郭成良

（大同市同煤集团机电装备公司中央机厂，山西 大同 037000）

引言

煤矿开采中，液压支架是非常重要的机械设备，直接决定着煤矿开采的安全性[1]。四连杆结构通过销轴与液压支架其他结构件进行连接，起到调节液压支架姿态的作用[2]。销轴结构工作时需要承受很大的作用力，这对其力学性能提出了严格的要求。在零部件的结构尺寸一定的前提下，通过热处理可以有效提升结构件的力学性能。然而销轴结构作为液压支架中的重要零部件，关于其热处理工艺的研究却相对较少[3-4]。在液压支架设计图纸中对其要求也较为笼统，比如标注为“淬火处理，HRC24～30”。材料硬度与耐磨性之间存在紧密联系，通过提升销轴表面的硬度，可以保障其表面的耐磨性。但是在实际工作时，销轴结构不仅面临显著的磨损问题，而且还需要承受较大的作用力，且偶尔需要承受冲击力，这对销轴结构的强度和韧度等性能提出了一定的要求[5-6]。本文以ZFY12000/25/42型液压支架为例，详细研究销轴结构的热处理工艺。

1 销轴结构热处理实验材料及工艺方案设计

1.1 销轴结构热处理实验材料

ZFY12000/25/42型液压支架在煤矿井下工作时，面临着较大的工作阻力。意味着四连杆结构中的销轴在工作时需要承受比其他普通液压支架更大的作用力。为了满足工作要求，在结构设计中将销轴直径扩大到了170 mm。仅仅增大销轴直径，而不对热处理工艺进行改进，并不能达到很好的效果，反而会造成材料浪费。在生产实践中销轴结构的常用材料为35CrMnSiA，因此本文以该种材料作为研究对象开展热处理工艺研究。

1.2 销轴结构热处理工艺方案

销轴的主要热处理工艺为“淬火+回火”，其中淬火的作用是获得较多的马氏体组织，提升材料的强度和硬度。淬火后的马氏体组织虽然具有很高的强度和硬度，但其韧度和塑性通常很差。一旦遇到较大冲击，结构件容易出现裂纹，从而失效。为了适当提升销轴结构的韧度和塑性，在完成淬火工艺后，通常还需要进行回火处理，目的在于适当提升材料的塑性和韧性，使材料的强度和塑性达到一个良好的平衡。

销轴结构处理工艺中，回火温度的高低对结构最终性能有决定性的影响。通常回火温度越高材料强度越低，但塑形和韧性越高。相反，回火温度低则材料的强度和硬度高，但塑性和韧性会有降低。为了研究回火温度对销轴结构综合力学性能的影响，本研究首先对销轴结构进行淬火处理，即将试样加热到880℃保温90 min后进行油冷，再对销轴材料进行不同回火温度的热处理。共设置有4种不同的温度，分别为560℃、590℃、620℃和650℃，回火时的保温时间为4 h，确保组织的均匀性，回火冷却方式为空冷。

2 销轴材料热处理结果分析

为了分析热处理工艺技术参数对销轴综合性能的影响，在完成所有的热处理工作后，对所有的试样开展力学性能测试实验，主要包括硬度测试和室温拉伸测试、冲击测试。所有测试工作严格按照国家标准执行，为了提升测试结果的精度，每组实验进行3次测量，然后去3次测量结果的平均值作为最终结果。

2.1 硬度测试结果

已有的理论和实践经验均表明，金属材料表面硬度与强度之间存在非常紧密的关系，通常材料的硬度越高则其强度也越高，甚至存在简单的线性比例关系。比如常见的碳素结构钢，其硬度和强度之间就存在明显的线性比例关系，该种类型材料的抗拉强度值约为表面硬度值的0.36倍。再加上金属材料硬度测量过程相对较为简单，因此在工业生产现场对材料硬度进行测量比较常见，通过对硬度的测量可以很好的反映整个金属材料的综合性能。

本研究中，560℃、590℃、620℃和650℃四种回火温度对应的平均硬度（HRC）值分别为35、32、27和25。可以明显看出，随着回火温度的升高材料表面硬度出现了降低的趋势。材料表面硬度越高其耐磨性越好，如果只是简单的从耐磨性角度出发，应该选择相对较低的回火温度，确保材料表面的硬度和耐磨性。但是在实践过程中发现，当回火温度较低时，销轴结构的使用寿命并没有得到有效延长，反而经常出现断裂问题。主要原因为硬度太高影响了材料的塑性和韧性，导致材料发生脆性断裂。

2.2 室温拉伸及冲击测试结果

为进一步分析回火温度对销轴结构材料其他各项力学性能的影响，在完成热处理工艺后，将对应的试样加工成标准的室温拉伸测试试样和冲击试样。如图2所示为室温拉伸标准试样的规格尺寸。

图2 标准室温拉伸试样规格尺寸（单位：mm）

通过室温拉伸实验可以得到材料的屈服强度，抗拉强度，反映材料的强度大小。通过冲击实验可以得到材料的冲击功，反映材料的韧性好坏。不同回火温度对应的综合性能指标结果如表1所示。从表中数据可以看出，随着回火温度的升高，销轴材料的屈服强度、抗拉强度均出现了不同程度的降低。可以看出销轴材料的强度变化趋势与表面硬度变化趋势完全相同，验证了材料强度与硬度之间的关联关系。冲击功则随着回火温度升高而逐渐降低，冲击功是重要的韧性指标，其数值越高则表明材料的韧性越好。

根据实践经验，为了保障煤矿用液压支架的安全性，要求销轴的屈强比应该不得超过0.8，而冲击功则需要超过25 J。从冲击功角度来说，回火温度超过590℃均能够满足要求，但是当回火温度为590℃时，其屈强比却超过了0.8，不满足使用要求。只有回火温度在620℃和650℃时，销轴材料能够同时满足以上要求。

表1 不同热处理工艺对应的力学性能指标

综上所述，降低回火温度可以提升销轴材料表面硬度和耐磨性，但在实践中不能因追求表面硬度和耐磨性而降低回火温度。因为回火温度越低意味着销轴材料的韧性越低，一旦受到冲击载荷时容易发生脆性断裂。基于本文的热处理和各项力学性能测试结果，最终选择的回火温度是620℃。在该温度条件下进行回火热处理，不仅能够保证销轴结构材料具有良好的塑性和韧性，同时也能够确保其表面硬度和耐磨性达到使用要求。

3 结论

1）随着回火温度的不断升高，销轴结构材料的表面硬度、抗拉强度和屈服强度均随之不断降低，而冲击功则正好相反。表明回火温度越高，则材料的强度越好但韧性较低。

2）最终确定的回火温度为620℃，在该温度条件下进行回火处理，不仅能够保证销轴结构材料具有良好的塑性和韧性，同时也能够确保表面硬度和耐磨性达到使用要求，保证销轴结构材料具有良好的综合力学性能。