[發(fā)明專利]勻速冷卻介質(zhì)及其在鍛后控制冷卻過程中的應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310451423.0
• 申請日: 2013-09-27
• 公開（公告）號: CN103789520A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 聶曉霖;左永平
• 申請（專利權(quán)）人: 南京科潤工業(yè)介質(zhì)股份有限公司
• 主分類號: C21D1/84
• 分類號: C21D1/84;C21D1/60
• 代理公司: 南京知識律師事務(wù)所 32207
• 代理人: 胡玲

技術(shù)領(lǐng)域

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)

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，但目前國內(nèi)機(jī)械行業(yè)三者之間存在明顯的割裂問題，不能進(jìn)行有效配合。可以簡單理解為，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。

目前困擾熱處理的主要問題是力學(xué)性能不足和變形問題，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題，僅僅通過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)案例不是能簡單通過熱處理設(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)的問題。

力學(xué)性能不足和變形問題都跟相關(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熱處理是無法有效解決的，需通過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。

通過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)對于最終產(chǎn)品的性能并沒有益處，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，顯微偏析問題不可能有效解決。

目前機(jī)械行業(yè)普遍存在力學(xué)性能不足的問題，其中帶狀偏析和心部組織過熱帶來的問題尤為突出。

這種冶金或鍛造遺傳組織跟兩相區(qū)的冷卻過程密切相關(guān)，該遺傳組織對于產(chǎn)品的質(zhì)量及服役壽命產(chǎn)生極大的危害：

（1）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；

（2）沖擊韌性較差，在惡劣的服役環(huán)境下產(chǎn)品壽命較差；

（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。

實(shí)際上我們一般觀察到得帶狀組織主要是鍛后冷卻過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”。

常見的帶狀組織缺陷本質(zhì)上是由于鑄造成型過程中的枝晶偏析引起，該顯微偏析在軋制或鍛造成型過程中沿軋制方向遺傳下來，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提高終鍛溫度、增大鍛造比、擴(kuò)散退火等方法來減輕或避免。

鍛后冷卻過程中，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冷奧氏體。鋼中一般均含有一定量的Mn、Cr、Ni、Mo等元素，這些元素均能顯著增加過冷奧氏體在珠光體區(qū)的穩(wěn)定性，增長了相變孕育期，也減慢了珠光體的形成速度，但對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)過程在奧氏體化后的冷卻過程中發(fā)生，冷卻越慢，先共析鐵素體轉(zhuǎn)變越充分，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℃以上，而合金元素則需要1100℃以上。

一般把鍛（軋）后控制冷卻過程分為三個(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。