27SiMn鋼調(diào)質(zhì)熱處理后硬度不均勻的改善分析

彭朝霞

(西山煤電(集團(tuán))公司 機(jī)電修造園區(qū)，山西 太原 030053)

支架是礦山機(jī)械中必不可少的一種設(shè)備，立柱作為支架的重要組成部分，確保支架的上升和下降，并支撐著支架在地下工作。可以說，如果立柱的性能達(dá)不到要求，就不能保證這臺支架的工作效率。因此，立柱的材料性能和加工性能就十分重要，下面主要探討立柱性能的改善。

立柱的材料性能主要由熱處理改變，通過高溫加熱等手段使得材料內(nèi)部的結(jié)晶組織發(fā)生改變，從而達(dá)到所需要的力學(xué)性能。

1 熱處理的基本概念

1) 熱處理：利用鋼在固態(tài)下的組織轉(zhuǎn)變來改變其性能的一種方法。

2) 淬火：將鋼加熱到高溫奧氏體狀態(tài)，保溫一段時間，然后快速冷卻下來，以得到高硬度馬氏體組織的一種方法。

3) 淬透性：工件便面和中心都能同樣得到高硬度的馬氏體組織。

4) 回火：將淬火后的工件重新加熱到A1以下某一溫度，保溫一段時間，然后取出工件以一定的方式冷卻下來。

5) 調(diào)質(zhì)處理：將淬火和高溫回火這兩類操作合在一起。

6) 回火的目的：a) 降低脆性，消除內(nèi)應(yīng)力，使淬火組織趨于穩(wěn)定。b) 使工件獲得滿意的綜合機(jī)械性能。

7) 調(diào)質(zhì)處理的目的：能獲得較為滿意的綜合機(jī)械性能。

西山煤電(集團(tuán))公司機(jī)電廠主要生產(chǎn)煤礦用立柱，材料為27SiMn，管材居多，立柱主材的基本長度大部分在1 m以上，加工前主要對材料進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。影響調(diào)質(zhì)效果的主要工藝參數(shù)有：鋼材的化學(xué)成分、淬火溫度、淬火保溫時間、冷卻介質(zhì)、回火溫度、回火保溫時間。

2 鋼材的化學(xué)成分

對于進(jìn)廠的每爐次鋼材，進(jìn)廠后都要進(jìn)行化驗檢測，合格后方可投入生產(chǎn)。2011年8月所有進(jìn)廠鋼材的成分統(tǒng)計表見表1。

表1 27SiMn鋼化學(xué)成分的統(tǒng)計表

從表1中可以看出，進(jìn)廠鋼材符合27SiMn鋼的要求。

3 淬火溫度

淬火溫度是熱處理的關(guān)鍵，溫度過低，鋼材的組織不能全部或完全發(fā)生變化，溫度過高會使晶粒長大，從而影響鋼材的性能。因此，選擇合理的溫度是淬火的關(guān)鍵。27SiMn鋼的理論淬火溫度為890 ℃～920 ℃，經(jīng)過多年的實(shí)踐，一般選用的淬火溫度為900 ℃，電阻爐選用井式電阻爐，2011年10月大缸淬火后缸筒硬度，見表2。

表2 大缸淬火后鋼筒硬度表

從表2可以看出，鋼筒的硬度上下不均勻現(xiàn)象普遍存在，這是因為電阻爐無論是井式爐還是臺式爐，由于爐門的溫度散熱快，爐門的溫度比爐底溫度要低，而本次需要淬火處理的工件長度較長，從而導(dǎo)致工件的上下硬度相差太大。為了保持爐內(nèi)的溫度上下一致，將爐腔上區(qū)，即接近爐門的溫度設(shè)定為910 ℃，爐腔下區(qū)的溫度保持不變。改進(jìn)工藝后，2012年3月大缸淬火后缸筒硬度見表3。

表3 大缸淬火后缸筒硬度表

從表3可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)整后缸筒上下的硬度基本一致，故此溫度更符合實(shí)際。

4 淬火保溫時間

淬火保溫時間也是影響工件淬火后硬度的一個重要因素。時間太短，淬硬層的厚度達(dá)不到要求，而時間太長又會引起脫碳和氧化，同時也會使奧氏體晶粒粗大，從而影響工件的硬度。

缸筒的保溫時間一般選用原則為：

t=(1.1～1.3)d

式中：

d—鋼管的壁厚；

t—保溫時間。

同時，要根據(jù)裝爐量的大小適當(dāng)?shù)母淖儽貢r間。以d245 mm×22 mm，長度為1.2 m的工件為例，井式爐為RJ-280型，每爐可裝6根，這個裝爐量不是很大，因此,保溫時間一般為30 min。

5 冷卻介質(zhì)

當(dāng)工件放入冷卻介質(zhì)中，會經(jīng)歷三個階段：膜態(tài)沸騰階段、泡狀沸騰階段、對流階段。在膜態(tài)沸騰階段時，工件表面產(chǎn)生大量蒸汽，這些蒸汽在工件周圍形成一層蒸汽膜，將工件與液體介質(zhì)隔開，周圍的冷卻介質(zhì)必須穿透這層膜才能到達(dá)工件，因此，冷卻速度比較慢。泡狀沸騰階段是工件在冷卻介質(zhì)中的第二個階段，這時工件表面溫度降到一定值以下，工件表面的蒸汽膜破裂，工件表面直接與液體接觸，冷卻速度大大增加。在對流階段，工件表面溫度降至介質(zhì)的沸點(diǎn)以下，沸騰停止。通過對流使工件繼續(xù)冷卻，這個階段是冷卻最慢的階段。

西山機(jī)電廠采用的冷卻方式為水冷。為了加快冷卻速度，從第一個階段起，只要破壞蒸汽膜，工件的冷卻速度就會顯著提高。

為了破壞蒸汽膜，可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，在水池中加裝了1圈管道，并在管道上打多個孔，將氣泵與管道接通，當(dāng)冷卻工件時，氣泵打開，氣泵中的氣就可以通過管道中的每個孔進(jìn)入水池中，破壞了蒸汽膜，從而使得工件的冷卻速度加快，縮小了工件上下溫差，從而改善冷卻后的上下硬度。

6 回火溫度

工件淬火后應(yīng)及時回火，這是因為淬火后工件內(nèi)存在著很大的內(nèi)應(yīng)力，且得到的馬氏體，性能很脆，如不及時予以回火，隨著時間的延長可能會導(dǎo)致工件發(fā)生開裂。因此，應(yīng)在工件淬火后24 h之內(nèi)回火。調(diào)制處理的回火為高溫回火?；鼗饻囟扔梢韵乱蛩卮_定：

1) 淬火硬度。

2) 季節(jié)變化。

3) 裝爐設(shè)備。

該廠所采用的回火爐一般是臺式電阻爐，臺式電阻爐的密封性不如井式電阻爐。因此，同樣的硬度臺式爐的回火溫度要高于井式爐，且爐門溫度至少要比爐腔溫度高出10 ℃，這樣才能保證處理后的工件硬度上下基本一致?；鼗饻囟鹊倪x擇根據(jù)：

回火溫度=200+11(60-回火后要求的硬度HRC)

具體到每一爐回火溫度的確定還需要通過淬火硬度來確定。

為了能生產(chǎn)出符合生產(chǎn)及圖紙要求的工件，對每一爐淬火后的硬度都要進(jìn)行檢驗，并根據(jù)淬火硬度微調(diào)回火溫度。另外，還應(yīng)考慮季節(jié)的變化，冬季適當(dāng)?shù)靥岣呋鼗饻囟?，夏季適當(dāng)?shù)亟档突鼗饻囟?。通過以上因素來確定的回火溫度基本能達(dá)到要求。

7 回火保溫時間

回火保溫時間的選擇也很關(guān)鍵，時間不夠回火不徹底，時間過長加大企業(yè)的成本。回火保溫時間的選用應(yīng)根據(jù)裝爐量及工件的大小及其有效厚度來確定?；鼗鸨貢r間要高于淬火保溫時間，一般不低于90 min。嚴(yán)格控制這些參數(shù)后，2012年2月抽查的工件硬度見表4。

表4 缸筒硬度抽查表

從表4可以看出，缸筒硬度上下基本一致。

8 結(jié) 語

熱處理工藝是鋼材的一個重要工藝方法，是改變鋼的內(nèi)部組織、提高鋼的力學(xué)性能的重要手段。只有對每一步都進(jìn)行控制和監(jiān)控，合理選用裝爐量、溫度、爐型，才能保證鋼經(jīng)過熱處理后的上下硬度基本一致，使得缸筒的質(zhì)量符合圖紙的要求，滿足加工的需要，避免不必要的浪費(fèi)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]陳保華,白 剛.熱處理手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社出版,2009:120-150.

[2]上海市第一機(jī)電工業(yè)局工會.熱處理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1981:38-116.