30CrMnSiA薄壁杯形件的强韧化工艺方法

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.220075

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2023, Vol. 51 ›› Issue (1): 1-7.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.220075

所属专题： 2023年机械工程

30CrMnSiA薄壁杯形件的强韧化工艺方法

夏琴香谢章雄陈灿肖刚锋

华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640

收稿日期:2022-02-23 出版日期:2023-01-25 发布日期:2023-01-02
通信作者: 肖刚锋（1987-）男，博士，副教授，主要从事塑性成形与模具技术研究。 E-mail:xiaogf@scut.edu.cn
作者简介:夏琴香（1964-）女，博士，教授，博士生导师，主要从事塑性成形与模具技术研究。E-mail:meqxxia@scut.edu.cn.
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(52175316);广东省基础与应用基础研究资金自然科学基金项目(2021A1515011074)

Strengthening and Toughening Process Method of 30CrMnSiA Thin-Wall Cup-Shaped Parts

XIA Qinxiang XIE Zhangxiong CHEN Can XIAO Gangfeng

School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China

Received:2022-02-23 Online:2023-01-25 Published:2023-01-02
Contact: 肖刚锋（1987-）男，博士，副教授，主要从事塑性成形与模具技术研究。 E-mail:xiaogf@scut.edu.cn
About author:夏琴香（1964-）女，博士，教授，博士生导师，主要从事塑性成形与模具技术研究。E-mail:meqxxia@scut.edu.cn.
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52175316);the Natural Science Foundation of Basic and Applied Basic Research Fund of Guangdong Province(2021A1515011074)

摘要/Abstract

摘要：

30CrMnSiA薄壁杯形件是广泛应用于谐波减速器柔轮壳体的一类关键基础零部件。文中针对传统采用车削制备的30CrMnSiA薄壁杯形件强韧性不足而导致谐波减速器承载能力较低及寿命较短的问题，提出采用旋压-调质-旋压-时效的形变-热处理工艺来实现30CrMnSiA薄壁杯形件的少、无切削高性能制备；并通过拉伸及冲击实验，对比各工序件的力学性能变化规律，对各工序件的微观组织进行了分析。结果表明：旋压-调质工艺可获得具有较高强度的回火索氏体组织，但是材料的塑性降低；时效处理使旋压成形获得的纤维状微观组织进一步细化，并在铁素体基体上析出均匀弥散分布的细小碳化物；在300 ℃+6 h时效处理时可同时获得较高的强度和良好的塑性。相比调质后车削成形，采用形变-热处理相结合制备的30CrMnSiA薄壁杯形件的屈服强度和抗拉强度分别提高了93.65%和47.88%，硬度提高了26.87%，冲击强度提高了12.01%，同时还具有较好的塑性，断后伸长率和断面收缩率分别达11.60%和24.64%。采用旋压-调质-旋压-时效的形变-热处理工艺可实现薄壁杯形件的强韧化制造，为高强韧性薄壁杯形件的生产提供一种新的工艺方法。

关键词: 30CrMnSiA, 薄壁杯形件, 形变-热处理, 强韧化, 工艺方法

Abstract:

30CrMnSiA thin-wall cup-shaped part is a key basic component widely used in the flexible gear of harmonic reducer. Aiming at the problem of the low bearing capacity and short service life of harmonic reducer caused by insufficient strength and toughness of 30CrMnSiA thin-wall cup-shaped parts manufactured by traditional turning method, this paper proposed a plastic deformation-heat treatment process which consists of spinning, quenching, tempering, spinning and aging to manufacture 30CrMnSiA thin-wall cup-shaped parts with less or no cutting and excellent mechanical properties. Through the tensile and impact experiment, by comparing the mechanical properties of each process part, the microorganization of each process part was analyzed. The results show that tempered sorbite microstructure with high strength can be obtained by spinning-quenching and tempering process, but the plasticity was reduced significantly. The fibrous microstructure of spun parts can be further refined by aging heat treatment, and the fine carbides precipitated and uniformly distributed on the ferrite matrix. High strength and good plasticity can be obtained by subsequent aging at 300 ℃ for 6 h. As compared with parts obtained by turning forming after quenching and tempering heat treatment, the yield strength and tensile strength of 30CrMnSiA thin-wall cup-shaped parts manufactured by plastic deformation and heat treatment are improved by 93.65% and 47.88%, respectively. The hardness is increased by 26.87%, and the impact strength is increased by 12.01%. Meanwhile, the elongation and percentage reduction of area are 11.60% and 24.64%, respectively. The thin-wall cup-shaped parts with high strength and toughness can be manufactured by the plastic deformation and heat treatment process of spinning-quenching-tempering-spinning-aging, which provides a new method for manufacturing the thin-wall cup-shaped parts with high-strength and toughness.

Key words: 30CrMnSiA, thin-wall cup-shaped part, plastic deformation-heat treatment, strengthening and toughening, process method

中图分类号:

TG306

夏琴香, 谢章雄, 陈灿, 等. 30CrMnSiA薄壁杯形件的强韧化工艺方法[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(1): 1-7.

XIA Qinxiang, XIE Zhangxiong, CHEN Can, et al. Strengthening and Toughening Process Method of 30CrMnSiA Thin-Wall Cup-Shaped Parts[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2023, 51(1): 1-7.

图/表 14

图1

表1

图2

图3

表2

图4

表3

图5

图6

图7

图8

表4

图9

表5

参考文献 18

1	RITCHIE R O ．The conflicts between strength and toughness［J］．Nature Materials，2011，10（11）：817-822．
2	董瀚，廉心桐，胡春东，等．钢的高性能化理论与技术进展［J］．金属学报，2020，56（4）：558-582．
	DONG Han， LIAN Xintong， HU Chundong，et al ．High performance steels：the scenario of theory and technology［J］．Acta Metallurgica Sinica，2020，56（4）：558-582．
3	DING H， LIU S， ZHANG H，et al ．Improving impact toughness of a high chromium cast iron regarding joint additive of nitrogen and titanium［J］．Materials & Design，2016，90：958-968．
4	吴璐，董万鹏，龚红英，等．铝合金的形变热处理研究进展［J］．热加工工艺，2014，43（4）：27-31．
	WU Lu， DONG Wanpeng， GONG Hongying，et al ．Research and progress of thermomechanical treatment of Al alloy［J］．Hot Working Technology，2014，43（4）：27-31．
5	MORADI M， NILI-AHMADABADI M， HEIDARIAN B ．Improvement of mechanical properties of Al （A356） cast alloy processed by ECAP with different heat treatments［J］．International Journal of Material Forming，2009，2（1）：85-88．
6	邹创，陶涛，梅雪松，等．机器人关节短筒谐波减速器接触计算与分析［J］．西安交通大学学报，2013，47（5）：82-87．
	ZOU Chuang， TAO Tao， MEI Xuesong，et al ．Contact analysis for short harmonic reducer in robotic joints［J］．Journal of Xi’an Jiaotong University，2013，47（5）：82-87．
7	张朝磊，魏旸，方文，等．谐波减速器特殊钢材质柔轮的组织和力学性能分析［J］．材料导报，2018，32（16）：2842-2846．
	ZHANG Chaolei， WEI Yang， FANG Wen，et al ．Microstructure and mechanical properties analysis of the special steel flexspline for harmonic reduction gear［J］．Materials Reports，2018，32（16）：2842-2846．
8	王成和，刘克璋，周路．旋压技术［M］．福州：福建科学技术出版社，2016．
9	XIA Q， XIAO G， LONG H，et al ．A review of process advancement of novel metal spinning［J］．International Journal of Machine Tools & Manufacture，2014，85：100-121．
10	王静，韩妙玲，邓琳蔚，等．真空淬火炉的检测及应用［J］．金属热处理，2019，44（5）：228-231．
	WANG Jing， HAN Miaoling， DENG Linwei，et al ．Detection and application of vacuum quenching furnace［J］．Heat Treatment of Metals，2019，44（5）：228-231．
11	邹丽娜．高强高韧Ti-Al-Fe-V-（Mo，Cr）系合金显微组织与力学性能研究［D］．北京：北京有色金属研究总院，2014．
12	夏琴香．特种旋压成形技术［M］．北京：科学出版社，2017：81-85．
13	合金结构钢：［S］．
14	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（2）：163-167．
	WU Zikai， CHEN Wei， ZHOU Haiming，et al ．Effect of tempering temperature on mechanical properties of 30CrMnSiA steel［J］．Heat Treatment of Metals，2019，44（2）：163-167．
15	孙婷婷，唐荻，江海涛，等．过时效温度对冷轧双相钢组织性能的影响［J］．热加工工艺，2009，38（20）：130-132．
	SUN Tingting， TANG Di， JIANG Haitao，et al ．Effect of over-aging temperature on microstructure and properties of cold-rolling dual phase steel［J］．Hot Working Technology，2009，38（20）：130-132．
16	张福豹．塑性变形和热处理协同对6013型铝合金组织性能的调控及机理研究［D］．镇江：江苏大学，2017．
17	TAO Z， YANG H， LI H，et al ．Quasi-static tensile behavior of large-diameter thin-walled Ti-6Al-4V tubes at elevated temperature［J］．Chinese Journal of Aeronautics，2016，29（2）：542-553．
18	寿先涛，郑必举，王毛球，等．F700高强钢的力学性能［J］．金属热处理，2018，43（11）：208-211．
	SHOU Xiantao， ZHENG Biju， WANG Maoqiu，et al ．Mechanical properties of F700 high-strength steel［J］．Heat Treatment of Metals，2018，43（11）：208-211．

成分	质量分数/%	成分	质量分数/%
C	0.30	P	0.01
Si	1.08	Ni	0.02
Mn	0.91	Cu	0.01
Cr	0.95	Mo	0.03
S	0.01	Fe	余量

参数	取值	参数	取值
D_R /mm	180	δ_ρ /（°）	25
r_ρ /mm	6	β_ρ /（°）	5
α_ρ /（°）	30	l_ρ /mm	1

道次	f/（mm·r^-1）	ψ_i/%	n/（r·min^-1）	a₁₂/mm	a₂₃/mm	Δt₁/mm	Δt₂/mm	Δt₃/mm
1	0.4	41.7	108	2.4	2.2	0.47	0.41	0.37
2	0.4	39.4	108	2.4	2.2	0.27	0.23	0.19
3	0.4	53.8	108	0	0	0.57	0	0

试样状态	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	硬度（HV）	断后伸长率/%	断面收缩率/%
退火态毛坯	376.51	604.81	184.60	35.89	42.36
调质态车削件	545.50	792.23	297.40	24.90	42.16
旋压件（第3道次）	973.20	1 139.29	353.60	10.00	20.24
旋压件（时效200 ℃+6 h）	989.06	1 170.03	371.60	10.45	21.40
旋压件（时效225 ℃+6 h）	1 032.60	1 171.83	373.40	10.20	21.08
旋压件（时效250 ℃+6 h）	1 036.36	1 176.51	376.73	10.10	20.64
旋压件（时效275 ℃+6 h）	1 060.76	1 175.07	378.60	11.40	23.58
旋压件（时效300 ℃+6 h）	1 056.38	1 171.53	377.30	11.60	24.64

状态	冲击强度/（kJ·m^-2）	冲击强度变化率/%
调质态车削件	403.27	—
旋压件（第3道次）	355.13	-11.94
旋压件（时效300 ℃+6 h）	451.70	12.01

30CrMnSiA薄壁杯形件的强韧化工艺方法

Strengthening and Toughening Process Method of 30CrMnSiA Thin-Wall Cup-Shaped Parts

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 14

参考文献 18

相关文章 0

编辑推荐

Metrics

本文评价