中低碳低合金鋼質(zhì)缸筒件熱處理工藝優(yōu)化

王凱軍，魯玉梅，周 彤，李賢君，劉俊杰，林錫悅，羅 平

(1.太原重工鑄鍛件分公司，山西 太原 030024； 2.北京機(jī)電研究所有限公司，北京 100083)

中低碳低合金鋼質(zhì)缸筒件廣泛應(yīng)用于液壓缸筒和礦山煤機(jī)液壓支柱缸筒等[1-7]，現(xiàn)有的此類中低碳低合金鋼質(zhì)缸筒件的熱處理方式主要為調(diào)質(zhì)熱處理工藝，即淬火+高溫回火[8-10]。缸筒件(如液壓缸和煤機(jī)液壓支柱)的調(diào)質(zhì)熱處理工藝為：加熱至奧氏體化溫度并保溫一段時(shí)間后淬火冷卻，再加熱至回火溫度并保溫一段時(shí)間進(jìn)行回火處理。缸筒件在常規(guī)調(diào)質(zhì)熱處理過(guò)程中，運(yùn)用吊具將鋼質(zhì)缸筒件吊著在井式加熱爐中立式加熱，在自重的作用下，鋼質(zhì)缸筒件的吊裝端變形嚴(yán)重，后續(xù)需將變形端切掉，導(dǎo)致材料利用率較低。同時(shí)缸筒件在常規(guī)的淬火過(guò)程中，缸筒件立式浸入淬火介質(zhì)中，缸筒件上下部分浸入淬火介質(zhì)中存在時(shí)間差，缸筒件上部和下部冷卻不均勻。缸筒件內(nèi)壁的淬火介質(zhì)流通性極差，影響缸筒件內(nèi)壁的淬火效果，導(dǎo)致缸筒件內(nèi)壁和外壁冷卻不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致缸筒件產(chǎn)生內(nèi)壁硬度軟點(diǎn)和較大的淬火畸變。缸筒件尺寸精度要求高，表面粗糙度值小，尤其是缸筒件的圓度需控制在±0.06 mm，要求較為嚴(yán)格。由于淬火畸變大，為滿足圓度要求，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，一般增加缸筒毛坯件的壁厚，通過(guò)加大后續(xù)機(jī)加工的量滿足圓度等精度的要求，故缸筒件的材料利用率低，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品成本高，甚至由于淬火畸變過(guò)大通過(guò)加大機(jī)加工的量仍然無(wú)法滿足缸筒件圓度的要求，從而導(dǎo)致報(bào)廢。此外，由于缸筒件立式加熱和淬火，在安裝對(duì)應(yīng)的加熱爐和淬火槽時(shí)需要挖較深的地基，導(dǎo)致地基制造費(fèi)用高，增加投入成本。

鑒于此，本文采用臥式協(xié)同調(diào)控?zé)崽幚砉に噷?duì)缸筒件進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。同時(shí)為解決缸筒件的硬度不達(dá)標(biāo)、不均勻和淬火畸變超差等問(wèn)題，對(duì)其熱處理工藝進(jìn)行了優(yōu)化。首先測(cè)定了鋼質(zhì)缸筒件對(duì)應(yīng)的中低碳低合金鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，進(jìn)而指導(dǎo)鋼質(zhì)缸筒件熱處理工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)。根據(jù)其連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，優(yōu)化奧氏體化溫度、淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間、缸筒件在水中的冷卻時(shí)間等參數(shù)，并創(chuàng)新性地采用震蕩淬火工藝，獲得了滿足中低碳低合金鋼性能與淬火畸變要求的優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)。

1 問(wèn)題的提出

圖1為中低碳低合金鋼質(zhì)缸筒件外形圖，外徑為φ585 mm，壁厚為55 mm，長(zhǎng)度為1800 mm。鋼質(zhì)筒形件調(diào)質(zhì)處理后硬度要求為240～280 HBW，經(jīng)調(diào)質(zhì)和常規(guī)鏜孔后內(nèi)孔公差為0～0.23 mm，圓度控制在0.06 mm以內(nèi)。原有的熱處理工藝過(guò)程如圖2所示。4支鋼質(zhì)缸筒件橫臥在室式加熱爐中加熱，加熱溫度為940 ℃，保溫時(shí)間為120 min；隨后用叉車式轉(zhuǎn)移系統(tǒng)將4支鋼質(zhì)缸筒件橫臥淬入水中淬火，轉(zhuǎn)移時(shí)間約為30 s，且在水中保持約12 min，隨后出淬火介質(zhì)，出淬火介質(zhì)時(shí)工件的溫度約為40 ℃，同時(shí)在淬水的過(guò)程中攪拌器正對(duì)缸筒件心部帶動(dòng)水從鋼質(zhì)缸筒件一端進(jìn)另一端出；然后將4支鋼質(zhì)缸筒件轉(zhuǎn)移至室式回火爐中回火，回火溫度為620 ℃，回火時(shí)間為360 min。回火后，經(jīng)局部打磨后對(duì)指定位置進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)位置如圖3所示，其中A～H表示沿著工件的長(zhǎng)度方向選取9個(gè)截面進(jìn)行硬度檢測(cè)，1～8表示沿著工件的圓周方向選取8個(gè)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行硬度檢測(cè)(其中1～4在工件外表面，5～6在工件內(nèi)表面)。由此可得，對(duì)工件的72(9×8=72)處進(jìn)行硬度檢測(cè)，每處測(cè)量5個(gè)硬度點(diǎn)，取其平均值表征該處的硬度，硬度檢測(cè)結(jié)果如表1所示。由表1可知，缸筒件的底部硬度偏低(最低為227 HBW)且不能滿足要求，存在個(gè)別點(diǎn)的硬度值偏大(最大值為28 HBW)超過(guò)了要求硬度值的上限，整個(gè)工件的硬度值偏差較大。初步分析其原因?yàn)楦淄布牡撞颗c料盤(pán)接觸，導(dǎo)致此處的冷卻速度較小，甚至在淬火冷卻時(shí)未獲得所需的淬火馬氏體組織，從而導(dǎo)致缸筒件底部的硬度較低。經(jīng)調(diào)質(zhì)和常規(guī)鏜孔處理后，A～H截面內(nèi)孔的公差和圓度如表2所示。由表2可知，A、C、D、G、H截面的公差在公差要求范圍內(nèi)，A、B、D、F的圓度不在圓度要求范圍內(nèi)。因此，需對(duì)中低碳低合金鋼質(zhì)缸筒件的熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 中低碳低合金鋼質(zhì)缸筒件外形圖Fig.1 Outside drawing of the medium and low carbon low-alloy steel cylindrical part

圖2 中低碳低合金鋼質(zhì)缸筒件原熱處理工藝流程圖Fig.2 The original heat treatment processes diagram of medium and low carbon low-alloy steel cylindrical part

圖3 鋼質(zhì)缸筒件硬度檢測(cè)位置示意圖Fig.3 The sketch of hardness testing position for the steel cylindrical part

表1 原熱處理工藝下鋼質(zhì)缸筒件的硬度Table 1 Hardness of the steel cylindrical part under the original heat treatment processes

表2 原熱處理工藝下鋼質(zhì)缸筒件的公差與圓度Table 2 Tolerance and roundess of the steel cylindrical part under the original heat treatment processes

2 熱處理工藝優(yōu)化

2.1 連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線分析

中低碳低合金鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線如圖4所示。由圖4可知，奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度Ac1為765 ℃，奧氏體結(jié)束轉(zhuǎn)變溫度Ac3為860 ℃，馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度Ms為452 ℃，馬氏體結(jié)束轉(zhuǎn)變溫度Mf為280 ℃。當(dāng)冷卻速度低于20 ℃/s時(shí)，完全奧氏體化后，獲得鐵素體+珠光體+貝氏體組織；當(dāng)冷卻速度大于20 ℃/s而小于150 ℃/s時(shí)，完全奧氏體化后，獲得鐵素體+貝氏體+馬氏體組織；而當(dāng)冷卻速度大于150 ℃/s時(shí)，完全奧氏體化后，獲得單相馬氏體組織。因此，該中低碳低合金鋼的淬透性一般，臨界冷卻轉(zhuǎn)變速度大于150 ℃/s。綜上所述，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，為使得鋼質(zhì)缸筒件獲得所需的回火索氏體組織，鋼質(zhì)缸筒件在淬火過(guò)程的冷卻速度應(yīng)大于150 ℃/s。結(jié)合前期工程實(shí)踐，鋼質(zhì)缸筒件淬火時(shí)采用水淬的淬火方式。

圖4 中低碳低合金鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線Fig.4 CCT curves of medium and low carbon low alloy steel

2.2 熱處理工藝優(yōu)化手段

由上述分析可知，鋼質(zhì)缸筒件在熱處理工序中主要存在的問(wèn)題為：1)經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，鋼質(zhì)缸筒件底部的硬度偏低，低于鋼質(zhì)缸筒件最低硬度的要求，個(gè)別點(diǎn)的硬度值超過(guò)了所需硬度值的上限要求，且鋼質(zhì)缸筒件硬度值的離散性較大；2)經(jīng)調(diào)質(zhì)處理和常規(guī)鏜孔處理后，鋼質(zhì)缸筒件的公差在要求范圍內(nèi)，但是圓度不在要求范圍內(nèi)。

初步分析，鋼質(zhì)缸筒件底部的硬度值偏低的原因?yàn)殇撡|(zhì)缸筒件的底部與料盤(pán)接觸，由于料盤(pán)蓄熱量較大，鋼質(zhì)缸筒件的底部冷卻速度較慢從而導(dǎo)致其對(duì)應(yīng)位置硬度較低；硬度點(diǎn)偏高端為正對(duì)攪拌器側(cè)，由于其正對(duì)攪拌器，冷卻速度較快從而導(dǎo)致其對(duì)應(yīng)位置硬度偏高。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理和常規(guī)鏜孔處理后，鋼質(zhì)缸筒件的圓度不在要求范圍內(nèi)的主要原因?yàn)殇撡|(zhì)缸筒件在淬火過(guò)程中冷卻不均，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的淬火應(yīng)力(包括熱應(yīng)力和組織應(yīng)力)和淬火畸變。

因此，在熱處理工藝優(yōu)化過(guò)程中應(yīng)通過(guò)優(yōu)化鋼質(zhì)缸筒件與攪拌器的相對(duì)位置避免產(chǎn)生硬度軟點(diǎn)；通過(guò)優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)(如入水溫度、在水中冷卻時(shí)間等)使得鋼質(zhì)筒形件淬火冷卻更均勻從而降低淬火應(yīng)力和較少淬火畸變。綜上采用如下熱處理優(yōu)化手段。

1)降低鋼質(zhì)缸筒件奧氏體化溫度。鋼質(zhì)缸筒件對(duì)應(yīng)成分的奧氏體結(jié)束轉(zhuǎn)變溫度Ac3為860 ℃，原來(lái)的奧氏體化溫度為950 ℃，高于Ac3約90 ℃，故可通過(guò)降低奧氏體化溫度，從而降低入水溫度，進(jìn)而減少鋼質(zhì)筒形件在水冷過(guò)程中熱應(yīng)力和淬火畸變。根據(jù)淬火時(shí)奧氏體化溫度比Ac3高30～50 ℃的要求[11]，優(yōu)化鋼質(zhì)缸筒件的奧氏體化溫度為900 ℃。

2)適當(dāng)延長(zhǎng)淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間。奧氏體在冷卻過(guò)程中的開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度Ac1為765 ℃，即僅需確保鋼質(zhì)缸筒件入水時(shí)其溫度高于765 ℃即可避免鋼質(zhì)缸筒件在轉(zhuǎn)移的過(guò)程中奧氏體分析為高溫鐵素體和珠光體組織。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)移時(shí)間大于150 s時(shí)，4支鋼質(zhì)缸筒件在轉(zhuǎn)移的過(guò)程中鋼質(zhì)缸筒件的局部溫度低于765 ℃。故將鋼質(zhì)缸筒件的淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間由原來(lái)的30 s優(yōu)化至120 s，既可避免鋼質(zhì)缸筒件在淬火轉(zhuǎn)移過(guò)程中奧氏體分解為高溫組織又可降低鋼質(zhì)缸筒件的入水溫度，從而減少鋼質(zhì)筒形件在水冷過(guò)程中熱應(yīng)力和淬火畸變。

3)縮短鋼質(zhì)缸筒件的淬火時(shí)間。鋼質(zhì)缸筒件的馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度Ms和馬氏體結(jié)束轉(zhuǎn)變溫度Mf分別為452 ℃和280 ℃，這就意味著在原來(lái)的淬火過(guò)程中鋼質(zhì)缸筒件從280 ℃冷卻至40 ℃的過(guò)程中，鋼質(zhì)缸筒件未發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，但是在該過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，該熱應(yīng)力加劇鋼質(zhì)缸筒件的淬火畸變，故可通過(guò)縮短鋼質(zhì)缸筒件在水中的淬火時(shí)間提高鋼質(zhì)筒形件的出水溫度來(lái)減少淬火應(yīng)力和淬火畸變。結(jié)合前期工程實(shí)踐，工件出水時(shí)其最高溫度低于馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度Ms約50 ℃即可滿足組織與性能要求。故將鋼質(zhì)缸筒件在淬火水中的冷卻時(shí)間由原來(lái)的12 min優(yōu)化至5 min，鋼質(zhì)缸筒件的出水時(shí)表面溫度約為150 ℃，心部溫度可能處在Ms和Mf之間，可減少鋼質(zhì)缸筒件在冷卻過(guò)程中組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，從而減少其淬火畸變。

4)采用優(yōu)化的震蕩淬火工藝。通過(guò)改變鋼質(zhì)缸筒件與攪拌器的相對(duì)位置，提高鋼質(zhì)缸筒件的冷卻均勻性從而降低淬火應(yīng)力和減少淬火畸變[8]，同時(shí)避免鋼質(zhì)缸筒件底部產(chǎn)生硬度軟點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，鋼質(zhì)缸筒件在淬火的過(guò)程中，鋼質(zhì)缸筒件在高度方向做上下震蕩動(dòng)作：即鋼質(zhì)缸筒件剛?cè)胨畷r(shí)攪拌器與鋼質(zhì)缸筒件的中心正對(duì)并保持一定時(shí)間，隨后攪拌器與鋼質(zhì)缸筒件和料盤(pán)接觸處正對(duì)并保持一定時(shí)間，如此循環(huán)幾次，完成鋼質(zhì)缸筒件的淬火過(guò)程。當(dāng)攪拌器與鋼質(zhì)缸筒件和料盤(pán)接觸處正對(duì)時(shí)可加大鋼質(zhì)缸筒件底部的冷卻速度，從而避免產(chǎn)生軟點(diǎn)；在冷卻的過(guò)程中鋼質(zhì)缸筒件運(yùn)動(dòng)，避免攪拌器一直正對(duì)鋼質(zhì)缸筒件的局部，從而可以提高其冷卻均勻性，從而降低淬火應(yīng)力和減少淬火畸變。

3 優(yōu)化的熱處理工藝參數(shù)及結(jié)果分析

綜上分析，鋼質(zhì)缸筒件優(yōu)化后的熱處理工藝參數(shù)為：1)奧氏體化溫度為900 ℃，保溫時(shí)間為120 min；2)淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間為120 s；3)鋼質(zhì)缸筒件在水中的冷卻時(shí)間為5 min，同時(shí)在淬火冷卻過(guò)程中，鋼質(zhì)缸筒件的中心與攪拌器中心正對(duì)，且保持20 s，隨后鋼質(zhì)缸筒件隨轉(zhuǎn)移系統(tǒng)自動(dòng)上升290 mm，此時(shí)攪拌器中心與鋼質(zhì)缸筒件與料盤(pán)的接觸處正對(duì)，且保持10 s，如果反復(fù)共執(zhí)行140 s后，鋼質(zhì)缸筒件在水中靜止冷卻160 s(共5 min)；4)在空氣中滯留約2 min，使鋼質(zhì)缸筒件表面的水蒸發(fā)；5)進(jìn)行回火處理，回火溫度為620 ℃，回火時(shí)間為360 min。

優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)下鋼質(zhì)缸筒件不同截面的硬度檢測(cè)結(jié)果如表3所示。由表3可見(jiàn)，鋼質(zhì)缸筒件的硬度值在255～270 HBW之間，滿足設(shè)計(jì)要求(240～280 HWB)，且硬度值的離散性較低。優(yōu)化熱處理工藝下鋼質(zhì)缸筒件金相組織如圖5所示，鋼質(zhì)缸筒件組織為細(xì)小均勻的回火索氏體。經(jīng)常規(guī)的鏜孔處理后，其公差和圓度數(shù)據(jù)如表4所示，滿足鋼質(zhì)缸筒件公差±0.23 mm和圓度±0.06 mm的要求。

表3 優(yōu)化熱處理工藝下鋼質(zhì)缸筒件的硬度Table 3 Hardness of the steel cylindrical part under the optimized heat treatment processes

表4 優(yōu)化熱處理工藝下鋼質(zhì)缸筒件的公差與圓度Table 4 Tolerance and roundess of the steel cylindrical part under the optimized heat treatment processes

圖5 鋼質(zhì)缸筒件顯微組織Fig.5 Microstructure of the steel cylindrical part

4 結(jié)論

本文對(duì)鋼質(zhì)缸筒件的熱處理工藝進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化奧氏體化溫度、淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間、缸筒件在水中冷卻時(shí)間等參數(shù)，并創(chuàng)新性的采用震蕩淬火工藝，獲得了滿足中低碳低合金鋼質(zhì)缸筒件性能和淬火畸變要求的熱處理工藝參數(shù)。

鋼質(zhì)缸筒件優(yōu)化后的熱處理工藝參數(shù)為：1)奧氏體化溫度為900 ℃，保溫時(shí)間為120 min；2)淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間為120 s；3)鋼質(zhì)缸筒件在水中的冷卻時(shí)間為5 min，同時(shí)在淬火冷卻過(guò)程中，鋼質(zhì)缸筒件的中心與攪拌器中心正對(duì)，且保持20 s，隨后鋼質(zhì)缸筒件隨轉(zhuǎn)移系統(tǒng)自動(dòng)上升290 mm，此時(shí)攪拌器中心與鋼質(zhì)缸筒件和料盤(pán)的接觸處正對(duì)，且保持10 s，如此反復(fù)共執(zhí)行140 s后，鋼質(zhì)缸筒件在水中靜止冷卻160 s(共5 min)；4)在空氣中滯留約2 min，使鋼質(zhì)缸筒件表面的水蒸發(fā)；5)進(jìn)行回火處理，回火溫度為620 ℃，回火時(shí)間為360 min。

改進(jìn)熱處理工藝后，中低碳低合金鋼質(zhì)缸筒件組織為細(xì)小均勻的回火索氏體，硬度為255～270 HWB；經(jīng)常規(guī)鏜孔處理后，其公差和圓度分別控制在±0.23 mm和±0.06 mm以內(nèi)，能滿足缸筒件性能與淬火畸變要求。