一种中低碳钢水-沙淬火介质及其淬火工艺

技术领域

本发明属于金属热处理技术领域，具体涉及一种中低碳钢水-沙淬火介质及其淬火工艺。

背景技术

淬火介质是实施淬火工艺的重要保证，对金属材料热处理后工件具有很大的影响，目前淬火介质主要有水、油、盐碱等。水是应用最早、最广泛、最经济的淬火介质，它价廉易得、无毒、不燃烧、物理化学性能稳定、冷却能力强。通过控制水的温度、提高压力、增大流速、采用循环水、利用磁场作用等，均可以改善水的冷却特性，减少变形和开裂，获得比较理想的淬火效果。但由于这些方法需增加专门设备，且工件淬火后性能不是很稳定，所以没有能得到广泛推广应用。所以，水只适合于少数含碳量不高、淬透性低且形状简单的钢件淬火之用。多数工件用水淬火易开裂，淬裂的原因是众所周知的:水的低温冷却速度太快。这是纯水的一大缺点，因为水温升高，冷却的蒸汽膜阶段会迅速延长，使这种因素引起的内应力长期存在，为产生变形提供了塑性好、应力大和作用时间长的条件，因此不仅引起严重的硬度不均，更会加大工件的淬火畸变。水的冷却特性对水温特别敏感。

淬火油通常以精制程度较高的中性石蜡基油为基础油，它具有闪点高、粘度低、油烟少，抗氧化性与热稳定性较好，使用寿命长等优点，淬火油只使用于淬透性好、工件壁厚不大、形状复杂、要求淬火变形小的工件。但是淬火油对周围环境的污染大，淬火时容易引起火灾。盐水或碱水淬火介质可以起到破坏蒸汽膜的作用，但是盐具有腐蚀性，经过盐水或碱水淬火的工件易生锈，其次工业盐或碱对人体有害、污染土地，在后期处理废弃的淬火液时，需要其他的化学物质或相关的工业设备。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种中低碳钢水-沙淬火介质及其淬火工艺。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种中低碳钢水-沙淬火介质，由水和细沙组成，所述水和细沙的质量比为1.1:1～1.6:1。

上述方案中，所述细沙为河沙、海沙、或山沙。

上述方案中，所述细沙的粒径为30目～40目。

采用上述中低碳钢水-沙淬火介质的中低碳钢淬火工艺，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将中低碳钢加热至淬火温度，保温一段时间；

(2)随后将中低碳钢放至水-沙淬火介质中，匀速、充分搅拌淬火冷却后室温下自回火。

上述方案中，所述淬火温度为780～860℃，所述保温时间为10min～20min。

上述方案中，所述保温时间为10min～15min。

上述方案中，所述淬火冷却后的温度为180～220℃。

上述方案中，所述中低碳钢与淬火介质的质量比为1:12-1:15。

本发明中，室温自回火后的中低碳钢先用砂纸将表面的氧化膜和碳脱皮打磨掉，然后采用洛氏硬度计进行硬度测试。

淬火工艺是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后快速冷却以获得高硬度的马氏体的热处理工艺。马氏体一种很硬的组织，其硬度取决于含碳量，含碳量越高，马氏体的硬度越大。要想得到马氏体，淬火冷却速度必须大于临界的冷却速度，否则会开裂或者变形。中碳钢在水淬火时，由于温度较高，水会在材料周围会以蒸汽膜存在，蒸汽膜延缓了淬火时的冷却速度。可见，在淬火时破坏蒸汽膜，能提高冷却速度，保证碳钢硬度，极大解决中低碳钢的现存问题。水是冷却能力较强的淬火介质。来源广、价格低、成分稳定不易变质。缺点是在C曲线的“鼻子”区(500-600℃左右)，水处于蒸汽膜阶段，冷却不够快，会形成“软点”，钢在具有物态变化的冷却介质中淬火，在表面某些部位产生硬度较低的屈氏体或贝氏体，向内逐渐减少，而马氏体由表面向里逐渐增多，硬度由表向里也逐渐提高。这些表面硬度较低的部位称之为软点。软点的存在，极大影响了工件的硬度，满足不了一般的工业要求。分析C曲线可以发现，马氏体转变区(300-100℃)，这时的水处于沸腾阶段，冷却太快，易使马氏体转变速度过快而产生很大的内应力，致使工件变形或者开裂。

本发明提供一种“水-沙”固液淬火介质，在水急剧汽化(蒸汽膜阶段)时，沙子沉积在工件的表面，作为气泡的核心，沙粒在与炽热金属接触时会爆裂，破坏蒸汽膜，增强冷却能力，避免形成“软点”，提高硬度；在300-100℃(沸腾阶段)时，由于温度相对蒸汽膜阶段较低，沙粒附着在工件的表面，延缓了冷却速度，马氏体转变速度也被延缓，减小了内应力，防止了工件的变形甚至开裂。所以“水-沙”固液结合的淬火介质，可以解决水淬火工件硬度不足、变形开裂问题，同时兼具易得、经济、环保的特点；在另一方面，这种淬火介质优化了工艺流程，节约了能源，具有重要的意义和应用前景。

本发明的有益效果如下：(1)采用本发明所述水-沙淬火介质对中低碳钢进行淬火处理，可以有效地防止淬火软点的发生，提高硬度；可以有效地去除水在高温下汽化形成的蒸汽膜，在淬火处理过程中的不同温度区域，通过控制冷却速度，防止中低碳钢变形或开裂；(2)本发明水-沙淬火介质容易获得，价格便宜；在淬火过程中不会产生有害物质，废弃的淬火介质不用任何处理就可排放，不污染环境；(3)使用本发明所述水-沙淬火介质的中低碳钢淬火工艺，简单易操作，淬火的保温时间更短，具有节约能源、经济、环保的特点。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

采用水-沙淬火介质对中低碳进行淬火处理，具体操作包括如下步骤：

(1)配制水-沙淬火介质：水-沙淬火介质由1500ml水、1000g河沙组成，其中河沙的粒径为30～40目；

(2)将200g的中低碳钢的工件放入加热炉内，加热至860℃，保温20min；

(3)随后中低碳钢的工件放入水-沙淬火介质中，匀速、充分的搅拌大约3-5s冷却至180～220℃，室温下自回火。

将本实施例室温自回火后的低碳钢工件先用砂纸将表面的氧化膜和碳脱皮打磨掉，然后采用洛氏硬度计进行硬度测试，测试结果见表1。

实施例2

采用水-沙淬火介质对中低碳进行淬火处理，具体操作包括如下步骤：

(1)配制水-沙淬火介质：水-沙淬火介质由1100ml的纯水和1000g的海沙组成，其中海沙的粒径30-40目；

(2)将150g中低碳钢的工件放入加热炉内，加热至860℃，保温10min；

(3)随后将中低碳钢放至水-沙淬火介质中，匀速、充分的搅拌3-5s冷却至180～220℃，室温下自回火。

将本实施例室温下自回火后的中低碳钢工件先用砂纸将表面的氧化膜和碳脱皮打磨掉，然后采用洛氏硬度计进行硬度测试，测试结果见表1。

实施例3

采用水-沙淬火介质对中低碳进行淬火处理，具体操作包括如下步骤：

(1)配制水-沙淬火介质：水-沙淬火介质由1600ml的纯水和1000g的山沙组成，其中山沙的粒径30-40目；

(2)将200g中低碳钢加热至780℃，保温20min；

(3)随后将中低碳钢放至水-沙淬火介质中，匀速、充分的搅拌3-5s后冷却至180～220℃温度，室温下自回火。

将本实施例室温自回火后的中低碳钢工件先用砂纸将表面的氧化膜和碳脱皮打磨掉，然后采用洛氏硬度计进行硬度测试，测试结果见表1。

对比例

采用水-沙淬火介质对中低碳钢进行淬火处理，具体操作包括如下步骤：

(1)以1500ml的水作为淬火介质；

(2)将100g中低碳钢工件加热至860℃温度，保温20min；

(3)随后将中低碳钢工件放至水淬火介质中，匀速、充分的搅拌淬火冷却至180～220℃，室温下自回火。

将对比例中室温自回火后的中低碳钢工件先用砂纸将表面的氧化膜和碳脱皮打磨掉，然后采用洛氏硬度计进行硬度测试，测试结果如下表1。

表1工件的测试硬度

表1的结果表明：采用本发明所述淬火介质及其淬火工艺对中低碳钢进行淬火处理，获得的中低碳钢工件不容易产生软点，所述工件的硬度均有大幅提升。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。