CN100386448C - 一种锻钢件的正火冷却方法 - Google Patents

Abstract

一种锻钢件的正火冷却方法。本发明属于锻钢件的热处理技术领域。其特征是锻钢件正火冷却中采用了匀速冷却液，包括先采用匀速冷却液，冷却到适当温度，而后把锻钢件转到等温炉中完成等温转变。这种方法能克服现行使用的特定装置中的快速风冷方法在使用范围上的局限性和冷却不均匀性，并且可以在普通热处理炉上进行锻钢件的等温正火。

Description

一种锻钢件的正火冷却方法

技术领域：

本发明属于锻钢件的热处理技术领域，具体涉及一种锻钢件的正火冷却方法，该方法中，使用液体冷却介质，能够实现匀速冷却。

现有技术：

传统的锻钢件正火方法是把经过正火加热、或者将利用锻后余热的工件散乱地放在大气环境中静止或者吹风冷却。由于实际冷却条件差异很大，这种正火冷却方法获得的锻钢件组织中，常有分布不当的先共析铁素体、魏氏组织、贝氏体甚至马氏体，并和粗大珠光体形成混晶组织。具有这类正火组织的锻钢件，常常给随后的切削加工造成困难，并在热处理中引起超差的淬火变形。研究和大量的生产实践表明，锻钢件做正火所获得的组织越均匀和硬度差异越小，在随后淬火时工件的淬火变形就越小，而且工件的其它力学性能也更优良。因此，获得尽可能均匀的正火组织和更小的正火态硬度差异，就成为当前锻钢件正火所追求的目标。

国外于上世纪70年代开始应用了一种叫做等温正火(也有的叫做等温退火)的方法来解决传统正火方法出现的问题。国内从上世纪80年代末也制成了这样的自动生产线，已开始在齿轮行业推广应用。这种等温正火方法采用特定装置中有控制的快速风冷，将锻钢件从正火开始温度迅速冷却到钢材的Ar3以下，如500～700℃之间的适当温度，然后转入500～700℃之间适当温度的等温炉中等温数小时，直至钢件完成正火转变。前期快速风冷的作用是防止过冷奥氏体发生珠光体转变；后期的等温过程用来保证钢件只发生珠光体转变，而不致产生贝氏体和马氏体等非平衡组织。这种方法的关键部位是工件的快速风冷装置。近年的中国专利03275743.3申请的是实施这种快速风冷的一种改良装置。

但是，当前的快速风冷等温正火方法还存在以下几方面的不足和缺陷：

一是它的局限性：现在使用的可控制的快速风冷装置都只能在大批量连续生产中使用，在它之前配备有连续加热炉或者钢件的锻造生产线，之后配备有连续等温炉。其设备投资大，占用场地宽。由于这些原因，锻钢件批量少，以及没有条件和资金上连续生产线的工厂，就无法进行锻钢件的等温正火处理。

二是它的冷却均匀性仍然较差：对于被冷却的锻钢件而言，风冷总有它的迎风面和背风面。迎风面的风冷速度总是比背风面的要快。风速越快，二者的差距会越大。同批风冷的锻钢件越多，这种问题就越严重。为此，生产中不得不用少装工件和增大工件间距的办法来减小这种影响，为此造成生产效率低和能源消耗增大。

三是其冷却速度对锻钢件的温度变化太敏感：试验表明，由风冷获得的冷却速度随锻钢件表面温度降低而迅速减小。图1可以说明风冷速度随探棒温度降低而迅速减小的特性，同时也说明迎风面和背风面的冷却速度差异很大。这势必造成锻钢件的冷却不均。此外，由于空气的热容量很小，风温变化是不可避免的。风温高低对风冷速度的影响会进一步增大冷却效果上的差异。

四是风冷装置的尺寸局限性：任何风冷装置都只能应用于一定尺度范围的锻钢件。由于迎风面与背风面的冷却速度差异，更小的工件因为不能装得太密集而不适用；更大尺寸的锻钢件会因装不进去而不适用。

发明内容：

本发明的目的在于提供能使锻钢件在正火冷却的前期获得较快而且均匀的冷却的一种锻钢件正火冷却方法，以克服现行快速风冷方法的不足。

本发明提供的锻钢件的正火冷却方法，在锻钢件的正火冷却中采用了匀速冷却液。所述匀速冷却液为质量浓度为0.5％-15％的高分子聚合物的水溶液，高分子聚合物为选自开普式树脂即KEPS、聚丙烯酰胺即PAM、聚乙二醇即PEG、聚烷撑二醇即PAG、聚环氧琥珀酸钠即PESA、聚氧化乙烯即PEO、聚乙烯吡咯烷酮即PVP、聚丙烯酸钠中的一种或多种组合。

该方法中，是在正火冷却前期使用匀速冷却液，即将要正火的锻钢件首先在匀速冷却液中冷却到500～700℃之间的设定温度。

该方法中，标准测试锻钢件在匀速冷却液中冷却速度设定为10～20℃/s。

该方法中，锻钢件在匀速冷却液中冷却到设定温度后，再转移到设定温度的等温炉中完成等温正火转变。

该方法中，要正火的锻钢件为利用锻造余热做正火的工件，或者为重新加热做正火的工件。

采用本发明方法具有如下特点：

1、前期采用匀速冷却液冷却，

2、匀速冷却液可以像通常使用的淬火液一样配备在生产现场的槽子中，完成各种来源和大小尺寸的锻钢件的前期正火冷却，而不必专门配备等温连续炉，应用广泛。

3、锻钢件可以全部浸入冷却液中，各表面接受的冷却速度相差很小。

4、采用的匀速冷却液对工件的冷却能力非常稳定，冷却速度受探棒温度，液温高低等因子的影响很小。

附图说明：

图1为现有方法中风冷的冷却速度随探棒温度变化及风速变化曲线；

图2为本发明方法使用匀速冷却液冷的冷却速度随探棒温度变化曲线；

具体实施方式：

本发明中，所谓“正火冷却”是指锻钢件在正火过程中从高温(正火温度)到室温的全过程，包括后面定义的前期冷却、等温转变、和等温转变后的空冷或水冷几个步骤；所谓“前期冷却”是指锻钢件从正火温度降至钢材Ar3指定温度(如500～700℃之间的适当温度)的过程(防止奥氏体发生珠光体转变)；所述“等温转变”或“正火转变”是指钢件在等温炉中发生珠光体转变(而不致产生贝氏体和马氏体等非平衡组织)的过程；所述“等温正火”是指锻钢件经过前期冷却和等温转变两个过程。

本发明要使锻钢件在正火冷却的前期获得较快而且均匀的冷却速度，为此，本发明主要利用了一种液体冷却介质来对锻钢件进行前期冷却。该液体冷却介质具有匀速冷却的特性，可使锻钢件在正火冷却的前期获得较快而且均匀的冷却，以获得尽可能均匀的正火组织和更小的正火态硬度差异。

因此，本发明方法可以具体由以下过程完成：

1、将需做正火的工件置入匀速冷却液中，冷却到500～700℃之间的某设定温度；

2、再将该工件转移到与设定温度相近的恒温炉中一至数小时，完成工件的等温正火转变；

3、再将工件转到大气环境中冷来完成正火冷却。

在本发明方法中，匀速冷却液可以像通常使用的淬火液一样配备在生产现场的槽子中。要正火的锻钢件，不管是利用锻造余热正火的工件、重新加热的工件，以及箱式炉、井式炉或者任何别的炉型加热后的工件，都可以放到其中冷却。不论锻钢件大小如何，只要比该槽子小，就可以在其中冷却。完成前期冷却后的锻钢件，可以分别在不同的炉型中完成它的等温正火转变，而不必专门配备等温连续炉。这就克服了现行快速风冷装置的第一和第四项局限性。

本发明中，采用的匀速冷却液是流动性相当好的液体冷却介质，工件浸入该冷却液中，任何表面都可以直接受到它的冷却。这就克服了风冷中不可避免的迎风面和背风面的冷却速度差异问题。

本发明中，采用的匀速冷却液对工件的冷却能力非常稳定。图2提供了这种匀速冷却液的冷却特性。和风冷相比，在它300℃以上的冷却范围内，冷却速度变化很小，而且探棒温度，液温高低对冷却速度的影响很小。在所用匀速冷却液中，工件温度从800℃降低到500℃之间，每降温100℃的冷却速度变化约为10％。同时，冷却速度对液温变化也很不敏感，液温从30℃到60℃，探棒700℃时冷却速度变化约为6％。这就克服了快速风冷的第二和第三个缺点。

本发明中，采用的匀速冷却液对工件的冷却速度稍快于风冷的冷却速度，风冷的冷却速度一般在10℃/s以下(参见图1所示)，而采用匀速冷却液的冷却速度超过10℃/s(参见图2)。冷却速度测试方法：国际标准IS09950，仪器：瑞典制造工程研究学会IVF-冷却特性测试仪(ivf quenchotest)

本发明中，匀速冷却液为高分子聚合物的水溶液，其中高分子聚合物的质量浓度为0.5％-15％，高分子聚合物为选自开普式树脂即KEPS、聚丙烯酰胺即PAM、聚乙二醇即PEG、聚烷撑二醇即PAG、聚环氧琥珀酸钠即PESA、聚氧化乙烯即PEO、聚乙烯吡咯烷酮即PVP、聚丙烯酸钠中的一种或多种组合。

以下结合具体工件的正火冷却说明本发明。

实施例1：一种20CrMnTi的齿坯锻件，一批共6件，经过930℃正火加热2小时；匀速冷却液为含0.5％聚丙烯酰胺、1.0％聚环氧琥珀酸钠、以及2.0％聚丙烯酸钠的水溶液；将正火加热后齿坯锻件转移到20℃的匀速冷却液中冷却30秒钟，随即从冷却液中提出。此时，锻件测温部位的表面温度降低到约630℃。接着把这些锻件放到保持在620℃的箱式炉炉中等温1.5小时；通过以上匀速冷却和恒温过程完成了等温正火处理。等温正火处理后的齿坯锻件出炉空冷。

对空冷后的锻件进行金相组织(GB/T13298-1991金属显微组织检验方法)和布氏硬度的检测(GB/T231-191984金属布氏硬度试验方法)。结果是金相显微镜下观察，可见所有齿坯获得的正火组织都是少量铁素体加珠光体；硬度测试发现锻件硬度分布比较集中，最低的186HB，最高的195HB，全部符合要求；而传统正火的工件在同样检测条件下的硬度分布为150～280HB，比较分散。

实施例2：一种圆环状的20CrMnTi锻钢件，一批共6件，经过920℃共1.5小时正火加热；匀速冷却液为含2.0％开普式树脂、2.0％聚丙烯酰胺、以及2.0％聚烷撑二醇的水溶液；首先将正火加热后的锻钢件转入液温18～19℃的匀速冷却液中冷却25秒钟，然后转入温度在620℃的箱式炉中等温2小时，完成等温正火处理，然后出炉后空冷至常温。检查锻钢件的金相组织(采用GB/T13298-1991金属显微组织检验方法)和布氏硬度(采用GB/T231-191984金属布氏硬度试验方法)。结果为，显微镜下观察可见组织为少量铁素体加珠光体，没有其它的非平衡组织；硬度测试6个工件的硬度值都落在191～198HB范围内(传统正火的工件在同样检测条件下的硬度分布为150～280HB，比较分散)，完全符合要求。

Claims (5)

1.一种锻钢件的正火冷却方法，其特征是：在锻钢件的正火冷却中采用了匀速冷却液，所述匀速冷却液为质量浓度为0.5％-15％的高分子聚合物的水溶液，高分子聚合物为选自开普式树脂即KEPS、聚丙烯酰胺即PAM、聚乙二醇即PEG、聚烷撑二醇即PAG、聚环氧琥珀酸钠即PESA、聚氧化乙烯即PEO、聚乙烯吡咯烷酮即PVP、聚丙烯酸钠中的一种或多种组合。

2.根据权利要求1所述的正火冷却方法，其特征是：在正火冷却前期使用匀速冷却液，即将要正火的锻钢件首先在匀速冷却液中冷却到500～700℃之间的设定温度。

3.根据权利要求1或2所述的正火冷却方法，其特征是：标准测试锻钢件在匀速冷却液中冷却速度设定为10～20℃/s。

4.根据权利要求3所述的正火冷却方法，其特征是：锻钢件在匀速冷却液中冷却到设定温度后，再转移到设定温度的等温炉中完成等温正火转变。

5.根据权利要求3所述的正火冷却方法，其特征是：所述要正火的锻钢件为利用锻造余热做正火的工件，或者为重新加热做正火的工件。

Images