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20CrMnTi鋼球化退火工藝的開發(fā)
1.前言
?????邢鋼邢臺新光線材精制有限責(zé)任公司的20CrMnTi鋼適用于冷鐓加工的磷皂化退火拉絲線材，廣泛用于制造在Φ30 mm以下，承受高速、中等載荷或重載荷，以及有沖擊和摩擦的重載滲碳零件，如齒輪、齒輪軸、齒圈、十字圈、爪形離合器、蝸桿、錨具夾片等。由于冷成型工藝對材料的強度、硬度和塑性有更高的要求，而在諸多熱處理工藝中球化退火處理對降低材料的強度和硬度以及提高材料的塑性無疑是最明顯的，球化退火工藝是整個產(chǎn)品開發(fā)過程中的重中之重。
2.球化退火后性能目標(biāo)
?????為了保證最終產(chǎn)品的冷成型工藝性能，要求材料在退火后具有低強度、低硬度、高塑性、均勻組織、無脫碳或輕微脫碳。
3.球化退火工藝的開發(fā)
?????球化退火主要應(yīng)用于高碳鋼，其工藝已經(jīng)規(guī)范，操作也明確，球化效果顯著，是比較容易進行的。而低碳鋼球化退火應(yīng)用較少，沒有成熟的工藝就需要對20CrMnTi鋼的球化退火工藝進行研究。20CrMnTi鋼的性能目標(biāo)如表1所示。
?? 表1? 20CrMnTi鋼的性能目標(biāo)
| 抗拉強度 |
延伸率 |
面縮率 |
硬度HRB |
球化級別 |
全脫碳 |
總脫碳 |
| ≤440Mpa |
≥30% |
≥70% |
≤84 |
≥4級 |
≤0.03 |
≤0.10 |
?
3.1材料狀態(tài)及設(shè)備情況
3.1.1材料狀態(tài)確定
?????材料規(guī)格為Φ26.3 mm，卷重2 t，內(nèi)徑950 mm、外徑13 00 mm
?????材料狀態(tài)：低溫退火后粗抽狀態(tài)。這主要是由于20CrMnTi線材熱軋性能限制及多工位冷鐓機對材料尺寸精度、表面和抗拉強度、硬度、塑性的高要求，而熱軋盤條直接退火+酸洗涂層+拉絲的工藝流程或者不能保證強度和塑性要求或者不能保證良好的尺寸精度，因此只能選擇熱軋盤條+低溫退火+酸洗磷化+粗抽+球化退火+酸洗磷化皂化涂層+精抽的工藝流程才能夠保證獲得最佳塑性、最低的強度和硬度、良好的尺寸精度和表面涂層。而低溫退火目的僅僅是使降低熱軋盤條的強度和硬度以利于拉拔，因此不需要過高要求。
3.1.2退火設(shè)備
?????退火爐是從韓國進口的輥底式短周期熱處理爐，采用爐頂風(fēng)扇強制爐內(nèi)吸熱式氣氛進行循環(huán)，上下兩排輻射管的加熱方式以及氣氛循環(huán)系統(tǒng)能夠保證爐內(nèi)溫度控制在±5 ℃之內(nèi)，保證材料處理后組織均勻，不產(chǎn)生脫碳和滲碳。
3.2試驗方法
?????按照常規(guī)制定熱處理工藝的方法，查得20CrMnTi鋼加熱開始形成奧氏體的溫度(Acl點)為715 ℃；亞共析鋼加熱時所有鐵素體均轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度(Ac3點)為843 ℃；高溫奧氏體化后冷卻時，奧氏體分解為鐵素體和珠光體的溫度(Arl點)為1,157 ℉，亞共析鋼高溫奧氏體化后冷卻時鐵素體開始析出時的溫度(Ar3點)為795 ℃［1］。常用的熱處理工藝主要有：
（1）在Acl以下長時間保溫球化退火。
（2）在Acl~Ac3區(qū)域保溫進行不均勻奧氏體化后緩冷退火。
（3）在Acl~Ac3區(qū)域保溫進行不均勻奧氏體化后降溫等溫球化退火。
（4）在Acl溫度附近進行多次循環(huán)加熱及冷卻的周期循環(huán)球化退火。
其中等溫球化退火最適合現(xiàn)有設(shè)備，并且處理時間相對節(jié)省，一定程度上能夠提高生產(chǎn)效率，因此采用第三種等溫球化退火工藝。
3.2.1第一種球化退火工藝
?????熱裝爐以最快速度升至500 ℃后以100 ℃/h速度升至760 ℃保溫5 h，快速冷卻至720 ℃保溫5 h，以20 ℃/h速度降至650 ℃出爐，期間以吸熱式氣氛保護，氣氛參數(shù)設(shè)置不再討論。
3.2.2第二種球化退火工藝
?????熱裝爐以最快速度升至500 ℃后以100 ℃/h速度升至780 ℃保溫3 h，快速冷卻至680 ℃保溫5 h，以25 ℃/h速度降至500 ℃出爐，期間以吸熱式氣氛保護，同樣不討論氣氛參數(shù)設(shè)置。
3.3實驗結(jié)果及分析
3.3.1力學(xué)性能檢驗
3.3.2顯微組織觀察
?????通過金相顯微組織觀察和分析，同樣證明第二種工藝球化退火效果明顯不如第一種工藝，球化級別分別為5級和4級。第一種工藝處理后的材料碳化物全部為球化體或點狀球化體，而第二種工藝處理的材料雖然也滿足球化組織要求，但是仍然有部分珠光體片存在。
?????對于脫碳情況，由于保護氣氛的合理使用，兩種工藝生產(chǎn)出來的材料脫碳層均得到了有效的控制，完全滿足客戶使用的要求，其中全脫碳層為0，總脫碳層為0.03 mm。
3.3.3產(chǎn)品試用結(jié)果
?????分別將上述兩種工藝得到的材料進行了最終的酸洗涂層和拉拔處理，送到客戶處進行試用，使用結(jié)果表明雖然兩種材料都能夠使用，但第一種材料使用時的模具消耗等要低于第二種材料，而且第一種材料的實際使用效果也與其以前使用的材料相當(dāng)，但由于還有改進空間（在鐵素體基體上均勻彌散分布的全部球化體即6級球化），因此客戶仍希望繼續(xù)改進進一步降低材料強度、硬度和提高塑性。
4.結(jié)論
?????根據(jù)上述試驗結(jié)果及理論分析，綜合考慮效率、能耗、材料處理效果以及客戶實際使用效果，認(rèn)為目前雖然退火后性能指標(biāo)未完全滿足目標(biāo)要求，但已經(jīng)能夠滿足客戶的基本要求，可以使用第一種球化退火工藝進行批量生產(chǎn)。但是在批量生產(chǎn)的同時仍需要尋求改進的機會，以進一步改善材料的實際使用效果。