胡慶寬，許永春，金宏

河南航天精工制造有限公司 河南信陽(yáng) 464000

河南省緊固連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南信陽(yáng) 464000

1 序言

由于碳素鋼及合金鋼緊固件具有良好的冷加工性能且成本低廉，所以在宇航緊固件領(lǐng)域中大量應(yīng)用；GB、GJB、HB標(biāo)準(zhǔn)中合金鋼、碳素鋼緊固件占有較大的比例[1，2]。在宇航型號(hào)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，800MPa以上等級(jí)的緊固件多以30CrMnSiA材料為主，30CrMnSiA鋼具有良好的機(jī)械加工性能，但在實(shí)際使用過(guò)程中存在較多對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成影響的缺陷，如淬透性差，存在回火脆性、脫碳等風(fēng)險(xiǎn)；其屈強(qiáng)比低，縱向、橫向力學(xué)指標(biāo)差異較大，無(wú)法滿(mǎn)足高承載、高抗疲勞性能要求；耐蝕性差，需要進(jìn)行表面處理（鍍鋅、鍍鎘、氧化等），電鍍后存在氫脆風(fēng)險(xiǎn)較大等缺點(diǎn)。隨著航空航天海防裝備的發(fā)展，對(duì)海防飛機(jī)、航天飛行器等所用緊固件在海洋環(huán)境下的耐蝕性能提出了更高的要求。為提高緊固件的耐蝕性，普遍做法是采用良好耐蝕性基體材料與適當(dāng)?shù)谋砻嫱?鍍層。為進(jìn)一步提升航天海防裝備專(zhuān)用緊固件在海洋環(huán)境下的適應(yīng)性能力，必須開(kāi)發(fā)新型材料，研制各種新型緊固件。

海防新型緊固件需要采用穩(wěn)定的高強(qiáng)度不銹鋼材料，通過(guò)先進(jìn)的加工技術(shù)和表面處理方式，使之具有較好的耐蝕性及綜合力學(xué)性能，其中0C r17N i4C u4N b不銹鋼是高強(qiáng)度不銹鋼的典型代表。本文從材料特性、成形特性、緊固件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、表面處理工藝等幾個(gè)方面論證了0Cr17Ni4Cu4Nb材料在航天海防裝備應(yīng)用的可行性。

2 材料特性

奧氏體不銹鋼具有較好的耐蝕性，但只能通過(guò)機(jī)械加工強(qiáng)化。在機(jī)械加工過(guò)程中，受產(chǎn)品形狀的限制，成形工藝較為復(fù)雜，一般用于制造性能要求較低的非主承力緊固件。馬氏體不銹鋼通過(guò)淬火形成馬氏體相變強(qiáng)化，但存在較大的回火脆性風(fēng)險(xiǎn)，其耐蝕性比奧氏體不銹鋼差。為了克服以上缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了耐蝕性和綜合力學(xué)性能較好的沉淀硬化不銹鋼，其中0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼應(yīng)用最為廣泛。0Cr17Ni4Cu4Nb材料是在Cr17型不銹鋼基礎(chǔ)上，加入Cu、Nb等元素研制的一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，通過(guò)馬氏體相變和在400~650℃溫度內(nèi)時(shí)效時(shí)，析出ε-Cu、NbC和M23C6等時(shí)效強(qiáng)化相而產(chǎn)生沉淀硬化。在固溶狀態(tài)下組織為低碳板條馬氏體，隨后通過(guò)在400~650℃溫度內(nèi)時(shí)效，其Ac1約為670℃，Ac3約為740℃，Ms為80~140℃，Mf約為32℃[3]，常用熱處理工藝為1020~1060℃固溶， 460~650℃時(shí)效，具體熱處理工藝見(jiàn)表1。

表1 0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼性能指標(biāo)

經(jīng)過(guò)熱處理強(qiáng)化后材料抗拉強(qiáng)度可達(dá)到1100M P a以上，同時(shí)具有較好的韌性和塑性。0Cr17Ni4Cu4Nb材料中抗氧化性能與普通奧氏體不銹鋼相近，耐大氣腐蝕和耐酸腐蝕能力明顯優(yōu)于馬氏體不銹鋼，與某些奧氏體不銹鋼相當(dāng)，且該鋼在還原性酸、特別是硫酸中耐腐蝕性良好。在海水中的腐蝕減重約為0Cr17Ni7Al不銹鋼的30%，與1Cr18Ni9Ti不銹鋼相當(dāng)。在高溫高壓水中的縫隙腐蝕性能大致與1Cr18Ni9Nb不銹鋼相當(dāng)，綜合性能優(yōu)于30CrMnSiA不銹鋼。

0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼不同熱處理狀態(tài)下的顯微組織如圖1所示。

圖1 0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼不同狀態(tài)下顯微組織

0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼在固溶狀態(tài)下，其顯微組織為過(guò)飽和低碳板條馬氏體。為保證材料獲得足夠的強(qiáng)度和韌性，在選擇固溶溫度時(shí)，一般固溶溫度不要太高。時(shí)效的目的是利用彌散強(qiáng)化作用產(chǎn)生細(xì)小并彌散分布的沉淀相，以獲得盡可能好的綜合力學(xué)性能。固溶處理后時(shí)效時(shí)，馬氏體組織發(fā)生回火轉(zhuǎn)變，析出尺寸極?。s20nm）的ε-Cu和NbC、M23C6等時(shí)效強(qiáng)化相，以獲得盡可能好的綜合力學(xué)性能。

查閱航空材料手冊(cè)[4]，在1040℃固溶1h，不同時(shí)效溫度下0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼室溫拉伸性能如圖2a所示，沖擊性能如圖2b所示。隨著時(shí)效溫度（200~650℃）的升高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先升高后降低，500℃達(dá)到最高；伸長(zhǎng)率先降低后升高，500℃達(dá)到最低；斷面收縮率先升高后降低再升高，450℃達(dá)到最低；沖擊韌度先升高后降低再升高，450℃最低。

圖2 不同時(shí)效溫度力學(xué)性能

3 成形特性

3.1 鐓制成形性能

由于其固溶狀態(tài)下強(qiáng)度較高，所以在制造緊固件時(shí)對(duì)鐓制成形設(shè)備噸位和模具精度的要求也較高。該材料還具有非常高的熱穩(wěn)定性和耐蝕性，在進(jìn)行熱加工成形時(shí)，選擇合適的工藝參數(shù)，不容易出現(xiàn)過(guò)熱、過(guò)燒現(xiàn)象，典型過(guò)熱組織如圖3a所示。對(duì)于六角頭、扁圓頭等頭部大變形量的產(chǎn)品一般采用熱鐓方式成形，如果采用冷變形形式易產(chǎn)生“應(yīng)變線(xiàn)”，使產(chǎn)品在受力過(guò)程中易出現(xiàn)快速解理開(kāi)裂。冷滾壓控制頭桿結(jié)合部位金屬流線(xiàn)和螺紋處金屬流線(xiàn)，提高產(chǎn)品疲勞壽命。

圖3 加工過(guò)程存在的典型缺陷

3.2 機(jī)加工性能

0Cr17Ni4Cu4Nb材料主要用于制造1100MPa級(jí)高強(qiáng)度緊固件，由于其對(duì)表面質(zhì)量要求較高，所以在制造緊固件過(guò)程中需要數(shù)控車(chē)削和無(wú)心磨削等精加工手段予以保證。該材料機(jī)加工性能良好，在車(chē)削、磨削加工過(guò)程中，可以選用較高加工速度和較大車(chē)削量，但注意冷卻以免產(chǎn)生磨削燒傷。加工后的產(chǎn)品表面粗糙度值低，表面質(zhì)量及尺寸一致性好。

4 緊固件結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)

采用0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼制造的螺栓、螺釘、螺柱和螺母緊固件的結(jié)構(gòu)參照HB系列標(biāo)準(zhǔn)中的30CrMnSiA不銹鋼和1Cr17Ni2不銹鋼。熱處理狀態(tài)為固溶+時(shí)效，螺栓性能有抗拉強(qiáng)度和硬度兩種方式，螺栓抗拉強(qiáng)度一般為1180MPa±100MPa，硬度為35~42HRC（通過(guò)HB0-94—1977換算后抗拉強(qiáng)度為1078~1303MPa）。為驗(yàn)證0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼緊固件標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)和實(shí)測(cè)情況，確定0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼材料性能的穩(wěn)定性和合理性。按照航空航天型號(hào)最普遍使用的幾種頭型、型式和典型規(guī)格進(jìn)行選擇螺栓、螺釘和螺母來(lái)驗(yàn)證其緊固件性能方案，并對(duì)其強(qiáng)度和硬度進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼產(chǎn)品性能實(shí)測(cè)性能

對(duì)于0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼緊固件，為了獲得良好的綜合力學(xué)性能，選定具體檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 0Cr17Ni4Cu4Nb螺栓性能指標(biāo)

5 表面處理工藝

0Cr17Ni4Cu4Nb材料自身耐蝕性好，一般可用在抗氧化、耐弱酸、堿和鹽腐蝕環(huán)境。表面處理方式主要用化學(xué)鈍化（Ct.P），特殊情況下可進(jìn)行其他類(lèi)型的表面處理方式如涂MoS2、涂十六醇等提升表面潤(rùn)滑性，防止冷焊（咬死）問(wèn)題產(chǎn)生，也可依據(jù)客戶(hù)需求和使用環(huán)境選用不同的表面處理方式。目前，在海防裝備上為進(jìn)一步提升0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼緊固件的耐蝕性，常在緊固件表面采用物理氣相沉積技術(shù)（PVD）真空離子鍍膜CrN納米涂層[5]。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜合分析了0Cr17Ni4Cu4Nb材料特性，鐓制成形性能，機(jī)加工性能、熱處理和表面處理工藝及緊固件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并制定了緊固件綜合性能指標(biāo)。0Cr17Ni4Cu4Nb材料在國(guó)內(nèi)宇航緊固件領(lǐng)域應(yīng)用條件已經(jīng)成熟，加工工藝穩(wěn)定，材料供應(yīng)渠道暢通，供應(yīng)充足，價(jià)格相比鈦合金與高溫合金等高端緊固件材料成本較低；耐蝕能力可以達(dá)到傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼電鍍緊固件的5~10倍，性?xún)r(jià)比高，能夠取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼電鍍緊固件。國(guó)外相近材料牌號(hào)17-4PH沉淀硬化不銹鋼，已在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家宇航緊固件領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[6]，為0Cr17Ni4Cu4Nb材料在我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的借鑒。