采用氮化工艺提高电液锤锤杆使用寿命

刘英贵 冯 智 罗耀义

(1.重庆长征重工有限责任公司，重庆400083；2.四川省德钢实业集团有限公司，四川618000)

电液锤是近年发展起来的取代蒸汽锤的新一代节能设备。由于其具有节能降耗、不污染环境的优点，已经被国内外许多专业锻造厂家使用。但电液锤(特别是自由锻锤)有一个致命的弱点，就是锤杆使用寿命大大低于蒸汽锤锤杆的使用寿命。

由于电液锤是利用柔性锻造的原理，将锤杆直径设计的比较细(一般在∅70 mm～∅90 mm左右)，比原蒸汽锤锤杆直径小一半，重量减轻2/3左右。原设计者的初衷是让锤杆变细，减少杆件的刚性，增加它的柔性(即外强内韧)。因此选择了价格昂贵的高强度材料(如12Cr2Ni4MoV、34CrNi3Mo)制作。即使这样，在锻造过程中仍然频繁发生折断现象，严重影响了生产。

1 电液锤锤杆折断的原因分析

由于锤杆在工作过程中受力情况比较复杂，应力变化剧烈，特别是在锤头加速下落冲击金属使其变形时，锤杆自身受到极大的反作用力。工作中锤杆沿轴向连续地往复运动，承受着周期性的冲击载荷。

因此，要求电液锤杆力学性能均匀，内在质量优良，并且具有较好的热强性。连续往复垂直运动中的锤杆，不但承受极大的压应力，而且还承受几乎与压应力等值的拉应力。在锤击阶段，应力波峰值的大小主要取决于冲击速度和锻件被击瞬间的力学特性，以及锤杆锤头(模锻)的几何尺寸和物理力学性能。总之，疲劳破坏是电液锤锤杆主要的失效形式。锤杆表面的加工缺陷或内部的非金属夹杂物将导致金属表面或内部产生应力集中，出现局部屈服或滑移，形成三种形式的疲劳裂纹源：表面疲劳裂纹、内部疲劳裂纹以及危险截面疲劳裂纹。这三种疲劳裂纹综合作用的结果是使锤杆断裂失效。断裂多发生在锤头上方与电液锤联接板根部这段锤杆的中间部位。

2 氮化工艺对锤杆的强化作用分析

为了提高电液锤锤杆的使用寿命，我们在多方面进行了试验研究。首先将材料改为42CrMo，使成本大为降低。在工艺流程方面也做了一些改进[1]，使锤杆锤击次数得到大幅提高。

气体氮化能有效提高工件的表面硬度、疲劳强度和红硬性。氮化物层的性能：

(1)表面的高硬度和耐磨性

高硬度是由于合金氮化物的弥散硬化作用所致。氮化物本身具有很高的硬度，并且晶格常数比基体大得多。因此，当它与母相保持共格联系时，会使母相晶格产生很大的弹性畸变。由于与母相共格的氮化物颗粒周围的弹性畸变应场的作用，使位错运动受阻，从而产生显著的强化效果。

(2)疲劳强度

由于析出比容较大的氮化物相，使氮化层产生较大的残余压应力。表层残余压应力的存在，能部分地抵消在疲劳载荷下产生的拉应力，延缓疲劳破坏过程，使疲劳强度显著提高。同时氮化还使工件的缺口敏感性降低。氮化处理提高疲劳强度的效果随着氮化层的加深而升高，但是过厚的氮化层表面会出现大量脆性ε相，反而引起疲劳强度降低。所以氮化层宜控制在一定范围内。

目前气体氮化处理已用于金属模具、齿轮等的热处理，而用于细长锤杆的处理，国内尚未见报道。

3 锤杆气体氮化控制

在专用氮化炉中采用二段氮化法处理。处理时需注意选择合适的第二段氮化温度和时间、氨分解率等参数，以保证锤杆氮化质量。

(1)氮化前调质处理质量控制

1)调质后表面不允许出现游离铁素体，心部游离铁素体量不能超过5%，以保证心部强度。

2)淬火温度过高，奥氏体的晶粒变粗，氮化物优先沿晶界伸展，在氮化层中呈明显的波纹状或网状组织，也使脆性增加。

(2)氮化控制

1)氮化锤杆表面呈银灰色。

2)氮化层深度控制在0.3 mm～0.5 mm比较合适。

3)氮化层表面硬度控制范围为430～470HV。锤杆使用过程中承受一定的冲击载荷，氮化硬度过高不利于锤杆的使用。

4)氮化层脆性≤2级。

5)氮化后氮化层金相组织为索氏体+氮化物。心部组织为细索氏体+少量铁素体。不允许粗大组织和大块铁素体存在。

6)氮化后变形的检查。一般氮化处理的工件变形较小。电液锤锤杆属细长件，加之氮化处理使氮化层的比容增大。因此氮化前要考虑氮化后尺寸胀大，以便考虑氮化后的磨削量。

4 结论

在电液锤锤杆外观结构不变的情况下，欲大幅提高锤杆寿命，降低生产成本，必须从材料、冶炼、锻造、热处理及制造方法等方面进行大量试验和研究。特别是采用二段气体氮化工艺，能有效的提高锤杆的疲劳强度和表面硬度，这对锤杆使用寿命的提高起到关键性的作用，同时还能降低生产成本。锤杆氮化在国内锤杆制造业中还是首次应用，有一定的推广价值。

[1] 刘英贵，程里，古丽努尔.优化工艺参数，提高模锻锤杆的使用寿命.大型铸锻件，2009，5：34-35.