专利名称：中高淬透性钢末端淬火装置及淬透性测定方法
技术领域：
本发明涉及的是一种末端淬火装置及淬透性测定方法，特别是一种中高淬透性钢末端淬火装置及淬透性测定方法，属于金属材料热处理领域。
背景技术：
目前常用的测定钢铁淬透性的方法是Jominy法，也称端淬法，它是W.E.Jominy和A.L.Boegehold于1937年提出，现在，标准端淬试验法已广泛应用于测定理想临界直径DI为25～150mm的中等淬透性钢的淬透性。各工业化国家都制订了端淬试验标准，其试样规格和试验参数基本接近。后来，国际标准化组织ISO将端淬法列为国际标准ISO642-79。我国60年代，依据前苏联国家标准制订了GB225-63“结构钢末端淬透性试验法”，80年代等效采用ISO642-79，发布了新的国家标准GB225-88“钢的淬透性末端淬火试验法”。然而对于高淬透性钢，标准端淬法已不适用。因为淬透性极高的钢的整个端淬曲线几乎同横坐标平行。为此，需要开发用于高淬透性钢的淬透性试验方法。开发新方法的关键就是设法降低远离淬端的冷却速度，扩大低冷却速度的范围，以便在有限的试样长度内能反映高淬透性钢的硬度变化。为了降低冷却速度，人们首先考虑采用不同的冷却介质，以油甚至空气来取代水。经文献检索发现，C.B.Post，M.C.Fetzen.W.H.Fenstermacher在《Transactions of ASM》(美国机械工程协会会刊)，35(1945)，P85上撰文“Air hardenability of steels(空淬钢的淬透性)”，该文提出了空气冷却端淬法，被测试棒一端露在钢套外面，一端拧入钢套内，其端面正好位于钢套轴向中心部位，试棒加热后放在钢丝网上静止的空气中冷却，使用空气淬火虽然可以获得很低的冷速，但实际上同标准端淬试验法相比在热流状态上有很大的差别。标准试样的热传导主要是通过水冷端面进行的，试样圆柱表面冷却作用较小，而空淬法的试样圆柱表面也是重要的冷却表面，而且试样的另一端还要受整个钢套储热的影响。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种中高淬透性钢末端淬火装置及淬透性测定方法，使其通过延缓远离水冷端高温试样的散热，在有限的试样长度内获得很宽的冷速范围，建立端淬距离及冷却速度与硬度的关系，从而确定出中、高淬透性钢的淬透性。
本发明淬火装置主要包括喷水口、端淬试样、下托盘、外筒、内筒、上托盘、塞子、钢盖、垫圈、支架、上螺钉、下螺钉，其连接方式为喷水口固定在整个的外部支架上，在外部钢制外筒的内部插入硬质耐火保温材料内筒，内筒的外径略大于外筒的内径，以保证结合牢固，而内筒的内径应等于或略小于端淬试样的外径，因为耐火保温材料具有一定的弹性，可以保证试样同耐火保温材料的紧密接触，耐火保温材料的导热系数很小，可以保证高温试样从侧面和头部的散热很小，主要的传热方式是通过端面水冷所形成的热传导，内筒上部设置垫圈，可以在装卸端淬试样时起保护作用，整个套筒通过上托盘和下托盘固定于支架上，另外，用同样的耐火保温材料做成的塞子上部与钢盖结合在一起，塞子的底部设有一圆槽，圆槽的尺寸正好容纳端淬试样的头部台阶，上托盘和下托盘的侧面各有三个互成120°角的螺钉，上托盘和下托盘通过上螺钉和下螺钉固定于支架上，可以方便的进行装卸。端淬试样的形状为圆柱形，在其头部有一圆柱形的台阶，端淬试样长度较标准试样长，通过上下各三个成120°角的螺钉保持垂直，端淬试样中轴线与喷水口的中心重合。
这样可以测定高淬透性钢淬透性，在有限长度上反映出材料硬度的变化，而且淬火是在厚厚的耐火保温材料保护下进行的，冷却速度大大降低，圆柱形端淬试样与喷水口的对中是通过三个成120°角的螺钉来保证的。
本发明通过在有限的试样长度内获得很宽的冷速范围，建立端淬距离及冷却速度与硬度的关系，从而测定出中高淬透性钢的淬透性，中高淬透性钢的淬透性测定方法具体如下(1)将端淬试样放入电炉中加热至淬火温度，保温一段时间后，将试样快速转移至本发明端淬装置中，转移至端淬装置后，快速关闭耐火保温材料盖子后，开启喷水开关进行喷水冷却，保持喷水的压力固定，流出的水经装置底部的导流管引出。
将试样放在能准确测温的箱式电炉中加热，加热应在保护气氛中进行，以防止试样末端产生脱碳层或氧化皮，影响结果，淬火加热温度的选择采用被测钢实际采用的淬火加热温度，加热并充分保温，以保证试样的充分奥氏体化，试样出炉后应迅速转移至耐火保温材料内筒内，整个转移过程应尽量迅速，以减小热量损失，盖上塞子，打开喷水阀从喷水口处进行喷水冷却，在喷水过程中，水流中心应与圆柱试样的中轴线重合，这样在水喷至试样端面后发生反射后会形成球形水幕，压力稳定使试样端面的得到稳定的冷却作用，喷水口的直径以及喷水高度参照GB225-88的规定。
(2)根据试样的淬火温度高低，经足够长时间冷却后，打开盖子，将试样从耐火保温材料内桶内取出。由于试样头部的冷却速度很慢，应选择合适的喷水冷却时间，一般来讲，由于试样长度较长，冷速很慢，冷却时间应比标准水冷时间长得多。
(3)将取下的试样从侧面磨出两相互平行的平面，在整个试样长度上测定试样的硬度，测量的方法可参照GB225-88的规定进行，在试样的圆柱表面磨制出硬度测量用的两条相隔180°的严格相互平行的平台，磨削深度大于或等于0.4mm，用洛式硬度计从水冷面开始测量，直至试样头部。
(4)根据测得的硬度数据，以端淬试样表面两条平台上所测硬度的平均值为纵坐标，以测量点至水冷端距离为横坐标，绘制端淬距离与硬度的关系曲线，并可在已知材料热性能参数的情况下，建立一维的有限差分或有限方程，求解各端淬距离处的冷却速度曲线，从而建立冷却速度与硬度的定量关系曲线，根据这两组曲线可以准确的评定材料的淬透性高低。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明可以获得相当宽的冷却速度范围，从而有效地评定中高淬透性钢的淬透性；使用方法简单，操作简便，实验重现性好，试样的传热方式单一，为单面热传导，其它表面传热量很小，可视为绝热边界，从而可以通过求解简单的一维热传导方程得到表面冷却速度与端淬距离间的关系。
图1本发明总体结构示意2本发明上托盘结构示意3本发明下托盘结构示意图
具体实施例方式如图1所示，本发明淬火装置主要包括喷水口1、端淬试样2、下托盘3、外筒4、内筒5、上托盘6、塞子7、钢盖8、垫圈9、支架10、上螺钉11、下螺钉12，其连接方式为喷水口1固定在整个的外部支架上，在外部钢制外筒4的内部设置硬质耐火保温材料内筒5，内筒的外径略大于外筒4的内径，内筒5的内径应等于或略小于端淬试样2的外径，内筒5上部设置垫圈9，整个套筒通过上托盘6和下托盘3固定于支架10上，塞子7上部与钢盖8结合在一起，上托盘6和下托盘3的侧面各有三个互成120°角的螺钉，上托盘6和下托盘3通过上螺钉11和下螺钉12固定于支架10上。
端淬试样2的形状为圆柱形，在其头部有一圆柱形的台阶，端淬试样2长度较标准试样长，通过上下各三个成120°角的螺钉保持垂直，端淬试样2的中轴线与喷水口1的中心重合，塞子7的底部设有一圆槽，圆槽的尺寸正好容纳端淬试样2的头部台阶。
结合本发明方法的内容提供以下实施例应用本发明评定塑料模具中等淬透性钢P20的淬透性。用P20钢做成端淬试样，试样长度200mm，直径Φ25mm，头部台阶尺寸为Φ31mm×3mm。将试样放入箱式炉中在保护气氛中加热至淬火温度为860℃，保温30分钟后迅速取出放入本发明的装置中，关闭耐火保温材料盖子后开启喷水开关进行喷水冷却。在冷却2小时后，打开盖子，取出试样，从侧面磨出两相互平行的平面，在整个试样长度上进行硬度测量，并绘制出硬度与端淬距离的关系图。淬透深度采用半马氏体区至淬火端距离为65mm左右，用有限元法计算试样各点处在700℃时的冷速，可见在试样的冷速随端淬距离的增大而降低，反映出硬度随着冷却速度下降即随着工件截面增大和深度增加而变化的情况。
权利要求
1.一种中高淬透性钢末端淬火装置，主要包括喷水口(1)、端淬试样(2)、上托盘(6)、支架(10)、上螺钉(11)，其特征在于还包括下托盘(3)、外筒(4)、内筒(5)、塞子(7)、钢盖(8)、垫圈(9)、下螺钉(12)，其连接方式为在外部钢制外筒(4)的内部设置硬质耐火保温材料内筒(5)，内筒(5)的外径略大于外筒(4)的内径，内筒(5)的内径等于或略小于端淬试样(2)的外径，内筒(5)上部设置垫圈(9)，整个套筒通过上托盘(6)和下托盘(3)固定于支架(10)上，塞子(7)的上部与钢盖(8)结合在一起，上托盘(6)和下托盘(3)的侧面各有三个互成120°角的螺钉，上托盘(6)和下托盘(3)通过上螺钉(11)和下螺钉(12)固定于支架(10)上。
2.根据权利要求1所述的这种中高淬透性钢末端淬火装置，其特征是端淬试样(2)的形状为圆柱形，在其头部有一圆柱形的台阶，端淬试样(2)长度较标准试样长，通过上下各三个成120°角的螺钉保持垂直，端淬试样(2)的中轴线与喷水口(1)的中心重合。
3.根据权利要求1所述的这种中高淬透性钢末端淬火装置，其特征是塞子(7)的底部设有一圆槽，圆槽的尺寸正好容纳端淬试样(2)的头部台阶。
4.一种中高淬透性钢淬透性测定方法，其特征在于方法具体如下(1)将端淬试样放入电炉中加热至淬火温度，保温一段时间后，将试样快速转移至本发明端淬装置中，转移至端淬装置后，快速关闭耐火保温材料盖子后，开启喷水开关进行喷水冷却，保持喷水的压力固定，流出的水经装置底部的导流管引出；(2)根据试样的淬火温度高低，经足够长时间冷却后，打开盖子，将试样从耐火保温材料内筒内取出；(3)将取下的试样从侧面磨出两相互平行的平面，在整个试样长度上测定试样的硬度；(4)根据测得的硬度数据，以端淬试样表面两条平台上所测硬度的平均值为纵坐标，以测量点至水冷端距离为横坐标，绘制端淬距离与硬度的关系曲线，并在已知材料热性能参数的情况下，建立一维的有限差分或有限方程，求解各端淬距离处的冷却速度曲线，从而建立冷却速度与硬度的定量关系曲线。
全文摘要
中高淬透性钢末端淬火装置及淬透性测定方法属于金属材料热处理领域。装置主要包括喷水口、端淬试样、下托盘、外筒、内筒、上托盘、塞子、钢盖、垫圈、支架、上螺钉、下螺钉，在外筒内部设置内筒，内筒上部设置垫圈，整个套筒通过上下托盘固定于支架上，塞子上部与钢盖结合在一起，上下托盘通过上螺钉和下螺钉固定于支架上。测定方法如下将端淬试样放入电炉中加热至淬火温度，保温一段时间，快速移至端淬装置中并关闭盖子，开启喷水开关进行喷水冷却；经足够长时间冷却，将试样取出；从试样侧面磨出两相互平行的平面，测定试样硬度；根据硬度数据，建立冷却速度与硬度定量关系曲线。本发明可获得相当宽的冷却速度范围，方法简单、操作简便。
文档编号C21D1/55GK1394970SQ02136430
公开日2003年2月5日 申请日期2002年8月8日 优先权日2002年8月8日
发明者潘健生, 胡明娟, 姚新, 宋冬利 申请人:上海交通大学