中国链条行业现状及发展方向
何俊达
（河北农业大学机电工程学院，河北 保定 071000）
摘要：本文介绍了工业链条的分类和性能要求，对工业链条的国内外的现况进行了简述。概述我国工业链条的制造工艺，并对热处理环节做出了改进。 关键词：工业链条 制造技术 热处理改进
0 前言
我国是最大的发展中国家, 经济发展迅速, 但科技水平较低, 在工业生产(主要是钢铁) 单位产量耗煤量大, 再加上我国的发电主要还是热电, 所以对煤炭的需求量很大。但是我国煤炭工业基础技术十分薄弱, 并且主要以井下为主, 占总产量的95%以上, 井下运输就成了煤矿生产的一个重要环节, 但对我国目前的工业技术来说, 是个极大的挑战。现在通用的釆煤技术为综釆技术。它是一项整体作业全部机械化的生产技术。它在近半个世纪的发展历程中创造和保持了多项世界纪录, 可以称为当今最先进的井下机械化开采技术, 近几年在新科技革命影响的引领下, 正发生着技术变革性的进步。综采技术的核心是综采设备, 其中工作面刮板输送机是关键的综釆设备之一。刮板输送机是一种以烧性体作为牵引机构的连续动作式运输机械, 它主要是用于煤矿回采工作面、联络巷及某些地面运输等, 它利用烧性牵引机构的连续运输, 从而实现装、运、卸自动化。由于刮板输送机的特殊结构和工作环境, 具有不可替代的特点, 所以迄今为止刮板输送机仍是综采工作面唯一的运输设备。
工业链条是机械化釆煤的重要设备—刮板运输机和刨煤机上的牵引构件, 是运输设备的关键件和易损件。近几年, 在生产发展的不断需要下, 刮板运输机逐步向重型化发展, 所需驱动功率也不断增大, 这些对工业链条提出了更高的要求, 它的加工质量高低和性能的优劣将对设备的工作效率和企业的煤炭产量产生直接影响。对矿用工业链条的要求:在相同的材质和断面下, 要有较大的承载能力; 在具有较大的破断负荷同时, 还需有较好的延伸率; 在大承载力的作用下还要有较小的变形, 以保证良好的哨合; 有较高的耐磨性和靭性; 有较高的疲劳强度; 有较大的吸收冲击负荷的能力。
一. 工业链条的概述和国内外研究现状
1.1工业链条的概述
工业链条用圆环链由每个焊接环连接而成，多用于机械传动和牵引，其几何尺寸完全一致。圆环链的型式和尺寸见图1
图
1
1.2工业链条对材料及机械性能的要求
矿用链条的力学性能除与制链工艺有关外，还与其用钢质量有着密切的关系。为了满足矿用高强度链条的性能（包括工艺性能）要求，所用钢必须是镇静钢，且有较高的纯净度。交货状态下钢的组织应均匀，磁化物颗料应细小均匀，奥氏体晶粒度不小于5级，钢应具有好的弯曲成形性、焊接性、淬透性和回火稳定性，所制链条在热处理后应具有较高的强韧性。
长期以来，我国矿用高强度圆环链用钢比较成熟、生产使用较多的是25MnV 钢，25MnV 钢主要用于制造φ18mm 及其以下规格的矿用圆环链产品，而大规格矿用高强度圆环链则使用高级优质链条钢23MnNiMoCr54（简称54钢）制造。54钢是德国DIN17115-1987链条钢标准规定的高级优质链条钢，经使用效果良好，较好的满足了矿用高强度圆环链标准中各种规格C 级链的性能要求；同时也能满足加强型矿用紧凑链条的性能要求。为了更大限度地提高大规格链条的综合机械性能，还可以对54钢中的S 、P 等元素进行加严控制，也可以收到较好的效果。
54钢中合金元素所起的作用：
(1)碳—对提高钢的强度起主要作用。但含碳量不宜过高或过低，过高将影响钢的焊接性能并增加脆性，过低又会使钢的强度下降。实践证明54钢的含碳量范围是适当的，它既保证了钢的强度又保证了钢的焊接性能。
(2)锰—强烈提高钢的淬透性，对回火稳定性影响较小。锰含量较高时，有使钢晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火脆敏感性，54钢中锰的上限含量为1.4%。
(3)镍—增加钢的韧性，并能改善抗低温缺口冲击性能，有好的抗疲劳性。对提高淬透性和回火稳定性影响较小。
(4)铬—显著提高钢的淬透性并提高钢的回火稳定性，提高钢的耐磨性和钢的抗氧化、抗腐蚀能力。铬是促进回火脆性的元素，在给定的处理条件下回火脆性随铬含量的增多而更显著。
(5)钼—对提高淬透性和回火稳定性有显著影响。
(6)铜—对焊接性有不利影响，对韧性有害。
(7)铝—铝被用作细化晶粒和除氧的净化剂。铝能显著降低应变时效脆性，过量的铝将降低钢的韧性。
(8)硫—为有害元素，它使钢的塑性和韧性降低，特别对韧性作用更为明显，对焊接性有不良影响。
(9)磷—为有害元素，剧烈降低钢的塑性和冲击韧性，提高钢的脆化温度，增大钢的
焊裂敏感性。硫和磷的含量在DIN17115-1987标准中被严格控制，即对硫、磷在钢中各自的最大含量进行了限制又对两者之和进行了限制。
(10)氮—作为钢中的残留元素存在，可使钢产生应变时效和蓝脆等现象。
当钢中的残留氮含量较高时，会导致钢宏观组织的疏松，甚至形成气泡，在热和冷变形时，也会遇到较多困难。矿用紧凑链条作为刮板运输机、转载机上的传动链，是设备的关键件和易损件。它需要具有高强度、高韧性、耐磨损、耐腐蚀等既复杂又矛盾的综合机械性能。
1.3 国外研究现状
国外对于工业链条的研究开始较早，从二十世纪初英国人首先使用了单链刮板输送机，并将其使用在采煤工作面中开始，刮板输送机经历了历代变化，工业链条由于适应工作面运输条件，一直作为刮板输送机传动装置延续使用。1956年德国工程师莫林的光弹实验表明工业链条承受拉伸负荷时其直边内侧和部分圆弧外侧呈拉应力状态，而直边外侧和部分圆弧内侧呈压应力状态。随后，国外学者逐渐重视对与圆环的研究，研究情况也根据各国的国情有所不一。在60年代便首先提出了工业链条规范，通过研究工业链条使用环境的不同要求，
英国学者开发了适合多种使用环境的工业链条[11]，同期英国学者对矿用工业链条传动性能进行了研究。欧洲传统工业链条制造业发展已久，早期对工业链条在使用中的研究及应用较成熟，并发展逐渐形成理论。而在美洲则出现较晚，对工业链条的研究相对较少，早期主要集中在利用理论力学与材料力学对工业链条受力分析的理论计算，在80年代由于安全问题逐渐出现，美国学者逐渐重视工业链条失效问题，诸多学者对工业链条的材料、受力等影响因素进行了研究。
目前，随着计算机技术的发展，越来越多的学者将计算机模拟技术运用到工业链条研究中，主要应用有限元理论及有限元软件对工业链条使用过程中的应力分配及传递进行分析。这种分析更加直观的得到了分析结果，并可以在分析过程中对链条进行优化设计。时至今日，随着矿用高强度工业链条也在材料、设计、制造等方面技术不断进步，刮板输送机工业链条的安全性和稳定性得到了稳定的发展。
1.4国内研究现状
工业链条在我国广泛应用于各个行业，如冶金、矿山、煤炭、粮食及化工等行业。但是长期以来，工业链条在使用过程中一直存在运转率低而维修率高的现象，严重的甚至经常出现断钩断链事故，研究发现这不仅仅是机械设备系统的问题，工业链条条也存在问题。
我国的矿用工业链条理论研究始于70年代，初期对工业链条制作工艺过程进行的研究，用以增加工业链条强度达到延长设备使用寿命及稳定性的要求。80年代起我国学者在加工工艺达到一定水平之后，开始重视对工业链条的受力分析研究，哈尔滨煤矿机械研究所的李源吉较早的将有限元法计算分析应用于矿用工业链条，他提出通过工业链条的有限元计算更精确地了解链环各部分的应力应变情况，进而确定破坏部位，有可能提出进一步通过改进链环的形状和尺寸，提高承载能力的依据。随后我国学者发表了大量关于矿用工业链条的研究成果，推动了我国高强度工业链条的研究，提高了产品质量。1996年西安科技大学李明、薛河等人对工业链条进行了初步应力分析，为以后学者的研究提供了参考和重要参考。五邑大学刁叔均、西安科技大学薛河、聂文杰等应用有限元对工业链条进行了力学特性分析，并使用了有限元软件分析工业链条分析的方法，这使得对矿用高强度工业链条分析能力进一步提高。在力学分析基础上，煤炭科学研究总院罗庆吉对矿用工业链条的疲劳失效进行了详细的分析。同期对工业链条断裂的分析也产生了很多成果，李福凯、陈龙民在对工业链条拉伸试样作了扫描电镜分析，讨论了不同断裂部位的端口形貌，断裂的起因以及对链环质量的影响。西安交通大学联合张家口煤机厂的研究者对工业链条断裂问题进行了宏观统计分析，微观断裂机制分析、材料状态检验，并找出了断裂原因。而焊接接口作为最容易产生裂纹的部位也引起了研究者的注意，胡庆林、林显仁从焊接过程中产生的裂纹进行了分析，并对这两种裂纹的产生原因以及形成机理进行了综合分析，提出了一些防范措施。郭奇等人运用弹塑性有限元方法，对焊缝区纵向裂纹和横向裂纹做了大量J 积分计算，研究了焊缝区中非均质组合结构裂纹的J 积分的守恒性，分析了焊缝区硬夹层宽度大小对整个组合体J 积分数值的影响，为建立焊缝区中裂纹的J 积分失效评定曲线，提供了可靠的依据。我国于90年代初开始对这种矿用高强度工业链条传动以及其他一些问题进行试验性研究，并建成了矿用工业链条传动试验台。2004年2月26~27日，由中国煤炭工业设备管理协会组织，15家大型煤矿高强度链条生产企业参加，煤炭工业设备管理协会矿用工业链条专业委员会成立会议在北京召开，这次会议的召开对我国矿用高强度工业链条有重大意义，规范了国内矿用工业链条的行业标准，加强了产品的质量，提高我国矿用工业链条在国际上的竞争力。
二. 工业链条的制造工艺和热处理工艺改进
2.1 一般工业链条的制造工艺
(1)原材购置：采用优质合金钢国标要求其奥氏体晶粒度为五级或更细，我们的原材标准要求晶粒度在六级以上，大直径26MM 以上的晶粒度全部选用7级原材，结晶组织均匀并且组成成分中含有一定比例的Cr 、Ni 、Mo 元素，具有良好的焊接和热处理性能。
(2)下料：设备采用精密棒料剪断机，采用约束（即轴向剪切和径向）剪切原理，剪切精度高，端面倾斜度≤20，重量误差≤±0.5%，下料成本低，约是带锯下料的1/3，生产效率高，约是带锯下料的20倍，设备使用风动力，属于节材节能型的设备，最大剪切力1250KN 。 下料要求，能竖立，无毛刺倒角，棒料长度误差在±0.5mm 。
(3)热编链：设备采用德国MRP 公司生产的WEN500型加热设备，KBA40型编链设备。 两种加热方式：电阻加热设备的加热系统由“加热变压器”，两个“加热头”及“控温装置”等组成。两个加热头中，其位于左边的电极是固定不动的，而右边的两个电极分别装在两个油缸活塞杆上, 以便进行短料加热时的上料或卸料(夹紧或松开) 运动, 并且两个加热头的上料与下料是分别进行的，从电路上看, 两个加热头串联，当两个头之间都夹有短料时，整个电路才被接通，而当任一个夹紧头卸料后，另一个加热头上的短料的加热也被中断。在使用时两个“加热头”的上料与卸料是交替进行的，所以夹在每个加热头间的短料加热过程并不是连续进行的，而是分两个阶段，其头一次通电加热称预热过程，断电后再一次的通电加热叫做终热。在第二次通电加热以后，短料方可达到规定的加热温度。加热时间一到，棒料便自动输送至编链模，棒料碰到限位开关，编链设备便进行自动编链。感应加热设备是目前最先进，被普遍采用的加热方法，多采用中频感应加热，设备结构简单，容易控制，棒料端面无机械性接触，温度均匀，热效率高。
关于生产时棒料加热温度的测量与控制：
首先我们根据棒料的材质等到因素确定并预先调整好加热时间，在理想的情况下，棒料在予调的“加热时间”内其温度应该达到调整的规定温度即“加热温度”，再将达到了加热温度的这根棒料送往编链机进行编链。但是在实际加热过程中, 往往在规定的加热时间内棒料未能达到调整的“加热温度”，那么光电测温计便不该发出松开加热头的信号，但此时加热电流将自动转换成另一个较小的电流来继续加热, 如果棒料在已经处长了的加热时间内能够加热到规定的“加热温度”, 那么在光电测温与控制装置的控制下, “加热头”将其释放，并送信号至编链机进行编链。相反, 如果棒料的加热尽管将加热时间延长, 仍未加热到规定的加热温度, 当总的加热时间达到了调整的最大允许安全加热时间时, 这一未加热好的棒料也将被加热头释放, 由于温度控制装置的控制, 这一棒料便不再送去编链, 而落入一个斜槽内被淘汰。编链机使用液压动力，将棒料弯成规定尺寸。
(4)抛丸：设备采用链条专用抛丸设备。
抛丸的目的在于去除金属在热编链后链环表面的氧化皮，使焊接时链环导电性能更好。
(5)闪光焊接：焊接设备采用德国MRP 公司生产的KSH22及KSH500型焊接设备。设备主要由输链机构、压力系统、焊接变压器、焊接电极、焊接参数设定及控制部分组成。设备焊接电极包括四块，从四个不同方向对链环开口部位进行导电，这种导电方式解决了两块电极导电时易发生压伤的问题。
焊接是使一个弯曲成形的金属圆环的两个端面通过电阻焊的方法对接成一个闭环。焊接的热量是由极大的电流在金属表面的若干细小接触点的电阻以及接触的拉开时产生的电弧产生的。在端面温度达到一定高度并产生金属熔液面时对两端面施加压力，从两端面中挤出熔融金属，并通过最后快速顶锻，使已达熔化温度的母材金属端面从新结晶，熔为一体。
预热过程形成环背电流，液压设备将活动端的端面以设定的速度移近固定端，使两端面接触和挤压，形成焊接电流（焊口电流），巨大的电流使环口两端面温度升高，接头两端面上凹凸不平点接触点产生很大的电阻热，这些接触点迅速熔化，在变压器产生的磁场作用下，熔化的金属液滴穿过焊缝间隙，以很快的速度喷射出去，并形成许多小电弧产生高热，这个过程称为“预热闪光过程”。然后将两端面拉开一点，电弧消失，端面迅速被氧化，端面的高温向两面的母材扩散，这个过程称之为温度均衡扩散过程。反复进行若干次向前挤压接触的预热闪光过程和拉开温度均衡扩散的过程，金属开口两端形成温度很高的热影响区，并使金属两端面形成高热，直至被熔融金属层所覆盖，直到焊口接触到一起时，由于金属熔液不断地被喷射出去，焊口电流建立不起来，或者虽建立了，但达不到设定的时间又熔化喷射出去了，进不了温度均衡扩散过程，电极只有继续前进，闪光越来越猛烈，焊口端面中的氧化物和杂质被喷射出去，这个过程称之为“连续闪光”，当连续闪光长度达到规定时，断电，焊机活动端迅速前进，将两端面紧紧地顶在一起，这个过程称之为”顶锻”，在顶锻过程中，焊缝中的氧化物和杂质被挤出，形成毛剌。顶锻后焊口熔在一起重新结晶，待其经过保压时间后迅速去除毛刺，焊接过程结束。
焊接结束，经过2秒左右的保压时间后，快速去除毛刺，去除毛刺我们采用单刀，这样去刺后焊接处表面光滑，整齐。
(6)热处理：我们的热处理设备是针对工业链条热处理的特点专门研发的IGBT 新型设备。中频炉主要用于大直径的产品透热。感应热处理具有加热速度快、节约能量、不氧化脱碳、不污染环境以及生产效率高等多方面优点。中频感应透热设备主要由中频电源和加热炉体两部分组成，为分体式结构。根据链条尺寸的不同，更换不同规格的感应炉体同时加热实现淬火和退火两道工序。炉体采用水冷方式冷却。
中频感应加热炉是一种将中频50HZ 交流电转变为中频（300HZ 以上至20K HZ）的电源装置，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，供给由电容和感应线圈里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流。这种涡流同样具有中频电流的一些性质，即金属自身的自由电子在有电阻的金属体里流动要产生热量。
热处理中温度反映了中频感应加热中能量传输的真实情况，温度监测是保证工业链条连续中频热处理质量的关键之一。我们采用远红外测温仪对热处理的温度进行实时监测，根据工业链条热处理的工艺要求，测温范围选在200℃～1100℃之间。为了便于操作者观察，仪表安装在热处理机床进链一侧。链条的测温点取在感应器下端出口处第一个环的直边中心位置。根据链条结构是平环、立环相间的特点，为使链条测温点保持连续，传感器的位置设在与被测链条立环两直边所在平面成45°角的地方，传感器与被测链条的距离，取决于链条的直径。通过传感器调节手柄，调整传感器的角度，使传感器镜头中的十字架中心或中心圆环对准测温点。红外线测温系统应用于生产中，完善了工业链条热处理工艺的监测和控制手段，实现了工业链条热处理工艺的精确控制，能够提高工业链条热处理后力学性能的合格率。
(7)拉伸：拉伸设备采用德国MRP 公司生产的全自动拉伸校正机，拉伸全自动程序包括拉头进、快进、慢进、保压、测量、快退、慢退、拉头退八部分，保证了拉伸的位移的高精度。
2.2 工业链条中频热处理工艺的改进
工业链条中频感应热处理的特点是链环淬火和回火后各点的硬度不同，链环肩顶部硬度较高，以提高抗磨损和承载能力；而直臂硬度较低，可提高焊接接头的韧性，同时还可以防止由摩擦引起的腐蚀疲劳失效。所以，这种链条热处理方法在国内外被广泛的应用。
由于 φ42mm 链条规格较大，采用的是先进的大功率感应加热设备 FN3 中频感应连续炉，链条的淬火工序和回火工序是分开的。我们对加热感应器也按照钢的奥氏体形成机理及工业链条感应加热机理进行了特殊设计，使感应器有预热段、奥氏体化段和均温段，使链条在淬火前温度均匀、成分均匀，淬火后获得均匀、细小的低碳板条马氏体组织。链条淬、回火入水前的温度国内外均采用红外线测温的方法，并对淬、回火水温亦有监控。由于链条的加热速度快，淬火温度的确定多数是在高于链条钢的 Ac3基础上结合成品链条的各项力学性能指标由工艺试验确定。
链条采用中频感应加热是最合理的方式。中频感应加热，加热速度快、时间短、链条氧化少，淬火后可获得非常细的淬火组织和奥氏体晶粒度，使链条的强韧性得到提高。链条淬火后的硬度如图2所示。
图2 链环淬火硬度图 图3 链环回火硬度分布图
中频感应加热回火是一种“差温回火”回火后链环获得强度分布如图3所示。中频差温回火为连续回火，回火时间较短，能大量消除淬火钢的内应力，链环直臂部回火温度较高，对改善位于直臂部焊接区的塑、韧性，延缓裂纹的萌发与发展效果非常明显。直臂经高温回火后还是具有由抗摩擦引起的腐蚀疲劳的性能。肩顶部回火温度低，回火后具有较高的硬度和强度，对抗链环间铰接及链轮的压力、磨损以及顶部外侧在承载中产生的高应力十分有利。另外，为防止差温回火时间短，链环内应力消除不够完善，又增加了一道低温 250℃回火的新工艺，破断强度、综合机械性能有了明显提高，远远超过德国 DIN —22255 标准的要求。
由于制造厂家设计开发的紧凑链条规格越来越大，除采用先进的大功率感应加热设备外，对加热感应器也按照钢的奥氏体形成机理及工业链条感应加热机理进行了特殊设计，使感应器有预热段，奥氏体化段和均温段，使链条在淬火前温度均匀，成分均匀，淬火后获得均匀细小的低碳板条马氏体组织。
在大规格链条回火时，不仅提高链条的强度，同时对塑韧性也更加重视，现在经过工艺试验后采取中高温的差温回火加低温均温回火。差温回火则保证链环直臂部具有较高的韧性，这种做法使链条的强度和疲劳寿命都有了很大的提高。低温均温回火是为保证链环的肩顶部得到设定温度的充分回火，对消除内应力致关重要。
三. 总结
本问主要主要介绍了工业链条的概况和工业链条对材料及机械性能的要求，相关技术在国内外的研究动态与发展趋势，以及工业链条的制造工艺，
并对其中原始的中高温的差温回
火加低温均温回火热处理技术进行了改进，采用大规格链条回火，提高链条的强度、塑性和韧性，保证链环直臂部具有较高的韧性，并使链条的强度和疲劳寿命都有了很大的提高。
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