CN100460530C - 热处理系统 - Google Patents

Abstract

一富氮层在主热处理中形成，淬火在副热处理中进行，使热处理效率在整个系统中提高。在主热处理装置(1)中，轴承部件在加热器(11)中在超过A1变换点的温度下被加热，然后在冷却器(12)中被冷却至低于A1变换点的温度，从而在部件表面形成富氮层。然后在副热处理装置(2)的加热器(21)中使已承受主热处理的轴承部件在超过A1变换点的温度下承受高频加热，然后在冷却器(22)中被冷却至低于A1变换点的温度。在被冷却器(22)冷却后，使用高频加热使部件回火。

Description

热处理系统

技术领域

本发明涉及对钢部件进行两阶段热处理的热处理系统。

背景技术

日本专利公开文本第2003-226918号公开了一种热处理方法的实例，它适用于要求滚动疲劳的长使用寿命的钢机件如滚动轴承的轴承部分。这种方法包括以下步骤：在超过A1变换点的碳氮共渗处理温度下使轴承部件的钢承受碳氮共渗处理，接着将钢冷却至低于A1变换点的温度，然后，再次加热并在超过A1变换点但低于碳氮共渗处理温度的淬火温区(790℃至830℃)内使钢淬火。

按照这种方法，在钢表面上存在的碳氮共渗层使轴承部件的硬度增加，由于在再次加热中的淬火温度被限制在奥氏体晶粒的生长受抑制的温度，因而奥氏体晶粒的平均粒度可减至不大于8μm。因此，晶粒界面强度增加，所产生的效果是对于滚动疲劳的使用寿命提高及耐破裂能力提高等。

例如，在减速齿轮、驱动小齿轮及变速器等中使用的轴承在严苛的条件下运转，包括高负载和润滑剂被异物(如来自齿轮的磨损灰尘)污染等，由于近来要求更高的转速及更加小型化，这些运转条件的严苛性继续增加。为了应对这些近来的发展趋势，日本专利公开文本第2003-226918号提出了一种热处理方法，能够生产具有超级基本性能包括对于滚动疲劳的提高的使用寿命、更大的耐破裂能力及长时间防止尺寸变化的更好的能力的轴承部件。这种热处理方法包括以下步骤：在超过A1变换点的碳氮共渗温度下使轴承部件的钢承受碳氮共渗处理，接着将钢冷却至低于A1变换点的温度，然后在超过A1变换点但低于碳氮共渗温度的淬火温区(790℃至830℃)内再次加热并使钢淬火。按照这种热处理方法，在热处理的轴承部件的微结构内的奥氏体晶粒可小型化至不大于8μm的平均粒度，能够生产具有超级基本性能的轴承部件，这些超级基本性能包括对于滚动疲劳的使用寿命、摆锤式冲击值、断裂韧度及压缩断裂强度的改善。

在上述文本公开的发明中，进行了共二种热处理，即，主热处理和副热处理，但是副热处理后需要进行回火，以便防止在淬火处理中的淬火裂纹。如果这种回火处理的加热时间长，那么，就不能与副热处理的加热时间区配，也就是说，被热处理的产品必须在生产线内停顿，从而使用于进行主、副热处理的机械长的停机时间，导致热处理效率降低，热处理时间增加。本发明的一个目的是提高整个系统的热处理效率，在主热处理过程中形成富氮层，然后在副热处理中进行淬火。

另外，本发明的另一个目的是提供一种对钢部件如轴承部件进行上述热处理方法的热处理系统，具体来说，提供一种能够使每个钢部件承受均匀的热处理的热处理系统。

在上述文本公开的发明中，副热处理的加热温度必须严格控制，以便保证在整个部件内晶粒的均匀小型化。如果这种副加热是按照类似于传统的淬火处理的方式在气氛炉(atmospheric furnace)中进行的，并且炉内气氛的温度被测量，那么，在测出的温度和轴承部件的实际温度之间可能形成差别，从而使温度控制很困难。本发明的一个目的是提供一种热处理系统，该热处理系统用于在主热处理过程中形成一个富氮层，然后，在副热处理中进行淬火，其中副热处理中的加热温度被严格控制。

另外，在上述文本公开的发明中进行总共两个热处理，即主热处理和副热处理，但是，在承受热处理的物品是特别薄壁的构件或厚度变化的构件的那些情形中，担心的是在热处理中出现淬火变形。在滚动轴承内的轴承部件中，外圈和内圈是薄壁构件。在锥形滚柱轴承的情形中，由于外圈和内圈的厚度也是不均匀一致的，因而存在淬火变形的实际风险。另外，由于这些轴承部件要极高水平的尺寸精度，因而必须尽可能抑制淬火变形，以便保证令人满意的轴承性能。本发明的另一个目的是抑制钢部件的淬火变形，在主热处理过程中形成富氮层，然后在副热处理中进行淬火。

另外，在上述文本公开的发明中，进行总共两种热处理，即，主热处理和副热处理，但是，由于主热处理需要的加热时间与副热处理需要的加热时间不同，因而主热处理和副热处理的加热时间不易平衡，存在热处理的产品必须在生产线内停顿的危险，从而引起进行热处理使用的机械较长的停机时间，以致热处理效率降低。本发明的一个目的是改善整个系统的热处理效率，在主热处理过程中形成富氮层，然后在副热处理中进行淬火。

发明内容

按照本发明，提供一种热处理系统，它包括：一个主热处理装置，用于在超过A1变换点的温度下加热一钢部件，然后，将该部件冷却至低于A1变换点的温度，从而在该部件表面形成一个富氮层；以及一个副热处理装置，用于在超过A1变换点的温度下加热已经受主热处理的钢部件，然后，将该部件冷却至低于A1变换点的温度，其中副热处理装置包括一个感应加热器，并且在副热处理装置内的冷却之后借助感应加热进行回火。

按照这种热处理系统，主热处理装置进行的热处理形成一个富氮层，在富氮层中氮扩散在整个部件表面上，因此增加了钢部件的表面硬度。另一方面，在主热处理后钢结构内的奥氏体晶粒相当大，但是，由于副热处理随后进行，因而奥氏体晶粒的粒度减小至在传统部件中观察到的粒度的大约一半，从而能够获得精细粒度，奥氏体晶粒的粒度数超过10。由于这些特性，与传统部件比较，可以改善耐磨性和耐破裂性，对于滚动疲劳的使用寿命可显著延长。

在本发明的系统中，副热处理的加热，以及副热处理后的回火都采用感应加热进行。与燃烧炉等的气氛中的加热相比较，感应加热的优点是更好的加热效率，另外，由于感应加热采用电能，因而加热输出的控制也很容易。因此，通过采用感应加热来进行副热处理的加热，以及副热处理后的回火，这两个加热步骤的加热时间能够相对较容易地得到平衡。

按照本发明的这个方面，一个富氮层在主热处理中形成，当随后在副热处理中进行淬火时，副热处理的加热时间，和在副热处理后回火步骤的加热时间可以容易地得到平衡。因此，在生产线中停顿热处理产品的需要可被减小，各种机械需要的停机时间可被缩短，从而可改善整个系统的热处理效率。

另外，按照本发明也提供一种热处理系统，它包括：一个主热处理装置，用于在超过A1变换点的主加热温度下加热一钢部件，然后将该部件冷却至低于A1变换点的温度，从而在该部件的表面层形成一个富氮层；以及一个副热处理装置，用于借助感应加热在超过A1变换点的副加热温度下加热已经承受了主热处理装置的热处理的钢部件，然后将该部件冷却至低于A1变换点的温度。

在主热处理装置中，钢部件在超过A1变换点的主加热温度下被加热，因此，形成一富氮层，在富氮层中氮在部件的整个表面层扩散，然后，部件被冷却至低于A1变换点的温度。接着在副热处理装置中，进行在超过A1变换点的副加热温度下的感应加热和淬火，因此，通过控制加热温度和加热时间，被热处理的部件的微结构内的奥氏体晶粒可减小尺寸，从而能够得到精细的粒度，按照JIS G 0551规定的奥氏体结晶粒度试验方法测定，结晶粒度数超过10。因此，可以得到一种钢部件，这种钢部件具有相对于滚动疲劳的极佳的使用寿命，以及超级水平的耐破裂性能和抗尺寸改变性能。

另外，在副热处理装置中钢部件的淬火是使用感应加热系统逐件进行的(例如，高频淬火)，因此，在各个钢部件内热处理质量的不均匀性及在不同钢部件间热处理质量的变化可被减小，从而能够生产出高可靠性的均匀一致的钢部件。在副热处理装置中，采用感应加热系统加热钢部件后，可以进行压模淬火(die quenching)。在本说明书中，压模淬火是指一种处理方法，其中被加热的物品被压模约束时进行淬火，并包括加压淬火，其中通过向压模施加压力而使物品受到约束。

在主热处理装置中，用于在钢部件的表面层内弥散氮以形成富氮层的适当方法包括渗氮和碳氮共渗，不过考虑到有关的加热温度及防止脱碳的需要，碳氮共渗是优选的。而且就成本和质量来说，气体碳氮共渗是优选的。

主热处理装置和副热处理装置分别具有一种基本结构，该基本结构包括一个用于将钢部件加热至需要温度(主加热温度或副加热温度)的加热器，以及一个用于其后冷却该部件的冷却器。例如，在那些在主热处理装置中进行气体碳氮共渗的情形中，用作主热处理装置的加热器的是加热炉，在加热炉中钢部件是在一种气氛气体中被加热的，该气氛气体包括添加有氨的渗碳气体。这种加热炉可以是连续式的，也可以是批量式的加热炉。副热处理装置的加热器是使用感应加热(如高频加热)来加热钢部件的加热器，用高频加热装置构成。对于主热处理装置和副热处理装置中的冷却器所采用的冷却系统没有特殊的限制，可以采用的适当的冷却方法包括空气冷却、使用气体如N₂的气体冷却、油冷却及盐浴冷却。

按照本发明的这个方面，由于钢部件在副热处理装置中的淬火是使用感应加热系统逐件进行的(如高频淬火)，因而在各个钢部件内热处理质量的不均匀性及在不同的钢部件间热处理质量的变化都可以被减小。因此，可以得到具有对于滚动疲劳的极佳使用寿命，超级水平的耐破裂性能和防止尺寸随时间改变的性能的钢部件。

另外，按照本发明，提供一种热处理系统，它包括：一个主热处理装置，用于在超过A1变换点的温度下加热一钢部件，然后将该部件冷却至低于A1变换点的温度，从而在该部件的表面形成一个富氮层；以及一个副热处理装置，用于在超过A1变换点的温度下加热已经承受了主热处理的钢部件，然后将该部件冷却至低于A1变换点的温度，其中感应加热在副热处理装置中进行，承受感应加热的钢部件的温度被检测，在以检测到的温度值为基础的反馈控制下操纵感应加热器。

在本发明的这个方面中，感应加热如高频加热是在副热处理装置中进行的，经受感应加热的钢部件的温度被检测，而且感应加热器是以检测到的温度值为基础的反馈控制下运转的，因此，副加热温度可以在钢部件的实际温度的基础上可靠、精确地保持在一个窄的温度范围内，从而能够生产出高质量的钢部件，其中在整个部件内结晶粒度被均匀地减小。

在这种情形中，为了绝对地尽量减小任何温度误差，经受感应加热的钢部件的温度最好使用非接触式温度传感器来检测。

如上所述，按照本发明的这个方面，一个富氮层在主热处理中形成，然后当淬火在副热处理中进行时，在副热处理装置内的加热温度能够以良好的精度加以控制。因此，可以防止在副热处理中的加热不均匀性，从而能够在整个部件内使结晶粒度均匀减小，因此可保证钢部件的更稳定的质量水平。

另外，按照本发明，提供一种热处理系统，它包括：一个主热处理装置，用于在超过A1变换点的温度下加热一钢部件，然后将该部件冷却至低于A1变换点的温度，从而在该部件的表面形成一个富氮层；以及一个副热处理装置，用于在超过A1变换点的温度下加热已经承受了主热处理的钢部件，然后将该部件冷却至低于A1变换点的温度，其中副热处理装置进行感应加热和压模淬火。

在本发明的这个系统中，如上所述，感应加热和压模淬火都是在副热处理装置中进行的，因而能够制成具有很小变形及良好尺寸精度的热处理产品，甚至能够以有利的尺寸精度生产出薄壁部件或具有变化厚度的部件。

按照本发明的这个方面，一个富氮层是在主热处理中形成的，当淬火其后在副热处理中进行时，能够以低的成本生产出具有小的热变形和高水平尺寸精度的钢部件。特别是，本发明也可以理想地应用于薄壁部件或具有变化厚度的部件。

另外，按照本发明，提供一种热处理系统，它包括：一个主热处理装置，用于在超过A1变换点的温度下加热一钢部件，然后将该部件冷却至低于A1变换点的温度，从而在该部件的表面形成一个富氮层；以及副热处理装置，用于在超过A1变换点的温度下加热已经承受了主热处理的钢部件，然后将该部件冷却至低于A1变换点的温度，其中多个副热处理装置并联地设置。

在本发明的这个系统中，如上所述，多个副热处理装置并联地设置，因而副热处理可以同时在多个不同的部位上进行，这就是说副热处理的热处理效率可以得到提高。

在这种情形中，感应加热最好在每个副热处理装置中进行。与在气氛炉如燃烧炉中的加热相比较，感应加热可以提供更佳的工作效率，加热可以在更短时间内完成，这就是说，通过在并联的多个部位上进行这种感应加热，可以显著提高副热处理的加热效率。因此，在主热处理和副热处理中的热处理效率可以得到平衡，从而能够提高整个系统的加热效率。

在这种情形中，如果在副热处理装置中进行压模淬火，那么就能够生产出具有小的变形和高水平的尺寸精度的热处理产品，甚至对于薄壁部件或厚度变化的部件来说也能够保证有利的尺寸精度。

按照本发明的这个方面，一个富氮层在主热处理中形成，然后当淬火其后在副热处理中进行时，副热处理中的加热效率能够显著地得到提高。因此，主热处理和副热处理中的热处理效率能够被平衡，从而能够提高在整个系统中的加热效率。

在上述的每个热处理系统中，在主热处理中用于形成富氮层的方法最好是碳氮共渗，就成本和质量来说，优选气体碳氮共渗。气体碳氮共渗可以在一个气氛炉中进行，使用一种添加的氨的渗碳气体的气氛气体。

附图说明

图1的示意横剖图表示按照本发明的热处理系统；

图2是表示深槽滚珠轴承的横剖图；

图3是热处理循环的示意图；

图4是表示按照本发明的热处理系统的结构的示意图；

图5是用于热处理系统的热处理循环示意图；

图6的示意横剖图表示按照本发明的热处理系统；

图7的示意横剖图表示按照本发明的热处理系统；

图8是锥形滚柱轴承的横剖图；以及

图9的示意横剖图表示按照本发明的热处理系统。

具体实施方式

下面描述本发明的第一实施例，其应用于作为钢部件的一个实例的轴承部件。

图1是按照本发明的热处理系统的结构示意图。如图所示，这种热处理系统包括一个主热处理装置1、一个副热处理装置2、两个洗涤装置5和6和一个回火装置7。通过模制方法(在图中未画出)如锻造，然后车削生产的轴承部件被相继地送过主热处理装置1和副热处理装置2，在每个上述装置内经受分别作为主热处理和副热处理的加热和冷却。

术语“轴承部件”是指滚动轴承如滚珠轴承、锥形滚柱轴承、滚柱轴承或滚针轴承的轴承部件。作为一个实例，图2表示一个深槽滚珠轴承，它包括作为主要构件的一个外圈41、一个内圈42和滚动构件(滚珠)43，在这些构件中，在本说明书中，术语“轴承部件”描述的是那些与相对的构件滚动接触的构件，即，外圈41、内圈42和滚动构件43。可用于这些轴承部件的材料包括轴承钢如JIS中规定的SUJ2，以及含有C：0.6至1.3wt％、Si：0.3至3.0wt％、Mn：0.2至1.5wt％、Cr：0.3至5.0wt％、Ni：0.1至3wt％(以及最好也含有Mo：0.05至0.25wt％、和V：0.05至1.0wt％)的高温轴承钢和含有C：0.4至0.8wt％、Si：0.2至0.9wt％、Mn：0.7至1.3wt％和Cr：不多于0.7wt％的中碳钢。

主热处理装置1包括一个加热器11和一个冷却器12。在图1中，一个连续的系统用于加热器11，但是，也可以使用一个批量式炉。加热器11是由一个气氛炉构成的，该气氛炉使用一种气氛气体，该气氛气体包括添加有氨的渗碳气体。在该加热器11内，一个轴承部件在超过A1变换点的温度T1(从800℃至900℃，例如，850℃)下例如被加热40分钟的预定时间(主加热)，如图3中所示。这种加热使激活的氮扩散到轴承部件的表面层内，因而使该表面层硬化(气体碳氮共渗)。由加热器11进行的主加热的主要目的是在部件表面形成富氮层，至少必须出现渗氮，而渗碳并非关键。但是，取决于条件，特别是在脱碳是担心的问题的情形中或在钢的碳含量不足及不能取得令人满意的硬度水平的情形中，渗碳可以象渗氮那样是关键的。加热器11也可以采用真空炉、盐浴炉或感应加热器等。在热处理后，轴承部件被冷却器12(例如采用油冷却)冷却至低于Ms点，然后，被送至洗涤装置5，以便洗涤并清除冷却液。

如图1所示，然后，已经在主热处理装置1中经过碳氮共渗的轴承部件被送至副热处理装置2。副热处理装置2包括一个用于进行感应加热如高频加热的加热器21和一个冷却器22。送至加热器21的轴承部件被设置成与感应器(图中未画出)有适当的间隙，然后，如图3所示，通过向感应器供电，在超过A1变换点的副加热温度T2(例如，880℃至900℃)下承受感应加热。图3显示了作为副加热温度T2的一温度，该温度超过A1变换点但低于在主热处理装置中的主加热温度；但是，副加热温度T2的上限可以超过T1。在感应加热中，加热温度和加热时间可精确受控，处理可在短时间内进行。因此，在轴承部件的微结构中的奥氏体晶粒可被小型化。此时，奥氏体晶粒是否被小型化可以借助加热温度和加热时间的积来评估。例如，若感应加热器内的温度低，则可通过延长加热时间来使奥氏体晶粒小型化。

在完成这种加热之后，轴承部件被送至冷却器22，(例如使用油冷却)被冷却至低于Ms点以实施淬火。作为在上述实例中将轴承部件送至与加热器21分开的冷却器22的替代，轴承部件也可以在仍位于加热器21内感应加热部位上时承受喷射冷却。

在完成上过副热处理后，在洗涤装置6中洗涤轴承部件，以便清除冷却液，然后，将轴承部件送至回火装置7，如图3所示，在那里在适当的温度T3(例如，180℃)下进行回火。这种回火是使用感应加热如高频加热进行的。

在上面的描述中，在主热处理装置1和副热处理装置2内采用油冷却作为冷却方法，但是，也可以采用其它冷却方法如水冷却、空气冷却或气体冷却，对于主热处理装置1和副热处理装置2也可使用不同的冷却方法。在这个实施例中，由于主热处理和副热处理都采用油冷却，因而设置了洗涤装置5和6，但是，如果使用水冷却、空气冷却或气体冷却，那么上述洗涤装置就是不必要的了。

在已经在上述步骤中承受了热处理的轴承部件中，由于在部件的表面层上形成一个富氮层(氮含量0.1至0.7wt％)，因而可以实现超过Hv700的高硬度，在微结构内的奥氏体晶粒的粒度减小，产生超过10的奥氏体结晶粒度数。另外，轴承部件的断裂应力值为至少2650MPa，钢内的氢浓度不大于0.5ppm，在钢内的残余奥氏体为13至25％，这代表了远远超越传统部件的超级物理性质。由于上述性质，可以提高耐破裂性能和耐磨性能，也能够显著提高对于滚动疲劳的使用寿命。

如上所述，在本发明中，副热处理装置2的加热器2和在副热处理后使用的回火装置7都采用感应加热装置如高频加热装置，只要使用感应加热，加热效率就提高，且加热时间显著短于那些在气氛炉或类似装置中进行气氛气体加热的情形，另外，由于感应加热使用电能，因而加热输出的控制也很容易。因此，通过适当控制加热输出，通过改变向加热器21和/或回火装置7的电力输入或通过改变加热时间，就能够容易地平衡两个加热步骤所需要的加热时间。因此，可以减少在生产线中停顿热处理产品的需要，可以缩短各种机械需要的停机时间，从而能够提高整个系统的热处理效率。

另外，感应加热可提供的一系列优点包括逐件地均匀加热每个部件的能力、以提高的加热效率和缩短的加热时间进行加热的能力、进行局部加热和自由确定硬化层厚度的能力及通过迅速加热和迅速冷却通过表面残余压应力来改善疲劳强度的能力，通过在加热器21和回火装置7中都进行感应加热，进一步降低了轴承部件的成本，并进一步提高了质量和对于滚动疲劳的使用寿命。

下面描述本发明的第二实施例，其中图2所示深槽滚珠轴承的轴承部件用作钢部件的实例。

图4是表示按照本发明第二实施例的热处理系统的结构的示意图。该热处理系统包括一个主热处理装置1和一个副热处理装置2。通过包括锻造和/或车削或类似方式的模制所生产的轴承部件被顺序地送过主热处理装置1和副热处理装置2，在每个上述装置中经受包括加热和冷却的两阶段热处理。

主热处理装置1包括一个加热器11、一个冷却器12和一个洗涤装置13。例如，加热器11是由一个加热炉构成的，该加热炉在包括将加有氨的渗碳气体的气氛气体中加热轴承部件，在该加热器11中，轴承部件在超过A1变换点的主加热温度T1(800℃至950℃，例如850℃)下被加热(例如40分钟的)预定时间(主加热)，如图5所示，这种加热使激活的氮扩散到轴承部件的表面层中，因而形成一个富氮层(在这个实施例中为一个碳氮共渗层)。这种主加热的主要目的是在部件表面形成一个富氮层，至少必须出现渗氮，而渗碳不是关键。但是，取决于条件，特别是在脱碳是担心的问题的情形中或在钢的含碳量不足，不能取得令人满意的硬度水平的情形中，渗碳可以象渗氮那样是很重要的，在热处理之后，如图5所示，(例如，采用油冷却)，冷却器12将轴承部件冷却至低于Ms点，然后，将轴承部件送至洗涤装置13，以便洗涤和清除冷却液(例如，油)。在冷却器12中，作为将部件冷却至Ms点以下的替代，轴承部件也可以被保持在大约500℃的恒温下，另外，在图4中，一个连续加热炉画成主热处理装置1的加热器11，但是，如同一图中虚线所示，也可以采用批量式加热炉11’。同样，在图4中，在主热处理装置1中的冷却器12采用油冷却，但是，如同一图中虚线所示，也可以使用空气冷却或气体冷却如用气体N₂冷却的一个冷却器12’。在这种情形中，由于在冷却器12’中不会出现冷却液附着在轴承部件上的情况，因而可以省去其后的洗涤装置13，这种系统可以被构制成使轴承部件从冷却器12’直接送至副热处理装置2的加热器21。这不仅能使主热处理装置1的结构更为简单，而且也缩短了处理时间。

已经在主热处理装置1中经受了热处理后，轴承部件通过一个运输装置如输送机被送至副热处理装置2。副热处理装置2包括一个加热器21、一个冷却器22、一个洗涤装置23和一个回火装置24。加热器21是一个用于通过感应加热(例如高频加热)来加热轴承部件的装置，由一个高频加热装置构成。在加热器21中，每个轴承部件被逐件地处理，而且如图5所示，在超过A1变换点的副加热温度T2下被加热预定的时间。图5显示了一种情形，其中副加热温度T2低于主加热温度T1；但是，副加热温度T2的上限可超过T1。在感应加热中，加热温度和加热时间可精确受控，处理可在短时间内进行。因此，轴承部件的微结构中的奥氏体晶粒可被小型化。另外，由于每个轴承部件的加热是在逐件的基础上进行的，因而各个轴承部件内热处理质量的不均匀性及不同轴承部件间的热处理质量的变化可被减小。如图5所示，在热处理之后，(例如采用油冷却)在冷却器22中将轴承部件冷却至Ms点以下，然后将轴承部件送至洗涤装置23，以便洗涤和清除冷却液。然后，轴承部件被送至回火装置24，并在适当的温度T3(例如，180℃)下回火。回火装置24也可以与副热处理装置2分开地设置。另外，如果冷却器22采用空气冷却、气体冷却或水冷却，那么就可以省去洗涤装置23。

在已经在上述步骤中经过热处理的轴承部件中，在部件的表面层形成一个富氮层(氮含量为0.1至0.7wt％)，这就是说，可以获得超过Hv700的高硬度，在微结构内的奥氏体晶粒的粒度被减小，产生超过10的结晶粒度数。另外，轴承部件的断裂应力值为至少2650MPa，钢内的氢浓度不大于0.5ppm，钢内的残余奥氏体含量为13至25％，这代表了优于传统部件的物理性质。由于上述性质，可以改善耐破裂性能和耐磨性能，也能够显著提高对于滚动疲劳的使用寿命。

下面描述本发明的第三实施例，其中图2所示的深槽滚珠轴承的轴承部件用作钢部件的实例。

图6是按照本发明第三实施例的热处理系统的结构的示意图。如图所示，该热处理系统包括一个主热处理装置1、一个副热处理装置2、洗涤装置3及5和一个回火装置6、通过包括锻造的模制方法(在图中未画出)，然后是车削等生产的轴承部件被顺序地送过主热处理装置1和副热处理装置2，在每个上述装置内经受分别作为主热处理和副热处理的加热和冷却。

主热处理装置1包括一个加热器11和一个冷却器12。在图6中，加热器11画成一个连续的系统，但是，也可以使用批量式炉。加热器11例如由气氛炉构成，气氛炉使用包括添加有氨的渗碳气体的气氛气体。在该加热器11的炉内，轴承部件超过A1变换点的温度T1(800℃至900℃，例如850℃)下被加热例如40分钟的预定时间(主加热)如图3所示。这种加热使激活的氮扩散到轴承部件的表面层中，从而使该表面层硬化(气体碳氮共渗)。加热器1的主要目的是在部件表面形成一个富氮层，至少必须出现渗氮，而渗碳并不是关键。但是，取决于条件，特别是在脱碳是担心的问题的情形中或在钢的碳含量不足，不能取得令人满意的硬度水平的情形中，渗碳可以象渗氮一样成为关键。加热器11也可以采用真空炉、盐浴炉或感应加热器等。在热处理之后，轴承部件被冷却器12(例如使用油冷却)冷却至Ms点以下，然后送至洗涤装置3，以便洗涤和清除冷却液。

如图6所示，然后，已经在主热处理装置1中经过碳氮共渗的轴承部件通过输送装置如输送机被送至副热处理装置2。副热处理装置2用于进行高频淬火，它包括一个加热器21和一个冷却器22。如图3所示，然后，轴承部件在加热器21中在超过A1变换点的温度T2下经受预定时间的感应加热(副加热)。由于这种副加热是通过感应加热法在短时间内进行的，因而当然在加热是在低于主加热温度T1下进行的情形中，而且甚至在感应加热是在超过主加热温度T1的温度下进行的情形中，钢内的奥氏体晶粒也可以通过调节加热温度和加热时间而减小尺寸。在这种加热完成之后，轴承部件被送至冷却器22，(例如，使用油冷却)冷却至Ms点以下，以实施淬火。作为在上述实例中在独立于加热器21的冷却器22中进行冷却的替代，轴承部件也可以在仍位于加热器21内的感应加热部位上时被冷却。为了保证在淬火后的满意的尺寸精度，在高频加热后，在副热处理装置2内可以进行压模淬火。这种压模淬火能够以良好的稳定性提高薄壁部件如滚柱轴承的外圈和内圈，以及厚度变化的部件如锥形滚柱轴承的外圈和内圈的精度，即，取得有利的轴承性能。压模淬火是指淬火是在被加热的物品被一模具约束时进行的，并且包括物品通过向模具施加压力的加压淬火的处理方式。

在完成副热处理之后，轴承部件从副热处理装置2被取出，在洗涤装置5中被洗涤以清除冷却液，然后，被送至回火装置6，在那里如图3所示，回火是在适当的温度T3(例如，180℃)下进行的。为了通过缩短加热时间来提高处理效率，这种回火最好采用感应加热如高频加热进行。

一个采用非接触方法检测正在承受感应加热的轴承部件的温度(表面温度)的传感器9设置在副热处理装置2的加热器21内。可以使用这种传感器9的传感器实例包括红外线温度传感器。在加热器21内，轴承部件被支承得与图中未画的感应器有一预定间隙，传感器9使用非接触方法测量受到支承的轴承部件，并将测量值送至一个控制装置8。使用测出的温度数据，控制装置8确定正在承受加热的轴承部件是否已达到预定的副加热温度T2，以及部件温度是否在预定的温度范围内，并根据这些确定结果，进行感应加热器21的反馈控制。感应加热器21的控制主要是通过改变送至感应器的电力或加热时间来实现。

在上面的描述中，油冷却被用作主热处理装置1和副热处理装置2中的冷却方法，但是，也可以采用其它冷却方法如水冷却、空气冷却或气体冷却，对于主热处理装置1和副热处理装置2也可使用不同的冷却方法。在这个实施例中，由于主热处理装置和副热处理装置都采用油冷却，因而设置了洗涤装置3和5，但是，如果采用水冷却、空气冷却或气体冷却，那么，这些洗涤装置就不必要了。

在已经在上述步骤中经过热处理的轴承部件中，在部件的表面层形成一个富氮层(氮含量为0.1至0.7wt％)，这就是说，可以取得超过Hv700的高硬度，微结构内的奥氏体晶粒的粒度被减小，产生超过10的奥氏体结晶粒度数。另外，轴承部件的断裂应力值为至少2650MPa，钢内的氢含量不大于0.5ppm，钢内的残余奥氏体含量为13至25％，这代表了远远优于传统部件的物理性质。由于上述性质，能够显著改善耐破裂性能和耐磨性能，并且也能够显著提高对于滚动疲劳的使用寿命。

副热处理装置2的加热器21是一个利用电磁感应现象将电能直接转变成钢结构内的热能，从而加热钢的感应加热器。因此，通过调节加热条件如对感应器的电力输入或加热时间，可以简单、精确地控制加热输出。因此，通过在来自传感器9的检测值的基础上，在来自控制装置8的反馈控制下，操纵加热器21的加热条件，副加热温度T2能够被保持在预定的温度范围内。另外，由于感应加热是逐件进行的加热方法，因而不会发生加热均匀情况，而在使用气氛炉时由于在炉内放置位置会引起这种情况。因此，可以得到结晶粒度在整个部件已均匀减小的钢部件，而且能够以良好的稳定性实现上述那种两阶段热处理的典型效果，即，有利的耐磨性能和耐破裂性能或相对于滚动疲劳的使用寿命的提高。

另外，感应加热还可提供附加优点，例如，进行局部加热，自由确定硬化层厚度的能力，以及借助迅速加热和迅速冷却，通过表面残余压应力提高疲劳强度的能力，因而可以进一步降低轴承部件的成本，以及进一步提高质量及对于滚动疲劳的使用寿命。

下面描述本发明的第四实施例，其中轴承部件用作钢部件的实例。

图7是按照本发明第四实施例的热处理系统的结构的示意图。如图所示，该热处理系统包括一个主热处理装置1、一个副热处理装置2、两个洗涤装置3和5和一个回火装置6。通过模制方法(图中未画出)包括锻造，以及然后进行车削等生产的轴承部件被顺序地送过主热处理装置1和副热处理装置2，在每个上述装置内经受分别作为主热处理和副热处理的加热和冷却。

术语“轴承部件”是指滚动轴承如滚珠轴承、锥形滚柱轴承、滚柱轴承或滚针轴承的轴承部件。作为一个实例，图8表示一个锥形滚柱轴承4，它包括作为主要构件的一个外圈41、一个内圈42和滚动构件(锥形滚柱)43，在本说明书中这些构件的术语“轴承部件”描述的是承受与相对构件的滚动接触的那些构件，即，外圈41、内圈42和滚动构件43。可以用于这些轴承部件的材料的实例包括轴承钢如SUJ2，以及含有C：0.6至1.3wt％、Si：0.3至3.0wt％、Mn：0.2至1.5wt％、Cr：0.3至5.0wt％和Ni：0.1至3wt％(以及最好也含有Mo：0.05至0.25wt％和V：0.05至1.0wt％)的高温轴承钢和含有C：0.4至0.8wt％、Si：0.2至0.9wt％、Mn：0.7至1.3wt％和Cr：不大于0.7wt％的中碳钢。

主热处理装置1包括一个加热器11和一个冷却器12。在图7中，一个连续的系统被画作加热器11，但是，也可以使用批量式炉。例如，加热器11是由一个气氛炉构成的，该气氛炉使用包括添加有氨的渗碳气体的气氛气体。在该加热器11内，轴承部件在超过A1变换点的温度T1(800℃至900℃，例如850℃)下被加热例如40分钟的预定时间(主加热)，如图3所示，这种加热使激活的氮扩散到轴承部件的表面层内，从而使该表面层硬化(气体碳氮共渗)。加热器11的主要目的是在部件的表面形成一个富氮层，至少必须出现渗氮，而渗碳是非关键的。但是，取决于条件，特别是在脱碳是担心的问题的情形中或在钢的含碳量不足，不能得到满意的硬度水平的情形中，渗碳可以象渗氮那样成为关键因素。加热器11也可采用真空炉、盐浴炉或感应加热器等。在热处理之后，轴承部件被冷却器12(例如，使用油冷却)冷却至低于Ms点，然后，被送至洗涤装置3，以便洗涤并清除冷却液。

如图7所示，已经在主热处理装置1中经过碳氮共渗的轴承部件(在图中，锥形滚柱轴承的外圈41被画成一个实例)然后被送至副热处理装置2，副热处理装置进行感应加热如高频加热。轴承部件41被放置在位于感应器21的内周以内，如图3所示，然后在超过A1变换点的温度T2下承受感应加热(副加热)。通过控制加热条件如加热温度和加热时间，钢内奥氏体晶粒的粒度被减小。在完成这种加热之后，如图7所示，在该轴承部件41被装配在模具22内并由其支承的状态中，采用冷却液如油将轴承部件41冷却至Ms点以下，从而实现淬火(压模淬火)。这种淬火可以通过喷射，如从设置在模具22内各个位置上的孔喷射冷却液如油而进行。或者，作为在如图所示感应加热位置上进行冷却的替代，轴承部件也可以从感应加热位置送至一个分开的位置进行冷却。

在完成副热处理之后，轴承部件在洗涤装置5中被洗涤以清除冷却液，然后被送至回火装置6，在适当的温度T3(例如，180℃)下回火。为了通过缩短加热时间提高处理效率，这种回火最好采用感应加热例如高频加热进行。

在上面的描述中，油冷却被用作在主热处理装置1和副热处理装置2内的冷却方法，但是，也可以采用其它冷却方法如水冷却、空气冷却或气体冷却，对于主热处理装置1和副热处理装置2也可以采用不同的冷却方法。在这个实施例中，由于主热处理装置和副热处理装置都采用油冷却，因而设置了洗涤装置3和5，但是，如果使用水冷却、空气冷却或气体冷却，那么，这些洗涤装置就不是必要的了。

在已经在上述步骤中经受热处理的轴承部件中，在部件的表面层形成一个富氮层(氮含量为0.1至0.7wt％)，这就是说，可以得到超过Hv700的高硬度，在微结构内的奥氏体晶粒的粒度被减小，产生超过10的奥氏体结晶粒度数。另外，轴承部件的断裂应力值为至少2650MPa，钢内的氢浓度不大于0.5ppm，钢内的残余奥氏体含量为13至25％，这代表了远远优于传统部件的物理性质。由于上述性质，可以改善耐破裂性能和耐磨性能，也可以显著提高对于滚动疲劳的使用寿命。

在本发明的这个实施例中，如上所述，在副热处理装置2内进行感应加热和压模淬火。在这种情形中，理论上说，由于感应加热引起最小的热变形，加热过程后的淬火是作为压模淬火进行的，因而能够以低的成本生产出具有小的热变形和高水平的尺寸精度的轴承部件，甚至对于薄壁部件如滚珠轴承的外圈或内圈来说，或对于厚度变化的部分如锥形滚柱轴承的外圈41或内圈42来说，也能够得到有利的尺寸精度水平。因此，能够改善轴承部件的质量，这就是说，能够以良好的可靠性得到有利的轴承性能。

另外，感应加热还可提供附加优点，例如，在逐件进行的基础上均匀加热每个独立的结构部件的能力，以提高的加热效率和缩短的加热时间来加热的能力，进行局部加热和自由确定硬化层的厚度的能力，以及借助迅速加热和迅速冷却，通过表面残余压应力提高疲劳强度的能力，因而能够进一步降低轴承部件的成本及进一步提高质量和对于滚动疲劳的使用寿命。

下面描述本发明的第五实施例，其中使用锥形滚柱轴承的轴承部件作为钢部件的实例。

图9是按照第五实施例的热处理系统的结构的示意图。如图所示，该热处理系统包括一个主热处理装置1、一个洗涤装置3，以及多个副热处理装置2、洗涤装置5和回火装置6，它们相对于主热处理装置1和洗涤装置3并联布置。由包括锻造的模制方法(图中未画出)，接着进行车削等制成的轴承部件被顺序送过主热处理装置1和副热处理装置2，在每个上述装置中承受分别作为主热处理和副热处理的加热和冷却。单独的洗涤装置5和回火装置6被设置成所述多个副热处理装置2中的每一个接续阶段。

主热处理装置1包括一个加热器11和一个冷却器12。在图9中，加热器11被画成一个连续的系统，但是，也可以使用批量式炉。例如，加热器11由一气氛炉构成，该气氛炉使用包括添加有氨的渗碳气体的气氛气体。在加热器11内，轴承部件在超过A1变换点的温度T1(800℃至900℃，例如，850℃)下被加热例如40分钟的预定时间(主加热)，如图3所示。这种加热使激活的氮扩散到轴承部件的表面层内，因而使该表面层硬化(气体碳氮共渗)。加热器11的主要目的是在部件的表面形成一个富氮层，至少必须发生渗氮，而渗碳并非关键。但是，取决于条件，特别是在脱碳是担心的问题的情形中，或在钢的碳含量不足，不能取得满意的硬度水平的情形中，渗碳可以象渗氮那样成为关键。加热器11也可以使用真空炉、盐浴炉或感应加热器等。在热处理之后，轴承部件被冷却器12(使用油冷却)冷却至Ms点以下，然后被送至洗涤装置3，以便洗涤和清除冷却液。

如图9所示，已经在热处理装置1中经过碳氮共渗的轴承部件(在图中锥形滚柱轴承的外圈41被画成实例)被分开并通过图中未画出的输送装置如输送机送至副热处理装置2中的一个，由其进行感应加热如高频加热。在每个副热处理装置2中，轴承部件41被设置在感应器21的内周以内，如图3所示，然后在超过A1变换点的温度T2下承受感应加热(副加热)。由于这种副加热是在短时间内进行的，因而与加热温度T2是否高于或低于主加热温度无关，通过调节加热温度和加热时间可以使钢内的奥氏体结晶粒度减小。在完成这种加热之后，轴承部件41被装入模具22，并使用冷却液如油冷却至Ms点以下，因而实现淬火(压模淬火)。这种淬火可以通过从设置在模具22内各个位置上的孔喷射冷却液如油来进行。或者，作为在图示的感应加热位置上保持部件对其进行冷却的替代，轴承部件也可以从感应加热位置被送至一个分开的位置以进行冷却。

在完成副热处理之后，轴承部件从每个副热处理装置2移出，在相应的洗涤装置5中被洗涤以除去冷却液，然后被送至相应的回火装置6，在适当的温度T3(例如，180℃)下回火，如图3所示。为了通过缩短加热时间来提高处理效率，这种回火最好采用感应加热如高频加热进行。

在上面的描述中，使用油冷却作为主热处理装置1和副热处理装置2内的冷却方法，但是，也可以采用其它冷却方法如水冷却、空气冷却或气体冷却，对于主热处理装置1和副热处理装置2来说，也可以用不同的冷却方法。在这个实施例中，由于主热处理和副热处理都采用油冷却，因而设置了洗涤装置3和5，但是，如果使用水冷却、空气冷却或气体冷却，那么，这些洗涤装置就是不必要的了。

在已经在上述步骤中经过热处理的轴承部件中，在部件的表面层形成一个富氮层(氮含量为0.1至0.7wt％)，这就是说，可以得到超过Hv700的高硬度，在微结构内的奥氏体结晶粒度被减小，产生超过10的奥氏体结晶粒度数。另外，轴承部件的断裂应力值为至少2650MPa，钢内的氢含量不大于0.5ppm，钢内的残余奥氏体含量为13至25％，这代表了远远优于传统部件的物理性质。由于上述性质，可以改善耐破裂性能和耐磨性能，也可以显著提高对于滚动疲劳的使用寿命。

在本发明的这个实施例中，如上所述，已经通过了共用的主热处理装置1的轴承部件被分开并在多个副热处理装置2内同时承受副加热，高频加热在这些副热处理装置2中的每一个内进行，这使加热能在短时间内完成。因此，副热处理的加热效率可被显著提高，这样，主热处理和副热处理的热处理效率就可以得到平衡，从而可以提高整个系统的加热效率。副热处理装置2的数目可以按照主热处理和副热处理之间的热处理效率差来选择，可以是能够使两种处理间得到平衡的任何数目。在上述实施例中，只设置了一个主热处理装置1，但是，多个这种装置也可以并联地设置，然后借助多个副热处理装置2进行平衡(在这种情形中，副热处理装置2的数目大于主热处理装置1的数目)。

另外，由于在副热处理装置2中进行的高频加热理论上引起极小的热变形，而且由于在加热过程之后的淬火是作为压模淬火进行的，因而部件的热变形很小，能以低成本产生高水平的尺寸精度，甚至对于薄壁部件如滚珠轴承的外圈和内圈或对于厚度变化的部件如锥形滚柱轴承的外圈41或内圈42也能够取得有利的尺寸精度水平。因此，可以改善轴承部件的质量，这就是说，能够以良好的稳定性获得有利的轴承性能。

另外，感应加热还可提供附加优点，例如，在逐件进行的基础上均匀一致地加热各个结构部件的能力、进行局部加热及自由确定硬化层厚度的能力和借助迅速加热和迅速冷却通过表面残余压应力提高疲劳强度的能力，因而可进一步降低轴承部件的成本，以及进一步提高质量和对于滚动疲劳的使用寿命。

在对每个实施例的上述说明中，轴承部件被用作承受热处理的目标物品的实例，但是，本发明并不局限于轴承部件，而是可以应用于需要对于滚动疲劳的有利的使用寿命或优良的耐破裂性能的各种机械部件，例如，恒速万向节的结构部件或者甚至是一般的钢部件。

另外，在每个上述实施例中详述的主加热温度T1、副加热温度T2和回火温度T3的值是在轴承钢SUJ2用作钢材料的情形中的值。取决于所使用的钢材料的性质，这些值T1，T2和T3可以不同于上面提到的数值。

Claims (9)

1.一种热处理系统，它包括：一个主热处理装置，用于在超过A1变换点的温度下加热一钢部件，然后，将该部件冷却至低于A1变换点的温度，从而在该部件表面形成一个富氮层；以及一个副热处理装置，用于在超过A1变换点的温度下加热已经受主热处理的钢部件，然后，通过将该部件冷却至低于A1变换点的温度进行压模淬火，其中副热处理装置包括一个感应加热器，并且在副热处理装置内的冷却之后借助感应加热进行回火。

2.一种热处理系统，它包括：一个主热处理装置，用于在超过A1变换点的主加热温度下加热一钢部件，然后将该部件冷却至低于A1变换点的温度，从而在该部件的表面层形成一个富氮层；以及一个副热处理装置，用于在超过A1变换点的副加热温度下加热已经承受了主热处理装置的热处理的钢部件，然后通过将该部件冷却至低于A1变换点的温度进行压模淬火。

3.如权利要求2所述的热处理系统，其特征在于：所述主热处理装置包括一个用于进行气体碳氮共渗的加热器。

4.一种热处理系统，它包括：一个主热处理装置，用于在超过A1变换点的温度下加热一钢部件，然后将该部件冷却至低于A1变换点的温度，从而在该部件的表面形成一个富氮层；以及一个副热处理装置，用于在超过A1变换点的温度下加热已经承受了主热处理的钢部件，然后通过将该部件冷却至低于A1变换点的温度进行压模淬火，其中感应加热在副热处理装置中进行，承受感应加热的钢部件的温度被检测，在以检测到的温度值为基础的反馈控制下操纵感应加热器。

5.如权利要求4所述的热处理系统，其特征在于：承受感应加热的钢部件的温度是使用非接触式温度传感器检测的。

6.一种热处理系统，它包括：一个主热处理装置，用于在超过A1变换点的温度下加热一钢部件，然后将该部件冷却至低于A1变换点的温度，从而在该部件的表面形成一个富氮层；以及一个副热处理装置，用于在超过A1变换点温度下加热已经承受了主热处理的钢部件，然后将该部件冷却至低于A1变换点的温度，其中副热处理装置进行感应加热和压模淬火。

7.一种热处理系统，它包括：一个主热处理装置，用于在超过A1变换点的温度下加热一钢部件，然后将该部件冷却至低于A1变换点的温度，从而在该部件的表面形成一个富氮层；以及副热处理装置，用于在超过A1变换点的温度下加热已经承受了主热处理的钢部件，然后通过将该部件冷却至低于A1变换点的温度进行压模淬火，其中多个副热处理装置并联地设置。

8.如权利要求7所述的热处理系统，其特征在于：感应加热在每个副热处理装置中进行。

9.如权利要求1、4、6或7中任一项所述的热处理系统，其特征在于：气体碳氮共渗在主热处理装置中进行。

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