基于中頻感應(yīng)等溫退火新工藝的汽車齒輪鍛造試驗

高振傳

(煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺 265500)

汽車的穩(wěn)定運行取決于齒輪，若齒輪存在質(zhì)量問題，可直接影響汽車的安全性。傳統(tǒng)汽車齒輪主要由常規(guī)正火方法進(jìn)行毛坯的鍛造，通過對汽車齒輪進(jìn)行常規(guī)正火處理，有利于改善汽車齒輪的切削加工性能。但是，采用常規(guī)正火方法對汽車齒輪進(jìn)行熱處理時，可使汽車齒輪的顯微組織和硬度與實際數(shù)值之間存在較大差異，要求汽車齒輪鍛造毛坯在較大的溫度范圍內(nèi)完成連續(xù)冷卻。為此，本研究提出一種基于等溫退火工藝的汽車齒輪鍛造方法，在等溫退火工藝的支持下，可有效提升汽車齒輪的質(zhì)量和性能。

1 汽車齒輪鍛造毛坯熱處理的主要作用

1.1 提升汽車齒輪的切削性能

通常情況下，汽車制造企業(yè)將大批量、連續(xù)化、多刀切削作為汽車齒輪的生產(chǎn)原則，該過程對汽車齒輪鍛造毛坯的切削加工性能要求較高，需要在汽車制造企業(yè)生產(chǎn)齒輪之前完成齒輪的預(yù)先熱處理。通過該方式即可得到均勻等軸狀的組織，該組織為鐵素體和珠光體共同組成，有利于提升汽車運行的安全性。在汽車齒輪生產(chǎn)過程中，應(yīng)最大限度地避免粒狀貝氏體等非平衡組織的出現(xiàn)，并將汽車齒輪組織的硬度控制在150～180 HB。當(dāng)采用常規(guī)正火方法對汽車齒輪進(jìn)行熱處理時，由于汽車齒輪鍛造毛坯的表面和中心冷速之間存在差異性，要求汽車齒輪鍛造毛坯應(yīng)在較大的溫度范圍內(nèi)完成連續(xù)冷卻。因此，采用常規(guī)正火方法對汽車齒輪進(jìn)行熱處理時，可使汽車齒輪的顯微組織和硬度與實際數(shù)值之間存在較大差異[1-2。

當(dāng)汽車齒輪鍛造毛坯的冷卻速度較小時，采用常規(guī)正火方法處理后，可使汽車齒輪鍛造毛坯的硬度過低、切削性能增大，同時可使刀具發(fā)生磨損現(xiàn)象；當(dāng)汽車齒輪鍛造毛坯的冷卻速度較大時，采用常規(guī)正火方法處理后，可得到汽車齒輪鍛造毛坯的局部非平衡組織，該組織可降低汽車齒輪鍛造毛坯的切削加工性能。非平衡組織實際上指的是粒狀貝氏體，粒狀貝氏體內(nèi)部包含島狀馬氏體和殘留奧氏體等組織，可使汽車齒輪的切削加工操作較為困難。在等溫退火工藝的支持下，有利于提升汽車齒輪的切削性能。

1.2 強(qiáng)化汽車齒輪組織的平衡性

采用滲碳淬火工藝對汽車齒輪進(jìn)行熱處理時，可使汽車齒輪出現(xiàn)變形現(xiàn)象。本研究為降低汽車齒輪遇高溫易變形情況的概率，在汽車齒輪鍛造毛坯熱處理后，使每個汽車齒輪鍛造毛坯的組織處于均勻狀態(tài)，汽車齒輪鍛造毛坯組織的均勻性可降低運行過程中的噪音。引發(fā)汽車齒輪鍛造毛坯出現(xiàn)變形的因素較多，如人們過于注重滲碳淬火引起的變形現(xiàn)象，而忽略汽車齒輪鍛造毛坯變形的根本原因，而導(dǎo)致汽車齒輪出現(xiàn)變形的根本原因是常規(guī)正火不當(dāng)。通過常規(guī)正火方法對汽車齒輪進(jìn)行熱處理時，由于汽車齒輪鍛造毛坯的表面和中心冷速之間存在差異性，要求汽車齒輪鍛造毛坯應(yīng)在較大的溫度范圍內(nèi)完成連續(xù)冷卻。在冷卻過程中易使汽車齒輪鍛造毛坯的組織出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，并鍛坯截面尺寸的差異性，可增大組織的不均勻性，不利于維持汽車齒輪鍛造毛坯性能的穩(wěn)定。通過對汽車齒輪鍛造毛坯進(jìn)行熱處理，可強(qiáng)化毛坯組織的平衡性[3-4]。

2 基于等溫退火工藝的汽車齒輪鍛造試驗方案

2.1 汽車齒輪鍛造試驗材料及設(shè)備

本研究為驗證等溫退火工藝對汽車齒輪鍛坯性能的影響，選用8620H鋼作為主要研究對象。在試驗開始之前，將汽車齒輪鍛坯的尺寸切割為φ128 mm×35 mm，內(nèi)孔尺寸為φ43 mm×35 mm，切割完畢的鍛坯即為試驗樣本。該試驗樣本的質(zhì)量為3.2 kg，平均每個月的產(chǎn)量為2萬件；試驗原材料為8620H熱軋圓鋼，8620H熱軋圓鋼的直徑為φ70 mm，8620H鋼的化學(xué)成分如表1所示[5-6]。

表1 8620 H鋼的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Chemical composition of 8620 H steel mass fraction

汽車齒輪鍛造試驗的過程：

(1)利用中頻感應(yīng)加熱爐對試驗樣本進(jìn)行加熱，汽車齒輪鍛坯處理完畢后，通過空氣錘將坯料取出；

(2)通過單點壓力機(jī)對坯料進(jìn)行切邊及沖孔操作，該壓力機(jī)的最大壓力為630 t，全部操作均完成后，將坯料置于輸送帶上，輸送帶的速度處于可調(diào)節(jié)狀態(tài)；

(3)利用等溫退火爐完成坯料的退火、噴丸、粗車加工以及機(jī)加工等操作，以此實現(xiàn)對汽車齒輪鍛坯的熱處理。

對汽車齒輪鍛坯進(jìn)行熱處理的過程中，汽車齒輪鍛坯硬度的要求為156～197 HB，晶粒度為5～8級，帶狀組織應(yīng)小于等于3級。汽車齒輪鍛坯的組織內(nèi)不應(yīng)包含貝氏體組織，魏氏體組織的含量應(yīng)小于等于1級[7-8]。

2.2 汽車齒輪鍛造試驗方案

等溫退火工藝的工作過程：利用中頻感應(yīng)加熱設(shè)備在最短的時間內(nèi)將下料后的棒料加熱至奧氏體區(qū)范圍內(nèi)，該過程應(yīng)保證溫度的恒定，等待奧氏體處于均勻狀態(tài)時，即可按照設(shè)定的形狀完成汽車齒輪鍛坯的出爐鍛造操作。為在該階段使原材料帶狀組織可被充分打碎，需要使汽車齒輪鍛坯通過一定的鍛造比變形量，有利于實現(xiàn)晶粒度的可控性。為保證汽車齒輪工件溫度的批量均勻性，應(yīng)利用控制工藝對終鍛的溫度進(jìn)行控制，等待汽車齒輪進(jìn)入高溫恒溫階段后，即可實現(xiàn)工件溫度的批量均勻性。最后采用冷卻方式對工件進(jìn)行持續(xù)冷卻，該階段應(yīng)實時調(diào)節(jié)傳送帶的速度，通過該方式控制工件進(jìn)入等溫爐時的溫度。通常情況下，汽車齒輪工件進(jìn)入等溫爐時的溫度應(yīng)在等溫溫度之上30～50 ℃。該工件在等溫爐內(nèi)可實現(xiàn)等溫轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變完成后再出爐冷卻，冷卻過程可在常溫環(huán)境下進(jìn)行，等待汽車齒輪工件冷卻至室溫后，表明汽車齒輪工件的基體已經(jīng)完成轉(zhuǎn)變成均勻性較高的鐵素體和珠光體組織[9-10]。

等溫退火工藝的關(guān)鍵參數(shù)：加熱溫度、冷卻速度/時間、等溫溫度；影響等溫退火工藝效果的因素包括多種類型，本研究針對不同的影響因素設(shè)計了5個工藝試驗方案。汽車齒輪鍛造試驗方案如表2所示[11]。

表2 汽車齒輪鍛造試驗方案Tab.2 Automotive gear forging test scheme

等溫退火工藝的曲線示意圖如圖1所示。

圖1 等溫退火工藝的曲線示意圖Fig.1 Schematic diagram ofthe curves for theisothermal annealing process

3 基于等溫退火工藝的汽車齒輪鍛造試驗結(jié)果與分析

由汽車齒輪鍛造試驗方案表2可以得知：

方案1為加熱溫度對試驗樣本性能的影響試驗方法。通過對試驗樣本性能的影響情況進(jìn)行分析可知，當(dāng)鍛造溫度為1 300 ℃時，可使試驗樣本的晶粒較為粗大。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因：當(dāng)鍛造加熱的溫度持續(xù)升高，并且超過試驗樣本可承受的最高溫度時，可使樣本的組織內(nèi)生產(chǎn)奧氏體粗晶粒，經(jīng)過等溫轉(zhuǎn)變操作后形成較粗晶的珠光體和鐵素體，其內(nèi)部碳化物顆粒的數(shù)量較少，晶粒形成的速度較快。試驗樣本編號1和2可成功遏制奧氏體晶粒度的粗大趨勢，更符合本研究的設(shè)計要求。為保證汽車齒輪的鍛造變形，應(yīng)將加熱的溫度控制在(1 200±50)℃[12-13]；

方案2為鍛造后恒溫溫度對試驗樣本性能的影響試驗方法。通過對試驗樣本性能的影響情況進(jìn)行分析可知，傳統(tǒng)汽車齒輪生產(chǎn)線的自動化程度較低，易影響硬度、顯微組織等參數(shù)的均勻性；而高溫恒溫階段可提升工件的均勻性，使汽車齒輪符合技術(shù)要求。但是該過程需要合理的控制恒溫溫度，最大限度地消除不利影響；

方案3為冷卻方式對等溫退火工藝的影響試驗方法，通過對試驗樣本性能的影響情況進(jìn)行分析可知，3-1試驗樣本的硬度較高；3-2試驗樣本的硬度較低。在已知試驗材料成分的情況下，等溫退火工藝的硬度由冷卻方式?jīng)Q定。冷卻方式的合理選擇，有利于實現(xiàn)試驗樣本顯微組織比例的調(diào)整，可使鍛坯的硬度符合設(shè)計要求[14-15]；方案4為等溫溫度對鍛造余熱退火的影響試驗方法。通過對試驗樣本性能的影響情況進(jìn)行分析可知，試驗編號為4-1的樣本存在貝氏體組織缺陷的問題，4-2和4-3的硬度金相為合格；但4-3樣本的硬度較低。在實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)合理地選擇過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變溫度，并保證汽車齒輪的硬度，若出現(xiàn)特殊情況時，應(yīng)犧牲部分硬度，以此保證樣本不出現(xiàn)缺陷組織[16-17]；

方案5為等溫時間對鍛造余熱退火的影響試驗方法。通過對試驗樣本性能的影響情況進(jìn)行分析可知，應(yīng)在600 ℃、60 min的條件下完成鍛坯的等溫轉(zhuǎn)變，有利于提升汽車齒輪的安全性。在汽車齒輪的實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑龃髸r間余量，可有效預(yù)防外界因素對組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的影響。汽車齒輪鍛造試驗結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表3 汽車齒輪鍛造試驗結(jié)果匯總Tab.3 Summary of automotive gear forging test results

綜上所述，合理的工藝過程可實現(xiàn)鍛造余熱等溫退火，為有效控制貝氏體缺陷組織的產(chǎn)生，可對不同的材料設(shè)置對應(yīng)的等溫溫度和等溫保溫時間。產(chǎn)品的硬度可通過調(diào)節(jié)冷卻方法及等溫溫度等因素實現(xiàn)[18-19]。合適的鍛造情況有利于實現(xiàn)汽車齒輪的鍛造余熱退火。在汽車齒輪的實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)充分結(jié)合不同的產(chǎn)品形狀的設(shè)備能力，合理地調(diào)節(jié)鍛造加熱溫度。通過等溫退火工藝對汽車齒輪進(jìn)行鍛造的關(guān)鍵在于汽車齒輪產(chǎn)品晶粒尺寸的嚴(yán)格控制[20]。

4 結(jié)語

本研究為驗證等溫退火工藝對汽車齒輪鍛造的影響情況，將選用8620H鋼作為主要研究對象。利用中頻感應(yīng)加熱設(shè)備在最短的時間內(nèi)將下料后的棒料加熱至奧氏體區(qū)范圍內(nèi)，為在該階段使原材料帶狀組織可被充分打碎，需要使汽車齒輪鍛坯通過一定的鍛造比變形量，有利于實現(xiàn)晶粒度的可控性。利用控制工藝對終鍛的溫度進(jìn)行控制，等待汽車齒輪進(jìn)入高溫恒溫階段后，可有效提升工件溫度的批量均勻性。為最大限度地避免粒狀貝氏體等非平衡組織的出現(xiàn)，采用冷卻方式對工件進(jìn)行持續(xù)冷卻。在汽車齒輪的實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)充分結(jié)合不同的產(chǎn)品形狀的設(shè)備能力，合理地調(diào)節(jié)鍛造加熱溫度。試驗樣本的各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求，可應(yīng)用于汽車齒輪的實際生產(chǎn)中。