CN116656916A - 一种减少细长工件感应淬火变形的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减少细长工件感应淬火变形的方法，采用预变形‑调质‑感应淬火‑感应自回火工艺流程，利用预变形抵消工件感应淬火变形。具体发明内容如下：先将工件进行3～5％的预变形，将工件在860℃(±10℃)保温2h后进行油冷淬火，再在650℃(±10℃)回火1.5h。采用工件两端装夹方式固定预变形工件，对变形凸出一侧进行表面感应淬火处理，淬火完成后再将功率降低到淬火功率的1/10～1/7对工件表面进行回火处理。采用本发明可以有效减少细长工件的变形。本发明具有操作方法简单的特点，在工业中具有应用前景。
Description
技术领域
本发明属于金属材料表面工程领域，具体涉及到一种减少细长工件感应淬火变形的方法。
背景技术
钢作为生产生活中重要的结构材料，常常应用在车辆等大型设备及精密仪器上，如风电齿圈等，属于回转支承类零件，尺寸精度及性能要求较高，钢件服役环境较差，工作时将承受多种运动加快工件的老化，因此，钢件表面需要具有较好的耐磨性和较高的疲劳强度，生产中主要通过感应淬火来工件表面性能，而工件因校直过正，大进给量切削加工，以及预先热处理操作不当等因素在感应加热过程中常出现变形，导致失效。
由于工件淬火冷却时，在马氏体点Ms以上时，变形主要由热应力引起，随冷却时间的不同，其变形刚开始时，心表温差尚小，形成的瞬时热应力尚未达到钢在该温度下的屈服强度。随着热应力的增大，心部的塑性变形量也随着增大。热处理加热过程中，由于钢的屈服强度随温度的提高而降低，当工件中某些部位的残余应力达到其屈服强度时，就会引起工件的不均匀塑性变形而造成形状畸变和残余应力的松弛。
在常规热处理中，工件淬火前的组织状态一般为珠光体型即铁素体和渗碳体的混合组织，加热后转变为奥氏体，淬火后为马氏体型组织。这些组织的比体积差异甚大，将引起淬火前后体积变化，从而产生变形。在加热过程中，工件表面形成的奥氏体在高温下能够自由变形，不会产生组织应力。但是感应淬火冷却过程中，工件表面奥氏体转变为马氏体将发生体积膨胀，此时表层会产生压应力，心部存在拉应力。此外，由于淬火方式为感应加热淬火，心部与表面存在较大温差，在感应淬火过程中也会产生热应力导致的工件变形。同理，在工件加热的过程中热应力很小，难以发生变形。在淬火冷却过程中，表层冷却速度快发生明显收缩，心部温度低且冷却慢收缩量较小，表层最终形成拉应力，心部形成压应力。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种减少细长工件感应淬火变形的方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种减少细长工件感应淬火变形的方法，包括，
将工件进行反向预变形处理，制得预处理后的工件；
将预处理后的工件调质处理，得到调质处理后的工件；
将调质处理后的工件两端进行固定装夹，感应淬火处理；
淬火结束后，进行感应自回火处理，制得工件成品。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述将工件进行反向预变形处理，包括，采用压力机对工件进行反向预变形，压下量为工件厚度的3～5％。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述调质处理，包括，将工件在850～870℃淬火2h后进行油冷，随后在640℃～660℃的温度中回火1.5h后空冷。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述将工件在850～870℃淬火2h后进行油冷，其中，淬火温度为860℃。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述在640℃～660℃的温度中回火1.5h，其中，回火温度为650℃。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述将调质处理后的工件两端进行固定装夹，包括，将预反变形凸出面朝向感应器进行表面淬火。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述感应淬火处理，其中，淬火功率为10～15Kw，淬火频率为6～7KHz，淬火移动速度为160～180mm/min，淬火液流量为20～30L/min，淬火液浓度为10～15％，淬火液温度为20～25℃。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述感应淬火处理，其中，淬火功率为15Kw，淬火频率为7KHz，淬火移动速度为180mm/min，淬火液流量为30L/min，淬火液浓度为15％，淬火液温度为25℃。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述感应自回火处理，感应自回火功率为感应淬火功率的1/10～1/7。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述工件包括42CrMo钢。
本发明有益效果：
(1)本发明提供一种减少细长工件感应淬火变形的方法，通过反向预变形-调质处理、固定装夹，进行感应淬火处理后进行回火处理，有效降低淬火工件的变形率，保证工件组织均匀性，提高板材尺寸精度，解决了现有工件淬火时发生变形及开裂的“难题”。
(2)采用本发明方法处理的金属钢件板材，与常规成形方法相比，变形量降低，成品率提升且机械性能也得到提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明实施例与对比例淬火表面至工件心部硬度分布图。
图2为本发明实施例与对比例的工件淬火翘曲变形量对比图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明工件表面感应淬火机床采用的是武汉恒精电热设备有限公司生产的型号为HKCC4000数控淬火机床，以42CrMo钢为原材料进行感应淬火实验，翘曲变形测试采用单柱数显高度测量仪，在淬火过程中淬火面将发生凹陷变形带动整体工件成凸起状，为方便测量，现以工件高度8mm为基准，将未淬火面朝上，若发生凸起翘曲，则标记为正值，若成凹陷则标记为负值。
利用型号为HVS-1000B数显显微维氏硬度计测试其淬硬层深。淬硬层深检测严格按照GB/T 5617-2005规范，有效淬硬层硬度确定为400HV。
本发明实施例1(A1)、实施例2(B1)、实施例3(C1)、实施例4(A)、实施例5(B)和实施例6(C)与对比例(D)所采用的钢材均为42CrMo钢，钢件尺寸均定为140×25×8mm规格。
实施例1
本实施例提供一种减少细长工件感应淬火变形的方法，主要步骤为：
(1)将42CrMo钢铸锭轧制后，制成140×25×8mm规格的工件，将工件采用压力机对工件进行反向预变形，压下总量为为工件厚度的3％，制得预处理后的工件；
(2)将工件在860℃淬火2h后进行油冷，随后在650℃的温度中回火1.5h后空冷，得到调质处理后的工件；
(3)将调质处理后的工件两端进行固定装夹，将预反变形凸出面朝向感应器进行感应淬火处理，其中，淬火功率为15Kw，淬火频率为7KHz，淬火移动速度为180mm/min，淬火液(普通市售PAG淬火液)流量为30L/min，淬火液浓度为15％，淬火液温度为25℃，淬火时间由工件长度来定；
(4)将感应淬火结束后的工件运送至回火炉进行回火处理，回火温度为200℃，回火时间2h，处理结束后，制得工件成品，命名为A1。
分析：未经感应回火而是经过了回火炉回火，在淬火结束后，由于未及时进行回火，工件表面又长时间处于冷却状态，进入回火炉回火则细小马氏体继续长大为粗马氏体，造成工件变形严重而在硬度上则表现为硬度性能大幅下降，翘曲变形度为0.22％。
实施例2
本实施例提供一种减少细长工件感应淬火变形的方法，主要步骤为：
(1)将42CrMo钢铸锭轧制后，制成140×25×8mm规格的工件，将工件采用压力机对工件进行反向预变形，压下总量为为工件厚度的4％，制得预处理后的工件；
(2)将工件在860℃淬火2h后进行油冷，随后在650℃的温度中回火1.5h后空冷，得到调质处理后的工件；
(3)将调质处理后的工件两端进行固定装夹，将预反变形凸出面朝向感应器进行感应淬火处理，其中，淬火功率为15Kw，淬火频率为7KHz，淬火移动速度为180mm/min，淬火液(普通市售PAG淬火液)流量为30L/min，淬火液浓度为15％，淬火液温度为25℃，淬火时间由工件长度来定；
(4)将感应淬火结束后的工件运送至回火炉进行回火处理，回火温度为200℃，回火时间2h，处理结束后，制得工件成品，命名为B1。
分析：本实例中预反变形较大，在淬火后进行回火炉回火，造成了回火不及时，而回火炉回火为整体回火，不但造成了感应面组织长大，同时造成了基体组织的长大，因此，工件变形较大，翘曲变形度为0.20％。
实施例3
本实施例提供一种减少细长工件感应淬火变形的方法，主要步骤为：
(1)将42CrMo钢铸锭轧制后，制成140×25×8mm规格的工件，将工件采用压力机对工件进行反向预变形，压下总量为为工件厚度的5％，制得预处理后的工件；
(2)将工件在860℃淬火2h后进行油冷，随后在650℃的温度中回火1.5h后空冷，得到调质处理后的工件；
(3)将调质处理后的工件两端进行固定装夹，将预反变形凸出面朝向感应器进行感应淬火处理，其中，淬火功率为15Kw，淬火频率为7KHz，淬火移动速度为180mm/min，淬火液(普通市售PAG淬火液)流量为30L/min，淬火液浓度为15％，淬火液温度为25℃，淬火时间由工件长度来定；
(4)将感应淬火结束后的工件运送至回火炉进行回火处理，回火温度为200℃，回火时间2h，处理结束后，制得工件成品，命名为C1。
分析：压下量较大为5％，因淬火结束后工件未立即进行感应回火，送入回火炉中回火后，由于回火炉为整体加热，且工件经过冷却后又立马进入到高温环境中，造成马氏体回火过程中，其长大的倾向变大，更容易形成粗晶组织，工件变形仍然较大，翘曲变形度为0.16％，且硬度降低。
实施例4
本实施例提供一种减少细长工件感应淬火变形的方法，主要步骤为：
(1)将42CrMo钢铸锭轧制后，制成140×25×8mm规格的工件，将工件采用压力机对工件进行反向预变形，压下总量为为工件厚度的3％，制得预处理后的工件；
(2)将工件在860℃淬火2h后进行油冷，随后在650℃的温度中回火1.5h后空冷，得到调质处理后的工件；
(3)将调质处理后的工件两端进行固定装夹，将预反变形凸出面朝向感应器进行感应淬火处理，其中，淬火功率为15Kw，淬火频率为7KHz，淬火移动速度为180mm/min，淬火液(普通市售PAG淬火液)流量为30L/min，淬火液浓度为15％，淬火液温度为25℃，淬火时间由工件长度来定；
(4)将感应淬火结束后的工件将功率调至为淬火功率的1/8，进行感应回火处理，制得工件成品，命名为A。
分析：由于工件经过调质处理，且在淬火前经过了下压3％预处理变形，压下变形量较小，在淬火结束后能立即进行回火处理则可以起到阻止晶粒继续长大的倾向，由于工件压缩变形较小，经淬火处理后，工件变形依然较大，翘曲变形度为0.15％。
实施例5
本实施例提供一种减少细长工件感应淬火变形的方法，主要步骤为：
(1)将42CrMo钢铸锭轧制后，制成140×25×8mm规格的工件，将工件采用压力机对工件进行反向预变形，压下总量为为工件厚度的4％，制得预处理后的工件；
(2)将工件在860℃淬火2h后进行油冷，随后在650℃的温度中回火1.5h后空冷，得到调质处理后的工件；
(3)将调质处理后的工件两端进行固定装夹，将预反变形凸出面朝向感应器进行感应淬火处理，其中，淬火功率为15Kw，淬火频率为7KHz，淬火移动速度为180mm/min，淬火液(普通市售PAG淬火液)流量为30L/min，淬火液浓度为15％，淬火液温度为25℃，淬火时间由工件长度来定；
(4)将感应淬火结束后的工件将功率调至为淬火功率的1/8，进行感应回火处理，制得工件成品，命名为B。
分析：本实施例与前文实施例类似，唯一区别是下压变形量改为了4％，较之前下压量有所增大，所以经淬火后，工件较之前变形量更小，翘曲变形度为0.08％。
实施例6
本实施例提供一种减少细长工件感应淬火变形的方法，主要步骤为：
(1)将42CrMo钢铸锭轧制后，制成140×25×8mm规格的工件，将工件采用压力机对工件进行反向预变形，压下总量为为工件厚度的5％，制得预处理后的工件；
(2)将工件在860℃淬火2h后进行油冷，随后在650℃的温度中回火1.5h后空冷，得到调质处理后的工件；
(3)将调质处理后的工件两端进行固定装夹，将预反变形凸出面朝向感应器进行感应淬火处理，其中，淬火功率为15Kw，淬火频率为7KHz，淬火移动速度为180mm/min，淬火液(普通市售PAG淬火液)流量为30L/min，淬火液浓度为15％，淬火液温度为25℃，淬火时间由工件长度来定；
(4)将感应淬火结束后的工件将功率调至为淬火功率的1/8，进行感应回火处理，制得工件成品，命名为C。
分析：工件进过前期调质处理，不但使工件具有良好的综合机械性能，使钢的性能、材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都得以提高，而且调质处理后得到的回火索氏体缩减了与马氏体组织的比体积差异，且通过下压预留量5％，用以弥补淬火面的压缩变形，经测量，工件为变形量最小的，通过分析可得，在本发明所列举的压下变形量而言，压下量越大，则进行感应淬火后工件表面越平整，翘曲变形度为0.06％。
对比例1
(1)将42CrMo钢铸锭轧制后，制成140×25×8mm规格的工件，将工件在860℃淬火2h后进行油冷，随后在650℃的温度中回火1.5h后空冷，得到调质处理后的工件；
(2)将调质处理后的工件两端进行固定装夹，进行感应淬火处理，其中，淬火功率为15Kw，淬火频率为7KHz，淬火移动速度为180mm/min，淬火液(普通市售PAG淬火液)流量为30L/min，淬火液浓度为15％，淬火液温度为25℃，淬火时间由工件长度来定；
(3)将感应淬火结束后的工件运送至回火炉进行回火处理，回火温度为200℃，回火时间2h，处理结束后，制得工件成品，命名为D。
分析：可以看出，工件未经预变形处理，即以平面状进行淬火处理，在感应淬火的过程中，回火索氏体转变为马氏体，工件淬火面承受较大的压缩应力，而淬火结束后，由于未及时进行回火，工件表面又长时间处于冷却状态，进入回火炉回火细小马氏体继续长大为粗马氏体，相比于其他预反变形及感应自回火的工件而言变形较大，翘曲变形度为0.27％，因此在所述例子中翘曲最为明显。
实施例和对比例的参数条件和结果见表1。实施例与对比例淬火表面至工件心部硬度分布参见图1，实施例与对比例的工件淬火翘曲变形量对比参见图2。
表1
| 样品 | 预变形量(％) | 回火方式 | 翘曲变形度(％) | 淬硬层深(mm) |
| A | 3 | 感应自回火 | 0.15 | 2.1 |
| B | 4 | 感应自回火 | 0.08 | 2.6 |
| C | 5 | 感应自回火 | 0.06 | 3.3 |
| A1 | 3 | 回火炉回火 | 0.22 | 1.1 |
| B1 | 4 | 回火炉回火 | 0.20 | 1.4 |
| C1 | 5 | 回火炉回火 | 0.16 | 1.7 |
| D | 0 | 回火炉回火 | 0.27 | 0.9 |
可以看出，结合对比例与实施例来看，利用感应自回火工艺的工件淬硬层较深，淬硬层越深其综合机械性能越好，在相同工件服役的情况下来说，淬硬层越深抗腐蚀、抗压能力越强，同时还保留了心部的韧性；而淬硬层越薄的工件，淬硬层会随着服役时间而逐渐减薄，以至于过早暴露心部组织，大大降低服役的时间。
本发明在处理中有以下考虑：工件经过预变形后内部会产生残余压应力，经过调质处理后会释放其中的应力，因此，调质处理安排在变形之后，同时调质处理使工件具有良好的综合机械性能，使钢的性能、材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都得以提升，调质处理后得到的组织为回火索氏体，由于回火索氏体是马氏体于回火时形成的，为铁素体基体内分布着碳化物(包括渗碳体)球粒的复合组织，因此，相比起珠光体转化为马氏体而言，回火索氏体转化为马氏体造成的工件变形量更小。
工件在淬火过程中受到热应力与组织应力的影响造成工件的变形，而由于淬火后急冷或在回火中，热应力已松弛，所以组织应力成为主导应力，造成的影响是淬火面受压应力，造成凹陷。同时若所选用较大功率进行感应回火，则反向预变形量应根据所需加大，同样，所用较小功率进行感应回火时，应适当缩减反向预变形量。
本发明的优点是在于一般的工件尤其是长薄工件，未经过调质处理或经感应淬火后不但形状发生变形，而且组织性能较差，增加预变形工艺，利用淬火面翘曲现象，进行补偿校正，再进行一次感应回火消除淬火应力使工件尺寸稳定。主要有以下好处：
一是常规的感应淬火方式是将工件预先进行调质后再进行变形处理，而本发明是将调质处理安排在变形之后，这样在变形后工件内部产生的残余应力会在调质过程中得以释放，减少了工件在淬火时发生变形及开裂的可能。
二是经过淬火前的调质处理，组织为回火索氏体，其与淬火后生成的马氏体有相近的比体积，因此，减小了在淬火中工件的变形量。
三是由于将工件进行预先反向变形，因此在淬火中得以补偿以达到工件平整，且不需要外界器械再加以干预，避免了造成工件内部又产生残余应力。
四是淬火完成后立马进行回火处理，减少了在工件转移进回火炉的过程中发生的组织转变，确保工件质量。
采用本发明处理的金属钢件板材，与常规成形方法相比，变形量降低，成品率提升且机械性能也得以提高。
综上，本发明提供一种减少细长工件感应淬火变形的方法，通过反向预变形-调质处理、固定装夹，进行感应淬火处理后进行回火处理，有效降低淬火工件的变形率，保证工件组织均匀性，提高板材尺寸精度，解决了现有工件淬火时发生变形及开裂的“难题”。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的范围当中。
Claims (10)
1.一种减少细长工件感应淬火变形的方法，其特征在于：包括，
将工件进行反向预变形处理，制得预处理后的工件；
将预处理后的工件调质处理，得到调质处理后的工件；
将调质处理后的工件两端进行固定装夹，感应淬火处理；
淬火结束后，进行感应自回火处理，制得工件成品。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述将工件进行反向预变形处理，包括，采用压力机对工件进行反向预变形，压下量为工件厚度的3～5％。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述调质处理，包括，将工件在850～870℃淬火2h后进行油冷，随后在640℃～660℃的温度中回火1.5h后空冷。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述将工件在850～870℃淬火2h后进行油冷，其中，淬火温度为860℃。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述在640℃～660℃的温度中回火1.5h，其中，回火温度为650℃。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述将调质处理后的工件两端进行固定装夹，包括，将预反变形凸出面朝向感应器进行表面淬火。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述感应淬火处理，其中，淬火功率为10～15Kw，淬火频率为6～7KHz，淬火移动速度为160～180mm/min，淬火液流量为20～30L/min，淬火液浓度为10～15％，淬火液温度为20～25℃。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述感应淬火处理，其中，淬火功率为15Kw，淬火频率为7KHz，淬火移动速度为180mm/min，淬火液流量为30L/min，淬火液浓度为15％，淬火液温度为25℃。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述感应自回火处理，感应自回火功率为感应淬火功率的1/10～1/7。
10.如权利要求1、2、4～9中任一所述的方法，其特征在于：所述工件包括42CrMo钢。
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