27SiMn钢制油缸热处理技术探讨

来源:用户上传      作者: 梁合意 彭朝晖 何猛

　　摘 要： 阐述影响27SiMn钢制油缸力学性能的主要因素，通过热处理试验，确定27SiMn钢制油缸合理的热处理工艺参数，经一年实际生产验证，油缸力学性能一次交验合格率达100%，提高生产效率，降低生产成本。
　　关键词： 工程机械；27SiMn；油缸；热处理；力学性能
　　中图分类号：TG161 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0310019－01
　　
　　27SiMn钢是煤矿机械、工程机械液压油缸使用的材料之一，煤矿机械用液压油缸对力学性能指标要求不高，但工程机械要求油缸轻巧壁薄，且要具备较高力学性能以满足使用性能要求，因此对其热处理提出了更高要求。工程机械油缸缸筒设计应达到的力学性能指标如下：σb≥980Mpa；σs≥835Mpa；δ≥12%；ψ≥40%；ακ≥39J。为了达到设计所要求的综合力学性能，27SiMn钢必须通过调质热处理；但采用常规调质热处理工艺参数进行生产，常常出现力学性能不合格的现象，严重影响了生产进度与产品质量，为此我们对影响27SiMn钢调质热处理后力学性能的因素进行了探讨。
　　1 化学成份
　　1.1 GB/T3077-1988标准规定的27SiMn钢的化学成分（如表1）
　　1.2 合金元素Si、Mn对钢材的性能影响
　　① Si、Mn都有降低韧性的倾向，使脆性增加且都降低导热性。
　　② Si、Mn都增加淬透性，但Mn的作用更强。
　　③ Si、Mn都降低产品机械加工性能，Si较Mn更强烈。
　　④ Si、Mn都有减少热变形的作用，Mn较Si更强烈。
　　⑤ Mn的增加提高了热敏感性，有促使晶料显著增长的倾向，因此在热处理加热时要格外留意，温度不能过高。
　　⑥ Mn的加入可提高钢的淬火硬度和热稳定性，促进马氏体的形成，但使回火脆性有稍微增加。
　　⑦ Si显著提高回火稳定性，可提高钢的热强性，略微提高高温耐磨性。
　　由于这两种主要合金元素的影响，导致了由于成分不同、不均而使其机械性能产生较大差异。经过一段时间的摸索与试验，我们又发现：当钢中杂质元素Cr含量超过0.1%时，调质后能极大地提高27SiMn钢的强度及塑性。我们经过100炉产品试验分析，调整了27SiMn钢的化学成分范围，如表2表示，使用该化学成分的27SiMn材料，油缸调质后力学性能合格率有了较大提高。
　　
　　2 淬火工艺参数选择
　　2.1 淬火加热温度
　　淬火加热采用步进式连续加热炉，油缸悬挂加热。为获得理想的淬火加热温度，试验选用壁厚为25-35mm、成分符合表2规定的缸筒件进行。因27SiMn钢的Ac3温度为880℃，根据Ac3线我们开展了相关的淬火工艺试验：
　　① 亚温淬火，因Si、Mn都有降低韧性使脆性增加的倾向，采用870℃加热亚温淬火，金相分析淬火组织中残余铁素体较多，韧性、塑性指标得到明显提高，但因碳与合金元素溶解度不够，淬火马氏体中碳与合金元素含量不足，硬度值发散，强度合格率极低。
　　② 采用930℃加热淬火，试件强度、硬度值较高，但因Mn的过热敏感性和硅的脱碳性影响，试件晶粒粗大，多数试件韧性指标不能符合技术要求。
　　③ 采用900℃加热淬火，淬火马氏体晶粒细小，残余铁素体分布较均匀，但个别试样强度值偏低，整体力学性能不能满足技术要求。
　　④ 采用910℃加热淬火，淬火马氏体晶粒细小，残余铁素体分布均匀，力学性能满足技术要求。
　　经过现场多次试验，最终确定淬火加热温度为910℃，热处理后油缸力学性能满足技术要求。
　　2.2 淬火加热保温时间
　　淬火加热保温时间与工件装炉方式、装炉量和工件有效厚度有关。采用井式炉加热时，若装炉量过大、过密，工件上下、内层和外层温差较大，温度不均匀，从而引起工件比正常加热温度偏高或偏低，导致同炉工件调质后性能差异大，有的合格，有的不合格。故装炉量必须根据缸筒直径大小严格控制，各工件之间间距不小于50mm；当装炉量较大时，应适当增加保温时间，确保均匀加热至规定温度，使合金元素充分溶解，奥氏体充分合金化，均匀化。为缩小工件上下温差，吊具长度小于400mm的工件严禁装炉。采用步进式连续炉加热时，炉膛中只悬挂一排工件，工件与工件之间间距不小于50mm。
　　淬火加热时间常采用经验公式T＝aKD（min）计算。
　　式中：a-加热系数（min/mm）一般取1.0-1.5
　　 K-零件装炉等修正系数
　　 D-工件有效厚度（mm）
　　因27SiMn钢为低合金结构钢，其合金当量很低，故淬火加热时可采用零保温即到温出炉淬火。
　　根据试验摸索，考虑到淬火、回火均在步进式连续炉不同工步完成，连续炉加热时间T＝1.5D（min），其中D为油缸壁厚。
　　2.3 淬火冷却介质的选择
　　27SiMn钢的临界淬火直径在静油中为22mm，在20℃的水中为38mm，在40℃的水中为35mm，在20℃的5%NaCl水溶液中为40mm，由于工程机械液压缸筒要求轻巧，壁厚较薄，油缸缸筒有效厚度均小于40mm，故其淬透性不必过多考虑，用一般的循环水作冷却介质即可满足。但考虑到油缸壁较薄，水淬时易变形，油缸口部淬火后常出现椭园现象，故采用5%的PAG淬火液做为冷却介质，减少油缸变形量。
　　2.4 淬火操作
　　因油缸壁厚较薄，出炉后若在空气中停滞时间较长，油缸温度降低较多，淬火后硬度强度降低而产生不合格品，因此工件加热保温后要以最短时间淬入冷却介质，确保工件温度不降至规定的下限温度。工件在冷却介质中只作上下运动，不得作左右运动以防淬火变形及冷却不均现象发生。另处，冷却介质要保持循环流动，避免温度升高。同时要及时捞除槽中氧化皮及其它污物，保持淬火介质清洁。
　　3 回火工艺参数选择
　　工件淬火后必须及时充分回火，以稳定组织，消除淬火应力，避免变形与开裂。较长时间的回火，可以提高断裂韧性（KIC）值，并使残余奥
　　
　　氏体得到充分转变。油缸淬火后通过高温回火，使硬脆的板条马氏体转变为具体优良综合力学性能的回火索氏体组织。实际生产过程中，影响回火工艺参数的因素有以下几个方面：
　　1）钢的化学成份。回火温度由钢的化学成分和所需的力学性能决定，材料牌号和性能要求确定后，回火温度要根据成分范围的变化做微小调整：合金元素及碳含量为上限者，上限温度回火；反之，下限温度回火。
　　2）淬火冷却介质。同一牌号钢，采用不同冷却介质淬火，冷却速度大的（如水淬），淬火硬度较高，上限温度回火；冷却速度较慢的（如油淬），淬火硬度稍低，下限温度回火。
　　3）工件有效厚度。工件尺寸较大而材料淬透性较低时，淬火后硬度较正常淬火硬度偏低，因此，回火时须适当降低回火温度。
　　4）合金结构钢淬火硬度≥45HRC，才能按经验公式计算回火温度回火。
　　5）有第二类回火脆性的硅锰结构钢，回火出炉后应快冷，否则会产生第二类回火脆性，降低冲击韧度（Aku）。
　　6）回火应充分进行，否则因回火不足导致组织转变或应力消除不完全，在使用过程中因发生组织转变会产生变形或应力集中现象。
　　因此，只有合理选择回火工艺参数，才可获得所需的综合力学性能。因油缸壁薄，且27SiMn钢属于低合金结构钢，尽管有回火脆性，但不明显，故采用一次回火即可。我们通过工艺试验，确定27SiMn钢制油缸回火温度为460±20℃（工艺员可根据淬火硬度在工艺范围内适当调整），保温时间根据缸筒壁厚进行调整。回火出炉后采用喷水冷却，避免第二类回火脆性的产生，充分提高油缸韧性。
　　4 结语
　　我们通过对27SiMn钢化学成分进行微小调整，并对其热处理工艺参数进行优化，最终确定了工程机械用油缸缸筒合理的化学成分范围及其对应的热处理工艺参数，符合表2成分范围的27SiMn钢油缸缸筒经910±10℃淬火，460±20℃回火，力学性能完全满足技术要求，热处理后力学性能一次交验合格率达100%，降低了生产制造成本，提高了企业竞争力。
　　
　　基金项目：湖南省教育科研资助项目（27SiMn钢制油缸热处理工艺研究）（10C0311）阶段性成果
　　
　　参考文献：
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　　作者简介：
　　梁合意（1966-），男，汉族，工学学士，工程师，潇湘职业学院副院长，研究方向：金属热处理工艺研究。

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