热处理工艺对27SiMn钢力学性能的影响

DOL:10.13374h.issn1001-053x.2012.s1.007 第34卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.34 Suppl.1 2012年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2012 热处理工艺对27SiMn钢力学性能的影响 杨栋杰”刘雅政)四 周乐育)李亚欣2》井溢农》杨维宇》 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京科大中治技术发展有限公司，北京100029 3)包钢（集团）公司技术中心，包头014010 通信作者，E-mail:yzh@usth.cdu.cm 摘要27SiM液压支架管经过调质热处理来实现其良好的综合力学性能.采用四因素三水平的热处理正交试验，研究了 不同热处理工艺参数（淬火温度、淬火保温时间、回火温度和回火保温时间）对力学性能的影响，并确定了最优热处理工艺制 度为930℃，40min淬火和480℃，50min回火.经最优热处理工艺处理后，其力学性能为：屈服强度895MPa,抗拉强度1030 MPa,伸长率15%，断面收缩率54%，冲击功53.3J,满足了GB/T17396一1998标准中对27SiMn钢的性能要求. 关键词合金钢：钢管：热处理：力学性能：正交试验 分类号TG162.84 Effect of heat treatment on the mechanical properties of 27SiMn steel YANG Dongjie》,LIU Ya--heng》☒，ZHOU Le-yu》,lYa-in2,JING Yi-nong2》,YANG Wei-yu》 1)School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)SinoMet Technologies Co.Ltd.,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100029,China 3)Baotou Iron and Steel Group Technology Center,Baotou 014010,China Corresponding author,E-mail:lyzh@ustb.edu.cn ABSTRACT Excellent mechanical properties of 27SiMn hydraulic support can be achieved by heat treatment.In this paper heat treatment orthogonal experiments with four factors and three levels were performed to investigate the effects of quenching temperature and holding time as well as tempering temperature and holding time on the mechanical properties of the hydraulic support.The heat treatment process was optimized as quenching after holding at 930C for 40 min and then tempering at 480C for 50min.At these opti- mized heat treatment parameters,the hydraulic support has excellent comprehensive mechanical properties:the yielding strength of 895 MPa,the tensile strength of 1030 MPa,the elongation of 15%,the area reduction of 54%,and the impact energy of 53.3J,which meet the requirements of 27SiMn steel according to the standard GB/T 17396-1998. KEY WORDS alloy steel:steel pipe:heat treatment:mechanical properties:orthogonal experiments 我国无缝钢管市场目前供求己基本平衡或略微 种或几种合金元素，用来提高钢的强度、韧性和淬透 供大于求，但从品种、规格看，目前高质量、大规格 性能.这类钢在制成后，通常均需经过调质、化学热 (厚壁管)的无缝钢管仍有缺口，需要从国外进 处理和表面淬火等热处理。 口习.钢管外径和壁厚之比小于20的钢管为厚壁 27SiMn经过调质热处理来实现良好的综合力 钢管.液压支架管系无缝厚壁钢管，主要用于制作 学性能，而淬火和回火工艺参数会影响最终成品的 煤矿开采用的液压支架、汽车起重机的液压缸、柱塞 综合力学性能-习.本文所研究27SiMn无缝钢管尺 等，其中，液压支架用无缝钢管的需求量最大，其典 寸为直径375mm,壁厚35mm,属于无缝厚壁钢管， 型材质为27SiMn钢.27SiMn钢是根据我国资源研 对热处理工艺要求更为严格.因此为制定合理热处 制的低合金低碳调质钢，它具有良好的强韧性，广泛 理工艺参数，采用了四因素三水平的正交试验，研究 用于单体液压支柱的缸体和活柱筒的材料B). 了不同热处理工艺参数（淬火温度、淬火保温时间、 27SiMn是在优质碳素结构钢基础上，适当地加入一 回火温度和回火保温时间)对力学性能的影响，确 收稿日期：201202-19

第 34 卷 增刊 1 2012 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 Suppl． 1 Jun． 2012 热处理工艺对 27SiMn 钢力学性能的影响 杨栋杰1) 刘雅政1) 周乐育1) 李亚欣2) 井溢农3) 杨维宇3) 1) 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 2) 北京科大中冶技术发展有限公司，北京 100029 3) 包钢( 集团) 公司技术中心，包头 014010 通信作者，E-mail: lyzh@ ustb． edu． cn 摘 要 27SiMn 液压支架管经过调质热处理来实现其良好的综合力学性能． 采用四因素三水平的热处理正交试验，研究了 不同热处理工艺参数( 淬火温度、淬火保温时间、回火温度和回火保温时间) 对力学性能的影响，并确定了最优热处理工艺制 度为 930 ℃，40 min 淬火和 480 ℃，50 min 回火． 经最优热处理工艺处理后，其力学性能为: 屈服强度 895 MPa，抗拉强度 1 030 MPa，伸长率 15% ，断面收缩率 54% ，冲击功 53. 3 J，满足了 GB/T 17396—1998 标准中对 27SiMn 钢的性能要求． 关键词 合金钢; 钢管; 热处理; 力学性能; 正交试验 分类号 TG162. 84 Effect of heat treatment on the mechanical properties of 27SiMn steel YANG Dong-jie 1) ，LIU Ya-zheng1) ，ZHOU Le-yu1) ，LI Ya-xin2) ，JING Yi-nong3) ，YANG Wei-yu3) 1) School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) SinoMet Technologies Co． Ltd． ，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100029，China 3) Baotou Iron and Steel Group Technology Center，Baotou 014010，China Corresponding author，E-mail: lyzh@ ustb． edu． cn ABSTRACT Excellent mechanical properties of 27SiMn hydraulic support can be achieved by heat treatment． In this paper heat treatment orthogonal experiments with four factors and three levels were performed to investigate the effects of quenching temperature and holding time as well as tempering temperature and holding time on the mechanical properties of the hydraulic support． The heat treatment process was optimized as quenching after holding at 930 ℃ for 40 min and then tempering at 480 ℃ for 50 min． At these opti￾mized heat treatment parameters，the hydraulic support has excellent comprehensive mechanical properties: the yielding strength of 895 MPa，the tensile strength of 1 030 MPa，the elongation of 15% ，the area reduction of 54% ，and the impact energy of 53. 3 J，which meet the requirements of 27SiMn steel according to the standard GB/T 17396—1998． KEY WORDS alloy steel; steel pipe; heat treatment; mechanical properties; orthogonal experiments 收稿日期: 2012--02--19 我国无缝钢管市场目前供求已基本平衡或略微 供大于求，但从品种、规格看，目前高质量、大规格 ( 厚壁 管) 的无缝钢管仍有缺口，需 要 从 国 外 进 口［1--2］． 钢管外径和壁厚之比小于 20 的钢管为厚壁 钢管． 液压支架管系无缝厚壁钢管，主要用于制作 煤矿开采用的液压支架、汽车起重机的液压缸、柱塞 等，其中，液压支架用无缝钢管的需求量最大，其典 型材质为 27SiMn 钢． 27SiMn 钢是根据我国资源研 制的低合金低碳调质钢，它具有良好的强韧性，广泛 用于单体液压支柱的缸体和活柱筒的材料［3--5］． 27SiMn 是在优质碳素结构钢基础上，适当地加入一 种或几种合金元素，用来提高钢的强度、韧性和淬透 性能． 这类钢在制成后，通常均需经过调质、化学热 处理和表面淬火等热处理． 27SiMn 经过调质热处理来实现良好的综合力 学性能，而淬火和回火工艺参数会影响最终成品的 综合力学性能［6--7］． 本文所研究 27SiMn 无缝钢管尺 寸为直径 375 mm，壁厚 35 mm，属于无缝厚壁钢管， 对热处理工艺要求更为严格． 因此为制定合理热处 理工艺参数，采用了四因素三水平的正交试验，研究 了不同热处理工艺参数( 淬火温度、淬火保温时间、 回火温度和回火保温时间) 对力学性能的影响，确 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.s1.007

增刊1 杨栋杰等：热处理工艺对27SiMn钢力学性能的影响 ·35· 定了最优热处理工艺制度，并现场生产获得了各项 无缝厚壁液压支架管，其化学成分见表1. 性能均合格的成品. 2实验方案 1 实验材料 沿管轴向截取轴向200mm,径向25mm,周向 实验材料取自包钢无缝钢管厂生产的27SiMn 25mm的长条试样，用于制作拉伸试样和冲击试样， 表127SiMn钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of 27SiMn steel % 牌号 Si Mn Cr Ni Cu 27SiMn 0.32 1.29 1.33 0.003 0.0189 0.079 0.011 ≤0.009 采用RX3-158型箱式电阻炉加热及保温. 样.拉伸试验按照GB/T228一2002标准，主要检测 热处理工艺参数为：淬火温度T,、淬火保温时 不同热处理工艺下屈服强度R、抗拉强度R、伸长 间t,、回火温度T2和回火保温时间2·根据测得的 率A、断面收缩率Z和冲击功， 27SiMn临界相变点温度Te为855℃，淬火加热温 3工艺参数对力学性能的影响 度在855+(30~70)℃范围.淬火保温时间根据生 产钢管的最大壁厚设定 GB/T17396一1998标准中对27SiMn液压支架 正交试验为四因素三水平的实验，具体的工艺 管的性能要求：屈服强度835MPa、抗拉强度980 参数如表2所示，按正交表L。(3)安排实验.按照 MPa、伸长率12%、断面收缩率40%和冲击功39J. 正交试验表设计的四因素三水平实验，共做九组，实 按表3进行热处理正交试验，相应工艺下力学性能 验方案如表3所示 如表4所示. 根据表4测定的力学性能结果，对不同的性能 表2四因素三水平正交试验 Table 2 Orthogonal experiments with four factors and three levels 指标分别计算各因素三个水平下的平均试验指标及 淬火温度，淬火保温时间，回火温度，回火保温时间， 极差，分析不同热处理工艺参数对27SiMn钢强度和 因素 T,/℃ /min T2/℃ t/min 韧性的影响规律，分析结果如表5所示. 由极差法可知，各因素对屈服强度、抗拉强度和 水平1 890 30 450 50 水平2 480 60 伸长率影响主次为：屈服强度，T2>T,>t2>t1:抗 910 40 水平3930 50 510 80 拉强度，T2>T1>41>2;伸长率，T2>T1>2>1,断 面收缩率，T2>t2>T1>t:冲击功，T2>T:>> 表3按照正交试验表设计的实验方案 1:可见，回火温度是屈服强度、抗拉强度、伸长率、 Table 3 Experimental programs designed by the orthogonal experimental 断面收缩率和冲击功最主要的影响因素，其影响水 table 平分别达到125MPa、144.3MPa2.5%、3%和8J. 淬火温度，淬火保温时间，回火温度，回火保温时间， 组号 3.1淬火温度和保温时间对力学性能的影响 T/℃ t/min T2/℃ t2/min 当回火温度在450~510℃，回火时间在50~80 890 30 450 50 min范围内时，淬火温度对27SiMn力学性能的影响 2 890 40 480 60 如图1所示.随淬火温度升高，合金碳化物逐渐分 3 890 50 510 80 解，合金元素C、Mn、Si在奥氏体中的溶解量增加， 4 910 30 480 80 固溶强化效果加强，使得强度增加：另一方面，随 910 40 510 50 淬火温度升高，奥氏体晶粒逐步长大，得到粗大的马 6 910 吃 450 60 930 30 510 60 氏体组织，且奥氏体稳定化后残余奥氏体量增多，强 40 度降低.综合作用，强度增加浮动不大，随着淬火 930 450 80 9 930 50 480 50 温度升高，伸长率逐渐降低，当淬火温度为890℃ 时，伸长率最大.材料的冲击功在930℃时达到最 按照表3设计的正交试验方案进行热处理，将 大值.为了使性能满足GB/T17396一1998要求，同 调质处理后的试样加工成标距尺寸为50mm的中l0 时考虑到包钢对材料的韧性要求，即保证强度的同 mm拉伸试样和10mm×10mm×55mm的冲击试 时，以韧性性能为目标，因此淬火温度选择930℃

增刊 1 杨栋杰等: 热处理工艺对 27SiMn 钢力学性能的影响 定了最优热处理工艺制度，并现场生产获得了各项 性能均合格的成品． 1 实验材料 实验材料取自包钢无缝钢管厂生产的 27SiMn 无缝厚壁液压支架管，其化学成分见表 1． 2 实验方案 沿管轴向截取轴向 200 mm，径向 25 mm，周向 25 mm 的长条试样，用于制作拉伸试样和冲击试样， 表 1 27SiMn 钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of 27SiMn steel % 牌号 C Si Mn S P Cr Ni Cu 27SiMn 0. 32 1. 29 1. 33 0. 003 0. 0189 0. 079 0. 011 ≤0. 009 采用 RX3--15--8 型箱式电阻炉加热及保温． 热处理工艺参数为: 淬火温度 T1、淬火保温时 间 t1、回火温度 T2和回火保温时间 t2 ． 根据测得的 27SiMn 临界相变点温度 TAc3为 855 ℃，淬火加热温 度在 855 + ( 30 ～ 70) ℃范围． 淬火保温时间根据生 产钢管的最大壁厚设定． 正交试验为四因素三水平的实验，具体的工艺 参数如表 2 所示，按正交表 L9 ( 34 ) 安排实验． 按照 正交试验表设计的四因素三水平实验，共做九组，实 验方案如表 3 所示． 表 2 四因素三水平正交试验 Table 2 Orthogonal experiments with four factors and three levels 因素 淬火温度， T1 /℃ 淬火保温时间， t1 /min 回火温度， T2 /℃ 回火保温时间， t2 /min 水平 1 890 30 450 50 水平 2 910 40 480 60 水平 3 930 50 510 80 表 3 按照正交试验表设计的实验方案 Table 3 Experimental programs designed by the orthogonal experimental table 组号 淬火温度， T1 /℃ 淬火保温时间， t1 /min 回火温度， T2 /℃ 回火保温时间， t2 /min 1 890 30 450 50 2 890 40 480 60 3 890 50 510 80 4 910 30 480 80 5 910 40 510 50 6 910 50 450 60 7 930 30 510 60 8 930 40 450 80 9 930 50 480 50 按照表 3 设计的正交试验方案进行热处理，将 调质处理后的试样加工成标距尺寸为 50 mm 的 10 mm 拉伸试样和 10 mm × 10 mm × 55 mm 的冲击试 样． 拉伸试验按照 GB /T 228—2002 标准，主要检测 不同热处理工艺下屈服强度 ReL、抗拉强度 Rm、伸长 率 A、断面收缩率 Z 和冲击功． 3 工艺参数对力学性能的影响 GB /T 17396—1998 标准中对 27SiMn 液压支架 管的性能要求: 屈服强度 835 MPa、抗拉强度 980 MPa、伸长率 12% 、断面收缩率 40% 和冲击功 39 J． 按表 3 进行热处理正交试验，相应工艺下力学性能 如表 4 所示． 根据表 4 测定的力学性能结果，对不同的性能 指标分别计算各因素三个水平下的平均试验指标及 极差，分析不同热处理工艺参数对 27SiMn 钢强度和 韧性的影响规律，分析结果如表 5 所示． 由极差法可知，各因素对屈服强度、抗拉强度和 伸长率影响主次为: 屈服强度，T2 ＞ T1 ＞ t2 ＞ t1 ; 抗 拉强度，T2 ＞ T1 ＞ t1 ＞ t2 ; 伸长率，T2 ＞ T1 ＞ t2 ＞ t1，断 面收缩率，T2 ＞ t2 ＞ T1 ＞ t1 ; 冲击功，T2 ＞ T1 ＞ t2 ＞ t1 ． 可见，回火温度是屈服强度、抗拉强度、伸长率、 断面收缩率和冲击功最主要的影响因素，其影响水 平分别达到 125 MPa、144. 3 MPa、2. 5% 、3% 和 8 J． 3. 1 淬火温度和保温时间对力学性能的影响 当回火温度在 450 ～ 510 ℃，回火时间在 50 ～ 80 min 范围内时，淬火温度对 27SiMn 力学性能的影响 如图 1 所示． 随淬火温度升高，合金碳化物逐渐分 解，合金元素 C、Mn、Si 在奥氏体中的溶解量增加， 固溶强化效果加强，使得强度增加［8］; 另一方面，随 淬火温度升高，奥氏体晶粒逐步长大，得到粗大的马 氏体组织，且奥氏体稳定化后残余奥氏体量增多，强 度降低． 综合作用，强度增加浮动不大． 随着淬火 温度升高，伸长率逐渐降低，当淬火温度为 890 ℃ 时，伸长率最大． 材料的冲击功在 930 ℃ 时达到最 大值． 为了使性能满足 GB /T 17396—1998 要求，同 时考虑到包钢对材料的韧性要求，即保证强度的同 时，以韧性性能为目标，因此淬火温度选择 930 ℃ ． ·35·

·36· 北京科技大学学报 第34卷 表4不同热处理工艺下27SiMn的力学性能 Table 4 Mechanical properties of 27SiMn specimens under different heat treatment processes 热处理工艺 力学性能 组号 淬火 回火 ReL/MPa R/MPa A/% Z1% 冲击功刀 1 890℃，30min 450℃，50min 935 1115 15 53 37 3 890℃，40min 480℃，60min 887 1040 15 57 48 890℃，50min 510℃，80min 775 927 18 59 39 910℃，30min 480℃，80min 835 987 16 55 47 910℃，40min 510℃，50min 802 942 16 56 52 6 910℃，50min 450℃，60min 867 1040 15 55 子 930℃，30min 510℃，60min 797 940 16 57 44 930℃，40min 450℃，80min 947 1090 13 43 9 930℃，50min 480℃，50min 872 1015 14 55 56 表527SiMn正交试验结果 淬火保温时间对屈服强度和抗拉强度的影响很 Table 5 Orthogonal experimental results of 27SiMn specimens 小，屈服强度和抗拉强度在30~40min之间基本没 试验 因素 有变化.淬火保温时间对伸长率、面缩率和冲击功 性能指标 淬火温淬火保温回火温回火保温 指标 度，T时间， 度，T2时间2 的影响稍大一些，随着保温时间的延长，材料塑性逐 K 865.8 855.8 917 870 渐升高.考虑淬火工艺参数对碳和合金元素均匀 K2 835 852.5 865 850.8 化，保证充分奥氏体化以及保持较细的奥氏体晶粒， 屈服强度MPa K3 872.5 838.3 792 852.5 淬火保温时间选择40min. R37.5 17.5 125 19.2 3.2回火温度和保温时间对力学性能的影响 优水平930 30 450 50 当淬火温度在890~930℃，淬火保温时间在 K11027.51014 1081 1024 30~50min范围内时，回火温度和回火保温时间对 K2 990 1024 1014 1007 27SiMn力学性能的影响见图2.随回火温度的升 抗拉强度MPa 1015 994 936.7 1002 高，屈服强度和抗拉强度逐渐下降，伸长率和面缩率 R 37.5 30 144.3 日 呈上升趋势，冲击功在480℃时达到最大.参照 优水平 890 40 450 50 GB/T17396一1998标准对液压支架管强度性能指 K 16.25 16 14.7 15 标的规定.考虑到包钢的实际生产以及对材料的性 K2 16 15.25 15.4 15.8 能要求，即满足强度的同时，以韧性最佳为准，480 伸长率/% Ki 15 16 17.2 16.08 ℃为最佳回火加热温度.随着回火保温时间的延 R 1.25 0.75 2.5 1.08 长，屈服强度、抗拉强度缓慢降低，伸长率有所上升， 优水平890 50/30 510 80 冲击功有所下降，面缩率出现了先上升后下降的趋 K 56.7 55.3 54.6 55.1 势.考虑回火消除淬火引起的内应力，并考虑其综 K 55.4 56.3 56 56.7 合性能，回火保温时间定为50min. 随回火温度的升高和回火保温时间的延长， 断面收缩率/% K3 56.1 56.5 57.6 56.4 R 1.3 1.2 1.6 钢的强度降低，伸长率呈上升趋势.随回火温度升 优水平 890 50 510 60 高，过饱和C原子从固溶体中不断析出，C原子 K 41.3 43 42 学 的固溶强化效应不断下降，使得强度降低：随回火 K2 48 47.6 50 45.7 温度升高，钢中合金碳化物数量增加并逐渐聚集、 K 48 47 45 43 长大，对位错运动阻碍作用大大减弱，使强度急剧 冲击功小 6.7 4.6 8 5 降低回.在回火过程中马氏体板条内部、板条边缘 优水平 930 40 480 50 和奥氏体晶界上析出碳化物.其中在马氏体板条 注：K,、K2、K以及R分别表示各因素在水平1、2和3时对应的 内部有大量弥散析出的ε一碳化物质点，并开始逐 各性能的平均值以及极值. 渐聚集为片状渗碳体.当回火温度逐渐升高的过

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 表 4 不同热处理工艺下 27SiMn 的力学性能 Table 4 Mechanical properties of 27SiMn specimens under different heat treatment processes 组号 热处理工艺 力学性能 淬火 回火 ReL /MPa Rm /MPa A /% Z /% 冲击功/J 1 890 ℃，30 min 450 ℃，50 min 935 1 115 15 53 37 2 890 ℃，40 min 480 ℃，60 min 887 1 040 15 57 48 3 890 ℃，50 min 510 ℃，80 min 775 927 18 59 39 4 910 ℃，30 min 480 ℃，80 min 835 987 16 55 47 5 910 ℃，40 min 510 ℃，50 min 802 942 16 56 52 6 910 ℃，50 min 450 ℃，60 min 867 1 040 15 55 45 7 930 ℃，30 min 510 ℃，60 min 797 940 16 57 44 8 930 ℃，40 min 450 ℃，80 min 947 1 090 13 55 43 9 930 ℃，50 min 480 ℃，50 min 872 1 015 14 55 56 表 5 27SiMn 正交试验结果 Table 5 Orthogonal experimental results of 27SiMn specimens 性能指标 试验 指标 因素 淬火温 度，T1 淬火保温 时间，t1 回火温 度，T2 回火保温 时间，t2 K1 865. 8 855. 8 917 870 K2 835 852. 5 865 850. 8 屈服强度/MPa K3 872. 5 838. 3 792 852. 5 R 37. 5 17. 5 125 19. 2 优水平 930 30 450 50 K1 1027. 5 1014 1081 1024 K2 990 1024 1014 1007 抗拉强度/MPa K3 1015 994 936. 7 1002 R 37. 5 30 144. 3 22 优水平 890 40 450 50 K1 16. 25 16 14. 7 15 K2 16 15. 25 15. 4 15. 8 伸长率/% K3 15 16 17. 2 16. 08 R 1. 25 0. 75 2. 5 1. 08 优水平 890 50 /30 510 80 K1 56. 7 55. 3 54. 6 55. 1 K2 55. 4 56. 3 56 56. 7 断面收缩率/% K3 56. 1 56. 5 57. 6 56. 4 R 1. 3 1. 2 3 1. 6 优水平 890 50 510 60 K1 41. 3 43 42 48 K2 48 47. 6 50 45. 7 冲击功/J K3 48 47 45 43 R 6. 7 4. 6 8 5 优水平 930 40 480 50 注: K1、K2、K3以及 R 分别表示各因素在水平 1、2 和 3 时对应的 各性能的平均值以及极值． 淬火保温时间对屈服强度和抗拉强度的影响很 小，屈服强度和抗拉强度在 30 ～ 40 min 之间基本没 有变化． 淬火保温时间对伸长率、面缩率和冲击功 的影响稍大一些，随着保温时间的延长，材料塑性逐 渐升高． 考虑淬火工艺参数对碳和合金元素均匀 化，保证充分奥氏体化以及保持较细的奥氏体晶粒， 淬火保温时间选择 40 min． 3. 2 回火温度和保温时间对力学性能的影响 当淬火温度在 890 ～ 930 ℃，淬火保温时间在 30 ～ 50 min 范围内时，回火温度和回火保温时间对 27SiMn 力学性能的影响见图 2． 随回火温度的升 高，屈服强度和抗拉强度逐渐下降，伸长率和面缩率 呈上升趋势，冲击功在 480 ℃ 时达 到 最 大． 参 照 GB /T 17396—1998 标准对液压支架管强度性能指 标的规定． 考虑到包钢的实际生产以及对材料的性 能要求，即满足强度的同时，以韧性最佳为准，480 ℃为最佳回火加热温度． 随着回火保温时间的延 长，屈服强度、抗拉强度缓慢降低，伸长率有所上升， 冲击功有所下降，面缩率出现了先上升后下降的趋 势． 考虑回火消除淬火引起的内应力，并考虑其综 合性能，回火保温时间定为 50 min． 随回火温度的升高和回火保温时间的延长， 钢的强度降低，伸长率呈上升趋势． 随回火温度升 高，过饱和 C 原子从 α 固溶体中不断析出，C 原子 的固溶强化效应不断下降，使得强度降低; 随回火 温度升高，钢中合金碳化物数量增加并逐渐聚集、 长大，对位错运动阻碍作用大大减弱，使强度急剧 降低［9］． 在回火过程中马氏体板条内部、板条边缘 和奥氏体晶界上析出碳化物． 其中在马氏体板条 内部有大量弥散析出的 ε--碳化物质点，并开始逐 渐聚集为片状渗碳体． 当回火温度逐渐升高的过 ·36·

增刊1 杨栋杰等：热处理工艺对27SiMn钢力学性能的影响 ·37· 仲长举·一屈服强度◆冲未功 仲长率·一屈服强度◆冲击功 1050 一面缩率◆一抗拉强度 18 157 50 1050r一-而缩竿◆一抗拉强度 b) 8 57 150 1000 17 1000 17 950 95 56 45 900 与 850 15 55 890 55 900910920 930 14 35 14 40 4045 淬火温度℃ 淬火保温时间min 图1淬火温度和淬火保温时间对力学性能的影响.()淬火温度：(b)淬火保温时间 Fig.I Effects of quenching temperature and holding time on the mechanical properties:(a)quenching temperature:(b)holding time 仲长举·一屈服强度◆一冲击功 一一而缩率 抗拉强度 仲长绝。一屈服强度◆一冲击功 1050- 一面缩率一一抗拉强度 18 50 1100H (a 18 58 7-50 ) 1050 17 57 17 1000 950 950 6 900 850 15 5 80 850 750 14 54 40 450460470480490500510 800 14 55 40 50 5560657075 80 回火温度℃ 回火保温时间/min 图2回火温度和回火保温时间对力学性能的影响.()回火温度：(b)回火保温时间 Fig.2 Effects of tempering temperature and holding time on the mechanical properties:(a)tempering temperature:(b)holding time 程中，马氏体中析出的细小粒状渗碳体易于向马 回火温度、回火保温时间对力学性能影响的分析，最 氏体晶界聚集，粒状渗碳体开始球化和聚集长大， 终确定27SiMn液压支架管的最佳热处理工艺为： 加上α因回复、再结晶所引起的软化是伸长率增 (930℃，40min)+(480℃，50min). 加的主要原因o 按照上述工艺，对试样进行热处理，结果见表 考虑GB/T17396一1998对27SiMn液压支架管 6,各力学指标均满足GB/T17396一1998标准中对 力学性能的规定，并结合淬火温度、淬火保温时间、 27SiMn液压支架管的性能要求 表6最佳热处理工艺下的力学性能及GB/T17396一1998标准要求 Table6 Mechanical properties under the optimum heat treatment and the GB/T 1739-1998 standard 热处理工艺 力学性能 组号 淬火 回火 R/MPa R/MPa A/% Z/% 冲击功A,刀 标准 835 980 12 40 39 最优工艺 930℃，40min 480℃，50min 895 1030 15 54 53.3 4 结论 和冲击功的影响稍大一些，随着保温时间的延长，材 料塑性逐渐升高 (1)淬火温度对屈服强度和抗拉强度的影响是 (2)随回火温度的升高，屈服强度和抗拉强度 一致的，随着淬火温度升高强度略有变化，但是变化 逐渐下降，伸长率和面缩率呈上升趋势，冲击功在 的浮动不大.淬火保温时间对屈服强度和抗拉强度 480℃时达到最大.回火保温时间对屈服强度和抗 的影响很小，屈服强度和抗拉强度在30~40min之 拉强度的影响大体相同，随着回火保温时间的延长， 间基本没有变化.淬火保温时间对伸长率、面缩率 屈服强度、抗拉强度缓慢降低，伸长率有所上升，冲

增刊 1 杨栋杰等: 热处理工艺对 27SiMn 钢力学性能的影响 图 1 淬火温度和淬火保温时间对力学性能的影响 . ( a) 淬火温度; ( b) 淬火保温时间 Fig． 1 Effects of quenching temperature and holding time on the mechanical properties: ( a) quenching temperature; ( b) holding time 图 2 回火温度和回火保温时间对力学性能的影响 . ( a) 回火温度; ( b) 回火保温时间 Fig． 2 Effects of tempering temperature and holding time on the mechanical properties: ( a) tempering temperature; ( b) holding time 程中，马氏体中析出的细小粒状渗碳体易于向马 氏体晶界聚集，粒状渗碳体开始球化和聚集长大， 加上 α 因回复、再结晶所引起的软化是伸长率增 加的主要原因［10］． 考虑 GB /T 17396—1998 对 27SiMn 液压支架管 力学性能的规定，并结合淬火温度、淬火保温时间、 回火温度、回火保温时间对力学性能影响的分析，最 终确定 27SiMn 液压支架管的最佳热处理工艺为: ( 930 ℃，40 min) + ( 480 ℃，50 min) ． 按照上述工艺，对试样进行热处理，结果见表 6，各力学指标均满足 GB /T 17396—1998 标准中对 27SiMn 液压支架管的性能要求． 表 6 最佳热处理工艺下的力学性能及 GB/T 17396—1998 标准要求 Table 6 Mechanical properties under the optimum heat treatment and the GB /T 17396—1998 standard 组号 热处理工艺 力学性能 淬火 回火 ReL /MPa Rm /MPa A /% Z /% 冲击功 Akv /J 标准 — — 835 980 12 40 39 最优工艺 930 ℃，40 min 480 ℃，50 min 895 1 030 15 54 53. 3 4 结论 ( 1) 淬火温度对屈服强度和抗拉强度的影响是 一致的，随着淬火温度升高强度略有变化，但是变化 的浮动不大． 淬火保温时间对屈服强度和抗拉强度 的影响很小，屈服强度和抗拉强度在 30 ～ 40 min 之 间基本没有变化． 淬火保温时间对伸长率、面缩率 和冲击功的影响稍大一些，随着保温时间的延长，材 料塑性逐渐升高． ( 2) 随回火温度的升高，屈服强度和抗拉强度 逐渐下降，伸长率和面缩率呈上升趋势，冲击功在 480 ℃ 时达到最大． 回火保温时间对屈服强度和抗 拉强度的影响大体相同，随着回火保温时间的延长， 屈服强度、抗拉强度缓慢降低，伸长率有所上升，冲 ·37·

·38· 北京科技大学学报 第34卷 击功有所下降，面缩率出现了先上升后下降的趋势 (徐庆莘，蛋万库，孙宏飞，等.27SiMn钢强韧化的研究.金属 (3)最终确定热处理工艺为(930℃，40min)+ 热处理，1991(4)：35) (480℃，50min).其力学性能达到屈服强度895 [5]Liang B.Properties and heat treatment of 27SiMn steel.Heat Treat Met,1995(2):30 MPa,抗拉强度1030MPa,伸长率15%，面缩率 (梁璧.27SiMn钢无缝钢管的性能和热处理.金属热处理， 54%,冲击功53.3J,综合力学性能良好，满足了 1995(2):30) GB/T17396一1998标准中对27SiMn钢的性能 [6]Grum J,Bozic S,Zupancic M.Influence of quenching process pa 要求. rameters on residual stresses in steel.J Mater Process Technol, 2001,114(1):57 参考文献 7]Von Bergen R T.Control and monitoring of polymer quenchant [Gu L G.Analysis of domestic supply-demand situation of seamless systems.Heat Treat Met,1991,18(2):37 steel tubes and pipes.Steel Pipe,2008,37(4):57 [8]Shang X G,Wang X J,Zhao J Y.Effect of "zero heat preserva- (谷力功.我国无缝钢管市场供需情况分析.钢管，2008,37 tion"quenching temperature on properties and structure of Steel (4):57) 27SiMn.Sci Technol Inf,2007(21):362 Zhang Z G,Sun K M,Chen W M.Production and development of (尚显光，王向杰，赵俊岩.“零保温”淬火温度对27SiMn钢组 high quality casting.Iron Steel,1999,34(8):28 织和性能的影响.科技信息，2007(21)：362) (张振钢，孙开明，陈为民.优质石油套管的生产与开发.钢铁， 9] Hui W J,Dong H,Weng Y Q,et al.Effect of heat treatment pa- 1999,34(8):28) rameters on mechanical properties of high strength Cr-Mo-V steel. Guo Z T,Li X,Guo D F,et al.Trial production of 27SiMn Acta Metall Sin,2002,38 (10):1009 hydraumatic holder tube.Sci Technol Baotou Steel Group Corp, (惠卫军，董瀚，翁宇庆，等.回火温度对C-M0V系高强度钢 2003,29(4):36 力学性能的影响.金属学报，2002,38(10)：1009) (郭智韬，李晓，郭股锋，等.27SiMn液压支架管的试制.包钢 [10]Ma SY,Xu J H,Wang D L,et al.Influence of grinding on mi- 科技，2003,29(4)：36) crostructure of steel tempered at different temperature.Trans Ma- 4]Xu QX,Huo W K,Sun H F,et al.Research for the strengthe- ter Heat Treat,2005,26(2):47 ning and toughening of steel 27SiMn.Heat Treat Met,1991 (4): (马素媛，徐建辉，王东林，等.磨削对不同温度回火钢铁材 35 料微观结构的影响.材料热处理学报，2005,26(2)：47)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 击功有所下降，面缩率出现了先上升后下降的趋势． ( 3) 最终确定热处理工艺为( 930 ℃，40 min) + ( 480 ℃，50 min) ． 其力学性能达到屈服强度 895 MPa，抗 拉 强 度 1 030 MPa，伸 长 率 15% ，面 缩 率 54% ，冲击功 53. 3 J，综合力学性能良好，满 足 了 GB /T 17396—1998 标 准 中 对 27SiMn 钢 的 性 能 要求． 参 考 文 献 ［1］ Gu L G． Analysis of domestic supply-demand situation of seamless steel tubes and pipes． Steel Pipe，2008，37( 4) : 57 ( 谷力功． 我国无缝钢管市场供需情况分析． 钢管，2008，37 ( 4) : 57) ［2］ Zhang Z G，Sun K M，Chen W M． Production and development of high quality casting． Iron Steel，1999，34( 8) : 28 ( 张振钢，孙开明，陈为民． 优质石油套管的生产与开发． 钢铁， 1999，34( 8) : 28) ［3］ Guo Z T，Li X，Guo D F，et al． Trial production of 27SiMn hydraumatic holder tube． Sci Technol Baotou Steel Group Corp， 2003，29( 4) : 36 ( 郭智韬，李晓，郭殿锋，等． 27SiMn 液压支架管的试制． 包钢 科技，2003，29( 4) : 36) ［4］ Xu Q X，Huo W K，Sun H F，et al． Research for the strengthe￾ning and toughening of steel 27SiMn． Heat Treat Met，1991 ( 4) : 35 ( 徐庆莘，霍万库，孙宏飞，等． 27SiMn 钢强韧化的研究． 金属 热处理，1991( 4) : 35) ［5］ Liang B． Properties and heat treatment of 27SiMn steel． Heat Treat Met，1995( 2) : 30 ( 梁璧． 27SiMn 钢无缝钢管的性能和热处理． 金属热处理， 1995( 2) : 30) ［6］ Grum J，Boicˇ S，Zupancˇicˇ M． Influence of quenching process pa￾rameters on residual stresses in steel． J Mater Process Technol， 2001，114( 1) : 57 ［7］ Von Bergen R T． Control and monitoring of polymer quenchant systems． Heat Treat Met，1991，18( 2) : 37 ［8］ Shang X G，Wang X J，Zhao J Y． Effect of“zero heat preserva￾tion”quenching temperature on properties and structure of Steel 27SiMn． Sci Technol Inf，2007( 21) : 362 ( 尚显光，王向杰，赵俊岩． “零保温”淬火温度对 27SiMn 钢组 织和性能的影响． 科技信息，2007( 21) : 362) ［9］ Hui W J，Dong H，Weng Y Q，et al． Effect of heat treatment pa￾rameters on mechanical properties of high strength Cr-Mo-V steel． Acta Metall Sin，2002，38( 10) : 1009 ( 惠卫军，董瀚，翁宇庆，等． 回火温度对 Cr--Mo--V 系高强度钢 力学性能的影响． 金属学报，2002，38( 10) : 1009) ［10］ Ma SY，Xu J H，Wang D L，et al． Influence of grinding on mi￾crostructure of steel tempered at different temperature． Trans Ma￾ter Heat Treat，2005，26( 2) : 47 ( 马素媛，徐建辉，王东林，等． 磨削对不同温度回火钢铁材 料微观结构的影响． 材料热处理学报，2005，26( 2) : 47) ·38·