作者：胡智，浙江双环传动股份有限公司五分厂
郝丰林，江苏双环齿轮有限公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
我公司是一家专业生产汽车齿轮、摩托车齿轮、电动工具齿轮、工程机械齿轮的股份制企业。许多齿轮的毛坯都是公司内部锻造分厂锻造的，公司内部锻造分厂，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。齿轮毛坯在锻造成型后需经正火处理，目的是改善锻造毛坯的显微组织，消除锻造残余应力为随后切削加工准备，大量的生产实践证明，低碳合金钢采用等温正火处理，处理后的组织为均匀等轴分布的珠光体和铁素体，硬度在160～180HBW是最佳的。
我们公司等温正火设备有推盘式、网带式等温正火炉，可以根据不同的材料、产品大小、技术要求不同，选用不同的正火设备。虽然有了等温正火设备，但是由于锻造工艺的原因，采用正常的正火工艺还是会出现组织不合格，硬度不合格的现象。为了改善正火效果，经过多次试验，产品达到技术要求。
1.金相出现分层
一次金相检验员在检测螺伞从动齿轮正火金相检时，发现正火金相出现分层见图1。外表面明显发亮，晶粒正常（见图2、图3），次表面发灰（见图4、图5），不正常。其照片见下图。外圆硬度在191～195HBW。次层硬度在228～232HBW，硬度不正常。产品材质为22CrMoH。
图4 外层组织100×
图5 外层组织500×
根据金相照片推断，出现此问题为锻造过热或者正火温度过高。但是正火温度过高，组织都应该粗大，不会表面合格，次层不合格。
2.生产过程调查
（1）首先对正火进行调查。检查正火设备及温度记录正常，同时间段其余产品正火正常，没有出现异常。
（2）询问锻造项目工程师及锻造现场人员，锻造现场说温度正常，只是锻造材料毛坯时替代的。工艺设计为∮160mm，实际使用为∮150mm。对于使用小规格的材料，锻造有折叠的风险。
160规格下料长度为386mm，150规格下料长度为440mm。
（3）检查材料炉号，入厂检测报告合格，锻造其余的产品没有出现问题。
（4）锻造现场确认。检查现场锻造温度记录，始锻温度为1150℃，锻造温度正常。
根据调查可以看出，唯一有疑问的是材料规格有问题。但由于用∮150mm的代替∮160mm，下料长度明显偏长，拍饼锻造速度，锻造次数明显增多。根据以上分析认为，可能由于原材料直径偏小，锻造频率偏高，锻造过程中造成锻造变形热（晶界摩擦热）过多，造成次层温度偏高造成次层过热。
3.工艺优化
对于由于锻造过热造成的晶粒粗大，组织不合格，通过正火改善，要采用多次正火。为了验证效果对于剩下的材料采用原先的正火工艺重新处理一次。检测金相见图6～图9。
图6 内层组织100×
图7 内层组织500×
图8 外层组织100×
图9 外层组织500×
经过二次正火后，晶粒分界不是很明显，但是正火组织还是不合格。对于晶粒细化有多种工艺，有必要对于正火加热的工艺进行优化。根据相关下面资料我们对工艺进行优化（见表1）。材料22CrMoH相变点Ac1～760℃、Ac3～840℃。
低碳合金钢的非平衡组织，在二次加热等温奥氏体化过程中，Ac1～Ac3的低温侧有利于针状奥氏体的形成长大；在其高温侧区，有利于粒状奥氏体的形核长大。
低碳合金钢的非平衡组织，在缓慢加热过程中，针状奥氏体的形核长大扩张合并是产生组织遗传的主要原因。
提高临界区的加热速度是消除组织遗传的有效性措施。控制Ac1～Ac3间的加热速度可有效的控制组织遗传。
凡是促进针状奥氏体生成抑制粒状奥氏体的诸因素就能促使组织遗传的产生，反之则可减缓组织遗传倾向。这也就是提高临界区加热速度可有效消除组织遗传的基本原因。
ALN相固溶后在临界区Ac1附近保温，ALN相大量弥散析出，能有效的抑制晶界的迁移。一方面铝、氮原子在铁素体中比奥氏体中溶解度小的多；一方面铝、氮原子在铁素体中比奥氏体中的扩散激活能小。因此，铁素体相比奥氏体相更利于ALN相析出。
表1 优化前后工艺参数对比表
项目 | 预热区/℃ | 升温区/℃ | 保温一区/℃ | 保温二区/℃ |
原工艺 | 900 | 940 | 930 | 930 |
优化后工艺 | 800 | 940 | 930 | 930 |
对于优化后的工艺首先处理了2件废品，检测后金相如图10～图13所示。
图10 外层层组织100×
图11 外层层组织500×
图12 内层组织100×
图13 内层组织100×
根据检测金相可以看出内外组织没有太大区别，正火后的金相优于普通正火后的金相。对于余下的试块进行第二次正火，检测金相如图14～图17所示。
图14 外层层组织100×
图15 外层层组织500×
图16 内层层组织100×
图17 内层层组织500×
对于优化后的工艺执行过程中要注意，预热区的温度由900℃降为800℃，假如还使用同样的推盘周期，就会造成加热区温度升不到要求的940℃，优化后工艺主要是通过快速加热细化晶粒，因此不能增加推盘周期，只有减少装炉量来保证升温速度和工艺温度。通过优化工艺保证正火合格，保证产品质量。对于这种工艺是否对于正常锻造的产品，采用正常正火工艺容易出现混晶，也有效果呢？有一法兰盘，照片见图18，材料化学成分如表2所示。
表2 材料化学成分（质量分数）（%）
C | Mn | P | S | Si | Cu | B |
0.18～0.25 | 0.90～1.25 | ≤0.04 | ≤0.045 | 0.15～0.25 | 0.50 | 0.0005～0.0030 |
正常正火工艺为：850℃、930℃、930℃、930℃、加热30Hz风冷全开7Hz等温500℃、500℃、500℃、500℃/30Hz。检测后金相见图19、图20。
图18法兰盘
图19 100×
图20 500×
为了验证是否是锻造还是材料原因，工件先在箱式炉加热，加热温度860℃，保温一个小时，然后炉冷到500℃，出炉空冷。金相见图21、图22。工件退火后发现有带状组织，组织看100×，还算均匀，对于大团黑色组织应该是碳、锰元素的偏析。对于退火和没有退火的工件按照优化后的工艺正火。
760℃、940℃、930℃、930℃、加热30Hz风冷全开7Hz等温500℃、500℃、500℃、500℃/30Hz。
本工艺的特点正如上面所说是，在一区预热，预热温度尽量低于相变点（温度在Ac1～Ac3区间）。到了二区快速升温达到正火温度，这样有细化晶粒的作用。原先一排装四件，现在改为2件，目的是保证二区的升温速度。对于没有退火的工件检测金相见图23、图24。对于退火后的正火工件检测金相见图25、图26。
图21 100×
图22 500×
图23 100×
图24 500×
图25 100×
图26 500×
根据检测结果可以看出这种工艺无论是对于锻造过热还是正火非常容易出现混晶的材料，都有非常明显的改善作用。但是由于现有设备问题，不能推广应用，但是对于有问题的产品，未尝不是一个好办法。对于设备功率布置，重新设计，在保证生产效率的基础上，可以明显提高正火质量的。
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