回火后冷却方式对调质钢棒残余应力及加工变形的影响*

2015-03-22朱云海胡绍鑫

现代冶金 2015年5期

关键词：调质棒材热应力

冀鸰，朱云海，胡绍鑫

(江阴兴澄特种钢铁有限公司特钢研究院棒线材研究所，江苏江阴 214400)

回火后冷却方式对调质钢棒残余应力及加工变形的影响*

冀鸰，朱云海，胡绍鑫

(江阴兴澄特种钢铁有限公司特钢研究院棒线材研究所，江苏江阴 214400)

针对调质钢棒材机加工后变形的问题，采用X射线衍射应力检测仪，分别检测了42CrMo棒材调质后在不同冷却方式下的表面残余应力，发现回火或去应力后水冷会在棒材表面形成较大的残余压应力，从理论上分析了该类残余应力的形成机理，并结合破坏法验证了其对机加工变形的影响。

调质；变形； X射线；残余应力

引言

采用传统箱式电炉加热、淬火池淬火的方式生产调质棒材时，会因为加热时的重力作用及淬火时冷却速度不同造成棒材弯曲，因此在回火结束后，棒材必须进行冷矫直或热矫直以达到所需平直度。冷矫直后会因塑性变形造成残余应力，需进行去应力退火，如不去应力或去应力不充分，棒材很可能会在机加工时产生变形。

江阴兴澄特种钢铁有限公司(以下简称“兴澄特钢”)利用国内领先的辊底式连续调质炉，生产供国内外油田、风电、汽车等行业使用的各类调质棒材。该连续炉采用天然气加热，管道式炉膛，斜辊传动，棒料在炉膛中逐支旋转前进，出炉后直接进入高压水冷环进行在线喷淋淬火，随后进入同样的辊底式炉回火。与传统箱式电炉相比，棒材的调质过程具有加热、冷却均匀，处理后组织、性能稳定，综合性能优异的优点，因此棒材在加热及冷却时不易产生变形，平直度高，可省去后续矫直工序，进而避免产生矫直造成的残余应力。

但在前期市场开发过程中，有个别客户在使用兴澄特钢的未经冷矫直的调质材进行机加工，做成零件后，仍然出现了弯曲变形，导致零件报废。这些零件均是轴向不对称的复杂形状零件，而在加工轴类、螺栓类零件时没有出现类似状况，因此棒材中可能存在冷却速度过快导致的残余热应力。

1 X射线试验原理

X射线法检验应力利用的是X射线在晶体表面的衍射原理。由于晶体中的粒子直径与X射线的波长相当，满足光学中衍射所需的条件(光的波长和光栅的尺度同数量级)，并且晶体中的原子是规则排列的，当某一波长的X射线照射到多晶体样品上并满足布拉格方程式时便会产生衍射。如果钢材内存在宏观残余应力，则晶粒晶面间距会发生变化，X射线衍射的位置也将发生位移，依照此变化即可求得晶面间距的变化，从而求得应变，通过弹性力学理论即可求得残余应力[1]。但由于X射线仅能穿透30 μm级别厚度，因此只能测表面应力。

具体检测方法为：采用10% NaCl水溶液在棒材表面约1 cm2范围内进行电解腐蚀，将表层氧化层腐蚀掉后，用X射线仪检测其表面应力状态，检验数据如为正值，则为拉应力，如为负值，则为压应力，每个点取3次检验的平均值。随后再电解掉一定深度的表皮金属，再次检测残余应力，这样采用逐层剥离、逐层检测的方法，得出距表面一定深度范围内的残余应力分布。

2 试验过程及分析

2.1 回火试验

2.1.1 试验原料及方法

兴澄特钢采用连续调质炉生产调质钢时，为了提高生产效率并避免回火脆性，棒材回火结束出炉后一般用喷淋水冷却，对于平直度要求较高的棒材，回火后也会采用压力矫直机进行矫直，随后去应力，去应力后仍然采用喷淋水冷却。

为了验证回火及去应力后的冷却工艺对调质棒材残余应力的影响，在回火或去应力后，将棒材采用不同冷却方式冷却到室温进行试验。在Φ160 mm规格的42CrMo调质棒材上取200 mm长试样五件，分别按表1的不同冷却方式进行处理后，采用PSP/MSF X射线应力测试仪检验每件试样的残余应力。

表1 42CrMo调质棒材回火及去应力后冷却方式

2.1.2 实验结果

图1为回火后采用不同冷却方式的42CrMo棒材(表1中试样1、2、3)距表面不同深度下的残余应力分布。从曲线可以看出，回火后空冷的棒材表面有-40～-147 MPa的残余压应力；而回火后水冷至100 ℃、300 ℃的棒材，从表面至0.6 mm处，残余压应力逐渐由-206 MPa增加到约-554 MPa，随后不再明显增加，可见回火后水冷会大大增加棒材表面残余应力。而且水冷至300 ℃与水冷至100 ℃的棒材表面残余应力值区别不大，说明大多数残余应力在300 ℃以上就已经形成，先水冷后空冷的方式并不能有效减少棒材表面残余应力。

图1 回火后冷却方式对42CrMo调质钢表面残余应力的影响

2.2 去应力试验

对于对平直度要求较高的棒材，回火后也需采用压力矫直机进行矫直，随后进行去应力退火，以消除冷矫直时塑性变形导致的残余应力。为了检验去应力退火后的冷却工艺对棒材残余应力的影响，从以上调质后水冷的棒材上取两段棒料，在箱式电炉中分别模拟了510 ℃去应力退火后空冷及水冷工艺(表1中试样4、5)。X射线衍射测试显示，空冷后棒材表面下1 mm处残余压应力为-100 MPa，而水冷后残余压应力达到-416.5 MPa，如图2所示。因棒材是回火后水冷的，因此在去应力处理之前，其表面有较大的残余压应力，可见经过510 ℃下保温，残余应力可得到有效释放，但如采用水冷方式，棒材表面会重新产生较大的残余压应力。

图2 去应力后冷却方式对42CrMo调质钢表面残余应力的影响

2.3 破坏法试验

2.3.1 应力分析

当淬火棒材加热到回火温度保温足够长的时间后，原淬火马氏体中析出碳化物，形成回火索氏体，因马氏体膨胀导致的晶格畸变得以恢复；同时在高温下材料屈服强度降低，也有利于淬火时形成的残余应力的释放。这时可以假设棒材处于没有残余应力的理想状态，而且在随后的冷却过程中，不会有组织转变，因此也不会产生新的组织应力。当棒材出炉冷却时，表面冷却速度大于心部冷却速度，于是棒材内外温差增大，表面层金属温度低，收缩量大；心部金属温度高，收缩量小，棒材表面的冷缩受到尚处于高温的心部的抑制，故表面层承受拉应力，而心部则承受压应力。到了冷却后期，表面层金属的冷却与收缩结束，心部金属继续冷却并产生体积收缩，但心部的收缩受到表面层的牵制作用而受拉应力，冷硬状态的表面则由于心部收缩而受到压应力。当整支棒材冷至室温时，内外温差消失，冷却后期的应力状态便残余下来。因此，棒材最终表面受压应力，心部受拉应力。

此外，因马氏体转变引起的残余应力正好与冷却时的应力相反，为表面受拉，心部受压，如淬火时的组织应力未在回火时完全消除，冷却应力与组织应力相叠加，也有可能形成表面至心部先受压、再受拉、再受压的状态。但不论何种分布状态，这些拉应力与压应力在棒材横截面上是处于平衡状态的[2]。由于热应力是在工件快速冷却时其截面温差造成的，因此冷却速度越大，截面温差越大，则热应力越大；反之，如冷却速度越小，截面温差越小，则热应力越小。

2.3.2 试验方法

为了进一步验证棒材的应力分布状态，采用破坏法进行了对比试验。

取两支辊底式连续调质线生产的Φ60 mm×800 mm的调质棒材，将两支棒材一侧沿轴向铣去约15 mm厚度,1#棒材采用回火后空冷、2#棒材采用回火后水冷。

测试结果显示1#棒料基本没有变形，而2#棒料明显向未加工一侧拱起，采用直尺测量，挠度达到了近3 mm。这说明棒材表面有较大的残余压应力。与X射线衍射残余应力分析仪所得出的结果一致。

2.3.3 试验分析

在棒材表面进行的破坏，使整个横截面应力平衡被破坏，另一侧的表面应力会得到释放，如果原来棒材表面受拉应力，晶格处于拉长状态，应力释放后原子间距减少，导致棒材未加工一侧整体长度变短，则该侧会向内弯曲。反之，如棒材表面受压应力，晶格处于压缩状态，应力释放后原子间距增加，会导致该侧整体长度变长，从而呈拱起状态。

综上所述，采用缓慢冷却方式(如空冷)，有助于减少热应力的生成。