脱落连接器锁紧结构局部热处理工艺_曹先铭.pdf

第 2 期2023 年 4 月机电元件ELECTOMECHANICAL COMPONENTSVol.43 No.2Apr.2023收稿日期:2022 05 27工 艺 与 材 料脱落连接器锁紧结构局部热处理工艺曹先铭，何浩，程迪(贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009)摘要:针对公司某型号脱落连接器锁紧结构出现卡死现象，提出拉杆、衬套、锁紧套三种零件局部硬化的设计要求。本文采用高频感应加热局部淬火、盐浴局部淬火和局部渗氮热处理工艺方法，获得了满足不同形状、材料工件硬度值大于 60 HC 的局部硬化热处理工艺。关键词:脱落连接器;锁紧结构;局部硬化Doi:10 3969/j issn 1000 6133 2023 02 008中图分类号:TP391.9文献标识码:A文章编号:1000 6133(2023)02 0035 041引言脱落电连接器是连接飞行器与母体之间的电连接器。当飞行器起飞离开母体之前或是同时，插头与插座按预定的方式实现分离。脱落连接器技术含量高，属于连接器中的高端产品，主要用于战略、战术武器系统、航天运载系统与发射设备、地面设备之间以及系统各级之间的线路连接与分离。公司某型号脱落电连接器锁紧局部结构示意图(见图 1)。图中位置为锁紧状态。解锁时，拉杆向右移动，锁紧套左移，处于拉杆细小端部和衬套之间钢球的钢球下落，实现电连接器分离;锁紧时，拉杆左移，顶钢球于锁紧套台阶处实现电连接器的锁紧。在锁紧和解锁使用过程中，衬套、拉杆与钢球零件间形成滚动摩擦;衬套与锁紧套形成滑动摩擦。电连接器经多次使用后，发现拉杆、衬套、锁紧套零件存在磨损沟槽，出现卡死现象，影响产品的可靠性能。因此，设计要求衬套、拉杆、锁紧套零件在与钢球接触的部位需具有较高的硬度及耐磨性。图 1脱落连接器锁紧结构图根据经验，零件材料可选为 9Cr18、4Cr13、Cr12MoV高碳高铬不锈钢。产品初期，对零件采用整体真空淬火热处理，细长的拉杆、衬套、锁紧套零件经淬火后易变形;而且，在装配后的模拟试验时发现，拉杆的螺纹段存在拉断现象;衬套零件中部台阶同样也出现了断裂现象。基于上述存在的问题，对产品衬套、锁紧套、拉杆零件提出了局部硬化的设计要求。本文采用高频感应加热局部淬火、盐浴局部淬火和局部渗氮热处理工艺对其进行研究，以满足零件局部硬化的设计要求。2零件硬度设计要求基于以上存在的问题，对拉杆、衬套、锁紧套零件提出局部硬化要求，硬度值大于60 HC，见图2 图4 所示。图 2拉杆工件图 3衬套工件图 4锁紧套工件3零件局部硬化工艺在热处理行业中，通常采用局部淬火硬化热处理和局部化学热处理(如:气体渗氮、离子渗氮等)实现工件局部硬化要求，来提高金属零件局部的硬度、强度和耐磨性。局部淬火是将钢件指定部位加热到奥氏体化温度，保温一定时间，随后以超过临界转变速度冷却获得马氏体组织，以此来提高硬度、强度的一种热处理工艺方法;表面化学渗氮硬化热处理，其原理是氨分解为活性氮原子(或氮离子)，在一定温度范围内，通过吸附及扩散，与铁和合金元素形成化合物硬化层的一种热处理工艺方法。氮化处理由于处理温度低，处理温度范围一般在 480 600 之间，氮化处理后零件变形量小、耐磨性好，因此，氮化处理在工业中是较为广泛的一种提高工件表面硬度的方法。3 1高频感应加热局部淬火感应加热原理是利用感应加热设备感应线圈产生电磁感应，使置于感应圈中的工件表面产生涡流，涡流经工件电阻产生热量而被加热，涡流产生的热量与涡流强度的平方成正比(Q=0 24I2t)1。9Cr18 材料为高碳高铬马氏体不锈钢，工业上常作为不锈轴承钢材料使用。按材料相关热处理标准规定淬火加热温度在 1020 1060，淬火后硬度值大于 55 HC。实际地，零件淬火处理后，硬度一般在 55 59 HC，其硬度值仍不能满足离脱落连接器零件局部硬度值大于60 HC 的设计要求。为此，公司对 9Cr18 材料淬火后硬度提高，进行了工艺研究。针对衬套零件，直接在空气中进行加热，在温度到达淬火温度后，由于工件需在空气中保温一段时间，零件表面造成严重氧化，导致后续电镀工艺不好处理，且经电镀处理后，易引起工件尺寸不合格。考虑到衬套零件内部中空，设计相应气氛保护工装，将热电偶放置于衬套内腔，再将衬套放入气氛保护工装内。密封保护工装，对保护工装通入保护气氛纯氮或氩气，采用高频加热设备对装有热电偶及衬套的工装加热，热电偶实时监测工件加热段温度。深冷处理目的是使残余奥氏体在低温下进一步转变为马氏体，提高工件硬度。对 9Cr18 材料衬套工件分别进行 1020、1040、1060、1080、1100 加热淬火试验，整个加热过程采用热电偶测温，保温10 15 分钟，保温时间结束后，连同气氛保护工装水冷至常温后，取出衬套工件并立即采用深冷处理，将工件放置于液氮(196)中保温 1 2 h。取出工件在电阻箱内低温回火(回火温度 140，保温 2 2 5 h)处理后，检测出工件局部淬火区硬度值，见图 5 所示。图 5淬火温度与深冷处理对 9Cr18 不锈钢硬度的影响未经深冷处理的工件随着淬火温度的升高，工件硬度值先增加后减小，在 1060硬度达到最大值。经深冷处理后工件硬度值在 60 64 HC 范围内，且随着保温温度的升高，深冷处理后的工件硬度值呈上升趋势。通过工装保护感应局部加热淬火，加深冷处理工艺方法，9Cr18 材料的衬套零件局部硬度值满足了大于 60 HC 的设计要求，目前公司已实现多批产品生产，见图 6。图 6衬套零件高频感应加热局部淬火后外观3 2盐浴局部淬火针对拉杆零件，由于拉杆局部淬火段存在截面差别相差较大的两段，采用直接高频加热发现，两段温度差异很大，高频局部淬火后直径较小的顶端往往不能满足硬度值大于 60 HC 要求。公司采用盐浴局部淬火对拉杆进行局部淬火。盐浴坩埚采用耐热钢(1Cr25Ni20Si2)制作，在坩埚外层裹上耐热保温材料。在坩埚内装入脱水后的10%KCl+90%NaCl 的混合盐，将坩埚置于感应设备线圈中，通过感应线圈加热金属坩埚，使盐熔化，将热电偶对盐浴的温度进行实时监测，调整感应设备功率或电流，使其温度稳定在零件材料规定的淬火温度范围内，见图63机 电 元 件2023 年7。将零件需局部淬火部分浸入盐浴中，保温 10 15分钟，保温时间结束后采用淬火油进行冷却，立即深冷1 2 h，并进行低温回火处理。经局部淬火加深冷处理后，工件淬火段的硬度值达到 60 HC 以上。图 7拉杆零件盐浴淬火3 3局部渗氮热处理锁紧套工件，设计要求需通过渗氮工艺提升内腔与钢球接触部位的硬度。渗氮一般使用氨气作为氮化介质，反应式 2NH33H2+2 N，活性氮原子被钢吸收，溶入固溶体，然后与铁、合金元素形成化合物，向工件心部扩散，形成一定厚度的氮化层。氮化层厚度随氮化时间的延长而增加，一般可依据氮化层厚度确定氮化时间。常用氮化工艺有气体氮化和离子氮化工艺。由于离子氮化工艺测温困难、温度分布不均匀、深孔氮化困难、投资高、操作复杂，且应用方面较气体氮化少，本文采用气体氮化对工件局部进行化学热处理进行研究。气体氮化是在氮化罐内通入氨气加热到氮化温度，控制氨分解率或氮势，活性氮原子被钢件吸收和扩散形成氮化层。局部氮化时，将不要求氮化的部位进行防渗保护，采用镀覆铜等镀层对不需氮化的工件部位进行保护。利用某航天厂专用的气体氮化炉进行氮化处理。选用 9Cr18、4Cr13、Cr12MoV 三种材料的锁紧套，对非氮化的工件部位进行局部镀铜保护。为减少氮化层脆性，采用 2 段法进行气体氮化，第一阶段工艺参数为520 5 30 h，氨分解率 45 55%;第二阶段工艺参数为 580 5 20 h 氨分解率55 65%。经气体氮化处理后，三种材料的锁紧套孔内均能产生氮化层，但不同材料的氮化层厚度不相等，4Cr13 材料氮化层厚度最大，见图 8 图 11。氮化层硬度测试值为64 67 HC，渗层深度 01 mm 0 2 mm，三种材料氮化层均能满足硬度值大于 60 HC 的设计要求，但同等工艺条件下，4Cr13 材料更易氮化。目前，公司已成功处理多个批次锁紧套零件。图 8锁紧套气体氮化(Cr12MoV)图 94Cr13 氮化层图 109Cr18 氮化层图 11Cr12MoV 氮化层73第 2 期曹先铭等:脱落连接器锁紧结构局部热处理工艺4结论本文针对公司脱落连接器锁紧结构易磨损的拉杆、衬套、锁紧套三种零件，根据零件形状、材料的不同，提出了三种不同的局部硬化热处理工艺，满足了设计局部硬化的要求，有效解决了锁紧结构卡死的问题，提高了产品的可靠性能。具体结论如下:1)针对 9Cr18 材料中空衬套零件，在气氛保护工装中，高频局部感应加热，保温时间结束后，工件在气氛保护工装内，对其水冷淬火，再进行深冷处理，低温回火。零件局部淬火硬度值达到 60 64 HC，满足零件局部硬化大于 60 HC 的要求;2)9Cr18 材料变截面拉杆零件，采用盐浴局部感应加热，热电偶进行监测控温，保温时间结束后，立即油冷淬火后进行深冷处理，低温回火。零件局部淬火达到 60 64 HC 硬度，满足零件局部硬化大于 60HC 的设计要求;3)对 9Cr18、4Cr13、Cr12MoV 材料的锁紧套采用局部气体氮化方法，非氮化部位采用镀铜保护。使用部位的氮化层，硬度值可达到 64 HC 以上的硬化效果，氮化硬化层深度达到 0 1 0 20 mm，满足锁紧套工件内腔局部硬化的设计要求。同等工艺条件下，4Cr13 材料更易氮化。参考文献:1 樊东黎 热处理工程师手册 M 北京:机械工业出版社，2011(上接第 17 页)图 7插损测试结果(样品号 1)根据测试结果来看，一次工艺流程端面研磨成功率为 60%;在端面符合标准的情况下进行 3D 检测，得到 X/Y 的测量角度均小于 0 2，这表明夹具的设计和装配初步符合预期;对插芯的每个通道进行插损检测，发现 CoreDip(纤芯凹陷量)、纤芯高度不符合的通道，其插损与其他 3D 参数符合的通道测试值基本保持同一水准如图 7 所示，即 CoreDip、纤芯高度对插损影响极小，但还需后期大量实验验证;对于检测的6pcs端面 3D 参数不符合要求这一现象，其与研磨工艺参数设置息息相关，仍需要不断尝试寻求最佳研磨参数。6结束语笔者以所在单位的研磨机为基础，介绍了一种可配套使用的 MT/PC 插芯端面研磨夹具，包括其整体结构特点和锁紧组件的结构设计，并对所设计的夹具加工完成初步测试验证。由于受限于资源，本次测试验证数量有限，不排除有偶然或外界因素影响，为此需在工作中积累测试数据，并对数据结果进行分析，从而为研磨夹具的优化设计提供支撑。参考文献:1 工业和信息化部 光纤活动连接器:第五部分 MPO型:YD/T 1272 5 2009 S 北京:北京邮电大学出版社，200983机 电 元 件2023 年