CN113999959A - 一种用于小试件的真空气淬实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于小试件的真空气淬实验方法。其技术方案是：根据温控装的阀门开启区域的不同制定21种实验方案，通过有限元模拟的方法对制定的实验方案分别进行模拟实验，得到小试件温度和真空气淬炉内温度随时间变化的模拟实验数据；再以所提取的模拟实验数据中的真空气淬炉内温度和小试件温度差的绝对值的平均值最小的方案为最优方案，对所述最优方案中各个时间点的真空气淬炉内温度和小试件温度的差值采用matlab软件进行拟合，依据所得的真空气淬炉内温度和小试件温度的差值的时间模型，得到真空气淬炉内风机的停止时间。本发明实验周期短、成本低和适用范围广，能准确控制小试件的等温温度，提高小试件的韧性、硬度、强度和耐磨性。

Description

一种用于小试件的真空气淬实验方法
技术领域
本发明属于真空气淬实验方法技术领域。具体涉及一种用于小试件的真空气淬实验方法。
背景技术
真空气淬工艺和普通淬火工艺相比，具有淬火后试件无脱碳、无氧化、变形小和表面光洁度高的特点，使用真空气淬工艺生产出的工件在性能方面的提高也十分显著。袁永瑞等(袁永瑞,罗军明,温桢洪,周雅.Cr12钢真空热处理组织和性能硏究[J].材料热处理技术,2010,39(4)：145-147)对真空气淬和普通淬火后的Cr12钢组织性能进行了对比，真空淬火后Cr12钢的抗弯强度得到提升、耐磨性提高和冲击韧性有所增加；在对Cr12钢的断口检测后发现，断口上的韧窝密集程度提高和金属晶粒更细小，即真空气淬能使钢的总体质量得到提升；除这些优点外，真空气淬工艺对环境污染也很小，是未来淬火工艺的发展方向。
当进行真空气淬实验时，会出现真空气淬炉中的试件总量小于真空气淬炉容积的20％且试件的横截面积小于100mm×100mm的情况，在这种情况下，试件在真空气淬过程中的温度下降速率过快，实际操作时无法对淬火后试件的等温温度精确控制；另外当试件温度到达等温温度时，真空气淬炉内温度远高于试件温度，此时停止淬火就会出现真空气淬炉内热辐射使试件温度升高的情况。这些都会对真空气淬工艺后试件的质量产生不良影响。
现有解决方式：采用更换冷却介质的方式(侯炜强,张金凤.真空气淬工艺研究及设备的研制[J].电子工术,2008,29(4):227-230)来解决试件冷速过快的问题；采用加装红外元件以及热风混合加热装置的方式(姚春臣,胡辉林,汪芳,等.45CrNiMo1VA钢旋压芯棒的真空气淬[J].新技术新工艺,2010(3))精确监控试件温度的同时减缓试件的温降速度。第一种方法需要对工艺进行修改，所以很多对淬火气体种类有要求的实验无法参照执行；第二种方法需要对真空气淬炉进行改造，耗费巨大，影响实验后真空气淬炉的正常生产，适用范围小；同时这些方法都需要大量的气淬实验作为参考，周期长和成本高，不利于实验的进行。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺陷。目的在于提供一种实验周期短、实验成本低且适用范围大的用于小试件的真空气淬实验方法；该方法能够适用原工艺和在原真空气淬炉的基础上使小试件温降速率与真空气淬炉内温度的温降速率趋于一致，准确控制小试件的等温温度，从而显著减小试件变形，获得下贝氏体组织，提高小试件真空气淬后的韧性、硬度、强度、耐磨性。
为完成所述任务，本发明采用的技术方案是：
步骤1、对真空气淬炉的下述部位进行测量：真空气淬炉内腔的直径和深度，气流进口的数量，各气流进口的尺寸和各气流进口间的距离，气流出口的尺寸和气流出口在真空气淬炉内腔的位置，测温电偶的外形尺寸和测温电偶在真空气淬炉内腔的位置。
测量温控装置的外形尺寸和统计温控装置上的阀门数量和排布方式。
步骤2、确定有限元模拟实验的技术参数：小试件的材质；真空气淬炉内初始温度；小试件的初始温度；小试件的等温温度；淬火气体的种类；真空气淬炉内气压随淬火时间的变化数据。
步骤3、制定实验方案：
温控装置的顶板阀门关于B1区对称开启，开启方式有三种：B1区开启；A1区和C1区开启；A1区、B1区和C1区同时开启。
温控装置的两侧侧板阀门始终为对称开启，对称开启的方式有七种：A2区开启；B2区开启；C2区开启；A2区和B2区开启；A2区和C2区开启；B2区和C2区开启；A2区、B2区和C2区同时开启。
依据温控装置中的顶板阀门开启的任一种方式与两侧侧板阀门开启的任一种方式的组合为其中的一种实验方案，实验方案共3×7＝21种，具体实验方案中的实验方案1～实验方案21如表1所示。
表1具体实验方案
Figure BDA0003327641510000021
Figure BDA0003327641510000031
步骤4、根据步骤1测量与统计的数据和步骤3制定的实验方案，对实验方案1采用有限元模拟软件ansys workbanch对真空气淬炉、测温电偶、温控装置和小试件分别进行有限元模拟的模型建立和网格划分。
步骤5、根据步骤2确定的有限元模拟实验的技术参数，先对步骤4中建立的模型进行边界条件设定；再采用fluent程序进行计算和迭代，得到实验方案1的真空气淬实验的有限元模拟结果。
步骤6、对实验方案1的真空气淬实验的有限元模拟结果进行模拟实验数据的提取：选取距离小试件模型的上表面中心下方10mm处的单元为小试件模型单元，选取距离测温电偶模型的下表面中心上方10mm处的单元为测温电偶模型单元。在小试件模型单元提取的温度数据为小试件温度，在测温电偶模型单元提取的温度数据为真空气淬炉内温度，记录小试件温度和真空气淬炉内温度随时间变化的模拟实验数据；记录模拟实验数据的范围：从步骤2中的小试件初始温度到小试件等温温度。
步骤7、按照步骤4～步骤6所述方法，依次对实验方案2～实验方案21分别进行有限元模拟和模拟实验数据的提取。
步骤8、分别求出实验方案1～实验方案21所提取的模拟实验数据中的真空气淬炉内温度和小试件温度差的绝对值的平均值，所有实验方案中的所述平均值最小的方案为最优方案。
步骤9、对所述最优方案中各个时间点的真空气淬炉内温度和小试件温度的差值采用matlab软件进行拟合，得到关于真空气淬炉内温度和小试件温度的差值的时间模型。
使用所述时间模型，得到真空气淬炉内温度和小试件温度的差值大于35℃所对应的时间，当所述时间大于小试件的等温温度时所对应的时间即为真空气淬炉内风机的停止时间。
所述温控装置的结构为由顶板、两侧侧板和底板围成的方筒状，顶板和两侧侧板分别均匀地设有n排阀门，每排阀门的中心连线与温控装置的轴线平行；每排阀门均匀地设有n个阀门，n为2～5的自然数；
所述温控装置顶板阀门区域的划分：顶板阀门每1～3排阀门划分为一个区，温控装置的顶板阀门由左向右依次划分为A1区、B1区和C1区，其中A1区和C1区关于B1区对称设置。
所述温控装置两侧侧板阀门区域的划分：两侧侧板阀门每1～3排阀门划分为一个区，温控装置的两侧侧板阀门由上向下依次划分为A2区、B2区和C2区，其中A2区和C2区关于B2区对称设置；两侧侧板的阀门对称设置。
所述小试件为真空气淬实验用试件的总量小于真空气淬炉容积的20％且横截面积小于100mm×100mm的试件。
由于采用上述方法，本发明与现有技术相比具有以下积极效果：
1、本发明提供了一种小试件真空气淬实验方法。采用最优的温控装置阀门开启方式保证真空气淬的均匀性，同时温控装置阻挡了淬火时过多冷气直接接触小试件，降低小试件的温降速率，使气淬过程中的小试件温降速率与真空气淬炉内温降速率的差距缩小，当小试件达到等温温度时，真空气淬炉内的温度也接近小试件的等温温度，不会出现真空气淬炉内热辐射使小试件温度升高的情况。另外，本发明还提供了风机停止的参考时间，进一步准确控制了小试件的等温温度，使小试件真空气淬后的等温温度符合工艺要求，从而获得下贝氏体组织，提高小试件真空气淬后的韧性、硬度、强度和耐磨性。
2、本发明和现有技术相比，不需要购入真空气淬炉相关的设备对气淬炉进行改造，不会影响真空气淬炉在实验后的日常生产工作，极大程度地控制了成本；本发明能严格执行实验的工艺，对真空气淬中气体的种类没有要求；当面对不同实验的工艺要求时，只需要调整温控装置上的阀门开启区域和风机停止的参考时间，就能使工艺要求不同的实验得以进行，在保证本方法简单、高效的同时还扩大了适用范围。另外本发明得到的数据在精确性上也有保证，采用本发明的实际实验中，小试件等温温度的误差能精确到10℃以内，完全满足实验的精度要求，显著提高了整个实验的精确度。
3、本发明是采用有限元模拟的方法，进一步控制了成本，节约了时间，提高了适用范围；克服现有真空气淬实验的成本很高、需要大量的人力和资源的技术缺陷。有限元模拟的方法只需要通过计算机软件的功能就可以代替实际的实验，速度快、效率高，通过实际实验的验证表明有限元模拟实验能保证精确性。在适用范围方面有限元模拟优势巨大，当实验使用的真空气淬炉、温控装置和真空气淬实验的工艺要求都发生改变时，有限元模拟只需要按照变化对计算机软件中的各种数据进行对应的修改便能按照本发明进行模拟实验，快速找到温控装置最优的使用方案和风机停止的时间，显著提高整个实验的精确度以及小试件真空气淬后的性能。
因此，本发明具有实验周期短、实验成本低和适用范围广的特点，用该方法能够在原工艺和在原真空气淬炉的基础上使小试件温度的下降速率与真空气淬炉内的温降速率趋于一致，准确控制小试件的等温温度，从而显著减小试件变形，获得下贝氏体组织，提高小试件真空气淬后的韧性、硬度、强度和耐磨性。
附图说明
图1为本发明采用的一种真空气淬炉的内部结构示意图；
图2为本发明采用一种温控装置的俯视示意图；
图3为图2所示温控装置的侧视示意图；
图4为本发明采用的另一个温控装置的俯视示意图；
图5为图6所示温控装置的侧视示意图；
图6为本发明的一种有限元模拟的模型示意图；
图7为本发明的另一种有限元模拟的模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围为的限制。
本具体实施方式中：所述小试件为真空气淬实验用试件的总量小于真空气淬炉容积的20％且横截面积小于100mm×100mm的试件。实施例中不再赘述。
实施例1
一种用于小试件的真空气淬实验方法。本实施例所述真空气淬实验方法的步骤是：
步骤1、对图1所示的真空气淬炉的下述部位进行测量：真空气淬炉内腔的直径为900mm和深度为1320mm；气流进口的数量为108个，各气流进口的长度均为150mm，直径均为50mm，各气流进口间的距离均为250mm；气流出口的截面是边长为300mm的正方形，所述气流出口位于真空气淬炉内腔底部中心；测温电偶的长度为200mm和直径为5mm，测温电偶位于真空气淬炉内腔正上方中心处。
测量温控装置的外形尺寸：长为450mm；宽为300mm；高为300mm。温控装置上的阀门为27个，阀门的排列方式为顶板和两侧侧板各均匀地分布有3×3个阀门。每个阀门沿长度方向间的距离为140mm，每个阀门沿高度和宽度方向间的距离均为100mm；阀门直径为60mm。
步骤2、确定有限元模拟实验的技术参数：小试件的材质为Cr12MoV；真空气淬炉内初始温度为950℃；小试件的初始温度为950℃；小试件的等温温度为200℃；淬火气体为氮气；真空气淬炉内气压随淬火时间的变化数据见表1。
表1真空气淬炉内气压随淬火时间的变化数据
气淬时间/s 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
炉内压力/MP 0 0.84 1.26 1.41 2.13 2.81 4.21 5.31 6.87 7.68
步骤3、制定实验方案：
如图2和图3所示，所述温控装置的结构为由顶板、两侧侧板和底板围成的方筒状，顶板和两侧侧板分别均匀地设有3排阀门，每排阀门的中心连线与温控装置的轴线平行；每排阀门均匀地设有3个阀门。
所述温控装置顶板阀门区域的划分：以顶板阀门的每1排阀门划分为一个区，温控装置的顶板阀门由左向右依次划分为A1区、B1区和C1区，其中A1区和C1区关于B1区对称设置。
所述温控装置两侧侧板阀门区域的划分：以两侧侧板阀门的每1排阀门划分为一个区，温控装置的两侧侧板阀门由上向下依次划分为A2区、B2区和C2区，其中A2区和C2区关于B2区对称设置；两侧侧板的阀门对称设置。
温控装置的顶板阀门关于B1区对称开启，开启方式有三种：B1区开启；A1区和C1区开启；A1区、B1区和C1区同时开启。
温控装置的两侧侧板阀门始终为对称开启，对称开启的方式有七种：A2区开启；B2区开启；C2区开启；A2区和B2区开启；A2区和C2区开启；B2区和C2区开启；A2区、B2区和C2区同时开启。
依据温控装置中的顶板阀门开启的任一种方式与两侧侧板阀门开启的任一种方式的组合为其中的一种实验方案，实验方案共3×7＝21种，具体实验方案中的实验方案1～实验方案21如表2所示。
表2具体实验方案
Figure BDA0003327641510000061
Figure BDA0003327641510000071
步骤4、根据步骤1测量与统计的数据和步骤3制定的实验方案，对实验方案1采用有限元模拟软件ansys workbanch对真空气淬炉、测温电偶、温控装置和小试件分别进行有限元模拟的模型建立和网格划分，所呈现的最终模型如图6所示，图6为本实施例的有限元模拟的模型示意图。
步骤5、根据步骤2确定的有限元模拟实验的技术参数，先对步骤4中建立的模型进行边界条件设定；再采用fluent程序进行计算和迭代，得到实验方案1的真空气淬实验的有限元模拟结果。
步骤6、对实验方案1的真空气淬实验的有限元模拟结果进行模拟实验数据提取：选取距离小试件模型的上表面中心下方10mm处的单元为小试件模型单元，选取距离测温电偶模型的下表面中心上方10mm处的单元为测温电偶模型单元。在小试件模型单元提取的温度数据为小试件温度，在测温电偶模型单元提取的温度数据为真空气淬炉内温度，记录小试件温度和真空气淬炉内温度随时间变化的模拟实验数据；记录模拟实验数据的范围：从步骤2中小试件的初始温度950℃到小试件的等温温度为200℃。
步骤7、按照步骤4～步骤6所述方法，依次对实验方案2～实验方案21分别进行有限元模拟和模拟实验数据的提取。
步骤8、分别求出实验方案1～实验方案21所提取的模拟实验数据中的真空气淬炉内温度和小试件温度差的绝对值的平均值，所有实验方案中的所述平均值最小的方案19为最优方案，所有方案的所述平均值见表3。
表3 模拟实验数据表
实验方案序号 温度差的绝对值的平均值
1 174.56℃
2 167.31℃
3 204.36℃
4 104.47℃
5 117.74℃
6 101.89℃
7 93.70℃
8 315.03℃
9 281.50℃
10 296.31℃
11 151.82℃
12 169.11℃
13 129.92℃
14 104.53℃
15 59.84℃
16 91.27℃
17 41.66℃
18 89.95℃
19 36.30℃
20 73.58℃
21 130.67℃
步骤9、对方案19中各个时间点的真空气淬炉内温度和小试件温度的差值采用matlab软件进行拟合，得到关于真空气淬炉内温度和小试件温度的差值的时间模型Ts
Ts＝0.00031X4-0.019X3+0.19X2+4.01X+0.073 (1)
式(1)中：Ts表示真空气淬炉内温度和小试件温度的差值，℃；
X表示时间，s。
使用所述时间模型，得到真空气淬炉内温度和试件温度的差值大于35℃所对应的时间，当所述时间大于小试件的等温温度时所对应的时间为96s即为真空气淬炉内风机的停止时间。
实施例2
一种用于小试件的真空气淬实验方法。本实施例所述方法的步骤是：
步骤1、对图1所示的真空气淬炉的下述部位进行测量：真空气淬炉内腔的直径为900mm和深度为1320mm；气流进口的数量为108个，各气流进口的长度为150mm，直径均为50mm，各气流进口间的距离均为250mm，气流出口的截面是边长300mm的正方形，所述气流出口位于真空气淬炉内腔底部中心；测温电偶长度为200mm和直径为5mm，测温电偶位于真空气淬炉内腔正上方中心处。
测量温控装置的外形尺寸：长为450mm；宽为300mm；高为300mm。温控装置上的阀门为75个，阀门的排列方式为顶板和两侧侧板上各均匀分布5×5个阀门。每个阀门沿长度方向间的距离为90mm，每个阀门沿高度和宽度方向间的距离均为60mm；阀门直径为40mm。
步骤2、确定有限元模拟实验的技术参数：小试件的材质为H13；真空气淬炉内初始温度为1000℃；小试件的初始温度为1000℃；小试件的等温温度为280℃；淬火气体为氮气；真空气淬炉内气压随淬火时间的变化数据见表1。
表1真空气淬炉内气压随淬火时间的变化数据
气淬时间/s 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36
炉内压力/MP 0 0.6 0.8 1 1.8 2.4 3.2 3.2 3.2 3.2
步骤3、制定实验方案：
如图4和图5所示，所述温控装置的结构为由顶板、两侧侧板和底板组成的方筒状，顶板和两侧侧板均匀地设有5排阀门，每排阀门的中心连线与温控装置的轴线平行；每排阀门均匀地设有5个阀门。
所述温控装置顶板阀门区域的划分：顶板阀门由左向右以2排阀门、1排阀门和2排阀门依次划分为A1区、B1区和C1区，其中A1区和C1区关于B1区对称设置。
所述温控装置两侧侧板阀门区域的划分：侧板阀门由上向下以2排阀门、1排阀门和2排阀门依次划分为A2区、B2区和C2区，其中A2区和C2区关于B2区对称设置；两侧侧板的阀门对称设置。
温控装置的顶板阀门关于B1区对称开启，开启方式有三种：B1区开启；A1区和C1区开启；A1区、B1区和C1区同时开启。
温控装置的两侧侧板阀门始终为对称开启，对称开启的方式有七种：A2区开启；B2区开启；C2区开启；A2区和B2区开启；A2区和C2区开启；B2区和C2区开启；A2区、B2区和C2区同时开启。
依据温控装置中的顶板阀门开启的任一种方式与两侧侧板阀门开启的任一种方式的组合为其中的一种实验方案，实验方案共3×7＝21种，具体实验方案中的实验方案1～实验方案21如表2所示。
表2具体实验方案
实验方案序号 顶板阀门开启区域 双侧侧板阀门开启区域
实验方案1 B<sub>1</sub>区 A<sub>2</sub>区
实验方案2 B<sub>1</sub>区 B<sub>2</sub>区
实验方案3 B<sub>1</sub>区 C<sub>2</sub>区
实验方案4 B<sub>1</sub>区 A<sub>2</sub>区和C<sub>2</sub>区
实验方案5 B<sub>1</sub>区 A<sub>2</sub>区和B<sub>2</sub>区
实验方案6 B<sub>1</sub>区 B<sub>2</sub>区和C<sub>2</sub>区
实验方案7 B<sub>1</sub>区 A<sub>2</sub>区、B<sub>2</sub>区和C<sub>2</sub>区
实验方案8 A<sub>1</sub>区和C<sub>1</sub>区 A<sub>2</sub>区
实验方案9 A<sub>1</sub>区和C<sub>1</sub>区 B<sub>2</sub>区
实验方案10 A<sub>1</sub>区和C<sub>1</sub>区 C<sub>2</sub>区
实验方案11 A<sub>1</sub>区和C<sub>1</sub>区 A<sub>2</sub>区和C<sub>2</sub>区
实验方案12 A<sub>1</sub>区和C<sub>1</sub>区 A<sub>2</sub>区和B<sub>2</sub>区
实验方案13 A<sub>1</sub>区和C<sub>1</sub>区 B<sub>2</sub>区和C<sub>2</sub>区
实验方案14 A<sub>1</sub>区和C<sub>1</sub>区 A<sub>2</sub>区、B<sub>2</sub>区和C<sub>2</sub>区
实验方案15 A<sub>1</sub>区、B<sub>1</sub>区和C<sub>1</sub>区 A<sub>2</sub>区
实验方案16 A<sub>1</sub>区、B<sub>1</sub>区和C<sub>1</sub>区 B<sub>2</sub>区
实验方案17 A<sub>1</sub>区、B<sub>1</sub>区和C<sub>1</sub>区 C<sub>2</sub>区
实验方案18 A<sub>1</sub>区、B<sub>1</sub>区和C<sub>1</sub>区 A<sub>2</sub>区和C<sub>2</sub>区
实验方案19 A<sub>1</sub>区、B<sub>1</sub>区和C<sub>1</sub>区 A<sub>2</sub>区和B<sub>2</sub>区
实验方案20 A<sub>1</sub>区、B<sub>1</sub>区和C<sub>1</sub>区 B<sub>2</sub>区和C<sub>2</sub>区
实验方案21 A<sub>1</sub>区、B<sub>1</sub>区和C<sub>1</sub>区 A<sub>2</sub>区、B<sub>2</sub>区和C<sub>2</sub>区
步骤4、根据步骤1测量与统计的数据和步骤3制定的实验方案，对实验方案1采用有限元模拟软件ansys workbanch对真空气淬炉、测温电偶、温控装置和小试件分别进行有限元模拟的模型建立和网格划分，所呈现的最终模型如图7所示，图7为本实施例的有限元模拟的模型示意图。
步骤5、根据步骤2确定的有限元模拟实验的技术参数，先对步骤4中建立的模型进行边界条件设定；再采用fluent程序进行计算和迭代，得到实验方案1的真空气淬实验的有限元模拟结果。
步骤6、对实验方案1的真空气淬实验的有限元模拟结果进行模拟实验数据提取：选取距离小试件模型的上表面中心下方10mm处的单元为小试件模型单元，选取距离测温电偶模型的下表面中心上方10mm处的单元为测温电偶模型单元。在小试件模型单元提取的温度数据为小试件温度，在测温电偶模型单元提取的温度数据为真空气淬炉内温度，记录小试件温度和真空气淬炉内温度随时间变化的模拟实验数据；记录模拟实验数据的范围：从步骤2中小试件的初始温度为1000℃到小试件的等温温度为220℃。
步骤7、按照步骤4～步骤6所述方法，依次对实验方案2～实验方案21分别进行有限元模拟和模拟实验数据的提取。
步骤8、分别求出实验方案1～实验方案21所提取的模拟实验数据中的真空气淬炉内温度和小试件温度差的绝对值的平均值，所有实验方案中的所述平均值最小的方案12为最优方案，所有方案的所述平均值见表3。
表3模拟实验数据表
Figure BDA0003327641510000111
Figure BDA0003327641510000121
步骤9、对方案12中各个时间点的真空气淬炉内温度和小试件温度的差值采用matlab软件进行拟合，得到如下所示关于真空气淬炉内温度和小试件温度的差值的时间模型Ts
Ts＝0.00051X4-0.041X3+0.91X2-3.79X+6.6 (2)
式(2)中：Ts表示真空气淬炉内温度和小试件温度的差值，℃；
X表示时间，s。
使用所述时间模型，得到真空气淬炉内温度和试件温度的差值大于35℃所对应的时间，当所述时间大于小试件的等温温度时所对应的时间为118s即为真空气淬炉内风机的停止时间。
本具体实施方式与现有技术相比具有以下积极效果：
1、本具体实施方式提供了一种小试件真空气淬实验方法。采用最优的温控装置阀门开启方式保证真空气淬的均匀性，同时温控装置阻挡了淬火时过多冷气直接接触小试件，降低小试件的温降速率，使气淬过程中的小试件温降速率与真空气淬炉内温降速率的差距缩小，当小试件达到等温温度时，真空气淬炉内的温度也接近小试件的等温温度，不会出现真空气淬炉内热辐射使小试件温度升高的情况。另外，本具体实施方式还提供了风机停止的参考时间，进一步准确控制了小试件的等温温度，使小试件真空气淬后的等温温度符合工艺要求，从而获得下贝氏体组织，提高小试件真空气淬后的韧性、硬度、强度、耐磨性。
2、本具体实施方式和现有技术相比，不需要购入真空气淬炉相关的设备对气淬炉进行改造，不会影响真空气淬炉在实验后的日常生产工作，极大程度地控制了成本；本具体实施方式能严格执行实验的工艺，对真空气淬中气体的种类没有要求；当面对不同实验的工艺要求时，只需要调整温控装置上的阀门开启区域和风机停止的参考时间，就能使工艺要求不同的实验得以进行，在保证本方法简单、高效的同时还扩大了适用范围。另外本具体实施方式得到的数据在精确性上也有保证，采用本具体实施方式的实际实验中，小试件等温温度的误差能精确到10℃以内，完全满足实验的精度要求，显著提高了整个实验的精确度。
3、本具体实施方式是采用有限元模拟的方法，进一步控制了成本，节约了时间，提高了适用范围；克服现有真空气淬实验的成本很高、需要大量的人力和资源的技术缺陷。有限元模拟的方法只需要通过计算机软件的功能就可以代替实际的实验，速度快、效率高，通过实际实验的验证表明有限元模拟实验能保证精确性。在适用范围方面有限元模拟优势巨大，当实验使用的真空气淬炉、温控装置和真空气淬实验的工艺要求都发生改变时，有限元模拟只需要按照变化对计算机软件中的各种数据进行对应的修改便能按照本具体实施方式进行模拟实验，快速找到温控装置最优的使用方案和风机停止的时间，显著提高整个实验的精确度以及小试件真空气淬后的性能。
因此，本具体实施方式具有实验周期短、实验成本低和适用范围广的特点，用该具体实施方式能够在原工艺和在原真空气淬炉的基础上使小试件温度的下降速率与真空气淬炉内的温降速率趋于一致，准确控制小试件的等温温度，从而显著减小试件变形，获得下贝氏体组织，提高小试件真空气淬后的韧性、硬度、强度和耐磨性。

Claims (2)

1.一种用于小试件的真空气淬实验方法，其特征在于所述的用于小试件的真空气淬实验方法是：
步骤1、对真空气淬炉的下述部位进行测量：真空气淬炉内腔的直径和深度，气流进口的数量，各气流进口的尺寸和各气流进口间的距离，气流出口的尺寸和气流出口在真空气淬炉内腔的位置，测温电偶的外形尺寸和测温电偶在真空气淬炉内腔的位置；
测量温控装置的外形尺寸和统计温控装置上的阀门数量和排布方式；
步骤2、确定有限元模拟实验的技术参数：小试件的材质，真空气淬炉内初始温度，小试件的初始温度，小试件的等温温度，淬火气体的种类，真空气淬炉内气压随淬火时间的变化数据；
步骤3、制定实验方案：
温控装置的顶板阀门关于B1区对称开启，开启方式有三种：B1区开启，A1区和C1区开启，A1区、B1区和C1区同时开启；
温控装置的两侧侧板阀门始终为对称开启，对称开启的方式有七种：A2区开启，B2区开启，C2区开启，A2区和B2区开启，A2区和C2区开启，B2区和C2区开启，A2区、B2区和C2区同时开启；
依据温控装置中的顶板阀门开启的任一种方式与两侧侧板阀门开启的任一种方式的组合为其中的一种实验方案，实验方案共3×7＝21种，具体实验方案中的实验方案1～实验方案21如表1所示；
表1 具体实验方案
Figure FDA0003327641500000011
Figure FDA0003327641500000021
步骤4、根据步骤1测量与统计的数据和步骤3制定的实验方案，对实验方案1采用有限元模拟软件ansys workbanch对真空气淬炉、测温电偶、温控装置和小试件分别进行有限元模拟的模型建立和网格划分；
步骤5、根据步骤2确定的有限元模拟实验的技术参数，先对步骤4中建立的模型进行边界条件设定；再采用fluent程序进行计算和迭代，得到实验方案1的真空气淬实验的有限元模拟结果；
步骤6、对实验方案1的真空气淬实验的有限元模拟结果进行模拟实验数据的提取：选取距离小试件模型的上表面中心下方10mm处的单元为小试件模型单元，选取距离测温电偶模型的下表面中心上方10mm处的单元为测温电偶模型单元；在小试件模型单元提取的温度数据为小试件温度，在测温电偶模型单元提取的温度数据为真空气淬炉内温度，记录小试件温度和真空气淬炉内温度随时间变化的模拟实验数据；记录模拟实验数据的范围：从步骤2中的小试件初始温度到小试件等温温度；
步骤7、按照步骤4～步骤6所述方法，依次对实验方案2～实验方案21分别进行有限元模拟和模拟实验数据的提取；
步骤8、分别求出实验方案1～实验方案21所提取的模拟实验数据中的真空气淬炉内温度和小试件温度差的绝对值的平均值，所有实验方案中的所述平均值最小的方案为最优方案；
步骤9、对所述最优方案中各个时间点的真空气淬炉内温度和小试件温度的差值采用matlab软件进行拟合，得到关于真空气淬炉内温度和小试件温度的差值的时间模型；
使用所述时间模型，得到真空气淬炉内温度和小试件温度的差值大于35℃所对应的时间，当所述时间大于小试件的等温温度时所对应的时间即为真空气淬炉内风机的停止时间；
所述温控装置的结构为由顶板、两侧侧板和底板围成的方筒状，顶板和两侧侧板分别均匀地设有n排阀门，每排阀门的中心连线与温控装置的轴线平行；每排阀门均匀地设有n个阀门，n为2～5的自然数；
所述温控装置顶板阀门区域的划分：顶板阀门每1～3排阀门划分为一个区，温控装置的顶板阀门由左向右依次划分为A1区、B1区和C1区，其中A1区和C1区关于B1区对称设置；
所述温控装置两侧侧板阀门区域的划分：两侧侧板阀门每1～3排阀门划分为一个区，温控装置的两侧侧板阀门由上向下依次划分为A2区、B2区和C2区，其中A2区和C2区关于B2区对称设置。
2.根据权利要求1所述用于小试件的真空气淬实验方法，其特征在于所述小试件为真空气淬实验用试件的总量小于真空气淬炉容积的20％且横截面积小于100mm×100mm的试件。
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