非调质钢在涨紧油缸轻量化设计中的应用

非调质钢在涨紧油缸轻量化设计中的应用

刘晓辉汤兵顾兴鹏赵维东谢彪

山推股份有限公司履带底盘分公司

非调质钢主要是在中碳钢中加入微量的钛、铌、钒，不经过调质处理，而是通过控制终锻（轧）温度、随后的冷却速度，即可获得的高韧性的钢材（达到调质钢的水平）。非调质钢的强化机制：固溶强化、位错强化、细晶强化、析出强化。

国内工程机械涨紧油缸缸筒的材质大都为GB_T_699-1999《优质碳素结构钢》中的45号钢调质，而我们公司在此基础上升级为GB_T_15712-2008《非调质机械结构钢》中的F45MnVS，根据新材料性能特点、整机受力情况、市场验证结果对油缸进行轻量化改进设计，降低了成本，提高了效益。

锻成的零件经调质必然产生二个不利的因素，而非调质钢能克服这两个不利因素：

一、调质件在热处理过程中产生大量的能耗和其他消耗，即增加了工序和生产成本

减少工序和降低生产成本：用调质钢和非调质钢分别生产一批（200件）涨紧油缸，生产工序如下：

调质钢工序流程：1.下料→2.粗加工→3.调质→4.加工坡口→5.焊接→6.精加工→7.珩磨内孔。

非调质钢工序流程：1.下料→2.加工坡口→3.焊接→4.精加工→5.珩磨内孔

工时如下：

45号钢油缸生产工时：

1.下料（8h）→2.粗加工（12h）→3.调质（16h）→4.加工坡口（4h）→5.焊接（22h）→6.精加工（4h）→7.珩磨内孔（10h）。

F45MnVS油缸生产工时：

1.下料（8h）→2.加工坡口（4h）→3.焊接（22h）→4.精加工（4h）→5.珩磨内孔（10h）

用来生产涨紧油缸，用45号钢需要7个工序，生产一批200件共耗时76h，用F45MnVS只需要5个工序，生产一批200件共耗时48h，缩短工时28h，缩短生产周期，提高劳动生产率，节约生产管理费用，即降低制造成本，提高了企业的效益。

虽然45号钢购买单位成本价低，F45MnVS非调质钢单位成本价高，但是45号钢还必须粗车和调质，不同的地域和不同的工艺情况下，非调质材料费比45钢材料费+粗车费+调质费低5%～20%，调质件械性能的偏差大，整个断面上性能均匀一致差，其强度和硬度沿零件截面积的表面向芯部越来越差。

油缸壁截面的淬火硬度表面与芯部相差很大的原因为，表面与芯部的组织不同，油缸壁内、外表面的组织为：马氏体+托氏体+残余奥氏体，而芯部组织为：索氏体+珠光体+铁素体，

高温回火后，油缸壁内、外表面的组织为：回火索氏体+托氏体+残余奥氏体，而芯部组织依然为：索氏体+珠光体+铁素体，虽然高温回火后截面硬度相差不大，但是与非调质钢的截面硬度均匀性比还是较差，

非调质钢F45MnVS的截面硬度之所以比45钢调质后截面硬度均匀，是因为非调质钢的内外表面组织和芯部组织相同，

二、非调质钢应用在涨紧油缸的轻量化设计上。

根据厚壁筒受力分析公式，油缸在工作时的受力方向及受力部位

微元体受三个方向的应力径向应力σr、周向应力σθ、轴向应力σz，如（图6微元体三个方向受力示意图）

微元体受三个方向的应力对应的位移dω、dΥ、dθ，如（图7微元体积分单元示意图）根据微积分原理和材料力学，推算出三向应力的公式1、2、3。

表3公式参数表

通过公式1-5的计算，我们可以把18T、20T机型的油缸（油缸内径都为70mm）外径由107.1mm降低到100mm.22T机型油缸（油缸内径都为70mm）外径由112.7mm降低到107.1mm。18T/20T重量减轻了8.66kg，22T重量减轻了5.63kg。通过1年的市场验证，改型后的涨紧油缸在市场上没反馈任何问题。

表4各机型改善前后油缸外径尺寸

三、小结

我国基础工业越来越发达，新材料不断推出，微合金非调质钢是资源节约型材料，采用非调质钢替代耗电耗能的调质钢制造零部件是工程机械发展的一个重要趋势。迅速发展的我国装备制造工业，不断地要求材料低成本和高性能，同时还需要考虑环境保护和能源消耗。

作者简介：刘晓辉、男、1985年11月、山推股份履带底盘事业部、机械设计制造及自动化272000

作者简介：汤兵、男、1984年12月、山推股份履带底盘事业部、机械设计制造及自动化272000

作者简介：顾兴鹏、男、1977年1月、山推股份履带底盘事业部、热加工工艺及设备272000

作者简介：赵维东、男、1984年10月、山推股份履带底盘事业部、材料成型及控制工程272000

作者简介：谢彪、男、1978年10月、山推股份履带底盘事业部

物流管理272000