礦山設備包括球磨機、挖掘機、掘進機、給料機、磨粉機等，廣泛運用于礦山、冶煉、建材、公路、鐵路、水利和化學工業等眾多部門。由于礦山設備的作業環境惡劣，受振動、沖擊、磨擦、磨損、化學介質腐蝕等因素影響，要求礦山設備要有一定的耐磨性、耐腐蝕、抗沖擊等性能，為達到這些要求，熱處理就顯得尤為重要。
1.熱處理工藝
礦山機械的絕大部分零部件都需要熱處理，只是很多關鍵部件的熱處理要求較為嚴格、特殊，礦山機械零部件的熱處理工藝和一般的機械零部件的熱處理工藝差不多，通過改變工件內部的顯微組織，或改變工件表面的化學成分，賦予或改善工件的使用性能。本文會利用在平常工作中的幾個典型零部件的熱處理工藝，和大家一起探討整體熱處理、表面熱處理和化學熱處理等在礦山機械上的應用。
2.工件的預先熱處理
礦山設備工件的預先熱處理有退火、正火、調質三類。礦山設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。其中大件以調質（淬火加高溫回火）工藝最為復雜，淬火時受到鋼的淬透性、散熱條件以及淬火介質的限制,加之大件內部缺陷較多,在熱處理過程中會產生較大內應力,加大工件的變形量和工件開裂的危險性。因此，大件調質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,要及時回火,并控制其升溫速度及冷卻方式。下面為半齒輪調質實例簡單介紹。
如圖1所示,此半齒輪為球磨機部件，材料為ZG45，外形尺寸為φ5071.06mm/φ4800mm×630mm，重量為6938kg，技術要求硬度達217～255HBW。生產工藝路線：鍛造→去應力退火→正火→粗車→探傷→調質→精加工→去應力退火。由于半齒輪尺寸較大,壁薄，加熱淬火過程中易變形，為了控制調質過程中變形量，在齒輪內部增加支承拉筋。按調質硬度要求工藝如圖2所示。
工件在650℃保溫的目的：
（1）為避免工件內部缺陷進一步擴展，減小工件內外溫差,減小熱應力。
（2）為讓工件以更快的速度進入均溫階段，減小工件在相變點附近的內外溫差,減小組織應力。
該工件調質處理應嚴格注意以下幾點：
（1）工件低于300℃裝爐，嚴格控制溫度達到650℃的升溫速度。
（2）淬火后工件表面冷卻至200℃時立即回火。
（3） 回火時, 采取低溫裝爐, 升溫速度比淬火時慢。
3.工件感應熱處理
礦山設備中一些工件，如滾輪、車輪、軸等需要感應加熱熱處理。表面感應熱處理根據感應器頻率分高頻、中頻、工頻。下面為輥軸中頻表面感應加熱實例探討。
35Mn輥軸為給料機部件，技術要求硬度是40～50HRC，重量為4010kg，外形尺寸為φ700mm×3500mm。生產工藝路線：鍛造→正火→粗車→調質→精車→表面感應熱處理→精車。表面淬火位置如圖3所示，端部兩種直徑外圓及兩圓之間臺面要求表面淬火，設備選用龍門數控中頻淬火機床。表面感應淬火工藝：感應淬火→回火。熱處理過程中出現幾個難點，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，臺面比較特殊，感應器需要研制。
（3）表面淬火水冷方式。
表淬感應器根據表面位置，經過五次改制設計為筒式感應器，加熱試驗成功。根據兩圓之間臺面要求硬度，用感應器上的水圈，無法水冷到臺面，改淬火方式為整體水冷（其中夾具也根據淬火方式制作的）。工件表淬并回火后，加熱面及臺面的硬度達到技術要求。
圖3 輥軸表淬位置圖
4.工件化學熱處理
礦山設備中一些工件，如齒輪類，它們是傳遞運動和動力的一種機械零件，要求它們有高的耐磨性、接觸疲勞強度、彎曲疲勞強度和屈服強度，而且心部要具有較高的塑性和韌性。這需要化學熱處理，常用滲氮、滲碳、碳氮共滲等化學熱處理方法。下面為弧齒輪滲碳實例說明一下。
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。熱處理工藝過程：正火→調質→滲碳→高溫回火→淬火→回火→二次回火→噴丸。其中：
（1）正火、調質做為預備熱處理，能消除鍛件應力、細化晶粒、改善鋼的機械切削加工性能，得到強韌結合良好的機械性能。
（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，表面碳濃度達到0.95％～1.05％，滲碳過程分為分解、吸附、擴散，周期比較長。
（3）齒輪經過滲碳隨后高溫回火，減少滲碳層中的網狀碳化物，細化組織。
（4）淬火是為齒輪表面集聚的碳化物轉變為馬氏體組織。淬火時，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，必會因為壁厚的不均勻性引起齒輪翹起變形，所以，淬火時用自動淬火壓床進行整體淬火，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，減少內應力，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，降低鋼件的應力集中，在其表面形成有利的殘余壓能力，減少機械加工的缺陷，提高表面對塑性變形和斷裂的抵抗能力。
圖4 弧齒輪的外觀形貌
5.結語
熱處理是機械制造過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力狀態，以利于進行各種冷、熱加工，使工件使用壽命比不經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
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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