薄壁件在立式真空油淬炉中的热处理应用.doc
薄壁件在立式真空油淬炉中的热处理应用The application research of the vertical vacuum oil quenching furnace of the heat treatment process of thin-walled parts摘要：采用ZCL-408立式真空油淬炉，对不同有效厚度的30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A两种材料的热处理工艺进行了研究。结果表明：ZCL-408立式真空油淬炉可用于长轴杆类零件的热处理，硬度、机械性能、变形量以及表面光亮度均能满足技术要求，能够很好地解决此类零件的淬火变形问题，并且淬火转移时间也可以满足合金钢薄壁细长杆件的热处理技术的相关要求。关键词：薄壁 真空 转移时间 Abstract Using a ZCL-408 vertical vacuum oil quenching furnace, this study investigated the heat treatment process of the different effective thickness of 30CrMnSiA and 30CrMnSiNi2A. The results showed that ZCL-408 vertical vacuum oil quenching furnace can used in the heat treatment processing of long axis bar parts, and the rigidity, mechanical properties, deformation and surface brightness can meet the technique requirement. The treatment also can deal with the distortion during quenching. Moreover, the quenching transferring time can meet the heat treatment processing requirements of alloy steels thin-walled slender bar.Key words： thin-walled, vacuum, transferring time1 前言真空热处理技术具有无氧化、无脱碳、脱气、脱脂、表面质量好、变形微小、热处理零件综合力学性能优异、使用寿命长、无污染无公害、自动化程度高等一系列突出优点而得到了迅速的发展1,2。真空热处理工艺的研究和应用已遍及退火、油（气）淬、高压气淬、渗碳、渗氮、渗金属、回火、烧结、钎焊、涂敷、清洗等多个领域3,4。随着航空产品对热处理质量要求的不断提高，真空热处理技术在航空工业中也得到了日益广泛的应用。近年来，立式真空油淬炉的使用越来越多，但是国内能够生产此种设备的厂家仅有两家。与国外设备相比，在满足使用要求的情况下，价格仅有进口设备的1/31/4，性价比比较高。立式真空油淬炉主要应用于长轴、长杆类等零件的淬火，与卧式真空油淬炉相比，其变形量大幅度减小，已经被航空航天制造企业成功应用于飞机起落架、立轴、导弹外壳等的淬火。由于三室立式真空淬火炉淬火转移时间相对较长，因此国内对于薄壁细长杆件的应用研究不多。我公司生产的零件中，有许多主要受力件属于薄壁长杆类零件，如：壳体、摇臂、肩轴等，有效厚度为310mm、长度为7001600mm，材料为30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A，在现有的卧式真空油淬炉和普通箱式电阻炉中淬火，要么变形大，要么氧化脱碳严重，无法满足技术要求。因此我公司采购了ZCL-408立式真空油淬炉，将零件垂直吊挂，用于解决此类零件的淬火。本研究探讨了薄壁件在立式真空油淬炉中淬火能否满足热处理技术要求。2 试验设备、材料及方法2.1 试验设备2.1.1 技术参数试验设备是从北京航天万源科技集团公司购买的ZCL-408型立式真空油淬炉，其设备技术指标见表2-1。表2-1 ZCL-408型立式真空油淬炉技术指标(Table 2-1.the data of the technical index of the ZCL-408 vertical vacuum oil quenching furnace)序 号项目指标名称设备参数值1有效工作区Ø900×18002装炉量（含工装）600Kg3最高温度1000ºC4工作温度800ºC1000ºC5炉温均匀性±10ºC6极限真空度10-1Pa7工作真空度110Pa8淬火转移时间40S2.1.2 结构介绍ZCL-408立式真空油淬炉为立式三室结构，一室是淬火油槽，一室为中间过渡室，最上端一室为加热室。具体由炉体、炉胆、隔热门、升降机、送料罐、油罐、油循环搅拌机构、真空系统、充气系统、水冷系统和液压系统等5（见图1）组成。图2-1 ZCL-408立式真空油淬炉结构图(Fig 2-1)The structure diagram of the ZCL-408 vertical vacuum oil quenching furnace2.2 试验材料试验选用的材料由公司供应处提供，材料均入厂复验合格，选用常用的两种合金钢：低合金结构钢30CrMnSiA和低合金超高强度钢30CrMnSiNi2A，由机加厂加工成3mm、10mm厚度的硬度检测用试片（长20mm,宽20mm)和Ø5短比例拉伸试棒。2.3 试验技术要求及方案2.3.1 工艺试验试片和拉伸试棒均在有效加热区内按上、中、下三层绑扎，每层放置硬度试片三件，拉伸试棒两件。淬火采用立式真空油淬炉进行，工作真空度110Pa,淬火油采用B244真空淬火油，油温加热至50ºC；回火采用JH-36井式回火炉进行。淬火采用阶梯式升温，先预热然后升温至淬火温度，工艺参数见表2-2： 表2-2热处理工艺参数（Table 2-2 the data of technological parameters of heat treatment ）材料牌号预热温度（ºC ）预热时间（min )淬火温度（ºC ）保温时间（min)冷却介质回火温度（ºC ）保温时间（min)冷却介质30CrMnSiA6002030900±105070油5006090热水30CrMnSiNi2A6002030900±10待添加的隐藏文字内容35070油250180240空气2.3.2 机械性能要求(见表2） 表2 -3 机械性能要求 6(Table 2-3 the data of mechanical standard)材料牌号硬度（HRC)抗拉强度（b）（MPa)屈服强度（0.2）（MPa)延伸率（5）(%)断面收缩率（）(%)30CrMnSiA351080835104530CrMnSiNi2A471570-9453 试验结果及分析3.1 30CrMnSiA试验数据首先对样品进行了900的淬火，处理结果见表3-1。 表3 -1.900ºC淬火后硬度值（Table.3-1 Hardness numbers after quenching at 900 ºC）样品位置样品厚度（mm)硬度（HRC）上35049.550104950.550中34949.5491050.55151.5下34950.5491049.550.551从表3-1可以看出3mm厚和10mm厚的薄壁件30CrMnSiA在加热区内按上、中、下三层绑扎后在900ºC淬火后的硬度值49HRC，在中层10mm的薄壁件的硬度最高可达到51.5HRC。都符合30CrMnSiA的机械性能的要求（35HRC）。（分析下原因更好）随后对样品进行了抗拉强度的实验，实验结果见表3-2。表3-2 500ºC回火后抗拉强度（MPa)(Table3-2.Tensile strength after tempering at 500)试样位置抗拉强度b（MPa)屈服强度0.2（MPa)延伸率5(%)断面收缩率(%)上12401230100099816165160中126012201020957142046 70下124012401010102515185548表3-2表明30CrMnSiA样品在在加热区内按上、中、下三层绑扎后样品在500ºC回火后的抗拉强度b在中层达到最大值1260MPa，抗拉强度值较小1220MPa，下层可均匀达到1240MPa，三层总体都达到30CrMnSiA机械性能的要求（1080MPa）。对于屈服强度0.2，样品在下层中达到最大值1025MPa，上层较为均匀达到1000MPa，中层的屈服强度0.2值最小为957MPa，三层总体上也满足30CrMnSiA机械性能的要求（835MPa）。延伸率5在中层达到最大值20%，在上层中比较均匀，延伸率5均为16%，总体也达到30CrMnSiA机械性能的要求（10%）。断面收缩率，在中层达到最大值70%，在中层最小值为46%。三层总体都达到30CrMnSiA机械性能的要求（45%）回火处理后的硬度见表3-3。表3-3 500ºC回火后硬度（HRC)Table 3-3 Hardness numbers after tempering at 500样品位置厚度（mm)硬度（HRC）上33938.539103839.539中33838.5381039.54040.5下33839.537.51038.539.539.5表3-3可以看出样品经500回火后，10mm薄壁件的硬度在中层达最大值40.5HRC，而3mm 薄壁件的硬度在下层达到最小值37.5。三层样品的硬度均达到30CrMnSiA的硬度要求（35HRC）。3.2 30CrMnSiNi2A试验数据由于30CrMnSiNi2A试验数据的淬火硬度表和回火后基本一致，回火后的抗拉强度见表3-4。 表3-4 250ºC回火后抗拉强度（MPa)(Talbe3-4.Tensile strength after tempering at 250)试样位置抗拉强度b（MPa)延伸率5(%)断面收缩率(%)上1720171010125063中1700170814156852下1720172211145448从表3-4可以看出：30CrMnSiNi2A样品的抗拉强度b在下层中达到最大值1722MPa，在中层的抗拉强度最小值为1700MPa都复合30CrMnSiNi2A的机械性能要求（1570HRC），延伸率5也基本满足30CrMnSiNi2A的机械性能要求（8%），断面收缩率在中层中达到最大值68%，在下层中达到最小值48%且都能满足0CrMnSiNi2A的断面收缩率的要求（45%）。表3-5 250ºC回火后硬度（HRC)(Table3-5.Hardness numbers after tempering at 250)样品位置厚度（mm)硬度（HRC）上349.550501049.54949.5中350.549.550105049.549.5下35050.55010495049.5表3-5表明30CrMnSiNi2A样品中，3mm、10mm薄壁件在经过250ºC回火后硬度值都满足机械性能的要求（35HRC）。总之，从淬火后硬度数据以及回火后硬度和强度数据可以看出，采用立式真空油淬炉淬火可以满足薄壁件淬火的需求，淬硬性和强度符合30CrMnSiA和30CrMnSiNi2A技术要求。试验结束后，我们相继对摇臂、肩轴、壳体等薄壁零件在立式真空油淬炉中进行了热处理，硬度、机械性能、变形量以及表面光亮度均满足了技术要求，已成功应用于产品中，使用效果良好。HB/Z191规定淬火转移时间一般应不超过25S7,而立式真空油淬炉分三室，且尺寸较大，很难满足这样的要求。我们使用的立式真空油淬炉淬火转移时间为40S（从开启中间隔热门开启开始计时，到零件全部没入油槽结束计时），而零件开始离开加热室到零件全部没入油槽的时间只有20S，真空中的加热速度比盐浴和可控气氛炉慢1，那么真空状态下零件的温度降低速度也比在大气状态下慢，因此，立式真空油淬炉的40S的淬火转移时间是可以满足合金钢真空热处理的技术要求的。5 结论立式真空油淬炉可用于长轴杆类零件的热处理，能够很好地解决此类零件的淬火变形问题，因此能够被广泛应用，我们通过对3、10mm厚试片的热处理的试验研究，说明立式真空油淬炉淬火转移时间可以满足我公司合金钢薄壁细长杆件的热处理技术要求。参考文献1阎承沛，真空热处理工艺与设备设计M，北京：机械工业出版社，1998(起止页码).2 王广生 真空热处理技术的发展J国外金属热处理，2005，26（3）1-5.3 阎承沛 真空热处理技术的新进展及其发展趋势 J.热处理,2006, 21(2)7-13.4阎承沛 我国真空热处理技术的现状和未来J.热处理，2000，21（2）1-8.5航空制造工程手册总编委会 航空制造工程手册M ，北京航空工业出版社，1993(起止页码).6（GJB1951-1994) 航空用优质结构钢棒规范S.7王广生，航空热处理标准应用手册M，北京航空工业出版社，2008(起止页码)
