液壓截止閥芯的選材分析

姜如松，陳平，文春

(1.湖南衡陽財經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，湖南衡陽421008;2.湖南衡陽南岳油泵油嘴有限公司，湖南衡陽421000)

某公司開發(fā)一新產(chǎn)品截止閥芯(如圖1所示)，該產(chǎn)品的機械加工工藝路線為:毛坯→車削加工→碳氮共滲→緩冷→車削加工外圓φ18 加工余量、鉆孔→淬火回火→磨削→裝配滾凹槽。該公司此類產(chǎn)品原來使用的材料是20CrMo，經(jīng)過多年的使用證明產(chǎn)品的使用壽命達到了設(shè)計要求。

圖1 截止閥芯

新開發(fā)的該產(chǎn)品的特殊之處在于裝配時在φ18孔內(nèi)要壓裝一彈簧，要求裝配好后依靠凹槽限制彈簧的位置。該產(chǎn)品技術(shù)要求為:十字架及45°圓錐部位表面硬度HV710～800，硬化層深度0.30～0.55 mm，十字架部位心部硬度HV300～450，滾壓凹槽部位硬度要求小于HB217。

該產(chǎn)品生產(chǎn)過程中存在滾壓凹槽開裂現(xiàn)象，采用20CrMo 材料制造的該閥芯開裂的比例高達70% 以上。作者進行該零件材料的熱處理工藝試驗和選材試驗。

1 試驗試制

1.1 采用公司現(xiàn)有材料進行熱處理工藝試驗

1.1.1 試驗設(shè)備

江蘇WX 可控氣氛多用爐，網(wǎng)帶爐(淬火液20號機油)RCW9(Q)-FH，奧林巴斯金相顯微鏡GX51，維氏硬度計VMT-1。

1.1.2 試驗方法

(1)熱處理工藝:860 ℃氰化42 h 后緩冷，820℃淬火+回火。

從表1 可以看到:凹槽位置硬度值超過技術(shù)要求，滾壓后全部開裂。

表1 試驗結(jié)果硬度值和滾壓試驗

(2)凹槽部位加熱后空冷處理

試驗截止閥材料為20CrMo，各取10 只。

①將十字架部位、圓錐部位淹沒于冷卻液面以下，凹槽部位用氧-乙炔火焰加熱。

②凹槽部位用高頻爐高溫正火。

試驗結(jié)果見表2。

表2 試樣空冷后硬度值

從表2 可以看出:用這兩種方法完成試驗后，凹槽部位硬度值分布比較寬，有不符合要求的試樣，同時還造成了圓錐部位硬度下降明顯，達不到設(shè)計要求。

1.2 試驗采用新材料

考慮到試驗在熱處理后主要是凹槽部位硬度偏高。技術(shù)要求上對凹槽部位的硬度要求比較低，作者選材的依據(jù)是材料的Accm 相對20Cr 高的，在這種情況下芯部盡可能不發(fā)生或發(fā)生不完全相變。

(1)試驗方法

采用新材料+熱處理工藝:860 ℃氰化2 h 后緩冷，830 ℃淬火+回火［1-2］。試驗結(jié)果見表3。

表3 試驗結(jié)果硬度值和滾壓試驗

從表3 可以看出:滾壓部位經(jīng)過試驗后都合格，但十字架芯部硬度出現(xiàn)明顯下降，達不到設(shè)計要求。

(2)優(yōu)化熱處理工藝

結(jié)合前面5 種試樣，作者對25、30、35 材料進行熱處理工藝試驗。熱處理工藝為860 ℃氰化，2.5 h 后緩冷，840 ℃淬火+回火［3-4］?？紤]到材料的芯部硬度低，對氰化工藝進行調(diào)整，延長了滲層擴散的時間，以延長過渡層的深度。試驗結(jié)果見表4。

表4 試樣氰化及淬火溫度調(diào)整后試驗結(jié)果

從表4 看出:試樣芯部硬度有所提高但是仍達不到技術(shù)要求，滾壓試驗后不開裂。

圖2所示為30 鋼表面氰化淬火馬氏體四級+殘余奧氏體組織［5］，公司標準是一直至四級合格，金相組織是最高級別。圖3 是該試樣凹槽部位的組織，心部組織為鐵素體和索氏體，塑性變形后開裂的傾向小，適合滾壓加工。

圖2 表層回火馬氏體+殘余奧氏體

圖3 索氏體+鐵素體

1.3 臺架試驗

試驗設(shè)備為該公司的山東泰安12PSB-A 型試驗臺，試樣材料選定為30 號的截止閥芯。

考慮到該產(chǎn)品是仿制品，無原設(shè)計圖紙，作者取4 只試樣與2 只進口樣品同時進行臺架試驗。試驗油壓為設(shè)計的45 MPa，試驗時間為500 h，試驗頻率1 500次/min。

試驗結(jié)果是所有截止閥均未出現(xiàn)漏油和閥芯斷裂現(xiàn)象。

2 試驗分析

表4 的結(jié)果是作者從選材到調(diào)整熱處理工藝所能獲得的最滿意的結(jié)果:截止閥心表面硬度達到設(shè)計要求，滾壓環(huán)形槽試驗也未發(fā)現(xiàn)有裂紋出現(xiàn)，但是所有試樣的十字架心部硬度均低于設(shè)計要求。參照截止閥芯的工作條件:最大油壓45 MPa，也就是截止閥芯承受的最大壓強為45 MPa。均低于正火狀態(tài)下25 鋼的屈服強度245 MPa、30 鋼的屈服強度295 MPa 和35鋼的屈服強度315 MPa。作者分析:盡管心部硬度低于圖紙的技術(shù)要求，但是重新設(shè)計的氰化工藝適當延長了過渡層的深度［1］，這樣試樣整體強度有所提高，應(yīng)該能滿足使用要求。

同時作者參照該公司同類產(chǎn)品的技術(shù)要求，發(fā)現(xiàn)該公司圖紙對此類產(chǎn)品只有表面硬度要求，對心部硬度無要求，查看該公司的檢查記錄發(fā)現(xiàn)該公司從未對此類產(chǎn)品進行十字架心部硬度檢測。

最后臺架試驗選擇的閥芯材料為30 鋼，依據(jù)是:35 鋼閥芯的凹槽部位硬度最高達到了HV244，硬度偏高設(shè)計要求太多，難免在以后的產(chǎn)品批量生產(chǎn)時出現(xiàn)開裂現(xiàn)象;而25 鋼的閥芯十字架心部硬度有點偏低，從閥芯的強度考慮30 鋼最佳。

3 試驗結(jié)論

(1)截止閥閥芯材料選用30 鋼，其表面硬度合格，心部硬度能滿足使用，凹槽部位滾壓試驗無開裂現(xiàn)象。經(jīng)過該公司兩年的生產(chǎn)，按每月6 000 只計算，共14 400 只，在使用中均未發(fā)現(xiàn)有該截止閥漏油和閥芯斷裂現(xiàn)象。

(2)對進口替代產(chǎn)品的技術(shù)要求尤其是心部硬度還有待于在今后的工作中繼續(xù)借鑒和探索。

［1］楊秀英，劉春忠.金屬學(xué)及熱處理［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010:132-139.

［2］趙忠，丁仁亮.金屬材料及熱處理［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008:108-113.

［3］樊東黎.熱處理技術(shù)數(shù)據(jù)手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

［4］姜如松.滲碳后的緩冷工藝探討［J］.機械工人:熱加工，2006(4):43-44.

［5］全國熱處理標準化技術(shù)委員會.GB/T 16924-2008 鋼件的淬火與回火［S］.北京:中國標準出版社，2008.