鋼構件的淬火方法與流程

2023-06-01 20:26:31 1

本申請是申請日為2013年7月24日、申請號為201310314249.5、發明名稱為鋼構件的淬火方法的分案申請。

本發明涉及一種鋼構件的淬火方法。

背景技術：

對各種鋼製件及以模具、工具為代表的鋼製品等這樣的鋼構件進行淬火處理，淬火處理是將該鋼構件加熱到奧氏體組織的狀態後、進行冷卻的處理。並且，對於加熱鋼構件到淬火溫度時的手段，利用以下方式：以導入到爐內的氣氛氣體為介質，向鋼構件傳遞熱量的對流加熱；從各種射線源(發熱體)向鋼構件輻射紅外線，通過電磁波加熱的紅外線加熱(專利文獻1～4)。

對流加熱的情況具有以下優點：例如能通過加壓氣氛氣體提高加熱效率，縮短加熱所需時間。另一方面，根據加熱爐內的位置的不同，對流的氣體的壓力、方向在鋼構件的表面的每個部位是不同的，在鋼構件的各部位有產生溫度不均勻(加熱不均勻)的情況。另外，根據鋼構件的形狀，在其厚的部分與薄的部分之間有產生加熱不均勻的情況。並且，當該加熱不均勻明顯時，在淬火冷卻時鋼構件會產生熱處理變形。

紅外線加熱的情況下，因為不用向加熱爐內導入氣體就可以加熱，所以也可以在真空中(包括在減壓氣氛下的情況)加熱，這種情況有利於抑制鋼構件的表面氧化等。

專利文獻1日本特開2006-342377號公報

專利文獻2日本特開平10-080746號公報

專利文獻3日本特開平08-067909號公報

專利文獻4日本特開昭61-253320號公報

在鋼構件的淬火處理中，加熱時的方法使用紅外線加熱有很多優點。但是，即使是一般被認為加熱效率好的紅外線加熱，在具有發熱體的加熱爐內加熱鋼構件的情況下，得不到與其作用相符的加熱效率，加熱速度慢。特別是，作為射線源的發熱體在升溫之前(一般是到600℃左右之前)，從射線源輻射的紅外線量少，該期間的加熱速度就慢。

另外，紅外線加熱的情況下，因為利用的紅外線具有方向性，所以根據在加熱爐內的位置的不同，鋼構件的與射線源相對的表面的角度不同，因此鋼構件吸收的能量在表面的不同部位是不同的。其結果與對流加熱的情況一樣，有在鋼構件的各部位產生加熱不均勻的情況。並且，在加熱模具等複雜形狀的鋼構件時，有時因為其形狀導致厚的部分的溫度、表面的凹部的溫度低而產生加熱不均勻。如上所述，該加熱不均勻導致淬火冷卻時的熱處理變形。

此外，在鋼構件的淬火處理中，被加熱至淬火溫度的鋼構件接下來被冷卻。並且，這時的冷卻方法與上述的加熱方法的種類無關，通常，或吹拂加壓後的冷卻氣體來實施冷卻，或浸入水、油、各種聚合物、鹽等淬火劑中來實施冷卻，或使用流動槽(日文：流動槽)來實施冷卻。其中，使用冷卻氣體的方法具有提高速度的效果，根據與冷卻氣體接觸方式的不同，在鋼構件的各部位有產生冷卻程度不同(冷卻不均勻)的情況。另外，由於在鋼構件的厚的部分、表面的凹部部分冷卻速度慢，因此這也是冷卻不均勻的主要原因。對此，即使利用能夠比較均勻地對鋼構件的表面進行冷卻的浸入淬火劑的方法、採用流動槽的方法，也是同樣的。並且，當冷卻不均勻明顯時，在冷卻後的鋼構件產生大的熱處理變形。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種鋼構件的淬火方法，該淬火方法能夠縮短一系列的淬火工序的熱處理周期(日文：ヒートサイクル時間)，且淬火後的熱處理變形小。

大部分用於淬火的鋼構件的表面經機械加工等被精加工成具有金屬光澤的表面。因此，表面的紅外線輻射率低，不能充分利用紅外線加熱的作用。因此，關於用於提高該紅外線輻射率的方法，本發明人作了研究。其結果是，找到了最合適的用於提高該紅外線輻射率的方法，從而不僅能夠提高淬火時的加熱速度及冷卻速度，並且也能夠抑制由鋼構件的厚的部分、凹部等形狀引起的上述加熱不均勻及冷卻不均勻所導致的熱處理變形，從而實現本發明。

也就是，本發明是一種鋼構件的淬火方法，其特徵在於，用石墨覆蓋進行淬火加熱之前的鋼構件的表面的一部分或全部，進行這樣的覆蓋處理之後，在具有發熱體的加熱爐內，將該覆蓋處理後的鋼構件加熱到淬火溫度，然後冷卻。並且，優選的是，向上述淬火溫度的加熱過程中的至少一段時間的加熱在真空或減壓氣氛中進行。

在本發明中，上述覆蓋處理可以在對鋼構件的表面覆蓋防滲碳劑或防脫碳劑之後進行。

根據本發明，通過簡單的方法，能夠縮短加熱到淬火溫度的加熱時間。並且，能夠減少在鋼構件中產生的加熱不均勻。並且，在接下來的淬火冷卻中，也能夠縮短冷卻時間，且也能夠減少冷卻不均勻。這樣，作為能夠縮短一系列的淬火工序的熱處理周期且能夠縮小淬火後的熱處理變形的實用方法是有用的。

附圖說明

圖1是表示在本發明例及比較例的淬火方法中、爐內溫度及鋼構件的中心部的溫度隨著加熱過程中的加熱時間的變化的圖。

圖2是表示在本發明例及比較例的淬火方法中、爐內溫度及鋼構件的中心部的溫度隨著冷卻過程中的冷卻時間的變化的圖。

具體實施方式

本發明的特徵是，通過簡便的方法對淬火加熱前的鋼構件的表面進行預處理，從而即使對電阻加熱爐等現有技術的紅外線加熱爐不作改變，也能夠使加熱過程中的鋼構件整體均勻且短時間地達到淬火溫度。並且，通過上述處理，在使用各種方法的淬火冷卻的過程中，都能夠使鋼構件整體均勻且在短時間內冷卻。以下，說明本發明的各技術特徵。

(1)進行覆蓋處理，即用石墨覆蓋進行淬火加熱之前的鋼構件的表面的一部分或全部。

在紅外線加熱的情況下，其加熱效率受被加熱對象物的表面狀態很大影響。並且，當被加熱對象物的表面的紅外線輻射率低時，相對從射線源輻射的紅外線能量，加熱對象物所吸收的能量少，達到加熱溫度所需時間長。所謂紅外線輻射率是指，是以能夠吸收從射線源輻射的全部紅外線能量的「絕對黑體」作為基準而能夠評價實際的被加熱對象的「加熱容易度」的指標，表示為將絕對黑體的紅外線吸收量設為1時的與絕對黑體的紅外線吸收量之比(小於1)。於是，若淬火的鋼構件的表面例如像模具等製品那樣具有金屬光澤，則這時的紅外線輻射率為0.05～0.3左右，較低，紅外線的加熱效率差。因此，在實際中，具有金屬光澤表面的鋼構件的淬火加熱應用了通過導入加壓後氣氛氣體進行的對流加熱。並且，在該對流加熱時也一起使用紅外線加熱的作用，但是此時的紅外線加熱是少量的。

因此，本發明人研究了提高鋼構件的表面的紅外線輻射率的方法。結果發現，如果在鋼構件的表面覆蓋能夠吸收輻射熱的物質，則能夠有效提高該部分的紅外線輻射率。並且，在上述能夠吸收輻射熱的物質中，石墨為其本身的紅外線輻射率非常高的物質。這樣，本發明人發現，如果在鋼構件的表面覆蓋石墨，則即使其是少量的覆蓋量，也具有提高鋼構件的表面的紅外線輻射率的效果。因此，本發明中進行覆蓋處理，即用石墨覆蓋進行淬火加熱之前的鋼構件的表面的一部分或全部。

各種構件的表面的紅外線輻射率除了受構成該構件本身的物質的種類的影響之外，也受其表面粗糙度的影響。並且，在鋼構件的情況下，其表面一般經磨削、研磨等各種機械加工而被精加工成具有各種表面粗糙度的金屬光澤表面。在本發明中，即使在這樣的情況下，通過用作為紅外線輻射率比該表面高的物質的石墨覆蓋進行淬火加熱之前的鋼構件的具有金屬光澤的表面，這樣可以提高鋼構件的表面的紅外線輻射率。並且，從作為射線源的發熱體升溫之前(紅外線的輻射量充分增加之前)的加熱初期起能夠得到充分地縮短加熱時間的效果。

本發明的上述覆蓋處理可以在鋼構件的整個表面上進行，也可以僅在想要提高紅外線輻射率的部位等、根據需要局部進行。一般來說，鋼構件的厚的部分、表面的凹部部分相比其他的部位而言加熱時的升溫速度慢。其結果，若相對於目標的淬火溫度，在各部位之間產生加熱不均勻，則這也可能成為淬火冷卻時的熱處理變形的主要原因。另外，上述加熱時升溫速度慢的部位在冷卻時的降溫速度也慢。這樣，也成為冷卻時的發生冷卻不均勻的主要原因，有可能助長熱處理變形。在這樣的情況下，通過僅對上述加熱及冷卻慢的部分進行覆蓋處理，能夠減輕加熱不均勻及冷卻不均勻，將鋼構件的整體加熱、冷卻至均勻的溫度。

關於石墨的覆蓋方法，只要是能夠在鋼構件的表面粘附石墨的方法，則不限定其種類。並且，也可以塗布、噴塗含有石墨的溶劑。在這時的溶劑中例如可以利用石墨系防反射劑、石墨系潤滑劑。另外，關於石墨的覆蓋量，只要在覆蓋有石墨的表面部分達到所期望的紅外線輻射率(例如，如果達到後述的0.5以上的紅外線輻射率)，則不限定覆蓋量。如上所述，石墨為其本身的紅外線輻射率非常高的物質，因此即使是少量的覆蓋量也有提高紅外線輻射率的效果。並且，在本發明中，特別是在作為淬火對象的鋼構件具有金屬光澤的表面的情況下，上述覆蓋處理能夠發揮效果。

並且，上述覆蓋處理優選為，以覆蓋有石墨的表面部分在200℃時的紅外線輻射率為0.5以上的方式覆蓋石墨。關於在覆蓋有石墨的鋼構件的表面能夠取得充分的縮短加熱時間的效果時的紅外線輻射率的值，本發明人還作了調查。這時，所謂加熱時間的縮短效果，是指到作為通常的淬火溫度的1000℃左右的加熱速度快。這樣，本發明人發現，該效果的程度可以用加熱鋼構件到200℃時測量的紅外線輻射率作為指標來評價。並且，調查的結果是：本發明人發現，對於提高上述加熱速度而言優選在向鋼構件的表面覆蓋石墨時，以使鋼構件的覆蓋後的表面部分的紅外線輻射率的值在加熱到200℃時為0.5以上的方式進行覆蓋。進一步優選為，以上述紅外線輻射率的值為0.6以上的方式覆蓋。

對於0.5以上的上述紅外線輻射率的值，例如，能夠通過在鋼構件的具有金屬光澤的表面，以沒有色斑(陰影)的均勻的方式覆蓋石墨至一定程度的厚度，來進行調整。這時，以含有石墨的溶劑的狀態塗布、噴塗用於覆蓋的石墨能有效達到上述沒有色斑(陰影)的均勻的覆蓋。

(2)將進行完上述覆蓋處理後的鋼構件在具有發熱體的加熱爐內加熱到淬火溫度。

本發明中的將上述鋼構件加熱到淬火溫度的加熱可以按照通常的方法進行。這時使用的加熱爐只要為具有金屬發熱體、碳化矽發熱體等各種發熱體的通常的用於淬火加熱的加熱爐即可。並且，例如，在發熱體升溫之前(紅外線加熱的作用提高之前)的期間，為了進一步確保加熱效率等，也可以向爐內導入氣氛氣體等。在這種情況下，在對鋼構件的加熱中，對流加熱發揮較大的作用，紅外線加熱也產生作用。於是，如果是本發明的在表面進行了覆蓋石墨的覆蓋處理的鋼構件的情況，則由於從作為射線源的發熱體的溫度低的時候開始就可以最大限度利用此時的紅外線加熱的作用，因此，對於一系列熱處理所需的熱處理周期的縮短是有利的。

另一方面，通常，在具有金屬光澤表面的鋼構件的加熱中，為了防止表面在此時產生氧化皮、脫碳等，該加熱的主流是在真空中或減壓氣氛中進行。在這種情況下，由於沒有積極地向爐內導入氣氛氣體，鋼構件的加熱僅靠紅外線加熱的作用。於是，如果是本發明的鋼構件，即使只利用紅外線加熱，也能夠高效率加熱，因此加熱爐中可以為真空或減壓氣氛，有利於防止加熱中的鋼構件的表面氧化、脫碳。因此，在本發明的情況下，優選向上述淬火溫度的加熱過程中的至少一段時間的加熱在真空或減壓氣氛中進行。並且，優選的是，即使按上述方法等，在加熱的初期向爐內導入氣氛氣體的情況下，也在發熱體升溫之後(例如，爐內溫度達到500～900℃之後)將爐內變為真空或減壓氣氛。

(3)冷卻已加熱到上述淬火溫度的鋼構件。

本發明的鋼構件的淬火方法對淬火冷卻時的冷卻不均勻的抑制也有效果。也就是，紅外線輻射率高的物體的表面容易加熱且容易冷卻。於是，如果是本發明的進行了覆蓋石墨的覆蓋處理的鋼構件的表面，則加熱時能迅速升溫且冷卻時能迅速降溫，因此能夠均勻地冷卻鋼構件的整體。並且，加熱時的升溫速度慢的部分也是冷卻時的降溫速度慢的部分(即，鋼構件的厚的部分、表面的凹部部分)，因此，對於為了減輕加熱不均勻而僅在上述的部分進行了本發明的覆蓋處理，結果還能夠減輕冷卻不均勻，能夠均勻地冷卻鋼構件的整體。並且，該結果能夠抑制冷卻後的鋼構件發生的熱處理變形。

(4)優選為，上述的覆蓋處理在鋼構件的表面覆蓋防滲碳劑或防脫碳劑之後進行。

對於本發明的覆蓋處理，例如在鋼構件的表面覆蓋了石墨的情況下，從加熱到冷卻的工序，該被覆蓋的表面可能會由於石墨而發生滲碳。這裡，通過在覆蓋處理之前的鋼構件的表面覆蓋防滲碳劑，能夠預防滲碳。但是，覆蓋防滲碳劑的表面不限於接下來要進行本發明的覆蓋處理的部分，也可以在想要預防滲碳的表面覆蓋防滲碳劑。作為防滲碳劑可以使用在以往熱處理中使用的、或者公知的各種防滲碳劑。

另外，若加熱爐中為氧化氣氛，則鋼構件的表面可能會脫碳。這時，在覆蓋處理之前的鋼構件的表面覆蓋防脫碳劑是有效果的。但是，覆蓋防脫碳劑的表面不限於接下來要進行本發明的覆蓋處理的部分，也可以在想預防脫碳的表面覆蓋防脫碳劑。作為防脫碳劑可以使用在過去熱處理中使用的、或者公知的各種防脫碳劑。

實施例

準備jis標準的skd61的熱加工工具鋼的150mm3的塊構件。然後，通過銑削加工將其所有面加工成具有金屬光澤，作為用於淬火的鋼構件。接下來，對這些鋼構件的表面的一部分或全部，以目視檢查不到色斑的程度均勻地噴塗含有石墨的微細粉末的公知的雷射加工用防反射劑(產品名：ブラックガードスプレー[ファインケミカルジャパン株式會社])，從而進行了塗布，進行了覆蓋處理。覆蓋條件如表1所示，有以下兩種條件：對塊構件的所有面進行塗布(no.1)；留下相對的兩個面，在剩下的四個側面的中央部以圓形形狀(半徑為75mm)進行塗布(no.2)。

接下來，對鋼構件的上述進行了覆蓋處理的表面和沒有進行覆蓋處理而仍然帶有金屬光澤的表面測量了在200℃時的紅外線輻射率。首先用電加熱器加熱要測量的表面，用接觸式溫度計和輻射溫度計(產品名：t425(檢測波長範圍7.5um～13um)[フリアーシステムズ公司])兩種溫度計來測量了此時的表面溫度。然後，以在接觸式溫度計測得的表面溫度達到200℃時輻射溫度計表示的溫度也為200℃的方式調節輻射溫度計的設定輻射率，此時的輻射率為該表面為200℃時的紅外線輻射率。並且，測量的結果是，鋼構件的進行了覆蓋處理的表面的紅外線輻射率為0.62，而帶有金屬光澤的表面為0.25。

然後，將進行了上述覆蓋處理的鋼構件no.1、no.2和沒有進行任何覆蓋處理的金屬光澤表面的鋼構件no.3一起放入到具有發熱體的加熱爐內，進行了向淬火溫度的加熱、加熱後的冷卻。這時，在鋼構件的中心部插入有熱電偶，以能夠測量中心部的溫度。加熱爐能夠調節爐內氣氛、壓力，也具有在加熱後通過吹拂冷卻氣體來進行冷卻的冷卻功能。

加熱的順序為，首先使爐內暫且為真空，之後，導入氮氣，在加壓至200kpa的氮氣中實施了加熱。然後，當爐內溫度到達800℃時，暫且維持該爐內溫度，在鋼構件的中心部的溫度到達800℃時停止導入氮氣。然後，使爐內減壓，在減壓到70pa左右的條件下實施了加熱，直到使爐內溫度達到1020℃。在圖1中表示這時爐內溫度(爐溫)及鋼構件的中心部的溫度隨加熱時間的變化。然後，在爐內溫度達到1020℃之後，測量了鋼構件的中心部的溫度達到1010℃所需的時間(加熱時的延遲時間)。

接下來，冷卻的順序為，將爐內溫度保持在1020℃的狀態之後，導入氮氣，首先對鋼構件的整周吹拂已加壓至200kpa的氮氣15分鐘。然後，緊接著，升高氮氣的壓力到400kpa來進行冷卻。此時爐內溫度(爐溫)及鋼構件的中心部的溫度隨冷卻時間的變化如圖2所示。然後，測量了從冷卻開始到鋼構件的中心部的溫度達到520℃所需的時間(半冷卻時間)，並測量了在冷卻完成之後的鋼構件產生的熱處理變形量(將直尺放於鋼構件的表面的最大對角線上時能測量到的鋼構件的表面與直尺之間的間隙量)。

表1

鋼構件的表面的一部分或全部進行了覆蓋處理的no.1、no.2與表面沒有進行覆蓋處理的no.3相比，進行了覆蓋處理的部分的紅外線輻射率高。並且，在加熱時，no.1、no.2的鋼構件從加熱的初期開始升溫速度快(圖1)，而被認為升溫速度慢的中心部達到淬火溫度所需的時間比no.3大大縮短了。另外，在冷卻時，一般需要急速冷卻的高溫區域的冷卻時間也縮短了。並且，在no.1、no.2中，鋼構件的整個表面都進行了覆蓋處理的no.1對熱處理周期的縮短特別具有效果。並且，在no.1、no.2的鋼構件中，其冷卻後的熱處理變形量也抑制得較小，與no.3相比得到了改善。

另外，對整個表面都進行了覆蓋處理的no.1與對表面的一部分(留下相對的兩個面而在剩下的四個側面的中央部以圓形狀(半徑75mm)進行了塗布)進行了覆蓋處理的no.2相比較，no.2能夠將熱處理變形量抑制得更小。對於塊狀的鋼構件的情況，角部的加熱時的升溫速度(冷卻時的降溫速度)比其他部分的加熱時的升溫速度(冷卻時的降溫速度)快。因此，避開該角部，對加熱時的升溫速度(冷卻時的降溫速度)慢的部分進行覆蓋處理，能夠進一步抑制由於鋼構件的局部的加熱時的升溫速度(冷卻時的降溫速度)的不同導致的熱處理變形。