9310鋼薄壁空心軸滲碳淬火工程化應(yīng)用

（中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司，株洲 412002）

隨著第三、四代渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展，不僅對(duì)燃?xì)鉁u輪高溫部件提出了耐高溫、抗腐蝕等高要求，對(duì)離子分離器、壓氣機(jī)等冷端部件的性能要求、加工精度也提出了更為嚴(yán)格的服役要求。

某渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的空心輸出軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中的一個(gè)重要零件，用來(lái)連接動(dòng)力渦輪傳動(dòng)軸和螺旋槳，在發(fā)動(dòng)機(jī)中的作用是向前傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)功率。空心軸的后端通過(guò)一個(gè)內(nèi)花鍵與動(dòng)力渦輪傳動(dòng)軸套接，前端通過(guò)另外一個(gè)內(nèi)花鍵與螺旋槳套接，在工作過(guò)程中，要不斷接受滑動(dòng)、滾動(dòng)等相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并與其他零件之間有摩擦，同時(shí)還承受了一定的交變彎曲應(yīng)力和接觸疲勞應(yīng)力，有時(shí)還會(huì)有一定的沖擊力，工作條件非常惡劣。與服役條件相應(yīng)，該零件常見(jiàn)的失效形式有過(guò)量磨損、表面剝落，甚至斷裂等。因此，對(duì)該零件的技術(shù)要求是表面具有高硬度、高耐磨性、高接觸疲勞抗力，而心部應(yīng)具有良好的綜合力學(xué)性能。

目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸類零件主要采用滲碳+淬火的復(fù)合型熱處理工藝技術(shù)來(lái)獲得良好的心部組織、高的表面硬度，以及較高的尺寸精度。在某薄壁空心輸出軸的整個(gè)加工過(guò)程中，滲碳是關(guān)鍵工序，需要對(duì)兩個(gè)內(nèi)花鍵及外圓進(jìn)行滲碳。零件滲碳的目的是使表面保持高的硬度、耐磨性及高的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度。但由于滲碳后表面和心部的成分、組織不同，具有不同的體積比和奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，因此其滲碳淬火后的熱處理變形特點(diǎn)和規(guī)律不同于一般工件，變形也更加復(fù)雜。加上，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)零件滲碳深度一般很淺，深度不足1.0mm，零件經(jīng)過(guò)滲碳后基本不進(jìn)行余量加工。因此，相對(duì)于一般零件的熱處理，滲碳薄壁類零件[1]，特別是薄壁軸類零件的滲碳變形控制問(wèn)題是個(gè)技術(shù)難題。

本文重點(diǎn)從低壓真空滲碳工藝方法、淬火裝爐方式、分級(jí)淬火方法，以及淬透性試驗(yàn)、試車(chē)考核等方面，對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)首次使用的9310鋼薄壁空心軸滲碳、淬火質(zhì)量控制等方面進(jìn)行研究。

薄壁空心輸出軸技術(shù)特點(diǎn)

某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)空心軸為典型的薄壁空心軸類零件，選用首次應(yīng)用的9310鋼材料進(jìn)行加工。9310合金結(jié)構(gòu)鋼是一種低成本且具有優(yōu)良綜合性能的軸類用高強(qiáng)度滲碳鋼，使用溫度一般在150℃以下，具有高的抗拉強(qiáng)度和高的韌、塑性[2]。經(jīng)滲碳并淬火加低溫回火，表面具有很高的硬度，心部的強(qiáng)度、韌性和塑性配合良好。9310鋼的主要化學(xué)成分（C為0.12%；Cr為1.5%；Ni為3.50%；Fe為 94.5%）[3]。

空心軸零件的熱處理技術(shù)要求為：零件為典型的小尺寸薄壁空心軸，軸向長(zhǎng)度200mm，小端外圓尺寸45mm，大端外圓尺寸80mm，最小壁厚僅為6mm；對(duì)花鍵AQ、BW及表面B段進(jìn)行滲碳，滲碳深度：0.4～0.5mm，表面硬度：HRC≥ 60，心部硬度：HRC35～40，檢驗(yàn)等級(jí)Ⅰ-Ⅰc。兩處內(nèi)花鍵AQ、BW尺寸精度高。

工藝過(guò)程

1 熱處理工藝

空心軸首次采用的加工路線為：棒料→粗加工→預(yù)備熱處理→半精加工→滲碳淬火→精加工→終檢。

目前，由于零件變形要求高，滲碳前的預(yù)備熱處理工藝采用調(diào)質(zhì)狀態(tài)[4]，具體制度為：

（1）正火：900℃，保溫 2h，空冷；

（2）高溫回火：600℃，保溫 2h，空冷。

調(diào)質(zhì)的作用有兩方面：一方面調(diào)整組織，獲得回火索氏體組織，為后續(xù)的滲碳做組織準(zhǔn)備；另一方面獲得合適的硬度，利于后續(xù)機(jī)械加工。

滲碳工藝為：

（1）真空滲碳爐：900℃保溫1h，自動(dòng)滲碳。滲碳結(jié)束移入冷室通氬氣冷卻。

（2）淬火工藝為：800℃保溫2h，淬入200℃油槽后轉(zhuǎn)入常溫油槽中冷卻。

（3）冷處理：≤ -70℃，2h，空冷。

（4）回火：150℃保溫 2h，空冷。

2 存在問(wèn)題

在試驗(yàn)初期，9310鋼空心軸零件采用上述工藝進(jìn)行滲碳、淬火后，經(jīng)常出現(xiàn)兩類技術(shù)質(zhì)量問(wèn)題：

（1）零件經(jīng)滲碳淬火后，零件變形是最主要的質(zhì)量問(wèn)題，主要表現(xiàn)為：滲碳后，AQ以及BW兩花鍵齒型齒向及跳動(dòng)超差，專用計(jì)量通規(guī)無(wú)法通過(guò)AQ以及BW兩花鍵，軸向尺寸（高度）均縮短約0.25mm，并且A、B、C 3段直徑縮??；零件淬火后，專用計(jì)量通規(guī)無(wú)法通過(guò)零件AQ以及BW花鍵，軸向尺寸縮短了0.20～0.40mm，超過(guò)了下偏差，A、B、C 3段直徑脹大，3段變形形貌均類似鼓筒狀態(tài)；冷處理回火后尺寸無(wú)變化。

（2）零件心部硬度偏低。滲碳淬火后，滲碳淬火回火后的金相試料心部硬度可達(dá)HRC35～36，而選取零件剖切檢查發(fā)現(xiàn)心部硬度僅為HRC30，不滿足設(shè)計(jì)圖樣HRC35～40要求。

原因分析

1 滲碳淬火變形原因分析

造成零件變形的原因不外乎3種情況[5]：

（1）零件尺寸差異和形狀突變引起的變形；

（2）機(jī)加工過(guò)程中應(yīng)力釋放情況不同引起的變形；

（3）熱處理過(guò)程中的變形。

其中熱處理過(guò)程中的變形是最受關(guān)注的。

熱處理中的應(yīng)力主要在于：

（1）加熱冷卻速度不同，形成的溫度梯度造成的熱應(yīng)力；

（2）表面與心部及不同截面區(qū)域之間的相變先后不等時(shí)造成的組織應(yīng)力；

（3）不同相的組織比容不同引起的相變應(yīng)力。

而熱處理3種應(yīng)力引起的變形，以溫度梯度造成的熱應(yīng)力引起的變形影響最大。

結(jié)合該零件的加工流程和熱處理過(guò)程，具體分析該零件的變形原因。

1.1 機(jī)加應(yīng)力引起變形

零件滲碳前經(jīng)過(guò)機(jī)加車(chē)間插齒，該工序進(jìn)給量大、切削力大、殘余應(yīng)力較大；同時(shí)沒(méi)有經(jīng)消除應(yīng)力處理，機(jī)械加工造成的殘余應(yīng)力在滲碳前沒(méi)有得到有效釋放，機(jī)加應(yīng)力在熱處理中導(dǎo)致零件變形。

1.2 熱應(yīng)力引起變形

通過(guò)計(jì)量零件熱處理變形的情況，滲碳后零件各個(gè)尺寸都有縮短，花鍵扭曲變形，符合熱脹冷縮規(guī)律，說(shuō)明滲碳結(jié)束后的零件熱應(yīng)力大，造成零件收縮。通過(guò)分析輸出軸滲碳、淬火工藝及過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在滲碳裝爐時(shí)，零件直接擺放在料框中，大頭朝下，這種裝爐方式容易帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：冷卻時(shí)小端冷卻快，大端冷卻慢，冷卻不均勻；零件擺放不平也會(huì)導(dǎo)致變形。

空心軸零件選用的材料為9310鋼，具有較大的熱導(dǎo)率。在滲碳時(shí)組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，進(jìn)入高塑性狀態(tài)，滲碳冷卻為強(qiáng)制氣冷，冷速較快，由于零件各部分壁厚不均勻使零件冷卻不均勻、差異大，熱應(yīng)力導(dǎo)致變形大。雖然零件的AQ、BW花鍵經(jīng)過(guò)滲碳，但熱應(yīng)力起決定性作用，因此在滲碳過(guò)程中改進(jìn)零件裝爐擺放方式、嚴(yán)格控制零件的冷速尤為重要。

1.3 組織應(yīng)力引起變形

經(jīng)滲碳的零件由于沿截面存在表面和心部的成分及組織不同，具有不同的體積比和奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，因此淬火時(shí)的相變順序與普通淬火不同。滲層內(nèi)碳含量由表及里逐漸降低，相應(yīng)的馬氏體相變溫度Ms點(diǎn)則逐漸升高，導(dǎo)致馬氏體相變開(kāi)始往往不是從表面而是從滲層下某一部位首先開(kāi)始，待表層溫度降到外層的Ms點(diǎn)以下發(fā)生馬氏體相變時(shí)，內(nèi)層馬氏體相變已經(jīng)發(fā)生，導(dǎo)致伴隨外層高碳馬氏體相變的體積膨脹，由于受到內(nèi)層的阻礙，于是表層產(chǎn)生了很大的壓應(yīng)力，心部則為拉應(yīng)力。由于冷卻的不均、成分的變化、截面尺寸的突變都會(huì)使這些應(yīng)力的分布發(fā)生變化，從而導(dǎo)致變形。3種應(yīng)力的綜合作用下，導(dǎo)致薄壁空心軸零件發(fā)生復(fù)雜的變形。

2 零件心部硬度偏低原因分析

空心軸零件心部硬度偏低，而試料硬度合格。經(jīng)查發(fā)現(xiàn)，試料采用鹽爐直接淬火，而零件淬火時(shí)為減少變形，會(huì)參考航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸類零件典型滲碳淬火工藝[6]：采用200℃油分級(jí)淬火，即800℃保溫2h，垂直淬入200℃油槽后再油冷。

經(jīng)初步推測(cè)：可能是該輸出軸零件淬火時(shí)心部沒(méi)有淬透，引起的心部馬氏體量太少、硬度偏低。因此有必要對(duì)9310鋼的淬透性進(jìn)行研究。

2.1 淬透性試驗(yàn)

根據(jù)零件淬火時(shí)的實(shí)際有效厚度尺寸，取φ24mm長(zhǎng)棒料一根，與滲碳試料同爐熱處理。經(jīng)滲碳、淬火、回火后取棒料中間位置的圓片（10mm厚）作為硬度測(cè)試試片。取樣方式見(jiàn)圖1。對(duì)樣品沿徑向選取2條測(cè)試路徑，兩兩垂直，每一條測(cè)試路徑從圓片邊界2mm開(kāi)始測(cè)試硬度，采用洛式硬度計(jì)測(cè)試（HRC），兩點(diǎn)之間間距約3mm。中心位置點(diǎn)硬度單獨(dú)測(cè)量。硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 淬透性分析取樣圖Fig.1 Hardenability analysis sampling scheme

表1 淬透性試樣硬度檢查結(jié)果

從表1中可知，與零件有效厚度相當(dāng)?shù)脑嚢?，圓柱試樣經(jīng)滲碳、淬火、回火后，采用截面硬度法分析，發(fā)現(xiàn)測(cè)試點(diǎn)的硬度值分散度不大，淬透性好，硬度為 HRC35～37.4，符合設(shè)計(jì)圖樣要求（HRC35～40）。

可見(jiàn)，φ24mm的圓柱試棒采用直接油淬均可以淬透，由此得知：空心軸零件直接油冷不存在未淬透的問(wèn)題。

2.2 原因分析

零件出現(xiàn)的心部硬度偏低的主要原因，是采用了分級(jí)淬火時(shí)，在200℃左右油溫控制不好的話易進(jìn)行貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，可能已發(fā)生了貝氏體轉(zhuǎn)變，因此二次進(jìn)入常溫油淬時(shí)馬氏體形成量相對(duì)較少。

圖2 改進(jìn)前后滲碳裝爐方式Fig.2 Carburizing furnace charging mode

工藝調(diào)整及變形控制

1 變形控制方法

1.1 機(jī)加應(yīng)力消除

半精加工后增加穩(wěn)定處理工序，消除半精加工后的機(jī)加應(yīng)力。工序?yàn)椋喊刖庸ぁ龖?yīng)力→滲碳淬火→精加工→終檢。

消除應(yīng)力制度：300℃，保溫2h，空冷。

1.2 滲碳工藝調(diào)整

為了進(jìn)一步減少滲碳過(guò)程中的空心軸的變形量，對(duì)滲碳工藝參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。采用低壓真空滲碳工藝仿真模擬后，確定了臺(tái)階升溫，降低升溫速率的方法。

具體參數(shù)：抽真空后先升溫至500℃，1h后升至900℃，保溫1h后自動(dòng)滲碳。滲碳完畢后先爐冷至500℃以下，再通氬氣冷卻。

1.3 裝爐方式及工裝夾具改進(jìn)

對(duì)于零件的上下端形狀差異較大的問(wèn)題，通過(guò)試驗(yàn)摸索，對(duì)裝爐方式進(jìn)行兩個(gè)方面改進(jìn)：

（1）設(shè)計(jì)一個(gè)料架和卡座，使零件能垂直放置，操作時(shí)使用水平儀測(cè)試，保證零件的垂直。

（2）將零件小端朝下，這樣工裝、底座的散熱能對(duì)小端進(jìn)行熱補(bǔ)償，這樣可以在升溫階段延長(zhǎng)小端的升溫速率，在降溫階段可以延遲小端的降溫速率。通過(guò)爐底板的吸收熱量的作用，以減小上下兩端升溫和降溫過(guò)程中的差異。具體操作如圖2所示。

2 心部硬度偏低控制

淬火工藝調(diào)整，改變冷卻方式：800℃，保溫2h，淬入100℃淬火油槽中。

驗(yàn)證

1 試生產(chǎn)

按調(diào)整后的滲碳、淬火工藝制度進(jìn)行空心軸熱處理工藝質(zhì)量控制。

零件經(jīng)滲碳淬火后，按照HB/Z20024航空技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[7]對(duì)滲碳層進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。典型顯微組織形貌見(jiàn)圖3、4。滲碳淬火后的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

圖3 滲碳層金相（400×）Fig.3 Carburized layer metallographic

圖4 心部組織金相（400×）Fig.4 Metallographic examination of heart tissue

表2 零件試生產(chǎn)結(jié)果

表3 滲碳后力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

2 輸出軸批生產(chǎn)

試生產(chǎn)合格后，對(duì)9310鋼空心軸零件進(jìn)行批量滲碳淬火加工。2016年累計(jì)加工4批共40件，100%合格交付。

3 試車(chē)考核

上述滲碳淬火加工的空心軸零件裝機(jī)，在某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行150h試車(chē)考核。試車(chē)后分解檢查，花鍵、齒輪表面未見(jiàn)明顯磨損，剖切后檢查滲碳層深度、表面硬度均符合設(shè)計(jì)圖樣要求。

考核結(jié)果：滲碳淬火的9310鋼輸出軸通過(guò)150h持久試車(chē)考核。

結(jié)論

（1）采用600℃臺(tái)階升溫后900℃滲碳的方法，設(shè)計(jì)專用夾具保證薄壁空心軸小端朝下的裝爐方式，以及半精加工后增加穩(wěn)定處理的工藝方法，有效實(shí)現(xiàn)了空心軸微變形控制，尺寸精度高。采用100℃分級(jí)淬火油冷方法，解決了薄壁空心軸滲碳、淬火后心部硬度偏低的難題，獲得了良好的滲碳層組織，滲碳層深度達(dá)到0.5mm，表面硬度達(dá)到HRC60以上。

（2）滲碳、淬火加工的9310鋼空心軸零件已在某型航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了150h持久試車(chē)考核，實(shí)現(xiàn)了薄壁空心軸的工程化應(yīng)用，可為小尺寸薄壁軸類零件滲碳及淬火變形控制提供參考。

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