CN115961223A - 一种去除残余应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种去除残余应力的方法，用于去除铝合金环形件和铝合金筒形件的残余应力，包括步骤：准备坯料；制备试件，将坯料环轧至设计尺寸，得到初始试件；加热试件，将初始试件放置于淬火炉中加热至预设温度，得到第一试件；淬火，将加热后的第一试件进行淬火处理，得到第二试件；压缩冷变形，采用径轴向环轧机对第二试件进行压缩冷变形，得到第三试件；多级时效，将第三试件放置于时效炉中，进行阶梯式保温，得到第四试件；出炉空冷，将第四试件从时效炉中取出，放置于空气中进行冷却，得到成品试件。本发明提供的去除残余应力的方法，通过径轴向环轧机对铝合金试件进行压缩冷变形，保证了铝合金试件尺寸的均匀性，降低了生产成本。

Description

一种去除残余应力的方法

技术领域

本发明涉及金属件热处理技术领域，更具体地说，涉及一种去除残余应力的方法。

背景技术

铝合金环形件和铝合金筒形件是运载火箭箭体结构中两种典型的回转体构件，一般用于受力情况较复杂的关键部位。铝合金环形件和铝合金筒形件由于受力情况较为复杂，其内部存在的残余应力会降低构件的使用寿命，并增加突然变形失效的风险，消除残余应力有利于铝合金试件在加工过程中尺寸的稳定性和均匀性，以及确保在使用过程中性能更加稳定可控。

现有技术中，去除铝合金环形件和筒形件的残余应力的方法主要有冷压缩、冷胀形、振动时效及退火等方法。其中，冷压缩、冷胀形和振动时效方法一般通过对铝合金环形件和筒形件施加外力，使其发生塑性变形或应力叠加，进而改善其中的应力分布状态。采用冷压缩去除铝合金环形件和筒形件的残余应力时，在径向压缩过程中，容易造成试件径向尺寸不均匀，影响试件整体圆度。冷胀形方法虽然在尺寸控制与残余应力消除方面优势明显，但是需要专门购置冷胀形机及配套模具，设备成本较高。

此外，采用退火的方法消除铝合金环形件和筒形件的残余应力应用较为广泛，但退火将导致铝合金环形件和筒形件的材料强度降低，且加热炉的能耗较大。

因此，如何在保证去除铝合金试件残余应力的同时，能够降低生产成本，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种去除残余应力的方法，以在保证去除铝合金试件残余应力的同时，能够降低生产成本。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种去除残余应力的方法，用于去除铝合金环形件和铝合金筒形件的残余应力，包括步骤：

准备坯料，将坯料在坯料加热炉中加热后进行自由锻造；

制备试件，将所述坯料环轧至设计尺寸，以得到初始试件；

加热试件，将所述初始试件放置于淬火炉中加热至预设温度，得到第一试件；

淬火，将加热后的所述第一试件进行淬火处理，得到第二试件；

压缩冷变形，采用径轴向环轧机对所述第二试件进行压缩冷变形，得到第三试件；

多级时效，将所述第三试件放置于时效炉中，进行阶梯式保温，得到第四试件；

出炉空冷，将所述第四试件从时效炉中取出，放置于空气中进行冷却，得到成品试件。

可选地，在上述去除残余应力的方法中，所述准备坯料的步骤中，所述坯料的加热温度为440℃～460℃；所述坯料的加热系数为1.5min/mm～3.0min/mm。

可选地，在上述去除残余应力的方法中，所述坯料进行镦粗、拔长、冲孔和扩孔的自由锻造工序。

可选地，在上述去除残余应力的方法中，所述坯料的开坯方式采用四镦三拔的锻造工艺。

可选地，在上述去除残余应力的方法中，所述制备试件的步骤中，所述坯料通过适应、提速、稳定轧制、减速和整圆的环轧过程得到所述初始试件。

可选地，在上述去除残余应力的方法中，所述加热试件的步骤中，所述预设温度为472℃～478℃；所述初始试件的加热系数为2.5min/mm～4.0min/mm。

可选地，在上述去除残余应力的方法中，所述淬火采用水冷的方式进行冷却，所述水冷的温度为25℃～70℃。

可选地，在上述去除残余应力的方法中，所述淬火炉中取出的第一试件完全浸入水中的时间间隔小于12s。

可选地，在上述去除残余应力的方法中，所述成品试件的变形率为2％～5％。

可选地，在上述去除残余应力的方法中，所述压缩冷变形步骤中，通过喷淋润滑剂对所述径轴向环轧机进行润滑和降温。

本发明提供的去除残余应力的方法，用于去除铝合金环形件和铝合金筒形件的残余应力，包括步骤准备坯料、步骤制备试件、步骤加热试件、步骤淬火、步骤压缩冷变形、步骤多级时效和步骤出炉空冷。其中，在准备坯料步骤中将坯料在坯料加热炉中加热后进行自由锻造；制备试件步骤中将坯料环轧至设计尺寸，以得到初始试件；在加热试件步骤中将初始试件放置于淬火炉中加热至预设温度，得到第一试件；淬火步骤中将加热后的第一试件进行淬火处理，得到第二试件；在压缩冷变形步骤中采用径轴向环轧机对第二试件进行压缩冷变形，得到第三试件；多级时效步骤中将第三试件放置于时效炉中，进行阶梯式保温，得到第四试件；在出炉空冷步骤中将第四试件从时效炉中取出，放置于空气中进行冷却，得到成品试件。

现有技术中，由于冷压缩在去除试件的残余应力时，采用锻造油压机对试件进行轴向和径向的压缩，易造成试件尺寸的不均匀，影响试件整体的圆度，而冷胀形法则需要专门购置冷胀形机及配套模具，设备成本较高。采用本发明提供的去除残余应力的方法，通过将淬火处理后的第二试件，采用径轴向环轧机对其进行压缩冷变形，由于径轴向环轧机对第二试件的轴向和径向进行了约束，有效地避免了第二试件在压缩冷变形步骤中发生尺寸不均匀的现象，且在整个试件去除残余应力的过程中，无需购置配套设备及模具，降低了生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的去除残余应力的方法的流程图一；

图2为本发明实施例提供的去除残余应力的方法的流程图二；

图3为本发明实施例提供的去除残余应力的方法的流程图三。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种去除残余应力的方法，以在保证去除铝合金试件残余应力的同时，能够降低生产成本。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，本发明实施例公开了一种去除残余应力的方法，用于去除铝合金环形件和铝合金筒形件的残余应力，需要说明的是，本发明实施例公开的去除残余应力的方法对于铝合金环形件和铝合金筒形件均适用，本发明实施例仅以7050铝合金环形件为例进行解释和说明。其中，去除残余应力的方法，包括：

步骤S100，准备坯料；

将坯料在坯料加热炉中加热后进行自由锻造。具体地，将7050铝合金铸锭放置于坯料加热炉中加热至440℃～460℃，并保温一段时间，以使7050铝合金铸锭温度更加均匀。需要说明的是，保温持续时间按照最大热处理厚度计算，且加热系数为1.5min/mm～3.0min/mm，即每毫米最大热处理厚度的7050铝合金铸锭，保温持续时间为1.5min～3.0min。其中，最大热处理厚度指的是坯料最小厚度方向的最大厚度尺寸，具体地，最大热处理厚度指的是7050铝合金铸锭的最小厚度方向的最大厚度尺寸。在下面实施例中如不做特殊说明，试件均指的是7050铝合金试件，且最大热处理厚度均指的是坯料最小厚度方向的最大厚度尺寸。

步骤S101，制备试件；

将S100准备坯料步骤中准备好的坯料环轧至设计尺寸，以得到初始试件。

步骤S102，加热试件；

将步骤S101制备试件中制备好的初始试件放置于淬火炉中加热至预设温度，得到第一试件。为了使得第一试件温度更加均匀，且第一试件的材料中的第二相充分固溶，在初始试件加热至预设温度后，需保温一段时间。需要说明的是，预设温度为472℃～478℃，且保温持续时间根据初始试件的最大热处理厚度确定，其中，初始试件的加热系数为2.5min/mm～4.0min/mm。本领域相关技术人员可以理解的是，初始试件的最大热处理厚度越厚，保温持续时间越长；初始试件的最大热处理厚度越薄，保温持续时间越短。

步骤S103，淬火；

将步骤S102加热试件中加热并保温后的第一试件进行淬火处理，得到第二试件。本发明实施例中，在步骤S103淬火过程采用水冷的方式进行冷却，即将第一试件从淬火炉中取出后浸入水中进行冷却，并在水中对第一试件进行振动，从而破坏第一试件表面形成的气膜，以防止气膜减小第一试件的冷却速率，同时将第一试件在水中浸泡一段时间，浸泡时间根据第一试件的最大热处理厚度进行计算确定，本实施例中的冷却系数为0.08min/mm，即每毫米最大热处理厚度的第一试件，浸泡时间为0.08min，且为了防止第一试件的残余应力的增加，随着最大热处理厚度增加，淬火水浴的温度也需不断增加，即淬火水浴的温度为25℃～70℃。本领域相关技术人员可以理解的是，第一试件的最大热处理厚度越厚，浸泡持续时间越长，即需要冷却的时间越长；第一试件的最大热处理厚度越薄，浸泡持续时间越短，即需要冷却的时间越短。

步骤S104，压缩冷变形；

采用径轴向环轧机对第二试件进行压缩冷变形，得到第三试件。具体地，径轴向环轧机包括主辊、芯辊、锥辊和抱辊。通过主辊与芯辊对第二试件的壁厚进行轧制，即为径向冷变形，并维持径向稳定；通过上下锥辊对第二试件进行高度控制，并维持轴向稳定；通过左右抱辊对第二试件进行抱扶，并维持环向稳定，从而使得到的第三试件尺寸更加均匀。

步骤S105，多级时效；

将第三试件放置于时效炉中，进行阶梯式保温，得到第四试件。具体地，将第三试件放置于时效炉中，并控制时效炉中的温度为100℃～120℃的低温状态，并保温一段时间，待保温结束后，将时效炉中的温度升至160℃～180℃的高温状态，并保温一段时间。需要说明的是，步骤S105多级时效中各阶段的保温时间为1～24h，以提高第四试件的材料性能。

步骤S106，出炉空冷；

将完成步骤S105多级时效的第四试件从时效炉中取出，放置于空气中进行冷却，得到成品试件。

本发明提供的去除残余应力的方法，用于去除铝合金环形件和铝合金筒形件的残余应力，包括步骤S100准备坯料、步骤S101制备试件、步骤S102加热试件、步骤S103淬火、步骤S104压缩冷变形、步骤S105多级时效和步骤S106出炉空冷。其中，在S100准备坯料步骤中将坯料在坯料加热炉中加热后进行自由锻造；S101制备试件步骤中将坯料环轧至设计尺寸，以得到初始试件；在S102加热试件步骤中将初始试件放置于淬火炉中加热至预设温度，得到第一试件；S103淬火步骤中将加热后的第一试件进行淬火处理，得到第二试件；在S104压缩冷变形步骤中采用径轴向环轧机对第二试件进行压缩冷变形，得到第三试件；S105多级时效步骤中将第三试件放置于时效炉中，进行阶梯式保温，得到第四试件；在S106出炉空冷步骤中将第四试件从时效炉中取出，放置于空气中进行冷却，得到成品试件。

现有技术中，由于冷压缩在去除试件的残余应力时，采用锻造油压机对试件进行轴向和径向的压缩，易造成试件尺寸的不均匀，影响试件整体的圆度，而冷胀形法则需要专门购置冷胀形机及配套模具，设备成本较高。采用本发明提供的去除残余应力的方法，通过将淬火处理后的第二试件，采用径轴向环轧机对其进行压缩冷变形，由于径轴向环轧机对第二试件的轴向和径向进行了约束，有效得避免了第二试件在S104压缩冷变形步骤中发生尺寸不均匀的现象，且在整个试件去除残余应力的过程中，无需购置配套设备及模具，降低了生产成本。

进一步地，在步骤S100准备坯料中，如图2所示，将坯料进行步骤S200镦粗、步骤S201拔长、步骤S202冲孔和步骤S203扩孔的自由锻造工序。其中，步骤S200镦粗，将坯料的高度减小，并使得坯料的横截面积变大，从而改善坯料内部的质量；步骤S201拔长，将坯料的横截面积减小，并使得坯料的长度增长，从而提高坯料的力学性能；反复进行步骤S200镦粗和步骤S201拔长，使得坯料内部的第二相破碎，并使其分布更加均匀；步骤S202冲孔，在坯料上锻造出通孔；步骤S203扩孔，将完成步骤S202冲孔的坯料减小其壁厚，增加坯料的内径和外径，从而完成自由锻造工序。

进一步地，坯料的开坯方式采用四镦三拔的锻造工艺，即通过对坯料的轴向和两个相互垂直的径向进行镦拔，以提高坯料的力学性能，从而得到高强度的铝合金环件。

进一步地，在S101制备试件的步骤中，如图3所示，坯料通过步骤S300适应、步骤S301提速、步骤S302稳定轧制、步骤S303减速和步骤S304整圆的环轧过程，从而得到初始试件。具体地，在环轧过程中，通过控制主辊、芯辊和锥辊的转速，以得到铝合金环坯，即初始试件。

进一步地，在步骤S103淬火的过程中，为了提高第二试件的强度，从淬火炉中取出的第一试件需在12s的时间内完全浸入水中，以保证第一试件的冷却速率，避免第一试件与空气具有过多的接触时间，从而不利于第二试件强度的提高。

进一步地，成品试件的变形率为2％～5％，本领域相关技术人员可以理解的是，在一定范围内，成品试件的变形率越大，去除成品试件的残余应力的效应越明显，同时对于成品试件材料本身的损伤越大，且耗能越高；成品试件的变形率越小，去除成品试件的残余应力的效应越低，同时对于成品试件材料本身的损伤越小，且耗能越低。本发明实施例中的成品试件的变形率取值为3％。

进一步地，在步骤S104压缩冷变形过程中，通过不断喷淋润滑剂，以对径轴向环轧机进行润滑和降温。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有设定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种去除残余应力的方法，用于去除铝合金环形件和铝合金筒形件的残余应力，其特征在于，包括步骤：

准备坯料，将坯料在坯料加热炉中加热后进行自由锻造；

制备试件，将所述坯料环轧至设计尺寸，以得到初始试件；

加热试件，将所述初始试件放置于淬火炉中加热至预设温度，得到第一试件；

淬火，将加热后的所述第一试件进行淬火处理，得到第二试件；

压缩冷变形，采用径轴向环轧机对所述第二试件进行压缩冷变形，得到第三试件；

多级时效，将所述第三试件放置于时效炉中，进行阶梯式保温，得到第四试件；

出炉空冷，将所述第四试件从时效炉中取出，放置于空气中进行冷却，得到成品试件。

2.根据权利要求1所述的去除残余应力的方法，其特征在于，所述准备坯料的步骤中，所述坯料的加热温度为440℃～460℃；所述坯料的加热系数为1.5min/mm～3.0min/mm。

3.根据权利要求2所述的去除残余应力的方法，其特征在于，所述坯料进行镦粗、拔长、冲孔和扩孔的自由锻造工序。

4.根据权利要求3所述的去除残余应力的方法，其特征在于，所述坯料的开坯方式采用四镦三拔的锻造工艺。

5.根据权利要求1所述的去除残余应力的方法，其特征在于，所述制备试件的步骤中，所述坯料通过适应、提速、稳定轧制、减速和整圆的环轧过程得到所述初始试件。

6.根据权利要求1所述的去除残余应力的方法，其特征在于，所述加热试件的步骤中，所述预设温度为472℃～478℃；所述初始试件的加热系数为2.5min/mm～4.0min/mm。

7.根据权利要求1所述的去除残余应力的方法，其特征在于，所述淬火采用水冷的方式进行冷却，所述水冷的温度为25℃～70℃。

8.根据权利要求7所述的去除残余应力的方法，其特征在于，所述淬火炉中取出的第一试件完全浸入水中的时间间隔小于12s。

9.根据权利要求1所述的去除残余应力的方法，其特征在于，所述成品试件的变形率为2％～5％。

10.根据权利要求1所述的去除残余应力的方法，其特征在于，所述压缩冷变形步骤中，通过喷淋润滑剂对所述径轴向环轧机进行润滑和降温。

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