CN106939371B - 一种消除内应力提高超高强度钢薄壁工件尺寸精度方法 - Google Patents

一种消除内应力提高超高强度钢薄壁工件尺寸精度方法 Download PDF

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Abstract

本发明之目的就是提供一种消除内应力提高超高强度钢薄壁工件尺寸精度方法，首先将工件装在高压气淬真空炉内，在1.33×10‑1Pa～1.33×10‑3Pa真空度下，以10～13℃∕min的加热速率将工件加热至420～440℃，当低于热处理工序回火温度80～100℃时，保温4～5小时，再在1.5bar的高纯度氮气保护下慢速冷却至室温；再利用激振器在频率为60～98Hz、转速为3600～5700rpm下采用5个不同频率连续对工件振动40min；本发明方法简单，易操作，效果好，能够最大限度的降低、均化工件内应力，提高了工件的使用价值和使用寿命，有显著的经济和社会效益。

Description

一种消除内应力提高超高强度钢薄壁工件尺寸精度方法
技术领域
本发明涉及钢件，特别是一种消除内应力提高超高强度钢薄壁工件尺寸精
度方法（又称一种提高超高强度钢薄壁件尺寸精度复合时效方法，复合时效是指真空热时效+振动时效）。
背景技术
目前在消除工件应力提高尺寸精度技术领域中，时效方法主要有自然时效、热时效和振动时效。自然时效一般不应用在超高强度钢制工件的实际生产中，其主要应用在有色金属工件的生产；消除超高强度钢制工件应力提高尺寸精度的时效方法，主要采用热时效或振动时效，但是单一时效方法很难有效消除或降低经过热处理强化和粗加工后的高残余应力。热时效和振动时效均具有工艺变形小的优点，而且热时效有高的应力下降率、峰值应力下降幅度大，振动时效有良好的应力均化效果。利用热时效大幅度降低峰值应力和振动时效均化应力能力，形成先真空热时效后振动时效的复合时效方法应用在提高超高强度钢薄壁件实际生产中，目前在国内仍是技术空白。
在提高超高强度钢薄壁件尺寸精度复合时效处理方面，特别是对壁厚为2mm～3mm左右，尺寸精度要求≤0.08mm，抗拉强度Rm≥1560MPa的超高强度钢工件，目前主要是在精加工前采用振动方法进行去应力来提高精加工后工件的尺寸精度。通过实践，超高强度钢薄壁工件经过振动时效精加工后，尺寸精度稳定效果差，尺寸达到设计要求的工件占45％左右，合格率较低；经分析，其主要原因是由于超高强度钢薄壁工件热处理后抗拉强度较高，且半精加工后产生了新的内应力，综合内应力较大，在振动时发生微塑性变形受到较大阻力，无法有效的降低、均化内应力，使得振动后的工件仍然存在较高的残余内应力，该内应力和后续机械加工应力叠加作用，尺寸稳定性差，造成尺寸超差。因此，如何消除内应力，提高工件强度，保证精度是需要认真解决的技术问题。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种消除
内应力提高超高强度钢薄壁工件尺寸精度方法，可有效解决消除超高强度钢薄壁工件内应力，增强强度，提高尺寸稳定性和精度的问题。
本发明解决的技术方案是，首先将工件装在高压气淬真空炉内，在1.33×10-1Pa～1.33×10-3Pa 真空度下，以10～13℃∕min的加热速率将工件加热至420～440℃，当低于热处理工序回火温度80～100℃时，保温4～5小时，再在1.5bar的高纯度氮气保护下慢速冷却至室温；再利用激振器在频率为60～98Hz、转速为3600～5700rpm下采用5个不同频率连续对工件振动40min，其中，5个频率间至少有两个频率的加速度达到30～70m/s2,有效消除内应力，提高工件强度和稳定性，保证工件精度。
本发明方法简单，易操作，效果好，集真空热时效和振动时效于一体，能够最大限度的降低、均化工件内应力，提高精加工后工件的尺寸精度，给结构复杂、壁薄、尺寸精度高、加工难度大的工件实际生产提供了可靠的技术保障，提高了工件的使用价值和使用寿命，有显著的经济和社会效益。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体实施方式做详细说明。
本发明在具体实施中，可由以下具体实施例给出：
实施例1: 本发明消除内应力提高超高强度钢薄壁工件尺寸精度方法，将工件装在高压气淬真空炉内，在1.30×10-2Pa～2.40×10-3Pa 真空度下，以10℃∕min的加热速率将工件加热至425℃，当低于热处理工序回火温度85℃时，保温4.2小时，再在1.5bar的高纯度氮气保护下慢速冷却至室温；再利用激振器采用5个不同频率连续对工件振动40min，其中，5个频率分别是60 Hz、66 Hz、72 Hz、80 Hz、83 Hz，激振器转速分别是3600 rpm、3960rpm、4320 rpm、4800 rpm、4980rpm，平均加速度分别是22.5 m/s2、27.8 m/s2、29.7 m/s2、54.1 m/s2 、69.6m/s2，振动时间分别为10min、8min、8min、8min、6min，有效消除内应力，提高工件强度和稳定性，保证工件精度。
实施例2：本发明消除内应力提高超高强度钢薄壁工件尺寸精度方法，将工件装在高压气淬真空炉内，在0.8×10-2Pa～8.6×10-3Pa 真空度下，以11.5℃∕min的加热速率将工件加热至430℃，当低于热处理工序回火温度90℃时，保温4.5小时，再在1.5bar的高纯度氮气保护下慢速冷却至室温；再利用激振器采用5个不同频率连续对工件振动40min，其中，5个频率分别是91.7Hz、89.9Hz、88 Hz、85.5Hz、63 Hz，激振器转速分别是4803 rpm、5683rpm、5390rpm、5038rpm、4803rpm，平均加速度分别是39.1m/s2、38.4 m/s2、35.6 m/s2、27.4m/s2 、21.8m/s2，振动时间分别为10min、8min、8min、8min、6min，有效消除内应力，提高工件强度和稳定性，保证工件精度。
实施例3：本发明消除内应力提高超高强度钢薄壁工件尺寸精度方法，将工件装在高压气淬真空炉内，在0.2×10-2Pa～9.8×10-3Pa 真空度下，以13℃∕min的加热速率将工件加热至435℃，当低于热处理工序回火温度95℃时，保温4.8小时，再在1.5bar的高纯度氮气保护下慢速冷却至室温；再利用激振器采用5个不同频率连续对工件振动40min，其中，5个频率分别是97.7 Hz、94.7Hz、89.8 Hz、84.0 Hz、80.1 Hz，激振器转速分别是4803 rpm、5683 rpm、5390rpm、5038 rpm、4803rpm，平均加速度分别是39.3 m/s2、36.7m/s2、33.1 m/s2、19.4 m/s2 、17.5m/s2，振动时间分别为10min、8min、8min、8min、6min，有效消除内应力，提高工件强度和稳定性，保证工件精度。
由上述可以看出，本发明采用真空热时效及振动时效构成复合时效，与现有技术相比，具有以下突出的实质性特点和效果：
1.保证超高强度钢薄壁件热处理工序后的内应力和半精加工应力得到充分释放和降低、微观组织更加稳定，而且表面无氧化，因此内应力减小、表面无脱碳、变形小，体现为薄壁工件精加工后尺寸稳定性和精度增加，保证了精加工余量的有效性。
2.工件有效的发生微塑性变形，内应力最大限度得到降低和均匀化，体现为进一步提高薄壁工件精加工后尺寸稳定性和精度。
3.工件机械性能发生微变化，抗拉强度降低≤6MPa,断后伸长率升高≤1.0％，仍保持在热处理后的技术要求范围内，体现为超高强度钢薄壁工件真空热时效后的强度指标和塑性指标均满足技术要求。
4.工件峰值残余应力在真空热时效后得到大幅度降低，在较低内应力的基础上再通过振动时效，最大限度的降低了工件内应力，同时应力也得到有效均匀化，综合变形小，因此有效提高工件在精加工后尺寸稳定性和精度。
本发明在不降低热处理机械性能前提下，采用先真空热时效后振动时效的复合时效方法取代振动时效。复合时效方法充分结合了热时效大幅度降低峰值应力和振动时效良好的应力降低、均化能力。实践证明，超高强度钢薄壁件经过复合时效（真空热时效+振动时效），精加工后，尺寸精度稳定效果好，保证了该类工件的批量生产。
经实地应用和测试，超高强度钢薄壁工件，材料45CrNiMo1VA，状态为热处理和半精加工后，半锥形管状(长510mm，大口Φ155mm，小口Φ120mm)，壁厚2.85mm，抗拉强度Rm≥1578MPa，断后伸长率A≥11.5％，同批工件25个；先检测25个工件残余应力，残余应力平均值为155MPa；然后采用本发明方法对工件进行处理，真空热时效处理后抽取5个工件按GB/T228.1规定进行拉伸试验，抗拉强度Rm≥1572MPa，断后伸长率A≥12.5％，抗拉强度和断后伸长率分别满足1560 MPa和10％的技术要求；再对余下的20个工件进行振动时效处理，振动时效是将工件刚性牢固装夹在专用平台上，利用小波频谱振动消除应力系统，采用5个不同频率连续振动40分钟，5个不同频率间至少有两个频率的加速度要求达到30m/s2～70m/s2 ；对振动时效后的20个工件进行残余应力检测，残余应力平均值为52MPa；应力检测后进行精加工，将精加工后的20个工件一同分别放置15天、45天、75天、105天、135天、165天后分别检测关键尺寸变形量，不同时间段的平均变形量分别为0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.05mm、0.05mm、0.05mm，关键尺寸变形量远小于0.08mm，尺寸精度高、稳定性好，并经反复多次试验，均取得了相同或相近似的结果，表明方法稳定，可操作性强，在保证超高强度钢薄壁工件抗拉强度和断后伸长率的前提下，大幅度降低了残余应力，有效提高了精加工后的尺寸稳定性和精度，提高工件使用寿命3倍以上，经济和社会效益显著。

Claims (4)

1.一种消除内应力提高超高强度钢薄壁工件尺寸精度方法，其特征在于：首先将工件装在高压气淬真空炉内，在1.33×10-1Pa～1.33×10-3Pa 真空度下，以10-13℃∕min的加热速率将工件加热至420～440℃，即低于热处理工序回火温度80～100℃时，保温4～5小时，再在1.5bar的高纯度氮气保护下慢速冷却至室温；再利用激振器在频率为60-98Hz、转速为3600-5700rpm下采用5个不同频率连续对工件振动40min，其中，5个频率间至少有两个频率的加速度达到30-70m/s2,有效消除内应力，提高工件强度和稳定性，保证工件精度。
2.根据权利要求1所述的消除内应力提高超高强度钢薄壁工件尺寸精度方法，其特征在于：将工件装在高压气淬真空炉内，在1.30×10-2Pa～2.40×10-3Pa 真空度下，以10℃∕min的加热速率将工件加热至425℃，即低于热处理工序回火温度85℃时，保温4.2小时，再在1.5bar的高纯度氮气保护下慢速冷却至室温；再利用激振器采用5个不同频率连续对工件振动40min，其中，5个频率分别是60 Hz、66 Hz、72 Hz、80 Hz、83 Hz，激振器转速分别是3600 rpm、3960 rpm、4320 rpm、4800 rpm、4980rpm，平均加速度分别是22.5 m/s2、27.8 m/s2、29.7 m/s2、54.1 m/s2 、69.6m/s2，振动时间分别为10min、8min、8min、8min、6min，有效消除内应力，提高工件强度和稳定性，保证工件精度。
3.根据权利要求1所述的消除内应力提高超高强度钢薄壁工件尺寸精度方法，其特征在于：将工件装在高压气淬真空炉内，在0.8×10-2Pa～8.6×10-3Pa 真空度下，以11.5℃∕min的加热速率将工件加热至430℃，即低于热处理工序回火温度90℃时，保温4.5小时，再在1.5bar的高纯度氮气保护下慢速冷却至室温；再利用激振器采用5个不同频率连续对工件振动40min，其中，5个频率分别是91.7Hz、89.9Hz、88 Hz、85.5Hz、63 Hz，激振器转速分别是4803 rpm、5683 rpm、5390rpm、5038rpm、4803rpm，平均加速度分别是39.1m/s2、38.4 m/s2、35.6 m/s2、27.4 m/s2 、21.8m/s2，振动时间分别为10min、8min、8min、8min、6min，有效消除内应力，提高工件强度和稳定性，保证工件精度。
4.根据权利要求1所述的消除内应力提高超高强度钢薄壁工件尺寸精度方法，其特征在于：将工件装在高压气淬真空炉内，在0.2×10-2Pa～9.8×10-3Pa 真空度下，以13℃∕min的加热速率将工件加热至435℃，即低于热处理工序回火温度95℃时，保温4.8小时，再在1.5bar的高纯度氮气保护下慢速冷却至室温；再利用激振器采用5个不同频率连续对工件振动40min，其中，5个频率分别是97.7 Hz、94.7Hz、89.8 Hz、84.0 Hz、80.1 Hz，激振器转速分别是4803 rpm、5683 rpm、5390rpm、5038 rpm、4803rpm，平均加速度分别是39.3 m/s2、36.7m/s2、33.1 m/s2、19.4 m/s2 、17.5m/s2，振动时间分别为10min、8min、8min、8min、6min，有效消除内应力，提高工件强度和稳定性，保证工件精度。
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