选换档摇臂拨头冷镦加工和热处理工艺的改进

龙必查

(佛山安久电配汽车零部件有限公司，广东 佛山 528234)

选换档摇臂拨头属于汽车变速器的重要组成零部件，选换档摇臂拨头与变速器杆、拨叉、同步器、选换档轴、定位锁(自锁、互锁、倒档锁)装置参与改变传动比、变换传动方向和中断发动机的动力传递[1]。

1 零件材料、形状及技术要求

选换档摇臂拨头材料为SWRCH45K，根据日本工业标准JIS G3507-1：2005冷镦用碳素钢和湖南华菱湘潭钢铁有限公司企业标准Q/OHAB 113—2005的要求[2]，其化学成分要求见表1，力学性能要求见表2。

表1 SWRCH45K钢化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of SWRCH45K steel (mass fraction，%)

表2 SWRCH45K 钢热轧态的力学性能Table 2 Mechanical properties of hot-rolled SWRCH45K steel

选换档摇臂拨头零件形状见图1。虚线区域高频淬火，要求表面硬度≥440 HV；表面处理要求Fe/Zn12电镀锌去氢，彩色三价钝化盐零试验96 h无红锈；表面无毛刺、开裂等有害缺陷。

图1 零件外形图Fig.1 Part outline drawing

2 工艺改进前后

汽配产品选换档摇臂拨头的加工生产流程为：盘圆材料→球化退火→酸洗磷化→盘圆拉丝→检验→冷镦成型→检验→清洗去油→高频淬火→回火→电镀去氢→包装[3]。

2.1 冷镦前工艺改进

在实际生产中，冷镦和冷挤压用钢的含碳量大于0.25%时，要求钢材在冷拨前进行球化退火；对于变形为65%～85%的冷镦件，未经过中间退火而达到三次冷镦锻变形时，其含碳量不应大于0.4%[4]。因原材料的含碳量为0.45%，且选换档摇臂拨头要经四序工位(共4次冷镦变形)，根据该产品变形量大，且SWRCH45K难于冷镦、成型时易出现开裂(见图2)的特点，经过技术分析，热处理车间从源头上开始了质量控制和改进。在原有的球化退火工艺后，增加了再结晶退火，使片状珠光体分解为细粒状渗碳体，更均匀地分布在铁素体的基体中，可以消除加工硬化，提高塑性，进一步改善材料的冷镦性能[4]，消除和避免了选换档摇臂拨头冷镦时发生内裂。

图2 裂纹缺陷 100×Fig.2 Crack defect

由原工艺的一次球化改为球化退火+再结晶退火(或高温回火)，加工生产流程更改为： 盘圆材料→球化退火→粗抽至φ13 mm→高温回火→精抽至φ11.8 mm→酸洗磷化→盘圆拉丝→检验→冷镦成型→检验→清洗去油→高频淬火→电镀去氢→包装。

金相组织按JB/T 5074—2007标准评定，金相组织合格级别控制在5～6级，硬度≤80 HRB。球化退火后金相组织见图3。

图3 球化退火后金相组织 400×Fig.3 Microstructure after spheroidizing annealing

2.2 冷镦工艺的改进及效果

由于产品在冷镦成型前的过程中与空气和酸接触，因而在钢液中会吸收氧、氢、氮等元素，对钢的质量产生不良影响[5]。氧元素在钢中主要以夹杂物的形式存在，但氧化物夹杂与基体的结合力弱，冷镦过程不易变形，易成为疲劳裂纹源。氢对钢的危害性更大，主要表现为氢脆。常温下氢在钢中的溶解度很低，原子态的过饱和氢将降低钢的韧性，引起氢脆，从而形成裂纹，见图4。室温下氮在铁素体中的溶解度很低，钢中的过饱和氮在常温放置过程中会以Fe2N、Fe4N的形式析出而使钢变脆。

图4 氢脆裂纹Fig.4 Hydrogen embrittlement crack

改善前的冷镦成型过程中，型槽内气体不能排出，产生压力，也阻碍着金属充满型槽；同时，受脆性和疲劳裂纹源及微裂纹等的影响。冷镦成型的选换档摇臂拨头外端表面经常出现裂纹，见图5。而对于高频用钢，要求高频淬火的零件表面不得有微裂纹等缺陷，由于微裂纹会导致产品经高频淬火后裂纹进一步延伸和扩展。

图5 冷镦成型开裂产品Fig.5 Cold heading forming cracking products

为此，对冷镦模具进行了技术改进，将冷镦成型工序的第三序和第四序冲棒分别增加了φ1 mm和φ0.7 mm排气孔[6]，同时冲棒头部与冷镦产品的接触面由原来的平面改成了圆弧面接触，如图6 (a)、6(b)所示。选换档摇臂拨头经冷镦成型后外观合格、无裂纹，见图7。

(a)冷镦三序工艺图；(b)冷镦四序工艺图图6 冷镦模具改进(a) cold heading three-sequence process diagram；(b) cold heading four-sequence process diagramFig.6 Cold heading die improvement

(a)三序成型产品；(b)四序成型产品；(c)电镀产品图7 改进后冷镦成型产品图片(a) three-sequence forming products; (b) four-sequence forming products; (c) plating productsFig.7 Cold heading forming product drawing after improved

2.3 高频淬火硬化层深度改进及效果

为提高产品质量，对原技术要求进行了调整：1)周边去毛刺、表面无刮伤、裂纹等缺陷，所有过渡R≤0.3 mm；2)表面处理：Fe/Zn12, IV，参照标准QJ/GAC 1340 002；3)表面局部高频淬火，硬度为440～650 HV，层深0.5～1.5 mm；4)未注机加工尺寸按 GB/T 1804—m标准要求；5)零部件和材料中禁用有害物质要求参照标准QJ/GAC 1110.025。

根据改善前原图纸要求：虚线区域高频淬火要求表面硬度≥440 HV，未要求硬化层深度。而实践证明，淬硬层深度一般为零件直径的10%～30%时，可以得到良好的综合机械性能[7]。在产品试生产过程中，由于图纸未标明硬化层深度，所以在前期进行高频淬火时，也未对硬化层深度进行严格控制，产品硬化层深度有所增加，平均深度达2.0 mm。虽然有利于提高产品的机械性能，增加淬硬层的硬度，但增加了淬火开裂的倾向。

在高频淬火加热过程中，原来的球状珠光体组织转变成马氏体组织后体积增大，从而产生内应力，这种由相变而产生的内应力称为组织内应力。马氏体转变由于比容增大，其组织内应力较大，球状珠光体组织转变成马氏体组织数量也增加，增加了淬火变形甚至开裂的倾向。

在实际生产中，根据工件技术要求，采用100 kW高频淬火，结合现有设备条件，通过调整阳极电流、栅极电流、振荡电压、阳极电压等参数(见表3)，重新制作感应器，得到硬化层深度符合图纸技术要求0.5～1.5mm的硬化层，从而降低了选换档摇臂拨头淬火时产生变形甚至开裂的倾向。

表3 改进后淬火参数Table 3 Quenching parameters after improved

2.4 高频淬火冷却介质的改进及效果

因高频淬火是一项需要操作工人具备丰富工作经验的工作，在实际生产往往需要结合工作经验和试淬情况来判断冷却介质和淬火温度。淬火温度高，组织易粗大，产品易开裂；淬火温度低组织转变不完全，得不到理想的淬火硬度[8]。在选换档摇臂拨头高频淬火前期生产试验时发现：采用油淬，则会低于技术要求的硬度；采用自来水冷却，则极易开裂。

本文采用水溶性淬火剂进行淬火冷却。通过调整溶液的浓度，可以很大范围内调整其冷却能力，见图8和表4，使用温度为25～45 ℃，冷却能力介于油、水之间，从而满足选换档摇臂拨头产品淬火后不开裂，硬度符合技术要求。

图8 淬火液冷却特性曲线Fig.8 Cooling characteristic curve of quenching liquid

表4 淬火剂的冷却特性Table 4 Cooling characteristic of quenching agent

3 分析

通过球化退火、冷镦成型、高频淬火层深、高频淬火介质等工艺改进后，选换档摇臂拨头由50%合格率提升至99.9%，消除了淬火开裂源，从而提高了产品质量。选换档摇臂拨头经高频淬火+回火后表面组织为细马氏体组织，心部组织为珠光体，见图9。按标准JB/T 9204—2008《钢件感应淬火金相检验》评定，高频淬火、回火后表面组织4～6级，完全符合图纸和标准的要求。

图9 高频淬火+回火后金相组织(400×)Fig.9 Microstructure after high frequency quenching+tempering