一種大型軸鍛件的淬火方法與流程
2023-10-18 05:55:04 3
本發明屬於熱處理淬火技術領域，更具體地說，涉及一種大型軸鍛件的淬火方法。
背景技術：
淬火工藝最早的史料記載見於《漢書·王褒傳》中的「清水淬其峰」。1863年，英國金相學家和地質學家展示了鋼鐵在顯微鏡下的六種不同的金相組織，證明了鋼在加熱和冷卻時，內部會發生組織改變，鋼中高溫時的相在急冷時轉變為一種較硬的相。因此金屬通常通過熱處理的方法來改善金屬的強度及金相組織，以獲得人們所期望的性質，，而淬火介質則是獲得高的淬火質量的關鍵因素之一，常用的淬火介質有鹽水、水、礦物油、空氣等。傳統的水溶性淬火介質具有非常高的冷卻速度，過高的冷卻速度使金屬內部產生過高的內應力，金屬變形增大並使淬火後金屬開裂，不能滿足金屬熱處理的要求。在20世紀初，礦物油開始被用於淬火冷卻。礦物油的主要成分是飽和烴，性能相對穩定，所以得到了廣泛的應用。為改善礦物油的冷卻性能，人們又研製和向礦物油為基的含有各種添加劑的淬火油，仍然是主要使用的淬火介質。然而，礦物油淬火劑對環境造成嚴重汙染，礦物油的閃點較低，在淬火過程中，形成濃煙並有火災危險，在油中含有水時這種危險性更是大大加劇，礦物油的降解性很差，所以廢棄的礦物油對環境的汙染的潛在威脅就很大。近年來已有越來越多的企業在熱處理時放棄使用油淬火，而採用各種水溶性高分子有機物水溶液為合金鋼淬火的冷卻介質。經檢索，中國專利公開號為CN101660027A，申請日為2008年8月29日的專利申請文件公開了一種水溶性聚醚淬火介質，按重量百分比計其組分及含量：水溶性聚醚1～30％、防鏽劑0.1～1.0％、消泡劑100～500ppm、複合殺菌劑0.1～1.0％、pH值調節劑0.2～2％，餘量為水，水溶性聚醚是環氧乙烷和環氧丙烷的縮合物，數均分子量Mn小於20000。中國專利公開號為CN103981342A，申請日為2014年4月28日的專利申請文件公開了一種耐磨材料工件淬火劑，包括以下重量百分比的原料：氫氧化鈉6-12％，氯化鋅6-8％，磺化蓖麻油0.01-0.03％，聚醯胺聚乙二醇1-5％，丙烯酸2-5％，丙烯酸酯5-10％，添加劑0.1-2％，餘量為水。這些淬火劑的主要成分是水，冷卻速度過高，在對大型軸鍛件進行淬火時，如果淬火液選擇的不合適，易出現淬火後硬度不足、內部組織形態不均勻、發生淬火開裂的情況。35CrMo鋼製大型軸鍛件因其材料淬透性較好，尺寸比較大，加熱後應力比較集中，對其淬火時很難在較短的時間內將熱量均勻發散，容易形成表面驟冷，心部過熱的「脆皮」現象，如果只採 用單一淬火冷卻方式不能獲得理想的組織結構，因此，這類零件的熱處理過程比較複雜，淬火時間也較長，通常要用雙液或三液淬火，操作工序繁瑣，造成淬火成本高、生產效率低。因此需要研究一種專門適用於35CrMo鋼製大型軸鍛件的淬火方法，提高35CrMo鋼製大型軸鍛件的結構性能，降低淬火成本，提高生產效率。
技術實現要素：
1.要解決的問題針對現有的淬火方法容易使大型軸鍛件存在淬火後硬度不足、內部組織形態不均勻、發生淬火開裂的情況，本發明提供一種大型軸鍛件的淬火方法，本發明的淬火液在高溫階段冷速略高於淬火油而接近普通蒸餾水，Ar1溫度時冷卻速度很慢，接近快速油的淬火液，可使35CrMo鋼製大型軸鍛件在正火後，淬火剛入油時表面均勻冷速，在低溫階段換熱緩慢，有效釋放組織應力，防止淬火開裂。2.技術方案為了解決上述問題，本發明所採用的技術方案如下：一種大型軸鍛件的淬火方法，其步驟為：(1)製備淬火液，淬火液的組成成份及質量份數為：聚丙烯接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯與聚丙烯醯胺混合物8-12份，環氧乙烷和環氧丙烷無規共聚物2-4份，聚醯胺聚乙二醇2-4份，消泡劑0.5-0.6份，水3-7份，分散劑2-5份，其中，聚丙烯接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯與聚丙烯醯胺的質量比為1:1；(2)將大型軸鍛件加熱至850℃以上，然後保溫2-3h；(3)將步驟(2)中保溫結束後的大型軸鍛件浸入步驟(1)中製備的淬火液中淬火；(4)當步驟(3)中大型軸鍛件的溫度降至80-100℃時將其從淬火液中取出，然後進行空冷。優選地，所述的淬火液的組成成份及質量份數為：聚丙烯接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯與聚丙烯醯胺混合物10份，環氧乙烷和環氧丙烷無規共聚物3份，聚醯胺聚乙二醇3份，消泡劑0.4份，水5份，分散劑4份。優選地，所述的消泡劑為均分子量為6000-8000的聚醚；所述的分散劑為聚二甲基矽氧烷，所述的環氧乙烷和環氧丙烷無規共聚物的均分子量為20000-30000。優選地，所述的步驟(1)中淬火液的製備方法為：(a)按質量份數稱取4-6份的聚丙烯接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯和4-6份的聚丙烯醯胺在28-35℃條件下加入帶有攪拌裝置的調和釜中攪拌均勻，得到聚丙烯接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯與聚丙烯醯胺的固態混合物；(b)將步驟(a)中的調和釜加熱至55-70℃，然後按質量份數稱取2-5份水加入調和釜中攪拌30min後冷卻至30-40℃，然後加入1-3份分散劑混合均勻得到淬火液A液；(c)按質量份數稱取2-4份環氧乙烷和環氧丙烷無規共聚物、2-4份聚醯胺聚乙二醇和1-3份水加熱至30-40℃混合均勻，然後加入1-3份分散劑混合均勻得到淬火液B液；(d)將步驟(c)中得到的淬火液B液滴加入步驟(b)中的調和釜中與A液混合均勻，同時加入0.5-0.6份消泡劑；(e)攪拌0.5-1h後冷卻至室溫靜置1-2h，得到用於35CrMo制大型軸鍛件的專用淬火液。優選地，所述的步驟(b)中將步驟(a)中的調和釜加熱至60℃，然後按質量份數稱取2-5份水加入調和釜中攪拌30min後冷卻至35℃，然後加入1-3份分散劑混合均勻得到淬火液A液。優選地，所述的步驟(d)中當淬火液B液和A液冷卻至37℃時，將淬火液B液滴加入步驟(b)中的調和釜中與A液混合均勻。優選地，所述的步驟(d)中淬火液B液的滴加速度為(0.2-0.5)份/min。優選地，所述的步驟(a)、(b)、(c)中攪拌速度為200-300rpm；所述的步驟(d)、(e)中攪拌速度為300-450rpm。優選地，所述的步驟(2)中將大型軸鍛件加熱至880℃，然後保溫2.2h。所述的大型軸鍛件為35CrMo鋼製大型軸鍛件(直徑400-500mm)。3.有益效果相比於現有技術，本發明的有益效果為：(1)本發明的一種大型軸鍛件的淬火方法，其中製備的淬火液以多種聚合物為原料，主要適合用於35CrMo鋼製大型軸鍛件(直徑400-500mm，長度5-10米)淬火，35CrMo鋼製大型軸鍛件因其材料淬透性較好，尺寸比較大，加熱後應力比較集中，對其淬火時很難在較短的時間內將熱量均勻發散，容易形成表面驟冷，心部過熱的「脆皮」現象，如果只採用單一淬火冷卻方式很難獲得理想的組織結構，而本發明中的淬火液能夠有效避免用普通快速淬火油淬火後硬度不足、內部組織形態不均勻、易開裂等風險；(2)本發明採用的淬火液組分中，環氧乙烷和環氧丙烷無規共聚物含量相對較少，與聚丙烯-甲基丙烯酸與聚丙烯醯胺混合物以及聚醯胺聚乙二醇配合使用能得到非常良好的淬火效果，有效克服了環氧乙烷和環氧丙烷無規共聚物易受汙染、易變質失效等缺陷；(3)本發明採用大型軸鍛件在高溫階段的冷速略高於淬火油而接近普通蒸餾水，Ar1溫度時冷卻速度很慢，接近快速油的淬火液，可使35CrMo鋼製大型軸鍛件在正火後，淬火剛 入油時表面均勻冷速，在低溫階段換熱緩慢，有效釋放組織應力，防止淬火開裂；(4)本發明提供的淬火液能一次完成對35CrMo制大型軸鍛件的淬火，工藝簡單，改變了傳統雙液、三液淬火工藝，能夠有效避免35CrMo鋼大型軸鍛件淬火開裂，淬火效果好。具體實施方式下面結合具體實施例對本發明進一步進行描述。實施例1一種大型軸鍛件的淬火方法，所述的大型軸鍛件為35CrMo鋼製大型軸鍛件，其步驟為：(1)製備淬火液，淬火液的組成成份及質量份數為：聚丙烯接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯(簡稱PP-g-GAM，購自杭州拓目科技有限公司)與聚丙烯醯胺混合物10份(聚丙烯-甲基丙烯酸與聚丙烯醯胺的質量比為1:1)，環氧乙烷和環氧丙烷無規共聚物(均分子量為20000)3份，聚醯胺聚乙二醇3份，消泡劑(聚醚，均分子量為6000)0.4份，水5份，分散劑(聚二甲基矽氧烷)4份；(2)將大型軸鍛件(長度為10米，直徑為500mm)加熱至880℃，然後保溫2.2h；(3)將步驟(2)中保溫結束後的大型軸鍛件浸入步驟(1)中製備的淬火液中淬火；(4)當步驟(3)中大型軸鍛件的溫度降至90℃時將其從淬火液中取出，然後進行空冷。其中步驟(1)中製備淬火液的步驟為：(a)按質量份數稱取5份的聚丙烯-甲基丙烯酸和5份的聚丙烯醯胺加入帶有攪拌裝置的調和釜中攪拌均勻，製備得到聚丙烯-甲基丙烯酸與聚丙烯醯胺混合物；(b)將步驟(a)中的調和釜加熱至60℃，然後按質量份數稱取3份水加入調和釜中攪拌30min後冷卻至35℃，得到淬火液A液；(c)按質量份數稱取3份環氧乙烷和環氧丙烷無規共聚物、3份聚醯胺聚乙二醇和2份水加熱至35℃混合均勻，得到淬火液B液；(d)將步驟(c)中得到的淬火液B液滴加入步驟(b)中的調和釜中與A液混合均勻，同時加入0.4份消泡劑；(e)攪拌0.8h後冷卻至室溫靜置1.5h，得到用於35CrMo制大型軸鍛件的專用淬火液。本實施例製備得到的淬火液具有分散性好，耐儲存的優點，在避光條件儲存3年後，淬火液不團聚，仍具有優異的淬火性能；而且該淬火液在淬火過程中不發生團聚等影響淬火效果的變質現象，本實施例中，35CrMo鋼製大型軸鍛件(長度為10米，直徑為500mm)剛浸入淬火液中時的冷速為180℃/s，當大型軸鍛件溫度降至350℃時，冷速降低到25℃/s，可有效緩解零件組織應力，防止變形、開裂，淬火後的35CrMo鋼製大型軸鍛件具有硬度高、內部組織形態均勻等優點。實施例2一種大型軸鍛件的淬火方法，所述的大型軸鍛件為35CrMo鋼製大型軸鍛件，其步驟為：(1)製備淬火液，淬火液的組成成份及質量份數為：聚丙烯接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯(簡稱PP-g-GAM，購自杭州拓目科技有限公司)與聚丙烯醯胺混合物8份(聚丙烯-甲基丙烯酸與聚丙烯醯胺的質量比為1:1)，環氧乙烷和環氧丙烷無規共聚物(均分子量為25000)4份，聚醯胺聚乙二醇2份，消泡劑(聚醚，均分子量為8000)0.5份，水7份，分散劑(聚二甲基矽氧烷)2份；(2)將大型軸鍛件(長度為8米，直徑為450mm)加熱至850℃，然後保溫3h；(3)將步驟(2)中保溫結束後的大型軸鍛件浸入步驟(1)中製備的淬火液中淬火；(4)當步驟(3)中大型軸鍛件的溫度降至80℃時將其從淬火液中取出，然後進行空冷。其中步驟(1)中製備淬火液的步驟為：(a)按質量份數稱取4份的聚丙烯接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯和4份的聚丙烯醯胺在30℃條件下加入帶有攪拌裝置的調和釜中攪拌均勻(攪拌速度為240rpm)，得到聚丙烯接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯與聚丙烯醯胺的固態混合物；(b)將步驟(a)中的調和釜加熱至55℃，然後按質量份數稱取4份水加入調和釜中攪拌30min(攪拌速度為240rpm)後冷卻至30℃，然後加入1.2份分散劑混合均勻得到淬火液A液；(c)按質量份數稱取4份環氧乙烷和環氧丙烷無規共聚物、2份聚醯胺聚乙二醇和3份水加熱至30℃混合均勻，然後加入0.8份分散劑攪拌混合均勻(攪拌速度為240rpm)得到淬火液B液；(d)將步驟(c)中得到的淬火液B液以0.2份/min的速度滴加入步驟(b)中的調和釜中與A液攪拌混合均勻(攪拌速度為500rpm)，同時加入0.5份消泡劑；(e)攪拌0.5h(攪拌速度為500rpm)後冷卻至室溫靜置1h，得到用於35CrMo制大型軸鍛件的專用淬火液。本實施例製備得到的淬火液具有分散性好，耐儲存的優點，在避光條件儲存2年後，淬火液不團聚，仍具有優異的淬火性能；而且該淬火液在淬火過程中不發生團聚等影響淬火效果的變質現象，本實施例中，35CrMo鋼製大型軸鍛件(長度為8米，直徑為450mm)剛浸入淬火液中時的冷速為190℃/s，當大型軸鍛件溫度降至300℃時，冷速降低到35℃/s，可有效緩解零件組織應力，防止變形、開裂，淬火後的35CrMo鋼製大型軸鍛件具有硬度高、內部組織形態均勻等優點。實施例3一種大型軸鍛件的淬火方法，所述的大型軸鍛件為35CrMo鋼製大型軸鍛件，其步驟為：(1)製備淬火液，淬火液的組成成份及質量份數為：聚丙烯接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯(簡稱PP-g-GAM，購自杭州拓目科技有限公司)與聚丙烯醯胺混合物12份(聚丙烯-甲基丙烯酸與聚丙烯醯胺的質量比為1:1)，環氧乙烷和環氧丙烷無規共聚物(均分子量為30000)2份，聚醯胺聚乙二醇4份，消泡劑(聚醚，均分子量為7000)0.6份，水3份，分散劑聚二甲基矽氧烷5份；(2)將大型軸鍛件(長度為5米，直徑為400mm，軸鍛件上有3個凹槽、2個通孔)加熱至990℃上，然後保溫2h；(3)將步驟(2)中保溫結束後的大型軸鍛件浸入步驟(1)中製備的淬火液中淬火；(4)當步驟(3)中大型軸鍛件的溫度降至100℃時將其從淬火液中取出，然後進行空冷。其中步驟(1)中製備淬火液的步驟為：(a)按質量份數稱取6份的聚丙烯接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯和6份的聚丙烯醯胺在35℃條件下加入帶有攪拌裝置的調和釜中攪拌均勻(攪拌速度為300rpm)，得到聚丙烯接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯與聚丙烯醯胺的固態混合物；(b)將步驟(a)中的調和釜加熱至70℃，然後按質量份數稱取1.5份水加入調和釜中攪拌30min(攪拌速度為300rpm)後冷卻至40℃，然後加入3份分散劑混合均勻得到淬火液A液；(c)按質量份數稱取2份環氧乙烷和環氧丙烷無規共聚物、4份聚醯胺聚乙二醇和1.5份水加熱至40℃混合均勻，然後加入2份分散劑攪拌混合均勻(攪拌速度為300rpm)得到淬火液B液；(d)將步驟(c)中得到的淬火液B液以0.5份/min的速度滴加入步驟(b)中的調和釜中與A液攪拌混合均勻(攪拌速度為300rpm)，同時加入0.6份消泡劑；(e)攪拌1h(攪拌速度為300rpm)後冷卻至室溫靜置2h，得到用於35CrMo制大型軸鍛件的專用淬火液。本實施例製備得到的淬火液具有分散性好，耐儲存的優點，在避光條件儲存3年後，淬火液不團聚，仍具有優異的淬火性能；而且該淬火液在淬火過程中不發生團聚等影響淬火效果的變質現象，本實施例中，35CrMo鋼製大型軸鍛件(長度為5米，直徑為400mm，軸鍛件上有3個凹槽、2個通孔)剛浸入淬火液中時的冷速為155℃/s，當大型軸鍛件溫度降至400℃時，冷速降低到20℃/s，可有效緩解零件組織應力，防止變形、開裂，淬火後的35CrMo鋼製大型軸鍛件具有硬度高、內部組織形態均勻等優點。