熱處理變形控制工藝優化裝置設計與研究

郝青華， 張 鵬， 楊春光， 何耀宇， 高 瑞， 郝慧慧

（內蒙古第一機械集團有限公司， 內蒙古包頭014030）

0 引言

在熱處理過程中， 工裝夾具對于熱處理時扭曲變形的影響比較大[1]。 熱處理變形控制是個較復雜的過程，不合理的熱處理工裝不僅達不到校正變形的目的， 而且還會增加熱處理過程中產生的變形[2]。 在進行熱處理時，必須最大限度地利用爐容，同時減小熱處理變形，以保證產品合格率[3]。鑄件在熱處理過程中不僅有溫度和熱應力的影響，材料還存在相變行為，入水方式、工裝材料等都對組織性能和零件變形均有影響。 針對現有的熱處理工裝存在保形和校形能力不足的問題， 需設計合理可靠的熱處理變形控制裝置進行熱處理變形控制， 降低焊接殘余應力，以提高零件結構的完整性[4-5]。

1 熱處理工藝優化

鑄件為長約1500mm、寬約900mm、壁厚約35mm，如圖1。 結合鑄件生產過程數據分析，鑄件在正火以及調質熱處理的過程中， 影響鑄件最終尺寸以及變形量的最主要的環節為調質過程，即鑄件在加熱到890℃保溫后入水冷卻這一過程。 因此，改善鑄件熱處理產生的變形可以通過改進裝爐方式和裝爐托盤結構進行優化。

圖1 鑄件示意圖

由于鑄件尺寸較大，結構相對復雜，現行熱處理工藝中零件的入爐采用堆放式。鑄件在加熱過程中容易因自身重量影響以及多個零件相互傾軋等因素造成變形， 優化零件入爐方式一定程度上可以解決零件在加熱時因自身重量產生的形狀畸變問題。 承載鑄件的托盤底部為整體底面開入水孔的結構， 如圖2 所示。 這種結構會使得鑄件在淬火入水過程中水流涌入托盤的速率、方向不一致，鑄件的不同部位冷卻不均勻，造成變形。

圖2 熱處理零件入爐托盤

經分析， 可以從入爐托盤結構改進優化開展優化研究， 保證零件淬火浸入液體時的最優淬火方向以及液體接觸零件時間上的一致性， 減小由于零件不同部位受冷不均勻產生的熱應力導致的變形。 通過設計鑄件熱處理專用工裝， 集中解決零件堆放入爐相互傾軋以及托盤進水量不均勻帶來的不利影響。 同時對零件易變形區域增加約束，使得零件在熱處理過程中相互獨立，易變形區域受約束力，以保證零件入水時水流接觸零件的一致性。

2 熱處理工藝優化裝置材料

熱處理變形控制裝置的材料對熱處理保形和受冷具有影響作用。不合理的接觸材料，不僅可能導致熱處理過程中強度失效，而且起不到支撐和約束作用，最終造成鑄件產生較大的熱處理變形。 材料熱物理性能是衡量材料能否滿足熱處理工況、 能否達到試驗設計的目標的重要因素。 材料的耐高溫性能是指材料在某個特定的溫度區間內維持材料的物理、化學或機械性能的能力。當工裝材料在熱處理過程中能正常使用，不會發生形狀畸變時，表明該材料具有優良的高溫性能； 當工裝材料在受熱后發生形狀畸變，喪失約束作用時，不能保證正常使用要求，表明該材料具有較差的高溫性能[1]。從耐高溫性能角度考慮，1Cr16Ni35 耐熱鋼作為工裝材料的熱處理溫度通常在1035℃左右，1Cr16Ni35 耐熱鋼膨脹系數 （16.6×10-6/K）較低，在整個熱處理溫度范圍內具有較高的剛度、強度和良好的化學穩定性。

分析熱脹系數、耐高溫性能和制造經濟性等因素，對熱處理工裝制造材料進行篩選。1Cr16Ni35 耐熱鋼屬于奧氏體不銹鋼，抗滲碳、氮化性大，具有優良的抗氧化和耐腐蝕性。 較高的鉻、鎳含量使其有高溫蠕變強度，能在高溫下能持續作業，有良好的耐高溫性，較適合作為工裝材料。 1Cr16Ni35 材料成分如表1 所示。

表1 1Cr16Ni35 材料成分（%）

3 熱處理變形控制裝置設計

為確保零件與工裝能夠實現熱處理性能匹配和變形協調的功能， 需對零件進行裝夾約束狀態下熱處理過程開展受力分析， 最終確定合理適用的熱處理工裝設計方案。按照熱處理工藝要求，綜合考慮鑄件尺寸、設備大小、環境空間、工藝工序、生產人員等因素，建立工裝三維模型，設計和制造了兩種熱處理工裝方案，通過比較兩種不同的鑄件放置方式對鑄件冷卻變形的影響， 為鑄件工裝的優化選擇提供充分的數據依據。

方案一采用鑄件分組連接的方式， 將三件鑄件組焊在一起，使得鑄件產生相互約束，然后設計專用托架，以一組為單位，將成組的鑄件懸掛在工裝橫梁上，保證鑄件入水均勻。具體方案如圖3 所示。方案一的零件分組固定的方式是在零件相互之間起到約束作用， 達到了抑制變形的作用，但是變形控制效果仍不是十分理想。

圖3 方案一工裝圖

方案二采用零件獨立裝夾的方式。 對零件四角易變形區域增設夾具，使零件與零件之間、零件與工裝之間均產生有效約束，以更全面地控制變形產生。具體方案如圖4 所示。

圖4 方案二工裝圖

在采用方案二的工裝進行熱處理后，鑄件變形情況得到了明顯改善，最小變形量降到1mm 以下，最大變形量為3mm，變形量控制縮小了約10mm。 工裝及試驗過程如圖5 所示。

圖5 裝夾鑄件后的工裝正火、淬火過程

4 鑄件殘余應力分析

分析鑄件熱處理殘余應力， 設備采用普通檢測探頭和殘余應力超聲檢測儀。在零件經熱處理完成后，沿垂直于零件表面的方向檢測殘余應力的分布和大小， 探頭頻率初步擬定為1MHz、2MHz、5MHz。

檢測包括五個準備步驟。修磨待測區域：將被測零件的待測區域表面用砂輪機或砂紙修磨光整， 標記好檢測位置及序號。選擇傳感器：特殊制備與待測區域曲率相吻合的楔塊，連接換能器和溫度傳感器。 設置參數：設定抗干擾濾波帶寬、超聲激勵電壓、超聲收發增益、應力系數、環境溫度等參數。適應環境溫度：為保證測試數據的可靠性和精確性， 測試前按照儀器操作規程預熱5min 左右。零應力標定：確定待測零件材料殘余應力的基準數值。

開始檢測階段， 將探頭涂抹耦合劑后平穩地放置在待測零件表面， 并確保探頭表面與零件表面穩固緊密耦合。檢測點位按零件幾何形狀尺寸均勻分布，得到梯度殘余應力分布值。 將鑄件加裝熱處理工裝與未加裝狀態下的應力分布趨勢進行對比，如圖6 所示。

圖6 加工裝前后熱處理后殘余應力對比

根據不同工裝狀態下熱處理后角部平面殘余應力情況繪制相應應力分布云圖。未加工裝時，殘余應力檢測結果應力云圖如圖7 所示。 5M 時應力分布在140～229MPa區間內；2M 時應力分布在160～234MPa 區間內；1M 時應力分布在175～257MPa 區間內， 隨檢測頻率降低對應深度的殘余應力分布呈上升趨勢。

圖7 未加工裝回火后平面應力分布云圖

加工裝時， 角部平面殘余應力檢測結果應力云圖如圖8 所示。 5M 時應力分布在129～200MPa 區間內；2M 時應力分布在148～218MPa 區間內；1M 時應力分布在173～229MPa 區間內。

圖8 加工裝回火后平面應力分布云圖

通過對比結果表明， 加裝變形控制裝置進行熱處理后，鑄件內部殘余應力值有所下降。

5 結論

本文采用理論分析方法， 確定了合理的熱處理工裝材料， 并借助理論與試驗相結合的方法設計了熱處理變形控制工藝優化裝置。 通過對比不同工裝方案下的鑄件水冷變形規律，對鑄件進行正火、淬火熱處理進行試驗驗證， 進一步證明了熱處理工藝優化方案的可行性與準確性，從而指導了熱處理變形控制工裝方案完善。在加裝變形控制工裝后， 對鑄件內部殘余應力的降低有著積極的影響。