鑄鋼件熱處理技術(shù)研究

李燕

摘? 要：在我國機械制造業(yè)中，鑄鋼件的使用非常廣泛，因其良好的韌性、可變性和高強度，尤其適用于制造承受高沖擊、高載荷或高振動性等特殊工況的部件，如飛機的起落架殼體、動齒輪和齒輪軸、發(fā)動機支架、發(fā)動機傳動件、制動器支撐板等，多是由鑄鋼件加工制造而成。而除小型低碳鑄鋼件以外，多數(shù)航空用鑄鋼件都需要通過熱處理技術(shù)以改善性能后方可使用。本文結(jié)合工作實踐，就航空用鑄鋼件的材料、熱處理技術(shù)作用、工藝標準等內(nèi)容進行了探討與研究。

關(guān)鍵詞：航空;鑄鋼件;熱處理;工藝技術(shù)

前言：

熱處理技術(shù)是將固態(tài)金屬材料通過特定的加熱、冷卻、保溫等方法，以消除原材料的加工殘余應(yīng)力，改善原材料組織性能與機械性能的工藝技術(shù)總稱。對于鑄鋼件而言，其普遍是通過高溫冷卻凝固得到的鑄態(tài)組織，在其凝固結(jié)晶過程中通常存在著較為嚴重的組織不均勻、晶粒粗大、枝晶偏析、殘余內(nèi)應(yīng)力過多等一系列問題，這就需要通過熱處理技術(shù)以有效消除上述問題，從而達到改善鑄鋼件的組織性能和力學(xué)性能的目的，滿足航空等各類特殊工況的使用。

一、航空用鑄鋼件的主要材料及熱處理技術(shù)的作用

（一）鑄鋼件材料

隨著近年來我國航空工業(yè)的迅速發(fā)展，飛機制造用鑄鋼件經(jīng)歷了從普通碳素鑄鋼向性能更佳的低合金鑄鋼、中合金鑄鋼的方向轉(zhuǎn)變。目前，我國航空制造業(yè)采用的鑄鋼件的材質(zhì)、強度等級已與歐美等發(fā)達國家比較接近，主要都采用的是通過添加Mn、Cr、Ni、Mo、Si等元素進行合金化的低碳合金鑄鋼為主。以民用飛機為例，其常用的鑄鋼件牌號、類型及應(yīng)用范圍詳見下表1所示。

（二）鑄鋼件熱處理技術(shù)的作用

航空用鑄鋼件的熱處理，是以鑄鋼件的鐵—碳合金為主要加工依據(jù)，并通過控制鑄鋼件熱處理后的金相組織，以鑄鋼件達到飛機航空所要求的組織與性能。具體而言，其工藝目的主要包括了：

一是消除鑄鋼件在機械加工過程中的殘余內(nèi)應(yīng)力;二是使鑄鋼件內(nèi)的夾雜物和成分偏析擴散、均勻化;三是改善鑄鋼件組織，達到細化晶粒的作用;四是賦予航空用鑄鋼件使用時所需要的機械性能，如高硬度、高強度等;五是賦予航空用鑄鋼件使用時所需要的化學(xué)性能和物理性能，如耐熱性、耐腐蝕性、耐沖擊等。

由此可看出，航空用鑄鋼件的熱處理工藝，是各類鑄鋼件生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序之一，其熱處理的質(zhì)量也將直接關(guān)系到飛機的航行安全，因此必須對熱處理技術(shù)的相關(guān)工藝標準，予以高度的重視和嚴格的質(zhì)量控制。

二、航空用鑄鋼件熱處理技術(shù)的工藝應(yīng)用標準

退火、正火、淬火回火等熱處理方法，都可以用于航空用鑄鋼件。由于淬火回火處理使鑄鋼件產(chǎn)生淬火裂紋的可能性較大，因此除小型低碳鋼鑄件外，一般不太采用這種熱處理。但近年來，隨著工藝技術(shù)的進步，航空用的低合金鑄鋼件和中合金鑄鋼件也廣泛采用了淬火回火熱處理。

（一）退火工藝的應(yīng)用標準

退火的工藝方法主要可以分為擴散退火、完全退火及消除應(yīng)力退火。在大量生產(chǎn)小型鑄鋼件時，通常使用連續(xù)式熱處理爐;多數(shù)情況下使用間歇式熱處理爐。由于鑄鋼件在鑄態(tài)下韌性差、強度低，所以在從材料處于彈性狀態(tài)的室溫到500-650℃的溫度范圍內(nèi)快速加熱時，鑄件容易產(chǎn)生裂紋。因此，至少在鑄件的表面溫度到達500℃之前，應(yīng)進行緩慢加熱。

1.擴散退火工藝

為使航空用鑄鋼件凝固過程中，所形成的夾雜物和成分偏析擴散均勻化，通常采用加熱到1050-1250℃高溫的擴散退火熱處理。加熱時間隨鑄件大小和偏析程度而變化，但比完全退火要長得多。

2.完全退火工藝

完全退火工藝是加熱到鑄件相變溫度以上30-60℃，隨后緩慢冷卻的一種熱處理方法。加熱保溫時間以材料壁厚每增加25毫米，加熱保溫時間提高1小時為標準。

完全退火可將航空鑄鋼件中的粗大鑄態(tài)魏氏體組織，轉(zhuǎn)變?yōu)橐话愕蔫F素體和珠光體組織，它是以降低硬度和改善韌性為目的而進行的一種熱處理。如要得到鐵素體和珠光體組織，可根據(jù)連續(xù)冷卻相變圖與鑄件大小來決定退火的冷卻速度。

3.消除應(yīng)力退火

一般為加熱到相變點以下適當(dāng)?shù)臏囟?，隨后緩慢冷卻的操作工藝方式。由于退火溫度愈高，愈能在短時間內(nèi)消除鑄件的內(nèi)應(yīng)力。因此，該工藝一般采用的是將材料加熱到550—650℃的塑性狀態(tài)溫度范圍內(nèi)，材料壁厚每增加25毫米，保溫時間增加1小時，然后緩慢冷卻的方法。另外，鑄鋼件焊補后的熱處理方式，也通常采用該工藝方法。

（二）正火工藝的應(yīng)用標準

鑄鋼件完全退火加熱后的冷卻是緩慢冷卻，而正火則是以均勻化和細化組織為目的，在大氣中空冷或進行強制空冷的一種熱處理方法。冷卻速度比退火要快得多，因而正火后鑄件材料的晶粒細而均勻，且材料的強度和韌性也能得到一定程度的改善。

正火工藝對低合金鑄鋼件30CrMo的改善效果，隨著正火溫度的提升，鑄鋼件30CrMo的韌性得到明顯改善。一般情況下，航空用鑄鋼件的正火工藝多采用850-1000℃的溫度標準。

另外，對于大型或形狀復(fù)雜的航空用鑄鋼件，由于空冷時鑄件各部分冷卻速度不同而引起的熱應(yīng)力，作為內(nèi)應(yīng)力殘留下來，所以正火后還應(yīng)進行以消除應(yīng)力為目的的回火處理，以進一步消除內(nèi)應(yīng)力。

（三）淬火回火工藝的應(yīng)用標準

與退火工藝類似，該工藝是將鑄件加熱到材料相變點以上30-60℃高溫，隨后快速冷卻，使其產(chǎn)生貝氏體或馬氏體轉(zhuǎn)變，之后再加熱到相變點以下適當(dāng)?shù)臏囟冗M行回火，以細化碳化物，得到均勻分布的組織，這種熱處理方法即為淬火回火工藝。航空鑄鋼件淬火回火工藝在應(yīng)用時，應(yīng)尤其注意以下兩點：一是必須在退火和正火工藝之后，方可再進行淬火，以避免材料產(chǎn)生裂紋;二是除形狀簡單及小型鑄鋼件以外，一般不建議采用水淬的方式，建議采用油淬或空氣淬火，然后再對材料進行回火。

結(jié)論：

本文首先分析了航空用鑄鋼件的主要材料及熱處理的工藝目的，并研究探討了航空用鑄鋼件幾類主要熱處理技術(shù)的工藝應(yīng)用標準，包括了退火工藝、正火工藝、淬火回火工藝等?？梢哉f，航空用鑄鋼件的熱處理工藝，是各類鑄鋼件生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序之一，其熱處理的質(zhì)量也將直接關(guān)系到飛機的航行安全，因此必須對熱處理技術(shù)的相關(guān)工藝標準，予以高度的重視和嚴格的質(zhì)量控制。

參考文獻

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