30CrMnSiA焊接件的熱表處理控制

毛 喆，黃紅武

(航空工業(yè)鄭飛公司，河南 鄭州 450005)

對于30CrMnSiA焊接件，要求焊接后最終熱處理強(qiáng)度σb為1175±100 MPa，表面處理通常采用鍍鋅8～12 μm進(jìn)行鈍化。在生產(chǎn)中，常因?qū)岜硖幚砜刂撇坏轿欢鴮?dǎo)致制件出現(xiàn)故障，結(jié)合多年生產(chǎn)實(shí)際，本文對30CrMnSiA焊接件的熱表處理控制作出了規(guī)定。

1 30CrMnSiA材料

1.1 化學(xué)成分

30CrMnSiA材料化學(xué)成分見表1。

表1 30CrMnSiA材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 焊接性分析

通常焊接熱影響區(qū)的淬硬及冷裂紋傾向與鋼種的化學(xué)成分是相關(guān)的，常用化學(xué)成分間接地評估鋼材冷裂紋的敏感性[1]。碳當(dāng)量法是最常用的估算方法，即把鋼中合金元素(包括碳)的含量按其作用換算成碳的相當(dāng)含量。根據(jù)國際焊接學(xué)會推薦的公式如下：

將表1中各元素按上限帶入該公式，計算可得30CrMnSiA材料的碳當(dāng)量為0.78。可見30CrMnSiA材料在焊接時易淬硬，焊接性能一般，需進(jìn)行預(yù)熱從而防止焊接裂紋的產(chǎn)生。

1.3 焊接殘留應(yīng)力

焊接過程中，由于焊接件在不均勻溫度場的作用下會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，在焊接件冷卻后，雖然溫度場消失，但還有殘留的內(nèi)應(yīng)力存在，這種殘留的內(nèi)應(yīng)力俗稱焊接殘留應(yīng)力。導(dǎo)致焊接殘留應(yīng)力的來源有兩個方面：

a)熱應(yīng)力。焊接過程中不均勻溫度場引發(fā)的制件塑性變形，冷卻后變形不能完全恢復(fù)，產(chǎn)生應(yīng)力。同時制件焊接后，在冷卻過程中，各部位冷速不一致也會導(dǎo)致制件存在殘留應(yīng)力。

b)組織應(yīng)力。30CrMnSiA材料焊接后，制件焊接區(qū)域冷卻后組織有珠光體、鐵素體和殘留奧氏體，對于薄板制件還存在一定的馬氏體組織。這些組織的比容不同會產(chǎn)生組織應(yīng)力。

2 熱處理制度

2.1 退火

30CrMnSiA材料焊接完成后的殘留應(yīng)力應(yīng)予以消除，以避免焊接件在室溫放置過程中出現(xiàn)變形或開裂。生產(chǎn)中最常用和最高效的消除焊接應(yīng)力的方式為退火，即通過加熱的方式使焊接制件進(jìn)行應(yīng)力消除。

2.1.1焊接與退火間隔時間

焊接完成后與退火的間隔時間越短，殘留應(yīng)力對制件的影響時間就越少，制件開裂或變形的風(fēng)險就會降低。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)只是規(guī)定制件焊接后和熱處理前要有間隔時間的要求，但并沒有對具體的間隔時間做出規(guī)定。如：GJB 481—88《焊接質(zhì)量控制要求》中9.7條規(guī)定：“有熱處理質(zhì)量要求的焊接件，必須在規(guī)定的時間內(nèi)進(jìn)行熱處理”。HB/Z 136—2000《航空結(jié)構(gòu)鋼熱處理工藝》中5.3.4.2規(guī)定：“…為防止焊接后裂紋和變形，應(yīng)及時退火”。對于30CrMnSiA材料的焊接件，焊接方式不同所產(chǎn)生的焊接殘留應(yīng)力亦不相同。因30CrMnSiA制件在氣焊時容易產(chǎn)生裂紋[2]，故而對采取氣焊的焊接件應(yīng)在4 h內(nèi)進(jìn)行退火，其他焊接方式的制件焊接和退火的時間間隔可控制在48 h內(nèi)。對于焊縫較多的大制件，可采用焊接和退火交叉進(jìn)行，即焊接一部分就進(jìn)行退火，退火后繼續(xù)焊接，焊完接著退火。

2.1.2退火參數(shù)

30CrMnSiA焊接件一般采取低溫退火的方式進(jìn)行，應(yīng)力的消除與退火溫度和時間有關(guān)。研究表明，在450 ℃退火只有50%應(yīng)力得到消除，而要使內(nèi)應(yīng)力完全消除，需要在600 ℃退火15 h或者650 ℃退火1 h[3]。因此，通常要求退火溫度為650～680 ℃。在生產(chǎn)中常采用空氣電阻爐，但這種情況會造成制件在退火過程中氧化。反應(yīng)方程式如下：

2Fe+O2=2FeO

(1)

4Fe+3O2=2Fe2O3

(2)

3Fe+2O2=Fe3O4

(3)

在570 ℃以下，生產(chǎn)的氧化膜由Fe2O3和Fe3O4組成，二者比較致密，可以保護(hù)制件進(jìn)一步氧化。當(dāng)超過570 ℃時，則會有FeO生成，且FeO在氧化膜最內(nèi)層，因其不致密，會破壞整體氧化膜的穩(wěn)定性，使制件的氧化過程繼續(xù)進(jìn)行，生成氧化皮，隨著時間的延長，氧化皮的厚度也不斷增加。氧化皮的存在使制件尺寸減少，并且會出現(xiàn)高溫腐蝕現(xiàn)象。若焊接件采用真空爐進(jìn)行退火，因真空爐為輻射加熱，加熱時間長，且需要隨爐降溫，退火工藝時間長，影響生產(chǎn)效率，一般不采納。

航空工業(yè)鄭飛公司對30CrMnSiA焊接件一般采用電爐加熱至550±20 ℃保溫1 h后空冷的退火工藝規(guī)范。在550 ℃溫度下，高于30CrMnSiA材料的再結(jié)晶溫度，焊接件可通過再結(jié)晶使應(yīng)力消除。雖然焊接件的應(yīng)力不能完全得到消除，但可去除70%的應(yīng)力，可保證焊接件在后續(xù)加工和停放過程中，不會出現(xiàn)變形或開裂等現(xiàn)象。而焊接件退火、加工后還需進(jìn)行最終的淬火熱處理，使部分殘留焊接應(yīng)力在淬火加熱過程中發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，冷卻后得到馬氏體組織，經(jīng)高溫回火后為索氏體組織。在這一過程中，焊接所產(chǎn)生的殘留應(yīng)力得到消除。經(jīng)多年生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，采用550±20 ℃保溫1 h退火工藝可有效地防止30CrMnSiA焊接件的變形和開裂，并且在退火過程中可避免制件表面產(chǎn)生FeO膜，只生成氧化膜，對制件精度和表面質(zhì)量影響甚微。

2.2 淬火、回火

30CrMnSiA焊件要求熱處理強(qiáng)度σb為1175±100 MPa，熱處理制度為淬火+回火，其中淬火溫度為890±10 ℃，油冷；回火溫度為520±20 ℃，水冷。30CrMnSiA焊接完成后，制件有部分尺寸后續(xù)無加工余量，則要求在淬火熱處理時需防止制件氧化、脫碳。HB 5354—1994《熱處理工藝質(zhì)量控制》中6.8條規(guī)定：“焊接件、鑄件、鍍銅件、銅合金件以及粉末冶金件，一般不允許在鹽浴爐中加熱”。原因在于焊接件若采用鹽浴爐淬火，焊縫處的殘鹽難清理徹底，殘鹽主要是NaCl和KCl，氯離子半徑小，具有很強(qiáng)的穿透性，能穿透金屬表面的氧化層和防護(hù)層與內(nèi)部金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)；同時，氯離子含有一定的水合能，易被吸附在金屬表面，并將金屬表面的氧排掉，把不溶性的氧化物變成可溶性的氯化物，使鈍化態(tài)表面變成活潑表面，造成制件腐蝕[4]。以前采取電爐進(jìn)行淬火處理，為了防止高溫下制件氧化、脫碳，常采取木炭、鐵屑進(jìn)行防護(hù)，操作繁瑣且質(zhì)量不穩(wěn)定，常出現(xiàn)制件因氧化嚴(yán)重或脫碳層過深的問題造成制件報廢。隨著真空爐的普及，對30CrMnSiA焊接件進(jìn)行真空淬火，可有效避免制件在加熱過程中出現(xiàn)氧化、脫碳現(xiàn)象?；鼗饻囟葹?20±20℃，電爐回火后制件表面有輕微氧化，不會生產(chǎn)氧化皮，吹砂法可輕易去除。故對于30CrMnSiA焊接件的熱處理采取真空淬火、電爐回火的方式進(jìn)行。

2.2.1真空淬火零件裝爐方式

真空淬火爐因在真空狀態(tài)下加熱，對制件的熱能傳遞主要依靠輻射的方式進(jìn)行。輻射傳遞熱能有一定的方向性，熱源輻射到正對的零件部位，使該部位先加熱，在通過工件自身對其他部位進(jìn)行熱傳遞。制件擺放密集或互相遮擋會明顯影響加熱速度，嚴(yán)重時會造成部分制件按工藝時間保溫后，達(dá)不到淬火溫度從而未發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致淬火后硬度不足。因此在進(jìn)行零件裝爐時，制件應(yīng)針對熱源整齊擺放且避免相互遮擋，保證各制件加熱均勻。

2.2.2真空淬火油冷卻時加壓

淬火冷卻過程分蒸汽膜、沸騰和對流三個階段，制件從真空爐熱室轉(zhuǎn)移到冷室入油瞬間，四周的油被加熱汽化，在制件表面形成蒸汽膜，后續(xù)蒸汽膜在油的冷卻下破裂，油在工件表面沸騰，工件冷速加大，待制件冷至真空淬火油沸點(diǎn)時，則采用對流的方式進(jìn)行冷卻。對于30CrMnSiA制件淬火，要求快速冷卻通過C曲線“鼻尖”以保證過冷奧氏體能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。因?yàn)檎羝?dǎo)熱性差，阻礙油與制件的熱傳導(dǎo)，因此在冷卻過程中，蒸汽膜階段的時間要短。真空淬火為使淬火油不污染真空系統(tǒng)，所用真空淬火油飽和蒸汽壓低，即低壓下蒸發(fā)少。這就決定了真空狀態(tài)下蒸汽膜階段保持時間更長。30CrMnSiA材料雖含有Cr、Mn等合金元素，但不包含能顯著提高制件淬透性的Ni、Mo等元素，直接在真空淬火油中進(jìn)行冷卻，會使制件在冷卻過程中，冷速小于臨界冷卻速度，與C曲線相交，過冷奧氏體提前發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，淬火后不能全部得到馬氏體組織，使制件淬火后硬度低[5]。根據(jù)蘭納德-瓊斯理論，分子間的排斥作用與距離(r)的12次方成反比，而吸引作用與距離(r)的6次方成反比[6]?？芍慊鹄鋮s時增大壓力可使氣體的摩爾體積減小，即分子間距減小，使得分子間引力增加，使蒸汽膜進(jìn)一步變薄，縮短了傳熱慢的蒸汽膜階段。因此，為了保證30CrMnSiA制件真空淬火冷卻后得到馬氏體組織，在冷卻時，可向真空爐的冷室回充氮?dú)庖栽黾託鈮旱?×104Pa以上，以保證淬火質(zhì)量。

3 表面處理

對于30CrMnSiA焊接件的鍍鋅鈍化，按標(biāo)準(zhǔn)HB/Z 5068—92《電鍍鋅、電鍍鎘工藝》進(jìn)行操作，電鍍前制件表面應(yīng)無焊接的剩余物、熔渣和焊瘤，尤其焊縫處應(yīng)無氣孔和虛焊等缺陷。電鍍鋅主要工序流程為：消除應(yīng)力→電解除油→弱浸蝕→中和→電鍍鋅→吹干→除氫→活化→出光→鈍化→吹干。

30CrMnSiA焊接件和機(jī)加制件電鍍鋅過程基本相似，主要存在以下兩點(diǎn)差異。

3.1 焊縫發(fā)暗處理

焊接件在電鍍后，焊縫會因焊藥殘留導(dǎo)致焊縫處鍍鋅層發(fā)暗，HB 5035—1992《鋅鍍層質(zhì)量檢驗(yàn)》中規(guī)定焊接件焊縫處的鍍鋅層發(fā)黑、發(fā)暗為允許缺陷。為保證制件的防腐性，應(yīng)對焊縫發(fā)暗、發(fā)黑處涂抹H06-2鋅黃環(huán)氧酯底漆或TB06-9鋅黃丙烯酸聚氨酯底漆。

3.2 點(diǎn)焊制件鍍鋅

對于點(diǎn)焊的制件，制件存在板縫，在加工過程中板縫內(nèi)會存在油污，在表面處理前電解除油過程中，油污從板縫中流出，使制件表面被污染，電鍍鋅時鍍層將會產(chǎn)生發(fā)花、鍍層起泡等弊病，而且還會對槽液造成污染。對于此類零件，電鍍前先將制件放置電爐中300 ℃保溫4 h以上，將板縫處的油污烘干碳化，然后對焊縫處進(jìn)行吹砂，再進(jìn)行電解除油等工序。在電鍍完成后，要在板縫處涂H06-2或TB06-9漆進(jìn)行防腐處理，在涂漆時應(yīng)將制件各板縫開口處用油漆封閉，將滲入板縫的殘留槽液與空氣進(jìn)行隔離，且需防止槽液滲出，與鍍層作用生成斑點(diǎn)狀的腐蝕產(chǎn)物[7]。

4 結(jié)語

對30CrMnSiA焊接件的熱表處理，應(yīng)采取以下措施進(jìn)行控制：

1)退火與焊接間隔時間一般控制在48 h以內(nèi)，特殊零件控制在4 h以內(nèi)；

2)退火溫度為550±20 ℃，可消除焊接殘余應(yīng)力而導(dǎo)致的制件變形或開裂；

3)淬火采取真空淬火，在真空淬火時主要零件在爐內(nèi)的擺放方式應(yīng)滿足各制件受熱均勻，在油冷時采取冷室回充氮?dú)獾姆绞絹硖岣?0CrMnSiA焊接件的淬透性；

4)在電鍍鋅后，要對焊縫發(fā)暗、發(fā)黑處涂漆進(jìn)行防腐；

5)對于點(diǎn)焊制件的板縫，在電鍍鋅前要先進(jìn)行烘油處理，電鍍鋅完成后要用油漆對板縫開口部位進(jìn)行封閉。