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航空热处理新技术发展2010-04-0219:37航空热处理新技术发展
王广生
北京航空材料研究院，北京100095
近年来，为了适应建立现代化国防需要，加快了航空工业的建设和发展，加大了航空热处理技术改造力度，新建和扩建热处理厂房，面积增加近一倍，设备更新在50%以上，同时也推动了航空热处理新技术研究和采用。在真空热处理、可控气氛热处理、热处理冷却技术、热处理节能减排技术和标准与管理等方面都有了长足进步和发展。 1真空热处理技术
1.1真空油淬技术
真空油淬是目前真空热处理的主要工艺。真空油淬技术发展过程中曾遇到的技术难点是真空油淬增碳问题。上世纪七十年代的实验研究表明，真空油淬可能产生增碳，使疲劳性能降低。近三十年解决了真空淬火油和真空油淬表面增碳等技术关键，除在工模具热处理方面应用外，已成功用于飞机起落架等重要结构件的精密热处理。 总结真空热处理研究成果和生产经验，1991年编制了HB/Z191-91"航空结构钢不锈钢真空热处理书"，用于指导航空工业中真空热处理生产。
航空超高强度钢制起落架等重要受力件大都是长杆件，一般要求采用立式真空油淬炉进行垂直加热和淬火，给真空热处理带来不少困难，成为航空真空热处理的关键。
为了防止油淬时油烟上升污染加热室，真空立式油淬炉一般有三个室:加热室、中间室、淬火槽。淬火时，现将加热的工件放到中间室，关闭炉门后再淬入油中，这样淬火转移时间长，很难达到结构钢淬火转移时间≤25s要求。通过良好紧凑结构设计和精密协调的控制，较好解决了立式真空油淬炉淬火时防止污染加热室和缩短淬火转移时间的技术关键，成功用于起落架等长杆件的真空油淬。
真空立式油淬炉还有一个没有中间室的方案，真空加热室直接连着淬火油槽，淬火时，通过向炉内通入大量氮气压制淬火时油烟对加热室的污染。
1.2真空加压气淬
真空加压气淬具有工件表面光洁、无需清洗、避免环境污染等很多优点，是近年来真空热处理重要和迅速发展领域。主要问题是淬透性和淬硬性及与传统的气淬、油淬、分级淬火或等温淬火对比和衔接，应从冷速测定和临界直径测定去研究。目前航空工业中真空加压气淬已成功用于不锈钢、高温合金、钛合金、精密合金和部分结构钢等零件的热处理，发挥了重要作用。
电力网桥(1)真空加压气淬的冷速测定
真空加压气冷，提高了冷却速度，可以代替传统的气冷、部分油冷或分级淬火，可以实现控制冷却，达到合理冷却的目的。所以研究真空加压气冷的冷却特性，并与常规的炉冷、气冷、油冷、硝盐浴等冷却方式对比是制定真空加压气冷工艺的重要依据。
我们用KHR-01便携式冷却介质性能测定仪，采用内装热电偶的镍基合金探头实验法，尝试
了美国Abar-Ipsen公司H3636的各种压力气冷的冷却速度，并与气冷、吹风冷却、油淬进行对比，实现了真空加压气冷的冷速与通常的冷却介质冷却的对比衔接。普通气冷的冷却速度介于0.1Mpa和0.2Mpa加压气淬之间，吹风冷却冷速介于0.3Mpa~0.4Mpa之间。
(2)真空加压气淬的淬透性
目前，对于真空加压气淬技术的关键是对主要的合金结构钢、工模具钢和不锈钢等尝试和确定不同淬火压强的临界淬透直径，以指导真空加压气淬热处理生产。我们的试验表明，5×105pa压力下气淬，可将φ80mm的40CrMnSiMoVA钢淬透:40CrNi2Si2MoVA钢可淬透φ60mm，2Cr13钢可淬透φ130mm，9Cr18钢可淬透φ50mm。也可借鉴的临界淬透直径国外资料的数据。
真空渗碳多采用真空-充气脉冲式渗碳工艺，以避免渗碳过程中产生内氧化等缺陷。该工艺具有工件表面光亮、生产效率高、成本低、可进行盲孔或小孔渗碳等优点，但工件表面碳黑多、尖角过渗等问题突出，应予防止。
我们采用国产双室真空渗碳炉进行了不锈钢真空渗碳研究，圆满解决了不锈钢由于存在钝化膜而不易进行渗碳和渗碳温度过高的问题。采用丙烷作渗碳剂、氮气作载气，合理控制两种气体混合比例及流量压力，有效控制了真空渗碳过程中碳黑的产生及其影响。1Cr11Ni2W2MoV不锈钢真空渗碳已用于航空零件的生产。
1.4真空磁场热处理
磁场热处理可以提高磁性材料的电磁性能，也可以提高结构材料的力学性能。真空磁场热处理把真空热处理技术与电磁场技术结合起来，形成真空热处理的又一个分支。
我们研制成功可控制加热和冷却的真空磁场热处理设备，对软磁材料49K2ΦA(相当于1J22)和电机转子进行了真空磁场热处理，样件和产品的磁性有很大提高，与普通真空热处理相比，真空磁场热处理在磁感应强度(B)和屈服强度(σS)相同情况下，矫顽力(HC)明显降低。
2可控气氛热处理螺旋桨设计
2.1氮基气氛保护热处理
氮基气氛是一种很有发展前途的可控气氛，用于保护热处理和化学热处理。氮基气氛用于保护处理可以达到少无氧化脱碳和光亮热处理，氮基气氛化学热处理可以减少内氧化等缺陷，提高化学热处理质量。氮基气氛还具有气源丰富、节约能源、成本低廉、安全性好、适应性强、污染少、不会产生氢脆，还可等温淬火等优点，目前成为热处理的重要分支。
氮基气氛保护热处理可以采用箱式多用途炉、底装料立式多用途炉，也可采用井式多用炉。氮基气氛保护热处理可以满足脱碳层≤0.075mm的要求。
氮基气氛保护热处理气氛炉气中主要是氮气，含氢在6%左右。由于氮基气氛保护淬火时炉气中氢含量较低，对钢件不会产生增氢。淬火试样氢含量比原材料有所下降，但仍有氢脆危险，只要及时回火即可避免氢脆危险，不必增加专门除氢处理工艺。另外氮基气氛热处理使用温度应控制在1050℃以下。
2.2可控渗碳
(1)碳势控制的精确度
在保证炉温均匀性和温度精确控制前提下，采用碳势传感器和碳控仪进行碳势控制。
但在滴注式气氛和直生式氧气条件下，还需要红外仪对CH4和CO进行控制。可控渗碳采取的控制方案主要有氧探头控制、红外仪控制、电阻探头控制等。常用的是氧探头控制，从单一参数控制逐渐发展到氧势-CO-温度三参数控制，碳势控制精度±(0.025~0.05)%C。
脱蜡
(2)底装料立式多用炉
流程工业在线底装料立式多用炉具有如下特点:
①炉子升温快，炉内气氛可迅速转换，该设备从室温(冷炉状态)升至900℃渗碳温度的总计时间仅需1.5h，从炉内某一种气氛转换为另一种气氛在几分钟内即可完成。可以实现薄渗层和表面碳势(或硬度)同时要求的渗碳或碳氮共渗。
例如北京长空机械有限公司来用SOLO多用炉解决了0.05~0.10mm超浅层碳氮共渗。
零件热处理质量长期不稳定问题，某型号航空产品中有两项操纵杆类零件，其材料为ZG35CrMnSi，要求碳氮共渗层深度0.05~0.10mm，要求渗层表面硬度688~766HV。
②底线料立式多用炉生产线可根据需要配置火炉、清洗机、传动机构，适应不同生产批量。
配置灵活多样，冷却部分可配油槽、水槽、等温槽和加压气冷室，可以实现油淬、水淬、有机淬火介质淬火、等温淬火、加压气淬等多种工艺。特别适合航空热处理小批量、多品种的特点，是代替盐浴最佳方案。目前，航空工厂已有近10台底装料立式多用炉。、
(3)高温渗碳
今年在渗碳工艺方面重要发展之一是高温渗碳，一方面高温渗碳可以缩短渗碳时间，提高生产效率，另一方面高温渗碳可以解决不锈钢渗碳要求。随着航空工业发展，很多零件要求抗蚀耐温性能又要求耐磨，必须采用不锈钢渗碳，可以使用真空渗碳工艺，也可使用气体高温渗碳工艺。
普通渗碳炉最高使用温度为950℃，不锈钢渗碳要求在1000℃左右，为此要求使用高温渗碳炉，国内外已出现高温井式渗碳炉、高温箱式渗碳炉、高温底装立式多用炉等，采用耐高温氧探头进行碳势控制。
不锈钢高温渗碳还有一个技术关键，就是要采用特殊方法去除钝化膜，可以通入氯化铵或其他介质。
2.3可控渗碳
顶喷提高渗碳控制精度，改善渗氮层质量和稳定性是当前化学热处理另一个重要方向。精密渗氮基本要求是炉子有良好密封，保证炉内正压，炉温均匀±3℃~±5℃，气氛均匀达到渗氮层偏差≤0.05~0.1mm,渗氮层组织在1~4级，波动范围2级，白亮层≤0.01mm，氨分解率波动±1%~1.5%。一种方案是采用氢分析仪(或氨分析仪)控制，另一种是采用氢探头控制。
渗氮炉最新进展:①采用氨高温裂解作为载气，有助于炉内氮势精确调整，又可以在少量工件渗氮时，不用填加陪衬料情况下实现可控渗氮。②实现氮势精确控制，通过传感器、精密流量阀和氮控仪实现闭路控制。③渗氮数据库和专家系统，可制定渗氮工艺和仿真控制。④去除不锈钢钝化膜的专利技术，较好解决了不锈钢渗氮工艺，有通入NH3Cl、C2H2Cl4及预氧化法等。
3热处理冷却技术
3.1冷却特性尝试标准
为了对各种介质冷却特性进行比较，必须对测定方法，包括探头材料、几何形状和尺寸、
加热和冷却条件等进行标准化。由国际热处理联合会(IFHT)淬火冷却委员会制订，在1995年颁布了ISO/DIS9950《用镍合金探头测定工业淬火油冷却特性的试验室测定方法》。该方法对淬火油冷却特性测定采用尺寸为Φ12.5mm×60mm的Incone1600探头。我国机械工业标准JB/T7951-2004"测定工业淬火油冷却性能的镍合金探头实验方法"等效采用了国际标准ISO/DIS9950，采用镍基合金探头。型钢
在冷却介质评定和冷却过程研究中都采用镍基合金探头和冷速测定仪，航空热处理应重视冷却技术，不断配置必要的研究和尝试条件。
3.2淬火介质的选择
热处理生产中常用的淬火介质是油、水、空气，有机淬火介质已发展成熟，应用越来越广泛，特别是由于热处理节能环保要求，有机淬火介质是发展方向。
在航空热处理中应积极采用有机淬火介质，减少热处理变形和减少环境污染。
成都某厂在4M空气循环电炉上已成功使用UconA代替水，大大减少了铝合金热处理变形和钣金件校正工时(50%以上)。
①7075模锻件，长×宽约500mm×400mm,最大厚度为2mm。此锻件粗加工后采用硝盐炉加热，再热水中淬火后，测型面畸变量为1.0~1.8mm;采用新4m空气炉加热，在UconA水溶液中淬火，测型面畸变量为0.3~0.6mm，可见聚合物溶液淬火明显减少了畸变量。
②镜面化铣蒙皮7075材料毛料，尺寸2.45mm×1302mm×4991mm。该项蒙皮板淬火后，周边翘曲，并有马蹄印和折痕，后续中工种难以消除，零件报废率达到100%;在UconA水溶液中淬火后，表面平整，消除了畸变现象。
③型材7075材料，最大厚度15mm，长度1500mm，该项零件淬火后，产生弯曲变形，与模具间隙超过2.5mm，校正周期长;在UconA溶液中淬火后，无畸形，不需校正。
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