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20CrMnTi钢球化退火工艺的开发
1.前言
邢钢邢台新光线材精制有限责任公司的20CrMnTi钢适用于冷镦加工的磷皂化退火拉丝线材，广泛用于制造在Φ30 mm以下，承受高速、中等载荷或重载荷，以及有冲击和摩擦的重载渗碳零件，如齿轮、齿轮轴、齿圈、十字圈、爪形离合器、蜗杆、锚具夹片等。由于冷成型工艺对材料的强度、硬度和塑性有更高的要求，而在诸多热处理工艺中球化退火处理对降低材料的强度和硬度以及提高材料的塑性无疑是最明显的，球化退火工艺是整个产品开发过程中的重中之重。
2.球化退火后性能目标
为了保证最终产品的冷成型工艺性能，要求材料在退火后具有低强度、低硬度、高塑性、均匀组织、无脱碳或轻微脱碳。
3.球化退火工艺的开发
球化退火主要应用于高碳钢，其工艺已经规范，操作也明确，球化效果显著，是比较容易进行的。而低碳钢球化退火应用较少，没有成熟的工艺就需要对20CrMnTi钢的球化退火工艺进行研究。20CrMnTi钢的性能目标如表1所示。
表1 20CrMnTi钢的性能目标
| 抗拉强度 |
延伸率 |
面缩率 |
硬度HRB |
球化级别 |
全脱碳 |
总脱碳 |
| ≤440Mpa |
≥30% |
≥70% |
≤84 |
≥4级 |
≤0.03 |
≤0.10 |
3.1材料状态及设备情况
3.1.1材料状态确定
材料规格为Φ26.3 mm，卷重2 t，内径950 mm、外径13 00 mm
材料状态：低温退火后粗抽状态。这主要是由于20CrMnTi线材热轧性能限制及多工位冷镦机对材料尺寸精度、表面和抗拉强度、硬度、塑性的高要求，而热轧盘条直接退火+酸洗涂层+拉丝的工艺流程或者不能保证强度和塑性要求或者不能保证良好的尺寸精度，因此只能选择热轧盘条+低温退火+酸洗磷化+粗抽+球化退火+酸洗磷化皂化涂层+精抽的工艺流程才能够保证获得最佳塑性、最低的强度和硬度、良好的尺寸精度和表面涂层。而低温退火目的仅仅是使降低热轧盘条的强度和硬度以利于拉拔，因此不需要过高要求。
3.1.2退火设备
退火炉是从韩国进口的辊底式短周期热处理炉，采用炉顶风扇强制炉内吸热式气氛进行循环，上下两排辐射管的加热方式以及气氛循环系统能够保证炉内温度控制在±5 ℃之内，保证材料处理后组织均匀，不产生脱碳和渗碳。
3.2试验方法
按照常规制定热处理工艺的方法，查得20CrMnTi钢加热开始形成奥氏体的温度(Acl点)为715 ℃；亚共析钢加热时所有铁素体均转变为奥氏体的温度(Ac3点)为843 ℃；高温奥氏体化后冷却时，奥氏体分解为铁素体和珠光体的温度(Arl点)为1,157 ℉，亚共析钢高温奥氏体化后冷却时铁素体开始析出时的温度(Ar3点)为795 ℃［1］。常用的热处理工艺主要有：
（1）在Acl以下长时间保温球化退火。
（2）在Acl~Ac3区域保温进行不均匀奥氏体化后缓冷退火。
（3）在Acl~Ac3区域保温进行不均匀奥氏体化后降温等温球化退火。
（4）在Acl温度附近进行多次循环加热及冷却的周期循环球化退火。
其中等温球化退火最适合现有设备，并且处理时间相对节省，一定程度上能够提高生产效率，因此采用第三种等温球化退火工艺。
3.2.1第一种球化退火工艺
热装炉以最快速度升至500 ℃后以100 ℃/h速度升至760 ℃保温5 h，快速冷却至720 ℃保温5 h，以20 ℃/h速度降至650 ℃出炉，期间以吸热式气氛保护，气氛参数设置不再讨论。
3.2.2第二种球化退火工艺
热装炉以最快速度升至500 ℃后以100 ℃/h速度升至780 ℃保温3 h，快速冷却至680 ℃保温5 h，以25 ℃/h速度降至500 ℃出炉，期间以吸热式气氛保护，同样不讨论气氛参数设置。
3.3实验结果及分析
3.3.1力学性能检验
3.3.2显微组织观察
通过金相显微组织观察和分析，同样证明第二种工艺球化退火效果明显不如第一种工艺，球化级别分别为5级和4级。第一种工艺处理后的材料碳化物全部为球化体或点状球化体，而第二种工艺处理的材料虽然也满足球化组织要求，但是仍然有部分珠光体片存在。
对于脱碳情况，由于保护气氛的合理使用，两种工艺生产出来的材料脱碳层均得到了有效的控制，完全满足客户使用的要求，其中全脱碳层为0，总脱碳层为0.03 mm。
3.3.3产品试用结果
分别将上述两种工艺得到的材料进行了最终的酸洗涂层和拉拔处理，送到客户处进行试用，使用结果表明虽然两种材料都能够使用，但第一种材料使用时的模具消耗等要低于第二种材料，而且第一种材料的实际使用效果也与其以前使用的材料相当，但由于还有改进空间（在铁素体基体上均匀弥散分布的全部球化体即6级球化），因此客户仍希望继续改进进一步降低材料强度、硬度和提高塑性。
4.结论
根据上述试验结果及理论分析，综合考虑效率、能耗、材料处理效果以及客户实际使用效果，认为目前虽然退火后性能指标未完全满足目标要求，但已经能够满足客户的基本要求，可以使用第一种球化退火工艺进行批量生产。但是在批量生产的同时仍需要寻求改进的机会，以进一步改善材料的实际使用效果。