1、航空熱處理新技術(shù)發(fā)展航空熱處理新技術(shù)發(fā)展2010-04-0219:37 航空熱處理新技術(shù)發(fā)展王廣生北京航空材料研究院，北京100095近年來(lái)，為了適應(yīng)建立現(xiàn)代化國(guó)防需要，加快了航空工業(yè)的建設(shè)和發(fā)展，加大了航空熱處理技術(shù)改造力度，新建和擴(kuò)建熱處理廠(chǎng)房，面積增加近一倍，設(shè)備更新在 50 鳩上，同時(shí)也推動(dòng)了航空熱處理新技術(shù)研究和采用。在真空熱處理、可控氣氛熱處理、熱處理冷卻技術(shù)、熱處理節(jié)能減排技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)與管理等方面都有了長(zhǎng)足進(jìn)步和發(fā)展。1 真空熱處理技術(shù)真空油淬技術(shù)真空油淬是目前真空熱處理的主要工藝。真空油淬技術(shù)發(fā)展過(guò)程中曾遇到的技術(shù)難點(diǎn)是真空油淬增碳問(wèn)題。上世紀(jì)七十年代的實(shí)驗(yàn)研究表明，真空油淬可能

2、產(chǎn)生增碳，使疲勞性能降低。近三十年解決了真空淬火油和真空油淬表面增碳等技術(shù)關(guān)鍵，除在工模具熱處理方面應(yīng)用外，已成功用于飛機(jī)起落架等重要結(jié)構(gòu)件的精密熱處理。總結(jié)真空熱處理研究成果和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，1991年編制了 HB/Z191-91航空結(jié) 構(gòu)鋼不銹鋼真空熱處理書(shū) ，用于指導(dǎo)航空工業(yè)中真空熱處理生產(chǎn)。航空超高強(qiáng)度鋼制起落架等重要受力件大都是長(zhǎng)桿件，一般要求采用立式真空油淬爐進(jìn)行垂直加熱和淬火，給真空熱處理帶來(lái)不少困難，成為航空真空熱處理的關(guān)鍵。為了防止油淬時(shí)油煙上升污染加熱室，真空立式油淬爐一般有三個(gè)室： 加熱室、中間室、淬火槽。淬火時(shí)，現(xiàn)將加熱的工件放到中間室，關(guān)閉爐門(mén)后再淬入油中，這樣淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間

3、長(zhǎng)，很難達(dá)到結(jié)構(gòu)鋼淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間w 25s 要求。通過(guò)良好緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和精密協(xié)調(diào)的控制，較好解決了立式真空油淬爐淬火時(shí)防止污染加熱室和縮短淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間的技術(shù)關(guān)鍵，成功用于起落架等長(zhǎng)桿件的真空油淬。真空立式油淬爐還有一個(gè)沒(méi)有中間室的方案，真空加熱室直接連著淬火油槽，淬火時(shí)，通過(guò)向爐內(nèi)通入大量氮?dú)鈮褐拼慊饡r(shí)油煙對(duì)加熱室的污染。真空加壓氣淬真空加壓氣淬具有工件表面光潔、無(wú)需清洗、避免環(huán)境污染等很多優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)真空熱處理重要和迅速發(fā)展領(lǐng)域。主要問(wèn)題是淬透性和淬硬性及與傳統(tǒng)的氣淬、油淬、分級(jí)淬火或等溫淬火對(duì)比和銜接，應(yīng)從冷速測(cè)定和臨界直徑測(cè)定去研究。目前航空工業(yè)中真空加壓氣淬已成功用于不銹鋼、高溫合金、

4、鈦合金、精密合金和部分結(jié)構(gòu)鋼等零件的熱處理，發(fā)揮了重要作用。真空加壓氣淬的冷速測(cè)定真空加壓氣冷，提高了冷卻速度，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氣冷、部分油冷或分級(jí)淬火，可以實(shí)現(xiàn)控制冷卻，達(dá)到合理冷卻的目的。所以研究真空加壓氣冷的冷卻特性，并與常規(guī)的爐冷、氣冷、油冷、硝鹽浴等冷卻方式對(duì)比是制定真空加壓氣冷工藝的重要依據(jù)。我們用KHR-01便攜式冷卻介質(zhì)性能測(cè)定儀，采用內(nèi)裝熱電偶的銀基合金探頭實(shí)驗(yàn)法，測(cè)試了美國(guó)Abar-lpsen公司H3636的各種壓力氣冷的冷卻速 度，并與氣冷、 吹風(fēng)冷卻、油淬進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了真空加壓氣冷的冷速與通常的冷卻介質(zhì)冷卻的對(duì)比銜接。普通氣冷的冷卻速度介于和加壓氣淬之間，吹風(fēng)冷卻冷速介

5、于之間。2) 真空加壓氣淬的淬透性目前，對(duì)于真空加壓氣淬技術(shù)的關(guān)鍵是對(duì)主要的合金結(jié)構(gòu)鋼、工模具鋼和不銹鋼等測(cè)試和確定不同淬火壓強(qiáng)的臨界淬透直徑，以指導(dǎo)真空加壓氣淬熱處理生產(chǎn)。我們的試驗(yàn)表明，5X105pa壓力下氣淬，可將 ？ 80mnmj 40CrMnSiMoV#岡淬透:40CrNi2Si2MoVA鋼可淬透？ 60mrp 2Cr13鋼可淬透？ 130mm 9CH8鋼可淬透？ 50mmil可借鑒的臨界淬透直徑國(guó)外資料的數(shù)據(jù)。真空滲碳真空滲碳多采用真空- 充氣脈沖式滲碳工藝，以避免滲碳過(guò)程中產(chǎn)生內(nèi)氧化等缺陷。該工藝具有工件表面光亮、生產(chǎn)效率禺、成本低、可進(jìn)行盲孔或小孔滲碳等優(yōu)點(diǎn)，但工件表面碳黑多、

6、尖角過(guò)滲等問(wèn)題突出，應(yīng)予防止。我們采用國(guó)產(chǎn)雙室真空滲碳爐進(jìn)行了不銹鋼真空滲碳研究，圓滿(mǎn)解決了不銹鋼由于存在鈍化膜而不易進(jìn)行滲碳和滲碳溫度過(guò)高的問(wèn)題。采用丙烷作滲碳劑、氮?dú)庾鬏d氣，合理控制兩種氣體混合比例及流量壓力，有效控制了真空滲碳過(guò)程中碳黑的產(chǎn)生及其影響。1CH1Ni2W2M。不銹鋼真空滲碳已用于航空零 件的生產(chǎn)。真空磁場(chǎng)熱處理磁場(chǎng)熱處理可以提高磁性材料的電磁性能，也可以提高結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能。真空磁場(chǎng)熱處理把真空熱處理技術(shù)與電磁場(chǎng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，形成真空熱處理的又一個(gè)分支。我們研制成功可控制加熱和冷卻的真空磁場(chǎng)熱處理設(shè)備，對(duì)軟磁材料49K2DA （相當(dāng)于1J22）和電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了真空磁場(chǎng)熱處

7、理，樣件和產(chǎn)品的磁性有很大提高，與普通真空熱處理相比，真空磁場(chǎng)熱處理在磁感應(yīng)強(qiáng)度（ B） 和屈服強(qiáng)度 （ c S） 相同情況下，矯頑力（ HC） 明顯降低。2 可控氣氛熱處理氮基氣氛保護(hù)熱處理氮基氣氛是一種很有發(fā)展前途的可控氣氛，用于保護(hù)熱處理和化學(xué)熱處學(xué)熱理。氮基氣氛用于保護(hù)處理可以達(dá)到少無(wú)氧化脫碳和光亮熱處理，氮基氣氛化處理可以減少內(nèi)氧化等缺陷，提高化學(xué)熱處理質(zhì)量。氮基氣氛還具有氣源豐富、節(jié)約能源、成本低廉、安全性好、適應(yīng)性強(qiáng)、污染少、不會(huì)產(chǎn)生氫脆，還可等溫淬火等優(yōu)點(diǎn)，目前成為熱處理的重要分支。氮基氣氛保護(hù)熱處理可以采用箱式多用途爐、底裝料立式多用途爐，也可采用井式多用爐。氮基氣氛保護(hù)熱處

8、理可以滿(mǎn)足脫碳層w 的要求。氮基氣氛保護(hù)熱處理氣氛爐氣中主要是氮?dú)?，含氫? 流右。由于氮基氣氛保護(hù)淬火時(shí)爐氣中氫含量較低，對(duì)鋼件不會(huì)產(chǎn)生增氫。淬火試樣氫含量比原材料有所下降，但仍有氫脆危險(xiǎn)，只要及時(shí)回火即可避免氫脆危險(xiǎn)，不必增加專(zhuān)門(mén)除氫處理工藝。另外氮基氣氛熱處理使用溫度應(yīng)控制在1050C 以下。可控滲碳碳勢(shì)控制的精確度在保證爐溫均勻性和溫度精確控制前提下，采用碳勢(shì)傳感器和碳控儀進(jìn)行碳勢(shì)控制。但在滴注式氣氛和直生式氧氣條件下，還需要紅外儀對(duì)CH有口 CO行控 TOC o 1-5 h z 制?？煽貪B碳采取的控制方案主要有氧探頭控制、紅外儀控制、電阻探頭控制等。常用的是氧探頭控制，從單一參數(shù)控制

9、逐漸發(fā)展到氧勢(shì)-CO-溫度三參數(shù)控制，碳勢(shì)控制精度土%C、/底裝料立式多用爐底裝料立式多用爐具有如下特點(diǎn)：爐子升溫快，爐內(nèi)氣氛可迅速轉(zhuǎn)換，該設(shè)備從室溫( 冷爐狀態(tài) ) 升至 900C鐘內(nèi)即可完滲碳溫度的總計(jì)時(shí)間僅需，從爐內(nèi)某一種氣氛轉(zhuǎn)換為另一種氣氛在幾分成?？梢詫?shí)現(xiàn)薄滲層和表面碳勢(shì)（ 或硬度 ） 同時(shí)要求的滲碳或碳氮共滲。例如北京長(zhǎng)空機(jī)械有限公司來(lái)用 SOL （多用爐解決了 超淺層碳氮共滲。零件熱處理質(zhì)量長(zhǎng)期不穩(wěn)定問(wèn)題，某型號(hào)航空產(chǎn)品中有兩項(xiàng)操縱桿類(lèi)零件，其材料為ZG35CrMnS餒求碳氮共滲層深度，要求滲層表面硬度 688766HV底線(xiàn)料立式多用爐生產(chǎn)線(xiàn)可根據(jù)需要配置火爐、清洗機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，

10、適應(yīng)不同生產(chǎn)批量。配置靈活多樣，冷卻部分可配油槽、水槽、等溫槽和加壓氣冷室，可以實(shí)現(xiàn)油淬、水淬、有機(jī)淬火介質(zhì)淬火、等溫淬火、加壓氣淬等多種工藝。特別適合航空熱處理小批量、多品種的特點(diǎn)，是代替鹽浴最佳方案。目前，航空工廠(chǎng)已有近 10臺(tái)底裝料立式多用爐。、3） 高溫滲碳今年在滲碳工藝方面重要發(fā)展之一是高溫滲碳，一方面高溫滲碳可以縮短滲碳時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，另一方面高溫滲碳可以解決不銹鋼滲碳要求。隨著航空工業(yè)發(fā)展，很多零件要求抗蝕耐溫性能又要求耐磨，必須采用不銹鋼滲碳，可以使用真空滲碳工藝，也可使用氣體高溫滲碳工藝。普通滲碳爐最高使用溫度為950C,不銹鋼滲碳要求在1000c左右，為此 要求使用高溫

11、滲碳爐，國(guó)內(nèi)外已出現(xiàn)高溫井式滲碳爐、高溫箱式滲碳爐、高溫底裝立式多用爐等，采用耐高溫氧探頭進(jìn)行碳勢(shì)控制。不銹鋼高溫滲碳還有一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵，就是要采用特殊方法去除鈍化膜，可以通入氯化銨或其他介質(zhì)?？煽貪B碳提高滲碳控制精度，改善滲氮層質(zhì)量和穩(wěn)定性是當(dāng)前化學(xué)熱處理另一個(gè)重要方向。精密滲氮基本要求是爐子有良好密封，保證爐內(nèi)正壓，爐溫均勻 3c 5c,氣氛均勻達(dá)到滲氮層偏差 w,滲氮層組織在14級(jí)，波動(dòng)范圍2級(jí)，白亮層w,氨分解率波動(dòng)土1%種方案是采用氫分析儀（ 或氨分析儀 ） 控制，另一種是采用氫探 頭控制。滲氮爐最新進(jìn)展：采用氨高溫裂解作為載氣，有助于爐內(nèi)氮?jiǎng)菥_調(diào)整，又可以在少量工件滲氮時(shí)，不用填加

12、陪襯料情況下實(shí)現(xiàn)可控滲氮。實(shí)現(xiàn) 氮?jiǎng)?精確控制，通過(guò)傳感器、精密流量閥和氮控儀實(shí)現(xiàn)閉路控制。滲氮數(shù)據(jù)庫(kù)和專(zhuān)家系統(tǒng)，可制定滲氮工藝和仿真控制。去除不銹鋼鈍化膜的專(zhuān)利技術(shù)，較好解決了不銹鋼滲氮工藝，有通入 NH3c C2H2CI4及預(yù)氧化法等。3 熱處理冷卻技術(shù)冷卻特性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為了對(duì)各種介質(zhì)冷卻特性進(jìn)行比較，必須對(duì)測(cè)定方法，包括探頭材料、幾何形狀和尺寸、加熱和冷卻條件等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。由國(guó)際熱處理聯(lián)合會(huì)（ IFHT） 淬火冷卻委員會(huì)制訂，在1995年頒布了 ISO/DIS9950用銀合金探頭測(cè)定工業(yè) 淬火油 冷卻特性的試驗(yàn)室測(cè)定方法。該方法對(duì)淬火油冷卻特性測(cè)定采用尺寸為 x 60mm勺 In co n

13、e1600 探頭。我國(guó)機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T7951-2004 測(cè)定工 業(yè)淬火油冷卻性能的鎳合金探頭實(shí)驗(yàn)方法 等效采用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/DIS9950,采用銀基合金探頭。在冷卻介質(zhì)評(píng)定和冷卻過(guò)程研究中都采用鎳基合金探頭和冷速測(cè)定儀，航空熱處理應(yīng)重視冷卻技術(shù)，不斷配置必要的研究和測(cè)試條件。淬火介質(zhì)的選擇熱處理生產(chǎn)中常用的淬火介質(zhì)是油、水、空氣，有機(jī)淬火介質(zhì)已發(fā)展成熟，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是由于熱處理節(jié)能環(huán)保要求，有機(jī)淬火介質(zhì)是發(fā)展方向。在航空熱處理中應(yīng)積極采用有機(jī)淬火介質(zhì)，減少熱處理變形和減少環(huán)境污染。成都某廠(chǎng)在4M空氣循環(huán)電爐上已成功使用 UconA代替水，大大減少了鋁 合金熱處理變形和鈑金件校

14、正工時(shí)（ 50%以上 ）7075模鍛件，長(zhǎng)X寬約500m材400mmft大厚度為2mM匕鍛件粗加工后采用硝鹽爐加熱，再熱水中淬火后，測(cè)型面畸變量為;采用新4m空氣爐加熱，在UconA水溶液中淬火，測(cè)型面畸變量為 ，可見(jiàn)聚合物溶液淬火明顯減 少了畸 變量。鏡面化銃蒙皮7075材料毛料，尺寸X 1302nx 4991mm項(xiàng)蒙皮板淬 火后，周邊翹曲，并有馬蹄印和折痕，后續(xù)中工種難以消除，零件報(bào)廢率達(dá)到100%在 UconA水溶液中淬火后，表面平整，消除了畸變現(xiàn)象。型材7075材料，最大厚度15mm度1500mm亥項(xiàng)零件淬火后，產(chǎn)生 彎曲變 形，與模具間隙超過(guò)，校正周期長(zhǎng)；在UconA溶液中淬火后，無(wú)

15、畸形，不需校正。淬火槽更新改造航空工廠(chǎng)熱處理車(chē)間傳統(tǒng)的淬火油槽循環(huán)冷卻大都采用室外大油庫(kù)和泵循環(huán)自然冷卻，油庫(kù)較大，管路較長(zhǎng)，由于年久失修都面臨大修； 也有的小型淬火槽采用壓縮空氣冷卻，不符合質(zhì)量控制要求，急需改善； 還有很多新建廠(chǎng)房，也有設(shè)計(jì)布置淬火槽問(wèn)題。近年淬火冷卻倍受重視，引進(jìn)和開(kāi)發(fā)了新型淬火槽技術(shù)，主要有空氣換熱器和真空熱管換熱器技術(shù)、渦輪循環(huán)和泵循環(huán)技術(shù)，使新型淬火槽系統(tǒng)緊湊，先進(jìn)、符合熱處理質(zhì)量控制要求。另外真空爐、多用爐冷卻系統(tǒng)也大都采用空氣換熱器和雙循環(huán)冷卻系統(tǒng)，大大提高可靠性。冷處理設(shè)備近年航空工業(yè)發(fā)展要求使用高合金超高強(qiáng)度鋼AF1410 AermetlOO等、沉淀硬化不銹

16、鋼17-7PH、PH13-8Mo PH15-7M等鋼種，這些鋼種都要求進(jìn)行冷 處理， 而且零件尺寸都比較大。有些滲碳零件要求控制表面殘留奧氏體，提高表面硬度，也要求進(jìn)行冷處理。鋁合金熱處理還有液氮淬火和大型冷藏要求等等，所以對(duì)冷處 理設(shè)備提出了更高要求。冷處理設(shè)備發(fā)展比較快的是液氮冷處理設(shè)備，它具有冷速快，又可控制冷速，溫度均勻性好，容易制作大型冷處理設(shè)備，節(jié)能，成本低。由于近年制氮技術(shù)進(jìn)步，航空工廠(chǎng)熱處理爐使用氮?dú)庖仓饾u改為液氮，大都配置了大型液氮罐，這樣采用液氮冷處理設(shè)備具備了良好條件，應(yīng)大力推廣。熱處理節(jié)能減排技術(shù)在機(jī)械制造行業(yè)，熱處理是耗能大戶(hù)，也是容易產(chǎn)生污染環(huán)境。在當(dāng)前全世界和各國(guó)

17、都在致力于節(jié)能減排的形勢(shì)下，熱處理行業(yè)節(jié)能減排的任務(wù)十分艱難和光榮。熱處理節(jié)能熱處理節(jié)能主要通過(guò)設(shè)備節(jié)能、工藝節(jié)能和管理節(jié)能。熱處理設(shè)備節(jié)能技術(shù)主要采用陶瓷纖維爐襯或輕質(zhì)耐火磚，減少蓄熱；提高爐門(mén)密封性和減少爐壁開(kāi)孔，提高爐子密封性； 減少料盤(pán)、料筐重量，降低帶走熱量熱 處理工藝節(jié)能技術(shù)主要有采用先進(jìn)熱處理技術(shù)，提高和穩(wěn)定熱處理質(zhì)量，發(fā)展復(fù)合熱處理和修復(fù)熱處理，提高零件壽命。熱 處理管理節(jié)能技術(shù)主要是： 企業(yè)設(shè)專(zhuān)人管理能源，并建立完善的管理制度 ；改善能源管理，合理組織生產(chǎn)； 建立獎(jiǎng)懲制度，調(diào)動(dòng)各方面節(jié)能積極性。哈爾濱某廠(chǎng)，通過(guò)改進(jìn)管理，達(dá)到了節(jié)能30%效果。熱處理減排技術(shù)熱處理生產(chǎn)過(guò)程中排放

18、的廢熱、廢氣、廢水( 液 ) 、粉塵、廢渣、噪聲和電磁輻射都會(huì)對(duì)作業(yè)環(huán)境和周?chē)沫h(huán)境、大氣、水質(zhì)產(chǎn)生污染。航空熱處理中主要的是真空爐和底裝料立式多用爐代替鹽浴爐，用高頻局部回火代替鉛浴局部回火，淘汰落后工藝技術(shù)。另外，對(duì)于有污染的作業(yè)環(huán)境，如吹砂、油煙等強(qiáng)化通風(fēng)除塵。標(biāo)準(zhǔn)與管理航空熱處理特點(diǎn)是熱處理材料種類(lèi)多、工藝復(fù)雜多樣、熱處理生產(chǎn)小批量多品種，要求嚴(yán)格，實(shí)行全面質(zhì)量管理。為適應(yīng)航空熱處理生產(chǎn)，重視熱處理標(biāo)準(zhǔn)工作，不斷把熱處理生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和研究應(yīng)用成果總結(jié)提高，形成標(biāo)準(zhǔn)，并嚴(yán)格執(zhí)行。下一步發(fā)展是實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外一體化。國(guó)內(nèi)外一體化，就是實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品熱處理與國(guó)際合作中各廠(chǎng)家產(chǎn)品均采用相同條件、相同設(shè)備及相同工藝文件進(jìn)行生產(chǎn)和質(zhì)量控