一种1Cr17Ni2不锈钢螺杆及其热处理工艺
阅读说明：本技术 一种1Cr17Ni2不锈钢螺杆及其热处理工艺 (1Cr17Ni2 stainless steel screw and heat treatment process thereof ) 是由 李永茂 芦国齐 孙晨 王国先 于 2020-11-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种马氏体不锈钢1Cr17Ni2螺杆的热处理工艺开发及其改进方法,该工艺包括装炉工序、淬火工序、淬火冷却工序及回火、回火冷却工序。本发明通过改进淬火温度、回火温度、淬火介质等热处理工艺参数,大幅降低淬火、回火温度,将原有的油介质淬火改变为F2000水基液淬火,并严格控制水基液使用温度,将已奥氏体化的工件快速浸入到水基液中冷却,以获得马氏体转变的热处理工艺方法。本发明提高了1Cr17Ni2材料产品的力学性能指标,大幅提高了一次性合格率,合格率达到98%以上,由于大幅降低淬火、回火温度,大大降低了用电成本,解决了原先热处理零件因表面产生裂纹直接导致报废不能生产的难题,工艺改进后性能指标满足设计图纸要求。用水基液冷却,也避免了环境污染,降低了介质消耗成本。(The invention relates to a development and improvement method of a heat treatment process of a martensitic stainless steel 1Cr17Ni2 screw. The invention greatly reduces the quenching and tempering temperature by improving the heat treatment process parameters such as quenching temperature, tempering temperature, quenching medium and the like, changes the original oil medium quenching into F2000 water-based liquid quenching, strictly controls the use temperature of the water-based liquid, and quickly immerses the austenitized workpiece into the water-based liquid for cooling so as to obtain the heat treatment process method for martensite transformation. The invention improves the mechanical property index of 1Cr17Ni2 material products, greatly improves the one-time qualification rate, the qualification rate reaches more than 98 percent, greatly reduces the electricity consumption cost due to greatly reducing the quenching and tempering temperature, solves the problem that the original heat-treated parts can not be produced because the surface cracks directly, and the property index meets the requirement of design drawings after the process is improved. The water-based liquid is used for cooling, so that the environmental pollution is avoided, and the medium consumption cost is reduced.)
技术领域
本发明涉及一种1Cr17Ni2马氏体不锈钢类零件的热处理工艺，具体涉及一种将已奥氏体化的马氏体不锈钢1Cr17Ni2螺杆类零件用F2000水基液淬火冷却，完成马氏体转变的热处理工艺，属于热处理工艺技术领域。
背景技术
1Cr17Ni2材料是一种马氏体不锈钢，其具有较高的强度和韧性，淬透性也较好，还有明显的回火脆性。1Cr17Ni2材料被广泛使用在工程锚绞机刹车螺杆或螺杆类零件中，该材料技术要求一般为调质处理，设计图纸的性能指标参数一般为：抗拉强度Rm≥780Mpa，屈服强度Rp0.2≥590Mpa，延伸率A≥15%，冲击功Aku≥39J，硬度HB≥229。
常规的热处理工艺一般采用980～1000℃的淬火温度，保温后淬火，淬火冷却方式采用15#机油冷却。回火采用680℃的回火温度，冷却采用油冷。然而，常规热处理的淬火、回火温度高，耗能大，且淬火时油燃烧会排放大量的有害气体，对人的身体健康有很大影响，还严重污染环境。
更主要的是采用常规热处理方法处理后的零件综合机械性能非常差，往往不能满足设计要求，特别是冲击功达不到设计指标，合格率不及10%，且 表面产生裂纹，报废量非常大。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种不锈钢螺杆及其热处理工艺。
为了达到以上目的，本发明提供一种不锈钢螺杆，该不锈钢螺杆为1Cr17Ni2材料，含有以下质量百分比的组分：C 0.11～0.17%，Si≤0.80%，Mn≤0.80%，Cr 16.00～18.00%，Ni1.50～2.50%，P≤0.035%，S≤0.030%,其余为Fe及不可避免的杂质元素。
本发明提供了一种不锈钢螺杆的热处理工艺，该热处理采用调质工艺，包括以下步骤：
第一步、装炉工序，将需要处理的零件摆放在淬火工装上，再将淬火工装吊上备料台，设定好淬火参数后，用料车自动将淬火工装转运到箱式电阻炉的有效加热区内，自动开炉；
第二步、淬火工序，淬火温度为890℃～910℃，并根据保温时间公式t=α·κ·H确定保温时间，其中t为保温时间（单位min），α为零件在气体介质中加热时的保温系数（单位min/mm），κ为零件装炉方式调整系数，H为零件有效厚度（单位mm）； 淬火保温完毕后，对所述零件进行淬火冷却。
第三步、淬火冷却工序，采用F2000水基液对淬火后的零件进行冷却；
第四步、回火、回火冷却工序，零件在淬火处理后及时进行回火工序，零件回火温度以其硬度和机械性能确定；回火加热完毕后，对所述零件进行回火冷却。
本发明通过改进淬火温度、回火温度、淬火介质等热处理工艺参数，大幅降低淬火、回火温度，将原有的油介质淬火改变为F2000水基液淬火，并严格控制水基液使用温度，将已奥氏体化的工件快速浸入到水基液中冷却，以获得马氏体转变的热处理工艺方法。本发明提高了1Cr17Ni2材料产品的力学性能指标，大幅提高了一次性合格率，合格率达到98%以上，由于大幅降低淬火、回火温度，大大降低了用电成本，解决了原先热处理零件因表面产生裂纹直接导致报废不能生产的难题，工艺改进后性能指标满足设计图纸要求。用水基液冷却，也避免了环境污染，降低了介质消耗成本。
本发明进一步的采用如下技术方案：
第一步中，装炉时相邻两零件之间留有5～10mm的间隙，摆放在淬火工装上，然后将淬火工装吊上备料台，用料车自动将淬火工装转运到箱式电阻炉的均匀温区内。
所述第二步中，在升温中途进行一次保温工序或两次保温工序，一次保温工序的温度为650℃，两次保温工序的温度分别为400～450℃、650℃。
所述第二步中，利用较低的加热速度，当处于30℃/h的低温阶段～100℃/h的600℃以上高温阶段时，不进行中间保温。
所述第二步中，零件在气体介质中加热时的保温系数为1.5～2.0，当零件的直径小时取下限（即1.5），当零件直径大时取上限（即2.0）；装炉方式为室式炉装炉零件方式。
所述第三步中，淬火加热保温完成后进入淬火冷却工序，所述冷却介质为F2000水基液，淬火时工件用料车插入到F2000液槽液中进行冷却，同时将搅拌器打开；工件冷却至液温之前提出，以进一步减少淬火应力，防止产生开裂。
所述第三步中，所述F2000水基液的使用温度小于60℃，浓度控制在9%～12%，PH值控制在7～9。
所述第四步中，回火温度一般根据零件硬度或机械性能来确定, 常见螺杆类零件的抗拉强度Rm≥780Mpa ，屈服强度Rp0.2≥590Mpa,延伸率A≥15%,冲击功Aku≥39J,硬度HB≥229 时，回火温度为640℃～660℃；回火加热时间为同种加热介质中，一般不低于淬火加热时间的1.5倍，具体回火保温时间视实际生产情况（装炉方式及装炉量等因素）来确定。
所述第四步中，回火加热保温完成后进入回火冷却工序，所述回火冷却介质为F2000水基液。本发明开发出一种1Cr17Ni2材质的热处理新工艺，使用F2000液作为冷却介质，改进1Cr17Ni2材质热处理的各项参数指标，控制水基液的冷却方法，改善1Cr17Ni2材质的综合机械性能，以满足设计图纸及生产要求。
本发明采用F2000水基液作冷却介质，淬火、回火时不会产生烟气污染，避免了火灾危害，能保证人员及设备安全。并且F2000淬火液的蒸汽膜阶段很短，能够使工件上不同部位几乎同时迅速进入沸腾冷却过程，并形成较高的淬火冷却速度，而在冷却过程的低温阶段（也即对流冷却阶段），冷却非常缓和，减少了马氏体转变组织应力，大大降低了工件淬火变形和开裂的危险。
本发明通过将原有的油介质淬火改变为水基液淬火，将已奥氏体化的工件快速浸入到水基液中冷却，以获得马氏体转变的热处理工艺方法。这样不仅提高了螺杆类产品的力学性能指标，还提高了产品合格率，降低了返工成本，解决了生产难题，使其性能指标满足设计图纸要求，同时采用水基液冷却，也避免了环境污染，降低了介质消耗成本。经过生产实践，发现螺杆类零件使用F2000液淬火后力学性能合格率≥99%，从数据可以看出本发明能够有效地提高产品的合格率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明热处理工艺中加热温度与时间的关系图。
具体实施方式
实施例一
一种不锈钢螺杆为1Cr17Ni2材料，含有以下质量百分比的组分：C 0.11～0.17%，Si≤0.80%，Mn≤0.80%，Cr 16.00～18.00%，Ni1.50～2.50%，P≤0.035%，S≤0.030%,其余为Fe及不可避免的杂质元素。
一种不锈钢螺杆的热处理工艺，该热处理采用调质工艺，包括以下步骤：
第一步、装炉工序：将需要处理的零件摆放在淬火工装（淬火工件为吊框）上，再将淬火工装吊上备料台，用料车自动将淬火工装转运到箱式电阻炉的有效加热区内，该有效加热区测定方法的执行标准为：GB/T9452，在前台设定好参数后自动运行程序，自动开炉。
第二步、淬火工序：开始进行淬火处理，在淬火操作中，淬火温度为890℃～910℃；将1Cr17Ni2零件随炉升温至淬火温度，按要求保温一定时间，保温完毕后料车自动出炉，将零件自动转运到F2000淬火介质中进行淬火冷却。
由于零件在保温阶段加热停留的时间决定了零件热处理的质量，加热时间与工件的成分、形状和尺寸、加热速度、加热介质、加热方式、装炉方式、装炉量等因素有关，因此根据淬火保温时间公式t=α·κ·H确定保温时间，其中t：保温时间（min），α：钢在气体介质中加热时的保温系数（min/mm），见表1；κ：零件装炉调整系数，见表2；H：零件有效厚度（mm），见表3。
表1 钢在气体介质中加热的保温系数α
表2 零件装炉调整系数
表3 零件有效厚度H计算
H=D
H=h
第三步、淬火冷却工序：采用F2000水基液对淬火后的零件进行冷却。
第四步、回火、回火冷却工序：零件在淬火处理后应及时进行回火工序，回火温度应根据工件的设计力学性能要求（如硬度、强度、塑性、韧性等）等因素确定，零件回火温度以其硬度和机械性能确定；回火加热完毕后，对零件进行回火冷却。
第一步中，装炉时相邻两零件之间留有5～10mm的间隙，摆放在淬火工装上，然后将淬火工装吊上备料台，用料车自动将淬火工装转运到箱式电阻炉的均匀温区内。箱式电阻炉的设备等级为V级，控制精度为±10℃。
第二步中，在淬火操作中，为避免在加热过程中由于热应力过大造成变形和开裂，往往采用控制升温，即阶梯升温的工艺方法：在升温中途进行一次保温工序或两次保温工序，一次保温工序的温度为650℃，两次保温工序的温度分别为400～450℃、650℃；也可利用较低的加热速度，当处于30℃/h的低温阶段～100℃/h的600℃以上高温阶段时，不进行中间保温。零件在气体介质中加热时的保温系数为1.5～2.0，当零件的直径小时取下限（即1.5），当零件直径大时取上限（即2.0）；装炉方式为室式炉装炉零件方式。
第三步中，淬火加热保温完成后进入淬火冷却工序，所述冷却介质为F2000水基液，淬火时工件用料车插入到F2000液槽液中进行冷却，同时将搅拌器打开；工件冷却至液温之前提出，以进一步减少淬火应力，防止产生开裂。F2000水基液的使用温度小于60℃，浓度控制在9%～12%，PH值控制在7～9。
第四步中，回火温度一般根据零件硬度或机械性能来确定, 常见螺杆类零件的抗拉强度Rm≥780Mpa ，屈服强度Rp0.2≥590Mpa,延伸率A≥15%,冲击功Aku≥39J,硬度HB≥229 时，回火温度为640℃～660℃；回火加热时间为同种加热介质中，一般不低于淬火加热时间的1.5倍，具体回火保温时间视实际生产情况（装炉方式及装炉量等因素）来确定。回火加热保温完成后进入回火冷却工序，由于1Cr17Ni2材质具有第二类回火脆性，故而回火保温后应快冷，所述回火冷却介质为F2000水基液。
实施例2
本实施例分别以φ38×200mm、φ55×200mm、φ85mm×200mm三种毛坯螺杆试棒为例，进行F2000水基液为（淬火、回火过程中）冷却介质进行工艺试验。
本实施例中同样采用连调线箱式（氮气保护）电阻炉，设备等级为V级， 控温精度为±1℃。并采用与前述相同方式进行装炉。
热处理淬火加热温度为：900±10℃，随炉升温方式至淬火保温时间分别为：75分、100分、150分、热处理淬火冷却介质为F2000水基液，淬火前水基液温度为30℃ ，浓度测定为11%，PH值为7.8。为防止开裂，需控制出液温度，即淬火冷却2～3分后工件出液空冷。
回火温度及时间：回火温度为 650±10℃，保温时间分别为150分、180分240分；回火加热保温完毕后，采用F2000水基液为冷却介质，F2000水基液控制要求与淬火阶段相同。
上述工序完成后进行硬度测试：把经过热处理后的零件表面打磨抛光后，在TIME5106型便携式硬度机上进行硬度测试，结果见表1-2。
拉伸测试：经热处理后的零件按标准规定位置取样（线切割），加工成标准试样，室温下在WAW-600D 型微机控制电液伺服万能试验机上进行拉伸试验，结果见表1-2。
冲击测试：把经热处理后的零件按标准规定位置取样（线切割），加工成标准冲击试样，冲击试块三个，均为U型缺口，在JB-W300型数显摆锤式冲击试验机上进行常温冲击试验，测定冲击韧性值，结果见表4。
表4 测试结果
零件直径(mm)
硬度HB
Rm(Mpa)
Rp0.2(Mpa )
A（%）
Z（%）
Aku(J)（20℃）
φ38
239
831
703
19
60
112 118 115
φ55
245
850
734
17
60
120 120 114
φ85
250
853
760
18.5
59
108 111 112
本发明具有以下优点：
1、淬火、回火温度明显低于常规热处理，能耗大大降低；2、F2000水基液使用成本低廉，仅需要自来水中添加F2000，与水互溶达到配比要求后即可使用；3、无污染、安全，做到清洁生产；4、综合机械性能良好，满足设计图纸技术要求，合格率达到99%以上。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
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