40CrNiMo鋼鍛件退火后加工異常原因分析

孫進(jìn)晨

蘇州綠的諧波傳動科技股份有限公司 江蘇蘇州 215000

1 序言

我公司外協(xié)鍛件廠生產(chǎn)的某40CrNiMo鋼鍛件，退火后進(jìn)行粗加工時出現(xiàn)車削加工困難，出現(xiàn)廢刀現(xiàn)象。該零部件材料為40CrNiMo鋼，鍛造退火后要求硬度為90～105HRB，組織為均勻的鐵素體＋片狀珠光體。為分析出現(xiàn)加工異常的原因并防止類似情況再次發(fā)生，對出現(xiàn)異常的工件進(jìn)行了宏觀、微觀特征觀察、化學(xué)成分分析、硬度及金相組織檢測等，以判定出現(xiàn)異常的原因。

2 宏觀觀察與化學(xué)成分分析

該鍛件有效壁厚約10mm，單邊加工余量3mm左右，鍛件外觀整體光滑（見圖1a），氧化皮較輕微，車削后表面光滑，沒有明顯粗糙度增加現(xiàn)象（見圖1b）。但相同刀具車削其他批次零件可以加工50件以上，而本批次加工15件左右刀具即磨損嚴(yán)重，無法保證加工尺寸，需要更換刀具。

使用光譜儀對該批鍛件進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。從表1可看出，鍛件的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 異常鍛件的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3 硬度及金相檢測

車削異常鍛件按照圖1b所示位置進(jìn)行洛氏硬度檢測，結(jié)果見表2。隨機(jī)抽取2件車削異常零件，按圖1b所示位置進(jìn)行取樣并金相制樣，金相組織如圖2所示。將未車削鍛件按圖1a位置進(jìn)行取樣并金相制樣，觀察鍛件脫碳層深度與組織由外及內(nèi)的變化情況，結(jié)果如圖3所示。

圖2 異常零件金相組織

從表1可看出，表面硬度和截面硬度均在正常范圍內(nèi)。

從圖2可看出，金相組織在局部區(qū)域有馬氏體存在，穿插在片狀珠光體和鐵素體中。無馬氏體區(qū)域組織（見圖2a～c）主要為片狀珠光體＋鐵素體，含馬氏體區(qū)域組織（見圖2d～f）主要為片狀珠光體＋馬氏體＋鐵素體。

對未車削鍛件分別觀察表層、近表層和心部的組織結(jié)構(gòu)（見圖3a），其中表層有較嚴(yán)重的氧化皮及脫碳層（見圖3b），總深度0.5～0.8mm。在靠近表層未脫碳位置組織中含有較多馬氏體（見圖3c），靠近心部的組織中雖然也有馬氏體存在，但含量較少，主要沿偏析帶分布（見圖3d）。

正常批次零件金相組織如圖4所示。組織為均勻的鐵素體＋片狀珠光體（見圖4a、b），在零件心部由于原材料帶狀偏析遺傳，仍有部分帶狀偏析存在（見圖4c）。對比圖4a、c與圖2a，異常零件無馬氏體組織中，鐵素體＋珠光體組織分布不均，有明顯的帶狀偏析，結(jié)合圖2d，馬氏體組織也主要分布在偏析的珠光體組織中。

圖4 正常批次零件金相組織

4 微觀分析

使用顯微維氏硬度計檢測無馬氏體組織區(qū)域與含馬氏體組織區(qū)域的硬度，結(jié)果見表3。無馬氏體組織區(qū)域硬度在250HV0.1左右，但是含馬氏體區(qū)域硬度達(dá)到440HV0.1，明顯高于無馬氏體區(qū)域退火態(tài)鐵素體+片狀珠光體組織。

表3 顯微維氏硬度檢測結(jié)果 （HV0.1）

SEM照片也顯示馬氏體組織上的高硬度點(diǎn)與正常組織硬度點(diǎn)的大小有明顯區(qū)別（見圖5a、b）。另外，在馬氏體組織區(qū)域存在部分貝氏體組織（見圖5c），這與零件出爐后的冷卻速度及該區(qū)域合金元素含量有關(guān)。

圖5 含馬氏體區(qū)域金相組織

5 分析與討論

對車削異常零件的分析結(jié)果表明，車削加工困難的主要原因是：退火組織中含有的馬氏體組織形成局部高硬度區(qū)，使刀具在車削時更易磨損，出現(xiàn)加工異常情況。又因?yàn)轳R氏體組織所占比例較低，所以使用洛氏硬度計無法分辨局部高硬度區(qū)域。

經(jīng)與外協(xié)廠家溝通后了解，因設(shè)備故障，該批次零件未使用連續(xù)式推桿退火爐進(jìn)行生產(chǎn)，而是使用普通箱式爐進(jìn)行退火。退火工藝為835℃保溫8h，隨爐冷卻至600℃后出爐空冷。正常使用推桿爐的退火工藝參數(shù)為835℃保溫8h，爐冷至500℃后出爐空冷[1，2]。該批次零件使用箱式爐退火且出爐溫度較高，根據(jù)40CrNiMo鋼等溫冷卻曲線[3]，在600℃時仍有可能存在奧氏體組織。結(jié)合顯微維氏硬度及金相微觀組織推測，該批零件使用箱式爐生產(chǎn)時爐內(nèi)物料堆疊放置，箱式爐內(nèi)沒有循環(huán)風(fēng)扇，導(dǎo)致溫度均勻性較差，堆疊放置的工件內(nèi)部降溫速度慢，出爐時的實(shí)際溫度要高于600℃。

40CrNiMo鋼在＞600℃出爐時組織內(nèi)含有未轉(zhuǎn)變奧氏體，該材料淬透性較好，出爐時工件中殘留奧氏體發(fā)生空冷淬火轉(zhuǎn)變形成馬氏體組織，產(chǎn)生局部高硬度區(qū)。又因?yàn)轳R氏體組織比例較低，所以使用洛氏硬度計無法分辨出局部高硬度區(qū)域。

含有奧氏體的零件出爐后表面冷卻速度更高，因此形成了更多的馬氏體組織；內(nèi)部冷卻速度低，形成的馬氏體組織逐漸相對較少[4]，這與圖3c、d所觀察到的結(jié)果完全一致。表層含量較高的馬氏體組織形成更多的高硬度區(qū)，使刀具在車削時更易磨損，出現(xiàn)加工異常情況。心部馬氏體組織主要分布在偏析帶上，是因?yàn)槠鰩е刑己?、合金元素含量較高，提高了奧氏體的穩(wěn)定性，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的Ms點(diǎn)下降，只有冷卻到較低溫度時才會形成馬氏體或貝氏體組織[5]。

與正常批次零件組織對比（見圖4a），圖2a中鐵素體＋珠光體區(qū)域組織很不均勻且存在明顯帶狀偏析。鍛件中的帶狀組織主要是由原材料的帶狀偏析造成的，會降低零部件的力學(xué)性能，因此應(yīng)盡可能消除帶狀組織[6]。分析該異常件出現(xiàn)不均勻鐵素體＋珠光體組織的原因，可能是因?yàn)槎询B放置的零件在升溫過程中料堆內(nèi)部出現(xiàn)升溫滯后現(xiàn)象，在總時間滿足的情況下料堆內(nèi)部奧氏體化時間不足，成分均勻化不夠充分。

為驗(yàn)證所分析產(chǎn)生異常的原因是否正確，協(xié)同供應(yīng)商進(jìn)行了工藝驗(yàn)證。在同一箱式爐內(nèi)僅放置一層零件，使用異常批次退火工藝，將出爐溫度調(diào)整為500℃后進(jìn)行退火，驗(yàn)證結(jié)果顯示，出爐空冷后的零件硬度正常、組織為均勻的鐵素體＋片狀珠光體。

6 結(jié)束語

通過對車削加工異常的40CrNiMo鋼鍛件進(jìn)行分析，找出了其車削困難的原因，并結(jié)合該批次零件的生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝過程找出了造成這些原因的問題點(diǎn)，采取了一定方法進(jìn)行改善。我公司已要求外協(xié)廠家嚴(yán)禁隨意更換生產(chǎn)設(shè)備，保證工藝的正確性與完整性，并且嚴(yán)格按照硬度＋組織的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)。此后，使用連續(xù)式推桿退火爐沒有再發(fā)生過類似的質(zhì)量問題。

對使用如40CrNiMo鋼等淬透性較好的材料制備的鍛件，需合理選擇退火設(shè)備，根據(jù)退火后出爐溫度等影響其組織結(jié)構(gòu)及組織類型，嚴(yán)格控制退火過程中的溫度、時間參數(shù)，保證出爐溫度。