王松林

(張家港海鍋重型鍛件有限公司，江蘇215628)

鋼鍛件經(jīng)過淬火加熱和冷卻后，要發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，同時產(chǎn)生熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，會使淬火工件的形狀和尺寸發(fā)生變化，形成彎曲、翹曲、伸長、縮短、孔漲、孔縮等畸變。工件熱處理畸變主要是由于金屬在加熱和冷卻過程中的熱脹冷縮，以及金屬相變產(chǎn)生的組織與相變前原始組織比體積不同所致。

結(jié)構(gòu)鋼鍛件經(jīng)粗加工調(diào)質(zhì)處理后，也會產(chǎn)生彎曲變形，特別是細長軸類鍛件(長徑比>80)的彎曲變形，在生產(chǎn)中時常發(fā)生，生產(chǎn)廠家也比較重視。然而，對于大型軸類鍛件調(diào)質(zhì)處理后的伸長變形，則往往被人們所忽視。因為這類鍛件經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，要在軸端套取試料進行理化檢驗，試驗項目合格后，即把軸端多余的試料切除掉，再轉(zhuǎn)入加工工序，所以忽略了軸的長度變化。但是，對于兩端有連接法蘭的船用中間軸來說，長度尺寸的變化非常重要，稍有不慎就有可能出現(xiàn)廢品，造成不應(yīng)有的經(jīng)濟損失。例如，35CrMo鋼船用中間軸(外徑420 mm、內(nèi)孔150 mm、兩法蘭開檔長度6 000 mm～8 000 mm)兩法蘭間開檔長度經(jīng)過一次調(diào)質(zhì)處理后最大伸長變形量可達33 mm，使鍛件沒有精加工余量而報廢。因此，生產(chǎn)中積累軸類鍛件調(diào)質(zhì)處理后的伸長變形數(shù)據(jù)，掌握伸長變形規(guī)律，對繪制粗加工圖，修訂大型鍛件粗加工余量標準，減少廢品損失是有意義的。

1 35CrMo中間軸的伸長變形情況

35CrMo鋼大型船用中間軸鍛件的生產(chǎn)工序是：煉鋼 → 鋼錠紅送 → 加熱 → 鍛造 → 等溫退火 → 粗加工 → 調(diào)質(zhì)處理 → 精加工等工序。粗加工后尺寸為：? 420 mm /?150 mm×(6 000～8 000) mm。調(diào)質(zhì)處理采用井式熱處理爐，工件垂直懸掛煤氣加熱，淬火溫度860℃，保溫后出爐水淬油冷，均在井式水槽和井式油槽中進行，定性回火溫度560℃，保溫后爐冷到300℃出爐空冷。

力學(xué)性能試驗結(jié)果表明：中間軸的綜合力學(xué)性能良好，全部達到了技術(shù)條件要求的指標。但是，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理合格的中間軸鍛件，轉(zhuǎn)序進行精加工時，發(fā)現(xiàn)兩法蘭間內(nèi)檔尺寸已經(jīng)沒有精加工余量，無法再進行精加工。

2 軸類鍛件調(diào)質(zhì)伸長變形的測量

2.1 測量工具及測量方法

測量工具為20 m鋼卷尺。經(jīng)粗加工的軸類鍛件，在調(diào)質(zhì)處理裝爐前，測量軸的直徑和長度。直徑尺寸在軸的兩端測量，互成90°，取二次的平均值。長度尺寸在軸的互成90°兩條母線上測量，取測量值的平均值。調(diào)質(zhì)處理后，用相同方法再測量一次。把兩次測量結(jié)果計入統(tǒng)計表中，并進行對比，得出該軸經(jīng)調(diào)質(zhì)后的伸長變形量。為了減少人為的測量誤差，調(diào)質(zhì)處理前后由同一個人用同一把鋼卷尺來進行測量。測量誤差自定為±2 mm，如果調(diào)質(zhì)處理前、后長度在2 mm范圍波動，則視為軸的長度尺寸沒有發(fā)生變化。

2.2 測量范圍

(1) 測量軸類鍛件在不同熱處理狀態(tài)下的長度變化。我們對軸類鍛件在正火+高溫回火狀態(tài)和調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的長度尺寸進行測量，以期驗證鍛件在以得到驗證；

(2) 對不同鋼種、不同規(guī)格的軸類鍛件，在調(diào)質(zhì)處理前和調(diào)質(zhì)處理后進行長度測量，探索不同鋼種對調(diào)質(zhì)處理后伸長變形的影響；

(3) 對鋼種相同、規(guī)格相同的軸類鍛件，測量其淬火冷卻條件對軸伸長變化的影響，還要測量調(diào)質(zhì)處理次數(shù)(兩次調(diào)質(zhì)處理之間不經(jīng)中間熱處理)對軸伸長變形的影響。

2.3 測量結(jié)果

(1) 35CrMo鋼船用中間軸鍛件調(diào)質(zhì)處理后伸長變形的測量結(jié)果見表1。由表1可知，船用中間軸鍛件鍛后經(jīng)過等溫退火處理。粗加工后外徑為420 mm～440 mm，內(nèi)孔直徑為150 mm，長度為6 000 mm～8 060 mm。經(jīng)過一次調(diào)質(zhì)處理(淬火溫度850～860℃，水淬油冷，回火溫度540～570℃，空冷)后，軸的伸長變形量為14 mm～33 mm。

(2)不同材質(zhì)的軸類鍛件，鍛后經(jīng)過等溫退火處理，粗加工后，再經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，軸的伸長變形量測量結(jié)果見表2。

由表2可知，34CrMo1A、35CrMo、34CrNi3Mo、38CrMoAlA鋼軸類鍛件，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，都將產(chǎn)生伸長變形，其伸長變形量受鋼的化學(xué)成分、鍛件的粗加工尺寸、鍛后熱處理狀態(tài)、調(diào)質(zhì)淬火時的冷卻條件(即組織轉(zhuǎn)變量)的影響。

(3)調(diào)質(zhì)次數(shù)對軸類鍛件伸長變形的影響測量結(jié)果見表3。軸類鍛件如果進行重復(fù)調(diào)質(zhì)處理，而兩次調(diào)質(zhì)處理之間又未經(jīng)中間退火，則隨調(diào)質(zhì)次數(shù)增加，其軸的伸長變形量也增加。

(4) 35CrMo、34CrMo1A鋼軸類鍛件，鍛后經(jīng)過等溫退火、粗加工后，再進行正火+高溫回火處理，軸的長度尺寸測量結(jié)果在2 mm范圍內(nèi)波動。由此可以認為，經(jīng)正火+高溫回火處理后，軸的長度尺寸沒有發(fā)生宏觀變化。由此可以推論，軸類鍛件在井式熱處理爐中垂直懸掛加熱，不會在淬火溫度下因自重蠕變而被拉長。

(5) 生產(chǎn)中實際測量結(jié)果證明，調(diào)質(zhì)時在水中淬火的伸長變形量大于在油中淬火時的伸長變形量。

表1 35CrMo鋼船用中間軸一次調(diào)質(zhì)處理后的伸長變形Table1 The elongation strain of 35CrMo steel shaft forging after first hardened and tempered heat treatment

注：L0——調(diào)質(zhì)前中間軸的粗加工長度；L——調(diào)質(zhì)后中間軸的實際長度；ΔL——調(diào)質(zhì)前和調(diào)質(zhì)后中間軸長度的實際變化量，“+”為伸長，“-”為縮短。

3 軸類鍛件調(diào)質(zhì)處理后伸長變形的主要原因分析

中碳結(jié)構(gòu)鋼大型軸類鍛件經(jīng)過等溫退火后，鋼的顯微組織為珠光體+鐵素體，粗加工不會改變鋼的顯微組織。經(jīng)過調(diào)質(zhì)淬火后，由于熱處理尺寸效應(yīng)，在鍛件的橫截面上，由表面向心部的組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)物順序為馬氏體→馬氏體+貝氏體→貝氏體+珠光體→珠光體+鐵素體組織。此時，鋼的比體積大于鋼在退火狀態(tài)的比體積。在軸的尺寸測量時，由于測量精度所限，在軸徑方向測量不出尺寸的變化，而在軸的長度方向卻測量出尺寸的變化，這就是軸類鍛件調(diào)質(zhì)處理后伸長變形的真正原因。鍛件中組成物的比例與淬火冷卻效果和鋼的淬透性能密切相關(guān)，組成物的比體積所占比例也會出現(xiàn)差異，因此，軸類鍛件的伸長變形量是不相同的。

鋼在淬火時馬氏體的體積變化與鋼中的含碳量有關(guān)。文獻資料[1]介紹，隨鋼中含碳量的增加，淬火馬氏體的體積變化量也隨之增加。

對大型鍛件而言，在調(diào)質(zhì)淬火時，冷卻速度越大軸的伸長變形量越大。相同規(guī)格、相同材質(zhì)的鍛件，在水中淬火調(diào)質(zhì)比在油中淬火調(diào)質(zhì)的伸長變形量要大。因為鋼在水中淬火比在油中淬火的組織轉(zhuǎn)變更充分，淬火組織的轉(zhuǎn)變量也更多，所以軸的伸長變形量就更大。

表2 不同材質(zhì)軸類鍛件經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的伸長變形測量結(jié)果Table2 The elongation strain results of different material shafts after hardened and tempered heat treatment

表3 34CrMo1A鋼軸類鍛件二次調(diào)質(zhì)后伸長變形量的測量結(jié)果Table3 The elongation strain of 35CrMo steel shaft forging after second hardened and tempered heat treatment

鍛件在熱處理過程中，由組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力、高溫自重蠕變所引起的伸長變形量是很小的。

4 結(jié)語

(1)軸類結(jié)構(gòu)鋼鍛件在調(diào)質(zhì)過程中會發(fā)生伸長變形。伸長變形量與鍛件調(diào)質(zhì)前的組織狀態(tài)、形狀尺寸、鍛件材質(zhì)、調(diào)質(zhì)次數(shù)密切相關(guān)。鍛件調(diào)質(zhì)前為退火組織(珠光體+鐵素體)時，調(diào)質(zhì)后伸長變形量最大。調(diào)質(zhì)次數(shù)增加而兩次調(diào)質(zhì)之間又不經(jīng)中間退火或正火處理時，則鍛件的伸長變形量也隨調(diào)質(zhì)次數(shù)的增加而增大。

(2)對于大型鍛件在調(diào)質(zhì)前應(yīng)充分預(yù)測到尺寸的變化，并預(yù)留足夠的加工余量，這是防止因調(diào)質(zhì)處理伸長變形而造成報廢的有效措施。兩端都有連接法蘭的軸類鍛件(如船用中間軸)，在已知伸長變形量的基礎(chǔ)上，可在繪制粗加工圖時，將粗加工余量放在軸的兩個法蘭的內(nèi)側(cè)面上，而兩法蘭外側(cè)面的加工余量則利用調(diào)質(zhì)處理后軸的伸長變形來補償。這樣，就不會發(fā)生因鍛件調(diào)質(zhì)后伸長變形在法蘭內(nèi)側(cè)沒有加工余量而報廢的情況。

(3)結(jié)合大型鍛件實際生產(chǎn)情況，對軸類鍛件伸長變形和環(huán)形鍛件內(nèi)孔脹大(實際上也是一種沿鍛件纖維方向的伸長變形)進行一些實際的測試工作，積累一定的生產(chǎn)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，掌握鍛件在不同熱處理狀態(tài)的尺寸變化規(guī)律，對修訂大型鍛件粗加工余量標準，繪制鍛件粗加工圖具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

[1] 中國機械工程學(xué)會熱處理學(xué)會.熱處理手冊(第4版)第1卷.北京：機械工業(yè)出版社.2008.1.