防止齒軌調(diào)質(zhì)開裂的堵頭設(shè)計(jì)及應(yīng)用*

盧俊玲，靳 宏，段望春

(1.寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，寧夏 石嘴山 753001;2.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730030)

防止齒軌調(diào)質(zhì)開裂的堵頭設(shè)計(jì)及應(yīng)用*

盧俊玲1，靳 宏1，段望春2

(1.寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，寧夏 石嘴山 753001;2.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730030)

分析齒軌調(diào)質(zhì)開裂的原因，根據(jù)齒軌耳部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)堵孔的堵頭，做了生產(chǎn)性驗(yàn)證，硬度和外觀完全符合技術(shù)要求，此設(shè)計(jì)思路和防止開裂的工藝方法在其它中碳合金鋼的水空交替控時(shí)淬火中得到了推廣應(yīng)用。

齒軌;調(diào)質(zhì);堵頭設(shè)計(jì)及應(yīng)用

1 引言

齒軌作為礦用刮板輸送機(jī)上的主要零部件，與采煤機(jī)嚙合，在使用過(guò)程中承受載荷復(fù)雜，不但要求齒軌整體有高的綜合機(jī)械性能，而且齒柱表面有高的耐磨性。因此，在選材方面要求碳量為0.4%左右，含Cr、Mo元素的中碳合金鋼，成型狀態(tài)為鍛件。而對(duì)于熱處理，達(dá)到以上兩項(xiàng)技術(shù)要求的方法有兩步:①是提高基體綜合機(jī)械性能的調(diào)質(zhì)處理HB280－320;②是使齒柱表面有耐磨性的感應(yīng)淬火處理。

含碳量為0.4%左右，含Cr、Mo元素的中碳合金鋼材料，常規(guī)調(diào)質(zhì)淬火介質(zhì)為油，但我公司的機(jī)械油質(zhì)量等級(jí)低，長(zhǎng)期使用老化嚴(yán)重，對(duì)于鍛件毛坯調(diào)質(zhì)后達(dá)不到正常的調(diào)質(zhì)性能;而且油淬火存在作業(yè)環(huán)境污染嚴(yán)重、成本高、火災(zāi)危險(xiǎn)等局限性。因此，為了提高齒柱毛坯面的冷卻速度，增加淬硬層深度，對(duì)齒軌用水－空交替控時(shí)淬火工藝，齒軌結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在調(diào)質(zhì)之前，齒軌兩邊的Φ52孔已經(jīng)鉆成，采用水－空交替控時(shí)淬火大批量調(diào)質(zhì)后，同爐的部分齒軌孔內(nèi)出現(xiàn)了裂紋，開裂的齒軌分布在最上一層，裂紋在孔內(nèi)呈縱向、橫向交叉延伸至端面，如圖2所示，從發(fā)現(xiàn)開裂，累計(jì)損失已達(dá)14萬(wàn)。

2 齒軌開裂分析

根據(jù)中國(guó)兵器工業(yè)華北金屬材料檢測(cè)與失效分析中心分析，認(rèn)為開裂的主要原因是淬火過(guò)程中冷卻速度過(guò)大引起裂紋。經(jīng)分析認(rèn)為，引起冷卻速度過(guò)大的因素主要有以下幾方面。

圖1 齒軌結(jié)構(gòu)

圖2 調(diào)質(zhì)后Φ52孔裂紋

2.1 改變工藝方法

齒軌所用的材料，屬于中碳合金鋼，淬透性好，由油淬火改為水－空交替控時(shí)淬火工藝，改變了工藝方法。水本身是一種廉價(jià)但又冷卻強(qiáng)度高的淬火介質(zhì)，雖然零件淬火后在空氣中的返熱可以減小其在水中的淬火應(yīng)力，使表層的應(yīng)力狀態(tài)得以調(diào)整，但對(duì)于含Cr、Mo的中碳合金鋼材料來(lái)說(shuō)，水仍然是冷速過(guò)大的淬火介質(zhì)，容易發(fā)生開裂現(xiàn)象。

2.2 齒軌結(jié)構(gòu)

齒軌為鍛件，技術(shù)要求調(diào)質(zhì)HB280～320，在調(diào)質(zhì)工序前，兩端Φ52孔已經(jīng)鉆成，粗糙度為25 μm，除孔外，其余部位都為毛坯。在同一個(gè)零件上，既有毛坯面又有加工面，結(jié)構(gòu)的差異使得毛坯的表面與加工的孔表面粗糙度相差大，而粗糙度越高的部位，水對(duì)其冷卻能力越大。而齒軌孔的粗糙度比其它部位都高，因此，水對(duì)孔的冷卻速度比其它毛坯部位要大，容易開裂。

2.3 淬火方式

齒軌裝爐時(shí)，上下層交錯(cuò)垂直摞裝，孔位于長(zhǎng)度方向的兩個(gè)端頭，如圖4所示。整架出爐預(yù)冷入水淬火時(shí)，孔完全外露，且邊緣比較薄。相同的淬火方式使得孔的冷卻能力要比其它實(shí)體大得多，盡管采用水－空氣交替控時(shí)淬火的方法，但是，孔淬火后還是出現(xiàn)開裂。

3 堵頭的設(shè)計(jì)

在工藝方法、零件結(jié)構(gòu)及材料、淬火方式等不可改變的前提下，為了挽回開裂損失，杜絕開裂現(xiàn)象，給用戶提供一種完全可靠的產(chǎn)品，必須尋求解決途徑。

經(jīng)過(guò)研究分析，認(rèn)為如果調(diào)質(zhì)淬火時(shí)能夠阻止水從孔進(jìn)入，那么就可以防止開裂。因此，必須設(shè)計(jì)一種類似于堵頭的零件，在裝爐前放入齒軌孔內(nèi)，淬火時(shí)避免水進(jìn)入齒軌的孔，就可以避免開裂。

根據(jù)齒軌孔部位的結(jié)構(gòu)，需要的堵頭必須具備四個(gè)基本條件。

第一，放入孔內(nèi)的部分必須與圓形的孔配套，即堵頭的使用部位必須是圓柱體，高度與齒軌兩端孔的高度一致或者稍高一些。前提條件是堵頭必須可拆卸。

第二，圓柱體與齒軌孔的端面要有連接定位結(jié)構(gòu)，即需要有一定厚度用于固定的端蓋，放于齒軌孔的端面上，當(dāng)圓柱體放入加工孔內(nèi)，不會(huì)從孔內(nèi)掉出，且端蓋放入時(shí)不得與齒軌干涉;另外，端蓋外圓距離齒軌孔邊緣距離一般為10～20 mm。堵頭的柱體與端蓋連接部位不得焊接，因?yàn)楹缚p的存在會(huì)影響堵頭與齒軌孔的配合，降低防護(hù)效果。

第三，堵頭的基本結(jié)構(gòu)確定之后，圓柱體放入齒軌孔時(shí)和孔之間必須有合理的裝配間隙，如果間隙太大，淬火時(shí)水依然可以進(jìn)入孔，達(dá)不到避免開裂的目的;如果間隙太小，加熱、冷卻過(guò)程的熱脹冷縮或圓柱體的變形，造成堵頭不能通暢的放入，因此，根據(jù)試驗(yàn)確定堵頭與齒軌孔單邊的間隙一般為1.5～2 mm。

第四，在避免齒軌開裂的同時(shí)，必須保證堵頭不能開裂，成本低廉，經(jīng)久耐用。在選材時(shí)方面，選用低的含碳量來(lái)提高堵頭完全奧氏體化的溫度，也就是說(shuō)，在加熱時(shí)齒軌材料進(jìn)入奧氏體化溫度(淬火溫度Ac3以上20～40℃)，而堵頭要處于奧氏體和鐵素體的兩相區(qū)，而且奧氏體轉(zhuǎn)變量越少越好，這樣才能有效避免堵頭開裂與變形，便于循環(huán)利用。因此，堵頭材料一般選用低碳鋼，如Q235、15、20等，這些材料中碳及合金元素含量低，成本低廉。

依照設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)的堵頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 堵頭結(jié)構(gòu)圖

圖4 齒軌及堵頭裝爐方式

4 堵頭的應(yīng)用

從開裂分布情況來(lái)看，出現(xiàn)裂紋的齒軌基本在最上面一層，共8件，每個(gè)齒軌需要兩件堵頭，共16個(gè)堵頭，零件的裝爐方式如圖4所示。

零件備料完成后，將堵頭平穩(wěn)放入最上面8件齒軌的孔內(nèi)，調(diào)整端蓋外圓使其與齒軌耳部邊緣距離均勻，裝爐加熱到淬火溫度保溫3 h后出爐預(yù)冷，目測(cè)未放堵頭的孔邊緣溫度降至齒軌材料的Ac3溫度780℃［1］左右時(shí)淬火。采用水→空氣→水→空氣的水空交替控時(shí)淬火方式，孔部位的終冷溫度控制在200℃左右淬火結(jié)束，立即裝入預(yù)先設(shè)定好溫度的回火爐回火，保證回火及時(shí)性。620℃保溫3～4 h后，零件出爐空冷至室溫，檢測(cè)硬度和外觀。

5 應(yīng)用結(jié)果

5.1 硬 度

依照硬度檢測(cè)位置和抽檢要求，齒軌調(diào)質(zhì)硬度實(shí)測(cè)為HB280、300，符合技術(shù)要求HB280～320。

用HBC型錘擊式布氏硬度計(jì)檢查被堵頭端蓋覆蓋的孔端面硬度，實(shí)測(cè)為HB280，與齒軌本體硬度相當(dāng)，同樣符合技術(shù)要求。齒軌材料的淬火臨界直徑為54.5～58 mm［1］，而耳部厚度為60 mm，雖然齒軌耳部孔的一個(gè)端面放了端蓋，但是其它的4個(gè)面都外露，淬火時(shí)水可以從4個(gè)毛坯面方向?qū)X軌耳部冷卻，這也就是孔覆蓋面硬度符合要求的原因。

5.2 外 觀

將可拆卸的堵頭從齒軌孔內(nèi)取出，放入料斗再次循環(huán)利用。對(duì)孔內(nèi)部及邊緣目測(cè)檢查裂紋，沒有發(fā)現(xiàn)開裂，為了進(jìn)一步確認(rèn)有無(wú)開裂，用型號(hào)為DPT－5的著色探傷劑探傷，沒有裂紋。

6 結(jié)語(yǔ)

按照齒軌耳部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)工藝堵頭，裝爐時(shí)放入齒軌孔內(nèi)，淬火、回火后將堵頭拿出循環(huán)利用?？撞课挥捕确霞夹g(shù)要求，外觀著色探傷沒有裂紋，設(shè)計(jì)的堵頭完全杜絕了齒軌水空交替控時(shí)淬火的開裂問(wèn)題。堵頭防止淬火開裂試驗(yàn)成功后，進(jìn)行了大批量齒軌生產(chǎn)性驗(yàn)證，主要是孔部位硬度和裂紋的檢驗(yàn)，完全符合技術(shù)要求。這種設(shè)計(jì)思維及防止開裂的方法在刮板等中碳合金鋼零件的調(diào)質(zhì)中得到了推廣，給企業(yè)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，給用戶提供了可靠的產(chǎn)品。

［1］ 樊東黎.熱處理技術(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

Design and Application of Plug with Preventing Rack Rail Quenching and Tempering Cracking

LU Jun－ling1，JIN Hong1，DUANG Wang－chun2
(1.Ningχia Tiandi Benniu Industrial Group Co.，Ltd，Shizuishan Ningχia 753001 China;
2.Gansu Acdemay of Mechanic Sciences Lanzhou Gansu 730030 China)

The reason of rack rail quenching and tempering cracking is analyzed.According to the ear structure of rack rail，the plug hole is designed and its test is also verified that hardness and surface could meet the technology demand.Such thought and preventing cracking method could be popularized in alternated timed quenching by water and air for other carbon steel.

rack rail;quenching and tempering;design and application of plug

TH122

A

1007－4414(2013)05－0097－02

2013－09－02

盧俊玲(1976－)，女，甘肅慶陽(yáng)人，工程師，主要從事煤機(jī)制造業(yè)的金屬材料及熱處理工作。