CN115386721A - 一种控制真空高压气淬过程中金属构件变形的方法 - Google Patents
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Abstract
一种控制真空高压气淬过程中金属构件变形的方法，属于金属热处理技术领域。方法为：在真空高压气淬炉内确定不均匀流场、温度场及其对流换热系数；根据温度场分布计算得到金属构件不同区域修饰层材料的厚度；依据计算得到的金属构件不同区域修饰层材料的厚度在金属构件的不同区域涂覆相应厚度的修饰材料；将涂覆修饰层材料后的金属构件置于真空高压气淬炉内并位于有效加热区，进行热处理；对热处理后的金属构件进行直线度与圆度变形测量。本发明对不同尺寸、不同形状金属构件的气淬变形均具有较好的适用性，在金属构件表面涂覆修饰层材料，在气淬完成后修饰层材料能够自动剥落，无需其他后续操作，节约了时间，提高了效率。
Description
技术领域
本发明属于金属热处理技术领域，具体涉及一种控制真空高压气淬过程中金属构件变形的方法。
背景技术
热加工过程中的金属构件变形控制一直是航空航天及汽车工业等制造领域的难题。真空高压气淬作为一种清洁热处理工艺，以其无氧化、无污染、表面质量好、变形较小等优点得到越来越多应用，也代表着先进热处理的发展方向。然而，到目前为止真空高压气淬仍然无法完全解决变形问题，真空高压气淬炉按设计形式主要分为立式炉与卧式炉。无论立式还是卧式炉，其气冷装置的设计方式大都采用在炉体有效加热区周围环形布置高速流体喷嘴，由于喷嘴布置方式导致的不均匀流场，在金属构件上势必会形成喷嘴正对的快冷区域和非喷嘴正对的慢冷区域，近似的可以认为流体流速越大的部位冷却速度越快，如图1所示。
在真空高压气淬炉内，喷嘴正对金属构件位置的流体流速大而其他位置流体流速小，高压流体产生的不均匀流场导致了冷却过程中金属构件内部不均匀的温度场，金属材料冷却过程中的热应力为σT＝a*dT(式中σT为热应力，α为线膨胀系数，dT为金属构件上不同位置的温差)正比于温差，当快冷与慢冷区域的温差大到热应力超过了材料的屈服强度时，就会发生不可恢复的塑性变形。
公开日为2018年10月12日、公开号为CN108642255A、名称为“一种可实现气流上下交替切换的真空高压气淬炉炉胆结构”的中国发明专利公开了一种实现真空气淬过程中的气流可上下切换的炉胆结构，用以增加冷却均匀性，进而减小金属构件变形；公开日为2018年08月17日、公开号为CN207738818U、名称为“一种具有多样性流道的真空高压气淬炉”的中国实用新型专利，利用炉体多样性流道提升淬火过程冷却均匀性来减小高压气淬金属构件变形。上述两个专利虽然也可以减小高压气淬金属构件变形，但需要重新升级热处理设备，结构更复杂，成本更高，且对于不同尺寸、不同结构的金属构件适用性有限。
发明内容
本发明的目的是为解决真空高压气淬过程中不均匀流场及温度场导致金属构件内部温度不均所造成的金属构件变形问题，提供一种控制真空高压气淬过程中金属构件变形的方法。
本发明的技术核心点是让金属构件的快冷区域和慢冷区域同步冷却，使不同部位的Biot数(金属构件内部单位导热面积上的导热热阻与单位面积上的换热热阻(即外部热阻)之比)相等。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
一种控制真空高压气淬过程中金属构件变形的方法，所述方法步骤为：
步骤一、在真空高压气淬炉内确定不均匀流场、温度场及其对流换热系数；
步骤二、根据温度场分布计算得到金属构件不同区域修饰层材料的厚度；
步骤三、依据计算得到的金属构件不同区域修饰层材料的厚度在金属构件的不同区域涂覆相应厚度的修饰材料；
步骤四、将涂覆修饰层材料后的金属构件置于真空高压气淬炉内并位于有效加热区，进行热处理；
步骤五、对热处理后的金属构件进行直线度与圆度变形测量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明可以使金属构件的快冷区域和慢冷区域同步冷却，避免金属构件内部温度梯度变化产生的热应力超过材料的屈服强度，发生不可恢复的塑性变形。
2.在不大幅调整热处理设备结构的基础上，本方法对不同尺寸，不同形状金属构件的气淬变形均具有较好的适用性。
3.本方法中所提及的在金属构件表面涂覆修饰层材料，在气淬完成后修饰层材料能够自动剥落，无需其他后续操作，节约了时间，提高了效率。
附图说明
图1是金属构件放置在真空高压气淬炉内截面流场分布示意图；
1-炉壳；2-炉胆；3-高速流体喷嘴；4-有效加热区；5-金属构件；6-快冷区域；7-慢冷区域；
图2是金属构件放置在真空高压气淬炉加热区的简化建模示意图；
2-炉胆；3-高速流体喷嘴；5-金属构件；
图3是金属构件气淬过程中的温度场分布示意图；
8-572K等温线；9-730K等温线；10-889K等温线；11-A区域；12-B区域；13-C区域；14-D区域；
图4是金属构件涂覆修饰层前后对比示意图；
其中(a)图表示原始金属构件；(b)图表示涂覆有修饰层材料的金属构件；8-572K等温线；9-730K等温线；11-A区域；12-B区域；
图5是金属构件气淬后变形数据测量示意图；
其中(c)图表示对修饰前的金属构件圆度变形测量图；(d)图表示对修饰后的金属构件圆度变形测量图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施方式一：本实施方式披露了一种控制真空高压气淬过程中金属构件变形的方法，所述方法步骤为：
步骤一、在真空高压气淬炉内确定不均匀流场、温度场及其对流换热系数；
步骤二、根据温度场分布计算得到金属构件5不同区域修饰层材料的厚度；
步骤三、依据计算得到的金属构件5不同区域修饰层材料的厚度在金属构件5的不同区域涂覆相应厚度的修饰材料；涂覆前后的金属构件5如图4所示；
涂覆方法为现有技术，这里举两个例子：
一种是用刷子将修饰材料涂刷到金属构件5表面，待修饰材料风干，用游标卡尺或膜厚仪测量修饰层材料厚度，反复涂刷直至修饰层材料厚度达到要求(类似墙面刮大白)；另一种是将修饰材料装入空压机中的喷枪，用空压机将修饰材料通过喷枪喷覆到金属构件5表面，待修饰材料风干，用游标卡尺或膜厚仪测量修饰层材料厚度，反复喷覆直至修饰层材料厚度达到要求(类似汽车喷漆)。
步骤四、将涂覆修饰层材料后的金属构件5置于真空高压气淬炉内并位于有效加热区4，进行热处理；
步骤五、对热处理后的金属构件5进行直线度与圆度变形测量(为现有技术)。
实验中的直线度误差测量是按照国家标准《GB/T 11336-2004直线度误差检测》中所述的水平仪法进行的。圆度误差的测量按照国家标准《GB/T 4380-2004圆度误差的评定两点、三点法》中的两点法进行的。
利用测量工具测量金属构件5的直线度与圆度变形，其中修饰前后的金属构件5圆度变形测试结果如图5所示。圆度变形减少82％，由1.56％减少至0.09％。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，步骤一具体为：根据真空高压气淬炉的实际尺寸及高速流体喷嘴3布置位置，通过流场和温度场耦合仿真计算出炉内的流场分布及流体在炉内不同位置处的对流换热系数，以及金属构件5的温度场分布。
流场和温度场耦合仿真计算为现有技术，采用商用或开源有限元软件如AnsysFluent、Abaqus、Star CCM、OpenFoam等，根据测量所得真空高压气淬炉的实际尺寸及高速流体喷嘴3布置位置、金属构件5的尺寸(包括直径和厚度；譬如，直径Φ100mm、厚度1mm)，建立金属构件5放置在真空高压气淬炉有效加热区4内的几何模型，如图2所示。之后，划分网格、设置模拟参数，再通过流场-温度场耦合仿真计算出炉内的流场分布及流体在炉内不同位置处的对流换热系数，以及金属构件5的温度场分布，如图3所示。从图3中可以看出，因为喷嘴位置布置的方式所产生的不均匀流场在金属构件5的气淬冷却过程中产生了不均匀的温度场；
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，步骤二具体为：根据温度场分布中的等温线位置，将金属构件5划分为不同的区域记为x区(x＝A，B，…，N)；图3中的相邻两等温线之间的金属构件5部分为同一区域；根据下式(1)计算得到金属构件5不同区域修饰材料的厚度；
其中：Bix——Biot数；定义为金属构件5内部单位导热面积上的导热热阻与单位面积上的换热热阻(即外部热阻)之比；
Lx(mm)：表示金属构件5的特征长度；
λx(W/m·K)：表示金属构件5不同区域的热导率；
hx(W/m2·K)：表示金属构件5不同区域对应的流场的对流换热系数；
Lmx(mm)：表示金属构件5不同区域的修饰层的厚度；
λmx(W/m·K)：表示金属构件5不同区域的修饰层的热导率。
譬如：金属构件5的特征长度Lx取半厚度＝0.0005m，热导率为16.27W/m·K。所用修饰材料的热导率为0.03W/m·K。根据式(1)计算金属构件5不同位置处的修饰层厚度，使金属构件5各处的Biot数相等，见表1。
表1：
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，步骤三中，所述修饰层材料为与金属构件5具有良好附着力的低热导率和/或高热导率涂料。
低热导率涂料为一种能够降低金属构件5区域冷却速度的材料；
高热导率涂料为一种能够提高金属构件5区域冷却速度的材料。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四作出的进一步说明，步骤三中，低热导率修饰层材料为低热导率空心微珠陶瓷涂料或气凝胶涂料(热导率：0.03-0.1W/m·K)；高热导率修饰层材料为高热导率石墨涂料(热导率：15-150W/m·K)。
修饰层材料不局限为上述几种材料，任何与金属构件5具有良好附着力的低热导率或高热导率涂料均可根据调控Biot数的需要供本发明方法使用。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，步骤四中，热处理步骤是：先进行加热，温度升至金属构件5的Ac1或Ac3以上30-50℃后，对金属构件5进行保温处理，保温时间依据下式(2)确定；
τ＝a×KD (2)
式中；τ——金属构件5的保温时间,min；
a——加热系数，min/mm，通常在0.7-0.8范围内选取；
K——反应装炉量的修正系数，通常在1.0-1.3范围内选取；
D——金属构件5的有效厚度，mm；
之后用氮气淬火使金属构件5的温度快速冷却至Ms点以下，气淬完成后修饰层材料自动脱落。
Ac1是指金属加热时珠光体向奥氏体转变的温度；
Ac3是指金属加热时转变为奥氏体的终了温度；
Ms点是指为马氏体转变的起始温度,是奥氏体和马氏体两相自由能之差达到相变所需的最小驱动力(临界驱动力)时的温度。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六作出的进一步说明，气淬结束后炉中仍继续通入氮气至金属构件5冷却至室温。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种控制真空高压气淬过程中金属构件变形的方法，其特征在于：所述方法步骤为：
步骤一、在真空高压气淬炉内确定不均匀流场、温度场及其对流换热系数；
步骤二、根据温度场分布计算得到金属构件(5)不同区域修饰层材料的厚度；
步骤三、依据计算得到的金属构件(5)不同区域修饰层材料的厚度在金属构件(5)的不同区域涂覆相应厚度的修饰材料；
步骤四、将涂覆修饰层材料后的金属构件(5)置于真空高压气淬炉内并位于有效加热区(4)，进行热处理；
步骤五、对热处理后的金属构件(5)进行直线度与圆度变形测量。
2.根据权利要求1所述的一种控制真空高压气淬过程中金属构件变形的方法，其特征在于：步骤一具体为：根据真空高压气淬炉的实际尺寸及高速流体喷嘴(3)布置位置，通过流场和温度场耦合仿真计算出炉内的流场分布及流体在炉内不同位置处的对流换热系数，以及金属构件(5)的温度场分布。
3.根据权利要求1所述的一种控制真空高压气淬过程中金属构件变形的方法，其特征在于：步骤二具体为：根据温度场分布中的等温线位置，将金属构件(5)划分为不同的区域记为x区(x＝A，B，…，N)；根据下式(1)计算得到金属构件(5)不同区域修饰材料的厚度；
其中：Bix——Biot数；定义为金属构件(5)内部单位导热面积上的导热热阻与单位面积上的换热热阻之比；
Lx(mm)：表示金属构件(5)的特征长度；
λx(W/m·K)：表示金属构件(5)不同区域的热导率；
hx(W/m2·K)：表示金属构件(5)不同区域对应的流场的对流换热系数；
Lmx(mm)：表示金属构件(5)不同区域的修饰层的厚度；
λmx(W/m·K)：表示金属构件(5)不同区域的修饰层的热导率。
4.根据权利要求1所述的一种控制真空高压气淬过程中金属构件变形的方法，其特征在于：步骤三中，修饰层材料为与金属构件(5)具有良好附着力的低热导率和/或高热导率涂料。
5.根据权利要求4所述的一种控制真空高压气淬过程中金属构件变形的方法，其特征在于：步骤三中，低热导率修饰层材料为低热导率空心微珠陶瓷涂料或气凝胶涂料；高热导率修饰层材料为高热导率石墨涂料。
6.根据权利要求1所述的一种控制真空高压气淬过程中金属构件变形的方法，其特征在于：步骤四中，热处理步骤是：先进行加热，温度升至金属构件(5)的Ac1或Ac3以上30-50℃后，对金属构件(5)进行保温处理，保温时长依据下式(2)确定；
τ＝a×KD (2)
式中；τ——金属构件(5)的保温时间,min；
a——加热系数，min/mm，通常在0.7-0.8范围内选取；
K——反应装炉量的修正系数，通常在1.0-1.3范围内选取；
D——金属构件(5)的有效厚度，mm；
之后用氮气淬火使金属构件(5)的温度快速冷却至Ms点以下，气淬完成后修饰层材料自动脱落。
7.根据权利要求6所述的一种控制真空高压气淬过程中金属构件变形的方法，其特征在于：气淬结束后炉中仍继续通入氮气至金属构件(5)冷却至室温。
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| Title |
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|---|---|---|---|---|
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