液壓缸筒用鋼管技術(shù)

液壓缸筒用鋼管技術(shù)工藝實踐

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，而缸筒是形成內(nèi)腔***流體的關(guān)鍵元件，因此缸筒的耐承受壓力、耐磨性、疲勞強度等綜合性能對液壓油缸的壽命起到關(guān)鍵性作用。通常對缸筒要求是能耐受20MPa以內(nèi)壓力(持續(xù)壓力)，對于攪拌和壓力的應(yīng)用，甚***可達(dá)到55MPa。因此，在制作液壓缸缸筒時，對缸筒用鋼管的技術(shù)條件都作出了明確的限定。對液壓油缸缸筒用鋼管(簡稱缸筒用鋼管)通常采用如下幾個工藝：去應(yīng)力退火工藝，正火熱處理工藝，調(diào)質(zhì)熱處理工藝等，上述熱處理工藝生產(chǎn)的鋼管具有不同的技術(shù)性能，適合不同環(huán)境下工作的液壓油缸。

1  缸筒用鋼管的技術(shù)條件

制作27SiMn材質(zhì)的液壓缸筒時，對鋼管的技術(shù)條件要求如下。

1.1化學(xué)成分

對27SiMn鋼管的化學(xué)成分要求見表1。

1.2力學(xué)性能

抗拉強度Rm≥860MPa，屈服強度ReH≥760MPa;伸長率A5≥12%，收縮率Ψ≥40%;沖擊功AkV2(20℃)≥39J;硬度240～280HBW。

1.3工藝性能

常溫下水壓試驗?zāi)苣褪?/span>25～30MPa壓力(持續(xù)壓力)。

1.4金相組織

脫碳層≤0.20mm;在低倍組織方面，鋼管的一般疏松、中心疏松、偏析均≤2級，不得有縮孔殘余、皮下氣泡、白點、翻皮、分層、裂紋和其他夾雜存在;金相組織為回火索氏體+珠光體，3級。

1.5表面粗糙度

表面粗糙度Rа≤12.5μm。

1.6幾何尺寸精度

內(nèi)外徑的尺寸公差均為±0.15mm。

2    冷拔鋼管與缸筒技術(shù)條件的差距

一般以冷拔鋼管作為液壓缸筒原料，以外徑121mm、內(nèi)徑98mm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3.2μm，無脫碳層。對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，鋼管的抗拉強度、屈服強度、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%。

3  冷拔鋼管常見的熱處理工藝

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，在實際生產(chǎn)中大多采取以下熱處理工藝進(jìn)行處理。

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***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。對于27SiMn材料，具體的去應(yīng)力退火工藝為：加熱***480～500℃，保溫***min,經(jīng)去應(yīng)力退火后，對鋼管進(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12.5μm，無脫碳層;金相組織為帶狀鐵素體+珠光體，鐵素體晶粒度為9級。

對上述經(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鋼管的抗拉強度、屈服強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***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材料性能和耐沖擊韌性以及疲勞強度要求較低時，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(Ac3或Acm)以上40～60℃的溫度，保溫一段時間，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***920～930℃，保溫35min后風(fēng)冷。

經(jīng)正火熱處理后，對鋼管進(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12.5μm，脫碳層厚度為0.05mm;金相組織為4級，為珠光體+鐵素體。

對上述經(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鋼管的抗拉強度、屈服強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***過共析鋼的網(wǎng)狀滲碳體，對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，加熱***鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度Ac3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。也就是，該熱處理工藝雖能使27SiMn材料具有一定的抗拉強度、屈服強度、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***環(huán)境下使用并對性能及疲勞強度要求不高時，可以采取上述熱處理工藝生產(chǎn)。

4  調(diào)質(zhì)熱處理工藝

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***理想的選擇。

4.1常規(guī)調(diào)質(zhì)熱處理工藝

為了使缸筒用鋼管具有強度高、硬度高、耐磨性好、塑性強、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施。

根據(jù)27SiMn材料的特點，具體的調(diào)質(zhì)熱處理工藝為：加熱***910～920℃，保溫35min后水冷;然后采取在510～520℃保溫***min的回火熱處理工藝。

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12.5μm，脫碳層厚度為0.10mm;金相組織為回火索氏體+珠光體+半網(wǎng)狀、條狀、塊狀、針狀鐵素體(圖3)，晶粒度5級;耐受壓力30 MPa(持續(xù)10s)。

對上述檢測結(jié)果進(jìn)行分析，得出：

①鋼管經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理后，抗拉強度、屈服強度、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+半網(wǎng)狀、條狀、塊狀、針狀鐵素體，晶粒度5級，未能達(dá)到液壓油缸缸筒的技術(shù)要求。

4.2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，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***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)工藝加熱時溫度不能滿足金相組織轉(zhuǎn)變要求。淬火溫度過低會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間的延長而逐漸增大。

(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Ms點，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點以下任意溫度時，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。

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Mf后，馬氏體轉(zhuǎn)變已不能進(jìn)行。即使冷***Mf以下，馬氏體轉(zhuǎn)變量還未達(dá)***，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間，以加速和確保奧氏體轉(zhuǎn)變。同時，鋼管冷卻時采取噴水冷卻方式，避免用冷卻水槽冷卻時存在的弊端(鋼管出爐后立刻進(jìn)入水槽冷卻，無法保障馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms點后鋼管繼續(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，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)。由于本材料的Ms點為355℃，因此噴水冷卻***此Ms點溫度后，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)不到鋼管在淬火時迅速熱擴散冷卻的效果。當(dāng)直接采取自來水對鋼管進(jìn)行冷卻時，冷卻速度過快，局部冷縮不均勻，組織內(nèi)物質(zhì)擴散不夠，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，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。因此，需要在冷卻水中加入5%～10%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，對于大型工件、異形件、管材等，存在不利于熱處理的設(shè)計缺陷，加熱和冷卻速度需要***在一定范圍，否則會造成工件各部溫差過大，導(dǎo)致工件熱應(yīng)力變形***，產(chǎn)生熱應(yīng)力和變形，同時還能影響奧氏體化過程是否完全。

(1)***加熱速度。***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造成部分組織來不及奧氏體化，在開始冷卻時形成屈氏體，不僅會影響奧氏體化的均勻程度，造成淬火后晶粒粗大，甚***出現(xiàn)晶間裂紋，而且還會造成鋼管變形。同時，加熱速度影響材料的微觀組織，加熱過程中速度快，則部分***相來不及溶解。

(2)提高冷卻速度。在退火時要冷卻速度慢，但是在淬火冷卻時，在保證***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改進(jìn)的調(diào)質(zhì)熱處理工藝

根據(jù)以***析，對缸筒用鋼管采取先期完全***應(yīng)力、穩(wěn)定組織的熱處理工藝，如圖4所示;然后再采取對鋼管進(jìn)行淬火和回火處理工藝，分別如圖5、圖6所示[10]。

經(jīng)上述調(diào)質(zhì)熱處理工藝后，對鋼管進(jìn)行檢測，其幾何尺寸精度、直線度和性能分別見表10~12;鋼管表面粗糙度為12.5μm，脫碳層厚度為0.15mm;鋼管無縮孔殘余、皮下氣泡、白點、翻皮、分層、裂紋等現(xiàn)象，中心疏松、偏析均為2級，金相組織3級(回火索氏體+鐵素體)(圖7);耐受壓力35～38MPa(持續(xù)10s)。

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***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)束后再對鋼管進(jìn)行***終精矯，從而使鋼管完全滿足液壓油缸缸筒的技術(shù)要求。

結(jié)語

調(diào)整后的調(diào)質(zhì)工藝通過多次反復(fù)實踐試驗，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)前對鋼管采取先期完全***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+回火)熱處理工藝，使鋼管具有強度高、硬度高、耐磨性好、塑性強、承受壓力大、脫碳少、***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。