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國內(nèi)外已廣泛使用的液壓鑿巖機(jī)，以其輸出功率大、鑿巖速度高、能量利用率大以及噪音較低、易于自動控制等很多優(yōu)點(diǎn)，在巖石工程中發(fā)揮著十分重要的作用。據(jù)估計(jì)，我國在金屬礦山、煤礦巖巷、化工采礦、水電涵洞、鐵路和公路隧道等巖石掘進(jìn)工程中使用的進(jìn)口液壓鑿巖機(jī)有4000臺以上［1］。所以，液壓鑿巖機(jī)的維修與易損件的供給就成為保證設(shè)備良好運(yùn)行的重要基礎(chǔ)條件。
為了解決進(jìn)口液壓鑿巖機(jī)易損件更換困難并降低更換與維修用度，中南大學(xué)繼研制成功液壓鑿巖機(jī)之后，還研制開發(fā)了10多個(gè)品種的液壓鑿巖機(jī)配件，以替換進(jìn)口配件，既滿足了施工工程的需要，又節(jié)省了大量外匯，大幅度地降低了維修本錢。其中國產(chǎn)合金鋼經(jīng)合適的加工工藝而制作的液壓鑿巖機(jī)沖擊活塞替換進(jìn)口產(chǎn)品，其性能達(dá)到或超過了國內(nèi)外同類產(chǎn)品的使用壽命，而價(jià)格只相當(dāng)于進(jìn)口活塞價(jià)格的8%-10%。
1 材料選擇
液壓鑿巖機(jī)的工作壓力一般均在20MPa左右，有的可高達(dá)25MPa，每分鐘沖擊次數(shù)達(dá)到3000-4000次。因而，沖擊活塞作為液壓鑿巖機(jī)的主要沖擊作功件，是在高速度（10-12m/s）、高頻率與強(qiáng)烈沖擊條件下進(jìn)行工作的，是液壓鑿巖機(jī)的關(guān)鍵性零件［2］。由它傳遞液壓鑿巖機(jī)的沖擊能量，沖擊活塞整體必須具有很高的強(qiáng)韌性和抗沖擊疲憊性，同時(shí)活塞的表面必須具有高硬度，并形成連續(xù)表面硬化層，便于活塞高頻率沖擊作功過程中應(yīng)力波的傳遞。沖擊工作端應(yīng)同時(shí)具有高硬度與高強(qiáng)韌性，以使沖擊活塞在高頻率強(qiáng)烈沖擊過程中不蹋陷、不崩裂。
根據(jù)沖擊活塞的工作條件與性能要求，作者對多種國產(chǎn)鋼材進(jìn)行了試驗(yàn)研究和對比分析，最后選定含碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.28%~0.38%，并含有Cr、Ni、Mo、V等元素，合金元素總含量在4%-6%的結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行滲碳和淬火硬化處理，可滿足沖擊活塞的使用要求。
向鋼中加進(jìn)Cr、Ni、Mo、V等合金元素，其中Cr、Ni元素能夠進(jìn)步鋼的淬透性，使沖擊活塞淬火后整體性能均勻，進(jìn)步整體強(qiáng)韌性，而且能夠使?jié)B碳層的組織與性能得到改善；而元素Cr、Mo與V能夠形成合金炭化物，對細(xì)化晶粒和抑制滲碳過程中發(fā)生過熱現(xiàn)象具有十分重要的作用；鋼的含碳量選擇在0.28%-0.38%，是為了使沖擊活塞在滲碳淬火之后心部具有足夠高的強(qiáng)度，獲得最佳的強(qiáng)韌化效果，并且使?jié)B碳層與心部之間具有平緩的性能過渡，進(jìn)步?jīng)_擊活塞的使用壽命。
根據(jù)上述分析，擬選取30CrNi2MoV鋼制造沖擊活塞，這種鋼的名義成分如表1 所示［4］，試制沖擊活塞用的30CrNi2MoV鋼在KYKY-2800掃描電鏡上進(jìn)行能譜成分分析（見圖1），分析結(jié)果列于表1。
圖1 30CrNi2MoV鋼化學(xué)成分能譜分析
表1 30CrNi2MoV鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) %）
2 30CrNi2MoV鋼沖擊活塞的制造工藝為：
鑄造→退火→切削加工→滲碳→高溫回火→淬火、低溫回火→粗磨→時(shí)效→精磨→研磨→檢驗(yàn)
沖擊活塞的滲碳處理在井式氣體滲碳爐中進(jìn)行，滲碳處理過程中爐膛排氣階段采用大劑量甲醇排除爐內(nèi)空氣，滲碳劑則使用煤油，劑量為100滴/min，滲碳溫度為930℃，滲碳階段時(shí)間為10h，擴(kuò)散階段的時(shí)間為3h，滲碳層含碳量控制在0.95%~1%。滲碳處理之后，為了減少沖擊活塞在淬火后殘余奧氏體的存在，將其進(jìn)行了一次高溫回火，高溫回火處理后再重新加熱淬火，淬火溫度870℃，淬火介質(zhì)為礦物油，淬火后緊接著在180℃回火6h。粗磨之后，為了消除磨削應(yīng)力的影響，在170℃時(shí)效8h［4］。
3 組織與性能檢驗(yàn)
沖擊活塞組織觀察與硬度試驗(yàn)的試樣是從同爐處理的沖擊活塞中抽取一支，在線切割機(jī)床上切取下來的，試樣切取部位離沖擊工作端20mm，試樣厚度為12mm。
30CrNi2MoV沖擊活塞滲碳后緩冷到室溫，制成金相樣品，光學(xué)顯微鏡金相照片見圖2。由圖可以清楚地看出滲碳層的分布情況，表層為含碳量很高的過共析層和共析層，為深玄色。離表層較遠(yuǎn)的中心部位為未滲碳區(qū)域，而中間的過渡地帶為含碳量較高的亞共析過渡層，過渡層的碳含量逐漸遞減，過渡比較平緩。這說明滲碳后期的擴(kuò)散階段達(dá)到了使?jié)B碳層向中心部位含碳量平緩過渡的效果。
圖2 30CrNi2MoV活塞滲碳后的金相照片
圖3 是滲碳淬火和回火之后在KYKY-2800掃描電鏡上拍攝的背散射像形貌照片，拍攝部位為表層過共析層。照片中顯示出典型的片狀回火合金馬氏體，組織極為細(xì)密均勻。圖4是活塞中心部位未受滲碳影響的原始亞共析組織的背散射像形貌照片。由于中心含碳量低，為板條狀的回火合金馬氏體，組織同樣非常細(xì)密均勻。
圖3 滲碳層背散射電鏡照片
圖4 中心部位背散射電鏡照片
圖5是試樣切取下來后進(jìn)行的硬度測定結(jié)果示意圖。用HR-150型洛氏硬度計(jì)測定試樣的硬度，活塞外表面3個(gè)測點(diǎn)上的硬度均勻值為HRC60；中心內(nèi)孔表面3個(gè)測點(diǎn)的硬度均勻值為HRC59.8；而橫截面上的硬度值近表層較高，中心部位較低，中心最低值為HRC46。從圖上還可以看出，由表層向中心部位硬度過渡比較平緩，中心部位的硬度相當(dāng)均勻，表層與心部的硬度差值為HRC14。
圖5 30CrNi2MoV沖擊活塞的硬度分布
4 應(yīng)用效果
選取30CrNi2MoV鋼采用滲碳、淬火回火工藝制造沖擊活塞已批量生產(chǎn)，先后在幾個(gè)重點(diǎn)建設(shè)工程項(xiàng)目中使用，取得了很好的應(yīng)用效果，下面是其中2個(gè)應(yīng)用實(shí)例。
1) 成渝高速公路某隧道巖石工程，該隧道全長約為3000m，為五類圍巖(F系數(shù)為14)，巖石硬度高，施工難度大，施工斷面炮孔200孔，使用2臺國外進(jìn)口的液壓鉆車交替作業(yè)，在這項(xiàng)鑿巖施工中，某施工單位全部使用國產(chǎn)30CrNi2MoV鋼制造的沖擊活塞，替換進(jìn)口活塞，每根沖擊活塞的鑿孔進(jìn)尺均在10000m以上，其中部分活塞的鑿孔進(jìn)尺達(dá)到40000m以上，使用這種沖擊活塞替換進(jìn)口產(chǎn)品，施工過程順利，施工進(jìn)度快。而且在該工程施工中，液壓鑿機(jī)沖擊活塞維修更換一項(xiàng)，即可節(jié)約外匯12萬美元左右，使更換活塞的本錢節(jié)約90%，具有非常重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。
1）四川某水電站導(dǎo)流涵洞鑿巖工程，涵洞全長約為1000m，巖石為火沉巖，為難于鑿巖的高難度施工項(xiàng)目，涵洞斷面炮孔150孔，使用進(jìn)口液壓鉆車交替作業(yè)，采用30CrNi2MoV鋼沖擊活塞替換HD100C進(jìn)口活塞，使用壽命均為鑿孔進(jìn)尺10000m以上，最佳使用壽命達(dá)到40000m以上。
5 結(jié)論
1）選擇30CrNi2MoV鋼，采用滲碳、淬火與回火處理能滿足液壓鑿巖機(jī)沖擊活塞整體高強(qiáng)韌性和抗沖擊疲憊強(qiáng)度、活塞表層高硬度殼層結(jié)構(gòu)、沖擊工作端高硬度與高強(qiáng)韌性相配合的使用性能要求。
2）30CrNi2MoV鋼沖擊活塞滲碳處理后期應(yīng)采取合適的擴(kuò)散措施，使活塞滲碳層表層高碳量層向心部未滲碳區(qū)含碳量平緩過渡，并使活塞在淬火回火后表層向心部的硬度值下降能平緩過渡，防止?jié)B碳層與心部未滲透區(qū)含碳量驟降而導(dǎo)致硬度突變，以避免表層易于剝落崩裂。
3) 滲碳、淬火回火處理之后，沖擊活塞的表面硬度為HRC59~60、心部硬度為HRC46左右為宜，沖擊活塞用鋼必須有良好的淬透性，表面的硬度、心部的硬度都分別要求均勻一致，不答應(yīng)性能不均勻的現(xiàn)象存在，這是保證沖擊活塞正常使用并獲得高使用壽命的關(guān)鍵。
4）滲碳、淬火回火之后，沖擊活塞表層為細(xì)片狀回火馬氏體、心部為細(xì)密板條狀回火馬氏體是比較理想的金相組織。
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