蘆建邦

（國機重裝成都重型機械有限公司，四川 成都 610000）

近年來，隨著產品結構的轉型升級，以加氫核電等產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、質量要求更高更嚴方向發(fā)展,適當減少性能熱處理前的粗加工留量進行性能熱處理是未來提高產品質量、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量要求等極限制造是熱處理生產面臨的巨大挑戰(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要求，為保證精加工而加大粗加工余量可能導致力學性能不達標，亦會導致鑄錠或毛坯粗大進而導致偏析嚴重，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意義。大型筒體類圈類件熱處理變形情況異常復雜，無相應經驗技術可借鑒，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，進而通過控制大型筒體熱處理變形來提高產品質量。

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生變形的主要階段有裝爐支墊加熱過程、淬火時起吊轉運過程、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)現多起變形超差現象，導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，導致局部加工量過大或者過小，最終導致精加工后的工件硬度值和硬度均勻性不滿足訂貨要求，部分工件變形數據如表2。

表2 部分大型筒體類圈類件熱處理過程變形數據

1.2 大型筒體類圈類件熱處理過程變形的內部因素

1.2.1 淬火內應力

鋼在加熱或冷卻時會因淬火應力而發(fā)生變形。淬火應力分為熱應力和組織應力。熱應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生的。組織應力是由于奧氏體與轉變產物的比容不同、不同轉變產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力、組織應力以及比容差效應同時作用。淬透性好的材質，組織應力和比容差效應作用相對較大，以組織應力造成的變形為主；淬透性較差的材質，以熱應力造成的變形為主[1]。在工件熱處理過程中，當心部未淬透時，變形情況是趨向于長度縮短，內外徑尺寸縮?。划斎看阃笗r，則趨向于長度伸長，內外徑尺寸脹大[2]。

這些由內應力造成的變形可以總結規(guī)律，比如同種材質的大型筒體類圈類件淬火后是整體脹大還是整體縮小，但在實際生產中，生產邊界條件已經確定，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 工件自身結構

金屬工件在熱處理高溫保溫階段，其塑性會增加，強度會降低，如果此時支墊方式不合理，工件在重力的作用下，會出現繞曲變形等永久性塑性變形。從長期的生產實踐得知，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間高溫保溫下，因其自身結構保持有足夠的強度而變形較小，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構，經過一定時間高溫保溫，隨著工件塑性提高，強度降低而極易發(fā)生永久性塑性變形，即自身結構決定變形抗力差，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

在熱處理生產過程中，大型筒體類圈類件裝爐時均需要支墊加熱，以確保能均勻加熱，以減少熱應力不均，組織應力不均，來減小變形。同時還要考慮起吊淬火，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

吊爪進出的地方工件部分弧段完全懸空。當工件壁薄或高度較低即自身結構為容易變形時，經長時間高溫保溫后，整個工件塑性越來越好，工件強度越來越低，在重力作用下，懸空弧段將會發(fā)生向下位移而使工件產生變形。從長期的生產實踐得知，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 吊具起吊轉運淬火

大型筒體類圈類件高溫保溫結束淬火時，需要吊具將工件快速起吊轉運至水槽冷卻。吊具起吊工件時受力分析如圖4 所示。吊具設計原理為：空載時，吊臂處于垂直狀態(tài)；負重時，吊具通過緩沖裝置自行找正，吊臂同樣處于垂直狀態(tài)，此時有垂直線AA′經過吊爪對工件的支點C，垂直線BB′也經過吊爪對工件的支點D，同時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′不經過支點C，垂直線BB′也不經過支點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。實際上工件受G 作用產生力矩也會發(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。若起吊轉運時間很短，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)

吊具起吊轉運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。吊具起吊轉運后工件變形模擬圖如圖5，圖中粗虛線為起吊前工件外徑，此時直徑為D；圖中粗實線為四點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 吊具起吊轉運后工件變形模擬圖

2 大型筒體類圈類件熱處理過程變形控制研究方案設計

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果，但仍然有可控制的主要因素。對于裝爐支墊、起吊轉運造成的變形，不僅可以總結規(guī)律，還可以控制。而由淬火內應力造成的變形，這類變形是整體脹大或整體縮小，可以總結規(guī)律，但很難實現人為控制。因此，通過總結規(guī)律，研究改進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 改進裝爐支墊方案設計

在以往壁薄或高度較低的大型筒體類圈類件熱處理生產過程中，由于不能均勻支墊導致懸空弧段長時間高溫后在重力作用下產生較大變形，主要原因是這部分弧段懸空。根據吊具吊爪特殊結構，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出。設計控制變形方案見圖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，因抗變形能力較強可以不在吊具進出方向加支點，但需在圓周其他方向增加額外的支點。

圖6 裝爐支墊控制變形研究方案

2.3 改進吊具起吊轉運淬火狀態(tài)方案設計

由于吊具長期在復雜惡劣條件下頻繁使用，吊臂位置有一定變化，在空載時吊臂已不處于垂直狀態(tài)，吊具負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，導致部分工件調質后變形量很大，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，在經過對四點吊具工作原理和現狀分析后，每次大型筒體類圈類件熱處理生產前，對吊具進行檢查，若吊臂位置變化大，則調整吊具狀態(tài)。確保吊具在起吊前和起吊負重后吊臂產生的位移相對較小，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據庫的建立

根據對大型筒體類圈類件變形原因分析后，分別設計了控制變形方案，具體是對容易變形的大型筒體類圈類件裝爐時進行特殊支墊，對起吊用的四點吊具進行了科學調整，減小了吊臂負重下的位移，并對變形數據進行了收集。分別測量大型筒體類圈類件熱處理前、后尺寸，建立變形數據庫，如圖7，圖中1～3 組數據為碳鋼變形數據，其余為合金鋼變形數據。

從圖7 可以看出，碳鋼大型筒體類圈類件調質后整體尺寸有縮小的趨勢，這主要是碳鋼淬透性較差，淬火時以熱應力造成的變形為主。合金鋼大型筒體類圈類件調質后整體尺寸呈脹大的趨勢，這主要是合金鋼淬透性好，淬火時以組織應力造成的變形為主。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據庫

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械化以及自動化熱處理的方法，也是實際熱處理制造過程也是應用最廣的冷卻方法，但這種方法缺點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，導致硬度不能達到預期效果。所以在冷卻過程中，可采用將油淬與水淬降溫相結合的辦法，來最大限度的降低變形程度。

4.2 嚴格控制淬火加熱溫度

在保證制作工件機械性能滿足要求的情況下，在工藝要求范圍內，適當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 結論

（1）從內部和外部因素兩個方面分析了大型筒體類圈類件變形原因，內部因素分為淬火內應力和本身結構，外部因素分裝爐支墊和起吊轉運淬火，淬火內應力會導致工件整體脹大或縮小，裝爐支墊和起吊淬火是導致容易變形工件變形的主要原因。

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

（3）通過調整吊具狀態(tài)，減小了吊臂負重前后的位移，進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。