高強度薄壁管件淬火變形控制工藝分析與應用

廖周文，胡衛伍，謝 峰，劉滿紅，徐順川

(1.重慶鐵馬工業集團有限公司，重慶 400050；2.中國人民解放軍駐二五六廠軍事代表室，重慶 400050)

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高強度薄壁管件淬火變形控制工藝分析與應用

廖周文1，胡衛伍2，謝 峰1，劉滿紅1，徐順川1

(1.重慶鐵馬工業集團有限公司，重慶 400050；2.中國人民解放軍駐二五六廠軍事代表室，重慶 400050)

高強度薄壁管件淬火時極易變形，淬火后因其高強度、高彈性而難以校正，如果采用模壓淬火，需要制造相應模具，成本高，且不適用于科研試制或小批量生產。針對高強度薄壁管件淬火變形大的難點，開展了淬火變形機理分析和淬火變形控制方法研究，并通過工藝試驗，對防變形工藝筋進行了優化設計，確保了零件淬火后的內在質量與變形控制質量，解決了技術難題，提高了零件生產效率。

高強度；薄壁；管件；淬火變形機理；防變形工藝筋

熱處理變形會使零件前期加工獲得的精度受到嚴重影響，而有些情況，通過復雜、先進的修行技術也難以滿足要求，這將直接影響零件的焊接、裝配，以及零件的精度、強度和使用壽命等。雖然熱處理設備愈來愈先進，但零件在加熱、冷卻時各部位溫度變化的不同時性，會引起工件熱(膨脹)應力和組織(轉變時體積產生變化)應力的變化。當熱應力、組織應力或兩者之和大于該瞬時溫度下零件某部位的塑性抗力時， 就會在這一部位發生不可逆的變形——熱處理變形。尤其對于高強度薄壁管件，其淬火時極易變形，淬火后難以校正，如采用模壓淬火需制造相應模具，成本高，且不適用于科研試制或小批量生產；因此，需要研究一種控制高強度薄壁管件淬火變形的非模壓方法。

1 高強度薄壁管件淬火變形機理分析

高強度薄壁管件為特種車輛輪艙上的結構件(見圖1)，其強度要求較高，其所用材料為8 mm厚的低碳合金高強度鋼板，淬火布氏硬度壓痕直徑要求為2.75～3.1 dHB。

圖1 高強度薄壁管件示意圖

低碳合金高強度鋼板屬于高強度特種鋼，淬透性較好，淬火介質為水，在淬火過程中，零件冷卻速度和組織轉變(奧氏體→馬氏體)速度快，熱應力和組織應力是影響零件淬火變形的主要因素。熱應力是在零件冷卻時，因表面總是比心部冷得快，因而變形表現為使零件沿最大尺寸方向收縮，沿最小尺寸方向脹大，即表層受拉應力，心部受壓應力，心部在壓應力作用下，就會在軸向產生塑性壓縮，使截面直徑變粗，零件就變成如圖2所示的腰鼓形狀[1]。而組織應力是經奧氏體化的零件在淬火冷卻時，由于表層冷卻較快，其溫度先降低到Ms點并發生馬氏體轉變，而馬氏體的比容比奧氏體大，因而變形表現為工件沿最大尺寸方向伸長，沿最小尺寸方向收縮，即表層受壓應力，心部受拉應力，心部在拉應力作用下就會引起塑性伸長，并使截面直徑縮小，零件就變成如圖3所示的朝鮮長鼓般形狀[1]。

圖2 圓柱體熱應力作用下變形示意圖

圖3 圓柱體組織應力作用下變形示意圖

在淬火冷卻時，因零件的加熱溫度比一般調質鋼零件溫度高，從而導致內應力加大，加大了變形量[2-3]；且零件為大直徑薄壁管件(半徑與壁厚的比約為20)，壁厚方向組織轉變幾乎同時進行，組織應力影響相對較小。因此，淬火冷卻時熱應力為零件變形的主要影響因素。

2 工藝試驗方法

基于以上淬火變形機理分析，通過采用點焊工藝筋的方式固定零件內腔形狀，以有效控制其淬火變形。為驗證點焊工藝筋對控制零件淬火變形的效果，采用工藝件進行工藝試驗，在工藝件兩端面或兩端面附近內孔中點焊工藝筋。

在設計選擇工藝筋時，為避免淬火過程中因工藝筋發生組織轉變等因素影響工藝件的尺寸，工藝筋采用非調質鋼20鋼，厚為10 mm的鋼板下料加工而成。考慮減少工藝件淬火變形的同時，應減輕工藝筋質量，并保證淬火時淬火介質在工藝件內外表面的流動性，使其熱處理后的強度滿足設計要求，本次試驗分別采用4種不同的工藝筋，即條形工藝筋(見圖4)、三角形工藝筋(見圖5)、十字形工藝筋(見圖6)和對稱分布減重孔的圓盤形工藝筋(見圖7)，除條形工藝筋點焊在工藝件管口兩端面，其余工藝筋均點焊在離管口外邊緣100 mm左右處，以確保對工藝件內壁的拉伸和支承作用。

圖4 條形工藝筋示意圖

圖5 三角形工藝筋示意圖

圖6 十字形工藝筋示意圖

圖7 圓盤形工藝筋示意圖

工藝筋采用點焊的方式固定在工藝件上，確保焊接牢固即可。焊接采用奧氏體不銹鋼焊條，以有效避免焊接部位在熱處理過程中產生斷裂和脫碳。

工藝件在熱處理時同爐加熱、淬火和回火，以保證熱處理過程中的工藝參數、外界環境等客觀因素保持一致，來驗證4種點焊工藝筋方式對控制高強度薄壁管件淬火變形的效果。

在點焊拉筋前， 測量工藝件兩端口內徑尺寸以及管壁的直線度；工藝件熱處理后，測量去工藝筋后兩端口內徑尺寸以及管壁的直線度。

3 試驗驗證情況與分析

理論技術分析認為，采用條形工藝筋、三角形工藝筋焊接在工藝件上后，工藝筋在工藝件上支承點為非對稱性結構，對控制淬火變形效果較差，因此未對其進行淬火試驗及相關尺寸的檢測。本文重點對對稱點焊十字形工藝筋和對稱點焊圓盤形工藝筋的工藝件進行試驗，檢測其在熱處理前(點焊工藝筋前)和熱處理后(去工藝筋后)兩端口內徑尺寸以及管壁的直線度。測量結果見表1。

表1 淬火前后工藝件實測內徑尺寸

由表1中的數據對比分析，得到如下結論。

1)淬火后，工藝試件布氏硬度壓痕直徑檢測值為3.0 dHB，符合設計要求。

2)通過測量淬火前后工藝件軸向直線度得出，采用加工藝筋的方式能有效控制工藝件在淬火過程中軸向直線度的變形。

4 結語

[1] 胡光立,謝希文. 鋼的熱處理(原理和工藝)[M].西安：西北工業大學出版社，1993.

[2] 王忠誠.氣門熱處理變形控制[J].現代零部件,2011(5)：64-67.

[3] 譚燕軍.汽車齒輪鋼熱處理變形控制分析[J].科技資訊，2009(21)：95.

責任編輯 馬彤

Analysis and Application of Hardening Deformation Control Technology for High-strength Thin-wall Tube

LIAO Zhouwen1，HU Weiwu2，XIE Feng1，LIU Manhong1，XU Shunchuan1

(1.Chongqing Tiema Industrial Group Limited Company, Chongqing 400050, China; 2.Military Representative Office of People’s Liberation Army Stationed in 256 Factories, Chongqing 400050, China)

It is easy to be deformed for high-strength thin-wall tube when hardening, and it is hard to correct after that because of the high strength and high elastic property. It is costly to adopt the press hardening method because of making the corresponding mound, and which does not apply to research and small batch production. In order to solve the difficult problems of high-strength thin-tube with large hardening distortion, it has been done to promote the mechanism analysis of deformation and optimize the lacing wires of preventing from distortion. The control method for the hardening distortion has been verified by experiments. It can ensure the internal quality and deformation control quality of parts after hardening. Finally, the technical problem is solved, and the production efficiency of parts has been raised, and the similar parts also have been optimized.

high strength, thin-walled, tube, hardening deformation mechanism, the lacing wires of preventing from distortion

TG 162

A

廖周文(1974-)，男，大學本科，工程師，主要從事機械加工等方面的研究。

2016-09-22