渗碳钢齿坯锻后余热等温正火工艺探讨

牛文明，袁 峰，左永平

(南京科润工业介质股份有限公司，江苏 南京 211100)

渗碳钢齿坯终锻结束后，一般采用堆冷方式进行冷却，由于冷却缓慢，晶粒异常粗大，混晶严重；对于Cr、Mo含量高的钢材，堆冷会出现粒状贝氏体组织，导致硬度过高，难以进行机加工[1]。为了细化晶粒，避免非平衡态的组织出现，降低硬度，需对锻坯进行正火处理，目的是为了获得均匀的平衡态组织(铁素体十片状珠光体)和合适的硬度范围(160～190 HB)，以提高切削加工性，并为后续热处理做好组织上的准备[2]。

常规正火处理，一般采用堆冷方式，会造成不同工件之间或同一工件不同部位的冷速、组织、应力和硬度存在较大差别[2]，同时难以消除粒状贝氏体，二次带状级别较高，导致切削加工性能恶化，增大热处理变形。

采用等温正火处理，工件加热保温结束后，采用强制风冷，由于存在迎风面、背风面的问题，同样造成不同工件之间或同一工件不同部位的冷速、组织、应力和硬度存在较大差别，恶化加工性能，增大热处理变形[2]。而且风冷速度有限，不能有限改善二次带状。另外，常规正火、等温正火，均要将齿坯重新加热，进而增加了能耗，生产成本提高。为了降低能耗，可以考虑将锻造余热充分利用起来，利用锻造余热直接进行齿坯的等温正火处理。但前提必须将齿坯快速、均匀地冷却到珠光体转变温度区间进行等温：一方面可以防止停锻后发生静态再结晶，发生混晶；另一方面，快速通过两相区，可以有效改善二次带状偏析，同时在珠光体转变区间等温，能够充分发生珠光体转变，获得平衡态组织。为了能够快速、均匀冷却，本文采用一种冷速均匀、且快于风雾冷的正火液，工件终锻结束，立即浸入正火液中，工件各个部位均与正火液接触，冷却均匀性提高，冷却至珠光体转变区间出液，迅速转移至等温炉中等温。

1 锻后堆冷组织与性能

渗碳钢齿坯，采用中频炉加热，通过锻压机锻打成型，终锻结束后，一般在空气中冷却，而且是放置在料框中堆冷处理。其金相组织见图1。

渗碳钢齿坯在锻造过程中，受到较大锻压力的作用，发生动态再结晶过程，晶粒细化，且锻压比越大，晶粒越细小。但停锻后，外力撤除，工件在高温作用下，会迅速发生静态再结晶过程，使得细化的晶粒发生二次长大，且由于合金元素偏析的原因，不同部位晶粒的长大速度不同，最终导致晶粒粗化，存在混晶，如图1(a)所示。含Cr、Mo合金元素较高的渗碳钢，淬透性高，使得C曲线右移，温度降低到珠光体转变温度以下、上贝氏体转变温度以上，容易生成粒状贝氏体组织，导致齿坯硬度过高，难以进行机加工[1,4]，如图1(b)所示。同时粗大的粒贝会带来后续热处理粗大组织遗传，致使马氏体针异常粗大，工件机械性能下降[4-5]；而且淬火时，粗大晶粒的淬透性会大于细小晶粒，导致淬火内应力分布不均，使得工件热处理变形量增大[6]。

(a) 20CrMnTi; (b) 18CrNiMo7-6图1 渗碳钢锻后堆冷组织Fig.1 Microstructure of carburized steel after stack cooling

2 锻后余热等温正火工艺的探讨

采用常规正火，重新奥氏体化后，可以细化晶粒，但改善不了二次带状，且对于淬透性高的渗碳钢，容易出现粒状贝氏体。采用等温正火，由于风冷速度有限，也不能有效改善二次带状。同时，常规正火、等温正火，均需将工件重新加热，电耗成本增加，同时生产周期较长。

齿坯停锻后，工件温度很高，一般都在900 ℃以上，若将这部分余热利用起来，便可节省大量能耗，降低生成成本。同时要保证工件的组织、性能满足预热处理的技术要求，有利于机加工，降低热处理变形量。

2.1 锻后余热等温正火工艺路线

齿坯终锻结束后，快速冷却到650～750 ℃，迅速转入650～680 ℃的等温炉中等温，使之发生充分的珠光体转变。工件转移入炉的温度，最低不能低于600 ℃。

为了保证工件快速、均匀冷却，建议采用正火液冷却。齿坯终锻后直接浸入正火液中，冷却至650～750 ℃出液，迅速转移到等温炉中等温，锻后余热等温正火工艺路线见图2。所用正火液为水溶性高分子聚合物，环保无污染，高温冷速均匀一致，可保证工件各个部位均匀冷却，正火液的使用范围见表1所示。正火液推荐使用温度10～60℃，最佳使用温度20～40℃，正火液的冷速随着温度的升高而降低，不同温度下的冷却特性曲线如图3所示，当液温超过60 ℃以后，整体冷速降低幅度较大。

图2 锻后余热等温正火工艺路线Fig.2 Isothermal normalizing process by residual heat after forging

KERUN®匀速冷却介质浓度/%使用温度/℃适用范围适用炉型KR128010～3010～60用于合金钢锻后控冷,代替空冷、风冷、雾冷等,提高组织均匀性。如用于齿坯的锻后控冷,可代替等温正火工艺,改善二次带状;用于轴承套圈、滚子的锻后控冷,可改善网状碳化物。连续炉、井式炉、台车炉等。

图3 不同温度下正火液的冷却特性曲线Fig.3 Cooling characteristics curve of normalizing liquid at different temperatures

为了保证锻后余热等温正火工件的组织与硬度满足要求，需按照以下工艺参数执行：1)建议始锻温度为1050～1150 ℃,终锻温度为≥900 ℃；2)齿坯停锻，转移到正火液，所用转移时间以30 s为宜，最长不超过1 min；3)工件出液温度控制在650～750 ℃；4)工件出液，转移到等温炉时，温度最低不能低于600 ℃；5)在等温炉进行650～680 ℃保温，保温结束后，出炉空冷。

2.2 锻后余热等温正火案例分析

1) 22CrMoH钢齿坯

22CrMoH钢某型号齿坯，终锻温度950～970 ℃，转移时间50 s以内，经12% KR1280控冷，冷却至650～750 ℃出液，迅速转移到箱式炉中680 ℃等温3 h。金相组织为片状珠光体+铁素体，晶粒大小均匀，晶粒度7级，无明显混晶，无明显带状，见图4。齿坯硬度均匀，在165～170 HB，满足技术要求(160～175 HB)，见表2。

2)20CrNiMo钢齿坯

20CrNiMo钢某型号齿坯，终锻温度980～1000 ℃，转移时间30 s以内，经15% KR1280控冷，冷却至650～750 ℃出液，迅速转移到箱式炉中680 ℃等温3 h。金相组织为片状珠光体+铁素体，晶粒大小均匀，晶粒度6～7级，无明显混晶，无明显带状组织，见图5。齿坯硬度均匀，在165～170 HB，满足技术要求(160～175 HB)，见表3。

3)20CrMnTi钢齿坯

20CrMnTi钢某型号齿坯，终锻温度980～1020 ℃，转移时间30 s以内，经15% KR1280控冷，冷却至650～750 ℃出液，迅速转移到箱式炉中660 ℃等温3 h。金相组织为片状珠光体+铁素体，晶粒大小均匀，晶粒度6级，无明显混晶，无明显带状，见图6。齿坯硬度均匀，在160～165 HB，满足技术要求(155～175 HB)，见表4。

图4 22CrMoH钢齿坯锻后余热等温正火组织Fig.4 Microstructure of 22CrMoH steel gear blank with isothermal normalizing by residual heat after forging

工件状态布式硬度/HB22CrMoH钢齿坯12% KR1280冷却,650～750 ℃出液,680 ℃等温3 h165、167、169

图5 20CrNiMo钢齿坯锻后余热等温正火组织Fig.5 Microstructure of 20CrNiMo steel gear blank with isothermal normalizing by residual heat after forging

工件状态布式硬度/HB20CrNiMo钢齿坯15% KR1280冷却,650～750 ℃出液,680 ℃等温3 h167、167、170

图6 20CrMnTi钢齿坯锻后余热等温正火组织Fig.6 Microstructure of 20CrMnTi steel gear blank with isothermal normalizing by residual heat after forging

工件状态布式硬度/HB20CrMnTi钢齿坯15% KR1280冷却,650～750 ℃出液,660 ℃等温3 h161、161、165

综上所述，22CrMoH、20CrNiMo、20CrMnTi渗碳钢齿坯终锻后，采用锻后余热等温正火处理，晶粒大小均匀，无混晶，晶粒度在6～7级。采用合适的温度进行等温，可获得适宜的硬度160～175 HB。锻后余热等温正火处理的齿坯，相较于传统等温正火，铁素体晶粒较为粗大，塑性降低，脆性相对较大，切削加工时容易断屑[3]；且大小均匀的晶粒，使得切削受力均匀，机加工表面质量较好。同时，晶粒大小均匀的平衡态组织，能够切断粗大的组织遗传[4,6]，且无明显带状组织，在后续渗碳热处理时，组织转变同时性较好，淬火内应力分布较为均匀，从而可降低齿轮的热处理变形量。

3 结论

1)渗碳钢齿坯采用锻后余热等温正火，在正火液快冷至650～750 ℃出液，迅速转入等温炉650～680 ℃等温，组织为铁素体+片状珠光体平衡态组织，无粒状贝氏体，无明显带状组织，晶粒大小均匀，无混晶，可降低热处理变形。硬度在160～175 HB，有利于后续机加工。

2)渗碳钢齿坯终锻后，应快速转移到正火液中，转移时间以30 s为宜，最长不超过1 min，可防止发生静态再结晶，避免晶粒粗化，产生混晶。

3)渗碳钢齿坯经正火液冷却，高温出液后转移到等温炉时，齿坯的温度不应低于600 ℃，可避免非平衡态组织的出现。