为消除大锻比20CrMoH钢制齿轮锻坯心部至1/2半径处畸变最为严重部位的流线状组织，研究了不同正火工艺对畸变最为严重部位的显微组织转变和硬度变化的影响。结果表明，880～920℃区间加热时，当加热时间超过2h时，等温温度在600℃以上保温1h即可消除锻坯组织遗传，消除变形流线铁素体晶粒度可达9级，同时硬度可由锻坯的249HBW大幅度降低至146～165HBW，且随着加热和等温时间的延长，正火效果没有明显增加。而当880～920℃区间加热时间缩短到1h时，等温温度需要达到630℃可取得相近效果，且能节省更多的能源，降低生产成本。
齿轮钢是汽车、铁路、船舶、工程机械中使用特殊合金钢中要求较高的关键材料之一，是保证安全的核心部件的制造材料。近几年，齿轮钢正朝着高性能、长寿命、齿轮运行平稳、低噪音、安全性、低成本、易加工、多品种等方向发展。正火是变速器齿轮、轴类零件锻造毛坯预先热处理的常用工艺。预处理的目的是获得均匀的P(珠光体) +F(铁素体)组织和适当的硬度，这对后续机加工切削性能以及最终热处理畸变有改善作用。齿轮钢中细小均匀的奥氏体晶粒，明显改善齿轮的疲劳性能，同时减少齿轮热处理后的畸变量。通过对齿轮钢锻造毛坯件不同热处理工艺的试验，分析显微组织硬度、铁素体晶粒度的变化，以期对20CrMoH钢齿轮锻件的热处理工艺选择提供参考依据。
试验钢为20CrMoH钢，其化学成分如表1所示，试验材料均取自锻造毛坯件的1/2半径处，试料尺寸为15mm×20mm×15mm。对锻造态、等温正火态试样(加热设备为箱式电阻炉)用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，分别进行显微组织观察、布氏硬度检验及铁素体晶粒度评级。试验材料取样位置如图1所示，热处理工艺如图2所示，热处理工艺编号及其参数如表2所示。
表1 20CrMoH 钢的化学成分(质量分数，%)
图1取样位置
图2试验材料的热处理工艺
表2热处理工艺编号及其参数
分别对原始锻件纵向及横向进行显微组织检验，如图3所示，纵向低倍观察可见明显锻造金属畸变流线(见图3(a)) ，横向观察可见轻微带状(0.5级) ，组织均为B+F。
图3 20CrMoH 钢锻件的显微组织 (a) 纵向; (b) 横向
由图4(a，b) 可见，经920℃加热1h+570℃等温1h未消除原始锻件贝氏体组织，且变形流线明显，延长等温时间至4h，局部仍存在贝氏体组织，但变形流线减弱由图4(c，d)可见，提高等温温度至600℃，等温1h后，原始锻件贝氏体组织及变形流线依然明显，延长等温时间至4h，局部仍存在贝氏体组织，变形流线较570℃等温4h减弱; 由图4(e，f) 可见，继续提高等温温度至630℃，等温1h时原始锻件贝氏体组织完全消失，存在变形流线，等温时间延长至4h时，变形流线完全消除。由图4(g～i) 可见，原始锻件经920℃加热2h，等温温度 600℃，等温时间分别为1、2、4h时，原始锻件贝氏体组织均完全消失，显微组织均为铁素体+珠光体; 由图4(j，k) 可见，延长加热时间至4h，等温时间分别在1、4h下，原始锻件贝氏体组织均完全消失，显微组织均为铁素体+珠光体，与920℃加热2h组织无明显区别; 由图4(l) 可见，原始锻件经880℃加热2h， 等温温度600℃，等温时间1h下，亦能达到理想的等温正火效果。
图4不同正火工艺下20CrMoH钢锻件的显微组织
通过以上分析可知，当加热温度在920℃加热1h条件下，延长等温时间、提高等温温度均有利于组织转变。当加热时长由2h延长至4h时，正火效果无明显变化。当加热温度在920℃加热2h，等温温度在600℃以上等温1h即可消除原始组织，且随等温时间的延长，正火效果亦无明显变化。通过对比试验发现，880℃与920℃保温2h，等温温度600℃保温1h，可获得近似的正火效果判断880℃与920℃保温1h，等温温度630℃保温1h也可取得相近的正火效果。
针对原始锻件各正火工艺进行布氏硬度检测原始锻件硬度为249HBW，正火处理后硬度较原始锻材硬度降低50HBW以上，各硬度检测值与正火工艺相对应，其中920℃保温1h、630℃等温4h工艺硬度值达到最低146HBW。试验结果显示，延长升温段时间、延长等温段时间、提高等温温度均可明显降低试样硬度，当等温时间达到2h后硬度值趋于稳定。不同正火工艺下试验材料的硬度值见表3。
表3不同正火工艺下试验锻件的硬度和铁素体晶粒度
表3不同正火工艺下试验锻件的硬度和铁素体晶粒度各正火工艺条件下，铁素体晶粒度级别均在9级以上，满足用户正火后8级以上的要求，见表3。通过正火后，材料相继发生奥氏体相变和贝氏体相变，在重新加热和相变过程中，产生了组织应力和热应力，促进奥氏体发生再结晶，新的晶核会在晶界、缺陷、应力集中处形核，在经历了重新形核与长大后，实现组织细化。经过试验发现， 延长正火时间或提升等温温度均有利于晶粒的细化。
随正火温度的升高，齿轮锻件原始组织明显改善，加热温度为920℃、加热时间1h时，等温温度达到630℃，保温1h可完全消除贝氏体组织，取得相近效果的铁素体形貌。
当加热温度为920℃、加热时间延长至2h，等温温度600℃保温1h，即可消除锻坯组织遗传，获得铁素体+珠光体组织，消除金属变形流线。
当加热温度为880℃、加热时间为2h，可获得与加热温度为920℃、加热时间2h相近效果的铁素体形貌，当加热温度在880～920℃区间，加热时间缩短到1h时，等温温度需要达到630℃才可取得相近效果。
延长升温段时间、延长等温段时间、提高等温度均可明显降低试样硬度，当等温时间达到2h后硬度值趋于稳定。
各正火工艺条件下，铁素体晶粒度级别均达到9级以上，延长正火时间或提升等温温度均有利于晶粒的细化。
来源：金属热处理