CN112662845A - 一种大厚度工模具钢水雾淬火工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大厚度工模具钢水雾淬火工艺，通过控制水雾冷却时间t实现对大厚度工模具钢的水雾淬火，水雾冷却时间t(分钟)的公式如下；t＝[T×hW×S×(Ms‑TR)]/[H×Cp×M×(Tq‑TR)]×2E6+21。本发明的大厚度工模具钢水雾淬火工艺，通过控制水雾冷却时间即可完成对大厚度工模具钢的水雾淬火，按照本发明的方法处理得到的工模具钢不仅具有均匀的硬度和组织(远超水淬处理)，而且能够有效避免后续回火开裂，通过了一种从工艺角度实现了淬火组织的均匀控制的方法，控制因素少，可控性好，控制方法简单，极具应用前景。
Description
技术领域
本发明属于合金钢制造技术领域，涉及一种大厚度工模具钢水雾淬火工艺。
背景技术
工业中工模具逐渐往大型化方向发展，如何使大厚度工模具钢充分淬火，并抑制淬火应力导致的开裂发生是目前热处理工艺面临的重难点问题。
已有的水雾冷热处理淬火工艺及其装置多数体现在以下几个方面：(1)异形件的水雾淬火，管件形状复杂，壁厚小；(2)小型铸钢球的水雾冷却，批量大，循环作业；(3)圆柱形棍的加热，有均匀的外形，便于实施水雾冷工艺。
然而，大厚度工模具钢多数为大宽度大厚度的板料，长和宽形成的大面面积占比较大，为主要散热面。如何合理设计水雾冷装置和工艺，是确保淬透和避免开裂的首要条件。
现有的解决方案有：
(1)公布号为CN 200410041735的专利文件公开了合金耐磨铸球水雾加风淬火工艺，将合金耐磨铸球、铸段在加热至淬火温度出炉后，采用水雾淬火快速冷却，降至≤600℃温度时，再采用风淬方式缓慢冷却。其淬火硬度≥58HRc，中心与表面硬度差≤2.05HRC。生产成本低于单一油淬，完全克服淬火不透和淬火裂纹问题，从而提高了产品的综合机械性能。突破了某些合金钢及合金铸铁仅能采取单一介质淬火热处理工艺,开辟了一种新的淬火热处理工艺途径。该工艺是在缓冷后进行风淬，极大的避开了淬火应力，然而，对于大厚度模块，该技术仍不适用。
(2)公布号为CN 201410307447的专利文件公开了一种异型钢管的水雾淬火方法，包括以下步骤：a)将经过轧制的950-1000℃高温异形钢管直接转至冷却室中心，冷却室内设有均匀水雾雾化装置，b)开启水雾雾化装置，使水雾喷向异形钢管外管壁，c)当异形钢管温度降至200-250℃时，完成水雾淬火过程，得到淬火异形钢管。其克服了传统的异形钢管直接全面冷却方法的技术缺陷，通过在异形钢管壁外形成一层均匀的水雾，使其能够均一冷却，不会发生弯曲和变形。该工艺是对异形管件实施的水雾淬火，而且异形管件不存在厚度问题，该工艺精密，但不适合大型锻件的组织调控。
(3)公布号为CN 101649385A的专利文件提供了一种钢管水雾淬火的喷雾管，其包括水管、气管、喷嘴、水接头、气接头和导气管，气管偏心设置在水管内，通过连接件固定连接在水管内壁上，在水管外朝向气管偏置的一侧均布若干喷嘴，喷嘴上设有进气口、进水口，喷嘴上的进气口、进水口分别与在径向上贯穿管壁从而连通水管和气管的导水管和导气管相连。其不需专门设置增压泵来供水，为了提高水淬的均匀性，喷嘴之间的间隔距离以“相邻喷嘴喷出的扇形水雾从扇腰中部开始重叠”为标准来设置，这样，喷在钢管回转线上的水雾均匀性、一致性高。该工艺是优点是设计了均匀的水雾控制方法和喷头，这对本发明专利是一个很好的借鉴，但该装置的控制并不适合大锻件的控制，因为水量和风速都远远不够。
(4)公布号为CN 201210523598的专利文件公开了一种支承辊逆变电源差温淬火装置，步骤包括，步骤1、将待淬火的支承辊在350℃～400℃加热；步骤2、快速加热和高温保温，快速加热升温到930℃～960℃，升温时间为40-60分钟，再淬火温度保温过程；步骤3、喷水雾淬火处理。其加热保温效果好，减少了能耗和污染，工艺过程灵活可靠、可控性强，保证了支承辊表面硬度及淬硬层深度达到要求。该工艺是在没有突出水雾淬火工艺的控制方法，只是突出了加热的阶段控制，不能体现其技术优势，对于大厚度模块，该技术仍不适用。
因此，开发一种精准控制大厚度工模具钢水雾淬火各阶段冷却时间和温度的工艺，对于水雾淬火工艺的工业推广极具现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的以上缺陷，提供一种精准控制大厚度工模具钢水雾淬火工艺。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种大厚度工模具钢水雾淬火工艺，通过控制水雾冷却时间t实现对大厚度工模具钢的水雾淬火，水雾冷却时间t的公式如下；
t＝[T×hW×S×(Ms-TR)]/[H×Cp×M×(Tq-TR)]×2E6+21；
其中，T为工模具钢有效厚度，单位为mm，H为淬火深度，单位为mm，hW为水雾换热系数，单位为W/m2·℃，Cp为材质比热容，单位为J/kg·℃，M为模块质量，单位为kg，S为模块表面积，单位为m2，Tq为淬火加热温度，单位为℃，TR为室温，单位为℃，Ms为马氏体转变点，单位为℃，t为水雾冷却时间，单位为分钟。
本发明通过控制水雾冷却时间即可完成对大厚度工模具钢的水雾淬火，按照本发明的方法处理得到的工模具钢不仅具有均匀的硬度和组织(远超水淬处理)，而且能够有效避免后续回火开裂，控制因素少，可控性好且控制方法简单，极具应用前景。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种大厚度工模具钢水雾淬火工艺，所述淬火深度是通过端淬试验测试得到的。
如上所述的一种大厚度工模具钢水雾淬火工艺，所述工模具钢有效厚度为工模具钢最大面中心到平行面的最小平均距离。
如上所述的一种大厚度工模具钢水雾淬火工艺，其步骤如下：
(1)将工模具钢加热至淬火温度并保温；
(2)工模具钢出炉迅速置于水雾装置工位，水雾冷却t；
(3)静置后将水雾淬火钢件进回火炉回火。
如上所述的一种大厚度工模具钢水雾淬火工艺，所述水雾的强弱通过调节风力级别进行控制。
如上所述的一种大厚度工模具钢水雾淬火工艺，在水雾冷却的同时实时监控工模具钢大面中心温度，如温度低于300℃，则立即停止水雾。
如上所述的一种大厚度工模具钢水雾淬火工艺，所述大厚度工模具钢的芯表硬度梯度小于±1HRC。
有益效果：
本发明的大厚度工模具钢水雾淬火工艺，通过控制水雾冷却时间即可完成对大厚度工模具钢的水雾淬火，按照本发明的方法处理得到的工模具钢不仅具有均匀的硬度和组织(远超水淬处理)，而且能够有效避免后续回火开裂，通过了一种从工艺角度实现了淬火组织的均匀控制的方法，而且控制因素少，可控性好，控制方法简单，极具应用前景。
附图说明
图1为实施例1的模具钢芯部到表面硬度分布图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步阐述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
一种大厚度工模具钢水雾淬火工艺，其步骤如下：
(1)工模具钢(165×710×3500mm的H13钢)加热至1030℃淬火温度保温12小时；
(2)工模具钢出炉迅速置于水雾装置工位，开启水雾模式，通过合理调节风力级别来控制水雾强弱，水雾冷155分钟，在水雾的同时，实时监控工模具钢大面中心温度，温度低于300℃，停止水雾；
(3)静置5小时后，水雾淬火钢件进回火炉600℃回火10小时。
以上工艺中，各参数分别为T＝0.165m，hW＝150W/m2·℃，S＝6.36m2，Ms＝384℃，H＝0.5m，Cp＝517.05J/kg·℃，M＝3239kg，Tq＝1030℃，TR＝25℃，t＝155min。
验算后可知符合t＝[T×hW×S×(Ms-TR)]/[H×Cp×M×(Tq-TR)]×2E6+21的公式。
测试制得的水雾淬火完成的模具钢从钢芯部到表面硬度分布，其测试结果示意图如图1所示，由图1中可以看出其芯表硬度梯度为±0.8HRC。
实施例2
一种大厚度工模具钢水雾淬火工艺，其步骤如下：
(1)工模具钢(265×810×3000mm的H13钢)加热至1030℃淬火温度保温12小时；
(2)工模具钢出炉迅速置于水雾装置工位，开启水雾模式，通过合理调节风力级别来控制水雾强弱，水雾冷132分钟，在水雾的同时，实时监控工模具钢大面中心温度，温度低于300℃，停止水雾；
(3)静置5小时后，水雾淬火钢件进回火炉600℃回火10小时。
以上工艺中，各参数分别为T＝0.265m，hW＝180W/m2·℃，S＝6.36m2，Ms＝384℃，H＝0.8m，Cp＝517.05J/kg·℃，M＝5087kg，Tq＝1030℃，TR＝25℃，t＝132min。
验算后可知符合t＝[T×hW×S×(Ms-TR)]/[H×Cp×M×(Tq-TR)]×2E6+21的公式。
测试制得的水雾淬火完成的模具钢从钢芯部到表面硬度分布，其测试结果芯表硬度梯度为±1.2HRC。
实施例3
一种大厚度工模具钢水雾淬火工艺，其步骤如下：
(1)工模具钢(185×810×4000mm的8418钢)加热至1020℃淬火温度保温12小时；
(2)工模具钢出炉迅速置于水雾装置工位，开启水雾模式，通过合理调节风力级别来控制水雾强弱，水雾冷117分钟，在水雾的同时，实时监控工模具钢大面中心温度，温度低于300℃，停止水雾；
(3)静置5小时后，水雾淬火钢件进回火炉600℃回火10小时。
以上工艺中，各参数分别为T＝0.185m，hW＝180W/m2·℃，S＝6.24m2，Ms＝363℃，H＝0.6m，Cp＝517.05J/kg·℃，M＝4735kg，Tq＝1020℃，TR＝25℃，t＝117min。
验算后可知符合t＝[T×hW×S×(Ms-TR)]/[H×Cp×M×(Tq-TR)]×2E6+21的公式。
测试制得的水雾淬火完成的模具钢从钢芯部到表面硬度分布，其测试结果芯表硬度梯度为±0.6HRC。
经验证，本发明的大厚度工模具钢水雾淬火工艺，通过控制水雾冷却时间即可完成对大厚度工模具钢的水雾淬火，按照本发明的方法处理得到的工模具钢不仅具有均匀的硬度和组织(远超水淬处理)，而且能够有效避免后续回火开裂，通过了一种从工艺角度实现了淬火组织的均匀控制的方法，而且控制因素少，可控性好，控制方法简单，极具应用前景。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。
Claims (7)
1.一种大厚度工模具钢水雾淬火工艺，其特征在于，通过控制水雾冷却时间t实现对大厚度工模具钢的水雾淬火，水雾冷却时间t的公式如下；
t＝[T×hW×S×(Ms-TR)]/[H×Cp×M×(Tq-TR)]×2E6+21；
其中，T为工模具钢有效厚度，单位为mm，H为淬火深度，单位为mm，hW为水雾换热系数，单位为W/m2·℃，Cp为材质比热容，单位为J/kg·℃，M为模块质量，单位为kg，S为模块表面积，单位为m2，Tq为淬火加热温度，单位为℃，TR为室温，单位为℃，Ms为马氏体转变点，单位为℃，t为水雾冷却时间，单位为分钟。
2.根据权利要求1所述的一种大厚度工模具钢水雾淬火工艺，其特征在于，所述淬火深度是通过端淬试验测试得到的。
3.根据权利要求1所述的一种大厚度工模具钢水雾淬火工艺，其特征在于，所述工模具钢有效厚度为工模具钢最大面中心到平行面的最小平均距离。
4.根据权利要求1所述的一种大厚度工模具钢水雾淬火工艺，其特征在于，其步骤如下：
(1)将工模具钢加热至淬火温度并保温；
(2)工模具钢出炉迅速置于水雾装置工位，水雾冷却t；
(3)静置后将水雾淬火钢件进回火炉回火。
5.根据权利要求4所述的一种大厚度工模具钢水雾淬火工艺，其特征在于，所述水雾的强弱通过调节风力级别进行控制。
6.根据权利要求4所述的一种大厚度工模具钢水雾淬火工艺，其特征在于，在水雾冷却的同时实时监控工模具钢大面中心温度，如温度低于300℃，则立即停止水雾。
7.根据权利要求1所述的一种大厚度工模具钢水雾淬火工艺，其特征在于，所述大厚度工模具钢的芯表硬度梯度小于±1HRC。
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