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液压凿岩机冲击活塞的选材与热处理工艺信息来源:中南大学刘舜尧杨务兹摘要：分析了液压凿岩机冲击活塞的受力状态与性能要求，选择产合金钢30CrNi2MoV进行渗碳、淬火和回火处理，研制出替代进口的冲击活塞，其使用性能达到或超过国外同类产品，为制造高寿命液压凿岩机冲击活塞提供了一种新的方法。
关键词：冲击活塞；热处理；使用寿命国内外已广泛使用的液压凿岩机，以其输出功率大、凿岩速度高、能量利用率大以及噪音较低、易于自动控制等许多优点，在岩石工程中发挥着十分重要的作用。
据估计，我国在金属矿山、煤矿岩巷、化工采矿、水电涵洞、铁路和公路隧道等岩石掘进工程中使用的进口液压凿岩机有4000台以上［1］。
所以，液压凿岩机的维修与易损件的供应就成为保证设备良好运行的重要基础条件。
为了解决进口液压凿岩机易损件更换困难并降低更换与维修费用，中南大学继研制成功液压凿岩机之后，还研制开发了10多个品种的液压凿岩机配件，以替代进口配件，既满足了施工工程的需要，又节省了大量外汇，大幅度地降低了维修成本。
其中国产合金钢经合适的加工工艺而制作的液压凿岩机冲击活塞替代进口产品，其性能达到或超过了国内外同类产品的使用寿命，而价格只相当于进口活塞价格的8%-10%。
1 材料选择液压凿岩机的工作压力一般均在20MPa左右，有的可高达25MPa，每分钟冲击次数达到3000-4000次。
因而，冲击活塞作为液压凿岩机的主要冲击作功件，在高速度（10-12m/s）、高频率与强烈冲击条件下进行工作的，是液压凿岩机的关键性零件［2］。
由它传递液压凿岩机的冲击能量，冲击活塞整体必须具有很高的强韧性和抗冲击疲劳性，同时活塞的表面必须具有高硬度，并形成连续表面硬化层，便于活塞高频率冲击作功过程中应力波的传递。
冲击工作端应同时具有高硬度与高强韧性，以使冲击活塞在高频率强烈冲击过程中不蹋陷、不崩裂。
根据冲击活塞的工作条件与性能要求，作者对多种国产钢材进行了试验研究和对比分析，最后选定含碳量（质量分数）为0.28%~0.38%，并含有Cr、Ni、Mo、V 等元素，合金元素总含量在4%-6%的结构钢进行渗碳和淬火硬化处理，可满足冲击活塞的使用要求。
凿岩机钎尾选材、热处理工艺设计及分析金属材料工程10060127 XXX 杨瑞成教授隋然助教摘要钎尾在工作时直接承受凿岩机高频冲击和强力扭转，钎尾应具有足够的强度和韧性，高的表面强度和耐磨性以及高的疲劳抗力和一定的耐腐蚀性能，心部具有良好的韧性。
35SiMnMoV常用钎尾的热处理工艺流程为：锻造坯料—去应力退火—机械加工—渗碳—淬火—低温回火—校直—抛丸—精磨。
钎尾常见的缺陷是：表面硬度低、钎尾畸变过量、渗碳层深度不足、表面脱碳等，应该有相应的对策进行补救。
关键词：凿岩机；钎尾；35SiMnMoV；热处理；一、凿岩机凿岩机，利用钢钎的冲击和旋转作用在岩石上钻凿孔眼的石料开采机械。
主要用于开采石料或拆除废弃建筑物。
凿岩机有分风动式、电动式、内燃式和液压式四类。
液压凿岩机在金属矿山、煤矿岩巷、化工采矿、水电涵洞、铁路和公路掘进工程中使用非常广泛！液压凿岩机主要有冲击机构、回转机构、供水排水机构和防尘系统等多部分组成[3]。
二、钎尾的选材液压凿岩机的工作压力一般均在20MPa左右，有的可高达25MPa，每分钟冲击次数达到3000~4000次。
钎尾是螺纹连接凿岩钎具的重要组成部分，在工作时直接承受凿岩机高频冲击和强力扭转，将凿岩机活塞运动的冲击功从钎尾尾端传递到钎杆和钎头，进行凿岩作业，同时在凿岩机转动套的带动下传递扭矩，使整个钎具的系统转动。
钎尾内孔还受到快速流水的冲刷和矿水的腐蚀。
因而钎尾应具有足够的强度和韧性，高的表面强度和耐磨性以及高的疲劳抗力和一定的耐腐蚀性能，心部具有良好的韧性；能够承受凿岩机高频冲击和强力扭转；抵抗流水的冲刷和矿水的腐蚀[2]。
钎尾材料一般选用碳素钢或合金钢。
（一）碳素钢碳素钢的性能主要取决于含碳量。
按含碳量可以把碳钢分为低碳钢，中碳钢和高碳钢。
含碳量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性和可焊性降低。
低碳钢在使用前一般不经热处理，碳含量在0.15％以上的经渗碳或氰化处理，用于要求表层温度高、耐磨性好的轴、轴套、链轮等零件。
液压凿岩机冲击活塞的选材与热处理工艺收藏此信息打印该信息添加：用户投稿来源：未知摘要：分析了液压凿岩机冲击活塞的受力状态与性能要求，选择国产合金钢30CrNi2MoV进行渗碳、淬火和回火处理，研制出替代进口的冲击活塞，其使用性能达到或超过国外同类产品，为制造高寿命液压凿岩机冲击活塞提供了一种新的方法。
关键词：冲击活塞；热处理；使用寿命国内外已广泛使用的液压凿岩机，以其输出功率大、凿岩速度高、能量利用率大以及噪音较低、易于自动控制等许多优点，在岩石工程中发挥着十分重要的作用。
据估计，我国在金属矿山、煤矿岩巷、化工采矿、水电涵洞、铁路和公路隧道等岩石掘进工程中使用的进口液压凿岩机有4000台以上［1］。
所以，液压凿岩机的维修与易损件的供应就成为保证设备良好运行的重要基础条件。
为了解决进口液压凿岩机易损件更换困难并降低更换与维修费用，中南大学继研制成功液压凿岩机之后，还研制开发了10多个品种的液压凿岩机配件，以替代进口配件，既满足了施工工程的需要，又节省了大量外汇，大幅度地降低了维修成本。
其中国产合金钢经合适的加工工艺而制作的液压凿岩机冲击活塞替代进口产品，其性能达到或超过了国内外同类产品的使用寿命，而价格只相当于进口活塞价格的8%-10%。
1 材料选择液压凿岩机的工作压力一般均在20MPa左右，有的可高达25MPa，每分钟冲击次数达到3 000-4000次。
因而，冲击活塞作为液压凿岩机的主要冲击作功件，是在高速度（10-12m/s）、高频率与强烈冲击条件下进行工作的，是液压凿岩机的关键性零件［2］。
由它传递液压凿岩机的冲击能量，冲击活塞整体必须具有很高的强韧性和抗冲击疲劳性，同时活塞的表面必须具有高硬度，并形成连续表面硬化层，便于活塞高频率冲击作功过程中应力波的传递。
冲击工作端应同时具有高硬度与高强韧性，以使冲击活塞在高频率强烈冲击过程中不蹋陷、不崩裂。
根据冲击活塞的工作条件与性能要求，作者对多种国产钢材进行了试验研究和对比分析，最后选定含碳量（质量分数）为0.28%~0.38%，并含有Cr、Ni、Mo、V等元素，合金元素总含量在4%-6%的结构钢进行渗碳和淬火硬化处理，可满足冲击活塞的使用要求。
液压凿岩机冲击活塞的选材与热处理工艺冲击活塞的选材首先需要满足一定的力学性能要求，如强度、韧性和耐磨性等。
一般情况下，冲击活塞常选用高强度和高韧性的合金钢或工程塑料。
合金钢具有较高的强度和韧性，能够承受较大的冲击力和振动载荷而不发生断裂或变形。
工程塑料具有较高的强度和刚性，能够耐受较大的冲击载荷和摩擦力，同时具有较好的自润滑性，减少了冲击活塞与其他金属部件的磨损。
冲击活塞选材时还需要考虑耐磨性。
液压凿岩机在破碎岩石和混凝土时会产生较大的摩擦力和冲击力，容易造成冲击活塞表面的磨损。
因此，合适的材料应该具有较高的耐磨性能，以延长冲击活塞的使用寿命。
常见的提高耐磨性的方法包括表面增加涂层、使用耐磨合金材料等。
除了力学性能和耐磨性外，冲击活塞还需要考虑使用环境的特殊要求。
如液压凿岩机常用于湿润、腐蚀和高温等恶劣工况下，所以冲击活塞还需要具有优良的耐腐蚀性、耐高温性和耐久性等特点。
一般情况下，可以通过表面增加抗腐蚀涂层或使用耐腐蚀合金材料来提高冲击活塞的耐蚀性。
在选材的基础上，冲击活塞还需要进行适当的热处理工艺来提高其性能。
热处理工艺主要包括淬火和回火两个步骤。
淬火是将材料加热至一定温度并迅速冷却，使其获得高硬度和较高的强度。
回火是在淬火后将材料加热至一定温度并保温一段时间，然后冷却。
回火可以减轻材料的内应力，提高韧性和稳定性。
总之，液压凿岩机冲击活塞的选材和热处理工艺对于其性能和寿命具有重要影响。
选材时应综合考虑力学性能、耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性等因素，通过适当的热处理工艺提高材料的性能。
这样可以延长冲击活塞的使用寿命，提高液压凿岩机的工作效率。
冲击活塞热处理工艺改进通过对高风压高速冲击器活塞的失效形式分析，以及活塞冲击性能的检测，发现了活塞断裂的根本原因，通过改进工艺，制定了快速淬火的活塞热处理新工艺，大幅提高了活塞心部的冲击韧性，解决了活塞早期失效问题。
标签：冲击器活塞；失效断裂；冲击韧性；快速淬火前言目前，高风压的快速冲击器在露天矿、采石场以及水井等工地已经得到广泛使用，活塞作为冲击器的关键部件，它的寿命直接决定了冲击器的寿命[1]。
在高风压快速冲擊器的高压、高频冲击的工况下，活塞经常出现早期断裂。
如何提高活塞的寿命，就一直是研究的重点。
活塞的热处理工艺是保证冲击器寿命的关键[2]。
1 现状分析前期冲击器在矿山使用出现大量的早期失效情况，一般使用寿命在1000～2000米。
拆开发现，主要是因为活塞失效，全部是小头开裂或断裂。
通过各种端口和断裂形式，可以判断小头开裂主要由打击端面的渗碳层出现裂纹开始，随之裂纹轴向扩展，最后出现掉块撕裂或断裂。
因此打击端面的组织机构和渗碳层的状态就显得至关重要。
活塞断裂面，如图1，从图上可以清晰的看出贝纹线，结合活塞的工作情况，可以确定活塞断裂形式为高周疲劳断裂，从贝纹线的情况看，裂纹源是渗碳层，该材料心部硬度太高是裂纹迅速扩展的一个主要原因。
2 对比金相分析及硬度检测与国外K公司的市场领先产品对比结果如下表1：从表1中硬度、心部冲击韧性对比，很明显，本次活塞失效主要原因是由于心部硬度太高，由此导致心部韧性不足，冲击功太低。
3 工艺改进通过失效的断口分析和与国外领先产品的对比，可以确定工艺改进的重点是，在保证表面渗碳层硬度的前提下，降低心部硬度，提高冲击韧性。
通过查阅分析20Cr2Ni4A钢的C曲线，通过更换不同的淬火液淬火并低温回火，检测心部硬度如表2。
20Cr2Ni4A钢淬透性非常好[3]，采用我们公司的快速淬火油淬火，能完全淬透，在实际生产中心部硬度在HRC46左右，即使用20#机油淬火，也可以达到HRC45。
文章编号:1004-0609(2000)02-0234-06液压凿岩机活塞新材料开发和设计质量评估周梓荣1,曾曙林1,罗亮光2(1.湖南工程学院机械系,湘潭411104; 2.湘潭风动机械厂,湘潭411103)摘 要:研制了一种具有Cr-N-i M o新配比的低碳合金钢作为液压凿岩机冲击活塞用材,与常规活塞用材进行了金相组织、静强度、热处理后的表面和断面显微硬度及工业性对比试验,测试了凿岩机冲击性能。
结果表明:该材料具有良好的淬透性、合理的金相组织和断面硬度分布以及较好的力学性能。
还提出了应用凿岩机活塞冲击应力波波值系数初步评估所设计活塞性能的方法。
关键词:液压凿岩机;冲击活塞;低碳合金钢;应力波中图分类号:TH142.1 文献标识码:A在矿山、铁路、公路、港口、水电、煤炭和石材等工业企业中,凿岩设备是必不可少的主要施工设备之一。
目前已有20多个国家的数十家公司相继研制成功上百种系列齐全、规格品种配套的液压凿岩机,并在工程施工中得到了广泛应用[1~3]。
然而在工作性能与可靠性等方面,国产液压凿岩机与国际先进水平相比仍有较大差距,其关键零件 冲击活塞的使用寿命只能稳定在10000m以内,而法国、瑞典等国的同类产品都能稳定在20000m左右。
为此,作者在参加国家 八 五 科技攻关项目(85-201-02-01-1)的研究中,开发了一种具有Cr-N-i M o新配比的低碳合金钢作液压凿岩机冲击活塞用材料,并且运用冲击应力波的波值系数初步评价了所设计活塞的合理性,取得了一些提高液压凿岩机性能和活塞寿命的好成果。
以下,本文将着重介绍它们。
1 活塞用新材料的开发液压冲击活塞受力情况复杂,其失效形式不属于普通的疲劳破坏,也不属于过载破坏,而是端面压碎剥落和下凹[4,5]。
提高冲击活塞可靠性指标的关键是选择合适的耐冲击、抗疲劳材料和进行适当的热处理。
在分析了瑞典、法国等国先进产品的基础上,根据低合金钢合金化的设计方法[6,7],结合国情研制出一种具有Cr-N-i Mo合金元素新配比的低碳合金钢[8]。
液压凿岩机冲击活塞的选材与热处理工
艺
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摘要：分析了液压凿岩机冲击活塞的受力状态与性能要求，选择国产合金钢30CrNi2MoV进行渗碳、淬火和回火处理，研制出替代进口的冲击活塞，其使用性能达到或超过国外同类产品，为制造高寿命液压凿岩机冲击活塞提供了一种新的方法。
关键词：冲击活塞；热处理；使用寿命
国内外已广泛使用的液压凿岩机，以其输出功率大、凿岩速度高、能量利用率大以及噪音较低、易于自动控制等许多优点，在岩石工程中发挥着十分重要的作用。
据估计，我国在金属矿山、煤矿岩巷、化工采矿、水电涵洞、铁路和公路隧道等岩石掘进工程中使用的进口液压凿岩机有4000台以上［1］。
所以，液压凿岩机的维修与易损件的供应就成为保证设备良好运行的重要基础条件。
为了解决进口液压凿岩机易损件更换困难并降低更换与维修费用，中南大学继研制成功液压凿岩机之后，还研制开发了10多个品种的液压凿岩机配件，以替代进口配件，既满足了施工工程的需要，又节省了大量外汇，大幅度地降低了维修成本。
其中国产合金钢经合适的加工工艺而制作的液压凿岩机冲击活塞替代进口产品，其性能达到或超过了国内外同类产品的使用寿命，而价格只相当于进口活塞价格的8%-10%。
1 材料选择
液压凿岩机的工作压力一般均在20MPa左右，有的可高达25MPa，每分钟冲击次数达到3 000-4000次。
因而，冲击活塞作为液压凿岩机的主要冲击作功件，是在高速度（10-12m/s）、高频率与强烈冲击条件下进行工作的，是液压凿岩机的关键性零件［2］。
由它传递液压凿岩机的冲击能量，冲击活塞整体必须具有很高的强韧性和抗冲击疲劳性，同时活塞的表面必须具有高硬度，并形成连续表面硬化层，便于活塞高频率冲击作功过程中应力波的传递。
冲击工作端应同时具有高硬度与高强韧性，以使冲击活塞在高频率强烈冲击过程中不蹋陷、不崩裂。
根据冲击活塞的工作条件与性能要求，作者对多种国产钢材进行了试验研究和对比分析，最后选定含碳量（质量分数）为0.28%~0.38%，并含有Cr、Ni、Mo、V等元素，合金元素总含量在4%-6%的结构钢进行渗碳和淬火硬化处理，可满足冲击活塞的使用要求。
向钢中加入Cr、Ni、Mo、V等合金元素，其中Cr、Ni元素能够提高钢的淬透性，使冲击活塞淬火后整体性能均匀，提高整体强韧性，而且能够使渗碳层的组织与性能得到改善；而元素Cr、Mo与V能够形成合金炭化物，对细化晶粒和抑制渗碳过程中发生过热现象具有十分重要的作用；钢的含碳量选择在0.28%-0.38%，是为了使冲击活塞在渗碳淬火之后心部具有足够高的强度，获得最佳的强韧化效果，并且使渗碳层与心部之间具有平缓的性能过渡，提高冲击活塞的使用寿命。
根据上述分析，拟选取30CrNi2MoV钢制造冲击活塞，这种钢的名义成分如表1 所示［4］，试制冲击活塞用的30CrNi2MoV钢在KYKY-2800扫描电镜上进行能谱成分分析（见图1），分析结果列于表1。
图1 30CrNi2MoV钢化学成分能谱分析
表1 30CrNi2MoV钢化学成分（质量分数%）
2 渗碳、淬火与回火工艺
30CrNi2MoV钢冲击活塞的制造工艺为：
锻造→退火→切削加工→渗碳→高温回火→淬火、低温回火→粗磨→时效→精磨→研磨→检验
冲击活塞的渗碳处理在井式气体渗碳炉中进行，渗碳处理过程中炉膛排气阶段采用大剂量甲醇排除炉内空气，渗碳剂则使用煤油，剂量为100滴/min，渗碳温度为930℃，渗碳阶段时间为10h，扩散阶段的时间为3h，渗碳层含碳量控制在0.95%~1%。
渗碳处理之后，为了减少冲击活塞在淬火后残余奥氏体的存在，将其进行了一次高温回火，高温回火处理后再重新加热淬火，淬火温度870℃，淬火介质为矿物油，淬火后紧接着在180℃回火6h。
粗磨之后，为了消除磨削应力的影响，在170℃时效8h［4］。
3 组织与性能检验
冲击活塞组织观察与硬度试验的试样是从同炉处理的冲击活塞中抽取一支，在线切割机床上切取下来的，试样切取部位离冲击工作端20mm，试样厚度为12mm。
30CrNi2MoV冲击活塞渗碳后缓冷到室温，制成金相样品，光学显微镜金相照片见图2。
由图可以清晰地看出渗碳层的分布情况，表层为含碳量很高的过共析层和共析层，为深黑色。
离表层较远的中心部位为未渗碳区域，而中间的过渡地带为含碳量较高的亚共析过渡层，过渡层的碳含量逐渐递减，过渡比较平缓。
这说明渗碳后期的扩散阶段达到了使渗碳层向中心部位含碳量平缓过渡的效果。
图2 30CrNi2MoV活塞渗碳后的金相照片
图3 是渗碳淬火和回火之后在KYKY-2800扫描电镜上拍摄的背散射像形貌照片，拍摄部位为表层过共析层。
照片中显示出典型的片状回火合金马氏体，组织极为细密均匀。
图4是活塞中心部位未受渗碳影响的原始亚共析组织的背散射像形貌照片。
由于中心含碳量低，为板条状的回火合金马氏体，组织同样非常细密均匀。
图3 渗碳层背散射电镜照片
图4 中心部位背散射电镜照片
图5是试样切取下来后进行的硬度测定结果示意图。
用HR-150型洛氏硬度计测定试样的硬度，活塞外表面3个测点上的硬度平均值为HRC60；中心内孔表面3个测点的硬度平均值为HRC59.8；而横截面上的硬度值近表层较高，中心部位较低，中心最低值为HRC46。
从图上还可以看出，由表层向中心部位硬度过渡比较平缓，中心部位的硬度相当均匀，表层与心部的硬度差值为HRC14。
图5 30CrNi2MoV冲击活塞的硬度分布
4 应用效果
选取30CrNi2MoV钢采用渗碳、淬火回火工艺制造冲击活塞已批量生产，先后在几个重点建设工程项目中使用，取得了很好的应用效果，下面是其中2个应用实例。
1) 成渝高速公路某隧道岩石工程，该隧道全长约为3000m，为五类围岩(F系数为14)，岩石硬度高，施工难度大，施工断面炮孔200孔，使用2台国外进口的液压钻车交替作业，在这项凿岩施工中，某施工单位全部使用国产30CrNi2MoV钢制造的冲击活塞，替代进口活塞，每根冲击活塞的凿孔进尺均在10000m以上，其中部分活塞的凿孔进尺达到40000 m以上，使用这种冲击活塞替代进口产品，施工过程顺利，施工进度快。
而且在该工程施工中，液压凿机冲击活塞维修更换一项，即可节约外汇12万美元左右，使更换活塞的成本节约90%，具有非常重要的技术经济意义。
1）四川某水电站导流涵洞凿岩工程，涵洞全长约为1000m，岩石为火沉岩，为难于凿岩的高难度施工项目，涵洞断面炮孔150孔，使用进口液压钻车交替作业，采用30CrNi2MoV 钢冲击活塞替代HD100C进口活塞，使用寿命均为凿孔进尺10000m以上，最佳使用寿命达到40000m以上。
5 结论
1）选择30CrNi2MoV钢，采用渗碳、淬火与回火处理能满足液压凿岩机冲击活塞整体高强韧性和抗冲击疲劳强度、活塞表层高硬度壳层结构、冲击工作端高硬度与高强韧性相配合的使用性能要求。
2）30CrNi2MoV钢冲击活塞渗碳处理后期应采取合适的扩散措施，使活塞渗碳层表层高碳量层向心部未渗碳区含碳量平缓过渡，并使活塞在淬火回火后表层向心部的硬度值下降能平缓过渡，防止渗碳层与心部未渗入区含碳量骤降而导致硬度突变，以避免表层易于剥落崩裂。
3) 渗碳、淬火回火处理之后，冲击活塞的表面硬度为HRC59~60、心部硬度为HRC46左右为宜，冲击活塞用钢必须有良好的淬透性，表面的硬度、心部的硬度都分别要求均匀一致，不允许性能不均匀的现象存在，这是保证冲击活塞正常使用并获得高使用寿命的关键。
4）渗碳、淬火回火之后，冲击活塞表层为细片状回火马氏体、心部为细密板条状回火马氏体是比较理想的金相组织。
参考文献
［1］郭孝先，王路，黄元月国外液压凿岩设备北京：地质出版社，1993
［2］徐小荷冲击凿岩的理论基础与电算方法沈阳：东北工学院出版社，1986
［3］孙珍宝，朱谱藩，林慧国，等合金钢手册北京：冶金工业出版社，1992
［4］孙大能，雷廷权，章守华热处理手册北京：机械工业出版社，1991
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