0Cr17Ni4Cu4Nb材料在宇航緊固件中的應(yīng)用

胡慶寬，許永春，金宏

河南航天精工制造有限公司 河南信陽 464000

河南省緊固連接技術(shù)重點實驗室 河南信陽 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標準中合金鋼、碳素鋼緊固件占有較大的比例[1，2]。在宇航型號部件結(jié)構(gòu)設(shè)計中，800MPa以上等級的緊固件多以30CrMnSiA材料為主，30CrMnSiA鋼具有良好的機械加工性能，但在實際使用過程中存在較多對產(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；其屈強比低，縱向、橫向力學(xué)指標差異較大，無法滿足高承載、高抗疲勞性能要求；耐蝕性差，需要進行表面處理（鍍鋅、鍍鎘、氧化等），電鍍后存在氫脆風(fēng)險較大等缺點。隨著航空航天海防裝備的發(fā)展，對海防飛機、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。為進一步提升航天海防裝備專用緊固件在海洋環(huán)境下的適應(yīng)性能力，必須開發(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)定的高強度不銹鋼材料，通過先進的加工技術(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、表面處理工藝等幾個方面論證了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，但只能通過機械加工強化。在機械加工過程中，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。馬氏體不銹鋼通過淬火形成馬氏體相變強化，但存在較大的回火脆性風(fēng)險，其耐蝕性比奧氏體不銹鋼差。為了克服以上缺點，開發(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，通過馬氏體相變和在400~650℃溫度內(nèi)時效時，析出ε-Cu、NbC和M23C6等時效強化相而產(chǎn)生沉淀硬化。在固溶狀態(tài)下組織為低碳板條馬氏體，隨后通過在400~650℃溫度內(nèi)時效，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℃時效，具體熱處理工藝見表1。

表1 0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼性能指標

經(jīng)過熱處理強化后材料抗拉強度可達到1100M P a以上，同時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，其顯微組織為過飽和低碳板條馬氏體。為保證材料獲得足夠的強度和韌性，在選擇固溶溫度時，一般固溶溫度不要太高。時效的目的是利用彌散強化作用產(chǎn)生細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。固溶處理后時效時，馬氏體組織發(fā)生回火轉(zhuǎn)變，析出尺寸極小（約20nm）的ε-Cu和NbC、M23C6等時效強化相，以獲得盡可能好的綜合力學(xué)性能。

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

圖2 不同時效溫度力學(xué)性能

3 成形特性

3.1 鐓制成形性能

由于其固溶狀態(tài)下強度較高，所以在制造緊固件時對鐓制成形設(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，在進行熱加工成形時，選擇合適的工藝參數(shù)，不容易出現(xiàn)過熱、過燒現(xiàn)象，典型過熱組織如圖3a所示。對于六角頭、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”，使產(chǎn)品在受力過程中易出現(xiàn)快速解理開裂。冷滾壓控制頭桿結(jié)合部位金屬流線和螺紋處金屬流線，提高產(chǎn)品疲勞壽命。

圖3 加工過程存在的典型缺陷

3.2 機加工性能

0Cr17Ni4Cu4Nb材料主要用于制造1100MPa級高強度緊固件，由于其對表面質(zhì)量要求較高，所以在制造緊固件過程中需要數(shù)控車削和無心磨削等精加工手段予以保證。該材料機加工性能良好，在車削、磨削加工過程中，可以選用較高加工速度和較大車削量，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

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系列標準中的30CrMnSiA不銹鋼和1Cr17Ni2不銹鋼。熱處理狀態(tài)為固溶+時效，螺栓性能有抗拉強度和硬度兩種方式，螺栓抗拉強度一般為1180MPa±100MPa，硬度為35~42HRC（通過HB0-94—1977換算后抗拉強度為1078~1303MPa）。為驗證0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼緊固件標準性能指標和實測情況，確定0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼材料性能的穩(wěn)定性和合理性。按照航空航天型號最普遍使用的幾種頭型、型式和典型規(guī)格進行選擇螺栓、螺釘和螺母來驗證其緊固件性能方案，并對其強度和硬度進行實際檢測，結(jié)果見表2。

表2 0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼產(chǎn)品性能實測性能

對于0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼緊固件，為了獲得良好的綜合力學(xué)性能，選定具體檢測指標見表3。

表3 0Cr17Ni4Cu4Nb螺栓性能指標

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），特殊情況下可進行其他類型的表面處理方式如涂MoS2、涂十六醇等提升表面潤滑性，防止冷焊（咬死）問題產(chǎn)生，也可依據(jù)客戶需求和使用環(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

綜合分析了0Cr17Ni4Cu4Nb材料特性，鐓制成形性能，機加工性能、熱處理和表面處理工藝及緊固件結(jié)構(gòu)特點，并制定了緊固件綜合性能指標。0Cr17Ni4Cu4Nb材料在國內(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；耐蝕能力可以達到傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼電鍍緊固件的5~10倍，性價比高，能夠取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼電鍍緊固件。國外相近材料牌號17-4PH沉淀硬化不銹鋼，已在歐美等發(fā)達國家宇航緊固件領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[6]，為0Cr17Ni4Cu4Nb材料在我國相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的借鑒。