接鏈環(huán)熱處理工藝優(yōu)化研究

楊海利

（寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，寧夏 石嘴山 753000）

在刮板輸送機(jī)中，接鏈環(huán)作為拽引構(gòu)件，承受載荷的主要形式是隨機(jī)疲勞載荷。接鏈環(huán)承載后，應(yīng)力分布比較復(fù)雜，其破壞情況也隨結(jié)構(gòu)形式不同而不同，但就其承載特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，主要破壞情況有兩種：一是突然超載時(shí)的強(qiáng)制破壞。二是在隨機(jī)作用下引起的疲勞破壞。這種破壞是目前接鏈環(huán)破壞的主要原因。對(duì)斷裂的接鏈環(huán)做金相分析，發(fā)現(xiàn)破斷處大多為疲勞斷口。所以提高接鏈環(huán)的疲勞壽命尤為重要。近幾年隨著國(guó)際形勢(shì)的不穩(wěn)定帶來(lái)進(jìn)口材料價(jià)格上漲、供貨周期不定給國(guó)產(chǎn)接鏈環(huán)產(chǎn)品的制造帶來(lái)了更多的不確定性，各煤機(jī)產(chǎn)品均在尋找進(jìn)口材料和零部件的替代方案。就常用鋸齒式接鏈環(huán)國(guó)產(chǎn)材料進(jìn)行性能研究，將材料按照標(biāo)準(zhǔn)制成實(shí)驗(yàn)樣塊分組按照實(shí)際生產(chǎn)工序經(jīng)不同熱處理工藝（冷卻時(shí)間、回火溫度）處理后，對(duì)接鏈環(huán)試樣進(jìn)行金相組織觀(guān)察、顯微硬度測(cè)試以及樣件的疲勞性能測(cè)試，并通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究和分析，選擇更優(yōu)的熱處理工藝參數(shù)，從而驗(yàn)證新的工藝參數(shù)能有效提高國(guó)產(chǎn)材料接鏈環(huán)疲勞強(qiáng)度。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用材料GQG01，其主要合金元素成分詳見(jiàn)表1。根據(jù)寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司對(duì)該材料的熱處理工藝，設(shè)計(jì)熱處理工藝和制備樣件，并按照“GBT13298-2015 金屬顯微組織檢驗(yàn)方法”制備金相試塊，按照“MTT99-1997 礦用圓環(huán)鏈用扁平接鏈環(huán)”進(jìn)行疲勞測(cè)試。

表1 主要合金元素成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

1.2 熱處理工藝

試驗(yàn)樣件按照回火溫度、冷卻時(shí)間分為4 組，每組均有3 件試樣，共12 件。試樣在淬火時(shí)按照擺放位置分為3 層，淬火溫度均為880 ℃，并在每件切片的兩端面均有標(biāo)志。接鏈環(huán)切片分組情況見(jiàn)表2。

表2 接鏈環(huán)切片分組情況

1.3 金相組織觀(guān)察和顯微硬度測(cè)試

在接鏈環(huán)切片上，自表面向內(nèi)深約20 mm，寬7 mm的位置進(jìn)行金相分析取樣。經(jīng)過(guò)鑲樣、打磨、拋光、侵蝕之后，在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行金相組織觀(guān)察，在顯微硬度儀上進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。

1.4 疲勞性能測(cè)試

接鏈環(huán)在電液司服圓環(huán)鏈疲勞試驗(yàn)機(jī)上將試驗(yàn)樣本夾緊后，按脈動(dòng)負(fù)荷下線(xiàn)53 kN、脈動(dòng)負(fù)荷上線(xiàn)265 kN 加載，試驗(yàn)頻率為200～1000 次/min，直到接鏈環(huán)破斷為止，測(cè)得脈動(dòng)循環(huán)次數(shù)。試驗(yàn)條件要求室溫為20 ℃±10 ℃，室內(nèi)空氣相對(duì)濕度不大于85%，電源電壓波動(dòng)不大于名義值的±5%，周?chē)h(huán)境應(yīng)無(wú)強(qiáng)磁場(chǎng)或其他強(qiáng)干擾信號(hào)，無(wú)強(qiáng)烈震動(dòng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)觀(guān)察研究鋸齒式接鏈環(huán)在不同熱處理參數(shù)條件下的顯微硬度變化情況、金相組織結(jié)構(gòu)以及疲勞性能次數(shù)，綜合分析選出更優(yōu)的鋸齒式接鏈環(huán)熱處理參數(shù)。

2.1 金相組織觀(guān)察與顯微硬度

每組試驗(yàn)件按照1.3 具體步驟及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制備，不同熱處理狀態(tài)下的試件均按照自表面至中心位置觀(guān)察顯微硬度的變化情況，并在每個(gè)硬度點(diǎn)位置觀(guān)察金相組織，在此僅列出了顯微硬度變化曲線(xiàn)和截取了一個(gè)點(diǎn)位置的金相組織圖片。

2.1.1 強(qiáng)冷2 min、緩冷3 min、450 ℃回火

該工藝參數(shù)熱處理的試件編號(hào)為42#、02#、72#，試樣硬度梯度曲線(xiàn)及金相組織詳見(jiàn)表3。

表3 強(qiáng)冷2 min、緩冷3 min、450 ℃回火狀態(tài)下顯微硬度曲線(xiàn)與金相組織

試樣結(jié)果與分析：

42# 試件，從硬度曲線(xiàn)看沒(méi)有硬度分區(qū)，邊部沒(méi)有硬度的降低，硬度均勻，在42～ 43 HRC 之間，各位置組織均勻，除回火索氏體外，還含有一定量的馬氏體位像的下貝氏體。

02#試件，從硬度曲線(xiàn)看硬度值整體較均勻，邊部位置0.5～ 0.75 mm 處硬度有所降低，內(nèi)部硬度在41～ 42HRC，硬度較高處組織以回火索氏體為主，邊部硬度降低處，屈氏體數(shù)量較內(nèi)部降低。

72#試件，硬度曲線(xiàn)在邊部6 mm 內(nèi)起伏變化，之后向內(nèi)逐漸升高，硬度不均勻，整體在40 HRC。在邊部位置低硬度區(qū)小于35 HRC，組織中白色塊狀貝氏體含量整體偏高，另外回火溫度高也會(huì)造成硬度值偏低。

2.1.2 強(qiáng)冷1 min、緩冷1 min、450 ℃回火

該工藝參數(shù)熱處理的試件編號(hào)為12#、22#、32#，試樣硬度梯度曲線(xiàn)及金相組織詳見(jiàn)表4。

表4 強(qiáng)冷1 min、緩冷1min、450 ℃回火狀態(tài)下顯微硬度曲線(xiàn)與金相組織

試樣結(jié)果分析：

12#試件，硬度曲線(xiàn)中，邊部6 mm 內(nèi)硬度起伏變化，內(nèi)部硬度較為穩(wěn)定，整體硬度值在40 HRC 以下，硬度在40 HRC 左右的組織以回火索氏體為主，硬度較低處則組織不均勻，除索氏體外，連續(xù)分布的白色組織偏多，有等軸化的傾向。

22#試件，硬度曲線(xiàn)中，邊部6 mm 內(nèi)硬度低于40 HRC，內(nèi)部硬度在42 HRC 左右，兩區(qū)分界處硬度發(fā)生速降，內(nèi)部高硬度區(qū)組織以回火索氏體為主；邊部低硬度區(qū)則組織不均勻，屈氏體、貝氏體并存。

32#試件，硬度曲線(xiàn)整體不均勻，起伏不定，而且組織也不均勻，硬度降低區(qū)域沿晶界析出鐵素體。

2.1.3 強(qiáng)冷2 min、緩冷3 min、430 ℃回火

該工藝參數(shù)熱處理的試件編號(hào)為42#、02#、72#，試樣硬度梯度曲線(xiàn)及金相組織詳見(jiàn)表5。

表5 強(qiáng)冷2 min、緩冷3 min、430 ℃回火狀態(tài)下顯微硬度曲線(xiàn)與金相組織

試樣結(jié)果分析：

11#試件，硬度曲線(xiàn)整體均勻，穩(wěn)定在41～ 42 HRC 之間，內(nèi)部硬度較穩(wěn)定，邊部硬度有所起伏，邊部組織中白色貝氏體連續(xù)分布且形態(tài)偏大，但與內(nèi)部組織差別不大，內(nèi)部以屈氏體為主，隱約可以看出馬氏體位向。

21#試件，硬度曲線(xiàn)邊部處6 mm 內(nèi)硬度值低于40 HRC，組織為屈氏體，可以看到黑色屈氏體內(nèi)有少量夾雜物；內(nèi)部硬度則穩(wěn)定在42 HRC 左右，內(nèi)部組織以馬氏體位向的屈氏體為主。

31#試件，硬度曲線(xiàn)由表面向內(nèi)逐漸升高穩(wěn)定在43 HRC 左右，組織以回火屈氏體為主，邊部為屈氏體、少量下貝氏體組織。

2.1.4 強(qiáng)冷1 min、緩冷1 min、430 ℃回火

該工藝參數(shù)熱處理的試件編號(hào)為42#、02#、72#，試樣硬度梯度曲線(xiàn)及金相組織詳見(jiàn)表6。

表6 強(qiáng)冷1 min、緩冷1 min、430 ℃回火狀態(tài)下顯微硬度曲線(xiàn)與金相組織

試樣結(jié)果分析：

41#試件，硬度整體均勻，穩(wěn)定在43 HRC 左右，組織為致密的回火屈氏體，所以硬度值較高。

01#試件，從硬度曲線(xiàn)可以看出，邊部向內(nèi)6 mm組織硬度較低，約36 HRC～ 39 HRC，邊部組織為屈氏體和少量貝氏體；內(nèi)部硬度則穩(wěn)定在42 HRC，以屈氏體為主。

71#試件，硬度梯度曲線(xiàn)整體均勻，硬度值約41 HRC 左右，以回火屈氏體為主及少量沿晶界析出的鐵素體，邊部處硬度稍有降低，最低約39 HRC，因冷卻不充分，導(dǎo)致出現(xiàn)沿晶界析出的鐵素體有關(guān)。

2.1.5 調(diào)質(zhì)狀態(tài)（91#）

試樣的調(diào)質(zhì)組織不均勻，主要為帶狀和區(qū)域性分布的回火索氏體（黑色區(qū)域）以及游離鐵素體，從硬度曲線(xiàn)來(lái)看，硬度時(shí)高時(shí)低，結(jié)合組織可看到，硬度測(cè)試位置以白色鐵素體區(qū)為主時(shí)，硬度值偏低，在15～18 HRC 間，而黑色區(qū)域則硬度值在21～ 24 HRC 間，硬度分布不均勻主要是因?yàn)榇慊饡r(shí)冷卻速度不均勻?qū)е隆?/p>

2.2 疲勞性能試驗(yàn)

在同等熱處理工藝參數(shù)下，每一個(gè)編號(hào)的另外兩件試件進(jìn)行疲勞性能測(cè)試，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

表7 不同熱處理狀態(tài)下接鏈環(huán)疲勞性能測(cè)試結(jié)果

通過(guò)以上疲勞性能測(cè)試，強(qiáng)冷2 min、緩冷3 min、430 ℃回火工藝參數(shù)的試件較其他條件下的試件疲勞次數(shù)整體上比較穩(wěn)定，平均疲勞次數(shù)略高于其他。

3 結(jié)論

3.1 淬火冷卻時(shí)間對(duì)組織、硬度及疲勞的影響

采用兩種冷卻時(shí)間的試樣，觀(guān)察其表面金相組織及硬度，區(qū)別不大，樣邊部6 mm 內(nèi)硬度區(qū)組織均勻硬度不同主要取決于回火溫度，但是在芯部組織，采用強(qiáng)冷1 min，緩冷1 min 的樣品出現(xiàn)了沿晶界析出的鐵素體，同時(shí)試樣在表面與中間位置出現(xiàn)了明顯的低硬度帶，說(shuō)明在淬火冷卻過(guò)程中，芯部未能完全冷透，冷卻結(jié)束后向外反熱，造成了低硬度中間帶，試樣整體冷卻時(shí)間較短，冷速較慢，未能充分冷卻，反應(yīng)在硬度上是冷卻時(shí)間短的試樣內(nèi)部硬度不均勻，疲勞性能也相對(duì)較低。

3.2 回火溫度對(duì)組織、硬度及疲勞的影響

430 ℃回火試樣內(nèi)部高硬度區(qū)以回火屈氏體為主。450 ℃回火試樣，內(nèi)部組織以回火索氏體為主，整體硬度略低于430 ℃回火試樣，疲勞性能也略低于430 ℃回火試樣。

綜上所述，通過(guò)組織觀(guān)察、硬度測(cè)試與疲勞性能測(cè)試，接鏈環(huán)國(guó)產(chǎn)材料試件在淬火強(qiáng)冷2 min、緩冷3 min、430 ℃回火的工藝參數(shù)較其他條件下的試件疲勞次數(shù)比較穩(wěn)定，平均疲勞次數(shù)高于其他，與進(jìn)口材料疲勞次數(shù)相近，可用于實(shí)際產(chǎn)品的生產(chǎn)應(yīng)用。