9310钢薄壁空心轴渗碳淬火工程化应用.pdf

年r表面处理
9810刺薄壁空心轴渗淬火
工程化应用
李克,张莉,罗强
(中国航发南方工业有限公司,株洲412002)
[摘要]研究了涡轴发动机9310钢薄壁空心轴渗碳十淬火复合型热处理技术,通过调整低压真空渗碳加热、冷却方
法实现了9310钢薄壁空心轴0.5mm渗碳层加エ。采用分级淬火方法、改进装炉方式、半精加工后増加稳定处理等,
有效控制了空心轴的微小变形,获得高硬度、高耐磨和尺寸精度高的零件,并通过了涡轴发动机150h持久试车考核,
实现了薄壁空心轴渗碳淬火的工程化应用,为小尺す薄壁轴类零件渗碳及淬火变形控制提供参考。
关键词:9310钢;空心轴;渗碳淬火;变形
DOI:10.16080/j.issl671-833x.2017.15.097
随着第三、四代涡轴航空发动应具有良好的综合力学性能。
机的技术发展,不仅对燃气涡轮高
目前,航空发动机轴类零件主
温部件提出了耐高温、抗腐蚀等高要采用渗碳淬火的复合型热处理
要求,对离子分离器、压气机等冷端工艺技术来获得良好的心部组织
部件的性能要求、加工精度也提出高的表面硬度,以及较高的尺寸精
了更为严格的服役要求。
度。在某薄壁空心输出轴的整个加
某涡轮轴发动机的空心输出轴工过程中,渗碳是关键工序,需要
是发动机中的一个重要零件,用来对两个内花键及外圆进行渗碳。零
连接动力涡轮传动轴和螺旋桨,在件渗碳的目的是使表面保持高的硬
发动机中的作用是向前传递发动机度、耐磨性及高的接触疲劳强度和
功率。空心轴的后端通过一个内花弯曲疲劳强度。但由于渗碳后表面
键与动力涡轮传动轴套接,前端通和心部的成分、组织不同,具有不同
过另外一个内花键与螺旋桨套接,的体积比和奥氏体连续冷却转变曲
李克
高级工程师,主要研究方向为航空在工作过程中,要不断接受滑动、滚线,因此其渗碳淬火后的热处理变
材料热处理技术应用。发表学术论文动等相对运动过程,并与其他零件形特点和规律不同于一般工件,变
20篇,拥有国家发明专利5项、国防专之间有摩擦,同时还承受了一定的形也更加复杂。加上,涡轴发动机
利1项,主持完成20余项航空发动机
交变弯曲应力和接触疲劳应力,有零件渗碳深度一般很浅,深度不足
科研项目,合编专业书籍两部,主编航
空标准3项,荣获全国优秀QC项目,
时还会有一定的冲击力,工作条件1.0mm,零件经过渗碳后基本不进行
多次获科技进步奖
非常恶劣。与服役条件相应,该零余量加工。因此,相对于一般零件
件常见的失效形式有过量磨损、表的热处理,渗碳薄壁类零件川,特别
面剥落,甚至断裂等。因此,对该零是薄壁轴类零件的渗碳变形控制问
件的技术要求是表面具有高硬度、题是个技术难题。
高耐磨性、高接触疲劳抗力,而心部
本文重点从低压真空渗碳工艺
2017年第15期?航空制造技术97
方方数据
表面处理
SURFACE TREATMENT
方法、淬火装炉方式、分级淬火方工。
热处理中的应力主要在于
法,以及淬透性试验、试车考核等方
渗碳工艺为:
(1)加热冷却速度不同,形成的
面,对涡轴发动机首次使用的9310
(1)真空渗碳炉:900℃保温1h,温度梯度造成的热应力
钢薄壁空心轴渗碳、淬火质量控制自动渗碳。渗碳结束移人冷室通氩(2)表面与心部及不同截面区
等方面进行研究。
气冷却。
域之间的相变先后不等时造成的组
(2)淬火工艺为:800℃保温织应力
薄壁空心输出轴技术特点
2h,淬人200℃油槽后转入常温油槽
(3)不同相的组织比容不同引
某涡轴发动机空心轴为典型的中冷却。
起的相変应力。
薄壁空心轴类零件,选用首次应用
(3)冷处理:≤-70℃,2h,空冷
而热处理3种应力引起的变形,
的9310钢材料进行加工。9310合
(4)回火:150℃保温2h,空冷。以温度梯度造成的热应力引起的变
金结构钢是一种低成本且具有优良2存在问题
形影响最大。
综合性能的轴类用高强度渗碳钢,
在试验初期,9310钢空心轴零
结合该零件的加工流程和热处
使用温度一般在150℃以下,具有高件采用上述工艺进行渗碳、淬火后,理过程,具体分析该零件的变形原
的抗拉强度和高的韧、塑性叫。经经常出现两类技术质量问题
因
渗碳并淬火加低温回火,表面具有
(1)零件经渗碳淬火后,零件1.1机加应力引起变形
很高的硬度,心部的强度、韧性和塑变形是最主要的质量问题,主要表
零件渗碳前经过机加车间插
性配合良好。9310钢的主要化学成现为:渗碳后,AQ以及BW两花键齿,该工序进给量大、切削力大、残
分(C为0.12%;Cr为1.5%;Ni为齿型齿向及跳动超差,专用计量通余应力较大;同时没有经消除应力
3.50%;Fe为94.5%)。
规无法通过AQ以及B两花键,处理,机械加工造成的残余应力在
空心轴零件的热处理技术要求轴向尺寸(高度)均缩短约0.25mm,渗碳前没有得到有效释放,机加应
为:零件为典型的小尺寸薄壁空心并且A、B、C3段直径缩小;零件淬力在热处理中导致零件变形。
轴,轴向长度200mm,小端外圆尺火后,专用计量通规无法通过零件1.2热应力引起变形
寸45mm,大端外圆尺寸80mm,最4Q以及B形花键,轴向尺寸缩短了
通过计量零件热处理变形的情
小壁厚仅为6mm;对花键AQ、BW0.20-0.40m,超过了下偏差,A、B、况,渗碳后零件各个尺寸都有缩短,
及表面B段进行渗碳,渗碳深度:C3段直径胀大,3段变形形貌均类花键扭曲变形,符合热胀冷缩规律
0.4-0.5m,表面硬度:HRC≥60,似鼓筒状态;冷处理回火后尺寸无说明渗碳结束后的零件热应力大,
心部硬度:HRC35~40,检验等级变化。
造成零件收缩。通过分析输出轴渗
I-Ie。两处内花键AQ、BF尺寸(2)零件心部硬度偏低。渗碳碳、淬火工艺及过程,发现在渗碳装
精度高。
淬火后,渗碳淬火回火后的金相试炉时,零件直接摆放在料框中,大头
料心部硬度可达HRC35~36,而选朝下,这种装炉方式容易带来两个
工艺过程
取零件剖切检查发现心部硬度仅为问题:冷却时小端冷却快,大端冷却
1热处理工艺
HRC30,不满足设计图样HRC35~40慢,冷却不均匀;零件摆放不平也会
空心轴首次采用的加工路线为:要求。
导致变形。
棒料→粗加工→预备热处理→半精
空心轴零件选用的材料为9310
加工→渗碳淬火→精加工→终检。
原因分析
钢,具有较大的热导率。在渗碳时
目前,由于零件变形要求高,渗1渗碳淬火变形原因分析
组织转变为奥氏体,进入高塑性状
碳前的预备热处理工艺采用调质状
造成零件变形的原因不外乎3态,渗碳冷却为强制气冷,冷速较
态叫,具体制度为:
种情况阿:
快,由于零件各部分壁厚不均匀使
1)正火:900℃,保温2h,空冷;
(1)零件尺寸差异和形状突变零件冷却不均匀、差异大,热应力导
(2)高温回火:600℃,保温2h,引起的变形;
致变形大。虽然零件的AQ、BW花
空冷。
(2)机加工过程中应力释放情键经过渗碳,但热应力起决定性作
调质的作