30CrMnSiNi2A鋼螺紋零件局部感應回火工藝

王浩軍, 楊 平, 任樹鋒, 羅 賢, 冉 剛

(1. 中航西安飛機工業集團股份有限公司, 陜西 西安 710089;2. 西北工業大學材料學院, 陜西 西安 710072)

30CrMnSiNi2A鋼是我國航空工業廣泛使用的一種低合金超高強度鋼,具有高的強度、良好的韌塑性以及抗疲勞性能[1-2],廣泛用于制造飛機大梁、起落架、發動機軸、高強度螺栓、固體火箭發動機殼體和化工高壓容器等零部件[3-4]。為了充分發揮材料的優良潛質,30CrMnSiNi2A鋼在使用之前都會進行淬火和低溫回火[5]。此外,由于低合金超高強度鋼缺口敏感性較高,對于重要受拉螺栓零件,一般應對螺紋部分進行700 ℃左右的局部回火軟化處理[6-7]。傳統的局部回火工藝為鉛浴回火,該工藝可以在材料內部獲得較為均勻的溫度場從而使材料內部各位置回火均勻。但是鉛液具有較大的毒害性,不僅會導致環境污染,而且對操作者的生命安全健康也有不利影響[8]。感應加熱技術具有加熱速率高、脫碳和氧化少以及重啟快等優勢,相比于傳統熱處理,感應熱處理具有效率高、穩定性好和節能環保等優勢[7]。但是感應加熱技術在零件回火方面的應用并不廣泛,主要是因為在感應加熱過程中,由于集膚效應[9]和端部效應的[10]存在,被加熱零件內部會形成不均勻的溫度場,進而導致材料內部回火程度不同,最終產生不均勻的顯微組織和性能。因此在感應回火過程中控制試驗件內部各區域溫度場的均勻性是其關鍵技術。本文從感應回火工藝入手,以航空領域常用的30CrMnSiNi2A高強度鋼為研究對象,以30CrMnSiNi2A鋼經過傳統鉛浴回火后的硬度為參考,對該材料進行局部感應加熱回火處理,通過試驗件局部感應回火后內部各位置的硬度值判斷回火過程中溫度場的均勻性,研究不同感應回火工藝對螺栓類零件溫度場均勻性的影響,進一步確定試驗件的最佳感應回火工藝。為感應加熱技術在回火熱處理中的應用提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本文采用規格為M14 mm的30CrMnSiNi2A鋼螺紋件進行試驗,該試驗件的具體化學成分如表1所示,具體尺寸如圖1所示。

圖1 30CrMnSiNi2A鋼螺紋試驗件尺寸(a)及硬度測試位置(b)示意圖Fig.1 Size diagram(a) and test position of hardness(b) of the 30CrMnSiNi2A steel threaded specimen

表1 30CrMnSiNi2A鋼螺紋試驗件的化學成分(質量分數,%)

1.2 試驗裝置

局部感應回火試驗在可編程ZTZP-1Q數控立式淬火機床上進行,數控系統為FANUC Series Oi-TF。該設備由感應加熱電源、感應線圈、工裝夾具、機械動作自動控制機床和自動快速冷卻系統組成。本研究中30CrMnSiNi2A鋼螺紋件使用的感應器結構為:匝數為1匝、截面為矩形截面、外徑為φ60 mm、內徑為φ32 mm、高度為22 mm?；鼗疬^程中的測溫儀表為Raytek M13型在線式紅外測溫儀,其測溫范圍為250～1400 ℃,測試精度為±1 ℃,響應時間為10 ms。

1.3 試驗方案

1.3.1 預處理工藝

為了獲得強度和韌性的良好配合,30CrMnSiNi2A鋼在進行局部回火之前需要進行淬火和低溫回火處理。常用的淬火工藝為等溫淬火或真空油淬,因此本文首先對30CrMnSiNi2A鋼試驗件分別進行等溫淬火+低溫回火和真空油淬+低溫回火預處理,具體工藝流程如圖2所示。

圖2 30CrMnSiNi2A鋼預處理工藝流程圖(a)等溫淬火+低溫回火;(b)真空油淬+低溫回火Fig.2 Flow diagram of the pre-treatment of the 30CrMnSiNi2A steel (a) isothermal quenching+low temperature tempering; (b) vacuum oil quenching+low temperature tempering

1.3.2 局部感應回火工藝

對經過預處理后的試驗件分別進行580、600和620 ℃單段式感應回火,溫度測量點為試驗件加熱段的中部表面,研究感應回火溫度對試驗件硬度的影響規律,熱處理流程如圖3(a)所示。此外,考慮到感應加熱過程中存在的集膚效應和端部效應,分別設計兩段式加熱和兩段式加熱+移動補溫感應回火法,研究工藝過程對感應回火過程中溫度均勻性的影響。兩段式加熱法是指先在略低于最終熱處理溫度的某一溫度(均溫溫度)保溫一段時間以降低心表溫差,然后升至最終感應回火溫度進行熱處理,整個熱處理過程包括加熱速率高的初始升溫階段、保溫階段以及加熱速率低的二次升溫階段,熱處理流程如圖3(b)所示。兩段式加熱+移動補溫感應回火法是指在兩段式加熱結束后將感應器移動至溫度較低的區域進行補溫的方法。

圖3 30CrMnSiNi2A鋼感應回火工藝流程圖(a)單段式;(b)兩段式Fig.3 Flow diagram of induction tempering of the 30CrMnSiNi2A steel (a) single-stage; (b) two-stage

1.4 硬度測試

利用線切割將試驗件沿直徑進行軸向切割,如圖1(a)中的虛線位置所示。為了保證試樣距表層較近區域硬度測量的精確性,對每個切割后的試樣塊進行鑲嵌。然后使用240～3000號金相砂紙進行打磨,再使用金剛石拋光膏進行機械拋光,洗凈并吹干后利用HR-150A洛氏硬度計按照圖1(b)所示位置進行硬度測試,硬度測試參照GB/T 230.1—2018《金屬材料洛氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》進行。

1.5 顯微組織觀察

金相試樣與硬度試樣的制備過程一致,試樣經打磨、拋光、洗凈后再使用3%硝酸酒精溶液進行腐蝕,然后利用光學顯微鏡和蔡司Sigma 300掃描電鏡對微觀組織形貌進行觀察。

2 試驗結果與分析

2.1 預處理后的顯微組織與硬度

30CrMnSiNi2A鋼經等溫淬火+低溫回火和真空油淬+低溫回火預處理后的硬度測量值如圖4所示,可以看出,等溫淬火+低溫回火試驗件的硬度比真空油淬+低溫回火試驗件的硬度低約2 HRC,這主要是由于等溫淬火后試驗件內部部分殘留奧氏體轉化為下貝氏體而非馬氏體,導致等溫淬火后試驗件內部的馬氏體體積分數小于真空油淬后的馬氏體體積分數,最終表現為等溫淬火后的硬度值略低于真空油淬后的硬度值。

圖4 30CrMnSiNi2A鋼預處理后的硬度(a)等溫淬火+低溫回火;(b)真空油淬+低溫回火Fig.4 Hardness of the 30CrMnSiNi2A steel after pre-treatment(a) isothermal quenching+low temperature tempering; (b) vacuum oil quenching+low temperature tempering

圖5為30CrMnSiNi2A鋼經等溫淬火+低溫回火和真空油淬+低溫回火預處理后的顯微組織圖。對比圖5(a, c)可知,兩種預處理工藝下30CrMnSiNi2A鋼的顯微組織差別不大,主要為回火馬氏體,但是等溫淬火+低溫回火試驗件中存在一定量的白色塊狀組織,如圖5(a)中箭頭所指。對比圖5(b, d)可知,等溫淬火+低溫回火試驗件內部除了板條馬氏體外還存在少量較大尺寸的片狀組織,根據其內部碳化物的排列情況可確定該片狀組織為下貝氏體(碳化物顆粒在鐵素體內與主軸呈55°～60°角排列)。張百偉等[11]的研究也發現,30CrMnSiNi2A鋼在馬氏體區等溫淬火后的試樣組織為板條馬氏體、下貝氏體和殘留奧氏體的混合組織。真空油淬+低溫回火試驗件的組織主要為板條馬氏體,與楊平等[12]的研究結果一致。因此可得30CrMnSiNi2A鋼經等溫淬火+低溫回火后的組織為回火馬氏體+少量下貝氏體,經真空油淬+低溫回火的組織為回火馬氏體。

2.2 單段式感應回火溫度對硬度的影響

局部感應回火的目標是將螺紋部分的硬度值進一步降低至35～41 HRC。圖6為30CrMnSiNi2A鋼試驗件分別經過580、600和620 ℃單段式感應回火后的硬度測試結果?？梢钥闯?單段式感應回火后試驗件的硬度分布并不均勻,試驗件的硬度呈現出表面軟而心部硬以及中間軟而端部硬的特征。這一現象說明單段式感應回火過程中溫度場的分布不均勻,主要是由于感應加熱過程中集膚效應和端部效應所致。此外,試驗件的硬度隨著感應回火溫度的升高而降低,感應回火溫度每升高20 ℃,硬度降低約2.5 HRC。通過對比可知,真空油淬+低溫回火試驗件的硬度比等溫淬火+低溫回火試驗件的硬度高2 HRC左右。此外,由于紅外溫度測量點位于試樣回火區中部表面位置(如圖6中方框位置),因此可以將此位置感應回火后的硬度測量值與鉛浴回火后的硬度測量值(35～41 HRC)進行對比,進而確定最佳局部感應回火溫度。等溫淬火+低溫回火試驗件,580 ℃單段式感應回火后的硬度趨近于硬度要求的上限(41 HRC),而620 ℃感應回火后的硬度低于硬度要求的下限(35 HRC);而對于真空油淬+低溫回火試驗件,580 ℃感應回火后的硬度超過了硬度要求的上限,620 ℃感應回火后的硬度趨近于硬度要求的上限。因此基于以上結果可知,30CrMnSiNi2A鋼螺紋試驗件經過等溫淬火+低溫回火后最佳的局部感應回火溫度為600 ℃,經過真空油淬+低溫回火后最佳的局部感應回火溫度為620 ℃。

圖6 30CrMnSiNi2A鋼經單段式感應回火后的硬度預處理:(a～c)等溫淬火+低溫回火;(d～f)真空油淬+低溫回火感應回火溫度:(a,d) 580 ℃; (b,e) 600 ℃; (c,f) 620 ℃Fig.6 Hardness of the30CrMnSiNi2A steel after single-stage induction tempering processPre-treatment: (a-c) isothermal quenching+low temperature tempering; (d-f) vacuum oil quenching+low temperature temperingInduction tempering temperature:(a,d) 580 ℃; (b,e) 600 ℃; (c,f) 620 ℃

2.3 兩段式加熱法對試驗件硬度的影響

根據單段式感應回火后的研究結果,確定30CrMnSiNi2A鋼等溫淬火+低溫回火試驗件兩段式感應回火的均溫溫度為580 ℃,最終感應回火溫度為600 ℃;真空淬火+低溫回火試驗件的均溫溫度為600 ℃,最終感應回火溫度為620 ℃,設置在均溫溫度的保溫時間分別為1、3、5 s,以研究此工藝下不同均溫時間對試驗件硬度的影響,以確定最佳均溫時間。圖7所示為不同均溫時間下試驗件硬度的分布情況?？梢钥闯?30CrMnSiNi2A鋼經過兩段式感應回火后心部和表面的硬度差值明顯減小,但均溫時間較長則會發生明顯的軟化,因此最佳均溫時間為3 s。

2.4 兩段式加熱+移動補溫法對硬度與組織的影響

前述分析表明,通過將單段式改變為兩段式的加熱方式后,30CrMnSiNi2A鋼經過感應回火后心表硬度梯度已經基本消除,但是在軸向方向還存在硬度梯度,即試驗件在靠近光桿的回火區根部和回火區頭部區域硬度值偏高,回火還不充分,這是由感應加熱過程中的端部效應所導致的?？紤]將初始升溫階段感應器的位置向下移動至回火區的根部位置,打開冷卻水控制過渡區溫度,兩段加熱完成后將感應器移動至回火區頭部進行補溫,在此熱處理過程中工件與感應器的相對位置的變化如圖8所示。圖9為30CrMnSiNi2A鋼經最佳的兩段式感應回火后分別補溫6、8、10 s后的硬度分布結果。從圖9可以看出,試驗件頭部的硬度隨補溫時間的延長而降低,補溫時間為8 s時,試驗件整體的硬度最為均勻。對補溫8 s的試驗件進行顯微組織觀察,結果如圖10所示。從圖10可以看出,30CrMnSiNi2A鋼經預處理+兩段式感應回火+移動補溫工藝感應回火后,回火區內各位置的組織幾乎沒有差異,表明兩段式加熱+移動補溫8 s可以保證回火區內組織和性能的均勻性。此外,對比不同預處理試驗件的顯微組織可知,等溫淬火+低溫回火試驗件的顯微組織為保持馬氏體針狀痕跡的回火索氏體+少量下貝氏體,真空油淬+低溫回火試驗件的顯微組織為回火索氏體。兩種試驗件的組織中鐵素體大部分呈條狀和針狀,只有極少部分呈現等軸狀。

圖8 兩段式加熱+移動補溫感應回火時試驗件與感應線圈的相對位置Fig.8 Relative position of the specimen and the induction coil during the two-stage induction tempering and mobile warming

圖9 30CrMnSiNi2A鋼經兩段式感應回火+移動補溫后的硬度預處理:(a～c)等溫淬火+低溫回火;(d～f)真空油淬+低溫回火 補溫時間:(a,d)6 s;(b,e)8 s;(c,f)10 sFig.9 Hardness of the 30CrMnSiNi2A steel after two-stage induction tempering+temperature compensation by movingPre-treatment: (a-c) isothermal quenching+low temperature tempering; (d-f) vacuum oil quenching+low temperature temperingTemperature compensation time:(a,d) 6 s; (b,e) 8 s; (c,f) 10 s

圖10 30CrMnSiNi2A鋼經兩段式感應回火+移動補溫8 s后的顯微組織預處理:(a～c)等溫淬火+低溫回火;(d～f)真空油淬+低溫回火回火區位置:(a,d)頭部;(b,e)中部;(c,f)根部Fig.10 Microstructure of the 30CrMnSiNi2A steel after two-stage induction tempering+temperature compensation for 8 s by moving Pre-treatment: (a-c) isothermal quenching+low temperature tempering; (d-f) vacuum oil quenching+low temperature temperingPosition of tempering area: (a,d) head; (b,e) middle; (c,f) root

3 結論

1) 30CrMnSiNi2A鋼螺紋試驗件經等溫淬火+低溫回火和真空淬火+低溫回火預處理后的顯微組織差別不大,均主要為回火馬氏體,但等溫淬火+低溫回火試驗件中還存在少量下貝氏體,因此其硬度較真空淬火+低溫回火試驗件低約2 HRC。

2) 感應回火溫度越高,試驗件的硬度越低,但是單段式感應回火工藝由于集膚效應和端部效應在試驗件內部產生較大的硬度梯度。螺紋試驗件經等溫淬火+低溫回火后最佳的局部感應回火溫度為600 ℃,經真空油淬+低溫回火后最佳的局部感應回火溫度為620 ℃。

3) 采用兩段式感應回火可以明顯消除感應加熱過程中集膚效應所導致的表里溫差,對端部進行移動補溫可以明顯消除感應加熱過程中的端部效應所導致的軸向溫差。當兩段式感應回火的均溫時間為3 s,移動補溫時間為8 s時,30CrMnSiNi2A鋼試驗件螺紋部分的硬度約為37 HRC,硬度分布最均勻且達到硬度要求的范圍內,顯微組織主要為回火索氏體,其中的鐵素體大部分呈條狀和針狀。