20MnCrS5齒輪鋼棒材球化退火工藝的研發(fā)①

程維瑋， 孫樂正， 熊 兵， 汪壽偉

(南京鋼鐵有限公司，江蘇 南京 210035)

引 言

隨著中國(guó)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車的升級(jí)換代速度加快，對(duì)作為汽車動(dòng)力傳動(dòng)的主要部件—齒輪的加工精度和性能要求也越來越高；一些先進(jìn)的齒輪零部件加工企業(yè)為了同時(shí)提高齒輪的加工效率及材料的利用率，開始越來越多地采用冷精鍛方式加工齒輪，這就要求冷精鍛齒輪的原材料必須具有良好的冷加工性能。而經(jīng)過球化退火的材料一般均具有良好的冷加工性能。

1 性能指標(biāo)

20MnCrS5齒輪鋼棒材球化退火狀態(tài)交付的技術(shù)條件主要有化學(xué)成分、球化率、硬度、組織等，化學(xué)成分如表1所示，球化退火狀態(tài)的性能指標(biāo)如表2所示。

表1 20MnCrS5鋼的化學(xué)成分/%

表2 20MnCrS5鋼球化退火狀態(tài)的性能指標(biāo)

2 工藝研發(fā)

為節(jié)省費(fèi)用，20MnCrS5鋼球化退火工藝的研發(fā)采用的是實(shí)驗(yàn)室小爐試驗(yàn)及驗(yàn)證確認(rèn)后，再轉(zhuǎn)化為連續(xù)熱處理爐的試生產(chǎn)工藝，并根據(jù)球化退火成品的檢驗(yàn)情況進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

2.1 確定奧氏體轉(zhuǎn)變溫度Ac1

球化退火是使鋼中碳化物球化而進(jìn)行的退火工藝，主要用于共析鋼或過共析鋼，為下一步的深加工或熱處理做好組織準(zhǔn)備，常規(guī)工藝為將鋼加熱到Ac1以上20～30 ℃，保溫一段時(shí)間，然后緩慢冷卻到略低于Ac1的溫度，并停留一段時(shí)間，使組織轉(zhuǎn)變完成，得到在鐵素體基體上均勻分布的球狀或顆粒狀碳化物的組織。

對(duì)于20MnCrS5等低碳鋼，為了獲得良好的利于冷加工的組織，也會(huì)采用球化退火進(jìn)行處理。目前，對(duì)于碳含量為0.20%左右齒輪鋼的球化退火工藝有兩種，一種是與常規(guī)球化退火工藝一樣將材料加熱到Ac1以上保溫一段時(shí)間后，降到Ac1以下，停留一段時(shí)間[1]；另一種是將材料加熱到Ac1以下某一溫度保溫較長(zhǎng)的時(shí)間，再逐步冷卻到室溫[2]。因此，在設(shè)計(jì)20MnCrS5鋼的球化退火工藝之前，首先必須得到20MnCrS5鋼的Ac1溫度?？紤]到球化退火的保溫時(shí)間很長(zhǎng)，可以參照等溫退火，通過繪制奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線—TTT曲線來確定Ac1溫度點(diǎn)。在Gleeb3800模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上，采用10種工藝進(jìn)行試驗(yàn)，具體工藝如圖1所示。試驗(yàn)得出20MnCrS5材料的Ac1溫度為736 ℃。 在670 ℃時(shí)其組織為F+P，到580 ℃時(shí)，其組織除F+P外，開始出現(xiàn)B，如圖3, 4所示。

圖1 熱模擬試驗(yàn)工藝

圖2 20MnCrS5鋼的TTT曲線

圖3 670 ℃時(shí)的組織

圖4 580 ℃時(shí)的組織

2.2 實(shí)驗(yàn)室球化退火試驗(yàn)

試驗(yàn)分兩步進(jìn)行，第一步是依據(jù)Ac1溫度，采用3種球化退火工藝，根據(jù)每種工藝的硬度和組織情況，選擇最優(yōu)的工藝；第二步是對(duì)選擇的最優(yōu)工藝進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)其工藝再現(xiàn)性。

2.2.1 摸底試驗(yàn)

根據(jù)Ac1溫度，設(shè)定3種工藝：加熱溫度分別是765, 720 和700 ℃，保溫不同的時(shí)間，如圖5所示。

圖5 不同加熱溫度和保溫時(shí)間的球化退火工藝

其中第1,3種工藝分別為某加工廠和某鋼廠的現(xiàn)行球化退火工藝，第2種工藝為根據(jù)熱模擬的Ac1=736 ℃，并考慮Ac1以下溫度越高越有利于珠光體P的溶解和球化而設(shè)定的新的試驗(yàn)工藝。分別檢測(cè)試樣邊部、1/2半徑和心部的硬度及邊部和心部的組織。硬度檢測(cè)位置如圖6所示，3種工藝的硬度檢測(cè)值如表3所示，可以看出765 ℃工藝的9點(diǎn)硬度及其平均值、通條硬度差均最低，而700 ℃工藝的9點(diǎn)硬度及其平均值、通條硬度差均最高，720 ℃工藝相應(yīng)數(shù)值處于中間。同時(shí)，從表3還可以看出，熱處理后圓鋼的邊部和心部硬度較低，而1/2半徑處硬度較高，且最低值出現(xiàn)在邊部，最高值出現(xiàn)在1/2半徑處，這是由于連鑄坯碳的正偏析區(qū)域恰好位于1/2半徑處造成的。

圖6 圓鋼試樣硬度檢測(cè)位置示意圖

3種工藝的典型組織如圖7所示，放大倍率均為1000倍。從圖中可以看到工藝1的球化效果最差；工藝2的球化效果最好，工藝3的球化效果也較好，但還有少部分珠光體沒有完全溶解球化。工藝1在Ac1以上29 ℃(溫度765 ℃)保溫達(dá)7.5 h，但在Ac1以下26 ℃(溫度710 ℃)僅僅保溫3h，球化才剛剛開始；工藝2在Ac1以下16 ℃(溫度720 ℃)保溫20 h，球化效果最好，球化率達(dá)到98%左右；工藝3在Ac1以下36 ℃(溫度700 ℃)保溫25 h，球化效果也較好，球化率達(dá)到92%以上。由此可以看出，Ac1以上溫度對(duì)球化效果幾乎沒有影響，但硬度卻是最低；球化效果關(guān)鍵還是看Ac1以下的保溫溫度和保溫時(shí)間，在Ac1以下且靠近Ac1溫度進(jìn)行球化保溫時(shí)，保溫適當(dāng)時(shí)間即可得到滿意的球化效果。球化溫度再降低一些的話，也可以通過延長(zhǎng)保溫時(shí)間來獲得較好的球化效果，但硬度會(huì)相對(duì)較高且會(huì)影響球化退火的生產(chǎn)效率和成本。因此，最終確定采用工藝2即720 ℃作為優(yōu)選工藝。

表3 3種球化退火工藝試驗(yàn)的硬度

圖7 765,720,700 ℃工藝的1/2半徑處組織

2.2.2 工藝再現(xiàn)性驗(yàn)證和確認(rèn)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證和確認(rèn)工藝的再現(xiàn)性，再次在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了720 ℃的球化退火工藝試驗(yàn)，另外，考慮便于以后生產(chǎn)組織和降低熱處理成本，同時(shí)進(jìn)行了縮短球化退火時(shí)間的試驗(yàn)。最終確定第二次實(shí)驗(yàn)室球化退火工藝為兩種：

(1)720 ℃×20 h→爐冷至650 ℃→出爐空冷

(2)720 ℃×15 h→爐冷至650 ℃→出爐空冷

硬度檢測(cè)位置不變(如圖6所示)，兩種工藝的硬度檢測(cè)值如表4所示，可以看出720 ℃球化退火溫度下，保溫20 h工藝的9點(diǎn)硬度及其平均值、通條硬度差與保溫15 h工藝的相應(yīng)數(shù)值相差很小。最大只有5HBW，說明保溫時(shí)間在15 h以上時(shí)，對(duì)硬度的影響已經(jīng)變小。

兩種工藝的典型組織如圖8所示，放大倍率均為500倍。從圖中可以看到工藝1的球化效果仍然很好，球化率保持在98%左右；工藝2球化效果也較好，有少量珠光體沒有完全溶解球化，但球化率也達(dá)到92%左右。由此可以看出，720 ℃×20 h→隨爐冷卻到650 ℃出爐空冷的球化退火工藝最優(yōu)，且其工藝再現(xiàn)性也很好，在前、后二次試驗(yàn)中，其硬度和球化率指標(biāo)基本一致。因此，最終決定以此工藝為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)連續(xù)熱處理爐的球化退火試生產(chǎn)工藝。

2.3 連續(xù)熱處理爐試生產(chǎn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合連續(xù)熱處理爐設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)定連續(xù)熱處理爐的球化退火工藝如表5所示。

表4 720 ℃下兩種保溫時(shí)間球化退火工藝試驗(yàn)的硬度

圖8 720 ℃溫度下，保溫分別為20 h和15 h時(shí)的1/2半徑處組織

按照此工藝在連續(xù)熱處理爐中對(duì)20MnCrS5圓鋼進(jìn)行球化退火試生產(chǎn)。球化退火后，在一支圓鋼的頭、中、尾取1#,2#,3#試樣檢測(cè)硬度和組織；硬度檢測(cè)位置不變(如圖6所示)，硬度檢測(cè)值如表6所示，取1#試樣檢測(cè)其邊部、1/2半徑和心部組織，如圖9所示。

表5 連續(xù)退火爐球化退火試驗(yàn)工藝

表6 連續(xù)熱處理爐球化退火工藝試驗(yàn)的硬度

由表6可以看出球化退火后，同一截面不同部位的9點(diǎn)硬度及其平均值、通條硬度差與實(shí)驗(yàn)室720 ℃×15 h熱處理工藝對(duì)應(yīng)的硬度數(shù)據(jù)基本一致，比720 ℃×20 h熱處理工藝對(duì)應(yīng)數(shù)值略高；圓鋼硬度均低于166HBW，通條硬度差和同一截面的硬度差均低于30HBW，均符合技術(shù)協(xié)議要求。

從圖9可以看出其球化效果均較好，即使是球化效果最差的心部，球化率也都在90% 以上，而球化效果最好的邊部球化率則保持在98%左右，球化率完全符合技術(shù)協(xié)議中球化率≥85%的要求。

圖9 1#試樣的邊部、1/2半徑處和心部的組織

3 結(jié)束語(yǔ)

(1) 20MnCrS5鋼實(shí)驗(yàn)室球化熱處理的加熱溫度控制在Ac1以下10～20 ℃，保溫時(shí)間15 h以上，可以滿足球化率≥85%、硬度≤166HBW、硬度差≤30HBW的要求。

(2)工業(yè)化連續(xù)熱處理爐的球化退火效果略低于實(shí)驗(yàn)室小熱處理爐，在設(shè)計(jì)工業(yè)化連續(xù)熱處理爐工藝時(shí)要適當(dāng)?shù)乜紤]延長(zhǎng)加熱時(shí)間到20 h左右，此時(shí)球化效果、硬度和通條硬度差大約相當(dāng)于實(shí)驗(yàn)室保溫時(shí)間15 h。