熱處理自動(dòng)化線水平淬火工藝的研究與應(yīng)用

孫建明，孫靜

（1.兗礦東華重工有限公司，山東 鄒城 273500；2.兗礦科藍(lán)凱美特化工有限公司，山東 金鄉(xiāng) 272211）

0 引言

熱處理作為液壓支架油缸的關(guān)鍵工序，其產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)液壓支架性能的發(fā)揮和使用壽命有重要影響。為了提升熱處理性能，改善產(chǎn)品熱處理質(zhì)量和性能，采用了熱處理自動(dòng)化生產(chǎn)線。由于熱處理線采用自動(dòng)運(yùn)行，工件水平放置，區(qū)別于傳統(tǒng)的垂直入水淬火工藝。為防止工藝改變造成工件的硬度、變形量變化，通過進(jìn)行理論分析，試驗(yàn)研究，減少水平淬火工藝時(shí)的過大應(yīng)力，通過對(duì)熱處理時(shí)加熱、保溫、攪拌、冷卻等多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，滿足了產(chǎn)品質(zhì)量的要求。

1 熱處理自動(dòng)化線介紹

熱處理自動(dòng)化線由自動(dòng)控制系統(tǒng)、淬火加熱爐、回火加熱爐、淬火水槽、自動(dòng)淬火操作機(jī)、上下料臺(tái)、冷卻循環(huán)攪拌系統(tǒng)等部分組成，結(jié)構(gòu)布局示意如圖1所示。自動(dòng)控制系統(tǒng)主要分為加熱溫度控制及動(dòng)作控制。

圖1 熱處理自動(dòng)化線示意圖

1.1 溫度控制

通過工控機(jī)，設(shè)定溫度參數(shù)后，傳送至控溫儀表，對(duì)加熱爐進(jìn)行溫度控制。同時(shí)，加熱爐中的熱電偶把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過儀表轉(zhuǎn)換成被測爐膛溫度，反饋至工控機(jī)。

1.2 動(dòng)作控制

工控機(jī)通過PLC對(duì)淬火操作機(jī)的動(dòng)作電動(dòng)機(jī)、液壓電磁閥，爐門的升降電動(dòng)機(jī)、冷卻循環(huán)攪拌系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)、電磁閥進(jìn)行控制，并通過傳感器反饋的溫度、電流、電壓、淬火機(jī)位置、液位高度等信號(hào)，傳送給工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

1.3 工藝流程

熱處理工藝包括淬火放料、淬火取料和回火取料三個(gè)大的動(dòng)作步驟。

如圖1所示，自動(dòng)淬火操作機(jī)托運(yùn)料盤及缸筒工件以完成整個(gè)淬火及高溫回火的熱處理過程，具體流程為：人工擺料到放置料盤的料臺(tái)上→自動(dòng)淬火操作機(jī)自動(dòng)取料后托運(yùn)工件到淬火加熱爐爐前→工件進(jìn)淬火加熱爐，缸筒工件水平放置于爐中支腿上，如圖2所示。自動(dòng)淬火操作機(jī)后退，爐門關(guān)閉→工件開始加熱保溫、時(shí)間到→自動(dòng)淬火操作機(jī)托料出爐→將工件送到淬火水槽內(nèi)，開始水平淬火→淬火時(shí)間到，工件出淬火水槽→自動(dòng)淬火操作機(jī)托運(yùn)工件進(jìn)回火加熱爐→回火完成，自動(dòng)淬火操作機(jī)托運(yùn)工件運(yùn)行到料臺(tái)位置，卸料。

圖2 缸筒工件放料入爐擺放示意圖

2 熱處理過程分析

為了提高液壓支架油缸的綜合力學(xué)性能，對(duì)缸筒采用淬火加高溫回火的熱處理工藝。淬火是將鋼加熱至臨界溫度Ac3或Ac1以上一定溫度，保溫后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻，以得到馬氏體或下貝氏體組織的熱處理方法[1]；回火是將經(jīng)過淬火的工件重新加熱到A1以下適當(dāng)?shù)臏囟龋匾欢螘r(shí)間后在空氣、水、油等介質(zhì)中冷卻的熱處理方法。本文以液壓支架油缸用30CrMnSiA材質(zhì)鋼管的調(diào)質(zhì)熱處理為研究對(duì)象進(jìn)行分析。

2.1 加熱分析

工件在加熱爐內(nèi)加熱時(shí)，由爐內(nèi)熱源傳給工件表面，工件表面得到熱量并向工件內(nèi)傳播，常用的加熱方式有隨爐加熱和到溫入爐加熱等方式。

熱處理自動(dòng)化線采用到溫入爐的加熱方式，傳統(tǒng)的熱處理爐一般采用隨爐加熱方式。兩種加熱方式，由于介質(zhì)與被加熱工件表面溫度差不同，導(dǎo)致加熱速度不同。

在相同的加熱介質(zhì)下，工件的爐內(nèi)排布方式，裝爐量會(huì)影響熱量傳遞效率，需要對(duì)保溫時(shí)間進(jìn)行修正。

2.2 冷卻及應(yīng)力分析

工件在淬火介質(zhì)中迅速冷卻時(shí)，由于工件具有一定尺寸，熱導(dǎo)率也為一定值，因此在冷卻過程中工件內(nèi)沿截面將產(chǎn)生一定溫度梯度，表面溫度低，心部溫度高，表面和心部存在溫度差[1]。工件在冷卻時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩種物理現(xiàn)象，一種是熱膨脹，即熱脹冷縮；另一種是溫度下降至馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)時(shí)發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變，使體積增大。這兩種物理現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的產(chǎn)生。

據(jù)研究，冷卻過程中由于熱應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力，工件表面為壓應(yīng)力，心部為拉應(yīng)力[1]；而組織應(yīng)力相反，工件表面為拉應(yīng)力，心部為壓應(yīng)力。

缸筒工件在相同淬火介質(zhì)且完全淬透的情況下，冷卻時(shí)的應(yīng)力分布受工件尺寸大小影響，尺寸越大，熱應(yīng)力作用增強(qiáng)，組織應(yīng)力相對(duì)減弱。

相同尺寸工件在淬火時(shí)的溫差大、溫降快、淬火烈度大，也會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力過大。

2.3 變形分析

工件淬火前后發(fā)生組織變化，由此引起體積變化，從而產(chǎn)生變形，這種變形會(huì)使工件等比例脹縮，不改變形狀[1]。

截面溫差較大的工件瞬時(shí)冷卻，心部未來得及組織轉(zhuǎn)換，仍為奧氏體，塑性較好，表現(xiàn)為拉應(yīng)力。工件尺寸較大的一方伸長，尺寸較小的一方縮短[1]。

熱應(yīng)力引起的變形則與組織應(yīng)力變形相反，瞬時(shí)冷卻時(shí)，表面冷卻快，表現(xiàn)為拉應(yīng)力，心部表現(xiàn)為受壓。工件尺寸較大的一方縮小，尺寸較小的一方變長。

工件淬火截面不同，冷卻速度不同，將影響淬硬層深度及淬火應(yīng)力，從面導(dǎo)致變形。

2.4 分析總結(jié)

根據(jù)以上分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，自動(dòng)化熱處理線與傳統(tǒng)人工操作熱處理主要有以下區(qū)別：

1）加熱方式。

自動(dòng)化熱處理線采用到溫入爐加熱，加熱速度快;傳統(tǒng)人工熱處理爐由于使用年限較長，密封性差，爐溫均勻性較差，采用隨爐加熱的方式，加熱速度慢。

2）淬火方式。

熱處理自動(dòng)化線加熱后采用水平入火的淬火工藝，傳統(tǒng)熱處理采用垂直入水的淬火工藝。

3）水平淬火優(yōu)勢。

缸筒工件為長度、直徑比值大，自動(dòng)化熱處理線加熱后采用水平淬火，可以使缸筒接近同時(shí)入水淬火，工件表面冷卻速度相同[2]，減少了缸筒軸向因相變未同時(shí)進(jìn)行造成的組織應(yīng)力。傳統(tǒng)的人工熱處理由于采用垂直淬火，缸筒工件軸向冷卻速度差，先入水端冷速最快，后入水端淬火降低。

4）水平淬火注意事項(xiàng)。

水平淬火時(shí)入水速度如果太慢或不均勻，將會(huì)導(dǎo)致缸筒截面上部和下部冷卻速度不一致，導(dǎo)致熱應(yīng)力變形。

3 熱處理工藝

根據(jù)對(duì)以上熱處理過程分析，針對(duì)熱處理自動(dòng)化線水平淬火工藝，對(duì)30CrMnSiA材質(zhì)鋼管的調(diào)質(zhì)熱處理制定以下工藝措施。

3.1 加熱工藝

根據(jù)液壓支架立柱缸筒使用性能要求，需采用調(diào)質(zhì)熱處理，以提高缸筒的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性。30CrMnSiA屬合金鋼，合金鋼的淬火加熱溫度選用原則為Ac3（或Ac1）＋（50～100）℃[3]。并針對(duì)水平淬火工藝，為盡量減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生，降低截面溫差，應(yīng)盡量減小淬火加熱溫度。

3.2 水平淬火冷卻工藝

1）淬火介質(zhì)。

30CrMnSiA材質(zhì)缸筒通常采用水做為淬火介質(zhì)，冷卻速度快，為了提高冷卻能力，需采用循環(huán)水。

2）快速控溫冷卻。

控制入水前溫度為780 ℃，略高于A1線溫度，降低溫度差，盡量減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生。根據(jù)表1所示數(shù)據(jù)，采用JMatPro仿真軟件模擬計(jì)算出的連續(xù)冷卻曲線（CCT），如圖3所示，從圖上可以看出，隨著冷卻速度的增加，鐵素體、珠化體減少，貝氏體和馬氏體增加。

圖3 連續(xù)冷卻曲線

圖4 30CrMnSiA金相組織

表1 30CrMnSiA鋼管化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

3）減小淬火烈度。

減小淬火烈度，控制攪拌頻率，平穩(wěn)入水，避免局部硬度不均。為了工件水平入水時(shí)獲得相同的冷卻速度，工件應(yīng)快速入水，且入水深度不宜太深，入水后，立即上下快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)距離不要太大[2]，避免上下表面溫差大導(dǎo)致未同時(shí)相變而造成的組織應(yīng)力。

4）避免淬火軟點(diǎn)。

減少支撐面積，自動(dòng)淬火操作機(jī)上的轉(zhuǎn)運(yùn)料盤工裝需設(shè)定支撐點(diǎn)，避免大面積接觸導(dǎo)致的淬火軟點(diǎn)。

3.3 回火工藝

回火時(shí)間在考慮工件心部回火溫度及回火硬度完成組織轉(zhuǎn)變的時(shí)間的同時(shí)，考慮一定的應(yīng)力弛豫所需的時(shí)間。根據(jù)缸筒內(nèi)孔精加工后尺寸變形量，可對(duì)回火時(shí)間進(jìn)行修正。

回火冷卻采用空冷，避免冷卻時(shí)產(chǎn)生熱應(yīng)力疊加。

4 效果對(duì)比

通過以上工藝過程改善，為了驗(yàn)證熱處理效果，采用傳統(tǒng)垂直淬火與水平淬火相對(duì)比的形式，對(duì)熱處理后的工件表面硬度及精加工后的尺寸變形量進(jìn)行檢驗(yàn)。同時(shí)對(duì)水平淬火后的工件進(jìn)行了取樣檢驗(yàn)。

4.1 表面硬度

檢測采用兩種不同淬火方法調(diào)質(zhì)后的缸筒工件表面硬度值分布，表面硬度的檢測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 工件熱處理表面硬度誤差

4.2 變形量

缸筒工件調(diào)質(zhì)后內(nèi)孔采用精、精鏜加工，通過檢測內(nèi)孔的直徑，分析內(nèi)孔的圓度變形量，檢測數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 工件精加工變形量

4.3 力學(xué)性能和微觀組織

缸筒熱處理完成后，在壁厚1/4處取拉伸、沖擊等試樣，進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能及金相組織檢驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 30CrMnSiA力學(xué)性能

金相組織為回火索氏體、少量鐵素體。

通過以上對(duì)比，采用熱處理自動(dòng)化線水平淬火工藝的缸筒的硬度誤差、變形量均優(yōu)于傳統(tǒng)的垂直淬火工藝，力學(xué)性能、微觀組織符合產(chǎn)品使用要求。

5 結(jié)語

本文結(jié)合熱處理自動(dòng)化線應(yīng)用，對(duì)水平淬火工藝進(jìn)行探索，從設(shè)備原理、過程分析、熱處理工藝等方面展開研究，總結(jié)出了熱處理自動(dòng)化線采用水平淬火工藝的控溫冷卻、減小烈度、避免軟點(diǎn)、減小應(yīng)力等關(guān)鍵要素，滿足了產(chǎn)品硬度均勻性及變形量控制要求，改變了傳統(tǒng)的垂直入水淬火工藝，為高效熱處理自動(dòng)化生產(chǎn)線提供了理論依據(jù)和實(shí)踐探索。

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