針對鑄鋼件連接頭斷裂機理改進措施的論文
摘要：針對礦用液壓支架連接頭使用不久斷裂的問題，對連接頭進行了各種理化分析並且在與同種類型產品的相互比較下，找出連接頭斷裂的原因，並結合分析結果，提出連接頭在熱處理工藝和設計方面的優化措施，以此改善連接頭性能，降低失效率。改進後的連接件，經過使用反饋，確定其能夠滿足現場的工作需求，應用前景良好。
關鍵詞：連接頭;斷裂機理;液壓支架
1.概述
鑄造業是製造業的重要組成部分，是關係國民生計的重要行業。鑄造技術在石化、電力、造船、鋼鐵、汽車裝備製造、紡織等支柱產業中應用廣泛。我國在鑄造技術領域的研究不斷趨近國際先進水平，但轉化為現實生產力的少，行業整體技術水平落後[1]。礦用液壓支架用鑄鋼件連接頭，連接了液壓支架與刮板運輸機，是推溜和拉架是主要受力部件[2-3]。以伊泰寶山液壓支架為例，使用一段時間後，斷裂連接頭的比率高達44.4%，給安全生產帶來了極大的隱患。國內外學者對連接頭的斷裂原因作過相應的分析，郝玲[4]用三維建模和有限元軟件對液壓支架連接頭進行分析，確定應力和應變的變化狀況，在特種工況下從結構上對連接頭優化設計。湯國強[5]從化學成分上分析連接頭的斷裂原因，提出淬火後延長保温時間的工藝措施。李曉霞[6]針對連接頭鑄造裂紋產生機理進行研究，並對熱處理工藝進行改進，效果良好。為保證安全生產，在對斷裂連接頭進行對比、檢測的基礎上，找到連接接頭斷裂的原因，從而適當調整熱處理工藝、優化設計，避免連接頭斷裂現象的發生。
2.斷裂連接頭分析
2.1化學成分組成
鋼液品質方面，在現有設備下進行了嚴格的控制。檢測樣品為原材料經過分揀、爐前經過檢測的標準溶液試樣，檢測設備為直讀光譜儀。按照GB/T-1987《冶金產品化學分析方法標準的總則及一般規定》對其進行材質分析，結果顯示成分合格，因此認為鋼液品質並非造成連接頭斷裂的主要因素。化驗成分如表1所示：
2.2結構設計合理性對比
在結構設計合理性方面，通過與同一採面S公司生產的同一類型產品自行對比以及和文獻液壓支架連接鑄造熱裂紋缺陷的研究[5]的對比分析，發現結構相似或相同，結合平煤機連接頭斷裂率較低的.事實，確認其並非造成連接頭斷裂高的主要因素。
2.3鑄造缺陷
為驗證是否是鑄造缺陷造成連接頭斷裂率高的因素，對斷裂最明顯的蒙泰支架連接頭進行斷面分析和金相檢測，斷面分析未發現明顯的夾渣、氣孔、疏鬆等鑄造缺陷。金相檢測中，也未發現明顯鑄造缺陷，如平煤機斷裂連接頭的金相結果圖1所示，因此確認其並非造成連接頭斷裂率高的主要因素。
2.4金相組織檢測
該檢測按照《金屬纖維組織檢測方法》，檢測顯示，平煤機連接頭達到2級，金相結果如圖1所示。三一重工公司該類型連接頭晶粒度5級，如圖2所示，結合機械性能實驗中平煤機連接頭試樣延伸率和衝擊功遠低於三一重工公司連接頭試樣分析，是由於正火不充分心部粗大晶粒沒有得到細化，導致晶粒粗大及混晶組織，在調製處理中發生晶粒的遺傳效應，繼承了晶粒粗大的缺陷，造成材料韌性低、脆性大。正火不充分是造成連接頭斷裂率高的主要原因。
2.5強度試驗
取斷裂連接頭單邊耳板為取樣基體，拉伸試樣和彎曲試樣採用機械加工方法獲得，相比用火割方法獲得的試樣，機械加工方法避免了熱影響區的影響，實驗結果更加真實可靠。拉伸試樣有效段直徑10mm，原始標距50mm。衝擊試樣加工成10mm×10mm×55mm的標準試樣，缺口V型。表2、3、4和5分別為平煤機連接頭拉伸試驗結果、平煤機連接頭衝擊試驗結果、S公司連接頭拉伸試驗結果和S公司連接頭衝擊試驗結果。將表2、3和表4、5的結果進行對比，可發現三一重工生產的連接頭與平煤機生產的連接頭抗拉強度區別不大，但是，連接頭衝擊功要比平煤機的高，而且數值較為均勻，説明S公司連接頭心部和表面綜合性能比較均勻已差別不大。平煤機生產的連接頭衝擊功低的主要原因是正火不充分，造成晶粒粗大，在調製過程中發生晶體的遺傳效應。
2.6硬度檢測
在調質工藝合理性方面：分別查閲了ZG30Cr06和ZG28NiCrMo兩種材質連接頭生產現場使用的熱處理工藝卡片，並與工藝部存放ZG30Cr06和ZG28NiCrMo熱處理工藝驗證報告進行比較，發現工藝卡片要求技術參數與報告推薦參數一致，因此確認所採用調質工藝是合適的;現場操作方面查閲了兩種材料連接頭生產的圓盤記錄紙和當班檢測記錄，記錄顯示的保温温度和時間與工藝要求相吻合，檢測記錄中顯示的淬火硬度在要求範圍內，且操作因素屬於偶發性因素，故認為該因素不是造成連接頭整體斷裂率高的主要原因。調製後硬度要求HBW240～280，在斷裂連接頭靠近斷裂位置正面和側面各抽3個點複查硬度指標，結果如表6所示，其中1～3是連接頭正面硬度檢測值，4～6是連接頭側面硬度檢測值.
2.7使用不當驗證
用户使用方面，據售後服務部人員介紹，每批支架下井前均對使用人員進行了支架的使用説明培訓，S公司支架與平頂山煤礦機械有限公司支架在同一採面，而S公司支架所用連接頭斷裂率明顯較低，故判定該因素不是要因。通過對比和實驗的方法，最終確定是由於正火保温時間不足，造成連接頭心部未完全奧氏體化，晶粒粗大，應力集中，為斷裂連接的主要原因，但是其他非主導性因素也不應當被忽視，應使斷裂率降到最低。
3.改進措施
針對正火不充分，導致晶粒粗大以及存在混晶組織和實際的應用條件造成鑄鋼連接頭斷裂率高的問題，提出以下改進措施。(1)鑄件在正火加熱時，應適當延長保温時間，使心部完全奧氏體化，並減少每次的裝爐活件量，確保不相互堆積、遮蓋，以保證調製後各成分均勻[7]。(2)從設計角度看，加大連接頭根部厚度，加大內部外部弧度，這樣可以提高連接頭應力集中處的強度。連接銷軸加設應力槽，這樣在連接頭受力較大時，銷軸先斷，可以有效的保護連接頭，相比連接頭而言，銷軸的加工成本低，更換方便，維修時間短，是保護連接頭的一種有效的措施。(3)冶煉時嚴格控制化學成分，是脆性增加的碳和雜質的含量得到嚴格控制[8]。(4)提高冶煉質量，減少成分偏析。(5)由於連接頭在工作時受到的力較為複雜，在製造過程中，可以適當採用機械性能好及淬透性高的材料，以適應現實的實際條件。採用優化後的設計圖紙和正火工藝加工了50件送到伊泰寶山礦，一個月後從售後反饋情況看，使用狀況良好，未出現連接頭批量斷裂現象。
4.結語
通過對連接頭分析和對比，查明瞭礦用液壓支架連接頭斷裂的主要原因，並嚴格控制熱處理温度和保温時間。對每件活件均進行超聲波探傷，以確保內部無缺陷。從設計角度改進，使連接頭達到最佳使用狀態。
