S-07 鋼在高壓充氣閥芯中的替代應(yīng)用研究

（西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，西安 710100）

某發(fā)動(dòng)機(jī)交付后需帶氣貯存多年，充氣閥是滿足此要求的重要組件。充氣閥主要由堵頭、外套螺母、密封圈、閥體、閥芯、接管嘴和彈簧等零件組成，其工作原理為通過頂桿頂開閥芯給氣瓶充氣，充氣壓力通常約為30 MPa 左右，充氣后旋松頂桿，閥芯自動(dòng)復(fù)位，閥芯與閥體通過金屬-金屬形式進(jìn)行可靠密封，貯存狀態(tài)下，閥門處于常閉狀態(tài)[1]。

為提高閥芯的表面硬度和耐磨性，閥芯的材料為S-03 鋼，如圖1 所示，B和C表面需進(jìn)行滲氮處理，滲氮層厚度不小于0.1 mm，滲氮層硬度要求為HRC60～70，其余表面允許有滲氮層。

圖1 S-03 鋼閥芯結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of S-03 steel valve core

閥芯貯存過程中多批次出現(xiàn)滲氮面銹蝕問題，同時(shí)型號發(fā)動(dòng)機(jī)交付貯存過程中，用戶多次反饋產(chǎn)品年檢過程中存在充氣閥反向漏率超標(biāo)問題，明顯聽到了漏氣聲音，嚴(yán)重影響了發(fā)動(dòng)機(jī)貯存安全性和工作可靠性。為徹底解決上述問題的發(fā)生，急需開展S-07 鋼替代S-03 鋼滲氮工藝研究。

1 S-03 鋼滲氮工藝

1.1 工藝流程

閥芯S-03 鋼滲氮工藝的工藝流程如圖2 所示，其中閥芯S-03 鋼滲氮工藝機(jī)械加工、熱處理、表面處理、線切割和化學(xué)鈍化等專業(yè)，周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)多達(dá)12 次。

圖2 S-03 鋼滲氮閥芯工藝流程Fig.2 Process flow of S-03 steel nitriding valve core

滲氮采用氣體滲氮工藝，即采用氨氣作為滲氮介質(zhì)源，非滲氮部位采用鍍鎳進(jìn)行保護(hù)，由于S-03 鋼表面存在自鈍化層，采用NH4Cl 作為催化劑對鈍化層進(jìn)行破壞，以提高滲氮效率。氣體滲氮是將氨氣（NH3）通入耐熱罐體后在一定溫度和壓力下分解成活性氮原子和氫氣，活性氮原子通過化學(xué)和物理吸附作用與材料表面層的活性金屬原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成金屬氮化物，當(dāng)表面層的氮原子濃度達(dá)到一定程度后會(huì)在濃度差的驅(qū)動(dòng)下向材料內(nèi)部擴(kuò)散，通過保溫一定的時(shí)間，最終在材料內(nèi)部形成一定濃度的金屬氮化物層[2—4]。

S-03 鋼滲氮后，滲氮層硬度達(dá)到HRC60～70，傳統(tǒng)的車削和銑削工藝由于刀具材料硬度不足，無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品上多余材料的去除。由于電火花線切割工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：①不主要依靠機(jī)械能，而是主要依靠電能和熱能去除金屬材料；② 工具硬度可以低于被加工材料的硬度；③加工過程中工具和工件之間不存在明顯的機(jī)械切削力[5]，故對圖1 中閥芯的四方和十字槽采用電火花線切割工藝。

1.2 S-03 鋼滲氮工藝存在的問題

1）加工周期長。閥芯S-03 鋼滲氮工藝涉及專業(yè)多，周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)多，加工周期較長，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，從領(lǐng)料加工到成品入庫至少3 個(gè)月。

2）滲氮層裂紋和合格率低。滲氮后的表層具有極高的表面硬度，可達(dá)到HRC60～70，脆性為I級。由于氮原子滲入原晶界，破壞原晶界組織，脆性增加，會(huì)導(dǎo)致滲氮層與基體結(jié)合面存在裂紋，如圖3 所示，同時(shí)孔與孔相交處、孔與平面相交棱邊尖角處為應(yīng)力集中區(qū)域，易使?jié)B氮層剝落[6—7]。在型號批產(chǎn)過程中多次發(fā)生上述問題，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。

圖3 閥芯滲氮層裂紋形貌Fig.3 Crack in nitriding layer of valve core

3）閥芯銹蝕。滲氮處理過程中S-03 鋼中的鉻與NH4Cl 中的氮生成CrN，降低不銹鋼中自由Cr 含量，限制了致密鈍化膜的形成。滲氮后雖采取鈍化處理可促進(jìn)鈍化膜的形成，但因自由Cr 含量不足，極大降低了其耐蝕性能[8]，同時(shí)閥芯四方、十字槽采用線切割工藝，線切割過程中因間隙放電的瞬時(shí)高溫而發(fā)生材料熔化、氧化變化[9—10]，表面粗糙，易于生銹。充氣閥配套裝配過程中，多批庫存產(chǎn)品發(fā)生銹蝕，如圖4 所示。

圖4 閥芯銹蝕情況Fig.4 Corrosion condition of valve core

4）嚴(yán)重銹蝕會(huì)導(dǎo)致閥門漏率超標(biāo)。選擇庫存銹蝕嚴(yán)重的3 件閥芯，如圖5 所示，裝配成充氣閥后進(jìn)行閥芯閥座密封性檢查，結(jié)果如表 1。由表 1所知，庫存銹蝕嚴(yán)重閥芯漏率最大為51 mL/min，不滿足設(shè)計(jì)文件漏率≤10 mL/min，影響充氣閥氣密性功能。

圖5 閥芯銹蝕嚴(yán)重情況Fig.5 Serious condition of corrosion on valve core

表1 閥芯銹蝕對充氣閥漏率影響試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Influences of valve core corrosion on the leakage rate of charging valve mL/min

2 S-07 鋼替代應(yīng)用研究

2.1 材料特性

S-07 鋼是一種高強(qiáng)度、高韌性和高抗耐蝕性能的馬氏體-奧氏體雙相不銹鋼，其與S-03 鋼材料特性對比見表2。由表2 可知，防銹性方面，S-07 鋼Cr 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對于S-03 鋼要高，達(dá)15.5%～17.5%，耐蝕性較好，同時(shí)S-07 鋼閥芯不需要滲氮提高表面硬度，從機(jī)理上避免了因組織結(jié)構(gòu)破壞而易生銹的風(fēng)險(xiǎn)；硬度方面，S-07 鋼為HRC40～47，雖比滲氮后的S-03鋼表面硬度（HRC60～70）較小，但相比TC4（M 態(tài)）閥體HRC26～39 略高，滿足Q/QJA 35—2006 中要求金屬-金屬的硬密封“一般選取閥芯材料硬度比閥座略高”的原則；強(qiáng)度方面，S-07 鋼的屈服強(qiáng)度為980 MPa，而氣瓶在充氣壓力為40 MPa 時(shí)的密封比壓為260 MPa，故S-07 鋼屈服強(qiáng)度滿足密封副強(qiáng)度要求。

表2 S-07鋼與S-03鋼性能對比Tab.2 Comparison of properties between S-07 steel and S-03 Steel

2.2 試驗(yàn)替代研究

2.2.1 工藝流程

閥芯S-07 鋼工藝流程如圖6 所示。由圖6 所示，閥芯S-07 鋼工藝僅涉及機(jī)械加工和熱處理，周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)僅為3 次，流程極為簡化。

圖6 S-07 鋼閥芯工藝流程Fig.6 Process flow of S-07 steel valve core

2.2.2 耐蝕性試驗(yàn)對比

1）濕熱試驗(yàn)。濕熱試驗(yàn)是人工模擬自然環(huán)境和誘發(fā)環(huán)境中濕熱因素的一種加速試驗(yàn)方法，用以考核產(chǎn)品耐濕熱環(huán)境的適應(yīng)性[11]。選用S-07 鋼、S-03 鋼滲氮閥芯各3 件進(jìn)行濕熱試驗(yàn)，濕熱溫度為60 ℃，濕度為98%，時(shí)間20 d，結(jié)果見圖7，由圖7 可知，S-03 鋼滲氮閥芯滲氮錐面、圓柱面和線切割4 個(gè)方面均發(fā)生不同程度的銹蝕，S-07 閥芯均未銹蝕。

圖7 濕熱試驗(yàn)后閥芯狀態(tài)Fig.7 Condition of valve core after damp-heat test

2）鹽霧試驗(yàn)。各種鹽分的富集使鹽霧中含有大量氯離子，氯離子可以很容易穿透金屬保護(hù)膜，破壞金屬的鈍性從而加速金屬的腐蝕，鹽霧試驗(yàn)是考核產(chǎn)品耐腐蝕性能的重要手段[12—13]。試驗(yàn)條件為：試驗(yàn)時(shí)間96 h（24 h 噴霧+24 h 靜置，共進(jìn)行2 個(gè)周期），噴霧階段試驗(yàn)溫度為（35±2）℃；靜置階段試驗(yàn)溫度為15～35 ℃，相對濕度不高于50%，閥芯試驗(yàn)前狀態(tài)如圖8 所示，鹽霧試驗(yàn)后結(jié)果如圖9 所示。由圖8 可知，鹽霧試驗(yàn)后，S-03 鋼滲氮閥芯表面銹蝕嚴(yán)重，S-07 鋼閥芯未見銹蝕。

圖8 閥芯試驗(yàn)前狀態(tài)Fig.8 Pre-test condition of valve core

圖9 鹽霧試驗(yàn)后閥芯狀態(tài)Fig.9 Condition of valve core after salt spray test

2.2.3 功能性試驗(yàn)

用S-07 鋼閥芯裝配了5 臺閥門，按照設(shè)計(jì)技術(shù)條件要求進(jìn)行了相關(guān)性能測試，試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)文件要求，其中部分產(chǎn)品在氣密性試驗(yàn)過程中存在輕微泄漏，最大泄漏量為0.2 mL/min，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)文件要求的不大于10 mL/min。

2.2.4 力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)

正弦掃描、模擬運(yùn)輸、隨機(jī)振動(dòng)、正弦振動(dòng)、加速度、低頻沖擊和高頻沖擊試驗(yàn)為力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)中的重要組成試驗(yàn)項(xiàng)目，用于評估產(chǎn)品功能、疲勞壽命和磨損壽命情況[14—15]。按照力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)條件要求對上述試驗(yàn)后的5 臺閥門進(jìn)行了力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)考核，試驗(yàn)條件包括正弦掃描（x，y，z這3 個(gè)方向，量級為1.6g，掃描率2 oct/min，頻率范圍8～100 Hz）、模擬運(yùn)輸（x，y，z這3 個(gè)方向，功率譜密度為-3 dB/oct，頻率范圍為40～500 Hz，總均方根加速度為1.449g，每方向300 min）、隨機(jī)振動(dòng)（x，y，z這3 個(gè)方向，頻率為80～1500 Hz，功率譜密度為-6 dB/oct，總均方根為20g，每個(gè)方向3 min）、正弦振動(dòng)（頻率為47～100 Hz，x向4.5g，半循環(huán)對數(shù)掃描時(shí)間為5 min）、加速度（±x，±y，±z方向?yàn)?9.6g保持3 min 以上）、低頻沖擊（峰值加速度為120g，持續(xù)時(shí)間為4 ms，三向每方向 2 次）和高頻沖擊試驗(yàn)（頻率為 50～1500 Hz，量級為40g～12 000g，三向每方向3 次），試驗(yàn)后按照上表3 項(xiàng)目進(jìn)行檢查試驗(yàn)，閥芯運(yùn)動(dòng)靈活，閥芯閥體密封性良好。

2.2.5 壽命考核試驗(yàn)

壽命考核試驗(yàn)是指按照額定工況試驗(yàn)到工作壽命考核值時(shí)無故障發(fā)生，也可根據(jù)工作壽命指標(biāo)的要求安排考核的子樣數(shù)和試驗(yàn)時(shí)間[16]。對于充氣閥，壽命試驗(yàn)為考核其動(dòng)作次數(shù)及動(dòng)作后功能性指標(biāo)。力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)后閥門已完成充放氣動(dòng)作120 次的考核，為進(jìn)一步驗(yàn)證材料配合可靠性，從中選取3 臺閥門各增加80 次充放氣試驗(yàn)，此次考核已達(dá)到要求使用壽命的4 倍，試驗(yàn)過程中閥芯運(yùn)動(dòng)靈活，試驗(yàn)后按照表3的項(xiàng)目要求對閥門進(jìn)行了檢查，結(jié)果均滿足要求。

2.2.6 各項(xiàng)試驗(yàn)后閥門剖切檢查結(jié)果

上述全部試驗(yàn)完成后，對充氣閥進(jìn)行剖切檢查，閥芯導(dǎo)向面、密封面質(zhì)量良好，均無影響使用的瑕疵，如圖10 所示。

圖10 各項(xiàng)試驗(yàn)后閥芯狀態(tài)Fig.10 Condition of valve core after each test

3 閥芯兩種工藝方案對比

閥芯采用S-07 鋼后，其工藝方案相對S-03 鋼滲氮工藝在生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本、產(chǎn)品質(zhì)量等方面具有明顯的優(yōu)越性，其結(jié)果如下。

1）生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本。S-03 鋼滲氮工藝周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)多達(dá)12 次，生產(chǎn)一批產(chǎn)品約4 個(gè)月；而采用S-07鋼工藝，周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)僅為2 次，生產(chǎn)一批產(chǎn)品約1 個(gè)月，生產(chǎn)效率提高了約70%，成本降低了約50%。

2）質(zhì)量可靠性。S-03 鋼滲氮工藝閥芯在庫存存放過程中均有輕微銹蝕，經(jīng)過20 d 的濕熱試驗(yàn)后，銹蝕程度加重，而經(jīng)過48 h 的鹽霧試驗(yàn)后，銹蝕極為嚴(yán)重，由表1 可知，銹蝕較為嚴(yán)重的閥芯會(huì)導(dǎo)致充氣閥的氣密性超標(biāo)，而S-07 鋼閥芯在上述過程中均無銹蝕發(fā)生。

4 結(jié)論

針對高壓充氣閥生產(chǎn)周期長、合格率低及貯存過程中閥芯銹蝕問題，開展了S-07 鋼替代工藝研究，生產(chǎn)閥芯經(jīng)過了耐蝕性能試驗(yàn)、功能性試驗(yàn)、力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)的考核，成功解決了閥芯的銹蝕問題，同時(shí)有效提高了產(chǎn)品的合格率和降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。