热校形温度对HG785D组织及性能影响应用研究

王 龙，崔沈泽，聂帅强，王 猛

(山西航天清华装备有限责任公司，山西 长治 046100)

生产中针对部件校形的措施一般分为冷校形与热校形两大类，但是由于具有良好的机械性能，规格种类多，被广泛应用于对材质承载、轻量化要求较高的生产任务需求中[1]。然而良好的机械性能导致HG785D高强度钢材冷矫形效果不好；并且，由于HG785D钢材一般为调质状态供货，不宜采用较高温度热校形，从而在生产过程中出现焊后矫形困难的技术难题。因此研究不同火焰校形温度对HG785D组织和性能影响就显得极为重要，找到最佳校正温度范围，将火焰校形应用于导轨焊接变形的校正，满足产品技术要求。某产品中副车架导轨部分为非对称焊接结构件长达9 m，导轨由上、下翼板(材质HG785D)和内、外立板组成(材质BS960E) 如图1所示，焊接过程虽然采取了刚性固定、反变形及优化工艺参数焊接等预防焊接变形措施，但是效果不明显导轨断面图；产品仍有约25 mm旁弯产生，不能满足设计9 mm以内的直线度要求，焊接后变形情况，见图2.由于高强板综合力学性能较好，采取冷校形效果不佳，考虑对导轨采用热校形方式进行校正，热校形部位在上、下翼板厚度面上，HG785D材质热校形厂内没有经验可借鉴，从而通过进行试件试验，探究在保证材质性能要求的前提下，选取适合HG785D材质热校形参数，以保证生产任务需求。

图1 导轨断面示意图Fig.1 Schematic diagram of rail section

图2 导轨焊后变形示意图(单位:mm)Fig.2 Schematic diagram of rail deformation after welding(Units:mm)

1 材料与方法

1.1 火焰校形原理

火焰校形是利用金属热胀冷缩的物理特性，采用火焰局部加热金属，热膨胀部分受周围冷金属的制约，不能自由变形，而产生压缩塑性变形，冷却后压缩塑性变形残留下来，引起局部收缩，即在被加热处产生聚结力，使金属构件变形获得矫正[2]。

1.2 HG785D材料介绍

HG785D含碳量不超过0.12，具体化学成分见表1，根据铁碳合金相图分析钢板热轧后不经过热处理情况下会获得珠光体+铁素体。由于HG785D为调质状态交货，调质处理即淬火+高温回火，获得回火索氏体组织[3]。回火索氏体由马氏体在(500～650)℃时高温回火形成，其组织特征是由等轴状铁素体和细粒状碳化物构成的复相组织，马氏体的片状痕迹已消失，铁素体基体上均匀分布着碳化物颗粒，从而获得了良好的综合机械性能，详见表2.

表1 HG785D化学成分Tab.1 Chemical composition of HG785D

表2 HG785D力学性能参数Tab.2 Mechanical performance parameters of HG785D

1.3 试验方法

1.3.1 试板分组编号

试验中共投入试件6组，每组各一件试板，材质为HG785D，规格为20 mm，尺寸为350 mm×400 mm，400 mm为轧制方向，以上6件试板均取自于同一张钢板。分别编号为H、H4、H5、H6、H7、H8，H-代表HG785D未加热处理试件， 4-代表火焰矫正温度为(400～420)℃试件，5-代表火焰矫正温度(500～520)℃试件，6-代表火焰矫正温度(600～620)℃试件，7-代表火焰矫正温度(700～720)℃试件，8-代表火焰矫正温度(800～820)℃试件，H组试件作为参考未进行处理。将编号分别打在6件试板厚度四个面上。

1.3.2 试板加热方案

试板进行单面整体加热，H4试板采用氧-丙烷火焰均匀加热至(400～420)℃，H5试板采用氧-丙烷火焰均匀加热至(500～520)℃，H6试板采用氧-丙烷火焰均匀加热至(600～620)℃，H7试板采用氧-丙烷火焰均匀加热至(700～720)℃，H8试板采用氧-丙烷火焰均匀加热至(800～820)℃.利用红外测温仪检测试板加热面温度达到上述要求，根据温度检测点示意图检测的温度填入相应温度记录表中，如图3所示。烤枪摆动方向垂直于钢板轧制方向，烤枪移动方向沿着钢板轧制方向，试板加热完成后自然冷却；H试板作为参照对象不加热。

图3 温度检测点示意图(单位:mm)Fig.3 Schematic diagram of temperature detection points(Units:mm)

1.3.3 试板制取及试验标准

分别在各试板上按取样图(见图4)切取拉伸、弯曲、冲击、硬度、高倍金相五种试件粗样，粗样按拉伸、弯曲、冲击、硬度、高倍金相标准试样图机加成标准试样。

图4 试板取样图(单位:mm)Fig.4 Sample drawing of test board(Units:mm)

参照拉伸试验方法按GB228.1-2010《金属材料 拉伸试验第一部分：室温拉伸试验方法》要求执行。弯曲试验方法按GB232-2010《金属材料金属材料弯曲试验方法》要求执行，弯曲角度180°，弯心直径3倍板厚。冲击试验方法按GB229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》要求执行，试验温度-20 ℃；硬度检测试验方法按GB231.1-2018《金属材料布氏硬度试验第一部分：试验方法》要求执行；高倍金相检测试验方法按GB13298-2015《金相显微组织检验方法》要求执行。

2 结果与讨论

根据铁碳合金相图利用杠杆定律计算，HG785D加热超过A1温度后，冷却到室温时，平衡相铁素体与珠光体含量：

铁素体WF=0.8-0.12/0.8-0.02=87%

珠光体WP=0.12-0.02/0.8-0.02=13%

严格依据各项性能检测标准对6组试件进行检测，并对检测结果进行对比分析，结果如下：

(1)金相检测表明：钢板在火焰校正时，因为空气是热量的不良导体(约100 ℃/min)，因此空冷过程可近似看作过冷奥氏体等温转变曲线“C”曲线(又称TTT曲线)。当加热温度超过500 ℃时受热面组织开始发生变化，直到温度上升至700 ℃时，整件试板组织全部转化成铁素体+珠光体。

(2)随着矫形温度的增加，金属组织由综合力学性能良好的回火索氏体转变成铁素体+珠光体。回火索氏体屈服强度(600～810) MPa(按屈强比0.75计算)，抗拉强度(800～1 080)MPa(根据硬度与抗拉强度关系，钢的硬度在500 HB以下时σb(kg/mm2)=1/3*HB)，伸长率30%～50%，铁素体屈服强度(100～170)MPa，抗拉强度(180～280)MPa，伸长率30%～50%，珠光体屈服强度(560～600)MPa(按屈强比0.75计算)，抗拉强度(750～800) MPa，伸长率20%～25%.如图5所示，当矫形温度低于600 ℃加热范围时，试件延展性能没有明显变化(低于35%)，当温度进一步升高，由于金相组织的变化铁素体的增加，从而其延展性明显增加。然而，当加热温度高于400 ℃时，试件的抗拉伸强度明显下降(低于800 Mpa)，如图6所示；同时，随着温度的增加，金相组织中回火索氏体向铁素体与珠光体组织逐渐转变，导致试件的下屈服强度也明显下降，最终降至350 MPa左右，如图7所示。 因此，当加热温度低于400 ℃时，试件的延展性能、抗拉性能以及屈服强度变化范围在4%左右，依据生产需求，可以满足设计需求。

图5 不同温度下试件延展性能对比Fig.5 Comparison of the ductility of specimens at different temperatures

图6 不同温度下试件抗拉强度对比Fig.6 Comparison of tensile strength of specimens at different temperatures

图7 不同温度下试件屈服强度对比Fig.7 Comparison of yield strength of specimens at different temperatures

(3)如图8所示，冲击试验中温度在700 ℃以下时未见明显变化(波动范围在1.5%以内)，当温度达到800 ℃时数值急剧下降(低于200 J).由于800 ℃温度已经超过共析转变温度A1，组织相变过冷奥氏体在冷却过程中出现的组织为铁素体+珠光体(铁素体冲击韧性(160～200)J，珠光体冲击韧性(24～32)J，因此为保证材料的抗冲击性能热矫形温度不可以超过700 ℃.

图8 不同温度下试件抗冲击性能对比Fig.8 Comparison of impact resistance of specimens at different temperatures

(4)由于回火索氏布氏硬度为(240～323)HB，体铁素体的力学性能与工业纯铁基本相同，布氏硬度为(50～80)HB.珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，硬度为(170～220)HB.如图9、图10所示，硬度检测表明随着温度的升高母材逐渐出现软化现象，未加热面在加热温度低于500 ℃时，对未受热面材质硬度影响较小，当温度进一步增加，材质硬度明显下降；在受热面，在温度加热至400 ℃时，硬度下降约5%，温度进一步增加至(500～600)℃，材质硬度明显下降，在提高加热温度后，其硬度趋于稳定(155左右)，主要由于材质组织中主要成分变为了铁素体与珠光体，因此矫形温度对材质硬度影响较大，因此为保证产品需求以及材质性能，矫形温度必须控制在400 ℃以内。

图9 不同温度下试件未受热面硬度对比Fig.9 Comparison of the hardness of the unheated surface of the specimen at different temperatures

图10 不同温度下试件受热面硬度对比Fig.10 Comparison of hardness of the heated surface of the specimen at different temperatures

(5)弯曲试验显示不同火焰校正温度未影响材料弯曲性能，主要由于无论回火索氏体组织还是铁素体+珠光体组织弯曲性能都较好，在随着矫形温度的增加，金相组织虽然发生变化，但对其弯曲性能影响较小。

3 结论

通过进行试板实验探究不同校形温度对HG785D钢材性能的影响，对比分析不同矫形温度对其各项性能的影响以及产生原因，总结出适合本次生产需求的HG785D的火焰校正参数；根据试验情况优选出火焰校正温度为不大于400 ℃较为合适，并将火焰校形应用于生产中，从而解决了某副车架导轨焊后变形尺寸超差的技术难题，使其技术指标达到设计要求；同时，也为后续生产以及相关研究提供了理论依据以及指导意义。