液壓油缸用冷拔管熱處理工藝

徐工液壓件有限公司（江蘇 221000）葉海燕 姚東旭

各類文獻表明，高性能液壓缸筒除了使用調質管外，目前最廣泛采用的是高精度冷拔鋼管，其目的是提高原材料的利用率，提高管料尺寸精度便于后道加工，利用加工硬化的特性提高性能和降低成本。根據我廠生產統計結果，冷拔管的各類成本中，原材料成本平均91.61%，熱處理成本平均6.55%，其中材質及規格的選擇對冷拔成本影響約20.1%。

冷拔管常用材質為25Mn、45鋼、27SiMn，在2011年，Q345B（材質與16Mn接近）開始應用于工程機械油缸，隨著各項基礎數據對比的完善，逐漸完善了材質的選用。本文以Q345B和27SiMn冷拔管為研究對象，進行了熱處理工藝的探索及實踐，結合25Mn和45鋼的現場統計數據，提出了質量提升和熱處理成本降低的關鍵技術。

1.試驗

（1）試驗設計原理 從擠壓性能進行比較，冷拔加工是通過加工硬化特性提高材料的性能。在加工硬化過程中，晶粒產生塑性變形，內部存在較大應力，一般采用再結晶退火以消除應力。圖1表示金屬的冷變形度與再結晶后晶粒大小的關系。可見，當變形率很小時，由于晶格畸變很小，不足以引起再結晶，故加熱時無再結晶現象，晶粒仍保持原來的大小。當變形度增加到“臨界變形度”（2%～10%，視具體金屬而定），此時只有部分晶粒發生變形，變形極不均勻，再結晶很少，再結晶時晶粒易相互吞并長大，因而晶粒特別粗大。

圖1 再結晶晶粒大小與冷變形度的關系

一般，每種金屬都有一個最低再結晶溫度T再，它與熔點T熔之間存在如下大致關系：

T再=0.4T熔

T熔=-2.7[Al]-2[V]-1.7[Mo]-1.5[Cr]-1.7[Co]-1[W]-1300[H]-90[N]-80[B]-80[O]-5[Ce]-6.5[Nb]

經計算，冷拔管常用4種材質的熔點如表1所示。根據計算結果，這4種材質的再結晶溫度相差約5℃，由于其他任何元素的加入只會使熔點降低，且實際工業生產中，中溫熱處理爐的各區溫差一般在±5℃，故從理論講，可以合并再結晶熱處理工藝溫度為600℃。而實際生產的變形率一般在1.1%～1.3%，正好處于理論上的臨界變形區，故在熱處理的工藝設計上，應避免再結晶熱處理導致的晶粒粗大，即溫度不能超過600℃。

表1 4種材質的熔點和再結晶溫度理論值

冷拔管在加熱過程中，隨著溫度升高依次通過回復、再結晶、晶粒長大3個階段(見圖2)，可看出隨著溫度升高，晶粒長大，強度降低，伸長率提高。當退火溫度不能超過600℃時，應考慮將溫度設定在“回復”溫度的I區進行去應力退火，使尺寸穩定、保留加工硬化的高強度和適當提高韌性。

圖2 冷變形金屬退火時性能變化

根據同行業交流，有部分廠家在使用300℃保溫2h，使27SiMn發揮了調質管的性能。根據前期驗證，我廠冷拔管采用的成品退火為550℃保溫2h。本次驗證從27SiMn開始，驗證的溫度區間為300～550℃。試驗設備為WEW－600B微機屏顯液壓萬能試驗機、SRSS3－1應力在線檢測儀等，小樣件熱處理采用箱式電阻爐，批量試制采用臺車電阻爐。

（2）第一次試驗及結果分析 第一次試驗，材料為27SiMn無縫管，執行標準GB/T 17396－2009 液壓支柱用熱軋無縫鋼管,坯料規格φ203mm×13mm，冷拔至φ200mm×φ180mm，變形率為1.27。在同一間鋼管上，截取3段，分別在箱式爐中進行550℃保溫2h、300℃保溫3h、300℃保溫5h的熱處理，對熱處理后的管段線切割加工全壁厚拉伸試樣。試驗結果詳見表2。

由上述檢測結果可知：300℃退火與550℃退火相比，強度高、韌性低；同種溫度，隨著保溫時間延長，強度變化不明顯，但韌性升高。300℃保溫3～5h，斷后伸長率＜12%。

斷后伸長率能表征材料斷裂前發生塑性變形的能力，為提高缸體斷裂前的預警功能，一般要求材料具有一定的斷后伸長率，故本次試驗工藝的結果尚不能滿足要求。

（3）第二次試驗結果及分析 第二次試驗根據第一次的結果，增加保溫時間。為控制生產周期，基于提高溫度可縮短保溫時間的原理，增加400℃退火試驗。

試驗在同一件鋼管上，截取6段，分別在箱式爐中進行300℃保溫4h、300℃保溫5h、300℃保溫6h、400℃保溫3h、400℃保溫4h、400℃保溫5h，對熱處理后的管段線切割加工全壁厚拉伸試樣。試驗結果見表3、圖3，可見300℃的退火工藝，如要得到較高的伸長率，需保溫超過6h；400℃保溫3～4h，強度與300℃相當，但韌性明顯提升；400℃隨著保溫時間延長，韌性提升，但在保溫5h時，強度急劇下降。

由于錳元素在冷作硬化的過程中起關鍵作用，根據Q345B與27SiMn的化學成分對比可看出這兩種材質的含錳量接近，另外這兩種材質實際生產的變形率范圍接近且熔點計算結果接近，故冷拔后的成品退火在理論上可采取一種工藝。從本次試驗結果來看，為得到較高強度和韌性，在保證生產周期的前提下，400℃保溫3h具有進一步研究的價值。

表2 不同熱處理后的27SiMn冷拔管力學性能

表3 不同熱處理后的27SiMn冷拔管力學性能

圖3

2.材質推廣試驗

表4 不同熱處理后的Q345B冷拔管力學性能

圖4 Q345B材質冷拔管

試驗材料選用天津無縫鋼管集團的Q345B無縫管，執行標準GB/T 1591－2008 低合金高強度結構鋼,坯料規格φ194mm×16mm，冷拔至φ185mm×φ160mm，變形率設計為1.30。

本次試驗在同一件鋼管上，截取6段，分別在箱式爐中進行300℃保溫4h、300℃保溫5h、300℃保溫6h、400℃保溫3h、400℃保溫4h、400℃保溫5h，對熱處理后的管段線切割加工全壁厚拉伸試樣。試驗結果見表4、圖4。

從試驗結果可以看出：400℃退火后韌性高于300℃退火；Q345B材質冷拔管在400℃退火后的性能滿足了DIN2391冷軋或冷拔精密無縫鋼管和GB3639－2008 精密冷拔無縫鋼管中對所有材質的性能要求。結合27SiMn的試驗結果，可推論400℃保溫3h可滿足這兩種材質的冷拔管性能要求。

3.性能穩定性測試

本次試驗選取的冷拔管試樣共55件，樣本包含了不同變形率、不同規格、不同材質等條件，每個試樣材質規格有兩種狀態：冷拔+550℃保溫2h退火；冷拔+400℃保溫3h退火。該項試驗用以測試不同熱處理工藝狀態下的不同材料的性能穩定性，只有通過該項測試的工藝才能滿足工業生產的少量、多品種的需求。測試結果詳見表5、圖5。

表5 不同熱處理后的Q345B冷拔管力學性能

圖5

從試驗結果可以看出：27SiMn冷拔管400℃退火后性能波動高于550℃退火；Q345B冷拔管400℃退火后性能波動于550℃相當；Q345B冷拔管400℃退火的強度滿足了DIN2391和GB3639中各類材質冷拔管的性能要求。

4.生產驗證

由于Q345B冷拔管已能滿足常規液壓油缸對各類材質冷拔管的性能要求，在生產試制時，重點對此材質進行兩個批次的產品測試，測試內容包括拉伸試驗、沖擊試驗、表面殘余應力測試。性能測試結果見表6、表7。

從測試結果看，Q345B冷拔管在常規的1.19%～1.3%的變形率范圍內，成品退火采用400℃保溫3h，性能可滿足生產和使用的要求，表面應力呈壓應力分布，有利于提高油缸使用壽命。

5.各材質冷拔管性能對比

經長期統計，各類材質冷拔管的實際性能數據詳見表8。根據數據統計結果，Q345B的沖擊功在4種材質中表現最佳且較穩定，抗拉強度的穩定性在幾種材質中表現最佳。

表6 冷拔管性能測試結果

表7 冷拔鋼管不同狀態下的表面殘余應力分布

表8 各種材質冷拔管性能穩定性對比

6.質量提升和熱處理成本控制的關鍵技術

由于連續冷拔變形率會超過1.2%，45鋼和27SiMn必須先進行坯料退火以降低硬度、提高塑性，否則在拔制過程中可能出現斷裂，而成品退火則是每種材質冷拔管必須的。故這兩種材質在冷拔工藝的設計過程中，坯料熱處理是關鍵工序。據生產統計，熱處理電耗在冷拔的各項成本中約占10%，各種熱處理電耗見表9。

根據前面的分析，液壓油缸用冷拔管提升質量、降低成本的關鍵技術是將原材料統一為Q345B，取消坯料退火，采用400℃成品退火。該項技術不僅可以提升質量穩定性，提高產品斷裂韌性，且使熱處理能耗由3980.59kW·h降低為1809.36kW·h，生產周期由20h/爐次縮短為6h/爐次。

表9

7.結語

為保證新工藝的穩定可靠性，僅該項試驗數據采集歷時近兩年，本次驗證過程中，材料性能的穩定性研究為油缸的可靠性設計提供了依據。雖然能耗降低70%、效率提升25%的結果鼓舞人心，但對比美國2020年熱處理生產技術發展目標能源消耗減少80%、工藝周期縮短50%，仍有差距。

本次驗證過程中，27SiMn材質的冷拔管強度波動高達27.36%，帶來了下一個研究課題：材料冷拔及熱處理工藝，使27SiMn冷拔管的抗拉強度穩定在900～1000MPa并保證一定的斷后伸長率和沖擊功。這樣的研究可以常規、低價的27SiMn冷拔管代替大部分材質的調質管，可解決調質變形問題，降低熱處理能耗，縮短生產周期，提高產品尺寸精度，提高材料利用率，降低后續機加工工序的難度，初步估計可節約70%的生產成本。