高佳春

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030003）

31Si2MnCrMoVE 鋼是用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的超高強(qiáng)鋼，屬于“淬火+回火”狀態(tài)使用的馬氏體超高強(qiáng)度鋼，對(duì)鋼的強(qiáng)韌性能，尤其是斷裂韌性有較高要求。由于飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)的超高壓薄壁結(jié)構(gòu)及用途的特殊性，故對(duì)其化學(xué)成分、組織性能、表面質(zhì)量以及鋼質(zhì)純凈度都有嚴(yán)格要求，通常采用雙真空冶煉（vacuum induction melting,and vacuum arc remelting,VIM and VAR）。然而，該鋼種由于受生產(chǎn)廠家設(shè)備條件限制，鋼坯冶煉與成品軋制不在同一廠家生產(chǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)成本增加以及交貨周期較長。本文提出一種新的冶煉工藝（真空感應(yīng)+電渣冶煉），使得冶煉和軋制可以在同一廠家生產(chǎn)，不僅降低了生產(chǎn)成本，而且縮短了交貨周期，對(duì)于生產(chǎn)高純凈度的超高強(qiáng)度鋼有重量的實(shí)踐意義。

本文對(duì)采用新工藝（真空感應(yīng)+電渣冶煉）的31Si2MnCrMoVE 鋼進(jìn)行了化學(xué)成分分析、金相組織分析、常規(guī)力學(xué)性能測試、彎曲試驗(yàn)以及斷裂韌度測試，與真空感應(yīng)+真空自耗工藝下生產(chǎn)的31Si2MnCrMoVE 進(jìn)行了多方面比較，以驗(yàn)證新工藝的可行性。

1 真空感應(yīng)+電渣冶煉工藝概述

根據(jù)31Si2MnCrMoVE 中GJB3324 對(duì)于鋼質(zhì)的純凈度要求、化學(xué)成分以及使用性能的要求，制定了真空感應(yīng)+保護(hù)電渣的冶煉工藝路線。

1）為了最大限度的控制有害元素，真空感應(yīng)爐原料采用了原料優(yōu)質(zhì)純鐵。采用“鐵水預(yù)處理+頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐+RH 真空處理+連鑄”工藝進(jìn)行生產(chǎn)。

2）真空感應(yīng)冶煉前對(duì)鋼模進(jìn)行充分烘烤，對(duì)冶煉原料進(jìn)行了充分的表面除鐵鱗，合金元素按照計(jì)算量加入。

3）電渣熔煉的最大優(yōu)點(diǎn)是可對(duì)鋼液進(jìn)行渣洗，最大程度地去除夾雜物。經(jīng)過電渣重熔后的鋼具有極高的純凈度，用一般方法冶煉的鋼含有的非金屬夾雜物經(jīng)電渣重熔后可去除80%～90%。由于其水冷銅壁的特殊冷卻方式，因此鋼錠不同于常規(guī)鑄錠（坯）的結(jié)晶方向（基本沿軸向結(jié)晶），并具有非常致密的結(jié)晶組織。

2 化學(xué)成分以及氣體

化學(xué)成分直接決定材料的使用性能，該鋼種用途的特殊性要求冶煉過程要精確控制鋼的成分，嚴(yán)格限制有害元素、氣體（見表1）的控制。下頁表2 列出了通過真空感應(yīng)+保護(hù)電渣冶煉的實(shí)測成分，并與GJB3324 航天固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)超高強(qiáng)度鋼板規(guī)范、采用真空感應(yīng)+真空自耗工藝冶煉的31Si2MnCrMoVE以及第三方成品化學(xué)分析檢驗(yàn)成分進(jìn)行了比較。

表1 氣體及有害元素比較 %

表2 成分比較 %

3 夾雜物

由于該材料用途的特殊性，夾雜物的控制直接影響鋼質(zhì)純凈度以及后續(xù)的加工成型性能。本文對(duì)真空感應(yīng)+電渣工藝下的夾雜物與真空感應(yīng)+真空自耗工藝下的材料進(jìn)行了電解比較，見表3、表4。真空感應(yīng)工藝下材料的夾雜物從電解分析以及檢測評(píng)級(jí)處于同一水平。

表3 夾雜物

表4 電解夾雜物比較

4 金相組織

在930 ℃油淬，300 ℃回火2 h 的條件下，退火狀態(tài)（鐵素體、粒狀珠光體和二次滲碳體）和調(diào)質(zhì)狀態(tài)（板條狀馬氏體）金相組織如下圖1 所示。金相檢驗(yàn)符合GJB3324 航天固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)超高強(qiáng)度鋼板規(guī)范要求見表5。

表5 性能指標(biāo)

圖1 31Si2MnCrMoVE 的金相組織

5 力學(xué)性能指標(biāo)以及脫碳顯微指標(biāo)

力學(xué)性能指標(biāo)為GJB3324 要求的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，直接影響材料的使用性能。鑒于該材料用途特殊，斷裂韌性是試樣或構(gòu)件中有裂紋或類裂紋缺陷情形下發(fā)生以其為起點(diǎn)的不再隨著載荷增加而快速斷裂，即發(fā)生所謂不穩(wěn)定斷裂時(shí)，材料顯示的阻抗值。測試結(jié)果見表6，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用真空感應(yīng)+保護(hù)電渣冶煉工藝生產(chǎn)的31Si2MnCrMoVE 符合GJB3324 航天固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)超高強(qiáng)度鋼板規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 性能指標(biāo)

6 結(jié)論

1）針對(duì)31Si2MnCrMoVE 鋼的生產(chǎn)現(xiàn)狀，提出的“真空感應(yīng)+保護(hù)電渣”冶煉工藝生產(chǎn)的鋼板，通過化學(xué)成分、氣體、有害元素、夾雜物、金相以及力學(xué)性能分析測試。各項(xiàng)結(jié)果均符合GJB3324 航天固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)超高強(qiáng)度鋼板規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）新的冶煉工藝使該鋼種不僅局限于“真空感應(yīng)+真空自耗”冶煉工藝生產(chǎn)，進(jìn)一步提升了該鋼種的生產(chǎn)保供能力。