熱處理工藝對合金滲碳鋼件加工表面的影響

王 敏，郭淑蘭，徐學(xué)東

（長春工程學(xué)院 機電學(xué)院，吉林 長春 130012）

0 引言

為了改善鋼件的切削加工性能通常多會采用正火的處理方式，而正火處理一直存在組織不夠均勻、加工性能不夠理想等問題，且在隨后的滲碳淬火中還會出現(xiàn)其他問題。汽車齒輪是重要的滲碳鋼件，在熱處理過程中它的變形受鍛造預(yù)先熱處理、形狀等多種因素的影響，故熱處理是齒輪質(zhì)量控制的關(guān)鍵因素之一［1］。目前國內(nèi)齒輪鍛造毛坯熱處理采用正火和等溫退火的較多，普通正火的設(shè)備及工藝比較簡單，操作方便，但是由于得不到均勻的組織、硬度波動范圍大，正在逐漸被等溫退火取代［2］。在國外，齒輪鍛造毛坯常采用等溫退火的處理方式，處理后可以獲得均勻的組織，避免帶狀組織出現(xiàn)，以減少變形，提高加工精度。但是等溫退火需要重新加熱，不夠經(jīng)濟，所以本文考慮一種新的熱處理方式——鍛造余熱等溫正火，在改善鋼件切削加工性能的同時，減小殘余應(yīng)力引起的變形，節(jié)約能源以降低生產(chǎn)成本。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗用鋼為常用低合金20CrMoH，其化學(xué)成分如表1所示［3］。

表1 20CrMoH鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

1.2 實驗方法

將一組試樣在加熱爐中加熱到950℃，保溫1h空冷進(jìn)行正火處理；另一組試樣采用鍛造余溫正火處理，實驗中將試樣加熱至1 000℃，保溫1h，緩冷至850℃ ，然后風(fēng)冷至630℃放入等溫爐中，轉(zhuǎn)變完成后進(jìn)行空冷。

試樣拋光后用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在Nikon EPIPHOT 300型光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行試樣顯微組織的觀察。硬度測試在HB－3000型布氏硬硬度試驗機上進(jìn)行。表面輪廓測試用WYKO公司生產(chǎn)的RST500型非接觸光學(xué)輪廓儀進(jìn)行。

2 實驗結(jié)果的分析與討論

2.1 組織形貌分析

圖1為正火試樣顯微組織，圖2為鍛造余熱等溫正火試樣顯微組織。

圖1 正火試樣顯微組織

圖2 鍛造余熱等溫正火試樣顯微組織

由圖1可見，正火試樣的顯微組織為粒狀貝氏體＋珠光體及鐵素體，形成這種組織的原因是由于鋼的含碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在0.17%～0.23%之間，屬于亞共析鋼，在奧氏體化后冷卻過程中，先共析鐵素體首先要析出；剩余奧氏體接近共析成分，在冷卻過程中形成片狀珠光體；產(chǎn)生貝氏體是由于正火冷卻速度比較快，而過冷奧氏體又比較穩(wěn)定，在空冷過程中來不及發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變的奧氏體在接下來的冷卻中發(fā)生了貝氏體轉(zhuǎn)變。

由圖2可見，鍛造余熱等溫正火的微觀組織是鐵素體＋珠光體，形成這種組織是由于鍛后余溫為1 000℃左右，試樣完全奧氏體化，在隨后的冷卻過程中速度緩慢，至630℃放入等溫爐中完全轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變溫度剛好與珠光體的轉(zhuǎn)變溫度吻合，所以在轉(zhuǎn)變過程中除了先共析鐵素體之外，并沒有貝氏體生成。

2.2 硬度分析

表2為20CrMoH鋼熱處理后的硬度值。

表2 20CrMoH鋼熱處理后的布氏硬度值

由表2可見，兩組試樣的硬度值有所差別，正火試樣硬度值較高而且各部分差別也較大；鍛造余熱等溫正火試樣硬度值相對較小，而且試樣各部分硬度均勻差別不大。這是由于正火試樣由于冷卻速度較快，轉(zhuǎn)變過程中得到了粒狀貝氏體，另外較快的轉(zhuǎn)變速度導(dǎo)致了珠光體的各片層間距差別較大，所以造成了硬度不均勻。鍛造余熱等溫正火由于冷卻速度較慢，等溫轉(zhuǎn)變完全，獲得的是鐵素體＋珠光體的平衡組織，而且珠光體片層間距均勻細(xì)小，所以表現(xiàn)在硬度上是各處比較均勻。

2.3 表面輪廓的測量與分析

圖3為正火試樣表面變形云圖，圖4為鍛造余熱等溫正火試樣表面變形云圖。

圖3 正火試樣表面變形云圖

由圖3和圖4可見，兩種試樣表面都發(fā)生了變形，鍛造余熱等溫正火的波峰與波谷差值在50nm～70 nm之間，而普通正火的差值約為105nm。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因主要是采用不同的熱處理工藝，形成不同的顯微組織，導(dǎo)致硬度不同而致。正火試樣在冷卻過程中，冷卻速度較快，得到了非平衡組織鐵素體＋珠光體＋粒狀貝氏體，粒狀貝氏體的M/A（馬氏體和奧氏體）小島和珠光體加鐵素體組織之間存在著較大的結(jié)構(gòu)和相界間應(yīng)力，在切削加工后得到釋放，造成了平衡組織和非平衡組織之間較大的表面變形量［4］。而鍛造余熱等溫正火試樣加熱溫度高，完全奧氏體化后先緩冷，然后再630℃進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變，直到轉(zhuǎn)變完成才進(jìn)行空冷，所以最終獲得的是鐵素體＋珠光體的平衡組織。而且由于轉(zhuǎn)變速度慢，轉(zhuǎn)變充分，珠光體片層間距均勻，試樣各處組織、硬度均勻，強度韌性配合較好，因而加工后，表面變形比正火要小得多，表面光潔度較高。

圖4 鍛造余熱等溫正火試樣表面變形云圖

3 結(jié)論

（1）20CrMoH鋼經(jīng)正火后組織為鐵素體＋珠光體＋粒狀貝氏體，鍛造余熱等溫正火后組織為鐵素體＋珠光體。

（2）正火后硬度值較大且不均勻，鍛造余熱等溫正火硬度值在HB175左右，且分布均勻，適合加工。

（3）正火試樣切削加工后表面變形量較大，鍛造余熱等溫正火試樣加工后表面變形小，光潔度高。

［1］彭俊，周述積，沈建一.兩種汽車滲碳齒輪新材料的預(yù)備熱處理工藝探討［J］.熱處理設(shè)備與技術(shù)，2006（3）：55－57.

［2］徐德惠，牟宗山.汽車齒輪鍛造毛坯預(yù)熱處理工藝改進(jìn)［J］.工具技術(shù)，2001（12）：43－46.

［3］束德林.金屬力學(xué)性能［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［4］季長濤，董懷雨，王淮，等.正火顯微組織對汽車齒輪鋼加工表面微變形的影響［J］.機械工程學(xué)報，2008（8）：238－241.