CN113186377B - 降低锻件残余应力的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种降低锻件残余应力的热处理方法，包括将锻件加热至中保温度，保温一段时间；然后将锻件继续加热至AC3+(40～100)℃，保温一段时间；接着将锻件炉冷降温至AC3+(10～60)℃，保温一段时间；最后淬火冷却。本发明增加“将锻件降温至AC3+(10～60)℃，保温一段时间”，改进的部分较少，保证了热处理设备的通用性。降低至AC3+(10～60℃)时，合金元素仍处于回溶和均匀化阶段，对后期的合金成分的均匀化无影响，在冷却方式不改变的前提下，可以减少工件中心和边缘的温度差异，减轻热应力对工件的影响。淬火温度的降低，降低了工件在淬火过程中的截面温差，降低了热应力，从而降低了淬火后，锻件整体的残余应力。

Description

降低锻件残余应力的热处理方法
技术领域
本发明涉及锻造技术领域，尤其是一种降低锻件残余应力的热处理方法。
背景技术
大型锻件存在较大的厚度，在性能热处理即淬火过程中，冷却降温时，表面和心部的温降速率不一致，存在时间差，从而形成不均匀的温度场；而在组织转变过程中，因为表面和心部的冷却速度存在差异，从而造成组织转变不同步，不均匀的温度场和不同步的组织转变，形成了锻件内部的残余应力，一般来说，残余应力是有害的，会造成零件的变形甚至开裂等。
燃机类、汽轮机类或电机类锻件，因工况要求对工件残余应力水平有较高的要求。该类工件由于单重重，体积大，运行工况恶劣，如工件本体残余应力过大，则对设备运行安全形成隐患。因此在制定该类锻件技术条件时，工件本体的残余应力水平也是工件合格的重要标准。残余应力测试时机一般在性能热处理之后，性能测试之前，如残余应力过高，则需要进行消应处理。目前常规的方法为性能热处理之后，增加一次去应力处理，这种方式周期长、能耗高，环保性差。
申请号为201310562501.4的发明申请公开了一种核电用厚锻件的热处理方法，针对SA-508Gr.3材质的锻件，先将锻件加热至880℃-920℃，再将锻件冷却至788℃-820℃，保温后淬火。可降低淬火温度，从而减小锻件内外温差。公知的，热处理时需要将锻件加热至AC3温度以上，使得锻件完成奥氏体的转变，并且在高于AC3的温度下保温，合金元素可维持回溶和均匀化，使得锻件成分均匀。但由于SA-508Gr.3材质的AC3温度为820℃，当锻件温度降低至788℃-820℃时，由于该温度低于AC3温度(820℃)，合金元素难以维持回溶和均匀化，淬火后可能出现锻件成分不够均匀，从而影响性能。此外，采用空冷的方式将锻件从880℃-920℃降温至788℃-820℃，一是操作麻烦，需要将锻件从炉中取出来冷却，然后保温时又需要重新放入炉中，增加了锻件取放次数，厚大锻件重量大，取放消耗较长的时间，影响效率，且难以精确控制温度；二是空冷的冷却速度较快，对于厚大锻件来说，表面温度快速降低，中心温度降低较慢，容易产生热应力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种降低锻件残余应力的热处理方法，在对锻件进行性能热处理的过程中减小残余应力，性能热处理后不需要再进行去应力处理，可减少工序，提高生产效率，且保证锻件成分的均匀性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：降低锻件残余应力的热处理方法，包括
将锻件加热至中保温度，保温一段时间；然后将锻件继续加热至AC3+(40～100)℃，保温一段时间；接着将锻件炉冷降温至AC3+(10～60)℃，保温一段时间；再利用淬火介质进行淬火冷却。
进一步地，以40～80℃/h的升温速度将锻件加热至中保温度，保温一段时间；然后以40～80℃/h的升温速度将锻件加热至AC3+(40～100)℃，保温一段时间；再以小于或者等于60℃/h的降温速度将锻件降温至AC3+(10～60)℃，保温一段时间；再利用淬火介质进行淬火冷却。
进一步地，锻件公称厚度与锻件在中保温度的保温时间的比值小于或等于50mm/min。
进一步地，锻件公称厚度与锻件在AC3+(40～100)℃的保温时间的比值小于或等于10mm/min。
进一步地，锻件公称厚度与锻件在AC3+(10～60)℃的保温时间的比值小于或等于30mm/min。
进一步地，淬火冷却为水冷或者油冷。
进一步地，锻件为中合金钢材质。
本发明的有益效果是：本发明增加“将锻件降温至AC3+(10～60)℃，保温一段时间”这一过程，其余过程为现有常规的热处理过程，改进的部分较少，保证了热处理设备的通用性，也保证了材料中合金元素的充分溶解和均匀，为后期淬火冷却过程中的组织转变奠定了基础。锻件温度降低至AC3+(10～60)℃时，合金元素仍处于回溶和均匀化阶段，对后期的合金成分的均匀化无影响，在淬火方式不改变的前提下，可以减少工件中心和边缘的温度差异，减轻热应力对工件的影响。淬火温度的降低，降低了工件在淬火过程中的截面温差，降低了热应力，从而降低了淬火后，锻件整体的残余应力。此外，采用炉冷降温，降温速度较慢，可保证锻件表面和中心同步降温，减小温差，降低残余应力。另外，炉冷时不需要取出锻件，减少了锻件的取放次数，简化了热处理流程。
附图说明
图1是现有热处理示意图；
图2是本发明热处理示意图；
图3是现有热处理后锻件的晶粒度金相照片；
图4是实施例一处理后锻件的晶粒度金相照片；
图5是现有热处理后锻件的组织金相照片；
图6是实施例一处理后锻件的组织金相照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
常规的锻件性能热处理如图1所示，将锻件匀速加热至中保温度，保温一段时间，然后将锻件加热至淬火温度，淬火温度为AC3+(40～100)℃，保温一段时间，再由特定的淬火介质进行淬火冷却。淬火温度选择为AC3+(40～100)℃，是为了保证了材料中合金元素的充分溶解和均匀，从而使得锻件组织均匀。
本发明的降低锻件残余应力的热处理方法，如图2所示，包括
将锻件加热至中保温度，保温一段时间；然后将锻件继续加热至AC3+(40～100)℃，保温一段时间；接着将锻件炉冷降温至AC3+(10～60)℃，保温一段时间；再利用淬火介质进行淬火冷却。
本发明相对于现有热处理工艺的改进点在于，增加了将锻件从AC3+(40～100)℃的温度降低至AC3+(10～60)℃，并保温一段时间的过程，然后再进行淬火，可知，本发明的淬火温度降低，锻件的淬火温度降低后，在淬火过程中的各部位的温差也就降低，从而降低了淬火后锻件整体的残余应力。
锻件从AC3+(40～100)℃降温至AC3+(10～60)℃的过程中，以及锻件在AC3+(10～60)℃的温度下保温过程中，合金元素仍处于回溶和均匀化阶段，对后期的合金成分的均匀化无影响，因此，不会对锻件的其他性能指标带来明显的影响，达到性能热处理所要求的目标。通过炉冷的方式将锻件从AC3+(40～100)℃降温至AC3+(10～60)℃，在炉冷降温的过程中，不能出现锻件低于AC1+10℃的情况，否则会影响锻件的性能。炉冷的降温速度较慢，可保证锻件表面和中心同步降温，减小温差，降低残余应力。另外，炉冷时不需要取出锻件，减少了锻件的取放次数，简化了热处理流程。
本发明相对于现有性能热处理工艺来说，改进点较简单，完全能够采用现有的性能热处理设备完成改进后的热处理工艺，不需要采用新设备，因此，改进的成本低。本发明的热处理能够同时实现性能的改善以及锻件应力的降低，热处理后不需要再对锻件进行去应力处理，简化了锻件的整体制造工艺，缩短了制造周期，提升了制造效率。
为了确保锻件整体稳定地升温和降温，避免内外温差过大，需要控制锻件的升温和降温速率，具体地，本发明中，以40～80℃/h的升温速度将锻件加热至中保温度，保温一段时间；然后以40～80℃/h的升温速度将锻件加热至AC3+(40～100)℃，保温一段时间；再以小于或者等于60℃/h的降温速度将锻件降温至AC3+(10～60)℃，保温一段时间；再利用淬火介质进行淬火冷却。
在多个温度下对锻件进行保温的作用在于保证锻件内外温度均匀，降低锻件内外的温度差，锻件的尺寸为影响锻件内外温差的主要因素之一，锻件的公称厚度越大，保温时间应当越长，因此，在本发明中：
锻件公称厚度与锻件在中保温度的保温时间的比值小于或等于50mm/min。
锻件公称厚度与锻件在AC3+(40～100)℃的保温时间的比值小于或等于10mm/min。
锻件公称厚度与锻件在AC3+(10～60)℃的保温时间的比值小于或等于30mm/min。
这样可根据锻件的公称厚度确定最短保温时间，为保证大型锻件热透，在最短保温时间基础上，保温时间有所增加。
淬火冷却一般采用水冷、油冷或者两者交替使用。
本发明优先适用于中合金钢材质的锻件，中合金钢的奥氏体稳定高，淬透性强，降低淬火温度后，只是小幅降低过冷度，因此对组织转变类型没有明显影响。当然，也可用于其他钢种的锻件。
实施例一
以φ2200mm×400mm的锻件为例，以40～80℃/h的升温速度将锻件加热至中保温度，保温200min；然后以40～80℃/h的升温速度将锻件加热至AC3+(50～70)℃，保温300min；再以30～50℃/h的降温速度将锻件降温至AC3+(10～30)℃，保温120min；再利用水作为淬火介质进行淬火冷却。冷却后回火处理。
实施例二
以φ2200mm×400mm的锻件为例，以40～80℃/h的升温速度将锻件加热至中保温度，保温200min；然后以40～80℃/h的升温速度将锻件加热至AC3+(50～70)℃，保温300min；再以30～50℃/h的降温速度将锻件降温至AC3+(10～30)℃，保温120min；再利用油作为淬火介质进行淬火冷却。冷却后回火处理。
实施例三
以φ2200mm×400mm的锻件为例，以40～80℃/h的升温速度将锻件加热至中保温度，保温250min；然后以40～80℃/h的升温速度将锻件加热至AC3+(40～50)℃，保温350min；再以30～50℃/h的降温速度将锻件降温至AC3+(10～30)℃，保温150min；再利用水作为淬火介质进行淬火冷却。冷却后回火处理。
实施例四
以φ2200mm×400mm的锻件为例，以40～80℃/h的升温速度将锻件加热至中保温度，保温300min；然后以40～80℃/h的升温速度将锻件加热至AC3+(70～100)℃，保温350min；再以30～50℃/h的降温速度将锻件降温至AC3+(40～60)℃，保温180min；再利用水作为淬火介质进行淬火冷却。冷却后回火处理。
对比例：采用如图1所示的现有工艺对φ2200mm×400mm的锻件进行热处理，淬火介质分别采用水、油和空气。
在经实施例一和对比例水冷处理的锻件中心、1/2半径以及边缘分别取一样点，采用deform模拟软件对实施例一和原性能热处理得到的锻件的水冷应力进行对比，结果如下表：
表1实施例一与原热处理模式不同位置等效应力对比表
Figure BDA0003039707210000051
对比例水冷得到的锻件晶粒度金相照片如图3所示，组织金相照片如图5所示，实施例一得到的锻件晶粒度金相照片如图4所示，组织金相照片如图6所示。
实施例一至二与对比例得到的锻件的性能对比如下表所示：
表2本发明热处理方式与原性能热处理方式性能对比表
Figure BDA0003039707210000052
结论：
1、组织和晶粒度方面，本发明改进后热处理方式与原方式没有差异；
2、冲击性能方面，本发明改进后热处理方式与原方式差异不大。
3、强度性能方面，本发明改进后热处理方式较原方式性能略低。
4、残余应力方面，本发明改进后较原方式显著降低。
将实施例三和实施例四得到的锻件进行检测，其性能指标与实施例一和二基本相同，均能够满足设计要求。
由上可知，在本专利工艺模式下，可在不显著降低材料性能前提下，工件的残余应力将明显下降。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.降低锻件残余应力的热处理方法，其特征在于，包括
以40～80℃/h的升温速度将锻件加热至中保温度，保温一段时间；然后以40～80℃/h的升温速度将锻件继续加热至AC3+(40～100)℃，保温一段时间；接着将锻件炉冷降温至AC3+(10～60)℃，保温一段时间；再利用淬火介质进行淬火冷却。
2.如权利要求1所述的降低锻件残余应力的热处理方法，其特征在于，以小于或者等于60℃/h的降温速度将锻件降温至AC3+(10～60)℃。
3.如权利要求1所述的降低锻件残余应力的热处理方法，其特征在于，锻件公称厚度与锻件在中保温度的保温时间的比值小于或等于50mm/min。
4.如权利要求1所述的降低锻件残余应力的热处理方法，其特征在于，锻件公称厚度与锻件在AC3+(40～100)℃的保温时间的比值小于或等于10mm/min。
5.如权利要求1所述的降低锻件残余应力的热处理方法，其特征在于，锻件公称厚度与锻件在AC3+(10～60)℃的保温时间的比值小于或等于30mm/min。
6.如权利要求1所述的降低锻件残余应力的热处理方法，其特征在于，淬火冷却为水冷或油冷。
7.如权利要求1所述的降低锻件残余应力的热处理方法，其特征在于，锻件为中合金钢材质。
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