适合齿轮锻件的退火工艺

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渗碳钢20CrMnTi锻件锻造后空冷至室温，得到铁素体、珠光体、魏氏体及贝氏体组成的混合组织时，加热到930℃渗碳后冷却到850℃淬火时仍出现粗大奥氏体晶粒，呈明显的组织遗传性。若锻造后经过热处理，得到铁素体和珠光体的混合组织，经渗碳淬火后，组织明显细化，不再出现组织遗传性，这就是锻造后热处理的意义。小型齿轮锻件热处理的目的主要有：
①消除锻造应力。
②得到较均匀的金相组织，改善切削性能。
③减小齿轮渗碳、淬火后的变形量。

1.等温退火
锻件材质为20CrMnTi，设备为等温退火连续炉（见图1），由高温区、快冷区和等温区组成。


图1  等温退火生产线示意



等温退火工序为锻件先进高温加热区，由室温加热至940℃，并保温一段时间，使其充分奥氏体化，然后进入快冷区，在5~10min内从950℃快冷至650℃，使锻件快速进入正确相变区间，再经650℃保温，使锻件充分相变至铁素体+珠光体组织，送出炉外空冷至室温。工艺曲线如图2所示。

图2  等温退火工艺曲线

需要注意的是，由于锻件的尺寸不同，等温退火工艺曲线应根据生产现场实际情况进行调整。原则是保证锻件金相组织1~3级，表面硬度控制在160~210HBW为宜。经过试验，此生产工艺同样适用于小型轴类锻件的退火，设备生产能力为600kg/h。

2.余热退火
锻件材质为20CrMnTi，设备为网带式余热退火炉（见图3），由加热炉和快冷室组成。预热退火工序是锻件成形后直接送入加热炉内，650℃保温45min，然后进入快冷室，20min内冷却至70℃以下。工艺曲线如图4所示。



图3  余热退火生产线示意





图4  等温退火工艺曲线



在利用锻件余热退火时，重点是要把握锻件入炉温度和炉内保温时间，经过现场试验发现一般锻件入炉温度应控制在800℃以上，此时退火后的金相及硬度最为合适；而800℃以下的锻件利用余热退火后很可能出现组织、硬度不合格的现象，应加以严格注意。保温时间和温度也不能一概而论，应根据锻件的大小和薄厚程度适当调整。另外，余热退火出炉后也可以空冷至室温，我公司采用风冷主要是考虑到退火后锻件直接由员工装入抛丸机清理氧化皮，这样就不需要设置中间货店了。此设备生产能力为600kg/h，退火后锻件金相组织1~3级，表面硬度控制在160~210HBW。

3.等温退火和余热退火的比较
等温退火和余热退火的优缺点：

（1）等温退火工艺
优点：
①工艺稳定性较高，锻件硬度的离散度可控制在20HBW/批以内。整个退火过程容易控制，退火后的锻件不论是金相组织还是表面硬度均能达到要求，也是目前使用最广泛的锻件热处理方式。

②由于它独立在锻造生产线之外，和其他锻造设备可动率不相互影响，既不会因为某一设备的故障而停炉，也不会因为等温退火线的不正常使锻造生产线停止。

缺点：
①要待锻件完全冷却后再重新将其加热到940℃左右，会造成能源浪费。

②等温退火线无法并入锻造生产线，实现“一个流”式的锻造生产方式。

因此需要专门设立待正火货店，等锻件量满足等温退火设备生产能力后统一入炉，这样的中间货店会大量占用场地资源以及流动资产，不符合丰田生产方式中“0”中间在库的思想。

（2）余热退火工艺
优点：
①节能环保，与我们国家现在所提倡的低碳经济相符合，它利用锻件的余热，省去了加热环节，其能耗可降至一般等温退火的50%。

②与锻造生产线结合在一起，节省了中间在库所占用的场地资源以及流动资金。

缺点：
①虽然余热退火工艺已经被证明是可靠的，在生产中也得到了广泛应用，但由于锻造设备的不同，以及锻造作业者操作速度不同等问题，其入炉温度相对比较难控制，容易造成组织硬度的不合格。

②它必须紧跟在每条锻造生产线之后，与其他锻造设备的可动率相互影响，也就是说余热退火炉或者这条锻造生产线的任何一个设备发生故障，将直接导致整条生产线全部停产。

③由于退火炉升温、降温过程耗时耗电，所以余热退火所匹配的锻造生产线最好是三班运转的饱和生产线，至少也要保证两班制产能，不然生产8h，空炉运转16h是得不偿失的。

4.结语
以上就是笔者对小型齿轮锻件退火热处理工艺的点滴认识，大部分是来自生产实践之中，可能会和某些参考资料有出入。但笔者认为这是正常的现象，现实中很难找到放之四海而皆准的一套生产工艺。没有最好的，只有最适合的。大家可以根据实际生产的质量、成本、交货期、场地等各方面因素综合到一起加以衡量，选择适合的锻件退火工艺。希望这篇论文能够给读者在工艺选择时提供一定的参考和帮助。