底噴式淬火裝置

周慧英， 呂勇

（1.焦作市技師學院，河南 焦作 454003；2.許昌職業技術學院，河南 許昌 461000）

0 引言

在工程中對材料強度的要求一般是首選的性能指標，工程材料中使用最多的是金屬材料，金屬材料常用的強化方法有：形變強化、固溶強化、細晶強化、第二相強化和熱處理強化。本文對液壓支架支柱油缸的強化方法就是熱處理強化中的淬火工藝［1-2］。

1 技術背景

近些年來，液壓支架已成為煤礦綜采工作面的主要支護設備，隨著煤礦對煤炭回采率要求的不斷提高及安全高效開采的不斷進步，液壓支架向大支承力、高架型發展；液壓支架的立柱是支架的支承組件，承受著液壓支架的全部支承力，所以為滿足煤炭行業生產需要，液壓支架的立柱油缸向大口徑、長缸筒發展，目前最大油缸缸筒內徑已發展到直徑420 mm以上，長度已達到2 m左右。

油缸缸筒工作表面的強度和硬度高低直接影響油缸的使用壽命，進而決定液壓支架的使用壽命，在不改變油缸材質和增加成本的情況下，淬火的熱處理工藝無疑是提高金屬材料強度、硬度的一種最有效和常用的方法。常用的淬火方法有：單液淬火法、雙介質淬火法、馬氏體分級淬火和貝氏體等溫淬火，需要根據不同材質或零件形狀進行合理選擇。油缸缸筒選用的材質是45鋼，其傳統的淬火方法采用的是單液淬火法，即在大水槽中采用外置式水循環的冷卻方法進行的，這種淬火方式的優點是淬火裝置簡單，操作方便，易于實現機械化操作；缺點是因為碳素鋼淬透性差，如果冷卻速度慢，易于造成淬硬層淺，硬度低；而冷卻速度快，又容易使零件淬裂，造成零件報廢［3-4］。

對于油缸缸筒而言，關鍵問題是：因為油缸缸筒是圓形的，其工作表面為內表面，在淬火過程中缸筒放入冷卻槽冷卻時容易沉入槽底，缸筒內孔的冷卻水不能快速有效地循環帶走熱量，也不能迅速破壞缸筒內孔與冷卻水之間的汽膜，造成冷卻速度慢，結果降低了淬硬層深度，缸筒內壁有大量軟點出現，極大地削弱了缸筒材料的強度和硬度，使缸筒在強度上存在著不可避免的致命缺陷，導致液壓缸在使用時出現脹缸事故，縮短其使用壽命。

2 技術方案

為避免上述缺點，采用的如下技術方案：加強油缸缸筒內孔中淬火介質的可流動性，使其溫度快速降低，從而獲得較深淬硬層，提高工作表面的強度和硬度。為此，設計一種底噴式淬火裝置，在淬火槽底部設置有與淬火槽相連通的壓縮空氣管道和壓力液體管道，淬火槽內部壓縮空氣管道和壓力液體管道與淬火槽接口上方設置有帶有開孔的分布隔板。壓縮空氣管道和壓力液體管道位于淬火槽兩側且分別與氣壓源和液壓源連接。使用時，壓縮空氣和壓力液體在淬火槽的底部和分布隔板之間的液氣混合區混合后迅速通過分布隔板上的孔向上噴出，對工件進行淬火處理。

3 結構簡圖及使用說明

3.1 結構簡圖

如圖1所示，底噴式淬火裝置，包括淬火槽3，淬火槽3底部設置有與淬火槽3相連通的壓縮空氣管道1和壓力液體管道4。淬火槽3內部壓縮空氣管道l和壓力液體管道4與淬火槽3接口上方設置有帶有開孔6的分布隔板5。壓縮空氣管道1和壓力液體管道4位于淬火槽3兩側且分別與氣壓源和液壓源連接（氣壓源與液壓源圖中未顯示）。

3.2使用說明

使用時，將圓筒狀工件2加熱到規定溫度后吊入淬火槽3內，同時開啟壓力液體管道和壓縮空氣管道的閥門；壓力液體管道4內的壓力液體和壓縮空氣管道1內的壓縮氣體在淬火槽3的底部和分布隔板5之間的液氣混合區7混合后迅速通過分布隔板5上的孔6向上噴出；混合液氣使工件2快速冷卻，進行淬火處理；混合液氣將淬火槽3充滿之后從其上部溢出，進入圓筒形液體收集槽8內，經水泵將液體抽走，冷卻后轉為壓力液體的供液源繼續使用。

圖1 底噴式淬火裝置示意圖

在使用時，可以根據工件的材料及形狀所需要的冷卻速度，確定供液及供氣量，可以液氣混合，也可以單獨供液或供氣，從而使淬火冷卻速度實現可控操作。

4 該裝置的優點

本新型裝置與傳統的單一介質靜液注入淬火相比較，有以下優點：

1）具用一定壓力的液氣可以避免一般靜液淬火時的汽膜，使冷卻過程的汽膜階段縮短，沸騰階段提前，同時將大量熱量帶走，從而顯著增大冷卻速度，加深工件淬硬層厚度。

2）淬火冷卻速度可調。冷卻速度取決于供液及供氣量，變換供液及供氣量，就可得到不同的冷卻速度。根據工件的材料及形狀所需要的冷卻速度，確定供液及供氣量，可以液氣混合，也可以單獨供液或供氣。

3）淬火過程易實現自動化。根據工件的材料及形狀所需要的冷卻速度，確定供液及供氣量，閥門采用電動，利用電器控制技術，實現自動化操作。

4）本裝置屬于熱處理淬火設備技術領域，尤其適用于長行程大口徑厚壁油缸缸筒淬火的底噴式淬火。

［1］ 陳平昌，朱六妹，李贊.材料成型原理［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［2］ 王雅然.金屬工藝學［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［3］ 王紀安.工程材料與成形工藝基礎［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［4］ 中國機械學會熱處理學會.熱處理手冊［M］.北京：機械工業出版社，2008.