航天行业标准不锈钢弹性挡圈和垫圈的生产试制——从制定标准到提供标准化产品的有益尝试

刘洪源　李玉坤　林海燕　温楠

（1航天标准化与产品保证研究院，北京，100071；2上海航天技术研究院，上海，201109）

弹性挡圈用于轴类零件的止动，弹性垫圈和锁紧垫圈用于螺纹连接的防松。弹性挡圈、弹性垫圈和锁紧垫圈以其较好的防松作用不仅被用于航天电子设备，也被用于航天姿控发动机等动力系统的产品上。

目前，航天产品大量使用的弹性防松连接件主要包括弹性挡圈、钢丝挡圈、鞍型/波形弹性垫圈、锯齿弹性垫圈等9个大类的产品 （见表1）。以往这些产品都是用高强度的弹簧钢（65Mn）制造，由于航天产品不仅要求这些防松零件具有良好的弹性、韧性，还要具有良好的耐腐蚀性能。而65Mn在大气环境中容易被腐蚀，因此为了提高弹簧钢制成的弹性件的耐腐蚀性能，通常是采用传统的电镀工艺。但高强度的弹性件经电镀后很容易出现氢脆断裂，用一般的除氢工艺很难将氢去除干净。由于氢脆断裂具有延迟性，往往是检测合格的产品在使用过程中仍然会发生脆性断裂，不仅会造成连接失效，还会产生多余物，危及航天产品的安全，甚至带来灾难性的后果。

为了彻底解决电镀弹性挡圈、弹性垫圈和锁紧垫圈的氢脆问题，2005年航天行业制定了不锈钢弹性挡圈、弹性垫圈和锁紧垫圈的系列标准，即QJ3244—2005《不锈钢弹性挡圈通用规范》、QJ3245.1～3245.5—2005《不锈钢弹性挡圈》、QJ3246—2005《不锈钢弹性垫圈和锁紧垫圈通用规范》和QJ3247.1～3247.4—2005《不锈钢弹性垫圈和锁紧垫圈》。采用国产不锈钢材料0Cr12Mn5Ni4Mo3Al（俗称69111）制造航天产品用挡圈/垫圈，这种材料不需电镀，从而可有效地避免氢脆的发生，是65Mn电镀弹性挡圈、弹性垫圈和锁紧垫圈的升级换代产品。

表1　弹性防松连接件

1　不锈钢69111性能特点对批生产的影响

不锈钢69111是一种沉淀硬化不锈钢，具有良好的弹性和韧性，可通过控制相变实现强化，从而达到所需的强度和弹性。目前国内已经用于军工行业的沉淀硬化不锈钢品种有0Cr12Mn5Ni4Mo3Al和0Cr17Ni7Al（相当于美国的17-7PH）等。这类材料有几种交货状态：软态、半硬态、硬态以及特硬态等。由于交货状态的不同，其经过处理后的性能也不同。

该类材料为软态时可制造形状相对复杂的弹性零件，但需要经过约-70℃的冰冻处理，才能达到接近65Mn的机械性能。为此，需要解决低温处理设备的温控精度、温度均匀性控制方法，以及适于批量生产的设备。

当这类材料为硬态时，其材料的硬度比我们常用的65Mn高很多，给冲切加工带来很大困难，不仅影响模具的寿命，冲切成型后的去应力热处理技术也难度较大。

因此，上述标准发布后，一直没有制造商能够提供批生产产品。型号研制单位只能继续从市场上采购采用65Mn材料生产、经电镀的国标弹性挡圈、弹性垫圈和锁紧垫圈产品，不仅容易产生氢脆，而且外形尺寸、性能指标都不稳定，严重影响到型号的研制进度和产品的可靠性。

2　组织批生产试制，为航天型号提供标准化产品

为解决航天产品研制单位的任务急需，我们组织有关生产企业进行技术攻关，开展了不锈钢69111弹性挡圈、弹性垫圈和锁紧垫圈批量生产的试制工作。

2.1　技术攻关和工艺定型

为确保最终产品的机械性能且适宜批量生产，研制组决定采用供货状态为硬态的不锈钢69111进行试制。硬态不锈钢69111性能优异，具有强度高、弹性好的特点，经检测硬度可达450HV5～490HV5，因此试制工作技术攻关的重点是冲切成型和去应力回火。

针对硬态不锈钢69111弹性好，冲切后回弹和尺寸变化大、不易控制等特点，研制组反复摸索，改进模具结构、尺寸、材料，改进工艺方案，最终使冲切成型的垫圈的几何尺寸得到了有效的控制。

冲切成型后，热处理去应力回火是关键。根据相关资料和材料手册：回火温度450℃保温1h空冷；也有提出230℃保温1.5h空冷。经几次试验，这两种方案均达不到产品标准规定的要求。为取得去应力回火的数据，项目组采用480℃、470℃、 460℃、 440℃、 430℃、 500℃、 520℃、550℃等几种不同温度，保温时间用 1h、1.5h、2h等多种方案组合进行试验，并采用真空炉热处理等方法，反复试验、反复验证，先后经过62次热处理试验，测量硬度达到500次以上。经过反复试验最终确定了合适的热处理回火温度，确保不锈钢鞍形垫圈、波形垫圈弹性合格、硬度合格，不锈钢内/外锯齿锁紧垫圈韧性合格、硬度合格。经过试验、研究、改进、再试验、再改进，确定了最佳热处理工艺路线（加热→保温→冷却）和工艺参数 （主要包括不同规格产品的回火温度和保温时间），最终完成了工艺定型。

2.2　产品鉴定与数据评估

在完成军工生产线的改造、冲切成形和热处理技术攻关等数百次试验的基础上，2013年完成了不锈钢69111鞍型、波形弹性垫圈、外锯齿锁紧垫圈共计14个品种规格产品的试制工作；2014年完成了不锈钢69111孔用、轴用弹性挡圈和内锯齿锁紧垫圈共计8个品种规格产品的试制工作。上述试制的产品经航天标准紧固件研究与检测中心试验室鉴定，鉴定试验项目全部符合相关标准的规定。至此，在QJ3244—2005《不锈钢弹性挡圈通用规范》和QJ3246—2005《不锈钢弹性垫圈和锁紧垫圈通用规范》等11项标准发布近10年后，完成了批生产工艺定型，按照该工艺生产的产品符合航天行业标准要求。

以不锈钢69111材料制成的规格为 6、8、10的鞍形弹性垫圈为例，与按国家标准GB/T 94.3《弹性垫圈技术条件鞍形、波形弹性垫圈》生产的产品进行性能对比，见表2。

表2　鞍形弹性垫圈航标产品和国标产品的性能对比

QJ3246规定：当鞍形弹性垫圈和波形弹性垫圈的弹性试验合格时，硬度指标仅供工艺参考。在我们的鉴定试验数据中，不锈钢69111材料制成的规格为6、8、10等三种的鞍形弹性垫圈的弹性检测结果均达到标准规定的数值，但是硬度检测结果部分数值超出了标准规定的上限。项目组进行了分析最后得出以下结论。

a）将硬度值作为一个随机变量，其分布应符合正态分布 （数学模型）。

b）用试样的硬度试验数据做出该随机变量的期望值和标准差估计，从而得到硬度的概率密度曲线，如图1所示 （采用MATLAB程序生成）。

c）从图1中可以看出，试样硬度的离散度小、质量稳定。

d）规格6、8、10的鞍形弹性垫圈硬度的概率密度曲线还表明，在试样的弹性试验合格的情况下硬度在标准规定值的上限附近，这一结果可作为今后修订标准硬度上下限的参考。

e）不锈钢69111材料制成的垫圈的性能与65Mn材料的相当，可以作为替代产品。

图1　不锈钢鞍型垫圈试验数据硬度的概率密度曲线

本项目是我们在航天紧固件领域，从单一制定标准到为型号提供标准化产品的有益尝试。这一实践表明，随着我们在航天紧固件领域技术能力的提升，不仅具备开展预先研究、制定型号急需产品标准的能力，同时也具备了组织开展批生产试制、鉴定试验等方面的能力，从而可确保为航天型号提供性能先进、安全可靠的紧固件产品。

按照 QJ3244—2005、 QJ3245.1～3245.5—2005、 QJ3246—2005 和 QJ3247.1～3247.4—2005等标准进行批生产试制的企业，已经在原有GB9001认证的基础上，分别通过了GJB 9001《质量管理体系要求》认证和国家保密资格（三级）认证，并且按照GJB9001B和军工基础产品 《工厂质量保证能力要求》要求，建立并运行本企业文件化的质量保证管理体系，为持续稳定生产符合航天行业标准要求的紧固件产品奠定了基础。目前，根据 《中国航天科技集团公司航天物资供应商管理办法》（天科物 [2013]1195号），已经有生产企业通过了相应的现场审核，并被纳入 《中国航天科技集团公司 航天型号配套物资标准紧固件合格供应商名录》。至此，航天型号研制单位不仅有耐腐蚀、无氢脆的产品标准选用，还能够采购到相应的标准化产品。