專利名稱：一種高精度彈性元件的精密化熱處理方法
技術領域：
本發明涉及彈性元件的精密化熱處理技術，特別是涉及一種高精度彈性元件的精 密化熱處理方法。
背景技術：
高精度彈性元件是航天器結構和機構、機械、電子產品的常用零部件，彈性元件在 成型后需要進行熱處理強化，來滿足其硬度、強度及彈性等技術指標。高精度彈性元件的尺 寸偏差較小，熱處理過程中產生的氧化、熱應力、組織應力等，易造成彈性元件的尺寸超差； 彈性元件在高應力條件使用產生的微屈服變形，影響其力學性能。高精度彈性元件熱處理中，淬火處理多采用空氣爐或鹽浴爐，熱處理過程在熱應 力和組織應力作用下導致尺寸精度下降，造成其合格率偏低。彈性元件的淬火較高(多數 高于800°C )，淬火保溫過程導致表面高溫氧化，氧化皮厚度增加，影響材料的斷裂韌性，而 且后續的表面處理難度較大。鹽浴爐加熱過程中，加熱鹽揮發，影響操作人員身體健康；鹽 浴爐處理加熱時間長，操作工作復雜，存在溶鹽爆炸等危險。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，提供一種高精度彈性元件的精密化 熱處理方法，該方法通過采用流態粒子爐作為淬火設備，顆粒狀石墨作為加熱介質對彈性 元件進行淬火處理，并借助淬火工裝，同時還采用加荷實效工裝對彈性元件進行加荷處理， 解決了彈性元件淬火氧化、精度下降等問題，實現了彈性元件的無氧化淬火和高尺寸精度， 大大提高了彈性元件的可靠性及彈性元件的產品質量。本發明的上述目的是通過如下技術方案予以實現的一種高精度彈性元件的熱處理方法，包括如下步驟步驟(一)、將彈性元件裝卡于淬火工裝內部，調節彈性元件的高度使其處于微壓 縮狀態，并保證彈性元件端面各點高度一致，所述淬火工裝為可以對彈性元件進行裝卡并 能調節彈性元件高度的裝置；步驟(二)、采用流態粒子爐對彈性元件進行淬火處理，首先將流態粒子爐加熱升 溫到彈性元件材料的淬火溫度，加熱升溫時采用空氣或氮氣進行充氣攪拌對流，并以顆粒 狀石墨為加熱介質，然后將淬火工裝垂直裝入流態粒子爐內，進行保溫，保溫結束后，將彈 性元件快速冷卻；步驟(三)、對彈性元件進行表面清潔，保證彈性元件表面無油污；步驟(四)、對彈性元件進行回火處理，將回火處理設備升溫到回火溫度后，將彈 性元件裝入回火處理設備，當回火處理設備溫度恢復回火溫度后，保溫Ih 池，將彈性元 件迅速出爐空冷，所述回火溫度根據彈性元件材料的回火硬度-溫度對照曲線得到；步驟(五)、對彈性元件進行加荷時效處理，采用加荷時效工裝將彈性元件壓縮到 工作極限尺寸，并將加荷時效工裝裝入鼓風干燥箱進行加熱，加熱溫度在50°c 100°C之間，連續保持20h 60h后，將彈性元件出爐空冷，所述加荷時效工裝為可以對彈性元件進 行裝卡并能調節彈性元件高度的裝置。在上述高精度彈性元件的熱處理方法中，步驟(一)中的淬火工裝包括調節桿、上 固定板、下固定板和固定螺母，其中調節桿位于上固定板與下固定板之間并通過固定螺母 緊固，固定螺母位于上固定板上端，通過調節上固定板的位置調節彈性元件的高度。在上述高精度彈性元件的熱處理方法中，步驟(一)中處于微壓縮狀態的彈性元 件的壓縮量為彈性元件原始高度的1 2. 5%。在上述高精度彈性元件的熱處理方法中，步驟(二)中采用空氣或氮氣進行充氣 攪拌對流時，充氣流量為5m3/h 15m3/h。在上述高精度彈性元件的熱處理方法中，步驟(二)中以顆粒狀石墨為加熱介質， 顆粒石墨的顆粒直徑為30 μ m 50 μ m。在上述高精度彈性元件的熱處理方法中，步驟(二)中淬火工裝在流態粒子爐內 的保溫時間=彈性元件直徑RX保溫系數。在上述高精度彈性元件的熱處理方法中，步驟(二)中保溫結束后首先快速清理 彈性元件表面附著的石墨顆粒，再對彈性元件進行快速冷卻，冷卻包括油冷、水冷或空冷處理。在上述高精度彈性元件的熱處理方法中，步驟(三)中采用去污劑或汽油對彈性 零件進行表面清潔。在上述高精度彈性元件的熱處理方法中，步驟(四)中回火處理設備為真空爐、保 護性氣氛爐或空氣爐。在上述高精度彈性元件的熱處理方法中，步驟(五)中加荷時效工裝包括固定軸、 緊固螺母和墊片，其中固定軸由端頭和軸體組成，緊固螺母與墊片套在軸體上，加荷實效處 理時，將彈性元件套裝在固定軸的軸體上，一端緊貼固定軸的端頭，另一端緊貼墊片，通過 調整緊固螺母的位置對彈性元件進行壓縮。本發明相比現有技術具有如下優點(1)本發明采用流態粒子爐對彈性元件淬火處理，顆粒狀石墨作為加熱介質。流態 粒子爐在充氣加熱條件下，爐內的石墨顆粒充分攪拌流動，消耗了爐內中的O2，并產生了一 定量的(X)2和CO等還原性氣氛，保護了高溫條件的彈性元件，實現了無氧化處理；(2)本發明通過大量工藝試驗得出在淬火處理過程中，控制石墨顆粒直徑為 30 μ m 50 μ m，充氣流量為5m3/h 15m3/h，流態離子爐內加熱環境最佳，淬火效果最好， 此時爐內石墨充分對流，保證了爐內的溫度均勻性；(3)本發明在高精度彈性元件淬火時，采用尺寸精度控制的淬火工裝上下調節彈 性元件的整體高度，彈性元件可實現多點裝卡，淬火處理前調整彈性元件高度，產生一定量 尺寸的預變形，使得彈性元件在加熱條件下不發生上下竄動，降低彈性元件的淬火熱變形， 保證了尺寸外形，克服了現有技術中彈性元件不進行尺寸控制，在高溫條件下發生高溫形 變和組織形變，其外形產生變形甚至扭曲，導致不合格產品出現的缺陷；(4)本發明針對高精度彈性元件增加了加荷時效處理，利用彈性元件壓縮、高溫、 長時間保持使得彈性元件產生極限載荷內的微屈服，保證了彈性元件力學性能穩定，使用 條件下不產生塑性變形，使用性能提高，有效解決了高精度彈性元件在使用過程中，易發生
5受載變形，彈性元件發生屈服縮變，長度或高度不能恢復原尺寸，會導致高精密結構機構產 品失效等問題；(5)本發明采用流態粒子爐對彈性元件進行熱處理，操作工程簡單、安全，可實現 其無氧化熱處理，同時采用淬火工裝和加荷時效工裝對彈性元件處理，可實現其尺寸的精 確控制，保證了熱處理質量。


圖1為本發明高精度彈性元件熱處理工藝流程圖；圖2為本發明高精度彈性元件示意圖；圖3為本發明淬火工裝結構示意圖；圖4為本發明高精度彈性元件-淬火工裝裝卡示意圖；圖5為本發明加荷時效工裝結構示意圖；圖6為本發明高精度彈性元件-加荷時效工裝裝卡示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的描述如圖1所示為本發明高精度彈性元件熱處理工藝流程圖，包括工裝裝卡、淬火處 理、表面清潔、回火處理和加荷時效處理，具體如下(一 )對彈性元件1進行工裝裝卡，如圖3所示為本發明淬火工裝結構示意圖，淬 火工裝包括調節桿5、上固定板3、下固定板4和固定螺母2，其中調節桿5位于上固定板3 與下固定板4之間并通過固定螺母2緊固，固定螺母2位于上固定板3上端，調節固定螺母 2可以上下調節彈性元件1的整體高度，彈性元件1可實現多點裝卡。淬火工裝的材料可選 用不銹鋼或低碳合金鋼。如圖2所示為本發明高精度彈性元件示意圖，將彈性元件1裝卡于淬火工裝內部， 調節彈性元件1的高度使其處于微壓縮狀態，處于微壓縮狀態的彈性元件的壓縮量為彈性 元件ι原始高度的ι 2. 5%，使得彈性元件在加熱條件下不發生上下竄動，降低彈性元件 的淬火熱變形，并保證彈性元件1端面各點高度一致，如圖4所示為本發明高精度彈性元 件-淬火工裝裝卡示意圖。( 二)采用流態粒子爐進行淬火處理，以顆粒狀石墨為加熱介質，其顆粒尺寸為 30 μ m 50 μ m，加熱時采用空氣或氮氣進行充氣攪拌對流，充氣流量應保證在5m3/h 15m3/h，氣體流量可適當調整，使得石墨在爐腔內充分攪拌流動，并不溢出爐頂部，在高溫 條件下獲得ω2和CO等還原性氣氛。首先將流態粒子爐加熱升溫到彈性元件材料的淬火溫度，儀表顯示溫度達到淬火 溫度后，將淬火工裝垂直裝入爐膛內，保溫開始計時，保溫結束后，應快速清理彈性元件表 面附著的石墨顆粒，再油冷、水冷或空冷處理。在流態粒子爐內的保溫時間=彈性元件直徑 RX保溫系數，保溫系數為1. 5min/mm。采用顆粒狀石墨為加熱介質的流態粒子爐，在高溫條件下消耗了爐內的氧氣，獲 得低還原性氣氛。流態粒子爐的淬火溫度與空氣爐基本一致，保溫時間一般為空氣爐保溫 時間的2/3，例如彈性元件的材料為50CrVA，彈性原件的鋼絲直徑為5mm，空氣爐的淬火溫度和保溫時間分別為850°C、15min ；采用流態粒子爐的淬火溫度不變仍為850°C，保溫時間 =5mmX 1. 5min/mm = 7. 5min,由于考慮到工裝吸熱，所以一般保溫時間選為lOmin，基本上 為空氣爐保溫時間的2/3。(三)采用去污劑或汽油對彈性零件1進行表面清潔。(四)對彈性元件1進行回火處理，回火處理設備可選用真空爐、保護性氣氛爐 或空氣爐，將回火處理設備升溫到回火溫度后，將彈性元件1放入料筐中，裝入回火處理設 備，當回火處理設備溫度恢復回火溫度后，保溫Ih 池，將彈性元件1迅速出爐空冷，回火 溫度根據彈性元件1材料的回火硬度-溫度對照曲線得到。(五)對彈性元件1進行加荷時效處理，如圖5所示為本發明加荷時效工裝結構示 意圖，加荷時效工裝包括固定軸、緊固螺母7和墊片8，其中固定軸由端頭6和軸體9組成， 緊固螺母7與墊片8套在軸體9上，加荷實效處理時，將彈性元件1套裝在固定軸的軸體9 上，一端緊貼固定軸的端頭6，另一端緊貼墊片，通過調整緊固螺母7的位置對彈性元件1進 行壓縮，實現彈性元件1的高度調節，如圖6所示為本發明高精度彈性元件-加荷時效工裝 裝卡示意圖。首先采用加荷時效工裝將彈性元件1壓縮到工作極限尺寸，并將加荷時效工裝裝 入鼓風干燥箱進行加熱，加熱時效須嚴格控制工藝參數，加熱溫度在50°C 100°C之間，連 續保持20h 60h后，將彈性元件1出爐空冷，完成整個熱處理過程。彈性元件完成淬火回火后，將彈性元件壓縮到工作的極限尺寸，在一定溫度條件 下保持一段時間，進行加荷時效處理，加荷時效處理使得材料組織趨于穩定，在高載荷條件 下產生微屈服效應，使得力學性能穩定，提高了彈性元件的抗應力松弛能力，降低了繞制過 程中的應力，使用條件下不產生塑性變形，彈性元件的使用性能提高。下面列舉一個具體的實施例如圖2為本實施例的一種高精度彈性元件，其材料為50CrVA合金鋼絲，鋼絲直徑 為5. Omm，熱處理狀態為退火態。完成繞制、并頭、磨端面等成型工序后，需要進行淬火強化 處理，其硬度要求為HRC45 50。最終得到的彈性原件高度為89. 5mm,由于熱處理完后的 彈性元件要經過磨削等工藝處理，因此彈性元件最初高度選為91. 5mm。具體熱處理過程步驟如下步驟(一)、將調節桿5安裝于下固定板4的安裝孔內，整體平放于工作臺上，再將 彈性元件1放置于下固定板4上，根據安裝孔和調節桿5位置安裝上固定板3。用扳手緊固 固定螺母2，控制彈性元件1的高度到90. 5mm，使其處于微壓縮狀態，且彈性元件端面高度一致。步驟(二)、對流態粒子爐進行升溫，加熱介質為30 μ m 50 μ m的顆粒狀石墨，充 氣流量為5m3/h 15m3/h。設備顯示儀表溫度為850°C后，將已裝卡彈性元件的淬火工裝垂 直吊裝入爐膛中間位置，保溫10min(計算值7.5min，考慮工裝吸熱，定為IOmin)。之后用 火鉗或吊鉤迅速吊出工裝，并晃動使工裝表面石墨顆粒脫落，然后快速進入淬火油中冷卻。步驟(三)、拆除工裝，取下彈性元件1，用汽油浸泡彈性元件3min，用棕刷清除零 件表面，保證表面無油污。步驟(四)、對回火處理爐加熱升溫到380°C后，彈性元件1放入料筐中，裝入回火 處理設備，設備重新升溫，保溫1. 5h后，迅速出爐空冷。
7
步驟(五)、彈性元件1兩端面經磨床磨平端面，將彈性元件1安裝到加荷時效工 裝內，扳手擰緊緊固螺母7將彈性元件1壓縮到其極限尺寸68. 5mm。將裝卡好的工裝放入 鼓風干燥箱，加熱時效70°C，連續保持4 后，空冷出爐。以上所述，僅為本發明最佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員的公知技術。
權利要求
1.一種高精度彈性元件的熱處理方法，其特征在于包括如下步驟步驟(一)、將彈性元件(1)裝卡于淬火工裝內部，調節彈性元件(1)的高度使其處于 微壓縮狀態，并保證彈性元件(1)端面各點高度一致，所述淬火工裝為可以對彈性元件進 行裝卡并能調節彈性元件高度的裝置；步驟(二)、采用流態粒子爐對彈性元件(1)進行淬火處理，首先將流態粒子爐加熱升 溫到彈性元件(1)材料的淬火溫度，加熱升溫時采用空氣或氮氣進行充氣攪拌對流，并以 顆粒狀石墨為加熱介質，然后將淬火工裝垂直裝入流態粒子爐內，進行保溫，保溫結束后， 將彈性元件(1)快速冷卻；步驟(三)、對彈性元件(1)進行表面清潔，保證彈性元件(1)表面無油污； 步驟(四)、對彈性元件(1)進行回火處理，將回火處理設備升溫到回火溫度后，將彈性 元件(1)裝入回火處理設備，當回火處理設備溫度恢復回火溫度后，保溫Ih 池，將彈性元 件(1)迅速出爐空冷，所述回火溫度根據彈性元件(1)材料的回火硬度-溫度對照曲線得 到；步驟(五)、對彈性元件(1)進行加荷時效處理，采用加荷時效工裝將彈性元件(1) 壓縮到工作極限尺寸，并將加荷時效工裝裝入鼓風干燥箱進行加熱，加熱溫度在50°c 100°C之間，連續保持20h 60h后，將彈性元件⑴出爐空冷，所述加荷時效工裝為可以對 彈性元件進行裝卡并能調節彈性元件高度的裝置。
2.根據權利要求1所述的一種高精度彈性元件的熱處理方法，其特征在于所述步驟 (一)中的淬火工裝包括調節桿(5)、上固定板(3)、下固定板(4)和固定螺母0)，其中調 節桿(5)位于上固定板(3)與下固定板(4)之間并通過固定螺母(2)緊固，固定螺母(2) 位于上固定板C3)上端，通過調節上固定板(3)的位置調節彈性元件(1)的高度。
3.根據權利要求1所述的一種高精度彈性元件的熱處理方法，其特征在于所述步驟(一)中處于微壓縮狀態的彈性元件(1)的壓縮量為彈性元件(1)原始高度的1 2.5%。
4.根據權利要求1所述的一種高精度彈性元件的熱處理方法，其特征在于所述步驟(二)中采用空氣或氮氣進行充氣攪拌對流時，充氣流量為5m3/h 15m3/h。
5.根據權利要求1所述的一種高精度彈性元件的熱處理方法，其特征在于所述步驟 (二)中以顆粒狀石墨為加熱介質，顆粒石墨的顆粒直徑為30 μ m 50 μ m。
6.根據權利要求1所述的一種高精度彈性元件的熱處理方法，其特征在于所述步驟 (二)中淬火工裝在流態粒子爐內的保溫時間=彈性元件直徑RX保溫系數。
7.根據權利要求1所述的一種高精度彈性元件的熱處理方法，其特征在于所述步驟(二)中保溫結束后首先快速清理彈性元件⑴表面附著的石墨顆粒，再對彈性元件⑴進 行快速冷卻，冷卻包括油冷、水冷或空冷處理。
8.根據權利要求1所述的一種高精度彈性元件的熱處理方法，其特征在于所述步驟(三)中采用去污劑或汽油對彈性零件(1)進行表面清潔。
9.根據權利要求1所述的一種高精度彈性元件的熱處理方法，其特征在于所述步驟(四)中回火處理設備為真空爐、保護性氣氛爐或空氣爐。
10.根據權利要求1所述的一種高精度彈性元件的熱處理方法，其特征在于所述步驟(五)中加荷時效工裝包括固定軸、緊固螺母(7)和墊片(8)，其中固定軸由端頭(6)和軸 體(9)組成，緊固螺母(7)與墊片(8)套在軸體(9)上，加荷實效處理時，將彈性元件(1)套裝在固定軸的軸體(9)上，一端緊貼固定軸的端頭(6)，另一端緊貼墊片，通過調整緊固 螺母(7)的位置對彈性元件(1)進行壓縮。
全文摘要
本發明涉及一種高精度彈性元件的精密化熱處理方法，通過采用一種特殊保護的流態粒子爐和彈性元件淬火處理工裝進行淬火處理，其中石墨粒子作為加熱介質，并對淬火的溫度、保溫時間及冷卻方式進行優化設計，實現了高精度彈性元件的無氧化淬火處理，提高了高精度彈性元件的表面質量和尺寸精度；根據高精度彈性元件的淬火硬度，選用合適的工藝參數進行回火處理；采用彈性元件加荷處理工裝對元件進行加荷時效處理，提高了彈性元件的抗應力松弛能力，降低了繞制過程中的應力，微屈服強度有效提高；本發明通過上述熱處理方法，高精度彈性元件淬火后表面無氧化、尺寸無變形、力學性能穩定，提高了高精度彈性元件熱處理的可靠性和質量。
文檔編號C21D8/00GK102134633SQ20111002295
公開日2011年7月27日 申請日期2011年1月20日 優先權日2011年1月20日
發明者于芳, 張立功, 楊鑫, 苗偉 申請人:北京衛星制造廠