低碳合金钢工件的控制冷却工艺及装置的制作方法

本发明涉及的是一种低碳合金钢工件锻后热处理领域的技术，具体是一种低碳合金钢工件的控制冷却工艺及装置。

背景技术：

传统模锻大多采用热锻方式，即锻造温度在1150-1250℃，锻后工件经过等温正火得到均匀的组织和稳定的性能后再进入车加工工序。等温正火往往需要20小时左右，工件在完全奥氏体化后再结晶转变的过程中，脱碳较为严重，消耗较大，因而逐渐出现了锻后余热正火、余热淬火等方式来优化整体生产流程，节能降耗。虽然通过该方式处理的工件保留了优秀的力学性能和组织性能，但是由于自动化及工件锻造存在差异等问题，余热正火均匀性有一定差异。

近年来，因精密锻造的需要，锻造方式逐步向温锻转变，虽然温锻后脱碳的现象得以减轻，但是温锻后热处理问题亟待解决。在900-1000℃温锻后，工件无法整体完全奥氏体化，导致温锻后必须通过完全等温退火来消除应力及组织均匀化。在引进大量国外先进锻压设备的同时，先进设备的优势体现并不明显，能耗也没有大幅度的降低。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种低碳合金钢工件的控制冷却工艺及装置，能够在保证低碳合金钢组织均匀化和工艺稳定性的同时，降低大量能耗，减少生产周期。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种低碳合金钢工件的控制冷却工艺，包括以下步骤：

S₁，根据对应材料的CCT(Continuous Cooling Transformation，过冷奥氏体连续冷却转变)曲线，选定工件冷却速度V₁，工件冷却速度V₁在A温度以上为1-2℃/s、在A温度以下为2-4℃/s，A温度的取值范围为550-620℃；以此设定控制冷却过程时间T＝T₁+T₂，工件传输速度其中：L为控制冷却阶段工件的传输距离，t₁为控制冷却起始温度，t₂即A温度、为第一冷却阶段的结束温度，t₃为第二冷却阶段的结束温度，T₁为第一冷却阶段的冷却时间，T₂为第二冷却阶段的冷却时间；

S₂，对温锻后的工件在控制冷却前进行红外线测温，筛选处于880-950℃范围内的工件进入控制冷却阶段，其余工件待处理；

S₃，对进入控制冷却阶段的初始批次工件进行不同风量外循环风冷却和抽吸风处理，使控制冷却阶段的环境温度处于恒温状态，之后舍弃初始批次工件，利用不同风量外循环风进行后续批次工件的控制冷却，使工件完成两个阶段的控制冷却。

所述的控制冷却起始温度t₁为880-950℃，第二冷却阶段结束温度t₃为150-250℃。

所述的工件传输距离L＝12m，工件传输速度为15-20mm/s。

所述的外循环风包括：一次、二次和三次外循环风；根据工件冷却速度V₁设定风量，其中：一次和二次外循环风的风量三次外循环风的风量抽吸风风量W为单个工件体积与单排工件数量的乘积，H为工件在垂直方向上的高度。

所述的一次和二次外循环风的风量相同均为700-1000m³/h，三次外循环风风量为一次外循环风风量的两倍，工件在一次、二次和三次外循环风中冷却相同时间，在一次和二次外循环风中完成A温度以上温度的缓慢冷却，在三次外循环风中完成A温度以下温度的快速冷却。

优选地，在步骤S₃过程中进行红外线测温，根据测温结果，对工件传输速度、外循环风和抽吸风风量分别进行微调，保持预定的冷却速度。

优选地，经步骤S₃控制冷却降温至150-250℃后，将工件置于空气中完全冷却至室温

本发明涉及一种实现上述工艺的控制冷却装置，包括：红外线测温装置、自动排料分选管道、一次外循环风风扇、二次外循环风风扇、三次外循环风风扇、控制冷却网带、抽吸风装置、自动控制装置和空冷履带，其中：控制冷却网带前端设有自动排料分选管道，自动排料分选管道前端设有红外线测温装置，控制冷却网带上方沿工件传输方向依次设有一次、二次和三次外循环风风扇，抽吸风装置设置在二次外循环风风扇和控制冷却网带后端之间，控制冷却网带后端与空冷履带相连；

所述的红外线测温装置与自动控制装置相连并输出工件温度信息，所述的自动控制装置与控制冷却网带相连并输出网带转速信息，所述的自动控制装置与一次外循环风风扇、二次外循环风风扇、三次外循环风风扇和抽吸风装置相连并分别输出风扇转速信息。

所述的一次、二次和三次外循环风风扇等间距设置。

所述的自动排料分选管道与输送带相连并设有待处理箱。

所述的控制冷却网带包括罩壳和网带传输履带，所述的罩壳上沿工件传输方向等间距设置有若干红外线测温传感器，所述的红外线测温传感器与自动控制装置相连并输出网带上各区域中工件温度信息，实现过程控制。

所述的控制冷却网带后端与空冷履带连接的接口处设有铁链帘减速滑道。

所述的空冷履带与料架相连。

技术效果

与现有技术相比，本发明利用低碳合金钢的CCT曲线，通过对三道可调风速及网带转速的控制，使工件冷却速度得到有效控制，在550-620℃以上以1℃/s的速度缓慢冷却，而在550-620℃以下以2-3℃/s的速度快速冷却，能够使工件在铁素体和珠光体区域有充分时间进行转变，防止非平衡组织产生，可省去锻造后传统的等温正火工序，加快了生产周期，提高了自动化效率，较传统工艺制造成本节约60％-70％左右。

附图说明

图1为低碳合金钢材料经900℃温锻后的CCT曲线图；

图中低碳合金钢材料牌号为SAE 5120H，其化学组成为：C 0.21％、Si 0.22％、Mn 0.82％、P 0.016％、S 0.009％、Cr1.16％、Mo 0.01％、Nr 0.04％、Cu 0.07％；温锻温度为900℃；

图2为本发明中齿类工件在控制冷却网带内的排列示意图；

图3为本发明整体结构示意图；

图4为本发明中部分结构的俯视图；

图5为本发明控制冷却处理后工件金相图；

图中：红外线测温装置1、输送带2、自动排料分选管道3、一次外循环风风扇4、二次外循环风风扇5、三次外循环风风扇6、控制冷却网带7、抽吸风装置8、自动控制装置9、空冷履带10、料架11、罩壳701、网带传输履带702。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例以基于SAE 5120H材料齿类工件的生产为例。

不同牌号低碳合金钢有不同的CCT曲线，根据CCT曲线将得到不同的硬度和金相组织；如图1所示，SAE 5120H材料在900℃温锻后，控制锻后冷却速度，将经过锻压的细小奥氏体组织转变为铁素体+珠光体组织；由于低碳合金钢合金元素较多，在合理的冷却制度下能够完成相变强化和细晶强化，得到稳定均匀的细小组织。

本实施例涉及一种低碳合金钢工件的控制冷却工艺，包括以下步骤：

S₁，根据SAE 5120H的CCT曲线选定冷却速度V₁在600℃以上为1℃/s，在600℃以下为2℃/s，控制冷却起始温度t₁为880-950℃，第一冷却阶段结束温度t₂为600℃，第二冷却阶段结束温度t₃为150-250℃，结合工件传输距离L＝12m，设定工件传输速度为17mm/s；

S₂，对温锻后的工件在控制冷却前进行红外线测温，筛选处于880-950℃范围内的工件进入控制冷却阶段，其余工件待处理；

S₃，对进入控制冷却阶段的初始批次工件在不同风量外循环风条件下冷却相同时间并进行抽吸风处理，使控制冷却阶段的环境温度处于恒温状态，之后舍弃初始批次工件，对后续批次工件在不同风量外循环风条件下冷却相同时间，使工件完成两个阶段的控制冷却；在此过程中进行红外线测温，根据测温结果，对工件传输速度、外循环风和抽吸风风量分别进行微调，保持预定的冷却速度；

S₄，经控制冷却降温至150-250℃后，将工件置于空气中完全冷却至室温。

所述的外循环风包括：一次、二次和三次外循环风，其中：一次和二次外循环风的风量均为800m³/h，三次外循环风的风量为1600m³/h；所述的抽吸风风量为1200m³/h。

如图3和图4所示，本实施例涉及一种实现上述工艺的控制冷却装置，包括：红外线测温装置1、自动排料分选管道3、一次外循环风风扇4、二次外循环风风扇5、三次外循环风风扇6、控制冷却网带7、抽吸风装置8、自动控制装置9和空冷履带10，其中：控制冷却网带7前端设有自动排料分选管道3，自动排料分选管道3前端设有红外线测温装置1，控制冷却网带7上方沿工件传输方向依次设有等间距布置的一次外循环风风扇4、二次外循环风风扇5和三次外循环风风扇6，抽吸风装置8设置在二次外循环风风扇5和控制冷却网带7后端之间，控制冷却网带7后端与空冷履带10相连；

所述的红外线测温装置1与自动控制装置9相连并输出工件温度信息，所述的自动控制装置9与控制冷却网带7相连并输出网带转速信息，所述的自动控制装置9与一次外循环风风扇4、二次外循环风风扇5和三次外循环风风扇6相连并分别输出风扇转速信息，所述的自动控制装置9与抽吸风装置8相连并输出抽吸风风扇转速信息。

所述的自动排料分选管道3与输送带2相连并设有待处理箱。

所述的自动排料分选管道3定时进行固定角度的摆动，保证进入控制冷却网带7后工件排列整齐、无叠放，如图2所示。

所述的控制冷却网带7上并排设置有5-8个工件。

所述的控制冷却网带7包括罩壳701和网带传输履带702，所述的罩壳701内顶部等间距开有四个小孔，插置四个红外线测温传感器，所述的红外线测温传感器与自动控制装置9相连并输出网带上各区域中工件的实时温度信息，实现过程控制。

所述的控制冷却网带7后端与空冷履带10连接的接口处设有铁链帘减速滑道，防止工件撞击后发生变形。

所述的空冷履带10与料架11相连。

本实施例经控制冷却的工件，其金相图如图5所示；按ASTM E112-2013，控制冷却工艺后的工件晶粒度约为9级，金相组织组成为P+F，基本无B组织，带状组织为1-2级，无明显不平衡组织，硬度约为170-180HBW，不同工件均匀性硬度差在8HBW左右，满足图纸技术要求；后续滚齿工序中，刀具寿命较原来无明显差异。

本发明实施例由于无再结晶过程，考虑锻造应力作用，对最终热处理进行试验：热变形M值变动量为-0.038mm，满足±0.04mm的要求；孔径尺寸变动量为-0.083mm，满足±0.3mm要求；齿形角度fHα_coast变动量为-18.25μm，齿形角度fHα_drive变动量为-11.5μm，齿向角度(左)变动量为-17.87μm，齿向角度(右)变动量为-5.18μm，均满足热变形要求，与传统等温退火工艺相类似；齿形工件搭载在LCR1300电机耐久台架中，完成试验，齿形工件拆解后无异常。