QS1927材料軟化工藝的開發和優化

王佳佳，張海英，吳先洋

（上海汽車變速器有限公司，上海 201807）

1 概述

某汽車變速器項目內輸入軸產品采用冷鍛成型工藝，在德國Schuler公司MML1250自動化冷鍛壓機生產，工藝流程共需四工位，小端花鍵位置從φ40mm擠壓至φ24.8mm，零件長度從217mm擠壓至322.8mm，最大變形量達48.75%，對材料預處理要求非常高。

圖1 產品冷鍛各工位變形工藝流程

圖2 產品冷鍛成品圖紙

該產品設計初始使用QS1927 S0-M材料[1]，該材料特性較為特殊，與SAE 5120H、S-20MnCrSH、ZF7B等常用材料相比，含C、Mn、Cr量較高，淬透性和淬硬性較高，塑性較低，冷作硬化程度較高，冷鍛過程中極易產生表面拉毛和竹節狀芯部裂紋，嚴重影響產品質量和模具壽命。

綜合材料特性和產品變形量問題，該產品在實際生產中難以滿足冷鍛成型要求。傳統預熱處理工藝常常使用球化退火工藝，該工藝生產周期長，成本高，效率低，且因過軟容易導致坯料流動過大，底部卡在模具中，造成模具損壞。而普通等溫退火使用連續推桿爐，生產連續性好，生產周期短，效率很高。所以目前較多所有冷鍛產品均使用等溫退火工藝，現場使用愛協林連續推桿爐進行生產。

圖3 冷鍛過程中外徑拉毛

圖4 芯部竹節狀裂紋缺陷

表1 綜合材料元素分析

圖5 狀態1

圖6 狀態2

圖7 狀態3

圖8 狀態4

表2 四種狀態產品處理后結果

通過多次試驗和調整，發現常規的等溫退火工藝已不能滿足產品冷鍛預處理要求。即使硬度和金相滿足產品技術要求，但產品在冷鍛過程后，通過探傷發現均存在芯部裂紋。棒料軟化過程中，晶粒細化程度取決于合金元素含量，合金元素越多，晶粒細化越困難，整體生產節拍需求更長[2]。而當晶粒越小，晶界就越多，對位錯運動的阻礙越大，硬度越高，且塑性不利于冷鍛；當晶粒未完成細化過程時，合金元素與鐵之間未形成置換固溶體和間隙固溶體，不均勻的晶粒和合金元素將導致位錯運動發生困難，且晶界應力增大，塑性越低[3]。所以，硬度高低與材料塑性和韌性之間的關系并無必然規律。

2 技術方案

（1）根據現場試制中反饋的缺陷，預處理工藝進行了四種工藝試驗（100件/每工藝）：

狀態1：由軸類等溫退火設備切換為齒類等溫退火設備，密封性更好，退火過程中冷卻速度較慢，硬度較低，晶粒較細，工藝節拍為15分鐘。

狀態2：減少高溫與等溫之間的冷卻量，根據材料CCT曲線使其形成越多的鐵素體組織，減少珠光體組織產生量，觀察其冷鍛效果，工藝節拍為20分鐘。

狀態3：延長高溫與等溫之間的冷卻量，使其快速冷卻后再進入680℃進行等溫處理，減少組織間的應力，為冷鍛變形作準備，工藝節拍20分鐘。

狀態4：減少高溫與等溫之間的冷卻量，同狀態2，減少工藝節拍為15分鐘，減少轉變時間，降低晶粒細化和均勻化程度。

（2）四種狀態產品預處理后，經過拋丸和磷皂化，進行冷鍛處理，結果如下：

圖9 狀態1 冷鍛前金相 100X

圖10 狀態2 冷鍛前金相 100X

圖11 狀態3 冷鍛前金相 100X

圖12 狀態4 冷鍛前金相 100X

根據結論發現：狀態1和狀態2的產品相比，狀態1密封性較高，硬度較低，類似球化退火組織，材料塑性過高，導致材料流動過多，模具崩壞。狀態2和狀態4的產品相比，狀態2的工藝節拍多5分鐘，組織更細，合格率更高，但鐵素體組織含量并不高。狀態3的100件產品100%合格，其晶粒較細，硬度值偏高，鐵素體組織含量相對最高。

3 結論

（1）與傳統球化退火工藝相比，棒料的等溫退火工藝更適用于低碳合金鋼的冷鍛預處理工序，對于自動化連續生產更有利、高效。QS1927材料的球化退火工序耗時長、成本高，僅鍛件變形量≥60%的產品須通過球化退火增加其材料塑性和金屬流動性，一般生產中，可使用等溫退火工藝替代傳統退火工藝，即可滿足冷鍛需求。

（2）同種等溫退火工藝，工藝節拍越長，其晶粒越細，均勻性越好，在CCT曲線上等溫溫度停留時間越長，組織轉變更完整，塑性和韌性更好[4]。對于QS 1927材料通過推桿爐進行等溫退火生產，至少應滿足5Min/mm有效厚度的奧氏體化加熱時間，10Min/mm有效厚度的等溫轉變時間，方可實現塑性和韌性的有效提升。

（3）冷鍛工藝棒料預處理中，并非硬度越低，塑性越好，其冷鍛過程就越適宜。實際生產中應充分考慮自動化生產模具的具體情況，硬度過軟可能導致產品成型后，產品在模具底部卡住，頂桿頂不出產品的情況，將導致模具壽命及自動化生產發生問題。通過現場試驗得到，QS1927材料最適宜冷鍛工藝的硬度為155HBW～165HBW，且需結合金相情況綜合分析。

（4）QS 1927冷鍛材料預處理應通過充分冷卻至600℃～700℃，后進入等溫處理。主要作用是：快速冷卻時，過冷奧氏體分解析出滲碳體時，碳原子的擴散將受到抑制，在短時間內滲碳體無法充分長大成片層結構而是直接以納米顆粒的形式彌散析出[5]。碳原子來不及擴散，可以形成較多的鐵素體組織和少量殘留奧氏體，這些組織對于冷鍛過程中的金屬流動十分有利。

（5）在先共析鐵素體組織附近存在大量的富碳區，而較多的合金元素在晶粒奧氏體均勻化過程中阻礙晶粒長大，導致預處理后整體晶粒較細，一般在8級～9級左右，較其他常用冷鍛材料更細，在外力作用下，細晶粒在金屬流動中更有利。所以在一般情況下，晶粒越細，其冷鍛塑性越好。