底噴式淬火裝置

周慧英， 呂勇

（1.焦作市技師學(xué)院，河南 焦作 454003；2.許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 許昌 461000）

0 引言

在工程中對材料強(qiáng)度的要求一般是首選的性能指標(biāo)，工程材料中使用最多的是金屬材料，金屬材料常用的強(qiáng)化方法有：形變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化和熱處理強(qiáng)化。本文對液壓支架支柱油缸的強(qiáng)化方法就是熱處理強(qiáng)化中的淬火工藝［1-2］。

1 技術(shù)背景

近些年來，液壓支架已成為煤礦綜采工作面的主要支護(hù)設(shè)備，隨著煤礦對煤炭回采率要求的不斷提高及安全高效開采的不斷進(jìn)步，液壓支架向大支承力、高架型發(fā)展；液壓支架的立柱是支架的支承組件，承受著液壓支架的全部支承力，所以為滿足煤炭行業(yè)生產(chǎn)需要，液壓支架的立柱油缸向大口徑、長缸筒發(fā)展，目前最大油缸缸筒內(nèi)徑已發(fā)展到直徑420 mm以上，長度已達(dá)到2 m左右。

油缸缸筒工作表面的強(qiáng)度和硬度高低直接影響油缸的使用壽命，進(jìn)而決定液壓支架的使用壽命，在不改變油缸材質(zhì)和增加成本的情況下，淬火的熱處理工藝無疑是提高金屬材料強(qiáng)度、硬度的一種最有效和常用的方法。常用的淬火方法有：單液淬火法、雙介質(zhì)淬火法、馬氏體分級淬火和貝氏體等溫淬火，需要根據(jù)不同材質(zhì)或零件形狀進(jìn)行合理選擇。油缸缸筒選用的材質(zhì)是45鋼，其傳統(tǒng)的淬火方法采用的是單液淬火法，即在大水槽中采用外置式水循環(huán)的冷卻方法進(jìn)行的，這種淬火方式的優(yōu)點是淬火裝置簡單，操作方便，易于實現(xiàn)機(jī)械化操作；缺點是因為碳素鋼淬透性差，如果冷卻速度慢，易于造成淬硬層淺，硬度低；而冷卻速度快，又容易使零件淬裂，造成零件報廢［3-4］。

對于油缸缸筒而言，關(guān)鍵問題是：因為油缸缸筒是圓形的，其工作表面為內(nèi)表面，在淬火過程中缸筒放入冷卻槽冷卻時容易沉入槽底，缸筒內(nèi)孔的冷卻水不能快速有效地循環(huán)帶走熱量，也不能迅速破壞缸筒內(nèi)孔與冷卻水之間的汽膜，造成冷卻速度慢，結(jié)果降低了淬硬層深度，缸筒內(nèi)壁有大量軟點出現(xiàn)，極大地削弱了缸筒材料的強(qiáng)度和硬度，使缸筒在強(qiáng)度上存在著不可避免的致命缺陷，導(dǎo)致液壓缸在使用時出現(xiàn)脹缸事故，縮短其使用壽命。

2 技術(shù)方案

為避免上述缺點，采用的如下技術(shù)方案：加強(qiáng)油缸缸筒內(nèi)孔中淬火介質(zhì)的可流動性，使其溫度快速降低，從而獲得較深淬硬層，提高工作表面的強(qiáng)度和硬度。為此，設(shè)計一種底噴式淬火裝置，在淬火槽底部設(shè)置有與淬火槽相連通的壓縮空氣管道和壓力液體管道，淬火槽內(nèi)部壓縮空氣管道和壓力液體管道與淬火槽接口上方設(shè)置有帶有開孔的分布隔板。壓縮空氣管道和壓力液體管道位于淬火槽兩側(cè)且分別與氣壓源和液壓源連接。使用時，壓縮空氣和壓力液體在淬火槽的底部和分布隔板之間的液氣混合區(qū)混合后迅速通過分布隔板上的孔向上噴出，對工件進(jìn)行淬火處理。

3 結(jié)構(gòu)簡圖及使用說明

3.1 結(jié)構(gòu)簡圖

如圖1所示，底噴式淬火裝置，包括淬火槽3，淬火槽3底部設(shè)置有與淬火槽3相連通的壓縮空氣管道1和壓力液體管道4。淬火槽3內(nèi)部壓縮空氣管道l和壓力液體管道4與淬火槽3接口上方設(shè)置有帶有開孔6的分布隔板5。壓縮空氣管道1和壓力液體管道4位于淬火槽3兩側(cè)且分別與氣壓源和液壓源連接（氣壓源與液壓源圖中未顯示）。

3.2使用說明

使用時，將圓筒狀工件2加熱到規(guī)定溫度后吊入淬火槽3內(nèi)，同時開啟壓力液體管道和壓縮空氣管道的閥門；壓力液體管道4內(nèi)的壓力液體和壓縮空氣管道1內(nèi)的壓縮氣體在淬火槽3的底部和分布隔板5之間的液氣混合區(qū)7混合后迅速通過分布隔板5上的孔6向上噴出；混合液氣使工件2快速冷卻，進(jìn)行淬火處理；混合液氣將淬火槽3充滿之后從其上部溢出，進(jìn)入圓筒形液體收集槽8內(nèi)，經(jīng)水泵將液體抽走，冷卻后轉(zhuǎn)為壓力液體的供液源繼續(xù)使用。

圖1 底噴式淬火裝置示意圖

在使用時，可以根據(jù)工件的材料及形狀所需要的冷卻速度，確定供液及供氣量，可以液氣混合，也可以單獨供液或供氣，從而使淬火冷卻速度實現(xiàn)可控操作。

4 該裝置的優(yōu)點

本新型裝置與傳統(tǒng)的單一介質(zhì)靜液注入淬火相比較，有以下優(yōu)點：

1）具用一定壓力的液氣可以避免一般靜液淬火時的汽膜，使冷卻過程的汽膜階段縮短，沸騰階段提前，同時將大量熱量帶走，從而顯著增大冷卻速度，加深工件淬硬層厚度。

2）淬火冷卻速度可調(diào)。冷卻速度取決于供液及供氣量，變換供液及供氣量，就可得到不同的冷卻速度。根據(jù)工件的材料及形狀所需要的冷卻速度，確定供液及供氣量，可以液氣混合，也可以單獨供液或供氣。

3）淬火過程易實現(xiàn)自動化。根據(jù)工件的材料及形狀所需要的冷卻速度，確定供液及供氣量，閥門采用電動，利用電器控制技術(shù)，實現(xiàn)自動化操作。

4）本裝置屬于熱處理淬火設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其適用于長行程大口徑厚壁油缸缸筒淬火的底噴式淬火。

［1］ 陳平昌，朱六妹，李贊.材料成型原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］ 王雅然.金屬工藝學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］ 王紀(jì)安.工程材料與成形工藝基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［4］ 中國機(jī)械學(xué)會熱處理學(xué)會.熱處理手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.