熱處理工藝對合金滲碳鋼件加工表面的影響

王 敏，郭淑蘭，徐學東

（長春工程學院 機電學院，吉林 長春 130012）

0 引言

為了改善鋼件的切削加工性能通常多會采用正火的處理方式，而正火處理一直存在組織不夠均勻、加工性能不夠理想等問題，且在隨后的滲碳淬火中還會出現其他問題。汽車齒輪是重要的滲碳鋼件，在熱處理過程中它的變形受鍛造預先熱處理、形狀等多種因素的影響，故熱處理是齒輪質量控制的關鍵因素之一［1］。目前國內齒輪鍛造毛坯熱處理采用正火和等溫退火的較多，普通正火的設備及工藝比較簡單，操作方便，但是由于得不到均勻的組織、硬度波動范圍大，正在逐漸被等溫退火取代［2］。在國外，齒輪鍛造毛坯常采用等溫退火的處理方式，處理后可以獲得均勻的組織，避免帶狀組織出現，以減少變形，提高加工精度。但是等溫退火需要重新加熱，不夠經濟，所以本文考慮一種新的熱處理方式——鍛造余熱等溫正火，在改善鋼件切削加工性能的同時，減小殘余應力引起的變形，節約能源以降低生產成本。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗用鋼為常用低合金20CrMoH，其化學成分如表1所示［3］。

表1 20CrMoH鋼的化學成分（質量分數） %

1.2 實驗方法

將一組試樣在加熱爐中加熱到950℃，保溫1h空冷進行正火處理；另一組試樣采用鍛造余溫正火處理，實驗中將試樣加熱至1 000℃，保溫1h，緩冷至850℃ ，然后風冷至630℃放入等溫爐中，轉變完成后進行空冷。

試樣拋光后用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在Nikon EPIPHOT 300型光學顯微鏡下進行試樣顯微組織的觀察。硬度測試在HB－3000型布氏硬硬度試驗機上進行。表面輪廓測試用WYKO公司生產的RST500型非接觸光學輪廓儀進行。

2 實驗結果的分析與討論

2.1 組織形貌分析

圖1為正火試樣顯微組織，圖2為鍛造余熱等溫正火試樣顯微組織。

圖1 正火試樣顯微組織

圖2 鍛造余熱等溫正火試樣顯微組織

由圖1可見，正火試樣的顯微組織為粒狀貝氏體＋珠光體及鐵素體，形成這種組織的原因是由于鋼的含碳量（質量分數）在0.17%～0.23%之間，屬于亞共析鋼，在奧氏體化后冷卻過程中，先共析鐵素體首先要析出；剩余奧氏體接近共析成分，在冷卻過程中形成片狀珠光體；產生貝氏體是由于正火冷卻速度比較快，而過冷奧氏體又比較穩定，在空冷過程中來不及發生珠光體轉變的奧氏體在接下來的冷卻中發生了貝氏體轉變。

由圖2可見，鍛造余熱等溫正火的微觀組織是鐵素體＋珠光體，形成這種組織是由于鍛后余溫為1 000℃左右，試樣完全奧氏體化，在隨后的冷卻過程中速度緩慢，至630℃放入等溫爐中完全轉變，這一轉變溫度剛好與珠光體的轉變溫度吻合，所以在轉變過程中除了先共析鐵素體之外，并沒有貝氏體生成。

2.2 硬度分析

表2為20CrMoH鋼熱處理后的硬度值。

表2 20CrMoH鋼熱處理后的布氏硬度值

由表2可見，兩組試樣的硬度值有所差別，正火試樣硬度值較高而且各部分差別也較大；鍛造余熱等溫正火試樣硬度值相對較小，而且試樣各部分硬度均勻差別不大。這是由于正火試樣由于冷卻速度較快，轉變過程中得到了粒狀貝氏體，另外較快的轉變速度導致了珠光體的各片層間距差別較大，所以造成了硬度不均勻。鍛造余熱等溫正火由于冷卻速度較慢，等溫轉變完全，獲得的是鐵素體＋珠光體的平衡組織，而且珠光體片層間距均勻細小，所以表現在硬度上是各處比較均勻。

2.3 表面輪廓的測量與分析

圖3為正火試樣表面變形云圖，圖4為鍛造余熱等溫正火試樣表面變形云圖。

圖3 正火試樣表面變形云圖

由圖3和圖4可見，兩種試樣表面都發生了變形，鍛造余熱等溫正火的波峰與波谷差值在50nm～70 nm之間，而普通正火的差值約為105nm。產生這一結果的原因主要是采用不同的熱處理工藝，形成不同的顯微組織，導致硬度不同而致。正火試樣在冷卻過程中，冷卻速度較快，得到了非平衡組織鐵素體＋珠光體＋粒狀貝氏體，粒狀貝氏體的M/A（馬氏體和奧氏體）小島和珠光體加鐵素體組織之間存在著較大的結構和相界間應力，在切削加工后得到釋放，造成了平衡組織和非平衡組織之間較大的表面變形量［4］。而鍛造余熱等溫正火試樣加熱溫度高，完全奧氏體化后先緩冷，然后再630℃進行等溫轉變，直到轉變完成才進行空冷，所以最終獲得的是鐵素體＋珠光體的平衡組織。而且由于轉變速度慢，轉變充分，珠光體片層間距均勻，試樣各處組織、硬度均勻，強度韌性配合較好，因而加工后，表面變形比正火要小得多，表面光潔度較高。

圖4 鍛造余熱等溫正火試樣表面變形云圖

3 結論

（1）20CrMoH鋼經正火后組織為鐵素體＋珠光體＋粒狀貝氏體，鍛造余熱等溫正火后組織為鐵素體＋珠光體。

（2）正火后硬度值較大且不均勻，鍛造余熱等溫正火硬度值在HB175左右，且分布均勻，適合加工。

（3）正火試樣切削加工后表面變形量較大，鍛造余熱等溫正火試樣加工后表面變形小，光潔度高。

［1］彭俊，周述積，沈建一.兩種汽車滲碳齒輪新材料的預備熱處理工藝探討［J］.熱處理設備與技術，2006（3）：55－57.

［2］徐德惠，牟宗山.汽車齒輪鍛造毛坯預熱處理工藝改進［J］.工具技術，2001（12）：43－46.

［3］束德林.金屬力學性能［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［4］季長濤，董懷雨，王淮，等.正火顯微組織對汽車齒輪鋼加工表面微變形的影響［J］.機械工程學報，2008（8）：238－241.