[发明专利]制定水-空交替控时淬火冷却工艺的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种对合金钢进行淬火冷却的工艺，具体地，涉及一种制定水-空交替控时淬火冷却工艺的方法。

背景技术

淬火回火是一种传统的工艺，它将合金钢件加热到奥氏体区，然后淬火冷却至室温以获得马氏体组织，随后在合适的温度进行回火以获得回火马氏体体组织。对于合金钢淬火一般采用油作为淬火介质，目的是避免开裂，存在的问题是油淬的力学性能远低于水淬,同时油淬存在油烟污染和发生火灾的危险。因此，合金钢件水淬是未来的发展方向，水淬工艺推广的前提是解决水淬开裂的问题。

经对现有技术文献检索发现，陈乃录、左训伟、徐骏、张伟民.数字化控时淬火冷却工艺及设备的研究与应用.金属热处理，2009，34(3):37-42文章提出水-空交替控时淬火冷却工艺。具体方法是将淬火冷却分三个阶段进行：第一阶段为预冷阶段，第二阶段为水-空交替淬火冷却阶段，第三阶段为自然空冷阶段；在预冷阶段，合金钢件采取空冷的方式进行缓慢冷却，直到合金钢件表面冷却到A1以上或以下的某一温度区间，其结果是减少了合金钢件的热容量，加速了第二阶段的冷却效果；在水-空交替淬火冷却阶段，采用快冷（水冷）与慢冷（空冷）交替的方式进行，合金钢件在第一次水淬过程中，合金钢件表层快冷到Ms点以下某一温度并保持一定时间后，在表层获得部分马氏体；合金钢件在第一次空冷过程中，次表层的热量传向表层，使表层的温度升高，结果是表层刚刚转变的马氏体发生自回火使表层的韧性和应力状态得到调整，避免了表层马氏体组织产生开裂；然后再重复水与空气的交替淬火冷却，直到合金钢件某一部位的温度或组织达到要求；完成第二阶段淬火冷却后，将合金钢件放置在空气中进行自然冷却，直到合金钢件的心部温度低于某一值后进行回火。该文献技术对于避免合金钢件开裂有明显效果，但是具体制定第二阶段水-空交替淬火冷却工艺的方法没有进行详细的描述，而这一阶段的工艺制定是淬火对象获得要求性能和避免开裂的关键。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种制定水-空交替控时淬火冷却工艺的方法，该方法实现在避免开裂的前提下提高合金钢件的强度和韧性的目的。

为实现以上目的，本发明提供一种制定水-空交替控时淬火冷却工艺的方法，具体步骤如下：

第一步、根据合金钢件性能检测部位和具体的性能要求，预测获得要求性能部位的组织构成；

第二步、结合合金钢件材料的过冷奥氏体等温冷却转变曲线（TTT曲线）或过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT）得到获得该组织的达到某一温度的最长冷却时间或最小冷却速率；

第三步、将合金钢件沿截面从表面到中心划分为控制冷却速度区域和缓速降温区域，即：从合金钢件表面到要求性能部位为控制冷却速度区域，由要求性能部位到心部为缓速降温区域；控制冷却速度区域冷却的目的是通过控制冷却速度获得预期的组织进而满足力学性能要求，缓速降温区域冷却的目的是通过缓慢冷却避免控制冷却速度区域已经转变的马氏体或贝氏体组织因温度回升过高而发生过回火；

优选地，此步骤中，对于有些材料也可以将合金钢件沿截面从表面到中心全部划分为控制冷却速度一个区域。例如：对于718塑料模具钢，要求沿整个截面获得马氏体和贝氏体组织，这就需要将其沿截面从表面到中心全部划分为控制冷却速度一个区域。

第四步、确定控制冷却速度区域水-空交替的次数和每次具体的水冷时间和空冷时间，具体方法如下：

（1）将快冷区域划分为多个等距离层或多个不等距离层，例如F1层（表层）、F2层（内层1）、F3层（内层2）、……、Fn层（要求性能的部位）；

（2）依据合金钢件材料的过冷奥氏体等温冷却转变曲线（TTT曲线）或过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT）和表面换热系数等参数对合金钢件在冷却过程的温度场、组织场和应力/应变场进行数值模拟，通过模拟确定在F1、F2、F3、……、Fn各层水冷时间和空冷时间；

（3）各层水冷时间和空冷时间确定原则是：①F1、F2、F3、……、Fn的各层水冷时间和空冷时间总和应小于或等于获得预期组织的最长冷却时间；②具体各层的水冷时间是根据对热应力和组织应力数值模拟情况，确定在应力远小于破断抗力情况下的水冷时间；③各层的空冷时间的确定是根据数值模拟结果，分析该空冷过程中该层到表层的温度回升情况，以不超过回火温度为原则；

（4）反复对上述（1）、（2）和（3）的各层水冷时间和空冷时间优化，最终确定制定控制冷却速度区域水-空交替的次数和每次具体的水冷时间和空冷时间；