航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼彈性擋圈和墊圈的生產(chǎn)試制
——從制定標(biāo)準(zhǔn)到提供標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的有益嘗試

劉洪源　李玉坤　林海燕　溫楠

（1航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京，100071；2上海航天技術(shù)研究院，上海，201109）

彈性擋圈用于軸類零件的止動，彈性墊圈和鎖緊墊圈用于螺紋連接的防松。彈性擋圈、彈性墊圈和鎖緊墊圈以其較好的防松作用不僅被用于航天電子設(shè)備，也被用于航天姿控發(fā)動機(jī)等動力系統(tǒng)的產(chǎn)品上。

目前，航天產(chǎn)品大量使用的彈性防松連接件主要包括彈性擋圈、鋼絲擋圈、鞍型/波形彈性墊圈、鋸齒彈性墊圈等9個大類的產(chǎn)品 （見表1）。以往這些產(chǎn)品都是用高強(qiáng)度的彈簧鋼（65Mn）制造，由于航天產(chǎn)品不僅要求這些防松零件具有良好的彈性、韌性，還要具有良好的耐腐蝕性能。而65Mn在大氣環(huán)境中容易被腐蝕，因此為了提高彈簧鋼制成的彈性件的耐腐蝕性能，通常是采用傳統(tǒng)的電鍍工藝。但高強(qiáng)度的彈性件經(jīng)電鍍后很容易出現(xiàn)氫脆斷裂，用一般的除氫工藝很難將氫去除干凈。由于氫脆斷裂具有延遲性，往往是檢測合格的產(chǎn)品在使用過程中仍然會發(fā)生脆性斷裂，不僅會造成連接失效，還會產(chǎn)生多余物，危及航天產(chǎn)品的安全，甚至帶來災(zāi)難性的后果。

為了徹底解決電鍍彈性擋圈、彈性墊圈和鎖緊墊圈的氫脆問題，2005年航天行業(yè)制定了不銹鋼彈性擋圈、彈性墊圈和鎖緊墊圈的系列標(biāo)準(zhǔn)，即QJ3244—2005《不銹鋼彈性擋圈通用規(guī)范》、QJ3245.1～3245.5—2005《不銹鋼彈性擋圈》、QJ3246—2005《不銹鋼彈性墊圈和鎖緊墊圈通用規(guī)范》和QJ3247.1～3247.4—2005《不銹鋼彈性墊圈和鎖緊墊圈》。采用國產(chǎn)不銹鋼材料0Cr12Mn5Ni4Mo3Al（俗稱69111）制造航天產(chǎn)品用擋圈/墊圈，這種材料不需電鍍，從而可有效地避免氫脆的發(fā)生，是65Mn電鍍彈性擋圈、彈性墊圈和鎖緊墊圈的升級換代產(chǎn)品。

表1　彈性防松連接件

1　不銹鋼69111性能特點對批生產(chǎn)的影響

不銹鋼69111是一種沉淀硬化不銹鋼，具有良好的彈性和韌性，可通過控制相變實現(xiàn)強(qiáng)化，從而達(dá)到所需的強(qiáng)度和彈性。目前國內(nèi)已經(jīng)用于軍工行業(yè)的沉淀硬化不銹鋼品種有0Cr12Mn5Ni4Mo3Al和0Cr17Ni7Al（相當(dāng)于美國的17-7PH）等。這類材料有幾種交貨狀態(tài)：軟態(tài)、半硬態(tài)、硬態(tài)以及特硬態(tài)等。由于交貨狀態(tài)的不同，其經(jīng)過處理后的性能也不同。

該類材料為軟態(tài)時可制造形狀相對復(fù)雜的彈性零件，但需要經(jīng)過約-70℃的冰凍處理，才能達(dá)到接近65Mn的機(jī)械性能。為此，需要解決低溫處理設(shè)備的溫控精度、溫度均勻性控制方法，以及適于批量生產(chǎn)的設(shè)備。

當(dāng)這類材料為硬態(tài)時，其材料的硬度比我們常用的65Mn高很多，給沖切加工帶來很大困難，不僅影響模具的壽命，沖切成型后的去應(yīng)力熱處理技術(shù)也難度較大。

因此，上述標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后，一直沒有制造商能夠提供批生產(chǎn)產(chǎn)品。型號研制單位只能繼續(xù)從市場上采購采用65Mn材料生產(chǎn)、經(jīng)電鍍的國標(biāo)彈性擋圈、彈性墊圈和鎖緊墊圈產(chǎn)品，不僅容易產(chǎn)生氫脆，而且外形尺寸、性能指標(biāo)都不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響到型號的研制進(jìn)度和產(chǎn)品的可靠性。

2　組織批生產(chǎn)試制，為航天型號提供標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品

為解決航天產(chǎn)品研制單位的任務(wù)急需，我們組織有關(guān)生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，開展了不銹鋼69111彈性擋圈、彈性墊圈和鎖緊墊圈批量生產(chǎn)的試制工作。

2.1　技術(shù)攻關(guān)和工藝定型

為確保最終產(chǎn)品的機(jī)械性能且適宜批量生產(chǎn)，研制組決定采用供貨狀態(tài)為硬態(tài)的不銹鋼69111進(jìn)行試制。硬態(tài)不銹鋼69111性能優(yōu)異，具有強(qiáng)度高、彈性好的特點，經(jīng)檢測硬度可達(dá)450HV5～490HV5，因此試制工作技術(shù)攻關(guān)的重點是沖切成型和去應(yīng)力回火。

針對硬態(tài)不銹鋼69111彈性好，沖切后回彈和尺寸變化大、不易控制等特點，研制組反復(fù)摸索，改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)、尺寸、材料，改進(jìn)工藝方案，最終使沖切成型的墊圈的幾何尺寸得到了有效的控制。

沖切成型后，熱處理去應(yīng)力回火是關(guān)鍵。根據(jù)相關(guān)資料和材料手冊：回火溫度450℃保溫1h空冷；也有提出230℃保溫1.5h空冷。經(jīng)幾次試驗，這兩種方案均達(dá)不到產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。為取得去應(yīng)力回火的數(shù)據(jù)，項目組采用480℃、470℃、 460℃、 440℃、 430℃、 500℃、 520℃、550℃等幾種不同溫度，保溫時間用 1h、1.5h、2h等多種方案組合進(jìn)行試驗，并采用真空爐熱處理等方法，反復(fù)試驗、反復(fù)驗證，先后經(jīng)過62次熱處理試驗，測量硬度達(dá)到500次以上。經(jīng)過反復(fù)試驗最終確定了合適的熱處理回火溫度，確保不銹鋼鞍形墊圈、波形墊圈彈性合格、硬度合格，不銹鋼內(nèi)/外鋸齒鎖緊墊圈韌性合格、硬度合格。經(jīng)過試驗、研究、改進(jìn)、再試驗、再改進(jìn)，確定了最佳熱處理工藝路線（加熱→保溫→冷卻）和工藝參數(shù) （主要包括不同規(guī)格產(chǎn)品的回火溫度和保溫時間），最終完成了工藝定型。

2.2　產(chǎn)品鑒定與數(shù)據(jù)評估

在完成軍工生產(chǎn)線的改造、沖切成形和熱處理技術(shù)攻關(guān)等數(shù)百次試驗的基礎(chǔ)上，2013年完成了不銹鋼69111鞍型、波形彈性墊圈、外鋸齒鎖緊墊圈共計14個品種規(guī)格產(chǎn)品的試制工作；2014年完成了不銹鋼69111孔用、軸用彈性擋圈和內(nèi)鋸齒鎖緊墊圈共計8個品種規(guī)格產(chǎn)品的試制工作。上述試制的產(chǎn)品經(jīng)航天標(biāo)準(zhǔn)緊固件研究與檢測中心試驗室鑒定，鑒定試驗項目全部符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。至此，在QJ3244—2005《不銹鋼彈性擋圈通用規(guī)范》和QJ3246—2005《不銹鋼彈性墊圈和鎖緊墊圈通用規(guī)范》等11項標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布近10年后，完成了批生產(chǎn)工藝定型，按照該工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品符合航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

以不銹鋼69111材料制成的規(guī)格為 6、8、10的鞍形彈性墊圈為例，與按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 94.3《彈性墊圈技術(shù)條件鞍形、波形彈性墊圈》生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行性能對比，見表2。

表2　鞍形彈性墊圈航標(biāo)產(chǎn)品和國標(biāo)產(chǎn)品的性能對比

QJ3246規(guī)定：當(dāng)鞍形彈性墊圈和波形彈性墊圈的彈性試驗合格時，硬度指標(biāo)僅供工藝參考。在我們的鑒定試驗數(shù)據(jù)中，不銹鋼69111材料制成的規(guī)格為6、8、10等三種的鞍形彈性墊圈的彈性檢測結(jié)果均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值，但是硬度檢測結(jié)果部分?jǐn)?shù)值超出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限。項目組進(jìn)行了分析最后得出以下結(jié)論。

a）將硬度值作為一個隨機(jī)變量，其分布應(yīng)符合正態(tài)分布 （數(shù)學(xué)模型）。

b）用試樣的硬度試驗數(shù)據(jù)做出該隨機(jī)變量的期望值和標(biāo)準(zhǔn)差估計，從而得到硬度的概率密度曲線，如圖1所示 （采用MATLAB程序生成）。

c）從圖1中可以看出，試樣硬度的離散度小、質(zhì)量穩(wěn)定。

d）規(guī)格6、8、10的鞍形彈性墊圈硬度的概率密度曲線還表明，在試樣的彈性試驗合格的情況下硬度在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的上限附近，這一結(jié)果可作為今后修訂標(biāo)準(zhǔn)硬度上下限的參考。

e）不銹鋼69111材料制成的墊圈的性能與65Mn材料的相當(dāng)，可以作為替代產(chǎn)品。

圖1　不銹鋼鞍型墊圈試驗數(shù)據(jù)硬度的概率密度曲線

本項目是我們在航天緊固件領(lǐng)域，從單一制定標(biāo)準(zhǔn)到為型號提供標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的有益嘗試。這一實踐表明，隨著我們在航天緊固件領(lǐng)域技術(shù)能力的提升，不僅具備開展預(yù)先研究、制定型號急需產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的能力，同時也具備了組織開展批生產(chǎn)試制、鑒定試驗等方面的能力，從而可確保為航天型號提供性能先進(jìn)、安全可靠的緊固件產(chǎn)品。

按照 QJ3244—2005、 QJ3245.1～3245.5—2005、 QJ3246—2005 和 QJ3247.1～3247.4—2005等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行批生產(chǎn)試制的企業(yè)，已經(jīng)在原有GB9001認(rèn)證的基礎(chǔ)上，分別通過了GJB 9001《質(zhì)量管理體系要求》認(rèn)證和國家保密資格（三級）認(rèn)證，并且按照GJB9001B和軍工基礎(chǔ)產(chǎn)品 《工廠質(zhì)量保證能力要求》要求，建立并運(yùn)行本企業(yè)文件化的質(zhì)量保證管理體系，為持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)符合航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的緊固件產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。目前，根據(jù) 《中國航天科技集團(tuán)公司航天物資供應(yīng)商管理辦法》（天科物 [2013]1195號），已經(jīng)有生產(chǎn)企業(yè)通過了相應(yīng)的現(xiàn)場審核，并被納入 《中國航天科技集團(tuán)公司 航天型號配套物資標(biāo)準(zhǔn)緊固件合格供應(yīng)商名錄》。至此，航天型號研制單位不僅有耐腐蝕、無氫脆的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)選用，還能夠采購到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。