礦用液壓支架銷軸結構的熱處理工藝研究

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備，直接決定著煤礦開采的安全性[1]。四連桿結構通過銷軸與液壓支架其他結構件進行連接，起到調節液壓支架姿態的作用[2]。銷軸結構工作時需要承受很大的作用力，這對其力學性能提出了嚴格的要求。在零部件的結構尺寸一定的前提下，通過熱處理可以有效提升結構件的力學性能。然而銷軸結構作為液壓支架中的重要零部件，關于其熱處理工藝的研究卻相對較少[3-4]。在液壓支架設計圖紙中對其要求也較為籠統，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，銷軸結構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，這對銷軸結構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，詳細研究銷軸結構的熱處理工藝。

1 銷軸結構熱處理實驗材料及工藝方案設計

1.1 銷軸結構熱處理實驗材料

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。意味著四連桿結構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，在結構設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。在生產實踐中銷軸結構的常用材料為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 銷軸結構熱處理工藝方案

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，結構件容易出現裂紋，從而失效。為了適當提升銷軸結構的韌度和塑性，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。

銷軸結構處理工藝中，回火溫度的高低對結構最終性能有決定性的影響。通常回火溫度越高材料強度越低，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構綜合力學性能的影響，本研究首先對銷軸結構進行淬火處理，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 銷軸材料熱處理結果分析

為了分析熱處理工藝技術參數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行，為了提升測試結果的精度，每組實驗進行3次測量，然后去3次測量結果的平均值作為最終結果。

2.1 硬度測試結果

已有的理論和實踐經驗均表明，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系。比如常見的碳素結構鋼，其硬度和強度之間就存在明顯的線性比例關系，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，因此在工業生產現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℃四種回火溫度對應的平均硬度（HRC）值分別為35、32、27和25。可以明顯看出，隨著回火溫度的升高材料表面硬度出現了降低的趨勢。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，應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現，當回火溫度較低時，銷軸結構的使用壽命并沒有得到有效延長，反而經常出現斷裂問題。主要原因為硬度太高影響了材料的塑性和韌性，導致材料發生脆性斷裂。

2.2 室溫拉伸及沖擊測試結果

為進一步分析回火溫度對銷軸結構材料其他各項力學性能的影響，在完成熱處理工藝后，將對應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格尺寸。

圖2 標準室溫拉伸試樣規格尺寸（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。不同回火溫度對應的綜合性能指標結果如表1所示。從表中數據可以看出，隨著回火溫度的升高，銷軸材料的屈服強度、抗拉強度均出現了不同程度的降低。可以看出銷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聯關系。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，其數值越高則表明材料的韌性越好。

根據實踐經驗，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的力學性能指標

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，一旦受到沖擊載荷時容易發生脆性斷裂。基于本文的熱處理和各項力學性能測試結果，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構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 結論

1）隨著回火溫度的不斷升高，銷軸結構材料的表面硬度、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構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，保證銷軸結構材料具有良好的綜合力學性能。