大型环焊件表面感应淬火工艺技术研究

张 虎，张明庆

（武汉重型机床集团有限公司技术研究院，湖北 武汉430205）

武汉重型机床集团有限公司某大型环形焊接件（转环）属某航空航天关键焊接设备上的关键零件，主要起连接、回转与支承作用，具有很高的刚性要求，在受较大的外部作用力的情况下能保持自身的尺寸和精度的稳定性。同时，转环的外圆、内腔等处装配着轴承、齿圈、压环及楔块等零件，在工作时会与转环发生相对运动并传递外部载荷，这就要求其接触部位具有较高的强度和耐磨性。设计上采用30CrMnSiA高强度合金钢板材焊接而成，30CrMnSiA是含碳0.28%～0.34%、含铬0.8%～1.1%、含锰0.8%～1.1%、含硅0.9%～1.2%的高强度、高韧性合金钢，淬透性较高，焊接性能较差，在军工和航空航天领域使用较多，一般热处理工艺为调质处理。

国内外没有相关资料可以借鉴，为了保证产品质量，从工艺原理特性、工艺参数、淬火感应器的制造、变形控制等几个方面展开研究并进行相关试验，得出了合理的热处理工艺参数指导生产。

1 30CrMnSiA大型环形焊接转环的零件结构

转环材料为30CrMnSiA，毛坯为焊接件，最大外圆尺寸4 500mm，最小内孔尺寸3 500mm，高度670mm，重9.8T，外形尺寸见图1。其技术要求为：槽部内外面及安装轴承部位要求硬度35～40HRC，淬硬层深度大于5mm，淬火面交接处允许10～15mm软带。由图纸可以看出，淬火部位壁厚较薄，淬火后变形较大，且淬火面上有2条环形焊缝。

图1 转环示意图

2 工艺特性分析

根据转环图纸分析，30CrMnSiA钢大型环形焊接件表面感应淬火存在诸多困难：1）淬火面上有2条环形焊缝和4条纵向焊缝，焊缝区及其周围热影响区的组织与基体不一样，且应力较大，在淬火时焊缝部位易开裂；2）30CrMnSiA奥氏体化温度为830℃，连续淬火温度一般为910℃～930℃，与常用材料表面淬火温度相比温度较高，目测不易分辨温度；3）环形焊接转环直径达到4 500mm，重量达到9.8T，一般设备回转直径和承重不够。

针对以上工艺中存在的技术难点，拟采用聚乙烯醇水溶液和气冷的方式进行淬火对比试验，得出最佳的冷却方式，然后通过试验选择合适的淬火温度，既保证能淬硬，又保证焊缝处不开裂，并在转环正式淬火前试温，确保能达到淬火温度，操作者适应目测高温之后再对转环进行淬火。针对数控淬火机床承重和回转直径不够的难题，借助数控镗床上的高精度回转工作台带动零件旋转，在数控淬火机床变压器上安装感应器实现淬火。

3 30CrMnSiA钢大型环形焊接件热处理工艺

3.1 去应力处理

转环淬火面上有2条环形焊缝和4条纵向焊缝，焊缝区应力较大，易引起淬火开裂，工艺流程设计为：焊接—去应力处理—粗加工—去应力处理—半精加工—淬火—回火—精加工。即焊接完后进行一次去应力退火，消除焊接应力，半精加工后再进行一次去应力退火，最大程度地消除零件残余应力，减小淬火开裂的风险。去应力退火在空气电炉中进行，设备控温精度±1℃，保温时各温区温差小于5℃，去应力工艺曲线如图2所示。试验证明，采用图2去应力退火曲线可以消除90%以上的内应力。

图2 去应力退火曲线

3.2 淬火温度和回火温度的选择

由于感应加热速度快，奥氏体转变在较高温度下进行，在一定的加热速度范围内，临界点随加热速度的增加而提高。图3为快速加热条件下非平衡的Fe－Fe3C状态图［1］。由图3可以看出，相变点 Ac3及Accm在快速加热时均随着加热速度的增加而向高温移动。但当加热速度达到某一范围时，所有亚共析钢的转变温度均相同。由于感应加热一般不进行保温，为了在加热过程中能使先共析铁素体（亚共析钢）等游离的第二相充分溶解，这些都要求感应加热表面淬火采用较高的淬火加热温度。一般感应加热淬火温度比普通加热淬火温度高30℃～200℃［2］。30CrMnSiA 奥氏体化温度为830℃，普通加热淬火温度为880℃～900℃，感应加热淬火温度初步选为910℃～930℃。

表面淬火后必须及时回火，淬火与回火的时间间隔一般不超过4h。零件淬火后存在较大的热应力和组织应力，如果不及时消除这些应力，就会进一步扩展；而这种应力又往往分布在尖角、缺口、孔眼等部位，形成应力集中。应力的集中和扩展，会使零件变形和开裂，所以应当及时消除应力。30CrMnSiA在250℃～380℃及450℃～650℃范围内回火时有回火脆性［3］，因为Cr、Mn促进Sb、Sn、P等杂质元素向原奥氏体晶界偏聚，且本身也偏聚，从而降低了晶界的断裂强度，产生回火脆性，所以在上述温度范围内回火时应快冷。根据30CrMnSiA回火温度与硬度的关系，选择回火温度为500℃，保温4～5h。由于零件尺寸较大，采用油冷或水冷的方式难度较大，因此工艺上采用风冷的方式，加快零件冷却。

图3 在快速加热条件下非平衡的Fe－Fe3C相图

3.3 淬火介质

转环要求环形平面感应淬火，因为直径较大，选择连续加热喷淋冷却的淬火方式。30CrMnSiA属于低碳合金钢，在合金元素Cr、Mn的作用下，其淬透性比普通碳素钢有了很大提升。连续淬火普遍采用水作为冷却介质，但由于30CrMnSiA淬火温度较高，淬透性较好，喷水冷却时零件变形和开裂倾向性较大，选取性能比较温和的0.2%的聚乙烯醇水溶液作冷却介质，聚乙烯醇水溶液的冷却能力随浓度增大而降低，通常使用浓度为0.05%～0.30%。

3.4 淬火感应器设计

感应器通常根据零件的形状和大小设计，将14mm紫铜管用拉方工装制成截面12mm×10 mm的方铜管，然后进行弯形、开孔后与紫铜板焊接而成。为了提高加热效率，采用导磁体减少磁力线的逸散，它是平面与内孔的感应加热不可缺少的附件。此外，它还进一步强化外表面的加热和局部加热，改善复杂形状工件加热区磁场分布，以获得均匀的温度分布［4］。根据导磁体的驱流作用，将其卡装在铜管上。导磁体的材料通常有两种：铁氧体和硅钢片，选用硅钢片。为了防止使用中发热，硅钢片厚度以不大于0.2mm为佳。淬火感应器上钻有与底面成45°、1.5mm的斜孔，孔间距为3mm，喷水孔不能与淬火面垂直，否则会产生淬火液倒流，严重影响连续加热效果。喷水孔与淬火面呈一定角度，从而实现连续加热，连续淬火。

3.5 工艺规范

为了验证工艺参数选择的正确性，采用与转环相同的焊接工艺将30CrMnSiA的板件焊接成试验板，尺寸为200mm×70mm×30mm，中间有一条焊缝，形状见图4。

图4 试验板

880℃和910℃淬火，并配合聚乙烯醇水溶液和气冷的方式冷却，进行正交试验，试验结果见表1。对910℃淬火，0.2%聚乙烯醇水溶液喷淋冷却的试验板进行500℃回火，保温2h后水冷，检测表面硬度HRC35－40，切片用硬度检测法检查层深，淬硬层深约6mm，均满足了设计图纸要求。根据试验结果，设计了转环的工艺规范。转环工艺规范：加热设备为卧式淬火机床，数控回转工作台，350kW IGBT电源；淬火温度为910℃～930℃；冷却介质为0.2%聚乙烯醇水溶液；输出功率为80～100kW；加热频率为8kHz。

表1 正交试验参数及检测结果

数控淬火机床变压器上安装连续淬火感应器，感应器不动，零件装卡在数控回转工作台上，数控回转工作台旋转带动零件旋转，保证淬火速度4～5 mm／s，从而实现连续淬火。起步与接头是回转类零件连续淬火的关键，起止端和终止端重叠的情况下局部易产生拉应力，其值若超过该处材料的抗拉强度，则产生所谓的交接裂纹。根据零件的服役条件，要求过渡区越小越好，开始加热时，在4s内达到淬火温度，然后转环按5mm／s的速度旋转，当旋转一周后，终止淬火点超过起始淬硬区10～15mm时，立即切断电流，然后使数控回转工作台快速旋转，并强烈喷射淬火液。按照这种方法，热影响区小，硬度降低少，不易产生裂纹，完全能够满足图纸规定的技术要求。

3.6 变形控制

对于大型转环表面淬火产生的变形，应从三个方面控制：1）从整个工艺流程来加以分析和考虑。转环的毛坯为轧制板件，经过卷弯焊接而成，焊接过程中会产生较大的焊接应力，在机械加工过程中，切削余量相当大，产生的机加应力也很大，如果没有去应力处理，在最后的表面淬火中会产生相当大的变形。因此，在精加工转环前安排了两次去应力退火，即焊接完成后，进行一次去应力退火，粗加工后再进行一次去应力退火，这些措施对减少变形有很大帮助；2）从淬火工艺参数控制，比如选用较低的临界淬火温度、均匀的淬火速度和较高的回转精度，保证淬火面与感应器之间距离不变等；3）从工装方面考虑。利用装卡工装将淬火面相对固定，提高零件刚性，减小变形。另外，表面淬火的转环留有一定加工余量，在淬火完成后通过磨削来消除热处理变形。

采用上述三方面措施，转环表面淬火完成后，临床打表检查，变形量小于0.5mm，满足工艺要求。

4 结论

30CrMnSiA钢大型环形焊接件在焊后应进行去应力退火处理，在加工过程中应进行第二次去应力退火，这样可以有效降低零件残余应力。利用高精度数控回转工作台带动零件旋转，保证淬火表面与感应器之间的间隙不变等措施，可减少表面淬火过程中的变形。对于30CrMnSiA合金钢焊接件，表面淬火温度宜控制在910℃～930℃，连续淬火采用0.2%的聚乙烯醇水溶液喷淋冷却，可有效防止淬火裂纹产生。

［1］ 井口信洋.感应热处理［J］.日本金属学会志，1975，39（1）：3.

［2］ 夏立芳.金属热处理工艺学［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1986.

［3］ 苏 静，彭二宝，袁 华.35CrMnSiA钢热处理工艺研究［J］.热加工技术，2013，42（20）：25－29.

［4］ 石 霖，朱兆良.兵工金属材料热处理手册［M］.北京：兵器工业出版社，1991.