鍛件毛坯淬火心部硬度不足的原因分析案例

文/張軍改·河北東安精工股份有限公司

在實際生產中，鍛件廠家和其客戶之間經常發生因無法判定供需雙方責任，而產生各種質量糾紛的事件，鍛件廠家認為自己供貨各項指標均合格，而其客戶在后續加工中出現某些質量問題卻找不到原因。我公司也曾發生過類似的事件，圖1是我公司為某客戶生產的汽車變速箱齒輪軸毛坯，材質為20CrMnTiH，客戶后續淬火時硬度達不到規范要求，遂對毛坯進行端淬試驗，其檢驗結果低于規范要求，則認為這是導致淬火硬度不足的原因，要求退貨。接到客戶反饋后，我們對此展開了調查，最終找到了問題的真正原因。

圖1 輸出軸毛坯

鍛件淬火硬度的影響因素

原材料

(1)材質影響。在實際生產中，因管理不善造成原材料混料，本應是合金鋼的，因混料錯用成碳鋼或其他鋼號的鋼材，致使淬火硬度不合格。還有可能在設計時，因選擇鋼材不當，使淬火硬度不能滿足預期要求。

(2)顯微組織的影響。原材料的顯微組織不均勻也會造成局部硬度不足或出現軟點。

(3)材料末端淬透性的影響。原材料末端淬透性越高，淬火硬度就越容易提高。

淬火工藝

(1)加熱溫度和保溫時間的影響。對于亞共析鋼來說，加熱溫度低（在Ac1與Ac3之間）、保溫時間不足，鋼不能完全奧氏體化，鐵素體不能完全融入奧氏體，淬火后，得到的組織為鐵素體和馬氏體，而非均勻一致的馬氏體，使硬度低于純馬氏體組織。這種現象多發于溫控裝置失靈、儀表指示出現偏差或爐溫不均勻的情況。

(2)淬火介質對于冷卻速度的影響。冷卻介質選擇不當，將影響冷卻速度，從而影響淬火硬度。冷卻能力差的介質，冷卻速度慢，奧氏體在冷卻過程中轉化為珠光體類組織，得不到馬氏體，使工件硬度降低。一般水比油冷卻能力強，油比氣冷卻能力強。

(3)淬火介質溫度對于冷卻速度的影響。冷卻介質溫度越高，冷卻速度越慢，冷卻能力越差，工件硬度越低。

(4)裝爐量及裝爐方式的影響。裝爐量越大，需要的加熱和冷卻時間越長，在加熱溫度、保溫時間和冷卻時間相同時，裝爐量越大，硬度越低。裝爐方式對加熱和冷卻能力也有較大影響，工件與工件之間間隙越大，越容易透熱和冷卻，同樣條件下，硬度會越高；工件與工件之間越密集，越不容易熱透和冷透，硬度就越低。

試驗方法

(1)原材料端淬方法的影響。如果未按國家標準進行末端淬透性試驗，或者供需雙方端淬試驗方法不同，將會影響端淬結果，甚至會因結果誤差過大，不能給淬火提供正確的參數指導，導致后續淬火工藝調整錯誤，影響淬火硬度。

(2)淬火后硬度檢驗方法的影響。不同的試驗方法，對試樣的要求不同，例如：試塊鑲嵌法適用于維氏硬度，而不適用于洛氏硬度。如果洛氏硬度使用了鑲嵌試塊，則對結果影響較大，出現誤判。另外，直接讀數和通過硬度轉化得出的結果也有較大的差異。

問題排查

原材料

(1)原材料材質。我公司使用的是客戶指定材料，不存在材料選擇錯誤。又經過對我公司和鋼材供應廠家的追溯，認為沒有混料的可能，因此，排除用錯材料的因素。

(2)原材料顯微組織。我公司產品是經過楔橫軋制和等溫正火后供貨的，楔橫軋可以細化晶粒，等溫正火可再次細化晶粒，不易出現大小晶粒問題；同時，經過抽樣檢驗，也未發現大小晶粒現象，因此，該因素也可以排除。

(3)原材料端淬。客戶反饋，取樣2件，端淬結果分別為：J9=28.3HRC和29.2HRC，不符合規范要求的J9=30～36HRC。于是我們分別進行了調查：查進廠材質單，端淬為J9=30HRC，符合規范要求；將客戶返回的一件產品送有資質的單位進行端淬試驗，結果為30HRC，符合規范要求；以往發貨材質單查驗，端淬分別為30HRC、31HRC、32HRC、33HRC等，其中30HRC的材料未反饋淬火硬度不足，說明并不一定是端淬低導致的淬火硬度不足。于是我們同原材料廠家到客戶現場進一步核查原因，經與客戶深入溝通，發現供需雙方存在差異：客戶在產品中取樣，鋼廠在原材中取樣；客戶正心取樣，鋼廠偏心取樣（見圖2、圖3）；客戶未經正火，直接淬火，鋼廠先正火再淬火；客戶加熱保溫時間40分鐘，鋼廠和標準加熱保溫時間均不低于50分鐘，這些差異再加上操作和讀數等因素，可能導致端淬結果存在差異。

圖2 正心取樣

工藝方面

(1)客戶淬火工藝。真空爐氮氣冷卻滲碳淬火，先將工件加熱到滲碳溫度960℃，然后，冷卻到淬火溫度880℃，再將工件傳送到氮氣冷卻室冷卻至室溫后取出。滲碳加熱室有測溫裝置，冷卻室沒有測溫裝置，因此無法控制工件到達冷卻室的溫度和冷卻室中冷卻介質的溫度，進而無法控制冷卻速度。

(2)工藝參數選擇依據。每批產品到貨后，未根據端淬調整淬火工藝參數，而是先試驗6件產品，合格后，按此工藝批量滲碳淬火，批量生產的裝爐量是96件。

(3)進一步與客戶交流得知，通過減少裝爐量和改變冷卻介質（將氮氣改為油冷）是可以提高硬度的，只是車間擔心增加成本，降低產量，從而減少收入。

圖3 偏心取樣

據以上分析認為存在如下問題：(1)氮氣冷卻能力差是硬度提不上去的主要原因，在這種冷卻方式下，應根據端淬高低，調整工藝參數。(2)冷卻室沒有溫控裝置，無法控制溫度和冷卻速度，可能會導致工件硬度低。(3)6件試驗品淬火和96件批量淬火需要的加熱時間和冷卻時間顯然不同，如果用同樣的工藝，勢必造成批量淬火時的硬度偏低。

試驗方法

試樣對硬度的影響。客戶進行洛氏硬度試驗時，采用的是試塊鑲嵌法，如圖4所示，即用熱壓鑲嵌法將試樣鑲嵌到樹脂中，然后再按洛氏硬度試驗方法，對試樣施加150公斤力后讀取硬度值，該做法不符合GB/T230.1規定的將試樣平穩地放在剛性支承物上的要求，洛氏硬度是通過壓痕深度讀數的，樹脂和鋼材的硬度和彈性均不同，在150公斤力的作用下，有樹脂鑲嵌塊和直接用鋼試樣產生壓痕肯定不同。

為驗證鑲嵌法的誤差，我公司用硬質樹脂墊在試樣下模擬客戶鑲嵌試樣在洛氏硬度計和布氏硬度計（模擬維氏硬度計）做了4組試驗，洛氏硬度計分別使用示值為25.5HRC和62.4HRC兩個標準試塊進行模擬試驗，共計模擬3組數據，每組數據3個位置，每個位置分別用加樹脂墊和不加樹脂墊的標準試塊打3個點，共計打點54個，整體誤差在-4～3HRC，見表1～表3。布氏硬度計用示值為201HB的標準試塊做了一組試驗，最大誤差1HB，見表4。

圖4 試塊鑲嵌法

表1 洛氏硬度試驗對比（第一組數據）

表2 洛氏硬度試驗對比（第二組數據）

由于洛氏硬度計測量第一組數據時是在硬度計停用一段時間后測量的，有些不穩定，用了一段時間后，打第二、第三組數據時，硬度計基本穩定，且均呈現出加墊硬度值低于不加墊硬度值的趨勢（誤差在10%左右）。而布氏硬度加墊與不加墊誤差很小（千分之五）。由此可以驗證，洛氏硬度計不適用于鑲嵌試塊，如果必須加鑲嵌塊，則需要先在維氏硬度上打硬度，再轉化為洛氏硬度。客戶用鑲嵌試塊直接打洛氏硬度是偏低的。

硬度轉化誤差。客戶直接用洛氏硬度計打硬度和用維氏硬度計打硬度后轉化為洛氏硬度，誤差在10HRC左右，見表5。也就是說，如果用維氏硬度打硬度后再轉化為洛氏硬度，其結果是符合規范要求的。因為維氏硬度試驗時加載力為30公斤力，比洛氏硬度的150公斤力小得多，對樹脂的影響比較小，而且維氏硬度標準GB/T4340.1規定可以用鑲嵌試塊方法進行維氏硬度試驗。

表3 洛氏硬度試驗對比（第三組數據）

表4 布氏硬度試驗對比

表5 直接用HRC讀數與HV30讀數后轉為HRC對比

原因確定

影響端淬結果的主要因素

(1)供需雙方端淬試驗取樣時機不同，一個是原材料，一個是楔橫軋產品。

(2)端淬試樣取樣位置不同，鋼廠在原材料中偏心取樣，客戶在楔橫軋后的毛坯中正心取樣。

(3)端淬工藝流程不一致。鋼廠嚴格按標準規定流程：取樣→正火→淬火→打硬度。客戶：取樣→淬火→打硬度。

(4)加熱溫度和保溫時間不一致。鋼廠加熱和保溫時間不低于50分鐘（一般1小時以上），客戶40分鐘。

影響齒輪軸淬火硬度的主要因素

(1)工件傳送過程溫降的影響。工件在滲碳爐傳送到冷卻室有一定的距離，在此期間溫度會降低，降低多少無法測量。

(2)溫度控制的影響。冷卻室沒有測溫裝置，無法控制工件初始冷卻溫度和冷卻速度，也無法控制冷卻介質的溫度。

(3)冷卻介質的影響。氮氣的冷卻速度比油和水都慢，因此在遇到端淬數值低的產品時，必須減少裝爐量，以提高冷卻速度。

(4)裝爐量的影響。用6件產品試驗的淬火工藝作為96件批量淬火工藝是不合適的，6件冷卻速度要比96件高的多。

硬度檢驗方法會對檢驗結果有影響

(1)鑲嵌試塊不能用于洛氏硬度試驗，否則影響檢驗結果，硬度整體趨勢偏低。

(2)用維氏硬度轉化為洛氏硬度比直接用洛氏硬度計檢驗結果高。

結論

(1)試樣制取時機、取樣位置、端淬工藝流程、工藝參數等均可能對端淬結果有影響，因此，供需雙方應經常對標。

(2)試塊鑲嵌后，不能用洛氏硬度計直接讀數，可用維氏硬度轉化為洛氏硬度，否則會造成誤判。

(3)滲碳淬火時，應安裝測溫裝置，確保溫度和冷速受控。

(4)滲碳淬火時，應根據原材料的端淬、裝爐量的多少、冷卻介質的冷卻能力等實時調整工藝參數。

(5)不能用試樣淬火工藝代替批量淬火工藝。