专利名称：调节脉冲喷射的占空比控制淬火冷却速度的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种热处理技术领域的控制淬火的方法，特别是一种调节脉冲喷射的占空比控制淬火冷却速度的方法。
背景技术：
长期以来，热处理工作者在对零件进行淬火时，为了获得理想的冷却曲线，以保证淬火后的零件质量，曾经采用多种具有不同冷却速度的淬火冷却介质(如以水的冷却速率为1，其他几种冷却介质的冷却速率依次为空气0.05~0.08，油0.35，快速冷却油0.5，强烈搅拌水2，盐水2)和冷却方法，但都有不足之处。如采用水为冷却介质，高温时具有较好的冷却能力，在马氏体转变的300~100℃范围内，水的冷却速度较快，因而容易使淬火零件引起变形和开裂；矿物油作为淬火冷却介质，冷却速度缓慢，零件的变形、开裂倾向小，但对低淬透性钢制成的零件或是截面厚度较大的零件，淬火时过冷奥氏体易发生珠光体转变。油作为淬火冷却介质，环境污染严重。曾有许多研究和实践探索，如在水中添加一定比例的NaCl或Na(OH)，或在油中加入某些添加剂，或配制聚合物水溶液等作为淬火冷却介质，或采用双介质冷却、喷水或间歇浸水冷却等淬火方法，虽然可以改善冷却性能，但因单一冷却介质的冷却速度是不可调节的，即使采用双介质或多介质进行冷却，其冷却速度的调节范围是有限的，要通过现有的冷却方法获得理想的冷却曲线难度很大。
理想的淬火冷却曲线如图1所示。在TTT曲线“鼻子”以上温度较慢冷却，以减少因急剧冷却所产生的热应力使零件变形；为了避免过冷奥氏体发生珠光体转变，在TTT曲线“鼻子”附近必须以足够快的速度冷却；在进行马氏体转变时(Ms点附近温度)，冷却速度应小些，以减少组织转变应力。大量研究和试验早己证实，不同的钢材TTT曲线是不同的，而且具体零件的冷却速度随着尺寸的变化而变化，因而各种零件在淬火冷却过程中为避免发生珠光体转变所需要的足够快的冷却速度是不同的。
经对现有技术文献的检索发现，“大型锻件材料及热处理”(康大韬、叶国斌主编，龙门书局出版.1998)P195倒10行“1.水空间隙冷却”一节中，提出对截面较大(直径大于300mm)，合金含量较高的锻件采用空冷和水冷(水浸)交替的淬火方法，这种方法由于每次水浸和空冷的持续时间长，零件表面温度波动大，冷却速度可调性差，操作也困难，很难获得理想的冷却曲线。而且，这种淬火冷却方法仅适合于合金含量较高的大截面锻件，使用范围狭窄。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种调节脉冲喷射的占空比控制淬火冷却速度的方法。使其通过脉冲喷射的方法，获得理想的冷却速度，保证了零件的淬火质量，并实现零件淬火控制自动化，消除环境污染。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的方法步骤具体如下1、在喷射装置的喷水管路的淬火零件周围安装喷水器，喷水器采用脉冲喷射法对淬火零件喷水，每次脉冲周期选择在1-20秒范围内；所述的脉冲喷射法，是指以2-6大气压力的水按预先设定的喷水与不喷水时间对淬火零件进行脉冲喷射，以获得所需要的冷却速度。
所述的脉冲周期，是指喷水冷却时间t1及相继不喷水的时间t2之和。
2、在一个脉冲周期内调节占空比K，K＝t1/(t1+t2)，实现冷却速度在最大冷速与最小冷速范围内可调；所述的占空比，是指在一个脉冲喷射周期内，喷水冷却时间与在该脉冲周期内所占的比例。
所述的最大冷速，是指水淬冷速的3倍。
所述的最小冷速，是指油淬冷速的四分之一。
3、通过调节在淬火过程中不同时刻的占空比在不同的冷却阶段获得的冷却速度，实现保证零件的淬火质量的理想的冷却曲线，为实现自动化操作创造了必要条件。
假设在一个脉冲周期内，全部采用喷水冷却，则该脉冲周期内K等于1；若喷水时间为0，则K等于0。占空比可以在0~1范围内调节，也就是说，在一个微小的脉冲间隙周期内调整t1和t2，使该周期内零件表面的平均换热系数在喷射水的换热系数与空气的换热系数之间变化，冷却速度也随之改变。
所述的淬火零件，是分级淬火零件或等温淬火零件时，当表面冷却到分级或等温温度时立即调节占空比，使其表面温度保持在+15℃温度范围内上下波动，待内部温度继续下降，直到占空比为0，而表面温度仍继续下降时，将其转入空气加热等温炉或流态床内。
所述的淬火零件，当淬火零件≤20mm时，由于零件表面冷却到等温或分级温度时，心部温度已接近于表面温度，将它直接转入空气加热等温炉或流态床内进行等温处理。
所述的对淬火零件进行脉冲喷射，在喷射装置的喷水管路截止阀与喷水出口之间安装一个高压空气阀，当喷水指令停止时，高压空气阀瞬间打开，将余水吹掉，喷水立即停止，保证准确控制占空比。
将整个喷射冷却装置安装在密封的容器内，并向容器内通入氮或氮与氨分解气的混合气体作保护气体，减少零件在淬火过程中表面氧化或脱碳，提高淬火质量。
根据理想冷却曲线的要求采用“试错法”或计算机模拟方法确定被处理零件在不同冷却阶段的占空比，从而获得最佳的淬火质量。
本发明具有实质性的技术进步，与现有淬火冷却技术相比本发明通过采用脉冲喷射的方法，调节脉冲周期内的占空比，使该周期内零件表面的平均换热系数在喷水的换热系数与空冷的换热系数之间变化，以获得理想的冷却速度。占空比可以在1~0之间变化，也就是可以在最强的冷却能力与最弱的冷却能力之间调节，这样可以根据零件的理想冷却曲线所要求的冷却速度选择相应的占空比，克服目前常用淬火介质的不足，保证了零件的淬火质量。采用脉冲喷射淬火法，可以通过采用计算机模拟方法确定占空比，并实现零件淬火控制自动化。采用脉冲喷射淬火法还可以消除环境污染。
图1几种不同淬火冷却曲线和TTT曲线示意2本发明在不同占空比的情况下零件表面的冷却速度曲线示意3本发明零件冷却后获得的曲线形状示意4实施例安装高压空气阀的喷水器示意图
具体实施例方式
本发明在采用脉冲喷射冷却法在不同占空比的情况下零件表面的获得的冷却速度曲线如图2，图中K值较小时，曲线平缓下降，K值较大时，曲线的坡度变得陡峭。由此可知，我们只要将占空比K值在0~1之间进行任意调节，就能得到所需要的冷却速度，克服了采用一种或几种冷却介质仅能在有限范围内调节冷却速度的局限性。图2表明，脉冲喷射淬火时工件表面的冷却曲线带锯齿状，但随着脉冲周期(t1+t2)的缩短，锯齿状得到改善，曲线趋向于光滑。零件在表层冷却过程中内层的热量连续不断传向表层，内层温度也相应随着变化，但愈向内温度变化愈缓慢，内层的冷却曲线形状应比表层的更显连续光滑，如图3所示。
实施例一零件名称轴材料40Gr，尺寸Φ20×200mm；热处理技术要求硬度HRC 56~58；淬火工艺加热温度840℃±5；冷却方法脉冲喷射淬火法；喷水压5～6大气压，脉冲周期1秒，占空比0.15；质量检查符合技术要求。
实施例二零件名称圆环材料Gr15，尺寸外经280mm、内经250mm、高100mm；热处理技术要求硬度HRC 58~62，变形椭圆度≤±0.5mm；淬火工艺加热温度860℃±5；冷却方法脉冲喷射淬火法(在密封装置内采用N2或N2+5％NH3分解气为防止零件氧化的保护气体)；喷水压3～4大气压，脉冲周期2秒；800℃～700℃ K 0.1，700℃～400℃ K 0.6，400℃～300℃ K 0.25，300℃转入流态床或空气炉；质量检查符合技术要求。
实施例三零件名称轧辊材料9Gr2Mo，尺寸直经360mm，长700mm；热处理技术要求硬度HRC 60~64，淬火后无裂纹；淬火工艺加热温度860℃±5；冷却方法脉冲喷射淬火法喷水压2～3大气压；860℃～730℃脉冲周期20秒K 0.1，730℃～680℃脉冲周期5秒K 0.8；680℃～400℃脉冲周期5秒K 0.95，400℃以下脉冲周期5秒K 0.5；质量检查符合技术要求。
在上述实施例的实际操作中，每次脉冲周期内喷水指令停止时，因喷嘴内剩余水的惯性作用，仍有部分流水喷出，影响占空比的精确控制。为了避免这种现象发生，可在喷水管路截止阀与喷水出口之间安装一个高压水的惯性作用，仍有部分流水喷出，影响占空比的精确控制。为了避免这种现象发生，可在喷水管路截止阀与喷水出口之间安装一个高压空气阀，当喷水指令停止时，高压空气阀瞬间打开，将余水吹掉，喷水立即停止，保证占空比的准确控制，提高冷却质量，如图4所示。
权利要求
1.一种调节脉冲喷射的占空比控制淬火冷却速度的方法，其特征在于步骤具体如下①、在喷射装置的喷水管路的淬火零件周围安装喷水器，喷水器采用脉冲喷射法对淬火零件喷水，每次脉冲周期选择在1-20秒范围内；②、在一个脉冲周期内调节占空比K，K＝t1/(t1+t2)，实现冷却速度在最大冷速与最小冷速范围内可调，所述的脉冲周期，是指喷水冷却时间t1及相继不喷水的时间t2之和，所述的占空比，是指在一个脉冲喷射周期内，喷水冷却时间与在该脉冲周期内所占的比例；③、通过调节在淬火过程中不同时刻的占空比在不同的冷却阶段获得的冷却速度，实现保证零件的淬火质量的的冷却曲线。
2.根据权利要求1所述的调节脉冲喷射的占空比控制淬火冷却速度的方法，其特征是，所述的脉冲喷射法，是指以2-6大气压力的水按预先设定的喷水与不喷水时间对淬火零件进行脉冲喷射，以获得所需要的冷却速度。
3.根据权利要求1所述的调节脉冲喷射的占空比控制淬火冷却速度的方法，其特征是，所述的最大冷速，是指水淬冷速的3倍；所述的最小冷速，是指油淬冷速的四分之一。
4.根据权利要求1所述的调节脉冲喷射的占空比控制淬火冷却速度的方法，其特征是，所述的淬火零件，是分级淬火零件或等温淬火零件时，当表面冷却到分级或等温温度时立即调节占空比，使其表面温度保持在±15℃温度范围内上下波动，待内部温度继续下降，直到占空比为0，而表面温度仍继续下降时，将其转入空气加热等温炉或流态床内。
5.根据权利要求1所述调节脉冲喷射的占空比控制淬火冷却速度的方法，其特征是，所述的淬火零件，当淬火零件≤20mm时，由于零件表面冷却到等温或分级温度时，心部温度已接近于表面温度，将它直接转入空气加热等温炉或流态床内进行等温处理。
6.根据权利要求1所述的调节脉冲喷射的占空比控制淬火冷却速度的方法，其特征是，所述的对淬火零件进行脉冲喷射，在喷射装置的喷水管路截止阀与喷水出口之间安装一个高压空气阀，当喷水指令停止时，高压空气阀瞬间打开，将余水吹掉，喷水立即停止，保证准确控制占空比。
7.根据权利要求1-6各项所述的调节脉冲喷射的占空比控制淬火冷却速度的方法，其特征是，将整个喷射冷却装置安装在密封的容器内，并向容器内通入氮或氮与氨分解气的混合气体作保护气体，减少零件在淬火过程中表面氧化或脱碳，提高淬火质量。
全文摘要
一种调节脉冲喷射的占空比控制淬火冷却速度的方法，其特征在于步骤具体如下①在喷射装置的喷水管路的淬火零件周围安装喷水器，喷水器采用脉冲喷射法对淬火零件喷水，每次脉冲周期选择在1－20秒范围内；②在一个脉冲周期内调节占空比K，K＝t
文档编号C21D1/667GK1861814SQ20061002763
公开日2006年11月15日 申请日期2006年6月13日 优先权日2006年6月13日
发明者潘健生, 徐兴宝, 顾剑锋, 陈乃录 申请人:上海交通大学