自然時效時間對35CrNi3Mo 調質管坯變形度變化規律研究

■ 王江山 王瑩瑩 段艷君 黃堅

某管類零件除了需要具備優異的力學性能外，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由于殘余應力作用而發生彎曲變形，作用于管坯的殘余應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力、微觀組織轉變而引起的相變應力等，同時，淬火后采用油壓機校直又疊加外加應力。熱處理回火并不能把各種疊加的殘余應力完全消除，在后續機械加工中，加工后鍛件殘余應力釋放導致變形度超差的現象時有發生，對產品的合格率造成影響。較長時間的自然時效（一般為1 年左右）可以有效消除殘余應力，但又存在資金占用大和生產周期過長的矛盾。為解決這一問題，決定通過對校直調質管坯采取短周期自然時效（6 個月）并定期檢測的方法，對變形度變化規律進行研究。

1 管坯調質工藝流程

管坯調質工藝流程如下：正火→淬火→一次回火→校直→二次回火。

2 調質管坯產生變形的原因

在實際生產中，加工好的鍛件管坯首先經過正火處理，隨后進行淬火，淬火冷卻時采用全部入水冷卻的方式，當溫度冷至室溫后入爐進行第一次回火，回火完成后出爐水冷，再采用油壓機進行校直，校直后入爐進行第二次回火，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以上，根據殘余應力形成理論可知，管坯內部在加熱和隨后冷卻過程中均會產生熱應力和組織應力。其中熱應力表現為管坯表面收縮，心部仍處于高溫膨脹狀態牽制收縮，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，阻止心部收縮，因而心部受拉，表面受壓。而組織應力則表現為，冷卻初期，表層先發生馬氏體轉變，比容增大趨向膨脹，未轉變的心部則仍未發生轉變牽制膨脹，因而表面受壓，心部受拉；當冷卻繼續進行，心部開始轉變成馬氏體時，則心部受壓，表面受拉[1]。一次回火時是將管坯加熱到相變點以下隨后急冷，得到的殘余應力全部為熱應力。在這些熱應力和組織應力下，管坯發生了不可避免的彎曲變形，進而使管坯徑向跳動量超差，因此需要對一次回火后的管坯進行校直，在校直過程中管坯內部會產生校正應力。這些熱應力、組織應力及校正應力疊加形成了管坯的內應力，后續第二次回火無法將其全部消除，管坯產生的彎曲變形程度雖然得到有效控制，但在殘余應力的作用下，進行機械加工后，會時常出現變形度過大，嚴重影響了產品合格率和工作效率，嚴重時會采取機加過程中間進行低溫回火或者延長機械加工時間的辦法。

3 試驗的思路及方法

生產過程對管坯變形度的檢測采取測量管坯外圓徑向跳動量的方法。初步的檢測試驗發現，第二次回火后對管坯多點外圓徑向跳動量檢測初始值后，在后續一定時間復檢時，其檢測點徑向跳動量數值發生了變化，但與初始測定值并不一致，不同時間點檢測的數值存在差異。

對此現象判斷認為：管坯在放置時，殘余應力隨時間緩慢釋放雖無法導致管坯明顯變形，但輕微形變是存在的，表現為外圓徑向跳動量數值發生變化，但因管坯壁厚尺寸較大，有足夠的剛度，其外圓徑向跳動量數值變化輕微。

因微觀上35CrNi3Mo 管坯殘余應力對機械加工應力釋放的影響不易量化，如果能從宏觀上通過對管坯多點外圓徑向跳動量檢測并發現其規律，可間接判斷殘余應力的消除程度，從而有效解決管坯加工變形問題。

試驗中，采用徑向跳動檢測儀對剛調質完的一定數量的試驗用件分別在標定位置進行初始外圓徑向跳動量檢測，再將其放置指定地點進行自然時效，并在不同階段在原檢測點位置進行外圓徑向跳動量檢測，觀察管坯彎曲變形程度的變化規律。

4 試驗用件

選用35CrNi3Mo 材質同一規格的調質態管坯20 支，分別進行為期6 個月的自然時效。管坯規格如圖1 所示，管坯調質工藝如下：

圖1 管坯規格尺寸示意圖

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：徑向跳動量≤5.5mm；

二次回火：560℃，8h～12h，空冷。

5 試驗結果與分析

管坯外圓徑向跳動量檢測位置分別如圖1 中A、B、C、D、E 點，檢測時機見表1。

表1 試驗用件外圓徑向跳動量檢測時機

表1 試驗用件外圓徑向跳動量檢測時機

對20 支試驗管坯在標定位置分別在調質后、時效3 個月、時效6 個月進行了管坯外圓徑向跳動量初始檢測、第一次復檢、第二次復檢，并對各標定位置檢測數據進行匯總分析。結果表明，20 支試驗管坯不同位置的外圓徑向跳動量平均值初始檢測為4.6～5.3mm，時效3 個月后檢測值變化較大，平均為2.5～3.5mm，時效6 個月后檢測值進一步變化，平均為1.6～2.3mm，外圓徑向跳動量數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，即隨著時效時間的延長，管坯外圓徑向跳動量數值總體上呈下降趨勢。

圖2 管坯不同位置外圓徑向跳動量平均值

綜上，隨著時效時間的延長，管坯變形度數值出現變化并呈先快后慢下降的趨勢，并在一定時間后（本試驗35CrNi3Mo 材質調質態管坯為6 個月）出現管坯直線度整體水平明顯改善的結果。這說明，管坯內部殘余應力隨著時效時間的延長會以發生輕微變形的方式得到釋放，并使得調質態管坯彎曲變形程度在一定時間的自然時效作用而減小。

20 支試驗管坯后續機械加工過程，均順利加工完成，加工過程未出現變形度超差的現象。

6 結論

（1）調質管坯經自然時效，在一定時間段內管坯變形程度會隨著時效時間的延長出現變化，其變形度平均數值隨時間延長而減小，數值變化呈現先快后慢的趨勢。

（2）對于長度為4600mm，經某特定調質熱處理工藝處理后的35CrNi3Mo材質管坯，經3 個月和6 個月短周期自然時效后，彎曲變形程度平均能夠分別降低34%～46%和57%～65%。