CN103436671B - 一种双介质淬火热处理冷却专用设备及其工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双介质淬火热处理冷却专用设备及其工艺，该设备包括支腿、滑板、隔离板、箱板、角钢架、辊座、拉绳、导轨、导辊、网篮、卷绳辊、步进电机、控制柜；所述箱板、角钢架焊接成淬火冷却槽，并由支腿支撑，所述淬火冷却槽内焊接有隔离板,将淬火冷却槽隔成下部相通的水槽和油槽，所述水槽的下部焊接有滑板，所述滑板倾斜放置，钢件经加热保温形成奥氏体后，投入水槽中，由滑板而进入网篮；在控制柜控制下，通过升降机构，网篮连同里面的钢件，从水中上移到油中，实现水淬油冷双介质淬火工艺。本发明能有效避免钢件淬火变形和开裂，自动化程度高，劳动强度小，还可以实现盐水油双介质淬火以及盐水-油-空气三介质淬火，具有广阔的市场前景。

Description

一种双介质淬火热处理冷却专用设备及其工艺

技术领域

本发明属金属热处理领域，具体涉及一种双介质淬火热处理冷却专用设备及其工艺，用于薄壁、复杂结构等钢件的淬火冷却，可以有效避免其淬火变形和开裂。

背景技术

钢的淬火是将钢在固态下加热到临界温度以上某一温度，保温一段时间形成奥氏体，然后浸入淬火介质中，以大于临界速度的快速冷却方式，不让它发生高温转变，而在Ms以下的低温转变区转变为马氏体的热处理工艺。

淬火可以提高钢件的硬度及耐磨性，因而广泛用于各种工具、量具、模具以及要求表面耐磨的零件如齿轮、轧辊、渗碳零件等的热处理。

淬火后进行不同温度的回火，可以大幅度提高钢件的强度、韧性及疲劳强度，并可获得这些性能之间的配合使其具有较好的综合力学性能，以满足不同的使用性能要求。另外，淬火还可使一些特殊性能的钢获得一定的物理性能和化学性能，如淬火使永磁钢增强其铁磁性、某些不锈钢提高其耐蚀性等。

淬火时的快速冷却会使钢件表层和心部冷却速度出现差异，表层冷的快、心部冷的慢，根据物理学上的热胀冷缩原理，冷却快的表层先收缩，冷却慢的心部后收缩；但是表层和心部又是一个整体，必定相互影响。这种收缩不同时、相互制约而造成的工件内部之间的作用力，就是热应力。

同样，冷却快的表层，温度先到达Ms以下，发生马氏体转变，出现马氏体硬壳；随后，心部也降到Ms以下，出现马氏体转变，由面心立方晶格变为体心立方晶格，体积膨胀受到外层硬壳的制约，产生相互作用力。这种因为组织转变不同时、相互制约而产生的工件内部之间的作用力，就是组织应力。

钢件的不同部位有厚度差异时，冷却速度也会不同时，也会出现热应力和组织应力。

当钢件内部的热应力和组织应力二者叠加大到一定程度时，钢件便会出现变形甚至开裂。因此，要避免钢件淬火冷却时的变形和开裂，从淬火冷却角度说，就应该减小冷却速度，从而减小热应力和组织应力。但是，为避免钢件高温转变产生珠光体类型的组织，钢件在高温区又必须保证一定的冷却速度。这就要求钢件在高温区冷却快，在低温区冷却慢。但是，往往使钢件在低温马氏体转变区冷却速度小的淬火介质，在高温转变区冷却速度也差，可能会使钢件出现高温转变，不能使钢件淬硬；使钢件在高温转变区冷却速度大的淬火介质，在低温马氏体转变区冷却速度也大，可能会使钢件变形和开裂。因此，在单一介质中冷却时，要求钢件在保证淬硬的前提下，淬火冷却速度越小越好。

油的低温冷却能力较小，能避免一般钢件的淬火变形和开裂，但高温冷却能力也弱，不能使碳钢件避免高温转变，所以适合合金钢件的淬火；水的高温冷却能力较强，可以使碳钢件避免高温转变，但是低温转变区冷却能力也强，钢件易产生淬火变形和开裂；盐水的冷却能力更强，适合较大碳钢件的淬火。

将钢件加热保温后在单一介质中冷却，称为单介质淬火。这种方法操作简单，应用广泛。但是，钢件在水中或盐水中冷却时，易产生变形和开裂。

对于某些形状复杂的钢件，加热保温后先淬入水或其他冷却能力强的介质中冷却至稍高于Ms的温度，再迅速转入油或其他冷却能力较弱的介质中冷却中，称为双介质淬火，常用的是水淬油冷。在冷却能力强的介质中，工件在高温段快速冷却可避免钢中过冷奥氏体发生高温转变；低温段转入冷却能力较弱的介质中，冷却速度变小，使钢件的表层和心部或薄厚两部分温差减小，产生的热应力减小，组织转变的不同时性减小，组织应力减小，有效减少了钢件的内应力，降低了钢件变形和开裂倾向。

双介质淬火工艺的关键在于，如何控制钢件在水中的停留时间。出水过早，随后会出现高温转变，不能使钢件淬硬；出水过晚，就会在水中发生低温转变，达不到双介质淬火的目的。

传统的双介质淬火工艺的操作是，手握钳子夹持奥氏体化的钢件进入水后，看气泡、听声音，靠经验判断出水时机，再转入油中冷却。也有企业根据经验公式t=kd，按工件厚度d计算在水中停留的时间，系数k为O.2～O.3s/mm，碳素钢取上限，合金钢取下限。这种工艺适用于碳素钢制造的、直径为10～40mm的中型零件和低合金钢制造的较大型零件的处理。但是，仍采用人工控制钢件在水中的时间，以及转入油中的过程，操作难度大，误差较大，成功率较低。

发明内容

本发明为解决现有技术中的问题，提供一种双介质淬火热处理冷却专用设备及其工艺，它可有效避免薄壁、复杂结构钢件的变形和开裂；自动化程度高，劳动强度小。

本发明采用以下技术方案予以实现：

一种双介质淬火热处理冷却专用设备，该设备包括支腿、滑板、隔离板、箱板、角钢架、辊座、拉绳、导轨、导辊、油、水、网篮、卷绳辊、步进电机、控制柜。

所述箱板、角钢架焊接而成淬火冷却槽，并由支腿支撑，所述淬火冷却槽内焊接有隔离板，所述隔离板将淬火冷却槽隔成左侧为水槽、右侧为油槽，所述水槽和油槽两者下部相通，且分别加有水和油。

所述水槽的下部焊接有滑板，所述滑板倾斜放置，滑板的下端位于隔板的下方且竖直部分下端焊在淬火冷却槽底板上，滑板的上端焊接在左侧的淬火冷却槽槽壁上。

所述油槽的前后侧的上下边沿都安装有辊座和导辊；所述油槽前后内壁上还设有导轨，所述油槽底板的下方设有卷绳辊，卷绳辊与拉绳连接，拉绳经导辊换向后与网篮连接，网篮在油槽内；网篮可在拉绳和重力作用下沿导轨上下移动；所述控制柜与步进电机相连，步进电机与卷绳辊相连。所述控制柜控制步进电机和与其相连的卷绳辊转动，拉绳经导辊拉升或放松网篮，实现钢件的上下移动。

所述控制柜的主控装置是单片微型计算机，所述控制柜、步进电机、卷绳辊、网篮、导辊、拉绳组成自动升降系统。

所述滑板的倾斜部分与淬火冷却槽底板之间的倾斜角优选为30°～60°。

所述油的加入量以油层高度超过网篮中钢件高度3倍以上为宜；水的加入量，应使油槽下部的水面高过隔离板的底边一定高度，并且淬火冷却过程中，钢件的运动，不会使油进入水槽一侧为宜。

一种使用上述双介质淬火热处理冷却专用设备的淬火冷却工艺，它包括以下步骤：

将欲淬火的钢件，经加热保温形成奥氏体后，投入水槽中，在重力作用下，经滑板自动进入网篮；在控制柜所设定的程序控制下，网篮及里面的钢件，从水中移到油中，实现水淬油冷双介质淬火过程。

所述控制柜中的主控装置是单片微型计算机，可以设定不同阶段的停留时间和运动方式，实现钢件在水中和油中的不同移动速度、运动方式以及过渡过程，能适应不同材质、不同厚度、不同形状和不同规格钢件的淬火冷却。钢件在某一介质中的运动方式可以设定为间歇运动、连续运动、上下往复运动等，选择恰当的运动方式，可以提高钢件在介质中的冷却速度和冷却均匀性，有利于避免钢件的变形和开裂。当选定钢件出油面温度较高时，可以实现水-油-空三介质淬火，当水槽内注入盐水时，可以实现盐水和油双介质淬火，也可以方便的实现盐水-油-空气三介质淬火。。

本发明与现有技术相比，具有以下显著的优点：

本发明提供的一种双介质淬火热处理冷却专用设备及其工艺，采用了单片微型计算机指挥、步进电动机驱动的自动化设备，可以方便地改变钢件在各介质中的停留时间、运动方式以及过渡过程等，能适应不同材质、不同厚度、不同形状、不同规格钢件的淬火冷却；钢件在某一介质中的运动方式可以设定为间歇运动、连续运动、上下往复运动等，恰当的运动方式可以提高钢件在介质中的冷却速度和冷却均匀性，有利于避免钢件的变形和开裂。

本发明提供的一种双介质淬火热处理冷却专用设备，巧妙利用了水和油的自然分层以及水在下和油在上的特点，利用下部连通的双槽结构，可以使钢件在上移过程中，实现水淬油冷双介质淬火工艺。不同介质之间的过渡过程简单、平稳，不需要手工操作，设备自动完成。

本发明提供的一种双介质淬火热处理冷却专用设备及其工艺，通过改变两槽中的介质，可以方便的实现实现盐水淬油冷双介质淬火工艺。也可以方便的实现水-油-空气三介质淬火工艺或盐水-油-空气三介质淬火工艺。

总之，本发明可以保证钢件在淬硬的前题下，有效避免变形和开裂；自动化程度高，劳动强度小，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1为本发明双介质淬火热处理冷却专用设备结构示意图；

图2为图1中的A-A视图（上半部分）及图1中的俯视图（下半部分）；

图3为图1的左视图及其局部剖视图；

图4为本发明双介质淬火热处理冷却专用设备中的升降系统示意图；

图5为图4的右视图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明具体实施方式进行详细说明。

参见图1、图2、图3、图4、图5。

一种双介质淬火热处理冷却专用设备，该设备包括支腿1、滑板2、隔离板3、箱板4、角钢架5、辊座6、拉绳7、导轨8、导辊9、油10、水11、网篮12、卷绳辊13、步进电机14、控制柜15。

所述箱板4、角钢架5焊接而成淬火冷却槽，并由支腿1支撑，所述淬火冷却槽内焊接有隔离板3，所述隔离板3将淬火冷却槽隔成左侧为水槽、右侧为油槽，所述水槽和油槽两者下部相通，且分别加有水11和油10。

所述水槽的下部焊接有滑板2，所述滑板2倾斜放置，滑板2的下端位于隔板3的下方且竖直部分下端焊在淬火冷却槽底板上，滑板2的上端焊接在左侧的淬火冷却槽槽壁上。

所述油槽的前后侧的上下边沿都安装有辊座6和导辊9；所述油槽前后内壁上还设有导轨8，所述油槽的下方设有卷绳辊13，卷绳辊13与拉绳7连接，拉绳7经导辊9换向后与网篮12连接，网篮12在油槽内；网篮12可在拉绳7和重力作用下沿导轨8上下移动；所述控制柜15与步进电机14相连，步进电机14与卷绳辊13相连。所述控制柜15控制步进电机14和与其相连的卷绳辊13转动，拉绳7经导辊9拉升或放松网篮12，实现钢件的上下移动。

所述控制柜15的主控装置是单片微型计算机，所述控制柜15、步进电机14、卷绳辊13、网篮12、导辊9、拉绳7组成自动升降系统。

所述滑板2的倾斜部分与淬火冷却槽底板之间的倾斜角优选为30°～60°。

所述淬火冷却槽中介质的加入需要按顺序操作，先在水槽内加入水11或盐水，再在油槽内加入油10。水或盐水的加入量比油多，油的加入量以油层高度超过网篮中钢件高度3以上倍为宜；水的加入量，应使油槽下部的水面高过隔离板3的底边一定高度，并且淬火冷却过程中，钢件的运动，不会使油进入水槽一侧为宜。

淬火工艺：将欲淬火的钢件，经加热保温形成奥氏体后，投入水槽中，在重力作用下，经滑板2自动进入网篮12；在控制柜15所设定的程序控制下，网篮12及里面的钢件，从水11中移到油10中，实现水淬油冷双介质淬火过程。

钢件在水中的停留时间，可以根据经验公式t=kd，按工件厚度d计算出来，工件厚度d在30mm以下时，系数k为0.21～0.35s/mm，工件厚度d大于30mm时，系数k为0.35～0.75s/mm，碳素钢取上限，合金钢取下限；对于形状复杂、变形要求高的模具，有时采用超常冷却措施，系数k取为0.11～0.21s/mm。参考以往的热处理经验，设定在水中和油中的运动方式，参数送入控制柜15中的单片微型计算机。对于已经成功处理过的钢件，单片微型计算机自动记录下时间和运动方式等参数，以备下次调用。

本发明工作过程为：

在由支腿1、滑板2、隔离板3、箱板4、角钢架5焊接而成且下部连通的水槽和油槽中，分别注入水11和油10；

接通设备电源，控制柜15和步进电机14处于工作状态，并使网篮12处于底部位置；在控制柜15的单片微型计算机中，输入钢件的材质（碳钢或合金钢）、最大尺寸、最大厚度等参数并设定运动方式；或调出存储的数据，核对单片微型计算机给出的钢件在水中和油中的时间、以及运动方式，信息无误后，按启动按钮，使整个升降系统处于等待状态；

欲淬火的钢件经加热保温形成奥氏体后，投入水槽中，同时按下控制柜15上的开始按钮，单片微型计算机自动延时2秒钟，确保钢件在重力作用下因滑板2而自动进入网篮12；随后，升降系统按照程序运行，由水中进入油中，实现双介质淬火工艺。

图4、图5表示了双介质淬火热处理冷却专用设备中的升降机构，控制柜15中的单片微型计算机发出脉冲指令，经功率放大，驱动步进电机14转动。当步进电机14逆时针转动时，与其相连的卷绳辊13同步转动，拉绳7经导辊9拉升网篮12，实现钢件向上移动；当步进电机14顺时针转动时，与其相连的卷绳辊13同步转动，拉绳7经导辊9放松网篮12，在重力作用下实现钢件向下移动。

实施例1

球磨机是火电厂以及水泥、矿山、化工、冶金等企业生产中使用的粉碎研磨设备，衬板是用来保护筒体，使筒体免受研磨体和物料直接冲击和磨擦，同时也可利用不同形式的衬板来调整研磨体的运动状态，以增强研磨体对物料的粉碎作用，有助于提高球磨机的粉磨效率，增加产量，降低金属消耗。

衬板是球磨机正常运转中的最主要工作部件之一，也是易损件。

一种用ZG40Cr5MoRE制成的中合金钢衬板，厚度20mm，加热保温形成奥氏体后，投入本发明提供的双介质淬火热处理冷却专用设备的水槽中，同时按下控制柜15上的开始按钮，单片微型计算机自动延时2秒钟，确保衬板在重力作用下因滑板2而自动进入网篮12；随后，升降系统按照程序运行：衬板进网篮12后在水中的时间设定为5秒钟，采用上、下、上运动方式；在油中停留时间设定为120秒钟，采用上、下反复运动方式；随后上移出油，在空气中停留，等待取走。在冷却过程中，过冷奥氏体状态的衬板在Ms稍高的温度由水中自动进入油中，实现了水淬油冷双介质淬火工艺。

经过这种双介质淬火处理的中合金钢球磨机衬板，硬度在45HRC～55HRC，冲击韧性值在25J以上，没有变形和开裂，具有高强度、高硬度、高耐磨性和高韧性的配合，能够承受巨大的冲击力作用，能适应湿磨、干磨、混合磨等工作条件，在工作中能长期保持衬板的表面形状，球磨机的粉磨生产效率提高5%以上，使用寿命是高锰钢衬板的2倍以上。

实施例2

一种用T8钢制成的冲压模具，最厚处的厚度尺寸为30mm，加热保温形成奥氏体后，投入本发明提供的双介质淬火热处理冷却专用设备的水槽中，同时按下控制柜15上的开始按钮，单片微型计算机自动延时2秒钟，确保冲压模具在重力作用下因滑板2而自动进入网篮12；随后，升降系统按照程序运行：冲压模具进入网篮12后在水中的时间为6秒钟，采用上、下、上、下、上运动方式；在油中停留时间为100秒钟，采用上、下反复运动方式；随后上移出油，在空气中停留，等待取走。在冷却过程中，过冷奥氏体状态的冲压模具在Ms稍高的温度由水中自动进入油中，实现了水淬油冷双介质淬火工艺。

经过这种双介质淬火处理的冲压模具，硬度在48HRC～52HRC，具有高硬度、高耐磨性和一定弹性及一定韧性的配合。冲压模具在冷却过程中，无裂纹、无明显变形，满足了使用性能要求，得到了合格产品。

Claims (5)

1.一种双介质淬火热处理冷却专用设备，其特征是，该设备包括支腿(1)、滑板(2)、隔离板(3)、箱板(4)、角钢架(5)、辊座(6)、拉绳(7)、导轨(8)、导辊(9)、油(10)、水(11)、网篮(12)、卷绳辊(13)、步进电机(14)、控制柜(15)；

所述箱板(4)、角钢架(5)焊接而成淬火冷却槽，并由支腿(1)支撑，所述淬火冷却槽内焊接有隔离板(3)，所述隔离板(3)将淬火冷却槽隔成左侧为水槽、右侧为油槽，所述水槽和油槽两者下部相通，且分别加有水(11)和油(10)；

所述水槽的下部焊接有滑板(2)，所述滑板(2)倾斜放置，滑板(2)的下端位于隔离板(3)的下方且竖直部分下端焊在淬火冷却槽底板上，滑板(2)的上端焊接在左侧的淬火冷却槽槽壁上；

所述油槽的前后侧的上下边沿都安装有辊座(6)和导辊(9)；所述油槽前后内壁上还设有导轨(8)，所述油槽底板的下方设有卷绳辊(13)，卷绳辊(13)与拉绳(7)连接，拉绳(7)经导辊(9)换向后与网篮(12)连接，网篮(12)在油槽内；所述控制柜(15)与步进电机(14)相连，步进电机(14)与卷绳辊(13)相连；

所述油(10)的加入量以油层高度超过网篮中钢件高度3倍以上；水(11)的加入量，应使油槽下部的水面高过隔离板(3)的底边，并且淬火冷却过程中，钢件的运动，不会使油进入水槽一侧为宜。

2.如权利要求1所述的一种双介质淬火热处理冷却专用设备，其特征是，所述控制柜(15)的主控装置是单片微型计算机，所述控制柜(15)、步进电机(14)、卷绳辊(13)、网篮(12)、导辊(9)、拉绳(7)组成自动升降系统。

3.如权利要求1所述的一种双介质淬火热处理冷却专用设备，其特征是，所述滑板(2)的倾斜部分与淬火冷却槽底板之间的倾斜角为30o～60o。

4.一种使用权利要求1所述双介质淬火热处理冷却专用设备的淬火冷却工艺，其特征是，它包括以下步骤：

a、将欲淬火的钢件，经加热保温形成奥氏体后，投入水槽中，在重力作用下，经滑板(2)自动进入网篮(12)；

b、在控制柜(15)所设定的程序控制下，网篮(12)及里面的钢件，从水(11)中移到油(10)中，实现水淬油冷双介质淬火过程。

5.如权利要求4所述的淬火冷却工艺，其特征是，所述控制柜(15)中的单片微型计算机可以设定不同阶段的停留时间和运动方式，实现钢件在水(11)中和油(10)中的不同移动速度、运动方式以及过渡过程，以适应不同材质、不同厚度、不同形状和不同规格钢件的淬火冷却。