一种液压破碎锤活塞失效分析及工艺改进

2024-04-22韩玉娟王尊礼杨晟豪

机械工程师 2024年4期

韩玉娟，王尊礼，杨晟豪

（1.江苏联合职业技术学院（淮安分院），江苏淮安 223005；2.江苏力博士机械股份有限公司，江苏淮安 223005；3.南京工程学院机械学院，南京 211167）

0 引言

液压破碎锤是一种由液压能转换为机械能的破碎工具，它以挖掘机、装载机等工程机械为承载主机，作为其随机工具扩大了主机的功能和使用范围。广泛用于市政道路破碎，矿山、冶金、铁路、公路建设，楼房拆毁等工程[1-2]。液压破碎锤主要由冲击活塞、控制配流阀、蓄能器和钎杆等部件组成。其中冲击活塞是液压破碎锤的关键零件，其设计制造的好坏直接影响到液压破碎锤工作的可靠性[3-4]。

一种破碎锤活塞在用户冲击使用过程中出现凹陷、裂纹和局部剥落（如图1、图2）。分析可能产生失效的原因，对活塞进行了化学成分和金相组织分析[3，5]。

图1 活塞端面凹陷、裂纹

图2 活塞端面崩裂掉块

1 破碎锤活塞化学成分及原材料低倍组织分析

图3是破碎锤的零件图，材料为SNCM616V，是一种特种钢，查阅资料可知其成分，要求表面硬度59～61 HRC，心部硬度32～38 HRC，马氏体、碳化物、残奥金相组织≤2级，心部组织≤2级，硬化层深2.0～2.2 mm。对失效活塞取样利用扫描电子显微镜测试其成分，与标准成分比较，如表1所示。

表1 标准与实测化学成分质量分数比较%

图3 破碎锤活塞零件图

经比较可知，成分符合要求，不是导致破碎锤活塞失效的原因。对该批活塞的原材料取ϕ210×30 mm一段试块进行酸蚀处理，如图4所示，经低倍观察，检验结果如表2所示。

表2 低倍检验结果

图4 活塞原材料低倍图

图5为100倍下观察的夹杂物及带状组织，夹杂物为D类，0.5级，带状组织为0级，综上所述，活塞的原材料是合格的。

图5 活塞原材料夹杂物图（100×）

2 破碎锤加工工艺分析

从生产厂家了解到，该破碎锤原先的加工工艺如表3所示。

表3 破碎锤加工工艺流程

分析其加工工艺流程，毛坯选择和制造工艺过程是合理的，不会是造成失效的原因，最有可能出问题的工艺应该是热处理工艺[5]。

3 破碎锤热处理工艺及金相组织的检验分析

破碎锤活塞加工工艺流程中的工序3正火属于预备热处理，主要是为了改善其切削加工性，不影响最终的使用性能。主要是工序6渗碳淬火及其后续的处理会影响化学成分及最终使用性能。改进前工序6的工艺过程如图6所示。其工艺是500 ℃保温90 min，920 ℃强渗600 min,扩散240 min，860 ℃保温120 min，由于直接淬火后金相组织残奥较多（如图7），马氏体6级，残奥6级，碳化物2级，严重不符合工艺要求，因此采用了深冷工艺-120℃, 保温120 min，200 ℃回火保温360 min。取样失效活塞获得其金相组织照片（如图8）。经对比马氏体3级，残奥2级，碳化物2级。

图6 改进前热处理工艺流程

图7 工艺改进前淬火金相组织（500×）

图8 失效活塞金相组织（500×）

4 热处理工艺需要改进的原因分析

活塞热处理好坏直接影响到液压冲击器的性能，应该非常重视活塞的热处理工艺[5]。改进前的热处理工艺中，虽然经深冷工艺后马氏体及碳化物都有所降低，但是零件在残奥很多的情况下直接进入了深冷，此前淬火存在很大的应力，再加上深冷处理时残奥转变的应力，零件内部已出现了细微的裂纹，即使后面的回火工序也无法消除细微的裂纹和巨大的应力，在使用过程中，巨大的内应力释放，细微的裂纹逐渐扩展，导致了零件开裂。因此原热处理工艺的工序6最有可能是导致活塞失效的主要原因。针对以上原因，对零件的热处理工艺进行改进，一方面降低淬火后的马氏体和残奥级别，另外，采取高温回火，将残奥转变的同时消除淬火以及残奥转变的应力。

5 改进后的工艺流程及金相组织分析

图9是改进后的热处理工艺。具体的工艺内容为：检验工件外观，有无氧化、变形、开裂。把零件装上渗碳架，确保零件垂直放置，注意避免磕碰。进炉：500 ℃工件进炉，升温到910 ℃，强渗阶段碳势保持1.2，保温12 h，提前0.5 h抽样，检查渗层。扩散阶段：碳势为0.90，保温4 h；抽样检查渗层。均温阶段:随炉降温至830 ℃，碳势为0.8，保温3 h油冷；高温回火：650 ℃回火两次。淬火，830 ℃，保温4 h淬火，180 ℃回火，保温4～6 h。