专利名称：钢的热处理量化水淬火方法
技术领域：
本发明属于一种钢的热处理淬火方法，该方法通过对水基淬火介质的量化控制调整其冷却特性，满足钢件的淬火需要，实现钢件热处理淬火冷却过程的精确控制。
背景技术：
钢的热处理淬火技术有着悠久的历史，自从钢出现以来就有了钢的热处理技术，至今仍有着广泛应用，只要有钢的生产就离不了钢的淬火技术。淬火使钢件的强度、硬度等性能大幅度提高，使钢件具有了所希望的性能。一般而言，钢的热处理是将钢件加热到一定温度，保温一定时间后，以适当的速度冷却的一种操作。以适当速度冷却是保证热处理淬火质量的关键。长期以来，实现这一目的主要靠正确的选择和使用淬火冷却介质。常见的淬火介质有气态、液态、固态和混合态几种，其中最常见的是液态淬火介质，液态淬火介质主要分为水基淬火介质和油基淬火介质两大类。水基淬火介质是以水为主添加不同成分的其它物质形成的淬火剂。水是一种无任何添加物的水基淬火介质，它取用方便，价格低廉，而且物理化学性能稳定，无毒，不燃烧。水的冷却能力很强。水基淬火介质除水外，大致可分为无机物水溶液淬火剂和有机聚合物淬火剂两类。无机物水溶液淬火剂是水中加入无机盐、碱或其混合物形成的无机物水溶液。该类淬火剂可以提高工件在高温区的冷却速度，改善冷却均匀性，使钢件淬火后获得较高的硬度，减少开裂和变形。由于无机物水溶液淬火剂具有良好的冷却能力，工件淬火开裂少，变形小，几乎无污染，因此在热处理冷却技术中具有重要地位。但无机物水溶液淬火剂冷却速度较大，难以在高、中碳合金钢件中应用。有机聚合物淬火剂火中含有各种类型的有机化合物、高分子聚合物以及适量的防腐剂和防锈剂，并且大多制成不含水的浓缩液出售，使用时根据需要加水稀释成不同浓度的溶液，可以得到介于水～油之间或比油还慢的冷却能力，具有很大的灵活性。有机聚合物淬火剂的冷却速度受浓度、使用温度和搅拌三个因素的影响。杂质对有机聚合物淬火剂的使用性能和淬火结果影响也很大，液态杂质(浓缩油/乳化防腐油等)会改变淬火剂冷却速度，破坏防锈性能；固态杂质(碳黑、氧化皮等)，气体杂质(氧、二氧化碳等)对淬火效果影响大。有机聚合物淬火剂的淬火质量与淬火剂本身质量和操作水平有很大关系，有时不太稳定。
不论是水基淬火介质还是油基淬火介质，都难以实现淬火过程的精确控制。在热处理淬火过程中，钢件的加热温度和保温时间甚至加热时的炉内气氛都可以实现精确控制，可以保证生产质量，只有热处理的淬火冷却过程难以实现精确控制，这是由热处理的淬火操作方式和淬火介质的冷却特性决定的。现行的热处理淬火操作方式，一般是将加热保温的工件浸入装有淬火介质的淬火槽中冷却淬火，冷却过程中可能有三种方式，一种是工件与介质均静止不动，一种是工件运动，再一种是介质运动(搅拌、喷流等)。这些淬火操作方式是很粗放的，难以进行精确控制。淬火介质的冷却特性是在淬火之前选定的，用油基淬火介质，则有一个淬火油槽，用水基介质则有一个淬火水槽，由于热处理工件往往不是单一的，热处理生产企业都会配有淬火水槽和淬火油槽，但大多数企业都不会根据淬火工件的具体要求频繁更换水基淬火剂或淬火油，而只能粗略选择用油淬还是用水淬。淬火介质的冷却特性并不是固定不变的，受温度、成分、运动状态、杂质等多种因素影响，难以精确控制。不能实现热处理的精确控制，就难以完全保证热处理的生产质量，希望实现热处理冷却过程精确控制是热处理生产者长期追求的目标。除了精确控制之外，在热处理生产中还要求尽可能的降低生产成本，这是企业竞争发展的必然选择，而减少污染、净化环境，实现绿色环保热处理则是可持续发展的要求。钢的热处理量化水淬方法追求更精、更省、更净的目标，通过改变传统的热处理操作方式，量化控制影响淬火介质冷却特性的各种因素，实现热处理淬火冷却过程的精确控制，降低成本，净化环境。该方法符合现代工业可持续发展的趋势，具有广阔的推广应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种钢的热处理量化水淬方法，可以实现对钢件淬火冷却过程进行精确控制，对水或水基淬火介质进行量化控制，调整其冷却特性，使其满足淬火钢件的淬火冷却要求。
本发明的目的是这样实现的精确控制水基淬火介质的动态冷却特性，实现这一精确控制主要通过控制三个参数即淬火介质的质量与工件质量的比值K，淬火介质的初始温度Ts和淬火介质的成分；对淬火介质与淬火工件的质量进行量化控制，二者的质量比K值的控制范围在1.5～20；当淬火需要有较大的冷却速度时，K值选取较大的数值，当淬火工件要求较小的冷却速度时，选用较小的K值；对淬火介质的初始温度Ts进行量化控制，初始温度Ts的控制要与K值的选定结合进行，当淬火钢件需要较大冷速时，选用较低的初始温度；当钢件要求较小的冷却速度时，选用较高的初始温度；Ts的选择范围在10℃～100℃，K值较大时，淬火前后淬火介质的温度变化较小，K值较小时，淬火前后淬火介质温度变化越大；对淬火介质的成分进行控制，不同的添加物将影响介质的冷却特性，影响介质对温度的敏感性；在水能够满足淬火要求的情况下，不添加任何物质，当需要进一步提高冷速或增加高温区的冷却速度时，可以添加适量盐、碱等物质；当需要降低冷速或降低在300℃的冷速时，可以添加有机聚合物物质。
本发明通过对钢件淬火冷却过程的精确控制，扩大了水基淬火介质冷却特性的可调整范围，从而扩大了水基淬火介质的适用范围，在多数情况下，通过对水的量化控制可以达到与有机聚合物水溶液淬火剂相同的淬火效果，可以降低生产成本，减少各种添加物对环境的不利影响。简而言之，本发明有利于实现热处理生产的精确控制，能够有效降低成本，净化环境，符合可持续发展要求，具有良好的应用前景。
液态的淬火介质与淬火工件的热交换经历膜沸腾、泡沸腾和对流三个阶段，三个阶段的起止温度及介质传热能力决定了介质的静态冷却特性。工件在大量淬火介质中冷却时，淬火介质的温度在工件淬火前后变化不大，淬火时介质也没有产生明显的运动状态变化，工件与淬火介质的热交换取决于淬火介质的静态冷却特性。用适量水基淬火介质进行淬火冷却时，淬火介质的温度在工件淬火前后有明显变化，淬火过程中适量的淬火介质有明显的运动状态变化，温度与运动状态的变化改变了工件与介质的热交换过程，使三个阶段的起止温度和传热能力发生变化，从而使介质的实际动态冷却特性与静态冷却特性有较大差异。淬火介质的静态冷却特征是在标准条件下按照一定的标准方法测定的，在实际淬火操作过程中受各种因素影响，钢件的淬火冷却过程与淬火介质的冷却特征并不完全相符，淬火时需要凭经验操作。
本发明的显著特点是对钢件淬火冷却过程进行精确控制，这种精确控制是通过改变大量介质淬火的传统淬火方式，代之以对工件和淬火介质质量的量化控制，对介质温度和成分的量化控制实现的。该发明对淬火介质质量与钢件质量相对变化的冷却特性变化规律、淬火介质温度和成分变化对冷却特性的影响规律进行了创造性的研究，掌握了基本规律，通过三个量化控制参数对钢件淬火冷却过程实施精确控制。
这种方法在现有热处理生产条件下较容易实现，能够实现热处理淬火冷却过程的精确控制，扩大水和水基淬火介质的适用范围，有效降低热处理生产成本，净化环境，减少污染。本发明提供的对钢件淬火冷却过程精确控制的方法，是通过改变传统的淬火方式和精确控制淬火介质的动态冷却特性实现的。
具体实施例方式
在实施钢件热处理量化水淬方法时，第一步，应首先了解清楚钢件的成分、尺寸、形状、质量及淬火技术要求，根据淬火钢件的成分、尺寸、形状及淬火技术要求确定所需要的冷却特性。
第二步，根据淬火冷却特性的要求，以水和油为准，确定所需冷却速度。当所需的冷却速度比水的冷速更大时，选择水中添加盐、碱等物质增大冷速；若冷速很小，与油相近时，若有必要则加入降低冷速的添加剂；如果冷速在水与油之间，则用水做淬火剂。
第三步，根据淬火工件的质量和冷却要求，选定淬火介质的质量。淬火介质的质量多少由K值确定，K值的选择范围在1.5～20。当需要较大冷速时，取K值≥7，当需要较小的冷速时，取K值≤7。
第四步，选定淬火介质的初始温度Ts。在K值确定以后，需要相对较高的冷却速度时，选用较低的Ts值，Ts≤50℃；当需要相对较小的冷速时，选较高的Ts值，Ts≥50℃。
第五步，调整淬火工件和淬火介质的位置，使淬火水槽的形状足以保证淬火钢件完全没入适量淬火介质。
权利要求
1.一种钢的热处理量化水淬火方法，其特征在于精确控制水基淬火介质的动态冷却特性，实现这一精确控制是控制三个参数，即淬火介质的质量与工件质量的比值K、淬火介质的初始温度Ts和淬火介质的成分，对淬火介质与淬火工件的质量进行量化控制，二者的质量比K值的控制范围在1.5～20，当淬火需要有较大的冷却速度时，K值选取较大的数值，当淬火工件要求较小的冷却速度时，选用较小的K值，对淬火介质的初始温度Ts进行量化控制，初始温度Ts的控制要与K值的选定结合进行，当淬火钢件需要较大冷速时，选用较低的初始温度；当钢件要求较小的冷却速度时，选用较高的初始温度；Ts的选择范围在10℃～100℃，K值较大时，淬火前后淬火介质的温度变化较小，K值较小时，淬火前后淬火介质温度变化越大，对淬火介质的成分进行控制，不同的添加物将影响介质的冷却特性，影响介质对温度的敏感性，在水能够满足淬火要求的情况下，不添加任何物质，当需要进一步提高冷速或增加高温区的冷却速度时，可以添加适量盐、碱等物质，当需要降低冷速或降低在300℃的冷速时，可以添加有机聚合物物质。
2.根据权利要求1所述的一种钢的热处理量化水淬火方法，其特征在于具体步骤如下第一步，应首先了解清楚钢件的成分、尺寸、形状、质量及淬火技术要求，根据淬火钢件的成分、尺寸、形状及淬火技术要求确定所需要的冷却特性，第二步，根据淬火冷却特性的要求，以水和油为准，确定所需冷却速度。当所需的冷却速度比水的冷速更大时，选择水中添加盐、碱等物质增大冷速；若冷速很小，与油相近时，若有必要则加入降低冷速的添加剂；如果冷速在水与油之间，则用水做淬火剂，第三步，根据淬火工件的质量和冷却要求，选定淬火介质的质量，淬火介质的质量多少由K值确定，K值的选择范围在1.5～20，当需要较大冷速时，取K值≥7，当需要较小的冷速时，取K值≤7，第四步，选定淬火介质的初始温度Ts，在K值确定以后，需要相对较高的冷却速度时，选用较低的Ts值，Ts≤50℃；当需要相对较小的冷速时，选较高的Ts值，Ts≥50℃，第五步，调整淬火工件和淬火介质的位置，使淬火水槽的形状足以保证淬火钢件完全没入适量淬火介质。
全文摘要
本发明涉及一种钢的热处理淬火方法，对钢件淬火的冷却过程进行精确控制，对水基淬火介质进行量化控制，使其冷却特性在相当大的范围内可以根据需要进行调整，满足钢件的淬火要求，水基淬火介质的量化控制参数主要有水基淬火介质与淬火钢件的质量比K值，介质的初始温度Ts和介质的成分，质量比K值的调整范围在1.5～20，Ts的控制范围在10℃～100℃，水基淬火介质包含水和水中溶解或添加其它物质形成的水溶液或混合物，其成分根据需要确定，该方法在现有热处理生产条件下较易实现，可有效降低生产成本，净化环境，减少污染，实现精确控制。
文档编号C21D1/18GK1667135SQ20051001747
公开日2005年9月14日 申请日期2005年3月30日 优先权日2005年3月30日
发明者张文勇 申请人:中原工学院