重复热处理及防护层对CrNiMoV钢锻件组织性能的影响

CrNiMoV钢属于低合金高强钢，具有优良的室温强韧性、高温强度、淬透性、焊接性以及抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能，多用于制造民用燃机盘轴件、航天发动机壳体、飞机起落架、压力容器等。随着高推动比、高性能民用发动机的高速发展，对现代化装备提出了更高的要求。

钢锻件在热加工过程中容易形成氧化皮和脱碳层，对于碳钢和低合金钢在800℃以上会形成“高温鳞皮”状的氧化皮，以往此类锻件按经验设计余量均不小于5mm。本论文从工程应用的角度，通过在锻件表面喷涂防护层，减小高温下保温过程的氧化程度，提高锻件表面质量并减小单边设计余量，通过重复热处理调整锻件的力学性能，实现了此类锻件的提质增效降本。

试验材料和方法

试验用材料为某钢厂φ250mm的钢棒，化学成分如表1所示。按照制坯→模锻→热处理→粗加工的工艺路线生产盘锻件，粗加工后在锻件上切取试环进行力学性能测试，用于重复热处理的锻件实物如图1所示，在半件锻件全表面喷涂某T系列防护涂层，涂层厚度0.1～0.3mm，并在锻件上划线区分喷涂区域和未喷涂区域。

表1 试验件用钢的化学成分(%)

图1 重复热处理前锻件实物

将喷涂后的锻件按照标准热处理制度进行重复热处理，重复热处理制度与标准热处理制度相同：920℃保温240min出炉空冷，860℃保温140min出炉水冷，650℃保温300min出炉空冷，重复热处理后的锻件实物见图2。

图2 重复热处理后锻件实物

试验结果和分析

重复热处理前喷涂防护剂对锻件表面氧化皮的影响

图2所示的热处理后锻件表面有轻微氧化皮，喷涂的区域表面质量明显优于未喷涂的区域，为了进一步评估重复热处理后氧化皮的厚度，清理干净锻件表面松散的氧化皮后采用三坐标扫描仪检测了重复热处理前后锻件的形状和尺寸，造型比对情况见图3，锻件重复热处理后沿轴向发生了轻微的变形，为了定量评估氧化皮的厚度，在如图4所示的纵剖面上选取了5个典型位置检测了热处理前后的尺寸，每个位置检测3个点求平均值，相应位置的尺寸差值平均值即对应位置的氧化皮厚度。检测结果见表2，未喷涂区域的氧化皮厚度平均值为0.226mm，喷涂区域氧化皮厚度平均值为0.068mm，可见喷涂防护剂可以明显减小锻件表面氧化皮的厚度。

表2 热处理前后典型位置厚度尺寸检测结果 单位：mm

图3 造型对比情况

图4 纵剖面5个检测位置

重复热处理前喷涂防护剂对锻件近表面脱碳层的影响

CrNiMoV钢类锻件热加工过程中表面产生肉眼可见的氧化皮，由于氧化反应在锻件近表面还会形成一层脱碳层，脱碳层的组织与锻件本体的组织有差异。锻件表面喷涂的防护剂具有防氧化的作用，为了定量分析防护层的防氧化作用，在重复热处理后的锻件喷涂和未喷涂区域分别切取1个试样，检测脱碳层的厚度。取样示意图见图5，其中1#试样位于喷涂区域，2#试样位于未喷涂区域。采用金相法对试样轴向表面和径向表面脱碳层进行检测，检测结果见图6，脱碳层厚度最大值为0.71mm，检测结果显示轴向表面脱碳层最大厚度比径向表面脱碳层最大厚度大0.19mm，未喷涂区域的脱碳层最大厚度比喷涂区域的大0.2mm。

图5 脱碳层厚度检测取样示意图

图6 脱碳层厚度检测结果

试验结果表明：喷涂防护层的区域脱碳层厚度小于未喷涂的区域，防护剂有一定的防氧化能力。综合考虑氧化皮和脱碳层厚度，喷涂防护剂的区域氧化深度比未喷涂区域小0.3mm，另外未喷涂区域的轮缘发生了轴向翘曲，翘曲变形值为1.36mm，喷涂区域轮缘翘曲变形量为0.27mm。因此未喷涂锻件的余量需不小于2.45mm，喷涂防护剂的锻件余量需不小于1.01mm。

重复热处理对锻件力学性能的影响

重复热处理后锻件的状态发生了变化，为了评估重复热处理对锻件性能的影响，设计了如图7所示的理化取样图，在重复热处理后的锻件上切取了1个室温拉伸试样和3个冲击试样进行了性能测试，试验件标准热处理后在锻件上切取的试验环力学性能数据见表3，数据表明锻件重复热处理后强度明显升高，屈服强度靠近指标上限，塑性水平相当，冲击韧性下降约15J，分析锻件强度提升的主要原因是重复热处理态的锻件有效截面厚度小于标准热处理态的锻件有效截面厚度，在热处理冷却过程中冷却速率较快。综上所述，粗加工态锻件重复热处理后力学性能满足标准要求。

表3 力学性能检测结果

图7 理化取样示意图

结束语

通过试制试验和理化性能检测，综合分析了重复热处理及防护剂对CrNiMoV钢锻件组织和性能的影响，得出以下结论：

⑴锻件重复热处理后氧化皮厚度最大值为0.38mm，未喷涂区域的氧化层厚度比喷涂区域氧化层厚度平均大0.158mm；

⑵锻件重复热处理后脱碳层厚度最大值为0.71mm，未喷涂区域的脱碳层厚度比喷涂区域脱碳层厚度大0.1mm；

⑶锻件重复热处理后未喷涂区域轮缘翘曲变形达1.36mm，比喷涂区域变形值大1.09mm；

⑷综合考虑氧化层、脱碳层和翘曲变形等因素，锻件重复热处理后未喷涂锻件的单边加工余量需不小于2.45mm，喷涂防护剂的锻件加工余量需不小于1.01mm；

⑸锻件重复热处理后强度值有所提升，冲击韧性略有下降，但各项性能指标均符合标准要求。