CN113832314A - 一种磁控加热淬火制备异构钢铁棒材的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁控加热淬火制备异构钢铁棒材的装置及其方法，包括：磁控加热组件、磁屏蔽组件、淬火组件、旋转伸缩装置以及箱体，具体方法包括：预处理、磁控加热、淬火和回火四步工序，预处理充分清理钢铁材料表面后，利用多样化的磁屏蔽罩屏蔽交变磁场，对棒材进行磁控加热并淬火，后立即回火稳定组织，最终得到马氏体和铁素体多级多样分布、高强、高韧、高耐磨的双相异构钢铁棒材。

Description

一种磁控加热淬火制备异构钢铁棒材的装置及其方法

技术领域

本发明涉及的是一种磁控加热淬火制备异构钢铁棒材的装置及其方法，属于异构钢铁材料制备领域。

背景技术

钢铁材料作为人类社会最基础的材料之一，广泛应用于房屋建筑、交通运输、能源生产、机械制造等各个领域。随着科学技术和现代工业的发展，人类对钢铁材料的性能有更高的要求，尤其是高速旋转的轴承零件。运转速度的增加必然会对零件产生更大的磨损和冲击，对钢铁材料的表面进行合理的热处理可以显著的增加零件的耐磨损和耐冲击性能，延长零件的使用寿命，提高机器运行的稳定性，从而保证设备的生产效率。

经对现有技术文献检索发现，X.L.Wu等人在《Acta Materialia》材料学报，2005，53：681-691上发表的“Strain-induced grain refinement of cobalt during surfacemechanical attrition treatment”(表面机械研磨处理过程中应变诱导钴晶粒细化)一文中，介绍了一种在真空室中利用高速运动的钢球不断打磨试样表面从而实现材料表面强化的方法，该方法通过钢球轰击表面，使材料表层晶粒纳米化，从而提高零件的力学性能和使用寿命。但是，该方法用钢球轰击表面的同时，会对材料表层组织产生一定的污染，进而影响材料的纯度。并且，发生塑性变形后的表面不利于零件的精加工。同时，由于钢球尺寸的限制，难以对形状复杂的零件进行加工，存在一定的加工死区。此外，该方法无法对表面的特定部位进行打磨和塑形变形，生产和应用存在局限性。

进一步检索发现，中国发明专利CN207877779U介绍了一种感应加热淬火装置。其原理是，原料传输机构下设有多组原料，利用电磁加热器对材料进行加热，加热完成后将材料放入淬火箱中进行淬火。该感应加热淬火装置的特点是：(1)采用一体式设计，解决了现有设备对原料淬火效率低的问题；(2)该装置淬火箱两侧的防护板起保护作用，保护操作人员的安全。但是，该装置及淬火方法存在如下局限性：(1)淬火层厚度调控手段单一，难以实现硬化层多级调控；(2)淬火层韧性降低，机加工性能和焊接性能大幅下降；(3)无法对材料特定部位进行单独淬火，不能满足特定的工业需求。

发明内容

为了解决上述技术存在的不足，本发明提供一种磁控加热淬火制备异构钢铁棒材的装置及其方法。

实现本发明目的的技术方案包括：

一种磁控加热淬火制备异构钢铁棒材的方法，包括：

预处理、磁控加热、淬火、回火四步工序，具体包括以下步骤：

步骤一，预处理：将需要淬火的棒材进行表面预处理，通过打磨、除油、酸洗等方式清理表面杂质及氧化物；

步骤二，磁控加热：根据淬火需求选用特定屏蔽方式的Al环屏蔽罩安装在淬火喷水盘上，将棒材安装在旋转伸缩装置上，在电磁加热控制器中设置参数，开启电源。当使用横向Al环屏蔽罩时，打开旋转电机。使用其他类型Al环屏蔽罩时，关闭旋转电机。通过磁控加热，可以将未被遮罩的棒材表面部位加热至奥氏体相区，而被遮罩部位由于磁屏蔽的作用仍为原始组织；

步骤三，淬火：当棒材加热至900～950℃时，打开水泵，将旋转伸缩装置降至淬火喷水盘处，对钢材进行喷水冷却，以大于临界冷却速度的冷速快冷到棒材额Ms以下，使得被遮罩部位发生进行马氏体转变，而未被遮罩部位仍保持原始的铁素体和珠光体组织。

步骤四，回火：将淬火后的棒材放入马弗炉中重新加热到低于下临界温度Ac1的适当温度并进行空冷，以减少淬火时产生的内应力，稳定组织，防止变形开裂。

进一步的，步骤二中，磁控加热的电磁加热控制器参数：感应器频率为2.5～250kHz，负载电压为700～800V，电流为70～80A，功率为50～100kW，加热速度为50℃/s，加热时间为15～20s，旋转电机的旋转速度为50r/min。

步骤三，淬火处理的工艺参数：旋转伸缩装置的下降速率为10cm/s。

步骤四，回火处理的工艺参数：回火温度为200℃～350℃，回火时间为20～40min。

本发明提供一种磁控加热淬火装置，包括：磁控加热组件、磁屏蔽组件、淬火组件、旋转伸缩装置以及箱体；磁控加热组件包括：电磁加热控制器和感应器；电磁加热控制器放置在箱体外部，与电源连接，用以设置感应器的频率、电压电流、输出功率和加热速度；感应器设置在箱体内部，是由无缝钢管制成的螺旋线圈，通过产生交变磁场，将电能转化为热能加热棒材；感应器外设置磁屏蔽组件；磁控加热组件下方设置淬火组件，旋转伸缩装置设置在磁控加热组件的底部。

进一步的，磁屏蔽组件包括：四种Al环屏蔽罩和Al环支撑架。Al环屏蔽罩为纯Al做成的薄环，处于感应器和棒材之间，用以屏蔽交变磁场。Al环屏蔽罩有横向、斜向、竖直和网状四种类型，可满足多样化的磁控淬火需求。Al环支撑架固定在喷水淬火盘上方，用以稳定Al环屏蔽罩。

进一步的，淬火组件包括：淬火喷水盘、水泵和淬火介质。其中，淬火喷水盘处于感应器下方，淬火介质上方。淬火喷水盘上设有喷水口，可对棒材加热部位进行淬火。水泵放置在淬火介质中，可将淬火介质抽至淬火喷水盘中。淬火介质一般为水，对于需要控制淬火速度的钢材可以换成淬火油。

进一步的，旋转伸缩装置可以夹持住棒材，所配备旋转电机可以在特定遮罩方式下旋转。淬火时可以上下伸缩使棒材移动到淬火喷水盘的位置。

进一步的，箱体用不锈钢制成，感应器等设备放置在其中，磁控淬火时可以保护操作人员的安全。

本发明与现有技术相比具有显著优点：

1、本发明通过在感应器和棒材之间设置多种屏蔽方式的Al环屏蔽罩，利用电磁屏蔽使得被遮罩的棒材部分不会产生交变电流，而未被遮罩的部分由于集肤效应，使得表层被加热至淬火温度，最终进行淬火，得到马氏体和铁素体多级多样分布的异构钢铁棒材；

2、本发明可以通过调控感应器的频率，进而控制淬火层的厚度，在提高材料表层强度与耐磨性的同时，材料内部仍然具有较好的韧性，获得高强高韧的双相异构钢铁棒材；

3、本发明可以通过调节棒材的高度，对棒材的不同部位进行磁控加热淬火，从而达到调控强度分布的目标，操作简单，易于进行工业化生产；

4、本发明制备的钢铁棒材可以人为的控制马氏体和铁素体的分布，能够适应特定的工业需求。

附图说明

图1为本发明的四种磁控加热淬火装置图；

其中(a)为横向屏蔽的磁控加热淬火装置；(b)为斜向屏蔽的磁控加热淬火装置；(c)为竖直屏蔽的磁控加热淬火装置；(d)为网状屏蔽的磁控加热淬火装置。其中1为电磁加热控制器，2为感应器，3为Al环屏蔽罩，4为Al环支撑架，5为淬火喷水盘，6为箱体，7为水泵，8为旋转伸缩装置，9为淬火介质(水或油)。

图2为本发明制备的异构钢铁棒材表层组织分布示意图。

图3为本发明使用的回火炉示意图。

图4为本发明制备的异构钢铁棒材中马氏体、铁素体+珠光体及其交界处的光镜照片；

其中，(a)为表层马氏体光镜照片，(b)为表层铁素体+珠光体光镜照片，(c)为马氏体和铁素体+珠光体交界处的光镜照片。

具体实施方式

下面对本发明的实施例做进一步的详细阐述，本实施例在以本发明技术方案为前提的情况下进行实施，给出详细的实施方法和操作过程，但是本发明的保护范围不限于以下阐述的实施例内容。

本发明制备过程的原理是：将棒材放在由无缝钢管制成的感应器内，在感应器和棒材之间设置屏蔽罩，感应器通入一定频率的交流电，使得感应器内产生一个交变磁场，未被遮罩的棒材内部会产生交变电流，电流在棒材内部形成涡流从而使电能转变为热能加热工件。利用集肤效应使未被遮罩的棒材表面被快速加热到淬火温度，对棒材淬火，得到表层为马氏体，内部仍为原始组织的棒材。而被遮罩的部位，交变电流在屏蔽罩内产生涡流，由于涡流的去磁作用，屏蔽罩处的磁场大大减弱，以致罩内的交变磁场不能穿出罩外，使得被遮罩的部位不会被加热仍保持棒材的原始组织。本实验设置了四种遮罩方式，通过磁控加热淬火得到马氏体和铁素体多级多样分布的异构钢铁棒材。

本发明使用的装置如下：

磁控加热淬火装置包括电磁加热控制器、感应器、Al环屏蔽罩、Al环支撑架、淬火喷水盘、箱体、水泵、旋转伸缩装置、淬火介质以及棒材试样。感应器控制面板1可以设置感应器的频率、电压电流、输出功率和加热速度，可以精准的控制感应加热淬火的参数；感应器2是用无缝钢管制成的螺旋线圈，磁导性好，加热效果好，成本低且节约能源；Al环屏蔽罩3放置在感应线圈和棒材之间，可以对棒材的特定部位进行磁屏蔽，使被遮罩部位在加热时仍保持原始组织。本的Al环屏蔽罩有四种遮罩方式，横向遮罩：利用横向放置的Al环屏蔽罩包围试样，使得被遮罩包围的区域无法被加热从而保持原始组织，被加热部位与未被加热部位呈交替分布。斜向遮罩：利用斜向放置的Al环屏蔽罩包围试样，感应加热时不可旋转试样，使得被遮罩而无法被加热的区域呈斜向分布交替分布。纵向遮罩：利用纵向放置的Al环屏蔽罩包围试样，使得被遮罩而无法被加热的区域呈竖直交替分布。网状遮罩：利用网状的Al环屏蔽罩包围试样，使得被遮罩而无法被加热的区域呈网格状分布；Al环支撑架4固定在淬火喷水盘5上用以稳定Al环屏蔽罩3；淬火喷水盘5的内侧有多个喷水口，出水口与水平面呈15°，以便通过水泵7抽取淬火介质9快速地对加热部位淬火；旋转伸缩装置8可以夹持住试样并设有旋转电机，可以在特定遮罩方式下旋转；箱体6可以在淬火时保护操作人员安全，避免意外发生。

本发明的制备方法如下：

选用直径为10cm长度为30cm的商用Q235棒材作为磁控加热淬火材料，

(1)预处理：将Q235棒材依次用规格为800#、1200#和1600#的碳化硅砂纸打磨，除去棒材表面的铁锈和氧化膜，通过酸洗去除表面的氧化膜，并用丙酮去除表面的油污，对需要磁屏蔽的部位做好标记；

(2)磁控加热：选用横向屏蔽的Al环屏蔽罩安装在淬火喷水盘上，将预处理好后的Q235棒材夹持在如图1所示的旋转伸缩装置上，将需要磁屏蔽的部位放置在横向Al环屏蔽罩范围内。在电磁加热控制器中设置感应器交流电频率为8000Hz，目标淬硬层深度可达10mm，负载电压为700V，电流为70A，功率为50kW，加热速度为50℃/s，加热时间为19s，开启电源。启动旋转电机，旋转速度为50r/min；

(3)淬火：磁控加热完成后立即打开水泵，驱动旋转伸缩装置带动棒材降至淬火喷水口处，快速冷却加热部位，并将Q235棒材浸入淬火液中使其充分淬火。淬火后的Q235棒材表层组织如图2所示；

(4)回火：立即将淬火后的Q235棒材放入如图3所示的回火炉中，回火温度为200℃，回火时间为20min，以减少淬火时产生的内应力，稳定组织，防止变形开裂。将回火后的材料进行空冷，依次用800#、1200#和1600#碳化硅砂纸打磨棒材表面，除去淬火后产生的脱碳层和氧化皮，通过酸洗去除表面的氧化膜。

实施例

(1)预处理：将20Cr棒材依次用规格为800#、1200#和1600#的碳化硅砂纸打磨，除去棒材表面的铁锈和氧化膜，通过酸洗去除表面的氧化膜，并用丙酮去除表面的油污，对需要磁屏蔽的部位做好标记；

(2)磁控加热：选用网状屏蔽的Al环屏蔽罩安装在淬火喷水盘上，将预处理好后的20Cr棒材夹持在如图1所示的旋转伸缩装置上，将需要磁屏蔽的部位放置在网状Al环屏蔽罩范围内。在电磁加热控制器中设置感应器交流电频率为250kHz，目标淬硬层深度可达1mm，负载电压为800V，电流为80A，功率为65kW，加热速度为50℃/s，加热时间为18s，开启电源；

(3)淬火：磁控加热完成后立即打开水泵，驱动旋转伸缩装置带动棒材降至淬火喷水口处，快速冷却加热部位，并将20Cr棒材浸入淬火液中使其充分淬火；

(4)回火：立即将淬火后的20Cr棒材放入回火炉中，回火温度为250℃，回火时间为30min，以减少淬火时产生的内应力，稳定组织，防止变形开裂。将回火后的材料进行空冷，依次用800#、1200#和1600#碳化硅砂纸打磨棒材表面，除去淬火后产生的脱碳层和氧化皮，通过酸洗去除表面的氧化膜。

通过磁控加热淬火，被遮罩部位的组织为铁素体和珠光体，硬度为240HV；未被遮罩部位的组织为马氏体，硬度为590HV。通过多样化的遮罩，达到了棒材表面硬度的多级分布。

Claims (10)

1.一种磁控加热淬火装置，其特征在于，包括：磁控加热组件、磁屏蔽组件、淬火组件、旋转伸缩装置以及箱体；磁控加热组件包括：电磁加热控制器和感应器；电磁加热控制器放置在箱体外部，与电源连接，用以设置感应器的频率、电压电流、输出功率和加热速度；感应器设置在箱体内部，是由无缝钢管制成的螺旋线圈，通过产生交变磁场，将电能转化为热能加热棒材；感应器外设置磁屏蔽组件；磁控加热组件下方设置淬火组件，旋转伸缩装置设置在磁控加热组件的底部。

2.根据权利要求1所述的磁控加热淬火装置，其特征在于，磁屏蔽组件包括：四种Al环屏蔽罩和Al环支撑架；Al环屏蔽罩为纯Al做成的薄环，在箱体之中，处于感应器和棒材之间，用以屏蔽交变磁场；Al环屏蔽罩有横向、斜向、竖直和网状四种类型，可满足多样化的磁控淬火需求；Al环支撑架固定在喷水淬火盘上方，用以稳定Al环屏蔽罩。

3.根据权利要求1所述的磁控加热淬火装置，其特征在于，淬火组件包括：淬火喷水盘、水泵和淬火介质；其中，淬火喷水盘在箱体内，处于感应器下方，淬火介质上方；淬火喷水盘上设有喷水口，可对棒材加热部位进行淬火；水泵放置在淬火介质中，可将淬火介质抽至淬火喷水盘中。

4.根据权利要求1所述的磁控加热淬火装置，其特征在于，旋转伸缩装置固定在箱体中间，穿过淬火喷水盘并处于棒材下方，可以夹持住棒材，所配备旋转电机在旋转伸缩装置内部，可以在特定遮罩方式下旋转；淬火时可以上下伸缩使棒材移动到淬火喷水盘的位置。

5.根据权利要求1所述的磁控加热淬火装置，其特征在于，箱体用不锈钢制成。

6.一种根据权利要求1-5任一项所述的装置制备异构钢铁棒材的方法，其特征在于，包括预处理、磁控加热、淬火、回火，具体为预处理充分清理钢铁材料表面后，将钢材放置在感应器内，利用多样化的Al环屏蔽罩对交变磁场进行屏蔽，实现对钢材的多级磁控加热淬火处理。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，预处理工序中，将需要进行磁控加热淬火的棒材通过打磨、除油、去氧化层方式充分清理表面。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，磁控加热工序中，选用特定形状的Al环屏蔽罩安装在淬火喷水盘上，将棒材夹持在旋转伸缩装置上，设置感应器交流电频率为2.5～250kHz，负载电压为700～800V，电流为70～80A，功率为50～100kW，加热速度为50℃/s，开启电源进行加热。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，淬火工序中，打开水泵，将加热后的钢材以10cm/s的速率下降至淬火喷水口处，使加热部位快速冷却并将钢材浸入淬火液中使其充分淬火。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，回火工序中，将淬火后的棒材放入马弗炉中，回火温度为200～300℃，回火时间为20～40min，以减少淬火时产生的内应力，稳定组织，防止变形开裂。

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