锻造温度对等温正火组织的影响

郝丰林，蒋勇

1.江苏双环齿轮有限公司 江苏淮安 223200

2.苏州工业园区久禾工业炉有限公司 江苏苏州 215021

1 合理选择锻造温度的重要性

锻造温度的高低对于锻造后的组织影响很大，同时对于后续的预处理也有很大的影响[1]。始锻温度过高，不但氧化、脱碳严重，还会引起过热、过烧，极易造成材料的组织粗大，甚至形成稳定化过热的粗大组织。这种组织具有遗传性，采用正常的预处理很难消除。粗大晶粒将使锻件的塑性和韧性降低，疲劳性能明显下降。

终锻温度偏低，组织难以回复再结晶，便会形成纤维组织和带状组织，甚至出现贝氏体、马氏体等非平衡组织，带来组织遗传，使后期热处理晶粒长大不均匀，同样会造成晶粒粗大。另外，还必须控制锻造过程的一次变形量，以免在临界变形量范围内形成粗大的晶粒组织。终锻温度过低，甚至使坯料在锻造过程中开裂，或在坯料内部产生较大的残余应力，致使锻件在冷却过程或后续工序中产生开裂。

锻造温度范围是指始锻温度和终锻温度间的一段温度间隔[2]。在锻造温度范围内金属具有良好的可锻性（足够的塑性、低的变形抗力等）和合适的金相组织。从提高塑性和降低变形抗力出发，希望尽可能提高金属的加热温度，但从保证产品质量，避免加热中产生缺陷出发，加热温度太高又不好。为了减少火次，节约能源并提高劳动生产效率，希望终锻温度低些，力求扩大温度范围。但是终锻温度过低，也会产生缺陷。这些因素都是相互矛盾和制约的，因此确定终锻温度应全面考虑。

锻造加工能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与高的使用寿命。

合金成分越高，终锻温度也越高。高合金钢种类繁多，情况比较复杂，其终锻温度一般较碳素钢高得多（约100℃），主要原因是随着温度的降低，变形抗力剧增，而塑性变坏[3]。当终锻温度过高时，锻件的低倍有粗晶现象，冲击韧度值不合格，这是由于停止锻造时的温度过高，晶粒度继续长大，锻后冷却时出现非正常组织，因而降低了力学性能，尤其是冲击韧度。

2 正火后混晶严重

江苏双环齿轮有限公司是一家专业生产汽车齿轮、摩托车齿轮、电动工具齿轮、工程机械齿轮的企业。许多齿轮的毛坯都是公司内部锻造分厂锻造的，内部锻造的优势是便于对锻造过程进行控制，提高新产品开发的速度，可以达到公司内部的质量要求。我们在开发某厂家的减速齿轮时，在正火后发现混晶严重，基于此问题，本文对锻造过程进行分析并找到原因，以保证项目顺利进行！

3 锻造过程分析

开发的减速齿轮，材料是20MnCr5钢，加工流程为：锯床下料→中频感应加热→拍扁→预锻→冲孔→碾环→电动螺旋压力机锻造1→电动螺旋压力机锻造2（整形）→风冷→等温正火。

经过调查，始锻温度为1180℃±30℃，终锻温度为790～830℃（产品锻造后毛坯颜色见图1）。我们调查同种材料其他工件始锻温度差不多，而终锻温度达950～1000℃（产品锻造后毛坯颜色见图2）。只有终锻温度有区别，终锻温度高，正火金相合格；终锻温度低，正火金相不合格；难道正火金相与终锻温度有关？

图1 终锻温度790～830℃毛坯颜色

图2 终锻温度950～1000℃ 毛坯颜色

于是我们根据这种现象做了几个试验，正火温度客户规范都是控制在950℃±10℃，正火温度只能在940～950℃之间选择。由于我公司等温正火设备最高加热温度是950℃，因此我们设置最高正火温度为940～950℃。

1）采用两遍正火。一遍正火金相组织如图3所示；二遍正火金相组织如图4所示。

2）对于锻造后的毛坯采用680℃±15℃、保温3h后空冷，然后正火。高温回火加正火金相组织如图5所示。

3）提高始锻温度，对于锻造后的毛坯，放入有耐火石棉包温的保温框（产品锻造后毛坯颜色见图6）。试验参数如下：始锻温度为1200℃±30℃，对锻造过程进行优化，最终确定终锻温度为820～850℃。高温锻造，余热退火加正火金相组织如图7所示。

图3 一遍正火金相组织

图4 二遍正火金相组织

图5 高温回火加正火金相组织

图6 锻造后毛坯颜色

图7 余热退火加正火金相组织

4 试验结果分析

根据本次试验结果可以看出：毛坯终锻温度低，毛坯颜色蓝中发青，氧化皮很少；对于终锻温度高，毛坯呈深蓝色，氧化皮很薄，均匀；对于锻造后放入保温桶中保温，去应力退火，颜色发灰，并且氧化皮较厚。二遍正火与高温回火加一遍正火效果差不多；金相组织最好的还是适当提高始锻温度，再加上余热退火，但这种处理方式的金相组织与终锻温度＞950℃的差不多。

分析原因：对于20MnCr5材料，终锻温度在790～830℃时，终锻温度偏低，可能造成锻造后的应力没有完全消除，再结晶不完全。本试验证明，终锻温度高对于消除锻造应力、再结晶效果好，可以保证正火后的金相组织。对于客户正火规范为什么是950℃±10℃，我们对于没有正火的产品采用中碳钢正火工艺，正火温度为890℃±10℃，正火后金相组织与终锻温度在950～1000℃时一样，我们也发现有些产品毛坯是外购件，来料检测正火金相组织、硬度、晶粒度都是合格的，但是渗碳淬火后发现齿轮心部组织粗大、混晶，经过调查也是采用低于900℃的温度正火。正火温度高对于锻造过程产生的缺陷有很好的消除作用，正火温度低对毛坯锻造形成的缺陷改善少，随后在长时间渗碳过程中由于应力释放，造成组织异常。因此，采购毛坯时应指定正火规范，尤其是对正火温度的规定。

5 结束语

根据这次新品开发我们得到的经验如下：

1）对于开发新品，订购新的锻造生产线，应该保证：根据锻造材料，提出始锻温度、终锻温度、生产节拍，锻造设备厂商会根据生产企业要求的始锻温度、终锻温度、生产节拍，选择合适的锻造方式、锻造设备，也会根据其经验建议生产企业选择合适的中频感应加热设备。

2）根据渗碳温度确定正火温度，而不是只要正火检测合格就可以，尽量选择高温正火。

3）终锻温度的高低对于随后的正火金相组织影响很大。

由于锻造设备的局限，开发新产品会遇到各种问题，只有对问题具体分析，找出变量，才能开发出合格的产品。