軸類鍛件調(diào)質(zhì)處理的伸長(zhǎng)變形

王松林

(張家港海鍋重型鍛件有限公司，江蘇215628)

鋼鍛件經(jīng)過淬火加熱和冷卻后，要發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，同時(shí)產(chǎn)生熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，會(huì)使淬火工件的形狀和尺寸發(fā)生變化，形成彎曲、翹曲、伸長(zhǎng)、縮短、孔漲、孔縮等畸變。工件熱處理畸變主要是由于金屬在加熱和冷卻過程中的熱脹冷縮，以及金屬相變產(chǎn)生的組織與相變前原始組織比體積不同所致。

結(jié)構(gòu)鋼鍛件經(jīng)粗加工調(diào)質(zhì)處理后，也會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，特別是細(xì)長(zhǎng)軸類鍛件(長(zhǎng)徑比>80)的彎曲變形，在生產(chǎn)中時(shí)常發(fā)生，生產(chǎn)廠家也比較重視。然而，對(duì)于大型軸類鍛件調(diào)質(zhì)處理后的伸長(zhǎng)變形，則往往被人們所忽視。因?yàn)檫@類鍛件經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，要在軸端套取試料進(jìn)行理化檢驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目合格后，即把軸端多余的試料切除掉，再轉(zhuǎn)入加工工序，所以忽略了軸的長(zhǎng)度變化。但是，對(duì)于兩端有連接法蘭的船用中間軸來說，長(zhǎng)度尺寸的變化非常重要，稍有不慎就有可能出現(xiàn)廢品，造成不應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)損失。例如，35CrMo鋼船用中間軸(外徑420 mm、內(nèi)孔150 mm、兩法蘭開檔長(zhǎng)度6 000 mm～8 000 mm)兩法蘭間開檔長(zhǎng)度經(jīng)過一次調(diào)質(zhì)處理后最大伸長(zhǎng)變形量可達(dá)33 mm，使鍛件沒有精加工余量而報(bào)廢。因此，生產(chǎn)中積累軸類鍛件調(diào)質(zhì)處理后的伸長(zhǎng)變形數(shù)據(jù)，掌握伸長(zhǎng)變形規(guī)律，對(duì)繪制粗加工圖，修訂大型鍛件粗加工余量標(biāo)準(zhǔn)，減少?gòu)U品損失是有意義的。

1 35CrMo中間軸的伸長(zhǎng)變形情況

35CrMo鋼大型船用中間軸鍛件的生產(chǎn)工序是：煉鋼 → 鋼錠紅送 → 加熱 → 鍛造 → 等溫退火 → 粗加工 → 調(diào)質(zhì)處理 → 精加工等工序。粗加工后尺寸為：? 420 mm /?150 mm×(6 000～8 000) mm。調(diào)質(zhì)處理采用井式熱處理爐，工件垂直懸掛煤氣加熱，淬火溫度860℃，保溫后出爐水淬油冷，均在井式水槽和井式油槽中進(jìn)行，定性回火溫度560℃，保溫后爐冷到300℃出爐空冷。

力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明：中間軸的綜合力學(xué)性能良好，全部達(dá)到了技術(shù)條件要求的指標(biāo)。但是，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理合格的中間軸鍛件，轉(zhuǎn)序進(jìn)行精加工時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩法蘭間內(nèi)檔尺寸已經(jīng)沒有精加工余量，無(wú)法再進(jìn)行精加工。

2 軸類鍛件調(diào)質(zhì)伸長(zhǎng)變形的測(cè)量

2.1 測(cè)量工具及測(cè)量方法

測(cè)量工具為20 m鋼卷尺。經(jīng)粗加工的軸類鍛件，在調(diào)質(zhì)處理裝爐前，測(cè)量軸的直徑和長(zhǎng)度。直徑尺寸在軸的兩端測(cè)量，互成90°，取二次的平均值。長(zhǎng)度尺寸在軸的互成90°兩條母線上測(cè)量，取測(cè)量值的平均值。調(diào)質(zhì)處理后，用相同方法再測(cè)量一次。把兩次測(cè)量結(jié)果計(jì)入統(tǒng)計(jì)表中，并進(jìn)行對(duì)比，得出該軸經(jīng)調(diào)質(zhì)后的伸長(zhǎng)變形量。為了減少人為的測(cè)量誤差，調(diào)質(zhì)處理前后由同一個(gè)人用同一把鋼卷尺來進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量誤差自定為±2 mm，如果調(diào)質(zhì)處理前、后長(zhǎng)度在2 mm范圍波動(dòng)，則視為軸的長(zhǎng)度尺寸沒有發(fā)生變化。

2.2 測(cè)量范圍

(1) 測(cè)量軸類鍛件在不同熱處理狀態(tài)下的長(zhǎng)度變化。我們對(duì)軸類鍛件在正火+高溫回火狀態(tài)和調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的長(zhǎng)度尺寸進(jìn)行測(cè)量，以期驗(yàn)證鍛件在以得到驗(yàn)證；

(2) 對(duì)不同鋼種、不同規(guī)格的軸類鍛件，在調(diào)質(zhì)處理前和調(diào)質(zhì)處理后進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量，探索不同鋼種對(duì)調(diào)質(zhì)處理后伸長(zhǎng)變形的影響；

(3) 對(duì)鋼種相同、規(guī)格相同的軸類鍛件，測(cè)量其淬火冷卻條件對(duì)軸伸長(zhǎng)變化的影響，還要測(cè)量調(diào)質(zhì)處理次數(shù)(兩次調(diào)質(zhì)處理之間不經(jīng)中間熱處理)對(duì)軸伸長(zhǎng)變形的影響。

2.3 測(cè)量結(jié)果

(1) 35CrMo鋼船用中間軸鍛件調(diào)質(zhì)處理后伸長(zhǎng)變形的測(cè)量結(jié)果見表1。由表1可知，船用中間軸鍛件鍛后經(jīng)過等溫退火處理。粗加工后外徑為420 mm～440 mm，內(nèi)孔直徑為150 mm，長(zhǎng)度為6 000 mm～8 060 mm。經(jīng)過一次調(diào)質(zhì)處理(淬火溫度850～860℃，水淬油冷，回火溫度540～570℃，空冷)后，軸的伸長(zhǎng)變形量為14 mm～33 mm。

(2)不同材質(zhì)的軸類鍛件，鍛后經(jīng)過等溫退火處理，粗加工后，再經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，軸的伸長(zhǎng)變形量測(cè)量結(jié)果見表2。

由表2可知，34CrMo1A、35CrMo、34CrNi3Mo、38CrMoAlA鋼軸類鍛件，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，都將產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形，其伸長(zhǎng)變形量受鋼的化學(xué)成分、鍛件的粗加工尺寸、鍛后熱處理狀態(tài)、調(diào)質(zhì)淬火時(shí)的冷卻條件(即組織轉(zhuǎn)變量)的影響。

(3)調(diào)質(zhì)次數(shù)對(duì)軸類鍛件伸長(zhǎng)變形的影響測(cè)量結(jié)果見表3。軸類鍛件如果進(jìn)行重復(fù)調(diào)質(zhì)處理，而兩次調(diào)質(zhì)處理之間又未經(jīng)中間退火，則隨調(diào)質(zhì)次數(shù)增加，其軸的伸長(zhǎng)變形量也增加。

(4) 35CrMo、34CrMo1A鋼軸類鍛件，鍛后經(jīng)過等溫退火、粗加工后，再進(jìn)行正火+高溫回火處理，軸的長(zhǎng)度尺寸測(cè)量結(jié)果在2 mm范圍內(nèi)波動(dòng)。由此可以認(rèn)為，經(jīng)正火+高溫回火處理后，軸的長(zhǎng)度尺寸沒有發(fā)生宏觀變化。由此可以推論，軸類鍛件在井式熱處理爐中垂直懸掛加熱，不會(huì)在淬火溫度下因自重蠕變而被拉長(zhǎng)。

(5) 生產(chǎn)中實(shí)際測(cè)量結(jié)果證明，調(diào)質(zhì)時(shí)在水中淬火的伸長(zhǎng)變形量大于在油中淬火時(shí)的伸長(zhǎng)變形量。

表1 35CrMo鋼船用中間軸一次調(diào)質(zhì)處理后的伸長(zhǎng)變形Table1 The elongation strain of 35CrMo steel shaft forging after first hardened and tempered heat treatment

注：L0——調(diào)質(zhì)前中間軸的粗加工長(zhǎng)度；L——調(diào)質(zhì)后中間軸的實(shí)際長(zhǎng)度；ΔL——調(diào)質(zhì)前和調(diào)質(zhì)后中間軸長(zhǎng)度的實(shí)際變化量，“+”為伸長(zhǎng)，“-”為縮短。

3 軸類鍛件調(diào)質(zhì)處理后伸長(zhǎng)變形的主要原因分析

中碳結(jié)構(gòu)鋼大型軸類鍛件經(jīng)過等溫退火后，鋼的顯微組織為珠光體+鐵素體，粗加工不會(huì)改變鋼的顯微組織。經(jīng)過調(diào)質(zhì)淬火后，由于熱處理尺寸效應(yīng)，在鍛件的橫截面上，由表面向心部的組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)物順序?yàn)轳R氏體→馬氏體+貝氏體→貝氏體+珠光體→珠光體+鐵素體組織。此時(shí)，鋼的比體積大于鋼在退火狀態(tài)的比體積。在軸的尺寸測(cè)量時(shí)，由于測(cè)量精度所限，在軸徑方向測(cè)量不出尺寸的變化，而在軸的長(zhǎng)度方向卻測(cè)量出尺寸的變化，這就是軸類鍛件調(diào)質(zhì)處理后伸長(zhǎng)變形的真正原因。鍛件中組成物的比例與淬火冷卻效果和鋼的淬透性能密切相關(guān)，組成物的比體積所占比例也會(huì)出現(xiàn)差異，因此，軸類鍛件的伸長(zhǎng)變形量是不相同的。

鋼在淬火時(shí)馬氏體的體積變化與鋼中的含碳量有關(guān)。文獻(xiàn)資料[1]介紹，隨鋼中含碳量的增加，淬火馬氏體的體積變化量也隨之增加。

對(duì)大型鍛件而言，在調(diào)質(zhì)淬火時(shí)，冷卻速度越大軸的伸長(zhǎng)變形量越大。相同規(guī)格、相同材質(zhì)的鍛件，在水中淬火調(diào)質(zhì)比在油中淬火調(diào)質(zhì)的伸長(zhǎng)變形量要大。因?yàn)殇撛谒写慊鸨仍谟椭写慊鸬慕M織轉(zhuǎn)變更充分，淬火組織的轉(zhuǎn)變量也更多，所以軸的伸長(zhǎng)變形量就更大。

表2 不同材質(zhì)軸類鍛件經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的伸長(zhǎng)變形測(cè)量結(jié)果Table2 The elongation strain results of different material shafts after hardened and tempered heat treatment

表3 34CrMo1A鋼軸類鍛件二次調(diào)質(zhì)后伸長(zhǎng)變形量的測(cè)量結(jié)果Table3 The elongation strain of 35CrMo steel shaft forging after second hardened and tempered heat treatment

鍛件在熱處理過程中，由組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力、高溫自重蠕變所引起的伸長(zhǎng)變形量是很小的。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)軸類結(jié)構(gòu)鋼鍛件在調(diào)質(zhì)過程中會(huì)發(fā)生伸長(zhǎng)變形。伸長(zhǎng)變形量與鍛件調(diào)質(zhì)前的組織狀態(tài)、形狀尺寸、鍛件材質(zhì)、調(diào)質(zhì)次數(shù)密切相關(guān)。鍛件調(diào)質(zhì)前為退火組織(珠光體+鐵素體)時(shí)，調(diào)質(zhì)后伸長(zhǎng)變形量最大。調(diào)質(zhì)次數(shù)增加而兩次調(diào)質(zhì)之間又不經(jīng)中間退火或正火處理時(shí)，則鍛件的伸長(zhǎng)變形量也隨調(diào)質(zhì)次數(shù)的增加而增大。

(2)對(duì)于大型鍛件在調(diào)質(zhì)前應(yīng)充分預(yù)測(cè)到尺寸的變化，并預(yù)留足夠的加工余量，這是防止因調(diào)質(zhì)處理伸長(zhǎng)變形而造成報(bào)廢的有效措施。兩端都有連接法蘭的軸類鍛件(如船用中間軸)，在已知伸長(zhǎng)變形量的基礎(chǔ)上，可在繪制粗加工圖時(shí)，將粗加工余量放在軸的兩個(gè)法蘭的內(nèi)側(cè)面上，而兩法蘭外側(cè)面的加工余量則利用調(diào)質(zhì)處理后軸的伸長(zhǎng)變形來補(bǔ)償。這樣，就不會(huì)發(fā)生因鍛件調(diào)質(zhì)后伸長(zhǎng)變形在法蘭內(nèi)側(cè)沒有加工余量而報(bào)廢的情況。

(3)結(jié)合大型鍛件實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)軸類鍛件伸長(zhǎng)變形和環(huán)形鍛件內(nèi)孔脹大(實(shí)際上也是一種沿鍛件纖維方向的伸長(zhǎng)變形)進(jìn)行一些實(shí)際的測(cè)試工作，積累一定的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，掌握鍛件在不同熱處理狀態(tài)的尺寸變化規(guī)律，對(duì)修訂大型鍛件粗加工余量標(biāo)準(zhǔn)，繪制鍛件粗加工圖具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

[1] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì).熱處理手冊(cè)(第4版)第1卷.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2008.1.