矿用液压支架高性能柱窝铸造与锻造成形方法比较分析

郑庆福，守晨鹏，王栋

1.鞍钢股份有限公司 辽宁鞍山 114021

2.郑州煤矿机械集团股份有限公司 河南郑州 450016

柱窝是矿用液压支架的核心部件，同时也是液压支架中最关键的受力件之一[1]，其包括顶梁柱窝及底座柱窝，一般位于顶梁、底座的内外主筋之间，中间通过立柱连接，在工作时间接承受顶板压力[2，3]，在井下要接受各种不同的地质条件和恶劣环境，以及一些不可预知的突发情况的考验，因此柱窝必须要有良好的综合性能。

国内外大多数液压支架产品的柱窝采用铸造工艺生产，随着用户对液压支架支护能力要求的提高，对柱窝的综合性能及制造质量要求也越来越苛刻，一些高端液压支架在服役时，ZG30Cr06A材质的柱窝成为了易损件，给液压支架生产商及矿方都带来了负面影响。因此，为了提高柱窝在恶劣工矿条件下的使用性能，有必要对柱窝的制造方法进行思考与探索。

图1所示为典型顶梁柱窝结构，其由柱窝、耳板一、耳板二组成；
图2所示为典型顶梁柱窝三维结构。

图1 典型顶梁柱窝结构

图2 典型顶梁柱窝三维结构

对于典型顶梁柱窝结构而言，由于其有两个突出的耳板，模锻难度较大，同时严重降低模具寿命，因此选用分体锻造的方法，即将柱窝、耳板一、耳板二分成3个零件，分别锻造后再拼焊。

因为柱窝的体积及投影面积均较大，理论上对设备吨位的要求较高，所以在设计时应当尽量减小柱窝的重量、投影面积，另外由于锻造过程中金属的流动不如铸造，因此在各个面的拐角处应尽量加大圆弧过渡，一则可以保证模锻时的金属充满，二则可以延长模具的使用寿命。

适合柱窝的生产工艺有铸造、锻造两种，首先对铸造与锻造两种工艺进行对比分析，知其优劣。

（1）铸造 铸造是现行柱窝生产工艺，具有生产周期短，成形精度高，后续加工量少或无后续加工量等特点。根据不同矿井的使用条件，选用相应的铸钢材料，在有效控制铸造缺陷、保证铸件质量的前提下，能满足绝大多数的工况需求，是柱窝生产的主流工艺，也是首选制造方法，具有不可替代性。但由于以下原因，铸造生产的柱窝在工况比较恶劣、使用要求较高的矿井下使用仍有其一定得局限性。

1）铸件在生产过程中易产生气孔、夹渣、成分偏析等各种铸造缺陷[4]，在实际使用过程中，这些缺陷将是应力集中点与起裂的源头，将大幅缩短柱窝寿命降低最大承载能力。

2）铸钢材料的局限性，特别是高强度铸钢的开发使用都有其局限性。

3）由于铸件内部易形成铸造缺陷、成分偏析且内部晶粒偏大等各种情况，其综合力学性能特别是韧度较低。

（2）锻造 锻造是一种借助工具或模具在冲击或压力作用下加工金属机械零件或毛坯的方法，与铸造相比，可以消除内部缺陷、改善或消除内部成分偏析[5]，得到均匀、细小的低倍和高倍组织，其韧性高、纤维组织合理，金属流线完整，锻件的力学性能一般优于同样材料的铸件。针对柱窝来说，可根据具体要求选用相应的圆钢锻制，但锻造也有以下不足。

1）设备的局限性，特别是模锻件，因其不是累计变形且一次变形量大、投影面积大，所以对设备吨位要求较高。

2）锻件的加工成本高，特别是对设备要求高的加工成本更高。

3）锻造不能像铸造那样成形比较复杂的零件，且精度较低，并且必须保有拔模斜度，其后续必须机加工最终成形，并且加工量较大。

4）锻造柱窝由于模具制作、设备限制等原因，其生产周期较长。

经以上对比分析可知，锻造柱窝的韧性更好，综合力学性能要好，其质量得到优化，更加适合在恶劣工况下服役的液压支架使用。

目前，国内液压支架行业柱窝常用材料主要有27SiMn钢、30CrMo钢、42CrMo钢和ZG30Cr06A等。近年来，由于27CrNiMo钢中加入更高含量的Ni元素来提高钢的韧度，因此在液压支架的生产中也有所应用。由于柱窝与液压支架主体结构件的连接方式为焊接，且液压支架质量大，焊后只能进行缓冷而无法进行回火，因此材质的选取不仅需要强度指标满足机械设计要求，还需考虑最终选用材质的焊接性。

（1）材料的化学成分 几种柱窝材料主要化学成分见表1，其碳当量根据计算公式[CEV=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15]，按照每种材料相应国家标准的化学成分计算所得。

表1 柱窝用材料主要化学成分（质量分数）（%）

（2）材料的焊接性 依据国标GB/T 4675.1—1984《焊接性试验 斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》对27SiMn钢、30CrMo钢在预热温度100℃下进行试验，发现平均断面裂纹率分别为25.87%和28.44%，说明两种材质的焊接性均较差，若应用于实际生产，即使与焊接性较好的低碳钢一起拼焊，也要采用较高温度的预热，一般生产中采用150～200℃预热，避免产生冷裂纹，影响焊缝质量。

（3）材料的力学性能 对部分备选材质进行铸造或锻造试验，经调质处理后，其力学性能见表2。

表2 部分备选材质力学性能

上述几种材料的强度均满足机械设计要求，但由于27CrNiMo钢具有更好的韧度，断后伸长率也较高，更适用于恶劣工况下服役的液压支架柱窝生产。

为摸清锻造坯料对成品性能的影响，我们在某型号柱窝使用ZG30Cr06A方形铸坯进行了具体零件的分析，试样的力学性能取样位置如图3所示，试验柱窝各取样部位力学性能见表3。

图3 取样位置示意

从表3可看出，该零件的力学性能并没有得到明显改善，尤其是冲击性能甚至有所下降，在锻造时变形较大的区域力学性能较好，锻造加工可以提高零件的综合性能，且应保证一定的锻造比[6]。因此，应优先选择质量良好的热轧或锻制圆钢，这样成品柱窝将有足够锻造比。

表3 不同取样位置的力学性能

除此之外，坯料的选择对锻造成品的质量有较大影响。应尽量避免使用铸造方法制作接近最终零件形状的坯料然后进行锻造加工，因其锻比较小，不能保证锻件锻透，可能存在大量的铸态组织残留，若铸锭内有缩孔、气孔等缺陷，原铸锭内将有极大概率出现较规则的缩孔、气孔，进而成长为不规则的裂纹，或缩孔、气孔等缺陷并不在锻造变形区，锻后缺陷依然存在，影响锻件的韧性及疲劳强度等。这样的锻件综合力学性能不会比铸件有大的提高，甚至还会有所降低。另外，由于没有锻透，零件外部有一定的金属流线，晶粒组织较好，而内部由于没有接受锻造变形，仍为铸态组织，将给后续的热处理带来困难，不易控制，热处理后的零件不同部位将出现较大力学性能差异，为产品带来质量隐患。

1）对于下端有耳板结构的柱窝，选择分体锻造，加大过渡圆弧等，可以降低生产难度，提高模具使用寿命。

2）锻造柱窝比铸造柱窝的综合力学性能好，质量得到优化，更适合在恶劣工况下服役的液压支架使用。

3）27SiMn钢、27CrNiMo钢、30CrMo钢、42CrMo钢和ZG30Cr06A的焊接性均较差，焊前需要进行预热，焊后进行缓冷处理。以上材料的强度均较高，但27CrNiMo钢的韧性更好，更适用于大阻力、恶劣工况服役的液压支架柱窝。

4）锻造柱窝的坯料应选用经过轧制或锻造的圆钢，这样成品柱窝将有足够锻造比，在保证综合力学性能的同时有助于产品质量的提升。