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液壓鑿巖機沖擊活塞的選材與制造工藝

作者: 添加時間:2016-12-29 15:41:52 瀏覽:

國內外已廣泛使用的液壓鑿巖機,以其輸出功率大、鑿巖速度高、能量利用率大以及噪音較低、易于自動控制等很多優點,在巖石工程中發揮著十分重要的作用。據估計,我國在金屬礦山、煤礦巖巷、化工采礦、水電涵洞、鐵路和公路隧道等巖石掘進工程中使用的進口液壓鑿巖機有4000臺以上[1]。所以,液壓鑿巖機的維修與易損件的供給就成為保證設備良好運行的重要基礎條件。

為了解決進口液壓鑿巖機易損件更換困難并降低更換與維修用度,中南大學繼研制成功液壓鑿巖機之后,還研制開發了10多個品種的液壓鑿巖機配件,以替換進口配件,既滿足了施工工程的需要,又節省了大量外匯,大幅度地降低了維修本錢。其中國產合金鋼經合適的加工工藝而制作的液壓鑿巖機沖擊活塞替換進口產品,其性能達到或超過了國內外同類產品的使用壽命,而價格只相當于進口活塞價格的8%-10%。

1 材料選擇

液壓鑿巖機的工作壓力一般均在20MPa左右,有的可高達25MPa,每分鐘沖擊次數達到3000-4000次。因而,沖擊活塞作為液壓鑿巖機的主要沖擊作功件,是在高速度(10-12m/s)、高頻率與強烈沖擊條件下進行工作的,是液壓鑿巖機的關鍵性零件[2]。由它傳遞液壓鑿巖機的沖擊能量,沖擊活塞整體必須具有很高的強韌性和抗沖擊疲憊性,同時活塞的表面必須具有高硬度,并形成連續表面硬化層,便于活塞高頻率沖擊作功過程中應力波的傳遞。沖擊工作端應同時具有高硬度與高強韌性,以使沖擊活塞在高頻率強烈沖擊過程中不蹋陷、不崩裂。

根據沖擊活塞的工作條件與性能要求,作者對多種國產鋼材進行了試驗研究和對比分析,最后選定含碳量(質量分數)為0.28%~0.38%,并含有Cr、Ni、Mo、V等元素,合金元素總含量在4%-6%的結構鋼進行滲碳和淬火硬化處理,可滿足沖擊活塞的使用要求。

向鋼中加進Cr、Ni、Mo、V等合金元素,其中Cr、Ni元素能夠進步鋼的淬透性,使沖擊活塞淬火后整體性能均勻,進步整體強韌性,而且能夠使滲碳層的組織與性能得到改善;而元素Cr、Mo與V能夠形成合金炭化物,對細化晶粒和抑制滲碳過程中發生過熱現象具有十分重要的作用;鋼的含碳量選擇在0.28%-0.38%,是為了使沖擊活塞在滲碳淬火之后心部具有足夠高的強度,獲得最佳的強韌化效果,并且使滲碳層與心部之間具有平緩的性能過渡,進步沖擊活塞的使用壽命。

根據上述分析,擬選取30CrNi2MoV鋼制造沖擊活塞,這種鋼的名義成分如表1 所示[4],試制沖擊活塞用的30CrNi2MoV鋼在KYKY-2800掃描電鏡上進行能譜成分分析(見圖1),分析結果列于表1。

圖1 30CrNi2MoV鋼化學成分能譜分析
表1 30CrNi2MoV鋼化學成分(質量分數 %)

2 30CrNi2MoV鋼沖擊活塞的制造工藝為:

鑄造→退火→切削加工→滲碳→高溫回火→淬火、低溫回火→粗磨→時效→精磨→研磨→檢驗

沖擊活塞的滲碳處理在井式氣體滲碳爐中進行,滲碳處理過程中爐膛排氣階段采用大劑量甲醇排除爐內空氣,滲碳劑則使用煤油,劑量為100滴/min,滲碳溫度為930℃,滲碳階段時間為10h,擴散階段的時間為3h,滲碳層含碳量控制在0.95%~1%。滲碳處理之后,為了減少沖擊活塞在淬火后殘余奧氏體的存在,將其進行了一次高溫回火,高溫回火處理后再重新加熱淬火,淬火溫度870℃,淬火介質為礦物油,淬火后緊接著在180℃回火6h。粗磨之后,為了消除磨削應力的影響,在170℃時效8h[4]。

3 組織與性能檢驗

沖擊活塞組織觀察與硬度試驗的試樣是從同爐處理的沖擊活塞中抽取一支,在線切割機床上切取下來的,試樣切取部位離沖擊工作端20mm,試樣厚度為12mm。

30CrNi2MoV沖擊活塞滲碳后緩冷到室溫,制成金相樣品,光學顯微鏡金相照片見圖2。由圖可以清楚地看出滲碳層的分布情況,表層為含碳量很高的過共析層和共析層,為深玄色。離表層較遠的中心部位為未滲碳區域,而中間的過渡地帶為含碳量較高的亞共析過渡層,過渡層的碳含量逐漸遞減,過渡比較平緩。這說明滲碳后期的擴散階段達到了使滲碳層向中心部位含碳量平緩過渡的效果。

圖2 30CrNi2MoV活塞滲碳后的金相照片
圖3 是滲碳淬火和回火之后在KYKY-2800掃描電鏡上拍攝的背散射像形貌照片,拍攝部位為表層過共析層。照片中顯示出典型的片狀回火合金馬氏體,組織極為細密均勻。圖4是活塞中心部位未受滲碳影響的原始亞共析組織的背散射像形貌照片。由于中心含碳量低,為板條狀的回火合金馬氏體,組織同樣非常細密均勻。

圖3 滲碳層背散射電鏡照片

圖4 中心部位背散射電鏡照片
圖5是試樣切取下來后進行的硬度測定結果示意圖。用HR-150型洛氏硬度計測定試樣的硬度,活塞外表面3個測點上的硬度均勻值為HRC60;中心內孔表面3個測點的硬度均勻值為HRC59.8;而橫截面上的硬度值近表層較高,中心部位較低,中心最低值為HRC46。從圖上還可以看出,由表層向中心部位硬度過渡比較平緩,中心部位的硬度相當均勻,表層與心部的硬度差值為HRC14。

圖5 30CrNi2MoV沖擊活塞的硬度分布
4 應用效果

選取30CrNi2MoV鋼采用滲碳、淬火回火工藝制造沖擊活塞已批量生產,先后在幾個重點建設工程項目中使用,取得了很好的應用效果,下面是其中2個應用實例。

1) 成渝高速公路某隧道巖石工程,該隧道全長約為3000m,為五類圍巖(F系數為14),巖石硬度高,施工難度大,施工斷面炮孔200孔,使用2臺國外進口的液壓鉆車交替作業,在這項鑿巖施工中,某施工單位全部使用國產30CrNi2MoV鋼制造的沖擊活塞,替換進口活塞,每根沖擊活塞的鑿孔進尺均在10000m以上,其中部分活塞的鑿孔進尺達到40000m以上,使用這種沖擊活塞替換進口產品,施工過程順利,施工進度快。而且在該工程施工中,液壓鑿機沖擊活塞維修更換一項,即可節約外匯12萬美元左右,使更換活塞的本錢節約90%,具有非常重要的技術經濟意義。

1)四川某水電站導流涵洞鑿巖工程,涵洞全長約為1000m,巖石為火沉巖,為難于鑿巖的高難度施工項目,涵洞斷面炮孔150孔,使用進口液壓鉆車交替作業,采用30CrNi2MoV鋼沖擊活塞替換HD100C進口活塞,使用壽命均為鑿孔進尺10000m以上,最佳使用壽命達到40000m以上。

5 結論

1)選擇30CrNi2MoV鋼,采用滲碳、淬火與回火處理能滿足液壓鑿巖機沖擊活塞整體高強韌性和抗沖擊疲憊強度、活塞表層高硬度殼層結構、沖擊工作端高硬度與高強韌性相配合的使用性能要求。

2)30CrNi2MoV鋼沖擊活塞滲碳處理后期應采取合適的擴散措施,使活塞滲碳層表層高碳量層向心部未滲碳區含碳量平緩過渡,并使活塞在淬火回火后表層向心部的硬度值下降能平緩過渡,防止滲碳層與心部未滲透區含碳量驟降而導致硬度突變,以避免表層易于剝落崩裂。

3) 滲碳、淬火回火處理之后,沖擊活塞的表面硬度為HRC59~60、心部硬度為HRC46左右為宜,沖擊活塞用鋼必須有良好的淬透性,表面的硬度、心部的硬度都分別要求均勻一致,不答應性能不均勻的現象存在,這是保證沖擊活塞正常使用并獲得高使用壽命的關鍵。

4)滲碳、淬火回火之后,沖擊活塞表層為細片狀回火馬氏體、心部為細密板條狀回火馬氏體是比較理想的金相組織。


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