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,在真空热处理技术方面也在加大开发。
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。
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。
(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,测试了美国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测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。
3.真空渗碳
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。
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。