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作者：柏立庆、殷秀银 单位：上海锐漫机械制造有限公司 来源：《金属加工（热加工）》杂志 托板自锁螺母是一种制造工艺复杂、技术难度较大、具有较高附加值的自锁类军用紧固件产品，主要用于飞机上钣金件和冲压件的连接，广泛地应用于航天航空领域。产品类型包括单耳、双耳、角形、游动及气密托板螺母等多种型号。如图1所示。 图1 1Cr17Ni2单耳、双耳及角形托板自锁螺母 近年来，随着航天航空工业对高强度、高自锁和高耐腐蚀性托板螺母的要求越来越高，传统结构钢材料和工艺制造加工的托板螺母已经不能满足要求。研究表明，使用马氏体不锈钢1Cr17Ni2材料制造的托板自锁螺母，可以很好地解决原托板螺母性能不高的缺点，满足了苛刻的工况。当然，如何有效地控制1Cr17Ni2材料的工序间退火和最终热处理工艺成了产品开发的关键。本文将从1Cr17Ni2材料的特性着手，重点讨论托板螺母工序间退火和最终热处理工艺。 1.材料特性 1Cr17Ni2属于低碳马氏体不锈钢，它是在Cr13型基础上提高Cr的含量并加入2%Ni组成。其化学成分如表1所示。这样的合金化设计可保持奥氏体相变，使钢仍然能通过淬火获得马氏体组织而强化。在马氏体不锈钢中，1Cr17Ni2钢的耐蚀性是最好的，强度也是最高的，特别是具有较高的电化学腐蚀性能，因此1Cr17Ni2材料在海水和硝酸中有较好的耐腐蚀性。 表1 1Cr17Ni2材料化学成分（质量分数）（%）
1Cr17Ni2材料的缺点是具有强烈的冷作硬化特性，工艺控制比较困难，必须经过多次工序间退火，以恢复材料的塑性和韧性才能进行机加工。另外，由于1Cr17Ni2材料的合金化程度较高，奥氏体形成区域非常狭窄，温度敏感性较大，因此其最终热处理工艺控制也较复杂。 2.工艺流程 经过反复的工艺试验和产品试制，1Cr17Ni2材料托板自锁螺母的工艺流程如下： 备料→冷镦→压平→清洗烘干→工序间退火→二次压平→清洗烘干→工序间退火→切边→冲孔→机械去毛刺→钻孔→扩孔→内倒角→攻螺纹→收口→清洗烘干→最终热处理→机械表面抛光处理→钝化处理→检验→成品包装入库。 其成形工艺流程如图2所示。 图2 1Cr17Ni2双耳托板自锁螺母成形工艺流程 由于产品的规格在M3～M10之间，工艺流程也有所调整，尤其是工序间退火和最终热处理调整幅度最大，以便达到工艺的最优化控制。 3.工序间退火 1Cr17Ni2托板螺母在压平工序后，由于形变量较大而产生强烈的冷作硬化，使得压平后的硬度达到520～560HV，比冷镦后球部的硬度300～336HV提高了220HV左右。所以，必须对压平后的坯料进行工序间退火，使坯料得到回复和再结晶转化，降低材料的硬度和脆性，恢复材料的塑性和韧性，以便于后续加工。 根据螺母形状和规格大小，退火工艺有所不同。一般来说，小规格单耳、双耳托板螺母只需要两次退火即可。对于角形、游动托板螺母，以及大规格的单耳、双耳托板螺母，需要进行三次退火才能满足工艺要求。 退火设备采用上海苏艾机电成套设备有限公司制造的SA-J208型氮气保护真空井式退火炉，最高使用温度可达900℃。将1Cr17Ni2螺母坯料清洗、除油、烘干，并装进耐热钢料筒放入炉内，采用以下退火工艺进行。 （1）小规格的托板螺母（M3～M5） 650℃预热30min，采用接近再结晶温度的退火工艺，740℃保温2h，随炉冷至495℃出炉。退火后硬度比较均匀，达到26～27HRC，略高的硬度，可以避免托板厚度较薄的小规格螺母在切边落料时产生弯曲变形。 （2）大规格的托板螺母（M6～M10） 650℃预热30min，采用亚临界工序间退火，680～700℃保温2h，随炉冷至495℃出炉，硬度达到23～25HRC。略低的硬度，有利于大规格螺母后续钻孔和攻螺纹工序的进行。 4.最终热处理工序 1Cr17Ni2托板自锁螺母的最终热处理包括淬火和回火两道工序。1Cr17Ni2托板自锁螺母的硬度要求为33~39HRC，同时考核锁紧力矩指标，采用不锈钢专用网带炉进行淬火，SA-X308型氮气保护真空箱式退火炉进行回火。 1Cr17Ni2材料托板自锁螺母的淬火组织为低碳马氏体+少量铁素体组织，Ac1温度约为860℃，其奥氏体形成区域非常狭窄。1Cr17Ni2材料在奥氏体化过程中，其合金成分稍微波动就将对淬火组织中的а相产生显著的影响，而铁素体含量的多少将直接影响到淬火组织的力学性能，铁素体含量越低，淬火后材料的硬度就越高。 表2为1Cr17Ni2材料托板螺母在不同淬火温度下的硬度。当淬火温度达到Ac1+20~30℃，即880~890℃时，由于奥氏体形成区域较小，材料在奥氏体化过程中，у相里含有大量的а相，使得淬火组织中的铁素体含量较高，造成了淬火后材料的力学性能较低，因此材料硬度只有29.8~30.6HRC。 当淬火温度达到Ac1+90~100℃，即950~960℃时，у相里的а相含量相对较少，淬火组织中的铁素体量也较低，因此对淬火组织的性能影响也较小，其淬火硬度可以达到48.2~49.5HRC。 当淬火温度达到Ac1+140~150℃，即1000~1010℃时，其合金元素充分奥氏体化，化学成分的波动很小，淬火组织中的铁素体含量达到最低水平，因此淬火硬度可以达到50.5~52.7HRC。 表2 1Cr17Ni2材料托板螺母在不同淬火温度下的硬度 （1）不完全淬火 图3为1Cr17Ni2托板螺母的不完全淬火工艺曲线，根据螺母规格的不同，采用860~900℃预热20min，加热至930~960℃保温60min，炉冷30min至510℃出炉，快速风冷。淬火组织为板条马氏体+大量铁素体组织，螺母的硬度为33~45HRC。 图3 1Cr17Ni2托板螺母的不完全淬火工艺曲线 表3为不锈钢专用网带炉不完全淬火的工艺控制情况。通过控制淬火组织中铁素体含量的多少，可以不经回火直接达到螺母的出厂硬度要求。 表3 1Cr17Ni2不锈钢专用网带炉不完全淬火的工艺控制情况
（2）完全淬火 图4为1Cr17Ni2托板螺母的完全淬火+回火工艺曲线，根据螺母规格的不同，采用860~900℃预热20min，加热至970~1010℃保温60min，炉冷30min至510℃出炉，快速风冷。淬火组织为板条马氏体+少量铁素体组织，淬火硬度为53~55HRC。 图4 1Cr17Ni2托板螺母的完全淬火+回火工艺曲线 由于1Cr17Ni2材料中铬的耐回火性和Ac1点的升高，调质处理的回火温度也相应的提高，且高温回火时不会完全再结晶。由于材料具有475℃回火脆性，因此在高温回火时常采用快速风冷的方式进行冷却。回火工艺为：570~580℃保温90min，回火硬度33~39HRC，回火组织是保留马氏体位向的回火索氏体组织。 5.结语 根据1Cr17Ni2材料的特性，设计出了托板自锁螺母的产品制造工艺流程。结合不同的产品规格，详细地分析了新产品的工序间退火和最终热处理两大关键工艺，为相关的航天航空用紧固件产品开发提供了经验。 商务合作：13501198334 |
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