專利名稱：用于對合金鋼構(gòu)件進(jìn)行退火的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及用于對合金鋼構(gòu)件進(jìn)行退火的系統(tǒng)和方法。特別地，本發(fā)明描述 和實施用于對合金鋼構(gòu)件的一部分進(jìn)行熱處理的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
合金鋼是鐵和按重量計高達(dá)50%的合金元素(諸如鎳、鉻、鉬、錳、釩、硅和硼)的 組合。與碳鋼相比，合金鋼具有更大的強(qiáng)度、硬度、熱硬度、耐磨損性、硬化性能和/或韌性。 合金鋼的特征還在于添加的合金量，其中低合金鋼通常按重量計小于2%至4%的合金，且 高合金鋼具有按重量計大于4%的合金。在商業(yè)應(yīng)用中所用的合金鋼的實例包括NiCrMoV和CrMoV合金鋼。例如，NiCrMoV 和CrMoV合金鋼常常包括于在燃?xì)鉁u輪中的軸、凸緣、輪和盤中。與碳鋼相比，通常需要這 些和其它合金鋼的熱處理以改進(jìn)合金鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨損性和/或韌性特征。燃?xì)鉁u輪構(gòu)件通常在超過600° F的環(huán)境中操作達(dá)延長的時間段。合金鋼長期暴 露于高操作溫度導(dǎo)致合金鋼的熱脆化，特別是在合金鋼的表面處或附近。例如，在長期高溫 操作之后，在內(nèi)孔和/或螺栓孔周圍通常會經(jīng)歷熱脆化。熱脆化產(chǎn)生鋼合金中輕微的微結(jié) 構(gòu)變化，其降低合金鋼的斷裂韌性且限制合金鋼構(gòu)件的使用壽命。合金鋼構(gòu)件的使用壽命 可根據(jù)各種度量確定，諸如合金鋼構(gòu)件暴露于高溫的時間量或者合金鋼構(gòu)件的斷裂韌性和 /或斷裂形貌轉(zhuǎn)變溫度(FATT)的減小。這些參數(shù)或其它參數(shù)中的任何參數(shù)可用于預(yù)測可導(dǎo) 致過度裂紋形成和/或蔓延的熱脆化的開始。由于長期暴露于高溫環(huán)境而經(jīng)歷熱脆化的合金鋼構(gòu)件可使用本領(lǐng)域中已知的熱 處理方法進(jìn)行退火。例如，合金鋼構(gòu)件可被拆卸或移除且放置于合適腔室中以加熱該合金 鋼構(gòu)件。但是，合金鋼構(gòu)件的尺寸常常需要相對應(yīng)較大的腔室。此外，移除和拆卸合金鋼構(gòu) 件是耗時的、昂貴的且導(dǎo)致延長的維護(hù)期，在此期間，商業(yè)設(shè)備不可用于操作。因此，存在對用于對合金鋼構(gòu)件進(jìn)行退火的改進(jìn)的系統(tǒng)和方法的需要。理想地，改 進(jìn)的系統(tǒng)和方法可對合金鋼構(gòu)件的局部區(qū)域進(jìn)行退火，以減少與退火過程相關(guān)的時間和成 本，從而縮短商業(yè)設(shè)備不可操作的時間量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面和優(yōu)點在下文的描述中如下陳述，或者可從該描述顯而易見，或者 可通過實踐本發(fā)明而學(xué)習(xí)。本發(fā)明的一個實施例是用于對合金鋼構(gòu)件進(jìn)行熱處理的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括第一封 殼和與第一封殼相對的第二封殼。第一封殼和第二封殼限定僅繞合金鋼構(gòu)件的一部分的腔 室。該系統(tǒng)還在該腔室中包括加熱元件以加熱該合金鋼構(gòu)件的部分。本發(fā)明的另一實施例是用于對合金鋼構(gòu)件進(jìn)行熱處理的方法。該方法包括抵靠合 金鋼構(gòu)件的第一側(cè)放置第一封殼和抵靠合金鋼構(gòu)件的第二側(cè)放置第二封殼。該方法還包括 在第一封殼與第二封殼之間形成僅繞合金鋼構(gòu)件的一部分的基本氣密腔室，且加熱該基本
3氣密腔室內(nèi)的合金鋼構(gòu)件的部分。通過閱讀說明書，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將更好地了解這些實施例和其它實施例的 特征和方面。


在說明書的其余部分中，包括參考附圖，向本領(lǐng)域技術(shù)人員更具體描述了本發(fā)明 的全面并可實施的公開內(nèi)容，包括本發(fā)明的最佳實施方式，在附圖中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于對合金鋼構(gòu)件進(jìn)行退火的系統(tǒng)的截面 圖；圖2示出繞合金鋼構(gòu)件安裝的圖1所示的實施例；以及圖3示出在退火過程期間的預(yù)計溫度曲線。部件列表10 系統(tǒng)14 第一封殼16 第二封殼18 夕卜表面20 內(nèi)表面22 腔室24 墊片26 氣體端口28 氣體源30 氣體隔離閥32 真空端口34 真空泵36 真空隔離閥38 排出端口40 排出隔離閥42 感應(yīng)線圈44 開口46 墊片48 內(nèi)孔50 盤的相對側(cè)
具體實施例方式現(xiàn)將詳細(xì)地參考本發(fā)明的實施例，其一個或多個實例在附圖中示出。詳細(xì)描述使 用數(shù)字和字母標(biāo)記來指代附圖中的特征。在附圖和描述中相同或相似的標(biāo)記用于指代本發(fā) 明的相同或相似的部件。作為本發(fā)明的解釋而不是本發(fā)明的限制，提供每個實例。實際上，對于本領(lǐng)域技術(shù) 人員顯而易見的是，在不偏離本發(fā)明的范圍或精神的情況下可對本發(fā)明做出修改和變型。例如，作為一個實施例的部分示出或描述的特征可用于另一實施例以得到又一實施例。因 此，預(yù)期本發(fā)明涵蓋屬于所附權(quán)利要求書和其等效物的范圍內(nèi)的這些修改和變型。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于對合金鋼構(gòu)件進(jìn)行熱處理的系統(tǒng)10的 截面圖。如圖所示，系統(tǒng)10包括第一封殼14和互補的第二封殼16。第一封殼14和第二 封殼16可由能耐受高達(dá)大約1300華氏度的連續(xù)和循環(huán)溫度的任何合適材料制成。例如， 第一封殼14和第二封殼16可由鋼、合金鋼、纖維玻璃或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的類似材料制 成。第一封殼14和第二封殼16可為圓形、方形、橢圓形或任何其它合適形狀以容納待退火 的合金鋼構(gòu)件?？蛇x擇第一封殼14和第二封殼16的長度和寬度以容納待退火的合金鋼構(gòu) 件的部分。每個封殼14、16包括外表面18和內(nèi)表面20。當(dāng)安裝于待退火的合金鋼構(gòu)件的部 分周圍時，內(nèi)表面20限定在封殼14、16之間且在待退火的合金鋼構(gòu)件的部分周圍的空腔或 腔室22。第一封殼14和第二封殼16還可包括墊片24、孔環(huán)、0形環(huán)或類似裝置，用于形成 氣密的密封且使腔室22基本氣密。第一封殼14和第二封殼16還可包括一個或多個端口以容納外圍設(shè)備。例如，如 圖1所示，第一封殼14可包括氣體端口 26，其提供在氣體源觀與第一封殼14之間的流體 連通。氣體源28可通過隔離閥30連接到氣體端口沈以允許或防止氣體流動到第一封殼 14。氣體源觀可提供任何合適氣體用于在合金鋼構(gòu)件周圍形成所需環(huán)境。例如，氣體源觀 可提供惰性氣體，諸如氬氣或氮氣，以在退火過程期間包圍合金鋼構(gòu)件。惰性氣體環(huán)境可在 退火過程期間減少由腔室22中的環(huán)境空氣造成的氧化或脫碳。第一封殼14還可包括真空端口 32以將真空泵34連接到第一封殼14。真空泵34 可用于在由第一封殼14和第二封殼16限定的腔室22上抽吸真空。真空端口 32可在真空 端口 32與真空泵34之間包括隔離閥36以在不使用真空泵34時隔離第一封殼14。如在圖1中另外示出，第二封殼16可包括連接到隔離閥40的排出端口 38。排出 端口 38可用于在退火過程的各個階段期間從腔室22排出或清掃環(huán)境空氣或氣體。盡管關(guān) 于圖1所示的實施例描述了端口的位置，應(yīng)了解在替代實施例中端口可處于第一封殼14和 /或第二封殼16中的任一個或兩個中。系統(tǒng)10還包括感應(yīng)線圈42或類似加熱元件，其延伸穿過第一封殼14和第二封殼 16進(jìn)入由第一封殼14和第二封殼16限定的腔室22內(nèi)。感應(yīng)線圈42或其它合適加熱元件 提供熱源用于加熱由第一封殼14和第二封殼16限定的腔室22，從而加熱待退火的合金鋼 構(gòu)件的部分。感應(yīng)線圈42或合適加熱元件的尺寸取決于待退火的合金鋼構(gòu)件的尺寸和要 實現(xiàn)的所需加熱速率。在第一封殼14和第二封殼16中的開口 44可包括墊片材料46、絕緣 體、橡膠或類似材料以容納各種尺寸的感應(yīng)線圈42或其它合適加熱元件且提供在感應(yīng)線 圈42與第一封殼14和第二封殼16之間的合適密封。圖2示出安裝于待退火的合金鋼構(gòu)件上的圖1所示的系統(tǒng)10的截面圖。在此圖 示中，合金鋼構(gòu)件是燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子的盤，且系統(tǒng)10安裝成封閉盤中的內(nèi)孔48并對它進(jìn)行退 火。如圖2所示，第一封殼14和第二封殼16安裝于合金鋼構(gòu)件的相對側(cè)50上。因此，在 封殼14、16之間且在待退火的合金鋼構(gòu)件的部分周圍的腔室22基本是氣密的。感應(yīng)線圈 42或其它合適加熱元件延伸穿過第一封殼14和第二封殼16以向腔室22和因此待退火的 合金鋼構(gòu)件的部分提供局部加熱。
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圖1和圖2所示的系統(tǒng)10可用于以下列方式對合金鋼構(gòu)件進(jìn)行熱處理。第一封 殼14抵靠待退火的合金鋼構(gòu)件的一側(cè)50放置，且第二封殼16抵靠待退火的合金鋼構(gòu)件的 另一側(cè)50放置。待退火的合金鋼構(gòu)件的第一側(cè)和第二側(cè)50可為包括待退火的合金鋼構(gòu)件 的特定部分的相對側(cè)或相鄰側(cè)。由第一封殼14和第二封殼16繞待退火的合金鋼構(gòu)件的部 分限定的腔室22基本是氣密的。用于排出端口 38的隔離閥40可獨立地或結(jié)合用于氣體端口沈的惰性隔離閥30 而打開以從腔室22中清掃空氣。若需要，氣體源觀可向腔室22提供惰性氣體或其它介 質(zhì)。在另一應(yīng)用中，用于真空端口 32的隔離閥36可打開且真空泵34可通過操作以在腔室 22上抽吸真空。感應(yīng)線圈42或其它合適加熱元件然后可被通電以加熱基本氣密腔室22到至少 1000華氏度來對合金鋼構(gòu)件的局部進(jìn)行退火。感應(yīng)線圈42或其它合適加熱元件可以以超 過每小時500華氏度且在某些特定實施例中大于每小時1000華氏度的速率加熱基本氣密 腔室。溫度然后可維持在優(yōu)選地1000華氏度與1200華氏度之間達(dá)合適時間來實現(xiàn)合金鋼 構(gòu)件的所需退火。例如，合適退火可通過維持基本氣密腔室22的溫度高于1000華氏度達(dá) 每英寸厚度合金鋼構(gòu)件至少1小時至2小時而實現(xiàn)。在基本氣密腔室22中維持退火溫度達(dá)所需時間量之后，感應(yīng)線圈42或其它合適 加熱元件可被斷電以允許合金鋼構(gòu)件冷卻到室溫。用于氣體端口沈和/或排出端口 38的 隔離閥30、40可打開以允許冷卻空氣和/或惰性氣體流過腔室22以實現(xiàn)在合金鋼構(gòu)件冷 卻時最小化任何溫度脆化的合金鋼構(gòu)件的所需冷卻速率。更高的冷卻速率是優(yōu)選的，因為 合金鋼構(gòu)件的溫度在1000華氏度與700華氏度之間降低以減小允許鋼構(gòu)件經(jīng)歷在這些溫 度處的溫度脆化的機(jī)會，從而使退火過程的某些效果無效。例如，可調(diào)節(jié)冷卻空氣以實現(xiàn)每 小時100華氏度至150華氏度的冷卻速率直到合金鋼構(gòu)件的溫度小于大約700° F。一旦 合金鋼構(gòu)件的溫度小于大約700° F，可使用更緩慢的冷卻速率直到合金鋼構(gòu)件到達(dá)室溫?？稍谕嘶疬^程期間仔細(xì)地監(jiān)視腔室22和/或待退火的合金鋼構(gòu)件的溫度。例如， 熱電偶、高溫計、電阻溫度檢測器、紅外激光器或類似儀器可安裝于腔室22中或抵靠待退 火的合金鋼構(gòu)件的局部進(jìn)行安裝來監(jiān)視系統(tǒng)10的溫度、加熱速率和冷卻速率。圖3示出在退火過程期間系統(tǒng)10的預(yù)計溫度曲線。如圖3所示，感應(yīng)線圈42或 其它合適加熱元件維持基本氣密腔室22中的溫度在所需溫度以實現(xiàn)合金鋼構(gòu)件的局部的 退火。由于感應(yīng)線圈42或其它合適加熱元件所提供的局部加熱，溫度在腔室22外部迅速 降低，如由圖3中的下降的溫度曲線所示。因此，本發(fā)明的系統(tǒng)10和方法并不扭曲腔室22 外部的合金鋼構(gòu)件的其余部分或在其中形成殘余應(yīng)力。本發(fā)明所描述的系統(tǒng)10和方法允許對合金鋼構(gòu)件的局部區(qū)域進(jìn)行退火，從而恢 復(fù)合金鋼的斷裂韌性接近或等于所設(shè)計構(gòu)件的原始斷裂韌性。系統(tǒng)10和方法允許合金鋼 構(gòu)件在適當(dāng)位置或者以很小拆卸進(jìn)行退火，從而避免對較大腔室的需要且縮短商業(yè)設(shè)備不 操作的時間量。此外，合金鋼構(gòu)件的局部熱處理減少了可由對整個合金鋼構(gòu)件進(jìn)行熱處理 造成的任何扭曲或殘余應(yīng)力。待退火的合金鋼構(gòu)件可個別地處理或成批處理。例如，圖2所示的轉(zhuǎn)子盤可個別 地處理，或者其可與其它轉(zhuǎn)子盤部分地堆疊地處理。盡管圖2示出系統(tǒng)10處理穿過轉(zhuǎn)子盤 的內(nèi)孔48，但是系統(tǒng)10可容易地適于封閉轉(zhuǎn)子盤的其它部分，諸如螺栓孔或其它表面。
本書面描述使用實例來公開本發(fā)明，包括最佳實施方式，且也能使本領(lǐng)域技術(shù)人 員實踐本發(fā)明，包括做出和使用任何裝置或系統(tǒng)和執(zhí)行任何合并的方法。本發(fā)明的專利保 護(hù)范圍由權(quán)利要求書限定，且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實例。如果其它實例包括 與權(quán)利要求書的字面語言并無不同的結(jié)構(gòu)元件或者如果其它實例包括與權(quán)利要求書的字 面語言并無實質(zhì)不同的等效結(jié)構(gòu)元件，則這種其它實例預(yù)期在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于對合金鋼構(gòu)件進(jìn)行熱處理的系統(tǒng)(10)，包括a.第一封殼(14)；b.與所述第一封殼(14)相對的第二封殼(16)，其中，所述第一封殼和第二封殼限定僅 繞所述合金鋼構(gòu)件的一部分的腔室02)；以及c.加熱元件(42)，其在所述腔室0 中加熱所述合金鋼構(gòu)件的部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于對合金鋼構(gòu)件進(jìn)行熱處理的系統(tǒng)(10)，其特征在于，還 包括連接到所述第一封殼(14)或所述第二封殼(16)中的至少一個的惰性氣體源08)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中任一項所述的用于對合金鋼構(gòu)件進(jìn)行熱處理的系統(tǒng)(10)，其 特征在于，還包括穿過所述第一封殼(14)或所述第二封殼(16)中的至少一個的至少一個 端口 (25) ο
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的用于對合金鋼構(gòu)件進(jìn)行熱處理的系統(tǒng)(10)，其 特征在于，還包括穿過所述第一封殼(14)或所述第二封殼(16)中的至少一個的至少一個 排出口(38)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的用于對合金鋼構(gòu)件進(jìn)行熱處理的系統(tǒng)(10)，其 特征在于，還包括連接到所述第一封殼(14)或所述第二封殼(16)中的至少一個的真空泵 034)。
6.一種用于對合金鋼構(gòu)件進(jìn)行熱處理的方法，其包括a.抵靠所述合金鋼構(gòu)件的第一側(cè)(50)放置第一封殼(14)；b.抵靠所述合金鋼構(gòu)件的第二側(cè)(50)放置第二封殼(16)；c.在所述第一封殼(14)與所述第二封殼(16)之間形成僅繞所述合金鋼構(gòu)件的一部分 的基本氣密腔室0 ；以及d.加熱在所述基本氣密腔室0 內(nèi)的所述合金鋼構(gòu)件的部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于對合金鋼構(gòu)件進(jìn)行熱處理的方法，其特征在于，還包括 將感應(yīng)線圈0 插入到所述基本氣密腔室0 內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7中任一項所述的用于對合金鋼構(gòu)件進(jìn)行熱處理的方法，其特征 在于，還包括以每小時至少500華氏度的速率將所述基本氣密腔室0 加熱到至少1000 華氏度。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項所述的用于對合金鋼構(gòu)件進(jìn)行熱處理的方法，其特征 在于，還包括使惰性氣體08)流入到所述基本氣密腔室0 內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一項所述的用于對合金鋼構(gòu)件進(jìn)行熱處理的方法，其特征 在于，還包括在所述基本氣密腔室02)內(nèi)形成真空。
全文摘要
用于對合金鋼構(gòu)件進(jìn)行熱處理的系統(tǒng)(10)包括第一封殼(14)和與第一封殼(14)相對的第二封殼(16)。第一封殼和第二封殼(14，16)限定僅繞合金鋼構(gòu)件的一部分的腔室(22)。該系統(tǒng)(10)還在該腔室(22)中包括加熱元件(42)以加熱該合金鋼構(gòu)件的部分。用于對合金鋼構(gòu)件進(jìn)行熱處理的方法包括抵靠合金鋼構(gòu)件的第一側(cè)放置第一封殼(14)和抵靠合金鋼構(gòu)件的第二側(cè)放置第二封殼(16)。該方法還包括在第一封殼與第二封殼(14，16)之間形成僅繞合金鋼構(gòu)件的一部分的基本氣密腔室(22)，以及加熱在該基本氣密腔室(22)內(nèi)的合金鋼構(gòu)件的部分。
文檔編號C21D1/26GK102127623SQ201110027778
公開日2011年7月20日 申請日期2011年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月18日
發(fā)明者J·R·伍德, J·R·帕羅利尼 申請人:通用電氣公司