27SiMn钢调质热处理后硬度不均匀的改善分析

彭朝霞

(西山煤电(集团)公司 机电修造园区，山西 太原 030053)

支架是矿山机械中必不可少的一种设备，立柱作为支架的重要组成部分，确保支架的上升和下降，并支撑着支架在地下工作。可以说，如果立柱的性能达不到要求，就不能保证这台支架的工作效率。因此，立柱的材料性能和加工性能就十分重要，下面主要探讨立柱性能的改善。

立柱的材料性能主要由热处理改变，通过高温加热等手段使得材料内部的结晶组织发生改变，从而达到所需要的力学性能。

1 热处理的基本概念

1) 热处理：利用钢在固态下的组织转变来改变其性能的一种方法。

2) 淬火：将钢加热到高温奥氏体状态，保温一段时间，然后快速冷却下来，以得到高硬度马氏体组织的一种方法。

3) 淬透性：工件便面和中心都能同样得到高硬度的马氏体组织。

4) 回火：将淬火后的工件重新加热到A1以下某一温度，保温一段时间，然后取出工件以一定的方式冷却下来。

5) 调质处理：将淬火和高温回火这两类操作合在一起。

6) 回火的目的：a) 降低脆性，消除内应力，使淬火组织趋于稳定。b) 使工件获得满意的综合机械性能。

7) 调质处理的目的：能获得较为满意的综合机械性能。

西山煤电(集团)公司机电厂主要生产煤矿用立柱，材料为27SiMn，管材居多，立柱主材的基本长度大部分在1 m以上，加工前主要对材料进行调质处理。影响调质效果的主要工艺参数有：钢材的化学成分、淬火温度、淬火保温时间、冷却介质、回火温度、回火保温时间。

2 钢材的化学成分

对于进厂的每炉次钢材，进厂后都要进行化验检测，合格后方可投入生产。2011年8月所有进厂钢材的成分统计表见表1。

表1 27SiMn钢化学成分的统计表

从表1中可以看出，进厂钢材符合27SiMn钢的要求。

3 淬火温度

淬火温度是热处理的关键，温度过低，钢材的组织不能全部或完全发生变化，温度过高会使晶粒长大，从而影响钢材的性能。因此，选择合理的温度是淬火的关键。27SiMn钢的理论淬火温度为890 ℃～920 ℃，经过多年的实践，一般选用的淬火温度为900 ℃，电阻炉选用井式电阻炉，2011年10月大缸淬火后缸筒硬度，见表2。

表2 大缸淬火后钢筒硬度表

从表2可以看出，钢筒的硬度上下不均匀现象普遍存在，这是因为电阻炉无论是井式炉还是台式炉，由于炉门的温度散热快，炉门的温度比炉底温度要低，而本次需要淬火处理的工件长度较长，从而导致工件的上下硬度相差太大。为了保持炉内的温度上下一致，将炉腔上区，即接近炉门的温度设定为910 ℃，炉腔下区的温度保持不变。改进工艺后，2012年3月大缸淬火后缸筒硬度见表3。

表3 大缸淬火后缸筒硬度表

从表3可以发现，调整后缸筒上下的硬度基本一致，故此温度更符合实际。

4 淬火保温时间

淬火保温时间也是影响工件淬火后硬度的一个重要因素。时间太短，淬硬层的厚度达不到要求，而时间太长又会引起脱碳和氧化，同时也会使奥氏体晶粒粗大，从而影响工件的硬度。

缸筒的保温时间一般选用原则为：

t=(1.1～1.3)d

式中：

d—钢管的壁厚；

t—保温时间。

同时，要根据装炉量的大小适当的改变保温时间。以d245 mm×22 mm，长度为1.2 m的工件为例，井式炉为RJ-280型，每炉可装6根，这个装炉量不是很大，因此,保温时间一般为30 min。

5 冷却介质

当工件放入冷却介质中，会经历三个阶段：膜态沸腾阶段、泡状沸腾阶段、对流阶段。在膜态沸腾阶段时，工件表面产生大量蒸汽，这些蒸汽在工件周围形成一层蒸汽膜，将工件与液体介质隔开，周围的冷却介质必须穿透这层膜才能到达工件，因此，冷却速度比较慢。泡状沸腾阶段是工件在冷却介质中的第二个阶段，这时工件表面温度降到一定值以下，工件表面的蒸汽膜破裂，工件表面直接与液体接触，冷却速度大大增加。在对流阶段，工件表面温度降至介质的沸点以下，沸腾停止。通过对流使工件继续冷却，这个阶段是冷却最慢的阶段。

西山机电厂采用的冷却方式为水冷。为了加快冷却速度，从第一个阶段起，只要破坏蒸汽膜，工件的冷却速度就会显著提高。

为了破坏蒸汽膜，可在现有基础上，在水池中加装了1圈管道，并在管道上打多个孔，将气泵与管道接通，当冷却工件时，气泵打开，气泵中的气就可以通过管道中的每个孔进入水池中，破坏了蒸汽膜，从而使得工件的冷却速度加快，缩小了工件上下温差，从而改善冷却后的上下硬度。

6 回火温度

工件淬火后应及时回火，这是因为淬火后工件内存在着很大的内应力，且得到的马氏体，性能很脆，如不及时予以回火，随着时间的延长可能会导致工件发生开裂。因此，应在工件淬火后24 h之内回火。调制处理的回火为高温回火。回火温度由以下因素确定：

1) 淬火硬度。

2) 季节变化。

3) 装炉设备。

该厂所采用的回火炉一般是台式电阻炉，台式电阻炉的密封性不如井式电阻炉。因此，同样的硬度台式炉的回火温度要高于井式炉，且炉门温度至少要比炉腔温度高出10 ℃，这样才能保证处理后的工件硬度上下基本一致。回火温度的选择根据：

回火温度=200+11(60-回火后要求的硬度HRC)

具体到每一炉回火温度的确定还需要通过淬火硬度来确定。

为了能生产出符合生产及图纸要求的工件，对每一炉淬火后的硬度都要进行检验，并根据淬火硬度微调回火温度。另外，还应考虑季节的变化，冬季适当地提高回火温度，夏季适当地降低回火温度。通过以上因素来确定的回火温度基本能达到要求。

7 回火保温时间

回火保温时间的选择也很关键，时间不够回火不彻底，时间过长加大企业的成本。回火保温时间的选用应根据装炉量及工件的大小及其有效厚度来确定。回火保温时间要高于淬火保温时间，一般不低于90 min。严格控制这些参数后，2012年2月抽查的工件硬度见表4。

表4 缸筒硬度抽查表

从表4可以看出，缸筒硬度上下基本一致。

8 结 语

热处理工艺是钢材的一个重要工艺方法，是改变钢的内部组织、提高钢的力学性能的重要手段。只有对每一步都进行控制和监控，合理选用装炉量、温度、炉型，才能保证钢经过热处理后的上下硬度基本一致，使得缸筒的质量符合图纸的要求，满足加工的需要，避免不必要的浪费。

参 考 文 献

[1]陈保华,白 刚.热处理手册[M].北京:机械工业出版社出版,2009:120-150.

[2]上海市第一机电工业局工会.热处理[M].北京:机械工业出版社,1981:38-116.