專利名稱：鋼的熱處理量化水淬火方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種鋼的熱處理淬火方法，該方法通過(guò)對(duì)水基淬火介質(zhì)的量化控制調(diào)整其冷卻特性，滿足鋼件的淬火需要，實(shí)現(xiàn)鋼件熱處理淬火冷卻過(guò)程的精確控制。
背景技術(shù)：
鋼的熱處理淬火技術(shù)有著悠久的歷史，自從鋼出現(xiàn)以來(lái)就有了鋼的熱處理技術(shù)，至今仍有著廣泛應(yīng)用，只要有鋼的生產(chǎn)就離不了鋼的淬火技術(shù)。淬火使鋼件的強(qiáng)度、硬度等性能大幅度提高，使鋼件具有了所希望的性能。一般而言，鋼的熱處理是將鋼件加熱到一定溫度，保溫一定時(shí)間后，以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s的一種操作。以適當(dāng)速度冷卻是保證熱處理淬火質(zhì)量的關(guān)鍵。長(zhǎng)期以來(lái)，實(shí)現(xiàn)這一目的主要靠正確的選擇和使用淬火冷卻介質(zhì)。常見的淬火介質(zhì)有氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)和混合態(tài)幾種，其中最常見的是液態(tài)淬火介質(zhì)，液態(tài)淬火介質(zhì)主要分為水基淬火介質(zhì)和油基淬火介質(zhì)兩大類。水基淬火介質(zhì)是以水為主添加不同成分的其它物質(zhì)形成的淬火劑。水是一種無(wú)任何添加物的水基淬火介質(zhì)，它取用方便，價(jià)格低廉，而且物理化學(xué)性能穩(wěn)定，無(wú)毒，不燃燒。水的冷卻能力很強(qiáng)。水基淬火介質(zhì)除水外，大致可分為無(wú)機(jī)物水溶液淬火劑和有機(jī)聚合物淬火劑兩類。無(wú)機(jī)物水溶液淬火劑是水中加入無(wú)機(jī)鹽、堿或其混合物形成的無(wú)機(jī)物水溶液。該類淬火劑可以提高工件在高溫區(qū)的冷卻速度，改善冷卻均勻性，使鋼件淬火后獲得較高的硬度，減少開裂和變形。由于無(wú)機(jī)物水溶液淬火劑具有良好的冷卻能力，工件淬火開裂少，變形小，幾乎無(wú)污染，因此在熱處理冷卻技術(shù)中具有重要地位。但無(wú)機(jī)物水溶液淬火劑冷卻速度較大，難以在高、中碳合金鋼件中應(yīng)用。有機(jī)聚合物淬火劑火中含有各種類型的有機(jī)化合物、高分子聚合物以及適量的防腐劑和防銹劑，并且大多制成不含水的濃縮液出售，使用時(shí)根據(jù)需要加水稀釋成不同濃度的溶液，可以得到介于水～油之間或比油還慢的冷卻能力，具有很大的靈活性。有機(jī)聚合物淬火劑的冷卻速度受濃度、使用溫度和攪拌三個(gè)因素的影響。雜質(zhì)對(duì)有機(jī)聚合物淬火劑的使用性能和淬火結(jié)果影響也很大，液態(tài)雜質(zhì)(濃縮油/乳化防腐油等)會(huì)改變淬火劑冷卻速度，破壞防銹性能；固態(tài)雜質(zhì)(碳黑、氧化皮等)，氣體雜質(zhì)(氧、二氧化碳等)對(duì)淬火效果影響大。有機(jī)聚合物淬火劑的淬火質(zhì)量與淬火劑本身質(zhì)量和操作水平有很大關(guān)系，有時(shí)不太穩(wěn)定。
不論是水基淬火介質(zhì)還是油基淬火介質(zhì)，都難以實(shí)現(xiàn)淬火過(guò)程的精確控制。在熱處理淬火過(guò)程中，鋼件的加熱溫度和保溫時(shí)間甚至加熱時(shí)的爐內(nèi)氣氛都可以實(shí)現(xiàn)精確控制，可以保證生產(chǎn)質(zhì)量，只有熱處理的淬火冷卻過(guò)程難以實(shí)現(xiàn)精確控制，這是由熱處理的淬火操作方式和淬火介質(zhì)的冷卻特性決定的?，F(xiàn)行的熱處理淬火操作方式，一般是將加熱保溫的工件浸入裝有淬火介質(zhì)的淬火槽中冷卻淬火，冷卻過(guò)程中可能有三種方式，一種是工件與介質(zhì)均靜止不動(dòng)，一種是工件運(yùn)動(dòng)，再一種是介質(zhì)運(yùn)動(dòng)(攪拌、噴流等)。這些淬火操作方式是很粗放的，難以進(jìn)行精確控制。淬火介質(zhì)的冷卻特性是在淬火之前選定的，用油基淬火介質(zhì)，則有一個(gè)淬火油槽，用水基介質(zhì)則有一個(gè)淬火水槽，由于熱處理工件往往不是單一的，熱處理生產(chǎn)企業(yè)都會(huì)配有淬火水槽和淬火油槽，但大多數(shù)企業(yè)都不會(huì)根據(jù)淬火工件的具體要求頻繁更換水基淬火劑或淬火油，而只能粗略選擇用油淬還是用水淬。淬火介質(zhì)的冷卻特性并不是固定不變的，受溫度、成分、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、雜質(zhì)等多種因素影響，難以精確控制。不能實(shí)現(xiàn)熱處理的精確控制，就難以完全保證熱處理的生產(chǎn)質(zhì)量，希望實(shí)現(xiàn)熱處理冷卻過(guò)程精確控制是熱處理生產(chǎn)者長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。除了精確控制之外，在熱處理生產(chǎn)中還要求盡可能的降低生產(chǎn)成本，這是企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展的必然選擇，而減少污染、凈化環(huán)境，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保熱處理則是可持續(xù)發(fā)展的要求。鋼的熱處理量化水淬方法追求更精、更省、更凈的目標(biāo)，通過(guò)改變傳統(tǒng)的熱處理操作方式，量化控制影響淬火介質(zhì)冷卻特性的各種因素，實(shí)現(xiàn)熱處理淬火冷卻過(guò)程的精確控制，降低成本，凈化環(huán)境。該方法符合現(xiàn)代工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足而提供一種鋼的熱處理量化水淬方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼件淬火冷卻過(guò)程進(jìn)行精確控制，對(duì)水或水基淬火介質(zhì)進(jìn)行量化控制，調(diào)整其冷卻特性，使其滿足淬火鋼件的淬火冷卻要求。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的精確控制水基淬火介質(zhì)的動(dòng)態(tài)冷卻特性，實(shí)現(xiàn)這一精確控制主要通過(guò)控制三個(gè)參數(shù)即淬火介質(zhì)的質(zhì)量與工件質(zhì)量的比值K，淬火介質(zhì)的初始溫度Ts和淬火介質(zhì)的成分；對(duì)淬火介質(zhì)與淬火工件的質(zhì)量進(jìn)行量化控制，二者的質(zhì)量比K值的控制范圍在1.5～20；當(dāng)淬火需要有較大的冷卻速度時(shí)，K值選取較大的數(shù)值，當(dāng)淬火工件要求較小的冷卻速度時(shí)，選用較小的K值；對(duì)淬火介質(zhì)的初始溫度Ts進(jìn)行量化控制，初始溫度Ts的控制要與K值的選定結(jié)合進(jìn)行，當(dāng)淬火鋼件需要較大冷速時(shí)，選用較低的初始溫度；當(dāng)鋼件要求較小的冷卻速度時(shí)，選用較高的初始溫度；Ts的選擇范圍在10℃～100℃，K值較大時(shí)，淬火前后淬火介質(zhì)的溫度變化較小，K值較小時(shí)，淬火前后淬火介質(zhì)溫度變化越大；對(duì)淬火介質(zhì)的成分進(jìn)行控制，不同的添加物將影響介質(zhì)的冷卻特性，影響介質(zhì)對(duì)溫度的敏感性；在水能夠滿足淬火要求的情況下，不添加任何物質(zhì)，當(dāng)需要進(jìn)一步提高冷速或增加高溫區(qū)的冷卻速度時(shí)，可以添加適量鹽、堿等物質(zhì)；當(dāng)需要降低冷速或降低在300℃的冷速時(shí)，可以添加有機(jī)聚合物物質(zhì)。
本發(fā)明通過(guò)對(duì)鋼件淬火冷卻過(guò)程的精確控制，擴(kuò)大了水基淬火介質(zhì)冷卻特性的可調(diào)整范圍，從而擴(kuò)大了水基淬火介質(zhì)的適用范圍，在多數(shù)情況下，通過(guò)對(duì)水的量化控制可以達(dá)到與有機(jī)聚合物水溶液淬火劑相同的淬火效果，可以降低生產(chǎn)成本，減少各種添加物對(duì)環(huán)境的不利影響。簡(jiǎn)而言之，本發(fā)明有利于實(shí)現(xiàn)熱處理生產(chǎn)的精確控制，能夠有效降低成本，凈化環(huán)境，符合可持續(xù)發(fā)展要求，具有良好的應(yīng)用前景。
液態(tài)的淬火介質(zhì)與淬火工件的熱交換經(jīng)歷膜沸騰、泡沸騰和對(duì)流三個(gè)階段，三個(gè)階段的起止溫度及介質(zhì)傳熱能力決定了介質(zhì)的靜態(tài)冷卻特性。工件在大量淬火介質(zhì)中冷卻時(shí)，淬火介質(zhì)的溫度在工件淬火前后變化不大，淬火時(shí)介質(zhì)也沒(méi)有產(chǎn)生明顯的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化，工件與淬火介質(zhì)的熱交換取決于淬火介質(zhì)的靜態(tài)冷卻特性。用適量水基淬火介質(zhì)進(jìn)行淬火冷卻時(shí)，淬火介質(zhì)的溫度在工件淬火前后有明顯變化，淬火過(guò)程中適量的淬火介質(zhì)有明顯的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化，溫度與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化改變了工件與介質(zhì)的熱交換過(guò)程，使三個(gè)階段的起止溫度和傳熱能力發(fā)生變化，從而使介質(zhì)的實(shí)際動(dòng)態(tài)冷卻特性與靜態(tài)冷卻特性有較大差異。淬火介質(zhì)的靜態(tài)冷卻特征是在標(biāo)準(zhǔn)條件下按照一定的標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定的，在實(shí)際淬火操作過(guò)程中受各種因素影響，鋼件的淬火冷卻過(guò)程與淬火介質(zhì)的冷卻特征并不完全相符，淬火時(shí)需要憑經(jīng)驗(yàn)操作。
本發(fā)明的顯著特點(diǎn)是對(duì)鋼件淬火冷卻過(guò)程進(jìn)行精確控制，這種精確控制是通過(guò)改變大量介質(zhì)淬火的傳統(tǒng)淬火方式，代之以對(duì)工件和淬火介質(zhì)質(zhì)量的量化控制，對(duì)介質(zhì)溫度和成分的量化控制實(shí)現(xiàn)的。該發(fā)明對(duì)淬火介質(zhì)質(zhì)量與鋼件質(zhì)量相對(duì)變化的冷卻特性變化規(guī)律、淬火介質(zhì)溫度和成分變化對(duì)冷卻特性的影響規(guī)律進(jìn)行了創(chuàng)造性的研究，掌握了基本規(guī)律，通過(guò)三個(gè)量化控制參數(shù)對(duì)鋼件淬火冷卻過(guò)程實(shí)施精確控制。
這種方法在現(xiàn)有熱處理生產(chǎn)條件下較容易實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)熱處理淬火冷卻過(guò)程的精確控制，擴(kuò)大水和水基淬火介質(zhì)的適用范圍，有效降低熱處理生產(chǎn)成本，凈化環(huán)境，減少污染。本發(fā)明提供的對(duì)鋼件淬火冷卻過(guò)程精確控制的方法，是通過(guò)改變傳統(tǒng)的淬火方式和精確控制淬火介質(zhì)的動(dòng)態(tài)冷卻特性實(shí)現(xiàn)的。
具體實(shí)施例方式
在實(shí)施鋼件熱處理量化水淬方法時(shí)，第一步，應(yīng)首先了解清楚鋼件的成分、尺寸、形狀、質(zhì)量及淬火技術(shù)要求，根據(jù)淬火鋼件的成分、尺寸、形狀及淬火技術(shù)要求確定所需要的冷卻特性。
第二步，根據(jù)淬火冷卻特性的要求，以水和油為準(zhǔn)，確定所需冷卻速度。當(dāng)所需的冷卻速度比水的冷速更大時(shí)，選擇水中添加鹽、堿等物質(zhì)增大冷速；若冷速很小，與油相近時(shí)，若有必要?jiǎng)t加入降低冷速的添加劑；如果冷速在水與油之間，則用水做淬火劑。
第三步，根據(jù)淬火工件的質(zhì)量和冷卻要求，選定淬火介質(zhì)的質(zhì)量。淬火介質(zhì)的質(zhì)量多少由K值確定，K值的選擇范圍在1.5～20。當(dāng)需要較大冷速時(shí)，取K值≥7，當(dāng)需要較小的冷速時(shí)，取K值≤7。
第四步，選定淬火介質(zhì)的初始溫度Ts。在K值確定以后，需要相對(duì)較高的冷卻速度時(shí)，選用較低的Ts值，Ts≤50℃；當(dāng)需要相對(duì)較小的冷速時(shí)，選較高的Ts值，Ts≥50℃。
第五步，調(diào)整淬火工件和淬火介質(zhì)的位置，使淬火水槽的形狀足以保證淬火鋼件完全沒(méi)入適量淬火介質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種鋼的熱處理量化水淬火方法，其特征在于精確控制水基淬火介質(zhì)的動(dòng)態(tài)冷卻特性，實(shí)現(xiàn)這一精確控制是控制三個(gè)參數(shù)，即淬火介質(zhì)的質(zhì)量與工件質(zhì)量的比值K、淬火介質(zhì)的初始溫度Ts和淬火介質(zhì)的成分，對(duì)淬火介質(zhì)與淬火工件的質(zhì)量進(jìn)行量化控制，二者的質(zhì)量比K值的控制范圍在1.5～20，當(dāng)淬火需要有較大的冷卻速度時(shí)，K值選取較大的數(shù)值，當(dāng)淬火工件要求較小的冷卻速度時(shí)，選用較小的K值，對(duì)淬火介質(zhì)的初始溫度Ts進(jìn)行量化控制，初始溫度Ts的控制要與K值的選定結(jié)合進(jìn)行，當(dāng)淬火鋼件需要較大冷速時(shí)，選用較低的初始溫度；當(dāng)鋼件要求較小的冷卻速度時(shí)，選用較高的初始溫度；Ts的選擇范圍在10℃～100℃，K值較大時(shí)，淬火前后淬火介質(zhì)的溫度變化較小，K值較小時(shí)，淬火前后淬火介質(zhì)溫度變化越大，對(duì)淬火介質(zhì)的成分進(jìn)行控制，不同的添加物將影響介質(zhì)的冷卻特性，影響介質(zhì)對(duì)溫度的敏感性，在水能夠滿足淬火要求的情況下，不添加任何物質(zhì)，當(dāng)需要進(jìn)一步提高冷速或增加高溫區(qū)的冷卻速度時(shí)，可以添加適量鹽、堿等物質(zhì)，當(dāng)需要降低冷速或降低在300℃的冷速時(shí)，可以添加有機(jī)聚合物物質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋼的熱處理量化水淬火方法，其特征在于具體步驟如下第一步，應(yīng)首先了解清楚鋼件的成分、尺寸、形狀、質(zhì)量及淬火技術(shù)要求，根據(jù)淬火鋼件的成分、尺寸、形狀及淬火技術(shù)要求確定所需要的冷卻特性，第二步，根據(jù)淬火冷卻特性的要求，以水和油為準(zhǔn)，確定所需冷卻速度。當(dāng)所需的冷卻速度比水的冷速更大時(shí)，選擇水中添加鹽、堿等物質(zhì)增大冷速；若冷速很小，與油相近時(shí)，若有必要?jiǎng)t加入降低冷速的添加劑；如果冷速在水與油之間，則用水做淬火劑，第三步，根據(jù)淬火工件的質(zhì)量和冷卻要求，選定淬火介質(zhì)的質(zhì)量，淬火介質(zhì)的質(zhì)量多少由K值確定，K值的選擇范圍在1.5～20，當(dāng)需要較大冷速時(shí)，取K值≥7，當(dāng)需要較小的冷速時(shí)，取K值≤7，第四步，選定淬火介質(zhì)的初始溫度Ts，在K值確定以后，需要相對(duì)較高的冷卻速度時(shí)，選用較低的Ts值，Ts≤50℃；當(dāng)需要相對(duì)較小的冷速時(shí)，選較高的Ts值，Ts≥50℃，第五步，調(diào)整淬火工件和淬火介質(zhì)的位置，使淬火水槽的形狀足以保證淬火鋼件完全沒(méi)入適量淬火介質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋼的熱處理淬火方法，對(duì)鋼件淬火的冷卻過(guò)程進(jìn)行精確控制，對(duì)水基淬火介質(zhì)進(jìn)行量化控制，使其冷卻特性在相當(dāng)大的范圍內(nèi)可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，滿足鋼件的淬火要求，水基淬火介質(zhì)的量化控制參數(shù)主要有水基淬火介質(zhì)與淬火鋼件的質(zhì)量比K值，介質(zhì)的初始溫度Ts和介質(zhì)的成分，質(zhì)量比K值的調(diào)整范圍在1.5～20，Ts的控制范圍在10℃～100℃，水基淬火介質(zhì)包含水和水中溶解或添加其它物質(zhì)形成的水溶液或混合物，其成分根據(jù)需要確定，該方法在現(xiàn)有熱處理生產(chǎn)條件下較易實(shí)現(xiàn)，可有效降低生產(chǎn)成本，凈化環(huán)境，減少污染，實(shí)現(xiàn)精確控制。
文檔編號(hào)C21D1/18GK1667135SQ20051001747
公開日2005年9月14日 申請(qǐng)日期2005年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月30日
發(fā)明者張文勇 申請(qǐng)人:中原工學(xué)院