弹性夹箍热处理工艺研究

彭展里，贺国益

（1.贵阳锐鑫机械加工有限责任公司，贵州 贵阳 550000；2.中国航空工业标准件制造有限责任公司，贵州 贵阳 550000）

一汽大众、上海大众轿车上四个图号的夹箍热处理后安装断裂一直是一个技术问题。自从80 年代后我国轿车开发采用夹箍以来，断裂问题一直没有得到解决，若采取最原始的方法在装配之前100%进行夹断试验，但这给产品最终交付状态直接带来很大的影响，即直径变大，不符合要求。而且100%夹断试验过的零件也难保证在使用装配中不再断裂，断裂的比例很大约8%以上，且断裂释放的能量形成冲击力易伤害装配者，影响我厂信誉。虽然有时采用补充回火，或提高回火温度（如390℃）让硬度处在最下限HV480。断裂现象并没有得到改善，仍有8%左右。甚至最大的夹箍，夹紧时变形最小，也有断裂。我们查找德国图纸发现热处理要求贝氏体连续淬火，这种工艺方法我厂没有设备条件。若要购买需300 万元以上，且国内没有成熟的设备，为了解决此问题，我们做了如下工作，找出了最佳热处理工艺。在不购买设备的情况最终解决了产品断裂问题。

1 实验材料及方法

1.1 试验材料

试验所采用的50CrVA 钢[1]（GB/T1222-1984）其化学成分见表1 所示。

表1 50CrVA 钢的化学成分

表2 50CrVA 钢物理性能

表3 50CrVA 钢力学性能

1.2 实验方法

我们用原断裂为10%的同一批夹箍材料来进行试验。该批样品的断裂最为严重，使用的材料50CrVA 钢厚度为δ1.6。试验1 ～7 使用的热处理条件和硬度测试结果如表4 所示。

对序号6、7 不同淬火温度同炉回火的拉力试片进行了机械性能试验，结果如下，见表5。

表5 样品6 和7 不同热处理下的机械性能

2 试验结果及分析

50CrVA[2]钢经过适当热处理后（淬火及回火）具有高比例极限和强度极限，高的疲劳强度以及较低的弹性模数，δs/δb的比值也高，并有高的淬透性与较低过热敏感性。钢的切削加工性尚好，当HB=183 ～241 时，相对加工性为45%。但冷变形时塑性低，焊接性也低，焊接前应预热到100℃～430℃。

50CrVA 钢在加热到300℃时，其弹性仍可保持。所以适用于制造特别重要的承受大应力的各种尺寸的螺旋弹簧、片弹簧，也可用作大载面的及在400℃以下工作的主要零件，在发动机制造中用作汽门弹簧。

用这种钢制作的弹簧，经淬火后，需在370℃～420℃回火处理，以消除应力与提高屈服强度[1]。本文的弹性夹箍在汽车发动中用于夹紧水管，避免漏水。其装配时，用专用工具使夹箍直径增大，套入胶管中，最后松开专用工具使其夹紧水管。原热处理工艺的弹性夹箍在用专用工具使夹箍直径增大，即发生变形时，夹箍发生脆性断裂，其断口未有明显塑性变形。

试验序号1 方案由于淬火加热温度750 ℃没有达到Ac1752℃，所以淬火没有硬度。

试验序号2 方案由于淬火加热温度755℃，温度偏低，铁素体较多，马氏体较少，所以淬火硬度HRC ～35 不合格。

表4 试验夹箍热处理条件和硬度测试结果

试验序号3 方案虽然淬火加热温度770℃，但淬火后铁素体较多，马氏体含量尽管比755℃淬火方案多，但硬度仍然达不到图纸要求。

试验序号4 方案虽然淬火加热温度780℃，钢处在两相区，有未溶铁素体、有奥氏体。淬火后奥氏体转变成马氏体、铁素体保留下来，虽然经回火硬度合格，但夹紧试验仍有很大比例的断裂。淬火组织见图1（a）。

试验序号5 方案先高温900℃正火+780℃亚温淬火，虽然硬度合格，但仍有很大比例断裂。淬火组织见图1（b）。

试验序号6 方案860℃淬火，370℃～385℃回火为热处理手册推荐的标准淬火回火工艺，是我厂采用的常规工艺，但断裂仍很大。原因淬火组织以片状马氏体为主。淬火组织见图1（c）。

试验序号7 方案采用比常规淬火温度高60℃～70℃，淬火组织以板条马氏体为主，同时未发现脱碳。淬火组织见图1（d）。经370 ～385℃回火，硬度合格，夹紧试验未发现断裂。序号7 变形检查：淬火前、后取200 件进行检查未发现变形。

图1 试样4 ～7 显微组织图

标准淬火工艺860℃，得到的组织以片状孪晶马氏体为主，这种组织的塑性、韧性较差，在外力作用下片状马氏体的主要变形方式是机械孪生，且孪生变形受到马氏体中已有相变孪晶的制约，可供动作的晶体学系统较少。片状马氏体中的孪晶界易于造成位错塞积，使孪晶界产生应力集中而出现微裂纹。此外，体心立方金属中的孪生变形也容易在孪晶与晶界的交界处产生微裂纹。在外力的作用下，这些微裂纹就可能扩展成宏观裂纹。而且，片状马氏体中各片马氏体互成一定角度，马氏体高速长大时可能互相冲撞。马氏体片的尖端也可能冲击原奥氏体晶界，这都可能导致微裂纹的产生。片状马氏体中碳原子偏聚于孪晶界，碳化物沉淀也多集中于孪晶界，在外力的作用下，微裂纹易于沿挛晶界扩展[3],特别硬度要求高HV480 ～520，回火温度偏低（370℃～390℃）脆性就更大。提高淬火温度将抑制片状孪晶马氏体的形成，能获得更多的具有较高韧性的板条马氏体[4]。因为板条马氏体的主要形成方式是滑移，在外力的作用下，马氏体中的大量位错易于沿滑移面运动。板条马氏体中的晶界和领域有阻止裂纹扩展的作用。板条马氏体束内的板条大致平行，它们长大时不会互相冲击，板条马氏体中有高密度位错，在位错外的碳原子偏聚区或有优先析出的碳化物相对的比较细小均匀[3]。

由于采用盐炉高温加热，加热速度较快且保温时间短，奥氏体形核较多，奥氏体晶粒较细[5]，因而马氏体领域和马氏体束较小，即塑性、韧性有所提高[3]。从表二数据可知920℃淬火比860℃淬火延伸率高一倍。

采用920℃加热，保温3min 油淬，380±10℃30min 回火新工艺，10 月～12 月共生产产品145 万件。任取20%左右数量进行夹紧试验未发现一件断裂。

3 结论

（1）热处理工艺对弹性夹箍的组织和性能有较大的影响。通过大量的实验。发现采用920℃～930℃油淬3min，然后再在370℃～390℃回火30min 能有效解决夹箍使用过程中断裂的现象。

（2）提高淬火温度可以抑制片状孪晶马氏体的形成，能获得更多具有较高韧性的板条状马氏体。同时，板条状马氏体位错外的碳原子偏聚区优先析出的碳化物相对的比较细小均匀。