合金钢的淬火方法技术

本发明专利技术涉及一种合金钢的淬火方法，该淬火方法是采用恒温水作淬火冷却剂，淬火时将合金钢经电磁感应加热得到充分奥氏体化而又未及粗化的细晶粒奥氏体单相显微组织；然后冷却到过冷奥氏体能够存在足够时间的最低温度Ａｒ３～（Ａｒ３＋１００）℃区间；之后用恒温水将所述钢材表面温度冷至马氏体开始转变温度Ｍｓ以下２０～３０℃，使钢材表面获得马氏体，内部仍为奥氏体；接着在空气中冷却，使壳层马氏体得到程度不超过合金钢材热处理最终回火温度的回火，而后用恒温水连续或间断冷却，使内部的奥氏体逐层变为马氏体，直至淬透。用本发明专利技术方法淬火成本低廉，并且水可循环使用、性能稳定、淬火时产生的少量水蒸气无毒无味、不造成任何污染。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种。
技术介绍
传统的合金钢单一介质淬火都是连续降温冷却，冷却剂一般采用的是油。由于油淬火对环境造成一定程度的污染，并且有引发火灾的危险，近年来已有越来越多热处理企业放弃淬火油，采用各种水溶性高分子有机物水溶液为合金钢淬火的冷却介质。然而，这类水溶性有机冷却介质用来淬火时虽不产生严重污染和不存在火灾隐患，可是市场售价却仍然很高，而且，原介质存放期有限，用户购进后还另需自行按一定比例配制成水溶液才能使用，在使用中，有机物溶液遇热后会加速老化，使其冷却特性发生改变，如不及时更换，将使热处理产品质量下降，甚至不合格。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，以解决用油淬成本高、不安全、易发火灾、有污染，水溶性有机介质成本也高、使用时要临时配制等诸多不方便的问题。本专利技术的淬火方法是采用恒温水作为冷却剂，淬火时将合金钢材经电磁感应加热得到充分奥氏体化而又未及粗化的细晶粒奥氏体单相显微组织；然后冷却到过冷奥氏体能够存在足够时间的最低温度Ar3～(Ar3+100)℃区间；之后用恒温水将所述钢材表面温度冷至马氏体开始转变温度Ms以下20～30℃，使钢材表面获得马氏体，内部仍为奥氏体；接着在空气中冷却，使壳层马氏体得到程度不超过合金钢材热处理最终回火温度的回火，而后用恒温水连续或间断冷却，使内部的奥氏体逐层变为马氏体，直至淬透。本专利技术淬火方法的机理是把合金钢钢材从加热的最高温度冷却至Ar3～(Ar3+100)℃温度区间，使被加热钢材由表及里的温度分布和钢材显微组织中碳及合金元素的分布在自然冷却过程中进一步均匀化，同时降低恒温水冷却时钢材内部的热应力，以及使钢材表面的水蒸气气膜形成温度域变窄，从而减小汽膜破裂之阻力。从过冷奥氏体状态能够存在一定时间的最低100℃温度区间即Ar3～(Ar3+100)℃范围的任一温度迅疾进入第一个恒温水冷却区，始而使奥氏体快速通过转变动力学曲线鼻尖对应的最短孕育期，继而形成具有一定厚度的淬火马氏体壳层，而淬火马氏体壳层与奥氏体之间的界面恰好就是马氏点Ms的等温面。也就是说，相界面的外侧温度低于马氏点，相界面的温度恰好等于马氏点，相界面内侧的温度则高于马氏点。在一个物体内，只要存在温度的差异，就会发生热的传导，所述钢材随后在空气中短时间冷却，使得由里至表的热传导能够抑制住钢材穿出第一个恒温水冷却区之后的过分冷却，相界面外侧的淬火马氏体因接受来自内侧的正热流以及自身的相变潜热，变为有一定回火程度的自回火马氏体。相界面两侧同时发生的正热流致使的马氏体壳层自回火和负热流致使的一薄层奥氏体自淬火，随内外温差陡度的降低而活力渐弱，而与此同时又有一薄层奥氏体温度却降至Ms点之下，转变为新一层马氏体，钢材进入第二个恒温水冷却区，可使这一活力在较深处再一次得到激发，遂相界面不断内移，直至钢材穿出第二个恒温水冷却区时整截面被淬透，这时Ms等温面移至钢材中心，奥氏体全部消失。这就是说，本专利技术淬火方法在淬火过程中是以相界面为分界线，在马氏点温度Ms的上和下，形成一个由克冉伯(Cramp)超越函数描述的抛物线型温度分布曲线。随着时间推移，温度分布曲线的陡度因热的传导而变平，相界面不断内移。换言之，依照本专利技术方法对合金钢的淬透，是一层一层的奥氏体微分薄层一层一层地进入Ms点之下不超过20～30℃狭窄温度区间，层层转变为马氏体，脉冲式逐层累加积分的结果。这与奥氏体化钢的小样品在无限大的水域中自Ms点一次性连续冷却至Mf点所形成的降温淬透是完全不同的。对淬火马氏体的自回火做出贡献的热，除了前已述及的由里及表的热传导之外，还有另外一项(尽管所占比例未必很大)，那就是原维系奥氏体状态的束缚能，因其状态不复存在而释放的相变潜热，它不是传导过来的，而是就地发生的。从这个意义上来说，潜热致使的回火，才是真正意义上的“自回火”，它的热是自身提供的，而不是从它处获取的。本专利技术方法通过小试和中试，工件均不开裂，主要原因是1、有一定厚度、呈压应力状态的马氏体壳层，将相界面应力状态复杂，易于导致开裂的区段移至远离表面，并于淬透时表层应力亦不反向；2、马氏体壳层相当程度的回火，使钢材表面的脆性降低；3、奥氏体微分层在Ms点之下狭窄温度段的逐层积分淬透，其两相界面的移动速度受热传导二阶微分方程的特解积分所描述的热传导速度制约，最快仅为0.003m/s，甚至更慢。而马氏体的相变速度约为1000m/s。这表明，在本专利技术的淬火条件下，马氏体相界面的实际移动速度只有马氏体相变速度的大约1/300000，故使得钢材内应力分布更均匀。换言之，马氏体-奥氏体相界面由表及里的移动速度是被钢材由里至表的热传导速度所制约的。本专利技术采用水作淬火介质与现有技术采用油和水溶性有机物作淬火介质相比，成本是绝对低廉的，而且可循环使用，性能稳定，不存在临时配制的问题，淬火时产生的少量水蒸气无毒无味、不造成任何污染。附图说明图1是本专利技术淬火方法机理示意图。图2是用本专利技术淬火方法进行中试时，试产品即将进入第二个水冷区之前的一瞬间切取并用淬火固定状态的中间样品金相试样照片。图3是本专利技术工艺中采用的水冷却设备。具体实施例方式图1反映了本专利技术淬火方法的机理。图中纵坐标是温度，横坐标是距离。纵坐标的原点是Ms，横坐标的原点是钢材表面。抛物线1是相界面到达b时的那一瞬间的温度分布。在b点(温度为Ms)处有相变潜热所致的温升。随着时间推移，抛物线陡度变小。这时，样品横截面的瞬间温度分布由图中的曲线1变为曲线2，它也同样是克冉伯函数所表述的抛物线。这一时刻，样品中温度低于Ms点的厚度由b点延伸至c点，继ab层之后，bc层转变为新马氏体层。因为这一层是将自身的热量传给了先于它转变为马氏体的ab层而使自身温度跌入Ms之下，晚一步变为马氏体的，所以我们称它为负热流致使的自淬火马氏体。与此同时，在它之前转变为马氏体的ab层，则因为吸收来自里侧的热量而变为具有一定回火程度的回火马氏体，我们称其为正热流致使的自回火马氏体。依此类推，曲线3和4分别是相界面先后到达d和e点那一时刻的样品横截面上的瞬间温度分布。当相界面到达e时，整个截面淬透。该附图是示意图。实际上，ab、bc…等，均为微分层。相界面每向前推进一个微分层，就使身后的一个微分层马氏体得到适度回火。不过，只有钢材表面最先形成的那一层相对厚的壳层马氏体的回火程度最高。一个重要原因是，在工艺上，最外壳层马氏体因为有专门让它发生回火的一段空气中冷却本专利技术对现有技术作出的重要贡献就是采用恒温水作淬火冷却剂。淬火时将合金钢材经电磁感应加热得到细晶粒奥氏体单相显微组织；然后冷却到过冷奥氏体能够存在足够时间的最低温度Ar3～(Ar3+100)℃区间；之后用恒温水将所述钢材表面温度冷至马氏体开始转变温度Ms以下20～30℃，使钢材表面获得马氏体，内部仍为奥氏体；接着在空气中冷却，使壳层马氏体得到适度回火(不超过合金钢材热处理最终回火温度的回火)；而后在恒温水中连续或间断冷却，使内部的奥氏体逐层变为马氏体，直至淬透。合金钢材经电磁感应快速加热到930-1020℃，是钢材得到细晶粒奥氏体单相显微组织的较好温度范围；恒温水的水温可取任一恒定温度值，恒温水的温度可以在8-90℃范围内选取，但是考虑到工业化生产中维持恒温水的成本以及季节因素，最好在4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种合金钢淬火方法，其特征在于采用恒温水作为冷却剂，淬火时将合金钢材经电磁感应加热得到充分奥氏体化而又未及粗化的细晶粒奥氏体单相显微组织；然后冷却到过冷奥氏体能够存在足够时间的最低温度Ａｒ３～（Ａｒ３＋１００）℃区间；之后用恒温水将所述钢材表面温度冷至马氏体开始转变温度Ｍｓ以下２０～３０℃，使钢材表面获得马氏体，内部仍为奥氏体；接着在空气中冷却，使壳层马氏体得到程度不超过合金钢材热处理最终回火温度的回火，而后用恒温水连续或间断冷却，使内部的奥氏体逐层变为马氏体，直至淬透。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴凡，聂立文，刘洪启，
申请(专利权)人：湖南双威汽车弹簧钢丝有限公司，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]