CN102392107A - 20Cr13～40Cr13马氏体不锈钢的淬火方法 - Google Patents

20Cr13～40Cr13马氏体不锈钢的淬火方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种20Cr13～40Cr13马氏体不锈钢淬火方法，利用水和空气进行不连续淬火并实现工业化生产。本发明是通过以下技术方案实现的：20Cr13～40Cr13马氏体不锈钢5.0m～8.0m超长工件，在连续式辊底炉内奥氏体化后，快速进入辊底式淬火槽，根据产品化学成分和规格，进行不连续水淬和空气冷却，工件完成马氏体转变后，进入电加热连续式辊底炉进行回火处理。本发明具有下列优点：①采用不连续水淬提高和有效控制工件冷却速度，保证淬火组织均匀、淬火硬度均匀，淬火态硬度偏差控制在±2HRC，回火态硬度偏差控制在±1.5HRC，具有优良的使用性能。②采用水作为淬火介质，消除了油淬火过程中发生火灾和油烟污染隐患，有利环保。

Description

20Cr13～40Cr13马氏体不锈钢的淬火方法
技术领域
本发明属于金属热处理技术领域，具体公开一种20Cr13～40Cr13马氏体不锈钢的淬火方法。
背景技术
预硬化型20Cr13～40Cr13马氏体不锈钢是近10年内发展起来的高合金钢产品，主要牌号包括20Cr13、30Cr13、Y30Cr13和40Cr13。预硬化型20Cr13～40Cr13铬不锈钢可以根据使用要求控制硬度在30～40HRC范围内。目前主要采取的工艺方法是钢材经奥氏体化加热后油淬获得马氏体组织，并经较高温度的回火，使其硬度保持在30～40HRC范围，然后进行机械加工，加工后直接使用。预硬化处理可以避免工件机加工后淬火产生变形，提高工件表面质量。采用《中高淬透性钢末端淬火装置及淬透性测定方法》(专利号：CN02136430.3)对4Cr13钢进行端淬测试，如图1所示，距端部150mm处的硬度(HRC)由52下降到26，测试结果表明对于淬透性不高的Cr13型马氏体不锈钢，获得较高的硬度均匀性时需要提高淬火冷却速度，。在相同搅拌速度下(5.67m·s-1)，目前使用最多的水和油两种淬火介质平均换热系数的最高值分别是12000Wm -2·K-1和6500Wm -2·K-1(康大韬，叶国斌.《大型锻件材料及热处理》[M].北京：龙门书局，1998：397.)，但是水淬在低温阶段存在因冷速过快导致工件炸裂的风险，而油淬则存在高温阶段冷速不足以及较大的火灾风险和油烟造成环境污染等问题，因此对于淬透性和淬硬性较高的20Cr13～40Cr13马氏体不锈钢而言，目前缺少满足淬火速度的适当方法。
发明内容
本发明针对现有淬火技术的不足和缺陷，公开一种20Cr13～40Cr13马氏体不锈钢的淬火方法，利用水和空气进行不连续淬火并实现工业化生产。
本发明是通过以下技术方案实现的。对20Cr13～40Cr13马氏体不锈钢5.0m～8.0m超长钢材，按钢材有效厚度计算加热均匀化时间，进行奥氏体均匀化加热；在连续式辊底炉内奥氏体化后，快速进入辊底式淬火槽，根据产品化学成分和规格，进行不连续水淬和空气冷却；钢材完成马氏体转变后，进入电加热连续式辊底炉进行回火处理。
具体工艺步骤如下：
(1)钢材在连续式辊底加热炉内煤气加热，入炉温度≤200℃，升温速度≤100℃/h，加热至970℃进行奥氏体化保温1h～3h；
(2)保温结束后，快速出料，进入辊底式淬火槽进行水-空控时淬火处理，表面温度稳定在200℃～250℃；
(3)由(2)利用空气冷却至室温，空淬；
(4)由(2)钢材冷却到预订温度后，从淬火槽内的辊道平稳运行到回火炉前进行空冷至200℃以下，工件终冷温度稳定在120℃～180℃的范围内；
(5)采用辊底式连续炉和辊底式淬火槽进行淬回火处理，淬火处理后的工件采用500℃～550℃、8h回火处理。
淬回火处理后钢材理化性能及外形偏差：
空淬钢材实现工件心部马氏体转变，获得50±2HRC硬度；
回火钢材硬度达到(33～34)±1HRC，弯曲度不大于2.5mm/m。
本发明，在保证水温不高于40℃的条件下，水淬能够保证材料的冷却速度满足淬火工艺的要求。但随着工件实际温度的下降，由水淬急冷引起的热应力和相变产生的应力综合作用会导致工件开裂。因此本发明通过对不同工件(化学成分、加热温度和规格)水淬过程温度场的数值模拟，确定了水冷次数、时间和空冷自回火时间。利用空冷自回火降低水淬强度，减轻热应力和相变应力的影响。淬火冷却过程可以分解为第一次水淬后，工件表层快速冷却到MS以下并保持一定时间，工件表层完成马氏体转变，获得马氏体组织。随后在工件第一次空冷过程中，次表层的热量传向表层，使表层的温度升高，结果是表层刚刚转变的马氏体发生自回火使表层的韧性和应力状态得到调整，避免了表层马氏体组织产生开裂；然后再重复水与空气的交替淬火冷却，直到工件表面温度冷却到MS以上60℃～120℃(陈乃录，左训伟，徐骏，张伟民.《数字化控时淬火冷却工艺及设备的研究与应用》.HEAT TREATMENT OF METALS.34(3)：37-41.)。
本发明具有下列优点：
①采用不连续水淬提高和有效控制工件冷却速度，保证淬火组织均匀、淬火硬度均匀、淬火态硬度偏差控制在±2HRC；回火态硬度偏差控制在±1HRC，具有优良的使用性能。
②采用水作为淬火介质，消除了油淬火过程中发生火灾和油烟污染隐患，有利环保。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
图1是4Cr13钢端淬硬度曲线；
图2是规格为40mm×40mm×8.0m的20Cr13扁钢热处理工艺曲线；
图3是规格为90mm×305mm×5.0m的20Cr13扁钢热处理工艺曲线；
图4是规格为40mm×305mm×6.0m的Y30Cr13扁钢热处理工艺曲线；
图5是规格为90mm×305mm×5.5m的Y30Cr13扁钢热处理工艺曲线；
图6是规格为90mm×305mm×5.0m的40Cr13扁钢热处理工艺曲线；
图7是规格为20mm×150mm×6m的40Cr13扁钢热处理工艺曲线。
具体实施方式
按照上述技术方案实施，提供以下六项优选实施例。
实施例1
20Cr13扁钢，尺寸为厚度40mm、宽度40mm、长度8.0m。如图2所示，钢材在连续式辊底加热炉内煤气加热，入炉温度≤200℃，升温速度≤100℃/h，加热至970℃进行奥氏体化保温1.5小时；保温结束后，快速出料，进入辊底式淬火槽进行水-空控时淬火(浸液38S→空冷73S→浸液31S)处理后，钢材空冷至155℃以下进入电加热连续式辊底炉进行回火，回火温度501℃，时间8小时；回火钢材硬度达到33±1HRC，弯曲度不大于2.5mm/m。预硬型20Cr13扁钢应用于动叶片。
实施例2
20Cr13扁钢，尺寸为厚度90mm、宽度305mm、长度5.0m。如图3所示，钢材在连续式辊底加热炉内煤气加热，入炉温度≤200℃，升温速度≤100℃/h，加热至970℃进行奥氏体化保温3小时；保温结束后，快速出料，进入辊底式淬火槽进行水-空控时淬火(风冷48S→浸液38S→空冷88S→浸液53S→空冷92S→浸液34S→空冷72S→浸液36S→空冷60S→浸液20S)处理后，钢材空冷至174℃以下进入电加热连续式辊底炉进行回火，回火温度504℃，时间8小时；回火钢材硬度达到33±1HRC，弯曲度不大于2.5mm/m。预硬型20Cr13扁钢应用于动叶片。
实施例3
Y30Cr13扁钢，尺寸为厚度40mm、宽度305mm、长度6.0m。如图4所示，钢材在连续式辊底加热炉内煤气加热，入炉温度≤200℃，升温速度≤100℃/h，加热至970℃进行奥氏体化保温1.5小时；保温结束后，快速出料，进入辊底式淬火槽进行水-空控时淬火(浸液38S→空冷73S→浸液28S)处理后，钢材空冷至168℃以下进入电加热连续式辊底炉进行回火，回火温度524℃，时间8小时；回火钢材硬度达到34±1HRC，弯曲度不大于2.5mm/m。预硬型Y30Cr13扁钢应用于液压阀块。
实施例4
Y30Cr13扁钢，尺寸为厚度90mm、宽度305mm、长度5.5m。如图5所示，钢材在连续式辊底加热炉内煤气加热，入炉温度≤200℃，升温速度≤100℃/h，加热至970℃进行奥氏体化保温3小时；保温结束后，快速出料，进入辊底式淬火槽进行水-空控时淬火(风冷48S→浸液38S→空冷88S→浸液53S→空冷92S→浸液34S→空冷72S→浸液27S)处理后，钢材空冷至178℃以下进入电加热连续式辊底炉进行回火，回火温度522℃，时间8小时；回火钢材硬度达到34±1HRC，弯曲度不大于2.5mm/m。预硬型Y30Cr13扁钢应用于液压阀块。
实施例5
40Cr13塑料模具扁钢，尺寸为厚度90mm、宽度305mm、长度5.0m。如图6所示，钢材在连续式辊底加热炉内煤气加热，入炉温度≤200℃，升温速度≤100℃/h，加热至970℃进行奥氏体化保温3小时；保温结束后，快速出料，进入辊底式淬火槽进行水-空控时淬火(风冷48S→浸液33S→空冷88S→浸液53S→空冷92S→浸液34S→空冷72S→浸液27S)处理后，钢材空冷至177℃以下进入电加热连续式辊底炉进行回火，回火温度548℃，时间8小时；回火钢材硬度达到34±1HRC，弯曲度不大于2.5mm/m。预硬型40Cr13扁钢应用于塑料模具。
实施例6
40Cr13塑料模具扁钢，尺寸为厚度20mm、宽度150mm、长度6.0m。如图7所示，钢材在连续式辊底加热炉内煤气加热，入炉温度≤200℃，升温速度≤100℃/h，加热至970℃进行奥氏体化保温1小时；保温结束后，快速出料，进入辊底式淬火槽进行水-空控时淬火(浸液28S)处理后，钢材空冷至148℃以下进入电加热连续式辊底炉进行回火，回火温度547℃，时间8小时；回火钢材硬度达到34±1HRC，弯曲度不大于2.5mm/m。预硬型40Cr13扁钢应用于塑料模具。
附表：
表1淬火、回火参数及回火硬度
表1
Figure BDA0000108837710000041
续表1
Figure BDA0000108837710000051

Claims (8)

1.一种20Cr13～40Cr13马氏体不锈钢的淬火方法，其特征在于：对20Cr13～40Cr13马氏体不锈钢5.0m～8.0m超长钢材，按钢材有效厚度计算加热均匀化时间，进行奥氏体均匀化加热；在连续式辊底炉内奥氏体化后，快速进入辊底式淬火槽，根据产品化学成分和规格，进行不连续水淬和空气冷却；钢材完成马氏体转变后，进入电加热连续式辊底炉进行回火处理；
具体工艺步骤如下：
(1)钢材在连续式辊底加热炉内煤气加热，入炉温度≤200℃，升温速度≤100℃/h，加热至970℃进行奥氏体化保温1h～3h；
(2)保温结束后，快速出料，进入辊底式淬火槽进行水-空控时淬火处理，表面温度稳定在200℃～250℃；
(3)由(2)利用空气冷却至室温，空淬；
(4)由(2)钢材冷却到预订温度后，从淬火槽内的辊道平稳运行到回火炉前进行空冷至200℃以下，工件终冷温度稳定在120℃～180℃的范围内；
(5)采用辊底式连续炉和辊底式淬火槽进行淬回火处理，淬火处理后的工件采用500℃～550℃、时间8h回火处理。
2.根据权利要求1所述20Cr13～40Cr13马氏体不锈钢的淬火方法处理的钢材，其特征在于：淬回火处理后钢材理化性能及外形偏差：
空淬钢材实现工件心部马氏体转变，获得50±2HRC硬度；
回火钢材硬度达到(33～34)±1HRC，弯曲度不大于2.5mm/m。
3.根据权利要求1所述20Cr13～40Cr13马氏体不锈钢的淬火方法，其特征在于：20Cr13扁钢长度6m、厚度40mm、宽度40mm；
具体工艺步骤如下：
(1)奥氏体化保温1.5h；保温结束后，快速出料；
(2)进入辊底式淬火槽进行浸液38S→空冷73S→浸液31S的水-空控时淬火处理；
(3)钢材空冷至155℃以下进入电加热连续式辊底炉进行回火，回火温度501℃，时间8h。
4.根据权利要求3所述20Cr13～40Cr13马氏体不锈钢的淬火方法处理的钢材，其特征在于：回火钢材硬度达到33±1HRC，弯曲度不大于2.5mm/m。
5.根据权利要求1所述20Cr13～40Cr13马氏体不锈钢的淬火方法，其特征在于：Y30Cr13扁钢长度6m、厚度90mm、宽度305mm；
具体工艺步骤如下：
(1)奥氏体化保温3h；保温结束后，快速出料；
(2)进入辊底式淬火槽进行风冷48S→浸液38S→空冷88S→浸液53S→空冷92S→浸液34S→空冷72S→浸液27S的水-空控时淬火处理；
(3)钢材空冷至178℃以下进入电加热连续式辊底炉进行回火，回火温度522℃，时间8h。
6.根据权利要求5所述20Cr13～40Cr13马氏体不锈钢的淬火方法处理的钢材，其特征在于：回火钢材硬度达到34±1HRC，弯曲度不大于2.5mm/m。
7.根据权利要求1所述20Cr13～40Cr13马氏体不锈钢的淬火方法，其特征在于：40Cr13扁钢长度6m、厚度20mm、宽度150mm；
具体工艺步骤如下：
(1)奥氏体化保温1h；保温结束后，快速出料；
(2)进入辊底式淬火槽进行浸液28S的水-空控时淬火处理；
(3)钢材空冷至148℃以下进入电加热连续式辊底炉进行回火，回火温度547℃，时间8h。
8.根据权利要求7所述20Cr13～40Cr13马氏体不锈钢的淬火方法处理的钢材，其特征在于：回火钢材硬度达到34±1HRC，弯曲度不大于2.5mm/m。
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