热金属物体的淬火的制作方法

专利名称：热金属物体的淬火的制作方法
技术领域：
本发明涉及淬火热金属物体的方法。
众所周知，淬火一种金属物体(即将物体从奥氏体范围内的热处理温度，迅速冷却至一非常低的，通常是室温的温度)能够显著改善它的机械性能和特性。例如通过控制内部的晶体形成和/或沉淀，淬火被用于使物体硬化和/或改善它的机械性能。传统上，淬火是使用液体如水，油或盐水，以浸浴或喷射系统的形式来实现的。近些年来，气体淬火方法已经得到发展。气体淬火具有淬火后洁净，无毒和无待去除的残留物的优点，然而，在达到与更多的常规液体淬火过程所提供的近似的高淬火速率时遇到了困难。
淬火是一个高速的过程，要求在高热流密度的条件下，将物体内部的热量通过物体的冷却表面被带走。通常希望物体的淬火是均一的，以使淬火过的物体具有均一的表面或内部特性，然而在多数淬火技术中，由于各种因素，主要是由于莱登弗洛斯特现象，淬火的均一性是很难实现的。任何淬火系统的淬火效果通常是由Grossman淬火强度系数H来表征的；对于液体淬火剂如水或油，H通常落在0.2-4的范围内。使用气体淬火是不容易达到如此高的H值的；当使用气体淬火时，冷却强度可以通过使用几种不同的方法来提高；如提高淬火压力；提高气体喷射到物体上的速度；选择气体(虽然氦气和氢气比氮气昂贵，但因为它们各自的热传递系数不同，氮气不如氦气好，氦气不如氢气好)；优化气流条件；提高气体的湍流；和提高气体的冷却程度。
使用主要包括氮气，氩气和/或氦气的复合冷气流，在相当于60巴的压力下进行的气体淬火，已经在真空炉中实施过，且用于淬火成批部件(bulk components)的特性是公知的。最近，在真空炉或常规的大气炉中加热单一的或小批部件的气体淬火已经提出。在现有技术中已经知道，为了省略冷却炉子结构的需要，这些技术还包括将被淬火过的物体输送到一专门设计的冷室中。
为了符合单一的物体或部件均一淬火的标准，必须使淬火剂均一地达到物体表面。在实践中，气体淬火工艺还包括使经与物体相接触后被加热的气体均一地离开表面(以使更新鲜的冷气体能够作用于表面而继续淬火过程)；因此，不连续的到达和离开的气体量必须存在。理论上，这些数量理想中应无限的小，但是从实践需要考虑，这些数量应大到只要能够与基本均一的热传递相一致即可。
第二个影响淬火均一性的因素是各气流之间的相互作用。已知对于恒定的质量流量，气流宽度(d)与气体喷嘴出口和物体表面间距(a)的比值为4，相邻气流间距(b)是气流宽度(d)的3倍时，热传递系数达到最大值。众所周知，当气流撞击物体表面时在气流边缘形成的湍流对热量的传递具有显著的作用，然而由于气流之间复杂的相互作用，这些湍流区域的形态和大小是很难预知的。
进一步影响气体淬火均一性的一个因素是，虽然撞击物体表面的气体速度应尽可能的高，并且应尽可能垂直地作用于表面，但相对于表面的气流速度和入射角也应尽可能均一，而热传递系数取决于上述这两方面因素。有人提议，为了使热传递系数达到最大，使相邻气流之间相互反应的因素达到最小，只要在整个距离内气流速度的损失一致，气体喷嘴出口与表面的间距(a)应当尽可能的大。例如，US5452882提出，为了获得0.2-4之间的淬火强度系数H，大量直径为d的气流应从喷嘴中被直接喷射到待淬火的物体上，其中喷嘴(直径为d)与物体表面的间距为2d-8d，相邻喷嘴的间距b为4d-8d。提供一种有高淬火强度的、基本上均一的、并且有效而经济的淬火工艺，是持续需要的。
因此，本发明提供一种淬火热金属物体的方法，包括从大量的喷嘴出口中排出大量独立的气流，使气流基本上均一地撞击在物体的整个外表面上，其中每一个喷嘴出口和其相应的气流所撞击的物体外表面的间距(a)小于或等于喷嘴出口直径(d)的一半。
为了避免疑问，不应从单词“直径”的使用而推断本发明局限于圆形截面的气流；本发明扩展到任何截面形状的气流，为了达到使本发明用于实践的目的，这些“直径”是通过假设一非圆形气流的截面实际为圆形而计算的。因而这里所用的“直径”一词应被解释为圆形气流的直径或与非圆形气流具有相等截面积的理论上的圆形气流直径。对于喷嘴出口与物体之间如此小的距离，气流在喷嘴出口和物体之间传递时，气流的截面面积和“直径”应基本上保持不变，并且等于喷嘴出口的截面积与“直径”。
喷嘴出口可与截面面积基本相等，或者喷嘴面积可以变化，假如每一单位面积被冷却物体的喷嘴总面积保持基本不变的话。例如，为了淬火一个具有复杂的或旋绕的表面形状或结构的物体，具有不同的喷嘴面积可能更有利。
我们已经从对气流之间复杂的相互作用的研究中发现，当产生于喷嘴边缘的高湍流区域与物体表面相互作用使得对气体的热量传递达到最大，且产生了更加均一的冷却时，热传递速率在气流喷嘴出口与物体表面的间距为一非常小的值(即a≤0.5d)的情况下，具有意想不到的，令人惊奇的巨大的和迅速的增加。下面将进一步描述，已经确认根据本发明的方法能够提供一种所期望的，象其它各种淬火一样的基本均一的淬火。
使用氮气的本发明的方法，也可以获得与常规的油淬火速率相等的淬火速率，且不需要常规实践中的高压力淬火环境。可以预料，将氢气混合至淬火气流中，其淬火速率与水淬火的速率相等(氢气具有大约3倍于氮气的冷却效果)。在淬火过程中加入氢气，还具有保持部件光亮的进一步的优点(但是具有比单独使用氮气更高的气体成本)。
由于使用如此小的气体喷嘴出口和物体表面的间距，而具有更进一步的实践优点。当距离(a)减小时，在所要求的速率下，所需的提供给气流的压力增加；使用常规的压缩设备(如US5452882中提到的)很难产生这样的压力，而且资金和运转的消耗也很大，但是如果气流是由一种压缩的或液态的气体源提供的，那么将不需要压缩设备。取而代之的是，气体源将提供高压气体，如果需要，气体的压力还可以被很容易和不费力气的调节，这样就没有压缩费用(气体如氮气，常规是在高压下或以液体形式提供的)，因此，唯一的费用是在气体上。甚至气体也不需要被完全消耗，当冷壁淬火室能够在比周围环境稍高的压力，如10kPa下运行时，那么从物体反射回来的淬火气体可被用于整个或部分加热处理的保护气。
优选的相邻喷嘴出口的间距(b)小于或等于喷嘴出口直径(d)的8倍，且优选比这个间距(d)大两倍，以便确保淬火的均一性。
气流最好被直接地以致基本垂直地作用于物体表面，使淬火强度达到最大。
因为淬火过程中的冷却速率与气流的速率和该速率与气体提供的压力之比是直接相关的，因此控制冷却速率是一件相对来说较简单的事。本领域的技术人员期望能够有一个合适的方法，从而气体提供给喷嘴出口的压力能够被控制，在淬火过程中获得一个非常精确的可控制的冷却速率；在可能的最大的冷却速率的界限内，产生任何瞬时的冷却速率显然是可能的，所以物体的奥氏体淬火和马氏体淬火是容易实现的。此外，因为本发明的方法主要想用于单一物体的淬火，所以通过适当控制淬火气流的速率，压力和/或组成，和/或通过改变不同喷嘴之间的淬火气流速率，来控制与物体的表面面积(以便在一简单的操作中，例如在部件的一个区域马氏淬火的同时，在另一个区域快速地油淬火)有关，和/或与淬火周期(以便在淬火过程中改变淬火速率)有关的高精确度的淬火速率是可能的。
现在通过实施例并参考附图对本发明作出描述，其中

图1说明垂直撞击物体表面的气流热传递系数是自气流中心线距离的函数；图2A,2B和2C说明在3个不同的气体喷嘴出口和被冷却/淬火的表面间距(a)时，氮气淬火系统中的热传递系数作为相邻气流间距(b)的函数。
图3A,3B,3C和3D说明在不同的相邻气流/喷嘴间距(b)下，氮气淬火系统中热传递系数的改变是气体喷嘴出口间距(a)的函数；图4是淬火一个热齿轮时的排列的截面示意图；图5是根据本发明完成气体淬火的部分喷嘴侧视图；图6是图5的喷嘴排列的平视图。
从图1可以看出，当在低于喷嘴外边缘的高湍流形成区域时，氮气淬火流的热传递系数达最大值，并且在气流被偏转和变得与表面更加平行时，其值减小。在这个例子中，气体速率是100ms-1，喷嘴出口与表面的间距a大约为50mm，相邻喷嘴/气流的间距大约为100mm。
图2A至2C说明在喷嘴出口与表面的间距a分别为100mm(图2A),51mm(图2B)和25mm(图2C)时，对于气体速率为100ms-1，作为相邻喷嘴间距b的函数的热传递系数。在每一副图(和图3A至3D)上都绘了3条曲线，对应最大的，最小的和中间的热传递系数值；参考图1可知，最大的热传递系数对应在曲线的顶点，这一点是气流中高湍流形成的区域，最小的热传递系数出现在相邻气流的中点(即在图1中，距离气流中线大约50mm)，中点的热传递系数是气流/喷嘴中心线与线的中间位置之间的系数的中间值(即图1，距离喷嘴中心线25mm)。可以看出，当气体喷嘴出口与表面间距a减小时，其中(即与最大的，最小的和中点的热传递系数相对应的最大值)具有一显著的最大的热传递系数和提高的均一性。
在图3A至3C中，气体速率为100ms-1且相邻喷嘴间距b为89mm(图3a),38mm(图3b)和13mm(图3c)时，可以看出，随着气体喷嘴出口与表面的间距a减小到低于b值，当间距b的值小时，热传递系数有一个显著的提高。图3D说明气体速率为300ms-1，且气流间距b为13mm时，在较高的和较低的气体速率下获得相同效果的热传递系数。
从图2和图3的数据可以很明显地看出，热传递系数与喷嘴出口和表面的间距a成反比。虽然在a值较大时，喷嘴间距有较大的增加，但当a值小时，它最小至少也是喷嘴/气流直径d的2倍。同时还报道过，当a值等于或远大于8d，且b值等于或远大于8d时，有最大的热传递系数出现，但还没有报道过在非常小的间隔(a小于或等于d，且b小于3d)时，热传递速率迅速增加。在此处，高的最大热传递速率也与高的中点和最小热传递速率相关，它对于实现淬火的均一性很重要。事实上，当a值小于0.5d,d等于12.7mm时，热传递速率有一特别显著的提高。
图4表明齿轮2位于喷嘴4排列的中心，每一个喷嘴被安排引导一股气流，按图中箭头所指的方向运动，以便垂直撞击在齿轮2上。喷嘴4具有均一的直径d，并且相邻喷嘴间距b两倍于d。喷嘴的末端4’与齿轮2的最近表面的间距为a,a大约等于b。箭头表明进入喷嘴的气流，已经撞击过齿轮2表面的气体被反射，并沿着喷嘴间的空隙5退回。容易理解的是，各个喷嘴4最好能沿着它们的纵轴往复运动，以便调整间距a至任何所期望的值，和/或适应任何结构物体的淬火。通过控制提供给喷嘴4的气体压力和提高气流的速率，淬火过程的精确控制是很容易实现的。
图5和6分别是图4中喷嘴4的部分排列侧视图和平视图，它表示A,B,C,D行的每一个喷嘴4均包括具有孔8的增压室6，孔8用于在压力下使增压室6中的气体通过，并进入到喷嘴中，然后穿过喷嘴出口4’到达待淬火表面10。喷嘴截面是长方形的，在喷嘴4的行间提供有相似的长方形截面的通道12(即相邻喷嘴之间的空隙5)，用于在淬火表面之后，气体从表面10退回。孔8的面积应当小于增压室的截面积，且增压室6的气压超过喷嘴4的压力的倍数大约等于孔8的面积与喷嘴4的面积之比。约60kPa的气体压力足够提供100ms-1的气体速率，约500kPa的气体压力足够提供300ms-1的气体速率。极限的气体(limiting gas)速率为声速，约340ms-1。
本发明系统进一步的优点源于典型的高气压。在淬火过程中，高压的使用使得省略产品载体的需要成为可能。产品重量的作用与所使用的气体压力相比要小，且产品可在喷嘴区域浮动。将小的不协调因素引入实际设备的流动区域中，会导致部件的振动和转动，从而产生更加平均的淬火。如果选择喷嘴直径与喷嘴和表面间距的比例为4(在此比值时，气体逸出的面积与喷嘴的面积相等)时，那么由于物体移动所致的喷嘴和表面间距的任何减小都将导致喷嘴出口压力的增加，它促进表面离开喷嘴，因此在喷嘴排列中的部件的振动将趋向于自行弥补。高速率的使用将导致淬火附近的高噪音水平。然而，通过在冷壁淬火室周围进行适当地声音隔离，使这种影响达到最小是可能的。
作为一个实例，一个具有150mm直径，20mm表面和20mm空洞的典型的自动齿轮在图4和5的设备中被冷却。被淬火的总面积大约为0.045m2，齿轮(year)的总质量大约为1.35kg。假设一个喷嘴的结构被要求达到H=0.8，其中喷嘴之间的缝隙是喷嘴直径的3倍，且气体速率为100m/s，那么冷却时间大约为30秒。淬火齿轮所需的气体体积为3.9m3。为了产生所要求的速率，在喷嘴的顶端所需的压力大约为200kPa(1巴表压)，而被施于齿轮边缘的力是5.3kg，它超过了齿轮的重量。对于一个实际的淬火系统，在系统中，所需的能够产生这样的喷嘴顶端压力的压力小于600kPa(5巴表压)。
为了使消耗达到最小，必须使淬火气体的全部流动达到最小。对于一个特定的喷嘴，气流是由所要求的冷却速率而被固定的，唯一能改变的是喷嘴间距b。令人吃惊的是，已经发现改变间距对于热传递系数几乎没有影响，当b在2倍至8倍喷嘴直径间变化时，热传递系数曲线几乎是线形的，相对较缓慢的倾斜。这个作用是由于在高气体速率下，喷嘴边缘所产生的高湍流区域造成的。
热传递系数相对于规模大小也是不敏感的，这使得如果将与系统相对应的淬火系统的全部尺寸减小到1/4(它可能包括最大实际范围的气体喷射尺寸)，热传递系数仅有约30％的增长。
由于对喷嘴大小和它们的间距缺少敏感性，而使得淬火箱，特别是具有复杂形状的淬火箱的设计更加简单。然而，由于接近表面的方法的需要，必须仔细考虑喷嘴的位置。使用高压的结果，如前所述，可能在淬火过程中，使不需要产品载体成为可能。产品重量与所应用的气体压力相比作用要小，且产品能够在喷嘴区域内浮动。
因为在气体速率低于100m/s时，冷却速率相对于气体速率几乎成线性关系，并且速率与所提供的压力相关，所以控制冷却速率很显然变得简单了。虽然接近声速的较高的速率能够导致较高的冷却速率，但在所要求的可能的最高冷却速率处，速率的增长是非线性的并且较高速率的使用很可能被限制实施。不仅实现可控速率是可能的，而且在可用的最大速率的界限内，速率还可以在整个淬火周期内被改变，以产生任一冷却模式。所以，奥氏体淬火，马氏体淬火和延迟淬火是容易实现的。使平均热传递系数增长的参数各自加倍或减半的效果在下表中得到概括
值得注意的是，减小间距a从大约0.5至大约0.25d，使平均热传递系数增长了37％(d=12.7mm)。
虽然均一淬火通常是我们所要达到的目标，但这个单独部件气体淬火的系统，打开了研究和控制非均一淬火的门。
例如，在齿轮的热处理中，在生产一个坚硬的具有珠光体的轮辐(pearlitic web)时，只淬火齿轮的表面和孔是可能的。在渗碳处理中，只对轴的磨损表面而不是带螺纹的部分淬火也是可能的，这样节省了昂贵的涂保护层(stopping-off)费用。涂保护层费用占热处理费用的15-30％，很显然是依赖于部件。
总之，在非加压环境下单独使用氮气的单个部件的气体淬火，能够获得类似油淬火的特性。为了获得这些速率，喷出气体的喷嘴必须与部件相隔一段距离，该距离要小于喷嘴的直径。在喷嘴领域中，喷嘴的间距对最大或最小速率的获得几乎没有什么影响，只要它小于8倍的喷嘴直径。
权利要求
1．一种淬火热金属物体的方法，包括从大量的喷嘴出口中排出大量独立的气流，使气流基本上均一地撞击在物体的整个外表面上，其中每一个喷嘴出口和其相应气流所撞击的物体外表面的间距(a)小于或等于喷嘴出口直径(d)的一半。
2．根据权利要求1所述的方法，其中(a)为0.25-0.5d。
3．根据权利要求1或2所述的方法，其中相邻的喷嘴出口间距(b)小于或等于喷嘴出口直径(d)的8倍。
4．根据前面任何一个权利要求所述的方法，其中相邻的喷嘴出口间距(b)大于或等于喷嘴出口直径(d)的2倍。
5．根据前面任何一个权利要求所述的方法，其中气流被控制，以使其基本上垂直地撞击在物体的外表面上。
6．根据前面任何一个权利要求所述的方法，包括改变被提供给喷嘴出口的气压以改变气流的速率，从而改变物体的冷却速率。
7．根据前面任何一个权利要求所述的方法，其中气流含有氮气、氦气、氢气或其混合物。
8．根据权利要求6所述的方法，其中气流是由装有压缩的或液态的气体的容器所提供的。
9．根据前面任何一个权利要求所述的方法，包括收集从物体表面反射回的气体，并引导其在淬火过程中包绕物体，以排除周围空气与物体相接触。
全文摘要
淬火热金属物体的方法,包括从大量的喷嘴出口中排出大量单独的气流,使气流基本上均一地撞击在物体的外表面上,其中每一个喷嘴出口和其相应气流所撞击的物体外表面的间距(a)小于或等于喷嘴出口直径(d)的一半。
文档编号C21D1/62GK1312389SQ0013719
公开日2001年9月12日 申请日期2000年12月16日 优先权日1999年12月17日
发明者P·F·斯特拉顿 申请人:英国氧气集团有限公司