大型鍛件的均勻性研究

1、大型鍛件的均勻性研究 材料成型及控制工程 0916150108 曹玄揚 指導老師：樊新民 研究背景及目的 40crnimo是常用的一類優(yōu)質調質鋼材料，制作爬升齒輪時，由于本 身的尺寸限制，造成鍛壓力分布的不均勻，鍛后組織常以不均勻的形 態(tài)分布，導致鍛件質量不能達標，影響整體鍛件質量。 課題通過對鍛后爬升齒輪上不同圓周部位的組織均勻性進行對比研究， 討論了其對產品質量和力學性能的影響。 論文的結構和主要內容 第一部分 鍛造工藝簡介 第二部分 力學性能結果分析 第三部分 金相組織觀察分析 第四部分 全文總結 第一部分 鍛壓工藝簡介 爬升齒輪的整個鍛壓工藝分為加熱鍛壓熱裝爐熱處理測 試粗車探傷檢測等

2、工序。 保 溫 600 10 850 10 保 溫 升 溫 80 / 時 升 溫 120 / 時 保 溫 1240 10 溫 度 4.06.06.0 時 間 （ 小 時 ） 圖1.1 爬升齒輪鍛前加熱工藝路線 350-650 待料 65010 保 溫 升 溫 10 / 時 88010 保 溫 吊 下 霧 冷 卻 280-350 保 溫 升 溫 60 / 時 65010 保 溫 爐 冷 50 / 時 400 爐 冷 50 / 時 200 出爐 度 溫 時 間（小時） 圖1.2 爬升齒輪鍛后熱處理工藝路線 圖1.3 爬升齒輪粗車的尺寸要求 經(jīng)粗車后的鍛件按要求分別在大圓表層、芯部，小圓中間部分 切

3、取所需試樣，進行沖擊和拉伸實驗。 第二部分 力學性能測試 拉伸試樣按照國標gb/t228的標準，直徑選取為d0=10mm ，標距 l0=50mm ，拉伸速度2mm/min ，即l0=5d0 。 分別測定每組試樣的屈服強度、極限拉伸強度、延伸率、斷面收縮 率等參數(shù) ，結果如表2.1。 序號屈服強度 （mpa） 抗拉強度 （mpa） 斷面收縮率 （%） 斷后伸長率 （%） 1#大圓芯部 2#大圓表層 3#小圓中部 398 398 374 738 726 718 18 22 16 50 55 48 表2.1 拉伸試驗 1 拉伸試驗 圖2.1 拉伸試樣的應力-應變曲線 從圖中可以看出， 鍛件芯部與表層

4、的 屈服強度和抗拉強 度并沒有太大的差 異，芯部的塑性略 有降低，但程度不 大。 2 沖擊試驗 沖擊試樣按照gb/2975 的標準進行加工，尺寸為 10mm10mm55mm ，試驗在常溫下進行，先將試樣加工成缺口深 度為2mm的夏比u型缺口標準沖擊試樣 。沖擊值如表3.2所示。 序號平均值（j） 1#大圓芯部 2#大圓表層 3#小圓中部 20 24 24 22 24 24 21 26 28 21.0 24.7 25.1 表2.2 試樣的沖擊功 沖擊斷口 斷口分析 從圖中可以看出，三個試樣的整個斷面都被結晶區(qū)覆蓋，無明顯的放 射區(qū)，這也說明了爬升齒輪粗車后的沖擊功低。1#大圓芯部試樣較2# 大圓

5、表層試樣和3#小圓中部試樣剪切唇面積小，整個斷面平整，無韌 窩狀，從這亦可看出1#小圓中部試樣沖擊韌性最差。2#和3#仍是延性 斷口，出現(xiàn)明顯韌窩，但整體沖擊功并不高。大圓心部的沖擊性能相 對表面下降幅度較大，這歸根到底還是由金屬內部組織不均勻的原因 導致的，心部性能大幅度下降的原因，主要是鍛件中心偏析帶組織與 鐵素體+珠光體顆粒的晶粒尺寸不均勻引起的。 第四部分 金相組織觀察 在不同的部位各選取一個沖擊樣，經(jīng)過打磨拋光，用4%硝酸酒精腐蝕 后，拍取的金相下如圖 從圖中可以看出，40crnimo鋼鍛后的金相組織混晶現(xiàn)象特別明顯，且 組織分為兩種形態(tài)，其中一種為正常的鐵素體+珠光體，通過鍛件鍛

6、后的熱處理工藝可以看出，鍛后組織一部分為正火態(tài)。 圖中的黑色偏析帶則是另一部分，其組織顯示為回火索氏體, 在熱處 理最后階段650回火后出現(xiàn)。圖2#中鐵素體較3#與1#中小且成均態(tài) 分布，通過幾組不同視場的統(tǒng)計，大圓芯部組織中回火索氏體占整個 視場的比例約為50%，大圓邊上組織中回火索氏體也占50%，小圓中 部回火索氏體則只占有30%。 各部分的回火索氏體組織 一般認為黑色偏析帶組織出現(xiàn)的主要原因是由于應力場和化學元素的 不均勻分布，導致高溫奧氏體化過程中，奧氏體中的合金元素含量將 不均勻分布，使其晶粒長大傾向不一。碳化物形成元素富集區(qū)易殘留 未溶碳化物和降低碳原子擴散速度而抑制晶粒長大，貧化

7、區(qū)晶粒則易 長大。易出現(xiàn)混晶組織。如果能使晶體內的碳趨于均勻化，且采用較 快的冷卻速度，使過冷奧氏體在較低溫度下轉變碳不能充分擴散到 碳化物形成元素富化區(qū)，便可減少黑色偏析帶組織的分布。所以，因 為大圓表層應力場較之芯部的應力場比較強且均勻，冷卻相對較快， 所獲能量高，晶粒形核較多，相對來說會呈現(xiàn)比較均勻的組織形態(tài)。 晶粒度測定實驗 用過飽和苦味酸加少量十二基烷基苯磺酸鈉腐蝕劑腐蝕以顯示 40crnimo鋼鍛后回火索氏體組織的晶粒晶界，在金相顯微鏡上觀察組 織如下圖 圖1中可以看出40crnimo鋼鍛后芯部組織晶粒尺寸大小分布很不均勻， 其晶粒直徑分布在幾m到幾十m不等,出現(xiàn)混晶現(xiàn)象。經(jīng)過截直

8、線法 計算出平均晶粒直徑為32m，其中在30m 以上的晶粒占到20%。圖 2中組織晶粒大小相對1圖來說比較均勻，且更加細小，尺寸分布在10- 30m的晶粒占視場中70%，平均晶粒直徑為25m。3圖中的組織晶粒 大小介于1圖與2圖之間，平均晶粒尺寸為29m，組織也不是很均勻， 出現(xiàn)混晶現(xiàn)象，最大晶粒尺寸達到48m。 熱鍛過程中大圓表層溫度高, 變形程度大, 熱鍛后爬升齒輪表層溫度下 降較快, 晶粒生長時間比較短, 不易出現(xiàn)過分長大的晶粒, 因此 40crnimo鋼爬升齒輪表層晶粒比較均勻。在鍛件加熱過程中大圓芯部 應變相對低于表面的應變, 動態(tài)再結晶過程中晶界的遷移容易導致固 溶碳原子留在晶粒邊

9、界處, 造成固溶碳碳原子的集中和不均勻性。加 之熱鍛后冷卻過程厚度方向存在溫差,齒輪軸心部溫度下降較慢, 在表 層晶粒停止生長后, 在心部由于固溶碳原子及滲碳體的分布不均勻,部 分碳含量較小的區(qū)域晶粒會繼續(xù)長大, 而部分區(qū)域晶粒由于固溶碳及 滲碳體的的阻礙作用很難長大, 形成1#大圓芯部試樣與3#小圓芯部試 樣晶粒的混晶現(xiàn)象。 不同組織的硬度分析 為了進一步探究鍛后組織對鍛件質量的影響，通過顯微鏡找取三種不 同類型試樣中的金相組織進行硬度測量，每種試樣的同種組織部位都 選擇3個點進行測定，然后取平均值，見表4.1所示。 表4.1 不同組織形貌的硬度值（hv） 鐵素體+珠光體 過渡層 深層回火索

10、氏體 1# 163.0161.7170.4184.0185.6190. 8 222.8238.8237.7 2# 188.1196.9191.6226.1226.1230. 2 278.4258.2255.5 3# 189.9198.7195.8221.1230.2226. 7 246.4240.1241.6 鐵素體+珠光體 壓痕 過渡區(qū)壓痕 深層回火珠光體壓痕 自由鍛工藝采用鐓粗與拔長結合，在鐓粗過程中產生大量的位錯，使 得鍛件內部的纖維交錯、位錯塞積更加嚴重，使得變形難以進行，變 形抗力顯著升高，鍛件表層的應力、應變場相對芯部與小圓中部更加 復雜，使得位錯更多，硬度值也最高。 第四部分 全文總結 鍛件中由于偏析組織的存在，導致鍛件抗拉強度、屈服強度較低，特 別是沖擊韌性的下降。 鍛后熱處理調質完后有回火索氏體組織存在于黑色偏析帶中，且表層 組織晶粒細小均勻，芯部組織晶粒粗細不均，出現(xiàn)混晶現(xiàn)象。 鍛件表層的應力、應變場相對芯部與小圓中部更加復雜，硬度值也最 高。 制定更好的工藝使