CN110343823B - 一种等温正火热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种等温正火热处理工艺，其通过重新生成奥氏体，减少工件带状组织，且生成的组织更均匀，改善工件的机加工性能和提高工件机械性能；同时利用轧后余热，节省电能，从而减少了生产成本。

Description

一种等温正火热处理工艺
技术领域
本发明属于金属件热处理技术领域，特别是指一种等温正火热处理工艺。
背景技术
齿轮轴在汽车变速箱中起着极其重要的作用。由于其服役时应力状态非常复杂，故一般要求其具有良好的强韧性、较好的抗疲劳和抗磨损性能。一般而言，齿轮轴的材质为低碳低合金渗碳钢，其制造工序流程如下：下料、感应加热、楔横轧或锻造成形、正火处理、抛丸、粗加工、渗碳淬火、回火、精加工、磨削加工、抽检和入库。在上述工序中，正火处理的目的主要有：获得合适的硬度便于后续的机加工的操作；获得合理的铁素体和珠光体组织为渗碳淬火做好组织准备。硬度太高、太低或组织不合理均不利于后续机加工的操作和渗碳淬火变形的控制，甚至导致次品和废品。因此，在齿轮轴的制造过程中，正火处理是一道非常关键的工序。在常规的正火处理中，齿轮轴不同部位的冷却速度不一致，导致其组织不均匀，硬度波动范围较大，不利于其后续的切削加工和渗碳淬火变形的控制。因此，齿轮轴一般采用等温正火工艺进行正火处理。齿轮轴经合理的等温正火处理后，能获得均匀的组织(铁素体和珠光体)和硬度分布，改善了其切削加工性能且满足了渗碳和淬火前的组织准备要求。
因为毛坯在成型后，比如轴类零件，需要楔横轧成型，成型后的轴类零件组织出现带状化，影响轴件的性能，比如塑性和韧性，需要将轴件经过热处理工艺处理，减少带状组织，提高其性能。
等温正火工艺将钢材加热组织奥氏体化后并保温一定时间，保温后冷却至“S”鼻尖温度，“S”鼻尖温度是奥氏体转变为铁素体和珠光体的温度，一般为500℃-650℃，并在此温度保持一段时间使得奥氏体组织均匀地转变为铁素体和珠光体组织，然后冷却至室温，以获得良好的切削加工性能和力学性能。但是现有的等温正火工艺在工件奥氏体化保温一段时间后的使奥氏体组织转变为铁素体和珠光体组织的冷却过程中，是放在冷却风箱中工件堆积在一起连续冷却至保温温度的，上面的工件和下面的工件的冷却速度不能保持一致，这显然很难实现齿轮轴的均匀冷却，导致生成的铁素体和珠光体组织也不均匀，影响工件的机加工和力学性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种等温正火热处理工艺，使最后生成的铁素体和珠光体组织均匀，改善工件的机加工性能。
本发明一种等温正火热处理工艺包括：
步骤1，将坯料加热使其由原始退火态铁素体和珠光体组织转变成奥氏体；
步骤2，将加热完成的坯料轧制成形为工件，使该过程工件组织不变仍为奥氏体；
步骤3，将所述工件冷却至一定温度，使所述工件组织由奥氏体转变为铁素体和珠光体；
步骤4，将所述工件加热至一定温度并保温一段时间，使所述工件组织保持不变；
步骤5，将所述工件继续加热至一定温度并保温一段时间，使所述工件组织由铁素体和珠光体转变为奥氏体；
步骤6，将所述工件冷却所述工件至一定温度，控制所述工件组织不发生转变；
步骤7，将所述工件转运至第二加热炉中加热保温一段时间，使所述工件组织由奥氏体转变为铁素体和珠光体；
步骤8，将所述工件转运至第三冷却室，强制快冷至室温。
由上，在步骤2中坯料成型为工件后，组织转变为奥氏体，在步骤3冷却使其组织由奥氏体又转变为方向性弱的铁素体和珠光体，减轻甚至防止其在接下来的热处理步骤中发生组织遗传；步骤4和步骤5分两次加热，在步骤4中先将工件加热到一定温度，使工件均匀受热，控制工件组织不转变为奥氏体，在步骤5中继续加热工件使其组织快速均匀的转变为奥氏体，不仅工件组织均匀，且减少了工件带状组织，提高了工件性能；另外步骤4中利用了步骤3中的余热，节省了能量。
较佳的，在步骤3中在所述第一冷却室中将所述工件采用风冷方式冷却至300～500℃温度。
由上，将工件冷却至300～500℃温度，而不是冷却至室温，方便在步骤4中利用该余热，从而节省电能。
较佳的，在步骤4中将所述工件在所述第一加热炉的低温加热区加热至600～750℃，保温10～40min，所述工件组织不发生转变；在步骤5中所述工件在所述第一加热炉的高温加热区加热至850～950℃，保温30～120min，所述工件组织由铁素体和珠光体转变为奥氏体。
由上，在步骤4中利用步骤3中的余热，节省电能；在高温加热区将工件组织由铁素体和珠光体转变为奥氏体，将第一加热炉分为低、高温加热区，防止在第一加热炉的低温加热区就转变为奥氏体，在高温区继续加热奥氏体继续长大，降低工件机械性能。
较佳的，在步骤6中所述工件在所述第二冷却室冷却至400～600℃，所述工件组织不发生变化。
较佳的，在步骤7中所述工件在所述第二加热炉中加热至500～700℃，加热60～240min，所述工件组织由奥氏体全部转变为铁素体和珠光体。
由上，在步骤7中工件组织由奥氏体全部转变为铁素体和珠光体，获得合理的组织和硬度分布，满足后续机加工和渗碳淬火组织和性能要求。
较佳的，在步骤8中将所述工件采用喷雾方式强制快速冷却至室温。
较佳的，步骤6中采用间隙喷雾方式冷却自旋转的所述工件至一定温度。
由上，在步骤6中在所述第二冷却室中采用间隙喷雾方式冷却，且工件自旋转可以更换换热面，使工件冷却均匀，提高工件性能的均匀性和稳定性。
较佳的，
步骤1中坯料是在感应加热炉中加热使其由原始退火态铁素体和珠光体组织转变成奥氏体的；
步骤2中加热完成的坯料转至楔横轧模具中轧制成形为工件；
步骤3中所述工件转运至第一冷却室冷却至一定温度；
步骤4中将所述工件转运至第一加热炉的低温加热区加热至一定温度并保温一段时间；
步骤5中将所述工件转运至所述第一加热炉的高温加热区加热至一定温度并保温一段时间；
步骤6中将所述工件转运至第二冷却室冷却所述工件至一定温度；
步骤7中将所述工件转运至第二加热炉中加热保温一段时间。
附图说明
图1为实施例齿轮轴结构示意图；
图2为齿轮轴等温正火工艺流程图；
图3为实施例齿轮轴材料连续冷却转变曲线图；
图4为实施例齿轮轴材料等温转变曲线图；
图5为600℃等温过程膨胀量与等温时间的关系曲线图；
图6为齿轮轴经等温正火处理后的显微组织；
图7为齿轮轴硬度值测量位置示意图。
具体实施方式
一种等温正火工艺，可以在工件奥氏体化保温一定时间后，冷却使组织由奥氏体转变为均匀的铁素体和珠光体组织，同时又能合理利用轧后余热，节约能源和工艺成本，其包括：
步骤1、将圆柱坯料在感应加热炉中加热使其由原始退火态的铁素体和珠光体组织转变成奥氏体；
将低碳低合金渗碳钢的圆柱毛坯放在所述感应加热炉中加热至1100～1300℃，并根据工件直径确定保温时间，一般保温10～30min，使其由原始退火态的铁素体和珠光体组织转变成奥氏体，这样毛坯奥氏体化并成分均匀，圆柱毛坯的变形抗力降低，便于后续轧制成形。
步骤2、将加热奥氏体化后的圆柱坯料运用辊道运至楔横轧机的楔横轧模具中轧制成形得到直径为20～200mm的齿轮轴，组织仍然为奥氏体，此时终轧温度为900～1100℃，有利于齿轮轴发生动态回复和再结晶，减轻带状组织；
步骤3、将轧制成形后的齿轮轴运用辊道和机械手转运至第一冷却室以3～30℃/min的速度风冷至300～500℃，使其组织由奥氏体转变为方向性弱的铁素体和珠光体，防止后续奥氏体化过程发生组织遗传又重新变成晶粒过大的奥氏体，从而有利于细化奥氏体晶粒；
步骤4、将步骤3中冷却后的300～500℃的齿轮轴放在第一加热炉的低温加热区加热至600～750℃，保温时间为10～40min，齿轮轴的组织不发生转变。这样减少了其在加热过程中的吸热，大大降低了能源消耗；
第一加热炉低温加热区温度为600～750℃，齿轮轴从300～500℃加热到600～750℃，可以使齿轮轴从外到内受热均匀，同时利用300～500℃的余热，减少了加热到600～750℃的时间，也节省了热能，相比于常规的等温正火工艺处理方式，在齿轮轴轧制成形冷却至室温后再放入第一加热炉中加热，每生产一吨齿轮轴可节省约60度电，每天工厂生产10吨齿轮轴，每月工厂可节省用电18000度电；另外600～750℃低于材料的Ac1温度，齿轮轴的组织未转变为奥氏体，可防止奥氏体晶粒长大。
步骤5、将齿轮轴从第一加热炉的低温加热区移至高温加热区，加热至850～950℃，保温30～120min，齿轮轴的组织由铁素体和珠光体转变为奥氏体，并完成奥氏体成分的均匀化；
齿轮轴放在第一加热炉高温区加热保温，温度从600～750℃加热至850～950℃，高于材料的Ac3温度，保温时间为(60～120)min，齿轮轴由方向性弱的铁素体和珠光体组织重新转变为均匀的奥氏体组织，进一步减轻带状组织。
在第一加热炉中设立低温加热区和高温加热区，在低温区加热利用第三步的冷却余热，节省了热能；在高温区加热，使齿轮轴的组织转变为奥氏体，带状组织进一步减少；如果在第一加热炉中不设置低温加热区和高温加热区，而是直接设置为高温加热区，齿轮轴从300～500℃加热至850～950℃需要的热能是一定的，在相同的加热保温时间内不仅会造成热量的浪费，也会让齿轮轴提前加热至850～950℃，使齿轮轴的组织提前转变为奥氏体，且奥氏体晶粒长大，影响齿轮轴的性能。
步骤6、运用第一加热炉的传动机构将齿轮轴转送至第二冷却室采用间隙式喷雾冷却至400～600℃，此时齿轮轴不发生组织转变；
齿轮轴放在所述的冷却室中间隙喷雾冷却，有利于齿轮轴的均匀冷却，同时喷雾冷却速度较快，齿轮轴组织以过冷奥氏体的形式存在，这种过冷奥氏体在下一步的等温过程中转变为铁素体和珠光体。
间隙喷雾冷却的同时工件在第二冷却室内自旋转，减小芯表温差，有利于在下一步的等温加热过程中得到均匀的铁素体和珠光体组织。
步骤7、通过第二加热炉的传动机构将在第二冷却室冷却后的齿轮轴转运至第二加热炉中等温加热至500～700℃，且加热时间为60～240min，使齿轮轴的组织由奥氏体转变为均匀的铁素体和珠光体。
步骤8、将在第二加热炉加热后的齿轮轴转运至第三冷却室强制喷雾快冷至室温；
齿轮轴在第三冷却室由(500～700)℃冷却至室温方便后续工序的操作，在此阶段不发生组织转变，其中喷雾冷却的方式。
其中第6步和第8步中采用的喷雾冷却方式的喷风量和喷雾量均可调节。
通过以上几个成型和等温正火热处理工艺步骤，得到了组织较为均匀的铁素体和珠光体的齿轮轴。齿轮轴硬度分布均匀、合理，方便后续的机加工和渗碳淬火处理。其中第四步中在第一加热炉的低温加热区利用了第三步齿轮轴的轧后余热，节约了电能，提高了生产效益；第五步中，齿轮轴的铁素体和珠光体重新转变为奥氏体，使齿轮轴的带状组织减少，塑性和韧性得到有效改善；第六步中采用间隙控冷的冷却方式，使过冷奥氏体组织均匀，以便在第七步能得到均匀铁素体和珠光体等温正火态组织，带状组织在允许级别，该热处理工艺适合连续、大规模、批量化生产。
下面列举以上热处理工艺的具体实施例来对其进行说明：
如图1所示的齿轮轴，其化学成分如表1所示。
表1齿轮轴化学成分(质量分数，wt％)
Figure GDA0002376436920000071
图2为本实施例的工艺流程曲线，该热处理工艺包括如下步骤：
步骤1、将下料好的坯料在感应加热炉中加热，加热温度为1300℃，加热和保温时间为15min，使其由原始退火态的铁素体和珠光体组织转变成奥氏体，对应图2中的第一阶段；
步骤2、将加热好的坯料输送至楔横轧机中楔横轧轧制成形，得到齿轮轴，开轧温度为1250℃，终轧温度为950℃，该步骤中组织没有改变仍为奥氏体，对应图2中的第二阶段；
步骤3、运用辊道和机械手将轧制成形后的齿轮轴放入第一冷却室中冷却，通过冷却风道对齿轮轴强制风冷，终冷温度约为450℃，冷却时间为40min，冷却速度约为12℃/min，根据其CCT曲线(如图3所示)，在此冷却过程中齿轮轴的组织由奥氏体转变为方向性弱的铁素体和珠光体，降低后续奥氏体化过程发生组织遗传倾向，对应图2中的第三阶段；
步骤4、用第一加热炉的传动机构将第一冷却室中的齿轮轴自动转运到第一加热炉的低温加热区从450℃加热至600℃并保温，加热和保温时间共30min。加热保温低于材料的Ac1温度，齿轮轴在此过程中未发生组织转变，这一过程利用了第三步的余热，节省了热能，对应图2中的第四阶段；
步骤5、运用第一加热炉的传动机构将低温区加热后的齿轮轴转运到第一加热炉的高温区加热至920℃保温，加热保温时间90min，齿轮轴组织由铁素体和珠光体重新转变为奥氏体，使带状组织减少。同时齿轮轴在炉内前进，加热保温时间到时，齿轮轴被输送至第一加热炉出料炉口，对应图2中的第五阶段；
步骤6、用转移小车将齿轮轴从第一加热炉出料炉口转移到第二冷却室，采用间隙式喷雾冷却至约550℃，冷却时间约20min。在冷却的同时齿轮轴在第二冷却室内自旋转，更换换热面，齿轮轴冷却均匀，对应图2中的第六阶段；
步骤7、通过第二加热炉的传动机构将齿轮轴由第二冷却室转运到第二加热炉中加热至600℃保温，加热保温时间为180min；该材料的等温转变曲线和600℃等温的膨胀曲线如图4和图5所示，在600℃齿轮轴组织由奥氏体全部转变为铁素体和珠光体组织，对应图2中的第7阶段；
步骤8、将齿轮轴转运至第三冷却室，强制喷雾冷却至室温，转运至下道工序，对应图2中的第8阶段。
经上述几个步骤处理后，齿轮轴的显微组织照片如图6所示，硬度分布如表2所示，硬度采集点如图7所示。由此可见，齿轮轴的组织为铁素体和珠光体，且组织均匀，带状组织不明显，硬度差较小，有利于后续的机加工工艺和渗碳淬火变形的控制。
表2齿轮轴硬度值
Figure GDA0002376436920000081
Figure GDA0002376436920000091
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明等温热处理工艺除了可以对齿轮轴进行热处理外，还可以对其他工件进行热处理，只要加热成型为工件后带状组织明显，需要重新生成奥氏体，都可用该等温热处理工艺提高工件的机加工和机械性能。

Claims (1)

1.一种等温正火热处理工艺，其特征在于，其包括：
步骤1，将坯料放在感应加热炉中加热至1100~1300℃，保温10~30min，使其由原始退火态铁素体和珠光体组织转变成奥氏体；
步骤2，将加热完成的坯料转至楔横轧模具中轧制成形为工件，终轧温度为900~1100℃，使该过程工件组织不变仍为奥氏体；
步骤3，将所述工件转运至第一冷却室，采用风冷方式冷却至300~500℃温度，使所述工件组织由奥氏体转变为铁素体和珠光体；
步骤4，将所述工件在第一加热炉的低温加热区加热至600~750℃温度并保温10~40min，使所述工件组织保持不变；
步骤5，将所述工件在第一加热炉的高温加热区继续加热至850~950℃温度并保温30~120min，使所述工件组织由铁素体和珠光体转变为奥氏体；
步骤6，将所述工件在第二冷却室冷却所述工件至400~600℃温度，控制所述工件组织不发生转变；且所述冷却方式为：采用间隙喷雾方式冷却自旋转的所述工件；
步骤7，将所述工件转运至第二加热炉中加热保温至500~700℃，加热保温60~240min，使所述工件组织由奥氏体转变为铁素体和珠光体；
步骤8，将所述工件转运至第三冷却室，采用喷雾方式强制快冷至室温；
所述工件为齿轮轴，材质为低碳低合金渗碳钢。
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