大型筒体类圈类件热处理变形控制研究

芦建邦

（国机重装成都重型机械有限公司，四川 成都 610000）

近年来，随着产品结构的转型升级，以加氢核电等产品为代表的大型筒体类圈类件逐渐增多，并向着大厚壁、大直径、质量要求更高更严方向发展,适当减少性能热处理前的粗加工留量进行性能热处理是未来提高产品质量、降低制造成本的重要途径，超大尺寸、超大重量和高性能高质量要求等极限制造是热处理生产面临的巨大挑战，对热处理工艺和操作提出了更高的要求，其中突出问题之一是热处理变形问题。性能热处理后，工件发生变形，尺寸可能无法满足精加工要求，由于变形，精加工过程中各处加工深度不一致，精加工后硬度和硬度均匀性可能无法满足技术要求，为保证精加工而加大粗加工余量可能导致力学性能不达标，亦会导致铸锭或毛坯粗大进而导致偏析严重，组织不均匀性加重及制造成本增加等一系列问题。因此，研究大型筒类圈类锻件热处理变形规律、控制大型筒类圈类锻件变形程度具有重要指导意义。大型筒体类圈类件热处理变形情况异常复杂，无相应经验技术可借鉴，掌握控制大型筒体类圈类件热处理变形对于提升公司竞争力具有重要意义。通过研究大型筒体类圈类件热处理变形规律，找出热处理变形的主因，进而通过控制大型筒体热处理变形来提高产品质量。

1 热处理过程变形原因分析

1.1 热处理过程变形的主要阶段

在热处理过程中，大型筒体类圈类件会产生变形的主要阶段有装炉支垫加热过程、淬火时起吊转运过程、淬火冷却过程，具体如表1 所示。

表1 热处理过程中发生变形的主要阶段

在大型筒体类圈类件制造过程中，性能热处理后发现多起变形超差现象，导致有的尺寸无法满足精加工要求，有的虽然满足精加工要求，但由于变形较大，需要借偏加工，导致局部加工量过大或者过小，最终导致精加工后的工件硬度值和硬度均匀性不满足订货要求，部分工件变形数据如表2。

表2 部分大型筒体类圈类件热处理过程变形数据

1.2 大型筒体类圈类件热处理过程变形的内部因素

1.2.1 淬火内应力

钢在加热或冷却时会因淬火应力而发生变形。淬火应力分为热应力和组织应力。热应力是由于工件表面和心部受热不同步、热胀冷缩不一致而产生的。组织应力是由于奥氏体与转变产物的比容不同、不同转变产物的比容不同而引起的。

本文研究的大型筒体类圈类件淬火均采用水淬，冷却十分激烈，淬火过程中基体本身的变形受热应力、组织应力以及比容差效应同时作用。淬透性好的材质，组织应力和比容差效应作用相对较大，以组织应力造成的变形为主；淬透性较差的材质，以热应力造成的变形为主[1]。在工件热处理过程中，当心部未淬透时，变形情况是趋向于长度缩短，内外径尺寸缩小；当全部淬透时，则趋向于长度伸长，内外径尺寸胀大[2]。

这些由内应力造成的变形可以总结规律，比如同种材质的大型筒体类圈类件淬火后是整体胀大还是整体缩小，但在实际生产中，生产边界条件已经确定，因此很难通过干涉、控制工件自身的胀大或缩小来控制变形。

1.2.2 工件自身结构

金属工件在热处理高温保温阶段，其塑性会增加，强度会降低，如果此时支垫方式不合理，工件在重力的作用下，会出现绕曲变形等永久性塑性变形。从长期的生产实践得知，壁厚较厚、高度较高的大型筒体类圈类件热处理过程中不易变形，而壁厚较薄、高度较低或壁厚较厚、高度较低的大型筒体类圈类件容易变形。壁厚较厚、高度较高的大型筒体类圈类件即使在长时间高温保温下，因其自身结构保持有足够的强度而变形较小，如图1 的工件。容易变形的大型筒体类圈类件因壁薄或高度低等自身结构，经过一定时间高温保温，随着工件塑性提高，强度降低而极易发生永久性塑性变形，即自身结构决定变形抗力差，如图2 的工件。

图1 不易变形的大型筒体类圈类件

图2 容易变形的大型筒体类圈类件

1.3 大型筒体类圈类件热处理过程变形的外部因素

1.3.1 装炉支垫加热

在热处理生产过程中，大型筒体类圈类件装炉时均需要支垫加热，以确保能均匀加热，以减少热应力不均，组织应力不均，来减小变形。同时还要考虑起吊淬火，需对称留出一定宽度的空位，以利于吊具吊爪自由进出，如图3 所示。

图3 大型筒体类圈类件装炉、起吊俯视图

吊爪进出的地方工件部分弧段完全悬空。当工件壁薄或高度较低即自身结构为容易变形时，经长时间高温保温后，整个工件塑性越来越好，工件强度越来越低，在重力作用下，悬空弧段将会发生向下位移而使工件产生变形。从长期的生产实践得知，采用该装炉方式，壁薄或高度较低的大型筒体类圈类件变形较大。

1.3.2 吊具起吊转运淬火

大型筒体类圈类件高温保温结束淬火时，需要吊具将工件快速起吊转运至水槽冷却。吊具起吊工件时受力分析如图4 所示。吊具设计原理为：空载时，吊臂处于垂直状态；负重时，吊具通过缓冲装置自行找正，吊臂同样处于垂直状态，此时有垂直线AA′经过吊爪对工件的支点C，垂直线BB′也经过吊爪对工件的支点D，同时吊爪将对工件施加作用力F1和F2均为零，工件水平方向未受力，变形最小。但由于吊具长期在复杂恶劣条件下频繁使用，吊臂位置有一定变化，垂直线AA′不经过支点C，垂直线BB′也不经过支点D。在这种情况下起吊大型筒体类圈类件，吊臂在往垂直状态调节过程中，吊爪将对工件施加作用力F1和F2，且F1、F2＞0。在F1和F2作用下，工件会发生变形，且在变形后吊具方向的尺寸稍大于垂直吊具方向的尺寸。从图4 可以看出，工件还受到支持力N1和N2以及重力G 作用，且N1+N2=G。实际上工件受G 作用产生力矩也会发生变形，尤其是大直径、高度小大型筒体类圈类件变形更加明显。若起吊转运时间很短，则重力G 对高度较高的大型筒体类圈类件的变形影响较小。

图4 工件的受力状态

吊具起吊转运大型筒体类圈类件变形后，吊具方向的尺寸稍大于垂直吊具方向的尺寸，大型筒体类圈类件截面将变为椭圆形，有明显的长轴和短轴之分。吊具起吊转运后工件变形模拟图如图5，图中粗虚线为起吊前工件外径，此时直径为D；图中粗实线为四点吊具起吊后变椭圆工件的外径，有明显的长轴a 和短轴b，且a-b（差值）较大。

图5 吊具起吊转运后工件变形模拟图

2 大型筒体类圈类件热处理过程变形控制研究方案设计

2.1 变形控制研究方向

虽然大型筒体类圈类件变形是由多种因素综合作用的结果，但仍然有可控制的主要因素。对于装炉支垫、起吊转运造成的变形，不仅可以总结规律，还可以控制。而由淬火内应力造成的变形，这类变形是整体胀大或整体缩小，可以总结规律，但很难实现人为控制。因此，通过总结规律，研究改进装炉支垫和起吊淬火方法以控制大型筒体类圈类件热处理变形。

2.2 改进装炉支垫方案设计

在以往壁薄或高度较低的大型筒体类圈类件热处理生产过程中，由于不能均匀支垫导致悬空弧段长时间高温后在重力作用下产生较大变形，主要原因是这部分弧段悬空。根据吊具吊爪特殊结构，在工件悬空弧段处增加了特殊支垫，不但解决了均匀支垫问题，而且又不影响吊具自由进出。设计控制变形方案见图6。特殊支垫材料一般选用耐火砖或铁块。而壁厚较厚且高度较高的大型筒体类圈类件，因抗变形能力较强可以不在吊具进出方向加支点，但需在圆周其他方向增加额外的支点。

图6 装炉支垫控制变形研究方案

2.3 改进吊具起吊转运淬火状态方案设计

由于吊具长期在复杂恶劣条件下频繁使用，吊臂位置有一定变化，在空载时吊臂已不处于垂直状态，吊具负重后大大增加了大型筒体类圈类件变椭圆后长轴和短轴的差值，导致部分工件调质后变形量很大，甚至超过粗加工余量。为尽量减小大型筒体类圈类件变椭圆后长轴和短轴的差值，在经过对四点吊具工作原理和现状分析后，每次大型筒体类圈类件热处理生产前，对吊具进行检查，若吊臂位置变化大，则调整吊具状态。确保吊具在起吊前和起吊负重后吊臂产生的位移相对较小，从而缩小了大型筒体类圈类件变椭圆后长轴和短轴的差值。

3 大型筒体类圈类件热处理变形控制数据库的建立

根据对大型筒体类圈类件变形原因分析后，分别设计了控制变形方案，具体是对容易变形的大型筒体类圈类件装炉时进行特殊支垫，对起吊用的四点吊具进行了科学调整，减小了吊臂负重下的位移，并对变形数据进行了收集。分别测量大型筒体类圈类件热处理前、后尺寸，建立变形数据库，如图7，图中1～3 组数据为碳钢变形数据，其余为合金钢变形数据。

从图7 可以看出，碳钢大型筒体类圈类件调质后整体尺寸有缩小的趋势，这主要是碳钢淬透性较差，淬火时以热应力造成的变形为主。合金钢大型筒体类圈类件调质后整体尺寸呈胀大的趋势，这主要是合金钢淬透性好，淬火时以组织应力造成的变形为主。吊具方向的变形稍大于垂直吊具方向的变形，但长轴与短轴差值较小，变形量均小于粗加工余量，控制变形措施科学合理，大型筒体类圈类件可以顺利精加工。

图7 大型筒体类圈类件的变形数据库

4 其他措施

4.1 优化淬火冷却方案

冷却在金属热处理过程中是很重要的环节，通常情况下，冷却处理包含等温淬火、单液淬火与分级淬火等等，其中单液淬火是最符合机械化以及自动化热处理的方法，也是实际热处理制造过程也是应用最广的冷却方法，但这种方法缺点是难以以控制冷却速度。水淬法工件变形程度较大，油淬法会影响工件的硬度，导致硬度不能达到预期效果。所以在冷却过程中，可采用将油淬与水淬降温相结合的办法，来最大限度的降低变形程度。

4.2 严格控制淬火加热温度

在保证制作工件机械性能满足要求的情况下，在工艺要求范围内，适当降低热处理淬火加热保温温度，以提高材料的塑性抗力，从而减小工件的变形程度。例如在淬火加热的过程中，尽可能的使用下限温度，以降低温度的方式减小工件变形程度。

5 结论

（1）从内部和外部因素两个方面分析了大型筒体类圈类件变形原因，内部因素分为淬火内应力和本身结构，外部因素分装炉支垫和起吊转运淬火，淬火内应力会导致工件整体胀大或缩小，装炉支垫和起吊淬火是导致容易变形工件变形的主要原因。

（2）通过设计了在吊具起吊位置增加特殊支垫，既不影响淬火时的快速起吊，又额外增加了支点，有效减小了容易变形工件的变形，大大提高了产品质量。

（3）通过调整吊具状态，减小了吊臂负重前后的位移，进而缩小工件变椭圆后长轴和短轴的差值，减小大型筒体类圈类件的变形。