如何解決大型鍛件熱處理變形問題

文/殷勇鋒·江蘇凌飛鍛造有限公司

如何解決大型鍛件熱處理變形問題

文/殷勇鋒·江蘇凌飛鍛造有限公司

大型鍛件是冶金、電力、車船、化工等重大裝備上的管件、鍛件。對這些重大設(shè)備而言，大型鍛件行業(yè)是基礎(chǔ)和裝備部門，絕不同于一般加工工業(yè)。大型鍛件是指用1000t或更大噸位壓機生產(chǎn)的鍛件。隨著大型鍛件尺寸的變大和質(zhì)量的提高，熱處理時有效厚度也隨之發(fā)生變化。由于截面的增大，不可避免地存在成分偏析、非金屬夾雜、顯微空隙等冶金缺陷，再加上相變潛熱的影響，在加熱和冷卻過程中產(chǎn)生的應力較大，極易引起工件的畸變和開裂。50年代初期，由于受當時設(shè)備、材料及工藝技術(shù)的限制，大型鍛件的熱處理大多采用正火、回火。后來，隨著對大型鍛件調(diào)質(zhì)研究的不斷深入和大量實踐表明，調(diào)質(zhì)可顯著地提高鍛件性能。筆者通過對典型質(zhì)量事故的分析，探討關(guān)于大型鍛件熱處理變形問題。

熱處理變形的機理

大型鍛件經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理，要完成加熱后得到奧氏體組織，然后根據(jù)鍛件的具體技術(shù)要求選擇合理的淬火介質(zhì)冷卻，得到要求的組織和獲得理想的力學性能等，因此鍛件在熱處理過程中要受到加熱和冷卻的雙重作用。在冷卻過程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變時，鍛件受到熱應力和組織應力的綜合作用，必然要引起鍛件的形狀和體積的變化。其中變形為熱處理過程中常出現(xiàn)的問題，它是無法消除的，只能采取必要的措施和合理的方法。減小鍛件在熱處理過程中的變形，并盡可能地使其變形量控制在要求的范圍內(nèi)，最大限度地減少鍛件的變形和防止開裂。在實際鍛件的熱處理中，要充分考慮到影響變形的內(nèi)在和外在因素，經(jīng)過反復的工藝驗證才能確定最佳的熱處理工藝參數(shù)。

鍛件熱處理后的變形形式通常有兩種，即鍛件的體積變形和形狀的變化，下面分別加以介紹。

⑴體積的變化。鍛件經(jīng)熱處理后其金相組織發(fā)生了改變，各種組織的比體積差異會引起鍛件呈比例的脹縮，體積變化不會影響該鍛件原來的形狀。體積變化是由以下兩個原因造成的：

①熱脹冷縮引起的體積變化出現(xiàn)在鍛件加熱和冷卻過程中，內(nèi)外各部分的溫度存在差異，故引起熱脹冷縮的變化量不同。由于熱處理前后鍛件的溫度相同，因此熱脹冷縮的作用對熱處理后體積變化并無顯著影響。

②組織轉(zhuǎn)變引起體積變化。鋼鐵鍛件在熱處理過程中，必然發(fā)生金相組織的轉(zhuǎn)變。由于鍛件內(nèi)外組織轉(zhuǎn)變的不同步，獲得的組織不同，而各種組織的比體積存在差異，此時產(chǎn)生的應力稱為組織應力。鍛件淬火時冷卻速度快，故組織轉(zhuǎn)變前后比體積差距較大，各種組織的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)不同。尤其是鋼在淬火過程中產(chǎn)生的體積變化最為明顯，淬火后馬氏體的比體積增大，而殘余奧氏體使比容體積變小，因此，淬火體積變化直接與殘余奧氏體的數(shù)量和未溶解的滲碳體數(shù)量有關(guān)。

鍛件熱處理前后組織變化必然引起體積的變化，這是熱處理后鍛件體積變化的主要原因。影響淬火組織狀態(tài)的因素，例如鋼的化學成分、原始組織狀態(tài)、是否淬透、加熱溫度的高低和冷卻方法等，均對體積的變化有直接的影響。鍛件在不同組織狀態(tài)下其體積是不同的，鋼中各組織的比體積見表1。而常用的碳鋼組織轉(zhuǎn)變引起的體積變形和尺寸變化見表2。

表1 鋼中各組織的比體積變化

表2 碳鋼組織轉(zhuǎn)變引起的體積變形和尺寸變化

鍛件的體積變形和尺寸變化與各相組織轉(zhuǎn)變時各種成分和含量多少有關(guān)，與熱處理應力的大小無關(guān)。體積變化的大小與下列因素和條件有關(guān)：淬火前后組織比體積相差越大，體積的變形越大；提高淬火溫度，奧氏體中合金元素的含量提高，馬氏體的比體積增大，殘余奧氏體增加；全部淬透后的鍛件體積變形最大。采用分級、等溫的冷卻方法提高殘余奧氏體的數(shù)量，可減少體積變形量。

⑵形狀的變化。熱處理時鍛件形狀的變化是由于內(nèi)應力和外加應力綜合作用形成的，在加熱和冷卻過程中鍛件的各部分溫度有差異，熱脹冷縮不均和組織轉(zhuǎn)變不同時，內(nèi)部就產(chǎn)生了內(nèi)應力。熱脹冷縮不均勻引起的內(nèi)應力稱為熱應力，而組織轉(zhuǎn)變不同時引起的內(nèi)應力為組織應力。形狀復雜、截面尺寸相差大、自身尺寸大的鍛件產(chǎn)生的內(nèi)應力大，當內(nèi)應力超過了材料的屈服強度，就要發(fā)生塑性變形，因此引起鍛件形狀變化。當達到材料的斷裂強度，將導致鍛件的開裂。鍛件的自重引起下垂和應力，引起形狀的走形、翹曲、彎曲、扭曲等非正常變形。

鍛件在熱處理過程中產(chǎn)生的變形為體積變化和形狀變化，最終是熱應力和組織應力共同作用的結(jié)果。體積的變化歸因于鍛件相變前后體積差引起的鍛件體積的突變，而形狀的變化是熱處理過程中各種復雜應力綜合作用下不均勻的塑性變形，二者的作用機理不同。一般情況下二者同時存在于鍛件熱處理過程中，但是對于某一鍛件和相對固定的熱處理工藝來說，主要以一種變形為主。

⑶影響鍛件熱處理變形的因素。影響鍛件熱處理變形的因素有很多，其中包括材料的化學成分和原始組織，鍛件的尺寸、形狀， 用的熱處理工藝和實際的熱處理操作等。它們不但可以使鍛件本身的機械強度和形變抗力發(fā)生變化，而且也會造成熱處理過程中熱應力、組織應力和體積效應的作用發(fā)生變化，因此影響了鍛件的變形。從鍛件熱處理變形的機理來看，在熱處理過程中，由于組織的轉(zhuǎn)變，必然發(fā)生鍛件體積和形狀的改變，其原因在于鋼中組織轉(zhuǎn)變時比體積變化所引起的體積膨脹，以及熱應力引起的塑性變形等。

零件熱處理后的變形是十分復雜的，影響因素很多。主要影響鍛件熱處理變形的因素有鍛件的放置方式，鍛件材料化學成分，鍛件冷卻過程，鍛件的尺寸和形狀，鍛件的原始組織和鍛件的應力狀態(tài)。其次的還包括零件淬火時產(chǎn)生的熱應力、組織轉(zhuǎn)變應力、零件的自重等。

典型質(zhì)量事故的分析

⑴質(zhì)量事故簡述。公司為客戶鍛造一件尺寸為外方1600mm×1562mm，中心通孔φ457mm，高為590mm的箱體。原材料采用鋼材牌號為AISI4340的真空感應熔煉鋼錠，鋼錠質(zhì)量為19t。AISI4340相當于國內(nèi)40CrNiMoA，近似于德國34CrNiMo6，是一種淬透性優(yōu)良、綜合性能好，具備一定低溫性能的鋼種。鋼錠原料加熱時嚴格按鋼錠加熱規(guī)范執(zhí)行，控制加熱溫度和升溫速度，采用鍛造比為5的反復鐓粗鍛造法在4000t油壓機上鍛造成形。

鍛后采用熱裝爐890℃正火，再650℃高溫回火的鍛后熱處理方法。鍛件冷卻后檢查，鍛件毛坯表面無夾渣、折疊和裂紋等缺陷，尺寸符合鍛造尺寸。鍛件表面見光加工后再進行UT探傷，探傷合格，鍛件無白點。鍛件粗加工至1610mm×1572mm×600mm的尺寸，中心孔直徑 φ447mm后進行調(diào)質(zhì)熱處理，相當于箱體單邊留5mm加工余量。調(diào)質(zhì)熱處理工藝：850℃水淬，600℃回火。冷卻后，因其機械性能的抗拉強度小于客戶所需求的大于1090.0MPa。于是對鍛件進行第二次調(diào)質(zhì)熱處理，860℃水淬，610℃回火。調(diào)質(zhì)后其機械性能和硬度均達到客戶需求，UT探傷合格。在進入精加工階段，發(fā)現(xiàn)該箱體中心有塌陷，如圖1、2所示。

圖1 箱體鍛件中部有凹陷

圖2 箱體上表面經(jīng)過車削、見光

經(jīng)測量，箱體長度、寬度皆符合尺寸，但箱體中心塌陷深度尺寸約10mm，而且箱體上下雙面皆有對稱塌陷，導致該產(chǎn)品因尺寸不符合客戶需求而報廢。

⑵事故分析。該箱體調(diào)質(zhì)發(fā)生的變形主要是以鍛件調(diào)質(zhì)前后各組織相變?yōu)橹鞫鴮е碌捏w積變化。其主要因素有以下4個方面：

①第一次調(diào)質(zhì)時，因箱體機械性能未能達標，在第二次調(diào)質(zhì)時，提高了淬火溫度。隨著淬火爐溫度的提高，鍛件體積或者長度都呈縮小的狀態(tài)。而提高鍛件的淬火溫度使鍛件殘余奧氏體含量提高。由表2中的數(shù)據(jù)得知，殘余奧氏體是最影響鍛件最終體積的因素之一，而奧氏體組織相對于其他組織具有較小的比體積。

②淬火冷卻速度對變形的影響。一般來說，淬火冷卻愈激烈，工件內(nèi)外和不同部位（截面尺寸不同的部位）溫差愈大。因此，產(chǎn)生的內(nèi)應力愈大，導致熱處理變形增大，而且會導致鍛件的組織相變。因本鍛件厚度較大，其淬火采用水淬具有較快的冷卻速度，導致鍛件內(nèi)外溫差較大，淬火后鍛件中心含有大量殘余奧氏體而發(fā)生收縮。

③經(jīng)過鍛造的材料，沿不同的纖維方向可表現(xiàn)出不同的熱處理變形。鍛件熱處理，有明顯帶狀組織存在時，沿纖維方向和垂直于纖維方向的尺寸變化則顯著不同。鍛造比較大，纖維方向明顯時，沿纖維方向的縱向試樣尺寸變化率大于垂直于纖維方向的橫向試樣尺寸變化率。因該鍛件上下方向與鍛件鍛造的纖維方向相同，故鍛件調(diào)質(zhì)熱處理后在此方向上有著明顯的相變。

④工藝性不夠合理，鍛件應根據(jù)本身的化學成分、形狀和尺寸，原始組織，應力狀態(tài)，鍛造形成的纖維方向等多種因素，在實際的熱處理過程中進行一系列工藝試驗和檢測，以確保采用最佳的熱處理工藝。

結(jié)束語

熱處理是提高鍛件產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命的重要手段和方法，因此，鍛件的熱處理在整個加工過程中占有十分重要的地位。與此同時新工藝、新設(shè)備、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，也給鍛件熱處理產(chǎn)品質(zhì)量的提高奠定了堅實的基礎(chǔ)，提供了更多的技術(shù)手段和工藝方法。

認真分析鍛件變形的規(guī)律，對控制和減少鍛件的變形至關(guān)重要。而控制和減小鍛件熱處理變形應從眾多影響因素入手，其基本思路包括：摸清鍛件變形的規(guī)律，采用七種工具的分層法；分析具體鍛件；全面了解鍛件的加工流程；熟悉鍛件的熱處理工藝、操作方法和現(xiàn)場情況（人員素質(zhì)、設(shè)備狀況、周圍環(huán)境等），采取相應措施，對癥下藥，解決變形問題。