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(guān)鍵部件，活塞出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致破碎錘整機(jī)無(wú)法工作。230D破碎錘是根據(jù)市場(chǎng)需求自行開(kāi)發(fā)的一種大型破碎錘產(chǎn)品，活塞在破碎錘中起到了關(guān)鍵性的作用。從本產(chǎn)品上市以來(lái)，活塞在用戶(hù)使用沖擊過(guò)程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)活塞端部有掉塊現(xiàn)象，導(dǎo)致了整根活塞開(kāi)裂，影響了破碎錘的使用。為了分析原因，對(duì)開(kāi)裂的活塞進(jìn)行了化學(xué)成分、金相組織、熱處理工藝及掉塊的原因分析。結(jié)果表明，原材料中夾雜物超標(biāo)及硬化層層深偏低導(dǎo)致在沖擊過(guò)程中產(chǎn)生局部剝落，最終引起零件開(kāi)裂?？刂撇牧蠆A雜物及改進(jìn)滲碳工藝等可有效防止活塞在使用過(guò)程中產(chǎn)生剝落現(xiàn)象。

關(guān)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(jìn)

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(chē)輛上的作業(yè)工具，其以液壓泵為動(dòng)力源，以液壓油作為工作介質(zhì)，通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)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(guò)程中和釬桿不斷地撞擊，這樣對(duì)活塞的抗沖擊性能要求極高。23OD破碎錘上市以來(lái)，使用過(guò)程中活塞經(jīng)常出現(xiàn)批量性的掉塊現(xiàn)象。圖2所示為掉塊的活塞，經(jīng)過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)在活塞與釬桿接觸部位出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，而裂紋源正是在掉塊部位，掉塊引起的裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致活塞報(bào)廢無(wú)法使用。本文對(duì)材料成分、金相及熱處理工藝進(jìn)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(qiáng)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(wú)法滿(mǎn)足要求。為了滿(mǎn)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(qiáng)度的合金滲碳用鋼，有著良好的機(jī)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(qiáng)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(qiáng)化機(jī)體組織，改善機(jī)體組織的回火穩(wěn)定性的作用^[2]。

20Cr2Ni4鋼經(jīng)過(guò)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(qiáng)度及耐磨性，是滲碳鋼中優(yōu)質(zhì)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(yàn)→入庫(kù)”。

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(jí)別要求1～3級(jí)，碳化物級(jí)別要求1～3級(jí)、殘余奧氏體級(jí)別1～3級(jí)^[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(dǎo)致加工困難的問(wèn)題。另外為了細(xì)化晶粒，消除組織缺陷，為滲碳淬火做好準(zhǔn)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(shè)備為井式滲碳爐，滲碳介質(zhì)為煤油、甲醇。強(qiáng)滲溫度為910℃，強(qiáng)滲時(shí)間300min，擴(kuò)散時(shí)間120min，隨爐降溫至860℃，保溫180min后吊入油池中淬火，淬火介質(zhì)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(qiáng)了奧氏體的穩(wěn)定性。滲碳后基體組織中溶入了大量碳和合金元素，使Ms點(diǎn)下降較多，淬火后硬度低，容易產(chǎn)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(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。深冷工藝是淬火后進(jìn)行低溫回火180min，出爐后冷卻至室溫，吊入深冷設(shè)備進(jìn)行深冷處理。深冷溫度為-135℃，480min以后從深冷設(shè)備中吊出。

1.2.5回火工藝

活塞溫度升至常溫時(shí)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(guò)程中受到釬桿的沖擊作用，導(dǎo)致掉塊。隨著不斷地沖擊，裂紋從掉塊部位開(kāi)始形成并逐漸擴(kuò)展、延伸。

2.2 活塞化學(xué)成分分析

活塞材料20Cr2Ni4，材料成分的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)掉塊的活塞材料進(jìn)行化驗(yàn)，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(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 硬化層和金相分析

本文對(duì)掉塊的部位進(jìn)行切割做成試塊，進(jìn)行硬度和金相分析。用維氏硬度計(jì)對(duì)試塊進(jìn)行檢測(cè)，以大于等于550HV作為硬化層區(qū)域，通過(guò)硬度測(cè)試數(shù)據(jù)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(shí)間，硬化層磨損導(dǎo)致硬化層深度沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求^[4]。

對(duì)出現(xiàn)掉塊區(qū)域的試塊的金相進(jìn)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(guò)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(jīng)過(guò)分析金相組織的碳化物為1級(jí)、回火馬氏體為2級(jí)、殘余奧氏體為2級(jí)^[5]。另外，在圖中可以看到存在明顯的微裂紋，而裂紋區(qū)域銀白色的組織為存在著明顯的硫化物偏聚。

通過(guò)硬化層和金相組織分析，得到的結(jié)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(wèn)題是：硬化層深度不足。存在著明顯的硫化物偏聚，經(jīng)過(guò)分析評(píng)判夾雜物硫化物級(jí)別為3級(jí)，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(guò)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(cè)、材料金相組織檢測(cè)，對(duì)活塞掉塊的具體原因進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得到了以下的結(jié)論。

（1）材料存在著嚴(yán)重的硫化物的偏聚導(dǎo)致活塞在沖擊過(guò)程掉塊。硫是有害的物質(zhì)，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(yīng)力分布就不再是均勻的，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在與夾雜物相毗鄰的金屬基體上，應(yīng)力會(huì)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(yán)重破壞了材料的連續(xù)性。從宏觀形貌來(lái)看，掉塊的部位是裂紋的發(fā)源地，硫化物的存在導(dǎo)致活塞滲碳淬火、回火后在沖擊的過(guò)程中產(chǎn)生了掉塊現(xiàn)象，掉塊引起了裂紋的擴(kuò)展，導(dǎo)致活塞整體失效。

（2）硬化層深度達(dá)不到工藝要求。硬化層設(shè)計(jì)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(guò)程中有連續(xù)的磨損，導(dǎo)致硬化層不斷地減少，硬化層的減少導(dǎo)致了基體強(qiáng)度降低，在沖擊過(guò)程中產(chǎn)生疲勞裂紋，導(dǎo)致活塞局部剝落，呈現(xiàn)掉塊現(xiàn)象。

（3）回火不足。經(jīng)過(guò)對(duì)熱處理工藝分析，現(xiàn)在的回火工藝是180℃，保溫360min，從材料斷裂的狀態(tài)發(fā)現(xiàn)回火不足導(dǎo)致部分應(yīng)力沒(méi)有完全消除。因此要對(duì)回火工藝進(jìn)行改進(jìn)。

2.4.2 掉塊問(wèn)題的解決措施

通過(guò)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(zhì)量，在原材料采購(gòu)入庫(kù)前要進(jìn)行夾雜物檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)有夾雜物超標(biāo)的不予接收，確保材料的夾雜物級(jí)別在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。其次，更改工藝設(shè)計(jì)要求，硬化層由原來(lái)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(guò)程中強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命。最后，改進(jìn)熱處理回火工藝，確保淬火應(yīng)力進(jìn)一步消除。

3 熱處理工藝改進(jìn)

3.1 熱處理工藝改進(jìn)

針對(duì)以上的分析結(jié)果，對(duì)熱處理工藝進(jìn)行了改進(jìn)，并且做了小批試制，取得了成功。

改進(jìn)后的熱處理工藝：設(shè)備為井式滲碳爐，滲碳介質(zhì)為煤油、甲醇。滲碳強(qiáng)滲溫度為910℃，強(qiáng)滲時(shí)間為600min，擴(kuò)散時(shí)間為240min。降溫至860℃保溫180min后淬火，淬火介質(zhì)為快速光亮淬火油。淬火后進(jìn)行180min回火?；鼗鸾Y(jié)束后升至室溫進(jìn)行深冷處理，深冷溫度為-135℃，480min以后從深冷設(shè)備中取出，活塞溫度升至常溫時(shí)吊入回火爐中低溫回火，溫度為180℃，保溫600min，一次回火結(jié)束以后冷卻至室溫，進(jìn)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(yàn)結(jié)果

應(yīng)用了上述的熱處理工藝試驗(yàn)后對(duì)活塞的硬度、硬化層深度和金相組織級(jí)別分別進(jìn)行了檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果為：表面硬度60～62HRC、硬化層2.0mm、碳化物2級(jí)、回火馬氏體2級(jí)、殘余奧氏體2級(jí)，心部為“板條狀馬氏體+鐵素體”，未發(fā)現(xiàn)有硫化物偏聚現(xiàn)象出現(xiàn)，達(dá)到了工藝要求的結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

230D大型破碎錘活塞掉塊的主要原因有3個(gè)方面：原材料的夾雜物硫化物偏聚造成材料的不連續(xù)性，硬化層深度不足導(dǎo)致了疲勞強(qiáng)度變低，回火不充分導(dǎo)致活塞的殘余應(yīng)力未充分消除。通過(guò)對(duì)材料入庫(kù)前的夾雜物檢測(cè)、熱處理工藝要求的更改及熱處理工藝的改進(jìn)等措施，已解決了活塞掉塊的問(wèn)題。現(xiàn)已進(jìn)入了量產(chǎn)階段。近半年內(nèi)生產(chǎn)了300余件活塞，經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研無(wú)一起掉塊質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生。230D破碎錘活塞掉塊問(wèn)題已得到徹底解決。

參考文獻(xiàn)

[1]陳緒林，陶雪娟，陳思睿，等.液壓破碎錘動(dòng)臂結(jié)構(gòu)仿真分析研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2020（6）：13-16.

[2]許鴻翔，王紅偉，張衡，等.20Cr2Ni4鋼齒輪滲碳淬火及裝配后開(kāi)裂原因分析[J].金屬熱處理，2021，46（8）：250-253.

[3]王尊禮.8T破碎器中缸開(kāi)裂原因及其防止[J].裝備維修技術(shù)，2021（9）82-83.

[4]王妍，王磊，姚栓，馬錄.輸入軸軸頸處滲碳淬火硬化層深影響因素分析[J].熱處理技術(shù)與裝備，2020，41（5）：24-28.

[5]GB/T 25744-2010，鋼件滲碳淬火回火金相檢驗(yàn)[S].

[6]王英虎.熱處理工藝對(duì)含硫易切削不銹鋼中硫化錳夾雜物的影響[J].金屬熱處理，2020，45（10）：64-69.

[7]李年蓮，王尊禮.淺析蝸桿滲碳的變形和控制[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012（21）80.