液壓多路閥灰鑄鐵閥體材料組織與性能研究

王守仁，劉延利，朱艷華，郭培全，王敏

(1.山東英才學(xué)院機械制造及自動化工程學(xué)院，山東濟南250104;2.山東大學(xué)產(chǎn)業(yè)集團，山東濟南250061)

液壓多路插裝閥閥體材料一般采用鑄鐵。由于灰鑄鐵材料具有耐磨性能好、消振性能好、鑄造性能和切削加工性能好等特點，在液壓閥中廣泛采用［1－2］。但是，在灰鑄鐵多路插裝閥使用過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，滲漏現(xiàn)象始終是灰鑄鐵在生產(chǎn)中突出的問題之一，主要表現(xiàn)形式是試壓過程中表面冒汗或滲油現(xiàn)象［3－4］。鑄鐵石墨本身及石墨與基體界面是不滲漏的，但其中存在著不均勻性，當介質(zhì)壓力達到相當高時，產(chǎn)生局部破裂，石墨通過對強度的削弱，就會通過鑄件壁厚在這些不均勻處引起滲漏［5－6］?；诣T鐵產(chǎn)品產(chǎn)生滲漏的原因主要有:石墨的數(shù)量、形狀及石墨的分布和緊密程度。鑄件在承受載荷時，在石墨邊緣造成應(yīng)力集中，沖擊載荷增加了應(yīng)力不均勻性，這種急加載荷，時間短，速度快，變形速，載荷使應(yīng)力積聚在石墨表面，來不及向外擴散，達到一定程度時就會在石墨的邊緣形成裂紋，因而液體的壓力滲漏往往先從組織中的石墨析出處發(fā)生。另外，生產(chǎn)實際中，鑄件由于存在著多種鑄造缺陷，產(chǎn)生滲漏的概率大大增加［7－9］。如在產(chǎn)生縮松、夾渣的地方就會滲漏，在氣孔存在的地方，液體也會順著氣孔而滲出，白口傾向大與石墨漂浮都極易導(dǎo)致多路閥閥體大量漏油而報廢。裂紋、泥芯撐熔接不良等也會造成不致密，引起鑄件滲漏。因此，研究液壓多路插裝閥閥體灰鑄鐵材料的關(guān)鍵制造技術(shù)具有必要性和迫切性。

1 試驗條件

選用優(yōu)質(zhì)本溪Q10 低磷鐵、普通寶雞Z14 低磷鐵、北臺Q10 低磷鐵作為試驗用原材料，采用復(fù)合型殼精鑄工藝制備出了灰鑄鐵多路插裝閥閥體，見圖1所示。復(fù)合型殼精鑄工藝是一種面層與過渡層采用硅溶膠鋯英砂制殼工藝，背層采用水玻璃莫來石粉制殼工藝，并采用硅溶膠鋯英砂型殼輕型懸掛在線干燥，采用水玻璃莫來石粉制殼自動覆砂、掛漿、干燥等生產(chǎn)工藝，可變換澆注位置，改變液態(tài)金屬充填方式，從而改變液態(tài)金屬的凝固順序，改善組織形態(tài)，減少缺陷，提高閥體致密性。利用碳硫分析儀和光譜儀分析其化學(xué)成分，灰鑄鐵的化學(xué)成分見表1。并確定了石墨形態(tài)參數(shù)。采用光學(xué)電鏡(OM)、S-2500型掃描電鏡(SEM)以及懸掛的能譜儀(EDS)等分析其金相組織特征。采用深度腐蝕法，利用SEM 觀察石墨和珠光體的三維立體形貌。

圖1 灰鑄鐵多路插裝閥閥體

表1 灰鑄鐵閥體材料化學(xué)成分

2 分析與討論

2.1 鑄造、熔煉與澆注工藝的確定

熔模鑄造復(fù)合工藝，是一種通過對熔模鑄造制模、制殼工藝分析與新工藝開發(fā)及傳統(tǒng)工藝的組合，綜合利用低(中)溫模料高壓制模工藝、硅溶膠粘結(jié)劑與水玻璃粘結(jié)劑以及鋁硅系耐火材料的制殼工藝。熔模鑄造用復(fù)合型殼是由粘結(jié)劑、耐火材料、撒砂材料等經(jīng)配涂料、浸涂料、撒砂、硬化、干燥、脫蠟和焙燒等工序制成的，有整體型殼和分層型殼兩種結(jié)構(gòu)。復(fù)合型殼是指水玻璃與硅溶膠的復(fù)合型殼，即面層和過渡層選用質(zhì)量較好的硅溶膠作粘結(jié)劑，背層則用水玻璃做粘結(jié)劑。耐火材料面層采用石英粉，背層采用莫來石。石英砂、石英粉保證型殼具有較高的型腔表面質(zhì)量，莫來石砂保證型殼具有足夠的高溫強度和較好的熱穩(wěn)定性與熱膨脹性。生產(chǎn)實踐表明:此類復(fù)合型殼相比純硅溶膠型殼，其制造成本低，質(zhì)量標準等同，可廣泛適用于液壓插裝閥閥體鑄件的生產(chǎn)。

熔煉時選擇酸性爐襯感應(yīng)電爐。選擇爐料時要確保主要爐料如生鐵、廢鋼等的化學(xué)成分符合規(guī)定且無大的變化，此外還要求其表面沒有粘附的型砂、漆漬、蝕銹、油垢、水分及其他雜物。表面銹蝕或帶粘砂的爐料入爐前應(yīng)先經(jīng)拋丸或噴丸處理。

澆注溫度影響著鑄件內(nèi)在和外在質(zhì)量。澆注溫度過高，鑄件容易產(chǎn)生熱裂現(xiàn)象，凝固過程變得緩慢，得到的共晶組織較為粗大，致使鑄鐵強度下降;澆注溫度過低，鑄件則易產(chǎn)生澆不足、冷隔以及夾渣、氣孔、縮孔等缺陷。一般鐵水出爐溫度控制在1 550 ～1 600 ℃之間，澆注溫度應(yīng)控制在1 450 ～1 500 ℃之間，因為在這個溫度下鐵水的流動性最好，充型能力最強，所得鑄件質(zhì)量更高。

2.2 灰鑄鐵閥體材料熱處理規(guī)范

由于冷卻速度影響，鑄件在鑄造冷卻過程中產(chǎn)生鑄造應(yīng)力，導(dǎo)致鑄件變形和裂紋。為保證尺寸穩(wěn)定性，防止變形，需對液壓插裝閥閥體鑄件進行消除內(nèi)應(yīng)力退火。其熱處理工藝規(guī)范為:加熱溫度500 ～550 ℃，加熱速度60 ～120 ℃/h，經(jīng)保溫一定時間后爐冷到150 ～220 ℃出爐空冷。為防止灰鑄鐵件表層及一些薄截面處產(chǎn)生白口組織，使鑄件的硬度和脆性增加，造成切削加工困難，再安排一次退火處理。即將鑄鐵件加熱到850 ～890 ℃，保溫2 ～5 h 使?jié)B碳體分解，然后隨爐緩冷至400 ～500 ℃，出爐空冷。

2.3 微觀組織表征

通過圖2(a)所示的金相組織觀察和軟件分析，石墨片長度平均在144.6 μm 左右，為石墨8 級。試樣經(jīng)2% ～5%的硝酸酒精溶液腐蝕后觀察珠光體的數(shù)量占整體組織的百分比，如圖2(b)所示，白色部分為鐵素體，可以看出:該組織為珠60，為珠光體6 級;還可見有部分碳化物存在，其數(shù)量約占3%左右，為碳3 級。

圖2 灰鑄鐵的OM 形貌

灰鑄鐵經(jīng)熱處理后組織為基體(F +P)上分布著片狀石墨?？赏ㄟ^深度腐蝕后觀察灰鑄鐵的組織特征，如圖3所示。經(jīng)EDS 分析，可觀察到片狀的石墨分布在基體中。基體中的珠光體是鐵素體和片狀滲碳體的機械混合物，其片狀間距可通過圖4 進行觀察和計算。此實驗中珠光體片間距b 約為245 nm。

圖3 深度腐蝕后灰鑄鐵SEM 形貌及EDS 分析

圖4 灰鑄鐵基體中珠光體片間距

在灰鑄鐵組織中發(fā)現(xiàn)的二元磷共晶組織，是磷化鐵和奧氏體及其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物組成的共晶體，如圖5所示。其外形如呈魚骨狀，向內(nèi)凹陷彎曲，明亮的Fe3P 基體上均勻分布著暗色的α 質(zhì)點，共晶體邊界內(nèi)外較深截然分明，其外形象萊氏體組織，其亮度要比萊氏體差。

圖5 灰鑄鐵中的磷共晶組織

2.4 灰鑄鐵閥體材料的力學(xué)性能

灰鑄鐵閥體材料的力學(xué)性能包括硬度(HBW)、抗拉強度(σb)、抗彎強度(σbb)、抗壓強度(σbc)、撓度(f)、壓縮率(εc)和沖擊韌性(αk)等，如表2所示。實驗是在測量15 個值取平均得到的。

表2 灰鑄鐵閥體材料力學(xué)性能指標

3 結(jié)論

灰鑄鐵的微觀組織與成分對其力學(xué)性能影響很大。通過對石墨片長度等特征參數(shù)進行的標定，確定了液壓插裝閥灰鑄鐵閥體材料的最佳成分和組織特征，分析液壓多路閥閥體結(jié)構(gòu)特點，并測定了其力學(xué)性能指標。

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