利用锻造余热等温正火稳定渗碳淬火变形规律

独旅者

一、概述
　　1.汽车渗碳钢件的现状与发展
& m5 C' a. t% S( a　　汽车齿轮、传动轴等重要零件一般均采用低合金渗碳钢制造，这类钢材是汽车用合金结构钢中使用最广、用量最大的钢种之一，一般都需要经过锻造、预先热处理、切削加工、渗碳、淬火、回火等多道冷热加工工序，以获得高的表面硬度和较好的心部韧性，使工件具有耐磨、耐疲劳和耐点蚀等良好的特性。
- M/ g0 y0 t+ {" m. r) @　　由于各国资源和工业发展的经验不同，各国的各大工厂使用的渗碳钢种也不完全相同。目前，各国标准中列出的渗碳钢钢号比较多，汽车齿轮用渗碳钢主要是低碳合金钢，其中Cr钢、Mn钢和Mo钢用于次要和小尺寸齿轮，Cr - Ni钢、Cr - Mn钢、Cr - Mo钢、Mn - Mo钢和Cr - Ni - Mo钢用于尺寸较大的重要零件。随着汽车产品技术水平的日益提高及市场竞争的日益激化，汽车齿轮用钢正处于由各大企业的经验型向科学化、国际化方向发展的过渡阶段，由各具特色的Cr - Ni钢、Cr- Ni - Mo钢、Ni - Mo钢向低成本、通用的Cr - Mo钢过渡。因此必须采用相应合理的热处理新工艺与之相配合。
　　2.渗碳钢件锻造毛坯预先热处理的现状及存在的问题
% L% _: |( C) L9 {　　锻造毛坯的预先热处理，不仅对切削加工性能有极大的影响，而且对最终热处理变形也有重大影响。为了提高齿坯的可切削性，消除锻造应力，使组织均匀化，目前国内对渗碳钢齿坯普遍采用正火处理。正火是将钢材或钢件加热到临界点Ac3或Ac m以上的适当温度，保持一定时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。正火是一种传统的老工艺，因其设备、工艺要求简单，能耗少，一直被广泛采用，但并非完美无缺。
7 }  S7 Y6 j6 ~7 @1 E$ |　　随着汽车工业的发展及对产品质量要求的提高，特别是引进车型用钢材料的多样化，普通的正火处理已达不到齿坯预先热处理的目的。鉴于普通正火处理是将钢件加热到高温奥氏体化后在空气中(有时吹风)冷却到室温，属于毛坯热处理，加之以往对正火钢件要求的硬度范围较宽(156～207HBS)，一般不检查显微组织，加之又多在锻造工厂(车间)进行，故通常容易被人们所忽视。对于锻件正火后究竟需要获得什么样的显微组织形态和硬度指标，既缺乏深入理论研究，又缺少生产性实践探讨。实际上我国目前普遍存在这类零件切削后表面粗糙、切削刀具使用寿命低、渗碳淬火前后变形波动较大等问题，这些与正火显微组织不良、硬度不佳有密切的关系。
　　在实际生产中，渗碳钢锻造毛坯经正火处理后，由于不能控制正火的冷却速度，因此奥氏体分解相变无法控制，必然在一个温度区间内连续进行，因而获得的显微组织和硬度也可能不同。有些钢件由于冷却速度较大，有可能局部甚至全部获得非平衡组织(α- Fe魏氏组织、贝氏体等)，这不仅影响切削加工性能，而且也会改变钢件渗碳淬火后的变形规律，会因变形过大而报废，这种情况在淬透性波动较大的钢中更易出现。对于冷却速度较小的钢件，由于钢的硬度过低，切削时易发生塑性变形，形成切削瘤，出现“粘刀”、“烧刀”现象。一般热处理的变形量随机加工变形量的增大而增大，由于机加工工艺不当，如拉削速度过快、刀具磨损切削时所造成的残余应力、拉削过程中基准面不平、存在铁屑等异物、齿轮拉花键孔时出孔方向不当等都可使热处理变形量增大。通过改进机加工工艺，加工变形量可得到有效控制。
　　近年来，随着引进车型带来齿轮材料多样化和对齿轮质量的高标准要求，采用普通正火处理已难以满足汽车生产的要求。锻件的正火处理不仅要求硬度在一个较窄的范围之内(钢件切削加工时易断屑、表面光洁)，而且要求获得稳定的显微组织(较粗的铁素体晶粒加较细的珠光体)，以改善切削加工性能及稳定渗碳淬火后的变形规律。美国金属学会向能源部提交的国际研发计划中，提出的目标之一就是“努力达到热处理零件的零变形和最大限度的均匀性”。为了满足上述要求，需对正火工艺进行改进，以获得正火所要求的显微组织和硬度范围。
二、渗碳钢的正火工艺
& U4 t( W0 ]7 J1 m, j0 R　　正火是渗碳钢锻件预先热处理的主要手段。其目的是消除或改善坯料制备时所造成的各种组织缺陷，获得最利于切削加工的组织和硬度，改善组织中相的形态和分布，细化晶粒，为最终热处理做好组织准备。
　　1.钢的正火组织、硬度与切削加工性能
　　材料的切削加工性是指对某种材料进行切削加工的难易程度。钢件的切削性能，主要取决于其力学性能和显微组织，而力学性能又受显微组织的影响。被加工钢件的硬度、强度越高，刀刃插入和劈开表面层的阻力越大，切削热越高，刀具磨损也就越快;钢件的硬度、强度过低时，塑性往往增大，切削时不易断屑，而且钢件容易与刀刃粘结，刀具容易发生冷焊磨损，使刀具的使用寿命降低，而且容易产生积屑瘤使加工表面质量恶化，增加钢件表面粗糙度。
在相近的力学性能下，钢料的显微组织对切削加工性能有明显的影响。面心立方晶格的奥氏体与体心立方晶格的铁素体相比，因其形变硬化指数高、导热系数小、原子间结合力强等，使切削加工性能降低。贝氏体尤其是粒状贝氏体，因含有难加工的岛状马氏体和残留奥氏体，比珠光体切削加工性能差。在铁素体加珠光体的显微组织中，粒状珠光体因比片状珠光体的塑性高而使切削加工性降低。钢的显微组织中有硬质相或组织，如碳化物、氮化物、硼化物或马氏体等，对刀刃有机械磨损作用，它们的硬度越高、数量越多、尺寸越大、外形呈尖角、分布不均匀，损伤刀具越严重。严重的带状组织和混晶组织也会使钢料的切削加工性能恶化。
3 w5 C+ B) Z; A& d! y( g　　因此，为了提高钢料的切削加工性能，应使其既软(低硬度、低强度)又脆(低塑性)，并需要相应的显微组织与之配合。对于合金渗碳钢，硬度一般以170～180HBS为宜，但随着含碳量降低，硬度应适当提高。其显微组织应为：由较粗晶粒(3～5级)的奥氏体形成的先共析铁素体加细片状珠光体(渗碳体片薄易破裂)为宜，而且先共析铁素体大小和珠光体层间距离应基本相同。此外，当先共析铁素体呈网状或断续网状时，钢料的拉削和切齿加工性能更好，然而要获得这样的硬度和显微组织，钢件不经过正确的预先热处理是不行的。
( L0 q+ j; C; S　　2.钢的正火组织、硬度与渗碳淬火的变形
　　齿轮的设计结构尺寸、材料、锻造、预处理、机加工及热处理显微组织与应力分布所导致的变形都会影响成品齿轮的精度，明显的变形量产生于渗碳淬火冷却过程中。由于变形引起的齿轮几何形状的变化，实质上是产生噪声和局部应力集中的根源，这使其使用寿命降低。而且对于大多数汽车渗碳钢件，渗碳淬火后一般不进行磨削加工，其渗碳淬火后的变形直接影响到装配总成的最终质量，因此渗碳零件热处理时的变形必须严格控制。影响渗碳钢件变形的因素很多，主要有如下几个方面：零件形状；材料(钢种、淬透性等)；锻造；毛坯热处理；机械加工；渗碳淬火规范。对于大量生产的汽车零件，在影响渗碳钢件变形的诸多因素中，人们的注意力往往集中在渗碳淬火方面，而最易忽视的是锻坯的预先热处理———正火。在实际生产中常常出现的零件渗碳淬火后变形过大现象，往往是由于预先热处理不当引起的。变形的表现形式是多样的，但就其产生根源，可分为内应力(热应力和组织应力)造成的应力塑性变形和比体积变化引起的体积变形(即体积容变形)。由于渗碳淬火前后钢件的显微组织不同，而不同的显微组织的比体积是不同的，因而钢件渗碳淬火后的体积必然与渗碳淬火前不同。不同的体积变化，对于厚薄不均的零件又会引起形状变化。但是只要掌握其尺寸变化规律，通过控制切削加工前留好的预变形量，就可以使零件渗碳淬火后少量变形甚至不变形。|MechNet|欢迎登陆中国机械专家网www.MechNet.com.cn
+ b0 U$ b" N: o, P* \$ r2 \' Q三、锻造毛坯等温正火对切削加工及渗
　　碳淬火后奥氏体晶粒度、变形的影响齿坯采用等温正火，能够对相变进行控制，即齿坯奥氏体化后，迅速冷却到A1以下的珠光体相变温度等温，使相变在等温温度下进行，由于等温正火能够有效地控制冷却时的相变，使相变在等温温度下进行，避免了带状组织超差，非平衡组织(α- Fe魏氏体组织、贝氏体组织、马氏体组织)的出现，为切削加工及渗碳淬火做了组织和性能上的准备。
2 ^9 w, [% X$ Y3 d: M( r" L7 K  U　　1.等温正火对切削加工的影响
8 s: E& {. P7 r2 Q3 x5 V　　钢件的切削加工性能对于大批量、连续化、多刀切削生产的汽车制造至关重要。如前所述，钢件的切削加工性能主要取决于其力学性能和显微组织，而力学性能又受显微组织的影响，普通正火因其奥氏体化后在空气中连续冷却，使其冷却慢的部位容易形成铁素体带和珠光体带相互交错的带状组织。这类组织热处理变形大，带有各向异性，影响加工表面的粗糙度，冷却快的部位容易形成粒状贝氏体组织、增加毛坯的硬度，不利于零件的加工，并对其后的热处理变形产生影响。由于等温正火较普通正火能够有效地避免贝氏体组织，带状组织等非正常组织的出现，能够有效地控制正火后的硬度，满足160～180HBS的硬度要求。因此，等温正火处理的钢件切削加工性能较普通正火大大提高。
　　某厂于2001年1月份研制了等温自动正火线，将锻造毛坯的普通正火改为等温正火。锻造毛坯采用等温正火处理后，我厂下工序底盘厂钢件的切削加工性能明显提高，在产量提高的情况下，2001年全年刀具消耗较2000年降低1/3，且提高了零件加工精度，降低了废品率，降低了零件表面粗糙度。
2.等温正火对渗碳淬火后奥氏体晶粒度的影响
2 F4 V- q8 O7 L, l% y0 B3 h　　实施利用锻造余热等温正火工艺，需要解决钢件停锻后奥氏体晶粒粗大且在冷却时不能细化、而在渗碳后又必须具有细小的奥氏体晶粒的问题，需对锻造余热等温正火渗碳淬火后的奥氏体晶粒大小进行测定。将经锻造余热等温正火炉处理的22CrMo试样放入坩埚中，以石墨粉作保护剂，放入加热炉，模拟渗碳加热，重新加热到930℃，保温90min，而后淬火冷却。经抛光后用60℃的含有0.5%～1%烷基璜酸盐苦味酸饱和水溶液腐蚀，测定奥氏体晶粒大小(热蚀法)。同时将模拟锻后直接淬火处理的试样也用热蚀法腐蚀，测定奥氏体晶粒度，即为渗碳淬火前原始奥氏体晶粒度。锻造余热等温正火处理的试样经渗碳淬火后的晶粒大小与原始晶粒比较，晶粒显著细化，晶粒度可达9级以上，而原始晶粒度达3级左右。
　　由此可以得出，经锻造余热等温正火获得的粗大铁素体+珠光体组织，在后序渗碳加热时可以重新细化，获得细小、均匀的奥氏体晶粒。研究证明，加热原始组织为有序粗晶粒组织(非平衡组织马氏体、贝氏体等)时，可能导致形成的奥氏体晶粒与原始组织晶粒相同的形状、大小和取向，出现组织遗传现象。而加热原始组织为等轴状先共析铁素体和珠光体的平衡组织时，粗大晶粒的性质发生根本性改变，可以使晶粒重新细化。
　　3.等温正火对零件渗碳淬火后变形的影响
　　对选用22CrMo钢制造的汽车后桥减速器从动锥齿轮分别进行普通正火与等温正火处理，经机械加工及渗碳淬火后，比较零件变形情况。在对比变形试验中，保证每种零件的机加工艺及热处理渗碳淬火工艺相同，从而对比普通正火与等温正火对零件变形的影响。后桥减速器从动锥齿轮变形要求为:平面度≤0.10mm，椭圆度≤0.08mm。各随机抽样100件成品零件进行测量，预处理为普通正火的零件变形分布规律；预处理为等温正火的零件变形分布规律。
4 I" N7 {' k  S- r+ C8 s! m, h　　以后桥减速器从动锥齿轮为例进行变形分析，在预处理为普通正火的成品零件中随机抽样100件，椭圆度、平面度超差的不合格零件，共29件，其变形符合要求的合格品率为71%。无论是内孔变形还是平面变形，其变形数据集中在上限比例偏高，占60. 7%，变形数据在下限比例仅占10%～15 %，而且样本极差偏大，样本均值偏技术要求上限。由此可见，预处理为普通正火的零件，渗碳淬火后其变形统计数据的分布不是一个合理的分布，数据离散程度较大。在预处理为等温正火的成品零件中随机抽样100件，椭圆度、平面度不合格零件共2件，其变形符合要求的合格品率为98%。内孔、平面变形数据比较集中，变形数据的85 %～90 %落在中下限，而且样品极差和均值也比较小。由此可见，预处理为等温正火的零件，渗碳淬火后其变形统计数据的分布比较合理，概率密度曲线近似正态分布。
四、结语
　　( 1)合金渗碳钢锻造毛坯的普通正火，由于其相变是在一个温度区间内连续进行，其奥氏体转变无法控制。等温正火能有效控制冷却时的相变，使相变在等温温度下进行，能够获得均匀一致、满足要求的显微组织及硬度。
　　( 2)利用锻造余热等温正火，粗大的奥氏体晶粒形成的平衡组织(铁素体加珠光体)，在后序渗碳加热时可以重新获得细小均匀的奥氏体晶粒。
9 y$ M4 c/ I% \$ ^8 L: ]+ u! g9 \　　( 3)由于等温正火较普通正火能够获得均匀一致需要的显微组织和硬度。预处理采用等温处理的零件，能够可靠地获得良好切削加工性能和稳定的淬火变形规律。
5 }5 x1 _" \" R- U6 r+ n　　( 4)采用锻造余热等温正火，能够大幅度地降低成本和提高产品质量，具有显著的经济和社会效果。