CN108866293A - 淬火热处理装置及在线智能调控淬火液冷却特性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热处理生产中在线智能调控淬火液冷却特性的方法和实现该方法所采用的淬火热处理装置；步骤一、对工件进行预热保温后进行保温处理。步骤二、添加淬火液，测量所使用的淬火液冷却特性和换热系数，对淬火液的成分与温度做出适当的修正；步骤三、将工件浸入到淬火槽中，冷却开始；继续补充淬火液；开启淬火槽内的内循环均温装置进行均温，使淬火液温度保持在1～5度的温升范围；步骤四、然后改变内循环速率，促使淬火液中的聚合物快速从溶液中脱溶出来，在工件表面形成聚合物薄膜；步骤五、从淬火槽中取出工件。采用本技术方案后，可有效避免工业生产上工件的冷却偏离实验室所获得的淬火液理想的冷却特性的问题。

Description

淬火热处理装置及在线智能调控淬火液冷却特性的方法
技术领域
本发明涉及金属热处理生产中的浸液淬火冷却领域，尤其涉及淬火热处理装置及在线智能调控淬火液冷却特性的方法。
背景技术
淬火介质和冷却方法对工件淬火冷却时的淬火应力分布有明显影响。一般在使用水溶性聚合物淬火剂的稀释溶液进行淬火时，液态的有机聚合物会在金属表面沉积，形成一层膜，因此可以通过调节聚合物薄膜的厚度来调节金属的冷却程度。
聚合物薄膜的厚度则是通过调节淬火冷却槽中聚合物淬火剂的浓度来完成。当溶液中聚合物淬火剂浓度小于一定浓度时，淬火时在高温区析出，能在工件表面起浸润作用，促使水蒸汽膜较快破坏，因此浓度低时聚合物的冷却能力接近于NaCl的水溶液。当聚合物浓度增大时，在淬火过程中能在工件表面形成沉积膜，起着隔热层的作用，使冷却速度下降。沉积膜的存在使散热比较均匀，从而可消除软点，并减小工件的内应力，防止工件变形。聚合物淬火液的温度与冷速成反比，相对流速与冷速成正比。因此，可以通过调节淬火液的浓度、温度或搅拌程度来控制冷却。
水溶性淬火介质的第一指标，就是在保持或基本保持高温阶段冷却速度快的同时，降低在低温阶段的冷却速度。低温阶段最有代表性的温度在300℃附近。把钢件冷却到300℃附近时获得的冷却速度成为淬火介质的“300℃冷却速度”，理论上和实验证明，淬火介质在300℃附近的冷却速度对多数钢种工件淬裂与否起着决定性作用。但实际生产中聚合物快速从溶液中脱溶出来，在工件表面形成聚合物薄膜的时间受工件数量、形状、表面积、换热效率和搅拌速率的影响，如果不实时监控，很难保证恰好在钢件冷却到300℃附近时能够有效降低冷速。
不同钢种具有不同的临界冷却速度，有的甚至相去甚远，所以，任何一种淬火剂都不可能同时满足所有钢材的淬火。由于受到材料本身和诸多热处理工艺多样性的限制，许多在实验室冷却曲线上能够达到的冷却速度，在工业生产规模上根本无法实现，如工件数量和表面积的变化将改变淬火介质的升温速度，从而影响改变实际生产中的工件的冷却曲线。在淬火槽中通过加热与冷却装置调节温度的效率很低，并不能灵活控制温度，不能使工件获得淬火介质实验室中测得的冷却曲线。生产中，工件带出与受高温氧化分解都会使聚合物水溶液淬火介质中的聚合物的量减少，自来水的挥发、外来污染物的积累，淬火剂的老化等都会对淬火液的冷却特性造成影响，使之偏离实验室所获得的冷却特性。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，本发明提供一种热处理生产中在线智能调控淬火液冷却特性的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种淬火热处理装置，包括淬火槽、副槽和控制柜。
淬火槽的底部设有用于加热淬火剂的加热板一；淬火槽内设有内循环均温装置；淬火槽顶部设有测量淬火剂温度的温度传感器一及测量淬火剂换热系数的换热系数传感器；淬火槽顶部设有工件入口。
副槽的底部设有用于加热淬火剂的加热板二；副槽与淬火槽之间设有均衡淬火槽和副槽温度的外循环均温装置；副槽顶部设有测量淬火剂温度的温度传感器二；副槽的侧壁上设有对淬火剂进行冷却的冷却模块。
控制柜内设有触摸屏、工控机、PLC控制器、温控模块、数据采集板；工控机通过USB数据线分别与触摸屏及PLC控制器电连接；PLC控制器分别与温控模块、数据采集板、内循环均温装置、外循环均温装置和冷却模块电连接；温控模块分别与温度传感器一和温度传感器二电连接；数据采集板与换热系数传感器电连接。
一种热处理生产中在线智能调控淬火液冷却特性的方法，采用上述的淬火热处理装置。
步骤一、首先将工件在设定的温度下进行预热保温处理，时间由工件特征决定；然后再对工件进行加热升温，达到设定温度后进行保温处理，时间由工件特性决定；
步骤二、选用水溶液淬火介质，在淬火槽和副槽中加注一定浓度的淬火液，调节到适当的温度；用冷却特性检测仪和换热系数探测器测量所使用的淬火液冷却特性和换热系数，并和工控机中历史数据对比，对淬火液的成分与温度做出适当的修正；
步骤三、将工件由工件放置口浸入到淬火槽中，冷却开始；同时通过淬火槽与副槽之间的外循环均温装置继续补充淬火液；开启淬火槽内的内循环均温装置进行均温，使淬火液温度保持在1～5度的温升范围；从而在工件冷却过程的高温区抑制非马氏体转变
步骤四、开启一段时间之后，关闭设置在导流通道上的循环搅拌器二；切断淬火槽与副槽之间的外循环；然后改变内循环速率，促使淬火液中的聚合物快速从溶液中脱溶出来，在工件表面形成聚合物薄膜；从而在低温区获得尽可能低的冷却速度。
步骤五、淬火结束后，从淬火槽中取出工件。
采用本发明的技术方案后，可有效避免工件数量和表面积的变化以及淬火液在使用过程中成分与性质的变化所导致工业生产上工件的冷却偏离实验室所获得的淬火液理想的冷却特性的问题，使工件特别是形状复杂件或中高碳钢、合金钢或有色金属材料制作的大型工件的畸变与开裂，获得更加理想的组织、性能和使用寿命。
附图说明
图1是淬火热处理装置的循环结构示意图。
图2是淬火热处理装置的监测和调温系统的结构示意图。
图3是淬火热处理装置的控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明优选的方案做进一步的阐述。
如图1-3所示，一种淬火热处理装置，包括淬火槽1、副槽2和控制柜。
淬火槽的底部设有用于加热淬火剂的加热板一3；淬火槽内设有内循环均温装置；淬火槽顶部设有测量淬火剂温度的温度传感器一4及测量淬火剂换热系数的换热系数传感器5；淬火槽顶部设有工件入口6。
副槽的底部设有用于加热淬火剂的加热板二7；副槽与淬火槽之间设有均衡淬火槽和副槽温度的外循环均温装置；副槽顶部设有测量淬火剂温度的温度传感器二8；副槽的侧壁上设有对淬火剂进行冷却的冷却模块9，冷却模块9为风冷蒸发器或水冷蒸发器。冷却模块9能够将淬火剂的温度快速调到到设定温度，实现淬火剂的快速冷却。
控制柜内设有触摸屏10、工控机11、PLC控制器12、温控模块13、数据采集板14；工控机通过USB数据线分别与触摸屏及PLC控制器电连接；PLC控制器分别与温控模块、数据采集板、内循环均温装置和外循环均温装置电连接；温控模块分别与温度传感器一和温度传感器二电连接；数据采集板与换热系数传感器电连接。
所述内循环均温装置为若干个循环搅拌器一15；各循环搅拌器一分别与PLC控制器电连接；各循环搅拌器一均匀设置在工件放置口的四周；在本技术方案，优选的方式为两个循环搅拌器一对称设置在工件放置口的两侧；循环搅拌器一的底部设有螺旋桨一16。
外循环均温装置包括两个循环搅拌器二17、两条导流通道18和两个电磁阀；导流通道设置在淬火槽和副槽之间；两个电磁阀分别设置在导流通道上实现导流通道的导通或关闭；一条导流通道设置在靠近淬火槽与副槽的顶部位置，另一条导流通道设置在靠近淬火槽与副槽的底部位置；两个循环搅拌器二分别与两条导流通道相互对应；循环搅拌器二的底部设有螺旋桨二19；靠近副槽底部的循环搅拌器二的螺旋桨二能够将淬火剂由副槽向淬火槽内推送，靠近副槽顶部的循环搅拌器二的螺旋桨二能够将淬火剂由淬火槽向副槽内抽入；两个循环搅拌器二、两个电磁阀21分别与PLC控制器电连接。
进一步的改进，工控机内配置有线网卡和/或无线网卡。通过有线或网线网卡，可以实现工控机与移动终端设备进行数据交互，也可以实现工控机与远程控制中线相连，实现管理人员或维护人员对淬火热处理装置的远端控制和监控。
一种热处理生产中在线智能调控淬火液冷却特性的方法，采用上述的淬火热处理装置；
步骤一、首先将工件20在设定的温度下进行预热保温处理，时间由工件特征决定；然后再对工件进行加热升温，达到设定温度后进行保温处理，时间由工件特性决定；
步骤二、选用水溶液淬火介质，在淬火槽和副槽中加注13％浓度的淬火液，调节到适当的温度；用冷却特性检测仪和换热系数探测器测量所使用的淬火液冷却特性和换热系数，并和工控机中历史数据对比，对淬火液的成分与温度做出适当的修正；
步骤三、将工件由工件放置口浸入到淬火槽中，冷却开始；同时通过淬火槽与副槽之间的外循环均温装置继续补充淬火液；开启淬火槽内的内循环均温装置进行均温，使淬火液温度保持在1～5度的温升范围；在工件冷却过程的高温区抑制非马氏体转变。
步骤四、开启10秒之后，关闭设置在导流通道上的电磁阀21；切断淬火槽与副槽之间的外循环；然后改变内循环速率，促使淬火液中的聚合物快速从溶液中脱溶出来，在工件表面形成聚合物薄膜；在低温区获得尽可能低的冷却速度。
步骤五、淬火结束后，从淬火槽中取出工件。
为了更好地说明本申请的技术方案，现对中碳合金钢工件，当有效厚度大于100mm时容易出现油淬硬度不足，水淬易变形开裂的问题，应用本专利的方法进行解决，具体步骤如下：
1、将工件在600℃预热保温1h，然后升温至845℃，保温4h；
2、选用好富顿系列PAG水溶液淬火介质，在淬火槽和副槽中加注13％浓度的淬火液，温度调节为30℃，利用冷却特性检测仪和换热系数传感器检测所调配的淬火介质的冷却特性和换热系数，通过工控机对浓度与温度进行适当修正；
3、将工件浸入淬火槽中，冷却开始，并开启淬火槽与副槽之间的外循环进行控温，开启淬火槽内循环进行均温，使淬火液温度保持在2～3度的温升范围；
4、约10s后关闭调淬火槽与副槽之间的外循环，改变内循环速率，促使淬火液中的PAG聚合物快速从溶液中脱溶出来，在工件表面形成聚合物薄膜，调整工件的冷却速度。
5、淬火结束后，从淬火槽中取出工件。
上述对本专利的一种采用PAG水基淬火液和中碳合金钢工件的较佳的实施方式作了详细说明。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种淬火热处理装置，其特征在于：包括淬火槽、副槽和控制柜；
淬火槽的底部设有用于加热淬火剂的加热板一；淬火槽内设有内循环均温装置；淬火槽顶部设有测量淬火剂温度的温度传感器一及测量淬火剂换热系数的换热系数传感器；淬火槽顶部设有工件入口；
副槽的底部设有用于加热淬火剂的加热板二；副槽与淬火槽之间设有均衡淬火槽和副槽温度的外循环均温装置；副槽顶部设有测量淬火剂温度的温度传感器二；副槽的侧壁上设有对淬火剂进行冷却的冷却模块；
控制柜内设有触摸屏、工控机、PLC控制器、温控模块、数据采集板；工控机通过USB数据线分别与触摸屏及PLC控制器电连接；PLC控制器分别与温控模块、数据采集板、内循环均温装置、外循环均温装置和冷却模块电连接；温控模块分别与温度传感器一和温度传感器二电连接；数据采集板与换热系数传感器电连接。
2.根据权利要求1所述的淬火热处理装置，其特征在于，所述内循环均温装置为若干个循环搅拌器一；各循环搅拌器一分别与PLC控制器电连接；循环搅拌器一均匀设置在工件放置口的四周；循环搅拌器一的底部设有螺旋桨一。
3.根据权利要求1所述的淬火热处理装置，其特征在于，外循环均温装置包括两个循环搅拌器二、两条导流通道和两个电磁阀；导流通道设置在淬火槽和副槽之间；两个电磁阀分别设置在导流通道上实现导流通道的导通或关闭；一条导流通道设置在靠近淬火槽与副槽的顶部位置，另一条导流通道设置在靠近淬火槽与副槽的底部位置；两个循环搅拌器二分别与两条导流通道相互对应；循环搅拌器二的底部设有螺旋桨二；靠近副槽底部的循环搅拌器二的螺旋桨二能够将淬火剂由副槽向淬火槽内推送，靠近副槽顶部的循环搅拌器二的螺旋桨二能够将淬火剂由淬火槽向副槽内抽入；两个循环搅拌器二、两个电磁阀分别与PLC控制器电连接。
4.根据权利要求1所述的淬火热处理装置，其特征在于，工控机内配置有线网卡和/或无线网卡。
5.一种热处理生产中在线智能调控淬火液冷却特性的方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的淬火热处理装置；
步骤一、首先将工件在设定的温度下进行预热保温处理，时间由工件特征决定；然后再对工件进行加热升温，达到设定温度后进行保温处理，时间由工件特性决定；
步骤二、选用水溶性聚合物淬火介质，在淬火槽和副槽中加注一定浓度的淬火液，调节到适当的温度；用冷却特性检测仪和换热系数探测器测量所使用的淬火液冷却特性和换热系数，并和工控机中历史数据对比，对淬火液的成分与温度做出适当的修正；
步骤三、将工件由工件放置口浸入到淬火槽中，冷却开始；同时通过淬火槽与副槽之间的外循环均温装置继续补充淬火液；开启淬火槽内的内循环均温装置进行均温，使淬火液温度保持在1～5度的温升范围；从而在工件冷却过程的高温区抑制非马氏体转变。
步骤四、开启一段时间之后，关闭设置在导流通道上的循环搅拌器二；切断淬火槽与副槽之间的外循环；然后改变内循环速率，促使淬火液中的聚合物快速从溶液中脱溶出来，在工件表面形成聚合物薄膜；从而在低温区获得尽可能低的冷却速度。
步骤五、淬火结束后，从淬火槽中取出工件。
6.如权利要求5所述的热处理生产中在线智能调控淬火液冷却特性的方法，其特征在于，步骤四中的开启时间为8至15秒，之后关闭循环搅拌器二。
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