滲碳鋼齒坯鍛后余熱等溫正火工藝探討

牛文明，袁 峰，左永平

(南京科潤工業介質股份有限公司，江蘇 南京 211100)

滲碳鋼齒坯終鍛結束后，一般采用堆冷方式進行冷卻，由于冷卻緩慢，晶粒異常粗大，混晶嚴重；對于Cr、Mo含量高的鋼材，堆冷會出現粒狀貝氏體組織，導致硬度過高，難以進行機加工[1]。為了細化晶粒，避免非平衡態的組織出現，降低硬度，需對鍛坯進行正火處理，目的是為了獲得均勻的平衡態組織(鐵素體十片狀珠光體)和合適的硬度范圍(160～190 HB)，以提高切削加工性，并為后續熱處理做好組織上的準備[2]。

常規正火處理，一般采用堆冷方式，會造成不同工件之間或同一工件不同部位的冷速、組織、應力和硬度存在較大差別[2]，同時難以消除粒狀貝氏體，二次帶狀級別較高，導致切削加工性能惡化，增大熱處理變形。

采用等溫正火處理，工件加熱保溫結束后，采用強制風冷，由于存在迎風面、背風面的問題，同樣造成不同工件之間或同一工件不同部位的冷速、組織、應力和硬度存在較大差別，惡化加工性能，增大熱處理變形[2]。而且風冷速度有限，不能有限改善二次帶狀。另外，常規正火、等溫正火，均要將齒坯重新加熱，進而增加了能耗，生產成本提高。為了降低能耗，可以考慮將鍛造余熱充分利用起來，利用鍛造余熱直接進行齒坯的等溫正火處理。但前提必須將齒坯快速、均勻地冷卻到珠光體轉變溫度區間進行等溫：一方面可以防止停鍛后發生靜態再結晶，發生混晶；另一方面，快速通過兩相區，可以有效改善二次帶狀偏析，同時在珠光體轉變區間等溫，能夠充分發生珠光體轉變，獲得平衡態組織。為了能夠快速、均勻冷卻，本文采用一種冷速均勻、且快于風霧冷的正火液，工件終鍛結束，立即浸入正火液中，工件各個部位均與正火液接觸，冷卻均勻性提高，冷卻至珠光體轉變區間出液，迅速轉移至等溫爐中等溫。

1 鍛后堆冷組織與性能

滲碳鋼齒坯，采用中頻爐加熱，通過鍛壓機鍛打成型，終鍛結束后，一般在空氣中冷卻，而且是放置在料框中堆冷處理。其金相組織見圖1。

滲碳鋼齒坯在鍛造過程中，受到較大鍛壓力的作用，發生動態再結晶過程，晶粒細化，且鍛壓比越大，晶粒越細小。但停鍛后，外力撤除，工件在高溫作用下，會迅速發生靜態再結晶過程，使得細化的晶粒發生二次長大，且由于合金元素偏析的原因，不同部位晶粒的長大速度不同，最終導致晶粒粗化，存在混晶，如圖1(a)所示。含Cr、Mo合金元素較高的滲碳鋼，淬透性高，使得C曲線右移，溫度降低到珠光體轉變溫度以下、上貝氏體轉變溫度以上，容易生成粒狀貝氏體組織，導致齒坯硬度過高，難以進行機加工[1,4]，如圖1(b)所示。同時粗大的粒貝會帶來后續熱處理粗大組織遺傳，致使馬氏體針異常粗大，工件機械性能下降[4-5]；而且淬火時，粗大晶粒的淬透性會大于細小晶粒，導致淬火內應力分布不均，使得工件熱處理變形量增大[6]。

(a) 20CrMnTi; (b) 18CrNiMo7-6圖1 滲碳鋼鍛后堆冷組織Fig.1 Microstructure of carburized steel after stack cooling

2 鍛后余熱等溫正火工藝的探討

采用常規正火，重新奧氏體化后，可以細化晶粒，但改善不了二次帶狀，且對于淬透性高的滲碳鋼，容易出現粒狀貝氏體。采用等溫正火，由于風冷速度有限，也不能有效改善二次帶狀。同時，常規正火、等溫正火，均需將工件重新加熱，電耗成本增加，同時生產周期較長。

齒坯停鍛后，工件溫度很高，一般都在900 ℃以上，若將這部分余熱利用起來，便可節省大量能耗，降低生成成本。同時要保證工件的組織、性能滿足預熱處理的技術要求，有利于機加工，降低熱處理變形量。

2.1 鍛后余熱等溫正火工藝路線

齒坯終鍛結束后，快速冷卻到650～750 ℃，迅速轉入650～680 ℃的等溫爐中等溫，使之發生充分的珠光體轉變。工件轉移入爐的溫度，最低不能低于600 ℃。

為了保證工件快速、均勻冷卻，建議采用正火液冷卻。齒坯終鍛后直接浸入正火液中，冷卻至650～750 ℃出液，迅速轉移到等溫爐中等溫，鍛后余熱等溫正火工藝路線見圖2。所用正火液為水溶性高分子聚合物，環保無污染，高溫冷速均勻一致，可保證工件各個部位均勻冷卻，正火液的使用范圍見表1所示。正火液推薦使用溫度10～60℃，最佳使用溫度20～40℃，正火液的冷速隨著溫度的升高而降低，不同溫度下的冷卻特性曲線如圖3所示，當液溫超過60 ℃以后，整體冷速降低幅度較大。

圖2 鍛后余熱等溫正火工藝路線Fig.2 Isothermal normalizing process by residual heat after forging

KERUN?勻速冷卻介質濃度/%使用溫度/℃適用范圍適用爐型KR128010～3010～60用于合金鋼鍛后控冷,代替空冷、風冷、霧冷等,提高組織均勻性。如用于齒坯的鍛后控冷,可代替等溫正火工藝,改善二次帶狀;用于軸承套圈、滾子的鍛后控冷,可改善網狀碳化物。連續爐、井式爐、臺車爐等。

圖3 不同溫度下正火液的冷卻特性曲線Fig.3 Cooling characteristics curve of normalizing liquid at different temperatures

為了保證鍛后余熱等溫正火工件的組織與硬度滿足要求，需按照以下工藝參數執行：1)建議始鍛溫度為1050～1150 ℃,終鍛溫度為≥900 ℃；2)齒坯停鍛，轉移到正火液，所用轉移時間以30 s為宜，最長不超過1 min；3)工件出液溫度控制在650～750 ℃；4)工件出液，轉移到等溫爐時，溫度最低不能低于600 ℃；5)在等溫爐進行650～680 ℃保溫，保溫結束后，出爐空冷。

2.2 鍛后余熱等溫正火案例分析

1) 22CrMoH鋼齒坯

22CrMoH鋼某型號齒坯，終鍛溫度950～970 ℃，轉移時間50 s以內，經12% KR1280控冷，冷卻至650～750 ℃出液，迅速轉移到箱式爐中680 ℃等溫3 h。金相組織為片狀珠光體+鐵素體，晶粒大小均勻，晶粒度7級，無明顯混晶，無明顯帶狀，見圖4。齒坯硬度均勻，在165～170 HB，滿足技術要求(160～175 HB)，見表2。

2)20CrNiMo鋼齒坯

20CrNiMo鋼某型號齒坯，終鍛溫度980～1000 ℃，轉移時間30 s以內，經15% KR1280控冷，冷卻至650～750 ℃出液，迅速轉移到箱式爐中680 ℃等溫3 h。金相組織為片狀珠光體+鐵素體，晶粒大小均勻，晶粒度6～7級，無明顯混晶，無明顯帶狀組織，見圖5。齒坯硬度均勻，在165～170 HB，滿足技術要求(160～175 HB)，見表3。

3)20CrMnTi鋼齒坯

20CrMnTi鋼某型號齒坯，終鍛溫度980～1020 ℃，轉移時間30 s以內，經15% KR1280控冷，冷卻至650～750 ℃出液，迅速轉移到箱式爐中660 ℃等溫3 h。金相組織為片狀珠光體+鐵素體，晶粒大小均勻，晶粒度6級，無明顯混晶，無明顯帶狀，見圖6。齒坯硬度均勻，在160～165 HB，滿足技術要求(155～175 HB)，見表4。

圖4 22CrMoH鋼齒坯鍛后余熱等溫正火組織Fig.4 Microstructure of 22CrMoH steel gear blank with isothermal normalizing by residual heat after forging

工件狀態布式硬度/HB22CrMoH鋼齒坯12% KR1280冷卻,650～750 ℃出液,680 ℃等溫3 h165、167、169

圖5 20CrNiMo鋼齒坯鍛后余熱等溫正火組織Fig.5 Microstructure of 20CrNiMo steel gear blank with isothermal normalizing by residual heat after forging

工件狀態布式硬度/HB20CrNiMo鋼齒坯15% KR1280冷卻,650～750 ℃出液,680 ℃等溫3 h167、167、170

圖6 20CrMnTi鋼齒坯鍛后余熱等溫正火組織Fig.6 Microstructure of 20CrMnTi steel gear blank with isothermal normalizing by residual heat after forging

工件狀態布式硬度/HB20CrMnTi鋼齒坯15% KR1280冷卻,650～750 ℃出液,660 ℃等溫3 h161、161、165

綜上所述，22CrMoH、20CrNiMo、20CrMnTi滲碳鋼齒坯終鍛后，采用鍛后余熱等溫正火處理，晶粒大小均勻，無混晶，晶粒度在6～7級。采用合適的溫度進行等溫，可獲得適宜的硬度160～175 HB。鍛后余熱等溫正火處理的齒坯，相較于傳統等溫正火，鐵素體晶粒較為粗大，塑性降低，脆性相對較大，切削加工時容易斷屑[3]；且大小均勻的晶粒，使得切削受力均勻，機加工表面質量較好。同時，晶粒大小均勻的平衡態組織，能夠切斷粗大的組織遺傳[4,6]，且無明顯帶狀組織，在后續滲碳熱處理時，組織轉變同時性較好，淬火內應力分布較為均勻，從而可降低齒輪的熱處理變形量。

3 結論

1)滲碳鋼齒坯采用鍛后余熱等溫正火，在正火液快冷至650～750 ℃出液，迅速轉入等溫爐650～680 ℃等溫，組織為鐵素體+片狀珠光體平衡態組織，無粒狀貝氏體，無明顯帶狀組織，晶粒大小均勻，無混晶，可降低熱處理變形。硬度在160～175 HB，有利于后續機加工。

2)滲碳鋼齒坯終鍛后，應快速轉移到正火液中，轉移時間以30 s為宜，最長不超過1 min，可防止發生靜態再結晶，避免晶粒粗化，產生混晶。

3)滲碳鋼齒坯經正火液冷卻，高溫出液后轉移到等溫爐時，齒坯的溫度不應低于600 ℃，可避免非平衡態組織的出現。