改善35CrMnSi碟片翘曲畸变的热处理工艺

盖苗苗， 杨 娟， 郑喜平

(1. 商丘学院 机械与电气信息学院， 河南 商丘 476000；2. 郑州精益达汽车零部件有限公司 质量保证部， 河南 郑州 450000)

碟片俗称阀片、垫片，是一种薄片状零件，其特点是面积大、厚度小、易变形。碟片一般需要良好的耐磨性和弹性，常在淬火状态下使用，一般生产工艺为：冲裁→热平整→盐浴分级淬火→清洗→夹平回火。采用这种工艺生产时，碟片容易在热处理时发生翘曲变形，硬度不均匀，造成批量废品，这是该类零件热处理的难点之一。本文通过加压水冷，将盐浴分级淬火改为模冷加压淬火，减少了变形，提高了成品率，收到了良好的改进效果。

1 试验材料与方法

试验碟片呈薄壁状的环形，尺寸为φ150 mm(外径)×φ120 mm(内径)×3 mm(厚)，所用材料为35CrMnSi钢，技术要求其在淬火后的硬度为48～55 HRC。采用ARL-3460直读光谱仪分析材料的化学成分，如表1所示，可见其化学元素含量符合GB/T 3077—2015《合金结构钢》要求。

表1 35CrMnSi钢的化学成分(质量分数，%)

35CrMnSi钢在静油中的临界淬火直径为φ42 mm，在20 ℃水中的临界淬火直径为φ62 mm，具有极为良好的淬透性，厚度3 mm的35CrMnSi钢制成的碟片可完全淬透，保证整个截面上得到均匀的马氏体组织。为避免碟片在淬火时发生翘曲变形，本文采用专用的模具进行加压冷却，该模具内部中空，通入不高于15 ℃的冷却水使碟片热量通过模具冷却带走。试验时碟片在UBE-200可控气氛炉中加热以防止脱碳和氧化，淬火温度为850、870、890、910 ℃，淬火时模具压力为6、7、8、9、10 MPa，淬火后统一进行180 ℃×240 min回火。

采用Axio Lab A1光学显微镜分析碟片的显微组织，采用HR-150A型硬度计测量碟片的硬度，采用Daisy10258三坐标测量碟片的翘曲畸变量。

2 试验结果与分析讨论

2.1 淬火工艺对显微组织的影响

图1为碟片在不同加压水冷工艺下的显微组织，可见两种淬火温度下碟片的组织均为马氏体。通过分析可知：①组织中未观察到大块状的未融铁素体，这是因为35CrMnSi钢的含碳量处于中碳合金钢的下限，其Ac1=765 ℃，Ac3=840 ℃，尽管相变温度较高，但在850 ℃加热时仍然能保证铁素体在高温下全部溶解，从而使碳原子全部溶入高温的奥氏体，得到均匀、稳定的高温组织。②组织中未观察到魏氏组织、网状铁素体和针状铁素体，说明在加压水冷的条件下，碟片没有发生高温的珠光体转变，主要原因是材料中含有的Cr、Mn、Si元素降低了晶界位置的能量，推迟了晶核的析出，使CCT曲线右移，增加了材料的淬透性。③碟 片组织是板条状马氏体+少量针状马氏体，由于含碳量较低，奥氏体在过冷条件下以切变的方式转变成板条状马氏体，其惯习面为{111}γ，这种组织具有较高的硬度和良好的韧性，是低碳钢和中低碳合金钢淬火后的主要组织[1]。

图1 碟片经不同温度加压水冷后的显微组织 (8 MPa)

2.2 淬火工艺对畸变量的影响

碟片淬火后的畸变量要求≤20 μm。表2为碟片在不同加压水冷工艺下的畸变量。可以看出，在850～910 ℃淬火时，随着淬火温度的升高，碟片的畸变量逐渐减小；冷却模具的加载压力为6～10 MPa时，随着压力的增加，畸变量也逐渐减小。出现这种变化主要是因为：①碟片在室温条件下的冲裁成型过程中，不可避免地会在基体中残留较多的内应力。由于室温原始组织是铁素体+珠光体，且铁素体占据主导地位，其组织结构是体心立方结构，滑移系较少[2]，因此内应力在室温下不易释放。随着温度的升高，材料完全奥氏体化后转变成面心立方结构，滑移系增加，塑性增强，温度越高内应力松弛效果越显著，因此内应力的减少直接反应为畸变量随着温度升高而显著下降。②在较高的温度和一定的模具压力下，翘曲的碟片在平整的模具中被压平，淬火前的翘曲变形得到了矫正，但是当模具的压力较小时，初始的翘曲变形得不到完全的矫正，导致淬火后的畸变量仍然很大。随着模具压力的增加，畸变量显著降低，当淬火温度890 ℃、加载压力10 MPa时，叠片的畸变量为11 μm，完全满足技术要求。③碟片厚度只有3 mm，属于典型的薄片状零件，在模具中冷却时，碟片的整个截面均可以获得较快的冷却速度，从心部到表面的温度基本一致，温度梯度比较平缓，这保证了整个截面上具有基本一致的热膨胀和较小的热应力[3]。另外，由于在模具中冷却可完成马氏体转变，且马氏体具有较高的硬度，只要在冷却过程中不发生翘曲变形，则淬火过程中得到矫正的碟片在淬火后不易在低温出现反弹，由此保证了产品的合格率。④在 原工艺的盐浴分级冷却时，碟片的φ150 mm平面在淬火时处于自由状态，在盐浴的冷却过程中不可避免地存在两个面的冷却速度不均匀、抑或是高温状态下的热应力释放以及组织应力引起的体积膨胀，这些因素必然会引起不受阻碍的自由变形，导致畸变量超出了技术要求，造成了大量废品。采用模压冷却后，碟片的φ150 mm平面变形受到模具的阻碍和限制不能自由进行，其淬火后的变形较小，产品一次交检合格率稳定在98%以上，完全满足了技术要求。

表2 不同加压水冷工艺下碟片的畸变量

2.3 淬火工艺对硬度的影响

碟片要求良好的耐磨性和尺寸稳定性，这就要求碟片具有较高的硬度。表3为不同加压水冷工艺下碟片的硬度，从表3中可看出，随着淬火温度的升高和模具加载压力的增加，碟片的硬度逐渐升高，当淬火温度890 ℃、加载压力10 MPa时，硬度达到峰值55 HRC。出现这种变化主要是因为：①在890 ℃淬火时，尽管此温度超过了材料的相变点，碳原子能融入奥氏体组织，但是部分合金元素，如Cr、Mn等元素因原子半径较大，温度相对较低时其驱动力不足，原子不能越过能量势垒，并不能完全融入奥氏体组织[4]，导致这部分合金元素的强化效应不能得以充分利用，随着温度的升高，原子的扩散能力增强，较多的合金元素融入到奥氏体，由于合金元素的原子半径较大，冷却后得到的马氏体组织晶胞中晶格畸变增加，形成较大的应力场，宏观上就表现为较高的硬度。②随着淬火温度的增加，合金元素融入奥氏体组织，使CCT曲线右移，淬透性增加。在通水的模具中，由于碟片具有较大的表面积，散热较快，因此在碟片的整个截面上温度梯度较小，相变的不等时性较弱，即从心部到表面的组织几乎可同时完成马氏体相变，具有较小的组织应力，从而使淬火后的硬度提高，并减少组织变化带来的畸变。③随着模具压力的增加，从微观的角度来说，模具与碟片之间的贴合会更加紧密，这种紧密的贴合无疑会增加相互之间的接触面积，根据热传导的菲克定律[5]，接触面积的增加必然会导致单位时间内热量散失更多，也就是降温速度更快，从而保证了碟片在模具中的连续冷却速度大于临界冷却速度，压力越大，冷却速度越快，马氏体的转变越彻底，宏观上越表现出较高的硬度。

表3 不同加压水冷工艺对碟片硬度的影响

3 结论

1) 35CrMnSi钢碟片在淬火温度为850 ℃和910 ℃、加载压力8 MPa的条件下加压水冷后的显微组织为板条状马氏体+少量针状马氏体，未观察到大块状的未溶铁素体、魏氏组织、网状铁素体和针状铁素体。

2) 随淬火温度的升高和加载压力的增加，碟片的畸变量逐渐减小，硬度逐渐增加，当淬火温度为890 ℃、加载压力为10 MPa时，碟片的畸变量达到最小，为11 μm，硬度达到最高值55 HRC，是最佳的热处理工艺参数。该工艺下由于在模具中加压水冷时碟片的变形受到了抑制，畸变量符合技术要求，其一次性交检合格率达到了98%，取得了满意的应用效果。