材料晶粒度對(duì)金屬密封環(huán)密封性能的影響

徐 光，高 飛

（海裝駐上海地區(qū)軍事代表局，上海 200083）

材料晶粒度對(duì)金屬密封環(huán)密封性能的影響

徐 光，高 飛

（海裝駐上海地區(qū)軍事代表局，上海 200083）

本文從工藝和過程控制的角度提出了解決金屬密封環(huán)漏油故障的有效措施，介紹了金屬密封環(huán)的應(yīng)用場(chǎng)合和工作原理，分析了金屬密封環(huán)的漏油故障現(xiàn)象，利用有限元分析軟件Solidworks/simulation對(duì)金屬密封環(huán)的密封原理進(jìn)行了分析，并用力數(shù)據(jù)處理軟件Minitab對(duì)造成金屬密封環(huán)漏油的原因進(jìn)行分析排查，得出導(dǎo)致金屬密封環(huán)漏油的關(guān)鍵因素，通過試驗(yàn)驗(yàn)證找到了影響金屬密封環(huán)漏油的根本原因，從而解決了金屬密封環(huán)的漏油故障，同時(shí)提出了有效的控制措施，本文對(duì)金屬密封環(huán)的使用、維護(hù)和生產(chǎn)都具有較高的借鑒意義和社會(huì)價(jià)值。

金屬密封環(huán)；電液伺服閥；漏油；EHSV

0 引言

傳統(tǒng)的密封圈一般由丁腈橡膠、硅橡膠或氟硅橡膠等非金屬材料加工而成，其密封性能較強(qiáng)、可壓縮性較大，但其耐低溫環(huán)境性能較差，最低僅能達(dá)到-55℃，而金屬密封環(huán)是由不銹鋼材料 97NiBe組成，能夠承受-60℃以下的低溫環(huán)境[1,2]，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，因此廣泛應(yīng)用于耐高低溫環(huán)境的電液伺服閥和電液伺服系統(tǒng)中。

近年來，金屬密封環(huán)在內(nèi)廠裝配和外廠多次出現(xiàn)漏油故障，影響了配套產(chǎn)品電液伺服閥及舵機(jī)系統(tǒng)的交付進(jìn)度，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。本文闡述了金屬密封環(huán)的結(jié)構(gòu)與工作原理，以及工藝與生產(chǎn)流程，利用有限元分析軟件 SolidWorks/simulation對(duì)金屬密封環(huán)的密封機(jī)理進(jìn)行分析，并通過Minitab數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)故障原因進(jìn)行排查，最終通過試驗(yàn)驗(yàn)證，找到導(dǎo)致金屬密封環(huán)漏油的根本原因。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖1所示，金屬密封環(huán)的截面形狀為U型，通過兩側(cè)的密封環(huán)帶進(jìn)行密封。

圖1 金屬密封環(huán)外形圖

圖2 金屬密封環(huán)安裝結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示為金屬密封環(huán)的安裝結(jié)構(gòu)圖，金屬密封環(huán)安裝在電液伺服閥殼體與端蓋之間，定位板是為了限制金屬密封環(huán)的最終壓縮量。如圖3所示，通過使用 Solidworks/simulation對(duì)金屬密封環(huán)所屬裝配體的受力分析圖，可知在端蓋螺釘?shù)臄Q緊力作用下金屬密封環(huán)兩密封面的變形一致，內(nèi)應(yīng)力對(duì)稱且分布均勻，由于金屬密封環(huán)為不銹鋼材料，剛性較大，因此在受壓變形情況下，只有密封面的外頂尖起到密封作用，屬于線密封，無法達(dá)到理想的密封效果，因此在金屬密封環(huán)的密封面上鍍約0.005mm厚的銀層，由于銀層較軟，從而使密封面由線密封變?yōu)槊婷芊猓行芊鈱挾燃s為密封面寬度的1/3。

圖3 金屬密封環(huán)位移應(yīng)變與密封接觸區(qū)域圖

根據(jù)金屬密封環(huán)材料 97NiBe的屬性，在進(jìn)行有限元仿真分析時(shí)，分別進(jìn)行不同壓縮量的仿真，此種結(jié)構(gòu)的金屬密封環(huán)其壓縮量的理想范圍為0.08mm至0.12mm，當(dāng)再增加壓縮量時(shí)，其產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力已接近材料的許用應(yīng)力，安全系數(shù)降低，不能滿足疲勞壽命的要求[3]。

由以上分析可知，此種金屬密封環(huán)是一種壓縮量約為0.1mm的表面鍍銀的面密封金屬元件。

2 故障分析

根據(jù)前文所述，金屬密封環(huán)是一種面密封結(jié)構(gòu)，因此出現(xiàn)漏油故障的部位只可能是密封面處或者元件基體處。根據(jù)對(duì)故障件的外觀檢查發(fā)現(xiàn)，金屬密封環(huán)外圓處均存在不同程度的桔皮現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)斷裂，從而導(dǎo)致金屬密封環(huán)出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，如圖 4所示。

圖4 金屬密封環(huán)故障件外形圖

圖5 故障件平均晶粒度大小

對(duì)故障件進(jìn)行失效分析，檢查發(fā)現(xiàn)失效類型為沿晶斷裂，結(jié)果顯示故障件的平均晶粒度達(dá)到了0.4mm，如圖5所示，而此種類型金屬密封環(huán)的厚度僅為0.3mm，故障件平均晶粒度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于許用要求值，因此可見金屬密封環(huán)出現(xiàn)斷裂的主要原因是平均晶粒度粗大造成的。根據(jù)失效檢測(cè)結(jié)果及初步分析，建立金屬密封環(huán)從原材料到裝配試驗(yàn)全過程的流程圖，推導(dǎo)金屬密封環(huán)晶粒度粗大以及發(fā)生斷裂的原因，如圖6所示。

圖6 金屬密封環(huán)生產(chǎn)過程流程圖

根據(jù)金屬密封環(huán)的生產(chǎn)流程圖，建立密封環(huán)失效的故障樹，從而對(duì)可能造成的原因逐步排查。

圖7 金屬密封環(huán)失效故障數(shù)樹圖

由圖7可知，導(dǎo)致金屬密封環(huán)漏油的可能原因主要包括以下四個(gè)方面：原材料晶粒度、熱處理固溶溫度、成型模具的變形、鍍銀過程控制。

2.1 原材料晶粒度

金屬密封環(huán)平均晶粒度粗大，會(huì)降低晶粒間的結(jié)合力，使金屬密封圈在受壓情況下達(dá)到屈服極限，導(dǎo)致金屬密封環(huán)產(chǎn)生較大的塑性變形甚至斷裂，而影響金屬密封環(huán)平均晶粒度的重要因素便是原材料的平均晶粒度大小。

金屬密封環(huán)的加工過程首先是對(duì)原材料進(jìn)行拉伸成型和固溶熱處理，每次進(jìn)行拉伸成型工序后均需要進(jìn)行一次固溶處理，固溶處理的目的一方面是為了軟化材料，從而讓材料能進(jìn)行下一次的拉伸成型，另一方面是為了降低拉伸成型所帶來的平均晶粒度增大，因此每一次的拉伸成型和固溶熱處理都會(huì)影響材料的平均晶粒度，而在金屬密封環(huán)的整個(gè)加工過程中，共需要進(jìn)行六次拉伸成型和固溶熱處理，會(huì)在一定程度上增大金屬密封環(huán)的平均晶粒度，若原材料平均晶粒度過大，則金屬密封環(huán)成品零件的平均晶粒度將變得更大，如圖8所示為成型過程中晶粒度的長(zhǎng)大趨勢(shì)圖。通過對(duì)多個(gè)批次的故障件進(jìn)行失效分析，故障件的平均晶粒度均明顯超過許用要求。可見故障件所采用的原材料晶粒度偏大是造成金屬密封環(huán)失效的原因之一。

圖8 熱處理工藝過程晶粒度長(zhǎng)大趨勢(shì)圖

2.2 熱處理工藝參數(shù)控制

金屬密封環(huán)固溶熱處理的冷卻方式為：水淬、固溶溫度1050℃ ×20min， 時(shí)效溫度510℃×2h。金屬密封環(huán)所使用的97NiBe材料是一種時(shí)效強(qiáng)化型高溫彈性合金，需在高溫下淬火，然后在低溫下時(shí)效處理，從而使Ni-Be合金達(dá)到較高的機(jī)械性能[4]，時(shí)效溫度高會(huì)使晶界的析出物總量增加，從而降低金屬密封環(huán)的彈性，熱處理的溫度對(duì)金屬密封圈的金相組織和機(jī)械性能具有較大的影響。因此熱處理溫度參數(shù)控制會(huì)影響金屬密封環(huán)平均晶粒度的大小。

2.3 模具變形

成型模具磨損，生產(chǎn)出來的零件形狀出現(xiàn)偏差，會(huì)導(dǎo)致金屬密封圈的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致金屬密封圈容易被壓潰，甚至斷裂。

如圖9所示為故障批次生產(chǎn)的金屬密封圈截面形狀，其截面最小過渡圓弧半徑約為 0.15mm，圓弧半徑較小，在受力壓縮情況下，其應(yīng)力較為集中，會(huì)導(dǎo)致金屬密封環(huán)產(chǎn)生較大的塑性變形，甚至壓潰。通過對(duì)加工現(xiàn)場(chǎng)的檢查，發(fā)現(xiàn)用于成型的模具磨損較為嚴(yán)重，致使成型出的零件其截面形狀發(fā)生了變化?？梢姵尚湍＞叩淖冃我彩窃斐山饘倜芊猸h(huán)失效的原因之一。

圖9 故障件截面形狀

2.4 鍍銀過程控制

鍍銀工序的過程控制是影響銀層附著力和密封性能的重要因素，主要包括鍍銀前的零件清洗、鍍銀的電流密度大小、鍍銀的時(shí)間控制、槽液的清潔度等。鍍銀前的零件清洗會(huì)影響銀層與基體之間的附著，若密封面表面存在研磨膏之類未清洗干凈的異物，則會(huì)導(dǎo)致銀層無法電鍍?cè)诋愇锷?，從而在后續(xù)的密封性試驗(yàn)中使銀層脫落、金屬密封圈漏油；鍍銀的電流密度大小則會(huì)影響銀層的厚度，銀層過厚會(huì)增加基體的厚度，從而降低金屬密封圈的彈性，銀層較薄會(huì)降低密封面的密封性能；槽液的清潔度會(huì)影響污染物附著在密封面上，從而影響其密封性。檢查發(fā)現(xiàn)用于檢測(cè)鍍銀電流大小的電流表精度較差，影響了時(shí)間鍍銀電流的大小，但對(duì)于銀層的影響需要通過試驗(yàn)驗(yàn)證來說明[5,6]。

3 改進(jìn)方案與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 驗(yàn)證方案

依據(jù)前文的故障分析，提出了改進(jìn)方案，并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，主要包括：提高原材料晶粒度的驗(yàn)證、改進(jìn)熱處理參數(shù)的驗(yàn)證、改進(jìn)成型模具的驗(yàn)證、改進(jìn)鍍銀工序驗(yàn)證。

1）原材料平均晶粒度驗(yàn)證

對(duì)原材料晶粒度進(jìn)行控制，要求平均晶粒度不大于40μm，新材料的改進(jìn)措施落實(shí)于2011-11-3批次的金屬密封環(huán)。

2）金屬密封環(huán)成型模具驗(yàn)證試驗(yàn)

重新加工金屬密封環(huán)的成型模具，并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，模具改進(jìn)的措施落實(shí)于2011-8-30批次的金屬密封環(huán)，對(duì)新批次金屬密封環(huán)的截面尺寸進(jìn)行檢查，均滿足技術(shù)要求。

圖10 金屬密封圈截面形狀技術(shù)要求

3）熱處理固溶溫度

不同熱處理參數(shù)的對(duì)比驗(yàn)證，熱處理固溶溫度對(duì)晶粒度的影響較大，圖11所示為不同固溶溫度的零件晶粒度驗(yàn)證的結(jié)果。

圖11 晶粒度隨熱處理固溶溫度的變化趨勢(shì)

圖12 1010℃固溶溫度零件強(qiáng)化相析出效果

由圖11可知，熱處理固溶溫度越低，其晶粒度越小，零件的回彈性越好，但固溶溫度過低，會(huì)導(dǎo)致晶粒之間無強(qiáng)化相析出，晶粒之間結(jié)合力差。由圖12可知，當(dāng)溫度適當(dāng)增加時(shí)，其可以很好的析出強(qiáng)化相，有利于晶粒間結(jié)合力的增大，通過驗(yàn)證分析，熱處理固溶溫度參數(shù)在1010℃至1020℃之間，零件的晶粒度和強(qiáng)化相析出達(dá)到最佳狀態(tài)。此措施已落實(shí)于03批次的金屬密封環(huán)。

4）鍍銀工序過程控制的驗(yàn)證

鍍銀工序控制主要是控制鍍銀前金屬密封環(huán)的清洗、鍍銀的時(shí)間和鍍銀的電流精度，采用嚴(yán)格按照鍍銀工序的過程控制落實(shí)于 01批次的金屬密封環(huán)。

3.2 驗(yàn)證結(jié)果

如圖13所示為驗(yàn)證階段各批次的合格率情況。

圖13 金屬密封環(huán)合格率

由金屬密封環(huán)各批次驗(yàn)證的合格率可知：

1）落實(shí)鍍銀工藝后，金屬密封環(huán)的合格率未見提高，可見鍍銀工藝參數(shù)并不是影響因素；

2）成型模具和熱處理參數(shù)改進(jìn)措施落實(shí)后，金屬密封環(huán)的合格率有一定的提高，但合格率較低且不穩(wěn)定，仍未達(dá)到原有合格率65%的水平?？梢娔＞吆蜔崽幚韰?shù)是重要影響因素；

3）落實(shí)原材料的晶粒度參數(shù)之后，金屬密封環(huán)的合格率得到了大幅提高，達(dá)到了原有水平，可見原材料晶粒度是主要的影響因素；

4）模具、熱處理參數(shù)、原材料晶粒度三項(xiàng)措施落實(shí)后，合格率達(dá)到了80%以上，且合格率穩(wěn)定。

因此可知原材料晶粒度和熱處理固溶溫度是主要影響因素，決定著金屬密封環(huán)性能的優(yōu)劣，模具變形是次要影響因素。

4 故障定位

導(dǎo)致金屬密封環(huán)晶粒間結(jié)合力較差的原因是零件的平均晶粒度粗大，造成零件平均晶粒度粗大的原因是原材料的晶粒度較大，并且熱處理固溶溫度工藝參數(shù)設(shè)置不合理，加劇了晶粒的長(zhǎng)大，從而造成最終成型零件的平均晶粒度粗大，導(dǎo)致晶粒間結(jié)合力差，使金屬密封環(huán)在受壓情況下沿著晶相組織間發(fā)生斷裂。

5 解決措施

根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證和故障定位的結(jié)果，對(duì)后續(xù)金屬密封環(huán)的加工應(yīng)落實(shí)以下措施：

1）固化熱處理工藝參數(shù)：固溶溫度為 1010℃至1020℃；

2）金屬密封環(huán)所使用的97NiBe原材料的平均晶粒度不得大于40μm；

3）采用新模具，保證金屬密封圈的幾何形狀滿足技術(shù)要求，并定期對(duì)模具進(jìn)行檢測(cè)；

4）金屬密封環(huán)在裝配使用前須檢測(cè)成品零件的平均晶粒度。

6 結(jié)論

導(dǎo)致金屬密封環(huán)斷裂漏油的最主要原因是熱處理工藝參數(shù)不合理、原材料晶粒度粗大，導(dǎo)致零件晶粒粗大結(jié)合力差，模型磨損導(dǎo)致截面形狀的變形加劇了金屬密封環(huán)在受壓下的斷裂。

本文工藝參數(shù)和過程控制的角度提出了金屬密封環(huán)漏油故障的最終解決方案，并為同類型金屬密封件的設(shè)計(jì)、使用、排故提供了借鑒。目前，金屬密封件已廣泛應(yīng)用于耐高低溫要求的電液伺服系統(tǒng)、電液伺服閥和各種液壓產(chǎn)品中，并且形狀也多種多樣，如W型金屬密封環(huán)。本文所闡述的分析方法、排故流程等對(duì)金屬密封件的使用、維護(hù)和生產(chǎn)等都具有較高的借鑒意義和社會(huì)價(jià)值。

[1] H. E. 梅里特, 著, 陳燕慶, 譯. 液壓控制系統(tǒng)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1967.

[2] 王占林. 液壓伺服控制[M]. 北京: 北京航空學(xué)院出版社, 1987.

[3] paхштaлт, a. Г. Лpyжинныc eилaвы[M]. 1965.

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[5] 邱順發(fā), 李灼華. 高溫彈性鎳鈹合金 上海金屬（有色分冊(cè)）[M]. 1988, 2 (9): 18-23.

[6] 張寶昌, 王宗貞. 熱處理對(duì) Ni-2.5%Be合金組織和性能的影響.機(jī)械工程材料[M]. 1998, 1 (64): 14-17.

Influence of Grain Size on Sealing Performance of Metallic Seal Rings

Xu Guang, Gao Fei
(Shanghai Navy Equipment Department, Shanghai 200083, China)

Available methods of solving leakage failure on metallic seal rings are presented, which are related to technics and process control. The application surroundings and operation principle are introduced.The leakage failure character on metallic seal rings are analysis on metallic seal rings simulated by Solidworks/simulation is given. The critical factors on leakage failure processed by Minitab are presented and given. Ultimate reasons on leakage failure on metallic seal rings are found by testing. Finally, the leakage failure is solved and solutions are given. It has great use for reference and society worth to the use,maintenance and manufacture of metallic seal rings.

metallic seal rings; servo valve; leakage failure; EHSV

TP271

A

10.14141/j.31-1981.2015.06.017

徐光（1975-）男，工程師，研究方向：機(jī)電。