防止矩形合金鋼件水淬邊、角開裂的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種防止矩形合金鋼件水淬邊、角開裂的方法，所述方法包括：（1）提高除邊、角以外表面區(qū)域的冷卻速率，縮小邊、角以外表面與邊、角之間的溫差，降低其交界處的拉應力；（2）降低邊、角處的冷卻速率，縮小邊、角與邊、角以外表面區(qū)域的溫差，降低邊、角與邊、角以外表面區(qū)域交界處的拉應力；（3）在水-空交替淬火冷卻工藝中，通過延長最初幾次水淬后的空冷時間的方法增加邊、角處自回火程度，降低已經發(fā)生馬氏體轉變的邊、角區(qū)域馬氏體中碳的過飽和度，提高邊、角與邊、角以外表面交界處的抵抗開裂的能力。采用本發(fā)明可以實現(xiàn)矩形合金鋼件在水淬和水－空交替淬火冷卻中避免開裂的前提下獲得要求的強度和韌性的目的。
【專利說明】防止矩形合金鋼件水淬邊、角開裂的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及熱處理的淬火冷卻領域，具體地，涉及ー種防止矩形合金鋼件水淬邊、角開裂的方法。
【背景技術】
[0002]淬火冷卻是指將奧氏體組織狀態(tài)的鋼以適當速度冷卻，獲得預期組織與性能的過程。鋼在淬火冷卻過程中除了組織和性能發(fā)生變化外，還伴隨著產生開裂和畸變。淬火開裂將造成淬火件報廢，因此，人們采取各種方法避免淬火開裂的產生。
[0003]淬火件，特別是矩形合金鋼件淬火冷卻，淬火裂紋多出現(xiàn)在邊(二個表面的相交線)和角(三個表面的相交點)的位置。這些位置散熱條件好于其它部位，組織轉變量也多于其它部位，造成這些部位和其附近區(qū)域的塑性、破斷抗力、組織應力和熱應カ均有顯著差異，這也是這些部位區(qū)域易于開裂的主要原因。
[0004]經對現(xiàn)有技術文獻檢索發(fā)現(xiàn)，專利200710037031.4《改變噴射角度防止淬火件的端面噴液淬火開裂的方法》，發(fā)明了ー種改變噴射角度防止淬火件的端面噴液淬火開裂的方法，該方法將淬火件放置在布置有水管的淬火設備之中，淬火件由側面和端面組成，側面為需要快速冷卻的面，端面為不需要快速冷卻的面。淬火件的側面與水管平行，淬火件的端面與水管垂直。淬火介質流經水管，由與水管呈a角度(a介于0°~90°之間)的噴管噴向淬火件的側面，使淬火件的側面得到很好的冷卻。由于淬火件的端面與水管垂直，噴管噴出的淬火介質與淬火件的端面呈90° _a角度，這樣噴管噴出的淬火介質就未能直接噴到淬火件的端面，結果是淬火件的端面的冷卻速度較低，避免了開裂的發(fā)生。但是，實際應用情況是，該發(fā)明采用的噴水方法未能直接噴到淬火件易于出現(xiàn)邊、角裂紋的端面，結果造成端面與邊、角交界處的應カ增加，沒能解決邊、角淬火開裂的問題。
[0005]經研究發(fā)現(xiàn)，矩形合`金鋼件在水-空交替淬火冷卻エ藝下的淬火開裂特征如下:
[0006](I)裂紋頻繁出現(xiàn)的部位為邊或角區(qū)域，出現(xiàn)在角區(qū)域的頻率大于出現(xiàn)在邊區(qū)域；
[0007](2)裂紋形態(tài)為肉眼可見的微裂紋，裂紋走向為與開裂平面呈45°角，向組成邊或角的另ー個面或二個面延伸，裂紋深度與裂紋距邊、角的距離相近；
[0008](3)裂紋僅在組成角的三個面中的ー個面上出現(xiàn)，而且出現(xiàn)在冷卻速率最快的那個面，也就是說，裂紋出現(xiàn)在冷卻最快的那個端面的角；同樣，裂紋僅在組成邊的二個面中的ー個面上出現(xiàn)，而且出現(xiàn)在冷卻速率最快的那個面；
[0009](4)裂紋多發(fā)生在水-空交替淬火冷卻エ藝中的前幾次強力水冷之后。

【發(fā)明內容】

[0010]針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供ー種防止矩形合金鋼件水淬邊、角開裂的方法，采用該方法可以實現(xiàn)矩形合金鋼件在水淬和水一空交替淬火冷卻中避免開裂的前提下獲得要求的強度和韌性的目的。[0011]為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供ー種防止矩形合金鋼件水淬邊、角開裂的方法，所述方法如下:
[0012](I)、提高除邊、角以外表面區(qū)域的冷卻速率，縮小邊、角以外表面區(qū)域與邊、角之間的溫差，降低其交界處的拉應カ；
[0013](2)、降低邊、角處的冷卻速率，縮小邊、角與邊、角以外表面區(qū)域的溫差，降低邊、角與邊、角以外表面區(qū)域交界處的拉應カ；
[0014](3)、在水-空交替淬火冷卻エ藝中,通過延長最初幾次水淬后的空冷時間的方法增加邊、角處自回火程度，降低已經發(fā)生馬氏體轉變的邊、角區(qū)域馬氏體中碳的過飽和度，提高邊、角與邊、角以外表面區(qū)域交界處的抵抗開裂的能力。
[0015]以上的3個措施可以同時使用，可以任意2個組合使用，也可以單獨使用。
[0016]以上的3個措施中的措施I和措施2均是以縮小邊、角與邊、角以外表面區(qū)域的溫差為目標，降低邊、角與邊、角以外表面區(qū)域交界處的拉應力，具體的方式是:在措施I中，盡量提高除邊、角以外表面區(qū)域的冷卻速率，使其冷卻速率接近或等于邊、角的冷卻速率；在措施2中，盡量降低邊、角的冷卻速率，使其冷卻速率接近或等于除邊、角以外表面區(qū)域的冷卻速率。其原理是邊、角以外表面區(qū)域降溫到接近Ms點或Bs點的溫度，因其體積收縮造成其與邊、角交界處處于拉應カ狀態(tài)，在該溫度下該交界處已經處于非塑性狀態(tài)，加之與之相鄰的邊、角已經形成了一個由馬氏體或貝氏體組成的強度高和韌性差的硬殼；因此，由于邊、角以外表面體積收縮，在邊、角與邊、角以外表面區(qū)域之間出現(xiàn)裂紋的可能性増加，嚴重的會出現(xiàn)淬火裂紋。采用措施(1)，提高除邊、角以外的表面區(qū)域的冷卻速率可以使該區(qū)域在邊、角發(fā)生馬氏體或貝氏體相變(體積膨脹)的同時，除邊、角以外的表面區(qū)域的也降溫到Ms點或Bs點以下的溫度(發(fā)生部分馬氏體或貝氏體相變(體積膨脹))，這樣就可以有效避免開裂的產生；采用措施(2)，降低邊、角處的冷卻速率，目的也是在邊、角處發(fā)生馬氏體或貝氏體相變同吋，邊、角以外表面區(qū)域也能發(fā)生部分馬氏體或貝氏體相變，從而減小二者之間漲縮不同步產生的拉應力。縮小邊、角與邊、角以外表面區(qū)域的溫差的具體數據因材料不同和尺寸不同而不同，但是通常情況下是縮小邊、角與邊、角以外表面區(qū)域在600-300°C溫度區(qū)間的溫差，這個溫差越小淬火開裂傾向越小。
[0017]以上的3個措施中的措施3的實施是在保證滿足在隨后的冷卻中邊、角以外表面區(qū)域及其內層仍能獲得要求組織和性能的前提下，盡量延長最初幾次水淬后的空冷時間，具體時間也是根據材料不同和尺寸不同而不同。
[0018]優(yōu)選地，所述方法通過以下方法聯(lián)合使用以提高實際效果:
[0019](I)加大邊、角的倒角尺寸，降低邊、角與邊、角以外表面之間的應力。在一般情況下應控制倒角尺寸≤10*45° ；
[0020](2)降低邊、角區(qū)域和組成邊、角各表面的表面粗糙度，避免存在明顯的機械加工刀痕，減少應力集中源。一般邊、角區(qū)域和組成邊、角各表面的表面粗糙度(Ra)數值控制在12.5以下。
[0021]優(yōu)選地，所述水淬，既包含熱處理中的常規(guī)水淬，也包含各類水溶性介質淬火、水一空交替淬火冷卻、雙液淬火如水淬+油冷、水淬+水溶性介質冷卻的淬火冷卻エ藝方法。
[0022]優(yōu)選地，所述水淬，也可以是浸水、噴水或噴霧。[0023]優(yōu)選地，所述合金鋼件為各類機械結構件、鍛件或軋件，其材料為各種成分的合金鋼，其形狀為矩形合金鋼件；所述方法適合合金鋼件的淬火冷卻處理。
[0024]更優(yōu)選地，所述矩形合金鋼件是具有多個邊和角的立方體或長方體，或是由二個或多個立方體或長方體組成的不規(guī)則物體。
[0025]所述的邊是矩形合金鋼件二個表面的相交線及其附近區(qū)域；
[0026]所述的角是矩形合金鋼件三個表面的相交點及其附近區(qū)域；
[0027]所述的邊、角以外表面區(qū)域是矩形合金鋼件組成邊、角的各表面中的除去邊、角區(qū)域的部分；
[0028]所述的內層是指邊、角以內的區(qū)域和邊、角以外表面區(qū)域以內的區(qū)域。
[0029]淬火冷卻過程中各部位的冷卻過程及應カ變化如下:
[0030](I)對于矩形合金鋼件，構成邊的二個相交表面臨近區(qū)域由于處于兩面散熱、構成角的三個相交表面臨近區(qū)域由于處于三面散熱，降溫速率遠大于除邊、角以外的其它區(qū)域；在奧氏體化后的初始冷卻階段，由于邊區(qū)域、角區(qū)域(本專利中簡稱“邊、角”冷卻速率快于其它部位，處于收縮狀態(tài)的邊、角承受拉應力；此時，由于邊、角的溫度遠高于馬氏體開始轉變溫度(簡稱=Ms點)或貝氏體開始轉變溫度(簡稱:Bs點)，邊、角和除邊、角以外表面區(qū)域均處于塑性狀態(tài)，因此在該階段出現(xiàn)裂紋可能性較??；
[0031](2)在邊、角溫度降溫到Ms點或Bs點以下后，邊、角以相變應カ為主，處于體積膨脹狀態(tài)，承受壓應力，邊、角之外的表面區(qū)域溫度高于Ms點或Bs點處于收縮狀態(tài)承受拉應カ；此時，由于除邊、角以外表面區(qū)域溫度仍較高，尚處于塑性狀態(tài)，出現(xiàn)裂紋可能性也較??；
`[0032](3)繼續(xù)降溫，除邊、角以外表面區(qū)域降溫到接近Ms點或Bs點的溫度，除邊、角以外表面區(qū)域因體積收縮處于拉應カ狀態(tài)，在該溫度下邊、角與除邊、角以外表面區(qū)域的交界處已經處于非塑性狀態(tài)，加之與之相鄰的邊、角已經形成了一個由馬氏體或貝氏體組成的強度高和韌性差的硬売；因此，由于除邊、角以外表面區(qū)域體積收縮，在邊、角與除邊、角以外表面區(qū)域之間出現(xiàn)裂紋的可能性増加，淬火裂紋一般出現(xiàn)在該階段。
[0033](4)隨著溫度進ー步下降，除邊、角以外表面區(qū)域降溫到Ms點或Bs點以下后，除邊、角以外表面區(qū)域發(fā)生馬氏體或貝氏體相變發(fā)生體積膨脹，造成在其與邊、角交界處的拉應カ下降，減小了裂紋產生的幾率。
[0034]在上述步驟中，步驟(3)是產生裂紋的主要環(huán)節(jié)，在這個環(huán)節(jié)中只要采取相應的措施就能夠避免開裂或降低開裂的程度。而在步驟(3)之前采取本發(fā)明提出的防止矩形合金鋼件水淬邊、角開裂的方法將十分有效的減小裂紋產生的幾率。
[0035]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0036]本發(fā)明所述的ー種防止矩形合金鋼件水淬邊、角開裂的方法，采用該方法可以實現(xiàn)矩形合金鋼件在水淬和水一空交替淬火冷卻中避免開裂的前提下獲得要求的強度和韌性的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:[0038]圖1為矩形件與噴管和噴嘴的相對位置示意圖的側視圖。
[0039]圖2為矩形件與噴管和噴嘴的相對位置示意圖的俯視圖。
[0040]圖中:1為矩形件上面、2為上面噴管、3為上面噴嘴、4為側面噴管、5為矩形件側面、6為矩形件端面、7為下面噴管、8為下面噴嘴、9為矩形件下面、10為側面斜噴嘴、11為側面垂直噴嘴。
【具體實施方式】
[0041]下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一歩理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0042]實施例1
[0043]處理材料為中碳合金鋼鍛件，尺寸為5000 (長)*1500 (寬)*200 (厚)(mm)，要求
淬火后表面到厚度1/4的位置力學性能高于要求。
[0044]エ藝:水-空交替控時淬火冷卻，介質為水和空氣。
[0045]為避免邊、角部位在淬火冷卻過程中產生開裂，采用本發(fā)明所述的防止矩形合金鋼件水淬邊、角開裂的方法(1)，即:提高除邊、角以外表面區(qū)域的冷卻速率，縮小邊、角以外表面區(qū)域與邊、角之間的溫差，降低其交界處的拉應力。
[0046]具體方法是在冷卻最快、最容易在邊、角產生裂紋的200mm厚度截面上對除邊、角以外表面區(qū)域采取快冷措施，`即:在執(zhí)行水-空交替控時淬火冷卻エ藝過程中，在浸水冷卻過程中加大對除邊、角以外表面區(qū)域的冷卻強度，如對該部位實施強カ噴水；如需要，也可在空冷階段對該部位繼續(xù)實施強カ噴水冷卻。
[0047]為避免邊、角部位在淬火冷卻過程中產生開裂，采用本發(fā)明所述的防止矩形合金鋼件水淬邊、角開裂的裝置，裝置結構如圖1和2所示:該裝置包括:矩形件上面1、矩形件側面5、矩形件端面6、矩形件下面9為淬火對象各個被冷卻面；上面噴管2和上面噴嘴3組成上面噴淬組件；下面噴管7和下面噴嘴8組成下噴淬組件；側面噴管4、側面斜噴嘴10和側面垂直噴嘴11組成側噴淬組件；上面噴嘴3沿上面噴管2的軸線方向布置在上面噴管2上并與上面噴管2軸線垂直，上面噴嘴3的噴水方向與矩形件上面I呈P角；下面噴嘴8沿下面噴管7的軸線方向布置在下面噴管8上并與下面噴管8軸線垂直，下面噴嘴8的噴水方向與矩形件下面9呈P角；側面斜噴嘴10和側面垂直噴嘴11沿側面噴管4的軸線方向分布，其中:側面垂直噴嘴11設置在側面噴管4的中間部位，其噴水方向與矩形件側面5垂直，側面斜噴嘴10設置在側面噴管4的兩側部位，其噴水方向與矩形件端面6呈a角。
[0048]作為淬火介質的水被輸送到所述上面噴管2后通過所述上面噴嘴3以與矩形件上面1呈3角噴向矩形件上面I ;同樣，作為淬火介質的水被輸送到所述下面噴管7后通過所述下面噴嘴8以與矩形件下面9呈0角噴向矩形件下面9 ;作為淬火介質的水被輸送到所述側面噴管4后通過所述側面垂直噴嘴11噴向矩形件側面5，同時通過所述側面斜噴嘴10部分噴向矩形件端面6、部分噴向矩形件側面5，其中所述側面斜噴嘴10噴向矩形件端面6的噴水方向與矩形件端面6呈a角。
[0049]采用上述裝置，按照上述工作過程淬火在對該合金鋼鍛件進行浸液淬火前對該合金鋼鍛件進行噴水冷卻，然后將該合金鋼鍛件全部浸入水中實現(xiàn)均勻冷卻，矩形件上面1、矩形件側面5、矩形件端面6和矩形件下面9都得到了很好的噴水冷卻，解決了因矩形件邊、角與端面、上面和下面冷卻條件差異大而造成其組織應力和熱應カ有顯著差異的問題，從而避免了這幾個面的邊、角因冷卻過快與各面之間產生裂紋。
[0050]采取本發(fā)明所述的方法可以有效避免邊、角開裂。
[0051]實施例2
[0052]處理材料為中碳合金鋼，尺寸為5000 (長)*1500 (寬)*200 (厚)(mm)，要求淬火
后表面到厚度1/4的位置力學性能高于要求。
[0053]工藝:一次浸液淬火冷卻。淬火介質為:聚合物類水溶性淬火介質
[0054]為避免邊、角部位在淬火冷卻過程中產生開裂，采用本發(fā)明所述的防止矩形合金鋼件水淬邊、角開裂的方法(2)，即:降低邊、角處的冷卻速率，縮小邊、角與邊、角以外表面區(qū)域的溫差，降低邊、角與邊、角以外表面區(qū)域交界處的拉應力。
[0055]具體方法是在所有角和邊部位采取包覆措施，包覆物形狀為仿形的角和邊，包覆物材料為低碳鋼或可以是降低冷卻速率的涂料；通過對邊、角的包覆實現(xiàn)了降低邊、角冷卻速率的目的。
[0056]采取本發(fā)明所述的方法可以有效避免邊、角開裂。
[0057]實施例3
[0058]處理材料為中碳合金鋼，尺寸為5000 (長)*1500 (寬)*200 (厚)(mm)，要求淬火`后表面到厚度1/4的位置力學性能高于要求。
[0059]エ藝:水-空交替控時淬火冷卻，介質為水和空氣。
[0060]為避免邊、角部位在淬火冷卻過程中產生開裂，采用本發(fā)明所述的防止矩形合金鋼件水淬邊、角開裂的方法(3)，即:通過淬火冷卻エ藝設置，增加自回火時間，降低已經發(fā)生馬氏體轉變的邊、角馬氏體中碳的過飽和度，提高邊、角抵抗開裂的能力。
[0061]具體方法是適當延長水-空交替控時淬火冷卻中最初幾次水冷后的空冷時間，使得邊、角已經發(fā)生馬氏體轉變部位溫度回升，馬氏體中碳的過飽和度下降，組織的韌性提高和應カ得到釋放，從而有效避免了邊、角開裂的產生。
[0062]采用本發(fā)明所述方法可以實現(xiàn)矩形合金鋼件在水淬和水一空交替淬火冷卻中避免開裂的前提下獲得要求的強度和韌性的目的。
[0063]以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質內容。
【權利要求】
1.ー種防止矩形合金鋼件水淬邊、角開裂的方法，其特征在于，所述方法采用如下(I)- (3)中的一種單獨使用或多種組合使用: (1)、提高除邊、角以外表面區(qū)域的冷卻速率，縮小邊、角以外表面與邊、角之間的溫差，降低其交界處的拉應カ； (2)、降低邊、角處的冷卻速率，縮小邊、角與邊、角以外表面區(qū)域的溫差，降低邊、角與邊、角以外表面區(qū)域交界處的拉應カ； (3)、在水-空交替淬火冷卻エ藝中，通過延長最初幾次水淬后的空冷時間的方法增加邊、角處自回火程度，降低已經發(fā)生馬氏體轉變的邊、角區(qū)域馬氏體中碳的過飽和度，提高邊、角與邊、角以外表面交界處的抵抗開裂的能力； 所述的邊是矩形合金鋼件二個表面的相交線及其附近區(qū)域； 所述的角是矩形合金鋼件三個表面的相交點及其附近區(qū)域； 所述的邊、角以外表面區(qū)域是矩形合金鋼件組成邊、角的各表面中的除去邊、角區(qū)域的部分； 所述的內層是指邊、角以內的區(qū)域和邊、角以外表面區(qū)域以內的區(qū)域。
2.根據權利要求1所述ー種防止矩形合金鋼件水淬邊、角開裂的方法，其特征在于，所述方法通過以下措施聯(lián)合使用以提高實際效果: (1)加大邊、角的倒角尺寸，降低邊、角與邊、角以外表面區(qū)域之間的應力，即控制倒角尺寸≥10*45° ； (2)降低邊、角區(qū)域和組成邊、角各面的表面粗糙度，避免存在明顯的機械加工刀痕，減少應カ集中源，即邊、角區(qū)域和組成邊、角各面的表面粗糙度Ra數值控制在12.5以下。
3.根據權利要求1所述ー種防止矩形合金鋼件水淬邊、角開裂的方法，其特征在于，所述水淬，既包含熱處理中的常規(guī)水淬，也包含各類水溶性介質淬火、水一空交替淬火冷卻、雙液淬火。
4.根據權利要求1或3所述ー種防止矩形合金鋼件水淬邊、角開裂的方法，其特征在于，所述水淬，或者采用浸水、噴水或噴霧代替。
5.根據權利要求1所述ー種防止矩形合金鋼件水淬邊、角開裂的方法，其特征在于，所述合金鋼件為各類機械結構件、鍛件或軋件，其材料為各種成分的合金鋼，其形狀為矩形合金鋼件。
6.根據權利要求5所述ー種防止矩形合金鋼件水淬邊、角開裂的方法，其特征在于，所述矩形合金鋼件是具有多個邊和角的立方體或長方體，或是由二個或多個立方體或長方體組成的不規(guī)則物體。
【文檔編號】C21D1/18GK103498023SQ201310396068
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月3日 優(yōu)先權日:2013年9月3日
【發(fā)明者】陳乃錄, 左訓偉, 戎詠華 申請人:上海交通大學