礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈熱處理工藝發(fā)展研究

李堂學(xué)

摘 要：礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈?zhǔn)枪伟遢斔蜋C(jī)上的關(guān)鍵部件，也是易損件。由于井下煤炭開(kāi)采開(kāi)發(fā)條件及其惡劣，因此對(duì)該產(chǎn)品性能的要求極高，即具有高強(qiáng)度、高耐磨性、高抗疲勞性等綜合性能。因此，熱處理工藝是保證礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈具有較高穩(wěn)定力學(xué)性能的可靠方法，是制鏈行業(yè)的核心技術(shù)。采用中頻感應(yīng)中改變淬火和回火工藝的方式，對(duì)礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈從破斷力和疲勞壽命進(jìn)行實(shí)踐。研究結(jié)果表明，新的熱處理工藝，可以使鏈條具有高強(qiáng)度、高耐磨性和高疲勞性等綜合性能。

關(guān)鍵詞：礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈;熱處理;設(shè)備;工藝

中圖分類(lèi)號(hào)：TH227文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-1064（2021）09-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.09.010

目前，礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈在使用中是受力件，熱處理是影響鏈條質(zhì)量高低、性能好壞的關(guān)鍵。合理的熱處理工藝，是保證礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈具有較高穩(wěn)定力學(xué)性能的可靠方法，是現(xiàn)在制鏈企業(yè)的核心技術(shù)，而熱處理設(shè)備的性能是提高熱處理工藝的基礎(chǔ)。

制鏈企業(yè)對(duì)大規(guī)格礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈熱處理工藝淬火，采用預(yù)熱段、奧氏體化段和均溫段的處理要求，均采用一次差溫回火，再等溫保溫回火，最后二次差溫回火的方法。均溫回火是為保證鏈環(huán)的肩頂部得到設(shè)定溫度的充分回火，差溫回火則是保證鏈環(huán)直臂部具有較高的韌性，而且對(duì)大規(guī)格鏈條采用的差溫回火溫度越來(lái)越高，有的制鏈企業(yè)還把鏈條的破斷負(fù)荷限制在一定范闈內(nèi)，以確保鏈條能夠安全使用。一些先進(jìn)的制鏈企業(yè)對(duì)鏈條的力學(xué)性能，均制訂有高于現(xiàn)行出版標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)[1]。

1 熱處理工藝現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)鏈條制造企業(yè)普遍采用熱處理，使用如圖1所示的礦用圓環(huán)鏈中頻感應(yīng)機(jī)床，采用中頻感應(yīng)加熱，對(duì)如圖2所示的圓環(huán)鏈進(jìn)行熱處理。熱處理工序包括淬火和回火兩道工序，感應(yīng)加熱的優(yōu)點(diǎn)是鏈條加熱速度快、不氧化脫碳、無(wú)污染等，采用的設(shè)備是雙中頻電源，分別對(duì)淬火感應(yīng)器、回火感應(yīng)器進(jìn)行鏈條的熱處理。每一臺(tái)感應(yīng)器上的功率和頻率，可以通過(guò)各自對(duì)應(yīng)的中頻電源來(lái)單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到鏈條淬火、回火工藝的最佳效果。

采用這種設(shè)備熱處理出來(lái)的鏈條如圖3所示，具有肩部處硬度高，直臂處硬度低的特性，如圖4所示。熱處理工藝簡(jiǎn)單說(shuō)就是，淬火后采用低溫回火，熱處理后的組織為回火馬氏體。這樣的組織，其硬度和強(qiáng)度高、耐磨性好，但是破斷試驗(yàn)時(shí)延伸率小。中頻感應(yīng)加熱原理：礦用圓環(huán)鏈的中頻感應(yīng)加熱，在居里點(diǎn)（768 ℃）前后反應(yīng)出兩種不同的加熱效果。淬火時(shí)，受磁通變化的影響，鏈環(huán)直臂溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于頂部?；鼗饡r(shí)，受退磁場(chǎng)的影響，直臂的加熱溫度高，頂部的熱量靠直臂供給。所以，中頻感應(yīng)熱處理出來(lái)的圓環(huán)鏈的主要特點(diǎn)是，鏈環(huán)淬火和回火后各點(diǎn)的硬度如圖4所示。其肩頂部硬度較高在39 HRC～42 HRC，以提高抗磨損和承載能力;而低硬度的直臂處硬度在32 HRC～39 HRC，可提高焊接接頭的韌性，同時(shí)，還可以防止由摩擦引起的腐蝕疲勞失效。所以，這種方法在國(guó)內(nèi)外被普遍使用。

2 熱處理工藝缺陷分析

鏈條在刮板輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，圓環(huán)鏈承受拉力，同時(shí)與中部槽、煤塊、鏈輪產(chǎn)生摩擦力。圓環(huán)鏈在自身運(yùn)動(dòng)中，每個(gè)環(huán)的聯(lián)接處，因脈沖既產(chǎn)生摩擦力，圓弧內(nèi)側(cè)還相互張緊又產(chǎn)生壓應(yīng)力。圓環(huán)2個(gè)直邊受拉力，圓弧外緣受拉力，直邊與圓弧交接的內(nèi)側(cè)又受壓力，圓弧端沿縱向的中心斷面承受的是剪力。圓環(huán)鏈通過(guò)鏈輪，又在運(yùn)行中一直承受與鏈輪齒數(shù)相同頻率的脈動(dòng)負(fù)荷，這種負(fù)荷在發(fā)生卡鏈時(shí)會(huì)突然增大，也就是振幅加大，會(huì)導(dǎo)致圓環(huán)鏈破斷。另一方面，圓環(huán)鏈通過(guò)鏈輪導(dǎo)向時(shí)又承受較大的彎曲應(yīng)力。

根據(jù)礦用圓環(huán)鏈?zhǔn)褂们闆r分析：當(dāng)鏈環(huán)承受拉伸載荷時(shí)，其直邊內(nèi)側(cè)和部分圓弧外側(cè)呈拉應(yīng)力狀態(tài)，而直邊內(nèi)側(cè)呈壓應(yīng)力狀態(tài)。圓環(huán)鏈的疲勞斷裂失效，是在拉—拉脈動(dòng)負(fù)荷作用下失效的，而鏈環(huán)在圓環(huán)段頂部外側(cè)和圓弧段與直邊段的過(guò)渡處內(nèi)側(cè)均呈拉應(yīng)力狀態(tài)，且為應(yīng)力集中點(diǎn)。故從理論上講，鏈環(huán)疲勞強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)，即正常的疲勞斷裂應(yīng)發(fā)生在這兩處，如圖5和圖6所示。在脈動(dòng)疲勞應(yīng)力循環(huán)中，應(yīng)力的再分配，造成直邊和圓弧過(guò)渡處實(shí)際應(yīng)力集中大于圓弧頂部，從而導(dǎo)致該處實(shí)際應(yīng)力集中要比圓弧段大得多。因此，肩部為圓環(huán)鏈疲勞載荷時(shí)的應(yīng)力集中處，且在試驗(yàn)時(shí)斷裂也發(fā)生在這一部位，這說(shuō)明鏈條在生產(chǎn)過(guò)程中存在較高的、復(fù)雜的殘余應(yīng)力[2]。

所以，隨著煤礦運(yùn)輸設(shè)備的發(fā)展，對(duì)圓環(huán)鏈的綜合機(jī)械性能也提出了更高的要求。而原有的鏈條熱處理工藝措施，只能對(duì)鏈條個(gè)別性能的滿(mǎn)足有效，對(duì)鏈條整體機(jī)械性能的提高還有一定的差距。隨著鏈條直徑的變大，這種中頻感應(yīng)加熱的方式，還存在鏈環(huán)質(zhì)量不穩(wěn)定的情況。鏈條在淬火加熱過(guò)程中有較多的表面氧化，不易得到非常細(xì)的奧氏體晶粒，再加上熱處理淬火和回火的時(shí)間短，鏈條的淬、回火工藝很難最佳化，導(dǎo)致鏈條中心硬度比表面硬度高，韌性變差。因此，鏈條的強(qiáng)韌塑性、疲勞性能很難提高，熱處理后的鏈條未完全消除生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，致使鏈條在使用過(guò)程中存在斷裂的情況。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)鏈條制造企業(yè)會(huì)對(duì)大規(guī)格的鏈條在回火爐或網(wǎng)帶爐進(jìn)行充分回火，消除內(nèi)應(yīng)力。但是由于在回火過(guò)程中鏈條會(huì)出現(xiàn)積壓的情況，回火溫度在整條鏈條上會(huì)出現(xiàn)溫度差的差異，導(dǎo)致硬度存在變化，這是目前鏈條熱處理的現(xiàn)狀。

3 熱處理工藝發(fā)展分析

隨著鏈條規(guī)格越來(lái)越大，鏈條的可靠性和安全性尤為重要。制鏈企業(yè)在提高鏈條強(qiáng)度的同時(shí)，對(duì)韌性也更加重視，大規(guī)格的感應(yīng)中頻熱處理如圖8所示，使鏈條在淬火和回火過(guò)程中有很大的變化。

3.1 鏈條淬火工藝

在淬火方面：制鏈企業(yè)除采用先進(jìn)的大功率感應(yīng)加熱設(shè)備外，對(duì)加熱感應(yīng)器也按照鋼的奧氏體形成機(jī)理進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使感應(yīng)器有預(yù)熱段、奧氏體化段和均溫段，使鏈條在淬火前溫度均勻、成分均勻，淬火后獲得均勻、細(xì)小的低碳板條馬氏體組織。鏈條淬火入水前的溫度，國(guó)內(nèi)外均采用紅外線(xiàn)測(cè)溫的方法，淬火水溫亦有監(jiān)控。由于鏈條加熱速度快，淬火溫度的確定多數(shù)是在高于鏈條鋼的Ac3的基礎(chǔ)上，結(jié)合成品鏈條的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)由試驗(yàn)確定。對(duì)淬火質(zhì)量均進(jìn)行嚴(yán)格的控制，除監(jiān)控淬火溫度、淬火水溫外，還要對(duì)鏈條淬火后的表面硬度、心部硬度和金相組織進(jìn)行檢測(cè)，以確保淬火質(zhì)量[3]。

3.2 鏈條回火工藝

在回火方面：對(duì)大規(guī)格礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈的回火，如圖7差溫回火和等溫回火溫度對(duì)比所示，采用一次差溫回火，再等溫保溫回火，最后二次差溫回火的方法。一次差溫回火使鏈環(huán)的肩部和直邊的溫度達(dá)到回火的要求，等溫保溫回火是為保證鏈環(huán)的肩頂部和直邊得到一樣的溫度并充分回火，二次差溫回火則是保證鏈環(huán)直臂部具有較高的韌性。當(dāng)鏈條從感應(yīng)加熱器中通過(guò)時(shí)，因鏈條各部在加熱器中所處的位置不同，決定了其切割磁場(chǎng)的能力不同，自身會(huì)得到不同的硬度。因各部回火溫度不同，鏈環(huán)獲得相應(yīng)的金相組織和不同的硬度。這樣，正好適應(yīng)圓環(huán)鏈的復(fù)雜受力狀態(tài)。而且對(duì)大規(guī)格圓環(huán)鏈采用的回火溫度要求越來(lái)越高，以確保安全使用。有的制鏈企業(yè)還把圓環(huán)鏈的破斷負(fù)荷限制在一定范圍內(nèi)，對(duì)鏈條的力學(xué)性能均制訂有高于現(xiàn)行出版標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)對(duì)30×108鏈條進(jìn)行的熱處理，圓環(huán)鏈在礦井使用過(guò)程中的破斷載荷及破斷延伸率都比原熱處理的鏈條高，使用壽命和過(guò)煤量也相應(yīng)增加，如圖9所示。鏈條的抗沖擊、塑性變形和疲勞壽命等性能也明顯提高，如圖10所示。這充分說(shuō)明，改進(jìn)后熱處理的鏈條獲得良好強(qiáng)韌的綜合力學(xué)性能，圓環(huán)鏈組織的改善和力學(xué)性能的提高，隨熱處理工藝的改變效果明顯[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

熱處理工藝的改變，可使鏈條的綜合力學(xué)性能得到提高。通過(guò)改變加熱功率、感應(yīng)器的速度及感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，可以改變鏈環(huán)淬火和回火時(shí)的溫度分布（可通過(guò)硬度間接測(cè)定），可獲得鏈條各種不同的力學(xué)性能要求。

礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈力學(xué)性能要求的提高，促使熱處理方法得到不斷改進(jìn)、提高和完善。熱處理技術(shù)的合理應(yīng)用和精確控制，是提高鏈條力學(xué)性能的關(guān)鍵，鏈條的熱處理技術(shù)已成為制鏈企業(yè)的核心技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬瑞勇，王維喜，張兵軍，等.25MnV鋼礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈的中頻感應(yīng)加熱淬火[J].金屬熱處理，2004，29（11）：65-67.

[2] 王維喜，馬瑞勇，武興旺，等.紅外線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)在礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈連續(xù)中頻熱處理中的應(yīng)用[J].金屬熱處理，2007，32（5）：104-105.

[3] 馬瑞勇，王維喜，張兵軍，等.礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈的熱處理[J].河北冶金，2003（1）：52-55.

[4] 馬瑞勇，范寒晉，王洪弟，等.礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈感應(yīng)加熱機(jī)理[J].金屬熱處理，1995，20（9）：17-19.