QS1927材料軟化工藝的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化

王佳佳，張海英，吳先洋

（上海汽車變速器有限公司，上海 201807）

1 概述

某汽車變速器項(xiàng)目?jī)?nèi)輸入軸產(chǎn)品采用冷鍛成型工藝，在德國(guó)Schuler公司MML1250自動(dòng)化冷鍛壓機(jī)生產(chǎn)，工藝流程共需四工位，小端花鍵位置從φ40mm擠壓至φ24.8mm，零件長(zhǎng)度從217mm擠壓至322.8mm，最大變形量達(dá)48.75%，對(duì)材料預(yù)處理要求非常高。

圖1 產(chǎn)品冷鍛各工位變形工藝流程

圖2 產(chǎn)品冷鍛成品圖紙

該產(chǎn)品設(shè)計(jì)初始使用QS1927 S0-M材料[1]，該材料特性較為特殊，與SAE 5120H、S-20MnCrSH、ZF7B等常用材料相比，含C、Mn、Cr量較高，淬透性和淬硬性較高，塑性較低，冷作硬化程度較高，冷鍛過(guò)程中極易產(chǎn)生表面拉毛和竹節(jié)狀芯部裂紋，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和模具壽命。

綜合材料特性和產(chǎn)品變形量問(wèn)題，該產(chǎn)品在實(shí)際生產(chǎn)中難以滿足冷鍛成型要求。傳統(tǒng)預(yù)熱處理工藝常常使用球化退火工藝，該工藝生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本高，效率低，且因過(guò)軟容易導(dǎo)致坯料流動(dòng)過(guò)大，底部卡在模具中，造成模具損壞。而普通等溫退火使用連續(xù)推桿爐，生產(chǎn)連續(xù)性好，生產(chǎn)周期短，效率很高。所以目前較多所有冷鍛產(chǎn)品均使用等溫退火工藝，現(xiàn)場(chǎng)使用愛(ài)協(xié)林連續(xù)推桿爐進(jìn)行生產(chǎn)。

圖3 冷鍛過(guò)程中外徑拉毛

圖4 芯部竹節(jié)狀裂紋缺陷

表1 綜合材料元素分析

圖5 狀態(tài)1

圖6 狀態(tài)2

圖7 狀態(tài)3

圖8 狀態(tài)4

表2 四種狀態(tài)產(chǎn)品處理后結(jié)果

通過(guò)多次試驗(yàn)和調(diào)整，發(fā)現(xiàn)常規(guī)的等溫退火工藝已不能滿足產(chǎn)品冷鍛預(yù)處理要求。即使硬度和金相滿足產(chǎn)品技術(shù)要求，但產(chǎn)品在冷鍛過(guò)程后，通過(guò)探傷發(fā)現(xiàn)均存在芯部裂紋。棒料軟化過(guò)程中，晶粒細(xì)化程度取決于合金元素含量，合金元素越多，晶粒細(xì)化越困難，整體生產(chǎn)節(jié)拍需求更長(zhǎng)[2]。而當(dāng)晶粒越小，晶界就越多，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙越大，硬度越高，且塑性不利于冷鍛；當(dāng)晶粒未完成細(xì)化過(guò)程時(shí)，合金元素與鐵之間未形成置換固溶體和間隙固溶體，不均勻的晶粒和合金元素將導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)發(fā)生困難，且晶界應(yīng)力增大，塑性越低[3]。所以，硬度高低與材料塑性和韌性之間的關(guān)系并無(wú)必然規(guī)律。

2 技術(shù)方案

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試制中反饋的缺陷，預(yù)處理工藝進(jìn)行了四種工藝試驗(yàn)（100件/每工藝）：

狀態(tài)1：由軸類等溫退火設(shè)備切換為齒類等溫退火設(shè)備，密封性更好，退火過(guò)程中冷卻速度較慢，硬度較低，晶粒較細(xì)，工藝節(jié)拍為15分鐘。

狀態(tài)2：減少高溫與等溫之間的冷卻量，根據(jù)材料CCT曲線使其形成越多的鐵素體組織，減少珠光體組織產(chǎn)生量，觀察其冷鍛效果，工藝節(jié)拍為20分鐘。

狀態(tài)3：延長(zhǎng)高溫與等溫之間的冷卻量，使其快速冷卻后再進(jìn)入680℃進(jìn)行等溫處理，減少組織間的應(yīng)力，為冷鍛變形作準(zhǔn)備，工藝節(jié)拍20分鐘。

狀態(tài)4：減少高溫與等溫之間的冷卻量，同狀態(tài)2，減少工藝節(jié)拍為15分鐘，減少轉(zhuǎn)變時(shí)間，降低晶粒細(xì)化和均勻化程度。

（2）四種狀態(tài)產(chǎn)品預(yù)處理后，經(jīng)過(guò)拋丸和磷皂化，進(jìn)行冷鍛處理，結(jié)果如下：

圖9 狀態(tài)1 冷鍛前金相 100X

圖10 狀態(tài)2 冷鍛前金相 100X

圖11 狀態(tài)3 冷鍛前金相 100X

圖12 狀態(tài)4 冷鍛前金相 100X

根據(jù)結(jié)論發(fā)現(xiàn)：狀態(tài)1和狀態(tài)2的產(chǎn)品相比，狀態(tài)1密封性較高，硬度較低，類似球化退火組織，材料塑性過(guò)高，導(dǎo)致材料流動(dòng)過(guò)多，模具崩壞。狀態(tài)2和狀態(tài)4的產(chǎn)品相比，狀態(tài)2的工藝節(jié)拍多5分鐘，組織更細(xì)，合格率更高，但鐵素體組織含量并不高。狀態(tài)3的100件產(chǎn)品100%合格，其晶粒較細(xì)，硬度值偏高，鐵素體組織含量相對(duì)最高。

3 結(jié)論

（1）與傳統(tǒng)球化退火工藝相比，棒料的等溫退火工藝更適用于低碳合金鋼的冷鍛預(yù)處理工序，對(duì)于自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)更有利、高效。QS1927材料的球化退火工序耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，僅鍛件變形量≥60%的產(chǎn)品須通過(guò)球化退火增加其材料塑性和金屬流動(dòng)性，一般生產(chǎn)中，可使用等溫退火工藝替代傳統(tǒng)退火工藝，即可滿足冷鍛需求。

（2）同種等溫退火工藝，工藝節(jié)拍越長(zhǎng)，其晶粒越細(xì)，均勻性越好，在CCT曲線上等溫溫度停留時(shí)間越長(zhǎng)，組織轉(zhuǎn)變更完整，塑性和韌性更好[4]。對(duì)于QS 1927材料通過(guò)推桿爐進(jìn)行等溫退火生產(chǎn)，至少應(yīng)滿足5Min/mm有效厚度的奧氏體化加熱時(shí)間，10Min/mm有效厚度的等溫轉(zhuǎn)變時(shí)間，方可實(shí)現(xiàn)塑性和韌性的有效提升。

（3）冷鍛工藝棒料預(yù)處理中，并非硬度越低，塑性越好，其冷鍛過(guò)程就越適宜。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)充分考慮自動(dòng)化生產(chǎn)模具的具體情況，硬度過(guò)軟可能導(dǎo)致產(chǎn)品成型后，產(chǎn)品在模具底部卡住，頂桿頂不出產(chǎn)品的情況，將導(dǎo)致模具壽命及自動(dòng)化生產(chǎn)發(fā)生問(wèn)題。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到，QS1927材料最適宜冷鍛工藝的硬度為155HBW～165HBW，且需結(jié)合金相情況綜合分析。

（4）QS 1927冷鍛材料預(yù)處理應(yīng)通過(guò)充分冷卻至600℃～700℃，后進(jìn)入等溫處理。主要作用是：快速冷卻時(shí)，過(guò)冷奧氏體分解析出滲碳體時(shí)，碳原子的擴(kuò)散將受到抑制，在短時(shí)間內(nèi)滲碳體無(wú)法充分長(zhǎng)大成片層結(jié)構(gòu)而是直接以納米顆粒的形式彌散析出[5]。碳原子來(lái)不及擴(kuò)散，可以形成較多的鐵素體組織和少量殘留奧氏體，這些組織對(duì)于冷鍛過(guò)程中的金屬流動(dòng)十分有利。

（5）在先共析鐵素體組織附近存在大量的富碳區(qū)，而較多的合金元素在晶粒奧氏體均勻化過(guò)程中阻礙晶粒長(zhǎng)大，導(dǎo)致預(yù)處理后整體晶粒較細(xì)，一般在8級(jí)～9級(jí)左右，較其他常用冷鍛材料更細(xì)，在外力作用下，細(xì)晶粒在金屬流動(dòng)中更有利。所以在一般情況下，晶粒越細(xì)，其冷鍛塑性越好。