接鏈環熱處理工藝優化研究

楊海利

（寧夏天地奔牛實業集團有限公司，寧夏 石嘴山 753000）

在刮板輸送機中，接鏈環作為拽引構件，承受載荷的主要形式是隨機疲勞載荷。接鏈環承載后，應力分布比較復雜，其破壞情況也隨結構形式不同而不同，但就其承載特點來說，主要破壞情況有兩種：一是突然超載時的強制破壞。二是在隨機作用下引起的疲勞破壞。這種破壞是目前接鏈環破壞的主要原因。對斷裂的接鏈環做金相分析，發現破斷處大多為疲勞斷口。所以提高接鏈環的疲勞壽命尤為重要。近幾年隨著國際形勢的不穩定帶來進口材料價格上漲、供貨周期不定給國產接鏈環產品的制造帶來了更多的不確定性，各煤機產品均在尋找進口材料和零部件的替代方案。就常用鋸齒式接鏈環國產材料進行性能研究，將材料按照標準制成實驗樣塊分組按照實際生產工序經不同熱處理工藝（冷卻時間、回火溫度）處理后，對接鏈環試樣進行金相組織觀察、顯微硬度測試以及樣件的疲勞性能測試，并通過進一步的實驗研究和分析，選擇更優的熱處理工藝參數，從而驗證新的工藝參數能有效提高國產材料接鏈環疲勞強度。

1 實驗材料與方法

1.1 試驗材料及方法

試驗用材料GQG01，其主要合金元素成分詳見表1。根據寧夏天地奔牛實業集團有限公司對該材料的熱處理工藝，設計熱處理工藝和制備樣件，并按照“GBT13298-2015 金屬顯微組織檢驗方法”制備金相試塊，按照“MTT99-1997 礦用圓環鏈用扁平接鏈環”進行疲勞測試。

表1 主要合金元素成分（質量分數%）

1.2 熱處理工藝

試驗樣件按照回火溫度、冷卻時間分為4 組，每組均有3 件試樣，共12 件。試樣在淬火時按照擺放位置分為3 層，淬火溫度均為880 ℃，并在每件切片的兩端面均有標志。接鏈環切片分組情況見表2。

表2 接鏈環切片分組情況

1.3 金相組織觀察和顯微硬度測試

在接鏈環切片上，自表面向內深約20 mm，寬7 mm的位置進行金相分析取樣。經過鑲樣、打磨、拋光、侵蝕之后，在光學顯微鏡下進行金相組織觀察，在顯微硬度儀上進行顯微硬度測試。

1.4 疲勞性能測試

接鏈環在電液司服圓環鏈疲勞試驗機上將試驗樣本夾緊后，按脈動負荷下線53 kN、脈動負荷上線265 kN 加載，試驗頻率為200～1000 次/min，直到接鏈環破斷為止，測得脈動循環次數。試驗條件要求室溫為20 ℃±10 ℃，室內空氣相對濕度不大于85%，電源電壓波動不大于名義值的±5%，周圍環境應無強磁場或其他強干擾信號，無強烈震動。

2 試驗結果與分析

通過觀察研究鋸齒式接鏈環在不同熱處理參數條件下的顯微硬度變化情況、金相組織結構以及疲勞性能次數，綜合分析選出更優的鋸齒式接鏈環熱處理參數。

2.1 金相組織觀察與顯微硬度

每組試驗件按照1.3 具體步驟及標準進行制備，不同熱處理狀態下的試件均按照自表面至中心位置觀察顯微硬度的變化情況，并在每個硬度點位置觀察金相組織，在此僅列出了顯微硬度變化曲線和截取了一個點位置的金相組織圖片。

2.1.1 強冷2 min、緩冷3 min、450 ℃回火

該工藝參數熱處理的試件編號為42#、02#、72#，試樣硬度梯度曲線及金相組織詳見表3。

表3 強冷2 min、緩冷3 min、450 ℃回火狀態下顯微硬度曲線與金相組織

試樣結果與分析：

42# 試件，從硬度曲線看沒有硬度分區，邊部沒有硬度的降低，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，屈氏體數量較內部降低。

72#試件，硬度曲線在邊部6 mm 內起伏變化，之后向內逐漸升高，硬度不均勻，整體在40 HRC。在邊部位置低硬度區小于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造成硬度值偏低。

2.1.2 強冷1 min、緩冷1 min、450 ℃回火

該工藝參數熱處理的試件編號為12#、22#、32#，試樣硬度梯度曲線及金相組織詳見表4。

表4 強冷1 min、緩冷1min、450 ℃回火狀態下顯微硬度曲線與金相組織

試樣結果分析：

12#試件，硬度曲線中，邊部6 mm 內硬度起伏變化，內部硬度較為穩定，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，連續分布的白色組織偏多，有等軸化的傾向。

22#試件，硬度曲線中，邊部6 mm 內硬度低于40 HRC，內部硬度在42 HRC 左右，兩區分界處硬度發生速降，內部高硬度區組織以回火索氏體為主；邊部低硬度區則組織不均勻，屈氏體、貝氏體并存。

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

2.1.3 強冷2 min、緩冷3 min、430 ℃回火

該工藝參數熱處理的試件編號為42#、02#、72#，試樣硬度梯度曲線及金相組織詳見表5。

表5 強冷2 min、緩冷3 min、430 ℃回火狀態下顯微硬度曲線與金相組織

試樣結果分析：

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

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

31#試件，硬度曲線由表面向內逐漸升高穩定在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 強冷1 min、緩冷1 min、430 ℃回火

該工藝參數熱處理的試件編號為42#、02#、72#，試樣硬度梯度曲線及金相組織詳見表6。

表6 強冷1 min、緩冷1 min、430 ℃回火狀態下顯微硬度曲線與金相組織

試樣結果分析：

41#試件，硬度整體均勻，穩定在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，從硬度曲線可以看出，邊部向內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；內部硬度則穩定在42 HRC，以屈氏體為主。

71#試件，硬度梯度曲線整體均勻，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，導致出現沿晶界析出的鐵素體有關。

2.1.5 調質狀態（91#）

試樣的調質組織不均勻，主要為帶狀和區域性分布的回火索氏體（黑色區域）以及游離鐵素體，從硬度曲線來看，硬度時高時低，結合組織可看到，硬度測試位置以白色鐵素體區為主時，硬度值偏低，在15～18 HRC 間，而黑色區域則硬度值在21～ 24 HRC 間，硬度分布不均勻主要是因為淬火時冷卻速度不均勻導致。

2.2 疲勞性能試驗

在同等熱處理工藝參數下，每一個編號的另外兩件試件進行疲勞性能測試，具體數據見表7。

表7 不同熱處理狀態下接鏈環疲勞性能測試結果

通過以上疲勞性能測試，強冷2 min、緩冷3 min、430 ℃回火工藝參數的試件較其他條件下的試件疲勞次數整體上比較穩定，平均疲勞次數略高于其他。

3 結論

3.1 淬火冷卻時間對組織、硬度及疲勞的影響

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

3.2 回火溫度對組織、硬度及疲勞的影響

430 ℃回火試樣內部高硬度區以回火屈氏體為主。450 ℃回火試樣，內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，通過組織觀察、硬度測試與疲勞性能測試，接鏈環國產材料試件在淬火強冷2 min、緩冷3 min、430 ℃回火的工藝參數較其他條件下的試件疲勞次數比較穩定，平均疲勞次數高于其他，與進口材料疲勞次數相近，可用于實際產品的生產應用。