階梯軸等溫正火工藝探討（上）

文/張軍改·河北東安精工股份有限公司

階梯軸等溫正火工藝探討（上）

文/張軍改·河北東安精工股份有限公司

等溫正火早已成為汽車及其他機械用齒輪鋼預先熱處理的優選工藝，它較普通正火的優點在于組織和硬度更加均勻，但由于階梯軸各臺階粗細不同，降溫速度各異，導致各臺階在等溫正火時仍然存在硬度及組織差異，尤其是直徑差異較大時，硬度和組織差異更加明顯，致使無法完全保證所有臺階硬度和組織均滿足客戶要求，如何解決粗細臺階硬度及金相組織的均勻性，是階梯軸等溫正火的難點。本文通過大量的生產實踐，總結出等溫正火的最佳工藝。

等溫正火概念

等溫正火是將鋼加熱到奧氏體化溫度以上80～150℃，保溫一段時間，在風冷室中快速冷卻到等溫溫度，然后推入等溫爐中進行等溫轉變后出爐，在空氣中冷卻，從而獲得均勻分布的等軸P+F組織的熱處理工藝，其工藝曲線示意圖見圖1。

等溫正火金相組織、硬度及其均勻性的影響因素

在材料固定的前提下，等溫正火產品質量的影響因素很多，如：加熱溫度、保溫時間、加熱速度、冷卻速度和碼放方式等，但最重要的因素是工件在風冷室中的冷卻速度，工件在風冷室中冷卻的快慢和冷卻的均勻性嚴重影響其金相組織、硬度及其均勻性。

階梯軸等溫正火存在的主要問題

目前我公司等溫正火采用的是燃氣連續推盤式正火爐，產品多用平板式料盤多層疊加平放裝料方式，風冷室采取上吸風式冷卻，無變速、無風向導流、無冷熱風和霧冷，階梯軸各處軸徑不同，碼放位置不同，降溫速度存在差異，致使同一根軸件不同臺階、同一料盤不同位置以及同一截面不同圓周方向或心部及表面的硬度及金相組織存在差異，再加上正火爐建造時間較早，爐體大而長，適用于直徑粗、重量重的大軸，對于質量要求較高的轎車用小軸，硬度及組織不均勻性的問題更加突出，對于8620RH和20CrMo等材質的軸件，如果保證了粗臺位置的硬度，細桿位置硬度就會很高，金相組織就會不合格，很難保證所有地方金相硬度同時合格。

圖1 等溫正火工藝曲線示意圖

另外，對于同樣裝盤高度的大、小軸來說，大軸的裝盤重量比小軸重1.5～2倍，使小軸天然氣消耗急劇增加。

總之，當前階梯軸等溫正火存在如下問題：

(1）同一料盤、不同位置軸件硬度存在差異。

(2）同一位置、同一軸件、不同臺階硬度存在差異。

(3）同一截面，心部、表面，迎風面和背風面的硬度存在差異。

(4）硬度低的地方符合客戶要求，硬度高的地方金相則不合格，尤其是8620RH和20CrMo材質的產品，很難保證金相、硬度及其離散度同時合格。

(5）天然氣消耗高，尤其是小軸。

工藝分析

等溫正火的組織、硬度及其均勻性與風速和風冷時間有關，風速越快，晶粒越細，硬度越高，風冷時間越長，溫度降低的越多，進入風冷室的溫度越低，硬度越高，可根據風冷后溫度高低及其均勻性判斷硬度高低。

(1）同一料盤上不同位置產品硬度不均勻性主要表現在以下幾個方面：

1）料盤周邊位置產品硬度高于中間部位產品硬度：因風冷室無風向導流裝置，料盤周邊無遮擋，導致四周工件較中間部位軸件降溫速度快，硬度高，如圖2。

2）靠近爐門的軸件硬度高：因為加熱、等溫爐門不斷啟閉，冷風不斷進入爐內，使靠近爐門的工件溫度降低，進入風冷室時溫度就低于其他部位，再加上進入等溫室后，該處的工件也靠近等溫爐門，使其溫度低于其他部位，如圖3。

3）料盤筋骨遮擋部位硬度低：圖4所示，圖4a中左邊大臺放在了筋骨上，降溫慢，溫度高，右邊大臺放在了空擋處，降溫快，硬度高.

圖2 同一料盤四周工件溫度低

圖3 同一料盤靠近爐門的工件溫度低

圖4 同一料盤筋骨遮擋部位硬度低

(2）同根軸件不同臺階硬度不均勻性主要表現在如下幾個方面：

1）寬度相同的臺階，直徑越粗，硬度越低：直徑粗，散熱慢已是不爭的事實，因此直徑粗的臺階比直徑細的臺階溫降慢，硬度低，圖5是粗細臺階溫度差異。

圖5 直徑粗細降溫對比

2）直徑相同時，散熱面積大的地方硬度高：散熱面積大，降溫快，硬度高，圖6端部散熱面積大，降溫快，溫度低，硬度就高。

圖6 散熱面積大的地方降溫快

3）有遮擋的部位降溫慢，硬度低：由于拉料機構、升降機架和輥道等遮擋，使該處的軸件降溫速度減慢，硬度相對較低，如圖7為遮擋的輥道和拉料機構及升降機架圖。

圖7 輥道和拉料機構機架

(3）同截面上不同位置硬度不均表現在：

1）表面硬度高于心部硬度：眾所周知，物體表面總是比內部先降溫，內部再通過熱傳導降溫，圖8為表面和心部溫差對比。

圖8 表面和心部溫差

2）軸件接觸部位降溫慢，硬度低：因軸件接觸部位不易散熱，致使此處降溫慢，硬度低，圖9為接觸部位的溫度。

3）迎風面硬度高于背風面：迎風面因先接觸到風而降溫速度快于背風面，使迎風面硬度高，圖10為同一臺階不同圓周方向溫度差異。

4）轎車軸天然氣消耗高于重卡車軸：主要因為正火爐是按重卡車的大軸設計制造的，爐體長、正火周期長，同一料盤大軸裝盤量比小軸多，導致小軸天然氣噸耗高于大軸。

圖9 接觸部位溫度高

圖10 圓周方向溫度差異

圖11 不同產品細桿在料盤中位置不同

總之，軸件在料盤上的位置總是有上、中、下、里面和外面、遮擋與否的區別，不同位置降溫速度和硬度不同，而每種階梯軸細臺階在料盤上的位置又不固定，如圖11，因此無法采用在風冷室整體風向導流或在料盤中加固定遮擋的辦法解決溫降不均的問題，如何解決這些差異，是問題的關鍵所在。

階梯軸等溫正火工藝探討（下）見《鍛造與沖壓》2017年第7期。