■ 魏開(kāi)龍，霍煥志

35CrMo鋼（化學(xué)成分見(jiàn)表1）是一種中碳低合金結(jié)構(gòu)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(qiáng)韌性，可用于制造截面較厚大的零件。在具有良好強(qiáng)韌性的同時(shí)，該鋼種的價(jià)格又比Cr、Ni鋼等低廉，故在石油裝備制造中被廣泛應(yīng)用，可制造轉(zhuǎn)子、支柱等重載荷零部件。

為了充分發(fā)揮其綜合力學(xué)性能，35CrMo鋼均在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用，而在不同的熱處理?xiàng)l件下，毛坯會(huì)表現(xiàn)出各不相同的力學(xué)性能（見(jiàn)表2），我公司的閥箱采用該材質(zhì)。

1.問(wèn)題的提出

閥箱是我公司的主導(dǎo)產(chǎn)品之一，為保證閥箱的力學(xué)性能要求，閥箱粗車(chē)后需進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，即淬火+高溫回火。我公司原閥箱調(diào)質(zhì)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(shí)間按如下經(jīng)驗(yàn)公式估算：

表1 35CrMo鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

式中 t ——保溫時(shí)間，min；

a——保溫時(shí)間系數(shù)，min/mm；

k——工件裝爐方式修正系數(shù)；

d——工件有效厚度，mm。

根據(jù)相關(guān)資料a=1min/mm，k=1.6，d取決于閥箱的實(shí)際厚度。

在生產(chǎn)過(guò)程中，調(diào)質(zhì)后的閥箱經(jīng)常出現(xiàn)以下缺陷。

（1）閥箱產(chǎn)生變形，其6個(gè)平面出現(xiàn)不同心部凹陷，如果粗加工時(shí)加工余量不足，會(huì)出現(xiàn)心部“黑皮”。

（2）閥箱的棱角出現(xiàn)崩裂掉塊現(xiàn)象，并且閥箱的相貫孔出現(xiàn)放射狀裂紋。

閥箱在調(diào)質(zhì)過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷給后續(xù)的機(jī)加工帶來(lái)了難度，甚至?xí)?dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。

表2 35CrMo鋼在不同熱處理規(guī)范下的力學(xué)性能

2.閥箱的加熱過(guò)程分析

物體的體積或長(zhǎng)度隨溫度的變化而變化的現(xiàn)象稱(chēng)為熱膨脹。一般說(shuō)來(lái)，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(xiàn)象。不同物質(zhì)的熱膨脹特性是不同的，即使是同一種物質(zhì)，由于晶體結(jié)構(gòu)不同、發(fā)生相變等原因，也會(huì)出現(xiàn)不同的熱膨脹特性，甚至造成隨著溫度的升高，物質(zhì)的體積不變或縮小的異常熱膨脹現(xiàn)象。在閥箱開(kāi)始加熱的過(guò)程中，主要關(guān)注的是其加熱時(shí)應(yīng)力狀態(tài)。

閥箱外表面先熱，溫度升高，尺寸膨脹。工件內(nèi)部溫度低，尺寸膨脹少，沿溫度場(chǎng)徑向產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)側(cè)溫度在300℃時(shí)（為藍(lán)脆狀態(tài)，塑性極低），閥箱內(nèi)部的拉應(yīng)力隨著溫差的增大而增大。故在閥箱加熱時(shí)，應(yīng)分時(shí)間段加熱，升溫速度也應(yīng)盡量低，原則上低于傳熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)。

3.閥箱的冷卻過(guò)程分析

當(dāng)閥箱在淬火時(shí)，外表面或工件一端首先冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)轳R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(shí)還要大，所以也有拉應(yīng)力產(chǎn)生，此時(shí)的拉應(yīng)力如果作用于正在相變的部位，相變應(yīng)力與熱應(yīng)力疊加易產(chǎn)生變形或開(kāi)裂，尤其是溫度在820～840℃，此時(shí)材料的抗拉強(qiáng)度約200MPa，心部的奧氏體將產(chǎn)生塑性變形，該變形在回火時(shí)也恢復(fù)不了原狀。

調(diào)質(zhì)鋼的回火有四個(gè)轉(zhuǎn)變階段，且每個(gè)階段都存在著不同的組織特點(diǎn)。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(shí)，則發(fā)生回火馬氏體的分解，形成托氏體，即回火的第三階段，這時(shí)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(shí)，如果組織應(yīng)力超過(guò)鋼的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)造成閥箱的塑性畸變。

4.綜合分析

當(dāng)閥箱升溫時(shí)，閥箱外表面先熱，溫度升高，尺寸膨脹。內(nèi)部溫度低，尺寸膨脹少，沿溫度場(chǎng)徑向產(chǎn)生拉應(yīng)力。在應(yīng)力集中或有缺陷的地方，易產(chǎn)生裂紋。

當(dāng)閥箱淬火時(shí)，外表面首先冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)轳R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(zhì)應(yīng)當(dāng)是，當(dāng)閥箱浸入淬火冷卻介質(zhì)中，為了獲得馬氏體組織，在過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性低的溫度范圍，即等溫轉(zhuǎn)變圖的鼻尖附近，冷卻速度應(yīng)大于臨界冷卻速度，使閥箱快速通過(guò)珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，保證閥箱淬火后得到足夠的硬度；而在Ms點(diǎn)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(nèi)外溫度差而引起的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。

5.問(wèn)題的解決

結(jié)合以上對(duì)閥箱加熱、冷卻過(guò)程中的受力分析，對(duì)閥箱的調(diào)質(zhì)工藝進(jìn)行了調(diào)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(guò)快產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

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

（3）應(yīng)用亞溫淬火工藝，即選擇35CrMo鋼的奧氏體臨界點(diǎn)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(zhuǎn)變溫度，并可消除回火脆性。

（4）實(shí)際操作中控制閥箱淬火時(shí)的出水溫度，選擇300～400℃出水，由于此時(shí)的溫度不易測(cè)量，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷：閥箱出水后上表面四角短時(shí)間內(nèi)存有水珠即可。

通過(guò)工藝改進(jìn)，閥箱的調(diào)質(zhì)質(zhì)量有了大的改觀，表面凹陷、棱角迸裂、相貫孔開(kāi)裂現(xiàn)象出現(xiàn)的概率大大減小，閥箱的力學(xué)性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

圖1

圖2

20150315