丁發(fā)軍

（中國(guó)民航飛行學(xué)院飛機(jī)修理廠，四川 廣漢 6 1 8 3 0 7）

0 引言

金屬材料是航空工業(yè)的基本材料，金屬按其成分可分為純金屬和合金，合金由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。金屬材料的機(jī)械性能主要包括強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性和抗疲勞性能等，如圖1所示。金屬材料的優(yōu)異的性能與其成分和組織有著密切的關(guān)系。熱處理是改變金屬材料組織，發(fā)揮金屬材料潛力的有效手段。金屬熱處理是將工件放在一定的介質(zhì)中加熱、保暖和冷卻，通過(guò)改變工件表層的化學(xué)成分、表面或內(nèi)部顯微組織的結(jié)構(gòu)來(lái)改變其性能的熱加工工藝。

1 鋼的熱處理

熱處理方法雖然很多，但都是由加熱、保溫和冷卻3個(gè)階段組成的，通常用熱處理工藝曲線表示［1］，如圖2所示。

圖1 低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變示意圖

圖2 熱處理工藝曲線示意圖

當(dāng)鋼的含碳量小于0.9%時(shí)，隨著含碳量增加，鋼的強(qiáng)度硬度上升，韌性不斷降低。工業(yè)中使用的碳鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最一般不超過(guò)1.3%～1.4%，低合金鋼（合金元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%）、中合金鋼（合金元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%～10%）和高合金鋼（合金元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞10%）。為了改善鋼的機(jī)械性能或使具有某些特殊的性能，有目的地向鋼中加入合金元素得到的鋼材叫合金鋼。常用的合金元素有錳、硅、鉻等。

1.1 熱處理分類及概述

熱處理工藝一般分為加熱、保溫和冷卻3個(gè)階段，它分含加熱介質(zhì)、加熱速率、加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速率5個(gè)要素。根據(jù)加熱介質(zhì)、加熱溫度和冷卻方法的不同，金屬熱處理［2］工藝大體可分為普通熱處理、表面熱處理兩大類。每一大類又可區(qū)分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。普通熱處理分為退火、正火、淬火和回火。表面熱處理分為表面淬火和化學(xué)熱處理，表面淬火分為火焰加熱和感應(yīng)加熱，而化學(xué)熱處理分為滲碳、滲氮、碳氮共滲和滲金屬等。

普通熱處理是對(duì)工件整體加熱，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，以改變其整體力學(xué)性能的金屬熱處理工藝。退火是將工件加熱到適當(dāng)溫度，根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時(shí)間，然后進(jìn)行緩慢冷卻，目的是使金屬內(nèi)部組織達(dá)到或接近平衡狀態(tài)，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進(jìn)一步淬火作組織準(zhǔn)備。正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細(xì)，常用于改善材料的切削性能，也有時(shí)用于對(duì)一些要求不高的零件作為最終熱處理。淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其它無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時(shí)變脆。為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650℃的某一適當(dāng)溫度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的保溫，再進(jìn)行冷卻，這種工藝稱為回火。

其中的淬火與回火關(guān)系密切，常常配合使用。為了獲得一定的強(qiáng)度和韌性，把淬火和高溫回火結(jié)合起來(lái)的工藝，稱為調(diào)質(zhì)。時(shí)效處理是某些合金淬火形成過(guò)飽和固溶體后，將其置于室溫或稍高的適當(dāng)溫度下保持較長(zhǎng)時(shí)間，以提高合金的硬度、強(qiáng)度或電性磁性等。

1.2 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(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零件［3］。12CrNi4A、18Cr2Ni 4WA 等都是航空器普遍使用的合金鋼，主要做傳動(dòng)軸、銷子。40CrMoA調(diào)制合金鋼，綜合機(jī)械性能好，在具有相當(dāng)高的強(qiáng)度的同時(shí)又具有良好的韌性。廣泛用于制造高負(fù)荷、大尺度的軸零件，也可以用來(lái)做大截面、高負(fù)荷、高抗磨及良好韌性要求的重要零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)一般由氣缸、活塞、曲軸、連桿、氣門機(jī)構(gòu)和機(jī)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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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。

圖3 曲軸的組成

2.2 材料選擇

IO-360-L2A發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸采用高級(jí)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?jǐn)?shù)不超過(guò)5%）而制成的鋼種，主要成分應(yīng)符合GB/T3077的規(guī)定［4］，高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼的含硫、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)小于0.025%，由于曲軸為熱加工用鋼，其銅質(zhì)量分?jǐn)?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(qiáng)度鋼。該材質(zhì)經(jīng)處理后具有良好的綜合機(jī)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(qiáng)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(zhǎng)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(qiáng)度滿足曲軸對(duì)材質(zhì)性能的要求。

表1 40CrNiMoA主要化學(xué)成分%

2.3 曲軸熱處理

IO-360-L2A發(fā)動(dòng)機(jī)使用多曲柄曲軸，由鉻鎳鉬鋼鍛件制成，曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)受力最大的部件之一，曲軸的曲頸和曲柄表面都經(jīng)過(guò)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(jìn)行滲氮處理，表面僅鍍一層防腐金屬層，維護(hù)時(shí)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(shí)也是一個(gè)收集淤泥、積碳和其它雜質(zhì)的空腔，滑油流動(dòng)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(jī)［5］，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表20 CrNiMoA曲軸技術(shù)參數(shù)

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 56～63 HRC；淬硬層深度為3.5～5.5 mm，淬硬層邊緣到曲軸對(duì)于V形軸不大于 4～5mm，對(duì)直列軸不大于6～8mm。為了確保質(zhì)量，對(duì)曲軸的熱處理實(shí)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(jìn)行表面淬火，其加熱頻率1 000 Hz；始鍛溫度1 150℃，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(guò)程造成的粗大組織及魏氏組織，細(xì)化晶粒，并消除鍛造應(yīng)力?；鼗鸷鬄榉乐够鼗鸫嘈?，應(yīng)油淬，回火溫度在600～640℃左右。最好是淬火出來(lái)先打一個(gè)淬火硬度，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整回火溫度。

圖4 感應(yīng)加熱表面淬火的示意圖

a.正火：加熱溫度880℃，保溫270 min，出爐空冷；b.回火：加熱溫度640℃，保溫600 min，出爐空冷。

2）熱處理調(diào)質(zhì)處理。曲軸鍛造、正火后要進(jìn)行熱處理調(diào)質(zhì)處理，以獲得整體的最佳綜合機(jī)械性能，并為表面氮化處理做好組織準(zhǔn)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?dú)獗Ｗo(hù)）保溫時(shí)間5 h；冷卻曲軸出爐后預(yù)冷1.5 min（曲軸表面顏色在800℃以上一點(diǎn)），隨后淬入水玻璃水溶液中，冷卻6～7 min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(shí)間為5.5 h，出爐空冷。

3）氣體氮化處理。曲軸表面進(jìn)行氮化處理，一方面是為了獲得高的疲勞強(qiáng)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(xì)顆粒具有高硬度的ε相，同時(shí)還生成Fe3N和FeN，使軸頸和圓角均得到強(qiáng)化處理，改善表面耐磨性，增加表面強(qiáng)度，特別是增加抗疲勞強(qiáng)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(guò)程中要經(jīng)過(guò)冶煉、鑄造、軋制（或鍛造）等工序，最后成材，由這些工藝過(guò)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(xiǎn)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(qiáng)度因子KI達(dá)到材料斷裂韌度KIc（或是裂紋尖端的應(yīng)力集中達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度）時(shí)，裂紋就會(huì)失穩(wěn)快速擴(kuò)展疲勞最終斷裂是瞬時(shí)的，因此它的危害性較大，甚至?xí)斐蓹C(jī)毀人亡的慘劇。鋼質(zhì)工件經(jīng)熱處理后常見(jiàn)的質(zhì)量缺陷有淬火顯微組織過(guò)熱、欠熱、淬火裂紋、硬度不夠、熱處理變形、表面脫碳、軟點(diǎn)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(shí)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(jì)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(huì)使已形成的淬火顯微裂紋擴(kuò)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(bào)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(jiàn)的縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮、白點(diǎn)、晶間裂紋等缺陷。

材料選擇上做到經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性的合理搭配，既要保證價(jià)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(diǎn)降低，淬裂傾向增大，在滿足基本性能如硬度、強(qiáng)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(kāi)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(jì)上，盡量避免截面形狀尺寸突變，同時(shí)注意圓角過(guò)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(kāi)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(shí)間也可以有利于減少淬火開(kāi)裂。

3.2 氧化與脫碳及防止措施

氧化是因?yàn)殇撛谟醒趸詺怏w中加熱時(shí)，會(huì)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(huì)發(fā)生氧化。脫碳是鋼在某些介質(zhì)中加熱時(shí)，這些介質(zhì)會(huì)使鋼表面的含碳量下降，脫碳的實(shí)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(huì)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(hù)氣氛爐、真空爐加熱和預(yù)留足夠的加工余量，見(jiàn)表3所示［8］。

表3 防止氧化與脫碳的措施

4 結(jié)論

曲軸是重要的傳遞動(dòng)力部件，在工作過(guò)程中承受彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷，同時(shí)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(yán)重的會(huì)造成機(jī)毀人亡的慘劇。曲軸作為發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，本文以某型活塞式飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸為研究對(duì)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(duì)缺陷產(chǎn)生的原因及控制措施進(jìn)行分析，研究了IO-360-L2A發(fā)動(dòng)機(jī)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。

［1］ 冒建國(guó)，張賢，田國(guó)祥.40CrNiMoA調(diào)制鋼MAG焊接工藝探討與應(yīng)用［J］.機(jī)械工人，2006（9）：47-50.

［2］ 王秋冰，馬鳴，盧震鳴，等.發(fā)動(dòng)機(jī)連桿用材料與工藝的發(fā)展趨勢(shì)［J］.柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2007（1）：40-44.

［3］ 秦萍麗，馬連友，李慧雪，等.40CrNiMoA材質(zhì)熱處理工藝研究［J］.鍋爐制造，2010（1）：39-31..

［4］ 張進(jìn)，李靜媛，王一德，等.Mn18Cr18高氮鋼熱加工工藝的研究［J］.鍛壓技術(shù)，2009，34（1）：10-13..

［5］ 秦征平.40CrNiMo熱處理工藝的改進(jìn)［J］.一重技術(shù)，2009，127（1）：31-32.

［6］ 劉如鐵，李溪濱，趙福安，等.熱壓鎳鉻鉬合金的研究［J］.粉末冶金工業(yè),2005，15（2）：43-45.

［7］ 遲紹寧.190柴油機(jī)曲軸斷裂失效分析［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2007:13-15.

［8］ 許天已.鋼鐵熱處理實(shí)用技術(shù)［M］.2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008：200-224