李彥峰， 陳 波， 郝江華， 張丹丹

（中航飛機(jī)股份有限公司， 陜西 西安 710089）

試（實(shí)）驗(yàn)研究

不同冷卻氣體壓力對(duì)4340M低合金超高強(qiáng)度鋼力學(xué)性能和變形量的影響

李彥峰， 陳 波， 郝江華， 張丹丹

（中航飛機(jī)股份有限公司， 陜西 西安 710089）

通過(guò)對(duì)4340M鋼力學(xué)性能和變形量的測(cè)定，研究了不同冷卻氣體壓力對(duì)4340M低合金超高強(qiáng)度鋼力學(xué)性能和變形量的影響。結(jié)果表明，零件在871℃加熱氣淬并經(jīng)302℃兩次回火條件下，氣淬時(shí)的冷卻氣體壓力選擇3×105Pa或4×105Pa為最佳，其熱處理后屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別高于1 590MPa和1 910MPa，延伸率大于13.7%，斷面收縮率大于41.5%，零件變形量小于0.5mm。

不同冷卻氣體壓力 4340M低合金超高強(qiáng)度鋼 力學(xué)性能 變形量

低合金超高強(qiáng)度鋼與一般結(jié)構(gòu)鋼相比，具有較高強(qiáng)度和一定韌性，且其合金元素含量低，熱加工工藝簡(jiǎn)單，成本較低，從而受到航空航天和常規(guī)武器領(lǐng)域青睞[1-2]。因此本文主要研究4340M低合金超高強(qiáng)度鋼真空高壓氣淬熱處理工藝中不同冷卻氣體壓力對(duì)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率等力學(xué)性能和零件變形量的影響，并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)條件

圖1為試驗(yàn)零件，圖2為拉伸試樣，用來(lái)做力學(xué)性能測(cè)試。

圖1 試驗(yàn)零件

圖2 拉伸試樣（單位：mm）

試驗(yàn)材料為40CrNi2Si2MoVA（4340M）鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)材料的化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

本文研究的技術(shù)關(guān)鍵是如何確定其冷卻氣體壓力大小，參考BAC5617《合金鋼的熱處理》[3]，其給出最小壓力為1.8×105Pa，因此本文選擇1×105Pa、2×105Pa、3×105Pa、4×105Pa、5×105Pa作為冷卻壓力進(jìn)行試驗(yàn)，具體4340M鋼真空高壓氣淬熱處理工藝方案為：在690℃下進(jìn)行預(yù)熱并保溫120min，真空度為3～4；在871℃下進(jìn)行奧實(shí)體化，保溫時(shí)間30min，真空度為3～4；在302℃下進(jìn)行兩次回火加熱并保溫180min，冷卻方式為空冷。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同冷卻氣體壓力對(duì)力學(xué)性能的影響

2.1.1 原材料力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)4340M鋼原材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)后得到抗拉強(qiáng)度790MPa，屈服強(qiáng)度480MPa，延伸率53.5%，斷面收縮率16.8%，故其力學(xué)性能值不高，便于零件機(jī)械加工，但未達(dá)到使用狀態(tài)，需通熱處理滿(mǎn)足工程技術(shù)要求。本文通過(guò)真空高壓氣淬熱處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)零件的工程技術(shù)要求。

2.1.2 真空高壓氣淬熱處理后力學(xué)性能測(cè)試

4340M鋼真空高壓氣淬熱處理后力學(xué)性能見(jiàn)下頁(yè)表2，采用第一組方案時(shí)，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度低于實(shí)驗(yàn)零件工程技術(shù)要求，但延伸率和斷面收縮率滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)零件工程技術(shù)要求。

第二組熱處理方案中，其抗拉強(qiáng)度、延伸率和斷面收縮率滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)零件工程技術(shù)要求，但是短橫向（ST）屈服強(qiáng)度低于實(shí)驗(yàn)零件工程技術(shù)要求。

第三組、第四組和第五組真空高壓氣淬熱處理工藝方案后，其力學(xué)性能中的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率和斷面收縮率均滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)零件工程技術(shù)要求。

表2 4340M鋼真空高壓氣淬熱處理后力學(xué)性能

改變冷卻氣體壓力時(shí)，4340M鋼在真空高壓氣淬熱處理工藝方案中的變化趨勢(shì)如圖3，圖4，圖5，圖6。

圖3和圖4分別表示不同冷卻氣體壓力與抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度間的關(guān)系，隨著冷卻氣體壓力從1×105Pa增加到5×105Pa，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均呈上升趨勢(shì)。當(dāng)使用1×105Pa到2×105Pa氣體壓力時(shí)，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均變化較大，這是由于回火馬氏體由大小不同的混合馬氏體向晶粒均勻的混合馬氏體轉(zhuǎn)變，冷卻氣體壓力的增加，馬氏體組織趨于均勻并且晶粒細(xì)小，一方面細(xì)晶強(qiáng)化作用很大，另一方面冷卻氣體壓力越大，形成的馬氏體產(chǎn)生的畸變應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)形成強(qiáng)烈的交互作用越大，從而使強(qiáng)度升高。當(dāng)使用3×105Pa、4×105Pa到5×105Pa時(shí)，則變化較為平緩，這是由于形成的組織主要是板條狀回火馬氏體，同時(shí)冷卻氣體壓力的增加使得組織中析出的碳化物也緩慢增多，導(dǎo)致強(qiáng)度變化不大。

圖3 不同冷卻氣體壓力與抗拉強(qiáng)度間關(guān)系

圖4 不同冷卻氣體壓力與屈服強(qiáng)度間關(guān)系

圖6 不同冷卻氣體壓力與斷面收縮率之間關(guān)系

圖5和圖6分別表示不同冷卻氣體壓力與延伸率和斷面收縮率間的關(guān)系，隨著冷卻氣體壓力從1×105Pa增加到5×105Pa，延伸率和斷面收縮率均緩慢下降，主要原因是隨冷卻氣體壓力的增大，產(chǎn)生了高密度的位錯(cuò)，使滑移困難，塑性下降。

綜上所述，冷卻氣體壓力為1×105Pa和2×105Pa的工藝方案不宜采用，為3×105Pa、4×105Pa和5×105Pa的工藝方案可以考慮采用。具體選擇哪種工藝方案還得考慮試樣熱處理后零件的變形情況。

2.2 不同冷卻氣體壓力對(duì)零件變形量的影響

零件在熱處理過(guò)程中，只要溫度分布不均勻，同一瞬間就會(huì)存在溫差，這種溫差會(huì)導(dǎo)致工件不同部位間脹縮程度不一而產(chǎn)生熱應(yīng)力[4]。隨冷卻氣體壓力的增加，氣流噴射的陽(yáng)面和被遮擋而噴射不到的陰面之間因冷卻效果不同而使各部位間形成較大溫差。冷卻氣體壓力越大，溫度分布越不均勻，熱應(yīng)力也越大。上述溫差還會(huì)導(dǎo)致零件不同部位組織轉(zhuǎn)變的不同期，于是組織轉(zhuǎn)變伴隨著的體積脹縮受到制約，由此產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，即相變應(yīng)力[5]，冷卻氣體壓力越大，表面和心部溫差越大，使表面和心部的組織轉(zhuǎn)變不同步，相變應(yīng)力也越大。

采用真空高壓氣淬熱處理，隨冷卻氣體壓力的增加，零件變形測(cè)量結(jié)果如下頁(yè)表3所示。

表3 不同熱處理工藝方案零件變形量 mm

從表3中發(fā)現(xiàn)，其他熱處理參數(shù)未改變，僅改變冷卻氣體壓力，因而造成工件最大的變形是在冷卻過(guò)程中形成的，由此形成的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力是造成零件變形的主要原因，冷卻氣體壓力越大，則熱應(yīng)力和組織應(yīng)力越大，工件變形越大。隨著冷卻氣體壓力從1×105Pa到5×105Pa的增加，零件變形量在0.2～0.7mm范圍內(nèi)逐漸增大，選擇1×105～4×105Pa的冷卻氣體壓力熱處理后，零件變形量為0.2～0.5mm，符合加工變形量不超過(guò)0.5mm的要求，而選擇5×105Pa時(shí)，變形量為0.5～0.7mm，則不符合加工變形量要求。

3 結(jié)論

1）4340M鋼制零件受不同冷卻氣體壓力作用，力學(xué)性能有明顯變化。細(xì)晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯升高，塑性略有下降。當(dāng)冷卻氣體壓力選擇1×105Pa和2×105Pa時(shí)，其力學(xué)性能均不符合試驗(yàn)零件工程技術(shù)要求，而選擇3×105～5×105Pa時(shí)，則符合工程技術(shù)要求。

2）隨冷卻氣體壓力增加，形成較大溫差使熱應(yīng)力增加導(dǎo)致零件變形增大。選擇1×105～4×105Pa冷卻氣體壓力熱處理后，零件變形量為0.2～0.5 mm，符合加工變形量不超過(guò)0.5mm的要求，而5×105Pa的冷卻氣體壓力則不符合要求。

3）在871℃加熱氣淬并經(jīng)302℃兩次回火條件下，氣淬時(shí)冷卻氣體壓力選擇3×105Pa或4×105Pa為最佳，其熱處理后屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別高于1 590MPa和1 910MPa，延伸率大于13.7%，斷面收縮率大于41.5%，零件變形量小于0.5mm，均符合工程技術(shù)要求。

[1] 范長(zhǎng)剛，董瀚，雍岐龍，等.低合金超高強(qiáng)度鋼的研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程材料，2006，30（8）：1-4.

[2] 李云凱，王會(huì)珍，許晨旭.熱處理工藝對(duì)某低合金超高強(qiáng)度鋼性能的影響[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，28（4）：594-596.

[3] 朱一本.BAC5617合金鋼的熱處理[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化（美國(guó)軍用與航空熱處理規(guī)范專(zhuān)輯），1979（2）：22-24.

[4] 楊曉清.影響鋼件熱處理變形因素的討論[J].包鋼科技，2004，30（3）：83-85.

[5] 魯緒芝，賴(lài)惠芬.減小和控制熱處理變形的有效措施[J].機(jī)床與液壓，2006（12）：251-252.

Effect of Different Cooling Gas Pressure on M echanical Properties and Deformation of Ultra-high Strength Low A lloy Steel

Li Yanfeng,Chen Bo,Hao Jianghua,Zhang Dandan
（AVIC Aircraft Co.,Ltd.,Xi'an Shaanxi710089）

Effect of different cooling gas pressure on mechanical properties and deformation of ultra-high strength low alloy steelwas studied bymechanical properties and deformation test.The results showed that the 3×105Pa or 4×105Pa cooling gas pressure is the optimal selection under the condition of quenching by gas at 871℃and then tempering at 302℃for twice.After heat-treatment,yield strength and tensile strength are higher than 1 590 Mpa and 1 910 Mpa,respectively,coefficient of elongation is larger than 13.7%and contraction of area is larger than 41.5%,the deformation amount is less than 0.5mm.

different cooling gas pressures;4340M ultra-high strength low alloy steel;mechanical properties;deformation

TG142.1

A

1672-1152（2017）05-0013-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.05.05

2017-09-07

李彥峰（1975—），男，現(xiàn)就職于中航飛機(jī)股份有限公司熱表處理廠，從事熱處理研究，高級(jí)工程師。

（編輯：苗運(yùn)平）