高強度沉淀硬化不銹鋼精密鑄造工藝應用研究

趙慶輝 何坤

摘要：高強度沉淀硬化不銹鋼ZG0Cr15Ni5Cu3Nb作為一種航空應用新材料在國內軍民機上尚未使用過。針對國產新支線飛機ARJ21的使用需求，結合典型零件，對該材料的澆注系統工藝設計方法、配料方法、氣氛保護熔煉方法進行對比研究，降低了鑄件夾雜物含量，提升鑄造合格率;通過優化熱處理工藝，實現材料組織性能改善，力學性能指標遠超SAE AMS5357標準要求。最終生產出合格的ZG0Cr15Ni5Cu3Nb鑄件。

關鍵詞：沉淀硬化不銹鋼;精密鑄造;ZG0Cr15Ni5Cu3Nb

引言

隨著飛機高可靠、長壽命以及減重的迫切需求，高強度沉淀硬化不銹鋼ZG0Cr15Ni5Cu3Nb作為航空應用新材料，已逐步替代傳統鋼結構材料ZG35CrMnSi在國外軍民機上廣泛采用[1]。因為該材料合金元素較多，對熔煉設備要求高，熔煉以及成形工藝過程復雜，所以目前國內軍民機上尚未使用過該種材料。

本文針對我公司承接ARJ21飛機項目的研制需求，結合典型零件，通過對澆注系統工藝設計方法、配料方法、保護氣氛熔煉方法以及熱處理工藝進行試驗，全面對ZG0Cr15Ni5Cu3Nb材料的精密鑄造工藝過程進行研究。

1試驗方法

采用150Kg中頻感應電爐對原材料進行快速熔煉，熔煉完成后使用光譜分析儀對爐前試樣進行化學成分分析，成分合格后立即進行澆注，鑄件力學性能數據由隨爐附鑄標準試樣試驗獲得。

2實驗結果分析及討論

2.1澆注系統工藝設計

影響精密鑄件質量的因素主要有裂紋、砂眼、針孔、氣孔、疏松、欠鑄、氧化夾雜等，典型零件初始工藝組合方案如圖1所示，由于該鑄件為薄壁空腔類零件，同時合金液在澆注過程中氧化嚴重，導致大量零件夾雜、欠鑄。

經過分析，發現該現象產生原因為模組憋氣以及未設置擋渣系統，通過工藝試驗改進，增加了輔助澆注系統以及排氣系統，有效減少了零件的欠鑄、夾雜缺陷，最終確定的優化后模組組合方案如圖2所示。

2.2配料

由于該材料合金元素種類較多，且元素含量要求范圍窄，在熔化過程中元素燒損率難以控制，故需考慮到元素燒損率后再進行配料熔煉。表1為生產中4個爐次的爐前化學成分單。

由表1可得，中頻感應電爐熔煉后的各元素化學成分比較穩定，說明使用中頻感應電爐可以熔煉出符合AMS5357標準中要求的ZG0Cr15Ni5Cu3Nb化學成分。

2.3熔注

通過查閱資料以及前期試驗，ZG0Cr15Ni5Cu3Nb屬于高合金、易氧化材料，使用現有的中頻感應電爐熔煉該材料爐極易產生氧化夾雜，零件合格率不到10%。

通過試驗摸索，在現有生產條件下，采用自制保護氣氛熔注工具可以大幅降低產品氧化夾雜概率，ZG0Cr15Ni5Cu3Nb不銹鋼保護氣氛熔煉以及澆注過程示意圖見圖3～圖5。

2.4熱處理

零件澆注成型完畢后，經過切割打磨等后處理工序后，直接轉入熱處理。通過查閱文獻以及進行具有針對性的熱處理試驗[3]，其中固溶處理采用兩次固溶，所用參數一致。對ZG0Cr15Ni5Cu3Nb鑄態組織、一次固溶處理組織、二次固溶處理組織以及二次固溶處理加沉淀硬化組織進行金相分析，金相組織照片見圖6～圖9。

由圖可以看出，ZG0Cr15Ni5Cu3Nb鑄態組織基體上分布著黑色的第二相析出質點，該質點分布不均勻，且存在偏聚現象，對力學性能不利;隨著一次固溶和二次固溶處理的依次進行，組織中的黑色質點顯著減少;沉淀硬化后，黑色質點均勻析出，且無偏聚現象，金相組織達到預期要求。

2.5性能對比

生產中4個爐批號零件具體力學性能參數見表2。美標AMS 5357中力學性能指標拉伸性能為1241MPa，.2%殘余變形的屈服強度為1103 Mpa，4D延伸率6%，斷面收縮率%15，由表2可以看出，在氬氣保護氣氛下，使用中頻感應電爐研制出的鑄件力學性能均優于美標要求。

3結論

在保護氣氛下進行ZG0Cr15Ni5Cu3Nb材料的熔煉與澆注，采用改進的澆注系統工藝方案，所得鑄件經過兩次固溶，一次沉淀硬化處理后，完全可以生產出符合飛機使用性能要求的合格鑄件，試驗數據具有實用參考價值，工藝方法值得推廣應用。

參考文獻：

[1] 陳亞莉.國外航空材料與發展現狀與趨勢[J].軍民兩用技術與產品，2011（6）：6～10

[2]周同軍，劉軍占. 模鑄氬氣保護澆注的工藝研究[A]——會議論文.2014年鋼錠制造技術與管理研討會[C].河南：洛陽，2014

[3]陳斌，宋志剛，鄭文杰.熱處理對馬氏體沉淀硬化不銹鋼0Cr15Ni5Cu3Nb鍛件機械性能的影響[J].特殊鋼，2004（1）：15～20