長軸類零件高壓真空氣淬工藝應用研究

楊海川,王 宇,蒲莉萍,劉 飛

(新鄉航空工業集團有限公司,河南 新鄉 453049)

長軸類零件淬火后要求徑向跳動量≤0.15 mm。采用鹽浴爐、電爐和真空油淬爐進行熱處理后,存在零件變形量大和表面質量差等缺點,需要對零件進行校正,導致零件生產周期長。與傳統工藝相比,高壓真空氣淬是環境友好型且變形小的淬火工藝,主要有以下特點:工件表面質量好,無氧化,無增碳[1-2];淬火均勻性好,工件變形小[3];淬火強度可控性好,冷卻速度能通過改變氣體壓力和流速進行控制;生產效率高,無環境污染[4]。

為了減少零件的變形量,縮短生產周期,并探索高溫合金、不銹鋼和鋁合金等材料精密復雜零件的真空氣淬工藝參數(重點是淬透性和變形量),結合生產實際需要對30CrMnSiA、1Cr17Ni2和GH4169三種材料的高壓真空氣淬工藝進行研究。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為30CrMnSiA、1Cr17Ni2和GH4169,化學成分如表1所示。試驗零件尺寸及硬度要求見表2。

表1 試驗材料的化學成分(質量分數,%)

表2 試驗材料及要求

1.2 試驗設備及工裝

設備選用高壓真空氣淬爐,最高氣體淬火壓力可到10 bar,設備性能良好。在考慮料筐應具備足夠的透氣性使氣流能夠充分流過工件的要求下,制作高壓氣淬專用料筐,如圖1所示。

圖1 氣淬料筐Fig.1 Gas quenched material basket

1.3 試驗方法

試驗前檢測零件的變形量,再使用高壓真空氣淬爐進行淬火,氣體淬火壓力分別為3 bar和6 bar。淬火后檢測30CrMnSiA和1Cr17Ni2零件的變形量與硬度,并檢測試樣端面硬度、抗拉強度和淬透性及觀察顯微組織,將使用真空氣淬爐淬火后的檢測數據與真空油淬試驗結果進行對比[5]。GH4169零件固溶+時效處理后檢測試樣的硬度、抗拉強度和淬透性并觀察顯微組織,以及固溶處理后檢測試樣的變形量。其中,30CrMnSiA零件的工藝參數為:淬火溫度890～910 ℃,冷卻方式分別為油冷和氣冷(氣體淬火壓力為3 bar和6 bar);回火溫度450～470 ℃,冷卻方式為油冷。1Cr17Ni2零件的工藝參數為:淬火溫度960～980 ℃,冷卻方式分別為油冷和氣冷(氣體淬火壓力為3 bar和6 bar);回火溫度500～540 ℃,冷卻方式為油冷。GH4169零件的工藝參數為:固溶溫度960～980 ℃,保溫時間根據零件直徑確定,冷卻方式為氣冷(氣體淬火壓力為3 bar和6 bar);經720±10 ℃時效保溫9±0.5 h后,以50 ℃/h的速率隨爐冷卻至620±10 ℃,保溫9±0.5 h后空冷。

2 試驗結果與分析

2.1 硬度及變形量試驗結果分析

淬火后三種零件的硬度及變形量檢測結果分別見表3和表4。

表3 硬度測試結果

表4 變形量測試結果

2.1.130CrMnSiA零件的試驗結果分析

1)淬火后硬度分析

由表3可知,直徑φ30 mm的30CrMnSiA零件在氣體淬火壓力分別為3 bar和6 bar的條件下,硬度均為93.7 HRB左右,零件未淬硬;直徑φ20 mm零件在氣體淬火壓力從3 bar提高到6 bar時,雖然硬度有所提升,最高達到31～33 HRC,但仍不能滿足硬度要求;與真空油淬后直徑φ20 mm和φ30 mm試驗件的硬度45～46 HRC相比,硬度值相差較大。

2)變形量分析

由表4可知,真空氣淬后零件存在輕微變形,氣體淬火壓力從3 bar提高至6 bar,零件變形量幾乎無變化,無需進行校正。而真空油淬后直徑φ30 mm零件的變形量為0.40～0.60 mm,需要進行校正。

3)30CrMnSiA零件氣淬后硬度不合格原因分析

30CrMnSiA零件的淬透性不高,一般采用油淬。試驗結果表明,氣體淬火壓力為6 bar時,冷卻能力不能滿足材料組織轉變的需要,導致材料硬度低。

2.1.21Cr17Ni2零件的試驗結果分析

1)淬火后硬度分析

由表3可知,直徑φ15、φ20和φ30 mm的1Cr17Ni2零件在氣體淬火壓力分別為3 bar和6 bar時,硬度值為43～48 HRC;與真空油淬后零件硬度45～47 HRC相比略低2 HRC。結果表明,1Cr17Ni2零件采用真空氣淬能夠滿足硬度要求。

2)變形量分析

由表4可知,真空氣淬后(垂直吊裝時)零件的變形量為0.20～0.30 mm,氣體淬火壓力從3 bar提高至6 bar時零件變形量無變化。真空油淬后零件變形量為0.40～0.85 mm,約為氣淬的2～3倍。結果表明,1Cr17Ni2零件采用真空氣淬能夠滿足變形量的要求。

2.1.3GH416零件的試驗結果分析

由表3和表4可以看出,GH4169零件經真空氣淬爐固溶處理及時效處理后硬度達到44～45 HRC,滿足要求,且變形量小于0.15 mm,無需校正。

2.2 淬透性試驗結果分析

淬火后將金相試樣從中間截斷,檢測端面硬度,φ30 mm的30CrMnSiA試樣和直徑φ40 mm的GH4169試樣的檢測位置分別為端面中心、1/3R處、2/3R處及R處,其他試樣的檢測位置分別為端面中心、1/2R處及R處,并加工成標準拉伸試樣檢測其抗拉強度。試驗結果見表5和表6。

表5 試樣的硬度檢測結果Ⅰ

表6 試樣的硬度檢測結果Ⅱ

2.2.130CrMnSiA淬透性分析

從表5和表6中可以看出,直徑φ30 mm的30CrMnSiA試樣在氣體淬火壓力分別為3 bar和6 bar時,硬度無變化,均不符合要求;直徑φ20 mm試樣在氣體淬火壓力從3 bar提高到6 bar時,硬度有明顯的提高,但仍不符合要求。高壓真空氣淬與真空油淬相比,硬度值差距明顯,因此30CrMnSiA材料不適用高壓真空氣淬進行淬火。

2.2.21Cr17Ni2淬透性分析

從表6中可以看出,直徑分別為φ15、φ20和φ30 mm的1Cr17Ni2試樣在氣體淬火壓力分別為3 bar和6 bar時,強度和硬度均符合要求,中心與表面的硬度差較小。與真空油淬工藝相比,硬度值基本一致,因此1Cr17Ni2材料可以使用高壓真空氣淬進行淬火。

2.2.3GH4169淬透性分析

從表5和表6中可以看出,直徑φ20 mm的GH4169試樣在氣體淬火壓力分別3 bar和6 bar時,強度和硬度均符合要求,試樣中心與表面的硬度差為3 HRC;直徑φ40 mm試樣中心與表面的硬度差為6 HRC,仍符合硬度要求≥36 HRC。因此直徑不大于φ40 mm的GH4169材料可以使用高壓真空氣淬(6 bar氣體淬火壓力)進行固溶處理。

2.3 顯微組織分析

2.3.130CrMnSiA試樣

φ30 mm的30CrMnSiA試樣的顯微組織如圖2所示。從圖2(a)和2(b)中可以看出,大多數組織為白色的鐵素體組織,且黑色的貝氏體組織較多,導致試件硬度偏低;從圖2(c)中可以看出,白色的鐵素體組織占比較少,組織基本為灰黑色的馬氏體組織。因此30CrMnSiA材料不適用高壓真空氣淬(6 bar氣體淬火壓力)進行淬火。

(a)3 bar氣淬;(b)6 bar氣淬;(c)真空油淬

2.3.21Cr17Ni2試樣

φ30 mm的1Cr17Ni2試樣的顯微組織如圖3所示。可以看出試樣組織無明顯差異,均為灰色馬氏體、少量白色鐵素體和黑色的碳化物。因此直徑φ30 mm的1Cr17Ni2材料可用高壓真空氣淬(3 bar氣體淬火壓力)進行淬火。

(a)3 bar氣淬;(b)6 bar氣淬;(c)真空油淬

2.3.3GH4169試樣

φ40 mm的GH4169試樣的顯微組織如圖4所示。可以看出試樣組織無明顯差異,均由γ基體、γ′、γ″、δ和NbC等相組成[6]。因此可以采用高壓真空氣淬(6 bar氣體淬火壓力)對直徑φ40 mm的GH4169材料進行固溶處理。

(a)3 bar氣淬;(b)6 bar氣淬

3 結論

1)30CrMnSiA零件(直徑φ20 mm和φ30 mm)采用高壓真空氣淬爐(6 bar氣體淬火壓力)淬火后,硬度不合格;在垂直吊裝的情況下變形量能夠控制在0.15 mm內,無需進行校正。表明30CrMnSiA長軸類零件淬火時應選擇真空油淬。

2)1Cr17Ni2零件(直徑φ30 mm)采用高壓真空氣淬爐(6 bar氣體淬火壓力)淬火后,硬度合格;在

垂直吊裝的情況下軸類變形量能夠控制在0.15 mm內,無需進行校正。表明1Cr17Ni2長軸類零件淬火時可以選擇高壓真空氣淬。

3)GH4169零件(直徑≤40 mm)采用高壓真空氣淬爐(6 bar氣體淬火壓力)淬火后,硬度合格;在垂直吊裝的情況下軸類變形量能夠控制到0.15 mm內,無需進行校正。表明GH4169零件固溶冷卻方式可以選擇高壓真空氣淬。