CN113215364A - 一种钢的细晶强韧化双介质淬火冷却方法 - Google Patents
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Abstract
一种钢的细晶强韧化双介质淬火冷却方法。运用“马氏体转变可逆性”规律,用热处理方法,特别是冷却方法,多次细化晶粒提高钢的强韧性。钢在奥氏体化过程中,为马氏体逆转变提供条件;具备马氏体逆转变条件钢奥氏体化后,预冷后水冷绕过C‑曲线不稳定区至马氏体区未冷透,马氏体晶核随温度下降逐渐长大,出水利用余热回温,温度上升,马氏体反过来又同步随温度上升而缩小,即细化晶粒。包括:钢的奥氏体化,为马氏体逆转变提供条件;钢的预冷,减小热应力;钢的控冷,进行多次“水冷‑回温”,直至冷至室温。本发明能节约能源和资源,保护环境,细化晶粒提高钢的强韧性,抗拉强度提高大于屈服强度提高,解决大截面钢件1/2T处细晶强韧化难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢的热处理方法,尤其涉及一种钢的细晶强韧化双介质淬火冷却方法。
背景技术
现有技术钢的细晶强化,能源和资源消耗大、污染严重、成本高、大截面钢件1/2T处质量技术指标难以达标;现有技术特征是:
钢的细晶强化是在钢中加入:降低临界点的合金元素,如Mn、Cr、Mo等;提高形核率,阻止热状态时奥氏体晶粒长大的微合金元素,如Ti、Nb、V等;致使屈服强度的提高大于抗拉强度的提高,屈强比值增大;钢的细晶强化效果的一致性是依靠微合金元素(Ti、Nb、V等)成分的运作;
钢的预冷温度为稍低于Ar1温度;钢奥氏体化后:在加热炉中预冷,转入加热至稍低于Ar1的预冷温度炉中预冷至稍低于Ar1温度;在油中冷却几秒钟,起预冷作用,再转入水中冷却;
提高钢的淬硬性和淬透性是在钢中加入足够量稳定过冷奥氏体的合金元素,改变C-曲线形状和使C-曲线向右推移,降低临界淬火速度来实现提高淬火冷却速度,提高钢的淬硬性和淬透性;
低淬透性钢双介质淬火冷却介质为水-油,出油空冷至室温;
高淬透性钢双介质淬火冷却介质为油-空气,即油淬空冷至室温,其淬火加热温度比该钢号淬火加热温度高(20~50)℃;
钢的分级淬火为在能控温的熔融盐浴或热油槽中直接冷至马氏体转变开始温度Ms偏高或偏低温度的分级温度,进行有能量补充的分级保温,其淬火加热温度比该钢号淬火加热温度高(30~80)℃;
上述问题能够采用本发明的技术方案进行解决。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明是通过以下技术方案实现的;
本发明的目的在于提供一种钢的细晶强韧化双介质淬火冷却方法,克服现有技术中的不足,运用“马氏体转变可逆性”规律,用热处理方法多次“水冷-回温”,以多次细化晶粒,从而提高钢的强韧性。
本发明是这样实现的,其特征是方法为:
1.一种钢的细晶强韧化双介质淬火冷却方法,其特征是运用“马氏体转变可逆性”规律,用热处理方法,特别是冷却方法,多次细化晶粒,提高钢的强韧性;钢在奥氏体化过程中,为马氏体逆转变提供条件;具备马氏体逆转变条件钢奥氏体化后,预冷后进行多次“水(含水和水溶液,下同)冷-回温”,直至冷至室温;控制钢的表层首次水冷绕过C-曲线不稳定区——鼻尖部温度至马氏体区的冷透程度,首次出水利用余热回温至贝氏体转变开始温度Bs+(50~100)℃,但须低于珠光体转变温度——C-曲线鼻尖部温度,立即转入多次“水冷-回温”,即多次水冷至马氏体区未冷透,多次出水利用余热回温至低于珠光体转变温度——C-曲线鼻尖部温度,回温停止上升温度——马氏体转变开始温度Ms偏高或偏低温度,为钢进入双介质淬火空冷(为静止空冷,下同)开始温度,冷至比空冷开始温度低(10~20)℃,立即转入在马氏体区多次“水冷-回温”,直至冷至室温,即钢在马氏体区,在水-空气(为静止空气,下同)中进行多次再双介质淬火,直至冷至室温;钢冷至室温,立即转入下一道热处理工序;所述方法包括:
(一)钢的奥氏体化;
(二)钢的预冷;
(三)钢的控冷。
2.钢的奥氏体化;
(一)钢的淬火加热温度、保温时间和升温速度为奥氏体相变完成,奥氏体晶粒不得长大,透烧、费用低,减小加热热应力,截面温度分布均匀化,为淬火水冷作准备;降低奥氏体转变开始温度As,提高马氏体转变开始温度Ms,缩小As与Ms的温度差,为马氏体逆转变提供条件;
(二)钢的淬火阶梯预热次数、预热温度、保温时间和升温速度为透烧、费用低,减小预热热应力,截面温度分布均匀化,为淬火水冷作准备;降低奥氏体转变开始温度As,提高马氏体转变开始温度Ms,缩小As与Ms的温度差,为马氏体逆转变提供条件。
3.钢的预冷;
(一)钢的相变点A1温度为预冷消耗孕育期的临界温度;
(1)钢的预冷温度Tn≥A1温度,不消耗孕育期;
(2)钢的预冷温度Tn<A1温度,消耗孕育期;
(二)钢奥氏体化后,出炉在空气中预冷;
(三)钢的预冷温度为:
(1)共析钢和过共析钢预冷温度为Ar1+(10~30)℃,须≥A1;
(2)亚共析钢预冷温度为Ac3-(10~20)℃,接近上相变点Ac3;
(四)钢为预冷温度,立即转入水中冷却。
4.钢的控冷;
(一)运用“马氏体转变可逆性”规律,用热处理方法,特别是冷却方法,多次细化晶粒,提高钢的强韧性;具备马氏体逆转变条件钢奥氏体化后,预冷后进行多次“水冷-回温”,直至冷至室温;控制钢的表层首次水冷绕过C-曲线不稳定区——鼻尖部温度至马氏体区的冷透程度,为后续多次“水冷-回温”达到各临界点预期温度作准备;
(二)具备马氏体逆转变条件钢奥氏体化后,预冷后首次水冷绕过C-曲线不稳定区——鼻尖部温度至马氏体区的冷透程度,首次水冷时间为:首次出水利用余热回温至贝氏体转变开始温度Bs+(50~100)℃,但须低于珠光体转变温度——C-曲线鼻尖部温度;
(三)钢首次出水利用余热回温至贝氏体转变开始温度Bs+(50~100)℃,但须低于珠光体转变温度——C-曲线鼻尖部温度,立即转入多次“水冷-回温”;
(四)钢多次水冷至马氏体区未冷透,多次出水利用余热回温至低于珠光体转变温度——C-曲线鼻尖部温度,回温停止上升温度——马氏体转变开始温度Ms偏高或偏低温度,为钢进入双介质淬火空冷开始温度,冷至比空冷开始温度低(10~20)℃,立即转入在马氏体区多次“水冷-回温”,直至冷至室温,即钢在马氏体区,在水-空气中进行多次再双介质淬火,直至冷至室温;
(五)钢冷至室温,立即转入下一道热处理工序。
5.水的温度控制在(15~35)℃。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:用热处理方法多次细化晶粒提高钢的强韧性,抗拉强度提高大于屈服强度提高,降低屈强比值,节约能源和资源,保护环境,降低成本,降低碳当量,提高钢的焊接性能,工序合并,缩短工期,解决大截面钢件1/2T处细晶强韧化难题。
附图说明
图1本发明钢的细晶强韧化双介质淬火冷却方法流程图,横坐标表示时间,t;纵坐标表示温度,℃。
图2钢的预冷温度对淬火结果影响示意图,横坐标表示时间,lg τ;纵坐标表示温度,℃;相变点A1为钢的预冷临界温度,TP为珠光体转变临界温度——C-曲线鼻尖部温度,为钢表面预冷至Y点稍低于A1的温度,为钢心部预冷至Y点稍低于A1的温度;为钢表面预冷至Y点比偏离A1温度更低,为钢心部预冷至Y点比偏离A1温度更低,表示分别比消耗孕育期时间更长;预冷温度和偏离A1温度稍低,消耗孕育期时间稍长,淬火成马氏体深度稍浅;预冷温度和偏离A1温度更低,消耗孕育期时间更长,不能淬火成马氏体。
图3钢的理想淬火冷却曲线示意图,横坐标表示时间,lg τ;纵坐标表示温度,℃;Tcst为钢不预冷或预冷(不消耗孕育期)淬火冷却开始温度。
图4本发明钢的细晶强韧化双介质淬火冷却方法示意图,横坐标表示时间,lg τ;纵坐标表示温度,℃;Tcst(Y)为钢预冷至Y点稍高于或等于A1温度(不消耗孕育期)淬火冷却开始温度;相变点A1为钢的预冷消耗孕育期临界温度,TP为珠光体转变临界温度——C-曲线鼻尖部温度,s为钢表面冷却曲线,c为钢心部冷却曲线。
图5现有技术钢的双介质淬火示意图,横坐标表示时间,lg τ;纵坐标表示温度,℃;Tcst为钢在水或油中淬火冷却开始温度;TP为珠光体转变临界温度——C-曲线鼻尖部温度。
图6现有技术钢的分级淬火示意图,横坐标表示时间,lg τ;纵坐标表示温度,℃;Tcst为钢不预冷,在能控温的熔融盐浴或热油槽中分级淬火开始冷却温度;相变点A1为钢的预冷消耗孕育期临界温度,TP为珠光体转变临界温度——C-曲线鼻尖部温度。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
现将参照图解说明于附图中的几个推荐的实施例详细地描述本发明,在以下的描述中,为了使本发明能被彻底理解,提出几个具体的细节,但显然,对于本专业技术人员,没有这些具体细节中的某一些或全部,也可以实施本发明;在某些示例中,为了避免不必要地使本发明变得模糊不清,对于众所周知的处理步骤没有作详细的描述。
热处理难度系数是钢奥氏体化(钢的温度场温度均匀一致,相变完成,奥氏体晶粒不得长大,奥氏体均匀化,费用低)后,其心部1/2T处在水中冷至低于Ar1的某一温度时,发生分解而转变成马氏体(或下贝氏体)的难易程度;其值越大,1/2T处获得马氏体(或下贝氏体)组织难度越大。
热处理难度系数按右式计算:N=V/S
式中N——热处理难度系数(mm);
V——钢的冷却体积(mm3);
S——钢的冷却面积(mm2);
如图1所示,本发明是这样实现的,方法为:
1.一种钢的细晶强韧化双介质淬火冷却方法,其特征是运用“马氏体转变可逆性”规律,用热处理方法,特别是冷却方法,多次“水冷-回温”,多次细化晶粒,提高钢的强韧性;钢在奥氏体化过程中,为马氏体逆转变提供条件;具备马氏体逆转变条件钢奥氏体化EF后,预冷FY后进行多次“水冷-回温”,直至冷至室温;控制钢的表层首次在质量分数(5~10)%NaCl水溶液中冷却YG绕过C-曲线不稳定区——鼻尖部温度TP至马氏体区的冷透程度,为后续多次“水冷-回温”达到各临界点预期温度作准备;首次出水利用余热回温至H为贝氏体转变开始温度Bs+(50~100)℃,但须低于珠光体转变温度——C-曲线鼻尖部温度TP,立即转入多次“水冷-回温”,即多次为再次在质量分数(5~10)%NaCl水溶液中冷却HJ至马氏体区未冷透,再次出水利用余热回温至低于珠光体转变温度——C-曲线鼻尖部温度TP,回温停止上升温度K——马氏体转变开始温度Ms偏高或偏低温度,为钢进入双介质淬火空冷开始温度,冷至L比空冷开始温度K低(10~20)℃,立即转入在马氏体区多次为3次“水冷-回温”,直至冷至室温,即钢在马氏体区,在质量分数(5~10)%NaCl水溶液-空气中进行3次再双介质淬火,直至冷至室温Q”;钢冷至室温Q”,立即转入下一道热处理工序;
所述方法包括:
(一)钢的奥氏体化;
(二)钢的预冷;
(三)钢的控冷。
钢的细晶强韧化是细晶强化在提高屈服强度同时,提高韧性的强化方式;控制屈服强度与抗拉强度的比值,即屈强比值,使抗拉强度的提高大于屈服强度的提高,以提高韧性,有利于钢的安全性和冷加工性能,解决大截面钢件1/2T处细晶强韧化难题;
现有技术钢的细晶强化是在钢中加入:降低临界点的合金元素,如Mn、Cr、Mo等;提高形核率,阻止热状态时奥氏体晶粒长大的微合金元素,如Ti、Nb、V等;致使屈服强度的提高大于抗拉强度的提高,屈强比值增大,既消耗合金资源,提高钢的成本和碳当量,降低钢的焊接性能,又对钢的安全性和冷加工性能不利;正是由于屈服强度提高大于抗拉强度提高,屈强比值增大,对钢的安全性和冷加工性能不利,因此,对钢屈服强度的提高和屈强比值加以限制,屈服强度的提高不得超过标准值的110%,屈强比值不得超过0.9;
本发明运用“马氏体转变可逆性”规律,用热处理方法,特别是冷却方法,多次“水冷-回温”,多次细化晶粒,提高钢的强韧性;钢在奥氏体化过程中,降低奥氏体转变开始温度As,提高马氏体转变开始温度Ms,缩小As与Ms的温度差,为马氏体逆转变提供条件;具备马氏体逆转变条件的钢奥氏体化后,预冷后水冷绕过C-曲线不稳定区——鼻尖部温度TP至马氏体区未冷透,马氏体晶核随温度下降逐渐长大;出水利用余热回温,温度上升,马氏体反过来又同步随温度上升而缩小,即细化晶粒提高钢的强韧性,且进行多次“水冷-回温”,直至冷至室温,多次细化晶粒,使抗拉强度提高大于屈服强度提高,屈强比值减小,既节约合金资源,降低钢的成本和碳当量,提高钢的焊接性能,又提高钢的韧性;
低碳低合金ASTM A694F65钢,碳当量CE≤0.43,有效厚度160mm,热处理难度系数N为53.1mm,在供方、需方、第三方BV三方共同见证下,按本发明和钢的等温回火冷却方法进行Q+T热处理后,经本体取样检测1/2T处各项性能和组织均已达标,钢的1/2T处性能和组织检测结果如下:
(1)性能:σS为480Mpa,是标准值(≥450Mpa)的107%;σb为605Mpa,是标准值(≥530Mpa)的113%;δ为30.5%,是标准值(≥20%)的152%;-46℃冲击韧性值:切向Ak为255J(252/253/259),是标准值(平均≥40J,单个≥30J)的637%;轴向Ak为270J(274/272/264),是标准值(平均≥40J,单个≥30J)的675%;
1)现有技术低碳低合金钢的淬透性至水冷端距离为18~20mm,本发明使低碳低合金ASTM A694F65钢,有效厚度160mm1/2T处各项质量技术全部达标,即淬透性提高至水冷端距离为80mm以上;
2)现有技术钢的细晶强化的屈强比标准值为0.85(450Mpa/530Mpa),本发明钢的细晶强韧化的屈强比值为0.79(480Mpa/605Mpa),即屈服强度是现有技术标准值的107%,抗拉强度是现有技术标准值的113%,抗拉强度的提高大于屈服强度的提高,屈强比值减小,提高钢的韧性,即提高钢的安全性和冷加工性能;
3)现有技术钢的细晶强化效果的一致性是依靠微合金元素(Ti、Nb、V等)成分运作,晶粒进一步细化从经济方面提高生产成本是不合适的,从性能方面屈强比值是严格限制的;本发明用热处理方法,特别是冷却方法,多次“水冷-回温”,多次细化晶粒提高钢的强韧性,不增加生产成本,屈强比值减小,延伸率δ值是标准值的1.5倍以上,韧性切向和轴向Ak值是标准值的6倍以上,且组偏差不超过10J;
(2)组织:本发明钢的双介质(水-空气)淬火加热温度比原淬火加热温度高(10~30)℃,金相组织晶粒度反而比原晶粒度细1~2级;这是由多次马氏体逆转变而形成;
终上所述,本发明有利于在发展钢的强韧化热处理方面,获得高强度和高韧性配合,有利于晶粒进一步细化,提高钢的强韧性。
2.钢的奥氏体化为:
(一)钢的双介质淬火加热温度、保温时间和升温速度为奥氏体相变完成,奥氏体晶粒不得长大,透烧、费用低,减小加热热应力,截面温度分布均匀化,为淬火水冷作准备;降低奥氏体转变开始温度As,提高马氏体转变开始温度Ms,缩小As与Ms的温度差,为马氏体逆转变提供条件,以细化晶粒提高钢的强韧性;
(1)钢的双介质淬火加热温度EF;
1)低淬透性钢的加热温度EF按下列原则确定:
①钢的热处理难度系数N≥30mm,加热温度EF为比该钢号淬火加热温度高(10~30)℃;
②钢的热处理难度系数N<30mm,加热温度EF为比该钢号淬火加热温度高(0~10)℃;
2)高淬透性钢的热处理难度系数N<30mm,加热温度EF为该钢号淬火加热温度下限;比现有技术淬火加热温度降低,这是由于:
①现有技术高淬透性钢的双介质淬火油淬空冷,在油中冷却,油的冷却能力弱,其淬火加热温度比该钢号淬火加热温度高(20~50)℃,使C-曲线向右推移,降低临界淬火速度来实现提高淬火冷却速度,以提高钢的淬硬性和淬透性;本发明钢在水中冷却,多次“水冷-回温”,直至冷至室温,水的冷却能力强,不需提高淬火加热温度,且淬火加热温度为该钢号淬火加热温度下限;获得细小均匀奥氏体晶粒,溶入奥氏体中的碳量少,提高马氏体转变开始温度Ms,As不变,缩小As与Ms温度差,为马氏体逆转变提供条件,以细化晶粒,提高钢的强韧性;
②钢随加热温度增加,奥氏体晶粒长大,致使奥氏体中碳含量增加,马氏体转变开始温度Ms下降,增大As与Ms温度差,不利马氏体逆转变;反之,马氏体转变开始温度Ms上升,缩小As与Ms温度差,为马氏体逆转变提供条件,以细化晶粒提高钢的强韧性;
(2)钢的淬火加热保温时间E1F1;
钢的淬火加热保温时间E1F1,按下式计算:
τ总=Kz+Az×D×K
式中τ总——钢淬火加热保温的总时间,单位:min;
Kz——钢淬火加热保温时间基数,单位:min;
Az——钢淬火加热保温时间系数,单位:min/mm;
D——工件有效厚度,单位:mm;
K——工件装炉修正系数;
(3)钢的淬火加热升温速度DE为(150~200)℃/h;
(二)钢的淬火阶梯预热次数、温度、保温时间和升温速度为透烧、费用低,减小预热热应力,截面温度分布均匀化,为淬火水冷作准备,降低奥氏体转变开始温度As,提高马氏体转变开始温度Ms,缩小As与Ms的温度差,为马氏体逆转变提供条件,以细化晶粒提高钢的强韧性;
钢的预热渐次增温,致使沿钢截面温度分布均匀化,缩短在高温下内外均温所需时间,增快加热速度,即增快钢相变重结晶加热速度,奥氏体形成温度降低,降低奥氏体转变开始温度As;获得细小均匀奥氏体晶粒,提高马氏体转变开始温度Ms;这是由于钢通过奥氏体相变重结晶时间与加热速度成反比例关系,加热速度快,时间短,快速通过Ac1温度;钢在高温停留时间短,奥氏体来不及长大,晶粒细小,溶入奥氏体中的碳量少,提高马氏体转变开始温度Ms;从而缩小As与Ms的温度差,为马氏体逆转变提供条件,以细化晶粒提高钢的强韧性;
(1)钢的淬火预热为两次阶梯预热AB和CD;
(2)钢的淬火两次阶梯预热温度AB和CD为:
1)当加热温度EF为800℃时,则第一阶梯预热温度AB和第二阶梯预热温度CD分别为400℃和600℃;
2)当加热温度EF为950℃时,则第一阶梯预热温度AB和第二阶梯预热温度CD分别为500℃和700℃;
3)当加热温度EF为800℃~950℃之间时,第一阶梯预热温度AB和第二阶梯预热温度CD分别按下式计算:
①AB=aAB(X-800)+bAB
式中:AB——第一阶梯实际预热温度,℃;
X——实际加热温度EF,℃,取值范围:800≤X≤950;
aAB——第一阶梯预热温度范围AB与加热温度范围EF的比值;
bAB——400℃;
②CD=aCD(X-800)+bCD
式中:CD——第二阶梯实际预热温度,℃;
X——实际加热温度EF,℃,取值范围:800≤X≤950;
aCD——第二阶梯预热温度范围CD与加热温度范围EF的比值;
bCD——600℃;
举例:当实际加热温度X为890℃时,分别代入①和②,得:
(3)钢的淬火两次阶梯预热保温时间A1B1和C1D1;
两次阶梯预热保温时间A1B1和C1D1,按下式计算:
τ=Ay×D×K
式中τ——两次阶梯预热保温时间,单位:min;
Ay——两次阶梯预热保温时间系数,单位:min/mm;
D——工件有效厚度,单位:mm;
K——工件装炉修正系数;
各种钢的淬火(预热)保温时间基数Kz及保温时间系数Az、Ay见表1;工件装炉修正系数K见表2;
表1:各种钢淬火(预热)保温时间基数Kz及保温时间系数Az、Ay值
表2 淬火加热装炉修正系数k
工件加热的有效厚度(D)按照如下方法计算:
①圆柱体以直径作为有效厚度;
②正方形截面以边长作为有效厚度;
③矩形截面工件以短边作为有效厚度;
④板状零件,有效厚度为最大厚度之1.5倍;
⑤薄壁套类零件以壁厚作为有效厚度;
式中D——工件有效厚度(mm);
D0——工件单边实际厚度(mm);
⑤薄壁套类零件以壁厚作为有效厚度;
式中D——工件有效厚度(mm);
D0——工件单边实际厚度(mm);
Φ内——工件内圆直径(mm);
Φ外——工件外圆直径(mm);
举例:工件OD440×ID160×L430mm
D0=(440-160)÷2=140mm
⑦形状复杂的零件以最大厚度计算,如刀具按工作部分的截面厚度计算。
(4)两次阶梯预热升温速度OA和BC均为100℃~150℃/h。
3.钢的预冷为:
(一)钢奥氏体化后,在水中冷却至相变点A1的温度不发生转变,当过冷奥氏体冷却低于Ar1的某一温度时,将发生分解,而转变成其他组织;当过冷奥氏体冷却低于相变点A1温度至Ar1温度时,此时存在的奥氏体称为过冷奥氏体,虽不发生转变,但消耗孕育期,即相变点A1温度为钢淬火过程中预冷消耗孕育期的临界温度,且预冷温度Tn偏离A1温度越低,消耗孕育期时间越长;
(1)钢的预冷温度Tn≥A1温度,不消耗孕育期;
(2)钢的预冷温度Tn<A1温度,消耗孕育期;
(二)钢奥氏体化EF后,出炉在空气中预冷FY;这是由于:
钢的热应力是由钢冷却表面与冷却介质的能量差造成,能量差大,热应力大,反之,热应力小,在同一冷却介质中,钢冷却表面温度高的热应力大于钢冷却表面温度低的热应力;钢奥氏体化后,预冷后温度下降为预冷温度,立即转入质量分数5%~10%NaCl水溶液中冷却,降低钢冷却表面能量,减小钢冷却表面与冷却介质水的能量差,即减小钢的热应力,提高冷却均匀性和冷却效率,获得均匀的淬火组织,提高淬火钢的性能,减少淬火缺陷;
(三)钢预冷至Y的预冷温度Tn为:
(1)共析钢和过共析钢预冷温度Tn为Ar1+(10~30)℃,须≥A1;这是由于:
共析钢和过共析钢的奥氏体预冷到稍高于Ar1温度,比较稳定,在稍高于或等于临界点A1温度不消耗孕育期,且过共析钢有渗碳体析出,预冷既能淬火成马氏体,又能获得析出强化;
举例:T8钢A1为720℃,Ar1为700℃,
Tn=Ar1+(10~30)=700+(10~30)
=700+10~700+30=(710~730)℃
T8钢A1为720℃,其预冷温度Tn取值范围为(720~730)℃;
现有技术钢的预冷温度Tn为稍低于Ar1温度;
举例:T8钢A1为720℃,Ar1为700℃,造成Tn<Ar1<A1,消耗较长时间的孕育期,淬火转变成非马氏体(或下贝氏体)组织,虽然有渗碳体析出,但获得析出强化的量小,不能抵消淬火未转变成马氏体(或下贝氏体)而损失的强度和硬度,达不到淬火的质量技术指标;这是由于:
现有技术钢的预冷温度Tn<A1温度时,消耗孕育期,且预冷温度Tn偏离A1温度越低,消耗的孕育期时间越长,淬火转变成马氏体深度越浅或不能转变成马氏体;见图2所示;
(2)亚共析钢预冷温度Tn为Ac3-(10~20)℃,接近上相变点Ac3温度;这是由于:
1)亚共析钢预冷到Ac3-(10~20)℃温度,仍比较稳定,在稍高于或等于临界点A1温度不消耗孕育期;
2)亚共析钢在Ac1~Ac3温度之间加热淬火称为亚温淬火,亚温淬火温度偏离上相变点Ac3越低,铁素体析出越多,钢的强度降低越大,为减少铁素体析出量,即减小钢的强度降低量,亚共析钢预冷温度为接近上相变点Ac3的亚温淬火温度;
3)亚共析钢接近上相变点Ac3温度的亚温淬火,能细化奥氏体晶粒提高钢的强韧性,使磷等有害杂质集中于少量游离分散铁素体晶粒中,提高缺口韧性,降低冷脆转变温度,减小回火脆性;
举例:45钢A1为735℃,Ac3为780℃,
Tn=Ac3-(10~20)=780-(10~20)
=780-10~780-20=(760~770)℃
45钢A1为735℃,预冷温度Tn取值范围为(760~770)℃;
现有技术钢的预冷温度Tn为稍低于Ar1温度;
举例:45钢A1为735℃,Ac3为780℃,Ar1为682℃,造成Tn<Ar1<A1<Ac3-(10~20)℃,消耗长时间的孕育期,淬火转变成马氏体深度浅或不能转变成马氏体,见图2所示;且有铁素体析出,达不到淬火的质量技术指标;这是由于:
1)现有技术亚共析钢的预冷温度Tn<A1温度时,消耗孕育期,且预冷温度Tn偏离A1温度越低,消耗的孕育期时间越长,淬火转变成马氏体深度越浅或不能转变成马氏体;见图2所示;
2)亚共析钢在Ac1~Ac3温度之间加热淬火称为亚温淬火,亚温淬火温度偏离上相变点Ac3越低,铁素体析出越多,强度降低越大;
(四)控制钢的预冷程度;钢的预冷不足,减小热应力有限,预冷过甚,消耗孕育期时间长,淬火转变成马氏体深度浅或不能转变成马氏体;钢的淬火不能转变成马氏体和亚共析钢铁素体析出量多,达不到淬火的质量技术指标,需要对钢的预冷程度进行控制,使预冷程度既最大化减小热应力,又不致钢的淬火不能转变成马氏体和铁素体析出量多,达到预冷的预期温度,以获得预期组织和性能达标;
钢预冷至Y为预冷温度Tn,立即转入首次在质量分数(5~10)%NaCl水溶液中冷却YG,防止预冷不足或过甚;
(五)与现有技术相比,本发明预冷方法有益效果是:
(1)现有技术是钢奥氏体化后:
1)在加热炉中预冷,转入加热至稍低于Ar1温度炉中预冷至稍低于Ar1温度;
2)在油中冷却几秒钟,起预冷作用,再转入水中冷却,污染环境,容易起火不安全;
3)上述两种预冷方法预冷至稍低于Ar1温度,既消耗能源和资源,提高热处理成本,又消耗孕育期,淬火转变成马氏体深度浅或不能转变成马氏体;
(2)本发明钢奥氏体化后,在空气中预冷至预冷温度Tn,立即转入质量分数(5~10)%NaCl水溶液中冷却;既节约能源和资源,降低热处理成本,清洁无污染,保护环境,安全不起火,使用方便,又不消耗孕育期,达到预冷的预期温度,获得一致的组织和性能达标。
4.钢的控冷为:
(一)运用“马氏体转变可逆性”规律,用热处理方法,特别是冷却方法,多次“水冷-回温”,既多次细化晶粒提高钢的强韧性;又提高水的冷却速度、冷却均匀性和冷却效率,加强和改善水的冷却能力和冷却特性,提高钢的淬硬性和淬透性,且减小畸变量和开裂倾向;根据钢的奥氏体转变曲线,通过淬火获得马氏体组织,并不需要在整个冷却过程中进行快速冷却;只需在其C-曲线鼻尖部温度TP±50℃进行快速冷却;从淬火温度至TP+50℃之间及TP-50℃至Ms+(10~30)℃(高淬透性钢)或Ms-(20~40)℃(低淬透性钢)之间不需要快速冷却,特别是在伴有体积变化的Ms+(10~30)℃(高淬透性钢)或Ms--(20~40)℃(低淬透性钢)温度以下,更不需要快速冷却,否则产生畸变和开裂;见图3所示;回温过程既避免发生珠光体或上贝氏体转变,又最大化细化晶粒和减小内应力,即最大化提高钢的强韧性和减小畸变量与开裂倾向;缩短至室温的停留时间,降低奥氏体热稳定化程度,增加过冷奥氏体转变成马氏体量,减少残余奥氏体量,提高淬火完全度,提高尺寸稳定性;钢奥氏体化后,预冷后选择淬火冷却介质和对冷却进程进行设计;具备马氏体逆转变条件钢奥氏体化EF后,预冷FY后进行多次“水冷-回温”,直至冷至室温,多次细化晶粒提高钢的强韧性;控制钢的表层首次在质量分数(5~10)%NaCl水溶液中冷却YG绕过C-曲线不稳定区——鼻尖部温度TP至马氏体区的冷透程度,为后续多次“水冷-回温”达到各临界点预期温度作准备;见图4所示;
(1)钢的双介质淬火冷却介质为水-空气;
现有技术是钢淬火后既得到马氏体,又减小畸变量和开裂倾向,选择和研发冷却介质,低淬透性钢的双介质淬火所用冷却介质是水-油,高淬透性钢的双介质淬火所用冷却介质是油-空气,油成本高,污染大,容易着火和飞溅伤人,不安全,存在老化现象,使用一定时间后,须更换新的;油冷却能力低,受淬透性限制,对钢的有效厚度有一定限制,钢的有效厚度只能适用其淬透层深度以內,否则,钢1/2T处自高温冷却至马氏体转变温度过程中,因冷却速度低而发生珠光体和上贝氏体转变,见图5所示,难以达到双介质淬火质量技术指标;由于冷却能力低,其淬火加热温度比该钢号淬火加热温度高(20~50)℃,以使C-曲线向右推移,降低临界淬火速度来实现提高淬火冷却速度,提高钢的淬硬性和淬透性;但钢随加热温度增加,奥氏体晶粒长大,致使奥氏体中碳含量增加,马氏体转变开始温度Ms下降,As不变,增大As与Ms温度差,不利于马氏体逆转变;
本发明是钢淬火后既得到马氏体,又减小畸变量和开裂倾向,选择冷却介质和研发用热处理方法,特别是冷却方法,多次“水冷-回温”,既运用“马氏体转变可逆性”规律,多次细化晶粒,提高钢的强韧性;又提高水的冷却速度、冷却均匀性和冷却效率,加强和改善水的冷却能力和冷却特性,从而提高钢的淬硬性和淬透性,且减小畸变量和开裂倾向,使水为近于理想淬火冷却曲线(见图3所示)中的冷却介质;钢的双介质淬火所用冷却介质是水——质量分数(5~10)%NaCl水溶液-空气,水和空气成本低,使用方便,节约能源和资源,清洁无污染,保护环境,安全不起火,没有老化现象,清洁的冷却水是用得越久越好,向真正意义的“以水代油”清洁热处理迈进,开辟“以水代油”新途径;发挥水和空气各自冷却的优势,研发用热处理方法,特别是冷却方法,使水-空气为近于理想淬火冷却曲线中的冷却介质;
(2)发挥水的冷却优势,研发用热处理方法,特别是冷却方法,提高水的冷却速度、冷却均匀性和冷却效率,加强和改善水的冷却能力和冷却特性,使水为近于理想淬火冷却曲线中的冷却介质;
1)水的冷却能力强,水冷须绕过C-曲线不稳定区——鼻尖部温度TP,即冷至马氏体转变开始温度Ms以下后未冷透;
2)水的冷却能力强,在水中加入(5~10)%NaCl,加速汽膜破裂,沸腾阶段提前到来,提高冷却速度,加强冷却能力,改善冷却特性,提高和加强在C-曲线鼻尖部温度TP±50℃温度范围的冷却速度和冷却能力,使水为近于其C-曲线鼻尖部温度TP±50℃温度范围进行快速冷却的理想冷却介质;
3)钢的实际相变点随冷却速度而改变,冷却速度快,实际相变点偏离平衡相变点远,水中加入(5~10)%NaCl和用热处理方法,特别是冷却方法,加快其冷却速度,促使Ms点上升(Mf下降),As不变,缩小As与Ms的温度差,为马氏体逆转变提供条件,以细化晶粒提高钢的强韧性;
4)水的冷却能力强,研发用热处理方法,特别是冷却方法,多次“水冷-回温”,既多次细化晶粒,提高钢的强韧性,又改善水的冷却特性,提高和加强在C-曲线鼻尖部温度TP±50℃温度范围水的冷却速度和冷却能力,以近于其C-曲线鼻尖部温度TP±50℃温度范围进行快速冷却的理想冷却介质;且提高冷却均匀性和冷却效率,从而减小畸变量和开裂倾向;
5)选择和研发水的冷却能力和冷却特性为:具备马氏体逆转变条件钢奥氏体化后,预冷后水冷绕过C-曲线不稳定区——鼻尖部温度TP,冷至马氏体转变开始温度Ms以下后未冷透,即冷至马氏体区未冷透,马氏体晶核随温度下降逐渐长大;出水利用余热回温,温度上升,马氏体反过来又同步随温度上升而缩小,即细化晶粒,提高钢的强韧性;
(3)发挥空气的冷却优势,研发用热处理方法,特别是冷却方法,发挥空气的淬火烈度、冷却速度、冷却能力和冷却特性优势,使空气为近于理想淬火冷却曲线中的冷却介质;
1)静止空气淬火烈度H值为0.07,为水平向下,与水平夹角为4°,即冷却速度缓慢,为近于钢的理想淬火冷却曲线中,在伴有体积变化的马氏体转变开始温度附近Ms+(10~30)℃(高淬透性钢)或Ms-(20~40)℃(低淬透性钢)温度进行缓慢冷却的理想冷却介质;
2)运用静止空气淬火烈度H值为0.07,为近于钢的理想淬火冷却曲线中,在伴有体积变化的马氏体转变开始温度附近Ms+(10~30)℃(高淬透性钢)或Ms-(20~40)℃(低淬透性钢)温度进行缓慢冷却的理想冷却介质,将分级保持工序合并在静止空冷工序中,空冷既包括双介质淬火静止空冷(连续冷却转变)淬火,又包括分级(恒温转变)淬火;空冷线段KL和K’L’分别为马氏体转变开始温度Ms线偏上、偏下,与水平夹角为4°的向下平缓斜线,见附图4所示;
①静止空冷(连续冷却转变)淬火降低钢奥氏体热稳定化程度:
(i)降低钢冷处理和回火处理难度;
(ii)增加钢过冷奥氏体转变成马氏体量,减少残余奥氏体量,提高淬火完全度,提高淬火钢的性能和尺寸稳定性,降低淬火钢的脆性转化温度;
②分级(恒温转变)淬火使钢过冷奥氏体发生马氏体转变,获得马氏体组织,且:
(i)减小因钢的淬火水冷冷却速度快造成钢表层与心部的温度差,从而减小钢的内应力,减小畸变量和开裂倾向;
(ii)减小钢表层与心部的温度差,使钢的温度场温度均匀,提高下一次水冷的冷却均匀性和冷却效率,从而减小畸变量和开裂倾向,提高淬火完全度,提高淬火钢的性能和尺寸稳定性,降低淬火钢的脆性转化温度;
(iii)钢的表层过冷奥氏体预先在马氏体区部分转变的马氏体进行自回火;
i)减小钢的畸变量和开裂倾向;
ii)为钢下一次水冷增加过冷奥氏体转变成马氏体量,减少残余奥氏体量,提高淬火完全度提供条件;这是由于过冷奥氏体转变为马氏体发生体积膨胀,尚未转变的过冷奥氏体受到周围马氏体的附加压力,失去长大条件而保留下来;根据牛顿“作用力与反作用力”定理,分级保持使过冷奥氏体预先在马氏体区部分转变的马氏体进行自回火,由马氏体转变为回火马氏体发生体积收缩,减小尚未转变的过冷奥氏体受周围回火马氏体的附加压力,从而提供长大条件进行转变;
③现有技术钢的分级淬火为在能控温的熔融盐浴或热油槽中直接冷却至马氏体转变开始温度Ms偏高或偏低温度的分级温度,进行有能量补充的分级保温,其淬火加热温度比该钢号淬火加热温度高(30~80)℃;消耗能源和资源,成本高,使用时需要加热至稍高于稍低于马氏体转变开始温度Ms的分级温度,由于温度高,冷却能力弱,钢受淬透性限制,对钢的有效厚度有一定限制,钢的有效厚度只能适用其淬透层深度以內,否则,钢1/2T处自高温冷却至马氏体转变温度过程中,因冷却速度低而发生珠光体和上贝氏体转变,见图6所示,难以达到分级淬火的质量技术指标;由于温度高,冷却能力弱,其淬火加热温度比该钢号淬火加热温度高(30~80)℃,以使C-曲线向右推移,降低临界淬火速度来实现提高淬火冷却速度,提高钢的淬硬性和淬透性;但钢随加热温度增加,奥氏体晶粒长大,致使奥氏体中碳含量增加,马氏体转变开始温度Ms下降,增大As与Ms温度差,不利于马氏体逆转变;污染大,容易着火和飞溅伤人,不安全,存在老化现象,使用一定时间后,须更换新的;仅存在单一分级(恒温转变)淬火,分级保温线段为马氏体转变开始温度Ms线偏上或偏下的水平线,见图6所示,提高钢的奥氏体热稳定化程度;这是由于:钢过冷奥氏体在某一温度停止冷却并保持一定时间,残余奥氏体在该温度较多保留下来,且保持时间长,未转变的过冷奥氏体变得更为稳定;即与停留时间有关,停留时间越长,奥氏体的热稳定化程度越大,再继续冷却时过冷奥氏体向马氏体转变并不立即开始,而是经过一段时间才能恢复转变,转变将在更低的温度下进行,且转变量也达不到之前连续冷却的转变量;
2)运用静止空气淬火烈度H值、冷却速度、冷却能力和冷却特性,将分级淬火合并在空冷淬火中,与现有技术钢的分级淬火相比,有益效果为:钢在奥氏体化过程中,缩小As与Ms温度差,以利于马氏体逆转变;节约能源和资源,保护环境,安全不起火,不飞溅伤人,保护工人人身安全,降低热处理成本,降低淬火钢的奥氏体热稳定化程度,增加过冷奥氏体转变成马氏体量,减少残余奥氏体量,提高淬火完全度,提高性能和尺寸稳定性,降低脆性转化温度;
(二)具备马氏体逆转变条件钢奥氏体化EF后,预冷FY后首次在质量分数(5~10)%NaCl水溶液中冷却YG绕过C-曲线不稳定区——鼻尖部温度TP至马氏体区未冷透,即首次水冷时间Y1G1为:首次出水利用余热回温至H温度为Bs+(50~100)℃,但须低于珠光体转变温度——C-曲线鼻尖部温度TP;
(1)钢的首次水冷时间Y1G1按下式计算:
T=a×N
式中T——钢的水冷时间(min);
N——钢的热处理难度系数(mm);
a——钢的冷却系数(min/mm);
1)钢的热处理难度系数N≥30mm,碳素钢a值取0.05~0.08min/mm,合金钢a值取0.03~0.06min/mm;
2)钢的热处理难度系数N<30mm,碳素钢a值取0.08~0.20min/mm,合金钢a值取0.06~0.15min/mm;
系数a随水的温度、水中NaCl的含量、水的循环条件、钢的化学成份、钢的温度和预冷程度,以及钢入水方式等影响而变化;
各种因素对实际水冷时间的影响,看似a值是一个变化不定的变量,冷却时间无法确定;其实不然,虽然各个生产厂家的淬火环境各不相同,冷却系数a值各不相同,但各个厂家都有自己的生产环境和稳定的工艺过程,需要控制好各主要的影响因素,使之稳定,这时的a值几乎没有什么变化,是一个常量;即使有变化也可以找出规律,如水的温度的影响随季节的变化而变化,随钢在水中冷却频率的变化而变化,其变化大小随水的热容量大小而变化等等;只要先计算出钢的热处理难度系数N,积累钢淬火时客观环境条件的所有数据和最佳效果的水冷时间;把这些数据代入模型公式:T=a×N,即a=T/N;就可以计算出适合本厂使用的冷却系数a值;
(2)钢的首次回温至H为Bs+(50~100)℃,但须低于珠光体转变温度,即C-曲线鼻尖部温度——TP;
1)举例:65Mn钢Bs为400℃,TP为480℃,回温温度H为;
H=Bs+(50~100)℃=400+50~400+100=450~500
TP为480℃,65Mn钢回温温度取值范围为:450℃≤H<480℃;
2)钢的首次回温温度H按下列原则确定:
①钢的热处理难度系数N≥30mm,回温温度H取上限;
②钢的热处理难度系数N<30mm,回温温度H取下限;
这是由于钢的热处理难度系数大,截面大,反之,截面小;热处理难度系数N≥30mm,回温温度H取上限值,反之,取下限值;增大钢冷却表面与冷却介质水的能量差,提高比热处理难度系数N<30mm更大的再次水冷却速度,相当于降低热处理难度系数N;
(三)钢首次出水利用余热回温至H为Bs+(50~100)℃,但须低于珠光体转变温度——C-曲线鼻尖部温度TP;这是由于:
钢在回温过程中既要避免发生珠光体或上贝氏体转变,又要最大化细化晶粒和减小内应力,即最大化提高钢的强韧性和减小畸变量及开裂倾向;
(1)钢首次回温至H温度,立即转入多次在质量分数(5~10)%NaCl水溶液中冷却,防止发生珠光体和上贝氏体转变;这是由于:
1)过冷奥氏体发生珠光体转变,钢的质量技术指标不能达标;
2)过冷奥氏体发生上贝氏体转变,上贝氏体由于板条间分布有粗大的脆性碳化物,是钢中的有害组织,危害钢的韧性,必须避免;
(2)钢多次水冷至马氏体区未冷透,多次出水利用余热回温至低于珠光体转变温度TP;钢多次水冷至马氏体区未冷透,即多次水冷时间为:出水利用余热回温停止上升温度为钢转入下一次水冷温度;
1)钢多次水冷时间按下列原则确定:
①钢的热处理难度系数N≥30mm,多次水冷时间为首次水冷时间Y1G1的20%~50%;
②钢的热处理难度系数N<30mm,多次水冷时间为首次水冷时间Y1G1的10%~40%;
③钢“水冷-回温”次数多,多次水冷时间取下限值;反之,取上限值;
2)钢多次出水利用余热回温停止上升的温度为钢转入下一次水冷温度;
(四)钢首次出水利用余热回温至H为Bs+(50~100)℃,但须低于珠光体转变温度——C-曲线鼻尖部温度TP,立即转入多次“水冷-回温”,即多次为再次在质量分数(5~10)%NaCl水溶液中冷却HJ至马氏体区未冷透,再次出水利用余热回温停止上升温度K为钢进入双介质淬火空冷开始温度——马氏体转变开始温度Ms偏高或偏低温度;这是由于:
根据钢的奥氏体转变曲线,通过淬火获得马氏体组织,并不需要在整个冷却过程中进行快速冷却;只需绕过C-曲线不稳定区——鼻尖部温度TP,在其C-曲线鼻尖部温度TP±50℃进行快速冷却;从淬火温度至TP+50℃之间及TP-50℃至Ms+(10~30)℃(高淬透性钢)或Ms-(20~40)℃(低淬透性钢)之间不需要快速冷却,为放慢在伴有体积变化的Ms+(10~30)℃(高淬透性钢)或Ms-(20~40)℃(低淬透性钢)温度以下的冷却速度作准备;见图3所示;
(1)钢的双介质淬火空冷开始温度K按下列原则确定:
1)钢的双介质淬火空冷开始温度K高,淬火后畸变量和开裂倾向小,但导致马氏体数量减少,降低钢的性能,即降低钢的强度和硬度;钢的双介质淬火空冷温度K低,淬火后畸变量和开裂倾向大,与现有技术碳钢水冷淬火冷至(70~80)℃相差无几;这是由于:
钢的回温温度在达到淬硬性和获得组织及性能达标的前提下,最大化细化晶粒和减小内应力,即最大化提高钢的强韧性和减小畸变量及开裂倾向;
(2)钢的双介质淬火空冷开始温度K为:
1)高碳钢和中、高碳合金钢的双介质淬火空冷开始温度K为:
K=Ms+(10~30)℃;
举例:9Mn2V钢Ms为180℃,
则K=Ms+(10~30)=180+10~180+30=190~210
9Mn2V钢双介质淬火空冷开始温度K取值范围为:
190℃≤K≤210℃;
2)中、低碳钢和低碳合金钢的双介质淬火空冷开始温度K为:
K=Ms-(20~40)℃;
举例:50钢Ms为300℃,
则K=Ms-(20~40)=300-20~300-40=260~280
50钢双介质淬火空冷开始温度K取值范围为:
260℃≤K≤280℃;
3)钢的双介质淬火空冷开始温度K取值按下列原则确定:
①钢的热处理难度系数N≥30mm,空冷开始温度K取下限值;
②钢的热处理难度系数N<30mm,空冷开始温度K取上限值;
这是由于钢的热处理难度系数大,热容量大,反之,热容量小;
(3)钢为双介质淬火空冷开始温度K,立即转入静止空冷KL,将分级保持工序合并在静止空冷工序中,既包括双介质空冷(连续冷却转变)淬火,又包括分级(恒温转变)淬火;
(五)钢为双介质淬火空冷开始温度K,立即转入静止空冷KL至L温度为在马氏体区多次为3次“水冷-回温”,直至冷至室温,即钢在马氏体区,进行多次为3次在质量分数(5~10)%NaCl水溶液-空气中再双介质淬火,直至冷至室温Q”;见图4所示;
(1)钢的双介质淬火空冷至L温度,即第一次再双介质淬火水冷温度L为:比空冷开始温度K低(10~20)℃
1)高碳钢和中、高碳合金钢第一次再双介质淬火水冷温度L为:
L=K-10℃
举例:9Mn2V钢K为(190~210)℃,
则L=(190~210)-10=190-10~210-10=180~200
9Mn2V钢第一次再双介质淬火水冷温度L取值范围为:
180℃≤L≤200℃
2)中、低碳钢和低碳合金钢第一次再双介质淬火水冷温度L为:
L=K-20℃
举例:50钢K为(260~280)℃,
则L=(260~280)-20=260-20~280-20=240~260
50钢第一次再双介质淬火水冷温度L取值范围为:
240℃≤L≤260℃
3)钢第一次再双介质淬火水冷温度L取值按下列原则确定:
①钢的热处理难度系数N≥30mm,第一次再双介质淬火水冷温度L取上限值;
②钢的热处理难度系数N<30mm,第一次再双介质淬火水冷温度L取下限值;
这是由于钢的热处理难度系数大,截面大,反之,截面小;热处理难度系数N≥30mm,温度L取上限值,增大钢冷却表面与冷却介质水的能量差,提高比热处理难度系数N<30mm更大水冷速度,相当于降低热处理难度系数N;反之,取下限值;
(2)钢为第一次再双介质淬火水冷温度L,立即转入第一次再双介质淬火在质量分数(5~10)%NaCl水溶液中冷却LM;
(六)钢为第一次再双介质淬火水冷温度L,立即转入第一次再双介质淬火在质量分数(5~10)%NaCl水溶液中冷却LM至马氏体区未冷透,冷却时间为:出水利用余热回温停止上升温度N为第一次再双介质淬火空冷开始温度;
(1)钢回温停止上升温度N,即钢第一次再双介质淬火空冷开始温度N为:比第一次再双介质淬火水冷温度L低(30~40)℃
1)高碳钢和中、高碳合金钢第一次再双介质淬火空冷开始温度N为:N=L-30℃
举例:9Mn2V钢L为(180~200)℃,
则N=(180~200)-30=180-30~200-30=150~170
9Mn2V钢第一次再双介质淬火空冷开始温度N取值范围为:
150℃≤N≤170℃
2)中、低碳钢和低碳合金钢第一次再双介质淬火空冷开始温度N为:N=L-40℃
举例:50钢L为(240~260)℃,
则N=(240~260)-40=240-40~260-40=200~220
50钢第一次再双介质淬火空冷开始温度N取值范围为:
200℃≤N≤220℃
3)钢第一次再双介质淬火空冷开始温度N取值按下列原则确定:
①钢的热处理难度系数N≥30mm,第一次再双介质淬火空冷开始温度N取下限值;
②钢的热处理难度系数N<30mm,第一次再双介质淬火空冷开始温度N取上限值;
这是由于钢的热处理难度系数大,热容量大,反之,热容量小;
4)钢为第一次再双介质淬火空冷开始温度N,立即转入静止空冷NP,将分级保持工序合并在静止空冷工序中,既包括双介质空冷(连续冷却转变)淬火,又包括分级(恒温转变)淬火;
5)钢第一次再双介质淬火空冷至P温度,即第二次再双介质淬火水冷温度P为:比空冷开始温度N低(10~20)℃
①高碳钢和中、高碳合金钢第二次再双介质淬火水冷温度P为:
P=N-10℃;
举例:9Mn2V钢N为(150~170)℃,
则P=(150~170)-10=150-10~170-10=140~160
9Mn2V钢第二次再双介质淬火水冷温度P取值范围为:
140℃≤P≤160℃;
②中、低碳钢和低碳合金钢第二次再双介质淬火水冷温度P为:
P=N-20℃;
举例:50钢N为(200~220)℃,
则P=(200~220)-20=200-20~220-20=180~200
50钢第二次再双介质淬火水冷温度P取值范围为:
180℃≤P≤200℃;
6)钢第二次再双介质淬火水冷温度P取值按下列原则确定:
①钢的热处理难度系数N≥30mm,第二次再双介质淬火水冷温度P取上限值;
②钢的热处理难度系数N<30mm,第二次再双介质淬火水冷温度P取下限值;
这是由于钢的热处理难度系数大,截面大,反之,截面小;热处理难度系数N≥30mm,温度P取上限值,增大钢冷却表面与冷却介质水的能量差,提高比热处理难度系数N<30mm更大水冷速度,相当于降低热处理难度系数N;反之,取下限值;
(2)钢为第二次再双介质淬火水冷温度P,立即转入第二次再双介质淬火在质量分数(5~10)%NaCl水溶液中冷却PQ;
(七)钢为第二次再双介质淬火水冷温度P,立即转入第二次再双介质淬火在质量分数(5~10)%NaCl水溶液中冷却PQ至马氏体区未冷透,冷却时间为:出水利用余热回温停止上升温度N’为第二次再双介质淬火空冷开始温度;
(1)钢出水利用余热回温停止上升温度N’,即第二次再双介质淬火空冷开始温度N’为:比第二次再双介质淬火水冷温度P低(30~40)℃
1)高碳钢和中、高碳合金钢第二次再双介质淬火空冷开始温度N’为:N’=P-30℃;
举例:9Mn2V钢P为(140~160)℃,
则N’=(140~160)-30=140-30~160-30=110~130
9Mn2V钢第二次再双介质淬火空冷开始温度N’取值范围为:
110℃≤N’≤130℃;
2)中、低碳钢和低碳合金钢第二次再双介质淬火空冷开始温度N’为:N’=P-40℃;
举例:50钢P为(180~200)℃,
则N’=(180~200)-40=180-40~200-40=140~160
50钢第二次再双介质淬火空冷开始温度N’取值范围为:
140℃≤N’≤160℃;
3)钢第二次再双介质淬火空冷开始温度N’取值按下列原则确定:
①钢的热处理难度系数N≥30mm,第二次再双介质淬火空冷开始温度N’取下限值;
②钢的热处理难度系数N<30mm,第二次再双介质淬火空冷开始温度N’取上限值;
这是由于钢的热处理难度系数大,热容量大,反之,热容量小;
4)钢为第二次再双介质淬火空冷开始温度N’,立即转入静止空冷N’P’,将分级保持工序合并在静止空冷工序中,既包括双介质空冷(连续冷却转变)淬火,又包括分级(恒温转变)淬火;
5)钢第二次再双介质淬火空冷至P’温度,即第三次再双介质淬火水冷温度P’为:比空冷开始温度N’低(10~20)℃
①高碳钢和中、高碳合金钢的第三次再双介质淬火水冷温度P’为:
P’=N’-10℃
举例:9Mn2V钢N’为(110~130)℃,
则P’=(110~130)-10=110-10~130-10=100~120
9Mn2V钢第三次再双介质淬火水冷温度P’取值范围为:
100℃≤P’≤120℃;
②中、低碳钢和低碳合金钢第三次再双介质淬火水冷温度P’为:
P’=N’-20℃
举例:50钢N’为(140~160)℃,
则P’=(140~160)-20=140-20~160-20=120~140
50钢第三次再双介质淬火水冷温度P’取值范围为:
120℃≤P’≤140℃
6)钢第三次再双介质淬火水冷温度P’取值按下列原则确定:
①钢的热处理难度系数N≥30mm,第三次再双介质淬火水冷温度P’取上限值;
②钢的热处理难度系数N<30mm,第三次再双介质淬火水冷温度P’取下限值;
这是由于钢的热处理难度系数大,截面大,反之,截面小;热处理难度系数N≥30mm,温度P’取上限值,增大钢冷却表面与冷却介质水的能量差,提高比热处理难度系数N<30mm更大水冷速度,相当于降低热处理难度系数N;反之,取下限值;
(2)钢为第三次再双介质淬火水冷温度P’,立即转入第三次再双介质淬火在质量分数(5~10)%NaCl水溶液中冷却P’Q’;
(八)钢为第三次再双介质淬火水冷温度P’,立即转入第三次再双介质淬火在质量分数(5~10)%NaCl水溶液中冷却P’Q’至马氏体区未冷透,冷却时间为:出水利用余热回温停止上升温度N”为第三次再双介质淬火空冷开始温度;
(1)钢出水利用余热回温停止上升温度N”,即第三次再双介质淬火空冷开始温度N”为:比第三次再双介质淬火水冷温度P’低(30~40)℃
1)高碳钢和中、高碳合金钢第三次再双介质淬火空冷开始温度N”为:N”=P’-30℃
举例:9Mn2V钢P’为(100~120)℃,
则N”=(100~120)-30=100-30~120-30=70~90
9Mn2V钢的第三次再双介质淬火空冷开始温度N”取值范围为:
70℃≤N”≤90℃
2)中、低碳钢和低碳合金钢第三次再双介质淬火空冷开始温度N”为:N”=P’-40℃
举例:50钢P’为(120~140)℃,
则N”=(120~140)-40=120-40~140-40=80~100
50钢的第三次再双介质淬火空冷开始温度N”取值范围为:
80℃≤N”≤100℃;
3)钢第三次再双介质淬火空冷开始温度N”取值按下列原则确定:
①钢的热处理难度系数N≥30mm,第三次再双介质淬火空冷开始温度N”取下限值;
②钢的热处理难度系数N<30mm,第三次再双介质淬火空冷开始温度N”取上限值;
这是由于钢的热处理难度系数大,热容量大,反之,热容量小;
4)钢为第三次再双介质淬火空冷开始温度N”,立即转入静止空冷N”P”,将分级保持工序合并在静止空冷工序中,既包括双介质空冷(连续冷却转变)淬火,又包括分级(恒温转变)淬火;
5)钢第三次再双介质淬火空冷至P”温度,即第四次再双介质淬火水冷温度P”为:比空冷开始温度N”低(10~20)℃
①高碳钢和中、高碳合金钢第四次再双介质淬火水冷温度P”为:
P”=N”-10℃
举例:9Mn2V钢N”为(70~90)℃,
则P”=(70~90)-10=70-10~90-10=60~80
9Mn2V钢第四次再双介质淬火水冷温度P”取值范围为:
60℃≤P”≤80℃
②中、低碳钢和低碳合金钢第四次再双介质淬火水冷温度P”为:
P”=N”-20℃
举例:50钢N”为(80~100)℃,
则P”=(80~100)-20=80-20~100-20=60~80
50钢第四次再双介质淬火水冷温度P”取值范围为:
60℃≤P”≤80℃
6)钢第四次再双介质淬火水冷温度P”取值按下列原则确定:
①钢的热处理难度系数N≥30mm,第四次再双介质淬火水冷温度P”取上限值;
②钢的热处理难度系数N<30mm,第四次再双介质淬火水冷温度P”取下限值;
这是由于钢的热处理难度系数大,截面大,反之,截面小;热处理难度系数N≥30mm,温度P”取上限值,增大钢冷却表面与冷却介质水的能量差,提高比热处理难度系数N<30mm更大水冷速度,相当于降低热处理难度系数N;反之,取下限值;
(2)钢为第四次再双介质淬火水冷温度P”,立即转入第四次再双介质淬火在质量分数(5~10)%NaCl水溶液中冷却P”Q”至室温Q”;
(九)钢冷至室温Q”,立即转入下一道热处理工序;
(十)本发明上述技术要素与现有技术相比,除运用“马氏体转变可逆性”规律,用热处理方法,特别是冷却方法,多次“水冷-回温”,直至冷至室温,多次细化晶粒提高钢的强韧性有益效果外,还包括:
(1)提高钢的淬硬性和淬透性;
1)现有技术提高钢的淬硬性和淬透性是在钢中加入足够量稳定过冷奥氏体的合金元素,改变C-曲线形状和使C-曲线向右推移,降低临界淬火速度来实现提高淬火冷却速度,从而提高钢的淬硬性和淬透性,消耗合金资源,提高钢的成本和碳当量——降低焊接性能;
2)本发明用热处理方法,特别是冷却方法,多次“水冷-回温”,提高钢的淬硬性和淬透性,使低碳低合金ASTM A694F65钢,有效厚度160mm1/2T处各项质量技术全部达标,即淬透性提高至水冷端距离为80mm以上;钢奥氏体化后,预冷后多次在质量分数(5~10)%NaCl水溶液中冷却绕过C-曲线不稳定区——鼻尖部温度TP至马氏体区未冷透,多次出水利用余热回温至低于珠光体转变温度——C-曲线鼻尖部温度TP,回温停止上升温度空冷至下一次水冷温度,立即转入多次在质量分数(5~10)%NaCl水溶液中冷却,直至冷至室温;即提高钢冷却表面能量,增大钢冷却表面与冷却介质水的能量差,提高钢在水中的冷却速度、冷却均匀性和冷却效率,加强和改善水的冷却能力和冷却特性,从而提高钢的淬硬性和淬透性,且减小畸变量和开裂倾向;钢中用微合金化代替低合金化,用低合金化代替中合金化,用中合金化代替部分高合金化,用价低合金元素代替价高合金元素,节约合金资源,降低钢的成本和碳当量,提高钢的焊接性能;这是由于:
①钢的冷却速度是由钢冷却表面与冷却介质的能量差造成,能量差大的冷却速度大,反之,冷却速度小,所以在同一冷却介质中,钢冷却表面温度高的冷却速度大于钢冷却表面温度低的冷却速度;
②物质内部是高能量向低能量状态转移的变化,钢在水中冷却是钢的高能量向低能量的水转移的过程;
钢奥氏体化后,预冷后在水中冷却到一定程度,冷却速度不断衰减,趋于平缓,处于一种亚平衡状态;是因为钢冷却表面与冷却介质水的能量差变小,钢冷却表面的高能量仅仅依靠心部的高能量传递过来,正是由于这一机理制约钢的冷却速度,从而制约钢的淬硬性和淬透性;犹如水力发电站,建拦河坝,提高水的势能,即增加水的能量,然后开闸发电,水的势能转变为动能,流速加快;
③钢的冷却均匀性是由钢的温度场温度均匀性决定的,钢水冷至马氏体区未冷透,回温至空冷温度,在静止空气中冷至下一次水冷温度,将分级淬火合并在双介质空冷淬火中,减小表里的温度差,使钢的温度场温度均匀,从而提高钢的冷却均匀性;
④由于提高了钢的冷却速度和冷却均匀性,从而提高钢的冷却效率;
(3)钢的表层过冷奥氏体多次预先在马氏体区部分转变的马氏体进行自回火;
1)减小钢的畸变量和开裂倾向;
①使预先部分转变的马氏体转变成回火马氏体,消除组织应力;
②消除冷却初期造成表面拉应力,心部压应力的热应力;
③等同于高温快速自回火,避免回火脆性;这是由于高温快速回火不产生回火脆性;
⑤减小钢的表里温度差,提高冷却均匀性,即减小热应力;
⑤又由于回温提高冷却速度,因此:
(i)减小表里的温度差,即减小热应力;
(ii)缩短表里组织转变的时间差,即减小组织应力;
2)为钢下一次水冷增加过冷奥氏体转变量,减少残余奥氏体量,提高淬火完全度提供条件;这是由于过冷奥氏体转变为马氏体发生体积膨胀,尚未转变的过冷奥氏体受到周围马氏体的附加压力,失去长大条件而保留下来;根据牛顿“作用力与反作用力”定理,多次回温使过冷奥氏体预先在马氏体区部分转变的马氏体进行自回火,由马氏体转变为回火马氏体发生体积收缩,减小尚未转变的过冷奥氏体受周围回火马氏体的附加压力,从而提供长大条件进行转变。
(4)降低钢的奥氏体热稳定化程度
1)现有技术低淬透性钢的双介质淬火冷却介质为水-油,出油空冷至室温;高淬透性钢的双介质淬火冷却介质为油-空气,即油淬空冷至室温;延长出油至室温的停留时间,提高钢的奥氏体热稳定化程度;见图5所示;
2)本发明钢双介质淬火再次在水中冷至马氏体区未冷透,再次出水利用余热回温停止上升的温度为钢的马氏体转变开始温度Ms偏高或偏低温度,立即转入在马氏体区多次“水冷-回温”,直至冷至室温,即钢在马氏体区,进行多次为3次再双介质水-空气淬火,直至冷至室温Q”;见图4所示;既用热处理方法,特别是冷却方法,多次“水冷-回温”,多次细化晶粒提高钢的强韧性,又缩短从马氏体转变开始温度Ms偏高或偏低温度至室温的停留时间,降低钢的奥氏体热稳定化程度,增加过冷奥氏体转变量,减少残余奥氏体量,提高淬火完全度,提高淬火钢的性能和尺寸稳定性,降低淬火钢的脆性转化温度,且减小钢的畸变量和开裂倾向;这是由于:
钢过冷奥氏体在某一温度停止冷却并保持一定时间,残余奥氏体在该温度较多保留下来,且保持时间长,未转变的过冷奥氏体变得更为稳定;即与停留时间有关,停留时间越长,奥氏体的热稳定化程度越大,再继续冷却时过冷奥氏体向马氏体转变并不立即开始,而是经过一段时间才能恢复转变,转变将在更低的温度下进行,且转变量也达不到之前的转变量。
5.质量分数(5~10)%NaCl水溶液温度控制在(15~38)℃。
Claims (5)
1.一种钢的细晶强韧化双介质淬火冷却方法,其特征是运用“马氏体转变可逆性”规律,用热处理方法,特别是冷却方法,多次“水冷-回温”,多次细化晶粒,提高钢的强韧性;钢在奥氏体化过程中,为马氏体逆转变提供条件;具备马氏体逆转变条件钢奥氏体化后,预冷后进行多次“水冷-回温”,直至冷至室温;控制钢的表层首次水冷绕过C-曲线不稳定区——鼻尖部温度至马氏体区的冷透程度,首次出水利用余热回温至贝氏体转变开始温度Bs+(50~100)℃,但须低于珠光体转变温度——C-曲线鼻尖部温度,立即转入多次“水冷-回温”,即多次水冷至马氏体区未冷透,多次出水利用余热回温至低于珠光体转变温度——C-曲线鼻尖部温度,回温停止上升温度——马氏体转变开始温度Ms偏高或偏低温度,为钢进入双介质淬火空冷开始温度,冷至比空冷开始温度低(10~20)℃,立即转入在马氏体区多次“水冷-回温”,直至冷至室温,即钢在马氏体区,在水-空气中进行多次再双介质淬火,直至冷至室温;钢冷至室温,立即转入下一道热处理工序;
所述方法包括:
(一)钢的奥氏体化;
(二)钢的预冷;
(三)钢的控冷。
2.如权利要求1所述钢的奥氏体化,其特征是所述钢的奥氏体化为:
(一)确定钢的淬火加热温度、保温时间和升温速度为奥氏体相变完成,奥氏体晶粒不得长大,透烧、费用低,减小加热热应力,截面温度分布均匀化,为淬火水冷作准备;降低奥氏体转变开始温度As,提高马氏体转变开始温度Ms,缩小As与Ms的温度差,为马氏体逆转变提供条件;
(二)确定钢的淬火阶梯预热次数、预热温度、保温时间和升温速度为透烧、费用低,减小预热热应力,截面温度分布均匀化,为淬火水冷作准备;降低奥氏体转变开始温度As,提高马氏体转变开始温度Ms,缩小As与Ms的温度差,为马氏体逆转变提供条件。
3.如权利要求1所述钢的预冷,其特征是所述钢的预冷为:
(一)确定钢的相变点A1温度为预冷消耗孕育期的临界温度;
(1)确定钢的预冷温度Tn≥A1温度,不消耗孕育期;
(2)确定钢的预冷温度Tn<A1温度,消耗孕育期;
(二)确定钢奥氏体化后,出炉在空气中预冷;
(三)确定钢的预冷温度为:
(1)确定共析钢和过共析钢预冷温度为Ar1+(10~30)℃,须≥A1;
(2)确定亚共析钢预冷温度为Ac3-(10~20)℃,接近上相变点Ac3;
(四)确定钢为预冷温度,立即转入水中冷却。
4.如权利要求1所述钢的控冷,其特征是所述钢的控冷为:
(一)确定运用“马氏体转变可逆性”规律,用热处理方法,特别是冷却方法,多次细化晶粒,提高钢的强韧性;具备马氏体逆转变条件钢奥氏体化后,预冷后进行多次“水冷-回温”,直至冷至室温;控制钢的表层首次水冷绕过C-曲线不稳定区——鼻尖部温度至马氏体区的冷透程度,为后续多次“水冷-回温”达到各临界点预期温度作准备;
(二)确定具备马氏体逆转变条件钢奥氏体化后,预冷后首次水冷绕过C-曲线不稳定区——鼻尖部温度至马氏体区的冷透程度,即首次水冷时间为:首次出水利用余热回温至贝氏体转变开始温度Bs+(50~100)℃,但须低于珠光体转变温度——C-曲线鼻尖部温度;
(三)确定钢首次出水利用余热回温至贝氏体转变开始温度Bs+(50~100)℃,但须低于珠光体转变温度——C-曲线鼻尖部温度,立即转入多次“水冷-回温”;
(四)确定钢多次水冷至马氏体区未冷透,多次出水利用余热回温至低于珠光体转变温度——C-曲线鼻尖部温度,回温停止上升温度为马氏体转变开始温度Ms偏高或偏低温度,为钢进入双介质淬火空冷开始温度,冷至比空冷开始温度低(10~20)℃,立即转入在马氏体区多次“水冷-回温”,直至冷至室温,即钢在马氏体区,在水-空气中进行多次再双介质淬火,直至冷至室温;
(五)确定钢冷至室温,立即转入下一道热处理工序。
5.水的温度控制在(15~35)℃。
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Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210806 |
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