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)

摘要：本文闡述了35CrNi3Mo管坯經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后發(fā)生變形的原因及自然時(shí)效對(duì)管坯變形度的影響規(guī)律。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在自然時(shí)效過程中，校直后調(diào)質(zhì)管坯的變形度是隨著時(shí)間延長(zhǎng)而變化的，并在一定時(shí)間內(nèi)，變形度數(shù)值明顯減小，并呈先快后慢的變化趨勢(shì)。試驗(yàn)管坯為35CrNi3Mo材質(zhì)，長(zhǎng)度為4600mm，經(jīng)某特定熱處理工藝處理后，在3個(gè)月和6個(gè)月短周期自然時(shí)效后，彎曲變形程度數(shù)值分別平均降低了34%～46%和57%～65%。

關(guān)鍵詞：自然時(shí)效；調(diào)質(zhì)管坯；變形度

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)力主要來源于鍛件在被加熱和冷卻過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)周期過長(zhǎng)的矛盾。為解決這一問題，決定通過對(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：

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)見表1。

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)。

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)械加工過程，均順利加工完成，加工過程未出現(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%。

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（作者簡(jiǎn)介：王江山，陸軍裝備部駐包頭地區(qū)第二軍事代表室高級(jí)工程師；王瑩瑩，內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司工程師；段艷君，內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司工程師；黃堅(jiān)，陸軍裝備部駐包頭地區(qū)第二軍事代表室工程師）