淺談Inconel718十二角頭螺栓制造工藝技術

袁永恒，金宏，蘆靜，許永春，萬志慧，周為，劉樂，楊保建

河南航天精工制造有限公司 河南信陽 464000

1 序言

目前，Inconel718是航空發(fā)動機上應用最為廣泛的高溫合金，主要應用于制造航空航天發(fā)動機中的各種靜止件和轉動件，如盤、環(huán)形件、機匣、軸、葉片、緊固件及彈性元件等[1]。Inconel718十二角頭螺栓是發(fā)動機上應用較為普遍的緊固件，也是高溫高強緊固件的代表性產(chǎn)品。

國外對與航空航天領域有關的高溫合金材料，尤其是Inconel718合金的工藝和應用仍然是處于嚴格保密狀態(tài)，因此其材料特性和制造工藝需要自行研究。性能等級為Rm≥1242MPa、Rp0.2≥745MPa的Inconel718高溫合金加工難度最大，合金化程度較高，導致其熱加工性能惡化，熱變形區(qū)域縮小，因此加大了熱成形難度[2]。同時，由于材料的強度高、塑性低，熱處理后Inconel718材料的Rm≥1300MPa、硬度為43～48HRC，使得后續(xù)的加工困難。本文針對Inconel718十二角頭螺栓的材料特性和結構特點，討論螺栓的關鍵加工技術和制造工藝，確定最優(yōu)加工路線及工藝參數(shù)，以實現(xiàn)該產(chǎn)品的批量加工。

2 產(chǎn)品特點

十二角頭螺栓的結構如圖1所示，其中頭部熱鐓成形，桿部車制成形，螺紋溫滾壓螺紋成形。螺栓頭部形狀復雜，具有十二角扳擰結構，在扳擰時受力充分且扳手不易滑脫；在十二角頭底部帶有法蘭臺，作為安裝后的承力部位。本文要研究的螺栓加工精度要求較高，以SAE AS 9716A—2007.3125-24UNJF-3A規(guī)格的產(chǎn)品為例來闡述螺栓的制造技術，其桿部直徑為7.92mm，性能要求：Rm≥1242MPa、Rp0.2≥745MPa。

圖1 十二角頭螺栓結構

3 加工工藝

Inconel718十二角頭螺栓采用棒材加工，材料滿足AMS 5662標準的要求。生產(chǎn)工藝流程：下料→普車1→無心磨→潤滑→熱鐓→去涂層→噴砂1→熱處理→噴砂2→普車2→數(shù)控車→普車3→去毛刺→制標→無心磨2→滾壓螺紋→滲透檢測→表面處理→終檢→包裝入庫。下面將針對熱處理、滾壓螺紋工序進行分析。

3.1 熱處理

十二角頭螺栓采用的是Inconel718高溫合金棒材，材料狀態(tài)為固溶態(tài)，并進行了加工硬化。產(chǎn)品要達到最終性能需要進行熱處理，使產(chǎn)品經(jīng)過時效強化，達到沉淀硬化狀態(tài)，以獲得高強度及良好的塑性等綜合性能。為了獲得最佳熱處理制度，采用以下3種熱處理方案：

（1）第一種方案 1010℃±10℃保溫1h，氣冷或空冷，720℃±5℃保溫8h，以50～60℃/h的速度爐冷至620℃±5℃保溫8h，氣冷或空冷。熱處理工藝如圖2所示，金相組織如圖3所示。

圖2 熱處理工藝一

圖3 熱處理工藝一金相組織（100×）

（2）第二種方案 960℃±10℃保溫1h，氣冷或空冷，720℃±5℃保溫8h，以50～60℃/h的速度爐冷至620℃±5℃保溫8h，氣冷或空冷。熱處理工藝如圖4所示，金相組織如圖5所示。

圖4 熱處理工藝二

（3）第三種方案 720℃±5℃保溫8h，以50～60℃/h的速度爐冷至620℃±5℃保溫8h，氣冷或空冷。熱處理工藝如圖6所示，金相組織如圖7所示。

圖5 熱處理工藝二金相組織（100×）

圖6 熱處理工藝三

圖7 熱處理工藝三金相組織（100×）

通過對比分析以上三種熱處理方案可以看出，熱處理方案一的材料晶粒度粗化，晶界和晶內(nèi)無δ相，存在缺口敏感性，主要應用于對晶粒度要求較高的產(chǎn)品；熱處理方案二的材料晶界有δ相，有利于消除缺口敏感性，產(chǎn)品按該方案進行熱處理，性能穩(wěn)定且滿足要求，見表1；熱處理方案三的材料中δ相較少，能提高材料的強度和沖擊性能，主要應用于冷拉態(tài)原材料直接時效熱處理制度。

表1 熱處理方案二性能檢測結果

綜上所述，熱處理方案二的螺栓力學性能最優(yōu)，同時其加工質量穩(wěn)定性最好，為最優(yōu)熱處理方案。

3.2 溫滾壓螺紋

Inconel718高溫合金的性能需滿足Rm≥1242MPa、Rp0.2≥745MPa力學性能要求，其硬度較高，可達到43～48HRC，塑性較差，材料產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象嚴重。如果進行冷滾壓加工，會使加工存在以下問題：

（1）問題一 螺紋滾壓輪壽命較短，滾壓數(shù)件或數(shù)十件產(chǎn)品后螺紋滾壓輪產(chǎn)生崩齒的問題，如圖8所示。

圖8 螺紋滾壓輪崩齒缺陷

（2）問題二 滾壓螺紋后很容易產(chǎn)生裂紋、折疊超標等缺陷，如圖9所示，不適合大批量生產(chǎn)。同時也不能滿足產(chǎn)品的質量要求。

圖9 滾壓螺紋后螺紋處的裂紋、折疊缺陷

針對以上問題，決定采用溫滾壓螺紋的方式加工螺紋。材料經(jīng)加熱后強度降低，加工硬化現(xiàn)象得以緩解，使材料流動性增強，易于螺紋成形，可以有效地解決螺紋滾壓輪崩齒和螺紋質量差等問題。

在溫滾壓螺紋加工過程中，加熱溫度、滾壓力、滾壓時間等加工參數(shù)以及螺坯桿桿徑尺寸是制造過程控制的關鍵因素，需要通過工藝試驗來確定。

4 研制產(chǎn)品評估

4.1 外觀尺寸和冶金特性

最終完成了Inconel718十二角頭螺栓（見圖1）研制產(chǎn)品的加工，產(chǎn)品標準和規(guī)范中要求螺栓尺寸和表面粗糙度應符合圖樣要求，表面不應有裂紋、毛刺、磕碰傷、劃傷和其他機械損傷；金相檢查頭部金屬流線連續(xù)且完整，螺紋不連續(xù)性符合標準要求，微觀組織沒有裂紋和夾雜物，螺紋牙底和牙側無折疊、發(fā)紋等缺陷。經(jīng)檢測研制產(chǎn)品尺寸和質量合格，冶金特性也滿足技術規(guī)范的要求。

4.2 力學性能試驗

根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范的要求，Inconel718十二角頭螺栓的試驗內(nèi)容包括：抗拉強度、抗剪強度。試驗方法按GJB 715.23A—2015和GJB 715.26A—2011執(zhí)行結果表明：螺栓的力學性能均符合規(guī)范要求。

5 結束語

本文介紹了Inconel718十二角頭螺栓的材料及結構特點，針對熱處理和溫滾壓螺紋工序工藝重點和難點進行了分析，通過工藝試驗得到以下結論。

1）通過3種熱處理方案對比，960℃±10℃保溫1h。氣冷或空冷，然后720℃±5℃保溫8h、以50～60℃/h的速度爐冷至620℃±5℃保溫8h、氣冷或空冷的熱處理制度下的螺栓具有最優(yōu)的綜合性能，確定其為最優(yōu)熱處理制度。

2）采用溫滾壓的方式加工螺紋，解決了螺紋滾壓輪崩齒和螺紋裂紋的問題，通過工藝試驗確定了合理的滾壓工藝參數(shù)。