文/張軍改·河北東安精工股份有限公司

鍛件毛坯等溫正火常見缺陷及解決辦法

文/張軍改·河北東安精工股份有限公司

等溫正火是近年來汽車齒輪用鋼預(yù)先熱處理的一種方法，在實(shí)際操作中常常出現(xiàn)一些熱處理缺陷，給后續(xù)機(jī)加工和最終熱處理帶來不良影響。本文通過大量實(shí)踐，總結(jié)了鍛件毛坯等溫正火中常見缺陷及解決辦法。

正火和普通正火

正火是將鋼加熱到Ac3（或Accm）以上適當(dāng)溫度（一般增加30～50℃），保溫以后在空氣中冷卻得到珠光體類組織的熱處理工藝。其目的是消除或改善坯料制備時(shí)所造成的各種組織缺陷，獲得最有利于切削加工的組織和硬度，改善組織中各組成相的形態(tài)和分布，細(xì)化晶粒，為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。常用作齒輪用鋼的預(yù)先熱處理，但因其冷卻方式是在空氣中連續(xù)冷卻，珠光體類組織形成溫度跨度大，組織均勻性差，硬度離散度大，機(jī)加工性能不好，容易導(dǎo)致最終熱處理變形。因此，近年來汽車用齒輪鋼件普遍采用等溫正火作為其預(yù)先熱處理。

等溫正火是指將工件加熱到Ac3或Accm以上30～50℃，保溫適當(dāng)時(shí)間后快冷至珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)的某一溫度保溫，以獲得珠光體型組織，然后在空氣中冷卻的正火工藝。

與普通正火相比，等溫正火因其組織轉(zhuǎn)變是在恒定溫度下完成的，容易控制非平衡組織（如貝氏體）的形成，使硬度更加均勻，可獲得較理想的顯微組織，提高機(jī)加工精度，減小機(jī)加工變形，延長機(jī)加工刀具壽命，減少最終熱處理變形和開裂傾向，保證最終熱處理質(zhì)量。但是，如果等溫正火工藝參數(shù)選擇不合適，也會產(chǎn)生各種熱處理缺陷，給機(jī)加工和最終熱處理帶來不良影響。經(jīng)過多年實(shí)踐，以下我們總結(jié)出等溫正火的一些常見缺陷和解決辦法。

晶粒細(xì)碎、不均

晶粒細(xì)碎、不均缺陷如圖1所示，該缺陷常出現(xiàn)在20CrMnTi材質(zhì)中，因?yàn)檫@種材質(zhì)中含有細(xì)化晶粒的Ti元素，具有阻止晶粒長大作用。如果溫度不夠高，或保溫時(shí)間不夠長，會造成晶粒來不及長大；或部分晶粒長大，但另一部分晶粒還來不及長大。形成的主要原因是：⑴加熱溫度低；⑵保溫時(shí)間短；⑶鍛坯快速冷卻形成原始組織中有貝氏體或馬氏體等，并在正火時(shí)難以轉(zhuǎn)變所致。該缺陷可以通過提高加熱溫度、延長保溫時(shí)間來改善。

圖1 晶粒細(xì)碎、不均缺陷（100×）

粗大晶粒

粗大晶粒缺陷如圖2所示，這種組織常出現(xiàn)在20CrMo和20CrNiMo(8620R）材質(zhì)中。這種組織使材料的機(jī)加工性能變差，容易使工件在最終熱處理時(shí)產(chǎn)生變形。粗大的珠光體晶粒成因：⑴合金成分偏析和鍛造時(shí)嚴(yán)重過熱；⑵正火時(shí)在雙相區(qū)緩慢加熱；⑶設(shè)備損壞后沒有滅火，悶爐時(shí)間過長。預(yù)防措施：⑴降低鍛造溫度；⑵雙相區(qū)快速加熱；⑶正火溫度過高時(shí)縮短保溫時(shí)間，設(shè)備損壞時(shí)，可關(guān)火降溫，不要在高溫停留時(shí)間過長；⑷多次正火可消除已經(jīng)產(chǎn)生的粗大晶粒。

圖2 粗大晶粒缺陷（100×）

魏氏組織

魏氏組織如圖3所示。這種組織常出現(xiàn)在20CrMo、20CrNiMo(SAE 8620R）和SAE 8627RH材料中。它使機(jī)加工性能變差，刀具壽命降低，使最終熱處理變形不穩(wěn)定。主要原因是：⑴鍛件加熱溫度過高，鍛件在存在魏氏組織或貝氏體組織的情況下緩慢加熱，正火時(shí)風(fēng)速又過快；⑵正火的加熱溫度過高，冷卻速度過快。在合金元素偏析傾向嚴(yán)重的鋼材中容易出現(xiàn)魏氏組織。預(yù)防措施：⑴降低鍛件加熱溫度；⑵降低正火冷卻速度；⑶縮短風(fēng)冷時(shí)間，提高進(jìn)等溫爐的溫度。

帶狀組織

圖3 魏氏組織（100×）

圖4 帶狀組織（100×）

帶狀組織如圖4所示。帶狀組織是指亞共析鋼中的鐵素體和珠光體呈帶狀交替分布。帶狀組織硬度雖然不高，但由于組織的不均勻性，使金屬材料的機(jī)械性能產(chǎn)生方向性，特別是橫向塑性和韌性明顯降低，并使材料的切削性能惡化，機(jī)加工后工件表面粗糙，機(jī)加工刀具壽命下降，熱處理變形量增大。主要是因?yàn)樵牧铣煞制龌蛘饡r(shí)冷卻速度較慢造成的?？赏ㄟ^：⑴加快正火冷卻速度；⑵延長等溫正火保溫時(shí)間；⑶減少裝盤量等措施減輕帶狀組織。

枝晶組織

晶體內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為晶內(nèi)偏析或稱枝晶偏析，20CrNi3枝晶組織如圖5所示。枝晶偏析的存在嚴(yán)重影響合金的機(jī)械性能和抗蝕性，對加工工藝性也有損害。該組織多存在于合金元素含量較多、成分偏析的材料中，如20CrNi3。因等溫時(shí)間短，原子不能充分?jǐn)U散造成?？赏ㄟ^延長保溫時(shí)間，加快冷卻速度解決。

網(wǎng)狀珠光體

圖5 20CrNi3枝晶組織（100×）

圖6 網(wǎng)狀珠光體（100×）

網(wǎng)狀珠光體如圖6所示。該組織多出現(xiàn)在較大工件的心部，由于心部冷卻速度慢，原子來不及擴(kuò)散，造成成分不均勻?？赏ㄟ^延長保溫時(shí)間進(jìn)行改善。

針狀鐵素體

針狀鐵素體如圖7所示。該組織的鐵素體呈針狀，沒有形成等軸均勻分布的鐵素體和珠光體，晶?？雌饋碛辛鲃于厔?，猶如原子正在擴(kuò)散，多存在于20CrMnTi材質(zhì)中。其他材質(zhì)在加熱不充分，保溫時(shí)間不足時(shí)也會出現(xiàn)。主要是由于正火不充分，即加熱溫度低和保溫時(shí)間短造成。可通過提高加熱溫度和延長保溫時(shí)間解決。

圖7 針狀鐵素體（100×）

硬度過低

硬度過低主要是因?yàn)榈葴卣鸬睦鋮s速度太慢，入等溫爐的溫度過高，等溫爐溫度設(shè)置又較高。硬度過低使機(jī)加工表面粗糙度提高，在機(jī)加工時(shí)容易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象?？赏ㄟ^：⑴提高等溫正火的風(fēng)速；⑵降低入等溫爐的溫度和等溫爐設(shè)置溫度；⑶減少裝盤數(shù)量或改變碼放方式等辦法提高硬度。

硬度不均

硬度不均主要因?yàn)椋孩殴ぜ孛嫦嗖钐?，同一根軸上不同臺階冷卻速度不同，造成各臺階硬度差異；⑵裝盤量過多或碼放方式不合適，造成不同工件冷卻速度不均，導(dǎo)致不同工件硬度差異較大。它可降低機(jī)加工性能，縮短機(jī)加工刀具壽命，導(dǎo)致最終熱處理變形?？梢酝ㄟ^改變碼放方式來改善。

結(jié)論

通過上文探討，得到以下結(jié)論。工藝參數(shù)選擇原則：

⑴由于正火組織晶粒度大小與原始組織有關(guān)，為獲得較細(xì)的顯微組織，鍛件加熱溫度在保證其變形抗力較小的前提下不宜過高，以免在等溫正火時(shí)產(chǎn)生魏氏組織及粗大組織等。

⑵對于導(dǎo)熱性差和成分偏析的材料，在等溫正火時(shí)，一般需要延長保溫時(shí)間，但由于奧氏體晶粒長大受加熱溫度影響比受保溫時(shí)間影響要大，為防止晶粒過分長大和過熱，在延長保溫時(shí)間時(shí)，溫度選擇不宜太高。

⑶為防止魏氏組織產(chǎn)生，可降低冷卻速度和等溫溫度；為防止帶狀組織產(chǎn)生，需提高冷卻速度；為獲得合格組織，在A1以上溫度快速冷卻，在A1以下溫度緩慢冷卻。

⑷為防止工件氧化和脫碳，應(yīng)提高加熱速度。

⑸碼放數(shù)量和方式對帶狀、硬度等有很大影響。對于帶狀嚴(yán)重、硬度低的工件，可減少裝盤量，改變碼放方式，使工件得到充分冷卻。