本发明涉及金属热处理加工技术领域，具体讲涉及一种在单一介质中实现钢丝连续分级淬火的工艺及装置。
背景技术：
铁碳合金的相图表明，任意含碳量的碳素钢(以亚供析钢为例)，在加热和冷却过程中的固态组织转变的临界温度点，是由a1线(珠光体与奥氏体相互转变)和a3线(铁素体与奥氏体相互转变)决定的。为了表示区分，通常用c表示加热过程转变点，r表示冷却过程转变点。ac1是加热过程中奥氏体开始形成的温度，ac3为加热过程中奥氏体完全形成的温度。
钢的淬火是将钢加热到临界温度ac3或ac1以上温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到ms以下（或ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺（参见图1）。
生产螺旋弹簧用的碳钢类弹簧材料主要是中高碳钢钢丝(65mn、70#、80#等)、合金弹簧钢丝（60si2mn、55crsi、50crv等）等，该类弹簧钢丝材料可通过冷加工至成品材料钢丝后加工成弹簧，也可通过淬火+回火使之产生回火马氏体组织或下贝氏体组织后加工成弹簧。马氏体或下贝氏体组织材料因具有较好的综合物理性能如强度、韧性、疲劳寿命、耐一定高温等，主要用在中高档弹簧制造上，如汽车悬架簧、汽车发动机气门簧、模具簧等。
钢丝的淬火+回火热处理一般采用展开式连续热处理，即：整盘的钢丝放置于放线架上并将钢丝展开后连续通过加热炉加热->淬火->回火->盘绕收线最后形成整盘整卷的钢丝盘并经涂油、包装后作为成品供应给弹簧生产厂家，弹簧厂再将钢丝盘卷展开送入自动绕簧机加工成一个个的弹簧。此种连续热处理方式处理出来的弹簧钢丝材料有着通条性好、质量均匀、生产效率高，有利于连续工业化制簧，且每个弹簧性能均匀一致性好。
弹簧钢丝类材料在淬火时一般主要采用淬火油、有机高分子淬火介质水溶液、水、无机盐水溶液等等作为淬火介质，有采用单一的淬火介质，也有使用双淬火介质或多介质。钢丝在淬火过程中由于淬火介质的选择不当或淬火介质老化等原因，会出现变形、开裂、淬不上火等热处理事故。变形、开裂的原因主要是800℃以上奥氏体化的钢丝在淬火冷却过程中冷热不均造成非均匀收缩，膨胀产生的内应力和在ms点马氏体组织相变产生的相变应力超过了组织的塑性变形抗力。淬不上火则是由于淬火介质的冷却能力（冷速）不够造成马氏体转变率降低，使钢丝材料强度降低达不到要求。此外，淬火介质使用时间的长短也会影响淬火能力，具体表现为：新的淬火介质具有较佳的稳定的淬火能力，而使用时间过长的淬火介质易出现淬不上火、变形及开裂等问题。出现上述热处理事故，一般需要通过繁杂的试验、检测、筛选以及更换介质来解决，费时、费力、增大成本、降低生产效率。
随着技术的发展，有研究表明，钢铁材料在淬火过程中出现的开裂、马氏体转变率低除了与上述淬火介质冷却能力异常或不匹配有关之外，也与冷却过程中钢铁材料在不同温度区域需要不同的冷却速度有关，而单一的淬火介质的冷却能力曲线是在不同的温度区域有不同的冷速，且是连续变化的，在整个冷却过程中都有可能影响最终淬火质量，通俗地讲就是该高的时候不高，该低的时候不低。为了解决这一问题，一种途径是发明、开发很多具有不同冷却能力、特性的淬火介质，尽量去适应特定的钢铁材材淬火过程中的特定的冷却曲线，或者淬火过程中连续进入多种淬火介质，此种途径生产成本高、适用范围小。另一种途径是采用一些特殊的淬火方法：例如中国专利(cn02136713)，该发明采用喷雾+高压气体方式实现分级淬火、并通过调节喷雾和气体流量比例的方法得到不同冷却速率实现分级淬火，该发明采用的喷雾+气体淬火可以实现温度上的精确控制、且工件变形小，但实质上该方法对喷雾的雾滴大小要求和水汽的混合均匀性要求是极高的，而且还没有考虑气体需要采用氮气等惰性气体来防止钢铁工件在淬火过程中的氧化问题，类似的还有采用纯气体喷吹淬火的，还有为了降低雾滴大小采用超声波雾化的，都存在技术上实现难度大、可操作性差、成本昂贵等问题，因此无法在大规模的生产中应用；再一方面，在钢丝淬火-回火生产过程中，虽说钢丝是结构形状简单的细圆柱形连续体（理论上讲，形状简单的工件淬火不易产生淬火缺陷），应该是生产适应性较高，但是由于生产过程是连续化作业，在生产过程中不能随时检测，必须生产告一段落或整盘钢丝生产完才检验（每盘钢丝2t多重，且为了提高效率同时处理6～8根及以上的钢丝），一旦发现有问题时已经造成巨大的损失。
综上所述，现有技术的共同缺点是：（1）淬火介质在使用过程中会缓慢地变质，淬火能力会逐渐降低、甚至完全丧失，出现变形、开裂等热处理缺陷，最终导致无法生产出高强度、高质量的淬火回火弹簧钢丝；（2）适用范围小，不同钢丝产品的淬火需要是不相同的，而通过更换淬火介质来满足不种钢丝产品的不同需求，操作麻烦，成本高；若采用连续进入多种淬火介质进行分级淬火需要多次中间清洗，打断了连续淬火过程，成本高，前后介质易污染，工艺装备复杂；（3）单一淬火介质的调整范围是非常有限的，弹簧钢丝类产品规格材质又繁多，生产企业不可能一种钢丝产品对应使用一种淬火介质。
技术实现要素：
本发明的目的正是针对上述现有技术中所存在的不足之处而提供一种在单一介质中实现钢丝连续分级淬火的工艺及装置，利用本发明可以生产出高强度、高质量、变形小、开裂风险小的钢丝，后续进一步回火处理后便可得到高强度、高质量的淬火回火马氏体弹簧钢丝，提高淬火质量、降低热处理缺陷、简化淬火工艺、降低生产成本；此外，本发明还具有淬火介质使用寿命长、适用范围广的优点，能够满足多种品种和规格钢丝的不同淬火需求。
本发明的目的可通过下述技术措施来实现：
本发明的在单一介质中实现钢丝连续分级淬火的工艺包括下述步骤：所述工艺包括下述步骤：
a、奥氏体化加热：经放线装置展开后的钢丝在10～120秒纵向贯穿800～1050℃的加热炉，钢丝在加热炉内连续前移的过程中被加热到行业标准中规定的用以制作钢丝的钢材品种所对应的淬火加热温度范围内（淬火加热温度高于奥氏体化转变临界点，当钢丝温度超过奥氏体转变临界点即开始奥氏体组织转变），并经1～5秒保温均匀化后完成奥氏体化加热，形成细小、均匀的奥氏体晶粒（钢丝在保温过程中继续奥氏体化、并使钢丝内部温度趋于均匀）；
b、连续、分级冷却：经过奥氏体化加热后的钢丝继续前移，纵向贯穿淬火槽的槽体内腔（即从淬火槽一个端面上的穿装孔穿进、从相对端面上的穿装孔穿出），钢丝在前移过程中被淬火槽槽体内腔中20～120℃的单一淬火介质连续冷却到马氏体转变的温度区间内（即ms点温度以下）进行马氏体的转变；同时，根据钢丝的不同淬火要求，选择需要启动的布置在淬火槽槽体上的超声波振子、并调节至相匹配的功率，从而实现在不同的温度区间以及不同的槽体区域内以不同速度进行冷却的分级冷却（换句话说，分级冷却就是在钢丝冷却过程中通过人为控制有无超声波、超声波的强弱来人为控制不同温度区间的冷却速度、人为制造出不同的冷却能力区域；同时，借助超声波的空化效应可以大大强化淬火介质的冷却效果，保证钢丝在淬火介质中分区、分段以不同的冷却速度快速连续冷却到ms以下进行马氏体转变）。
本发明的在单一介质中实现钢丝连续分级淬火的装置包括淬火槽、沿纵长方向布置在所述淬火槽槽体上的若干个超声波振子；在所述淬火槽纵长方向的两个端面上开设用于钢丝贯穿的穿装孔。
本发明中所述超声波振子布置在淬火槽槽体的底下方。
本发明中所述超声波振子布置在淬火槽槽体的外侧壁上。
本发明的设计原理如下：
本发明是在奥氏体化加热、淬火冷却的传统钢丝淬火工艺中引入了超声波，在钢丝进行淬火冷却过程中通过人为控制有无淬火声波、超声波的强弱来人为控制不同温度区间的冷却速度、人为制造出不同的冷却能力区域，即借助超声波分布的不同位置以及通过分组进行强弱调节来改变同一淬火介质在整个淬火段或淬火过程中不同区间的淬火能力、并使淬火能力呈现出不均匀性，因此本发明可以在单一介质中实现钢丝的连续分级淬火或连续分段淬火，进而生产出高强度、高质量、变形小、开裂风险小的钢丝，后续进一步回火处理后便可得到高强度、高质量的淬火回火马氏体弹簧钢丝，本发明具有降低热处理缺陷、提高淬火质量、简化淬火工艺、降低生产成本的优点。此外，本发明适用范围广，可以通过调节分级淬火段的长度、淬火介质温度等工艺参数来满足多种规格和型号的钢材品种不同的淬火需求。
换句话讲，本发明在钢丝淬火过程中采用单一的淬火介质（推荐使用淬火油或有机高分子淬火介质水溶液）、借助超声波实现分级淬火冷却或分段淬火冷却（淬火段可分为二级及二级以上），使不同区域的单一淬火介质产生不同的淬火冷却能力，从而实现钢丝的连续分级淬火或连续分段淬火：例如高温段采用较快的冷却速率，并通过淬火介质温度、淬火段长度控制冷却终点温度，随后在低温段采用较低的冷却速率，使得马氏体转变过程中内应力小，使变形、开裂风险小，再经后续回火处理后得到高强度、高质量的淬火回火马氏体弹簧钢丝。另外，本发明利用单一淬火介质就可以产生不同的淬火冷却能力，不需要像传统工艺中利用多种淬火介质的配合和转换来改变淬火能力，避免了多种淬火介质转换过程中的多次清洗操作，简化工艺、使用方便。
更进一步讲，本发明在淬火槽槽体上的不同位置（淬火槽槽体的底下方或外侧壁上）设置有若干个超声波振子，超声波对纵向贯穿淬火槽的钢丝周围的淬火介质产生“空化作用”：即超声波在淬火介质中传播时使淬火介质流动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体中的微小气泡（空化核）在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压力，从而对淬火介质的局部产生强烈的物理作用，即“空化作用”将打破普通淬火过程中热交换的气泡、蒸发、换热等过程，将大气泡破坏或打碎，使淬火介质直接接触钢丝，提高了钢丝上的热能向淬火介质中的传递；同时超声波的空化能剧烈搅拌淬火介质，祛除粘附于钢丝表面的碳化、结焦、无机盐等杂质，使油或水溶液能更好的接触吸收钢丝表面的热能等。总而言之，借助超声波能够有效强化和提高淬火介质的淬火冷却效果。更重要的是，本发明中设置在淬火槽槽体上不同位置处的若干个超声波振子，可以根据需要选择开启、关闭或调节功率大小，这样在淬火槽不同位置处的超声波强度是不相等的，也就是同一介质在整个淬火段或淬火过程中不同温度区间、不同位置区间内淬火能力通过人为控制后是高低变化的、不均匀的，因此本发明可以在单一介质中实现钢丝的连续分级淬火或连续分段淬火，进而生产出高强度、高质量、变形小、开裂风险小的钢丝，后续进一步回火处理后便可得到高强度、高质量的淬火回火马氏体弹簧钢丝，本发明具有降低热处理缺陷、提高淬火质量的优点。
本发明的有益技术效果如下：
本发明提供一种在单一介质中实现钢丝连续分级淬火的工艺及装置，利用本发明可以生产出高强度、高质量、变形小、开裂风险小的钢丝，后续进一步回火处理后便可得到高强度、高质量的淬火回火马氏体弹簧钢丝，提高淬火质量、降低热处理缺陷、简化淬火工艺、降低生产成本；此外，本发明还具有淬火介质可选择性增大、使用寿命长、适用范围广、可与原有生产工艺装备无缝接合的优点，能够满足多种品种和规格钢丝的不同淬火需求。
附图说明
图1是传统淬火工艺中钢丝的相变示意图。
图2是本发明淬火工艺中钢丝的相变示意图。
图3是本发明中实施例一的工艺示意图。
图4是本发明中实施例二的工艺示意图（同时还是装置的代表示意图）。
图5是本发明中实施例三的工艺示意图。
图中序号为：a、分级冷却第一级，b、分级冷却第二级，c、分级冷却第三级，i、第一组超声波振子，ii、第二组超声波振子，1、钢丝，2、淬火槽，3、超声波振子，4、超声遮挡板，5、气泡，6、液面。
具体实施方式
本发明以下结合附图和实施例作进一步描述：
为避免重复叙述，现将本发明各实施例中所涉及的技术参数统一描述如下：本发明中所述超声波振子3既可以布置在淬火槽2槽体的底下方，也可以布置在淬火槽2槽体的外侧壁上，此两种安装位置作为优选。但超声波振子3在淬火槽2槽体上的布置位置并不限于上述的两种。
实施例一
如图2、图3所示，实施例一的工艺包括下述步骤：
a、奥氏体化加热：经放线装置展开后的由60#钢制成、直径为φ2.0mm的钢丝在40s内纵向贯穿860～900℃的加热炉，钢丝在加热炉内连续前移的过程中被加热到高于60#钢奥氏体化转变临界点的淬火加热温度，并经2秒保温均匀化后完成奥氏体化加热，形成细小、均匀的奥氏体晶粒；
b、连续、分级冷却：经过奥氏体化加热后的钢丝继续前移，纵向贯穿淬火槽2的槽体内腔（即从淬火槽2一个端面上的穿装孔穿进、从相对端面上的穿装孔穿出），钢丝在前移过程中被淬火槽2槽体内腔中60～80℃的30#机油连续冷却到ms点温度以下进行马氏体的转变；同时，根据60#钢的淬火要求，选择二级淬火，选择启动布置在淬火槽2槽体底下方的前端a段所有的超声波振子3，而在淬火槽2槽体底下方的后端b段则不设置超声波振子3；如图3所示，当钢丝通过长度为500mm的a段时，被淬火槽2槽体内腔中的30#机油以60～150℃/s的冷却速度从淬火加热温度冷却到400℃，第一级冷却结束；当钢丝通过长度为1000mm的b段时，被淬火槽2槽体内腔中的30#机油以10～60℃/s的速度从400℃冷却到100℃,第二级冷却结束。此时，由于100℃低于60#钢的ms温度，钢丝开始进行马氏体转变。
从图3中可以看出，实施例一是二级分级淬火，选择启动布置在淬火槽2槽体底下方的前端a段的一排超声波振子3之后，可以通过调节超声波振子3的功率来实现超声波振子3上方的淬火介质对钢丝1冷却能力的调节，调节范围为0～100%：即淬火介质的普通淬火能力到最高淬火能力的变化。本实施例中最高淬火能力与纯水介质的淬火能力相当。换句话说，在图3中第一级淬火a段是超声强化淬火快速冷却，第二级淬火b段是淬火介质正常淬火缓冷，减缓马氏体转变速率。通过人为地改变冷却段中钢丝温度到达马氏体转变区间的速度、稳定马氏体转变时间，解决因淬火介质老化、标号选择较低而造成的淬不上火等淬火事故和缺陷。
实施例二
如图2、图4所示，实施例二的工艺包括下述步骤：
a、奥氏体化加热：经放线装置展开后的由60si2mn制成、直径为φ5.0mm的钢丝在45s内纵向贯穿880～930℃的加热炉，钢丝在加热炉内连续前移的过程中被加热到高于60si2mn奥氏体化转变临界点的淬火加热温度，并经1秒保温均匀化后完成奥氏体化加热，形成细小、均匀的奥氏体晶粒；
b、连续、分级冷却：经过奥氏体化加热后的钢丝继续前移，纵向贯穿淬火槽2的槽体内腔（即从淬火槽2一个端面上的穿装孔穿进、从相对端面上的穿装孔穿出），钢丝在前移过程中被淬火槽2槽体内腔中50～70℃的专用淬火油连续冷却到ms点温度以下进行马氏体的转变；同时，根据60si2mn的淬火要求，选择二级波动淬火，选择启动布置在淬火槽2槽体底下方的前端a段中的第i组超声波振子3、关闭第ii组超声波振子3，而在淬火槽2槽体底下方的后端b段则不设置超声波振子3；如图4所示，当钢丝通过长度为900mm的a段时，被淬火槽2槽体内腔中的专用淬火油以60～200℃/s的冷却速度将钢丝从淬火加热温度冷却到400～300℃，第一级冷却结束；当钢丝通过长度为800mm的b段时，被淬火槽2槽体内腔中的专用淬火油以10～60℃/s的速度从400～300℃冷却到100℃,第二级冷却结束。此时，由于100℃低于60si2mn的ms温度，钢丝开始进行马氏体转变。
从图4中可以看出，实施例二是一个二级波动淬火，在淬火槽2槽体底下方的前端a段布置一排超声波振子3，且将淬火槽2前下方的超声波振子3分成两组，即第1个、第3个、第5个…为第一组超声波振子ⅰ，第2个、第4个、第6个…为第二组超声波振子ⅱ；而在淬火槽2槽体底下方的后端b段则不设置超声波振子3。淬火冷却时，可以根据需要选择启动第一组超声波振子ⅰ以及调节功率、关闭第二组超声波振子ⅱ，便可实现连续波动淬火，使淬火介质淬火能力呈现出短距离的连续的强、弱、强、弱……的变化方式，同时可以通过调节功率来适应不同品种的产品；此种方式尤其适应具有严重畸变、开裂倾向的钢丝产品。
此外，实施例二中的分组方式可以在具体操作使用中进行细化或变通，以满足所需的特殊波动淬火。实施例二也可以采用拉大或减小超声波振子（3）布置间距的方式来实现淬火能力强、弱、强、弱的变化，即弱表现出基本淬火能力0，强则可在基本淬火能力0到100%强化范围之间调节。利用本实施例还可以实现实施例一的普通二级分级淬火：即将声波振子i组、ⅱ组全部打开即可。总之，本实施例可通过淬火介质淬火能力的强、弱、强、弱……的连续变化方式使钢丝产品冷却过程中有缓解回复的时间和过程，可用于具有严重畸变、开裂倾向问题的钢丝产品淬火。
实施例三
如图2、图5所示，实施例三的工艺包括下述步骤：
a、奥氏体化加热：经放线装置展开后的由3cr13制成、直径为φ5.0mm的钢丝在45s内纵向贯穿930～1050℃的加热炉，钢丝在加热炉内连续前移的过程中被加热到高于3cr13奥氏体化转变临界点的淬火加热温度，并经3秒保温均匀化后完成奥氏体化加热，形成细小、均匀的奥氏体晶粒；
b、连续、分级冷却：经过奥氏体化加热后的钢丝继续前移，纵向贯穿淬火槽2的槽体内腔（即从淬火槽2一个端面上的穿装孔穿进、从相对端面上的穿装孔穿出），钢丝在前移过程中被淬火槽2槽体内腔中20～60℃的专用水溶性淬火液连续冷却到ms点温度以下进行马氏体的转变；同时，根据3cr13的淬火要求，选择三级淬火，选择启动布置在淬火槽2槽体底下方a段、b段和c段中的全部超声波振子3，并调节位于淬火槽2中钢丝和淬火槽2槽体内底面之间的遮挡板4的位置和长度：当钢丝通过300mm长的a段中的水溶性淬火液时以40～120℃/s的冷却速度从淬火加热温度冷却到750℃左右，第一级冷却结束；当钢丝继续通过600mm长的b段中的水溶性淬火液时以80～200℃/s的冷却速度从750℃冷却到400～300℃，第二级冷却结束；当钢丝继续通过800mm长的c段中的水溶性淬火液时以10～60℃/s的冷却速度从400～300℃冷却到100℃，第三级冷却结束。此时，由于100℃低于3cr13的ms温度，钢丝开始进行马氏体转变。
从图5中可以看出，实施例三是一个三级分级淬火实施例。实施例三在淬火槽2槽体底下方均匀布满一排超声波振子3，位于淬火槽2底下方a段、c段的若干个超声波振子3与钢丝1之间加装有超声遮挡板4，这样只有中间段有超声波透过、并作用于钢丝1周围，使整个淬火槽2长度上的淬火能力呈现出弱-强-弱的三级淬火变化，表现在冷却速度上就是低-高-低。如图5所示，钢丝在第一级淬火a段产生降温时，低的冷速会降低因温度剧烈变化产生的收缩膨胀变形作用；在第二级淬火b段时，高的冷速使钢丝1温度快速降低、并通过组织转变的鼻子点；随后，在淬火第三级c段时，低的基础冷速使钢丝均匀缓慢的进行马氏体转变，防止组织转变应力造成的开裂、畸变。实施例三的方案可非常容易地调整多级淬火中每级淬火的长度，进而实现工艺调整。当然也可设置更多个超声遮挡板4可以实现更多级的分级淬火，即根据需要可以将超声遮挡板4设置成连续的或断续的，只要实现在整个淬火槽内不同位置有不同强度的超声波存在即可,即可转换成实施例i或ii的形式。超声功率同样可调，但被遮挡的位置为基础冷速。本实施例简单实用，生产过程中可随时通过制作新的超声遮挡板4或调整其位置、长度等来适应新的产品、工艺，缺点超声波振子全开，电能消耗稍大。