20CrMnTiH3 齒輪鍛件余熱正火工藝探討

文／馬鋒剛，黨軍·陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司材料中心

本文研究了20CrMnTiH3 余熱正火工藝參數(shù)對結(jié)果的影響，不同入爐溫度、爐溫及周期時(shí)間對余熱正火后零件硬度和金相組織的影響。以及影響金相組織中異常組織和帶狀組織的因素，最終通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇了一種最佳的20CrMnTiH3 齒輪類毛坯余熱正火工藝方案。

鍛造余熱等溫正火工藝是一種節(jié)能降耗、成本低廉的預(yù)備熱處理工藝方案，隨著鍛造自動(dòng)化程度的增加，穩(wěn)定的鍛造過程配合余熱等溫正火工藝的生產(chǎn)方式(見圖1)在齒輪行業(yè)逐漸被認(rèn)可和廣泛使用。首先，余熱正火工藝成本低廉，只有等溫正火的五分之一；其次，設(shè)備簡單價(jià)格便宜，常見的有轉(zhuǎn)底爐和網(wǎng)帶爐；再次，工藝穩(wěn)定性好，產(chǎn)品單件均勻性和整批均勻性都很好，適用于批量生產(chǎn)模式。

圖1 余熱正火生產(chǎn)線示意圖

我公司自2006 年引進(jìn)自動(dòng)化鍛造設(shè)備+余熱正火爐生產(chǎn)線，開發(fā)了8620RH 材質(zhì)齒輪類鍛件的余熱正火工藝，經(jīng)過長期生產(chǎn)實(shí)踐證明了余熱正火的穩(wěn)定性和可靠性。隨著產(chǎn)品類型的增加，20CrMnTiH3 齒輪鍛件逐漸在自動(dòng)鍛造線生產(chǎn)，該材料鍛件的余熱正火工藝急需開發(fā)和應(yīng)用。

試驗(yàn)用典型零件外形尺寸為外徑185mm，中心孔為50mm，厚度40mm，帶輪輻齒輪類鍛件毛坯，材質(zhì)為20CrMnTiH3，主要化學(xué)成分如表1 所示，淬透性如表2 所示，淬透性較8620RH 材質(zhì)高一些。技術(shù)要求為正火后金相組織符合GB/T 13320-2007 標(biāo)準(zhǔn)1 ～3 級，帶狀級別符合GB/T 34474.1-2017 標(biāo)準(zhǔn)0 ～3 級。不允許有貝氏體、馬氏體等異常組織存在，正火態(tài)晶粒度要求5 ～8 級。

表1 20CrMnTiH3 原材料實(shí)測化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 20CrMnTiH3 原材料淬透性檢測結(jié)果

我公司余熱正火設(shè)備為轉(zhuǎn)底式余熱正火爐，一種為電加熱方式，一種為燃?xì)饧訜岱绞?。相比電加熱零件表面氧化較少，運(yùn)行成本高；燃?xì)饧訜峁ぜ砻嫜趸^多，但運(yùn)行成本低。

工藝方案及試驗(yàn)結(jié)果

鍛造余熱等溫正火工藝要點(diǎn)

工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在保證最終質(zhì)量的前提下，盡量簡化工藝流程，合理利用能源，以相對較少的能源消耗來獲取最佳工藝效果。

⑴終鍛溫度控制。

成形后鍛件的溫度必須在(亞共析鋼)以上，當(dāng)鍛后零件溫度波動(dòng)小(鍛造加熱和鍛造過程能連續(xù)穩(wěn)定控制)時(shí)可采用直接急冷的方式；當(dāng)鍛后零件溫度波動(dòng)較大或鍛件截面變化大時(shí)，必須增加均溫過程，即終鍛后立即進(jìn)入均溫?zé)崽幚頎t中進(jìn)行一段時(shí)間的保溫，使急冷前的鍛件溫度均勻一致，否則會造成急冷后鍛件溫度相差大，產(chǎn)生異常組織(粒狀貝氏體或貝氏體組織)。

⑵急冷速度控制。

急冷是鍛造余熱等溫正火工藝的關(guān)鍵工序，急冷工序中要求鍛件有足夠的冷卻速度，其風(fēng)量和風(fēng)向均能調(diào)節(jié)和控制，保證鍛件快速冷卻，同時(shí)冷卻前同一鍛件和同批鍛件溫度均勻一致(或相近)。急冷的目的是通過快速冷卻來減少先共析鐵素體的量，過多的鐵素體會造成等溫正火后鍛件硬度下降。必須對急冷速度加以控制，過快的急冷速度會在鍛件組織中產(chǎn)生魏氏組織，一般急冷速度控制在70℃/min。例如重型載貨車變速箱齒輪材料8620RH(20CrNiMoH)，該齒輪等溫正火后要求硬度為150 ～170HBW，范圍窄，金相組織為1 ～3 級。一般規(guī)律為冷速越快組織越細(xì)，硬度越高。

⑶入爐溫度控制(急冷后溫度控制)。

急冷后必須保證鍛件溫度在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)，不能低于貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度，否則會造成組織中出現(xiàn)貝氏體(或粒狀貝氏體)組織；同時(shí)，如急冷后等溫溫度過高會導(dǎo)致先共析鐵素體量增多，組織轉(zhuǎn)變后珠光體片層間距大，造成鍛件硬度下降。鍛件急冷后等溫溫度一般控制在材料C 曲線鼻尖溫度以上50℃范圍以內(nèi)，鍛件溫度通過設(shè)置在生產(chǎn)線上的紅外測溫儀或手持紅外測溫儀測量。

⑷等溫溫度的選擇。

等溫溫度的高低直接影響等溫正火后鍛件的硬度，等溫溫度高則硬度低，等溫溫度低則硬度高。等溫溫度一般為鍛件材料C 曲線鼻尖溫度±30℃范圍以內(nèi)，鼻尖溫度最佳，具體溫度需根據(jù)鍛件的材料、形狀和尺寸大小通過試驗(yàn)確定，并根據(jù)等溫正火后鍛件的硬度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

⑸保溫時(shí)間的確定。

余熱正火工藝中，在等溫過程中發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，因此必須有足夠的保溫時(shí)間保證珠光體轉(zhuǎn)變完成，等溫時(shí)間過短會造成過冷奧氏體沒有完全轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，在隨后的冷卻過程中會轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，造成等溫處理后鍛件硬度高、組織不合格。最常見的材料為8620RH 和20CrMnTi，最短保溫60 分鐘即可，但17CrNiMo6、20Cr2Ni4 等材質(zhì)則需要180 分鐘以上。等溫時(shí)間可根據(jù)材料的C 曲線(等溫轉(zhuǎn)變曲線)進(jìn)行初步確定，并根據(jù)試驗(yàn)情況進(jìn)行調(diào)整。

工藝方案設(shè)計(jì)

加熱溫度以典型零件為對象根據(jù)20CrMnTiH3 材質(zhì)的C 曲線(見圖2)“鼻尖”溫度+淬透性值，與目前成熟的8620RH 材質(zhì)余熱正火工藝對比，設(shè)計(jì)了20CrMnTiH3 材質(zhì)的兩種工藝加熱溫度——660℃和680℃，保溫時(shí)間90 分鐘，分別用兩個(gè)極限入爐溫度范圍測試熱處理結(jié)果，即740 ～750 ℃和650 ～660℃兩個(gè)入爐溫度范圍。

圖2 20CrMnTiH3 材質(zhì)的C 曲線

入爐溫度以典型零件為對象設(shè)計(jì)四種入爐溫度試驗(yàn)方案，方案覆蓋20CrMnTiH3 材質(zhì)的C 曲線“鼻尖”溫度660℃以下和650 ～750℃之間4 個(gè)溫度范圍(740 ～750℃，710 ～720℃，680 ～690℃，650 ～660℃)；測溫位置都統(tǒng)一在內(nèi)孔部位。

結(jié)果及分析

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表3)分析：只要入爐溫度合適，660℃和680℃都能獲得合格的正火組織和硬度，但選擇較低的保溫溫度既能防止帶狀組織加重，又節(jié)約加熱能耗。

表3 不同保溫溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

在確定保溫溫度后繼續(xù)進(jìn)行了不同入爐溫度的對比試驗(yàn)，結(jié)果(見表4)顯示入爐溫度越高，正火硬度越低，帶狀組織越明顯。反之，入爐溫度越低，正火硬度越高，帶狀組織越輕微。硬度最高可達(dá)到210HBW，但金相組織卻合格，但硬度過高不利于機(jī)械加工。

表4 660℃保溫不同入爐溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

入爐溫度在680 ～750℃范圍內(nèi)硬度和金相都合格。參考8620 材質(zhì)入爐溫度控制在60 ℃范圍內(nèi)，且保證安全溫度下限值，最終將入爐溫度定為690 ～750℃。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果最終確定20CrMnTiH3 余熱正火基本工藝參數(shù)，如表5 所示。20CrMnTiH3 余熱正火金相組織及急冷過程見圖3、圖4。

表5 工藝參數(shù)確定

圖3 20CrMnTiH3 余熱正火金相組織

圖4 急冷過程

典型零件的等溫正火整體硬度比余熱正火低，余熱正火的硬度值會根據(jù)原材料爐號不同而波動(dòng)，對原材料的波動(dòng)更加敏感。同時(shí)，余熱正火的帶狀組織隨原材料爐號不同有明顯變化。滲碳淬火回火工藝后變形量對比結(jié)果顯示兩種工藝基本一致，無明顯差別。

結(jié)論

⑴20CrMnTiH3 鍛造余熱正火可獲得合格的金相組織和硬度；

⑵20CrMnTiH3 鍛造余熱正火合理的入爐溫度為690 ～750℃，入爐溫度越高零件表面硬度越低，反之硬度升高；

⑶20CrMnTiH3 鍛造余熱正火660℃為最佳保溫溫度。