基于中頻感應等溫退火新工藝的汽車齒輪鍛造試驗

高振傳

(煙臺汽車工程職業學院，山東 煙臺 265500)

汽車的穩定運行取決于齒輪，若齒輪存在質量問題，可直接影響汽車的安全性。傳統汽車齒輪主要由常規正火方法進行毛坯的鍛造，通過對汽車齒輪進行常規正火處理，有利于改善汽車齒輪的切削加工性能。但是，采用常規正火方法對汽車齒輪進行熱處理時，可使汽車齒輪的顯微組織和硬度與實際數值之間存在較大差異，要求汽車齒輪鍛造毛坯在較大的溫度范圍內完成連續冷卻。為此，本研究提出一種基于等溫退火工藝的汽車齒輪鍛造方法，在等溫退火工藝的支持下，可有效提升汽車齒輪的質量和性能。

1 汽車齒輪鍛造毛坯熱處理的主要作用

1.1 提升汽車齒輪的切削性能

通常情況下，汽車制造企業將大批量、連續化、多刀切削作為汽車齒輪的生產原則，該過程對汽車齒輪鍛造毛坯的切削加工性能要求較高，需要在汽車制造企業生產齒輪之前完成齒輪的預先熱處理。通過該方式即可得到均勻等軸狀的組織，該組織為鐵素體和珠光體共同組成，有利于提升汽車運行的安全性。在汽車齒輪生產過程中，應最大限度地避免粒狀貝氏體等非平衡組織的出現，并將汽車齒輪組織的硬度控制在150～180 HB。當采用常規正火方法對汽車齒輪進行熱處理時，由于汽車齒輪鍛造毛坯的表面和中心冷速之間存在差異性，要求汽車齒輪鍛造毛坯應在較大的溫度范圍內完成連續冷卻。因此，采用常規正火方法對汽車齒輪進行熱處理時，可使汽車齒輪的顯微組織和硬度與實際數值之間存在較大差異[1-2。

當汽車齒輪鍛造毛坯的冷卻速度較小時，采用常規正火方法處理后，可使汽車齒輪鍛造毛坯的硬度過低、切削性能增大，同時可使刀具發生磨損現象；當汽車齒輪鍛造毛坯的冷卻速度較大時，采用常規正火方法處理后，可得到汽車齒輪鍛造毛坯的局部非平衡組織，該組織可降低汽車齒輪鍛造毛坯的切削加工性能。非平衡組織實際上指的是粒狀貝氏體，粒狀貝氏體內部包含島狀馬氏體和殘留奧氏體等組織，可使汽車齒輪的切削加工操作較為困難。在等溫退火工藝的支持下，有利于提升汽車齒輪的切削性能。

1.2 強化汽車齒輪組織的平衡性

采用滲碳淬火工藝對汽車齒輪進行熱處理時，可使汽車齒輪出現變形現象。本研究為降低汽車齒輪遇高溫易變形情況的概率，在汽車齒輪鍛造毛坯熱處理后，使每個汽車齒輪鍛造毛坯的組織處于均勻狀態，汽車齒輪鍛造毛坯組織的均勻性可降低運行過程中的噪音。引發汽車齒輪鍛造毛坯出現變形的因素較多，如人們過于注重滲碳淬火引起的變形現象，而忽略汽車齒輪鍛造毛坯變形的根本原因，而導致汽車齒輪出現變形的根本原因是常規正火不當。通過常規正火方法對汽車齒輪進行熱處理時，由于汽車齒輪鍛造毛坯的表面和中心冷速之間存在差異性，要求汽車齒輪鍛造毛坯應在較大的溫度范圍內完成連續冷卻。在冷卻過程中易使汽車齒輪鍛造毛坯的組織出現不均勻現象，并鍛坯截面尺寸的差異性，可增大組織的不均勻性，不利于維持汽車齒輪鍛造毛坯性能的穩定。通過對汽車齒輪鍛造毛坯進行熱處理，可強化毛坯組織的平衡性[3-4]。

2 基于等溫退火工藝的汽車齒輪鍛造試驗方案

2.1 汽車齒輪鍛造試驗材料及設備

本研究為驗證等溫退火工藝對汽車齒輪鍛坯性能的影響，選用8620H鋼作為主要研究對象。在試驗開始之前，將汽車齒輪鍛坯的尺寸切割為φ128 mm×35 mm，內孔尺寸為φ43 mm×35 mm，切割完畢的鍛坯即為試驗樣本。該試驗樣本的質量為3.2 kg，平均每個月的產量為2萬件；試驗原材料為8620H熱軋圓鋼，8620H熱軋圓鋼的直徑為φ70 mm，8620H鋼的化學成分如表1所示[5-6]。

表1 8620 H鋼的化學成分質量分數Tab.1 Chemical composition of 8620 H steel mass fraction

汽車齒輪鍛造試驗的過程：

(1)利用中頻感應加熱爐對試驗樣本進行加熱，汽車齒輪鍛坯處理完畢后，通過空氣錘將坯料取出；

(2)通過單點壓力機對坯料進行切邊及沖孔操作，該壓力機的最大壓力為630 t，全部操作均完成后，將坯料置于輸送帶上，輸送帶的速度處于可調節狀態；

(3)利用等溫退火爐完成坯料的退火、噴丸、粗車加工以及機加工等操作，以此實現對汽車齒輪鍛坯的熱處理。

對汽車齒輪鍛坯進行熱處理的過程中，汽車齒輪鍛坯硬度的要求為156～197 HB，晶粒度為5～8級，帶狀組織應小于等于3級。汽車齒輪鍛坯的組織內不應包含貝氏體組織，魏氏體組織的含量應小于等于1級[7-8]。

2.2 汽車齒輪鍛造試驗方案

等溫退火工藝的工作過程：利用中頻感應加熱設備在最短的時間內將下料后的棒料加熱至奧氏體區范圍內，該過程應保證溫度的恒定，等待奧氏體處于均勻狀態時，即可按照設定的形狀完成汽車齒輪鍛坯的出爐鍛造操作。為在該階段使原材料帶狀組織可被充分打碎，需要使汽車齒輪鍛坯通過一定的鍛造比變形量，有利于實現晶粒度的可控性。為保證汽車齒輪工件溫度的批量均勻性，應利用控制工藝對終鍛的溫度進行控制，等待汽車齒輪進入高溫恒溫階段后，即可實現工件溫度的批量均勻性。最后采用冷卻方式對工件進行持續冷卻，該階段應實時調節傳送帶的速度，通過該方式控制工件進入等溫爐時的溫度。通常情況下，汽車齒輪工件進入等溫爐時的溫度應在等溫溫度之上30～50 ℃。該工件在等溫爐內可實現等溫轉變，轉變完成后再出爐冷卻，冷卻過程可在常溫環境下進行，等待汽車齒輪工件冷卻至室溫后，表明汽車齒輪工件的基體已經完成轉變成均勻性較高的鐵素體和珠光體組織[9-10]。

等溫退火工藝的關鍵參數：加熱溫度、冷卻速度/時間、等溫溫度；影響等溫退火工藝效果的因素包括多種類型，本研究針對不同的影響因素設計了5個工藝試驗方案。汽車齒輪鍛造試驗方案如表2所示[11]。

表2 汽車齒輪鍛造試驗方案Tab.2 Automotive gear forging test scheme

等溫退火工藝的曲線示意圖如圖1所示。

圖1 等溫退火工藝的曲線示意圖Fig.1 Schematic diagram ofthe curves for theisothermal annealing process

3 基于等溫退火工藝的汽車齒輪鍛造試驗結果與分析

由汽車齒輪鍛造試驗方案表2可以得知：

方案1為加熱溫度對試驗樣本性能的影響試驗方法。通過對試驗樣本性能的影響情況進行分析可知，當鍛造溫度為1 300 ℃時，可使試驗樣本的晶粒較為粗大。產生該現象的主要原因：當鍛造加熱的溫度持續升高，并且超過試驗樣本可承受的最高溫度時，可使樣本的組織內生產奧氏體粗晶粒，經過等溫轉變操作后形成較粗晶的珠光體和鐵素體，其內部碳化物顆粒的數量較少，晶粒形成的速度較快。試驗樣本編號1和2可成功遏制奧氏體晶粒度的粗大趨勢，更符合本研究的設計要求。為保證汽車齒輪的鍛造變形，應將加熱的溫度控制在(1 200±50)℃[12-13]；

方案2為鍛造后恒溫溫度對試驗樣本性能的影響試驗方法。通過對試驗樣本性能的影響情況進行分析可知，傳統汽車齒輪生產線的自動化程度較低，易影響硬度、顯微組織等參數的均勻性；而高溫恒溫階段可提升工件的均勻性，使汽車齒輪符合技術要求。但是該過程需要合理的控制恒溫溫度，最大限度地消除不利影響；

方案3為冷卻方式對等溫退火工藝的影響試驗方法，通過對試驗樣本性能的影響情況進行分析可知，3-1試驗樣本的硬度較高；3-2試驗樣本的硬度較低。在已知試驗材料成分的情況下，等溫退火工藝的硬度由冷卻方式決定。冷卻方式的合理選擇，有利于實現試驗樣本顯微組織比例的調整，可使鍛坯的硬度符合設計要求[14-15]；方案4為等溫溫度對鍛造余熱退火的影響試驗方法。通過對試驗樣本性能的影響情況進行分析可知，試驗編號為4-1的樣本存在貝氏體組織缺陷的問題，4-2和4-3的硬度金相為合格；但4-3樣本的硬度較低。在實際生產過程中，應合理地選擇過冷奧氏體等溫轉變溫度，并保證汽車齒輪的硬度，若出現特殊情況時，應犧牲部分硬度，以此保證樣本不出現缺陷組織[16-17]；

方案5為等溫時間對鍛造余熱退火的影響試驗方法。通過對試驗樣本性能的影響情況進行分析可知，應在600 ℃、60 min的條件下完成鍛坯的等溫轉變，有利于提升汽車齒輪的安全性。在汽車齒輪的實際生產過程中，應適當的增大時間余量，可有效預防外界因素對組織轉變產生的影響。汽車齒輪鍛造試驗結果匯總如表3所示。

表3 汽車齒輪鍛造試驗結果匯總Tab.3 Summary of automotive gear forging test results

綜上所述，合理的工藝過程可實現鍛造余熱等溫退火，為有效控制貝氏體缺陷組織的產生，可對不同的材料設置對應的等溫溫度和等溫保溫時間。產品的硬度可通過調節冷卻方法及等溫溫度等因素實現[18-19]。合適的鍛造情況有利于實現汽車齒輪的鍛造余熱退火。在汽車齒輪的實際生產過程中，應充分結合不同的產品形狀的設備能力，合理地調節鍛造加熱溫度。通過等溫退火工藝對汽車齒輪進行鍛造的關鍵在于汽車齒輪產品晶粒尺寸的嚴格控制[20]。

4 結語

本研究為驗證等溫退火工藝對汽車齒輪鍛造的影響情況，將選用8620H鋼作為主要研究對象。利用中頻感應加熱設備在最短的時間內將下料后的棒料加熱至奧氏體區范圍內，為在該階段使原材料帶狀組織可被充分打碎，需要使汽車齒輪鍛坯通過一定的鍛造比變形量，有利于實現晶粒度的可控性。利用控制工藝對終鍛的溫度進行控制，等待汽車齒輪進入高溫恒溫階段后，可有效提升工件溫度的批量均勻性。為最大限度地避免粒狀貝氏體等非平衡組織的出現，采用冷卻方式對工件進行持續冷卻。在汽車齒輪的實際生產過程中，應充分結合不同的產品形狀的設備能力，合理地調節鍛造加熱溫度。試驗樣本的各項指標均滿足設計要求，可應用于汽車齒輪的實際生產中。