31Si2MnCrMoVE 真空感應+電渣工藝與“雙真空”冶煉工藝的比較

高佳春

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術中心，山西 太原 030003）

31Si2MnCrMoVE 鋼是用于固體火箭發動機殼體的超高強鋼，屬于“淬火+回火”狀態使用的馬氏體超高強度鋼，對鋼的強韌性能，尤其是斷裂韌性有較高要求。由于飛行器發動機的超高壓薄壁結構及用途的特殊性，故對其化學成分、組織性能、表面質量以及鋼質純凈度都有嚴格要求，通常采用雙真空冶煉（vacuum induction melting,and vacuum arc remelting,VIM and VAR）。然而，該鋼種由于受生產廠家設備條件限制，鋼坯冶煉與成品軋制不在同一廠家生產，導致產品生產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+電渣冶煉），使得冶煉和軋制可以在同一廠家生產，不僅降低了生產成本，而且縮短了交貨周期，對于生產高純凈度的超高強度鋼有重量的實踐意義。

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

1 真空感應+電渣冶煉工藝概述

根據31Si2MnCrMoVE 中GJB3324 對于鋼質的純凈度要求、化學成分以及使用性能的要求，制定了真空感應+保護電渣的冶煉工藝路線。

1）為了最大限度的控制有害元素，真空感應爐原料采用了原料優質純鐵。采用“鐵水預處理+頂底復吹轉爐+RH 真空處理+連鑄”工藝進行生產。

2）真空感應冶煉前對鋼模進行充分烘烤，對冶煉原料進行了充分的表面除鐵鱗，合金元素按照計算量加入。

3）電渣熔煉的最大優點是可對鋼液進行渣洗，最大程度地去除夾雜物。經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鑄錠（坯）的結晶方向（基本沿軸向結晶），并具有非常致密的結晶組織。

2 化學成分以及氣體

化學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+保護電渣冶煉的實測成分，并與GJB3324 航天固體火箭發動機超高強度鋼板規范、采用真空感應+真空自耗工藝冶煉的31Si2MnCrMoVE以及第三方成品化學分析檢驗成分進行了比較。

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純凈度以及后續的加工成型性能。本文對真空感應+電渣工藝下的夾雜物與真空感應+真空自耗工藝下的材料進行了電解比較，見表3、表4。真空感應工藝下材料的夾雜物從電解分析以及檢測評級處于同一水平。

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（鐵素體、粒狀珠光體和二次滲碳體）和調質狀態（板條狀馬氏體）金相組織如下圖1 所示。金相檢驗符合GJB3324 航天固體火箭發動機超高強度鋼板規范要求見表5。

表5 性能指標

圖1 31Si2MnCrMoVE 的金相組織

5 力學性能指標以及脫碳顯微指標

力學性能指標為GJB3324 要求的標準指標，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件中有裂紋或類裂紋缺陷情形下發生以其為起點的不再隨著載荷增加而快速斷裂，即發生所謂不穩定斷裂時，材料顯示的阻抗值。測試結果見表6，試驗結果表明，采用真空感應+保護電渣冶煉工藝生產的31Si2MnCrMoVE 符合GJB3324 航天固體火箭發動機超高強度鋼板規范標準要求。

表6 性能指標

6 結論

1）針對31Si2MnCrMoVE 鋼的生產現狀，提出的“真空感應+保護電渣”冶煉工藝生產的鋼板，通過化學成分、氣體、有害元素、夾雜物、金相以及力學性能分析測試。各項結果均符合GJB3324 航天固體火箭發動機超高強度鋼板規范標準要求。

2）新的冶煉工藝使該鋼種不僅局限于“真空感應+真空自耗”冶煉工藝生產，進一步提升了該鋼種的生產保供能力。