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矿山设备的热处理

矿山设备包括球磨机、挖掘机、掘进机、给料机、磨粉机等,广泛运用于矿山、冶炼、建材、公路、铁路、水利和化学工业等众多部门。由于矿山设备的作业环境恶劣,受振动、冲击、磨擦、磨损、化学介质腐蚀等因素影响,要求矿山设备要有一定的耐磨性、耐腐蚀、抗冲击等性能,为达到这些要求,热处理就显得尤为重要。


1.热处理工艺


矿山机械的绝大部分零部件都需要热处理,只是很多关键部件的热处理要求较为严格、特殊,矿山机械零部件的热处理工艺和一般的机械零部件的热处理工艺差不多,通过改变工件内部的显微组织,或改变工件表面的化学成分,赋予或改善工件的使用性能。本文会利用在平常工作中的几个典型零部件的热处理工艺,和大家一起探讨整体热处理、表面热处理和化学热处理等在矿山机械上的应用。


2.工件的预先热处理


矿山设备工件的预先热处理有退火、正火、调质三类。矿山设备通常外形比较庞大,其组成部件,如箱体、外筒、大齿轮等都属于大件。其中大件以调质(淬火加高温回火)工艺最为复杂,淬火时受到钢的淬透性、散热条件以及淬火介质的限制,加之大件内部缺陷较多,在热处理过程中会产生较大内应力,加大工件的变形量和工件开裂的危险性。因此,大件调质用阶梯升温加热方式, 淬火冷却可采用水冷, 双液淬火等方式,要及时回火,并控制其升温速度及冷却方式。下面为半齿轮调质实例简单介绍。


如图1所示,此半齿轮为球磨机部件,材料为ZG45,外形尺寸为φ5071.06mm/φ4800mm×630mm,重量为6938kg,技术要求硬度达217~255HBW。生产工艺路线:锻造→去应力退火→正火→粗车→探伤→调质→精加工→去应力退火。由于半齿轮尺寸较大,壁薄,加热淬火过程中易变形,为了控制调质过程中变形量,在齿轮内部增加支承拉筋。按调质硬度要求工艺如图2所示。


工件在650℃保温的目的:

(1)为避免工件内部缺陷进一步扩展,减小工件内外温差,减小热应力。


(2)为让工件以更快的速度进入均温阶段,减小工件在相变点附近的内外温差,减小组织应力。 


该工件调质处理应严格注意以下几点:

(1)工件低于300℃装炉,严格控制温度达到650℃的升温速度。


(2)淬火后工件表面冷却至200℃时立即回火。


(3) 回火时, 采取低温装炉, 升温速度比淬火时慢。


3.工件感应热处理


矿山设备中一些工件,如滚轮、车轮、轴等需要感应加热热处理。表面感应热处理根据感应器频率分高频、中频、工频。下面为辊轴中频表面感应加热实例探讨。


35Mn辊轴为给料机部件,技术要求硬度是40~50HRC,重量为4010kg,外形尺寸为φ700mm×3500mm。生产工艺路线:锻造→正火→粗车→调质→精车→表面感应热处理→精车。表面淬火位置如图3所示,端部两种直径外圆及两圆之间台面要求表面淬火,设备选用龙门数控中频淬火机床。表面感应淬火工艺:感应淬火→回火。热处理过程中出现几个难点,其中:


(1)工件体积庞大,操作吊夹困难。


(2)表淬位置在两圆及表淬两圆之间,台面比较特殊,感应器需要研制。


(3)表面淬火水冷方式。


表淬感应器根据表面位置,经过五次改制设计为筒式感应器,加热试验成功。根据两圆之间台面要求硬度,用感应器上的水圈,无法水冷到台面,改淬火方式为整体水冷(其中夹具也根据淬火方式制作的)。工件表淬并回火后,加热面及台面的硬度达到技术要求。

图3  辊轴表淬位置图

4.工件化学热处理


 矿山设备中一些工件,如齿轮类,它们是传递运动和动力的一种机械零件,要求它们有高的耐磨性、接触疲劳强度、弯曲疲劳强度和屈服强度,而且心部要具有较高的塑性和韧性。这需要化学热处理,常用渗氮、渗碳、碳氮共渗等化学热处理方法。下面为弧齿轮渗碳实例说明一下。


材料为20CrMnMo弧齿轮,为减速器组成部件,尺寸为φ330.94mm/φ60mm×56mm,外观形貌如图4所示,重量为27.6kg。热处理技术要求有效硬化层为1.2~1.6㎜(工艺加量0.4㎜,1.6~2.0㎜),齿轮表面硬度为58~62HRC,心部硬度为33~45HRC。热处理工艺过程:正火→调质→渗碳→高温回火→淬火→回火→二次回火→喷丸。其中:


(1)正火、调质做为预备热处理,能消除锻件应力、细化晶粒、改善钢的机械切削加工性能,得到强韧结合良好的机械性能。


(2)渗碳工艺将工件放入带控制气氛井式渗碳炉中,在920℃加热保温,使活性碳原子渗入钢件表面并获得高碳渗层,表面碳浓度达到0.95%~1.05%,渗碳过程分为分解、吸附、扩散,周期比较长。


(3)齿轮经过渗碳随后高温回火,减少渗碳层中的网状碳化物,细化组织。


(4)淬火是为齿轮表面集聚的碳化物转变为马氏体组织。淬火时,控制其变形不同于其他齿形齿轮,从弧齿轮外观形貌可以看出齿轮壁厚不均匀,淬火油冷时,必会因为壁厚的不均匀性引起齿轮翘起变形,所以,淬火时用自动淬火压床进行整体淬火,能很好的控制弧齿轮的变形。


(5)淬火后的低温回火,得到回火马氏体组织,降低脆性,减少内应力,可以获得高的表面硬度、耐磨性。而心部仍保持低碳,良好的塑性和韧性。


(6)喷丸作为最后一道工序,是为了清除钢件表面的铁锈、氧化皮,提高齿轮表面的光洁度,降低钢件的应力集中,在其表面形成有利的残余压能力,减少机械加工的缺陷,提高表面对塑性变形和断裂的抵抗能力。

图4 弧齿轮的外观形貌

5.结语

热处理是机械制造过程中的重要工序之一,它可以保证和提高工件的各种性能,如耐磨、耐腐蚀等,还可以改善毛坯的组织和应力状态,以利于进行各种冷、热加工,使工件使用寿命比不经热处理的工件成倍或几十倍地提高。

作者:于梅、刘旭东

单位:北方重工热处理分公司

来源:《金属加工(热加工)》杂志

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