液压缸耐磨耐蚀性能提高的技术.pdf

经验交流 2 0 1 5 年 第4 期 第2 8 卷， 总 第1 3 8 期 机械研究与应用 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5 1 0 0 7 5 ； 2 ． 广 东国防科技技师 学院， 广东 广州5 1 0 0 7 5 摘要 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 。 关键词 耐磨技术； 表面硬度； 化学镀镍； Q P Q技术 中图分类号 T G 1 7 4 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 5 0 4 0 2 1 6 0 3 Te c hn i c a l Re s e a r c h o n I mpr o v i n g t he W e a r a nd Cor r o s i o n Re s i s t a nc e o f Hyd r a ul i c Cy l i nde r Z HANG We n f a n ．L U Z i j i a n g J ． G u a n g z h o u I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 0 7 5 ， C h i n a； 2 ． G u a n g d o n g D e f e n s e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y T e c h n i a n C o l le g e ， G nan g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t T h e p u r p o s e o f p a p e r i s t o d i s c u s s t h e p r o b l e ms t h a t h y d r a u l i c c y l i n d e r we a r f a i l u r e i s f a c i n g t o a n d c u r r e n t h y d r a u - l i e c y l i n d e r w e a r a b l e t e c h n o l o g y ，wh i c h s h o w t h a t i t i s n e c e s s a r y t o f u ah e r s t u d y o f h y d r a u l i c c y l i n d e r we ara b l e t e c h n o l o gy ． Ke y w o r d s w e a l “ 一 r e s i s t a n t t e c h n i q u e ； s u r f a c e h a r d n e s s ； c h e mi c a l n i c k e l p l a t i n g ； Q P Q t e c h n o l o gy O 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⋯ 。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 7 0年代末 8 O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 放人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 H V 5 7 0， 经 热处理后 硬度可达 H V 1 0 0 0 。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 1 c r l 8 N i 9 T i 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。 收稿 日期 2 0 I 5 一 O 6 一 l 0 作者简介 张文凡 1 9 5 7 一 ， 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 。 21 6 机械研究 与应用 2 0 1 5 年 第4 期 第2 8 卷， 总 第1 3 8 期 经验交流 3 液压缸活塞 杆等镀件表 面光泽度 高， 达 到 L Z或 8 1 O， 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 J 。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 ， 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 J 。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 』 。 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 ％ 一1 6 ％ ， 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 QP Q 处理 液压缸 Q P Q Q u e n c h --P o l i s h Q u e n c h 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 J 。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 Q P Q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 J ， 并 且经过处理后的活塞杆不产生变形。 液压缸材料经过 Q P Q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 Q P Q技术能大 幅提高 液压缸 的工 作寿命。 经 Q P Q处理后 ， 液压缸活塞杆的耐磨性达 到常规热 处理的 1 0倍 以上， 抗蚀性达到镀硬铬的 2 0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 Q P Q盐浴复合处理的4 5号钢 ， 其疲劳极 限提高 4 0 ％左右。 经过 Q P Q处理的液压缸可以提高表面硬度和耐 磨性和耐疲劳陛， 特别是用来解决活塞杆件硬化变形 的问题 ， 因此 ， Q P Q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 Q P Q 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 21 7 经验交流 2 0 1 5 年 第4 期 第2 8 卷， 总 第1 3 8 期 杌械 研究与应用 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 3 2 M P a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 21 8 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 Q P Q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。 参考文献 [ 1 ] 臧克江 ． 液压缸 [ M] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 2 ] 陈曙光 ， 刘君武 ， 丁厚 福． 化 学镀 的研究研 究现 状 、 应 用及 展望 [ J ] ． 热加工工艺 ， 2 0 0 0 2 4 3 4 5 ． [ 3 ] 冯辉 ， 张勇， 张林森， 等． 电镀理论与工艺[ M] ． 北京 化学工 业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 4] 冯辉 ， 袁萍 萍 ， 张琳 ， 等． 脉 冲电镀 铬 的研 究 现状 与 展望 [ J ] ． 电镀与精饰 ， 2 0 1 0， 3 2 1 2 O 一 2 3 ． [ 5 ] Y o n g C h o i a ，M．K i mb ，S ． C ．K w o n ． C h a r a c t e r i z a t i o n o f C h r o me L a y e r F o r m e d b y P u l s e P l y i n g [ J ] ．S u r f a c e a n d C o a t i n g s T e c h n o l o g Y 2 0 0 3 1 6 9 8 1 - 8 4 ． [ 6 ] Y o n g C h o i a ， B a i k N I ， Ho n g S I _Mi c r o s t r u c t u r a l O b s e r v a t i o n a n d W e a r P r o p e r t i e s o f Th i n Ch r o me L a y e r s P r e p are d b y P u l s e P | i n g [ J ] ．1 1h i n S o l i d F i l ms ， 2 0 0 1 3 9 7 2 4 2 9 ． [ 7 ] H_ Y L i ，D． F L u o ，C ． F Ye u n g ，e t a 1 ．Mi c ms t r u e t u ml S t u d i e s o f Q P Q C o m p l e x S a l t B a t h He a t t r e a t e d S t e e l s [ J ] ． J o u r n a l o f Ma t e r i als P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ， 1 9 9 7， 6 9 1 3 4 5 4 9 ． [ 8 ] D． F ．L u o ，H． Y．L i ， S ． X．Wu ． D i s c u s s i o n o n t h e Me c h ani s m o f H i g h C o r r o s i o n R e s i s t anc e f o r Q P Q T e c h n o l o g y [ J ] ． H e a t T r e a t M e t ， 2 0 0 5 3 0 2 8 3 O ．