CN101292050B - 用于半成品材料组织干式转变的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于半成品材料组织的干式转变、尤其是干式贝氏体等温淬火的装置(1)，其带有淬火室(2)以及用于调节淬火室内主导温度的加热介质和/或冷却介质，其特征在于，所述加热介质和/或冷却介质设计成器壁(5)的加热介质和/或冷却介质，而器壁(5)包围淬火室(2)的内部空间(4)。

Description

用于半成品材料组织干式转变的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于半成品(Halbzeugen)的材料组织(Material-Gefuege)的干式转变(trockene Umwandlung)的一种方法和一种装置。

现有技术

众所周知，为改善金属部件的材料性质，可通过热处理方法来影响其材料组织。在为数众多的金属中，钢尤其适合于这种处理方法，其中又尤以100cr6为例，特别适合于使用这种等温淬火方法进行处理。

以100cr6为例，首先对材料进行加热至约850摄氏度的温度区域，以便在材料中产生所谓的奥氏体组织。随后必须使经过上述加热的材料的整体温度，也就是说，包括部件的核心，非常快地淬火至等温淬火温度。此处优选的为约220摄氏度的温度区域，在该温度区域中将生成所谓的贝氏体组织。但是，该温度仅仅稍许高于所谓的马氏体开始转变温度，而在组织转变过程中，工件无论如何都不允许冷却至该温度，因为这会对所希望的、尤其有利的贝氏体组织的形成造成较大干扰。

对贝氏体组织形成的另一种干扰，可能通过速度过慢的部件冷却而引发。此处尤其要提及的是珠光体组织区域。当材料在730摄氏度至470摄氏度的温度区域内停留时间过长时，就会产生珠光体组织。另一种干扰表现为所谓的连续贝氏体区域，其上限温度区域与珠光体组织形成的下限温度区域相重叠。而其下限温度区域，视材料的停留时间而定，可向下延伸至贝氏体等温淬火区域(Bainitisierungsbereich)附近。

为避免在所处理部件中形成这种不希望出现的组织，对于整个部件，也就是说，包括外表面以及核心而言，为时35秒到40秒的冷却时间是必须的。

为克服迄今为止常用的盐浴冷却方法中所已知的缺点，例如，环境污染大，盐浴的纯度问题，部件清洁问题和成本较高等，因此发明了所谓的干式贝氏体等温淬火方法(Zwichenstufe-Verguetungsverfahren)。在该方法中，部件在淬火室(Abschreckkammer)的内部空间内，借助于温度经过调节的气体进行淬火。为能将此过程中所释放出来的大量能量散发出去，因此，使用合适的气流对该淬火室的内部空间进行充气。

为实现该气流的温度控制，在例如DE10044362C2中，推荐了气体冷却的热交换器的过流表面的一种变型。在另一种方法中，则推荐借助于两个平行接通的气流管道而实现的气流温度主动式控制，两个气流管道中，一个被冷却，而另一个被加热。为控制气体温度，此处需通过阀来相应地调节高温管道和低温管道所占的气流成分。

然而，两种方法中都存在以下问题，即，根据调节对象的响应所不同，气体温度将至少是暂态地围绕着理论值温度(等温淬火温度)而振荡，因此，就无法完全排除以下情况，即，气体温度短时间地下降到低于马氏体开始转变温度，而这种情况(这种波动)，即使不完全地阻止部件中诸如贝氏体等组织的形成，至少也会妨碍该组织的形成。之所以会这样，是因为部件的边缘区域，尤其是薄壁部位、转角或者螺纹等，会很快地具有与气体相同的温度。

发明内容

本发明的目的在于，对用于半成品的材料组织干式转变的方法和装置进行改良。

该目的将以前文所述方式的、用于材料组织干式转变的装置为基础，通过一种用于半成品材料组织的干式转变的装置，其包括淬火室和用于调节所述淬火室内部主要温度的加热介质和/或冷却介质，其特征在于，所述淬火室的内壁至少部分地包括加热表面和/或冷却表面，所述内壁的加热介质和/或冷却介质在用于半成品的淬火过程中，调整到至少接近于为所述半成品的组织转变所设的温度上，其中提供了措施，以保持所述淬火室的所述内部空间的温度的恒定，用以保持所述淬火室的所述内部空间的温度恒定的一种措施，是对包围所述淬火室的所述内部空间的器壁进行温度调节的热交换流体。

相应的，根据本发明，可将用于半成品材料组织干式转变的装置的加热介质(Heizmittel)和/或冷却介质(Kuehlmittel)设计为包围(begrenzen)淬火室内部空间的器壁的加热介质和/或冷却介质，以便淬火室的内壁至少部分地包含加热表面和/或冷却表面。从而可使得淬火室内的温度首先且主要地由限制内部空间的室壁所决定。

在优选的实施例中，淬火室设计成双层壁式并填充有热交换流体。这样，可简单地通过影响热交换流体的温度，而实现对淬火室内部空间的加热以及必要时所需进行的冷却。在此，尤其可以设置一个控制器，其在有需要时还可以考虑用于保持淬火室内部空间温度恒定的附加控制参数。

这种做法是以以下知识为基础的，即，与在淬火过程中释放到淬火室内部空间中的或者说是从淬火室中流过的气流中的、用于带来或带走不同且一定程度上互不相关的温度的气体相比较而言，至少在受限的时间内，质量足够大的物质的温度更容易实现稳定。在这里，受限的时间指的尤其是，淬火过程以及带有需淬火材料的淬火室的加载和卸载所需的时间。

在此尤其可以看出，迄今为止在已知的设备中所使用的散热方式通过所谓的“冷淬火室”(此处所指的是带室温的淬火室，其使用冷却器进行驱动，冷却器的形式为用冷却水驱动的用于冷却气流的热交换器)而显示出下述控制参数，即，由于其温度在调节区域之下，因而，其对淬火过程中的气体温度波动也起一定的影响。

将淬火室的内部空间的温度从迄今为止常用的、淬火室附近的室温，提高到所希望的、待调节的淬火温度，不过会使得迄今为止可使用的、淬火过程中的附加冷却效应失效。但是相对的，会产生下述重大优点，即，通过这种形式的设备概念，可以在整个淬火过程中，可靠地避免淬火室内部空间内气体温度的下降。这样就可以确保，在淬火的过程中的任何时刻，待淬火的半成品的温度都不会下降到马氏体开始转变温度区域内，从而也就不会影响甚至阻止贝氏体组织的形成。

对此尤其起促进作用的是，至少在半成品淬火过程中，包围淬火室内部空间的器壁的加热介质和/或冷却介质会将该器壁的温度调整(aufpraegen)到至少接近于该半成品组织转变所需的温度。

为使淬火室的内部空间内的、对淬火过程有影响的气体获得更好的温度稳定性，该设备在其优选的实施形式中，还可以进一步地包括用于保持温度恒定、尤其是保持淬火室内的温度恒定的措施(Mittel)。

第一个用于保持气体温度恒定的措施，当然就是包围淬火室内部空间的器壁。基于其质量和其经过调整的温度，已经可以实现第一温度稳定性。进一步地，还可以通过良好的导热特性，实现其它的温度稳定性，通过这种导热特性，可将淬火过程中经高度加热的半成品所引起热量输入从淬火室的内部空间向外散发。

在另一实施例中，用于保持淬火室内部空间气体温度恒定的措施可以是一种流体，通过这种流体可对包围淬火室内部空间的器壁的温度进行调节。例如，可使用载热介质油作为该热流体或者说热交换流体。

可以通过更简单的方法来提高这种效果，即，通过诸如泵的帮助，使该热交换流体循环。

在一种优选的实施方式中，设置了在淬火室内部空间中流过的气流，作为进一步保持温度恒定的措施。其通过被调节至合适温度的伴流气体而实现淬火室内部空间热量输入的快速散发以及待淬火半成品的附加冷却。

在更有利的方式中，该气体本身又可以再次通过热交换流体而影响其自身温度。在此，尤其优选的是，该气流也被调节到为淬火过程所设的、淬火室内壁所被调整到的温度。如有需要时，可通过热交换流体和温度控制器来同时对淬火室的器壁和气流的温度进行调温。

为实现进一步的、重大的温度稳定性改善，该设备在特别优选的实施方式中，可以进一步地包含冷却单元，这里的冷却单元所指的可以是诸如所谓的交流换热器，将其冷却到所设置的淬火温度时，需使用下述的能量含量，即，与半成品的待淬火的加载过程向淬火室中所带入的能量含量基本相当的能量含量。为了能够将经由高度加热的半成品所带入淬火室中的能量含量尽可能快地从气流中回收出来，可优选地将冷却单元也设置成暴露在从淬火室中流过的气流中。

为实现尽可能稳定的淬火过程，可使该冷却单元具有如下形式的热容量和/或由如下形式的材料所构成，即，在淬火过程中，相对而言温度被调节得较低的冷却单元与从淬火室中流过的气体的温度之间的温度平衡完成所需的时间，和位于淬火室中的、温度被调节得较高的半成品与该同样气体之间的温度平衡完成所需的时间相比，两者基本相等。在此，尤其视为有利的是，将该冷却单元的外表面设计成如下形式，即，其能为前面所述的、对淬火半成品的加载和冷却单元而言，快速且优选地为(速度)基本相同的温度平衡提供支持。

此处优选地适合使用由导热性良好的材料、例如铜，所制成的，具有较大表面积、厚壁且如有需要时，具有附加的散热片和/或散热体的管束。

附图说明

下面，将参考附图对图中所示的本发明实施例进行更详细的解释其中：

图1和2显示了用于半成品材料组织干式转变的设备的示意图，

图3显示了一副图表，其在时间/温度图中表示出了待淬火半成品的外部温度和内部温度的温度变化过程以及所不希望的三个组织区域，

图4显示了另一幅时间/温度图，其中带有作为示例而给出的部件温度曲线、为组织转变所预设的温度曲线以及该设备中温度稳定元件的温度曲线。

具体实施方式

图1详细地显示了借助于淬火室2进行半成品材料组织干式转变的装置的示意性结构，设计成双层壁式的淬火室2的内部空间4构成了其核核心件，其使用炉料对待淬火半成品7进行加载。

为了对在淬火室2的内部空间4中的、对半成品淬火过程起影响的气体进行温度调节，在双层壁式淬火室2的内壁5和外壁6之间设置有热交换流体，用作加热介质和/或冷却介质。

为改善温度分布以及热量的吸收和散发，可对该热交换流体3进行流体循环，此处具体使用的是泵8，其按照例如箭头方向9所示方向驱动该流体循环。

通过这种对加热介质和/或冷却介质进行调整的循环，可以均匀地对包围内部空间的壁5的温度进行调节，将其调节到为等温淬火方法所设的温度。在此过程中，同样也将位于内部空间4内的，对该半成品的淬火过程起作用的气体调节到该温度上。

根据本发明，这样也就将包围内部空间4的器壁5的温度准确地调节到了等温淬火温度上，这就可靠地保证了，被放入内部空间4的、待淬火的半成品的温度在任何时候都不会下降到该温度以下，这样也就同样确保了，由于温度下降到诸如马氏体开始转变温度以下而对材料组织转变所产生的影响是不可能出现的。

在此，包围内部空间4的器壁5的该加热介质和/或冷却介质是按照如下方式布置的，即，其至少在半成品的淬火过程中，能可靠地保持为该组织转变所设置的温度。

为确保该淬火室的内部空间4的温度保持恒定，该装置还可以进一步地包含相应的措施。这种用于保持内部空间4的温度的恒定的措施可以是，例如，包围内部空间的器壁5，调节该器壁5的温度的热交换流体3，从该内部空间4流过的气流和调节该气流温度的热交换流体。

在前面所述示例中，该气流可以通过气体导管11以及布置在其中的吹风机12而导入淬火室2的内部空间4。在该实施例中，标号13表示为保持气体温度恒定而设置的、同样布置在该气体循环中的热交换器。示例性的气流方向通过箭头14而表示。

在特别有利的实施形式中，对该气流热交换器13进行温度调节的流体同样可以由加热单元和/或冷却单元15来供给，其已对用于淬火室2的内壁5的温度调节的热交换流体3施加了作用。

相应于图2，在相对地进行过修改的实施形式中，除了和前述一样的结构一样，还设置了附加的冷却单元16，该冷却单元可以快速地吸收由经高度加热的半成品所带入到内部空间4中的能量。由此，即使在放入内部空间的半成品质量很大的情况下，从淬火室2的内部空间4中流过的气流也能在等温淬火的指定温度上保持基本恒定。尤其有利的是，在将冷却单元16引入气流中并被气流所围绕的时候，采用下述形式，即，通过从被炉料加热的气流中吸收热量而实现尽可能快的温度平衡。

当其表面积、热容量和材料都设计成适用于从气流中快速吸收热量的形式时，在淬火过程之前就被冷却到所谓的蓄热温度(Regenerierungstemperatur)的冷却体16可以尤其好地吸收或补偿淬火过程中炉料所释放出的热量。例如，此处适用的是由相应的厚壁状的铜所制成的良好的管束，其具有快速导热的性能和良好的热容量。为增大其表面积，该管还可以设计成带有散热片以对更快的温度平衡产生影响。

该冷却单元优选地为非连续运行。这样，该冷却单元16就可以精确地按照一定的能量进行冷却，该一定的能量指的是，土工随后所引入的炉料而作视为剩余能量引入的、且将由其所吸收的能量。

图3显示了带有部件内部温度曲线(BT-I)和部件外部温度曲线(BT-A)的时间/温度图表。这两条温度曲线相交汇于大约220摄氏度的区域，其中，部件内部温度的走势为如下形式，即，其既不穿越珠光体区域P，也不穿越连续贝氏体(kB)区域。进一步还可以从中看出，部件温度，也就是该半成品的温度，在任何时候都不会下降到值为220摄氏度的等温淬火温度以下。

约200摄氏度附近的温度区域为马氏体开始转变温度区域(M-ST-T)，在淬火过程中，若低于该温度，则会在该半成品中生成马氏体组织，其对所希望的贝氏体材料组织会产生如下影响，即，即使不阻止后者的生成，也至少会严重地影响其形成过程。该图表中的温度范围是从0到900摄氏度，时间范围是从0到90秒。

图4中，在相同的温度范围/时间范围内显示了平均部件温度(BT)，贝氏体等温淬火温度(B)和在这种情况下称为蓄热器的冷却单元的温度(RT)。从这里可以看出，部件温度(BT)和为半成品材料的等温淬火所指定的调质温度(Verguetungs-Temperatur)——在此为贝氏体等温淬火温度——之间的温度平衡，以及预先冷却的冷却单元16和该等温淬火温度之间的温度平衡，两者的完成速度基本是相同的。

进一步还可以从中看出，冷却单元16达到贝氏体等温淬火温度的时间，要稍微比部件快一点，这样，又可以再一次确保，该部件在任何情况下都不会被冷却到该贝氏体等温淬火温度以下。

Claims (12)

1.一种用于半成品材料组织的干式转变的装置(1)，其包括淬火室(2)和用于调节所述淬火室内部主要温度的加热介质和/或冷却介质，其特征在于，所述淬火室的内壁(5)至少部分地包括加热表面和/或冷却表面，所述内壁(5)的加热介质和/或冷却介质在用于半成品的淬火过程中，调整到至少接近于为所述半成品的组织转变所设的温度上，其中提供了措施，以保持所述淬火室(2)的所述内部空间(4)的温度的恒定，用以保持所述淬火室(2)的所述内部空间(4)的温度恒定的一种措施，是对包围所述淬火室(2)的所述内部空间(4)的器壁(5)进行温度调节的热交换流体。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置用于干式贝氏体等温淬火。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，用以保持所述淬火室(2)的所述内部空间(4)的温度恒定的一种措施，是从所述淬火室(2)的所述内部空间(4)中流过的气流。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，用以保持所述淬火室(2)的所述内部空间(4)的温度恒定的一种措施，是对从所述淬火室(2)的内部空间中流过的气流进行温度调节的热交换流体。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，用以保持所述淬火室(2)的所述内部空间(4)的温度恒定的一种措施，是冷却单元(16)。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的冷却单元(16)设置成暴露在从所述淬火室(2)中流过的气流中。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的冷却单元(16)具有这样的蓄热物质并/或由这样的材料组成，即，在淬火过程中，温度相对较低的所述冷却单元与从淬火室中流过的所述气体的温度之间的温度平衡，和位于所述淬火室(2)中待淬火的、温度较高的所述半成品(7)与所述气体之间的温度平衡相比，两者时间基本相同。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述冷却单元(16)的表面设计成如下形式，即，在淬火过程中，温度相对较低的所述冷却单元与从淬火室中流过的所述气体的温度之间的温度平衡，和位于所述淬火室中待淬火的、温度较高的所述半成品(7)与所述气体之间的温度平衡相比，两者时间基本相同。

9.一种用于半成品材料组织的干式转变的方法，利用带有淬火室(2)以及用于调节所述淬火室内温度的加热介质和/或冷却介质的装置，其特征在于，包围所述淬火室(2)的所述内部空间(4)的器壁(5)至少在半成品的淬火过程中，调整到至少接近于为所述半成品的所述材料转变所指定的温度。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，包围所述淬火室(2)的所述内部空间(4)的所述器壁(5)的温度，在淬火过程中保持恒定。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，在淬火过程中从所述淬火室中流过的气流中至少绝大部分的温度，在包围所述淬火室(2)的所述内部空间(4)的所述器壁(5)的温度水平上保持恒定。

12.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，为保持温度稳定，在淬火过程中从所述淬火室中流过的气体中设置了冷却体，其温度低于包围所述淬火室(2)的所述内部空间(4)的器壁(5)的温度。

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