一種液壓破碎錘活塞失效分析及工藝改進(jìn)

韓玉娟，王尊禮，楊晟豪

（1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院（淮安分院），江蘇 淮安 223005；2.江蘇力博士機(jī)械股份有限公司，江蘇 淮安 223005；3.南京工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，南京 211167）

0 引言

液壓破碎錘是一種由液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的破碎工具，它以挖掘機(jī)、裝載機(jī)等工程機(jī)械為承載主機(jī)，作為其隨機(jī)工具擴(kuò)大了主機(jī)的功能和使用范圍。廣泛用于市政道路破碎，礦山、冶金、鐵路、公路建設(shè)，樓房拆毀等工程[1-2]。液壓破碎錘主要由沖擊活塞、控制配流閥、蓄能器和釬桿等部件組成。其中沖擊活塞是液壓破碎錘的關(guān)鍵零件，其設(shè)計(jì)制造的好壞直接影響到液壓破碎錘工作的可靠性[3-4]。

一種破碎錘活塞在用戶沖擊使用過程中出現(xiàn)凹陷、裂紋和局部剝落（如圖1、圖2）。分析可能產(chǎn)生失效的原因，對(duì)活塞進(jìn)行了化學(xué)成分和金相組織分析[3，5]。

圖1 活塞端面凹陷、裂紋

圖2 活塞端面崩裂掉塊

1 破碎錘活塞化學(xué)成分及原材料低倍組織分析

圖3是破碎錘的零件圖，材料為SNCM616V，是一種特種鋼，查閱資料可知其成分，要求表面硬度59～61 HRC，心部硬度32～38 HRC，馬氏體、碳化物、殘奧金相組織≤2級(jí)，心部組織≤2級(jí)，硬化層深2.0～2.2 mm。對(duì)失效活塞取樣利用掃描電子顯微鏡測(cè)試其成分，與標(biāo)準(zhǔn)成分比較，如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)測(cè)化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較%

圖3 破碎錘活塞零件圖

經(jīng)比較可知，成分符合要求，不是導(dǎo)致破碎錘活塞失效的原因。對(duì)該批活塞的原材料取?210×30 mm一段試塊進(jìn)行酸蝕處理，如圖4所示，經(jīng)低倍觀察，檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 低倍檢驗(yàn)結(jié)果

圖4 活塞原材料低倍圖

圖5為100倍下觀察的夾雜物及帶狀組織，夾雜物為D類，0.5級(jí)，帶狀組織為0級(jí)，綜上所述，活塞的原材料是合格的。

圖5 活塞原材料夾雜物圖（100×）

2 破碎錘加工工藝分析

從生產(chǎn)廠家了解到，該破碎錘原先的加工工藝如表3所示。

表3 破碎錘加工工藝流程

分析其加工工藝流程，毛坯選擇和制造工藝過程是合理的，不會(huì)是造成失效的原因，最有可能出問題的工藝應(yīng)該是熱處理工藝[5]。

3 破碎錘熱處理工藝及金相組織的檢驗(yàn)分析

破碎錘活塞加工工藝流程中的工序3正火屬于預(yù)備熱處理，主要是為了改善其切削加工性，不影響最終的使用性能。主要是工序6滲碳淬火及其后續(xù)的處理會(huì)影響化學(xué)成分及最終使用性能。改進(jìn)前工序6的工藝過程如圖6所示。其工藝是500 ℃保溫90 min，920 ℃強(qiáng)滲600 min,擴(kuò)散240 min，860 ℃保溫120 min，由于直接淬火后金相組織殘奧較多（如圖7），馬氏體6級(jí)，殘奧6級(jí)，碳化物2級(jí)，嚴(yán)重不符合工藝要求，因此采用了深冷工藝-120℃, 保溫120 min，200 ℃回火保溫360 min。取樣失效活塞獲得其金相組織照片（如圖8）。經(jīng)對(duì)比馬氏體3級(jí)，殘奧2級(jí)，碳化物2級(jí)。

圖6 改進(jìn)前熱處理工藝流程

圖7 工藝改進(jìn)前淬火金相組織（500×）

圖8 失效活塞金相組織（500×）

4 熱處理工藝需要改進(jìn)的原因分析

活塞熱處理好壞直接影響到液壓沖擊器的性能，應(yīng)該非常重視活塞的熱處理工藝[5]。改進(jìn)前的熱處理工藝中，雖然經(jīng)深冷工藝后馬氏體及碳化物都有所降低，但是零件在殘奧很多的情況下直接進(jìn)入了深冷，此前淬火存在很大的應(yīng)力，再加上深冷處理時(shí)殘奧轉(zhuǎn)變的應(yīng)力，零件內(nèi)部已出現(xiàn)了細(xì)微的裂紋，即使后面的回火工序也無法消除細(xì)微的裂紋和巨大的應(yīng)力，在使用過程中，巨大的內(nèi)應(yīng)力釋放，細(xì)微的裂紋逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致了零件開裂。因此原熱處理工藝的工序6最有可能是導(dǎo)致活塞失效的主要原因。針對(duì)以上原因，對(duì)零件的熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)，一方面降低淬火后的馬氏體和殘奧級(jí)別，另外，采取高溫回火，將殘奧轉(zhuǎn)變的同時(shí)消除淬火以及殘奧轉(zhuǎn)變的應(yīng)力。

5 改進(jìn)后的工藝流程及金相組織分析

圖9是改進(jìn)后的熱處理工藝。具體的工藝內(nèi)容為：檢驗(yàn)工件外觀，有無氧化、變形、開裂。把零件裝上滲碳架，確保零件垂直放置，注意避免磕碰。進(jìn)爐：500 ℃工件進(jìn)爐，升溫到910 ℃，強(qiáng)滲階段碳勢(shì)保持1.2，保溫12 h，提前0.5 h抽樣，檢查滲層。擴(kuò)散階段：碳勢(shì)為0.90，保溫4 h；抽樣檢查滲層。均溫階段:隨爐降溫至830 ℃，碳勢(shì)為0.8，保溫3 h油冷；高溫回火：650 ℃回火兩次。淬火，830 ℃，保溫4 h淬火，180 ℃回火，保溫4～6 h。

圖9 改進(jìn)后的熱處理工藝

改進(jìn)工藝后的金相組織如圖10所示，經(jīng)比對(duì)，其碳化物金相組織為1級(jí)、馬氏體金相組織為2級(jí)，殘奧金相組織為1級(jí)。經(jīng)測(cè)定，其硬度梯度曲線如圖11所示。

圖10 工藝改進(jìn)后金相組織（500×）

圖11 改進(jìn)工藝后的硬度梯度曲線

查HV與HRC硬度值對(duì)照表，550 HV對(duì)應(yīng)52.3 HRC，740 HV 對(duì) 應(yīng)61.8 HRC, 600 HV 對(duì) 應(yīng)55.2 HRC，所以改進(jìn)工藝后的硬度及滲碳層厚度符合零件圖的技術(shù)要求：硬度60～61 HRC,硬化層2.2 mm。

6 結(jié)論

經(jīng)改進(jìn)熱處理工藝后的破碎錘活塞在正常使用條件下沒有再出現(xiàn)開裂、端部凹陷及剝落現(xiàn)象，證明對(duì)于此類破碎錘的工藝改進(jìn)是有效的。