專利名稱：熱金屬物體的淬火的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及淬火熱金屬物體的方法。
眾所周知，淬火一種金屬物體(即將物體從奧氏體范圍內的熱處理溫度，迅速冷卻至一非常低的，通常是室溫的溫度)能夠顯著改善它的機械性能和特性。例如通過控制內部的晶體形成和/或沉淀，淬火被用于使物體硬化和/或改善它的機械性能。傳統(tǒng)上，淬火是使用液體如水，油或鹽水，以浸浴或噴射系統(tǒng)的形式來實現(xiàn)的。近些年來，氣體淬火方法已經得到發(fā)展。氣體淬火具有淬火后潔凈，無毒和無待去除的殘留物的優(yōu)點，然而，在達到與更多的常規(guī)液體淬火過程所提供的近似的高淬火速率時遇到了困難。
淬火是一個高速的過程，要求在高熱流密度的條件下，將物體內部的熱量通過物體的冷卻表面被帶走。通常希望物體的淬火是均一的，以使淬火過的物體具有均一的表面或內部特性，然而在多數(shù)淬火技術中，由于各種因素，主要是由于萊登弗洛斯特現(xiàn)象，淬火的均一性是很難實現(xiàn)的。任何淬火系統(tǒng)的淬火效果通常是由Grossman淬火強度系數(shù)H來表征的；對于液體淬火劑如水或油，H通常落在0.2-4的范圍內。使用氣體淬火是不容易達到如此高的H值的；當使用氣體淬火時，冷卻強度可以通過使用幾種不同的方法來提高；如提高淬火壓力；提高氣體噴射到物體上的速度；選擇氣體(雖然氦氣和氫氣比氮氣昂貴，但因為它們各自的熱傳遞系數(shù)不同，氮氣不如氦氣好，氦氣不如氫氣好)；優(yōu)化氣流條件；提高氣體的湍流；和提高氣體的冷卻程度。
使用主要包括氮氣，氬氣和/或氦氣的復合冷氣流，在相當于60巴的壓力下進行的氣體淬火，已經在真空爐中實施過，且用于淬火成批部件(bulk components)的特性是公知的。最近，在真空爐或常規(guī)的大氣爐中加熱單一的或小批部件的氣體淬火已經提出。在現(xiàn)有技術中已經知道，為了省略冷卻爐子結構的需要，這些技術還包括將被淬火過的物體輸送到一專門設計的冷室中。
為了符合單一的物體或部件均一淬火的標準，必須使淬火劑均一地達到物體表面。在實踐中，氣體淬火工藝還包括使經與物體相接觸后被加熱的氣體均一地離開表面(以使更新鮮的冷氣體能夠作用于表面而繼續(xù)淬火過程)；因此，不連續(xù)的到達和離開的氣體量必須存在。理論上，這些數(shù)量理想中應無限的小，但是從實踐需要考慮，這些數(shù)量應大到只要能夠與基本均一的熱傳遞相一致即可。
第二個影響淬火均一性的因素是各氣流之間的相互作用。已知對于恒定的質量流量，氣流寬度(d)與氣體噴嘴出口和物體表面間距(a)的比值為4，相鄰氣流間距(b)是氣流寬度(d)的3倍時，熱傳遞系數(shù)達到最大值。眾所周知，當氣流撞擊物體表面時在氣流邊緣形成的湍流對熱量的傳遞具有顯著的作用，然而由于氣流之間復雜的相互作用，這些湍流區(qū)域的形態(tài)和大小是很難預知的。
進一步影響氣體淬火均一性的一個因素是，雖然撞擊物體表面的氣體速度應盡可能的高，并且應盡可能垂直地作用于表面，但相對于表面的氣流速度和入射角也應盡可能均一，而熱傳遞系數(shù)取決于上述這兩方面因素。有人提議，為了使熱傳遞系數(shù)達到最大，使相鄰氣流之間相互反應的因素達到最小，只要在整個距離內氣流速度的損失一致，氣體噴嘴出口與表面的間距(a)應當盡可能的大。例如，US5452882提出，為了獲得0.2-4之間的淬火強度系數(shù)H，大量直徑為d的氣流應從噴嘴中被直接噴射到待淬火的物體上，其中噴嘴(直徑為d)與物體表面的間距為2d-8d，相鄰噴嘴的間距b為4d-8d。提供一種有高淬火強度的、基本上均一的、并且有效而經濟的淬火工藝，是持續(xù)需要的。
因此，本發(fā)明提供一種淬火熱金屬物體的方法，包括從大量的噴嘴出口中排出大量獨立的氣流，使氣流基本上均一地撞擊在物體的整個外表面上，其中每一個噴嘴出口和其相應的氣流所撞擊的物體外表面的間距(a)小于或等于噴嘴出口直徑(d)的一半。
為了避免疑問，不應從單詞“直徑”的使用而推斷本發(fā)明局限于圓形截面的氣流；本發(fā)明擴展到任何截面形狀的氣流，為了達到使本發(fā)明用于實踐的目的，這些“直徑”是通過假設一非圓形氣流的截面實際為圓形而計算的。因而這里所用的“直徑”一詞應被解釋為圓形氣流的直徑或與非圓形氣流具有相等截面積的理論上的圓形氣流直徑。對于噴嘴出口與物體之間如此小的距離，氣流在噴嘴出口和物體之間傳遞時，氣流的截面面積和“直徑”應基本上保持不變，并且等于噴嘴出口的截面積與“直徑”。
噴嘴出口可與截面面積基本相等，或者噴嘴面積可以變化，假如每一單位面積被冷卻物體的噴嘴總面積保持基本不變的話。例如，為了淬火一個具有復雜的或旋繞的表面形狀或結構的物體，具有不同的噴嘴面積可能更有利。
我們已經從對氣流之間復雜的相互作用的研究中發(fā)現(xiàn)，當產生于噴嘴邊緣的高湍流區(qū)域與物體表面相互作用使得對氣體的熱量傳遞達到最大，且產生了更加均一的冷卻時，熱傳遞速率在氣流噴嘴出口與物體表面的間距為一非常小的值(即a≤0.5d)的情況下，具有意想不到的，令人驚奇的巨大的和迅速的增加。下面將進一步描述，已經確認根據本發(fā)明的方法能夠提供一種所期望的，象其它各種淬火一樣的基本均一的淬火。
使用氮氣的本發(fā)明的方法，也可以獲得與常規(guī)的油淬火速率相等的淬火速率，且不需要常規(guī)實踐中的高壓力淬火環(huán)境?？梢灶A料，將氫氣混合至淬火氣流中，其淬火速率與水淬火的速率相等(氫氣具有大約3倍于氮氣的冷卻效果)。在淬火過程中加入氫氣，還具有保持部件光亮的進一步的優(yōu)點(但是具有比單獨使用氮氣更高的氣體成本)。
由于使用如此小的氣體噴嘴出口和物體表面的間距，而具有更進一步的實踐優(yōu)點。當距離(a)減小時，在所要求的速率下，所需的提供給氣流的壓力增加；使用常規(guī)的壓縮設備(如US5452882中提到的)很難產生這樣的壓力，而且資金和運轉的消耗也很大，但是如果氣流是由一種壓縮的或液態(tài)的氣體源提供的，那么將不需要壓縮設備。取而代之的是，氣體源將提供高壓氣體，如果需要，氣體的壓力還可以被很容易和不費力氣的調節(jié)，這樣就沒有壓縮費用(氣體如氮氣，常規(guī)是在高壓下或以液體形式提供的)，因此，唯一的費用是在氣體上。甚至氣體也不需要被完全消耗，當冷壁淬火室能夠在比周圍環(huán)境稍高的壓力，如10kPa下運行時，那么從物體反射回來的淬火氣體可被用于整個或部分加熱處理的保護氣。
優(yōu)選的相鄰噴嘴出口的間距(b)小于或等于噴嘴出口直徑(d)的8倍，且優(yōu)選比這個間距(d)大兩倍，以便確保淬火的均一性。
氣流最好被直接地以致基本垂直地作用于物體表面，使淬火強度達到最大。
因為淬火過程中的冷卻速率與氣流的速率和該速率與氣體提供的壓力之比是直接相關的，因此控制冷卻速率是一件相對來說較簡單的事。本領域的技術人員期望能夠有一個合適的方法，從而氣體提供給噴嘴出口的壓力能夠被控制，在淬火過程中獲得一個非常精確的可控制的冷卻速率；在可能的最大的冷卻速率的界限內，產生任何瞬時的冷卻速率顯然是可能的，所以物體的奧氏體淬火和馬氏體淬火是容易實現(xiàn)的。此外，因為本發(fā)明的方法主要想用于單一物體的淬火，所以通過適當控制淬火氣流的速率，壓力和/或組成，和/或通過改變不同噴嘴之間的淬火氣流速率，來控制與物體的表面面積(以便在一簡單的操作中，例如在部件的一個區(qū)域馬氏淬火的同時，在另一個區(qū)域快速地油淬火)有關，和/或與淬火周期(以便在淬火過程中改變淬火速率)有關的高精確度的淬火速率是可能的。
現(xiàn)在通過實施例并參考附圖對本發(fā)明作出描述，其中

圖1說明垂直撞擊物體表面的氣流熱傳遞系數(shù)是自氣流中心線距離的函數(shù)；圖2A,2B和2C說明在3個不同的氣體噴嘴出口和被冷卻/淬火的表面間距(a)時，氮氣淬火系統(tǒng)中的熱傳遞系數(shù)作為相鄰氣流間距(b)的函數(shù)。
圖3A,3B,3C和3D說明在不同的相鄰氣流/噴嘴間距(b)下，氮氣淬火系統(tǒng)中熱傳遞系數(shù)的改變是氣體噴嘴出口間距(a)的函數(shù)；圖4是淬火一個熱齒輪時的排列的截面示意圖；圖5是根據本發(fā)明完成氣體淬火的部分噴嘴側視圖；圖6是圖5的噴嘴排列的平視圖。
從圖1可以看出，當在低于噴嘴外邊緣的高湍流形成區(qū)域時，氮氣淬火流的熱傳遞系數(shù)達最大值，并且在氣流被偏轉和變得與表面更加平行時，其值減小。在這個例子中，氣體速率是100ms-1，噴嘴出口與表面的間距a大約為50mm，相鄰噴嘴/氣流的間距大約為100mm。
圖2A至2C說明在噴嘴出口與表面的間距a分別為100mm(圖2A),51mm(圖2B)和25mm(圖2C)時，對于氣體速率為100ms-1，作為相鄰噴嘴間距b的函數(shù)的熱傳遞系數(shù)。在每一副圖(和圖3A至3D)上都繪了3條曲線，對應最大的，最小的和中間的熱傳遞系數(shù)值；參考圖1可知，最大的熱傳遞系數(shù)對應在曲線的頂點，這一點是氣流中高湍流形成的區(qū)域，最小的熱傳遞系數(shù)出現(xiàn)在相鄰氣流的中點(即在圖1中，距離氣流中線大約50mm)，中點的熱傳遞系數(shù)是氣流/噴嘴中心線與線的中間位置之間的系數(shù)的中間值(即圖1，距離噴嘴中心線25mm)?？梢钥闯?，當氣體噴嘴出口與表面間距a減小時，其中(即與最大的，最小的和中點的熱傳遞系數(shù)相對應的最大值)具有一顯著的最大的熱傳遞系數(shù)和提高的均一性。
在圖3A至3C中，氣體速率為100ms-1且相鄰噴嘴間距b為89mm(圖3a),38mm(圖3b)和13mm(圖3c)時，可以看出，隨著氣體噴嘴出口與表面的間距a減小到低于b值，當間距b的值小時，熱傳遞系數(shù)有一個顯著的提高。圖3D說明氣體速率為300ms-1，且氣流間距b為13mm時，在較高的和較低的氣體速率下獲得相同效果的熱傳遞系數(shù)。
從圖2和圖3的數(shù)據可以很明顯地看出，熱傳遞系數(shù)與噴嘴出口和表面的間距a成反比。雖然在a值較大時，噴嘴間距有較大的增加，但當a值小時，它最小至少也是噴嘴/氣流直徑d的2倍。同時還報道過，當a值等于或遠大于8d，且b值等于或遠大于8d時，有最大的熱傳遞系數(shù)出現(xiàn)，但還沒有報道過在非常小的間隔(a小于或等于d，且b小于3d)時，熱傳遞速率迅速增加。在此處，高的最大熱傳遞速率也與高的中點和最小熱傳遞速率相關，它對于實現(xiàn)淬火的均一性很重要。事實上，當a值小于0.5d,d等于12.7mm時，熱傳遞速率有一特別顯著的提高。
圖4表明齒輪2位于噴嘴4排列的中心，每一個噴嘴被安排引導一股氣流，按圖中箭頭所指的方向運動，以便垂直撞擊在齒輪2上。噴嘴4具有均一的直徑d，并且相鄰噴嘴間距b兩倍于d。噴嘴的末端4’與齒輪2的最近表面的間距為a,a大約等于b。箭頭表明進入噴嘴的氣流，已經撞擊過齒輪2表面的氣體被反射，并沿著噴嘴間的空隙5退回。容易理解的是，各個噴嘴4最好能沿著它們的縱軸往復運動，以便調整間距a至任何所期望的值，和/或適應任何結構物體的淬火。通過控制提供給噴嘴4的氣體壓力和提高氣流的速率，淬火過程的精確控制是很容易實現(xiàn)的。
圖5和6分別是圖4中噴嘴4的部分排列側視圖和平視圖，它表示A,B,C,D行的每一個噴嘴4均包括具有孔8的增壓室6，孔8用于在壓力下使增壓室6中的氣體通過，并進入到噴嘴中，然后穿過噴嘴出口4’到達待淬火表面10。噴嘴截面是長方形的，在噴嘴4的行間提供有相似的長方形截面的通道12(即相鄰噴嘴之間的空隙5)，用于在淬火表面之后，氣體從表面10退回?？?的面積應當小于增壓室的截面積，且增壓室6的氣壓超過噴嘴4的壓力的倍數(shù)大約等于孔8的面積與噴嘴4的面積之比。約60kPa的氣體壓力足夠提供100ms-1的氣體速率，約500kPa的氣體壓力足夠提供300ms-1的氣體速率。極限的氣體(limiting gas)速率為聲速，約340ms-1。
本發(fā)明系統(tǒng)進一步的優(yōu)點源于典型的高氣壓。在淬火過程中，高壓的使用使得省略產品載體的需要成為可能。產品重量的作用與所使用的氣體壓力相比要小，且產品可在噴嘴區(qū)域浮動。將小的不協(xié)調因素引入實際設備的流動區(qū)域中，會導致部件的振動和轉動，從而產生更加平均的淬火。如果選擇噴嘴直徑與噴嘴和表面間距的比例為4(在此比值時，氣體逸出的面積與噴嘴的面積相等)時，那么由于物體移動所致的噴嘴和表面間距的任何減小都將導致噴嘴出口壓力的增加，它促進表面離開噴嘴，因此在噴嘴排列中的部件的振動將趨向于自行彌補。高速率的使用將導致淬火附近的高噪音水平。然而，通過在冷壁淬火室周圍進行適當?shù)芈曇舾綦x，使這種影響達到最小是可能的。
作為一個實例，一個具有150mm直徑，20mm表面和20mm空洞的典型的自動齒輪在圖4和5的設備中被冷卻。被淬火的總面積大約為0.045m2，齒輪(year)的總質量大約為1.35kg。假設一個噴嘴的結構被要求達到H=0.8，其中噴嘴之間的縫隙是噴嘴直徑的3倍，且氣體速率為100m/s，那么冷卻時間大約為30秒。淬火齒輪所需的氣體體積為3.9m3。為了產生所要求的速率，在噴嘴的頂端所需的壓力大約為200kPa(1巴表壓)，而被施于齒輪邊緣的力是5.3kg，它超過了齒輪的重量。對于一個實際的淬火系統(tǒng)，在系統(tǒng)中，所需的能夠產生這樣的噴嘴頂端壓力的壓力小于600kPa(5巴表壓)。
為了使消耗達到最小，必須使淬火氣體的全部流動達到最小。對于一個特定的噴嘴，氣流是由所要求的冷卻速率而被固定的，唯一能改變的是噴嘴間距b。令人吃驚的是，已經發(fā)現(xiàn)改變間距對于熱傳遞系數(shù)幾乎沒有影響，當b在2倍至8倍噴嘴直徑間變化時，熱傳遞系數(shù)曲線幾乎是線形的，相對較緩慢的傾斜。這個作用是由于在高氣體速率下，噴嘴邊緣所產生的高湍流區(qū)域造成的。
熱傳遞系數(shù)相對于規(guī)模大小也是不敏感的，這使得如果將與系統(tǒng)相對應的淬火系統(tǒng)的全部尺寸減小到1/4(它可能包括最大實際范圍的氣體噴射尺寸)，熱傳遞系數(shù)僅有約30％的增長。
由于對噴嘴大小和它們的間距缺少敏感性，而使得淬火箱，特別是具有復雜形狀的淬火箱的設計更加簡單。然而，由于接近表面的方法的需要，必須仔細考慮噴嘴的位置。使用高壓的結果，如前所述，可能在淬火過程中，使不需要產品載體成為可能。產品重量與所應用的氣體壓力相比作用要小，且產品能夠在噴嘴區(qū)域內浮動。
因為在氣體速率低于100m/s時，冷卻速率相對于氣體速率幾乎成線性關系，并且速率與所提供的壓力相關，所以控制冷卻速率很顯然變得簡單了。雖然接近聲速的較高的速率能夠導致較高的冷卻速率，但在所要求的可能的最高冷卻速率處，速率的增長是非線性的并且較高速率的使用很可能被限制實施。不僅實現(xiàn)可控速率是可能的，而且在可用的最大速率的界限內，速率還可以在整個淬火周期內被改變，以產生任一冷卻模式。所以，奧氏體淬火，馬氏體淬火和延遲淬火是容易實現(xiàn)的。使平均熱傳遞系數(shù)增長的參數(shù)各自加倍或減半的效果在下表中得到概括
值得注意的是，減小間距a從大約0.5至大約0.25d，使平均熱傳遞系數(shù)增長了37％(d=12.7mm)。
雖然均一淬火通常是我們所要達到的目標，但這個單獨部件氣體淬火的系統(tǒng)，打開了研究和控制非均一淬火的門。
例如，在齒輪的熱處理中，在生產一個堅硬的具有珠光體的輪輻(pearlitic web)時，只淬火齒輪的表面和孔是可能的。在滲碳處理中，只對軸的磨損表面而不是帶螺紋的部分淬火也是可能的，這樣節(jié)省了昂貴的涂保護層(stopping-off)費用。涂保護層費用占熱處理費用的15-30％，很顯然是依賴于部件。
總之，在非加壓環(huán)境下單獨使用氮氣的單個部件的氣體淬火，能夠獲得類似油淬火的特性。為了獲得這些速率，噴出氣體的噴嘴必須與部件相隔一段距離，該距離要小于噴嘴的直徑。在噴嘴領域中，噴嘴的間距對最大或最小速率的獲得幾乎沒有什么影響，只要它小于8倍的噴嘴直徑。
權利要求
1．一種淬火熱金屬物體的方法，包括從大量的噴嘴出口中排出大量獨立的氣流，使氣流基本上均一地撞擊在物體的整個外表面上，其中每一個噴嘴出口和其相應氣流所撞擊的物體外表面的間距(a)小于或等于噴嘴出口直徑(d)的一半。
2．根據權利要求1所述的方法，其中(a)為0.25-0.5d。
3．根據權利要求1或2所述的方法，其中相鄰的噴嘴出口間距(b)小于或等于噴嘴出口直徑(d)的8倍。
4．根據前面任何一個權利要求所述的方法，其中相鄰的噴嘴出口間距(b)大于或等于噴嘴出口直徑(d)的2倍。
5．根據前面任何一個權利要求所述的方法，其中氣流被控制，以使其基本上垂直地撞擊在物體的外表面上。
6．根據前面任何一個權利要求所述的方法，包括改變被提供給噴嘴出口的氣壓以改變氣流的速率，從而改變物體的冷卻速率。
7．根據前面任何一個權利要求所述的方法，其中氣流含有氮氣、氦氣、氫氣或其混合物。
8．根據權利要求6所述的方法，其中氣流是由裝有壓縮的或液態(tài)的氣體的容器所提供的。
9．根據前面任何一個權利要求所述的方法，包括收集從物體表面反射回的氣體，并引導其在淬火過程中包繞物體，以排除周圍空氣與物體相接觸。
全文摘要
淬火熱金屬物體的方法,包括從大量的噴嘴出口中排出大量單獨的氣流,使氣流基本上均一地撞擊在物體的外表面上,其中每一個噴嘴出口和其相應氣流所撞擊的物體外表面的間距(a)小于或等于噴嘴出口直徑(d)的一半。
文檔編號C21D1/62GK1312389SQ0013719
公開日2001年9月12日 申請日期2000年12月16日 優(yōu)先權日1999年12月17日
發(fā)明者P·F·斯特拉頓 申請人:英國氧氣集團有限公司