汽車齒輪件的等溫正火工藝已得到了同行業(yè)的認可并取得了廣泛的應(yīng)用，但鍛件的余熱正火理論上雖有斷斷續(xù)續(xù)的研究報道，節(jié)能也非常顯著，但實際應(yīng)用上卻很少有成功的先例，并未得到廣泛的應(yīng)用。究其原因主要是鋼件在停鍛后的奧氏體晶粒比正火重新加熱的顯著粗大，擔心這種粗大晶粒會在滲碳加熱時發(fā)生組織遺傳，使零件的服役性能惡化。二是鍛件停鍛后鋼的奧氏體晶粒粗大和碳濃度分布均勻，使珠光體轉(zhuǎn)變滯后，冷卻時容易獲得馬氏體、貝氏體、魏氏體等異常組織，使切削加工性能惡化。

我司通過校企合作，自2007年成功研制出國內(nèi)第一條網(wǎng)帶式等溫正火生產(chǎn)線以來，目前鍛件余熱正火工藝在我司汽車差速器齒圈上已進行了應(yīng)用，并取得了一定的成效。本文著重敘述差速器齒圈產(chǎn)品余熱正火后的質(zhì)量情況及其后續(xù)應(yīng)用情況。

1.產(chǎn)品介紹
差速器齒圈是汽車變速箱上的一個重要零部件，有幾種產(chǎn)品規(guī)格。材質(zhì)為20CrMnTiH，每件重量在4～8kg。每種規(guī)格年產(chǎn)量約60萬件。
鍛造余熱正火工藝流程為：下料→中頻加熱（紅外測溫儀控制鍛件溫度）→粗鍛→精鍛→切邊沖孔→控制冷卻→等溫爐保溫→拋丸→轉(zhuǎn)后續(xù)粗加工。

2.余熱正火工藝質(zhì)量情況
余熱正火后，工件的正火金相、硬度、晶粒度進行了全面檢測。金相、硬度檢測部位如圖1所示。

 

                                    圖1                                                      圖2                                         圖3

鍛件余熱正火金相和等溫正火金相分別如圖2、圖3所示

為驗證余熱正火工藝的質(zhì)量情況，將余熱正火工藝與等溫正火工藝后的檢測情況進行了對比（見表1）。

表1 余熱正火工藝與等溫正火工藝后的檢測情況

檢測項目	金相組織/級	硬度HBW	晶粒度/級	帶狀組織/級	魏氏組織/級	貝氏體組織/級
技術(shù)要求	1～3（鐵素體+珠光體）	160～190	5～8	≤2	≤1	無
等溫正火工藝	2（鐵素體+珠光體）	165～170	7～8	1	無	無
余熱正火工藝	2（鐵素體+珠光體）	180～185	4～5	1	無	無

 

 

從檢測結(jié)果看，兩種工藝都滿足金相組織、帶狀組織、硬度等技術(shù)要求，魏氏組織、貝氏體組織等不良組織均未出現(xiàn)，鍛造余熱正火晶粒度要粗于等溫正火晶粒度。

為進一步驗證余熱正火產(chǎn)品對后續(xù)加工及滲碳淬火變形的影響，取10件余熱正火件與正常等溫正火工件拼裝入爐，出爐后拋丸，跟蹤產(chǎn)品的熱前加工，檢測滲碳淬火前后的齒形、齒向、累積和M值，并將所有試驗件在變速器上裝箱，進一步查看樣件裝配運行情況。

產(chǎn)品加工后滲碳前齒形、齒向及累積的檢測結(jié)果如表2所示。

 

表2  滲碳前檢測結(jié)果

標號	齒向			齒形		累積
	L	R	級別	L	R	L	R
22	-184	94	9	32	4	346	229
55	-171	102	9	29	8	222	241
0	-184	100	9	27	1	338	253
88	-184	104	9	22	-2	301	270
77	-174	99	9	23	3	297	324
44	-172	102	9	30	4	299	245
66	-187	96	9	23	-1	314	254
33	-179	105	9	27	2	519	278
11	-171	106	9	26	5	278	355
99	-176	102	9	27	4	259	375

滲碳淬火后齒形、齒向、累積的檢測結(jié)果如表3所示。

 

表3  滲碳淬火后檢測結(jié)果

標號	齒向			齒形		累積		齒向一致性
	L	R	級別	L	R	L	R
22	175	101	10	-106	-54	526	280	不合格
55	87	137	9	-160	-27	495	351	合格
0	28	49	7	-86	-52	528	305	合格
88	16	50	9	-91	-68	486	692	合格
77	22	56	8	-82	-46	440	334	合格
44	23	66	8	-73	-45	475	584	合格
66	66	88	9	-114	-51	544	498	合格
33	32	102	9	-97	-46	464	525	合格
11	40	64	8	-143	-75	462	579	合格
99	-8	57	8	-101	-62	366	518	合格

滲碳淬火前后齒形、齒向及累積變化量如表4所示。

 

表4  滲碳淬火前后變化量

標號	齒向			齒形		累積
	L	R	級別	L	R	L	R
22	359	7	0	-138	-58	180	51
55	258	35	1	-189	-35	273	110
0	212	-51	-2	-113	-53	190	52
88	200	-54	0	-113	-66	185	422
77	196	-43	-1	-105	-49	143	10
44	195	-36	-1	-103	-49	176	339
66	253	-8	0	-137	-50	230	244
33	211	-3	0	-124	-48	-55	247
11	211	-42	-1	-169	-80	184	224
99	168	-45	-1	-128	-66	107	143

熱前、熱后齒輪M值檢測分別如表5、表6所示。

 

                                            表5  熱前M值檢測                                              表6  熱后M值檢測

標號	M值				標號	M值（196.313～196.433）
	1	2	平均值			1	2	平均值
22	196.380	196.380	196.380		22	196.410	22	196.410
55	196.390	196.390	196.390		55	196.395	55	196.395
0	196.370	196.370	196.370		0	196.450	0	196.450
88	196.368	196.380	196.374		88	196.402	88	196.402
77	196.400	196.390	196.395		77	196.450	77	196.450
44	196.385	196.380	196.383		44	196.420	44	196.420
66	196.380	196.375	196.378		66	196.417	66	196.417
33	196.390	196.390	196.390		33	196.450	33	196.450
11	196.390	196.390	196.390		11	196.403	11	196.403
99	196.390	196.397	196.394		99	196.400	99	196.400

滲碳淬火后，從100倍表面滲層金相圖，500倍心部組織金相圖看，晶粒得到了進一步細化，未發(fā)現(xiàn)有粗大晶粒的組織遺傳。

所有跟蹤結(jié)果表明：

（1）余熱正火件切削加工性能優(yōu)于正常的等溫正火件。

（2）樣件熱處理前齒向、齒形均符合工藝要求，熱處理后，齒向變化最大為0.0346mm，齒形變化最大為-0.0189mm，其中標號22工件齒向級別為10級，其余均在9級之內(nèi)，齒向一致性22號左齒偏大，其他均合格，一致性合格率為95%，高于正常工件一致性數(shù)值87.5%
（3）樣件累積均符合要求，變化最大值為0.0422mm，累積最大為0.0692mm，累積合格率為100%。
（4）該批次驗證件齒形、齒向、累積變化較正常工件小，M值變化趨勢不明顯。
（5）余熱正火產(chǎn)生的粗大晶粒，在滲碳淬火后晶粒得到了細化，粗大晶粒并未產(chǎn)生組織遺傳。
（6）所有樣件在汽車變速器上裝箱，裝配全部合格。

3.產(chǎn)品質(zhì)量原因分析

由于余熱正火件正火后需成型刀具進行切削加工，因而要求正火件具有良好的切削加工性能。同時，工件加工后需經(jīng)滲碳、淬火、回火處理，因而除要求鋼件具有良好的切削加工性能外，還要求切削加工后的鍛件具有穩(wěn)定的相同的變形規(guī)律。

滲碳齒輪鋼的切削加工性能的好壞與鋼的顯微組織和力學(xué)性能有密切關(guān)系。它要求這類鋼強度低（易進刀）、脆性大（易斷屑），而且組織比較均勻，不得有過硬、過韌、過軟的大塊組成物的存在。因此齒輪鋼正火硬度要求以160～190HBW，同一零件硬度散差≤10HBW為宜；最佳顯微組織為晶粒較大（3～5級）的奧氏體形成的先共析鐵素體加珠光體。不得有貝氏體、魏氏體等異常組織出現(xiàn)。從表1的檢測結(jié)果看，本批余熱正火試驗件硬度180～185HBW，硬度均勻，金相組織均勻，沒有異常組織出現(xiàn)，晶粒度4～5級，遠粗于等溫正火晶粒度。因此，試樣件的切削加工性能，余熱正火件優(yōu)于重新加熱的等溫正火件。

齒輪鋼滲碳前后的畸變，與淬火前的顯微組織和力學(xué)性能也有一定的關(guān)系，其既影響鋼件體積變化規(guī)律，又影響切削加工后的殘余應(yīng)力。體積變化和殘余應(yīng)力較大，尤其是分布不均勻，均使淬火后的畸變加大。由于余熱正火件晶粒較粗，斷屑容易，硬度和金相組織分布均勻，因此余熱正火件切削加工后的殘余應(yīng)力低于等溫正火件。同時由于鐵素體、珠光體比容小于貝氏體，它們的體積變化遠低于馬氏體、貝氏體的體積變化，擁有平衡組織的余熱正火件，在隨后的滲碳淬火的畸變相對較小。因此余熱正火件的滲碳淬火后的變形小于正常的等溫正火件。

產(chǎn)品鍛后余熱正火，由于鍛后溫度（1000~1100℃）遠高于重新加熱的正火溫度，在高溫下停留時間長。因此余熱正火晶粒明顯粗于重新加熱的等溫正火晶粒，晶粒很難得到細化，只要余熱正火中沒有貝氏體等異常組織出現(xiàn)，粗大的平衡組織在隨后的滲碳淬火中，粗大組織不會遺傳，經(jīng)過重結(jié)晶，晶粒又會得到進一步細化。圖四、圖五中，也未發(fā)現(xiàn)有粗大的晶粒存在。因此，不必擔心余熱正火的粗大晶粒會對產(chǎn)品性能造成不良影響。但必須要確保粗大晶粒是平衡組織，即鐵素體+珠光體組織。

4.鍛造余熱正火質(zhì)量控制要點

根據(jù)產(chǎn)品形狀及材料特征，在實施鍛造余熱正火過程中，重點應(yīng)控制以下質(zhì)量要點：

（1）原材料控制

原材料的質(zhì)量嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，特別是化學(xué)成分的均勻性、低倍、偏析、帶狀等級等。因此，應(yīng)對原材料的每個爐號進行入廠理化檢驗，以確保原材料的質(zhì)量穩(wěn)定。

（2）鍛造溫度的控制

鍛造加熱溫度、終鍛溫度必須穩(wěn)定，應(yīng)保證鍛件加熱充分，工件的心表、頭尾溫差不得超過50℃。因此，必須選擇合適的中頻感應(yīng)加熱裝置，坯料的加熱運行速度、鍛造節(jié)拍必須恒定，同時，在加熱爐出料口應(yīng)安裝紅外測溫儀和三分選裝置，保證工件的鍛造溫度和終鍛溫度在工藝要求溫范圍內(nèi)。

（3）鍛后冷卻速度的控制

鍛后控制冷卻，是鍛件余熱正火關(guān)鍵。鍛件在冷卻過程中，不得有馬氏體、魏氏體、貝氏體等異常組織出現(xiàn)。因此，需嚴格控制鍛件終鍛溫度、鍛件冷卻速度、鍛件冷卻時間和最終進等溫爐的鍛件溫度（通過紅外測溫儀進行在線監(jiān)測）等工藝參數(shù)。因這些工藝參數(shù)受鍛件尺寸、鍛件結(jié)構(gòu)及鍛件重量大小的影響，因此，冷卻工藝參數(shù)不能一概而論，必須經(jīng)過大量的工藝調(diào)試，找出最適宜的工藝參數(shù)，并進行工藝固化，才能達到正火技術(shù)要求。

（4）鍛件等溫溫度和等溫時間的確定

 等溫溫度和等溫時間是余熱正火硬度和正火組織轉(zhuǎn)變的有力保證，等溫溫度越高，晶粒粗大，帶狀嚴重，等溫溫度偏低，正火硬度偏高，組織易出現(xiàn)貝氏體等異常組織。余熱正火的等溫時間，須確保正火組織轉(zhuǎn)變充分，一般在0.5~3h內(nèi)，我們的經(jīng)驗，等溫正火時間在1~1.5h比較適宜。

5.結(jié)語

（1）鍛件余熱正火，由于減少了重新加熱工序，節(jié)能效果顯著，按我司節(jié)能統(tǒng)計，每噸節(jié)電在300kW·h以上。

（2）鍛件余熱正火產(chǎn)生的粗大的平衡組織，斷屑容易，可明顯提高產(chǎn)品的切削加工性能，且粗大的平衡晶粒不會產(chǎn)生組織遺傳，對滲碳淬火工序及產(chǎn)品性能不會造成不良影響。

（3）余熱正火工件因切削性能好，機加工殘余應(yīng)力小，因此，余熱正火件的滲碳淬火變形明顯低于常規(guī)的等溫正火件。

作者：孫滿壽

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