一种d406a超高强度钢燃烧室壳体的退火方法
技术领域
1.本发明属于金属材料加工技术，涉及一种退火方法。
背景技术：
2.固体火箭发动机燃烧室壳体一般采用超高强度钢d406a材料，通常由前连接件、后连接件、筒体及支座焊接而成，而燃烧室壳体的成形工艺流程为：各工件机械加工
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筒体道次间旋压
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筒体道次间软化退火
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筒体最终旋压
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筒体去应力退火
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前、后连接件与筒体对焊
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退火
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支座焊接
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退火
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淬火+回火
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机械加工。即燃烧室壳体成形过程中主要的加工技术有机械加工、旋压成形、焊接和热处理，而壳体成形过程需经历的退火工序有，筒体旋压道次间的退火、筒体终旋后的去应力退火、前后连接件与筒体组焊后的退火以及支座焊接后的退火。目前，筒体成形过程中的退火和焊接后的退火均在电阻炉中进行，退火温度在650℃～720℃之间，每道工序的退火时长从6h～24h不等，这就导致整个燃烧室壳体退火过程能耗高、周期长，此外，燃烧室壳体属于薄壁件，多次退火存在脱碳氧化、变形大、力学性能不稳定及应力消除不均匀等现象。因此，寻求一种高效率、低能耗、力学性能稳定及应力消除均匀的燃烧室壳体退火方法势在必行。
技术实现要素：
3.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种d406a超高强度钢燃烧室壳体的退火方法，通过感应加热退火代替筒体旋压道次间、筒体终旋后、前后连接件与筒体组焊后在电阻炉中的退火，感应加热退火时间短，能耗小，能快速提高生产效率，细化晶粒，减少变形，且工艺简单，操作方便。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
5.1)将道次间旋压后的筒体放入感应线圈中，以60～200℃/s的速率升温至760～820℃，保温5～30s；然后以10～20℃/s的速率冷至650℃，保温10～30s，保温结束后空冷；
6.2)将经过终旋后的筒体装入感应线圈，以100～300℃/s的速率升温至700～780℃，保温1～2s，保温结束后空冷；
7.3)前后连接件与筒体组焊后，将感应线圈对准焊缝，以100～200℃/s的速率升温至300～350℃，保温30～60s；然后以10～20℃/s的速率升温至750～770℃，保温10～15s；保温结束后以5～10℃/s的速率冷至600℃，然后保温10～30s，保温结束后空冷；
8.4)将支座焊接后的燃烧室壳体涂料保护后吊入电阻炉退火，在750～770℃保温30min～60min，炉冷至600℃后出炉空冷，完成燃烧室壳体的退火。
9.所述步骤1)～3)中，所述的加热、保温和冷却过程中筒体以15～30转/分旋转。
10.所述步骤3)中感应线圈的宽度为30～50mm。
11.本发明的有益效果是：
12.首先，d406a超高强度钢具有低应力撕裂特性，当材料某一点强度被突破时会产生撕裂效应，因此，筒体旋压时，需在旋压道次间进行软化退火使其消除应力，恢复塑性，降低
硬度，以利于随后的再旋压成形。道次间旋压后的筒体壁厚在5～10mm之间，将道次间旋压的筒体放入感应线圈中，以60～200℃/s的加热速率快速升温至软化温度760～820℃，保温5～30s，快速的升温速度可以抑制奥氏体转变，同时，快速的加热速度使d406a超高强度钢旋压筒体的软化温度区间扩大，即相比普通退火，最低软化温度会降低，软化终止温度会升高，在此温度区间以较高的软化温度和较短的保温时间使旋压的冷变形织构快速的转变成等轴晶粒，形成的晶粒更加细小，然后以10～20℃/s的速率冷至650℃，保温10～30s后空冷，从软化温度慢冷至650℃保温后空冷是防止高温快速冷却形成较大的热应力；
13.第二，筒体终旋后，以100～300℃/s的感应加热速率升温至700～780℃，保温1～2s，筒体加热结束后空冷。筒体终旋后壁厚在0.8～3mm左右，快速升温及短时保温避免薄壁筒体脱碳，减少筒体变形，消除旋压应力；此外，筒体终旋后的变形量较道次间的变形量要大，冷变形量越大，软化温度越低，消除应力和形成等轴晶粒的温度较低，时间越短，同时，因终旋后的筒体壁厚较薄，短的保温时间足以保证温度均匀，同时防止长时间保温使晶粒粗大；
14.第三，前、后连接件与筒体组焊后，将感应线圈对准焊缝，感应线圈的宽度为30～50mm，以100～200℃/s的速率升温至300～350℃，保温30～60s，然后以10～20℃/s的速率升温至750～770℃，保温10～15s，保温结束后以5～10℃/s的速率冷至600℃，然后保温10～30s，保温结束后空冷。焊接后焊缝和热影响区宽度不超过30mm，只针对焊缝和热影响区进行感应退火，具有精确的加热深度和加热区域，加热过程易于控制且燃烧室壳体变形小。同时，d406a超高强度钢焊后空冷常出现硬脆的马氏体和上贝氏体组织，焊后要求及时退火，如放置时间太长会出现裂纹和变形，而感应退火则可实现焊后及时退火；此外，焊接后的焊缝不可避免的会出现热裂纹、冷裂纹、夹杂、气孔等缺陷，必须对焊缝进行补焊，补焊后又需重新退火，如采用电阻炉退火，多次退火会带来变形脱碳等诸多问题，但采用感应退火，只需对焊缝及热影响区进行退火即可，退火速度快且不会出现上述问题。此外，快速加热到300～350℃保温可使焊缝温度均匀，避免在回火脆性区加热，而在750～770℃保温，可以避免在500～700℃的再热裂纹敏感区加热和保温，防止出现再热裂纹，同时可防止在回火脆性区380～550℃加热和保温，降低焊缝韧性，同理，冷至600℃保温后空冷也是为了快速通过回火脆性区，防止出现回火脆性。另外，在750～770℃保温10～15s，该温度分布区间正好在d406a材料奥氏体相变点775℃以下，感应加热较慢的升温速度可以保证在此温度区间不会提高相变温度，使焊缝的马氏体和上贝氏体组织转变速度更快，有利于改善焊缝的塑性，同时，还可以加快合金碳化物的析出速度，使焊缝组织细化并阻碍其粗化，有利于提高焊缝强度和韧性。
15.第四，将支座焊接后的燃烧室壳体涂料保护后吊入电阻炉退火，在750～770℃保温30min～60min，炉冷至600℃出炉空冷。由于壳体上焊接的支座数量较多且大小不一，位置不同，这就造成焊接后壳体的应力分布不同，在电阻炉采用较高的退火和较短的保温时间可以快速的消除支座焊接后局部应力分布不均匀现象，同时，可以消除前后连接件机加后的应力分布，以及消除焊缝感应退火过渡段的应力分布，使整个燃烧室壳体应力分布均匀；此外，炉冷到600℃出炉空冷是减小高温出炉空冷造成的热应力，将残余应力降低，另外炉冷至600℃出炉空冷是减少工件在炉中时间，提高生产效率。采用上述的相关措施，既减小了后续的燃烧室壳体的淬火变形，又提高了燃烧室壳体稳定性和生产效率。
16.第五，加热过程中均匀的旋转，保证工件受热均匀，组织均匀性好，力学性能分布更均匀，筒体变形小且应力分布更均匀。
17.第六，感应退火过程无须热处理涂料或者惰性气体保护，无氧化脱碳，在几分钟内完成整个退火过程，退火速度快，能耗小，成本低，且清洁无污染。
18.第七，与电阻炉的传导、对流和辐射传热相比，感应加热通过感应线圈产生交变磁场形成的涡流，涡流被工件本身的电阻所阻而发热形成集肤效应，这种加热方式使得所有工件的一致性很高。
具体实施方式
19.下面结合实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
20.针对d406a超高强度钢燃烧室壳体退火均在电阻炉中进行，生产效率低、能耗高，同时存在着退火变形大、晶粒大小不均及力学性能分布不均匀等问题，本发明提供一种既能提高生产效率降低能耗，又能细化晶粒、减少热处理变形的d406a超高强度钢燃烧室壳体的退火方法，包括以下步骤：
21.1)筒体旋压道次间退火：将道次间旋压后的筒体放入感应线圈中，以60～200℃/s的速率升温至760～820℃，保温5～30s，然后以10～20℃/s的速率冷至650℃，保温10～30s，保温结束后空冷，在加热和冷却过程中工件以15～30转/分旋转；
22.2)筒体去应力退火：将经过终旋后的筒体装入感应线圈，以100～300℃/s的速率升温至700～780℃，保温1～2s，在加热过程筒体以15～30转/分旋转，筒体加热结束后空冷；
23.3)前后连接件与筒体组焊后退火：将感应线圈对准焊缝，感应线圈的宽度为30～50mm，以100～200℃/s的速率升温至300～350℃，保温30～60s，然后以10～20℃/s的速率升温至750～770℃，保温10～15s，保温结束后以5～10℃/s的速率冷至600℃，然后保温10～30s，保温结束后空冷，在加热和冷却过程中工件以15～30转/分旋转；
24.4)支座焊接后退火：将支座焊接后的燃烧室壳体涂料保护后吊入电阻炉退火，在750～770℃保温30min～60min，炉冷至600℃出炉空冷，完成燃烧室壳体的退火。
25.本发明提供的d406a超高强度钢燃烧室壳体的退火方法，提高了生产效率、降低了能耗、解决了工件变形大、力学性能不稳定及应力消除不均匀等的问题。
26.实施例一：
27.本实施例所述的一种d406a超高强度钢燃烧室壳体的退火方法，具体按照以下步骤进行的：将经过2道次旋压、壁厚为7.3mm且减薄率为50％的筒体放置在感应线圈内，感应线圈内径与筒体外径间距10mm，筒体以100℃/s的速率升温至820℃，保温5s，然后以10℃/s的速率冷至650℃，保温20s，保温结束后空冷至室温，在加热和冷却过程中筒体以30转/分旋转。
28.实施例一处理后d406a超高强度钢旋压筒体的硬度在hv 215～hv 220之间，筒体圆度在0.15～0.25mm之间；退火时长不到5min。
29.对比实验一：
30.将经过2道次旋压、壁厚为7.3mm且减薄率为50％的筒体在电阻炉中加热到700℃后，在700℃保温120min，炉冷至600℃出炉空冷；其中，退火采用保护涂料保护筒体内外面。
31.对比实验一处理后d406a超高强度钢旋压筒体的硬度在hv 220～hv 230之间，筒体圆度在0.20～0.52mm之间；退火时长约360min，其中喷涂料和干燥时间约90min，加热保温和炉冷时间约270min。
32.实施例二：
33.本实施例所述的一种d406a超高强度钢燃烧室壳体的退火方法，具体按照以下步骤进行的：将2道次旋压、壁厚为7.3mm且减薄率为50％的筒体感应加热后进行3道次旋压，旋压后筒体的壁厚为2.5mm，减薄率为66％，然后对3道次旋压后的筒体进行去应力退火，感应线圈内径与筒体外径间距10mm，筒体以200℃/s的速率升温至700℃，保温2s，保温结束后空冷至室温，在加热过程中筒体以30转/分旋转。
34.实施例二处理后d406a超高强度钢旋压筒体的硬度在hv 238～245之间，筒体圆度在0.58～0.97mm之间；退火时长不到5min。
35.对比实验二：
36.将2道次旋压、壁厚为7.3mm且减薄率为50％的筒体感应加热后进行3道次旋压，旋压后筒体的壁厚为2.5mm，减薄率为66％，然后对3道次旋压后的筒体在电阻炉中加热到650℃后，在650℃保温120min，炉冷至600℃出炉空冷；其中，退火采用保护涂料保护筒体内外面。
37.对比实验二处理后d406a超高强度钢旋压筒体的硬度在hv 240～hv 255之间，筒体圆度在0.65～1.15mm之间；退火时长约330min，其中喷涂料和干燥时间约90min，加热保温和炉冷时间约240min。
38.实施例三：
39.本实施例所述的一种d406a超高强度钢燃烧室壳体的退火方法，具体按照以下步骤进行的：将前、后连接件与筒体组焊，筒体为道次间和终旋后采用感应退火的筒体，将感应线圈对准焊缝，感应线圈的宽度为40mm，以100℃/s的速率升温至350℃，保温60s，然后以20℃/s的速率升温至770℃，保温10s，保温结束后以5℃/s的速率冷至600℃，在600℃保温20s，保温结束后空冷，在加热和冷却过程中筒体以30转/分旋转。
40.实施例三处理后d406a超高强度钢燃烧室壳体焊缝的硬度在hv 308～hv336之间，燃烧室壳体圆度分布在0.70～0.92mm之间；退火时长不到3min。
41.对比实验三：
42.将前、后连接件与筒体组焊，筒体为道次间和终旋后采用电阻炉退火的筒体，然后将焊接后的燃烧室壳体在电阻炉中加热到700℃后，在700℃保温120min，炉冷至600℃出炉空冷；其中，退火采用保护涂料保护燃烧室内外面。
43.对比实验三处理后d406a超高强度钢燃烧室壳体焊缝的硬度在hv 295～hv344之间，燃烧室壳体圆度分布在0.75～1.45mm之间；退火时长约360min，其中喷涂料和干燥时间约90min，加热保温和炉冷时间约270min。
44.实施例四：
45.本实施例所述的一种d406a超高强度钢燃烧室壳体的退火方法，具体按照以下步骤进行的：将支座焊接后的燃烧室壳体涂料保护后吊入电阻炉退火，在750℃保温60min，炉冷至600℃以下出炉空冷。
46.实施例四处理后d406a超高强度钢燃烧室壳体圆度分布在0.80～1.0mm之间；退火
时长约300min，其中喷涂料和干燥时间约90min，加热、保温和炉冷时间约210min。
47.对比实验四：
48.将支座焊接后的燃烧室壳体涂料保护后吊入电阻炉退火，在720℃保温120min，炉冷至600℃以下出炉空冷。
49.对比实验四处理后d406a超高强度钢燃烧室壳体圆度分布在0.80～1.68mm之间；退火时长约360min，其中喷涂料和干燥时间约90min，加热、保温和炉冷时间约270min
50.实施例五：
51.本实施例所述的一种d406a超高强度钢燃烧室壳体的退火方法，具体按照以下步骤进行的：将按实施例一到实施例四工序退火的燃烧室壳体淬火及回火。
52.实施例五处理后d406a超高强度钢燃烧室壳体基体试样抗拉强度在1730mpa～1780mpa之间、断后伸长率在9.53％～10.65％之间；焊接试样抗拉强度在1740mpa～1770mpa之间；淬火后壳体五个截面的圆度分别为0.50、1.2、1.55、1.1、0.8mm。
53.对比实验五：
54.本实施例所述的一种d406a超高强度钢燃烧室壳体的退火方法，具体按照以下步骤进行的：将按对比实验一到对比实验四工序退火的燃烧室壳体淬火及回火。
55.对比实验五处理后d406a超高强度钢燃烧室壳体基体试样抗拉强度在1690mpa～1770mpa之间、断后伸长率在8.55％～10.30％之间；焊接试样抗拉强度在1700mpa～1750mpa之间；淬火后壳体五个截面的圆度分别为0.75、1.5、2.1、1.15、0.80mm。
56.本发明的实施效果分析：
57.与对比实验一到对比实验四相比较，实施例一到实施例四退火处理后的工件的硬度分布更加均匀，变形较小，所有退火时间更短。同时，与对比实验五相比较，实施例五壳体处理后的工件基体试样抗拉强度、断后伸长率和焊接试样抗拉强度分布更加均匀稳定，断后伸长率更高。同时，淬火后壳体的圆度变化更小。
58.由此可知，本发明方法处理后的d406a超高强度钢壳体，其硬度分布更加均匀，变形较小，所有退火时间更短。抗拉强度和断后伸长率较高，分布更加均匀，产品的一致性更好，更稳定，可广泛应用于固体火箭发动机壳体的生产。此外，采用本发明能够显著缩短传统热处理工艺周期，节约能源。