冷挤压对渗碳淬火类零件金相组织的影响

1、冷挤压对渗碳淬火类零件金相组织的影响 刘百宣·，刘华，霍艳军，孙红星，王伟钦，刘丹 （郑州机械研究所河南郑州） 【摘要】：本文论述了各种因素对冷挤压件渗碳淬火金相组织的影响，对退火产生的表面脱碳、原始晶粒度及冷挤产生的残余应力、晶体织构等因索进行了试验研究。结果表明晶体内的残余应力或晶体织构是产生粗针马氏体的主要原因。 【关键词】：冷挤压；渗碳淬火；马氏体；残余应力 ， ， ， 【】： ， 培， 【】： ； ； 前言 在制造业中，由于冷挤压成形具有精度高、效率高、成本低等诸多优势而得到广泛应用。但随着冷挤压应用范围的进一步推广，也出现了一些问题。其中晶粒细化本是冷挤压成形的优势之一，

2、而在实际生产中发现冷挤压件经过渗碳淬火后其马氏体变得粗大，影响了产品质量，而同炉处理的热成形件却得到了较细的马氏体组织。本文通过对一系列试验研究的结果进行探讨，来找出冷挤压件中哪些因素是造成渗碳淬火过程中晶粒长大的原因，并找出解决问题的可行方案。问题的分析 在实际生产中，为了提高产品质量以及降低成本，很多原来采用热成形的零件通过技术改造采用了冷挤压成形。但对于一些渗碳淬火类零件，采用冷挤压件后发现，渗碳淬火后其马氏体晶粒比热成形件粗大，不能满足产品的质量要求。如果找出影响冷挤压件渗碳淬火后马氏体粗大的原因并解决，将会大大提高产品质量，降低产品成本、增加市场竞争力，同时为冷挤压技术开阔更广泛的应

3、用前景。为了解决以上问题，就要对冷、热成形零件的整个加工过程进行对比分析。 采用冷挤压生产的工艺方案如下： 原材料下料软化退火一表面润滑处理冷挤压。去应力退火机械加工渗碳淬火磨削加工： 采用热成形生产的工艺方案如下： 原材料下料感应加热一热成形一正火机械加工一渗 ··碳淬火磨削加工。 通过以上两种工艺进行对比分析，可以列出可能影响冷挤压件马氏体晶粒粗大的原因有以下几种：· 原材料的金相组织； 退火处理：金相组织和表面脱碳层； 锻造：冷挤压产生的残余应力以及晶体的晶向结构； 锻后热处理：渗碳淬火前的金相组织。试验方案的制定 针对上述分析，设计了一套试验方案来验证上述

4、因素对渗碳淬火后马氏体晶粒粗大影响的作用。试验材料的选定 （）这种材料被广泛应用于齿轮、传动轴、活塞等汽车、拖拉机零件的制造，是一种典型的常用渗碳钢材料，很具代表性成形方案的制定 在冷挤压技术中其最基本的成形方式有两种：正挤压和反挤压，各种形状的冷挤压件均为这两种成形方式的不同组合。但不管哪种成形方式其金属形变机?硎窍嗤模岳浼费购笊既却淼挠跋煸硪彩窍嗤摹虼耸匝榻龆哉费拐庖恢殖尚畏绞浇腥芯俊缤迹保和贾校嵛嘶鸫淼拿鳎馕峋费钩尚蔚睦浼费辜湔繁湫瘟课矗梗湫瘟渴手小? 图试验样件成形示意图 为了进行对比研究，采用和图一样尺寸的未退火毛坯进行热成形，成形锻件形状及尺寸同图。试样的选取 为了确定影响冷挤压件

5、渗碳淬火组织的因素，将分两组对不同状态的毛坯及锻件进行金相组织的观察，以利于对比研究。 第一组：在渗碳淬火前对同一炉号的材料按照试验工艺进行冷挤压和热成形生产的不同阶段选取试样； 第二组：对第一组试样在同一炉中进行渗碳淬火后取样。 金相试样取自中的纵向剖面，便于观测脱碳层、渗碳层和晶粒的变形。 ：· 试验、结果与讨论 试验 原材料：选用大冶特钢生产的的材料，经直读光谱分析其化学成分（见 表）符合的要求。 表试验用的化学成分 成形及取样 根据设计的试验工艺路线，进行了冷挤压和热成形工艺流程，并在渗碳淬火前其各工序 留取第一组试样，观测记录其金相组织和晶粒度；对第一组试样在同一井式渗碳炉

6、中同时进 行渗碳淬火，以保证试验结果的可对比性。渗碳层厚度要求一，观测记录其金相 组织和晶粒度。 结果、讨论与分析 试验结果：见表、表。 表是在金相显微镜下依据 （金属平均晶粒度测定方法评定试样 的晶粒级别。由于 不适用于大变形下的冷挤压件的晶粒度测定，试样未 热处理冷挤压件的晶粒沿挤压方向拉长、破碎，表中仅是依据该标准给出的参考结果，便于与其他 试样对比。试样表面有纯铁索体层，说明其表面因退火处理产生的脱碳层厚度为 ，车外径后表面脱碳层能够被加工去除。 从表可以看出冷挤压件与热成形件对应状态下的晶粒度相近。 表是在×金相显微镜下依据 （汽车渗碳齿轮金相检验评定渗 碳淬火后试样的马氏

7、体晶粒级别。根据有关产品的技术要求，合格产品的马氏体晶粒尺寸 小于工，相应的晶粒度级别不低于级、）口 从表可以看出三种状态下的试样金相组织不能满足产品对渗碳淬火马氏体晶粒度的 要求，分别是：未热处理冷挤压件；：冷成形后。去应力退火；：去应 力退火后外径车削。 表渗碳淬火前试样组织状态（） 试样状态 金相组织 品粒尺寸 晶粒级别 原始棒料 。 完全退火 球化退火 仙 冷 未热处理冷挤压件 挤 。去应力退火 岬 压 。正火 去应力退火后车外径 正火后车外径 未热处理热成形件 热 正火 锻 正火后车外径 注：一铁索体；一珠光体 表渗碳淬火后试样组织状态 渗碳淬火前试样状态 马氏体晶粒尺寸 晶粒级别

8、原始棒料 完全退火 仙 球化退火 冷 未热处理冷挤压件 山 挤 。去应力退火 ， 压 木正火 去应力退火后外径车削 正火后外径车削 山 热 未热处理热?尚渭? 山 成 正火 斗 形 正火后外径车削 比 讨论 试验结果表明冷挤压前的原材料、完全退火和球化退火试样虽然在渗碳淬火前的晶粒 度较粗大，但得到的马氏体晶粒度合格；热成形三种状态的马氏体晶粒度也满足要求，只有 冷挤压变形后三种状态下的试样金相组织不能满足产品对渗碳淬火马氏体晶粒度的要求， 说明冷挤压变形是渗碳淬火后其马氏体晶粒粗大的原因。 与试样在渗碳淬火前的晶粒度基本相同，但得到的马氏体晶粒度差距很大， 表明从渗碳淬火前试样的金相组织不能

9、判断是否能够得到合格马氏体晶粒度。 冷挤压时为了降低挤压力，必须对毛坯进行锻前退火处理，以软化坯料。经过退火处理 的坯料，在表面会形成的脱碳层，而这的脱碳层正好是渗碳淬火组织 所在的深度范围。但是三组外径车削去除脱碳层及其对应相同状态试样； ；得到的马氏体晶粒度分别相同，说明表面脱碳层对渗碳淬火后其马 氏体晶粒大小基本没有影响。 冷挤压变形后正火状态下的试样金相组织满足产品对渗碳淬火马氏体晶粒度的要求， ··说明正火消除了冷挤压变形对渗碳淬火的影响。分析 与热成形变形相比，冷挤压变形在变形过程中金相组织晶粒经过变形被破碎、细化，沿变形方向被拉长，这也是冷挤压能够强化机械性能

10、的原因。但是晶粒的晶向也沿变形方向排列，形成了具有一定方向的纤维组织，使锻件的机械性能出现了各向异性。 冷挤压在提高锻件机械性能的同时也产生了大量残余应力，残余应力的存在使得冷挤压件变形部分的机械性能得到了强化，也对后续热处理的金相组织产生了影响。因此，为了减少对最终热处理的影响，就要先通过冷挤压后的预先热处理来消除残余应力的影响。 冷变形产生的残余应力可以分为三类¨： 第一类：分布在不同的大变形区之间； 第二类：因相临晶粒不同的变形程度产生； 第三类：晶粒内部变形不均匀产生的残余应力。 第一、二类残余应力可以通过加热到再结晶温度消除（。， ），既再结晶退火处理，可以降低冷变形金属的

11、硬度、提高塑性，恢复并改善材料的性能，是冷挤压生产中常用的中间工序。从表中试样和金相组织可以看出被冷挤压变形拉长的晶粒，通过再结晶退火处理恢复到等轴晶粒。但是表中试样和的马氏体晶粒度不合格，说明第一、二类残余应力不是渗碳淬火后其马氏体晶粒粗大的原因，而第三类残余应力有可能是其主要原因。第三类残余应力只有经过相变才能消除（表中试样和）。 为了消除第三类残余应力就需要对冷挤压件进行正火处理，即加热到相变温度以上，使冷挤压件的金相组织从铁素体珠光体转变为奥氏体，再通过空冷转变为铁素体珠光体，因冷变形产生的残余应力可完全被消除，这就是冷挤压件正火处理后再渗碳淬火能够得到合格马氏体晶粒度的原因。结论 ）冷挤压件在渗碳淬火时易形成粗大马氏体； ）从渗碳淬火前试样的金相组织不能判断是否能够得到合格马氏体晶粒度； ）锻前退火处理产生的表面脱碳层与此现象无关； ）冷挤压产生的第三类残余应力或变形织构是形成粗针马氏体的主要因素 ）冷挤压件经过正火处理，可消除残余应力或晶体织构的影响，得到合格的渗碳淬火组织。参考文献： 【 （合金结构