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液压凿岩机冲击活塞的选材与热处理工艺 收藏此信息 打印该信息 添加：用户投稿 来源：未知 摘要：分析了液压凿岩机冲击活塞的受力状态与性能要求，选择国产合金钢30CrNi2MoV进行渗碳、淬火和回火处理，研制出替代进口的冲击活塞，其使用性能达到或超过国外同类产品，为制造高寿命液压凿岩机冲击活塞提供了一种新的方法。关键词：冲击活塞；热处理；使用寿命国内外已广泛使用的液压凿岩机，以其输出功率大、凿岩速度高、能量利用率大以及噪音较低、易于自动控制等许多优点，在岩石工程中发挥着十分重要的作用。据估计，我国在金属矿山、煤矿岩巷、化工采矿、水电涵洞、铁路和公路隧道等岩石掘进工程中使用的进口液压凿岩机有4000台以上［1］。所以，液压凿岩机的维修与易损件的供应就成为保证设备良好运行的重要基础条件。为了解决进口液压凿岩机易损件更换困难并降低更换与维修费用，中南大学继研制成功液压凿岩机之后，还研制开发了10多个品种的液压凿岩机配件，以替代进口配件，既满足了施工工程的需要，又节省了大量外汇，大幅度地降低了维修成本。其中国产合金钢经合适的加工工艺而制作的液压凿岩机冲击活塞替代进口产品，其性能达到或超过了国内外同类产品的使用寿命，而价格只相当于进口活塞价格的8%-10%。1 材料选择液压凿岩机的工作压力一般均在20MPa左右，有的可高达25MPa，每分钟冲击次数达到3000-4000次。因而，冲击活塞作为液压凿岩机的主要冲击作功件，是在高速度（10-12m/s）、高频率与强烈冲击条件下进行工作的，是液压凿岩机的关键性零件［2］。由它传递液压凿岩机的冲击能量，冲击活塞整体必须具有很高的强韧性和抗冲击疲劳性，同时活塞的表面必须具有高硬度，并形成连续表面硬化层，便于活塞高频率冲击作功过程中应力波的传递。冲击工作端应同时具有高硬度与高强韧性，以使冲击活塞在高频率强烈冲击过程中不蹋陷、不崩裂。根据冲击活塞的工作条件与性能要求，作者对多种国产钢材进行了试验研究和对比分析，最后选定含碳量（质量分数）为0.28%~0.38%，并含有Cr、Ni、Mo、V等元素，合金元素总含量在4%-6%的结构钢进行渗碳和淬火硬化处理，可满足冲击活塞的使用要求。向钢中加入Cr、Ni、Mo、V等合金元素，其中Cr、Ni元素能够提高钢的淬透性，使冲击活塞淬火后整体性能均匀，提高整体强韧性，而且能够使渗碳层的组织与性能得到改善；而元素Cr、Mo与V能够形成合金炭化物，对细化晶粒和抑制渗碳过程中发生过热现象具有十分重要的作用；钢的含碳量选择在0.28%-0.38%，是为了使冲击活塞在渗碳淬火之后心部具有足够高的强度，获得最佳的强韧化效果，并且使渗碳层与心部之间具有平缓的性能过渡，提高冲击活塞的使用寿命。根据上述分析，拟选取30CrNi2MoV钢制造冲击活塞，这种钢的名义成分如表1 所示［4］，试制冲击活塞用的30CrNi2MoV钢在KYKY-2800扫描电镜上进行能谱成分分析（见图1），分析结果列于表1。 图1 30CrNi2MoV钢化学成分能谱分析 表1 30CrNi2MoV钢化学成分（质量分数 %） 2 渗碳、淬火与回火工艺30CrNi2MoV钢冲击活塞的制造工艺为：锻造→退火→切削加工→渗碳→高温回火→淬火、低温回火→粗磨→时效→精磨→研磨→检验冲击活塞的渗碳处理在井式气体渗碳炉中进行，渗碳处理过程中炉膛排气阶段采用大剂量甲醇排除炉内空气，渗碳剂则使用煤油，剂量为100滴/min，渗碳温度为930，渗碳阶段时间为10h，扩散阶段的时间为3h，渗碳层含碳量控制在0.95%~1%。渗碳处理之后，为了减少冲击活塞在淬火后残余奥氏体的存在，将其进行了一次高温回火，高温回火处理后再重新加热淬火，淬火温度870，淬火介质为矿物油，淬火后紧接着在180回火6h。粗磨之后，为了消除磨削应力的影响，在170时效8h［4］。3 组织与性能检验冲击活塞组织观察与硬度试验的试样是从同炉处理的冲击活塞中抽取一支，在线切割机床上切取下来的，试样切取部位离冲击工作端20mm，试样厚度为12mm。30CrNi2MoV冲击活塞渗碳后缓冷到室温，制成金相样品，光学显微镜金相照片见图2。由图可以清晰地看出渗碳层的分布情况，表层为含碳量很高的过共析层和共析层，为深黑色。离表层较远的中心部位为未渗碳区域，而中间的过渡地带为含碳量较高的亚共析过渡层，过渡层的碳含量逐渐递减，过渡比较平缓。这说明渗碳后期的扩散阶段达到了使渗碳层向中心部位含碳量平缓过渡的效果。 图2 30CrNi2MoV活塞渗碳后的金相照片 图3 是渗碳淬火和回火之后在KYKY-2800扫描电镜上拍摄的背散射像形貌照片，拍摄部位为表层过共析层。照片中显示出典型的片状回火合金马氏体，组织极为细密均匀。