CN110438311B - 采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于弹簧钢丝制造技术领域，尤其涉及一种采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火装置及方法。本发明，包括淬火机构，淬火机构包括对弹簧钢丝进行加热的淬火炉和内部具有淬火剂的淬火池，淬火炉底部设有可打开或闭合的出料口，出料口位于淬火池的正上方，还包括内部具有普冷剂且可将弹簧钢丝冷却至0℃以下的普冷冷却罐和内部具有深冷剂且可将弹簧钢丝冷却至‑130℃以下的深冷冷却罐。本发明将弹簧钢丝置于淬火剂中完成淬火后，还设有后续的普冷和深冷工艺，在不降低弹簧钢丝强度与硬度的情况下，显著提高了弹簧钢丝的韧性，便于后续的绕制加工，并且，本发明采用竖直放置的淬火炉，相比于水平放置的淬火炉占地面积较小，可降低生产成本。

Description

采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火装置及方法

技术领域

本发明属于弹簧钢丝制造技术领域，尤其涉及一种采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火装置及方法。

背景技术

钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3或Ac1以上温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下进行马氏体转变的热处理工艺，现有技术中，钢丝淬火后，钢丝具有较大的硬度，具有较好的耐磨性，但同时脆性和内应力较大，在弹簧绕制过程中易发生裂纹、毛刺，甚至断裂的问题。

例如，中国发明专利申请公开了一种钢丝的淬火方法[申请号：201210435129.6]，该发明专利申请包括如下步骤：(1)将钢丝切成500-700mm的小段，并将其捆成小捆，捆成￠100以内小捆；(2)将已捆成小捆的钢丝用钢勾一捆捆勾到淬火池中放入淬火炉中，然后将淬火炉加热到830-870℃并保持1-3小时，将钢丝整炉烧熟，出炉时间为0.4-0.6小时；(3)然后浸入存有淬冷介质中快速冷却，冷却后即得淬火的钢丝。

该发明专利申请提供的方法使钢丝完全淬火，这样会使钢丝具有较高硬度的同时，具有较高的脆性和内应力，显然不能适用于弹簧的绕制。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火装置。

本发明的另一目的是针对上述问题，提供一种采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火方法。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火装置，包括淬火机构，所述淬火机构包括对弹簧钢丝进行加热的淬火炉和内部具有淬火剂的淬火池，所述淬火炉底部设有可打开或闭合的出料口，所述出料口位于淬火池的正上方，还包括内部具有普冷剂且可将弹簧钢丝冷却至0℃以下的普冷冷却罐和内部具有深冷剂且可将弹簧钢丝冷却至-130℃以下的深冷冷却罐。

在上述的采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火装置中，所述普冷剂为乙二醇，所述深冷剂为液氮。

在上述的采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火装置中，所述淬火炉包括内部具有淬火空腔的外壳体，打开或闭合的出料口可使淬火空腔与淬火池相连通或相隔离，所述外壳体内壁上固定连接有若干个发热元件，所述淬火空腔内设有与外壳体固定连接的升温空腔，连接有弹簧钢丝的钢丝固定盘位于升温空腔正上方，所述钢丝固定盘与固定连接在外壳体上的驱动器驱动连接，驱动器可驱动钢丝固定盘沿升温空腔轴心线方向移动。

在上述的采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火装置中，所述升温空腔侧壁具有至少三个通口，升温空腔两侧各设有一个鼓风机，至少一个通口位于鼓风机的出风口位置。

在上述的采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火装置中，所述钢丝固定盘为通过电线与外界电源电连接的电磁铁。

在上述的采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火装置中，所述钢丝固定盘包括盘主体，所述盘主体远离驱动器的一面固定连接有若干固定套，弹簧钢丝的一端插接在固定套内。

在上述的采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火装置中，所述固定套包括一体成型的插接套管和内径大于插接套管内径的导向套管，所述插接套管与盘主体固定连接，所述导向套管的内径由靠近插接套管的一端向另一端逐渐变大，弹簧钢丝与插接套管过盈配合。

一种利用上述采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火装置进行的采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火方法，包括以下步骤：

步骤一：将弹簧钢丝连接至钢丝固定盘上，关闭出料口，启动驱动器驱动钢丝固定盘沿升温空腔轴心线方向移动，使得弹簧钢丝位于升温空腔内；

步骤二：通电使发热元件发热，启动鼓风机加速淬火空腔内的空气流动，升温至800-850℃后，保温2-4h；

步骤三：停止加热，将弹簧钢丝浸润至淬火池内的淬火剂中，冷却至60℃以下；

步骤四：将弹簧钢丝转移至普冷冷却罐内，并浸润至普冷剂中，冷却至0℃以下；

步骤五：将弹簧钢丝转移至深冷冷却罐内，并浸润至深冷剂中，冷却至-130℃以下。

在上述的采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火方法中，所述深冷剂为液氮，所述普冷剂为乙二醇，所述淬火剂包括质量份数分别为10-30份的聚乙烯醇、1-5份的异丙醇胺、1-5份的乙二胺、1-3份的磺酸钙、1-3份的苯甲酸钠和1000-1200份的水。

在上述的采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火方法中，所述淬火剂包括质量份数分别为20份的聚乙烯醇、3份的异丙醇胺、3份的乙二胺、2份的磺酸钙、2份的苯甲酸钠和1100份的水。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明将弹簧钢丝置于淬火剂中完成淬火后，还设有后续的普冷和深冷工艺，在不降低弹簧钢丝强度与硬度的情况下，显著提高了弹簧钢丝的韧性，便于后续的绕制加工。

2、本发明采用竖直放置的淬火炉，相比于水平放置的淬火炉占地面积较小，可降低生产成本。

3、本发明将内部具有淬火剂的淬火池置于淬火炉的下方，大大缩短了弹簧钢丝加热后转移至淬火池中的淬火转移时间，为弹簧钢丝的高性能提供了保障。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图；

图2是淬火机构的内部结构示意图；

图3是实施例2中钢丝固定盘的结构示意图；

图中：淬火机构1、普冷冷却罐2、深冷冷却罐3、淬火炉11、淬火池12、出料口13、盘主体14、固定套15、插接套管16、导向套管17、淬火空腔111、外壳体112、升温空腔113、钢丝固定盘114、驱动器115、发热元件116、通口117、鼓风机118。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

本实施例提供一种采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火装置，结合图1和图2所示，包括淬火机构1，所述淬火机构1包括对弹簧钢丝进行加热的淬火炉11和内部具有淬火剂的淬火池12，所述淬火炉11底部设有可打开或闭合的出料口13，所述出料口13位于淬火池12的正上方，还包括内部具有普冷剂且可将弹簧钢丝冷却至0℃以下的普冷冷却罐2和内部具有深冷剂且可将弹簧钢丝冷却至-130℃以下的深冷冷却罐3，其中，普冷剂可以采用乙二醇，深冷剂可以采用液氮。

本发明，使用时，先将弹簧钢丝置于淬火炉11内加热，加热后保温一段时间，再将弹簧钢丝转移至淬火池12内的淬火剂中，冷却至60℃以下后，将弹簧钢丝转移至普冷冷却罐2内，并浸润至普冷剂中，冷却至0℃以下后，将弹簧钢丝转移至深冷冷却罐3内，并浸润至深冷剂中，冷却至-130℃以下，得到淬火弹簧钢丝，故本发明将弹簧钢丝置于淬火剂中完成淬火后，还设有后续的普冷和深冷工艺，在不降低弹簧钢丝强度与硬度的情况下，显著提高了弹簧钢丝的韧性，便于后续的绕制加工。

如图2所示，所述淬火炉11包括内部具有淬火空腔111的外壳体112，打开或闭合的出料口13可使淬火空腔111与淬火池12相连通或相隔离，所述外壳体112内壁上固定连接有若干个发热元件116，所述淬火空腔111内设有与外壳体112固定连接的升温空腔113，连接有弹簧钢丝的钢丝固定盘114位于升温空腔113正上方，所述钢丝固定盘114与固定连接在外壳体112上的驱动器115驱动连接，驱动器115可驱动钢丝固定盘114沿升温空腔113轴心线方向移动。

使用时，将弹簧钢丝连接至钢丝固定盘114上，关闭出料口13，启动驱动器115驱动钢丝固定盘114沿升温空腔113轴心线方向移动，使得弹簧钢丝位于升温空腔113内，通电使发热元件116发热使得淬火空腔111内部温度升高，加热保温完成后，打开出料口13，将弹簧钢丝转移至淬火池12内，故本发明将内部具有淬火剂的淬火池12置于淬火炉11的下方，大大缩短了弹簧钢丝加热后转移至淬火池12中的淬火转移时间，为弹簧钢丝的高性能提供了保障。

具体的说，所述钢丝固定盘114为通过电线与外界电源电连接的电磁铁，通电后钢丝固定盘114产生磁性，将弹簧钢丝吸附在表面。

如图2所示，所述升温空腔113侧壁具有至少三个通口117，升温空腔113两侧各设有一个鼓风机118，至少一个通口117位于鼓风机118的出风口位置，启动鼓风机118可加速淬火空腔111内部的空气流动，提高升温速率和淬火空腔111内部各处温度的均匀性。

实施例2

本实施例提供一种采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火装置，本实施例的结构与实施例1中的结构大体相同，不同之处在于钢丝固定盘114所采用的结构，具体的说，如图3所示，所述钢丝固定盘114包括盘主体14，所述盘主体14远离驱动器115的一面固定连接有若干固定套15，弹簧钢丝的一端插接在固定套15内，所述固定套15包括一体成型的插接套管16和内径大于插接套管16内径的导向套管17，所述插接套管16与盘主体14固定连接，所述导向套管17的内径由靠近插接套管16的一端向另一端逐渐变大，弹簧钢丝与插接套管16过盈配合，导向套管17的内径较大，故可起到一个导向作用，使得弹簧钢丝能准确的插入至插接套管16内，弹簧钢丝与插接套管16过盈配合，故之间具有一个挤压力，从而保证弹簧钢丝在淬火过程中被固定。

实施例3

本实施例提供一种利用实施例1或实施例2中提供的采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火装置进行的采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火方法，结合图1和图2所示，包括以下步骤：

步骤一：将弹簧钢丝连接至钢丝固定盘114上，关闭出料口13，启动驱动器115驱动钢丝固定盘114沿升温空腔113轴心线方向移动，使得弹簧钢丝位于升温空腔113内；

步骤二：通电使发热元件116发热，启动鼓风机118加速淬火空腔111内的空气流动，升温至800℃后，保温2h；

步骤三：停止加热，将弹簧钢丝浸润至淬火池12内的淬火剂中，冷却至60℃；

步骤四：将弹簧钢丝转移至普冷冷却罐2内，并浸润至普冷剂中，冷却至0℃；

步骤五：将弹簧钢丝转移至深冷冷却罐3内，并浸润至深冷剂中，冷却至-130℃。

故本发明将弹簧钢丝置于淬火剂中完成淬火后，还设有后续的普冷和深冷工艺，在不降低弹簧钢丝强度与硬度的情况下，显著提高了弹簧钢丝的韧性，便于后续的绕制加工。

其中，普冷剂可以采用乙二醇，深冷剂可以采用液氮，淬火剂包括质量份数分别为10份的聚乙烯醇、1份的异丙醇胺、1份的乙二胺、1份的磺酸钙、1份的苯甲酸钠和1200份的水。

传统的淬火介质有水性淬火剂和油性淬火剂，水性淬火剂的特点是在整个冷却过程中都具有很高的冷却速度，在高温冷却阶段高的冷却速度可以促使形成晶粒细小的弹簧钢丝，有利于提高弹簧钢丝最终的性能，但在低温阶段，过快的冷却速度使弹簧钢丝的内应力过大，因此容易导致弹簧钢丝开裂。与水性淬火剂相比，油性淬火剂的特点是整个冷却阶段的冷却速度慢，虽然可以防止弹簧钢丝在低温阶段由于内应力过大而导致开裂，但是由于高温阶段冷却速度较慢，因此容易导致弹簧钢丝晶粒较大，降低弹簧钢丝淬火后的性能。而本发明所提供的淬火剂，在温度较高的时候，聚乙烯醇在水中的溶解度降低，会从淬火剂中析出，从而在高温阶段，淬火剂起到与水性淬火剂类似的功能，保证具有较快的冷却速率；温度较低的时候，聚乙烯醇溶解在水中，从而在低温阶段，淬火剂起到与油性淬火剂类似的功能，保证具有较慢的冷却速率。即本发明提供的淬火剂兼具水性淬火剂和油性淬火剂的优势。

实施例4

本实施例提供一种利用实施例1或实施例2中提供的采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火装置进行的采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火方法，结合图1和图2所示，包括以下步骤：

步骤一：将弹簧钢丝连接至钢丝固定盘114上，关闭出料口13，启动驱动器115驱动钢丝固定盘114沿升温空腔113轴心线方向移动，使得弹簧钢丝位于升温空腔113内；

步骤二：通电使发热元件116发热，启动鼓风机118加速淬火空腔111内的空气流动，升温至850℃后，保温4h；

步骤三：停止加热，将弹簧钢丝浸润至淬火池12内的淬火剂中，冷却至50℃；

步骤四：将弹簧钢丝转移至普冷冷却罐2内，并浸润至普冷剂中，冷却至-10℃；

步骤五：将弹簧钢丝转移至深冷冷却罐3内，并浸润至深冷剂中，冷却至-150℃。

其中，淬火剂包括质量份数分别为30份的聚乙烯醇、5份的异丙醇胺、5份的乙二胺、3份的磺酸钙、3份的苯甲酸钠和1000份的水。

实施例5

本实施例提供一种利用实施例1或实施例2中提供的采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火装置进行的采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火方法，结合图1和图2所示，包括以下步骤：

步骤一：将弹簧钢丝连接至钢丝固定盘114上，关闭出料口13，启动驱动器115驱动钢丝固定盘114沿升温空腔113轴心线方向移动，使得弹簧钢丝位于升温空腔113内；

步骤二：通电使发热元件116发热，启动鼓风机118加速淬火空腔111内的空气流动，升温至820℃后，保温3h；

步骤三：停止加热，将弹簧钢丝浸润至淬火池12内的淬火剂中，冷却至40℃；

步骤四：将弹簧钢丝转移至普冷冷却罐2内，并浸润至普冷剂中，冷却至-20℃；

步骤五：将弹簧钢丝转移至深冷冷却罐3内，并浸润至深冷剂中，冷却至-170℃。

其中，淬火剂包括质量份数分别为20份的聚乙烯醇、3份的异丙醇胺、3份的乙二胺、2份的磺酸钙、2份的苯甲酸钠和1100份的水。

应用例1

取300根相同的弹簧钢丝，等分为甲、乙、丙三组，每组均为100根弹簧钢丝，将甲、乙、丙三组分别按实施例3、实施例4和实施例5中记载的方法进行淬火处理，分别得到弹簧钢丝1、弹簧钢丝2和弹簧钢丝3，分别对弹簧钢丝1、弹簧钢丝2和弹簧钢丝3的抗拉强度、断后伸长率和洛氏硬度进行检测，结果取平均值后，如下表所示：

结果分析：通过以上实验数据可以看出，本发明制得的弹簧钢丝，具有较高的抗拉强度、断后伸长率和洛氏硬度，适宜作为制作弹簧的材料。

抗拉强度的检测数据来自济南辰鑫试验机制造有限公司生产的拉力试验机，断后伸长率的检测数据来自济南永创测试技术有限公司生产的断后伸长率检测设备，硬度的检测数据来自石家庄飞泰检测仪器有限公司生产的金属硬度检测仪。

对比例1

取与应用例1中相同弹簧钢丝，通过以下步骤进行淬火处理，得到弹簧钢丝4：

步骤S1：将弹簧钢丝连接至钢丝固定盘114上，关闭出料口13，启动驱动器115驱动钢丝固定盘114沿升温空腔113轴心线方向移动，使得弹簧钢丝位于升温空腔113内；

步骤S2：通电使发热元件116发热，启动鼓风机118加速淬火空腔111内的空气流动，升温至820℃后，保温3h；

步骤S3：停止加热，将弹簧钢丝浸润至淬火池12内的淬火剂中，冷却至室温。

取上述弹簧钢丝4和应用例1中制得的弹簧钢丝3，分别绕制直径为10mm、6mm和3mm的弹簧，绕制完成后，观察弹簧表面，结果如下表所示：

结果分析：通过以上实验数据可以看出，若不采用后续的普冷及深冷工艺进行处理，弹簧钢丝的脆性和内应力会显著增加，本发明制得的弹簧钢丝具有更小的脆性和内应力，达到了本发明预期的目的。

对比例2

取与应用例1中相同弹簧钢丝，通过以下步骤进行淬火处理，得到弹簧钢丝5：

步骤S1：将弹簧钢丝连接至钢丝固定盘114上，关闭出料口13，启动驱动器115驱动钢丝固定盘114沿升温空腔113轴心线方向移动，使得弹簧钢丝位于升温空腔113内；

步骤S2：通电使发热元件116发热，启动鼓风机118加速淬火空腔111内的空气流动，升温至820℃后，保温3h；

步骤S3：停止加热，将弹簧钢丝浸润至淬火池12内的淬火剂中，冷却至40℃；

步骤S4：将弹簧钢丝转移至深冷冷却罐3内，并浸润至深冷剂中，冷却至-130℃以下。

取上述弹簧钢丝5和应用例1中制得的弹簧钢丝3，分别观察弹簧钢丝5和弹簧钢丝3表面，结果如下表所示：

结果分析：通过以上实验数据可以看出，直接采用深冷工艺进行处理对弹簧钢丝的热冲击较大，易于导致弹簧钢丝表面开裂。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了淬火机构1、普冷冷却罐2、深冷冷却罐3、淬火炉11、淬火池12、出料口13、盘主体14、固定套15、插接套管16、导向套管17、淬火空腔111、外壳体112、升温空腔113、钢丝固定盘114、驱动器115、发热元件116、通口117、鼓风机118等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (2)

1.一种采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火方法，其特征在于，所述弹簧钢丝淬火方法采用的弹簧钢丝淬火装置包括淬火机构（1），所述淬火机构（1）包括对弹簧钢丝进行加热的淬火炉（11）和内部具有淬火剂的淬火池（12），所述淬火炉（11）底部设有可打开或闭合的出料口（13），所述出料口（13）位于淬火池（12）的正上方，还包括内部具有普冷剂且可将弹簧钢丝冷却至0℃以下的普冷冷却罐（2）和内部具有深冷剂且可将弹簧钢丝冷却至-130℃以下的深冷冷却罐（3）；所述淬火炉（11）包括内部具有淬火空腔（111）的外壳体（112），打开或闭合的出料口（13）可使淬火空腔（111）与淬火池（12）相连通或相隔离，所述外壳体（112）内壁上固定连接有若干个发热元件（116），所述淬火空腔（111）内设有与外壳体（112）固定连接的升温空腔（113），连接有弹簧钢丝的钢丝固定盘（114）位于升温空腔（113）正上方，所述钢丝固定盘（114）与固定连接在外壳体（112）上的驱动器（115）驱动连接，驱动器（115）可驱动钢丝固定盘（114）沿升温空腔（113）轴心线方向移动；所述升温空腔（113）侧壁具有至少三个通口（117），升温空腔（113）两侧各设有一个鼓风机（118），至少一个通口（117）位于鼓风机（118）的出风口位置；

所述弹簧钢丝淬火方法包括以下步骤：

步骤一：将弹簧钢丝连接至钢丝固定盘（114）上，关闭出料口（13），启动驱动器（115）驱动钢丝固定盘（114）沿升温空腔（113）轴心线方向移动，使得弹簧钢丝位于升温空腔（113）内；

步骤二：通电使发热元件（116）发热，启动鼓风机（118）加速淬火空腔（111）内的空气流动，升温至800-850℃后，保温2-4h；

步骤三：停止加热，将弹簧钢丝浸润至淬火池（12）内的淬火剂中，冷却至60℃以下；

步骤四：将弹簧钢丝转移至普冷冷却罐（2）内，并浸润至普冷剂中，冷却至0℃以下；

步骤五：将弹簧钢丝转移至深冷冷却罐（3）内，并浸润至深冷剂中，冷却至-130℃以下；

所述深冷剂为液氮，所述普冷剂为乙二醇，所述淬火剂包括质量份数分别为10-30份的聚乙烯醇、1-5份的异丙醇胺、1-5份的乙二胺、1-3份的磺酸钙、1-3份的苯甲酸钠和1000-1200份的水。

2.如权利要求1所述的采用深冷工艺的弹簧钢丝淬火方法，其特征在于：所述淬火剂包括质量份数分别为20份的聚乙烯醇、3份的异丙醇胺、3份的乙二胺、2份的磺酸钙、2份的苯甲酸钠和1100份的水。