冷鍛件的預(yù)處理

郝豐林，劉小丹，蔣勇，余國(guó)增

1.江蘇雙環(huán)齒輪有限公司 江蘇淮安 223200

2.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

冷鍛是冷模鍛、冷擠壓、冷鐓等塑性加工的統(tǒng)稱。冷鍛是對(duì)物料再結(jié)晶溫度以下的成形加工，是在回復(fù)溫度以下進(jìn)行的鍛造。生產(chǎn)中習(xí)慣把不加熱毛坯進(jìn)行的鍛造稱為冷鍛。

工件在冷鍛的過程中會(huì)發(fā)生加工硬化，這是因?yàn)樵阡撝挟a(chǎn)生大量位錯(cuò)，這些位錯(cuò)互相糾結(jié)在一起，不能活動(dòng)，發(fā)生硬化。此外，鋼中的晶粒沿加工方向被拉長(zhǎng)，形成加工結(jié)構(gòu)組織，因此在多次冷鍛過程中，加工硬化會(huì)導(dǎo)致冷鍛裂紋敏感性升高。

冷鍛件表面質(zhì)量好，尺寸精度高，能代替一些切削加工。冷鍛能使金屬?gòu)?qiáng)化，提高零件的強(qiáng)度。冷鍛可以避免金屬加熱出現(xiàn)的缺陷，獲得較高的精度和表面質(zhì)量，并能提高工件的強(qiáng)度和硬度，節(jié)省能源，并可進(jìn)行高精度的近終形成形，降低部件制造成本。冷鍛是可以高精度、大批量、低成本制造各種機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件的加工方法。由于冷鍛是在室溫下進(jìn)行加工，因此有利于保護(hù)環(huán)境。

2 冷鍛材料

由于是對(duì)坯料進(jìn)行冷加工，所以難以進(jìn)行復(fù)雜形狀部件的成形，并且受到材料加工極限和設(shè)備條件的制約。此外，雖然由于加工硬化可以改善材料的材質(zhì)，但由于應(yīng)變導(dǎo)入，也產(chǎn)生了一些問題。但冷鍛變形抗力大，需用較大噸位的設(shè)備。

冷鍛材料大都是室溫下變形抗力較小且塑性較好的鋁及部分鋁合金、銅及部分銅合金、低碳鋼、中碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼。冷鍛性好的材料是具有低變形抗力和高變形能的材料。為降低鋼的變形抗力，需要使冷鍛前的材料處于軟化狀態(tài)。為此，一般要對(duì)材料進(jìn)行軟化退火或球化退火。對(duì)于具有大量質(zhì)軟且延展性高（鐵素體組織比例高的鋼材）的低碳鋼和滲碳鋼，可以在軋制狀態(tài)下進(jìn)行冷鍛。但碳含量高的強(qiáng)韌鋼和軸承鋼，一般要在冷鍛前進(jìn)行球化退火。即使是球化退火鋼，也會(huì)因成分的不同，導(dǎo)致變形抗力不同。多次變形時(shí)需增加再結(jié)晶退火和其他輔助工序。對(duì)于鋼材表面盡量是加工后的面，可以減少冷鍛后表面缺陷。對(duì)于表面有脫碳的材料，在冷鍛時(shí)表面會(huì)產(chǎn)生微細(xì)裂紋，或使疲勞強(qiáng)度下降，或是調(diào)質(zhì)后硬度不足。因此，對(duì)冷鍛材料要有脫碳層允許深度的規(guī)定。此外，材料表面增碳，可提高材料的表面能。在對(duì)表面有殘余應(yīng)力的坯料進(jìn)行冷鍛時(shí)，在自由表面上產(chǎn)生的拉應(yīng)力會(huì)與殘余應(yīng)力相抵消，從而可提高變形能。一般情況是，根據(jù)球化率大小來確定冷鍛鋼的合格標(biāo)準(zhǔn)。鋼在塑性加工時(shí)的斷裂主要是延性斷裂。延性斷裂的起點(diǎn)是鋼中的非金屬夾雜物、第二相、析出物等[1，2]。

3 冷鍛后的處理

冷鍛后的產(chǎn)品為了達(dá)到要求的強(qiáng)度，有時(shí)需要進(jìn)行滲碳淬火。冷鍛帶來的應(yīng)變會(huì)在滲碳過程中誘發(fā)晶粒異常長(zhǎng)大，造成組織粗大、混晶，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。這時(shí)，應(yīng)對(duì)鍛件進(jìn)行消除應(yīng)變熱處理，進(jìn)行?；ǖ葴卣鸹蛘穑┨幚?。為了防止這種情況的發(fā)生，在鋼中添加Al、Nb、Ti等碳氮化合物形成元素，對(duì)晶粒進(jìn)行釘扎，也可以防止晶粒長(zhǎng)大[3]。

我們?cè)谏a(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)對(duì)于冷鍛（擠壓）件，一根材料為16MnCr5鋼的軸，進(jìn)行一次正火，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)混晶且產(chǎn)生混晶的概率在10%～20%。在發(fā)現(xiàn)一次正火混晶后，進(jìn)行二次正火，只是組織稍微不正常，滲碳淬火后心部組織是正常的，沒有出現(xiàn)晶粒粗大的現(xiàn)象。對(duì)一次正火出現(xiàn)混晶的工件進(jìn)行滲碳淬火，淬火后的心部組織也是組織粗大，出現(xiàn)混晶。正火工藝如圖1所示，加熱爐網(wǎng)速（此處用電動(dòng)機(jī)頻率表示，下同）30Hz±5Hz，風(fēng)冷網(wǎng)速20Hz±5Hz，風(fēng)機(jī)一和風(fēng)機(jī)二頻率35Hz±5Hz，引風(fēng)機(jī)處于開起狀態(tài)，等溫網(wǎng)速30Hz±5Hz。

圖1 940℃正火工藝

一次正火后的不合格金相組織如圖2所示，二次正火后金相組織如圖3所示。

圖2 940℃正火不合格金相組織

圖3 940℃二次正火金相組織

正火設(shè)備最高正火溫度是950℃，對(duì)于冷鍛（擠壓）件，我們正常采用的正火溫度一般選擇在該軸由于硬化層要求淺，采用的滲碳溫度是860℃±10℃。一般要求是正火溫度高于滲碳溫度30～50℃；采用低溫正火可以節(jié)約能源，減少氧化皮，減輕正火后清理的難度[4]，于是選擇900℃±5℃進(jìn)行正火試驗(yàn)。為了驗(yàn)證正火溫度的變化對(duì)于熱處理質(zhì)量的影響，選擇同批次材料的產(chǎn)品100件，采用兩種正火溫度，每個(gè)工藝50件。對(duì)正火后的金相進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比；對(duì)于滲碳后的金相也進(jìn)行檢測(cè)比較。正火工藝分別如圖1、圖4所示，加熱爐網(wǎng)速30Hz±5Hz，風(fēng)冷網(wǎng)速20Hz±5Hz，風(fēng)機(jī)一和風(fēng)機(jī)二頻率35Hz±5Hz，引風(fēng)機(jī)處于開起狀態(tài)，等溫網(wǎng)速30Hz±5Hz，正火金相組織如圖5、圖6所示。

圖4 900℃正火工藝

圖5 940℃正火金相組織

圖6 900℃正火金相組織

對(duì)于此批材料正火溫度無論是900℃還是940℃正火，金相沒有太大區(qū)別，都是符合要求的。滲碳淬火工藝如圖7所示。由于正火溫度改變，對(duì)于這兩種正火溫度的工件，滲碳淬火后分別檢測(cè)了9件金相。從中取了一件最好件和一件最差件再進(jìn)一步做金相檢測(cè)。940℃正火滲碳后金相組織如圖8所示。其中，圖8a～c是最好件金相，圖8d～f是最差件金相；900℃正火滲碳后金相組織如圖9所示，其中，圖9a～c是最好件金相，圖9d～f是最差件金相。從金相中可以看出，900℃正火最好的金相比940℃正火最差的金相還要差。

圖7 預(yù)熱+滲碳淬火工藝

圖8 940℃正火滲碳金相組織

圖9 900℃正火滲碳金相組織

4 金相分析

對(duì)于同一批材料，同樣的鍛造方式，為什么高溫正火+滲碳淬火后的金相優(yōu)于較低溫度正火的。根據(jù)查閱的相關(guān)資料了解：金屬與合金在塑性變形時(shí)所消耗的功，絕大部分轉(zhuǎn)變成熱而散發(fā)掉，只有一小部分（2%～10%）能量以彈性應(yīng)變能和增加金屬中晶體缺陷（空位和位錯(cuò)等）的形式儲(chǔ)存在加工硬化的金屬中，從而使其自由能較冷塑變形前的狀態(tài)高。晶體缺陷所儲(chǔ)存的能量又叫畸變能，空位和位錯(cuò)是其中最重要的兩種形式。因此，冷變形的金屬在熱力學(xué)上是處于一種不穩(wěn)定的亞溫狀態(tài)，如果升高溫度使金屬中的原子獲得足夠的活動(dòng)性，以克服亞穩(wěn)狀態(tài)與穩(wěn)定狀態(tài)之間的勢(shì)壘，則經(jīng)冷塑性變形的金屬將自發(fā)地通過點(diǎn)陣缺陷的重新排列和減少而恢復(fù)到冷變形前的狀態(tài)。經(jīng)過冷塑性變形的金屬加熱時(shí)，依次經(jīng)過回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大三個(gè)階段。隨著加熱溫度的升高或者保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒之間相互吞并而長(zhǎng)大，包括正常的晶粒長(zhǎng)大和異常的晶粒長(zhǎng)大，后者稱為二次再結(jié)晶。在特殊的情況下，二次再結(jié)晶形成的新晶粒組織在加熱時(shí)還會(huì)發(fā)生三次再結(jié)晶。再結(jié)晶晶粒大小主要與變形度、退火溫度、雜質(zhì)、合金成分及原始晶粒度等。

本次試驗(yàn)說明，高溫正火更利于冷塑性變形金屬組織恢復(fù)常態(tài)，把冷塑性變形產(chǎn)生的缺陷消除，這樣可以保證工件在隨后的滲碳淬火工序，獲得需要的組織。對(duì)于同一鋼材型號(hào)的產(chǎn)品有時(shí)一次正火合格，有時(shí)需要二次正火合格，可能與鋼材原始成分，尤其是鋼中Al、Nb、Ti等碳氮化合物形成元素含量的高低有關(guān)。對(duì)于冷鍛方式的毛坯，應(yīng)該規(guī)定好正火溫度，檢查金相抽檢比例應(yīng)高于熱模鍛造的產(chǎn)品，只有這樣才能保證后序的滲碳淬火質(zhì)量。