材料晶粒度對金屬密封環密封性能的影響

徐 光，高 飛

（海裝駐上海地區軍事代表局，上海 200083）

材料晶粒度對金屬密封環密封性能的影響

徐 光，高 飛

（海裝駐上海地區軍事代表局，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漏油故障的有效措施，介紹了金屬密封環的應用場合和工作原理，分析了金屬密封環的漏油故障現象，利用有限元分析軟件Solidworks/simulation對金屬密封環的密封原理進行了分析，并用力數據處理軟件Minitab對造成金屬密封環漏油的原因進行分析排查，得出導致金屬密封環漏油的關鍵因素，通過試驗驗證找到了影響金屬密封環漏油的根本原因，從而解決了金屬密封環的漏油故障，同時提出了有效的控制措施，本文對金屬密封環的使用、維護和生產都具有較高的借鑒意義和社會價值。

金屬密封環；電液伺服閥；漏油；EHSV

0 引言

傳統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、可壓縮性較大，但其耐低溫環境性能較差，最低僅能達到-55℃，而金屬密封環是由不銹鋼材料 97NiBe組成，能夠承受-60℃以下的低溫環境[1,2]，具有良好的環境適應性，因此廣泛應用于耐高低溫環境的電液伺服閥和電液伺服系統中。

近年來，金屬密封環在內廠裝配和外廠多次出現漏油故障，影響了配套產品電液伺服閥及舵機系統的交付進度，造成了嚴重的經濟損失。本文闡述了金屬密封環的結構與工作原理，以及工藝與生產流程，利用有限元分析軟件 SolidWorks/simulation對金屬密封環的密封機理進行分析，并通過Minitab數據處理軟件對故障原因進行排查，最終通過試驗驗證，找到導致金屬密封環漏油的根本原因。

1 結構和工作原理

如圖1所示，金屬密封環的截面形狀為U型，通過兩側的密封環帶進行密封。

圖1 金屬密封環外形圖

圖2 金屬密封環安裝結構圖

如圖2所示為金屬密封環的安裝結構圖，金屬密封環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的最終壓縮量。如圖3所示，通過使用 Solidworks/simulation對金屬密封環所屬裝配體的受力分析圖，可知在端蓋螺釘的擰緊力作用下金屬密封環兩密封面的變形一致，內應力對稱且分布均勻，由于金屬密封環為不銹鋼材料，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，無法達到理想的密封效果，因此在金屬密封環的密封面上鍍約0.005mm厚的銀層，由于銀層較軟，從而使密封面由線密封變為面密封，有效密封寬度約為密封面寬度的1/3。

圖3 金屬密封環位移應變與密封接觸區域圖

根據金屬密封環材料 97NiBe的屬性，在進行有限元仿真分析時，分別進行不同壓縮量的仿真，此種結構的金屬密封環其壓縮量的理想范圍為0.08mm至0.12mm，當再增加壓縮量時，其產生的內應力已接近材料的許用應力，安全系數降低，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

根據前文所述，金屬密封環是一種面密封結構，因此出現漏油故障的部位只可能是密封面處或者元件基體處。根據對故障件的外觀檢查發現，金屬密封環外圓處均存在不同程度的桔皮現象，甚至出現斷裂，從而導致金屬密封環出現漏油現象，如圖 4所示。

圖4 金屬密封環故障件外形圖

圖5 故障件平均晶粒度大小

對故障件進行失效分析，檢查發現失效類型為沿晶斷裂，結果顯示故障件的平均晶粒度達到了0.4mm，如圖5所示，而此種類型金屬密封環的厚度僅為0.3mm，故障件平均晶粒度遠遠大于許用要求值，因此可見金屬密封環出現斷裂的主要原因是平均晶粒度粗大造成的。根據失效檢測結果及初步分析，建立金屬密封環從原材料到裝配試驗全過程的流程圖，推導金屬密封環晶粒度粗大以及發生斷裂的原因，如圖6所示。

圖6 金屬密封環生產過程流程圖

根據金屬密封環的生產流程圖，建立密封環失效的故障樹，從而對可能造成的原因逐步排查。

圖7 金屬密封環失效故障數樹圖

由圖7可知，導致金屬密封環漏油的可能原因主要包括以下四個方面：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

金屬密封環平均晶粒度粗大，會降低晶粒間的結合力，使金屬密封圈在受壓情況下達到屈服極限，導致金屬密封環產生較大的塑性變形甚至斷裂，而影響金屬密封環平均晶粒度的重要因素便是原材料的平均晶粒度大小。

金屬密封環的加工過程首先是對原材料進行拉伸成型和固溶熱處理，每次進行拉伸成型工序后均需要進行一次固溶處理，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影響材料的平均晶粒度，而在金屬密封環的整個加工過程中，共需要進行六次拉伸成型和固溶熱處理，會在一定程度上增大金屬密封環的平均晶粒度，若原材料平均晶粒度過大，則金屬密封環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大趨勢圖。通過對多個批次的故障件進行失效分析，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失效的原因之一。

圖8 熱處理工藝過程晶粒度長大趨勢圖

2.2 熱處理工藝參數控制

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

2.3 模具變形

成型模具磨損，生產出來的零件形狀出現偏差，會導致金屬密封圈的應力集中，從而導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，其應力較為集中，會導致金屬密封環產生較大的塑性變形，甚至壓潰。通過對加工現場的檢查，發現用于成型的模具磨損較為嚴重，致使成型出的零件其截面形狀發生了變化。可見成型模具的變形也是造成金屬密封環失效的原因之一。

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、鍍銀的時間控制、槽液的清潔度等。鍍銀前的零件清洗會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，則會導致銀層無法電鍍在異物上，從而在后續的密封性試驗中使銀層脫落、金屬密封圈漏油；鍍銀的電流密度大小則會影響銀層的厚度，銀層過厚會增加基體的厚度，從而降低金屬密封圈的彈性，銀層較薄會降低密封面的密封性能；槽液的清潔度會影響污染物附著在密封面上，從而影響其密封性。檢查發現用于檢測鍍銀電流大小的電流表精度較差，影響了時間鍍銀電流的大小，但對于銀層的影響需要通過試驗驗證來說明[5,6]。

3 改進方案與試驗驗證

3.1 驗證方案

依據前文的故障分析，提出了改進方案，并通過試驗進行驗證，主要包括：提高原材料晶粒度的驗證、改進熱處理參數的驗證、改進成型模具的驗證、改進鍍銀工序驗證。

1）原材料平均晶粒度驗證

對原材料晶粒度進行控制，要求平均晶粒度不大于40μm，新材料的改進措施落實于2011-11-3批次的金屬密封環。

2）金屬密封環成型模具驗證試驗

重新加工金屬密封環的成型模具，并進行驗證試驗，模具改進的措施落實于2011-8-30批次的金屬密封環，對新批次金屬密封環的截面尺寸進行檢查，均滿足技術要求。

圖10 金屬密封圈截面形狀技術要求

3）熱處理固溶溫度

不同熱處理參數的對比驗證，熱處理固溶溫度對晶粒度的影響較大，圖11所示為不同固溶溫度的零件晶粒度驗證的結果。

圖11 晶粒度隨熱處理固溶溫度的變化趨勢

圖12 1010℃固溶溫度零件強化相析出效果

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，會導致晶粒之間無強化相析出，晶粒之間結合力差。由圖12可知，當溫度適當增加時，其可以很好的析出強化相，有利于晶粒間結合力的增大，通過驗證分析，熱處理固溶溫度參數在1010℃至1020℃之間，零件的晶粒度和強化相析出達到最佳狀態。此措施已落實于03批次的金屬密封環。

4）鍍銀工序過程控制的驗證

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

3.2 驗證結果

如圖13所示為驗證階段各批次的合格率情況。

圖13 金屬密封環合格率

由金屬密封環各批次驗證的合格率可知：

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

2）成型模具和熱處理參數改進措施落實后，金屬密封環的合格率有一定的提高，但合格率較低且不穩定，仍未達到原有合格率65%的水平。可見模具和熱處理參數是重要影響因素；

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

4）模具、熱處理參數、原材料晶粒度三項措施落實后，合格率達到了80%以上，且合格率穩定。

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，決定著金屬密封環性能的優劣，模具變形是次要影響因素。

4 故障定位

導致金屬密封環晶粒間結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設置不合理，加劇了晶粒的長大，從而造成最終成型零件的平均晶粒度粗大，導致晶粒間結合力差，使金屬密封環在受壓情況下沿著晶相組織間發生斷裂。

5 解決措施

根據試驗驗證和故障定位的結果，對后續金屬密封環的加工應落實以下措施：

1）固化熱處理工藝參數：固溶溫度為 1010℃至1020℃；

2）金屬密封環所使用的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要求，并定期對模具進行檢測；

4）金屬密封環在裝配使用前須檢測成品零件的平均晶粒度。

6 結論

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

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

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

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

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

[4] Nordstrom, T. V. Hills, C. R. J. Materials Science[J]. 1978(13).

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

[6] 張寶昌, 王宗貞. 熱處理對 Ni-2.5%Be合金組織和性能的影響.機械工程材料[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：機電。