确定网带炉织针光亮淬火工艺参数的方法 技术领域：
本发明与织针有关，涉及织针连续生产条件下的热处理，特别是一种用计算机模拟确定网带炉织针光亮淬火工艺参数的方法。
背景技术：
织针目前主要用高碳钢制造，为了防止织针表面发生氧化脱碳，需要在真空或者保护性气氛中进行热处理。织针淬火的主要设备为网带式保护气氛电阻炉，以下简称网带炉，其淬火过程可以用图1说明：织针2的光亮淬火，是通过有机物质的裂解，在炉膛内部形成保护性气氛9，保证织针2在加热过程中，不接触氧化性气氛，防止形成氧化皮或者表面脱碳。网带炉是连续生产设备，没有密封的固定炉门。在织针2的出口端，通过淬火油槽8实现密封。在织针2的入口端，密封是通过裂解气体燃烧，形成的有密封作用的火帘4来实现的。一排排织针2密集排列在一起，放在连续运动地网带1上，随网带1一起进入炉膛被加热，最后落入油槽8中淬火。网带炉分为三段等长度的单独温度控制区段5、6、7。织针热处理工艺为裂解保护性气氛光亮化淬火，主要的工艺参数可以分为4类：决定炉膛温度分布的三段炉膛控制温度；决定炉内气氛的裂解介质、裂解温度和用量；与炉膛温度一起决定织针升温及奥氏体化过程的网带速度或加热时间；决定织针淬透性及淬火应力的淬火介质种类和温度。
以上工艺参数目前的确定方法，主要凭经验提出，然后进行工艺试验，根据实验结果进行反复修正，使织针的使用性能基本达到要求，最后综合凑在一起确定生产中的工艺参数。这种方法，在这里称为工艺试凑法。由于不了解织针在淬火过程中温度的变化规律，工艺试凑法不仅需要进行多次工艺试验，而且很难找到最佳匹配的工艺参数。因此，用这种方法确定的工艺参数而生产的织针，很难达到最好的力学性能。由于织针的加热和保温是由各种工艺参数综合决定的，因此，当局部条件发生变化时，使热处理的结果变得不稳定。实际调研发现，国内企业普遍存在这样的问题，造成的后果是：生产的织针质量不稳定和性能偏低。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种确定网带炉织针淬火工艺参数的方法，通过本方法不仅可以了解织针在网带炉淬火过程中温度变化规律，而且根据本方法确定的网带炉工艺参数对织针进行淬火，可以保证织针热处理后获得期望的力学性能，据此对网带炉的改进，可使织针淬火更为简便可靠。
本发明的技术解决方案如下：
一种确定网带炉织针光亮淬火工艺参数的方法，所说的工艺参数包括火帘位置、网带炉控制温度、网带速度、火帘前温度、裂解炉酒精滴速、淬火介质和冷却温度，其特征在于该方法的步骤如下：
①.根据织针的材料和使用性能要求，确定淬火加热温度范围，取中间值作炉膛控制温度Tk；
②.根据目标碳势，确定裂解炉工业酒精的滴速为105～110滴/分钟。
③.根据织针材料奥氏体转变时间t1、奥氏体均匀化保温时间t2和材料奥氏体均匀化所需炉膛长度L2确定网带速度V：
V＝L2/(t1+t2)；
④.在上述Tk和V的条件下，测量出网带炉的初步火帘位置L1和炉膛温度分布T(x)；
⑤.将淬火过程密集排列在网带上的织针视为薄板，与网带合在一起，作为热物性不同的整体，建立包含网带炉加热特点的热传导方程：
V(T/x)＝λ/ρCp[(2T/x2)+(2T/y2)+(2T/z2)]
边界条件为：
炉门为第一类边界条件，边界温度为炉门的环境温度，本例实施在夏天，取室温T(0)＝30℃；
其它为第三类边界条件，取决于炉膛温度分布T(x)，网带炉门中间点为坐标原点，
式中：
T为织针某点的温度；
λ为织针材料的导热系数；
ρ为织针材料的密度；
Cp为织针材料的定压比热容；
x、y、z为织针某点在固定直角坐标系中的位置；用计算机采用插值法和有限差分方法计算出织针淬火过程的温度场分布T’(x)；
⑥.将计算结果T’(x)与期望的织针加热过程进行比较，保证在火帘位置之前温度小于织针氧化脱碳温度，在炉膛内织针达到期望的奥氏体化温度Tc，而且有合理的保温时间，此工艺参数即为合理的工艺参数。
所述网带炉初步火帘位置由直尺测量。
所述炉膛温度分布采用XWX-1042型自动平衡记录仪测量，并用铠装镍铬—镍硅热电偶进行探测。
所述织针的材料为SK-5钢，查阅手册可知其淬火温度范围是780～820℃，Tk＝Tc+(50～90℃)，Tc＝727℃，氧化脱碳温度为540～560℃，相应的淬火工艺参数确定如下：
①.炉膛控制温度Tk为800℃；
②.火帘位置离炉门口的距离L1＝0.2m；
③.火帘前温度必须低于540℃；
④.裂解炉工业酒精的滴速为105～110滴/分钟；
⑤.网带速度V＝300mm/min，t1＝20秒，t2＝60秒；
⑥.网带炉膛长度L＝L1+L2＝0.2m+0.8m+V(t1+t2)＝1.4m。
所述网带炉为三段式网带炉，靠近炉门进口段的控制温度取790℃，中段和出口段的控制温度取800℃。
所述靠近炉门进口段的控制温度取低于540℃的温度，中段和出口段的控制温度取800℃，相应的网带速度低于300mm/min。
本发明改进的网带炉由四段加热控制段组成，第一段为靠近炉门口一边的0.2m加热控制段，其控制温度应该低于540℃，本例取控制温度为300℃，后三段的控制温度设定为织针期望的淬火奥氏体化温度。
所述的网带炉的主要工艺参数为：
用SK5制造的宽度为1.4mm主针，控制温度为800℃，网带速度300mm/min，酒精滴速为105～110滴/min；
用SK5制造的提花针宽度为6mm，控制温度为805℃，网带速度160mm/min，酒精稀释溶液的滴速为60～65滴/min
用65Mn制造的宽度为6mm的提花针，控制温度为825℃，网带速度为160mm/min，酒精稀释的溶液滴速为60～65滴/min。
本发明的技术效果：
本发明采用计算机模拟出织针在网带炉中淬火过程温度场分布，对织针在网带炉淬火加热过程中温度变化规律有了详细的了解。
在此基础上，从织针材料的物理化学性能出发，确定网带炉织针淬火的工艺参数，比较符合淬火工艺的客观规律，不容易产生织针性能不稳定的问题。
在火帘前网带炉的温度低于织针氧化脱碳温度，保证织针淬火过程不会有氧化脱碳发生。
根据目标碳势所确定的酒精裂解滴量是科学的，保证了在火帘之内碳势合理，不会使织针发脆和脱碳。
利用本发明的工艺参数，指导织针淬火，获得的实际结果是：织针表面硬度控制在HV676～713，大幅度提高，与心部硬度基本一致，解决了织针表面硬度不足的问题，织针其它性能也均达到或超过纺织工业标准，使用寿命比以前提高了一倍，达到了4～6个月。
通过计算机模拟，提出了对现有网带炉改进：借助于新结构的设备，可以单独依靠控制裂解介质滴量控制目标碳势，依靠前置炉膛温度保证织针在进入火帘位置之前低于氧化脱碳温度，用最后一段炉膛温度控制织针奥氏体化温度，依靠中间段炉膛温度和网带速度控制织针奥氏体化保温时间。这样，可以方便对影响织针淬火的各工艺参数单独调节。借助已有的热处理理论和经验，对不同材料和不同形状的织针，容易实现最佳工艺参数配合。对于织针获得最佳的综合力学性能非常有利。
附图说明：
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是已有的三段式织针淬火网带炉结构示意图。
图2是网带炉织针淬火温度场计算机模拟的程序框图。
图3是三段炉膛控制温度为800℃，网带速度为100mm/min时织针温度场数值模拟结果图。
图4是三段炉膛控制温度为800℃，网带速度为300mm/min时织针温度场数值模拟结果图。
图5是三段炉膛控制温度为800℃，网带速度为800mm/min时织针温度场数值模拟结果图。
图6是采用原工艺参数时织针温度场数值模拟结果图。
图7是本发明四段式网带炉结构示意图。
具体实施方式：
下面以SK-5钢为材料的织针淬火工艺为实施例对本发明作进一步说明。
1.裂解介质及其用量的确定
织针的光亮淬火，是通过有机物质的裂解，在炉膛内部形成保护性气氛，保证热处理零件在加热过程中，不接触氧化性气氛，防止形成氧化皮或者表面脱碳。网带炉是连续生产设备，没有密封的固定炉门。在织针的出口端，通过淬火油槽实现密封。在织针的入口端，密封是通过裂解气体燃烧，形成的有密封作用的火帘来实现的。
本实施例裂解介质采用工业酒精，滴入裂解炉进行裂解，分解的气氛通到网带炉。酒精的滴量决定了炉子内部的碳势：滴量大，碳势高，织针发脆；滴量小，碳势弱，即使在火帘内部，也可能造成织针脱碳。
滴量确定的依据是目标碳势。可以采用碳势控制仪直接控制，也可以用铁箔进行测量来试验确定，还可以通过耗气量计算来确定。本实施例通过耗气量计算，确定1.4m长的网带炉，处理SK5钢织针，合适的酒精滴量为105-110滴/min。
火帘的位置与裂解介质的用量有关，在以上酒精滴量条件下，用钢尺直接测量出火帘的位置，距离炉门口为0.2m。
2.炉膛加热控制温度和网带速度的确定
炉膛加热的控制温度和网带速度的确定，对于织针的加热过程起重要作用。在很大程度上，影响着织针在进入火帘之前，是否达到氧化脱碳温度。同时，还影响织针奥氏体化加热温度和保温时间。这个问题必须结合织针加热过程的温度场数值模拟综合考虑。
参照图1，对织针淬火的加热过程，从物理意义上分析，主要包括以下特点：
1)织针2加热过程中的能量来源包括：与炉膛的对流换热，炉壁的辐射传热，与炉底板之间通过网带的热传导。
2)织针2紧密排成一列，通过网带1不断被输送到炉膛内部，实现连续生产。这样，织针之间也存在热传导。
3)织针在每一时刻的位置是变化的，由于位置不同，对于单个织针，边界条件也在不断发生变化。
由于以上特点，如果用以热传导微分方程为基础的任何数值计算，都可能遇到不可克服的困难。这个困难就是单根织针相对于固定坐标系，其位置不断变化。或者相对于与网带1移动速度相同的运动坐标系，织针2在网带1移动方向的边界条件，随时间不断在变化。无论使用什么坐标系，模拟织针与相邻织针之间的界面，其边界条件都很难通过工程方法获得。
热传导微分方程的建立的基础，是单元体的能量分析方法。如果忽略接触传热的热阻以及奥氏体相变的潜热，就可以将网带上的所有织针2按照一块薄板来考虑，与移动的网带1一起，当作连续的、性能不同的整体固体材料进行考察。在固定坐标系中，考虑网带炉织针淬火加热过程的特点，建立本工程问题的能量方程，或者说数学模型：
V=∂T∂x=λρcp(∂2T∂x2+∂2T∂y2+∂2T∂z2)]]>
式中T[℃]为织针2的某点的温度，与织针在炉膛中的位置和这点在织针中的位置有关系；V[mm/min]为网带速度，连续生产时为一常数；λ[W/(m·℃)]为材料的导热系数；ρ[kg/m3]为材料的密度；Cp[J/(kg·℃)]为材料的定压比热容。x、y、z某点在固定直角坐标的位置。
以上方程包含的研究对象，就是网带炉内部所有织针2组成的薄金属板，与网带炉内部的网带1，联合构成的热物性不同的整体板件。由于考虑了网带炉连续生产的特点，即非稳态过程的稳定生产，可以将边界条件转化为工程上可以获得的这个整体板件的边界。
在满足工程问题的要求下，可以将靠近炉门的边界单元的边界条件作为第一类边界条件，其温度为：
T(i，j，k)＝T0
T0是炉门口织针2的环境温度，本实施例取室温，为30℃。
其它边界上的单元可视为满足传热学上的第3类边界条件。其确定方法是取环境温度分布，本实施例就是炉膛温度分布和界面换热系数。
本实施例进行实际温度测量所用的仪器是XWX-1042型自动平衡记录仪。测量炉膛内不同位置的温度用的是直径为2mm的铠装镍硌—镍硅热电偶。
第三类边界条件的界面换热，通常用换热系数方法进行计算，但换热系数本身没有明确的物理意义，并且通常不容易直接确定。工程上，主要采用各种方法进行实际测量，或者采用相似原理进行引用或者估算。本例采用相似原理进行计算，计算方法可以参考传热学方面的理论或研究成果。
3.材料的热物性确定方法，主要是依据相关的手册，或者通过某些标准的方法直接测试得到。但必须考虑热物性随温度的变化。本例织针2材料为SK-5(相当于T9A)钢和65Mn，其性能可以直接在相关手册中查到。
在完成以上步骤后，就可以进行编程。现有的工程软件也可以进行近似计算，但必须根据网带炉的物理特点，将边界条件进行合理的处理。
将网带1与织针2划分成单元，单元大小取决于计算精度要求，本例为0.35mm×0.35mm×0.35mm。图2是网带炉织针淬火温度场数值模拟的程序框图。采用的迭代计算方法为高斯迭代法，用FORTURN语言编制运算程序。
大部分企业生产织针用的材料为SK-5钢，相当于国产T9A钢。这种材料的淬火加热的温度范围是780-820℃，氧化脱碳温度为540-560℃。为保证其最佳综合性能，这里取其中间值800℃，作为网带炉三段炉膛控制温度。为彻底避免氧化脱碳，将其脱碳温度用540℃作为判据。
在炉膛控制温度为800℃条件下，网带速度是可以变化的。从热传导微分方程上看，网带速度的变化可能影响织针加热的温度场变化。本实施例分别假定网带的速度为100mm/min，300mm/min和800mm/min，进行织针淬火过程的温度场数值模拟。模拟结果见图3、图4和图5。
由计算机模拟结果可以看出，织针温度变化的趋势接近炉膛温度的分布。炉膛的温度分布一般由炉膛的控制温度决定，因此，炉膛的控制温度基本决定了织针的加热过程。网带速度的不同，决定了织针温度接近炉膛温度的位置不同。网带速度越高，织针温度接近网带炉的炉膛温度位置离炉门越远。也就是织针在网带炉的炉门附近，或者说在火帘位置之前，其温度是比较低的。因此，单从解决织针表面的脱碳问题考虑，网带速度高一些好。
从模拟结果还可以发现，实际加热过程中，织针的内部温度并不完全相同，特别是在炉门口附近。计算结果表明，织针的针勾部位升温最快，织针针身中间的下部升温最慢。这种差别随着网带速度的增加而增大，然而，就炉门口的情况来看，网带速度的越高，织针的在炉膛同一位置处达到的温度越低。例如，在800mm/min的网带速度条件下，即使升温最快的针勾部位，在距离炉门0.27m处才达到氧化脱碳温度。而在网带速度为100mm/min的条件下，即使升温最慢的织针针身中间的下部，在距离炉门0.18m处就达到了氧化脱碳温度。
综上所述，从保证织针温度均匀方面考虑，网带速度慢一些好。从防止织针氧化脱碳方面考虑，网带速度快一些好。但从模拟结果来看，即使在800mm/min的条件下，织针升温最慢的部位也达到了炉膛设定的温度。
某企业织针光亮化淬火的原工艺参数如表1，测量其火帘的位置在距离炉门为0.22m。用以上步骤，对其进行了织针光亮化淬火加热过程的温度场仿真，结果如图6。由图可见，织针升温最快的针勾部位，在距离炉门0.13m就达到了氧化脱碳的温度，而织针升温最慢的部位(织针中间的下部)在距离炉门0.16m处也达到了氧化脱碳温度。因此，织针必然氧化脱碳。
表1 原淬火工艺参数
织针类型钢号 加热温度℃冷却温度℃加热时间min裂解温度℃乙醇滴速(滴/min)网带速度(mm/min)淬火机油进口区中间区出口区主针SK5845850850100≥695080～90≤24020#
对用原工艺处理的织针进行了硬度测量，代表织针的心部组织的宏观硬度达到甚至超过了HRC54，可以达到要求的标准。但用200g的显微硬度计进行测量，表面硬度普遍小于HV485，根本达不到要求(HV579)。证实了计算机模拟得到的结论：表面氧化脱碳。此外，酒精滴量小进一步加剧了织针的表面氧化脱碳。
原工艺存在的另一问题是奥氏体化温度过高，保温时间过长。这不会对表面硬度产生太大的影响，但会降低织针的综合力学性能，特别是织针的疲劳强度、塑性和韧性，严重影响织针使用寿命。金相组织分析证实，用表1工艺处理的织针，其心部的确出现了一定程度的碳化物聚集，碳化物的数量减少。此外，织针寿命也较短，只有1-3个月。这些，进一步验证了计算机模拟的分析结论。
对于SK5钢，合理的奥氏体化温度应该为Tc＝727℃，取奥氏体转变时间为20s，均匀化保温时间1min。通过计算机模拟确定的3段炉膛保温温度为800℃，网带速度为300mm/min。
靠近网带炉炉门一段的炉膛，控制温度降低了10℃，有利于确保不氧化脱碳。作为补偿，网带的速度也相应降低一些，取285mm/min。综合确定织针淬火工艺参数如表2：
表2 数值模拟及工艺分析确定的织针淬火工艺参数
织针类型钢号 加热温度℃冷却温度℃加热时间mm裂解温度℃乙醇滴速(滴/min)网带速度(mm/min)淬火机油进口区中间区出口区主针SK57908008001005950105～110 28520#
在这种新的工艺条件下处理的织针，通过金相组织分析可以看到，新工艺下处理的织针，心部已经没有了原工艺出现的碳化物聚集，表面更不存在碳化物形态的恶化。说明已经解决了原工艺的过热和表面脱碳问题。
用新的工艺参数，进行织针的光亮化淬火，并进行回火处理，最终的性能参数列于表3。
表3 最终热处理后织针的组织及性能
针身表面硬度(HV0.2)针舌表面硬度(HV0.2)针舌允许静拉力(kg) 653 517 2.9织针的扳弯角度针身表面/心部显微组织针舌表面显微组织 33.6°回火马氏体+适中碳化物(均匀)回火马氏体+碳化物(弹塑性较好)
通过计算机模拟确定现有网带炉条件下织针淬火的工艺参数，可以了解织针加热过程温度变化规律，根据织针材料和期望的性能，科学决策网带炉各工艺参数。与现有的工艺试凑法相比，无需进行反复试验，并且，容易保证织针的综合力学性能。
然而，织针的加热过程同时受炉膛控制温度和网带速度的影响。对于不同品种的织针，其升温过程也不相同，必须进行反复计算机模拟试算，才能找到合理的淬火工艺。
本发明还尝试了对工艺及设备进行改进，可确保织针不氧化脱碳，同时达到期望的力学性能。
工艺的改进在原来的三段式网带炉中进行，如果将第一段炉膛的控制温度设定为小于540℃的某一温度值，可以确保织针进入火帘位置之前低于氧化脱碳温度。本例取500℃，但网带速度必须降低到140mm/min，才能够保证织针淬火后的力学性能。这种方法对于保证性能有利，但同时降低了生产效率。
对设备的改进可以使工艺控制更简单可靠，改进的网带炉的结构见图7是在原有的设备基础上，在靠近炉门口一边加0.2m单独加热控制段。它是在三段炉上改进的，称四段加热网带炉。
图中：
1-网带 2-织针
3-新增加的炉膛加热区，长度为0.2m，温度控制在300℃
4-火帘 5、6、7-原来设备上的三段控制加热区，温度根据织针材料和性能要求确定； 8-淬火油槽 9-保护性气氛
说明：没有改动的其它部分，在图中没有画出，例如，裂解炉，网带运转设备，油槽详细结构以及炉膛温度控制装置等。
增加的第一段炉膛，控制温度设定为远低于钢的表面氧化脱碳温度(540-560℃)的一个温度值，例如，300℃，。后面三段设定为期望的淬火奥氏体化温度，对用SK5钢制造的主针，控制温度为800℃；对用SK-5钢制造的提花针，由于要求更好的韧性，温度控制为805℃，如果用65Mn制造提花针，控制温度应该在825℃。根据织针大小确定网带速度。主针宽度为1.4mm，网带速度为300mm/min；提花针宽度为6mm，网带速度为160mm/min。根据期望的性能，选择裂解介质及滴量。对于主针，裂解介质为工业酒精，滴量105-110滴/min；对于提花针，采用稀释的酒精，滴量为60-65滴/min。
经过设备和工艺调整，现在生产的主针，表面硬度基本控制在HV676-713，织针的扳弯角度超过60度。经过以上新的淬火工艺所得到的织针，进行相应的回火后，再经过后期的保温、去油及抛光等处理后，得到新工艺生产的织针。经过有关部门的检测和用户实际使用的情况，其考核结果为：经新的热处理工艺生产的织针，其表面硬度大幅度提高，与心部硬度基本一致，解决了织针表面硬度不足的问题，完全达到了纺织行业规定的标准，织针其它性能指标也均达到或超过纺织工业的标准，使用寿命比以前提高了一倍，达到了4-6个月。
提花针表面硬度控制为HV630-670，织针的扳弯角度超过140度，完全解决了由于冲齿形成的应力集中而带来的脆性。受到用户单位的欢迎。