液压支架销轴的热处理工艺探索冀露双--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

液压支架销轴的热处理工艺探索冀露双

发表时间：2020/6/1 来源：《基层建设》2019年第35期作者：冀露双

[导读] 摘要：目前，综合机械化采煤技术在我国地下煤矿开采中得到广泛应用。

        冀中能源股份有限公司邢台矿河北省邢台市 054000
        摘要：目前，综合机械化采煤技术在我国地下煤矿开采中得到广泛应用。综合机械化采煤工艺设备(简称综采设备)是根据井下工作面顶板、底板的地质条件、煤层厚度及产量要求，对采煤机、刮板输送机、支护设备等设备进行选配。综采工作面广泛使用的支护设备主要是液压支架。根据屋面不同的支护方式和结构特点，将液压支架分为支架式、掩护式和掩护式三种。
        关键词：液压支架；销轴；热处理工艺；
        销轴是支撑掩护式液压支架用于连接梁和连杆之间的关键零件，为提高其工作性能，从机加工、材质金相分析和零件强度三个方面，对目前通常采用的整体淬火热处理工艺与采用经调质后表面淬火热处理工艺进行了分析。
        一、概述
        支撑掩护式液压支架在其掩护梁和前连杆之间常用单槽销连接。当放顶煤或是煤层采空、顶板垮落时，受冒落煤块和矸石的冲砸力首先作用在掩护梁上，再通过前、后连杆作用在底座上。而掩护梁与连杆之间靠单槽销连接在一起，所以冲击力全靠单槽销承受、传递。单槽销结构如图1所示，材质为30CrMnTi，属于中碳合金钢。

        图1单槽销结构示意图
        这种材质的合金含量较高，淬透性比较好，但是由于碳含量不是很高，所以淬硬性不是很好。公司的液压支架是为某煤炭装备设计院设计的，图纸要求单槽销的热处理硬度为HRC35—40，这种要求一般都采用整体加热淬火方法来达到零件的技术要求。通常在选择材料时，若需要塑性和韧性高，则应选用低碳钢；若需强度、塑性和韧性都较好的材料，应选用中碳钢；若需要硬度高和耐磨性好的材料，应选高碳钢。30CrMnTi属于中碳合金钢范围，选此料的目的应是要求强度、塑性和韧性等综合性能高。但是在实践中我们发现，如果进行整体淬火的热处理方法，并不能够发挥这种材料的综合强度的性能。如果采用调质+表面淬火的方法，更能发挥中碳合金钢的优越性能。
        二、液压支架销轴的热处理技术
        1.从机加工方面进行分析。（1）采用整体淬火的热处理方法。由于图纸要求该零件的硬度为H R C35—40，则用普通的刀具加工困难，所以通常把淬火作为最后一道工序。这种方式有很大的弊端，因为零件的各部尺寸已经加工成形，因而最后进行热处理后零件会产生变形，而且表面的氧化皮较严重，所以零件的表面质量较差。根据我们的实际操作经验，这种零件因热处理产生的变形有的达到5—8mm的弯曲，严重影响了装配的精度要求。
        2.采用调质+表面淬火的热处理方法。该方法是先进行粗车、调质、精车各部分尺寸，然后进行表面淬火。调质的范围为H B240—2 85，精车后进行表面感应淬火，硬度可达H R C35～40。采用表面感应淬火后，零件产生的变形以及氧化皮较少，同时零件经调质后提高了整个材质的强度，对整个加工过程不会产生任何的影响，加工后的零件表面质量较好，零件经表面淬火基本不会发生变形，完全能够满足装配精度的要求。
        3.从材质的金相组织分析。30CrMnTi材料在20o C～40℃水中淬火的临界直径为,Φ40一50 m m，在这个范围内淬火得到的组织是马氏体、回火后为回火屈氏体；零件尺寸大于这个范围时，心部的组织为珠光体+铁素体。（1）采用整体淬火的热处理方法。若零件截面尺寸大于淬火临界直径，则表面形成的组织将不同于心部的组织，淬火后表面应为马氏体，根据回火硬度设定回火温度，回火后得到的组织应为回火屈氏体；心部组织为珠光体+铁素体。（2）采用调质+表面淬火的热处理方法。我们采用的调质硬度范围是H B240—285，调质后在零件表面一定的范围内为回火索氏体，心部为珠光体+铁素体；经表面淬火后，零件表面产生马氏体、回火后得到回火屈氏体。表面淬火由于加热时间比整体淬火加热时间短，零件表面所形成的马氏体颗粒比整体淬火的马氏体细小，具有较低的脆性，抗疲劳强度和冲击韧性都有所提高，一般可提高20％一30％。调质+表面淬火，表面形成的组织回火屈氏体，中间区是回火索氏体，心部为珠光体+铁素体。回火索氏体具有高的塑性、韧性，有较好的机械性能。
        4.从机械强度上分析。材料的抗拉强度与硬度存在正比关系，而韧性与硬度成反比，强度和韧性与热处理方法有密切关系，虽然上面两种热处理方法，零件的表面强度基本相同，但从心部往表面调质得到的强度稍高于整体淬火，综合强度也比整体淬火高。以上都是理论上的分析，在实际生产中由于操作技术等因素的影响，产生的结果与理论会有偏差，如：零件冷却时若叠加在一起，回火后虽然硬度在要求范围内，但因冷却速度不同，零件最后的组织结构具有不确定性。受冷却速度影响，也有可能淬火后形成贝氏体。
        三、案例
        某厂生产的支撑掩护式液压支架，其中有大量的销轴要热处理，规格不等，直径30～120mm，材质为30CrMnTi，热处理硬度要求35～40HRC。作为大支架主要的铰接工件，销轴起到了重要的作用，尤其是掩护梁和底座的大销轴，承受着扭力、支承力的作用，要求具有很高的力学性能。销轴传统热处理工艺一般采用的淬火冷却介质为矿物油，但是此工艺仍然有一些关键问题有待解决。
        1.原工艺存在的问题。(1)使用油作为淬火冷却介质时要采用上限淬火温度，而且淬火油每月要换一次，如此处理后检测硬度才达到图样要求，但是力学性能偏低。由于材料含有Ti元素，晶粒长大倾向小，但是长时间偏高温度加热容易引起晶粒粗大，在淬火和中温回火后，容易引起开裂。而且介质搅拌不剧烈时，淬火后容易引起销轴几个面硬度不均。(2)矿物油淬火产生的油烟对人的身体有害，并且高温油烟遇明火易燃，有一定的安全隐患，油烟对车间环境和公共环境有一定的污染。矿物油遇热易分解、变质、老化，每个月要更换一次，成本相对比较高。(3)由于油的比热低，散热性差，使淬火油一直维持在较高的温度，每天只能进行一炉销轴淬火，且每次淬火时间都在半小时以上，生产效率低。结合公司的实际情况，进行了多次试验，最终确定淬火冷却介质为水。因为水是一种廉价的淬火冷却介质，且只要把里面的杂质去除就可以循环利用，产生的水蒸气不会对环境产生影响。经过实践并不断地完善，最终确定了其热处理工艺。
        2.试验分析。销轴工艺流程：原材料检验一下料一机加工(粗车)一调质处理一机加工(精工)一清洗一电镀一检验入库。使用PXUT一350+超声波检测仪、200HRD一150金属硬度计、TH一160里氏硬度计、WE30万能材料试验机，解剖并分析工件内部显微变化及表面硬度。由于30CrMnTi材质水淬，如果控制不好易开裂，试验过程中，每次进行超声波无损检测，结果显示工件内部均未产生裂纹，淬火后表面硬度达到56HRC。
        3.热处理工艺分析。(1)力学性能和加热温度的关系。通过多次加热淬火试验得出：保持一定的加热速度，工件达到一定的温度后，由于工件热量的散失及传导到心部的能量与加热能量接近平衡状态，因此加热速度放慢。选择相对油淬温度较低的淬火温度，严格控制加热保温时间，使奥氏体晶粒细小，以减小工件开裂倾向。根据试验结果，销轴淬火温度选择在840℃。(2)保温时间与淬火硬度的关系。在淬火加热温度为840℃时，因为采用的是连续加热淬火工艺和连续冷却方式，通过控制保温时间来保证晶粒尺寸，晶粒尺寸越小，淬火硬度越高。由工艺试验得出：当保温时间为2h时，硬度为52HRC，相应延长加热时间，硬度为54HRC，随着保温时间延长，零件表面热量往心部传导，使奥氏体更加均匀，淬火后硬度增加；再随着保温时间延长，长大。因此，淬火保温时间选择2.5h。(3)回火温度与力学性能的关系高，材料塑性越高，随之其强度降低，材料脆性越大。
        总之，分析了一般的淬火和热处理工艺，以及淬火和回火后的表面淬火和热处理工艺。结果表明，该工艺可以改善中碳合金钢的力学性能，延长销轴的使用寿命。
        参考文献：
        [1]李广.矿山机械.2018.
        [2]刘国杰.浅谈液压支架销轴的热处理工艺探索.2019.