1、序言
大型锻件的调质处理往往比小锻件的热处理更加困难，某大型环形薄壁锻件尾环壳体（以下简称 “工件”）是固体火箭发动机上的核心零件。在发动机运行过程中，工件一方面要支撑扩张段绝热层，增加其强度；另一方面，对于柔性喷管，其摆动时壳体大端还要承受伺服作动器作用的集中力。同时，其刚度还要满足伺服作动器的控制精度。该工件直径较大，厚度较薄，调质过程中易变形，且变形后无法进行校正。另外，其硬度要求较高，且不允许多次淬火。本文从热处理工艺、工装设计和生产过程三个方面进行探讨，从工艺和工装适用性方面，来提高工件的整体质量。
2、工件介绍
工件材质为 30CrMnSiA 钢，最大直径为 1630mm，高为 230mm，壁厚约 25mm。
技术要求：硬度 33~38HRC。
变形要求：翘曲变形不得超过 3.28mm。
表面质量：不允许存在麻点、裂纹等缺陷。
30CrMnSiA 钢的化学成分见表 1。
表 1 30CrMnSiA 钢的化学成分（质量分数 %）
| C | Cr | Mn | Si | P | S |
| 0.28~0.34 | 0.80~1.10 | 0.80~1.10 | 0.90~1.20 | ≤0.02 | ≤0.02 |
3、工艺制定
大型锻件的调质多数情况下是作为最终热处理，赋予大型锻件的最终性能。因此，对其进行热处理必须严谨，大锻件的内部存在较多缺陷，锻件的尺寸和重量越大，合金成分越多，缺陷问题就越严重。本文所讨论的就是关于 30CrMnSiA 钢的大型环形锻件的调质处理。
3.1 淬火工艺
（1）淬火温度：与小锻件相比，大型锻件热处理过程中更容易出现问题，其内部存在较多的冶金缺陷，对于整只钢锭锻造成的锻件，加热时往往采用规定温度的上限 [1]。
（2）加热方式：在大型锻件进行热处理时，对其有效截面尺寸进行计算分析，控制好装炉温度和加热速度。通常对于有效截面尺寸小的锻件，装炉时不限制升温速度。对于合金元素含量高的锻件，必须选择阶梯加热的方式。按照常规热处理经验，选定 650℃为中间均温温度。
（3）均温与保温：当仪表到达工艺温度时，就意味着均温开始。一般均温时间选择 1~1.5 倍保温时间。保温时间的选取则按照工件的有效截面尺寸来确定，保温时间一般按 0.8~1.0h/100mm 选取。中高合金钢取上限，低合金钢取下限。该工件淬火工艺的淬火温度阶段的保温时间为 1~1.5h。
（4）淬火冷却：大型锻件淬火时，首先最关键在于冷却速度，其次是终冷温度 [2]。对于合金钢锻件，一般选择油淬，锻件在油中冷却速度比在水中小，因此工件内外温差小，可显著减小工件开裂和变形的倾向。淬火冷却时间很大程度上决定了工件的热处理效果，若时间过短，则工件性能达不到所需要求；若时间过长，终冷温度过低，则会加大工件淬裂的危险性 [3]。终冷温度与工件的内在质量有关，为此选取 50~80℃为终冷温度。
基于以上分析，该工件最终淬火工艺相关参数为 900±10℃油淬，经历升温均温、升温、保温阶段，保温时间 1~1.5h。
3.2 回火工艺
大型锻件淬火后应及时回火，防止工件开裂，原则是不超过 2h。淬火后回火是为了获得最终力学性能，并消除内应力，获得稳定的回火组织 [4]，以达到工件的技术要求。
（1）回火温度选择：大型锻件的回火温度依照组织、性能的要求确定，可以进行工艺试验再确定回火温度。
（2）回火均温、保温时间：大型锻件回火时，应依据工件形状的复杂程度来控制升温速度，有时为了防止工件中缺陷扩大，在 350℃保持一定的时间，然后再升高到工件回火温度 [5]。工件回火保温时间一般是与工件有效截面有关，在 300~600℃回火时，空气炉中的保温时间为 40~60min 加上最大厚度乘以 2~3min/mm。该工件回火工艺的总保温时间为均温时间加上保温时间，共 4~6h。
（3）回火冷却：对于 30CrMnSiA 钢，回火冷却选用水冷或油冷均可。通常冷却速度为：水冷 > 油冷 > 空冷 > 炉冷，随着冷却速度的增大，洛氏硬度逐渐增大，冲击韧度逐渐提高。为获得较高硬度，回火采用水冷方式。
该工件最终回火工艺相关参数为 500~520℃水冷，经历升温、保温阶段，保温时间 4~6h。
3.3 炉型的选择
根据工艺要求及工件尺寸大小，选择型号为 RT3-265-10 的全纤维台车炉，该设备为 Ⅲ 类炉，额定温度为 1000℃，额定功率为 265kW，有效尺寸为 2200mm×1800mm×900mm，能够满足工艺的温度范围要求及工件的尺寸要求。
4、工装设计
4.1 外形设计
由于工件呈环形，在高温起吊过程中，受到不均匀的力会导致工件严重变形，因此在设计工装时，就设计成一个顶端起吊结构形式。
工装由上圆板、下圆板和钢管焊接而成，顶端的圆板用于起吊。该外形工装能够对工件起全支撑作用，以保证工件在高温起吊过程中均匀受力，从而降低工件的变形量。另外，在起吊工件时，钢管焊接部分能够对工件起到固定作用，保证工装使用的安全性。
4.2 强度计算
设计的工装要进行强度计算，避免在高温起吊过程中，工装因受力过大失效，而造成人员伤亡。
对工装进行有限元分析，边界条件设置为工装上表面起固定支撑，按照所承受工件重力，对工装下圆板上表面施加 2600N 的力，环境温度按照工件淬火温度设置，为 900℃。
经过有限元分析计算，工装上圆板受力较小，工装下圆板受力较大，若在下圆板受力最大位置放置工件，则其变形量会达到 10.16mm，但工装是均匀变形，高温起吊过程中仍然能够对工件起到均匀支撑的作用，因此工件的外形设计合格。要使工装变形量减小，只需更换材料，将普通碳素钢更换成耐高温材料，或增大下圆盘厚度，这些都能改善工装在起吊过程中的变形问题，并延长工装的使用寿命。
在后续的使用过程中，逐渐对工装进行改进，在工装下圆盘上表面焊接相同尺寸的铁棒，在淬火时，让工件的底面能够接触到淬火冷却介质，并添加不同尺寸的楔铁作为调整工具，以延长工装的使用寿命。
5、工件热处理
5.1 生产操作
首先进行来件检测，检查工件表面是否有裂纹等明显缺陷，检查是否存在尖角。
将工件放置在专用工装上，注意工件需平稳放置，工件底面需全接触工装，无接触部分采用楔铁垫平。工件和工装一起进炉加热，工装在炉内也需放置平稳。起吊时需平稳升起，快速进入油槽淬火，注意冷却时间，终冷温度控制在 50~80℃，淬火后需进行硬度检测，为回火温度的选择提供数据，淬火完成后应及时回火。
5.2 检测结果
采用此工艺和工装，调质完成 6 件工件，依次对其进行硬度和翘曲变形检测，并对同炉试样采用光学显微镜进行金相分析。硬度检测淬火硬度和回火硬度，检测设备使用便携式硬度计，检测点位为圆周方向 90°，间隔检测小端 A 面和大端 B 面共 4 点；变形检测工件小端 A 面、大端 B 面及内锥面 C 面，每面检测 8 个点位，沿圆周方向均匀分布。
30CrMnSiA 钢经 900℃淬火和 500~520℃回火后的金相组织均匀。
硬度和翘曲变形检测数据统计分别见表 2 和表 3。
表 2 硬度检测数据统计（HRC）
| 工件编号 | 检测点 | 检测点 |
| A1 | B1 | A2 | B2 | A1 | B1 | A2 | B2 |
| 1# | 45.2 | 43.6 | 45.8 | 44.1 | 36.8 | 35.7 | 37.6 | 36.1 |
| 2# | 45.5 | 44.3 | 45.7 | 44.2 | 37.2 | 36.5 | 37.1 | 36.3 |
| 3# | 46.2 | 45.4 | 45.6 | 45.3 | 38.0 | 37.3 | 37.4 | 37.2 |
| 4# | 44.8 | 45.6 | 45.8 | 43.6 | 36.8 | 37.5 | 37.8 | 35.4 |
| 5# | 45.2 | 44.6 | 44.1 | 44.3 | 37.1 | 36.7 | 36.3 | 36.4 |
| 6# | 45.5 | 43.9 | 45.6 | 45.6 | 37.3 | 35.7 | 37.5 | 37.1 |
表 3 翘曲变形检测数据统计（mm）
| 工件编号 | 检测面 | 检测点 |
|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 1# | A | 1.2 | 1.7 | 1 | 0.3 | 1.3 | 2 | 0.8 | 0.6 |
| B | 0.2 | 1 | 1 | 1.7 | 1.6 | 0 | 2 | 2.7 |
| C | 1.5 | 1 | 1.2 | 1.1 | -0.3 | 0 | 1 | 1.2 |
| 2# | A | 1.1 | 1.6 | 1.2 | 0.3 | 1.2 | 1.1 | 0.5 | 1.1 |
| B | 1.2 | 1.8 | 1.2 | 0.3 | 1.8 | 1.8 | 0.4 | 0.1 |
| C | 1.4 | 1.9 | 1.3 | -0.1 | 1.7 | 1.5 | -0.2 | 0 |
| 3# | A | 1.3 | 1.5 | 0.3 | 1.3 | 1.5 | 0.4 | 0.1 | 1.6 |
| B | 1.3 | 1.8 | 1.5 | 2 | 3 | 0.4 | 1.6 | 0.1 |
| C | 1.4 | 1 | 1.3 | 1.5 | 0.7 | -1.4 | 0.2 | 0.5 |
| 4# | A | 0.2 | 1.3 | 1.8 | 1.9 | 1 | 1.6 | 0.7 | 2 |
| B | 1.9 | 2.1 | 0.3 | 0.8 | 1.5 | 0.7 | 2.3 | 1.6 |
| C | 0.3 | 0.8 | -0.1 | 0.3 | 0.8 | 1.1 | 1.3 | 1.1 |
| 5# | A | 1.5 | 1.8 | 0.9 | 1.2 | 2 | 1.6 | 0.7 | 1.4 |
| B | 0.8 | 1.2 | 2.2 | 1.6 | 1.7 | 0.4 | 1.8 | 1.5 |
| C | 1.1 | 1.6 | 1.5 | 0.4 | 0.7 | 1.3 | 0.6 | 0.5 |
| 6# | A | 2.1 | 1.5 | 1.8 | 1.3 | 2.2 | 0.8 | 1.3 | 1 |
| B | 1.5 | 0.6 | 1.3 | 1.1 | 1.6 | 1.3 | 0.9 | 0.4 |
| C | 1.5 | 1.2 | 0.8 | 0.9 | -0.2 | 1.4 | 1.5 | 0.5 |
由表 2 可知，A 面淬火和回火后硬度普遍高于 B 面，且回火后所有工件硬度均控制在 35~38HRC，满足工件 33~38HRC 的要求。
由表 3 可知，3# 工件 B 面的第 5 点变形量最大，达到 3mm，在要求的 3.28mm 范围内。
从金相组织可看出，经 900℃淬火和 500~520℃回火后的金相检测组织为均匀的回火索氏体。
6、结束语
1）大型环形锻件在热处理过程中极容易变形，且有效壁厚越薄，变形量越大。淬火时采用阶梯式升温的方法可有效减小热应力。
2）装炉方式对工件的变形量有较大影响，因此装炉时应注意工件或工装是否能够全面接触热处理炉支撑平台，保证加热时受力均匀。
3）工件在淬火起吊时需平稳，保证起吊过程受力均匀，淬火时控制好油淬时间，掌握终冷温度，淬火后还需检测淬火硬度，且淬火后尽快开始回火。
参考文献
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[2] 李晓宏，杨迪，黄守己。大型环类锻件调质处理 [J]. 大型铸锻件，2018 (2):26 - 27,35.
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[5] 吴子恺，陈伟，周海铭，等。回火温度对 30CrMnSiA 钢力学性能的影响 [J]. 金属热处理，2019,44 (4):163 - 167.
相关链接
