热金属物体的淬火制造技术

淬火热金属物体的方法，包括从大量的喷嘴出口中排出大量单独的气流，使气流基本上均一地撞击在物体的外表面上，其中每一个喷嘴出口和其相应气流所撞击的物体外表面的间距（ａ）小于或等于喷嘴出口直径（ｄ）的一半。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及淬火热金属物体的方法。众所周知，淬火一种金属物体(即将物体从奥氏体范围内的热处理温度，迅速冷却至一非常低的，通常是室温的温度)能够显著改善它的机械性能和特性。例如通过控制内部的晶体形成和/或沉淀，淬火被用于使物体硬化和/或改善它的机械性能。传统上，淬火是使用液体如水，油或盐水，以浸浴或喷射系统的形式来实现的。近些年来，气体淬火方法已经得到发展。气体淬火具有淬火后洁净，无毒和无待去除的残留物的优点，然而，在达到与更多的常规液体淬火过程所提供的近似的高淬火速率时遇到了困难。淬火是一个高速的过程，要求在高热流密度的条件下，将物体内部的热量通过物体的冷却表面被带走。通常希望物体的淬火是均一的，以使淬火过的物体具有均一的表面或内部特性，然而在多数淬火技术中，由于各种因素，主要是由于莱登弗洛斯特现象，淬火的均一性是很难实现的。任何淬火系统的淬火效果通常是由Grossman淬火强度系数H来表征的；对于液体淬火剂如水或油，H通常落在0.2-4的范围内。使用气体淬火是不容易达到如此高的H值的；当使用气体淬火时，冷却强度可以通过使用几种不同的方法来提高；如提高淬火压力；提高气体喷射到物体上的速度；选择气体(虽然氦气和氢气比氮气昂贵，但因为它们各自的热传递系数不同，氮气不如氦气好，氦气不如氢气好)；优化气流条件；提高气体的湍流；和提高气体的冷却程度。使用主要包括氮气，氩气和/或氦气的复合冷气流，在相当于60巴的压力下进行的气体淬火，已经在真空炉中实施过，且用于淬火成批部件(bulk components)的特性是公知的。最近，在真空炉或常规的大气炉中加热单一的或小批部件的气体淬火已经提出。在现有技术中已经知道，为了省略冷却炉子结构的需要，这些技术还包括将被淬火过的物体输送到一专门设计的冷室中。为了符合单一的物体或部件均一淬火的标准，必须使淬火剂均一地达到物体表面。在实践中，气体淬火工艺还包括使经与物体相接触后被加热的气体均一地离开表面(以使更新鲜的冷气体能够作用于表面而继续淬火过程)；因此，不连续的到达和离开的气体量必须存在。理论上，这些数量理想中应无限的小，但是从实践需要考虑，这些数量应大到只要能够与基本均一的热传递相一致即可。第二个影响淬火均一性的因素是各气流之间的相互作用。已知对于恒定的质量流量，气流宽度(d)与气体喷嘴出口和物体表面间距(a)的比值为4，相邻气流间距(b)是气流宽度(d)的3倍时，热传递系数达到最大值。众所周知，当气流撞击物体表面时在气流边缘形成的湍流对热量的传递具有显著的作用，然而由于气流之间复杂的相互作用，这些湍流区域的形态和大小是很难预知的。进一步影响气体淬火均一性的一个因素是，虽然撞击物体表面的气体速度应尽可能的高，并且应尽可能垂直地作用于表面，但相对于表面的气流速度和入射角也应尽可能均一，而热传递系数取决于上述这两方面因素。有人提议，为了使热传递系数达到最大，使相邻气流之间相互反应的因素达到最小，只要在整个距离内气流速度的损失一致，气体喷嘴出口与表面的间距(a)应当尽可能的大。例如，US5452882提出，为了获得0.2-4之间的淬火强度系数H，大量直径为d的气流应从喷嘴中被直接喷射到待淬火的物体上，其中喷嘴(直径为d)与物体表面的间距为2d-8d，相邻喷嘴的间距b为4d-8d。提供一种有高淬火强度的、基本上均一的、并且有效而经济的淬火工艺，是持续需要的。因此，本专利技术提供一种淬火热金属物体的方法，包括从大量的喷嘴出口中排出大量独立的气流，使气流基本上均一地撞击在物体的整个外表面上，其中每一个喷嘴出口和其相应的气流所撞击的物体外表面的间距(a)小于或等于喷嘴出口直径(d)的一半。为了避免疑问，不应从单词“直径”的使用而推断本专利技术局限于圆形截面的气流；本专利技术扩展到任何截面形状的气流，为了达到使本专利技术用于实践的目的，这些“直径”是通过假设一非圆形气流的截面实际为圆形而计算的。因而这里所用的“直径”一词应被解释为圆形气流的直径或与非圆形气流具有相等截面积的理论上的圆形气流直径。对于喷嘴出口与物体之间如此小的距离，气流在喷嘴出口和物体之间传递时，气流的截面面积和“直径”应基本上保持不变，并且等于喷嘴出口的截面积与“直径”。喷嘴出口可与截面面积基本相等，或者喷嘴面积可以变化，假如每一单位面积被冷却物体的喷嘴总面积保持基本不变的话。例如，为了淬火一个具有复杂的或旋绕的表面形状或结构的物体，具有不同的喷嘴面积可能更有利。我们已经从对气流之间复杂的相互作用的研究中发现，当产生于喷嘴边缘的高湍流区域与物体表面相互作用使得对气体的热量传递达到最大，且产生了更加均一的冷却时，热传递速率在气流喷嘴出口与物体表面的间距为一非常小的值(即a≤0.5d)的情况下，具有意想不到的，令人惊奇的巨大的和迅速的增加。下面将进一步描述，已经确认根据本专利技术的方法能够提供一种所期望的，象其它各种淬火一样的基本均一的淬火。使用氮气的本专利技术的方法，也可以获得与常规的油淬火速率相等的淬火速率，且不需要常规实践中的高压力淬火环境。可以预料，将氢气混合至淬火气流中，其淬火速率与水淬火的速率相等(氢气具有大约3倍于氮气的冷却效果)。在淬火过程中加入氢气，还具有保持部件光亮的进一步的优点(但是具有比单独使用氮气更高的气体成本)。由于使用如此小的气体喷嘴出口和物体表面的间距，而具有更进一步的实践优点。当距离(a)减小时，在所要求的速率下，所需的提供给气流的压力增加；使用常规的压缩设备(如US5452882中提到的)很难产生这样的压力，而且资金和运转的消耗也很大，但是如果气流是由一种压缩的或液态的气体源提供的，那么将不需要压缩设备。取而代之的是，气体源将提供高压气体，如果需要，气体的压力还可以被很容易和不费力气的调节，这样就没有压缩费用(气体如氮气，常规是在高压下或以液体形式提供的)，因此，唯一的费用是在气体上。甚至气体也不需要被完全消耗，当冷壁淬火室能够在比周围环境稍高的压力，如10kPa下运行时，那么从物体反射回来的淬火气体可被用于整个或部分加热处理的保护气。优选的相邻喷嘴出口的间距(b)小于或等于喷嘴出口直径(d)的8倍，且优选比这个间距(d)大两倍，以便确保淬火的均一性。气流最好被直接地以致基本垂直地作用于物体表面，使淬火强度达到最大。因为淬火过程中的冷却速率与气流的速率和该速率与气体提供的压力之比是直接相关的，因此控制冷却速率是一件相对来说较简单的事。本领域的技术人员期望能够有一个合适的方法，从而气体提供给喷嘴出口的压力能够被控制，在淬火过程中获得一个非常精确的可控制的冷却速率；在可能的最大的冷却速率的界限内，产生任何瞬时的冷却速率显然是可能的，所以物体的奥氏体淬火和马氏体淬火是容易实现的。此外，因为本专利技术的方法主要想用于单一物体的淬火，所以通过适当控制淬火气流的速率，压力和/或组成，和/或通过改变不同喷嘴之间的淬火气流速率，来控制与物体的表面面积(以便在一简单的操作中，例如在部件的一个区域马氏淬火的同时，在另一个区域快速地油淬火)有关，和/或与淬火周期(以便在淬火过程中改变淬火速率)有关的高精确度的淬火速率是可能的。现在通过实施例并参考附图对本专利技术作出描述，其中附图说明图1说明垂直撞击物体表面的气流热传递系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种淬火热金属物体的方法，包括从大量的喷嘴出口中排出大量独立的气流，使气流基本上均一地撞击在物体的整个外表面上，其中每一个喷嘴出口和其相应气流所撞击的物体外表面的间距（ａ）小于或等于喷嘴出口直径（ｄ）的一半。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：PF斯特拉顿，
申请(专利权)人：英国氧气集团有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]