汽車球鉸鏈帶狀組織分析及討論

寧波蝸牛鍛造有限公司（浙江余姚 315456）樊英鋒 何秀群

球鉸鏈?zhǔn)菆?zhí)行機構(gòu)與調(diào)節(jié)機構(gòu)的連接附件。其采用了球型軸承結(jié)構(gòu)，具有控制靈活、準(zhǔn)確、扭轉(zhuǎn)角度大的優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的自動控制系統(tǒng)中。在球鉸鏈鍛造成形過程中由于其鍛造比大，顯微組織中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)帶狀組織存在。嚴重的帶狀組織造成了鍛件基體金屬的各向異性，不僅使其在垂直于帶狀組織方向上的伸長率、斷面收縮率及沖擊韌度降低，還使鍛件淬火后易形成混晶組織和非馬氏體組織，使零件淬火變形傾向增大，提高了返工率和廢品率，造成了不必要的浪費。本文從熱處理兩方面討論了帶狀組織的變化情況，對減少帶狀組織、提高產(chǎn)品質(zhì)量提出了幾點建議，希望對消除同類產(chǎn)品組織缺陷有些幫助。

1.材料及使用設(shè)備

本文選用35鋼鍛打的汽車球鉸鏈作為試驗對象。化學(xué)成分如表1所示，由表可見化學(xué)成分均在國標(biāo)要求范圍內(nèi)。將φ32mm圓鋼棒加熱鍛打成如圖1所示毛坯件，從圖1所示位置取樣進行金相組織檢驗。原材料縱向顯微組織如圖2所示，由圖可見鐵素體沿一定方向排列并呈帶狀分布特征，根據(jù)GB/T 13299—1991標(biāo)準(zhǔn)可評為2級。熱處理加熱設(shè)備有SX3-10-13型箱式電阻爐和JH812型網(wǎng)帶式加熱爐；化學(xué)成分檢測用SPECTRO MAX 光譜分析儀；金相檢測用OLYMPUS BX51M金相顯微鏡；硬度檢測用XHB－3000型數(shù)顯布氏硬度計。

表1 35鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

圖1 球鉸鏈鍛件示意

圖2 熱軋棒材金相組織

2.試驗及結(jié)果分析

有關(guān)資料介紹，軋制后采取“分段冷卻”技術(shù)可以有效控制鋼板中帶狀組織的形成。借鑒其經(jīng)驗，在鍛造后我們將產(chǎn)品單層散放在傳送網(wǎng)帶上并用風(fēng)機吹冷，其顯微組織如圖3所示，組織為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體，有混晶出現(xiàn)，輕微魏氏組織，帶狀組織可評為0級，經(jīng)檢測硬度為201～212HBW。將鍛件在箱式電阻爐上以不同的工藝處理，其結(jié)果見圖3～圖6。在圖4中鐵素體呈明顯的條帶狀分布特征，帶狀組織非常嚴重，可評為5級，經(jīng)檢測硬度為173～174HBW。完全退火后帶狀組織非常明顯是由于在緩慢冷卻條件下，先在碳及合金元素貧化帶區(qū)域由于過冷奧氏體穩(wěn)定性較低析出了鐵素體。先共析鐵素體的析出使得多余的碳及合金元素被排向兩側(cè)，造成該區(qū)域元素濃度增高、過冷奧氏體穩(wěn)定性提高而產(chǎn)生珠光體。鐵素體和珠光體彼此交替出現(xiàn)形成明顯的帶狀組織。在圖5中退火形成嚴重帶狀組織，經(jīng)過重新加熱正火后析出的鐵素體和珠光體排列較均勻，帶狀取向不明顯。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)帶狀組織可評為1～2級，經(jīng)檢測其硬度為178～186HBW。完全奧氏體化后用沸騰水冷卻，樣件金相組織如圖6所示，由圖可見由于冷卻速度過快，先共析鐵素體被極大抑制，只有少量鐵素體析出呈網(wǎng)狀分布特征，在其內(nèi)部珠光體和少量托氏體均勻分布無帶狀。經(jīng)檢測其硬度為231～246HBW。

圖3 鍛造后風(fēng)機吹冷

圖4 870℃×60min退火

圖5 退火+860℃×40min正火

圖6 退火＋860℃×40min沸水冷卻

由箱式電阻爐試驗可知，鍛件加熱后冷卻速度越慢帶狀組織越嚴重，反之越輕。因此，在網(wǎng)帶式加熱爐上將鍛件進行正火，顯微組織如圖7所示。由圖7可見，經(jīng)過不完全正火后殘留鍛造組織較多，且鐵素體和珠光體呈明顯帶狀分布，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可評為3級。分析原因主要有3點：其一是加熱溫度明顯偏低，進入了鐵碳相圖的兩相區(qū)間，導(dǎo)致鍛造組織沒有轉(zhuǎn)變完全；其二是保溫時間過短，組織沒有來得及轉(zhuǎn)變徹底。箱式電阻爐是以工件進入爐膛后爐溫重新升到設(shè)定溫度為基準(zhǔn)來計算的，實際上是保溫時間；而網(wǎng)帶式加熱爐是以工件進入爐膛到出爐的時間來計算的，實際上是加熱時間。經(jīng)過測試網(wǎng)帶爐設(shè)定60min，工件實際保溫時間約30min，明顯網(wǎng)帶式加熱爐上溫度偏低；其三是冷卻條件不同。箱式電阻爐試驗時單個工件擺放在料架上自然空冷。周圍空氣是室溫，只有20℃左右，因此冷卻速度較快。而網(wǎng)帶式加熱爐是批量生產(chǎn)，先落下的工件將周圍空氣加熱，后落下的工件在高達上百攝氏度的環(huán)境中冷卻，實際冷卻速度明顯偏低，造成鐵素體和珠光體呈帶狀析出。工藝調(diào)整后樣件金相組織如圖8所示，可見隨著加熱溫度升高和保溫時間延長，殘留鍛造組織消失。在冷卻網(wǎng)帶上加風(fēng)機吹冷后鐵素體和珠光體分布較均勻，帶狀組織可評為1級，經(jīng)檢測其硬度為189～200HBW。

圖7 750℃×60min加熱空冷

圖8 860℃×80min加熱后風(fēng)冷

3.討論

研究表明，帶狀組織產(chǎn)生的原因是由于在冶煉時鋼中化學(xué)元素分布不均勻，導(dǎo)致在鋼錠中形成了枝晶偏析，在后續(xù)加工過程中使鐵素體和珠光體成帶狀析出。許多資料均提出通過高溫擴散退火可以改善甚至消除帶狀組織，但是經(jīng)過高溫長時間加熱后組織變的異常粗大，必須經(jīng)過1～3次正火才能細化晶粒；同時高溫加熱氧化脫碳嚴重，必須提前計算并留有足夠的加工余量，才能保證工件不因脫碳層超標(biāo)導(dǎo)致有效尺寸減少而報廢。由于工序多、周期長、能源消耗大，此種方法在工廠里并未得到廣泛應(yīng)用。因此，為了徹底消除帶狀組織，應(yīng)在鋼材的源頭——冶煉上下功夫，采取先進熔煉設(shè)備、熔煉方法，使鋼錠內(nèi)部各化學(xué)元素均勻分布，避免在后續(xù)加工過程中出現(xiàn)帶狀組織。在工廠實際生產(chǎn)過程中，鍛造后的產(chǎn)品應(yīng)散放在網(wǎng)帶上冷卻。盡量避免鍛造后直接扔至料框中堆冷，消除形成帶狀組織的條件。對于需要調(diào)質(zhì)的工件，若帶狀組織嚴重應(yīng)采取降低淬火加熱溫度、提高淬火液溫度、減緩淬火液攪拌等方式和方法來防止翹曲變形甚至淬裂；對于需要正火的工件，若帶狀組織嚴重應(yīng)采取加熱后風(fēng)冷，以及防止產(chǎn)品堆積冷卻的方法來減緩帶狀組織形成。

4.結(jié)語

（1）消除帶狀組織的根本措施在于冶煉時保證鋼錠內(nèi)各化學(xué)元素均勻分布，盡量不形成枝晶偏析或?qū)⑿纬傻闹龃蛩椋蛊渚鶆蚧?/p>

（2）鍛件加熱后采用足夠快的冷卻速度，可以減少甚至消除帶狀組織。

（3）若原材料存在嚴重帶狀組織，通過快冷減少或消除的帶狀組織，經(jīng)過加熱后緩慢冷卻又會重新出現(xiàn)。