一种油缸管及其制造方法与流程

本发明涉及油缸管，特别涉及一种油缸管及其制造方法。

背景技术：

1、油缸管广泛应用于工程机械油缸或气缸缸筒，其在使用过程中承受脉冲疲劳、摩擦等载荷，残余应力是影响无缝管疲劳寿命、抗挤毁、抗内压以及机加工变形的重要因素，降低或消除油缸管的残余应力可以大幅提升油缸管的使用寿命，是后续油缸管生产控制的重要方向之一。

2、目前降低或消除残余应力常规手段有高温去应力退火及机械物理方法，但此类工艺方法成本高，且增加了生产流程。

3、中国专利cn201810365440.5公开了“调质无缝钢管残余应力的消除方法及采用的双向链式冷床”，通过控制轧后调质前钢管直度以及调质后冷床双向链来消除残余应力，省去调质去应力退火工序，达到降本目的。

4、中国专利cn201420805596.8公开了“非对称的钢管矫直辊”，设计了一种特殊的矫直辊，通过控制矫直过程中钢管受力，用于消除钢管的残余应力和氧化皮。

5、中国专利cn200910210718.2公开了“一种输送钢管残余应力水平的控制方法”，该专利中推导出了一个公式，通过测量钢管的弹复量和公式比较，从而得到钢管的残余应力水平，是一种测量表征残余应力水平的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种油缸管及其制造方法，与传统油缸管产品相比，在具有较高强度的同时，能够明显降低油缸管的残余应力，避免了内壁发生开裂，所述油缸管的屈服强度≥600mpa，抗拉强度≥730mpa，残余应力≤50mpa。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是：

3、一种油缸管，其成分重量百分比为：c：0.16～0.3％，si：0.15～0.5％，mn：1.2～1.8％，p≤0.01％，s≤0.001％，nb：0.02～0.04，mo：0.1～0.2％，其余为fe和其它不可避免的杂质；且，当油缸管壁厚≥20mm时，添加ti和b，ti：0.015～0.03％，b：0.0015～0.0035％，其余为fe和其它不可避免的杂质；

4、所述油缸管外壁到t/2位置显微组织为回火索氏体组织；t/2位置到内壁的显微组织为回火索氏体+铁素体，且铁素体呈梯度分布，距离内壁越近，铁素体比例越高，t/2位置的显微组织中铁素体含量≥3％，内壁显微组织中铁素体含量≥5％；t为油缸管壁厚，单位mm；

5、所述油缸管的屈服强度≥600mpa，抗拉强度≥730mpa，残余应力≤50mpa。

6、本发明所述油缸管t/2位置的显微组织中铁素体含量为(0.5～1.0)t％；t为油缸管壁厚，单位mm。

7、本发明所述油缸管内壁显微组织中铁素体含量为(1.5～2)t％；t为油缸管壁厚，单位mm。

8、优选的，所述油缸管壁厚≥9mm。

9、本发明所述油缸管的屈强比≤0.92。

10、本发明所述油缸管残余应力≤40mpa。

11、在本发明所述油缸管的成分设计中：

12、c：c是间隙固溶强化元素，且对淬透性影响较大，本发明中c含量在0.16～0.3％范围内，过低导致强度太低，太高导致分级冷却后发生内壁发生开裂。

13、si：常规使用的脱氧剂，也是强铁素析出元素，一定程度上改善淬透性，本发明中其含量在0.15～0.5％范围。

14、mn：mn为固溶强化元素，也是强烈提升淬透性元素，mn含量控制在1.2～1.8％，mn含量小于1.2％，导致淬透性不足，强度偏低，mn含量大于1.8％后，淬透性太高，导致分级冷却后中心至内壁铁素体含量不能析出较少，内壁相变及热应力均为较大的拉应力，致使内壁发生开裂。

15、nb：碳化物析出强化元素，细化奥氏体晶粒，同时作为形核点作为促进分级冷却过程中铁素体的析出。

16、mo：强烈提升淬透性元素，也可以提升强韧性匹配和回火稳定性，在本发明中，其对通过对淬透性影响，控制了t/2到内壁的铁素体梯度分布，在保证强度同时避免分级冷却过程中发生内壁开裂。

17、ti和b复合添加为强烈提升淬透性元素，对于壁厚20mm以上管材，需添加ti和b，提升淬透性，避免t/2到内壁铁素体比例大幅提升，导致强度偏低；同时ti作为碳氮化物析出，可作为分级冷却过程中的铁素体的形核点，可有效控制铁素体析出的比例。

18、本发明通过控制nb、mo、ti等元素含量，控制油缸管中铁素体分布，所述油缸管外壁到t/2位置显微组织为回火索氏体组织；t/2位置到内壁的显微组织为回火索氏体+铁素体，且铁素体呈梯度分布，距离内壁越近，铁素体比例越高，t/2位置的显微组织中铁素体含量≥3％，内壁显微组织中铁素体含量≥5％；t为油缸管壁厚，单位mm。外壁到t/2位置的显微组织为回火索氏体组织，回火索氏体组织具有良好的强度和韧性水平，可保证油缸管外层具有足够的刚性。t/2位置到内壁的显微组织为索氏体+铁素体，可保证油缸管良好的韧性，低的屈强比。

19、另外，铁素体组织的析出呈梯度分布，距离内壁越近，铁素体比例越高，由于铁素体具有良好的塑韧性，其可保证油缸管内壁在冷却过程中有良好的残余应力控制，防止内壁水淬过程中的开裂，而且在保证油缸管具有较高强度的同时，能够明显降低油缸管的残余应力。

20、本发明油缸管中铁素体的析出量与油缸管壁厚有一定的关系，壁厚的t/2位置铁素体含量为(0.5～1.0)t％；油缸管内壁显微组织中铁素体含量为(1.5～2)t％；如果铁素体比例过低，导致屈强比过高，残余应力过大，使用安全性降低，另外会导致水淬过程中内壁存在较大的开裂风险，如果铁素体比例过高，会导致油缸管的强度过低，不能满足使用要求；且，壁厚增加，如不析出足够多的铁素体，会导致油缸管残余应力增大，内壁开裂倾向很大。

21、本发明还提供一种油缸管的制造方法，包括以下步骤：

22、1)冶炼、铸造

23、按照上述化学成分冶炼、铸造；

24、2)加热；

25、3)穿孔；

26、4)连轧；

27、5)再加热；

28、6)冷却

29、钢管张减后只对钢管外壁进行水冷，控制钢管开冷温度≥ar3，bf≤钢管终冷温度≤bs-100℃，冷却速度为25～35℃/s；

30、7)矫直；

31、8)淬火

32、ac3+30≤淬火温度≤ac3+60℃，之后采用水冷方式进行分级冷却，冷却过程中钢管进行旋转，冷却时先采用外淋水进行冷却，ar3-70℃≤内壁温度≤小于ar3-30℃时，开始从钢管一端向钢管内注水，至冷却水充满钢管内孔，直至钢管冷却至室温；

33、9)回火；

34、10)出炉后矫直。

35、优选的，步骤2)中，加热温度1250～1280℃，加热时间3～4h。

36、优选的，步骤3)中，穿孔温度1100～1230℃。

37、优选的，步骤4)中，终轧温度900～1000℃。

38、优选的，步骤5)中，所述钢管风冷至ar3-50℃以下，之后再加热至950～980℃。

39、优选的，步骤6)中，张减温度为850～900℃。

40、优选的，步骤7)中，所述钢管冷却至终冷温度后进行矫直，矫直后钢管自然冷却至室温。

41、优选的，步骤9)中，回火温度＝(550-2×t)℃，t为油缸管壁厚，单位mm。

42、优选的，步骤10)中，矫直温度≥400℃。

43、本发明油缸管在成分设计的基础上通过控制水淬过程中的冷却工艺，在不增加额外的生产工序的情况下，降低油缸管的残余应力，提升油缸管使用性能。

44、本发明钢管在850～900℃张减，张减后只对钢管外壁进行水冷，控制开冷温度≥ar3，bf≤终冷温度≤bs-100℃，bf为冷却过程中贝氏体相变结束时的温度，bs为冷却过程中贝氏体相变开始时的温度，冷却过程中冷速控制在25～35℃/s范围，此工序主要目的为通过均匀化冷却，快速使钢管冷却硬化，保证了钢管的直度≤2mm/m，同时细化轧态组织，为后续调质后获得良好性能匹配打下基础，另外，通过此种冷却方式冷却，减少了轧态的残余应力水平。

45、钢管快速冷却至终冷温度后，立马进行矫直，带温矫直利于保证直度，同时减小轧态的残余应力水平，矫直后钢管直度小于1.5mm/m，然后上冷床自然冷却至室温。

46、本发明钢管在淬火之后采用水冷方式进行分级冷却，冷却过程中钢管进行旋转，冷却时先对钢管外壁采用外淋水进行冷却，ar3-70℃≤内壁温度≤小于ar3-30℃时，开启内喷水向钢管内注水，对钢管内壁进行冷却，冷却水充满钢管内孔，直至钢管冷却至室温。

47、本发明采用分级冷却工艺对油缸管进行冷却的原理：

48、1、由于外淋水为整个钢管长度同时冷却，冷却均匀性较好，而对钢管内壁进行冷却时，钢管一端先冷，一端后冷，可以增加钢管刚度，其较好的冷却均匀性保证了钢管较好的直度水平，避免了后续由于管子弯曲，矫直变形带来的较大残余应力。

49、2、钢管的残余应力与冷却过程中的相变和热应力密切相关，通过分级冷却可有效控制钢管整个壁厚上相变和热应力的分布，实现马氏体相变应力和热应力的相互消掉，可有效降低钢管残余应力水平。在本发明所述技术方案中先外淋后内喷的分级冷却方式，钢管外壁相变应力为拉应力，而热应力为压应力，钢管中心相变应力为压应力，热应力为拉应力，两者相互抵消。

50、3、内壁冷却转变组织析出部分铁素体组织，而非完全马氏体组织，可以有效降低内壁残余应力，在本发明技术方案中，内壁相变应力和热应力均为拉应力，但内壁为晚受冷面，待外淋冷却后，ar3-70℃≤内壁温度≤ar3-30℃时才开始冷却，此时内壁已经析出铁素体组织，减少了马氏体组织转变比例，降低了内壁位置的相变应力，从而有效降低了内壁的残余应力水平，避免了内壁发生开裂。

51、本发明张减后冷却工艺，采用快速冷却，增加油缸管硬度及均匀性，减少轧态油缸管的残余应力水平。进一步，通过淬火后的分级冷却，在壁厚方向形成冷速梯度，在冷却过程中外壁先冷，中心及内壁后冷，且中心内壁冷速相比外壁较慢，其先发生铁素体组织转变，而后发生马氏体转变，越靠近内壁，冷速逐渐减慢，析出的铁素体含量增加。且随油缸管壁厚增加，中心及内壁冷速进一步降低，促进了铁素体的析出，铁素体析出含量会相应增加。

52、ar3-70℃≤内壁温度≤ar3-30℃时，才开始向内壁通水冷却，此时内壁已经析出铁素体组织，减少了马氏体组织转变比例，有效降低了内壁1mm范围内的残余应力水平。

53、本发明通过分级冷却工艺，控制油缸管微观组织中铁素体的析出，距离内壁越近，铁素体比例越高。由于铁素体具有良好的塑韧性，其可保证油缸管内壁在冷却过程中有良好的残余应力控制，防止内壁水淬过程中的开裂。

54、本发明的有益效果：

55、本发明油缸管在成分设计上，通过控制c、si、mn元素的含量，提高油缸管的淬透性，避免在在后续分级冷却过程中油缸管内壁发生开裂。同时，通过控制nb、mo元素含量，控制油缸管中铁素体分布，进一步避免分级冷却过程中内壁的开裂。

56、另外，根据油缸管的壁厚，当油缸管壁厚在20mm以上时，添加ti和b提升淬透性，避免t/2到内壁铁素体比例大幅提升，导致强度偏低。

57、本发明在成分设计的基础上，在钢管张减和淬火后，分别采用不同的分级冷却工艺，一方面，通过增加钢管的刚度和直度水平，避免了后续由于管子弯曲，矫直变形带来的较大残余应力；另一方面，通过控制油缸管整个壁厚上相变和热应力的分布，实现马氏体相变应力和热应力的相互消掉，可有效降低钢管残余应力水平；最后，通过控制油缸管显微组织中铁素体分布，降低了内壁位置的相变应力，从而有效降低了内壁的残余应力水平，避免了内壁发生开裂，从而获得具有较高强度和低残余应力的油缸管，其屈服强度≥600mpa，抗拉强度≥730mpa，0≤残余应力≤50mpa。