王守仁，劉延利，朱艷華，郭培全，王敏

(1.山東英才學院機械制造及自動化工程學院，山東濟南250104;2.山東大學產(chǎn)業(yè)集團，山東濟南250061)

液壓多路插裝閥閥體材料一般采用鑄鐵。由于灰鑄鐵材料具有耐磨性能好、消振性能好、鑄造性能和切削加工性能好等特點，在液壓閥中廣泛采用［1－2］。但是，在灰鑄鐵多路插裝閥使用過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，滲漏現(xiàn)象始終是灰鑄鐵在生產(chǎn)中突出的問題之一，主要表現(xiàn)形式是試壓過程中表面冒汗或滲油現(xiàn)象［3－4］。鑄鐵石墨本身及石墨與基體界面是不滲漏的，但其中存在著不均勻性，當介質(zhì)壓力達到相當高時，產(chǎn)生局部破裂，石墨通過對強度的削弱，就會通過鑄件壁厚在這些不均勻處引起滲漏［5－6］?；诣T鐵產(chǎn)品產(chǎn)生滲漏的原因主要有:石墨的數(shù)量、形狀及石墨的分布和緊密程度。鑄件在承受載荷時，在石墨邊緣造成應力集中，沖擊載荷增加了應力不均勻性，這種急加載荷，時間短，速度快，變形速，載荷使應力積聚在石墨表面，來不及向外擴散，達到一定程度時就會在石墨的邊緣形成裂紋，因而液體的壓力滲漏往往先從組織中的石墨析出處發(fā)生。另外，生產(chǎn)實際中，鑄件由于存在著多種鑄造缺陷，產(chǎn)生滲漏的概率大大增加［7－9］。如在產(chǎn)生縮松、夾渣的地方就會滲漏，在氣孔存在的地方，液體也會順著氣孔而滲出，白口傾向大與石墨漂浮都極易導致多路閥閥體大量漏油而報廢。裂紋、泥芯撐熔接不良等也會造成不致密，引起鑄件滲漏。因此，研究液壓多路插裝閥閥體灰鑄鐵材料的關鍵制造技術具有必要性和迫切性。

1 試驗條件

選用優(yōu)質(zhì)本溪Q10 低磷鐵、普通寶雞Z14 低磷鐵、北臺Q10 低磷鐵作為試驗用原材料，采用復合型殼精鑄工藝制備出了灰鑄鐵多路插裝閥閥體，見圖1所示。復合型殼精鑄工藝是一種面層與過渡層采用硅溶膠鋯英砂制殼工藝，背層采用水玻璃莫來石粉制殼工藝，并采用硅溶膠鋯英砂型殼輕型懸掛在線干燥，采用水玻璃莫來石粉制殼自動覆砂、掛漿、干燥等生產(chǎn)工藝，可變換澆注位置，改變液態(tài)金屬充填方式，從而改變液態(tài)金屬的凝固順序，改善組織形態(tài)，減少缺陷，提高閥體致密性。利用碳硫分析儀和光譜儀分析其化學成分，灰鑄鐵的化學成分見表1。并確定了石墨形態(tài)參數(shù)。采用光學電鏡(OM)、S-2500型掃描電鏡(SEM)以及懸掛的能譜儀(EDS)等分析其金相組織特征。采用深度腐蝕法，利用SEM 觀察石墨和珠光體的三維立體形貌。

圖1 灰鑄鐵多路插裝閥閥體

表1 灰鑄鐵閥體材料化學成分

2 分析與討論

2.1 鑄造、熔煉與澆注工藝的確定

熔模鑄造復合工藝，是一種通過對熔模鑄造制模、制殼工藝分析與新工藝開發(fā)及傳統(tǒng)工藝的組合，綜合利用低(中)溫模料高壓制模工藝、硅溶膠粘結劑與水玻璃粘結劑以及鋁硅系耐火材料的制殼工藝。熔模鑄造用復合型殼是由粘結劑、耐火材料、撒砂材料等經(jīng)配涂料、浸涂料、撒砂、硬化、干燥、脫蠟和焙燒等工序制成的，有整體型殼和分層型殼兩種結構。復合型殼是指水玻璃與硅溶膠的復合型殼，即面層和過渡層選用質(zhì)量較好的硅溶膠作粘結劑，背層則用水玻璃做粘結劑。耐火材料面層采用石英粉，背層采用莫來石。石英砂、石英粉保證型殼具有較高的型腔表面質(zhì)量，莫來石砂保證型殼具有足夠的高溫強度和較好的熱穩(wěn)定性與熱膨脹性。生產(chǎn)實踐表明:此類復合型殼相比純硅溶膠型殼，其制造成本低，質(zhì)量標準等同，可廣泛適用于液壓插裝閥閥體鑄件的生產(chǎn)。

熔煉時選擇酸性爐襯感應電爐。選擇爐料時要確保主要爐料如生鐵、廢鋼等的化學成分符合規(guī)定且無大的變化，此外還要求其表面沒有粘附的型砂、漆漬、蝕銹、油垢、水分及其他雜物。表面銹蝕或帶粘砂的爐料入爐前應先經(jīng)拋丸或噴丸處理。

澆注溫度影響著鑄件內(nèi)在和外在質(zhì)量。澆注溫度過高，鑄件容易產(chǎn)生熱裂現(xiàn)象，凝固過程變得緩慢，得到的共晶組織較為粗大，致使鑄鐵強度下降;澆注溫度過低，鑄件則易產(chǎn)生澆不足、冷隔以及夾渣、氣孔、縮孔等缺陷。一般鐵水出爐溫度控制在1 550 ～1 600 ℃之間，澆注溫度應控制在1 450 ～1 500 ℃之間，因為在這個溫度下鐵水的流動性最好，充型能力最強，所得鑄件質(zhì)量更高。

2.2 灰鑄鐵閥體材料熱處理規(guī)范

由于冷卻速度影響，鑄件在鑄造冷卻過程中產(chǎn)生鑄造應力，導致鑄件變形和裂紋。為保證尺寸穩(wěn)定性，防止變形，需對液壓插裝閥閥體鑄件進行消除內(nèi)應力退火。其熱處理工藝規(guī)范為:加熱溫度500 ～550 ℃，加熱速度60 ～120 ℃/h，經(jīng)保溫一定時間后爐冷到150 ～220 ℃出爐空冷。為防止灰鑄鐵件表層及一些薄截面處產(chǎn)生白口組織，使鑄件的硬度和脆性增加，造成切削加工困難，再安排一次退火處理。即將鑄鐵件加熱到850 ～890 ℃，保溫2 ～5 h 使?jié)B碳體分解，然后隨爐緩冷至400 ～500 ℃，出爐空冷。

2.3 微觀組織表征

通過圖2(a)所示的金相組織觀察和軟件分析，石墨片長度平均在144.6 μm 左右，為石墨8 級。試樣經(jīng)2% ～5%的硝酸酒精溶液腐蝕后觀察珠光體的數(shù)量占整體組織的百分比，如圖2(b)所示，白色部分為鐵素體，可以看出:該組織為珠60，為珠光體6 級;還可見有部分碳化物存在，其數(shù)量約占3%左右，為碳3 級。

圖2 灰鑄鐵的OM 形貌

灰鑄鐵經(jīng)熱處理后組織為基體(F +P)上分布著片狀石墨?？赏ㄟ^深度腐蝕后觀察灰鑄鐵的組織特征，如圖3所示。經(jīng)EDS 分析，可觀察到片狀的石墨分布在基體中?；w中的珠光體是鐵素體和片狀滲碳體的機械混合物，其片狀間距可通過圖4 進行觀察和計算。此實驗中珠光體片間距b 約為245 nm。

圖3 深度腐蝕后灰鑄鐵SEM 形貌及EDS 分析

圖4 灰鑄鐵基體中珠光體片間距

在灰鑄鐵組織中發(fā)現(xiàn)的二元磷共晶組織，是磷化鐵和奧氏體及其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物組成的共晶體，如圖5所示。其外形如呈魚骨狀，向內(nèi)凹陷彎曲，明亮的Fe3P 基體上均勻分布著暗色的α 質(zhì)點，共晶體邊界內(nèi)外較深截然分明，其外形象萊氏體組織，其亮度要比萊氏體差。

圖5 灰鑄鐵中的磷共晶組織

2.4 灰鑄鐵閥體材料的力學性能

灰鑄鐵閥體材料的力學性能包括硬度(HBW)、抗拉強度(σb)、抗彎強度(σbb)、抗壓強度(σbc)、撓度(f)、壓縮率(εc)和沖擊韌性(αk)等，如表2所示。實驗是在測量15 個值取平均得到的。

表2 灰鑄鐵閥體材料力學性能指標

3 結論

灰鑄鐵的微觀組織與成分對其力學性能影響很大。通過對石墨片長度等特征參數(shù)進行的標定，確定了液壓插裝閥灰鑄鐵閥體材料的最佳成分和組織特征，分析液壓多路閥閥體結構特點，并測定了其力學性能指標。

【1】關俊龍.閥體鑄造工藝研究及質(zhì)量控制［J］.金屬加工，2011，21(2):70－72.

【2】趙占良，柳明亮，李安順，等.大型球鐵閥門閥體的鑄造工藝［J］.鑄造技術，2003(3):246－247.

【3】王修芬，閆東興，于慧華.影響鑄件氣密性的因素與解決措施［J］.中國鑄造裝備與技術，1998(4):41－43.

【4】孫偉，周華，張增猛，等.負載敏感液控多路閥性能測試［J］.機床與液壓，2007，35(8):107－109.

【5】鄭啟.閥體精鑄件的裂紋缺陷與澆注系統(tǒng)［J］.特種鑄造及有色合金，1991(4):46.

【6】蔣俊，蔡錚，余海洋，等.3 ～5 t 裝載機新型多路換向閥組系列的研制及推廣應用［J］.工程機械，2009，40(7):62－66.

【7】徐興衛(wèi)，王軍.挖掘機液控閥球墨鑄鐵閥體的鑄造工藝［J］.鑄造技術，2011(1):56－59.

【8】李樂義，盧明錫，盧興，等.蝶閥體的精鑄工藝與結構優(yōu)化方案［J］.特種鑄造及有色合金，2011，31(1):59－62.

【9】景宗梁，朱偉杰，顧國民.閥類精鑄件澆注補縮系統(tǒng)設計實踐［J］.特種鑄造及有色合金，2006，26(2):111－112.