30CrMnSiA焊接件的热表处理控制

2022-06-27黄红武

热处理技术与装备 2022年1期

毛喆，黄红武

(航空工业郑飞公司，河南郑州 450005)

对于30CrMnSiA焊接件，要求焊接后最终热处理强度σb为1175±100 MPa，表面处理通常采用镀锌8～12 μm进行钝化。在生产中，常因对热表处理控制不到位而导致制件出现故障，结合多年生产实际，本文对30CrMnSiA焊接件的热表处理控制作出了规定。

1 30CrMnSiA材料

1.1 化学成分

30CrMnSiA材料化学成分见表1。

表1 30CrMnSiA材料化学成分(质量分数，%)

1.2 焊接性分析

通常焊接热影响区的淬硬及冷裂纹倾向与钢种的化学成分是相关的，常用化学成分间接地评估钢材冷裂纹的敏感性[1]。碳当量法是最常用的估算方法，即把钢中合金元素(包括碳)的含量按其作用换算成碳的相当含量。根据国际焊接学会推荐的公式如下：

将表1中各元素按上限带入该公式，计算可得30CrMnSiA材料的碳当量为0.78。可见30CrMnSiA材料在焊接时易淬硬，焊接性能一般，需进行预热从而防止焊接裂纹的产生。

1.3 焊接残留应力

焊接过程中，由于焊接件在不均匀温度场的作用下会产生内应力，在焊接件冷却后，虽然温度场消失，但还有残留的内应力存在，这种残留的内应力俗称焊接残留应力。导致焊接残留应力的来源有两个方面：

a)热应力。焊接过程中不均匀温度场引发的制件塑性变形，冷却后变形不能完全恢复，产生应力。同时制件焊接后，在冷却过程中，各部位冷速不一致也会导致制件存在残留应力。

b)组织应力。30CrMnSiA材料焊接后，制件焊接区域冷却后组织有珠光体、铁素体和残留奥氏体，对于薄板制件还存在一定的马氏体组织。这些组织的比容不同会产生组织应力。

2 热处理制度

2.1 退火

30CrMnSiA材料焊接完成后的残留应力应予以消除，以避免焊接件在室温放置过程中出现变形或开裂。生产中最常用和最高效的消除焊接应力的方式为退火，即通过加热的方式使焊接制件进行应力消除。

2.1.1焊接与退火间隔时间

焊接完成后与退火的间隔时间越短，残留应力对制件的影响时间就越少，制件开裂或变形的风险就会降低。相关标准只是规定制件焊接后和热处理前要有间隔时间的要求，但并没有对具体的间隔时间做出规定。如：GJB 481—88《焊接质量控制要求》中9.7条规定：“有热处理质量要求的焊接件，必须在规定的时间内进行热处理”。HB/Z 136—2000《航空结构钢热处理工艺》中5.3.4.2规定：“…为防止焊接后裂纹和变形，应及时退火”。对于30CrMnSiA材料的焊接件，焊接方式不同所产生的焊接残留应力亦不相同。因30CrMnSiA制件在气焊时容易产生裂纹[2]，故而对采取气焊的焊接件应在4 h内进行退火，其他焊接方式的制件焊接和退火的时间间隔可控制在48 h内。对于焊缝较多的大制件，可采用焊接和退火交叉进行，即焊接一部分就进行退火，退火后继续焊接，焊完接着退火。

2.1.2退火参数

30CrMnSiA焊接件一般采取低温退火的方式进行，应力的消除与退火温度和时间有关。研究表明，在450 ℃退火只有50%应力得到消除，而要使内应力完全消除，需要在600 ℃退火15 h或者650 ℃退火1 h[3]。因此，通常要求退火温度为650～680 ℃。在生产中常采用空气电阻炉，但这种情况会造成制件在退火过程中氧化。反应方程式如下：

2Fe+O2=2FeO

(1)

4Fe+3O2=2Fe2O3

(2)

3Fe+2O2=Fe3O4

(3)

在570 ℃以下，生产的氧化膜由Fe2O3和Fe3O4组成，二者比较致密，可以保护制件进一步氧化。当超过570 ℃时，则会有FeO生成，且FeO在氧化膜最内层，因其不致密，会破坏整体氧化膜的稳定性，使制件的氧化过程继续进行，生成氧化皮，随着时间的延长，氧化皮的厚度也不断增加。氧化皮的存在使制件尺寸减少，并且会出现高温腐蚀现象。若焊接件采用真空炉进行退火，因真空炉为辐射加热，加热时间长，且需要随炉降温，退火工艺时间长，影响生产效率，一般不采纳。

航空工业郑飞公司对30CrMnSiA焊接件一般采用电炉加热至550±20 ℃保温1 h后空冷的退火工艺规范。在550 ℃温度下，高于30CrMnSiA材料的再结晶温度，焊接件可通过再结晶使应力消除。虽然焊接件的应力不能完全得到消除，但可去除70%的应力，可保证焊接件在后续加工和停放过程中，不会出现变形或开裂等现象。而焊接件退火、加工后还需进行最终的淬火热处理，使部分残留焊接应力在淬火加热过程中发生奥氏体转变，冷却后得到马氏体组织，经高温回火后为索氏体组织。在这一过程中，焊接所产生的残留应力得到消除。经多年生产实践验证，采用550±20 ℃保温1 h退火工艺可有效地防止30CrMnSiA焊接件的变形和开裂，并且在退火过程中可避免制件表面产生FeO膜，只生成氧化膜，对制件精度和表面质量影响甚微。

2.2 淬火、回火

30CrMnSiA焊件要求热处理强度σb为1175±100 MPa，热处理制度为淬火+回火，其中淬火温度为890±10 ℃，油冷；回火温度为520±20 ℃，水冷。30CrMnSiA焊接完成后，制件有部分尺寸后续无加工余量，则要求在淬火热处理时需防止制件氧化、脱碳。HB 5354—1994《热处理工艺质量控制》中6.8条规定：“焊接件、铸件、镀铜件、铜合金件以及粉末冶金件，一般不允许在盐浴炉中加热”。原因在于焊接件若采用盐浴炉淬火，焊缝处的残盐难清理彻底，残盐主要是NaCl和KCl，氯离子半径小，具有很强的穿透性，能穿透金属表面的氧化层和防护层与内部金属发生电化学反应；同时，氯离子含有一定的水合能，易被吸附在金属表面，并将金属表面的氧排掉，把不溶性的氧化物变成可溶性的氯化物，使钝化态表面变成活泼表面，造成制件腐蚀[4]。以前采取电炉进行淬火处理，为了防止高温下制件氧化、脱碳，常采取木炭、铁屑进行防护，操作繁琐且质量不稳定，常出现制件因氧化严重或脱碳层过深的问题造成制件报废。随着真空炉的普及，对30CrMnSiA焊接件进行真空淬火，可有效避免制件在加热过程中出现氧化、脱碳现象。回火温度为520±20℃，电炉回火后制件表面有轻微氧化，不会生产氧化皮，吹砂法可轻易去除。故对于30CrMnSiA焊接件的热处理采取真空淬火、电炉回火的方式进行。

2.2.1真空淬火零件装炉方式

真空淬火炉因在真空状态下加热，对制件的热能传递主要依靠辐射的方式进行。辐射传递热能有一定的方向性，热源辐射到正对的零件部位，使该部位先加热，在通过工件自身对其他部位进行热传递。制件摆放密集或互相遮挡会明显影响加热速度，严重时会造成部分制件按工艺时间保温后，达不到淬火温度从而未发生奥氏体转变，导致淬火后硬度不足。因此在进行零件装炉时，制件应针对热源整齐摆放且避免相互遮挡，保证各制件加热均匀。

2.2.2真空淬火油冷却时加压

淬火冷却过程分蒸汽膜、沸腾和对流三个阶段，制件从真空炉热室转移到冷室入油瞬间，四周的油被加热汽化，在制件表面形成蒸汽膜，后续蒸汽膜在油的冷却下破裂，油在工件表面沸腾，工件冷速加大，待制件冷至真空淬火油沸点时，则采用对流的方式进行冷却。对于30CrMnSiA制件淬火，要求快速冷却通过C曲线“鼻尖”以保证过冷奥氏体能转变为马氏体。因为蒸汽膜导热性差，阻碍油与制件的热传导，因此在冷却过程中，蒸汽膜阶段的时间要短。真空淬火为使淬火油不污染真空系统，所用真空淬火油饱和蒸汽压低，即低压下蒸发少。这就决定了真空状态下蒸汽膜阶段保持时间更长。30CrMnSiA材料虽含有Cr、Mn等合金元素，但不包含能显著提高制件淬透性的Ni、Mo等元素，直接在真空淬火油中进行冷却，会使制件在冷却过程中，冷速小于临界冷却速度，与C曲线相交，过冷奥氏体提前发生组织转变，淬火后不能全部得到马氏体组织，使制件淬火后硬度低[5]。根据兰纳德-琼斯理论，分子间的排斥作用与距离(r)的12次方成反比，而吸引作用与距离(r)的6次方成反比[6]。可知淬火冷却时增大压力可使气体的摩尔体积减小，即分子间距减小，使得分子间引力增加，使蒸汽膜进一步变薄，缩短了传热慢的蒸汽膜阶段。因此，为了保证30CrMnSiA制件真空淬火冷却后得到马氏体组织，在冷却时，可向真空炉的冷室回充氮气以增加气压到5×104Pa以上，以保证淬火质量。

3 表面处理

对于30CrMnSiA焊接件的镀锌钝化，按标准HB/Z 5068—92《电镀锌、电镀镉工艺》进行操作，电镀前制件表面应无焊接的剩余物、熔渣和焊瘤，尤其焊缝处应无气孔和虚焊等缺陷。电镀锌主要工序流程为：消除应力→电解除油→弱浸蚀→中和→电镀锌→吹干→除氢→活化→出光→钝化→吹干。

30CrMnSiA焊接件和机加制件电镀锌过程基本相似，主要存在以下两点差异。

3.1 焊缝发暗处理

焊接件在电镀后，焊缝会因焊药残留导致焊缝处镀锌层发暗，HB 5035—1992《锌镀层质量检验》中规定焊接件焊缝处的镀锌层发黑、发暗为允许缺陷。为保证制件的防腐性，应对焊缝发暗、发黑处涂抹H06-2锌黄环氧酯底漆或TB06-9锌黄丙烯酸聚氨酯底漆。

3.2 点焊制件镀锌

对于点焊的制件，制件存在板缝，在加工过程中板缝内会存在油污，在表面处理前电解除油过程中，油污从板缝中流出，使制件表面被污染，电镀锌时镀层将会产生发花、镀层起泡等弊病，而且还会对槽液造成污染。对于此类零件，电镀前先将制件放置电炉中300 ℃保温4 h以上，将板缝处的油污烘干碳化，然后对焊缝处进行吹砂，再进行电解除油等工序。在电镀完成后，要在板缝处涂H06-2或TB06-9漆进行防腐处理，在涂漆时应将制件各板缝开口处用油漆封闭，将渗入板缝的残留槽液与空气进行隔离，且需防止槽液渗出，与镀层作用生成斑点状的腐蚀产物[7]。