淺談齒輪鍛坯等溫正火工藝
正火是汽車變速器齒輪、軸類零件鍛坯預(yù)先熱處理的常用工藝。目的是為了獲得均勻、接近理想平衡狀態(tài)的組織(鐵素體和珠光體)和合適的硬度范圍(160-190HB)，以提高切削加工性和控制最終熱處理變形。但常規(guī)正火由于受設(shè)備限制采用堆裝、堆冷方式，會造成不同零件之間或同一零件不同部位的冷卻速度及其組織、應(yīng)力和硬度的較大差別，導(dǎo)致切削加工性能惡化和熱處理變形加大，從而降低齒輪精度等級和影響齒輪的使用性能。
另外，隨著汽車行業(yè)中齒輪、軸類零件精度等級的提高以及Ni-Cr鋼的普及應(yīng)用，采用常規(guī)正火工藝已經(jīng)不能適應(yīng)生產(chǎn)的要求，為此我們公司于2007年底進(jìn)行技術(shù)改造，購進(jìn)了一條等溫正火線，并于2008年六月份調(diào)試完成。在等溫正火線的調(diào)試以及試生產(chǎn)過程中，我們對20CrMnTiH、20CrMoH、SAE8620H等材料進(jìn)行了等溫正火試驗(yàn)，通過工藝試驗(yàn)得出以下結(jié)論：要獲得均勻分布的組織、硬度以及良好的機(jī)械切削加工性能，主要取決于正火工藝過程中快冷、緩冷的設(shè)計和等溫溫度、時間的確定。下面做一簡單的總結(jié)回顧：
一、 等溫正火及其關(guān)鍵工藝參數(shù)：
根據(jù)常用低碳合金滲碳鋼的奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，如圖1所示，從圖1中可以看出其共同特點(diǎn)是：奧氏體均勻化后，在隨后的冷卻過程中，由于冷卻速度的不同，正火后不同零件之間或同一零件的表面與心部組織也不相同(鐵素體與珠光體的含量比例或含有貝氏體)。要完全獲得理想均勻的鐵素體和珠光體，則對冷卻速度的限制較為嚴(yán)格，這是常規(guī)正火很難實(shí)現(xiàn)的。
等溫正火的原理是將工件加熱到AC3或ACcm以上30～50℃，保溫適當(dāng)時間后，以合適的方式冷卻到珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域某一合適溫度，并在此溫度下保溫，使不同零件和同一零件的不同部位溫度均勻化，并在該溫度下均勻地完成鐵素體+珠光體轉(zhuǎn)變，然后在空氣中冷卻的正火工藝。
由于不同零件和零件的不同部位基本上是在同一溫度下完成組織轉(zhuǎn)變的，所以轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及應(yīng)力、硬度分布是均勻的，從而克服了常規(guī)正火過程中零件冷卻速度難以控制、零件冷卻不均勻的問題。
等溫正火的一般工藝過程如圖2所示：
從圖2中可以看出，等溫正火處理包括三個工藝區(qū)間：(1)加熱與奧氏體均勻化階段;(2)中間冷卻階段(從奧氏體化溫度冷卻至等溫處理溫度的階段);(3)等溫處理階段以及以后的空冷。
1、加熱與奧氏體均勻化階段：關(guān)鍵工藝參數(shù)是加熱溫度與保溫時間。
與常規(guī)正火相同，這一階段主要是為了消除鍛造原因引起的不良組織與缺陷，達(dá)到組織、成分均勻化，為后續(xù)熱處理獲得良好的組織與性能打下基礎(chǔ)。奧氏體化加熱與保溫階段的溫度選擇與常規(guī)正火的相同，一般采用920～950℃。
2、中間冷卻階段：這一階段無論在設(shè)備制造上，還是對整個工藝設(shè)計，都是十分關(guān)鍵的問題。關(guān)鍵工藝參數(shù)包括裝爐方式、快冷方式(包括冷風(fēng)量及冷風(fēng)方向)、快冷時間、緩冷方式(包括風(fēng)量與風(fēng)向)以及緩冷時間等。
對于設(shè)備制造，要考慮風(fēng)冷過程中冷卻室各個部位冷卻速度的均勻性，同時應(yīng)考慮能實(shí)現(xiàn)快冷和緩冷的結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)不同零件之間或同一零件內(nèi)、外部的溫度均勻化，以便實(shí)現(xiàn)均勻的組織轉(zhuǎn)變，在設(shè)備的調(diào)試過程中，對于這一點(diǎn)我們是有深刻體會的。而對于工藝，應(yīng)調(diào)整好裝爐方式與裝爐量、冷卻速度和冷卻均勻性之間的關(guān)系。這一階段是控制帶狀組織和避免非平衡組織轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵階段。因此，在工藝上采取控制冷卻的方式即以快速冷卻方式冷卻至接近鐵素體轉(zhuǎn)變終了線，然后采用緩冷方式使得零件之間或零件的不同部位溫度均勻降至等溫溫度。
3、等溫處理階段：關(guān)鍵工藝參數(shù)包括等溫溫度和等溫時間。
等溫溫度和等溫時間應(yīng)依據(jù)材料的等溫轉(zhuǎn)變曲線、裝爐量和零件的有效厚度等加以確定，應(yīng)充分保證奧氏體向鐵素體和珠光體發(fā)生轉(zhuǎn)變有足夠的時間。
二、等溫正火應(yīng)注意的幾個問題：
如前所述，材料的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線是制定等溫正火工藝的依據(jù)，根據(jù)上述對等溫正火中各階段關(guān)鍵工藝參數(shù)的分析，在制定等溫正火工藝時應(yīng)注意以下幾個問題：
1、裝爐方式和裝爐量：等溫正火對零件裝爐方式和裝爐量的要求較為嚴(yán)格，主要目的是為了在中間冷卻階段獲得良好的冷卻均勻性，避免散熱的不均勻和散熱的“死角”。裝爐方式應(yīng)保證通風(fēng)順暢，然后根據(jù)設(shè)備的有效尺寸要求確定裝爐量。
2、奧氏體化溫度和時間的確定：按照常規(guī)正火溫度的一般選擇方法選擇正火溫度，對于低碳合金滲碳鋼，同時應(yīng)考慮相當(dāng)于或略高于滲碳(或碳氮共滲)溫度10～30℃，但是不要選擇太高的溫度，以防止實(shí)際晶粒不均勻長大的混晶或過燒組織的出現(xiàn)，因此一般選擇920～950℃。為了避免奧氏體化加熱時間過長，同時又保證零件表面和心部能夠達(dá)到一致的組織狀態(tài)，應(yīng)考慮采用分段加熱的方法解決，附加一段860～920℃的預(yù)熱。
理論上講，奧氏體化保溫時間越長，組織均勻性越好，尤其是對正火后帶狀組織的改善越有利。但是我們從生產(chǎn)的角度來考慮，更應(yīng)該注重經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，關(guān)注經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)效率，根據(jù)零件的裝爐量、有效尺寸和裝爐方式分析，選擇2～4小時。對于20CrMnTiH、20CrMoH、SAE8620H等易于實(shí)現(xiàn)均勻化的鋼材來說，一般選擇2～3小時;而對于Ni-Cr、Ni-Cr-Mo鋼中的高Ni鋼，則為了使帶狀組織消除較好，一般奧氏體化時間應(yīng)較長，可選擇3～4小時。
3、中間冷卻階段控制
為了有效實(shí)現(xiàn)帶狀組織的控制，又避免貝氏體組織的出現(xiàn)，在工藝上應(yīng)合理分配速冷時間和緩冷時間，盡可能實(shí)現(xiàn)在速冷后，部分完成鐵素體的轉(zhuǎn)變(可以采用紅外儀測試零件的溫度，速冷后零件表面的溫度一般在700℃左右)。
緩冷根據(jù)材料等溫轉(zhuǎn)變曲線和不同的材料，應(yīng)使零件表面的溫度控制在不同的范圍，一般略高于等溫處理溫度20～30℃。
4、等溫溫度和時間
實(shí)際生產(chǎn)中，可以在一定溫度范圍內(nèi)，通過調(diào)整等溫溫度達(dá)到調(diào)整齒坯硬度，以適應(yīng)各種機(jī)械加工的需要。
等溫溫度的選擇是根據(jù)材料的等溫轉(zhuǎn)變曲線和齒坯硬度、帶狀組織要求和零件的尺寸、裝爐量等來選擇，原則是選取先共析鐵素體與珠光體轉(zhuǎn)變的“鼻子”附近溫度范圍。
等溫時間的選擇往往根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來確定。參考文獻(xiàn)中提出了確定等溫時間的簡單而有效的方法是：從等溫出爐的一批零件中取出一件，放在水中冷卻，然后比較等溫后和正常空冷條件的硬度，如果水冷零件的硬度明顯高于空冷零件的硬度，則說明等溫過程不足，需要延長等溫時間。
三、等溫正火齒坯的組織及性能要求：
為了保證良好的機(jī)械切削加工性能和有效實(shí)現(xiàn)熱處理變形穩(wěn)定性的控制，齒坯等溫正火一般應(yīng)達(dá)到以下要求：
1、等溫正火處理后，顯微組織應(yīng)為均勻分布的鐵素體與珠光體，允許有少量針狀鐵素體和輕微混晶存在，但不允許存在大塊狀分布特征的鐵素體。
2、晶粒度為5-8級。
3、帶狀組織：按照GB/T13299-1991評定，應(yīng)≤2級。
4、無貝氏體。
5、硬度及其均勻性：根據(jù)機(jī)械切削加工性能對材料硬度的要求，一般在160-190HB之間最佳，但從等溫正火工藝和設(shè)備能力角度考慮，一般要求156-207HB。
硬度均勻性：同一截面、同一毛坯件不同位置硬度差應(yīng)≤8HB，不同毛坯件硬度差應(yīng)≤15HB。
通過對多種變速器齒輪、軸類零件進(jìn)行等溫正火工藝試驗(yàn)，我們解決了由于齒坯組織和硬度不均勻?qū)е碌臋C(jī)械加工困難問題，同時也改善了熱處理變形的穩(wěn)定性，降低了零件的報廢率。
四、結(jié)論：
1、等溫正火工藝的采用，實(shí)現(xiàn)了變速器齒輪、軸類零件齒坯質(zhì)量的有效控制，從而改善了切削加工性和熱處理變形穩(wěn)定性。
2、等溫正火工藝制定的關(guān)鍵是依據(jù)奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線，合理控制中間冷卻階段快冷、緩冷速度與時間和等溫處理的溫度與時間。