冷鍛齒輪用16MnCrS5鋼的球化退火工藝

章 軍， 趙四新

(寶山鋼鐵股份有限公司 中央研究院， 上海 201999)

在汽車(chē)零部件行業(yè)冷鍛成形是一種精密塑性成形技術(shù)，具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，制品的力學(xué)性能好，生產(chǎn)效率高和材料利用率高，而冷鍛前的熱處理尤為關(guān)鍵，冷鍛材料常采用球化退火進(jìn)行軟化處理，從而改善材料塑性。與熱鍛成形相比，冷鍛成形件尺寸精度高，加工余量小。實(shí)施冷鍛工藝要求鋼材具有較低的硬度和良好的流動(dòng)性，由于鐵素體是一種塑性極佳的組織，它是鋼中具有最佳塑性和最低硬度的一種組織，球化退火是提高鋼材冷成形性的有效手段，球化退火得到的組織是球狀珠光體+鐵素體基體[1-2]。

程維瑋等[3]研究了20MnCrS5鋼的球化退火工藝，開(kāi)發(fā)出球化率超過(guò)85%，硬度約140 HBW的冷鍛用材料。薛剛等[4]研究了SKS51工具鋼的快速球化退火工藝，有效地減少熱處理時(shí)間并節(jié)省能源消耗。Wang等[5]研究了在700 ℃靜態(tài)球化退火條件下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%C-Fe鋼珠光體的球化過(guò)程，計(jì)算機(jī)輔助三維層析成像和電子背散射衍射，結(jié)果表明，在珠光體球化過(guò)程中，內(nèi)部孔洞對(duì)珠光體球化的發(fā)生和發(fā)展起著重要作用。

16MnCrS5鋼是常用的冷鍛齒輪鋼材料，在工程中得到了廣泛應(yīng)用，在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常有鍛造加工廠反饋該材料常規(guī)球化退火處理后，材料的球化率不高(約80%)導(dǎo)致材料的硬度偏高，達(dá)到140 HBW左右，塑性不佳等問(wèn)題。本文通過(guò)研究不同球化退火工藝對(duì)16MnCrS5鋼硬度、強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能的影響，尋找最佳的球化退火處理工藝，為冷鍛齒輪鋼球化退火工藝提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方法及結(jié)果

試驗(yàn)所用16MnCrS5鋼的化學(xué)成分如表1所示，試樣尺寸選取為直徑φ35 mm圓鋼高度為150 mm，用于測(cè)量不同球化退火處理工藝下的硬度值(3～5個(gè) 點(diǎn)的平均值)，以及熱處理后的組織分析和球化率評(píng)定。

表1 試驗(yàn)用16MnCrS5鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

采用熱模擬試驗(yàn)機(jī)測(cè)得16MnCrS5鋼的Ac1溫度為740 ℃。將材料加熱到Ac1以上20 ℃的溫度進(jìn)行球化退火處理，即760 ℃作為球化退火溫度，為了考察加熱溫度對(duì)軟化后硬度的影響，取730 ℃作為對(duì)比溫度，具體工藝如表2所示。

表2 球化退火工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

在經(jīng)過(guò)4種工藝的球化退火處理后，各組織的SEM分析結(jié)果如圖1所示，經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在工藝1條件下，材料基體中的片層狀滲碳體球化率達(dá)到95%以上，與工藝2的組織球化率相當(dāng)，工藝3和工藝4的SEM組織表明部分片層狀滲碳體未發(fā)生球化，且存在一些細(xì)小的球狀顆粒對(duì)基體產(chǎn)生強(qiáng)化效果，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度要高于前兩種工藝，說(shuō)明當(dāng)加熱溫度超過(guò)Ac1溫度時(shí)，是有利于基體中的滲碳體發(fā)生球化的。其主要原因是當(dāng)加熱溫度超過(guò)Ac1溫度時(shí)，基體中部分組織轉(zhuǎn)化成奧氏體，加快了基體組織中的碳向奧氏體基體中擴(kuò)散，根據(jù)膠態(tài)原理(第二相顆粒在基體中的固溶度與其曲率半徑有關(guān)，曲率半徑越小的顆粒在基體中的固溶度越大)，曲率半徑較小的尖端位置，滲碳體向奧氏體溶解的過(guò)程越快，使得原來(lái)的片層狀滲碳體發(fā)生斷裂的速度就越快[6-7]，斷裂后一些碳化物有棱角的位置和一些尺寸較小的碳化物就會(huì)充分溶解，而一些尺寸較大的滲碳體，在經(jīng)過(guò)這個(gè)階段后形成了球狀滲碳體，在后續(xù)冷卻的過(guò)程中，形成了新的形核點(diǎn)，溶解在奧氏體中的滲碳體在形核點(diǎn)逐漸析出，使得碳化物逐漸球化。而當(dāng)加熱溫度沒(méi)有超過(guò)Ac1時(shí)，材料的基體組織還是鐵素體+珠光體組織，當(dāng)材料加熱至Ac1溫度以下某溫度時(shí)，在保溫過(guò)程中，突出位置的碳化物要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)散，才能使片層狀的碳化物充分?jǐn)嗔?，且斷裂后?huì)產(chǎn)生較多的細(xì)小碳化物顆粒，如果保溫時(shí)間不充分，就會(huì)導(dǎo)致部分片層狀碳化物不能完全斷裂，如圖2中工藝3的滲碳體形貌，由于滲碳體未能完全斷開(kāi)，SEM形貌中可發(fā)現(xiàn)存在較多的棒狀組織，證明擴(kuò)散的時(shí)間不夠，使得滲碳體未能充分球化。工藝4條件下材料強(qiáng)度偏高，主要原因是滲碳體尺寸較小，在基體中產(chǎn)生了一定程度彌散強(qiáng)化效果，在塑性變形的過(guò)程中，細(xì)小彌散的滲碳體在晶界位置起到釘扎效果。此外對(duì)比相同加熱溫度下的組織球化率可以發(fā)現(xiàn)，工藝1和4在冷卻過(guò)程中增加了在710 ℃、680 ℃下的保溫，有利于提高材料球化率，球化率分別提高了5%。

圖1 不同球化退火工藝下16MnCrS5鋼的球化組織及球化率(a)工藝1，球化率95%；(b)工藝2，球化率90%；(c)工藝3，球化率75%；(d)工藝4，球化率80%Fig.1 Spheroidized structure and spheroidizing rate of the 16MnCrS5 steel under different spherioidizing annealing processes(a) process 1, spheroidizing rate 95%; (b) process 2, spheroidizing rate 90%; (c) process 3, spheroidizing rate 75%; (d) process 4, spheroidizing rate 80%

圖2 不同球化退火工藝下16MnCrS5鋼的SEM形貌(a)工藝1；(b)工藝2；(c)工藝3；(d)工藝4Fig.2 SEM images of the 16MnCrS5 steel under different spheroidizing annealing processes(a) process 1; (b) process 2; (c) process 3; (d) process 4

圖3是在4種球化退火工藝下，16MnCrS5鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的差異，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在工藝1和工藝2 條件下，即加熱溫度在760 ℃時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度相差不明顯，抗拉強(qiáng)度約為410 MPa，當(dāng)加熱溫度降低至730 ℃時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度明顯升高，其中工藝3條件下的抗拉強(qiáng)度高達(dá)463 MPa，但是在4種工藝條件下，材料的屈服強(qiáng)度變化不是特別明顯，均在200 MPa左右，證明16MnCrS5鋼球化退火加熱溫度升高能有效降低材料強(qiáng)度。圖4是16MnCrS5鋼材料經(jīng)過(guò)不同球化退火后的硬度，在工藝1和工藝2條件下，材料的硬度平均值最低達(dá)到123 HBW和132 HBW。加熱溫度由760 ℃下降至730 ℃后，材料硬度明顯升高，達(dá)到140 HBW以上。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，增加冷卻過(guò)程中的保溫段有利于降低材料硬度。

圖3 不同球化退火工藝對(duì)16MnCrS5鋼強(qiáng)度的影響Fig.3 Effects of different spheroidizing annealing processes on strength of the 16MnCrS5 steel

圖4 不同球化退火工藝對(duì)16MnCrS5鋼硬度的影響Fig.4 Effects of different spheroidizing annealing processes on hardness of the 16MnCrS5 steel

斷面收縮率和伸長(zhǎng)率是材料塑性關(guān)鍵參數(shù)之一，圖5是不同球化退火工藝下的16MnCrS5鋼斷面收縮率與伸長(zhǎng)率的變化，較其他工藝相比，工藝1條件下，16MnCrS5鋼具有最佳的塑性，斷面收縮率達(dá)到72%，伸長(zhǎng)率高達(dá)39%。在工藝3條件下，材料的斷面收縮率和伸長(zhǎng)率最低，證明加熱溫度為760 ℃時(shí)，有效提高了塑性，經(jīng)過(guò)球化退火后，材料的強(qiáng)度越高，其塑性越差，強(qiáng)度越低，塑性越好。結(jié)合各工藝下的組織分析可知，由于工藝1條件下的滲碳體球化率最高，基體中的鐵素體比例最高，在塑性變形過(guò)程中，主要塑性變形形式是滑移，滲碳體發(fā)生球化后，鐵素體滑移過(guò)程受到的阻力最小，且滑移過(guò)程變形度最高可達(dá)300%[8]，因此，工藝1條件下，16MnCrS5鋼具有最佳的塑性。

圖5 不同球化退火工藝下16MnCrS5鋼的斷面收縮率和伸長(zhǎng)率Fig.5 Reduction of area and elongation of the 16MnCrS5 steel under different spheroidizing annealing processes

3 結(jié)論

1) 16MnCrS5鋼的伸長(zhǎng)率與組織球化率成正相關(guān)，球化率越高，材料的伸長(zhǎng)率越高，抗拉強(qiáng)度越低，這是因?yàn)椴牧系那蚧试礁?，鐵素體在基體的比例越大，其塑性就越好。

2) 在760 ℃保溫4 h，以12 ℃/h的冷速冷卻至710 ℃ 然后保溫3 h，再以12 ℃/h的冷速冷卻至680 ℃保溫2 h，爐冷至500 ℃下出爐后，16MnCrS5鋼的球化率最高，可達(dá)到95%以上，材料的抗拉強(qiáng)度約為400 MPa，硬度達(dá)到123 HBW，伸長(zhǎng)率39%，材料的塑性最佳，優(yōu)于常規(guī)16MnCrS5鋼冷鍛材料性能。因此，此工藝可供冷鍛用16MnCrS5齒輪鋼參考。