钢用加压空气淬火方法和装置 本发明涉及钢用加压空气淬火方法，可确保与油淬一样的冶金学特性，特别是可防止在大气压力下实现渗碳或碳氮共渗处理后钢表面的脱碳。
在相对于液体淬火方法，加压空气淬火方法具有众多优点，特别是因为淬火后的零件是整洁和干燥的。
已有许多被认可的有关用加压气体淬火钢的论文，以及现有许多装置可通过淬火室的结构和使用气体的性质予以区别，其目的在于获得最高淬火效率的可能性，即获得最大冷却速度，以便用各种液体，诸如油、水溶液或熔解盐类，使获得的冷却速度等同。为此目的，人们增加环流在待冷却零件表面上的气体质量流量，并增加气体速度和压力。
最经常使用的气体是氮，由于它的化学惰性以及比较可接受的费用，使得在每一淬火作业后，无需再循环使用。它往往在1巴和10巴之间的压力下使用。
另一些惰性气体已被建议使用。如同，欧洲专利0313888建议使用较高压力下(等于或大于20巴)的诸如氦和氢等轻气体。这些轻气体的使用，目的在于：在相同的性能下，既确保环流又限定涡轮的推动力。不过这些气体或是特别昂贵的，因此强制地规定再循环，如氦；或是特别危险的，如氢。
现有技术建议的所有气体，它们的区别在于物理特性：分子量、导热性等，但是，它们相对于淬火前承受高温的钢都呈现化学惰性。目的在于避免钢地氧化和表面脱碳。
用加压气体进行淬火的装置都含有容许气体在零件上环流的涡轮。继而，气体通过在热交换器上的通道而冷却，接着把气体再喷射到零件进料上。
申请人确定使用加压空气以实现淬火作为目标，这是因为空气成本低，可随意处置。可是它的利用也提出一较大的问题。氧对于处于高温下的钢在化学上很易起反应，通常会引起在工业方面不能接受的表面脱碳。
事实上，已知在空气中保持钢的高温，特别是700℃和1100℃之间的高温，导致通常称之为“鳞皮”的氧化物层的形成，其生长是很快的。鳞皮暴露在空气中几分钟后，它们的厚度达到数十个微米。该氧化物层的形成也伴随着钢表面的脱碳，有损于钢的冶金学特征和机械特性。
本发明涉及一项方法及其操作方式，它可对在大气压力下实现渗碳或碳氮共渗处理后的钢用加压空气进行淬火，温度包括在700℃和1100℃之间，这样的淬火导致其冶金学特性类似于从钢表面起始的油淬，也就是说，可全面地防止所有的表面脱碳。
按照本发明，钢进料淬火方法包括下述步骤：
— 从在大气压力下、温度在750℃和1100℃之间操作的渗碳或碳氮共渗处理炉中提取进料，
— 把进料朝向淬火室转移，
— 注入压力高于大气压力的淬火流体，使流体在腔室内环流，
— 冷却进料直到低于400℃的温度，
其特征在于：流体大部分由空气构成，在从离开炉子的一段时间内使零件的温度变为至多为400℃，且在该段时间中形成一阻止钢脱碳的氧化物层。
在本叙述中，可认为既然从钢表面起60μm的厚度中测量的碳含量仍然不变，说明钢材没有出现脱碳。
本发明的方法，尤其是可以用加压空气淬火碳素钢、渗碳钢、碳氮共渗钢和工具钢。
本发明基于下述的观察。碳素钢在接近900℃温度时氧化，导致维氏体或称方铁体类型(亚化学计量的FeO)氧化物层的形成。此氧化物层的厚度有规律地随着时间而增加，在处于静止空气中1分钟之后达到10μm-12μm。人们估计维氏体氧化物层在空气中5秒钟后形成1μm的厚度。在通常渗碳钢或碳氮共渗钢淬火的起始温度870℃下，氧化物层厚度在20秒之后约为4μm。
另一方面，人们认为在20秒后，以及存在有一气氛的情况下(其潜在碳在870℃时低于0.1％)，由脱碳而影响的层厚度约20μm。当一氧化碳可在气氛中释放时，就出现该脱碳现象。这是由反应导致的结果，其中C是溶解在钢内的碳。
因此，使之形成一对抗一氧化碳任何释放的阻挡层，就避免了钢表面层的脱碳。由于可支配时间短，有必要快速地形成此阻挡层。
本发明已认识到维氏体类型氧化物层可在足以粘附在钢表面上的范围内起作用。
1μm厚度的氧化物层足够以显著的方式阻止CO的形成。
如果没有快速的温度变化(热冲击)，只要氧化物层厚度保持低于10μm-12μm，就可获得一良好的氧化物层附着力，较佳的厚度是低于4μm-5μm。人们在接近通常的淬火温度下安排20秒到40秒的周期，在此周期内形成的氧化铁层，成为对抗一氧化碳任何释放的阻挡层，因而，可避免钢材表面上所有明显的脱碳作用。
按照本发明的另一特性，在空气中将由保持在淬火起始温度的钢零件构成的进料转移入淬火室，通过在一少于40秒的周期内、较佳的在少于20秒的周期内致使零件的表面温度低于600℃来开始淬火。
淬火室内的淬火流体，处于可达到40巴的压力下，以可达到20m/s的速度在几秒钟内起动。淬火流体主要由空气组成。人们可把旨在改善热传递的其它成分添加到空气中。
在淬火期间，测量零件表面温度。温度在不到2秒内，降到低于700℃的值；在不到4秒内，降低到少于600℃的低值；以及在不到10秒内，降低到低于400℃。在低于600℃的温度时，钢中的碳扩散速度是这样的缓慢，以致不能观察到脱碳现象。
本发明的其它优点和特性可参阅配有附图的说明书，并由此产生本发明的非限制性实施方式，附图为：
图1表示按照本发明的一种装置的示意图。
图2表示渗碳钢和淬火钢表面层碳浓度分布曲线图，一方面是按照本发明的加压空气淬火，另一方面是油淬。
图3表示渗碳钢和淬火钢表面层显微硬度分布曲线图，一方面是按照本发明的加压空气淬火，另一方面是油淬。
图1的装置含有一熟知的处理炉。
该装置涉及一连续式或分批式渗碳炉或碳氮共渗炉1，如竖式炉、罩式炉，这些炉子在大气压力下实现热化学处理。
在同一平台上间隔若干距离，呈现一使用气态流体的淬火室3。该淬火室由一闸门31加以密封闭合。室的内部，配有诸如离心式和螺旋式叶片33的转子，称之为涡轮，涡轮由一电动机35驱动。涡轮的作用是使在腔室内含有的用于淬火的气体流动。气态淬火流体通过导向机构37按图示箭头方向或相反方向被引导。气体穿过一热交换装置39。为进行淬火，将如图中虚线所示的框块A4的进料置于室内之后，把室加以密封闭合。室的充气直至达到1巴和40巴之间的所希求压力，而空气是通过涡轮33驱动的。较佳的压力大于3巴，特别是根据待处理零件的性质，气体压力可包括在5巴和20巴之间。若干合适的偏向器相对地朝进料A4喷射冷气体。提取进料的热量后，冷气体被引向涡轮。它穿过热交换器，恢复到淬火温度。
在图1所示实施例中，交换器和涡轮都布置在室的内部，但也可以设置在室的外部。
待处理的进料，可由例如齿轮或轴构成。
一支臂操纵器40被放置在炉和室之间。它的功能是接纳炉子的进料，并将进料置于室的支架上，图示在A0和A4之间的进料不同位置，A0是进料仍在炉内的位置，A4是淬火过程中进料处于室的支架位置上。
支臂操纵器含有可围绕垂直轴转动和按高度位移的平台41。平台41含有可在水平面上移动和接纳待处理进料的支臂43。支臂可在外部和内部位置之间移动，处于外部位置的支臂，可接纳和放置进料；处于内部位置的支臂，可把进料装进保护罩45内。
工作循环如下：
— 把进料置于炉1内的位置A0，且其处于处理温度。打开炉子闸门。
— 支臂43面对炉门开口。将支臂延伸到正好放置进料的位置。收缩支臂，使进料正好位于保护罩45下面的位置A1。
— 平台绕枢轴旋转，使进料正好置于面向支架31的位置A2。
— 延伸支臂，把进料置于支架31上的位置A3。
— 移动支架一直到正好位于室的内部。进料进入位置A4。进料从炉子离开后，其温度没有显著的降低。
— 起动淬火过程。
按照本发明，在淬火循环的起始和淬火第一阶段(导致进料表面温度达600℃)之间，淬火消耗时间少于40秒，在这段时间，构成一氧化物层，因而在进料上形成一脱碳阻挡层。特别是支臂操纵器使得在炉和室之间的转移时间不超过30秒。
检查已经受本发明淬火处理的零件。对在上述条件下，碳氮共渗和加压空气淬火的齿轮和轴所实施的冶金学研究表明：
— 对齿面和齿根实现的显微硬度分布与在870℃油内的直接淬火后所获得的显微硬度分布是等同的。图3的曲线图示出用维氏硬度表示的显微硬度值，这是按处理零件的不同深度测量的，即一方面测量加压空气淬火处理零件不同深度的维氏硬度值，另一方面测量油淬处理零件不同深度的维氏硬度值，测量值几乎是相同的。
— 加压空气淬火零件不出现脱碳。图2表示在一齿轮上的齿轮齿面和齿根上碳浓度的分布。在油淬和加压空气淬火之间，碳浓度分布是等同的。它们的特征在于淬火渗碳层无表面脱碳。第一批的测量与已承受碳氮共渗处理、然后进行温度为870℃的加压空气淬火零件有关。第二批的测量与已承受碳氮共渗处理伴随着油淬零件有关。
— 加压空气淬火导致形成一氧化物层，其厚度为6μm。
本发明还包括一种方法，即在保护气氛下进行转移以及其淬火是在高于大气压力的加压空气下实现的。按此条件，在淬火的第一阶段，由于氧化物层的形成，本质上防止了在淬火水平面上的脱碳。
本发明还涉及一种方法，其中淬火流体是空气，在空气中添加一种气体以改进其密度和/或导热性。
本发明还涉及一种方法，其中淬火流体是空气，并在空气中添加喷雾的液体，从而可通过两相混合物使零件冷却。