畢業(yè)論文畢業(yè)設(shè)計汽車齒輪預(yù)熱處理研究

1、 汽車齒輪預(yù)熱處理研究摘 要22CrMoH鋼和20MnCr5鋼高溫鍛造直接空冷（或風(fēng)冷）后獲得貝氏體組織，而且晶粒粗大，硬度較高，切削加工性能較差，須進(jìn)行預(yù)先熱處理。本文研究了普通正火、等溫正火和鍛造余熱等溫正火三種工藝對22CrMoH和20MnCr5兩種齒輪鋼毛坯組織和性能的影響規(guī)律，采用等溫正火、鍛造余熱等溫正火兩種等溫正火工藝都可在一個比較寬的溫度范圍內(nèi)（580660）獲得最佳的顯微組織和硬度，生產(chǎn)中容易控制,鍛造余熱等溫正火得到的無論是鐵素體組織還是貝氏體組織，都比相同等溫溫度下等溫正火的組織粗大。其次對鍛造余熱等溫正火工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。最后介紹了鍛造余熱等溫正火對滲碳淬火后奧氏體晶

2、粒度的影響 關(guān)鍵詞：預(yù)先熱處理；普通正火；等溫正火；鍛造余熱等溫正火ABSTRAT22CrMoH steel 20MnCr5 steel and high temperature forging direct air-cooled (or air) was Bain tic organizations, and large grains, high hardness, poor machining performance, subject to pre-heat treatment. In this paper, the general normalizing, normalizing and

3、 isothermal heat isothermal forging process of normalizing the three 22CrMoH and two gear steel 20MnCr5 rough performance of organizations and the law of normalizing the use of isothermal, isothermal forging heat two isothermal normalizing Technology can be a relatively wide temperature range (580-6

4、60) can get the best of the microstructure and hardness, easy to control , Isothermal forging normalizing heat received both ferrite or banister organization, than the same isothermal temperature isothermal normalizing large organizations. The second heat of the isothermal forging normalizing optimi

5、zed process parameters. Finally, isothermal forging normalizing heat of cementite after quenching effects of austenite grain size.Keywords: Preheating treatment; General normalizing; Isothermal normalizations; Isothermal normalizations by forging remaining heat.1 緒 論1.1 前言在汽車生產(chǎn)中，齒輪是必不可少的基本零件。齒輪質(zhì)量，尤其

6、是后橋齒輪、變速箱齒輪，時常出現(xiàn)總成裝配困難、噪音大及齒面磨損等問題。經(jīng)調(diào)查分析，齒輪滲碳淬火后變形波動是影響總成質(zhì)量的主要原因之一。滲碳齒輪鋼鍛件毛坯預(yù)先熱處理獲得的顯微組織和硬度對切削加工性能和滲碳淬火的變形規(guī)律有重大的影響。目前，改善齒輪毛坯性能的傳統(tǒng)預(yù)先熱處理工藝是再加熱正火，即采用普通正火工藝，經(jīng)大量生產(chǎn)實踐證明采用普通正火工藝難以滿足切削加工及穩(wěn)定滲碳淬火后變形規(guī)律的要求1。在影響滲碳鋼變形的諸因素中，人們的注意力往往集中在滲碳淬火方面，而忽視了鍛坯預(yù)先熱處理對變形的影響。近年來隨著各類車型材料的引進(jìn)，制造加工水平的提高，對合金滲碳齒輪鋼鍛造毛坯預(yù)先熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)提出了更高的要

7、求。20世紀(jì)80年代等溫正火已在詞典中出現(xiàn)，但關(guān)于汽車齒輪鋼經(jīng)高溫加熱、連續(xù)冷卻的正火顯微組織的研究以及在生產(chǎn)中的控制，尤其是利用鍛造余熱等溫正火方面，未見報道2。如何改進(jìn)合金滲碳齒輪鋼鍛造毛坯預(yù)先熱處理工藝，改善切削加工性能、穩(wěn)定滲碳淬火后的變形，提高總成質(zhì)量及整車的可靠性，成為影響汽車齒輪發(fā)展的重大課題，具有重大實際意義和理論學(xué)術(shù)價值。1.2 汽車滲碳鋼的現(xiàn)狀與發(fā)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(jié)構(gòu)鋼中使用最廣、用量最大的鋼種之一，一般都需要經(jīng)過鍛造、預(yù)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

8、工件具有耐磨、耐疲勞和耐點蝕等良好的特性。隨著國外先進(jìn)車型的引進(jìn)，各種齒輪鋼的國產(chǎn)化使我國的齒輪鋼水平上了一個新臺階。目前，德國的Cr-Mn鋼，日本的Cr-Mo系鋼，和美國的SAE86鋼滿足了中小模數(shù)齒輪用鋼。針對鋼材淬透性能對輪齒心部的硬度和畸變都有極其重大影響的因素，近年來，由于我國鋼材冶煉技術(shù)水平的提高以及合金結(jié)構(gòu)鋼供應(yīng)情況的改善，已經(jīng)有條件把齒輪鋼的淬透性帶進(jìn)一步縮窄，長春一汽生產(chǎn)“解放”牌9t載貨汽車后橋齒輪時，由于20CrMnTiH鋼易發(fā)生早期失效，參考了日本的SCM822H鋼，與鋼廠協(xié)商，生產(chǎn)出了國產(chǎn)化的新鋼種22CrMoH鋼，其淬透性能指標(biāo)為J9=36 HRC42HRC，較好地

9、滿足了汽車齒輪的使用要求。隨著汽車產(chǎn)品技術(shù)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(yè)的經(jīng)驗型向科學(xué)化、國際化方向發(fā)展的過度階段，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、Cr-Mn鋼過渡。因此必須采用相應(yīng)合理的熱處理新工藝與之相配合3。1.3 預(yù)先熱處理的現(xiàn)狀及存在的問題鍛造毛坯的預(yù)先熱處理，不僅對切削加工性能有極大影響，而且對最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(yīng)力，使組織均勻化。目前，國內(nèi)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Acm以上的適當(dāng)溫度，保持一定時間后在空氣中

10、冷卻，得到珠光體類組織的熱處理工藝。正火是一種傳統(tǒng)的老工藝，因其設(shè)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(yè)的發(fā)展及對產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，特別是引進(jìn)車型用鋼材料的多樣化，普通的正火處理已達(dá)不到齒坯預(yù)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(fēng)）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（HB156207），一般不檢查顯微組織，又多在鍛造工廠（車間）進(jìn)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(tài)和硬度指標(biāo)，既缺乏深入理論研究，又缺乏生產(chǎn)性實踐探討?，F(xiàn)行的QC/T262-1999汽車滲

11、碳齒輪金相標(biāo)準(zhǔn)是按鍛后重新奧氏體化正火工藝提出的，而且要求晶粒度小于5級，對切削加工并非恰當(dāng)。實際上我國目前普遍存在這類零件切削后表面光潔度差，切削刀具使用壽命低，滲碳淬火前后變形波動較大等問題，與正火顯微組織不良，硬度不佳有密切的關(guān)系4。在生產(chǎn)實際中，滲碳鋼鍛造毛坯經(jīng)正火處理后，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(qū)間內(nèi)連續(xù)進(jìn)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（-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(guī)律，會因變形過大而報廢。這種情況在淬透性波動較大的

12、鋼中更易出現(xiàn)。對于冷卻速度較小的鋼件，由于鋼的硬度過低，切削時易發(fā)生塑性變形，形成切削瘤，出現(xiàn)“粘刀”、“燒刀”現(xiàn)象。近年來，隨著引進(jìn)車型帶來齒輪材料多樣化和對齒輪質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)要求，采用普通正火處理已難以滿足汽車生產(chǎn)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(nèi)（鋼件切削加工時易斷屑，表面光潔），而且要求獲得穩(wěn)定的顯微組織（較粗的鐵素體晶粒加較細(xì)的珠光體），以改善切削加工性能及穩(wěn)定滲碳淬火后的變形規(guī)律。為了滿足上述要求，需對正火工藝進(jìn)行改進(jìn),以獲得正火所要求的顯微組織和硬度范圍5。2 預(yù)先熱處理原理及分析2.1 滲碳鋼的正火工藝正火是滲碳鋼鍛件預(yù)先熱處理的主要手段。其目的是消除或改善坯

13、料制備時所造成的各種組織缺陷，獲得最利于切削加工的組織和硬度，改善組織中相的形態(tài)和分布，細(xì)化晶粒，為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備。正火工藝原則上是將鋼件加熱至Ac3或Acm以上3050，保溫一定時間，使奧氏體均勻化，然后出爐在空氣中或以其他方式冷卻。由于正火是為了獲得珠光體類組織，要求其冷卻速度要小于其臨界冷卻速度，否則，會發(fā)生貝氏體或馬氏體轉(zhuǎn)變。在實際生產(chǎn)中，正火加熱溫度常常略高于上述溫度。如果正火作為預(yù)先熱處理，則更宜取上限溫度，提高加熱溫度能夠促進(jìn)奧氏體均勻化，增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，這樣有利于組織均勻化。另外，為了減少后序滲碳、淬火后的變形缺陷，要求其奧氏體化溫度要高于以后進(jìn)行的熱處理溫度。

14、正火的加熱速度應(yīng)考慮鋼的成份、前后工序情況、工件大小、裝載量等因素。一般無需嚴(yán)格控制，但為防止變形開裂，一般情況下，低合金鋼中、小件的加熱速度常用50100/h，以使鋼件各部分溫度均勻。保溫的目的是為了使工件透燒和得到比較均勻的奧氏體，保溫時間的確定，應(yīng)考慮鋼的成分、原始組織、裝載量等因素。在實際生產(chǎn)中，常采用經(jīng)驗公式=k··D來估算加熱保溫時間。若正火加熱溫度較高，則保溫時間應(yīng)適當(dāng)縮短。冷卻速度對鋼正火后的組織和性能影響的一般規(guī)律是：冷卻速度越大，奧氏體分解溫度越低，則珠光體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物越細(xì)，應(yīng)力越大，硬度越高。冷卻過慢，會出現(xiàn)大塊鐵素體，造成工件過軟。所以，為達(dá)到預(yù)期效果，

15、冷卻速度應(yīng)適當(dāng)控制。正火件一般為空冷，對滲碳鋼以及大件等正火有時采用吹風(fēng)冷卻，甚至噴霧冷卻。等溫正火是指合金鋼件經(jīng)奧氏體化后直接進(jìn)入等溫爐或隨爐冷至等溫溫度保持一定時間使其完成+P或P相變，而后出爐空冷的工藝過程，適合于過冷奧氏體相當(dāng)穩(wěn)定P相變溫度范圍窄的中高碳合金鋼種。由于70年代以前無等溫正火這個名詞，人們把低碳合金鋼鍛件的等溫處理也叫等溫退火,80年代以來等溫正火名稱已在詞典中出現(xiàn)6。一般把合金滲碳鋼特別是低合金滲碳鋼鍛件的等溫處理稱為等溫正火。齒坯采用等溫正火，能夠?qū)ο嘧冞M(jìn)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(jìn)行，由于等溫正火能夠有效地控

16、制冷卻時的相變，使相變在等溫溫度下進(jìn)行，避免了帶狀組織超差，非平衡組織（-Fe魏氏體組織、貝氏體組織、馬氏體組織）出現(xiàn)。為切削加工及滲碳淬火做了組織和性能準(zhǔn)備。2.2 鋼的正火組織、硬度與切削加工性能鋼件的切削加工性能對于大批量、連續(xù)化、多刀切削生產(chǎn)的汽車零件至為重要。許多滲碳鋼制件（如汽車齒輪），形狀復(fù)雜，切削加工量大，而且在滲碳淬火后不再進(jìn)行磨削精加工，因而要求鋼件具有良好的切削加工性能，以達(dá)到高速切削、切削耗能小、刀具磨損少和表面光潔度高。為此，需要鋼件具有合適的顯微組織和硬度配合。對于低碳合金滲碳鋼，應(yīng)具有晶粒均勻的先共析鐵素體加細(xì)片珠光體組織，而且彼此分布均勻,硬度一般在HB1601

17、80之間為最佳7。材料的切削加工性是指對某種材料進(jìn)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(xué)性能和顯微組織，而力學(xué)性能又受顯微組織的影響。被加工鋼件的硬度、強(qiáng)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(qiáng)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(jié)，刀具容易發(fā)生冷焊磨損，使刀具的使用壽命降低，而且容易產(chǎn)生積屑瘤使加工表面質(zhì)量惡化，降低鋼件表面光潔度。鍛造毛坯采用普通正火處理，在冷卻過程中，由于鋼件成堆在空氣中冷卻或吹風(fēng)冷卻，位于堆的表面和中心的冷卻速度不同，季節(jié)變化，空氣流通情況也不同，其冷卻速度就不一樣，加之鋼件發(fā)生的連續(xù)冷

18、卻轉(zhuǎn)變是在一個相當(dāng)大的冷卻溫度范圍內(nèi)完成的。因而獲得的顯微組織和性能也不盡相同。當(dāng)齒坯的散熱條件較好，冷卻速度較快，奧氏體在珠光體相變范圍內(nèi)沒有完全轉(zhuǎn)變，就降到貝氏體相變溫度范圍，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w型組織，即出現(xiàn)了非正常組織，比如粒狀貝氏體等。非正常組織的出現(xiàn)，使硬度偏高甚至超高，硬度達(dá)到HRC43或更高，給切削加工帶來很大的困難，刀具磨損快，易燒毀，這不僅增加工具消耗量，而且嚴(yán)重影響零件加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率8。當(dāng)齒坯的散熱條件較差，冷卻速度較慢，就可能出現(xiàn)正火帶狀組織超差。如果原材料有成分偏析，比如磷或錳偏析，磷是提高A3的元素，含磷量增加0.1%時，Ac3提高41。錳是降低A3的元素。當(dāng)

19、在兩相區(qū)冷卻過慢時，碳原子有充分時間擴(kuò)散，鐵素體首先在含磷量較高或含錳量較低的區(qū)域析出，而相鄰的區(qū)域造成碳原子富集，因此形成了鐵素體帶和珠光體帶相互交替的帶狀組織。具有這種組織的齒坯，其硬度可能合格，有時可能偏低，這樣的齒坯，其加工性隨切削方向和方法而異。當(dāng)沿某一方向插齒或滾齒時，容易啃皮，加工表面凹凸不平，表面光潔度很差；拉削時容易粘刀，形成強(qiáng)迫拉削狀態(tài)，使花鍵孔拉削尺寸超差，拉削部位變形應(yīng)力增加，造成滲碳變形量增大。在相近的力學(xué)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(shù)高、導(dǎo)熱系數(shù)小、原子間結(jié)合力強(qiáng)等，使切削加工性能降

20、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(zhì)相或組織如碳化物、氮化物、硼化物或馬氏體等，對刀刃有機(jī)械磨損作用，它們的硬度越高、數(shù)量越多、尺寸越大、外形呈尖角、分布不均勻，損傷刀具越嚴(yán)重。嚴(yán)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9。2.3 鋼的滲碳淬火變形在機(jī)械組件中，由于變形引起的齒輪幾何形狀的變化，實質(zhì)上是產(chǎn)生噪音和局部應(yīng)力集中的根源，這使其使用壽命降低。而且對于大多數(shù)汽車滲碳鋼件，滲碳淬火后一般不進(jìn)行磨削加工，其滲碳淬火后的變形直接

21、影響到裝配總成的最終質(zhì)量，因此滲碳零件熱處理時的變形必須嚴(yán)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：（1）零件形狀；（2）材料（鋼種、淬透性等）；（3）鍛造；（4）毛坯熱處理；（5）機(jī)械加工；（6）滲碳淬火規(guī)范。對于大量生產(chǎn)的汽車零件，在影響滲碳鋼件變形的諸因素中，人們的注意力往往集中在滲碳淬火方面，而最易忽視的是鍛坯的預(yù)先熱處理正火。在實際生產(chǎn)中常常出現(xiàn)的零件滲碳淬火后變形過大的現(xiàn)象，往往正是由于預(yù)先熱處理不當(dāng)引起的。變形的表現(xiàn)形式是多樣的，但就其產(chǎn)生根源，可分為內(nèi)應(yīng)力（熱應(yīng)力和組織應(yīng)力）造成的應(yīng)力塑性變形和比容變化引起的體積變形（即比容變形）。由于滲碳淬火前后鋼件的顯微組織不

22、同，而不同的顯微組織的比容是不同的，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10。但是只要掌握其尺寸變化規(guī)律，可以通過控制切削加工留好的預(yù)變形量，就可以使零件滲碳淬火后少量變形甚至不變形。在合金滲碳鋼中，各種組成相和組織的比容隨含碳量的變化如圖1所示，可以看出，滲碳體和鐵素體的比容不受含碳量的影響，由鐵素體和滲碳體的混合組成的珠光體（當(dāng)其組成相的比率一定時），其比容也不受含碳量的影響。馬氏體的比容均隨含碳量的增大而增大，而且馬氏體的比容既大于相同含碳量的奧氏體，又大于鐵素體。貝氏體的比容因其組成相的不同而不同，但其中的條狀鐵素體因固溶少量

23、的碳原子，其比容較先共析鐵素體為大。如果形成的是粒狀貝氏體，其中含有受含碳量影響的馬氏體/奧氏體島而使其比容變化復(fù)雜，但一般都比珠光體的比容大。鋼坯的顯微組織不同，切削加工后的殘余應(yīng)力也不相同，這種殘余應(yīng)力的性質(zhì)和大小也是引起鋼件滲碳淬火后變形的重要因素。殘余應(yīng)力越大，變形也越大。在相同的切削條件下，顯微組織為由較為粗大奧氏體晶粒形成的鐵素體加珠光體組織，切削后殘余應(yīng)力小，而貝氏體特別是由存在馬氏體/奧氏體島的粒狀貝氏體切削后的殘余應(yīng)力大。圖1 鋼中各種組成相和組織的比容及含碳量對比容的影響因此，從減小滲碳鋼件淬火變形考慮，其滲碳淬火前的顯微組織應(yīng)是由較為粗大奧氏體晶粒形成的先共析鐵素體加珠光

24、體為佳，因為它在滲碳淬火前后的變形規(guī)律比較固定。切削加工后的尺寸可以按其滲碳淬火后變形造成的漲縮進(jìn)行設(shè)計，如果正火組織是貝氏體或含有部分貝氏體將會破壞原變形規(guī)律，并使切削后殘余應(yīng)力增大，從而引起大的變形，小則降低精度大則報廢。3 實驗材料、實驗方法及實驗結(jié)果3.1 實驗材料及實驗設(shè)備3.1.1 實驗材料試驗用鋼主要是合金滲碳鋼22CrMoH齒輪鋼和20MnCr5齒輪鋼，試樣尺寸為30×12mm。主要化學(xué)成分見表1（wt%）：表1 化學(xué)成分對照表鋼號CMnSiSPCrAlMo22CrMoH0.210.820.310.0140.0141.140.3620MnCr50.201.400.08

25、0.0290.0111.060.0363.1.2 實驗設(shè)備1)加熱設(shè)備（由HLD型多點溫度記錄儀控制）見表2表2 加熱設(shè)備詳表型號額定電壓項數(shù)額定功率額定溫度工作尺寸RJ2-35-6380V335kW650500*600RJ2-50-12380V350kW1200600*8002)制樣設(shè)備見表3表3 制樣設(shè)備詳表設(shè)備型號規(guī)格備注試樣切割機(jī)SF365/315功率：3.4kW轉(zhuǎn)數(shù)：9300 r/min鋸片直徑：315mm北京興東瀚科技有限公司試樣拋光機(jī)P-2T功率：180W拋盤直徑：200mm轉(zhuǎn)速：1400r/min電壓：220V萊州市蔚儀試驗器械制造有限公司金相顯微鏡DMM-100C上海蔡康光學(xué)

26、儀器公司3)硬度計見表4表4布式硬度計設(shè)備型號備注布式硬度計TH600上海君達(dá)儀器廠3.2 實驗方法3.2.1 熱處理工藝的確定為了優(yōu)化汽車齒輪鋼的預(yù)先熱處理工藝，本研究選擇三種熱處理工藝進(jìn)行對比實驗。1)普通正火工藝表5 普通正火工藝參數(shù)加熱溫度保溫時間冷卻方式9303h空冷普通正火工藝曲線如圖2：圖2 普通正火工藝曲線示意圖2)等溫正火工藝等溫正火工藝參數(shù)如下：將試樣加熱至930保溫3h，風(fēng)冷至600后放入溫度為600的爐內(nèi)保溫3h后空冷。3)鍛造余熱等溫正火工藝鍛造余熱等溫正火參數(shù)如圖3：圖3 等溫正火工藝曲線示意圖將鍛件加入爐內(nèi)加熱至930保溫3h，出爐風(fēng)冷至600放入溫度為600的爐

27、內(nèi)保溫3h后空冷。3.2.2 制備試樣將不同預(yù)先熱處理工藝條件下的試樣，經(jīng)粗磨和細(xì)磨工序，然后在P-2T型金相試樣拋光機(jī)上拋光。 最后將磨制、拋光后的試樣用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，制樣完畢。3.2.3 金相組織觀察將上述制備好的試樣在DMM-100C型數(shù)字金相顯微鏡400倍下觀察金相組織，并編輯實驗圖片。3.2.4 硬度測試將不同預(yù)先熱處理工藝條件下的試樣打磨拋光，用TH600型布氏硬度計測量硬度值。鍛造余熱等溫正火曲線如圖4：圖4 鍛造余熱正火工藝曲線示意圖3.3 實驗結(jié)果及實驗分析3.3.1 普通正火的金相顯微組織與性能分析普通正火工藝主要考察了冷卻速度對組織及性能的影響規(guī)律：冷卻速度對2

28、2CrMoH鋼、20MnCr5鋼硬度的影響如圖5所示，即隨著冷卻速度的增大，其硬度逐漸增高。在相同冷卻速度下，22CrMoH鋼的硬度比20MnCr5鋼稍高，但獲得最佳硬度（HB 170180）的冷卻速度范圍都比較小。22CrMoH鋼、20MnCr5鋼經(jīng)不同冷卻速度正火處理后顯微組織的變化規(guī)律基本相同，22CrMoH鋼經(jīng)不同冷卻速度正火處理后的顯微組織如圖6所示，可以看出，當(dāng)冷卻速度較小時，其顯微組織為先共折鐵素體加珠光體，如圖6（a）、（b）所示，當(dāng)冷卻速度較大時，顯微組織中將有貝氏體出現(xiàn)，圖6（c）、（d）所示的是鐵素體加貝氏體。試驗用鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖（TTT）和連續(xù)冷卻圖（CCT）如圖7、圖

29、8所示?？梢钥闯?，雖然試驗用鋼的化學(xué)成分不同，過冷奧氏體分解動力學(xué)參數(shù)有所不同，但其固態(tài)相變規(guī)律基本相同，其特點是：（1）先共析鐵素體轉(zhuǎn)變線位于貝氏體開始轉(zhuǎn)變線上方稍右，珠光體轉(zhuǎn)變比較滯后。（2）在連續(xù)冷卻條件下，獲得鐵素體加珠光體組織，滿足正火要求的的冷卻速度范圍較窄。（3）在相當(dāng)大的冷卻速度范圍內(nèi)都會發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，獲得鐵素體加珠光體加貝氏體，鐵素體加貝氏體、貝氏體加馬氏體組織。（4）在560700溫度內(nèi)都可以發(fā)生鐵素體加珠光體轉(zhuǎn)變，在560680溫度范圍內(nèi)等溫處理，都可以獲得正火要求的組織及硬度。圖5 實驗用鋼的正火冷卻速度對硬度的影響（a）0.1s：（b）0.25s：（c）1s：（d）

30、2.5s圖6 22CrMoH鋼試樣經(jīng)不同冷卻速度正火后的金相組織如果增高鋼的奧氏體化溫度，其冷卻轉(zhuǎn)變圖也有變化，如圖9所示，即隨著加熱溫度的升溫（至10401050），先共析鐵素體析出線和珠光體轉(zhuǎn)變線明顯右移，但對貝氏體轉(zhuǎn)變影響較小，這是由于增高加熱溫度，奧氏體成份的均勻性增大，奧氏體晶粒也有所長大，故使晶界形核和碳、合金元素都需要擴(kuò)散的先共折鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變推遲，而對既可以晶界形核又可以晶內(nèi)形核和只受碳擴(kuò)散控制長大的貝氏體轉(zhuǎn)變則影響較小。根據(jù)上述試驗結(jié)果及鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖和連續(xù)轉(zhuǎn)變圖可知，合金滲碳鋼進(jìn)行普通正火處理時，隨著冷卻速度增大，相變溫度降低，先共析鐵素體的尺寸減小，數(shù)量減少，珠光體數(shù)

31、量增多，硬度有所提高。冷卻速度繼續(xù)增高，則會有貝氏體形成11。（a） TTT圖：（b）CCT圖圖7 20MnCr5鋼的冷卻轉(zhuǎn)變圖線（a） TTT圖：（b）CCT圖圖8 22CrMoH鋼的冷卻轉(zhuǎn)變圖線以20MnCr5鋼為例，獲得先共析鐵素體加珠光體組織的最大冷卻速度（V+P）約為3642/min，高于這一冷卻速度即有粒狀貝氏體形成，不符合正火技術(shù)要求。反之，當(dāng)冷卻速度較小時，（3033/min），會使鋼的硬度過低，也不符合正火技術(shù)要求。欲獲得最佳的顯微組織和硬度，其冷卻速度范圍很窄（69/min），生產(chǎn)中難以控制。3.3.2 等溫正火的金相顯微組織與性能分析等溫正火是將試樣從930迅速冷至600

32、左右再置于不同溫度的爐中等溫保持，而后取出空冷，考察不同等溫溫度對組織和性能的影響。等溫正火的等溫溫度對鋼件硬度的影響如圖7所示，即隨著等溫溫度的降低，硬度逐漸增高，但當(dāng)?shù)葴販囟鹊陀?40，等溫處理后的硬度迅速升高，在相同的等溫溫度下，22CrMoH鋼比20MnCr5鋼具有較高的硬度。（a） TTT圖：（b）CCT圖圖9 20MnCr5鋼的高溫奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變圖線圖10 22CrMoH實驗用鋼的正火等溫溫度對硬度的影響22CrMoH鋼經(jīng)不同溫度等溫正火處理后的顯微組織如圖10所示，可以看出等溫處理溫度高于560時，獲得的顯微組織為先共析鐵素體加珠光體，當(dāng)?shù)葴販囟刃∮?40時，獲得的顯微組織為先共

33、析鐵素體加大量貝氏體。如采用等溫正火，從等溫溫度對相變獲得的顯微組織和硬度影響（如圖10和圖11）可以看出，在一個比較寬的溫度范圍內(nèi)（580660）均可獲得最佳的顯微組織和硬度，而且在生產(chǎn)中容易控制。（a）660；（b）620；（c）540；（d）500圖11 22CrMoH鋼試樣經(jīng)不同溫度等溫處理后的顯微組織3.3.3 鍛造余熱等溫正火的組織與性能對于模擬鍛造余熱等溫正火的試樣，按上述同樣方法在1100奧氏體化，保溫10分鐘后單件取出，分別置于660、620、580、540、500鹽浴爐中，等溫保持30分鐘后取出空冷。測定硬度，并觀察組織。表6 試樣結(jié)果列表材料等溫溫度顯微組織硬度HB22C

34、rMoH660鐵素體+珠光體165620鐵素體+珠光體170580鐵素體+細(xì)珠光體181540貝氏體240500貝氏體25220MnCr5660鐵素體+珠光體157620鐵素體+珠光體167580鐵素體+細(xì)珠光體178540貝氏體235500貝氏體24122CrMoH鋼，20MnCr5鋼試樣鍛造余熱等溫正火的顯微組織，見圖12、圖13。由于等溫溫度不同，所獲得的顯微組織、硬度值不同。等溫溫度為660與580時，均獲得了平衡組織鐵素體加珠光體，而且隨著等溫溫度的降低，鐵素體晶粒減少，珠光體晶粒和片間距離也減少，鋼的硬度增高。等溫溫度在540以下時，由于貝氏體的形成而使硬度急劇升高。在相同的等溫溫

35、度下，22CrMoH鋼比20MnCr5鋼具有較高的硬度12。（a）660；（b）620；（c）540；（d）500圖12 22CrMoH鋼試樣經(jīng)不同溫度等溫處理后的金相組織（a）660；（b）620；（c）540；（d）500圖13 20MnCr5鋼試樣經(jīng)不同溫度等溫處理后的金相組織通過上述分析可見：采用等溫正火、鍛造余熱等溫正火獲得的顯微組織類似，在等溫溫度高于580時，均獲得了平衡組織鐵素體加珠光體，等溫溫度在540以下時，顯微組織均為先共析鐵素體加大量貝氏體，說明采用兩種等溫正火工藝都可在一個比較寬的溫度范圍內(nèi)（580660）均可獲得最佳的顯微組織和硬度，而且在生產(chǎn)中容易控制，而鍛造余熱

36、等溫正火將節(jié)約大量能源，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益13。但對比圖11與圖12發(fā)現(xiàn)：相同等溫溫度時，等溫正火獲得的組織比鍛造余熱等溫正火獲得的組織更細(xì)，鍛造余熱等溫正火得到的無論是鐵素體還是貝氏體，都較粗大，這種粗大的正火組織能否滿足后續(xù)熱處理工藝的組織性能要求，還有待于進(jìn)一步研究。3.4 鍛造余熱等溫正火工藝參數(shù)的優(yōu)化3.4.1 鋼件等溫前冷卻速度的影響將22CrMoH鋼、20MnCr5鋼試樣經(jīng)高溫奧氏體化后采用5種不同冷卻條件冷卻，并測定其溫度和時間變化情況，在試樣冷至等溫溫度時，立即置于等溫爐中，保溫1小時，而后出爐空冷?？疾斓葴卣鸬葴厍暗睦鋮s速度對組織和性能的影響。測得的5種從奧氏體化溫度冷

37、至600的冷卻曲線，示于圖14中，根據(jù)冷卻曲線計算平均冷卻速度。鍛造余熱等溫正火等溫前的冷卻速度對600等溫處理后鋼件硬度的影響如圖15所示。圖14 試樣等溫前的5種冷卻曲線圖15 等溫前冷卻速度對硬度的影響可以看出，當(dāng)?shù)葴厍暗睦鋮s速度較小時，鋼經(jīng)等溫處理后的硬度較低，隨著冷卻速度的增大，硬度增高，但當(dāng)達(dá)到某一冷卻速度后，硬度則不再隨冷卻速度的增大而增高，而是基本保持不變。而且，鋼的化學(xué)成分不同，達(dá)到不再影響等溫處理后硬度的最小冷卻速度也不相同，22CrMoH鋼比20MnCr5鋼要小一些13。鍛造余熱等溫正火等溫前的冷卻速度小于某一數(shù)值時，將產(chǎn)生降低等溫正火處理硬度的影響。這是由于在等溫前的冷

38、卻過程中，過冷奧氏體在高于等溫溫度時已經(jīng)部分甚至全部發(fā)生先共析鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變，而且冷卻速度越小，發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度越高，轉(zhuǎn)變量越多，硬度降低越大，等溫處理后的硬度越低，經(jīng)上述處理后的試樣，顯微組織均為先共折鐵素體加珠光體。通過上述分析可見：鍛造余熱等溫正火等溫前的冷卻速度存在一個最佳范圍冷卻速度過低硬度太小，冷卻速度過大硬度太大，這個最佳冷卻速度范圍與鋼的化學(xué)成分有關(guān)，生產(chǎn)中要根據(jù)鋼的成分加以選擇14。3.4.2 鋼件等溫溫度的影響鍛造余熱等溫正火的等溫溫度對鋼的組織和硬度的影響已在前面文章中討論過，即由于等溫溫度不同，所獲得的顯微組織、硬度值不同。等溫溫度為660與580時，均獲得了平衡組織

39、鐵素體加珠光體，而且隨著等溫溫度的降低，鐵素體晶粒減少，珠光體晶粒和片間距離也減少，鋼的硬度增高。等溫溫度在540以下時，由于貝氏體的形成而使硬度急劇升高。在相同的等溫溫度下，22CrMoH鋼比20MnCr5鋼具有較高的硬度。3.4.3 等溫保持時間的影響22CrMoH鋼試樣經(jīng)高溫奧氏體化后，采用如圖14中曲線3的冷卻條件冷卻至600等溫處理，其相變膨脹曲線如圖16，可以看出，試驗鋼在該溫度等溫約250s時開始相變，相變持續(xù)時間約1800s左右，相變產(chǎn)物為先共折鐵素體和珠光體，鋼的等溫保持時間應(yīng)在1800s左右，時間低于1800s相變未完成，時間大于1800s相變不再繼續(xù)進(jìn)行，但卻消耗大量能源

40、。需要說明的是這個最佳保溫時間是利用試樣測得的，對不同尺寸的零件這個最佳保溫時間是不同的。圖16 22CrMoH鋼冷卻至600等溫式的相變膨脹曲線3.4.4 鍛造毛坯鍛造余熱等溫正火工藝的制定原則1) 等溫前冷卻速度等溫正火前的冷卻速度是保證鋼件等溫正火質(zhì)量的重要參數(shù)，為了保證避免等溫前在較低冷速下析出鐵素體加珠光體組織，使硬度過低，等溫前鋼件的冷卻速度應(yīng)大于不發(fā)生過冷奧氏體分解的最小速度。如果在等溫之前過冷奧氏體部分發(fā)生轉(zhuǎn)變，降低硬度，雖然這部分損失的硬度可以通過適當(dāng)降低等溫溫度，使待轉(zhuǎn)變的過冷奧氏體在較低等溫溫度下等溫形成硬度較高的鐵素體加珠光體（主要是珠光體）組織來補償，但其不利于獲得穩(wěn)

41、定的正火組織，以達(dá)到穩(wěn)定滲碳淬火后變形的要求15。由于實際生產(chǎn)中鋼件尺寸、剖面變化較大，且其最小冷卻速度較難測定，我們在實際等溫正火生產(chǎn)時，設(shè)計了控制鋼件停鍛后至等溫保持之前冷卻過程的冷卻控制裝置，即風(fēng)冷室。風(fēng)冷室傳送帶節(jié)拍時間可調(diào)整。2) 等溫溫度為了保證鋼件等溫保持前過冷奧氏體不發(fā)生分解，除必須達(dá)到足夠的冷卻速度之外，由于合金滲碳鋼的貝氏體轉(zhuǎn)變，往往都較先共析鐵素體形成容易，所以還必須控制等溫前的最低冷卻溫度，以保證不發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，鑒于貝氏體的開始形成線的溫度隨冷卻速度的增大而降低，而且受鋼的化學(xué)成份的影響，此溫度應(yīng)比貝氏體開始形成溫度要高，等溫溫度是保證鋼件獲得所要求顯微組織和硬度的最

42、主要參數(shù)，低碳合金鋼在正火狀態(tài)下的硬度是受含碳及合金元素對顯微組織，晶格畸變與位錯交互作用和改變位錯屬性等影響的。當(dāng)鋼的化學(xué)成分固定時，等溫正火處理后的硬度主要決定于等溫轉(zhuǎn)變的過冷度即轉(zhuǎn)變溫度。為了確保等溫處理后獲得鐵素體加珠光體組織，等溫溫度一定要在鐵素體和珠光體形成溫度范圍之內(nèi)。3) 等溫保持時間鋼件的等溫保持時間必須保證過冷奧氏體在等溫溫度下能否充分完成，鐵素體加珠光體轉(zhuǎn)變的最短時間一般可從鋼的TTT圖中查得。在實際生產(chǎn)中，考慮到零件各處厚度等因素的不同，但在等溫保持之前，工件需要有一定時間均溫，加之鋼件各處化學(xué)成份不均勻。真正達(dá)到等溫溫度的時間先后不同，完全相變的時間不一致，等溫時間應(yīng)

43、比奧氏體轉(zhuǎn)變TTT圖中鐵素體加珠光體轉(zhuǎn)變所需時間適當(dāng)延長。但保持時間過長可能發(fā)生碳化物球化，硬度降低，切削性能惡化，也不利于節(jié)約工時和熱能，等溫保持時間也不宜過長16。3.5 鍛造余熱等溫正火對滲碳淬火后奧氏體晶粒度的影響圖17 22CrMoH鋼鍛造余熱等溫處理滲碳淬火后奧氏體圖18 22CrMoH鋼滲碳淬火前原始奧氏體晶粒尺寸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(xì)化，而在滲碳后又必須具有細(xì)小的奧氏體晶粒這一問題，需對鍛造余熱等溫正火滲碳淬火后的奧氏體晶粒大小進(jìn)行測定。將經(jīng)鍛造余熱等溫正火的22CrMoH試樣放入坩堝中，以石墨粉作保護(hù)劑，放入加熱爐，模擬滲碳加熱，重新加熱到930，保溫90分鐘，而后淬火冷卻。經(jīng)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?。嵛g法），如圖3-16所示。滲碳淬火前原始奧氏體晶粒度，如圖18所示。對比可見：鍛造余熱等溫正火處理的試樣經(jīng)滲碳淬火后的晶粒大?。▓D17），與原始晶粒（