CN111954722A - 高压瞬时均匀淬火以控制零件性能 - Google Patents

Abstract

公开了用于通过保持淬火剂压力高于液体淬火剂的蒸汽压和/或使用受控的淬火剂更新以在接触的初始时刻更均匀地冷却零件表面来减少膜沸腾的方法以及用于传导压力和淬火剂更新的装置。相信这些方法将改善具有复杂几何形状的零件的热处理，以提供可预测的零件变形。说明了该方法对枪管、管、圆环和空心轴的适用性。

Description

高压瞬时均匀淬火以控制零件性能

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年2月6日提交的第62/626,736号美国临时申请和于2018年2月13日提交的第62/629,974号美国临时申请的优先权，其全部内容均结合于此。

背景技术

在钢和金属热处理行业中使用淬火方法是众所周知的。在第6,364,974号美国专利(“'974专利”)中描述了一种这样的方法，该专利的全部内容通过引用结合于此。'974专利教导了使用“直接对流冷却”，当淬火的零件表面有足够的冷却剂运动以消除零件表面的冲击沸腾、膜沸腾和核沸腾时，直接对流冷却得以保持。

根据'974专利，应保持“直接对流冷却”的速度，直到[在974专利中指出]的公式中计算的时间范围内中断冷却之前。如果中断硬化钢零件的淬火的时间与公式规定的时间不符，则硬化钢零件中的表面压缩应力水平将小于对于从马氏体芯部膨胀硬化的钢零件可能出现的表面压缩应力的“最大”水平。

'974专利中用于硬化金属零件的淬火装置可以通过几种方式为零件提供“直接对流冷却”，包括在有或没有淬火溶液搅拌的情况下进行快速或循环浸入、淬火溶液喷雾、冲击射流、高流量的淬火溶液、淬火溶液的重力进料和淬火溶液保持在压力下以增加淬火溶液的沸点。淬火溶液优选是水或水基溶液，并且可以与或不与影响沸腾速度的添加剂(例如基于聚合物的添加剂)一起使用。另外，如果需要，可以在淬火溶液中使用颗粒状添加剂(例如小的铜粉)，以帮助分解并防止零件表面沸腾。

众所周知，金属的形态会在加热和冷却期间发生变化。晶体将加热并移动到不同的相，然后在冷却和冷却方式不同时，晶体将重新形成。随着晶体温度的变化，它们的形状、大小、比重和应力状态(即压缩与拉伸)也会发生变化。这些变化以毫秒为单位发生。从历史上看，缓慢的冷却速度已被用来帮助控制尺寸和其他形态变化。但是，在长零件或复杂几何形状的零件(例如小齿轮)中，即使缓慢冷却也无法充分减少零件变形。

尽管已知的方法(例如'974专利中所述的方法)对于淬火具有均匀表面的零件效果很好，但对于淬火复杂零件(例如具有不均匀表面的零件，例如包含一个或多个凹坑、缝隙、凹槽、盲孔、通孔等的零件)的淬火效果却较小。在已知的方法中，当淬火液体是水或水基溶液时，在这些不均匀的表面中会发生膜沸腾。由于莱顿弗罗斯特效应，膜沸腾使零件与淬火液(也称为淬火剂)隔离，防止了淬火液到达凹坑、缝隙、凹槽、盲孔、通孔、法兰下面等中的零件表面。因此，零件表面在凹坑、缝隙、凹槽、盲孔、通孔等的冷却速度与零件表面其余部分的冷却速度不同。这在淬火期间可能导致零件翘曲、开裂并在极端情况下导致破裂。

了解'974专利需要了解零件的应力状态，尤其是在其表面。加热后、淬火期间以及冷却后，每个零件都具有应力状态。在加热和冷却期间，这种应力状态将随着时间而变化。

加热期间、加热之后以及淬火期间的应力状态称为当前应力状态。它是动态的，因为它总是在变化。

冷却后的应力状态称为残余应力状态。

应力状态是晶粒结构的函数，可以是压缩状态，即将表面向内拉到零件的芯部，或者是拉伸状态，将材料从芯部向外推。当拉伸应力大于材料的屈服强度时，零件就会开裂、剪切甚至***。

拉伸残余应力状态和压缩残余应力状态之间的差异是显著的。在拉伸残余应力下的冲头比在压缩残余应力下的冲头仅能承受敲击次数的一小部分。

'974专利讨论了建立表面压缩应力的方法，该方法可将零件固定在原位，而芯部在冷却时会收缩和膨胀。这些表面压缩应力减少甚至消除了零件开裂。当膨胀力大于表面金属的屈服强度时，零件就会开裂或破裂。当零件在表面上具有拉应力时，裂纹特别明显，这与使表面向内拉的压应力相反，使零件***。

快速淬火背后的理论依赖于对众所周知的共析铁碳图和TTT图的理解，如图1和2所示。图1具有区域N、FA和S，它们分别是用于正火、完全退火和球化热处理的温度范围。

众所周知，以足够快的速度淬火而错过“曲线尖端(nose of the curve)”并停留在中间相之外(也称为停留在奥氏体相中，直到达到特定合金的TTT图的马氏体起始温度为止)将钢从奥氏体相(A)转变为硬化马氏体相，而不会形成贝氏体、珠光体或铁素体等中间相。也就是说，应将零件表面的温度保持在TTT图上曲线尖端的左侧，然后将其直接从奥氏体移动到马氏体。

该“曲线尖端”在图1中示出，在大约1秒和1100°F下的b和c部分。

在图2中，该“曲线尖端”是与马氏体起点Ms相重合的曲线，大约位于与Y轴上的单词温度(temperature)中的“r”相交的水平线和与单词奥氏体(austenite)中的字母“u”相交的竖直线。

在“曲线尖端”处的最小时间也可以称为其拐点。一旦零件温度低于TTT曲线上的曲线尖端，并且仍处于奥氏体相(无贝氏体或珠光体形成)，一旦零件的晶粒冷却至马氏体起始温度(Ms)，马氏体相就会开始形成。但是，这种淬火冷却的速度通常会受到膜沸腾的阻碍，因为膜沸腾会在零件表面形成一层绝缘的气体层。

在本发明之前，从业人员还不能将这一原理应用于复杂的零件或材料上，因为零件表面的冷却速度不足以使零件在达到该合金的马氏体起始温度之前就保持在奥氏体相中。

因此，存在对改进的淬火工艺的需求，该淬火工艺产生具有硬化的细晶粒的晶粒转变，该硬化的晶粒深入到由给定合金制成的零件中，并且随着零件的冷却而产生零件形状和尺寸的可预测的变化。还需要水或环保的水基溶液作为淬火剂，以减少或甚至防止具有不均匀表面的零件表面上的膜沸腾，这种不均匀的表面有厚有薄，或者内径(ID)孔小(空心轴)或盲孔或凹穴和/或由低合金材料或低淬透性材料制成，这些材料会很快从奥氏体相过渡到中间相。

发明内容

该说明书公开了一种淬火由马氏体金属成分组成的铁水零件(a hot metalpart)的至少一部分的方法，该铁水零件具有表面积、表面温度和临界冷却速度。该方法可以包括以下步骤：在与含水淬火剂接触的初始时刻使零件表面积的至少一部分接触，其中含水淬火剂以大于含水淬火剂压力的冲击压力接触该表面积的一部分，含水淬火剂压力对应于水淬火剂在零件表面积的表面温度下的蒸汽压，并在铁水零件的表面更新水淬火剂。

还公开了，应当以大于或等于该零件的临界冷却速度的冷却速度降低铁水零件的表面温度，并且至少在与表征马氏体金属成分的TTT图的拐点相对应的时间内保持该冷却速度。

还公开了可以使用受控的淬火剂更新来进行含水淬火剂的更新。

还公开了该方法可以进一步包括含水淬火剂源，其中可以存在具有阀关闭位置和阀打开位置的阀，该阀将含水淬火剂源与铁水零件分开，并且含水淬火剂可以通过以下方式与铁水零件接触：在阀处于阀关闭位置时，通过在水淬火剂源中的水淬火剂后面蒸发液体或将固体升华以产生水淬火剂压力，将阀从阀关闭位置改变为阀打开位置，以及允许含水淬火剂以大于或等于临界冷却速度的冷却速度接触铁水零件。

还公开了液体或固体可以选自由氮气、氩气、氦气和二氧化碳组成的组。

冷却速度可以选自由每秒至少300℃、每秒至少400℃、每秒至少500℃和每秒至少600℃组成的组。

还公开了在使铁水零件与含水淬火剂接触之前将铁水零件至少部分地放置在淬火室内。

还公开了可以在淬火停止时间停止铁水零件与含水淬火剂的接触，该淬火停止时间对应于铁水零件的芯部达到其马氏体终点温度的时间。

淬火室可以进一步包括带有与铁水零件的零件几何形状一致的喷嘴的压印模。

还公开了在零件表面的附近可以存在多个出口喷嘴，并且含水淬火剂在接触零件表面积的上述部分之后通过该多个出口喷嘴的至少一部分。

还进一步公开了可以在接触步骤之前进行加热步骤，并且加热步骤和接触步骤之间的时间量可以小于与表征马氏体金属成分的TTT图的拐点相对应的时间。

还公开了在加热步骤和接触步骤之间可以没有冷却。

该说明书还公开了一种淬火由马氏体金属成分组成的铁水零件的至少一部分的方法，该铁水零件具有零件表面、表面积、表面温度和临界冷却速度；包括使用淬火装置来完成以下步骤：使至少一部分铁水零件与淬火剂接触；以及使用受控的淬火剂更新来更新至少一部分淬火剂。

该淬火装置可以具有至少一个入口喷嘴和至少一个出口喷嘴。

淬火装置可以是与铁水零件的几何形状相吻合的压印模。

还公开了，铁水零件可以是具有中空空间的中空零件，并且淬火装置可以包括至少一个与第二区域流体隔离的第一区域，其中淬火剂通过第一区域进入中空空间并通过第二区域离开中空空间。

该说明书进一步教导，第一区域和第二区域可以是与第二扭绞管绕绞的第一扭绞管，并且它们可以作为双绞对彼此绕绞。

该说明书进一步公开了中空的铁水零件可以是铁水枪管或铁水轴。

同样，该方法得益于在加热步骤和接触步骤之间不进行冷却。

附图说明

图1描绘了与(a)共晶钢和含0.5％碳的钢的等温转变的铁-碳关系图。

图2描绘了时间-温度-变换(TTT)图的示意图。

图3描绘了用于在零件的表面进行受控的淬火剂更新的喷嘴组件的喷嘴规(anozzle schedule)的实施例。

图4描绘了喷嘴组件的淬火剂流动模式。

图5描绘了本文所述的压印模的应用。

图6描绘了本文所述的压印模的另一种应用。

图7描绘了从在此描述的压印模的背面的反向图像。

具体实施方式

附图标记描述

10是指模具。

20是指出口喷嘴。

30是指入口喷嘴，也称为进入喷嘴。

40是指模具的歧管(manifold)。

45是从入口喷嘴到零件表面的距离。

50是指零件表面。

60是指淬火剂在零件表面上的接触点。

70表示淬火剂的流动。

100是指零件。

110是指图5中要淬火的零件表面。

200是指模具。

240是指歧管。

220是指出口喷嘴。

230是指入口喷嘴或进入喷嘴。

250是指模具的背面。

发明人在其家族的热处理业务中拥有超过75年的累积热处理知识，并且在应用'974专利原理方面拥有20年的经验。

他多年来的观察表明，当前的测量、描述和控制淬火过程的方法对于零件表面在淬火冷却期间发生的情况是不充分的，也没有任何信息。在发生相变的粒度级别上尤其如此。当在本说明书中讨论改进时，将强调在文献中实践和公开的现有技术的这些缺陷。

本文公开了一种淬火铁水零件的方法，该方法减少、基本上消除或甚至消除了在具有复杂几何形状和复杂表面的零件的表面上不均匀的膜沸腾的问题。该方法可以包括在零件表面提供受控的淬火剂更新。该方法可以包括，单独地或与受控的淬火剂更新相结合，在足以降低或甚至防止膜沸腾的铁水零件表面的压力下，将铁水零件在淬火室中暴露于液体淬火剂中。

可以相信，这些方法可控制淬火剂与零件表面的初始接触的最初几毫秒内以及淬火期间的颗粒形态变化。

可以相信，通过对液体淬火剂加压，与包括'974专利中公开的传统淬火技术相比，液体淬火剂可以均匀且更快地暴露于零件表面，从而获得更高的冷却速度。

已经发现，高冷却速度(被称为强化冷却或强化淬火)要求在零件表面进行均匀的即受控的淬火剂更新，以处理复杂的零件。

文献经常将过程描述为“均匀的”或具有“均匀的”冷却速度。但是，发明人的经验发现，均匀是相对的术语，过程比其他更均匀。如下所述，被认为是均匀的过程的不均匀性是直观的，并通过变形、零件裂纹和整个表面直至芯部的高度变化的应力水平得到证明。认识到所谓的“均匀的”现有技术过程并不是真正均匀的，这部分地导致了本发明。

对于较大质量的非复杂零件(如板或棒)，已证明在零件表面上具有较高的淬火剂质量速度就足够了。这是因为相对于淬火零件所需的总时间，膜沸腾的时间量非常小。

但是，应该注意的是，声称具有高淬火剂速度的工业实践通常在零件表面上没有很高的淬火剂速度，当然，在整个表面上也没有均匀的高速度，特别是在开始和停止加热后的最初几毫秒内。

这是因为质量速度是通过使用体积位移(l/min)乘以驱动力的比重(kg/l)除以驱动力的出口表面积(m²)来确定的。例如，每分钟输送45加仑水的泵每分钟输送170l(0.17m³)或170kg的水。如果水淬火剂从内径(ID)为4cm的喷嘴(12.56cm²，0.001256m²)流出，那么从业人员会说水淬火剂的线速度为.17/0.001256或135m/min或2.25m/s线速度或2250g/s质量速度。正如该实践所指出的那样，人们不知道在零件表面的速度是多少。当液体淬火剂被激发成一定质量的淬火剂时，这尤其复杂。

螺旋桨也有同样的缺陷。使用螺旋桨的直径和消耗的能量来计算速度。速度永远不会在零件表面呈现出来。

对于行业如何应对压力也有相同的观察。淬火剂的压力是指驱动力的压力，例如泵的压力或喷嘴出口处的压力。除非专门在零件表面进行测量，否则在热处理实践中，人们根本不知道零件表面的淬火剂压力。

理解工业实践和术语的含义对于将本发明的参数与现有技术区分开是必不可少的。通过检查***可以最好地解释这种缺陷。当通过空气向目标射击时，子弹移动非常快，并以巨大的力(压力)撞击目标。但是，如果子弹发射到水箱中，例如马桶的后部，则子弹几乎不会移动到另一侧。知道子弹的速度及其离开枪管时的压力并不能告诉我们在水中行进时只有几厘米远的速度和压力。

观察结果表明，即使淬火剂可能高速撞击表面，淬火剂也会形成涡流、水池和停滞区域，例如在河中的岩石上看到的区域。所有这些都会在淬火中产生不均匀性，尤其是在淬火的前几毫秒。

高的淬火剂速度不足以迫使液体淬火剂进入在已知的方法中会发生膜沸腾的零件的复杂表面(即凹槽、盲孔、通孔、法兰等)中或周围。实际上，观察表明，高速度使涡流和停滞区域变差，增加了膜沸腾的量。发明人还发现没有任何文献讨论淬火剂接触零件表面后会发生什么情况。假设淬火剂刚从零件移开，从而为新的淬火剂腾出空间，因此在零件表面“更新”淬火剂。

已经发现，与以随机或不受控的方式在零件表面“更新”淬火剂的现有技术实践相反，还应以受控的方式从表面和周围区域去除淬火剂。通过局部地去除淬火剂，将有更少的停滞区域，在该区域中淬火剂将过热，从而导致停滞区域中的膜沸腾。

受控的淬火剂更新(在本说明书中也称为均匀的淬火剂更新)是指淬火剂接触零件后，淬火剂从零件表面积极地非随机地转移或去除。受控的淬火剂更新需要向淬火剂积极地施加至少一个力，而不是导致淬火剂接触零件表面的力。使用管将淬火剂从零件表面移开就是一个示例。该力是引导和转移淬火剂离开表面的管的力。它对即将到来的淬火剂施加静态力。如果管的压力低于零件表面的淬火剂压力，则压差会导致淬火剂从零件表面升起并离开零件表面。

将涡轮机或搅拌器应用于静止浴不会在零件表面产生受控的淬火剂更新。这是因为在淬火剂撞击零件表面之前，搅拌器或涡轮会提供力。

受控的淬火剂更新只能应用于部分表面。因此，可以使用受控的淬火剂更新来淬火零件表面的至少一部分。另外，可以使用受控的淬火更新来更新淬火剂的仅一部分。

受控的淬火剂更新有时间因素。因为晶粒的转变发生在最初的几毫秒内，所以最短的时间是从淬火剂与铁水零件的表面初始接触开始到与材料的TTT图上的拐点相关的时间。虽然从业者可以在那时间之后继续使用受控的淬火剂更新，但这不是必需的。那时马氏体正在表面上形成，或者材料通过在零件表面下的传导并由零件的几何形状控制而转变为贝氏体或珠光体。

铁水零件可以是非复杂的，因为它具有相对简单的表面几何形状，例如直条、块状或球形。众所周知，传统的淬火方法适用于较大的非复杂零件。然而，对于具有复杂的表面几何形状、具有薄厚横截面的表面特征的任何组合的复杂铁水零件，认为该方法是优选的。在复杂零件中发现的一些常见表面特征包括齿根、齿腹和齿尖(例如齿轮上的那些)、缝隙、凹槽(例如O形环或卡环凹槽)、花键、法兰、盲孔和通孔。因此，复杂零件是指至少具有以下部分的零件：齿根、齿腹和齿尖(例如齿轮上的那些)、缝隙、凹槽(例如O形环或卡环凹槽)、花键、法兰、盲孔和通孔。

控制膜沸腾的一种方法是控制零件表面的淬火剂的压力。零件表面的淬火剂的压力称为冲击压力或接触点压力。零件表面的局部压力将等于或大于液体淬火剂在铁水零件的表面温度下的蒸汽压。以这种方式，相信液体淬火剂不会膜沸腾。例如，向大气开放的一锅水永远不会比100℃高。在100℃，水会沸腾。但是，在高压锅中，水保持较高的压力，水温将升高，直到其蒸汽压达到***压力为止。此时，水会沸腾，但温度要高得多。因此，通过在零件的表面温度下保持***压力大于水的蒸汽压，水就不会沸腾。

可以通过例如对淬火室进行预加压来获得零件表面上的该压力，即冲击压力。零件表面上的压力也可以通过使零件表面与液体淬火剂的高压射流接触来实现，例如在水刀切割机、高压清洗机或产生水枪的喷嘴中发现的那些。可以相信，水枪将具有如此高的压力，并且它将“切穿”可能在零件周围形成的任何膜沸腾绝缘层，从而导致其核沸腾。离开喷嘴的淬火剂是否必须经过淬火剂才能到达零件并不重要，只要零件表面的淬火剂冲击力或压力大于淬火剂在零件表面的温度下的沸腾蒸汽压即可。

当不希望加压淬火室时，可通过确保淬火剂在接触点处以大于淬火剂在零件的表面温度下的蒸汽压的压力接触零件表面来产生冲击压力。

淬火剂优选为液态。由于其高的冷却能力和低的环境影响，优选的液体淬火剂是水。液体淬火剂也可以是水基溶液，也称为含水淬火剂，其包含添加剂，例如基于聚合物的添加剂、盐或颗粒状添加剂。因此，水基淬火剂或含水淬火剂优选包含至少75重量％的水，更优选至少80重量％的水，甚至更优选至少90重量％的水，还优选92重量％的水。

淬火室是指能够容纳液态淬火剂和铁水零件的容器。淬火室优选具有底部、至少一个侧壁、顶部和中空内部。只要至少一个侧壁被密封到底部，淬火室的具体配置就不重要。尽管优选的是将至少一个侧壁密封到底部以防止泄漏，但是侧壁、底部或两者可包括开口，液态淬火剂可通过该开口从淬火室逸出。优选地，可以在操作期间例如通过关闭开口处的阀来密封该开口。淬火室可以是能够维持高于大气压的压力的加压淬火室。

该方法还可包括在淬火室外部的液体淬火剂源。液体淬火剂源可以与淬火室流体连通。液体淬火剂源优选能够保持高于大气压的压力。

液体淬火剂源和淬火室可以通过阀分开。阀可以具有阀关闭位置和阀打开位置。阀打开位置是指阀未处于阀关闭位置时的状态。因此，阀打开位置包括半开的阀。当阀处于阀关闭位置时，淬火室和液态淬火剂源之间的流体连通将被切断，从而防止液态淬火剂进入淬火室。当阀处于阀打开位置时，将建立淬火室与液态淬火剂之间的流体连通，从而使液态淬火剂进入淬火室。

可以在液体淬火剂源中的液体淬火剂后面蒸发液体(或替代地将固体升华，例如干冰，例如CO₂)，以快速增加压力。优选地，这将在阀处于阀关闭位置时发生。优选的液体是液氮。其他液体的实例包括液态氢、稀有气体(如氩气或氦气)的液体。液体也可以是多种液体的组合。出于安全原因，优选的液体是惰性化合物。在液体淬火剂后面蒸发液体会增加液体淬火剂的压力。在全部或部分液体蒸发之后，可以将阀切换到阀打开位置，以使压力迫使液体淬火剂进入淬火腔，以等于或大于液体淬火剂在铁水零件的表面温度下的蒸汽压的压力接触零件表面。

所需的零件表面冷却速度称为临界冷却速度，它由组成零件的材料的TTT图上的拐点和零件的起始表面温度确定。从图1的TTT图可以看出，该拐点仅在大约1秒和1100°F(593℃)下发生，这仅适用于其来源的材料。假设零件的起始表面温度为1600°F(871℃)，则将零件的表面保持在中间相之外所需的冷却速度为淬火开始时的表面温度(Ts)减去拐点的温度(Ti)除以拐点的时间(ti)。在这种情况下，Ts＝871，Ti＝593和ti＝1产生的临界冷却速度至少为：[871-593]/1＝278℃/秒，以便错过曲线的尖端。

因此，当要建立压缩应力以等于或大于零件的临界冷却速度的速度冷却零件表面持续至少等于拐点(ti)的时间量时，这一点很重要。

重要的是要了解这一秒钟会发生什么。在许多情况下，将铁水零件从热源移至淬火箱并开始淬火循环需要花费几秒钟，有时需要40秒到一分钟或更长时间。但是，在转移的40秒内发生了“空气淬火”。但更重要的是，如果在拐点之前没有开始快速淬火，则淬火的不均匀性开始影响表面以下的层。

虽然优选的是临界冷却速度的开始时间小于与拐点相关的时间(ti)(即，淬火剂与零件表面的初始接触发生的时间小于与拐点相关的时间(ti))；最优选的是在停止加热到零件与淬火剂接触以产生瞬时淬火的那一刻之间不进行空气淬火或不进行冷却。

实现此目的的一种方法是感应加热铁水零件并立即或在关闭感应单元之前或同时开启淬火。

零件表面的临界冷却速度可以是每秒至少278℃。

零件表面的临界冷却速度可以是每秒至少300℃。

零件的表面冷却速度为每秒至少300℃是由本领域普通技术人员已知的许多参数确定的。例如，液体淬火剂本身将具有比重、温度和导热率，零件表面将具有导热性以及通过零件的热流。零件表面和液态淬火剂之间的温差也起着很大的作用。零件表面的液体淬火剂的更新速度(在某些情况下可能是零件上的质量速度)也起作用。可以相信，零件表面冷却速度仅需保持小于一秒，甚至半秒。但是，每秒至少300℃的冷却速度被认为是液体淬火剂与零件表面接触的初始时刻的最小速度。可以相信，这种高冷却速度的原因之一是在表层下面的晶粒中形成了马氏体。

尽管优选每秒至少300℃的表面冷却速度，更优选每秒至少400℃的表面冷却速度，甚至更优选每秒至少500℃的表面冷却速度，最优选每秒至少600℃的表面冷却速度。

例如，如果液体淬火剂是水，则水的优选初始温度为或接近3.9℃。这使水具有最高的密度，并且因加热而具有最高的抗汽化性。

由于马氏体在这些零件中的作用，铁水零件将成为马氏体金属，这意味着它能够形成马氏体。一些合金不能形成马氏体，并且可以相信它们不会从该方法中受益。

在将铁水暴露于液态淬火剂之前，可以将铁水零件至少部分地放置在淬火室内，在这种情况下，该方法可以描述为具有至少三个步骤。首先，当阀处于阀关闭位置时，铁水零件至少部分地放置在淬火室内。其次，液体在液体淬火剂源中的液体淬火剂后面蒸发，以增加液体淬火剂的压力。该第二步骤可以在将铁水零件至少部分地放置在淬火室内之前、之后或同时进行。第三步(也是最后一步)涉及将阀改变为阀打开位置，并让液态淬火剂以液态淬火剂速度流入淬火室。优选地，在将阀改变为阀打开位置之前，在淬火室中没有液体淬火剂。如果在将阀改变为阀打开位置之前，液体淬火剂已进入淬火室中，则在将阀改变为阀打开位置后，所述液体淬火剂不应与奥氏体化铁水零件表面的任何部分接触，这允许液体淬火剂源的液体淬火剂以液体淬火剂流速流入淬火室。

可替代地，可以在将铁水零件暴露于液态淬火剂之前将液态淬火剂引入淬火室，在这种情况下，该方法可以描述为具有至少三个步骤。首先，当阀处于阀关闭位置时，液体在液体淬火剂源中的液体淬火剂后面蒸发，以增加液体淬火剂的压力。第二，将阀改变为阀打开位置，以使液态淬火剂以液态淬火剂速度流入淬火室。第三步也是最后一步涉及将奥氏体化铁水零件放入淬火室中。将阀改变为阀打开位置后，应尽快执行此最后步骤。优选地，将铁水零件放入淬火室的第三步骤与将阀改变为阀打开位置以允许液体淬火剂以液体淬火剂速度流入淬火室的第二步骤同时或基本同时进行。

因为金属晶体的大小、形状和应力状态的变化会在毫秒内发生，特别是对于马氏体钢，可以相信，在接触的初始时刻，将奥氏体化铁水零件的外壳与液态淬火剂均匀接触将获得最佳结果。无论是在液态淬火剂进入淬火室之前还是之后将铁水零件放置在淬火室内，都应在接触的初始时刻以所需的冷却速度立即将尽可能多的铁水零件表面暴露于液态淬火剂中。例如。均匀的淬火、均匀地淬火或均匀地接触。

当零件的所有表面积在接触的初始时刻都与淬火剂接触时，就会发生完全均匀的接触。重要的是要注意，尽管本申请的大部分是针对液体淬火剂，最好是水，但均匀的接触也适用于气体或蒸汽淬火剂***。当使用“淬火剂”一词而没有前面的液体时，表示所有类型的淬火剂。

换句话说，均匀地接触意味着淬火剂在接触的初始时刻立即接触零件表面积的确定部分。以下是非均匀接触的示例。使用升降机将零件缓慢降低到淬火剂中。在此示例中，淬火从零件的底表面开始，在零件的上表面与淬火剂接触之前产生不均匀性。另一示例涉及将长的零件(例如轴)放入管中，并在管的一端引入淬火剂。在该示例中，在淬火剂甚至接触铁水零件的第二端之前，铁水零件的第一端已经热收缩。

这种均匀的接触是通过采取特殊措施来实现的，即不仅使淬火剂局部地撞击铁水零件(即，穿过零件表面并靠近零件的许多喷嘴)，而且还使零件表面发生局部淬火剂更新。可以通过在整个喷嘴规中放置许多淬火剂去除喷嘴(也称为出口喷嘴)来完成这种局部淬火剂更新。

图3和图4展示了这种喷嘴组件(10)。在图3中，入口喷嘴(也称为进入喷嘴)(30)由歧管(40)中的圆形未凸起孔描绘。如前所述，这些进入喷嘴不必是圆形的，而可以是水射流或水枪的形式。从歧管升起的出口喷嘴(20)以白色显示。

该喷嘴规被放置在非常靠近铁水零件的位置，并且优选地成形为围绕该零件，如稍后所讨论的。优选的是，从歧管(40)比入口喷嘴(30)延伸得更远的出口喷嘴与铁水零件接触。尽管未显示，但出口喷嘴在孔处可以有凹口，以防止零件表面阻塞流动。

尽管出口喷嘴提供了将淬火剂引导离开零件表面的力，并因此产生受控的淬火剂更新，但可以预见的是，出口喷嘴可以连接到泵的入口，也可以在其上放置真空，以便出口喷嘴的压力小于零件表面的压力。以这种方式，受控的淬火剂更新得到进一步改善。如果不存在出口喷嘴，则将用过的淬火剂随机地推离距出口喷嘴更远的某个地方。已经观察到这种随机流动模式实际上会在淬火循环期间逆向流动，阻止流动，并导致停滞流动，这意味着在这些位置没有新的淬火剂撞击零件的表面。

通过保持距喷嘴和零件的距离较小，喷嘴规将在铁水零件周围形成环形空间。与通常使用的大型“淬火槽”相比，环形空间的体积相对较小。因此，仅存在相对少量的液体淬火剂。但是，这种少量的液体淬火剂可以控制淬火剂撞击铁水零件的压力及其随后从环形空间出来的压力。在任何给定的时间点都需要少量的淬火剂，因为加热的淬火剂会以受控的方式去除，并在零件表面用新的较冷的淬火剂进行更新。

液体淬火剂优选在高压下通过入口喷嘴(30)进入环形空间。优选地，以大于液体淬火剂在铁水零件的表面温度下的蒸汽压的压力。因为液体淬火剂是通过位于零件表面的多个局部出口喷嘴(20)从环形空间中去除的(即受控的淬火剂更新)，所以新的淬火剂会均匀地以高速度与零件表面接触。因此，在整个零件上，在铁水零件的表面实现了基本上均匀或均匀的受控的淬火剂更新。

通过受控的淬火剂更新进行的淬火剂更新的速度称为受控的淬火剂更新速度，并且是每单位时间通过受控的淬火剂更新去除的淬火剂的体积。受控的淬火剂更新速度与淬火剂撞击表面的速度之比将为小于或等于1的正数。排除0的原因是，这表示不存在现有技术中实践的受控的淬火剂更新。最大值1表示通过受控的淬火剂更新来更新所有淬火剂的情况。受控的淬火剂更新速度与淬火剂撞击表面的速度之比优选在0.5至1的范围内，更优选在0.6至1的范围内，甚至更优选在0.6至1的范围内，其中0.8至1是所列出的范围中最优选的范围。

尽管该喷嘴规(组件)可以围绕固定零件放置，但也可以设想，铁水零件可以在如上所述布置的喷嘴规内上下移动或旋转。可替代地，喷嘴组件可绕铁水零件旋转或相对于零件水平或竖直移动。

图4描绘了喷嘴组件如何促进表面(60)处均匀的局部淬火剂更新。淬火剂流动模式(70)通过喷嘴(30)进入环空(45)，撞击零件的表面(50)，然后通过出口喷嘴(20)去除。

可替代地，例如当歧管和零件之间的距离较长时，或者无法使出口喷嘴足够接近零件时，进入喷嘴或入口喷嘴可能会延伸超过出口喷嘴。在该实施例中，淬火剂几乎直接引入零件表面，然后在新的淬火剂通过出口喷嘴排出时被推开。

尽管最优选的实施例是完美均匀的淬火，这将涉及在接触的初始时刻瞬时接触所有表面积，但可以相信，在其他优选的实施例中，淬火仍然可以足够均匀。例如，在接触的初始时刻，铁水零件的表面积的至少90％暴露于淬火剂。在另一个示例中，更优选在接触的初始时刻暴露于淬火剂的铁水零件的表面积的至少95％。在又一个示例中，仍更优选在接触的初始时刻暴露于淬火剂的铁水零件的表面积的至少97.5％。在又一个示例中，甚至更优选在接触的初始时刻暴露于淬火剂的铁水零件的表面积的至少99％。再次，最优选的示例是在接触的初始时刻暴露于淬火剂的铁水零件表面积的100％。

暴露于淬火剂的零件的总表面积也可以表示为范围。例如，暴露于淬火剂的铁水零件的表面积的量可以在从90％至100％，92.5％至100％，95％至100％，97.5％至100％，从99％至100％，从92.5％至99％，从92.5至97.5％，从92.5％至95％，从95％至99％，以及从95％至97.5％。

可以相信，可能需要特殊的淬火室以实现均匀且瞬时的接触，尤其是对于形状复杂的零件(带有凹槽或法兰的环)。例如，一系列的喷嘴围绕零件并且在高压下同时撞击零件的表面积是一个实施例。在这种情况下，将零件放置在喷嘴组件的中心，该喷嘴组件构造为零件的复杂几何形状以实现均匀的淬火。

淬火剂可直接或间接流入淬火室。在直接流动的情况下，流体连通从淬火剂源直接流到淬火腔的中空内部，该内部空间仅由处于阀打开位置的阀隔开。在间接流动的情况下，流体连通在淬火剂到达淬火室的中空内部之前通过另一个装置(阀除外)。其他装置的示例包括连接至至少一个喷嘴的至少一个歧管。至少一个歧管可包括多个歧管。至少一个喷嘴可以包括多个喷嘴。多个歧管中的每个歧管还可包括多个喷嘴。多个喷嘴中的每个单独的喷嘴可具有选自由以下各项组成的组的喷嘴构型：平行于淬火室底部，垂直于淬火室底部，平行于淬火室底部向下成角度，以及平行于淬火室底部向上成角度。不需要喷嘴都具有相同的构造。例如，多个喷嘴的第一部分可平行于淬火室底部向下成角度，而多个喷嘴的第二部分平行于淬火室底部向上成角度。歧管的数量和构造以及喷嘴的数量和构造可以根据淬火室的尺寸和形状以及被淬火的铁水零件的尺寸和形状而变化。

另一个变体是使用压印模。压印模是公知的模具，其夹紧铁水零件并将铁水零件保持在非常高的压力下以使金属变形。在这种情况下，压印模不用于成形零件，而是用于在零件淬火时稳定零件并随着零件冷却而随时间改变体积。优选的压印模将具有与零件几何形状一致或构造成零件几何形状的喷嘴，以便除了模具本身的压力外，高压淬火剂还将在高压下以在零件周围的环空内达到最小冷却速度所必需的速度通过零件表面。构造为零件的几何形状意味着盲孔、凹槽、凹坑和复杂的结构被淬火剂冲洗，而没有被滞留的蒸汽或气体截留。

图5至图7示出了压印模的应用。图5在左侧示出了铁水零件(阀座)(100)，其具有凸缘和待淬火的表面(110)，在右侧示出了模拟压印模(200)。250指向以分解视图显示的模具背面。图6示出了阀座如何与模具配合。在特定的压印模中，每个销钉(230)将包括用于使液体淬火剂撞击在零件表面的喷嘴和与喷嘴相邻的区域。开口区域(220)将允许从零件的表面并且从压印模中以受控的方式去除液态淬火剂。喷嘴的尺寸可以设置成实现零件表面的所需冷却速度。图7示出了销架的背面并且示出了在面对阀的一侧上的阀座的倒置图像。图7还示出了阀座上的法兰的复杂性质。像之前讨论的模具一样，压印模将在整个歧管上放置出口孔。

例如，用于盲孔的喷嘴将从入口的一侧将液体淬火剂传递到孔中，并将液体淬火剂冲洗出入口的另一侧，而不会将液体截留在初始液体淬火剂将被截留并有沸腾的危险的中心。

作为另一个示例，对于具有通孔的零件，例如长管或轴，入口喷嘴将进入通孔的内径。入口喷嘴在其壁上可以具有多个穿孔，以便对通孔的内径进行瞬时淬火。包含通孔的零件的外壁将具有其自己的喷嘴组。以这种方式，将同时淬火通孔的内径和零件的外表面。对于通孔零件，甚至可以分阶段淬火，以便首先开始内部淬火冷却或首先开始外部淬火冷却，以控制应力状态和零件变形。

在足够大的ID(内径)管(如枪管或空心轴)中，受控的淬火剂更新是通过使用至少两个多孔管来实现的，优选地对较小直径的管进行扭绞。第一多孔管是将淬火剂注入到管中的入口管。由于入口管沿管的长度方向穿孔，因此淬火剂可立即接触整个内表面。中空空间的长度是从表面到孔端部的深度。对于盲孔，长度是指距表面的孔深度。在通孔中，孔的端部是孔在表面的不同部分开口的位置，并且通过该部分中的孔从表面的一部分到零件的另一端的距离是中空空间的长度。不是让淬火剂随机流动并离开枪管的末端；第二多孔管(出口管)沿整个管长去除了淬火剂，从而在整个管内部提供了更均匀的淬火。尽管两个单独的穿孔管是一个实施例，但是该方法通常包括在零件的中空空间中的两个流体隔离的区域，其中入口区域沿铁水零件的长度方向具有多个穿孔，出口区域沿铁水零件的长度方向具有多个穿孔。第一区域和第二区域是与第二双绞管绕绞的第一双绞管，并且它们可以作为双绞对彼此绕绞。

该装置也可以描述为适用于具有中空空间的中空铁水零件，淬火装置至少具有与第二区域流体隔离的第一区域，淬火剂通过第一区域进入中空空间并通过第二区域离开中空空间。

液态淬火剂进入淬火室时的压力和速度将导致液态淬火剂在铁水零件表面或周围发生搅动。不希望受到任何理论的束缚，可以相信在零件表面上液体淬火剂的更新越快，经历的膜沸腾越少。增加零件表面上的液体淬火剂更新的一种方法是通过移动零件或使喷嘴相对于彼此移动来在铁水零件的表面或周围搅动淬火剂。在给定压力下减少或防止膜沸腾所需的搅拌速度(表面更新或淬火剂更新速度)将至少部分取决于铁水零件的表面特征、铁水零件的质量以及铁水零件的表面温度和淬火剂的温度。优选地，在淬火期间，零件表面和液态淬火剂表面上的压力在铁水零件感兴趣的整个表面上是相同的。

例如，通过改变汽化推进剂(液氮或干冰)的上游注入量或在淬火剂接触零件表面之前使液态淬火剂通过斩波阀(a chopper valve)来提高表面更新速度，这是提高零件表面液体淬火剂更新的均匀性的另一个示例。

因为可以相信在压力下均匀地淬火将消除膜沸腾，因此可以相信消除了中断淬火的需要，如在'974专利中所实践和描述的。因此，该方法可以在不中断现有技术974专利规定的时间进行淬火的情况下进行。

但是，如果需要，从业者可能仍希望在淬火停止时间中断淬火。中断淬火只是意味着铁水零件不再暴露于液态淬火剂。这可以通过许多方式来实现，例如从淬火室中去除液态淬火剂、从淬火室中去除铁水零件或两者兼而有之。尽管少量残留的液态淬火剂可能残留在铁水零件的全部或部分表面上，但是一旦达到淬火停止时间，铁水零件就不应再浸入液态淬火剂中。

淬火停止时间或中断时间可以对应于铁水零件的表面达到其马氏体终点温度(M_F)的时间。马氏体终点温度在本领域中是众所周知的，并且取决于在铁水零件中使用的金属的类型和合金而变化。尽管铁水零件的表面将达到马氏体终点温度，但优选的是在零件芯部达到其马氏体终点温度之前发生中断。应尽快对零件进行回火，以在表面回火马氏体，并为该方法的下一步达到所需的硬度。

已经发现，一旦控制了零件表面的淬火剂更新，即不是随机的，“当前”压缩应力就会迅速建立，并以残余应力的形式保留，从而形成截然不同的硬化零件。另外，零件在以一致的方式进行热冷却时会在相同的位置变形。这种一致的变形使变形是可预测的，并且可以使未经处理的零件成形，从而在加热和淬火零件时，零件变形为所需的形状，使得消除了或至少减少了后热处理步骤，例如打磨或拉直、弄平或以其他方式弯曲成形。

虽然表面积上的高压有利于水淬火剂，但这对于油而言不是必需的。这对于不沸腾的盐淬火剂或已经为蒸汽的空气特别不利。

受控的淬火剂更新适用于所有淬火剂，甚至包括空气和真空***。由于空气具有流体流动特性，因此也会形成停滞区，从而导致零件冷却不均匀。通过控制空气淬火剂的更新，可以消除停滞区或将其最小化。

Claims (21)

1.一种用于淬火由马氏体金属成分组成的铁水零件的至少一部分的方法，所述铁水零件具有表面积、表面温度和临界冷却速度，所述方法包括以下步骤：

a.使含水淬火剂以大于含水淬火剂压力的冲击压力在接触的初始时刻接触所述表面积的至少一部分，其中，所述含水淬火剂压力对应于所述含水淬火剂在所述表面积的所述部分的在所述表面温度下的蒸汽压；以及

b.在所述铁水零件的表面更新所述含水淬火剂。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

c.以大于或等于所述临界冷却速度的冷却速度降低所述铁水零件的所述表面温度。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，将所述冷却速度维持至少一段时间，所述时间对应于表征所述马氏体金属成分的TTT图的拐点。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，使用受控的淬火剂更新来更新所述含水淬火剂。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括含水淬火剂源，其中存在具有将所述含水淬火剂源与所述铁水零件分开的阀，所述阀具有阀关闭位置和阀打开位置。

6.根据权利要求5的方法，其中，所述含水淬火剂通过以下方式来接触所述铁水零件：当所述阀处于所述阀关闭位置时，通过在所述含水淬火剂源中蒸发液体或将固体升华到所述含水淬火剂后面以产生所述含水淬火剂压力，将所述阀从所述阀关闭位置改变为所述阀打开位置，以及使所述含水淬火剂以大于或等于所述临界冷却速度的冷却速度接触所述铁水零件。

7.根据权利要求6的方法，其中，所述液体或固体选自由氮气、氩气、氦气和二氧化碳组成的组。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的方法，其中，所述冷却速度选自由每秒至少300℃、每秒至少400℃、每秒至少500℃和每秒至少600℃组成的组。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，在使所述铁水零件与所述含水淬火剂接触之前，将所述铁水零件至少部分地放置在淬火室内。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，在与所述铁水零件的芯部达到其马氏体终点温度的时间相对应的淬火停止时间，停止使所述铁水零件与所述含水淬火剂接触。

11.根据权利要求9至10中的任一项所述的方法，其中，所述淬火室包括具有与所述铁水零件的零件几何形状一致的喷嘴的压印模。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，在所述零件表面的附近存在多个出口喷嘴，并且所述含水淬火剂在接触所述表面积的所述部分之后通过所述多个出口喷嘴的至少一部分。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，所述接触步骤之前是加热步骤，并且所述加热步骤与所述接触步骤之间的时间量小于对应于表征所述马氏体金属成分的TTT图的拐点的时间。

14.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，在所述接触步骤之前进行加热步骤，并且在所述接触步骤之前不对所述铁水零件进行冷却。

15.一种用于淬火由马氏体金属成分组成的铁水零件的至少一部分的方法，所述铁水零件具有零件表面、表面积、表面温度和临界冷却速度，所述方法包括使用淬火装置来完成以下步骤：

a.使所述铁水零件的至少一部分与淬火剂接触，以及

b.使用受控的淬火剂更新来更新所述淬火剂的至少一部分。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述淬火装置具有至少一个入口喷嘴和至少一个出口喷嘴。

17.根据权利要求15至16中任一项所述的方法，其中，所述淬火装置是与所述铁水零件的几何形状一致的压印模。

18.根据权利要求15至16中任一项所述的方法，其中，所述铁水零件是具有中空空间的中空零件，并且所述淬火装置包括至少一个与第二区域流体隔离的第一区域，其中所述淬火剂通过所述第一区域进入所述中空空间并通过所述第二区域离开所述中空空间。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一区域和所述第二区域是与第二扭绞管一起扭绞的第一扭绞管。

20.根据权利要求18至19中任一项所述的方法，其中，所述中空铁水零件选自由铁水枪管和铁水轴组成的组。

21.根据权利要求15至20中任一项所述的方法，其中，在所述接触步骤之前进行加热步骤，并且在所述接触步骤之前不对所述铁水零件进行冷却。

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