一、鍛造余熱等溫正火生產線概述

　　1.汽車滲碳鋼件的現狀與發展

　　汽車齒輪、傳動軸等重要零件一般均采用低合金滲碳鋼制造，這類鋼材是汽車用合金結構鋼中使用Z廣、用量Z大的鋼種之一，一般都需要經過鍛造、預先熱處理、切削加工、滲碳、淬火、回火等多道冷熱加工工序，以獲得高的表面硬度和較好的心部韌性，使工件具有耐磨、耐疲勞和耐點蝕等良好的特性。

　　由于各國資源和工業發展的經驗不同，各國的各大工廠使用的滲碳鋼種也不完全相同。目前，各國標準中列出的滲碳鋼鋼號比較多，汽車齒輪用滲碳鋼主要是低碳合金鋼，其中Cr鋼、Mn鋼和Mo鋼用于次要和小尺寸齒輪，Cr - Ni鋼、Cr - Mn鋼、Cr - Mo鋼、Mn - Mo鋼和Cr - Ni - Mo鋼用于尺寸較大的重要零件。隨著汽車產品技術水平的日益提高及市場競爭的日益激化，汽車齒輪用鋼正處于由各大企業的經驗型向科學化、國際化方向發展的過渡階段，由各具特色的Cr - Ni鋼、Cr- Ni - Mo鋼、Ni - Mo鋼向低成本、通用的Cr - Mo鋼過渡。因此必須采用相應合理的熱處理新工藝與之相配合。

　　2.滲碳鋼件鍛造毛坯預先熱處理的現狀及存在的問題

　　鍛造毛坯的預先熱處理，鍛造余熱等溫正火生產線不僅對切削加工性能有極大的影響，而且對Z終熱處理變形也有重大影響。為了提高齒坯的可切削性，消除鍛造應力，使組織均勻化，目前國內對滲碳鋼齒坯普遍采用正火處理。正火是將鋼材或鋼件加熱到臨界點Ac3或Ac m以上的適當溫度，保持一定時間后在空氣中冷卻，得到珠光體類組織的熱處理工藝。正火是一種傳統的老工藝，因其設備、工藝要求簡單，能耗少，一直被廣泛采用，但并非完美無缺。

　　隨著汽車工業的發展及對產品質量要求的提高，特別是引進車型用鋼材料的多樣化，普通的正火處理已達不到齒坯預先熱處理的目的。鑒于普通正火處理是將鋼件加熱到高溫奧氏體化后在空氣中(有時吹風)冷卻到室溫，屬于毛坯熱處理，加之以往對正火鋼件要求的硬度范圍較寬(156～207HBS)，一般不檢查顯微組織，加之又多在鍛造工廠(車間)進行，故通常容易被人們所忽視。對于鍛件正火后究竟需要獲得什么樣的顯微組織形態和硬度指標，既缺乏深入理論研究，又缺少生產性實踐探討。實際上我國目前普遍存在這類零件切削后表面粗糙、切削刀具使用壽命低、滲碳淬火前后變形波動較大等問題，這些與正火顯微組織不良、硬度不佳有密切的關系。

　　在實際生產中，滲碳鋼鍛造毛坯經正火處理后，鍛造余熱等溫正火生產線由于不能控制正火的冷卻速度，因此奧氏體分解相變無法控制，必然在一個溫度區間內連續進行，因而獲得的顯微組織和硬度也可能不同。有些鋼件由于冷卻速度較大，有可能局部甚至全部獲得非平衡組織(α- Fe魏氏組織、貝氏體等)，這不僅影響切削加工性能，而且也會改變鋼件滲碳淬火后的變形規律，會因變形過大而報廢，這種情況在淬透性波動較大的鋼中更易出現。對于冷卻速度較小的鋼件，由于鋼的硬度過低，切削時易發生塑性變形，形成切削瘤，出現“粘刀”、“燒刀”現象。一般熱處理的變形量隨機加工變形量的增大而增大，由于機加工工藝不當，如拉削速度過快、刀具磨損切削時所造成的殘余應力、拉削過程中基準面不平、存在鐵屑等異物、齒輪拉花鍵孔時出孔方向不當等都可使熱處理變形量增大。通過改進機加工工藝，加工變形量可得到有效控制。

　　近年來，隨著引進車型帶來齒輪材料多樣化和對齒輪質量的高標準要求，采用普通正火處理已難以滿足汽車生產的要求。鍛件的正火處理不僅要求硬度在一個較窄的范圍之內(鋼件切削加工時易斷屑、表面光潔)，而且要求獲得穩定的顯微組織(較粗的鐵素體晶粒加較細的珠光體)，以改善切削加工性能及穩定滲碳淬火后的變形規律。美國金屬學會向能源部提交的國際研發計劃中，提出的目標之一就是“努力達到熱處理零件的零變形和Z大限度的均勻性”。為了滿足上述要求，需對正火工藝進行改進，以獲得正火所要求的顯微組織和硬度范圍。

　　二、滲碳鋼的正火工藝

　　正火是滲碳鋼鍛件預先熱處理的主要手段。其目的是消除或改善坯料制備時所造成的各種組織缺陷，獲得Z利于切削加工的組織和硬度，改善組織中相的形態和分布，細化晶粒，為Z終熱處理做好組織準備。

　　1.鋼的正火組織、硬度與切削加工性能

 在相近的力學性能下，鋼料的顯微組織對切削加工性能有明顯的影響。面心立方晶格的奧氏體與體心立方晶格的鐵素體相比，因其形變硬化指數高、導熱系數小、原子間結合力強等，使切削加工性能降低。貝氏體尤其是粒狀貝氏體，因含有難加工的島狀馬氏體和殘留奧氏體，比珠光體切削加工性能差。在鐵素體加珠光體的顯微組織中，粒狀珠光體因比片狀珠光體的塑性高而使切削加工性降低。鋼的顯微組織中有硬質相或組織，如碳化物、氮化物、硼化物或馬氏體等，對刀刃有機械磨損作用，它們的硬度越高、數量越多、尺寸越大、外形呈尖角、分布不均勻，損傷刀具越嚴重。嚴重的帶狀組織和混晶組織也會使鋼料的切削加工性能惡化。

　　因此，為了提高鋼料的切削加工性能，應使其既軟(低硬度、低強度)又脆(低塑性)，并需要相應的顯微組織與之配合。對于合金滲碳鋼，硬度一般以170～180HBS為宜，但隨著含碳量降低，硬度應適當提高。其顯微組織應為：由較粗晶粒(3～5級)的奧氏體形成的先共析鐵素體加細片狀珠光體(滲碳體片薄易破裂)為宜，而且先共析鐵素體大小和珠光體層間距離應基本相同。此外，當先共析鐵素體呈網狀或斷續網狀時，鋼料的拉削和切齒加工性能更好，然而要獲得這樣的硬度和顯微組織，鋼件不經過正確的預先熱處理是不行的。

　　2.鋼的正火組織、硬度與滲碳淬火的變形

　　齒輪的設計結構尺寸、材料、鍛造、預處理、機加工及熱處理顯微組織與應力分布所導致的變形都會影響成品齒輪的精度，明顯的變形量產生于滲碳淬火冷卻過程中。由于變形引起的齒輪幾何形狀的變化，實質上是產生噪聲和局部應力集中的根源，這使其使用壽命降低。而且對于大多數汽車滲碳鋼件，滲碳淬火后一般不進行磨削加工，其滲碳淬火后的變形直接影響到裝配總成的Z終質量，因此滲碳零件熱處理時的變形必須嚴格控制。影響滲碳鋼件變形的因素很多，主要有如下幾個方面：零件形狀；材料(鋼種、淬透性等)；鍛造；毛坯熱處理；機械加工；滲碳淬火規范。對于大量生產的汽車零件，在影響滲碳鋼件變形的諸多因素中，人們的注意力往往集中在滲碳淬火方面，而Z易忽視的是鍛坯的預先熱處理———正火。在鍛造余熱等溫正火生產線實際生產中常常出現的零件滲碳淬火后變形過大現象，往往是由于預先熱處理不當引起的。變形的表現形式是多樣的，但就其產生根源，可分為內應力(熱應力和組織應力)造成的應力塑性變形和比體積變化引起的體積變形(即體積容變形)。由于滲碳淬火前后鋼件的顯微組織不同，而不同的顯微組織的比體積是不同的，因而鋼件滲碳淬火后的體積必然與滲碳淬火前不同。不同的體積變化，對于厚薄不均的零件又會引起形狀變化。但是只要掌握其尺寸變化規律，通過控制切削加工前留好的預變形量，就可以使零件滲碳淬火后少量變形甚至不變形。

　　三、鍛造毛坯等溫正火對切削加工及滲

　　碳淬火后奧氏體晶粒度、變形的影響齒坯采用等溫正火，能夠對相變進行控制，即齒坯奧氏體化后，迅速冷卻到A1以下的珠光體相變溫度等溫，使相變在等溫溫度下進行，由于等溫正火能夠有效地控制冷卻時的相變，使相變在等溫溫度下進行，避免了帶狀組織超差，非平衡組織(α- Fe魏氏體組織、貝氏體組織、馬氏體組織)的出現，為切削加工及滲碳淬火做了組織和性能上的準備。

　　1.等溫正火對切削加工的影響

　　鋼件的切削加工性能對于大批量、連續化、多刀切削生產的汽車制造至關重要。如前所述，鋼件的切削加工性能主要取決于其力學性能和顯微組織，而力學性能又受顯微組織的影響，普通正火因其奧氏體化后在空氣中連續冷卻，使其冷卻慢的部位容易形成鐵素體帶和珠光體帶相互交錯的帶狀組織。這類組織熱處理變形大，帶有各向異性，影響加工表面的粗糙度，冷卻快的部位容易形成粒狀貝氏體組織、增加毛坯的硬度，不利于零件的加工，并對其后的熱處理變形產生影響。由于等溫正火較普通正火能夠有效地避免貝氏體組織，帶狀組織等非正常組織的出現，能夠有效地控制正火后的硬度，滿足160～180HBS的硬度要求。因此，等溫正火處理的鋼件切削加工性能較普通正火大大提高。

　　我廠于2001年1月份研制了等溫自動正火線，將鍛造毛坯的普通正火改為等溫正火。鍛造毛坯采用等溫正火處理后，我廠下工序底盤廠鋼件的切削加工性能明顯提高，在產量提高的情況下，2001年全年刀具消耗較2000年降低1/3，且提高了零件加工精度，降低了廢品率，降低了零件表面粗糙度。

　　2.等溫正火對滲碳淬火后奧氏體晶粒度的影響

　　實施利用鍛造余熱等溫正火工藝，需要解決鋼件停鍛后奧氏體晶粒粗大且在冷卻時不能細化、而在滲碳后又必須具有細小的奧氏體晶粒的問題，需對鍛造余熱等溫正火滲碳淬火后的奧氏體晶粒大小進行測定。將經鍛造余熱等溫正火爐處理的22CrMo試樣放入坩堝中，以石墨粉作保護劑，放入加熱爐，模擬滲碳加熱，重新加熱到930℃，保溫90min，而后淬火冷卻。經拋光后用60℃的含有0.5%～1%烷基璜酸鹽苦味酸飽和水溶液腐蝕，測定奧氏體晶粒大小(熱蝕法)，如圖1所示。同時將模擬鍛后直接淬火處理的試樣也用熱蝕法腐蝕，測定奧氏體晶粒度，即為滲碳淬火前原始奧氏體晶粒度。鍛造余熱等溫正火處理的試樣經滲碳淬火后的晶粒大小與原始晶粒比較，晶粒顯著細化，晶粒度可達9級以上，而原始晶粒度達3級左右。

由此可以得出，經鍛造余熱等溫正火獲得的粗大鐵素體+珠光體組織，在后序滲碳加熱時可以重新細化，獲得細小、均勻的奧氏體晶粒。研究證明，加熱原始組織為有序粗晶粒組織(非平衡組織馬氏體、貝氏體等)時，可能導致形成的奧氏體晶粒與原始組織晶粒相同的形狀、大小和取向，出現組織遺傳現象。而加熱原始組織為等軸狀先共析鐵素體和珠光體的平衡組織時，粗大晶粒的性質發生根本性改變，可以使晶粒重新細化。

　　3.等溫正火對零件滲碳淬火后變形的影響

　　對選用22CrMo鋼制造的汽車后橋減速器從動錐齒輪分別進行普通正火與等溫正火處理，經機械加工及滲碳淬火后，比較零件變形情況。在對比變形試驗中，保證每種零件的機加工藝及熱處理滲碳淬火工藝相同，從而對比普通正火與等溫正火對零件變形的影響。后橋減速器從動錐齒輪變形要求為:平面度≤0.10mm，橢圓度≤0.08mm。各隨機抽樣100件成品零件進行測量，預處理為普通正火的零件變形分布規律見圖3；預處理為等溫正火的零件變形分布規律見圖4。

　　以后橋減速器從動錐齒輪為例進行變形分析，在預處理為普通正火的成品零件中隨機抽樣100件，橢圓度、平面度超差的不合格零件，共29件，其變形符合要求的合格品率為71%。從圖3中可以看出，無論是內孔變形還是平面變形，其變形數據集中在上限比例偏高，占60. 7%，變形數據在下限比例僅占10%～15 %，而且樣本極差偏大，樣本均值偏技術要求上限。由此可見，預處理為普通正火的零件，滲碳淬火后其變形統計數據的分布不是一個合理的分布，數據離散程度較大。在預處理為等溫正火的成品零件中隨機抽樣100件，橢圓度、平面度不合格零件共2件，其變形符合要求的合格品率為98%。從圖4中可以看出，內孔、平面變形數據比較集中，變形數據的85 %～90 %落在中下限，而且樣品極差和均值也比較小。由此可見，預處理為等溫正火的零件，滲碳淬火后其變形統計數據的分布比較合理，概率密度曲線近似正態分布。

　　四、結語

　　( 1)合金滲碳鋼鍛造毛坯的普通正火，由于其相變是在一個溫度區間內連續進行，其奧氏體轉變無法控制。等溫正火能有效控制冷卻時的相變，使相變在等溫溫度下進行，能夠獲得均勻一致、滿足要求的顯微組織及硬度。

　　( 2)利用鍛造余熱等溫正火生產線，粗大的奧氏體晶粒形成的平衡組織(鐵素體加珠光體)，在后序滲碳加熱時可以重新獲得細小均勻的奧氏體晶粒。

　　( 3)由于鍛造余熱等溫正火生產線較普通正火能夠獲得均勻一致需要的顯微組織和硬度。預處理采用等溫處理的零件，能夠可靠地獲得良好切削加工性能和穩定的淬火變形規律。

　　( 4)采用鍛造余熱等溫正火生產線能夠大幅度地降低成本和提高產品質量，具有顯著的經濟和社會效果。

　　材料的切削加工性是指對某種材料進行切削加工的難易程度。鋼件的切削性能，主要取決于其力學性能和顯微組織，而力學性能又受顯微組織的影響。被加工鋼件的硬度、強度越高，刀刃插入和劈開表面層的阻力越大，切削熱越高，刀具磨損也就越快;鋼件的硬度、強度過低時，塑性往往增大，切削時不易斷屑，而且鋼件容易與刀刃粘結，刀具容易發生冷焊磨損，使刀具的使用壽命降低，而且容易產生積屑瘤使加工表面質量惡化，增加鋼件表面粗糙度。