液压缸耐磨耐蚀性能提高的技术*

张文凡,卢梓江

(1.广州工程技术职业学院,广东广州 510075;2.广东国防科技技师学院,广东广州 510075)

液压缸耐磨耐蚀性能提高的技术*

张文凡1,卢梓江2

(1.广州工程技术职业学院,广东广州 510075;2.广东国防科技技师学院,广东广州 510075)

浅述了当前国内外液压缸内腔耐磨性能和耐腐蚀性能提高的材质致因、工艺技术特点。探讨了液压缸磨损失效专题和深化研究提高液压缸耐磨性能的技术途径,还简述式地、定性地论证了关于提升液压缸耐磨耐蚀性能水平指标为目的的制造机制。

耐磨技术;表面硬度;化学镀镍;QPQ技术

0 引 言

提高液压缸的耐磨性和耐蚀性,一直都是机电设备制造业和机电动力工程业的技术进步或创新课题。

液压缸是液压系统机械效能输出执行元件,执行往复直线运动的过程中传送能量大、结构紧凑、换向灵便、转动平稳均匀、有运动定位控制的可行性。提高液压缸的耐磨和耐腐蚀性能,主要的方法是提高液压缸摩擦副的耐磨性和与油液接触部件的耐腐蚀性[1]。因此,在液压缸内表面和活塞杆镀层和采用新型密封材料是目前的主要选择。

综述了提高液压缸耐磨技术,指出了提高液压缸耐磨、耐腐蚀技术研究所面临的课题的必要性,以期对推动我国液压缸耐磨技术进步的研究有所裨益。

液压缸通过活塞的运动将液压能转换成机械能,为液压系统传送动力。液压缸的摩擦主要是在活塞和缸筒之间发生,缸筒和活塞杆与液压油接触而产生腐蚀,因此,提高缸筒、活塞杆和接触件的综合性能,可以提高液压缸的耐磨、耐腐蚀性能,增加液压缸的使用寿命。

1 液压缸内表面化学镀镍

镀镍是目前液压缸提高耐磨性能的一种重要的表面处理技术,化学镀镍应用到工业始于70年代末80年代初。由于镀镍层的液压缸具有良好的耐磨性和耐腐蚀性,化学镀镍被应用到液压缸行业中。

液压缸的镀镍通常采用化学镀镍,也有电镀或刷镀。化学镀镍时在含有金属离子的溶液中,利用强还原剂将金属离子还原成金属使其沉积在液压缸表面,形成致密镍层。目前,液压缸的化学镀镍相对电镀镍等有明显的优点,如不需直流电源设备在液压缸活塞杆上镀镍,并可在活塞杆的各个位置得到较均匀的镀层,镀层均匀、针孔小,镀层具有高耐磨性、高耐腐蚀性能和特点,同时,具有比电镀优良得多的深镀能力,可以大大地减少镀件盲孔、深孔内的无镀层现象,能有效提高产品的耐蚀性和使用寿命。

液压缸的化学镀镍的工艺流程包括：①化学镀镍的预处理;②进行过预处理并具有催化活性的待镀件放入装有化学镀镍溶液镀槽中的溶液,并对溶液进行搅拌;③化学镀镍的清洗和干燥等后处理。镀层后的液压缸具有以下特性。

(1)提高液压缸的表面硬度高。液压缸镀层后其表面为非晶态,即处于基本平面状态,有自润滑性。处于基本平面状态的镀层具有较高表面硬度,有效地提高其耐磨性,液压缸镀层表面硬度可达HV570,经热处理后硬度可达HV1000。由于镀层的自滑性使液压缸筒与活塞杆之间非粘着性好,摩擦系数很小。在润滑情况下,可替代硬铬使用。

(2)液压缸的非晶态镀镍层,具有较高耐腐蚀性,经硫酸等酸性溶液的同比试验,其腐蚀速率低于1cr18Ni9Ti不锈钢,在液压油中氧化生成酸性氧化物试验中表现很好的抗腐蚀性。

(3)液压缸活塞杆等镀件表面光泽度高,达到LZ或▽8-10,呈白亮不锈钢颜色。活塞杆表面光洁度不受镀镍影响,不需要再加工和抛光。

先进工业国家利用化学镀镍方法提高液压缸的耐磨性和耐腐蚀性已是成熟的技术,并得到了广泛应用[2]。我国液压缸化学镀镍方法研究和工业应用,目前也掌握了较全面的液压缸化学镀镍的方法。

由于液压缸活塞杆的化学镀镍技术以其工艺简便、节能、环保日益受到人们的关注。

2 活塞杆外表镀铬

以硫酸作催化剂,使铬酸溶液中沉积出铬镀层,这作为液压缸镀铬的基础,目前仍为液压缸加工所使用。液压缸镀铬层在大气中很稳定,能长期保持其光洁程度,在较强酸等腐蚀介质中表现得非常稳定。同时,金属铬具有极高的硬度,液压缸经过镀层后其耐磨性高。铬镀层由于其独特的耐磨特性,良好的抗腐蚀能力以及低廉加工成本。液压缸常用镀铬来提高其耐磨性和增加液压缸摩擦表面的防腐蚀性能,并使其的光洁度增加,延长液压缸的使用寿命。

液压缸的镀铬工艺包括：①前处理：液压缸的毛刺和油污,给中间处理带来很大困难,有时甚至不能获得镀层或膜层,影响表面处理层质量。因此,前处理包括除油、浸蚀,磨光、抛光、滚光、吹砂、局部保护、装挂、加辅助电极等工艺;②中间处理：液压缸镀件的表面处理,表面处理质量的好坏主要取决于这一阶段的处理;③后处理：对膜层和镀层的清洗等处理。

液压缸工件的铬镀层在电镀过程中会产生大量的氢化铬,可以导致液压缸镀层出现裂纹及抗腐蚀性能下降[3],利用脉冲电镀对电沉积过程加以控制,如电源波形、通断比等,减少镀层的裂纹,可降低镀层应力并提高镀层抗腐蚀能力,从而在一定程度地改善镀层特性[4-5]。由于脉冲电镀技术所形成的镀层性能有较大提高,近年来,利用脉冲电镀铬技术对液压缸进行镀铬已经成为国际上研究的热点,并逐步应用到生产中。

液压缸镀铬可有效提高液压缸的耐磨性和耐腐蚀性,但镀层的厚度对液压缸有较重要的影响：较厚的镀层可保证液压缸的使用耐久性,但使其导热性降低,不利于液压缸的散热。易使液压缸散热不均匀而导致其工作性能下降;同时随着镀层厚度增加,液压缸镀层粗糙度值越大,因此,要根据液压缸的使用条件,必要时对液压缸进行精修;由于电解液中含有氢,容易使镀层出现裂缝,因此在镀铬后,消除渗透镀层基体氢,从而减小镀层的脆性,增加其硬度[6]。

目前,液压缸镀铬存在不少问题,主要有电镀时电流效率很低,一般只有8%～16%,消耗的能量也相当大,镀速相当慢,并且溶解液中的六价铬是致癌物,对人、环境污染严重,镀铬过程中浓度不恰当或电解时间掌握不好时,容易使镀层不均匀,孔隙率高,容易起皮。同时,镀铬费用也比较高,不能很好地满足生产上的需要。

化学镀镍与镀铬的性能对比;由于含镍电镀液的导电性能好,使镍镀层厚度均匀性,并且镀层不受液压缸形状的影响,镍镀层可均匀散而不存在厚度差,但其硬度和耐磨性比铬层差。因此,在比较重要的场合可以使用铬镀以降低加工成本。但镀镍过程中污染少、节能等环保施镀过程使人们在机械加工行业大量使用。

3 液压缸的QPQ处理

液压缸QPQ(Quench—Polish-Quench)盐浴复合处理是世界最新表面强化技术。该技术通过在液压缸加工件表面渗入多种合金元素,使工件表面形成一个坚硬的复合层,从而大幅度提高液压缸的耐磨性能[7]。它也被广泛用于汽车、机车、工程机械、纺织机械、轻工机械、仪表、工模具等各种行业。其工艺流程是先对零件作盐浴复合处理,然后为对工件表面进行一次抛光,降低工件表面的粗糙度,最后再在盐浴中作一次氧化。

液压缸的QPQ盐浴复合处理是将工件在两种不同性质的熔融盐液中先后进行处理,使溶液中的多种元素同时渗入金属表面,在一定的条件下,使工件表面形成复合渗层,这种由复合渗层形成的表层使工件表层得到强化改性,表面强化改性后液压缸工件的耐磨性、抗蚀性和耐疲劳性同时得到大幅度提高[8],并且经过处理后的活塞杆不产生变形。

液压缸材料经过QPQ技术处理后能大幅提高液压缸的耐磨性、抗蚀性,并有较高的强度和韧性,因此,应用QPQ技术能大幅提高液压缸的工作寿命。经QPQ处理后,液压缸活塞杆的耐磨性达到常规热处理的10倍以上,抗蚀性达到镀硬铬的20倍以上,甚至比某些不锈钢的抗蚀性还高。而且工件的畸变极小。如经QPQ盐浴复合处理的45号钢,其疲劳极限提高40%左右。

经过QPQ处理的液压缸可以提高表面硬度和耐磨性和耐疲劳性,特别是用来解决活塞杆件硬化变形的问题,因此,QPQ处理可取代多道工序和工艺,如取代工艺中的渗碳淬火、高频淬火、调质、易变形件的淬火等常规热处理和表面强化工艺,大幅度提高零件的抗蚀性,大大降低生产成本。由于液压缸的QPQ技术不消耗电能,并且电解液的污染性小,具有节能、环保的特点。

除了以上增加液压缸筒表面硬度和耐磨性方法外,还有利用陶瓷活塞杆和缸筒以增加其耐磨和防腐性能。这些液压缸的耐磨防腐技术都能较好地延长液压缸的使用寿命。

4 采用新型密封材料

液压缸耐热性,耐磨性主要取决于缸筒和活塞之间的摩擦。因此,密封材质的好坏直接影响液压缸耐用程度,密封材料可以减少油液的泄露,降低油液的污染,延长液压缸的运行时间。目前,广泛应用液压缸密封的材质是合成橡胶和合成树脂,它们不同的材质根据液压缸的工件场合来使用,可以大大提高液压缸的寿命。

(1)丁腈橡胶是目前广泛应用于液压缸密封的材质。耐油性极好,耐磨性较高,耐热性较好,粘接力强,并且有适宜的耐磨性,同时,可用金属模压成任意形状的液压密封件。丁腈橡胶最适宜于制作工作压力不大于32 MPa的液压缸用液压密封件,可以大幅提高液压缸的使用寿命。

(2)聚氨酯橡胶耐磨性能是所有橡胶中最高的。同丁腈橡胶一样具有较高的抗拉强度高,具有优良的耐油性、耐压性和耐磨性。聚氨酯橡胶的常温密封性能比丁腈橡胶优越,但其与缸筒的摩擦摩擦系数较高,一般在0.5以上。因此,它特别适宜于制作中压、高压及超高压液压缸用液压密封件。

(3)合成树脂主要有聚甲醛、尼龙及填充聚四氟乙烯等。广泛应用的是聚四氟乙烯,它是在聚四氟乙烯的单体中加入适宜的石墨、二硫化钼、青铜粉、碳黑及玻璃纤维等填充剂而构成的高分了材料。化学稳定性非常好,并且有良好的耐油性、耐热性、耐寒性、耐压性和耐磨性,使用温度范围宽,摩擦系数也极小,即使在少油或无油润滑的条件下也能正常工作。特别适宜于制作高压及超高压快速运动的液压缸用液压密封件。

5 采用密封件和导向环结构提高液压缸耐磨性

液压缸的密封件和缸筒的摩擦是液压缸内部的主要摩擦。良好的密封件结构可有效提高液压缸的使用寿命。目前,聚氨酯材质的Y形密封圈广泛用于液压油缸中。它的内、外唇根据轴用或孔用可制成不等高形状,以起到密封和自身保护的作用。这种不等高状的密封圈的短唇与密封面接触,滑动摩擦阻力小,耐磨性好,寿命长;长唇与非相对运动表面有较大的预压缩量,工作时不易窜动。

液压缸是液压系统用于执行往复运动执行元件,其内部的缸筒和活塞之间存在一定的摩擦,液压缸正常的加工和使用可使液压缸的寿命适当延长,当活塞杆存在一个径向负载时,活塞杆的运动与其轴线存在偏差,缸筒与活塞之间的摩擦大大增加,并使它们之间的摩擦变得不均匀,从而迅速降低液压缸的使用寿命。因此,为提高液压缸的作用寿命,可以使用导向套来使活塞杆径向定位,保证液压缸活塞杆是按其轴线运动。这种液压缸内孔径采用镀镍层,活塞杆经QPQ盐浴复合处理技术进行表面处理,导向套采用钢基自润滑轴承,这种安装有导向套的液压缸耐磨性有很大提高,提高了液压缸的使用寿命。用金属基石墨复合材料研制的液压缸活塞导向套,可以代替由纯青铜或纯铸铁材料制成的导向套,较大地降低了导向套的摩擦系数,提高液压缸的耐磨性和使用寿命。

液压机的液压缸活塞和导向套是一对摩擦副。活塞在液压缸内长期的往复运行中,由于摩擦和密损,将导致摩擦副表面的破坏和损耗,使液压失效,最终影响到整个液压系统的正常动作。

综述;液压缸的耐磨和耐腐蚀技术主要是增加缸筒和活塞杆的表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性、采用新型密封材料、活塞杆使用导向环等。在某些方面我国的液压缸耐磨技术的研究和应用处于较好的水平,如以上几方面液压缸耐磨技术的应用。但在理论和设备上与世界先进水平还有差距。因此,要从根本上改变目前因液压缸磨损失效带来经济损失的局面。今后不仅应该继续针对高耐磨性、高耐腐蚀性的液压缸的研究提出较高的要求,还应着眼未来,开展前瞻性预研课题的研究工作,使我国液压缸耐磨技术的研究和应用跃上新台阶。

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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

张文凡(1957-),男,广东广州人,教授,主要从事机电一体化技术研究方面的工作。