20MnTiB液壓油缸缸體用無縫鋼管的性能分析及改進

夏文斌，鄭 戈，周 勇，趙映輝

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001）

2000年以來國內無縫鋼管廠先后開發(fā)出了高強度中厚壁缸體用無縫鋼管材料20MnTiB鋼種替代27SiMn［1］。實踐表明，20MnTiB鋼種經調質處理后性能良好，屈服強度指標可達到930 MPa以上，常溫U型沖擊功要求大于55 J［1-3］。采用20MnTiB生產的無縫鋼管一直以來在各種高強度液壓油缸、液壓支架等中厚壁缸體上廣泛使用，其具有較高的強度和常溫沖擊韌性，適用于制作外徑≤377 mm，壁厚≤30 mm的各種液壓缸體。

近年來，隨著我國工程機械行業(yè)的迅猛發(fā)展，工程機械向輕量化、大型化方向發(fā)展，液壓件的體積越來越大，強度要求也越來越高，并且要應對低溫等越來越惡劣的使用環(huán)境，所以對油缸材料強度、韌性和低溫韌性等方面均提出了新的要求。本文通過對20MnTiB油缸材料進行拉伸、低溫沖擊、硬度等系列試驗，認為該鋼種存在低溫韌性差、淬透性有限，在鋼管壁厚超過30 mm時鋼管不能淬透、材料性能下降的情況。

1 試驗方法

試驗采用某公司生產的Φ426 mm×38 mm規(guī)格20MnTiB熱軋無縫鋼管，管材的化學成分見表1。20MnTiB鋼種中加入的微量Ti可以細化晶粒，與適量的B配合不僅可以提高管材的淬透性，而且可以明顯降低鋼在低溫回火的脆性，改善了焊接熱影響區(qū)的韌性，同時避免使用Cr、Mo等貴金屬，降低了鋼種的成本［1］。

表1 Φ426 mm×38 mm規(guī)格20MnTiB熱軋無縫鋼管的化學成分（質量分數(shù)） %

奧氏體轉變開始溫度Ac1和奧氏體轉變終了溫度 Ac3的計算公式［4］為：

根據(jù)公式（1）～（2）可計算出 Ac3為 828 ℃時，Ac1為716℃。為了充分溶解奧氏體中的碳化物，又避免奧氏體晶粒粗大，淬火溫度一般設定為Ac3+30～50 ℃［5-7］。因此熱處理工藝［8-14］為：淬火溫度 900℃，保溫90 min；回火溫度425℃，保溫160 min。

對調質后的20MnTiB油缸管依據(jù)GB/T 228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》進行了拉伸性能試驗，依據(jù)GB/T 230.1—2009《金屬材料 洛氏硬度試驗第1部分：試驗方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標尺）》進行了硬度試驗以及依照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行了沖擊性能試驗。

在萊卡DM6000M金相顯微鏡上進行組織觀察，金相試樣的腐蝕液為4%硝酸酒精溶液。

2 試驗結果

2.1 力學性能

在調質后的20MnTiB油缸管壁厚外表面、中間和內表面三個部位分別取樣加工成Φ10 mm的圓棒拉伸試樣和尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的U型缺口沖擊試樣，并進行拉伸性能和常溫U型沖擊性能測試，20MnTiB油缸管力學性能結果見表2。從結果可以看出：20MnTiB油缸管調質后屈服強度為 926～1 192 MPa，抗拉強度為 1 095～1 282 MPa，常溫U型夏比沖擊韌性在31～98 J；中間位置與內外表面力學性能相差較大，外表面和內表面的力學性能符合20MnTiB油缸管的技術要求，但中間的屈服強度和沖擊性能較低，不符合20MnTiB油缸管的技術要求。

表2 20MnTiB油缸管力學性能結果

2.2 硬 度

從試驗鋼管上截取一段鋼管加工成全截面硬度試樣，并在試樣的截面上每間隔5 mm進行洛氏硬度試驗。20MnTiB油缸管硬度試驗位置如圖1所示，不同位置對應的硬度值見表3，截面硬度與距外表面距離關系如圖2所示?？梢钥闯觯褐虚g硬度最低值與內外表面硬度最高值相差8.5 HRC，距外表面15 mm處的硬度出現(xiàn)了突降，硬度值與位置關系形成了U型圖像，結果說明中間處硬度明顯偏低。

圖1 20MnTiB油缸管硬度試驗位置示意

2.3 金相分析

20MnTiB油缸管金相組織如圖3所示。結果表明：20MnTiB油缸管晶粒度8級，僅外表面為100%的回火索氏體組織，中間以貝氏體組織為主（80%貝氏體+20%回火索氏體），內表面也存在貝氏體組織（30%貝氏體+70%回火索氏體）。說明對于壁厚為38 mm以上的鋼管，20MnTiB材料已經不能保證鋼管中間壁厚能被淬透。

表3 20MnTiB油缸管不同位置對應的硬度值 HRC

圖2 20MnTiB油缸管截面硬度與距外表面距離關系

2.4 韌-脆轉變溫度

在調質后的20MnTiB油缸管外表面處加工縱向10 mm×10 mm×55 mm的U型缺口沖擊試樣，并分別在20，10，0，-10，-20和-40℃溫度下測試20MnTiB油缸管的系列沖擊性能。調質后20MnTiB系列全尺寸縱向沖擊性能結果見表4。調質后的20MnTiB油缸管韌-脆轉變溫度約為13℃；當環(huán)境溫度下降到韌-脆轉變溫度以下，剪切面積百分比隨溫度的降低下降較快，開裂方式以脆性斷裂為主，說明20MnTiB材料不適合在10℃以下的低溫環(huán)境下使用。

圖3 20MnTiB油缸管金相組織

表4 調質后20MnTiB系列全尺寸縱向沖擊性能結果

3 試驗結果分析及建議

（1）與外表面和內表面相比，壁厚為38 mm的20MnTiB高強度液壓缸體用無縫鋼管中間部位的拉伸性能和硬度均出現(xiàn)較大幅度的下降，中間部位的抗拉強度和硬度分別降低約200 MPa和8.5 HRC，沖擊功也出現(xiàn)了大幅下降，中間壁厚的拉伸和沖擊性能不滿足20MnTiB高強度油缸管的性能要求。

（2）20MnTiB油缸管僅外表面為100%的回火索氏體組織，中間以貝氏體組織為主，內表面也存在貝氏體組織，說明對于20MnTiB鋼種，壁厚在38 mm以上的鋼管中間處已經不能被淬透。

（3）利用表1中20MnTiB油缸管的化學成分，計算其淬透性［15］：水冷端淬火硬度值J0為47 HRC，半馬氏體硬度值Jb為35 HRC，半馬氏體硬度值對應的距水冷端的距離（半淬區(qū)深度）Eb為15 mm。

（4）20MnTiB的韌-脆轉變溫度較高，約為13℃，不適合在低溫環(huán)境下使用，如使用溫度低于0℃，就存在低溫脆性開裂的風險。

（5）對于壁厚30 mm以上的高強度油缸管，某公司選用了鋼種一或鋼種二替代，替代鋼種的化學成分和各項性能參數(shù)分別見表5～6。從表5～6中可以看出：與20MnTiB相比，替代鋼種在碳當量和合金元素沒有大幅增加的情況下，淬透性和低溫沖擊性能大大提高。

表5 替代鋼種的主要化學成分（質量分數(shù)） %

表6 替代鋼種與20MnTiB的各項參數(shù)對比情況

4 結 語

（1）20MnTiB鋼種淬透性深度為15 mm左右，內外表面都冷卻的情況下不適合生產壁厚30 mm以上的鋼管；

（2）20MnTiB鋼種的韌-脆轉變溫度在13℃左右，不適應低溫環(huán)境工作；

（3）結合成本、淬透層深度、碳當量、理化性能以及使用環(huán)境等各方面考慮，建議對20MnTiB厚壁高強度油缸用鋼管用高淬透性或低韌-脆轉變溫度的鋼種替換；

（4）替代鋼種可以實現(xiàn)較高的強度和優(yōu)異的低溫韌性，綜合性能優(yōu)于20MnTiB，更適合生產壁厚超過30 mm或低溫環(huán)境使用的高強度液壓油缸管。