1 试验材料及方法
由于长度较长的工件在热处理过程中产生的弯曲变形校正后依然存在，其对测量数据的影响较大，故选择尺寸较短的GCr15工件作为研究对象，以避免弯曲变形对试验结果的影响。其化学成分为0.98%C、0.005%S、0.33%Mn和1.5%Cr。工件热处理前经过校正后平磨为260.85mm×38.40mm×11.55mm的长方体。
试样分为4组：1号和2号试样的原始组织为片状珠光体和少量球状珠光体；3号和4号试样的原始组织为3级球化珠光体。试验采用盐浴炉加热，加热温度850℃，冷却介质为32#液压油，然后在120℃、200℃、300℃、400℃、550℃、620℃、720℃回火2.5h，分别测量在淬火后及各回火温度下的尺寸。
2 试验结果与分析
试样淬火后及各回火温度下相对于原始尺寸的尺寸变化见表1。
由图1可以看出，不同原始组织在淬火后及400℃以下回火时，相对原始长度均表现为增加。在100-200℃区域回火，马氏体分解析出碳化物，体积发生收缩，但由于温度较低，转变过程需要较长回火时间才能显现；在200-300℃区域回火，GCr15淬火后残余奥氏体分解，形成碳化物和铁素体，体积膨胀；在300-400℃区域回火，中间碳化物转变成渗碳体，体积缩小，工件长度逐渐恢复至原始长度；在400℃以上回火，渗碳体长大，铁素体开始发生回复和再结晶，朝回火索氏体转变，相对原始长度表现为缩短；在720℃保温时进行球化转变。
表1 不同回火温度下的长度变化(mm)
对比各试样长度变化，可以看出：球化合格试样长度变化均比未球化小，特别是在500-600℃调质硬度使用区，变化差异较大。按照表1的数据在此温度下未球化的缩短比例约为0.1%，但实际1000mm的工件缩短往往超过2mm，这与工件校直后仍存在一定的弯曲有关系。在长杆的调质处理上，原始组织和弯曲的双重影响，长度缩短往往过大，造成长度余量不足报废。在实际生产中，长度较大的工件变形校正存在操作技能的差异，其影响不可忽视。
工件在热处理过程中的变形，是由于组织转变时的比体积变化，以及热处理应力引起的变形。因为球状珠光体大于片状珠光体的比体积，强度高，所以热处理前具有合格球化组织既能减小变形的绝对值，又能使工件淬火变形更有规律。从而有利于变形的控制和校正。因此工件热处理前必须具有球化合格的预处理组织，才能为合理留存热处理变形余量提供保证。
图1 不同原始组织在热处理过程中的变形
3 解决尺寸变化问题的方法
(1)根据热处理工艺估算尺寸变化
在热处理过程中，尺寸变化客观存在不可避免，可以通过具体的热处理工艺，估算在不同热处理状态下变形的近似值，为合理余量设计提供参考。根据碳素工具钢变形估算办法，有
式中，ΦA、ΦC分别为残余奥氏体和碳化物的体积分数；ωM为马氏体的碳的质量分数；ωS为钢的平均碳的质量分数。
对于含碳量为1%的GCr15，取ΦA=9%、ΦC=7%，代入式(1)，淬火体积变化为+0.567%。若工件在每个方向上按比例变形，则长度变化为+0.189%，估算长度变化为+0.493mm。测量淬火长度最大伸长0.35mm左右，要比上述的碳钢变形计算结果略小，分析认为有两方面的原因：一方面是GCr15的Ms点低于碳钢的Ms点，GCr15的马氏体转变在较低温度下进行，温度越低屈服强度越高，因而变形较碳钢略小；另一方面由于组织应力使工件产生平面内凹、棱角突出，如图2的形状变形，造成实际的有效尺寸比测量值小。
图2 组织应力使工件产生的变形
(2)球化工艺
图3a为球化不合格组织，基体为粗细不均匀的片状珠光体及少量球状珠光体，二次碳化物沿晶界呈网状分布，硬度较高(278HBW)。图3b中的不合格组织为球化6级，基体组织为球化珠光体，同时分布约有20%片状珠光体。
(a)片状珠光体组织
(b)球化过热组织
图3 常见不良球化组织
①等温球化
等温球化是应用最为广泛的一种球化办法(见表2)。在AC1以上20-30℃加热2-4h，再随炉冷却到Ar1以下20℃ 3-6h保温，在实际生产中，由于装量较大，时间会延长数倍，球化仍不均匀。
②长时间加热球化
从表3中可以看出，采用720℃×10h随炉冷却，图3a(球化＜1级)经过长时间加热后珠光体变细，仅有极少量的粒状珠光体，属球化欠热组织，硬度为234HBW；图3b(球化6级)经过长时间加热后球化等级变为4级，粗片状的珠光体分解，硬度为177HBW。在略低于AC1温度下长时间退火对改善球化过热组织有效。
表2 等温球化
表3 长时间保温球化
③淬火+高温回火球化
GCr15在球化处理前，具有理想的组织如马氏体，由马氏体中析出碳化物并聚集长大成球状碳化物，将大大有利于珠光体的球化。淬火后在基体组织中残留部分弥散分布的碳化物粒子，在球化温度的等温过程中碳化物粒子圆形化和极细微的碳化物发生溶解，完成了球化过程，最终得到了粒度和分布都较均匀、硬度较低的球化组织。为此，采用850℃淬火+720℃高温回火的办法处理(见表4)，均能获得较好的球化组织，提高了球化质量的稳定性，加速了球化过程，缩短了生产周期。
表4 淬火+高温回火球化
小结
(1)不同原始组织的GCr15试样在淬火后及400℃以下回火时，相对原始长度均增加；在400℃以上回火时相对原始长度均缩短。在同样的热处理工艺下，原始组织为合格球化组织比片状珠光体长度变化小得多。基于这种变形规律，要防止工件在热处理过程中体积变化造成的余量过大或不足。
(2)GCr15等温球化在实际生产过程中获得的球化组织不均匀、效率低；而长时间加热球化能耗大、效率低，球化质量差，但其对改善球化过热组织有效；淬火+高温回火对不同原材料组织均能取得良好的球化效果，且效率较高。