一种非调质钢制件的稳定控制冷却的新方法 |
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| 申请号 | CN202010478459.8 | 申请日 | 2020-05-29 | 公开(公告)号 | CN111593173A | 公开(公告)日 | 2020-08-28 |
| 申请人 | 扬州大学; | 发明人 | 刘澄; 周文韬; 鲁聪颖; 王璇; 董克文; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种非调质 钢 制件的稳定控制冷却的新方法，将非调质钢件加热，加热到达1100-1150℃后，开始对非调质钢件进行 锻造 成型得到制件，在其完成锻造即停锻时仍处于奥氏体状态，停锻时非调质钢件 温度 控制在950-1000℃，随后通过 水 基淬火介质冷却至设定时间，后根据制件硬度要求和 过冷 奥氏体等温转变曲线在不同温度下转变产物的硬度数值而确定等温温度及时间，最后冷却到室温获得相应组织，中、高 碳 钢形成细片状珠光体组织，低碳、低 合金 钢形成低碳 贝氏体 组织；在不进行淬火和回火处理的情况下使非调质钢件硬度和强度达到调质钢经淬火、回火处理后的水平。通过本发明，与现用工艺相比，控制环节先进，获得性能稳定。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种非调质钢制件的稳定控制冷却的新方法，其特征在于： |
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| 说明书全文 | 一种非调质钢制件的稳定控制冷却的新方法技术领域背景技术[0002] 非调质钢是一种代替调质钢制造高强度、高韧性机械零件的新钢种。由于其制件是在锻（轧）成型之后，利用其余热，通过控制冷却使其显微组织具有技术要求的力学性能。因这种工艺代替了调质工艺中的正火、淬火和回火等多次加热处理，从而减少了加工处理工艺环节，并且避免了淬火冷却产生的开裂和变形，从而具有节能、增效的效果。但是，目前工业上采用的控制冷却方式主要采取吹风加空冷调节，其冷却能力较小，冷却速度的可调节性较小。因制件的实际冷却速度不但受其有效厚度，还受到用钢的过冷奥氏体稳定性的影响。即，有效厚度不同，所要求的力学性能不同，钢件的过冷奥氏体（由用钢的化学成分保证）稳定性也就不同。所以，在实际工业生产中常常是一种规格和性能的零件，需要使用同样的钢号。实际上，当每一种零件的数量有限，用钢量并不巨大时，钢材成本就会增高。全球已经公布的非调质钢号有一百多个，但实际经常使用的仅十余个，而且均为强度要求不很高的零件，如汽车发动机用连杆。 发明内容[0003] 本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，提供一种非调质钢制件的稳定控制冷却的新方法。 [0004] 本发明的目的是这样实现的，一种非调质钢制件的稳定控制冷却的新方法，其特征在于：将非调质钢件加热，加热到达1100-1150℃后，开始对非调质钢件进行锻造成型得到制件，在其完成锻造即停锻时仍处于奥氏体状态，停锻时非调质钢件温度控制在950-1000℃，随后通过水基淬火介质冷却至设定时间，后根据制件硬度要求和过冷奥氏体等温转变曲线在不同温度下转变产物的硬度数值而确定等温温度及时间，最后冷却到室温获得相应组织，中、高碳钢形成细片状珠光体组织，低碳、低合金钢形成低碳贝氏体组织；在不进行淬火和回火处理的情况下使非调质钢件硬度和强度达到调质钢经淬火、回火处理后的水平。 [0005] 当非调质钢件为高合金化的钢件时，对高合金化的钢件进行分段加热，分别在加热至600℃、900℃时保温15min。 [0006] 非调质钢件停锻后需快速冷却，随后等温保持，最后空冷至室温。 [0007] 快冷介质为水基淬火介质，其冷却能力大于油而小于水，可以通过温度调整冷却烈度。 [0008] 通过水基淬火介质冷却却至设定时间，设定时间计算公式为：t(min)=（0.5-1.5）*h； 其中，t为冷却时间，h为锻造成型得到制件的有效厚度，mm； 要确保制件在冷却过程中逃过珠光体转变曲线或贝氏体转变曲线的“鼻子”点，但不发生相变的温度，由此冷却速度控制为100-150℃/s。 [0009] 所述等温温度根据制件硬度要求和过冷奥氏体等温转变曲线在不同温度下转变产物的硬度数值而确定。 [0010] 等温保持时间以等温温度下过冷奥氏体等温转变所表示出的相变完成时间为基础，为确保制件各个部位均转变完全，保温时间为1-2h。 [0011] 通过本发明，调质钢制件使用非调质钢制造的理论和实验依据是钢件锻造成型后仍处于奥氏体状态，通过控制冷却（主要采用吹风）使其发生珠光体转变（中、高碳钢），形成细片状珠光体组织，或发生贝氏体转变（低碳、低合金钢），形成低碳贝氏体组织。其硬度和强度达到调质钢经淬火、回火处理后的水平，从而不再进行淬火和回火处理（高能耗和污染），达到节能、增效目的的同时，避免了钢件淬火冷却过程中的变形和开裂，提高制件的成品率和质量。 [0012] 本发明是基于申请人长期对非调质钢制件热处理工艺中存在问题的研究，进行设计和发明的。 [0013] 例如，使用非调质70S钢制造捷达轿车发动机连杆。1100-1150ºC锻造后在1000-950ºC停锻，而后采用吹风快速冷却，使过冷奥氏体在较低温度下形成细片状珠光体，转变完成后冷到550-500ºC，然后在空气中缓冷至室温，如图1所示。经上述处理后连杆的硬度（HRC30-32）、显微组织都达到了技术要求，而且还具有良好的胀裂性（采用预制裂纹胀裂连杆盖，使连杆盖与连杆体胀裂分离，可节省12道工序），而且提高连杆与杆体的咬合力，减小了连杆螺栓的疲劳抗力。 [0014] 但是，钢材成分波动会引起珠光体转变的稳定性；吹风冷却速度的变化也会影响珠光体转变的形态和硬度，两者进而影响制件的力学性能和胀裂性。转变温度高，则硬度强度低，胀不裂，发生塑性变形而失效报废；转变温度低，则硬度强度高，甚至会有少量马氏体形成，使脆性增大，也无法使用。因此，要求用钢具有良好的过冷奥氏体稳定性，即需要使用可保证淬透性（在一定冷却速度下获得的显微组织和性能基本国定）的钢，使其成本增高。而且，一个钢号只可能制造一个规格（主要是有效厚度）和一种技术要求的零件。 [0015] 本发明是发挥现有非调质钢件的优点，即利用锻（轧）余热，以获得细珠光体或贝氏体来代替淬火-回火组织（回火索氏体）；克服其缺点，即在连续冷却过程中过冷奥氏体的分解有先有后，从而造成性能的差异。而且随冷却速度的加快，这个差异就越大。快冷阶段冷却速度较难控制，稍快时硬度过高，稍慢时硬度过低，均不符合技术要求。为此，本发明采用如图2所示的工艺曲线。停锻后，采用快速冷却（大于钢的临界冷却速度）至等于或稍低于等温温度之后，置于等温炉中进行等温保持，使过冷奥氏体完成珠光体（或贝氏体）转变，而后空冷至室温。由于冷却速度可以在较大范围内调整，控制比较方便。制件的硬度也可在较大等温温度范围内进行调配，加之形成的显微组织均匀一致，因而获得的性能较高且稳定性较好。 [0016] 因此，本发明不但控制工艺简便，制件性能稳定，而且对不同有效厚度的制件以及不同力学性能要求的制件，可以用一个钢号尺寸制造，通过调整不同快冷烈度和等温温度来满足技术要求。 [0017] 本发明的最大优点是对中高碳钢（包括低合金钢）制件，可以在钢的过冷奥氏体转变曲线珠光体转变曲线“鼻子”下部等温形成极细片状珠光体。因其中渗碳体极薄，使脆性减小；而且相界面的增多使强度增高，在相同硬度下，可以获得与调质处理相近或更高的强韧性。因此，可以几乎替代全部的调制制件。现在普遍采用的连续冷却的非调质钢件，因其只能在珠光体转变曲线“鼻子”以上温度转变，强度不高，只能取代强度强度要求不高的调质钢件，使其使用性能受到了限制。 [0018] 通过本发明，本发明公开了制造非调质钢件热处理工艺中的一种先进快速冷却方式，可以稳定地防止过冷奥氏体在冷却过程分解，而后在恒温下等温保持，使过冷奥氏体在等温条件下转变，形成所要求的显微组织，获得所要求的力学性能。与现用工艺相比，控制环节先进，获得性能稳定，而且一个钢号可以制造不同规格、不同性能要求的零件，从而可以扩大非调质钢的广泛应用。附图说明 [0019] 图1为捷达轿车70S钢连杆锻造和控制冷却工艺示意图。 [0020] 图2a为本发明的非调质钢件（a）控制冷却（快冷）示意图。 [0021] 图2b为本发明的非调质钢件（b）等温处理工艺示意图。 [0022] 图3a为60钢经（1）正火（空冷或吹风）（2）调质和（3）本发明工艺处理后的强度比较。 [0023] 图3b为60钢经（1）正火（空冷或吹风）（2）调质和（3）本发明工艺处理后的延伸率比较。 [0024] 具体实施方式[0025] 下面结合附图以及附图说明对本发明做进一步说明。 [0026] 一种非调质钢制件的稳定控制冷却的新方法，将非调质钢件加热，加热到达1100-1150℃后，开始对非调质钢件进行锻造成型得到制件，在其完成锻造即停锻时仍处于奥氏体状态，停锻时非调质钢件温度控制在950-1000℃，随后通过水基淬火介质冷却至设定时间，后根据制件硬度要求和过冷奥氏体等温转变曲线在不同温度下转变产物的硬度数值而确定等温温度及时间，最后冷却到室温获得相应组织，中、高碳钢形成细片状珠光体组织，低碳、低合金钢形成低碳贝氏体组织；在不进行淬火和回火处理的情况下使非调质钢件硬度和强度达到调质钢经淬火、回火处理后的水平。当非调质钢件为高合金化的钢件时，对高合金化的钢件进行分段加热，分别在加热至600℃、900℃时保温15min。非调质钢件停锻后需快速冷却，随后等温保持，最后空冷至室温。快冷介质为水基淬火介质，其冷却能力大于油而小于水，可以通过温度调整冷却烈度。 [0027] 通过水基淬火介质冷却却至设定时间，设定时间计算公式为：t(min)=（0.5-1.5）*h； 其中，t为冷却时间，h为锻造成型得到制件的有效厚度，mm； 要确保制件在冷却过程中逃过珠光体转变曲线或贝氏体转变曲线的“鼻子”点，但不发生相变的温度，由此冷却速度控制为100-150℃/s。 [0028] 所述等温温度根据制件硬度要求和过冷奥氏体等温转变曲线在不同温度下转变产物的硬度数值而确定。 [0029] 等温保持时间以等温温度下过冷奥氏体等温转变所表示出的相变完成时间为基础，为确保制件各个部位均转变完全，保温时间为1-2h。 [0030] 钢件停锻温度控制范围：950-1000ºC。 [0031] 快冷介质：水基淬火介质（冷却能力大于油而小于水，可以通过温度调整冷却烈度）。 [0032] 快冷时间：t(min)=0.5-1.5h。其中，t为冷却时间，h为锻件有效厚度，mm。要确保制件在冷却过程中逃过珠光体转变曲线或贝氏体转变曲线的“鼻子”点，但不发生相变的温度。由此冷却速度控制为100-150℃/s。 [0033] 等温温度：根据制件硬度要求和过冷奥氏体等温转变曲线在不同温度下转变产物的硬度数值而确定。 [0034] 等温保持时间：以等温温度下过冷奥氏体等温转变所表示出的相变完成时间为基础，为确保制件各个部位均转变完全，保温时间一般为1-2h。 [0035] 等温保持后的冷却：空冷至室温。 [0036] 实例1：零件编号#1本发明工艺处理的60钢的力学性能与普通正火和调质处理的对比如图3a及图3b所示。 从图中可以看出，在相同硬度下，正火（空冷或吹风冷却）的强度稍高于调质（淬火加回火），塑性则低于调质，而本发明的工艺（快冷加等温处理）的强度和塑性均高于正火，强度高于调质，塑性与其相近。 |
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