专利名称：多循环淬火－分配－回火工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种对各类机械结构件、轧后直接淬火的厚板和各类大尺寸型钢进行淬火冷却的热处理工艺，具体是一种多循环“淬火-分配-回火”工艺。
背景技术：
淬火回火(以下简称Q&T)是一种传统的工艺，它将工件加热到奥氏体区，然后淬火至室温以获得马氏体组织，随后在合适的温度进行保温一段时间进行回火以获得回火马氏体和碳化物组织，这种工艺广泛地被用于需高强度和具有一定塑性及韧性工件的热处理。 Q&T工艺在例如型钢或钢板等工件的轧后直接淬火中应用发现，存在淬火开裂和塑性不足的问题。经对现有技术文献检索发现，徐祖耀.钢热处理的新工艺.热处理，2007，22(1): 1-11文章提出“淬火-分配-回火工艺”(以下简称Q-P-T)，该技术在钢材成分设计的基础上，通过采用淬火-分配-回火三个步骤可以获得具有高强度和高韧性的钢材。该工艺将工件加热到奥氏体转变温度区，然后淬冷至马氏体开始温度(Ms)和结束温度(Mf)之间的某个温度，将此温度称为淬冷温度(以下简称Tq温度)，以获得马氏体组织，然后在该Tq 温度或在Tq温度之上保温一段时间实现分配和回火的过程，即实现碳从过饱和马氏体分配(扩散)到奥氏体中去和碳化物从过饱和马氏体基体中析出(回火)。由于“淬火一分配一回火”工艺中的Tq温度远高于传统Q&T工艺中的Tq温度(通常为室温)，因此有效地减弱了淬火引起的开裂倾向，同时碳的分配使更多的富碳残留奥氏体在室温稳定存在，从而显著提高了工件的塑性，具有更高的强塑积(MPa% )。实现Q-P-T工艺的关键是控制Tq温度或在Tq温度之上的保温时间，对于当量尺寸小于一定值的工件，单次淬火冷却沿工件截面的大部分区域可以很好的实现Q-P-T工艺过程。对于当量尺寸大于一定值的工件，如果单次淬火冷却时间过短，Q-P-T工艺过程仅可以在表层发生，表层以内的组织将主要为珠光体，在随后的空冷阶段可能会出现表层回温高于工件的回火温度；如果单次淬火冷却时间过长则会出现开裂和因表层Tq温度过低而影响随后的分配和回火过程的进行程度，Q-P-T过程仅可能发生在次表层，次表层以内的部组织仍以珠光体为主。因此，Q-P-T工艺适合在当量尺寸较小的工件上应用。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种多循环淬火-分配-回火工艺(以下简称M Q-P-T)，实现了大尺寸工件在避免开裂的前提下显著提高强度和韧性的目标。 为实现上述的目的，本发明采用以下技术方案将大截面的工件沿截面从表面到心部分成多个区域，结合该工件材料的等温转变冷却曲线(TTT曲线)制定该工件的M Q-P-T工艺。通过将工件在可以实现快速冷却的介质和在可以实现缓慢冷却的介质中多次交替冷却，在每次快速冷却和缓慢冷却的交替冷却中实现Q-P-T工艺过程，在该工艺中马氏体转变与富碳残余奥氏体生成由表层逐步向内层推进。该工艺可以用于材料为各种成分的微合金化钢或合金钢的各类机械结构件、轧后直接淬火的厚板和各类大尺寸型钢的淬火冷却处理。
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本发明多循环淬火-分配-回火工艺具体包括以下操作
(1)将大截面的工件沿截面从表面到心部分成多个区域，例如hi层(表层)、h2层(内层 1 )、h3层(内层2)、... hn层(心部)，依据工件材料的等温转变冷却曲线(TTT曲线)和界面换热系数等参数对工件在冷却过程的温度场、组织场和应力/应变场进行数值模拟，通过模拟确定在hi层、h2层、h3层、…hm层发生Q-P-T转变的工艺，即M Q-P-T工艺；
(2)第一次Q-P-T工艺的工艺过程为将工件在可以实现快速冷却的介质(或冷却方式)中在hi层(表层)实现Q-P-T工艺的淬火冷却，此时工件的hi层冷却到Tq温度区间， 部分组织发生马氏体转变，随后工件被置入冷却速度缓慢的介质(或冷却方式)中依靠内部热量的传出实现hi层组织的分配-回火过程；
(3)第二次Q-P-T工艺的工艺过程为在第一次Q-P-T工艺过程结束后，再次将工件在可以实现快速冷却的介质(或冷却方式)中实现h2层(内层1)的Q-P-T工艺的淬火冷却，此时工件的hi层(表层)已经发生Q-P-T转变过程，在该次快速冷却中hi层(表层)会有部分残余奥氏体转变为马氏体，但由于第一次Q-P-T过程转变的马氏体已经发生自回火和仍有部分高碳残余奥氏体残留至室温，所以再次快速冷却并不会引起hi层(表层)的开裂，而此次的快速冷却会使h2层的高温奥氏体态组织冷却到Tq温度区间而发生马氏体转变，在随后工件被置入冷却速度缓慢的介质(或冷却方式)中依靠内部热量的传出实现h2层组织的分配-回火过程，使已经形成马氏体组织产生回火和碳化物从马氏体中进一步析出，同时 h2层马氏体周围部分富碳残余奥氏体残留到室温；
(4)按照上述同样的方式可以依次实现h3层、h4层、…、hn层的Q-P-T工艺过程，由此不仅有效的消除和减弱淬火开裂倾向，而且通过逐层回火马氏体量和富碳残余奥氏体量的累积达到所需性能。本发明工艺中，具体采取的M Q-P-T的多循环(M)的次数应依据材料的成分、截面尺寸、工件的性能要求而确定。本发明工艺的应用，实现了大尺寸工件在避免开裂的前提下显著提高强度和韧性的目标。本发明的工件可以为各类机械结构件、轧后直接淬火的厚板和各类大尺寸型钢。本发明的工件材料为各种成分的微合金化钢或合金钢。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，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
采用M Q-P-T工艺处理直径150mm的42CrMo轴类件。要求淬火与高温回火后距表面 1/2R (R为轴的半径)处的力学性能高于某一指标。M Q-P-T工艺实现快速冷却的介质为水，实现缓慢冷却的介质为空气。依据工件材料的等温转变冷却曲线(TTT曲线)和界面换热系数等参数对工件在冷却过程的温度场、组织场和应力/应变场进行数值模拟，根据数值模拟结果，确定分别在距表面0-20mm层、20-30mm层、30-35mm层发生Q-P-T转变的M Q-P-T工艺，即第1次水淬时间180s，第1次空冷的时间为20s，第2次水淬时间120s，第2次空冷的时间为15s，第3次水淬时间80s，第3次空冷到室温，按照此工艺淬火冷却并高温回火后距表面1/2R处的力学性能高于要求值，并且无开裂产生。实施例2
采用M Q-P-T工艺处理50mm厚的微合金化钢轧板类件，M Q_P_T工序安排在轧机之后。 要求经M Q-P-T工艺处理后材料的从表面到厚度1/4截面厚度的拉伸强度和屈服确定高于一定指标(即要求获得以回火马氏体为主的组织)，同时对延伸率和低温冲击韧性提出了要求，采用传统的一次喷水快速冷却的方式会出现冷却时间过长轧板表面出现开裂，冷却时间过短性能指标达不到要求的问题。本实施例采用M Q-P-T工艺解决了该问题。实现快速冷却采用的介质为水，实现缓慢冷却采用的介质为空气，快速冷却是在轧机后面安排几段可以实现快速冷却的强冷区 (喷水或穿水)，在每个强冷区后面安排一段可以实现缓慢冷却的空冷区。依据工件材料的等温转变冷却曲线(TTT曲线)和界面换热系数等参数对工件在冷却过程的温度场、组织场和应力/应变场进行数值模拟，根据数值模拟结果，确定分别在距表面O-IOmm层、10-15mm层发生Q-P-T转变的M Q-P-T工艺，即第1次水淬时间50s，第1 次空冷的时间为8s，第2次水淬时间40s，第2次空冷到室温，按照此工艺淬火冷却后在沿截面距表面到1/4厚度区域内的力学性能高于要求值，并且无开裂产生。实施例3
采用M Q-P-T工艺处理直径300mm的H13芯棒，要求经M Q_P_T工艺处理后材料的距表面1/2R (R为轴的半径)处得力学性能高于一定值，采用聚合物类水溶性介质结合M Q-P-T 工艺处理该产品。首先，依据工件材料的等温转变冷却曲线(TTT曲线)和界面换热系数等参数对工件在冷却过程的温度场、组织场和应力/应变场进行数值模拟，根据数值模拟结果，确定分别在距表面0-20mm层、20-55mm层、55-65mm层、65-75_层发生Q-P-T转变的M Q-P-T工艺，即第1次水淬时间300s，第1次空冷的时间为120s，第2次水淬时间600s，第2次空冷的时间为180s，第3次水淬时间480s，第3次空冷的时间为180s，第4次水淬时间480s，第 4次空冷到表面温度为250°C左右进回火炉进行回火，按此工艺处理后产品性能符合要求。从上述实施例可看出，本发明通过将工件在可以实现快速冷却的介质和在可以实现缓慢冷却的介质中多次交替冷却，在每次快速冷却和缓慢冷却的交替冷却中实现Q-P-T 工艺过程，在该工艺中马氏体转变与富碳残余奥氏体生成由表层逐步向内层推进。本发明可以用于材料为各种成分的微合金化钢或合金钢的各类机械结构件、轧后直接淬火的厚板和各类大尺寸型钢的淬火冷却处理。本发明工艺的应用，实现了大尺寸工件在避免开裂的前提下显著提高强度和韧性的目标。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种多循环淬火-分配-回火工艺，其特征在于将大截面的工件沿截面从表面到心部分成多个区域，依据该工件材料的等温转变冷却曲线和界面换热系数参数对工件在冷却过程的温度场、组织场和应力/应变场进行数值模拟，确定该工件的多循环淬火-分配-回火工艺即M Q-P-T工艺；根据确定的M Q-P-T工艺，将工件在可实现快速冷却的介质和在可实现缓慢冷却的介质中多次交替冷却，在每次快速冷却和缓慢冷却的交替冷却中实现淬火-分配-回火工艺即Q-P-T工艺过程，在该工艺中马氏体转变与富碳残余奥氏体生成由表层逐步向内层推进。
2.根据权利要求1所述的多循环淬火-分配-回火工艺，其特征在于按照以下步骤操作(1)将大截面的工件沿截面从表面到心部分成多个区域hi层即表层、h2层即内层1、 h3层即内层2、…hn层即心部，依据工件材料的等温转变冷却曲线和界面换热系数参数对工件在冷却过程的温度场、组织场和应力/应变场进行数值模拟，通过模拟确定在hi层、h2 层、h3层、…hm层发生Q-P-T转变的工艺，即M Q-P-T工艺;(2)第一次Q-P-T工艺的工艺过程为将工件于能实现快速冷却的介质或冷却方式中在hi层实现Q-P-T工艺的淬火冷却，此时工件的hi层冷却到Tq温度区间，部分组织发生马氏体转变，随后工件被置入冷却速度缓慢的介质或冷却方式中依靠内部热量的传出实现 hi层组织的分配-回火过程，以获得回火马氏体和部分富碳残余奥氏体；(3)第二次Q-P-T工艺的工艺过程为在第一次Q-P-T工艺过程结束后，再次将工件在于能实现快速冷却的介质或冷却方式中实现h2层的Q-P-T工艺的淬火冷却，此时工件的表层已经发生Q-P-T转变过程，再次快速冷却hi层有部分残余奥氏体转变为马氏体，但第一次Q-P-T过程转变的马氏体已经发生自回火和有部分高碳残余奥氏体残留，再次快速冷却已经降低了 hi层的开裂倾向，此次的快速冷却使h2层的高温奥氏体态组织冷却到Tq温度区间而发生马氏体转变，在随后工件被置入冷却速度缓慢的介质或冷却方式中依靠内部热量的传出实现h2层组织的分配-回火过程，使已形成的马氏体回火和h2层马氏体周围的奥氏体富碳；(4)按照上述同样的方式依次实现h3层、h4层、…、hn层的Q-P-T工艺过程。
3.根据权利要求1或2所述的多循环淬火-分配-回火工艺，其特征在于所述工艺用于材料为各种成分的微合金化钢或合金钢的各类机械结构件、轧后直接淬火的厚板和各类大尺寸型钢的淬火冷却处理。
4.根据权利要求1或2所述的多循环淬火-分配-回火工艺，其特征在于所述工艺多循环的次数依据材料的成分、截面尺寸、工件的性能要求确定。
全文摘要
本发明公开一种热处理技术领域的多循环淬火-分配-回火工艺，将大截面的工件沿截面从表面到心部分成多个区域，结合该工件材料的等温转变冷却曲线制定该工件的MQ-P-T工艺。通过将工件在可以实现快速冷却的介质和在可以实现缓慢冷却的介质中多次交替冷却，在每次快速冷却和缓慢冷却的交替冷却中实现Q-P-T工艺过程，在该工艺中马氏体转变与富碳残余奥氏体生成由表层逐步向内层推进。该工艺可以用于材料为各种成分的微合金化钢或合金钢的各类机械结构件、轧后直接淬火的厚板和各类大尺寸型钢的淬火冷却处理。本发明工艺的应用，实现了大尺寸工件在避免开裂的前提下显著提高强度和韧性的目标。
文档编号C21D11/00GK102337385SQ201110271109
公开日2012年2月1日 申请日期2011年9月14日 优先权日2011年9月14日
发明者戎咏华, 陈乃录 申请人:上海交通大学