如何解决大型锻件热处理变形问题

文/殷勇锋·江苏凌飞锻造有限公司

如何解决大型锻件热处理变形问题

文/殷勇锋·江苏凌飞锻造有限公司

大型锻件是冶金、电力、车船、化工等重大装备上的管件、锻件。对这些重大设备而言，大型锻件行业是基础和装备部门，绝不同于一般加工工业。大型锻件是指用1000t或更大吨位压机生产的锻件。随着大型锻件尺寸的变大和质量的提高，热处理时有效厚度也随之发生变化。由于截面的增大，不可避免地存在成分偏析、非金属夹杂、显微空隙等冶金缺陷，再加上相变潜热的影响，在加热和冷却过程中产生的应力较大，极易引起工件的畸变和开裂。50年代初期，由于受当时设备、材料及工艺技术的限制，大型锻件的热处理大多采用正火、回火。后来，随着对大型锻件调质研究的不断深入和大量实践表明，调质可显著地提高锻件性能。笔者通过对典型质量事故的分析，探讨关于大型锻件热处理变形问题。

热处理变形的机理

大型锻件经过调质热处理，要完成加热后得到奥氏体组织，然后根据锻件的具体技术要求选择合理的淬火介质冷却，得到要求的组织和获得理想的力学性能等，因此锻件在热处理过程中要受到加热和冷却的双重作用。在冷却过程中发生组织转变时，锻件受到热应力和组织应力的综合作用，必然要引起锻件的形状和体积的变化。其中变形为热处理过程中常出现的问题，它是无法消除的，只能采取必要的措施和合理的方法。减小锻件在热处理过程中的变形，并尽可能地使其变形量控制在要求的范围内，最大限度地减少锻件的变形和防止开裂。在实际锻件的热处理中，要充分考虑到影响变形的内在和外在因素，经过反复的工艺验证才能确定最佳的热处理工艺参数。

锻件热处理后的变形形式通常有两种，即锻件的体积变形和形状的变化，下面分别加以介绍。

⑴体积的变化。锻件经热处理后其金相组织发生了改变，各种组织的比体积差异会引起锻件呈比例的胀缩，体积变化不会影响该锻件原来的形状。体积变化是由以下两个原因造成的：

①热胀冷缩引起的体积变化出现在锻件加热和冷却过程中，内外各部分的温度存在差异，故引起热胀冷缩的变化量不同。由于热处理前后锻件的温度相同，因此热胀冷缩的作用对热处理后体积变化并无显著影响。

②组织转变引起体积变化。钢铁锻件在热处理过程中，必然发生金相组织的转变。由于锻件内外组织转变的不同步，获得的组织不同，而各种组织的比体积存在差异，此时产生的应力称为组织应力。锻件淬火时冷却速度快，故组织转变前后比体积差距较大，各种组织的晶体结构和晶格常数不同。尤其是钢在淬火过程中产生的体积变化最为明显，淬火后马氏体的比体积增大，而残余奥氏体使比容体积变小，因此，淬火体积变化直接与残余奥氏体的数量和未溶解的渗碳体数量有关。

锻件热处理前后组织变化必然引起体积的变化，这是热处理后锻件体积变化的主要原因。影响淬火组织状态的因素，例如钢的化学成分、原始组织状态、是否淬透、加热温度的高低和冷却方法等，均对体积的变化有直接的影响。锻件在不同组织状态下其体积是不同的，钢中各组织的比体积见表1。而常用的碳钢组织转变引起的体积变形和尺寸变化见表2。

表1 钢中各组织的比体积变化

表2 碳钢组织转变引起的体积变形和尺寸变化

锻件的体积变形和尺寸变化与各相组织转变时各种成分和含量多少有关，与热处理应力的大小无关。体积变化的大小与下列因素和条件有关：淬火前后组织比体积相差越大，体积的变形越大；提高淬火温度，奥氏体中合金元素的含量提高，马氏体的比体积增大，残余奥氏体增加；全部淬透后的锻件体积变形最大。采用分级、等温的冷却方法提高残余奥氏体的数量，可减少体积变形量。

⑵形状的变化。热处理时锻件形状的变化是由于内应力和外加应力综合作用形成的，在加热和冷却过程中锻件的各部分温度有差异，热胀冷缩不均和组织转变不同时，内部就产生了内应力。热胀冷缩不均匀引起的内应力称为热应力，而组织转变不同时引起的内应力为组织应力。形状复杂、截面尺寸相差大、自身尺寸大的锻件产生的内应力大，当内应力超过了材料的屈服强度，就要发生塑性变形，因此引起锻件形状变化。当达到材料的断裂强度，将导致锻件的开裂。锻件的自重引起下垂和应力，引起形状的走形、翘曲、弯曲、扭曲等非正常变形。

锻件在热处理过程中产生的变形为体积变化和形状变化，最终是热应力和组织应力共同作用的结果。体积的变化归因于锻件相变前后体积差引起的锻件体积的突变，而形状的变化是热处理过程中各种复杂应力综合作用下不均匀的塑性变形，二者的作用机理不同。一般情况下二者同时存在于锻件热处理过程中，但是对于某一锻件和相对固定的热处理工艺来说，主要以一种变形为主。

⑶影响锻件热处理变形的因素。影响锻件热处理变形的因素有很多，其中包括材料的化学成分和原始组织，锻件的尺寸、形状， 用的热处理工艺和实际的热处理操作等。它们不但可以使锻件本身的机械强度和形变抗力发生变化，而且也会造成热处理过程中热应力、组织应力和体积效应的作用发生变化，因此影响了锻件的变形。从锻件热处理变形的机理来看，在热处理过程中，由于组织的转变，必然发生锻件体积和形状的改变，其原因在于钢中组织转变时比体积变化所引起的体积膨胀，以及热应力引起的塑性变形等。

零件热处理后的变形是十分复杂的，影响因素很多。主要影响锻件热处理变形的因素有锻件的放置方式，锻件材料化学成分，锻件冷却过程，锻件的尺寸和形状，锻件的原始组织和锻件的应力状态。其次的还包括零件淬火时产生的热应力、组织转变应力、零件的自重等。

典型质量事故的分析

⑴质量事故简述。公司为客户锻造一件尺寸为外方1600mm×1562mm，中心通孔φ457mm，高为590mm的箱体。原材料采用钢材牌号为AISI4340的真空感应熔炼钢锭，钢锭质量为19t。AISI4340相当于国内40CrNiMoA，近似于德国34CrNiMo6，是一种淬透性优良、综合性能好，具备一定低温性能的钢种。钢锭原料加热时严格按钢锭加热规范执行，控制加热温度和升温速度，采用锻造比为5的反复镦粗锻造法在4000t油压机上锻造成形。

锻后采用热装炉890℃正火，再650℃高温回火的锻后热处理方法。锻件冷却后检查，锻件毛坯表面无夹渣、折叠和裂纹等缺陷，尺寸符合锻造尺寸。锻件表面见光加工后再进行UT探伤，探伤合格，锻件无白点。锻件粗加工至1610mm×1572mm×600mm的尺寸，中心孔直径 φ447mm后进行调质热处理，相当于箱体单边留5mm加工余量。调质热处理工艺：850℃水淬，600℃回火。冷却后，因其机械性能的抗拉强度小于客户所需求的大于1090.0MPa。于是对锻件进行第二次调质热处理，860℃水淬，610℃回火。调质后其机械性能和硬度均达到客户需求，UT探伤合格。在进入精加工阶段，发现该箱体中心有塌陷，如图1、2所示。

图1 箱体锻件中部有凹陷

图2 箱体上表面经过车削、见光

经测量，箱体长度、宽度皆符合尺寸，但箱体中心塌陷深度尺寸约10mm，而且箱体上下双面皆有对称塌陷，导致该产品因尺寸不符合客户需求而报废。

⑵事故分析。该箱体调质发生的变形主要是以锻件调质前后各组织相变为主而导致的体积变化。其主要因素有以下4个方面：

①第一次调质时，因箱体机械性能未能达标，在第二次调质时，提高了淬火温度。随着淬火炉温度的提高，锻件体积或者长度都呈缩小的状态。而提高锻件的淬火温度使锻件残余奥氏体含量提高。由表2中的数据得知，残余奥氏体是最影响锻件最终体积的因素之一，而奥氏体组织相对于其他组织具有较小的比体积。

②淬火冷却速度对变形的影响。一般来说，淬火冷却愈激烈，工件内外和不同部位（截面尺寸不同的部位）温差愈大。因此，产生的内应力愈大，导致热处理变形增大，而且会导致锻件的组织相变。因本锻件厚度较大，其淬火采用水淬具有较快的冷却速度，导致锻件内外温差较大，淬火后锻件中心含有大量残余奥氏体而发生收缩。

③经过锻造的材料，沿不同的纤维方向可表现出不同的热处理变形。锻件热处理，有明显带状组织存在时，沿纤维方向和垂直于纤维方向的尺寸变化则显著不同。锻造比较大，纤维方向明显时，沿纤维方向的纵向试样尺寸变化率大于垂直于纤维方向的横向试样尺寸变化率。因该锻件上下方向与锻件锻造的纤维方向相同，故锻件调质热处理后在此方向上有着明显的相变。

④工艺性不够合理，锻件应根据本身的化学成分、形状和尺寸，原始组织，应力状态，锻造形成的纤维方向等多种因素，在实际的热处理过程中进行一系列工艺试验和检测，以确保采用最佳的热处理工艺。

结束语

热处理是提高锻件产品质量和使用寿命的重要手段和方法，因此，锻件的热处理在整个加工过程中占有十分重要的地位。与此同时新工艺、新设备、新技术的不断出现，也给锻件热处理产品质量的提高奠定了坚实的基础，提供了更多的技术手段和工艺方法。

认真分析锻件变形的规律，对控制和减少锻件的变形至关重要。而控制和减小锻件热处理变形应从众多影响因素入手，其基本思路包括：摸清锻件变形的规律，采用七种工具的分层法；分析具体锻件；全面了解锻件的加工流程；熟悉锻件的热处理工艺、操作方法和现场情况（人员素质、设备状况、周围环境等），采取相应措施，对症下药，解决变形问题。