張文凡,盧梓江

(1.廣州工程技術職業(yè)學院,廣東廣州 510075;2.廣東國防科技技師學院,廣東廣州 510075)

液壓缸耐磨耐蝕性能提高的技術*

張文凡1,盧梓江2

(1.廣州工程技術職業(yè)學院,廣東廣州 510075;2.廣東國防科技技師學院,廣東廣州 510075)

淺述了當前國內外液壓缸內腔耐磨性能和耐腐蝕性能提高的材質致因、工藝技術特點。探討了液壓缸磨損失效專題和深化研究提高液壓缸耐磨性能的技術途徑,還簡述式地、定性地論證了關于提升液壓缸耐磨耐蝕性能水平指標為目的的制造機制。

耐磨技術;表面硬度;化學鍍鎳;QPQ技術

0 引 言

提高液壓缸的耐磨性和耐蝕性,一直都是機電設備制造業(yè)和機電動力工程業(yè)的技術進步或創(chuàng)新課題。

液壓缸是液壓系統(tǒng)機械效能輸出執(zhí)行元件,執(zhí)行往復直線運動的過程中傳送能量大、結構緊湊、換向靈便、轉動平穩(wěn)均勻、有運動定位控制的可行性。提高液壓缸的耐磨和耐腐蝕性能,主要的方法是提高液壓缸摩擦副的耐磨性和與油液接觸部件的耐腐蝕性[1]。因此,在液壓缸內表面和活塞桿鍍層和采用新型密封材料是目前的主要選擇。

綜述了提高液壓缸耐磨技術,指出了提高液壓缸耐磨、耐腐蝕技術研究所面臨的課題的必要性,以期對推動我國液壓缸耐磨技術進步的研究有所裨益。

液壓缸通過活塞的運動將液壓能轉換成機械能,為液壓系統(tǒng)傳送動力。液壓缸的摩擦主要是在活塞和缸筒之間發(fā)生,缸筒和活塞桿與液壓油接觸而產(chǎn)生腐蝕,因此,提高缸筒、活塞桿和接觸件的綜合性能,可以提高液壓缸的耐磨、耐腐蝕性能,增加液壓缸的使用壽命。

1 液壓缸內表面化學鍍鎳

鍍鎳是目前液壓缸提高耐磨性能的一種重要的表面處理技術,化學鍍鎳應用到工業(yè)始于70年代末80年代初。由于鍍鎳層的液壓缸具有良好的耐磨性和耐腐蝕性,化學鍍鎳被應用到液壓缸行業(yè)中。

液壓缸的鍍鎳通常采用化學鍍鎳,也有電鍍或刷鍍。化學鍍鎳時在含有金屬離子的溶液中,利用強還原劑將金屬離子還原成金屬使其沉積在液壓缸表面,形成致密鎳層。目前,液壓缸的化學鍍鎳相對電鍍鎳等有明顯的優(yōu)點,如不需直流電源設備在液壓缸活塞桿上鍍鎳,并可在活塞桿的各個位置得到較均勻的鍍層,鍍層均勻、針孔小,鍍層具有高耐磨性、高耐腐蝕性能和特點,同時,具有比電鍍優(yōu)良得多的深鍍能力,可以大大地減少鍍件盲孔、深孔內的無鍍層現(xiàn)象,能有效提高產(chǎn)品的耐蝕性和使用壽命。

液壓缸的化學鍍鎳的工藝流程包括：①化學鍍鎳的預處理;②進行過預處理并具有催化活性的待鍍件放入裝有化學鍍鎳溶液鍍槽中的溶液,并對溶液進行攪拌;③化學鍍鎳的清洗和干燥等后處理。鍍層后的液壓缸具有以下特性。

(1)提高液壓缸的表面硬度高。液壓缸鍍層后其表面為非晶態(tài),即處于基本平面狀態(tài),有自潤滑性。處于基本平面狀態(tài)的鍍層具有較高表面硬度,有效地提高其耐磨性,液壓缸鍍層表面硬度可達HV570,經(jīng)熱處理后硬度可達HV1000。由于鍍層的自滑性使液壓缸筒與活塞桿之間非粘著性好,摩擦系數(shù)很小。在潤滑情況下,可替代硬鉻使用。

(2)液壓缸的非晶態(tài)鍍鎳層,具有較高耐腐蝕性,經(jīng)硫酸等酸性溶液的同比試驗,其腐蝕速率低于1cr18Ni9Ti不銹鋼,在液壓油中氧化生成酸性氧化物試驗中表現(xiàn)很好的抗腐蝕性。

(3)液壓缸活塞桿等鍍件表面光澤度高,達到LZ或▽8-10,呈白亮不銹鋼顏色?；钊麠U表面光潔度不受鍍鎳影響,不需要再加工和拋光。

先進工業(yè)國家利用化學鍍鎳方法提高液壓缸的耐磨性和耐腐蝕性已是成熟的技術,并得到了廣泛應用[2]。我國液壓缸化學鍍鎳方法研究和工業(yè)應用,目前也掌握了較全面的液壓缸化學鍍鎳的方法。

由于液壓缸活塞桿的化學鍍鎳技術以其工藝簡便、節(jié)能、環(huán)保日益受到人們的關注。

2 活塞桿外表鍍鉻

以硫酸作催化劑,使鉻酸溶液中沉積出鉻鍍層,這作為液壓缸鍍鉻的基礎,目前仍為液壓缸加工所使用。液壓缸鍍鉻層在大氣中很穩(wěn)定,能長期保持其光潔程度,在較強酸等腐蝕介質中表現(xiàn)得非常穩(wěn)定。同時,金屬鉻具有極高的硬度,液壓缸經(jīng)過鍍層后其耐磨性高。鉻鍍層由于其獨特的耐磨特性,良好的抗腐蝕能力以及低廉加工成本。液壓缸常用鍍鉻來提高其耐磨性和增加液壓缸摩擦表面的防腐蝕性能,并使其的光潔度增加,延長液壓缸的使用壽命。

液壓缸的鍍鉻工藝包括：①前處理：液壓缸的毛刺和油污,給中間處理帶來很大困難,有時甚至不能獲得鍍層或膜層,影響表面處理層質量。因此,前處理包括除油、浸蝕,磨光、拋光、滾光、吹砂、局部保護、裝掛、加輔助電極等工藝;②中間處理：液壓缸鍍件的表面處理,表面處理質量的好壞主要取決于這一階段的處理;③后處理：對膜層和鍍層的清洗等處理。

液壓缸工件的鉻鍍層在電鍍過程中會產(chǎn)生大量的氫化鉻,可以導致液壓缸鍍層出現(xiàn)裂紋及抗腐蝕性能下降[3],利用脈沖電鍍對電沉積過程加以控制,如電源波形、通斷比等,減少鍍層的裂紋,可降低鍍層應力并提高鍍層抗腐蝕能力,從而在一定程度地改善鍍層特性[4-5]。由于脈沖電鍍技術所形成的鍍層性能有較大提高,近年來,利用脈沖電鍍鉻技術對液壓缸進行鍍鉻已經(jīng)成為國際上研究的熱點,并逐步應用到生產(chǎn)中。

液壓缸鍍鉻可有效提高液壓缸的耐磨性和耐腐蝕性,但鍍層的厚度對液壓缸有較重要的影響：較厚的鍍層可保證液壓缸的使用耐久性,但使其導熱性降低,不利于液壓缸的散熱。易使液壓缸散熱不均勻而導致其工作性能下降;同時隨著鍍層厚度增加,液壓缸鍍層粗糙度值越大,因此,要根據(jù)液壓缸的使用條件,必要時對液壓缸進行精修;由于電解液中含有氫,容易使鍍層出現(xiàn)裂縫,因此在鍍鉻后,消除滲透鍍層基體氫,從而減小鍍層的脆性,增加其硬度[6]。

目前,液壓缸鍍鉻存在不少問題,主要有電鍍時電流效率很低,一般只有8%～16%,消耗的能量也相當大,鍍速相當慢,并且溶解液中的六價鉻是致癌物,對人、環(huán)境污染嚴重,鍍鉻過程中濃度不恰當或電解時間掌握不好時,容易使鍍層不均勻,孔隙率高,容易起皮。同時,鍍鉻費用也比較高,不能很好地滿足生產(chǎn)上的需要。

化學鍍鎳與鍍鉻的性能對比;由于含鎳電鍍液的導電性能好,使鎳鍍層厚度均勻性,并且鍍層不受液壓缸形狀的影響,鎳鍍層可均勻散而不存在厚度差,但其硬度和耐磨性比鉻層差。因此,在比較重要的場合可以使用鉻鍍以降低加工成本。但鍍鎳過程中污染少、節(jié)能等環(huán)保施鍍過程使人們在機械加工行業(yè)大量使用。

3 液壓缸的QPQ處理

液壓缸QPQ(Quench—Polish-Quench)鹽浴復合處理是世界最新表面強化技術。該技術通過在液壓缸加工件表面滲入多種合金元素,使工件表面形成一個堅硬的復合層,從而大幅度提高液壓缸的耐磨性能[7]。它也被廣泛用于汽車、機車、工程機械、紡織機械、輕工機械、儀表、工模具等各種行業(yè)。其工藝流程是先對零件作鹽浴復合處理,然后為對工件表面進行一次拋光,降低工件表面的粗糙度,最后再在鹽浴中作一次氧化。

液壓缸的QPQ鹽浴復合處理是將工件在兩種不同性質的熔融鹽液中先后進行處理,使溶液中的多種元素同時滲入金屬表面,在一定的條件下,使工件表面形成復合滲層,這種由復合滲層形成的表層使工件表層得到強化改性,表面強化改性后液壓缸工件的耐磨性、抗蝕性和耐疲勞性同時得到大幅度提高[8],并且經(jīng)過處理后的活塞桿不產(chǎn)生變形。

液壓缸材料經(jīng)過QPQ技術處理后能大幅提高液壓缸的耐磨性、抗蝕性,并有較高的強度和韌性,因此,應用QPQ技術能大幅提高液壓缸的工作壽命。經(jīng)QPQ處理后,液壓缸活塞桿的耐磨性達到常規(guī)熱處理的10倍以上,抗蝕性達到鍍硬鉻的20倍以上,甚至比某些不銹鋼的抗蝕性還高。而且工件的畸變極小。如經(jīng)QPQ鹽浴復合處理的45號鋼,其疲勞極限提高40%左右。

經(jīng)過QPQ處理的液壓缸可以提高表面硬度和耐磨性和耐疲勞性,特別是用來解決活塞桿件硬化變形的問題,因此,QPQ處理可取代多道工序和工藝,如取代工藝中的滲碳淬火、高頻淬火、調質、易變形件的淬火等常規(guī)熱處理和表面強化工藝,大幅度提高零件的抗蝕性,大大降低生產(chǎn)成本。由于液壓缸的QPQ技術不消耗電能,并且電解液的污染性小,具有節(jié)能、環(huán)保的特點。

除了以上增加液壓缸筒表面硬度和耐磨性方法外,還有利用陶瓷活塞桿和缸筒以增加其耐磨和防腐性能。這些液壓缸的耐磨防腐技術都能較好地延長液壓缸的使用壽命。

4 采用新型密封材料

液壓缸耐熱性,耐磨性主要取決于缸筒和活塞之間的摩擦。因此,密封材質的好壞直接影響液壓缸耐用程度,密封材料可以減少油液的泄露,降低油液的污染,延長液壓缸的運行時間。目前,廣泛應用液壓缸密封的材質是合成橡膠和合成樹脂,它們不同的材質根據(jù)液壓缸的工件場合來使用,可以大大提高液壓缸的壽命。

(1)丁腈橡膠是目前廣泛應用于液壓缸密封的材質。耐油性極好,耐磨性較高,耐熱性較好,粘接力強,并且有適宜的耐磨性,同時,可用金屬模壓成任意形狀的液壓密封件。丁腈橡膠最適宜于制作工作壓力不大于32 MPa的液壓缸用液壓密封件,可以大幅提高液壓缸的使用壽命。

(2)聚氨酯橡膠耐磨性能是所有橡膠中最高的。同丁腈橡膠一樣具有較高的抗拉強度高,具有優(yōu)良的耐油性、耐壓性和耐磨性。聚氨酯橡膠的常溫密封性能比丁腈橡膠優(yōu)越,但其與缸筒的摩擦摩擦系數(shù)較高,一般在0.5以上。因此,它特別適宜于制作中壓、高壓及超高壓液壓缸用液壓密封件。

(3)合成樹脂主要有聚甲醛、尼龍及填充聚四氟乙烯等。廣泛應用的是聚四氟乙烯,它是在聚四氟乙烯的單體中加入適宜的石墨、二硫化鉬、青銅粉、碳黑及玻璃纖維等填充劑而構成的高分了材料?；瘜W穩(wěn)定性非常好,并且有良好的耐油性、耐熱性、耐寒性、耐壓性和耐磨性,使用溫度范圍寬,摩擦系數(shù)也極小,即使在少油或無油潤滑的條件下也能正常工作。特別適宜于制作高壓及超高壓快速運動的液壓缸用液壓密封件。

5 采用密封件和導向環(huán)結構提高液壓缸耐磨性

液壓缸的密封件和缸筒的摩擦是液壓缸內部的主要摩擦。良好的密封件結構可有效提高液壓缸的使用壽命。目前,聚氨酯材質的Y形密封圈廣泛用于液壓油缸中。它的內、外唇根據(jù)軸用或孔用可制成不等高形狀,以起到密封和自身保護的作用。這種不等高狀的密封圈的短唇與密封面接觸,滑動摩擦阻力小,耐磨性好,壽命長;長唇與非相對運動表面有較大的預壓縮量,工作時不易竄動。

液壓缸是液壓系統(tǒng)用于執(zhí)行往復運動執(zhí)行元件,其內部的缸筒和活塞之間存在一定的摩擦,液壓缸正常的加工和使用可使液壓缸的壽命適當延長,當活塞桿存在一個徑向負載時,活塞桿的運動與其軸線存在偏差,缸筒與活塞之間的摩擦大大增加,并使它們之間的摩擦變得不均勻,從而迅速降低液壓缸的使用壽命。因此,為提高液壓缸的作用壽命,可以使用導向套來使活塞桿徑向定位,保證液壓缸活塞桿是按其軸線運動。這種液壓缸內孔徑采用鍍鎳層,活塞桿經(jīng)QPQ鹽浴復合處理技術進行表面處理,導向套采用鋼基自潤滑軸承,這種安裝有導向套的液壓缸耐磨性有很大提高,提高了液壓缸的使用壽命。用金屬基石墨復合材料研制的液壓缸活塞導向套,可以代替由純青銅或純鑄鐵材料制成的導向套,較大地降低了導向套的摩擦系數(shù),提高液壓缸的耐磨性和使用壽命。

液壓機的液壓缸活塞和導向套是一對摩擦副?；钊谝簤焊變乳L期的往復運行中,由于摩擦和密損,將導致摩擦副表面的破壞和損耗,使液壓失效,最終影響到整個液壓系統(tǒng)的正常動作。

綜述;液壓缸的耐磨和耐腐蝕技術主要是增加缸筒和活塞桿的表面硬度、耐磨性和耐腐蝕性、采用新型密封材料、活塞桿使用導向環(huán)等。在某些方面我國的液壓缸耐磨技術的研究和應用處于較好的水平,如以上幾方面液壓缸耐磨技術的應用。但在理論和設備上與世界先進水平還有差距。因此,要從根本上改變目前因液壓缸磨損失效帶來經(jīng)濟損失的局面。今后不僅應該繼續(xù)針對高耐磨性、高耐腐蝕性的液壓缸的研究提出較高的要求,還應著眼未來,開展前瞻性預研課題的研究工作,使我國液壓缸耐磨技術的研究和應用躍上新臺階。

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Technical Research on Improving the Wear and Corrosion Resistance of Hydraulic Cylinder

ZHANG Wen-fan1,LU Zi-jiang2
(1.Guangzhou Institute of Technology,Guangzhou Guangdong 510075,China; 2.Guangdong Defense Science and Technology Technician College,Guangzhou Guangdong 510000,China)

The purpose of paper is to discuss the problems that hydraulic cylinder wear failure is facing to and current hydraulic cylinder wearable technology,which show that it is necessary to further study of hydraulic cylinder wearable technology.

wear-resistant technique;surface hardness;chemical nickel-plating;QPQ technology

TG174

A

1007-4414(2015)04-0216-03

2015-06-10

張文凡(1957-),男,廣東廣州人,教授,主要從事機電一體化技術研究方面的工作。