一种大尺寸液压破碎锤活塞及其制造方法

1.本发明属于重型机械制造技术领域，具体的说，涉及一种大尺寸液压破碎锤活塞及其制造方法。


背景技术：

2.液压破碎锤作为一种新型的液压工程设备，被广泛应用于矿山岩石的破碎及各种大型工程建设等；而液压破碎锤冲击系统中的活塞是直接做功的关键部件，也是液压破碎锤的最关键的工作部件。
3.长期以来诸如阿特拉斯等国际凿岩机械知名企业占据了市场主体，现有技术中液压破碎锤中的活塞均采用低碳合金钢调质处理后进行表面强化处理（包括渗碳等）制造而成的，其寿命高的同时制造成本亦昂贵。
4.近年国内开始采用诸如gcr15等高碳合金钢制造液压破碎锤的活塞，并取得了一定的市场应用。
5.然而，伴随液压破碎机械型号的升级，活塞尺寸逐步增大。
6.在现场应用过程中，高碳合金钢制造的活塞在工作中其打击端面容易发生崩块开裂，从而缩短了液压破碎锤的使用寿命。
7.发生上述问题的根本原因在于高碳合金钢淬火硬化层与内部强韧性不平衡所致。
8.为此，本发明通过分析活塞用钢开裂失效的原因，针对大尺寸液压破碎锤活塞特殊的工作环境，设计大尺寸液压破碎锤活塞的特殊结构与相应的制造方法；使得大尺寸液压破碎锤活塞的整体断面强韧性达到均衡，有效地缓解了由于尺寸效应引起的硬度、韧性突变现象，显著提升大尺寸液压破碎锤活塞的综合强韧性。


技术实现要素：

9.本发明要解决的主要技术问题是提供一种大尺寸液压破碎锤活塞及其制造方法，该活塞结构具有整体断面强韧性均衡、无性能急剧变化的特点。
10.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种大尺寸液压破碎锤活塞，该活塞包括采用高碳合金钢9crv制成的活塞基体，活塞基体经过调质处理制成；活塞基体的一端面上开设有圆形沉孔。
11.以下是本发明对上述技术方案的进一步优化：该活塞的表面硬度为：57-63hrc；超声波探伤≤2级。
12.进一步优化：所述活塞基体的外表面上靠近具有圆形沉孔一端面的位置处布设有依次一体连接的第一过度段、第二过度段和第三过度段。
13.本发明还提供一种用于制备上述大尺寸液压破碎锤活塞的制造方法，该制造方法包括机加工步骤：s1、下料：选取符合制造大尺寸液压破碎锤活塞的高碳合金钢9crv进行生产，9crv钢入厂前需对原材料进行检验；
s2、按照大尺寸液压破碎锤活塞的整体尺寸进行机加工，最终获得毛坯产品。
14.以下是本发明对上述技术方案的进一步优化：该制造方法还包括调质步骤：t1、加热：将毛坯产品装入加热炉内，进行加热时以5-10℃/min的升温速度升温至820-850℃，加热炉内维持碳势保护气氛为0.8-1.1％，而后保温5小时；t2、淬火：将加热保温完成的毛坯产品放在空气中进行预冷1min，预冷完成后放入淬火介质中进行淬火，淬火时间为2.5-4min，淬火完成后，毛坯产品的温度为200-290℃；t3、硝盐浴：将淬火完成的毛坯产品进行硝盐浴，其中硝盐浴温度为230℃；硝盐浴保温时间为4小时；t4、第一次低温回火：将硝盐浴处理完成的毛坯产品进行第一次低温回火，回火温度为230-300℃，回火保温时间为4小时，第一次回火处理完成后冷却至室温；t5、第二次低温回火：将第一次低温回火完成的毛坯产品进行第二次低温回火，其中回火温度为230-350℃，回火保温时间为4小时，冷却至室温，最终获得大尺寸液压破碎锤活塞。
15.进一步优化：步骤22中，毛坯产品生产完成后，毛坯产品的加工标准为直径尺寸公差为-0.085～-0.075mm；表面光洁度为ra0.2，外径圆度为0.003；圆柱度为0.003，同心度为φ0.005。
16.进一步优化：所述步骤t1中，加热炉采用的是井式炉，其中装炉方式为：吊盘吊装；装炉数量为4-5支/炉。
17.进一步优化：步骤t1中，进行保温时，保温温度波动为：
±
5℃。
18.进一步优化：步骤t2中，淬火介质的初始温度为20-50℃，淬火介质的出水温度为200-240℃。
19.进一步优化：步骤t2中，淬火介质为盐水，且盐水的浓度为3％。
20.本发明采用上述技术方案，构思巧妙，结构合理，解决了采用高碳钢制造大尺寸液压破碎锤活塞的内外强韧性难以匹配的问题；更重要的是通过配合与之相适应的加工与热处理工艺，能够使得大尺寸液压破碎锤活塞的整断面强韧性达到均衡，有效地缓解了由于尺寸效应引起的硬度、韧性突变的现象，显著提升大尺寸液压破碎锤活塞的综合强韧性。
21.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
22.图1为本发明实施例的总体结构示意图；图2为本发明实施例中活塞基体的剖视图；图3为本发明实施例中活塞基体上具有圆形沉孔端面处的侧视图；图4为本发明对照例1-3的拉伸性能示意图；图5为本发明实施例1-3的拉伸性能示意图；图6为本发明对照例1-3与实施例1-3的硬度对比图；图7为本发明对照例1-3与实施例1-3的冲击吸收功对比图；图8为本发明对照例1-3的残余应力图图9为本发明实施例1-3的残余应力图。
23.图中：1-活塞基体；2-圆形沉孔；3-第一过度段；4-第二过度段；5-第三过度段。
具体实施方式
24.实施例1：请参阅图1-3，一种大尺寸液压破碎锤活塞，包括活塞基体1，所述活塞基体1的整体结构呈圆柱体形，所述活塞基体1的一端面上开设有圆形沉孔2。
25.所述活塞基体1采用用高碳合金钢制成，所述高碳合金钢的具体型号为9crv钢。
26.将采用高碳合金钢9crv制成的活塞基体1经过调质处理后，使活塞基体1的整体断面强韧性均衡、无性能急剧变化。
27.所述调质处理包括加热、淬火、硝盐浴和回火工艺。
28.制得完成的液压破碎锤活塞，其整体参数为：表面硬度：55-65hrc；心部硬度：35-45hrc，超声波探伤≤2级。
29.所述活塞基体1的整体直径φ1为180-260mm，所述活塞基体1的整体高度为l1为410mm，所述圆形沉孔2的整体直径φ2为25-45mm；所述圆形沉孔2的深度l2为75-100mm。
30.所述活塞基体1的外表面上靠近具有圆形沉孔2一端面的位置处布设有多段过度段。
31.在本实施例中，所述过度段的数量为三个，且三个过度段分别为第一过度段3、第二过度段4和第三过度段5，所述第一过度段3、第二过度段4和第三过度段5依次一体连接。
32.所述第一过度段3的外表面形状为圆锥面，所述第二过度段4的外表面形状为圆柱面，所述第三过度段5的外表面形状为圆锥面。
33.所述第二过度段4的外表面直径φ4为180mm。
34.所述活塞基体1具有圆形沉孔2一端面的外表面直径φ3为150mm。
35.在本实施中，以整体直径φ1为190mm的活塞基体1为例，其中活塞基体1的整体高度l1为410mm；圆形沉孔2的整体直径φ2为30mm；圆形沉孔2的深度l2为100mm；第二过度段4的外表面直径φ4为180mm；活塞基体1具有圆形沉孔2一端面的外表面直径φ3为150mm。
36.本发明采用上述技术方案，该活塞基体1采用用9crv高碳合金钢制成，并且活塞经调质处理后，使活塞基体1的整体断面强韧性均衡、有效地缓解了由于尺寸效应引起的硬度、韧性突变现象，显著提升大尺寸液压破碎锤活塞的综合强韧性，并且活塞的疲劳强度和抗腐蚀性优异。
37.本实施例1还公开了一种大尺寸液压破碎锤活塞的制造方法，该制造方法包括机加工步骤：s1、下料：选取符合制造大尺寸液压破碎锤活塞的高碳合金钢9crv进行生产，9crv钢入厂前需对原材料进行检验。
38.所述步骤s1中，9crv钢原材料的检验按如下步骤进行：1、供货状态：9crv钢原材料的制备工艺包括：模铸、锻造、球化退火。
39.2、化学成分：在9crv钢原材料的端面且距表面0.5r（r表示9crv钢原材料的半径）处进行取样检测，取样数量为1支/炉次；经检测9crv钢中各元素的百分比含量如下表所示：
3、低倍组织：取样部位：9crv钢原材料的端部；取样数量：1件/炉次；要求：参照gb/t18254-2016，横向酸浸试样上不应有残余缩孔、裂纹、皮下气泡、过烧、白点等有害缺陷。
40.4、供货硬度：球化退火硬度不大于hbw179-229.5、脱碳层：取样部位：9crv钢原材料的端部；取样数量：1件/炉次；要求：每边总脱碳层深度，不大于公称直径的1％。
41.6、非金属夹杂物：7、显微组织8、超声波无损探伤：取样数量：逐支；要求：参照gb/t 4612，单个的不连续平底孔直径≤2.0级。
42.s2、按照大尺寸液压破碎锤活塞的整体尺寸进行机加工，首先采用车床进行粗车
获得粗车毛坯，而后将粗车毛坯采用车床进行精车获得精车毛坯，将精车毛坯采用铣床进行铣削最终获得毛坯产品。
43.所述毛坯产品生产完成后，毛坯产品的加工标准为直径尺寸公差为-0.085～-0.075mm；表面光洁度为ra0.2，外径圆度为0.003；圆柱度为0.003，同心度为φ0.005。
44.所述该制造方法还包括调质步骤：t1、加热：将毛坯产品装入加热炉内，进行加热时以5-10℃/min的升温速度升温至850℃，加热炉内维持碳势保护气氛为0.8-1.1％，而后保温5小时。
45.所述步骤t1中，加热炉采用的是井式炉，其中装炉方式为：吊盘吊装；装炉数量为4支/炉。
46.所述步骤t1中，进行保温时，保温温度波动为：
±
5℃。
47.t2、淬火：将加热保温完成的毛坯产品放在空气中进行预冷，预冷时间为1min，预冷完成后放入淬火介质中进行淬火，其中淬火介质的初始温度为20-50℃，淬火时间为2.5min，淬火介质的出水温度为200-240℃，淬火完成后，毛坯产品的温度为200℃。
48.所述步骤t2中，淬火介质为盐水，且盐水的浓度为3％。
49.所述步骤t2中，预冷的目的是缓解活塞的应力，避免应力集中。
50.步骤t2中，采用盐水作为淬火介质进行淬火时，容易得到较高的硬度和光洁的表面，不容易产生淬不硬的软点，并且在淬火前将毛坯产品进行预冷，能够缓解活塞的应力，避免应力集中，进而防止工件变形严重，造成开裂的问题。
51.并且通过该淬火工序，能够提高活塞的硬度，强度和耐磨性，为后道热处理作好组织准备。
52.t3、硝盐浴：将淬火完成的毛坯产品装入硝盐炉内进行硝盐浴，其中硝盐浴温度为230℃；硝盐浴保温时间为4小时。
53.步骤t3中，通过硝盐浴处理，能够使活塞获得优良的淬火组织，并且能够降低淬火变形，减小活塞开裂的趋势，进而提高活塞的使用寿命。
54.t4、第一次低温回火：将硝盐浴处理完成的毛坯产品装入低温回火炉中进行第一次低温回火，其中回火温度为230℃，回火保温时间为4小时，第一次回火处理完成后冷却至室温。
55.t5、第二次低温回火：将第一次低温回火完成的毛坯产品装入低温回火炉中进行第二次低温回火，其中回火温度为230℃，回火保温时间为4小时，第二次回火处理完成后冷却至室温，最终获得大尺寸液压破碎锤活塞。
56.这样设计，采用两次低温回火，能够充分消除活塞淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂；并且能够调整活塞的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；并且还能够稳定组织与尺寸，保证精度。
57.实施例2：在本实施例中，所述大尺寸液压破碎锤活塞的整体结构与上述实施例1中的整体结构相同。
58.本实施例2中还公开了一种大尺寸液压破碎锤活塞的制造方法，该制造方法包括机加工步骤：s1、下料：选取符合制造大尺寸液压破碎锤活塞的高碳合金钢9crv进行生产，9crv钢入厂前需对原材料进行检验。
59.所述原材料的检验步骤与上述实施例1中的检验步骤相同。
60.s2、按照大尺寸液压破碎锤活塞的整体尺寸进行机加工，首先采用车床进行粗车获得粗车毛坯，而后将粗车毛坯采用车床进行精车获得精车毛坯，将精车毛坯采用铣床进行铣削最终获得毛坯产品，毛坯产品的加工标准为直径尺寸公差为-0.085～-0.075mm；表面光洁度为ra0.2，外径圆度为0.003；圆柱度为0.003，同心度为φ0.005。
61.所述该制造方法还包括调质步骤：t1、加热：将毛坯产品装入井式炉内，其中装炉方式为：吊盘吊装；装炉数量为4支/炉，进行加热时以7℃/min的升温速度升温至820℃，加热炉内维持碳势保护气氛为1％，而后保温5小时，进行保温时，保温温度波动为：
±
5℃。
62.t2、淬火：将加热保温完成的毛坯产品放在空气中进行预冷，预冷时间为1min，预冷完成后放入浓度为3％的盐水中进行淬火，其中盐水的初始温度为35℃，淬火时间为4min，淬火介质的出水温度为220℃，淬火完成后，毛坯产品的温度为245℃。
63.t3、硝盐浴：将淬火完成的毛坯产品装入硝盐炉内进行硝盐浴，其中硝盐浴温度为230℃；硝盐浴保温时间为4小时。
64.t4、第一次低温回火：将硝盐浴处理完成的毛坯产品装入低温回火炉中进行第一次低温回火，其中回火温度为230℃，回火保温时间为4小时，第一次回火处理完成后冷却至室温。
65.t5、第二次低温回火：将第一次低温回火完成的毛坯产品装入低温回火炉中进行第二次低温回火，其中回火温度为350℃，回火保温时间为4小时，第二次回火处理完成后冷却至室温，最终获得大尺寸液压破碎锤活塞。
66.这样设计，采用两次低温回火，能够充分消除活塞淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂；并且能够调整活塞的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；并且还能够稳定组织与尺寸，保证精度，并且最后一次采取350℃整体回火，能够让整个活塞在贝氏体中温回火区进行回火。
67.实施例3：在本实施例中，所述大尺寸液压破碎锤活塞的整体结构与上述实施例1中的整体结构相同。
68.本实施例3中还公开了一种大尺寸液压破碎锤活塞的制造方法，该制造方法包括机加工步骤：s1、下料：选取符合制造大尺寸液压破碎锤活塞的高碳合金钢9crv进行生产，9crv钢入厂前需对原材料进行检验。
69.所述原材料的检验步骤与上述实施例1中的检验步骤相同。
70.s2、按照大尺寸液压破碎锤活塞的整体尺寸进行机加工，首先采用车床进行粗车获得粗车毛坯，而后将粗车毛坯采用车床进行精车获得精车毛坯，将精车毛坯采用铣床进行铣削最终获得毛坯产品，毛坯产品的加工标准为直径尺寸公差为-0.085～-0.075mm；表面光洁度为ra0.2，外径圆度为0.003；圆柱度为0.003，同心度为φ0.005。
71.所述该制造方法还包括调质步骤：t1、加热：将毛坯产品装入井式炉内，其中装炉方式为：吊盘吊装；装炉数量为4支/炉，进行加热时以10℃/min的升温速度升温至850℃，加热炉内维持碳势保护气氛为1.1％，而后保温5小时，进行保温时，保温温度波动为：
±
5℃。
72.t2、淬火：将加热保温完成的毛坯产品放在空气中进行预冷，预冷时间为1min，预冷完成后放入浓度为3％的盐水中进行淬火，其中盐水的初始温度为50℃，淬火时间为4min，淬火介质的出水温度为240℃，淬火完成后，毛坯产品的温度为290℃。
73.t3、硝盐浴：将淬火完成的毛坯产品装入硝盐炉内进行硝盐浴，其中硝盐浴温度为230℃；硝盐浴保温时间为4小时。
74.t4、第一次低温回火：将硝盐浴处理完成的毛坯产品装入低温回火炉中进行第一次低温回火，其中回火温度为300℃，回火保温时间为4小时，第一次回火处理完成后冷却至室温。
75.t5、第二次低温回火：将第一次低温回火完成的毛坯产品装入低温回火炉中进行第二次低温回火，其中回火温度为350℃，回火保温时间为4小时，第二次回火处理完成后冷却至室温，最终获得大尺寸液压破碎锤活塞。
76.这样设计，采用两次低温回火，能够充分消除活塞淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂；并且能够调整活塞的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；并且还能够稳定组织与尺寸，保证精度，并且最后一次采取350℃整体回火，能够让整个活塞在贝氏体中温回火区进行回火。
77.对照例1：一种大尺寸液压破碎锤活塞的制造方法，该制造方法包括机加工步骤：s1、下料：选取高碳合金钢9crv进行生产，9crv钢入厂前需对原材料进行检验，检验步骤与上述实施例1中的检验步骤相同。
78.s2、按照大尺寸液压破碎锤活塞的整体尺寸进行机加工，经粗车、精车、铣削最终获得毛坯产品。
79.所述该制造方法还包括调质步骤：t1、加热：将毛坯产品装入井式炉内，装炉数量为4支/炉，进行加热时以10℃/min的升温速度升温至850℃，加热炉内维持碳势保护气氛为0.8％，而后保温5小时。
80.t2、淬火：将加热保温完成的毛坯产品在空气中预冷1min，预冷完成后放入浓度为3％的盐水中进行淬火，其中盐水的初始温度为20℃，淬火时间为2.5min，淬火介质的出水温度为200℃。
81.t3、硝盐浴：将淬火完成的毛坯产品装入硝盐炉内进行硝盐浴，其中硝盐浴温度为230℃；硝盐浴保温时间为4小时。
82.t4、第一次低温回火：将硝盐浴处理完成的毛坯产品装入低温回火炉中进行第一次低温回火，其中回火温度为230℃，回火保温时间为4小时，第一次回火处理完成后冷却至室温，最终获得大尺寸液压破碎锤活塞。
83.对照例2：一种大尺寸液压破碎锤活塞的制造方法，该制造方法包括机加工步骤：s1、下料：选取高碳合金钢9crv进行生产，9crv钢入厂前需对原材料进行检验，检验步骤与上述实施例1中的检验步骤相同。
84.s2、按照大尺寸液压破碎锤活塞的整体尺寸进行机加工，经粗车、精车、铣削最终获得毛坯产品。
85.所述该制造方法还包括调质步骤：
t1、加热：将毛坯产品装入井式炉内，装炉数量为4支/炉，进行加热时以7℃/min的升温速度升温至800℃，加热炉内维持碳势保护气氛为1％，而后保温5小时。
86.t2、淬火：将加热保温完成的毛坯产品在空气中预冷1min，预冷完成后放入浓度为3％的盐水中进行淬火，其中盐水的初始温度为35℃，淬火时间为4min，淬火介质的出水温度为220℃。
87.t3、硝盐浴：将淬火完成的毛坯产品装入硝盐炉内进行硝盐浴，其中硝盐浴温度为230℃；硝盐浴保温时间为4小时。
88.t4、第一次低温回火：将硝盐浴处理完成的毛坯产品装入低温回火炉中进行第一次低温回火，其中回火温度为400℃，回火保温时间为4小时，第一次回火处理完成后冷却至室温。
89.t5、第二次低温回火：将第一次低温回火完成的毛坯产品装入低温回火炉中进行第二次低温回火，其中回火温度为400℃，回火保温时间为4小时，第二次回火处理完成后冷却至室温，最终获得大尺寸液压破碎锤活塞。
90.对照例3：一种大尺寸液压破碎锤活塞的制造方法，该制造方法包括机加工步骤：s1、下料：选取高碳合金钢9crv进行生产，9crv钢入厂前需对原材料进行检验，检验步骤与上述实施例1中的检验步骤相同。
91.s2、按照大尺寸液压破碎锤活塞的整体尺寸进行机加工，经粗车、精车、铣削最终获得毛坯产品。
92.所述该制造方法还包括调质步骤：t1、加热：将毛坯产品装入井式炉内，装炉数量为4支/炉，进行加热时以10℃/min的升温速度升温至800℃，加热炉内维持碳势保护气氛为1.1％，而后保温5小时。
93.t2、淬火：将加热保温完成的毛坯产品在空气中预冷1min，预冷完成后放入浓度为3％的盐水中进行淬火，其中盐水的初始温度为50℃，淬火时间为4min，淬火介质的出水温度为240℃。
94.t3、硝盐浴：将淬火完成的毛坯产品装入硝盐炉内进行硝盐浴，其中硝盐浴温度为230℃；硝盐浴保温时间为4小时。
95.t4、第一次低温回火：将硝盐浴处理完成的毛坯产品装入低温回火炉中进行第一次低温回火，其中回火温度为230℃，回火保温时间为4小时，第一次回火处理完成后冷却至室温。
96.t5、第二次低温回火：将第一次低温回火完成的毛坯产品装入低温回火炉中进行第二次低温回火，其中回火温度为400℃，回火保温时间为4小时，第二次回火处理完成后冷却至室温，最终获得大尺寸液压破碎锤活塞。
97.将上述实施例1-3和对照例1-3制备的大尺寸液压破碎锤活塞进行如下性能测试：1、对实施例1-3和对照例1-3制备的大尺寸液压破碎锤活塞横截面径向不同位置处的拉伸性能进行检测，检测结构如图4-5所示。
98.2、对实施例1-3和对照例1-3制备的大尺寸液压破碎锤活塞横截面径向不同位置处的硬度进行检测，检测结构如图6所示。
99.3、对实施例1-3和对照例1-3制备的大尺寸液压破碎锤活塞横截面径向不同位置
处的冲击吸收功进行检测，检测结构如图7所示。
100.4、对实施例1-3和对照例1-3制备的大尺寸液压破碎锤活塞横截面径向不同位置处的残余应力进行检测，检测结构如图8-9所示。
101.经上述检测：采用本发明工艺生产的活塞，其拉伸性能、硬度、冲击吸收功均优于现有技术制造的活塞，进而能够提高活塞的整体结构强度，提高使用寿命和使用效果。
102.对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。