一种高通量喷淬模拟试验装置的制作方法

本发明属于金属材料加工以及材料淬火性能表征领域，特别是涉及一种高通量喷淬模拟试验装置。

背景技术：

材料基因工程的总目标是将先进材料的设计、开发、制造和使用的速度提高一倍。目前情况是新材料的研发跟不上产品更新换代的节奏，迫切需要一种低成本、高效率的研发模式，而材料基因工程提供了一种融合高通量试验表征、高通量计算和材料基础数据/数据挖掘的协同研发模式。材料基因工程改变了传统的经验性“试错法”主导的材料研发模式，结合理性指导下的高通量试验，大大提升了新材料新技术的研发能力和效率。

针对金属材料来说，传统的试验方式为顺序试验，即一次只能对单个试样进行测试。高通量表征的核心是并行试验，即一次可以对多个试样进行测试。经过多年的发展，国内在高通量制备、高通量试验表征和高通量计算等领域已经取得了长足的进步。高通量试验表征不仅可以高效地获得材料的数据，降低试验成本，而且可以为高通量数值计算提供基础数据，验证和优化数值计算模型，从而实现工艺的改进和提升。

热处理是钢铁材料加工中重要的一环，可以提高钢铁材料的机械性能，消除残余应力和改善金属的切削加工性。热处理工艺可以强化钢铁材料，充分挖掘材料性能潜力，降低结构重量并且可以显著提高机械产品质量，大幅延长机械零件的使用寿命。淬火作为制定热处理工艺的重要工艺，金属材料的淬火性能，包括淬硬性和淬透性，一直以来都受到广泛关注。影响金属材料淬火性能的因素很多，包括合金成分，晶粒大小，应力状态。通过调整淬火试验的喷液方式，包括喷淬角度、喷水压力、喷水孔直径等可以对上述性能进行探究。传统淬火试验只能对单个试样进行淬火，试验效率低，无法满足实际情况的要求。此外，金属零件的生产过程中，剧烈冷却会造成工件内部内应力过大，容易出现裂纹。而间歇淬火是将加热过程完成后的零件用水进行冷却，随后短暂停止冷却后，再用水进行冷却，反复几次后，在水中冷却至室温。间歇淬火可保证零件淬硬的前提下尽可能的减小工件的变形与缺陷。本发明提供一种高通量喷淬模拟试验装置及方法，通过该装置和方法可以一次批量完成不同成分，不同加热过程，不同保温时间相同尺寸的试样在不同淬火条件下的淬火试验，得到试样相应的组织结构，显微硬度，温度与时间数据；也可以利用该装置进行间歇淬火试验，可研究淬火间隔时间，淬火间隔次数等影响因素对工件的影响。该方法可以为材料淬火模拟提供大量的基础数据，也可以对材料淬火模拟进行验证，提高筛选最优试样及最优工艺效率，进而在材料研发中大大降低时间和资金成本。

在专利cn1394970a中介绍了一种中高淬透性钢末端淬火装置及淬透性测定方法，通过该装置及方法可以在有限的试样长度内获得很宽的冷速范围，建立端淬距离及冷却速度与硬度的关系，从而可以确定出中、高淬透性钢的淬透性。但是该装置一次只能对一个试样进行试验，效率较低；另外该装置没有安装温度数据采集处理系统，无法实时反映试样淬火时的温度变化；此外该装置无法对淬火过程中喷液方式对试样的影响进行探究。

技术实现要素：

本发明针对现在存在的技术问题，提供一种高通量喷淬模拟试验装置，可以一次对多组试样进行试验，可针对喷淬方式如何影响淬火试验结果进行探究，同时可以在试样上敷载热电偶，通过温度数据采集控制系统记录试样某点温度与时间的关系；本装置可以模拟工业生产工况条件，为优化淬火工艺提供相应数据，筛选最优喷淬试验试样和喷淬工艺参数，可以测定材料的淬透性和淬硬性。

本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：

一种高通量喷淬模拟试验装置，包括主体系统、旋转系统、水循环系统；

主体系统包括压盖1、液压杆2、压盖支架3、喷淬池4、支撑脚7；

旋转系统包括伺服电机支架ii8、转轴i11、转轴ii12、伺服电机i13、托盘14、一个以上试样座15；

水循环系统包括水箱17、进水口18、回流管19、增压水泵21、水管、一个以上喷水模块；

压盖1设置在喷淬池4上沿处，压盖1与液压杆2相连接，液压杆2与压盖支架3连接，压盖支架3设置在喷淬池4侧面，喷淬池4底部设有4个支撑脚7，伺服电机支架ii8位于喷淬池4底部，伺服电机i13放置在伺服电机支架ii8上，伺服电机i13输出端与转轴ii12连接，转轴ii12与转轴i11连接，转轴i11位于喷淬池4内部，其圆心与喷淬池4中心重合，转轴i11穿过托盘14的中心，托盘14与转轴i11固定连接，转轴i11带动托盘14转动，托盘14位于喷淬池4内部，托盘14上设置一个以上的条形孔，试样座15设置在条形孔上，试样座15上开有若干试样孔16，用于放置样品；

喷淬池4外侧面中部设有一个以上喷水模块，喷水模块包括喷管支架5、气动薄膜调节阀26、流量计27、压力计28、喷管29、喷嘴36，喷管29一端位于喷淬池4内部且该端侧面上开设若干喷嘴36，喷嘴36正对试样座15上的试样；喷管29另一端穿过喷淬池4并设置在喷管支架5上，喷管支架5设置在喷淬池4外壁上，喷管29通过水管与水箱17连接，水管上依次设置压力计28、流量计27、气动薄膜调节阀26、增压水泵21，喷淬池4底部通过回流管19与水箱17连接，水箱17上设置进水口18；进水口18用于加冷却介质。

所述装置还包括控制系统，控制系统包括电脑37、plc控制器38、若干数据线39；电脑37通过数据线39与plc控制器38连接，伺服电机i13、气动薄膜调节阀26、流量计27、压力计28通过导线与plc控制器38连接；气动薄膜调节阀26可用于调节冷却介质的压力和流量，流量计27可测量冷却介质的流量，压力计28可以检测冷却介质的压力。

所述喷管支架5包括喷管固定块31、连接杆32、两根滑块33、三根横梁34；喷淬池4侧面设有喷管穿过和移动的条形通孔，喷管29穿过条形通孔后再穿过喷管固定块31，然后再通过水管22与水箱17连接，横梁34有三根，分别为上横梁、中横梁、下横梁，三根横梁34两端连接两根滑块33，两个滑块分别设置在两个滑竿上，滑竿固定在喷淬池4外壁，上横梁、中横梁之间用连接杆32连接，喷管固定块31固定设置在上横梁上。

所述装置还包括z字曲柄35、伺服电机支架6、伺服电机ii30；z字曲柄35的一端位于中横梁、下横梁之间，z字曲柄35另一端与伺服电机ii30的输出端连接，伺服电机ii30设置在伺服电机支架6上，伺服电机支架6固定在喷淬池4外壁；伺服电机ii30的型号为mhmf042l1u2m，伺服电机ii30带动z字曲柄35旋转，z字曲柄35旋转的时候带动喷管支架5的两个滑块33沿着滑竿滑动，伺服电机ii30通过导线与plc控制器38连接。

所述试样座15两端设有螺纹孔，托盘14上条形孔内设有沉台，沉台两端设有下沉螺纹孔，试样座15和沉台上的螺纹孔对齐，通过螺栓将试样座15固定在托盘14内的条形孔内。

所述装置还包括红外测距仪支架40、红外测距仪41，红外测距仪41设置红外测距仪支架40上，红外测距仪支架40设置在喷管29下方的喷淬池4外壁，红外测距仪41的工作面正对喷管29，红外测距仪41与plc控制器38连接。

所述装置还包括转轴套筒9，转轴套筒9设置在转轴i11外面，转轴i11转动不会带动转轴套筒9转动，位于托盘14与喷淬池4底面之间，喷淬池4侧面内壁与转轴套筒9连接三根以上支撑筋10，用于支撑转轴套筒9。

所述伺服电机i13的型号为mdmh102l1g6m，可带动托盘14进行顺时针旋转、逆时针旋转或者往复旋转，转速无级可调，试样座15位于喷淬池4内托盘14上，托盘14转动带动试样旋转。

本发明水箱17可盛装多种冷却介质，例如水、淬火油或其他淬火介质，选用的淬火介质可以通过进水口11进入水箱10中并能循环使用。

本发明喷管29上设有多个喷嘴36，沿着半径方向分布，各个喷嘴36与对应试样孔的圆心位于同一个圆上，以保证水流对试样的冷却效果。

本发明压盖1闭合时可将喷淬池4上方完全覆盖，形成密闭空间，防止在进行试验时，有冷却介质溅出以及由于转速过快或其他意外情况出现导致试样飞出，提高装置的安全性。

本发明压盖支架3通过液压杆2与压盖1连接，起到支撑作用，同时当压盖1抬起至最高点时，液压杆2可将压盖1保持开启状态。

本发明各个喷水模块之间相互独立，可由plc控制器38进行单独设定试验参数，可一次性测定相同热处理条件下，不同喷淬强度对试样的影响。

本发明各个试样上均可敷载热电偶，通过设置在电脑中的温度采集处理系统，记录喷淬试验过程中特定部位的温度变化曲线。

本发明可以根据需要，将尺寸相同、成分不同的试样经过不同的加热过程，放入试样孔，按照预先选用的冷却介质以及提前设定的喷水强度，喷嘴36距试样底端的距离，间歇频率等试验参数进行喷淬模拟试验。

本发明高通量喷淬模拟试验装置的使用方法，包括以下步骤：

选定淬火介质，将适量淬火介质通过进水口18加入水箱17中，接通电源，启动电脑37，根据试验方案设定试样旋转装置运动方向以及转动速度，冷却介质的流量大小，喷淬时间等，启动试验装置，将加热好的试样迅速放入试样孔中，进行喷淬试验，待喷淬试验结束后，对试样进行检测表征。

本发明装置可以同时对多个试样进行淬火试验，大大提高了试验效率，同时设有温度数据采集处理系统，可以实时反映试样的温度变化情况，并且本装置可以通过电脑控制plc控制器来调节喷液参数，选用不同淬火介质研究影响淬火试验的不同影响因素。

本发明可以根据需要最多一次完成多组试样的淬火试验，探究不同喷液方式对试样淬硬性和淬透性的影响，也可以测定不同材料的试样淬硬性和淬透性，也可以根据需要模拟实际生产环节中的生产条件，进而对生产工艺进行优化。

本发明在试样表面敷载热电偶，结合电脑中温度采集处理系统可以记录试样特定部位温度随时间的变化曲线，结合得到的组织，硬度的数据，可以用于快速筛选最优样品以及淬冷工艺参数。也可以根据材料的临界冷速选择合适的喷淬工艺。

附图说明

图1为实施例1高通量喷淬模拟试验装置侧视图；

图2为实施例1高通量喷淬模拟试验装置剖视图；

图3为实施例1高通量喷淬模拟试验装置俯视图；

图4为实施例1高通量喷淬模拟试验装置内部剖视图；

图5为实施例2高通量喷淬模拟装置喷管支架结构示意图；

图6为实施例3高通量喷淬模拟装置喷管支架正视图；

图7为实施例3高通量喷淬模拟装置喷管支架侧视图；

图中，1-压盖，2-液压杆，3-压盖支架，4-喷淬池，5-喷管支架，6-伺服电机支架i，7-支撑脚，8-伺服电机支架ii，9-转轴套筒，10-支撑筋，11-转轴i，12-转轴ii，13-伺服电机i，14-托盘，15-试样座，16-试样孔，17-水箱，18-进水口，19-回流管，20-水管i，21-增压水泵，22-水管ii，23-水管iii，24-水管iv，25-水管v，26-气动薄膜调节阀，27-流量计，28-压力计，29-喷管，30-伺服电机ii，31-喷管固定块，32-连接杆，33-滑块，34-横梁，35-z字曲柄，36-喷嘴，37-电脑，38-plc控制器，39-导线，40-红外测距仪支架，41-红外测距仪。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

一种高通量喷淬模拟试验装置，如图1、2、3、4所示，包括主体系统、旋转系统、水循环系统、控制系统；

主体系统包括压盖1、液压杆2、压盖支架3、喷淬池4、支撑脚7；

旋转系统包括伺服电机支架ii8、转轴套筒9、转轴i11、转轴ii12、伺服电机i13、托盘14、四个试样座15，每个试样座上开有四个试样孔；

水循环系统包括水箱17、进水口18、回流管19、水管i20、增压水泵21水管ii22、水管iii23、水管iv24、水管v25、四个喷水模块；

控制系统包括电脑37、plc控制器38、数据线39；

压盖1设置在喷淬池4上沿处，压盖1可将喷淬池4内部完全盖住，压盖1与液压杆2相连接，液压杆2与压盖支架3连接，压盖支架3为l结构，l结构的一端液压杆2连接，l结构的另一端3固定设置在喷淬池4侧面，喷淬池4底部设有4个支撑脚7，用于支撑喷淬池4，伺服电机支架ii8为中空套筒结构，套筒一端焊接在喷淬池4底部，套筒另一端与伺服电机i13通过螺栓连接，伺服电机i13的输出端设置在套筒内与且转轴ii12连接，转轴ii12另一端与转轴i11连接，转轴i11穿过喷淬池4底部且位于喷淬池4内部，其圆心与喷淬池4中心重合，转轴i11穿过托盘14的中心，托盘14与转轴i11固定连接，转轴i11带动托盘14转动，托盘14位于喷淬池4内部，其内径略小于喷淬池4内径，转轴套筒9设置在转轴i11外面，转轴i11转动不会带动转轴套筒9转动，转轴套筒9位于托盘14与喷淬池4底面之间，喷淬池4侧面内壁与转轴套筒9连接8根支撑筋10，用于支撑转轴套筒9；托盘14上设置四个条形孔，每个条形孔内均放置试样座15，试样座15两端各设有螺纹孔，托盘14上条形孔内两端各设有沉台，沉台上设有下沉螺纹孔，试样座15和托盘14的螺纹孔对齐，通过螺栓连接将试样座15固定在托盘14内的条形孔内的沉台上；试样座15上开有四个试样孔16，用于放置样品；

喷淬池4外侧面中部设有四个喷水模块，喷水模块包括喷管支架5、气动薄膜调节阀26、流量计27、压力计28、喷管29、喷嘴36，喷管29一端位于喷淬池4内部且该端侧面上开设若干喷嘴36，试样座15下方正对喷管29该端，喷管29上开设四个喷嘴36，每个喷嘴36正对试样座15下方的一个试样；喷管29另一端穿过喷淬池4并设置在喷管支架5上，喷管支架5设置在喷淬池4外壁上，四个喷水模块的喷管29分别通过水管ii22、水管iii23、水管iv24、水管v25与水管i20连接，水管i20与水箱17连接，水管ii22、水管iii23、水管iv24、水管v25上均依次设置压力计28、流量计27、气动薄膜调节阀阀26后连接水管i20，水管i20上设置增压水泵21后连接水箱17，喷淬池4底部通过回流管19与水箱17连接，水箱17上设置进水口18；进水口18用于加冷却介质；

电脑37通过数据线39与plc控制器38连接，伺服电机i13、气动薄膜调节阀26、流量计27、压力计28通过导线与plc控制器38连接；气动薄膜调节阀26可用于调节冷却介质的压力和流量，流量计27可测量冷却介质的流量，压力计28可以检测冷却介质的压力；伺服电机i13的型号为mdmh102l1g6m，plc控制器38为西门子的s1500系列。

确定淬火介质后，将适量淬火介质通过进水口18水箱17接通电源，启动电脑37据试验方案设定试样旋转装置运动方向以及运动速度，冷却介质流量，喷淬时间，启动试验装置，将加热好的试样迅速放入试样孔中，进行喷淬试验，待喷淬试验结束后，对试样进行检测表征。

实施例2

一种高通量喷淬模拟试验装置，如图5所示，喷管支架5包括喷管固定块31、连接杆32、两根滑块33、三根横梁34；喷淬池4侧面开有喷管29穿过和上下移动的条形通孔，喷管29穿过条形通孔后再穿过喷管固定块31，然后再通过水管22与水箱17连接，横梁34有三根，分别为上横梁、中横梁、下横梁，三根横梁34两端连接两根滑块33，两个滑块分别设置在两个滑竿上，滑竿类似把手的结构，两端固定在喷淬池4外壁，上横梁、中横梁之间用连接杆32连接，喷管固定块31固定设置在上横梁上，滑块33滑到位置后可以用千斤顶顶住，还包括红外测距仪支架40、红外测距仪41，红外测距仪41设置红外测距仪支架40上，红外测距仪支架40设置在喷管29下方的喷淬池4外壁，红外测距仪41的工作面正对喷管29，红外测距仪41与plc控制器38连接，红外测距仪41对喷管29的位置进行监控，plc控制器38内部设定喷管29的极限位置，以防喷嘴36碰到试样，其他部件及连接关系与实施例1相同。

确定淬火介质后，将适量淬火介质通过进水口18水箱17接通电源，启动电脑37据试验方案设定试样旋转装置运动方向以及运动速度，冷却介质流量，喷淬时间，启动试验装置，将加热好的试样迅速放入试样孔中，进行喷淬试验，待喷淬试验结束后，对试样进行检测表征。

实施例3

一种高通量喷淬模拟试验装置，如图6、7所示，还包括z字曲柄35、伺服电机支架6、伺服电机ii30；z字曲柄35的一端位于中横梁、下横梁之间，z字曲柄35另一端与伺服电机ii30的输出端连接，伺服电机ii30设置在伺服电机支架6上，伺服电机支架6固定在喷淬池4外壁；伺服电机ii30通过导线与plc控制器38连接，伺服电机ii30的型号为mhmf042l1u2m，伺服电机ii30带动z字曲柄35旋转，z字曲柄35旋转的时候带动喷管支架5的两个滑块33沿着滑竿滑动，其他部件及连接关系与实施例2相同。

确定淬火介质后，将适量淬火介质通过进水口18水箱17接通电源，启动电脑37据试验方案设定试样旋转装置运动方向以及运动速度，冷却介质流量，喷淬时间，启动试验装置，将加热好的试样迅速放入试样孔中，进行喷淬试验，待喷淬试验结束后，对试样进行检测表征。

实施例4

本实施例以a668钢为例来说明高通量喷淬模拟方法，采用实施例1的装置，具体步骤如下：

(1)根据国标gb/t225-2006制备尺寸为直径25mm，高度100mm制备16个尺寸为直径25mm，高度100mm的a668钢试样，将16个试样分为a，b，c，d四组，每组四个试样分别编号为1，2，3，4，a，b，c，d四组试样分别加热至800℃、830℃、860℃和890℃；各组中试样1，2，3，4设定保温时间分别为20min，30min，40min，50min；

(2)选定水作为喷淬试验中使用的淬火介质，将适量的水从进水口18加入水箱17中；

(3)接通电源，通过电脑37结合plc控制器38启动伺服电机i13，伺服电机i13带动转轴ii12转动，转轴ii12带动转轴i11转动，转轴i11带动托盘14顺时针转动，速度为15°/s，喷管29上的喷嘴36至试样底端高度均为65mm，电脑37结合plc控制器38启动增压水泵21进行喷水，压力计28、流量计27显示喷水的压力和流量，调节气动薄膜调节阀26来调节压力计28、流量计27的大小，调节到设定的流量后，喷淬25min；

(4)当试样加热结束后，快速在每个试样上粘上热电偶，热电偶与plc控制器38连接，将试样放入试样孔16中后开始试验，电脑37中的温度采集处理系统根据热电偶采集到的温度数据，绘制出所监测位置的温度与时间的曲线，喷水结束后，待试样自然冷却至室温，关闭装置。

实施例5

本实施例以sa508-3钢、42crmo钢、s34mnv钢和5crnimov钢为例说明高通量喷淬模拟方法，采用实施例2的装置，对高通量喷淬模拟方法进行说明，具体步骤如下：

(1)根据国标gb/t225-2006制备尺寸为直径25mm，高度100mm制备尺寸为直径25mm，高度100mm的sa508-3钢、42crmo钢、s34mnv钢和5crnimov钢每种各4个试样，共计16个试样，将16个试样分为四组，每组中包含sa508-3钢、42crmo钢、s34mnv钢和5crnimov钢的试样各一个，共四个，四组试样加热800℃、830℃、860℃和890℃，保温时间为30min，保证所有试样在同一时间结束保温过程；

(2)选定水作为喷淬试验中使用的淬火介质，将适量的水从进水口18加入水箱17中；

(3)接通电源，通过电脑37结合plc控制器38启动伺服电机i13，伺服电机i13带动转轴ii12转动，转轴ii12带动转轴i11转动，转轴i11带动托盘14顺时针转动，速度为15°/s，手动(设备重可以采用千斤顶等抬动)滑动滑块33，当红外测距仪41测定喷管29到达特定位置后，将位置信号反馈给plc控制器38，电脑37核对数据后，人工千斤顶顶住下横梁，并用夹子固定住滑块33，此时喷管29上的喷嘴36至试样底端高度均为65mm，电脑37结合plc控制器38启动增压水泵21进行喷水，压力计28、流量计27显示喷水的压力和流量，调节气动薄膜调节阀26来调节压力计28、流量计27的大小，调节到设定的流量后，喷淬10min；

(4)当试样加热结束后，快速在每个试样上粘上热电偶，热电偶与plc控制器38连接，将试样放入试样孔16中后开始试验，电脑37中的温度采集处理系统根据热电偶采集到的温度数据，绘制出所监测位置的温度与时间的曲线，喷水结束后，待试样自然冷却至室温，关闭装置。

实施例6

本实施例以sa508-3钢、42crmo钢、s34mnv钢和5crnimov钢为例说明高通量喷淬模拟方法，采用实施例3的装置，对高通量喷淬模拟方法进行说明，具体步骤如下：

(1)根据国标gb/t225-2006制备尺寸为直径25mm，高度100mm的sa508-3钢、42crmo钢、s34mnv钢和5crnimov钢每种各4个试样，共计16个试样，将16个试样分为四组，每组中包含sa508-3钢、42crmo钢、s34mnv钢和5crnimov钢的试样各一个，共四个，四组试样加热800℃、830℃、860℃和890℃，保温时间为30min，保证所有试样在同一时间结束保温过程；

(2)选定水作为淬火试验中使用的淬火介质，将适量的水从进水口18加入水箱17中；

(3)接通电源，通过电脑37结合plc控制器38启动伺服电机i13，伺服电机i13带动转轴ii12转动，转轴ii12带动转轴i11转动，转轴i11带动托盘14顺时针转动，速度为15°/s，同时启动伺服电机ii30，伺服电机ii30带动z字曲柄35转动，z字曲柄35带动喷管支架5的滑块33沿着滑竿滑动，当红外测距仪41测定喷管29到达特定位置后，将位置信号反馈给plc控制器38，电脑37核对数据后，关闭伺服电机ii30，z字曲柄35支撑着整个喷管支架5，此时喷管29上的喷嘴36至试样底端高度均为65mm，电脑37结合plc控制器38启动增压水泵21进行喷水，压力计28、流量计27显示喷水的压力和流量，调节气动薄膜调节阀26来调节压力计28、流量计27的大小，调节到设定的流量后，喷淬10min；

(4)当试样加热结束后，快速在每个试样上粘上热电偶，热电偶与plc控制器38连接，将试样放入试样孔16中后开始试验，电脑37中的温度采集处理系统根据热电偶采集到的温度数据，绘制出所监测位置的温度与时间的曲线，喷水结束后，待试样自然冷却至室温，关闭装置。

可以根据需要调整喷水模块的数量，可以进行不同组实验。