專利名稱：多循環(huán)淬火－分配－回火工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種對各類機(jī)械結(jié)構(gòu)件、軋后直接淬火的厚板和各類大尺寸型鋼進(jìn)行淬火冷卻的熱處理工藝，具體是一種多循環(huán)“淬火-分配-回火”工藝。
背景技術(shù)：
淬火回火(以下簡稱Q&T)是一種傳統(tǒng)的工藝，它將工件加熱到奧氏體區(qū)，然后淬火至室溫以獲得馬氏體組織，隨后在合適的溫度進(jìn)行保溫一段時間進(jìn)行回火以獲得回火馬氏體和碳化物組織，這種工藝廣泛地被用于需高強(qiáng)度和具有一定塑性及韌性工件的熱處理。 Q&T工藝在例如型鋼或鋼板等工件的軋后直接淬火中應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，存在淬火開裂和塑性不足的問題。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，徐祖耀.鋼熱處理的新工藝.熱處理，2007，22(1): 1-11文章提出“淬火-分配-回火工藝”(以下簡稱Q-P-T)，該技術(shù)在鋼材成分設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過采用淬火-分配-回火三個步驟可以獲得具有高強(qiáng)度和高韌性的鋼材。該工藝將工件加熱到奧氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，然后淬冷至馬氏體開始溫度(Ms)和結(jié)束溫度(Mf)之間的某個溫度，將此溫度稱為淬冷溫度(以下簡稱Tq溫度)，以獲得馬氏體組織，然后在該Tq 溫度或在Tq溫度之上保溫一段時間實(shí)現(xiàn)分配和回火的過程，即實(shí)現(xiàn)碳從過飽和馬氏體分配(擴(kuò)散)到奧氏體中去和碳化物從過飽和馬氏體基體中析出(回火)。由于“淬火一分配一回火”工藝中的Tq溫度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)Q&T工藝中的Tq溫度(通常為室溫)，因此有效地減弱了淬火引起的開裂傾向，同時碳的分配使更多的富碳?xì)埩魥W氏體在室溫穩(wěn)定存在，從而顯著提高了工件的塑性，具有更高的強(qiáng)塑積(MPa% )。實(shí)現(xiàn)Q-P-T工藝的關(guān)鍵是控制Tq溫度或在Tq溫度之上的保溫時間，對于當(dāng)量尺寸小于一定值的工件，單次淬火冷卻沿工件截面的大部分區(qū)域可以很好的實(shí)現(xiàn)Q-P-T工藝過程。對于當(dāng)量尺寸大于一定值的工件，如果單次淬火冷卻時間過短，Q-P-T工藝過程僅可以在表層發(fā)生，表層以內(nèi)的組織將主要為珠光體，在隨后的空冷階段可能會出現(xiàn)表層回溫高于工件的回火溫度；如果單次淬火冷卻時間過長則會出現(xiàn)開裂和因表層Tq溫度過低而影響隨后的分配和回火過程的進(jìn)行程度，Q-P-T過程僅可能發(fā)生在次表層，次表層以內(nèi)的部組織仍以珠光體為主。因此，Q-P-T工藝適合在當(dāng)量尺寸較小的工件上應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種多循環(huán)淬火-分配-回火工藝(以下簡稱M Q-P-T)，實(shí)現(xiàn)了大尺寸工件在避免開裂的前提下顯著提高強(qiáng)度和韌性的目標(biāo)。 為實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案將大截面的工件沿截面從表面到心部分成多個區(qū)域，結(jié)合該工件材料的等溫轉(zhuǎn)變冷卻曲線(TTT曲線)制定該工件的M Q-P-T工藝。通過將工件在可以實(shí)現(xiàn)快速冷卻的介質(zhì)和在可以實(shí)現(xiàn)緩慢冷卻的介質(zhì)中多次交替冷卻，在每次快速冷卻和緩慢冷卻的交替冷卻中實(shí)現(xiàn)Q-P-T工藝過程，在該工藝中馬氏體轉(zhuǎn)變與富碳?xì)堄鄪W氏體生成由表層逐步向內(nèi)層推進(jìn)。該工藝可以用于材料為各種成分的微合金化鋼或合金鋼的各類機(jī)械結(jié)構(gòu)件、軋后直接淬火的厚板和各類大尺寸型鋼的淬火冷卻處理。
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本發(fā)明多循環(huán)淬火-分配-回火工藝具體包括以下操作
(1)將大截面的工件沿截面從表面到心部分成多個區(qū)域，例如hi層(表層)、h2層(內(nèi)層 1 )、h3層(內(nèi)層2)、... hn層(心部)，依據(jù)工件材料的等溫轉(zhuǎn)變冷卻曲線(TTT曲線)和界面換熱系數(shù)等參數(shù)對工件在冷卻過程的溫度場、組織場和應(yīng)力/應(yīng)變場進(jìn)行數(shù)值模擬，通過模擬確定在hi層、h2層、h3層、…h(huán)m層發(fā)生Q-P-T轉(zhuǎn)變的工藝，即M Q-P-T工藝；
(2)第一次Q-P-T工藝的工藝過程為將工件在可以實(shí)現(xiàn)快速冷卻的介質(zhì)(或冷卻方式)中在hi層(表層)實(shí)現(xiàn)Q-P-T工藝的淬火冷卻，此時工件的hi層冷卻到Tq溫度區(qū)間， 部分組織發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，隨后工件被置入冷卻速度緩慢的介質(zhì)(或冷卻方式)中依靠內(nèi)部熱量的傳出實(shí)現(xiàn)hi層組織的分配-回火過程；
(3)第二次Q-P-T工藝的工藝過程為在第一次Q-P-T工藝過程結(jié)束后，再次將工件在可以實(shí)現(xiàn)快速冷卻的介質(zhì)(或冷卻方式)中實(shí)現(xiàn)h2層(內(nèi)層1)的Q-P-T工藝的淬火冷卻，此時工件的hi層(表層)已經(jīng)發(fā)生Q-P-T轉(zhuǎn)變過程，在該次快速冷卻中hi層(表層)會有部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，但由于第一次Q-P-T過程轉(zhuǎn)變的馬氏體已經(jīng)發(fā)生自回火和仍有部分高碳?xì)堄鄪W氏體殘留至室溫，所以再次快速冷卻并不會引起hi層(表層)的開裂，而此次的快速冷卻會使h2層的高溫奧氏體態(tài)組織冷卻到Tq溫度區(qū)間而發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，在隨后工件被置入冷卻速度緩慢的介質(zhì)(或冷卻方式)中依靠內(nèi)部熱量的傳出實(shí)現(xiàn)h2層組織的分配-回火過程，使已經(jīng)形成馬氏體組織產(chǎn)生回火和碳化物從馬氏體中進(jìn)一步析出，同時 h2層馬氏體周圍部分富碳?xì)堄鄪W氏體殘留到室溫；
(4)按照上述同樣的方式可以依次實(shí)現(xiàn)h3層、h4層、…、hn層的Q-P-T工藝過程，由此不僅有效的消除和減弱淬火開裂傾向，而且通過逐層回火馬氏體量和富碳?xì)堄鄪W氏體量的累積達(dá)到所需性能。本發(fā)明工藝中，具體采取的M Q-P-T的多循環(huán)(M)的次數(shù)應(yīng)依據(jù)材料的成分、截面尺寸、工件的性能要求而確定。本發(fā)明工藝的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了大尺寸工件在避免開裂的前提下顯著提高強(qiáng)度和韌性的目標(biāo)。本發(fā)明的工件可以為各類機(jī)械結(jié)構(gòu)件、軋后直接淬火的厚板和各類大尺寸型鋼。本發(fā)明的工件材料為各種成分的微合金化鋼或合金鋼。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例1
采用M Q-P-T工藝處理直徑150mm的42CrMo軸類件。要求淬火與高溫回火后距表面 1/2R (R為軸的半徑)處的力學(xué)性能高于某一指標(biāo)。M Q-P-T工藝實(shí)現(xiàn)快速冷卻的介質(zhì)為水，實(shí)現(xiàn)緩慢冷卻的介質(zhì)為空氣。依據(jù)工件材料的等溫轉(zhuǎn)變冷卻曲線(TTT曲線)和界面換熱系數(shù)等參數(shù)對工件在冷卻過程的溫度場、組織場和應(yīng)力/應(yīng)變場進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，確定分別在距表面0-20mm層、20-30mm層、30-35mm層發(fā)生Q-P-T轉(zhuǎn)變的M Q-P-T工藝，即第1次水淬時間180s，第1次空冷的時間為20s，第2次水淬時間120s，第2次空冷的時間為15s，第3次水淬時間80s，第3次空冷到室溫，按照此工藝淬火冷卻并高溫回火后距表面1/2R處的力學(xué)性能高于要求值，并且無開裂產(chǎn)生。實(shí)施例2
采用M Q-P-T工藝處理50mm厚的微合金化鋼軋板類件，M Q_P_T工序安排在軋機(jī)之后。 要求經(jīng)M Q-P-T工藝處理后材料的從表面到厚度1/4截面厚度的拉伸強(qiáng)度和屈服確定高于一定指標(biāo)(即要求獲得以回火馬氏體為主的組織)，同時對延伸率和低溫沖擊韌性提出了要求，采用傳統(tǒng)的一次噴水快速冷卻的方式會出現(xiàn)冷卻時間過長軋板表面出現(xiàn)開裂，冷卻時間過短性能指標(biāo)達(dá)不到要求的問題。本實(shí)施例采用M Q-P-T工藝解決了該問題。實(shí)現(xiàn)快速冷卻采用的介質(zhì)為水，實(shí)現(xiàn)緩慢冷卻采用的介質(zhì)為空氣，快速冷卻是在軋機(jī)后面安排幾段可以實(shí)現(xiàn)快速冷卻的強(qiáng)冷區(qū) (噴水或穿水)，在每個強(qiáng)冷區(qū)后面安排一段可以實(shí)現(xiàn)緩慢冷卻的空冷區(qū)。依據(jù)工件材料的等溫轉(zhuǎn)變冷卻曲線(TTT曲線)和界面換熱系數(shù)等參數(shù)對工件在冷卻過程的溫度場、組織場和應(yīng)力/應(yīng)變場進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，確定分別在距表面O-IOmm層、10-15mm層發(fā)生Q-P-T轉(zhuǎn)變的M Q-P-T工藝，即第1次水淬時間50s，第1 次空冷的時間為8s，第2次水淬時間40s，第2次空冷到室溫，按照此工藝淬火冷卻后在沿截面距表面到1/4厚度區(qū)域內(nèi)的力學(xué)性能高于要求值，并且無開裂產(chǎn)生。實(shí)施例3
采用M Q-P-T工藝處理直徑300mm的H13芯棒，要求經(jīng)M Q_P_T工藝處理后材料的距表面1/2R (R為軸的半徑)處得力學(xué)性能高于一定值，采用聚合物類水溶性介質(zhì)結(jié)合M Q-P-T 工藝處理該產(chǎn)品。首先，依據(jù)工件材料的等溫轉(zhuǎn)變冷卻曲線(TTT曲線)和界面換熱系數(shù)等參數(shù)對工件在冷卻過程的溫度場、組織場和應(yīng)力/應(yīng)變場進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，確定分別在距表面0-20mm層、20-55mm層、55-65mm層、65-75_層發(fā)生Q-P-T轉(zhuǎn)變的M Q-P-T工藝，即第1次水淬時間300s，第1次空冷的時間為120s，第2次水淬時間600s，第2次空冷的時間為180s，第3次水淬時間480s，第3次空冷的時間為180s，第4次水淬時間480s，第 4次空冷到表面溫度為250°C左右進(jìn)回火爐進(jìn)行回火，按此工藝處理后產(chǎn)品性能符合要求。從上述實(shí)施例可看出，本發(fā)明通過將工件在可以實(shí)現(xiàn)快速冷卻的介質(zhì)和在可以實(shí)現(xiàn)緩慢冷卻的介質(zhì)中多次交替冷卻，在每次快速冷卻和緩慢冷卻的交替冷卻中實(shí)現(xiàn)Q-P-T 工藝過程，在該工藝中馬氏體轉(zhuǎn)變與富碳?xì)堄鄪W氏體生成由表層逐步向內(nèi)層推進(jìn)。本發(fā)明可以用于材料為各種成分的微合金化鋼或合金鋼的各類機(jī)械結(jié)構(gòu)件、軋后直接淬火的厚板和各類大尺寸型鋼的淬火冷卻處理。本發(fā)明工藝的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了大尺寸工件在避免開裂的前提下顯著提高強(qiáng)度和韌性的目標(biāo)。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種多循環(huán)淬火-分配-回火工藝，其特征在于將大截面的工件沿截面從表面到心部分成多個區(qū)域，依據(jù)該工件材料的等溫轉(zhuǎn)變冷卻曲線和界面換熱系數(shù)參數(shù)對工件在冷卻過程的溫度場、組織場和應(yīng)力/應(yīng)變場進(jìn)行數(shù)值模擬，確定該工件的多循環(huán)淬火-分配-回火工藝即M Q-P-T工藝；根據(jù)確定的M Q-P-T工藝，將工件在可實(shí)現(xiàn)快速冷卻的介質(zhì)和在可實(shí)現(xiàn)緩慢冷卻的介質(zhì)中多次交替冷卻，在每次快速冷卻和緩慢冷卻的交替冷卻中實(shí)現(xiàn)淬火-分配-回火工藝即Q-P-T工藝過程，在該工藝中馬氏體轉(zhuǎn)變與富碳?xì)堄鄪W氏體生成由表層逐步向內(nèi)層推進(jìn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多循環(huán)淬火-分配-回火工藝，其特征在于按照以下步驟操作(1)將大截面的工件沿截面從表面到心部分成多個區(qū)域hi層即表層、h2層即內(nèi)層1、 h3層即內(nèi)層2、…h(huán)n層即心部，依據(jù)工件材料的等溫轉(zhuǎn)變冷卻曲線和界面換熱系數(shù)參數(shù)對工件在冷卻過程的溫度場、組織場和應(yīng)力/應(yīng)變場進(jìn)行數(shù)值模擬，通過模擬確定在hi層、h2 層、h3層、…h(huán)m層發(fā)生Q-P-T轉(zhuǎn)變的工藝，即M Q-P-T工藝;(2)第一次Q-P-T工藝的工藝過程為將工件于能實(shí)現(xiàn)快速冷卻的介質(zhì)或冷卻方式中在hi層實(shí)現(xiàn)Q-P-T工藝的淬火冷卻，此時工件的hi層冷卻到Tq溫度區(qū)間，部分組織發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，隨后工件被置入冷卻速度緩慢的介質(zhì)或冷卻方式中依靠內(nèi)部熱量的傳出實(shí)現(xiàn) hi層組織的分配-回火過程，以獲得回火馬氏體和部分富碳?xì)堄鄪W氏體；(3)第二次Q-P-T工藝的工藝過程為在第一次Q-P-T工藝過程結(jié)束后，再次將工件在于能實(shí)現(xiàn)快速冷卻的介質(zhì)或冷卻方式中實(shí)現(xiàn)h2層的Q-P-T工藝的淬火冷卻，此時工件的表層已經(jīng)發(fā)生Q-P-T轉(zhuǎn)變過程，再次快速冷卻hi層有部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，但第一次Q-P-T過程轉(zhuǎn)變的馬氏體已經(jīng)發(fā)生自回火和有部分高碳?xì)堄鄪W氏體殘留，再次快速冷卻已經(jīng)降低了 hi層的開裂傾向，此次的快速冷卻使h2層的高溫奧氏體態(tài)組織冷卻到Tq溫度區(qū)間而發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，在隨后工件被置入冷卻速度緩慢的介質(zhì)或冷卻方式中依靠內(nèi)部熱量的傳出實(shí)現(xiàn)h2層組織的分配-回火過程，使已形成的馬氏體回火和h2層馬氏體周圍的奧氏體富碳；(4)按照上述同樣的方式依次實(shí)現(xiàn)h3層、h4層、…、hn層的Q-P-T工藝過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多循環(huán)淬火-分配-回火工藝，其特征在于所述工藝用于材料為各種成分的微合金化鋼或合金鋼的各類機(jī)械結(jié)構(gòu)件、軋后直接淬火的厚板和各類大尺寸型鋼的淬火冷卻處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多循環(huán)淬火-分配-回火工藝，其特征在于所述工藝多循環(huán)的次數(shù)依據(jù)材料的成分、截面尺寸、工件的性能要求確定。
全文摘要
本發(fā)明公開一種熱處理技術(shù)領(lǐng)域的多循環(huán)淬火-分配-回火工藝，將大截面的工件沿截面從表面到心部分成多個區(qū)域，結(jié)合該工件材料的等溫轉(zhuǎn)變冷卻曲線制定該工件的MQ-P-T工藝。通過將工件在可以實(shí)現(xiàn)快速冷卻的介質(zhì)和在可以實(shí)現(xiàn)緩慢冷卻的介質(zhì)中多次交替冷卻，在每次快速冷卻和緩慢冷卻的交替冷卻中實(shí)現(xiàn)Q-P-T工藝過程，在該工藝中馬氏體轉(zhuǎn)變與富碳?xì)堄鄪W氏體生成由表層逐步向內(nèi)層推進(jìn)。該工藝可以用于材料為各種成分的微合金化鋼或合金鋼的各類機(jī)械結(jié)構(gòu)件、軋后直接淬火的厚板和各類大尺寸型鋼的淬火冷卻處理。本發(fā)明工藝的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了大尺寸工件在避免開裂的前提下顯著提高強(qiáng)度和韌性的目標(biāo)。
文檔編號C21D11/00GK102337385SQ201110271109
公開日2012年2月1日 申請日期2011年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月14日
發(fā)明者戎詠華, 陳乃錄 申請人:上海交通大學(xué)