CN107201428A - 一种超高强度钢结构件的热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超高强度钢结构件的热处理方法。主要应用在航空航天、汽车、船舶制造、建筑用结构钢等领域。通过采用截面补偿工件临时固定在复杂形状金属制件的结构薄弱部位，使得复杂形状金属制件的截面之差保持在10％以内，然后再进行淬火、回火等热处理步骤，最后使补偿工件与金属制件一起冷却到室温，再将二者分开。为了避免粘连，可在截面补偿工件和复杂形状金属制件之间填充陶瓷粉末。本发明能很好地控制复杂形状金属制件的热处理变形，避免因热处理变形导致零件报废造成的极大损失，同时大大提高了生产效率和生产进度。

Description

一种超高强度钢结构件的热处理方法

技术领域

本发明涉及复杂形状金属制件的热处理变形控制方法，即一种超高强度钢结构件的热处理方法。主要应用在航空航天、汽车、船舶制造、建筑用结构钢等领域。

背景技术

超高强度钢主要应用于航空、航天关键承力构件，也可以用于车船制造等需要高强度钢材的领域。目前认为抗拉强度在1400～1500MPa以上的钢算作超高强度钢。作为航空航天材料，要求超高强度钢除了具有高强度外，还应具有良好的冲击抗力和断裂韧性，以及适当的延展性，高的疲劳强度和良好的焊接性等。

超高强度钢的热处理硬度高、韧性好，切削难度大，切削过程中刀具破损严重，加工效率低，而且会导致局部温度升高，引起加工表面组织变化，从而影响最终产品的性能。因此要将超高强度钢材制成需要的构件，通常是在热处理前对超高强度钢材进行车、镗、铣、磨等加工，制成需要的基本形状。

超高强度钢的热处理根据不同的合金度，主要有两类热处理方法：

低合金超高强度钢的热处理工艺制度如下：淬火：空气炉或真空炉中加热，加热温度850～950℃，保温时间1～5小时，油冷或高压气冷；回火：空气炉中加热，加热温度200～320℃，保温时间2～5小时，空冷。

高合金超高强度钢的热处理工艺制度如下：淬火：空气炉或真空炉中加热，加热温度850～950℃，保温时间1～5小时，空冷、油冷或高压气冷；冰冷处理：-70±10℃保温1～2小时，空气中回温；回火：空气炉中加热，加热温度450～550℃，保温时间4～8小时，空冷。

但是，如果把未进行热处理的超高强度钢加工成所需要的形状，然后再进行热处理也存在难以解决的问题。由于超高强度钢构件结构复杂，厚度差别大，有些可达5～30mm，长度和宽度的差别也很大，有些长度可达宽度的2～20倍，在热处理过程中极易发生变形，特别是尺寸和结构薄弱的链接梁和耳片等部位，这些部位截面尺寸薄，在加热和淬火冷却过程中，往往先于其他截面厚的部位升温和快冷，导致此类局部与整体构件加热和冷却的热过程不同步，且加热、冷却速率过快，易产生局部热应力和组织应力，引起应力集中，当应力足够大时，会产生局部变形。

而这种变形会导致装配时出现不匹配的问题。当这种变形量较小时，可以通过热处理后校形矫正，但尺寸不均匀的复杂构件通常变形很大，难以用校形方法解决，最终导致构件报废，造成极大损失，同时严重影响生产进度。

当前的研究理论认为，导致热处理变形的原因主要有三种：

(1)固态相变，各相比体积的变化必然引起体积大变化，造成构件缩胀的尺寸变化。

(2)热应力，包括极热与极冷热应力，当他们超过构件在该温度下所具有的屈服极限时，将使构件产生塑性变形，造成构件的形状变化，即歪扭。

(3)组织应力也能引起形状的改变，即相变歪扭。

但超高强度结构钢构件的变形往往是多个因素决定的，要控制不想要的变形非常困难。现有的研究，主控制变形的方法主要是调节热处理工艺参数，或者采用事后矫形的方式。但这些方法效率低、成本高、效果差。

发明内容

发明目的

本发明针对上述问题，采用一种截面补偿的方法，来控制复杂形状金属制件在热处理过程中发生的局部变形，实现超高强度钢结构件的热处理。

形状复杂制件热处理中局部截面补偿控制变形方法，其关键是对构件局部尺寸和结构薄弱的部位施加补偿性工装，使其局部截面厚度和其他厚截面保持一致或相当，同时达到局部结构的对称，通过这种局部截面补偿的方法，实现构件热处理过程中局部与整体的加热、冷却速率一致，热过程同步，避免局部加热冷却过快等，产生局部热应力和组织应力，引起应力集中，发生局部结构变形，同时截面补偿也可增加局部结构强度，起到支撑作用，补偿增加抵抗重力及上述应力作用的能力，从而减少变形。

本发明的截面补偿控制变形的方法主要是：

制作截面补偿工装的材料如选择金属材料，应考虑热涨系数与制件热涨系数的差异，从而合理设计工装尺寸和工装与制件的间隙尺寸，同时还应考虑其热传导率与制件热传导率的差异，合理设计工装截面尺寸。

截面补偿工装的热膨胀系数与金属制件的热膨胀系数相差在50％以内，热传导率相差在40％以内。如果超出上述范围，则补偿工装与金属制件由于材料差异太大，也难以起到控制变形的作用。

所述补偿工装的材料优选合金结构钢、不锈钢或者高温合金。

截面补偿工装应与复杂形状金属制件临时固定连接，且二者应紧密接触。可以采用螺栓、铆钉等方式临时固定，但固定方式刚性的，不能采用弹性固定方式。

截面补偿工装的尺寸，应满足以下条件：能够使得金属制件的截面面积差距减小到10％以内，若补偿后截面面积差距大于10％，则对于控制变形是不利的。同时还要求截面补偿工装能保证补偿后截面等效尺寸与整体截面尺寸的一致性和结构对称性。

要求避免截面补偿工装与构件发生热粘连，咬死等情况，导致工装无法拆卸，破坏构件表面完整性，可采取在工装与构件的间隙中充填Al₂O₃等陶瓷粉末避免粘连。

以低合金超高强度钢外筒零件热处理截面补偿为例，补偿工装应施加在两耳片中间，工字梁腹板两侧等局部薄弱部位的两侧，并与构件局部外形面近似贴合，两侧工装应通过螺栓等与构件补偿部位紧固连接。

截面补偿工装应在构件热处理前的准备阶段，并在完成表面吹砂等预处理之后，施加在构件薄弱局部。补偿工装应在淬火过程或整个加热、保温、冷却的热处理全过程中保持施加状态，在热处理完成后，构件冷却至室温后，方可拆卸。

技术方案

本发明提供了一种超高强度钢结构件的热处理方法，

所述的超高强度钢结构件为待热处理状态，在结构件的基部外表面上形成有薄弱部，所述薄弱部的长度与厚度之比大于5，优选是10以上；

包括补偿块，所述补偿块材质的热膨胀系数与所述超高强度钢结构件材质的热膨胀系数相差在50％以内，且热传导率相差在40％以内；

所述的热处理方法包括以下步骤：

步骤一、补偿块安装

将补偿块的贴合面与所述薄弱部的端面紧紧贴合，并通过固定元件将补偿块与薄弱部固定为一体；使得补偿块4贴合面与薄弱部端面的接触面积在端面面积的50％以上；

步骤二、热处理

热处理包括淬火和回火；淬火的加热温度为850～950℃，保温时间1～5小时；回火的加热温度为450～550℃，保温时间4～8小时。

所述的薄弱部可以为筒形件、梁结构件。

且步骤一补偿块安装可以有多种方式，例如薄弱部为凸耳时，将至少一个凸耳的上下两个端面分别与一个补偿块4紧紧贴合，通过固定元件将至少一个凸耳与包夹在凸耳两个端面的补偿块固定为一体；凸耳的端面与补偿块贴合的接触面面积在端面面积的50％以上；

当然，薄弱部为凸耳时，还可以将至少在两个凸耳之间安装一个补偿块，使得补偿块4的上下两个贴合面分别与两个凸耳的端面紧紧贴合，使得固定元件穿过凸耳通孔和补偿块通孔，将补偿块与两个凸耳固定为一体，补偿块贴合面与凸耳端面贴合的接触面积在凸耳端面面积的50％以上；

当然，优选的，所述的固定元件为螺栓组件、销组件、钳组件等，可以实现夹持或打孔等多种现有技术的固定方式，以将补偿块与薄弱部或凸耳或腹板加紧固定为一体。

当薄弱部为腹板时，将腹板部的上下两个端面分别与一个补偿块紧紧贴合；通过固定元件、腹板通孔以及补偿块通孔，将腹板部与包夹在腹板部两个端面的补偿块固定为一体；凸耳的端面与补偿块贴合的接触面面积在端面面积的50％以上；

本发明中所述的基部，理解为超高强度钢结构件的一部分，即所谓的基部，其厚度比薄弱部要厚，基部的厚度与薄弱部的厚度差很大，以致于经过处理会导致薄弱部相对于基部出现局部变形或弯折或弯曲或间隙改变等情况。

本发明中所述的补偿块可采用与超高强度钢的热膨胀系数相差在50％以内，且热传导率相差在40％以内任何金属材料或合金材料，优选的热膨胀系数相差在25％以内，且热传导率相差在20％以内的任何金属材料或合金材料，尤其是相同的材料。

技术效果

在采用补偿模块后，耳片的变形率由原来的6.58％，减小为0.796％。补偿工装在整个热处理步骤完成后拆除，热处理后测得腹板拱起变形量小于等于0.5mm。可见，在采用补偿工装后，工字梁的腹板变形得到了很好的控制。

本发明通过从材料、形状、尺寸等方面选择合适的补偿件，能避免先热处理，后切削加工的方法带来的浪费问题，同时提高了产品生产效率，很好地控制了复杂形状金属制件的热处理变形。

附图说明

图1为实施例1的安装示意图；

图2为实施例2的安装示意图；

图3为实施例3的安装示意图；

其中：1-超高强度钢结构件的基部；2-凸耳(薄弱部)；3-腹板(薄弱部)、4-补偿块。

具体实施方式

实施例1

本发明涉及一种超高强度钢结构件的热处理方法，

所述的超高强度钢结构件为待热处理状态，在结构件的外表面上或结构件基部1外表面上形成有至少一个凸耳2，所述的凸耳的长度与厚度之比大于5，优选是10以上；

包括补偿块4，所述补偿块材质的热膨胀系数与所述超高强度钢结构件材质的热膨胀系数相差在50％以内，且热传导率相差在40％以内；

所述的热处理方法包括以下步骤：

步骤一、补偿块安装

将至少一个凸耳2的上下两个端面分别与一个补偿块紧紧贴合，通过固定元件将至少一个凸耳与包夹在凸耳两个端面的补偿块固定为一体；凸耳的端面与补偿块贴合的接触面面积在端面面积的50％以上；

步骤二、热处理

热处理包括淬火和回火；淬火的加热温度为850～950℃，保温时间1～5小时；回火的加热温度为450～550℃，保温时间4～8小时。

尤其是，两个补偿块4均与基部相抵触，以防止凸耳相对于基部变形或弯折。

实施例2

本发明涉及一种超高强度钢结构件的热处理方法，

所述的超高强度钢结构件为待热处理状态，在结构件的外表面上或结构件基部1外表面上形成有至少一个凸耳2，所述的凸耳的长度与厚度之比大于5，优选是10以上；至少一个凸耳上开有通孔；

包括补偿块，所述补偿块材质的热膨胀系数与所述超高强度钢结构件材质的热膨胀系数相差在50％以内，且热传导率相差在40％以内；所述补偿块上开有通孔；

所述的热处理方法包括以下步骤：

步骤一、补偿块安装

至少在两个凸耳2之间安装一个补偿块，使得补偿块的上下两个贴合面分别与两个凸耳的端面紧紧贴合，使得固定元件穿过凸耳通孔和补偿块通孔，将补偿块与两个凸耳固定为一体，补偿块贴合面与凸耳端面贴合的接触面积在凸耳端面面积的50％以上；

步骤二、热处理

热处理包括淬火和回火；淬火的加热温度为850～950℃，保温时间1～5小时；回火的加热温度为450～550℃，保温时间4～8小时。

实施例3

本发明涉及一种超高强度钢结构件的热处理方法，

所述的超高强度钢结构件为待热处理状态，所述结构件具有腹板部3，所述腹板部位于两个基部之间，所述腹板部3的宽度与厚度之比大于5，优选是10以上；腹板部开有通孔

包括补偿块，所述补偿块4材质的热膨胀系数与所述超高强度钢结构件材质的热膨胀系数相差在50％以内，且热传导率相差在40％以内；所述补偿块上开有通孔；

所述的热处理方法包括以下步骤：

步骤一、补偿块安装

将腹板部3的上下两个端面分别与一个补偿块紧紧贴合；通过固定元件、腹板通孔以及补偿块通孔，将腹板部与包夹在腹板部两个端面的补偿块固定为一体；凸耳的端面与补偿块贴合的接触面面积在端面面积的50％以上；

步骤二、热处理

热处理包括淬火和回火；淬火的加热温度为850～950℃，保温时间1～5小时；回火的加热温度为450～550℃，保温时间4～8小时。

尤其是，实施例3中，所述补偿块与腹板两边的基部1均抵触，以防止腹板相对于基部变形或弯折。

进一步的，所述的固定元件为螺栓组件、销组件、钳组件等。

特别是，在实施例1和2中，所述超高结构钢结构件为筒形件。

特别是，在实施例3中，所述超高结构钢结构件为梁结构，基部为肋板或翼缘部。

特别是，在实施例1中，补偿块的厚度与凸耳的厚度之和不低于基部的厚度。

特别是，在实施例3中，补偿块的厚度与腹板的厚度之和不低于基部的厚度。

进一步的，在实施例1-3的步骤2中，淬火时采用空气炉或真空炉中加热，加热温度为870℃，保温时间3小时，空冷、油冷或高压气冷；冰冷处理：-70±10℃保温1～2小时，空气中回温；回火采用空气炉中加热，加热温度300℃，保温时间5小时，空冷。

进一步的，所述超高强度钢结构件的材质为40CrNi2Si2MoVA钢或16Co14Ni10Cr2Mo钢等。

进一步的，所述补偿块与腹板两边的基部均抵触

实施例4

一种超高强度钢结构件的热处理方法，

所述的超高强度钢结构件为待热处理状态，在结构件的外表面上或结构件基部1外表面上形成有薄弱部2,3，所述薄弱部的长度与厚度之比大于5，优选是10以上；

包括补偿块4，所述补偿块材质的热膨胀系数与所述超高强度钢结构件材质的热膨胀系数相差在50％以内，且热传导率相差在40％以内；

所述的热处理方法包括以下步骤：

步骤一、补偿块安装

将补偿块的贴合面与所述薄弱部的端面紧紧贴合，并通过固定元件将补偿块与薄弱部固定为一体；使得补偿块贴合面与薄弱部端面的接触面积在端面面积的50％以上；

步骤二、热处理

热处理包括淬火和回火；淬火的加热温度为850～950℃，保温时间1～5小时；回火的加热温度为450～550℃，保温时间4～8小时。

实施例4中，进一步，所述的固定元件为螺栓组件、销组件、钳组件等，可以实现夹持或打孔等多种现有技术的固定方式，以将补偿块与薄弱部或凸耳或腹板加紧固定为一体。特别是，所述超高结构钢结构件为筒形件或梁结构，基部为肋板或翼缘部。特别是，补偿块厚度与薄弱部厚度之和不低于基部的厚度。进一步的，淬火时采用空气炉或真空炉中加热，加热温度为870℃，保温时间3小时，空冷、油冷或高压气冷；冰冷处理：-70±10℃保温1～2小时，空气中回温；回火采用空气炉中加热，加热温度300℃，保温时间5小时，空冷。进一步的，所述超高强度钢结构件的材质为40CrNi2Si2MoVA钢或16Co14Ni10Cr2Mo钢等。

未使用补偿工装的外筒构件按上述步骤热处理，热处理后测得两耳片间的尺寸为61.59mm，热处理前后差值为+3.8mm。

使用本发明的方法后，测量成品的两个耳片间尺寸为57.33mm，前后差值为-0.46mm。

可见，在采用补偿模块后，耳片的变形率由原来的6.58％，减小为0.796％。

补偿工装在整个热处理步骤完成后拆除，热处理后测得腹板拱起变形量小于等于0.5mm。

可见，在采用补偿工装后，工字梁的腹板变形得到了很好的控制。

需要说明的是，虽然以超高强度钢作为实施例，但本发明的方法同样适用于其他金属制件。

Claims (10)

1.一种超高强度钢结构件的热处理方法，其特征在于：

所述的超高强度钢结构件为待热处理状态，在结构件的外表面上或结构件基部(1)外表面上形成有至少一个凸耳(2)，所述的凸耳的长度与厚度之比大于5，优选是10以上；

包括补偿块(4)，所述补偿块材质的热膨胀系数与所述超高强度钢结构件材质的热膨胀系数相差在50％以内，且热传导率相差在40％以内；

所述的热处理方法包括以下步骤：

步骤一、补偿块安装

将至少一个凸耳的上下两个端面分别与一个补偿块紧紧贴合，通过固定元件将至少一个凸耳与包夹在凸耳两个端面的补偿块固定为一体；凸耳的端面与补偿块贴合的接触面面积在端面面积的50％以上；

步骤二、热处理

热处理包括淬火和回火；淬火的加热温度为850～950℃，保温时间1～5小时；回火的加热温度为450～550℃，保温时间4～8小时。

2.一种超高强度钢结构件的热处理方法，其特征在于：

所述的超高强度钢结构件为待热处理状态，在结构件外表面上或结构件基部(1)外表面上形成有至少一个凸耳(2)，所述的凸耳的长度与厚度之比大于5，优选是10以上；至少一个凸耳上开有通孔；

包括补偿块(4)，所述补偿块材质的热膨胀系数与所述超高强度钢结构件材质的热膨胀系数相差在50％以内，且热传导率相差在40％以内；所述补偿块上开有通孔；

所述的热处理方法包括以下步骤：

步骤一、补偿块安装

至少在两个凸耳之间安装一个补偿块，使得补偿块的上下两个贴合面分别与两个凸耳的端面紧紧贴合，使得固定元件穿过凸耳通孔和补偿块通孔，将补偿块与两个凸耳固定为一体，补偿块贴合面与凸耳端面贴合的接触面积在凸耳端面面积的50％以上；

步骤二、热处理

热处理包括淬火和回火；淬火的加热温度为850～950℃，保温时间1～5小时；回火的加热温度为450～550℃，保温时间4～8小时。

3.一种超高强度钢结构件的热处理方法，其特征在于：

所述的超高强度钢结构件为待热处理状态，所述结构件具有腹板部(3)，所述腹板部位于所述钢结构件两个基部(1)之间，所述腹板部的宽度与厚度之比大于5，优选是10以上；腹板部开有通孔；

包括补偿块(4)，所述补偿块材质的热膨胀系数与所述超高强度钢结构件材质的热膨胀系数相差在50％以内，且热传导率相差在40％以内；所述补偿块上开有通孔；

所述的热处理方法包括以下步骤：

步骤一、补偿块安装

将腹板部的上下两个端面分别与一个补偿块紧紧贴合；通过固定元件、腹板通孔以及补偿块通孔，将腹板部与包夹在腹板部两个端面的补偿块固定为一体；凸耳的端面与补偿块贴合的接触面面积在端面面积的50％以上；

步骤二、热处理

热处理包括淬火和回火；淬火的加热温度为850～950℃，保温时间1～5小时；回火的加热温度为450～550℃，保温时间4～8小时。

4.根据权利要求1所述的一种超高强度钢结构件的热处理方法，其特征在于：两个补偿块均与基部相抵触。

5.根据权利要求1或2所述的一种超高强度钢结构件的热处理方法，其特征在于：所述超高结构钢结构件为筒形件。

6.根据权利要求3所述的一种超高强度钢结构件的热处理方法，其特征在于：所述超高结构钢结构件为梁结构，基部为肋板或翼缘部。

7.根据权利要求所述的一种超高强度钢结构件的热处理方法，其特征在于：补偿块的厚度与凸耳的厚度之和不低于基部的厚度。

8.根据权利要求3所述的一种超高强度钢结构件的热处理方法，其特征在于：补偿块的厚度与腹板的厚度之和不低于基部的厚度。

9.根据权利要求3所述的一种超高强度钢结构件的热处理方法，其特征在于：所述补偿块与腹板两边的基部均抵触。

10.一种超高强度钢结构件的热处理方法，其特征在于：

所述的超高强度钢结构件为待热处理状态；在结构件的外表面上或结构件基部(1)外表面上形成有薄弱部(2，3)，所述薄弱部的长度与厚度之比大于5，优选是10以上；或所述薄弱部的宽度与厚度之比大于5，优选是10以上；

包括补偿块(4)，所述补偿块材质的热膨胀系数与所述超高强度钢结构件材质的热膨胀系数相差在50％以内，且热传导率相差在40％以内；

所述的热处理方法包括以下步骤：

步骤一、补偿块安装

将补偿块的贴合面与所述薄弱部的端面紧紧贴合，并通过固定元件将补偿块与薄弱部固定为一体；使得补偿块贴合面与薄弱部端面的接触面积在端面面积的50％以上；

步骤二、热处理

热处理包括淬火和回火；淬火的加热温度为850～950℃，保温时间1～5小时；回火的加热温度为450～550℃，保温时间4～8小时。