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間后淬火冷卻，再加熱至回火溫度并保溫一段時間進(jìn)行回火處理。缸筒件在常規(guī)調(diào)質(zhì)熱處理過程中，運用吊具將鋼質(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。同時缸筒件在常規(guī)的淬火過程中，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，在實際生產(chǎn)時，一般增加缸筒毛坯件的壁厚，通過加大后續(xù)機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大通過加大機加工的量仍然無法滿足缸筒件圓度的要求，從而導(dǎo)致報廢。此外，由于缸筒件立式加熱和淬火，在安裝對應(yīng)的加熱爐和淬火槽時需要挖較深的地基，導(dǎo)致地基制造費用高，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Ω淄布M(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。同時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題，對其熱處理工藝進(jìn)行了優(yōu)化。首先測定了鋼質(zhì)缸筒件對應(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。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)移時間、缸筒件在水中的冷卻時間等參數(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)時工件的溫度約為40 ℃，同時在淬水的過程中攪拌器正對缸筒件心部帶動水從鋼質(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 ℃，回火時間為360 min?；鼗鸷?，經(jīng)局部打磨后對指定位置進(jìn)行硬度檢測，檢測位置如圖3所示，其中A～H表示沿著工件的長度方向選取9個截面進(jìn)行硬度檢測，1～8表示沿著工件的圓周方向選取8個點對其進(jìn)行硬度檢測(其中1～4在工件外表面，5～6在工件內(nèi)表面)。由此可得，對工件的72(9×8=72)處進(jìn)行硬度檢測，每處測量5個硬度點，取其平均值表征該處的硬度，硬度檢測結(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，存在個別點的硬度值偏大(最大值為28 HBW)超過了要求硬度值的上限，整個工件的硬度值偏差較大。初步分析其原因為缸筒件的底部與料盤接觸，導(dǎo)致此處的冷卻速度較小，甚至在淬火冷卻時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，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，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，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)缸筒件在淬火過程的冷卻速度應(yīng)大于150 ℃/s。結(jié)合前期工程實踐，鋼質(zhì)缸筒件淬火時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，個別點的硬度值超過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為鋼質(zhì)缸筒件的底部與料盤接觸，由于料盤蓄熱量較大，鋼質(zhì)缸筒件的底部冷卻速度較慢從而導(dǎo)致其對應(yīng)位置硬度較低；硬度點偏高端為正對攪拌器側(cè)，由于其正對攪拌器，冷卻速度較快從而導(dǎo)致其對應(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)的主要原因為鋼質(zhì)缸筒件在淬火過程中冷卻不均，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)化過程中應(yīng)通過優(yōu)化鋼質(zhì)缸筒件與攪拌器的相對位置避免產(chǎn)生硬度軟點；通過優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)(如入水溫度、在水中冷卻時間等)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)缸筒件對應(yīng)成分的奧氏體結(jié)束轉(zhuǎn)變溫度Ac3為860 ℃，原來的奧氏體化溫度為950 ℃，高于Ac3約90 ℃，故可通過降低奧氏體化溫度，從而降低入水溫度，進(jìn)而減少鋼質(zhì)筒形件在水冷過程中熱應(yīng)力和淬火畸變。根據(jù)淬火時奧氏體化溫度比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)延長淬火轉(zhuǎn)移時間。奧氏體在冷卻過程中的開始轉(zhuǎn)變溫度Ac1為765 ℃，即僅需確保鋼質(zhì)缸筒件入水時其溫度高于765 ℃即可避免鋼質(zhì)缸筒件在轉(zhuǎn)移的過程中奧氏體分析為高溫鐵素體和珠光體組織。根據(jù)現(xiàn)場測溫實驗可知，當(dāng)轉(zhuǎn)移時間大于150 s時，4支鋼質(zhì)缸筒件在轉(zhuǎn)移的過程中鋼質(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)移時間由原來的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)筒形件在水冷過程中熱應(yīng)力和淬火畸變。

3)縮短鋼質(zhì)缸筒件的淬火時間。鋼質(zhì)缸筒件的馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Ms和馬氏體結(jié)束轉(zhuǎn)變溫度Mf分別為452 ℃和280 ℃，這就意味著在原來的淬火過程中鋼質(zhì)缸筒件從280 ℃冷卻至40 ℃的過程中，鋼質(zhì)缸筒件未發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，但是在該過程中會產(chǎn)生熱應(yīng)力，該熱應(yīng)力加劇鋼質(zhì)缸筒件的淬火畸變，故可通過縮短鋼質(zhì)缸筒件在水中的淬火時間提高鋼質(zhì)筒形件的出水溫度來減少淬火應(yīng)力和淬火畸變。結(jié)合前期工程實踐，工件出水時其最高溫度低于馬氏體開始轉(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間由原來的12 min優(yōu)化至5 min，鋼質(zhì)缸筒件的出水時表面溫度約為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。通過改變鋼質(zhì)缸筒件與攪拌器的相對位置，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]，同時避免鋼質(zhì)缸筒件底部產(chǎn)生硬度軟點。為實現(xiàn)上述目的，鋼質(zhì)缸筒件在淬火的過程中，鋼質(zhì)缸筒件在高度方向做上下震蕩動作：即鋼質(zhì)缸筒件剛?cè)胨畷r攪拌器與鋼質(zhì)缸筒件的中心正對并保持一定時間，隨后攪拌器與鋼質(zhì)缸筒件和料盤接觸處正對并保持一定時間，如此循環(huán)幾次，完成鋼質(zhì)缸筒件的淬火過程。當(dāng)攪拌器與鋼質(zhì)缸筒件和料盤接觸處正對時可加大鋼質(zhì)缸筒件底部的冷卻速度，從而避免產(chǎn)生軟點；在冷卻的過程中鋼質(zhì)缸筒件運動，避免攪拌器一直正對鋼質(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 ℃，保溫時間為120 min；2)淬火轉(zhuǎn)移時間為120 s；3)鋼質(zhì)缸筒件在水中的冷卻時間為5 min，同時在淬火冷卻過程中，鋼質(zhì)缸筒件的中心與攪拌器中心正對，且保持20 s，隨后鋼質(zhì)缸筒件隨轉(zhuǎn)移系統(tǒng)自動上升290 mm，此時攪拌器中心與鋼質(zhì)缸筒件與料盤的接觸處正對，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結(jié)果如表3所示。由表3可見，鋼質(zhì)缸筒件的硬度值在255～270 HBW之間，滿足設(shè)計要求(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

本文對鋼質(zhì)缸筒件的熱處理工藝進(jìn)行了優(yōu)化，通過優(yōu)化奧氏體化溫度、淬火轉(zhuǎn)移時間、缸筒件在水中冷卻時間等參數(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 ℃，保溫時間為120 min；2)淬火轉(zhuǎn)移時間為120 s；3)鋼質(zhì)缸筒件在水中的冷卻時間為5 min，同時在淬火冷卻過程中，鋼質(zhì)缸筒件的中心與攪拌器中心正對，且保持20 s，隨后鋼質(zhì)缸筒件隨轉(zhuǎn)移系統(tǒng)自動上升290 mm，此時攪拌器中心與鋼質(zhì)缸筒件和料盤的接觸處正對，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。