S-07 鋼在高壓充氣閥芯中的替代應用研究

（西安航天發動機有限公司，西安 710100）

某發動機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，閥芯自動復位，閥芯與閥體通過金屬-金屬形式進行可靠密封，貯存狀態下，閥門處于常閉狀態[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 鋼閥芯結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of S-03 steel valve core

閥芯貯存過程中多批次出現滲氮面銹蝕問題，同時型號發動機交付貯存過程中，用戶多次反饋產品年檢過程中存在充氣閥反向漏率超標問題，明顯聽到了漏氣聲音，嚴重影響了發動機貯存安全性和工作可靠性。為徹底解決上述問題的發生，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 鋼滲氮工藝機械加工、熱處理、表面處理、線切割和化學鈍化等專業，周轉環節多達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源，非滲氮部位采用鍍鎳進行保護，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和物理吸附作用與材料表面層的活性金屬原子發生化學反應形成金屬氮化物，當表面層的氮原子濃度達到一定程度后會在濃度差的驅動下向材料內部擴散，通過保溫一定的時間，最終在材料內部形成一定濃度的金屬氮化物層[2—4]。

S-03 鋼滲氮后，滲氮層硬度達到HRC60～70，傳統的車削和銑削工藝由于刀具材料硬度不足，無法實現產品上多余材料的去除。由于電火花線切割工藝具有以下優點：①不主要依靠機械能，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多，周轉環節多，加工周期較長，經統計，從領料加工到成品入庫至少3 個月。

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，會導致滲氮層與基體結合面存在裂紋，如圖3 所示，同時孔與孔相交處、孔與平面相交棱邊尖角處為應力集中區域，易使滲氮層剝落[6—7]。在型號批產過程中多次發生上述問題，導致產品報廢。

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高溫而發生材料熔化、氧化變化[9—10]，表面粗糙，易于生銹。充氣閥配套裝配過程中，多批庫存產品發生銹蝕，如圖4 所示。

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

4）嚴重銹蝕會導致閥門漏率超標。選擇庫存銹蝕嚴重的3 件閥芯，如圖5 所示，裝配成充氣閥后進行閥芯閥座密封性檢查，結果如表 1。由表 1所知，庫存銹蝕嚴重閥芯漏率最大為51 mL/min，不滿足設計文件漏率≤10 mL/min，影響充氣閥氣密性功能。

圖5 閥芯銹蝕嚴重情況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結果Tab.1 Influences of valve core corrosion on the leakage rate of charging valve mL/min

2 S-07 鋼替代應用研究

2.1 材料特性

S-07 鋼是一種高強度、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 的質量分數相對于S-03 鋼要高，達15.5%～17.5%，耐蝕性較好，同時S-07 鋼閥芯不需要滲氮提高表面硬度，從機理上避免了因組織結構破壞而易生銹的風險；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）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；強度方面，S-07 鋼的屈服強度為980 MPa，而氣瓶在充氣壓力為40 MPa 時的密封比壓為260 MPa，故S-07 鋼屈服強度滿足密封副強度要求。

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 鋼工藝僅涉及機械加工和熱處理，周轉環節僅為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 耐蝕性試驗對比

1）濕熱試驗。濕熱試驗是人工模擬自然環境和誘發環境中濕熱因素的一種加速試驗方法，用以考核產品耐濕熱環境的適應性[11]。選用S-07 鋼、S-03 鋼滲氮閥芯各3 件進行濕熱試驗，濕熱溫度為60 ℃，濕度為98%，時間20 d，結果見圖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 個方面均發生不同程度的銹蝕，S-07 閥芯均未銹蝕。

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

2）鹽霧試驗。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膜，破壞金屬的鈍性從而加速金屬的腐蝕，鹽霧試驗是考核產品耐腐蝕性能的重要手段[12—13]。試驗條件為：試驗時間96 h（24 h 噴霧+24 h 靜置，共進行2 個周期），噴霧階段試驗溫度為（35±2）℃；靜置階段試驗溫度為15～35 ℃，相對濕度不高于50%，閥芯試驗前狀態如圖8 所示，鹽霧試驗后結果如圖9 所示。由圖8 可知，鹽霧試驗后，S-03 鋼滲氮閥芯表面銹蝕嚴重，S-07 鋼閥芯未見銹蝕。

圖8 閥芯試驗前狀態Fig.8 Pre-test condition of valve core

圖9 鹽霧試驗后閥芯狀態Fig.9 Condition of valve core after salt spray test

2.2.3 功能性試驗

用S-07 鋼閥芯裝配了5 臺閥門，按照設計技術條件要求進行了相關性能測試，試驗結果均滿足設計文件要求，其中部分產品在氣密性試驗過程中存在輕微泄漏，最大泄漏量為0.2 mL/min，遠小于設計文件要求的不大于10 mL/min。

2.2.4 力學環境試驗

正弦掃描、模擬運輸、隨機振動、正弦振動、加速度、低頻沖擊和高頻沖擊試驗為力學環境試驗中的重要組成試驗項目，用于評估產品功能、疲勞壽命和磨損壽命情況[14—15]。按照力學環境試驗技術條件要求對上述試驗后的5 臺閥門進行了力學環境試驗考核，試驗條件包括正弦掃描（x，y，z這3 個方向，量級為1.6g，掃描率2 oct/min，頻率范圍8～100 Hz）、模擬運輸（x，y，z這3 個方向，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）、隨機振動（x，y，z這3 個方向，頻率為80～1500 Hz，功率譜密度為-6 dB/oct，總均方根為20g，每個方向3 min）、正弦振動（頻率為47～100 Hz，x向4.5g，半循環對數掃描時間為5 min）、加速度（±x，±y，±z方向為19.6g保持3 min 以上）、低頻沖擊（峰值加速度為120g，持續時間為4 ms，三向每方向 2 次）和高頻沖擊試驗（頻率為 50～1500 Hz，量級為40g～12 000g，三向每方向3 次），試驗后按照上表3 項目進行檢查試驗，閥芯運動靈活，閥芯閥體密封性良好。

2.2.5 壽命考核試驗

壽命考核試驗是指按照額定工況試驗到工作壽命考核值時無故障發生，也可根據工作壽命指標的要求安排考核的子樣數和試驗時間[16]。對于充氣閥，壽命試驗為考核其動作次數及動作后功能性指標。力學環境試驗后閥門已完成充放氣動作120 次的考核，為進一步驗證材料配合可靠性，從中選取3 臺閥門各增加80 次充放氣試驗，此次考核已達到要求使用壽命的4 倍，試驗過程中閥芯運動靈活，試驗后按照表3的項目要求對閥門進行了檢查，結果均滿足要求。

2.2.6 各項試驗后閥門剖切檢查結果

上述全部試驗完成后，對充氣閥進行剖切檢查，閥芯導向面、密封面質量良好，均無影響使用的瑕疵，如圖10 所示。

圖10 各項試驗后閥芯狀態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 鋼滲氮工藝在生產效率、生產成本、產品質量等方面具有明顯的優越性，其結果如下。

1）生產效率和生產成本。S-03 鋼滲氮工藝周轉環節多達12 次，生產一批產品約4 個月；而采用S-07鋼工藝，周轉環節僅為2 次，生產一批產品約1 個月，生產效率提高了約70%，成本降低了約50%。

2）質量可靠性。S-03 鋼滲氮工藝閥芯在庫存存放過程中均有輕微銹蝕，經過20 d 的濕熱試驗后，銹蝕程度加重，而經過48 h 的鹽霧試驗后，銹蝕極為嚴重，由表1 可知，銹蝕較為嚴重的閥芯會導致充氣閥的氣密性超標，而S-07 鋼閥芯在上述過程中均無銹蝕發生。

4 結論

針對高壓充氣閥生產周期長、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，生產閥芯經過了耐蝕性能試驗、功能性試驗、力學環境試驗和壽命試驗的考核，成功解決了閥芯的銹蝕問題，同時有效提高了產品的合格率和降低了產品的生產成本。