30CrMnSi Ni2A飞机起落架热处理工艺设计解析

辽宁工业大学工艺课程设计（论文）题目：30CrMnSiNi2A飞机起落架热处理工艺设计院（系）：材料与化学工程学院专业班级：材料科学与工程072学号：学生姓名：指导教师：起止时间：2010-7-5~2010-7-16课程设计（论文）任务及评语前言金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。

金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。

其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。

为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。

钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。

另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。

热处理是现代工业中不可缺少的一项重要工序，它可以不破坏材料而提高材料的性能使材料达到需要的性能，对提高零件的性能，挖掘材料的潜力，节约用材，延长机器零件使用寿命起着重要作用。

热处理在日常生活、医药、通讯、国防乃至航天领域也有着极其重要的作用。

是国家工业技术发展水平的象征。

随着人们对热处理这一技术的认识和掌握，必将进一步推动人类的进步和文明。

随着机械制造业的技术升级，新技术，新工艺，新材料，新设备的广泛应用并迅速转化为优质产品，需要大批高智能型技术工人的有效劳动。

这就迫切要求企业的热处理技术人员了解和掌握材料热处理方面的基础知识，并能自觉地，完整地，独立地执行热处理工艺规范，确保优质、高效、文明的热处理生产。

选择什么样的钢种制造大飞机起落架，可以满足飞机减重的需要、实现与飞机机体同寿命使用、实现起落架低成本要求，还要满足大飞机起落架大型零件的需求，就需要研究低合金超高强度钢大规格棒材组织和性能均匀性控制的技术问题。

本设计是在课堂学习热处理知识后的探索和尝试，其内容讨论如何设计30CrMnSiNi2A钢的热处理工艺，重点是制定合理的热处理规程，并按此设计制定30CrMnSiNi2A钢的热处理方法。

目录前言 (I)目录 (II)1 30CrMnSiNi2A钢热处理工艺概述 02 服役条件、失效形式 03 材料选择 (1)4 30CrMnSiNi2A钢的C曲线 (3)5 加工工艺流程： (3)6 热处理工艺曲线 (3)7 阐述30CrMnSiNi2A钢退火、淬火、回火、渗氮热处理工艺理论 (5)8 选择设备、仪表和工夹具 (9)9 30CrMnSiNi2A钢热处理质量检验项目、内容及要求 (10)10 30CrMnSiNi2A钢热处理常见缺陷的预防及补救方法 (12)参考文献 (14)1 30CrMnSiNi2A钢热处理工艺概述除一些小型飞机和直升机外，飞机起落架主要受力结构件，如主体支柱外筒、活塞杆，前体支柱外筒、活塞杆，斜撑杆，上、下防扭力臂，机轮大轴，紧固螺栓等，起落架是飞机上重要而特别的部件，它不参与机体的结构和性能，却极大地影响飞机的使用与安全。

因此，起落架一直是飞机设计中的一个重要组成部分，同时又在设计思想和选材等方面与机体结构不同。

世界航空工业已走过100 余年的光辉历程，随着材料和制造技术的不断进步，各类军用、民用飞机起落架越来越轻量、可靠。

目前世界上航空业发达的国家均已形成了起落架材料体系。

我国现在正紧锣密鼓地开展大飞机的制造，其起落架结构尺寸更大，寿命更长（着陆次数一般为6万次）、可靠性要求更高，对现有材料如何选择，需要我们工作者认真思索。

30CrMnSiNi2A是我国广泛使用的一种综合性能良好的低合金超高强度钢，主要用于制造飞机起落架、机翼、发动机壳体等受力结构件，及高压连接件和高扭短轴零件[1]。

鉴于该钢在各个领域的重要作用，许多学者对其各方面性能进行了大量的研究。

30CrMnSiNi2A属于低合金超高强度钢。

它是在高强度钢30CrMnSiA的基础上加入1.4％～1.8％的Ni而得到的[2]。

由于Ni的加入，提高了钢的强韧性和塑性。

并大大提高钢的淬透性。

截面直径小于50mm的零件可以在油中完全淬透。

低合金超高强度钢原材料和制造费用相对较低。

我国用来制造各种导弹发动机壳体。

低合金超高强度钢往往是用复合组织和其他强韧化机制结合来提高强韧性。

根据文献中对低合金超高强度钢强韧性热处理工艺方法的研究可以知道。

马氏体的复合组织是一种非常理想的强韧性匹配很好的组织。

通过超高温淬火、分级淬火、等温淬火等热处理方法都能得到马氏体与少量韧性相的复合组织。

马氏体与奥氏体、马氏体与下贝氏体、马氏体与下贝氏体和残余奥氏体三相复合组织，都具有非常好的强韧性配合。

30CrMnSiNi2A钢是广泛使用的低合金高强度钢该钢在30CrMnSiNi2A的基础上提高了锰和铬的含量并且添加了1.4~1.6%的镍使其淬透性得到明显的提高改善了钢的韧性和抗回火稳定性，经热处理后可获得高的强度、好的塑性和韧性、良好的抗疲劳性能和断裂韧性、低的疲劳裂纹扩展速率，适宜制造高强度连接材料和轴类零件等重要受力结构部件。

2 服役条件、失效形式服役条件：起落架是供飞机起飞、着陆、滑行和停放使用的，属重要受力部件，直接影响着飞机的使用和安全。

失效形式：起落架不仅承受静载荷，而且承受很大的冲击力和疲劳载荷，特别主起落架的外筒，在着陆瞬间承受着复杂交变的压力、拉力、扭力和弯矩；同时外筒还作为减震器的一个组件，由于内腔充气而承受较大的内压力，所以要求零件有较高的抗拉强度，具有足够多的冲击韧度和抗疲劳性能；为了减轻结构的重量，要求有很高的比强度和良好的综合性能。

起落架外筒大多是采用超高强度钢制造的焊接结构件或整体结构件。

图1 飞机起落架简图图2 起落架支柱3 材料选择对于30CrMnSiNi2A钢，工艺要求淬火预热温度为（600±10）℃，淬火奥氏体化温度为（900±10）℃。

30CrMnSiNi2A钢是在30CrMn钢的基础上加入Si、Ni元素研制成的，属超高强度钢，常用于制造重要结构件。

近年来也用来制造塑料模具，尤其是制造要求强度高、韧性好的大、中型塑料模具。

其始锻温度1120~1160℃，终锻温度850℃，锻造后缓慢冷却。

30CrMnSiNi2A钢中碳保持在0.30%左右，便于强度与韧性的良好配合。

钢中加入Cr、Mn、Si、Ni元素，主要是提高钢的淬透性，兼有固溶强化基体组织、改善基体组织的回火稳定性作用。

30CrMnSiNi2A钢淬火加热时，Cr、Mn、Si、Ni元素完全固溶于奥氏体中，提高钢的淬透性[3]。

淬火后，Cr、Mn、Si、Ni元素固溶强化基体组织，并改善基体组织的回火稳定性。

低温回火时，部分Cr、Mn元素从基体组织中扩散到析出的渗碳体Fe3C中形成合金渗碳体（Cr、Mn、Fe）3C。

30CrMnSiNi2A钢中加入Cr、Ni元素，可增强钢的耐蚀性，Ni元素可改善钢的韧性。

钢中加入Si元素可增强钢的回火稳定性，但易使钢产生脱碳倾向。

加入Mn元素可提高钢的淬透性，但却使钢产生过热敏感性。

表1 30CrMnSiNi2A钢的化学成分（质量分数）（%）C Si Mn S P Ni Cr Cu Ti W V Mo0.28 1.06 1.11 0.005 0.011 1.51 1.05 0.17 0.01 0.03 0.01 0.10表2 30CrMnSiNi2A钢力学性能热处理状态屈服强度σ0.2/Mpa 抗拉强度σb/Mpa 断面收缩率ψ（%）伸长率（%）调制1456.67 1736.67 50.5 12.67退火473.00 788.00 50.5 13.70表3 30CrMnSiNi2A钢的主要力学性能名称σb（Mpa）σ0.2（Mpa）σs（%）ψ（%）A K（J）K K(Mpa.m1/2) 30CrMnSiNi2A 1620 1357 9 45 474 30CrMnSiNi2A钢的C曲线图2 30CrMnSiNi2A钢的C曲线5 加工工艺流程：锻造→正火+退火→机械加工→去应力退火→（焊接→去应力退火→）淬火+回火→校正→去应力退火→精加工→去应力退火→喷丸→探伤→表面处理→探伤→喷漆[4]6 热处理工艺曲线图3 正火工艺曲线图4 30CrMnSiNi2A钢去应力退火工艺曲线图5 30CrMnSiNi2A钢热处理工艺（淬火加回火）曲线图6 真空热处理工艺曲线7 阐述30CrMnSiNi2A钢退火、淬火、回火、渗氮热处理工艺理论7.1正火与去应力退火工艺原理均匀的细珠光体（或超细珠光体），具有最佳的综合机械性能。

其强度、塑性、韧性、耐磨性能是最佳状况。

发明人将这种珠光体称为理想的珠光体组织，获得这种珠光体的正火方法称为理想正火。

其主要机理是：抑制高温奥氏体过饱和碳从奥氏体脱溶，使之在低温阶段析出为碳化物。

从而抑制粗珠光体，形成细珠光体（索氏体或屈氏体），抑制、细化先共析铁素体，抑制网状渗碳体和网状铁素体。

抑制共析、先共析石墨化转变[5]，将工件加热至较低温度，保温一定时间后冷却，使工件发生回复，从而消除残余内应力的工艺称为去应力退火。

冷形变后的金属在低于再结晶温度加热，以去除内应力，但仍保留冷作硬化效果的热处理，也称为去应力退火。

在实际生产中，去应力退火工艺的应用要比上述定义广泛得多。

热锻轧、铸造、各种冷变形加工、切削或切割、焊接、热处理，甚至机器零部件装配后，在不改变组织状态、保留冷作、热作或表面硬化的条件下，对钢材或机器零部件进行较低温度的加热，以去除（全部或部分的）内应力，减小变形、开裂倾向的工艺，都可称为去应力退火。

由于材料成分、加工方法、内应力大小及分布的不同，以及去除程度的差异，去应力退火温度范围很宽。

习惯上，把较高温度下的去应力处理叫作去应力退火，而把较低温度下的这种处理，称为去应力回火，其实质都是一样的[6]。

7.2 淬火工艺原理(1)回火温度为625-655℃、保温60min左右时可以获得均匀的回火贝氏体组织。

其综合力学性能均超过要求。

抗拉强度可达628MPa以上[7]。

屈服强度可达562MPa以上。

伸长率达21％以上。

20℃冲击功达到220J以上。

(2)淬火组织为淬火马氏体加少量淬火贝氏体的组织：经过回火后．随着回火温度的不同及回火时间的延长组织逐渐粗化，在635℃时的组织状态为板条贝氏体加粒状贝氏体及少量铁素体的组织。

(3)随回火温度的升高，组织内部的位错密度逐渐降低；位错的形态也由原来的平直型占多数，演化为位错胞。

30CrMnSiNi2A钢Ms点以上采用等温淬火工艺，其强度指标随等温温度升高而降低，且低于淬火200℃回火的指标值，而塑性、韧性指标相对于淬火200℃回火有明显提高，硬度稍有降低。