我公司液壓油缸缸筒用鋼管調(diào)質(zhì)工藝的改進(jìn)

    液壓油缸基本上由缸筒、缸蓋、活塞和活塞桿與密封裝置組成，液壓油缸的輸出力和活塞有效面積及其兩邊的壓差成正比，而缸筒是形成內(nèi)腔盛裝流體的關(guān)鍵元件，因此缸筒的耐承受壓力、耐磨J性、疲勞強(qiáng)度等綜合性能對(duì)液壓油缸的壽命起到關(guān)鍵性作用。通常對(duì)缸筒要求是能耐受20 MPa以內(nèi)壓力(持續(xù)壓力)，對(duì)于攪拌和壓力的應(yīng)用，甚至可達(dá)到55 MPa}'}o

    四川液壓油缸根據(jù)基本的液壓關(guān)系(帕斯卡定律)，由缸體產(chǎn)生的線性壓力F的大小是系統(tǒng)流體壓力尸與活塞的有效面積A的乘積m，即F二PA(當(dāng)然，摩擦力和其他實(shí)際損耗會(huì)降低力的效果)。缸筒是形成內(nèi)腔盛裝流體形成流體壓力尸的關(guān)鍵元件，所以缸筒對(duì)確保線性壓力F起到關(guān)鍵性作用。因此，在制作液壓缸缸筒時(shí)，對(duì)缸筒用鋼管的技術(shù)條件都作出了明確的限定。

    對(duì)液壓油缸缸筒用鋼管(簡稱缸筒用鋼管)采取去應(yīng)力退火時(shí)，加熱溫度沒有超過材料的相變溫度，只是接近再結(jié)晶溫度，所以金屬材料的組織基本不發(fā)生變化。當(dāng)采取將鋼加熱到臨界溫度以上，使鋼全部轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆驃W氏體的正火工藝后，相對(duì)于去應(yīng)力退火能夠提高鋼管的塑性和韌性，但是抗彎曲強(qiáng)度、抗扭曲能力、疲勞強(qiáng)度依然不能滿足缸筒技術(shù)要求。因此，上述熱處理工藝生產(chǎn)的鋼管只能適合一般環(huán)境下工作的液壓油缸[2]0，缸筒用鋼管的技術(shù)條件

    制作27SiMn材質(zhì)的液壓油缸缸筒時(shí)，對(duì)鋼管的技術(shù)條件要求n」如下。
1.1化學(xué)成分
    對(duì)27SiMn鋼管的化學(xué)成分要求見表to

1.2力學(xué)性能
    抗拉強(qiáng)度Rm,860 MPa，屈服強(qiáng)度ReH , 760MPa;伸長率A5}12%，收縮率tl}'} 40%;沖擊功A k}2(20℃),39);硬度240280 HBWo
1.3工藝性能
    常溫下水壓試驗(yàn)?zāi)苣褪?530 MPa壓力(持續(xù)壓力)。
1.4金相組織
    脫碳層簇0.20 mm;在低倍組織方面，鋼管的一般疏松、中心疏松、偏析均}2級(jí)，不得有縮孔殘余、皮下氣泡、白點(diǎn)、翻皮、分層、裂紋和其他夾雜存在;金相組織為回火索氏體十珠光體，3級(jí)。
1.5表面粗糙度
    表面粗糙度Ra} 12.5 t.A,mo
1.6幾何尺寸精度
    內(nèi)外徑的尺寸公差均為士0.巧mmo

2冷拔鋼管與缸筒技術(shù)條件的差距
    以外徑121 mm、內(nèi)徑98 mm冷拔狀態(tài)下的鋼管為例，其幾何尺寸精度、性能分別見表2和表
3，鋼管表面粗糙度為3.2 E.}.m，無脫碳層。

    對(duì)冷拔后的鋼管精度和性能進(jìn)行分析，得出:①鋼管的幾何尺寸精度、表面粗糙度完全滿足液壓油缸缸筒所需技術(shù)條件;②與技術(shù)要求相比，鋼管的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、斷面收縮率、沖擊功、硬度(HBW)分別低了8.7%,,  11.2%, 21.0%,33.8%、60.3%、36.5%0
3冷拔鋼管普遍采用的熱處理工藝
    根據(jù)鋼管經(jīng)過冷加工后的性能情況，結(jié)合液壓油缸缸筒技術(shù)條件要求，在實(shí)際生產(chǎn)中大多采取以下熱處理工藝進(jìn)行處理[[3]0

3,1去應(yīng)力退火工藝
    該工藝是采取低于再結(jié)晶加熱溫度的熱處理工藝，目的在于消除由于塑性形變加工造成的鋼管內(nèi)殘余應(yīng)力，但仍保留冷加工硬化效果，以保障鋼管的性能和防止鋼管產(chǎn)生形變開裂。對(duì)于27SiMn材料，具體的去應(yīng)力退火工藝為:加熱至480500℃，保溫180 min}4}。經(jīng)去應(yīng)力退火后，對(duì)鋼管進(jìn)行檢測，其幾何尺寸精度、性能分別見表4和表5;鋼管表面粗糙度為12.5 N.,m，無脫碳層;金相組織為帶狀鐵素體十珠光體，鐵素體晶粒度為9級(jí)(圖1)。

    對(duì)上述經(jīng)去應(yīng)力熱處理后鋼管的檢測結(jié)果進(jìn)行分析，得出:①鋼管的幾何尺寸精度基本無變化;②鋼管的伸長率、斷面收縮率及表面粗糙度達(dá)到技術(shù)要求;③鋼管的沖擊功比冷加工狀態(tài)下提高83%，但是依然未達(dá)到液壓油缸缸筒的技術(shù)要求;④鋼管的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及硬度在冷加工基礎(chǔ)上大幅降低;⑤鋼管的金相組織比冷加工狀態(tài)下稍微有所改善，但是與液壓油缸缸筒的技術(shù)要求相差甚遠(yuǎn)

    由于去應(yīng)力退火的特性主要是消除金屬的內(nèi)應(yīng)力，在熱處理工藝中加熱溫度沒有超過材料的相變溫度，只是接近再結(jié)晶溫度，所以去應(yīng)力退火過程中，金屬材料的組織基本不發(fā)生變化。當(dāng)一般環(huán)境下使用的液壓油缸缸筒對(duì)材料性能和耐沖擊韌性以
及疲勞強(qiáng)度要求較低時(shí)，可以采取上述熱處理工藝生產(chǎn)。

3.2正火熱處理工藝
    該工藝是將鋼管加熱到上臨界點(diǎn)(A ,或A })以上40-60 9(;的溫度，保溫一段時(shí)間，達(dá)到完全奧氏體化后，在空氣中冷卻。其目的在于使晶粒細(xì)化和碳化物分布均勻化，提高材料的性能和獲得接近平衡狀態(tài)的組織
    27SiMn材料的具體正火工藝為:加熱至920930 `1C，保溫35 min后風(fēng)冷‘5。
    經(jīng)正火熱處理后，對(duì)鋼管進(jìn)行檢測，其幾何尺寸精度、性能分別見表6和表7;鋼管表面粗糙度為12.5 }..},m，脫碳層厚度0.05 mm;金相組織為4級(jí)，為珠光體+鐵素體(圖2)。
    對(duì)上述經(jīng)正火熱處理后鋼管的檢測結(jié)果進(jìn)行分析，得出:①鋼管的伸長率、斷面收縮率、沖擊功及表面粗糙度均達(dá)到技術(shù)要求;②鋼管的幾何尺寸波動(dòng)較大，雖然在技術(shù)要求范圍內(nèi)，但是已經(jīng)接近極限值;③鋼管的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度比冷拔鋼管有大幅降低;④鋼管的金相組織大有改善，但是依然未達(dá)到液壓油缸缸筒的技術(shù)要求。

    正火能消除過共析鋼的網(wǎng)狀滲碳體，對(duì)于亞共析鋼正火可細(xì)化晶格，提高綜合力學(xué)性能。當(dāng)27SiMn材料在正火時(shí)，加熱至鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度A },,以上，鐵素體逐漸溶于奧氏體內(nèi)，鋼的組織就全部奧氏體化，產(chǎn)生大量的細(xì)小而且排列精密的奧氏體組織二也就是，該熱處理工藝雖能使27SiMn材料具有一定的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、塑性、韌性等，但是抗彎曲和扭曲能力依然低下，尤其是疲勞強(qiáng)度不能滿足液壓油缸缸筒的技術(shù)要求因此，當(dāng)液壓油缸缸筒在稍惡劣環(huán)境下使用并對(duì)性能及疲勞強(qiáng)度要求不高時(shí)，可以采取上述熱處理工藝生產(chǎn)

4缸筒用鋼管調(diào)質(zhì)熱處理工藝的改進(jìn)
    根據(jù)上述鋼管冷拔狀態(tài)下和經(jīng)去應(yīng)力及正火熱處理工藝后存在的弊端，如果要滿足復(fù)雜環(huán)境下使用的液壓油缸缸筒的技術(shù)要求，使鋼管具有足夠的強(qiáng)度、硬度、韌性、耐壓性和耐疲勞性，那么采取調(diào)整材料綜合力學(xué)性能的調(diào)質(zhì)熱處理工藝是最理想的選擇。

4.1原調(diào)質(zhì)熱處理工藝
    為了使缸筒用鋼管具有強(qiáng)度高、硬度高、耐磨性好、塑性強(qiáng)、承受壓力大、變形小、脫碳少以及疲勞壽命長等優(yōu)良特性，鋼管熱處理按照以下工藝實(shí)施。
    根據(jù)27SiMn材料的特點(diǎn)，具體的調(diào)質(zhì)熱處理工藝為:加熱至910--920℃，保溫35 min后水冷;

    對(duì)上述檢測結(jié)果進(jìn)行分析，得出:①鋼管經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理后，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、斷面收縮率、沖擊功及表面光潔度、脫碳層深度均達(dá)到液壓油缸缸筒的技術(shù)要求;②鋼管經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理后，發(fā)生嚴(yán)重變形，不能滿足液壓油缸缸筒的技術(shù)要求;③鋼管經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理后，金相組織為回火索氏體+珠光體十半網(wǎng)狀、條狀、塊狀、針狀鐵素體，晶粒度5級(jí)，未能達(dá)到液壓油缸缸筒的技術(shù)要求。
4.2原調(diào)質(zhì)熱處理工藝效果較差的原因分析
4.2.1鋼管幾何尺寸精度產(chǎn)生嚴(yán)重變形
    鋼管在經(jīng)過高溫淬火時(shí)，由于受到冷卻介質(zhì)急冷因素影響，瞬間產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象，以及鋼管本然后采取在510520℃保溫180 min的回火熱處理工藝}e}0

    經(jīng)此熱處理后，鋼管的幾何尺寸精度、性能分別見表8和表9;鋼管表面粗糙度為12.5 }..},m，脫碳層厚度為0.10 mm;金相組織為回火索氏體十珠光體十半網(wǎng)狀、條狀、塊狀、針狀鐵素體(圖3)，晶粒度5級(jí);耐受壓力30 MPa(持續(xù)10 s)。身殘余應(yīng)力差，造成原本公差精準(zhǔn)的鋼管在經(jīng)過調(diào)質(zhì)后產(chǎn)生嚴(yán)重形變。因此需要采取先期完全消除應(yīng)力、穩(wěn)定組織的熱處理工藝后再進(jìn)行調(diào)質(zhì)，就能有效預(yù)防鋼管調(diào)質(zhì)時(shí)產(chǎn)生形變。

4.2.2金相組織不符合要求
    (1)上述調(diào)質(zhì)工藝加熱時(shí)溫度不能滿足金相組織轉(zhuǎn)變要求。淬火溫度過低會(huì)造成鐵素體沒有完全充分溶解，以及未完全充分奧氏體化。在此情況下就進(jìn)行冷卻淬火，使淬火前已經(jīng)析出的塊狀鐵素體，隨著溫度的降低和時(shí)間的延長而逐漸增大毛，，。
    (2)馬氏體轉(zhuǎn)變不完全。奧氏體必須以大于臨界冷卻速度冷卻到馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度M、點(diǎn)，才能發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。馬氏體轉(zhuǎn)變與珠光體轉(zhuǎn)變不同，當(dāng)奧氏體被冷卻到Ms點(diǎn)以下任意溫度時(shí)，一般不需要孕育，轉(zhuǎn)變立即開始，并且以極快速度進(jìn)行，但是轉(zhuǎn)變很快停止，不能進(jìn)行到終了{(lán)s}。為了使轉(zhuǎn)變能繼續(xù)進(jìn)行，必須降低溫度。當(dāng)溫度降低到馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度Mr后，馬氏體轉(zhuǎn)變已不能進(jìn)行。即使冷至Mf以下，馬氏體轉(zhuǎn)變量還未達(dá)到100%，但是馬氏體轉(zhuǎn)變已經(jīng)停止，就存在馬氏體轉(zhuǎn)變不完全現(xiàn)象。因此，在本調(diào)質(zhì)工藝中，需要適當(dāng)提高淬火溫度和保溫時(shí)間，以加速和確保奧氏體轉(zhuǎn)變。同時(shí)，鋼管冷卻時(shí)采取噴水冷卻方式，避免用冷卻水槽冷卻時(shí)存在的弊端(鋼管出爐后立刻進(jìn)人水槽冷卻，無法保障馬氏體轉(zhuǎn)變溫度M、點(diǎn)后鋼管繼續(xù)冷卻，以使馬氏體轉(zhuǎn)變能繼續(xù)進(jìn)行。馬氏體轉(zhuǎn)變是在不斷降溫的條件下才能進(jìn)行的，而水槽冷卻時(shí)，鋼管直接冷卻到接近水槽冷卻水的溫度，不能有效體現(xiàn)Ms點(diǎn))。由于本材料的Ms點(diǎn)為3SS℃，因此噴水冷卻至此Ms點(diǎn)溫度后，在繼續(xù)噴水的條件下才能使馬氏體有效完全轉(zhuǎn)變，否則會(huì)存在奧氏體轉(zhuǎn)變不完全，殘留奧氏體組織。

    (3)冷卻介質(zhì)達(dá)不到鋼管在淬火時(shí)迅速熱擴(kuò)散冷卻的效果。當(dāng)直接采取自來水對(duì)鋼管進(jìn)行冷卻時(shí)，冷卻速度過快，局部冷縮不均勻，組織內(nèi)物質(zhì)擴(kuò)散不夠，內(nèi)應(yīng)力大，鋼管容易產(chǎn)生開裂和變形。為了使淬火冷卻介質(zhì)具有冷卻溫度均勻、溫差小、冷卻速度快等特點(diǎn)，一般淬火技術(shù)是在自來水中加鹽等混合物，尤其是合金鋼的淬火冷卻中，淬火冷卻采取加鹽的措施，能滿足不同等溫溫度和冷卻速度的要求[[9]。因此，需要在冷卻水中加人S%O^-lO%的工業(yè)用鹽，以達(dá)到溫度均勻、溫差小、冷卻速度快、材料內(nèi)部組織均勻等效果。

4.2.3加熱、冷卻速度對(duì)鋼管金相組織及變形影響
    熱處理過程中加熱和冷卻速度非常關(guān)鍵，對(duì)于大型工件、異形件、管材等，存在不利于熱處理的設(shè)計(jì)缺陷，加熱和冷卻速度需要限制在一定范圍，否則會(huì)造成工件各部溫差過大，導(dǎo)致工件熱應(yīng)力變形破壞，產(chǎn)生熱應(yīng)力和變形，同時(shí)還能影響奧氏體
化過程是否完全。
    (1)限制加熱速度。限制加熱速度是為了鋼管各部分加熱更均勻，如果加熱速度太快會(huì)造成部分組織來不及奧氏體化，在開始冷卻時(shí)形成屈氏體，不僅會(huì)影響奧氏體化的均勻程度，造成淬火后晶粒粗大，甚至出現(xiàn)晶間裂紋，而且還會(huì)造成鋼管變形。同時(shí)，加熱速度影響材料的微程中速度快，則部分第二相來不及溶解。
    (2)提高冷卻速度。在退火時(shí)要冷卻速度慢，但是在淬火冷卻時(shí)，在保證微變形和不開裂的前提下，速度越快越好。冷卻速度直接影響到淬火所形成的組織，只有達(dá)到一定速度才能得到淬火組織馬氏體。

    因此，加熱和冷卻速度直接影響鋼管的結(jié)晶速度和變形幾率，在本熱處理工藝中只有準(zhǔn)確地控制加熱和冷卻速度，才能保障金屬材料的金相組織和避免鋼管產(chǎn)生變形。
4.3對(duì)調(diào)質(zhì)熱處理工藝的調(diào)整
    根據(jù)以上分析，對(duì)缸筒用鋼管采取先期完全消除應(yīng)力、穩(wěn)定組織的熱處理工藝，如圖4所示;然后再采取對(duì)鋼管進(jìn)行淬火和回火處理工藝，分別如圖5、圖6所示[，。]。

    經(jīng)上述調(diào)質(zhì)熱處理工藝后，對(duì)鋼管進(jìn)行檢測，其幾何尺寸精度、直線度和性能分別見表1012;鋼管表面粗糙度為12.5 }a,m，脫碳層厚度為0.15mm ;鋼管無縮孔殘余、皮下氣泡、白點(diǎn)、翻皮、分層、裂紋等現(xiàn)象，中心疏松、偏析均為2級(jí)，金相組織3級(jí)(回火索氏體十鐵素體)(圖7);耐受壓力3538 MPa(持續(xù)10 s)。
    上述檢測結(jié)果顯示，鋼管經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理后，除直線度產(chǎn)生變化外，其余綜合指標(biāo)完全滿足液壓油缸缸筒的技術(shù)要求，達(dá)到了預(yù)期目的。
    鋼管直線度產(chǎn)生變化的原因是:由于鋼管各部位存在殘余應(yīng)力差，而在高溫淬火時(shí)候，又受到冷卻介質(zhì)急冷因素影響，瞬間產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象，使鋼管經(jīng)過調(diào)質(zhì)后產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象。
    解決鋼管調(diào)質(zhì)后存在嚴(yán)重彎曲的有效措施是:鋼管經(jīng)過冷拔和消除應(yīng)力工序后，只需經(jīng)過初步預(yù)矯，當(dāng)調(diào)質(zhì)工藝結(jié)束后再對(duì)鋼管進(jìn)行最終精矯，從而使鋼管完全滿足液壓油缸缸筒的技術(shù)要求。

5結(jié)語
    調(diào)整后的調(diào)質(zhì)工藝通過多次反復(fù)實(shí)踐試驗(yàn)，并進(jìn)行分析論證，充分利用合金鋼含有合金元素具備淬透性強(qiáng)的特性，采取提高材料綜合性能的調(diào)質(zhì)工藝，在調(diào)質(zhì)前對(duì)鋼管采取先期完全消除應(yīng)力、穩(wěn)定組織的熱處理工藝，然后再采取調(diào)整材料綜合力學(xué)性能的調(diào)質(zhì)(淬火十回火)熱處理工藝，使鋼管具有強(qiáng)度高、硬度高、耐磨性好、塑性強(qiáng)、承受壓力大、脫碳少、微變形等綜合性能優(yōu)勢，完全滿足液壓油缸缸筒的技術(shù)要求。