槍械產(chǎn)品活塞類零件熱處理工藝

雷 敬，彭 欣，饒 勇

(1.重慶軍代局 駐296 廠軍代室，重慶 400054;2.重慶建設(shè)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 400054)

1 概述

活塞是5. 8 系列輕武器上的核心零件(圖1)，材料30CrMnMoTiA 鋼，重約36. 8 g，變形量要求同軸度≤0. 04 mm，熱處理硬度45HRC ～51HRC 。長期以來受熱處理淬火變形影響，零件加工工藝流程長，制造成本較高。隨著5.8系列產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，必須提高活塞熱處理質(zhì)量的穩(wěn)定性，為此我們對活塞進(jìn)行了立項攻關(guān)。經(jīng)對零件結(jié)構(gòu)要求分析發(fā)現(xiàn)，減少熱處理變形量、控制零件硬度均勻性是簡化工藝流程，提高活塞加工質(zhì)量、降低制造成本的關(guān)鍵。

2 活塞工藝流程現(xiàn)狀及出現(xiàn)的問題

活塞原工藝流程:下料→機(jī)加工→P80 底裝料爐整體加熱→油淬火→回火→校正→機(jī)加工→精磨外圓→鍍鉻→預(yù)氧化→黑色磷化。

圖1 活塞零件圖

活塞進(jìn)入熱處理廠后，通過如圖2 所示的熱處理工藝進(jìn)行處理。

經(jīng)P80 底裝料爐油淬火后，存在以下3 個問題:活塞桿部變形超差，不合格活塞只能通過校正盡量挽救;頭部尺寸硬度偏高，機(jī)加困難，另在精磨外圓時，精磨機(jī)磨損嚴(yán)重，磨后尺寸精度也低，影響成槍使用壽命;熱處理淬火變形造成工藝流程長，制造成本較高。

圖2 活塞原熱處理工藝

3 淬火變形原因分析

3.1 熱處理變形原因分析

3.1.1 熱應(yīng)力造成的變形趨勢

由于淬火入油時溫度較高，工件在冷卻時，表層比心部冷卻快些，在截面上存在一定的溫差，由于溫度較低的表面將首先收縮，而溫度較高的心部此時尚未收縮，或收縮較少，因此表面的收縮就要受到心部的牽引，從而產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。這樣表層受拉應(yīng)力，心部受壓應(yīng)力，心部在壓應(yīng)力作用下就會在軸向產(chǎn)生塑性壓縮，使截面直徑變粗，繼續(xù)冷卻，心部還要繼續(xù)冷縮，這時整個圓柱體的高度進(jìn)一步變小，直到心部冷到室溫為止，最后再熱應(yīng)力作用下，就會變成腰鼓形狀。

3.1.2 組織應(yīng)力變形趨勢

經(jīng)奧氏體化得鋼件在淬火冷卻時，由于表層冷卻較快，其溫度先降到Ms 點(diǎn)，并發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，而馬氏體的比容比奧氏體大，故表層產(chǎn)生膨脹;但溫度較高的心部此時尚未發(fā)生轉(zhuǎn)變，這樣表層的膨脹就會受到心部的牽制，其結(jié)果也會在工件中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。組織應(yīng)力造成的變形趨向恰好與熱應(yīng)力相反。它表現(xiàn)為工件沿最大尺寸方向伸長，沿最小尺寸方向收縮，力圖使工件棱角突出，平面內(nèi)凹，其外形就像一個承受外壓的真空容器一樣。

3.1.3 比容差效應(yīng)造成的變形趨勢

有組織轉(zhuǎn)變引起的比容變化，一般總是使工件的體積在各個方向上做均勻的脹大或縮小。如果熱處理后組織中馬氏體量越多，或者馬氏體中碳含量越高，則其體積脹大就越多;而如果殘余奧氏體量越多，則體積脹大就越少因此熱處理時可以通過控制馬氏體與參與奧氏體的相對量來控制其體積變化。如果控制得當(dāng)，則可使體積既不脹大，也不縮小。

由熱處理工藝和熱處理內(nèi)應(yīng)力造成變形趨勢綜合分析可見，淬火加熱入油溫度高，使熱應(yīng)力增大，由于淬透性增加，也使組織應(yīng)力增大，故將導(dǎo)致變形增大。油冷卻速度較大，使淬火內(nèi)應(yīng)力變大，淬火變形也增大。

3.2 活塞環(huán)槽部位淬火硬度偏高原因分析

該零件采用的材料(30CrMnMoTiA)合金含量比較高，淬透性較強(qiáng)，在880℃左右，合金元素充分融入奧氏體中，再加上采用淬火油冷卻，零件金相組織基本全部由奧氏體轉(zhuǎn)變成了馬氏體組織，而馬氏體組織硬度較高，淬火后硬度為47-51HRC，硬度偏高，造成機(jī)械加工困難，刀具成本居高不下。

3.3 工藝流程長原因分析

如果解決了熱處理淬火變形和硬度偏高的問題，該零件的加工工藝流程就可以縮短如下。

活塞改進(jìn)工藝流程:

下料→機(jī)加工→P80 底裝料爐整體加熱→等溫淬火→回火→精磨環(huán)槽外圓→鍍鉻→預(yù)氧化→黑色磷化。

4 采取措施及效果驗證

經(jīng)攻關(guān)小組研究從以下2 個方面來減少熱處理淬火變形。并優(yōu)化了熱處理工藝如圖3，具體分析如下。

4.1 馬氏體等溫淬火控制淬火變形

馬氏體等溫淬火是將加熱好的工件置于溫度稍低于Ms的淬火介質(zhì)中保持一定時間，使鋼發(fā)生部分的馬氏體轉(zhuǎn)變，然后取出空冷。由于其淬火介質(zhì)的溫度比分級淬火的介質(zhì)溫度低，可增大工件的冷卻速度，使之不易發(fā)生珠光體型轉(zhuǎn)變;由此，由于形成的部分馬氏體組織在隨后的保溫過程中轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，使產(chǎn)生的組織應(yīng)力減小，同時在等溫過程中，使工件各部分的溫度基本趨于一致，且隨后空冷時，冷卻緩慢，繼續(xù)形成的馬氏體量又不多，其所引起的組織應(yīng)力也不會很大，故變形傾向較小。

圖3 活塞優(yōu)化后熱處理工藝

4.2 降溫淬火(預(yù)冷淬火)控制淬火變形

降溫淬火是將工件加熱至完全奧氏體化后，使工件隨爐降溫，溫度降到臨界淬火溫度以上20 ～30℃，再置于淬火介質(zhì)中進(jìn)行冷卻。預(yù)冷可以減小工件在隨后快冷時各處(薄處與厚處，火表面與心部)之間的溫度差，從而降低淬火變形的傾向。

對工藝優(yōu)化后處理的活塞變形量、硬度和金相組織與原工藝處理后對比，如表1 所示。

采用4%硝酸酒精腐蝕后，可以觀察到2 種工藝熱處理后金相組織的差異，如圖4、圖5 所示。

表1 30CrMnMoTiA 鋼活塞經(jīng)不同工藝方法處理后的變形量、組織和硬度對比

圖4 原工藝熱處理金相組織500 ×

圖5 新工藝熱處理金相組織500 ×

由對比可見，活塞采用優(yōu)化的熱處理工藝后，硬度偏產(chǎn)品要求下限，便于加工，同時淬火后的回火溫度還是采用低溫回火，不至于產(chǎn)生第一類回火脆性。淬火后的變形量及活塞環(huán)槽和桿部同軸度滿足技術(shù)要求，不需要進(jìn)行校正，可以縮短工藝流程。現(xiàn)在工藝流程已經(jīng)更改:下料→機(jī)加工→P80 底裝料爐整體加熱→等溫淬火→回火→精磨環(huán)槽外圓→鍍鉻→預(yù)氧化→黑色磷化?；钊捎脙?yōu)化后工藝流程已經(jīng)批量加工了上萬件，質(zhì)量穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

通過工藝改進(jìn)，不僅滿足產(chǎn)品硬度要求，同時零件熱處理變形有效地得到控制，后續(xù)無需再對活塞桿部進(jìn)行機(jī)械加工，減少工序。另外使零件硬度控制在中下限，有利于加工，同時回火溫度也不在30CrMnMoTiA 材料第一類回火脆性范圍內(nèi)。徹底解決了問題，縮短了生產(chǎn)周期，降低了制造成本。

［1］胡光立，謝希文.鋼的熱處理［M］.2 版.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

［2］徐祖耀. 馬氏體相變與馬氏體［M］. 北京: 科學(xué)出版社，1980.

［3］上海交通大學(xué). 金相分析［M］. 北京: 國防工業(yè)出版社，1980.

［4］云旭.鋼的等溫處理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

［5］董小虹，王桂茂. 國產(chǎn)底裝料立式多用爐試驗研究［C］//第四屆中國熱處理活動周暨第九屆江蘇熱處理年會論文集，2005.