活塞桿硬度降低原因探討

張喆

新東北電氣集團(tuán)高壓開關(guān)有限公司 遼寧沈陽 110000

1 序言

活塞桿是液壓機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵零部件，材質(zhì)為鋁青銅，牌號(hào)為QAl10-3-1.5，需要進(jìn)行淬火、回火處理，目的在于提高活塞桿的力學(xué)性能（主要為硬度）。在生產(chǎn)過程中，活塞桿的硬度變化很大，開始生產(chǎn)時(shí)硬度≥200HBW，而后硬度值處在160～180HBW之間。硬度的降低，會(huì)造成活塞桿在使用過程中受到磨損，從而影響產(chǎn)品使用壽命。

2 原因分析

2.1 原材料

根據(jù)國(guó)家材料標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 5231—2012）中規(guī)定的QAl10-3-1.5的化學(xué)成分，見表1。據(jù)有關(guān)資料，QAl10-3-1.5鋁青銅熱處理后的硬度主要是由材料中的鋁含量決定的，當(dāng)wAl在8.5%～9.0%時(shí)，鋁青銅淬火、回火強(qiáng)化效果不明顯，當(dāng)wAl在9.0%以上時(shí)，強(qiáng)化效果明顯[1]。如圖1所示，隨著鋁含量的增加，抗拉強(qiáng)度提高，當(dāng)wAl≈10%時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值。實(shí)際生產(chǎn)中也證明了這一點(diǎn)：一般當(dāng)材料中的wAl在8.5%～9.0%時(shí)，QAl10-3-1.5鋁青銅淬火、回火后的硬度均在200HBW以下；當(dāng)wAl在9.0%以上時(shí)，熱處理后的硬度才能達(dá)到200HBW以上。根據(jù)此規(guī)律，分別抽取兩次生產(chǎn)時(shí)段的零部件進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果顯示，硬度在160～180HBW的材料中wAl為8.53%，而硬度在≥200HBW的材料中wAl為9.03%，這說明原材料確實(shí)對(duì)硬度產(chǎn)生了明顯的影響。

圖1 鋁含量對(duì)鋁青銅性能的影響

2.2 機(jī)械加工

在之前的活塞桿生產(chǎn)中，經(jīng)下料后直接進(jìn)行淬火、回火處理，沒有進(jìn)行粗加工，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于φ75mm的棒料，淬火、回火處理后，表面硬度在180HBW左右，而沿直徑向內(nèi)5～8mm位置，硬度為160HBW左右，再向心部，硬度只略微降低。這樣就使零件在機(jī)械加工后硬度的變化比較大，硬度范圍變化無法控制。因此，工藝修改為在熱處理前工作面先粗車（見圖2），只留3mm的加工余量，確保加工后的工作面硬度不受太大影響。

表1 QAl10-3-1.5的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖2 粗加工示意

2.3 熱處理時(shí)的擺放位置

在之前的活塞桿生產(chǎn)中，棒料平放在料筐中，容易受熱不均，造成硬度差異，還容易變形。根據(jù)相關(guān)資料說明，棒料進(jìn)行熱處理時(shí)，豎直擺放更為合理[2]。豎直擺放使零件能夠受熱均勻，在冷卻過程中也能夠快速散熱，確保硬度均勻，無軟點(diǎn)出現(xiàn)，各零件之間的硬度差異減小。

2.4 淬火溫度

根據(jù)公司工藝文件“鋁青銅熱處理工藝守則”中要求淬火溫度為830～860℃，從出爐到入水冷卻時(shí)間間隔應(yīng)≤10s。但是由于生產(chǎn)設(shè)備（高溫密封生產(chǎn)線見圖3）的原因，無法保證10s間隔，故提高淬火溫度，以保證零件冷卻時(shí)不受影響，現(xiàn)熱處理工藝為淬火860℃×100min，回火340℃×3h[3]。鑒于鋁青銅中鋁含量對(duì)硬度的影響，因此提高了淬火溫度，增加淬火程度。新的熱處理工藝為淬火900℃×2h，回火350℃×3h。

圖3 高溫密封生產(chǎn)線

2.5 淬火冷卻介質(zhì)

在分析原因的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)水淬爐水箱外側(cè)管道彎頭開裂，致使鹽水流失，造成鹽水濃度降低，工件冷卻過程中與工件接觸的水瞬時(shí)沸騰，極易形成穩(wěn)定的蒸汽膜，致使工件冷卻不均，產(chǎn)生軟點(diǎn)，影響冷卻能力。發(fā)現(xiàn)問題后，及時(shí)修理生產(chǎn)設(shè)備，加鹽以保證鹽水濃度（見圖4）在5%～10%。

圖4 淬火冷卻介質(zhì)鹽水的濃度測(cè)量

3 改進(jìn)措施

根據(jù)上述原因分析，改進(jìn)生產(chǎn)工藝。生產(chǎn)前確保活塞桿原材料鋁青銅中wAl在9.0%以上。淬火、回火之前進(jìn)行粗車加工。淬火900℃×2h，回火350℃×3h，淬火冷卻介質(zhì)鹽水濃度在5%～10%，活塞桿豎直擺放。隨后生產(chǎn)294件，硬度檢測(cè)全部大于200HBW，符合圖樣要求。抽取2件不同硬度的活塞桿加工成拉伸試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果見表2，符合相關(guān)企業(yè)要求標(biāo)準(zhǔn)。

表2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

從以上的原因分析及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可見鋁青銅的化學(xué)成分對(duì)硬度產(chǎn)生本質(zhì)的影響。對(duì)于鋁青銅QAl10-3-1.5，wAl在9.0%以上時(shí)，淬火、回火后的硬度才能達(dá)到200HBW以上，因此在原材料入廠時(shí)，一定要嚴(yán)格控制材料的化學(xué)成分。淬火冷卻介質(zhì)鹽水濃度在5%～10%，才能保證淬火質(zhì)量，這就要求車間相關(guān)人員定期對(duì)設(shè)備及儀表進(jìn)行相關(guān)檢查。淬火溫度的提高使鋁青銅的硬度也有很大的增加。同時(shí)熱處理前的粗加工、熱處理時(shí)的擺放狀態(tài)也對(duì)零件硬度的提高與均勻性有很大的影響。