筒形類鍛件熱處理過(guò)程中變形規(guī)律的研究

劉小福 賈新勝 馮 敬 安笑琴 毛 蔚

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川618013)

鍛件熱處理時(shí)的超標(biāo)變形，是熱處理過(guò)程的主要缺陷之一，主要是由于熱處理應(yīng)力(熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，以及組織不均勻而引起的應(yīng)力)所造成的。此外，由于鋼件的結(jié)構(gòu)形狀特點(diǎn)、原材料質(zhì)量、加工狀態(tài)，甚至鋼件在爐中加熱和冷卻時(shí)的支撐或夾持不當(dāng)，以及鋼件本身的自重均能引起變形[1]。

熱處理變形主要有兩種形式：一種是工件幾何形狀的變化，它表現(xiàn)為尺寸及外形的變化，另一種是體積變化，它表現(xiàn)為工件體積按比例地脹大或縮小。生產(chǎn)實(shí)踐中工件的變形，多是同時(shí)兼有這兩種情況。前者是熱處理過(guò)程中熱應(yīng)力和組織應(yīng)力作用的結(jié)果，后者則是組織轉(zhuǎn)變時(shí)比容變化(即比容差效應(yīng))而引起[2]。因熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和比容差效應(yīng)所造成的變形趨向各不相同，對(duì)于大直徑的筒形鍛件在性能熱處理過(guò)程中，哪種應(yīng)力受主導(dǎo)作用也不得而知。

本文通過(guò)軟件模擬并結(jié)合公司在制工件實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，從復(fù)雜的變形過(guò)程中總結(jié)出大型筒體鍛件性能熱處理過(guò)程中的變形規(guī)律，并利用該規(guī)律減少筒形類鍛件的粗加工余量，使鍛件盡可能接近供貨尺寸，提高鍛件淬透效果，以達(dá)到保證鍛件產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)約成本的目的。

1 研究方法

1.1 筒體鍛件熱處理過(guò)程變形趨勢(shì)的模擬

筒體類鍛件裝爐時(shí)通常采用立裝方式以減少熱處理變形，如圖1所示。以外徑為?6000 mm，內(nèi)徑為?5480 mm，高度為1000 mm，材料為12Cr2Mo1V的筒體鍛件為例，該材料為貝氏體型耐熱鋼，調(diào)質(zhì)前組織為P+F，調(diào)質(zhì)時(shí)，加熱到奧氏體化溫度以上保溫后快冷，經(jīng)回火后組織變?yōu)锽，組織轉(zhuǎn)變時(shí)比容增大，表現(xiàn)為工件體積按比例地脹大。將該筒體鍛件進(jìn)行熱處理過(guò)程模擬分析，如圖2所示。

圖1 筒體鍛件裝爐示意圖Figure 1 Schematic diagram of furnace loadingfor cylinder forgings

圖2 筒體鍛件性能熱處理變形軟件模擬結(jié)果Figure 2 Simulation results of heat treatment deformationsoftware for cylinder forgings

1.2 筒體鍛件熱處理過(guò)程變形趨勢(shì)的實(shí)際測(cè)量

表1 筒體鍛件性能熱處理后實(shí)際變形數(shù)據(jù)Table 1 Actual deformation data of cylinder forgings after performance heat treatment

此次試驗(yàn)中，前后利用公司在制的筒體鍛件共16件，測(cè)量工件熱處理過(guò)程中實(shí)際變形量。該批筒形鍛件粗加工外徑約?6000 mm，厚度約350 mm，長(zhǎng)度約2500 mm；涉及材料為：SA-508M Gr.3 Cl.2、12Cr2Mo1、1.25Cr-0.5Mo-Si等。

為了得到性能熱處理后工件精確的變形尺寸，在粗加工完成后，利用立車(chē)準(zhǔn)確測(cè)量工件尺寸。性能熱處理完成后在切取性能試樣前利用立車(chē)先設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)圓，然后采用劃針打點(diǎn)的方式，在工件周向上每?jī)牲c(diǎn)間隔22.5°，在軸向的兩端面和中間共3個(gè)截面上，測(cè)量工件每點(diǎn)的實(shí)際變形數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖3)。然后通過(guò)基準(zhǔn)圓轉(zhuǎn)化，得到每個(gè)測(cè)量部位的實(shí)際內(nèi)、外直徑，最終得到鍛件各點(diǎn)的實(shí)際變形數(shù)據(jù)，該測(cè)量方式的測(cè)量精度可控制在1 mm以內(nèi)，可以滿足本試驗(yàn)測(cè)量要求。

圖3 筒體鍛件性能熱處理后實(shí)際變形數(shù)據(jù)Figure 3 Actual deformation data of cylinder forgingsafter performance heat treatment

圖3中，內(nèi)圓以?5613 mm為基準(zhǔn)圓，外圓以?6382 mm為基準(zhǔn)圓，測(cè)量各個(gè)部位變形數(shù)據(jù)，圖中的數(shù)據(jù)由外向內(nèi)依次為B端、中間、T端三個(gè)截面處的變形數(shù)據(jù)，圖3中的變形數(shù)據(jù)通過(guò)基準(zhǔn)圓轉(zhuǎn)化得到表1中各個(gè)角度各個(gè)截面處的實(shí)際直徑，再由各個(gè)截面處的實(shí)際內(nèi)外徑推算出調(diào)質(zhì)后工件的實(shí)際厚度。

2 研究結(jié)果

2.1 熱處理過(guò)程模擬分析結(jié)果

通過(guò)對(duì)筒體鍛件進(jìn)行熱處理過(guò)程模擬，熱處理前筒體尺寸為外徑?6000 mm，內(nèi)徑?5480 mm，高度為1000 mm，熱處理后筒體鍛件內(nèi)徑大約長(zhǎng)大42 mm，外徑大約長(zhǎng)大40 mm，整體上呈現(xiàn)在直徑方向向外脹大趨勢(shì)。

2.2 變形趨勢(shì)實(shí)際測(cè)量結(jié)果

表1為其中一件筒體鍛件(筒節(jié)一)熱處理后內(nèi)外徑和厚度實(shí)際測(cè)量結(jié)果。表中，B表示筒節(jié)水口側(cè)截面，中表示筒節(jié)中部截面，T表示筒節(jié)冒口側(cè)截面。鍛件熱處理前實(shí)際尺寸?6383 mm/?5536 mm×2410 mm，實(shí)際厚度423.5 mm。

3 分析與討論

3.1 軟件模擬結(jié)果分析

由軟件模擬結(jié)果可見(jiàn)，在不考慮其它因素影響的情況下，該件筒體鍛件在調(diào)質(zhì)過(guò)程中，由熱應(yīng)力和組織應(yīng)力共同作用使工件在直徑方向上呈現(xiàn)脹大趨勢(shì)。按這樣的規(guī)律制定筒體鍛件粗加工余

量，應(yīng)該是外徑比內(nèi)徑少預(yù)留粗加工余量更合理。為了驗(yàn)證筒體鍛件在實(shí)際生產(chǎn)中的變形規(guī)律，還需實(shí)際測(cè)量后得出結(jié)論。

3.2 實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)分析

通過(guò)分析表1變形數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，筒節(jié)一性能熱處理后直徑方向整體呈脹大趨勢(shì)，且厚度方向減薄，具體變形尺寸為：

Δdmax=5536-5575=-39mm

Δdmin=5536-5555=-19mm

ΔDmax=6383-6416=-33mm

ΔDmin=6383-6394=-11mm

Δtmax=423.5-416.5=7mm

Δtmin=423.5-420.5=3mm

即筒節(jié)一內(nèi)徑脹大19～39 mm，外徑脹大11～33 mm，且厚度減薄3～7 mm。通過(guò)以上方式共測(cè)量了16件規(guī)格相當(dāng)?shù)耐搀w鍛件，在此不一一列舉數(shù)據(jù)，但表現(xiàn)出的變形趨勢(shì)都是統(tǒng)一的，即直徑方向整體脹大，厚度減薄。由此可以判定，該類筒體鍛件在性能熱處理過(guò)程中的變形趨勢(shì)與軟件模擬結(jié)果基本吻合。

3.3 熱工藝余量討論

熱工藝余量是在性能熱處理前，為防止熱處理后工件變形導(dǎo)致后續(xù)工序加工尺寸不夠，在原鍛件交貨尺寸基礎(chǔ)上預(yù)留的變形余量。通過(guò)上述對(duì)大型筒體鍛件性能熱處理軟件模擬和實(shí)際變形趨勢(shì)的測(cè)量結(jié)果分析可以看出，筒體鍛件熱處理后內(nèi)徑較外徑脹大趨勢(shì)略大。在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)于此類筒體鍛件預(yù)留熱處理變形余量時(shí)，應(yīng)考慮將內(nèi)徑余量加大，外徑余量減小。這樣即可以保證筒體鍛件在性能熱處理后加工交貨尺寸，又可以減少鍛件重量，達(dá)到保證鍛件質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)測(cè)量的16件筒體鍛件，性能熱處理后直徑方向都出現(xiàn)不同程度的脹大，其中內(nèi)徑脹大范圍為3～40 mm；外徑脹大范圍為0.3～39 mm，壁厚減薄為0～7 mm不等。

(2)實(shí)際測(cè)量筒體鍛件的變形規(guī)律和軟件模擬結(jié)果基本吻合，對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)有重大意義。

(3)通過(guò)軟件模擬和實(shí)際測(cè)量變形結(jié)果，實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)于此類筒體鍛件預(yù)留熱處理變形余量時(shí)可酌情考慮將內(nèi)徑余量加大，外徑余量減小，可以達(dá)到保證鍛件質(zhì)量和降低成本的目的。