江南工業(yè)集團(tuán)有限公司 （湘潭 411207）姚春臣 秦太華 劉贊輝 余 湘 曹俊敏

中國航空動(dòng)力機(jī)械研究所（株洲 412002）呂學(xué)敏

為了提高原材料的利用率，對(duì)30CrMnSiA鋼薄壁筒形件進(jìn)行了旋壓成形工藝改進(jìn)。在試行旋壓前對(duì)坯料調(diào)質(zhì)、旋壓后不淬火的工藝改進(jìn)方案時(shí)，對(duì)坯料進(jìn)行了真空調(diào)質(zhì)處理的試驗(yàn)。在試行旋壓后淬火的工藝改進(jìn)方案時(shí)，又進(jìn)行了薄壁筒形件旋壓后的真空淬火、井式爐淬火等工藝試驗(yàn)。經(jīng)過試驗(yàn)對(duì)比，最后以旋壓后真空淬火的工藝方法，取得了工藝改進(jìn)試驗(yàn)的成功。

一、零件概況

一種直徑較大的薄壁筒形件如附圖所示，材料為30CrMnSiA鋼。要求力學(xué)性能滿足抗拉強(qiáng)度Rm≥1080MPa，伸長率A≥10%。這種筒形件原先是直接由管料經(jīng)下料、粗車、熱處理、半精加工、精加工等工序制成。

為了提高材料利用率，減少原材料的消耗，降低生產(chǎn)成本，我們開展了采用旋壓成形技術(shù)的工藝改進(jìn)試驗(yàn)。即先加工旋壓坯料，通過強(qiáng)力旋壓，使管形坯料的壁厚減薄、長度增長，然后再進(jìn)行后續(xù)的切削加工。為了確保筒形旋壓件材料的力學(xué)性能，需要對(duì)其進(jìn)行淬火和回火。但淬火和回火是在旋壓之前進(jìn)行，還是在旋壓之后進(jìn)行？存在兩種不同的工藝改進(jìn)方案。

薄壁筒形件示意

二、旋壓前坯料調(diào)質(zhì)方案中的真空熱處理試驗(yàn)

由于筒形件要滿足抗拉強(qiáng)度Rm≥1080MPa，伸長率A≥10%的力學(xué)性能要求，需要進(jìn)行淬火和回火，而管形件旋壓變薄之后淬火比非旋壓件淬火更易變形，所以最理想的情況是：在工件旋壓之前，通過調(diào)質(zhì)或正火使其具有一定的硬度和強(qiáng)度，然后再通過旋壓產(chǎn)生的加工硬化，使其力學(xué)性能符合要求，從而旋壓后就不需進(jìn)行淬火，避開了薄壁旋壓成形件的淬火變形問題。

于是，我們首先就試行坯料旋壓前調(diào)質(zhì)，旋壓后只消除應(yīng)力的工藝改進(jìn)試驗(yàn)方案。

1.坯料的調(diào)質(zhì)處理

調(diào)質(zhì)處理的目的是為了改善材料的組織，并使其材料具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、硬度和伸長率，既能滿足材料的旋壓工藝性要求，又能促進(jìn)旋壓后材料強(qiáng)度的提高。調(diào)質(zhì)處理是由淬火和高溫回火兩個(gè)熱處理過程所組成。

其中，旋壓坯料的淬火是在真空淬火爐中進(jìn)行，淬火溫度為900℃?；鼗鹗窃谡婵栈鼗馉t內(nèi)進(jìn)行，回火溫度為680℃。

坯料的真空熱處理避免了坯料在加熱時(shí)的氧化脫碳，從而在熱處理后可以直接進(jìn)行旋壓。

2.旋壓試驗(yàn)的效果

坯料在一臺(tái)進(jìn)口的強(qiáng)力旋壓機(jī)上進(jìn)行了強(qiáng)力旋壓成形，其工件厚壁處的壁厚減薄率為58.9%。首次試驗(yàn)的坯料旋壓成筒形件后，出現(xiàn)了3個(gè)問題。一是工件的口部有明顯的擴(kuò)徑現(xiàn)象；二是口部內(nèi)壁有橫向裂紋；三是取樣檢測(cè)材料力學(xué)性能不合格。

工件旋壓后經(jīng)200℃保溫24h去應(yīng)力回火之后的力學(xué)性能見表1，其抗拉強(qiáng)度低于產(chǎn)品質(zhì)量要求。

3.不同溫度回火的坯料旋壓前的力學(xué)性能對(duì)比

為提高燃燒室旋壓后的強(qiáng)度，決定適當(dāng)提高坯料的強(qiáng)度和硬度。為此，先對(duì)坯料作了淬火后分別按600℃和660℃兩種溫度回火的旋壓前的力學(xué)性能對(duì)比。其旋壓前的力學(xué)性能見表2。

從表2可見，坯料調(diào)質(zhì)中的回火溫度越低，其旋壓前的抗拉強(qiáng)度Rm就越高。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)按線性關(guān)系回歸可以得到簡化估算的計(jì)算公式

Rm=-1.375x+1787.5

式中 Rm——抗拉強(qiáng)度，MPa；

x——回火溫度，℃。

按上式可估算出前次680℃回火的坯料旋壓前的抗拉強(qiáng)度約為

Rm=-1.375×680+1787.5=852.5≈850（MPa）

4.提高坯料強(qiáng)度后的旋壓試驗(yàn)效果

考慮到坯料強(qiáng)度若過高則旋壓易裂，所以我們采用660℃回火的坯料進(jìn)行了第二次旋壓試驗(yàn)。第二次旋壓試驗(yàn)的力學(xué)性能結(jié)果見表3。

但經(jīng)900℃真空淬火660℃回火的坯料旋壓后的力學(xué)性能也不理想。從表3中5#和6#試樣的力學(xué)性能數(shù)據(jù)可見，不僅其抗拉強(qiáng)度沒有明顯的提高，而且伸長率也顯著下降了，強(qiáng)度和伸長率都不合格。

為提高燃燒室的材料伸長率，對(duì)其工件采取了旋壓后進(jìn)行去應(yīng)力回火的措施。去應(yīng)力回火在真空回火爐中進(jìn)行，其回火溫度為220℃，保溫時(shí)間為6h。去應(yīng)力回火后，伸長率得到了提高，但強(qiáng)度仍不合格（見表3中7#～9#試樣的力學(xué)性能數(shù)據(jù)）。

5.第三次旋壓試驗(yàn)的效果

后來又采用經(jīng)900℃真空淬火，600℃回火的坯料試進(jìn)行旋壓，盡管旋出了裂紋，但旋壓后的力學(xué)性能仍然不能滿足抗拉強(qiáng)度Rm≥1080MPa的要求。由此可見，降低回火溫度雖然可以提高坯料的硬度，但并沒有收到提高旋壓后的抗拉強(qiáng)度使其滿足產(chǎn)品要求的效果。

三、旋壓后再進(jìn)行淬火的熱處理工藝試驗(yàn)

由于這種筒形件旋壓后不淬火的第一種工藝改進(jìn)方案連續(xù)試驗(yàn)三次的力學(xué)性能都沒能滿足產(chǎn)品要求，所以又改為按旋壓后淬火的第二種工藝改進(jìn)方案開展了工藝改進(jìn)試驗(yàn)。

表1 調(diào)質(zhì)處理的坯料旋壓后的力學(xué)性能

表2 兩種不同溫度回火的坯料力學(xué)性能對(duì)比

表3 660℃回火的坯料旋壓后的力學(xué)性能對(duì)比

第二種工藝改進(jìn)方案采用退火狀態(tài)的坯料進(jìn)行旋壓，降低了旋壓的難度，其旋壓成形試驗(yàn)工作進(jìn)行得比較順利。但其旋壓后的熱處理難度較大，首先面臨的是薄壁件的淬火變形問題。

于是，我們對(duì)旋壓后的薄壁筒形件分別進(jìn)行了真空熱處理和井式爐熱處理對(duì)比試驗(yàn)。

1.真空熱處理試驗(yàn)

淬火在真空淬火爐內(nèi)進(jìn)行，淬火溫度為900℃。回火在真空回火爐內(nèi)進(jìn)行，回火溫度為505℃。

首次試驗(yàn)4件。熱處理后采用里氏硬度計(jì)檢測(cè)硬度值，為37.5～40HRC。檢測(cè)對(duì)比熱處理前后的內(nèi)徑，4件工件各測(cè)點(diǎn)的熱處理變形最大值為0.47mm。旋壓和熱處理的總變形最大值為0.95mm。雖然其變形量不很理想，但還可以滿足筒形件旋壓后精加工的要求。

在隨爐熱處理的環(huán)形試件上剖取、加工標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣2根，作力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果見表4。其旋壓筒形件真空熱處理后，力學(xué)性能完全符合質(zhì)量要求。

2.井式爐熱處理試驗(yàn)

為了降低熱處理生產(chǎn)成本，也做了該種旋壓筒形件的普通井式爐淬火和回火的熱處理工藝試驗(yàn)。

淬火是在井式淬火爐內(nèi)加熱和保溫，淬火油槽中冷卻。淬火溫度為890～895℃。淬火時(shí)采用了預(yù)熱和預(yù)冷等減小淬火變形的工藝措施，

回火是在井式回火爐內(nèi)加熱和保溫，冷卻水槽中冷卻?；鼗饻囟葹?80℃。

首次試驗(yàn)6件?；鼗鸩⒊ケ砻婷撎紝雍螅溆捕葯z測(cè)值為35.5～36.5HRC，符合其硬度要求。

這6件工件在旋壓后淬火前分別測(cè)得其同一件工件厚壁處的外徑差都較小，在0～0.3mm范圍內(nèi)；盡管淬火時(shí)已經(jīng)采用了預(yù)熱和預(yù)冷的工藝措施，但熱處理后的外徑差仍然顯著變大，為0.6～1.8mm。

檢驗(yàn)硬度和變形量之后，將這6件工件轉(zhuǎn)切削加工。在切削加工中，其中只有3件的內(nèi)外圓尺寸可以加工合格，另外3件因淬火變形大，加工后圓度不合格而報(bào)廢。廢品率為50%。

由此可見，對(duì)于這種薄壁旋壓筒形件，是不能繼續(xù)采用井式爐淬火的。

四、生產(chǎn)應(yīng)用

首次真空淬火的上述4件筒形旋壓件加工成為成品之后，經(jīng)后續(xù)各項(xiàng)質(zhì)量檢驗(yàn)均符合要求，裝配成產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)也都符合要求。于是，就開始進(jìn)行批量試生產(chǎn)。批量試生產(chǎn)的旋壓筒形件經(jīng)真空淬火和真空回火后，力學(xué)性能合格，后續(xù)切削加工和檢驗(yàn)的情況也同樣良好。從而使得這種筒形件的旋壓工藝改進(jìn)獲得了成功，收到了顯著降低原材料消耗、降低生產(chǎn)成本的效果。

五、結(jié)語

（1）在對(duì)30CrMnSiA鋼薄壁筒形件進(jìn)行旋壓成形工藝改進(jìn)時(shí)，首先可考慮采用先對(duì)坯料進(jìn)行調(diào)質(zhì)、再利用旋壓的加工硬化作用使工件旋壓后的力學(xué)性能滿足產(chǎn)品要求，而不需再進(jìn)行淬火的工藝方案。其坯料調(diào)質(zhì)采用真空熱處理可以防止氧化脫碳，熱處理后可以直接轉(zhuǎn)入旋壓工序。

（2）有很多工件由于其原材料尺寸、工件尺寸、精度、產(chǎn)品強(qiáng)度要求等方面的原因，坯料調(diào)質(zhì)和旋壓產(chǎn)生的加工硬化的共同作用不能達(dá)到既無裂紋缺陷、又能使力學(xué)性能滿足產(chǎn)品要求的理想情況，需要采用旋壓之后再淬火的工藝流程。這就需要優(yōu)選淬火變形較小的淬火工藝，解決薄壁筒形件旋壓后淬火的變形問題。

（3）真空淬火不僅無氧化脫碳，而且淬火變形也比井式爐淬火的小。對(duì)于直徑較大、旋壓成形后還需要進(jìn)行淬火和精加工的30CrMnSiA鋼薄壁筒形件，真空淬火+真空回火工藝是其較優(yōu)的熱處理工藝之一。

表4 真空熱處理的旋壓筒形件力學(xué)性能