CN102676780A - 一种合金钢管的调质工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合金钢管的调质工艺，经其调质的合金钢管强度高、硬度高、耐磨性好、塑性强、承受压力大、变形小、脱碳小，其步骤为：1)退火处理：以20-25℃/分钟的速度升温至870-880℃后，保温35-40分钟，然后冷却至500℃以下；2)淬火处理：以5-10℃/分钟的速度升温至930-935℃后，保温50-60分钟，然后，在以190-200℃/秒的速度急速冷却至320-325℃之后，自然冷却至30-40℃；3)回火处理：以5-10℃/分钟的速度升温至500-510℃后，保温230-240分钟，然后，自然冷却至室温。使得调质后的合金钢管强度高、硬度高、耐磨性好、塑性强、承受压力大、变形小、脱碳小。本发明主要用于液压缸筒用合金钢管的调质。

Description

一种合金钢管的调质工艺

技术领域

本发明涉及到合金钢管的调质工艺，尤其涉及到对用于制备液压缸筒的合金钢管进行冷拔后的调质工艺。

背景技术

液压缸筒是液压油缸的重要组成部分，是将液压能转变为机械能、做直线往复运动(或摆动运动)的液压执行元件。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械液压系统中得到广泛应用。液压缸包括缸筒、缸盖、活塞、活塞杆、密封装置和缓冲装置，液压缸输出力和活塞有效面积及其两边的压差成正比，而缸筒是形成内腔盛装流体的关键元件，因此液压缸筒耐承受压力、耐磨性、疲劳强度等综合性能对液压油缸的寿命起到关键性作用。

通常，对于液压缸筒要求，最高能耐受20000KPa(持续压力)的压力，对于搅拌和压力的应用，甚至可达到55000KPa。

根据基本的液压关系(帕斯卡定律)，由缸体产生的线性压力的大小是系统流体压力P与活塞的有效面积A的乘积，即F＝PA(当然，摩擦力和其他实际损耗会降低力的效果)。缸筒是内腔盛装流体形成流体压力P的关键元件，所以缸筒对确保线性压力F起到关键性作用。

综上所述，制作液压缸筒需要特殊技术要求的合金钢管。例如采用27SiMn材质的合金钢管，其技术条件为：

一、化学成分

二、力学性能

1、抗拉强度≥860Mpa、屈服强度≥760Mpa；

2、延伸率A5≥12％、收缩率Ψ≥40％；

3、冲击功KV2(J)20℃≥39；

4、硬度(HBW)240～280；

三、工艺性能

常温下水压试验：耐受25～30MPa压力(持续压力)。

四、金相组织

1、脱碳层：≯0.20mm。

2、低倍组织：钢管一般疏松、中心疏松、偏析均≯二级，不得有缩孔残余、皮下气泡、白点、翻皮、分层、裂纹和其它夹杂存在。

3、金相组织：回火索氏体+珠光体(金相组织3级)。

五、表面粗糙度

表面粗糙度Ra≤12.5μm。

六、几何尺寸精度

Φ121±0.15*Φ98±0.15mm。

以下为该钢管冷拔状态几何尺寸精度和性能情况：

1、钢管几何尺寸精度

2、钢管性能

3、表面质量

状态

脱碳层(mm)

粗糙度(μm)

冷拔

/

3.2

根据上述钢管经过冷拔后的精度和性能，结合液压缸筒所需技术条件，进行综合分析：

1、钢管冷加工状态下，几何尺寸精度、表面光洁度完全满足液压缸筒所需技术条件；

2、钢管冷加工状态下，抗拉强度低于技术要求8.7％、屈服强度低于技术要求11.2％、延伸率低于技术要求21％、断面收缩率低于技术要求33.8％、硬度(HBW)低于技术要求36.5％、冲击低于技术要求60.3％；

根据钢管经过冷加工后的性能情况，结合液压缸筒技术条件，在生产实践中大多采取以下热处理工艺：

一、对钢管采取去应力退火热处理工艺

即：采取低于再结晶加热温度加热的热处理工艺，目的在于消除由于塑性形变加工造成的钢管内残余的应力，但仍保留冷加工硬化效果，以保障钢管的性能和防止钢管产生形变和开裂。

根据27SiMn材料，具体工艺为：加热至480～500℃，保温180min。

根据上述去应力退火热处理工艺，对产品进行检测，结果如下：

1、钢管几何尺寸精度

2、钢管性能

3、表面质量

状态	脱碳层(mm)	粗糙度(μm)
			去应力	/	12.5

4、金相组织

从图1示出的该钢管放大了500倍的金相组织图中可以看出，其金相组织为带状铁素体+珠光体，铁素体晶粒为9级。

根据上述检测结果，对钢管经过去应力热处理后进行分析：

a、钢管经过去应力热处理后，几何尺寸精度基本无变化；

b、钢管经过去应力热处理后，延伸率、断面收缩率及表面光洁度达到技术要求；

c、钢管经过去应力热处理后，冲击比冷加工状态下提高83％，但是依然未达到液压缸筒所需技术要求；

d、钢管经过去应力热处理后，抗拉强度、屈服强度及硬度在冷加工基础上大幅降低；

e、金相组织比冷加工状态下稍微有所改善，但是与液压缸筒所需技术要求相差甚远。

上述的去应力退火工艺，主要是消除金属的内应力。在热处理工艺中，加热温度没有超过材料的相变温度，只是接近再结晶温度。所以，去应力退火过程中，金属材料的组织基本不发生变化。当一般环境下使用的液压缸筒，对性能和耐冲击韧性以及疲劳强度要求较低时，可以采取上述热处理工艺生产。

二、对产品采取正火热处理工艺

即：常化，将钢管加热到上临界点(AC3或Acm)以上40～60℃，保温一段时间，达到完全奥氏体化后，在空气中自然冷却。其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化，提高材料的性能以及获得接近平衡状态的组织。

根据27SiMn材料，具体工艺为：加热至920～930℃，保温35min后风冷。

根据上述正火热处理工艺，对产品进行检测，结果如下：

1、钢管几何尺寸精度

2、钢管性能

3、表面质量

状态	脱碳层(mm)	粗糙度(μm)
			正火	0.05	12.5

4、金相组织

从图2示出的该钢管放大了100倍的金相组织图中可以看出，其金相组织4级(珠光体+铁素体)。

根据上述检测结果，对钢管经过正火热处理后进行分析：

a、钢管经过正火热处理后，延伸率、断面收缩率、冲击及表面光洁度达到技术要求；

b、钢管经过正火热处理后，几何尺寸精度存在波动较大现象，虽然在技术要求内，但是已经接近极限值；

c、钢管经过正火热处理后，抗拉强度、屈服强度及硬度在冷加工基础上大幅提高，已经接近液压缸筒所需技术条件；

d、钢管经过正火热处理后，金相组织大有改善，但是依然未达到液压缸筒所需技术要求。

上述的正火热处理工艺，是通过将钢加热到临界温度以上，使钢全部转变为均匀的奥氏体，然后在空气中自然冷却的热处理方法。它能消除过共析钢的网状渗碳体，对于亚共析钢正火可细化晶格，提高综合力学性能。当本材料在正火时候，加热至铁素体全部转变为奥氏体的终了温度Ac3时，铁素体逐渐溶于奥氏体内，钢的组织就全部奥氏体化，产生大量的细小而且排列精密奥氏体组织。由于奥氏体组织是由奥氏体单晶体结晶形成的团状组织，镶嵌在金属材质中，能够改善钢材性能、提高塑性、韧性和适当提高钢管的强度，所以该热处理工艺能使本金属材料具有一定的抗拉强度、屈服强度、塑性、韧性等，但是抗弯曲和扭曲性能力依然低下，尤其是疲劳强度不能满足液压缸筒技术要求。因此，当稍恶劣环境下使用的液压缸筒，对性能及疲劳强度要求不高时，可以采取上述热处理工艺生产。

为了克服上述的钢管在冷拔状态下经过去应力和正火热处理工艺后存在的弊端，通常采取调整材料综合力学性能的调质热处理工艺(简称调质工艺)，对于27SiMn材料而言，其具体步骤为：先淬火，即先加热至910～920℃，保温35min后水冷；然后，再回火，即加热至510～520℃，保温180min然，自然冷却至室温。经过上述调质热处理工艺后，对产品进行检测，结果如下：

1、钢管几何尺寸精度

2、钢管性能

3、表面质量

状态	脱碳层(mm)	粗糙度(μm)
			调质	0.10	12.5

4、金相组织

从图3示出的该钢管放大了500倍的金相组织图中可以看出，其金相组织5级(回火索氏体+珠光体+半网状、条状、块状、针状铁素体)。

5、工艺性能

水压试验：耐受压力30MPa(持续10秒)。

根据上述检测结果，对钢管经过调质热处理后进行分析：

a、钢管经过调质热处理后，抗拉强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率、冲击及表面光洁度、脱碳层深度达到技术要求；

b、钢管经过调质热处理后，几何尺寸精度产生严重变形，不能达到液压缸筒所需技术要求；

c、钢管经过调质热处理后，金相组织5级(回火索氏体+珠光体+半网状、条状、块状、针状铁素体)，未能达到液压缸筒所需技术要求。

经过分析，其原因如下：

a、由于合金钢含有合金元素，当产品结构有特殊力学性能及工艺性能要求时，合金钢则通常采取调质(淬火+回火)的热处理工艺，在本发明采取调质热处理工艺后，基本满足液压缸筒所需技术要求，因此采取调整材料综合力学性能的调质热处理工艺方向是正确性的；

b、钢管在经过高温淬火时候，由于受到冷却介质急冷因素影响，瞬间产生热胀冷缩现象，以及钢管本身残余应力差，造成原本公差精准的钢管在经过调质后产生严重形变。因此需要采取先期完全消除应力，稳定组织的热处理工艺后再进行调质，那么就能有效预防钢管调质时产生的形变。

c、金相组织分析：

(1)上述调质工艺加热时温度不能满足金相组织要求：

淬火温度过低会造成铁素体没有完全充分溶解和未完全充分奥氏体化，就进行冷却淬火，使得淬火前已经析出块状铁素体，随着温度的降低和时间的延长，铁素体的块逐渐增大。

(2)马氏体转变不完全：

奥氏体必须以大于临界冷却速度冷却到马氏体转变开始温度Ms点才能发生马氏体转变，马氏体转变与珠光体转变不同，当奥氏体被冷却到Ms点以下任意温度时，一般不需要孕育，转变立即开始，并且以极大速度进行，但是转变很快停止，不能进行到终了，为了使转变能继续进行，必须降低温度，即马氏体转变是在不断降温的条件下才能进行，当温度降低到马氏体转变终了点Mf之后，马氏体转变就会停止，由于目前采用的水槽冷却方式，即将钢管出炉后立刻进入水槽冷却，无法保障马氏体转变温度Ms点后钢管继续冷却，使马氏体转变不能继续进行，马氏体转变量未能达到100％，存在马氏体转变不完全现象。

此外，淬火时，加热速度太快会造成部分组织来不及奥氏体化，在开始冷却时形成屈氏体，不仅会影响奥氏体化的均匀程度，造成淬火后晶粒粗大，甚至出现晶间裂纹，而且还会造成钢管变形。同时，加热速度影响材料的微观组织，加热过程中，速度过快，则部分第二相来部不及溶解。冷却速度过快(水槽冷却方式)，会导致局部冷缩不均匀，组织内物质扩散不够，内应力大，使得钢管容易产生开裂和变形。另外，传统的冷却介质(冷却水或冷却油)达不到钢管在淬火时迅速热扩散冷却的效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种合金钢管的调质工艺，使得调质后的合金钢管强度高、硬度高、耐磨性好、塑性强、承受压力大、变形小、脱碳小。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种合金钢管的调质工艺，其步骤为：

1)退火处理：以20-25℃/分钟的速度升温至870-880℃后，保温35-40分钟，然后，冷却至500℃以下；

2)淬火处理：以5-10℃/分钟的速度升温至930-935℃后，保温50-60分钟，然后，在以190-200℃/秒的速度急速冷却至320-325℃之后，自然冷却至30-40℃；

3)回火处理：以5-10℃/分钟的速度升温至500-510℃后，保温230-240分钟，然后，自然冷却至室温。

所述的退火处理步骤中，保温后，先以≤15℃/分钟的速度冷却至500℃以下，然后，再冷却至室温。

所述步骤2)中所述的急速冷却采用的是盐水喷淋的方式，所用盐水中盐的质量百分比含量在5-10％之间。

所述的合金钢管，按质量百分比计，其成分中含有：0.24-0.32％的碳，1.1-1.4％的硅，1.1-1.4％的锰，0.07-0.12％的钒，磷的含量≤0.035％，硫的含量≤0.035％，铬的含量≤0.3％，镍的含量≤0.3％，铜的含量≤0.3％。

本发明的有益效果是：本发明通过反复试验，不断调整退火工艺的升温速度、保温温度和时间等参数，使得该退火工艺能先期完全消除所述合金钢管的应力，稳定合金钢管的内部组织结构，并充分利用合金钢含有的合金元素具备淬透性强的特性，对退火后的合金钢管采取调整材料综合力学性能的调质(先淬火后回火)热处理工艺，并通过提高淬火温度和保温时间，加速和确保奥氏体转变，通过控制冷却速度，保证马氏体转变完全，通过回火处理，进一步调整硬度和塑性以及稳定内部结构，使得该钢管具有强度高、硬度高、耐磨性好、塑性强、承受压力大、脱碳小、微变形等综合性能优势，完全满足液压缸筒的使用技术条件。此外，对淬火时的冷却，采用了盐水喷淋的方式(传统的做法是直接将钢管浸入冷却液中)，使得合金钢管内部的温度均匀、温差小、冷却速度快、材料内部组织均匀。

附图说明

图1是经过传统的退火热处理工艺处理后的合金钢管放大了500倍的金相组织图。

图2是经过传统的正火热处理工艺处理后的合金钢管放大了100倍的金相组织图。

图3是经过传统的调质热处理工艺处理后的合金钢管放大了500倍的金相组织图。

图4是经过本发明所述的调质热处理工艺处理后的合金钢管放大了500倍的金相组织图。

具体实施方式

下面以常用于制作液压缸筒的合金钢管(按质量百分比计，其成分中含有：0.24-0.32％的碳，1.1-1.4％的硅，1.1-1.4％的锰，0.07-0.12％的钒，磷的含量≤0.035％，硫的含量≤0.035％，铬的含量≤0.3％，镍的含量≤0.3％，铜的含量≤0.3％)为例，详细描述本发明所述的具体实施方案。

首先，将经过穿孔、拉拔成型的合金钢管(液压缸筒的管坯)进行退火处理，其具体步骤为：以20-25℃/分钟的速度升温至870-880℃后，保温35-40分钟之后，先以≤15℃/分钟的速度冷却至500℃以下，然后，再冷却至室温；

然后，进行淬火处理，其具体步骤为：以5-10℃/分钟的速度升温至930-935℃后，保温50-60分钟，然后，采用的是盐水喷淋的方式，以190-200℃/秒的速度急速冷却至320-325℃之后，自然冷却至30-40℃；所用盐水中，盐的质量百分比含量为5-10％。

最后，进行回火处理，其具体步骤为：以5-10℃/分钟的速度升温至500-510℃后，保温230-240分钟，然后，自然冷却至室温。

经过本发明所述的调质工艺处理过的所述液压缸筒用合金钢管，其效果尤为明显，经过检测，结果如下：

1、钢管几何尺寸精度

2、钢管性能

3、表面质量

状态	脱碳层(mm)	粗糙度(μm)
			调质	0.15	12.5

4、金相组织

(1)低倍组织：钢管无缩孔残余、皮下气泡、白点、翻皮、分层、裂纹等现象，中心疏松、偏析均为二级。

(2)从图4示出的该钢管放大了500倍的金相组织图中可以看出，其金相组织3级(回火索氏体+铁素体)。

5、工艺性能

水压试验：耐受压力35～38MPa(持续10秒)。

上述的检测结果显示，综合指标完全满足液压缸筒所需技术条件，达到了预期目的。

Claims (4)

1.一种合金钢管的调质工艺，其步骤为：

1)退火处理：以20-25℃/分钟的速度升温至870-880℃后，保温35-40分钟，然后，冷却至500℃以下；

2)淬火处理：以5-10℃/分钟的速度升温至930-935℃后，保温50-60分钟，然后，在以190-200℃/秒的速度急速冷却至320-325℃之后，自然冷却至30-40℃；

3)回火处理：以5-10℃/分钟的速度升温至500-510℃后，保温230-240分钟，然后，自然冷却至室温。

2.如权利要求1所述的合金钢管的调质工艺，其特征在于：所述的退火处理步骤中，保温后，先以≤15℃/分钟的速度冷却至500℃以下，然后，再冷却至室温。

3.如权利要求1所述的合金钢管的调质工艺，其特征在于：所述步骤2)中所述的急速冷却采用的是盐水喷淋的方式，所用盐水中盐的质量百分比含量在5-10％之间。

4.如权利要求1、2或3所述的合金钢管的调质工艺，其特征在于：所述的合金钢管，按质量百分比计，其成分中含有：0.24-0.32％的碳，1.1-1.4％的硅，1.1-1.4％的锰，0.07-0.12％的钒，磷的含量≤0.035％，硫的含量≤0.035％，铬的含量≤0.3％，镍的含量≤0.3％，铜的含量≤0.3％。

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