大型環(huán)焊件表面感應(yīng)淬火工藝技術(shù)研究

張 虎，張明慶

（武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院，湖北 武漢430205）

武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司某大型環(huán)形焊接件（轉(zhuǎn)環(huán)）屬某航空航天關(guān)鍵焊接設(shè)備上的關(guān)鍵零件，主要起連接、回轉(zhuǎn)與支承作用，具有很高的剛性要求，在受較大的外部作用力的情況下能保持自身的尺寸和精度的穩(wěn)定性。同時(shí)，轉(zhuǎn)環(huán)的外圓、內(nèi)腔等處裝配著軸承、齒圈、壓環(huán)及楔塊等零件，在工作時(shí)會(huì)與轉(zhuǎn)環(huán)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并傳遞外部載荷，這就要求其接觸部位具有較高的強(qiáng)度和耐磨性。設(shè)計(jì)上采用30CrMnSiA高強(qiáng)度合金鋼板材焊接而成，30CrMnSiA是含碳0.28%～0.34%、含鉻0.8%～1.1%、含錳0.8%～1.1%、含硅0.9%～1.2%的高強(qiáng)度、高韌性合金鋼，淬透性較高，焊接性能較差，在軍工和航空航天領(lǐng)域使用較多，一般熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理。

國(guó)內(nèi)外沒(méi)有相關(guān)資料可以借鑒，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，從工藝原理特性、工藝參數(shù)、淬火感應(yīng)器的制造、變形控制等幾個(gè)方面展開研究并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，得出了合理的熱處理工藝參數(shù)指導(dǎo)生產(chǎn)。

1 30CrMnSiA大型環(huán)形焊接轉(zhuǎn)環(huán)的零件結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)環(huán)材料為30CrMnSiA，毛坯為焊接件，最大外圓尺寸4 500mm，最小內(nèi)孔尺寸3 500mm，高度670mm，重9.8T，外形尺寸見圖1。其技術(shù)要求為：槽部?jī)?nèi)外面及安裝軸承部位要求硬度35～40HRC，淬硬層深度大于5mm，淬火面交接處允許10～15mm軟帶。由圖紙可以看出，淬火部位壁厚較薄，淬火后變形較大，且淬火面上有2條環(huán)形焊縫。

圖1 轉(zhuǎn)環(huán)示意圖

2 工藝特性分析

根據(jù)轉(zhuǎn)環(huán)圖紙分析，30CrMnSiA鋼大型環(huán)形焊接件表面感應(yīng)淬火存在諸多困難：1）淬火面上有2條環(huán)形焊縫和4條縱向焊縫，焊縫區(qū)及其周圍熱影響區(qū)的組織與基體不一樣，且應(yīng)力較大，在淬火時(shí)焊縫部位易開裂；2）30CrMnSiA奧氏體化溫度為830℃，連續(xù)淬火溫度一般為910℃～930℃，與常用材料表面淬火溫度相比溫度較高，目測(cè)不易分辨溫度；3）環(huán)形焊接轉(zhuǎn)環(huán)直徑達(dá)到4 500mm，重量達(dá)到9.8T，一般設(shè)備回轉(zhuǎn)直徑和承重不夠。

針對(duì)以上工藝中存在的技術(shù)難點(diǎn)，擬采用聚乙烯醇水溶液和氣冷的方式進(jìn)行淬火對(duì)比試驗(yàn)，得出最佳的冷卻方式，然后通過(guò)試驗(yàn)選擇合適的淬火溫度，既保證能淬硬，又保證焊縫處不開裂，并在轉(zhuǎn)環(huán)正式淬火前試溫，確保能達(dá)到淬火溫度，操作者適應(yīng)目測(cè)高溫之后再對(duì)轉(zhuǎn)環(huán)進(jìn)行淬火。針對(duì)數(shù)控淬火機(jī)床承重和回轉(zhuǎn)直徑不夠的難題，借助數(shù)控鏜床上的高精度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)帶動(dòng)零件旋轉(zhuǎn)，在數(shù)控淬火機(jī)床變壓器上安裝感應(yīng)器實(shí)現(xiàn)淬火。

3 30CrMnSiA鋼大型環(huán)形焊接件熱處理工藝

3.1 去應(yīng)力處理

轉(zhuǎn)環(huán)淬火面上有2條環(huán)形焊縫和4條縱向焊縫，焊縫區(qū)應(yīng)力較大，易引起淬火開裂，工藝流程設(shè)計(jì)為：焊接—去應(yīng)力處理—粗加工—去應(yīng)力處理—半精加工—淬火—回火—精加工。即焊接完后進(jìn)行一次去應(yīng)力退火，消除焊接應(yīng)力，半精加工后再進(jìn)行一次去應(yīng)力退火，最大程度地消除零件殘余應(yīng)力，減小淬火開裂的風(fēng)險(xiǎn)。去應(yīng)力退火在空氣電爐中進(jìn)行，設(shè)備控溫精度±1℃，保溫時(shí)各溫區(qū)溫差小于5℃，去應(yīng)力工藝曲線如圖2所示。試驗(yàn)證明，采用圖2去應(yīng)力退火曲線可以消除90%以上的內(nèi)應(yīng)力。

圖2 去應(yīng)力退火曲線

3.2 淬火溫度和回火溫度的選擇

由于感應(yīng)加熱速度快，奧氏體轉(zhuǎn)變?cè)谳^高溫度下進(jìn)行，在一定的加熱速度范圍內(nèi)，臨界點(diǎn)隨加熱速度的增加而提高。圖3為快速加熱條件下非平衡的Fe－Fe3C狀態(tài)圖［1］。由圖3可以看出，相變點(diǎn) Ac3及Accm在快速加熱時(shí)均隨著加熱速度的增加而向高溫移動(dòng)。但當(dāng)加熱速度達(dá)到某一范圍時(shí)，所有亞共析鋼的轉(zhuǎn)變溫度均相同。由于感應(yīng)加熱一般不進(jìn)行保溫，為了在加熱過(guò)程中能使先共析鐵素體（亞共析鋼）等游離的第二相充分溶解，這些都要求感應(yīng)加熱表面淬火采用較高的淬火加熱溫度。一般感應(yīng)加熱淬火溫度比普通加熱淬火溫度高30℃～200℃［2］。30CrMnSiA 奧氏體化溫度為830℃，普通加熱淬火溫度為880℃～900℃，感應(yīng)加熱淬火溫度初步選為910℃～930℃。

表面淬火后必須及時(shí)回火，淬火與回火的時(shí)間間隔一般不超過(guò)4h。零件淬火后存在較大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，如果不及時(shí)消除這些應(yīng)力，就會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展；而這種應(yīng)力又往往分布在尖角、缺口、孔眼等部位，形成應(yīng)力集中。應(yīng)力的集中和擴(kuò)展，會(huì)使零件變形和開裂，所以應(yīng)當(dāng)及時(shí)消除應(yīng)力。30CrMnSiA在250℃～380℃及450℃～650℃范圍內(nèi)回火時(shí)有回火脆性［3］，因?yàn)镃r、Mn促進(jìn)Sb、Sn、P等雜質(zhì)元素向原奧氏體晶界偏聚，且本身也偏聚，從而降低了晶界的斷裂強(qiáng)度，產(chǎn)生回火脆性，所以在上述溫度范圍內(nèi)回火時(shí)應(yīng)快冷。根據(jù)30CrMnSiA回火溫度與硬度的關(guān)系，選擇回火溫度為500℃，保溫4～5h。由于零件尺寸較大，采用油冷或水冷的方式難度較大，因此工藝上采用風(fēng)冷的方式，加快零件冷卻。

圖3 在快速加熱條件下非平衡的Fe－Fe3C相圖

3.3 淬火介質(zhì)

轉(zhuǎn)環(huán)要求環(huán)形平面感應(yīng)淬火，因?yàn)橹睆捷^大，選擇連續(xù)加熱噴淋冷卻的淬火方式。30CrMnSiA屬于低碳合金鋼，在合金元素Cr、Mn的作用下，其淬透性比普通碳素鋼有了很大提升。連續(xù)淬火普遍采用水作為冷卻介質(zhì)，但由于30CrMnSiA淬火溫度較高，淬透性較好，噴水冷卻時(shí)零件變形和開裂傾向性較大，選取性能比較溫和的0.2%的聚乙烯醇水溶液作冷卻介質(zhì)，聚乙烯醇水溶液的冷卻能力隨濃度增大而降低，通常使用濃度為0.05%～0.30%。

3.4 淬火感應(yīng)器設(shè)計(jì)

感應(yīng)器通常根據(jù)零件的形狀和大小設(shè)計(jì)，將14mm紫銅管用拉方工裝制成截面12mm×10 mm的方銅管，然后進(jìn)行彎形、開孔后與紫銅板焊接而成。為了提高加熱效率，采用導(dǎo)磁體減少磁力線的逸散，它是平面與內(nèi)孔的感應(yīng)加熱不可缺少的附件。此外，它還進(jìn)一步強(qiáng)化外表面的加熱和局部加熱，改善復(fù)雜形狀工件加熱區(qū)磁場(chǎng)分布，以獲得均勻的溫度分布［4］。根據(jù)導(dǎo)磁體的驅(qū)流作用，將其卡裝在銅管上。導(dǎo)磁體的材料通常有兩種：鐵氧體和硅鋼片，選用硅鋼片。為了防止使用中發(fā)熱，硅鋼片厚度以不大于0.2mm為佳。淬火感應(yīng)器上鉆有與底面成45°、1.5mm的斜孔，孔間距為3mm，噴水孔不能與淬火面垂直，否則會(huì)產(chǎn)生淬火液倒流，嚴(yán)重影響連續(xù)加熱效果。噴水孔與淬火面呈一定角度，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)加熱，連續(xù)淬火。

3.5 工藝規(guī)范

為了驗(yàn)證工藝參數(shù)選擇的正確性，采用與轉(zhuǎn)環(huán)相同的焊接工藝將30CrMnSiA的板件焊接成試驗(yàn)板，尺寸為200mm×70mm×30mm，中間有一條焊縫，形狀見圖4。

圖4 試驗(yàn)板

880℃和910℃淬火，并配合聚乙烯醇水溶液和氣冷的方式冷卻，進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。對(duì)910℃淬火，0.2%聚乙烯醇水溶液噴淋冷卻的試驗(yàn)板進(jìn)行500℃回火，保溫2h后水冷，檢測(cè)表面硬度HRC35－40，切片用硬度檢測(cè)法檢查層深，淬硬層深約6mm，均滿足了設(shè)計(jì)圖紙要求。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)環(huán)的工藝規(guī)范。轉(zhuǎn)環(huán)工藝規(guī)范：加熱設(shè)備為臥式淬火機(jī)床，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，350kW IGBT電源；淬火溫度為910℃～930℃；冷卻介質(zhì)為0.2%聚乙烯醇水溶液；輸出功率為80～100kW；加熱頻率為8kHz。

表1 正交試驗(yàn)參數(shù)及檢測(cè)結(jié)果

數(shù)控淬火機(jī)床變壓器上安裝連續(xù)淬火感應(yīng)器，感應(yīng)器不動(dòng)，零件裝卡在數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)零件旋轉(zhuǎn)，保證淬火速度4～5 mm／s，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)淬火。起步與接頭是回轉(zhuǎn)類零件連續(xù)淬火的關(guān)鍵，起止端和終止端重疊的情況下局部易產(chǎn)生拉應(yīng)力，其值若超過(guò)該處材料的抗拉強(qiáng)度，則產(chǎn)生所謂的交接裂紋。根據(jù)零件的服役條件，要求過(guò)渡區(qū)越小越好，開始加熱時(shí)，在4s內(nèi)達(dá)到淬火溫度，然后轉(zhuǎn)環(huán)按5mm／s的速度旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)一周后，終止淬火點(diǎn)超過(guò)起始淬硬區(qū)10～15mm時(shí)，立即切斷電流，然后使數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)快速旋轉(zhuǎn)，并強(qiáng)烈噴射淬火液。按照這種方法，熱影響區(qū)小，硬度降低少，不易產(chǎn)生裂紋，完全能夠滿足圖紙規(guī)定的技術(shù)要求。

3.6 變形控制

對(duì)于大型轉(zhuǎn)環(huán)表面淬火產(chǎn)生的變形，應(yīng)從三個(gè)方面控制：1）從整個(gè)工藝流程來(lái)加以分析和考慮。轉(zhuǎn)環(huán)的毛坯為軋制板件，經(jīng)過(guò)卷彎焊接而成，焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，在機(jī)械加工過(guò)程中，切削余量相當(dāng)大，產(chǎn)生的機(jī)加應(yīng)力也很大，如果沒(méi)有去應(yīng)力處理，在最后的表面淬火中會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的變形。因此，在精加工轉(zhuǎn)環(huán)前安排了兩次去應(yīng)力退火，即焊接完成后，進(jìn)行一次去應(yīng)力退火，粗加工后再進(jìn)行一次去應(yīng)力退火，這些措施對(duì)減少變形有很大幫助；2）從淬火工藝參數(shù)控制，比如選用較低的臨界淬火溫度、均勻的淬火速度和較高的回轉(zhuǎn)精度，保證淬火面與感應(yīng)器之間距離不變等；3）從工裝方面考慮。利用裝卡工裝將淬火面相對(duì)固定，提高零件剛性，減小變形。另外，表面淬火的轉(zhuǎn)環(huán)留有一定加工余量，在淬火完成后通過(guò)磨削來(lái)消除熱處理變形。

采用上述三方面措施，轉(zhuǎn)環(huán)表面淬火完成后，臨床打表檢查，變形量小于0.5mm，滿足工藝要求。

4 結(jié)論

30CrMnSiA鋼大型環(huán)形焊接件在焊后應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，在加工過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行第二次去應(yīng)力退火，這樣可以有效降低零件殘余應(yīng)力。利用高精度數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)帶動(dòng)零件旋轉(zhuǎn)，保證淬火表面與感應(yīng)器之間的間隙不變等措施，可減少表面淬火過(guò)程中的變形。對(duì)于30CrMnSiA合金鋼焊接件，表面淬火溫度宜控制在910℃～930℃，連續(xù)淬火采用0.2%的聚乙烯醇水溶液噴淋冷卻，可有效防止淬火裂紋產(chǎn)生。

［1］ 井口信洋.感應(yīng)熱處理［J］.日本金屬學(xué)會(huì)志，1975，39（1）：3.

［2］ 夏立芳.金屬熱處理工藝學(xué)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1986.

［3］ 蘇 靜，彭二寶，袁 華.35CrMnSiA鋼熱處理工藝研究［J］.熱加工技術(shù)，2013，42（20）：25－29.

［4］ 石 霖，朱兆良.兵工金屬材料熱處理手冊(cè)［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，1991.