20MnTiB液压油缸缸体用无缝钢管的性能分析及改进

夏文斌，郑 戈，周 勇，赵映辉

（衡阳华菱钢管有限公司，湖南 衡阳 421001）

2000年以来国内无缝钢管厂先后开发出了高强度中厚壁缸体用无缝钢管材料20MnTiB钢种替代27SiMn［1］。实践表明，20MnTiB钢种经调质处理后性能良好，屈服强度指标可达到930 MPa以上，常温U型冲击功要求大于55 J［1-3］。采用20MnTiB生产的无缝钢管一直以来在各种高强度液压油缸、液压支架等中厚壁缸体上广泛使用，其具有较高的强度和常温冲击韧性，适用于制作外径≤377 mm，壁厚≤30 mm的各种液压缸体。

近年来，随着我国工程机械行业的迅猛发展，工程机械向轻量化、大型化方向发展，液压件的体积越来越大，强度要求也越来越高，并且要应对低温等越来越恶劣的使用环境，所以对油缸材料强度、韧性和低温韧性等方面均提出了新的要求。本文通过对20MnTiB油缸材料进行拉伸、低温冲击、硬度等系列试验，认为该钢种存在低温韧性差、淬透性有限，在钢管壁厚超过30 mm时钢管不能淬透、材料性能下降的情况。

1 试验方法

试验采用某公司生产的Φ426 mm×38 mm规格20MnTiB热轧无缝钢管，管材的化学成分见表1。20MnTiB钢种中加入的微量Ti可以细化晶粒，与适量的B配合不仅可以提高管材的淬透性，而且可以明显降低钢在低温回火的脆性，改善了焊接热影响区的韧性，同时避免使用Cr、Mo等贵金属，降低了钢种的成本［1］。

表1 Φ426 mm×38 mm规格20MnTiB热轧无缝钢管的化学成分（质量分数） %

奥氏体转变开始温度Ac1和奥氏体转变终了温度 Ac3的计算公式［4］为：

根据公式（1）～（2）可计算出 Ac3为 828 ℃时，Ac1为716℃。为了充分溶解奥氏体中的碳化物，又避免奥氏体晶粒粗大，淬火温度一般设定为Ac3+30～50 ℃［5-7］。因此热处理工艺［8-14］为：淬火温度 900℃，保温90 min；回火温度425℃，保温160 min。

对调质后的20MnTiB油缸管依据GB/T 228—2002《金属材料 室温拉伸试验方法》进行了拉伸性能试验，依据GB/T 230.1—2009《金属材料 洛氏硬度试验第1部分：试验方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺）》进行了硬度试验以及依照GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行了冲击性能试验。

在莱卡DM6000M金相显微镜上进行组织观察，金相试样的腐蚀液为4%硝酸酒精溶液。

2 试验结果

2.1 力学性能

在调质后的20MnTiB油缸管壁厚外表面、中间和内表面三个部位分别取样加工成Φ10 mm的圆棒拉伸试样和尺寸为10 mm×10 mm×55 mm的U型缺口冲击试样，并进行拉伸性能和常温U型冲击性能测试，20MnTiB油缸管力学性能结果见表2。从结果可以看出：20MnTiB油缸管调质后屈服强度为 926～1 192 MPa，抗拉强度为 1 095～1 282 MPa，常温U型夏比冲击韧性在31～98 J；中间位置与内外表面力学性能相差较大，外表面和内表面的力学性能符合20MnTiB油缸管的技术要求，但中间的屈服强度和冲击性能较低，不符合20MnTiB油缸管的技术要求。

表2 20MnTiB油缸管力学性能结果

2.2 硬 度

从试验钢管上截取一段钢管加工成全截面硬度试样，并在试样的截面上每间隔5 mm进行洛氏硬度试验。20MnTiB油缸管硬度试验位置如图1所示，不同位置对应的硬度值见表3，截面硬度与距外表面距离关系如图2所示。可以看出：中间硬度最低值与内外表面硬度最高值相差8.5 HRC，距外表面15 mm处的硬度出现了突降，硬度值与位置关系形成了U型图像，结果说明中间处硬度明显偏低。

图1 20MnTiB油缸管硬度试验位置示意

2.3 金相分析

20MnTiB油缸管金相组织如图3所示。结果表明：20MnTiB油缸管晶粒度8级，仅外表面为100%的回火索氏体组织，中间以贝氏体组织为主（80%贝氏体+20%回火索氏体），内表面也存在贝氏体组织（30%贝氏体+70%回火索氏体）。说明对于壁厚为38 mm以上的钢管，20MnTiB材料已经不能保证钢管中间壁厚能被淬透。

表3 20MnTiB油缸管不同位置对应的硬度值 HRC

图2 20MnTiB油缸管截面硬度与距外表面距离关系

2.4 韧-脆转变温度

在调质后的20MnTiB油缸管外表面处加工纵向10 mm×10 mm×55 mm的U型缺口冲击试样，并分别在20，10，0，-10，-20和-40℃温度下测试20MnTiB油缸管的系列冲击性能。调质后20MnTiB系列全尺寸纵向冲击性能结果见表4。调质后的20MnTiB油缸管韧-脆转变温度约为13℃；当环境温度下降到韧-脆转变温度以下，剪切面积百分比随温度的降低下降较快，开裂方式以脆性断裂为主，说明20MnTiB材料不适合在10℃以下的低温环境下使用。

图3 20MnTiB油缸管金相组织

表4 调质后20MnTiB系列全尺寸纵向冲击性能结果

3 试验结果分析及建议

（1）与外表面和内表面相比，壁厚为38 mm的20MnTiB高强度液压缸体用无缝钢管中间部位的拉伸性能和硬度均出现较大幅度的下降，中间部位的抗拉强度和硬度分别降低约200 MPa和8.5 HRC，冲击功也出现了大幅下降，中间壁厚的拉伸和冲击性能不满足20MnTiB高强度油缸管的性能要求。

（2）20MnTiB油缸管仅外表面为100%的回火索氏体组织，中间以贝氏体组织为主，内表面也存在贝氏体组织，说明对于20MnTiB钢种，壁厚在38 mm以上的钢管中间处已经不能被淬透。

（3）利用表1中20MnTiB油缸管的化学成分，计算其淬透性［15］：水冷端淬火硬度值J0为47 HRC，半马氏体硬度值Jb为35 HRC，半马氏体硬度值对应的距水冷端的距离（半淬区深度）Eb为15 mm。

（4）20MnTiB的韧-脆转变温度较高，约为13℃，不适合在低温环境下使用，如使用温度低于0℃，就存在低温脆性开裂的风险。

（5）对于壁厚30 mm以上的高强度油缸管，某公司选用了钢种一或钢种二替代，替代钢种的化学成分和各项性能参数分别见表5～6。从表5～6中可以看出：与20MnTiB相比，替代钢种在碳当量和合金元素没有大幅增加的情况下，淬透性和低温冲击性能大大提高。

表5 替代钢种的主要化学成分（质量分数） %

表6 替代钢种与20MnTiB的各项参数对比情况

4 结 语

（1）20MnTiB钢种淬透性深度为15 mm左右，内外表面都冷却的情况下不适合生产壁厚30 mm以上的钢管；

（2）20MnTiB钢种的韧-脆转变温度在13℃左右，不适应低温环境工作；

（3）结合成本、淬透层深度、碳当量、理化性能以及使用环境等各方面考虑，建议对20MnTiB厚壁高强度油缸用钢管用高淬透性或低韧-脆转变温度的钢种替换；

（4）替代钢种可以实现较高的强度和优异的低温韧性，综合性能优于20MnTiB，更适合生产壁厚超过30 mm或低温环境使用的高强度液压油缸管。