锥形套质量原因及工艺改进分析范文

摘要:分析了锥形套心部硬度偏低，渗层不均匀，镀层结合力差等质量问题产生的原因。通过故障原因分析，要得到合格的心部硬度，需要原材料的碳含量不小于0．2%;好的预备热处理状态和C、N势控制及渗前对炉罐和零件清理能得到均匀的氰化层;零件镀前的清洁状态会明显影响镀层质量。根据问题原因制定了工艺改进措施。

关键词:锥形套;心部硬度;渗层均匀性;镀层质量;工艺改进

某型机液压导管因漏油问题而造成油箱液位报警器数次报警，并造成紧急迫降等飞行事故;经故障分析，认为导管漏油故障的产生与锥形套制造质量密切相关。锥套式导管连接结构简图如图1所示，通过锥形套与导管和接头进行密封连接，密封结构如图2所示，锥形套是该构件的关键零件，对保证导管的密封性能起决定性的作用，它要求具有较高的表面硬度、一定的中心强度和较好的韧性。锥形套是采用20钢加工而成，并进行氰化处理。氰化处理又称为碳氮共渗，碳氮共渗是传统的热处理工艺，它能在保持工件内部具有较高的韧性的条件下，得到高硬度、高强度的表面层［1］。经碳氮共渗、淬火、回火处理后，渗层组织应为含碳、氮的马氏体、细小均匀分布的碳氮化合物颗粒和少量的残余奥氏体，心部为铁素体。各种组织形态、大小、数量和分布均匀度对零件的使用性能都有影响［2］。锥形套制造工艺包括机械加工、氰化处理、镀镉等工序，零件制造完成后需要和不锈钢管或铝管收压装配，装配后保证锥形套能360°自由转动;锥形套组装后还要经过重复装配、强度爆破、振动试验。锥形套是一种形状复杂的薄壁零件，零件厚度仅1．1～1．52mm，渗层薄且要求高，控制表面及心部的硬度，技术要求为:1)氰化层深度0．03～0．07mm;2)氰化层显微硬度500～800HV0．1;3)中心的维氏硬度170～240HV0．1。为弄清楚锥形套收口变形的原因，采用光谱分析仪、显微硬度、光学金相显微镜等对故障锥形套的化学成分、氰化层显微硬度、氰化层深度、心部硬度进行分析及对故障件镀层进行外观检查。

1检验、分析

1．1化学成分及供应状态检查

锥形套由20钢制造，20钢的化学成分见表1。核查了近两年来锥形套原材料的复验记录，发现各批次材料的化学成分在规定范围内波动，供应状态均为退火。原材料的碳含量和供应状态对氰化层深度及表面硬度无明显影响，但会对心部硬度产生较大影响。为改善加工性能，使渗层和心部具有均匀的组织，渗前零件热处理状态应为正火或正火加回火［3］。 

1．2心部硬度核查

近两年来锥形套近20批次原材料复验记录，发现碳含量≤0．20%时，锥形套心部硬度普遍偏低。合适的心部硬度是保证锥形套有一定的塑性以满足收缩变形的要求，具有一定的韧性，保证锥形套收口后不产生过度变形。以往经验表明，心部硬度最好保持在200HV0．1以上。心部硬度过低或/和心部组织不均会造成锥形套收压后不能自由转动，甚至会压伤导管表面，产生应力集中，且使强度降低，使用过程中导管在振动作用下缩颈处发生疲劳断裂。

1．3渗层硬度及深度

复检了近2年共10批次的零件氰化层硬度，大部分满足要求，少部分零件渗层深度满足不了要求，存在渗层较浅且渗层不均匀的问题，金相组织分析如图3。渗层不均匀间接反映出了零件原始组织的不均匀或气氛流动不畅，组织不均匀会使收压后回弹不均匀导致导管和锥形套变成随圆，使得密封不紧。氰化层硬度是确保环形牙咬入导管表面的硬度。

1．4镀层质量镀层质量会影响

零件的抗蚀性，从图4可以看出，由于锥形套镀层质量差，零件局部已开始锈蚀。常见镀层缺陷有起皮，局部未镀上、脱落等情况，镀层缺陷会造成装配时密封不紧或零件在使用过程中提早锈蚀而不能起到密封作用而产生液压渗漏。

2质量问题原因分析

2．1渗层不均匀原因分析

锥形套氰化温度740～780℃，在750℃～840℃温度范围的C-N共渗温度下，低、中碳钢基体处于二相区，有利于渗层深度的控制，因此，渗层的不均匀可能是设备和工艺控制等原因［4］。造成渗层不均匀的原因主要有C、N势不足，氰化温度偏低，保温时间短，炉气不畅，大量碳黑沉积在炉膛内，炉温不均匀、装料太密，工件表面有油污等原因［5］。影响渗层质量原因主要有:1)为增加渗剂的溶解速度，操作者随意增加酒精，改变了渗剂成份，影响渗速及氰化时间，对渗层均匀性及硬度产生不良影响;2)炉罐及风扇表面残留积碳，影响氰化速度及渗层质量。

2．2心部硬度偏低原因分析

表2所列数据是不同批次相同工艺处理的结果。从表2可以看出，含碳量≥0．2%的钢氰化后，心部硬度符合要求;含碳量＜0．2%时，心部硬度难以保证。因此，应尽量选择含碳量高于0．2%的钢加工锥形套［6］。

2．3镀层质量原因分析

氰化后，零件直接放入普通淬火油槽中淬火，淬火油使用时间过长，已部分老化，不清洁;淬火后，零件表面附有粘结的油污及积碳，不易清理，严重影响零件电镀质量。零件氰化后需要采取油封，增加后续零件电镀前清洗的难度。另一方面，由于锥形套零件氰化后表面无加工余量，不能用吹砂等机械方法清理表面，只能采用除油和酸洗进行预处理，除污效果有限，预处理后的零件表面结合力不佳，电镀质量难以保证。

3解决措施及效果

3．1原材料碳含量及氰化前状态控制

1)在技术协议中明确要求用于加工锥形套的原材料的碳含量要不低于0．2%。2)对退火状态的原材料经(910℃保温，水冷或空冷，回火温度600～640℃，空冷)调质处理后，氰化后的渗层均匀，心部组织均匀、晶粒细小。心部硬度明显提高，心部硬度在200～240HV10范围内，检测结果见表3，渗层金相组织见图5。

3．2氰化层均匀性控制

渗前清理氰化炉炉膛，不允许炉内有油、水、污物等有可能影响氰化效果的成分。采用汽油、丙酮等有机溶剂手工将锥形套表面污垢及杂质清洗干净，或采用清洗机将锥形套清洗干净。控制装炉量，每批装炉量不大于500件，确保炉内气氛循环通畅。在操作程序中明确规定渗剂配制要求，由于渗剂为尿素和三乙醇胺，尿素在常温下难以溶解在三乙醇胺中，为此用热水加热装有渗剂的容器，使溶剂保持完全溶解状态。经过工艺改进后的渗层组织见图6。

3．3电镀层质量改进

3．3．1电镀前改善零件表面状态采用丙酮多次清洗零件表面，清洗后的零件不允许赤手接触，在生产说明书中规定并在车间文件中明确，氰化后的淬火均采用清洁的真空淬火，要求操作者严格实施。工艺改进前后的镀前零件表面质量对比，见图7。3．3．2优化电镀工艺氰化工序后交件时不对零件进行油封处理，仅使用防锈袋进行封装，电镀镉前适当延长除油时间，前处理工序之后增加预镀镍打底工序，然后再进行镀镉。工艺改进前后的电镀层质量对比见图8。

4结论

1)原材料碳含量低于0．2%会影响心部硬度。2)C、N势不足，氰化温度偏低，保温时间短，炉气不畅，大量碳黑沉积在炉膛内，炉温不均匀，装料太密，工件表面有油污等原因会影响渗层均匀性。3)渗前热处理状态为正火或正火加回火，有利于提高心部硬度和渗层均匀性。4)镀前零件状态及增加预镀镍打底工序可提高电镀层质量。

参考文献

［1］翁朝辉，彭如恕，栗俊杰，等．激光重熔对45#钢碳氮共渗层性能改进研究［J］．热处理技术与装备，2009，30(2):28－31．

［2］刘静．碳氮共渗工艺在内燃机车柴油机齿轮上应用研究［J］．煤炭技术，2012，31(6):14－16．

［3］航空制造工程手册总编委会．航空制造工程手册(热处理)［M］．北京:航空工业出版社，1993:399－418．

［4］王荣祯，刘启才．20#钢锥形套薄层氰化［J］．直八型直升机研制文集(C)，1994(8):227－281．

［5］王荣斌．碳氮共渗十种缺陷分析与对策［J］．摩托车技术，1999(12):10－13．

［6］陈涛，陈彬南．超薄层C-N共渗研究［J］．南昌航空工业学院学报，1995(1):51－55．

作者：蒋克全 巢昺轩 赵学良 单位：昌河飞机工业集团有限责任公司