张喆

新东北电气集团高压开关有限公司 辽宁沈阳 110000

1 序言

活塞杆是液压机构中的关键零部件，材质为铝青铜，牌号为QAl10-3-1.5，需要进行淬火、回火处理，目的在于提高活塞杆的力学性能（主要为硬度）。在生产过程中，活塞杆的硬度变化很大，开始生产时硬度≥200HBW，而后硬度值处在160～180HBW之间。硬度的降低，会造成活塞杆在使用过程中受到磨损，从而影响产品使用寿命。

2 原因分析

2.1 原材料

根据国家材料标准（GB/T 5231—2012）中规定的QAl10-3-1.5的化学成分，见表1。据有关资料，QAl10-3-1.5铝青铜热处理后的硬度主要是由材料中的铝含量决定的，当wAl在8.5%～9.0%时，铝青铜淬火、回火强化效果不明显，当wAl在9.0%以上时，强化效果明显[1]。如图1所示，随着铝含量的增加，抗拉强度提高，当wAl≈10%时，抗拉强度达到峰值。实际生产中也证明了这一点：一般当材料中的wAl在8.5%～9.0%时，QAl10-3-1.5铝青铜淬火、回火后的硬度均在200HBW以下；当wAl在9.0%以上时，热处理后的硬度才能达到200HBW以上。根据此规律，分别抽取两次生产时段的零部件进行化学成分分析，结果显示，硬度在160～180HBW的材料中wAl为8.53%，而硬度在≥200HBW的材料中wAl为9.03%，这说明原材料确实对硬度产生了明显的影响。

图1 铝含量对铝青铜性能的影响

2.2 机械加工

在之前的活塞杆生产中，经下料后直接进行淬火、回火处理，没有进行粗加工，通过试验发现，对于φ75mm的棒料，淬火、回火处理后，表面硬度在180HBW左右，而沿直径向内5～8mm位置，硬度为160HBW左右，再向心部，硬度只略微降低。这样就使零件在机械加工后硬度的变化比较大，硬度范围变化无法控制。因此，工艺修改为在热处理前工作面先粗车（见图2），只留3mm的加工余量，确保加工后的工作面硬度不受太大影响。

表1 QAl10-3-1.5的化学成分（质量分数） （%）

图2 粗加工示意

2.3 热处理时的摆放位置

在之前的活塞杆生产中，棒料平放在料筐中，容易受热不均，造成硬度差异，还容易变形。根据相关资料说明，棒料进行热处理时，竖直摆放更为合理[2]。竖直摆放使零件能够受热均匀，在冷却过程中也能够快速散热，确保硬度均匀，无软点出现，各零件之间的硬度差异减小。

2.4 淬火温度

根据公司工艺文件“铝青铜热处理工艺守则”中要求淬火温度为830～860℃，从出炉到入水冷却时间间隔应≤10s。但是由于生产设备（高温密封生产线见图3）的原因，无法保证10s间隔，故提高淬火温度，以保证零件冷却时不受影响，现热处理工艺为淬火860℃×100min，回火340℃×3h[3]。鉴于铝青铜中铝含量对硬度的影响，因此提高了淬火温度，增加淬火程度。新的热处理工艺为淬火900℃×2h，回火350℃×3h。

图3 高温密封生产线

2.5 淬火冷却介质

在分析原因的同时，发现水淬炉水箱外侧管道弯头开裂，致使盐水流失，造成盐水浓度降低，工件冷却过程中与工件接触的水瞬时沸腾，极易形成稳定的蒸汽膜，致使工件冷却不均，产生软点，影响冷却能力。发现问题后，及时修理生产设备，加盐以保证盐水浓度（见图4）在5%～10%。

图4 淬火冷却介质盐水的浓度测量

3 改进措施

根据上述原因分析，改进生产工艺。生产前确保活塞杆原材料铝青铜中wAl在9.0%以上。淬火、回火之前进行粗车加工。淬火900℃×2h，回火350℃×3h，淬火冷却介质盐水浓度在5%～10%，活塞杆竖直摆放。随后生产294件，硬度检测全部大于200HBW，符合图样要求。抽取2件不同硬度的活塞杆加工成拉伸试样进行抗拉强度和伸长率的测定，试验结果见表2，符合相关企业要求标准。

表2 力学性能试验结果

4 结束语

从以上的原因分析及试验数据，可见铝青铜的化学成分对硬度产生本质的影响。对于铝青铜QAl10-3-1.5，wAl在9.0%以上时，淬火、回火后的硬度才能达到200HBW以上，因此在原材料入厂时，一定要严格控制材料的化学成分。淬火冷却介质盐水浓度在5%～10%，才能保证淬火质量，这就要求车间相关人员定期对设备及仪表进行相关检查。淬火温度的提高使铝青铜的硬度也有很大的增加。同时热处理前的粗加工、热处理时的摆放状态也对零件硬度的提高与均匀性有很大的影响。