阶梯轴等温正火工艺探讨（上）

文/张军改·河北东安精工股份有限公司

阶梯轴等温正火工艺探讨（上）

文/张军改·河北东安精工股份有限公司

等温正火早已成为汽车及其他机械用齿轮钢预先热处理的优选工艺，它较普通正火的优点在于组织和硬度更加均匀，但由于阶梯轴各台阶粗细不同，降温速度各异，导致各台阶在等温正火时仍然存在硬度及组织差异，尤其是直径差异较大时，硬度和组织差异更加明显，致使无法完全保证所有台阶硬度和组织均满足客户要求，如何解决粗细台阶硬度及金相组织的均匀性，是阶梯轴等温正火的难点。本文通过大量的生产实践，总结出等温正火的最佳工艺。

等温正火概念

等温正火是将钢加热到奥氏体化温度以上80～150℃，保温一段时间，在风冷室中快速冷却到等温温度，然后推入等温炉中进行等温转变后出炉，在空气中冷却，从而获得均匀分布的等轴P+F组织的热处理工艺，其工艺曲线示意图见图1。

等温正火金相组织、硬度及其均匀性的影响因素

在材料固定的前提下，等温正火产品质量的影响因素很多，如：加热温度、保温时间、加热速度、冷却速度和码放方式等，但最重要的因素是工件在风冷室中的冷却速度，工件在风冷室中冷却的快慢和冷却的均匀性严重影响其金相组织、硬度及其均匀性。

阶梯轴等温正火存在的主要问题

目前我公司等温正火采用的是燃气连续推盘式正火炉，产品多用平板式料盘多层叠加平放装料方式，风冷室采取上吸风式冷却，无变速、无风向导流、无冷热风和雾冷，阶梯轴各处轴径不同，码放位置不同，降温速度存在差异，致使同一根轴件不同台阶、同一料盘不同位置以及同一截面不同圆周方向或心部及表面的硬度及金相组织存在差异，再加上正火炉建造时间较早，炉体大而长，适用于直径粗、重量重的大轴，对于质量要求较高的轿车用小轴，硬度及组织不均匀性的问题更加突出，对于8620RH和20CrMo等材质的轴件，如果保证了粗台位置的硬度，细杆位置硬度就会很高，金相组织就会不合格，很难保证所有地方金相硬度同时合格。

图1 等温正火工艺曲线示意图

另外，对于同样装盘高度的大、小轴来说，大轴的装盘重量比小轴重1.5～2倍，使小轴天然气消耗急剧增加。

总之，当前阶梯轴等温正火存在如下问题：

(1）同一料盘、不同位置轴件硬度存在差异。

(2）同一位置、同一轴件、不同台阶硬度存在差异。

(3）同一截面，心部、表面，迎风面和背风面的硬度存在差异。

(4）硬度低的地方符合客户要求，硬度高的地方金相则不合格，尤其是8620RH和20CrMo材质的产品，很难保证金相、硬度及其离散度同时合格。

(5）天然气消耗高，尤其是小轴。

工艺分析

等温正火的组织、硬度及其均匀性与风速和风冷时间有关，风速越快，晶粒越细，硬度越高，风冷时间越长，温度降低的越多，进入风冷室的温度越低，硬度越高，可根据风冷后温度高低及其均匀性判断硬度高低。

(1）同一料盘上不同位置产品硬度不均匀性主要表现在以下几个方面：

1）料盘周边位置产品硬度高于中间部位产品硬度：因风冷室无风向导流装置，料盘周边无遮挡，导致四周工件较中间部位轴件降温速度快，硬度高，如图2。

2）靠近炉门的轴件硬度高：因为加热、等温炉门不断启闭，冷风不断进入炉内，使靠近炉门的工件温度降低，进入风冷室时温度就低于其他部位，再加上进入等温室后，该处的工件也靠近等温炉门，使其温度低于其他部位，如图3。

3）料盘筋骨遮挡部位硬度低：图4所示，图4a中左边大台放在了筋骨上，降温慢，温度高，右边大台放在了空挡处，降温快，硬度高.

图2 同一料盘四周工件温度低

图3 同一料盘靠近炉门的工件温度低

图4 同一料盘筋骨遮挡部位硬度低

(2）同根轴件不同台阶硬度不均匀性主要表现在如下几个方面：

1）宽度相同的台阶，直径越粗，硬度越低：直径粗，散热慢已是不争的事实，因此直径粗的台阶比直径细的台阶温降慢，硬度低，图5是粗细台阶温度差异。

图5 直径粗细降温对比

2）直径相同时，散热面积大的地方硬度高：散热面积大，降温快，硬度高，图6端部散热面积大，降温快，温度低，硬度就高。

图6 散热面积大的地方降温快

3）有遮挡的部位降温慢，硬度低：由于拉料机构、升降机架和辊道等遮挡，使该处的轴件降温速度减慢，硬度相对较低，如图7为遮挡的辊道和拉料机构及升降机架图。

图7 辊道和拉料机构机架

(3）同截面上不同位置硬度不均表现在：

1）表面硬度高于心部硬度：众所周知，物体表面总是比内部先降温，内部再通过热传导降温，图8为表面和心部温差对比。

图8 表面和心部温差

2）轴件接触部位降温慢，硬度低：因轴件接触部位不易散热，致使此处降温慢，硬度低，图9为接触部位的温度。

3）迎风面硬度高于背风面：迎风面因先接触到风而降温速度快于背风面，使迎风面硬度高，图10为同一台阶不同圆周方向温度差异。

4）轿车轴天然气消耗高于重卡车轴：主要因为正火炉是按重卡车的大轴设计制造的，炉体长、正火周期长，同一料盘大轴装盘量比小轴多，导致小轴天然气吨耗高于大轴。

图9 接触部位温度高

图10 圆周方向温度差异

图11 不同产品细杆在料盘中位置不同

总之，轴件在料盘上的位置总是有上、中、下、里面和外面、遮挡与否的区别，不同位置降温速度和硬度不同，而每种阶梯轴细台阶在料盘上的位置又不固定，如图11，因此无法采用在风冷室整体风向导流或在料盘中加固定遮挡的办法解决温降不均的问题，如何解决这些差异，是问题的关键所在。

阶梯轴等温正火工艺探讨（下）见《锻造与冲压》2017年第7期。