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强烈淬火技术简介对钢的组织性能的影响及其应用

       钢自奥氏体化温度实施淬火时,冷速必须大于临界值,不触碰C曲线的“鼻子尖”才能获得马氏体组织。传统观点认为,在马氏体转变的温度区间内快速冷却,由于会产生过大的拉伸内应力,往往导致工件的变形或开裂。1992年,乌克兰科学院工程热物理研究所的H、И· Kobasko教授,通过长期研究发现工件淬火开裂的概率并不是一直随淬火冷却速度的增大而增加的当冷却速度超过某一数值后进一步增大冷却速度,反而使淬火开裂几率下降甚至不发生开裂钢的力学性能得到改善工件的使用寿命延长在此基础上,开发了强烈淬火技术,并申请了专利。与常规淬火通常用油、水或PAG溶液淬火冷却不同,强烈淬火用剧烈搅拌或剧烈喷射的水或盐水冷却,其冷却速度极快,而不必担心钢件过度畸变和开裂。与常规淬火相比,强烈淬火钢件的使用寿命可延长3-4倍;采用强烈淬火工艺可以用普通碳钢和便宜的低合金钢代替合金钢和高合金钢;可以用水或水溶液淬火代替油淬火从而减少环境污染和火灾隐患;采用强烈淬火也容易实现自动化,能够缩短渗碳时间甚至省去渗碳工序,提高劳动生产率,节约能源和降低生产成本。由于强烈淬火具有上述优点,随着对强烈淬火技术研究的深入和完善,近年来强烈淬火技术在一些领域受到重视。



一、强烈淬火原理

     工件在淬火冷却过程中,由于冷却收缩和相变时母相和生成相的密度不同而发生体积变化。由于工件表层和心部存在温差和相变非同时发生,以及相变量的不同,致使表层和心部的体积变化不能同步进行,因而产生内应力。按照内应力的成因,可分为热内应力(热应力)和组织内应力(组织应力)。内应力发生于淬火的全过程,因而内应力又可分为瞬时内应力和残余内应力,相应的有瞬时热应力、残余热应力和瞬时组织应力、残余组织应力。内应力是由热应力和组织应力叠加产生的合成应力。按照常规淬火的理论与实践,随着马氏体转变温度区间冷却速度的增大,残留应力增大,工件淬火开裂的几率增大。但是有限元计算表明,在马氏体转变温度区间,随着冷却速度增大,裂纹形成几率先增大,然后又逐渐减少到零,即在马氏体转变温度区间用非常高的冷却速度冷却,可以有效地防止淬火开裂,如图1所示。

▲图1  冷却速度对零件淬裂几率的影响

采用有限元方法分析圆柱试样表面残留应力与冷却速率的关系,结果见图2。

▲图2  圆柱试样表面残留周向应力与Bi值的关系

图中纵坐标为周向残留应力,横坐标为毕奥数值( Biot number),记为Bi,Bi=Rh/λ,

      h为试样表面与冷却介质间的换热系数(传热系数),单位为W/(m²·°C),

      λ为热导率,单位为W/(m·°C),

     R为试样半径,单位为m。

     Bi值表征了在淬火冷却过程中,工件心、表温度的均匀程度。

     Bi→0,表明冷却速度极慢,心、表温度趋于均匀;

     B→∞,表明冷却速度极快,心、表温差最大。

     由图2可以看出,随着Bi值增大,残留拉应力先增大,Bi=4时达最大值,然后降低,当Bi≥20时,残留应力由拉伸应力转变为压缩应力。这个结果与淬火开裂几率的分析一致。在马氏体转变温度区间,工件的冷却速度可用下式计算:

              αKn(T-Tm

      υ=——————

                      K

式中  υ——工件心部的冷却速度(℃/s)

         α——平均导热系数(m²/s)

         Kn——Kondratjev值

         K——工件心部温度(℃)

         Tm——淬火介质温度(℃)

Kn与Bi之间有如下关系:

                                                 ½

  Kn=ψBi=Bi/(Bi²+1.437Bi+1)


式中,ψ是温度不均匀性的度量。Bi→0,ψ=1;Bi→∞,ψ=0,当0.8≤Kn≤1时,工件表面将形成残留压应力。

     上述计算结果可以用淬火内应力、相变塑性和相变前后密度变化予以解释。奥氏体在不同冷速下能够变成珠光体、贝氏体、或马氏体,所有这些相变都伴随着体积膨胀。体积膨胀的大小与奥氏体是否受外力作用有关。图3,为奥氏体在所有拉伸应力和没有拉伸应力作用下,缓慢与快速冷却时,试样相对伸长示意图。

▲图3  极快速冷却过程中,拉伸应力对钢样相对长度变化的影响

在接近缓慢平衡冷却时,在Ar3和Ar1温度区间,奥氏体转变为珠光体和铁素体;快速冷却时,扩散相变被抑制,当温度降至Ms时,不受应力作用的奥氏体转变为马氏体并伴随体积增大。如果奥氏体受到拉伸应力的作用,Ms升高到Ms´,试样的相对伸长增大。当奥氏体受到压缩应力作用时,情况则反之。这个现象称为相变塑性。

     在强烈淬火过程中,由相变塑性和奥氏体-马氏体转变的密度变化导致残留应力增加。强烈淬火时,工件表面立即冷却到淬火介质温度,工件心部温度几乎没有变化。快速冷却引起表层收缩并形成高的拉伸应力,该应力被心部的压缩应力所平衡。在马氏体开始转变时温度梯度的增大使拉伸应力增加,导致马氏体开始转变点温度Ms升高,引起相变塑性而使表层膨胀,如果高的Ms点伴随着马氏体转变的显著的体积膨胀,表面拉应力会明显减小,并转化为压应力。表面压应力的数值和生成的表面马氏体量成正比。这种表面压应力决定着心部是在压缩条件下发生马氏体转变还是在进一步冷却时表面重新形成拉应力。如果马氏体转变使心部膨胀足够大,和表层马氏体很硬很脆,表层可能由于应力逆转而破裂。因此,心部马氏体转变应尽可能使表层形成压应力。



     上述分析表明,强烈淬火必须满足两个判据:

    ①强烈淬火设备必须能够提供足够快的冷却速度,使Bi≥20,或使0.8≤Kn≤1。

     ②强烈淬火过程应该在表面达到最大压应力状态时中断,转而在Ms温度等温冷却。

     如此会延迟心部的冷却,使马氏体转变变慢,在表层形成高的压缩应力。当表面硬化层达到优化厚度,并形成最大压应力时,就完成全部剧烈淬火过程。另一个强烈淬火方法是使工件表面强烈冷却到某一温度,在该温度使过冷奥氏体转变不超过30%的马氏体,然后强烈淬火中断,使工件在空气中冷却到截面温度平衡,也使形成的新马氏体得以回火并避免淬火裂纹形成。最后强烈冷却到室温,使其余的奥氏体转变为马氏体。


二、强烈淬火对钢的组织性能的影响极其应用

      采用油、50%CaCl2水溶液和CaCl2水溶液+液氮作为冷却介质对T7A钢和60Si2Mn钢进行淬火,然后460℃回火2h,测其力学性能,结果见表1。

▼表1  钢试样普通淬火和冷却淬火回火油的力学性能

     与普通淬油比较,采用CaCl2水溶液+液氮进行强烈淬火,在马氏体转温度区间冷速达30℃/s,淬火后T7A钢的屈服强度提高25%,伸长率提高97%;

60Si2Mn钢屈服强度提高28%,但延长率降低了41%。

     渗碳+强烈淬火能够大幅度缩短渗碳周期,改善热处理质量。图2是AISI8617钢(wt:0.15-0.20C%-0.15-0.35%Si-0.7-0.9%Mn-0.4-0.6Cr-0.15-0.25Mo-0.4-0.7Ni)制造的轴承圈不同热处理工艺后的硬度分布曲线。轴承圈壁厚4mm。曲线1和2为渗碳+油淬的硬度分布曲线,曲线3为缩短1/2渗碳时间+强烈淬火的硬度分布曲线。无论是表面最大硬度还是有效硬化层深度(界限值50HRC)后者都明显优于前者。

▲图2  有效硬化层深为1.5-1.5mm的AISI8617钢轴承圈的硬度分布

      某汽车零件,如图3所示,采用AISI8620钢制造,经970℃渗碳不同时间(1~7h)后,进行常规油淬火,再在150℃回火1h。对渗碳件的硬度分布、残留奥氏体量、晶粒尺寸和表面残留应力进行测量与分析,结果表明,热处理工艺对渗层残留奥氏体量的影响很小,均为5%左右;强烈淬火渗层的晶粒尺寸(11ASTM)略小于常规油淬的晶粒尺寸(10ASTM);在相同渗碳时间下(7h),强烈淬火工件的表面硬度和有效硬化层深度分别达848HV和1.70m,而常规油淬仅为755HV和1.60mm;采用950°C渗碳3h然后在930°C渗碳1.5h+强烈淬火,工件表面硬度达780HV,有效硬化层深度为1.70mm,与常规渗碳油淬相比,达到相同或更好的渗碳效果,渗碳温度降低,渗碳周期缩短近1/2;渗碳+强烈淬火和渗碳+油淬的最大表面残留压应力值分别为415.5MPa和304.3MPa,前者比后者提高36.5%。

▲图3  AISI8620钢制零件

     强烈淬火能够明显提高工件的使用寿命。M2高速钢(W6Mo5Cr4V2)

Φ15.3mm×120mm冲头经普通淬火和强烈淬火后,其使用寿命列于表2,强烈淬火可使冲头寿命提高1~3倍。强烈淬火可使GCr15钢制模具寿命提高1倍。

▼表2  自动成型机冲头寿命

    


三、强烈淬火设备

     强烈淬火技术要求有合适的淬火设备和合适的淬火介质。淬火介质包括加压的水流、含有添加剂的水溶液或液氮。近年应用较多的是喷射水流的应用,根据工件形状设计特定的水喷射装置。

     早期有如下几例:

     图4是采用加压水流对汽车半轴进行强烈淬火的设备简图。


▲图4  汽车半轴强烈淬火设备

     整个淬火过程通过两个传感器控制。水流传感器5,用来分析淬火介质膜沸腾的过程和泡沸腾的过程,并控制水流量和水流速度,相变传感器6,分析相变产物的比例来控制工件的装卸,其分析原理是基于马氏体转变导致铁磁性的变化而实现的。在该设备上采用了两种方法使工件表面获得了最大残留压应力,此时相变传感器6指示了特定的磁性的产生,表示发生了马氏体相变,转变多少。水流传感器5则通过调节水流速度的方法使膜沸腾期最短。第二种方法是水流传感器指示泡沸腾期的开始和结束,而相变传感器则控制水流压力并确定强烈淬火何时结束,以便使形成马氏体的量少于30%。

      这一技术国内已有企业已成功应用于以42CrMo材料的汽车半轴调质感应加热淬火过程,多项性能指标的对比结果几乎没有其他技术可与之匹敌。

     图5,是一个强烈淬火试验系统简图。

▲图5  强烈淬火装置简图

      该系统由装满淬火介质的淬火槽和浸入的(immesd)U形钢管组成。由调速电动机驱动的搅拌杆通过U形管搅动淬火介质。电动机的最高转速为500/min,相应的淬火介质流速为1m/s。钢件淬火在U形管的垂直部分进行。工件经奥氏体化加热后,置于料盘沿着导向棒快速进入U形管的装料区(淬火槽),并在该位置完成淬火。使用该设备对五齿链轮(见图6)进行了强烈淬火试验。

▲图6  五齿链轮

链轮材料为AISI86B30钢

(wt:0.27%~0.3%C-0.15%~0.35%Si-0.60%~0.95%Mn-0.35%~0.65%Cr-0.15%~0.25%Mo-0.35%~0.75%Ni-0.0005%-0.003%B)。其常规热处理工艺为:在保护气氛下于885°C加热30min淬油,232°C回火2h。技术要求表面硬度46-50HRC,淬硬层深2-3mm。上述工艺热处理后工件表面的平均硬度为48HRC,但硬度不够均匀,硬度散差为4HRC;在相同温度加热保温后,淬入高速流动(1m/s)的水和5%聚合物水溶液(温度27-30°C)里进行强烈淬火。水淬火两个工件的平均表面硬度为52HRC,最大硬度散差为2.1HRC,聚合物水溶液淬火工件的平均表面硬度度,为50HRC,最大硬度散差为0.8HRC。强烈淬火的工件均末开裂,并获得了更高、更均匀的表面硬度和更深的淬硬层。

     强烈淬火技术也在多个领域得到成功应用。例如:履带式工程车、推土机的履带板,过去使用40SiMn2中碳合金钢或ZGMn13、ZG30Mn2Si铸钢制造。后来广泛地被25MnB这种低碳合金硼钢轧制型材取代,其调质工艺中的淬火过程就是应用了强烈淬火技术,尤以美国“卡特彼勒(Caterpillar,CAT)工程机械的履带板最为典型。履带板自辊底加热出料,快速通过上下剧烈喷水的喷板通道中,在十几秒的时间内即完成剧烈淬火,再进入回火炉回火。履带板重量比当时国产的减半,而寿命却提高1倍还多。


  


      本公众号曾在紧固件科普篇(一)中提到过,45钢制M10螺栓淬水或淬盐水容易裂,换做25%氢氧化钠溶液后开裂现象消失。这其实就是增大淬火冷却速度,开裂反而消失的现象,氢氧化钠溶液是无机物溶液中冷速最高的淬火介质,且200℃以下的冷速又远低于水。M8、M10、M12、m14等45钢制螺栓,其直径正好都处在45钢淬水易开裂的7-16mm尺寸范围内,而换做水喷射淬火或氢氧化钠溶液淬火,开裂问题便可得到解决。氢氧化钠为危化品,其溶液做淬火液有化学灼伤危险,一般很少采用,而喷射水流淬火可以通过压力、流量的控制,在很大范围内控制冷却速度,在一些特定场合取得了很好的应用效果。

      低碳钢、低碳低合金钢由于开裂倾向小,可以试验尽可能大的冷速来探讨更优异的性能,有时候可以替代中碳中合金钢调质处理。

      其实,感应加热后喷射冷却应属于强烈淬火,尤其用水做淬火介质的工件,其超硬度(相同材料比常规淬火硬度高的想象),以及高耐磨性,和开裂现象并不凸显个工艺效果,都反映的是强烈淬火的特点。

      但必须说明的是,强烈淬火可以避免开裂的理论有悖于大多数习惯性认知,也并不是所有场合都适用。只有在产品对象明确,试验条件充分,分析结果确切,试验验证有效以后才能展开实施。

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