CN113444860B - 一种针对厚度差异大的工件的淬火方法 - Google Patents

一种针对厚度差异大的工件的淬火方法 Download PDF

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Abstract

本发明是提供一种既能够减小淬火过程中工件各厚度区域之间温差、减小工件开裂、变形，又能兼顾性能的针对厚度差异大的工件的淬火方法，涉及金属材料热处理技术领域。一种针对厚度差异大的工件的淬火方法，所述淬火方法包括以下步骤：测量工件各处的有效厚度；按照有效厚度差异将工件划分成多个淬火区域；在各淬火区域上分别设置能覆盖其表面的冷快装置和激冷装置，所述快冷装置包括风机；启动激冷装置，对工件各个淬火区域执行激冷工序，执行时间T1；执行时间完成后，测量各淬火区域的表面温度；将各淬火区域的表面温度与所述风冷工序的起始温度和终止温度比较。该方法减少了工件组织应力，热应力，减少了产品开裂倾向，工件表面硬度也更均匀。

Description

一种针对厚度差异大的工件的淬火方法
技术领域
本发明涉及金属材料热处理技术领域，具体涉及一种针对厚度差异大的工件的淬火方法。
背景技术
淬火处理是常用的热处理方式，是指将工件加热到Ac3或Ac1以上某一温度后，保持一定的时间，然后采用先快后慢，先激冷后快冷的方式，以合适的速率冷却，获得预定的组织和性能的一种方法。激冷有水冷、油冷、雾冷、强风冷等方式。快冷方式主要为风冷，风冷的冷却风速V主要根据工件的淬火要求确定。淬火过程中最重要的控制参数有冷却速率以及终冷温度，冷却速率主要取决于冷却方式、淬火介质以及工件的有效厚度，冷却速率的大小，直接影响铸件的综合力学性能的优劣。而终冷温度的控制，不仅决定组织转变产物类型及量的多少，而且决定应力的大小，应力过大则会导致产品出现开裂或变形的质量隐患。
对于厚度差异大的工件，采用传统的淬火方式，其各个区域的冷却速度不可控制，由于工件壁厚和形状的原因，必然各个区域的冷却速度不一致。为了保性能，就需要采用较快的冷速，但是各个区域的冷却速度不可控制，必然造成各个区域的温差过大，温差过大易造成工件开裂、易造成产品变形。如为了减少开裂倾向、减少变形趋势，需要降低冷却速度，降低冷却速度意味着产品的性能降低，因此采取传统的手段进行淬火，产品开裂倾向、变形趋势和性能难以兼顾。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种既能够减小淬火过程中工件各厚度区域之间温差、减小工件开裂、变形，又能兼顾性能的针对厚度差异大的工件的淬火方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种针对厚度差异大的工件的淬火方法，所述工件的淬火工艺包括依次设置的激冷工序和快冷工序，所述快冷工序为风冷工序，所述风冷工序的冷却风速为V，所述淬火方法包括以下步骤：
步骤一、测量工件各处的有效厚度；
步骤二、按照有效厚度差异将工件划分成多个淬火区域；
步骤三、在各淬火区域上分别设置能覆盖其表面的冷快装置和激冷装置，所述快冷装置包括风机；
步骤四、启动激冷装置，对工件各个淬火区域执行激冷工序，执行时间T1；
步骤五、执行时间完成后，测量各淬火区域的表面温度；
步骤六、将各淬火区域的表面温度与所述风冷工序的起始温度和终止温度比较；
步骤七、若表面温度大于所述风冷工序的起始温度，则对应的淬火区域成为一个激冷继续执行区域，启动与各个激冷继续执行区域对应的激冷装置，对各个激冷继续执行区域继续执行激冷工序，执行时间T2，执行完成后再依次重复步骤五、步骤六、步骤七，直至表面温度小于所述风冷工序的起始温度后，对对应的激冷继续执行区域执行步骤八；
步骤八、若表面温度在所述风冷工序的起始温度和终止温度之间，则对应的淬火区域成为一个可执行风冷工序的风冷可执行区域，对各个风冷可执行区域执行风冷工序，所述风冷工序步骤包括：
步骤8.1、从各个风冷可执行区域的表面温度中筛选出最高温度Kmax；
步骤8.2、以筛选出的最高温度Kmax为基准温度，分别算出该基准温度与各个风冷可执行区域的表面温度之间的温差值Kdif，再根据上述温差值Kdif大小确定各个风冷可执行区域的表面风速V/，随着温差值Kdif的增大，所述表面风速V/从所述风冷工序的冷却风速V处逐渐减小；
步骤8.3、启动与各个风冷可执行区域对应的所述风机，按照上述确定的各个风冷可执行区域的表面风速V/分别对对应的风冷可执行区域执行风冷工序，执行时间T2；
步骤8.4、执行时间完成后，测量所有淬火区域的表面温度；
步骤8.5、将所有淬火区域的表面温度与所述风冷工序的起始温度和终止温度比较：若表面温度在所述风冷工序的起始温度和终止温度之间，则对应的淬火区域成为可执行风冷工序的风冷可执行区域，对各风冷可执行区域依次重复上述步骤8.1、步骤8.2、步骤8.3、步骤8.4、步骤8.5，直至表面温度等于或小于所述风冷工序终止温度；若表面温度等于或小于所述风冷工序终止温度，则对应的风冷可执行区域的风冷工序完成；
步骤8.6、直至所有淬火区域的表面温度等于或小于所述风冷工序终止温度。
进一步地，所述激冷装置为喷雾装置。
进一步地，所述执行时间T1根据所述工件的最大有效厚度确定。
进一步地，所述风冷工序的起始温度小于或等于550℃；
进一步地，所述步骤8.2中，当温差值Kdif＝0时，对应的风冷可执行区域的表面风速 V/＝V，当0＜Kdif≤20时，对应的风冷可执行区域的表面风速V/＝0.9V，当20＜Kdif≤40时，对应风冷可执行区域的表面风速V/＝0.8V，当40＜Kdif≤60时，对应的风冷可执行区域的表面风速V/＝0.75V，当60＜Kdif≤100时，对应的风冷可执行区域的表面风速V/＝0.65V，当100＜Kdif时，对应的风冷可执行区域的表面风速V/＝0.5V。
本发明的有益效果是：本发明按照工件不同厚度设置淬火区域，且在快冷工序中按照高温区域为基准温度，根据基准温度之间与各淬火区域表面温度差值大小调整各淬火区域表面风速，使高温区域表面风速最大，该区域冷速快，并每隔T2时间对各淬火区域刷新一次，如此，方便不断调整各淬火区域的表面风速和实际冷却速度，实现了对工件表面降温速率的分区控制，达到各区域温度以及冷却速度接近的要求，该方法减少了工件组织应力，热应力，减少了产品开裂倾向，工件表面硬度也更均匀。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明的风冷工序流程图；
图3是本发明实施例中工件的冷快装置和激冷装置布置示意图；
图4是图3工件执行激冷工序T1时间后，各淬火区域按表面温度大小划分激冷继续执行区域和风冷可执行区域的示意图；
图5是本发明本实施例的锻件采用常规淬火时四个淬火区域的冷却曲线图；
图6是本发明本实施例的锻件采用本发明的方法淬火时四个淬火区域的冷却曲线图；
图中所示：工件1，冷快装置2，激冷装置3，第一淬火区域11，第二淬火区域1，第三淬火区域13，第四淬火区域14，风机21，激冷继续执行区域111，风冷可执行区域112。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图3、图4所示，本发明的一种针对厚度差异大的工件的淬火方法，所述工件的淬火工艺包括依次设置的激冷工序和快冷工序，所述快冷工序为风冷工序，所述风冷工序的冷却风速为V。其中，激冷工序以及风冷工序的冷却风速V根据材料的淬火要求进行选择，这与现有淬火方式相同。所述淬火方法包括以下步骤：
步骤一、测量工件各处的有效厚度；
步骤二、按照有效厚度差异将工件划分成多个淬火区域；
步骤三、在各淬火区域上分别设置能覆盖其表面的冷快装置2和激冷装置3，所述快冷装置2包括风机21；
步骤四、启动激冷装置3，对工件各个淬火区域执行激冷工序，执行时间T1
步骤五、执行时间完成后，测量各淬火区域的表面温度；
步骤六、将各淬火区域的表面温度与所述风冷工序的起始温度和终止温度比较；
步骤七、若表面温度大于所述风冷工序的起始温度，则对应的淬火区域成为一个激冷继续执行区域111，启动与各个激冷继续执行区域111对应的激冷装置3，对各个激冷继续执行区域111继续执行激冷工序，执行时间T2，执行完成后再依次重复步骤五、步骤六、步骤七，若表面温度小于所述风冷工序的起始温度，则对应的激冷继续执行区域111执行步骤八；
步骤八、若表面温度在所述风冷工序的起始温度和终止温度之间，则对应的淬火区域成为一个可执行风冷工序的风冷可执行区域112，对各个风冷可执行区域112执行风冷工序，所述风冷工序步骤包括：
步骤8.1、从各个风冷可执行区域112的表面温度中筛选出最高温度Kmax；
步骤8.2、以筛选出的最高温度Kmax为基准温度，分别算出该基准温度与各个风冷可执行区域112的表面温度之间的温差值Kdif，再根据上述温差值Kdif大小确定各个风冷可执行区域112的表面风速V/，随着温差值Kdif的增大，所述表面风速V/从所述风冷工序的冷却风速V 处逐渐减小；
步骤8.3、启动与各个风冷可执行区域112对应的所述风机21，按照上述确定的各个风冷可执行区域112的表面风速V/分别对对应的风冷可执行区域112执行风冷工序，执行时间 T2；
步骤8.4、执行时间完成后，测量所有淬火区域的表面温度；
步骤8.5、将所有淬火区域的表面温度与所述风冷工序的起始温度和终止温度比较，判断各各淬火区域是否可执行风冷工序：若表面温度在所述风冷工序的起始温度和终止温度之间，则对应的淬火区域成为可执行风冷工序的风冷可执行区域112，对各风冷可执行区域112 依次重复上述步骤8.1、步骤8.2、步骤8.3、步骤8.4、步骤8.5，直至表面温度等于或小于所述风冷工序终止温度；若表面温度等于或小于所述风冷工序终止温度，则对应的风冷可执行区域112的风冷工序完成。
其中，执行时间T2可随意取值，但应小于工件风冷工序的最小理论时长，可以理解的是执行时间T2取值越小，工件不同淬火区域之间的温差越小。本发明实施例中，工件风冷工序的最小理论时长为1小时，执行时间T2＝5分钟。
在测量淬火区域表面温度时，为了提高测量准确性，可以采用多个测温装置同时测量取平均值的方式。
本发明中执行时间T1可以随意设置，优选地，执行时间T1根据工件的最大有效壁厚确定，即，保证工件在执行激冷工序T1后，工件的各淬火区域均能降低到风冷工序的起始温度以下，如此，可以提升激冷效率。
本发明按照工件不同厚度设置淬火区域，且在快冷工序中按照高温区域为基准温度，根据基准温度之间与各淬火区域表面温度差值大小调整各淬火区域表面风速，使高温区域表面风速最大，冷速快，并每隔T2时间对各淬火区域刷新一次，如此，方便不断调整各淬火区域的表面风速和实际冷却速度，实现了对工件表面降温速率的分区控制，达到各区域温度以及冷却速度接近的要求，从而减少组织应力，热应力，减少产品开裂倾向，工件表面硬度也更均匀。
本发明中激冷装置可以为喷雾装置或风机，具体根据激冷工序选择，如：工件的激冷工序要求的淬火冷速相对较小，需采用强风冷工序时，激冷装置采用风机。本发明实施例中，激冷装置为喷雾装置，即：激冷工序采用喷雾工序。
为了减少产品的开裂倾向，一般情况下淬火冷却方式为先快后慢，即首先激冷到珠光体转变温度以下(减少珠光体的形成)，因此本发明中，优选地，风冷工序的起始温度小于或等于550℃。风冷工序的终止温度根据工件的淬火要求选择，通常情况下风冷工序的终止温度在马氏体转变温度ms点附近。
各个风冷可执行区域112的表面风速V/与温差值Kdif的大小变化关系可以是线性关系，本发明中，具体的，当Kdif＝0时，对应的风冷可执行区域112的表面风速V/＝V，当0＜Kdif≤ 20时，对应的风冷可执行区域112的表面风速V/＝0.9V，当20＜Kdif≤40时，对应的风冷可执行区域112的表面风速V/＝0.8V，当40＜Kdif≤60时，对应的风冷可执行区域112的表面风速V/＝0.75V，当60＜Kdif≤100时，对应的风冷可执行区域112的表面风速V/＝0.65V，当100＜Kdif时，对应的风冷可执行区域112的表面风速V/＝0.5V。
下面利用实施例对本发明进行进一步地说明。
实施例：
参见图3和图4，工件1的淬火工艺包括依次设置的激冷工序和快冷工序，根据工件的淬火要求，工件的激冷工序为雾冷工序，快冷工序为风冷工序，风冷工序的起始温度500℃，风冷终止温度250℃，工件风冷淬火的冷却风速为15m/s；
步骤一、测量工件1各处有效厚度，工件的有效厚度分别为70mm、60mm、80mm和55mm；
步骤二、按照有效厚度差异，将工件有效厚度为70mm的区域划分为第一淬火区域11， 60mm的的区域划分为第二淬火区域12，80mm的区域划分为第三淬火区域13，55mm的区域划分为第四淬火区域14；
步骤三、在第一淬火区域11、第二淬火区域1、第三淬火区域13以及第四淬火区域14 上分别设置能覆盖其表面的冷快装置2和激冷装置3，冷快装置2为风机，激冷装置3为喷雾装置；
步骤四、待工件加热后吊装至淬火区，启动激冷装置3，对工件的第一淬火区域11、第二淬火区域1、第三淬火区域13以及第四淬火区域14执行激冷工序(喷雾)，执行时间 T1＝40分钟；
步骤五、执行完成后，用红外测温设备分别测量四个淬火区域表面温度，分别为550℃、490℃、570℃、和470℃；
步骤六、将各淬火区域表面温度与风冷工序的起始温度和终止温度比较，第一淬火区域 11和第三淬火区域13的表面温度均大于风冷工序的起始温度500℃，第二淬火区域12和第四淬火区域14的表面温度在风冷工序的起始温度和终止温度之间；
步骤七、第一淬火区域11、第三淬火区域13分别成为一个激冷继续执行区域111，启动与第二淬火区域12和第三淬火区域14对应的激冷装置3，对第二淬火区域12和第三淬火区域14继续执行激冷喷雾，执行时间T2＝5分钟，执行完成后再依次重复步骤五、步骤六、步骤七，若循环过程中(执行步骤7时)第二淬火区域12的表面温度小于风冷工序的起始温度，则第二淬火区域12执行步骤八，否则继续执行步骤五、步骤六、步骤七，第三淬火区域13亦是如此；
步骤八：第二淬火区域12、第四淬火区域14分别成为一个风冷可执行区域112，对各风冷可执行区域112(第二淬火区域12、第四淬火区域14)执行风冷工序，风冷工序步骤包括：
步骤8.1、从测量的第二淬火区域12和第四淬火区域14的表面温度中筛选出最高温度 Kmax，Kmax＝490℃；
步骤8.2、以最高温度Kmax作为基准温度，计算出基准温度与各个风冷可执行区域(112) 的表面温度之间的温差值Kdif，基准温度与第二淬火区域12的表面温度之间的温差值K2dif＝0，基准温度与第四淬火区域14的表面温度之间的温差值K4dif＝20，0＜K4dif≤20，第二淬火区域12的表面风速
Figure BDA0003136650620000061
第四淬火区域14的表面风速
Figure BDA0003136650620000062
步骤8.3、分别启动与第二淬火区域12和第四淬火区域14对应的风机21，按照15m/s 的表面风速对第二淬火区域12，13.5m/s的表面风速对第四淬火区域14进行风冷，执行时间 5分钟；
步骤8.4、执行完成后，测量出第一淬火区域11、第二淬火区域12、第三淬火区域13和第四淬火区域14的表面温度依次为：490℃、470℃、560℃、和455℃；
步骤8.5、将各淬火区域(第一淬火区域11、第二淬火区域12、第三淬火区域13、第四淬火区域14)的表面温度与所述风冷工序的起始温度和终止温度比较，第一淬火区域11、第二淬火区域12以及第四淬火区域14的表面温度在风冷工序的起始温度和终止温度之间，第三淬火区域13的表面温度均大于风冷工序的起始温度；第一淬火区域11、第二淬火区域12、第四淬火区域14分别成为一个风冷可执行区域112，对各风冷可执行区域112重复上述步骤 8.1：从第一淬火区域11、第二淬火区域12、第四淬火区域14的表面温度中从新选出最高温度Kmax，Kmax＝490℃；再次执行步骤8.2：以最高温度Kmax作为基准温度，确定第一淬火区域11的K1dif＝0，第二淬火区域12的K2dif＝20，0＜K2dif≤20，第四淬火区域14的K4dif＝35，20＜K4dif≤40，从而确定第一淬火区域11的表面风速V1 /＝V＝15m/s，以及从新确定第二淬火区域12表面风速
Figure BDA0003136650620000071
第四淬火区域14的表面风速
Figure BDA0003136650620000072
再执行步骤8.3：分别启动与第一淬火区域11、第二淬火区域12和第四淬火区域14对应的风机21，按照15m/s的表面风速对第一淬火区域11，13.5m/s的表面风速对第二淬火区域12，12m/s的表面风速对第四淬火区域14进行风冷，执行时间5分钟；再执行步骤8.4：测量出第一淬火区域11、第二淬火区域12、第三淬火区域13和第四淬火区域14的表面温度；再执行步骤8.5，如此循环，可控制达到降低不同淬火区域之间的温差的目的。若在循环过程中 (执行步骤8.5时)，出现某一淬火区域的表面温度等于或小于风冷工序终止温度，如：第四淬火区域14的表面温度小于风冷终止温度250℃时，则对对应的风冷可执行区域112(第四淬火区域14)风冷工序完成，停止该区域的风机(停止执行风冷工序)，否则继续循环执行步骤8.1至步骤8.5。如此，直至所有淬火区域的表面温度等于或小于风冷工序终止温度，工件淬火完成。
图5是上述锻件采用常规淬火时四个淬火区域的冷却曲线图，图6是上述锻件采用本发明的方法淬火时四个淬火区域的冷却曲线图。从图中可以看出各淬火区域的冷却速度基本一致，工件的各淬火区域温差明显减小，如此，可以减少工件组织应力，热应力，减少了产品开裂倾向，工件表面硬度也更均匀。

Claims (5)

1.一种针对厚度差异大的工件的淬火方法，所述工件的淬火工艺包括依次设置的激冷工序和快冷工序，所述快冷工序为风冷工序，所述风冷工序的冷却风速为V，其特征在于，所述淬火方法包括以下步骤：
步骤一、测量工件各处的有效厚度；
步骤二、按照有效厚度差异将工件划分成多个淬火区域；
步骤三、在各淬火区域上分别设置能覆盖其表面的快冷装置(2)和激冷装置(3)，所述快冷装置(2)包括风机(21)；
步骤四、启动激冷装置(3)，对工件各个淬火区域执行激冷工序，执行时间T1；
步骤五、执行时间完成后，测量各淬火区域的表面温度；
步骤六、将各淬火区域的表面温度与所述风冷工序的起始温度和终止温度比较；
步骤七、若表面温度大于所述风冷工序的起始温度，则对应的淬火区域成为一个激冷继续执行区域(111)，启动与各个激冷继续执行区域(111)对应的激冷装置(3)，对各个激冷继续执行区域(111)继续执行激冷工序，执行时间T2，执行完成后再依次重复步骤五、步骤六、步骤七，直至表面温度小于所述风冷工序的起始温度后，对对应的激冷继续执行区域(111)执行步骤八；
步骤八、若表面温度在所述风冷工序的起始温度和终止温度之间，则对应的淬火区域成为一个可执行风冷工序的风冷可执行区域(112)，对各个风冷可执行区域(112)执行风冷工序，所述风冷工序步骤包括：
步骤8.1、从各个风冷可执行区域(112)的表面温度中筛选出最高温度Kmax；
步骤8.2、以筛选出的最高温度Kmax为基准温度，分别算出该基准温度与各个风冷可执行区域(112)的表面温度之间的温差值Kdif，再根据上述温差值Kdif大小确定各个风冷可执行区域(112)的表面风速V/，随着温差值Kdif的增大，所述表面风速V/从所述风冷工序的冷却风速V处逐渐减小；
步骤8.3、启动与各个风冷可执行区域(112)对应的所述风机(21)，按照上述确定的各个风冷可执行区域(112)的表面风速V/分别对对应的风冷可执行区域(112)执行风冷工序，执行时间T2；
步骤8.4、执行时间完成后，测量所有淬火区域的表面温度；
步骤8.5、将所有淬火区域的表面温度与所述风冷工序的起始温度和终止温度比较：若表面温度在所述风冷工序的起始温度和终止温度之间，则对应的淬火区域成为可执行风冷工序的风冷可执行区域(112)，对各风冷可执行区域(112)依次重复上述步骤8.1、步骤8.2、步骤8.3、步骤8.4、步骤8.5，直至表面温度等于或小于所述风冷工序终止温度；若表面温度等于或小于所述风冷工序终止温度，则对应的风冷可执行区域(112)停止执行风冷工序。
2.如权利要求1所述的一种针对厚度差异大的工件的淬火方法，其特征在于，所述激冷装置(3)为喷雾装置。
3.如权利要求1所述的一种针对厚度差异大的工件的淬火方法，其特征在于，所述执行时间T1根据所述工件的最大有效厚度确定。
4.如权利要求1所述的一种针对厚度差异大的工件的淬火方法，其特征在于，所述风冷工序的起始温度小于或等于550℃。
5.如权利要求1所述的一种针对厚度差异大的工件的淬火方法，其特征在于，所述步骤8.2中，当温差值Kdif＝0时，对应的风冷可执行区域(112)的表面风速V/＝V，当0＜Kdif≤20时，对应的风冷可执行区域(112)的表面风速V/＝0.9V，当20＜Kdif≤40时，对应的风冷可执行区域(112)的表面风速V/＝0.8V，当40＜Kdif≤60时，对应的风冷可执行区域(112)的表面风速V/＝0.75V，当60＜Kdif≤100时，对应的风冷可执行区域(112)的表面风速V/＝0.65V，当100＜Kdif时，对应的风冷可执行区域(112)的表面风速V/＝0.5V。
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