毕业论文（毕业设计）汽车齿轮预热处理研究

汽车齿轮预热处理研究摘 要22CrMoH钢和20MnCr5钢高温锻造直接空冷（或风冷）后获得贝氏体组织，而且晶粒粗大，硬度较高，切削加工性能较差，须进行预先热处理。本文研究了普通正火、等温正火和锻造余热等温正火三种工艺对22CrMoH和20MnCr5两种齿轮钢毛坯组织和性能的影响规律，采用等温正火、锻造余热等温正火两种等温正火工艺都可在一个比较宽的温度范围内（580660）获得最佳的显微组织和硬度，生产中容易控制,锻造余热等温正火得到的无论是铁素体组织还是贝氏体组织，都比相同等温温度下等温正火的组织粗大。其次对锻造余热等温正火工艺参数进行了优化。最后介绍了锻造余热等温正火对渗碳淬火后奥氏体晶粒度的影响 关键词：预先热处理；普通正火；等温正火；锻造余热等温正火ABSTRAT22CrMoH steel 20MnCr5 steel and high temperature forging direct air-cooled (or air) was Bain tic organizations, and large grains, high hardness, poor machining performance, subject to pre-heat treatment. In this paper, the general normalizing, normalizing and isothermal heat isothermal forging process of normalizing the three 22CrMoH and two gear steel 20MnCr5 rough performance of organizations and the law of normalizing the use of isothermal, isothermal forging heat two isothermal normalizing Technology can be a relatively wide temperature range (580-660) can get the best of the microstructure and hardness, easy to control , Isothermal forging normalizing heat received both ferrite or banister organization, than the same isothermal temperature isothermal normalizing large organizations. The second heat of the isothermal forging normalizing optimized process parameters. Finally, isothermal forging normalizing heat of cementite after quenching effects of austenite grain size.Keywords: Preheating treatment; General normalizing; Isothermal normalizations; Isothermal normalizations by forging remaining heat.1 绪 论1.1 前言在汽车生产中，齿轮是必不可少的基本零件。齿轮质量，尤其是后桥齿轮、变速箱齿轮，时常出现总成装配困难、噪音大及齿面磨损等问题。经调查分析，齿轮渗碳淬火后变形波动是影响总成质量的主要原因之一。渗碳齿轮钢锻件毛坯预先热处理获得的显微组织和硬度对切削加工性能和渗碳淬火的变形规律有重大的影响。目前，改善齿轮毛坯性能的传统预先热处理工艺是再加热正火，即采用普通正火工艺，经大量生产实践证明采用普通正火工艺难以满足切削加工及稳定渗碳淬火后变形规律的要求1。在影响渗碳钢变形的诸因素中，人们的注意力往往集中在渗碳淬火方面，而忽视了锻坯预先热处理对变形的影响。近年来随着各类车型材料的引进，制造加工水平的提高，对合金渗碳齿轮钢锻造毛坯预先热处理工艺进行改进提出了更高的要求。20世纪80年代等温正火已在词典中出现，但关于汽车齿轮钢经高温加热、连续冷却的正火显微组织的研究以及在生产中的控制，尤其是利用锻造余热等温正火方面，未见报道2。如何改进合金渗碳齿轮钢锻造毛坯预先热处理工艺，改善切削加工性能、稳定渗碳淬火后的变形，提高总成质量及整车的可靠性，成为影响汽车齿轮发展的重大课题，具有重大实际意义和理论学术价值。1.2 汽车渗碳钢的现状与发展汽车齿轮、传动轴等重要零件一般均采用低合金渗碳钢制造，这类钢材是汽车用合金结构钢中使用最广、用量最大的钢种之一，一般都需要经过锻造、预先热处理、切削加工、渗碳、淬火、回火等多道冷热加工工序，以获得高的表面硬度和较好的心部韧性，使工件具有耐磨、耐疲劳和耐点蚀等良好的特性。随着国外先进车型的引进，各种齿轮钢的国产化使我国的齿轮钢水平上了一个新台阶。目前，德国的Cr-Mn钢，日本的Cr-Mo系钢，和美国的SAE86钢满足了中小模数齿轮用钢。针对钢材淬透性能对轮齿心部的硬度和畸变都有极其重大影响的因素，近年来，由于我国钢材冶炼技术水平的提高以及合金结构钢供应情况的改善，已经有条件把齿轮钢的淬透性带进一步缩窄，长春一汽生产“解放”牌9t载货汽车后桥齿轮时，由于20CrMnTiH钢易发生早期失效，参考了日本的SCM822H钢，与钢厂协商，生产出了国产化的新钢种22CrMoH钢，其淬透性能指标为J9=36 HRC42HRC，较好地满足了汽车齿轮的使用要求。随着汽车产品技术水平的日益提高及市场竞争的日益激化，汽车齿轮用钢正处于由各大企业的经验型向科学化、国际化方向发展的过度阶段，由各具特色的Cr-Ni钢、Cr-Ni-Mo钢、Ni-Mo钢向低成本、通用的Cr-Mo钢、Cr-Mn钢过渡。因此必须采用相应合理的热处理新工艺与之相配合3。1.3 预先热处理的现状及存在的问题锻造毛坯的预先热处理，不仅对切削加工性能有极大影响，而且对最终热处理变形也有重大影响。为了提高齿坯的可切削性，消除锻造应力，使组织均匀化。目前，国内对渗碳钢齿坯普遍采用正火处理。正火是将钢材或钢件加热到临界点Ac3或Acm以上的适当温度，保持一定时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。正火是一种传统的老工艺，因其设备、工艺要求简单，能耗少，一直被广泛采用。但并非完美无缺，随着汽车工业的发展及对产品质量要求的提高，特别是引进车型用钢材料的多样化，普通的正火处理已达不到齿坯预先热处理的目的。鉴于普通正火处理是将钢件加热到高温奥氏体化后在空气中（有时吹风）冷却到室温，属于毛坯热处理，加之以往对正火钢件要求的硬度范围较宽（HB156207），一般不检查显微组织，又多在锻造工厂（车间）进行，故通常容易被人们所忽视。对于锻件正火后究竟需要获得什么样的显微组织形态和硬度指标，既缺乏深入理论研究，又缺乏生产性实践探讨。现行的QC/T262-1999汽车渗碳齿轮金相标准是按锻后重新奥氏体化正火工艺提出的，而且要求晶粒度小于5级，对切削加工并非恰当。实际上我国目前普遍存在这类零件切削后表面光洁度差，切削刀具使用寿命低，渗碳淬火前后变形波动较大等问题，与正火显微组织不良，硬度不佳有密切的关系4。在生产实际中，渗碳钢锻造毛坯经正火处理后，由于不能控制正火的冷却速度，因此奥氏体分解相变无法控制，必然在一个温度区间内连续进行。因而获得的显微组织和硬度也可能不同，有些钢件由于冷却速度较大，有可能局部甚至全部获得非平衡组织（-Fe魏氏组织、贝氏体等），这不仅影响切削加工性能，而且也会改变钢件渗碳淬火后的变形规律，会因变形过大而报废。这种情况在淬透性波动较大的钢中更易出现。对于冷却速度较小的钢件，由于钢的硬度过低，切削时易发生塑性变形，形成切削瘤，出现“粘刀”、“烧刀”现象。近年来，随着引进车型带来齿轮材料多样化和对齿轮质量的高标准要求，采用普通正火处理已难以满足汽车生产的要求。锻件的正火处理不仅要求硬度在一个较窄的范围之内（钢件切削加工时易断屑，表面光洁），而且要求获得稳定的显微组织（较粗的铁素体晶粒加较细的珠光体），以改善切削加工性能及稳定渗碳淬火后的变形规律。为了满足上述要求，需对正火工艺进行改进,以获得正火所要求的显微组织和硬度范围5。2 预先热处理原理及分析2.1 渗碳钢的正火工艺正火是渗碳钢锻件预先热处理的主要手段。其目的是消除或改善坯料制备时所造成的各种组织缺陷，获得最利于切削加工的组织和硬度，改善组织中相的形态和分布，细化晶粒，为最终热处理作好组织准备。正火工艺原则上是将钢件加热至Ac3或Acm以上3050，保温一定时间，使奥氏体均匀化，然后出炉在空气中或以其他方式冷却。由于正火是为了获得珠光体类组织，要求其冷却速度要小于其临界冷却速度，否则，会发生贝氏体或马氏体转变。在实际生产中，正火加热温度常常略高于上述温度。如果正火作为预先热处理，则更宜取上限温度，提高加热温度能够促进奥氏体均匀化，增大过冷奥氏体的稳定性，这样有利于组织均匀化。另外，为了减少后序渗碳、淬火后的变形缺陷，要求其奥氏体化温度要高于以后进行的热处理温度。正火的加热速度应考虑钢的成份、前后工序情况、工件大小、装载量等因素。一般无需严格控制，但为防止变形开裂，一般情况下，低合金钢中、小件的加热速度常用50100/h，以使钢件各部分温度均匀。保温的目的是为了使工件透烧和得到比较均匀的奥氏体，保温时间的确定，应考虑钢的成分、原始组织、装载量等因素。在实际生产中，常采用经验公式=kD来估算加热保温时间。若正火加热温度较高，则保温时间应适当缩短。冷却速度对钢正火后的组织和性能影响的一般规律是：冷却速度越大，奥氏体分解温度越低，则珠光体转变产物越细，应力越大，硬度越高。冷却过慢，会出现大块铁素体，造成工件过软。所以，为达到预期效果，冷却速度应适当控制。正火件一般为空冷，对渗碳钢以及大件等正火有时采用吹风冷却，甚至喷雾冷却。等温正火是指合金钢件经奥氏体化后直接进入等温炉或随炉冷至等温温度保持一定时间使其完成+P或P相变，而后出炉空冷的工艺过程，适合于过冷奥氏体相当稳定P相变温度范围窄的中高碳合金钢种。由于70年代以前无等温正火这个名词，人们把低碳合金钢锻件的等温处理也叫等温退火,80年代以来等温正火名称已在词典中出现6。一般把合金渗碳钢特别是低合金渗碳钢锻件的等温处理称为等温正火。齿坯采用等温正火，能够对相变进行控制，即齿坯奥氏体化后，迅速冷却到A1以下的珠光体相变温度等温，使相变在等温温度下进行，由于等温正火能够有效地控制冷却时的相变，使相变在等温温度下进行，避免了带状组织超差，非平衡组织（-Fe魏氏体组织、贝氏体组织、马氏体组织）出现。为切削加工及渗碳淬火做了组织和性能准备。2.2 钢的正火组织、硬度与切削加工性能钢件的切削加工性能对于大批量、连续化、多刀切削生产的汽车零件至为重要。许多渗碳钢制件（如汽车齿轮），形状复杂，切削加工量大，而且在渗碳淬火后不再进行磨削精加工，因而要求钢件具有良好的切削加工性能，以达到高速切削、切削耗能小、刀具磨损少和表面光洁度高。为此，需要钢件具有合适的显微组织和硬度配合。对于低碳合金渗碳钢，应具有晶粒均匀的先共析铁素体加细片珠光体组织，而且彼此分布均匀,硬度一般在HB160180之间为最佳7。材料的切削加工性是指对某种材料进行切削加工的难易程度。钢件的切削性能，主要取决于其力学性能和显微组织，而力学性能又受显微组织的影响。被加工钢件的硬度、强度越高，刀刃插入和劈开表面层的阻力越大，切削热越高，刀具磨损也就越快；钢件的硬度、强度过低时，塑性往往增大，切削时不易断屑，而且钢件容易与刀刃粘结，刀具容易发生冷焊磨损，使刀具的使用寿命降低，而且容易产生积屑瘤使加工表面质量恶化，降低钢件表面光洁度。锻造毛坯采用普通正火处理，在冷却过程中，由于钢件成堆在空气中冷却或吹风冷却，位于堆的表面和中心的冷却速度不同，季节变化，空气流通情况也不同，其冷却速度就不一样，加之钢件发生的连续冷却转变是在一个相当大的冷却温度范围内完成的。因而获得的显微组织和性能也不尽相同。当齿坯的散热条件较好，冷却速度较快，奥氏体在珠光体相变范围内没有完全转变，就降到贝氏体相变温度范围，过冷奥氏体转变为贝氏体型组织，即出现了非正常组织，比如粒状贝氏体等。非正常组织的出现，使硬度偏高甚至超高，硬度达到HRC43或更高，给切削加工带来很大的困难，刀具磨损快，易烧毁，这不仅增加工具消耗量，而且严重影响零件加工质量和生产效率8。当齿坯的散热条件较差，冷却速度较慢，就可能出现正火带状组织超差。如果原材料有成分偏析，比如磷或锰偏析，磷是提高A3的元素，含磷量增加0.1%时，Ac3提高41。锰是降低A3的元素。当在两相区冷却过慢时，碳原子有充分时间扩散，铁素体首先在含磷量较高或含锰量较低的区域析出，而相邻的区域造成碳原子富集，因此形成了铁素体带和珠光体带相互交替的带状组织。具有这种组织的齿坯，其硬度可能合格，有时可能偏低，这样的齿坯，其加工性随切削方向和方法而异。当沿某一方向插齿或滚齿时，容易啃皮，加工表面凹凸不平，表面光洁度很差；拉削时容易粘刀，形成强迫拉削状态，使花键孔拉削尺寸超差，拉削部位变形应力增加，造成渗碳变形量增大。在相近的力学性能下，钢料的显微组织对切削加工性能有明显的影响。面心立方晶格的奥氏体与体心立方晶格的铁素体相比，因其形变硬化指数高、导热系数小、原子间结合力强等，使切削加工性能降低。贝氏体尤其是粒状贝氏体，因含有难加工的岛状马氏体和残留奥氏体。比珠光体切削加工性能差。在铁素体加珠光体的显微组织中，粒状珠光体因比片状珠光体的塑性高而使切削加工性降低。钢的显微组织中有硬质相或组织如碳化物、氮化物、硼化物或马氏体等，对刀刃有机械磨损作用，它们的硬度越高、数量越多、尺寸越大、外形呈尖角、分布不均匀，损伤刀具越严重。严重的带状组织和混晶组织也会使钢料的切削加工性能恶化9。2.3 钢的渗碳淬火变形在机械组件中，由于变形引起的齿轮几何形状的变化，实质上是产生噪音和局部应力集中的根源，这使其使用寿命降低。而且对于大多数汽车渗碳钢件，渗碳淬火后一般不进行磨削加工，其渗碳淬火后的变形直接影响到装配总成的最终质量，因此渗碳零件热处理时的变形必须严格控制。影响渗碳钢件变形的因素很多，主要有如下几个方面：（1）零件形状；（2）材料（钢种、淬透性等）；（3）锻造；（4）毛坯热处理；（5）机械加工；（6）渗碳淬火规范。对于大量生产的汽车零件，在影响渗碳钢件变形的诸因素中，人们的注意力往往集中在渗碳淬火方面，而最易忽视的是锻坯的预先热处理正火。在实际生产中常常出现的零件渗碳淬火后变形过大的现象，往往正是由于预先热处理不当引起的。变形的表现形式是多样的，但就其产生根源，可分为内应力（热应力和组织应力）造成的应力塑性变形和比容变化引起的体积变形（即比容变形）。由于渗碳淬火前后钢件的显微组织不同，而不同的显微组织的比容是不同的，因而钢件渗碳淬火后的体积必然与渗碳淬火前不同。不同的体积变化，对于厚薄不均的零件又会引起形状变化10。但是只要掌握其尺寸变化规律，可以通过控制切削加工留好的预变形量，就可以使零件渗碳淬火后少量变形甚至不变形。在合金渗碳钢中，各种组成相和组织的比容随含碳量的变化如图1所示，可以看出，渗碳体和铁素体的比容不受含碳量的影响，由铁素体和渗碳体的混合组成的珠光体（当其组成相的比率一定时），其比容也不受含碳量的影响。马氏体的比容均随含碳量的增大而增大，而且马氏体的比容既大于相同含碳量的奥氏体，又大于铁素体。贝氏体的比容因其组成相的不同而不同，但其中的条状铁素体因固溶少量的碳原子，其比容较先共析铁素体为大。如果形成的是粒状贝氏体，其中含有受含碳量影响的马氏体/奥氏体岛而使其比容变化复杂，但一般都比珠光体的比容大。钢坯的显微组织不同，切削加工后的残余应力也不相同，这种残余应力的性质和大小也是引起钢件渗碳淬火后变形的重要因素。残余应力越大，变形也越大。在相同的切削条件下，显微组织为由较为粗大奥氏体晶粒形成的铁素体加珠光体组织，切削后残余应力小，而贝氏体特别是由存在马氏体/奥氏体岛的粒状贝氏体切削后的残余应力大。图1 钢中各种组成相和组织的比容及含碳量对比容的影响因此，从减小渗碳钢件淬火变形考虑，其渗碳淬火前的显微组织应是由较为粗大奥氏体晶粒形成的先共析铁素体加珠光体为佳，因为它在渗碳淬火前后的变形规律比较固定。切削加工后的尺寸可以按其渗碳淬火后变形造成的涨缩进行设计，如果正火组织是贝氏体或含有部分贝氏体将会破坏原变形规律，并使切削后残余应力增大，从而引起大的变形，小则降低精度大则报废。3 实验材料、实验方法及实验结果3.1 实验材料及实验设备3.1.1 实验材料试验用钢主要是合金渗碳钢22CrMoH齿轮钢和20MnCr5齿轮钢，试样尺寸为3012mm。主要化学成分见表1（wt%）：表1 化学成分对照表钢号CMnSiSPCrAlMo22CrMoH0.210.820.310.0140.0141.140.3620MnCr50.201.400.080.0290.0111.060.0363.1.2 实验设备1)加热设备（由HLD型多点温度记录仪控制）见表2表2 加热设备详表型号额定电压项数额定功率额定温度工作尺寸RJ2-35-6380V335kW650500*600RJ2-50-12380V350kW1200600*8002)制样设备见表3表3 制样设备详表设备型号规格备注试样切割机SF365/315功率：3.4kW转数：9300 r/min锯片直径：315mm北京兴东瀚科技有限公司试样抛光机P-2T功率：180W抛盘直径：200mm转速：1400r/min电压：220V莱州市蔚仪试验器械制造有限公司金相显微镜DMM-100C上海蔡康光学仪器公司3)硬度计见表4表4布式硬度计设备型号备注布式硬度计TH600上海君达仪器厂3.2 实验方法3.2.1 热处理工艺的确定为了优化汽车齿轮钢的预先热处理工艺，本研究选择三种热处理工艺进行对比实验。1)普通正火工艺表5 普通正火工艺参数加热温度保温时间冷却方式9303h空冷普通正火工艺曲线如图2：图2 普通正火工艺曲线示意图2)等温正火工艺等温正火工艺参数如下：将试样加热至930保温3h，风冷至600后放入温度为600的炉内保温3h后空冷。3)锻造余热等温正火工艺锻造余热等温正火参数如图3：图3 等温正火工艺曲线示意图将锻件加入炉内加热至930保温3h，出炉风冷至600放入温度为600的炉内保温3h后空冷。3.2.2 制备试样将不同预先热处理工艺条件下的试样，经粗磨和细磨工序，然后在P-2T型金相试样抛光机上抛光。 最后将磨制、抛光后的试样用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，制样完毕。3.2.3 金相组织观察将上述制备好的试样在DMM-100C型数字金相显微镜400倍下观察金相组织，并编辑实验图片。3.2.4 硬度测试将不同预先热处理工艺条件下的试样打磨抛光，用TH600型布氏硬度计测量硬度值。锻造余热等温正火曲线如图4：图4 锻造余热正火工艺曲线示意图3.3 实验结果及实验分析3.3.1 普通正火的金相显微组织与性能分析普通正火工艺主要考察了冷却速度对组织及性能的影响规律：冷却速度对22CrMoH钢、20MnCr5钢硬度的影响如图5所示，即随着冷却速度的增大，其硬度逐渐增高。在相同冷却速度下，22CrMoH钢的硬度比20MnCr5钢稍高，但获得最佳硬度（HB 170180）的冷却速度范围都比较小。22CrMoH钢、20MnCr5钢经不同冷却速度正火处理后显微组织的变化规律基本相同，22CrMoH钢经不同冷却速度正火处理后的显微组织如图6所示，可以看出，当冷却速度较小时，其显微组织为先共折铁素体加珠光体，如图6（a）、（b）所示，当冷却速度较大时，显微组织中将有贝氏体出现，图6（c）、（d）所示的是铁素体加贝氏体。试验用钢的等温转变图（TTT）和连续冷却图（CCT）如图7、图8所示。可以看出，虽然试验用钢的化学成分不同，过冷奥氏体分解动力学参数有所不同，但其固态相变规律基本相同，其特点是：（1）先共析铁素体转变线位于贝氏体开始转变线上方稍右，珠光体转变比较滞后。（2）在连续冷却条件下，获得铁素体加珠光体组织，满足正火要求的的冷却速度范围较窄。（3）在相当大的冷却速度范围内都会发生贝氏体转变，获得铁素体加珠光体加贝氏体，铁素体加贝氏体、贝氏体加马氏体组织。（4）在560700温度内都可以发生铁素体加珠光体转变，在560680温度范围内等温处理，都可以获得正火要求的组织及硬度。图5 实验用钢的正火冷却速度对硬度的影响（a）0.1s：（b）0.25s：（c）1s：（d）2.5s图6 22CrMoH钢试样经不同冷却速度正火后的金相组织如果增高钢的奥氏体化温度，其冷却转变图也有变化，如图9所示，即随着加热温度的升温（至10401050），先共析铁素体析出线和珠光体转变线明显右移，但对贝氏体转变影响较小，这是由于增高加热温度，奥氏体成份的均匀性增大，奥氏体晶粒也有所长大，故使晶界形核和碳、合金元素都需要扩散的先共折铁素体和珠光体转变推迟，而对既可以晶界形核又可以晶内形核和只受碳扩散控制长大的贝氏体转变则影响较小。根据上述试验结果及钢的等温转变图和连续转变图可知，合金渗碳钢进行普通正火处理时，随着冷却速度增大，相变温度降低，先共析铁素体的尺寸减小，数量减少，珠光体数量增多，硬度有所提高。冷却速度继续增高，则会有贝氏体形成11。（a） TTT图：（b）CCT图图7 20MnCr5钢的冷却转变图线（a） TTT图：（b）CCT图图8 22CrMoH钢的冷却转变图线以20MnCr5钢为例，获得先共析铁素体加珠光体组织的最大冷却速度（V+P）约为3642/min，高于这一冷却速度即有粒状贝氏体形成，不符合正火技术要求。反之，当冷却速度较小时，（3033/min），会使钢的硬度过低，也不符合正火技术要求。欲获得最佳的显微组织和硬度，其冷却速度范围很窄（69/min），生产中难以控制。3.3.2 等温正火的金相显微组织与性能分析等温正火是将试样从930迅速冷至600左右再置于不同温度的炉中等温保持，而后取出空冷，考察不同等温温度对组织和性能的影响。等温正火的等温温度对钢件硬度的影响如图7所示，即随着等温温度的降低，硬度逐渐增高，但当等温温度低于540，等温处理后的硬度迅速升高，在相同的等温温度下，22CrMoH钢比20MnCr5钢具有较高的硬度。（a） TTT图：（b）CCT图图9 20MnCr5钢的高温奥氏体冷却转变图线图10 22CrMoH实验用钢的正火等温温度对硬度的影响22CrMoH钢经不同温度等温正火处理后的显微组织如图10所示，可以看出等温处理温度高于560时，获得的显微组织为先共析铁素体加珠光体，当等温温度小于540时，获得的显微组织为先共析铁素体加大量贝氏体。如采用等温正火，从等温温度对相变获得的显微组织和硬度影响（如图10和图11）可以看出，在一个比较宽的温度范围内（580660）均可获得最佳的显微组织和硬度，而且在生产中容易控制。（a）660；（b）620；（c）540；（d）500图11 22CrMoH钢试样经不同温度等温处理后的显微组织3.3.3 锻造余热等温正火的组织与性能对于模拟锻造余热等温正火的试样，按上述同样方法在1100奥氏体化，保温10分钟后单件取出，分别置于660、620、580、540、500盐浴炉中，等温保持30分钟后取出空冷。测定硬度，并观察组织。表6 试样结果列表材料等温温度显微组织硬度HB22CrMoH660铁素体+珠光体165620铁素体+珠光体170580铁素体+细珠光体181540贝氏体240500贝氏体25220MnCr5660铁素体+珠光体157620铁素体+珠光体167580铁素体+细珠光体178540贝氏体235500贝氏体24122CrMoH钢，20MnCr5钢试样锻造余热等温正火的显微组织，见图12、图13。由于等温温度不同，所获得的显微组织、硬度值不同。等温温度为660与580时，均获得了平衡组织铁素体加珠光体，而且随着等温温度的降低，铁素体晶粒减少，珠光体晶粒和片间距离也减少，钢的硬度增高。等温温度在540以下时，由于贝氏体的形成而使硬度急剧升高。在相同的等温温度下，22CrMoH钢比20MnCr5钢具有较高的硬度12。（a）660；（b）620；（c）540；（d）500图12 22CrMoH钢试样经不同温度等温处理后的金相组织（a）660；（b）620；（c）540；（d）500图13 20MnCr5钢试样经不同温度等温处理后的金相组织通过上述分析可见：采用等温正火、锻造余热等温正火获得的显微组织类似，在等温温度高于580时，均获得了平衡组织铁素体加珠光体，等温温度在540以下时，显微组织均为先共析铁素体加大量贝氏体，说明采用两种等温正火工艺都可在一个比较宽的温度范围内（580660）均可获得最佳的显微组织和硬度，而且在生产中容易控制，而锻造余热等温正火将节约大量能源，将产生巨大的经济效益13。但对比图11与图12发现：相同等温温度时，等温正火获得的组织比锻造余热等温正火获得的组织更细，锻造余热等温正火得到的无论是铁素体还是贝氏体，都较粗大，这种粗大的正火组织能否满足后续热处理工艺的组织性能要求，还有待于进一步研究。3.4 锻造余热等温正火工艺参数的优化3.4.1 钢件等温前冷却速度的影响将22CrMoH钢、20MnCr5钢试样经高温奥氏体化后采用5种不同冷却条件冷却，并测定其温度和时间变化情况，在试样冷至等温温度时，立即置于等温炉中，保温1小时，而后出炉空冷。考察等温正火等温前的冷却速度对组织和性能的影响。测得的5种从奥氏体化温度冷至600的冷却曲线，示于图14中，根据冷却曲线计算平均冷却速度。锻造余热等温正火等温前的冷却速度对600等温处理后钢件硬度的影响如图15所示。图14 试样等温前的5种冷却曲线图15 等温前冷却速度对硬度的影响可以看出，当等温前的冷却速度较小时，钢经等温处理后的硬度较低，随着冷却速度的增大，硬度增高，但当达到某一冷却速度后，硬度则不再随冷却速度的增大而增高，而是基本保持不变。而且，钢的化学成分不同，达到不再影响等温处理后硬度的最小冷却速度也不相同，22CrMoH钢比20MnCr5钢要小一些13。锻造余热等温正火等温前的冷却速度小于某一数值时，将产生降低等温正火处理硬度的影响。这是由于在等温前的冷却过程中，过冷奥氏体在高于等温温度时已经部分甚至全部发生先共析铁素体和珠光体转变，而且冷却速度越小，发生转变的温度越高，转变量越多，硬度降低越大，等温处理后的硬度越低，经上述处理后的试样，显微组织均为先共折铁素体加珠光体。通过上述分析可见：锻造余热等温正火等温前的冷却速度存在一个最佳范围冷却速度过低硬度太小，冷却速度过大硬度太大，这个最佳冷却速度范围与钢的化学成分有关，生产中要根据钢的成分加以选择14。3.4.2 钢件等温温度的影响锻造余热等温正火的等温温度对钢的组织和硬度的影响已在前面文章中讨论过，即由于等温温度不同，所获得的显微组织、硬度值不同。等温温度为660与580时，均获得了平衡组织铁素体加珠光体，而且随着等温温度的降低，铁素体晶粒减少，珠光体晶粒和片间距离也减少，钢的硬度增高。等温温度在540以下时，由于贝氏体的形成而使硬度急剧升高。在相同的等温温度下，22CrMoH钢比20MnCr5钢具有较高的硬度。3.4.3 等温保持时间的影响22CrMoH钢试样经高温奥氏体化后，采用如图14中曲线3的冷却条件冷却至600等温处理，其相变膨胀曲线如图16，可以看出，试验钢在该温度等温约250s时开始相变，相变持续时间约1800s左右，相变产物为先共折铁素体和珠光体，钢的等温保持时间应在1800s左右，时间低于1800s相变未完成，时间大于1800s相变不再继续进行，但却消耗大量能源。需要说明的是这个最佳保温时间是利用试样测得的，对不同尺寸的零件这个最佳保温时间是不同的。图16 22CrMoH钢冷却至600等温式的相变膨胀曲线3.4.4 锻造毛坯锻造余热等温正火工艺的制定原则1) 等温前冷却速度等温正火前的冷却速度是保证钢件等温正火质量的重要参数，为了保证避免等温前在较低冷速下析出铁素体加珠光体组织，使硬度过低，等温前钢件的冷却速度应大于不发生过冷奥氏体分解的最小速度。如果在等温之前过冷奥氏体部分发生转变，降低硬度，虽然这部分损失的硬度可以通过适当降低等温温度，使待转变的过冷奥氏体在较低等温温度下等温形成硬度较高的铁素体加珠光体（主要是珠光体）组织来补偿，但其不利于获得稳定的正火组织，以达到稳定渗碳淬火后变形的要求15。由于实际生产中钢件尺寸、剖面变化较大，且其最小冷却速度较难测定，我们在实际等温正火生产时，设计了控制钢件停锻后至等温保持之前冷却过程的冷却控制装置，即风冷室。风冷室传送带节拍时间可调整。2) 等温温度为了保证钢件等温保持前过冷奥氏体不发生分解，除必须达到足够的冷却速度之外，由于合金渗碳钢的贝氏体转变，往往都较先共析铁素体形成容易，所以还必须控制等温前的最低冷却温度，以保证不发生贝氏体转变，鉴于贝氏体的开始形成线的温度随冷却速度的增大而降低，而且受钢的化学成份的影响，此温度应比贝氏体开始形成温度要高，等温温度是保证钢件获得所要求显微组织和硬度的最主要参数，低碳合金钢在正火状态下的硬度是受含碳及合金元素对显微组织，晶格畸变与位错交互作用和改变位错属性等影响的。当钢的化学成分固定时，等温正火处理后的硬度主要决定于等温转变的过冷度即转变温度。为了确保等温处理后获得铁素体加珠光体组织，等温温度一定要在铁素体和珠光体形成温度范围之内。3) 等温保持时间钢件的等温保持时间必须保证过冷奥氏体在等温温度下能否充分完成，铁素体加珠光体转变的最短时间一般可从钢的TTT图中查得。在实际生产中，考虑到零件各处厚度等因素的不同，但在等温保持之前，工件需要有一定时间均温，加之钢件各处化学成份不均匀。真正达到等温温度的时间先后不同，完全相变的时间不一致，等温时间应比奥氏体转变TTT图中铁素体加珠光体转变所需时间适当延长。但保持时间过长可能发生碳化物球化，硬度降低，切削性能恶化，也不利于节约工时和热能，等温保持时间也不宜过长16。3.5 锻造余热等温正火对渗碳淬火后奥氏体晶粒度的影响图17 22CrMoH钢锻造余热等温处理渗碳淬火后奥氏体图18 22CrMoH钢渗碳淬火前原始奥氏体晶粒尺寸实施利用锻造余热等温正火工艺，需要解决钢件停锻后奥氏体晶粒粗大且在冷却时不能细化，而在渗碳后又必须具有细小的奥氏体晶粒这一问题，需对锻造余热等温正火渗碳淬火后的奥氏体晶粒大小进行测定。将经锻造余热等温正火的22CrMoH试样放入坩埚中，以石墨粉作保护剂，放入加热炉，模拟渗碳加热，重新加热到930，保温90分钟，而后淬火冷却。经抛光后用60的含有0.5%1%烷基璜酸盐苦味酸饱和水溶液腐蚀，测定奥氏体晶粒大小（热蚀法），如图3-16所示。渗碳淬火前原始奥氏体晶粒度，如图18所示。对比可见：锻造余热等温正火处理的试样经渗碳淬火后的晶粒大小（