溫鍛空心軸的等溫正火

周曉雁，郝豐林，劉小丹，孔旭紅，蔣勇，余國(guó)增

1.青島德盛機(jī)械制造有限公司 山東青島 266700

2.江蘇雙環(huán)齒輪有限公司 江蘇淮安 223200

3.蘇州工業(yè)園區(qū)久禾工業(yè)爐有限公司 江蘇蘇州 215021

1 序言

旋轉(zhuǎn)鍛造又稱徑向鍛造，它是利用分布于坯料橫截面周?chē)膬蓚€(gè)以上的錘頭，對(duì)坯料進(jìn)行同步脈沖對(duì)擊，使棒料或管料直徑減小、長(zhǎng)度增加的一種精鍛工藝。在鍛造過(guò)程中，毛坯與錘頭既有相對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)，又有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)鍛造適用于實(shí)心和空心長(zhǎng)軸類鍛件，以及內(nèi)孔形狀復(fù)雜鍛件（如內(nèi)花鍵孔）。

世界知名的旋轉(zhuǎn)鍛造公司有德國(guó)GFM、SMS公司等。我們的客戶要求產(chǎn)品加工選擇GFM公司，為了協(xié)助客戶開(kāi)發(fā)新品，我們也購(gòu)買(mǎi)GFM公司的旋鍛機(jī)。

2 溫鍛空心軸熱處理工藝探討

GFM公司認(rèn)為對(duì)于冷鍛或溫鍛的預(yù)制坯可以采用軟化回火或退火處理（Soft Tempering or Annealing）；冷鍛預(yù)制坯硬度≤600MPa（168HBW）最好，≤800MPa（236HBW）也可以接受，工件鍛后硬度增加10%；溫鍛預(yù)制坯可以≤800MPa（根據(jù)成形難易程度，確定加熱溫度，采用較高的加熱溫度，可以減少加工硬化和內(nèi)應(yīng)力）。不管是冷鍛工件還是溫鍛工件，鍛造后都可以不進(jìn)行預(yù)處理，但有的溫鍛件采用正火處理。

對(duì)于空心軸一般采用無(wú)縫鋼管加工，也可以采用預(yù)制坯，所謂預(yù)制坯就是根據(jù)要求鍛造毛坯，然后加工出要求的形狀。我們選擇模鍛制作預(yù)制坯，然后采用GFM旋鍛機(jī)溫鍛，始鍛溫度800～830℃。對(duì)于比較復(fù)雜的空心軸一般采用上限溫度鍛造，對(duì)于一般的空心軸采用下限溫度鍛造。

如圖1所示的預(yù)制坯首先采用熱模鍛（鍛造溫度≤1200℃）鍛造出毛坯（見(jiàn)圖2），然后鉆孔，粗車(chē)出預(yù)制坯的尺寸。采用GFM旋鍛機(jī)鍛造出鍛件，始鍛溫度800～830℃，然后等溫正火。對(duì)各個(gè)步驟的金相及硬度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 金相檢測(cè)

圖1 預(yù)制坯

圖2 鍛坯

3 預(yù)制坯中頻感應(yīng)加熱工藝探討

預(yù)制坯采用中頻感應(yīng)加熱，加熱速度快，有細(xì)化晶粒的作用。采用徑向高頻次鍛造，晶粒有拉長(zhǎng)、細(xì)化的趨勢(shì)。溫度在830℃左右，有降低加工硬化的作用，沒(méi)有惡化組織。對(duì)于鍛造后直接空冷的鍛件進(jìn)行等溫正火處理[1，2]，加熱溫度940℃，等溫溫度580℃，金相組織不均勻，有魏氏組織，硬度165～175HBW。鍛件按照原等溫正火工藝進(jìn)行返修，鍛件進(jìn)行二次正火后，金相組織合格。

圖3 模鍛后空冷金相組織

圖4 空冷+GFM鍛后空冷金相組織

圖5 空冷+GFM鍛后空冷+一次等溫正火金相組織

圖6 空冷+GFM鍛后空冷+二次等溫正火金相組織

3.1 分析原因

為什么鍛造后第一次正火組織不均勻，有魏氏組織，晶粒也有混晶的風(fēng)險(xiǎn)，而第二次正火組織就恢復(fù)正常。但對(duì)于正常的模鍛件鍛造溫度高時(shí)（鍛造溫度≤1200℃），為什么一次正火就合格？

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析認(rèn)為原因有以下幾點(diǎn)：

1）預(yù)制坯經(jīng)過(guò)模鍛，沒(méi)有預(yù)處理，存在晶粒粗大及非平衡組織的風(fēng)險(xiǎn)。

2）經(jīng)過(guò)二次加熱，雖然溫度在800～830℃之間，組織沒(méi)有惡化的趨勢(shì)，但還是存在模鍛后的非平衡組織。

3）經(jīng)過(guò)GFM高頻次的的鍛造，鍛后的應(yīng)力非常大。

4）鍛造后的晶粒有拉長(zhǎng)的趨勢(shì)，存在大小不一的晶粒。

5）經(jīng)過(guò)重新加熱速度也較快，由于應(yīng)力的作用，組織還是有不合格的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證分析原因做了如下試驗(yàn)，見(jiàn)表2。主要是驗(yàn)證高頻次鍛造應(yīng)力是否影響正火效果。

表2 驗(yàn)證工藝金相

圖7 模鍛空冷+鍛件GFM鍛后空冷+650℃×3.5h高溫回火金相組織

圖8 模鍛空冷+鍛件GFM鍛后空冷+650℃×3.5h高溫回火+等溫正火金相組織

圖9 模鍛空冷+鍛件GFM鍛后緩冷+等溫正火金相組織

3.3 結(jié)果分析

鍛造后的鍛件在650℃高溫回火，由于加熱溫度沒(méi)有達(dá)到相變溫度，因此組織沒(méi)有太大區(qū)別，組織不均勻，存在魏氏組織，晶粒有混晶的風(fēng)險(xiǎn)。高溫回火后的鍛件，等溫正火組織及硬度都符合要求。因此，可以初步斷定鍛造過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)于正火組織有不利的影響。預(yù)制坯GFM鍛造后緩冷再進(jìn)行正火，等溫正火組織及硬度也符合要求。

根據(jù)這幾次試驗(yàn)結(jié)果可以說(shuō)明，由于溫鍛的性質(zhì)造成鍛后等溫正火金相不合格，但通過(guò)高溫回火，或者鍛后緩冷，消除鍛造應(yīng)力，正火就可以保證合格。

4 預(yù)制坯預(yù)先等溫正火試驗(yàn)

根據(jù)與GFM公司交流，對(duì)于預(yù)制坯進(jìn)行等溫正火處理，GFM鍛造后鍛件可以不用等溫正火處理。預(yù)制坯采用等溫正火，硬度按160～185HBW控制；溫鍛時(shí)由于高頻次鍛造，晶粒細(xì)化，硬度有上升的趨勢(shì)，可防止鍛件硬度不合格。硬度控制在下限主要是為了保證金相組織，防止出現(xiàn)非平衡組織，在再次加熱鍛造時(shí)出現(xiàn)非平衡組織。預(yù)制坯沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)處理，鍛件后需要經(jīng)過(guò)等溫正火處理。由于鍛件形狀比較復(fù)雜，始鍛溫度較高，鍛造后的鍛件還是需要等溫正火的。鍛件經(jīng)過(guò)等溫正火，由于正火過(guò)程中高溫加熱，有氧化脫碳的風(fēng)險(xiǎn)，與不需要等溫正火處理的鍛件尺寸相應(yīng)地要加大，防止由于氧化脫碳造成尺寸不合格。對(duì)于精度要求高的鍛件可以鍛后不用等溫正火處理。對(duì)于試驗(yàn)預(yù)制坯進(jìn)行預(yù)先等溫正火試驗(yàn)很有必要。預(yù)制坯、鍛件正火硬度及金相見(jiàn)表3。

表3 預(yù)制坯、鍛件正火硬度及金相組織

圖10 鍛造位置等溫正火金相組織

圖11 未鍛造位置等溫正火金相組織

為了比較GFM鍛造位置金相組織，對(duì)于直接冷卻和經(jīng)過(guò)保溫緩冷的金相組織（500×）進(jìn)行比較，如圖12c、圖14c所示。在金相組織中可以看出經(jīng)過(guò)緩冷去應(yīng)力的鍛坯，金相組織（圖14c）有球化的趨勢(shì)，對(duì)于這種金相組織與高合金鋼等溫退火的金相組織非常相似。

圖12 鍛造位置直接空冷未正火金相組織

圖14 鍛造位置鍛后緩冷未正火金相組織

圖13 未鍛造位置直接空冷未正火金相組織

鍛造后硬度有上升的趨勢(shì)。預(yù)制坯中頻感應(yīng)加熱相當(dāng)于高溫回火，由于沒(méi)有變形，硬度有降低的趨勢(shì)。預(yù)制坯通過(guò)GFM高頻次鍛造硬度由163HBW上升至187HBW、191HBW，GFM溫鍛后硬度上升14%～17%，檢測(cè)雖然只有兩件，但也可以說(shuō)明鍛造硬度有上升的趨勢(shì)。

圖15 未鍛造位置鍛后緩冷未正火金相組織

由于GFM在鍛造過(guò)程中，不同的部位變形量不同，各處的硬度及晶粒度不同，因此對(duì)于類似鍛造產(chǎn)品正火檢測(cè)項(xiàng)目最好指定位置。指定的檢測(cè)位置是作為齒輪或者花鍵的位置。硬度、金相可以按照平常要求執(zhí)行；對(duì)于晶粒度要求不低于5級(jí)，而沒(méi)有上限要求。

5 預(yù)制坯滲碳試驗(yàn)

對(duì)于預(yù)制坯各種狀態(tài)的鍛件進(jìn)行滲碳淬火，檢測(cè)心部組織。試驗(yàn)及狀態(tài)檢測(cè)見(jiàn)表4。

表4 滲碳淬火后心部組織

圖16 等溫正火+GFM鍛造+鍛后空冷后金相組織

圖17 等溫正火+GFM鍛造+鍛后緩冷后金相組織

圖18 模鍛后等溫正火+GFM鍛后空冷+等溫正火后鍛造位置金相組織（100×）

圖19 模鍛后空冷+GFM鍛后空冷+等溫正火后鍛造位置金相組織（100×）

預(yù)制坯不同預(yù)處理狀態(tài)是否影響滲碳后晶粒度，根據(jù)試驗(yàn)只要等溫正火后金相組織合格就可以，試驗(yàn)狀態(tài)見(jiàn)表4。四者的晶粒度沒(méi)有太大區(qū)別，只是預(yù)制坯經(jīng)過(guò)預(yù)處理，晶界更清晰而已，大晶粒數(shù)量少一點(diǎn)，但都是合格的。根據(jù)滲碳淬火后心部金相可以看出，對(duì)于鍛件直接冷卻和鍛后緩冷，金相都是合格的，由于鍛坯晶粒度細(xì)小，滲碳后的組織還是優(yōu)于正常模鍛件的。但是鍛件鍛后緩冷可以消除部分鍛造應(yīng)力，雖然直接空冷組織也是合格的，但是對(duì)于緩冷后的鍛件由于應(yīng)力的消除對(duì)于滲碳工件的變形還是有好處的。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜合上述試驗(yàn)可以看出，對(duì)于預(yù)制坯進(jìn)行預(yù)處理，GFM鍛造始鍛溫度＜830℃，鍛件可不用進(jìn)行等溫正火處理。對(duì)于預(yù)制坯采用較低的鍛造溫度（≤1000℃），預(yù)制坯組織不會(huì)太差，鍛造時(shí)選用較低的鍛造溫度（≤820℃），鍛造后空冷，進(jìn)行等溫正火，合格率也很高，可以達(dá)到90%以上，對(duì)于鍛造過(guò)程緩冷有時(shí)執(zhí)行有難度，通過(guò)降低預(yù)制坯鍛造溫度，提高預(yù)制坯質(zhì)量，穩(wěn)定GFM鍛造溫度，采用等溫正火質(zhì)量還是可以保證的。

1）在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，預(yù)制坯鍛造時(shí)溫度≤1000℃，能保證成形，GFM鍛造后空冷沒(méi)有經(jīng)過(guò)緩冷處理，經(jīng)過(guò)一次正火很多時(shí)候也是合格的，可能與預(yù)制坯鍛造溫度低有關(guān)，預(yù)制坯組織較好；也有可能鋼中Al、Nb、Ti等碳氮化物形成元素[3]，對(duì)晶粒進(jìn)行釘扎，可以防止晶粒長(zhǎng)大，從而保證一次正火合格。

2）由于對(duì)鍛件要求精度比較高，因此應(yīng)對(duì)預(yù)制坯進(jìn)行等溫正火處理，控制預(yù)制坯硬度在最下限是鍛件正火硬度要求。工件變形要求嚴(yán)格的鍛件盡量采用鍛后緩冷，根據(jù)變形試驗(yàn)或者增加鍛后等溫正火。

3）鍛件晶粒度要求不低于5級(jí)，沒(méi)有上限要求。另外，應(yīng)對(duì)鍛件硬度指定檢測(cè)部位。