在線多級(jí)余熱淬火系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在線多級(jí)余熱淬火系統(tǒng)，用于提高擠壓材，尤其是厚大截面擠壓材的淬透深度，屬于金屬高溫形變熱處理技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]淬火是指將金屬工件加熱到某一適當(dāng)溫度并保持一段時(shí)間，隨即浸入淬冷介質(zhì)中快速冷卻的金屬熱處理工藝。常用的淬冷介質(zhì)有鹽水、水、礦物油、空氣等。淬火臨界冷卻速率是指淬火需要的最小冷卻速度，若比這個(gè)冷卻速度再低，則不能達(dá)到淬火效果。淬透性是指試樣在規(guī)定的工藝條件下淬火，所能獲得的最大淬硬層的深度。余熱淬火是指利用冷卻介質(zhì)將剛剛經(jīng)過(guò)熱變形的高溫金屬材料迅速地冷卻到較低溫度，使淬火組織中保留過(guò)飽和固溶體，為后續(xù)時(shí)效強(qiáng)化提供熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)條件。以前的余熱淬火冷卻介質(zhì)一般采用水并循環(huán)使用，水溫基本是環(huán)境溫度。在線余熱淬火具有如下優(yōu)點(diǎn):(I)利用熱變形后的余熱快速淬火后的擠壓材可直接進(jìn)行人工時(shí)效，從而省去了固溶處理環(huán)節(jié)，從而有效地節(jié)約了能源；(2)能夠有效保留變形態(tài)組織中的高密度位錯(cuò)，增加了沉淀相的形核位置，有利于提升后續(xù)人工時(shí)效時(shí)的沉淀強(qiáng)化的效果；(3)防止粗大的高溫沉淀相在緩慢冷卻過(guò)程中析出，從而確保較高的固溶體過(guò)飽和度，同樣有利于提升沉淀強(qiáng)化效果；(4)防止細(xì)小變形晶粒的長(zhǎng)大。
[0003]對(duì)于厚大截面的合金制品在淬火時(shí)，當(dāng)表層溫度冷至介質(zhì)溫度時(shí)，由于截面過(guò)厚，心部的冷卻速度低于達(dá)到淬火要求的臨界冷卻速率，導(dǎo)致合金制品的心部不能獲得較為理想的性能，從而對(duì)零件的使用產(chǎn)生影響。
[0004]同時(shí)，當(dāng)高溫厚大截面擠壓材表面迅速冷卻到室溫時(shí)，表層和心部存在很大的溫差，造成兩者在冷縮量和冷縮速度上存在巨大差別，心部的收縮量大于表層，最終導(dǎo)致心部承受拉伸殘余應(yīng)力，表層承受壓縮殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的危害很大，它能造成擠壓材心部開(kāi)裂，同時(shí)縮短零件的使用壽命并降低其的耐蝕性，更嚴(yán)重的是，會(huì)使擠壓材的形狀尺寸發(fā)生變化。為了控制殘余應(yīng)力，目前主要采用沸水、空氣或其它介質(zhì)淬火以適當(dāng)?shù)姆绞浇档屠鋮s速率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種在線多級(jí)余熱淬火系統(tǒng)，以提高擠壓材心部的時(shí)效強(qiáng)化效果，同時(shí)避免心部開(kāi)裂并弱化擠壓材的淬火殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的形狀和尺寸穩(wěn)定性。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]—種在線多級(jí)余熱淬火系統(tǒng)，包括放置在擠壓機(jī)出口前方具有噴淋功能的導(dǎo)路，該導(dǎo)路依次由噴氣導(dǎo)路、噴水導(dǎo)路和噴低溫冷水導(dǎo)路組成，或者依次由噴氣導(dǎo)路、噴霧導(dǎo)路、噴水導(dǎo)路和噴低溫冷水導(dǎo)路組成。
[0008]所述噴氣導(dǎo)路、噴霧導(dǎo)路和噴水導(dǎo)路各自獨(dú)立制作，或整合為一體，或兩兩合并，所述噴低溫冷水導(dǎo)路獨(dú)立存在。
[0009]所述擠壓機(jī)的模座上依次放置前環(huán)、中環(huán)和后環(huán)，模具和模墊位于前環(huán)中，模具、模墊、中環(huán)和后環(huán)的內(nèi)孔尺寸依次增大。
[0010]所述噴氣導(dǎo)路放置在中環(huán)和后環(huán)的內(nèi)孔中，其前沿抵住模墊或模具。
[0011]所述噴氣導(dǎo)路中的冷卻介質(zhì)為高壓氣體，噴氣方向與擠壓材前進(jìn)方向的夾角Θ 彡 90° O
[0012]所述噴霧導(dǎo)路中的冷卻介質(zhì)為水霧，由高壓氣體和高壓水經(jīng)具有造霧功能的噴嘴形成。
[0013]所述噴水導(dǎo)路中的冷卻介質(zhì)為高壓室溫水，噴水方式為射流形式，噴水寬度大于擠壓材的寬度。
[0014]所述噴低溫冷水導(dǎo)路中的冷卻介質(zhì)為-70?-10°C冷卻循環(huán)水，噴水方式為射流形式。
[0015]所述噴氣導(dǎo)路、噴霧導(dǎo)路、噴水導(dǎo)路和噴低溫冷水導(dǎo)路各自噴射段的長(zhǎng)度根據(jù)擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)、擠壓材的截面形狀和總面積，擠壓材的熱導(dǎo)率等因素綜合考慮。該四個(gè)導(dǎo)路的冷卻時(shí)間由噴射強(qiáng)度、噴射段的長(zhǎng)度和擠壓材的前進(jìn)速度共同決定。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0017]本發(fā)明可以弱化擠壓材，尤其是厚大截面擠壓材的淬火殘余應(yīng)力，避免心部開(kāi)裂，最大限度地提高擠壓材的余熱淬火效果；同時(shí)提高擠壓材心部的性能，實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的形狀和尺寸穩(wěn)定性。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明在線多級(jí)余熱淬火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。
[0019]附圖標(biāo)記:
[0020]I模具2模墊3前環(huán)4中環(huán)5后環(huán)6噴氣導(dǎo)路7噴霧導(dǎo)路8噴水導(dǎo)路9噴低溫冷水導(dǎo)路10噴氣嘴11噴霧嘴12噴水嘴
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0022]如圖1所示，通常的擠壓機(jī)的模座上依次放置前環(huán)3、中環(huán)4和后環(huán)5，模具I和模墊2位于前環(huán)I中，模具1、模墊2、中環(huán)4和后環(huán)5的內(nèi)孔尺寸依次增大。本發(fā)明的噴氣導(dǎo)路6放置在中環(huán)4和后環(huán)5的內(nèi)孔中，噴氣導(dǎo)路6前沿抵住模墊2。噴氣導(dǎo)路6、噴霧導(dǎo)路
7、噴水導(dǎo)路8和噴低溫冷水導(dǎo)路9依次設(shè)置在擠壓機(jī)出口前方，噴低溫冷水導(dǎo)路9連接冷水機(jī)。根據(jù)實(shí)際需要，其中的噴霧導(dǎo)路7可以省去。噴氣導(dǎo)路6、噴霧導(dǎo)路7和噴水導(dǎo)路8各自獨(dú)立制作，或整合為一體，或兩兩合并，噴低溫冷水導(dǎo)路9獨(dú)立存在。
[0023]噴氣導(dǎo)路6中的冷卻介質(zhì)為高壓氣體，高壓氣體經(jīng)噴氣嘴10噴出，噴氣方向與擠壓材前進(jìn)方向(圖1中的箭頭方向)的夾角Θ <90°，以防止氣體將模具吹涼又可以利用氣幕阻隔水汽或水流。
[0024]噴霧導(dǎo)路7中的冷卻介質(zhì)為水霧，由高壓氣體和高壓水經(jīng)具有造霧功能的噴嘴11形成。
[0025]噴水導(dǎo)路8中的冷卻介質(zhì)為高壓室溫水，經(jīng)噴水嘴12噴向擠壓材，噴水方式為射流形式，噴水寬度大于擠壓材的寬度。
[0026]噴低溫冷水導(dǎo)路9中的冷卻介質(zhì)為-70?-10°C冷卻循環(huán)水，噴水方式為射流形式。
[0027]在噴霧導(dǎo)路7、噴水導(dǎo)路8和噴低溫冷水導(dǎo)路9中，噴霧或噴水方向與擠壓材前進(jìn)方向的夾角Θ可為90°。
[0028]實(shí)施例1
[0029]Mg-8wt.% Al-0.4wt.% Zn鎂合金(簡(jiǎn)稱(chēng)AZ80)是一種常用的商業(yè)鎂合金，導(dǎo)熱率約為82W/(m.K)，用熱擠壓法生產(chǎn)290mmX 230mm厚大截面擠壓材過(guò)程中，需要進(jìn)行在線淬火，早期使用的在線余熱淬火導(dǎo)路為單純的高壓水冷，噴水長(zhǎng)度為3000mm，高壓水柱噴射擠壓材的四周，擠壓材進(jìn)入淬火系統(tǒng)時(shí)的溫度為400°C，擠壓速度為0.8mm/s，通過(guò)淬火導(dǎo)路冷卻后擠壓材溫度為室溫，但在后續(xù)定尺鋸切時(shí)發(fā)現(xiàn):整根排材的心部存在裂紋。
[0030]在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，改變淬火方式，在擠壓材擠出模具后，進(jìn)入淬火系統(tǒng)的溫度仍為400°C，速度仍為0.8mm/s，擠壓材先后通過(guò)高壓氣冷導(dǎo)路和霧冷導(dǎo)路，然后再進(jìn)行高壓水淬火，發(fā)現(xiàn)擠壓材的淬火殘余應(yīng)力大幅下降，方棒心部開(kāi)裂得以避免。然而，在進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，AZ80擠壓材表面拉伸性能抗拉強(qiáng)度達(dá)400MPa以上，而擠壓材心部拉伸性能抗拉強(qiáng)度僅為300MPa，擠壓材心部性能與擠壓材表面的性能的差距較大。
[0031]改為采用本發(fā)明的在線多級(jí)余熱淬火系統(tǒng)，增加了連接冷水機(jī)的噴低溫冷水導(dǎo)路9。為了擠壓材能在擠壓模具I后的最短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行淬火，將噴氣導(dǎo)路6放置在中環(huán)4內(nèi)孔內(nèi)，導(dǎo)路前沿抵住模墊2。噴霧導(dǎo)路7和噴水導(dǎo)路8緊隨噴氣導(dǎo)路6，連接冷水機(jī)的噴低溫冷水導(dǎo)路9獨(dú)自存在，與噴水導(dǎo)路8連接在一起，構(gòu)成淬火系統(tǒng)。噴氣導(dǎo)路6長(zhǎng)度為400mm，噴霧導(dǎo)路7長(zhǎng)度為300mm，噴水導(dǎo)路8長(zhǎng)度為1000mm，連接冷水機(jī)的噴低溫冷水導(dǎo)路9長(zhǎng)度為800mm。噴氣導(dǎo)路6中，冷卻介質(zhì)為高壓氣體，噴氣孔10的噴氣方向與擠壓材前進(jìn)方向的夾角O = 80°。噴霧導(dǎo)路7中，噴嘴具有造霧功能，冷卻介質(zhì)為水霧，在空腔內(nèi)同時(shí)通入高壓氣體和高壓水，通過(guò)噴嘴形成水霧。噴水導(dǎo)路8中，冷卻介質(zhì)為高壓水，冷卻方式為射流形式。噴水導(dǎo)路9中，冷卻介質(zhì)為-60°C的冷卻循環(huán)水。四個(gè)導(dǎo)路的氣體、水霧和水均噴射在擠壓材四周。
[0032]厚大截面擠壓棒材AZ80經(jīng)過(guò)本發(fā)明的在線多級(jí)余熱淬火系統(tǒng)冷卻后，擠壓材淬火殘余應(yīng)力下降，心部不存在開(kāi)裂現(xiàn)象，同時(shí)，AZ80擠壓材表面縱向拉伸性能抗拉強(qiáng)度仍達(dá)400MPa以上，而擠壓材心部縱向拉伸性能抗拉強(qiáng)度達(dá)380MPa，擠壓材心部的縱向拉伸性能提高約26%以上。
[0033]實(shí)施例2
[0034]Mg-5wt.% Zn-lwt.% Mn鎂合金(簡(jiǎn)稱(chēng)ZM51)是一種高導(dǎo)熱變形鎂合金，導(dǎo)熱率約為120W/(m.K)。在用擠壓法生產(chǎn)尺寸為290mmX 230mm厚大截面ZM51鎂合金方棒過(guò)程中，早期冷卻采用單一水冷余熱淬火導(dǎo)路，噴水段長(zhǎng)度5米，導(dǎo)路內(nèi)孔為圓形，實(shí)現(xiàn)360°噴射，冷卻前溫度380°C，擠壓速度1.2mm/s，冷卻后為室溫水溫度。經(jīng)過(guò)后期性能檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)ZM51鎂合金擠壓材表面拉伸性能抗拉強(qiáng)度達(dá)350MPa以上，而擠壓材心部拉伸性能抗拉強(qiáng)度僅為260MPa，擠壓材心部性能與擠壓材表面的性能的差距較大。
[0035]在相同的擠壓溫度后擠壓速度條件下，將冷卻系統(tǒng)改為采用本發(fā)明的在線多級(jí)余熱淬火系統(tǒng)，增加噴氣、噴水和噴_30°C冷卻循環(huán)水。淬火系統(tǒng)示意圖如圖1所示，由噴氣導(dǎo)路6、噴霧導(dǎo)路7和噴水導(dǎo)路8和噴低溫冷水導(dǎo)路9組成，導(dǎo)路內(nèi)孔仍為圓形。噴氣導(dǎo)路6中，冷卻介質(zhì)為高壓氣體，噴氣孔10的噴氣方向與擠壓材前進(jìn)方向的夾角O = 80°。噴霧導(dǎo)路7中，噴嘴具有造霧功能，冷卻介質(zhì)為水霧，在空腔內(nèi)同時(shí)通入高壓氣體和高壓水，通過(guò)噴嘴形成水霧。噴水導(dǎo)路8中，冷卻介質(zhì)為高壓水，冷卻方式為射流形式，噴低溫冷水導(dǎo)路9中，冷卻介質(zhì)為-30°C的冷卻循環(huán)水。四個(gè)導(dǎo)路的氣體、水霧和水均噴射在擠壓材四周。
[0036]經(jīng)過(guò)本發(fā)明的在線多級(jí)余熱淬火系統(tǒng)冷卻后，厚大截面擠壓棒材ZM51表面縱向拉伸性能抗拉強(qiáng)度仍達(dá)350MPa以上，而擠壓材心部縱向拉伸性能抗拉強(qiáng)度達(dá)330MPa，擠壓材心部的縱向拉伸性能提尚約20%以上。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種在線多級(jí)余熱淬火系統(tǒng)，其特征在于:包括放置在擠壓機(jī)出口前方具有噴淋功能的導(dǎo)路，該導(dǎo)路依次由噴氣導(dǎo)路、噴水導(dǎo)路和噴低溫冷水導(dǎo)路組成，或者依次由噴氣導(dǎo)路、噴霧導(dǎo)路、噴水導(dǎo)路和噴低溫冷水導(dǎo)路組成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線多級(jí)余熱淬火系統(tǒng)，其特征在于:所述噴氣導(dǎo)路、噴霧導(dǎo)路和噴水導(dǎo)路各自獨(dú)立制作，或整合為一體，或兩兩合并，所述噴低溫冷水導(dǎo)路獨(dú)立存在。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線多級(jí)余熱淬火系統(tǒng)，其特征在于:所述擠壓機(jī)的模座上依次放置前環(huán)、中環(huán)和后環(huán)，模具和模墊位于前環(huán)中，模具、模墊、中環(huán)和后環(huán)的內(nèi)孔尺寸依次增大。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在線多級(jí)余熱淬火系統(tǒng)，其特征在于:所述噴氣導(dǎo)路放置在中環(huán)和后環(huán)的內(nèi)孔中，其前沿抵住模墊或模具。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線多級(jí)余熱淬火系統(tǒng)，其特征在于:所述噴氣導(dǎo)路中的冷卻介質(zhì)為高壓氣體，噴氣方向與擠壓材前進(jìn)方向的夾角Θ < 90°。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線多級(jí)余熱淬火系統(tǒng)，其特征在于:所述噴霧導(dǎo)路中的冷卻介質(zhì)為水霧，由高壓氣體和高壓水經(jīng)具有造霧功能的噴嘴形成。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線多級(jí)余熱淬火系統(tǒng)，其特征在于:所述噴水導(dǎo)路中的冷卻介質(zhì)為高壓室溫水，噴水方式為射流形式，噴水寬度大于擠壓材的寬度。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線多級(jí)余熱淬火系統(tǒng)，其特征在于:所述噴低溫冷水導(dǎo)路中的冷卻介質(zhì)為-70?-10°C冷卻循環(huán)水，噴水方式為射流形式。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種在線多級(jí)余熱淬火系統(tǒng)，包括放置在擠壓機(jī)出口前方具有噴淋功能的導(dǎo)路，該導(dǎo)路依次由噴氣導(dǎo)路、噴水導(dǎo)路和噴低溫冷水導(dǎo)路組成，或者依次由噴氣導(dǎo)路、噴霧導(dǎo)路、噴水導(dǎo)路和噴低溫冷水導(dǎo)路組成。采用本發(fā)明可以弱化擠壓材，尤其是厚大截面擠壓材的淬火殘余應(yīng)力，避免心部開(kāi)裂，最大限度地提高擠壓材的余熱淬火效果；同時(shí)提高擠壓材心部的性能，實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的形狀和尺寸穩(wěn)定性。
【IPC分類(lèi)】C21D1/667
【公開(kāi)號(hào)】CN105714049
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410734214
【發(fā)明人】張奎, 李興剛, 李永軍, 袁家偉, 馬鳴龍, 石國(guó)梁, 李婷
【申請(qǐng)人】北京有色金屬研究總院