专利名称：气雾强制循环高压气体淬火冷却方法
技术领域：
本发明涉及的是一种淬火冷却方法，特别是一种适用于在真空或保护气氛下加热工件的气雾强制循环高压气体淬火冷却方法，属于金属热处理领域。
背景技术：
为了获得预定的组织和性能，通常采用常规的、特殊的以及组合的冷却方法和设备。高压气淬和喷雾淬火就是已被采用的两种不同的淬火冷却方法。高压气淬是以氮气、氦气等中性或惰性气体为介质，以一定压力(2～20bar或更高)通入加热炉或特定容器中，气体在大功率风机的驱动下进行强制对流，实现气体与工件之间的换热，气体从工件吸收的热量又通过设置在其中的热交换器带走，从而达到淬火冷却的目的。该技术缺点是1)淬火冷却能力较低，仅介于静态气体与盐浴(550℃)淬火冷却能力之间，即使采用20bar的氦气也很难达到与油相当的冷却能力；2)淬火过程中需消耗大量的高纯气体和风机搅动所需的电力，成本较高。喷雾淬火是将一定压力的水和高压气通过喷嘴混合并以雾的形式喷射到淬火件表面，实现淬火冷却的目的。该技术缺点是喷雾的方向性较强，对冷却均匀性有一定的影响。
为了提高真空加热高压气淬的冷却能力，目前普遍采用提高淬火时的气体压力和价格较高的氦气。经文献检索发现，阎承沛主编的《真空热处理工艺与设备》，机械工业出版社，北京1998.10，P40，介绍了采用氦气介质在20bar压力和强制循环的情况下的导热率为900～1000(W·m2·K-1)，20～80℃的静态油的导热率为1000～1500(W·m2·K-1)。这表明目前制造的20bar高压气淬炉的冷却能力尚达不到静态油的冷却能力。但是，采用20bar的氦气淬火会使设备造价和运行成本成倍的增加，制约了该技术的推广与应用。
发明内容
本发明针对现有高压气淬和喷雾淬火两种方法各自的不足和缺陷，提出了一种气雾强制循环高压气体淬火冷却方法，对两种方法的优点进行优势嫁接，使其大大提高了淬火冷却强度，并且冷却强度可以在很大范围内调节(介于水和静止空气的冷却能力之间)，同时具有生产成本低、无污染、生产过程安全和适合较大尺寸工件淬火的特点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过向设有强力搅拌风机和热交换器的容器内通入气体和水雾，气体和水雾在强力搅拌风机的驱动下与热工件进行换热，气体和水雾从工件吸收的热量又通过设置在其中的热交换器带走或通过排风机排出容器，从而实现淬火件快速冷却的目的。一定压力的气体和水雾相结合可使其导热率明显提高，可以达到与油或水相当的冷却能力，并且冷却能力可以在一定范围内调节，通过调节气体压力、喷雾强度和强力搅拌风机的转速可以实现对冷却强度的调整。本发明是利用喷雾淬火具有较高冷却强度和高压气淬的气体在强制循环风机的作用下可实现均匀冷却的特点，将水雾和高压气体混合为气雾混合体，在强力搅拌风机驱动下气雾混合体在容器内实现快速均匀运动，克服了喷雾淬火冷却不均匀和高压气冷却能力不足的缺点，实现快速均匀的淬火冷却的目的。
容器内气体压力为103～2×106Pa之间，喷入水雾的压力为5×104～106Pa之间，水雾含水量为0～100％可调，强力搅拌风机的旋转速度为500～2800rpm之间，通过调整这些参数来调整冷却强度，达到在水至静止空气之间的冷却能力。通过计算机控制喷雾的强度(由喷嘴进入冷却室的风量和水量)、或冷却气体的压力或强力搅拌风机的转速等参数，实现冷却速率的无级连续调节，在被处理的钢的过冷奥氏体最不稳定的温度区间提供较高的冷却强度，在过冷奥氏体较稳定的温度区间采用较低的冷却速率，调节的原则是为各阶段的冷却提供足够的冷却强度，保证获得预期的组织，在此前提下尽可能不采用过度强烈的冷却，以有效的控制畸变和避免开裂。冷却强度的控制可以预先通过试验确定或根据计算机模拟结果确定，由计算机实现开环控制或闭环控制。
本发明具有实质性特点和显著进步，与传统高压气淬和喷雾淬火的方法相比，本发明具有以下特点和效果1)通过向具有高压气淬功能的容器中喷入水雾和高压气体大大的提高了介质的冷却能力，克服了高压气淬方法冷却能力不足的缺陷；2)在强力搅拌风机驱动下气雾混合体在容器内实现快速均匀运动，克服了喷雾淬火冷却不均匀的缺点。3)通过改变喷雾的强度或冷却气体的压力或强力搅拌风机的转速可以方便而迅速地改变冷却速度。
具体实施例方式
结合本发明方法的内容提供以下实施例实施例1首先将在加热炉中加热到淬火温度的工具钢转移到设有强力搅拌风机、热交换器以及气体和水雾喷嘴的容器内，然后开启强力搅拌风机，同时向容器内通入氮气和喷入水雾，氮气和水雾在强力搅拌风机的驱动下形成气液混合体，气液混合体在强力搅拌风机的驱动下与热工件进行换热，调整容器内气体压力为5×105Pa、喷入水雾的压力为5×105Pa及其含水量50％、强力搅拌风机的旋转速度1500rpm，从而调整冷却强度，达到在水至静止空气之间的冷却能力，气液混合体从工件吸收的热量又通过设置在其中的热交换器带走或通过排风机排出容器，从而实现淬火件快速冷却的目的。本实施例高压气淬方法冷却能力较好，喷雾淬火冷却均匀。
实施例2首先将在加热炉中加热到淬火温度的工具钢转移到设有强力搅拌风机、热交换器以及气体和水雾喷嘴的容器内，然后开启强力搅拌风机，同时向容器内通入氦气和喷入水雾，氦气和水雾在强力搅拌风机的驱动下形成气液混合体，气液混合体在强力搅拌风机的驱动下与热工件进行换热，调整容器内气体压力为2×106Pa、喷入水雾的压力为5×106Pa及其含水量100％、强力搅拌风机的旋转速度2800rpm，从而调整冷却强度，达到在水至静止空气之间的冷却能力，气液混合体从工件吸收的热量又通过设置在其中的热交换器带走或通过排风机排出容器，从而实现淬火件快速冷却的目的。本实施例高压气淬方法冷却能力非常好，喷雾淬火冷却均匀。
实施例3首先将在加热炉中加热到淬火温度的工具钢转移到设有强力搅拌风机、热交换器以及气体和水雾喷嘴的容器内，然后开启强力搅拌风机，同时向容器内通入空气和喷入水雾，空气和水雾在强力搅拌风机的驱动下形成气液混合体，气液混合体在强力搅拌风机的驱动下与热工件进行换热，调整容器内气体压力为103Pa、喷入水雾的压力为5×104Pa及其含水量10％、强力搅拌风机的旋转速度500rpm，从而调整冷却强度，达到在水至静止空气之间的冷却能力，气液混合体从工件吸收的热量又通过设置在其中的热交换器带走或通过排风机排出容器，从而实现淬火件快速冷却的目的。本实施例高压气淬方法冷却能力好，喷雾淬火冷却均匀。
权利要求
1.一种气雾强制循环高压气体淬火冷却方法，其特征在于，向设有强力搅拌风机和热交换器的容器内通入气体和喷入水雾，气体和水雾的混合体在强力搅拌风机的驱动下与热工件进行换热，气体和水雾从工件吸收的热量又通过设置在其中的热交换器带走或通过排风机排出容器，从而实现淬火件快速冷却的目的。
2.根据权利要求1所述的气雾强制循环高压气体淬火冷却方法，其特征是，容器内气体压力为103～106Pa之间，喷入水雾的压力为5×104～106Pa之间，水雾含水量为0～100％可调，强力搅拌风机的旋转速度为500～2800rpm之间。
3.根据权利要求1或2所述的气雾强制循环高压气体淬火冷却方法，其特征是，通过计算机控制喷雾的强度即由喷嘴进入冷却室的风压和水量、或冷却气体的压力或强力搅拌风机的转速，实现冷却速率的无级连续调节。
4.根据权利要求1或2或3所述的气雾强制循环高压气体淬火冷却方法，其特征是，通入容器内的气体是空气、氮气、氦气中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的气雾强制循环高压气体淬火冷却方法，其特征是，冷却强度的控制预先通过试验确定或根据计算机模拟结果确定，由计算机实现开环控制或闭环控制。
全文摘要
一种气雾强制循环高压气体淬火冷却方法，属于金属材料热处理领域。本发明向设有强力搅拌风机和热交换器的容器内通入气体和水雾，气体和水雾的混合体在强力搅拌风机的驱动下与热工件进行换热，气体和水雾从工件吸收的热量又通过设置在其中的热交换器带走或通过排风机排出容器，从而实现淬火件快速冷却的目的。本发明气体和水雾相结合明显提高了介质与工件之间的换热系数，可以达到水至静止空气之间的冷却能力，并且冷却能力可以在一定范围内进行调节。
文档编号C21D1/613GK1492060SQ0315078
公开日2004年4月28日 申请日期2003年9月4日 优先权日2003年9月4日
发明者潘健生, 陈乃录, 张伟民, 胡明娟, 刘占仓 申请人:上海交通大学