礦用高強度圓環鏈熱處理工藝發展研究

李堂學

摘 要：礦用高強度圓環鏈是刮板輸送機上的關鍵部件，也是易損件。由于井下煤炭開采開發條件及其惡劣，因此對該產品性能的要求極高，即具有高強度、高耐磨性、高抗疲勞性等綜合性能。因此，熱處理工藝是保證礦用高強度圓環鏈具有較高穩定力學性能的可靠方法，是制鏈行業的核心技術。采用中頻感應中改變淬火和回火工藝的方式，對礦用高強度圓環鏈從破斷力和疲勞壽命進行實踐。研究結果表明，新的熱處理工藝，可以使鏈條具有高強度、高耐磨性和高疲勞性等綜合性能。

關鍵詞：礦用高強度圓環鏈;熱處理;設備;工藝

中圖分類號：TH227文獻標識碼：A文章編號：1674-1064（2021）09-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.09.010

目前，礦用高強度圓環鏈在使用中是受力件，熱處理是影響鏈條質量高低、性能好壞的關鍵。合理的熱處理工藝，是保證礦用高強度圓環鏈具有較高穩定力學性能的可靠方法，是現在制鏈企業的核心技術，而熱處理設備的性能是提高熱處理工藝的基礎。

制鏈企業對大規格礦用高強度圓環鏈熱處理工藝淬火，采用預熱段、奧氏體化段和均溫段的處理要求，均采用一次差溫回火，再等溫保溫回火，最后二次差溫回火的方法。均溫回火是為保證鏈環的肩頂部得到設定溫度的充分回火，差溫回火則是保證鏈環直臂部具有較高的韌性，而且對大規格鏈條采用的差溫回火溫度越來越高，有的制鏈企業還把鏈條的破斷負荷限制在一定范闈內，以確保鏈條能夠安全使用。一些先進的制鏈企業對鏈條的力學性能，均制訂有高于現行出版標準的生產標準[1]。

1 熱處理工藝現狀

目前，國內鏈條制造企業普遍采用熱處理，使用如圖1所示的礦用圓環鏈中頻感應機床，采用中頻感應加熱，對如圖2所示的圓環鏈進行熱處理。熱處理工序包括淬火和回火兩道工序，感應加熱的優點是鏈條加熱速度快、不氧化脫碳、無污染等，采用的設備是雙中頻電源，分別對淬火感應器、回火感應器進行鏈條的熱處理。每一臺感應器上的功率和頻率，可以通過各自對應的中頻電源來單獨進行調整，以達到鏈條淬火、回火工藝的最佳效果。

采用這種設備熱處理出來的鏈條如圖3所示，具有肩部處硬度高，直臂處硬度低的特性，如圖4所示。熱處理工藝簡單說就是，淬火后采用低溫回火，熱處理后的組織為回火馬氏體。這樣的組織，其硬度和強度高、耐磨性好，但是破斷試驗時延伸率小。中頻感應加熱原理：礦用圓環鏈的中頻感應加熱，在居里點（768 ℃）前后反應出兩種不同的加熱效果。淬火時，受磁通變化的影響，鏈環直臂溫度遠遠低于頂部?；鼗饡r，受退磁場的影響，直臂的加熱溫度高，頂部的熱量靠直臂供給。所以，中頻感應熱處理出來的圓環鏈的主要特點是，鏈環淬火和回火后各點的硬度如圖4所示。其肩頂部硬度較高在39 HRC～42 HRC，以提高抗磨損和承載能力;而低硬度的直臂處硬度在32 HRC～39 HRC，可提高焊接接頭的韌性，同時，還可以防止由摩擦引起的腐蝕疲勞失效。所以，這種方法在國內外被普遍使用。

2 熱處理工藝缺陷分析

鏈條在刮板輸送機運行過程中，圓環鏈承受拉力，同時與中部槽、煤塊、鏈輪產生摩擦力。圓環鏈在自身運動中，每個環的聯接處，因脈沖既產生摩擦力，圓弧內側還相互張緊又產生壓應力。圓環2個直邊受拉力，圓弧外緣受拉力，直邊與圓弧交接的內側又受壓力，圓弧端沿縱向的中心斷面承受的是剪力。圓環鏈通過鏈輪，又在運行中一直承受與鏈輪齒數相同頻率的脈動負荷，這種負荷在發生卡鏈時會突然增大，也就是振幅加大，會導致圓環鏈破斷。另一方面，圓環鏈通過鏈輪導向時又承受較大的彎曲應力。

根據礦用圓環鏈使用情況分析：當鏈環承受拉伸載荷時，其直邊內側和部分圓弧外側呈拉應力狀態，而直邊內側呈壓應力狀態。圓環鏈的疲勞斷裂失效，是在拉—拉脈動負荷作用下失效的，而鏈環在圓環段頂部外側和圓弧段與直邊段的過渡處內側均呈拉應力狀態，且為應力集中點。故從理論上講，鏈環疲勞強度的薄弱環節，即正常的疲勞斷裂應發生在這兩處，如圖5和圖6所示。在脈動疲勞應力循環中，應力的再分配，造成直邊和圓弧過渡處實際應力集中大于圓弧頂部，從而導致該處實際應力集中要比圓弧段大得多。因此，肩部為圓環鏈疲勞載荷時的應力集中處，且在試驗時斷裂也發生在這一部位，這說明鏈條在生產過程中存在較高的、復雜的殘余應力[2]。

所以，隨著煤礦運輸設備的發展，對圓環鏈的綜合機械性能也提出了更高的要求。而原有的鏈條熱處理工藝措施，只能對鏈條個別性能的滿足有效，對鏈條整體機械性能的提高還有一定的差距。隨著鏈條直徑的變大，這種中頻感應加熱的方式，還存在鏈環質量不穩定的情況。鏈條在淬火加熱過程中有較多的表面氧化，不易得到非常細的奧氏體晶粒，再加上熱處理淬火和回火的時間短，鏈條的淬、回火工藝很難最佳化，導致鏈條中心硬度比表面硬度高，韌性變差。因此，鏈條的強韌塑性、疲勞性能很難提高，熱處理后的鏈條未完全消除生產過程中產生的內應力，致使鏈條在使用過程中存在斷裂的情況。

為了解決這個問題，國內鏈條制造企業會對大規格的鏈條在回火爐或網帶爐進行充分回火，消除內應力。但是由于在回火過程中鏈條會出現積壓的情況，回火溫度在整條鏈條上會出現溫度差的差異，導致硬度存在變化，這是目前鏈條熱處理的現狀。

3 熱處理工藝發展分析

隨著鏈條規格越來越大，鏈條的可靠性和安全性尤為重要。制鏈企業在提高鏈條強度的同時，對韌性也更加重視，大規格的感應中頻熱處理如圖8所示，使鏈條在淬火和回火過程中有很大的變化。

3.1 鏈條淬火工藝

在淬火方面：制鏈企業除采用先進的大功率感應加熱設備外，對加熱感應器也按照鋼的奧氏體形成機理進行了特殊設計，使感應器有預熱段、奧氏體化段和均溫段，使鏈條在淬火前溫度均勻、成分均勻，淬火后獲得均勻、細小的低碳板條馬氏體組織。鏈條淬火入水前的溫度，國內外均采用紅外線測溫的方法，淬火水溫亦有監控。由于鏈條加熱速度快，淬火溫度的確定多數是在高于鏈條鋼的Ac3的基礎上，結合成品鏈條的各項力學性能指標由試驗確定。對淬火質量均進行嚴格的控制，除監控淬火溫度、淬火水溫外，還要對鏈條淬火后的表面硬度、心部硬度和金相組織進行檢測，以確保淬火質量[3]。

3.2 鏈條回火工藝

在回火方面：對大規格礦用高強度圓環鏈的回火，如圖7差溫回火和等溫回火溫度對比所示，采用一次差溫回火，再等溫保溫回火，最后二次差溫回火的方法。一次差溫回火使鏈環的肩部和直邊的溫度達到回火的要求，等溫保溫回火是為保證鏈環的肩頂部和直邊得到一樣的溫度并充分回火，二次差溫回火則是保證鏈環直臂部具有較高的韌性。當鏈條從感應加熱器中通過時，因鏈條各部在加熱器中所處的位置不同，決定了其切割磁場的能力不同，自身會得到不同的硬度。因各部回火溫度不同，鏈環獲得相應的金相組織和不同的硬度。這樣，正好適應圓環鏈的復雜受力狀態。而且對大規格圓環鏈采用的回火溫度要求越來越高，以確保安全使用。有的制鏈企業還把圓環鏈的破斷負荷限制在一定范圍內，對鏈條的力學性能均制訂有高于現行出版標準的生產標準。

根據對30×108鏈條進行的熱處理，圓環鏈在礦井使用過程中的破斷載荷及破斷延伸率都比原熱處理的鏈條高，使用壽命和過煤量也相應增加，如圖9所示。鏈條的抗沖擊、塑性變形和疲勞壽命等性能也明顯提高，如圖10所示。這充分說明，改進后熱處理的鏈條獲得良好強韌的綜合力學性能，圓環鏈組織的改善和力學性能的提高，隨熱處理工藝的改變效果明顯[4]。

5 結語

熱處理工藝的改變，可使鏈條的綜合力學性能得到提高。通過改變加熱功率、感應器的速度及感應器的結構，可以改變鏈環淬火和回火時的溫度分布（可通過硬度間接測定），可獲得鏈條各種不同的力學性能要求。

礦用高強度圓環鏈力學性能要求的提高，促使熱處理方法得到不斷改進、提高和完善。熱處理技術的合理應用和精確控制，是提高鏈條力學性能的關鍵，鏈條的熱處理技術已成為制鏈企業的核心技術。

參考文獻

[1] 馬瑞勇，王維喜，張兵軍，等.25MnV鋼礦用高強度圓環鏈的中頻感應加熱淬火[J].金屬熱處理，2004，29（11）：65-67.

[2] 王維喜，馬瑞勇，武興旺，等.紅外線測溫系統在礦用高強度圓環鏈連續中頻熱處理中的應用[J].金屬熱處理，2007，32（5）：104-105.

[3] 馬瑞勇，王維喜，張兵軍，等.礦用高強度圓環鏈的熱處理[J].河北冶金，2003（1）：52-55.

[4] 馬瑞勇，范寒晉，王洪弟，等.礦用高強度圓環鏈感應加熱機理[J].金屬熱處理，1995，20（9）：17-19.