CN202246747U - 余热等温正火炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了利用锻造余热对合金渗碳钢零件进行等温正火热处理的余热等温正火炉。包括传送机构(2)、缓冷室(3)、速冷室(4)、等温炉(5)、控制系统和传动系统，其中，传送机构的两端分别与锻锤工位和缓冷室的前端相连接，缓冷室的后端与速冷室前端相连接，速冷室的后端与等温炉的前端相连接，控制系统控制整个装置的运行，并至少对锻坯的预冷温度T₁、强冷温度T₂、等温温度T_iso和等温时间t_iso这四个工艺参数进行控制。

Description

余热等温正火炉

技术领域

本实用新型总的涉及机械零件的热处理，特别是涉及利用毛坯锻造后的余热对合金渗碳钢制件进行等温正火处理的余热等温正火炉。

背景技术

机械制造与装备工业，是技术发展与经济增长的重要领域，但又是能耗比较高的生产行业。以汽车的渗碳齿轮为例，其制造加工工艺过程如附图1所示，其中有三道是需要高温加热的高耗能热加工工序，分别为锻造(或轧制)、正火和渗碳淬火。

正火是一种热处理工序，主要用来改善渗碳钢制件毛坯(以下称锻坯)在高温锻造后晶粒粗大、不均的问题，并消除出现的α-魏氏组织及非稳定组织(如马氏体、贝氏体)，且为后期切削加工提供适合硬度与理想组织(等轴先共析铁素体+珠光体组织)。然而，传统的正火对处理汽车制件锻坯仍常常出现非稳定显微组织，硬度散差大，切削加工出现打刀、粘刀现象，存在制件加工精度提高困难，渗碳淬火后制件变形超差较大等问题。为解决上述加工质量问题，现已普遍采用等温正火工艺，使汽车锻坯加工质量得到明显的改善。

但是，等温正火工序与传统正火工序一样，都存在热能消耗大的问题，每吨锻坯的正火能耗约为400～480kw·h。而且，目前以将锻坯密排堆放的方式进行等温正火的推杆式等温正火设备也很难达到真正“有效等温正火”的目的。

由于正火工序是在锻造工序后进行的，而且锻造终锻后锻坯仍处于高温奥氏体状态，具备了正火加热时需要奥氏体化的条件，人们自然会想到利用锻造后锻坯的高温余热来直接进行正火，从而节省正火的能耗。然而经长期研究发现，由于锻造加热温度很高，终锻温度也很高且温度高低不均，使其奥氏体晶粒比较粗大和不均匀。而且，在随后空冷时容易形成α-魏氏组织及非稳定组织，使锻坯的切削加工性能降低，并且使该渗碳钢制件的最终使用性能明显降低。因此，锻坯利用锻造后的余热直接进行正火因质量较差且不稳定而至今未被应用。

实用新型内容

因此，本实用新型的目的在于，提供一种余热等温正火炉，其利用锻造等加工余热对合金渗碳钢制件进行等温正火的热处理加工，同时使钢制件的热处理质量优于或至少等于用正火和等温正火等传统热处理。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种余热等温正火炉，包括传送机构、缓冷室、速冷室、等温炉、控制系统和传动系统，其中，传送机构的两端分别与锻锤工位和缓冷室的前端相连接，缓冷室的后端与速冷室前端相连接，速冷室的后端与等温炉的前端相连接，控制系统控制整个装置的运行，并至少对锻坯的预冷温度T₁(以下简称T₁)、强冷温度T₂(以下简称T₂)、等温温度T_iso(以下简称T_iso)和等温时间t_iso(以下简称t_iso)这四个工艺参数进行控制。

较佳的是，所述的控制装置还对预冷速度V₁(以下简称V₁)、预冷温度停留时间t₁(以下简称t₁)和强冷速度V₂(以下简称V₂)这些工艺参数进行控制。

较佳的是，所说的缓冷室安装有散热吹排风机构和加热机构中的至少一种。安装散热吹排风机构是为了更好地控制锻坯的V₁，而安装加热机构是为了保证锻坯在缓慢冷却时的T₁和t₁。

较佳的是，所述的速冷室安装有吹排风机构和导流机构中的至少一个。安装吹排风机构是为了加强气体流动，使锻坯的快速冷却符合V₂，能快速降温至T₂。安装导流机构是为了使速冷室各部位的气体流动均匀。

较佳的是，所述的控制系统具有按照钢制件实际化学成分、有效厚度、硬度及显微组织是要求获得V₁、T₁、t₁、V₂、T₂、T_iso、t_iso这些工艺参数的计算系统。即，将上述工艺参数以公式形成计算机程序。

于是，当输入某批次钢制件的实际化学成分、有效厚度、硬度和显微组织的要求后，就能立即获得一组上述工艺参数的数值。可将该组工艺参数数值自动输入或手动输入到控制系统中，以对装置的运行进行控制。

较佳的是，所述的控制系统还具有工艺参数数值纠正系统。即，当输入的工艺参数数值对装置运行控制出现不符合要求的问题时(如硬度或显微组织不符)，系统能以菜单或其它形式提供问题咨询，对出现的问题给出解决办法与建议。本实用新型给出可能出现不符合要求的问题及处理意见如下。

其中，处理意见的代号分别表示为：

4-1：按钢的实际化学成分调整工艺。

4-2：校准等温炉处各区段温度，按HB±10

5℃调整。

4-3：延长等温保持时间，对低合金渗碳钢制件，延至4h。

4-4：缩短等温前吹风冷却时间≤3min。

4-5：增大等温前的吹风烈度。

4-6：将钢制件表面磨去1mm左右，重测硬度，如仍然过低，按4-1、4-4、4-5处理。

4-7：选择化学成分相近(同炉号)钢制件，仍采用同一工艺参数处理，按实际化学成分调整工艺。

4-8：钢材退货处理，建立钢材进厂质量检验制度，对于齿轮钢退火态的带状组织≤3级。

4-9：调整吹风口或采用气流导流装置，使钢制件各部位吹风冷却均匀。

4-10：适当提高等温保持温度，应使T_iso＞T₂。

4-11：降低V₁。

本实用新型还构思了的一种锻造余热等温正火的方法，包括：将经终锻后的锻造的锻坯从终锻温度缓慢冷却到预冷温度T₁，再快速冷却到强冷温度T₂，然后在等温温度T_iso下进行时间为等温时间t_iso的等温转变，随后再以缓冷、空冷或风冷方式冷却到室温。

上述所说的T₂与T_iso可以相同，也可以不同。

1)上述所说的T₁参数范围可按下列公式确定：

T₁＝910-320C-14Mn-12Cu-10Ni+5Cr+7W+14Mo+18Si+45V+50Ti-20。

上式中化学元素符号表示该元素在钢中的实际含量wt％，下同。

2)上述所说的T₂参数范围可按下列公式确定：

T₂(℃)＝a₂-b₂C-c₂Mn-d₂Ti-e₂V-f₂Si-g₂Cr-h₂Mo-i₂Ni-j₂W

式中：a₂、b₂、c₂、d₂、e₂、f₂、g₂、h₂、i₂、j₂为系数，取值范围分别为：a₂＝600～750；b₂＝0～15；c₂＝38～48；d₂＝40～52；e₂＝32～40；f₂＝28～36；g₂＝5～30；h₂＝15～24；i₂＝18～26；j₂＝12～20。

3)上述所说的T_iso参数范围可按下列公式确定：

T_iso＝(a₃-b₃Ni-c₃Cu-d₃Mn+e₃Mo+f₃Cr-g₃Si+h₃V+i₃Ti-20)-[HB-(j₃+k₃C

+l₃Al+m₃Ti+n₃V+o₃Si+p₃Cu+q₃Mn+r₃Mo+s₃Ni+t₃Cu+u₃W)]/1.4(C-v₃)

式中：HB为锻坯正火后的技术要求硬度值，a₃、b₃、c₃、d₃、e₃、f₃、g₃、h₃、i₃、j₃、k₃、l₃、m₃、n₃、o₃、p₃、q₃、r₃、s₃、t₃、u₃、v₃为系数，取值范围分别为：a₃＝700～725；b₃＝15～26；c₃＝7～15；d₃＝5～15；e₃＝8～20；f₃＝12～25；g₃＝15～28；h₃＝48～58；i₃＝45～55；j₃＝50～65；k₃＝105～125；l₃＝50～65；m₃＝45～60；n₃＝30～40；o₃＝40～55；p₃＝30～45；q₃＝25～40；r₃＝15～30；s₃＝15～30；t₃＝5～15；u₃＝8～16；v₃＝0.1～0.25。

4)上述所说的t_iso参数范围可按下列公式确定：

t_iso≥t_m/60+1.5H

其中：logt_m(s)＝(a₄C+b₄V+c₄Ti+d₄Mo+e₄Cr+f₄Mn+g₄W+h₄Ni+i₄Si)+1.5，

式中：H为锻坯的有效厚度；a₄、b₄、c₄、d₄、e₄、f₄、g₄、h₄、i₄为系数，取值范围分别为：a₄＝3～6，b₄＝1～5，c₄＝1～6，d₄＝0.1～0.7，e₄＝0.1～0.5，f₄＝0.3～0.8，g₄＝0.3～0.8，h₄＝0.1～0.5，i₄＝0.1～0.5。

较佳的是，上述所说的缓慢冷却是指以预冷速度V₁冷却到预冷温度T₁，其中：V₁≤20。

较佳的是，上述所说的缓慢冷却是指先以预冷速度V₁冷却到预冷温度T₁，再在T₁下进行时间为预冷温度停留时间t₁的保温，其中：t₁≤10。

上述所说的快速冷却是指以强冷速度V₂快速冷却到强冷温度T₂，V₂参数范围可按下列公式确定：

V₂≥Vc·60

其中：logVc＝a₁-(b₁C+c₁Mn+d₁Si+e₁Cr+f₁Ni+g₁Mo+h₁Pa)，

$\mathrm{Pa}={[\frac{1}{1000+273}\·\frac{2.603\×8.3144}{460.55}\·\log \frac{30}{60}]}^{-1}$

式中：a₁、b₁、c₁、d₁、e₁、f₁、g₁、h₁为系数，，取值范围分别为：a₁＝10～15，b₁＝1～8，c₁＝1～5，d₁＝0.1～1.0，e₁＝0.1～2.0，f₁＝0.1～2.0，g₁＝1～5，h₁＝0.001～0.005。

通过精确地控制上述所说的T₁、T₂、T_iso和t_iso这四个工艺参数，最好是精确控制上述所说的V₁、T₁、t₁、V₂、T₂、T_iso、t_iso这七个工艺参数，即可实现钢制件利用锻造余热进行等温正火的热处理加工，并确保钢制件的正火质量不低于或好于用传统正火和等温正火热处理的质量。

应该理解，上述所说的锻造还包括热轧、热挤压等热塑性变形成型加工，所述的终锻是指锻造完成最后一道热塑性变形成型加工的时刻。

上述所说的速度单位为℃/min；所述的温度单位为℃；所述的时间单位为min。

上述所说的在终锻温度以缓慢冷却到预冷温度T₁的冷却方式可以采用保温缓冷、空冷或是吹风冷却；所述的以快速冷却到T₂的冷却方式可以采用吹风冷却、空冷或是水雾冷却；所述的任意冷却方式可以采用保温缓冷、空冷或吹风冷却。

本实用新型深入研究了采用锻造余热进行等温正火热处理的工艺参数对锻坯及最终渗碳钢制件质量的影响，得到了锻坯锻造后通过精确控制冷却直接进行等温正火热处理的工艺方法。用本实用新型的装置和方法对锻坯进行正火，不但节省了正火热处理能耗，而且其锻坯质量优于用传统正火和等温正火热处理的质量，同时使得锻坯利用锻造余热进行等温正火热处理的稳定生产得以实现。

更具体地说，采用本实用新型的优点和效果如下。

1)可以获得优异的切削加工性能

渗碳钢制件(齿轮)正火的目的主要是改善切削加工性能。实验研究表明，渗碳钢(如20CrMnMo(SCM22))若经普通正火则硬度波动较大，显微组织中会出现少量贝氏体，使切削性能恶化，不但会出现打刀、粘刀现象而损失昂贵刀具，而且加工精度难以提高。而用本实用新型的装置和方法处理的锻坯，则可稳定的获得铁素体加珠光体组织，硬度适中并可以控制，切削性能良好，加工精度明显提高，表面切削力和切削热小，有利于刀具使用寿命提高。

2)明显降低锻坯切削加工后的淬火变形

汽车齿轮渗碳淬火后一般不经磨削加工即装车使用，因此要求齿轮热处理变形很小和变形规律稳定，从而运行降低噪声和减少磨损。研究表明，用本实用新型方法与装置处理并切削加工后的齿轮切削加工后残余应力远小于传统工艺处理后的残余应力，这对减小齿轮渗碳淬火变形至关重要。

3)大量节能、节材、降低生产成本

本实用新型在确保被处理钢制件具有高质量的前提下，省去了传统工艺需要将锻坯加热到940～960℃并实现奥氏体化的热能，每吨钢制件节省400～480kw·h电能。由于省去了这道高温加热工序，减少了钢制件表面氧化，可以减小钢制件用钢量而节省钢材。因此，又可减少去除氧化皮(和酸洗)的消耗。此外，由于切削加工性能改善，减少了加工刀具的消耗。因此，可以显著降低生产成本而取得良好的经济效益和社会效益。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是传统汽车渗碳齿轮制造加工工艺过程图。

图2是用本实用新型方法改进的汽车渗碳齿轮制造加工工艺过程图。

图3是根据本实用新型的、用于对合金渗碳钢制件进行热处理的余热等温正火炉的示意图。

具体实施方式

图3示出了根据本实用新型较佳实施例的余热等温正火炉，其中，1是锻锤工位；2是传送机构；3是缓冷室，31是缓冷室的散热吹排风机构；32是缓冷室的加热机构；4是速冷室；41是速冷室的吹排风机构；42是速冷室的导流机构；5是等温炉。

本实用新型的余热等温正火炉主要包括传送机构2、缓冷室3、速冷室4、等温炉5、控制系统(未图示)和传动系统(未图示)，其中，传送机构2的两端分别与锻锤工位1和缓冷室3的前端相连接；缓冷室3的后端与速冷室4前端相连接；速冷室4后端与等温炉5前端相连接。控制系统控制整个装置的运行，并至少对锻坯的预冷温度T₁、强冷温度T₂、等温温度T_iso和等温时间t_iso这四个工艺参数进行控制，最好还对预冷速度V₁、预冷温度停留时间t₁和强冷速度V₂这些工艺参数进行控制。另外，传动系统也由控制装置进行控制。

缓冷室3安装有散热吹排风机构31和加热机构32，以便更好地控制V₁，并保证锻坯在缓慢冷却时的T₁和t₁。速冷室4安装有吹排风机构41和导流机构42，其目的是加强气体流动，使锻坯的快速冷却符合V₂，能快速降温至T₂，而且使速冷室各部位的气体流动均匀。

装置的控制系统为计算机集散控制系统，具有温度控制、时间控制及各机构运行控制功能，并安装有工艺参数计算与纠正的计算机专家软件系统

本实用新型的余热等温正火的方法主要包括：将经终锻后的锻造的锻坯从终锻温度缓慢冷却到预冷温度T₁，再快速冷却到强冷温度T₂，然后在等温温度T_iso下进行时间为等温时间t_iso的等温转变，随后再以缓冷、空冷或风冷方式冷却到室温。

锻坯缓慢冷却到预冷温度T₁的步骤在缓冷室3内进行，而快速冷却到强冷温度T₂的步骤在速冷室4内进行。锻坯的等温正火处理(等温温度T_iso，等温时间t_iso)则在等温炉5内进。T₂与T_iso可以相同，也可以不同。

上述所说的T₁参数范围可按下列公式确定：

T₁＝910-320C-14Mn-12Cu-10Ni+5Cr+7W+14Mo+18Si+45V+50Ti-20。

上式中化学元素符号表示该元素在钢中的实际含量wt％，下同。

上述所说的T₂参数范围可按下列公式确定：

T₂(℃)＝a₂-b₂C-c₂Mn-d₂Ti-e₂V-f₂Si-g₂Cr-h₂Mo-i₂Ni-j₂W

式中：a₂、b₂、c₂、d₂、e₂、f₂、g₂、h₂、i₂、j₂为系数，取值范围分别为：a₂＝600～750；b₂＝0～15；c₂＝38～48；d₂＝40～52；e₂＝32～40；f₂＝28～36；g₂＝5～30；h₂＝15～24；i₂＝18～26；j₂＝12～20。

上述所说的T_iso参数范围可按下列公式确定：

T_iso＝(a₃-b₃Ni-c₃Cu-d₃Mn+e₃Mo+f₃Cr-g₃Si+h₃V+i₃Ti-20)-[HB-(j₃+k₃C

+l₃Al+m₃Ti+n₃V+o₃Si+p₃Cu+q₃Mn+r₃Mo+s₃Ni+t₃Cu+u₃W)]/1.4(C-v₃)

式中：HB为锻坯正火后的技术要求硬度值，a₃、b₃、c₃、d₃、e₃、f₃、g₃、h₃、i₃、j₃、k₃、l₃、m₃、n₃、o₃、p₃、q₃、r₃、s₃、t₃、u₃、v₃为系数，取值范围分别为：a₃＝700～725；b₃＝15～26；c₃＝7～15；d₃＝5～15；e₃＝8～20；f₃＝12～25；g₃＝15～28；h₃＝48～58；i₃＝45～55；j₃＝50～65；k₃＝105～125；l₃＝50～65；m₃＝45～60；n₃＝30～40；o₃＝40～55；p₃＝30～45；q₃＝25～40；r₃＝15～30；s₃＝15～30；t₃＝5～15；u₃＝8～16；v₃＝0.1～0.25。

上述所说的t_iso参数范围可按下列公式确定：

t_iso≥t_m/60+1.5H

其中：logt_m(s)＝(a₄C+b₄V+c₄Ti+d₄Mo+e₄Cr+f₄Mn+g₄W+h₄Ni+i₄Si)+1.5，

式中：H为锻坯的有效厚度，a₄、b₄、c₄、d₄、e₄、f₄、g₄、h₄、i₄为系数，取值范围分别为：a₄＝3～6，b₄＝1～5，c₄＝1～6，d₄＝0.1～0.7，e₄＝0.1～0.5，f₄＝0.3～0.8，g₄＝0.3～0.8，h₄＝0.1～0.5，i₄＝0.1～0.5。

缓慢冷却是指以预冷速度V₁冷却到预冷温度T₁，其中：V₁≤20。

缓慢冷却是指先以预冷速度V₁冷却到预冷温度T₁，再在T₁下进行时间为预冷温度停留时间t₁的保温，其中：t₁≤10。

快速冷却是指以强冷速度V₂快速冷却到强冷温度T₂，V₂参数范围可按下列公式确定：

V₂≥Vc·60

其中：logVc＝a₁-(b₁C+c₁Mn+d₁Si+e₁Cr+f₁Ni+g₁Mo+h₁Pa)，

$\mathrm{Pa}={[\frac{1}{1000+273}\·\frac{2.603\×8.3144}{460.55}\·\log \frac{30}{60}]}^{-1}$

式中：a₁、b₁、c₁、d₁、e₁、f₁、g₁、h₁为系数，，取值范围分别为：a₁＝10～15，b₁＝1～8，c₁＝1～5，d₁＝0.1～1.0，e₁＝0.1～2.0，f₁＝0.1～2.0，g₁＝1～5，h₁＝0.001～0.005。

所说的锻造还包括热轧、热挤压等热塑性变形成型加工，所说的终锻是指锻造完成最后一道热塑性变形成型加工的时刻。

上述所说的速度单位为℃/min；所述的温度单位为℃；所述的时间单位为min。

另外，在终锻温度以缓慢冷却到预冷温度T₁的冷却方式可以采用保温缓冷、空冷或是吹风冷却。以快速冷却到T₂的冷却方式可以采用吹风冷却、空冷或是水雾冷却。任意冷却方式可以采用保温缓冷、空冷或吹风冷却。

按照本实用新型的控制冷却方法形成的汽车渗碳齿轮制造加工工艺过程如图2所示。以下将结合两个实例来详细描述本实用新型的工艺。

实例1：

试验用齿轮锻坯选用20CrMnTi钢，检测该批次的锻坯实际化学成分为wt％：0.186C，0.25Si，1.05Mn，0.020S，0.015P，1.02Cr，0.15Ti。锻件(锻坯)有效厚度为：30mm；要求硬度为HB165～185，显微组织为F(铁素体)+P(珠光体)，无B(贝氏体)和M(马氏体)。

将锻坯实际化学成分、有效厚度和要求的硬度录入上述公式的计算系统，得到：

预冷温度T1＝800℃，预冷温度停留时间t1＝2min，选择预冷速度V₁＝5℃/min；

强冷速度V₂＝60℃/min，强冷温度T₂＝610℃；

等温温度T_iso＝610℃，等温时间t_iso＝150min。

将计算出的工艺参数输入装置的控制系统并运行装置，锻坯经该装置处理后，同炉锻坯硬度HB170～180，同件锻坯硬度散差仅±3HB，完全符合硬度要求。金相组织为F+P，未发现B和M。

实例2：

在该实例中，是将本实用新型的余热等温正火炉中的控制系统与工艺参数计算专家软件进行通讯，使锻坯实际化学成分、有效厚度和硬度要求输入后直接控制装置运行。

试验用齿轮锻坯选用20CrMnMo(SCM22)钢，检测该批次的锻坯实际化学成分为wt％：0.201C，0.25Si，0.65Mn，0.03S，0.02P，1.10Cr，0.25Mo。工件(锻坯)有效厚度为：30mm；要求硬度为HB160～180，显微组织为F+P。

将锻坯实际化学成分、有效厚度和要求的硬度录入上述公式的计算系统，得到：

预冷温度T₁＝810℃，预冷温度停留时间t₁＝(5)min，选择预冷速度V1＝20℃/min；

强冷速度V₂＝56℃/min，强冷温度T₂＝650℃；

等温温度T_iso＝620℃，等温时间t_iso＝180min。

将计算出的工艺参数输入装置的控制系统并运行装置，锻坯经该装置处理后，同炉锻坯硬度HB172～180，同件锻坯硬度散差仅±3HB，符合硬度要求，但硬度接近硬度要求的上限，金相组织为F+P，未发现B和M。查询装置的计算机专家软件系统，属于代号4-2的等温温度过低问题，将等温炉炉温校准并调整为T_iso＝630℃，其它参数不变，再经装置处理的锻坯硬度为HB166～172，同件锻坯硬度散差仅±2.5HB，符合硬度要求，金相组织为F+P，未发现B和M。

虽然以上结合本实用新型的较佳实施例对本实用新型的余热等温正火炉和方法进行了描述，但应该理解，熟悉本领域的普通技术人员应该可以在在以上揭示内容的基础上作出各种等同的变型和改动，因此本实用新型的保护范围应由所附权利要求来限定，而不限于以上描述的内容。

Claims (6)

1.一种余热等温正火炉，包括传送机构(2)、缓冷室(3)、速冷室(4)、等温炉(5)、控制系统和传动系统，其中，传送机构的两端分别与锻锤工位和缓冷室的前端相连接，缓冷室的后端与速冷室前端相连接，速冷室的后端与等温炉的前端相连接，控制系统控制整个装置的运行，并至少对锻坯的预冷温度T₁、强冷温度T₂、等温温度T_iso和等温时间t_iso这四个工艺参数进行控制。

2.如权利要求1所述的余热等温正火炉，其特征在于，所述的控制装置还对预冷速度V₁、预冷温度停留时间t₁和强冷速度V₂这些工艺参数进行控制。

3.如权利要求1所述的余热等温正火炉，其特征在于，所说的缓冷室安装有散热吹排风机构(31)和加热机构(32)中的至少一个。

4.如权利要求1所述的余热等温正火炉，其特征在于，所说的速冷室安装有吹排风机构(41)和导流机构(42)中的至少一个。

5.如权利要求1所述的余热等温正火炉，其特征在于，所说的控制系统具有按照钢制件实际化学成分、有效厚度、硬度及显微组织是要求获得V₁、T₁、t₁、V₂、T₂、T_iso、t_iso这些工艺参数的计算系统。

6.如权利要求1或5所述的余热等温正火炉，其特征在于，所说的控制系统具有工艺参数数值纠正系统。

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