CN101076609A - 用来热处理由通透淬硬性的耐高温钢构成的构件的方法和由通透淬硬性的耐高温钢构成的构件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用来热处理由通透淬硬性的耐高温钢构成的构件的方法，在此热处理包括构件的通透淬硬、构件的表面层硬化和构件的退火以及任选的低温冷却。为了在避免在构件的表面层硬化时表面层太强烈富集的情况下达到与表面层的深度硬化相关的扩散元素的更高的进入深度以及更高的表面层硬度和由此得到构件提高了的疲劳强度，构件的通透淬硬以及构件表面层的等离子体离子硬化在共同的操作步骤(1)中进行，是通过将构件加热到上面的转变温度Ac3以上的共同硬化和扩散温度TH+D，方法是构件保持在共同的硬化和扩散温度TH+D下直至完全的奥氏体化和所含有的碳溶解以及直至表面层被扩散元素所期望的富集，和随后对构件淬火。
Description
发明领域
本发明涉及一种用来热处理由通透淬硬性的耐高温钢构成的构件的方法，在此热处理包括构件的通透淬硬、构件的表面层硬化，和构件的退火，在此通透淬硬包括加热构件到在上面的转变温度Ac3以上的硬化温度、保持构件在此硬化温度下和对构件淬火，在此表面层硬化在至少一种扩散元素的作用下进行，包括加热构件到扩散温度、保持构件在此扩散温度下和冷却构件，并作为等离子体离子硬化实施，和在此退火包括一次或多次加热构件到在下面的转变温度Ac1以下的退火温度、保持构件在退火温度下和冷却构件以及选择性地低温冷冻。
此外本发明还涉及由通透淬硬性的耐高温钢构成的构件，钢已经经过了热处理，热处理包括构件的通透淬硬、构件的表面层硬化和构件的退火。
发明背景
热和机械高载荷的构件，如滚动轴承的轴承部件，其用于支承钢传动机构或气体涡轮机的主轴，至少由一种通透淬硬性的耐高温钢构成和在制备时用合适的热处理调节成以后的使用目的。各自的工件，以下称为构件，应在高强度时不仅具有高的韧性而且具有高的耐磨性。为了达到该目的，这种构件的热处理通常包括通透淬硬、表面层硬化和随后的构件的退火，在此通透淬硬和表面层硬化的顺序可以是不同的。
通常称为硬化的构件的通透淬硬是一种纯粹的热工艺方法。硬化或通透淬硬包括加热构件到在钢的上面的转变温度Ac3的911℃以上的硬化温度、保持构件在这个硬化温度下和随后对构件淬火。在此构件的加热在时间上是这样控制的，即在整个构件中调节尽可能均匀的温度上升和从而避免构件的变形。
硬化温度是所谓的奥氏体化温度，在该温度下立方体心的铁氧体很大程度上完全转变成立方面心的奥氏体以及在起始材料中以碳化物结合的碳分解成原子碳。在高合金钢时硬化温度通常为1050-1230℃，在硬化温度下的保持时间可以为0.5-3小时。
构件的淬火以超过各种钢型的临界冷却速度的速度进行。这样整个构件就具有马氏体的组织结构，这会带来硬度显著增大到超过60HRC直至通常的最大64HRC。
硬化之后可能还可以进行低温处理，例如以构件冷却到直至-190℃的形式，这样存在的剩余奥氏体转化成马氏体。通过硬化在构件中产生内应力，在通常的情况下在边缘为张应力和在构件的芯部中为压应力。然而在构件表面层中的张应力具有缺点，因为这通过在操作时出现的张应力被增强，以致于促进了裂纹形成和裂纹扩展，和从而构件的疲劳强度，特别是在振动载荷时减小。
与此相反，构件的表面层硬化是一种热化学方法。在此所涉及到的构件在加热和保持在扩散温度下处于固态的、液态的或气态介质或等离子体下，其含有扩散元素，如碳、氮或由两种元素构成的混合物，其在这些条件下扩散入构件的表面层中部与后面的冷却联合导致构件的表面层硬化。
在应用碳(渗碳，增碳)和主要含有碳的由碳和氮构成的混合物(碳氮化)作为扩散元素时，扩散温度为850-980℃的范围，与此相反，在应用氮(渗氮)和主要含有氮的由氮以及碳构成的混合物(氮碳化)作为扩散元素时，扩散温度为500-580℃范围。
在以等离子体离子硬化形式的表面层硬化中，通过在处理炉的外壳和构件之间施加电压与辉光放电相结合，由扩散元素的正电荷离子生成等离子体和在构件表面上射击。这样首先清洁了构件的表面，随后附加地加热构件的表面层，和增强了扩散元素向表面层的扩散。通过控制辉光放电的电压，扩散元素对表面层的富集可以精确计量。这是具有意义的，因为表面层过于强烈的富集导致形成外来碳化物或外来氮化物，其结果是构件的强度和耐腐蚀性减小。
在用氮等离子体离子硬化(等离子体渗氮)时，扩散温度典型地为350-600℃，与此相反，在用碳作为扩散元素时，扩散温度为700-1000℃。通过表面硬化处理而可达到的硬度为直至66HRC。在通常情况下在表面层硬化后在构件的边缘区域有压内应力和在构件的芯部处有张内应力，由此在振动负荷时给出更高的容许载荷。然而迄今可达到的表面层的硬化的深度最大为0.2mm是较小的，在此这通过大部分实施的机械最终加工，如研磨，还可进一步地减小。在扩散温度下的保持时间可以为0.5-4小时。
构件的退火大多作为在通透淬硬和表面层硬化后的最后的操作步骤进行和包括必要时多次加热构件到在钢的下面的转变温度Ac1以下的退火温度，保持构件在该退火温度下，和随后冷却构件。这样引起马氏体组织结构的改变，这导致主要在通透淬硬时产生的脆性和内应力的降低，和从而导致构件的韧度提高。对于高合金钢，退火温度为500-600℃。在退火温度下的保持时间为约1-2小时。通过退火而起作用的硬度减少根据钢的种类为1-5HRC。
关于用来热处理钢的热和热化学方法的进一步信息可从有关的DIN-标准和BOSCH的汽车技术袖珍本，24.Auflage，第304页起的热处理章中获取。
在DE 40 33 706 C2中，为了提高耐腐蚀性，在由钢构成的构件的表面硬化处理时通过氮取代碳作为对象，描述了一种用于热处理的方法，其由在下面的转变温度Ac1以上的扩散温度用氮表面硬化处理表面层、随后直接硬化和最后的退火构成。在上下文中直接硬化的意思是，在表面硬化处理和硬化之间不进行冷却，而是处理温度直接从扩散温度提高到硬化温度。在一个方法变化方案中，表面硬化处理作为等离子体离子硬化进行。这个已知方法的缺点是，通过表面硬化处理起作用的表面层的硬化由于随后的直接硬化而又部分地被取消，和通过所描述的表面硬化处理，扩散元素只可达到较小的进入深度。
与此相反，在WO 98/01597 A1中提出了一种用来热处理由高合金钢构成的滚动轴承部件的方法，在该方法中表面硬化处理，其作为用氮作为扩散元素的等离子体离子硬化(等离子体离子渗氮)进行的，其只在构件的机械最终加工后，也即在硬化和退火后进行。扩散温度为375-592℃，优选为460℃。扩散-保持时间为1-2小时。经硬化的表面层的最大所达到的深度为0.5mm。然而均匀硬化的表面层只达到大约0.15mm的深度，这是较薄的而有缺陷。
在DE 697 19 046 T2中所公开的用来制备经表面硬化处理的轴承构件的方法中，表面硬化处理以等离子体离子渗碳的形式在超过482℃的扩散温度下开始进行热处理的。随后以直接硬化的形式在982-1200℃的硬化温度下进行硬化。在这个已知的方法中通过表面硬化处理起作用的表面层的硬化由于随后的直接硬化而又部分地被取消，以致于结果是达到构件表面层的硬度最大为60HRC。
在一个类似的用来制备滚动轴承部件的方法中，该方法在DE 19707 033 A1中有描述，构件在热处理开始时通过等离子体离子渗氮或等离子体离子渗碳在530℃至最高780℃之间的扩散温度下进行表面硬化处理，随后以1020℃至1120℃的硬化温度进行硬化，随后在-190℃的温度下进行低温处理，和最后在180℃或450-520℃的退火温度下退火。这一方法也具有上述的已知的缺点，和构件表面层最大可达到的硬度为62HRC。
发明任务
本发明基于的任务在于，给出一种上述种类的用来热处理由通透淬硬性的耐高温钢构成的构件的方法，使用该方法在构件的表面层硬化时在避免了过于强烈的表面层富集的情况下达到与表面层的深度硬化相结合的更高的扩散元素进入深度以及更高的表面层硬度，结果是达到构件的提高了的疲劳强度，特别是在振动的和交变的负荷下时的疲劳强度。
此外，给出一种由通透淬硬性的耐高温钢构成的构件，其具有提高了的疲劳强度。
发明概述
本发明基于这个认知，即通过构件表面区深度的和增强的硬化而生成更高的和深度达到的压内应力，其导致构件的疲劳强度显著提高。
所以该任务根据本发明由与权利要求1的前叙部分相关的的方法这样解决，即构件的通透淬硬和构件表面层的等离子体离子硬化在一个共同的操作步骤中进行，是通过将构件加热到一个共同的在上面的转变温度Ac3以上的硬化-和扩散温度，方法是通过在共同的硬化-和扩散温度下保持构件直至完全通透淬硬和直至所期望的表面层被扩散元素富集，和随后对构件淬火。
根据本发明的方法的优越的实施方案是从属权利要求2-10的主题。
由于在钢的上面的转变温度Ac3以上的较高的硬化温度时以等离子体离子硬化的形式进行表面层硬化，从而相对于已知的方法达到更大的扩散元素进入深度和从而达到表面层深度硬化。因为表面硬化处理现在与构件的通透淬硬同时进行，所以此外通常的在随后的通透淬硬时在一个单独的操作步骤中出现的表面层硬化的减弱通过扩散元素的扩散而避免。由此得到直至68HRC的更大的表面层硬度。除了构件表面提高了的耐磨性，这也导致经这样处理的构件变得更大的疲劳强度，其特别是在振动载荷时具有优点。作为很大程度上同时进行的构件的通透淬硬和构件的表面层硬化的有利的副作用，产生了多于2小时的总热处理的时间节约。
基本上，共同的硬化-和扩散温度的高度以及在共同的硬化-和扩散温度下的保持时间由各自的钢种以所涉及的构件的设计使用目的确定。所以共同的硬化-和扩散温度的高度是主要与构件的钢种必需的硬化温度合适地相匹配，因为在太低的温度时调节的通透淬硬不足和在太高温度时会调节成不期望的组织结构。在实验检测中已经证实1050-1150℃的共同的硬化-和扩散温度是特别合适的。
然而，与钢种和所期望的构件的性能相关，对于通透淬硬和表面层硬化可能需要不同的在共同的硬化-和扩散温度下的保持时间。然而，为了可以完全地实施两种处理方法，在共同的硬化-和扩散温度下的保持时间通常取决于两个必需的保持时间中较长的保持时间，两个必需的保持时间为必需的硬化-保持时间或必需的扩散-保持时间。
在必需的硬化-保持时间大于必需的扩散-保持时间的情况下，作为等离子体离子硬化而实施的表面层硬化在构件的通透淬硬结束之前可通过辉光放电的电压关闭和等离子体气体的抽空而以简单的方式结束。
在经常出现的情况下，即必需的硬化-保持时间是小于必需的扩散-保持时间，为了避免构件的芯部组织变粗大，优选降低共同的硬化-和扩散温度。这一措施是基于以下认知，即对于通透淬硬所必需的在钢中以碳化物的形式含有的碳的溶解随着提高的温度是较强烈地被促进和在硬化温度下随着提高的保持时间是较弱地被促进，然而在硬化温度下保持至碳化物完全溶解后要导致在构件的芯部区域的组织结构变粗大，其带来不期望的变脆。为了避免这种不利的作用，已经证实共同硬化-和扩散温度相对于其它方面常用的硬化温度降低约20-40℃是适宜的。
对于构件表面层的等离子体离子硬化，作为扩散元素主要考虑的是碳(C)、氮(N)和两者的混合物。所以构件在等离子体离子硬化期间用释放碳和/或氮的离子化的气体加载冲击。
通过经这样起作用的表面层富集，钢在表面层中对随后的退火处理的反应与在构件的芯部区域中不同。硬度随着增加的退火温度基本上在520-560℃达到最大，以能随后在进一步增加的退火温度时又降低温度。在此这一最大值的精确位置取决于已溶解的碳和/或氮的份额，在此必需的退火温度随着扩散元素溶解份额的增加而增高。
为了在表面层得到尽可能大的硬度，退火温度这样与在钢中已溶解的扩散元素的份额相匹配，即在冷却后在构件的表面层中调节到最大的硬度。在此已经证明有利的是，退火温度调节到500-600℃的温度范围的值。在此可得到的表面层硬度为60-66HRC，与此相反在构件的芯部区域调节硬度为58-63HRC。
为了应用根据本发明的方法，可以应用商业上常用的耐高温的滚动轴承钢作为起始材料，如根据AISI-标准的快速工具钢M50和根据DIN 17350的快速工具钢S 18-0-1。
根据本发明的方法优选在制备轴承部件，如滚动轴承的轴承内圈、轴承外圈和滚动体中应用，轴承部件用来支承热机的机械和热高载荷的轴，如是喷气推进装置、涡轮螺旋桨式发动机、燃气透平或内燃机的废气涡轮压缩机的转子轴。
附图的简要描述
以下实施例根据所附的附图更清楚地解释本发明。图示出：
图1根据本发明的方法的温度-时间-图；
图2内应力-深度-图；
图3通过测量得到的硬度-深度-图。
附图的详细描述
在图1中定性示出根据本发明的热处理的时间过程。在第一操作步骤1中共同地进行涉及的构件的通透淬硬和表面层硬化。在此构件首先均匀地加热到在上面的转变温度Ac3以上的1030-1150℃的温度范围内的共同的硬化-和扩散温度TH+D，然后在释放碳-和/或氮离子的等离子体作用下在此温度下保持时间ΔtH+D，和随后淬火。在此对于构件的共同的通透淬硬和表面层硬化的保持时间ΔtH+D是长于保持时间ΔtH，后者是对于构件单独的通透淬硬1’所必需的，它的温度过程用虚线表示。
为了避免由于更长的保持时间ΔtH+D而起作用的对构件芯部组织的变粗大作用，共同的硬化-和扩散温度TH+D相对于在单独通透淬硬1’时的硬化温度TH降低约20-40℃。在共同的通透淬硬和表面层硬化后进行直至约-190℃的构件的低温处理2。随后在下面的转变温度Ac1以下的500-600℃的退火温度TA下进行构件的退火3。
通过以等离子体离子硬化的形式在上面的转变温度Ac3以上的较高的共同的硬化-和扩散温度TH+D下在共同的操作步骤中进行构件的通透淬硬和表面层硬化，得到更强烈的硬化，和由于扩散元素更大的进入深度而得到构件表面层的深度硬化。在此在表面区域产生高的压内应力，该表面区优越地强烈提高构件的疲劳强度。
在图2的示意图中示出的是对于两个不同的热处理所对应的在构件表面层中的内应力，构件由AISI M50快速工具钢构成。内应力是各自采用X-射线衍射仪(XRD)实验测得的。
上面的曲线4的内应力分布是对应于共同的常用的热处理，其由一个在1100℃通透淬硬1小时以上、在540℃下三次退火各超过2小时，和在560℃下一次退火超过两小时构成。这在构件的表面层中产生几乎恒定的张内应力为50MPa，其对于构件的疲劳强度是较不利的。
与此相反，下面的曲线5的内应力分布是对应于根据本发明的热处理，其由在1100℃下以等离子体-碳氮化的形式同时的通透淬硬和表面层硬化超过3小时、在540℃下三次退火各超过2小时，和在560℃一次退火超过2小时构成。这在构件表面层中产生在深度为0.2-0.3mm处数量级为-100MPa，最大值为约-130MPa的压内应力，其导致构件的疲劳强度显著提高。
硬度对深度或构件的表面间距的相应曲线对于根据本发明的热处理来说对于三次相同的处理试验在根据图3的示意图中示出。硬度在约0.2mm的深度处具有62HRC的最大值和向芯部深处一直下降到约59HRC。通过这种硬度分布保证了在表面高耐磨性的同时构件有高的韧度和疲劳强度。
图例说明
1 共同的通透淬硬和表面层硬化
1’ 单独的通透淬硬
2 低温处理
3 退火
4 内应力分布(在传统的热处理中)
5 内应力分布(在根据本发明的热处理中)
Ac1 下面的转变温度
Ac3 上面的转变温度
t 时间
TA 退火温度
TH 硬化温度
TH+D硬化-和扩散温度
ΔtD扩散-保持时间，在单独的表面层硬化时的保持时间
ΔtH硬化-保持时间，在单独的通透淬硬时的保持时间
ΔtH+D在共同的通透淬硬和表面层硬化时的保持时间
Claims (13)
1、一种用来热处理由通透淬硬性的耐高温的钢构成的构件的方法，在此热处理包括构件的通透淬硬、表面层硬化和退火，在此通透淬硬由加热构件到在上面的转变温度Ac3以上的硬化温度、保持构件在硬化温度下和构件的淬火构成，在此表面层硬化在扩散元素的作用下进行，在此包括加热构件到扩散温度、保持构件在扩散温度下和对构件冷却，并作为等离子体离子硬化实施，和在此退火包括一次或多次加热构件到下面的转变温度Ac1以下的退火温度、保持构件在退火温度下和对构件冷却，其特征在于，构件的通透淬硬和构件表面层的等离子体离子硬化在共同的操作步骤(1)中进行，是通过将构件加热到上面的转变温度Ac3以上的共同的硬化和扩散温度TH+D，方法是构件在共同的硬化-和扩散温度TH+D下保持直至完全的奥氏体化和所含有的碳溶解以及直至所期望的表面层被扩散元素富集，和随后构件被淬火和这样在外表面层中形成压内应力。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于，共同的硬化和扩散温度TH+D的高度基本上与构件钢种必需的硬化温度TH相匹配。
3、根据权利要求2的方法，其特征在于，共同的硬化和扩散温度TH+D调节为1070-1150℃之间的温度范围。
4、根据权利要求2或3的方法，其特征在于，在共同的硬化和扩散温度TH+D下的保持时间ΔtH+D与所述两个必需的保持时间中的较长者相匹配，这两个保持时间为必需的硬化-保持时间ΔtH或必需的扩散-保持时间ΔtD。
5、根据权利要求4的方法，其特征在于，在较长的必需的扩散保持时间ΔtD的情况下，降低共同的硬化-和扩散温度TH+D以避免构件的芯部组织变粗大。
6、根据权利要求5的方法，其特征在于，共同的硬化和扩散温度TH+D下降约20-40℃。
7、根据权利要求1-6之一的方法，其特征在于，对于构件表面层的等离子体离子硬化，应用碳(C)和/或氮(N)作为扩散元素，和构件为此在等离子体离子硬化期间用释放碳(C)和/或氮(N)的可离子化的气体加载进气。
8、根据权利要求7的方法，其特征在于，在构件随后退火(3)时退火温度TA这样与在钢中已溶解的扩散元素的比例相匹配，使得在冷却后在构件的表面层中调节到最大的硬度。
9、根据权利要求8的方法，其特征在于，退火温度TA调节到500-600℃范围的数值。
10、根据权利要求1-9之一的方法，其特征在于，一种耐高温的钢应用作为构件的起始材料。
11、一种由通透淬硬性的耐高温的钢构成的构件，该钢是经过热处理的，该热处理包括构件的通透淬硬、构件的表面层硬化，和构件的退火，其特征在于，热处理是根据权利要求1-10之一的方法进行的。
12、根据权利要求11的构件，其特征在于，构件构成滚动轴承的轴承部件。
13、根据权利要求12的构件，其特征在于，滚动轴承构成为用来支承热机的受到机械和热高负荷的轴。
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