汽车球铰链带状组织分析及讨论

宁波蜗牛锻造有限公司（浙江余姚 315456）樊英锋 何秀群

球铰链是执行机构与调节机构的连接附件。其采用了球型轴承结构，具有控制灵活、准确、扭转角度大的优点，因此被广泛应用于制造业的自动控制系统中。在球铰链锻造成形过程中由于其锻造比大，显微组织中经常会发现带状组织存在。严重的带状组织造成了锻件基体金属的各向异性，不仅使其在垂直于带状组织方向上的伸长率、断面收缩率及冲击韧度降低，还使锻件淬火后易形成混晶组织和非马氏体组织，使零件淬火变形倾向增大，提高了返工率和废品率，造成了不必要的浪费。本文从热处理两方面讨论了带状组织的变化情况，对减少带状组织、提高产品质量提出了几点建议，希望对消除同类产品组织缺陷有些帮助。

1.材料及使用设备

本文选用35钢锻打的汽车球铰链作为试验对象。化学成分如表1所示，由表可见化学成分均在国标要求范围内。将φ32mm圆钢棒加热锻打成如图1所示毛坯件，从图1所示位置取样进行金相组织检验。原材料纵向显微组织如图2所示，由图可见铁素体沿一定方向排列并呈带状分布特征，根据GB/T 13299—1991标准可评为2级。热处理加热设备有SX3-10-13型箱式电阻炉和JH812型网带式加热炉；化学成分检测用SPECTRO MAX 光谱分析仪；金相检测用OLYMPUS BX51M金相显微镜；硬度检测用XHB－3000型数显布氏硬度计。

表1 35钢化学成分（质量分数） （%）

图1 球铰链锻件示意

图2 热轧棒材金相组织

2.试验及结果分析

有关资料介绍，轧制后采取“分段冷却”技术可以有效控制钢板中带状组织的形成。借鉴其经验，在锻造后我们将产品单层散放在传送网带上并用风机吹冷，其显微组织如图3所示，组织为网状铁素体+珠光体，有混晶出现，轻微魏氏组织，带状组织可评为0级，经检测硬度为201～212HBW。将锻件在箱式电阻炉上以不同的工艺处理，其结果见图3～图6。在图4中铁素体呈明显的条带状分布特征，带状组织非常严重，可评为5级，经检测硬度为173～174HBW。完全退火后带状组织非常明显是由于在缓慢冷却条件下，先在碳及合金元素贫化带区域由于过冷奥氏体稳定性较低析出了铁素体。先共析铁素体的析出使得多余的碳及合金元素被排向两侧，造成该区域元素浓度增高、过冷奥氏体稳定性提高而产生珠光体。铁素体和珠光体彼此交替出现形成明显的带状组织。在图5中退火形成严重带状组织，经过重新加热正火后析出的铁素体和珠光体排列较均匀，带状取向不明显。根据标准带状组织可评为1～2级，经检测其硬度为178～186HBW。完全奥氏体化后用沸腾水冷却，样件金相组织如图6所示，由图可见由于冷却速度过快，先共析铁素体被极大抑制，只有少量铁素体析出呈网状分布特征，在其内部珠光体和少量托氏体均匀分布无带状。经检测其硬度为231～246HBW。

图3 锻造后风机吹冷

图4 870℃×60min退火

图5 退火+860℃×40min正火

图6 退火＋860℃×40min沸水冷却

由箱式电阻炉试验可知，锻件加热后冷却速度越慢带状组织越严重，反之越轻。因此，在网带式加热炉上将锻件进行正火，显微组织如图7所示。由图7可见，经过不完全正火后残留锻造组织较多，且铁素体和珠光体呈明显带状分布，根据标准可评为3级。分析原因主要有3点：其一是加热温度明显偏低，进入了铁碳相图的两相区间，导致锻造组织没有转变完全；其二是保温时间过短，组织没有来得及转变彻底。箱式电阻炉是以工件进入炉膛后炉温重新升到设定温度为基准来计算的，实际上是保温时间；而网带式加热炉是以工件进入炉膛到出炉的时间来计算的，实际上是加热时间。经过测试网带炉设定60min，工件实际保温时间约30min，明显网带式加热炉上温度偏低；其三是冷却条件不同。箱式电阻炉试验时单个工件摆放在料架上自然空冷。周围空气是室温，只有20℃左右，因此冷却速度较快。而网带式加热炉是批量生产，先落下的工件将周围空气加热，后落下的工件在高达上百摄氏度的环境中冷却，实际冷却速度明显偏低，造成铁素体和珠光体呈带状析出。工艺调整后样件金相组织如图8所示，可见随着加热温度升高和保温时间延长，残留锻造组织消失。在冷却网带上加风机吹冷后铁素体和珠光体分布较均匀，带状组织可评为1级，经检测其硬度为189～200HBW。

图7 750℃×60min加热空冷

图8 860℃×80min加热后风冷

3.讨论

研究表明，带状组织产生的原因是由于在冶炼时钢中化学元素分布不均匀，导致在钢锭中形成了枝晶偏析，在后续加工过程中使铁素体和珠光体成带状析出。许多资料均提出通过高温扩散退火可以改善甚至消除带状组织，但是经过高温长时间加热后组织变的异常粗大，必须经过1～3次正火才能细化晶粒；同时高温加热氧化脱碳严重，必须提前计算并留有足够的加工余量，才能保证工件不因脱碳层超标导致有效尺寸减少而报废。由于工序多、周期长、能源消耗大，此种方法在工厂里并未得到广泛应用。因此，为了彻底消除带状组织，应在钢材的源头——冶炼上下功夫，采取先进熔炼设备、熔炼方法，使钢锭内部各化学元素均匀分布，避免在后续加工过程中出现带状组织。在工厂实际生产过程中，锻造后的产品应散放在网带上冷却。尽量避免锻造后直接扔至料框中堆冷，消除形成带状组织的条件。对于需要调质的工件，若带状组织严重应采取降低淬火加热温度、提高淬火液温度、减缓淬火液搅拌等方式和方法来防止翘曲变形甚至淬裂；对于需要正火的工件，若带状组织严重应采取加热后风冷，以及防止产品堆积冷却的方法来减缓带状组织形成。

4.结语

（1）消除带状组织的根本措施在于冶炼时保证钢锭内各化学元素均匀分布，尽量不形成枝晶偏析或将形成的枝晶偏析打碎，使其均匀化。

（2）锻件加热后采用足够快的冷却速度，可以减少甚至消除带状组织。

（3）若原材料存在严重带状组织，通过快冷减少或消除的带状组织，经过加热后缓慢冷却又会重新出现。