控制阀芯冷处理裂纹原因剖析及热处理工艺改进有何借鉴价值？

改善控制阀芯在低温处理时出现断裂的问题，并优化其加热处理流程，针对低温断裂现象，应当采取何种措施？

本文探讨了特定阀门核心部件在低温处理时出现断裂的关键因素，随后对其高温加工流程实施了优化，成功消除了低温脆性断裂现象，具有参考意义。

本企业制造的转向器控制阀芯，参见图1，属于动力转向系统的关键部件，选用GCr15材料打造，其功能在于实现轴向的往复移动，用以连通油缸的左右油腔，通过油缸内的高压油驱动活塞本体沿轴向位移，而活塞本体的齿条会带动垂臂轴的主齿进行径向的顺时针与逆时针转动，借助转向垂臂和横拉杆，最终达成汽车的左右转向功能。

图1 零件简图

1.原工艺情况

该零件的功能对其尺寸和位置精度提出了极高要求，需要严格控制转向器的内漏情况，因此必须保证零件外径与阀孔之间的空隙在0.008到0.016毫米之间，圆柱度需达到0.003毫米，表面粗糙度值应为0.4微米。为了有效管理高压油传输和液压噪音等状况，控制阀芯四个方向上的凹槽间距的准确度被设定为正负零点零一毫米、正负零点零二毫米，这表明零件在持续运作时必须具备抗磨损能力，并且其尺寸不能发生改变。通常情况下GCr15钢在淬火后会有10%～15%的残余奥氏体存在，这些残余奥氏体位于淬火组织中，即便经过常规回火处理，也无法让它们完全转变并稳定下来，零件在使用期间，其尺寸会因残余奥氏体的转变而发生改变，从而无法达到尺寸精度标准。

为了降低淬火后残留奥氏体的比例，并促使剩余的微量奥氏体达到稳定状态，目的是提升尺寸的稳定性并强化硬度，规定在淬火步骤完成之后必须实施低温处理，先前的热处理流程是：“淬火+低温处理+再次加热”，具体操作为：完成淬火操作后使材料冷却至常温，接着在零下七十摄氏度左右维持一个小时的恒温，待温度恢复至常温时再进行回火处理。这项技术从制造开始，产品性能就很不稳定，绝大多数组次都或多或少地发现了断裂，断裂比例最大时达到六成，即便使用了多种方法严格管控，还是无法完全阻止断裂的发生，造成的损失非常巨大。

2.试验结果

经磁力检测，发现缺陷位置有两个方面，首先在零件的外部圆形区域，裂纹呈现细长的条带或细密的网状形态，如图2a所示，其次在台阶的凹槽位置，裂纹呈现为沿轴向分布的形态，且数量相对较多，如图2b所示。

（a）

（b）

图2 裂纹件的宏观形貌

原材料经过低倍观察和化学成分检测，未发现明显瑕疵，具体情况参见表1和表2。

表1 低倍组织

表2 阀芯化学成分（质量分数） （%）

对未经过热处理的零件进行取样，实施球化退火工艺，其组织形态呈现为球状珠光体与颗粒状碳化物，退火后的组织评定为1到2级，参见图3，属于标准退火状态。

图3 退火组织（4%硝酸酒精） 500×

从裂缝正交的切面准备金相样品，先进行抛光处理，再使用4%的硝酸酒精液进行化学侵蚀，观察发现裂缝两边没有出现碳化脱层现象，材料结构同主体部分相同，由回火马氏体、颗粒状碳化物和微量残余奥氏体构成，部件内部还存在内部裂缝，这种裂缝呈现沿晶界分布的特征。由此可以推断出，裂纹主要源于零件内部结构在马氏体相变过程中产生的组织应力较高，并在多个部位出现应力集中，进而导致了淬火时产生开裂现象，实际上就是淬火裂纹。

3.裂纹原因分析

阀芯选用的材质为GCr15钢，制造过程中使用的回火温度范围在850℃上下浮动10℃，进行加热的装置是盐浴炉，而冷却环节则使用32号机械油进行。这种钢材的碳含量介于0.95%到1.15%之间，碳当量值为1.5%。铬元素与碳元素的交互影响，在加热过程中会进入奥氏体相中，从而使得马氏体转变点下降，同时提升了钢的淬透能力。然而这种交互作用也增强了奥氏体的稳定性，导致在淬火操作完成后，会有10%到15%的奥氏体相留存下来。因为加热温度越高，奥氏体中溶解的碳和合金成分就越多，这种组织越稳定，所以形成的残余奥氏体也就越多。残余奥氏体属于一种不稳固的结构，在淬火操作后，若从油中取出并摊放在铁质平板上自然降温至常温，还需进行冷处理步骤（借助测温工具确定温度值），整个流程通常持续两到三个小时。这些残余奥氏体在此期间会逐渐转化，但变化过程极为迟缓，难以实现马氏体转变，等到后续的低温冷却阶段，温度降低会促使这些残余奥氏体加速转化，残余奥氏体含量越高，最终转化的马氏体数量就越多，由此产生的相变应力也就越强，这种应力与先前形成的淬火应力叠加在一起，便会导致类似淬火裂纹的断裂现象，也就是所谓的冷处理裂纹。

热处理零件出现断裂现象，源于冷却期间，热应力同组织应力叠加形成的内部应力，于短时间突破了材料的抗脆裂能力，该零件碳含量偏高，导致马氏体相变时体积变化幅度增大，马氏体相变温度点Ms有所下降，热应力随之减弱，整体呈现出组织应力占主导地位的分布状况。零件体积不大，材质耐穿透性强，中心部位能完全淬火，冷却过程中，马氏体转变从外层开始，逐步向内部发展，表层经历马氏体转变时，体积会增大，必然对尚未转变的心部产生拉力，而表层自身则因心部限制承受压力，压力的集中点随着转变的推进向中心移动，奥氏体具有很好的延展性和很低的抗力，因此，转变产生的应力会导致处于奥氏体状态的心部产生形变，接着当心部温度降到转变起点时，马氏体转变发生，伴随的体积膨胀受到已经变成马氏体的坚硬外层的阻挡，形成了与之前方向不同的组织应力心部马氏体相变开展过程中，组织应力出现逆转，表层承受拉应力，中心承受压应力，由此构成最终的残余组织应力状态。在退火后若不加任何处理，放置于大气环境中，内部应力无法消除，马氏体转变终点（Mf）大约在零下七十度，室温条件下停留以及后续的低温处理期间，残余奥氏体会逐渐变化，低温处理期间，内应力的产生主要有两个因素，一是急剧降温，二是残余奥氏体转变为马氏体。零件被放置在温度可降至-78℃的干冰酒精混合液保温容器中进行处理，该温度低于材料的马氏体转变终点Mf，冷却速率因此提升，淬火后剩余的未转变奥氏体进一步转变为马氏体，同样会在表面形成拉应力，在中心部位形成压应力，这两种应力并未相互抵消，反而相互累积，并且在低温环境下材料自身的抗脆断能力减弱，因此当快速冷却与残奥转变产生的相变应力叠加前期淬火形成的淬火应力，若总应力超过材料的抗脆断能力，就会引发裂纹。如果已有显微裂纹，则可能导致裂纹的长大或扩展为宏观裂纹。

总结来说，阀芯在冷处理时出现普遍性断裂现象，主要因为淬火和冷加工过程中，表层承受拉应力，中心部位承受压应力，这两种残余应力叠加在一起，突破了材料的抗脆断能力，导致断裂，而且淬火后形成的残余奥氏体数量越多，越容易发生断裂。

4.消除裂纹的验证试验

淬火应力会因冷处理而加大，进而导致冷处理时产生裂纹，因此要防止冷处理裂纹，就必须在冷处理之前把淬火应力降下来。资料表明，采用大约100℃的低温回火，能够消除大概25%的淬火应力，而采用大约200℃的温度回火，则可以消除大约50%的淬火应力。为了确认阀芯出现破损的缘由，将经过热处理后的部件分别采用沸水与热油进行调质，前者温度为100度，后者为180度，每个工艺流程持续一个小时。

具体步骤如下：采用（850±10）℃作为热处理温度，使用盐浴炉进行加热，选择32号机械油作为冷却介质，首批试验包含68个零件，热处理流程保持不变，但零件从油中取出后，按照三种不同方式处理：20个零件先在100℃开水中浸泡1小时，取出待零件表面冷却至约60℃后，迅速投入水中降温至室温，随后与其他产品一起进行冷处理；20个零件在180℃油炉中煮油1小时，取出待零件表面冷却至约60℃后，同样投入水中快速降温至室温，再与其他产品一起进行冷处理；剩余的28个零件依照原工艺进行，在铁板上摊开自然冷却至室温，这个过程需要2到2.5小时，待自然冷却的零件达到室温后（使用红外线点温计检测），将不同处理方式的零件做好标记，然后放入保温桶底部，倒入干冰和酒精（酒精需完全覆盖零件），进行1小时的冷处理。零件在冷处理完成后取出，需在空气中展开，直至其自行恢复至常温，然后送入油炉进行回火，整个操作时长大约在3到4个小时之间，回火步骤结束后，要实施喷砂处理，同时运用磁粉探伤技术来检测是否存在裂纹，另外，针对每种工艺方案，都要准备试件进行金相组织的检测。

热处理之后，金相组织如图4所示，具体工艺包括淬火，然后是100摄氏度的开水预回火，持续一个小时，接着进行冷处理，同样持续一个小时，最后再进行回火处理。

图4 由回火马氏体、颗粒状碳化物和少量残余奥氏体构成（评级为2级）放大400倍后观察到的微观结构特征，其中残余奥氏体分布极不显著

热处理工艺完成后，金属的微观结构呈现为图5所示形态，该工艺包括先进行淬火处理，再在180摄氏度的油中浸泡进行预回火，持续时间为1小时，随后实施1小时的冷处理，最后再次进行回火步骤。

图5 包含回火马氏体成分，伴有颗粒状碳化物分布，评定为2级，并且未检测到残余奥氏体，放大倍数为400倍

原始方案包括淬火处理，随后进行冷处理持续一个小时，最后实施回火操作，其金属结构形态如图6所示。

图六显示组织由回火马氏体构成，伴有颗粒状碳化物分布其间，评定等级为三级，且未观察到残留奥氏体存在，放大倍数为四百倍

裂纹探伤检测结果见表3。

表3 控制阀芯工艺验证方案及磁粉探伤结果

通过对比金相检测和磁粉探伤的发现可知，三种工艺方案的金相组织均符合标准，并且没有发现明显的残余奥氏体现象依照既有流程“加热冷却1小时再加热”，出现破损的比例高达14.29%，其余两种流程因为事先消除了部分加热冷却时产生的内力，剩余内力同冷却期间残余奥氏体转变为马氏体时引发的相变内力加起来没有超过材料的抗断裂能力，因此没有破损现象，这证实了先前的破损成因解释。

5.消除裂纹的改进措施

初次验证显示，100℃开水预回火1小时与180℃油炉预回火1小时的效果一致，不过100℃开水预回火1小时在消除应力方面效果较差，不如180℃油炉预回火1小时，因此最终选择了“淬火＋180℃油炉预回火1小时＋冷处理＋回火”这一工艺流程。为了使产品最终仅剩微量残余奥氏体，确保其尺寸保持稳定，我们对淬火流程和从淬火到冷处理的等待时段进行了优化调整，同时实施了第二次和第三次工艺检测验证。

（1）淬火工艺的改进

资料说明，GCr15钢的淬火温度通常设定在810到860摄氏度之间，一般选择830到860摄氏度，如果淬火温度低于810摄氏度，那么进入奥氏体的碳元素仅占钢中总碳量的37%，进入奥氏体的铬元素也仅占钢中总铬量的36%，这就导致奥氏体中的碳和铬成分不够充分，无法满足硬度与淬透性的标准，进而对钢材的强度和抗疲劳性能产生负面影响。如果加热温度超过860℃，碳化物溶解量会变得很大，从而引发过热现象，导致奥氏体晶粒变得粗大，在冷却后形成粗大的针状马氏体，进而造成未转变的奥氏体增多，最终使得材料强度、韧性以及工作寿命出现下降。为了尽可能降低零件在淬火后剩余的奥氏体含量，将加热温度从（850±10）℃调整为（840±10）℃，同时将保温时长略微压缩。这种方式能够降低奥氏体中所含的碳和合金成分，削弱奥氏体的稳定程度，进而减少经过淬火处理后剩余的奥氏体部分。

（2）缩短淬冷到冷处理的时间间隔

冷处理成效受控于低温环境程度，以及将工件置于该环境中的时长。具体低温环境程度，须综合考量钢的马氏体转变终止点，即Mf点，还有淬火后组织中存留的奥氏体比例，同时也要权衡低温处理对材料力学特性产生的作用，并对照零件的技术指标及其构造的繁复性来决定。GCr15钢加热至标准淬火温度后，若连续冷却至较低温度，马氏体转变终点大约在零下七十度，低于此温度的深冷处理，对于削减残余奥氏体作用不大，不仅难以大幅降低残余奥氏体比例，反而会增强零件内部应力，诱发超微细裂纹，进而削弱疲劳性能和抗冲击能力，因此决定采用温度能够达到零下七十八度的干冰酒精混合液。

零件从急速冷却到预冷期间的间隔越短，预冷成效越佳，间隔过长，容易发生残余奥氏体的老化安定，从而削弱预冷成效。但结构奇特的零件在冷却至常温后立刻实施冷加工，容易导致断裂，对于控制阀芯这类构造奇特的零件，因其含铬成分高，冷却渗透力强，并且其残余奥氏体状态难以安定，因此适宜采用“先冷却硬化，再快速回温，接着冷加工，最后低温回温”的技术流程。工件完成淬火之后，在普通温度条件下能够停留的时间，要看钢材里奥氏体稳定性的敏感度如何，GCr15这种钢的奥氏体稳定性属于中等水平，在一般温度下可以停留两到三个小时，为了确保冷处理的效果，经过多次实验，阀芯从冷却到放进180度的油炉里回火一个小时，然后再用水冷却，整个过程完全能够控制在两个小时以内，以此最大限度地降低残留奥氏体变得稳定的情况。

零件在冷处理完成后置于大气中待其温度回升至常温，须即刻实施回火工艺，否则将引致零件产生裂纹现象。通常情况下，从深度冷冻处理环节结束到开始回火操作之间的静置时长，不宜超出四个小时。

（3）回火工艺的改进

GCr15钢材在淬火后其内部会出现两种暂时性相—马氏体和未转变的奥氏体，这些相有向稳定形态转变的倾向。此外，工件在完成淬火工艺后会承受显著的内部压力，如果在储存或运作期间持续承受这种压力，可能会导致尺寸发生偏移，从而降低原有的精确度，严重时还会产生裂纹。回火能够去除剩余内力，避免产生裂纹，同时促使暂时性结构转变为持久性结构，借此确保尺寸稳定，增强抗弯能力，最终得到全面的机械特性。GCr15钢在-78℃环境下进行1小时深冷处理后，需要在200℃左右进行回火，并且保持6小时以上，这样能够将剩余奥氏体的比例稳定在3%左右，因此为了得到非常少的残留奥氏体，并确保零件的尺寸不会发生变化，在满足硬度标准的前提下，选择将回火温度提升至200℃，同时实施两次回火操作，并将每次回火的时间延长至8小时，以此使零件的尺寸更加稳定可靠。

（4）改进后工艺验证试验

根据改进后的工艺进行了两次工艺验证试验，结果如下：

初次处理包括840度高温水淬，接着在180度油炉中进行一次1小时预回火，随后实施1小时低温处理，最后分两次用200度油炉回火，每次4小时，两次间隔为2小时，完成冷却后进行金相组织分析，检测图片见图7，该检测选取了两件试件进行破坏性测试，磁粉探伤数据汇总于表4。

（a） （b）

图7 由回火马氏体构成，夹杂着颗粒状和点状碳化物，未发现残留奥氏体，放大倍数为400倍

表4 控制阀芯工艺改进验证方案及磁粉探伤结果

第二次处理包括840度高温急冷，然后是180度油浴初步恢复1小时，接着进行1小时低温处理，再以200度油浴进行两次回火，每次4小时，两次回火间隔为2小时，完成淬冷过程，金相结构分析见图8，测试了两个样品的破断情况，磁力检测数据见表5

（a） （b）

图8 回火马氏体＋粒状及点状碳化物+无明显残留奥氏体

表5 控制阀芯工艺改进验证方案及磁粉探伤结果

6.结语

阀芯在低温处理时出现的断裂现象，系由淬火时产生的内应力同低温处理期间残余奥氏体转变为马氏体时的相变应力共同作用的结果，这种叠加效应突破了材料的抗脆断能力所致，可通过以下方式加以缓解：在完成淬火操作且实施低温处理之前，采用180摄氏度的油炉进行预回火处理，持续时间为一个小时，此举旨在消解部分淬火时形成的内应力，同时，降低淬火温度以减少残余奥氏体的含量，缩短从淬火冷却到低温处理的停留时长以避免残余奥氏体发生陈化并趋于稳定，并且，通过提升回火温度以及增加回火操作的次数来确保回火过程的稳定性，这些措施在确保产品使用性能达标的前提下，有效预防了断裂问题的发生，并获得了显著的经济效益与质量提升。