液压油缸用冷拔管热处理工艺

徐工液压件有限公司（江苏 221000）叶海燕 姚东旭

各类文献表明，高性能液压缸筒除了使用调质管外，目前最广泛采用的是高精度冷拔钢管，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。根据我厂生产统计结果，冷拔管的各类成本中，原材料成本平均91.61%，热处理成本平均6.55%，其中材质及规格的选择对冷拔成本影响约20.1%。

冷拔管常用材质为25Mn、45钢、27SiMn，在2011年，Q345B（材质与16Mn接近）开始应用于工程机械油缸，随着各项基础数据对比的完善，逐渐完善了材质的选用。本文以Q345B和27SiMn冷拔管为研究对象，进行了热处理工艺的探索及实践，结合25Mn和45钢的现场统计数据，提出了质量提升和热处理成本降低的关键技术。

1.试验

（1）试验设计原理 从挤压性能进行比较，冷拔加工是通过加工硬化特性提高材料的性能。在加工硬化过程中，晶粒产生塑性变形，内部存在较大应力，一般采用再结晶退火以消除应力。图1表示金属的冷变形度与再结晶后晶粒大小的关系。可见，当变形率很小时，由于晶格畸变很小，不足以引起再结晶，故加热时无再结晶现象，晶粒仍保持原来的大小。当变形度增加到“临界变形度”（2%～10%，视具体金属而定），此时只有部分晶粒发生变形，变形极不均匀，再结晶很少，再结晶时晶粒易相互吞并长大，因而晶粒特别粗大。

图1 再结晶晶粒大小与冷变形度的关系

一般，每种金属都有一个最低再结晶温度T再，它与熔点T熔之间存在如下大致关系：

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]

经计算，冷拔管常用4种材质的熔点如表1所示。根据计算结果，这4种材质的再结晶温度相差约5℃，由于其他任何元素的加入只会使熔点降低，且实际工业生产中，中温热处理炉的各区温差一般在±5℃，故从理论讲，可以合并再结晶热处理工艺温度为600℃。而实际生产的变形率一般在1.1%～1.3%，正好处于理论上的临界变形区，故在热处理的工艺设计上，应避免再结晶热处理导致的晶粒粗大，即温度不能超过600℃。

表1 4种材质的熔点和再结晶温度理论值

冷拔管在加热过程中，随着温度升高依次通过回复、再结晶、晶粒长大3个阶段(见图2)，可看出随着温度升高，晶粒长大，强度降低，伸长率提高。当退火温度不能超过600℃时，应考虑将温度设定在“回复”温度的I区进行去应力退火，使尺寸稳定、保留加工硬化的高强度和适当提高韧性。

图2 冷变形金属退火时性能变化

根据同行业交流，有部分厂家在使用300℃保温2h，使27SiMn发挥了调质管的性能。根据前期验证，我厂冷拔管采用的成品退火为550℃保温2h。本次验证从27SiMn开始，验证的温度区间为300～550℃。试验设备为WEW－600B微机屏显液压万能试验机、SRSS3－1应力在线检测仪等，小样件热处理采用箱式电阻炉，批量试制采用台车电阻炉。

（2）第一次试验及结果分析 第一次试验，材料为27SiMn无缝管，执行标准GB/T 17396－2009 液压支柱用热轧无缝钢管,坯料规格φ203mm×13mm，冷拔至φ200mm×φ180mm，变形率为1.27。在同一间钢管上，截取3段，分别在箱式炉中进行550℃保温2h、300℃保温3h、300℃保温5h的热处理，对热处理后的管段线切割加工全壁厚拉伸试样。试验结果详见表2。

由上述检测结果可知：300℃退火与550℃退火相比，强度高、韧性低；同种温度，随着保温时间延长，强度变化不明显，但韧性升高。300℃保温3～5h，断后伸长率＜12%。

断后伸长率能表征材料断裂前发生塑性变形的能力，为提高缸体断裂前的预警功能，一般要求材料具有一定的断后伸长率，故本次试验工艺的结果尚不能满足要求。

（3）第二次试验结果及分析 第二次试验根据第一次的结果，增加保温时间。为控制生产周期，基于提高温度可缩短保温时间的原理，增加400℃退火试验。

试验在同一件钢管上，截取6段，分别在箱式炉中进行300℃保温4h、300℃保温5h、300℃保温6h、400℃保温3h、400℃保温4h、400℃保温5h，对热处理后的管段线切割加工全壁厚拉伸试样。试验结果见表3、图3，可见300℃的退火工艺，如要得到较高的伸长率，需保温超过6h；400℃保温3～4h，强度与300℃相当，但韧性明显提升；400℃随着保温时间延长，韧性提升，但在保温5h时，强度急剧下降。

由于锰元素在冷作硬化的过程中起关键作用，根据Q345B与27SiMn的化学成分对比可看出这两种材质的含锰量接近，另外这两种材质实际生产的变形率范围接近且熔点计算结果接近，故冷拔后的成品退火在理论上可采取一种工艺。从本次试验结果来看，为得到较高强度和韧性，在保证生产周期的前提下，400℃保温3h具有进一步研究的价值。

表2 不同热处理后的27SiMn冷拔管力学性能

表3 不同热处理后的27SiMn冷拔管力学性能

图3

2.材质推广试验

表4 不同热处理后的Q345B冷拔管力学性能

图4 Q345B材质冷拔管

试验材料选用天津无缝钢管集团的Q345B无缝管，执行标准GB/T 1591－2008 低合金高强度结构钢,坯料规格φ194mm×16mm，冷拔至φ185mm×φ160mm，变形率设计为1.30。

本次试验在同一件钢管上，截取6段，分别在箱式炉中进行300℃保温4h、300℃保温5h、300℃保温6h、400℃保温3h、400℃保温4h、400℃保温5h，对热处理后的管段线切割加工全壁厚拉伸试样。试验结果见表4、图4。

从试验结果可以看出：400℃退火后韧性高于300℃退火；Q345B材质冷拔管在400℃退火后的性能满足了DIN2391冷轧或冷拔精密无缝钢管和GB3639－2008 精密冷拔无缝钢管中对所有材质的性能要求。结合27SiMn的试验结果，可推论400℃保温3h可满足这两种材质的冷拔管性能要求。

3.性能稳定性测试

本次试验选取的冷拔管试样共55件，样本包含了不同变形率、不同规格、不同材质等条件，每个试样材质规格有两种状态：冷拔+550℃保温2h退火；冷拔+400℃保温3h退火。该项试验用以测试不同热处理工艺状态下的不同材料的性能稳定性，只有通过该项测试的工艺才能满足工业生产的少量、多品种的需求。测试结果详见表5、图5。

表5 不同热处理后的Q345B冷拔管力学性能

图5

从试验结果可以看出：27SiMn冷拔管400℃退火后性能波动高于550℃退火；Q345B冷拔管400℃退火后性能波动于550℃相当；Q345B冷拔管400℃退火的强度满足了DIN2391和GB3639中各类材质冷拔管的性能要求。

4.生产验证

由于Q345B冷拔管已能满足常规液压油缸对各类材质冷拔管的性能要求，在生产试制时，重点对此材质进行两个批次的产品测试，测试内容包括拉伸试验、冲击试验、表面残余应力测试。性能测试结果见表6、表7。

从测试结果看，Q345B冷拔管在常规的1.19%～1.3%的变形率范围内，成品退火采用400℃保温3h，性能可满足生产和使用的要求，表面应力呈压应力分布，有利于提高油缸使用寿命。

5.各材质冷拔管性能对比

经长期统计，各类材质冷拔管的实际性能数据详见表8。根据数据统计结果，Q345B的冲击功在4种材质中表现最佳且较稳定，抗拉强度的稳定性在几种材质中表现最佳。

表6 冷拔管性能测试结果

表7 冷拔钢管不同状态下的表面残余应力分布

表8 各种材质冷拔管性能稳定性对比

6.质量提升和热处理成本控制的关键技术

由于连续冷拔变形率会超过1.2%，45钢和27SiMn必须先进行坯料退火以降低硬度、提高塑性，否则在拔制过程中可能出现断裂，而成品退火则是每种材质冷拔管必须的。故这两种材质在冷拔工艺的设计过程中，坯料热处理是关键工序。据生产统计，热处理电耗在冷拔的各项成本中约占10%，各种热处理电耗见表9。

根据前面的分析，液压油缸用冷拔管提升质量、降低成本的关键技术是将原材料统一为Q345B，取消坯料退火，采用400℃成品退火。该项技术不仅可以提升质量稳定性，提高产品断裂韧性，且使热处理能耗由3980.59kW·h降低为1809.36kW·h，生产周期由20h/炉次缩短为6h/炉次。

表9

7.结语

为保证新工艺的稳定可靠性，仅该项试验数据采集历时近两年，本次验证过程中，材料性能的稳定性研究为油缸的可靠性设计提供了依据。虽然能耗降低70%、效率提升25%的结果鼓舞人心，但对比美国2020年热处理生产技术发展目标能源消耗减少80%、工艺周期缩短50%，仍有差距。

本次验证过程中，27SiMn材质的冷拔管强度波动高达27.36%，带来了下一个研究课题：材料冷拔及热处理工艺，使27SiMn冷拔管的抗拉强度稳定在900～1000MPa并保证一定的断后伸长率和冲击功。这样的研究可以常规、低价的27SiMn冷拔管代替大部分材质的调质管，可解决调质变形问题，降低热处理能耗，缩短生产周期，提高产品尺寸精度，提高材料利用率，降低后续机加工工序的难度，初步估计可节约70%的生产成本。