防止軸類合金鋼件水淬端面開裂的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種防止軸類合金鋼件水淬端面開裂的方法，方法如下：（1）提高除端面外圓區(qū)域之外的端面的冷卻速率，縮小端面外圓區(qū)域以外表面與端面外圓區(qū)域之間的溫差，降低其交界處的拉應(yīng)力；（2）降低端面外圓區(qū)域處的冷卻速率，縮小其與端面外圓區(qū)域以外表面的溫差，降低端面外圓區(qū)域與端面外圓區(qū)域以外表面交界處的拉應(yīng)力；（3）在水-空交替淬火冷卻工藝中，通過延長最初幾次水淬后的空冷時間增加端面外圓區(qū)域自回火程度，降低已經(jīng)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的端面外圓區(qū)域馬氏體中碳的過飽和度，提高端面外圓區(qū)域與端面外圓區(qū)域以外表面交界處的抵抗開裂的能力。
【專利說明】防止軸類合金鋼件水淬端面開裂的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱處理的淬火冷卻領(lǐng)域，具體地，涉及的是一種防止軸類合金鋼件水淬端面開裂的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]淬火冷卻是指將奧氏體組織狀態(tài)的鋼以適當(dāng)速度冷卻，獲得預(yù)期組織與性能的過程。鋼在淬火冷卻過程中除了組織和性能發(fā)生變化外，還伴隨著產(chǎn)生開裂和畸變。淬火開裂將造成淬火件報廢，因此，人們采取各種方法避免淬火開裂的產(chǎn)生。
[0003]淬火件，特別是軸類合金鋼件淬火冷卻，在淬火冷卻過程中裂紋多出現(xiàn)在軸端面，位置在接近外圓處(以下將該位置簡稱為:端面外圓區(qū)域)，裂紋通常為環(huán)狀或一段、幾段弧形裂紋。端面外圓區(qū)域散熱條件好于該端面的其它部位，組織轉(zhuǎn)變量也多于該端面的其它部位，造成該區(qū)域與該端面其它部位的塑性、破斷抗力、組織應(yīng)力和熱應(yīng)力均有顯著差異，這也是這兩個區(qū)域交界處易于開裂的主要原因。
[0004]經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，專利200710037031.4《改變噴射角度防止淬火件的端面噴液淬火開裂的方法》，發(fā)明了一種改變噴射角度防止淬火件的端面噴液淬火開裂的方法，該方法將淬火件放置在布置有水管的淬火設(shè)備的之中，淬火件由側(cè)面和端面組成，側(cè)面為需要快速冷卻的面，端面為不需要快速冷卻的面。淬火件的側(cè)面與水管平行，淬火件的端面與水管垂直。淬火介質(zhì)流經(jīng)水管，由與水管呈a角度(a介于0°~90°之間)的噴管噴向淬火件的側(cè)面，使淬火件的側(cè)面得到很好的冷卻。由于淬火件的端面與水管垂直，噴管噴出的淬火介質(zhì)與淬火件的端面呈90° -a角度，這樣噴管噴出的淬火介質(zhì)就未能直接噴到淬火件的端面，結(jié)果是淬火件的端面的冷卻速度較低，避免了開裂的發(fā)生。但是，實(shí)際應(yīng)用情況是，該發(fā)明的采用的噴水方法未能直接噴到軸的端面，軸的端面外圓區(qū)域與該端面其它部位交界處的應(yīng)力 過大而引起開裂的問題沒有得到解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種防止軸類合金鋼件水淬端面開裂的方法，采用該方法可以實(shí)現(xiàn)軸類合金鋼件在水淬和水一空交替淬火冷卻中避免開裂的前提下獲得要求的強(qiáng)度和韌性的目的。
[0006]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種防止軸類合金鋼件水淬端面開裂的方法，所述方法包括:
[0007](I)提高除端面外圓區(qū)域之外的端面的冷卻速率，縮小端面外圓區(qū)域以外表面與端面外圓區(qū)域之間的溫差，降低其交界處的拉應(yīng)力；
[0008](2)降低端面外圓區(qū)域處的冷卻速率，縮小其與端面外圓區(qū)域以外表面的溫差，降低端面外圓區(qū)域與端面外圓區(qū)域以外表面交界處的拉應(yīng)力；
[0009](3)在水-空交替淬火冷卻工藝中，通過延長最初幾次水淬后的空冷時間增加端面外圓區(qū)域自回火程度，降低已經(jīng)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的端面外圓區(qū)域馬氏體中的碳的過飽和度，提高端面外圓區(qū)域與端面外圓區(qū)域以外表面交界處的抵抗開裂的能力。
[0010]以上的3個措施可以同時使用，可以任意2個組合使用，也可以單獨(dú)使用。
[0011]以上的3個措施中的措施I和措施2均是以縮小端面外圓區(qū)域以外表面與端面外圓區(qū)域之間的溫差為目標(biāo)，降低端面外圓區(qū)域以外表面與端面外圓區(qū)域交界處的拉應(yīng)力。具體的方式是:在措施I中，盡量提高除端面外圓區(qū)域之外的端面的冷卻速率，使其冷卻速率接近或等于端面外圓區(qū)域的冷卻速率；在措施2中，盡量降低端面外圓區(qū)域的冷卻速率，使其冷卻速率接近或等于除端面外圓區(qū)域之外的端面的冷卻速率。其原理是端面外圓區(qū)域以外表面降溫到接近Ms點(diǎn)或Bs點(diǎn)的溫度，因其體積收縮造成其與交界處處于拉應(yīng)力狀態(tài)，在該溫度下該交界處已經(jīng)處于非塑性狀態(tài)，加之與之相鄰的端面外圓區(qū)域已經(jīng)形成了一個由馬氏體或貝氏體組成的強(qiáng)度高和韌性差的硬殼；因此，由于端面外圓區(qū)域以外表面體積收縮，在端面外圓區(qū)域以外表面與端面外圓區(qū)域之間出現(xiàn)裂紋的可能性增加，嚴(yán)重的會出現(xiàn)淬火裂紋。
[0012]采用措施1，提高除端面外圓區(qū)域之外的端面的冷卻速率，可以使該區(qū)域在端面外圓區(qū)域發(fā)生馬氏體或貝氏體相變(體積膨脹)的同時，除端面外圓區(qū)域之外的端面的也降溫到Ms點(diǎn)或Bs點(diǎn)以下的溫度(發(fā)生部分馬氏體或貝氏體相變(體積膨脹))，這樣就可以有效避免開裂的產(chǎn)生；
[0013]采用措施2，降低端面外圓區(qū)域處的冷卻速率，目的也是在端面外圓區(qū)域發(fā)生馬氏體或貝氏體相變同時，除端面外圓區(qū)域之外的端面也能發(fā)生部分馬氏體或貝氏體相變，從而減小二者之間漲縮不同步產(chǎn)生的拉應(yīng)力。
[0014]縮小端面外圓區(qū)域與端面外圓區(qū)域以外表面的溫差的具體數(shù)據(jù)因材料不同和尺寸不同而不同，但是通常情況下是縮小端面外圓區(qū)域與端面外圓區(qū)域以外表面在600-300°C溫度區(qū)間的溫差，這個溫差越小淬火開裂傾向越小。
[0015]以上的3個措施中的`措施3的實(shí)施是在保證滿足在隨后的冷卻中端面外圓區(qū)域以外表面及其內(nèi)層仍能獲得要求組織和性能的前提下，盡量延長最初幾次水淬后的空冷時間，具體時間也是根據(jù)材料不同和尺寸不同而不同。
[0016]優(yōu)選地，通過下述方法聯(lián)合使用以提高實(shí)際效果:
[0017](I)加大軸件端面的倒角尺寸，降低端面外圓區(qū)域與端面外圓區(qū)域以外表面之間的應(yīng)力。在一般情況下應(yīng)控制倒角尺寸> 10*45° ；
[0018](2)降低端面的表面粗糙度，避免存在明顯的機(jī)械加工刀痕，減少應(yīng)力集中源。一般端面的表面粗糙度(Ra)數(shù)值控制在12.5以下。
[0019]優(yōu)選地，所述水淬既包含熱處理中的常規(guī)水淬，也包含各類水溶性介質(zhì)淬火、雙液淬火如:水淬+油冷、水淬+水溶性介質(zhì)冷卻或水一空交替淬火冷卻的淬火冷卻工藝方法。
[0020]優(yōu)選地，所述水淬，也可以是浸水、噴水或噴霧。
[0021 ] 優(yōu)選地，所述軸類合金鋼件，包含光軸、階梯軸、帶孔軸。
[0022]優(yōu)選地，所述合金鋼件為各類機(jī)械結(jié)構(gòu)件、鍛件或軋件，其材料為各種成分的合金鋼；所述方法適合合金鋼件的淬火冷卻處理。
[0023]本發(fā)明所描述的端面外圓區(qū)域是指軸端面與軸外圓交界區(qū)域，位置在端面。
[0024]軸類合金鋼件端面外圓區(qū)域產(chǎn)生淬火裂紋的機(jī)理，以及淬火冷卻過程軸端面的冷卻過程及應(yīng)力變化如下:[0025](I)對于軸類合金鋼件，端面外圓區(qū)域處于兩面散熱，降溫速率遠(yuǎn)大于端面的其它部位。在奧氏體化后的初始冷卻階段，由于端面外圓區(qū)域冷卻速率快于端面的其它部位，處于收縮狀態(tài)的端面外圓區(qū)域承受拉應(yīng)力。此時，由于端面外圓區(qū)域的溫度遠(yuǎn)高于馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度(簡稱=Ms點(diǎn))或貝氏體開始轉(zhuǎn)變溫度(簡稱:Bs點(diǎn))，整個端面處于塑性狀態(tài)，因此在該階段出現(xiàn)裂紋可能性較小。
[0026](2)在端面外圓區(qū)域溫度降溫到Ms點(diǎn)或Bs點(diǎn)以下后，端面外圓區(qū)域以相變應(yīng)力為主，處于體積膨脹狀態(tài)，承受壓應(yīng)力；端面外圓區(qū)域之外的端面溫度高于Ms點(diǎn)或Bs點(diǎn)處于收縮狀態(tài)承受拉應(yīng)力。此時，由于表面和內(nèi)層溫度仍較高，尚處于塑性狀態(tài)，出現(xiàn)裂紋可能性也較小。
[0027](3)繼續(xù)降溫，端面外圓區(qū)域之外的端面降溫到接近Ms點(diǎn)或Bs點(diǎn)的溫度，該位置因體積收縮處于拉應(yīng)力狀態(tài)，并處于非塑性狀態(tài)，加之與之相鄰的端面外圓區(qū)域已經(jīng)形成了一個由馬氏體或貝氏體組成的強(qiáng)度高和韌性差的硬殼，因此，在端面外圓區(qū)域和端面外圓區(qū)域之外的端面之外的端面之間出現(xiàn)裂紋的可能性增加，淬火裂紋一般出現(xiàn)在該階段。
[0028](4)隨著溫度進(jìn)一步下降，端面外圓區(qū)域之外的端面降溫到Ms點(diǎn)或Bs點(diǎn)以下，發(fā)生馬氏體或貝氏體相變，體積發(fā)生膨脹，造成在端面外圓區(qū)域和端面外圓區(qū)域之外的端面交界處的拉應(yīng)力下降，減小了裂紋產(chǎn)生的幾率。
[0029]在上述步驟中，步驟(3)是產(chǎn)生裂紋的主要環(huán)節(jié)，在這個環(huán)節(jié)中只要采取相應(yīng)的措施，就能夠避免開裂或降低開裂的程度。而在步驟3之前采取本發(fā)明提出的防止軸類合金鋼件水淬端面開裂的方法將十分有效減小裂紋產(chǎn)生的幾率。
[0030]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0031]本發(fā)明所述的一種防止軸類合金鋼件水淬端面開裂的方法，采用該方法可以實(shí)現(xiàn)軸類合金鋼件在水淬和水一空交替淬火冷卻中避免開裂的前提下獲得要求的強(qiáng)度和韌性的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯:
[0033]圖1為單根軸類件端面噴水裝置示意圖。
[0034]圖2為二根軸類件端面噴水裝置示意圖。
[0035]圖中:1為噴水箱、2為噴水孔板、3為噴出的水、4為軸類件端面。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0037]實(shí)施例1
[0038]處理材料為中碳合金鋼，軸的尺寸為Φ200*4500 (長)(mm)，要求淬火后半徑1/2處的力學(xué)性能高于要求。[0039]工藝:水-空交替控時淬火冷卻，介質(zhì)為水和空氣。
[0040]為避免端面外圓區(qū)域在淬火冷卻過程中產(chǎn)生開裂，采用本發(fā)明所述的防止軸類合金鋼件水淬端面開裂的方法之一，即:提高除端面外圓區(qū)域之外的端面的冷卻速率，縮小端面外圓區(qū)域以外表面與端面外圓區(qū)域之間的溫差，降低其交界處的拉應(yīng)力。
[0041]具體方法是在執(zhí)行水-空交替控時淬火冷卻工藝過程中，在浸水冷卻過程中加大對除端面外圓區(qū)域之外端面的冷卻強(qiáng)度，如采用端面噴水裝置(見圖1和圖2)，在浸液淬火之前對該端面進(jìn)行0.5-5分鐘的噴水冷卻后停止，然后對整個軸實(shí)施浸液淬火；也可采用端面噴水裝置(見圖1和圖2)，在浸液淬火過程中對該端面進(jìn)行全過程的噴水冷卻。
[0042]端面噴水裝置結(jié)構(gòu)如圖1和2所示，所述裝置包括:噴水箱1、噴水孔板2、噴出的水3和軸類件端面4，各部件的位置和聯(lián)接方式為:噴水孔板2安裝在噴水箱I上，噴水箱I和噴水孔板2設(shè)置在兩個軸類件端面4的對面，實(shí)現(xiàn)噴水孔板2的噴出的水3垂直噴到軸類件端面4上。淬火冷卻時，首先，噴水箱I內(nèi)充滿水，通過噴水孔板2噴出，沿著噴出的水3的方向垂直噴到軸類件端面4上。采用上述的裝置可以實(shí)現(xiàn)對軸類合金鋼件的端面進(jìn)行強(qiáng)烈噴水冷卻，解決因軸類件端面的邊緣區(qū)域與其它區(qū)域冷卻條件差異大而造成其組織應(yīng)力和熱應(yīng)力有顯著差異的問題。
[0043]采取本發(fā)明所述方法可以有效避免端面開裂。
[0044]實(shí)施例2
[0045]處理材料為中碳合金鋼，軸的尺寸為Φ200*4500 (長)(mm)，要求淬火后半徑1/2處的力學(xué)性能高于要求。
[0046]工藝:一次 浸液淬火冷卻。淬火介質(zhì)為:聚合物類水溶性淬火介質(zhì)
[0047]為避免端面外圓區(qū)域在淬火冷卻過程中產(chǎn)生開裂，采用本發(fā)明所述的防止軸類合金鋼件水淬端面開裂的方法之一，即:降低端面外圓區(qū)域處的冷卻速率，縮小其與端面外圓區(qū)域以外表面的溫差，降低端面外圓區(qū)域與端面外圓區(qū)域以外表面交界處的拉應(yīng)力。
[0048]具體方法是在端面外圓區(qū)域采取包覆措施，包覆物形狀為仿形的圓環(huán)將端面和外圓相交的角區(qū)域包覆，包覆物材料為低碳鋼或可以降低冷卻速率的涂料。通過對端面外圓區(qū)域的包覆實(shí)現(xiàn)了降低邊、角冷卻速率的目的。采取本發(fā)明所述方法可以有效避免端面開
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[0049]實(shí)施例3
[0050]處理材料為中碳合金鋼，軸的尺寸為Φ200*4500 (長)(mm)，要求淬火后半徑1/2處的力學(xué)性能高于要求。
[0051]工藝:水-空交替控時淬火冷卻，介質(zhì)為水和空氣。
[0052]為避免端面外圓區(qū)域在淬火冷卻過程中產(chǎn)生開裂，采用本發(fā)明所述的防止軸類合金鋼件水淬端面開裂的方法之一，即:通過淬火冷卻工藝設(shè)置，增加自回火時間，降低已經(jīng)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的端面外圓區(qū)域馬氏體中碳的過飽和度，提高端面外圓區(qū)域抵抗開裂的能力。
[0053]具體方法是適當(dāng)延長水-空交替控時淬火冷卻中最初幾次水冷后的空冷時間，使得端面外圓區(qū)域已經(jīng)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變部位溫度回升，馬氏體中碳的過飽和度下降，組織的韌性提高和應(yīng)力得到釋放，從而有效避免了端面外圓區(qū)域開裂的產(chǎn)生。
[0054]以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。`
【權(quán)利要求】
1.一種防止軸類合金鋼件水淬端面開裂的方法，其特征在于，所述方法采用如下(O- (3)中的一種單獨(dú)使用或多種組合使用: (1)提高除端面外圓區(qū)域之外的端面的冷卻速率，縮小端面外圓區(qū)域以外表面與端面外圓區(qū)域之間的溫差，降低其交界處的拉應(yīng)力； (2)降低端面外圓區(qū)域處的冷卻速率，縮小其與端面外圓區(qū)域以外表面的溫差，降低端面外圓區(qū)域與端面外圓區(qū)域以外表面交界處的拉應(yīng)力； (3)在水-空交替淬火冷卻工藝中,通過延長最初幾次水淬后的空冷時間增加端面外圓區(qū)域自回火程度，降低已經(jīng)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的端面外圓區(qū)域馬氏體中的碳的過飽和度，提高端面外圓區(qū)域與端面外圓區(qū)域以外表面交界處的抵抗開裂的能力； 所述端面外圓區(qū)域是指軸端面與軸外圓交界區(qū)域，位置在端面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種防止軸類合金鋼件水淬端面開裂的方法，其特征在于，通過下述方法聯(lián)合使用提高實(shí)際效果: (1)加大軸件端面的倒角尺寸，降低端面外圓區(qū)域與端面外圓區(qū)域以外表面之間的應(yīng)力，即控制倒角尺寸 10*45° ； (2)降低端面的表面粗糙度，避免存在明顯的機(jī)械加工刀痕，減少應(yīng)力集中源，即端面的表面粗糙度Ra數(shù)值控 制在12.5以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種防止軸類合金鋼件水淬端面開裂的方法，其特征在于，所述水淬包含熱處理中的常規(guī)水淬，以及各類水溶性介質(zhì)淬火、雙液淬火。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種防止軸類合金鋼件水淬端面開裂的方法，其特征在于，所述水淬，或者采用浸水、噴水或噴霧代替。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種防止軸類合金鋼件水淬端面開裂的方法，其特征在于，所述軸類合金鋼件，包含光軸、階梯軸、帶孔軸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種防止軸類合金鋼件水淬端面開裂的方法，其特征在于，所述合金鋼件為各類機(jī)械結(jié)構(gòu)件、鍛件或軋件，其材料為各種成分的合金鋼。
【文檔編號】C21D11/00GK103484605SQ201310395535
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月3日
【發(fā)明者】陳乃錄, 左訓(xùn)偉, 戎詠華 申請人:上海交通大學(xué)