王 敏,郭淑蘭,徐學(xué)東
(長春工程學(xué)院 機電學(xué)院,吉林 長春 130012)
為了改善鋼件的切削加工性能通常多會采用正火的處理方式,而正火處理一直存在組織不夠均勻、加工性能不夠理想等問題,且在隨后的滲碳淬火中還會出現(xiàn)其他問題。汽車齒輪是重要的滲碳鋼件,在熱處理過程中它的變形受鍛造預(yù)先熱處理、形狀等多種因素的影響,故熱處理是齒輪質(zhì)量控制的關(guān)鍵因素之一[1]。目前國內(nèi)齒輪鍛造毛坯熱處理采用正火和等溫退火的較多,普通正火的設(shè)備及工藝比較簡單,操作方便,但是由于得不到均勻的組織、硬度波動范圍大,正在逐漸被等溫退火取代[2]。在國外,齒輪鍛造毛坯常采用等溫退火的處理方式,處理后可以獲得均勻的組織,避免帶狀組織出現(xiàn),以減少變形,提高加工精度。但是等溫退火需要重新加熱,不夠經(jīng)濟,所以本文考慮一種新的熱處理方式——鍛造余熱等溫正火,在改善鋼件切削加工性能的同時,減小殘余應(yīng)力引起的變形,節(jié)約能源以降低生產(chǎn)成本。
實驗用鋼為常用低合金20CrMoH,其化學(xué)成分如表1所示[3]。
表1 20CrMoH鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) %
將一組試樣在加熱爐中加熱到950℃,保溫1h空冷進行正火處理;另一組試樣采用鍛造余溫正火處理,實驗中將試樣加熱至1 000℃,保溫1h,緩冷至850℃ ,然后風(fēng)冷至630℃放入等溫爐中,轉(zhuǎn)變完成后進行空冷。
試樣拋光后用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕,在Nikon EPIPHOT 300型光學(xué)顯微鏡下進行試樣顯微組織的觀察。硬度測試在HB-3000型布氏硬硬度試驗機上進行。表面輪廓測試用WYKO公司生產(chǎn)的RST500型非接觸光學(xué)輪廓儀進行。
圖1為正火試樣顯微組織,圖2為鍛造余熱等溫正火試樣顯微組織。
圖1 正火試樣顯微組織
圖2 鍛造余熱等溫正火試樣顯微組織
由圖1可見,正火試樣的顯微組織為粒狀貝氏體+珠光體及鐵素體,形成這種組織的原因是由于鋼的含碳量(質(zhì)量分數(shù))在0.17%~0.23%之間,屬于亞共析鋼,在奧氏體化后冷卻過程中,先共析鐵素體首先要析出;剩余奧氏體接近共析成分,在冷卻過程中形成片狀珠光體;產(chǎn)生貝氏體是由于正火冷卻速度比較快,而過冷奧氏體又比較穩(wěn)定,在空冷過程中來不及發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變的奧氏體在接下來的冷卻中發(fā)生了貝氏體轉(zhuǎn)變。
由圖2可見,鍛造余熱等溫正火的微觀組織是鐵素體+珠光體,形成這種組織是由于鍛后余溫為1 000℃左右,試樣完全奧氏體化,在隨后的冷卻過程中速度緩慢,至630℃放入等溫爐中完全轉(zhuǎn)變,這一轉(zhuǎn)變溫度剛好與珠光體的轉(zhuǎn)變溫度吻合,所以在轉(zhuǎn)變過程中除了先共析鐵素體之外,并沒有貝氏體生成。
表2為20CrMoH鋼熱處理后的硬度值。
表2 20CrMoH鋼熱處理后的布氏硬度值
由表2可見,兩組試樣的硬度值有所差別,正火試樣硬度值較高而且各部分差別也較大;鍛造余熱等溫正火試樣硬度值相對較小,而且試樣各部分硬度均勻差別不大。這是由于正火試樣由于冷卻速度較快,轉(zhuǎn)變過程中得到了粒狀貝氏體,另外較快的轉(zhuǎn)變速度導(dǎo)致了珠光體的各片層間距差別較大,所以造成了硬度不均勻。鍛造余熱等溫正火由于冷卻速度較慢,等溫轉(zhuǎn)變完全,獲得的是鐵素體+珠光體的平衡組織,而且珠光體片層間距均勻細小,所以表現(xiàn)在硬度上是各處比較均勻。
圖3為正火試樣表面變形云圖,圖4為鍛造余熱等溫正火試樣表面變形云圖。
圖3 正火試樣表面變形云圖
由圖3和圖4可見,兩種試樣表面都發(fā)生了變形,鍛造余熱等溫正火的波峰與波谷差值在50nm~70 nm之間,而普通正火的差值約為105nm。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因主要是采用不同的熱處理工藝,形成不同的顯微組織,導(dǎo)致硬度不同而致。正火試樣在冷卻過程中,冷卻速度較快,得到了非平衡組織鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體,粒狀貝氏體的M/A(馬氏體和奧氏體)小島和珠光體加鐵素體組織之間存在著較大的結(jié)構(gòu)和相界間應(yīng)力,在切削加工后得到釋放,造成了平衡組織和非平衡組織之間較大的表面變形量[4]。而鍛造余熱等溫正火試樣加熱溫度高,完全奧氏體化后先緩冷,然后再630℃進行等溫轉(zhuǎn)變,直到轉(zhuǎn)變完成才進行空冷,所以最終獲得的是鐵素體+珠光體的平衡組織。而且由于轉(zhuǎn)變速度慢,轉(zhuǎn)變充分,珠光體片層間距均勻,試樣各處組織、硬度均勻,強度韌性配合較好,因而加工后,表面變形比正火要小得多,表面光潔度較高。
圖4 鍛造余熱等溫正火試樣表面變形云圖
(1)20CrMoH鋼經(jīng)正火后組織為鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體,鍛造余熱等溫正火后組織為鐵素體+珠光體。
(2)正火后硬度值較大且不均勻,鍛造余熱等溫正火硬度值在HB175左右,且分布均勻,適合加工。
(3)正火試樣切削加工后表面變形量較大,鍛造余熱等溫正火試樣加工后表面變形小,光潔度高。
[1]彭俊,周述積,沈建一.兩種汽車滲碳齒輪新材料的預(yù)備熱處理工藝探討[J].熱處理設(shè)備與技術(shù),2006(3):55-57.
[2]徐德惠,牟宗山.汽車齒輪鍛造毛坯預(yù)熱處理工藝改進[J].工具技術(shù),2001(12):43-46.
[3]束德林.金屬力學(xué)性能[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.
[4]季長濤,董懷雨,王淮,等.正火顯微組織對汽車齒輪鋼加工表面微變形的影響[J].機械工程學(xué)報,2008(8):238-241.