活塞桿硬度降低原因探討

張喆

新東北電氣集團高壓開關有限公司 遼寧沈陽 110000

1 序言

活塞桿是液壓機構中的關鍵零部件，材質為鋁青銅，牌號為QAl10-3-1.5，需要進行淬火、回火處理，目的在于提高活塞桿的力學性能（主要為硬度）。在生產過程中，活塞桿的硬度變化很大，開始生產時硬度≥200HBW，而后硬度值處在160～180HBW之間。硬度的降低，會造成活塞桿在使用過程中受到磨損，從而影響產品使用壽命。

2 原因分析

2.1 原材料

根據國家材料標準（GB/T 5231—2012）中規定的QAl10-3-1.5的化學成分，見表1。據有關資料，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wAl在8.5%～9.0%時，鋁青銅淬火、回火強化效果不明顯，當wAl在9.0%以上時，強化效果明顯[1]。如圖1所示，隨著鋁含量的增加，抗拉強度提高，當wAl≈10%時，抗拉強度達到峰值。實際生產中也證明了這一點：一般當材料中的wAl在8.5%～9.0%時，QAl10-3-1.5鋁青銅淬火、回火后的硬度均在200HBW以下；當wAl在9.0%以上時，熱處理后的硬度才能達到200HBW以上。根據此規律，分別抽取兩次生產時段的零部件進行化學成分分析，結果顯示，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%，這說明原材料確實對硬度產生了明顯的影響。

圖1 鋁含量對鋁青銅性能的影響

2.2 機械加工

在之前的活塞桿生產中，經下料后直接進行淬火、回火處理，沒有進行粗加工，通過試驗發現，對于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的化學成分（質量分數） （%）

圖2 粗加工示意

2.3 熱處理時的擺放位置

在之前的活塞桿生產中，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。根據相關資料說明，棒料進行熱處理時，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，無軟點出現，各零件之間的硬度差異減小。

2.4 淬火溫度

根據公司工藝文件“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間間隔應≤10s。但是由于生產設備（高溫密封生產線見圖3）的原因，無法保證10s間隔，故提高淬火溫度，以保證零件冷卻時不受影響，現熱處理工藝為淬火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 高溫密封生產線

2.5 淬火冷卻介質

在分析原因的同時，發現水淬爐水箱外側管道彎頭開裂，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沸騰，極易形成穩定的蒸汽膜，致使工件冷卻不均，產生軟點，影響冷卻能力。發現問題后，及時修理生產設備，加鹽以保證鹽水濃度（見圖4）在5%～10%。

圖4 淬火冷卻介質鹽水的濃度測量

3 改進措施

根據上述原因分析，改進生產工藝。生產前確保活塞桿原材料鋁青銅中wAl在9.0%以上。淬火、回火之前進行粗車加工。淬火900℃×2h，回火350℃×3h，淬火冷卻介質鹽水濃度在5%～10%，活塞桿豎直擺放。隨后生產294件，硬度檢測全部大于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行抗拉強度和伸長率的測定，試驗結果見表2，符合相關企業要求標準。

表2 力學性能試驗結果

4 結束語

從以上的原因分析及試驗數據，可見鋁青銅的化學成分對硬度產生本質的影響。對于鋁青銅QAl10-3-1.5，wAl在9.0%以上時，淬火、回火后的硬度才能達到200HBW以上，因此在原材料入廠時，一定要嚴格控制材料的化學成分。淬火冷卻介質鹽水濃度在5%～10%，才能保證淬火質量，這就要求車間相關人員定期對設備及儀表進行相關檢查。淬火溫度的提高使鋁青銅的硬度也有很大的增加。同時熱處理前的粗加工、熱處理時的擺放狀態也對零件硬度的提高與均勻性有很大的影響。