高強度1Cr18Ni9材料銷鍵成形加工

■ 河南航天精工制造有限公司 （河南信陽 464000） 石大鵬 李祥軍 趙彥偉 劉前峰 付建建

1. 帶鍵螺套銷鍵結構及性能要求

隨著國內航空航天發動機研制工作的快速開展，帶鍵螺套類產品越來越多地應用到發動機機匣部位的安裝聯接上。如圖1所示，帶鍵螺套由螺套基體及嵌裝在基體鍵槽中的2個或4個銷鍵組成，選用高溫合金材料和優質不銹鋼制造，具有聯接強度高、壽命長、可靠性高和使用方便的特點。裝配時將帶鍵螺套旋入機匣內螺紋孔，再打入銷鍵，可形成高強度、抗扭轉的標準內外螺紋，可以保護機匣螺紋孔不受損傷，提高螺紋孔的聯接強度和耐磨性。

圖1 帶鍵螺套結構示意

帶鍵螺套的異型銷鍵結構如圖2所示，其體積小，但結構設計精巧。作為螺套裝配在機匣體上防松止動的關鍵零件，要求其具有較高的強度和優良的抗腐蝕性能。根據國外樣件分析，銷鍵材料對應國產的1Cr18Ni9不銹鋼絲，其抗拉強度高達1 400MPa，表面質量要求也非常高。目前國產1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼絲原材料抗拉強度一般小于900MPa。而高強度1Cr18Ni9彈簧鋼絲無法有效滿足銷鍵特殊型面及規格要求。前期采用特殊冷軋變形強化方法已使銷鍵抗拉強度提高到了1 100MPa，型面尺寸基本滿足使用要求，但抗扭轉持續能力較弱，強度及表面質量與國外樣件相比還有一定差距，在使用中存在一定的安全隱患。因此，如何獲得高強度的銷鍵產品是急需解決的問題，開展高強度銷鍵材料及成形工藝的研究迫在眉睫。

2. 原材料化學成分對銷鍵性能的影響

材料化學成分是影響銷鍵性能和加工方式的主要因素之一。其中碳、鉻元素主要表現出對銷鍵性能的影響；硫、磷元素主要表現出對銷鍵軋制加工的影響，硫、磷含量不合適易造成軋制開裂。因此，在采購原材料時，要求必須為電渣重熔料，且各種元素的含量必須嚴格控制在標準要求的范圍之內。

3. 圓絲性能和尺寸對銷鍵性能的影響

目前銷鍵的成形方式是圓絲軋制成扁絲，再由扁絲軋制成銷鍵，如圖3所示。所以影響銷鍵抗拉強度的主要因素有軋制扁絲前圓絲的性能及尺寸、軋制銷鍵前扁絲的性能以及銷鍵的軋制方式等。

圖2 帶鍵鎖緊螺套的銷鍵結構示意

確定合適的扁絲抗拉強度（硬度）是該項目關鍵技術之一。扁絲抗拉強度或硬度的高低直接影響后續銷鍵的加工及性能。如扁絲抗拉強度（硬度）過高，則產品軋制困難；扁絲抗拉強度（硬度）偏低，則銷鍵性能可能達不到規定要求。目前存在的主要問題是銷鍵強度達不到1 400MPa，因此需要進一步提升扁絲的強度。

扁絲抗拉強度（硬度）與圓絲尺寸、抗拉強度及加工方式有密切關系。首先要確定合適的圓絲尺寸，在圓絲尺寸一定的情況下，確定圓絲強度與扁絲的抗拉強度（硬度）及扁絲的加工工藝之間的關系。為保證扁絲的性能符合要求，需嚴格控制圓絲的性能，圓絲抗拉強度既不能過高，也不能太低，如果圓絲抗拉強度過高，軋制扁絲時易開裂；抗拉強度過低，則達不到扁絲的硬度要求。

圖3 銷鍵成形工序

4. 產品試制

根據上述分析，最終確定對銷鍵性能起決定作用的主要是圓絲的尺寸及強度，因此選擇4批不同強度、不同外圓尺寸的圓絲進行試制，4種材料均按同規格銷鍵進行加工，實際硬度值見表1（因銷鍵軋制成形后無法進行抗拉強度測量，所以按照HB0-9進行硬度換算，1 400MPa強度值對應429HV硬度值）。

根據表1硬度數據可知，4項銷鍵鍵舌部位經軋制成形后，超出標準要求0～40HV，但鍵柄部位卻低于標準值30～40HV。分析其原因，主要是因為鍵柄部位從圓絲到銷鍵成形僅經兩次軋制，而鍵舌部位是在鍵柄基礎上再次軋制，變形量大，造成硬度整體偏高。而實際裝配時主要是鍵柄部位嵌入發動機機匣，從而起到抗扭轉的作用，是銷鍵的主要性能考核部位，所以，通過以上試驗，說明4種不同強度、不同尺寸圓絲均無法滿足性能要求。

通過表1可見，第1組和第2組圓絲強度相當，且第2組強度要略高于第1組，但經軋制成形后，第1組銷鍵鍵舌部位硬度值卻高出第2組40HV，鍵柄部位也高出10HV。同樣，第3、4組原材料強度遠低于第2組，但其銷鍵成形硬度仍高出第2組。分析認為，第1、3、4組備料圓絲外圓為d1.32mm，而第2組備料圓絲外圓為d1.26mm，因為1Cr18Ni9材料主要靠冷變形硬化提高強度，在經過多次變形后，外圓大的圓絲變形量相對要大，軋制時冷作硬化效果更加明顯。

表1 不同圓絲尺寸、性能對應的銷鍵強度

第1組和第3、4組均采用d1.32mm外圓的圓絲加工成形，但第1組原材料強度明顯高于另外兩組。通過試驗對比，第1組相對于另外兩組，鍵柄部位硬度略有提高，而鍵舌部位硬度卻高出10～30HV。分析可知，原材料強度差異造成最終性能的不同，但影響相對較小。

通過以上分析可知：

1）圓絲外圓尺寸對銷鍵最終成形性能有較大的影響，應適量加大圓絲外圓尺寸，以尋求更大的變形量。

2）圓絲強度對銷鍵性能有一定的影響，可適量提升圓絲強度，從而保證銷鍵強度。

在以上試驗基礎上，選擇外圓尺寸為d1.38mm、強度為1 100MPa的圓絲加工成兩種不同規格的銷鍵，實際硬度值見表2。

由表2可知，在增大圓絲外圓尺寸為d1.38mm、同時適量提升圓絲強度至1 100MPa后，銷鍵經過軋制成形，其性能有大幅度的提升，其中鍵柄作為性能主要考核部位，硬度平均值均達450HV（換算強度為1 500MPa）以上，滿足1 400MPa高強度性能要求。但是，在試制過程中發現，在加大了圓絲外圓尺寸及強度的情況下，圓絲軋制扁絲、扁絲軋制銷鍵的過程中，出現銷鍵型面質量差、個別尺寸有偏差等情況。經分析因變形量加大，變形金屬的表面發生劇烈的更新，從而使金屬黏結工模具的現象嚴重。為減少或消除這種現象，在擠壓時一般需要采用潤滑劑。擠壓時潤滑劑的作用是降低磨擦系數和擠壓力，擴大擠壓坯料長度，改善擠壓過程金屬流動性質和均勻性。經多次試制，最終選擇在軋制過程中使用專用航空潤滑油進行冷卻、潤滑，可解決問題。

表2 不同圓絲尺寸、性能對應的銷鍵強度

同時，為了驗證銷鍵強度提升后的抗扭轉穩定性，對帶鍵螺套進行了抗扭試驗驗證，發現當抗扭試驗力矩上限提升40%時，試驗螺栓出現斷裂失效現象，而此時螺套依然穩定地保持在鋁基體工裝之中。可見，銷鍵經研制改性后，抗扭轉能力極強，可有效保證帶鍵螺套應用穩定性。

5. 結語

通過研究，成功研制出了1Cr18Ni9材料1 400MPa高強度銷鍵，也找出了影響銷鍵性能的關鍵因素，主要有以下幾點：

1）原材料雜質含量對銷鍵成形性能有一定的影響，要求原材料采用電渣重熔料。

2）圓絲外圓尺寸和性能是影響銷鍵最終性能的關鍵因素，其中外圓尺寸影響最大，當圓絲外圓尺寸為d1.38mm、強度達到1 100MPa時，銷鍵可滿足1 400MPa高強度要求。

3）采用航空潤滑油進行過程冷卻，可解決銷鍵軋制過程中型面質量差、尺寸偏差等問題。