淺談Inconel718十二角頭螺栓制造工藝技術

袁永恒，金宏，蘆靜，許永春，萬志慧，周為，劉樂，楊保建

河南航天精工制造有限公司 河南信陽 464000

1 序言

目前，Inconel718是航空發動機上應用最為廣泛的高溫合金，主要應用于制造航空航天發動機中的各種靜止件和轉動件，如盤、環形件、機匣、軸、葉片、緊固件及彈性元件等[1]。Inconel718十二角頭螺栓是發動機上應用較為普遍的緊固件，也是高溫高強緊固件的代表性產品。

國外對與航空航天領域有關的高溫合金材料，尤其是Inconel718合金的工藝和應用仍然是處于嚴格保密狀態，因此其材料特性和制造工藝需要自行研究。性能等級為Rm≥1242MPa、Rp0.2≥745MPa的Inconel718高溫合金加工難度最大，合金化程度較高，導致其熱加工性能惡化，熱變形區域縮小，因此加大了熱成形難度[2]。同時，由于材料的強度高、塑性低，熱處理后Inconel718材料的Rm≥1300MPa、硬度為43～48HRC，使得后續的加工困難。本文針對Inconel718十二角頭螺栓的材料特性和結構特點，討論螺栓的關鍵加工技術和制造工藝，確定最優加工路線及工藝參數，以實現該產品的批量加工。

2 產品特點

十二角頭螺栓的結構如圖1所示，其中頭部熱鐓成形，桿部車制成形，螺紋溫滾壓螺紋成形。螺栓頭部形狀復雜，具有十二角扳擰結構，在扳擰時受力充分且扳手不易滑脫；在十二角頭底部帶有法蘭臺，作為安裝后的承力部位。本文要研究的螺栓加工精度要求較高，以SAE AS 9716A—2007.3125-24UNJF-3A規格的產品為例來闡述螺栓的制造技術，其桿部直徑為7.92mm，性能要求：Rm≥1242MPa、Rp0.2≥745MPa。

圖1 十二角頭螺栓結構

3 加工工藝

Inconel718十二角頭螺栓采用棒材加工，材料滿足AMS 5662標準的要求。生產工藝流程：下料→普車1→無心磨→潤滑→熱鐓→去涂層→噴砂1→熱處理→噴砂2→普車2→數控車→普車3→去毛刺→制標→無心磨2→滾壓螺紋→滲透檢測→表面處理→終檢→包裝入庫。下面將針對熱處理、滾壓螺紋工序進行分析。

3.1 熱處理

十二角頭螺栓采用的是Inconel718高溫合金棒材，材料狀態為固溶態，并進行了加工硬化。產品要達到最終性能需要進行熱處理，使產品經過時效強化，達到沉淀硬化狀態，以獲得高強度及良好的塑性等綜合性能。為了獲得最佳熱處理制度，采用以下3種熱處理方案：

（1）第一種方案 1010℃±10℃保溫1h，氣冷或空冷，720℃±5℃保溫8h，以50～60℃/h的速度爐冷至620℃±5℃保溫8h，氣冷或空冷。熱處理工藝如圖2所示，金相組織如圖3所示。

圖2 熱處理工藝一

圖3 熱處理工藝一金相組織（100×）

（2）第二種方案 960℃±10℃保溫1h，氣冷或空冷，720℃±5℃保溫8h，以50～60℃/h的速度爐冷至620℃±5℃保溫8h，氣冷或空冷。熱處理工藝如圖4所示，金相組織如圖5所示。

圖4 熱處理工藝二

（3）第三種方案 720℃±5℃保溫8h，以50～60℃/h的速度爐冷至620℃±5℃保溫8h，氣冷或空冷。熱處理工藝如圖6所示，金相組織如圖7所示。

圖5 熱處理工藝二金相組織（100×）

圖6 熱處理工藝三

圖7 熱處理工藝三金相組織（100×）

通過對比分析以上三種熱處理方案可以看出，熱處理方案一的材料晶粒度粗化，晶界和晶內無δ相，存在缺口敏感性，主要應用于對晶粒度要求較高的產品；熱處理方案二的材料晶界有δ相，有利于消除缺口敏感性，產品按該方案進行熱處理，性能穩定且滿足要求，見表1；熱處理方案三的材料中δ相較少，能提高材料的強度和沖擊性能，主要應用于冷拉態原材料直接時效熱處理制度。

表1 熱處理方案二性能檢測結果

綜上所述，熱處理方案二的螺栓力學性能最優，同時其加工質量穩定性最好，為最優熱處理方案。

3.2 溫滾壓螺紋

Inconel718高溫合金的性能需滿足Rm≥1242MPa、Rp0.2≥745MPa力學性能要求，其硬度較高，可達到43～48HRC，塑性較差，材料產生的加工硬化現象嚴重。如果進行冷滾壓加工，會使加工存在以下問題：

（1）問題一 螺紋滾壓輪壽命較短，滾壓數件或數十件產品后螺紋滾壓輪產生崩齒的問題，如圖8所示。

圖8 螺紋滾壓輪崩齒缺陷

（2）問題二 滾壓螺紋后很容易產生裂紋、折疊超標等缺陷，如圖9所示，不適合大批量生產。同時也不能滿足產品的質量要求。

圖9 滾壓螺紋后螺紋處的裂紋、折疊缺陷

針對以上問題，決定采用溫滾壓螺紋的方式加工螺紋。材料經加熱后強度降低，加工硬化現象得以緩解，使材料流動性增強，易于螺紋成形，可以有效地解決螺紋滾壓輪崩齒和螺紋質量差等問題。

在溫滾壓螺紋加工過程中，加熱溫度、滾壓力、滾壓時間等加工參數以及螺坯桿桿徑尺寸是制造過程控制的關鍵因素，需要通過工藝試驗來確定。

4 研制產品評估

4.1 外觀尺寸和冶金特性

最終完成了Inconel718十二角頭螺栓（見圖1）研制產品的加工，產品標準和規范中要求螺栓尺寸和表面粗糙度應符合圖樣要求，表面不應有裂紋、毛刺、磕碰傷、劃傷和其他機械損傷；金相檢查頭部金屬流線連續且完整，螺紋不連續性符合標準要求，微觀組織沒有裂紋和夾雜物，螺紋牙底和牙側無折疊、發紋等缺陷。經檢測研制產品尺寸和質量合格，冶金特性也滿足技術規范的要求。

4.2 力學性能試驗

根據產品規范的要求，Inconel718十二角頭螺栓的試驗內容包括：抗拉強度、抗剪強度。試驗方法按GJB 715.23A—2015和GJB 715.26A—2011執行結果表明：螺栓的力學性能均符合規范要求。

5 結束語

本文介紹了Inconel718十二角頭螺栓的材料及結構特點，針對熱處理和溫滾壓螺紋工序工藝重點和難點進行了分析，通過工藝試驗得到以下結論。

1）通過3種熱處理方案對比，960℃±10℃保溫1h。氣冷或空冷，然后720℃±5℃保溫8h、以50～60℃/h的速度爐冷至620℃±5℃保溫8h、氣冷或空冷的熱處理制度下的螺栓具有最優的綜合性能，確定其為最優熱處理制度。

2）采用溫滾壓的方式加工螺紋，解決了螺紋滾壓輪崩齒和螺紋裂紋的問題，通過工藝試驗確定了合理的滾壓工藝參數。