改善鍛件組織缺陷的勻速冷卻介質(zhì)新技術(shù)

文/左永平·南京科潤工業(yè)介質(zhì)股份有限公司

改善鍛件組織缺陷的勻速冷卻介質(zhì)新技術(shù)

文/左永平·南京科潤工業(yè)介質(zhì)股份有限公司

左永平，研究院副院長，高級(jí)工程師，主要從事熱處理淬火冷卻的技術(shù)服務(wù)和技術(shù)開發(fā)工作，發(fā)表文章30余篇，授權(quán)專利8項(xiàng)。

中國工程院院士崔崑曾講過：“在雜質(zhì)總量不變的情況下，提高鋼質(zhì)的均勻性，相當(dāng)于提高鋼的純凈度”。大量的工程實(shí)踐證明：顯微組織的“不均勻特性”對(duì)于產(chǎn)品服役性能具有極大危害，例如混晶、帶狀、先共晶相或先析相的不均勻分布等。而熱處理中的很多問題也跟“不均勻”因素有直接關(guān)系，如金相不合格、變形、開裂、力學(xué)性能不足等。

圖1 工件迎風(fēng)面和背風(fēng)面冷卻性能對(duì)比（ISO9950測試標(biāo)準(zhǔn)）

傳統(tǒng)粗放的鍛后冷卻方式存在的問題

目前，鍛后冷卻方式一是采用空冷、堆冷、沙冷、坑冷等粗放式的冷卻方式，兩相區(qū)冷卻速度相對(duì)緩慢，易造成帶狀組織的惡化和晶粒粗大等缺陷，嚴(yán)重影響熱后的最終力學(xué)性能，甚至?xí)@得部分馬氏體、貝氏體、魏氏體組織等非平衡態(tài)組織，表面硬度較高且散差大，不利于切削加工；二是采用強(qiáng)制風(fēng)冷、霧冷方式，仍存在冷卻能力不足問題，同時(shí)存在冷卻均勻性差的問題，使其鍛坯表層的組織不均勻，主要是上述冷卻方式不能保證同爐不同工件和同一工件不同截面冷卻的均勻性。可見，這些傳統(tǒng)粗放的冷卻方式會(huì)帶來兩個(gè)問題：一是鍛后的冷卻路徑不合理，導(dǎo)致大量先析相及其不均勻分布或者非平衡態(tài)組織的生成；二是冷卻不均勻，導(dǎo)致工件不同部位的組織差異，見圖1。

這種存在顯微偏析的工件，在常規(guī)熱處理過程中碳和合金元素的奧氏體均勻化是相當(dāng)困難的，例如碳的均勻化需要950℃以上，而合金元素則需要1100℃以上，可見常規(guī)的熱處理方式根本無法解決顯微偏析的問題。

以滲碳鋼為例，20CrMnTi齒坯常采用鍛后堆冷，鍛后組織為鐵素體和珠光體，極易呈帶狀分布，甚至存在嚴(yán)重的局部混晶。而對(duì)于淬透性較好的17CrNiMo6，鍛后冷卻過程中極易出現(xiàn)粒狀貝氏體，甚至存在帶狀分布?；炀?、帶狀在微觀尺度上都是不均勻組織，存在碳和合金元素的顯微偏析，影響后續(xù)的切削加工性能；同時(shí)，這些不均勻組織在后續(xù)熱處理的加熱和冷卻過程中，組織轉(zhuǎn)變的同時(shí)性也差，導(dǎo)致熱處理變形的可控性差。為改善組織均勻性及其硬度，目前行業(yè)中一般采用正火或等溫正火等預(yù)備熱處理方式，以改善切削性能和熱處理性能。

圖2 20CrMnTi齒坯鍛后堆冷

圖3 20CrMnTi鍛后空冷組織

圖4 17CrNiMo6鍛后空冷組織

圖5 GCr15軸承套圈輾環(huán)后空冷

圖7 控軋控冷原理示意圖

以軸承鋼為例，GCr15套圈輾環(huán)后采用空冷的方式冷卻，對(duì)于厚大件極易出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物。這種網(wǎng)狀碳化物在后續(xù)球化退火后，會(huì)存在形貌不同且大小不一的碳化物，如棒狀、條狀等。碳化物不均勻分布會(huì)影響熱處理變形控制，并降低軸承的接觸疲勞強(qiáng)度。

通過上述案例可以發(fā)現(xiàn)，組織不均勻、混晶等問題都是由于鍛后冷卻路徑不合理導(dǎo)致的。目前在冶金行業(yè)控軋控冷技術(shù)（TMCP）應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，其核心目的是晶粒細(xì)化和切斷組織遺傳，過程原理如圖7所示。為了切斷組織遺傳，保證熱前組織的均勻性，鍛后冷卻過程需嚴(yán)格控制一次冷卻和二次冷卻。一次冷卻為終鍛溫度到Ar3溫度區(qū)間的冷卻過程，通過該階段的快速冷卻降低高溫?cái)U(kuò)散，適度保留加工硬化狀態(tài)，防止晶粒粗大；二次冷卻為Ar3到Ar1兩相區(qū)的冷卻階段，通過該階段的快速冷卻增大先析鐵素體形核功，抑制碳和合金元素的長程擴(kuò)散從而有效預(yù)防“二次帶狀”。

圖8 20%勻速冷卻介質(zhì)與靜止空氣和淬火油冷卻特性比較（ISO9950測試標(biāo)準(zhǔn)）

采用勻速冷卻介質(zhì)進(jìn)行鍛后冷卻路徑控制

依據(jù)上述鍛后控冷的基本要求，南京科潤公司開發(fā)了一種以水為基的“勻速冷卻介質(zhì)”。鍛后冷卻的鍛件可直接浸入“勻速冷卻介質(zhì)”的稀釋液中，該方法操作簡單，避免了高成本的設(shè)備投入。20%勻速冷卻介質(zhì)與靜止空氣和淬火油的冷卻性能對(duì)比如圖8所示，不同濃度勻速冷卻介質(zhì)冷卻性能對(duì)比如圖9所示。通過圖8、圖9對(duì)比分析，勻速冷卻介質(zhì)具有介于空氣和淬火油之間的冷卻能力，20%以上濃度的冷卻能力較為穩(wěn)定，特別是500℃以上的冷卻能力幾乎一致，冷卻性能對(duì)于介質(zhì)濃度敏感性較低；同時(shí)在500℃以上 ，冷卻速度隨工件溫度的變化并不大，能夠保證不同溫度工件的冷卻均勻性。通過勻速冷卻介質(zhì)的濃度調(diào)整可以獲得不同的冷卻能力，以適應(yīng)于不同材料、尺寸的鍛坯。

圖9 不同濃度KR9988冷卻性能對(duì)比（ISO9950測試標(biāo)準(zhǔn)）

采用勻速冷卻介質(zhì)進(jìn)行鍛后冷卻路徑控制，可以理解為采用更快的冷卻方式對(duì)鍛坯進(jìn)行“固溶”處理，抑制雜質(zhì)元素的偏聚以及先析相的大量生成，同時(shí)避免大量混晶的出現(xiàn)。傳統(tǒng)緩慢的鍛后冷卻方式需要增加大量的預(yù)備熱處理，以細(xì)化晶粒、均勻組織，同時(shí)仍難以有效改善組織均勻性。

目前很多行業(yè)標(biāo)桿企業(yè)已經(jīng)關(guān)注到鍛后冷卻問題，并采取相應(yīng)的工藝控制手段。例如，哈軸集團(tuán)采用水和風(fēng)霧結(jié)合的方式對(duì)高碳鉻軸承鋼進(jìn)行鍛后冷卻，控制先析碳化物的析出，以改善后續(xù)球化組織均勻性，核心技術(shù)就是鍛后冷卻路徑控制；鄭州機(jī)械研究所采用調(diào)質(zhì)狀態(tài)作為17CrNiMo6齒坯的預(yù)備熱處理，通過油淬實(shí)現(xiàn)“固溶”效果，通過高溫回火或低溫球化實(shí)現(xiàn)組織均勻化，消除粒狀貝氏體，改善切削性能和熱處理性能。

大量的工程實(shí)踐證明，關(guān)鍵構(gòu)件控制鍛后冷卻路徑可以有效提升機(jī)械性能和服役壽命，行業(yè)發(fā)展需突破傳統(tǒng)的工藝路線或方法。勻速冷卻介質(zhì)可以將鍛造和熱處理有機(jī)結(jié)合，減少常規(guī)預(yù)處理工序，提升產(chǎn)品性能，預(yù)處理能耗可至少降低40%。

應(yīng)用案例一：20CrMnTi汽車齒輪鍛坯

浙江某企業(yè)的20CrMnTi汽車齒輪鍛坯原工藝采用鍛后堆冷，為改善組織均勻性，采用等溫正火進(jìn)行預(yù)備熱處理，組織為鐵素體加珠光體，表面硬度160～180HB，但鍛坯心部存在3級(jí)左右的帶狀組織，如圖12所示。為改善平面度翹曲及可控性，采用15%濃度的勻速冷卻介質(zhì)進(jìn)行鍛后控冷，然后進(jìn)行高溫回火或低溫球化處理，代替?zhèn)鹘y(tǒng)高溫度長時(shí)間的等溫正火工藝，組織為均勻粒狀珠光體（偽共析組織），表面硬度170～180HB，單件及同批次的硬度散差明顯減小，組織均勻性明顯改善，鍛后控冷球化工藝及金相組織見圖14。

鍛后控冷組織為鐵素體基體上分布大量彌散的粒狀碳化物，在后續(xù)滲碳淬火的重結(jié)晶加熱過程中，形核率高，晶粒同常規(guī)等溫正火相比得到明顯細(xì)化，提高了高溫變形抗力，改善了組織轉(zhuǎn)變的同時(shí)性，熱處理變形量較原工藝降低20%～50%。

可見，滲碳鋼齒坯采用鍛后控冷工藝，需改變傳統(tǒng)粗放式的鍛造和熱處理工藝路線，可提高預(yù)處理效率，預(yù)處理能耗至少降低50%以上，同時(shí)可明顯改善熱處理變形。滲碳淬火后輪齒心部硬度均在35HRC左右，但鍛后控冷晶粒度較等溫正火提高1～2級(jí)，可提高齒根強(qiáng)度，改善其抗沖擊性能。

圖10 20CrMnTi汽車齒輪鍛坯

圖11 齒輪鍛坯鍛后空冷及常規(guī)熱處理工藝

圖12 齒輪鍛坯鍛后空冷及等溫正火組織，100X

圖13 齒輪鍛坯鍛后控冷狀態(tài)

圖14 鍛后控冷球化工藝及金相組織，1000X

應(yīng)用案例二：4Cr13環(huán)模鍛坯

江蘇某企業(yè)的4Cr13環(huán)模鍛坯原采用鍛后空冷及球化退火工藝，但熱處理后環(huán)模的壽命僅為美國類似產(chǎn)品的一半。通過金相分析發(fā)現(xiàn)，我國相關(guān)產(chǎn)品的網(wǎng)狀碳化物明顯較多，通過常規(guī)球化退火工藝不可能有效改善，導(dǎo)致產(chǎn)品的接觸疲勞強(qiáng)度不足，易產(chǎn)生疲勞剝落失效現(xiàn)象。

采用40%的勻速冷卻介質(zhì)進(jìn)行鍛后控冷后，并進(jìn)行低溫球化處理，組織為均勻分布的粒狀珠光體，可有效抑制二次網(wǎng)狀碳化物析出，這種組織狀態(tài)可大幅提升熱處理變形控制能力和接觸疲勞強(qiáng)度。鍛后控冷工藝路線及組織見圖19、圖20。

圖15 鍛后控冷（左）及常規(guī)工藝（右）滲碳后晶粒度對(duì)比

圖16 4Cr13環(huán)模鍛坯

圖17 環(huán)模鍛坯常規(guī)鍛后空冷及退火工藝

圖18 鍛后空冷并退火后存在網(wǎng)狀碳化物，500X

圖19 鍛后控冷及低溫球化退火工藝

圖20 鍛后控冷及低溫球化退火金相組織，500X

結(jié)束語

勻速冷卻介質(zhì)應(yīng)用于控制鋼材鍛件鍛造后的冷卻速度，代替?zhèn)鹘y(tǒng)粗放式的冷卻方式，可改善冶金和鍛造遺傳組織，如帶狀偏析、組織粗大等，解決力學(xué)性能各向異性、低溫沖擊性能差、熱處理變形大等困擾機(jī)械行業(yè)發(fā)展的技術(shù)難題。建議機(jī)械行業(yè)應(yīng)強(qiáng)化“系統(tǒng)冷卻控制”的理念，充分重視鍛后冷卻對(duì)于產(chǎn)品最終服役性能的影響。既可以改變 “重控形輕控性”的傳統(tǒng)熱加工方式；又可改變熱加工工序相互割裂的現(xiàn)狀，有效提升產(chǎn)品的服役性能，同時(shí)大幅減少熱處理能耗。措施如下：

(1）控制鍛后冷卻路徑，嚴(yán)格控制一次冷卻和二次冷卻的速度，避免過熱組織、帶狀組織等出現(xiàn)，提升熱處理性能；

(2）若存在上述組織缺陷，應(yīng)修正傳統(tǒng)的熱處理工藝方法，可根據(jù)材質(zhì)的具體特點(diǎn)選擇合適的固溶預(yù)處理工藝，消除遺傳組織，保證組織均勻性，為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。