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摘 要：以液壓支架油缸新型熱處理自動化線的水平淬火工藝為研究對象，針對熱處理自動化線的應用，對比分析了水平淬火工藝與傳統的垂直入液的淬火工藝，對淬火冷卻時材料的組織變化、殘余應力、變形因素等進行研究；通過改善熱處理工藝參數，優化熱應力及組織應力影響，從而達到硬度均勻，避免殘余應力影響，變形量受控。

關鍵詞：油缸；熱處理工藝；自動化線；水平淬火工藝

0 引言

熱處理作為液壓支架油缸的關鍵工序，其產品質量對液壓支架性能的發揮和使用壽命有重要影響。為了提升熱處理性能，改善產品熱處理質量和性能，采用了熱處理自動化生產線。由于熱處理線采用自動運行，工件水平放置，區別于傳統的垂直入水淬火工藝。為防止工藝改變造成工件的硬度、變形量變化，通過進行理論分析，試驗研究，減少水平淬火工藝時的過大應力，通過對熱處理時加熱、保溫、攪拌、冷卻等多項參數進行優化調整，滿足了產品質量的要求。

1 熱處理自動化線介紹

熱處理自動化線由自動控制系統、淬火加熱爐、回火加熱爐、淬火水槽、自動淬火操作機、上下料臺、冷卻循 環 攪 拌 系 統 等部分組成，結構布局示意如圖1所示。自動控制系統主要分為加熱溫度控制及動作控制。

1.1 溫度控制

通過工控機，設定溫度參數后，傳送至控溫儀表，對加熱爐進行溫度控制。同時，加熱爐中的熱電偶把溫度信號轉換成電信號，通過儀表轉換成被測爐膛溫度，反饋至工控機。

1.2 動作控制

工控機通過PLC對淬火操作機的動作電動機、液壓電磁閥，爐門的升降電動機、冷卻循環攪拌系統的電動機、電磁閥進行控制，并通過傳感器反饋的溫度、電流、電壓、淬火機位置、液位高度等信號，傳送給工控機，實現閉環控制。

1.3 工藝流程

熱處理工藝包括淬火放料、淬火取料和回火取料三個大的動作步驟。如圖1所示，自動淬火操作機托運料盤及缸筒工件以完成整個淬火及高溫回火的熱處理過程，具體流程為：人工擺料到放置料盤的料臺上→自動淬火操作機自動取料后托運工件到淬火加熱爐爐前→工件進淬火加熱爐，缸筒工件水平放置于爐中支腿上，如圖2所示。自動淬火操作機后退，爐門關閉→工件開始加熱保溫、時間到→自動淬火操作機托料出爐→將工件送到淬火水槽內，開始水平淬火→淬火時間到，工件出淬火水槽→自動淬火操作機托運工件進回火加熱爐→回火完成，自動淬火操作機托運工件運行到料臺位置，卸料。

2 熱處理過程分析

為了提高液壓支架油缸的綜合力學性能，對缸筒采用淬火加高溫回火的熱處理工藝。淬火是將鋼加熱至臨界溫度Ac3或Ac1以上一定溫度，保溫后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻，以得到馬氏體或下貝氏體組織的熱處理方法[1]；回火是將經過淬火的工件重新加熱到A1以下適當的溫度，保溫一段時間后在空氣、水、油等介質中冷卻的熱處理方法。本文以液壓支架油缸用30Cr Mn Si A材質鋼管的調質熱處理為研究對象進行分析。

2.1 加熱分析

工件在加熱爐內加熱時，由爐內熱源傳給工件表面，工件表面得到熱量并向工件內傳播，常用的加熱方式有隨爐加熱和到溫入爐加熱等方式。熱處理自動化線采用到溫入爐的加熱方式，傳統的熱處理爐一般采用隨爐加熱方式。兩種加熱方式，由于介質與被加熱工件表面溫度差不同，導致加熱速度不同。在相同的加熱介質下，工件的爐內排布方式，裝爐量會影響熱量傳遞效率，需要對保溫時間進行修正。

2.2 冷卻及應力分析

工件在淬火介質中迅速冷卻時，由于工件具有一定尺寸，熱導率也為一定值，因此在冷卻過程中工件內沿截面將產生一定溫度梯度，表面溫度低，心部溫度高，表面和心部存在溫度差[1]。工件在冷卻時會出現兩種物理現象，一種是熱膨脹，即熱脹冷縮；另一種是溫度下降至馬氏體轉變點時發生的組織轉變，使體積增大。這兩種物理現象會導致熱應力和組織應力的產生。據研究，冷卻過程中由于熱應力引起的殘余應力，工件表面為壓應力，心部為拉應力[1]；而組織應力相反，工件表面為拉應力，心部為壓應力。缸筒工件在相同淬火介質且完全淬透的情況下，冷卻時的應力分布受工件尺寸大小影響，尺寸越大，熱應力作用增強，組織應力相對減弱。相同尺寸工件在淬火時的溫差大、溫降快、淬火烈度大，也會導致熱應力過大。

2.3 變形分析

工件淬火前后發生組織變化，由此引起體積變化，從而產生變形，這種變形會使工件等比例脹縮，不改變形狀[1]。截面溫差較大的工件瞬時冷卻，心部未來得及組織轉換，仍為奧氏體，塑性較好，表現為拉應力。工件尺寸較大的一方伸長，尺寸較小的一方縮短[1]。熱應力引起的變形則與組織應力變形相反，瞬時冷卻時，表面冷卻快，表現為拉應力，心部表現為受壓。工件尺寸較大的一方縮小，尺寸較小的一方變長。工件淬火截面不同，冷卻速度不同，將影響淬硬層深度及淬火應力，從面導致變形。

2.4 分析總結

根據以上分析，結合實際生產，自動化熱處理線與傳統人工操作熱處理主要有以下區別：1）加熱方式。自動化熱處理線采用到溫入爐加熱，加熱速度快;傳統人工熱處理爐由于使用年限較長，密封性差，爐溫均勻性較差，采用隨爐加熱的方式，加熱速度慢。2）淬火方式。熱處理自動化線加熱后采用水平入火的淬火工藝，傳統熱處理采用垂直入水的淬火工藝。3）水平淬火優勢。缸筒工件為長度、直徑比值大，自動化熱處理線加熱后采用水平淬火，可以使缸筒接近同時入水淬火，工件表面冷卻速度相同[2]，減少了缸筒軸向因相變未同時進行造成的組織應力。傳統的人工熱處理由于采用垂直淬火，缸筒工件軸向冷卻速度差，先入水端冷速最快，后入水端淬火降低。4）水平淬火注意事項。水平淬火時入水速度如果太慢或不均勻，將會導致缸筒截面上部和下部冷卻速度不一致，導致熱應力變形。

3 熱處理工藝

根據對以上熱處理過程分析，針對熱處理自動化線水平淬火工藝，對30Cr Mn Si A材質鋼管的調質熱處理制定以下工藝措施。

3.1 加熱工藝

根據液壓支架立柱缸筒使用性能要求，需采用調質熱處理，以提高缸筒的強度、塑性和沖擊韌性。30Cr Mn Si A屬合金鋼，合金鋼的淬火加熱溫度選用原則為Ac3（或Ac1）＋（50～100）℃[3]。并針對水平淬火工藝，為盡量減少熱應力的產生，降低截面溫差，應盡量減小淬火加熱溫度。

3.2 水平淬火冷卻工藝

1）淬火介質。30Cr Mn Si A材質缸筒通常采用水做為淬火介 質 ，冷卻速度快，為了提高冷卻能力，需采用循環水。2）快速控溫冷卻?？刂迫胨皽囟葹?80 ℃，略高于A1線溫度，降低溫度差，盡量減少熱應力的產生。根據表1所示數據，采用JMat Pro仿真軟件模擬計算出的連續冷卻曲線（CCT），如圖3所示，從圖上可以看出，隨著冷卻速度的增加，鐵素體、珠化體減少，貝氏體和馬氏體增加。3）減小淬火烈度。減小淬火烈度，控制攪拌頻率，平穩入水，避免局部硬度不均。為了工件水平入水時獲得相同的冷卻速度，工件應快速入水，且入水深度不宜太深，入水后，立即上下快速往復運動，運動距離不要太大[2]，避免上下表面溫差大導致未同時相變而造成的組織應力。4）避免淬火軟點。減少支撐面積，自動淬火操作機上的轉運料盤工裝需設定支撐點，避免大面積接觸導致的淬火軟點。

3.3 回火工藝

回火時間在考慮工件心部回火溫度及回火硬度完成組織轉變的時間的同時，考慮一定的應力弛豫所需的時間。根據缸筒內孔精加工后尺寸變形量，可對回火時間進行修正?；鼗鹄鋮s采用空冷，避免冷卻時產生熱應力疊加。

4 效果對比

通過以上工藝過程改善，為了驗證熱處理效果，采用傳統垂直淬火與水平淬火相對比的形式，對熱處理后的工件表面硬度及精加工后的尺寸變形量進行檢驗。同時對水平淬火后的工件進行了取樣檢驗。

4.1 表面硬度

檢測采用兩種不同淬火方法調質后的缸筒工件表面硬度值分布，表面硬度的檢測數據如表2所示。

4.2 變形量

缸筒工件調質后內孔采用精、精鏜加工，通過檢測內孔的直徑，分析內孔的圓度變形量，檢測數據如表3所示。

4.3 力學性能和微觀組織

缸筒熱處理完成后，在壁厚1/4處取拉伸、沖擊等試樣，進行相關力學性能及金相組織檢驗，試驗數據如表4所示。金相組織為回火索氏體、少量鐵素體。通過以上對比，采用熱處理自動化線水平淬火工藝的缸筒的硬度誤差、變形量均優于傳統的垂直淬火工藝，力學性能、微觀組織符合產品使用要求。

5 結語

本文結合熱處理自動化線應用，對水平淬火工藝進行探索，從設備原理、過程分析、熱處理工藝等方面展開研究，總結出了熱處理自動化線采用水平淬火工藝的控溫冷卻、減小烈度、避免軟點、減小應力等關鍵要素，滿足了產品硬度均勻性及變形量控制要求，改變了傳統的垂直入水淬火工藝，為高效熱處理自動化生產線提供了理論依據和實踐探索。

作者：孫建明 孫靜 單位：兗礦東華重工有限公司 兗礦科藍凱美特化工有限公司