采用氮化工藝提高電液錘錘桿使用壽命

劉英貴 馮 智 羅耀義

(1.重慶長征重工有限責(zé)任公司，重慶400083；2.四川省德鋼實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，四川618000)

電液錘是近年發(fā)展起來的取代蒸汽錘的新一代節(jié)能設(shè)備。由于其具有節(jié)能降耗、不污染環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被國內(nèi)外許多專業(yè)鍛造廠家使用。但電液錘(特別是自由鍛錘)有一個致命的弱點(diǎn)，就是錘桿使用壽命大大低于蒸汽錘錘桿的使用壽命。

由于電液錘是利用柔性鍛造的原理，將錘桿直徑設(shè)計的比較細(xì)(一般在?70 mm～?90 mm左右)，比原蒸汽錘錘桿直徑小一半，重量減輕2/3左右。原設(shè)計者的初衷是讓錘桿變細(xì)，減少桿件的剛性，增加它的柔性(即外強(qiáng)內(nèi)韌)。因此選擇了價格昂貴的高強(qiáng)度材料(如12Cr2Ni4MoV、34CrNi3Mo)制作。即使這樣，在鍛造過程中仍然頻繁發(fā)生折斷現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)。

1 電液錘錘桿折斷的原因分析

由于錘桿在工作過程中受力情況比較復(fù)雜，應(yīng)力變化劇烈，特別是在錘頭加速下落沖擊金屬使其變形時，錘桿自身受到極大的反作用力。工作中錘桿沿軸向連續(xù)地往復(fù)運(yùn)動，承受著周期性的沖擊載荷。

因此，要求電液錘桿力學(xué)性能均勻，內(nèi)在質(zhì)量優(yōu)良，并且具有較好的熱強(qiáng)性。連續(xù)往復(fù)垂直運(yùn)動中的錘桿，不但承受極大的壓應(yīng)力，而且還承受幾乎與壓應(yīng)力等值的拉應(yīng)力。在錘擊階段，應(yīng)力波峰值的大小主要取決于沖擊速度和鍛件被擊瞬間的力學(xué)特性，以及錘桿錘頭(模鍛)的幾何尺寸和物理力學(xué)性能?？傊?，疲勞破壞是電液錘錘桿主要的失效形式。錘桿表面的加工缺陷或內(nèi)部的非金屬夾雜物將導(dǎo)致金屬表面或內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中，出現(xiàn)局部屈服或滑移，形成三種形式的疲勞裂紋源：表面疲勞裂紋、內(nèi)部疲勞裂紋以及危險截面疲勞裂紋。這三種疲勞裂紋綜合作用的結(jié)果是使錘桿斷裂失效。斷裂多發(fā)生在錘頭上方與電液錘聯(lián)接板根部這段錘桿的中間部位。

2 氮化工藝對錘桿的強(qiáng)化作用分析

為了提高電液錘錘桿的使用壽命，我們在多方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究。首先將材料改為42CrMo，使成本大為降低。在工藝流程方面也做了一些改進(jìn)[1]，使錘桿錘擊次數(shù)得到大幅提高。

氣體氮化能有效提高工件的表面硬度、疲勞強(qiáng)度和紅硬性。氮化物層的性能：

(1)表面的高硬度和耐磨性

高硬度是由于合金氮化物的彌散硬化作用所致。氮化物本身具有很高的硬度，并且晶格常數(shù)比基體大得多。因此，當(dāng)它與母相保持共格聯(lián)系時，會使母相晶格產(chǎn)生很大的彈性畸變。由于與母相共格的氮化物顆粒周圍的彈性畸變應(yīng)場的作用，使位錯運(yùn)動受阻，從而產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化效果。

(2)疲勞強(qiáng)度

由于析出比容較大的氮化物相，使氮化層產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力。表層殘余壓應(yīng)力的存在，能部分地抵消在疲勞載荷下產(chǎn)生的拉應(yīng)力，延緩疲勞破壞過程，使疲勞強(qiáng)度顯著提高。同時氮化還使工件的缺口敏感性降低。氮化處理提高疲勞強(qiáng)度的效果隨著氮化層的加深而升高，但是過厚的氮化層表面會出現(xiàn)大量脆性ε相，反而引起疲勞強(qiáng)度降低。所以氮化層宜控制在一定范圍內(nèi)。

目前氣體氮化處理已用于金屬模具、齒輪等的熱處理，而用于細(xì)長錘桿的處理，國內(nèi)尚未見報道。

3 錘桿氣體氮化控制

在專用氮化爐中采用二段氮化法處理。處理時需注意選擇合適的第二段氮化溫度和時間、氨分解率等參數(shù)，以保證錘桿氮化質(zhì)量。

(1)氮化前調(diào)質(zhì)處理質(zhì)量控制

1)調(diào)質(zhì)后表面不允許出現(xiàn)游離鐵素體，心部游離鐵素體量不能超過5%，以保證心部強(qiáng)度。

2)淬火溫度過高，奧氏體的晶粒變粗，氮化物優(yōu)先沿晶界伸展，在氮化層中呈明顯的波紋狀或網(wǎng)狀組織，也使脆性增加。

(2)氮化控制

1)氮化錘桿表面呈銀灰色。

2)氮化層深度控制在0.3 mm～0.5 mm比較合適。

3)氮化層表面硬度控制范圍為430～470HV。錘桿使用過程中承受一定的沖擊載荷，氮化硬度過高不利于錘桿的使用。

4)氮化層脆性≤2級。

5)氮化后氮化層金相組織為索氏體+氮化物。心部組織為細(xì)索氏體+少量鐵素體。不允許粗大組織和大塊鐵素體存在。

6)氮化后變形的檢查。一般氮化處理的工件變形較小。電液錘錘桿屬細(xì)長件，加之氮化處理使氮化層的比容增大。因此氮化前要考慮氮化后尺寸脹大，以便考慮氮化后的磨削量。

4 結(jié)論

在電液錘錘桿外觀結(jié)構(gòu)不變的情況下，欲大幅提高錘桿壽命，降低生產(chǎn)成本，必須從材料、冶煉、鍛造、熱處理及制造方法等方面進(jìn)行大量試驗(yàn)和研究。特別是采用二段氣體氮化工藝，能有效的提高錘桿的疲勞強(qiáng)度和表面硬度，這對錘桿使用壽命的提高起到關(guān)鍵性的作用，同時還能降低生產(chǎn)成本。錘桿氮化在國內(nèi)錘桿制造業(yè)中還是首次應(yīng)用，有一定的推廣價值。

[1] 劉英貴，程里，古麗努爾.優(yōu)化工藝參數(shù)，提高模鍛錘桿的使用壽命.大型鑄鍛件，2009，5：34-35.