熱校形溫度對HG785D組織及性能影響應(yīng)用研究

王 龍，崔沈澤，聶帥強，王 猛

(山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西 長治 046100)

生產(chǎn)中針對部件校形的措施一般分為冷校形與熱校形兩大類，但是由于具有良好的機(jī)械性能，規(guī)格種類多，被廣泛應(yīng)用于對材質(zhì)承載、輕量化要求較高的生產(chǎn)任務(wù)需求中[1]。然而良好的機(jī)械性能導(dǎo)致HG785D高強度鋼材冷矯形效果不好；并且，由于HG785D鋼材一般為調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨，不宜采用較高溫度熱校形，從而在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)焊后矯形困難的技術(shù)難題。因此研究不同火焰校形溫度對HG785D組織和性能影響就顯得極為重要，找到最佳校正溫度范圍，將火焰校形應(yīng)用于導(dǎo)軌焊接變形的校正，滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。某產(chǎn)品中副車架導(dǎo)軌部分為非對稱焊接結(jié)構(gòu)件長達(dá)9 m，導(dǎo)軌由上、下翼板(材質(zhì)HG785D)和內(nèi)、外立板組成(材質(zhì)BS960E) 如圖1所示，焊接過程雖然采取了剛性固定、反變形及優(yōu)化工藝參數(shù)焊接等預(yù)防焊接變形措施，但是效果不明顯導(dǎo)軌斷面圖；產(chǎn)品仍有約25 mm旁彎產(chǎn)生，不能滿足設(shè)計9 mm以內(nèi)的直線度要求，焊接后變形情況，見圖2.由于高強板綜合力學(xué)性能較好，采取冷校形效果不佳，考慮對導(dǎo)軌采用熱校形方式進(jìn)行校正，熱校形部位在上、下翼板厚度面上，HG785D材質(zhì)熱校形廠內(nèi)沒有經(jīng)驗可借鑒，從而通過進(jìn)行試件試驗，探究在保證材質(zhì)性能要求的前提下，選取適合HG785D材質(zhì)熱校形參數(shù)，以保證生產(chǎn)任務(wù)需求。

圖1 導(dǎo)軌斷面示意圖Fig.1 Schematic diagram of rail section

圖2 導(dǎo)軌焊后變形示意圖(單位:mm)Fig.2 Schematic diagram of rail deformation after welding(Units:mm)

1 材料與方法

1.1 火焰校形原理

火焰校形是利用金屬熱脹冷縮的物理特性，采用火焰局部加熱金屬，熱膨脹部分受周圍冷金屬的制約，不能自由變形，而產(chǎn)生壓縮塑性變形，冷卻后壓縮塑性變形殘留下來，引起局部收縮，即在被加熱處產(chǎn)生聚結(jié)力，使金屬構(gòu)件變形獲得矯正[2]。

1.2 HG785D材料介紹

HG785D含碳量不超過0.12，具體化學(xué)成分見表1，根據(jù)鐵碳合金相圖分析鋼板熱軋后不經(jīng)過熱處理情況下會獲得珠光體+鐵素體。由于HG785D為調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨，調(diào)質(zhì)處理即淬火+高溫回火，獲得回火索氏體組織[3]。回火索氏體由馬氏體在(500～650)℃時高溫回火形成，其組織特征是由等軸狀鐵素體和細(xì)粒狀碳化物構(gòu)成的復(fù)相組織，馬氏體的片狀痕跡已消失，鐵素體基體上均勻分布著碳化物顆粒，從而獲得了良好的綜合機(jī)械性能，詳見表2.

表1 HG785D化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of HG785D

表2 HG785D力學(xué)性能參數(shù)Tab.2 Mechanical performance parameters of HG785D

1.3 試驗方法

1.3.1 試板分組編號

試驗中共投入試件6組，每組各一件試板，材質(zhì)為HG785D，規(guī)格為20 mm，尺寸為350 mm×400 mm，400 mm為軋制方向，以上6件試板均取自于同一張鋼板。分別編號為H、H4、H5、H6、H7、H8，H-代表HG785D未加熱處理試件， 4-代表火焰矯正溫度為(400～420)℃試件，5-代表火焰矯正溫度(500～520)℃試件，6-代表火焰矯正溫度(600～620)℃試件，7-代表火焰矯正溫度(700～720)℃試件，8-代表火焰矯正溫度(800～820)℃試件，H組試件作為參考未進(jìn)行處理。將編號分別打在6件試板厚度四個面上。

1.3.2 試板加熱方案

試板進(jìn)行單面整體加熱，H4試板采用氧-丙烷火焰均勻加熱至(400～420)℃，H5試板采用氧-丙烷火焰均勻加熱至(500～520)℃，H6試板采用氧-丙烷火焰均勻加熱至(600～620)℃，H7試板采用氧-丙烷火焰均勻加熱至(700～720)℃，H8試板采用氧-丙烷火焰均勻加熱至(800～820)℃.利用紅外測溫儀檢測試板加熱面溫度達(dá)到上述要求，根據(jù)溫度檢測點示意圖檢測的溫度填入相應(yīng)溫度記錄表中，如圖3所示?？緲寯[動方向垂直于鋼板軋制方向，烤槍移動方向沿著鋼板軋制方向，試板加熱完成后自然冷卻；H試板作為參照對象不加熱。

圖3 溫度檢測點示意圖(單位:mm)Fig.3 Schematic diagram of temperature detection points(Units:mm)

1.3.3 試板制取及試驗標(biāo)準(zhǔn)

分別在各試板上按取樣圖(見圖4)切取拉伸、彎曲、沖擊、硬度、高倍金相五種試件粗樣，粗樣按拉伸、彎曲、沖擊、硬度、高倍金相標(biāo)準(zhǔn)試樣圖機(jī)加成標(biāo)準(zhǔn)試樣。

圖4 試板取樣圖(單位:mm)Fig.4 Sample drawing of test board(Units:mm)

參照拉伸試驗方法按GB228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗第一部分：室溫拉伸試驗方法》要求執(zhí)行。彎曲試驗方法按GB232-2010《金屬材料金屬材料彎曲試驗方法》要求執(zhí)行，彎曲角度180°，彎心直徑3倍板厚。沖擊試驗方法按GB229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》要求執(zhí)行，試驗溫度-20 ℃；硬度檢測試驗方法按GB231.1-2018《金屬材料布氏硬度試驗第一部分：試驗方法》要求執(zhí)行；高倍金相檢測試驗方法按GB13298-2015《金相顯微組織檢驗方法》要求執(zhí)行。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)鐵碳合金相圖利用杠桿定律計算，HG785D加熱超過A1溫度后，冷卻到室溫時，平衡相鐵素體與珠光體含量：

鐵素體WF=0.8-0.12/0.8-0.02=87%

珠光體WP=0.12-0.02/0.8-0.02=13%

嚴(yán)格依據(jù)各項性能檢測標(biāo)準(zhǔn)對6組試件進(jìn)行檢測，并對檢測結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果如下：

(1)金相檢測表明：鋼板在火焰校正時，因為空氣是熱量的不良導(dǎo)體(約100 ℃/min)，因此空冷過程可近似看作過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線“C”曲線(又稱TTT曲線)。當(dāng)加熱溫度超過500 ℃時受熱面組織開始發(fā)生變化，直到溫度上升至700 ℃時，整件試板組織全部轉(zhuǎn)化成鐵素體+珠光體。

(2)隨著矯形溫度的增加，金屬組織由綜合力學(xué)性能良好的回火索氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體+珠光體?；鼗鹚魇象w屈服強度(600～810) MPa(按屈強比0.75計算)，抗拉強度(800～1 080)MPa(根據(jù)硬度與抗拉強度關(guān)系，鋼的硬度在500 HB以下時σb(kg/mm2)=1/3*HB)，伸長率30%～50%，鐵素體屈服強度(100～170)MPa，抗拉強度(180～280)MPa，伸長率30%～50%，珠光體屈服強度(560～600)MPa(按屈強比0.75計算)，抗拉強度(750～800) MPa，伸長率20%～25%.如圖5所示，當(dāng)矯形溫度低于600 ℃加熱范圍時，試件延展性能沒有明顯變化(低于35%)，當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，由于金相組織的變化鐵素體的增加，從而其延展性明顯增加。然而，當(dāng)加熱溫度高于400 ℃時，試件的抗拉伸強度明顯下降(低于800 Mpa)，如圖6所示；同時，隨著溫度的增加，金相組織中回火索氏體向鐵素體與珠光體組織逐漸轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致試件的下屈服強度也明顯下降，最終降至350 MPa左右，如圖7所示。 因此，當(dāng)加熱溫度低于400 ℃時，試件的延展性能、抗拉性能以及屈服強度變化范圍在4%左右，依據(jù)生產(chǎn)需求，可以滿足設(shè)計需求。

圖5 不同溫度下試件延展性能對比Fig.5 Comparison of the ductility of specimens at different temperatures

圖6 不同溫度下試件抗拉強度對比Fig.6 Comparison of tensile strength of specimens at different temperatures

圖7 不同溫度下試件屈服強度對比Fig.7 Comparison of yield strength of specimens at different temperatures

(3)如圖8所示，沖擊試驗中溫度在700 ℃以下時未見明顯變化(波動范圍在1.5%以內(nèi))，當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃時數(shù)值急劇下降(低于200 J).由于800 ℃溫度已經(jīng)超過共析轉(zhuǎn)變溫度A1，組織相變過冷奧氏體在冷卻過程中出現(xiàn)的組織為鐵素體+珠光體(鐵素體沖擊韌性(160～200)J，珠光體沖擊韌性(24～32)J，因此為保證材料的抗沖擊性能熱矯形溫度不可以超過700 ℃.

圖8 不同溫度下試件抗沖擊性能對比Fig.8 Comparison of impact resistance of specimens at different temperatures

(4)由于回火索氏布氏硬度為(240～323)HB，體鐵素體的力學(xué)性能與工業(yè)純鐵基本相同，布氏硬度為(50～80)HB.珠光體的性能介于鐵素體和滲碳體之間，硬度為(170～220)HB.如圖9、圖10所示，硬度檢測表明隨著溫度的升高母材逐漸出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，未加熱面在加熱溫度低于500 ℃時，對未受熱面材質(zhì)硬度影響較小，當(dāng)溫度進(jìn)一步增加，材質(zhì)硬度明顯下降；在受熱面，在溫度加熱至400 ℃時，硬度下降約5%，溫度進(jìn)一步增加至(500～600)℃，材質(zhì)硬度明顯下降，在提高加熱溫度后，其硬度趨于穩(wěn)定(155左右)，主要由于材質(zhì)組織中主要成分變?yōu)榱髓F素體與珠光體，因此矯形溫度對材質(zhì)硬度影響較大，因此為保證產(chǎn)品需求以及材質(zhì)性能，矯形溫度必須控制在400 ℃以內(nèi)。

圖9 不同溫度下試件未受熱面硬度對比Fig.9 Comparison of the hardness of the unheated surface of the specimen at different temperatures

圖10 不同溫度下試件受熱面硬度對比Fig.10 Comparison of hardness of the heated surface of the specimen at different temperatures

(5)彎曲試驗顯示不同火焰校正溫度未影響材料彎曲性能，主要由于無論回火索氏體組織還是鐵素體+珠光體組織彎曲性能都較好，在隨著矯形溫度的增加，金相組織雖然發(fā)生變化，但對其彎曲性能影響較小。

3 結(jié)論

通過進(jìn)行試板實驗探究不同校形溫度對HG785D鋼材性能的影響，對比分析不同矯形溫度對其各項性能的影響以及產(chǎn)生原因，總結(jié)出適合本次生產(chǎn)需求的HG785D的火焰校正參數(shù)；根據(jù)試驗情況優(yōu)選出火焰校正溫度為不大于400 ℃較為合適，并將火焰校形應(yīng)用于生產(chǎn)中，從而解決了某副車架導(dǎo)軌焊后變形尺寸超差的技術(shù)難題，使其技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求；同時，也為后續(xù)生產(chǎn)以及相關(guān)研究提供了理論依據(jù)以及指導(dǎo)意義。