芯棒去应力退火工艺的研究

2012-09-27王晓明李成鑫

大型铸锻件 2012年3期

王晓明李成鑫

(天津赛瑞机器设备有限公司，天津300301)

芯棒是一种用于无缝钢管扩孔定型的重要工具。我国作为一个无缝钢管生产大国，芯棒的大规模国产化已迫在眉睫。由于国内生产芯棒的经验较少，在生产中出现很多问题。其中一个问题就是由于内应力的作用，在生产芯棒的过程中，往往会在机加工序出现粗车后芯棒变弯的现象。文章对芯棒去应力工艺进行了试验研究，以解决芯棒机加工后变弯的问题。

1 试验分析

1.1 芯棒变弯原因

机加工芯棒变弯是内应力造成的，这里的内应力分两部分：(1)加工时产生的内应力。芯棒使用车床加工时，车刀作用在工件上会产生车削应力，如果芯棒很直，车削力均匀的作用在芯棒的圆周上，分布均匀，达到平衡状态，芯棒会越车越直。但当芯棒本身存在弯曲度时，车刀就会车削不均匀即偏心车，这样芯棒圆周的车削量不同导致作用在芯棒圆周上的车削力不均匀，受力不均就会产生内应力。芯棒的弯曲度越大，车削越不均匀，产生的内应力越大，当内应力达到一定程度后，大于芯棒的屈服强度时，芯棒就会变弯。(2)加工锻造钢材在冷却过程中，因表面和心部冷却速度不同所造成的内外温差会产生残余内应力。这种内应力与后续工艺因素叠加，易使工件发生变形[1]。芯棒必须要经过矫直以减少变形量为后续机加工做准备，但矫直时矫直机的压力会使芯棒内部产生内应力，芯棒矫直后必须去应力退火。如果不能很好的消除芯棒机体中的应力，机加工过程中应力释放就会导致芯棒变弯。所以控制芯棒机加工前的弯曲度(下文简称原始弯曲度)以及确保芯棒的内应力完全去除干净是解决问题的唯一办法，即确定一个合适的去应力退火工艺。完整的去应力工艺参数包括升温速率、退火温度、保温时间、冷却方式。影响芯棒去应力质量的两个主要参数为退火温度和保温时间。本试验分两步，第一步确定合适的退火温度，以保证芯棒原始弯曲度在合适的范围，第二步确定合适的保温时间，以保证芯棒内应力完全去除干净。

1.2 试验参数的设计

内应力的去除程度取决于退火温度及保温时间。一般来说，在进行去应力退火时，温度过低，工件不会在短时间内完成局部应力松弛的塑性变形，所需保温时间很长。常温也可以起到去除内应力的效果即时效，但时间太长，一般需要几个月，不适用于生产。温度越高，所需保温时间越短，应力去除越彻底，但也不能太高，以免发生金属组织结构变化。所以一般低于Ac1线以下100～200℃[2]为宜。

1.2.1 去应力温度的确定

芯棒材料为H13钢，H13钢的Ac1温度为860℃，而奥氏体化后回火温度一般为 550～650℃。为了不影响工件的力学性能并保证芯棒的回火索氏体组织，去应力温度需低于回火温度，因此将去应力温度定为360～500℃。

1.2.2 保温时间的确定

确定去应力温度后，还要有足够的时间保证局部塑性变形和应力的释放。而保温时间与工件有效加热面积(本试验所选材料全部为棒材，故有效加热面积为试验材料的直径)有关，工件有效加热面积越大，所需保温时间越长。本次试验芯棒的直径为271 mm，根据经验公式将保温时间定为12 h～19 h。

2 试验过程

2.1 确定合适的退火温度

保温时间不变，对退火温度进行试验，以确定最佳保温温度。GB/T16923—1997“钢件的正火与退火”中规定去应力退火的允许温度偏差为±25℃，因此我们在试验中48支矫直后的∅271 mm芯棒分为8组，每6支为一组，在360～500℃间，从360℃开始每增加20℃作为一种保温温度。具体保温温度如表1所示。工艺结束后待芯棒冷却到室温，用检测台架与百分表检测弯曲度，试验结果如表2所示。用车床对48支芯棒进行车削加工，加工后再次测量弯曲度，得到不同温度所对应的弯曲度。

表1 保温温度Table 1 Holding temperature

表2 保温时间相同、保温温度不同条件下芯棒弯曲度的试验结果(单位：mm)Table 2 The test results of mandrel bending under same holding time and different holding temperatures (unit: mm)

2.2 确定合适的保温时间

退火温度不变，对保温时间进行试验，以确定最佳保温时间。为了具有代表性，同样将48支矫直后的∅271 mm芯棒分为8组，每6支为一组。保温时间在12 h～19 h之间，从12 h开始每增加1 h作为一种保温时间。具体保温时间如表3所示。工艺结束后待芯棒冷却到室温，用检测台架与百分表检测弯曲度，结果如表4所示。用车床对48支芯棒进行车削加工，加工后再次测量弯曲度，分析保温时间与加工后弯曲度的关系。

3 试验结果分析

保温温度相同保温时间不同条件下芯棒弯曲度的试验结果见表4。

表3 保温时间Table 3 Holding time

表4 保温温度相同保温时间不同条件下芯棒弯曲度的试验结果(单位：mm)Table 4 The test results of mandrel bending under same holding temperature and different holding times (unit: mm)

从表2可以看出，在同样的保温时间的情况下，当去应力温度大于420℃时，芯棒去应力后弯曲度明显增大，小于420℃时，芯棒去应力后弯曲度基本不变。这是因为芯棒的屈服强度一般随着温度升高而下降，存在较大内应力的芯棒被加热，温度升高时，其屈服强度会降低。当屈服强度小于内应力时，材料内部组织就会发生屈服，释放应力，直到残余内应力与屈服强度达到平衡。去应力退火就是基于这个原理，温度过高，屈服强度过低，芯棒在内应力的作用下就会变形，温度越高，变形量越大。从图1可以看出，当去应力温度小于400℃时，芯棒的加工后弯曲度明显变大，这是因为去应力温度过低，芯棒内应力没有释放完全，没有起到去应力退火的作用，在车削加工过程中残余内应力释放导致芯棒变弯。当去应力温度大于440℃时，芯棒加工后弯曲度也明显变大，这是因为芯棒加工前原始弯曲度过大(见表2)，芯棒车削加工时偏心车，车削量不均匀产生新的内应力，导致芯棒变弯。因此去应力温度在400～440℃之间比较合适，420℃为最低点，故芯棒去应力退火的最佳保温温度为420℃。

图1 去应力温度与加工后弯曲度关系Figure 1 The relationship between stress relief temperature and bending after machining

图2 去应力时间与加工后弯曲度关系Figure 2 The relationship between stress relief time and bending after machining

表4中数据为不同的保温时间所对应的不同弯曲度。芯棒去应力退火保温时间对原始弯曲度没有太大影响。由图2可知，芯棒加工后弯曲度在一定范围内随着保温时间的增大而减小。这是因为在合适的去应力温度下，保温时间越长，芯棒的内应力去除越干净，对后续机加工序的影响越小。当去应力保温时间大于17 h后，芯棒加工后弯曲度控制在很小的范围内，可以认为此时芯棒残余内应力很少，不足以影响后续加工。考虑生产成本、生产周期等情况，将最佳去应力保温时间定为17 h。