浅析液压缸筒用合金钢管时效热处理工艺.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 2 ．2 0 1 2 浅析液压缸筒用合金钢管时效热处理工艺 韩 波 江苏华程工业制管股份有限公司 ， 江苏 苏州 2 1 5 6 1 1 摘要 液压缸 筒用合金钢 管经过高温 淬火时 ， 受到冷却介 质急冷 因素影响 ， 瞬 间产 生热胀冷缩 的现象 ， 以及冷拔钢 管本身残余应力 差 ， 钢管在经过 调质后产生形变 ； 并且 ， 调质 或正火 工 艺均属 于高温热处理工 艺 ， 钢管容易产 生脱 碳现象 ； 再者 ， 经过 调质 或正火 后 ， 钢管表面产生氧化铁皮 F e 0 及 F e ， 0 ， 粗糙度急剧下 降。 该 文意在论述 ， 对液压缸筒用合金钢管采取低温长时间保温 ， 以达到沉淀 硬化 目的的时效处 理工 艺。当钢管冷加工时金属 晶粒 呈 纵 向滑移伸长产生错位 ， 在冷加工硬化 的基础上 ， 时效热处理时 ， 变形的 晶粒形成 多边 化的亚结构 ， 当晶粒得到沉淀硬化 时 ， 钢管力 学 性能和工艺性能得到全 面提高 ， 完全满足液压缸筒所需强度高、 硬度高 、 耐磨性好 、 塑性 强、 承受压力大等技术条件。 关键词 液压缸筒 ； 合金钢管 ； 时效处理 ； 脱碳 ； 粗糙 度 ； 变形 中图分 类号 T H1 3 7 ． 5 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 1 2 0 0 0 9 0 3 Br i e f Ana l y s i s o f Ag i n g H e a t Tr e a t me nt o f Hy d r a u l i c Cy h n de r U s e d Al l o y S t e e l Tu b e s HAN Bo J i a n g s u H u a c h e n g I n d u s t P i p e Ma k i n g C o r p o r a t i o n ， S u z h o u 2 1 5 6 1 1 ， C h i n a Ab s t r a c t W h e n q u e n c h e d a t h i g h t e mp e r a t u r e ， t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r u s e d t u b e s wi l l o c c u r p h e n o me n o n o f t h e r ma l e x p a n s i o n a n d c o l d c o n t r a c t i o n a n d w i l l d e f o r m a f t e r q u e n c h i n g b e c a u s e o f f a s t c o o l i n g a n d l a c k of s t r e s s i n i t s e l f ． B e s i d e s ， q u e n c h i n g o r n o r ma l i z i n g p r o c e s s b o t h a r e h i g h t e mp e r a t e h e a t t r e a t me n t ， wh i c h w i l l l e a d t o d e c a r b o n i z a t i o n e a s i l y ， t h i r d l y ， s t e e l t u b e s u r f a c e wi l l o c c u r Ox i d e S c a l e s F e 2 03 a n d F e 3 O 4 a f t e r q u e n c h i n g o r n o r mali z i n g a n d t h e r o u g h n e s s d e g r e e d r o p s r a p i d l y ． T h i s a r t i c l e a i ms t o s t a t e t h e a g i n g h e a t t r e a t me n t o f k e e p i n g s t e e l t u b e s a t a l o w t e mp e r a t e i n l o n g t i me t o t h e p u r p o s e o f d e p o s i t i o n a n d r i g i d i fi c a t i o n ． Du ri n g t h e t u b e c o l d ma c h i n i n g ， t h e me tal g r a i n a p p e a r s i n l o n g i t u d i n a l s h a p e a n d s l i p s a n d b e c o me l o n g e r a n d t h e n d i s l o c a t e s ． W i t h r i g i d i fi c a t i o n o f c o l d d r a wi n g a n d a g i n g h e a t t r e a t me n t ， t h e t r a n s fi g u r e d g r a i n t u r n s i n t o mu h i l a t e r a l s u b s t r u c t u r e a f t e r t h e g r a i n‘ S d e p o s i t i o n a n d r i g i d i fi c a t i o n ， t h e t o t a l me c h a n i c s a n d p me s s p r o p e r t y a r e i mp r o v e d c o mp l e t e l y wh i c h wi l l s a t i s f y t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r n e e d e d h i g h s t r e n g t h ， h i g h h a r d n e s s ， g o o d d u r a b i l i t y ， s t r o n g p l a s t i c p r o p e r t y a n d h i g h p r e s s u r e e n d u r a n c e ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c c y l i n d e r ； a l l o y s t e e l t u b e s ； a g i n g h e a t t r e a t me n t ； d e e a r b o n i z a t i o n； r o u g h n e s s ； d e f o r ma t i o n 0 引 吾 合金钢广泛用于各种机械零部件、结构部件 中， 在 实践生产中 ， 由于合金钢含有合金元素 ， 当产品结构有 力学性能及工艺性能要求时 ，合金钢则通常采取调质 淬火 回火 的热处理工艺 ， 该工艺的缺陷在于 1 生产周期漫长 ， 工艺过程复杂 ； 2 调质产生的成本费用高 ， 限制产品的适用范围； 3 经过调质热处理后 ， 产品发生形变 ， 尺寸精度大 幅下降 4 产品表面光洁度下降 ， 并且伴有脱碳现象发生。 1 液压缸 筒所需 钢管 的技术需求 液压缸筒是液压油缸的重要组成部分 ． 是将液压能 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 2 9 作者简介 韩 波 1 9 7 5 一 ， 男 ， 湖北十堰人 ， 工程师， 本科 ， 研究方向为金属材 料延压加工。 转变为机械能 、 做直线往复运动 或摆动运动 的液压执 行元件 。 用它来实现往复运动时 。 可免去减速装置 ， 并且 没有传动间隙 ， 运动平稳 ， 因此在各种机械液压系统 中 得到广泛应用。液压缸基本上 由缸筒和缸盖、 活塞和活 塞杆 、 密封装置 、 缓冲装置组成 ， 液压缸输出力和活塞有 效面积及其两边 的压差成正比， 而缸筒是形成内腔盛装 流体的关键元件， 因此液压缸筒耐承受压力 、 耐磨性 、 表 面光洁度等性能对液压油缸的寿命起到关键性作用。 通常 ， 对于液压缸简要求 ， 它能耐受 2 0 0 0 0 K P a 持 续压力 以内的压力 ， 对于搅拌和压力的应用 。 甚至可达 到 5 5 O 0 0 K P a 。 根据基本的液压关系 帕斯卡定律 ， 由缸体产生的 线性压力的大小是系统流体压力 P与活塞的有效面积 A 的乘积 ， 即 F p A 当然 ， 摩擦力 和其他实际损耗会降 低力的效果 。缸筒是形成 内腔盛装流体形成流体压力 P的关键元件， 所 以缸筒对确保线性压力 F起到关键性 9 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 2年 第 1 2期 作用。 鉴于上述 ， 在制作液压缸筒时 ， 对制作液压缸筒所 需钢管的技术条件都做出了明确的限定。 以下是制作 2 7 S i Mn材质液压缸筒时 ，对钢管的技 术条件 要求 1 化学成分见表1 表 1 化学成分 2 力学性能。①抗拉强度 ≥8 6 0 M P a 、 屈服强度 ≥ 7 6 0 M P a ； ②延伸率 A 5 ≥1 2 ％、 收缩率 I 4 0 ％； ③冲击 功 K V 2 J 2 0 C i2 7 ； ④硬度 H B W 2 4 0 - 2 8 0 ； 3 工艺性能。 常温下水压试验 耐受 2 5 ～ 3 0 MP a 压 力 持续压力 ； 4 金相组织。 ①脱碳层≯ 0 ．2 0 ra m； ②低倍组织 钢 管一般疏松 、 中心疏松 、 偏析均 ≯二级 ， 不得有缩孔残 余 、 皮下气泡、 白点 、 翻皮、 分层、 裂纹和其它夹杂存在 ； 5 表面粗糙度 。表面粗糙度 R a ≤6 ． 3 1 x m； 6 几何尺寸精度。 1 2 1 0 ． 1 5 x9 8 0 ． 1 5 mm。 2 存在的问题 以下为钢管冷拔状态和经过调质 或正火 后几何 尺寸精度和性能情况 1 钢管几何尺寸精度见表 2 。 表 2 钢管几何尺寸精度 1 0 3 表面质量见表4 。 表4 表面质量 根据上述技术条件 ． 和生产实践 中对钢管采取调质 或正火 热处理工艺后 ， 进行分析 钢管性能完全能够 满足油缸筒技术要求 ， 但存在以下严重缺陷 1 钢管经过调质 或正火 后 ， 由于受高温加热影 响 ， 钢管表 面产生氧化铁皮 F e 0 及 F e 0 ， 粗糙度急 剧下降， 表面粗糙度由 3 ． 2 t x m降低为 1 2 ． 5 t x m， 不能满足 制作油缸筒技术需求 ； 2 经过高温淬火时， 受到冷却介质急冷因素影响 ， 瞬间产生热胀冷缩 的现象 ， 以及冷拔钢管本身残余应力 差 ， 原本几何尺寸精准的钢管在经过调质后产生较大形 变 ， 外径膨胀接近 0 ． 9 mm、 内径膨胀接近 0 ． 8 mm、 椭圆度 膨胀接近 0 ． 7 mm。 几何尺寸精度已经远远达不到油缸筒 技术要求 ， 不能满足制作油缸筒技术需求 ； 3 虽然在调质 或正火 热处理时能够降低或减少 钢管表面脱碳现象 ， 降低脱碳层的深度 ， 但是 ， 由于上述 采取的工艺均属于高温热处理工艺 ， 因此脱碳现象无法 避免。而碳元素在钢 中起到提高材料屈服点 、 抗拉强度 以及耐磨性等作用 ， 所 以脱碳现象直接影响到缸筒 的耐 磨性、 强度 、 硬度等综合性能 。 3 探索改进 本文献论述 目的在于克服钢管经过调质 或正火 后产生形变、 表面粗糙度下降以及钢管表面产生脱碳现 象。 阐述一种具有强度高 、 硬度高、 耐磨性好 、 塑性强 、 承 受压力大、 无 变形 、 无脱碳现象的液压油缸筒用钢管冷 拔后 时效热 处理方 法 。 1 时效热处理方法 1 对热轧圆钢管进行外表面抛光、 内孔珩磨 ； 2 对热轧钢管采取完全退火热处理工艺 8 8 0 - 9 0 0 ％， 保 温 5 0 ～ 6 0 m i n 。 3 对热轧钢管采取表面润滑后进行拉拔 ； 4 对冷加工状态下油缸筒用钢管采取时效热处理 工艺 3 0 0 ～ 3 2 0 C， 保温 2 5 0 ～ 3 0 0 m i n 见图 1 。 图 1 时效热处理工艺 曲线图 ＼ 礴 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ， N o ． 1 2 ． 2 0 1 2 2 时效热处理后尺寸精度和钢管性能 以下 为 钢管 冷 拔 状态 和 经 过 时效 处 理后 几 何 尺 寸 精度和性能情况 1 钢管几何尺寸精度见表 5 。 表 5 钢管几何尺寸精度 状态P , m ／ a R e H ／ a A 5 ／ ％ ／ ％H B w K 2 V 。 2 ℃ ／ J 标准 i8 6 0 ／7 6 0 ≥1 2 ／4 0 2 4 0 2 8 0 ／2 7 冷拔 7 8 0 7 9 0 6 7 0 - 6 8 0 9 - i 0 2 5 2 8 1 6 0 1 7 0 1 5 1 6 时效处理8 8 0 - 8 9 0 7 8 0 - 7 8 5 I 3 - 1 5 4 1 4 3 2 4 5 2 6 1 2 8 2 9 提高 比例 1 2 ． 7 9 6 1 5 ． 9 {6 4 7 ． 4 ％ 5 8 5 3 ． 3 ％8 3 ． 9 96 3 金相分析。①低倍组织 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 为二级。 ②金相组织 带状铁素体 珠光体， 铁素体晶粒 9级 见 图 2 。 图2金相组织放大倍数 5 0 0 X 4 工艺性能 。水压试验 耐受压力 2 8 MP a 持续 1 0 s 。 5 表面质量见表7 。 表7表面质量 3 时效热处理工艺分析 钢管经过冷拔后 ， 冷加工硬化状态下 ， 抗拉 强度 、 屈服强度 、 延伸率 、 断面收缩率 。 以及 冲击 和硬度 指标 远不能达到制作油缸筒所需技术要求 ，唯一解决办法 是采取合适的热处理工艺。 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 。采取低 温长时间保温 ， 以达到沉淀硬化 目的的时效处理工艺。 当钢管冷加工时金 属晶粒呈纵 向滑移伸长产生错 位 ， 在冷加工硬化 的基础上 ， 时效热处理时， 变形 的晶粒形 成多边化 的亚结构 ， 当晶粒得到沉淀硬化时 ， 钢管力学 性能和工艺性能得到全面提高 。完全满足液压缸筒所 需强度高 、 硬度高、 耐磨性好 、 塑性强、 承受压力大等技 术条件 。并且 ，该工艺由于时效热处理时加热温度较 低 ， 钢管表面无氧化皮和脱碳现象发生 ， 有效地保 障了 钢管表面光洁度 和碳含量 ； 同时， 由于加热温度较低和 加热均匀 ， 不存在产生形变的现象 ， 能有效保 障钢管的 几何尺寸精度 。 4 结论 通过本时效处理热处理工艺 ，液压油缸筒用钢管 具备 以下优势 1 钢管具有 强度高 、 硬度高 、 耐磨 性好 、 塑性 强、 承受压力大等性能优势 ； 2 钢管具有表面光洁度高的优点 ， 以及钢管无脱 碳现象 3 钢管具有几何尺寸精度高 、 无变形优点 ； 4 钢管具有生产周期短 ， 工艺方便操作和执行等 优势 。 参考文献 [ 1 ] 江苏华程工业制管股份有 限公 司． 一种液压缸筒用合 金钢管 的制备工艺 中国． C N 1 0 2 6 5 3 8 1 6 A [ P ] ． 2 0 1 2 0 9 0 5 ． 【 2 】 r ． 牙 ． 古恩． 金属 压力加 工理论 基础【 M] ． 赵 志业， 王 国栋 ， 译 ． 北 京 冶金工业 出版社 ． 1 9 8 9 ． [ 3 】 温景林主编． 金属挤压与拉拔工艺学[ M 】 ． 沈 阳 东北大学 出版 社 ． 1 9 9 6 ． [ 4 】 臧克江． 液压缸[ M】 ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 5 ] G ． 克 劳 斯 ． 钢 的热 处 理 原 理 [ M】 ． 北 京 冶 金 工 业 出 版 社 ， 1 9 8 7 ． [ 6 】 崔忠圻 ． 金属学与热处理 [ M 】 ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 8 8 ． 【 7 】 溥代直． 钢 的淬透性手册[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 7 3 ． [ 8 】 刘天佑 ． 金属学与热处理[ M】 ． 北京 冶金工业 出版社 ， 2 0 0 9 ．