鍛后控冷工藝在車橋齒輪毛坯鍛造過程中的應用

鄭冠軍，滕斐，高永強

鄭州華威齒輪有限公司 河南鄭州 452370

汽車齒輪毛坯屬于低碳合金鋼鍛件，碳元素含量少，淬透性一般，經(jīng)滲碳+淬火之后，齒輪表面具有高的耐磨性和強度，心部具有較高的強度和良好的韌性。主要應用在具有一定沖擊載荷的和變載荷的工況下，如汽車前后橋傳動齒輪。在實際生產(chǎn)中，由于20CrMnTi、8620鋼件的正火加熱溫度要比滲碳溫度高出10～30℃，這樣材料在滲碳時，組織不會繼續(xù)發(fā)生變化和晶粒度變化，滲碳后不易造成馬氏體粗大或工件變形超差。目前對于齒輪鋼的正火加熱溫度一般為920～940℃，這樣造成電費過高。為了既能保證工件毛坯質(zhì)量，使毛坯有良好的切削性能，同時又能有效地降低加熱成本，亟需一種新的正火冷卻工藝方法，通過鍛后控冷工藝使毛坯工件快速通過兩相區(qū)（Ar3～Ar1），抑制先共析鐵素體析出，改善冷卻均勻性，提高工件的綜合力學性能。汽車后主、從動齒輪毛坯如圖1和圖2所示。

圖1 汽車后從動齒輪鍛造毛坯

圖2 汽車后主動齒輪鍛造毛坯

鍛后控冷工藝過程

現(xiàn)采用一種新型正火液，利用鍛造后的余溫（從齒毛坯終鍛溫度約900～950℃；主齒毛坯終鍛溫度約960～980℃），將工件放在正火液中進行冷卻。該類正火液為高分子聚合物，與水完全互溶，且無逆溶性，屬于勻速冷卻介質(zhì)，蒸汽膜階段長，冷卻曲線平直，最大冷速介于空氣與淬火油之間，不同濃度正火液與空氣、淬火油的冷卻曲線如圖3所示。工件完全浸入正火液中，散熱主要以輻射和對流的方式進行，冷卻均勻性優(yōu)于風冷，同時較快的冷卻速度，可使工件快速通過兩相區(qū)，抑制先析鐵素體的析出，提高珠光體的含量，具體工藝過程如下：

圖3 正火液與空氣、淬火油液冷卻特性曲線

鍛后控冷工藝：齒坯終鍛結(jié)束后，直接浸入19%KR1280 正火液中冷卻，控制出液溫度在 650～750℃，在保溫筐中進行緩慢冷卻到室溫，放入等溫正火線中780℃等溫 3h，出爐后空冷。

試驗過程

1.試驗材料

試驗所用材料為20CrMnTiH，其化學成分見表1。試驗工件最大有效厚度如圖1和圖2所示。

表1 20CrMnTiH材料化學成分 （質(zhì)量分數(shù)：%）

2.試驗設備

采用額定功率為450kW的中頻感應電源加熱，采用立式輾環(huán)機成型，鍛造成型結(jié)束后，保證工件終鍛溫度為900～950℃；采用正火槽進行冷卻，水槽容積約13.5m3，配有二個變頻攪拌電動機；采用數(shù)顯布氏硬度計進行硬度檢測；采用金相顯微鏡進行金相組織觀察。

3.試驗方法

在正火槽內(nèi)配制19%濃度（質(zhì)量分數(shù)）的正火液，槽體尺寸：3m×2.5m×1.8m，加自來水至液深1.2m，然后加入 9 桶 KR1280 原液，再加自來水至液深1.5mm，槽液濃度為 19%。

最大冷卻速度約20℃/s。工件通過滑道，直接浸入 KR1280 正火槽冷卻，通過調(diào)整網(wǎng)帶的提升速度，控制出液溫度為650～750℃，隨后在保溫筐中進行緩慢冷卻到室溫，再裝入等溫正火線中以780℃等溫3h，削除組織內(nèi)應力，不需再進行常規(guī)的正火處理，控制工件硬度就能保證在機加工范圍技術(shù)要求（160～195HB），直接進行機加工。

4.實驗過程工藝

（1）從齒毛坯 參數(shù)如下：

P27 被齒齒坯材料 ：20CrMnTiH；

始鍛溫度：1060～1080℃；

終鍛溫度：900～950℃；

提升鏈板電動機頻率：12Hz；

齒坯鍛后控冷+高溫回火工藝路線如圖4所示。

圖4 被動齒輪毛坯鍛后控冷+高溫回火工藝

20CrMnTiH 被齒毛坯經(jīng)過終鍛結(jié)束后，直接浸入19%KR1280勻速冷卻介質(zhì)中冷卻42s（通過調(diào)整提升鏈板的電機頻率實現(xiàn)）后，冷至650～750℃出液，隨后在保溫筐中進行緩慢冷卻到室溫，再放入等溫正火爐中，進行780℃保溫3h，消除內(nèi)應力，均勻硬度，最終獲得鐵素體+球狀珠光體組織。

（2）主齒毛坯 參數(shù)如下：

P27 主齒齒坯材料 ：20CrMnTiH；

始鍛溫度：1080～1100℃；

終鍛溫度：960～980℃；

提升鏈板電動機頻率：8Hz；

齒坯鍛后控冷+高溫回火工藝路線如圖5所示。

圖5 主動齒輪毛坯鍛后控冷+高溫回火工藝

20CrMnTiH 主齒毛坯經(jīng)過終鍛結(jié)束后，直接浸入19%KR1280 勻速冷卻介質(zhì)中冷卻46s（通過調(diào)整提升鏈板的電動機頻率實現(xiàn)）后，冷至 650～750℃出液，落入保溫料框內(nèi)空冷。隨后在保溫筐中進行緩慢冷卻到室溫，再放入等溫正火爐中，進行 780℃保溫3h，消除內(nèi)應力，均勻硬度，最終獲得鐵素體+球狀珠光體組織。

結(jié)果與討論

1.硬度檢測

檢測試樣由實驗工件毛坯切割而成，有效厚度15mm。試樣經(jīng)磨、拋后，采用數(shù)顯布氏硬度計（HB－3000B型）檢測高溫回火后的硬度，并與常規(guī)正火空冷硬度進行對比，硬度檢測結(jié)果見表2。

表2 常規(guī)等溫正火與控冷工藝毛坯硬度對比（單位：HB）

對于20CrMnTiH 齒坯，常規(guī)等溫正火，鍛后采用19%KR1280 冷卻，控制出液溫度至 650～750℃，在保溫筐中進行緩慢冷卻到室溫，再進行780℃等溫 3h，主齒硬度比普通正火硬度高20HB左右，被齒硬度比普通正火硬度高21HB左右，有效地改善了機械加工的切割性能。

2.金相組織檢測

檢測試樣由實驗工件毛坯切割而成，有效厚度15mm。試樣經(jīng)磨、拋后，采用金相顯微鏡觀察，并與常規(guī)正火空冷金相組織進行對比，金相照片如圖6和圖7所示。主齒控冷工藝650～750℃出液，冷至室溫，780℃等溫3h金相組織，金相照片如圖8所示。被齒控冷工藝650～750℃出液，冷至室溫，780℃等溫3h 金相組織，金相照片如圖9所示。

圖6 P27主齒常規(guī)等溫正火金相組織

圖7 P27被齒常規(guī)等溫正火金相組織

圖8 P27 主齒控冷工藝金相組織

圖9 P27 被齒 控冷工藝金相組織

對于20CrMnTiH 材質(zhì)的主被齒毛坯，采用常規(guī)等溫正火處理，加熱溫度為940℃，等溫溫度為520℃，處理之后，主齒、從齒金相組織均為：正火狀態(tài)的晶粒比較均勻的片狀珠光體+鐵素體組織鐵，晶粒比較細小。

對于20CrMnTiH 主被齒毛坯，終鍛結(jié)束后，迅速轉(zhuǎn)移至 KR1280 正火液中冷卻，冷至 650～750℃出液，在保溫料框中冷卻至室溫，隨后在等溫正火線上采用780℃等溫3h，金相組織為鐵素體+珠光體，部分珠光體呈球狀。

機加工后質(zhì)量檢測

正火之后毛坯經(jīng)機械加工后齒輪齒面質(zhì)量情況見表3。

表3 正火之后毛坯經(jīng)機械加工后齒輪齒面質(zhì)量情況

采用 KR1280 正火液鍛后控冷，主、被齒機加工精度 5～6 級，滿足技術(shù)要求（≤6 級），表面粗糙度值較小，主從齒凸面表面粗糙度值比常規(guī)等溫正火后切齒的表面粗糙度值低0.05μm左右。被齒切齒后，工件齒面粗糙度與普通正火工藝基本相當。

結(jié)語

1）19%濃度的正火液冷卻速度遠大于空冷，工件在冷卻過程中，可快速通過兩相區(qū)（Ar3～Ar1），抑制先共析鐵素體相析出，提高了組織中索氏體含量。

2）工件經(jīng)控冷工藝：正火液冷卻、高溫回火后，正火硬度比普通等溫正火工藝正火后硬度高20HB左右，提高機械加工的切削性能。

3）節(jié)約能源，采用19%濃度的正火液控冷工藝后，省掉了等溫正火的加熱工藝過程，可節(jié)約電能約300kW·h/t，節(jié)約成本250元/t。