利用锻造余热等温正火稳定渗碳淬火变形规律

1. 汽车渗碳钢件的现状与发展

    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。

    由于各国资源和工业发展的经验不同，各国的各大工厂使用的渗碳钢种也不完全相同。目前，各国标准中列出的渗碳钢钢号比较多，汽车齿轮用渗碳钢主要是低碳合金钢，其中Cr 钢、Mn 钢和Mo 钢用于次要和小尺寸齿轮，Cr - Ni 钢、Cr - Mn 钢、Cr - Mo 钢、Mn - Mo钢和Cr - Ni - Mo 钢用于尺寸较大的重要零件。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渡阶段，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 钢过渡。因此必须采用相应合理的热处理新工艺与之相配合。

    2. 渗碳钢件锻造毛坯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的影响，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Ac m 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(156～207HBS) ，一般不检查显微组织，加之又多在锻造工厂( 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，又缺少生产性实践探讨。实际上我国目前普遍存在这类零件切削后表面粗糙、切削刀具使用寿命低、渗碳淬火前后变形波动较大等问题，这些与正火显微组织不良、硬度不佳有密切的关系。

    在实际生产中，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( α- 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。一般热处理的变形量随机加工变形量的增大而增
大，由于机加工工艺不当，如拉削速度过快、刀具磨损切削时所造成的残余应力、拉削过程中基准面不平、存在铁屑等异物、齿轮拉花键孔时出孔方向不当等都可使热处理变形量增大。通过改进机加工工艺，加工变形量可得到有效控制。

    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。美国金属学会向能源部提交的国际研发计划中，提出的目标之一就是“努力达到热处理零件的零变形和最大限度的均匀性”。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。

    二、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，为最终热处理做好组织准备。

    1. 钢的正火组织、硬度与切削加工性能

    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，增加钢件表面粗糙度。

    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。

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变形   规律   稳定   利用   组织   处理   加工   零件   温正火   硬度   变形   规律   稳定   利用   组织   处理   加工   零件   温正火   硬度