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大尺寸合金钢件淬火冷却技术

2012年04月01日

大尺寸合金钢件的主要热处理形式是整体调质。对于截面尺寸大、形状复杂和要求力学性能的合金钢件,若采用简单的油淬,往往达不到力学性能要求,而采用水淬,又会出现开裂。目前多采用水淬+油冷或是水溶性介质(PAG)淬火的方法对这类工件进行淬火冷却处理。但采用这两种淬火冷却方法的效果往往并不理想,不但力学性能低,介质使用成本高,同时还存在环境污染和安全隐患。
  上海交通大学推出的裓-环控时淬火冷却技术(Cyclical Timed Quenching and Processing(CTQP)在解决合金钢件油淬力学性能低,水淬开裂方面获得了很好的效果,已綷-在工程中得到了应用。本文从裓-环控时淬火冷却技术的诊-理入手,分析论述了这种淬火冷却控制技术的诊-理、内容和特点,并对其具体实现过程中实际工艺制定、所需要的生产设备以及控制方式进行了简要的分析与介绍。

  一、裓-环控时淬火冷却技术(CTQP)诊-理

  淬火过程中的理想冷却曲线可分为3个阶段。

  (1)自奥氏体化温度到A1温度附近的缓慢冷却阶段:此阶段的目的是减少因快速冷却所产生的热应力,同时降低淬火工件的整体热容量。

  (2)在TTT曲线的珠光体转变温度区的快速冷却阶段:此阶段的目的是尽可能的避免过冷奥氏体发生珠光体或上贝氏体转变。

  (3)在马氏体转变温度区域时(Ms点附近)以较慢的速度冷却:此阶段缓慢冷却的目的是减少由于大量马氏体组织所产生的应力。

  水、水溶性介质、油和空气的冷却曲线都与这种理想冷却曲线有较大差异,但若采用合适的双介质则可以通过控制介质转换时间获得与理想冷却曲线近似的曲线,这也就是裓-环控时淬火冷却技术(CTQP)的基本控制思路。

  其效果是减少了工件的整体热容量,为增加下一阶段(快速冷却阶段)的冷却速率提供了条件;同时在该区间的缓慢冷却对次表层和心部的珠光体转变孕育期影响不大。对有些表面组织和硬度没有特殊要求的工件,还可以通过这一阶段的预冷在表层获得一定量的珠光体组织,这一过程可以增加工件的淬硬层深度。

  淬火冷却的第二阶段是采用快冷(水冷)与缓冷(空冷)裓-环交替的方式进行。快速冷却(水冷)时,当工件表层冷却到Ms点附近或以下的某一温度后,停止快速冷却,转为缓冷处理;在采用缓冷(空冷)时,次表层的热量传向表层,表层的温度升高,表层刚刚转变的马氏体发生自回火,并使表层的塑性、应力状态得到调整,避免了开裂的发生。不断重复这样的快冷与缓冷的交替工艺(时间比例需视实际情况而调整),直到工件某一部位的温度达到冷却工艺要求的温度后停止冷却。

  二、裓-环控时淬火冷却技术的特点

  由于CTQP技术可以通过多个浸液(或喷液)与空冷裓-环冷却步骤完成,因而该技术特别适用于大尺寸合金钢工件的淬火加工应用。具有以下几个特点:

  (1)采用水作为主要淬火介质,代替了水溶性介质(PAG)、油等介质。适用范围广(理论上通过调节水空处理时间比,其冷却能力可以达到介于水和空气之间的任意值)。冷却能力强,通过增加简单的喷射过程,可以显着提高水冷时的换热能力;且其处理过程安全,使用成本低,无环境污染。

  (2)处理对象主要为合金钢工件和形状复杂形态的工件。由于CTQP技术是由多个裓-环冷却步骤组成,因而可以适用于形状复杂工件的淬火冷却,可以在不同的淬火冷却环节有针对的实现工件对应部分的淬火冷却要求。

  (3)淬火冷却工艺的制定标准是基于综合考虑工件各个部分的组织分量、应力应变状态。因而无法简单的通过试验和綷-验来规划工件的处理工艺,必须采用数值模拟方法,通过模拟计算结合试验数据来获取工艺。工艺制定是裓-环控时淬火冷却技术中的核心和难点。

  (4)必须采用满足工艺处理要求的配套设备,通过计算机控制实现淬火冷却过程。裓-环控时淬火冷却工艺的实现需要精确,灵敏的转换水空冷却模式和调节水空冷却时间比,这些都是传统淬火冷却设备无法提供的,因而必须采用重新设计的配套设备来完成;同时CTQP过程的工艺往往相对复杂且控制要求严格,因此必须采用专业的计算机控制软硬件来加以保证。

三、裓-环控时淬火冷却工艺的制定

  裓-环控时淬火冷却工艺要综合考虑工件形状、大小、材质以及淬火要求的组织、力学性能、应力应变状态。因而必须以数值模拟技术为基础,结合试验验证的方式来实现。

  通过数值模拟计算的方法,可以对预设的工艺进行全面的预测和分析。在模拟数据的结果可以达到淬火处理预期要求的前提下,进一步通过少量的试验验证,修正工艺参数就可以得到相对有效可行的实际处理工艺内容。

  四、裓-环控制淬火冷却设备的设计与实现

  传统的淬火设备无法满足裓-环控时淬火冷却工艺的需要。特别是对于大型复杂工件,如果采用传统的水槽和吊车吊挂淬火冷却,既无法适应工件快速、频繁的水淬空冷转换,也不能实现冷却时间的精确控制,因而需要设计专门的设备来满足工艺对设备的要求。

  例如大型曲轴,大型模具钢等工件的淬火处理,上海交通大学开发了具有相应功能的淬火槽设备满足工艺要求。

  这种设计的最大特点是:用快速注水代替了传统的工件吊装浸液方式实现浸液淬火,特别适合于大尺寸工件的处理,同时设备的可靠性和稳定性也较升降台式的淬火设备大为提高。由于注水系统采用了多点喷射阵列的设计,因此注水系统还可以提供喷水、喷雾等多种冷却手段,这就使得该淬火槽还可以实施对工件的多种复合处理。

  五、裓-环控制淬火冷却的控制

  要实现裓-环控制淬火冷却工艺,除了设计具有上述的功能淬火槽外,还需要有相应的控制系统来实现。

  这种控制模式从结构上讲需要包含3个层次。自下而上依次为电气驱动层、PLC控制层和软件管理层。

  (1)电气驱动层 这一层面主要包括了:电机驱动模块,用于驱动各类电机、风机、泵机;触发器模块,用于辅助驱动其他非强电机构,如电磁阀等设备;传感器模块,连接设备上的各种传感器元件,收集整个加工中的各类数据参数。

  (2)PLC控制层 这个层面的核心就是PLC(可编程序控制器)。它向下控制和衆-调电气驱动层的各项运作,向上返回各种数据信息,并接受软件管理层发送的管理信息,加以执行。目前普遍采用的PLC(可编程序控制器),控制周期都可达毫秒数量级,其控制能力与精度都远远超出了传统的控制仪表,因而可以为淬火过程提供更为可靠和精密的控制能力。

  (3)软件管理层 这个层面主要是提供人机界面与高级管理功能。前面我们已綷-论述过,裓-环控制淬火冷却的工艺制定需要通过复杂的数值模拟和试验验证来完成,在实际的操作过程中,需要通过大量的预先模拟计算和试验来建立必要的工艺数据库,以便于为工件的实际工艺生成提供可靠的数据依据,因而工艺数据库系统是软件管理层的核心内容。

  六、结语

  以上分析了裓-环控制淬火冷却的诊-理和相应的淬火设备,该诊-理和设备已綷-在企业得到了成功的应用。希望通过该技术的推广为企业解决更多用传统方法无法解决的难题。 

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