一種分成多段排放氣泡的浸油淬火冷卻方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬熱處理中工件浸油冷卻技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種分成多段排放 氣泡的浸油淬火冷卻方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，在生產(chǎn)過程中，為減小加熱和淬火冷卻過程中工件的彎曲變形，長(zhǎng)軸類工件 大多用垂直懸掛的方式加熱和淬火冷卻。這里所說的淬火，既包括以獲得一定深度的馬氏 體組織為目的的淬火，也包括大直徑工件浸油冷卻來獲得細(xì)珠光體組織的冷卻過程。當(dāng)前， 行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為：同一工件上有效厚度相同的部分，在淬火冷卻過程中通常能夠獲得相同 的淬火冷卻效果；軸類工件各部分有效厚度相同，冷卻效果自然也就相同。有關(guān)的書刊資料 上都沒有與此相反的認(rèn)識(shí)和報(bào)道。因此，在生產(chǎn)應(yīng)用中，對(duì)于以垂直方式浸液淬火的長(zhǎng)軸類 工件，通常只在指定部位檢查其淬火硬度，而不沿軸向檢查整個(gè)工件淬火硬度的均勻性。然 而，實(shí)際檢測(cè)會(huì)發(fā)現(xiàn)，用現(xiàn)有淬火方法冷卻得到的長(zhǎng)軸類工件，軸向淬火硬度并不均勻；指 定的局部硬度并不能真實(shí)反映整個(gè)工件的淬火硬度均勻性。將這樣淬火硬度不均勻的工件 投入使用后，造成工件機(jī)械性能降低，使用壽命縮短，甚至可能導(dǎo)致零件在服役期出現(xiàn)意外 事故。
[0003] 目前，為了保證工件達(dá)到要求的淬火質(zhì)量，有一些手段可以改善工件冷卻均勻性 和提高工件淬火硬度，比如攪拌。一般而言，改善工件的冷卻均勻性，就會(huì)同時(shí)提高工件淬 火的硬度均勻性，但由于工件形狀復(fù)雜程度不一、材料淬透性高低不同，因而冷卻的均勻不 一定能保證淬火硬度的均勻。通常認(rèn)為，對(duì)淬火油做良好的攪拌能促使油溫均勻，從而改善 工件的冷卻均勻性，可提高淬火的硬度均勻性；同時(shí)，攪拌也加強(qiáng)了工件與淬火油的熱交換 能力，可提高工件的淬火硬度。但是，一方面，鑒于介質(zhì)攪拌的特點(diǎn)和攪拌問題的復(fù)雜性，要 使同爐淬火的不同工件，或者同一工件的不同部位同時(shí)處于溫度均勻的淬火油中而獲得相 同的冷卻效果不大可能；另一方面，由于受工件形狀和位置的影響，淬火油溫度的均勻不意 味著工件淬火硬度的均勻性，其結(jié)果就是，即使同爐淬火工件也常出現(xiàn)部分工件發(fā)生淬火 變形或者硬度不合格的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種能提高軸類工件淬火硬度 和硬度均勻性的分成多段排放氣泡的浸油淬火冷卻方法，用于工件以垂直方式浸油淬火冷 卻工序中，所述工件為軸類工件或具有軸形區(qū)段的工件；該方法是在淬火冷卻工序之前的 切削加工中，在所述工件所要求的尺寸之外預(yù)留出若干個(gè)沿軸向分布的分隔環(huán)，以將所述 工件沿軸向分隔成多個(gè)區(qū)段；然后將帶有分隔環(huán)的軸類工件或軸形區(qū)段進(jìn)行加熱、冷卻，完 成淬火冷卻。
[0005] 所述分隔環(huán)與工件為一整體加工件。
[0006] 所述分隔環(huán)分布在工件軸向的表面。
[0007] 所述分隔環(huán)的縱向截面為矩形、坡形、臺(tái)階形或三角形，頂面可以是平面、圓面或 尖頂。
[0008] 所述分隔環(huán)與工件外表面結(jié)合部分在工件軸向上的長(zhǎng)度，即基底厚度，為l_20mm。
[0009] 所述分隔環(huán)外沿距工件外表面的徑向長(zhǎng)度，即高度，為l-10mm。
[0010] 所述分隔環(huán)的間距為10mm-200mm;不同分隔環(huán)之間的間距可以相等，也可以不相 等。
[0011] 本發(fā)明還提供了一種工件的加工方法，包括上述浸油淬火冷卻方法，還包括在淬 火冷卻完成后，將分隔環(huán)去除而得到所要求尺寸工件的過程；去除分隔環(huán)時(shí)在切削部位優(yōu) 選進(jìn)行降溫處理。
[0012] 還包括工件的回火工序，去除分隔環(huán)在回火工序之前或之后。
[0013] 本發(fā)明還提供了一種用上述加工方法得到的工件，所述工件為軸類工件或具有軸 形區(qū)段的工件。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0015] 1.改善工件的內(nèi)在質(zhì)量：可有效提高工件，尤其是長(zhǎng)軸類工件的淬火硬度及淬火 硬度的均勻性，減小工件淬火畸變，并且提高軸件的疲勞壽命。
[0016] 2.節(jié)省合金元素資源：由于本發(fā)明的淬火冷卻方法可提高工件的淬火硬度，因此 可用較低淬透性的鋼替換較高淬透性的鋼，從而節(jié)省合金元素資源。
[0017] 3.降低生產(chǎn)成本：對(duì)于某些類工件，采用本發(fā)明淬火冷卻方法后，可以用普通油 淬火而獲得現(xiàn)今使用快速淬火油才能得到的淬火冷卻效果，降低生產(chǎn)成本。
[0018] 4.提高生產(chǎn)效率：本發(fā)明的淬火冷卻方法可以縮短工件的淬火冷卻時(shí)間，尤其是 用于大直徑長(zhǎng)軸類工件時(shí)，效果更明顯。
[0019] 5.與現(xiàn)有技術(shù)相比之下，本發(fā)明的方法具有原理簡(jiǎn)單、效果顯著而又穩(wěn)定，均勻性 極好等優(yōu)點(diǎn)；因此，如果在繼續(xù)使用原有工藝方法的同時(shí)，補(bǔ)加上本發(fā)明的方法，也就是在 淬火加熱之前，在工件的適當(dāng)部位加工出分隔環(huán)，然后再進(jìn)行淬火，就很有可能大大減少甚 至消除淬火不合格品。
【附圖說明】
[0020] 圖1所示為有分隔環(huán)的工件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖2所示為圖1中分隔環(huán)的局部放大圖；
[0022] 圖3所示為無分隔環(huán)工件垂直表面蒸汽膜內(nèi)氣體流動(dòng)方式的示意圖；
[0023] 圖4所示為無分隔環(huán)軸類工件在淬火冷卻過程中不同時(shí)刻的狀態(tài)圖；
[0024] 圖5所示為圖4無分隔環(huán)軸類工件在淬火冷卻過程中的交界線擴(kuò)展圖；
[0025] 圖6所示為本發(fā)明方法中分隔環(huán)的作用原理示意圖；
[0026] 圖7所示為實(shí)驗(yàn)例一中無分隔環(huán)的軸類試樣在淬火冷卻過程中不同時(shí)刻的狀態(tài) 圖；
[0027] 圖8所示為實(shí)驗(yàn)例一中有分隔環(huán)的軸類試樣在淬火冷卻過程中不同時(shí)刻的狀態(tài) 圖；
[0028] 圖9所示為實(shí)驗(yàn)例一中無分隔環(huán)和有分隔環(huán)的兩個(gè)軸類試樣在淬火冷卻過程中 的交界線擴(kuò)展圖；
[0029] 圖10所示為實(shí)驗(yàn)例二中無分隔環(huán)和有分隔環(huán)的兩個(gè)軸類試樣在淬火冷卻過程中 的交界線擴(kuò)展圖；
[0030] 圖11所示為實(shí)驗(yàn)例二中無分隔環(huán)和有分隔環(huán)的兩個(gè)軸類試樣的淬火態(tài)表面硬度 分布對(duì)比曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 近些年來，本發(fā)明的發(fā)明人通過大量的試驗(yàn)，研究了多種試樣的浸液淬火冷卻過 程，發(fā)現(xiàn)同一工件上有效厚度相同的部分通常不能獲得相同的淬火冷卻效果；軸類工件有 效厚度相同，上下各部分的冷卻效果（指淬火硬度）卻大不相同。目前有關(guān)書刊資料和行 業(yè)內(nèi)都還沒有此類情況的報(bào)道。
[0032] 發(fā)明人進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：浸液淬火中工件表面蒸汽膜內(nèi)的氣體會(huì)發(fā)生流動(dòng)，高溫氣體 會(huì)從蒸汽膜頂端向外排放氣泡釋放熱量，進(jìn)而研究得到蒸汽膜內(nèi)氣體流動(dòng)會(huì)對(duì)工件冷卻快 慢和冷卻均勻性產(chǎn)生影響，總結(jié)出了影響浸液淬火工件冷卻快慢和冷卻均勻性的兩個(gè)新因 素：一個(gè)是工件表面蒸汽膜內(nèi)氣體流動(dòng)的影響；另一個(gè)是工件表面從蒸汽膜方式向泡核沸 騰（以下簡(jiǎn)稱沸騰）方式的轉(zhuǎn)型先后順序的影響。進(jìn)而，發(fā)明人用這兩個(gè)新因素揭示的知 識(shí)發(fā)展出來本發(fā)明的淬火冷卻技術(shù)，也可以稱為精細(xì)淬火冷卻技術(shù)。
[0033] 第一個(gè)因素中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)的蒸汽膜內(nèi)氣體的流動(dòng)規(guī)律如下：蒸汽膜內(nèi)的氣體是 從蒸汽膜外側(cè)內(nèi)層的液面蒸發(fā)出來的。在蒸汽膜內(nèi)的氣體中，緊挨高溫工件外表面的內(nèi)層 氣體溫度最高，而緊挨液面的外層氣體溫度最低，因此蒸汽膜內(nèi)的氣體溫度分布很不均勻。 對(duì)于軸類工件，在垂直表面的蒸汽膜內(nèi)，不管所處的位置是高還是低，蒸汽膜內(nèi)緊挨液面的 外層氣體溫度基本相同（通常，外層氣體溫度只稍高于冷卻介質(zhì)的沸點(diǎn)溫度）。由于內(nèi)層氣 體和外層氣體之間存在巨大的溫度差，蒸汽膜內(nèi)的氣體必然會(huì)發(fā)生流動(dòng)。
[0034] 氣體流動(dòng)的可能方式包括層流和循環(huán)對(duì)流。圖3是工件垂直表面蒸汽膜內(nèi)氣體 流動(dòng)的一種典型方式的示意圖：把蒸汽膜內(nèi)的氣體按流動(dòng)情況分成最靠近高溫工件的層流 層、最靠近液面的循環(huán)對(duì)流層，以及它們之間的中間部分。
[0035] 其中，內(nèi)層氣體向上流動(dòng)，成為沿工件外表面垂直向上的層流層。層流層向上輸 送的始終是同一高度的氣體中溫度最高的那部分氣體。層流層向上輸送的氣體，最終從工 件上方蒸汽膜的頂部以氣泡的方式排放到淬火液中。就這樣，從工件下方液面蒸發(fā)出來的 氣體，被源源不斷地從工件頂部蒸汽膜排放出去。在向上流動(dòng)中，由于最接近高溫的工件表 面，并受到高溫表面的進(jìn)一步加熱，層流層內(nèi)的氣體溫度會(huì)不斷升高，這又將減緩工件上方 表面的散熱速度，也就是減弱工件上方的冷卻效果。從效果上，這也可以說成是層流層氣體 對(duì)