CN106011395A - 一种合金结构钢的锻热淬火热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种合金结构钢的锻热淬火热处理工艺，包括步骤如下：将900‑1020℃的合金结构钢的锻件投入到以高浓度氯化钙水溶液为淬火介质的淬火系统中，淬火25‑50秒；(2)冷却至室温，用清水清洗淬火件后回火处理，回火处理温度为650±20℃，保温110‑150分钟。本发明能提高合金结构钢特别是大壁厚工件的淬透性，同时保证淬火硬度，避免淬火开裂变形，不污染环境，降低生产成本。

Description

一种合金结构钢的锻热淬火热处理工艺

技术领域

本发明涉及一种锻热淬火热处理工艺，特别涉及一种适合合金结构钢大壁厚工件的锻热淬火热处理工艺，属于金属热处理技术领域。

背景技术

锻造余热淬火是指锻件成形后，当其温度高于Ar3或Ar3～Ar1之间的某一温度时，淬入适当的淬火介质中，获得马氏体或贝氏体组织的工艺方法。锻造行业是能源消耗大户，而锻件热处理又是锻件生产中能源消耗大户，约占整个锻件生产总能耗的30％～35％。充分利用锻造余热进行热处理，可以一举两得，既节约能源，又缩短流程，同时对环境也起到了间接保护作用。锻热淬火是在相变前进行的高温形变热处理工艺，操作时，形变及随后的冷却过程都要迅速，形变后淬火前的停留时间应尽可能短，否则塑性变形的强化效果就会被再结晶所抵消。因此，锻热淬火的关键是要正确地控制形变温度、形变量及形变速度等，否则影响产品性能，得不偿失。

淬火温度、淬火系统、淬火后的回火等都是控制的要点。淬火介质是实施锻热工艺的重要保证，目前锻热淬火介质主要有水、油。水是最经济的淬火介质，它价廉易得，无毒无味，冷却能力强。在650-550℃范围内有较大的冷却能力，在300-200℃时的冷却速度也较大，这正好与淬火时冷却速度的要求相反，容易造成工件变形与开裂。在水中加入NaCl、NaOH和Na₂CO₃可使冷却能力大大提高，NaCl、NaOH、Na₂CO₃水溶液在650-550℃时的冷却能力为纯水的2倍，但在300-200℃时的冷却能力还是很大，这正是它的缺点。

各种淬火油具有闪点高，粘度低，油烟少，抗氧化性与热稳定性较好，使用寿命长，在300-200℃区间冷速低，可减少工件变形开裂等优点，但只适用于合金结构钢等淬透性好，工件壁厚较小，形状复杂要求变形较小的工件。同时油对周围环境污染大，易着火，在650-550℃时间区域冷速较低，长时间使用易老化。

合金结构钢的大壁厚工件相对于普通合金结构钢淬火，由于主要是大壁厚(壁厚大于20㎜)的工件，在油中淬火一般会因为淬不透而更易导致工件不合格而报废。

发明内容

本发明的目的是克服上述不足而提供一种合金结构钢的锻热淬火热处理工艺，能提高合金结构钢特别是大壁厚工件的淬透性，同时保证淬火硬度，避免淬火开裂变形，不污染环境，降低生产成本。

本发明采取的技术方案为：

一种合金结构钢的锻热淬火热处理工艺，包括步骤如下：(1)将900-1020℃的合金结构钢的锻件投入到以高浓度氯化钙水溶液(下文简称钙剂)为淬火介质的淬火系统中，淬火25-50秒；(2)冷却至室温，用清水清洗淬火件后回火处理，回火处理温度为650±20℃，保温110-150分钟。

所述的高浓度氯化钙水溶液为比重在1.38-1.42(10-30℃，g/ml)的CaCl₂水溶液；比重优选1.40(10-30℃，g/ml)。所述的氯化钙水溶液可以用无水和含水氯化钙配制，优选纯度为95％的含水CaCl₂配制。

所述的淬火介质初始温度为10～70℃，优选10-30℃。

所述的淬火时间优选40秒。

所述的回火处理温度优选为650℃。

本发明用钙剂的冷却机理主要是受一般无机盐水冷溶液特点和钙剂所特有的高浓度性质双重影响，在淬火冷却的整个过程中，在过冷奥氏体最不稳定的“S”曲线鼻部阶段无机盐水溶液的特点起了主导作用。也就是当钙剂和炽热的金属零件接触时，因水分蒸发，在零件周围形成了汽膜，虽然吸收了部分热量。而蒸汽膜的导热性差，零件的进一步散热，要经过汽膜的传导，才可以到达溶液。因此初始的冷却并不太快，但其水分蒸发的同时，将出现许多细微的无机盐微粒。当这些微粒与高温金属零件碰触，顿时就产生剧烈的爆炸而冲击汽膜，顷刻之间零件表面就可以不断与低温的溶液直接接触，冷却速度就达到最高值。高溶度钙剂的粘度虽高，盐粒的爆炸仍然可以使冷溶液直接接触工件。粘度对它的影响这时就很小。所以在这阶段中各种浓度的钙剂都有强烈或比较强烈的冷速。

马氏体转变时对流阶段，盐粒爆炸的作用不再存在。粘度成为影响冷速的主导因素，粘度越高也越早开始降低冷速。高粘度饱和钙剂明显延缓对流阶段的冷速，此时和油在同阶段的冷速几乎相近。所以零件淬火后的变形和开裂的倾向就很小，可以与油淬相媲美，这是纯水和一般无机盐水溶液所没有的特殊冷却机理。因此合金结构钢锻热淬火用高溶度钙剂，淬火后的硬度高，淬透层深且变形开裂倾向很小。

本发明的有益效果是：

(1)本发明淬火介质保持了水和油各自的优点，克服了各自的缺点，能提高合金结构钢的淬透性，保证淬火硬度，避免淬火开裂变形；能长期使用，性能稳定，不老化；价廉(是油费用的十分之一)易得，不污染环境，配制方便，使用温度范围宽(室温至70℃)，易操作。

(2)本发明工艺能有效提高工件淬透层深度和淬火硬度，无软点，解决了合金结构钢大壁厚工件用油作为淬火介质，心部淬不透致工件不合格的质量难题，使用高浓度钙剂淬火，工件全部淬透，合格。

(3)本发明工艺细化了马氏体组织，获得较细的板条状马氏体组织，增大了合金结构钢内位错密度，增大了材料的塑变抗力与破断抗力，从而显著的提高了材料的综合机械性能。

(4)本发明工艺提高了钢的抗回火稳定性，较普通的加热淬火回火温度提高了约50℃；提高了断裂韧性K_1C值(因板条状马氏体)，提高了零件的疲劳寿命。

(5)省去了淬火加热工序，节省能源，简化工艺流程、缩短生产周期，减少人员需求和节省淬火加热炉的投资费用。

附图说明

图1不同介质钙剂、水、10#机械油冷却速度曲线对比图；

图2多种合金结构钢在不同淬火介质下锻热淬火的回火组织金相图，500×；a直拉杆臂40Cr+钙剂，b转向节臂40Cr+钙剂，c转向节臂40MnB+钙剂，d转向节臂40Cr+油冷。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图进一步说明。

淬火介质的研究

CaCl₂分无水和含水两种原料，均可用于配制钙剂。含水CaCl₂不论配制和价格方面都较为合适。不同分子量的CaCl₂配成同比重的钙剂，用量各不相同。以纯度为95％的含水CaCl₂的配比，如表1所示：

表1

钙剂的比重超过1.38时，冬季严寒季节存在饱和析出晶体的问题。只要减小淬火槽的容积，并不影响淬火效果，及时取出结晶体，可重溶使用或在槽内加热溶化。

CaCl₂水溶性好，饱和溶解度大，随着温度的升降又有明显的变化，从室温至27℃间的极限溶解度，溶液的比重由1.42逐渐变至1.46，超过27℃以后，溶解度极限值的变化就不大，并且同浓度的钙剂在不同温度下测量的比重也不同。所以实测比重时，要说明当时的温度。

钙剂味略酸涩，呈中性或微弱酸性，pH值为6。钙剂粘度大，尤其高浓度时粘度更大，手触摸则有滑腻感，随即附着一层粘液，清水洗后就可溶净并不伤害皮肤。钙剂的粘度和沸点比水和盐水(NaCl)都高，20℃时测量结果见表2。

表2：水，NaCl水溶液，CaCl₂水溶液粘度(厘泊)

钙剂的沸点随浓度的增大而升高，浓度饱合时沸点近130℃。经测60％(质量浓度)含水氯化钙水溶液最大冷速在“S”曲线鼻部645℃为371.5℃/秒，400℃起冷速急剧下降至Ms点以下为14～20℃/秒，38％含水CaCl₂溶液在587℃处为425℃/秒至Ms点以下为20-25℃/秒。由此说明钙剂高浓度时在“S”曲线鼻部冷却速度较快，并且随浓度的下降冷速也越来越快。而在Ms点以下冷速显著减慢，尤其高浓度时更加明显。

对钙剂高溶度时分别在27℃，40℃和70℃温度下测定的冷却速度曲线与10#机械油和水的冷却速度曲线进行比较如图1；由图1看出高浓度钙剂在27℃和40℃温度下，冷却速度曲线几乎重合，而在70℃时仍然保持较强的冷却能力。零件冷到低温区150℃-250℃，其冷却速度变平缓，同时在高温区则具有比水更大的冷却速度。但是水在马氏体转变区150-250℃处冷却速度仍然很大，这对减少组织应力产生裂纹不利。从而看出钙剂高浓度时在零件的高温区具备水的优点而在低温区又具备油的优点。

实施例1

(1)钙剂的配制

将水和含水CaCl₂(95％纯度)配成比重为1.38的水溶液钙剂，将钙剂在槽内进行充分搅拌和循环。

(2)锻造

材质分别为40Cr、40MnB、42CrMo、35CrMo锻坯。

始锻温度：1160±20℃

切边校直后温度：900-1020℃

(3)淬火

将900-1020℃锻件投入到含比重为1.38、温度为10℃的钙剂的槽中淬火，时间30s，冷却后由传送带送出，经清水清洗后装入料框(工件呈银灰色)。检查淬火硬度及外观。

(4)回火，630℃，保温时间130分钟。检查回火硬度，金相组织。

实施例2

(1)钙剂的配制

将水和含水CaCl₂(95％纯度)配成比重为1.42的钙剂，将钙剂在槽内进行充分搅拌和循环。

(2)锻造

材质分别为40Cr、40MnB、42CrMo、35CrMo锻坯。

始锻温度：1160±20℃

切边校直后温度：900-1020℃

(3)淬火

将900-1020℃锻件投入到含比重为1.42、温度为40℃的钙剂的槽中淬火，时间50s，冷却后由传送带送出，经清水清洗后装入料框(工件呈银灰色)。检查淬火硬度及外观。

(4)回火，670℃，保温时间110分钟。检查回火硬度，金相组织。

实施例3

(1)钙剂的配制

将水和含水CaCl₂(95％纯度)配成比重为1.40的钙剂，将钙剂在槽内进行充分搅拌和循环。

(2)锻造

材质分别为40Cr、40MnB、42CrMo、35CrMo锻坯。

始锻温度：1160±20℃

切边校直后温度：900-1020℃

(3)淬火

将900-1020℃锻件投入到含比重为1.40，温度为30℃的钙剂的槽中淬火，时间40s，冷却后由传送带送出，经清水清洗后装入料框(工件呈银灰色)。检查淬火硬度及外观。

(4)回火，650℃，保温时间120分钟。检查回火硬度，金相组织。

对比例

(1)锻造

材质分别为40Cr、40MnB、42CrMo、35CrMo锻坯。

始锻温度：1160±20℃

切边校直后温度：900-1020℃

(2)淬火

将900-1020℃锻件投入到温度为30-80℃油(10#机械油)中淬火，冷却3-5分钟后，由传送带送入料筐。。检查淬火硬度及外观。

(3)回火，检查回火硬度，金相组织。

本发明实施例与对比例处理的合金结构钢硬度及金相组织结果对比如表3和图2。由结果说明，合金结构钢锻热淬火用CaCl₂水溶液淬火及淬火工艺的40Cr、40MnB、42CrMo锻件淬火硬度高，淬透性好，金相组织优，无返修率，达到优质降耗目的。采用本发明工艺，进行少量试验，少量试产，小批量试产验证、考核。本发明工艺能有效提高工件淬透性深度，对比例中：转向节臂、上臂、直拉杆臂是我公司比较典型的大壁厚的锻件，使用油作淬火液锻件金相不合格，锻件不合格而报废，证明锻件没有完全淬透。使用钙剂作淬火液锻件金相组织完全达到合格，证明锻件已经完全被淬透。产品质量较好，现已大批量生产七年有余，产品质量稳定。

表3

以上是结合具体实施例对本发明的详细介绍，本发明的保护范围不限于此。

Claims (9)

1.一种合金结构钢的锻热淬火热处理工艺，其特征是，包括步骤如下：(1)将900-1020℃的合金结构钢的锻件投入到以高浓度氯化钙水溶液为淬火介质的淬火系统中，淬火25-50秒；(2)冷却至室温，用清水清洗淬火件后回火处理，回火处理温度为650±20℃，保温110-150分钟。

2.根据权利要求1所述的一种合金结构钢的锻热淬火热处理工艺，其特征是，所述的高浓度氯化钙水溶液为比重在1.38-1.42的CaCl₂水溶液。

3.根据权利要求2所述的一种合金结构钢的锻热淬火热处理工艺，其特征是，所述的高浓度氯化钙水溶液为比重在1.40的CaCl₂水溶液。

4.根据权利要求1所述的一种合金结构钢的锻热淬火热处理工艺，其特征是，所述的高浓度氯化钙水溶液用无水氯化钙或含水氯化钙配制。

5.根据权利要求4所述的一种合金结构钢的锻热淬火热处理工艺，其特征是，所述的高浓度氯化钙水溶液用纯度为95％的含水CaCl₂配制。

6.根据权利要求1所述的一种合金结构钢的锻热淬火热处理工艺，其特征是，所述的淬火介质初始温度为10～70℃。

7.根据权利要求6所述的一种合金结构钢的锻热淬火热处理工艺，其特征是，所述的淬火介质初始温度为10-30℃。

8.根据权利要求1所述的一种合金结构钢的锻热淬火热处理工艺，其特征是，所述的淬火时间为40秒。

9.根据权利要求1所述的一种合金结构钢的锻热淬火热处理工艺，其特征是，所述的回火处理温度为650℃。