一種液壓破碎錘活塞失效分析及工藝改進

韓玉娟，王尊禮，楊晟豪

（1.江蘇聯合職業技術學院（淮安分院），江蘇 淮安 223005；2.江蘇力博士機械股份有限公司，江蘇 淮安 223005；3.南京工程學院 機械學院，南京 211167）

0 引言

液壓破碎錘是一種由液壓能轉換為機械能的破碎工具，它以挖掘機、裝載機等工程機械為承載主機，作為其隨機工具擴大了主機的功能和使用范圍。廣泛用于市政道路破碎，礦山、冶金、鐵路、公路建設，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鍵零件，其設計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凹陷、裂紋和局部剝落（如圖1、圖2）。分析可能產生失效的原因，對活塞進行了化學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，心部組織≤2級，硬化層深2.0～2.2 mm。對失效活塞取樣利用掃描電子顯微鏡測試其成分，與標準成分比較，如表1所示。

表1 標準與實測化學成分質量分數比較%

圖3 破碎錘活塞零件圖

經比較可知，成分符合要求，不是導致破碎錘活塞失效的原因。對該批活塞的原材料取?210×30 mm一段試塊進行酸蝕處理，如圖4所示，經低倍觀察，檢驗結果如表2所示。

表2 低倍檢驗結果

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，帶狀組織為0級，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，不會是造成失效的原因，最有可能出問題的工藝應該是熱處理工藝[5]。

3 破碎錘熱處理工藝及金相組織的檢驗分析

破碎錘活塞加工工藝流程中的工序3正火屬于預備熱處理，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滲碳淬火及其后續的處理會影響化學成分及最終使用性能。改進前工序6的工藝過程如圖6所示。其工藝是500 ℃保溫90 min，920 ℃強滲600 min,擴散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，殘奧6級，碳化物2級，嚴重不符合工藝要求，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）。經對比馬氏體3級，殘奧2級，碳化物2級。

圖6 改進前熱處理工藝流程

圖7 工藝改進前淬火金相組織（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，應該非常重視活塞的熱處理工藝[5]。改進前的熱處理工藝中，雖然經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入了深冷，此前淬火存在很大的應力，再加上深冷處理時殘奧轉變的應力，零件內部已出現了細微的裂紋，即使后面的回火工序也無法消除細微的裂紋和巨大的應力，在使用過程中，巨大的內應力釋放，細微的裂紋逐漸擴展，導致了零件開裂。因此原熱處理工藝的工序6最有可能是導致活塞失效的主要原因。針對以上原因，對零件的熱處理工藝進行改進，一方面降低淬火后的馬氏體和殘奧級別，另外，采取高溫回火，將殘奧轉變的同時消除淬火以及殘奧轉變的應力。

5 改進后的工藝流程及金相組織分析

圖9是改進后的熱處理工藝。具體的工藝內容為：檢驗工件外觀，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。進爐：500 ℃工件進爐，升溫到910 ℃，強滲階段碳勢保持1.2，保溫12 h，提前0.5 h抽樣，檢查滲層。擴散階段：碳勢為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 改進后的熱處理工藝

改進工藝后的金相組織如圖10所示，經比對，其碳化物金相組織為1級、馬氏體金相組織為2級，殘奧金相組織為1級。經測定，其硬度梯度曲線如圖11所示。

圖10 工藝改進后金相組織（500×）

圖11 改進工藝后的硬度梯度曲線

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

6 結論

經改進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開裂、端部凹陷及剝落現象，證明對于此類破碎錘的工藝改進是有效的。