專利名稱：金屬工件的熱處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬工件的熱處理方法，其中借助風(fēng)扇在真空爐中產(chǎn)生冷卻氣流，以便對(duì)工件淬火，在高于真空爐中的最低壓強(qiáng)條件下，風(fēng)扇由利用預(yù)定的電源電壓?jiǎn)?dòng)的多相電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)多相電流電機(jī)的電機(jī)功率，確定所述壓強(qiáng)。
在金屬工件的熱處理，例如淬火，回火或退火中，正在越來(lái)越多地使用真空爐。在加熱之后，工件在這些真空爐中被氣體介質(zhì)，例如氮?dú)饫鋮s。與常規(guī)的油浴淬火或鹽浴淬火方法相比，這種氣體淬火的優(yōu)點(diǎn)在于不會(huì)污染工件，即消除了費(fèi)用高的清潔措施。為了在氣體淬火中獲得類似于油浴淬火或鹽浴淬火方法的冷卻效果，已為人們所知的是提供確保由于與之相關(guān)的氣體密度的增大所造成的所需熱傳遞的較高冷卻氣體壓強(qiáng)。但是，高的冷卻氣體壓強(qiáng)要求復(fù)雜的安全措施，同時(shí)，真空爐的進(jìn)氣和排氣所需時(shí)間也相當(dāng)長(zhǎng)。
在高壓氣體淬火過(guò)程中發(fā)生的另一缺陷是用于在真空爐中產(chǎn)生冷卻氣流的風(fēng)扇需要相當(dāng)高的傳動(dòng)軸輸出，以便確保在高壓下產(chǎn)生的負(fù)荷轉(zhuǎn)矩所需的冷卻氣體速度。高的傳動(dòng)軸輸出同樣使得必須獲得驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的電機(jī)的較高的電機(jī)功率。從而，這種電機(jī)通常為額定功率為，例如220kW的多相電流電機(jī)。在約400伏的電源電壓下，額定功率220kW的電機(jī)功率得到400A的額定電機(jī)電流。當(dāng)風(fēng)扇被起動(dòng)時(shí)，由于在起動(dòng)過(guò)程中發(fā)生的電涌的緣故，產(chǎn)生3600A的起動(dòng)電流，該電流相當(dāng)于在標(biāo)準(zhǔn)的冷卻氣體條件下的額定電機(jī)電流的9倍。
這種類型的高電流經(jīng)常導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷及主要在連接點(diǎn)導(dǎo)致嚴(yán)重的磨損。通過(guò)利用實(shí)現(xiàn)所謂的多相電流電機(jī)的軟起動(dòng)的起動(dòng)裝置可防止這種情況。這是通過(guò)把起動(dòng)電流限制于額定電機(jī)電流的5倍或6倍來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但是，這種起動(dòng)裝置費(fèi)用很高，因此從經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)考慮，是不能令人滿意的。
雖然驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的電機(jī)的軟起動(dòng)使得能夠在低的爐壓下，即在真空爐的進(jìn)氣過(guò)程中對(duì)要處理的工件淬火，但是就時(shí)間而論，淬火工序的開(kāi)始存在一個(gè)下限時(shí)間。這可歸因于在可起動(dòng)風(fēng)扇之前，必須把真空爐充氣到根據(jù)多相電流電機(jī)的電源電壓確定的最低壓強(qiáng)。該措施用于防止例如導(dǎo)致絕緣損壞的飛弧的產(chǎn)生。對(duì)于電源電壓為400伏的多相電流電機(jī)來(lái)說(shuō)，可借助所謂的Paschen曲線確定的最低壓強(qiáng)通常約為750毫巴。
由于只有當(dāng)在利用冷卻氣體充填真空爐的過(guò)程中，達(dá)到最低壓強(qiáng)時(shí)，才可起動(dòng)風(fēng)扇，因此由于不可避免的風(fēng)扇起動(dòng)時(shí)間的緣故，淬火時(shí)間及可獲得的淬火效果會(huì)受到不利的影響。
本發(fā)明的目的是開(kāi)發(fā)一種能夠簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)地獲得改進(jìn)的淬火效果的金屬加械件熱處理方法。
通過(guò)在真空爐中低于最低壓強(qiáng)的壓強(qiáng)下起動(dòng)風(fēng)扇，同時(shí)多相電流電機(jī)由另一個(gè)較低的電源電壓運(yùn)轉(zhuǎn)，直到達(dá)到真空爐中的最低壓強(qiáng)時(shí)為止，可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述及其它目的。
這種方法使得能夠獲得改進(jìn)的淬火效果。其主要原因是由于在真空爐中，在低于最低壓強(qiáng)的壓強(qiáng)下起動(dòng)風(fēng)扇，可獲得較短的淬火時(shí)間，相對(duì)于要處理的相應(yīng)工件的所需淬火行為，這可提供較高的可變性。
本發(fā)明的特征是如果利用比對(duì)于規(guī)定的冷卻氣體速度所需的風(fēng)扇傳動(dòng)軸輸出所需的電源電壓更低的電源電壓運(yùn)轉(zhuǎn)多相電流電機(jī)，能夠在低于最低壓強(qiáng)的壓強(qiáng)下，起動(dòng)風(fēng)扇，而不會(huì)發(fā)生飛弧的危險(xiǎn)。降低的電源電壓同樣降低了起動(dòng)電流，即可除去能夠?qū)崿F(xiàn)軟起動(dòng)的起動(dòng)裝置。雖然較低的電源電壓也降低了電機(jī)功率，但是由于真空爐中的低氣壓及與之相關(guān)的低的冷卻氣體密度的緣故，電機(jī)功率足以起動(dòng)風(fēng)扇。
一旦達(dá)到真空爐中的最低壓強(qiáng)，則利用較高的電源電壓運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)扇。由于這時(shí)風(fēng)扇已經(jīng)以其額定速度旋轉(zhuǎn)，一旦轉(zhuǎn)換到較高的電源電壓，即可立即獲得對(duì)工件淬火所需的傳動(dòng)軸輸出，即不會(huì)如同現(xiàn)有技術(shù)中的情況那樣，由于起動(dòng)風(fēng)扇導(dǎo)致的時(shí)間損失的緣故，影響淬火效果。在這方面，考慮到由于風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)，在達(dá)到真空爐中的最低壓強(qiáng)之前已存儲(chǔ)在風(fēng)扇中的動(dòng)能，同時(shí)當(dāng)轉(zhuǎn)換到較高的電源電壓時(shí)，所述動(dòng)能表現(xiàn)為飛輪效應(yīng)，這是特別有益的。由于起動(dòng)電流較低，就經(jīng)濟(jì)考慮來(lái)論，根據(jù)本發(fā)明的方法有益于降低耗電量，并且使得能夠消除難于實(shí)現(xiàn)的非常高的淬火壓強(qiáng)，同時(shí)仍能獲得可比的淬火效果。
如果利用變壓器把電源電壓施加給多相電流電機(jī)，并使之從較高的電源電壓降低到較低的電源電壓，以及從較低的電源電壓升高到較高的電源電壓將特別有益。借助變壓器的電壓變換相當(dāng)經(jīng)濟(jì)，并且使得能夠容易地改進(jìn)現(xiàn)有的熱處理系統(tǒng)，以便執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法。出于同樣的原因，本發(fā)明建議在高于最低壓強(qiáng)的條件下，利用約400伏的電源電壓運(yùn)轉(zhuǎn)多相電流電機(jī)，在低于最低壓強(qiáng)的條件下，利用約230伏的電源電壓運(yùn)轉(zhuǎn)多相電流電機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的附加變化，根據(jù)真空爐中的壓強(qiáng)和/或流經(jīng)多相電流電機(jī)的電流的強(qiáng)度，改變施加給多相電流電機(jī)的電源電壓，以便確保能夠盡可能容易并且自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法。在本發(fā)明的附加變化中，考慮到用于真空爐中使用的風(fēng)扇的最常見(jiàn)的多相電流電機(jī)的電機(jī)功率，建議最低壓強(qiáng)為750毫巴。
為了能夠利用大功率的多相電流電機(jī)，根據(jù)本發(fā)明的另一特征，利用水冷卻多相電流電機(jī)。根據(jù)所需的冷卻氣體速度，在高于最低壓強(qiáng)的條件下，通過(guò)改變風(fēng)扇的速度，可實(shí)現(xiàn)冷卻氣流的簡(jiǎn)單控制。本發(fā)明還建議在最高可達(dá)20巴的真空爐壓強(qiáng)條件下運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)扇，以便確保對(duì)應(yīng)于相應(yīng)要求的冷卻氣壓，同時(shí)仍能獲得足夠的淬火效果。
參考附圖，可更好地理解本發(fā)明，其中

圖1a表示了按照現(xiàn)有技術(shù)，爐壓，風(fēng)扇速度和電壓方面的時(shí)間圖；圖1b表示了根據(jù)本發(fā)明，爐壓，風(fēng)扇速度和電壓方面的時(shí)間圖；圖2表示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)及根據(jù)本發(fā)明的工件溫度與冷卻時(shí)間的關(guān)系曲線；圖3表示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)及根據(jù)本發(fā)明的氣體溫度與冷卻時(shí)間的關(guān)系曲線。
根據(jù)對(duì)金屬工件進(jìn)行表面硬化的方法的下述舉例說(shuō)明，可了解本發(fā)明的目的的細(xì)節(jié)及其它優(yōu)點(diǎn)。
表面硬化工藝用于使金屬工件的界面層具有相當(dāng)高的硬度，即用于使整個(gè)工件具有優(yōu)良的機(jī)械性能。為此，首先根據(jù)所需的使用性能，使界面層富集碳和/或氮，隨后使之從適當(dāng)?shù)挠不瘻囟润E冷到室溫或室溫以下。如果在能夠簡(jiǎn)單地交換氣體熱處理介質(zhì)的真空爐中進(jìn)行碳化或碳氮化及后續(xù)的淬火，則可實(shí)現(xiàn)工藝技術(shù)上可接受的表面硬化。
在要處理的工件在真空爐中被，例如碳化之后，通過(guò)排出氣體碳化介質(zhì)，并隨后向真空爐注入惰性冷卻氣體，即可在碳化工序之后立即進(jìn)行硬化工序，即，不必把工件轉(zhuǎn)移到另一爐腔中。產(chǎn)生冷卻氣體速度對(duì)應(yīng)于相應(yīng)要求的冷卻氣流的電風(fēng)扇用于硬化真空爐中的工件。冷卻氣流使要處理的工件從硬化溫度驟冷至室溫或室溫以下。
額定功率為200kW的多相電流電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。如果真空爐中的壓強(qiáng)低于750毫巴，則該多相電流電機(jī)由230伏的電源電壓起動(dòng)，如果真空爐中的壓強(qiáng)高于750毫巴，則該多相電流電機(jī)由400伏的電源電壓起動(dòng)。起動(dòng)變壓器把電源電壓降到230伏。一旦在冷卻氣體的注入過(guò)程中，真空爐中的壓強(qiáng)達(dá)到約750毫巴，則從230伏轉(zhuǎn)換到400伏。只要多相電流電機(jī)被提供230伏的電壓，則電機(jī)功率僅為400伏電源電壓下可獲得的電機(jī)功率的三分之一，即在這種情況下僅為73.3kW。由于這種措施的緣故，額定電機(jī)電流從220kW電機(jī)功率下的400安降到約為該值的一半。相應(yīng)降低的起動(dòng)電流達(dá)到起動(dòng)風(fēng)扇的目的，同時(shí)所述起動(dòng)電流不會(huì)影響高壓電力網(wǎng)。測(cè)量結(jié)果證明產(chǎn)生的最大起動(dòng)電流為1500安，所述起動(dòng)電流的持續(xù)時(shí)間為1-2秒。由于起動(dòng)電流被降低，也可確保相當(dāng)?shù)偷暮碾娏俊?br> 被降低到230伏的電源電壓也排除了飛弧的危險(xiǎn)，否則在低于750毫巴的壓強(qiáng)下，在220kW的電機(jī)功率下，會(huì)發(fā)生飛弧危險(xiǎn)。另外，被降低到230伏的電源電壓使得能夠在低于150毫巴的壓強(qiáng)下起動(dòng)風(fēng)扇，并且一旦達(dá)到150毫巴的壓強(qiáng)，則可獲得全部的傳動(dòng)軸輸出。
圖1表示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)及根據(jù)本發(fā)明的，用于起動(dòng)淬火工序的爐壓，風(fēng)扇速度和電源電壓的時(shí)間圖。
由于消除了把淬火容器充氣到起動(dòng)風(fēng)扇電機(jī)的最低壓強(qiáng)的常規(guī)步驟，因此可以毫不延遲地產(chǎn)生選擇的氣體淬火壓強(qiáng)。這導(dǎo)致具有最大冷卻能力的冷卻過(guò)程的開(kāi)始，以致獲得達(dá)到所需的冷卻溫度的相應(yīng)時(shí)間優(yōu)勢(shì)。在相同的材料制品情況下，這將導(dǎo)致比現(xiàn)有技術(shù)改進(jìn)的淬火結(jié)果。
圖2表示了利用和不利用本發(fā)明的情況下，冷卻過(guò)程的相應(yīng)測(cè)量曲線。
淬火室的連續(xù)充氣還導(dǎo)致在冷卻過(guò)程的頭幾分鐘內(nèi)，氣體的相當(dāng)快速的冷卻，以致獲得改進(jìn)的熱傳遞。圖3中圖解說(shuō)明了利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的這種快速氣體冷卻。
由于要進(jìn)行表面硬化的特殊鋼的淬透性相當(dāng)?shù)?，從而為了獲得足夠的淬火結(jié)果，在頭幾分鐘內(nèi)需要很快的冷卻，本發(fā)明特別適于這些情況。
對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，上述說(shuō)明的各種變化和修改是顯而易見(jiàn)的，并且這些變化和修改由附加的權(quán)利要求所包含。
權(quán)利要求
1.一種金屬工件的熱處理方法，包括在可借助風(fēng)扇抽真空的單室或多室真空爐中產(chǎn)生冷卻氣流，以便對(duì)工件淬火；利用在高于淬火室中的最低壓強(qiáng)條件下，由預(yù)定的電源電壓運(yùn)轉(zhuǎn)的多相電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，根據(jù)多相電流電機(jī)的電機(jī)功率確定所述壓強(qiáng)；在低于最低壓強(qiáng)的淬火室壓強(qiáng)下，起動(dòng)風(fēng)扇，同時(shí)利用較低的另一電源電壓運(yùn)轉(zhuǎn)所述多相電流電機(jī)，直到達(dá)到淬火室中的最低壓強(qiáng)為止。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中借助變壓器把電源電壓提供給多相電流電機(jī)，并使之從較高的電源電壓降低到較低的電源電壓，以及從較低的電源電壓升高到較高的電源電壓。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中在高于最低壓強(qiáng)的條件下，利用約400伏的電源電壓運(yùn)轉(zhuǎn)多相電流電機(jī)，在低于最低壓強(qiáng)的條件下，利用約230伏的電源電壓運(yùn)轉(zhuǎn)多相電流電機(jī)。
4.按照權(quán)利要求2所述的方法，其中在高于最低壓強(qiáng)的條件下，利用約400伏的電源電壓運(yùn)轉(zhuǎn)多相電流電機(jī)，在低于最低壓強(qiáng)的條件下，利用約230伏的電源電壓運(yùn)轉(zhuǎn)多相電流電機(jī)。
5.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中根據(jù)淬火室中的壓強(qiáng)和/或流經(jīng)多相電流電機(jī)的電流的強(qiáng)度，改變施加給多相電流電機(jī)的電源電壓。
6.按照權(quán)利要求2所述的方法，其中根據(jù)淬火室中的壓強(qiáng)和/或流經(jīng)多相電流電機(jī)的電流的強(qiáng)度，改變施加給多相電流電機(jī)的電源電壓。
7.按照權(quán)利要求3所述的方法，其中根據(jù)淬火室中的壓強(qiáng)和/或流經(jīng)多相電流電機(jī)的電流的強(qiáng)度，改變施加給多相電流電機(jī)的電源電壓。
8.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中最低壓強(qiáng)約為500-1200毫巴。
9.按照權(quán)利要求2所述的方法，其中最低壓強(qiáng)約為500-1200毫巴。
10.按照權(quán)利要求3所述的方法，其中最低壓強(qiáng)約為500-1200毫巴。
11.按照權(quán)利要求4所述的方法，其中最低壓強(qiáng)約為500-1200毫巴。
12.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中利用水冷卻多相電流電機(jī)。
13.按照權(quán)利要求2所述的方法，其中利用水冷卻多相電流電機(jī)。
14.按照權(quán)利要求3所述的方法，其中利用水冷卻多相電流電機(jī)。
15.按照權(quán)利要求4所述的方法，其中利用水冷卻多相電流電機(jī)。
16.按照權(quán)利要求5所述的方法，其中利用水冷卻多相電流電機(jī)。
17.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中在高于最低壓強(qiáng)的情況下，根據(jù)所需冷卻氣體速度，改變風(fēng)扇的速度。
18.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中風(fēng)扇在淬火室中最高可達(dá)40巴的壓強(qiáng)條件下工作。
19.按照權(quán)利要求1所述的方法還包括通過(guò)下述步驟對(duì)工件淬火a)通過(guò)在低于750毫巴的壓強(qiáng)下，即利用低于電機(jī)的額定電源電壓，最好為額定電源電壓的80％-40％之間的電壓起動(dòng)多相電流電機(jī)，開(kāi)始?xì)怏w淬火，b)使風(fēng)扇加速到額定速度，c)向淬火室中注入淬火氣體，并把淬火室中的淬火壓強(qiáng)調(diào)節(jié)到1-40巴之間的值，d)一旦淬火室中的壓強(qiáng)大于750毫巴，幾乎同時(shí)地把電源電壓轉(zhuǎn)換到電機(jī)的額定電源電壓，e)在完成氣體淬火工序之后，使淬火室通風(fēng)至大氣壓，并取出工件。
全文摘要
一種金屬工件的熱處理方法,其中借助風(fēng)扇在真空爐中產(chǎn)生冷卻氣流,風(fēng)扇由在高于真空爐中的最低壓強(qiáng)條件下,由預(yù)定的電源電壓運(yùn)轉(zhuǎn)的多相電流電機(jī)驅(qū)動(dòng),根據(jù)多相電流電機(jī)的電機(jī)功率確定所述最低壓強(qiáng)。為了另外開(kāi)發(fā)本方法,以便簡(jiǎn)單并且經(jīng)濟(jì)地提高淬火效果,在低于最低壓強(qiáng)的真空爐壓強(qiáng)下,起動(dòng)風(fēng)扇,同時(shí)利用較低的另一電源電壓運(yùn)轉(zhuǎn)所述多相電流電機(jī),直到達(dá)到真空爐中的最低壓強(qiáng)為止。
文檔編號(hào)C21D1/56GK1377978SQ0111230
公開(kāi)日2002年11月6日 申請(qǐng)日期2001年4月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月24日
發(fā)明者卡爾－漢茲·萊姆肯 申請(qǐng)人:伊譜森國(guó)際有限公司