大型筒體類圈類件熱處理變形控制研究

蘆建邦

（國機(jī)重裝成都重型機(jī)械有限公司，四川 成都 610000）

近年來，隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級，以加氫核電等產(chǎn)品為代表的大型筒體類圈類件逐漸增多，并向著大厚壁、大直徑、質(zhì)量要求更高更嚴(yán)方向發(fā)展,適當(dāng)減少性能熱處理前的粗加工留量進(jìn)行性能熱處理是未來提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本的重要途徑，超大尺寸、超大重量和高性能高質(zhì)量要求等極限制造是熱處理生產(chǎn)面臨的巨大挑戰(zhàn)，對熱處理工藝和操作提出了更高的要求，其中突出問題之一是熱處理變形問題。性能熱處理后，工件發(fā)生變形，尺寸可能無法滿足精加工要求，由于變形，精加工過程中各處加工深度不一致，精加工后硬度和硬度均勻性可能無法滿足技術(shù)要求，為保證精加工而加大粗加工余量可能導(dǎo)致力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)，亦會導(dǎo)致鑄錠或毛坯粗大進(jìn)而導(dǎo)致偏析嚴(yán)重，組織不均勻性加重及制造成本增加等一系列問題。因此，研究大型筒類圈類鍛件熱處理變形規(guī)律、控制大型筒類圈類鍛件變形程度具有重要指導(dǎo)意義。大型筒體類圈類件熱處理變形情況異常復(fù)雜，無相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)技術(shù)可借鑒，掌握控制大型筒體類圈類件熱處理變形對于提升公司競爭力具有重要意義。通過研究大型筒體類圈類件熱處理變形規(guī)律，找出熱處理變形的主因，進(jìn)而通過控制大型筒體熱處理變形來提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 熱處理過程變形原因分析

1.1 熱處理過程變形的主要階段

在熱處理過程中，大型筒體類圈類件會產(chǎn)生變形的主要階段有裝爐支墊加熱過程、淬火時(shí)起吊轉(zhuǎn)運(yùn)過程、淬火冷卻過程，具體如表1 所示。

表1 熱處理過程中發(fā)生變形的主要階段

在大型筒體類圈類件制造過程中，性能熱處理后發(fā)現(xiàn)多起變形超差現(xiàn)象，導(dǎo)致有的尺寸無法滿足精加工要求，有的雖然滿足精加工要求，但由于變形較大，需要借偏加工，導(dǎo)致局部加工量過大或者過小，最終導(dǎo)致精加工后的工件硬度值和硬度均勻性不滿足訂貨要求，部分工件變形數(shù)據(jù)如表2。

表2 部分大型筒體類圈類件熱處理過程變形數(shù)據(jù)

1.2 大型筒體類圈類件熱處理過程變形的內(nèi)部因素

1.2.1 淬火內(nèi)應(yīng)力

鋼在加熱或冷卻時(shí)會因淬火應(yīng)力而發(fā)生變形。淬火應(yīng)力分為熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。熱應(yīng)力是由于工件表面和心部受熱不同步、熱脹冷縮不一致而產(chǎn)生的。組織應(yīng)力是由于奧氏體與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的比容不同、不同轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的比容不同而引起的。

本文研究的大型筒體類圈類件淬火均采用水淬，冷卻十分激烈，淬火過程中基體本身的變形受熱應(yīng)力、組織應(yīng)力以及比容差效應(yīng)同時(shí)作用。淬透性好的材質(zhì)，組織應(yīng)力和比容差效應(yīng)作用相對較大，以組織應(yīng)力造成的變形為主；淬透性較差的材質(zhì)，以熱應(yīng)力造成的變形為主[1]。在工件熱處理過程中，當(dāng)心部未淬透時(shí)，變形情況是趨向于長度縮短，內(nèi)外徑尺寸縮??；當(dāng)全部淬透時(shí)，則趨向于長度伸長，內(nèi)外徑尺寸脹大[2]。

這些由內(nèi)應(yīng)力造成的變形可以總結(jié)規(guī)律，比如同種材質(zhì)的大型筒體類圈類件淬火后是整體脹大還是整體縮小，但在實(shí)際生產(chǎn)中，生產(chǎn)邊界條件已經(jīng)確定，因此很難通過干涉、控制工件自身的脹大或縮小來控制變形。

1.2.2 工件自身結(jié)構(gòu)

金屬工件在熱處理高溫保溫階段，其塑性會增加，強(qiáng)度會降低，如果此時(shí)支墊方式不合理，工件在重力的作用下，會出現(xiàn)繞曲變形等永久性塑性變形。從長期的生產(chǎn)實(shí)踐得知，壁厚較厚、高度較高的大型筒體類圈類件熱處理過程中不易變形，而壁厚較薄、高度較低或壁厚較厚、高度較低的大型筒體類圈類件容易變形。壁厚較厚、高度較高的大型筒體類圈類件即使在長時(shí)間高溫保溫下，因其自身結(jié)構(gòu)保持有足夠的強(qiáng)度而變形較小，如圖1 的工件。容易變形的大型筒體類圈類件因壁薄或高度低等自身結(jié)構(gòu)，經(jīng)過一定時(shí)間高溫保溫，隨著工件塑性提高，強(qiáng)度降低而極易發(fā)生永久性塑性變形，即自身結(jié)構(gòu)決定變形抗力差，如圖2 的工件。

圖1 不易變形的大型筒體類圈類件

圖2 容易變形的大型筒體類圈類件

1.3 大型筒體類圈類件熱處理過程變形的外部因素

1.3.1 裝爐支墊加熱

在熱處理生產(chǎn)過程中，大型筒體類圈類件裝爐時(shí)均需要支墊加熱，以確保能均勻加熱，以減少熱應(yīng)力不均，組織應(yīng)力不均，來減小變形。同時(shí)還要考慮起吊淬火，需對稱留出一定寬度的空位，以利于吊具吊爪自由進(jìn)出，如圖3 所示。

圖3 大型筒體類圈類件裝爐、起吊俯視圖

吊爪進(jìn)出的地方工件部分弧段完全懸空。當(dāng)工件壁薄或高度較低即自身結(jié)構(gòu)為容易變形時(shí)，經(jīng)長時(shí)間高溫保溫后，整個(gè)工件塑性越來越好，工件強(qiáng)度越來越低，在重力作用下，懸空弧段將會發(fā)生向下位移而使工件產(chǎn)生變形。從長期的生產(chǎn)實(shí)踐得知，采用該裝爐方式，壁薄或高度較低的大型筒體類圈類件變形較大。

1.3.2 吊具起吊轉(zhuǎn)運(yùn)淬火

大型筒體類圈類件高溫保溫結(jié)束淬火時(shí)，需要吊具將工件快速起吊轉(zhuǎn)運(yùn)至水槽冷卻。吊具起吊工件時(shí)受力分析如圖4 所示。吊具設(shè)計(jì)原理為：空載時(shí)，吊臂處于垂直狀態(tài)；負(fù)重時(shí)，吊具通過緩沖裝置自行找正，吊臂同樣處于垂直狀態(tài)，此時(shí)有垂直線AA′經(jīng)過吊爪對工件的支點(diǎn)C，垂直線BB′也經(jīng)過吊爪對工件的支點(diǎn)D，同時(shí)吊爪將對工件施加作用力F1和F2均為零，工件水平方向未受力，變形最小。但由于吊具長期在復(fù)雜惡劣條件下頻繁使用，吊臂位置有一定變化，垂直線AA′不經(jīng)過支點(diǎn)C，垂直線BB′也不經(jīng)過支點(diǎn)D。在這種情況下起吊大型筒體類圈類件，吊臂在往垂直狀態(tài)調(diào)節(jié)過程中，吊爪將對工件施加作用力F1和F2，且F1、F2＞0。在F1和F2作用下，工件會發(fā)生變形，且在變形后吊具方向的尺寸稍大于垂直吊具方向的尺寸。從圖4 可以看出，工件還受到支持力N1和N2以及重力G 作用，且N1+N2=G。實(shí)際上工件受G 作用產(chǎn)生力矩也會發(fā)生變形，尤其是大直徑、高度小大型筒體類圈類件變形更加明顯。若起吊轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間很短，則重力G 對高度較高的大型筒體類圈類件的變形影響較小。

圖4 工件的受力狀態(tài)

吊具起吊轉(zhuǎn)運(yùn)大型筒體類圈類件變形后，吊具方向的尺寸稍大于垂直吊具方向的尺寸，大型筒體類圈類件截面將變?yōu)闄E圓形，有明顯的長軸和短軸之分。吊具起吊轉(zhuǎn)運(yùn)后工件變形模擬圖如圖5，圖中粗虛線為起吊前工件外徑，此時(shí)直徑為D；圖中粗實(shí)線為四點(diǎn)吊具起吊后變橢圓工件的外徑，有明顯的長軸a 和短軸b，且a-b（差值）較大。

圖5 吊具起吊轉(zhuǎn)運(yùn)后工件變形模擬圖

2 大型筒體類圈類件熱處理過程變形控制研究方案設(shè)計(jì)

2.1 變形控制研究方向

雖然大型筒體類圈類件變形是由多種因素綜合作用的結(jié)果，但仍然有可控制的主要因素。對于裝爐支墊、起吊轉(zhuǎn)運(yùn)造成的變形，不僅可以總結(jié)規(guī)律，還可以控制。而由淬火內(nèi)應(yīng)力造成的變形，這類變形是整體脹大或整體縮小，可以總結(jié)規(guī)律，但很難實(shí)現(xiàn)人為控制。因此，通過總結(jié)規(guī)律，研究改進(jìn)裝爐支墊和起吊淬火方法以控制大型筒體類圈類件熱處理變形。

2.2 改進(jìn)裝爐支墊方案設(shè)計(jì)

在以往壁薄或高度較低的大型筒體類圈類件熱處理生產(chǎn)過程中，由于不能均勻支墊導(dǎo)致懸空弧段長時(shí)間高溫后在重力作用下產(chǎn)生較大變形，主要原因是這部分弧段懸空。根據(jù)吊具吊爪特殊結(jié)構(gòu)，在工件懸空弧段處增加了特殊支墊，不但解決了均勻支墊問題，而且又不影響吊具自由進(jìn)出。設(shè)計(jì)控制變形方案見圖6。特殊支墊材料一般選用耐火磚或鐵塊。而壁厚較厚且高度較高的大型筒體類圈類件，因抗變形能力較強(qiáng)可以不在吊具進(jìn)出方向加支點(diǎn)，但需在圓周其他方向增加額外的支點(diǎn)。

圖6 裝爐支墊控制變形研究方案

2.3 改進(jìn)吊具起吊轉(zhuǎn)運(yùn)淬火狀態(tài)方案設(shè)計(jì)

由于吊具長期在復(fù)雜惡劣條件下頻繁使用，吊臂位置有一定變化，在空載時(shí)吊臂已不處于垂直狀態(tài)，吊具負(fù)重后大大增加了大型筒體類圈類件變橢圓后長軸和短軸的差值，導(dǎo)致部分工件調(diào)質(zhì)后變形量很大，甚至超過粗加工余量。為盡量減小大型筒體類圈類件變橢圓后長軸和短軸的差值，在經(jīng)過對四點(diǎn)吊具工作原理和現(xiàn)狀分析后，每次大型筒體類圈類件熱處理生產(chǎn)前，對吊具進(jìn)行檢查，若吊臂位置變化大，則調(diào)整吊具狀態(tài)。確保吊具在起吊前和起吊負(fù)重后吊臂產(chǎn)生的位移相對較小，從而縮小了大型筒體類圈類件變橢圓后長軸和短軸的差值。

3 大型筒體類圈類件熱處理變形控制數(shù)據(jù)庫的建立

根據(jù)對大型筒體類圈類件變形原因分析后，分別設(shè)計(jì)了控制變形方案，具體是對容易變形的大型筒體類圈類件裝爐時(shí)進(jìn)行特殊支墊，對起吊用的四點(diǎn)吊具進(jìn)行了科學(xué)調(diào)整，減小了吊臂負(fù)重下的位移，并對變形數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集。分別測量大型筒體類圈類件熱處理前、后尺寸，建立變形數(shù)據(jù)庫，如圖7，圖中1～3 組數(shù)據(jù)為碳鋼變形數(shù)據(jù)，其余為合金鋼變形數(shù)據(jù)。

從圖7 可以看出，碳鋼大型筒體類圈類件調(diào)質(zhì)后整體尺寸有縮小的趨勢，這主要是碳鋼淬透性較差，淬火時(shí)以熱應(yīng)力造成的變形為主。合金鋼大型筒體類圈類件調(diào)質(zhì)后整體尺寸呈脹大的趨勢，這主要是合金鋼淬透性好，淬火時(shí)以組織應(yīng)力造成的變形為主。吊具方向的變形稍大于垂直吊具方向的變形，但長軸與短軸差值較小，變形量均小于粗加工余量，控制變形措施科學(xué)合理，大型筒體類圈類件可以順利精加工。

圖7 大型筒體類圈類件的變形數(shù)據(jù)庫

4 其他措施

4.1 優(yōu)化淬火冷卻方案

冷卻在金屬熱處理過程中是很重要的環(huán)節(jié)，通常情況下，冷卻處理包含等溫淬火、單液淬火與分級淬火等等，其中單液淬火是最符合機(jī)械化以及自動化熱處理的方法，也是實(shí)際熱處理制造過程也是應(yīng)用最廣的冷卻方法，但這種方法缺點(diǎn)是難以以控制冷卻速度。水淬法工件變形程度較大，油淬法會影響工件的硬度，導(dǎo)致硬度不能達(dá)到預(yù)期效果。所以在冷卻過程中，可采用將油淬與水淬降溫相結(jié)合的辦法，來最大限度的降低變形程度。

4.2 嚴(yán)格控制淬火加熱溫度

在保證制作工件機(jī)械性能滿足要求的情況下，在工藝要求范圍內(nèi)，適當(dāng)降低熱處理淬火加熱保溫溫度，以提高材料的塑性抗力，從而減小工件的變形程度。例如在淬火加熱的過程中，盡可能的使用下限溫度，以降低溫度的方式減小工件變形程度。

5 結(jié)論

（1）從內(nèi)部和外部因素兩個(gè)方面分析了大型筒體類圈類件變形原因，內(nèi)部因素分為淬火內(nèi)應(yīng)力和本身結(jié)構(gòu)，外部因素分裝爐支墊和起吊轉(zhuǎn)運(yùn)淬火，淬火內(nèi)應(yīng)力會導(dǎo)致工件整體脹大或縮小，裝爐支墊和起吊淬火是導(dǎo)致容易變形工件變形的主要原因。

（2）通過設(shè)計(jì)了在吊具起吊位置增加特殊支墊，既不影響淬火時(shí)的快速起吊，又額外增加了支點(diǎn)，有效減小了容易變形工件的變形，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）通過調(diào)整吊具狀態(tài)，減小了吊臂負(fù)重前后的位移，進(jìn)而縮小工件變橢圓后長軸和短軸的差值，減小大型筒體類圈類件的變形。