工程機(jī)械多路閥閥芯表面鍍鉻的重大缺陷是燒焦、針孔、麻點(diǎn)、凹坑，在直角棱邊上呈鋸齒狀剝離。這些缺陷最大問(wèn)題是產(chǎn)生毛刺和影響環(huán)保，美歐等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)禁止六價(jià)鉻使用。隨著工程機(jī)械對(duì)整體式多路閥的“可靠性”、“耐久性”要求的提高，迫切需要一種比鍍鉻更環(huán)保、更耐磨、更耐腐蝕的技術(shù)來(lái)取代閥芯傳統(tǒng)的鍍鉻工藝。該文簡(jiǎn)要介紹了QPQ技術(shù)在多路閥閥芯表面改性強(qiáng)化上的應(yīng)用。

　　引言

　　金屬材料表面改性強(qiáng)化技術(shù)是為摩擦副服務(wù)的。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家20 年前就提出“80 年代設(shè)計(jì)的機(jī)械產(chǎn)品，如果不考慮摩擦學(xué)設(shè)計(jì)就沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。”最近美國(guó)軍方資料指出“適應(yīng)高壓系統(tǒng)的柱塞式液壓泵、馬達(dá)，要求提高性能增加壽命，關(guān)鍵技術(shù)關(guān)是摩擦學(xué)。”工程機(jī)械整體式多路閥的閥芯與閥體配合就是一對(duì)摩擦副。用傳統(tǒng)的鍍鉻工藝已不能滿(mǎn)足目前工程機(jī)械對(duì)整體式多路閥摩擦副的可靠性、耐久性需要了。液壓閥的閥芯(閥桿)為了增加耐磨性能，普遍采用鍍鉻工藝。但鍍鉻的應(yīng)力最大，容易剝落、燒焦，出現(xiàn)針孔、毛刺等缺陷。改成金屬表面改性強(qiáng)化工藝，耐磨性能比鍍硬鉻提高二倍、抗腐蝕性能比鍍硬鉻提高20倍，遠(yuǎn)高于鍍鎳，沒(méi)有后顧之憂(yōu)。

1、問(wèn)題描述

　　工程機(jī)械多路閥閥芯為了提高耐磨性能，目前一般采用表面鍍鉻工藝，因?yàn)殄冦t的耐磨性能是滲碳淬火、碳氮共滲熱處理的2倍。但鍍鉻產(chǎn)生的毛刺問(wèn)題很難發(fā)現(xiàn)和解決，比切削毛刺危害更大。工程機(jī)械多路閥閥芯(也稱(chēng)閥桿)軸向、徑向都有乍槽分布，而且軸向有許多缺口。這些槽子和缺口形成的直角棱邊是影響鍍鉻燒焦的重要原因。表面鍍鉻燒焦、針孔、麻點(diǎn)引起的最大問(wèn)題是產(chǎn)生毛刺。

　　我們平時(shí)只會(huì)注意鉆削、車(chē)削、銑削、磨削的毛刺。鍍鉻只重視鍍層厚度、結(jié)合力。因鍍鉻引起的毛刺很難發(fā)現(xiàn)，也很少有人研究。經(jīng)分析，毛刺多的原因是電鍍質(zhì)量問(wèn)題，表面粗看是燒焦、粗糙，鍍層疏松。鍍層疏松的缺陷主要體現(xiàn)在直角棱邊上，這是鍍鉻的老問(wèn)題。經(jīng)粗磨、半精磨加工后，由于砂輪的高速運(yùn)轉(zhuǎn)和擠壓，金屬材料(毛刺)把針孔、麻點(diǎn)、凹坑、燒焦的缺口掩蓋了。這種毛刺危害更大，如果不做去毛刺、光整加工根本不會(huì)發(fā)現(xiàn)。去毛刺、光整加工后，這些毛刺和夾灰的顆粒就剝離了，棱邊的鋸齒狀缺口就暴露了。這種毛刺顆粒較大，黏連相對(duì)較牢固，往往是在液壓件工作數(shù)百小時(shí)后掉落，造成卡閥故障。我司從三包件拆下來(lái)的閥芯分析，鍍鉻剝離的閥芯占的比例比較大。圖1和圖2是三包件經(jīng)過(guò)自由磨具光整后暴露缺陷的閥芯。

圖1 閥芯鍍鉻后平衡槽崩口情況

圖2 閥芯鍍鉻后缺口棱邊崩口情況

　　鍍鉻崩口的情況主要由以下情況造成的。燒焦：由于鍍鉻需要很高的電流密度，對(duì)閥芯的尖角及突出部分威脅很大，導(dǎo)致閥芯兩端、頭部、尖角等處容易燒焦，產(chǎn)生樹(shù)枝狀結(jié)晶、毛刺等缺陷。往往被人們忽視的引起燒焦的原因卻是極間距離太近或陽(yáng)極太大、太長(zhǎng)。當(dāng)陽(yáng)極過(guò)長(zhǎng)時(shí)電流在閥芯的邊緣及尖角處會(huì)更大。

　　針孔：針孔是從鍍層表面至底層覆蓋層或基體金屬的微小孔道，大多是氫氣在閥芯鍍層表面停留造成的。也可能是基體金屬上的凹坑引起的，針孔產(chǎn)生的原因很復(fù)雜。

　　麻點(diǎn)：麻點(diǎn)是在電鍍和加工過(guò)程中，在金屬上形成的小坑，其上面雖有鍍層，但該缺陷不能被鍍平。鍍鉻缺陷形成的原因是多方面的。鍍前除銹、除污、清洗、光整、預(yù)熱十分重要。特別是拋光工序，把邊緣棱角倒園后，清角處就不會(huì)燒焦。但一般電鍍廠(chǎng)不具備這個(gè)條件，也沒(méi)有這方面的專(zhuān)業(yè)人才。鍍中電極大小，位置布局十分重要。電鍍行業(yè)有三分技術(shù)，七分掛具的說(shuō)法。以前老式的可控硅電源，鍍的時(shí)間比較長(zhǎng)，結(jié)合力致密。現(xiàn)在采用高頻電源，鍍的時(shí)間快，在邊緣棱角毛刺沒(méi)有去除、沒(méi)有倒圓的情況下，燒焦、針孔、麻點(diǎn)無(wú)法避免。鍍后除氫也十分重要。按照工藝規(guī)程，鍍鉻后必須除氫，就是加熱到200~240℃，保溫2~3h。24h以后，待鍍膜牢固后才能搬運(yùn)。

　　鍍鉻缺陷和氣候條件有很大關(guān)系，特別是南方梅雨季節(jié)，是鍍鉻缺陷高發(fā)期。特別要做好加工、運(yùn)輸、保管各個(gè)環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)工作。稍有不慎，質(zhì)量難以保證。鍍鉻的另一個(gè)問(wèn)題是影響環(huán)保。因?yàn)榱鶅r(jià)鉻對(duì)人體有害，美歐等發(fā)達(dá)國(guó)家早就禁止使用了。我國(guó)也在嘗試用三價(jià)鉻替代六價(jià)鉻，對(duì)人體危害可以少一點(diǎn)，但技術(shù)還不成熟。

　　鍍鉻的耐磨性雖然是熱處理的2倍，但是耐腐蝕性不是很好，我司有的同志去德國(guó)考察，看到人家發(fā)黑的不銹，我們鍍鉻的卻生銹了。

2、金屬材料表面改性強(qiáng)化技術(shù)

　　使用材料時(shí)，表面高硬度、強(qiáng)度、耐磨性與心部韌性、塑性之間常常存在著矛盾，二者處理不當(dāng)，不是造成材料浪費(fèi)，就是早期失效。使用整體材料，在許多情況下難于處理得恰當(dāng)，有時(shí)甚至無(wú)法解決。而采用表面強(qiáng)化處理則很容易做到兩者兼顧，使材料的潛力得到充分發(fā)揮。

　　金屬材料表面改性技術(shù)是利用物理的、化學(xué)的、物理化學(xué)的以及機(jī)械的等工藝方法，使工件表面獲得所要求的成分、組織和性能，以提高摩擦副質(zhì)量的工程。它是20 世紀(jì)80 年代世界10 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一，是近10～20年發(fā)展最迅速的科學(xué)技術(shù)，正在成為一門(mén)新型的獨(dú)立學(xué)科。金屬材料表面改性強(qiáng)化技術(shù)不是簡(jiǎn)單的熱處理和耐蝕防腐。主要是通過(guò)材料表面改性強(qiáng)化技術(shù)，提高表面強(qiáng)度、硬度、耐磨性為主，常稱(chēng)為表面硬化(強(qiáng)化)技術(shù)。兩者有聯(lián)系，有交叉，又具有相對(duì)獨(dú)立性。近來(lái)，許多科學(xué)技術(shù)的新成就、新技術(shù)，如氣相沉積、激光技術(shù)、電子束技術(shù)等滲透到表面工程之后，拓寬了表面工程的應(yīng)用范圍，是液壓件實(shí)現(xiàn)可靠性、耐久性的關(guān)鍵技術(shù)。

　　2.1、QPQ 金屬材料表面改性強(qiáng)化技術(shù)

　　“QPQ”是英文“Quench-Polish-Quench”的字頭縮寫(xiě)。原意為淬火-拋光-淬火，從專(zhuān)業(yè)技術(shù)上來(lái)講，這種說(shuō)法不夠確切，但在國(guó)際上已經(jīng)習(xí)慣地沿用至今，因此仍被廣泛采用。

　　QPQ技術(shù)(見(jiàn)圖3、圖4)在國(guó)內(nèi)也被稱(chēng)作QPQ鹽浴復(fù)合處理技術(shù)，其中“復(fù)合”的含義有較為深入的內(nèi)涵。在工藝上是指它是在氮化鹽浴和氧化鹽浴兩種浴鹽中處理工件，實(shí)現(xiàn)了滲氮工序和氧化工序的復(fù)合;滲層組織上是氮化物和氧化物的復(fù)合;性能上是耐磨性和耐蝕性的復(fù)合;技術(shù)上是熱處理技術(shù)和防腐技術(shù)的復(fù)合。

　　最早的鹽浴滲氮始于1929年，采用全氰化物的低溫鹽浴滲氮，也被稱(chēng)之為鹽浴氰化，20世紀(jì)40年代在德國(guó)和前蘇聯(lián)大量用于處理高速鋼刀具。當(dāng)時(shí)這種技術(shù)除了用于結(jié)構(gòu)鋼的耐蝕性滲氮外，還不大適用于高速鋼以外的鋼種。同時(shí)新配制的氰化物鹽浴必須經(jīng)過(guò)幾十小時(shí)的時(shí)效才能使用。

圖3 QPQ 新技術(shù)的工藝曲線(xiàn)

圖4 QPQ 處理后滲層中N、C、O 含量分布

　　為了縮短時(shí)效時(shí)間，德國(guó)迪高沙公司于1954年開(kāi)發(fā)了向氰化物鹽浴通空氣的新的滲氮法，在德國(guó)被命名為“Tenifer”即活性鹽浴滲氮或鹽浴軟氮化(鹽浴氮碳共滲)。這項(xiàng)技術(shù)在1959年被美國(guó)引進(jìn)后，稱(chēng)之為“Tufftride”;1961年被日本引進(jìn)后，稱(chēng)之為“タワトライト”。它不僅使鹽浴的時(shí)效時(shí)間由幾十小時(shí)縮短到幾小時(shí)，還大大提高了鹽浴中氰酸根[CNO-]的含量，減少了滲層的脆性，因此也被稱(chēng)作鹽浴軟氮化。新的鹽浴軟氮化法幾乎適用于所有的鋼種。于是，該技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展，被很多發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家普遍采用。

　　2.2、QPQ 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

　　(1)大幅提高表面硬度和耐磨性，降低摩擦系數(shù)。按40CR為例，表面硬度HV700。在相同試驗(yàn)條件下，耐磨性比常規(guī)淬火(HRC58)高29 倍，比高頻淬火(HRC61)高23 倍，比20 號(hào)鋼滲碳淬火(HRC63)高14倍，比離子滲氮高2.8倍，比鍍硬鉻提高2倍以上，中碳

　　鋼的疲勞強(qiáng)度提高40%以上。

　　(2)大幅提高抗腐蝕性能。對(duì)幾種不同材料，不同工藝處理的樣品按同樣的試驗(yàn)條件用美國(guó)ASTMB117標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行連續(xù)噴霧試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度35±2℃，相對(duì)濕度>95%，5%NaCL 水溶液噴霧比較相對(duì)抗銹蝕性能比1CR13不銹鋼高40倍，比1CR18NI9TI 不銹鋼高5倍，比鍍硬鉻高20倍，比鍍裝飾鉻(CU-CR)高35倍，比發(fā)黑高280倍。

　　(3)安全環(huán)保。從20世紀(jì)60年代初到20世紀(jì)70年代中期鹽浴軟氮化法的應(yīng)用量迅速增加。到了20世紀(jì)70年代中期，由于環(huán)保方面對(duì)工業(yè)污染的限制，以氰化物為原料的鹽浴軟氮化法這一時(shí)期的應(yīng)用量大幅度下降。為了徹底解決鹽浴軟氮化法的氰化物污染問(wèn)題，20世紀(jì)70年代中期，德國(guó)迪高沙公司又開(kāi)發(fā)了全新的無(wú)公害的鹽浴滲氮技術(shù)，因此20世紀(jì)70年代中期以后鹽浴滲氮法的應(yīng)用量又迅速增加。

　　新的無(wú)公害的鹽浴滲氮法以不含氰化物的原料直接配制成氰酸根含量很高的鹽浴，不必采用長(zhǎng)期時(shí)效的方法來(lái)升高氰酸根的含量。同時(shí)配制了一種能夠分解有毒氰化物的氧化鹽浴，用來(lái)分解工件從氮化浴鹽中帶出來(lái)的由氰酸根分解而產(chǎn)生的少量氰根[CN-]，因而工件清洗水不再含有有毒的氰根，這樣就實(shí)現(xiàn)了鹽浴的原料無(wú)毒和工件的清洗水無(wú)毒，從而徹底解決了公害問(wèn)題。

　　新的無(wú)公害鹽浴滲氮法被美國(guó)引進(jìn)后，得到了大量應(yīng)用。美國(guó)科林公司(Kolene)是德國(guó)迪高沙公司的鹽浴滲氮技術(shù)的老用戶(hù)，它不僅很好地應(yīng)用了新的鹽浴滲氮技術(shù)，而且進(jìn)行革新和改進(jìn)。該公司在工件進(jìn)行了鹽浴滲氮和氧化以后，還對(duì)工件表面進(jìn)行了光整，工件光整后再進(jìn)行一次氧化處理。這樣經(jīng)過(guò)上述處理后，不僅工件表面賞心悅目，而且耐蝕性大幅度提高，甚至超過(guò)了鍍鉻、鍍鎳等專(zhuān)門(mén)的表面耐蝕技術(shù)。

2.3、QPQ 技術(shù)在工程機(jī)械多路閥閥芯表面改性強(qiáng)化的應(yīng)用(見(jiàn)圖5~圖7)

圖5 經(jīng)過(guò)QPQ 處理的閥芯(該圖加工照相后更換)

圖6 電鏡掃描下觀察到的閥芯40CR 鋼的滲層組織

圖7 閥芯40CR 鋼滲層表面氧化元素掃描

　　粗磨-去毛刺、光整-半精磨、精磨-QPQ滲氮強(qiáng)化-光整-QPQ氧化-光整。

　　去毛刺、光整技術(shù)、材料表面強(qiáng)化技術(shù)、防銹技術(shù)，這三個(gè)技術(shù)是互相關(guān)聯(lián)的，具有鏈?zhǔn)阶鳂I(yè)特性。去毛刺、光整加工后，零件表面的各種缺陷都暴露出來(lái)了(裂紋、麻點(diǎn)等)，可以進(jìn)一步篩選，找出原因，是材料問(wèn)題還是加工問(wèn)題，作相應(yīng)的對(duì)策。去毛刺、光整以后做強(qiáng)化，強(qiáng)化后再做光整。閥芯表面烏黑油亮，看了有愛(ài)不釋手的感覺(jué)。加工后，表面硬化層0.3~0.4，硬度測(cè)試達(dá)到HV700。并做了耐磨試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了要求。徹底消除了鍍鉻閥芯崩口、毛刺掉落造成的卡閥故障。

　　工程機(jī)械多路閥閥芯表面改性強(qiáng)化技術(shù)是我司在全行業(yè)首先進(jìn)行實(shí)踐、運(yùn)用，變鍍?yōu)闈B，不僅提高了閥芯的疲勞強(qiáng)度，可以有效解決卡閥故障，對(duì)于提升整個(gè)液壓件行業(yè)的可靠性、耐久性具有深遠(yuǎn)的意義。用水做介質(zhì)的液壓件是發(fā)展趨勢(shì)，QPQ技術(shù)解決了這一難題。這種技術(shù)對(duì)不銹鋼、碳鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬都能處理，達(dá)到提高耐磨性能，永久防銹的目標(biāo)。這種工藝成本較低，設(shè)備投入不到30萬(wàn)元。外協(xié)加工點(diǎn)多的地方4~6元/公斤，低于鍍鉻和滲碳淬火。外協(xié)加工點(diǎn)少的地方6~8元/公斤(小件或大件價(jià)格另計(jì))，略高于鍍鉻和滲碳淬火，大大低于陶瓷噴涂，可以取代鍍鉻和滲碳、滲氮淬火。