CN103484605B - 防止轴类合金钢件水淬端面开裂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种防止轴类合金钢件水淬端面开裂的方法，方法如下：（1）提高除端面外圆区域之外的端面的冷却速率，缩小端面外圆区域以外表面与端面外圆区域之间的温差，降低其交界处的拉应力；（2）降低端面外圆区域处的冷却速率，缩小其与端面外圆区域以外表面的温差，降低端面外圆区域与端面外圆区域以外表面交界处的拉应力；（3）在水-空交替淬火冷却工艺中，通过延长最初几次水淬后的空冷时间增加端面外圆区域自回火程度，降低已经发生马氏体转变的端面外圆区域马氏体中碳的过饱和度，提高端面外圆区域与端面外圆区域以外表面交界处的抵抗开裂的能力。

Description

防止轴类合金钢件水淬端面开裂的方法

技术领域

本发明涉及热处理的淬火冷却领域，具体地，涉及的是一种防止轴类合金钢件水淬端面开裂的方法。

背景技术

淬火冷却是指将奥氏体组织状态的钢以适当速度冷却，获得预期组织与性能的过程。钢在淬火冷却过程中除了组织和性能发生变化外，还伴随着产生开裂和畸变。淬火开裂将造成淬火件报废，因此，人们采取各种方法避免淬火开裂的产生。

淬火件，特别是轴类合金钢件淬火冷却，在淬火冷却过程中裂纹多出现在轴端面，位置在接近外圆处（以下将该位置简称为：端面外圆区域），裂纹通常为环状或一段、几段弧形裂纹。端面外圆区域散热条件好于该端面的其它部位，组织转变量也多于该端面的其它部位，造成该区域与该端面其它部位的塑性、破断抗力、组织应力和热应力均有显著差异，这也是这两个区域交界处易于开裂的主要原因。

经对现有技术文献检索发现，专利200710037031.4《改变喷射角度防止淬火件的端面喷液淬火开裂的方法》，发明了一种改变喷射角度防止淬火件的端面喷液淬火开裂的方法，该方法将淬火件放置在布置有水管的淬火设备的之中，淬火件由侧面和端面组成，侧面为需要快速冷却的面，端面为不需要快速冷却的面。淬火件的侧面与水管平行，淬火件的端面与水管垂直。淬火介质流经水管，由与水管呈a角度(a介于0°～90°之间)的喷管喷向淬火件的侧面，使淬火件的侧面得到很好的冷却。由于淬火件的端面与水管垂直，喷管喷出的淬火介质与淬火件的端面呈90°-a角度，这样喷管喷出的淬火介质就未能直接喷到淬火件的端面，结果是淬火件的端面的冷却速度较低，避免了开裂的发生。但是，实际应用情况是，该发明的采用的喷水方法未能直接喷到轴的端面，轴的端面外圆区域与该端面其它部位交界处的应力过大而引起开裂的问题没有得到解决。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种防止轴类合金钢件水淬端面开裂的方法,采用该方法可以实现轴类合金钢件在水淬和水－空交替淬火冷却中避免开裂的前提下获得要求的强度和韧性的目的。

为实现以上目的，本发明提供一种防止轴类合金钢件水淬端面开裂的方法，所述方法包括：

（1）提高除端面外圆区域之外的端面的冷却速率，缩小端面外圆区域以外表面与端面外圆区域之间的温差，降低其交界处的拉应力；

（2）降低端面外圆区域处的冷却速率，缩小其与端面外圆区域以外表面的温差，降低端面外圆区域与端面外圆区域以外表面交界处的拉应力；

（3）在水-空交替淬火冷却工艺中，通过延长最初几次水淬后的空冷时间增加端面外圆区域自回火程度，降低已经发生马氏体转变的端面外圆区域马氏体中的碳的过饱和度，提高端面外圆区域与端面外圆区域以外表面交界处的抵抗开裂的能力。

以上的3个措施可以同时使用，可以任意2个组合使用，也可以单独使用。

以上的3个措施中的措施1和措施2均是以缩小端面外圆区域以外表面与端面外圆区域之间的温差为目标，降低端面外圆区域以外表面与端面外圆区域交界处的拉应力。具体的方式是：在措施1中，尽量提高除端面外圆区域之外的端面的冷却速率，使其冷却速率接近或等于端面外圆区域的冷却速率；在措施2中，尽量降低端面外圆区域的冷却速率，使其冷却速率接近或等于除端面外圆区域之外的端面的冷却速率。其原理是端面外圆区域以外表面降温到接近Ms点或Bs点的温度，因其体积收缩造成其与交界处处于拉应力状态，在该温度下该交界处已经处于非塑性状态，加之与之相邻的端面外圆区域已经形成了一个由马氏体或贝氏体组成的强度高和韧性差的硬壳；因此，由于端面外圆区域以外表面体积收缩，在端面外圆区域以外表面与端面外圆区域之间出现裂纹的可能性增加，严重的会出现淬火裂纹。

采用措施1，提高除端面外圆区域之外的端面的冷却速率，可以使该区域在端面外圆区域发生马氏体或贝氏体相变（体积膨胀）的同时，除端面外圆区域之外的端面的也降温到Ms点或Bs点以下的温度（发生部分马氏体或贝氏体相变（体积膨胀）），这样就可以有效避免开裂的产生；

采用措施2，降低端面外圆区域处的冷却速率，目的也是在端面外圆区域发生马氏体或贝氏体相变同时，除端面外圆区域之外的端面也能发生部分马氏体或贝氏体相变，从而减小二者之间涨缩不同步产生的拉应力。

缩小端面外圆区域与端面外圆区域以外表面的温差的具体数据因材料不同和尺寸不同而不同，但是通常情况下是缩小端面外圆区域与端面外圆区域以外表面在600-300℃温度区间的温差，这个温差越小淬火开裂倾向越小。

以上的3个措施中的措施3的实施是在保证满足在随后的冷却中端面外圆区域以外表面及其内层仍能获得要求组织和性能的前提下，尽量延长最初几次水淬后的空冷时间，具体时间也是根据材料不同和尺寸不同而不同。

优选地，通过下述方法联合使用以提高实际效果：

（1）加大轴件端面的倒角尺寸，降低端面外圆区域与端面外圆区域以外表面之间的应力。在一般情况下应控制倒角尺寸≥10*45°；

（2）降低端面的表面粗糙度，避免存在明显的机械加工刀痕，减少应力集中源。一般端面的表面粗糙度(Ra)数值控制在12.5以下。

优选地，所述水淬既包含热处理中的常规水淬，也包含各类水溶性介质淬火、双液淬火如：水淬＋油冷、水淬＋水溶性介质冷却或水－空交替淬火冷却的淬火冷却工艺方法。

优选地，所述水淬，也可以是浸水、喷水或喷雾。

优选地，所述轴类合金钢件，包含光轴、阶梯轴、带孔轴。

优选地，所述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；所述方法适合合金钢件的淬火冷却处理。

本发明所描述的端面外圆区域是指轴端面与轴外圆交界区域，位置在端面。

轴类合金钢件端面外圆区域产生淬火裂纹的机理，以及淬火冷却过程轴端面的冷却过程及应力变化如下：

（1）对于轴类合金钢件，端面外圆区域处于两面散热，降温速率远大于端面的其它部位。在奥氏体化后的初始冷却阶段，由于端面外圆区域冷却速率快于端面的其它部位，处于收缩状态的端面外圆区域承受拉应力。此时，由于端面外圆区域的温度远高于马氏体开始转变温度（简称：Ms点）或贝氏体开始转变温度（简称：Bs点），整个端面处于塑性状态，因此在该阶段出现裂纹可能性较小。

（2）在端面外圆区域温度降温到Ms点或Bs点以下后，端面外圆区域以相变应力为主，处于体积膨胀状态，承受压应力；端面外圆区域之外的端面温度高于Ms点或Bs点处于收缩状态承受拉应力。此时，由于表面和内层温度仍较高，尚处于塑性状态，出现裂纹可能性也较小。

（3）继续降温，端面外圆区域之外的端面降温到接近Ms点或Bs点的温度，该位置因体积收缩处于拉应力状态，并处于非塑性状态，加之与之相邻的端面外圆区域已经形成了一个由马氏体或贝氏体组成的强度高和韧性差的硬壳，因此，在端面外圆区域和端面外圆区域之外的端面之外的端面之间出现裂纹的可能性增加，淬火裂纹一般出现在该阶段。

（4）随着温度进一步下降，端面外圆区域之外的端面降温到Ms点或Bs点以下，发生马氏体或贝氏体相变，体积发生膨胀，造成在端面外圆区域和端面外圆区域之外的端面交界处的拉应力下降，减小了裂纹产生的几率。

在上述步骤中，步骤（3）是产生裂纹的主要环节，在这个环节中只要采取相应的措施，就能够避免开裂或降低开裂的程度。而在步骤3之前采取本发明提出的防止轴类合金钢件水淬端面开裂的方法将十分有效减小裂纹产生的几率。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明所述的一种防止轴类合金钢件水淬端面开裂的方法，采用该方法可以实现轴类合金钢件在水淬和水－空交替淬火冷却中避免开裂的前提下获得要求的强度和韧性的目的。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为单根轴类件端面喷水装置示意图。

图2为二根轴类件端面喷水装置示意图。

图中：1为喷水箱、2为喷水孔板、3为喷出的水、4为轴类件端面。

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

处理材料为中碳合金钢，轴的尺寸为Ф200*4500（长）（mm），要求淬火后半径1/2处的力学性能高于要求。

工艺：水-空交替控时淬火冷却，介质为水和空气。

为避免端面外圆区域在淬火冷却过程中产生开裂，采用本发明所述的防止轴类合金钢件水淬端面开裂的方法之一，即：提高除端面外圆区域之外的端面的冷却速率，缩小端面外圆区域以外表面与端面外圆区域之间的温差，降低其交界处的拉应力。

具体方法是在执行水-空交替控时淬火冷却工艺过程中，在浸水冷却过程中加大对除端面外圆区域之外端面的冷却强度，如采用端面喷水装置（见图1和图2），在浸液淬火之前对该端面进行0.5-5分钟的喷水冷却后停止，然后对整个轴实施浸液淬火；也可采用端面喷水装置（见图1和图2），在浸液淬火过程中对该端面进行全过程的喷水冷却。

端面喷水装置结构如图1和2所示，所述装置包括：喷水箱1、喷水孔板2、喷出的水3和轴类件端面4，各部件的位置和联接方式为：喷水孔板2安装在喷水箱1上，喷水箱1和喷水孔板2设置在两个轴类件端面4的对面，实现喷水孔板2的喷出的水3垂直喷到轴类件端面4上。淬火冷却时，首先，喷水箱1内充满水，通过喷水孔板2喷出，沿着喷出的水3的方向垂直喷到轴类件端面4上。采用上述的装置可以实现对轴类合金钢件的端面进行强烈喷水冷却，解决因轴类件端面的边缘区域与其它区域冷却条件差异大而造成其组织应力和热应力有显著差异的问题。

采取本发明所述方法可以有效避免端面开裂。

实施例2

处理材料为中碳合金钢，轴的尺寸为Ф200*4500（长）（mm），要求淬火后半径1/2处的力学性能高于要求。

工艺：一次浸液淬火冷却。淬火介质为：聚合物类水溶性淬火介质

为避免端面外圆区域在淬火冷却过程中产生开裂，采用本发明所述的防止轴类合金钢件水淬端面开裂的方法之一，即：降低端面外圆区域处的冷却速率，缩小其与端面外圆区域以外表面的温差，降低端面外圆区域与端面外圆区域以外表面交界处的拉应力。

具体方法是在端面外圆区域采取包覆措施，包覆物形状为仿形的圆环将端面和外圆相交的角区域包覆，包覆物材料为低碳钢或可以降低冷却速率的涂料。通过对端面外圆区域的包覆实现了降低边、角冷却速率的目的。采取本发明所述方法可以有效避免端面开裂。

实施例3

处理材料为中碳合金钢，轴的尺寸为Ф200*4500（长）（mm），要求淬火后半径1/2处的力学性能高于要求。

工艺：水-空交替控时淬火冷却，介质为水和空气。

为避免端面外圆区域在淬火冷却过程中产生开裂，采用本发明所述的防止轴类合金钢件水淬端面开裂的方法之一，即：通过淬火冷却工艺设置，增加自回火时间，降低已经发生马氏体转变的端面外圆区域马氏体中碳的过饱和度，提高端面外圆区域抵抗开裂的能力。

具体方法是适当延长水-空交替控时淬火冷却中最初几次水冷后的空冷时间，使得端面外圆区域已经发生马氏体转变部位温度回升，马氏体中碳的过饱和度下降，组织的韧性提高和应力得到释放，从而有效避免了端面外圆区域开裂的产生。

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 (6)

1.一种防止轴类合金钢件水淬端面开裂的方法，其特征在于，所述方法采用如下(1)-(2)中的一种单独使用或多种组合使用：

(1)提高除端面外圆区域之外的端面的冷却速率，缩小端面外圆区域以外表面与端面外圆区域之间的温差，降低其交界处的拉应力；

在浸水冷却过程中加大对除端面外圆区域之外端面的冷却强度，采用端面喷水装置，在浸液淬火之前对该端面进行0.5-5分钟的喷水冷却后停止，然后对整个轴实施浸液淬火；或者采用端面喷水装置，在浸液淬火过程中对该端面进行全过程的喷水冷却；

(2)降低端面外圆区域处的冷却速率，缩小其与端面外圆区域以外表面的温差，降低端面外圆区域与端面外圆区域以外表面交界处的拉应力；

在端面外圆区域采取包覆措施，包覆物形状为仿形的圆环将端面和外圆相交的角区域包覆，包覆物材料为低碳钢或可以降低冷却速率的涂料，通过对端面外圆区域的包覆实现了降低边、角冷却速率的目的；

所述端面外圆区域是指轴端面与轴外圆交界区域，位置在端面。

2.根据权利要求1所述一种防止轴类合金钢件水淬端面开裂的方法，其特征在于，通过下述方法联合使用提高实际效果：

(1)加大轴件端面的倒角尺寸，降低端面外圆区域与端面外圆区域以外表面之间的应力，即控制倒角尺寸≥10*45°；

(2)降低端面的表面粗糙度，避免存在明显的机械加工刀痕，减少应力集中源，即端面的表面粗糙度Ra数值控制在12.5以下。

3.根据权利要求1所述一种防止轴类合金钢件水淬端面开裂的方法，其特征在于，所述水淬包含热处理中的常规水淬，以及各类水溶性介质淬火、双液淬火。

4.根据权利要求1所述一种防止轴类合金钢件水淬端面开裂的方法，其特征在于，所述水淬，或者采用浸水、喷水或喷雾代替。

5.根据权利要求1所述一种防止轴类合金钢件水淬端面开裂的方法，其特征在于，所述轴类合金钢件，包含光轴、阶梯轴、带孔轴。

6.根据权利要求1所述一种防止轴类合金钢件水淬端面开裂的方法，其特征在于，所述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。