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1鋼在航空工業(yè)中的應(yīng)用

在航空工業(yè)中廣泛應(yīng)用合金結(jié)構(gòu)鋼制造飛機、發(fā)動機的主要零件［3］。12CrNi4A、18Cr2Ni4WA等都是航空器普遍使用的合金鋼，主要做傳動軸、銷子。40CrMoA調(diào)制合金鋼，綜合機械性能好，在具有相當(dāng)高的強度的同時又具有良好的韌性。廣泛用于制造高負荷、大尺度的軸零件，也可以用來做大截面、高負荷、高抗磨及良好韌性要求的重要零件，如發(fā)動機曲軸等。

2曲軸熱處理工藝

2.1曲軸工作條件活塞式發(fā)動機一般由氣缸、活塞、曲軸、連桿、氣門機構(gòu)和機匣組成，曲軸的組成，如圖3所示。曲軸除了和連桿一起將活塞的直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，還將功率傳遞給螺旋槳，曲軸由軸頭、軸尾和曲柄等組成，曲柄又由曲頸和曲臂組成，軸頭前段與螺旋槳軸相連。

2.2材料選擇IO-360-L2A發(fā)動機曲軸采用高級優(yōu)質(zhì)合金鋼40CrNiMoA鍛件制成，它是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)丶尤胍环N或數(shù)種合金元素（總質(zhì)量分數(shù)不超過5%）而制成的鋼種，主要成分應(yīng)符合GB/T3077的規(guī)定［4］，高級優(yōu)質(zhì)鋼的含硫、磷質(zhì)量分數(shù)應(yīng)小于0.025%，由于曲軸為熱加工用鋼，其銅質(zhì)量分數(shù)規(guī)定應(yīng)不大于0.20%，如表1所示。它屬于低合金中碳超高強度鋼。該材質(zhì)經(jīng)處理后具有良好的綜合機械性能，Cr、Ni等合金元素的加入使其淬透性較好并使鐵素體的強度和韌性得到提高；Mo、Cr等碳化物形成元素的加入，可阻止奧氏體晶粒長大，提高鋼的回火穩(wěn)定性，在使用中能有一定的沖擊抗力和斷裂韌性，高的疲勞強度滿足曲軸對材質(zhì)性能的要求。

2.3曲軸熱處理IO-360-L2A發(fā)動機使用多曲柄曲軸，由鉻鎳鉬鋼鍛件制成，曲軸是發(fā)動機受力最大的部件之一，曲軸的曲頸和曲柄表面都經(jīng)過滲氮處理，增加了表面的抗磨性，曲軸上螺旋槳安裝凸緣表面未進行滲氮處理，表面僅鍍一層防腐金屬層，維護時應(yīng)避免劃傷，預(yù)防曲軸腐蝕和產(chǎn)生裂紋。曲柄是空心的，這不僅可以減輕曲軸的質(zhì)量，還可為滑油提供通道，同時也是一個收集淤泥、積碳和其它雜質(zhì)的空腔，滑油流動越多，清潔效果越好。材料40CrMoA曲軸熱處理工藝是鍛造→正火→粗車→調(diào)質(zhì)→精車→去應(yīng)力退火→精加工到成品→氮化→拋光→裝機［5］，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。

2.3.1曲軸熱處理技術(shù)要求主軸頸和連桿軸徑處要求淬硬層硬度為56~63HRC；淬硬層深度為3.5~5.5mm，淬硬層邊緣到曲軸對于V形軸不大于4~5mm，對直列軸不大于6~8mm。為了確保質(zhì)量，對曲軸的熱處理實際采用中頻感應(yīng)加熱淬火法［6］，如圖4所示，采用曲軸軸徑輪流淬火，分別進行表面淬火，其加熱頻率1000Hz；始鍛溫度1150℃，終鍛溫度850℃。

2.3.2曲軸熱處理工藝［7］1）正火+高溫回火。正火處理的目的是為了改善曲軸的基體組織，消除鍛造過程造成的粗大組織及魏氏組織，細化晶粒，并消除鍛造應(yīng)力。回火后為防止回火脆性，應(yīng)油淬，回火溫度在600~640℃左右。最好是淬火出來先打一個淬火硬度，根據(jù)實際情況調(diào)整回火溫度。a.正火：加熱溫度880℃，保溫270min，出爐空冷；b.回火：加熱溫度640℃，保溫600min，出爐空冷。2）熱處理調(diào)質(zhì)處理。曲軸鍛造、正火后要進行熱處理調(diào)質(zhì)處理，以獲得整體的最佳綜合機械性能，并為表面氮化處理做好組織準備。曲軸調(diào)質(zhì)后的金相組織應(yīng)為均勻的回火索氏體+少量貝氏體組織，不允許出現(xiàn)大量的鐵素體組織，否則將導(dǎo)致氮化層的脆性加大，降低曲軸的疲勞性能。a.淬火：加熱880℃（氮氣保護）保溫時間5h；冷卻曲軸出爐后預(yù)冷1.5min（曲軸表面顏色在800℃以上一點），隨后淬入水玻璃水溶液中，冷卻6~7min出水空冷。淬火介質(zhì)使用玻美度3～3.5的水玻璃水溶液。b.回火：40CrMoA軸加熱溫度560~570℃，保溫時間為5.5h，出爐空冷。3）氣體氮化處理。曲軸表面進行氮化處理，一方面是為了獲得高的疲勞強度，另一方面是為了獲得高的表面硬度，提高曲軸的耐磨性能。曲軸表面經(jīng)氮化處理后，生成極細顆粒具有高硬度的ε相，同時還生成Fe3N和FeN，使軸頸和圓角均得到強化處理，改善表面耐磨性，增加表面強度，特別是增加抗疲勞強度，并提高材料的抗腐蝕性能。

3曲軸熱處理缺陷分析及其防止措施

曲軸在生產(chǎn)過程中要經(jīng)過冶煉、鑄造、軋制（或鍛造）等工序，最后成材，由這些工藝過程控制的質(zhì)量，一般稱為熱處理質(zhì)量。熱處理質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的性能和使用安全。熱處理缺陷中最危險的是裂紋，稱為第一類熱處理缺陷。工程構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下，經(jīng)一定循環(huán)周次后發(fā)生的斷裂稱作疲勞斷裂，曲軸失效可以由多種原因引起，然而，沖擊疲勞失效可能是曲軸失效中最普遍的原因。當(dāng)裂紋尖端的應(yīng)力強度因子KI達到材料斷裂韌度KIc（或是裂紋尖端的應(yīng)力集中達到材料的斷裂強度）時，裂紋就會失穩(wěn)快速擴展疲勞最終斷裂是瞬時的，因此它的危害性較大，甚至?xí)斐蓹C毀人亡的慘劇。鋼質(zhì)工件經(jīng)熱處理后常見的質(zhì)量缺陷有淬火顯微組織過熱、欠熱、淬火裂紋、硬度不夠、熱處理變形、表面脫碳、軟點等。

3.1淬火裂紋及防止措施淬火裂紋是鋼材的淬火或淬火后形成，由于冷卻時的高應(yīng)力所造成；也有可能是在淬火油中的水所導(dǎo)致。具體如下：鋼質(zhì)工件由于結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，鋼材選擇不當(dāng)、淬火溫度控制不正確、淬火冷卻速度不合適等；增大淬火內(nèi)應(yīng)力，會使已形成的淬火顯微裂紋擴展，形成淬火裂紋；由于增大了顯微裂紋的敏感度，增加了顯微裂紋的數(shù)量，從而增大淬火裂紋的形成。淬火裂紋一旦發(fā)生，絕大部分將造成零件的報廢，必須預(yù)防淬火裂紋的產(chǎn)生。首先曲軸原材料的橫截面酸浸低倍組織試片上，不得有目視可見的縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮、白點、晶間裂紋等缺陷。材料選擇上做到經(jīng)濟性和技術(shù)性的合理搭配，既要保證價格便宜又要保證材料有較好的加工性，熱處理性要好，易于淬火，變形小，淬裂傾向小。隨著含碳量的提高，Ms點降低，淬裂傾向增大，在滿足基本性能如硬度、強度的條件下，盡量選用含碳量低的鋼。為了防止零件在淬火急冷中開裂，應(yīng)使其均勻加熱、均勻冷卻、均勻漲縮。在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計上，盡量避免截面形狀尺寸突變，同時注意圓角過渡。合理安排工藝路線，如正確安排好預(yù)備熱處理、冷加工和熱加工等工序可以有效減少熱處理淬火開裂傾向。恰當(dāng)?shù)剡x擇加熱介質(zhì)、加熱速度、加熱溫度和保溫時間也可以有利于減少淬火開裂。

3.2氧化與脫碳及防止措施氧化是因為鋼在有氧化性氣體中加熱時，會發(fā)生氧化而在表面形成一層氧化皮，在高溫下，甚至晶界也回會發(fā)生氧化。脫碳是鋼在某些介質(zhì)中加熱時，這些介質(zhì)會使鋼表面的含碳量下降，脫碳的實質(zhì)是鋼中碳在高溫下與氧和氫發(fā)生作用生產(chǎn)一氧化碳。脫碳會明顯降低鋼的淬火硬度、耐磨性及抗疲勞性能。防止氧化、脫碳的有效措施是采用鹽熔爐加熱、護氣氛爐、真空爐加熱和預(yù)留足夠的加工余量，見表3所示。

4結(jié)論

曲軸是重要的傳遞動力部件，在工作過程中承受彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷，同時受很大的沖擊載荷，工作環(huán)境比較惡劣，軸頸表面易受到磨損，曲軸易受損、斷裂，嚴重的會造成機毀人亡的慘劇。曲軸作為發(fā)動機的心臟，本文以某型活塞式飛機的發(fā)動機曲軸為研究對象，分析了曲軸熱處理加工工藝，并以熱處理淬火裂紋，氧化與脫碳等缺陷為例，對缺陷產(chǎn)生的原因及控制措施進行分析，研究了IO-360-L2A發(fā)動機曲軸的合理鍛造溫度是始鍛溫度1150℃，終鍛溫度850℃。熱處理工藝采用正火+高溫回火、熱處理調(diào)質(zhì)處理、氣體氮化處理等。

作者：丁發(fā)軍單位：中國民航飛行學(xué)院飛機修理廠