φ4.5 mm 0Cr17Ni7Al鋼絲性能及拉伸彈簧加工工藝探究

袁向儒，趙 猛，柳美兵

(中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司 長沙起落架分公司，陜西 漢中 723200)

0Cr17Ni7Al不銹鋼是以18-8不銹鋼為基礎(chǔ)研發(fā)的奧氏體-馬氏體沉淀硬化不銹鋼，具有高強(qiáng)度、高硬度和優(yōu)良的耐蝕性[1]，因此適用于海洋氣候等復(fù)雜環(huán)境下的零件制造，如彈簧、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、發(fā)動機(jī)部件等。0Cr17Ni7Al不銹鋼經(jīng)過固溶處理和冷拉成型后使鋼絲具有較高的冷拉強(qiáng)度，冷拉鋼絲經(jīng)過時效處理后，鋼絲的強(qiáng)度得到進(jìn)一步提升，最終在鋼絲冷變形硬化和時效強(qiáng)化的共同作用下獲得較高的強(qiáng)度[2-4]。因此，0Cr17Ni7Al不銹鋼鋼絲廣泛應(yīng)用于彈力/扭矩較高的彈簧制造。

本文以φ4.5 mm規(guī)格0Cr17Ni7Al不銹鋼絲(技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GJB 3320—1998，固溶冷拉態(tài))制造的某起落架拉簧為例，對0Cr17Ni7Al鋼絲性能、時效參數(shù)及彈簧加工流程進(jìn)行摸索和探究。

1 0Cr17Ni7Al鋼絲

本文將0Cr17Ni7Al與進(jìn)口17-7PH兩種材料的合金元素及熱處理制度進(jìn)行匯總與對比。

1.1 材料信息

現(xiàn)將0Cr17Ni7Al材料與進(jìn)口17-7PH材料鋼絲化學(xué)成分按各自生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梳理，形成對照清單，具體見表1。

表1 0Cr17Ni7Al與17-7PH化學(xué)成分對照表

小結(jié)：2種材料主要合金元素Cr、Ni、Al及Mn、Si、P、Cu等微量元素含量成分差異很小，總體來說2種材料的化學(xué)元素組成基本相似。

1.2 熱處理制度

用于彈簧加工的0Cr17Ni7Al是半奧氏體類沉淀硬化不銹鋼。該材料是利用熱處理過程中的相變、變形和沉淀硬化達(dá)到高強(qiáng)度的同時，又滿足了良好的塑韌性要求[5-7]。該材料通常熱處理方式可分為TH、RH、CH等3種工藝制度，對于制造彈簧的0Cr17Ni7Al鋼絲強(qiáng)度通常要求較高，通常采取CH熱處理制度。鋼絲在出廠前進(jìn)行了固溶和冷拉處理，鋼絲在彈簧的后續(xù)加工中只需進(jìn)行時效處理，時效處理的目的是使強(qiáng)化相(Ni3Al、NiAl)析出[8]，從而使鋼絲得到更高的力學(xué)性能。0Cr17Ni7Al鋼絲CH熱處理工藝制度方面，GJB 3320—1998《航空用不銹鋼彈簧絲規(guī)范》及《中國航空材料手冊》中對0Cr17Ni7Al材料時效制度的描述有所不同。AMS5678《經(jīng)冷拉、沉淀硬化的17Cr-7.1Ni-1.1Al耐蝕鋼絲材(成分與UNS S17700相似)》中，17-7PH的時效參數(shù)可供0Cr17Ni7Al借鑒使用。0Cr17Ni7Al與其相近材料17-7PH時效制度詳見表2。

表2 不同規(guī)范中時效制度

小結(jié)：材料標(biāo)準(zhǔn)GJB 3320—1998中給出的0Cr17Ni7Al材料時效溫度范圍較寬，而《中國航空材料手冊》和AMS5678僅給出一個時效溫度點。在保證材料最優(yōu)力學(xué)性能的前提下，如何確定該材料的時效溫度尤為重要。

2 方案設(shè)計及試驗摸索

選取某型號的一項彈簧作為典型零件，該彈簧加工鋼絲規(guī)格為φ4.5 mm，結(jié)合GJB 3320—1998給出時效溫度范圍，根據(jù)后續(xù)彈簧加工流程的需要，制定時效熱處理制度試驗方案。

2.1 熱處理制度參數(shù)摸索

截取φ4.5 mm的0Cr17Ni7Al鋼絲分別進(jìn)行不同的熱處理工藝試驗，具體試驗方案見表3。

表3 時效參數(shù)摸索方案

按表3中的方案進(jìn)行時效參數(shù)摸索，將處理后的試件送理化實驗室，按照GB/T 228.1分別測試抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率和延伸率，將6組試驗結(jié)果取平均值后形成對照圖(見圖1)。

試驗結(jié)果：1)原材料供應(yīng)狀態(tài)(固溶+冷拉)，彈簧強(qiáng)度低，塑韌性好，適合冷加工；2)0Cr17Ni7Al鋼絲在經(jīng)過時效強(qiáng)化處理時，溫度為482 ℃時，鋼絲抗拉強(qiáng)度最高，延伸率及斷面收縮率綜合性能最優(yōu)，500 ℃時，鋼絲抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率、延伸率性能呈下降趨勢。

原因分析：0Cr17Ni7Al材料在420～482 ℃溫度區(qū)間，經(jīng)過60 min時效后，組織中的強(qiáng)化相析出的水平逐步升高，鋼絲力學(xué)性能逐步提升，482 ℃時鋼絲性能達(dá)到最高。當(dāng)時效溫度處于482～500 ℃時，隨著溫度的升高，析出的強(qiáng)化相產(chǎn)生過時效傾向，少量的馬氏體發(fā)生逆轉(zhuǎn)變，造成奧氏體量的增加，雖然逆轉(zhuǎn)變后的奧氏體在隨后的冷卻過程中又轉(zhuǎn)變成飽和度極低的、未經(jīng)時效的馬氏體，該馬氏體強(qiáng)度很低，且轉(zhuǎn)變量少，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度等性能下降。

2.2 彈簧加工及試驗分析

通過熱處理參數(shù)摸索總結(jié)出了0Cr17Ni7Al材料φ4.5 mm鋼絲時效溫度與鋼絲強(qiáng)度之間的關(guān)系，依據(jù)2.1節(jié)的結(jié)論，對某型號典型彈簧進(jìn)行試加工，結(jié)合典型彈簧的設(shè)計要求，在加工過程中尋找最合理的加工工序和最佳的時效參數(shù)。

彈簧的繞制成型主要是通過冷成型的有芯卷制，利用車床的旋轉(zhuǎn)或扭轉(zhuǎn)工裝帶動鋼絲環(huán)繞芯軸轉(zhuǎn)動成型(見圖2)，然后鉗工通過專用工裝完成耳鉤成型的加工(見圖3)。

根據(jù)2.1節(jié)可知，0Cr17Ni7Al鋼絲在482 ℃(保溫60 min，空冷)時效強(qiáng)化處理時力學(xué)性能最好，選取該溫度點作為時效強(qiáng)化溫度，按上述加工流程和方法，操作者加工彈簧4件，彈簧1次成型后，再經(jīng)過482 ℃、60 min、空冷的時效處理后，檢測隨爐硬度試件的硬度值為50～52 HRC，滿足49.5～52 HRC(強(qiáng)度轉(zhuǎn)換后的硬度)的要求。彈簧冷卻后發(fā)現(xiàn)，彈簧簧體和耳鉤角度發(fā)生嚴(yán)重變形，簧體產(chǎn)生彎曲，耳鉤嚴(yán)重偏轉(zhuǎn)，耳鉤夾角偏移約20°。

原因分析：0Cr17Ni7Al材料的供應(yīng)狀態(tài)為固溶狀態(tài)，彈簧1次成型后進(jìn)行時效處理，簧體纏繞時，鋼絲產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力在受熱后進(jìn)行釋放，同時鋼絲在時效過程中材料組織發(fā)生相變反應(yīng)，在兩者的共同作用下彈簧產(chǎn)生嚴(yán)重變形。

解決措施：彈簧加工成型由1次成型更改為2次成型(即分為簧體成型+時效處理+耳鉤成型+時效處理)，通過簧體成型后的時效處理，使彈簧簧體在纏繞過程中產(chǎn)生的應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力得到充分釋放，使簧體充分回彈，在2次時效后耳鉤大大減小偏轉(zhuǎn)角度。

該材料彈簧要實施2次成型的加工流程，需要同步進(jìn)行2次時效處理，為了驗證2次時效處理對鋼絲性能是否產(chǎn)生影響，能否滿足規(guī)范要求，需要再次進(jìn)行驗證。

通過2.1節(jié)的論證，0Cr17Ni7Al材料在482 ℃時鋼絲力學(xué)性能最好，另外考慮到彈簧繞制產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力消除及溫度對彈簧變形的影響，溫度點選取按先高后低的原則，故確認(rèn)482 ℃為第一個時效強(qiáng)化溫度點，在低于第一次時效溫度482 ℃以下50 ℃范圍內(nèi)選取3個溫度點作為去應(yīng)力時效溫度，結(jié)合圖1所示的鋼絲時效強(qiáng)度數(shù)據(jù)，去應(yīng)力時效處理溫度點分別選取410、420和430 ℃，設(shè)計加工流程如下。

加工工藝流程：簧體成型→時效強(qiáng)化處理→耳鉤成型→去應(yīng)力時效處理→強(qiáng)度檢查。

將時效強(qiáng)化溫度482 ℃和去應(yīng)力時效溫度410、420、430 ℃等3個溫度點分別組合排列后，確定試驗方案，具體見表4。

表4 2次時效參數(shù)摸索方案

按表4中的方案參數(shù)對試件進(jìn)行時效處理，將冷卻后的試件送理化實驗室，按照GB/T 228.1分別測試抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率和延伸率，將3組試驗結(jié)果取平均值后形成對照圖(見圖4)。

試驗結(jié)果：1)3組試件經(jīng)過2次時效處理后，鋼絲抗拉強(qiáng)度為1 725～1 748 MPa，滿足GJB 3320—1998中，φ4.5 mm鋼絲時效后強(qiáng)度要求的1 650～1 950 MPa；2)0Cr17Ni7Al材料鋼絲在經(jīng)過時效強(qiáng)化處理和去應(yīng)力時效處理后，鋼絲的抗拉強(qiáng)度高于1次時效處理后的1 685～1 729 MPa。

原因分析：0Cr17Ni7Al材料在經(jīng)過高溫(482 ℃)時效處理后，材料組織中的強(qiáng)化相析出水平較高，使鋼絲抗拉強(qiáng)度得到大幅提升，在后續(xù)的低溫(410、420和430 ℃)時效處理過程中，材料組織中的強(qiáng)化相沒有產(chǎn)生過時效傾向，第一次時效處理沒有析出的強(qiáng)化相在第二次低溫時效的過程中繼續(xù)析出，對鋼絲抗拉強(qiáng)度起到了補(bǔ)充提升的作用。

3 結(jié)語

1)0Cr17Ni7Al材料僅進(jìn)行1次時效強(qiáng)化時，經(jīng)過482 ℃(保溫60 min，空冷)強(qiáng)化時效的鋼絲抗拉強(qiáng)度最高，延伸率及斷面收縮率的綜合性能最好。

2)0Cr17Ni7Al鋼絲經(jīng)過2次時效處理(482 ℃，60 min，空冷+410、420和430 ℃，60 min，空冷)后的強(qiáng)度高于僅進(jìn)行1次時效處理的強(qiáng)度。

3)0Cr17Ni7Al制拉伸彈簧簧體宜采用2次加工成型，推薦2次成型后的時效參數(shù)組合為高溫強(qiáng)化時效+低溫去應(yīng)力時效。