勻速冷卻介質(zhì)在齒坯預(yù)先熱處理中的應(yīng)用

左永平

(南京科潤工業(yè)介質(zhì)股份有限公司，江蘇南京 211100)

目前齒輪熱處理變形是裝備制造業(yè)最主要的技術(shù)難題之一，會大幅增加后續(xù)磨齒的成本，影響最終裝配精度和服役噪音。齒輪變形控制是個系統(tǒng)工程，有時僅僅通過熱處理裝備和熱處理工藝并不能有效解決，需要各個工序環(huán)節(jié)進(jìn)行有效配合。簡單的講變形是由于工藝控制過程的很多“不均勻”的因素導(dǎo)致。如冶金成分不均勻，熱前組織(預(yù)處理)不均勻，受力不均勻(機(jī)加應(yīng)力、自重力)，加熱不均勻，冷卻不均勻等。這些“不均勻”的因素導(dǎo)致組織轉(zhuǎn)變的同時性變差，各種應(yīng)力分布不均，最終導(dǎo)致產(chǎn)品的變形難以有效控制。

齒坯滲碳前的組織均勻性往往被行業(yè)所疏忽，普遍存在帶狀組織和表層粗大混合組織(貝氏體、鐵素體和珠光體)的問題。這種“不均勻”的組織狀態(tài)具有遺傳性，會貫穿于熱處理的整個過程，對于產(chǎn)品的質(zhì)量及服役壽命產(chǎn)生極大的危害:

1)造成產(chǎn)品力學(xué)性能具有明顯的各向異性，如橫向和縱向的強(qiáng)度具有較大的差距;

2)沖擊韌性較差，在惡劣的服役環(huán)境下產(chǎn)品壽命較差;

3)帶狀偏析作為一種“不均勻”的因素，導(dǎo)致在加熱和冷卻過程中組織轉(zhuǎn)變的均勻性較差，從而增大熱處理變形的傾向;

4)表面硬度散差大，機(jī)加工性能差，導(dǎo)致刀具使用壽命短，不利于干切技術(shù)推廣。

1 原因分析及控制冷卻方法

常見的帶狀組織缺陷本質(zhì)上是由于鑄造成型過程中的枝晶偏析引起的，該顯微偏析在軋制或鍛造成型過程中沿軋制方向遺傳下來，這種帶狀組織在冶金上稱之為“一次帶狀”。這種帶狀偏析可通過提高終鍛溫度、增大鍛造比、擴(kuò)散退火等方法來減輕或避免［1－3］。

鍛后冷卻過程中，當(dāng)溫度在Ar3～Ar1二相區(qū)之間時，鋼的顯微組織為先共析鐵素體和過冷奧氏體。鋼中一般均含有一定量的 Mn、Cr、Ni、Mo等元素，這些元素均能顯著增加過冷奧氏體在珠光體區(qū)的穩(wěn)定性，增長了相變孕育期，也減慢了珠光體的形成速度，但對先共析鐵素體的析出速度影響較小。當(dāng)從高溫狀態(tài)下冷卻時，先共析鐵素體優(yōu)先在相當(dāng)于較純的原枝晶干部位的奧氏體晶界析出，同時碳向周圍的奧氏體區(qū)擴(kuò)散。溫度越高、冷卻速度越慢，碳擴(kuò)散越充分，擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)，所以形成的鐵素體條帶明顯。這個過程在奧氏體化后的冷卻過程中發(fā)生，冷卻越慢，先共析鐵素體轉(zhuǎn)變越充分，碳元素分布越不均勻，帶狀組織越嚴(yán)重，這類帶狀就是“二次帶狀”。存在帶狀偏析的工件，在常規(guī)熱處理過程中碳和合金元素的奧氏體均勻化是相當(dāng)困難的，例如碳的均勻化需要950℃以上，而合金元素則需要1100℃以上，可見常規(guī)的熱處理方式根本無法解決帶狀偏析的問題［3－4］。

目前鍛后冷卻方式有兩種:一是采用沙冷、坑冷、空冷等粗放式的冷卻方式，兩相區(qū)冷卻速度相對緩慢，易造成帶狀組織的惡化和晶粒粗大等缺陷，嚴(yán)重影響熱處理后的最終力學(xué)性能;同時容易獲得或部分獲得馬氏體、貝氏體、魏氏體組織，表面硬度較高且散差大，不利于切削加工，典型組織如圖1所示。二是采用強(qiáng)制風(fēng)冷方式(如等溫正火)，但同時存在冷卻均勻性差的問題，使其鍛坯表層的組織不均勻。主要是上述冷卻方式不能保證同爐不同工件和同一工件不同截面冷卻的均勻性，工件迎風(fēng)面和背風(fēng)面冷卻性能對比如圖2所示。風(fēng)速越快，冷卻的均勻性就越差，只能通過減少裝爐量和增加工件的間距來改善。同時風(fēng)冷速度對于鍛坯的表面溫度非常敏感，隨著表面溫度的降低而迅速降低，不能保證冷卻的均勻性。此外，因?yàn)榭諝獾臒崛菪。L(fēng)溫的波動，風(fēng)溫高低對于風(fēng)冷速度的影響會進(jìn)一步惡化冷卻均勻性。

圖1 常見帶狀組織及粗大混合組織Fig.1 Common banded structure and coarse mixed structure

目前在冶金行業(yè)控軋控冷技術(shù)(TMCP)已經(jīng)應(yīng)用得非常成熟，其核心目的是晶粒細(xì)化和細(xì)晶強(qiáng)化，切斷組織遺傳。其中控制冷卻的原理特別值得借鑒，其過程是精確控制高溫?cái)U(kuò)散和相變過程。工藝過程原理如圖3所示。

一般把鍛(軋)后控制冷卻過程分為三個階段，稱為一次冷卻、二次冷卻、三次冷卻(空冷)，這三個冷卻階段中冷卻目的和要求是不同的［7］。

一次冷卻為從終軋溫度開始到變形奧氏體向鐵素體開始轉(zhuǎn)變溫度Ar3溫度范圍內(nèi)的冷卻控制，即控制冷卻的開始溫度、冷卻速度及終止溫度。這一階段是控制變形奧氏體的組織狀態(tài)，阻止奧氏體晶粒長大，固定因變形引起的位錯，降低相變溫度，為相變做組織上的準(zhǔn)備。

圖2 工件迎風(fēng)面和背風(fēng)面冷卻性能對比(ISO9950測試標(biāo)準(zhǔn))Fig.2 Cooling characteristic compsrison of winward and leeward(ISO09950 testing standard)

圖3 控軋控冷原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of controlled rolling and controlled cooling

二次冷卻為從相變開始溫度Ar3到相變結(jié)束溫度范圍內(nèi)的冷卻控制。主要是控制鋼材相變時的冷卻速度和停止控冷的溫度，即通過控制相變過程，保證鋼材快冷后得到所需要的金相組織和力學(xué)性能。對低碳鋼、低合金鋼、微合金化低合金鋼，軋后一次冷卻和二次冷卻可連續(xù)進(jìn)行，終了溫度可達(dá)珠光體相變結(jié)束，然后空冷，所得金相組織為細(xì)鐵素體和細(xì)珠光體及彌散的碳化物。

三次冷卻(空冷)，是相變后至室溫范圍內(nèi)的冷卻［7］。

筆者認(rèn)為，為了切斷組織遺傳，保證熱前組織的均勻性，鍛后控冷和正火冷卻同樣需要嚴(yán)格控制一次冷卻和二次冷卻。傳統(tǒng)的粗放式冷卻方式會造成組織均勻性差，硬度散差大，切削加工性能差，產(chǎn)品最終的熱處理質(zhì)量分散度差。

2 勻速冷卻介質(zhì)介紹及其冷卻特性

根據(jù)控冷的基本原理，對于采用滲碳鋼的齒坯需要控制一次冷卻和二次冷卻的冷卻速度。一次冷卻通過快速冷卻降低高溫?cái)U(kuò)散，防止晶粒粗大;二次冷卻控制兩相區(qū)冷卻速度，通過快速冷卻增大先析鐵素體形核功，抑制碳和合金元素的長程擴(kuò)散從而有效預(yù)防“二次帶狀”［3－6］。為了保證冷卻速度及其均勻性，冷卻方式或冷卻介質(zhì)需具有如下特點(diǎn):

1)具有冷速可調(diào)的特點(diǎn)，根據(jù)不同的材質(zhì)及鍛坯形狀尺寸，可獲得介于淬火油和空氣之間的冷卻能力;

2)具有優(yōu)異的冷卻均勻性，保證不同工件和工件的不同部位具有一致的冷卻能力，滿足組織和硬度均勻性的要求;

3)具有較高的熱容，同時具有較低的溫度敏感性，隨著工件表面溫度的變化和介質(zhì)溫度的變化，其冷卻能力仍能保證均勻性和穩(wěn)定性。

依據(jù)上述鍛后控冷的基本要求，南京科潤工業(yè)介質(zhì)股份有限公司開發(fā)了一種以水為基的“勻速冷卻介質(zhì)”KR9988。鍛后冷卻的鍛件可直接浸入“勻速冷卻介質(zhì)”的稀釋液中，該方法操作簡單，避免了高成本的設(shè)備投入。20%KR9988與靜止空氣和淬火油的冷卻性能對比如圖4所示，不同濃度KR9988冷卻性能對比如圖5所示，20%濃度KR9988不同液溫冷卻性能對比如圖6所示。

通過圖4、圖5對比分析，勻速冷卻介質(zhì)KR9988具有介于空氣和淬火油之間的冷卻能力，20%以上濃度的冷卻能力較為穩(wěn)定，特別是500℃以上的冷卻能力幾乎一致，冷卻性能對于介質(zhì)濃度敏感性較低;同時在500℃以上，冷卻速度隨工件溫度的變化并不大，能夠保證不同溫度工件的冷卻均勻性。通過圖6對比發(fā)現(xiàn)，勻速冷卻介質(zhì)KR9988在不同液溫下冷卻性能變化不大，只有在500℃以下沸騰冷卻階段有減弱或消失的趨勢，不像自來水和PAG類水溶性淬火介質(zhì)的冷卻性能對于液溫極其敏感。

圖4 20%KR9988與靜止空氣和淬火油冷卻特性比較(ISO9950測試標(biāo)準(zhǔn))Fig.4 Cooling characteristics comparison of 20%KR9988 with still air and quenching oil(ISO9950 testing standard)

圖5 不同濃度KR9988冷卻性能對比(ISO9950測試標(biāo)準(zhǔn))Fig.5 Cooling characteristic comparison of different concentration KR9988(ISO9950 testing standard)

圖6 20%KR9988不同液溫冷卻性能對比(30、50、80 ℃，ISO9950 測試標(biāo)準(zhǔn))Fig.6 Cooling characteristic comparison of 20%KR9988 with different liquid temperature(30，50，80 ℃，ISO9950 testing standard)

綜上可見，勻速冷卻介質(zhì)的冷卻性能對于濃度、液溫、工件表面溫度變化的敏感性較低，能夠保證冷卻的均勻性和穩(wěn)定性，具有極高的工程應(yīng)用價(jià)值。可采用浸冷的方式對齒坯進(jìn)行冷卻，配合調(diào)整濃度和攪拌，可得到介于空氣和淬火油之間的冷卻能力。

3 勻速冷卻介質(zhì)在齒坯鍛后控冷和等溫正火過程中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的齒坯鍛造工藝為:鋼料經(jīng)1200～1250℃加熱鍛造成齒坯，在950～1100℃停鍛空冷到室溫，具體工藝路線見圖7。此時顯微組織多為先共析鐵素體(A)和魏氏組織鐵素體(WA)、珠光體(P)及貝氏體(B)，而且晶粒粗大(嚴(yán)重時達(dá)2～3級)，硬度較高(220～280 HB)。這種組織狀態(tài)的切削加工性能差，降低滲碳淬火后工件的力學(xué)性能，同時增大變形控制難度。所以，一般需進(jìn)行正火(或等溫正火)處理，以獲得穩(wěn)定的組織，鐵素體加珠光體，合適的硬度及均勻性以利于切削加工。

由于鍛造時停鍛后鋼件仍處于奧氏體狀態(tài)，符合正火加熱時需要奧氏體化的要求，因此國內(nèi)很多學(xué)者提出了“鍛造余熱等溫正火”工藝方法［8－10］。目前已做了大量的理論和工藝研究，能夠節(jié)約大量能源，同時理論上既有利于切削加工，還有利于齒輪滲碳淬火后的變形減小和規(guī)律穩(wěn)定［8］。

但制約該工藝方法推廣的關(guān)鍵原因之一，就是沒有合適的冷卻介質(zhì)控制鍛后的冷卻速度。勻速冷卻介質(zhì)具有比風(fēng)冷更快的冷卻能力，可以有效抑制“二次帶狀”和晶粒長大，同時具有風(fēng)冷不可比擬的冷卻均勻性等特點(diǎn)。采用勻速冷卻介質(zhì)進(jìn)行鍛后控冷，其關(guān)鍵的工藝控制方法是控制出液溫度，然后將工件放入均溫爐中進(jìn)行均溫，鍛后控冷工藝路線見圖8。即齒坯奧氏體化后，迅速冷卻到Ar1以下，在珠光體相變溫度等溫，使相變在等溫溫度下進(jìn)行，避免了帶狀組織超差，以及非平衡組織的出現(xiàn)。出液溫度的控制以表面不發(fā)生非平衡態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛驹瓌t，使心部溫度盡量降低至Ar1以下。同時可通過改變等溫溫度，調(diào)整珠光體片層間距得到期望的毛坯硬度，改善切削加工性能。

目前中小尺寸的齒坯多采用等溫正火進(jìn)行熱前預(yù)處理，特別是汽車齒輪行業(yè)應(yīng)用最為廣泛。等溫正火加熱后采用強(qiáng)制風(fēng)冷進(jìn)行冷卻，工件溫度降至600℃左右進(jìn)入均溫爐進(jìn)行等溫，并在均溫爐中完成珠光體轉(zhuǎn)變，然后出爐空冷。但對于材料淬透性差或中大尺寸的齒坯，采用強(qiáng)制風(fēng)冷不能保證冷卻能力，采用勻速冷卻介質(zhì)能有效彌補(bǔ)風(fēng)冷的不足，對于大型重載齒輪的齒坯正火更有積極意義。等溫正火控制冷卻工藝路線如圖9所示。

圖7 滲碳齒輪常規(guī)工藝路線［8］Fig.7 Conventional process route of carburized gear［8］

圖8 鍛后控冷工藝路線Fig.8 Process route of controlled cooling after forging

圖9 等溫正火控制冷卻工藝路線Fig.9 Process route of isothermal normalizing with controlled cooling

正火控冷同鍛后控冷還是有一定區(qū)別的，因正火溫度較低，對于帶狀遺傳組織的改善作用有限。但和鍛后控冷一樣都能改善組織和硬度均勻性，一是可改善齒坯的切削加工性能，有利于干切技術(shù)的推廣;二是保證組織均勻性，有利于齒輪最終熱處理變形控制。

4 小結(jié)

介紹了齒輪變形控制中“均勻性”因素的重要性，齒坯普遍存在帶狀組織和表層粗大混合組織的問題，硬度均勻性差，導(dǎo)致齒坯的切削加工性能差，對此提出了鍛后和正火加熱后采用勻速冷卻介質(zhì)快冷的工藝解決措施。

1)勻速冷卻介質(zhì)對于濃度、液溫、工件表面溫度變化的敏感性較低，能夠保證冷卻的均勻性和穩(wěn)定性，可獲得介于空氣和淬火油之間的冷卻能力。

2)通過鍛后快冷，嚴(yán)格控制一次冷卻和二次冷卻的速度，其中采用勻速冷卻介質(zhì)冷卻是一種非常有效的方法，能夠控制帶狀偏析保證熱前組織的均勻性。

3)毛坯正火后，采用勻速冷卻介質(zhì)快冷等溫的工藝，能夠保證工件組織及硬度的均勻性。一是可改善齒坯的切削加工性能，有利于干切技術(shù)的推廣;二是保證組織均勻性，有利于齒輪最終熱處理變形控制。

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