专利名称：合金钢的淬火方法
技术领域：
本发明涉及一种合金钢的淬火方法。
背景技术：
传统的合金钢单一介质淬火都是连续降温冷却，冷却剂一般采用的是油。由于油淬火对环境造成一定程度的污染，并且有引发火灾的危险，近年来已有越来越多热处理企业放弃淬火油，采用各种水溶性高分子有机物水溶液为合金钢淬火的冷却介质。然而，这类水溶性有机冷却介质用来淬火时虽不产生严重污染和不存在火灾隐患，可是市场售价却仍然很高，而且，原介质存放期有限，用户购进后还另需自行按一定比例配制成水溶液才能使用，在使用中，有机物溶液遇热后会加速老化，使其冷却特性发生改变，如不及时更换，将使热处理产品质量下降，甚至不合格。
发明内容
本发明的目的在于提供一种合金钢的淬火方法，以解决用油淬成本高、不安全、易发火灾、有污染，水溶性有机介质成本也高、使用时要临时配制等诸多不方便的问题。
本发明的淬火方法是采用恒温水作为冷却剂，淬火时将合金钢材经电磁感应加热得到充分奥氏体化而又未及粗化的细晶粒奥氏体单相显微组织；然后冷却到过冷奥氏体能够存在足够时间的最低温度Ar3～(Ar3+100)℃区间；之后用恒温水将所述钢材表面温度冷至马氏体开始转变温度Ms以下20～30℃，使钢材表面获得马氏体，内部仍为奥氏体；接着在空气中冷却，使壳层马氏体得到程度不超过合金钢材热处理最终回火温度的回火，而后用恒温水连续或间断冷却，使内部的奥氏体逐层变为马氏体，直至淬透。
本发明淬火方法的机理是把合金钢钢材从加热的最高温度冷却至Ar3～(Ar3+100)℃温度区间，使被加热钢材由表及里的温度分布和钢材显微组织中碳及合金元素的分布在自然冷却过程中进一步均匀化，同时降低恒温水冷却时钢材内部的热应力，以及使钢材表面的水蒸气气膜形成温度域变窄，从而减小汽膜破裂之阻力。从过冷奥氏体状态能够存在一定时间的最低100℃温度区间即Ar3～(Ar3+100)℃范围的任一温度迅疾进入第一个恒温水冷却区，始而使奥氏体快速通过转变动力学曲线鼻尖对应的最短孕育期，继而形成具有一定厚度的淬火马氏体壳层，而淬火马氏体壳层与奥氏体之间的界面恰好就是马氏点Ms的等温面。也就是说，相界面的外侧温度低于马氏点，相界面的温度恰好等于马氏点，相界面内侧的温度则高于马氏点。在一个物体内，只要存在温度的差异，就会发生热的传导，所述钢材随后在空气中短时间冷却，使得由里至表的热传导能够抑制住钢材穿出第一个恒温水冷却区之后的过分冷却，相界面外侧的淬火马氏体因接受来自内侧的正热流以及自身的相变潜热，变为有一定回火程度的自回火马氏体。相界面两侧同时发生的正热流致使的马氏体壳层自回火和负热流致使的一薄层奥氏体自淬火，随内外温差陡度的降低而活力渐弱，而与此同时又有一薄层奥氏体温度却降至Ms点之下，转变为新一层马氏体，钢材进入第二个恒温水冷却区，可使这一活力在较深处再一次得到激发，遂相界面不断内移，直至钢材穿出第二个恒温水冷却区时整截面被淬透，这时Ms等温面移至钢材中心，奥氏体全部消失。这就是说，本发明淬火方法在淬火过程中是以相界面为分界线，在马氏点温度Ms的上和下，形成一个由克冉伯(Cramp)超越函数描述的抛物线型温度分布曲线。随着时间推移，温度分布曲线的陡度因热的传导而变平，相界面不断内移。换言之，依照本发明方法对合金钢的淬透，是一层一层的奥氏体微分薄层一层一层地进入Ms点之下不超过20～30℃狭窄温度区间，层层转变为马氏体，脉冲式逐层累加积分的结果。这与奥氏体化钢的小样品在无限大的水域中自Ms点一次性连续冷却至Mf点所形成的降温淬透是完全不同的。对淬火马氏体的自回火做出贡献的热，除了前已述及的由里及表的热传导之外，还有另外一项(尽管所占比例未必很大)，那就是原维系奥氏体状态的束缚能，因其状态不复存在而释放的相变潜热，它不是传导过来的，而是就地发生的。从这个意义上来说，潜热致使的回火，才是真正意义上的“自回火”，它的热是自身提供的，而不是从它处获取的。
本发明方法通过小试和中试，工件均不开裂，主要原因是1、有一定厚度、呈压应力状态的马氏体壳层，将相界面应力状态复杂，易于导致开裂的区段移至远离表面，并于淬透时表层应力亦不反向；2、马氏体壳层相当程度的回火，使钢材表面的脆性降低；3、奥氏体微分层在Ms点之下狭窄温度段的逐层积分淬透，其两相界面的移动速度受热传导二阶微分方程的特解积分所描述的热传导速度制约，最快仅为0.003m/s，甚至更慢。而马氏体的相变速度约为1000m/s。这表明，在本发明的淬火条件下，马氏体相界面的实际移动速度只有马氏体相变速度的大约1/300000，故使得钢材内应力分布更均匀。换言之，马氏体-奥氏体相界面由表及里的移动速度是被钢材由里至表的热传导速度所制约的。
本发明采用水作淬火介质与现有技术采用油和水溶性有机物作淬火介质相比，成本是绝对低廉的，而且可循环使用，性能稳定，不存在临时配制的问题，淬火时产生的少量水蒸气无毒无味、不造成任何污染。
图1是本发明淬火方法机理示意图。
图2是用本发明淬火方法进行中试时，试产品即将进入第二个水冷区之前的一瞬间切取并用淬火固定状态的中间样品金相试样照片。
图3是本发明工艺中采用的水冷却设备。
具体实施例方式
图1反映了本发明淬火方法的机理。图中纵坐标是温度，横坐标是距离。纵坐标的原点是Ms，横坐标的原点是钢材表面。抛物线1是相界面到达b时的那一瞬间的温度分布。在b点(温度为Ms)处有相变潜热所致的温升。随着时间推移，抛物线陡度变小。这时，样品横截面的瞬间温度分布由图中的曲线1变为曲线2，它也同样是克冉伯函数所表述的抛物线。这一时刻，样品中温度低于Ms点的厚度由b点延伸至c点，继ab层之后，bc层转变为新马氏体层。因为这一层是将自身的热量传给了先于它转变为马氏体的ab层而使自身温度跌入Ms之下，晚一步变为马氏体的，所以我们称它为负热流致使的自淬火马氏体。与此同时，在它之前转变为马氏体的ab层，则因为吸收来自里侧的热量而变为具有一定回火程度的回火马氏体，我们称其为正热流致使的自回火马氏体。依此类推，曲线3和4分别是相界面先后到达d和e点那一时刻的样品横截面上的瞬间温度分布。当相界面到达e时，整个截面淬透。该附图是示意图。实际上，ab、bc…等，均为微分层。相界面每向前推进一个微分层，就使身后的一个微分层马氏体得到适度回火。不过，只有钢材表面最先形成的那一层相对厚的壳层马氏体的回火程度最高。一个重要原因是，在工艺上，最外壳层马氏体因为有专门让它发生回火的一段空气中冷却本发明合金钢的淬火方法对现有技术作出的重要贡献就是采用恒温水作淬火冷却剂。淬火时将合金钢材经电磁感应加热得到细晶粒奥氏体单相显微组织；然后冷却到过冷奥氏体能够存在足够时间的最低温度Ar3～(Ar3+100)℃区间；之后用恒温水将所述钢材表面温度冷至马氏体开始转变温度Ms以下20～30℃，使钢材表面获得马氏体，内部仍为奥氏体；接着在空气中冷却，使壳层马氏体得到适度回火(不超过合金钢材热处理最终回火温度的回火)；而后在恒温水中连续或间断冷却，使内部的奥氏体逐层变为马氏体，直至淬透。合金钢材经电磁感应快速加热到930-1020℃，是钢材得到细晶粒奥氏体单相显微组织的较好温度范围；恒温水的水温可取任一恒定温度值，恒温水的温度可以在8-90℃范围内选取，但是考虑到工业化生产中维持恒温水的成本以及季节因素，最好在45～85℃区间选取，并且偏差不应大于正负3℃。用本发明方法淬火时，由于钢材(工件)的直径不一、形状不同，加热设备和冷却设备也有别，因此具体的工艺参数是不同的。比如钢材入水前一瞬间的温度Ar3～(Ar3+100)℃，对于直径为4～16mm的合金弹簧钢钢材，在空气中冷却的情况下，750℃是国家标准中所有牌号合金弹簧钢线材通用的入水温度。对于钢的Ms点温度，国家标准中所有合金弹簧钢线材的Ms点均在250～350℃范围内。故300±50℃是通用马氏体转变开始温度。
图2是用本发明淬火方法进行中试时，试产品即将进入第二个水冷区之前的一瞬间切取并用淬火固定状态的中间样品金相试样照片。图中压痕较大的黑色壳层是具有较高回火程度的马氏体，压痕较小的是淬火马氏体。此次中试的钢种是55CrSi(宝钢Φ13料)，试产数量为300Kg；试产品规格是Φ10.2mm。冷拔真应变ε49％。电磁感应加热温度970℃，入水时温度为800℃，水温45℃，水压表指示0.25MPa，第二段冷却取间断式，回火温度485℃，回火后室温水冷却，走线速度27m/min.。性能检测结果σb1916MPa(头部)、1880Mpa(尾部)，ψ51.5％(头部)、51.5％(尾部)，冷弯90度不裂，洛氏硬度51±0.8，显微组织回火屈氏体。该试产品的淬火而未回火的显微组织中有相当自回火程度的黑壳层，其硬度是HRc55，里边的硬度则是HRc59.5。追加485℃45秒钟回火后的硬度变为HRc51。中试时间2005年5月24日。中试采用的电磁感应设备是常规设备，冷却设备见图3。
如图3所示的冷却设备是两段式冷却设备，主要用于φ4-φ16mm范围的合金弹簧钢线材连续热处理中的冷却工序，图中的A段是第一水冷段，B段是第二水冷段，它们都由一个有倾斜底面的水槽1和沿水槽中心线镶嵌喷射式水冷圈2系列组成。A段长490mm，里边镶嵌着3个喷射式水冷圈，两个喇叭形一个直筒形，喇叭型小口直段内没有喷水孔，主要用于(钢)线材的定位，保证线材与水圈在同一轴线上。A段和B段之间是空气冷却段，长200mm。B段由单独B-1段和B-2、B-3、B-4和B5段组成，总长4000mm，B-1中镶嵌着4个垂直喷射水冷圈，B-3和B-5两段内各镶嵌着3个垂直喷射水冷圈，B-2段和B-4段没有水圈，以实现间断式水冷却。线材穿过此段全长的如若采用紧凑结构，B-2∽B-5段可以不安装，如若采纳间断冷却，则全部安装，哪些用，哪些不用，取决于冷却要素的配置。所有垂直喷射水冷圈的内径尺寸不大于最小产品直径的8倍，淬火用的恒温水储存在储水箱中。在储水箱侧壁偏下部装有加热组件，电动搅拌均匀化的水温由PID(比例积分微分)温控系统控制在工艺规定的温度，误差不超过±3℃。高压水泵将恒温水通过总水管输送到各用水点的分水管，由分水管向水冷圈供高压水。用过的常压水从水冷设备水槽的溢水孔排出，泵回储水箱循环使用。
利用上述中试使用的设备，发明人还对不同规格的钢种用本发明方法进行了试产试产一终产品提速列车减震簧。
钢种60Si2Cr；原材料规格Φ13mm；原材料来源宝山钢铁公司。产品规格Φ9.0mm；冷拔真应变ε74％；技术要求(性能指标)σb1600-1700MPa，ψ＞45％(国家标准规定≥35％)，冷弯90度不开裂；试用单位湖南省株洲市长征弹簧厂。
用本发明方法淬火的热处理有关参数感应加热温度930℃，入水时温度750℃，水压表指示0.21MPa，淬火水温70℃，感应加热回火温度490℃，回火后冷却方式室温水冷却，走线速度38m/min。产品性能测试结果σb1650Mpa(头部)、1640Mpa(尾部)，ψ58.1％(头部)59.8％(尾部)，冷弯90°不裂，所有技术指标均满足要求。试制日期2005.06.21。
试产二终产品汽车悬架簧。
钢种55CrSi；原材料规格Φ13mm；原材料来源宝山钢铁公司。产品规格Φ10.2mm；冷拔真应变ε0.49；技术要求(性能指标)σb1750~1850MPa，ψ＞35％，冷弯90度不开裂。
试用单位山东淄博联美汽车弹簧有限公司。
用本发明方法淬火的热处理工艺参数感应加热温度940℃，入水温度756℃，淬火水温65℃，淬火喷射水压0.22MPa，回火温度493℃，回火后冷却室温水，走线速度30m/min.。产品性能测试结果σb1790MPa(头部)、1805MPa(尾部)，ψ58.1％(头部)、53.7％(尾部)，冷弯90度不裂，所有技术指标均满足要求。试制日期2005.08.30。
试产三终产品汽车悬架簧。
技术要求(性能指标)σb1600~1700MPa，ψ＞35％，冷弯90度不裂。
钢种60Si2MnA；材料来源宝钢；原材料规格Φ13mm。
产品规格Φ10.8mm；冷拔真应变ε37％。
试用单位四川省成都宁兴汽车弹簧有限公司用本发明方法淬火的热处理工艺参数感应加热955℃，入水温度764℃，淬火冷却水温50℃，水压表指示0.23MPa，回火温度498℃，回火冷却方式室温水冷却，走线速度28m/min.。产品性能测试结果σb1655MPa(头部)、1650MPa(尾部)，ψ54.3％(头部)、56.1％(尾部)，冷弯90度不裂，所有技术指标均满足要求。试制日期2005.11.13。
本发明方法通过中试及一些试产品的使用证实，其效果是非常好的，不仅能保证产品质量，而且成本低、无污染、没有火灾隐患，采用冷却介质—水可以重复使用且来源不断，同时本发明方法由于工艺参数要求精确，在手工操作的年代是难以实现的，而在电脑控制的今天却得以实现，使得本发明对传统技术有了重大突破。
权利要求
1.一种合金钢淬火方法，其特征在于采用恒温水作为冷却剂，淬火时将合金钢材经电磁感应加热得到充分奥氏体化而又未及粗化的细晶粒奥氏体单相显微组织；然后冷却到过冷奥氏体能够存在足够时间的最低温度Ar3～(Ar3+100)℃区间；之后用恒温水将所述钢材表面温度冷至马氏体开始转变温度Ms以下20～30℃，使钢材表面获得马氏体，内部仍为奥氏体；接着在空气中冷却，使壳层马氏体得到程度不超过合金钢材热处理最终回火温度的回火，而后用恒温水连续或间断冷却，使内部的奥氏体逐层变为马氏体，直至淬透。
2.根据权利要求1所述的合金钢淬火方法，其特征在于所述电磁感应加热的温度应至930-1020℃。
3.根据权利要求1或2所述的合金淬火方法，其特征在于所述恒温水的温度在8-90℃范围中任意选取一值。
4.根据权利要求3所述的合金淬火方法，其特征在于所述恒温水的温度在45-85℃范围中任意选取一值。
全文摘要
本发明涉及一种合金钢的淬火方法，该淬火方法是采用恒温水作淬火冷却剂，淬火时将合金钢经电磁感应加热得到充分奥氏体化而又未及粗化的细晶粒奥氏体单相显微组织；然后冷却到过冷奥氏体能够存在足够时间的最低温度Ar3～(Ar3+100)℃区间；之后用恒温水将所述钢材表面温度冷至马氏体开始转变温度Ms以下20～30℃，使钢材表面获得马氏体，内部仍为奥氏体；接着在空气中冷却，使壳层马氏体得到程度不超过合金钢材热处理最终回火温度的回火，而后用恒温水连续或间断冷却，使内部的奥氏体逐层变为马氏体，直至淬透。用本发明方法淬火成本低廉，并且水可循环使用、性能稳定、淬火时产生的少量水蒸气无毒无味、不造成任何污染。
文档编号C21D11/00GK1807659SQ20061003123
公开日2006年7月26日 申请日期2006年2月16日 优先权日2006年2月16日
发明者吴凡, 聂立文, 刘洪启 申请人:湖南双威汽车弹簧(钢丝)有限公司