一種用熱水作為冷卻介質的清潔分級淬火方法與流程

2023-05-18 19:24:21 1

本發明屬於熱處理工藝技術領域，涉及一種用熱水作為冷卻介質的清潔分級淬火方法。

背景技術：

淬火是鋼鐵熱處理中的關鍵工序，其特點是將工件(機械零件、刀具、模具等)加熱到臨界點以上，然後用足夠快的速度進行冷卻。如果冷卻速度低於所用鋼種的淬火臨界冷卻速度，則得不到淬火後應有的組織和性能。反之，如果冷卻速度過快，則造成淬火畸變增大，甚至開裂。所以，必須根據鋼的成份和工件厚度選擇合適的冷卻介質。

水基淬火介質(包括清水、無機鹽水溶液、鹼水溶液和有機物水溶液)是常用的淬火冷卻介質，其特點是冷卻能力強，但也易導致較大的工件淬火畸變和開裂傾向。而水溫升高會使水基淬火介質的冷卻能力顯著下降，因此，水基淬火介質的溫度一般都控制在40℃以下。在水中加入無機鹽(例如nacl)或鹼(na2co3/naoh)可以進一步提高水的冷卻能力，而加入有機物(例如聚醚或聚乙烯醇等)則可以適當降低水的冷卻能力。有機物水溶液雖然可以降低畸變和開裂傾向，但存在環境汙染的問題。油是另一類常用的淬火冷卻介質，其冷卻能力比水緩和，適用於合金鋼的淬火以及碳鋼薄壁零件的淬火。加入不同的催冷劑可以提高和調節油的冷卻能力，以適應不同鋼種和不同工件的要求。市售的「高速淬火油」的冷卻能力已和清水相當。但油基淬火介質存在不容忽視的缺點，其一是造成環境汙染，其二是存在火災隱患。

熔化狀態的硝酸鹽或鹼浴的冷卻能力介於普通淬火油和水之間，而且硝酸鹽浴的溫度在170℃以上，工件在淬火冷卻過程中在硝鹽浴溫度下停留一段時間，及至工件截面上溫度趨於均勻之後再在空氣中冷卻至室溫，即實施「分級淬火」，可以顯著降低工件內部的組織應力和熱應力。硝酸浴或鹼浴常用於形狀複雜的工件的「分級淬火」，其優點是冷卻能力大於普通淬火油，而且淬火畸變小，其缺點是汙染環境。

現有常見的幾種淬火冷卻介質的冷卻烈度的大致範圍，如表1所示。

表1幾種常用的淬火冷卻介質的冷卻烈度

由表1可見，現有的幾種淬火冷卻介質的冷卻烈度，已覆蓋0.25～5.0的寬廣範圍，僅就冷卻能力而言，已經可以滿足不同鋼種的不同工件對淬火冷卻能力的要求。問題在於適用於合金鋼的三類淬火冷卻介質(油、有機物水溶液和硝鹽溶)都存在汙染環境的問題。

現有技術中有採用空氣和常溫水交替冷卻，取代油進行3cr2mo鋼大型模塊淬火的技術。該技術是將淬火冷卻過程分為空氣予冷、水冷、空冷(表層自回火)、水冷、空冷5個階段，使工件在空氣和水中交替冷卻。在第一階段工件的溫度處於過冷奧氏體穩定的高溫區間，在空氣中緩慢冷卻不會影響淬透的效果，而且有利於防止開裂；當工件表面冷卻至700℃轉入水冷，以提高過冷奧氏體不穩定的溫度區間的冷卻速度，以保證工件被淬透；當工件心部降至奧氏體不穩定的溫度區間以下(<600℃)適時轉入空氣中短暫停留，不會影響工件心部淬透，而是表面層產生「自回火」效應，避免了淬火開裂；然後再次水冷，當表面溫度回升至300℃，出水繼續空冷。

也有採用空氣和常溫水替代油進行合金鋼大模塊淬火的方法，該方法除了空氣予冷和最後階段空冷這兩個階段與上述技術相同之外，在中間階段則採用了噴水-空冷-噴水-空冷-.....交替冷卻的方式，以使工件表面層的溫度在低於過冷奧氏體不穩定的溫度區間上下擺動，而工件心部則連續不斷的冷卻。

上述二種方法的優點在於採用空氣和清水替代油作為淬火冷卻介質，既消除了淬火油對環境的汙染，又增加了淬透層的厚度，但其缺點是難以應用於數量眾多的中、小型工件以及形狀複雜的工件，因為中、小型工件在水中冷卻太快，水-空轉換時間不好控制。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種可有效解決工件淬火後的變形和開裂問題，無環境汙染，安全環保的用熱水作為冷卻介質的清潔分級淬火方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種用熱水作為冷卻介質的清潔分級淬火方法，該方法是將經加熱奧氏體化之後的工件淬入第一熱水槽中進行冷卻，待工件表面溫度降至100-160℃時，再將工件轉移至第二熱水槽中進行等溫停留，待工件內部溫度基本均勻後，取出，即完成工件的分級淬火。

所述的第一熱水槽中裝有nacl溶液，該nacl溶液的溫度為60-110℃。

所述的nacl溶液的質量百分含量為0.1-20％。

所述的第一熱水槽中設有變頻攪拌器、熱電偶以及加熱器。

在工作狀態下，第一熱水槽中nacl溶液的攪拌速度為0-0.75m/s。

所述的第二熱水槽中裝有純水，該純水的溫度為90-100℃。

工件在第一熱水槽中時，工件心部的冷卻速度＞工件自身材料的淬火臨界冷卻速度。

在將工件轉移至第二熱水槽時，工件心部的溫度＜過冷奧氏體不穩定的溫度區間。

本發明方法通過配製兩個熱水槽，其中，第一個熱水槽的冷卻過程可以採用連續浸入式或多次間歇浸入式的兩種不同操作方式，後者可以通過調節空冷與水冷時間的比值，nacl的濃度，水溫和攪拌速度四個參數調節工件的冷卻速度，使其心部(或設計規定的深度上)的冷卻速度略高於所用鋼種的淬火臨界冷卻速度，以求兼顧淬透和控制畸變的要求。待工件心部的溫度降低到過冷奧氏體不穩定的溫度區間以下，將工件轉入到第二個熱水槽中作等溫停留。

本發明中工件在第一個熱水槽中停留的時間或在第一個水槽中每次間歇停留時間及空冷時間、從第一個水槽向第二個水槽轉移的時間以及在第二個水槽中等溫停留時間等工藝參數可以通過試驗確定，也可以採用基於數值模擬的虛擬生產方法確定。熱水分級淬火的過程可以是人工操作，也可以由計算機控制實現自動操作或由智慧機器人進行操作。

與現有技術相比，本發明具有以下特點：

1)採用熱水代替硝鹽浴進行分級淬火，徹底消除了硝酸鹽對環境的汙染；

2)可取代油淬火或熱油分級淬火，徹底消除淬火油對環境的汙染和火災隱患，也可以免除硝鹽分級淬火或用油淬火後必需安排的清洗工序，消除了廢水對環境的汙染；

3)通過熱水槽的溫度、濃度、間歇停留時間和攪拌速度等參數的調節，可準確控制工件的冷卻速度，能擴大熱水等溫淬火的應用範圍，克服現有用冷水進行間歇淬火難以應用於中小型零件的局限；

4)整個工藝步驟簡單，清潔環保，操作更加安全方便，經濟改造成本低，節能，易於大規模工業推廣，具有很好的應用前景。

附圖說明

圖1為實施例1中的卡盤熱水分級淬火熱處理工藝圖；

圖2為實施例2中的軸承套圈熱水分級淬火熱處理工藝圖；

圖3為實施例3中的冷軋輥的熱水分級淬火熱處理工藝圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例1：

本實施例中，工具機用卡盤，用45鋼製造，要求淬火、回火後硬度為43～47hrc。

原用工藝為：820～840℃加熱後於硝鹽浴中分級淬火，170℃停留12min後空冷至室溫，整形後180℃回火2h。

採用本發明方法，工具機用卡盤熱水分級淬火工藝曲線如圖1所示，其中，第一熱水槽的成份為20％的nacl水溶液，溫度為100～110℃，第二熱水槽的成份為100％的h2o，溫度為95～100℃，卡盤經830～850℃保護氣氛中加熱後淬入第一熱水槽中停留8分鐘，然後轉移到第二熱水槽中停留8分鐘，取出，空冷至室溫，整形後200℃回火，硬度43-47hrc平面撓曲≤0.2mm。

實施例2：

本實施例中，軸承套圈外徑：φ外＝284mm。內徑：φ內＝226mm，高度60mm，材料為gcr15，要求63-65hrc。

原用熱油分級淬火工藝：835℃～845℃加熱，淬入80℃熱油中分級淬火，停留15min，空冷至室溫，160℃回火4小時。

採用本發明方法，軸承套圈熱水分級淬火工藝曲線如圖2所示，其中，第一熱水槽水溫80℃，成份15％nacl水溶液，第二熱水槽水溫95～100℃，成份為100％的h2o，工件經835℃～845℃加熱後淬入第一熱水槽停留10s，立即轉入第二熱水槽分級停留15min，空冷至室溫，160℃回火4小時，硬度64-65hrc。

實施例3：

本實施例中，9mn2v冷軋輥，滾身段φ160×400，要求58～62hrc。

原用工藝為：790～800℃加熱，快速淬火油淬火冷至室溫，180℃回火6小時。

採用本發明熱水分級淬火方法，配備兩個熱水槽，第一熱水槽水溫60℃，成份為100％的h2o(0％nacl)攪拌速度0.5～0.75m/s，第二熱水槽的水溫100℃成份為100％的h2o。

9mn2v冷軋輥熱水分級淬火工藝曲線如圖3所示，工件經790～800℃加熱奧氏體化，淬入第一熱水槽進行間歇淬火，節拍為熱水3s空冷2s熱水3s空冷2s......20次交替，共計時間100s，轉入第二熱水槽停留1h，空冷至室溫，180℃回火6小時，空冷，硬度58～62hrc。

實施例4：

本實施例用熱水作為冷卻介質的清潔分級淬火方法是將經加熱奧氏體化之後的工件淬入第一熱水槽中進行冷卻，待工件表面溫度降至100℃時，再將工件轉移至第二熱水槽中進行等溫停留，待工件內部溫度基本均勻後，取出，即完成工件的分級淬火。其中，工件在第一熱水槽中時，工件心部的冷卻速度＞工件自身材料的淬火臨界冷卻速度。在將工件轉移至第二熱水槽時，工件心部的溫度＜過冷奧氏體不穩定的溫度區間

本實施例中，第一熱水槽中裝有nacl溶液，該nacl溶液的溫度為60℃。nacl溶液的質量百分含量為0.1％。第一熱水槽中設有變頻攪拌器、熱電偶以及加熱器。在工作狀態下，第一熱水槽中nacl溶液的攪拌速度為0.75m/s。第二熱水槽中裝有純水，該純水的溫度為90℃。

實施例5：

本實施例用熱水作為冷卻介質的清潔分級淬火方法是將經加熱奧氏體化之後的工件淬入第一熱水槽中進行冷卻，待工件表面溫度降至160℃時，再將工件轉移至第二熱水槽中進行等溫停留，待工件內部溫度基本均勻後，取出，即完成工件的分級淬火。其中，工件在第一熱水槽中時，工件心部的冷卻速度＞工件自身材料的淬火臨界冷卻速度。在將工件轉移至第二熱水槽時，工件心部的溫度＜過冷奧氏體不穩定的溫度區間

本實施例中，第一熱水槽中裝有nacl溶液，該nacl溶液的溫度為110℃。nacl溶液的質量百分含量為20％。第一熱水槽中設有變頻攪拌器、熱電偶以及加熱器。在工作狀態下，第一熱水槽中nacl溶液的攪拌速度為0.5m/s。第二熱水槽中裝有純水，該純水的溫度為100℃。

實施例6：

本實施例用熱水作為冷卻介質的清潔分級淬火方法是將經加熱奧氏體化之後的工件淬入第一熱水槽中進行冷卻，待工件表面溫度降至120℃時，再將工件轉移至第二熱水槽中進行等溫停留，待工件內部溫度基本均勻後，取出，即完成工件的分級淬火。其中，工件在第一熱水槽中時，工件心部的冷卻速度＞工件自身材料的淬火臨界冷卻速度。在將工件轉移至第二熱水槽時，工件心部的溫度＜過冷奧氏體不穩定的溫度區間

本實施例中，第一熱水槽中裝有nacl溶液，該nacl溶液的溫度為100℃。nacl溶液的質量百分含量為12％。第一熱水槽中設有變頻攪拌器、熱電偶以及加熱器。在工作狀態下，第一熱水槽中nacl溶液的攪拌速度為0.25m/s。第二熱水槽中裝有純水，該純水的溫度為95℃。

上述的對實施例的描述是為便於該技術領域的普通技術人員能理解和使用發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，並把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限於上述實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明範疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護範圍之內。