改善35CrMnSi碟片翹曲畸變的熱處理工藝

蓋苗苗， 楊 娟， 鄭喜平

(1. 商丘學院 機械與電氣信息學院， 河南 商丘 476000；2. 鄭州精益達汽車零部件有限公司 質量保證部， 河南 鄭州 450000)

碟片俗稱閥片、墊片，是一種薄片狀零件，其特點是面積大、厚度小、易變形。碟片一般需要良好的耐磨性和彈性，常在淬火狀態下使用，一般生產工藝為：沖裁→熱平整→鹽浴分級淬火→清洗→夾平回火。采用這種工藝生產時，碟片容易在熱處理時發生翹曲變形，硬度不均勻，造成批量廢品，這是該類零件熱處理的難點之一。本文通過加壓水冷，將鹽浴分級淬火改為模冷加壓淬火，減少了變形，提高了成品率，收到了良好的改進效果。

1 試驗材料與方法

試驗碟片呈薄壁狀的環形，尺寸為φ150 mm(外徑)×φ120 mm(內徑)×3 mm(厚)，所用材料為35CrMnSi鋼，技術要求其在淬火后的硬度為48～55 HRC。采用ARL-3460直讀光譜儀分析材料的化學成分，如表1所示，可見其化學元素含量符合GB/T 3077—2015《合金結構鋼》要求。

表1 35CrMnSi鋼的化學成分(質量分數，%)

35CrMnSi鋼在靜油中的臨界淬火直徑為φ42 mm，在20 ℃水中的臨界淬火直徑為φ62 mm，具有極為良好的淬透性，厚度3 mm的35CrMnSi鋼制成的碟片可完全淬透，保證整個截面上得到均勻的馬氏體組織。為避免碟片在淬火時發生翹曲變形，本文采用專用的模具進行加壓冷卻，該模具內部中空，通入不高于15 ℃的冷卻水使碟片熱量通過模具冷卻帶走。試驗時碟片在UBE-200可控氣氛爐中加熱以防止脫碳和氧化，淬火溫度為850、870、890、910 ℃，淬火時模具壓力為6、7、8、9、10 MPa，淬火后統一進行180 ℃×240 min回火。

采用Axio Lab A1光學顯微鏡分析碟片的顯微組織，采用HR-150A型硬度計測量碟片的硬度，采用Daisy10258三坐標測量碟片的翹曲畸變量。

2 試驗結果與分析討論

2.1 淬火工藝對顯微組織的影響

圖1為碟片在不同加壓水冷工藝下的顯微組織，可見兩種淬火溫度下碟片的組織均為馬氏體。通過分析可知：①組織中未觀察到大塊狀的未融鐵素體，這是因為35CrMnSi鋼的含碳量處于中碳合金鋼的下限，其Ac1=765 ℃，Ac3=840 ℃，盡管相變溫度較高，但在850 ℃加熱時仍然能保證鐵素體在高溫下全部溶解，從而使碳原子全部溶入高溫的奧氏體，得到均勻、穩定的高溫組織。②組織中未觀察到魏氏組織、網狀鐵素體和針狀鐵素體，說明在加壓水冷的條件下，碟片沒有發生高溫的珠光體轉變，主要原因是材料中含有的Cr、Mn、Si元素降低了晶界位置的能量，推遲了晶核的析出，使CCT曲線右移，增加了材料的淬透性。③碟 片組織是板條狀馬氏體+少量針狀馬氏體，由于含碳量較低，奧氏體在過冷條件下以切變的方式轉變成板條狀馬氏體，其慣習面為{111}γ，這種組織具有較高的硬度和良好的韌性，是低碳鋼和中低碳合金鋼淬火后的主要組織[1]。

圖1 碟片經不同溫度加壓水冷后的顯微組織 (8 MPa)

2.2 淬火工藝對畸變量的影響

碟片淬火后的畸變量要求≤20 μm。表2為碟片在不同加壓水冷工藝下的畸變量。可以看出，在850～910 ℃淬火時，隨著淬火溫度的升高，碟片的畸變量逐漸減小；冷卻模具的加載壓力為6～10 MPa時，隨著壓力的增加，畸變量也逐漸減小。出現這種變化主要是因為：①碟片在室溫條件下的沖裁成型過程中，不可避免地會在基體中殘留較多的內應力。由于室溫原始組織是鐵素體+珠光體，且鐵素體占據主導地位，其組織結構是體心立方結構，滑移系較少[2]，因此內應力在室溫下不易釋放。隨著溫度的升高，材料完全奧氏體化后轉變成面心立方結構，滑移系增加，塑性增強，溫度越高內應力松弛效果越顯著，因此內應力的減少直接反應為畸變量隨著溫度升高而顯著下降。②在較高的溫度和一定的模具壓力下，翹曲的碟片在平整的模具中被壓平，淬火前的翹曲變形得到了矯正，但是當模具的壓力較小時，初始的翹曲變形得不到完全的矯正，導致淬火后的畸變量仍然很大。隨著模具壓力的增加，畸變量顯著降低，當淬火溫度890 ℃、加載壓力10 MPa時，疊片的畸變量為11 μm，完全滿足技術要求。③碟片厚度只有3 mm，屬于典型的薄片狀零件，在模具中冷卻時，碟片的整個截面均可以獲得較快的冷卻速度，從心部到表面的溫度基本一致，溫度梯度比較平緩，這保證了整個截面上具有基本一致的熱膨脹和較小的熱應力[3]。另外，由于在模具中冷卻可完成馬氏體轉變，且馬氏體具有較高的硬度，只要在冷卻過程中不發生翹曲變形，則淬火過程中得到矯正的碟片在淬火后不易在低溫出現反彈，由此保證了產品的合格率。④在 原工藝的鹽浴分級冷卻時，碟片的φ150 mm平面在淬火時處于自由狀態，在鹽浴的冷卻過程中不可避免地存在兩個面的冷卻速度不均勻、抑或是高溫狀態下的熱應力釋放以及組織應力引起的體積膨脹，這些因素必然會引起不受阻礙的自由變形，導致畸變量超出了技術要求，造成了大量廢品。采用模壓冷卻后，碟片的φ150 mm平面變形受到模具的阻礙和限制不能自由進行，其淬火后的變形較小，產品一次交檢合格率穩定在98%以上，完全滿足了技術要求。

表2 不同加壓水冷工藝下碟片的畸變量

2.3 淬火工藝對硬度的影響

碟片要求良好的耐磨性和尺寸穩定性，這就要求碟片具有較高的硬度。表3為不同加壓水冷工藝下碟片的硬度，從表3中可看出，隨著淬火溫度的升高和模具加載壓力的增加，碟片的硬度逐漸升高，當淬火溫度890 ℃、加載壓力10 MPa時，硬度達到峰值55 HRC。出現這種變化主要是因為：①在890 ℃淬火時，盡管此溫度超過了材料的相變點，碳原子能融入奧氏體組織，但是部分合金元素，如Cr、Mn等元素因原子半徑較大，溫度相對較低時其驅動力不足，原子不能越過能量勢壘，并不能完全融入奧氏體組織[4]，導致這部分合金元素的強化效應不能得以充分利用，隨著溫度的升高，原子的擴散能力增強，較多的合金元素融入到奧氏體，由于合金元素的原子半徑較大，冷卻后得到的馬氏體組織晶胞中晶格畸變增加，形成較大的應力場，宏觀上就表現為較高的硬度。②隨著淬火溫度的增加，合金元素融入奧氏體組織，使CCT曲線右移，淬透性增加。在通水的模具中，由于碟片具有較大的表面積，散熱較快，因此在碟片的整個截面上溫度梯度較小，相變的不等時性較弱，即從心部到表面的組織幾乎可同時完成馬氏體相變，具有較小的組織應力，從而使淬火后的硬度提高，并減少組織變化帶來的畸變。③隨著模具壓力的增加，從微觀的角度來說，模具與碟片之間的貼合會更加緊密，這種緊密的貼合無疑會增加相互之間的接觸面積，根據熱傳導的菲克定律[5]，接觸面積的增加必然會導致單位時間內熱量散失更多，也就是降溫速度更快，從而保證了碟片在模具中的連續冷卻速度大于臨界冷卻速度，壓力越大，冷卻速度越快，馬氏體的轉變越徹底，宏觀上越表現出較高的硬度。

表3 不同加壓水冷工藝對碟片硬度的影響

3 結論

1) 35CrMnSi鋼碟片在淬火溫度為850 ℃和910 ℃、加載壓力8 MPa的條件下加壓水冷后的顯微組織為板條狀馬氏體+少量針狀馬氏體，未觀察到大塊狀的未溶鐵素體、魏氏組織、網狀鐵素體和針狀鐵素體。

2) 隨淬火溫度的升高和加載壓力的增加，碟片的畸變量逐漸減小，硬度逐漸增加，當淬火溫度為890 ℃、加載壓力為10 MPa時，碟片的畸變量達到最小，為11 μm，硬度達到最高值55 HRC，是最佳的熱處理工藝參數。該工藝下由于在模具中加壓水冷時碟片的變形受到了抑制，畸變量符合技術要求，其一次性交檢合格率達到了98%，取得了滿意的應用效果。