王浩軍, 楊 平, 任樹鋒, 羅 賢, 冉 剛

(1. 中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司, 陜西 西安 710089;2. 西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院, 陜西 西安 710072)

30CrMnSiNi2A鋼是我國航空工業(yè)廣泛使用的一種低合金超高強(qiáng)度鋼,具有高的強(qiáng)度、良好的韌塑性以及抗疲勞性能[1-2],廣泛用于制造飛機(jī)大梁、起落架、發(fā)動機(jī)軸、高強(qiáng)度螺栓、固體火箭發(fā)動機(jī)殼體和化工高壓容器等零部件[3-4]。為了充分發(fā)揮材料的優(yōu)良潛質(zhì),30CrMnSiNi2A鋼在使用之前都會進(jìn)行淬火和低溫回火[5]。此外,由于低合金超高強(qiáng)度鋼缺口敏感性較高,對于重要受拉螺栓零件,一般應(yīng)對螺紋部分進(jìn)行700 ℃左右的局部回火軟化處理[6-7]。傳統(tǒng)的局部回火工藝為鉛浴回火,該工藝可以在材料內(nèi)部獲得較為均勻的溫度場從而使材料內(nèi)部各位置回火均勻。但是鉛液具有較大的毒害性,不僅會導(dǎo)致環(huán)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(yīng)加熱技術(shù)具有加熱速率高、脫碳和氧化少以及重啟快等優(yōu)勢,相比于傳統(tǒng)熱處理,感應(yīng)熱處理具有效率高、穩(wěn)定性好和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢[7]。但是感應(yīng)加熱技術(shù)在零件回火方面的應(yīng)用并不廣泛,主要是因?yàn)樵诟袘?yīng)加熱過程中,由于集膚效應(yīng)[9]和端部效應(yīng)的[10]存在,被加熱零件內(nèi)部會形成不均勻的溫度場,進(jìn)而導(dǎo)致材料內(nèi)部回火程度不同,最終產(chǎn)生不均勻的顯微組織和性能。因此在感應(yīng)回火過程中控制試驗(yàn)件內(nèi)部各區(qū)域溫度場的均勻性是其關(guān)鍵技術(shù)。本文從感應(yīng)回火工藝入手,以航空領(lǐng)域常用的30CrMnSiNi2A高強(qiáng)度鋼為研究對象,以30CrMnSiNi2A鋼經(jīng)過傳統(tǒng)鉛浴回火后的硬度為參考,對該材料進(jìn)行局部感應(yīng)加熱回火處理,通過試驗(yàn)件局部感應(yīng)回火后內(nèi)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(yīng)回火工藝對螺栓類零件溫度場均勻性的影響,進(jìn)一步確定試驗(yàn)件的最佳感應(yīng)回火工藝。為感應(yīng)加熱技術(shù)在回火熱處理中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文采用規(guī)格為M14 mm的30CrMnSiNi2A鋼螺紋件進(jìn)行試驗(yàn),該試驗(yàn)件的具體化學(xué)成分如表1所示,具體尺寸如圖1所示。

圖1 30CrMnSiNi2A鋼螺紋試驗(yàn)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(yàn)件的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

1.2 試驗(yàn)裝置

局部感應(yīng)回火試驗(yàn)在可編程ZTZP-1Q數(shù)控立式淬火機(jī)床上進(jìn)行,數(shù)控系統(tǒng)為FANUC Series Oi-TF。該設(shè)備由感應(yīng)加熱電源、感應(yīng)線圈、工裝夾具、機(jī)械動作自動控制機(jī)床和自動快速冷卻系統(tǒng)組成。本研究中30CrMnSiNi2A鋼螺紋件使用的感應(yīng)器結(jié)構(gòu)為:匝數(shù)為1匝、截面為矩形截面、外徑為φ60 mm、內(nèi)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(yīng)時(shí)間為10 ms。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 預(yù)處理工藝

為了獲得強(qiáng)度和韌性的良好配合,30CrMnSiNi2A鋼在進(jìn)行局部回火之前需要進(jìn)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(yàn)件分別進(jìn)行等溫淬火+低溫回火和真空油淬+低溫回火預(yù)處理,具體工藝流程如圖2所示。

圖2 30CrMnSiNi2A鋼預(yù)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(yīng)回火工藝

對經(jīng)過預(yù)處理后的試驗(yàn)件分別進(jìn)行580、600和620 ℃單段式感應(yīng)回火,溫度測量點(diǎn)為試驗(yàn)件加熱段的中部表面,研究感應(yīng)回火溫度對試驗(yàn)件硬度的影響規(guī)律,熱處理流程如圖3(a)所示。此外,考慮到感應(yīng)加熱過程中存在的集膚效應(yīng)和端部效應(yīng),分別設(shè)計(jì)兩段式加熱和兩段式加熱+移動補(bǔ)溫感應(yīng)回火法,研究工藝過程對感應(yīng)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(shí)間以降低心表溫差,然后升至最終感應(yīng)回火溫度進(jìn)行熱處理,整個(gè)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(bǔ)溫感應(yīng)回火法是指在兩段式加熱結(jié)束后將感應(yīng)器移動至溫度較低的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)溫的方法。

圖3 30CrMnSiNi2A鋼感應(yīng)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(yàn)件沿直徑進(jìn)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(qū)域硬度測量的精確性,對每個(gè)切割后的試樣塊進(jìn)行鑲嵌。然后使用240～3000號金相砂紙進(jìn)行打磨,再使用金剛石拋光膏進(jìn)行機(jī)械拋光,洗凈并吹干后利用HR-150A洛氏硬度計(jì)按照圖1(b)所示位置進(jìn)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(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》進(jìn)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(jīng)打磨、拋光、洗凈后再使用3%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕,然后利用光學(xué)顯微鏡和蔡司Sigma 300掃描電鏡對微觀組織形貌進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 預(yù)處理后的顯微組織與硬度

30CrMnSiNi2A鋼經(jīng)等溫淬火+低溫回火和真空油淬+低溫回火預(yù)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(yàn)件的硬度比真空油淬+低溫回火試驗(yàn)件的硬度低約2 HRC,這主要是由于等溫淬火后試驗(yàn)件內(nèi)部部分殘留奧氏體轉(zhuǎn)化為下貝氏體而非馬氏體,導(dǎo)致等溫淬火后試驗(yàn)件內(nèi)部的馬氏體體積分?jǐn)?shù)小于真空油淬后的馬氏體體積分?jǐn)?shù),最終表現(xiàn)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(yù)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(jīng)等溫淬火+低溫回火和真空油淬+低溫回火預(yù)處理后的顯微組織圖。對比圖5(a, c)可知,兩種預(yù)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(yàn)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(yàn)件內(nèi)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(jù)其內(nèi)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(nèi)與主軸呈55°～60°角排列)。張百偉等[11]的研究也發(fā)現(xiàn),30CrMnSiNi2A鋼在馬氏體區(qū)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(yàn)件的組織主要為板條馬氏體,與楊平等[12]的研究結(jié)果一致。因此可得30CrMnSiNi2A鋼經(jīng)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(jīng)真空油淬+低溫回火的組織為回火馬氏體。

2.2 單段式感應(yīng)回火溫度對硬度的影響

局部感應(yīng)回火的目標(biāo)是將螺紋部分的硬度值進(jìn)一步降低至35～41 HRC。圖6為30CrMnSiNi2A鋼試驗(yàn)件分別經(jīng)過580、600和620 ℃單段式感應(yīng)回火后的硬度測試結(jié)果?？梢钥闯?單段式感應(yīng)回火后試驗(yàn)件的硬度分布并不均勻,試驗(yàn)件的硬度呈現(xiàn)出表面軟而心部硬以及中間軟而端部硬的特征。這一現(xiàn)象說明單段式感應(yīng)回火過程中溫度場的分布不均勻,主要是由于感應(yīng)加熱過程中集膚效應(yīng)和端部效應(yīng)所致。此外,試驗(yàn)件的硬度隨著感應(yīng)回火溫度的升高而降低,感應(yīng)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(yàn)件的硬度比等溫淬火+低溫回火試驗(yàn)件的硬度高2 HRC左右。此外,由于紅外溫度測量點(diǎn)位于試樣回火區(qū)中部表面位置(如圖6中方框位置),因此可以將此位置感應(yīng)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(jìn)行對比,進(jìn)而確定最佳局部感應(yīng)回火溫度。等溫淬火+低溫回火試驗(yàn)件,580 ℃單段式感應(yīng)回火后的硬度趨近于硬度要求的上限(41 HRC),而620 ℃感應(yīng)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(yàn)件,580 ℃感應(yīng)回火后的硬度超過了硬度要求的上限,620 ℃感應(yīng)回火后的硬度趨近于硬度要求的上限。因此基于以上結(jié)果可知,30CrMnSiNi2A鋼螺紋試驗(yàn)件經(jīng)過等溫淬火+低溫回火后最佳的局部感應(yīng)回火溫度為600 ℃,經(jīng)過真空油淬+低溫回火后最佳的局部感應(yīng)回火溫度為620 ℃。

圖6 30CrMnSiNi2A鋼經(jīng)單段式感應(yīng)回火后的硬度預(yù)處理:(a～c)等溫淬火+低溫回火;(d～f)真空油淬+低溫回火感應(yīng)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(yàn)件硬度的影響

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

2.4 兩段式加熱+移動補(bǔ)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?yōu)閮啥问降募訜岱绞胶?30CrMnSiNi2A鋼經(jīng)過感應(yīng)回火后心表硬度梯度已經(jīng)基本消除,但是在軸向方向還存在硬度梯度,即試驗(yàn)件在靠近光桿的回火區(qū)根部和回火區(qū)頭部區(qū)域硬度值偏高,回火還不充分,這是由感應(yīng)加熱過程中的端部效應(yīng)所導(dǎo)致的。考慮將初始升溫階段感應(yīng)器的位置向下移動至回火區(qū)的根部位置,打開冷卻水控制過渡區(qū)溫度,兩段加熱完成后將感應(yīng)器移動至回火區(qū)頭部進(jìn)行補(bǔ)溫,在此熱處理過程中工件與感應(yīng)器的相對位置的變化如圖8所示。圖9為30CrMnSiNi2A鋼經(jīng)最佳的兩段式感應(yīng)回火后分別補(bǔ)溫6、8、10 s后的硬度分布結(jié)果。從圖9可以看出,試驗(yàn)件頭部的硬度隨補(bǔ)溫時(shí)間的延長而降低,補(bǔ)溫時(shí)間為8 s時(shí),試驗(yàn)件整體的硬度最為均勻。對補(bǔ)溫8 s的試驗(yàn)件進(jìn)行顯微組織觀察,結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出,30CrMnSiNi2A鋼經(jīng)預(yù)處理+兩段式感應(yīng)回火+移動補(bǔ)溫工藝感應(yīng)回火后,回火區(qū)內(nèi)各位置的組織幾乎沒有差異,表明兩段式加熱+移動補(bǔ)溫8 s可以保證回火區(qū)內(nèi)組織和性能的均勻性。此外,對比不同預(yù)處理試驗(yàn)件的顯微組織可知,等溫淬火+低溫回火試驗(yàn)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(yàn)件的顯微組織為回火索氏體。兩種試驗(yàn)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(xiàn)等軸狀。

圖8 兩段式加熱+移動補(bǔ)溫感應(yīng)回火時(shí)試驗(yàn)件與感應(yīng)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(jīng)兩段式感應(yīng)回火+移動補(bǔ)溫后的硬度預(yù)處理:(a～c)等溫淬火+低溫回火;(d～f)真空油淬+低溫回火 補(bǔ)溫時(shí)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(jīng)兩段式感應(yīng)回火+移動補(bǔ)溫8 s后的顯微組織預(yù)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(qū)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(jié)論

1) 30CrMnSiNi2A鋼螺紋試驗(yàn)件經(jīng)等溫淬火+低溫回火和真空淬火+低溫回火預(yù)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(yàn)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(yàn)件低約2 HRC。

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

3) 采用兩段式感應(yīng)回火可以明顯消除感應(yīng)加熱過程中集膚效應(yīng)所導(dǎo)致的表里溫差,對端部進(jìn)行移動補(bǔ)溫可以明顯消除感應(yīng)加熱過程中的端部效應(yīng)所導(dǎo)致的軸向溫差。當(dāng)兩段式感應(yīng)回火的均溫時(shí)間為3 s,移動補(bǔ)溫時(shí)間為8 s時(shí),30CrMnSiNi2A鋼試驗(yàn)件螺紋部分的硬度約為37 HRC,硬度分布最均勻且達(dá)到硬度要求的范圍內(nèi),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。