大型環形薄壁鍛件調質工藝研究

1、序言

大型鍛件的調質處理往往比小鍛件的熱處理更加困難，某大型環形薄壁鍛件尾環殼體（以下簡稱 “工件”）是固體火箭發動機上的核心零件。在發動機運行過程中，工件一方面要支撐擴張段絕熱層，增加其強度；另一方面，對于柔性噴管，其擺動時殼體大端還要承受伺服作動器作用的集中力。同時，其剛度還要滿足伺服作動器的控制精度。該工件直徑較大，厚度較薄，調質過程中易變形，且變形后無法進行校正。另外，其硬度要求較高，且不允許多次淬火。本文從熱處理工藝、工裝設計和生產過程三個方面進行探討，從工藝和工裝適用性方面，來提高工件的整體質量。

2、工件介紹

工件材質為 30CrMnSiA 鋼，最大直徑為 1630mm，高為 230mm，壁厚約 25mm。

技術要求：硬度 33~38HRC。

變形要求：翹曲變形不得超過 3.28mm。

表面質量：不允許存在麻點、裂紋等缺陷。

30CrMnSiA 鋼的化學成分見表 1。

表 1 30CrMnSiA 鋼的化學成分（質量分數 %）

3、工藝制定

大型鍛件的調質多數情況下是作為最終熱處理，賦予大型鍛件的最終性能。因此，對其進行熱處理必須嚴謹，大鍛件的內部存在較多缺陷，鍛件的尺寸和重量越大，合金成分越多，缺陷問題就越嚴重。本文所討論的就是關于 30CrMnSiA 鋼的大型環形鍛件的調質處理。

3.1 淬火工藝

（1）淬火溫度：與小鍛件相比，大型鍛件熱處理過程中更容易出現問題，其內部存在較多的冶金缺陷，對于整只鋼錠鍛造成的鍛件，加熱時往往采用規定溫度的上限 [1]。

（2）加熱方式：在大型鍛件進行熱處理時，對其有效截面尺寸進行計算分析，控制好裝爐溫度和加熱速度。通常對于有效截面尺寸小的鍛件，裝爐時不限制升溫速度。對于合金元素含量高的鍛件，必須選擇階梯加熱的方式。按照常規熱處理經驗，選定 650℃為中間均溫溫度。

（3）均溫與保溫：當儀表到達工藝溫度時，就意味著均溫開始。一般均溫時間選擇 1~1.5 倍保溫時間。保溫時間的選取則按照工件的有效截面尺寸來確定，保溫時間一般按 0.8~1.0h/100mm 選取。中高合金鋼取上限，低合金鋼取下限。該工件淬火工藝的淬火溫度階段的保溫時間為 1~1.5h。

（4）淬火冷卻：大型鍛件淬火時，首先最關鍵在于冷卻速度，其次是終冷溫度 [2]。對于合金鋼鍛件，一般選擇油淬，鍛件在油中冷卻速度比在水中小，因此工件內外溫差小，可顯著減小工件開裂和變形的傾向。淬火冷卻時間很大程度上決定了工件的熱處理效果，若時間過短，則工件性能達不到所需要求；若時間過長，終冷溫度過低，則會加大工件淬裂的危險性 [3]。終冷溫度與工件的內在質量有關，為此選取 50~80℃為終冷溫度。

基于以上分析，該工件最終淬火工藝相關參數為 900±10℃油淬，經歷升溫均溫、升溫、保溫階段，保溫時間 1~1.5h。

3.2 回火工藝

大型鍛件淬火后應及時回火，防止工件開裂，原則是不超過 2h。淬火后回火是為了獲得最終力學性能，并消除內應力，獲得穩定的回火組織 [4]，以達到工件的技術要求。

（1）回火溫度選擇：大型鍛件的回火溫度依照組織、性能的要求確定，可以進行工藝試驗再確定回火溫度。

（2）回火均溫、保溫時間：大型鍛件回火時，應依據工件形狀的復雜程度來控制升溫速度，有時為了防止工件中缺陷擴大，在 350℃保持一定的時間，然后再升高到工件回火溫度 [5]。工件回火保溫時間一般是與工件有效截面有關，在 300~600℃回火時，空氣爐中的保溫時間為 40~60min 加上最大厚度乘以 2~3min/mm。該工件回火工藝的總保溫時間為均溫時間加上保溫時間，共 4~6h。

（3）回火冷卻：對于 30CrMnSiA 鋼，回火冷卻選用水冷或油冷均可。通常冷卻速度為：水冷 > 油冷 > 空冷 > 爐冷，隨著冷卻速度的增大，洛氏硬度逐漸增大，沖擊韌度逐漸提高。為獲得較高硬度，回火采用水冷方式。

該工件最終回火工藝相關參數為 500~520℃水冷，經歷升溫、保溫階段，保溫時間 4~6h。

3.3 爐型的選擇

根據工藝要求及工件尺寸大小，選擇型號為 RT3-265-10 的全纖維臺車爐，該設備為 Ⅲ 類爐，額定溫度為 1000℃，額定功率為 265kW，有效尺寸為 2200mm×1800mm×900mm，能夠滿足工藝的溫度范圍要求及工件的尺寸要求。

4、工裝設計

4.1 外形設計

由于工件呈環形，在高溫起吊過程中，受到不均勻的力會導致工件嚴重變形，因此在設計工裝時，就設計成一個頂端起吊結構形式。

工裝由上圓板、下圓板和鋼管焊接而成，頂端的圓板用于起吊。該外形工裝能夠對工件起全支撐作用，以保證工件在高溫起吊過程中均勻受力，從而降低工件的變形量。另外，在起吊工件時，鋼管焊接部分能夠對工件起到固定作用，保證工裝使用的安全性。

4.2 強度計算

設計的工裝要進行強度計算，避免在高溫起吊過程中，工裝因受力過大失效，而造成人員傷亡。

對工裝進行有限元分析，邊界條件設置為工裝上表面起固定支撐，按照所承受工件重力，對工裝下圓板上表面施加 2600N 的力，環境溫度按照工件淬火溫度設置，為 900℃。

經過有限元分析計算，工裝上圓板受力較小，工裝下圓板受力較大，若在下圓板受力最大位置放置工件，則其變形量會達到 10.16mm，但工裝是均勻變形，高溫起吊過程中仍然能夠對工件起到均勻支撐的作用，因此工件的外形設計合格。要使工裝變形量減小，只需更換材料，將普通碳素鋼更換成耐高溫材料，或增大下圓盤厚度，這些都能改善工裝在起吊過程中的變形問題，并延長工裝的使用壽命。

在后續的使用過程中，逐漸對工裝進行改進，在工裝下圓盤上表面焊接相同尺寸的鐵棒，在淬火時，讓工件的底面能夠接觸到淬火冷卻介質，并添加不同尺寸的楔鐵作為調整工具，以延長工裝的使用壽命。

5、工件熱處理

5.1 生產操作

首先進行來件檢測，檢查工件表面是否有裂紋等明顯缺陷，檢查是否存在尖角。

將工件放置在專用工裝上，注意工件需平穩放置，工件底面需全接觸工裝，無接觸部分采用楔鐵墊平。工件和工裝一起進爐加熱，工裝在爐內也需放置平穩。起吊時需平穩升起，快速進入油槽淬火，注意冷卻時間，終冷溫度控制在 50~80℃，淬火后需進行硬度檢測，為回火溫度的選擇提供數據，淬火完成后應及時回火。

5.2 檢測結果

采用此工藝和工裝，調質完成 6 件工件，依次對其進行硬度和翹曲變形檢測，并對同爐試樣采用光學顯微鏡進行金相分析。硬度檢測淬火硬度和回火硬度，檢測設備使用便攜式硬度計，檢測點位為圓周方向 90°，間隔檢測小端 A 面和大端 B 面共 4 點；變形檢測工件小端 A 面、大端 B 面及內錐面 C 面，每面檢測 8 個點位，沿圓周方向均勻分布。

30CrMnSiA 鋼經 900℃淬火和 500~520℃回火后的金相組織均勻。

硬度和翹曲變形檢測數據統計分別見表 2 和表 3。

表 2 硬度檢測數據統計（HRC）

表 3 翹曲變形檢測數據統計（mm）

由表 2 可知，A 面淬火和回火后硬度普遍高于 B 面，且回火后所有工件硬度均控制在 35~38HRC，滿足工件 33~38HRC 的要求。

由表 3 可知，3# 工件 B 面的第 5 點變形量最大，達到 3mm，在要求的 3.28mm 范圍內。

從金相組織可看出，經 900℃淬火和 500~520℃回火后的金相檢測組織為均勻的回火索氏體。

6、結束語

1）大型環形鍛件在熱處理過程中極容易變形，且有效壁厚越薄，變形量越大。淬火時采用階梯式升溫的方法可有效減小熱應力。

2）裝爐方式對工件的變形量有較大影響，因此裝爐時應注意工件或工裝是否能夠全面接觸熱處理爐支撐平臺，保證加熱時受力均勻。

3）工件在淬火起吊時需平穩，保證起吊過程受力均勻，淬火時控制好油淬時間，掌握終冷溫度，淬火后還需檢測淬火硬度，且淬火后盡快開始回火。

參考文獻

[1] 耿學明，黎定旺。大型鍛件的調質熱處理實踐 [J]. 金屬加工 (熱加工),2010 (5):40 - 41,45.

[2] 李曉宏，楊迪，黃守己。大型環類鍛件調質處理 [J]. 大型鑄鍛件，2018 (2):26 - 27,35.

[3] 沈黃富。關于大型鍛件調質熱工藝的探討 [J]. 金屬熱處理，1982 (8):27 - 33.

[4] 齊加勝。淬回火對 30CrMnSiA 高強鋼組織與力學性能的影響 [J]. 熱加工工藝，2022,51 (24):125 - 128.

[5] 吳子愷，陳偉，周海銘，等。回火溫度對 30CrMnSiA 鋼力學性能的影響 [J]. 金屬熱處理，2019,44 (4):163 - 167.

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