鍛件毛坯等溫正火常見缺陷及解決辦法

文/張軍改·河北東安精工股份有限公司

鍛件毛坯等溫正火常見缺陷及解決辦法

文/張軍改·河北東安精工股份有限公司

等溫正火是近年來汽車齒輪用鋼預先熱處理的一種方法，在實際操作中常常出現一些熱處理缺陷，給后續機加工和最終熱處理帶來不良影響。本文通過大量實踐，總結了鍛件毛坯等溫正火中常見缺陷及解決辦法。

正火和普通正火

正火是將鋼加熱到Ac3（或Accm）以上適當溫度（一般增加30～50℃），保溫以后在空氣中冷卻得到珠光體類組織的熱處理工藝。其目的是消除或改善坯料制備時所造成的各種組織缺陷，獲得最有利于切削加工的組織和硬度，改善組織中各組成相的形態和分布，細化晶粒，為最終熱處理做好組織準備。常用作齒輪用鋼的預先熱處理，但因其冷卻方式是在空氣中連續冷卻，珠光體類組織形成溫度跨度大，組織均勻性差，硬度離散度大，機加工性能不好，容易導致最終熱處理變形。因此，近年來汽車用齒輪鋼件普遍采用等溫正火作為其預先熱處理。

等溫正火是指將工件加熱到Ac3或Accm以上30～50℃，保溫適當時間后快冷至珠光體轉變區的某一溫度保溫，以獲得珠光體型組織，然后在空氣中冷卻的正火工藝。

與普通正火相比，等溫正火因其組織轉變是在恒定溫度下完成的，容易控制非平衡組織（如貝氏體）的形成，使硬度更加均勻，可獲得較理想的顯微組織，提高機加工精度，減小機加工變形，延長機加工刀具壽命，減少最終熱處理變形和開裂傾向，保證最終熱處理質量。但是，如果等溫正火工藝參數選擇不合適，也會產生各種熱處理缺陷，給機加工和最終熱處理帶來不良影響。經過多年實踐，以下我們總結出等溫正火的一些常見缺陷和解決辦法。

晶粒細碎、不均

晶粒細碎、不均缺陷如圖1所示，該缺陷常出現在20CrMnTi材質中，因為這種材質中含有細化晶粒的Ti元素，具有阻止晶粒長大作用。如果溫度不夠高，或保溫時間不夠長，會造成晶粒來不及長大；或部分晶粒長大，但另一部分晶粒還來不及長大。形成的主要原因是：⑴加熱溫度低；⑵保溫時間短；⑶鍛坯快速冷卻形成原始組織中有貝氏體或馬氏體等，并在正火時難以轉變所致。該缺陷可以通過提高加熱溫度、延長保溫時間來改善。

圖1 晶粒細碎、不均缺陷（100×）

粗大晶粒

粗大晶粒缺陷如圖2所示，這種組織常出現在20CrMo和20CrNiMo(8620R）材質中。這種組織使材料的機加工性能變差，容易使工件在最終熱處理時產生變形。粗大的珠光體晶粒成因：⑴合金成分偏析和鍛造時嚴重過熱；⑵正火時在雙相區緩慢加熱；⑶設備損壞后沒有滅火，悶爐時間過長。預防措施：⑴降低鍛造溫度；⑵雙相區快速加熱；⑶正火溫度過高時縮短保溫時間，設備損壞時，可關火降溫，不要在高溫停留時間過長；⑷多次正火可消除已經產生的粗大晶粒。

圖2 粗大晶粒缺陷（100×）

魏氏組織

魏氏組織如圖3所示。這種組織常出現在20CrMo、20CrNiMo(SAE 8620R）和SAE 8627RH材料中。它使機加工性能變差，刀具壽命降低，使最終熱處理變形不穩定。主要原因是：⑴鍛件加熱溫度過高，鍛件在存在魏氏組織或貝氏體組織的情況下緩慢加熱，正火時風速又過快；⑵正火的加熱溫度過高，冷卻速度過快。在合金元素偏析傾向嚴重的鋼材中容易出現魏氏組織。預防措施：⑴降低鍛件加熱溫度；⑵降低正火冷卻速度；⑶縮短風冷時間，提高進等溫爐的溫度。

帶狀組織

圖3 魏氏組織（100×）

圖4 帶狀組織（100×）

帶狀組織如圖4所示。帶狀組織是指亞共析鋼中的鐵素體和珠光體呈帶狀交替分布。帶狀組織硬度雖然不高，但由于組織的不均勻性，使金屬材料的機械性能產生方向性，特別是橫向塑性和韌性明顯降低，并使材料的切削性能惡化，機加工后工件表面粗糙，機加工刀具壽命下降，熱處理變形量增大。主要是因為原材料成分偏析或正火時冷卻速度較慢造成的。可通過：⑴加快正火冷卻速度；⑵延長等溫正火保溫時間；⑶減少裝盤量等措施減輕帶狀組織。

枝晶組織

晶體內化學成分不均勻的現象稱為晶內偏析或稱枝晶偏析，20CrNi3枝晶組織如圖5所示。枝晶偏析的存在嚴重影響合金的機械性能和抗蝕性，對加工工藝性也有損害。該組織多存在于合金元素含量較多、成分偏析的材料中，如20CrNi3。因等溫時間短，原子不能充分擴散造成。可通過延長保溫時間，加快冷卻速度解決。

網狀珠光體

圖5 20CrNi3枝晶組織（100×）

圖6 網狀珠光體（100×）

網狀珠光體如圖6所示。該組織多出現在較大工件的心部，由于心部冷卻速度慢，原子來不及擴散，造成成分不均勻。可通過延長保溫時間進行改善。

針狀鐵素體

針狀鐵素體如圖7所示。該組織的鐵素體呈針狀，沒有形成等軸均勻分布的鐵素體和珠光體，晶粒看起來有流動趨勢，猶如原子正在擴散，多存在于20CrMnTi材質中。其他材質在加熱不充分，保溫時間不足時也會出現。主要是由于正火不充分，即加熱溫度低和保溫時間短造成。可通過提高加熱溫度和延長保溫時間解決。

圖7 針狀鐵素體（100×）

硬度過低

硬度過低主要是因為等溫正火的冷卻速度太慢，入等溫爐的溫度過高，等溫爐溫度設置又較高。硬度過低使機加工表面粗糙度提高，在機加工時容易出現粘刀現象。可通過：⑴提高等溫正火的風速；⑵降低入等溫爐的溫度和等溫爐設置溫度；⑶減少裝盤數量或改變碼放方式等辦法提高硬度。

硬度不均

硬度不均主要因為：⑴工件截面相差太大，同一根軸上不同臺階冷卻速度不同，造成各臺階硬度差異；⑵裝盤量過多或碼放方式不合適，造成不同工件冷卻速度不均，導致不同工件硬度差異較大。它可降低機加工性能，縮短機加工刀具壽命，導致最終熱處理變形。可以通過改變碼放方式來改善。

結論

通過上文探討，得到以下結論。工藝參數選擇原則：

⑴由于正火組織晶粒度大小與原始組織有關，為獲得較細的顯微組織，鍛件加熱溫度在保證其變形抗力較小的前提下不宜過高，以免在等溫正火時產生魏氏組織及粗大組織等。

⑵對于導熱性差和成分偏析的材料，在等溫正火時，一般需要延長保溫時間，但由于奧氏體晶粒長大受加熱溫度影響比受保溫時間影響要大，為防止晶粒過分長大和過熱，在延長保溫時間時，溫度選擇不宜太高。

⑶為防止魏氏組織產生，可降低冷卻速度和等溫溫度；為防止帶狀組織產生，需提高冷卻速度；為獲得合格組織，在A1以上溫度快速冷卻，在A1以下溫度緩慢冷卻。

⑷為防止工件氧化和脫碳，應提高加熱速度。

⑸碼放數量和方式對帶狀、硬度等有很大影響。對于帶狀嚴重、硬度低的工件，可減少裝盤量，改變碼放方式，使工件得到充分冷卻。