液压凿岩机冲击活塞的选材与热处理工艺

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摘要：分析了液压凿岩机冲击活塞的受力状态与性能要求，选择国产合金钢30CrNi2MoV进行渗碳、淬火和回火处理，研制出替代进口的冲击活塞，其使用性能达到或超过国外同类产品，为制造高寿命液压凿岩机冲击活塞提供了一种新的方法。

    关键词：冲击活塞；热处理；使用寿命

    国内外已广泛使用的液压凿岩机，以其输出功率大、凿岩速度高、能量利用率大以及噪音较低、易于自动控制等许多优点，在岩石工程中发挥着十分重要的作用。据估计，我国在金属矿山、煤矿岩巷、化工采矿、水电涵洞、铁路和公路隧道等岩石掘进工程中使用的进口液压凿岩机有4000台以上［1］。所以，液压凿岩机的维修与易损件的供应就成为保证设备良好运行的重要基础条件。

    为了解决进口液压凿岩机易损件更换困难并降低更换与维修费用，中南大学继研制成功液压凿岩机之后，还研制开发了10多个品种的液压凿岩机配件，以替代进口配件，既满足了施工工程的需要，又节省了大量外汇，大幅度地降低了维修成本。其中国产合金钢经合适的加工工艺而制作的液压凿岩机冲击活塞替代进口产品，其性能达到或超过了国内外同类产品的使用寿命，而价格只相当于进口活塞价格的8%-10%。

    1 材料选择

    液压凿岩机的工作压力一般均在20MPa左右，有的可高达25MPa，每分钟冲击次数达到3000-4000次。因而，冲击活塞作为液压凿岩机的主要冲击作功件，是在高速度（10-12m/s）、高频率与强烈冲击条件下进行工作的，是液压凿岩机的关键性零件［2］。由它传递液压凿岩机的冲击能量，冲击活塞整体必须具有很高的强韧性和抗冲击疲劳性，同时活塞的表面必须具有高硬度，并形成连续表面硬化层，便于活塞高频率冲击作功过程中应力波的传递。冲击工作端应同时具有高硬度与高强韧性，以使冲击活塞在高频率强烈冲击过程中不蹋陷、不崩裂。

    根据冲击活塞的工作条件与性能要求，作者对多种国产钢材进行了试验研究和对比分析，最后选定含碳量（质量分数）为0.28%~0.38%，并含有Cr、Ni、Mo、V等元素，合金元素总含量在4%-6%的结构钢进行渗碳和淬火硬化处理，可满足冲击活塞的使用要求。

    向钢中加入Cr、Ni、Mo、V等合金元素，其中Cr、Ni元素能够提高钢的淬透性，使冲击活塞淬火后整体性能均匀，提高整体强韧性，而且能够使渗碳层的组织与性能得到改善；而元素Cr、Mo与V能够形成合金炭化物，对细化晶粒和抑制渗碳过程中发生过热现象具有十分重要的作用；钢的含碳量选择在0.28%-0.38%，是为了使冲击活塞在渗碳淬火之后心部具有足够高的强度，获得最佳的强韧化效果，并且使渗碳层与心部之间具有平缓的性能过渡，提高冲击活塞的使用寿命。

    根据上述分析，拟选取30CrNi2MoV钢制造冲击活塞，这种钢的名义成分如表1 所示［4］，试制冲击活塞用的30CrNi2MoV钢在KYKY-2800扫描电镜上进行能谱成分分析（见图1），分析结果列于表1。







    图1 30CrNi2MoV钢化学成分能谱分析







    表1 30CrNi2MoV钢化学成分（质量分数 %）

   2 渗碳、淬火与回火工艺

    30CrNi2MoV钢冲击活塞的制造工艺为：

    锻造→退火→切削加工→渗碳→高温回火→淬火、低温回火→粗磨→时效→精磨→研磨→检验

    冲击活塞的渗碳处理在井式气体渗碳炉中进行，渗碳处理过程中炉膛排气阶段采用大剂量甲醇排除炉内空气，渗碳剂则使用煤油，剂量为100滴/min，渗碳温度为930℃，渗碳阶段时间为10h，扩散阶段的时间为3h，渗碳层含碳量控制在0.95%~1%。渗碳处理之后，为了减少冲击活塞在淬火后残余奥氏体的存在，将其进行了一次高温回火，高温回火处理后再重新加热淬火，淬火温度870℃，淬火介质为矿物油，淬火后紧接着在180℃回火6h。粗磨之后，为了消除磨削应力的影响，在170℃时效8h［4］。

    3 组织与性能检验

    冲击活塞组织观察与硬度试验的试样是从同炉处理的冲击活塞中抽取一支，在线切割机床上切取下来的，试样切取部位离冲击工作端20mm，试样厚度为12mm。

    30CrNi2MoV冲击活塞渗碳后缓冷到室温，制成金相样品，光学显微镜金相照片见图2。由图可以清晰地看出渗碳层的分布情况，表层为含碳量很高的过共析层和共析层，为深黑色。离表层较远的中心部位为未渗碳区域，而中间的过渡地带为含碳量较高的亚共析过渡层，过渡层的碳含量逐渐递减，过渡比较平缓。这说明渗碳后期的扩散阶段达到了使渗碳层向中心部位含碳量平缓过渡的效果。







    图2 30CrNi2MoV活塞渗碳后的金相照片

    图3 是渗碳淬火和回火之后在KYKY-2800扫描电镜上拍摄的背散射像形貌照片，拍摄部位为表层过共析层。照片中显示出典型的片状回火合金马氏体，组织极为细密均匀。图4是活塞中心部位未受渗碳影响的原始亚共析组织的背散射像形貌照片。由于中心含碳量低，为板条状的回火合金马氏体，组织同样非常细密均匀。







    图3 渗碳层背散射电镜照片






    图4 中心部位背散射电镜照片

    图5是试样切取下来后进行的硬度测定结果示意图。用HR-150型洛氏硬度计测定试样的硬度，活塞外表面3个测点上的硬度平均值为HRC60；中心内孔表面3个测点的硬度平均值为HRC59.8；而横截面上的硬度值近表层较高，中心部位较低，中心最低值为HRC46。从图上还可以看出，由表层向中心部位硬度过渡比较平缓，中心部位的硬度相当均匀，表层与心部的硬度差值为HRC14。







    图5 30CrNi2MoV冲击活塞的硬度分布

  4 应用效果

    选取30CrNi2MoV钢采用渗碳、淬火回火工艺制造冲击活塞已批量生产，先后在几个重点建设工程项目中使用，取得了很好的应用效果，下面是其中2个应用实例。

    1) 成渝高速公路某隧道岩石工程，该隧道全长约为3000m，为五类围岩(F系数为14)，岩石硬度高，施工难度大，施工断面炮孔200孔，使用2台国外进口的液压钻车交替作业，在这项凿岩施工中，某施工单位全部使用国产30CrNi2MoV钢制造的冲击活塞，替代进口活塞，每根冲击活塞的凿孔进尺均在10000m以上，其中部分活塞的凿孔进尺达到40000m以上，使用这种冲击活塞替代进口产品，施工过程顺利，施工进度快。而且在该工程施工中，液压凿机冲击活塞维修更换一项，即可节约外汇12万美元左右，使更换活塞的成本节约90%，具有非常重要的技术经济意义。

    1）四川某水电站导流涵洞凿岩工程，涵洞全长约为1000m，岩石为火沉岩，为难于凿岩的高难度施工项目，涵洞断面炮孔150孔，使用进口液压钻车交替作业，采用30CrNi2MoV钢冲击活塞替代HD100C进口活塞，使用寿命均为凿孔进尺10000m以上，最佳使用寿命达到40000m以上。

    5 结论

    1）选择30CrNi2MoV钢，采用渗碳、淬火与回火处理能满足液压凿岩机冲击活塞整体高强韧性和抗冲击疲劳强度、活塞表层高硬度壳层结构、冲击工作端高硬度与高强韧性相配合的使用性能要求。

    2）30CrNi2MoV钢冲击活塞渗碳处理后期应采取合适的扩散措施，使活塞渗碳层表层高碳量层向心部未渗碳区含碳量平缓过渡，并使活塞在淬火回火后表层向心部的硬度值下降能平缓过渡，防止渗碳层与心部未渗入区含碳量骤降而导致硬度突变，以避免表层易于剥落崩裂。

    3) 渗碳、淬火回火处理之后，冲击活塞的表面硬度为HRC59~60、心部硬度为HRC46左右为宜，冲击活塞用钢必须有良好的淬透性，表面的硬度、心部的硬度都分别要求均匀一致，不允许性能不均匀的现象存在，这是保证冲击活塞正常使用并获得高使用寿命的关键。

    4）渗碳、淬火回火之后，冲击活塞表层为细片状回火马氏体、心部为细密板条状回火马氏体是比较理想的金相组织。

    参考文献

    ［1］ 郭孝先，王路，黄元月 国外液压凿岩设备 北京：地质出版社，1993

    ［2］ 徐小荷 冲击凿岩的理论基础与电算方法 沈阳：东北工学院出版社，1986

    ［3］ 孙珍宝，朱谱藩，林慧国，等 合金钢手册 北京：冶金工业出版社，1992

    ［4］ 孙大能，雷廷权，章守华 热处理手册 北京：机械工业出版社，1991

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在强冲击条件下服役的渗碳零件，提高基体碳含量是一个明智的举措。仅此一点就很值得称赞，希望遇到类似情况的朋友好好学习悉心效仿。