勻速冷卻介質(zhì)及其在鍛后控制冷卻過(guò)程中的應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】一種鍛鋼件鍛后控制冷卻的方法。本發(fā)明屬于鋼材鍛造及熱處理領(lǐng)域。其特征是將鍛件工件浸入勻速冷卻介質(zhì)中冷卻，冷卻過(guò)程以表面不發(fā)生非平衡態(tài)組織為原則，根據(jù)材料及工件大小可采用冷卻到合適溫度再均溫的冷卻方式或其它冷卻方式。這種鍛后控制冷卻方法可解決現(xiàn)行鍛坯組織粗大、帶狀組織等遺傳組織及組織不均勻的問(wèn)題?？杀ＷC鍛坯的硬度均勻性，推動(dòng)干切技術(shù)的推廣；同時(shí)改善熱處理后產(chǎn)品各向異性、沖擊韌性等力學(xué)性能；改善熱前組織均勻性，可有效配合熱處理變形控制。
【專利說(shuō)明】勻速冷卻介質(zhì)及其在鍛后控制冷卻過(guò)程中的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋼材鍛件鍛造及熱處理領(lǐng)域，具體涉及鋼材鍛件鍛造后冷卻領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鑄造、鍛造、熱處理屬于高能耗、高污染的三種熱加工工序，三者之間存在緊密的相輔相成的關(guān)系，但目前國(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)三者之間存在明顯的割裂問(wèn)題，不能進(jìn)行有效配合?？梢院?jiǎn)單理解為，鑄后冷卻、鍛后冷卻同淬火冷卻是存在必然聯(lián)系的，通過(guò)有效配合，可大幅減少后續(xù)熱處理的工序，如退火、正火等，減少熱處理的能耗。
[0003]目前困擾熱處理的主要問(wèn)題是力學(xué)性能不足和變形問(wèn)題，熱處理的質(zhì)量控制其實(shí)是個(gè)系統(tǒng)工程，如核電轉(zhuǎn)子的低溫沖擊性能、滲碳齒輪的變形控制問(wèn)題，僅僅通過(guò)熱處理裝備和熱處理工藝方法并不能有效解決，需要各個(gè)工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行有效配合。力學(xué)性能問(wèn)題要從材料純凈度、冶金、鍛造、熱處理進(jìn)行系統(tǒng)解決，從細(xì)化晶粒，阻斷組織遺傳、組織均勻?qū)用孢M(jìn)行有效的工藝控制；熱處理變形是由于工藝控制過(guò)程的很多“不均勻”的因素導(dǎo)致。如冶金成分不均勻，熱前組織(預(yù)處理)不均勻，受力不均勻(機(jī)加應(yīng)力、自重力)，加熱不均勻，冷卻不均勻等，這些“不均勻”的因素導(dǎo)致組織轉(zhuǎn)變的同時(shí)性變差，各種應(yīng)力分布不均，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的變形難以有效控制。因此，上述兩個(gè)案例不是能簡(jiǎn)單通過(guò)熱處理設(shè)備、工藝或淬火冷卻就能夠解決的，需要協(xié)調(diào)各個(gè)生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)的問(wèn)題。
[0004]力學(xué)性能不足和變形問(wèn)題都跟相關(guān)冷卻工藝存在直接的關(guān)系，傳統(tǒng)上我們一直關(guān)注淬火冷卻，認(rèn)為性能不足或變形是直接由淬火冷卻導(dǎo)致。這是一個(gè)誤區(qū)，鑄后冷卻、鍛后冷卻同淬火冷卻是 密切相關(guān)的，鑄后、鍛后的遺傳組織通過(guò)熱處理是無(wú)法有效解決的，需通過(guò)合理的鑄后控冷和鍛后控冷工藝改善甚至消除遺傳組織，為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備，只有這樣才能保證產(chǎn)品的最終內(nèi)在質(zhì)量。
[0005]通過(guò)鐵碳相圖可以比較直觀的分析出本質(zhì)的原因，平衡態(tài)的組織狀態(tài)對(duì)于最終產(chǎn)品的性能并沒(méi)有益處，期望得到組織細(xì)密的準(zhǔn)平衡態(tài)組織，如果能得到100%的偽共析組織，對(duì)于后續(xù)產(chǎn)品的力學(xué)性能和變形控制都具有積極的意義。鑄造和鍛造過(guò)程中若冷卻緩慢，不可避免產(chǎn)生碳及合金元素的擴(kuò)散，最終產(chǎn)生顯微偏析。因常規(guī)熱處理溫度較低，固態(tài)擴(kuò)散能量不足，顯微偏析問(wèn)題不可能有效解決。
[0006]目前機(jī)械行業(yè)普遍存在力學(xué)性能不足的問(wèn)題，其中帶狀偏析和心部組織過(guò)熱帶來(lái)的問(wèn)題尤為突出。
[0007]這種冶金或鍛造遺傳組織跟兩相區(qū)的冷卻過(guò)程密切相關(guān)，該遺傳組織對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量及服役壽命產(chǎn)生極大的危害:
[0008](I)造成產(chǎn)品力學(xué)性能具有明顯的各向異性，如橫向和縱向的強(qiáng)度具有較大的差距；
[0009](2)沖擊韌性較差，在惡劣的服役環(huán)境下產(chǎn)品壽命較差；
[0010](3)帶狀偏析作為一種“不均勻”的因素，導(dǎo)致在加熱和冷卻過(guò)程中組織轉(zhuǎn)變的均勻性較差，從而增大熱處理變形的傾向。[0011]實(shí)際上我們一般觀察到得帶狀組織主要是鍛后冷卻過(guò)程中高溫奧氏體沿加工方向延伸的原始枝晶偏析基礎(chǔ)上相變形成的“二次帶狀”，即只有在“一次帶狀”的基礎(chǔ)上才能形成“二次帶狀”。
[0012]常見(jiàn)的帶狀組織缺陷本質(zhì)上是由于鑄造成型過(guò)程中的枝晶偏析引起，該顯微偏析在軋制或鍛造成型過(guò)程中沿軋制方向遺傳下來(lái)，這種帶狀組織在冶金上稱之為“一次帶狀”。這種帶狀偏析可通過(guò)提高終鍛溫度、增大鍛造比、擴(kuò)散退火等方法來(lái)減輕或避免。
[0013]鍛后冷卻過(guò)程中，當(dāng)溫度在Ar3~Ar1 二相區(qū)之間時(shí)，鋼的顯微組織為先共析鐵素體和過(guò)冷奧氏體。鋼中一般均含有一定量的Mn、Cr、N1、Mo等元素，這些元素均能顯著增加過(guò)冷奧氏體在珠光體區(qū)的穩(wěn)定性，增長(zhǎng)了相變?cè)杏?，也減慢了珠光體的形成速度，但對(duì)先共析鐵素體的析出速度影響較小。當(dāng)從高溫狀態(tài)下冷卻時(shí)，先共析鐵素體優(yōu)先在相當(dāng)于較純的原枝晶干部位的奧氏體晶界析出，同時(shí)碳向周圍的奧氏體區(qū)擴(kuò)散，溫度越高、冷卻速度越慢，碳擴(kuò)散越充分，擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)，所以形成的鐵素體條帶明顯。這個(gè)過(guò)程在奧氏體化后的冷卻過(guò)程中發(fā)生，冷卻越慢，先共析鐵素體轉(zhuǎn)變?cè)匠浞?，碳元素分布越不均勻，帶狀組織越嚴(yán)重，這類帶狀就是“二次帶狀”。存在帶狀偏析的工件，在常規(guī)熱處理過(guò)程中碳和合金元素的奧氏體均勻化是相當(dāng)困難的，例如碳的均勻化需要950°C以上，而合金元素則需要1100°C 以上。
[0014]一般把鍛(軋)后控制冷卻過(guò)程分為三個(gè)階段，稱為一次冷卻、二次冷卻、三次冷卻(空冷)，在這三個(gè)冷卻階段中其冷卻目的和要求是不同的。
[0015]一次冷卻為從終軋溫度開(kāi)始到變形奧氏體向鐵素體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度Ar3溫度范圍內(nèi)的冷卻控制，即控制冷卻的開(kāi)始溫度、冷卻速度及終止溫度。這一階段是控制變形奧氏體的組織狀態(tài)，阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，固定因變形引起的位錯(cuò)，降低相變溫度，為相變做組織上的準(zhǔn)備。
[0016]二次冷卻為從相變開(kāi)始溫度Ar3到相變結(jié)束溫度范圍內(nèi)的冷卻控制。主要是控制鋼材相變時(shí)的冷卻速度和停 止控冷的溫度，即通過(guò)控制相變過(guò)程，保證鋼材快冷后得到所需要的金相組織和力學(xué)性能，對(duì)低碳鋼、低合金鋼、微合金化低合金鋼，軋后一次冷卻和二次冷卻可連續(xù)進(jìn)行，終了溫度可達(dá)珠光體相變結(jié)束，然后空冷，所得金相組織為細(xì)鐵素體和細(xì)珠光體及彌散的碳化物。三次冷卻(空冷)，是相變后至室溫范圍內(nèi)的冷卻。
[0017]目前鍛后冷卻方式一是采用沙冷、坑冷、空冷等粗放式的冷卻方式，兩相區(qū)冷卻速度相對(duì)緩慢，易造成帶狀組織的惡化和晶粒粗大等缺陷，嚴(yán)重影響熱后的最終力學(xué)性能，同時(shí)容易獲得或部分獲得馬氏體、貝氏體、魏氏體組織，表面硬度較高且散差大，不利于切削加工，典型組織如圖1所示；二是采用強(qiáng)制風(fēng)冷方式(如等溫正火)，但同時(shí)存在冷卻均勻性差的問(wèn)題，使其鍛坯表層的組織不均勻性，主要是上述冷卻方式不能保證同爐不同工件和同一工件不同截面冷卻的均勻性，工件迎風(fēng)面和背風(fēng)面冷卻性能對(duì)比如圖2所示。風(fēng)速越快，冷卻的均勻性就越差，只能通過(guò)減少裝爐量和增加工件的間距來(lái)改善。同時(shí)風(fēng)冷速度對(duì)于鍛坯的表面溫度非常敏感，隨著表面溫度的降低而迅速降低，不能保證冷卻的均勻性。此外，因?yàn)榭諝獾臒崛菪。L(fēng)溫的波動(dòng)避免，風(fēng)溫高低對(duì)于風(fēng)冷速度的影響會(huì)進(jìn)一步惡化冷卻均勻性。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0018]發(fā)明目的:提供控制鍛后冷卻的勻速冷卻介質(zhì)以及相乎配合的工藝方法，改善冶金和鍛造遺傳組織，解決力學(xué)性能各向異性、低溫沖擊性能差、熱處理變形大、干切技術(shù)難以推廣等困擾機(jī)械行業(yè)發(fā)展的技術(shù)難題。
[0019]技術(shù)方案:發(fā)明原理，要解決帶狀偏析的問(wèn)題，首先必須從根本解決兩相區(qū)高溫?cái)U(kuò)散的問(wèn)題。在鍛造溫度可有效改善“一次帶狀”，鍛造完成后如果加快經(jīng)過(guò)二相區(qū)的速度，控制先共析鐵素體的析出，減慢碳的擴(kuò)散速度，使鐵素體長(zhǎng)大受阻，富碳的鐵素體小島眾多且分散分布，這樣就可以有效減輕“二次帶狀”，所以高溫奧氏體化后的高溫階段冷卻速度是控制帶狀組織的關(guān)鍵因素。
[0020]實(shí)現(xiàn)鍛坯奧氏體化后的快速冷卻至等溫溫度是“鍛后控冷”工藝中的關(guān)鍵，類似于中小齒輪行業(yè)應(yīng)用的等溫正火工藝，盡量縮短兩相區(qū)的高溫?cái)U(kuò)散過(guò)程。在保證表面和小截面部位不發(fā)生馬氏體或貝氏體相變的前提下，表面冷卻到盡量低的溫度，然后轉(zhuǎn)入均溫爐中保溫，使工件最終完成珠光體轉(zhuǎn)變。均溫溫度需配合機(jī)加工的硬度要求選擇合適的溫度，并根據(jù)材料的奧氏體穩(wěn)定性選擇合適的保溫時(shí)間。工件采用“勻速冷卻介質(zhì)”冷卻后，控制適當(dāng)?shù)某鲆簻囟?，通過(guò)“勻速冷卻介質(zhì)”快速冷卻等形式可以有效抑制先析相的析出，形成偽共析組織，這樣就可以有效避免帶狀組織。典型工藝路線如圖3所示。
[0021]“勻速冷卻介質(zhì)”應(yīng)用于控制鋼材鍛件鍛造后的冷卻速度，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的沙冷、空冷、風(fēng)冷、霧冷等傳統(tǒng)方式，后續(xù)簡(jiǎn)稱為“鍛后控冷”。根據(jù)不同鋼材材料、尺寸選擇不同的介質(zhì)濃度，并配合以合適的出液溫度及后續(xù)冷卻或保溫方式，控制心部和表面的冷卻過(guò)程，盡量減少鍛件心部?jī)上鄥^(qū)的擴(kuò)散，同時(shí)避免表面發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。
[0022]通過(guò)圖4、圖5、圖6可以看出，“勻速冷卻介質(zhì)”通過(guò)濃度控制，可以得到介于空氣和油之間的冷卻能力，20%-30%濃度的“勻速冷卻介質(zhì)”，5000C以上避免沸騰冷卻階段的產(chǎn)生。通過(guò)濃度控制500°C以上平均冷卻能力控制在10-30°C/S。冷卻過(guò)程中主要以輻射和對(duì)流的方式進(jìn)行， 保證冷卻的均勻性。
[0023]鍛件產(chǎn)品鍛后直接在該“勻速冷卻介質(zhì)”浸冷，冷卻過(guò)程中主要以輻射和對(duì)流的方式進(jìn)行，能夠保證冷卻的持續(xù)性和均勻性。可協(xié)調(diào)表面和心部的冷卻過(guò)程，能夠有效控制鍛后“二次偏析”，改善心部組織粗大等問(wèn)題，為后續(xù)熱處理做組織準(zhǔn)備。
[0024]有益效果:
[0025](I)改善熱處理后產(chǎn)品各向異性、沖擊韌性差力學(xué)性能問(wèn)題；
[0026](2)改善熱前組織均勻性，可有效配合控制熱處理變形；
[0027](3)保證鍛坯的硬度均勻性，推動(dòng)干切技術(shù)的推廣；
[0028](4)在保證力學(xué)性能的前提下，實(shí)現(xiàn)鍛件調(diào)質(zhì)熱處理的能耗降低30%以上；
[0029](5) “勻速冷卻介質(zhì)”具有清潔環(huán)保、無(wú)污染的特點(diǎn)，改善生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的操作環(huán)境，保證生產(chǎn)安全(減少灼傷);
[0030](6)代替?zhèn)鹘y(tǒng)粗放式的冷卻方式，如霧冷、熱風(fēng)冷等，降低能耗；
[0031](7)減少相關(guān)輔助設(shè)備的成本投入。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1常見(jiàn)帶狀組織及組織粗大
[0033]圖2工件迎風(fēng)面和背風(fēng)面冷卻性能對(duì)比[0034]圖3鍛后控制冷卻示意圖
[0035]圖4空氣與20%勻速冷卻介質(zhì)冷卻特性比較
[0036]圖5淬火油與20%勻速冷卻介質(zhì)冷卻特性比較
[0037]圖6不同濃度勻速冷卻介質(zhì)冷卻特性比較(10%、20%、30%)
[0038]圖7實(shí)例I中前軸示意圖
[0039]圖8鍛后空冷熱前組織
[0040]圖9鍛后勻速冷卻介質(zhì)冷卻熱前組織
[0041]圖10鍛后空冷熱后組織
[0042]圖11鍛后勻速冷卻介質(zhì)冷卻熱后組織
【具體實(shí)施方式】
[0043]本發(fā)明專利中，鍛后控制冷卻的關(guān)鍵是鍛坯從終鍛溫度到Arl溫度區(qū)間的冷卻速度，抑制碳和合金元素的長(zhǎng)程擴(kuò)散，防止晶粒長(zhǎng)大和先析相的大量生成。具體包括前期勻速介質(zhì)冷卻、均溫轉(zhuǎn)變和均溫后冷卻三個(gè)階段。
[0044]本發(fā)明要將鍛件產(chǎn)品從終鍛溫度以比風(fēng)冷更快且更均勻的方式冷卻下來(lái)，因此采用勻速冷卻介質(zhì)對(duì)鍛坯進(jìn)行高溫階段的冷卻，鍛坯浸入到勻速冷卻介質(zhì)的稀釋液中，因水的熱容比空氣大很多，所以冷卻速度更快，能夠保證高溫階段的冷卻速度。鍛坯浸入到勻速冷卻介質(zhì)中，工件表面之間介質(zhì)接觸，同時(shí)勻速冷卻介質(zhì)的流動(dòng)性很好，整個(gè)工件的不同表面都能直接進(jìn)行冷卻，避免風(fēng)冷冷`卻“死角”和不均勻的問(wèn)題，保證了工件冷卻的均勻性。
[0045]本發(fā)明具體操作過(guò)程如下:
[0046]1、將終鍛完成的鍛坯浸入到勻速冷卻介質(zhì)中，冷卻到Bs (Ms)和Acl溫度區(qū)間時(shí)出液，原則是表面不能產(chǎn)生非平衡態(tài)組織轉(zhuǎn)變(如貝氏體、馬氏體等)。
[0047]2、出液工件立即轉(zhuǎn)移到均溫爐中保溫，均溫時(shí)間以完成平衡態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)樵瓌t，均溫溫度配合機(jī)加工和組織要求進(jìn)行確定。淬透性差的材料也可出液后直接進(jìn)行空冷。
[0048]3、三次冷卻階段，可采用空冷或其它冷卻方式冷卻到室溫。
[0049]本發(fā)明專利中，勻速冷卻介質(zhì)為高分子聚合物的水溶液，其中聚乙烯基吡咯烷酮占5-15%，羧甲基纖維素鈉占3-8%，聚丙烯酸鈉0-3%，其它各類添加劑占3-8%，其余為水。其中聚乙烯基吡咯烷酮由N-乙烯基與吡咯烷酮聚合而成，5萬(wàn)-36萬(wàn)(最佳為10萬(wàn)-20萬(wàn))。勻速冷卻介質(zhì)為PVP-CMC和PVP-CMC-ACR體系，包括但不限于上述比例范圍。使用不同的配比，可以獲得不同的冷卻能力，以及不同的均勻冷卻溫度范圍。
[0050]以下針對(duì)兩個(gè)實(shí)例對(duì)該發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。
[0051]實(shí)例1:20CrMnTi后橋被動(dòng)齒坯，外徑480mm，有效厚度50mm左右，選取10件進(jìn)行鍛后控制冷卻，鍛后直接放入25%勻速冷卻介質(zhì)中浸冷，同傳統(tǒng)空冷方式進(jìn)行對(duì)比。終鍛溫度980°C左右，采用紅外儀進(jìn)行出液溫度判斷，出液溫度控制在500-600°C，然后轉(zhuǎn)移到640°C均溫爐中保溫，均溫時(shí)間2小時(shí)，最后空冷至室溫。勻速冷卻介質(zhì)的原液按以下配方進(jìn)行配制:聚乙烯基吡咯烷酮占8%，羧甲基纖維素鈉(CMC)占5%，三乙醇胺3% (防銹劑)，高碳醇類消泡劑1%，異噻唑啉酮1% (殺菌劑)，其余為水，其中聚乙烯基吡咯烷酮分子量15萬(wàn)-20萬(wàn)。分別檢測(cè)鍛坯表面的硬度均勻性、表面的帶狀組織和晶粒度、心部的帶狀組織和晶粒度，測(cè)試對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。[0052]表1勻速冷卻介質(zhì)同傳統(tǒng)空冷測(cè)試結(jié)果對(duì)比
[0053]
【權(quán)利要求】
1.一種勻速冷卻介質(zhì)在鍛后控制冷卻過(guò)程中的應(yīng)用，鍛件產(chǎn)品鍛后直接在勻速冷卻介質(zhì)浸冷，其特征在于，所述的勻速冷卻介質(zhì)為高分子聚合的水溶液，其中聚乙烯基吡咯烷酮占5-15%，羧甲基纖維素鈉占3-8%，聚丙烯酸鈉0-3%，其它各類添加劑占3-8%，其余為水。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的勻速冷卻介質(zhì)在鍛后控制冷卻過(guò)程中的應(yīng)用，其特征在于，勻速冷卻介質(zhì)濃度為20-30%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的勻速冷卻介質(zhì)在鍛后控制冷卻過(guò)程中的應(yīng)用，其特征在于，在勻速冷卻介質(zhì)中冷卻速度設(shè)定為10-30°C /S。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的勻速冷卻介質(zhì)在鍛后控制冷卻過(guò)程中的應(yīng)用，其特征在于，鍛件產(chǎn)品鍛后在勻速冷卻介質(zhì)中冷卻到Bs (Ms)和Acl溫度區(qū)間時(shí)出液，出液工件立即轉(zhuǎn)移到均溫爐中保溫，淬透性差的材料也可出液后之間進(jìn)行空冷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的勻速冷卻介質(zhì)在鍛后控制冷卻過(guò)程中的應(yīng)用，其特征在于，冷卻過(guò)程中以輻射和對(duì)流`的方式進(jìn)行。
【文檔編號(hào)】C21D1/60GK103789520SQ201310451423
【公開(kāi)日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】聶曉霖, 左永平 申請(qǐng)人:南京科潤(rùn)工業(yè)介質(zhì)股份有限公司