案Ⅰ碟形合格率達到100%,方案Ⅱ碟形合格率僅為73.3%。增加中間層后,摩擦片的合格率提升至100%。將方案Ⅲ剩余的45件摩擦片進行碟形檢測,其碟形高度均滿足0.3～0.5 mm的要求。

圖4 不同裝爐方案模壓碟片回火后摩擦片的碟形高度抽檢結果

為探究回火過程中各裝爐方式對碟形摩擦片受力情況的影響,同時研究方案Ⅱ中摩擦片合格率較低的原因,對方案Ⅱ、Ⅲ的摩擦片在回火過程中受力進行了仿真計算[9],結果如圖5所示。由圖5(a)可知,由于模具和摩擦片的熱膨脹系數不一致,在回火過程中模具中間層的摩擦片已基本不受力,控制摩擦片翹曲變形的效果不好,這與方案Ⅱ工藝試驗結果基本吻合。此外,由于摩擦片存在厚度公差,當單層裝夾量太多時,多層摩擦片的厚度累計公差也較大,影響了其成形和受力狀態。由圖5(b)可知,采用增加中間層的改進模具2時,摩擦片在回火時的受力狀態得到明顯改善。方案Ⅲ與方案Ⅰ相比具有較高的裝爐數量;與方案Ⅱ相比具有更高的產品合格率,因此以裝爐方案Ⅲ作為30CrMnSiA鋼模壓碟形回火的裝爐方式最優。

圖5 不同裝爐方案模壓碟片回火時摩擦片的應力分布仿真計算結果

綜上所述,最終確定摩擦片的最優工藝為熱軋板→(735±3) ℃×(13～15) h球化退火→冷軋→精沖→860 ℃×60 min油淬→380 ℃×60 min預回火→用裝爐方案III進行550 ℃模壓碟形回火→氧化處理。

4 顯微組織與考核驗證

4.1 顯微組織對比

對采用增加中間層的改進模具及最優工藝制作的摩擦片(冷軋件)和原試制工藝制作的摩擦片(熱軋件)進行顯微組織對比,如圖6所示。由圖6可知,兩摩擦片的顯微組織均為回火馬氏體,根據GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》要求評級,冷軋件的晶粒度為8.5級,熱軋件的晶粒度為7.2級。上述結果表明,冷軋板在軋制過程中晶粒得到細化,晶粒越細,材料的綜合性能越好。

圖6 不同工藝所得摩擦片的顯微組織(a, b)與晶粒度(c, d)

4.2 考核驗證

按照最優工藝試生產了10套(400件)摩擦片,同時裝箱進行功能性試驗,試驗過程未見異常。隨機抽取2臺箱體進行全壽命試驗,試驗過程未見異常,將試驗完成的摩擦片拆解下來進行外觀檢查,未觀察到磨損和開裂現象。隨機抽5件進行硬度和碟形檢測,其硬度和碟形量無明顯變化。

5 結論

1) 采用增加中間層的改進模具及最優工藝可實現30CrMnSiA鋼外齒摩擦片的批量生產,熱軋板經(735±3) ℃×(13～15) h球化退火+冷軋+精沖+860 ℃×60 min油淬+380 ℃×60 min預回火+550 ℃模壓碟形回火+氧化處理制備的摩擦片滿足硬度和碟形高度的技術要求。

2) 優化生產步驟,由原本的8道工序減少至4道工序,提高了生產效率。

3) 采用最優工藝制備的摩擦片的顯微組織與原試制工藝生產的摩擦片相同,均為回火馬氏體,但最優工藝的晶粒更細,其綜合性能更好。

4) 采用最優工藝批量試制的摩擦片經考核驗證無異常,性能滿足要求。