高压液动锤主阀室加工工艺研究

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1高压液动锤主阀室氮化工艺优化

（1）主阀室结构设计主阀室结构如图1所示。高压液动锤设计时，主阀室左端要装配内阀室与阀滑套，右端要同阀滑套下端一起分别与活塞上端的内外圆滑动接触，承受活塞高频往复运动带来的摩擦，因此主阀室的配合接触面需要具有高硬度、高耐磨性来提高寿命。同时高压液动锤靠水驱动，主阀室也需要考虑零件表面的防锈问题，因此选用合理的热处理工艺显得尤为必要。现今热处理工艺中氮化处理可最大程度地提高零件表面硬度，因此主阀室拟采用氮化处理来提高表面硬度与耐磨性。根据加工经验确定主阀室的硬度技术要求：调质处理，硬度HRC28~32；内外表面氮化处理，深度0.3~0.4mm，硬度HV0.2≥650。主阀室零件的各断面尺寸变化很大，零件各处厚薄极度不均，最大壁厚4.75mm，最小壁厚仅1.75mm，属于薄壁件，同时需要采用多种加工手段（车、铣、深孔钻、磨等）加工，加工时工艺难点主要是准6mm孔、外八方等处的加工，因此机加工周期很长、同时成本高。如机加工、热处理过程中主阀室产生应力集中，造成零件变形或者断裂，导致经济损失很大，同时高压液动锤试制工作严重滞后。（2）氮化工艺的优化研究氮化工艺优选时，对比了气体氮化、盐浴氮化、QPQ盐浴复合氮化3种工艺技术，综合对比分析各氮化处理工艺的硬度、耐腐蚀性。普通的气体、盐浴氮化处理，虽然表面硬度可达到设计要求，但经过5%NaCl溶液腐蚀对比试验（浸泡399h，空气氧化109h）后发现试件经过长时间浸泡，零件表面锈蚀严重，严重影响了零件配合面的表面粗糙度，零件已经无法正常使用。而QPQ盐浴复合处理技术实现了渗氮工序和氧化工序、氮化物和氧化物、耐磨性和抗蚀性、热处理技术和防腐技术的复合，同时氮化处理以后，再对工件表面进行一次抛光，降低工件表面的粗糙度，然后再在盐浴中作一次氧化，此工艺非常适用于精密零件和表面粗糙度要求较高的工件。在5%NaCl溶液腐蚀对比试验后（浸泡490h，空气氧化109h），零件表面仅有轻微的痕迹，几乎不影响正常使用。QPQ盐浴复合处理凭借其耐磨性、抗腐蚀性，以及近乎0的零件变形量，极适合高能液动锤零部件对耐磨性、防锈、高精度的要求。

2高压液动锤主阀室加工工艺优化

（1）主阀室断裂原因分析3件主阀室试制过程中，采用的加工工艺流程：钻孔→粗车→铣外八方→半精车→调质处理→精车→精磨→QPQ氮化处理。主阀室在氮化处理之前均未发现表面有任何肉眼可见裂纹，但是QPQ氮化处理后却发现在3件主阀室同处出现了圆周裂纹，线切割制样后发现是贯通性裂纹，同时准6mm圆孔处也分布裂纹。根据通标标准技术服务有限公司重庆分公司出具的SGS认证报告，确认材质为42CrMo。排除材质原因后，在断裂部位进行线切割，取下断裂的试块，经制样后，在AixoVertA1金相显微镜下拍照取得2张不同部位的500倍金相照片如图2所示。图2（a）显示经过调质处理后主阀室获得了较均匀的索氏体、贝氏体等组织；图2（b）显示裂缝的边缘已被氧化，并且裂缝中充填了氮化物等，说明在氮化之前已经存在该隐藏的裂纹。（a）非断裂部位金相组织（500×）（b）断裂部位金相组织（500×）上述检验检测结果表明，这3件主阀室在机加工过程中（钻孔、铣外八方、粗车等）产生的应力未及时消除，调质处理时零件尺寸最薄处产生了极大的应力集中，同时在精车、精磨阶段未做去应力退火或时效处理，导致了裂纹的产生，在QPQ氮化处理后，裂缝充填了氮化物，因此消除机加工过程中产生的应力显得尤为必要。（2）主阀室加工工艺优化最大程度地消除机加工与调质处理过程中产生的应力是主阀加工工艺优化的关键。主阀室加工工艺优化后工艺流程：钻孔→粗车→线切割外八方→半精车（壁厚变化剧烈处预留圆角）→调质处理→精车→去应力退火→精磨→400℃回火→QPQ氮化处理。优化后的工艺主要是用线切割取代铣削的方式加工外八方，降低外八方处的机加工应力，同时在半精车时在准6mm钻孔左右两侧预留圆角，同时精磨之前先进行去应力退火，氮化之前再400℃回火。再次试制的4件主阀室经过细致检查均未发现任何裂纹，同时氮化前后配合面的直径变化在8~15μm左右，完全在公差允许范围内。工业性试验时，主阀室经受了活塞的高频往复运动，在试验后主阀室配合面的磨损量在1.5~3μm，达到了设计目标。

3结语

（1）零件经过QPQ盐浴复合氮化处理后，可获得良好抗腐蚀性、细微的尺寸变形量、高硬度，QPQ盐浴复合氮化处理工艺可作为高压液动锤零件的热处理工艺；（2）薄壁件在加工过程中，要及时调整工艺，消除机加工、调质处理过程中产生的应力，增加去应力退火和回火，尽可能避免因应力集中产生零件变形或裂纹等。

参考文献：

［1］殷琨，王茂森，彭枧明，等.冲击回转钻进［M］.北京：地质出版社，2010.

作者:李娇 赵志强 单位:1.中煤科工集团重庆研究院有限公司 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室