奧貝球鐵蝸輪在閥門(mén)電動(dòng)裝置上的應用

　　分析了熱處理工藝中奧氏體化溫度和時(shí)間、等溫淬火溫度和時(shí)間對奧貝球鐵性能的影響。確定了閥門(mén)驅動(dòng)裝置用奧貝球鐵材料蝸輪的生產(chǎn)工藝。通過(guò)裝機試驗驗證，研制的奧貝球鐵材料蝸輪滿(mǎn)足使用性能要求，降低了生產(chǎn)成本。

1、概述

　　閥門(mén)電動(dòng)裝置( 閥門(mén)電動(dòng)執行機構) 是一種過(guò)程控制系統常用的機電一體化的閥門(mén)驅動(dòng)機構。通過(guò)操作電動(dòng)裝置控制閥門(mén)的介質(zhì)流量和壓力。閥門(mén)電動(dòng)裝置的主傳動(dòng)大多數采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是結構緊湊、傳動(dòng)平穩、噪音小和高傳動(dòng)比，易實(shí)現閥門(mén)電動(dòng)裝置的轉矩控制。但是蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率低，需采用貴重的減摩性有色金屬制造，如銅合金ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 等。銅合金的價(jià)格高，導致蝸輪的制造成本高，在小轉距閥門(mén)電動(dòng)裝置中尤為突出。

2、材料分析

　　奧氏體等溫淬火球墨鑄鐵( Austempered Ductile Iron———ADI) 是球墨鑄鐵經(jīng)奧氏體化等溫淬火處理后獲得的一種新型球墨鑄鐵，也稱(chēng)其為奧貝球鐵。與其他材料相比，ADI 具有更高的抗拉強度、疲勞強度、斷裂韌度和耐磨性，而且加工尺寸更近于無(wú)余量，性?xún)r(jià)比很好。我國ADI 的應用主要集中在高強度和高硬度的耐磨零件上。而高強韌性的ADI 因其生產(chǎn)技術(shù)難度較高，應用較少。根據電動(dòng)裝置的技術(shù)標準、驗收要求及生產(chǎn)現場(chǎng)的實(shí)際條件，經(jīng)多次試制，掌握了高強度和高韌性ADI 蝸輪的生產(chǎn)工藝，實(shí)現了批量生產(chǎn)。

3、蝸輪的研制

　　等溫淬火球墨鑄鐵蝸輪的生產(chǎn)過(guò)程由鑄造和熱處理兩部分組成。鑄造時(shí)需對球化情況進(jìn)行嚴格控制，保證較高的球化率和石墨球數，并具有鐵素體組織和較少碳化物; 熱處理時(shí)要嚴格控制等溫淬火溫度和時(shí)間、奧氏體化溫度和保溫時(shí)間等工藝參數，從而使球鐵得到適量的殘余奧氏體，利用組織中存在的部分共析前鐵素體提高塑韌性，適當降低屈服強度、彎曲疲勞強度和硬度，在滿(mǎn)足電動(dòng)裝置蝸輪綜合力學(xué)性能要求的前提下改善其力學(xué)性能，便于蝸輪的批量生產(chǎn)。

　　3.1、鑄造工藝

　　選擇優(yōu)質(zhì)低P、低S 的QlO 生鐵( 表1) ，廢鋼使用普碳鋼，球化劑選用釔基重稀土鎂( ZY - 2，含有適量Ca、Ba 和Bi) 。孕育劑選用75SiFe—A 及特種孕育劑，添加適量的微量元素銻。組成合金的成分見(jiàn)表2。

表1 QlO 成分Wt%

表2 合金成分Wt%

　　采用500kg 中頻爐熔煉，爐前進(jìn)行快速化學(xué)分析并調節化學(xué)成分，利用廢舊電極增碳，球化處理前在鐵水中加入鋁和硅鐵進(jìn)行預處理，有效地脫氧、脫氮，提高石墨化能力，增加石墨形核的核心。以稀土鎂合金為球化劑，75%硅鐵為孕劑，保證蝸輪鑄態(tài)毛坯的球化率為2 級，球徑大小為6 ～ 7 級。

　　3.2、熱處理工藝

　　熱處理工藝對奧貝球鐵蝸輪的最終組織及性能有極其重要的影響，其熱處理工藝主要包括奧氏體化溫度和保溫時(shí)間、等溫淬火溫度和保溫時(shí)間。在具體實(shí)施過(guò)程中，試驗采用奧氏體化后，保溫一段時(shí)間，然后空冷的方法，分析試樣中組織的變化，進(jìn)而確定奧氏體化溫度為820 ～ 880℃( 表3) 。

　　奧氏體化溫度既要考慮奧貝球鐵零件的最終性能要求，又要考慮奧貝球鐵零件的熱處理生產(chǎn)效率。較高的奧氏體化溫度有利于組織的轉變和均勻化，縮短保溫時(shí)間，也有利于提高奧貝球鐵中穩定的殘余奧氏體量，從而提高奧貝球鐵的塑韌性。但過(guò)高的奧氏體化溫度會(huì )粗化奧氏體晶粒度，最終使奧貝球鐵的性能降低( 圖1，圖2) 。另外，奧氏體化溫度還與球鐵的化學(xué)成分有關(guān)，如對于含硅量較高的球鐵件，則應適當提高奧氏體化加熱溫度〔4〕。

表3 熱處理方案

圖1 奧氏化溫度820℃

圖2 奧氏化溫度880℃

　　奧氏體化保溫時(shí)間不僅與奧氏體化加熱溫度有關(guān)，而且與熱處理設備、工件的大小、裝爐量的多少以及零件的基體原始組織等有關(guān)。工件大，裝爐量多，則奧氏體化保溫時(shí)間應相對延長(cháng)。

　　等溫淬火溫度越高殘余奧氏體體積分數也越多。較高的等溫淬火溫度( 圖3) 將會(huì )帶來(lái)較低的抗拉強度和屈服強度，但會(huì )提高伸長(cháng)率，較低的等溫淬火溫度( 圖4) 可以得到較高的硬度和極限抗拉強度。等溫淬火時(shí)間對力學(xué)性能的影響也較為明顯，當其為30min 時(shí)( 圖5) ，最終組織為少量馬氏體、破碎狀鐵素體、針狀鐵素體和殘余奧氏體。隨著(zhù)時(shí)間的延長(cháng)( 圖6) ，奧貝球鐵強度、塑性、延伸率逐漸提高直至達到最大值，隨之延伸率會(huì )迅速降低，而抗拉強度和硬度變化不大。

　　4.2、裝機試驗

　　將試制的合金奧貝球鐵蝸輪分別裝配到開(kāi)關(guān)型和調節型閥門(mén)電動(dòng)裝置上，按DL/T 641 - 2005 中開(kāi)關(guān)型和調節型電動(dòng)裝置的壽命試驗要求進(jìn)行整機命試驗，考核奧貝球鐵蝸輪副的壽命。當開(kāi)關(guān)型電動(dòng)裝置壽命試驗達到了10 000 次循環(huán)( 一開(kāi)、一關(guān)為一次循環(huán)) 操作，調節型電動(dòng)裝置帯載運行200 000次操作后( 標準規定的壽命試驗次數) ，閥門(mén)電動(dòng)裝置各項性能均良好。試驗后拆卸檢驗，蝸輪齒面無(wú)裂紋和點(diǎn)飾等缺陷，齒面磨損量小，磨損均勻。

5、結語(yǔ)

　　鑄造工藝和熱處理工藝對電動(dòng)裝置用奧貝球鐵蝸輪的力學(xué)性能影響較為顯著(zhù)，需要嚴格控制化學(xué)成分、球化孕育、合金化處理工藝，并合理制定等溫淬火工藝。實(shí)踐表明，奧貝球鐵蝸輪材料可以代替銅合金用于電動(dòng)裝置蝸輪的生產(chǎn)。