大型鍛件均勻性研究

1、大型鍛件的均勻性研究材料成型及控制工程0916150108 曹玄揚(yáng)指導(dǎo)老師：樊新民 研究背景及目的 40CrNiMo是常用的一類優(yōu)質(zhì)調(diào)質(zhì)鋼材料，制作爬升齒輪時，由于本身的尺寸限制，造成鍛壓力分布的不均勻，鍛后組織常以不均勻的形態(tài)分布，導(dǎo)致鍛件質(zhì)量不能達(dá)標(biāo)，影響整體鍛件質(zhì)量。課題通過對鍛后爬升齒輪上不同圓周部位的組織均勻性進(jìn)行對比研究，討論了其對產(chǎn)品質(zhì)量和力學(xué)性能的影響。論文的結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容 第一部分 鍛造工藝簡介 第二部分 力學(xué)性能結(jié)果分析 第三部分 金相組織觀察分析 第四部分 全文總結(jié)第一部分 鍛壓工藝簡介爬升齒輪的整個鍛壓工藝分為加熱鍛壓熱裝爐熱處理測試粗車探傷檢測等工序。保 溫60010

2、85010保 溫升溫80/時升溫120/時保 溫124010溫度4.06.06.0時 間（小時）圖1.1 爬升齒輪鍛前加熱工藝路線350-650待料65010保溫升溫10/時88010保 溫吊下霧冷卻280-350保 溫升溫60/時65010保 溫爐冷50/時400爐冷50/時200出爐度溫時 間（小時）圖1.2 爬升齒輪鍛后熱處理工藝路線圖1.3 爬升齒輪粗車的尺寸要求經(jīng)粗車后的鍛件按要求分別在大圓表層、芯部，小圓中間部分切取所需試樣，進(jìn)行沖擊和拉伸實(shí)驗(yàn)。第二部分 力學(xué)性能測試?yán)煸嚇影凑諊鴺?biāo)GB/T228的標(biāo)準(zhǔn)，直徑選取為D0=10mm ，標(biāo)距L0=50mm ，拉伸速度2mm/min ，即

3、L0=5D0 。分別測定每組試樣的屈服強(qiáng)度、極限拉伸強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮 率等參數(shù) ，結(jié)果如表2.1。序號屈服強(qiáng)度（Mpa）抗拉強(qiáng)度（Mpa）斷面收縮率（%）斷后伸長率（%）1#大圓芯部2#大圓表層3#小圓中部398398374738726718182216505548表2.1 拉伸試驗(yàn)1 拉伸試驗(yàn)圖2.1 拉伸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 從圖中可以看出，鍛件芯部與表層的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度并沒有太大的差異，芯部的塑性略有降低，但程度不大。2 沖擊試驗(yàn)沖擊試樣按照GB/2975 的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工，尺寸為10mm10mm55mm ，試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，先將試樣加工成缺口深度為2mm的夏比U型缺口標(biāo)準(zhǔn)沖擊試

4、樣 。沖擊值如表3.2所示。序號平均值（J）1#大圓芯部2#大圓表層3#小圓中部20242422242421262821.024.725.1表2.2 試樣的沖擊功沖擊斷口斷口分析從圖中可以看出，三個試樣的整個斷面都被結(jié)晶區(qū)覆蓋，無明顯的放射區(qū)，這也說明了爬升齒輪粗車后的沖擊功低。1#大圓芯部試樣較2#大圓表層試樣和3#小圓中部試樣剪切唇面積小，整個斷面平整，無韌窩狀，從這亦可看出1#小圓中部試樣沖擊韌性最差。2#和3#仍是延性斷口，出現(xiàn)明顯韌窩，但整體沖擊功并不高。大圓心部的沖擊性能相對表面下降幅度較大，這歸根到底還是由金屬內(nèi)部組織不均勻的原因?qū)е碌模牟啃阅艽蠓认陆档脑?，主要是鍛件中心?/p>

5、析帶組織與鐵素體+珠光體顆粒的晶粒尺寸不均勻引起的。第四部分 金相組織觀察在不同的部位各選取一個沖擊樣，經(jīng)過打磨拋光，用4%硝酸酒精腐蝕后，拍取的金相下如圖從圖中可以看出，40CrNiMo鋼鍛后的金相組織混晶現(xiàn)象特別明顯，且組織分為兩種形態(tài)，其中一種為正常的鐵素體+珠光體，通過鍛件鍛后的熱處理工藝可以看出，鍛后組織一部分為正火態(tài)。 圖中的黑色偏析帶則是另一部分，其組織顯示為回火索氏體, 在熱處理最后階段650回火后出現(xiàn)。圖2#中鐵素體較3#與1#中小且成均態(tài)分布，通過幾組不同視場的統(tǒng)計(jì)，大圓芯部組織中回火索氏體占整個視場的比例約為50%，大圓邊上組織中回火索氏體也占50%，小圓中部回火索氏體則

6、只占有30%。 各部分的回火索氏體組織 一般認(rèn)為黑色偏析帶組織出現(xiàn)的主要原因是由于應(yīng)力場和化學(xué)元素的不均勻分布，導(dǎo)致高溫奧氏體化過程中，奧氏體中的合金元素含量將不均勻分布，使其晶粒長大傾向不一。碳化物形成元素富集區(qū)易殘留未溶碳化物和降低碳原子擴(kuò)散速度而抑制晶粒長大，貧化區(qū)晶粒則易長大。易出現(xiàn)混晶組織。如果能使晶體內(nèi)的碳趨于均勻化，且采用較快的冷卻速度，使過冷奧氏體在較低溫度下轉(zhuǎn)變碳不能充分?jǐn)U散到碳化物形成元素富化區(qū)，便可減少黑色偏析帶組織的分布。所以，因?yàn)榇髨A表層應(yīng)力場較之芯部的應(yīng)力場比較強(qiáng)且均勻，冷卻相對較快，所獲能量高，晶粒形核較多，相對來說會呈現(xiàn)比較均勻的組織形態(tài)。 晶粒度測定實(shí)驗(yàn) 用過

7、飽和苦味酸加少量十二基烷基苯磺酸鈉腐蝕劑腐蝕以顯示40CrNiMo鋼鍛后回火索氏體組織的晶粒晶界，在金相顯微鏡上觀察組織如下圖圖1中可以看出40CrNiMo鋼鍛后芯部組織晶粒尺寸大小分布很不均勻，其晶粒直徑分布在幾m到幾十m不等,出現(xiàn)混晶現(xiàn)象。經(jīng)過截直線法計(jì)算出平均晶粒直徑為32m，其中在30m 以上的晶粒占到20%。圖2中組織晶粒大小相對1圖來說比較均勻，且更加細(xì)小，尺寸分布在10-30m的晶粒占視場中70%，平均晶粒直徑為25m。3圖中的組織晶粒大小介于1圖與2圖之間，平均晶粒尺寸為29m，組織也不是很均勻，出現(xiàn)混晶現(xiàn)象，最大晶粒尺寸達(dá)到48m。熱鍛過程中大圓表層溫度高, 變形程度大, 熱

8、鍛后爬升齒輪表層溫度下降較快, 晶粒生長時間比較短, 不易出現(xiàn)過分長大的晶粒, 因此40CrNiMo鋼爬升齒輪表層晶粒比較均勻。在鍛件加熱過程中大圓芯部應(yīng)變相對低于表面的應(yīng)變, 動態(tài)再結(jié)晶過程中晶界的遷移容易導(dǎo)致固溶碳原子留在晶粒邊界處, 造成固溶碳碳原子的集中和不均勻性。加之熱鍛后冷卻過程厚度方向存在溫差,齒輪軸心部溫度下降較慢, 在表層晶粒停止生長后, 在心部由于固溶碳原子及滲碳體的分布不均勻,部分碳含量較小的區(qū)域晶粒會繼續(xù)長大, 而部分區(qū)域晶粒由于固溶碳及滲碳體的的阻礙作用很難長大, 形成1#大圓芯部試樣與3#小圓芯部試樣晶粒的混晶現(xiàn)象。不同組織的硬度分析 為了進(jìn)一步探究鍛后組織對鍛件質(zhì)

9、量的影響，通過顯微鏡找取三種不同類型試樣中的金相組織進(jìn)行硬度測量，每種試樣的同種組織部位都選擇3個點(diǎn)進(jìn)行測定，然后取平均值，見表4.1所示。 表4.1 不同組織形貌的硬度值（HV） 鐵素體+珠光體 過渡層 深層回火索氏體 1# 163.0161.7170.4184.0185.6190.8222.8238.8237.72# 188.1196.9191.6226.1226.1230.2278.4258.2255.53# 189.9198.7195.8221.1230.2226.7246.4240.1241.6 鐵素體+珠光體 壓痕過渡區(qū)壓痕深層回火珠光體壓痕自由鍛工藝采用鐓粗與拔長結(jié)合，在鐓粗過程中產(chǎn)生大量的位錯，使得鍛件內(nèi)部的纖維交錯、位錯塞積更加嚴(yán)重，使得變形難以進(jìn)行，變形抗力顯著升高，鍛件表層的應(yīng)力、應(yīng)變場相對芯部與小圓中部更加復(fù)雜，使得位錯更多，硬度值也最高。 第四部分 全文總結(jié)鍛件中由于偏析組織的存在，導(dǎo)致鍛件抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度較低，特別是沖擊韌性的下降。鍛后熱處理調(diào)質(zhì)完后有回火索氏體組織存在于黑色偏析帶中，且表層組織晶粒細(xì)小均勻，芯部組織晶粒粗細(xì)不均，出現(xiàn)混晶現(xiàn)象。鍛件表層的應(yīng)力、應(yīng)變場相對芯部與小圓中部更加復(fù)雜，硬度值也最高。制定更好的工藝使得鍛件組織