CN103397148A - 制定水-空交替控时淬火冷却工艺的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种制定水-空交替控时淬火冷却工艺的方法，包括：第一步、根据合金钢件性能检测部位和具体的性能要求，预测获得要求性能部位的组织构成；第二步、结合材料的过冷奥氏体等温冷却转变曲线或过冷奥氏体连续冷却转变曲线得到获得该组织的达到某一温度的最长冷却时间或最小冷却速率；第三步、将合金钢件沿截面从表面到中心划分为控制冷却速度区域和缓速降温区域；第四步、确定控制冷却速度区域水-空交替的次数和每次水冷时间与空冷时间；第五步、确定缓速降温区域水-空交替的次数和每次水冷时间与空冷时间。本发明的方法实现了合金钢件在避免开裂的前提下获得要求的性能或组织，适用于各种成分合金钢件的淬火冷却处理。

Description

制定水-空交替控时淬火冷却工艺的方法
技术领域
本发明涉及一种对合金钢进行淬火冷却的工艺，具体地，涉及一种制定水-空交替控时淬火冷却工艺的方法。
背景技术
淬火回火是一种传统的工艺，它将合金钢件加热到奥氏体区，然后淬火冷却至室温以获得马氏体组织，随后在合适的温度进行回火以获得回火马氏体体组织。对于合金钢淬火一般采用油作为淬火介质，目的是避免开裂，存在的问题是油淬的力学性能远低于水淬,同时油淬存在油烟污染和发生火灾的危险。因此，合金钢件水淬是未来的发展方向，水淬工艺推广的前提是解决水淬开裂的问题。
经对现有技术文献检索发现，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.金属热处理，2009，34(3):37-42文章提出水-空交替控时淬火冷却工艺。具体方法是将淬火冷却分三个阶段进行：第一阶段为预冷阶段，第二阶段为水-空交替淬火冷却阶段，第三阶段为自然空冷阶段；在预冷阶段，合金钢件采取空冷的方式进行缓慢冷却，直到合金钢件表面冷却到A1以上或以下的某一温度区间，其结果是减少了合金钢件的热容量，加速了第二阶段的冷却效果；在水-空交替淬火冷却阶段，采用快冷（水冷）与慢冷（空冷）交替的方式进行，合金钢件在第一次水淬过程中，合金钢件表层快冷到Ms点以下某一温度并保持一定时间后，在表层获得部分马氏体；合金钢件在第一次空冷过程中，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，直到合金钢件某一部位的温度或组织达到要求；完成第二阶段淬火冷却后，将合金钢件放置在空气中进行自然冷却，直到合金钢件的心部温度低于某一值后进行回火。该文献技术对于避免合金钢件开裂有明显效果，但是具体制定第二阶段水-空交替淬火冷却工艺的方法没有进行详细的描述，而这一阶段的工艺制定是淬火对象获得要求性能和避免开裂的关键。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种制定水-空交替控时淬火冷却工艺的方法，该方法实现在避免开裂的前提下提高合金钢件的强度和韧性的目的。
为实现以上目的，本发明提供一种制定水-空交替控时淬火冷却工艺的方法，具体步骤如下：
第一步、根据合金钢件性能检测部位和具体的性能要求，预测获得要求性能部位的组织构成；
第二步、结合合金钢件材料的过冷奥氏体等温冷却转变曲线（TTT曲线）或过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT）得到获得该组织的达到某一温度的最长冷却时间或最小冷却速率；
第三步、将合金钢件沿截面从表面到中心划分为控制冷却速度区域和缓速降温区域，即：从合金钢件表面到要求性能部位为控制冷却速度区域，由要求性能部位到心部为缓速降温区域；控制冷却速度区域冷却的目的是通过控制冷却速度获得预期的组织进而满足力学性能要求，缓速降温区域冷却的目的是通过缓慢冷却避免控制冷却速度区域已经转变的马氏体或贝氏体组织因温度回升过高而发生过回火；
优选地，此步骤中，对于有些材料也可以将合金钢件沿截面从表面到中心全部划分为控制冷却速度一个区域。例如：对于718塑料模具钢，要求沿整个截面获得马氏体和贝氏体组织，这就需要将其沿截面从表面到中心全部划分为控制冷却速度一个区域。
第四步、确定控制冷却速度区域水-空交替的次数和每次具体的水冷时间和空冷时间，具体方法如下：
（1）将快冷区域划分为多个等距离层或多个不等距离层，例如F1层（表层）、F2层（内层1）、F3层（内层2）、……、Fn层（要求性能的部位）；
（2）依据合金钢件材料的过冷奥氏体等温冷却转变曲线（TTT曲线）或过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT）和表面换热系数等参数对合金钢件在冷却过程的温度场、组织场和应力/应变场进行数值模拟，通过模拟确定在F1、F2、F3、……、Fn各层水冷时间和空冷时间；
（3）各层水冷时间和空冷时间确定原则是：①F1、F2、F3、……、Fn的各层水冷时间和空冷时间总和应小于或等于获得预期组织的最长冷却时间；②具体各层的水冷时间是根据对热应力和组织应力数值模拟情况，确定在应力远小于破断抗力情况下的水冷时间；③各层的空冷时间的确定是根据数值模拟结果，分析该空冷过程中该层到表层的温度回升情况，以不超过回火温度为原则；
（4）反复对上述（1）、（2）和（3）的各层水冷时间和空冷时间优化，最终确定制定控制冷却速度区域水-空交替的次数和每次具体的水冷时间和空冷时间；
第五步、确定缓速降温区域水-空交替的次数和每次具体的水冷时间和空冷时间，具体方法如下：
（1）将缓速降温区域划分为多个等距离层或多个不等距离层，例如S1层（与要求性能的部位层相邻的内层1）、S2层（内层2）、S3层（内层3）、……、Sn层（心部）；
（2）依据表面换热系数等参数对合金钢件在冷却过程的温度场进行数值模拟，通过模拟确定在S1、S2、S3、……、Sn各层空冷时间，各层空冷时间的原则是使控制冷却速度区域的温度低于合金钢件的回火温度；
（3）依据界面换热系数等参数对合金钢件在冷却过程的温度场进行数值模拟，通过模拟确定在S1、S2、S3、……、Sn各层水冷时间，各层水冷时间的原则是使控制冷却速度区域的温度低于合金钢件材料的马氏体转变开始温度（Ms点）或贝氏体转变开始温度（Bs点）；
（4）结束工艺时间的节点是心部温度低于回火温度或Bs点；
（5）反复对上述（1）、（2）和（3）的时间优化，最终确定缓速降温区域水-空交替的次数和每次具体的水冷时间和空冷时间。
优选地，本发明采用的介质为水和空气，还包括采用其它任何两种冷却能力差异大的介质，例如：盐水与空气、水与氮气、各类水溶性介质(含聚合物类介质)与空气。
更优选地，本发明采用的介质之一为水，冷却方式可以是浸水、喷水或喷雾。
更优选地，本发明采用的介质之一为空气，冷却方式可以是雾冷、风冷或空冷。
本发明淬火冷却的合金钢件为各类机械结构件、锻件或轧件，其材料为各种成分的合金钢。所述工艺适合合金钢件的淬火冷却处理。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供一种制定水-空交替控时淬火冷却工艺的方法的应用，实现了合金钢件在避免开裂的前提下获得要求的强度和韧性的目标，适用于各种成分合金钢件的淬火冷却处理。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
采用本发明所述的一种制定水-空交替控时淬火冷却工艺的方法处理材料为中碳合金钢的Ф200mm的长轴，要求淬火后表面到中心一半的位置(距离表面50mm的位置)处获得的组织为50%的马氏体与贝氏体和50%的珠光体与铁素体；水-空交替控时淬火冷却工艺采用的介质为水和空气，具体步骤包括：
第一步、确定性能检测部位和对检测部位组织要求；
第二步、结合中碳合金钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT），要实现在Ф200mm长轴截面距离表面50mm的位置获得预期组织，应在450S内将自表面到距离表面50mm位置的区域冷却到400℃以下；
第三步、将合金钢件沿截面从表面到中心划分为控制冷却速度区域和缓速降温区域：从合金钢件表面到距离表面50mm的位置划分为控制冷却速度区域；由距离表面50mm的位置到心部划分为缓速降温区域；
第四步、确定控制冷却速度区域水-空交替的次数和每次具体的水冷时间和空冷时间，具体方法如下：
（1）将控制冷却速度区域划分为3个等距离层，即F1层、F2层、F3层；
（2）依据合金钢件过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT）和表面换热系数等参数对中碳合金钢件在冷却过程的温度场、组织场和应力/应变场进行数值模拟，通过模拟确定在F1层、F2层、F3层的水冷时间和空冷时间；
（3）各层水冷时间和空冷时间确定原则是：①F1、F2与F3层的水冷时间和空冷时间总和小于或等于450s；②根据对热应力和组织应力数值模拟情况，确定在应力远小于破断抗力情况下F1层的水冷时间为60s、F2层的水冷时间为75s、F3层的水冷时间为75s；③根据数值模拟结果，分析各层空冷过程中该层到表层的温度回升情况，以不超过回火温度为原则，F1层的空冷时间为140s、F2层的空冷时间为100s、F3层的空冷时间为100s；
具体控制冷却速度区域的水-空交替冷却工艺见下表：
Figure BDA00003594529200041
Figure BDA00003594529200051
第五步、确定缓速降温区域水-空交替的次数和每次具体的水冷时间和空冷时间，具体方法如下：
（1）将缓速降温区域划分为2个等距离层，S1层、S2层；
（2）依据表面换热系数等参数对合金钢件在冷却过程的温度场进行数值模拟，通过模拟确定在S1与S2空冷时间，各层空冷时间的原则是使快速冷却层的温度低于合金钢件材料的回火温度；
（3）依据表面换热系数等参数对中碳合金钢件在冷却过程的温度场进行数值模拟，通过模拟确定在S1与S2层的水冷时间，各层水冷时间的原则是使快速冷却层的温度低于合金钢件材料的Ms点或Bs点；
（4）结束工艺时间的节点是心部温度低于回火温度或Bs点；
（5）反复对上述（1）、（2）和（3）的空冷时间优化，最终确定缓速降温区域水-空交替的次数和每次具体的水冷时间和空冷时间；
具体缓速降温区域的水-空交替冷却工艺见下表：
Figure BDA00003594529200052
本发明工艺的应用实现了合金钢件在避免开裂的前提下获得预期组织。
实施例2
采用本发明所述的一种制定水-空交替控时淬火冷却工艺的方法处理厚度为300mm的718塑料模具钢，要求淬火后表面到中心的组织为贝氏体和少量的残余奥氏体；水-空交替控时淬火冷却工艺采用的介质为水和空气，具体步骤如下：
第一步、依据718钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT）估测，在2600S内将整个截面（表面到心部）的温度降低到冷却到600℃以下，即可获得要求的组织；
第二步、由于要求淬火后表面到中心的组织均为贝氏体和少量的残余奥氏体，所以将718塑料模具钢沿截面从表面到中心划分为控制冷却速度区域；
第三步、确定控制冷却速度区域水-空交替的次数和每次具体的水冷时间和空冷时间，具体方法如下：
（1）将快冷区域划分为5个等距离层，即F1-F5层，每层间距30mm；
（2）依据718塑料模具钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT）和表面换热系数等参数对718塑料模具钢在冷却过程的温度场、组织场和应力/应变场进行数值模拟，通过模拟确定在F1-F5层的水冷时间和空冷时间；
（3）各层水冷时间和空冷时间确定原则是：①F1-F5层的水冷时间和空冷时间总和小于或等于2600s；②根据对热应力和组织应力数值模拟情况，确定在应力远小于破断抗力情况下各层的水冷时间为twF1=20s、twF2=20s、twF3=20s、twF4=20s、twF5=20s；③根据数值模拟结果，分析各层空冷过程中该层到表层的温度回升情况，以不超过回火温度为原则的情况下各层的空冷时间为taF1=400s、taF2=400s、taF3=500s、taF4=600s、taF5=600s；
具体控制冷却速度区域的水-空交替冷却工艺见下表：
按照此工艺淬火冷却后沿截面获得贝氏体和少量的残余奥氏体，并且无开裂产生。
实施例3
采用本发明所述的一种制定水-空交替控时淬火冷却工艺的方法处理H13芯棒，要求经处理后距表面1/2R（R为轴的半径）处的力学性能高于规定值，淬火介质采用聚合物类水溶性介质和空气。
按照实施例1的方法制定出水-空交替控时淬火冷却工艺。
按此工艺处理后产品性能符合要求，并无裂纹产生。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种制定水-空交替控时淬火冷却工艺的方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步、根据合金钢件性能检测部位和具体的性能要求，预测获得要求性能部位的组织构成；
第二步、结合合金钢件材料的过冷奥氏体等温冷却转变曲线或过冷奥氏体连续冷却转变曲线得到获得该组织的达到某一温度的最长冷却时间或最小冷却速率；
第三步、将合金钢件沿截面从表面到中心划分为控制冷却速度区域和缓速降温区域，即：从合金钢件表面到要求性能部位为控制冷却速度区域，由要求性能部位到心部为缓速降温区域；控制冷却速度区域冷却的目的是通过控制冷却速度获得预期的组织进而满足力学性能要求，缓速降温区域冷却的目的是通过缓慢冷却避免控制冷却速度区域已经转变的马氏体或贝氏体组织因温度回升过高而发生过回火；
第四步、确定控制冷却速度区域水-空交替的次数和每次具体的水冷时间和空冷时间；
第五步、确定缓速降温区域水-空交替的次数和每次具体的水冷时间和空冷时间。
2.根据权利要求1所述的一种制定水-空交替控时淬火冷却工艺的方法，其特征在于，第三步中，将合金钢件沿截面从表面到中心全部划分为控制冷却速度一个区域。
3.根据权利要求1所述的一种制定水-空交替控时淬火冷却工艺的方法，其特征在于，第四步中，具体方法如下：
（1）将快冷区域划分为多个等距离层或多个不等距离层；
（2）依据合金钢件材料的过冷奥氏体等温冷却转变曲线或过冷奥氏体连续冷却转变曲线和表面换热系数对合金钢件在冷却过程的温度场、组织场和应力/应变场进行数值模拟，通过模拟确定各层的水冷时间和空冷时间；
（3）各层水冷时间和空冷时间确定原则是：①各层水冷时间和空冷时间总和应小于或等于获得预期组织的最长冷却时间；②具体各层的水冷时间是根据对热应力和组织应力数值模拟情况，确定在应力远小于破断抗力情况下的水冷时间；③各层的空冷时间的确定是根据数值模拟结果，分析该空冷过程中该层到表层的温度回升情况，以不超过回火温度为原则；
（4）反复对上述（1）、（2）和（3）的各层水冷时间和空冷时间优化，最终确定控制冷却速度区域水-空交替的次数和每次具体的水冷时间和空冷时间。
4.根据权利要求1所述的一种制定水-空交替控时淬火冷却工艺的方法，其特征在于，第五步中，具体方法如下：
（1）将缓速降温区域划分为多个等距离层或多个不等距离层；
（2）依据表面换热系数对合金钢件在冷却过程的温度场进行数值模拟，通过模拟确定各层空冷时间，各层空冷时间的原则是使控制冷却速度区域的温度低于合金钢件的回火温度；
（3）依据界面换热系数对合金钢件在冷却过程的温度场进行数值模拟，通过模拟确定各层水冷时间，各层水冷时间的原则是使控制冷却速度区域的温度低于合金钢件材料的Ms点或Bs点；
（4）结束工艺时间的节点是心部温度低于回火温度或Bs点；
（5）反复对上述（1）、（2）和（3）的时间优化，最终确定缓速降温区域水-空交替的次数和每次具体的水冷时间和空冷时间。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种制定水-空交替控时淬火冷却工艺的方法，其特征在于，所述水-空交替控时淬火冷却工艺采用的介质为水和空气，以及各类水溶性介质与空气。
6.根据权利要求5所述的一种制定水-空交替控时淬火冷却工艺的方法，其特征在于，所述介质为盐水与空气，或水与氮气。
7.根据权利要求5所述的一种制定水-空交替控时淬火冷却工艺的方法，其特征在于，所述水-空交替控时淬火冷却工艺水的冷却方式是浸水、喷水或喷雾，空气的冷却方式是雾冷、风冷或空冷。
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