液壓破碎錘活塞掉塊原因分析及解決措施

摘要：活塞是液壓破碎錘的關鍵部件，活塞出現質量問題會導致破碎錘整機無法工作。230D破碎錘是根據市場需求自行開發的一種大型破碎錘產品，活塞在破碎錘中起到了關鍵性的作用。從本產品上市以來，活塞在用戶使用沖擊過程中經常發現活塞端部有掉塊現象，導致了整根活塞開裂，影響了破碎錘的使用。為了分析原因，對開裂的活塞進行了化學成分、金相組織、熱處理工藝及掉塊的原因分析。結果表明，原材料中夾雜物超標及硬化層層深偏低導致在沖擊過程中產生局部剝落，最終引起零件開裂。控制材料夾雜物及改進滲碳工藝等可有效防止活塞在使用過程中產生剝落現象。

關鍵詞：滲碳淬火 剝落 失效分析 硫化物 材料及熱處理工藝改進

Cause Analysis and Solution of Piston Block Dropping in Hydraulic Hammer

WANG Zunli1，2

（1.Jiangsu Dr. Li Machinery Co.， Ltd.， Huaian， Jiangsu Province， 223000 China; 2.Huaian Senior Vocational and Technical School， Huaian， Jiangsu Province， 223005 China）

Abstract： Piston is the key component of hydraulic hammer， the quality problem of piston will lead to the failure of the whole machine. 230D crusher hammer is a kind of large crusher developed according to the market demand， and the piston plays a key role in crushing hammer. Since this product came into the market， the Piston often found in the use of users in the impact of the end of the Piston block phenomenon， leading to the whole piston cracking， affecting the use of the hammer. In order to analyze the reason， the chemical composition， metallographic structure， heat treatment process and the reason of block drop of the cracked Piston were analyzed. The results show that the inclusions in the raw materials exceed the standard and the depth of the hardening layer is too low， which leads to the local spalling during the impact process and finally causes the parts cracking. The control of material inclusion and the improvement of carburizing process can effectively prevent the piston from spalling during use.

Key Words： Carburizing quenching; Spalling; Failure analysis; Sulfide; Improvement of material and heat treatment process

液壓破碎錘是特種車輛上的作業工具，其以液壓泵為動力源，以液壓油作為工作介質，通過液壓驅動活塞撞擊釬桿將巖石等物體破碎^[1]。圖1為230D破碎錘活塞，活塞在工作過程中和釬桿不斷地撞擊，這樣對活塞的抗沖擊性能要求極高。23OD破碎錘上市以來，使用過程中活塞經常出現批量性的掉塊現象。圖2所示為掉塊的活塞，經過觀察發現在活塞與釬桿接觸部位出現掉塊現象，而裂紋源正是在掉塊部位，掉塊引起的裂紋擴展導致活塞報廢無法使用。本文對材料成分、金相及熱處理工藝進行了分析，并提出了解決措施。

1 活塞的材料、要求及工藝

1.1 活塞的材料

230D活塞要求具有高的耐磨性，另外要不斷受到強大的沖擊力，因此抗沖擊性能要求極高，采用普通破碎錘活塞所選用的20CrMo等材料無法滿足要求。為了滿足以上要求，選用了20Cr2Ni4A滲碳用鋼作為230D大型破碎錘的活塞用料。20Cr2Ni4鋼是一種高強度的合金滲碳用鋼，有著良好的機械性能，Cr元素和Ni元素含量較高，這樣能夠提高了材料的淬透性，增強鋼的耐蝕性，而且Ni元素能夠有助于改善鋼的韌性，Si和Mn元素能夠強化機體組織，改善機體組織的回火穩定性的作用^[2]。

20Cr2Ni4鋼經過滲碳后淬火、低溫回火處理后，鋼的表面有著較高的硬度、疲勞強度及耐磨性，是滲碳鋼中優質材料

1.2 熱處理工藝要求及工藝

1.2.1 熱處理工藝要求

活塞的加工流程為“下料→鍛造→正火→粗加工→滲碳→淬火→低溫回火→精磨→深冷處理→低溫回火→檢驗→入庫”。

活塞熱處理的工藝要求是：正火后滲碳淬火、深冷處理、低溫回火。硬化層要求為1.4～1.6mm，硬度要求58～62HRC，馬氏體級別要求1～3級，碳化物級別要求1～3級、殘余奧氏體級別1～3級^[3]。

1.2.2正火工藝

正火的目的是解決20Cr2Ni4鋼制活塞鍛打后硬度高導致加工困難的問題。另外為了細化晶粒，消除組織缺陷，為滲碳淬火做好準備。正火的工藝是溫度為920℃，保溫360min，出爐空冷。

1.2.3滲碳淬火工藝

滲碳設備為井式滲碳爐，滲碳介質為煤油、甲醇。強滲溫度為910℃，強滲時間300min，擴散時間120min，隨爐降溫至860℃，保溫180min后吊入油池中淬火，淬火介質為快速光亮淬火油。

1.2.4深冷工藝

20Cr2Ni4鋼中含有大量的Cr、Ni等合金元素，因此增強了奧氏體的穩定性。滲碳后基體組織中溶入了大量碳和合金元素，使Ms點下降較多，淬火后硬度低，容易產生磨削裂紋，因此必須要增加深冷處理工序，使殘余奧氏體轉變為馬氏體。深冷工藝是淬火后進行低溫回火180min，出爐后冷卻至室溫，吊入深冷設備進行深冷處理。深冷溫度為-135℃，480min以后從深冷設備中吊出。

1.2.5回火工藝

活塞溫度升至常溫時候吊入回火爐中低溫回火，溫度為180℃，保溫360min。

2 活塞失效分析

2.1 活塞失效形式

圖2為活塞掉塊的端面，從宏觀形貌分析裂紋源在掉塊的部位，活塞在使用過程中受到釬桿的沖擊作用，導致掉塊。隨著不斷地沖擊，裂紋從掉塊部位開始形成并逐漸擴展、延伸。

2.2 活塞化學成分分析

活塞材料20Cr2Ni4，材料成分的標準如下：C為0.17%～0.23%;Cr為1.25%～1.65%、Si為0.17%～0.37%;Mn為0.3%～0.6%、S為≤0.03%、P為≤0.03%、Ni為3.25%～3.65%。對掉塊的活塞材料進行化驗，材料成分：C為0.13%;Cr為0.98%;Si為0.26%;Mn為0.51%;S為0.03%;P為0.02%。材料成分符合標準要求。

2.3 硬化層和金相分析

本文對掉塊的部位進行切割做成試塊，進行硬度和金相分析。用維氏硬度計對試塊進行檢測，以大于等于550HV作為硬化層區域，通過硬度測試數據可以看出，硬化層的深度是1.1mm左右，工藝要求1.4～1.6mm。硬化層不足，考慮到活塞已使用了一段時間，硬化層磨損導致硬化層深度沒有達到標準要求^[4]。

對出現掉塊區域的試塊的金相進行了分析，圖3為試塊的金相組織圖。

從圖3可以看出表層為“高碳回火馬氏體+少量的殘余奧氏體”，過渡層為“高碳回火馬氏體+低碳板條馬氏體+少量殘余奧氏體”。經過分析金相組織的碳化物為1級、回火馬氏體為2級、殘余奧氏體為2級^[5]。另外，在圖中可以看到存在明顯的微裂紋，而裂紋區域銀白色的組織為存在著明顯的硫化物偏聚。

通過硬化層和金相組織分析，得到的結論是硬化層、碳化物、回火馬氏體、殘余奧氏體都是符合要求的，存在的問題是：硬化層深度不足。存在著明顯的硫化物偏聚，經過分析評判夾雜物硫化物級別為3級，不合格。

2.4 掉塊的原因及解決措施

2.4.1 掉塊的原因分析

通過上述的材料成分分析、掉塊及裂紋宏觀形貌分析、硬化層深度檢測、材料金相組織檢測，對活塞掉塊的具體原因進行了詳細的分析，得到了以下的結論。

（1）材料存在著嚴重的硫化物的偏聚導致活塞在沖擊過程掉塊。硫是有害的物質，硫和金屬形成了硫化物，例如形成了硫化錳、硫化鈦、硫化鎳等硫化物，硫化物降低鋼的塑性和韌性及疲勞性能。另外，材料中含有硫化物非金屬夾雜物，應力分布就不再是均勻的，會出現應力集中現象。在與夾雜物相毗鄰的金屬基體上，應力會急劇升高，使非金屬夾雜物破碎而生成空隙^[6]。綜上所述，硫化物的存在嚴重破壞了材料的連續性。從宏觀形貌來看，掉塊的部位是裂紋的發源地，硫化物的存在導致活塞滲碳淬火、回火后在沖擊的過程中產生了掉塊現象，掉塊引起了裂紋的擴展，導致活塞整體失效。

（2）硬化層深度達不到工藝要求。硬化層設計層深圖紙工藝要求1.4～1.6mm，但是考慮到活塞端部在與釬桿不斷沖擊的過程中有連續的磨損，導致硬化層不斷地減少，硬化層的減少導致了基體強度降低，在沖擊過程中產生疲勞裂紋，導致活塞局部剝落，呈現掉塊現象。

（3）回火不足。經過對熱處理工藝分析，現在的回火工藝是180℃，保溫360min，從材料斷裂的狀態發現回火不足導致部分應力沒有完全消除。因此要對回火工藝進行改進。

2.4.2 掉塊問題的解決措施

通過以上的掉塊綜合原因分析，制定了以下的解決措施：首先，要確保原材料的質量，在原材料采購入庫前要進行夾雜物檢測分析，發現有夾雜物超標的不予接收，確保材料的夾雜物級別在標準范圍之內。其次，更改工藝設計要求，硬化層由原來的要求1.4～1.6mm增加到1.8～2.0mm，這樣才能保證活塞在沖擊過程中強度，延長使用壽命。最后，改進熱處理回火工藝，確保淬火應力進一步消除。

3 熱處理工藝改進

3.1 熱處理工藝改進

針對以上的分析結果，對熱處理工藝進行了改進，并且做了小批試制，取得了成功。

改進后的熱處理工藝：設備為井式滲碳爐，滲碳介質為煤油、甲醇。滲碳強滲溫度為910℃，強滲時間為600min，擴散時間為240min。降溫至860℃保溫180min后淬火，淬火介質為快速光亮淬火油。淬火后進行180min回火。回火結束后升至室溫進行深冷處理，深冷溫度為-135℃，480min以后從深冷設備中取出，活塞溫度升至常溫時吊入回火爐中低溫回火，溫度為180℃，保溫600min，一次回火結束以后冷卻至室溫，進行二次回火，二次回火溫度為170℃，保溫480min后出爐空冷^[7]。

3.2 工藝試驗結果

應用了上述的熱處理工藝試驗后對活塞的硬度、硬化層深度和金相組織級別分別進行了檢測。檢測結果為：表面硬度60～62HRC、硬化層2.0mm、碳化物2級、回火馬氏體2級、殘余奧氏體2級，心部為“板條狀馬氏體+鐵素體”，未發現有硫化物偏聚現象出現，達到了工藝要求的結果。

4 結語

230D大型破碎錘活塞掉塊的主要原因有3個方面：原材料的夾雜物硫化物偏聚造成材料的不連續性，硬化層深度不足導致了疲勞強度變低，回火不充分導致活塞的殘余應力未充分消除。通過對材料入庫前的夾雜物檢測、熱處理工藝要求的更改及熱處理工藝的改進等措施，已解決了活塞掉塊的問題。現已進入了量產階段。近半年內生產了300余件活塞，經市場調研無一起掉塊質量問題的發生。230D破碎錘活塞掉塊問題已得到徹底解決。

參考文獻

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