感應(yīng)淬火細化晶粒的工藝方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種感應(yīng)淬火細化晶粒的工藝方法，包括以下步驟：工件在環(huán)狀的感應(yīng)器中預(yù)熱；預(yù)熱后立即進行感應(yīng)加熱淬火，加熱淬火過程一邊加熱一邊噴水冷卻；感應(yīng)加熱淬火次數(shù)為兩次以上。本發(fā)明將鋼由室溫加熱至常規(guī)淬火溫度下限，在此溫度下短時間保溫進行奧氏體化，然后快速淬火冷卻至室溫，由于再結(jié)晶奧氏體晶粒細化作用以及快速加熱情況下鐵素體晶粒有轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€奧氏體晶粒的傾向，使晶粒顯著細化；同時對鋼件進行快速加熱和冷卻，可以抑制晶核長大，從而獲得細小的奧氏體晶粒組織。本發(fā)明可應(yīng)用于鋼材晶粒細化的熱處理。
【專利說明】感應(yīng)淬火細化晶粒的工藝方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱處理領(lǐng)域，特別是涉及一種感應(yīng)淬火細化晶粒的工藝方法。

【背景技術(shù)】
[0002]金屬材料是現(xiàn)代生產(chǎn)生活中用量最大、應(yīng)用最為廣泛的工程材料。黑色金屬即鋼鐵材料，在機床制造、造車造船、石油化工等裝備制造業(yè)中尤其備受青睞。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，在產(chǎn)品設(shè)計和制造過程中，會面臨著越來越多的材料性能及材料加工方面的問題。
[0003]提高鋼鐵材料性能的方法主要是合金化和熱處理兩大手段。其中，熱處理是通過改變鋼鐵的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)以獲得所要求性能的一種熱加工技術(shù)。在熱加工領(lǐng)域，細化晶粒是提高鋼鐵材料性能的一種有效手段。晶粒的大小即晶粒度，對鋼鐵材料的機械性能有很大的影響；無論對碳鋼或合金鋼而言，多數(shù)情況下都希望得到細晶粒，因為常溫下晶粒越細小，強度、硬度越高，同時塑性、沖擊韌性越好，耐磨性越高。較為例外的是用來制造電機和變壓器的硅鋼片，人們往往希望得到粗大的晶粒使其磁滯損耗小、效應(yīng)高。
[0004]常見的細化晶粒的方法有鑄造領(lǐng)域的增加過冷度、變質(zhì)處理和機械振動攪拌，還有諸多學(xué)者和技術(shù)人員報道的形變處理細化、物理場細化等。但是熱處理方法特別是感應(yīng)熱處理細化晶粒鮮有披露。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種感應(yīng)淬火細化晶粒的工藝方法，可以抑制晶核長大，從而獲得細小的奧氏體晶粒組織。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
一種感應(yīng)淬火細化晶粒的工藝方法，包括以下步驟:
I)工件在環(huán)狀的感應(yīng)器中預(yù)熱；此處的工件為碳鋼或合金鋼，預(yù)熱溫度為碳鋼33(T370°C、合金鋼 39(T410°C。
[0007]2)預(yù)熱后立即進行感應(yīng)加熱淬火，加熱淬火過程中一邊加熱一邊噴液冷卻。噴出的冷卻液同時應(yīng)具有一定的壓力，保障快速冷卻的效果。
[0008]將鋼由室溫加熱至A3的某一溫度(常規(guī)淬火溫度下限)，在此溫度下短時間保溫進行奧氏體化，然后快速淬火冷卻至室溫，由于再結(jié)晶奧氏體晶粒細化作用以及快速加熱情況下鐵素體晶粒有轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€奧氏體晶粒的傾向，使晶粒顯著細化；而且，對鋼件進行邊快速加熱邊冷卻的技術(shù)手段，可以抑制晶核長大，從而獲得細小的奧氏體晶粒組織。
[0009]作為上述技術(shù)方案的進一步改進，重復(fù)步驟I)和步驟2)，對工件進行多次感應(yīng)淬火。每進行一次循環(huán)，奧氏體晶粒就得到一定程度的細化，有效的提高晶粒細化的效果。
[0010]作為上述技術(shù)方案的進一步改進，步驟2)中，采用連續(xù)加熱，并立即對加熱后的部位噴水冷卻。淬火后即刻的冷卻有利于抑制晶核長大。
[0011]作為上述技術(shù)方案的進一步改進，步驟I)中，感應(yīng)器沿工件軸線作相對于工件的向下運動，步驟2)中，感應(yīng)器沿工件軸線作相對于工件的向上運動。
[0012]作為上述技術(shù)方案的進一步改進，感應(yīng)淬火結(jié)束后對工件采取低溫回火?；鼗饻囟刃韪鶕?jù)工件要求的最終硬度來定，一般采取低溫18(T210°C回火。
[0013]作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述感應(yīng)器具有上、下兩層相互貫通的空心結(jié)構(gòu)的加熱圈，所述加熱圈上接有至少三條進液管，所述進液管貫通加熱圈，所述下層的加熱圈內(nèi)周沿軸向均布設(shè)有與加熱圈軸線成一夾角的噴液孔。加熱圈同時具備加熱和通冷卻液的作用，而且冷卻液的噴液孔位于下層加熱圈，在感應(yīng)器向上運動時，先由兩層加熱圈對工件感應(yīng)加熱，同時供應(yīng)冷卻液，使得加熱完畢的部位能夠即刻通過噴液孔進行噴液冷卻，達到在一個感應(yīng)器中完成兩項工作的要求，簡化了熱處理的設(shè)備和工序。感應(yīng)器向下運動預(yù)熱工件時，加熱圈內(nèi)不通水。
[0014]該感應(yīng)器制成雙圈的形式相對單圈來說加熱充分而且均勻，相對三圈在連續(xù)加熱淬火時也表現(xiàn)出優(yōu)勢，冷卻及時有效。
[0015]作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述相鄰噴液孔的間距為噴液孔孔徑的1.5?
2.5倍。在保證加熱圈結(jié)構(gòu)強度和冷卻液壓力固定的前提下，噴液孔越密集，冷卻的效果也越佳。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明將鋼由室溫加熱至常規(guī)淬火溫度下限，在此溫度下短時間保溫進行奧氏體化，然后快速淬火冷卻至室溫，由于再結(jié)晶奧氏體晶粒細化作用以及快速加熱情況下鐵素體晶粒有轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€奧氏體晶粒的傾向，使晶粒顯著細化；同時對鋼件進行快速加熱和冷卻，可以抑制晶核長大，從而獲得細小的奧氏體晶粒組織。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明進一步說明。
[0018]圖1是本發(fā)明的感應(yīng)器的俯視圖；
圖2是圖1中A向的剖面示意圖；
圖3是圖2中B部分的放大示意圖；
圖4為工件調(diào)質(zhì)后的晶粒度照片；
圖5為加熱一次(Wl)的表面晶粒度照片；
圖6為Wl的表面淬火馬氏體照片；
圖7為Wl的感應(yīng)淬火層由表及里的硬度-深度梯度過渡曲線；
圖8為加熱三次(W3)的表面晶粒度照片；
圖9為W3的表面淬火馬氏體照片；
圖10為W3的感應(yīng)淬火層由表及里的硬度-深度梯度過渡曲線；
圖11為加熱六次(W6)的表面晶粒度照片；
圖12為W6的表面淬火馬氏體照片；
圖13為W6的感應(yīng)淬火層由表及里的硬度-深度梯度過渡曲線。

【具體實施方式】
[0019]本實施例中采用三根軸工件，材料為40Cr，尺寸Φ200X600mm，前期全部進行同爐調(diào)質(zhì)處理(860°C X3.5h淬油冷透，550°C X 5h回火)，檢硬度為28?32HRC，晶粒度評為5.0?6.0 級。
[0020]本實施例采用的感應(yīng)加熱設(shè)備:KGPS 500/2.5-8型可控硅中頻電源，電容6KF，變壓器匝比nl/n2=8:2，輸出功率P:60KW。
[0021]本實施例的工藝如下:
1、根據(jù)工件實際尺寸及加工位置，用紫銅管制作如圖1、圖2和圖3所示的感應(yīng)器。感應(yīng)器采用截面長度15mm、寬度10mm、壁厚0.5mm的紫銅管制作。感應(yīng)器具有上、下兩層相互貫通的空心結(jié)構(gòu)的加熱圈1，加熱圈I上接有三條進液管2，管徑為12mm，進液管2貫通加熱圈1，下層的加熱圈I內(nèi)周沿軸向均布設(shè)有與加熱圈I軸線成45°夾角的噴液孔3,噴液孔3的直徑為1mm，呈水平環(huán)繞，相鄰噴液孔3的間距為2mm。兩層加熱圈I采用膠木板絕緣連接支持，直徑為Φ216，上下圈之間的間隙為15_，加熱圈I內(nèi)圓周與工件加熱部位的間隙為8mm。
[0022]2、將調(diào)質(zhì)狀態(tài)的工件沿垂直加熱圈軸線方向豎放。
[0023]3、將需做細化部位放入感應(yīng)器內(nèi)，中頻感應(yīng)淬火前都需機上預(yù)熱，預(yù)熱溫度約為380 0C，預(yù)熱完畢即刻進行感應(yīng)淬火。
[0024]4、調(diào)節(jié)中頻設(shè)備各電參數(shù)、熱參數(shù)、其它因素等:
比功率:0.5Kff/cm2 ;啟動頻率:5KHz ;啟動電流:0.8KA ;中頻電壓:600V ;噴水水壓:0.15Mpa。
[0025]先機上預(yù)熱，感應(yīng)器向下行走，走速1.0mm/s,然后感應(yīng)器向上行走連續(xù)加熱、即刻噴水冷卻,感應(yīng)器走速1.2mm/s,感應(yīng)器與工件加熱部位的間隙為8_。
[0026]5、控制機床走速1.2mm/s，功率60KW，在第一件Wl加熱一次，一邊加熱一邊噴水冷卻，水壓0.15Mpa ；
在第二件W3預(yù)熱后加熱三次，每次都一邊加熱一邊噴水冷卻，水壓0.15Mpa ；
在第三件W6預(yù)熱后加熱六次，每次都一邊加熱一邊噴水冷卻，水壓0.15Mpa ；
現(xiàn)場可采用紅外輻射測溫儀檢測淬火溫度，溫度控制在880°C ±10°C。停止加熱后在空氣中冷卻至室溫，根據(jù)硬度要求，在3h之內(nèi)入爐回火。
[0027]6、所有工件淬火完畢后豎直置于井式空氣爐中回火，用200°C X3h回火；
7、檢測工件淬火區(qū)的表面硬度(HRC)、沿深度方向的顯微維氏硬度(HVa2，15);金相分析三根軸工件感應(yīng)淬火層的顯微組織并作晶粒度評級。
[0028]通過對三根軸工件的淬火冷卻，其實施結(jié)果如下:
1.Wl表面硬度54.5HRC，心部維持260HVa2,15不變，感應(yīng)淬火層深DS ^ 5mm,如圖6和圖7所示；
W3表面硬度54HRC，心部維持257HVa2,15不變，感應(yīng)淬火層深DS ^ 6mm，如圖9和圖10所示；
W6表面硬度53.5HRC，心部維持271HVq.2,15不變，感應(yīng)淬火層深DS ^ 7mm，如圖12和圖13所示。
[0029]2.如圖4所示,感應(yīng)淬火前(調(diào)質(zhì)態(tài))晶粒度為5.(Γ6.0級；
圖5所示，Wl表面晶粒度為8.5^9.0級；
圖8所示，W3表面晶粒度為9.(T9.5級；
圖11所示，W6表面晶粒度為11.5?12.0級。
[0030]綜上，淬火回火后在感應(yīng)硬化層未見有粗大的馬氏體及未溶鐵素體不良顯微組織出現(xiàn)。
[0031]對于常用的能淬火強化的鋼鐵材料尤其是含碳量0.409Γ0.50%的碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金鋼，采用本實施例的工藝方法，在表面淬火回火后能保證硬化層有足夠高的硬度和耐磨性，而無明顯的脆性，工件心部仍保持原調(diào)質(zhì)狀態(tài)的強度、塑性和韌度。
[0032]經(jīng)中頻多次感應(yīng)加熱噴射冷卻或延伸至高頻加熱的零部件，如各種軸類、曲軸、板類、軋輥、齒輪、凸輪等，表面硬度除了比普通淬火高疒3HRC、表面產(chǎn)生有壓應(yīng)力效果(從表層硬度梯度可說明)的優(yōu)勢外，還使多次比一次的表面硬度無下降，淬硬層硬度梯度過渡平緩。最重要的是有效地細化了晶粒，使表層馬氏體針變短變細，大大強化了零部件的力學(xué)性能，延長其使用壽命，將為相關(guān)機械裝備制造企業(yè)帶來利潤增加、成本降低的可觀前景。
[0033]以上所述只是本發(fā)明優(yōu)選的實施方式，其并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種感應(yīng)淬火細化晶粒的工藝方法，其特征在于，包括以下步驟: O工件在環(huán)狀的感應(yīng)器中預(yù)熱； 2)預(yù)熱后立即進行感應(yīng)加熱淬火，加熱淬火過程中一邊加熱一邊噴水冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應(yīng)淬火細化晶粒的工藝方法，其特征在于:重復(fù)步驟I)和步驟2)，對工件進行多次感應(yīng)淬火。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應(yīng)淬火細化晶粒的工藝方法，其特征在于:步驟2)中，采用連續(xù)加熱，并立即對加熱后的部位噴液冷卻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應(yīng)淬火細化晶粒的工藝方法，其特征在于:步驟I)中，感應(yīng)器沿工件軸線作相對于工件的向下運動，步驟2)中，感應(yīng)器沿工件軸線作相對于工件的向上運動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的感應(yīng)淬火細化晶粒的工藝方法，其特征在于:感應(yīng)淬火結(jié)束后對工件采取低溫回火。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應(yīng)淬火細化晶粒的工藝方法，其特征在于:所述感應(yīng)器具有上、下兩層相互貫通的空心結(jié)構(gòu)的加熱圈，所述加熱圈上接有至少三條進液管，所述進液管貫通加熱圈，所述下層的加熱圈內(nèi)周沿軸向均布設(shè)有與加熱圈軸線成一夾角的噴液孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的感應(yīng)淬火細化晶粒的工藝方法，其特征在于:所述相鄰噴液孔的間距為噴液孔孔徑的1.5?2.5倍。
【文檔編號】C21D1/42GK104357621SQ201410564818
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月22日
【發(fā)明者】高陽, 張小聰, 張達省, 余榮杰, 陳國輝, 葉春生 申請人:廣州市機電工業(yè)研究所