镶钢导轨的热处理工艺

摘要

本发明公开了一种镶钢导轨的热处理工艺，包括依序进行的把作为工件的导轨板加热的步骤和淬火步骤，以及回火步骤，还包括在所述淬火步骤后的加压步骤，该加压步骤具体为在淬火步骤后把工件平置于刚性的板形工装中，进行3~5分钟的压制，然后再执行回火步骤。依据本发明的镶钢导轨的热处理工艺，较之现有工艺使钢板的变形量明显减小，且能够获得较理想的硬度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种镶钢导轨中导轨镶板的热处理工艺。

背景技术

随着机床工业的发展，国内外的超精密机床、数控机床对床身导轨的精度要求越来越高。公知的，床身导轨的力学性能和几何精度的好坏直接影响机床的加工精度、承载能力以及使用寿命。镶钢导轨具有比较好的力学性能和耐磨性，在加工中心以及数控机床中得到了越来越多的应用。而导轨镶钢是镶钢导轨的核心部件。

虽然镶钢导轨的应用越来越受到重视，但决定导轨镶板重要性能的是所用钢板的厚度，受限于当前的工艺条件，一直是机床行业难以解决的问题。进一步地，厚度的难点就在于淬火工艺。若导轨板太厚，不仅浪费钢材，使得床身的材料去除量也较大，加工时间显著增加。而且过厚的导轨板很难淬透。镶到机床上后经过导轨的粗磨和精磨工序，硬度层会有比较大的减少，达不到理想耐磨的效果，使用寿命也大大降低。而如果导轨板太薄，淬火后导轨板的变形量较大，变形量最大的可以达到1-2mm，而对面留磨量一般要控制在0.4mm左右，显然在上述变形量条件下很难满足后续加工工序的要求。如果没有校正的措施，将给后续的磨工序带来很大的加工难度。因此在导轨镶钢的初期，导轨板的厚度都在25mm-30mm之间，材料面积在400×100mm左右。

《一重技术》2007年第三期（总117期）提出了一种“中厚板淬火问题及变形研究”有一定的参考价值，并介绍了原有热处理工艺为防止变形通过一种等效增加钢板厚度的方法，即将两工件使用螺栓把合在一起，淬火面朝外，并具体分析了其工艺缺陷和原因。同时提出了一种新工艺，但也仍然采用把合两个工件的方法，只是先用套筒把两工件隔开约30mm的间隙，再行把合；目的在于增加淬火面积，减小淬火截面积，从而保证了足够的冷却速度，有能使工件的两个面均能与淬火油接触。做到工件的两个面均匀冷却，减少热应力。

然而，把合点的存在不可避免的会影响该点的淬火和后续的冷却，其效果并没有显著的提高。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种可以淬硬较薄钢板的镶钢导轨的热处理工艺，较之现有工艺使钢板的变形量明显减小，且能够获得较理想的硬度。

为了实现本发明的发明目的，所采用以下技术方案为：

一种镶钢导轨的热处理工艺，包括依序进行的把作为工件的导轨板加热的步骤和淬火步骤，以及回火步骤，还包括在所述淬火步骤后的加压步骤，该加压步骤具体为在淬火步骤后把工件平置于刚性的板形工装中，进行3~5分钟的压制，然后再执行回火步骤。

依据上述镶钢导轨的热处理工艺采用在淬火后对工件进行压制的方案，使钢板在淬火出油后刚好完成钢板内金相组织的转变，以保证钢板压平后没有塑性反弹。

关于机理，发明人认为，在淬火后钢板内的金相组织为一种将要转变的不稳定奥氏体—过冷奥氏体，此时钢板的塑性最好，所以在这个时段将钢板拿出压平是最佳时机，而且经过反复试验，钢板在这个阶段压平冷却后就不会再有反弹。并且发现一旦错过这个时机，钢板内的过冷奥氏体就会发生转化，使钢板的变形量将增大，而且很难校正。

发明人认为利用钢的热处理的物理特性进行导轨板的处理，是解决导轨板热处理变形大的技术问题的新的尝试，且经过长期的实验发现，通过该技术途径能够产生较好的技术效果，为解决导轨板热处理变形大的问题提供了新的途径。

同时，经实验测定，所获得导轨镶板的硬度满足使用要求。

上述镶钢导轨的热处理工艺，所述板形工装选用双钢板工装，把工件平置在两钢板之间，且钢板厚度不小于工件厚度的五倍；同时，要进行压力调整。

上述镶钢导轨的热处理工艺，进行压力调整的结构为螺纹联接与上述两钢板间的预紧结构。

上述镶钢导轨的热处理工艺，所述导轨板加热的步骤控制加热温度到预定加热温度，并控制加热温度上下不超过预定加热温度10°C。

上述镶钢导轨的热处理工艺，所述预定加热温度为900°C，对应的加热时间为8~9分钟。

上述镶钢导轨的热处理工艺，所述淬火步骤为油淬火工艺，淬火时间控制在40~60秒，匹配工件出油温度150—200°C。

上述镶钢导轨的热处理工艺，在淬火步骤中，要抖动工件或扰动淬火油。

上述镶钢导轨的热处理工艺，所述回火步骤的回火时间为45分钟，且控制回火温度在260°C，回火后的工件平置自然冷却。

附图说明

图1为压制工装的主视结构示意图。

图2为相应于图1的俯视结构示意图，图中虚线部分为工作区域。

图中：1、压紧螺栓，2、上压板，3、工件，4、下压板，5、压紧螺栓。

具体实施方式

依据本发明的较佳的实施例，一种镶钢导轨的热处理工艺，包括依序进行的把作为工件的导轨板加热的步骤和淬火步骤，以及回火步骤，前期步骤还可包括下料、热处理正火、机加工、钻工艺孔等步骤。核心步骤是在所述淬火步骤后的加压步骤，该加压步骤具体为在淬火步骤后把工件平置于刚性的板形工装中，进行3~5分钟的压制，然后再执行回火步骤。

关于加压步骤的压力设定，经过长期的实验发现，加压需要考虑的因素是淬火后工件的塑形回弹，因此，据此通过有限次试验可以确定加压压力。这种压力在板形工装中容易获得，且也容易调整，压力设定初期可以采用较高的压力。另外一种情况则是可以通过工件材料的弹性模量，预估一个值，进行初始压力的调定。初始压力调定一般情况下根据弹性模量和截面系数而得出的值再乘以上一个1.5~1.8的系数。

发明人认为，在淬火后，擦净工件表面后，使用工装压平钢板，此时应该是钢板塑性最好的阶段，也比较软，容易塑成外力所需要的形状。成形后的钢板自然冷却，钢板内的组织变为淬火马氏体，此时钢板内组织相对稳定，内应力相对较小，其后的变形量较小。

关于压制时间，压制过程也是个冷却过程，选定的压制时间是经过试验验证的，满足理论上的金相组织的变化过程，压制时间是保证这一过程的完成。由于同一批工件也会存在个性，因此，在选定时间内可以再适当延长，以实验统计数据的最大值取一个1.1的系数，可满足同批次工件的热处理。

关于工装的选择，应采用刚性比较强的压板，压板的结构为所述板形工装选用双钢板工装，把工件平置在两钢板之间，且钢板厚度不小于工件厚度的五倍，以满足刚度要求；即便是有比较厚的工装，但也未必能够满足压力的要求，此时需要配合辅助加压装置，可以额外的附加重物，不过这势必会造成架构的臃肿和操作的繁琐。因此，较好的结构是进行压力调整的结构为螺纹联接与上述两钢板间的预紧结构，通过螺栓的预紧力获得所需要的压力，预紧力可以通过力矩扳手直接读取，经过换算可以获得相应的压力。

使用压板压制的工艺满足较小板厚件淬火处理，理论上板厚不再是镶钢导轨考虑的范畴。自然，本领域的技术人员能够知晓，镶钢导轨板也不可能太薄，所以应用本方案可以获得较好经济性的镶钢导轨板。

另外，依据上述方案，发明人认为，前期的工序会对后续的工序产生一定的影响，上述淬火步骤使用的冷却剂是油，要点是加热时间和淬火时间、方法，使钢板在淬火出油后刚好完成钢板内金相组织的转变，以保证钢板压平后没有塑性反弹，减小变形量。

前期步骤中所述导轨板加热的步骤控制加热温度到预定加热温度，并控制加热温度上下不超过预定加热温度10°C，控制温度在一定区间内，可以获得较稳定的金相组织，显见的是，金相组织满足前述内容所述的相关金相组织，因此，依据金属热处理工艺学可以得出相应的热处理温度区间，也就是相关金属的相应相变温区。在该温区内根据镶钢导轨材质热处理物理特性，进一步的选择则是所述预定加热温度为900°C，对应的加热时间为8~9分钟，满足相变金属充分且均匀的获得。

进一步保障的工艺条件为，如前所述，所述淬火步骤为油淬火工艺，对于依据本方案的目标物，也就是薄板结构，淬火时间控制在40~60秒，就可以淬透，匹配工件出油温度应控制在150—200°C。

较佳地，在淬火步骤中，要抖动工件或扰动淬火油。

因为钢板比较薄，在油中的时间又不宜过长，所以抖动或者扰动本身是为了加速油的流动，防止油介质冷热不均匀，而导致钢板变形量增大。还可以加快钢板的受热速度，使钢板均匀快速的达到出油的温度。在试验规定的时间内，钢板内的金相组织为一种将要转变的不稳定奥氏体—过冷奥氏体，此时钢板的塑性最好，所以在这个时段将钢板拿出压平是最佳时机，而且经过反复试验，钢板在这个阶段压平冷却后就不会再有反弹。一旦错过这个时机，钢板内的过冷奥氏体就会发生转化，使钢板的变形量将增大，而且很难校正。

所述回火步骤的回火时间为45分钟，且控制回火温度在260°C，回火后的工件平置自然冷却。  回火是为了消除钢板内部的应力，使钢板内组织达到一种稳定状态，提高导轨的精度保持时间。这种回火属于常规的中温回火。

实例1：

工件选择：材料为40Cr热轧钢板；按照长×宽×厚下料，获得坯件 400mm×190mm×10mm的钢板。

基本工艺流程为：下料—热处理正火—机加工铣四周—机加工钻孔—热处理盐炉加热—油淬火—专用工装压平导轨板－冷却—回火—机加工磨上下面—磨四周。

初始的检验条件除考量薄板件（实例厚度10mm，远小于同类一般镶钢导轨坯件的25mm~30mm）的有淬火时间相应减少，以及增加的专用工装压平导轨板外，其他的工艺条件，可与现有工艺条件相同。当然，其中的盐炉加热步骤的时间也可以因板厚较小也可以相应减小，这里只在于验证专用工装压平导轨板的技术效果。

工件在盐炉加热时间为8分钟，加热温度控制在900±10°C，然后把工件转入淬火油中，淬火时间控制在40秒，油温控制在65°C，红外测温测定的出油温度为177°C，因受环境和个体影响，各工件在相同的工艺条件下的出油温度会有不同。

然后，擦干净导轨板表面后，使用如附图1和2所示的专用工装压平钢板，压制时间3分钟。测定工件压平步骤后的硬度达到HRC48。

然后进行回火处理，回火条件为回火时间45分钟，回火温度260°C，回火后硬度为HRC45。

变形量测定：

钢板状态处理方式变形量油淬完成后无压板压平，自然冷却0.65mm油淬完成后有回火专用工装压平，自然冷却0.09mm

依次对同一组样本以上本实例的实验条件进行特定，油淬完成后无压板压平，自然冷却的最大变形量为0.68mm，最小变形量0.；油淬完成后回火并进行专用工装压平，自然冷却，最大变形量0.1mm，最小变形量0.08mm。

在以上工艺条件下，对另一组样本采用采用油淬完成后无回火，专用工装压平，自然冷却，测定的最大变形量0.2mm，最小变形量为0.15mm。

实例2：

调整工艺参数淬火时间60秒，测定的出油温度192°C，其他工艺条件同实例1，使用如附图1和2所示的专用工装压平钢板，压制时间3分钟。测定工件压平步骤后的硬度达到HRC49。

变形量测定：

钢板状态处理方式变形量油淬完成后无压板压平，自然冷却0.67mm油淬完成后有回火专用工装压平，自然冷却0.09mm

对同一组样本进行测定，基本类同实例1的变形特性，最大变形量稍高。

粗磨10mm尺寸两面，磨去0.5mm后，90%面积磨起。磨至9mm时，两面全部磨起，钢板变形量控制在0.1mm之内，达到导轨镶板的要求。对比背景技术中需要较大磨削量的现有工艺，依据本方案不仅解决了较薄板材的含淬火热处理，而且完全满足导轨镶板的要求。

测定回火后工件硬度可以达到HRC46。

实例3：

与实例1和2采用相同工件，淬火时间为45秒，油温65°C，工件出油温度182°C；其他工艺条件相同。油淬火后硬度达到HRC48。油淬后压制5分钟，回火时间45分钟，回火温度260°C，回火后硬度为HRC46。

变形量测定：

钢板状态处理方式变形量油淬完成后无压板压平，自然冷却0.75mm油淬完成后有回火专用工装压平，自然冷却0.07mm

对同一组样本进行测定，在这一组样本中，依据本方案的热处理工艺与传统工艺的相比，差别较大，采用本方案的最小变形量可以达到0.07mm，而传统工艺最小变形量只能达到0.7mm。

实例4：

与上述实例采用相同的工件，淬火时间50秒，油温油温65°C，工件出油温度187°C；其他工艺条件相同。油淬火后硬度达到HRC48。油淬后压制4.5分钟，回火时间45分钟，回火温度260°C，回火后硬度为HRC46。

变形量测定：

钢板状态处理方式变形量油淬完成后无压板压平，自然冷却0.72mm油淬完成后有回火专用工装压平，自然冷却0.07mm

对同一组样本进行测定，在这一组样本中，依据本方案的热处理工艺与传统工艺的相比，差别也较大，采用本方案的最小变形量可以达到0.07mm，最大变形量达到0.08；而传统工艺最小变形量只能达到0.7mm，最大变形量达到0.75mm。

实例5：用10mm 45#热轧钢板试验；下料轨板尺寸400×190×8；其余条件同实例1至4中的40Cr钢板一样，在油炉中加热后分别用油和用水淬火。在油（水）淬火至室温，油淬火硬度HRC32左右，变形2-3mm；水淬火硬度HRC52，变形6-7mm。

用45#钢淬火，油淬硬度达不到设计要求HRC42，变形大，经加工后不能保证设计厚度尺寸，变形不均匀；用水淬火硬度虽然能达到设计要求，但变形太大，后续加工无法完成。

不推荐使用实例5中的方案。

另外需要注意，在淬火过程中充分考虑到薄板不易淬火过长时间，为了能够淬透，最好采用抖动工件或者扰动淬火油，在相应较短的淬火时间内，如果没有这一步骤，会对最终的变形量控制产生一定的影响。发明人认为，原因可能是如果淬不透或者淬火不均匀，会产生附加的热应力，进而产生附加的变形，影响最终的变形量控制。