金屬材料熱處理后的冷卻工藝【詳解】

熱處理是指金屬材料在固態(tài)下，通過(guò)加熱、保溫和冷卻的手段，改變材料表面或內(nèi)部的化學(xué)成分與組織，獲得所需性能的一種金屬熱加工工藝。熱處理是機(jī)械零件和工模具制造過(guò)程中的重要工序之一。熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個(gè)過(guò)程，有時(shí)只有加熱和冷卻兩個(gè)過(guò)程。淬火冷卻技術(shù)是指金屬材料與構(gòu)件被加熱到某一溫度后，按預(yù)定的方式和速率冷卻，以獲得預(yù)期的組織與性能的技術(shù)，包括淬火工藝及工藝優(yōu)化、淬火介質(zhì)及其性能評(píng)定、淬火裝置、冷卻過(guò)程及其參數(shù)控制、冷卻過(guò)程模擬及性能預(yù)報(bào)、淬火畸變、開(kāi)裂及殘余應(yīng)力控制。淬火冷卻屬于熱處理的基礎(chǔ)工藝。隨著技術(shù)的進(jìn)步，在淬火介質(zhì)評(píng)價(jià)、淬火冷卻過(guò)程機(jī)理研究、過(guò)程模擬和控制冷卻等領(lǐng)域取得了大量的研究成果。但是由于淬火冷卻過(guò)程十分復(fù)雜，存在的換熱介質(zhì)復(fù)雜變化不均勻的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的影響和構(gòu)件本身冶金成分分布不均勻的影響等等邊界條件和構(gòu)件本身不均勻性的影響，加大了對(duì)原本十分復(fù)雜的構(gòu)件內(nèi)部在瞬間發(fā)生的三場(chǎng)(溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)、應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng))交互作用的研究的難度。加之目前的檢測(cè)手段制約和對(duì)冶金機(jī)理認(rèn)識(shí)的欠缺，而使其研究和控制水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于熱處理的加熱過(guò)程，與目前飛速發(fā)展的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相比更是相形見(jiàn)絀。淬火冷卻工序比較突出的問(wèn)題有如下幾方面：1)工藝制定方面在企業(yè)，淬火工藝單通常是具有詳細(xì)的加熱規(guī)程，而淬火冷卻規(guī)程往往是非常簡(jiǎn)單的幾個(gè)字，如：水淬、油淬、聚合物介質(zhì)淬火。執(zhí)行這種簡(jiǎn)單的淬火冷卻規(guī)程，不同的操作人員或相同人員不同爐次的操作，其淬火件的力學(xué)性能、應(yīng)力狀態(tài)、畸變量等會(huì)有很大的差異。2)流速、溫度、濃度綜合影響下的介質(zhì)冷卻能力評(píng)價(jià)方面對(duì)淬火介質(zhì)冷卻能力的測(cè)量是評(píng)價(jià)介質(zhì)冷卻能力的一個(gè)重要方面。雖然國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織于1995年推出了ISO9950國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但是其測(cè)量結(jié)果仍局限于介質(zhì)之間的定性比較，其應(yīng)用受到局限。3)工藝執(zhí)行、記錄方面目前國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)的淬火槽都沒(méi)有配置對(duì)介質(zhì)攪拌狀態(tài)、介質(zhì)溫度變化、淬火開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間的實(shí)時(shí)控制、采集和記錄的設(shè)備，這些功能應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品處理過(guò)程的可控性和可追溯的基礎(chǔ)，這些基礎(chǔ)問(wèn)題不解決將無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)淬火冷卻過(guò)程的閉環(huán)控制。這些問(wèn)題不單在國(guó)內(nèi)企業(yè)存在，就是在發(fā)達(dá)國(guó)家也普遍存在。這些問(wèn)題看似不是十分復(fù)雜，但是由于熱處理行業(yè)的重加熱輕冷卻觀念的存在，加之存在淬火冷卻過(guò)程的復(fù)雜性方面的技術(shù)障礙，缺少一個(gè)貫穿淬火冷卻生產(chǎn)過(guò)程的技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)參照，而一直沒(méi)有得到解決[1]。淬火冷卻技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍編輯1)冷卻對(duì)象：金屬件(鋼、鋁)淬火冷卻、固溶處理中的冷卻。2)加熱方式：整體加熱(調(diào)質(zhì)工序的奧氏體化加熱、化學(xué)熱處理的加熱等)。3)介質(zhì)：水及水溶液、油、熱浴、空氣。4)冷卻方式：一次浸液、雙液淬火、斷續(xù)淬火(水-空交替淬火)、分級(jí)淬火、等溫淬火。5)介質(zhì)工作壓力：常壓。除非特殊規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)不適用于非浸液方式淬火冷卻、高壓氣淬、埋液淬火、壓力淬火的冷卻方式;除非特殊規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)不適用于表面加熱、真空加熱和局部加熱的加熱方式。淬火冷卻工藝制定與實(shí)施編輯隨著技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)淬火質(zhì)量要求的不斷提高，控時(shí)淬火技術(shù)逐漸被企業(yè)接受和采用，如強(qiáng)烈淬火技術(shù)[2]、水-空交替控時(shí)淬火冷卻技術(shù)[3]都是按照工藝要求精確控制浸液時(shí)間獲取最佳的性能。給出了制定淬火冷卻工藝具體要求，步驟如下：①按照列表收集淬火工件的原始資料；②按照所列項(xiàng)目選擇淬火介質(zhì)、淬火冷卻設(shè)備與淬火夾具；③制定淬火冷卻工藝；④淬火冷卻前進(jìn)行工藝適用性評(píng)估。其中，淬火冷卻工藝參數(shù)的制定可以利用淬透性估測(cè)法(定性方法)和數(shù)值模擬方法(定量方法)。1)淬透性估測(cè)法(定性方法)該方法是根據(jù)工件的端淬曲線、等效端淬距離、淬火烈度、淬火硬度與力學(xué)性能之間的關(guān)系確定。2)數(shù)值模擬方法(定量方法)隨著數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)步，目前對(duì)淬火冷卻過(guò)程的溫度場(chǎng)和組織場(chǎng)的模擬精度已經(jīng)可以用于指導(dǎo)制定淬火冷卻工藝。同樣數(shù)值模擬結(jié)果也需要結(jié)合實(shí)際檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行模型修正。發(fā)展趨勢(shì)編輯淬火冷卻工藝、介質(zhì)、裝備的發(fā)展是圍繞提高被淬火件的性能這個(gè)目標(biāo)而開(kāi)展的。雖然在淬火冷卻方面做了大量的工作，但是淬火冷卻的諸多方面仍是制約熱處理質(zhì)量提高的短板。因此，淬火冷卻領(lǐng)域仍存在著巨大的變革空間，預(yù)計(jì)將在下述幾個(gè)方面發(fā)生變革。1)數(shù)值模擬將會(huì)迅速和大面積地被用于工程層面的工藝制定、淬火設(shè)備流場(chǎng)模擬、性能預(yù)測(cè)等方面。在21世紀(jì)熱處理與表面工程的淬火冷卻技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展中，旨在減小畸變的淬火冷卻設(shè)備流場(chǎng)設(shè)計(jì)方面流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)(CFD)的應(yīng)用將逐漸增多。國(guó)內(nèi)某大型企業(yè)在齒輪淬火冷卻設(shè)備招標(biāo)的標(biāo)書(shū)中也明確要求供應(yīng)商需具備流場(chǎng)模擬能力。2)圍繞提高淬火件性能、減小畸變、降低成本和清潔環(huán)保等目標(biāo)，會(huì)催生出新的工藝、介質(zhì)和裝備。控時(shí)淬火、水-空交替控時(shí)淬火、強(qiáng)烈淬火等工藝方法將有很好的應(yīng)用前景[4]。納米介質(zhì)(納米介質(zhì)是指在常規(guī)的水、油、水溶性聚合物介質(zhì)等流體中參雜納米級(jí)顆粒，在超聲或其它手段的作用下將納米級(jí)顆粒分散在流體中)由于納米級(jí)顆粒表現(xiàn)出根本不同于傳統(tǒng)流體的傳熱性能和能明顯改善潤(rùn)濕運(yùn)動(dòng)學(xué)，在減小畸變和降低開(kāi)裂傾向方面具有研究空間。3)具有精確執(zhí)行工藝和工藝全過(guò)程記錄功能的數(shù)字化的淬火冷卻裝置將被逐步