刘省军
中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西 西安 710089
摘要：某型机大量使用4130材料制造高强度的螺栓。在热处理过程中，经常出现材料不稳定，硬度不能一次不合格问题。通过对材料以及热处理制度进行分析，找到解决措施，按照淬态硬度进行分析，研究合适的回火温度，以满足设计要求。
关键词：淬态硬度 回火
1.简述
4130结构钢是美国牌号，标准ASTM A29/A29M-04，其具有高的强度和韧性，良好的高温强度，淬透性较高，加工性能较好，焊接性能良好。主要用于高应力条件下的调质零件，如：操纵轮，螺栓、齿轮、紧固件、法兰等，在化工工业中用来制造焊接零件、管材的焊接结构。
4130结构钢热处理后，显微组织为均匀的索氏体、贝氏体或极细的珠光体，因此具有较高的抗拉强度和屈强比（一般在0.85左右），较高的韧性和疲劳强度。在300～350℃的范围有第一类回火脆性，有形成白点的倾向。钢的热强度性也较好，在500℃以下具有足够的高温强度。钢的可切削性良好，冷变形时塑性中等。
4130结构钢主要化学成分，C:0.28～0.33，Si:0.15～0.35，Mn:0.40～0.60，Cr:0.80～1.10，Mo:0.15～0.25。
在最新的航空工业中。材料为4130结构钢的零件越来越多。对某型机的生产情况看，热处理一次合格率约60%，也就是说还有40%的零件首次热处理不合格，需要重新返修，以达到交付要求。大量零件的重复热处理，严重影响了生产计划，浪费了大量的人力、物力和财力。
但是对于含碳量过高的材料来说，其材料的淬态硬度要比含碳量在中线的材料高的多，约为2～3个HRC值，因此按最低回火温度回火后，硬度会超出文件规定的硬度值。
2.热处理制度
经过对材料4130及其零件进行分析，零件一般为精加工零件，选用真空炉进行热处理，以防止零件脱碳；并带晶间氧化试料，进行金相分析。
2.1淬火工艺参数
2.2.1奥氏体化及淬火温度和时间
根据材料属性，热处理时奥氏体化和淬火温度选用857℃，根据零件的厚度计算出保温时间60min～75min。
为了防止零件变形，在奥氏体化及淬火前增加预热工序，预热时零件应稳定在538℃～635℃范围内，根据零件的厚度计算出保温时间60min～75min。
2.2.2淬火冷却方式
根据材料特点，选用较缓和的冷却介质即可淬透，即于24～60℃油中进行冷却，既能淬火完全获得马氏体组织，又不致冷却速度过快使试样产生破裂。
2.2.3回火工艺参数
根据零件要求的强度来选择回火温度。4130最终强度要求为160～180Ksi所对应的最低回火温度为454℃；强度要求为180～200Ksi所对应的最低回火温度为385℃。
2.2.4热处理实施
根据热处理制度，结合真空炉压力要求，在装零件、试料以及夹具时需对零件清洁，并有序装夹，保证传导介质在热处理时能够自由流动。
在奥氏体化及淬火后，回火前对试料进行晶间氧化分析。使用500 克载荷，在表面以0.05mm的间距进行努氏显微硬度试验，压痕应错列。金相显微检查之后，被检查的试样应重新抛光并进行晶间氧化试验。无镀层的经淬火但未回火试样的晶界氧化深度应不超过0.018mm(0.0007in)。试验方法是：在新配制145 毫升的水溶液（含有16 克铬酸、80 克氢氧化钠和140 毫升水）的中浸蚀试样，并将溶液加热到沸腾，然后试样浸蚀7～20min。
回火完进行硬度检测，不符合设计的要求强度。
3.原因分析
回火是一个复杂的过程，除了受回火温度和回火保温时间的影响外，还与零件的摆放、回火设备的型号、回火设备的温度均匀性、仪表系统稳定性及操作人员的水平等有密切的关系。
零件批量大，而回火设备数量少、尺寸过小，造成了同炉淬火后的零件集中于一个回火炉进行回火。因混合装炉量过大，零件相互屏蔽，从而导致了加热不均匀，传导介质不能自由流动，零件不能及时达到要求的回火温度。在规定温度的保温时间短，组织转变不完全，因而回火硬度高。
还有文件给出的是材料的最低回火温度，对于在同一规范下，不同原材料供应商提供的材料热处理时回火温度有差异，这也就是经常60%零件一次回火合格的原因。
找到了制约零件回火硬度的三个主要因素：原材料成分不稳定；回火设定温度过低；混合装炉量过大。
我们将从这些主要的的因素入手，全面的分析影响零件回火硬度因素，找出关键因素，然后有针对的进行归纳调整，最终解决一次回火硬度高的问题。
4.改进措施
根据材料特点，文件也给出了当强度超过要求范围时，可以提高温度回火的说明。也就是说，文件只规定了回火温度的下限值，而按照这个下限值回火时，硬度超出要求的范围。
对于此类材料，我们采取了淬火后检验淬态硬度，然后根据淬态硬度选择回火温度的方法来解决。通过多次试验，收集原始数据，从中找出了合适的回火温度，满足此类零件一次回火合格。
4.1分析装炉量以及对操作人员进行培训
首先计算并结合生产实际，减少回火设备的最大装炉量，并对操作人员进行培训，要求操作人员按照工艺表中规定的装炉量装炉，混合装炉时零件的装炉量不得超出设备的有效工作区和设备的最大装载量，零件的装夹、搁架、支撑、吊挂方式应保证加热和冷却介质在零件间自由循环，装炉时零件不得堆积、重叠。
4.2收集原始数据
通过现场跟产，收集了淬态硬度高的材料在不同的回火温度下的硬度数值。材料为4130的零件，强度要求为160～180Ksi，按文件要求用454℃回火后的硬度应为HRA68.5～70。从图1可以看出，当按454℃回火后，硬度值基本上都在HRA70.5左右，而且在HRA70.5～71之间的数值居多。
图1
4.3改进方案
通过以上的数据我们可以看出，按照文件的最低温度回火后，硬度普遍高出要求硬度值0.5～1个HRA值。针对回火硬度高的情况，升高温度和延长保温时间都能使硬度降低，考虑到延长保温时间会占用更多的生产设备，因此，我们采取了升高回火温度的方法来降低回火硬度。
经过试验，当温度提高时，硬度有明显的下降。我们选择如下回火温度对零件进行回火：当4130按474℃温度回火后，硬度基本都保持在HRA68.5～70之间，以HRA69.5～70之间居多（如图1）。按照选择的回火温度，一次回火后就完全满足了硬度要求，因此我们确定4130的首次回火温度分别为474℃。
5.总结
针对分析出的三个重要因素，并采取了相应的解决措施。材料4130，强度要求为160Ksi～180Ksi的零件首次回火温度分别设定为474℃；原材料成分不稳定时，使用淬态硬度来选择回火温度；严格要求操作人员混合装炉时，严格按照装炉量要求进行，并保证零件加热和冷却介质在零件间自由循环，装炉时零件不得堆积、重叠。