27SiMn油缸缸筒热处理变形分析及改进措施

摘要： 针对27SiMn缸筒热处理后变形较大而导致的尺寸超差、椭圆、歪扭等产品报废原因进行分析，通过试验，采取降低淬火加热温度，缩短加热时间，降低淬火冷却速度，并对原材料组织与晶粒度进行严格控制，改进吊具焊接方法等措施，油缸缸筒热处理变形得到有效控制，提高产品质量，并节省原材料与能源，提高企业经济效益。

关键词： 缸筒；热处理；变形；分析；改进措施；有效控制

27SiMn油缸缸筒调质热处理过程中常出现长度尺寸超差、口部椭圆、长度方向弯曲、歪扭畸变等热处理变形现象。经统计，批量小时，约21%的缸筒因变形导致尺寸超差；批量较大时，甚至有50%以上缸筒因变形需机械校直。少量油缸经机械校直后亦加工不起，珩磨加工后内孔出现黑皮或口部椭圆不能消除而报废，个别歪扭变形量较大的缸筒采用机械校直方法根本无法校直而直接报废，严重影响油缸制造质量，制约了生产效率的提高，同时也大大提高了生产制造成本。为此，我们对影响油缸缸筒热处理变形的原因进行了分析，并有针对性的采取了改进措施，缸筒变形量得到有效控制。

1 现状分析

某公司生产的27SiMn油缸规格有十余种，壁厚从16mm到35mm，外径从180mm到400mm，长度从800mm到3000mm。选用的调质热处理加热炉有井式电阻炉，有连续式步进加热炉，调质热处理工艺为920±10℃加热，保温50-60分钟（根据壁厚确定）水淬，460±20℃加热，保温60-70分钟回火后水冷。从总体来讲，壁厚越小、直径越大的缸筒变形越大；长度越长，弯曲与歪扭变形越大。我们对每一种规格的缸筒热处理前后的直线度、长度和两端口部椭圆度进行了对比分析：

① 直线度：缸筒长度越大，整体长度上弯曲变形量越大，但每米变形量随直径大小和壁厚的变化有所不同；直径、长度相同时，壁厚越小，弯曲变形越大；壁厚、长度相同时，直径越大，弯曲变形越大。

② 两端口部椭圆度：直径在200mm以下的缸筒，椭圆不明显；直径超过200mm的钢筒，焊挂钩的上端明显大于没焊挂钩的下端，直径越大，椭圆变形越大；相同直径的缸筒，壁厚越小，椭圆变形越大。大直径长缸筒，焊挂钩时中间只焊了一条“一”字型加强筋，受重力影响，加热时口部易变椭圆。小直径缸筒，口部椭圆与长度变化关系不大。

③ 长度：所有油缸缸筒热处理后长度尺寸均有增加，增加的幅度与缸筒热处理前的长度、壁厚、直径有关，一般在0.08-0.35%之间。长度变形规律为：同一直径的缸筒，壁厚越小，长度越长，其调质处理后的伸长变形量越大，壁厚大长度短的缸筒伸长变形小；在壁厚、长度基本相同的情况下，直径不同，调质后的伸长也不同，直径越大，伸长越小。

另外，采用井式电阻炉生产的缸筒变形量普遍较连续炉生产的同规格的缸筒变形量大。

2 热处理变形原因分析

油缸缸筒产生变形的主要原因：一是在热处理加热和冷却过程中，缸筒表面与心部、内表面与外表面、上中下各部位热胀冷缩不均匀及组织转变不同时产生的热应力和组织应力引起的塑性变形。二是加热时由珠光体转变为奥氏体，体积发生收缩；冷却时由奥氏体转变为马氏体，体积发生膨胀，一缩一胀引起尺寸发生改变，若各部位收缩与膨胀不均衡产生组织应力引起塑性变形，使缸筒产生弯曲、歪扭畸变。淬火获得马氏体引起的体积膨胀随钢中碳含量增加而变大，其尺寸变化量亦随着增大；体积膨胀随钢中残余奥氏体的增加而减少，钢中残余奥氏体越多，体积膨胀越少。三是淬火钢回火时，淬火马氏体发生分解，过饱和的碳原子从马氏体中析出而引起收缩，收缩量的多少随马氏体中析出的碳原子的增多而增大；回火时残余奥氏体发生分解转变为屈氏体或索氏体而使体积增大。总体来讲，27SiMn缸筒经淬火回火后，体积发生膨胀，从而引起尺寸和形状发生改变。

影响缸筒热处理变形的因素很多，如缸筒原材料成分、组织偏析，材料中存在魏氏组织或局部晶粒粗大等；热轧材料中存在轧制流线，沿流线方向和垂直于流线方向的伸长与收缩不一致而产生内应力；热处理设备与装炉方式；热处理加热温度、加热速度、保温时间、冷却方式与冷却速度等；热处理淬火操作方法与员工水平高低等因素均可引起热处理过程中缸筒产生变形。尽管影响因素很多，但都是通过加热与冷却过程中产生的内应力及组织转变时体积变化而使缸筒变形的，因此，凡是能减少热处理过程中产生热应力和组织应力的方法，都可以减少缸筒的变形量；凡是能使组织转变过程中体积变化减小的因素都可以减小缸筒的变形。

3 改进措施

从以上分析可知，影响缸筒变形的关键因素是热处理工艺参数，其它因素只须在热处理前加以控制即可解决。

① 淬火加热温度与保温时间：淬火加热温度越高，热应力越大，工件变形越大；同时加热温度越高，保温时间越长，溶入奥氏体中的碳原子和合金元素越多，淬透性越好，淬火冷却后马氏体所占百分比越大且过饱和程度也越大，产生的体积膨胀也就越大；再次，加热温度越高，保温时间越长，奥氏体成分越均匀，稳定性越高，淬透性越好，同介质淬火后残余奥氏体量越少，体积膨胀越大。但如果淬火加热温度过低，碳和合金元素不能充分溶入奥氏体中，降低缸筒强度与硬度。原工艺采用920±10℃加热，保温50-60分钟淬火，强度、硬度满足要求，但变形较大，经工艺试验采用910±10℃加热，“零保温”（即工件到温后即出炉）淬火，强度、硬度不下降，塑性、韧性还有一定程度提高，变形量有较大幅度下降，产品合格率提高。因缸筒壁厚均小于40mm，且内外表面同时加热，缸筒表面到温后心部也已到达相应温度，表面与心部温差几乎为“零”，单件悬挂加热淬火，实现“零保温”是完全可行的。“零保温”淬火，最大优势是奥氏体晶粒细小且碳和合金元素末完全溶入奥氏体中，冷却时又可以做为非自发成核的晶核而使马氏体晶粒进一少细化，碳与合金元素分布更均匀，从而减小热应力与组织应力，降低变形量，提高工件力学性能。