液壓油缸用冷拔管熱處理工藝

徐工液壓件有限公司（江蘇 221000）葉海燕 姚東旭

各類文獻(xiàn)表明，高性能液壓缸筒除了使用調(diào)質(zhì)管外，目前最廣泛采用的是高精度冷拔鋼管，其目的是提高原材料的利用率，提高管料尺寸精度便于后道加工，利用加工硬化的特性提高性能和降低成本。根據(jù)我廠生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，冷拔管的各類成本中，原材料成本平均91.61%，熱處理成本平均6.55%，其中材質(zhì)及規(guī)格的選擇對(duì)冷拔成本影響約20.1%。

冷拔管常用材質(zhì)為25Mn、45鋼、27SiMn，在2011年，Q345B（材質(zhì)與16Mn接近）開始應(yīng)用于工程機(jī)械油缸，隨著各項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)比的完善，逐漸完善了材質(zhì)的選用。本文以Q345B和27SiMn冷拔管為研究對(duì)象，進(jìn)行了熱處理工藝的探索及實(shí)踐，結(jié)合25Mn和45鋼的現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，提出了質(zhì)量提升和熱處理成本降低的關(guān)鍵技術(shù)。

1.試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理 從擠壓性能進(jìn)行比較，冷拔加工是通過加工硬化特性提高材料的性能。在加工硬化過程中，晶粒產(chǎn)生塑性變形，內(nèi)部存在較大應(yīng)力，一般采用再結(jié)晶退火以消除應(yīng)力。圖1表示金屬的冷變形度與再結(jié)晶后晶粒大小的關(guān)系?？梢姡?dāng)變形率很小時(shí)，由于晶格畸變很小，不足以引起再結(jié)晶，故加熱時(shí)無再結(jié)晶現(xiàn)象，晶粒仍保持原來的大小。當(dāng)變形度增加到“臨界變形度”（2%～10%，視具體金屬而定），此時(shí)只有部分晶粒發(fā)生變形，變形極不均勻，再結(jié)晶很少，再結(jié)晶時(shí)晶粒易相互吞并長大，因而晶粒特別粗大。

圖1 再結(jié)晶晶粒大小與冷變形度的關(guān)系

一般，每種金屬都有一個(gè)最低再結(jié)晶溫度T再，它與熔點(diǎn)T熔之間存在如下大致關(guān)系：

T再=0.4T熔

T熔=-2.7[Al]-2[V]-1.7[Mo]-1.5[Cr]-1.7[Co]-1[W]-1300[H]-90[N]-80[B]-80[O]-5[Ce]-6.5[Nb]

經(jīng)計(jì)算，冷拔管常用4種材質(zhì)的熔點(diǎn)如表1所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，這4種材質(zhì)的再結(jié)晶溫度相差約5℃，由于其他任何元素的加入只會(huì)使熔點(diǎn)降低，且實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，中溫?zé)崽幚頎t的各區(qū)溫差一般在±5℃，故從理論講，可以合并再結(jié)晶熱處理工藝溫度為600℃。而實(shí)際生產(chǎn)的變形率一般在1.1%～1.3%，正好處于理論上的臨界變形區(qū)，故在熱處理的工藝設(shè)計(jì)上，應(yīng)避免再結(jié)晶熱處理導(dǎo)致的晶粒粗大，即溫度不能超過600℃。

表1 4種材質(zhì)的熔點(diǎn)和再結(jié)晶溫度理論值

冷拔管在加熱過程中，隨著溫度升高依次通過回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長大3個(gè)階段(見圖2)，可看出隨著溫度升高，晶粒長大，強(qiáng)度降低，伸長率提高。當(dāng)退火溫度不能超過600℃時(shí)，應(yīng)考慮將溫度設(shè)定在“回復(fù)”溫度的I區(qū)進(jìn)行去應(yīng)力退火，使尺寸穩(wěn)定、保留加工硬化的高強(qiáng)度和適當(dāng)提高韌性。

圖2 冷變形金屬退火時(shí)性能變化

根據(jù)同行業(yè)交流，有部分廠家在使用300℃保溫2h，使27SiMn發(fā)揮了調(diào)質(zhì)管的性能。根據(jù)前期驗(yàn)證，我廠冷拔管采用的成品退火為550℃保溫2h。本次驗(yàn)證從27SiMn開始，驗(yàn)證的溫度區(qū)間為300～550℃。試驗(yàn)設(shè)備為WEW－600B微機(jī)屏顯液壓萬能試驗(yàn)機(jī)、SRSS3－1應(yīng)力在線檢測(cè)儀等，小樣件熱處理采用箱式電阻爐，批量試制采用臺(tái)車電阻爐。

（2）第一次試驗(yàn)及結(jié)果分析 第一次試驗(yàn)，材料為27SiMn無縫管，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17396－2009 液壓支柱用熱軋無縫鋼管,坯料規(guī)格φ203mm×13mm，冷拔至φ200mm×φ180mm，變形率為1.27。在同一間鋼管上，截取3段，分別在箱式爐中進(jìn)行550℃保溫2h、300℃保溫3h、300℃保溫5h的熱處理，對(duì)熱處理后的管段線切割加工全壁厚拉伸試樣。試驗(yàn)結(jié)果詳見表2。

由上述檢測(cè)結(jié)果可知：300℃退火與550℃退火相比，強(qiáng)度高、韌性低；同種溫度，隨著保溫時(shí)間延長，強(qiáng)度變化不明顯，但韌性升高。300℃保溫3～5h，斷后伸長率＜12%。

斷后伸長率能表征材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力，為提高缸體斷裂前的預(yù)警功能，一般要求材料具有一定的斷后伸長率，故本次試驗(yàn)工藝的結(jié)果尚不能滿足要求。

（3）第二次試驗(yàn)結(jié)果及分析 第二次試驗(yàn)根據(jù)第一次的結(jié)果，增加保溫時(shí)間。為控制生產(chǎn)周期，基于提高溫度可縮短保溫時(shí)間的原理，增加400℃退火試驗(yàn)。

試驗(yàn)在同一件鋼管上，截取6段，分別在箱式爐中進(jìn)行300℃保溫4h、300℃保溫5h、300℃保溫6h、400℃保溫3h、400℃保溫4h、400℃保溫5h，對(duì)熱處理后的管段線切割加工全壁厚拉伸試樣。試驗(yàn)結(jié)果見表3、圖3，可見300℃的退火工藝，如要得到較高的伸長率，需保溫超過6h；400℃保溫3～4h，強(qiáng)度與300℃相當(dāng)，但韌性明顯提升；400℃隨著保溫時(shí)間延長，韌性提升，但在保溫5h時(shí)，強(qiáng)度急劇下降。

由于錳元素在冷作硬化的過程中起關(guān)鍵作用，根據(jù)Q345B與27SiMn的化學(xué)成分對(duì)比可看出這兩種材質(zhì)的含錳量接近，另外這兩種材質(zhì)實(shí)際生產(chǎn)的變形率范圍接近且熔點(diǎn)計(jì)算結(jié)果接近，故冷拔后的成品退火在理論上可采取一種工藝。從本次試驗(yàn)結(jié)果來看，為得到較高強(qiáng)度和韌性，在保證生產(chǎn)周期的前提下，400℃保溫3h具有進(jìn)一步研究的價(jià)值。

表2 不同熱處理后的27SiMn冷拔管力學(xué)性能

表3 不同熱處理后的27SiMn冷拔管力學(xué)性能

圖3

2.材質(zhì)推廣試驗(yàn)

表4 不同熱處理后的Q345B冷拔管力學(xué)性能

圖4 Q345B材質(zhì)冷拔管

試驗(yàn)材料選用天津無縫鋼管集團(tuán)的Q345B無縫管，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1591－2008 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼,坯料規(guī)格φ194mm×16mm，冷拔至φ185mm×φ160mm，變形率設(shè)計(jì)為1.30。

本次試驗(yàn)在同一件鋼管上，截取6段，分別在箱式爐中進(jìn)行300℃保溫4h、300℃保溫5h、300℃保溫6h、400℃保溫3h、400℃保溫4h、400℃保溫5h，對(duì)熱處理后的管段線切割加工全壁厚拉伸試樣。試驗(yàn)結(jié)果見表4、圖4。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：400℃退火后韌性高于300℃退火；Q345B材質(zhì)冷拔管在400℃退火后的性能滿足了DIN2391冷軋或冷拔精密無縫鋼管和GB3639－2008 精密冷拔無縫鋼管中對(duì)所有材質(zhì)的性能要求。結(jié)合27SiMn的試驗(yàn)結(jié)果，可推論400℃保溫3h可滿足這兩種材質(zhì)的冷拔管性能要求。

3.性能穩(wěn)定性測(cè)試

本次試驗(yàn)選取的冷拔管試樣共55件，樣本包含了不同變形率、不同規(guī)格、不同材質(zhì)等條件，每個(gè)試樣材質(zhì)規(guī)格有兩種狀態(tài)：冷拔+550℃保溫2h退火；冷拔+400℃保溫3h退火。該項(xiàng)試驗(yàn)用以測(cè)試不同熱處理工藝狀態(tài)下的不同材料的性能穩(wěn)定性，只有通過該項(xiàng)測(cè)試的工藝才能滿足工業(yè)生產(chǎn)的少量、多品種的需求。測(cè)試結(jié)果詳見表5、圖5。

表5 不同熱處理后的Q345B冷拔管力學(xué)性能

圖5

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：27SiMn冷拔管400℃退火后性能波動(dòng)高于550℃退火；Q345B冷拔管400℃退火后性能波動(dòng)于550℃相當(dāng)；Q345B冷拔管400℃退火的強(qiáng)度滿足了DIN2391和GB3639中各類材質(zhì)冷拔管的性能要求。

4.生產(chǎn)驗(yàn)證

由于Q345B冷拔管已能滿足常規(guī)液壓油缸對(duì)各類材質(zhì)冷拔管的性能要求，在生產(chǎn)試制時(shí)，重點(diǎn)對(duì)此材質(zhì)進(jìn)行兩個(gè)批次的產(chǎn)品測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、表面殘余應(yīng)力測(cè)試。性能測(cè)試結(jié)果見表6、表7。

從測(cè)試結(jié)果看，Q345B冷拔管在常規(guī)的1.19%～1.3%的變形率范圍內(nèi)，成品退火采用400℃保溫3h，性能可滿足生產(chǎn)和使用的要求，表面應(yīng)力呈壓應(yīng)力分布，有利于提高油缸使用壽命。

5.各材質(zhì)冷拔管性能對(duì)比

經(jīng)長期統(tǒng)計(jì)，各類材質(zhì)冷拔管的實(shí)際性能數(shù)據(jù)詳見表8。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，Q345B的沖擊功在4種材質(zhì)中表現(xiàn)最佳且較穩(wěn)定，抗拉強(qiáng)度的穩(wěn)定性在幾種材質(zhì)中表現(xiàn)最佳。

表6 冷拔管性能測(cè)試結(jié)果

表7 冷拔鋼管不同狀態(tài)下的表面殘余應(yīng)力分布

表8 各種材質(zhì)冷拔管性能穩(wěn)定性對(duì)比

6.質(zhì)量提升和熱處理成本控制的關(guān)鍵技術(shù)

由于連續(xù)冷拔變形率會(huì)超過1.2%，45鋼和27SiMn必須先進(jìn)行坯料退火以降低硬度、提高塑性，否則在拔制過程中可能出現(xiàn)斷裂，而成品退火則是每種材質(zhì)冷拔管必須的。故這兩種材質(zhì)在冷拔工藝的設(shè)計(jì)過程中，坯料熱處理是關(guān)鍵工序。據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，熱處理電耗在冷拔的各項(xiàng)成本中約占10%，各種熱處理電耗見表9。

根據(jù)前面的分析，液壓油缸用冷拔管提升質(zhì)量、降低成本的關(guān)鍵技術(shù)是將原材料統(tǒng)一為Q345B，取消坯料退火，采用400℃成品退火。該項(xiàng)技術(shù)不僅可以提升質(zhì)量穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品斷裂韌性，且使熱處理能耗由3980.59kW·h降低為1809.36kW·h，生產(chǎn)周期由20h/爐次縮短為6h/爐次。

表9

7.結(jié)語

為保證新工藝的穩(wěn)定可靠性，僅該項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集歷時(shí)近兩年，本次驗(yàn)證過程中，材料性能的穩(wěn)定性研究為油缸的可靠性設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。雖然能耗降低70%、效率提升25%的結(jié)果鼓舞人心，但對(duì)比美國2020年熱處理生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展目標(biāo)能源消耗減少80%、工藝周期縮短50%，仍有差距。

本次驗(yàn)證過程中，27SiMn材質(zhì)的冷拔管強(qiáng)度波動(dòng)高達(dá)27.36%，帶來了下一個(gè)研究課題：材料冷拔及熱處理工藝，使27SiMn冷拔管的抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定在900～1000MPa并保證一定的斷后伸長率和沖擊功。這樣的研究可以常規(guī)、低價(jià)的27SiMn冷拔管代替大部分材質(zhì)的調(diào)質(zhì)管，可解決調(diào)質(zhì)變形問題，降低熱處理能耗，縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品尺寸精度，提高材料利用率，降低后續(xù)機(jī)加工工序的難度，初步估計(jì)可節(jié)約70%的生產(chǎn)成本。