高强度沉淀硬化不锈钢精密铸造工艺应用研究

赵庆辉 何坤

摘要：高强度沉淀硬化不锈钢ZG0Cr15Ni5Cu3Nb作为一种航空应用新材料在国内军民机上尚未使用过。针对国产新支线飞机ARJ21的使用需求，结合典型零件，对该材料的浇注系统工艺设计方法、配料方法、气氛保护熔炼方法进行对比研究，降低了铸件夹杂物含量，提升铸造合格率;通过优化热处理工艺，实现材料组织性能改善，力学性能指标远超SAE AMS5357标准要求。最终生产出合格的ZG0Cr15Ni5Cu3Nb铸件。

关键词：沉淀硬化不锈钢;精密铸造;ZG0Cr15Ni5Cu3Nb

引言

随着飞机高可靠、长寿命以及减重的迫切需求，高强度沉淀硬化不锈钢ZG0Cr15Ni5Cu3Nb作为航空应用新材料，已逐步替代传统钢结构材料ZG35CrMnSi在国外军民机上广泛采用[1]。因为该材料合金元素较多，对熔炼设备要求高，熔炼以及成形工艺过程复杂，所以目前国内军民机上尚未使用过该种材料。

本文针对我公司承接ARJ21飞机项目的研制需求，结合典型零件，通过对浇注系统工艺设计方法、配料方法、保护气氛熔炼方法以及热处理工艺进行试验，全面对ZG0Cr15Ni5Cu3Nb材料的精密铸造工艺过程进行研究。

1试验方法

采用150Kg中频感应电炉对原材料进行快速熔炼，熔炼完成后使用光谱分析仪对炉前试样进行化学成分分析，成分合格后立即进行浇注，铸件力学性能数据由随炉附铸标准试样试验获得。

2实验结果分析及讨论

2.1浇注系统工艺设计

影响精密铸件质量的因素主要有裂纹、砂眼、针孔、气孔、疏松、欠铸、氧化夹杂等，典型零件初始工艺组合方案如图1所示，由于该铸件为薄壁空腔类零件，同时合金液在浇注过程中氧化严重，导致大量零件夹杂、欠铸。

经过分析，发现该现象产生原因为模组憋气以及未设置挡渣系统，通过工艺试验改进，增加了辅助浇注系统以及排气系统，有效减少了零件的欠铸、夹杂缺陷，最终确定的优化后模组组合方案如图2所示。

2.2配料

由于该材料合金元素种类较多，且元素含量要求范围窄，在熔化过程中元素烧损率难以控制，故需考虑到元素烧损率后再进行配料熔炼。表1为生产中4个炉次的炉前化学成分单。

由表1可得，中频感应电炉熔炼后的各元素化学成分比较稳定，说明使用中频感应电炉可以熔炼出符合AMS5357标准中要求的ZG0Cr15Ni5Cu3Nb化学成分。

2.3熔注

通过查阅资料以及前期试验，ZG0Cr15Ni5Cu3Nb属于高合金、易氧化材料，使用现有的中频感应电炉熔炼该材料炉极易产生氧化夹杂，零件合格率不到10%。

通过试验摸索，在现有生产条件下，采用自制保护气氛熔注工具可以大幅降低产品氧化夹杂概率，ZG0Cr15Ni5Cu3Nb不锈钢保护气氛熔炼以及浇注过程示意图见图3～图5。

2.4热处理

零件浇注成型完毕后，经过切割打磨等后处理工序后，直接转入热处理。通过查阅文献以及进行具有针对性的热处理试验[3]，其中固溶处理采用两次固溶，所用参数一致。对ZG0Cr15Ni5Cu3Nb铸态组织、一次固溶处理组织、二次固溶处理组织以及二次固溶处理加沉淀硬化组织进行金相分析，金相组织照片见图6～图9。

由图可以看出，ZG0Cr15Ni5Cu3Nb铸态组织基体上分布着黑色的第二相析出质点，该质点分布不均匀，且存在偏聚现象，对力学性能不利;随着一次固溶和二次固溶处理的依次进行，组织中的黑色质点显著减少;沉淀硬化后，黑色质点均匀析出，且无偏聚现象，金相组织达到预期要求。

2.5性能对比

生产中4个炉批号零件具体力学性能参数见表2。美标AMS 5357中力学性能指标拉伸性能为1241MPa，.2%残余变形的屈服强度为1103 Mpa，4D延伸率6%，断面收缩率%15，由表2可以看出，在氩气保护气氛下，使用中频感应电炉研制出的铸件力学性能均优于美标要求。

3结论

在保护气氛下进行ZG0Cr15Ni5Cu3Nb材料的熔炼与浇注，采用改进的浇注系统工艺方案，所得铸件经过两次固溶，一次沉淀硬化处理后，完全可以生产出符合飞机使用性能要求的合格铸件，试验数据具有实用参考价值，工艺方法值得推广应用。

参考文献：

[1] 陈亚莉.国外航空材料与发展现状与趋势[J].军民两用技术与产品，2011（6）：6～10

[2]周同軍，刘军占. 模铸氩气保护浇注的工艺研究[A]——会议论文.2014年钢锭制造技术与管理研讨会[C].河南：洛阳，2014

[3]陈斌，宋志刚，郑文杰.热处理对马氏体沉淀硬化不锈钢0Cr15Ni5Cu3Nb锻件机械性能的影响[J].特殊钢，2004（1）：15～20