冷鍛齒輪用16MnCrS5鋼的球化退火工藝

章 軍， 趙四新

(寶山鋼鐵股份有限公司 中央研究院， 上海 201999)

在汽車零部件行業冷鍛成形是一種精密塑性成形技術，具有節能環保的優點，制品的力學性能好，生產效率高和材料利用率高，而冷鍛前的熱處理尤為關鍵，冷鍛材料常采用球化退火進行軟化處理，從而改善材料塑性。與熱鍛成形相比，冷鍛成形件尺寸精度高，加工余量小。實施冷鍛工藝要求鋼材具有較低的硬度和良好的流動性，由于鐵素體是一種塑性極佳的組織，它是鋼中具有最佳塑性和最低硬度的一種組織，球化退火是提高鋼材冷成形性的有效手段，球化退火得到的組織是球狀珠光體+鐵素體基體[1-2]。

程維瑋等[3]研究了20MnCrS5鋼的球化退火工藝，開發出球化率超過85%，硬度約140 HBW的冷鍛用材料。薛剛等[4]研究了SKS51工具鋼的快速球化退火工藝，有效地減少熱處理時間并節省能源消耗。Wang等[5]研究了在700 ℃靜態球化退火條件下，質量分數為0.8%C-Fe鋼珠光體的球化過程，計算機輔助三維層析成像和電子背散射衍射，結果表明，在珠光體球化過程中，內部孔洞對珠光體球化的發生和發展起著重要作用。

16MnCrS5鋼是常用的冷鍛齒輪鋼材料，在工程中得到了廣泛應用，在實際生產中，經常有鍛造加工廠反饋該材料常規球化退火處理后，材料的球化率不高(約80%)導致材料的硬度偏高，達到140 HBW左右，塑性不佳等問題。本文通過研究不同球化退火工藝對16MnCrS5鋼硬度、強度、伸長率等力學性能的影響，尋找最佳的球化退火處理工藝，為冷鍛齒輪鋼球化退火工藝提供指導。

1 試驗方法及結果

試驗所用16MnCrS5鋼的化學成分如表1所示，試樣尺寸選取為直徑φ35 mm圓鋼高度為150 mm，用于測量不同球化退火處理工藝下的硬度值(3～5個 點的平均值)，以及熱處理后的組織分析和球化率評定。

表1 試驗用16MnCrS5鋼的化學成分(質量分數，%)

采用熱模擬試驗機測得16MnCrS5鋼的Ac1溫度為740 ℃。將材料加熱到Ac1以上20 ℃的溫度進行球化退火處理，即760 ℃作為球化退火溫度，為了考察加熱溫度對軟化后硬度的影響，取730 ℃作為對比溫度，具體工藝如表2所示。

表2 球化退火工藝參數

2 試驗結果

在經過4種工藝的球化退火處理后，各組織的SEM分析結果如圖1所示，經過對比發現，在工藝1條件下，材料基體中的片層狀滲碳體球化率達到95%以上，與工藝2的組織球化率相當，工藝3和工藝4的SEM組織表明部分片層狀滲碳體未發生球化，且存在一些細小的球狀顆粒對基體產生強化效果，導致材料的強度要高于前兩種工藝，說明當加熱溫度超過Ac1溫度時，是有利于基體中的滲碳體發生球化的。其主要原因是當加熱溫度超過Ac1溫度時，基體中部分組織轉化成奧氏體，加快了基體組織中的碳向奧氏體基體中擴散，根據膠態原理(第二相顆粒在基體中的固溶度與其曲率半徑有關，曲率半徑越小的顆粒在基體中的固溶度越大)，曲率半徑較小的尖端位置，滲碳體向奧氏體溶解的過程越快，使得原來的片層狀滲碳體發生斷裂的速度就越快[6-7]，斷裂后一些碳化物有棱角的位置和一些尺寸較小的碳化物就會充分溶解，而一些尺寸較大的滲碳體，在經過這個階段后形成了球狀滲碳體，在后續冷卻的過程中，形成了新的形核點，溶解在奧氏體中的滲碳體在形核點逐漸析出，使得碳化物逐漸球化。而當加熱溫度沒有超過Ac1時，材料的基體組織還是鐵素體+珠光體組織，當材料加熱至Ac1溫度以下某溫度時，在保溫過程中，突出位置的碳化物要經過很長時間的擴散，才能使片層狀的碳化物充分斷裂，且斷裂后會產生較多的細小碳化物顆粒，如果保溫時間不充分，就會導致部分片層狀碳化物不能完全斷裂，如圖2中工藝3的滲碳體形貌，由于滲碳體未能完全斷開，SEM形貌中可發現存在較多的棒狀組織，證明擴散的時間不夠，使得滲碳體未能充分球化。工藝4條件下材料強度偏高，主要原因是滲碳體尺寸較小，在基體中產生了一定程度彌散強化效果，在塑性變形的過程中，細小彌散的滲碳體在晶界位置起到釘扎效果。此外對比相同加熱溫度下的組織球化率可以發現，工藝1和4在冷卻過程中增加了在710 ℃、680 ℃下的保溫，有利于提高材料球化率，球化率分別提高了5%。

圖1 不同球化退火工藝下16MnCrS5鋼的球化組織及球化率(a)工藝1，球化率95%；(b)工藝2，球化率90%；(c)工藝3，球化率75%；(d)工藝4，球化率80%Fig.1 Spheroidized structure and spheroidizing rate of the 16MnCrS5 steel under different spherioidizing annealing processes(a) process 1, spheroidizing rate 95%; (b) process 2, spheroidizing rate 90%; (c) process 3, spheroidizing rate 75%; (d) process 4, spheroidizing rate 80%

圖2 不同球化退火工藝下16MnCrS5鋼的SEM形貌(a)工藝1；(b)工藝2；(c)工藝3；(d)工藝4Fig.2 SEM images of the 16MnCrS5 steel under different spheroidizing annealing processes(a) process 1; (b) process 2; (c) process 3; (d) process 4

圖3是在4種球化退火工藝下，16MnCrS5鋼的屈服強度和抗拉強度的差異，對比發現，在工藝1和工藝2 條件下，即加熱溫度在760 ℃時，材料的抗拉強度相差不明顯，抗拉強度約為410 MPa，當加熱溫度降低至730 ℃時，材料的抗拉強度明顯升高，其中工藝3條件下的抗拉強度高達463 MPa，但是在4種工藝條件下，材料的屈服強度變化不是特別明顯，均在200 MPa左右，證明16MnCrS5鋼球化退火加熱溫度升高能有效降低材料強度。圖4是16MnCrS5鋼材料經過不同球化退火后的硬度，在工藝1和工藝2條件下，材料的硬度平均值最低達到123 HBW和132 HBW。加熱溫度由760 ℃下降至730 ℃后，材料硬度明顯升高，達到140 HBW以上。經過對比發現，增加冷卻過程中的保溫段有利于降低材料硬度。

圖3 不同球化退火工藝對16MnCrS5鋼強度的影響Fig.3 Effects of different spheroidizing annealing processes on strength of the 16MnCrS5 steel

圖4 不同球化退火工藝對16MnCrS5鋼硬度的影響Fig.4 Effects of different spheroidizing annealing processes on hardness of the 16MnCrS5 steel

斷面收縮率和伸長率是材料塑性關鍵參數之一，圖5是不同球化退火工藝下的16MnCrS5鋼斷面收縮率與伸長率的變化，較其他工藝相比，工藝1條件下，16MnCrS5鋼具有最佳的塑性，斷面收縮率達到72%，伸長率高達39%。在工藝3條件下，材料的斷面收縮率和伸長率最低，證明加熱溫度為760 ℃時，有效提高了塑性，經過球化退火后，材料的強度越高，其塑性越差，強度越低，塑性越好。結合各工藝下的組織分析可知，由于工藝1條件下的滲碳體球化率最高，基體中的鐵素體比例最高，在塑性變形過程中，主要塑性變形形式是滑移，滲碳體發生球化后，鐵素體滑移過程受到的阻力最小，且滑移過程變形度最高可達300%[8]，因此，工藝1條件下，16MnCrS5鋼具有最佳的塑性。

圖5 不同球化退火工藝下16MnCrS5鋼的斷面收縮率和伸長率Fig.5 Reduction of area and elongation of the 16MnCrS5 steel under different spheroidizing annealing processes

3 結論

1) 16MnCrS5鋼的伸長率與組織球化率成正相關，球化率越高，材料的伸長率越高，抗拉強度越低，這是因為材料的球化率越高，鐵素體在基體的比例越大，其塑性就越好。

2) 在760 ℃保溫4 h，以12 ℃/h的冷速冷卻至710 ℃ 然后保溫3 h，再以12 ℃/h的冷速冷卻至680 ℃保溫2 h，爐冷至500 ℃下出爐后，16MnCrS5鋼的球化率最高，可達到95%以上，材料的抗拉強度約為400 MPa，硬度達到123 HBW，伸長率39%，材料的塑性最佳，優于常規16MnCrS5鋼冷鍛材料性能。因此，此工藝可供冷鍛用16MnCrS5齒輪鋼參考。