礦用液壓支架銷軸結(jié)構(gòu)的熱處理工藝研究

郭成良

（大同市同煤集團機電裝備公司中央機廠，山西 大同 037000）

引言

煤礦開采中，液壓支架是非常重要的機械設(shè)備，直接決定著煤礦開采的安全性[1]。四連桿結(jié)構(gòu)通過銷軸與液壓支架其他結(jié)構(gòu)件進行連接，起到調(diào)節(jié)液壓支架姿態(tài)的作用[2]。銷軸結(jié)構(gòu)工作時需要承受很大的作用力，這對其力學(xué)性能提出了嚴格的要求。在零部件的結(jié)構(gòu)尺寸一定的前提下，通過熱處理可以有效提升結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能。然而銷軸結(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較少[3-4]。在液壓支架設(shè)計圖紙中對其要求也較為籠統(tǒng)，比如標注為“淬火處理，HRC24～30”。材料硬度與耐磨性之間存在緊密聯(lián)系，通過提升銷軸表面的硬度，可以保障其表面的耐磨性。但是在實際工作時，銷軸結(jié)構(gòu)不僅面臨顯著的磨損問題，而且還需要承受較大的作用力，且偶爾需要承受沖擊力，這對銷軸結(jié)構(gòu)的強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，詳細研究銷軸結(jié)構(gòu)的熱處理工藝。

1 銷軸結(jié)構(gòu)熱處理實驗材料及工藝方案設(shè)計

1.1 銷軸結(jié)構(gòu)熱處理實驗材料

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

1.2 銷軸結(jié)構(gòu)熱處理工藝方案

銷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，提升材料的強度和硬度。淬火后的馬氏體組織雖然具有很高的強度和硬度，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，使材料的強度和塑性達到一個良好的平衡。

銷軸結(jié)構(gòu)處理工藝中，回火溫度的高低對結(jié)構(gòu)最終性能有決定性的影響。通?；鼗饻囟仍礁卟牧蠌姸仍降?，但塑形和韌性越高。相反，回火溫度低則材料的強度和硬度高，但塑性和韌性會有降低。為了研究回火溫度對銷軸結(jié)構(gòu)綜合力學(xué)性能的影響，本研究首先對銷軸結(jié)構(gòu)進行淬火處理，即將試樣加熱到880℃保溫90 min后進行油冷，再對銷軸材料進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℃，回火時的保溫時間為4 h，確保組織的均勻性，回火冷卻方式為空冷。

2 銷軸材料熱處理結(jié)果分析

為了分析熱處理工藝技術(shù)參數(shù)對銷軸綜合性能的影響，在完成所有的熱處理工作后，對所有的試樣開展力學(xué)性能測試實驗，主要包括硬度測試和室溫拉伸測試、沖擊測試。所有測試工作嚴格按照國家標準執(zhí)行，為了提升測試結(jié)果的精度，每組實驗進行3次測量，然后去3次測量結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。

2.1 硬度測試結(jié)果

已有的理論和實踐經(jīng)驗均表明，金屬材料表面硬度與強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度也越高，甚至存在簡單的線性比例關(guān)系。比如常見的碳素結(jié)構(gòu)鋼，其硬度和強度之間就存在明顯的線性比例關(guān)系，該種類型材料的抗拉強度值約為表面硬度值的0.36倍。再加上金屬材料硬度測量過程相對較為簡單，因此在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場對材料硬度進行測量比較常見，通過對硬度的測量可以很好的反映整個金屬材料的綜合性能。

本研究中，560℃、590℃、620℃和650℃四種回火溫度對應(yīng)的平均硬度（HRC）值分別為35、32、27和25?？梢悦黠@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。材料表面硬度越高其耐磨性越好，如果只是簡單的從耐磨性角度出發(fā)，應(yīng)該選擇相對較低的回火溫度，確保材料表面的硬度和耐磨性。但是在實踐過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回火溫度較低時，銷軸結(jié)構(gòu)的使用壽命并沒有得到有效延長，反而經(jīng)常出現(xiàn)斷裂問題。主要原因為硬度太高影響了材料的塑性和韌性，導(dǎo)致材料發(fā)生脆性斷裂。

2.2 室溫拉伸及沖擊測試結(jié)果

為進一步分析回火溫度對銷軸結(jié)構(gòu)材料其他各項力學(xué)性能的影響，在完成熱處理工藝后，將對應(yīng)的試樣加工成標準的室溫拉伸測試試樣和沖擊試樣。如圖2所示為室溫拉伸標準試樣的規(guī)格尺寸。

圖2 標準室溫拉伸試樣規(guī)格尺寸（單位：mm）

通過室溫拉伸實驗可以得到材料的屈服強度，抗拉強度，反映材料的強度大小。通過沖擊實驗可以得到材料的沖擊功，反映材料的韌性好壞。不同回火溫度對應(yīng)的綜合性能指標結(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，銷軸材料的屈服強度、抗拉強度均出現(xiàn)了不同程度的降低?？梢钥闯鲣N軸材料的強度變化趨勢與表面硬度變化趨勢完全相同，驗證了材料強度與硬度之間的關(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，其數(shù)值越高則表明材料的韌性越好。

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

表1 不同熱處理工藝對應(yīng)的力學(xué)性能指標

綜上所述，降低回火溫度可以提升銷軸材料表面硬度和耐磨性，但在實踐中不能因追求表面硬度和耐磨性而降低回火溫度。因為回火溫度越低意味著銷軸材料的韌性越低，一旦受到?jīng)_擊載荷時容易發(fā)生脆性斷裂?；诒疚牡臒崽幚砗透黜椓W(xué)性能測試結(jié)果，最終選擇的回火溫度是620℃。在該溫度條件下進行回火熱處理，不僅能夠保證銷軸結(jié)構(gòu)材料具有良好的塑性和韌性，同時也能夠確保其表面硬度和耐磨性達到使用要求。

3 結(jié)論

1）隨著回火溫度的不斷升高，銷軸結(jié)構(gòu)材料的表面硬度、抗拉強度和屈服強度均隨之不斷降低，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℃，在該溫度條件下進行回火處理，不僅能夠保證銷軸結(jié)構(gòu)材料具有良好的塑性和韌性，同時也能夠確保表面硬度和耐磨性達到使用要求，保證銷軸結(jié)構(gòu)材料具有良好的綜合力學(xué)性能。