冷鍛件的預處理

郝豐林，劉小丹，蔣勇，余國增

1.江蘇雙環(huán)齒輪有限公司 江蘇淮安 223200

2.蘇州工業(yè)園區(qū)久禾工業(yè)爐有限公司 江蘇蘇州 215021

1 序言

冷鍛是冷模鍛、冷擠壓、冷鐓等塑性加工的統(tǒng)稱。冷鍛是對物料再結晶溫度以下的成形加工，是在回復溫度以下進行的鍛造。生產(chǎn)中習慣把不加熱毛坯進行的鍛造稱為冷鍛。

工件在冷鍛的過程中會發(fā)生加工硬化，這是因為在鋼中產(chǎn)生大量位錯，這些位錯互相糾結在一起，不能活動，發(fā)生硬化。此外，鋼中的晶粒沿加工方向被拉長，形成加工結構組織，因此在多次冷鍛過程中，加工硬化會導致冷鍛裂紋敏感性升高。

冷鍛件表面質量好，尺寸精度高，能代替一些切削加工。冷鍛能使金屬強化，提高零件的強度。冷鍛可以避免金屬加熱出現(xiàn)的缺陷，獲得較高的精度和表面質量，并能提高工件的強度和硬度，節(jié)省能源，并可進行高精度的近終形成形，降低部件制造成本。冷鍛是可以高精度、大批量、低成本制造各種機械結構零部件的加工方法。由于冷鍛是在室溫下進行加工，因此有利于保護環(huán)境。

2 冷鍛材料

由于是對坯料進行冷加工，所以難以進行復雜形狀部件的成形，并且受到材料加工極限和設備條件的制約。此外，雖然由于加工硬化可以改善材料的材質，但由于應變導入，也產(chǎn)生了一些問題。但冷鍛變形抗力大，需用較大噸位的設備。

冷鍛材料大都是室溫下變形抗力較小且塑性較好的鋁及部分鋁合金、銅及部分銅合金、低碳鋼、中碳鋼、低合金結構鋼。冷鍛性好的材料是具有低變形抗力和高變形能的材料。為降低鋼的變形抗力，需要使冷鍛前的材料處于軟化狀態(tài)。為此，一般要對材料進行軟化退火或球化退火。對于具有大量質軟且延展性高（鐵素體組織比例高的鋼材）的低碳鋼和滲碳鋼，可以在軋制狀態(tài)下進行冷鍛。但碳含量高的強韌鋼和軸承鋼，一般要在冷鍛前進行球化退火。即使是球化退火鋼，也會因成分的不同，導致變形抗力不同。多次變形時需增加再結晶退火和其他輔助工序。對于鋼材表面盡量是加工后的面，可以減少冷鍛后表面缺陷。對于表面有脫碳的材料，在冷鍛時表面會產(chǎn)生微細裂紋，或使疲勞強度下降，或是調質后硬度不足。因此，對冷鍛材料要有脫碳層允許深度的規(guī)定。此外，材料表面增碳，可提高材料的表面能。在對表面有殘余應力的坯料進行冷鍛時，在自由表面上產(chǎn)生的拉應力會與殘余應力相抵消，從而可提高變形能。一般情況是，根據(jù)球化率大小來確定冷鍛鋼的合格標準。鋼在塑性加工時的斷裂主要是延性斷裂。延性斷裂的起點是鋼中的非金屬夾雜物、第二相、析出物等[1，2]。

3 冷鍛后的處理

冷鍛后的產(chǎn)品為了達到要求的強度，有時需要進行滲碳淬火。冷鍛帶來的應變會在滲碳過程中誘發(fā)晶粒異常長大，造成組織粗大、混晶，導致強度下降。這時，應對鍛件進行消除應變熱處理，進行常化（等溫正火或正火）處理。為了防止這種情況的發(fā)生，在鋼中添加Al、Nb、Ti等碳氮化合物形成元素，對晶粒進行釘扎，也可以防止晶粒長大[3]。

我們在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)對于冷鍛（擠壓）件，一根材料為16MnCr5鋼的軸，進行一次正火，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)混晶且產(chǎn)生混晶的概率在10%～20%。在發(fā)現(xiàn)一次正火混晶后，進行二次正火，只是組織稍微不正常，滲碳淬火后心部組織是正常的，沒有出現(xiàn)晶粒粗大的現(xiàn)象。對一次正火出現(xiàn)混晶的工件進行滲碳淬火，淬火后的心部組織也是組織粗大，出現(xiàn)混晶。正火工藝如圖1所示，加熱爐網(wǎng)速（此處用電動機頻率表示，下同）30Hz±5Hz，風冷網(wǎng)速20Hz±5Hz，風機一和風機二頻率35Hz±5Hz，引風機處于開起狀態(tài)，等溫網(wǎng)速30Hz±5Hz。

圖1 940℃正火工藝

一次正火后的不合格金相組織如圖2所示，二次正火后金相組織如圖3所示。

圖2 940℃正火不合格金相組織

圖3 940℃二次正火金相組織

正火設備最高正火溫度是950℃，對于冷鍛（擠壓）件，我們正常采用的正火溫度一般選擇在該軸由于硬化層要求淺，采用的滲碳溫度是860℃±10℃。一般要求是正火溫度高于滲碳溫度30～50℃；采用低溫正火可以節(jié)約能源，減少氧化皮，減輕正火后清理的難度[4]，于是選擇900℃±5℃進行正火試驗。為了驗證正火溫度的變化對于熱處理質量的影響，選擇同批次材料的產(chǎn)品100件，采用兩種正火溫度，每個工藝50件。對正火后的金相進行檢測對比；對于滲碳后的金相也進行檢測比較。正火工藝分別如圖1、圖4所示，加熱爐網(wǎng)速30Hz±5Hz，風冷網(wǎng)速20Hz±5Hz，風機一和風機二頻率35Hz±5Hz，引風機處于開起狀態(tài)，等溫網(wǎng)速30Hz±5Hz，正火金相組織如圖5、圖6所示。

圖4 900℃正火工藝

圖5 940℃正火金相組織

圖6 900℃正火金相組織

對于此批材料正火溫度無論是900℃還是940℃正火，金相沒有太大區(qū)別，都是符合要求的。滲碳淬火工藝如圖7所示。由于正火溫度改變，對于這兩種正火溫度的工件，滲碳淬火后分別檢測了9件金相。從中取了一件最好件和一件最差件再進一步做金相檢測。940℃正火滲碳后金相組織如圖8所示。其中，圖8a～c是最好件金相，圖8d～f是最差件金相；900℃正火滲碳后金相組織如圖9所示，其中，圖9a～c是最好件金相，圖9d～f是最差件金相。從金相中可以看出，900℃正火最好的金相比940℃正火最差的金相還要差。

圖7 預熱+滲碳淬火工藝

圖8 940℃正火滲碳金相組織

圖9 900℃正火滲碳金相組織

4 金相分析

對于同一批材料，同樣的鍛造方式，為什么高溫正火+滲碳淬火后的金相優(yōu)于較低溫度正火的。根據(jù)查閱的相關資料了解：金屬與合金在塑性變形時所消耗的功，絕大部分轉變成熱而散發(fā)掉，只有一小部分（2%～10%）能量以彈性應變能和增加金屬中晶體缺陷（空位和位錯等）的形式儲存在加工硬化的金屬中，從而使其自由能較冷塑變形前的狀態(tài)高。晶體缺陷所儲存的能量又叫畸變能，空位和位錯是其中最重要的兩種形式。因此，冷變形的金屬在熱力學上是處于一種不穩(wěn)定的亞溫狀態(tài)，如果升高溫度使金屬中的原子獲得足夠的活動性，以克服亞穩(wěn)狀態(tài)與穩(wěn)定狀態(tài)之間的勢壘，則經(jīng)冷塑性變形的金屬將自發(fā)地通過點陣缺陷的重新排列和減少而恢復到冷變形前的狀態(tài)。經(jīng)過冷塑性變形的金屬加熱時，依次經(jīng)過回復、再結晶和晶粒長大三個階段。隨著加熱溫度的升高或者保溫時間的延長，晶粒之間相互吞并而長大，包括正常的晶粒長大和異常的晶粒長大，后者稱為二次再結晶。在特殊的情況下，二次再結晶形成的新晶粒組織在加熱時還會發(fā)生三次再結晶。再結晶晶粒大小主要與變形度、退火溫度、雜質、合金成分及原始晶粒度等。

本次試驗說明，高溫正火更利于冷塑性變形金屬組織恢復常態(tài)，把冷塑性變形產(chǎn)生的缺陷消除，這樣可以保證工件在隨后的滲碳淬火工序，獲得需要的組織。對于同一鋼材型號的產(chǎn)品有時一次正火合格，有時需要二次正火合格，可能與鋼材原始成分，尤其是鋼中Al、Nb、Ti等碳氮化合物形成元素含量的高低有關。對于冷鍛方式的毛坯，應該規(guī)定好正火溫度，檢查金相抽檢比例應高于熱模鍛造的產(chǎn)品，只有這樣才能保證后序的滲碳淬火質量。