轴类锻件调质处理的伸长变形

王松林

(张家港海锅重型锻件有限公司，江苏215628)

钢锻件经过淬火加热和冷却后，要发生组织转变，同时产生热应力和组织应力，会使淬火工件的形状和尺寸发生变化，形成弯曲、翘曲、伸长、缩短、孔涨、孔缩等畸变。工件热处理畸变主要是由于金属在加热和冷却过程中的热胀冷缩，以及金属相变产生的组织与相变前原始组织比体积不同所致。

结构钢锻件经粗加工调质处理后，也会产生弯曲变形，特别是细长轴类锻件(长径比>80)的弯曲变形，在生产中时常发生，生产厂家也比较重视。然而，对于大型轴类锻件调质处理后的伸长变形，则往往被人们所忽视。因为这类锻件经过调质处理，要在轴端套取试料进行理化检验，试验项目合格后，即把轴端多余的试料切除掉，再转入加工工序，所以忽略了轴的长度变化。但是，对于两端有连接法兰的船用中间轴来说，长度尺寸的变化非常重要，稍有不慎就有可能出现废品，造成不应有的经济损失。例如，35CrMo钢船用中间轴(外径420 mm、内孔150 mm、两法兰开档长度6 000 mm～8 000 mm)两法兰间开档长度经过一次调质处理后最大伸长变形量可达33 mm，使锻件没有精加工余量而报废。因此，生产中积累轴类锻件调质处理后的伸长变形数据，掌握伸长变形规律，对绘制粗加工图，修订大型锻件粗加工余量标准，减少废品损失是有意义的。

1 35CrMo中间轴的伸长变形情况

35CrMo钢大型船用中间轴锻件的生产工序是：炼钢 → 钢锭红送 → 加热 → 锻造 → 等温退火 → 粗加工 → 调质处理 → 精加工等工序。粗加工后尺寸为：∅ 420 mm /∅150 mm×(6 000～8 000) mm。调质处理采用井式热处理炉，工件垂直悬挂煤气加热，淬火温度860℃，保温后出炉水淬油冷，均在井式水槽和井式油槽中进行，定性回火温度560℃，保温后炉冷到300℃出炉空冷。

力学性能试验结果表明：中间轴的综合力学性能良好，全部达到了技术条件要求的指标。但是，经调质处理合格的中间轴锻件，转序进行精加工时，发现两法兰间内档尺寸已经没有精加工余量，无法再进行精加工。

2 轴类锻件调质伸长变形的测量

2.1 测量工具及测量方法

测量工具为20 m钢卷尺。经粗加工的轴类锻件，在调质处理装炉前，测量轴的直径和长度。直径尺寸在轴的两端测量，互成90°，取二次的平均值。长度尺寸在轴的互成90°两条母线上测量，取测量值的平均值。调质处理后，用相同方法再测量一次。把两次测量结果计入统计表中，并进行对比，得出该轴经调质后的伸长变形量。为了减少人为的测量误差，调质处理前后由同一个人用同一把钢卷尺来进行测量。测量误差自定为±2 mm，如果调质处理前、后长度在2 mm范围波动，则视为轴的长度尺寸没有发生变化。

2.2 测量范围

(1) 测量轴类锻件在不同热处理状态下的长度变化。我们对轴类锻件在正火+高温回火状态和调质状态下的长度尺寸进行测量，以期验证锻件在以得到验证；

(2) 对不同钢种、不同规格的轴类锻件，在调质处理前和调质处理后进行长度测量，探索不同钢种对调质处理后伸长变形的影响；

(3) 对钢种相同、规格相同的轴类锻件，测量其淬火冷却条件对轴伸长变化的影响，还要测量调质处理次数(两次调质处理之间不经中间热处理)对轴伸长变形的影响。

2.3 测量结果

(1) 35CrMo钢船用中间轴锻件调质处理后伸长变形的测量结果见表1。由表1可知，船用中间轴锻件锻后经过等温退火处理。粗加工后外径为420 mm～440 mm，内孔直径为150 mm，长度为6 000 mm～8 060 mm。经过一次调质处理(淬火温度850～860℃，水淬油冷，回火温度540～570℃，空冷)后，轴的伸长变形量为14 mm～33 mm。

(2)不同材质的轴类锻件，锻后经过等温退火处理，粗加工后，再经调质处理，轴的伸长变形量测量结果见表2。

由表2可知，34CrMo1A、35CrMo、34CrNi3Mo、38CrMoAlA钢轴类锻件，经过调质处理后，都将产生伸长变形，其伸长变形量受钢的化学成分、锻件的粗加工尺寸、锻后热处理状态、调质淬火时的冷却条件(即组织转变量)的影响。

(3)调质次数对轴类锻件伸长变形的影响测量结果见表3。轴类锻件如果进行重复调质处理，而两次调质处理之间又未经中间退火，则随调质次数增加，其轴的伸长变形量也增加。

(4) 35CrMo、34CrMo1A钢轴类锻件，锻后经过等温退火、粗加工后，再进行正火+高温回火处理，轴的长度尺寸测量结果在2 mm范围内波动。由此可以认为，经正火+高温回火处理后，轴的长度尺寸没有发生宏观变化。由此可以推论，轴类锻件在井式热处理炉中垂直悬挂加热，不会在淬火温度下因自重蠕变而被拉长。

(5) 生产中实际测量结果证明，调质时在水中淬火的伸长变形量大于在油中淬火时的伸长变形量。

表1 35CrMo钢船用中间轴一次调质处理后的伸长变形Table1 The elongation strain of 35CrMo steel shaft forging after first hardened and tempered heat treatment

注：L0——调质前中间轴的粗加工长度；L——调质后中间轴的实际长度；ΔL——调质前和调质后中间轴长度的实际变化量，“+”为伸长，“-”为缩短。

3 轴类锻件调质处理后伸长变形的主要原因分析

中碳结构钢大型轴类锻件经过等温退火后，钢的显微组织为珠光体+铁素体，粗加工不会改变钢的显微组织。经过调质淬火后，由于热处理尺寸效应，在锻件的横截面上，由表面向心部的组织转变产物顺序为马氏体→马氏体+贝氏体→贝氏体+珠光体→珠光体+铁素体组织。此时，钢的比体积大于钢在退火状态的比体积。在轴的尺寸测量时，由于测量精度所限，在轴径方向测量不出尺寸的变化，而在轴的长度方向却测量出尺寸的变化，这就是轴类锻件调质处理后伸长变形的真正原因。锻件中组成物的比例与淬火冷却效果和钢的淬透性能密切相关，组成物的比体积所占比例也会出现差异，因此，轴类锻件的伸长变形量是不相同的。

钢在淬火时马氏体的体积变化与钢中的含碳量有关。文献资料[1]介绍，随钢中含碳量的增加，淬火马氏体的体积变化量也随之增加。

对大型锻件而言，在调质淬火时，冷却速度越大轴的伸长变形量越大。相同规格、相同材质的锻件，在水中淬火调质比在油中淬火调质的伸长变形量要大。因为钢在水中淬火比在油中淬火的组织转变更充分，淬火组织的转变量也更多，所以轴的伸长变形量就更大。

表2 不同材质轴类锻件经调质处理后的伸长变形测量结果Table2 The elongation strain results of different material shafts after hardened and tempered heat treatment

表3 34CrMo1A钢轴类锻件二次调质后伸长变形量的测量结果Table3 The elongation strain of 35CrMo steel shaft forging after second hardened and tempered heat treatment

锻件在热处理过程中，由组织转变应力、高温自重蠕变所引起的伸长变形量是很小的。

4 结语

(1)轴类结构钢锻件在调质过程中会发生伸长变形。伸长变形量与锻件调质前的组织状态、形状尺寸、锻件材质、调质次数密切相关。锻件调质前为退火组织(珠光体+铁素体)时，调质后伸长变形量最大。调质次数增加而两次调质之间又不经中间退火或正火处理时，则锻件的伸长变形量也随调质次数的增加而增大。

(2)对于大型锻件在调质前应充分预测到尺寸的变化，并预留足够的加工余量，这是防止因调质处理伸长变形而造成报废的有效措施。两端都有连接法兰的轴类锻件(如船用中间轴)，在已知伸长变形量的基础上，可在绘制粗加工图时，将粗加工余量放在轴的两个法兰的内侧面上，而两法兰外侧面的加工余量则利用调质处理后轴的伸长变形来补偿。这样，就不会发生因锻件调质后伸长变形在法兰内侧没有加工余量而报废的情况。

(3)结合大型锻件实际生产情况，对轴类锻件伸长变形和环形锻件内孔胀大(实际上也是一种沿锻件纤维方向的伸长变形)进行一些实际的测试工作，积累一定的生产经验数据，掌握锻件在不同热处理状态的尺寸变化规律，对修订大型锻件粗加工余量标准，绘制锻件粗加工图具有现实指导意义。

[1] 中国机械工程学会热处理学会.热处理手册(第4版)第1卷.北京：机械工业出版社.2008.1.