CN204644398U - 一种贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理装置，属于金属材料热处理工艺技术领域。该贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理装置，工作台上表面焊接导轨支架，导轨支架上焊接导轨，可调速电机用螺栓固定于工作台上，可调速电机与导轨通过传送带和齿轮混合连接，水箱位于导轨支架的下端，气缸与导轨通过卡扣机械嵌合，气缸上设有气缸接气孔，气缸接气孔通过导管与空气压缩机连接，气缸的下端设有多孔篮筐，导轨支架中间位置设有感应器，可调速电机、感应器、空气压缩机与PLC控制箱相连。通过本实用新型贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理装置采用“锯齿状”分级等温淬火获得性能优越的贝氏体/马氏体组织。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理装置，属于金属材料热处理工艺技术领域。
背景技术
贝氏体/马氏体复相组织的铸（锻）钢件或铸铁件由于具有优良的耐磨性能和优异的综合力学性能，广泛应用于耐磨、耐冲击、高强度和高韧性等多种场合中的磨球、衬板中。传 织的方式主要有：（1）采用等温淬火工艺获得，即将奥氏体化后的工件急冷到下贝氏体温度区等温转变后，再淬火到马氏体转变点以下，获得贝氏体/马氏体复相组织。此方法中等温介质一般为硝酸盐或淬火油。该工艺的缺点是：能耗大、淬火介质易污染环境、工件易开裂变形等；（2）通过合金化在空冷或铸态条件下获得贝氏体，即通过加入一定量的合金元素Mo、Ni、B等，使CCT曲线右移，推迟高温转变，以适宜的冷却速度使过冷奥氏体连续通过贝氏体转变的中温区，从而在空冷条件下获得贝氏体/马氏体复相组织。该工艺与工艺（1）相比，具有节约能源、减少环境污染的特点，但合金元素加入后易形成碳化物或氧化物，影响材料性能，从而导致材料成本上升、使用性能较差等不足。
针对传统钢铁热处理获得贝氏体方法的缺点，中国发明专利CN102605145A公开了一种钢铁等温淬火-回火冷却工艺，该工艺直接将工件一次性淬到马氏体转变温度线以下，再用加热炉进行回火，之后再次进行水淬，反复进行水淬-回火，最后使工件处于贝氏体转变区，利用余热进行贝氏体等温转变，解决了大型工件强韧化处理淬透性难题，环保无污染，但该工艺存在的问题主要有：（1）热处理时一次性淬到较低温度，工件内外因冷却速度相差较大，导致热应力较大，容易产生裂纹或增加开裂倾向；（2）反复回火增加了能源消耗，操作繁杂，不利于产业化。中国发明专利CN1944691A公布了一种贝氏体球墨铸铁的控制冷却热处理工艺及装置，该工艺采用水作为淬火介质，利用所设计的控制冷却热处理装置将水雾化，在球墨铸铁工件奥氏体化后进行喷淋，迅速冷却到贝氏体转变区后终止喷淋，该工艺能节约大量的能源，减少合金元素的加入，降低环境污染，操作简单，但存在的问题主要有：（1）喷淋时不能保证工件表面所有部位喷水的均匀性，特别是球形工件，难以保证各部位喷水量相同，冷却速度也就不尽相同，导致组织应力集中；（2）对于尺寸较大的工件，表面层与心部冷却速度相差较大，表面层处于贝氏体转变温度时，心部温度仍然较高，处于珠光体温度区，停止喷淋，内部温度向外传导，导致表层温度升高，容易生成上贝氏体，导致组织性能变差，且组织的均匀性也较差。
综上所述，现有的技术对于壁厚较大的工件在进行贝氏体转变时，没有或无法有效的控制表面与心部的冷却速度，导致表面与心部的组织力学性能差异大，使用过程中易开裂。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本实用新型提供一种贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理装置。本实用新型针对壁厚较大的工件在获得贝氏体时无法攻克淬透性的问题，通过本实用新型贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理装置采用“锯齿状”分级等温淬火获得性能优越的贝氏体/马氏体复相组织，本实用新型通过以下技术方案实现。
一种贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理装置，包括工作台1、导轨支架2、导轨3、可调速电机4、水箱5、感应器7、多孔篮筐8、气缸9、PLC控制箱11和气缸接气孔12，工作台1上表面焊接导轨支架2，导轨支架2上焊接导轨3，可调速电机4用螺栓固定于工作台1上，可调速电机4与导轨3通过传送带和齿轮混合连接，水箱5位于导轨支架2的下端，气缸9与导轨3通过卡扣机械嵌合，气缸9上设有气缸接气孔12，气缸接气孔12通过导管与空气压缩机连接，气缸9的下端设有多孔篮筐8，导轨支架2中间位置设有感应器7，可调速电机4、感应器7、空气压缩机与PLC控制箱11相连。
所述导轨3为环形跑道结构，可实现两端同时进行热处理、提高工作效率。
所述水箱5下端设有入水口10，上端设有出水口6。
当进行水冷时，将多孔篮筐8内的工件通过气缸9伸长置于水箱5中，达到水冷时间后气缸9压缩将多孔篮筐8内的工件进行回温，到达回温时间后，气缸9伸长将多孔篮筐8内的工件置于水箱5进行水冷，如此循环直至满足实际所需循环次数。
该贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理装置的使用方法为：将工件置于多孔篮筐8内，从导轨支架2的一端通过导轨3向导轨支架2的中间位置移动，并将工件的常规参数（如厚度）输入到PLC控制箱11中，根据公式 ，，确定第n次水冷时间Tn、第n次回温时间tn、循环次数为N，当感应器7感应到工件到达时，PLC控制箱11控制空气压缩机运转，气缸9开始序进行伸缩和旋转运动，伸长时，多孔篮筐8入水，工件进行水冷，压缩时，多孔篮筐8出水，工件进行回温，循环指定的次数N后，气缸9恢复收缩状态，保证多孔篮筐8处于空气中，之后送至出料口送入保温箱，利用余热堆冷进行贝氏体转变；最后空冷至室温，最终获得贝氏体-马氏体组织的贝氏体-马氏体复相钢/铁。
利用该贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理装置的处理方法，首先将工件奥氏体化后投入循环水中水冷而不冷透，水冷过后在空气中利用余热回温使工件内外温度相近，然后再将内外温度相近的工件投入循环水中水冷，每次水冷和余热回温形成一次循环热处理过程，经循环次数为N的分级等温淬火循环热处理后工件平均温度处于贝氏体转变温度区间时，工件利用余热堆冷或保温箱保温进行贝氏体等温转变；最后空冷至室温，完成马氏体转变，得到贝氏体-马氏体组织的贝氏体-马氏体复相钢/铁。
其具体步骤如下：
步骤1、首先将工件在850~950℃进行奥氏体化，其中按工件有效厚度每100mm保温2h进行保温；
步骤2、将步骤1的奥氏体化后的工件投入到循环水中水冷而不冷透，第一次水冷时间T1按工件有效厚度每5~6mm水冷1s计算，将工件由水中取出，在空气中利用余热回温，以使工件内外温度相近，第一次回温时间t1按第一次水冷时间T1的3/4计算，每次水冷和余热回温形成一次循环热处理过程，经循环次数为N的分级等温淬火循环热处理，工件表面层的温度呈“锯齿状”下降趋势，如图1所示，当工件平均温度为贝氏体转变温度时，工件利用余热堆冷或保温箱保温进行贝氏体等温转变；
步骤3、将经步骤2处理过后的工件空冷至室温，完成马氏体转变，得到贝氏体-马氏体组织的贝氏体-马氏体复相钢/铁。
所述步骤2循环热处理过程中水冷时间与回温时间逐步递减，第n次水冷时间Tn、第n次回温时间tn、循环次数为N根据下列公式确定：
，其中D为工件的有效厚度，单位为mm，为系数取5~6mm/s，为系数取16~20mm（铸铁取16~18，,钢取18~20），n为1、2、3、…、N。
所述步骤2贝氏体等温转变时间根据下列公式确定：，其中为工件的有效厚度，单位为mm，为系数取0.5~0.8min/mm。
本实用新型的有益效果是：通过本实用新型的处理装置能实现反复水淬-回温，既可以顺利绕过珠光体鼻尖温度区，又能使工件内外温差较小，显著降低了组织应力，有效减小或防止了大型工件淬火开裂倾向；采用“锯齿状”分级淬火，无需考虑淬透性问题，减少了合金元素的加入，降低了生产成本；工件内外能同时缓慢地进入贝氏体转变区，获得的贝氏体/马氏体复相钢（铁）工件心部与表面组织、力学性能均匀，材料整体使用性能较好；利用工件自身余热回温实现分级淬火，节约了能源；淬火介质为水，绿色环保，安全高效。
附图说明
图1是本实用新型贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理方法“锯齿状”示意图；
图2是本实用新型贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理装置三维结构示意图；
图3是本实用新型贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理装置导轨示意图；
图4是本实用新型贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理装置气缸与导轨连接处剖面图示意图；
图5是本实用新型实施例1、2、3制备得到的贝氏体-马氏体复相钢磨球硬度测试结果图；
图6是本实用新型实施例1、2、3制备得到的贝氏体-马氏体复相钢磨球冲击韧性结果图；
图7是本实用新型实施例1制备得到的贝氏体-马氏体复相钢磨球的金相显微组织图，（a）为钢磨球表面显微组织图，（b）钢磨球1/2半径r处显微组织图，（c）钢磨球圆心显微组织图。
图中：1-工作台，2-导轨支架，3-导轨，4-可调速电机，5-水箱，6-出水口，7-感应器，8-多孔篮筐，9-气缸，10-入水口，11-PLC控制箱，12-气缸接气孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型作进一步说明。
实施例1
该贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理方法，首先将工件奥氏体化后投入循环水中水冷而不冷透，水冷过后在空气中利用余热回温使工件内外温度相近，然后再将内外温度相近的工件投入循环水中水冷，每次水冷和余热回温形成一次循环热处理过程，经循环次数为N的分级等温淬火循环热处理后工件平均温度为贝氏体转变温度时，工件利用余热堆冷或保温箱保温进行贝氏体等温转变；最后空冷至室温，完成马氏体转变，所得到贝氏体-马氏体组织的贝氏体-马氏体复相钢。
工件为钢球，钢球的成分如表1（质量百分数:wt%）所示，钢球直径为150mm。
表1
其具体步骤如下：
步骤1、首先将工件在850℃进行奥氏体化，其中按工件有效厚度每100mm保温2h进行保温，本工件保温3h；
步骤2、将步骤1的奥氏体化后的工件投入到循环水中水冷，第一次水冷时间T1按工件有效厚度每5~6mm水冷1s计算，将工件由水中取出，在空气中利用余热回温，以使工件内外温度相近，第一次回温时间t1按第一次水冷时间T1的3/4计算，每次水冷和余热回温形成一次循环热处理过程，经循环次数为N的分级等温淬火循环热处理，工件表面层的温度呈“锯齿状”下降趋势，当工件平均温度为贝氏体转变温度时，工件利用余热堆冷或保温箱保温进行贝氏体等温转变；其中循环热处理过程中水冷时间与回温时间逐步递减，第n次水冷时间Tn、第n次回温时间tn、循环次数为N根据下列公式确定：
，其中D为工件的有效厚度，单位为mm，为系数取5~6mm/s，为系数取16~20mm（本实施例取为18），经计算循环次数N约为9次，每次循环水冷、回温时间如下表2所示。
所述步骤2贝氏体等温转变时间根据下列公式确定：，其中为工件的有效厚度，单位为mm，为系数取0.5~0.8min/mm（本实施例取取0.5min/mm），经计算=75min。
步骤3、将经步骤2处理过后的工件空冷至室温，完成马氏体转变，得到贝氏体-马氏体组织的贝氏体-马氏体复相钢。
本实施例中钢球直径为D，以表面位置作为参考点，制备得到的贝氏体-马氏体复相钢取样位置分别是0、1/4D、1/2D，硬度和冲击韧性的力学性能如附图5、6所示，通过分析可知经本方法处理后工件表面与心部的力学性能一致或相差不大。本实用新型制备得到的贝氏体-马氏体复相钢钢磨球表面显微组织图如图7（a）所示，1/2半径r处显微组织图如图7（b）所示，钢磨球圆心显微组织图如图7（c）所示，结合X射线衍射分析可知：所选成分的磨球与衬板经分级等温淬火处理后的组织主要由针状下贝氏体、马氏体和少量残余奥氏体组成。
表2
如图1至4所示，该贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理装置，包括工作台1、导轨支架2、导轨3、可调速电机4、水箱5、感应器7、多孔篮筐8、气缸9、PLC控制箱11和气缸接气孔12，工作台1上表面焊接导轨支架2，导轨支架2上焊接导轨3，可调速电机4用螺栓固定于工作台1上，可调速电机4与导轨3通过传送带和齿轮混合连接，水箱5位于导轨支架2的下端，气缸9与导轨3通过卡扣机械嵌合，气缸9上设有气缸接气孔12，气缸接气孔12通过导管与空气压缩机连接，气缸9的下端设有多孔篮筐8，导轨支架2中间位置设有感应器7，可调速电机4、感应器7、空气压缩机与PLC控制箱11相连。
其中导轨3为环形跑道结构，可实现两端同时进行热处理、提高工作效率；水箱5下端设有入水口10，上端设有出水口6；当进行水冷时，将多孔篮筐8内的工件通过气缸9伸长置于水箱5中，达到水冷时间后气缸9压缩将多孔篮筐8内的工件进行回温，到达回温时间后，气缸9伸长将多孔篮筐8内的工件置于水箱5进行水冷，如此循环直至满足实际所需循环次数。
实施例2
该贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理方法，首先将工件奥氏体化后投入循环水中水冷而不冷透，水冷过后在空气中利用余热回温使工件内外温度相近，然后再将内外温度相近的工件投入循环水中水冷，每次水冷和余热回温形成一次循环热处理过程，经循环次数为N的分级等温淬火循环热处理后工件平均温度为贝氏体转变温度时，工件利用余热堆冷或保温箱保温进行贝氏体等温转变；最后空冷至室温，完成马氏体转变，所得到贝氏体-马氏体组织的贝氏体-马氏体复相铁。
工件为球墨铸铁磨球，钢球的成分如表3（质量百分数:wt%）所示，钢球直径为180mm。
表3
其具体步骤如下：
步骤1、首先将工件在950℃进行奥氏体化，其中按工件有效厚度每100mm保温2h进行保温，本工件保温3.6h；
步骤2、将步骤1的奥氏体化后的工件投入到循环水中水冷，第一次水冷时间T1按工件有效厚度每5~6mm水冷1s计算，将工件由水中取出，在空气中利用余热回温，以使工件内外温度相近，第一次回温时间t1按第一次水冷时间T1的3/4计算，每次水冷和余热回温形成一次循环热处理过程，经循环次数为N的分级等温淬火循环热处理，工件表面层的温度呈“锯齿状”下降趋势，当工件平均温度为贝氏体转变温度时，工件利用余热堆冷或保温箱保温进行贝氏体等温转变；其中循环热处理过程中水冷时间与回温时间逐步递减，第n次水冷时间Tn、第n次回温时间tn、循环次数为N根据下列公式确定：
，其中D为工件的有效厚度，单位为mm，为系数取5~6mm/s，为系数取16~20mm（本实施例取为18），经计算循环次数N约为10次，每次循环水冷、回温时间如下表4所示；
所述步骤2贝氏体等温转变时间根据下列公式确定：，其中为工件的有效厚度，单位为mm，为系数取0.5~0.8min/mm（本实施例取取0.8min/mm），经计算=144min。
步骤3、将经步骤2处理过后的工件空冷至室温，完成马氏体转变，得到贝氏体-马氏体组织的贝氏体-马氏体复相铁。
表4
本实施例中球墨铸铁磨球直径为D，以表面位置作为参考点，制备得到的贝氏体-马氏体复相铁取样位置分别是0、1/4D、1/2D，硬度和冲击韧性的力学性能如附图5、6所示，通过分析可知经本方法处理后工件表面与心部的力学性能一致或相差不大。
如图1至4所示，该贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理装置，包括工作台1、导轨支架2、导轨3、可调速电机4、水箱5、感应器7、多孔篮筐8、气缸9、PLC控制箱11和气缸接气孔12，工作台1上表面焊接导轨支架2，导轨支架2上焊接导轨3，可调速电机4用螺栓固定于工作台1上，可调速电机4与导轨3通过传送带和齿轮混合连接，水箱5位于导轨支架2的下端，气缸9与导轨3通过卡扣机械嵌合，气缸9上设有气缸接气孔12，气缸接气孔12通过导管与空气压缩机连接，气缸9的下端设有多孔篮筐8，导轨支架2中间位置设有感应器7，可调速电机4、感应器7、空气压缩机与PLC控制箱11相连。
其中导轨3为环形跑道结构，可实现两端同时进行热处理、提高工作效率；水箱5下端设有入水口10，上端设有出水口6；当进行水冷时，将多孔篮筐8内的工件通过气缸9伸长置于水箱5中，达到水冷时间后气缸9压缩将多孔篮筐8内的工件进行回温，到达回温时间后，气缸9伸长将多孔篮筐8内的工件置于水箱5进行水冷，如此
循环直至满足实际所需循环次数。
实施例3
该贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理方法，首先将工件奥氏体化后投入循环水中水冷而不冷透，水冷过后在空气中利用余热回温使工件内外温度相近，然后再将内外温度相近的工件投入循环水中水冷，每次水冷和余热回温形成一次循环热处理过程，经循环次数为N的分级等温淬火循环热处理后工件平均温度为贝氏体转变温度时，工件利用余热堆冷或保温箱保温进行贝氏体等温转变；最后空冷至室温，完成马氏体转变，所得到贝氏体-马氏体组织的贝氏体-马氏体复相钢。
工件为低碳合金钢衬板，钢球的成分如表5（质量百分数:wt%）所示，衬板厚度为180mm。
表5
其具体步骤如下：
步骤1、首先将工件在900℃进行奥氏体化，其中按工件有效厚度每100mm保温2h进行保温，本工件保温1.8h；
步骤2、将步骤1的奥氏体化后的工件投入到循环水中水冷，第一次水冷时间T1按工件有效厚度每5~6mm水冷1s计算，将工件由水中取出，在空气中利用余热回温，以使工件内外温度相近，第一次回温时间t1按第一次水冷时间T1的3/4计算，每次水冷和余热回温形成一次循环热处理过程，经循环次数为N的分级等温淬火循环热处理，工件表面层的温度呈“锯齿状”下降趋势，当工件平均温度为贝氏体转变温度时，工件利用余热堆冷或保温箱保温进行贝氏体等温转变；其中循环热处理过程中水冷时间与回温时间逐步递减，第n次水冷时间Tn、第n次回温时间tn、循环次数为N根据下列公式确定：
，其中D为工件的有效厚度，单位为mm，为系数取5~6mm/s，为系数取16~20mm（本实施例取为18），经计算循环次数N约为5次，每次循环水冷、回温时间如下表6所示；
所述步骤2贝氏体等温转变时间根据下列公式确定：，其中为工件的有效厚度，单位为mm，为系数取0.5~0.8min/mm（本实施例取取0.6min/mm），经计算=54min。
步骤3、将经步骤2处理过后的工件空冷至室温，完成马氏体转变，得到贝氏体-马氏体组织的贝氏体-马氏体复相钢。
表6
本实施例中低碳合金钢衬板厚度为D，以表面位置作为参考点，制备得到的贝氏体-马氏体复相铁取样位置分别是0、1/4D、1/2D，硬度和冲击韧性的力学性能如附图5、6所示，通过分析可知经本方法处理后工件表面与心部的力学性能一致或相差不大。
如图1至4所示，该贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理装置，包括工作台1、导轨支架2、导轨3、可调速电机4、水箱5、感应器7、多孔篮筐8、气缸9、PLC控制箱11和气缸接气孔12，工作台1上表面焊接导轨支架2，导轨支架2上焊接导轨3，可调速电机4用螺栓固定于工作台1上，可调速电机4与导轨3通过传送带和齿轮混合连接，水箱5位于导轨支架2的下端，气缸9与导轨3通过卡扣机械嵌合，气缸9上设有气缸接气孔12，气缸接气孔12通过导管与空气压缩机连接，气缸9的下端设有多孔篮筐8，导轨支架2中间位置设有感应器7，可调速电机4、感应器7、空气压缩机与PLC控制箱11相连。
其中导轨3为环形跑道结构，可实现两端同时进行热处理、提高工作效率；水箱5下端设有入水口10，上端设有出水口6；当进行水冷时，将多孔篮筐8内的工件通过气缸9伸长置于水箱5中，达到水冷时间后气缸9压缩将多孔篮筐8内的工件进行回温，到达回温时间后，气缸9伸长将多孔篮筐8内的工件置于水箱5进行水冷，如此
循环直至满足实际所需循环次数。
上面结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (4)
1.一种贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理装置，其特征在于：包括工作台（1）、导轨支架（2）、导轨（3）、可调速电机（4）、水箱（5）、感应器（7）、多孔篮筐（8）、气缸（9）、PLC控制箱（11）和气缸接气孔（12），工作台（1）上表面焊接导轨支架（2），导轨支架（2）上焊接导轨（3），可调速电机（4）用螺栓固定于工作台（1）上，可调速电机（4）与导轨（3）通过传送带和齿轮混合连接，水箱（5）位于导轨支架（2）的下端，气缸（9）与导轨（3）通过卡扣机械嵌合，气缸（9）上设有气缸接气孔（12），气缸接气孔（12）通过导管与空气压缩机连接，气缸（9）的下端设有多孔篮筐（8），导轨支架（2）中间位置设有感应器（7），可调速电机（4）、感应器（7）、空气压缩机与PLC控制箱（11）相连。
2.根据权利要求1所述的贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理装置，其特征在于：所述导轨(3)为环形跑道结构。
3.根据权利要求1所述的贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理装置，其特征在于：所述水箱（5）下端设有入水口（10），上端设有出水口（6）。
4.根据权利要求1所述的贝氏体-马氏体复相钢/铁分级等温淬火热处理装置，其特征在于：当进行水冷时，将多孔篮筐（8）内的工件通过气缸（9）伸长置于水箱（5）中，达到水冷时间后气缸（9）压缩将多孔篮筐（8）内的工件进行回温，到达回温时间后，气缸（9）伸长将多孔篮筐（8）内的工件置于水箱（5）进行水冷，如此循环直至满足实际所需循环次数。
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