淺談齒輪鍛坯等溫正火工藝

　　正火是汽車變速器齒輪、軸類零件鍛坯預先熱處理的常用工藝。目的是為了獲得均勻、接近理想平衡狀態的組織(鐵素體和珠光體)和合適的硬度范圍(160-190HB)，以提高切削加工性和控制最終熱處理變形。但常規正火由于受設備限制采用堆裝、堆冷方式，會造成不同零件之間或同一零件不同部位的冷卻速度及其組織、應力和硬度的較大差別，導致切削加工性能惡化和熱處理變形加大，從而降低齒輪精度等級和影響齒輪的使用性能。

　　另外，隨著汽車行業中齒輪、軸類零件精度等級的提高以及Ni-Cr鋼的普及應用，采用常規正火工藝已經不能適應生產的要求，為此我們公司于2007年底進行技術改造，購進了一條等溫正火線，并于2008年六月份調試完成。在等溫正火線的調試以及試生產過程中，我們對20CrMnTiH、20CrMoH、SAE8620H等材料進行了等溫正火試驗，通過工藝試驗得出以下結論：要獲得均勻分布的組織、硬度以及良好的機械切削加工性能，主要取決于正火工藝過程中快冷、緩冷的設計和等溫溫度、時間的確定。下面做一簡單的總結回顧：

　　一、 等溫正火及其關鍵工藝參數：

　　根據常用低碳合金滲碳鋼的奧氏體連續冷卻轉變曲線，如圖1所示，從圖1中可以看出其共同特點是：奧氏體均勻化后，在隨后的冷卻過程中，由于冷卻速度的不同，正火后不同零件之間或同一零件的表面與心部組織也不相同(鐵素體與珠光體的含量比例或含有貝氏體)。要完全獲得理想均勻的鐵素體和珠光體，則對冷卻速度的限制較為嚴格，這是常規正火很難實現的。

　　等溫正火的原理是將工件加熱到AC3或ACcm以上30～50℃，保溫適當時間后，以合適的方式冷卻到珠光體轉變區域某一合適溫度，并在此溫度下保溫，使不同零件和同一零件的不同部位溫度均勻化，并在該溫度下均勻地完成鐵素體+珠光體轉變，然后在空氣中冷卻的正火工藝。

　　由于不同零件和零件的不同部位基本上是在同一溫度下完成組織轉變的，所以轉變產物及應力、硬度分布是均勻的，從而克服了常規正火過程中零件冷卻速度難以控制、零件冷卻不均勻的問題。

　　等溫正火的一般工藝過程如圖2所示：

　　從圖2中可以看出，等溫正火處理包括三個工藝區間：(1)加熱與奧氏體均勻化階段;(2)中間冷卻階段(從奧氏體化溫度冷卻至等溫處理溫度的階段);(3)等溫處理階段以及以后的空冷。

　　1、加熱與奧氏體均勻化階段：關鍵工藝參數是加熱溫度與保溫時間。

　　與常規正火相同，這一階段主要是為了消除鍛造原因引起的不良組織與缺陷，達到組織、成分均勻化，為后續熱處理獲得良好的組織與性能打下基礎。奧氏體化加熱與保溫階段的溫度選擇與常規正火的相同，一般采用920～950℃。

　　2、中間冷卻階段：這一階段無論在設備制造上，還是對整個工藝設計，都是十分關鍵的問題。關鍵工藝參數包括裝爐方式、快冷方式(包括冷風量及冷風方向)、快冷時間、緩冷方式(包括風量與風向)以及緩冷時間等。

　　對于設備制造，要考慮風冷過程中冷卻室各個部位冷卻速度的均勻性，同時應考慮能實現快冷和緩冷的結合，從而實現不同零件之間或同一零件內、外部的溫度均勻化，以便實現均勻的組織轉變，在設備的調試過程中，對于這一點我們是有深刻體會的。而對于工藝，應調整好裝爐方式與裝爐量、冷卻速度和冷卻均勻性之間的關系。這一階段是控制帶狀組織和避免非平衡組織轉變的關鍵階段。因此，在工藝上采取控制冷卻的方式即以快速冷卻方式冷卻至接近鐵素體轉變終了線，然后采用緩冷方式使得零件之間或零件的不同部位溫度均勻降至等溫溫度。

　　3、等溫處理階段：關鍵工藝參數包括等溫溫度和等溫時間。

　　等溫溫度和等溫時間應依據材料的等溫轉變曲線、裝爐量和零件的有效厚度等加以確定，應充分保證奧氏體向鐵素體和珠光體發生轉變有足夠的時間。

　　二、等溫正火應注意的幾個問題：

　　如前所述，材料的奧氏體等溫轉變曲線是制定等溫正火工藝的依據，根據上述對等溫正火中各階段關鍵工藝參數的分析，在制定等溫正火工藝時應注意以下幾個問題：

　　1、裝爐方式和裝爐量：等溫正火對零件裝爐方式和裝爐量的要求較為嚴格，主要目的是為了在中間冷卻階段獲得良好的冷卻均勻性，避免散熱的不均勻和散熱的“死角”。裝爐方式應保證通風順暢，然后根據設備的有效尺寸要求確定裝爐量。

　　2、奧氏體化溫度和時間的確定：按照常規正火溫度的一般選擇方法選擇正火溫度，對于低碳合金滲碳鋼，同時應考慮相當于或略高于滲碳(或碳氮共滲)溫度10～30℃，但是不要選擇太高的溫度，以防止實際晶粒不均勻長大的混晶或過燒組織的出現，因此一般選擇920～950℃。為了避免奧氏體化加熱時間過長，同時又保證零件表面和心部能夠達到一致的組織狀態，應考慮采用分段加熱的方法解決，附加一段860～920℃的預熱。

　　理論上講，奧氏體化保溫時間越長，組織均勻性越好，尤其是對正火后帶狀組織的改善越有利。但是我們從生產的角度來考慮，更應該注重經濟性和實用性，關注經濟效益和生產效率，根據零件的裝爐量、有效尺寸和裝爐方式分析，選擇2～4小時。對于20CrMnTiH、20CrMoH、SAE8620H等易于實現均勻化的鋼材來說，一般選擇2～3小時;而對于Ni-Cr、Ni-Cr-Mo鋼中的高Ni鋼，則為了使帶狀組織消除較好，一般奧氏體化時間應較長，可選擇3～4小時。

　　3、中間冷卻階段控制

　　為了有效實現帶狀組織的控制，又避免貝氏體組織的出現，在工藝上應合理分配速冷時間和緩冷時間，盡可能實現在速冷后，部分完成鐵素體的轉變(可以采用紅外儀測試零件的溫度，速冷后零件表面的溫度一般在700℃左右)。

　　緩冷根據材料等溫轉變曲線和不同的材料，應使零件表面的溫度控制在不同的范圍，一般略高于等溫處理溫度20～30℃。

　　4、等溫溫度和時間

　　實際生產中，可以在一定溫度范圍內，通過調整等溫溫度達到調整齒坯硬度，以適應各種機械加工的需要。

　　等溫溫度的選擇是根據材料的等溫轉變曲線和齒坯硬度、帶狀組織要求和零件的尺寸、裝爐量等來選擇，原則是選取先共析鐵素體與珠光體轉變的“鼻子”附近溫度范圍。

　　等溫時間的選擇往往根據實際生產經驗來確定。參考文獻中提出了確定等溫時間的簡單而有效的方法是：從等溫出爐的一批零件中取出一件，放在水中冷卻，然后比較等溫后和正常空冷條件的硬度，如果水冷零件的硬度明顯高于空冷零件的硬度，則說明等溫過程不足，需要延長等溫時間。

　　三、等溫正火齒坯的組織及性能要求：

　　為了保證良好的機械切削加工性能和有效實現熱處理變形穩定性的控制，齒坯等溫正火一般應達到以下要求：

　　1、等溫正火處理后，顯微組織應為均勻分布的鐵素體與珠光體，允許有少量針狀鐵素體和輕微混晶存在，但不允許存在大塊狀分布特征的鐵素體。

　　2、晶粒度為5-8級。

　　3、帶狀組織：按照GB/T13299-1991評定，應≤2級。

　　4、無貝氏體。

　　5、硬度及其均勻性：根據機械切削加工性能對材料硬度的要求，一般在160-190HB之間最佳，但從等溫正火工藝和設備能力角度考慮，一般要求156-207HB。

　　硬度均勻性：同一截面、同一毛坯件不同位置硬度差應≤8HB，不同毛坯件硬度差應≤15HB。

　　通過對多種變速器齒輪、軸類零件進行等溫正火工藝試驗，我們解決了由于齒坯組織和硬度不均勻導致的機械加工困難問題，同時也改善了熱處理變形的穩定性，降低了零件的報廢率。

　　四、結論：

　　1、等溫正火工藝的采用，實現了變速器齒輪、軸類零件齒坯質量的有效控制，從而改善了切削加工性和熱處理變形穩定性。

　　2、等溫正火工藝制定的關鍵是依據奧氏體等溫轉變曲線，合理控制中間冷卻階段快冷、緩冷速度與時間和等溫處理的溫度與時間。