提高差速器殼類鍛件特性工藝探索

文/尚利平，張鵬，閆利軍，王海旺，韓海河·內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)富成鍛造有限公司

提高差速器殼類鍛件特性工藝探索

文/尚利平，張鵬，閆利軍，王海旺，韓海河·內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)富成鍛造有限公司

節(jié)約能源，優(yōu)化工藝，提高產(chǎn)品性能，是鍛造廠不斷追求的目標(biāo)。差速器殼類鍛件在生產(chǎn)過程中存在形變量和形變率大的特點，采用形變熱處理工藝，可有效提高材料強(qiáng)韌性，并節(jié)約能源。

形變熱處理是將塑性變形和熱處理有機(jī)結(jié)合，以提高材料力學(xué)性能的復(fù)合工藝。這種工藝將鍛造和熱處理工藝有效結(jié)合，同時發(fā)揮出形變強(qiáng)化和相變強(qiáng)化的作用，能得到較單一的強(qiáng)化方法所不能達(dá)到的綜合機(jī)械性能，并省去熱處理時的重新奧氏體化加熱工序，大大節(jié)省了能源消耗、加熱設(shè)備和車間工作場地，同時還減少材料的氧化燒損、脫碳及變形等熱處理缺陷。形變熱處理工藝與傳統(tǒng)熱處理工藝相比，無論在強(qiáng)化產(chǎn)品性能方面，還是在節(jié)省能源方面，都具有許多優(yōu)異的特點。

材料及技術(shù)要求

差速器殼體是汽車重要零件之一，如圖1所示，其鍛件形狀復(fù)雜，材料為40Cr，化學(xué)成分執(zhí)行GB/T3077-1999要求，調(diào)質(zhì)后硬度為260～310HBW，屈服強(qiáng)度Re為740～880MPa。

工藝試驗方法

差速器殼類鍛件采用中頻感應(yīng)加熱，通過調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱爐的功率和推料時間，達(dá)到控制工件出爐溫度，間接保證形變始溫，經(jīng)過形變處理后，使用PAG淬火液淬火，介質(zhì)溫度控制在60℃以下、淬火冷卻時間大于5min。

圖1 差速器殼體

圖2 鍛件截取圖

形變淬火后進(jìn)行高溫回火，回火取δ＝20mm的中心截面進(jìn)行硬度分布、性能、金相、晶粒度的檢測如圖2所示。

試驗結(jié)果與分析

⑴硬度檢測見表1，表1硬度檢測數(shù)值說明，通過形變熱處理工藝后，差速器殼類鍛件的硬度完全符合產(chǎn)品的技術(shù)要求。

⑵力學(xué)性能見表2。從表2可以看出，在相同的硬度數(shù)值下，Akv變化較大。而Akv參數(shù)正是表征鋼材韌性儲備的一個重要參數(shù)，表2數(shù)值說明形變熱處理工藝能使材料強(qiáng)韌化提高，其沖擊韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)熱處理工藝試件的沖擊韌性值。

表1 形變淬火+640℃回火切片硬度值

表2 兩種工藝在相同硬度數(shù)值下力學(xué)性能對比

圖3 形變熱處理后的金相試樣

圖4 傳統(tǒng)熱處理工藝的金相試樣

⑶金相組織及晶粒度。取形變熱處理和傳統(tǒng)熱處理后的試樣，用4％的硝酸酒精浸蝕后得500倍的金相照片。形變熱處理后的金相試樣照片如圖3所示，組織為回火索氏體+少量貝氏體回火組織+少量鐵素體，晶粒度為6.5～7.0級。傳統(tǒng)熱處理工藝的金相試樣照片如圖4所示，組織為回火索氏體+少量貝氏體+少量鐵素體，晶粒度為7.0級。

⑷試驗結(jié)果分析。從性能、金相、晶粒度的檢測結(jié)果看，高溫回火和淬火后的回火組織無大的區(qū)別，只是形變熱處理和傳統(tǒng)熱處理淬火后，在相同硬度要求下的回火溫度不同，后者較前者高得多，原因是兩種工藝產(chǎn)生的大量位錯在相同溫度回火時，后者較前者消失的量多、速度快。

形變熱處理強(qiáng)化的本質(zhì)

⑴位錯增殖。形變熱處理在穩(wěn)定的奧氏體區(qū)，高形變率的狀態(tài)下發(fā)生急劇的塑性變形，奧氏體晶粒被碎化并伴隨逐漸拉長，晶界扭曲形成了鋸齒狀。此時，不但基體獲得精細(xì)的組織結(jié)構(gòu)，而且鋸齒狀晶界能夠阻礙滑移向鄰近晶粒繼續(xù)進(jìn)行，并使晶界所發(fā)生的顯微裂紋擴(kuò)展為宏觀裂紋的進(jìn)程減慢，于是高密度位錯堆積于奧氏體晶界，形成強(qiáng)烈的位錯強(qiáng)化。此時隨即進(jìn)行淬火，由于形變強(qiáng)化和相變強(qiáng)化的雙重作用，在一定的時間內(nèi)，使鋼的高溫靜態(tài)再結(jié)晶不致大量發(fā)生，則形變后的奧氏體缺陷和穩(wěn)定的亞結(jié)構(gòu)就為以后馬氏體所繼承，形變誘導(dǎo)相變形成板條馬氏體，亞晶的增加及彌散均布的碳化物都將有效地阻礙裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，所以在提高材料強(qiáng)度的同時，也提高材料的沖擊韌性。

⑵碳化物析出。由于高溫形變獲得的高密度位錯給碳化物的析出提供了有利場所，形變淬火后得到大量細(xì)條狀馬氏體，隨后的回火過程中就會在位錯密度大的區(qū)域內(nèi)大量析出碳化物，從而獲得高度彌散分布的碳化物質(zhì)點，對亞晶界起了釘扎作用，提高了抗回火穩(wěn)定性。

結(jié)束語

利用差速器殼類鍛件在生產(chǎn)過程中形變量和形變率大的特點，在高溫回復(fù)亞結(jié)構(gòu)多邊化完成后進(jìn)行形變淬火，可有效地提高材料強(qiáng)韌性，并體現(xiàn)以下特點：

⑴差速器殼類鍛件形變熱處理工藝，通過調(diào)節(jié)鍛件的形變始溫和終鍛溫度，合理地控制滯空時間和冷卻介質(zhì)溫度，完全滿足差速器殼類產(chǎn)品的性能要求和自動化生產(chǎn)程度。

⑵差速器殼類鍛件形變熱處理復(fù)合工藝，能夠保證材料的力學(xué)性能或超出傳統(tǒng)熱處理工藝所達(dá)到的力學(xué)參數(shù)。低合金鋼鍛件的生產(chǎn)完全可以用形變熱處理來代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱處理，尤其是調(diào)質(zhì)工序。

⑶差速器殼類鍛件形變熱處理工藝流程更為合理，產(chǎn)品在制時間短、生產(chǎn)效率高、設(shè)備占用臺份少，可達(dá)到降本增效，節(jié)能減排的目的。

材料利用率對于鍛造行業(yè)來說是一個很重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，是評定鍛造工藝水平高低的重要依據(jù)。隨著計算科學(xué)的快速發(fā)展和有限元技術(shù)應(yīng)用的日益成熟，CAE技術(shù)模擬分析金屬在塑性變形過程中的流動規(guī)律在現(xiàn)實生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。而將CAE技術(shù)與提高材料利用率的有效結(jié)合，可以有效降低原材料成本，并且大大縮短模具和新產(chǎn)品的開發(fā)周期。尤其是，通過仿真模擬可以選取出最優(yōu)的工藝方案，避免了試制、試生產(chǎn)過程對工廠資源的占用，降低了生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的市場競爭力。

本文以有限元仿真模擬軟件QFORM為平臺，通過計算機(jī)的仿真模擬，來對墊板產(chǎn)品的成形工藝進(jìn)行優(yōu)化。

產(chǎn)品描述

墊板為重型卡車底盤用鍛件，其質(zhì)量為4.8kg，形狀復(fù)雜系數(shù)為S2級，要求沒有裂紋、折疊、欠肉和凹陷等鍛造缺陷。零件形狀見圖1。

圖1 墊板

該產(chǎn)品對流線和表面精度的要求特別高，流線不允許紊亂且表面的輕微裂紋和折疊也不允許通過研磨消除。由于中間的凹腔以及工字梁的復(fù)雜形狀，若是原材料采用拔長工藝進(jìn)行制坯，流線將會有紊亂現(xiàn)象并且會在產(chǎn)品表面有一定比例的裂紋和折疊。為滿足流線和外觀要求，該產(chǎn)品現(xiàn)有工藝為圓棒料直接加熱鍛造。這樣就造成鍛件中間部位飛邊特別多，材料利用率較低，只有76.76％。

綜合考慮鍛件形狀及現(xiàn)有工藝，想方設(shè)法提高材料利用率作為基本出發(fā)點，擬將圓棒料通過輥鍛制坯進(jìn)而減少材料長度，增加材料利用率。