一、合理選擇鍛造溫度的重要性
鍛造溫度的高低對于鍛造后的組織影響很大，同時對于后續的預處理也有很大的影響。始鍛溫度過高，不但氧化、脫碳嚴重，還會引起過熱、過燒，極易造成材料的組織粗大，甚至形成穩定化過熱的粗大組織。這種組織具有遺傳性，采用正常的預處理很難消除。粗大晶粒將使鍛件的塑性和韌性降低，疲勞性能明顯下降。終鍛溫度偏低，組織難以回復再結晶，便會形成纖維組織和帶狀組織，甚至出現貝氏體、馬氏體等非平衡組織，帶來組織遺傳，使后期熱處理晶粒長大不均勻，同樣會造成晶粒粗大。另外，還必須控制鍛造過程的一次變形量，以免在臨界變形量范圍內形成粗大的晶粒組織。終鍛溫度過低，甚至使坯料在鍛造過程中開裂，或在坯料內部產生較大的殘余應力，致使鍛件在冷卻過程或后續工序中產生開裂。鍛造溫度范圍是指始鍛溫度和終鍛溫度間的一段溫度間隔。在鍛造溫度范圍內金屬具有良好的可鍛性（足夠的塑性、低的變形抗力等）和合適的金相組織。從提高塑性和降低變形抗力出發，希望盡可能提高金屬的加熱溫度，但從保證產品質量，避免加熱中產生缺陷出發，加熱溫度太高又不好。為了減少火次，節約能源并提高勞動生產效率，希望終鍛溫度低些，力求擴大溫度范圍。但是終鍛溫度過低，也會產生缺陷。這些因素都是相互矛盾和制約的，因此確定終鍛溫度應全面考慮。鍛造加工能保證金屬纖維組織的連續性，使鍛件的纖維組織與鍛件外形保持一致，金屬流線完整，可保證零件具有良好的力學性能與高的使用壽命。合金成分越高，終鍛溫度也越高。高合金鋼種類繁多，情況比較復雜，其終鍛溫度一般較碳素鋼高得多（約100℃），主要原因是隨著溫度的降低，變形抗力劇增，而塑性變壞。當終鍛溫度過高時，鍛件的低倍有粗晶現象，沖擊韌度值不合格，這是由于停止鍛造時的溫度過高，晶粒度繼續長大，鍛后冷卻時出現非正常組織，因而降低了力學性能，尤其是沖擊韌度。
二、正火后混晶嚴重
江蘇雙環齒輪有限公司是一家專業生產汽車齒輪、摩托車齒輪、電動工具齒輪、工程機械齒輪的企業。許多齒輪的毛坯都是公司內部鍛造分廠鍛造的，內部鍛造的優勢是便于對鍛造過程進行控制，提高新產品開發的速度，可以達到公司內部的質量要求。我們在開發某廠家的減速齒輪時，在正火后發現混晶嚴重，基于此問題，本文對鍛造過程進行分析并找到原因，以保證項目順利進行！
三、鍛造過程分析
開發的減速齒輪，材料是20MnCr5鋼，加工流程為：鋸床下料→中頻感應加熱→拍扁→預鍛→沖孔→碾環→電動螺旋壓力機鍛造1→電動螺旋壓力機鍛造2（整形）→風冷→等溫正火。經過調查，始鍛溫度為1180℃±30℃，終鍛溫度為790～830℃（產品鍛造后毛坯顏色見圖1）。我們調查同種材料其他工件始鍛溫度差不多，而終鍛溫度達950～1000℃（產品鍛造后毛坯顏色見圖2）。只有終鍛溫度有區別，終鍛溫度高，正火金相合格；終鍛溫度低，正火金相不合格；難道正火金相與終鍛溫度有關？
圖1 終鍛溫度790～830℃毛坯顏色
圖2 終鍛溫度950～1000℃毛坯顏色
于是我們根據這種現象做了幾個試驗，正火溫度客戶規范都是控制在950℃±10℃，正火溫度只能在940～950℃之間選擇。由于我公司等溫正火設備最高加熱溫度是950℃，因此我們設置最高正火溫度為940～950℃。1）采用兩遍正火。一遍正火金相組織如圖3所示；二遍正火金相組織如圖4所示。
圖3 一遍正火金相組織
圖4 二遍正火金相組織
2）對于鍛造后的毛坯采用680℃±15℃、保溫3h后空冷，然后正火。高溫回火加正火金相組織如圖5所示。
圖5 高溫回火加正火金相組織
3）提高始鍛溫度，對于鍛造后的毛坯，放入有耐火石棉包溫的保溫框（產品鍛造后毛坯顏色見圖6）。試驗參數如下：始鍛溫度為1200℃±30℃，對鍛造過程進行優化，最終確定終鍛溫度為820～850℃。高溫鍛造，余熱退火加正火金相組織如圖7所示。
圖6 鍛造后毛坯顏色
圖7 余熱退火加正火金相組織
四、試驗結果分析
根據本次試驗結果可以看出：毛坯終鍛溫度低，毛坯顏色藍中發青，氧化皮很少；對于終鍛溫度高，毛坯呈深藍色，氧化皮很薄，均勻；對于鍛造后放入保溫桶中保溫，去應力退火，顏色發灰，并且氧化皮較厚。二遍正火與高溫回火加一遍正火效果差不多；金相組織最好的還是適當提高始鍛溫度，再加上余熱退火，但這種處理方式的金相組織與終鍛溫度＞950℃的差不多。
分析原因：對于20MnCr5材料，終鍛溫度在790～830℃時，終鍛溫度偏低，可能造成鍛造后的應力沒有完全消除，再結晶不完全。本試驗證明，終鍛溫度高對于消除鍛造應力、再結晶效果好，可以保證正火后的金相組織。對于客戶正火規范為什么是950℃±10℃，我們對于沒有正火的產品采用中碳鋼正火工藝，正火溫度為890℃±10℃，正火后金相組織與終鍛溫度在950～1000℃時一樣，我們也發現有些產品毛坯是外購件，來料檢測正火金相組織、硬度、晶粒度都是合格的，但是滲碳淬火后發現齒輪心部組織粗大、混晶，經過調查也是采用低于900℃的溫度正火。正火溫度高對于鍛造過程產生的缺陷有很好的消除作用，正火溫度低對毛坯鍛造形成的缺陷改善少，隨后在長時間滲碳過程中由于應力釋放，造成組織異常。因此，采購毛坯時應指定正火規范，尤其是對正火溫度的規定。
五、結束語
1）對于開發新品，訂購新的鍛造生產線，應該保證：根據鍛造材料，提出始鍛溫度、終鍛溫度、生產節拍，鍛造設備廠商會根據生產企業要求的始鍛溫度、終鍛溫度、生產節拍，選擇合適的鍛造方式、鍛造設備，也會根據其經驗建議生產企業選擇合適的中頻感應加熱設備。2）根據滲碳溫度確定正火溫度，而不是只要正火檢測合格就可以，盡量選擇高溫正火。3）終鍛溫度的高低對于隨后的正火金相組織影響很大。由于鍛造設備的局限，開發新產品會遇到各種問題，只有對問題具體分析，找出變量，才能開發出合格的產品。
作者：郝豐林，江蘇雙環齒輪有限公司
蔣勇，蘇州工業園區久禾工業爐有限公司
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