礦山設(shè)備包括球磨機(jī)、挖掘機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、給料機(jī)、磨粉機(jī)等，廣泛運(yùn)用于礦山、冶煉、建材、公路、鐵路、水利和化學(xué)工業(yè)等眾多部門(mén)。由于礦山設(shè)備的作業(yè)環(huán)境惡劣，受振動(dòng)、沖擊、磨擦、磨損、化學(xué)介質(zhì)腐蝕等因素影響，要求礦山設(shè)備要有一定的耐磨性、耐腐蝕、抗沖擊等性能，為達(dá)到這些要求，熱處理就顯得尤為重要。
1.熱處理工藝
礦山機(jī)械的絕大部分零部件都需要熱處理，只是很多關(guān)鍵部件的熱處理要求較為嚴(yán)格、特殊，礦山機(jī)械零部件的熱處理工藝和一般的機(jī)械零部件的熱處理工藝差不多，通過(guò)改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。本文會(huì)利用在平常工作中的幾個(gè)典型零部件的熱處理工藝，和大家一起探討整體熱處理、表面熱處理和化學(xué)熱處理等在礦山機(jī)械上的應(yīng)用。
2.工件的預(yù)先熱處理
礦山設(shè)備工件的預(yù)先熱處理有退火、正火、調(diào)質(zhì)三類(lèi)。礦山設(shè)備通常外形比較龐大，其組成部件，如箱體、外筒、大齒輪等都屬于大件。其中大件以調(diào)質(zhì)（淬火加高溫回火）工藝最為復(fù)雜，淬火時(shí)受到鋼的淬透性、散熱條件以及淬火介質(zhì)的限制,加之大件內(nèi)部缺陷較多,在熱處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力,加大工件的變形量和工件開(kāi)裂的危險(xiǎn)性。因此，大件調(diào)質(zhì)用階梯升溫加熱方式, 淬火冷卻可采用水冷, 雙液淬火等方式,要及時(shí)回火,并控制其升溫速度及冷卻方式。下面為半齒輪調(diào)質(zhì)實(shí)例簡(jiǎn)單介紹。
如圖1所示,此半齒輪為球磨機(jī)部件，材料為ZG45，外形尺寸為φ5071.06mm/φ4800mm×630mm，重量為6938kg，技術(shù)要求硬度達(dá)217～255HBW。生產(chǎn)工藝路線：鍛造→去應(yīng)力退火→正火→粗車(chē)→探傷→調(diào)質(zhì)→精加工→去應(yīng)力退火。由于半齒輪尺寸較大,壁薄，加熱淬火過(guò)程中易變形，為了控制調(diào)質(zhì)過(guò)程中變形量，在齒輪內(nèi)部增加支承拉筋。按調(diào)質(zhì)硬度要求工藝如圖2所示。
工件在650℃保溫的目的：
（1）為避免工件內(nèi)部缺陷進(jìn)一步擴(kuò)展，減小工件內(nèi)外溫差,減小熱應(yīng)力。
（2）為讓工件以更快的速度進(jìn)入均溫階段，減小工件在相變點(diǎn)附近的內(nèi)外溫差,減小組織應(yīng)力。
該工件調(diào)質(zhì)處理應(yīng)嚴(yán)格注意以下幾點(diǎn)：
（1）工件低于300℃裝爐，嚴(yán)格控制溫度達(dá)到650℃的升溫速度。
（2）淬火后工件表面冷卻至200℃時(shí)立即回火。
（3） 回火時(shí), 采取低溫裝爐, 升溫速度比淬火時(shí)慢。
3.工件感應(yīng)熱處理
礦山設(shè)備中一些工件，如滾輪、車(chē)輪、軸等需要感應(yīng)加熱熱處理。表面感應(yīng)熱處理根據(jù)感應(yīng)器頻率分高頻、中頻、工頻。下面為輥軸中頻表面感應(yīng)加熱實(shí)例探討。
35Mn輥軸為給料機(jī)部件，技術(shù)要求硬度是40～50HRC，重量為4010kg，外形尺寸為φ700mm×3500mm。生產(chǎn)工藝路線：鍛造→正火→粗車(chē)→調(diào)質(zhì)→精車(chē)→表面感應(yīng)熱處理→精車(chē)。表面淬火位置如圖3所示，端部?jī)煞N直徑外圓及兩圓之間臺(tái)面要求表面淬火，設(shè)備選用龍門(mén)數(shù)控中頻淬火機(jī)床。表面感應(yīng)淬火工藝：感應(yīng)淬火→回火。熱處理過(guò)程中出現(xiàn)幾個(gè)難點(diǎn)，其中：
（1）工件體積龐大，操作吊夾困難。
（2）表淬位置在兩圓及表淬兩圓之間，臺(tái)面比較特殊，感應(yīng)器需要研制。
（3）表面淬火水冷方式。
表淬感應(yīng)器根據(jù)表面位置，經(jīng)過(guò)五次改制設(shè)計(jì)為筒式感應(yīng)器，加熱試驗(yàn)成功。根據(jù)兩圓之間臺(tái)面要求硬度，用感應(yīng)器上的水圈，無(wú)法水冷到臺(tái)面，改淬火方式為整體水冷（其中夾具也根據(jù)淬火方式制作的）。工件表淬并回火后，加熱面及臺(tái)面的硬度達(dá)到技術(shù)要求。
圖3 輥軸表淬位置圖
4.工件化學(xué)熱處理
礦山設(shè)備中一些工件，如齒輪類(lèi)，它們是傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種機(jī)械零件，要求它們有高的耐磨性、接觸疲勞強(qiáng)度、彎曲疲勞強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，而且心部要具有較高的塑性和韌性。這需要化學(xué)熱處理，常用滲氮、滲碳、碳氮共滲等化學(xué)熱處理方法。下面為弧齒輪滲碳實(shí)例說(shuō)明一下。
材料為20CrMnMo弧齒輪，為減速器組成部件，尺寸為φ330.94mm/φ60mm×56mm，外觀形貌如圖4所示，重量為27.6kg。熱處理技術(shù)要求有效硬化層為1.2～1.6㎜（工藝加量0.4㎜，1.6～2.0㎜），齒輪表面硬度為58～62HRC，心部硬度為33～45HRC。熱處理工藝過(guò)程：正火→調(diào)質(zhì)→滲碳→高溫回火→淬火→回火→二次回火→噴丸。其中：
（1）正火、調(diào)質(zhì)做為預(yù)備熱處理，能消除鍛件應(yīng)力、細(xì)化晶粒、改善鋼的機(jī)械切削加工性能，得到強(qiáng)韌結(jié)合良好的機(jī)械性能。
（2）滲碳工藝將工件放入帶控制氣氛井式滲碳爐中，在920℃加熱保溫，使活性碳原子滲入鋼件表面并獲得高碳滲層，表面碳濃度達(dá)到0.95％～1.05％，滲碳過(guò)程分為分解、吸附、擴(kuò)散，周期比較長(zhǎng)。
（3）齒輪經(jīng)過(guò)滲碳隨后高溫回火，減少滲碳層中的網(wǎng)狀碳化物，細(xì)化組織。
（4）淬火是為齒輪表面集聚的碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。淬火時(shí)，控制其變形不同于其他齒形齒輪，從弧齒輪外觀形貌可以看出齒輪壁厚不均勻，淬火油冷時(shí)，必會(huì)因?yàn)楸诤竦牟痪鶆蛐砸瘕X輪翹起變形，所以，淬火時(shí)用自動(dòng)淬火壓床進(jìn)行整體淬火，能很好的控制弧齒輪的變形。
（5）淬火后的低溫回火，得到回火馬氏體組織，降低脆性，減少內(nèi)應(yīng)力，可以獲得高的表面硬度、耐磨性。而心部仍保持低碳，良好的塑性和韌性。
（6）噴丸作為最后一道工序，是為了清除鋼件表面的鐵銹、氧化皮，提高齒輪表面的光潔度，降低鋼件的應(yīng)力集中，在其表面形成有利的殘余壓能力，減少機(jī)械加工的缺陷，提高表面對(duì)塑性變形和斷裂的抵抗能力。
圖4 弧齒輪的外觀形貌
5.結(jié)語(yǔ)
熱處理是機(jī)械制造過(guò)程中的重要工序之一，它可以保證和提高工件的各種性能，如耐磨、耐腐蝕等，還可以改善毛坯的組織和應(yīng)力狀態(tài)，以利于進(jìn)行各種冷、熱加工，使工件使用壽命比不經(jīng)熱處理的工件成倍或幾十倍地提高。
作者：于梅、劉旭東
單位：北方重工熱處理分公司
來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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