专利名称：金属工件的热处理方法
技术领域：
本发明涉及一种金属工件的热处理方法，其中借助风扇在真空炉中产生冷却气流，以便对工件淬火，在高于真空炉中的最低压强条件下，风扇由利用预定的电源电压启动的多相电流电机驱动，根据多相电流电机的电机功率，确定所述压强。
在金属工件的热处理，例如淬火，回火或退火中，正在越来越多地使用真空炉。在加热之后，工件在这些真空炉中被气体介质，例如氮气冷却。与常规的油浴淬火或盐浴淬火方法相比，这种气体淬火的优点在于不会污染工件，即消除了费用高的清洁措施。为了在气体淬火中获得类似于油浴淬火或盐浴淬火方法的冷却效果，已为人们所知的是提供确保由于与之相关的气体密度的增大所造成的所需热传递的较高冷却气体压强。但是，高的冷却气体压强要求复杂的安全措施，同时，真空炉的进气和排气所需时间也相当长。
在高压气体淬火过程中发生的另一缺陷是用于在真空炉中产生冷却气流的风扇需要相当高的传动轴输出，以便确保在高压下产生的负荷转矩所需的冷却气体速度。高的传动轴输出同样使得必须获得驱动风扇的电机的较高的电机功率。从而，这种电机通常为额定功率为，例如220kW的多相电流电机。在约400伏的电源电压下，额定功率220kW的电机功率得到400A的额定电机电流。当风扇被起动时，由于在起动过程中发生的电涌的缘故，产生3600A的起动电流，该电流相当于在标准的冷却气体条件下的额定电机电流的9倍。
这种类型的高电流经常导致网络中断及主要在连接点导致严重的磨损。通过利用实现所谓的多相电流电机的软起动的起动装置可防止这种情况。这是通过把起动电流限制于额定电机电流的5倍或6倍来实现的。但是，这种起动装置费用很高，因此从经济的角度来考虑，是不能令人满意的。
虽然驱动风扇的电机的软起动使得能够在低的炉压下，即在真空炉的进气过程中对要处理的工件淬火，但是就时间而论，淬火工序的开始存在一个下限时间。这可归因于在可起动风扇之前，必须把真空炉充气到根据多相电流电机的电源电压确定的最低压强。该措施用于防止例如导致绝缘损坏的飞弧的产生。对于电源电压为400伏的多相电流电机来说，可借助所谓的Paschen曲线确定的最低压强通常约为750毫巴。
由于只有当在利用冷却气体充填真空炉的过程中，达到最低压强时，才可起动风扇，因此由于不可避免的风扇起动时间的缘故，淬火时间及可获得的淬火效果会受到不利的影响。
本发明的目的是开发一种能够简单，经济地获得改进的淬火效果的金属加械件热处理方法。
通过在真空炉中低于最低压强的压强下起动风扇，同时多相电流电机由另一个较低的电源电压运转，直到达到真空炉中的最低压强时为止，可实现本发明的上述及其它目的。
这种方法使得能够获得改进的淬火效果。其主要原因是由于在真空炉中，在低于最低压强的压强下起动风扇，可获得较短的淬火时间，相对于要处理的相应工件的所需淬火行为，这可提供较高的可变性。
本发明的特征是如果利用比对于规定的冷却气体速度所需的风扇传动轴输出所需的电源电压更低的电源电压运转多相电流电机，能够在低于最低压强的压强下，起动风扇，而不会发生飞弧的危险。降低的电源电压同样降低了起动电流，即可除去能够实现软起动的起动装置。虽然较低的电源电压也降低了电机功率，但是由于真空炉中的低气压及与之相关的低的冷却气体密度的缘故，电机功率足以起动风扇。
一旦达到真空炉中的最低压强，则利用较高的电源电压运转风扇。由于这时风扇已经以其额定速度旋转，一旦转换到较高的电源电压，即可立即获得对工件淬火所需的传动轴输出，即不会如同现有技术中的情况那样，由于起动风扇导致的时间损失的缘故，影响淬火效果。在这方面，考虑到由于风扇的旋转，在达到真空炉中的最低压强之前已存储在风扇中的动能，同时当转换到较高的电源电压时，所述动能表现为飞轮效应，这是特别有益的。由于起动电流较低，就经济考虑来论，根据本发明的方法有益于降低耗电量，并且使得能够消除难于实现的非常高的淬火压强，同时仍能获得可比的淬火效果。
如果利用变压器把电源电压施加给多相电流电机，并使之从较高的电源电压降低到较低的电源电压，以及从较低的电源电压升高到较高的电源电压将特别有益。借助变压器的电压变换相当经济，并且使得能够容易地改进现有的热处理系统，以便执行根据本发明的方法。出于同样的原因，本发明建议在高于最低压强的条件下，利用约400伏的电源电压运转多相电流电机，在低于最低压强的条件下，利用约230伏的电源电压运转多相电流电机。
根据本发明的一个优选的附加变化，根据真空炉中的压强和/或流经多相电流电机的电流的强度，改变施加给多相电流电机的电源电压，以便确保能够尽可能容易并且自动地实现本发明的方法。在本发明的附加变化中，考虑到用于真空炉中使用的风扇的最常见的多相电流电机的电机功率，建议最低压强为750毫巴。
为了能够利用大功率的多相电流电机，根据本发明的另一特征，利用水冷却多相电流电机。根据所需的冷却气体速度，在高于最低压强的条件下，通过改变风扇的速度，可实现冷却气流的简单控制。本发明还建议在最高可达20巴的真空炉压强条件下运转风扇，以便确保对应于相应要求的冷却气压，同时仍能获得足够的淬火效果。
参考附图，可更好地理解本发明，其中
图1a表示了按照现有技术，炉压，风扇速度和电压方面的时间图；图1b表示了根据本发明，炉压，风扇速度和电压方面的时间图；图2表示了根据现有技术及根据本发明的工件温度与冷却时间的关系曲线；图3表示了根据现有技术及根据本发明的气体温度与冷却时间的关系曲线。
根据对金属工件进行表面硬化的方法的下述举例说明，可了解本发明的目的的细节及其它优点。
表面硬化工艺用于使金属工件的界面层具有相当高的硬度，即用于使整个工件具有优良的机械性能。为此，首先根据所需的使用性能，使界面层富集碳和/或氮，随后使之从适当的硬化温度骤冷到室温或室温以下。如果在能够简单地交换气体热处理介质的真空炉中进行碳化或碳氮化及后续的淬火，则可实现工艺技术上可接受的表面硬化。
在要处理的工件在真空炉中被，例如碳化之后，通过排出气体碳化介质，并随后向真空炉注入惰性冷却气体，即可在碳化工序之后立即进行硬化工序，即，不必把工件转移到另一炉腔中。产生冷却气体速度对应于相应要求的冷却气流的电风扇用于硬化真空炉中的工件。冷却气流使要处理的工件从硬化温度骤冷至室温或室温以下。
额定功率为200kW的多相电流电机用于驱动风扇。如果真空炉中的压强低于750毫巴，则该多相电流电机由230伏的电源电压起动，如果真空炉中的压强高于750毫巴，则该多相电流电机由400伏的电源电压起动。起动变压器把电源电压降到230伏。一旦在冷却气体的注入过程中，真空炉中的压强达到约750毫巴，则从230伏转换到400伏。只要多相电流电机被提供230伏的电压，则电机功率仅为400伏电源电压下可获得的电机功率的三分之一，即在这种情况下仅为73.3kW。由于这种措施的缘故，额定电机电流从220kW电机功率下的400安降到约为该值的一半。相应降低的起动电流达到起动风扇的目的，同时所述起动电流不会影响高压电力网。测量结果证明产生的最大起动电流为1500安，所述起动电流的持续时间为1-2秒。由于起动电流被降低，也可确保相当低的耗电量。
被降低到230伏的电源电压也排除了飞弧的危险，否则在低于750毫巴的压强下，在220kW的电机功率下，会发生飞弧危险。另外，被降低到230伏的电源电压使得能够在低于150毫巴的压强下起动风扇，并且一旦达到150毫巴的压强，则可获得全部的传动轴输出。
图1表示了根据现有技术及根据本发明的，用于起动淬火工序的炉压，风扇速度和电源电压的时间图。
由于消除了把淬火容器充气到起动风扇电机的最低压强的常规步骤，因此可以毫不延迟地产生选择的气体淬火压强。这导致具有最大冷却能力的冷却过程的开始，以致获得达到所需的冷却温度的相应时间优势。在相同的材料制品情况下，这将导致比现有技术改进的淬火结果。
图2表示了利用和不利用本发明的情况下，冷却过程的相应测量曲线。
淬火室的连续充气还导致在冷却过程的头几分钟内，气体的相当快速的冷却，以致获得改进的热传递。图3中图解说明了利用本发明实现的这种快速气体冷却。
由于要进行表面硬化的特殊钢的淬透性相当低，从而为了获得足够的淬火结果，在头几分钟内需要很快的冷却，本发明特别适于这些情况。
对于本领域的技术人员来说，上述说明的各种变化和修改是显而易见的，并且这些变化和修改由附加的权利要求所包含。
权利要求
1.一种金属工件的热处理方法，包括在可借助风扇抽真空的单室或多室真空炉中产生冷却气流，以便对工件淬火；利用在高于淬火室中的最低压强条件下，由预定的电源电压运转的多相电流电机驱动风扇，根据多相电流电机的电机功率确定所述压强；在低于最低压强的淬火室压强下，起动风扇，同时利用较低的另一电源电压运转所述多相电流电机，直到达到淬火室中的最低压强为止。
2.按照权利要求1所述的方法，其中借助变压器把电源电压提供给多相电流电机，并使之从较高的电源电压降低到较低的电源电压，以及从较低的电源电压升高到较高的电源电压。
3.按照权利要求1所述的方法，其中在高于最低压强的条件下，利用约400伏的电源电压运转多相电流电机，在低于最低压强的条件下，利用约230伏的电源电压运转多相电流电机。
4.按照权利要求2所述的方法，其中在高于最低压强的条件下，利用约400伏的电源电压运转多相电流电机，在低于最低压强的条件下，利用约230伏的电源电压运转多相电流电机。
5.按照权利要求1所述的方法，其中根据淬火室中的压强和/或流经多相电流电机的电流的强度，改变施加给多相电流电机的电源电压。
6.按照权利要求2所述的方法，其中根据淬火室中的压强和/或流经多相电流电机的电流的强度，改变施加给多相电流电机的电源电压。
7.按照权利要求3所述的方法，其中根据淬火室中的压强和/或流经多相电流电机的电流的强度，改变施加给多相电流电机的电源电压。
8.按照权利要求1所述的方法，其中最低压强约为500-1200毫巴。
9.按照权利要求2所述的方法，其中最低压强约为500-1200毫巴。
10.按照权利要求3所述的方法，其中最低压强约为500-1200毫巴。
11.按照权利要求4所述的方法，其中最低压强约为500-1200毫巴。
12.按照权利要求1所述的方法，其中利用水冷却多相电流电机。
13.按照权利要求2所述的方法，其中利用水冷却多相电流电机。
14.按照权利要求3所述的方法，其中利用水冷却多相电流电机。
15.按照权利要求4所述的方法，其中利用水冷却多相电流电机。
16.按照权利要求5所述的方法，其中利用水冷却多相电流电机。
17.按照权利要求1所述的方法，其中在高于最低压强的情况下，根据所需冷却气体速度，改变风扇的速度。
18.按照权利要求1所述的方法，其中风扇在淬火室中最高可达40巴的压强条件下工作。
19.按照权利要求1所述的方法还包括通过下述步骤对工件淬火a)通过在低于750毫巴的压强下，即利用低于电机的额定电源电压，最好为额定电源电压的80％-40％之间的电压起动多相电流电机，开始气体淬火，b)使风扇加速到额定速度，c)向淬火室中注入淬火气体，并把淬火室中的淬火压强调节到1-40巴之间的值，d)一旦淬火室中的压强大于750毫巴，几乎同时地把电源电压转换到电机的额定电源电压，e)在完成气体淬火工序之后，使淬火室通风至大气压，并取出工件。
全文摘要
一种金属工件的热处理方法,其中借助风扇在真空炉中产生冷却气流,风扇由在高于真空炉中的最低压强条件下,由预定的电源电压运转的多相电流电机驱动,根据多相电流电机的电机功率确定所述最低压强。为了另外开发本方法,以便简单并且经济地提高淬火效果,在低于最低压强的真空炉压强下,起动风扇,同时利用较低的另一电源电压运转所述多相电流电机,直到达到真空炉中的最低压强为止。
文档编号C21D1/56GK1377978SQ0111230
公开日2002年11月6日 申请日期2001年4月2日 优先权日1999年9月24日
发明者卡尔－汉兹·莱姆肯 申请人:伊谱森国际有限公司