30CrMnSiA鋼筒形件超高強度熱處理工藝研究

曹俊敏，王海云，姚春臣，羅青云，劉贊輝，賓 璐，王金玲

(1．江南工業集團有限公司，湖南 湘潭 411207； 2．湘潭大學機械工程學院，湖南 湘潭 411105)

為了減輕產品重量、提高其機動性、減少能耗，需采用超高強度鋼提高零部件的強度。但超高強度鋼價格較貴，為降低產品造價，對其筒形件以價格低廉的30CrMnSiA鋼代替價格較貴的D6AC超高強度鋼進行熱處理工藝試驗，并成功獲得了產品的試制。

1 筒形件熱處理面臨的困難和問題

按標準GB/T 3077—1999[1]要求，30CrMnSiA鋼淬火及回火后抗拉強度Rm≥1080 MPa和斷后伸長率A≥10%。根據國外有關標準，D6AC超高強度鋼淬火及回火后，其抗拉強度和斷后伸長率為：Rm≥1448 MPa(210000PSI)，A≥10%(圓試樣)或A≥7%(扁試樣)。撫鋼企業標準[2]規定：45CrNiMo1VA鋼(國產D6AC鋼)淬火及回火后抗拉強度Rm≥1520 MPa和斷后伸長率A≥9%。

30CrMnSiA鋼筒形件外形尺寸約為φ90 mm×600 mm，熱處理時，除了兩端部留有精加工的余量外，主體部位的內外圓已全都加工為產品尺寸，壁厚僅有1.3 mm，圓度公差只有0.14 mm。要求筒形件熱處理后抗拉強度Rm≥1520 MPa，斷后伸長率A≥9%，硬度在46～50 HRC范圍，且熱處理變形小，保證產品后續裝配不出問題，不允許出現氧化脫碳。由此可見，其熱處理難度很大。

2 熱處理試驗方案及實施

2.1 熱處理設備的選用

根據工件的形狀和尺寸及現有設備條件，選用可控氣氛多用爐作為淬火設備及其配套的鼓風箱式回火爐作為預熱和回火設備。

可控氣氛多用爐具有爐膛較大、可將筒形件豎直吊放減少變形的優點，還有通保護氣氛、控制碳勢、防止氧化脫碳的優點，但必須控制爐內可控氣氛中氫含量。盡管多用爐已廣泛地應用于汽車零件和齒輪的化學熱處理和保護淬火，一般都不會出現氫脆問題。但對于主體部位壁厚僅1.3 mm，而且要求抗拉強度達到D6AC超高強度鋼水平的30CrMnSiA鋼產品零件來說，需要考慮多用爐保護氣氛中含有一定量的氫時，產品材料在多用爐中加熱時吸氫而出現氫脆失效的風險。

2.2 熱處理工藝的設計

由于要求抗拉強度Rm≥1520 MPa，斷后伸長率A≥9%，硬度為46～50 HRC。而材料為30CrMnSiA鋼，既不能按D6AC超高強度鋼的熱處理工藝，也不能完全按30CrMnSiA鋼通常的熱處理工藝來進行熱處理。

根據以往經驗，30CrMnSiA鋼完全淬透時硬度可達50～52 HRC，若能保證產品完全淬透，并采用低溫回火，可使其強度滿足Rm≥1520 MPa的要求。問題在于即使避開了第一類回火脆性區，低溫回火能否保證延伸率A≥9%，能否使其具有足夠的塑性和韌性，均是需要考慮的問題。

根據上述情況，確定其淬火溫度為900±10 ℃，碳勢為0.3%，使產品既能充分奧氏體化，又能保持細小的晶粒；確定回火溫度為220～280 ℃。并且在工藝和操作中采取相應措施，如實行快速加熱、盡可能縮短產品材料在多用爐中加熱(可能吸氫)的時間，產品回火結合除氫，以防止產品材料吸氫和消除材料中可能已吸入的氫，消除或減小產品變形和塑性不足，化解氫脆、變形和塑性不足的風險，確保產品質量可靠。

2.3 試驗方案的實施

試驗方案和工藝確定后，試制的30CrMnSiA鋼筒形件工藝過程如下：(產品及隨爐試樣)裝料 → 預熱(鼓風箱式回火爐) → 淬火(可控氣氛多用爐) → 回火及除氫處理(鼓風箱式回火爐) → 檢驗Ⅰ→ 卸料 →檢驗Ⅱ。

3 試驗結果及產品應用效果

3.1 力學性能

回火后檢驗隨爐試樣硬度為48～50 HRC，符合產品硬度要求。而且硬度值偏上限，說明淬火較充分。對隨爐拉伸試樣作力學性能測試，抗拉強度Rm為1690 MPa，斷后伸長率A為10%(扁試樣)。符合撫鋼材料標準和國外有關標準的要求。

3.2 外觀及表層質量

淬火后，產品表面無氧化脫碳，見圖1料筐中的工件。回火后產品外觀顏色也無明顯變化。外觀及表層質量符合光亮熱處理和無氧化脫碳要求。

圖1 淬火工件

3.3 變形量

在熱處理現場，看不出產品有明顯變形。轉機械加工分廠檢驗主體部位的尺寸和圓度，均符合產品圖的規定。

3.4 切削加工性能

產品轉機加分廠后，因材料的強度和硬度高，切削加工存在一定的困難。但由于主體部位熱處理后無需再進行切削加工，只加工端部的內外形，且加工余量較少，所以采用先進刀具進行切削加工，材料硬而難以加工的問題也很快就解決了。

4 討論

1)在一定條件下，采用合適的熱處理工藝，以30CrMnSiA鋼替代45CrNiMo1VA、D6AC超高強度鋼是可行的。

2)熱處理試驗中30CrMnSiA鋼淬火后采用低溫回火，使其具有超高強度。所以材料的塑性、韌性將比高溫回火的低。因此應注意在確保產品強度符合其質量要求的前提下，選取較高的低溫回火溫度，延長低溫回火的時間，盡可能地提高其塑性和韌性。為了提高30CrMnSiA鋼超高強度熱處理后的塑性和韌性，還應當進一步改進熱處理工藝。

3)超高強度鋼應注意防止氫脆，30CrMnSiA鋼采用淬火+低溫回火熱處理工藝后也應該防止氫脆。特別是在含氫的可控氣氛熱處理爐中淬火的薄壁件，更應注意將低溫回火與除氫處理結合起來進行除氫處理，確保產品的安全可靠。

5 結論

1)某產品30CrMnSiA薄壁筒形件可以通過采用可控氣氛多用爐保護加熱淬火、低溫回火及除氫的熱處理工藝，使其力學性能達到45CrNiMo1VA(D6AC)超高強度鋼的要求，滿足產品輕量化和降低造價的需求。

2)30CrMnSiA材料采用淬火+低溫回火的超高強度熱處理時，應注意在確保產品強度的前提下，選取較高的低溫回火溫度，延長低溫回火的時間，盡可能地提高材料的塑性和韌性。在含氫氣氛的熱處理爐中淬火的薄壁件，應進行除氫處理，以確保產品使用的安全可靠。

3)為了滿足新產品對材料性能的需要，不僅應當積極研究和應用新材料，同時也應當注重改進現有材料的熱處理工藝，充分挖掘現有材料的潛力，努力降低新產品的造價，提高市場競爭能力。