[发明专利]高压瞬时均匀淬火以控制零件性能

说明书

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。

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、剪切甚至爆炸。

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。