一種分成多段排放氣泡的浸油淬火冷卻方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及金屬熱處理中工件浸油冷卻技術領域，特別是涉及一種分成多段排放 氣泡的浸油淬火冷卻方法。
【背景技術】
[0002] 目前，在生產過程中，為減小加熱和淬火冷卻過程中工件的彎曲變形，長軸類工件 大多用垂直懸掛的方式加熱和淬火冷卻。這里所說的淬火，既包括以獲得一定深度的馬氏 體組織為目的的淬火，也包括大直徑工件浸油冷卻來獲得細珠光體組織的冷卻過程。當前， 行業內普遍認為：同一工件上有效厚度相同的部分，在淬火冷卻過程中通常能夠獲得相同 的淬火冷卻效果；軸類工件各部分有效厚度相同，冷卻效果自然也就相同。有關的書刊資料 上都沒有與此相反的認識和報道。因此，在生產應用中，對于以垂直方式浸液淬火的長軸類 工件，通常只在指定部位檢查其淬火硬度，而不沿軸向檢查整個工件淬火硬度的均勻性。然 而，實際檢測會發現，用現有淬火方法冷卻得到的長軸類工件，軸向淬火硬度并不均勻；指 定的局部硬度并不能真實反映整個工件的淬火硬度均勻性。將這樣淬火硬度不均勻的工件 投入使用后，造成工件機械性能降低，使用壽命縮短，甚至可能導致零件在服役期出現意外 事故。
[0003] 目前，為了保證工件達到要求的淬火質量，有一些手段可以改善工件冷卻均勻性 和提高工件淬火硬度，比如攪拌。一般而言，改善工件的冷卻均勻性，就會同時提高工件淬 火的硬度均勻性，但由于工件形狀復雜程度不一、材料淬透性高低不同，因而冷卻的均勻不 一定能保證淬火硬度的均勻。通常認為，對淬火油做良好的攪拌能促使油溫均勻，從而改善 工件的冷卻均勻性，可提高淬火的硬度均勻性；同時，攪拌也加強了工件與淬火油的熱交換 能力，可提高工件的淬火硬度。但是，一方面，鑒于介質攪拌的特點和攪拌問題的復雜性，要 使同爐淬火的不同工件，或者同一工件的不同部位同時處于溫度均勻的淬火油中而獲得相 同的冷卻效果不大可能；另一方面，由于受工件形狀和位置的影響，淬火油溫度的均勻不意 味著工件淬火硬度的均勻性，其結果就是，即使同爐淬火工件也常出現部分工件發生淬火 變形或者硬度不合格的問題。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的是針對現有技術中存在的缺陷，提供一種能提高軸類工件淬火硬度 和硬度均勻性的分成多段排放氣泡的浸油淬火冷卻方法，用于工件以垂直方式浸油淬火冷 卻工序中，所述工件為軸類工件或具有軸形區段的工件；該方法是在淬火冷卻工序之前的 切削加工中，在所述工件所要求的尺寸之外預留出若干個沿軸向分布的分隔環，以將所述 工件沿軸向分隔成多個區段；然后將帶有分隔環的軸類工件或軸形區段進行加熱、冷卻，完 成淬火冷卻。
[0005] 所述分隔環與工件為一整體加工件。
[0006] 所述分隔環分布在工件軸向的表面。
[0007] 所述分隔環的縱向截面為矩形、坡形、臺階形或三角形，頂面可以是平面、圓面或 尖頂。
[0008] 所述分隔環與工件外表面結合部分在工件軸向上的長度，即基底厚度，為l_20mm。
[0009] 所述分隔環外沿距工件外表面的徑向長度，即高度，為l-10mm。
[0010] 所述分隔環的間距為10mm-200mm;不同分隔環之間的間距可以相等，也可以不相 等。
[0011] 本發明還提供了一種工件的加工方法，包括上述浸油淬火冷卻方法，還包括在淬 火冷卻完成后，將分隔環去除而得到所要求尺寸工件的過程；去除分隔環時在切削部位優 選進行降溫處理。
[0012] 還包括工件的回火工序，去除分隔環在回火工序之前或之后。
[0013] 本發明還提供了一種用上述加工方法得到的工件，所述工件為軸類工件或具有軸 形區段的工件。
[0014] 與現有技術相比，本發明的有益效果是：
[0015] 1.改善工件的內在質量：可有效提高工件，尤其是長軸類工件的淬火硬度及淬火 硬度的均勻性，減小工件淬火畸變，并且提高軸件的疲勞壽命。
[0016] 2.節省合金元素資源：由于本發明的淬火冷卻方法可提高工件的淬火硬度，因此 可用較低淬透性的鋼替換較高淬透性的鋼，從而節省合金元素資源。
[0017] 3.降低生產成本：對于某些類工件，采用本發明淬火冷卻方法后，可以用普通油 淬火而獲得現今使用快速淬火油才能得到的淬火冷卻效果，降低生產成本。
[0018] 4.提高生產效率：本發明的淬火冷卻方法可以縮短工件的淬火冷卻時間，尤其是 用于大直徑長軸類工件時，效果更明顯。
[0019] 5.與現有技術相比之下，本發明的方法具有原理簡單、效果顯著而又穩定，均勻性 極好等優點；因此，如果在繼續使用原有工藝方法的同時，補加上本發明的方法，也就是在 淬火加熱之前，在工件的適當部位加工出分隔環，然后再進行淬火，就很有可能大大減少甚 至消除淬火不合格品。
【附圖說明】
[0020] 圖1所示為有分隔環的工件的結構示意圖；
[0021] 圖2所示為圖1中分隔環的局部放大圖；
[0022] 圖3所示為無分隔環工件垂直表面蒸汽膜內氣體流動方式的示意圖；
[0023] 圖4所示為無分隔環軸類工件在淬火冷卻過程中不同時刻的狀態圖；
[0024] 圖5所示為圖4無分隔環軸類工件在淬火冷卻過程中的交界線擴展圖；
[0025] 圖6所示為本發明方法中分隔環的作用原理示意圖；
[0026] 圖7所示為實驗例一中無分隔環的軸類試樣在淬火冷卻過程中不同時刻的狀態 圖；
[0027] 圖8所示為實驗例一中有分隔環的軸類試樣在淬火冷卻過程中不同時刻的狀態 圖；
[0028] 圖9所示為實驗例一中無分隔環和有分隔環的兩個軸類試樣在淬火冷卻過程中 的交界線擴展圖；
[0029] 圖10所示為實驗例二中無分隔環和有分隔環的兩個軸類試樣在淬火冷卻過程中 的交界線擴展圖；
[0030] 圖11所示為實驗例二中無分隔環和有分隔環的兩個軸類試樣的淬火態表面硬度 分布對比曲線。
【具體實施方式】
[0031] 近些年來，本發明的發明人通過大量的試驗，研究了多種試樣的浸液淬火冷卻過 程，發現同一工件上有效厚度相同的部分通常不能獲得相同的淬火冷卻效果；軸類工件有 效厚度相同，上下各部分的冷卻效果（指淬火硬度）卻大不相同。目前有關書刊資料和行 業內都還沒有此類情況的報道。
[0032] 發明人進一步發現：浸液淬火中工件表面蒸汽膜內的氣體會發生流動，高溫氣體 會從蒸汽膜頂端向外排放氣泡釋放熱量，進而研究得到蒸汽膜內氣體流動會對工件冷卻快 慢和冷卻均勻性產生影響，總結出了影響浸液淬火工件冷卻快慢和冷卻均勻性的兩個新因 素：一個是工件表面蒸汽膜內氣體流動的影響；另一個是工件表面從蒸汽膜方式向泡核沸 騰（以下簡稱沸騰）方式的轉型先后順序的影響。進而，發明人用這兩個新因素揭示的知 識發展出來本發明的淬火冷卻技術，也可以稱為精細淬火冷卻技術。
[0033] 第一個因素中，發明人發現的蒸汽膜內氣體的流動規律如下：蒸汽膜內的氣體是 從蒸汽膜外側內層的液面蒸發出來的。在蒸汽膜內的氣體中，緊挨高溫工件外表面的內層 氣體溫度最高，而緊挨液面的外層氣體溫度最低，因此蒸汽膜內的氣體溫度分布很不均勻。 對于軸類工件，在垂直表面的蒸汽膜內，不管所處的位置是高還是低，蒸汽膜內緊挨液面的 外層氣體溫度基本相同（通常，外層氣體溫度只稍高于冷卻介質的沸點溫度）。由于內層氣 體和外層氣體之間存在巨大的溫度差，蒸汽膜內的氣體必然會發生流動。
[0034] 氣體流動的可能方式包括層流和循環對流。圖3是工件垂直表面蒸汽膜內氣體 流動的一種典型方式的示意圖：把蒸汽膜內的氣體按流動情況分成最靠近高溫工件的層流 層、最靠近液面的循環對流層，以及它們之間的中間部分。
[0035] 其中，內層氣體向上流動，成為沿工件外表面垂直向上的層流層。層流層向上輸 送的始終是同一高度的氣體中溫度最高的那部分氣體。層流層向上輸送的氣體，最終從工 件上方蒸汽膜的頂部以氣泡的方式排放到淬火液中。就這樣，從工件下方液面蒸發出來的 氣體，被源源不斷地從工件頂部蒸汽膜排放出去。在向上流動中，由于最接近高溫的工件表 面，并受到高溫表面的進一步加熱，層流層內的氣體溫度會不斷升高，這又將減緩工件上方 表面的散熱速度，也就是減弱工件上方的冷卻效果。從效果上，這也可以說成是層流層氣體 對