感應淬火細化晶粒的工藝方法
【專利摘要】本發明涉及一種感應淬火細化晶粒的工藝方法，包括以下步驟：工件在環狀的感應器中預熱；預熱后立即進行感應加熱淬火，加熱淬火過程一邊加熱一邊噴水冷卻；感應加熱淬火次數為兩次以上。本發明將鋼由室溫加熱至常規淬火溫度下限，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變為多個奧氏體晶粒的傾向，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。本發明可應用于鋼材晶粒細化的熱處理。
【專利說明】感應淬火細化晶粒的工藝方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及熱處理領域，特別是涉及一種感應淬火細化晶粒的工藝方法。
【背景技術】
[0002]金屬材料是現代生產生活中用量最大、應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中尤其備受青睞。隨著國民經濟的發展和科學技術的進步，在產品設計和制造過程中，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部組織結構以獲得所要求性能的一種熱加工技術。在熱加工領域，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、效應高。
[0004]常見的細化晶粒的方法有鑄造領域的增加過冷度、變質處理和機械振動攪拌，還有諸多學者和技術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熱處理細化晶粒鮮有披露。
【發明內容】
[0005]為了克服上述技術問題，本發明的目的在于提供一種感應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]本發明所采用的技術方案是:
一種感應淬火細化晶粒的工藝方法，包括以下步驟:
I)工件在環狀的感應器中預熱；此處的工件為碳鋼或合金鋼，預熱溫度為碳鋼33(T370°C、合金鋼 39(T410°C。
[0007]2)預熱后立即進行感應加熱淬火，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變為多個奧氏體晶粒的傾向，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]作為上述技術方案的進一步改進，重復步驟I)和步驟2)，對工件進行多次感應淬火。每進行一次循環，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]作為上述技術方案的進一步改進，步驟2)中，采用連續加熱，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]作為上述技術方案的進一步改進，步驟I)中，感應器沿工件軸線作相對于工件的向下運動，步驟2)中，感應器沿工件軸線作相對于工件的向上運動。
[0012]作為上述技術方案的進一步改進，感應淬火結束后對工件采取低溫回火。回火溫度需根據工件要求的最終硬度來定，一般采取低溫18(T210°C回火。
[0013]作為上述技術方案的進一步改進，所述感應器具有上、下兩層相互貫通的空心結構的加熱圈，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周沿軸向均布設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，在感應器向上運動時，先由兩層加熱圈對工件感應加熱，同時供應冷卻液，使得加熱完畢的部位能夠即刻通過噴液孔進行噴液冷卻，達到在一個感應器中完成兩項工作的要求，簡化了熱處理的設備和工序。感應器向下運動預熱工件時，加熱圈內不通水。
[0014]該感應器制成雙圈的形式相對單圈來說加熱充分而且均勻，相對三圈在連續加熱淬火時也表現出優勢，冷卻及時有效。
[0015]作為上述技術方案的進一步改進，所述相鄰噴液孔的間距為噴液孔孔徑的1.5?
2.5倍。在保證加熱圈結構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]本發明的有益效果是:本發明將鋼由室溫加熱至常規淬火溫度下限，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變為多個奧氏體晶粒的傾向，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]下面結合附圖和實施方式對本發明進一步說明。
[0018]圖1是本發明的感應器的俯視圖；
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為工件調質后的晶粒度照片；
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質處理(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加熱設備: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所示的感應器。感應器采用截面長度15mm、寬度10mm、壁厚0.5mm的紫銅管制作。感應器具有上、下兩層相互貫通的空心結構的加熱圈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內周沿軸向均布設有與加熱圈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內圓周與工件加熱部位的間隙為8mm。
[0022]2、將調質狀態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器內，中頻感應淬火前都需機上預熱，預熱溫度約為380 0C，預熱完畢即刻進行感應淬火。
[0024]4、調節中頻設備各電參數、熱參數、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]先機上預熱，感應器向下行走，走速1.0mm/s,然后感應器向上行走連續加熱、即刻噴水冷卻,感應器走速1.2mm/s,感應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預熱后加熱六次，每次都一邊加熱一邊噴水冷卻，水壓0.15Mpa ；
現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，根據硬度要求，在3h之內入爐回火。
[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，其實施結果如下:
1.Wl表面硬度54.5HRC，心部維持260HVa2,15不變，感應淬火層深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，感應淬火層深DS ^ 7mm，如圖12和圖13所示。
[0029]2.如圖4所示,感應淬火前(調質態)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。
[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%的碳素結構鋼或合金鋼，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質狀態的強度、塑性和韌度。
[0032]經中頻多次感應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、表面產生有壓應力效果(從表層硬度梯度可說明)的優勢外，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性能，延長其使用壽命，將為相關機械裝備制造企業帶來利潤增加、成本降低的可觀前景。
[0033]以上所述只是本發明優選的實施方式，其并不構成對本發明保護范圍的限制。
【權利要求】
1.一種感應淬火細化晶粒的工藝方法，其特征在于，包括以下步驟: O工件在環狀的感應器中預熱； 2)預熱后立即進行感應加熱淬火，加熱淬火過程中一邊加熱一邊噴水冷卻。
2.根據權利要求1所述的感應淬火細化晶粒的工藝方法，其特征在于:重復步驟I)和步驟2)，對工件進行多次感應淬火。
3.根據權利要求1所述的感應淬火細化晶粒的工藝方法，其特征在于:步驟2)中，采用連續加熱，并立即對加熱后的部位噴液冷卻。
4.根據權利要求1所述的感應淬火細化晶粒的工藝方法，其特征在于:步驟I)中，感應器沿工件軸線作相對于工件的向下運動，步驟2)中，感應器沿工件軸線作相對于工件的向上運動。
5.根據權利要求1或2或3或4所述的感應淬火細化晶粒的工藝方法，其特征在于:感應淬火結束后對工件采取低溫回火。
6.根據權利要求1所述的感應淬火細化晶粒的工藝方法，其特征在于:所述感應器具有上、下兩層相互貫通的空心結構的加熱圈，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周沿軸向均布設有與加熱圈軸線成一夾角的噴液孔。
7.根據權利要求6所述的感應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 優先權日:2014年10月22日
【發明者】高陽, 張小聰, 張達省, 余榮杰, 陳國輝, 葉春生 申請人:廣州市機電工業研究所