王佳佳，張海英，吳先洋

（上海汽車變速器有限公司，上海 201807）

1 概述

某汽車變速器項目內(nèi)輸入軸產(chǎn)品采用冷鍛成型工藝，在德國Schuler公司MML1250自動化冷鍛壓機生產(chǎn)，工藝流程共需四工位，小端花鍵位置從φ40mm擠壓至φ24.8mm，零件長度從217mm擠壓至322.8mm，最大變形量達48.75%，對材料預(yù)處理要求非常高。

圖1 產(chǎn)品冷鍛各工位變形工藝流程

圖2 產(chǎn)品冷鍛成品圖紙

該產(chǎn)品設(shè)計初始使用QS1927 S0-M材料[1]，該材料特性較為特殊，與SAE 5120H、S-20MnCrSH、ZF7B等常用材料相比，含C、Mn、Cr量較高，淬透性和淬硬性較高，塑性較低，冷作硬化程度較高，冷鍛過程中極易產(chǎn)生表面拉毛和竹節(jié)狀芯部裂紋，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量和模具壽命。

綜合材料特性和產(chǎn)品變形量問題，該產(chǎn)品在實際生產(chǎn)中難以滿足冷鍛成型要求。傳統(tǒng)預(yù)熱處理工藝常常使用球化退火工藝，該工藝生產(chǎn)周期長，成本高，效率低，且因過軟容易導(dǎo)致坯料流動過大，底部卡在模具中，造成模具損壞。而普通等溫退火使用連續(xù)推桿爐，生產(chǎn)連續(xù)性好，生產(chǎn)周期短，效率很高。所以目前較多所有冷鍛產(chǎn)品均使用等溫退火工藝，現(xiàn)場使用愛協(xié)林連續(xù)推桿爐進行生產(chǎn)。

圖3 冷鍛過程中外徑拉毛

圖4 芯部竹節(jié)狀裂紋缺陷

表1 綜合材料元素分析

圖5 狀態(tài)1

圖6 狀態(tài)2

圖7 狀態(tài)3

圖8 狀態(tài)4

表2 四種狀態(tài)產(chǎn)品處理后結(jié)果

通過多次試驗和調(diào)整，發(fā)現(xiàn)常規(guī)的等溫退火工藝已不能滿足產(chǎn)品冷鍛預(yù)處理要求。即使硬度和金相滿足產(chǎn)品技術(shù)要求，但產(chǎn)品在冷鍛過程后，通過探傷發(fā)現(xiàn)均存在芯部裂紋。棒料軟化過程中，晶粒細化程度取決于合金元素含量，合金元素越多，晶粒細化越困難，整體生產(chǎn)節(jié)拍需求更長[2]。而當(dāng)晶粒越小，晶界就越多，對位錯運動的阻礙越大，硬度越高，且塑性不利于冷鍛；當(dāng)晶粒未完成細化過程時，合金元素與鐵之間未形成置換固溶體和間隙固溶體，不均勻的晶粒和合金元素將導(dǎo)致位錯運動發(fā)生困難，且晶界應(yīng)力增大，塑性越低[3]。所以，硬度高低與材料塑性和韌性之間的關(guān)系并無必然規(guī)律。

2 技術(shù)方案

（1）根據(jù)現(xiàn)場試制中反饋的缺陷，預(yù)處理工藝進行了四種工藝試驗（100件/每工藝）：

狀態(tài)1：由軸類等溫退火設(shè)備切換為齒類等溫退火設(shè)備，密封性更好，退火過程中冷卻速度較慢，硬度較低，晶粒較細，工藝節(jié)拍為15分鐘。

狀態(tài)2：減少高溫與等溫之間的冷卻量，根據(jù)材料CCT曲線使其形成越多的鐵素體組織，減少珠光體組織產(chǎn)生量，觀察其冷鍛效果，工藝節(jié)拍為20分鐘。

狀態(tài)3：延長高溫與等溫之間的冷卻量，使其快速冷卻后再進入680℃進行等溫處理，減少組織間的應(yīng)力，為冷鍛變形作準備，工藝節(jié)拍20分鐘。

狀態(tài)4：減少高溫與等溫之間的冷卻量，同狀態(tài)2，減少工藝節(jié)拍為15分鐘，減少轉(zhuǎn)變時間，降低晶粒細化和均勻化程度。

（2）四種狀態(tài)產(chǎn)品預(yù)處理后，經(jīng)過拋丸和磷皂化，進行冷鍛處理，結(jié)果如下：

圖9 狀態(tài)1 冷鍛前金相 100X

圖10 狀態(tài)2 冷鍛前金相 100X

圖11 狀態(tài)3 冷鍛前金相 100X

圖12 狀態(tài)4 冷鍛前金相 100X

根據(jù)結(jié)論發(fā)現(xiàn)：狀態(tài)1和狀態(tài)2的產(chǎn)品相比，狀態(tài)1密封性較高，硬度較低，類似球化退火組織，材料塑性過高，導(dǎo)致材料流動過多，模具崩壞。狀態(tài)2和狀態(tài)4的產(chǎn)品相比，狀態(tài)2的工藝節(jié)拍多5分鐘，組織更細，合格率更高，但鐵素體組織含量并不高。狀態(tài)3的100件產(chǎn)品100%合格，其晶粒較細，硬度值偏高，鐵素體組織含量相對最高。

3 結(jié)論

（1）與傳統(tǒng)球化退火工藝相比，棒料的等溫退火工藝更適用于低碳合金鋼的冷鍛預(yù)處理工序，對于自動化連續(xù)生產(chǎn)更有利、高效。QS1927材料的球化退火工序耗時長、成本高，僅鍛件變形量≥60%的產(chǎn)品須通過球化退火增加其材料塑性和金屬流動性，一般生產(chǎn)中，可使用等溫退火工藝替代傳統(tǒng)退火工藝，即可滿足冷鍛需求。

（2）同種等溫退火工藝，工藝節(jié)拍越長，其晶粒越細，均勻性越好，在CCT曲線上等溫溫度停留時間越長，組織轉(zhuǎn)變更完整，塑性和韌性更好[4]。對于QS 1927材料通過推桿爐進行等溫退火生產(chǎn)，至少應(yīng)滿足5Min/mm有效厚度的奧氏體化加熱時間，10Min/mm有效厚度的等溫轉(zhuǎn)變時間，方可實現(xiàn)塑性和韌性的有效提升。

（3）冷鍛工藝棒料預(yù)處理中，并非硬度越低，塑性越好，其冷鍛過程就越適宜。實際生產(chǎn)中應(yīng)充分考慮自動化生產(chǎn)模具的具體情況，硬度過軟可能導(dǎo)致產(chǎn)品成型后，產(chǎn)品在模具底部卡住，頂桿頂不出產(chǎn)品的情況，將導(dǎo)致模具壽命及自動化生產(chǎn)發(fā)生問題。通過現(xiàn)場試驗得到，QS1927材料最適宜冷鍛工藝的硬度為155HBW～165HBW，且需結(jié)合金相情況綜合分析。

（4）QS 1927冷鍛材料預(yù)處理應(yīng)通過充分冷卻至600℃～700℃，后進入等溫處理。主要作用是：快速冷卻時，過冷奧氏體分解析出滲碳體時，碳原子的擴散將受到抑制，在短時間內(nèi)滲碳體無法充分長大成片層結(jié)構(gòu)而是直接以納米顆粒的形式彌散析出[5]。碳原子來不及擴散，可以形成較多的鐵素體組織和少量殘留奧氏體，這些組織對于冷鍛過程中的金屬流動十分有利。

（5）在先共析鐵素體組織附近存在大量的富碳區(qū)，而較多的合金元素在晶粒奧氏體均勻化過程中阻礙晶粒長大，導(dǎo)致預(yù)處理后整體晶粒較細，一般在8級～9級左右，較其他常用冷鍛材料更細，在外力作用下，細晶粒在金屬流動中更有利。所以在一般情況下，晶粒越細，其冷鍛塑性越好。