鍛造溫度對(duì)等溫正火組織的影響

郝豐林，蔣勇

1.江蘇雙環(huán)齒輪有限公司 江蘇淮安 223200

2.蘇州工業(yè)園區(qū)久禾工業(yè)爐有限公司 江蘇蘇州 215021

1 合理選擇鍛造溫度的重要性

鍛造溫度的高低對(duì)于鍛造后的組織影響很大，同時(shí)對(duì)于后續(xù)的預(yù)處理也有很大的影響[1]。始鍛溫度過高，不但氧化、脫碳嚴(yán)重，還會(huì)引起過熱、過燒，極易造成材料的組織粗大，甚至形成穩(wěn)定化過熱的粗大組織。這種組織具有遺傳性，采用正常的預(yù)處理很難消除。粗大晶粒將使鍛件的塑性和韌性降低，疲勞性能明顯下降。

終鍛溫度偏低，組織難以回復(fù)再結(jié)晶，便會(huì)形成纖維組織和帶狀組織，甚至出現(xiàn)貝氏體、馬氏體等非平衡組織，帶來組織遺傳，使后期熱處理晶粒長大不均勻，同樣會(huì)造成晶粒粗大。另外，還必須控制鍛造過程的一次變形量，以免在臨界變形量范圍內(nèi)形成粗大的晶粒組織。終鍛溫度過低，甚至使坯料在鍛造過程中開裂，或在坯料內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，致使鍛件在冷卻過程或后續(xù)工序中產(chǎn)生開裂。

鍛造溫度范圍是指始鍛溫度和終鍛溫度間的一段溫度間隔[2]。在鍛造溫度范圍內(nèi)金屬具有良好的可鍛性（足夠的塑性、低的變形抗力等）和合適的金相組織。從提高塑性和降低變形抗力出發(fā)，希望盡可能提高金屬的加熱溫度，但從保證產(chǎn)品質(zhì)量，避免加熱中產(chǎn)生缺陷出發(fā)，加熱溫度太高又不好。為了減少火次，節(jié)約能源并提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，希望終鍛溫度低些，力求擴(kuò)大溫度范圍。但是終鍛溫度過低，也會(huì)產(chǎn)生缺陷。這些因素都是相互矛盾和制約的，因此確定終鍛溫度應(yīng)全面考慮。

鍛造加工能保證金屬纖維組織的連續(xù)性，使鍛件的纖維組織與鍛件外形保持一致，金屬流線完整，可保證零件具有良好的力學(xué)性能與高的使用壽命。

合金成分越高，終鍛溫度也越高。高合金鋼種類繁多，情況比較復(fù)雜，其終鍛溫度一般較碳素鋼高得多（約100℃），主要原因是隨著溫度的降低，變形抗力劇增，而塑性變壞[3]。當(dāng)終鍛溫度過高時(shí)，鍛件的低倍有粗晶現(xiàn)象，沖擊韌度值不合格，這是由于停止鍛造時(shí)的溫度過高，晶粒度繼續(xù)長大，鍛后冷卻時(shí)出現(xiàn)非正常組織，因而降低了力學(xué)性能，尤其是沖擊韌度。

2 正火后混晶嚴(yán)重

江蘇雙環(huán)齒輪有限公司是一家專業(yè)生產(chǎn)汽車齒輪、摩托車齒輪、電動(dòng)工具齒輪、工程機(jī)械齒輪的企業(yè)。許多齒輪的毛坯都是公司內(nèi)部鍛造分廠鍛造的，內(nèi)部鍛造的優(yōu)勢是便于對(duì)鍛造過程進(jìn)行控制，提高新產(chǎn)品開發(fā)的速度，可以達(dá)到公司內(nèi)部的質(zhì)量要求。我們?cè)陂_發(fā)某廠家的減速齒輪時(shí)，在正火后發(fā)現(xiàn)混晶嚴(yán)重，基于此問題，本文對(duì)鍛造過程進(jìn)行分析并找到原因，以保證項(xiàng)目順利進(jìn)行！

3 鍛造過程分析

開發(fā)的減速齒輪，材料是20MnCr5鋼，加工流程為：鋸床下料→中頻感應(yīng)加熱→拍扁→預(yù)鍛→沖孔→碾環(huán)→電動(dòng)螺旋壓力機(jī)鍛造1→電動(dòng)螺旋壓力機(jī)鍛造2（整形）→風(fēng)冷→等溫正火。

經(jīng)過調(diào)查，始鍛溫度為1180℃±30℃，終鍛溫度為790～830℃（產(chǎn)品鍛造后毛坯顏色見圖1）。我們調(diào)查同種材料其他工件始鍛溫度差不多，而終鍛溫度達(dá)950～1000℃（產(chǎn)品鍛造后毛坯顏色見圖2）。只有終鍛溫度有區(qū)別，終鍛溫度高，正火金相合格；終鍛溫度低，正火金相不合格；難道正火金相與終鍛溫度有關(guān)？

圖1 終鍛溫度790～830℃毛坯顏色

圖2 終鍛溫度950～1000℃ 毛坯顏色

于是我們根據(jù)這種現(xiàn)象做了幾個(gè)試驗(yàn)，正火溫度客戶規(guī)范都是控制在950℃±10℃，正火溫度只能在940～950℃之間選擇。由于我公司等溫正火設(shè)備最高加熱溫度是950℃，因此我們?cè)O(shè)置最高正火溫度為940～950℃。

1）采用兩遍正火。一遍正火金相組織如圖3所示；二遍正火金相組織如圖4所示。

2）對(duì)于鍛造后的毛坯采用680℃±15℃、保溫3h后空冷，然后正火。高溫回火加正火金相組織如圖5所示。

3）提高始鍛溫度，對(duì)于鍛造后的毛坯，放入有耐火石棉包溫的保溫框（產(chǎn)品鍛造后毛坯顏色見圖6）。試驗(yàn)參數(shù)如下：始鍛溫度為1200℃±30℃，對(duì)鍛造過程進(jìn)行優(yōu)化，最終確定終鍛溫度為820～850℃。高溫鍛造，余熱退火加正火金相組織如圖7所示。

圖3 一遍正火金相組織

圖4 二遍正火金相組織

圖5 高溫回火加正火金相組織

圖6 鍛造后毛坯顏色

圖7 余熱退火加正火金相組織

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果可以看出：毛坯終鍛溫度低，毛坯顏色藍(lán)中發(fā)青，氧化皮很少；對(duì)于終鍛溫度高，毛坯呈深藍(lán)色，氧化皮很薄，均勻；對(duì)于鍛造后放入保溫桶中保溫，去應(yīng)力退火，顏色發(fā)灰，并且氧化皮較厚。二遍正火與高溫回火加一遍正火效果差不多；金相組織最好的還是適當(dāng)提高始鍛溫度，再加上余熱退火，但這種處理方式的金相組織與終鍛溫度＞950℃的差不多。

分析原因：對(duì)于20MnCr5材料，終鍛溫度在790～830℃時(shí)，終鍛溫度偏低，可能造成鍛造后的應(yīng)力沒有完全消除，再結(jié)晶不完全。本試驗(yàn)證明，終鍛溫度高對(duì)于消除鍛造應(yīng)力、再結(jié)晶效果好，可以保證正火后的金相組織。對(duì)于客戶正火規(guī)范為什么是950℃±10℃，我們對(duì)于沒有正火的產(chǎn)品采用中碳鋼正火工藝，正火溫度為890℃±10℃，正火后金相組織與終鍛溫度在950～1000℃時(shí)一樣，我們也發(fā)現(xiàn)有些產(chǎn)品毛坯是外購件，來料檢測正火金相組織、硬度、晶粒度都是合格的，但是滲碳淬火后發(fā)現(xiàn)齒輪心部組織粗大、混晶，經(jīng)過調(diào)查也是采用低于900℃的溫度正火。正火溫度高對(duì)于鍛造過程產(chǎn)生的缺陷有很好的消除作用，正火溫度低對(duì)毛坯鍛造形成的缺陷改善少，隨后在長時(shí)間滲碳過程中由于應(yīng)力釋放，造成組織異常。因此，采購毛坯時(shí)應(yīng)指定正火規(guī)范，尤其是對(duì)正火溫度的規(guī)定。

5 結(jié)束語

根據(jù)這次新品開發(fā)我們得到的經(jīng)驗(yàn)如下：

1）對(duì)于開發(fā)新品，訂購新的鍛造生產(chǎn)線，應(yīng)該保證：根據(jù)鍛造材料，提出始鍛溫度、終鍛溫度、生產(chǎn)節(jié)拍，鍛造設(shè)備廠商會(huì)根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)要求的始鍛溫度、終鍛溫度、生產(chǎn)節(jié)拍，選擇合適的鍛造方式、鍛造設(shè)備，也會(huì)根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)建議生產(chǎn)企業(yè)選擇合適的中頻感應(yīng)加熱設(shè)備。

2）根據(jù)滲碳溫度確定正火溫度，而不是只要正火檢測合格就可以，盡量選擇高溫正火。

3）終鍛溫度的高低對(duì)于隨后的正火金相組織影響很大。

由于鍛造設(shè)備的局限，開發(fā)新產(chǎn)品會(huì)遇到各種問題，只有對(duì)問題具體分析，找出變量，才能開發(fā)出合格的產(chǎn)品。