超高強度鋼肩軸真空熱處理畸變量的控制

陳萬昆，趙松彬，李繼良

鄭州飛機裝備有限責任公司 河南鄭州 450005

1 序言

肩軸是鄭州飛機裝備有限責任公司生產的一種重要的結構承力件，材料為30CrMnSiNi2A，長度為581.5mm，具體形狀如圖1所示，其技術要求為：σb=（1665±100）MPa，跳動量≤0.55mm。采用立式真空油淬爐生產17批次零件，統計結果是50.7%肩軸淬火畸變量超出了技術要求，最大畸變量達到1.5mm。肩軸材料具有較強的缺口敏感性，淬火畸變后只能采用冷壓方法校正，σb=1665MPa的強度，冷壓校正難度極大，有較高的危險性。針對出現的此問題，本文研究了控制肩軸真空油淬畸變的工藝方法。

圖1 肩軸形狀

2 影響淬火畸變因素分析

2.1 肩軸工藝流程與熱處理工藝曲線

零件的工藝流程為：自由鍛毛坯→機加工→去應力回火→機加工→淬火、回火→機加工→低溫回火→表面處理。

肩軸的熱處理工藝曲線（真空淬火工藝中真空度1～10Pa）如圖2所示。

圖2 肩軸熱處理工藝曲線

2.2 肩軸淬火畸變機理

對變形肩軸測量數據的統計顯示，肩軸變形最大部位都在圓柱體最上部小孔附近（見圖3），這個部位截面尺寸變化大，結構復雜。針對這種情況，對肩軸現有工藝流程進行剖析，從零件結構、工藝參數、綁扎方式、裝爐控制及淬火冷卻等方面進行了分析。

圖3 淬火冷卻模擬

根據熱處理零件淬火畸變規律，找出影響肩軸淬火畸變因素如下。

1）裝掛不合理。肩軸重心和零件懸掛點連線與重力作用線存在夾角，肩軸加熱和保溫時，由于肩軸自重比較大，因此在重力作用下產生塑性變形。

2）肩軸形狀復雜。前工序機加工時，破壞了零件表面應力均勻分布狀態，存在較大的殘余應力，肩軸加熱過程中，殘余應力與熱應力疊加使肩軸產生畸變。

3）工藝參數不當。肩軸加熱時零件內外溫差較大，在熱應力作用下肩軸產生畸變。

4）裝爐時，肩軸掛裝間距不同，同一件肩軸不同部位加熱和冷卻都不均勻，在組織應力和熱應力作用下肩軸產生畸變。

5）肩軸在冷卻過程中，由于形狀比較復雜，同一個零件不同部位冷卻不均勻，組織轉變不同步，所以在組織應力和熱應力作用下產生畸變。

3 方案制定與實施

3.1 根據畸變機理制定方案

1）設計制作工裝，限制肩軸自由度，確保零件重心和零件懸掛點連線與重力作用線存在夾角接近于零。

2）熱處理工藝參數優化。增加去應力回火工序，肩軸冷至室溫后重新裝爐加熱，嚴格控制零件之間掛裝間距均勻，并延長淬火加熱第一階段670℃保溫時間，確保零件內外溫差縮小。

3）調整肩軸吊掛方向。讓肩軸錐體部分在上面，改變淬火油進入半封閉型腔的方向。

4）改變冷卻方式。在淬火過程中，肩軸入油冷卻，半封閉內腔口部入油后，淬火油受熱后快速氣化，并從內腔底部兩側小孔沖出，大量的油氣混合物對小孔周圍的組織起到快速冷卻效果。但是，此時兩側小孔通過冷卻介質的速度和總量因受外界環境影響不同而不同，兩孔附近的冷卻速度不一致，導致肩軸兩側馬氏體轉變時間不一致，先發生馬氏體轉變的一邊會在零件表面產生壓應力，后發生馬氏體轉變的另一邊，零件溫度相對較高，有一定塑性，這樣在組織應力的作用下使肩軸產生了塑性變形。當零件半封閉型腔內外雙側冷卻改為外側冷卻時，由于該零件外部形狀近乎對稱，各部位冷卻速度基本相當，肩軸淬火產生的內應力相對均勻，因此肩軸產生的淬火畸變理論上會變小。

3.2 措施實施

（1）措施1 制作工裝限制肩軸吊掛后的自由度。將肩軸分成使用工裝和不使用工裝兩組（產生的變形量見表1），單爐次裝掛12件進行試驗（見圖4，圖中1是內側，2是外側）。

圖4 零件裝掛示意

表1 限制軸肩吊掛自由度產生的變形量 （mm）

從表1中可知，使用工裝限位后，肩軸變形量合格率達到了50%。限制肩軸吊掛后自由度的方法對控制肩軸變形量合格率效果不明顯。

（2）措施2 在淬火工序之前增加（550±10）℃去應力回火，產生的變形量見表2。

表2 增加回火后產生的變形量 （mm）

從表2中可知增加去應力回火后，肩軸變形量明顯變小，合格率達到了57.1%。用（550±10）℃進行去應力回火的方法對控制肩軸變形量效果明顯，但合格率提高仍不理想。

（3）措施3 調整吊掛方向。采用與原來相反的吊掛方向，單爐次裝掛7件進行試驗，變形量見表3。

從表3中可知，調整吊掛方向后，肩軸變形量合格率達到了42.9%，表明調整吊掛方向的方法對控制肩軸變形量合格率幾乎沒有效果。

表3 調整吊掛方向產生的變形量 （mm）

（4）措施4 用工裝把內腔口部進行封堵，改內外雙側冷卻為單側冷卻。由于肩軸外部形狀比較對稱，各部位冷卻速度基本相當，肩軸淬火產生的內應力相對均勻。用兩個批次共24件肩軸進行對照試驗。有關資料顯示，30CrMnSiNi2A鋼單邊冷卻的管材油淬，可淬透直徑至20mm[1]，肩軸型腔最大厚度也只有18mm，如果從單面冷卻，完全可以淬透。我們采用工裝把內腔口部進行封堵后再進行真空淬火，對兩個批次的肩軸進行交叉工藝試驗。試驗分組情況見表4。

由上述數據可知，采用措施4的肩軸變形量合格率達到了87.5%，有效降低了肩軸的變形量。

3.3 工藝效果

經過大量實際生產驗證，同時采用措施2、措施4兩種工藝方法處理的肩軸，變形量合格率達到了98%。充分驗證了措施2、措施4綜合工藝方法對肩軸真空淬火變形量的控制具有較好的效果。措施1、措施3肩軸畸變量控制效果不理想。

4 結束語

經過試驗驗證，可得出如下結論。

1）制作工裝對肩軸吊掛后自由度進行限制、調整吊掛方向等方法對控制肩軸變形量合格率效果不明顯。

2）肩軸在淬火前增加（550±10）℃去應力回火；冷卻時，將肩軸內外雙側冷卻改為外側單邊冷卻的方法，使其冷卻更均勻。這兩種措施有效地降低了肩軸真空淬火過程的畸變量，顯著提高了肩軸畸變合格率，縮短了生產周期。