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新闻动态

液压缸筒用钢管技术工艺实践

发布日期:2018-11-01

前言

液压油缸基本上由缸筒、缸盖、活塞和活塞杆与密封装置组成,而缸筒是形成内腔盛装流体的关键元件,因此缸筒的耐承受压力、耐磨性、疲劳强度等综合性能对液压油缸的寿命起到关键性作用。通常对缸筒要求是能耐受20MPa以内压力(持续压力),对于搅拌和压力的应用,甚至可达到55MPa。因此,在制作液压缸缸筒时,对缸筒用钢管的技术条件都作出了明确的限定。对液压油缸缸筒用钢管(简称缸筒用钢管)通常采用如下几个工艺:去应力退火工艺,正火热处理工艺,调质热处理工艺等,上述热处理工艺生产的钢管具有不同的技术性能,适合不同环境下工作的液压油缸。

1   缸筒用钢管的技术条件

制作27SiMn材质的液压缸筒时,对钢管的技术条件要求如下。

1.2力学性能

抗拉强度Rm≥860MPa,屈服强度ReH≥760MPa;伸长率A5≥12%,收缩率Ψ≥40%;冲击功AkV2(20℃)≥39J;硬度240∼280HBW

1.3工艺性能

常温下水压试验能耐受25∼30MPa压力(持续压力)

1.4金相组织

脱碳层≤0.20mm;在低倍组织方面,钢管的一般疏松、中心疏松、偏析均≤2级,不得有缩孔残余、皮下气泡、白点、翻皮、分层、裂纹和其他夹杂存在;金相组织为回火索氏体+珠光体,3级。

1.5表面粗糙度

表面粗糙度Rа≤12.5µm

1.6几何尺寸精度

内外径的尺寸公差均为±0.15mm


2    冷拔钢管与缸筒技术条件的差距

一般以冷拔钢管作为液压缸筒原料,以外径121mm、内径98mm冷拔状态下的钢管为例,其几何尺寸精度、性能分别见表2和表3,钢管表面粗糙度为3.2µm,无脱碳层。对冷拔后的钢管精度和性能进行分析,得出:

钢管的几何尺寸精度、表面粗糙度完全满足液压油缸缸筒所需技术条件;

与技术要求相比,钢管的抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率、冲击功、硬度(HBW)分别低了8.7%11.2%21.0%33.8%60.3%36.5%

3  冷拔钢管常见的热处理工艺

根据钢管经过冷加工后的性能情况,结合液压油缸缸筒技术条件要求,在实际生产中大多采取以下热处理工艺进行处理。

3.1去应力退火工艺

该工艺是采取低于再结晶加热温度的热处理工艺,目的在于消除由于塑性形变加工造成的钢管内残余应力,但仍保留冷加工硬化效果,以保障钢管的性能和防止钢管产生形变开裂。对于27SiMn材料,具体的去应力退火工艺为:加热至480∼500℃,保温180min,经去应力退火后,对钢管进行检测,其几何尺寸精度、性能分别见表4和表5;钢管表面粗糙度为12.5µm,无脱碳层;金相组织为带状铁素体+珠光体,铁素体晶粒度为9

对上述经去应力热处理后钢管的检测结果进行分析,得出:

钢管的几何尺寸精度基本无变化;

钢管的伸长率、断面收缩率及表面粗糙度达到技术要求;

钢管的冲击功比冷加工状态下提高83%,但是依然未达到液压油缸缸筒的技术要求;

钢管的抗拉强度、屈服强度及硬度在冷加工基础上大幅降低;

钢管的金相组织比冷加工状态下稍微有所改善,但是与液压油缸缸筒的技术要求相差甚远。

由于去应力退火的特性主要是消除金属的内应力,在热处理工艺中加热温度没有超过材料的相变温度,只是接近再结晶温度,所以去应力退火过程中,金属材料的组织基本不发生变化。当一般环境下使用的液压油缸缸筒对材料性能和耐冲击韧性以及疲劳强度要求较低时,可以采取上述热处理工艺生产。


3.2正火热处理工艺

该工艺是将钢管加热到上临界点(Ac3Acm)以上40∼60℃的温度,保温一段时间,达到完全奥氏体化后,在空气中冷却。其目的在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化,提高材料的性能和获得接近平衡状态的组织。

27SiMn材料的具体正火工艺为:加热至920∼930℃,保温35min后风冷

经正火热处理后,对钢管进行检测,其几何尺寸精度、性能分别见表6和表7;钢管表面粗糙度为12.5µm,脱碳层厚度为0.05mm;金相组织为4级,为珠光体+铁素体

对上述经正火热处理后钢管的检测结果进行分析,得出:

钢管的伸长率、断面收缩率、冲击功及表面粗糙度均达到技术要求;

钢管的几何尺寸波动较大,虽然在技术要求范围内,但是已经接近极限值;

钢管的抗拉强度、屈服强度比冷拔钢管有大幅降低;

钢管的金相组织大有改善,但是依然未达到液压油缸缸筒的技术要求。

正火能消除过共析钢的网状渗碳体,对于亚共析钢正火可细化晶格,提高综合力学性能。当27SiMn材料在正火时,加热至铁素体全部转变为奥氏体的终了温度Ac3以上,铁素体逐渐溶于奥氏体内,钢的组织就全部奥氏体化,产生大量的细小而且排列精密的奥氏体组织。也就是,该热处理工艺虽能使27SiMn材料具有一定的抗拉强度、屈服强度、塑性、韧性等,但是抗弯曲和扭曲能力依然低下,尤其是疲劳强度不能满足液压油缸缸筒的技术要求。因此,当液压油缸缸筒在稍恶劣环境下使用并对性能及疲劳强度要求不高时,可以采取上述热处理工艺生产。


4  调质热处理工艺

根据上述钢管冷拔状态下和经去应力及正火热处理工艺后存在的弊端,如果要满足复杂环境下使用的液压油缸缸筒的技术要求,使钢管具有足够的强度、硬度、韧性、耐压性和耐疲劳性,那么采取调整材料综合力学性能的调质热处理工艺是*理想的选择。


4.1常规调质热处理工艺

为了使缸筒用钢管具有强度高、硬度高、耐磨性好、塑性强、承受压力大、变形小、脱碳少以及疲劳寿命长等优良特性,钢管热处理按照以下工艺实施。

根据27SiMn材料的特点,具体的调质热处理工艺为:加热至910∼920℃,保温35min后水冷;然后采取在510∼520℃保温180min的回火热处理工艺

经此热处理后,钢管的几何尺寸精度、性能分别见表8和表9;钢管表面粗糙度为12.5µm,脱碳层厚度为 0.10mm;金相组织为回火索氏体+珠光体+半网状、条状、块状、针状铁素体(3),晶粒度5;耐受压力30 MPa(持续10s)

对上述检测结果进行分析,得出:

钢管经过调质热处理后,抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率、冲击功及表面光洁度、脱碳层深度均达到液压油缸缸筒的技术要求;

钢管经过调质热处理后,发生严重变形,不能满足液压油缸缸筒的技术要求;

钢管经过调质热处理后,金相组织为回火索氏体+珠光体+半网状、条状、块状、针状铁素体,晶粒度5级,未能达到液压油缸缸筒的技术要求。

4.2调质热处理工艺效果较差的原因分析

4.2.1钢管几何尺寸精度产生严重变形

钢管在经过高温淬火时,由于受到冷却介质急冷因素影响,瞬间产生热胀冷缩现象,以及钢管本身残余应力差,造成原本公差**的钢管在经过调质后产生严重形变。因此需要采取先期完全消除应力、稳定组织的热处理工艺后再进行调质,就能有效预防钢管调质时产生形变。

4.2.2金相组织不符合要求

(1)上述调质工艺加热时温度不能满足金相组织转变要求。淬火温度过低会造成铁素体没有完全充分溶解,以及未完全充分奥氏体化。在此情况下就进行冷却淬火,使淬火前已经析出的块状铁素体,随着温度的降低和时间的延长而逐渐增大

(2)马氏体转变不完全。奥氏体必须以大于临界冷却速度冷却到马氏体转变开始温度Ms点,才能发生马氏体转变。马氏体转变与珠光体转变不同,当奥氏体被冷却到Ms点以下任意温度时,一般不需要孕育,转变立即开始,并且以极快速度进行,但是转变很快停止,不能进行到终了

为了使转变能继续进行,必须降低温度。当温度降低到马氏体转变终了温度Mf后,马氏体转变已不能进行。即使冷至Mf以下,马氏体转变量还未达100%,但是马氏体转变已经停止,就存在马氏体转变不完全现象。因此,在本调质工艺中,需要适当提高淬火温度和保温时间,以加速和确保奥氏体转变。同时,钢管冷却时采取喷水冷却方式,避免用冷却水槽冷却时存在的弊端(钢管出炉后立刻进入水槽冷却,无法保障马氏体转变温度Ms点后钢管继续冷却,以使马氏体转变能继续进行。马氏体转变是在不断降温的条件下才能进行的,而水槽冷却时,钢管直接冷却到接近水槽冷却水的温度,不能有效体现Ms)。由于本材料的Ms点为355℃,因此喷水冷却至此Ms点温度后,在继续喷水的条件下才能使马氏体有效完全转变,否则会存在奥氏体转变不完全,残留奥氏体组织。

(3)冷却介质达不到钢管在淬火时迅速热扩散冷却的效果。当直接采取自来水对钢管进行冷却时,冷却速度过快,局部冷缩不均匀,组织内物质扩散不够,内应力大,钢管容易产生开裂和变形。为了使淬火冷却介质具有冷却温度均匀、温差小、冷却速度快等特点,一般淬火技术是在自来水中加盐等混合物,尤其是合金钢的淬火冷却中,淬火冷却采取加盐的措施,能满足不同等温温度和冷却速度的要求。因此,需要在冷却水中加入5%∼10%的工业用盐,以达到温度均匀、温差小、冷却速度快、材料内部组织均匀等效果。

4.2.3加热、冷却速度对钢管金相组织及变形影响

热处理过程中加热和冷却速度非常关键,对于大型工件、异形件、管材等,存在不利于热处理的设计缺陷,加热和冷却速度需要限制在一定范围,否则会造成工件各部温差过大,导致工件热应力变形破坏,产生热应力和变形,同时还能影响奥氏体化过程是否完全。

(1) 限制加热速度。限制加热速度是为了钢管各部分加热更均匀,如果加热速度太快会造成部分组织来不及奥氏体化,在开始冷却时形成屈氏体,不仅会影响奥氏体化的均匀程度,造成淬火后晶粒粗大,甚至出现晶间裂纹,而且还会造成钢管变形。同时,加热速度影响材料的微观组织,加热过程中速度快,则部分第二相来不及溶解。

(2) 提高冷却速度。在退火时要冷却速度慢,但是在淬火冷却时,在保证微变形和不开裂的前提下,速度越快越好。冷却速度直接影响到淬火所形成的组织,只有达到一定速度才能得到淬火组织马氏体。

因此,加热和冷却速度直接影响钢管的结晶速度和变形几率,在本热处理工艺中只有准确地控制加热和冷却速度,才能保障金属材料的金相组织和避免钢管产生变形。


4.3改进的调质热处理工艺

根据以上分析,对缸筒用钢管采取先期完全消除应力、稳定组织的热处理工艺,如图4所示;然后再采取对钢管进行淬火和回火处理工艺,

经上述调质热处理工艺后,对钢管进行检测,其几何尺寸精度、直线度和性能分别见表10~12;钢管表面粗糙度为12.5µm,脱碳层厚度为0.15mm;钢管无缩孔残余、皮下气泡、白点、翻皮、分层、裂纹等现象,中心疏松、偏析均为2级,金相组织3(回火索氏体+铁素体)(7);耐受压力35∼38MPa(持续10s)

上述检测结果显示,钢管经过调质热处理后,除直线度产生变化外,其余综合指标完全满足液压油缸缸筒的技术要求,达到了预期目的。钢管直线度产生变化的原因是:由于钢管各部位存在残余应力差,而在高温淬火时候,又受到冷却介质急冷因素影响,瞬间产生热胀冷缩现象,使钢管经过调质后产生弯曲现象。

解决钢管调质后存在严重弯曲的有效措施是:

钢管经过冷拔和消除应力工序后,只需经过初步预矫,当调质工艺结束后再对钢管进行*终精矫,从而使钢管完全满足液压油缸缸筒的技术要求。

结语

调整后的调质工艺通过多次反复实践试验,并进行分析论证,充分利用合金钢含有合金元素具备淬透性强的特性,采取提高材料综合性能的调质工艺,在调质前对钢管采取先期完全消除应力、稳定组织的热处理工艺,然后再采取调整材料综合力学性能的调质(淬火+回火)热处理工艺,使钢管具有强度高、硬度高、耐磨性好、塑性强、承受压力大、脱碳少、微变形等综合性能优势,完全满足液压油缸缸筒的技术要求。

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