20MnCrS5齒輪鋼棒材球化退火工藝的研發①

程維瑋， 孫樂正， 熊 兵， 汪壽偉

(南京鋼鐵有限公司，江蘇 南京 210035)

引 言

隨著中國汽車工業的飛速發展，汽車的升級換代速度加快，對作為汽車動力傳動的主要部件—齒輪的加工精度和性能要求也越來越高；一些先進的齒輪零部件加工企業為了同時提高齒輪的加工效率及材料的利用率，開始越來越多地采用冷精鍛方式加工齒輪，這就要求冷精鍛齒輪的原材料必須具有良好的冷加工性能。而經過球化退火的材料一般均具有良好的冷加工性能。

1 性能指標

20MnCrS5齒輪鋼棒材球化退火狀態交付的技術條件主要有化學成分、球化率、硬度、組織等，化學成分如表1所示，球化退火狀態的性能指標如表2所示。

表1 20MnCrS5鋼的化學成分/%

表2 20MnCrS5鋼球化退火狀態的性能指標

2 工藝研發

為節省費用，20MnCrS5鋼球化退火工藝的研發采用的是實驗室小爐試驗及驗證確認后，再轉化為連續熱處理爐的試生產工藝，并根據球化退火成品的檢驗情況進行改進優化。

2.1 確定奧氏體轉變溫度Ac1

球化退火是使鋼中碳化物球化而進行的退火工藝，主要用于共析鋼或過共析鋼，為下一步的深加工或熱處理做好組織準備，常規工藝為將鋼加熱到Ac1以上20～30 ℃，保溫一段時間，然后緩慢冷卻到略低于Ac1的溫度，并停留一段時間，使組織轉變完成，得到在鐵素體基體上均勻分布的球狀或顆粒狀碳化物的組織。

對于20MnCrS5等低碳鋼，為了獲得良好的利于冷加工的組織，也會采用球化退火進行處理。目前，對于碳含量為0.20%左右齒輪鋼的球化退火工藝有兩種，一種是與常規球化退火工藝一樣將材料加熱到Ac1以上保溫一段時間后，降到Ac1以下，停留一段時間[1]；另一種是將材料加熱到Ac1以下某一溫度保溫較長的時間，再逐步冷卻到室溫[2]。因此，在設計20MnCrS5鋼的球化退火工藝之前，首先必須得到20MnCrS5鋼的Ac1溫度。考慮到球化退火的保溫時間很長，可以參照等溫退火，通過繪制奧氏體等溫轉變曲線—TTT曲線來確定Ac1溫度點。在Gleeb3800模擬實驗機上，采用10種工藝進行試驗，具體工藝如圖1所示。試驗得出20MnCrS5材料的Ac1溫度為736 ℃。 在670 ℃時其組織為F+P，到580 ℃時，其組織除F+P外，開始出現B，如圖3, 4所示。

圖1 熱模擬試驗工藝

圖2 20MnCrS5鋼的TTT曲線

圖3 670 ℃時的組織

圖4 580 ℃時的組織

2.2 實驗室球化退火試驗

試驗分兩步進行，第一步是依據Ac1溫度，采用3種球化退火工藝，根據每種工藝的硬度和組織情況，選擇最優的工藝；第二步是對選擇的最優工藝進行驗證，確認其工藝再現性。

2.2.1 摸底試驗

根據Ac1溫度，設定3種工藝：加熱溫度分別是765, 720 和700 ℃，保溫不同的時間，如圖5所示。

圖5 不同加熱溫度和保溫時間的球化退火工藝

其中第1,3種工藝分別為某加工廠和某鋼廠的現行球化退火工藝，第2種工藝為根據熱模擬的Ac1=736 ℃，并考慮Ac1以下溫度越高越有利于珠光體P的溶解和球化而設定的新的試驗工藝。分別檢測試樣邊部、1/2半徑和心部的硬度及邊部和心部的組織。硬度檢測位置如圖6所示，3種工藝的硬度檢測值如表3所示，可以看出765 ℃工藝的9點硬度及其平均值、通條硬度差均最低，而700 ℃工藝的9點硬度及其平均值、通條硬度差均最高，720 ℃工藝相應數值處于中間。同時，從表3還可以看出，熱處理后圓鋼的邊部和心部硬度較低，而1/2半徑處硬度較高，且最低值出現在邊部，最高值出現在1/2半徑處，這是由于連鑄坯碳的正偏析區域恰好位于1/2半徑處造成的。

圖6 圓鋼試樣硬度檢測位置示意圖

3種工藝的典型組織如圖7所示，放大倍率均為1000倍。從圖中可以看到工藝1的球化效果最差；工藝2的球化效果最好，工藝3的球化效果也較好，但還有少部分珠光體沒有完全溶解球化。工藝1在Ac1以上29 ℃(溫度765 ℃)保溫達7.5 h，但在Ac1以下26 ℃(溫度710 ℃)僅僅保溫3h，球化才剛剛開始；工藝2在Ac1以下16 ℃(溫度720 ℃)保溫20 h，球化效果最好，球化率達到98%左右；工藝3在Ac1以下36 ℃(溫度700 ℃)保溫25 h，球化效果也較好，球化率達到92%以上。由此可以看出，Ac1以上溫度對球化效果幾乎沒有影響，但硬度卻是最低；球化效果關鍵還是看Ac1以下的保溫溫度和保溫時間，在Ac1以下且靠近Ac1溫度進行球化保溫時，保溫適當時間即可得到滿意的球化效果。球化溫度再降低一些的話，也可以通過延長保溫時間來獲得較好的球化效果，但硬度會相對較高且會影響球化退火的生產效率和成本。因此，最終確定采用工藝2即720 ℃作為優選工藝。

表3 3種球化退火工藝試驗的硬度

圖7 765,720,700 ℃工藝的1/2半徑處組織

2.2.2 工藝再現性驗證和確認試驗

為了驗證和確認工藝的再現性，再次在實驗室進行了720 ℃的球化退火工藝試驗，另外，考慮便于以后生產組織和降低熱處理成本，同時進行了縮短球化退火時間的試驗。最終確定第二次實驗室球化退火工藝為兩種：

(1)720 ℃×20 h→爐冷至650 ℃→出爐空冷

(2)720 ℃×15 h→爐冷至650 ℃→出爐空冷

硬度檢測位置不變(如圖6所示)，兩種工藝的硬度檢測值如表4所示，可以看出720 ℃球化退火溫度下，保溫20 h工藝的9點硬度及其平均值、通條硬度差與保溫15 h工藝的相應數值相差很小。最大只有5HBW，說明保溫時間在15 h以上時，對硬度的影響已經變小。

兩種工藝的典型組織如圖8所示，放大倍率均為500倍。從圖中可以看到工藝1的球化效果仍然很好，球化率保持在98%左右；工藝2球化效果也較好，有少量珠光體沒有完全溶解球化，但球化率也達到92%左右。由此可以看出，720 ℃×20 h→隨爐冷卻到650 ℃出爐空冷的球化退火工藝最優，且其工藝再現性也很好，在前、后二次試驗中，其硬度和球化率指標基本一致。因此，最終決定以此工藝為基礎，設計連續熱處理爐的球化退火試生產工藝。

2.3 連續熱處理爐試生產

根據實驗室試驗結果，結合連續熱處理爐設備運行特點，設定連續熱處理爐的球化退火工藝如表5所示。

表4 720 ℃下兩種保溫時間球化退火工藝試驗的硬度

圖8 720 ℃溫度下，保溫分別為20 h和15 h時的1/2半徑處組織

按照此工藝在連續熱處理爐中對20MnCrS5圓鋼進行球化退火試生產。球化退火后，在一支圓鋼的頭、中、尾取1#,2#,3#試樣檢測硬度和組織；硬度檢測位置不變(如圖6所示)，硬度檢測值如表6所示，取1#試樣檢測其邊部、1/2半徑和心部組織，如圖9所示。

表5 連續退火爐球化退火試驗工藝

表6 連續熱處理爐球化退火工藝試驗的硬度

由表6可以看出球化退火后，同一截面不同部位的9點硬度及其平均值、通條硬度差與實驗室720 ℃×15 h熱處理工藝對應的硬度數據基本一致，比720 ℃×20 h熱處理工藝對應數值略高；圓鋼硬度均低于166HBW，通條硬度差和同一截面的硬度差均低于30HBW，均符合技術協議要求。

從圖9可以看出其球化效果均較好，即使是球化效果最差的心部，球化率也都在90% 以上，而球化效果最好的邊部球化率則保持在98%左右，球化率完全符合技術協議中球化率≥85%的要求。

圖9 1#試樣的邊部、1/2半徑處和心部的組織

3 結束語

(1) 20MnCrS5鋼實驗室球化熱處理的加熱溫度控制在Ac1以下10～20 ℃，保溫時間15 h以上，可以滿足球化率≥85%、硬度≤166HBW、硬度差≤30HBW的要求。

(2)工業化連續熱處理爐的球化退火效果略低于實驗室小熱處理爐，在設計工業化連續熱處理爐工藝時要適當地考慮延長加熱時間到20 h左右，此時球化效果、硬度和通條硬度差大約相當于實驗室保溫時間15 h。