高强度1Cr18Ni9材料销键成形加工

2020-02-22河南航天精工制造有限公司河南信阳464000石大鹏李祥军赵彦伟刘前峰付建建

金属加工(冷加工) 2020年1期

■ 河南航天精工制造有限公司（河南信阳 464000）石大鹏李祥军赵彦伟刘前峰付建建

1. 带键螺套销键结构及性能要求

随着国内航空航天发动机研制工作的快速开展，带键螺套类产品越来越多地应用到发动机机匣部位的安装联接上。如图1所示，带键螺套由螺套基体及嵌装在基体键槽中的2个或4个销键组成，选用高温合金材料和优质不锈钢制造，具有联接强度高、寿命长、可靠性高和使用方便的特点。装配时将带键螺套旋入机匣内螺纹孔，再打入销键，可形成高强度、抗扭转的标准内外螺纹，可以保护机匣螺纹孔不受损伤，提高螺纹孔的联接强度和耐磨性。

图1 带键螺套结构示意

带键螺套的异型销键结构如图2所示，其体积小，但结构设计精巧。作为螺套装配在机匣体上防松止动的关键零件，要求其具有较高的强度和优良的抗腐蚀性能。根据国外样件分析，销键材料对应国产的1Cr18Ni9不锈钢丝，其抗拉强度高达1 400MPa，表面质量要求也非常高。目前国产1Cr18Ni9奥氏体不锈钢丝原材料抗拉强度一般小于900MPa。而高强度1Cr18Ni9弹簧钢丝无法有效满足销键特殊型面及规格要求。前期采用特殊冷轧变形强化方法已使销键抗拉强度提高到了1 100MPa，型面尺寸基本满足使用要求，但抗扭转持续能力较弱，强度及表面质量与国外样件相比还有一定差距，在使用中存在一定的安全隐患。因此，如何获得高强度的销键产品是急需解决的问题，开展高强度销键材料及成形工艺的研究迫在眉睫。

2. 原材料化学成分对销键性能的影响

材料化学成分是影响销键性能和加工方式的主要因素之一。其中碳、铬元素主要表现出对销键性能的影响；硫、磷元素主要表现出对销键轧制加工的影响，硫、磷含量不合适易造成轧制开裂。因此，在采购原材料时，要求必须为电渣重熔料，且各种元素的含量必须严格控制在标准要求的范围之内。

3. 圆丝性能和尺寸对销键性能的影响

目前销键的成形方式是圆丝轧制成扁丝，再由扁丝轧制成销键，如图3所示。所以影响销键抗拉强度的主要因素有轧制扁丝前圆丝的性能及尺寸、轧制销键前扁丝的性能以及销键的轧制方式等。

图2 带键锁紧螺套的销键结构示意

确定合适的扁丝抗拉强度（硬度）是该项目关键技术之一。扁丝抗拉强度或硬度的高低直接影响后续销键的加工及性能。如扁丝抗拉强度（硬度）过高，则产品轧制困难；扁丝抗拉强度（硬度）偏低，则销键性能可能达不到规定要求。目前存在的主要问题是销键强度达不到1 400MPa，因此需要进一步提升扁丝的强度。

扁丝抗拉强度（硬度）与圆丝尺寸、抗拉强度及加工方式有密切关系。首先要确定合适的圆丝尺寸，在圆丝尺寸一定的情况下，确定圆丝强度与扁丝的抗拉强度（硬度）及扁丝的加工工艺之间的关系。为保证扁丝的性能符合要求，需严格控制圆丝的性能，圆丝抗拉强度既不能过高，也不能太低，如果圆丝抗拉强度过高，轧制扁丝时易开裂；抗拉强度过低，则达不到扁丝的硬度要求。

图3 销键成形工序

4. 产品试制

根据上述分析，最终确定对销键性能起决定作用的主要是圆丝的尺寸及强度，因此选择4批不同强度、不同外圆尺寸的圆丝进行试制，4种材料均按同规格销键进行加工，实际硬度值见表1（因销键轧制成形后无法进行抗拉强度测量，所以按照HB0-9进行硬度换算，1 400MPa强度值对应429HV硬度值）。

根据表1硬度数据可知，4项销键键舌部位经轧制成形后，超出标准要求0～40HV，但键柄部位却低于标准值30～40HV。分析其原因，主要是因为键柄部位从圆丝到销键成形仅经两次轧制，而键舌部位是在键柄基础上再次轧制，变形量大，造成硬度整体偏高。而实际装配时主要是键柄部位嵌入发动机机匣，从而起到抗扭转的作用，是销键的主要性能考核部位，所以，通过以上试验，说明4种不同强度、不同尺寸圆丝均无法满足性能要求。

通过表1可见，第1组和第2组圆丝强度相当，且第2组强度要略高于第1组，但经轧制成形后，第1组销键键舌部位硬度值却高出第2组40HV，键柄部位也高出10HV。同样，第3、4组原材料强度远低于第2组，但其销键成形硬度仍高出第2组。分析认为，第1、3、4组备料圆丝外圆为d1.32mm，而第2组备料圆丝外圆为d1.26mm，因为1Cr18Ni9材料主要靠冷变形硬化提高强度，在经过多次变形后，外圆大的圆丝变形量相对要大，轧制时冷作硬化效果更加明显。

表1 不同圆丝尺寸、性能对应的销键强度

第1组和第3、4组均采用d1.32mm外圆的圆丝加工成形，但第1组原材料强度明显高于另外两组。通过试验对比，第1组相对于另外两组，键柄部位硬度略有提高，而键舌部位硬度却高出10～30HV。分析可知，原材料强度差异造成最终性能的不同，但影响相对较小。

通过以上分析可知：

1）圆丝外圆尺寸对销键最终成形性能有较大的影响，应适量加大圆丝外圆尺寸，以寻求更大的变形量。

2）圆丝强度对销键性能有一定的影响，可适量提升圆丝强度，从而保证销键强度。

在以上试验基础上，选择外圆尺寸为d1.38mm、强度为1 100MPa的圆丝加工成两种不同规格的销键，实际硬度值见表2。

由表2可知，在增大圆丝外圆尺寸为d1.38mm、同时适量提升圆丝强度至1 100MPa后，销键经过轧制成形，其性能有大幅度的提升，其中键柄作为性能主要考核部位，硬度平均值均达450HV（换算强度为1 500MPa）以上，满足1 400MPa高强度性能要求。但是，在试制过程中发现，在加大了圆丝外圆尺寸及强度的情况下，圆丝轧制扁丝、扁丝轧制销键的过程中，出现销键型面质量差、个别尺寸有偏差等情况。经分析因变形量加大，变形金属的表面发生剧烈的更新，从而使金属黏结工模具的现象严重。为减少或消除这种现象，在挤压时一般需要采用润滑剂。挤压时润滑剂的作用是降低磨擦系数和挤压力，扩大挤压坯料长度，改善挤压过程金属流动性质和均匀性。经多次试制，最终选择在轧制过程中使用专用航空润滑油进行冷却、润滑，可解决问题。