寧波蝸牛鍛造有限公司（浙江余姚 315456）樊英鋒 何秀群

球鉸鏈是執(zhí)行機構與調節(jié)機構的連接附件。其采用了球型軸承結構，具有控制靈活、準確、扭轉角度大的優(yōu)點，因此被廣泛應用于制造業(yè)的自動控制系統(tǒng)中。在球鉸鏈鍛造成形過程中由于其鍛造比大，顯微組織中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)帶狀組織存在。嚴重的帶狀組織造成了鍛件基體金屬的各向異性，不僅使其在垂直于帶狀組織方向上的伸長率、斷面收縮率及沖擊韌度降低，還使鍛件淬火后易形成混晶組織和非馬氏體組織，使零件淬火變形傾向增大，提高了返工率和廢品率，造成了不必要的浪費。本文從熱處理兩方面討論了帶狀組織的變化情況，對減少帶狀組織、提高產(chǎn)品質量提出了幾點建議，希望對消除同類產(chǎn)品組織缺陷有些幫助。

1.材料及使用設備

本文選用35鋼鍛打的汽車球鉸鏈作為試驗對象?；瘜W成分如表1所示，由表可見化學成分均在國標要求范圍內(nèi)。將φ32mm圓鋼棒加熱鍛打成如圖1所示毛坯件，從圖1所示位置取樣進行金相組織檢驗。原材料縱向顯微組織如圖2所示，由圖可見鐵素體沿一定方向排列并呈帶狀分布特征，根據(jù)GB/T 13299—1991標準可評為2級。熱處理加熱設備有SX3-10-13型箱式電阻爐和JH812型網(wǎng)帶式加熱爐；化學成分檢測用SPECTRO MAX 光譜分析儀；金相檢測用OLYMPUS BX51M金相顯微鏡；硬度檢測用XHB－3000型數(shù)顯布氏硬度計。

表1 35鋼化學成分（質量分數(shù)） （%）

圖1 球鉸鏈鍛件示意

圖2 熱軋棒材金相組織

2.試驗及結果分析

有關資料介紹，軋制后采取“分段冷卻”技術可以有效控制鋼板中帶狀組織的形成。借鑒其經(jīng)驗，在鍛造后我們將產(chǎn)品單層散放在傳送網(wǎng)帶上并用風機吹冷，其顯微組織如圖3所示，組織為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體，有混晶出現(xiàn)，輕微魏氏組織，帶狀組織可評為0級，經(jīng)檢測硬度為201～212HBW。將鍛件在箱式電阻爐上以不同的工藝處理，其結果見圖3～圖6。在圖4中鐵素體呈明顯的條帶狀分布特征，帶狀組織非常嚴重，可評為5級，經(jīng)檢測硬度為173～174HBW。完全退火后帶狀組織非常明顯是由于在緩慢冷卻條件下，先在碳及合金元素貧化帶區(qū)域由于過冷奧氏體穩(wěn)定性較低析出了鐵素體。先共析鐵素體的析出使得多余的碳及合金元素被排向兩側，造成該區(qū)域元素濃度增高、過冷奧氏體穩(wěn)定性提高而產(chǎn)生珠光體。鐵素體和珠光體彼此交替出現(xiàn)形成明顯的帶狀組織。在圖5中退火形成嚴重帶狀組織，經(jīng)過重新加熱正火后析出的鐵素體和珠光體排列較均勻，帶狀取向不明顯。根據(jù)標準帶狀組織可評為1～2級，經(jīng)檢測其硬度為178～186HBW。完全奧氏體化后用沸騰水冷卻，樣件金相組織如圖6所示，由圖可見由于冷卻速度過快，先共析鐵素體被極大抑制，只有少量鐵素體析出呈網(wǎng)狀分布特征，在其內(nèi)部珠光體和少量托氏體均勻分布無帶狀。經(jīng)檢測其硬度為231～246HBW。

圖3 鍛造后風機吹冷

圖4 870℃×60min退火

圖5 退火+860℃×40min正火

圖6 退火＋860℃×40min沸水冷卻

由箱式電阻爐試驗可知，鍛件加熱后冷卻速度越慢帶狀組織越嚴重，反之越輕。因此，在網(wǎng)帶式加熱爐上將鍛件進行正火，顯微組織如圖7所示。由圖7可見，經(jīng)過不完全正火后殘留鍛造組織較多，且鐵素體和珠光體呈明顯帶狀分布，根據(jù)標準可評為3級。分析原因主要有3點：其一是加熱溫度明顯偏低，進入了鐵碳相圖的兩相區(qū)間，導致鍛造組織沒有轉變完全；其二是保溫時間過短，組織沒有來得及轉變徹底。箱式電阻爐是以工件進入爐膛后爐溫重新升到設定溫度為基準來計算的，實際上是保溫時間；而網(wǎng)帶式加熱爐是以工件進入爐膛到出爐的時間來計算的，實際上是加熱時間。經(jīng)過測試網(wǎng)帶爐設定60min，工件實際保溫時間約30min，明顯網(wǎng)帶式加熱爐上溫度偏低；其三是冷卻條件不同。箱式電阻爐試驗時單個工件擺放在料架上自然空冷。周圍空氣是室溫，只有20℃左右，因此冷卻速度較快。而網(wǎng)帶式加熱爐是批量生產(chǎn)，先落下的工件將周圍空氣加熱，后落下的工件在高達上百攝氏度的環(huán)境中冷卻，實際冷卻速度明顯偏低，造成鐵素體和珠光體呈帶狀析出。工藝調整后樣件金相組織如圖8所示，可見隨著加熱溫度升高和保溫時間延長，殘留鍛造組織消失。在冷卻網(wǎng)帶上加風機吹冷后鐵素體和珠光體分布較均勻，帶狀組織可評為1級，經(jīng)檢測其硬度為189～200HBW。

圖7 750℃×60min加熱空冷

圖8 860℃×80min加熱后風冷

3.討論

研究表明，帶狀組織產(chǎn)生的原因是由于在冶煉時鋼中化學元素分布不均勻，導致在鋼錠中形成了枝晶偏析，在后續(xù)加工過程中使鐵素體和珠光體成帶狀析出。許多資料均提出通過高溫擴散退火可以改善甚至消除帶狀組織，但是經(jīng)過高溫長時間加熱后組織變的異常粗大，必須經(jīng)過1～3次正火才能細化晶粒；同時高溫加熱氧化脫碳嚴重，必須提前計算并留有足夠的加工余量，才能保證工件不因脫碳層超標導致有效尺寸減少而報廢。由于工序多、周期長、能源消耗大，此種方法在工廠里并未得到廣泛應用。因此，為了徹底消除帶狀組織，應在鋼材的源頭——冶煉上下功夫，采取先進熔煉設備、熔煉方法，使鋼錠內(nèi)部各化學元素均勻分布，避免在后續(xù)加工過程中出現(xiàn)帶狀組織。在工廠實際生產(chǎn)過程中，鍛造后的產(chǎn)品應散放在網(wǎng)帶上冷卻。盡量避免鍛造后直接扔至料框中堆冷，消除形成帶狀組織的條件。對于需要調質的工件，若帶狀組織嚴重應采取降低淬火加熱溫度、提高淬火液溫度、減緩淬火液攪拌等方式和方法來防止翹曲變形甚至淬裂；對于需要正火的工件，若帶狀組織嚴重應采取加熱后風冷，以及防止產(chǎn)品堆積冷卻的方法來減緩帶狀組織形成。

4.結語

（1）消除帶狀組織的根本措施在于冶煉時保證鋼錠內(nèi)各化學元素均勻分布，盡量不形成枝晶偏析或將形成的枝晶偏析打碎，使其均勻化。

（2）鍛件加熱后采用足夠快的冷卻速度，可以減少甚至消除帶狀組織。

（3）若原材料存在嚴重帶狀組織，通過快冷減少或消除的帶狀組織，經(jīng)過加熱后緩慢冷卻又會重新出現(xiàn)。