郭成良

（大同市同煤集團(tuán)機(jī)電裝備公司中央機(jī)廠，山西 大同 037000）

引言

煤礦開(kāi)采中，液壓支架是非常重要的機(jī)械設(shè)備，直接決定著煤礦開(kāi)采的安全性[1]。四連桿結(jié)構(gòu)通過(guò)銷(xiāo)軸與液壓支架其他結(jié)構(gòu)件進(jìn)行連接，起到調(diào)節(jié)液壓支架姿態(tài)的作用[2]。銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)工作時(shí)需要承受很大的作用力，這對(duì)其力學(xué)性能提出了嚴(yán)格的要求。在零部件的結(jié)構(gòu)尺寸一定的前提下，通過(guò)熱處理可以有效提升結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能。然而銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)作為液壓支架中的重要零部件，關(guān)于其熱處理工藝的研究卻相對(duì)較少[3-4]。在液壓支架設(shè)計(jì)圖紙中對(duì)其要求也較為籠統(tǒng)，比如標(biāo)注為“淬火處理，HRC24～30”。材料硬度與耐磨性之間存在緊密聯(lián)系，通過(guò)提升銷(xiāo)軸表面的硬度，可以保障其表面的耐磨性。但是在實(shí)際工作時(shí)，銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)不僅面臨顯著的磨損問(wèn)題，而且還需要承受較大的作用力，且偶爾需要承受沖擊力，這對(duì)銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和韌度等性能提出了一定的要求[5-6]。本文以ZFY12000/25/42型液壓支架為例，詳細(xì)研究銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)的熱處理工藝。

1 銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)熱處理實(shí)驗(yàn)材料及工藝方案設(shè)計(jì)

1.1 銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)熱處理實(shí)驗(yàn)材料

ZFY12000/25/42型液壓支架在煤礦井下工作時(shí)，面臨著較大的工作阻力。意味著四連桿結(jié)構(gòu)中的銷(xiāo)軸在工作時(shí)需要承受比其他普通液壓支架更大的作用力。為了滿(mǎn)足工作要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將銷(xiāo)軸直徑擴(kuò)大到了170 mm。僅僅增大銷(xiāo)軸直徑，而不對(duì)熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)，并不能達(dá)到很好的效果，反而會(huì)造成材料浪費(fèi)。在生產(chǎn)實(shí)踐中銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)的常用材料為35CrMnSiA，因此本文以該種材料作為研究對(duì)象開(kāi)展熱處理工藝研究。

1.2 銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)熱處理工藝方案

銷(xiāo)軸的主要熱處理工藝為“淬火+回火”，其中淬火的作用是獲得較多的馬氏體組織，提升材料的強(qiáng)度和硬度。淬火后的馬氏體組織雖然具有很高的強(qiáng)度和硬度，但其韌度和塑性通常很差。一旦遇到較大沖擊，結(jié)構(gòu)件容易出現(xiàn)裂紋，從而失效。為了適當(dāng)提升銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)的韌度和塑性，在完成淬火工藝后，通常還需要進(jìn)行回火處理，目的在于適當(dāng)提升材料的塑性和韌性，使材料的強(qiáng)度和塑性達(dá)到一個(gè)良好的平衡。

銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)處理工藝中，回火溫度的高低對(duì)結(jié)構(gòu)最終性能有決定性的影響。通?；鼗饻囟仍礁卟牧蠌?qiáng)度越低，但塑形和韌性越高。相反，回火溫度低則材料的強(qiáng)度和硬度高，但塑性和韌性會(huì)有降低。為了研究回火溫度對(duì)銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)綜合力學(xué)性能的影響，本研究首先對(duì)銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行淬火處理，即將試樣加熱到880℃保溫90 min后進(jìn)行油冷，再對(duì)銷(xiāo)軸材料進(jìn)行不同回火溫度的熱處理。共設(shè)置有4種不同的溫度，分別為560℃、590℃、620℃和650℃，回火時(shí)的保溫時(shí)間為4 h，確保組織的均勻性，回火冷卻方式為空冷。

2 銷(xiāo)軸材料熱處理結(jié)果分析

為了分析熱處理工藝技術(shù)參數(shù)對(duì)銷(xiāo)軸綜合性能的影響，在完成所有的熱處理工作后，對(duì)所有的試樣開(kāi)展力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，主要包括硬度測(cè)試和室溫拉伸測(cè)試、沖擊測(cè)試。所有測(cè)試工作嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，為了提升測(cè)試結(jié)果的精度，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次測(cè)量，然后去3次測(cè)量結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。

2.1 硬度測(cè)試結(jié)果

已有的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)均表明，金屬材料表面硬度與強(qiáng)度之間存在非常緊密的關(guān)系，通常材料的硬度越高則其強(qiáng)度也越高，甚至存在簡(jiǎn)單的線性比例關(guān)系。比如常見(jiàn)的碳素結(jié)構(gòu)鋼，其硬度和強(qiáng)度之間就存在明顯的線性比例關(guān)系，該種類(lèi)型材料的抗拉強(qiáng)度值約為表面硬度值的0.36倍。再加上金屬材料硬度測(cè)量過(guò)程相對(duì)較為簡(jiǎn)單，因此在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)材料硬度進(jìn)行測(cè)量比較常見(jiàn)，通過(guò)對(duì)硬度的測(cè)量可以很好的反映整個(gè)金屬材料的綜合性能。

本研究中，560℃、590℃、620℃和650℃四種回火溫度對(duì)應(yīng)的平均硬度（HRC）值分別為35、32、27和25。可以明顯看出，隨著回火溫度的升高材料表面硬度出現(xiàn)了降低的趨勢(shì)。材料表面硬度越高其耐磨性越好，如果只是簡(jiǎn)單的從耐磨性角度出發(fā)，應(yīng)該選擇相對(duì)較低的回火溫度，確保材料表面的硬度和耐磨性。但是在實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回火溫度較低時(shí)，銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)的使用壽命并沒(méi)有得到有效延長(zhǎng)，反而經(jīng)常出現(xiàn)斷裂問(wèn)題。主要原因?yàn)橛捕忍哂绊懥瞬牧系乃苄院晚g性，導(dǎo)致材料發(fā)生脆性斷裂。

2.2 室溫拉伸及沖擊測(cè)試結(jié)果

為進(jìn)一步分析回火溫度對(duì)銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)材料其他各項(xiàng)力學(xué)性能的影響，在完成熱處理工藝后，將對(duì)應(yīng)的試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)的室溫拉伸測(cè)試試樣和沖擊試樣。如圖2所示為室溫拉伸標(biāo)準(zhǔn)試樣的規(guī)格尺寸。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)室溫拉伸試樣規(guī)格尺寸（單位：mm）

通過(guò)室溫拉伸實(shí)驗(yàn)可以得到材料的屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度，反映材料的強(qiáng)度大小。通過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)可以得到材料的沖擊功，反映材料的韌性好壞。不同回火溫度對(duì)應(yīng)的綜合性能指標(biāo)結(jié)果如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著回火溫度的升高，銷(xiāo)軸材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均出現(xiàn)了不同程度的降低?？梢钥闯鲣N(xiāo)軸材料的強(qiáng)度變化趨勢(shì)與表面硬度變化趨勢(shì)完全相同，驗(yàn)證了材料強(qiáng)度與硬度之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。沖擊功則隨著回火溫度升高而逐漸降低，沖擊功是重要的韌性指標(biāo)，其數(shù)值越高則表明材料的韌性越好。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為了保障煤礦用液壓支架的安全性，要求銷(xiāo)軸的屈強(qiáng)比應(yīng)該不得超過(guò)0.8，而沖擊功則需要超過(guò)25 J。從沖擊功角度來(lái)說(shuō)，回火溫度超過(guò)590℃均能夠滿(mǎn)足要求，但是當(dāng)回火溫度為590℃時(shí)，其屈強(qiáng)比卻超過(guò)了0.8，不滿(mǎn)足使用要求。只有回火溫度在620℃和650℃時(shí)，銷(xiāo)軸材料能夠同時(shí)滿(mǎn)足以上要求。

表1 不同熱處理工藝對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能指標(biāo)

綜上所述，降低回火溫度可以提升銷(xiāo)軸材料表面硬度和耐磨性，但在實(shí)踐中不能因追求表面硬度和耐磨性而降低回火溫度。因?yàn)榛鼗饻囟仍降鸵馕吨N(xiāo)軸材料的韌性越低，一旦受到?jīng)_擊載荷時(shí)容易發(fā)生脆性斷裂。基于本文的熱處理和各項(xiàng)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，最終選擇的回火溫度是620℃。在該溫度條件下進(jìn)行回火熱處理，不僅能夠保證銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)材料具有良好的塑性和韌性，同時(shí)也能夠確保其表面硬度和耐磨性達(dá)到使用要求。

3 結(jié)論

1）隨著回火溫度的不斷升高，銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)材料的表面硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均隨之不斷降低，而沖擊功則正好相反。表明回火溫度越高，則材料的強(qiáng)度越好但韌性較低。

2）最終確定的回火溫度為620℃，在該溫度條件下進(jìn)行回火處理，不僅能夠保證銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)材料具有良好的塑性和韌性，同時(shí)也能夠確保表面硬度和耐磨性達(dá)到使用要求，保證銷(xiāo)軸結(jié)構(gòu)材料具有良好的綜合力學(xué)性能。