航天行業標準不銹鋼彈性擋圈和墊圈的生產試制
——從制定標準到提供標準化產品的有益嘗試

劉洪源　李玉坤　林海燕　溫楠

（1航天標準化與產品保證研究院，北京，100071；2上海航天技術研究院，上海，201109）

彈性擋圈用于軸類零件的止動，彈性墊圈和鎖緊墊圈用于螺紋連接的防松。彈性擋圈、彈性墊圈和鎖緊墊圈以其較好的防松作用不僅被用于航天電子設備，也被用于航天姿控發動機等動力系統的產品上。

目前，航天產品大量使用的彈性防松連接件主要包括彈性擋圈、鋼絲擋圈、鞍型/波形彈性墊圈、鋸齒彈性墊圈等9個大類的產品 （見表1）。以往這些產品都是用高強度的彈簧鋼（65Mn）制造，由于航天產品不僅要求這些防松零件具有良好的彈性、韌性，還要具有良好的耐腐蝕性能。而65Mn在大氣環境中容易被腐蝕，因此為了提高彈簧鋼制成的彈性件的耐腐蝕性能，通常是采用傳統的電鍍工藝。但高強度的彈性件經電鍍后很容易出現氫脆斷裂，用一般的除氫工藝很難將氫去除干凈。由于氫脆斷裂具有延遲性，往往是檢測合格的產品在使用過程中仍然會發生脆性斷裂，不僅會造成連接失效，還會產生多余物，危及航天產品的安全，甚至帶來災難性的后果。

為了徹底解決電鍍彈性擋圈、彈性墊圈和鎖緊墊圈的氫脆問題，2005年航天行業制定了不銹鋼彈性擋圈、彈性墊圈和鎖緊墊圈的系列標準，即QJ3244—2005《不銹鋼彈性擋圈通用規范》、QJ3245.1～3245.5—2005《不銹鋼彈性擋圈》、QJ3246—2005《不銹鋼彈性墊圈和鎖緊墊圈通用規范》和QJ3247.1～3247.4—2005《不銹鋼彈性墊圈和鎖緊墊圈》。采用國產不銹鋼材料0Cr12Mn5Ni4Mo3Al（俗稱69111）制造航天產品用擋圈/墊圈，這種材料不需電鍍，從而可有效地避免氫脆的發生，是65Mn電鍍彈性擋圈、彈性墊圈和鎖緊墊圈的升級換代產品。

表1　彈性防松連接件

1　不銹鋼69111性能特點對批生產的影響

不銹鋼69111是一種沉淀硬化不銹鋼，具有良好的彈性和韌性，可通過控制相變實現強化，從而達到所需的強度和彈性。目前國內已經用于軍工行業的沉淀硬化不銹鋼品種有0Cr12Mn5Ni4Mo3Al和0Cr17Ni7Al（相當于美國的17-7PH）等。這類材料有幾種交貨狀態：軟態、半硬態、硬態以及特硬態等。由于交貨狀態的不同，其經過處理后的性能也不同。

該類材料為軟態時可制造形狀相對復雜的彈性零件，但需要經過約-70℃的冰凍處理，才能達到接近65Mn的機械性能。為此，需要解決低溫處理設備的溫控精度、溫度均勻性控制方法，以及適于批量生產的設備。

當這類材料為硬態時，其材料的硬度比我們常用的65Mn高很多，給沖切加工帶來很大困難，不僅影響模具的壽命，沖切成型后的去應力熱處理技術也難度較大。

因此，上述標準發布后，一直沒有制造商能夠提供批生產產品。型號研制單位只能繼續從市場上采購采用65Mn材料生產、經電鍍的國標彈性擋圈、彈性墊圈和鎖緊墊圈產品，不僅容易產生氫脆，而且外形尺寸、性能指標都不穩定，嚴重影響到型號的研制進度和產品的可靠性。

2　組織批生產試制，為航天型號提供標準化產品

為解決航天產品研制單位的任務急需，我們組織有關生產企業進行技術攻關，開展了不銹鋼69111彈性擋圈、彈性墊圈和鎖緊墊圈批量生產的試制工作。

2.1　技術攻關和工藝定型

為確保最終產品的機械性能且適宜批量生產，研制組決定采用供貨狀態為硬態的不銹鋼69111進行試制。硬態不銹鋼69111性能優異，具有強度高、彈性好的特點，經檢測硬度可達450HV5～490HV5，因此試制工作技術攻關的重點是沖切成型和去應力回火。

針對硬態不銹鋼69111彈性好，沖切后回彈和尺寸變化大、不易控制等特點，研制組反復摸索，改進模具結構、尺寸、材料，改進工藝方案，最終使沖切成型的墊圈的幾何尺寸得到了有效的控制。

沖切成型后，熱處理去應力回火是關鍵。根據相關資料和材料手冊：回火溫度450℃保溫1h空冷；也有提出230℃保溫1.5h空冷。經幾次試驗，這兩種方案均達不到產品標準規定的要求。為取得去應力回火的數據，項目組采用480℃、470℃、 460℃、 440℃、 430℃、 500℃、 520℃、550℃等幾種不同溫度，保溫時間用 1h、1.5h、2h等多種方案組合進行試驗，并采用真空爐熱處理等方法，反復試驗、反復驗證，先后經過62次熱處理試驗，測量硬度達到500次以上。經過反復試驗最終確定了合適的熱處理回火溫度，確保不銹鋼鞍形墊圈、波形墊圈彈性合格、硬度合格，不銹鋼內/外鋸齒鎖緊墊圈韌性合格、硬度合格。經過試驗、研究、改進、再試驗、再改進，確定了最佳熱處理工藝路線（加熱→保溫→冷卻）和工藝參數 （主要包括不同規格產品的回火溫度和保溫時間），最終完成了工藝定型。

2.2　產品鑒定與數據評估

在完成軍工生產線的改造、沖切成形和熱處理技術攻關等數百次試驗的基礎上，2013年完成了不銹鋼69111鞍型、波形彈性墊圈、外鋸齒鎖緊墊圈共計14個品種規格產品的試制工作；2014年完成了不銹鋼69111孔用、軸用彈性擋圈和內鋸齒鎖緊墊圈共計8個品種規格產品的試制工作。上述試制的產品經航天標準緊固件研究與檢測中心試驗室鑒定，鑒定試驗項目全部符合相關標準的規定。至此，在QJ3244—2005《不銹鋼彈性擋圈通用規范》和QJ3246—2005《不銹鋼彈性墊圈和鎖緊墊圈通用規范》等11項標準發布近10年后，完成了批生產工藝定型，按照該工藝生產的產品符合航天行業標準要求。

以不銹鋼69111材料制成的規格為 6、8、10的鞍形彈性墊圈為例，與按國家標準GB/T 94.3《彈性墊圈技術條件鞍形、波形彈性墊圈》生產的產品進行性能對比，見表2。

表2　鞍形彈性墊圈航標產品和國標產品的性能對比

QJ3246規定：當鞍形彈性墊圈和波形彈性墊圈的彈性試驗合格時，硬度指標僅供工藝參考。在我們的鑒定試驗數據中，不銹鋼69111材料制成的規格為6、8、10等三種的鞍形彈性墊圈的彈性檢測結果均達到標準規定的數值，但是硬度檢測結果部分數值超出了標準規定的上限。項目組進行了分析最后得出以下結論。

a）將硬度值作為一個隨機變量，其分布應符合正態分布 （數學模型）。

b）用試樣的硬度試驗數據做出該隨機變量的期望值和標準差估計，從而得到硬度的概率密度曲線，如圖1所示 （采用MATLAB程序生成）。

c）從圖1中可以看出，試樣硬度的離散度小、質量穩定。

d）規格6、8、10的鞍形彈性墊圈硬度的概率密度曲線還表明，在試樣的彈性試驗合格的情況下硬度在標準規定值的上限附近，這一結果可作為今后修訂標準硬度上下限的參考。

e）不銹鋼69111材料制成的墊圈的性能與65Mn材料的相當，可以作為替代產品。

圖1　不銹鋼鞍型墊圈試驗數據硬度的概率密度曲線

本項目是我們在航天緊固件領域，從單一制定標準到為型號提供標準化產品的有益嘗試。這一實踐表明，隨著我們在航天緊固件領域技術能力的提升，不僅具備開展預先研究、制定型號急需產品標準的能力，同時也具備了組織開展批生產試制、鑒定試驗等方面的能力，從而可確保為航天型號提供性能先進、安全可靠的緊固件產品。

按照 QJ3244—2005、 QJ3245.1～3245.5—2005、 QJ3246—2005 和 QJ3247.1～3247.4—2005等標準進行批生產試制的企業，已經在原有GB9001認證的基礎上，分別通過了GJB 9001《質量管理體系要求》認證和國家保密資格（三級）認證，并且按照GJB9001B和軍工基礎產品 《工廠質量保證能力要求》要求，建立并運行本企業文件化的質量保證管理體系，為持續穩定生產符合航天行業標準要求的緊固件產品奠定了基礎。目前，根據 《中國航天科技集團公司航天物資供應商管理辦法》（天科物 [2013]1195號），已經有生產企業通過了相應的現場審核，并被納入 《中國航天科技集團公司 航天型號配套物資標準緊固件合格供應商名錄》。至此，航天型號研制單位不僅有耐腐蝕、無氫脆的產品標準選用，還能夠采購到相應的標準化產品。