30CrMnSiA钢筒形件超高强度热处理工艺研究

曹俊敏，王海云，姚春臣，罗青云，刘赞辉，宾 璐，王金玲

(1．江南工业集团有限公司，湖南 湘潭 411207； 2．湘潭大学机械工程学院，湖南 湘潭 411105)

为了减轻产品重量、提高其机动性、减少能耗，需采用超高强度钢提高零部件的强度。但超高强度钢价格较贵，为降低产品造价，对其筒形件以价格低廉的30CrMnSiA钢代替价格较贵的D6AC超高强度钢进行热处理工艺试验，并成功获得了产品的试制。

1 筒形件热处理面临的困难和问题

按标准GB/T 3077—1999[1]要求，30CrMnSiA钢淬火及回火后抗拉强度Rm≥1080 MPa和断后伸长率A≥10%。根据国外有关标准，D6AC超高强度钢淬火及回火后，其抗拉强度和断后伸长率为：Rm≥1448 MPa(210000PSI)，A≥10%(圆试样)或A≥7%(扁试样)。抚钢企业标准[2]规定：45CrNiMo1VA钢(国产D6AC钢)淬火及回火后抗拉强度Rm≥1520 MPa和断后伸长率A≥9%。

30CrMnSiA钢筒形件外形尺寸约为φ90 mm×600 mm，热处理时，除了两端部留有精加工的余量外，主体部位的内外圆已全都加工为产品尺寸，壁厚仅有1.3 mm，圆度公差只有0.14 mm。要求筒形件热处理后抗拉强度Rm≥1520 MPa，断后伸长率A≥9%，硬度在46～50 HRC范围，且热处理变形小，保证产品后续装配不出问题，不允许出现氧化脱碳。由此可见，其热处理难度很大。

2 热处理试验方案及实施

2.1 热处理设备的选用

根据工件的形状和尺寸及现有设备条件，选用可控气氛多用炉作为淬火设备及其配套的鼓风箱式回火炉作为预热和回火设备。

可控气氛多用炉具有炉膛较大、可将筒形件竖直吊放减少变形的优点，还有通保护气氛、控制碳势、防止氧化脱碳的优点，但必须控制炉内可控气氛中氢含量。尽管多用炉已广泛地应用于汽车零件和齿轮的化学热处理和保护淬火，一般都不会出现氢脆问题。但对于主体部位壁厚仅1.3 mm，而且要求抗拉强度达到D6AC超高强度钢水平的30CrMnSiA钢产品零件来说，需要考虑多用炉保护气氛中含有一定量的氢时，产品材料在多用炉中加热时吸氢而出现氢脆失效的风险。

2.2 热处理工艺的设计

由于要求抗拉强度Rm≥1520 MPa，断后伸长率A≥9%，硬度为46～50 HRC。而材料为30CrMnSiA钢，既不能按D6AC超高强度钢的热处理工艺，也不能完全按30CrMnSiA钢通常的热处理工艺来进行热处理。

根据以往经验，30CrMnSiA钢完全淬透时硬度可达50～52 HRC，若能保证产品完全淬透，并采用低温回火，可使其强度满足Rm≥1520 MPa的要求。问题在于即使避开了第一类回火脆性区，低温回火能否保证延伸率A≥9%，能否使其具有足够的塑性和韧性，均是需要考虑的问题。

根据上述情况，确定其淬火温度为900±10 ℃，碳势为0.3%，使产品既能充分奥氏体化，又能保持细小的晶粒；确定回火温度为220～280 ℃。并且在工艺和操作中采取相应措施，如实行快速加热、尽可能缩短产品材料在多用炉中加热(可能吸氢)的时间，产品回火结合除氢，以防止产品材料吸氢和消除材料中可能已吸入的氢，消除或减小产品变形和塑性不足，化解氢脆、变形和塑性不足的风险，确保产品质量可靠。

2.3 试验方案的实施

试验方案和工艺确定后，试制的30CrMnSiA钢筒形件工艺过程如下：(产品及随炉试样)装料 → 预热(鼓风箱式回火炉) → 淬火(可控气氛多用炉) → 回火及除氢处理(鼓风箱式回火炉) → 检验Ⅰ→ 卸料 →检验Ⅱ。

3 试验结果及产品应用效果

3.1 力学性能

回火后检验随炉试样硬度为48～50 HRC，符合产品硬度要求。而且硬度值偏上限，说明淬火较充分。对随炉拉伸试样作力学性能测试，抗拉强度Rm为1690 MPa，断后伸长率A为10%(扁试样)。符合抚钢材料标准和国外有关标准的要求。

3.2 外观及表层质量

淬火后，产品表面无氧化脱碳，见图1料筐中的工件。回火后产品外观颜色也无明显变化。外观及表层质量符合光亮热处理和无氧化脱碳要求。

图1 淬火工件

3.3 变形量

在热处理现场，看不出产品有明显变形。转机械加工分厂检验主体部位的尺寸和圆度，均符合产品图的规定。

3.4 切削加工性能

产品转机加分厂后，因材料的强度和硬度高，切削加工存在一定的困难。但由于主体部位热处理后无需再进行切削加工，只加工端部的内外形，且加工余量较少，所以采用先进刀具进行切削加工，材料硬而难以加工的问题也很快就解决了。

4 讨论

1)在一定条件下，采用合适的热处理工艺，以30CrMnSiA钢替代45CrNiMo1VA、D6AC超高强度钢是可行的。

2)热处理试验中30CrMnSiA钢淬火后采用低温回火，使其具有超高强度。所以材料的塑性、韧性将比高温回火的低。因此应注意在确保产品强度符合其质量要求的前提下，选取较高的低温回火温度，延长低温回火的时间，尽可能地提高其塑性和韧性。为了提高30CrMnSiA钢超高强度热处理后的塑性和韧性，还应当进一步改进热处理工艺。

3)超高强度钢应注意防止氢脆，30CrMnSiA钢采用淬火+低温回火热处理工艺后也应该防止氢脆。特别是在含氢的可控气氛热处理炉中淬火的薄壁件，更应注意将低温回火与除氢处理结合起来进行除氢处理，确保产品的安全可靠。

5 结论

1)某产品30CrMnSiA薄壁筒形件可以通过采用可控气氛多用炉保护加热淬火、低温回火及除氢的热处理工艺，使其力学性能达到45CrNiMo1VA(D6AC)超高强度钢的要求，满足产品轻量化和降低造价的需求。

2)30CrMnSiA材料采用淬火+低温回火的超高强度热处理时，应注意在确保产品强度的前提下，选取较高的低温回火温度，延长低温回火的时间，尽可能地提高材料的塑性和韧性。在含氢气氛的热处理炉中淬火的薄壁件，应进行除氢处理，以确保产品使用的安全可靠。

3)为了满足新产品对材料性能的需要，不仅应当积极研究和应用新材料，同时也应当注重改进现有材料的热处理工艺，充分挖掘现有材料的潜力，努力降低新产品的造价，提高市场竞争能力。