25Cr3MoA鋼的模鍛工藝研究

劉 成 崔一平 盧 艷 斯慶陽 韓森霖

(安大航空鍛造有限責(zé)任公司，貴州561005)

25Cr3MoA是我國航空發(fā)動機(jī)、飛機(jī)用氮化鋼。該鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后不僅具有較高的抗拉強(qiáng)度、較高的韌性和塑性、良好的淬透性，而且鋼的過熱敏感性、脫碳傾向及回火脆性傾向均較低。這種氮化鋼表面硬度高，耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性好，適于制造飛機(jī)發(fā)動機(jī)輔機(jī)轉(zhuǎn)子和分油蓋等零件，也可用于主機(jī)的高壓汽機(jī)主軸、齒輪及墊圈等承力受壓件。25Cr3MoA鋼經(jīng)過適當(dāng)熱處理后能獲得綜合的力學(xué)性能，可滿足國防軍工的材料需要。

1 25Cr3MoA鋼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及材料特性

1.1 25Cr3MoA鋼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

某型分油蓋見圖1。體積小，形狀復(fù)雜，截面變化較大，非加工面多，尺寸要求精度高，成形非常困難。

圖1 某型號分油蓋實(shí)例Figure 1 The sample of a allot oil cap

1.2 材料特性

分油蓋鍛件生產(chǎn)不僅要滿足尺寸要求，其組織性能要求也比較高，特別是對晶粒度的級別要求較高。組織均勻性對調(diào)質(zhì)后的氮化處理有很大的影響。工藝控制不當(dāng)，極易造成表面質(zhì)量差、粗晶、氮化不均勻等問題。

1.3 成分要求

25Cr3MoA鋼為含鉻、鉬較高的結(jié)構(gòu)鋼，鉻、鉬可提高鋼的淬透性。該鋼最后需要進(jìn)行氮化處理，合金元素對氮化工藝影響比較大。隨著鉻含量增加，氮化深度降低、硬度增高。將鉬含量控制在0.8%～1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右，鉻含量控制在3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))對氮化有益[1]。P、S是造成材料各向異性的主要根源，也會給腐蝕性能帶來不利影響。除特殊要求外，應(yīng)盡可能降低P、S含量。25Cr3MoA鋼的化學(xué)成分應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 25Cr3MoA鋼的化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The Chemical compositions of 25Cr3MoA steel (mass fraction，%)

2 工藝研究

2.1 原材料檢查

選取某爐25Cr3MoA鋼進(jìn)行工藝試驗(yàn)。該爐化學(xué)成分見表2，符合表1的化學(xué)成分要求。

2.2 鍛造成形

(1)鍛造溫度的確定。理論最高鍛造加熱溫度為1 180℃，生產(chǎn)時多數(shù)鍛件加熱溫度均選擇此最高加熱溫度。但是，采用規(guī)定的最高加熱溫度會造成許多中小模鍛件表面質(zhì)量下降，氧化皮較厚，并加劇了模具的磨損。因此，只要在鍛造溫度范圍內(nèi)進(jìn)行鍛造，鍛件成形飽滿即可。這樣不但可以提高鍛件表面質(zhì)量，同時又可以降低能源消耗及生產(chǎn)成本。過高的停鍛溫度還會使鍛件內(nèi)部晶粒繼續(xù)長大，出現(xiàn)粗晶或析出第二相，降低力學(xué)性能[2]。根據(jù)鍛件的大小和復(fù)雜程度，應(yīng)適當(dāng)降低加熱溫度上限，避免坯料經(jīng)最高溫度加熱后不變形或小變形的工藝，所以選擇加熱溫度為1 100℃。

表2 某爐25Cr3MoA鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 The Chemical compositions of 25Cr3MoA steel of a hot (mass fraction，%)

終鍛溫度既要保證金屬在終鍛前有足夠的塑性，又要具備良好的組織性能，并高于再結(jié)晶溫度，保證鍛后再結(jié)晶充分。所以根據(jù)鋼廠提供的熱加工參數(shù)，選擇850℃。

(2)加熱設(shè)備。選擇加熱溫度比較均勻的天然氣爐。由于天然氣爐為氧化性氣氛，燃燒充分，所以采用循環(huán)加熱可有效減少氧化皮的產(chǎn)生。鍛件多火次鍛造生產(chǎn)中無嚴(yán)重缺陷時盡可能趁熱回爐，以減少氧化的次數(shù)。在保證鍛件充滿的情況下，允許開鍛溫度低于始鍛溫度[3]。

(3)選擇鍛造設(shè)備。由于本文選擇的分油蓋體積較小，形狀復(fù)雜，型腔較深，所以選擇30 kN鍛錘。充分利用該錘錘頭運(yùn)動速度快，充填型槽能力強(qiáng)等特點(diǎn)，迫使金屬在鍛模型槽中塑性流動[2]。

(4)鍛后冷卻。 鍛件在冷卻期間存在組織應(yīng)力、溫度應(yīng)力及鍛后殘余應(yīng)力。冷卻速度越快，溫度應(yīng)力和組織應(yīng)力越大。所以通過多年累積的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，選擇成堆空冷這種緩慢冷卻方式，減少產(chǎn)生應(yīng)力裂紋的可能。

2.3 熱處理工藝的制定

該鍛件預(yù)備熱處理交付，狀態(tài)為正火加回火。這樣做的目的是改善鍛造組織，細(xì)化晶粒，為調(diào)質(zhì)處理做準(zhǔn)備。根據(jù)鋼廠所給的熱加工參數(shù)指標(biāo)和多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定正火溫度910℃，回火溫度620～660℃，并隨爐冷到500℃以下出爐堆冷?；鼗饻囟葘M織及性能影響比較大。伴隨回火溫度升高，晶粒長大，碳化物顆粒也聚集長大，強(qiáng)度下降，塑性升高，硬度也降低。以往試驗(yàn)結(jié)果見表3，選擇640℃回火溫度較合理。

表3 910℃正火后回火溫度對性能的影響Table 3 The tempering temperature after normalizing at 910℃ effects on mechanical properties

2.4 試樣熱處理

應(yīng)在試樣最終熱處理狀態(tài)下進(jìn)行鍛件性能檢測，所以從鍛件上取樣后，對試樣進(jìn)行淬火并回火。制度如下：

(1)淬火：(900±10)℃+油冷；

(2)回火：(610±10)℃+空冷。

3 結(jié)果分析

3.1 組織

試樣經(jīng)過熱處理后進(jìn)行低倍、晶粒度檢測。低倍未見缺陷，其組織為回火索氏體加少量回火貝氏體，晶粒度9.5級，符合(5～10)級的要求。

3.2 性能

通過力學(xué)性能檢測，淬火+回火后的試樣全部符合指標(biāo)，見表4。試驗(yàn)表明：鍛造加熱溫度、加熱方式、鍛后處理方式以及熱處理制度均合理可行，能保證鍛件各項性能指標(biāo)。

表4 力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 The check results of mechanical properties

4 結(jié)論

(1)化學(xué)成分對25Cr3MoA鋼的力學(xué)性能及氮化后的淬透性影響比較大，需嚴(yán)格控制各成分的含量；

(2) 根據(jù)鍛件的大小和復(fù)雜程度適當(dāng)降低加熱溫度上限，在保證鍛件熱透的情況下，既提高了表面質(zhì)量，又節(jié)約能源，減少模具磨損，符合企業(yè)節(jié)能降耗，減少成本的要求；

(3)考慮到鍛后殘余應(yīng)力，應(yīng)選擇合適的緩冷方式。一般鍛后包裹硅酸鋁纖維或置于爐門口；

(4)正火溫度910℃，回火溫度640℃是比較合理的預(yù)備熱處理制度。這樣可以充分改善鍛后組織，細(xì)化晶粒，并能得到比較良好的力學(xué)性能。

(5) 目前應(yīng)用比較廣泛的氮化鋼例如38CrMoAl等，其調(diào)質(zhì)時易脫碳、粗晶而造成脆性大，強(qiáng)度低。25Cr3MoA是取代38CrMoAl等材料的理想氮化鋼。它有著強(qiáng)度高、均勻性好、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。同時，其過程控制簡單，生產(chǎn)成本也較低。

[1] 張玉琢等.25Cr3MoA氮化鋼的研究 [J].《本鋼技術(shù)》，1991，(2)：13-20.

[2] 姚澤坤.鍛造工藝學(xué)與模具設(shè)計[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[3] 呂言等.鍛壓成形理論與工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.