自然時(shí)效時(shí)間對(duì)35CrNi3Mo 調(diào)質(zhì)管坯變形度變化規(guī)律研究

■ 王江山 王瑩瑩 段艷君 黃堅(jiān)

某管類零件除了需要具備優(yōu)異的力學(xué)性能外，還要求具有很高的尺寸精度。然而，該管類零件鍛件毛坯在熱處理過(guò)程中不可避免地會(huì)由于殘余應(yīng)力作用而發(fā)生彎曲變形，作用于管坯的殘余應(yīng)力主要來(lái)源于鍛件在被加熱和冷卻過(guò)程中表面和心部溫度的不均勻性引起的熱應(yīng)力、微觀組織轉(zhuǎn)變而引起的相變應(yīng)力等，同時(shí)，淬火后采用油壓機(jī)校直又疊加外加應(yīng)力。熱處理回火并不能把各種疊加的殘余應(yīng)力完全消除，在后續(xù)機(jī)械加工中，加工后鍛件殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致變形度超差的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，對(duì)產(chǎn)品的合格率造成影響。較長(zhǎng)時(shí)間的自然時(shí)效（一般為1 年左右）可以有效消除殘余應(yīng)力，但又存在資金占用大和生產(chǎn)周期過(guò)長(zhǎng)的矛盾。為解決這一問(wèn)題，決定通過(guò)對(duì)校直調(diào)質(zhì)管坯采取短周期自然時(shí)效（6 個(gè)月）并定期檢測(cè)的方法，對(duì)變形度變化規(guī)律進(jìn)行研究。

1 管坯調(diào)質(zhì)工藝流程

管坯調(diào)質(zhì)工藝流程如下：正火→淬火→一次回火→校直→二次回火。

2 調(diào)質(zhì)管坯產(chǎn)生變形的原因

在實(shí)際生產(chǎn)中，加工好的鍛件管坯首先經(jīng)過(guò)正火處理，隨后進(jìn)行淬火，淬火冷卻時(shí)采用全部入水冷卻的方式，當(dāng)溫度冷至室溫后入爐進(jìn)行第一次回火，回火完成后出爐水冷，再采用油壓機(jī)進(jìn)行校直，校直后入爐進(jìn)行第二次回火，后出爐空冷。

管坯在上述熱處理過(guò)程中，正火加熱和淬火加熱均需將管坯加熱至相變點(diǎn)以上，根據(jù)殘余應(yīng)力形成理論可知，管坯內(nèi)部在加熱和隨后冷卻過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。其中熱應(yīng)力表現(xiàn)為管坯表面收縮，心部仍處于高溫膨脹狀態(tài)牽制收縮，因而表面受拉，心部受壓；冷卻后期，心部冷收縮，表面則已處于冷卻硬化狀態(tài)，阻止心部收縮，因而心部受拉，表面受壓。而組織應(yīng)力則表現(xiàn)為，冷卻初期，表層先發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，比容增大趨向膨脹，未轉(zhuǎn)變的心部則仍未發(fā)生轉(zhuǎn)變牽制膨脹，因而表面受壓，心部受拉；當(dāng)冷卻繼續(xù)進(jìn)行，心部開(kāi)始轉(zhuǎn)變成馬氏體時(shí)，則心部受壓，表面受拉[1]。一次回火時(shí)是將管坯加熱到相變點(diǎn)以下隨后急冷，得到的殘余應(yīng)力全部為熱應(yīng)力。在這些熱應(yīng)力和組織應(yīng)力下，管坯發(fā)生了不可避免的彎曲變形，進(jìn)而使管坯徑向跳動(dòng)量超差，因此需要對(duì)一次回火后的管坯進(jìn)行校直，在校直過(guò)程中管坯內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生校正應(yīng)力。這些熱應(yīng)力、組織應(yīng)力及校正應(yīng)力疊加形成了管坯的內(nèi)應(yīng)力，后續(xù)第二次回火無(wú)法將其全部消除，管坯產(chǎn)生的彎曲變形程度雖然得到有效控制，但在殘余應(yīng)力的作用下，進(jìn)行機(jī)械加工后，會(huì)時(shí)常出現(xiàn)變形度過(guò)大，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品合格率和工作效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)采取機(jī)加過(guò)程中間進(jìn)行低溫回火或者延長(zhǎng)機(jī)械加工時(shí)間的辦法。

3 試驗(yàn)的思路及方法

生產(chǎn)過(guò)程對(duì)管坯變形度的檢測(cè)采取測(cè)量管坯外圓徑向跳動(dòng)量的方法。初步的檢測(cè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，第二次回火后對(duì)管坯多點(diǎn)外圓徑向跳動(dòng)量檢測(cè)初始值后，在后續(xù)一定時(shí)間復(fù)檢時(shí)，其檢測(cè)點(diǎn)徑向跳動(dòng)量數(shù)值發(fā)生了變化，但與初始測(cè)定值并不一致，不同時(shí)間點(diǎn)檢測(cè)的數(shù)值存在差異。

對(duì)此現(xiàn)象判斷認(rèn)為：管坯在放置時(shí)，殘余應(yīng)力隨時(shí)間緩慢釋放雖無(wú)法導(dǎo)致管坯明顯變形，但輕微形變是存在的，表現(xiàn)為外圓徑向跳動(dòng)量數(shù)值發(fā)生變化，但因管坯壁厚尺寸較大，有足夠的剛度，其外圓徑向跳動(dòng)量數(shù)值變化輕微。

因微觀上35CrNi3Mo 管坯殘余應(yīng)力對(duì)機(jī)械加工應(yīng)力釋放的影響不易量化，如果能從宏觀上通過(guò)對(duì)管坯多點(diǎn)外圓徑向跳動(dòng)量檢測(cè)并發(fā)現(xiàn)其規(guī)律，可間接判斷殘余應(yīng)力的消除程度，從而有效解決管坯加工變形問(wèn)題。

試驗(yàn)中，采用徑向跳動(dòng)檢測(cè)儀對(duì)剛調(diào)質(zhì)完的一定數(shù)量的試驗(yàn)用件分別在標(biāo)定位置進(jìn)行初始外圓徑向跳動(dòng)量檢測(cè)，再將其放置指定地點(diǎn)進(jìn)行自然時(shí)效，并在不同階段在原檢測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行外圓徑向跳動(dòng)量檢測(cè)，觀察管坯彎曲變形程度的變化規(guī)律。

4 試驗(yàn)用件

選用35CrNi3Mo 材質(zhì)同一規(guī)格的調(diào)質(zhì)態(tài)管坯20 支，分別進(jìn)行為期6 個(gè)月的自然時(shí)效。管坯規(guī)格如圖1 所示，管坯調(diào)質(zhì)工藝如下：

圖1 管坯規(guī)格尺寸示意圖

正火：890℃，5h～8h，空冷；

淬火：880℃，5h～8h，水冷；

一次回火：510℃，5h～8h，水冷；

校直：徑向跳動(dòng)量≤5.5mm；

二次回火：560℃，8h～12h，空冷。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

管坯外圓徑向跳動(dòng)量檢測(cè)位置分別如圖1 中A、B、C、D、E 點(diǎn)，檢測(cè)時(shí)機(jī)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用件外圓徑向跳動(dòng)量檢測(cè)時(shí)機(jī)

表1 試驗(yàn)用件外圓徑向跳動(dòng)量檢測(cè)時(shí)機(jī)

對(duì)20 支試驗(yàn)管坯在標(biāo)定位置分別在調(diào)質(zhì)后、時(shí)效3 個(gè)月、時(shí)效6 個(gè)月進(jìn)行了管坯外圓徑向跳動(dòng)量初始檢測(cè)、第一次復(fù)檢、第二次復(fù)檢，并對(duì)各標(biāo)定位置檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析。結(jié)果表明，20 支試驗(yàn)管坯不同位置的外圓徑向跳動(dòng)量平均值初始檢測(cè)為4.6～5.3mm，時(shí)效3 個(gè)月后檢測(cè)值變化較大，平均為2.5～3.5mm，時(shí)效6 個(gè)月后檢測(cè)值進(jìn)一步變化，平均為1.6～2.3mm，外圓徑向跳動(dòng)量數(shù)值較初始值分別平均下降了34%～46%和57%～65%。其變化情況如圖2 所示，即隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，管坯外圓徑向跳動(dòng)量數(shù)值總體上呈下降趨勢(shì)。

圖2 管坯不同位置外圓徑向跳動(dòng)量平均值

綜上，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，管坯變形度數(shù)值出現(xiàn)變化并呈先快后慢下降的趨勢(shì)，并在一定時(shí)間后（本試驗(yàn)35CrNi3Mo 材質(zhì)調(diào)質(zhì)態(tài)管坯為6 個(gè)月）出現(xiàn)管坯直線度整體水平明顯改善的結(jié)果。這說(shuō)明，管坯內(nèi)部殘余應(yīng)力隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)以發(fā)生輕微變形的方式得到釋放，并使得調(diào)質(zhì)態(tài)管坯彎曲變形程度在一定時(shí)間的自然時(shí)效作用而減小。

20 支試驗(yàn)管坯后續(xù)機(jī)械加工過(guò)程，均順利加工完成，加工過(guò)程未出現(xiàn)變形度超差的現(xiàn)象。

6 結(jié)論

（1）調(diào)質(zhì)管坯經(jīng)自然時(shí)效，在一定時(shí)間段內(nèi)管坯變形程度會(huì)隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)出現(xiàn)變化，其變形度平均數(shù)值隨時(shí)間延長(zhǎng)而減小，數(shù)值變化呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)。

（2）對(duì)于長(zhǎng)度為4600mm，經(jīng)某特定調(diào)質(zhì)熱處理工藝處理后的35CrNi3Mo材質(zhì)管坯，經(jīng)3 個(gè)月和6 個(gè)月短周期自然時(shí)效后，彎曲變形程度平均能夠分別降低34%～46%和57%～65%。