锻件毛坯等温正火常见缺陷及解决办法

锻件毛坯等温正火常见缺陷及解决办法

文/张军改·河北东安精工股份有限公司

等温正火是近年来汽车齿轮用钢预先热处理的一种方法，在实际操作中常常出现一些热处理缺陷，给后续机加工和最终热处理带来不良影响。本文通过大量实践，总结了锻件毛坯等温正火中常见缺陷及解决办法。

正火和普通正火

正火是将钢加热到Ac3（或Accm）以上适当温度（一般增加30～50℃），保温以后在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。其目的是消除或改善坯料制备时所造成的各种组织缺陷，获得最有利于切削加工的组织和硬度，改善组织中各组成相的形态和分布，细化晶粒，为最终热处理做好组织准备。常用作齿轮用钢的预先热处理，但因其冷却方式是在空气中连续冷却，珠光体类组织形成温度跨度大，组织均匀性差，硬度离散度大，机加工性能不好，容易导致最终热处理变形。因此，近年来汽车用齿轮钢件普遍采用等温正火作为其预先热处理。

等温正火是指将工件加热到Ac3或Accm以上30～50℃，保温适当时间后快冷至珠光体转变区的某一温度保温，以获得珠光体型组织，然后在空气中冷却的正火工艺。

与普通正火相比，等温正火因其组织转变是在恒定温度下完成的，容易控制非平衡组织（如贝氏体）的形成，使硬度更加均匀，可获得较理想的显微组织，提高机加工精度，减小机加工变形，延长机加工刀具寿命，减少最终热处理变形和开裂倾向，保证最终热处理质量。但是，如果等温正火工艺参数选择不合适，也会产生各种热处理缺陷，给机加工和最终热处理带来不良影响。经过多年实践，以下我们总结出等温正火的一些常见缺陷和解决办法。

晶粒细碎、不均

晶粒细碎、不均缺陷如图1所示，该缺陷常出现在20CrMnTi材质中，因为这种材质中含有细化晶粒的Ti元素，具有阻止晶粒长大作用。如果温度不够高，或保温时间不够长，会造成晶粒来不及长大；或部分晶粒长大，但另一部分晶粒还来不及长大。形成的主要原因是：⑴加热温度低；⑵保温时间短；⑶锻坯快速冷却形成原始组织中有贝氏体或马氏体等，并在正火时难以转变所致。该缺陷可以通过提高加热温度、延长保温时间来改善。

图1 晶粒细碎、不均缺陷（100×）

粗大晶粒

粗大晶粒缺陷如图2所示，这种组织常出现在20CrMo和20CrNiMo(8620R）材质中。这种组织使材料的机加工性能变差，容易使工件在最终热处理时产生变形。粗大的珠光体晶粒成因：⑴合金成分偏析和锻造时严重过热；⑵正火时在双相区缓慢加热；⑶设备损坏后没有灭火，闷炉时间过长。预防措施：⑴降低锻造温度；⑵双相区快速加热；⑶正火温度过高时缩短保温时间，设备损坏时，可关火降温，不要在高温停留时间过长；⑷多次正火可消除已经产生的粗大晶粒。

图2 粗大晶粒缺陷（100×）

魏氏组织

魏氏组织如图3所示。这种组织常出现在20CrMo、20CrNiMo(SAE 8620R）和SAE 8627RH材料中。它使机加工性能变差，刀具寿命降低，使最终热处理变形不稳定。主要原因是：⑴锻件加热温度过高，锻件在存在魏氏组织或贝氏体组织的情况下缓慢加热，正火时风速又过快；⑵正火的加热温度过高，冷却速度过快。在合金元素偏析倾向严重的钢材中容易出现魏氏组织。预防措施：⑴降低锻件加热温度；⑵降低正火冷却速度；⑶缩短风冷时间，提高进等温炉的温度。

带状组织

图3 魏氏组织（100×）

图4 带状组织（100×）

带状组织如图4所示。带状组织是指亚共析钢中的铁素体和珠光体呈带状交替分布。带状组织硬度虽然不高，但由于组织的不均匀性，使金属材料的机械性能产生方向性，特别是横向塑性和韧性明显降低，并使材料的切削性能恶化，机加工后工件表面粗糙，机加工刀具寿命下降，热处理变形量增大。主要是因为原材料成分偏析或正火时冷却速度较慢造成的。可通过：⑴加快正火冷却速度；⑵延长等温正火保温时间；⑶减少装盘量等措施减轻带状组织。

枝晶组织

晶体内化学成分不均匀的现象称为晶内偏析或称枝晶偏析，20CrNi3枝晶组织如图5所示。枝晶偏析的存在严重影响合金的机械性能和抗蚀性，对加工工艺性也有损害。该组织多存在于合金元素含量较多、成分偏析的材料中，如20CrNi3。因等温时间短，原子不能充分扩散造成。可通过延长保温时间，加快冷却速度解决。

网状珠光体

图5 20CrNi3枝晶组织（100×）

图6 网状珠光体（100×）

网状珠光体如图6所示。该组织多出现在较大工件的心部，由于心部冷却速度慢，原子来不及扩散，造成成分不均匀。可通过延长保温时间进行改善。

针状铁素体

针状铁素体如图7所示。该组织的铁素体呈针状，没有形成等轴均匀分布的铁素体和珠光体，晶粒看起来有流动趋势，犹如原子正在扩散，多存在于20CrMnTi材质中。其他材质在加热不充分，保温时间不足时也会出现。主要是由于正火不充分，即加热温度低和保温时间短造成。可通过提高加热温度和延长保温时间解决。

图7 针状铁素体（100×）

硬度过低

硬度过低主要是因为等温正火的冷却速度太慢，入等温炉的温度过高，等温炉温度设置又较高。硬度过低使机加工表面粗糙度提高，在机加工时容易出现粘刀现象。可通过：⑴提高等温正火的风速；⑵降低入等温炉的温度和等温炉设置温度；⑶减少装盘数量或改变码放方式等办法提高硬度。

硬度不均

硬度不均主要因为：⑴工件截面相差太大，同一根轴上不同台阶冷却速度不同，造成各台阶硬度差异；⑵装盘量过多或码放方式不合适，造成不同工件冷却速度不均，导致不同工件硬度差异较大。它可降低机加工性能，缩短机加工刀具寿命，导致最终热处理变形。可以通过改变码放方式来改善。

结论

通过上文探讨，得到以下结论。工艺参数选择原则：

⑴由于正火组织晶粒度大小与原始组织有关，为获得较细的显微组织，锻件加热温度在保证其变形抗力较小的前提下不宜过高，以免在等温正火时产生魏氏组织及粗大组织等。

⑵对于导热性差和成分偏析的材料，在等温正火时，一般需要延长保温时间，但由于奥氏体晶粒长大受加热温度影响比受保温时间影响要大，为防止晶粒过分长大和过热，在延长保温时间时，温度选择不宜太高。

⑶为防止魏氏组织产生，可降低冷却速度和等温温度；为防止带状组织产生，需提高冷却速度；为获得合格组织，在A1以上温度快速冷却，在A1以下温度缓慢冷却。

⑷为防止工件氧化和脱碳，应提高加热速度。

⑸码放数量和方式对带状、硬度等有很大影响。对于带状严重、硬度低的工件，可减少装盘量，改变码放方式，使工件得到充分冷却。