1Cr11Ni2W2MoV具有良好的綜合力學性能，在航空工業中已廣泛用於製造600℃以下工作的發動機葉片、盤、軸等重要零部件。
基本介紹
- 中文名：1Cr11Ni2W2MoV
- 屬性：鋼鐵
- 套用領域：航空工業
- 技術規定：HB5024-89
力學性能,摘要,
力學性能
來源:模具網 編輯：tjsdggc
摘要
探討了航空1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片熱加工工藝與力學性能的關係。工藝試驗結果表明，該鋼的力學性能主要與鍛造變形程度、尺寸效應、回火脆性和δ-F組織等因素有關。 關鍵字：航空發動機葉片；力學性能；鍛造；熱處理 一、前言 1Cr11Ni2W2MoV鋼是在低碳的12%Cr鋼中加入大量的W、Mo、V等縮小奧氏體相區的鐵素體形成元素，使得鋼具有馬氏體相變硬化能力，所得到的一種新型馬氏體耐熱不鏽鋼。該鋼具有良好的綜合力學性能，在航空工業中已廣泛用於製造600℃以下工作的發動機葉片、盤、軸等重要零部件。 本文主要探討了航空1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片熱加工工藝(鍛造及熱處理)與力學性能的關係。 二、原材料和工藝設備 航空1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片是重要的二級鍛件。鍛件用原材料電渣鋼熱軋棒必須符合YB675-7《航空用不鏽鋼及耐熱鋼鋼棒》和HB5270-83《航空發動機轉動件用高級優質不鏽鋼棒》等技術標準及有關所頒技術條件的規定；原材料經復檢合格，拔皮去除表面缺陷後，方可投入使用。復檢後的化學成份見表1，葉片的最終力學性能應達到表2的規定[1]。
表1 1Cr11Ni2W2MoV鋼化學成分(wt%)
元素 | C | Si | Mn | Cr | Ni | W | Mo | V | S | P |
含量 | 0.10～0.16 | ≤0.60 | ≤0.60 | 10.5～12.0 | 1.40～1.80 | 1.50～2.00 | 0.35～0.50 | 0.18～0.30 | ≤0.020 | ≤0.030 |
復檢 | 0.13 | 0.22 | 0.51 | 11.60 | 1.78 | 1.85 | 0.47 | 0.23 | / | / |
表2 1Cr11Ni2W2MoV鋼最終力學性能要求
熱處理制度 | 力學性能≥ | ||||||
淬火 | 回火 | σb(MPa) | σ0.2(MPa) | δ5(%) | ψ(%) | HRC | ak(KJ/m2) |
1000～1020℃ 油或空淬 | 660～690℃空冷 | 885 | 735 | 15 | 55 | 28.0～35.0 | 885 |
540～600℃空冷 | 1080 | 885 | 12 | 50 | 33.5～41.5 | 685 | |
所頒QT31-WY90-13 | 1080 | 930 | 12 | 50 | 40.5～33.5 | 685 | |
1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片的熱加工工藝試驗加熱設備均採用RJX-45-9、RJX-75-13工業電爐。原材料裝爐前應徹底清除電爐內異物，杜絕混料，按工藝要求校驗控溫儀表；為提高爐溫均勻性，可採用爐門石棉隔熱柵，有效率≥87%。 三、工藝試驗 航空1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片熱加工工藝規範的擬定，應嚴格按照HB5024-89《航空用鋼鍛件》中的技術規定執行，最終達到表2要求的力學性能。 1.鍛造工藝 1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片鍛造工藝試驗方案如表3所示。
表3 1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片鍛造工藝試驗
葉片號 | 鍛件尺寸 | 原材料尺寸 | 變形程度 (鍛造比) | 鍛造工藝號 |
0T21-1 | 24×52×138 | φ50×100 | 1.57 | F1 |
0T21-2 | φ75×130 | 3.54 | F2 | |
0T22-1 | 26×75×175 | φ95×160 | 1.96/1.84 | F3 |
0T22-2 | φ110×120 | 2.63/1.84 | ||
0T23 | 24×52×115 | φ65×140 | 2.65 | F2 |
0T63 | 22×38×175 | φ53×75 | 2.63 | F1 |
0T64 | 22×40×145 | φ53×65 | 2.50 | F1 |
表中：F1—單個毛坯一火鍛造成形。 F2—一火鍛造成形，再均勻切斷為三件。 F3—二火鍛造成形，即預鍛後均勻切斷為三件，再加熱終鍛成形。 在高溫時，1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片的組織為奧氏體(A)及少量的δ-鐵素體(F)，具有良好的熱塑性，易於壓力加工。為避免組織粗大和δ-F含量過高，鍛造的始鍛和終鍛溫度不要太高。停鍛後，鍛件應置於灰箱中緩冷，防止龜裂發生。適宜的鍛造工藝規範應為：850℃預熱+(1140±20)℃始鍛+(850～900)℃終鍛/灰箱冷。 鍛件的表面質量不允許有過燒裂紋和嚴重影響性能的其它缺陷存在；小裂紋、嵌入和成片的氧化皮必須全部清除；一般缺陷的存在均須保證鍛件留有≥(2)/(3)的公稱加工餘量。在鍛件的斷口和酸浸試片上顯示的低倍組織，不允許有白斑、白點、縮孔、氣泡、翻皮、點針偏析和層狀斷口存在。一經發現嚴重質量問題，鍛件應予報廢。 2.熱處理工藝 (1)預備熱處理 1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片預備熱處理即鍛後熱處理，目的是消除鍛造加工缺陷和應力，改善其組織，促使充分聚集的碳化物固溶，並可保證所要求的力學性能(布氏硬度要求d=3.70～4.30)。預備熱處理的工藝規範是：850℃預熱(視裝爐量)+(1000±10)℃正火/空冷+(740±10)℃回火/空冷或850℃預熱+(740±10)℃回火/空冷。 (2)最終熱處理 1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片最終熱處理正確的工藝規範為：850℃預熱(視裝爐量)+(1010±10)℃淬火/油冷+(550～570)℃回火/空冷。 1)淬火1Cr11Ni2W2MoV鋼淬火加熱溫度越高，碳化物溶解得越多，當加熱至1000℃時，碳化物已全部溶解，若加熱溫度過高，就會產生過多的δ-F，使鋼的性能惡化(主要是強韌性、疲勞性能、蠕變性能的降低)。因此，淬火加熱溫度應以保證既達到充分奧氏體化，但又只產生少量的δ-F為原則，以(1000～1020)℃最為適宜。該鋼的淬硬性和淬透性好，<?φ200mm的工件均可淬透，故對類似於航空發動機葉片毛坯的薄壁件，為避免過快的冷卻速度造成變形和開裂缺陷，採用油冷淬火效果較好。 2)回火1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片的回火是一個十分重要的工序，將對最終力學性能產生顯著影響。該鋼存在二個回火脆性區((350～530)℃和(600～670)℃)是回火工藝的難點。合適的回火溫度範圍很窄，稍有偏差就會使鋼的衝擊韌性下降，所以操作時應十分謹慎。根據1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片的工作條件，選定550～570℃的回火溫度，可以獲得最佳的綜合力學性能。 四、試驗結果 經過理化檢驗測試，1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片最終熱處理後的力學性能如表4所示。
表4 1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片最終熱處理後力學性能(平均值)
葉片號 | σb (MPa) | σ0.2 (MPa) | δ5 (%) | ψ (%) | ak (KJ/m2) | HRC |
0T21-1 | 1070 | 932 | 15 | 73 | 2047.6 | 34.0 |
0T21-2 | 1180 | 980 | 15 | 73 | 1274.0 | 37.0 |
0T22-1 | 1173 | 987 | 15 | 66 | 1502.3 | 35.3 |
0T22-2 | 1041 | 956 | 15 | 60 | 741.4 | 34.7 |
0T23 | 1047 | 948 | 16 | 71 | 2074.8 | 35.2 |
0T63 | 1237 | 1008 | 17 | 69 | 1131.0 | 35.0 |
0T64 | 1327 | 1040 | 15 | 67 | 1190.0 | 36.2 |
五、結果分析 由表4試驗結果可知，7種型號規格的航空1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片最終熱處理後的力學性能基本合格，其中OT21-1、OT21-2及OT63、OT64等4種葉片的綜合力學性能最佳、強韌性最好；OT21-1、OT23葉片具有很高的衝擊韌性和塑性，但抗拉強度比HB5024-89中的技術規定低；OT22-2葉片的綜合力學性能相對較差，其韌性指標勉強達到要求，抗拉強度低3.6%。 1.鍛造對力學性能的影響 鍛造變形程度(鍛造比)是影響綜合力學性能的重要因素之一，適宜的鍛造比應大於2，反覆鐓拔有利於破碎材料中的粗大和網狀碳化物，可以得到較均勻的力學性能和適中的晶粒度。 2.尺寸效應對力學性能的影響 鍛件原材料尺寸越大，則內部原始缺陷的幾率越大，鍛造後鋼的組織也不如小尺寸緻密，故尺寸效應越嚴重。 3.回火脆性對力學性能的影響 1Cr11Ni2W2MoV鋼出現的回火脆性，使衝擊韌性下降，可能與某種複雜硬化相的析出有關[2]。電子掃描分析證實，鋼在回火脆性溫度範圍內回火，斷裂韌性K1c值呈現低谷，這恰與回火二次硬化峰相對應，二次硬化峰的出現是因為(Cr、W、Mo、V)2C和(Cr、W、Mo、V)23C6複雜碳化物的析出所致。且在回火脆性區內析出的碳化物都是在M基體上以薄殼形式析出的；若避開回火脆性區回火，則碳化物聚集，薄殼破裂，衝擊韌性上升。這就是著名的“薄殼致脆理論”。 4.δ-F含量對力學性能的影響 1Cr11Ni2W2MoV鋼通常含有少量的δ-F，含量若超過5%，橫向力學性能顯著下降(表5)。故應對鋼的冶煉、鍛造和熱處理採取相應措施，來降低δ-F的含量。如原材料應採取優質電渣鋼熱軋棒，加強化學成份的復檢；鍛造和淬火加熱溫度不宜過高，以達到充分奧氏體化為原則；回火時間一要足夠，保證能使碳化物形成元素充分擴散，二要適當，回火時間太長無助於提高性能，有害無益，應控制在(2.5～3.5)h為宜。
表5δ-F含量對鋼的力學性能影響
δ-F(%) | σb (MPa) | σ0.2 (MPa) | δ5 (%) | ψ (%) | ak (KJ/m2) |
<10 | 847 | 663 | 17.5 | 51.1 | 680 |
～15 | 853 | 673 | 15.0 | 43.7 | 430 |
～30 | 815 | 663 | 15.5 | 41.9 | 190 |
～50 | 745 | 594 | 15.8 | 29.8 | 170 |
六、結束語 在熱加工工藝過程中，航空1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片的力學性能主要與鍛造變形程度、尺寸效應、回火脆性和δ-F組織等因素有關；認真執行HB5024-89等有關技術規定，實施正確的熱加工工藝規範，是提高1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片的綜合力學性能，特別是控制好批量生產時產品質量的重要保證。
