本發明涉及復雜形狀金屬制件的熱處理變形控制方法，即一種超高強度鋼結構件的熱處理方法。主要應用在航空航天、汽車、船舶制造、建筑用結構鋼等領域。

背景技術：

超高強度鋼主要應用于航空、航天關鍵承力構件，也可以用于車船制造等需要高強度鋼材的領域。目前認為抗拉強度在1400～1500mpa以上的鋼算作超高強度鋼。作為航空航天材料，要求超高強度鋼除了具有高強度外，還應具有良好的沖擊抗力和斷裂韌性，以及適當的延展性，高的疲勞強度和良好的焊接性等。

超高強度鋼的熱處理硬度高、韌性好，切削難度大，切削過程中刀具破損嚴重，加工效率低，而且會導致局部溫度升高，引起加工表面組織變化，從而影響最終產品的性能。因此要將超高強度鋼材制成需要的構件，通常是在熱處理前對超高強度鋼材進行車、鏜、銑、磨等加工，制成需要的基本形狀。

超高強度鋼的熱處理根據不同的合金度，主要有兩類熱處理方法：

低合金超高強度鋼的熱處理工藝制度如下：淬火：空氣爐或真空爐中加熱，加熱溫度850～950℃，保溫時間1～5小時，油冷或高壓氣冷；回火：空氣爐中加熱，加熱溫度200～320℃，保溫時間2～5小時，空冷。

高合金超高強度鋼的熱處理工藝制度如下：淬火：空氣爐或真空爐中加熱，加熱溫度850～950℃，保溫時間1～5小時，空冷、油冷或高壓氣冷；冰冷處理：-70±10℃保溫1～2小時，空氣中回溫；回火：空氣爐中加熱，加熱溫度450～550℃，保溫時間4～8小時，空冷。

但是，如果把未進行熱處理的超高強度鋼加工成所需要的形狀，然后再進行熱處理也存在難以解決的問題。由于超高強度鋼構件結構復雜，厚度差別大，有些可達5～30mm，長度和寬度的差別也很大，有些長度可達寬度的2～20倍，在熱處理過程中極易發生變形，特別是尺寸和結構薄弱的鏈接梁和耳片等部位，這些部位截面尺寸薄，在加熱和淬火冷卻過程中，往往先于其他截面厚的部位升溫和快冷，導致此類局部與整體構件加熱和冷卻的熱過程不同步，且加熱、冷卻速率過快，易產生局部熱應力和組織應力，引起應力集中，當應力足夠大時，會產生局部變形。

而這種變形會導致裝配時出現不匹配的問題。當這種變形量較小時，可以通過熱處理后校形矯正，但尺寸不均勻的復雜構件通常變形很大，難以用校形方法解決，最終導致構件報廢，造成極大損失，同時嚴重影響生產進度。

當前的研究理論認為，導致熱處理變形的原因主要有三種：

(1)固態相變，各相比體積的變化必然引起體積大變化，造成構件縮脹的尺寸變化。

(2)熱應力，包括極熱與極冷熱應力，當他們超過構件在該溫度下所具有的屈服極限時，將使構件產生塑性變形，造成構件的形狀變化，即歪扭。

(3)組織應力也能引起形狀的改變，即相變歪扭。

但超高強度結構鋼構件的變形往往是多個因素決定的，要控制不想要的變形非常困難。現有的研究，主控制變形的方法主要是調節熱處理工藝參數，或者采用事后矯形的方式。但這些方法效率低、成本高、效果差。

技術實現要素：

發明目的

本發明針對上述問題，采用一種截面補償的方法，來控制復雜形狀金屬制件在熱處理過程中發生的局部變形，實現超高強度鋼結構件的熱處理。

形狀復雜制件熱處理中局部截面補償控制變形方法，其關鍵是對構件局部尺寸和結構薄弱的部位施加補償性工裝，使其局部截面厚度和其他厚截面保持一致或相當，同時達到局部結構的對稱，通過這種局部截面補償的方法，實現構件熱處理過程中局部與整體的加熱、冷卻速率一致，熱過程同步，避免局部加熱冷卻過快等，產生局部熱應力和組織應力，引起應力集中，發生局部結構變形，同時截面補償也可增加局部結構強度，起到支撐作用，補償增加抵抗重力及上述應力作用的能力，從而減少變形。

本發明的截面補償控制變形的方法主要是：

制作截面補償工裝的材料如選擇金屬材料，應考慮熱漲系數與制件熱漲系數的差異，從而合理設計工裝尺寸和工裝與制件的間隙尺寸，同時還應考慮其熱傳導率與制件熱傳導率的差異，合理設計工裝截面尺寸。

截面補償工裝的熱膨脹系數與金屬制件的熱膨脹系數相差在50％以內，熱傳導率相差在40％以內。如果超出上述范圍，則補償工裝與金屬制件由于材料差異太大，也難以起到控制變形的作用。

所述補償工裝的材料優選合金結構鋼、不銹鋼或者高溫合金。

截面補償工裝應與復雜形狀金屬制件臨時固定連接，且二者應緊密接觸?？梢圆捎寐菟āT釘等方式臨時固定，但固定方式剛性的，不能采用彈性固定方式。

截面補償工裝的尺寸，應滿足以下條件：能夠使得金屬制件的截面面積差距減小到10％以內，若補償后截面面積差距大于10％，則對于控制變形是不利的。同時還要求截面補償工裝能保證補償后截面等效尺寸與整體截面尺寸的一致性和結構對稱性。

要求避免截面補償工裝與構件發生熱粘連，咬死等情況，導致工裝無法拆卸，破壞構件表面完整性，可采取在工裝與構件的間隙中充填al2o3等陶瓷粉末避免粘連。

以低合金超高強度鋼外筒零件熱處理截面補償為例，補償工裝應施加在兩耳片中間，工字梁腹板兩側等局部薄弱部位的兩側，并與構件局部外形面近似貼合，兩側工裝應通過螺栓等與構件補償部位緊固連接。

截面補償工裝應在構件熱處理前的準備階段，并在完成表面吹砂等預處理之后，施加在構件薄弱局部。補償工裝應在淬火過程或整個加熱、保溫、冷卻的熱處理全過程中保持施加狀態，在熱處理完成后，構件冷卻至室溫后，方可拆卸。

技術方案

本發明提供了一種超高強度鋼結構件的熱處理方法，

所述的超高強度鋼結構件為待熱處理狀態，在結構件的基部外表面上形成有薄弱部，所述薄弱部的長度與厚度之比大于5，優選是10以上；

包括補償塊，所述補償塊材質的熱膨脹系數與所述超高強度鋼結構件材質的熱膨脹系數相差在50％以內，且熱傳導率相差在40％以內；

所述的熱處理方法包括以下步驟：

步驟一、補償塊安裝

將補償塊的貼合面與所述薄弱部的端面緊緊貼合，并通過固定元件將補償塊與薄弱部固定為一體；使得補償塊4貼合面與薄弱部端面的接觸面積在端面面積的50％以上；

步驟二、熱處理

熱處理包括淬火和回火；淬火的加熱溫度為850～950℃，保溫時間1～5小時；回火的加熱溫度為450～550℃，保溫時間4～8小時。

所述的薄弱部可以為筒形件、梁結構件。

且步驟一補償塊安裝可以有多種方式，例如薄弱部為凸耳時，將至少一個凸耳的上下兩個端面分別與一個補償塊4緊緊貼合，通過固定元件將至少一個凸耳與包夾在凸耳兩個端面的補償塊固定為一體；凸耳的端面與補償塊貼合的接觸面面積在端面面積的50％以上；

當然，薄弱部為凸耳時，還可以將至少在兩個凸耳之間安裝一個補償塊，使得補償塊4的上下兩個貼合面分別與兩個凸耳的端面緊緊貼合，使得固定元件穿過凸耳通孔和補償塊通孔，將補償塊與兩個凸耳固定為一體，補償塊貼合面與凸耳端面貼合的接觸面積在凸耳端面面積的50％以上；

當然，優選的，所述的固定元件為螺栓組件、銷組件、鉗組件等，可以實現夾持或打孔等多種現有技術的固定方式，以將補償塊與薄弱部或凸耳或腹板加緊固定為一體。

當薄弱部為腹板時，將腹板部的上下兩個端面分別與一個補償塊緊緊貼合；通過固定元件、腹板通孔以及補償塊通孔，將腹板部與包夾在腹板部兩個端面的補償塊固定為一體；凸耳的端面與補償塊貼合的接觸面面積在端面面積的50％以上；

本發明中所述的基部，理解為超高強度鋼結構件的一部分，即所謂的基部，其厚度比薄弱部要厚，基部的厚度與薄弱部的厚度差很大，以致于經過處理會導致薄弱部相對于基部出現局部變形或彎折或彎曲或間隙改變等情況。

本發明中所述的補償塊可采用與超高強度鋼的熱膨脹系數相差在50％以內，且熱傳導率相差在40％以內任何金屬材料或合金材料，優選的熱膨脹系數相差在25％以內，且熱傳導率相差在20％以內的任何金屬材料或合金材料，尤其是相同的材料。

技術效果

在采用補償模塊后，耳片的變形率由原來的6.58％，減小為0.796％。補償工裝在整個熱處理步驟完成后拆除，熱處理后測得腹板拱起變形量小于等于0.5mm?？梢?，在采用補償工裝后，工字梁的腹板變形得到了很好的控制。

本發明通過從材料、形狀、尺寸等方面選擇合適的補償件，能避免先熱處理，后切削加工的方法帶來的浪費問題，同時提高了產品生產效率，很好地控制了復雜形狀金屬制件的熱處理變形。

附圖說明

圖1為實施例1的安裝示意圖；

圖2為實施例2的安裝示意圖；

圖3為實施例3的安裝示意圖；

其中：1-超高強度鋼結構件的基部；2-凸耳(薄弱部)；3-腹板(薄弱部)、4-補償塊。

具體實施方式

實施例1

本發明涉及一種超高強度鋼結構件的熱處理方法，

所述的超高強度鋼結構件為待熱處理狀態，在結構件的外表面上或結構件基部1外表面上形成有至少一個凸耳2，所述的凸耳的長度與厚度之比大于5，優選是10以上；

包括補償塊4，所述補償塊材質的熱膨脹系數與所述超高強度鋼結構件材質的熱膨脹系數相差在50％以內，且熱傳導率相差在40％以內；

所述的熱處理方法包括以下步驟：

步驟一、補償塊安裝

將至少一個凸耳2的上下兩個端面分別與一個補償塊緊緊貼合，通過固定元件將至少一個凸耳與包夾在凸耳兩個端面的補償塊固定為一體；凸耳的端面與補償塊貼合的接觸面面積在端面面積的50％以上；

步驟二、熱處理

熱處理包括淬火和回火；淬火的加熱溫度為850～950℃，保溫時間1～5小時；回火的加熱溫度為450～550℃，保溫時間4～8小時。

尤其是，兩個補償塊4均與基部相抵觸，以防止凸耳相對于基部變形或彎折。

實施例2

本發明涉及一種超高強度鋼結構件的熱處理方法，

所述的超高強度鋼結構件為待熱處理狀態，在結構件的外表面上或結構件基部1外表面上形成有至少一個凸耳2，所述的凸耳的長度與厚度之比大于5，優選是10以上；至少一個凸耳上開有通孔；

包括補償塊，所述補償塊材質的熱膨脹系數與所述超高強度鋼結構件材質的熱膨脹系數相差在50％以內，且熱傳導率相差在40％以內；所述補償塊上開有通孔；

所述的熱處理方法包括以下步驟：

步驟一、補償塊安裝

至少在兩個凸耳2之間安裝一個補償塊，使得補償塊的上下兩個貼合面分別與兩個凸耳的端面緊緊貼合，使得固定元件穿過凸耳通孔和補償塊通孔，將補償塊與兩個凸耳固定為一體，補償塊貼合面與凸耳端面貼合的接觸面積在凸耳端面面積的50％以上；

步驟二、熱處理

熱處理包括淬火和回火；淬火的加熱溫度為850～950℃，保溫時間1～5小時；回火的加熱溫度為450～550℃，保溫時間4～8小時。

實施例3

本發明涉及一種超高強度鋼結構件的熱處理方法，

所述的超高強度鋼結構件為待熱處理狀態，所述結構件具有腹板部3，所述腹板部位于兩個基部之間，所述腹板部3的寬度與厚度之比大于5，優選是10以上；腹板部開有通孔

包括補償塊，所述補償塊4材質的熱膨脹系數與所述超高強度鋼結構件材質的熱膨脹系數相差在50％以內，且熱傳導率相差在40％以內；所述補償塊上開有通孔；

所述的熱處理方法包括以下步驟：

步驟一、補償塊安裝

將腹板部3的上下兩個端面分別與一個補償塊緊緊貼合；通過固定元件、腹板通孔以及補償塊通孔，將腹板部與包夾在腹板部兩個端面的補償塊固定為一體；凸耳的端面與補償塊貼合的接觸面面積在端面面積的50％以上；

步驟二、熱處理

熱處理包括淬火和回火；淬火的加熱溫度為850～950℃，保溫時間1～5小時；回火的加熱溫度為450～550℃，保溫時間4～8小時。

尤其是，實施例3中，所述補償塊與腹板兩邊的基部1均抵觸，以防止腹板相對于基部變形或彎折。

進一步的，所述的固定元件為螺栓組件、銷組件、鉗組件等。

特別是，在實施例1和2中，所述超高結構鋼結構件為筒形件。

特別是，在實施例3中，所述超高結構鋼結構件為梁結構，基部為肋板或翼緣部。

特別是，在實施例1中，補償塊的厚度與凸耳的厚度之和不低于基部的厚度。

特別是，在實施例3中，補償塊的厚度與腹板的厚度之和不低于基部的厚度。

進一步的，在實施例1-3的步驟2中，淬火時采用空氣爐或真空爐中加熱，加熱溫度為870℃，保溫時間3小時，空冷、油冷或高壓氣冷；冰冷處理：-70±10℃保溫1～2小時，空氣中回溫；回火采用空氣爐中加熱，加熱溫度300℃，保溫時間5小時，空冷。

進一步的，所述超高強度鋼結構件的材質為40crni2si2mova鋼或16co14ni10cr2mo鋼等。

進一步的，所述補償塊與腹板兩邊的基部均抵觸

實施例4

一種超高強度鋼結構件的熱處理方法，

所述的超高強度鋼結構件為待熱處理狀態，在結構件的外表面上或結構件基部1外表面上形成有薄弱部2,3，所述薄弱部的長度與厚度之比大于5，優選是10以上；

包括補償塊4，所述補償塊材質的熱膨脹系數與所述超高強度鋼結構件材質的熱膨脹系數相差在50％以內，且熱傳導率相差在40％以內；

所述的熱處理方法包括以下步驟：

步驟一、補償塊安裝

將補償塊的貼合面與所述薄弱部的端面緊緊貼合，并通過固定元件將補償塊與薄弱部固定為一體；使得補償塊貼合面與薄弱部端面的接觸面積在端面面積的50％以上；

步驟二、熱處理

熱處理包括淬火和回火；淬火的加熱溫度為850～950℃，保溫時間1～5小時；回火的加熱溫度為450～550℃，保溫時間4～8小時。

實施例4中，進一步，所述的固定元件為螺栓組件、銷組件、鉗組件等，可以實現夾持或打孔等多種現有技術的固定方式，以將補償塊與薄弱部或凸耳或腹板加緊固定為一體。特別是，所述超高結構鋼結構件為筒形件或梁結構，基部為肋板或翼緣部。特別是，補償塊厚度與薄弱部厚度之和不低于基部的厚度。進一步的，淬火時采用空氣爐或真空爐中加熱，加熱溫度為870℃，保溫時間3小時，空冷、油冷或高壓氣冷；冰冷處理：-70±10℃保溫1～2小時，空氣中回溫；回火采用空氣爐中加熱，加熱溫度300℃，保溫時間5小時，空冷。進一步的，所述超高強度鋼結構件的材質為40crni2si2mova鋼或16co14ni10cr2mo鋼等。

未使用補償工裝的外筒構件按上述步驟熱處理，熱處理后測得兩耳片間的尺寸為61.59mm，熱處理前后差值為+3.8mm。

使用本發明的方法后，測量成品的兩個耳片間尺寸為57.33mm，前后差值為-0.46mm。

可見，在采用補償模塊后，耳片的變形率由原來的6.58％，減小為0.796％。

補償工裝在整個熱處理步驟完成后拆除，熱處理后測得腹板拱起變形量小于等于0.5mm。

可見，在采用補償工裝后，工字梁的腹板變形得到了很好的控制。

需要說明的是，雖然以超高強度鋼作為實施例，但本發明的方法同樣適用于其他金屬制件。