CN105154632A - 一种针对变截面长杆类零件的分层淬火工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对变截面长杆类零件的分层淬火工艺方法，将变截面长杆类零件竖直悬挂在淬火池中，根据变截面长杆类零件沿长度方向壁厚尺寸差异较大的特殊结构将淬火池划分冷却液供液层，给每一供液层设计相应的供液管道系统，通过控制各个供液层管道系统提供的冷却液喷液量，使得各个供液层能够获得不同的对流换热速度，实现对不同截面形状和大小的长杆类零件部分进行分层淬火，保证各个供液层内的零件部分在淬火冷却后有着尽可能一致的心部微观组织结构。本发明有效解决了变截面长杆类零件因为各部位尺寸、结构差异较大而导致的微观组织结构不均匀问题，提高了变截面长杆类零件在淬火强化后的机械性能。

Description

一种针对变截面长杆类零件的分层淬火工艺方法

技术领域

本发明属于金属零件热处理技术领域，尤其涉及到一种针对变截面长杆类零件淬火强化的工艺方法。

背景技术

在机械装备中，存在着许多横截面尺寸及结构形式差异较大的长杆类零件，比如：内燃机曲轴、传动轴、汽车前轴等。这些零件在机器的运行过程中经受着剧烈的扭转、弯曲等复合载荷的作用，易产生变形和断裂，从而直接影响安全服役性能和使用寿命。为了提高该类零件的综合机械性能，一般通过热处理工艺来改变和优化零件的微观组织，以获得良好的强度、刚度和抗疲劳失效能力。

现阶段内燃机曲轴、传动轴、汽车前轴等变截面长杆类零件普遍采用的热处理工艺为整体式调质处理，即淬火加高温回火。但由于变截面长杆类零件几何结构复杂，沿长度方向壁厚尺寸差异较大，使得零件在传统的整体式淬火工艺过程中，各部位因散热条件不一致，内部(特别是心部)存在较大的冷却速度差异，而导致马氏体含量出现较大的波动，甚至产生部分区域淬不透或者马氏体含量超高的现象，而无法通过后续的高温回火获得均匀一致的机械性能。

因此，为了提高变截面长杆类零件的综合机械性能，在满足生产效率的前提下，必须寻找适合于长杆、变截面类零件的新型热处理工艺方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现阶段变截面长杆类零件在整体式淬火强化工艺后力学性能不均匀的问题，提供一种分层淬火工艺方法，使该类零件各个部位内部(特别是心部)在淬火冷却过程中获得尽可能一致的冷却速度，有效解决因为各部位尺寸、结构差异较大而导致的微观组织结构不均匀问题，提高变截面长杆类零件在淬火强化后的机械性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种针对变截面长杆类零件的分层淬火工艺方法，其特征在于，变截面长杆类零件竖直悬挂在淬火池中，根据变截面长杆类零件沿长度方向壁厚尺寸差异较大的特殊结构将淬火池划分冷却液供液层，在同一供液层内的零件部分有着相对一致的截面形状和大小，并给每一供液层设计相应的供液管道系统，通过控制各个供液层管道系统提供的冷却液喷液量，使得各个供液层能够获得不同的对流换热速度，实现对不同截面形状和大小的长杆类零件部分进行分层淬火，保证各个供液层内的零件部分在淬火冷却后有着尽可能一致的心部微观组织结构。

在上述方案中，变截面长杆类零件在淬火池中冷却液供液层的划分应该满足：根据该类零件沿长度方向的截面形状和大小，将该类零件分成一定的层数对其进行淬火，使得同一供液层内的零件部分有着相对一致的截面形状和大小，在淬火冷却过程中心部易于获得较为一致的冷却速度，从而易于获得较为一致的心部微观组织结构。

在上述方案中，每一供液层都设计有相应的供液管道系统，管道系统由进液管、环形水管、输水管和喷液管组成。淬火液在输水泵的作用下从进液管流入，依次经过环形水管和输水管，由喷液管喷向待处理的长杆类零件。每一供液层的管道系统有1根环形水管，环形水管环绕待处理零件，每一环形水管与2根进液管相通，其连接接口相对环形水管呈中心对称关系；环形水管与16根输水管相通，16根输水管平均分配在环形水管的每一边上，输水管的长度略小于每一供液层的高度；环形水管和输水管上布置有喷液管，每一供液层根据其厚度布置数层喷液管，喷液管在平面上与所在环形水管的边呈75°；每一供液层的管道系统叠在一起，之间通过钢板相隔，互不相通，相互独立；淬火池中设有2根回流管，回流管伸入淬火池中，其管口处于淬火池内的中间高度上，2根回流管各布置在淬火池的两个相间角落里。

在上述方案中，每一供液层的管道系统对相应供液层内的零件部分进行淬火液的喷射。截面积较小的零件部分，在淬火冷却过程中冷却较快，可以少喷淬火液；截面积较大的零件部分，在淬火冷却过程中冷却较慢，可以多喷淬火液。每一供液层的喷液量可根据需要通过分别独立的输水泵来调控，计算各个供液层淬火液的对流速度并不断调试各个供液层淬火液的喷液量，直到各个供液层的零件部分在淬火冷却过程中有着尽可能一致的冷却速度。各个供液层淬火液对流速度的计算公式为：

假设各个供液层零件的截面积分别为S₁、S₂、S₃、S₄、…、S_k，各个横截面的周长分别为L₁、L₂、L₃、L₄、…、L_k，各个供液层的高度分别为H₁、H₂、H₃、H₄、…、H_k；经过计算，得出各个供液层淬火液的对流速度之比为：

$\begin{array}{c}{u}_1:u_2:u_3:u_4:\mathrm{...}:u_k=\sqrt[n]{\frac{S_1}{{\mathrm{\λcPr}}^{1/3}{L}_1{d}_1^{n-1}}}:\sqrt[n]{\frac{S_2}{{\mathrm{\λcPr}}^{1/3}{L}_2{d}_2^{n-1}}}:\sqrt[n]{\frac{S_3}{{\mathrm{\λcPr}}^{1/3}{L}_3{d}_3^{n-1}}}:\\ \sqrt[n]{\frac{S_4}{{\mathrm{\λcPr}}^{1/3}{L}_4{d}_4^{n-1}}}:\mathrm{...}:\sqrt[n]{\frac{S_k}{{\mathrm{\λcPr}}^{1/3}{L}_k{d}_k^{n-1}}}\end{array}$

其中：k为供液层的层数；λ为水的热导率,单位为W/(m·K)；Pr为水的普朗特数；c为修正系数，n为指数，可通过雷诺数Re查得；u为淬火液的对流速度，单位为m/s；d为将相应供液层内零件部分的直径(将零件视作为圆柱状)，单位为m；

本发明提供的方法包括以下几个基本步骤：

首先，准备好淬火池和冷却塔，并将管道系统安置在淬火池中。淬火池和冷却塔之间通过管道系统的进液管和回流管构成一个淬火液的循环回路；输水泵与进液管相连，为冷却塔中的淬火液通过管道系统喷向高温零件提供动力；抽水泵与回流管相连，为淬火池中与高温零件进行过热交换的淬火液通过回流管回流至冷却塔提供动力。

其次，接通输水泵的电源，将淬火池处于充满状态，使管道系统浸泡其中，然后接通抽水泵的电源，使淬火池中的淬火液处于动态平衡状态。

最后，一挂高温零件在升降机的作用下吊入淬火池管道系统内侧设计好的位置中，进行淬火冷却。一定时间后，该挂零件在升降机的作用下离开淬火池，该挂零件的淬火冷却过程结束。

重复以上操作，直到待淬火强化的零件全部强化完毕。

在上述步骤中，可根据各个供液层零件淬火冷却所需喷液量的多少，为各个供液层的管道系统选择合适的输水泵；为保证淬火池中的淬火液处在一个动态平衡中，也需为回流管选择两个合适的抽水泵。

在上述步骤中，变截面长杆类零件在升降机的作用下吊至环形水管内侧设计好的位置，6个变截面长杆类零件之间两两呈对称关系。

在上述步骤中，淬火液在喷液管的作用下，与所在环形管道的边呈75°喷出，促使淬火池中的淬火液形成环形流动，利于淬火池中不同区域的淬火液与高温零件的热交换。

在上述步骤中，来自冷却塔的低温淬火液在输水泵的作用下，经过管道系统，最后由喷液管喷出和高温零件进行热交换，和高温零件进行热交换后的淬火液在抽水泵的作用下经过回流管回流至冷却塔，冷却完毕后继续参与循环。

本发明有效解决了变截面长杆类零件因为各部位尺寸、结构差异较大而导致的微观组织结构不均匀问题，提高了变截面长杆类零件在淬火强化后的机械性能。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的结构示意图；

图2为分层淬火管道系统结构三视图；

图3为某型号前轴结构示意图；

图4为某型号前轴供液层的划分示意图；

图5为淬火池的示意图；

图6为某型号前轴在吊具位置的示意图；

图中：1、输水泵，2、进液管，3、蝶阀，4、回流管，5、环形水管，6、汽车前轴，7、喷液管，8、淬火池，9、冷却塔，10、抽水泵，11、输水管，12、钢板。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面选择汽车前轴，结合具体实施例和附图进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

如图1至图6所示的一种针对变截面长杆类零件的分层淬火工艺方法，其特征在于，汽车前轴6竖直悬挂在淬火池8中，根据汽车前轴6沿长度方向壁厚尺寸差异较大的特殊结构给淬火池8划分冷却液供液层，在同一供液层内的汽车前轴6部分有着相对一致的截面形状和大小，并给每一供液层设计相应的供液管道系统，通过控制各个供液层管道系统提供的冷却液喷液量，使得各个供液层能够获得不同的对流换热速度，实现对不同截面形状和大小的汽车前轴6部分进行分层淬火，保证各个供液层内的高温汽车前轴6部分在淬火冷却过程中有着尽可能一致的心部微观组织结构。

在本实施例中，所选汽车前轴6属于变截面长杆类零件，其中间部分为工字型截面，截面积较小；两端为方形截面，截面积较大；前轴工字型截面到两端方形截面之间有一段过渡截面，其截面积大小介于两者之间。根据汽车前轴6的截面形状和大小，将汽车前轴6分五层进行淬火强化处理，第一和第五供液层对汽车前轴6两端的方形截面部分进行淬火，第二和第四供液层对汽车前轴6的过度截面部分进行淬火，第三供液层对汽车前轴6中间的工字型截面部分进行淬火。

在本实施例中，供液层划分好之后，开始各个供液层管道系统的设计及制造。汽车前轴6两端相互对称，因此第一和第五供液层、第二和第四供液层的管道系统相互对称，第三供液层的管道系统为轴对称结构。每一供液层的管道系统相互独立，都由进液管2、环形水管5、输水管11和喷液管7组成。淬火液在输水泵11的作用下从进液管2流入，依次经过环形水管5和输水管11，由喷液管7喷出喷向待处理的汽车前轴6。每一供液层的管道系统有1根环形水管5，环形水管5环绕待处理汽车前轴6，每一环形水管5与2根进液管2相通，其连接接口相对环形水管5呈中心对称关系；环形水管5与16根输水管11相通，16根输水管11平均分配在环形水管5的每一边上，输水管11的长度略小于每一供液层的厚度；环形水管5和输水管11上布置有喷液管7，每一供液层可根据其厚度布置3或4层共48或64根喷液管7，喷液管7在平面上与所在环形水管5的边呈75°；每一供液层的管道系统叠在一起，之间通过钢板12相隔，互不相通，相互独立；淬火池8中设有2根回流管4，回流管4伸入淬火池8中，其管口处于淬火池8内的中间高度上，2根回流管4各布置在淬火池8的两个相间角落里。

在本实施例中，每一供液层的管道系统，对相应供液层内的汽车前轴6部分进行淬火液的喷射。第三供液层的汽车前轴6部分截面积较小，在淬火冷却过程中冷却较快，可以少喷淬火液；第一和第五供液层的汽车前轴6部分截面积较大，在淬火冷却过程中冷却较慢，可以多喷淬火液。每一供液层的喷液量可根据需要通过分别独立的输水泵11来调控，计算各个供液层淬火液的对流速度并不断调试各个供液层淬火液的喷液量，直到各个供液层的汽车前轴6部分在淬火冷却过程中有着尽可能一致的冷却速度。各个供液层淬火液对流速度的计算公式为：

假设第一至第五供液层的汽车前轴6部分其截面积分别为S1、S2、S3、S4、S5，每个横截面的周长分别为L1、L2、L3、L4、L5，各个供液层的高度分别为H1、H2、H3、H4、H5。经过计算，得出各个供液层淬火液的对流速度之比为：

$\begin{array}{c}{u}_1:u_2:u_3:u_4:u_5=\sqrt[n]{\frac{S_1}{{\mathrm{\λcPr}}^{1/3}{L}_1{d}_1^{n-1}}}:\sqrt[n]{\frac{S_2}{{\mathrm{\λcPr}}^{1/3}{L}_2{d}_2^{n-1}}}:\sqrt[n]{\frac{S_3}{{\mathrm{\λcPr}}^{1/3}{L}_3{d}_3^{n-1}}}:\\ \sqrt[n]{\frac{S_4}{{\mathrm{\λcPr}}^{1/3}{L}_4{d}_4^{n-1}}}:\sqrt[n]{\frac{S_5}{{\mathrm{\λcPr}}^{1/3}{L}_5{d}_5^{n-1}}}\end{array}$

其中：λ为水的热导率,单位为W/(m·K)；Pr为水的普朗特数；c和n为常数，可通过雷诺数Re查得；u为淬火液的对流速度，单位为m/s；d为将相应供液层汽车前轴6部分的直径(将前轴视作为圆柱状)，单位为m。

本发明提供的方法包括以下几个基本步骤：

首先，准备好淬火池8和冷却塔9，并将管道系统安置在淬火池8中。淬火池8和冷却塔9之间通过管道系统的进液管2和回流管4构成一个淬火液的循环回路；输水泵1与进液管2相连，为冷却塔9中20℃的PAG淬火液通过管道系统喷向860℃的高温汽车前轴6提供动力；抽水泵10与回流管4相连，为淬火池8中与高温汽车前轴6进行过热交换的PAG淬火液通过回流管4回流至冷却塔9提供动力。

其次，接通输水泵1的电源，将淬火池8充满淬火液，使管道系统浸泡其中，然后接通抽水泵10的电源，使淬火池8中的淬火液处于动态平衡状态。

最后，一挂按一定位置关系布置好的高温汽车前轴6在升降机的作用下吊入淬火池8管道系统内侧设计好的位置中，进行淬火冷却。2min后，该挂汽车前轴6在升降机的作用下离开淬火池8，该挂汽车前轴6的淬火冷却过程结束。

重复以上操作，直到待淬火强化的汽车前轴6全部强化完毕。

在本实施例中，可根据各个供液层内汽车前轴6部分淬火冷却所需喷液量的多少，为各个供液层的管道系统选择合适的输水泵1；为保证淬火池8中的淬火液处在一个动态平衡中，也需为回流管4选择两个合适的抽水泵10。

在本实施例中，一挂汽车前轴6在升降机的作用下吊至环形水管内侧设计好的位置，六根汽车前轴6之间两两呈对称关系。

在本实施例中，淬火液在喷液管的作用下，与所在环形管道的边呈75°喷出，促使淬火池中的淬火液形成环形流动，利于淬火池中不同区域淬火液与高温零件的热交换。

在本实施例中，来自冷却塔的低温淬火液在输水泵的作用下，经过管道系统，最后由喷液管喷出和高温零件进行热交换，和高温零件进行热交换后的淬火液在抽水泵的作用下经过回流管回流至冷却塔，冷却完毕后继续参与循环。

以上说明仅为本发明的应用实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种针对变截面长杆类零件的分层淬火工艺方法，其特征在于：将变截面长杆类零件竖直悬挂在淬火池中，根据变截面长杆类零件沿长度方向壁厚尺寸差异较大的特殊结构将淬火池划分冷却液供液层，在同一供液层内的零件部分有着相对一致的截面形状和大小，并给每一供液层设计相应的供液管道系统，通过控制各个供液层管道系统提供的冷却液喷液量，使得各个供液层能够获得不同的对流换热速度，实现对不同截面形状和大小的长杆类零件部分进行分层淬火，保证各个供液层内的零件部分在淬火冷却后有着尽可能一致的心部微观组织结构。

2.根据权利要求1所述的针对变截面长杆类零件的分层淬火工艺方法，其特征在于：所述的变截面长杆类零件在淬火池中冷却液供液层的划分应该满足：根据该变截面长杆类零件沿长度方向的截面形状和大小，将该变截面长杆类零件分成一定的层数对其进行淬火，使得同一供液层内的零件部分有着相对一致的截面形状和大小，在淬火冷却过程中心部易于获得较为一致的冷却速度，从而易于获得较为一致的心部微观组织结构。

3.根据权利要求1所述的针对变截面长杆类零件的分层淬火工艺方法，其特征在于：所述的供液层都设计有相应的供液管道系统，管道系统由进液管、环形水管、输水管和喷液管组成；淬火液在输水泵的作用下从进液管流入，依次经过环形水管和输水管，由喷液管喷向待处理的长杆类零件；每一供液层的管道系统有一根环形水管，环形水管环绕待处理零件，每一环形水管与两根进液管相通，进夜管与环形水管的连接接口相对环形水管呈中心对称关系；环形水管与十六根输水管相通，十六根输水管平均分配在环形水管的每一边上，输水管的长度略小于每一供液层的高度；环形水管和输水管上布置有喷液管，每一供液层根据其厚度布置数层喷液管，喷液管在平面上与所在环形水管的边呈75°；每一供液层的管道系统叠在一起，之间通过钢板相隔，互不相通，相互独立；淬火池中设有两根回流管，回流管伸入淬火池中，且管口处于淬火池内的中间高度上，两根回流管各布置在淬火池的两个相间角落里。

4.根据权利要求1所述的针对变截面长杆类零件的分层淬火工艺方法，其特征在于：所述供液层的管道系统对相应供液层内的零件部分进行淬火液的喷射；每一供液层的喷液量根据需要通过分别独立的输水泵来调控，计算各个供液层淬火液的对流速度并不断调试各个供液层淬火液的喷液量，直到各个供液层的零件部分在淬火冷却过程中有着尽可能一致的冷却速度；各个供液层淬火液对流速度的计算公式为：

假设各个供液层零件的截面积分别为S₁、S₂、S₃、S₄、…、S_k，各个横截面的周长分别为L₁、L₂、L₃、L₄、…、L_k，各个供液层的高度分别为H₁、H₂、H₃、H₄、…、H_k；经过计算，得出各个供液层淬火液的对流速度之比为：

$\begin{array}{c}{u}_1:u_2:u_3:u_4:...:u_k=\sqrt[n]{\frac{S_1}{\mathrm{\λ}c{\mathrm{Pr}}^{1/3}{L}_1{d}_1^{n-1}}}:\sqrt[n]{\frac{S_2}{\mathrm{\λ}c{\mathrm{Pr}}^{1/3}{L}_2{d}_2^{n-1}}}:\sqrt[n]{\frac{S_3}{\mathrm{\λ}c{\mathrm{Pr}}^{1/3}{L}_3{d}_3^{n-1}}}:\\ \sqrt[n]{\frac{S_4}{\mathrm{\λ}c{\mathrm{Pr}}^{1/3}{L}_4{d}_4^{n-1}}}:...:\sqrt[n]{\frac{S_k}{\mathrm{\λ}c{\mathrm{Pr}}^{1/3}{L}_k{d}_k^{n-1}}}\end{array}$

其中：k为供液层的层数；λ为水的热导率,单位为W/(m·K)；Pr为水的普朗特数；c和n为常数，可通过雷诺数Re查得；u为淬火液的对流速度，单位为m/s；d为将相应供液层内零件部分的直径，单位为m。

5.根据权利要求1所述的针对变截面长杆类零件的分层淬火工艺方法，其特征在于：具体的分层淬火步骤如下：

首先，准备好淬火池和冷却塔，并将管道系统安置在淬火池中；淬火池和冷却塔之间通过管道系统的进液管和回流管构成一个淬火液的循环回路；输水泵与进液管相连，为冷却塔中的淬火液通过管道系统喷向高温零件提供动力；抽水泵与回流管相连，为淬火池中与高温零件进行过热交换的淬火液通过回流管回流至冷却塔提供动力；

其次，接通输水泵的电源，将淬火池处于充满状态，使管道系统浸泡其中，然后接通抽水泵的电源，使淬火池中的淬火液处于动态平衡状态；

最后，一挂高温零件在升降机的作用下吊入淬火池管道系统内侧设计好的位置中，进行淬火冷却；一定时间后，该挂零件在升降机的作用下离开淬火池，该挂零件的淬火冷却过程结束；

重复以上操作，直到待淬火强化的零件全部强化完毕。

6.根据权利要求5所述的针对变截面长杆类零件的分层淬火工艺方法，其特征在于：根据各个供液层零件淬火冷却所需喷液量的多少，为各个供液层的管道系统选择合适的输水泵；为保证淬火池中的淬火液处在一个动态平衡中，也为回流管选择两个合适的抽水泵。

7.根据权利要求5所述的针对变截面长杆类零件的分层淬火工艺方法，其特征在于：所述变截面长杆类零件在升降机的作用下吊至环形水管内侧设计好的位置，变截面长杆类零件之间两两呈对称关系。

8.根据权利要求5所述的针对变截面长杆类零件的分层淬火工艺方法，其特征在于：淬火液在喷液管的作用下，与所在环形管道的边呈75°喷出，促使淬火池中的淬火液形成环形流动，利于淬火池中不同区域的淬火液与高温零件的热交换。

9.根据权利要求5所述的针对变截面长杆类零件的分层淬火工艺方法，其特征在于：来自冷却塔的低温淬火液在输水泵的作用下，经过管道系统，最后由喷液管喷出和高温零件进行热交换，和高温零件进行热交换后的淬火液在抽水泵的作用下经过回流管回流至冷却塔，冷却完毕后继续参与循环。