35CrMo材質閥箱調質過程變形分析及解決

■ 魏開龍，霍煥志

35CrMo鋼（化學成分見表1）是一種中碳低合金結構鋼，鋼中wCr=0.80%～1.10%、wMo=0.15%～0.25%，因而具有較高的淬透性和良好的強韌性，可用于制造截面較厚大的零件。在具有良好強韌性的同時，該鋼種的價格又比Cr、Ni鋼等低廉，故在石油裝備制造中被廣泛應用，可制造轉子、支柱等重載荷零部件。

為了充分發揮其綜合力學性能，35CrMo鋼均在調質狀態下使用，而在不同的熱處理條件下，毛坯會表現出各不相同的力學性能（見表2），我公司的閥箱采用該材質。

1.問題的提出

閥箱是我公司的主導產品之一，為保證閥箱的力學性能要求，閥箱粗車后需進行調質處理，即淬火+高溫回火。我公司原閥箱調質工藝如圖1所示。

35CrMo鋼為亞共析鋼，淬火加熱溫度為Ac3+30～50℃，35CrMo鋼的Ac3為800℃，故選擇830℃為淬火溫度。淬火加熱保溫時間按如下經驗公式估算：

表1 35CrMo鋼的化學成分（質量分數） （%）

式中 t ——保溫時間，min；

a——保溫時間系數，min/mm；

k——工件裝爐方式修正系數；

d——工件有效厚度，mm。

根據相關資料a=1min/mm，k=1.6，d取決于閥箱的實際厚度。

在生產過程中，調質后的閥箱經常出現以下缺陷。

（1）閥箱產生變形，其6個平面出現不同心部凹陷，如果粗加工時加工余量不足，會出現心部“黑皮”。

（2）閥箱的棱角出現崩裂掉塊現象，并且閥箱的相貫孔出現放射狀裂紋。

閥箱在調質過程中產生的缺陷給后續的機加工帶來了難度，甚至會導致產品報廢。

表2 35CrMo鋼在不同熱處理規范下的力學性能

2.閥箱的加熱過程分析

物體的體積或長度隨溫度的變化而變化的現象稱為熱膨脹。一般說來，溫度升高、體積增大，溫度降低、體積收縮，這就是所謂的熱脹冷縮現象。不同物質的熱膨脹特性是不同的，即使是同一種物質，由于晶體結構不同、發生相變等原因，也會出現不同的熱膨脹特性，甚至造成隨著溫度的升高，物質的體積不變或縮小的異常熱膨脹現象。在閥箱開始加熱的過程中，主要關注的是其加熱時應力狀態。

閥箱外表面先熱，溫度升高，尺寸膨脹。工件內部溫度低，尺寸膨脹少，沿溫度場徑向產生拉應力。當內側溫度在300℃時（為藍脆狀態，塑性極低），閥箱內部的拉應力隨著溫差的增大而增大。故在閥箱加熱時，應分時間段加熱，升溫速度也應盡量低，原則上低于傳熱系數和熱膨脹系數。

3.閥箱的冷卻過程分析

當閥箱在淬火時，外表面或工件一端首先冷卻轉變為馬氏體，馬氏體體積比室溫組織脹大8‰。淬火部分的尺寸比未淬火部分的尺寸有時還要大，所以也有拉應力產生，此時的拉應力如果作用于正在相變的部位，相變應力與熱應力疊加易產生變形或開裂，尤其是溫度在820～840℃，此時材料的抗拉強度約200MPa，心部的奧氏體將產生塑性變形，該變形在回火時也恢復不了原狀。

調質鋼的回火有四個轉變階段，且每個階段都存在著不同的組織特點。因此，不同的組織必定有不同的比體積變化，尤其是接近300℃回火時，則發生回火馬氏體的分解，形成托氏體，即回火的第三階段，這時比體積大的回火馬氏體分解成比體積較小的回火托氏體，因而體積收縮。此時，如果組織應力超過鋼的屈服強度時，就會造成閥箱的塑性畸變。

4.綜合分析

當閥箱升溫時，閥箱外表面先熱，溫度升高，尺寸膨脹。內部溫度低，尺寸膨脹少，沿溫度場徑向產生拉應力。在應力集中或有缺陷的地方，易產生裂紋。

當閥箱淬火時，外表面首先冷卻轉變為馬氏體，其體積脹大。閥箱淬火希望的理想效果是獲得高而且均勻的表面硬度和足夠的淬硬深度，消除淬火裂紋和減小淬火變形。因此，理想的淬火冷卻介質應當是，當閥箱浸入淬火冷卻介質中，為了獲得馬氏體組織，在過冷奧氏體穩定性低的溫度范圍，即等溫轉變圖的鼻尖附近，冷卻速度應大于臨界冷卻速度，使閥箱快速通過珠光體和貝氏體轉變區，保證閥箱淬火后得到足夠的硬度；而在Ms點稍下的溫度，希望閥箱的冷卻速度盡量緩慢，以減少由于閥箱內外溫度差而引起的熱應力和組織應力。

5.問題的解決

結合以上對閥箱加熱、冷卻過程中的受力分析，對閥箱的調質工藝進行了調整，如圖2所示。

（1）選擇在650℃保溫1h，目的是均溫，減小因溫升過快產生的熱應力。

（2）實際操作中，增加閥箱出爐后淬火前空氣中的預冷時間，在空氣中停留應控制在25～30s。降低棱角處的表面溫度。

（3）應用亞溫淬火工藝，即選擇35CrMo鋼的奧氏體臨界點為閥箱的加熱保溫溫度（35CrMo鋼的Ac3為800℃），即800℃保溫。這樣在閥箱奧氏體化后，可保留一定量的鐵素體，提高35CrMo鋼的韌性，降低脆性轉變溫度，并可消除回火脆性。

（4）實際操作中控制閥箱淬火時的出水溫度，選擇300～400℃出水，由于此時的溫度不易測量，可根據經驗判斷：閥箱出水后上表面四角短時間內存有水珠即可。

通過工藝改進，閥箱的調質質量有了大的改觀，表面凹陷、棱角迸裂、相貫孔開裂現象出現的概率大大減小，閥箱的力學性能指標符合設計要求。

圖1

圖2

20150315