從滲碳齒輪鋼鍛坯的正火處理探討正火標(biāo)準(zhǔn)

1、標(biāo)準(zhǔn)化從滲碳齒輪鋼鍛坯的正火處理探討正火標(biāo)準(zhǔn)劉云旭 , 吳 化 , 王 淮 , 季長濤 , 王柏樹 , 程柏松(長春工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 , 吉林 長春 130012摘要 :從滲碳齒輪鋼鍛坯正火處理主要目的是改善切削加工性能 , 還是減小或穩(wěn)定滲碳淬火后的變形進(jìn)行分析 , 闡述了現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)中的正火工藝和顯微組織要求與目前齒輪制造工藝的不適應(yīng)性和存在的問題 , 提出了修改 意見 。 認(rèn)為正火標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)區(qū)別為 :作為鋼件最后熱處理的正火和預(yù)先熱處理的正火兩種 , 并依此采用不同的正火工 藝和要求不同的顯微組織形態(tài) 。關(guān)鍵詞 :正火標(biāo)準(zhǔn) ; 滲碳鋼 ; 鍛件 ; 顯微組織中圖分類號(hào) :TG15

2、614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :025426051(2008 0320108204D iscussi on on nor ma li z i n g st andard for carbur i zed steel forg i n gs by norma i n g t L IU Yun 2xu,WU Hua,WANG Huai, J I 22(Materials Science and Technol ogy College, J ilin 130012, China Abstract:The pur pose of nor gears steel, either i m p r o

3、ving machinability or m ini m izing dist on Si ultaneously, the questi ons existed bet w een the nor malizing tech 2nol ogy and m icr and gears machining technol ogy were discussed f or the p resent nati onal standard . A s a result, the nor standard for the nor malizing treat m ent was distinguishe

4、d as a final heat treat m ent and a p re 2heat treat m ent according t o its treat m ent pur poses . Finally, a revised p r oposal f or the nor malizing standard was p resented . Key words:nor malizing standard; carburized steels; forgings; m icr ostructure作者簡介 :劉云旭 (1932 , 男 , 江蘇泰州人 , 教授 , 長期從事金 屬熱

5、處理的教學(xué)研究工作 , 發(fā)表論文 120余篇 , 專著 8本 。通 訊聯(lián)系人 :吳 化 聯(lián)系電話 :0431285716426 E 2mail:wuhua mail. ccut . edu . cn 收稿日期 :2007206223 汽車 、 摩托車 、 拖拉機(jī)等行走機(jī)械所用的合金滲碳 鋼齒輪鍛坯均需進(jìn)行正火 (包括等溫正火 處理 。目 前 , 我國有幾百條正火生產(chǎn)線 (或正火爐窯 進(jìn)行著這 類熱處理 , 年產(chǎn)量有幾十萬噸 , 是機(jī)械零件正火中處理 數(shù)量最多的鋼件 。 多年來的生產(chǎn)實(shí)踐表明 , 合金滲碳 齒輪鋼坯若按照現(xiàn)行 G B /T 16923 1997 鋼件的正火 與退火 標(biāo)準(zhǔn)中的正火工

6、藝及金相組織要求生產(chǎn) , 較 難滿足技術(shù)要求 , 經(jīng)常出現(xiàn)鋼坯切削性能不佳 、 滲碳淬 火后齒輪變形過大的情況 。 許多大型汽車制造廠已經(jīng) 不按上述標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行 , 但一些小型專業(yè)化齒輪制造工廠 仍按國標(biāo)要求作為齒輪鋼坯正火處理的驗(yàn)收依據(jù) , 當(dāng) 出現(xiàn)切削加工打刀 、 燒刀和熱處理變形超差時(shí) , 經(jīng)常發(fā) 生爭執(zhí) , 齒輪制造廠說正火處理質(zhì)量不合格 , 熱處理廠 說是嚴(yán)格按照國標(biāo)正火工藝處理 , 結(jié)果一些鍛造 (包 括正火 廠和熱處理專業(yè)廠要求研究此問題并對現(xiàn)行 標(biāo)準(zhǔn)中的正火規(guī)定提出意見 。文獻(xiàn) 17的研究認(rèn) 為 , 合金滲碳齒輪鋼鍛坯若采用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的正火工 藝進(jìn)行處理 , 很難避免上述質(zhì)量問題

7、, 而且還會(huì)影響正火鋼件質(zhì)量提高和新技術(shù)的應(yīng)用 , 因此 , 應(yīng)對現(xiàn)有正火 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究和修訂 。1 正火的目的和處理對象正火的主要目的是把具有不正常顯微組織的鋼件 正常化 , 獲得比較穩(wěn)定 、 正常的顯微組織 。 由于處理對 象和不正常顯微組織種類 、 形態(tài)不同 , 對正火的要求應(yīng) 各有不同 。 對于鍛 、 鑄鋼件不正常顯微組織從鋼種來分 , 可分為 : 亞共析 (合金 鋼件中不正常顯微組織 , 如 2魏 氏體組織 、 網(wǎng)狀鐵素體 、 貝氏體 、 馬氏體 、 變形 晶粒等 ; 過共析 (合金 鋼件中的不正常顯微組織 , 如網(wǎng)狀碳化物 、 針狀碳化物等 。正火的主要目的就是 消除上述不正常的顯

8、微組織 。從力學(xué)性能要求來分 , 一是具有較高硬度 、 韌性滿足制件使用時(shí)的需要 , 此時(shí) 的正火作為鋼件的最終熱處理 ; 二是要求良好的工藝 性能 , 如切削加工性 、 沖壓成型性 、 表面淬火性能等 , 此 時(shí)的正火作為鋼件的預(yù)先熱處理 , 最終使用需要的力 學(xué)性能 , 不必考慮 , 應(yīng)由后續(xù)的強(qiáng)化類熱處理 (最后熱 處理 來解決 。因此 , 正火不能對不同目的 、 不同對象采用相同的 處理工藝 , 否則很難達(dá)到主要目的 , 而且獲得的某些結(jié) 果 (如作為預(yù)先熱處理的正火獲得較高的強(qiáng)度 、 韌性 也是無用的 。 現(xiàn)行國標(biāo)正火中的規(guī)定由于沒有區(qū)分處 理對象 、 目的 , 而采用同一定義同一

9、(相似 處理工藝 ,801 金屬熱處理 2008年第 33卷第 3期難以適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)需要 。2 滲碳齒輪鋼鍛坯正火的重要性及國 內(nèi)外現(xiàn)狀國內(nèi)外所有的汽車 、 摩托車 、 拖拉機(jī)等行走機(jī)械的 齒輪及齒輪軸 , 目前均廣泛使用合金滲碳鋼來制造 , 其 鍛坯均需經(jīng)正火處理 。 由于齒輪形狀復(fù)雜 , 切削量大 , 所用刀具 (如剃齒刀 、 花鍵拉刀 價(jià)格昂貴 , 齒輪的切 削加工占生產(chǎn)成本比重很大 , 改善鍛坯的切削加工性 能是正火處理的主要目的 。鑒于普通正火 (奧氏體化 空冷或風(fēng)冷 處理 , 因鋼材的成分波動(dòng) (在該鋼號(hào)成分 允許的范圍之內(nèi) 和季節(jié)環(huán)境 (正火處理現(xiàn)場的溫度 、 濕度 、 空氣流動(dòng)

10、情況等 變化 , 使正火鋼件切削性能惡 化 , 出現(xiàn)打刀 、 燒刀現(xiàn)象 , 并使齒輪切削加工后的殘余 應(yīng)力增大 , 從而不僅加大了齒輪生產(chǎn)成本 ,的老大難問題 。1994年 , (現(xiàn)長春工業(yè)大學(xué) 根據(jù)一 汽大眾公司滲碳齒輪國產(chǎn)化鍛坯采用傳統(tǒng)普通正火處 理質(zhì)量不合格的實(shí)際情況 , 研發(fā)了我國第一代等溫正 火生產(chǎn)線 , 并成功處理出一汽大眾德方認(rèn)可的合格產(chǎn) 品 。 1998年為杭州齒輪箱廠研發(fā)的等溫正火生產(chǎn)線 , 通過全國熱處理行業(yè)協(xié)會(huì)鑒定 , 形成了新的正火理念 。 此后 , 等溫正火逐漸在我國推廣 , 目前已有百余條生產(chǎn) 線在使用 。 滲碳齒輪鋼鍛坯必須等溫正火已成為行走 機(jī)械行業(yè)的共識(shí) ,

11、等溫正火也已成為我國滲碳齒輪鋼 鍛坯的主導(dǎo)工藝 。應(yīng)該說 , 目前我國滲碳齒輪鋼鍛坯采用的等溫正 火與普通正火相比 , 鋼件的質(zhì)量有了較大的提高 , 但其 切削加工性能和加工后齒輪滲碳淬火后的變形 , 還沒 有達(dá)到國外先進(jìn)企業(yè)正火產(chǎn)品的水平 。 其原因是我們 等溫正火后鋼件的顯微組織形貌與國外先進(jìn)正火產(chǎn)品 有較大的差異 。 文獻(xiàn) 5研究過德國大眾公司滲碳齒 輪鋼鍛坯正火后的顯微組織 , 發(fā)現(xiàn)其晶粒比較粗大 (3 4級(jí) , 珠光體的片間距很小 , 在光學(xué)顯微鏡下難以 辨別 , 且分布均勻 , 而且沒有貝氏體組織 , 這種顯微組 織切削性能好 , 切削后殘余應(yīng)力小 。而我國正火金相 標(biāo)準(zhǔn)中 , 規(guī)

12、定晶粒度 6級(jí)合格 , 強(qiáng)度 、 韌性較高 , 然而 切削性能并不好 , 切削后殘余應(yīng)力較大 。3 滲碳鋼的切削加工性能與正火的關(guān) 系鋼的切削加工性能是指切削加工的難易程度 , 其衡量標(biāo)準(zhǔn)有切削加工效率 (如刀具耐用度 V 60 , 即連續(xù)切削 60m in 的切削速度 、 鋼件表面質(zhì)量 (在相同切削 條件下的表面粗糙度 、 切削的能量 (在相同切削條件 下切削力 、 功 、 熱量 。鋼的切削加工性能應(yīng)為上述指 標(biāo)的的綜合評(píng)價(jià) 。在刀具 、 機(jī)床條件一定的情況下 , 影響鋼材切削性 能的因素是鋼材的力學(xué)性能和物理性能 。鋼材的硬 度 、 強(qiáng)度 、 韌性越高 , 切削力 、 切削功越大 , 切削

13、熱越多 , 切削溫度越高 , 刀具磨損越快 , 而且切削時(shí)刀具的前傾 接觸時(shí)間較長 , 力和熱集中在刀口附近 , 刀具容易崩刃 或磨損 。 鋼材的塑性高 , 則鋼材容易和刀具粘結(jié) 。在 強(qiáng)度相同的情況下 , 塑性越高 , 、 切削熱 、 切削溫 度越高 , , 而且容易 。擦 、 氮化物等 對刀 這是材料對刀具的一種機(jī)械磨損作用 。 它取決于鋼中硬質(zhì)相的硬度 、 數(shù)量 、 大小 、 形狀及分布 。 硬質(zhì)相硬度高 、 數(shù)量多 、 尺寸大 、 成銳角 、 分布不均勻 , 擦傷力增大 , 刀具使用壽命降低 。 鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)小 , 切削溫度易升高 , 刀具也易磨損 。因此 , 當(dāng)鋼的成分相同或相近時(shí)

14、 , 改善鋼件切削加 工性能的主要途徑是降低鋼材的強(qiáng)度 、 硬度 , 同時(shí)還要 降低鋼材的韌性和塑性 , 但在多數(shù)情況下 , 強(qiáng)度 、 硬度 和韌性 、 塑性是此消彼長 。 為了提高塑 、 韌性很高的滲 碳鋼的切削性能 , 一般寧可適當(dāng)提高硬度 、 強(qiáng)度而降低 韌性和塑性 。 對于合金滲碳齒輪鋼鍛坯 , 鍛后因奧氏 體晶粒比較粗大 , 碳濃度分布比較均勻 , 單件空冷冷速 較大而易獲得貝氏體 (主要是由貝氏體鐵素體與馬氏 體 /奧氏體島混合組成的粒狀貝氏體 , 強(qiáng)度 、 韌性都 比較高 , 使切削性能惡化 。 但在進(jìn)行普通正火時(shí) , 如使 用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的正火加熱溫度 , 因溫度不高 , 奧氏體

15、晶 粒較小 , 加之成堆冷卻 , 冷速較小且不均勻 (表層冷卻 快 , 心部冷卻慢 , 雖可獲得鐵素體加珠光體 (F +P 組 織 , 但硬度 、 強(qiáng)度往往過低 , 韌性 、 塑性過高 , 切削性能 不好 。 如采用吹風(fēng)等加快冷卻 , 表層鋼件又容易出現(xiàn) 貝氏體而使切削性能惡化 , 不具備使每一個(gè)鍛件都獲 得強(qiáng)度 、 硬度較低 , 韌性 、 塑性也較低的 F +P 組織的 條件 。試驗(yàn)表明 , 當(dāng)珠光體 (P 的力學(xué)性能一定時(shí) (在同 一溫度下形成 , 合金滲碳鋼的切削力主要取決于鋼 的宏觀硬度 (F +P 的綜合硬度 , 更明顯受鐵素體顯 微硬度的影響 , 如圖 1所示 。 可以看出 , 鐵

16、素體的硬度 越低 , 其切削力越小 。 顯微組織為 F +P 的正火滲碳鋼件 , 鐵素體 (F 是 基體相 , 約占 80%90%, 珠光體 (P 則占 20%10%。 鋼中的先共析鐵素體 , 每個(gè)晶粒的力學(xué)性能是一定的 , 但受晶粒大小和形貌的影響 。晶粒大小對強(qiáng)度 、 塑性 、 韌性的影響如圖 2所示 829。 可以看出 , 隨著 鐵素體晶粒減小 , 鋼的屈服強(qiáng)度顯著增高 , 沖擊韌性也 隨之小幅增高 , 伸長率卻幾乎沒有降低 。 因此 , 為了提 高鋼的切削性能 , 獲得較粗大鐵素體晶粒是必要的。 圖 1 20Cr M o Fig . 1 The of ferrite of o stee

17、l 圖 2 低碳鋼中鐵素體晶粒尺寸與力學(xué)性能的關(guān)系Fig . 2 The relati onshi p bet w een the ferrite grain size and the mechanical p r operties of l ow 2carbon steel這類鋼中的鐵素體 , 既可以是等軸 (塊狀 的 , 也 可能是條 (片 狀的 (當(dāng)條狀比較粗大和比較多時(shí)即是 魏氏體組織 。 同一種鋼如果鐵素體的形貌不同 , 其 力學(xué)性能差異較大 , 如細(xì)晶粒鐵素體和粗片狀魏氏體 型鐵素體 , 其珠光體的片間距相近 , 力學(xué)性能如表 1所 示 。 可以看出 , 粗片狀魏氏體型鐵素體與細(xì)晶

18、粒狀 F 相比 , 既降低強(qiáng)度又降低塑性和韌性 , 而有利于提高鋼 的切削加工性能 。表 1 正火低碳鋼的不同形貌鐵素體對力學(xué)性能的影響Table 1 The effect of the d i fferen t ferr ite of low carbon steel after nor ma li z i n g on the m echan i ca l properti es 鐵素體形貌 b /MPa012/MPa5(% (% a K /J cm22粗片狀魏氏體型 F 37218510. 518. 515. 8細(xì)粒狀 F51631426506215 正火滲碳鋼中的珠光體 (呈片層狀鐵素

19、體 +滲碳體機(jī)械混合物 , 其力學(xué)性能主要受片間距的影響如 圖 3所示 8。 可以看出 , 珠光體片間距越小 , 強(qiáng)度 、 硬 度越高 。 但當(dāng)片間距較小 (不是很小 時(shí) , 塑性降低 。 此外 , 珠光體團(tuán) (晶粒 較小時(shí) , 也將使鋼的強(qiáng)度增高 、 塑性降低 。 因此 , 為了提高滲碳鋼的切削性能 , 珠光體 的片間距應(yīng)該較細(xì) , 而且分布比較均勻。3 relati onshi p bet w een the mechanical p r opertiesand the interla mellar s pacing of pearlite in steel為了使?jié)B碳鋼件獲得 F 晶粒比較

20、粗大并允許有 少量片 (條 狀形貌和 P 片間距較小且分布均勻而有 利于切削加工的顯微組織 , 正火的奧氏體化溫度需要 提高 , 一般應(yīng)在 Ac 3+(100150 , 使奧氏體晶粒較 為粗大和碳濃度分布均勻 , 而后用較快速度冷卻 , 使奧 氏體過冷到 A 1溫度以下的 650580 溫度進(jìn)行等 溫 , 使其在恒溫下形成 F +P 組織 , 這就是目前國內(nèi)外 汽車滲碳齒輪鋼鍛坯廣泛采用的高溫加熱等溫正火或 利用鍛造余熱等溫正火 。 歐洲幾家汽車公司的滲碳齒 輪鋼鍛坯的正火方法和技術(shù)要求如表 2所示 ?？梢?,對晶粒要求較粗 , 或不提出要求 。表 2 歐洲汽車齒輪鋼鍛坯的正火方法和技術(shù)要求T

21、able 2 Nor ma li z i n g process and spec i f i ca ti on s of auto 2gearsteel forg i n gs i n Europe公司鋼號(hào)正火方法 硬度 (HB 顯微 組織晶粒度 /級(jí)斯太爾 16MnCr520MnCr521Cr N i18等溫正火 140187152201170217F +P 46大眾 1628MnCr5鍛熱等溫正火 160201F +P 36菲亞特16MnCr520MnCr521N i Cr M o5H 等溫正火140207150207166202F +P奔馳 1620MnCr518Cr N i等溫正火

22、140201170201F +P4我 國 正 火 標(biāo) 準(zhǔn) 存 在 的 問 題 和 修 改意見(1 根據(jù) G B 7232及 G B /T 1693 1997正火定義 , 正火 (包括普通正火 、 二段正火及等溫正火 是將鋼件加熱至 Ac 3(或 Ac cm 以上 5080 (或 3050 , 保持適當(dāng)時(shí)間后在靜止或流動(dòng)空氣中冷卻 (二 段正火冷至 A r1附近緩冷 ; 等溫正火為快冷至珠光體 轉(zhuǎn)變區(qū)的溫度等溫以獲得珠光體型組織 , 然后空冷 的工藝 。 首先 , 正火加熱 (奧氏體化 溫度規(guī)定太死 , 也不全面 。 只適合低中碳鋼制件作為最后熱處理的正 火 。 事實(shí)上 , 生產(chǎn)中合金滲碳鋼齒輪

23、鍛坯的正火 (預(yù) 先熱處理 加熱溫度國內(nèi)外都采用 940970 , 約為 Ac 3+(100150 ; 而對具有嚴(yán)重網(wǎng)狀碳化物滾軸 承鋼鍛坯的正火 (預(yù)先熱處理 加熱溫度采用 980 1150 , 約為 Ac cm +(80110 。 因此正火加熱溫 度應(yīng)區(qū)分是作為最后熱處理還是預(yù)先熱處理 , 并以該 正火的目的為依據(jù) 。其次 , 正火的冷卻應(yīng)在保證獲得 技術(shù)要求 (常為硬度 的情況下 , 更應(yīng)強(qiáng)調(diào)必須獲得正 常的穩(wěn)定組織 (珠光體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 。(2 根據(jù) G B /T 16923 1997,只用于某些碳素鋼應(yīng)力和細(xì)化組織開裂 , , 這是不全面 的 。 事實(shí)上 , 目前國內(nèi)外汽車滲碳鋼齒輪 (

24、包括齒輪 軸 鍛坯的正火 , 幾乎都采用等溫正火或精確控制冷 卻條件下的利用鍛 (軋 余熱等溫正火 , 而且在迅速取 代普通正火和二段正火 (日本 、 韓國一些企業(yè)采用 。 而標(biāo)準(zhǔn)中所指的應(yīng)用是很少采用的情況 。如此 , 標(biāo)準(zhǔn) 不僅起不到指導(dǎo) 、 規(guī)范生產(chǎn)作用 , 而且限制了等溫正火 的應(yīng)用 。 當(dāng)然 , 許多知名企業(yè)通過生產(chǎn)實(shí)踐的考核 , 已 逐漸擺脫了標(biāo)準(zhǔn)不正確部分的限制 。(3 我國有一個(gè)汽車滲碳鋼齒輪鍛坯正火金相組 織標(biāo)準(zhǔn) , 原為一汽標(biāo)準(zhǔn) , 后為原機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn) 、 原農(nóng) 機(jī)工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn) , 規(guī)定晶粒度 6級(jí) , 不妥 。 因?yàn)榇颂幍木Я?yīng)是先共析鐵素體晶粒 , 晶粒細(xì)小 , 使 強(qiáng)度 、 韌性增高 , 切削性能惡化 。 這也是我國正火齒輪 坯切削加工性能低于國外先進(jìn)企業(yè)正火齒輪坯的重要 原因之一 。 而且晶粒較為粗大的鐵素體在后續(xù)加熱時(shí) 不會(huì)發(fā)生組織遺傳而影響滲碳時(shí)的奧氏體晶粒 , 所以 應(yīng)重新修訂 。原則上 , 只要是 F +P 組織 , F