超高強(qiáng)度鋼高頻感應(yīng)替代鉛浴局部回火工藝研究

張海盟，吳 寧，郭從軍，萬里鵬，周玉成

（航空工業(yè)洪都，江西南昌，330024）

0 引言

機(jī)身和起落架等部件的連接緊固零件作用十分關(guān)鍵，是重要受力件，一般采用超高強(qiáng)度鋼制造，如30CrMnSiNi2A、300M 等。

超高強(qiáng)度鋼具有高的強(qiáng)度和良好的綜合性能，但超高強(qiáng)度鋼的缺口敏感性也較高，所以用超高強(qiáng)度鋼制造零件時(shí)通常采用有針對(duì)性的熱處理工藝來盡力消除缺口應(yīng)力集中帶來的不良影響和性能下降。對(duì)30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼螺栓類制件的螺紋和退刀槽等應(yīng)力集中部位，通常采用局部回火工藝來降低應(yīng)力集中系數(shù)以提高螺栓的疲勞強(qiáng)度和使用壽命。

目前對(duì)超高強(qiáng)度鋼制螺栓的局部回火均采用鉛浴加熱工藝，該工藝是傳統(tǒng)的局部回火處理工藝，其特點(diǎn)是溫度比較穩(wěn)定。鉛浴回火操作過程主要憑借操作者的經(jīng)驗(yàn)來掌握，用肉眼來觀察判斷制件回火浸入的部位，技術(shù)落后，誤差較大，工藝重復(fù)性和一致性較差，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，返修率較高；特別是鉛液毒害性大，不但嚴(yán)重污染環(huán)境，對(duì)操作者的人身健康也會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p害，是明令淘汰的落后工藝。

本研究以局部回火的30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼制零件為對(duì)象，參照現(xiàn)行的鉛浴回火工藝的相關(guān)技術(shù)要求，對(duì)感應(yīng)加熱熱處理的設(shè)備、工藝等進(jìn)行摸索，獲得符合設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)所要求的硬度、顯微組織及性能，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱局部回火工藝對(duì)現(xiàn)有的鉛浴局部回火工藝的替代。

1 研究方案及設(shè)備

1.1 研究內(nèi)容

1）設(shè)計(jì)制造適合所選定零件感應(yīng)加熱的感應(yīng)線圈；

2）感應(yīng)回火溫度測試試驗(yàn)；

3）感應(yīng)回火加熱時(shí)間選擇試驗(yàn)；

4）感應(yīng)回火工藝穩(wěn)定性試驗(yàn)；

5）鉛浴回火及高頻感應(yīng)回火試樣硬度分布曲線測試；

6）回火的溫度測量和參數(shù)調(diào)整對(duì)溫度影響規(guī)律研究；

7）加熱保持時(shí)間對(duì)溫度和硬度影響規(guī)律；8）感應(yīng)回火工藝試樣硬度、金相分析。

1.2 總體研究方案

所選立軸是比較重要的一個(gè)零件，經(jīng)過局部回火后的立軸零件有著十分嚴(yán)格的檢驗(yàn)要求，一般是通過對(duì)回火區(qū)域、過渡區(qū)域和非回火區(qū)域表面洛氏硬度(HRC)進(jìn)行檢驗(yàn)來控制局部回火質(zhì)量。本次內(nèi)容的這種典型件檢驗(yàn)部位及硬度要求見圖1。

圖1 典型件局部回火后的硬度指標(biāo)要求（單位：mm）

由于生產(chǎn)現(xiàn)場目前采用鉛浴回火工藝對(duì)螺栓進(jìn)行局部回火處理能夠滿足技術(shù)指標(biāo)和使用要求，因此改用感應(yīng)回火工藝的基本原則是，感應(yīng)回火處理后螺栓的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到鉛浴回火的技術(shù)指標(biāo)要求。故應(yīng)首先采用現(xiàn)行鉛浴回火工藝對(duì)螺栓試樣進(jìn)行回火處理并進(jìn)行硬度分布測試，然后進(jìn)行模擬件的感應(yīng)回火工藝研究，確定最佳參數(shù)，完成典型件工藝驗(yàn)證和偏斜拉伸性能測試?？傮w方案圖見圖2。

1.2.1 感應(yīng)設(shè)備

感應(yīng)熱處理設(shè)備采用外委形式進(jìn)行。在標(biāo)準(zhǔn)的感應(yīng)熱處理設(shè)備上設(shè)計(jì)一套溫度控制系統(tǒng)，在處理過程中會(huì)通過實(shí)時(shí)檢測反饋的信號(hào)對(duì)離子電源輸出參數(shù)（電流、頻率）進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，以確保溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)備

感應(yīng)局部回火設(shè)備由電源和多功能機(jī)床兩個(gè)主要部分組成。電源型號(hào)為TIV2-D，采用的是第四代技術(shù)，即數(shù)字化的IGBT晶體管逆變變頻技術(shù)。

機(jī)床采用的是TAURUS型立式感應(yīng)淬火機(jī)床。

1.2.3 感應(yīng)線圈的設(shè)計(jì)及制造

感應(yīng)線圈的設(shè)計(jì)必須依據(jù)具體加熱位置的外型尺寸和技術(shù)要求進(jìn)行定制，本次試驗(yàn)立軸零件為桿狀，外形規(guī)則，因此感應(yīng)器的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)很成熟，形狀為環(huán)形。因此設(shè)計(jì)主要圍繞感應(yīng)器厚度、內(nèi)徑進(jìn)行，外協(xié)廠家給出了設(shè)計(jì)方案，并制造出感應(yīng)器。

1.2.4 加熱速率

感應(yīng)加熱的速度很快，因此要保證設(shè)定點(diǎn)溫度的穩(wěn)定性，必須控制升溫段的速率，設(shè)定點(diǎn)550℃時(shí)，升溫時(shí)間應(yīng)不低于15s。

1.2.5 溫度測量點(diǎn)的表面狀態(tài)

表面狀態(tài)主要指表面的粗糙度、油污情況。粗糙度的影響從溫度曲線上來看并無規(guī)律，但是在批生產(chǎn)的階段可能會(huì)造成影響，應(yīng)給予注意，如果存在氧化皮，應(yīng)進(jìn)行打磨去除；油污在加熱過程中會(huì)蒸發(fā)，對(duì)溫度測量有一定的影響，應(yīng)在加熱前對(duì)試樣進(jìn)行仔細(xì)的清洗。

圖2 總體方案設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 感應(yīng)回火工藝試驗(yàn)

溫度和保溫時(shí)間的影響

不同溫度和保溫時(shí)間試樣過渡區(qū)和螺紋端頭硬度的結(jié)果見表1。

由表1的數(shù)據(jù)可得到以下的規(guī)律：

1）溫度會(huì)影響螺紋端頭的硬度，溫度越高，端頭的硬度越低；

表1 不同溫度和保溫時(shí)間對(duì)M16試樣硬度的影響

2）溫度會(huì)影響過渡區(qū)硬度，溫度越高，過渡區(qū)硬度相應(yīng)降低的趨勢增大；

3）同一溫度下，保溫時(shí)間（≤30s）對(duì)端頭的硬度影響較??；

4）保溫時(shí)間長，過渡區(qū)硬度有降低的趨勢，但是短時(shí)間內(nèi)并不明顯。

綜合以上分析，M16規(guī)格試樣的感應(yīng)局部處理工藝參數(shù)制訂如下：

M16規(guī)格：升溫時(shí)間不低于15s，保溫溫度525℃～575℃，保溫時(shí)間 15s～25s，水冷；

2.2 工藝穩(wěn)定性試驗(yàn)

對(duì)立軸零件選取5根螺紋模擬件進(jìn)行工藝穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2，滿足圖紙中的技術(shù)指標(biāo)。

表2 感應(yīng)局部回火工藝穩(wěn)定性試驗(yàn)

3 力學(xué)性能及金相分析

3.1 力學(xué)性能元件試驗(yàn)結(jié)果

圖3 力學(xué)性能元件實(shí)物

在帶螺紋模擬件試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，為了檢驗(yàn)驗(yàn)證高頻感應(yīng)加熱局部回火的力學(xué)性能，開展了力學(xué)性能元件的高頻感應(yīng)加熱局部回火工藝試驗(yàn)，力學(xué)性能元件實(shí)物見圖3。

與工藝試驗(yàn)用模擬元件的工藝試驗(yàn)思路相同，對(duì)力學(xué)性能元件分別采用鉛浴回火工藝和高頻回火工藝對(duì)試樣兩端螺紋部位進(jìn)行了局部回火處理。

對(duì)經(jīng)鉛浴工藝和高頻工藝局部回火處理的力學(xué)性能試樣分別進(jìn)行了靜力拉伸性能測試，以進(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比。

采用MTS880電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)，量程：±500kN，靜載誤差：±0.5%，動(dòng)載誤差小于±2%。溫度：23±2℃；相對(duì)濕度：(50±10)%。試樣在該環(huán)境下存放超過24小時(shí)。

按照金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法要求，對(duì)兩種處理工藝的力學(xué)性能試樣進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)，分別為0°拉伸、偏斜4°拉伸、偏斜8°拉伸試驗(yàn)。每組試驗(yàn)中取3～5個(gè)試樣，加載速率為2mm/min，記錄斷裂的最終破壞載荷。

靜力拉伸載荷下，試樣最終破壞載荷及計(jì)算得到的組內(nèi)平均破壞載荷見表3。

由表3的力學(xué)性能結(jié)果可知：

1）M16規(guī)格立軸在經(jīng)過兩種局部回火方式處理后都能降低試樣的缺口敏感性，在4°和8°偏斜的條件下強(qiáng)度不會(huì)降低；

2）高頻感應(yīng)處理的試樣與鉛浴處理試樣的偏斜拉伸性能相當(dāng)，在數(shù)據(jù)分散性上高頻感應(yīng)處理的試樣好于鉛浴處理試樣。

3.2 典型零件局部回火試驗(yàn)與結(jié)果

工藝研究試樣性能試驗(yàn)完成后，進(jìn)行了典型零件的高頻感應(yīng)加熱局部回火工藝驗(yàn)證試驗(yàn)。

應(yīng)用高頻感應(yīng)加熱工藝分別對(duì)試樣的兩端進(jìn)行了局部回火處理，典型件的處理工藝如下：

M16規(guī)格：升溫時(shí)間20s，保溫溫度550℃，保溫時(shí)間20s，水冷；

3.3 典型件顯微硬度

對(duì)經(jīng)高頻工藝局部回火的典型件沿軸向截面剖開，進(jìn)行鑲嵌、打磨、拋光處理，分別沿軸向、過渡區(qū)域徑向和螺紋中部區(qū)域徑向?qū)Φ湫图M(jìn)行顯微硬度測量，并與鉛浴處理試樣進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見圖4。

表3 靜力拉伸強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 M16規(guī)格典型件高頻感應(yīng)與鉛浴處理的典型件剖面不同區(qū)域的顯微硬度曲線

由圖4可以得到以下結(jié)論：

M16規(guī)格立軸制件的硬度梯度一致性較好。

3.4 金相組織

典型件金相組織見圖5，金相組織區(qū)別不是特別明顯。

3.5 典型件的驗(yàn)證

圖5 M16規(guī)格制件回火區(qū)組織

高頻感應(yīng)螺紋部分局部回火處理后抽取3件進(jìn)行工藝驗(yàn)證。驗(yàn)證在車間檢驗(yàn)組進(jìn)行，砂光后，經(jīng)檢驗(yàn)人員現(xiàn)場測試硬度，洛氏硬度計(jì)型號(hào):HR-150A,3件典型件硬度均符合設(shè)計(jì)和工藝要求，檢驗(yàn)開出典型件合格證。驗(yàn)證試驗(yàn)完成。驗(yàn)證結(jié)果表明高頻局部回火后的硬度達(dá)到了與鉛浴回火后相當(dāng)?shù)挠捕纫蟆?/p>

4 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)制造的高頻感應(yīng)局部回火控溫系統(tǒng)，具有高速紅外測溫及反饋控制輸出功能，采用電腦編程和控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超高強(qiáng)度鋼螺栓制件局部回火過程溫度的自動(dòng)控制。工藝運(yùn)行可靠，溫度工藝參數(shù)控制較為穩(wěn)定。

2）對(duì)于本項(xiàng)目研制的M16規(guī)格30CrMnSiNi2A鋼制螺栓典型件，推薦的高頻感應(yīng)局部回火的熱處理制度為：

M16規(guī)格：升溫時(shí)間20s，保溫溫度550℃，保溫時(shí)間20s，水冷；

3）30CrMnSiNi2A鋼制力學(xué)性能件經(jīng)過高頻處理和鉛浴處理后，對(duì)其偏斜拉伸性能、剖樣硬度梯度、金相組織進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明，經(jīng)過高頻感應(yīng)加熱局部回火處理的試樣的性能與鉛浴局部回火處理的試樣相當(dāng)。