20CrMnTiH3 齒輪鍛件余熱正火工藝探討

文／馬鋒剛，黨軍·陜西法士特齒輪有限責任公司材料中心

本文研究了20CrMnTiH3 余熱正火工藝參數對結果的影響，不同入爐溫度、爐溫及周期時間對余熱正火后零件硬度和金相組織的影響。以及影響金相組織中異常組織和帶狀組織的因素，最終通過試驗數據選擇了一種最佳的20CrMnTiH3 齒輪類毛坯余熱正火工藝方案。

鍛造余熱等溫正火工藝是一種節能降耗、成本低廉的預備熱處理工藝方案，隨著鍛造自動化程度的增加，穩定的鍛造過程配合余熱等溫正火工藝的生產方式(見圖1)在齒輪行業逐漸被認可和廣泛使用。首先，余熱正火工藝成本低廉，只有等溫正火的五分之一；其次，設備簡單價格便宜，常見的有轉底爐和網帶爐；再次，工藝穩定性好，產品單件均勻性和整批均勻性都很好，適用于批量生產模式。

圖1 余熱正火生產線示意圖

我公司自2006 年引進自動化鍛造設備+余熱正火爐生產線，開發了8620RH 材質齒輪類鍛件的余熱正火工藝，經過長期生產實踐證明了余熱正火的穩定性和可靠性。隨著產品類型的增加，20CrMnTiH3 齒輪鍛件逐漸在自動鍛造線生產，該材料鍛件的余熱正火工藝急需開發和應用。

試驗用典型零件外形尺寸為外徑185mm，中心孔為50mm，厚度40mm，帶輪輻齒輪類鍛件毛坯，材質為20CrMnTiH3，主要化學成分如表1 所示，淬透性如表2 所示，淬透性較8620RH 材質高一些。技術要求為正火后金相組織符合GB/T 13320-2007 標準1 ～3 級，帶狀級別符合GB/T 34474.1-2017 標準0 ～3 級。不允許有貝氏體、馬氏體等異常組織存在，正火態晶粒度要求5 ～8 級。

表1 20CrMnTiH3 原材料實測化學成分(質量分數，%)

表2 20CrMnTiH3 原材料淬透性檢測結果

我公司余熱正火設備為轉底式余熱正火爐，一種為電加熱方式，一種為燃氣加熱方式。相比電加熱零件表面氧化較少，運行成本高；燃氣加熱工件表面氧化較多，但運行成本低。

工藝方案及試驗結果

鍛造余熱等溫正火工藝要點

工藝設計時，應在保證最終質量的前提下，盡量簡化工藝流程，合理利用能源，以相對較少的能源消耗來獲取最佳工藝效果。

⑴終鍛溫度控制。

成形后鍛件的溫度必須在(亞共析鋼)以上，當鍛后零件溫度波動小(鍛造加熱和鍛造過程能連續穩定控制)時可采用直接急冷的方式；當鍛后零件溫度波動較大或鍛件截面變化大時，必須增加均溫過程，即終鍛后立即進入均溫熱處理爐中進行一段時間的保溫，使急冷前的鍛件溫度均勻一致，否則會造成急冷后鍛件溫度相差大，產生異常組織(粒狀貝氏體或貝氏體組織)。

⑵急冷速度控制。

急冷是鍛造余熱等溫正火工藝的關鍵工序，急冷工序中要求鍛件有足夠的冷卻速度，其風量和風向均能調節和控制，保證鍛件快速冷卻，同時冷卻前同一鍛件和同批鍛件溫度均勻一致(或相近)。急冷的目的是通過快速冷卻來減少先共析鐵素體的量，過多的鐵素體會造成等溫正火后鍛件硬度下降。必須對急冷速度加以控制，過快的急冷速度會在鍛件組織中產生魏氏組織，一般急冷速度控制在70℃/min。例如重型載貨車變速箱齒輪材料8620RH(20CrNiMoH)，該齒輪等溫正火后要求硬度為150 ～170HBW，范圍窄，金相組織為1 ～3 級。一般規律為冷速越快組織越細，硬度越高。

⑶入爐溫度控制(急冷后溫度控制)。

急冷后必須保證鍛件溫度在珠光體轉變區，不能低于貝氏體轉變開始溫度，否則會造成組織中出現貝氏體(或粒狀貝氏體)組織；同時，如急冷后等溫溫度過高會導致先共析鐵素體量增多，組織轉變后珠光體片層間距大，造成鍛件硬度下降。鍛件急冷后等溫溫度一般控制在材料C 曲線鼻尖溫度以上50℃范圍以內，鍛件溫度通過設置在生產線上的紅外測溫儀或手持紅外測溫儀測量。

⑷等溫溫度的選擇。

等溫溫度的高低直接影響等溫正火后鍛件的硬度，等溫溫度高則硬度低，等溫溫度低則硬度高。等溫溫度一般為鍛件材料C 曲線鼻尖溫度±30℃范圍以內，鼻尖溫度最佳，具體溫度需根據鍛件的材料、形狀和尺寸大小通過試驗確定，并根據等溫正火后鍛件的硬度進行適當調整。

⑸保溫時間的確定。

余熱正火工藝中，在等溫過程中發生珠光體轉變，因此必須有足夠的保溫時間保證珠光體轉變完成，等溫時間過短會造成過冷奧氏體沒有完全轉變為珠光體，在隨后的冷卻過程中會轉變為貝氏體，造成等溫處理后鍛件硬度高、組織不合格。最常見的材料為8620RH 和20CrMnTi，最短保溫60 分鐘即可，但17CrNiMo6、20Cr2Ni4 等材質則需要180 分鐘以上。等溫時間可根據材料的C 曲線(等溫轉變曲線)進行初步確定，并根據試驗情況進行調整。

工藝方案設計

加熱溫度以典型零件為對象根據20CrMnTiH3 材質的C 曲線(見圖2)“鼻尖”溫度+淬透性值，與目前成熟的8620RH 材質余熱正火工藝對比，設計了20CrMnTiH3 材質的兩種工藝加熱溫度——660℃和680℃，保溫時間90 分鐘，分別用兩個極限入爐溫度范圍測試熱處理結果，即740 ～750 ℃和650 ～660℃兩個入爐溫度范圍。

圖2 20CrMnTiH3 材質的C 曲線

入爐溫度以典型零件為對象設計四種入爐溫度試驗方案，方案覆蓋20CrMnTiH3 材質的C 曲線“鼻尖”溫度660℃以下和650 ～750℃之間4 個溫度范圍(740 ～750℃，710 ～720℃，680 ～690℃，650 ～660℃)；測溫位置都統一在內孔部位。

結果及分析

從試驗數據(見表3)分析：只要入爐溫度合適，660℃和680℃都能獲得合格的正火組織和硬度，但選擇較低的保溫溫度既能防止帶狀組織加重，又節約加熱能耗。

表3 不同保溫溫度試驗數據統計

在確定保溫溫度后繼續進行了不同入爐溫度的對比試驗，結果(見表4)顯示入爐溫度越高，正火硬度越低，帶狀組織越明顯。反之，入爐溫度越低，正火硬度越高，帶狀組織越輕微。硬度最高可達到210HBW，但金相組織卻合格，但硬度過高不利于機械加工。

表4 660℃保溫不同入爐溫度試驗數據統計

入爐溫度在680 ～750℃范圍內硬度和金相都合格。參考8620 材質入爐溫度控制在60 ℃范圍內，且保證安全溫度下限值，最終將入爐溫度定為690 ～750℃。

根據試驗結果最終確定20CrMnTiH3 余熱正火基本工藝參數，如表5 所示。20CrMnTiH3 余熱正火金相組織及急冷過程見圖3、圖4。

表5 工藝參數確定

圖3 20CrMnTiH3 余熱正火金相組織

圖4 急冷過程

典型零件的等溫正火整體硬度比余熱正火低，余熱正火的硬度值會根據原材料爐號不同而波動，對原材料的波動更加敏感。同時，余熱正火的帶狀組織隨原材料爐號不同有明顯變化。滲碳淬火回火工藝后變形量對比結果顯示兩種工藝基本一致，無明顯差別。

結論

⑴20CrMnTiH3 鍛造余熱正火可獲得合格的金相組織和硬度；

⑵20CrMnTiH3 鍛造余熱正火合理的入爐溫度為690 ～750℃，入爐溫度越高零件表面硬度越低，反之硬度升高；

⑶20CrMnTiH3 鍛造余熱正火660℃為最佳保溫溫度。