沖擊活塞熱處理工藝改進

摘 要：通過對高風(fēng)壓高速沖擊器活塞的失效形式分析，以及活塞沖擊性能的檢測，發(fā)現(xiàn)了活塞斷裂的根本原因，通過改進工藝，制定了快速淬火的活塞熱處理新工藝，大幅提高了活塞心部的沖擊韌性，解決了活塞早期失效問題。

關(guān)鍵詞：沖擊器活塞；失效斷裂；沖擊韌性；快速淬火

前言

目前，高風(fēng)壓的快速沖擊器在露天礦、采石場以及水井等工地已經(jīng)得到廣泛使用，活塞作為沖擊器的關(guān)鍵部件，它的壽命直接決定了沖擊器的壽命[1]。在高風(fēng)壓快速沖擊器的高壓、高頻沖擊的工況下，活塞經(jīng)常出現(xiàn)早期斷裂。如何提高活塞的壽命，就一直是研究的重點。活塞的熱處理工藝是保證沖擊器壽命的關(guān)鍵[2]。

1 現(xiàn)狀分析

前期沖擊器在礦山使用出現(xiàn)大量的早期失效情況，一般使用壽命在1000～2000米。拆開發(fā)現(xiàn)，主要是因為活塞失效，全部是小頭開裂或斷裂。通過各種端口和斷裂形式，可以判斷小頭開裂主要由打擊端面的滲碳層出現(xiàn)裂紋開始，隨之裂紋軸向擴展，最后出現(xiàn)掉塊撕裂或斷裂。因此打擊端面的組織機構(gòu)和滲碳層的狀態(tài)就顯得至關(guān)重要。

活塞斷裂面，如圖1，從圖上可以清晰的看出貝紋線，結(jié)合活塞的工作情況，可以確定活塞斷裂形式為高周疲勞斷裂，從貝紋線的情況看，裂紋源是滲碳層，該材料心部硬度太高是裂紋迅速擴展的一個主要原因。

2 對比金相分析及硬度檢測

與國外K公司的市場領(lǐng)先產(chǎn)品對比結(jié)果如下表1：

從表1中硬度、心部沖擊韌性對比，很明顯，本次活塞失效主要原因是由于心部硬度太高，由此導(dǎo)致心部韌性不足，沖擊功太低。

3 工藝改進

通過失效的斷口分析和與國外領(lǐng)先產(chǎn)品的對比，可以確定工藝改進的重點是，在保證表面滲碳層硬度的前提下，降低心部硬度，提高沖擊韌性。

通過查閱分析20Cr2Ni4A鋼的C曲線，通過更換不同的淬火液淬火并低溫回火，檢測心部硬度如表2。

20Cr2Ni4A鋼淬透性非常好[3]，采用我們公司的快速淬火油淬火，能完全淬透，在實際生產(chǎn)中心部硬度在HRC46左右，即使用20#機油淬火，也可以達到HRC45。因此更換淬火油不能做到降低其心部硬度。

根據(jù)我們現(xiàn)有設(shè)備主要為箱式多用爐，根據(jù)設(shè)備條件，為了達到降低心部硬度的要求，設(shè)計了如圖2的快速淬火工藝：

該快速淬火工藝主要是在淬火的時候通過控制淬火的時間，使表面與心部獲得不同的冷卻速度。在淬火時，將活塞入油快速冷卻1～2分鐘，出油風(fēng)冷。通過這種滲碳后短時間快速淬火的方法，表面組織有效的轉(zhuǎn)化為馬氏體，得以硬化；而心部組織有相對緩慢的冷卻速度，使活塞的心部保持了較高的韌性。這樣，活塞具有較高的表面硬度和耐磨性，心部又具有較好韌性和抗沖擊性，從而達到我們改進的目的。

4 試驗結(jié)果

采用該熱處理工藝試制了10具5寸活塞，并裝配成沖擊器。

試塊檢測如下。

硬度測試：表面硬度HRC 61，心部硬度HRC 40.5。

沖擊韌性實驗：從活塞上依據(jù)國標尺寸縱向取沖擊試樣，室溫下夏比V型缺口試樣沖擊功（AKV）≥100J。

金相組織：表面組織為針狀馬氏體和少量殘余奧氏體，組織細小均勻，因而組織具有較高的硬度和較好的耐磨性；心部組織為粒狀貝氏體、板條馬氏體和鐵素體，這勢必使心部硬度控制在合適的范圍內(nèi)，并具有很高的抗沖擊性。

礦山試驗：沖擊器全部發(fā)往礦山試打，最高進尺7200米，最低進尺4850米，平均進尺5530米，失效形式為外套管、前后接頭磨損等原因，活塞沒發(fā)現(xiàn)斷裂。該礦山使用國內(nèi)領(lǐng)先的成熟沖擊器平均進尺在5000米左右。顯然，采用快速淬火的活塞達到了國內(nèi)先進水平，且性能穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

高風(fēng)壓潛孔鉆沖擊器活塞小頭開裂主要是由于心部硬度太高所致。采用快速淬火工藝能夠獲得表面滲碳層較高硬度，同時可以有效地降低心部硬度。通過此種工藝，能夠通過提高心部韌性而保證活塞壽命，杜絕了沖擊器在礦山因活塞導(dǎo)致的早期失效。

參考文獻

[1]楊日平.提高高氣壓潛孔沖擊器活塞壽命的途徑[J].鑿巖氣動工具，1997（2）.

[2]曾 .潛孔沖擊器活塞壽命分析[J].世界采礦快報，1998（6）Vol.14.

[3]岳宜珊.齒輪鋼20Cr2Ni4A的力學(xué)性能試驗[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2001（9）Vol23.