一种经济型高精度端淬实验装置和使用方法与流程

1.本发明涉及钢淬透性测试技术领域，具体而言，尤其涉及一种经济型高精度端淬实验装置和使用方法。


背景技术：

2.目前行业内测定钢的淬透性通常采用jominy端淬试验方法，也被许多国家用作淬透性检验的标准方法。该方法的一般流程为：将钢加热到奥氏体化温度后保温一段时间，然后从加热炉中取出，置于金属构件的圆孔内，通过向端淬试样下端喷水，在样品内部形成一个冷速梯度，然后在样品表面加工两个平行的表面，从淬火端按一定间隔向样品内部不同位置测试硬度，形成硬度-距端部距离的端淬硬度曲线。该方法具有相当的简便性，但测试过程中存在若干影响结果准确性的因素，包括：1.样品出炉时夹持工具对夹持位置温度的影响；2.样品放置不便，转移到端淬支架的时间取决于操作的熟练程度；3.金属支架与试样非淬火端直接接触，两者之间存在传热，有可能在非淬火端建立反向冷速梯度；4.淬火端水(或其他介质)流对样品端面冷却的均匀程度；5.端淬样品平行表面与样品轴线的平行度；6.加工深度等等。其中最后两个因素主要与样品的固定和加工有关，相关技术人员开发了很多种相关的固定和加工方法，此处不再赘述。为了解决各因素对评价结果准确性的影响，科技工作者们开发了一些装置或技术，但都无法同时解决上述所有因素对评价结果准确性的不利影响。
3.如申请号为cn02136430.3的发明专利《中高淬透性钢末端淬火装置及淬透性测定方法》通过将样品置于由耐火保温材料填充的孔内，降低了非淬火端的冷却速度，降低了上述因素3的不利影响，但该方法依然需要使用夹具手工夹持样品置入该装置，且淬火端依然采用传统的试验方法，无法解决因素1、2和因素4的影响。
4.申请号为cn201611164378.0的发明专利《一种末端淬火实验装置》通过移动、倾转加热炉的方式，使样品自动落入端淬实验装置，消除了因素1、2的影响，但仍采用传统的端部淬火方式，无法解决因素3、4的不利影响，同时实验装置结构复杂，可能存在可靠性和成本方面的问题。
5.申请号为cn88215671.3的实用新型专利《机械手式末端淬火试验机》通过光电感应方式自动完成样品夹持、喷水的过程，但实际上只解决了样品对中(因素4)和样品落位到喷水的时间一致性问题，对于解决因素1、2、3没有帮助。
6.申请号为cn200620085107.1的实用新型专利《多用端淬实验机》解决了冷却介质无法重复使用及喷水水柱高度受水压影响的问题，实际上降低了因素4的不利影响，但没有解决因素1、2、3的影响。
7.申请号为cn201820593219.0的实用新型专利《一种钢材端部淬透性试验用的试验设备》可以确保喷出的水柱均匀与钢材末端接触，但未解决因素1、2、3的影响，且结构比较复杂。
8.申请号为cn201921493677.8的实用新型专利《一种测试金属材料淬透性的装置》
在功能上与普通的端淬实验机无本质区别，对于解决因素1、2、3、4均没有帮助。
9.申请号为cn202020754431.8的实用新型专利《一种端淬自动化装置》和申请号为cn202123243612.8的实用新型专利《一种钢淬透性的端淬试验装置》可以实现端淬过程的自动化，排除了人为因素的影响，但没有解决因素1、2、3、4对评价结果准确性的不利影响。


技术实现要素：

10.根据上述提出的技术问题，而提供一种经济型高精度端淬实验装置和使用方法，本发明能够以较低的成本从根本上解决端淬过程各因素对评价结果准确性的不利影响。
11.本发明采用的技术手段如下：
12.一种经济型高精度端淬实验装置，包括：端淬试样夹持块、上横梁、支架、下横梁、冷却介质约束板、冷却介质喷射管和底座，所述支架设置在地面上，支架内自上至下依次设置所述上横梁、下横梁和底座，所述端淬试样夹持块可拆卸地连接在上横梁上，所述冷却介质约束板可拆卸地连接在下横梁上，所述端淬试样夹持块的中心部设置有匹配端淬试样的中部孔，所述上横梁、下横梁与所述支架的位置关系可调，所述端淬试样夹持块与上横梁的相对高度可调，使得端淬试样夹持块设置于上横梁后，端淬试样下表面与冷却介质约束板的通孔上部处于刚好接触的状态，冷却介质喷射管穿过底座后能够对试样淬火端进行均匀冷却。
13.进一步地，所述端淬试样夹持块上开设有所述中部孔，所述中部孔的两侧设有定位孔，上横梁每段的端部安装有与其匹配的定位柱。
14.进一步地，所述定位孔上段为圆柱形，孔径为至少5mm，下段为锥形，最大直径至少为上段直径的1.5倍。
15.进一步地，所述端淬试样夹持块远离中心孔处开设有阶梯状的组合体夹持平台。
16.进一步地，所述支架上开设有高度不同的若干孔位，上、下横梁通过螺栓与支架连接。
17.进一步地，所述冷却介质约束板中心开设有锥形孔，上表面孔径至少25mm，下表面孔径至少40mm。
18.进一步地，还包括压力开关，所述压力开关设置在上横梁上，压力开关与喷水电机相连，所述喷水电机与所述冷却介质喷射管相连。
19.本发明还公开了采用上述装置的淬透性测定方法，包括如下步骤：
20.1)加工端淬试样，基于端淬试样的规格对上横梁、下横梁的位置关系进行调节，使得后续夹持块放置到上横梁后，试样淬火端与冷却介质约束板正好接触；
21.2)将夹持块和端淬试样形成的组合体共同放入充满保护气氛的电炉中加热，加热时间不少于20min，加热至规定温度后保温一定时间；
22.3)达到保温时间后，使用工具夹住夹持块上的组合体夹持平台，将夹持块和试样的组合体取出，将夹持块上的定位孔对准上横梁上的定位柱使试样自由下落完成试样的定位放置，压力开关闭合，冷却介质喷射管喷出水流直至试样彻底冷却；
23.4)进行端淬试样的加工和硬度测量，绘制硬度-距淬火端距离曲线，完成淬透性的测定。
24.针对现有技术，本发明在使用过程中具有如下优点：
25.1、通过夹持块上开设有中部孔，端淬试样夹持块远离中心孔处开设有阶梯状的组合体夹持平台的结构形式，使得加热结束后取出试样时夹持位置位于试样夹持块上远离试样的位置，避免了夹持工具对试样温度的影响；
26.2、夹持块的定位孔下侧为锥形，便于上横梁上的定位柱进入，定位孔上侧为圆柱形，可以起到定位试样的作用，在放置试样时只需稍微对准然后松开试样和夹持块组合体，组合体自由下落即可完成试样的定位放置，避免放置试样时间过长；
27.3、由于试样夹持块与试样一起加热，且具有相当的厚度和宽度，在端淬过程中不仅不会因为支架温度较低使试样向支架传热，反而会对试样非淬火端进行一定的温度补偿，从而在试样内部建立更加稳定的冷速梯度，避免了试样支架对试样温度的影响；
28.4、冷却介质约束板的上表面正好接触试样，其中部的锥形孔可以将水流导向试样淬火端表面，同时防止水滴喷溅到试样圆柱面上，即使水柱角度或高度有些许改变，也可以实现试样淬火端的均匀冷却。
29.综上，本发明通过上述设计，以简单的结构和较低的成本，可靠地解决了端淬过程中各种因素对评价结果准确性的影响。相较于现有的端淬试验装置和方法，提高了端淬试验结果的准确性。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明总体结构示意图。
32.图2为本发明试样夹持块剖视图，其中(a)为主视图；(b)为俯视图，(c)为侧视图。
33.图3为本发明上横梁形状及定位柱位置示意图，其中(a)为主视图；(b)为俯视图，(c)为侧视图。
34.图4为本发明冷却介质约束板结构示意图，其中(a)为主视图；(b)为俯视图，(c)为侧视图。
35.图中：1.试样夹持块；2.上横梁；3.支架；4.冷却介质约束板；5.下横梁；6.定位柱；7.压力开关；8.冷却介质喷射管；9.底座；10.中部孔；11.定位孔；12.组合体夹持平台。
具体实施方式
36.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
39.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
40.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
41.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
42.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
43.如图1所示，本发明公开了一种经济型高精度端淬实验装置，包括：端淬试样夹持块1、上横梁2、支架3、下横梁5、冷却介质约束板4、冷却介质喷射管8和底座9，所述支架设置在地面上，支架内自上至下依次设置所述上横梁、下横梁和底座，所述端淬试样夹持块可拆卸地连接在上横梁上，所述冷却介质约束板可拆卸地连接在下横梁上，所述端淬试样夹持块的中心部设置有匹配端淬试样的中部孔，所述上横梁、下横梁与所述支架的位置关系可调，所述端淬试样夹持块与上横梁的相对高度可调，使得端淬试样夹持块设置于上横梁后，端淬试样下表面与冷却介质约束板的通孔上部处于刚好接触的状态，冷却介质喷射管穿过底座后能够对试样淬火端(即图中的下端)进行均匀冷却。本实施例中，冷却介质为水，在其他可选的实施方式中，所述冷却介质可选用符合实验规定的其他介质。
44.如图2所示，所述端淬试样夹持块上开设有所述中部孔10，所述中部孔的两侧设有定位孔11，如图3所示，上横梁每段的端部安装有与其匹配的定位柱6，通过中部圆孔两侧的
定位孔与上横梁上的定位柱配合完成定位和试样放置。试样夹持块的厚度为25mm或以上，形状为方形或圆形，其边长或直径应达到50mm或以上。夹持块上加工有2个定位孔及1个夹持平台，定位孔分为2段，上段为圆柱形，孔径5mm或以上，下端为锥形，最大直径为上段直径的1.5倍或以上。所述端淬试样夹持块远离中心孔处开设有阶梯状的组合体夹持平台12。夹持平台深度为5mm或以上，高度为10mm或以上，便于取出夹持块与端淬试样的组合体即可。试样夹持块主要起3个作用：一是防止夹持工具与试样直接接触，二是便于试样的定位放置，三是防止试样向试样支架传热影响结果准确性。
45.所述支架上开设有高度不同的若干孔位，上、下横梁通过螺栓与支架连接。所述上横梁和下横梁均为两段式，即两段上横梁分别安装于对应侧的支架上，两段下横梁分别安装于对应侧的支架上，作为可选的实施方式，两段上横梁的规格相同，两段下横梁的规格相同，为增加刚度，上下横梁均使用方形钢管制作，钢管宽度为20mm或以上。上横梁每段的端部安装1个直径为5mm或以上的定位柱。上下横梁通过螺栓与支架连接，可以通过支架上不同的孔位调整上横梁的位置。
46.如图4所示，冷却介质约束板使用厚度5-10mm的钢板制作，两侧通过螺栓固定在下横梁上，约束板正对端淬试样的位置开锥形孔，上表面孔径25mm，下表面孔径40mm或以上。冷却介质约束板有2个作用，一是引导水流向试样淬火端下表面集中，使样品在水压波动或有方向偏差的情况下可以均匀冷却，二是防止飞溅的水滴落在试样的圆柱面上。冷却介质约束板上表面到试样夹持块下表面的距离等于样品露出夹持块部分的长度。
47.还包括压力开关7，所述压力开关设置在上横梁上，压力开关与喷水电机相连，所述喷水电机与所述冷却介质喷射管相连。
48.实施例1
49.以下以测定某中碳合金工具钢的淬透性为例，结合本发明的内容提供以下实施例及最佳实施方式：
50.1)试样夹持块的厚度为25mm，形状为圆形，其直径为50mm。夹持块上加工1个夹持平台，平台深度为10mm，高度15mm。夹持块上加工有2个定位孔，定位孔分为2段，上段为圆柱形，孔径5mm，下端为锥形，最大直径10mm。采用上述参数的目的在于，使试样夹持块起到向样品补充热量作用，同时降低夹持块的重量，便于试样夹持块和试样组合体的取出及安放。
51.2)上下横梁均使用方形钢管制作，钢管宽度为30mm。上横梁端部定位柱的直径为5mm；
52.3)冷却介质约束板使用厚度10mm的钢板制作，约束板正对端淬试样的位置开锥形孔，上表面孔径25mm，下表面孔径50mm。
53.采用本发明所述试验装置开展淬透性测定的具体方法如下：
54.1)按gb/t 225-2006加工标准端淬试样，本实施例中，端淬试样长度125mm，并根据样品长度调整上横梁的位置，在其他可选的实施方式中，对于中高淬透性钢建议将试样适当延长；
55.2)将夹持块和端淬样品形成的组合体共同放入充满保护气氛的电炉中加热至880℃，加热时间20min，加热至规定温度后保温30min；
56.3)达到保温时间后，使用工具夹住夹持块上的夹持平台将夹持块和试样的组合体取出，将夹持块上的夹持孔对准上横梁上的定位柱使样品自由下落完成样品的放置和定
位，此时样品淬火端与冷却介质约束板正好接触，由于压力变化，压力开关闭合，冷却介质喷射管喷出水流直至样品彻底冷却。
57.4)按gb/t 225-2006对端淬后的试样进行加工并在规定位置开展硬度测量，绘制硬度-距淬火端距离曲线，结果显示淬透深度约30mm，但曲线尾部趋于一个定值，该硬度值为该种材料的正火硬度，而采用普通端淬装置绘制的曲线出现尾部上翘的情况，表明普通装置的端淬样品支架提高了样品非淬火端一侧的冷却速度。
58.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种经济型高精度端淬实验装置，其特征在于，包括：端淬试样夹持块、上横梁、支架、下横梁、冷却介质约束板、冷却介质喷射管和底座，所述支架设置在地面上，支架内自上至下依次设置所述上横梁、下横梁和底座，所述端淬试样夹持块可拆卸地连接在上横梁上，所述冷却介质约束板可拆卸地连接在下横梁上，所述端淬试样夹持块的中心部设置有匹配端淬试样的中部孔，所述上横梁、下横梁与所述支架的位置关系可调，所述端淬试样夹持块与上横梁的相对高度可调，使得端淬试样夹持块设置于上横梁后，端淬试样下表面与冷却介质约束板的通孔上部处于刚好接触的状态，冷却介质喷射管穿过底座后能够对试样淬火端进行均匀冷却。2.根据权利要求1所述的经济型高精度端淬实验装置，其特征在于，所述端淬试样夹持块上开设有所述中部孔，所述中部孔的两侧设有定位孔，上横梁每段的端部安装有与其匹配的定位柱。3.根据权利要求2所述的经济型高精度端淬实验装置，其特征在于，所述定位孔上段为圆柱形，孔径为至少5mm，下段为锥形，最大直径至少为上段直径的1.5倍。4.根据权利要求1所述的经济型高精度端淬实验装置，其特征在于，所述端淬试样夹持块远离中心孔处开设有阶梯状的组合体夹持平台。5.根据权利要求1所述的经济型高精度端淬实验装置，其特征在于，所述支架上开设有高度不同的若干孔位，上、下横梁通过螺栓与支架连接。6.根据权利要求1所述的经济型高精度端淬实验装置，其特征在于，所述冷却介质约束板中心开设有锥形孔，上表面孔径至少25mm，下表面孔径至少40mm。7.根据权利要求1所述的经济型高精度端淬实验装置，其特征在于，还包括压力开关，所述压力开关设置在上横梁上，压力开关与喷水电机相连，所述喷水电机与所述冷却介质喷射管相连。8.一种采用权利要求1-7任意权利要求所述的经济型高精度端淬实验装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：1)加工端淬试样；基于端淬试样的规格对上横梁、下横梁的位置关系进行调节，使得后续夹持块放置到上横梁后，试样淬火端与冷却介质约束板正好接触；2)将端淬试样夹持块和端淬试样形成的组合体共同放入充满保护气氛的电炉中加热，加热时间不少于20min，加热至规定温度后保温一定时间；3)达到保温时间后，使用工具夹住夹持块上的组合体夹持平台，将夹持块和试样的组合体取出，将夹持块上的定位孔对准上横梁上的定位柱使试样自由下落完成试样的定位放置，冷却介质喷射管喷出冷却介质直至试样彻底冷却；4)进行端淬试样的加工和硬度测量，绘制硬度-距淬火端距离曲线，完成淬透性的测定。9.根据权利要求8所述的经济型高精度端淬实验装置，其特征在于，步骤3)中，将夹持块上的定位孔对准上横梁上的定位柱使试样自由下落完成试样的定位放置后，压力开关闭合，自动完成冷却介质的喷射。

技术总结
本发明提供一种经济型高精度端淬实验装置和使用方法。包括端淬试样夹持块、上横梁、支架、下横梁、冷却介质约束板、冷却介质喷射管和底座，支架设置在地面上，支架内自上至下设置上横梁、下横梁和底座，端淬试样夹持块的中心部设置有匹配端淬试样的中部孔，端淬试样夹持块可拆卸地安装在上横梁上，上横梁、下横梁与支架的位置关系可调，端淬试样夹持块设置于上横梁后，端淬试样夹持块的中部孔与冷却介质约束板的通孔处于同一直线，冷却介质喷射管穿过底座后能够对试样淬火端进行均匀冷却。本发明以简单的结构和较低的成本，可靠地解决端淬过程中各种因素对评价结果准确性的影响。程中各种因素对评价结果准确性的影响。程中各种因素对评价结果准确性的影响。


技术研发人员：高航 郭大勇 王秉喜 张博 潘阳 马立国
受保护的技术使用者：鞍钢股份有限公司
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/8/24