CN102443744B - 高中碳合金钢的双介质淬火热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高中碳合金钢，包括以下组份，单位为质量百分数：C：0.4～2.6％；Cr：1.0～12.0％；Mo＜2.5％；Ni＜1.5％；Cu：0.2～1.0％；Mn：0.3～1.2％；Si：0.3～2.0％；V、Ti、Re＜0.1％，余量为Fe。本发明还保护一种高中碳合金钢的双介质淬火热处理工艺，包括以下步骤：(1)将工件在加热设备中以每分钟≤3℃的速度升温至820～960℃，恒温后出炉；(2)将出炉后的工件立即放入装有淬火液的池中；(3)工件温度≥200℃时，将工件转入保温箱自然冷却；(4)工件温度≥100℃时，将工件由保温箱转入回火炉，以每分钟≤3℃的速度升温至200～460℃，出炉后在空气中冷却至室温。本发明简单、清洁、低成本、高质量，能充分应用水和碳这两种最有效、最廉价的耐磨材料生产元素。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属耐磨材料的热处理工艺，尤其是一种高中碳合金钢的双介质淬火热处理工艺。
背景技术
金属耐磨材料是工业生产中消耗量最大的金属材料。合金钢是水泥、矿山、电力、化工等行业应用最广泛的一种金属耐磨材料。例如，2011年1～8月水泥产量为13.2亿吨，火电厂用煤为10亿吨，水泥和火电厂用煤都必须经过耐磨材料研磨成粉，另外，铁、铜、金、铝、镍等各类矿山都必须先将矿石进行破碎再研磨成粉再选出精矿粉，每吨原矿的耐磨材料消耗都约为一公斤左右，十分惊人！而在耐磨材料的应用中，合金钢占绝大部分。
金属材料的大量消耗不仅极大的浪费了人类在地球上的有限资源，而且严重地影响工业生产的正常进行，增加成本、增加维修、减少设备运转率、增大劳动强度，浪费人力、物力。随着工业化生产的发展，设备日趋大型化，对耐磨材料的要求越来越迫切。因此，创造新型的耐磨材料是全世界材料科技工作者的愿望。
新型耐磨材料的发展主要有两个方面：一是新成份、新材质的研发，这是一个漫长而艰难的过程；二是新生产工艺的研发，这是指在类似的化学成份的前提下，通过不同的冶炼和热处理工艺，而获得更好的耐磨性能。耐磨材料质量的好坏的关键是热处理工艺，优异的热处理工艺是降低消耗，提高效率，节约能源，保护地球有限资源的最有效方法。金属耐磨材料的热处理方法主要有：空冷、风冷、油冷、水韧等四大类。
空冷：主要针对高合金化材质。通过高合金化改变材料机体组织、提高材料的淬透性能。缺点是资源浪费大、成本高，通常用于对耐磨程度要求极高，而冲击力不大的工况。
风冷：同样针对高合金化材质。通过强风冷却，在适当使用贵重金属材料的前提下，获得比较优良的耐磨性能。一般应用于对耐磨程度要求比较高的干法工况中。缺点是冷却速度不均匀，批量生产时产品硬度差别较大、资源消耗较大。
油冷：这是合金钢类耐磨材料通常应用的一种热处理方法，有比较快的冷却速度，工件各部位冷却速度均匀。在批量生产的过程中，产品质量稳定。缺点是冷却速度不够快，成本较高，对工作环境有污染，易着火，不安全。
水韧处理：仅限高锰钢这个钢种。通过水韧处理获得全部奥氏体组织，以期在应用过程中因遇到强烈冲击而转变为马氏体组织获得耐磨效果。
上述处理方法主要的缺点是：一百多年来的应用证明，除了颚式破碎机、圆锥破碎机等冲击力较大的工况之外，在大多数工况中，高锰钢无法得到有效的硬化，不能成为理想的耐磨材料。
有少数厂家采用水作为淬火介质，来局部处理含碳量在0.3％左右的低合金钢。由于耐磨程度的局限，仅限于生产挖掘机铲齿类产品，利用工况中的较强冲击，使本身一定数量的奥氏体转变为马氏体，绝大多数中等冲击以下的工况不适宜使用，因而未能被广泛推广。
以上所述的方法中，最主要的缺点是不能充分利用碳这个耐磨材料中最廉价最有效的元素，因而导致金属材料不能得到最有效的应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种高、中碳合金钢的双介质淬火热处理工艺，简单、清洁、低成本、高质量。
按照本发明提供的技术方案，所述高中碳合金钢包括以下组份，单位为质量百分数：C：0.4～2.6％；Cr：1.0～12.0％；Mo＜2.5％；Ni＜1.5％；Cu：0.2～1.0％；Mn：0.3～1.2％；Si：0.3～2.0％；V、Ti、Re＜0.1％，余量为Fe。
进一步，所述的高中碳合金钢，包括以下组份，单位为质量百分数：C：0.9～2.0％；Cr：8.0～12.0％；Mo＜1.5％；Ni＜1.0％；Cu：0.2～0.8％；Mn：0.4～1.0％；Si：0.3～1.5％；V、Ti、Re＜0.1％，余量为Fe。
更进一步，所述的高中碳合金钢，包括以下组份，单位为质量百分数：C：0.4～0.8％；Cr：2.0～6.0％；Mo＜1.0％；Ni＜0.5％；Cu：0.3～0.8％；Mn：0.5～0.8％；Si：0.3～1.0％；V、Ti、Re＜0.1％，余量为Fe。
本发明还保护一种高、中碳合金钢的双介质淬火热处理工艺，特征是，包括以下步骤：
(1)将铸态耐磨工件均匀地摆放在加热设备中，入炉温度为≤130℃，以每分钟≤3℃的升温速度升温至820～960℃，恒温1～12小时后出炉；
(2)将出炉后的工件立即放入装有淬火液的池中，工件在淬火液池中的停留时间为1～5min；
(3)在工件温度≥180℃的状态下，将工件转入保温箱自然冷却；所述的保温箱不是恒温箱，保温箱本身也没有热源，仅仅是将工件放在一个箱体内自然冷却而已，以此适当减小冷却速度；
(4)在工件温度≥100℃时，将工件由所述保温箱转入回火炉，以每分钟≤3℃的升温速度升温至200～460℃，恒温2～8小时后出炉，在空气中冷却至室温。
所述淬火液包括以下组份，单位为质量百分数：水：77～85％、工业硅酸钠：14～22％、工业氯化钠：0.5～1.5％。
本发明所述的高中碳合金钢的双介质淬火热处理工艺，简单、清洁、低成本、高质量，能充分应用水和碳这两种最有效、最廉价的耐磨材料生产元素。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明所述的双介质淬火热处理工艺前期由于水基淬火液具有冷却速度快、冷却均匀的特点，很容易获得细化晶粒的效果，耐磨件在相同合金量的前提下韧性值都会获得很大的提升。后期在马氏体转变温区处于保温箱内自然冷却，大大延长了马氏体的转变时间，有利于马氏体充分转变，在相同合金量的前提下，容易获得较高的淬火硬度。因此双介质淬火工艺，在相同化学成分的前提下，不仅能增加工件的耐磨性能，而且大大提高工件使用的可靠性。更为突出的是，双介质淬火热处理工艺能够有效地允许提高耐磨件的含碳量，从而能够利用最廉价、最微量的元素获得优秀的耐磨性能，达到节约能源、节约人类的有限资源的目的。降低成本，减少维修量，提高设备运转率。
本发明可用于各种高、中碳合金钢的淬火处理，高、中碳合金钢中的碳元素：可有效增加淬透性，并和一定的金属元素组合高硬度的碳化物，成为耐磨的基本要素。碳的增加能有效的增加耐磨材料的硬度，提高耐磨性能，且价格低廉，是耐磨材料第一要考虑的化学元素。铬：提高淬透性，并可以和碳组成碳化物，是耐磨的基本要素。钼：非常有效地提高材料淬透性，并非常有效的细化晶粒，提高耐磨件的强韧性。镍：能溶入基体，有效的强化基体、提高淬透性；但大量的增加会增加残余奥氏体，影响耐磨性能。铜：能细化晶粒，和钼结合能大幅度提高淬透性；和镍一样大幅度增加会增加残余奥氏体，影响耐磨性能。锰：强淬透性元素，但加入量较大会增加残余奥氏体，使晶粒粗大，严重影响耐磨性能。硅：在一定范围内会提高淬透性，并有效的提高基体强度。钒、钛、稀土：都是细化晶粒增加淬透性有效元素。铁：和碳形成基体，是材料的最基本成份。
本发明的淬、回火加热设备，可选用电阻炉、燃气炉、燃煤炉等各种加热均匀、升温速度可控的加热设备。
实施一：一种高中碳合金钢的双介质淬火热处理工艺，包括以下步骤：
(1)铸造工件：按组份比例：C：0.4～0.5％、Cr：3.5～4.5％、Mo：0.2～0.3％、Ni：0.2～0.25％、Cu：0.2～0.25％、Mn：0.3～0.6％、Si：1.5～2.0％、V、Ti、Re＜0.1％，余量为Fe，进行冶炼，冶炼在2吨中频炉里进行，出钢温度大于1600℃，浇铸温度为1550℃左右，型腔为水玻璃砂制成；
(2)将步骤(1)浇铸得到的工件均匀地摆放在台车式电阻炉中，入炉温度小于130℃，以每分钟3℃的升温速度升温至940℃，恒温3.5小时后出炉；
(3)将出炉后的工件立即放入装有淬火液的池中，工件在淬火液池中的停留时间为1min，出池温度为220℃；所述淬火液包括以下组份，单位为质量百分数：水：77％、工业硅酸钠：22％、工业氯化钠：1％；
(4)将工件转入保温箱自然冷却；
(5)工件温度150℃时，将工件由保温箱转入回火炉，以每分钟3℃的升温速度升温至260℃，恒温5小时后出炉，在空气中冷却至室温。工件的机械性能为：≥HRc52；冲击吸收能：140J。
实施二：一种高中碳合金钢的双介质淬火热处理工艺，包括以下步骤：
(1)铸造工件：按组份比例：C：2.0～2.5％、Cr：10.0～12.0％、Mo：0.6～1.0％、Ni：0.2～0.25％、Cu：0.2～0.25％、Mn：0.3～0.6％、Si：0.3～0.8％、V、Ti、Re＜0.1％，余量为Fe，进行冶炼，冶炼在2吨中频炉里进行，出钢温度大于1550℃，浇铸温度为1420℃左右，型腔为水玻璃砂制成；
(2)将步骤(1)浇铸得到的工件均匀地摆放在台车式电阻炉中，入炉温度为小于130℃，以每分钟2.5℃的升温速度升温至980℃，恒温3小时后出炉；
(3)将出炉后的工件立即放入装有淬火液的池中，工件在淬火液池中的停留时间为2min，出池温度为210℃；所述淬火液包括以下组份，单位为质量百分数：水：85％、工业硅酸钠：14％、工业氯化钠：1％；
(4)将工件转入保温箱自然冷却；
(5)工件温度130℃时，将工件由保温箱转入回火炉，以每分钟2.5℃的升温速度升温至280℃，恒温6小时后出炉，在空气中冷却至室温。工件的机械性能：≥HRc56；冲击吸收能：6J。
实施三：一种高中碳合金钢的双介质淬火热处理工艺，包括以下步骤：
(1)铸造工件：按组份比例：C：0.8～1.2％、Cr：10.0～12.0％、Mo：0.8～1.0％、Ni：0.4～0.6％、Cu：0.3～0.5％、Mn：0.3～0.6％、Si：0.3～0.8％、V、Ti、Re＜0.1％，余量为Fe，进行冶炼，冶炼在2吨中频炉里进行，出钢温度大于1600℃，浇铸温度为1520℃左右，型腔为水玻璃砂制成；
(2)将步骤(1)浇铸得到的工件均匀地摆放在台车式电阻炉中，入炉温度小于130℃，以每分钟2℃的升温速度升温至960℃，恒温4.5小时后出炉；
(3)将出炉后的工件立即放入装有淬火液的池中，工件在淬火液池中的停留时间为3min，出池温度为200℃；所述淬火液包括以下组份，单位为质量百分数：水：78％、工业硅酸钠：21％、工业氯化钠：1％；
(4)将工件转入保温箱自然冷却；
(5)工件温度120℃时，将工件由保温箱转入回火炉，以每分钟2℃的升温速度升温至280℃，恒温6小时后出炉，在空气中冷却至室温。工件的机械性能：≥HRc55；冲击吸收能：35J。
实施四：一种高中碳合金钢的双介质淬火热处理工艺，包括以下步骤：
(1)铸造工件：按组份比例：C：0.4～0.6％、Cr：2.0～3.0％、Mo：0.3～0.5％、Ni：0.2～0.3％、Cu：0.3～0.5％、Mn：0.5～0.8％、Si：0.8～1.0％、V、Ti、Re＜0.1％，余量为Fe，进行冶炼，冶炼在2吨中频炉里进行，出钢温度大于1600℃，浇铸温度为1520℃左右，型腔为水玻璃砂制成；
(2)将步骤(1)浇铸得到的工件均匀地摆放在台车式电阻炉中，入炉温度为130℃，以每分钟2.8℃的升温速度升温至940℃，恒温4小时后出炉；
(3)将出炉后的工件立即放入装有淬火液的池中，工件在淬火液池中的停留时间为4min，出池温度为220℃；所述淬火液包括以下组份，单位为质量百分数：水：80％、工业硅酸钠：19.5％、工业氯化钠：0.5％；
(4)将工件转入保温箱自然冷却；
(5)工件温度120℃时，将工件由保温箱转入回火炉，以每分钟3℃的升温速度升温至260℃，恒温6小时后出炉，在空气中冷却至室温。工件的机械性能：HRc55左右；冲击吸收能：80J。
Claims (3)
1.一种高中碳合金钢的双介质淬火热处理工艺，所述高中碳合金钢包括以下组份，单位为质量百分数：C：0.4~2.6%；Cr：1.0~12.0%；Mo<2.5%；Ni<1.5%；Cu：0.2~1.0%；Mn：0.3~1.2%；Si：0.3~2.0%；V、Ti、RE＜0.1%，余量为Fe；其特征是，包括以下步骤：
（1）将铸态耐磨工件均匀地摆放在加热设备中，入炉温度为≤130℃，以每分钟≤3℃的升温速度升温至820~960℃，恒温1~12小时后出炉；
（2）将出炉后的工件立即放入装有淬火液的池中，工件在淬火液池中的停留时间为1~5min；
（3）在工件温度≥180℃的状态下，将工件转入保温箱自然冷却；
（4）在150℃≥工件温度≥100℃时，将工件由保温箱转入回火炉，以每分钟≤3℃的升温速度升温至200~460℃，恒温2~8小时后出炉，在空气中冷却至室温;
所述淬火液包括以下组份，单位为质量百分数：水：77~85%、工业硅酸钠：14~22%、工业氯化钠：0.5~1.5%。
2.如权利要求1所述高中碳合金钢的双介质淬火热处理工艺，其特征是，所述高中碳合金钢包括以下组份，单位为质量百分数：C：0.9~2.0%；Cr：8.0~12.0%；Mo<1.5%；Ni<1.0%；Cu：0.2~0.8%；Mn：0.4~1.0%；Si：0.3~1.5%；V、Ti、RE＜0.1%，余量为Fe。
3.如权利要求1所述高中碳合金钢的双介质淬火热处理工艺，其特征是，所述高中碳合金钢包括以下组份，单位为质量百分数：C：0.4~0.8%；Cr：2.0~6.0%；Mo<1.0%；Ni<0.5%；Cu：0.3~0.8%；Mn：0.5~0.8%；Si：0.3~1.0%；V、Ti、RE＜0.1%，余量为Fe。
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