20CrMnTi鋼起豎液壓缸座鍛坯淬火工藝研究

吳玉逢，顏斌，崔亞男

泰安航天特種車有限公司 山東泰安 271000

1 序言

20CrMnTi鋼作為我公司常用的一種滲碳鋼，主要用于齒輪、十字軸、止推墊片等有耐磨要求的零件。因某型號特種汽車的起豎液壓缸座在加載試驗時焊縫多次發(fā)生開裂，為改善該零件的焊接性能，設(shè)計提出將材質(zhì)由40Cr鋼更換為20CrMnTi鋼。鍛打毛坯，熱處理硬度301~340HBW，σb≥785MPa，σs≥675MPa。該材料不滲碳而直接淬火、回火后使用，在公司尚屬首例，沒有成熟工藝，需驗證其工藝可行性。起豎液壓缸座結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 起豎液壓缸座三維示意

作為重型越野特種汽車發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵受力零件，力學(xué)性能保證尤為重要。由于該零件形狀較復(fù)雜，重量、尺寸較大，外形尺寸為440mm× 230mm×200mm，改為20CrMnTi鋼后熱處理工藝性不理想。該材料的淬透性中等，淬硬性不高，需采取措施提高其淬透尺寸、淬火硬度，最主要的手段就是提高冷卻速度。但鑒于其結(jié)構(gòu)尺寸，若冷卻速度太快，則容易發(fā)生淬火開裂，因此需試驗摸索并確定合理的工藝方案，既能保證零件力學(xué)性能，又能避免發(fā)生開裂。

2 工藝方案及實施

利用電火花光譜儀PMI-MASTER 檢測鍛坯原材料化學(xué)成分，見表1。

由表1可以看出，原材料化學(xué)成分符合G B/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》的要求，但C、Mn、Cr、Ti主要元素的含量均在下限。

由于該零件鍛坯重量近200kg，鍛坯及機械加工價格高、周期長，因此車輛交付周期緊張。為保證最終半成品件熱處理質(zhì)量，先從小試樣開始試驗，分別在快速淬火油、PAG淬火液、鹽水中進行淬火，投制試樣如下。

1）尺寸25mm×25mm×200mm的鍛造試樣兩件，編號分別為：1-1、1-2。

表1 20CrMnTi鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2）尺寸25mm×230mm×440mm的鍛造試樣兩件，編號分別為：2-1、2-2。

3）尺寸66mm×230mm×440mm的鍛造試樣兩件，編號分別為：3-1、3-2。

4）粗加工鍛坯兩件，外形尺寸為200m m× 230mm×440mm，編號分別為：4-1、4-2。

5）半成品零件兩件，外形尺寸為200m m× 230mm×440mm，編號分別為：5-1、5-2。

其中，粗加工鍛坯：加工出槽及零件的外形，單邊加工余量5~8mm。

半成品零件：在粗加工鍛坯的基礎(chǔ)上進行半精加工，單邊加工余量3mm，支耳孔、底孔、后壁孔均不加工。底部厚度最薄為25mm，后壁厚度為30mm，兩邊支耳壁厚為66mm，重量達80kg，如圖2所示。

針對上述試樣制定了工藝方案，見表2。

圖2 半成品試樣示意

表2 工藝試驗實施方案

工藝試驗所使用的熱處理設(shè)備有RX3-60-9普通箱式電阻爐、RJ2-90-6井式回火爐；硬度檢測設(shè)備為TH140里氏硬度計、HR-150A洛氏硬度計；無損檢測設(shè)備為SF750全數(shù)字超聲波探傷儀；室溫拉伸試驗設(shè)備為WAW-600C微機控制電液伺服萬能試驗機。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 1-1號試樣

經(jīng)檢測，1-1 號試樣淬火后的硬度為25~ 30HRC，由于淬火硬度太低，沒有必要再進行回火處理，方案一被排除。

3.2 1-1、1-2號試樣

將1-1號試樣重新正火，與1-2號試樣一同按方案二進行試驗。將試樣加工成φ15mm的標(biāo)準(zhǔn)試棒后進行拉伸試驗，力學(xué)性能見表3。

該試驗結(jié)果說明，小尺寸的20CrMnTi鋼鍛件用10%~12%PAG淬火液作為淬火冷卻介質(zhì)，最終力學(xué)性能可以滿足技術(shù)要求，同時其各項指標(biāo)均達到了GB/T 3077—2015的要求。

表3 方案二試樣力學(xué)性能

3.3 2-1、2-2號試樣

將尺寸較大些的2-1、2-2號試樣按方案三進行試驗，經(jīng)檢測，試樣的硬度見表4。

表4 方案三試樣的淬火、回火硬度

從方案三試驗結(jié)果可以看出，試樣的淬火硬度較低，回火后硬度也不滿足技術(shù)要求，說明10%~12%PAG淬火液冷卻能力不足，方案二、方案三被排除。

3.4 3-1、3-2號試樣

按方案四進行試驗，經(jīng)檢測，試樣的硬度及無損檢測結(jié)果見表5。

表5 方案四試樣的淬火、回火硬度及開裂情況

從表5可以看出，淬火硬度理想，回火硬度符合要求，超聲波檢測無裂紋。表明4.5%~5%NaCl水溶液滿足20CrMnTi鋼在該尺寸下的淬火冷卻能力，淬裂傾向小。

3.5 4-1、4-2號試樣

按方案五進行試驗，試樣在熱處理前經(jīng)超聲波檢測，無裂紋。熱處理后，試樣的硬度及無損檢測結(jié)果見表6。

表6 方案五試樣的淬火、回火硬度及開裂情況

從表6可以看出，淬火硬度比較理想，回火硬度滿足要求，但其中一件在支耳內(nèi)部經(jīng)無損檢測發(fā)現(xiàn)裂紋。分析認為，出現(xiàn)裂紋的原因是壁厚較厚，表面冷卻速度快，內(nèi)部冷卻速度慢，在熱應(yīng)力的主導(dǎo)作用下導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)開裂。

為避免出現(xiàn)開裂的可能，排除方案四、方案五。

3.6 5-1、5-2號試樣

按方案六進行試驗，試樣在熱處理前經(jīng)超聲波檢測，無裂紋。

利用DK77電火花數(shù)控線切割機床在5-1、5-2號試樣支耳處各取一件試樣，并加工成φ15mm標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒進行拉伸試驗，力學(xué)性能見表7。

表7 試樣的力學(xué)性能

從方案六試驗結(jié)果可以看出，4%~5%PAG淬火液基本滿足該材料在所設(shè)定尺寸的淬火冷卻能力，淬火硬度稍低，但最終回火硬度、力學(xué)性能均能滿足技術(shù)要求，且不易出現(xiàn)淬裂。

綜上試驗結(jié)果，確定起豎液壓缸座的最終加工方案如下。

1）機械加工方案：鍛后半精加工，兩個支耳孔、底面孔、后壁孔不加工，各面的單邊余量為3mm，各棱邊倒鈍或倒圓，內(nèi)檔各夾角圓弧過渡，圓角半徑≥5mm。

2）熱處理方案：鍛后進行正火處理，無損檢測后進行淬火，淬火溫度880℃，保溫2.5h，淬火冷卻介質(zhì)為4%~5%PAG淬火液，冷至150~250℃時出水，回火溫度200℃，回火時間3h后空冷，再進行超聲波檢測。淬火、回火工藝曲線如圖3所示。

圖3 淬回火工藝曲線

4 結(jié)束語

綜上所述，20CrMnTi鋼起豎液壓缸座鍛坯推薦使用4%~5%PAG淬火液進行淬火，力學(xué)性能可滿足技術(shù)要求，且沒有淬火開裂的風(fēng)險，同時該材料的使用保證了起豎液壓缸的焊接性能。后續(xù)批次的起豎液壓缸座在焊接過程和車輛交付使用中未出現(xiàn)任何質(zhì)量問題。