CN109385510B - 一种Cr-Ni-Mo裂纹敏感钢大直径锻圆黑皮调质工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Cr‑Ni‑Mo裂纹敏感钢大直径锻圆黑皮调质工艺，属于金属热处理技术领域，旨在解决对Cr‑Ni‑Mo裂纹敏感钢进行调质处理易开裂、导致产品报废的问题，其技术方案要点是包括如下工艺步骤：锻前热处理；锻造：使用热段设备对经步骤一处理的钢锭进行锻造，至将钢锭锻造为圆柱状；锻造的同时，使用氧化皮清扫设备对钢锭表面的氧化皮进行清除，得到锻件；锻后缓冷：将锻件装入缓冷坑进行缓慢冷却，至锻件温度≤150℃；淬火：采用淬火油对经步骤三处理的锻件进行淬火处理，淬火油温度为60‑80℃，淬火时长为10‑30min；回火：将步骤四淬火处理的锻件加热至500‑650℃，保温2.5‑3.0小时，然后自然冷却。本发明具有成材率高、处理周期短、能耗低的优势。
Description
技术领域
本发明涉及金属热处理技术领域，更具体地说，它涉及一种Cr-Ni-Mo裂纹敏感钢大直径锻圆黑皮调质工艺。
背景技术
调质处理可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，调质处理后的钢材强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能，因而在钢材的热处理中被广泛应用。
如申请公布号为CN107442721A的中国专利公开了一种模具的热锻造工艺，对棒状坯料锻造后采用的即是调质处理，其对棒状坯料进行锻造后依次进行淬火、第一次回火、深冷处理和第二次回火处理。而且，为了保证加工质量，在锻前热处理之前，需要车去棒状坯料表面的氧化皮和微裂缝，以提高表面质量。
不同钢材的性能不同，使得在加工处理时存在不同的要求。如合金钢4340是一种Cr-Ni-Mo裂纹敏感钢，采用常规工艺调质处理时，锻圆的锻件表面缺陷处，极易产生开裂，导致材料报废或损失。所以通常处理Cr-Ni-Mo裂纹敏感钢需要在车光后才调质处理，也相应使得使得生产周期增长、能耗增加。
因而，如何针对Cr-Ni-Mo裂纹敏感钢涉及一套周期短、能耗低的，且保证成材率的调质处理工艺，是业内有待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种Cr-Ni-Mo裂纹敏感钢大直径锻圆黑皮调质工艺，其具有成材率高、处理周期短、能耗低的优势。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种Cr-Ni-Mo裂纹敏感钢大直径锻圆黑皮调质工艺，包括如下步骤，
步骤一、锻前热处理：使用加热设备对钢锭进行加热处理；
步骤二、锻造：使用热段设备对经步骤一处理的钢锭进行锻造，至将钢锭锻造为圆柱状；锻造的同时，使用氧化皮清扫设备对钢锭表面的氧化皮进行清除，得到锻件；
步骤三、锻后缓冷：将锻件装入缓冷坑进行缓慢冷却，至锻件温度≤150℃；
步骤四、淬火：采用淬火油对经步骤三处理的锻件进行淬火处理，淬火油温度为60-80℃，淬火时长为10-30min；
步骤五、回火：将步骤四淬火处理的锻件加热至500-650℃，保温2.5-3.0小时，然后自然冷却。
通过采用上述技术方案，至少具有如下有益效果：1、省去了锻前或者锻后车去氧化皮的操作步骤，将锻造和去除氧化皮的操作同步进行，使得工艺流程缩短、操作简化，提高了工艺可控性；2、锻造过程中去除氧化皮，可以减少锻件表面的氧化皮和微裂缝，使得后续淬火、回火过程中，锻圆的锻件表面不易开裂，提高了锻件表面光滑度、减少了表面缺陷；同时，相较于锻前或者锻后车去氧化皮，减少材料损耗；3、锻后缓冷至温度不高于150℃，在进行淬火、回火处理，使得锻件能够获得良好的强度和韧性，且不易开裂，适用于对大直径的锻件（直径≤600mm）进行调质处理；4、采用淬火油代替水淬火，减小了锻件的变形和开裂倾向，提高了成材率。
进一步地，步骤四中所用淬火油包括按重量份计的如下组分，
20#机油 90-100份
油酸 2-6份
丁二醇油酸酯 1.5-5份
琥珀酸二酰亚胺 1-3份
山梨糖醇单油酸酯 1-2份
助表面活性剂 1-2份
抗老化剂 1-1.5份。
通过采用上述技术方案，锻件加工过程中，锻件表面会形成细微的坑洞及裂缝，使得锻件表面的接触角较大，液体不易润湿。因而，在淬火处理过程中，淬火油在锻件表面的光滑处和微缝处的润湿程度不一致，热传导效率不同，降温速率出现差异，进而使得锻件表面的微坑微裂缝容易因降温速率的差异出现进一步开裂、形成裂缝导致钢材报废，进而影响锻件的成材率。
上述具体物质配比的淬火油对锻件具有良好的润湿性，利于缩小锻件表面微裂缝处和光滑出热传导差异，减少开裂、提高锻件表面质量。20#机油为淬火油的主体成分，具有良好的热稳定性；掺入油酸，提高了淬火油的流动性，利于增加传热效率、减少淬火后淬火油粘附在锻件表面；丁二醇油酸酯和山梨糖醇单油酸酯，具有降低淬火油表面张力的作用，使得淬火油更容易均匀润湿锻件表面，起到均匀传热的作用；琥珀酸二酰亚胺分子具有高极性，其分子与锻件表面分子之间亲和性高，与丁二醇油酸酯、山梨糖醇单油酸酯具有协同作用；助表面活性剂的掺入，进一步提升了淬火油在锻件表面的润湿性，使得淬火时锻件表面传热均匀，不易开裂；抗老化剂的掺入，提高了淬火油的高温氧化稳定性，增加了淬火油的使用耐久性。
进一步地，所述助表面活性剂包括至少一种分子通式为CH3（CH2）nOH的一元醇，其中n=5~8。
通过采用上述技术方案，分子通式为CH3（CH2）nOH、且n=5~8的一元醇沸点均高于150℃、且分子包含亲油的烃基和亲水的羟基，不仅在淬火油中有良好的混溶性，而且由于羟基的弱极性，使得淬火油对锻件的亲和性增加，利于提升淬火油与锻件之间热传递均匀性，减少开裂、提高成材率。
进一步地，所述助表面活性剂中包括至少一种沸点≥150℃、分子通式为CH3（CH2）nCOOH的一元羧酸，其中n=3~8。
通过采用上述技术方案，分子通式为CH3（CH2）nCOOH、且n=3~8的一元羧酸分子中的羧酸根同样具有极性，对锻件表面分子具有极性，使得淬火油对锻件的亲和性增加，利于提升淬火油与锻件之间热传递均匀性，减少开裂、提高成材率。而且，羧酸根相较于羟基无法被进一步氧化，使得淬火油的热稳定性更好。
进一步地，所述助表面活性剂为壬醇和庚酸的混合物，且两者的质量比为1:1。
通过采用上述技术方案，壬醇和庚酸均具有较高的沸点，使用安全，能有效提升淬火油在锻件表面的润湿性能，提升热传导的均匀性，减少开裂。
进一步地，所述抗老化剂为2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和二烷基二硫代氨基甲酸锌的混合物，且两者的质量比为10：（1-2）。
通过采用上述技术方案，2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和二烷基二硫代氨基甲酸锌均具有良好的抗氧化性能和高温稳定性，适用于作为淬火油的抗老化剂。掺加上述重量份的2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和二烷基二硫代氨基甲酸锌可有效减缓淬火油的老化，延长其使用寿命，降低淬火油的更换频率。
进一步地，所述步骤一中锻前热处理具体包括如步骤，
P1、将钢锭装入加热炉内，加热至200℃，保温0.5-1.0小时；
P2、继续加热至400℃，保温1.0-1.5小时；
P3、继续加热至600℃，保温1.0-1.5小时；
P4、继续加热至1100℃，保温1.5-2.0小时。
通过采用上述技术方案，分步升温，使得钢材内部结构的变化相对缓和，内应力被平缓释放，以均匀增强钢材的强度和韧性。
进一步地，步骤二中，始锻温度为1050℃，终锻温度为900℃。
通过采用上述技术方案，锻造需要在特定温度范围内进行，否则锻件难以成型且难以保证锻造的质量，因而以始锻温度1050℃、终锻温度900℃为宜。
进一步地，步骤五中锻件自然冷却后，对锻件进行二次回火，然后自然冷却；二次回火的温度为400-550℃，保温时间为1.5-2.5小时。
通过采用上述技术方案，二次回火能充分消除残留内应力，使得锻件的韧性得到进一步提升，结构稳定性和尺寸稳定性也相应提升。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、省去了锻前或者锻后车去氧化皮的操作步骤，将锻造和去除氧化皮的操作同步进行，使得工艺流程缩短、操作简化，提高了工艺可控性；
2、锻造过程中去除氧化皮，可以减少锻件表面的氧化皮和微裂缝，使得后续淬火、回火过程中，锻圆的锻件表面不易开裂，提高了锻件表面光滑度、减少了表面缺陷；同时，降低了材料损耗率；
3、锻后缓冷至温度不高于150℃，在进行淬火、回火处理，使得锻件能够获得良好的强度和韧性，且不易开裂，适用于对大直径的锻件（直径≤600mm）进行调质处理；
4、以一元醇和一元羧酸作为助表面活性里，能有效提升淬火油的润湿性能，使得淬火时锻件表面的导热均匀性得以提升，减少了开裂、提高了锻件的表面质量。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，各实施例中选用的钢锭均为典型的Cr-Ni-Mo钢SAE4340，该种钢为Fe基元素并包含按质量百分数计的以下组分：
C 0.38~0.43%
Si 0.20~0.35%
Mn 0.65~0.80%
P ≤0.020%
S ≤0.020%
Cr 0.70~0.90%
Ni 1.65~2.00%
V ≤0.05%
Al 0.020~0.050%。
实施例1：
一种Cr-Ni-Mo裂纹敏感钢大直径锻圆黑皮调质工艺，其包括如下步骤，
步骤一、锻前热处理：将钢锭装入加热炉内，先加热升温至200℃，保温0.5小时；然后，继续加热至400℃，保温1.0小时；随后，继续加热至600℃，保温1.0小时；最后，继续加热至1100℃，保温1.5小时。
步骤二、锻造：将钢锭调运至锻压机处，开锻，先将钢锭锻为方形，后压棱，最后压为圆柱状；锻造时控制始锻温度为1050℃，终锻温度为900℃。锻造的同时，使用氧化皮清扫设备对钢锭表面的氧化皮进行清除，得到锻件。
步骤三、锻后缓冷：将锻件装入缓冷坑进行缓慢冷却24小时以上，至锻件温度≤150℃。
步骤四、淬火：采用淬火油对经步骤三处理的锻件进行淬火处理，淬火油温度为60℃，淬火时长为10min。本实施例中所用的淬火油包含按重量份计的如下组分：
20#机油 90份
油酸 2份
丁二酸油酸酯 1.5份
琥珀酸二酰亚胺 1份
山梨糖醇单油酸酯 1份
助表面活性剂 1份
抗老化剂 1份，
其中助表面活性剂为壬醇和庚酸按质量比1:1的比例混合而成，抗老化剂由2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和二烷基二硫代氨基甲酸锌按质量比10:1的比例混合而成。
步骤五、回火：将步骤四淬火处理的锻件加热至650℃，保温2.5小时，然后自然冷却。
步骤六、二次回火：将经步骤五处理的锻件加热至550℃，保温时间1.5小时，然后自然冷却。
实施例2：
一种Cr-Ni-Mo裂纹敏感钢大直径锻圆黑皮调质工艺，其包括如下步骤，
步骤一、锻前热处理：将钢锭装入加热炉内，先加热升温至200℃，保温0.6小时；然后，继续加热至400℃，保温1.2小时；随后，继续加热至600℃，保温1.2小时；最后，继续加热至1100℃，保温1.6小时。
步骤二、锻造：将钢锭调运至锻压机处，开锻，先将钢锭锻为方形，后压棱，最后压为圆柱状；锻造时控制始锻温度为1050℃，终锻温度为900℃。锻造的同时，使用氧化皮清扫设备对钢锭表面的氧化皮进行清除，得到锻件。
步骤三、锻后缓冷：将锻件装入缓冷坑进行缓慢冷却24小时以上，至锻件温度≤150℃。
步骤四、淬火：采用淬火油对经步骤三处理的锻件进行淬火处理，淬火油温度为65℃，淬火时长为15min。本实施例中所用的淬火油包含按重量份计的如下组分：
20#机油 40份
油酸 3份
丁二酸油酸酯 3份
琥珀酸二酰亚胺 2份
山梨糖醇单油酸酯 1份
助表面活性剂 1.5份
抗老化剂 1份，
其中助表面活性剂为壬醇和庚酸按质量比1:1的比例混合而成，抗老化剂由2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和二烷基二硫代氨基甲酸锌按质量比10:1.3的比例混合而成。
步骤五、回火：将步骤四淬火处理的锻件加热至600℃，保温2.6小时，然后自然冷却。
步骤六、二次回火：将经步骤五处理的锻件加热至500℃，保温时间1.8小时，然后自然冷却。
实施例3
一种Cr-Ni-Mo裂纹敏感钢大直径锻圆黑皮调质工艺，其包括如下步骤，
步骤一、锻前热处理：将钢锭装入加热炉内，先加热升温至200℃，保温0.8小时；然后，继续加热至400℃，保温1.4小时；随后，继续加热至600℃，保温1.4小时；最后，继续加热至1100℃，保温1.8小时。
步骤二、锻造：将钢锭调运至锻压机处，开锻，先将钢锭锻为方形，后压棱，最后压为圆柱状；锻造时控制始锻温度为1050℃，终锻温度为900℃。锻造的同时，使用氧化皮清扫设备对钢锭表面的氧化皮进行清除，得到锻件。
步骤三、锻后缓冷：将锻件装入缓冷坑进行缓慢冷却24小时以上，至锻件温度≤150℃。
步骤四、淬火：采用淬火油对经步骤三处理的锻件进行淬火处理，淬火油温度为70℃，淬火时长为20min。本实施例中所用的淬火油包含按重量份计的如下组分：
20#机油 98份
油酸 4份
丁二酸油酸酯 4份
琥珀酸二酰亚胺 2份
山梨糖醇单油酸酯 1.5份
助表面活性剂 2份
抗老化剂 1.5份，
其中助表面活性剂为壬醇和庚酸按质量比1:1的比例混合而成，抗老化剂由2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和二烷基二硫代氨基甲酸锌按质量比10:1.6的比例混合而成。
步骤五、回火：将步骤四淬火处理的锻件加热至550℃，保温2.8小时，然后自然冷却。
步骤六、二次回火：将经步骤五处理的锻件加热至450℃，保温时间2.3小时，然后自然冷却。
实施例4
一种Cr-Ni-Mo裂纹敏感钢大直径锻圆黑皮调质工艺，其包括如下步骤，
步骤一、锻前热处理：将钢锭装入加热炉内，先加热升温至200℃，保温1.0小时；然后，继续加热至400℃，保温1.5小时；随后，继续加热至600℃，保温1.5小时；最后，继续加热至1100℃，保温2.0小时。
步骤二、锻造：将钢锭调运至锻压机处，开锻，先将钢锭锻为方形，后压棱，最后压为圆柱状；锻造时控制始锻温度为1050℃，终锻温度为900℃。锻造的同时，使用氧化皮清扫设备对钢锭表面的氧化皮进行清除，得到锻件。
步骤三、锻后缓冷：将锻件装入缓冷坑进行缓慢冷却24小时以上，至锻件温度≤150℃。
步骤四、淬火：采用淬火油对经步骤三处理的锻件进行淬火处理，淬火油温度为80℃，淬火时长为30min。本实施例中所用的淬火油包含按重量份计的如下组分：
20#机油 100份
油酸 6份
丁二酸油酸酯 5份
琥珀酸二酰亚胺 3份
山梨糖醇单油酸酯 2份
助表面活性剂 2份
抗老化剂 1.5份，
其中助表面活性剂为壬醇和庚酸按质量比1:1的比例混合而成，抗老化剂由2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和二烷基二硫代氨基甲酸锌按质量比10:2的比例混合而成。
步骤五、回火：将步骤四淬火处理的锻件加热至500℃，保温3.0小时，然后自然冷却。
步骤六、二次回火：将经步骤五处理的锻件加热至400℃，保温时间2.5小时，然后自然冷却。
实施例5
一种Cr-Ni-Mo裂纹敏感钢大直径锻圆黑皮调质工艺，其以实施例4为基础，与实施例4的区别在于：助表面活性剂为己醇和壬酸的混合物，两者质量比为1:1。
实施例6
一种Cr-Ni-Mo裂纹敏感钢大直径锻圆黑皮调质工艺，其以实施例4为基础，与实施例4的区别在于：助表面活性剂为庚醇和庚酸的混合物，两者的质量比为1:1。
实施例7
一种Cr-Ni-Mo裂纹敏感钢大直径锻圆黑皮调质工艺，其以实施例4为基础，与实施例4的区别在于：助表面活性剂为辛醇和己酸的混合物，两者的质量比为1:1。
实施例8
一种Cr-Ni-Mo裂纹敏感钢大直径锻圆黑皮调质工艺，其以实施例4为基础，与实施例4的区别在于：助表面活性剂为壬醇、丁酸和戊酸的混合物，且三者的质量比为1:0.5:0.5。
对照例1
对照例1与实施例1基本相同，区别仅在于：对照例1所用淬火油中不含助表面活性剂。
对照例2
对照例2与实施例2基本相同，区别仅在于：对照例2所用淬火油中不含助表面活性剂。
对照例3
对照例3与实施例3基本相同，区别仅在于：对照例3所用淬火油中不含助表面活性剂。
对照例4
对照例4与实施例4基本相同，区别仅在于：对照例4所用淬火油中不含助表面活性剂。
对照例5
对照例5与实施例4基本相同，区别在于：对照例5所用助表面活性剂仅包括壬醇，不包括壬酸。
对照例6
对照例6与实施例4基本相同，区别在于：对照例6所用助表面活性剂仅包括壬酸，不包括壬醇。
性能测试
分别以实施例1-8、对照例1-6的调质工艺处理的锻件进行抽检，借助放大镜检查锻件表面有无裂缝，并统计良品率，结果如下表所示：
表1.实施例1-8抽检良品率统计表
表2.对照例1-6抽检良品率统计表
由表1和2的数据可知，采用本发明的Cr-Ni-Mo裂纹敏感钢大直径锻圆黑皮调质工艺处理的SAE4340钢锻件的抽检合格率均高于96%，即本发明的调质工艺可以有效减小锻件形变和开裂趋势，提升锻件表面光滑度、减少表面缺陷。通过将对照例1-4和实施例1-4的良品率进行对比可知：在淬火油中掺加适量的助表面活性剂，明显有助于提升锻件的表面质量。对比实施例4-8的良品率可知，助表面活性剂的选择范围没有明显限制，含至少一种一元醇和至少一种一元羧酸的助表面活性均能取得良好的效果。而且对比实施例4和对照例5、6的良品率可知：一元醇和一元羧酸之间具有协助作用，单独掺加一元醇或者一元羧酸的效果相较于同时掺加略差。
参照GB/T700-2006《碳素结构钢》、GB/T228-2002《金属材料室温拉伸实验方法》，分别对经实施例1-8以及对照例1-6调质工艺处理的锻件进行抽样测试，测得抗拉强度、屈服强度、延伸率和冲击功记录如下表所示：
表3.实施例1-8力学性能测试结果表
表4.对照例1-6力学性能测试结果表
由表3和表4试验数据可知，经由本发明方法处理的锻件抗拉强度均大于950MPa、屈服强度均大于750MPa、延伸率均大于16%、+20℃冲击功均大于45J，即采用本发明的调质工艺对锻件进行处理，有效提升SAE4340钢锻件的力学性能。淬火油中掺加助表面活性剂后，锻件的抗拉强度和冲击功均有所提升，即钢材的韧性得到提升；同时，同时掺加一元醇和一元羧酸较单独掺加，对钢锻件力学性能提升的作用更显著。
上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (2)
1.一种Cr-Ni-Mo裂纹敏感钢大直径锻圆黑皮调质工艺，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一、锻前热处理：使用加热设备对钢锭进行加热处理；锻前热处理具体包括如下步骤，
P1、将钢锭装入加热炉内，加热至200℃，保温0.5-1.0小时；
P2、继续加热至400℃，保温1.0-1.5小时；
P3、继续加热至600℃，保温1.0-1.5小时；
P4、继续加热至1100℃，保温1.5-2.0小时；
步骤二、锻造：使用热锻 设备对经步骤一处理的钢锭进行锻造，至将钢锭锻造为圆柱状；锻造的同时，使用氧化皮清扫设备对钢锭表面的氧化皮进行清除，得到锻件；步骤二中，始锻温度为1050℃，终锻温度为900℃；
步骤三、锻后缓冷：将锻件装入缓冷坑进行缓慢冷却，至锻件温度≤150℃；
步骤四、淬火：采用淬火油对经步骤三处理的锻件进行淬火处理，淬火油温度为60-80℃，淬火时长为10-30min；步骤四中所用淬火油包括按重量份计的如下组分，
20#机油 90-100份
油酸 2-6份
丁二醇油酸酯 1.5-5份
琥珀酸二酰亚胺 1-3份
山梨糖醇单油酸酯 1-2份
助表面活性剂 1-2份
抗老化剂 1-1.5份；
所述助表面活性剂为壬醇和庚酸的混合物，且两者的质量比为1:1；
步骤五、回火：将步骤四淬火处理的锻件加热至500-650℃，保温2.5-3.0小时，然后自然冷却；对锻件进行二次回火，然后自然冷却；二次回火的温度为400-550℃，保温时间为1.5-2.5小时。
2.根据权利要求1所述的一种Cr-Ni-Mo裂纹敏感钢大直径锻圆黑皮调质工艺，其特征在于：所述抗老化剂为2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和二烷基二硫代氨基甲酸锌的混合物，且两者的质量比为10：（1-2）。
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