專利名稱：鋼用加壓空氣淬火方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋼用加壓空氣淬火方法，可確保與油淬一樣的冶金學(xué)特性，特別是可防止在大氣壓力下實現(xiàn)滲碳或碳氮共滲處理后鋼表面的脫碳。
在相對于液體淬火方法，加壓空氣淬火方法具有眾多優(yōu)點，特別是因為淬火后的零件是整潔和干燥的。
已有許多被認(rèn)可的有關(guān)用加壓氣體淬火鋼的論文，以及現(xiàn)有許多裝置可通過淬火室的結(jié)構(gòu)和使用氣體的性質(zhì)予以區(qū)別，其目的在于獲得最高淬火效率的可能性，即獲得最大冷卻速度，以便用各種液體，諸如油、水溶液或熔解鹽類，使獲得的冷卻速度等同。為此目的，人們增加環(huán)流在待冷卻零件表面上的氣體質(zhì)量流量，并增加氣體速度和壓力。
最經(jīng)常使用的氣體是氮，由于它的化學(xué)惰性以及比較可接受的費用，使得在每一淬火作業(yè)后，無需再循環(huán)使用。它往往在1巴和10巴之間的壓力下使用。
另一些惰性氣體已被建議使用。如同，歐洲專利0313888建議使用較高壓力下(等于或大于20巴)的諸如氦和氫等輕氣體。這些輕氣體的使用，目的在于在相同的性能下，既確保環(huán)流又限定渦輪的推動力。不過這些氣體或是特別昂貴的，因此強制地規(guī)定再循環(huán)，如氦；或是特別危險的，如氫。
現(xiàn)有技術(shù)建議的所有氣體，它們的區(qū)別在于物理特性分子量、導(dǎo)熱性等，但是，它們相對于淬火前承受高溫的鋼都呈現(xiàn)化學(xué)惰性。目的在于避免鋼的氧化和表面脫碳。
用加壓氣體進(jìn)行淬火的裝置都含有容許氣體在零件上環(huán)流的渦輪。繼而，氣體通過在熱交換器上的通道而冷卻，接著把氣體再噴射到零件進(jìn)料上。
申請人確定使用加壓空氣以實現(xiàn)淬火作為目標(biāo)，這是因為空氣成本低，可隨意處置?？墒撬睦靡蔡岢鲆惠^大的問題。氧對于處于高溫下的鋼在化學(xué)上很易起反應(yīng)，通常會引起在工業(yè)方面不能接受的表面脫碳。
事實上，已知在空氣中保持鋼的高溫，特別是700℃和1100℃之間的高溫，導(dǎo)致通常稱之為“鱗皮”的氧化物層的形成，其生長是很快的。鱗皮暴露在空氣中幾分鐘后，它們的厚度達(dá)到數(shù)十個微米。該氧化物層的形成也伴隨著鋼表面的脫碳，有損于鋼的冶金學(xué)特征和機械特性。
本發(fā)明涉及一項方法及其操作方式，它可對在大氣壓力下實現(xiàn)滲碳或碳氮共滲處理后的鋼用加壓空氣進(jìn)行淬火，溫度包括在700℃和1100℃之間，這樣的淬火導(dǎo)致其冶金學(xué)特性類似于從鋼表面起始的油淬，也就是說，可全面地防止所有的表面脫碳。
按照本發(fā)明，鋼進(jìn)料淬火方法包括下述步驟— 從在大氣壓力下、溫度在750℃和1100℃之間操作的滲碳或碳氮共滲處理爐中提取進(jìn)料，— 把進(jìn)料朝向淬火室轉(zhuǎn)移，— 注入壓力高于大氣壓力的淬火流體，使流體在腔室內(nèi)環(huán)流，— 冷卻進(jìn)料直到低于400℃的溫度，其特征在于流體大部分由空氣構(gòu)成，在從離開爐子的一段時間內(nèi)使零件的溫度變?yōu)橹炼酁?00℃，且在該段時間中形成一阻止鋼脫碳的氧化物層。
在本敘述中，可認(rèn)為既然從鋼表面起60μm的厚度中測量的碳含量仍然不變，說明鋼材沒有出現(xiàn)脫碳。
本發(fā)明的方法，尤其是可以用加壓空氣淬火碳素鋼、滲碳鋼、碳氮共滲鋼和工具鋼。
本發(fā)明基于下述的觀察。碳素鋼在接近900℃溫度時氧化，導(dǎo)致維氏體或稱方鐵體類型(亞化學(xué)計量的FeO)氧化物層的形成。此氧化物層的厚度有規(guī)律地隨著時間而增加，在處于靜止空氣中1分鐘之后達(dá)到10μm-12μm。人們估計維氏體氧化物層在空氣中5秒鐘后形成1μm的厚度。在通常滲碳鋼或碳氮共滲鋼淬火的起始溫度870℃下，氧化物層厚度在20秒之后約為4μm。
另一方面，人們認(rèn)為在20秒后，以及存在有一氣氛的情況下(其潛在碳在870℃時低于0.1％)，由脫碳而影響的層厚度約20μm。當(dāng)一氧化碳可在氣氛中釋放時，就出現(xiàn)該脫碳現(xiàn)象。這是由反應(yīng)導(dǎo)致的結(jié)果，其中C是溶解在鋼內(nèi)的碳。
因此，使之形成一對抗一氧化碳任何釋放的阻擋層，就避免了鋼表面層的脫碳。由于可支配時間短，有必要快速地形成此阻擋層。
本發(fā)明已認(rèn)識到維氏體類型氧化物層可在足以粘附在鋼表面上的范圍內(nèi)起作用。
1μm厚度的氧化物層足夠以顯著的方式阻止CO的形成。
如果沒有快速的溫度變化(熱沖擊)，只要氧化物層厚度保持低于10μm-12μm，就可獲得一良好的氧化物層附著力，較佳的厚度是低于4μm-5μm。人們在接近通常的淬火溫度下安排20秒到40秒的周期，在此周期內(nèi)形成的氧化鐵層，成為對抗一氧化碳任何釋放的阻擋層，因而，可避免鋼材表面上所有明顯的脫碳作用。
按照本發(fā)明的另一特性，在空氣中將由保持在淬火起始溫度的鋼零件構(gòu)成的進(jìn)料轉(zhuǎn)移入淬火室，通過在一少于40秒的周期內(nèi)、較佳的在少于20秒的周期內(nèi)致使零件的表面溫度低于600℃來開始淬火。
淬火室內(nèi)的淬火流體，處于可達(dá)到40巴的壓力下，以可達(dá)到20m/s的速度在幾秒鐘內(nèi)起動。淬火流體主要由空氣組成。人們可把旨在改善熱傳遞的其它成分添加到空氣中。
在淬火期間，測量零件表面溫度。溫度在不到2秒內(nèi)，降到低于700℃的值；在不到4秒內(nèi)，降低到少于600℃的低值；以及在不到10秒內(nèi)，降低到低于400℃。在低于600℃的溫度時，鋼中的碳擴散速度是這樣的緩慢，以致不能觀察到脫碳現(xiàn)象。
本發(fā)明的其它優(yōu)點和特性可參閱配有附圖的說明書，并由此產(chǎn)生本發(fā)明的非限制性實施方式，附圖為

圖1表示按照本發(fā)明的一種裝置的示意圖。
圖2表示滲碳鋼和淬火鋼表面層碳濃度分布曲線圖，一方面是按照本發(fā)明的加壓空氣淬火，另一方面是油淬。
圖3表示滲碳鋼和淬火鋼表面層顯微硬度分布曲線圖，一方面是按照本發(fā)明的加壓空氣淬火，另一方面是油淬。
圖1的裝置含有一熟知的處理爐。
該裝置涉及一連續(xù)式或分批式滲碳爐或碳氮共滲爐1，如豎式爐、罩式爐，這些爐子在大氣壓力下實現(xiàn)熱化學(xué)處理。
在同一平臺上間隔若干距離，呈現(xiàn)一使用氣態(tài)流體的淬火室3。該淬火室由一閘門31加以密封閉合。室的內(nèi)部，配有諸如離心式和螺旋式葉片33的轉(zhuǎn)子，稱之為渦輪，渦輪由一電動機35驅(qū)動。渦輪的作用是使在腔室內(nèi)含有的用于淬火的氣體流動。氣態(tài)淬火流體通過導(dǎo)向機構(gòu)37按圖示箭頭方向或相反方向被引導(dǎo)。氣體穿過一熱交換裝置39。為進(jìn)行淬火，將如圖中虛線所示的框塊A4的進(jìn)料置于室內(nèi)之后，把室加以密封閉合。室的充氣直至達(dá)到1巴和40巴之間的所希求壓力，而空氣是通過渦輪33驅(qū)動的。較佳的壓力大于3巴，特別是根據(jù)待處理零件的性質(zhì)，氣體壓力可包括在5巴和20巴之間。若干合適的偏向器相對地朝進(jìn)料A4噴射冷氣體。提取進(jìn)料的熱量后，冷氣體被引向渦輪。它穿過熱交換器，恢復(fù)到淬火溫度。
在圖1所示實施例中，交換器和渦輪都布置在室的內(nèi)部，但也可以設(shè)置在室的外部。
待處理的進(jìn)料，可由例如齒輪或軸構(gòu)成。
一支臂操縱器40被放置在爐和室之間。它的功能是接納爐子的進(jìn)料，并將進(jìn)料置于室的支架上，圖示在A0和A4之間的進(jìn)料不同位置，A0是進(jìn)料仍在爐內(nèi)的位置，A4是淬火過程中進(jìn)料處于室的支架位置上。
支臂操縱器含有可圍繞垂直軸轉(zhuǎn)動和按高度位移的平臺41。平臺41含有可在水平面上移動和接納待處理進(jìn)料的支臂43。支臂可在外部和內(nèi)部位置之間移動，處于外部位置的支臂，可接納和放置進(jìn)料；處于內(nèi)部位置的支臂，可把進(jìn)料裝進(jìn)保護罩45內(nèi)。
工作循環(huán)如下— 把進(jìn)料置于爐1內(nèi)的位置A0，且其處于處理溫度。打開爐子閘門。
— 支臂43面對爐門開口。將支臂延伸到正好放置進(jìn)料的位置。收縮支臂，使進(jìn)料正好位于保護罩45下面的位置A1。
— 平臺繞樞軸旋轉(zhuǎn)，使進(jìn)料正好置于面向支架31的位置A2。
— 延伸支臂，把進(jìn)料置于支架31上的位置A3。
— 移動支架一直到正好位于室的內(nèi)部。進(jìn)料進(jìn)入位置A4。進(jìn)料從爐子離開后，其溫度沒有顯著的降低。
— 起動淬火過程。
按照本發(fā)明，在淬火循環(huán)的起始和淬火第一階段(導(dǎo)致進(jìn)料表面溫度達(dá)600℃)之間，淬火消耗時間少于40秒，在這段時間，構(gòu)成一氧化物層，因而在進(jìn)料上形成一脫碳阻擋層。特別是支臂操縱器使得在爐和室之間的轉(zhuǎn)移時間不超過30秒。
檢查已經(jīng)受本發(fā)明淬火處理的零件。對在上述條件下，碳氮共滲和加壓空氣淬火的齒輪和軸所實施的冶金學(xué)研究表明— 對齒面和齒根實現(xiàn)的顯微硬度分布與在870℃油內(nèi)的直接淬火后所獲得的顯微硬度分布是等同的。圖3的曲線圖示出用維氏硬度表示的顯微硬度值，這是按處理零件的不同深度測量的，即一方面測量加壓空氣淬火處理零件不同深度的維氏硬度值，另一方面測量油淬處理零件不同深度的維氏硬度值，測量值幾乎是相同的。
— 加壓空氣淬火零件不出現(xiàn)脫碳。圖2表示在一齒輪上的齒輪齒面和齒根上碳濃度的分布。在油淬和加壓空氣淬火之間，碳濃度分布是等同的。它們的特征在于淬火滲碳層無表面脫碳。第一批的測量與已承受碳氮共滲處理、然后進(jìn)行溫度為870℃的加壓空氣淬火零件有關(guān)。第二批的測量與已承受碳氮共滲處理伴隨著油淬零件有關(guān)。
— 加壓空氣淬火導(dǎo)致形成一氧化物層，其厚度為6μm。
本發(fā)明還包括一種方法，即在保護氣氛下進(jìn)行轉(zhuǎn)移以及其淬火是在高于大氣壓力的加壓空氣下實現(xiàn)的。按此條件，在淬火的第一階段，由于氧化物層的形成，本質(zhì)上防止了在淬火水平面上的脫碳。
本發(fā)明還涉及一種方法，其中淬火流體是空氣，在空氣中添加一種氣體以改進(jìn)其密度和/或?qū)嵝浴?br> 本發(fā)明還涉及一種方法，其中淬火流體是空氣，并在空氣中添加噴霧的液體，從而可通過兩相混合物使零件冷卻。
權(quán)利要求
1.鋼進(jìn)料在大氣壓力下實施滲碳或碳氮共滲處理后的淬火方法，包括下述步驟a)從溫度在750℃和1100℃之間的處理爐(1)中提取進(jìn)料，b)把進(jìn)料轉(zhuǎn)移到一淬火室(3)，c)注入一壓力大于大氣壓的淬火流體，并使其在淬火室內(nèi)環(huán)流，d)冷卻進(jìn)料至低于400℃溫度為止，其特征在于流體大部分由空氣組成，在從處理爐(1)中離開的一段時間內(nèi)使鋼零件的溫度變?yōu)橹炼?00℃，且在該段時間中形成一阻止鋼脫碳的氧化物層。
2.按權(quán)利要求1的方法，其特征在于轉(zhuǎn)移是在大氣中實現(xiàn)的，進(jìn)料溫度在不到40秒內(nèi)降低到600℃，較佳的是不超過20秒。
3.按權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于形成的氧化物層厚度小于12μm，較佳的是小于5μm。
4.按權(quán)利要求1的方法，其特征在于轉(zhuǎn)移是在保護氣氛下實現(xiàn)的。
5.按權(quán)利要求1到4之一的方法，其特征在于流體是空氣和一種可改變流體密度和/或?qū)嵝缘臍怏w的混合物。
6.按權(quán)利要求1到4之一的方法，其特征在于流體是一種空氣/噴霧液體的兩相混合物。
7.按前述權(quán)利要求之一的方法，其中，淬火室內(nèi)部的淬火流體是處于3巴和40巴之間的壓力，較佳的是處于5巴和20巴之間的壓力。
8.實施按前述權(quán)利要求之一方法的裝置，其特征在于它含有一轉(zhuǎn)移操縱器和一淬火室，可在表面溫度600℃下，以不超過40秒的時間讓在處理爐和淬火室之間保持進(jìn)料。
9.按前一權(quán)利要求的裝置，其特征在于操縱器可容許在不超過30秒的時間內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)移。
10.按權(quán)利要求8或9的裝置，其特征在于淬火室含有一渦輪，可容許在不超過10秒的時間內(nèi)將進(jìn)料零件的表面溫度降低到400℃。
11.按權(quán)利要求8到10之一的裝置，其特征在于它與在大氣壓力下工作的連續(xù)爐、分批爐、罩式爐和豎式爐配套。
全文摘要
鋼進(jìn)料在大氣壓力下實現(xiàn)滲碳或碳氮共滲處理后的淬火方法，包括下述步驟a.從溫度在750℃和1100℃之間的處理爐(1)中提取進(jìn)料；b.把進(jìn)料轉(zhuǎn)移到一淬火室(3)；c.注入一壓力大于大氣壓的淬火流體，并使其在淬火室內(nèi)環(huán)流；d.冷卻進(jìn)料至低于400℃溫度。根據(jù)本發(fā)明，流體大部分由空氣組成，在從處理爐中離開一段時間內(nèi)使鋼零件的溫度變?yōu)橹炼?00℃，且在該段時間中形成一阻止鋼脫碳的氧化物層。
文檔編號C21D1/62GK1545564SQ02816385
公開日2004年11月10日 申請日期2002年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月21日
發(fā)明者F·弗羅蒙特, M·干托伊斯, D·吉莫曼, , F 弗羅蒙特, 幸了 申請人:塞泰爾公司