回火后冷卻方式對調質鋼棒殘余應力及加工變形的影響*

冀 鸰， 朱云海， 胡紹鑫

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司特鋼研究院棒線材研究所， 江蘇 江陰 214400)

回火后冷卻方式對調質鋼棒殘余應力及加工變形的影響*

冀 鸰， 朱云海， 胡紹鑫

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司特鋼研究院棒線材研究所， 江蘇 江陰 214400)

針對調質鋼棒材機加工后變形的問題，采用X射線衍射應力檢測儀，分別檢測了42CrMo棒材調質后在不同冷卻方式下的表面殘余應力，發現回火或去應力后水冷會在棒材表面形成較大的殘余壓應力，從理論上分析了該類殘余應力的形成機理，并結合破壞法驗證了其對機加工變形的影響。

調質； 變形； X射線； 殘余應力

引 言

采用傳統箱式電爐加熱、淬火池淬火的方式生產調質棒材時，會因為加熱時的重力作用及淬火時冷卻速度不同造成棒材彎曲，因此在回火結束后，棒材必須進行冷矯直或熱矯直以達到所需平直度。冷矯直后會因塑性變形造成殘余應力，需進行去應力退火，如不去應力或去應力不充分，棒材很可能會在機加工時產生變形。

江陰興澄特種鋼鐵有限公司(以下簡稱“興澄特鋼”)利用國內領先的輥底式連續調質爐，生產供國內外油田、風電、汽車等行業使用的各類調質棒材。該連續爐采用天然氣加熱，管道式爐膛，斜輥傳動，棒料在爐膛中逐支旋轉前進，出爐后直接進入高壓水冷環進行在線噴淋淬火，隨后進入同樣的輥底式爐回火。與傳統箱式電爐相比，棒材的調質過程具有加熱、冷卻均勻，處理后組織、性能穩定，綜合性能優異的優點，因此棒材在加熱及冷卻時不易產生變形，平直度高，可省去后續矯直工序，進而避免產生矯直造成的殘余應力。

但在前期市場開發過程中，有個別客戶在使用興澄特鋼的未經冷矯直的調質材進行機加工，做成零件后，仍然出現了彎曲變形，導致零件報廢。這些零件均是軸向不對稱的復雜形狀零件，而在加工軸類、螺栓類零件時沒有出現類似狀況，因此棒材中可能存在冷卻速度過快導致的殘余熱應力。

1 X射線試驗原理

X射線法檢驗應力利用的是X射線在晶體表面的衍射原理。由于晶體中的粒子直徑與X射線的波長相當，滿足光學中衍射所需的條件(光的波長和光柵的尺度同數量級)，并且晶體中的原子是規則排列的，當某一波長的X射線照射到多晶體樣品上并滿足布拉格方程式時便會產生衍射。如果鋼材內存在宏觀殘余應力，則晶粒晶面間距會發生變化，X射線衍射的位置也將發生位移，依照此變化即可求得晶面間距的變化，從而求得應變，通過彈性力學理論即可求得殘余應力[1]。但由于X射線僅能穿透30 μm級別厚度，因此只能測表面應力。

具體檢測方法為：采用10% NaCl水溶液在棒材表面約1 cm2范圍內進行電解腐蝕，將表層氧化層腐蝕掉后，用X射線儀檢測其表面應力狀態，檢驗數據如為正值，則為拉應力，如為負值，則為壓應力，每個點取3次檢驗的平均值。隨后再電解掉一定深度的表皮金屬，再次檢測殘余應力，這樣采用逐層剝離、逐層檢測的方法，得出距表面一定深度范圍內的殘余應力分布。

2 試驗過程及分析

2.1 回火試驗

2.1.1 試驗原料及方法

興澄特鋼采用連續調質爐生產調質鋼時，為了提高生產效率并避免回火脆性，棒材回火結束出爐后一般用噴淋水冷卻，對于平直度要求較高的棒材，回火后也會采用壓力矯直機進行矯直，隨后去應力，去應力后仍然采用噴淋水冷卻。

為了驗證回火及去應力后的冷卻工藝對調質棒材殘余應力的影響，在回火或去應力后，將棒材采用不同冷卻方式冷卻到室溫進行試驗。在Φ160 mm規格的42CrMo調質棒材上取200 mm長試樣五件，分別按表1的不同冷卻方式進行處理后，采用PSP/MSF X射線應力測試儀檢驗每件試樣的殘余應力。

表1 42CrMo調質棒材回火及去應力后冷卻方式

2.1.2 實驗結果

圖1為回火后采用不同冷卻方式的42CrMo棒材(表1中試樣1、2、3)距表面不同深度下的殘余應力分布。從曲線可以看出，回火后空冷的棒材表面有-40～-147 MPa的殘余壓應力；而回火后水冷至100 ℃、300 ℃的棒材，從表面至0.6 mm處，殘余壓應力逐漸由-206 MPa增加到約-554 MPa，隨后不再明顯增加，可見回火后水冷會大大增加棒材表面殘余應力。而且水冷至300 ℃與水冷至100 ℃的棒材表面殘余應力值區別不大，說明大多數殘余應力在300 ℃以上就已經形成，先水冷后空冷的方式并不能有效減少棒材表面殘余應力。

圖1 回火后冷卻方式對42CrMo調質鋼表面殘余應力的影響

2.2 去應力試驗

對于對平直度要求較高的棒材，回火后也需采用壓力矯直機進行矯直，隨后進行去應力退火，以消除冷矯直時塑性變形導致的殘余應力。為了檢驗去應力退火后的冷卻工藝對棒材殘余應力的影響，從以上調質后水冷的棒材上取兩段棒料，在箱式電爐中分別模擬了510 ℃去應力退火后空冷及水冷工藝(表1中試樣4、5)。X射線衍射測試顯示，空冷后棒材表面下1 mm處殘余壓應力為-100 MPa，而水冷后殘余壓應力達到-416.5 MPa，如圖2所示。因棒材是回火后水冷的，因此在去應力處理之前，其表面有較大的殘余壓應力，可見經過510 ℃下保溫，殘余應力可得到有效釋放，但如采用水冷方式，棒材表面會重新產生較大的殘余壓應力。

圖2 去應力后冷卻方式對42CrMo調質鋼表面殘余應力的影響

2.3 破壞法試驗

2.3.1 應力分析

當淬火棒材加熱到回火溫度保溫足夠長的時間后，原淬火馬氏體中析出碳化物，形成回火索氏體，因馬氏體膨脹導致的晶格畸變得以恢復；同時在高溫下材料屈服強度降低，也有利于淬火時形成的殘余應力的釋放。這時可以假設棒材處于沒有殘余應力的理想狀態，而且在隨后的冷卻過程中，不會有組織轉變，因此也不會產生新的組織應力。當棒材出爐冷卻時，表面冷卻速度大于心部冷卻速度，于是棒材內外溫差增大，表面層金屬溫度低，收縮量大；心部金屬溫度高，收縮量小，棒材表面的冷縮受到尚處于高溫的心部的抑制，故表面層承受拉應力，而心部則承受壓應力。到了冷卻后期，表面層金屬的冷卻與收縮結束，心部金屬繼續冷卻并產生體積收縮，但心部的收縮受到表面層的牽制作用而受拉應力，冷硬狀態的表面則由于心部收縮而受到壓應力。當整支棒材冷至室溫時，內外溫差消失，冷卻后期的應力狀態便殘余下來。因此，棒材最終表面受壓應力，心部受拉應力。

此外，因馬氏體轉變引起的殘余應力正好與冷卻時的應力相反，為表面受拉，心部受壓，如淬火時的組織應力未在回火時完全消除，冷卻應力與組織應力相疊加，也有可能形成表面至心部先受壓、再受拉、再受壓的狀態。但不論何種分布狀態，這些拉應力與壓應力在棒材橫截面上是處于平衡狀態的[2]。由于熱應力是在工件快速冷卻時其截面溫差造成的，因此冷卻速度越大，截面溫差越大，則熱應力越大；反之，如冷卻速度越小，截面溫差越小，則熱應力越小。

2.3.2 試驗方法

為了進一步驗證棒材的應力分布狀態，采用破壞法進行了對比試驗。

取兩支輥底式連續調質線生產的Φ60 mm×800 mm的調質棒材，將兩支棒材一側沿軸向銑去約15 mm厚度,1#棒材采用回火后空冷、2#棒材采用回火后水冷。

測試結果顯示1#棒料基本沒有變形，而2#棒料明顯向未加工一側拱起，采用直尺測量，撓度達到了近3 mm。這說明棒材表面有較大的殘余壓應力。與X射線衍射殘余應力分析儀所得出的結果一致。

2.3.3 試驗分析

在棒材表面進行的破壞，使整個橫截面應力平衡被破壞，另一側的表面應力會得到釋放，如果原來棒材表面受拉應力，晶格處于拉長狀態，應力釋放后原子間距減少，導致棒材未加工一側整體長度變短，則該側會向內彎曲。反之，如棒材表面受壓應力，晶格處于壓縮狀態，應力釋放后原子間距增加，會導致該側整體長度變長，從而呈拱起狀態。

綜上所述，采用緩慢冷卻方式(如空冷)，有助于減少熱應力的生成。

3 結 論

(1)回火出爐后采用水冷方式的棒材表面會產生較大的熱應力導致的殘余壓應力，而采用回火空冷方式的棒材表面殘余應力相對小得多；

(2)回火后的棒材在去應力結束后，如采用水冷方式冷卻，仍然會在表面形成殘余壓應力；

(3)因棒材表面的殘余壓應力與內部的殘余拉應力相互抵消，呈平衡狀態，棒材不會變形；但當一側加工量較多而另一側加工量較少時，棒材會向加工量較少一側拱起，造成零件變形。

[1] 羅玉梅，任鳳章.X射線法測量多晶材料殘余應力[J].材料導報， 2014.6，28 (6), 112—114.

[2] George E Totten. Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies [M]. CRC Press, 2006.

2015-07-24

冀 鸰(1978—)，男，博士，高級工程師。電話：15961618632；E-mail:jiling@cp-ssteel.com

TG156.6