匀速冷却介质及其在锻后控制冷却过程中的应用制造技术

一种锻钢件锻后控制冷却的方法。本发明专利技术属于钢材锻造及热处理领域。其特征是将锻件工件浸入匀速冷却介质中冷却，冷却过程以表面不发生非平衡态组织为原则，根据材料及工件大小可采用冷却到合适温度再均温的冷却方式或其它冷却方式。这种锻后控制冷却方法可解决现行锻坯组织粗大、带状组织等遗传组织及组织不均匀的问题。可保证锻坯的硬度均匀性，推动干切技术的推广；同时改善热处理后产品各向异性、冲击韧性等力学性能；改善热前组织均匀性，可有效配合热处理变形控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及钢材锻件锻造及热处理领域，具体涉及钢材锻件锻造后冷却领域。
技术介绍
铸造、锻造、热处理属于高能耗、高污染的三种热加工工序，三者之间存在紧密的相辅相成的关系，但目前国内机械行业三者之间存在明显的割裂问题，不能进行有效配合。可以简单理解为，铸后冷却、锻后冷却同淬火冷却是存在必然联系的，通过有效配合，可大幅减少后续热处理的工序，如退火、正火等，减少热处理的能耗。目前困扰热处理的主要问题是力学性能不足和变形问题，热处理的质量控制其实是个系统工程，如核电转子的低温冲击性能、渗碳齿轮的变形控制问题，仅仅通过热处理装备和热处理工艺方法并不能有效解决，需要各个工艺环节进行有效配合。力学性能问题要从材料纯净度、冶金、锻造、热处理进行系统解决，从细化晶粒，阻断组织遗传、组织均匀层面进行有效的工艺控制；热处理变形是由于工艺控制过程的很多“不均匀”的因素导致。如冶金成分不均匀，热前组织（预处理）不均匀，受力不均匀(机加应力、自重力)，加热不均匀，冷却不均匀等，这些“不均匀”的因素导致组织转变的同时性变差，各种应力分布不均，从而导致产品的变形难以有效控制。因此，上述两个案例不是能简单通过热处理设备、工艺或淬火冷却就能够解决的，需要协调各个生产工艺环节的问题。力学性能不足和变形问题都跟相关冷却工艺存在直接的关系，传统上我们一直关注淬火冷却，认为性能不足或变形是直接由淬火冷却导致。这是一个误区，铸后冷却、锻后冷却同淬火冷却是密切相关的，铸后、锻后的遗传组织通过热处理是无法有效解决的，需通过合理的铸后控冷和锻后控冷工艺改善甚至消除遗传组织，为最终热处理做好组织准备，只有这样才能保证产品的最终内在质量。通过铁碳相图可以比较直观的分析出本质的原因，平衡态的组织状态对于最终产品的性能并没有益处，期望得到组织细密的准平衡态组织，如果能得到100%的伪共析组织，对于后续产品的力学性能和变形控制都具有积极的意义。铸造和锻造过程中若冷却缓慢，不可避免产生碳及合金元素的扩散，最终产生显微偏析。因常规热处理温度较低，固态扩散能量不足，显微偏析问题不可能有效解决。目前机械行业普遍存在力学性能不足的问题，其中带状偏析和心部组织过热带来的问题尤为突出。这种冶金或锻造遗传组织跟两相区的冷却过程密切相关，该遗传组织对于产品的质量及服役寿命产生极大的危害：（1）造成产品力学性能具有明显的各向异性，如横向和纵向的强度具有较大的差距；（2）冲击韧性较差，在恶劣的服役环境下产品寿命较差；（3）带状偏析作为一种“不均匀”的因素，导致在加热和冷却过程中组织转变的均匀性较差，从而增大热处理变形的倾向。实际上我们一般观察到得带状组织主要是锻后冷却过程中高温奥氏体沿加工方向延伸的原始枝晶偏析基础上相变形成的“二次带状”，即只有在“一次带状”的基础上才能形成“二次带状”。常见的带状组织缺陷本质上是由于铸造成型过程中的枝晶偏析引起，该显微偏析在轧制或锻造成型过程中沿轧制方向遗传下来，这种带状组织在冶金上称之为“一次带状”。这种带状偏析可通过提高终锻温度、增大锻造比、扩散退火等方法来减轻或避免。锻后冷却过程中，当温度在Ar3～Ar1二相区之间时，钢的显微组织为先共析铁素体和过冷奥氏体。钢中一般均含有一定量的Mn、Cr、Ni、Mo等元素，这些元素均能显著增加过冷奥氏体在珠光体区的稳定性，增长了相变孕育期，也减慢了珠光体的形成速度，但对先共析铁素体的析出速度影响较小。当从高温状态下冷却时，先共析铁素体优先在相当于较纯的原枝晶干部位的奥氏体晶界析出，同时碳向周围的奥氏体区扩散，温度越高、冷却速度越慢，碳扩散越充分，扩散距离越远，所以形成的铁素体条带明显。这个过程在奥氏体化后的冷却过程中发生，冷却越慢，先共析铁素体转变越充分，碳元素分布越不均匀，带状组织越严重，这类带状就是“二次带状”。存在带状偏析的工件，在常规热处理过程中碳和合金元素的奥氏体均匀化是相当困难的，例如碳的均匀化需要950℃以上，而合金元素则需要1100℃以上。一般把锻（轧）后控制冷却过程分为三个阶段,称为一次冷却、二次冷却、三次冷却(空冷),在这三个冷却阶段中其冷却目的和要求是不同的。一次冷却为从终轧温度开始到变形奥氏体向铁素体开始转变温度Ar3温度范围内的冷却控制,即控制冷却的开始温度、冷却速度及终止温度。这一阶段是控制变形奥氏体的组织状态,阻止奥氏体晶粒长大,固定因变形引起的位错,降低相变温度,为相变做组织上的准备。二次冷却为从相变开始温度Ar3到相变结束温度范围内的冷却控制。主要是控制钢材相变时的冷却速度和停止控冷的温度,即通过控制相变过程,保证钢材快冷后得到所需要的金相组织和力学性能，对低碳钢、低合金钢、微合金化低合金钢,轧后一次冷却和二次冷却可连续进行,终了温度可达珠光体相变结束,然后空冷,所得金相组织为细铁素体和细珠光体及弥散的碳化物。三次冷却(空冷)，是相变后至室温范围内的冷却。目前锻后冷却方式一是采用沙冷、坑冷、空冷等粗放式的冷却方式，两相区冷却速度相对缓慢，易造成带状组织的恶化和晶粒粗大等缺陷，严重影响热后的最终力学性能，同时容易获得或部分获得马氏体、贝氏体、魏氏体组织，表面硬度较高且散差大，不利于切削加工，典型组织如图1所示；二是采用强制风冷方式（如等温正火），但同时存在冷却均匀性差的问题，使其锻坯表层的组织不均匀性，主要是上述冷却方式不能保证同炉不同工件和同一工件不同截面冷却的均匀性，工件迎风面和背风面冷却性能对比如图2所示。风速越快，冷却的均匀性就越差，只能通过减少装炉量和增加工件的间距来改善。同时风冷速度对于锻坯的表面温度非常敏感，随着表面温度的降低而迅速降低，不能保证冷却的均匀性。此外，因为空气的热容小，风温的波动避免，风温高低对于风冷速度的影响会进一步恶化冷却均匀性。
技术实现思路
专利技术目的：提供控制锻后冷却的匀速冷却介质以及相乎配合的工艺方法，改善冶金和锻造遗传组织，解决力学性能各向异性、低温冲击性能差、热处理变形大、干切技术难以推广等困扰机械行业发展的技术难题。技术方案：专利技术原理，要解决带状偏析的问题，首先必须从根本解决两相区高温扩散的问题。在锻造温度可有效改善“一次带状”，锻造完成后如果加快经过二相区的速度，控制先共析铁素体的析出，减慢碳的扩散速度，使铁素体长大受阻，富碳的铁素体小岛众多且分散分布，这样就可以有效减轻“二次带状”，所以高温奥氏体化后的高温阶段冷却速度是控制带状组织的关键因素。实现锻坯奥氏体化后的快速冷却至等温温度是“锻后控冷”工艺中的关键本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种匀速冷却介质在锻后控制冷却过程中的应用，锻件产品锻后直接在匀速冷却介质浸冷，
其特征在于，所述的匀速冷却介质为高分子聚合的水溶液，其中聚乙烯基吡咯烷酮占5-15%，
羧甲基纤维素钠占3-8%，聚丙烯酸钠0-3%，其它各类添加剂占3-8%，其余为水。
2.根据权利要求1所述的匀速冷却介质在锻后控制冷却过程中的应用，其特征在于，匀速冷
却介质浓度为20-30%。
3.根据权利要求1或2所述的匀速冷却介质在锻后控制冷却过程中...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂晓霖，左永平，
申请(专利权)人：南京科润工业介质股份有限公司，
类型：发明
国别省市：