CN103069018A - 机械部件和表面硬化的方法 - Google Patents

Abstract

一种具有贯穿其中的孔（12）并且具有7mm的最小厚度（T）的机械部件（10），所述厚度从组成孔（12）的外周长的内表面（12a，12b）径向向外至所述机械部件（10）的外表面所测得。所述孔（12）的最大横向尺寸（d）为31.75mm或更少，并且组成所述孔（12）的外周长的机械部件（10）的内表面（12a，12b）材料的至少一部分（22）包括马氏体微观结构，所述马氏体微观结构通过利用位于所述孔（12）内侧的电磁感应线圈（14）的感应淬火制成、接着当电磁感应线圈（14）已经从所述孔（12）被移除或当电磁感应线圈（14）从所述孔（12）正在被移除时通过利用位于所述孔（12）内侧的淬火设备（16）立即淬火。

Description

机械部件和表面硬化的方法

技术领域

本发明涉及一种具有贯穿其中的孔的机械部件，例如穿孔的滚柱。本发明还涉及一种用于将这样的机械部件的内表面的至少一部分表面硬化的方法。

发明背景

感应淬火是金属部件通过感应加热被加热到铁素体/奥氏体转变温度或更高、然后被淬火的热处理。淬火过的金属经过马氏体转变，金属部件的表面的硬度和脆性增加。感应淬火可以用于选择性地将机械部件的区域硬化而不影响部件整体的特性。

德国专利申请DE10200604169的英文摘要公开了一种为制造用于混凝土或其他具有高研磨特性的粘稠物质的输送管的方法。联结法兰被首先焊接到由可硬化钢制成的管子的端部上，然后通过硬化过程输送管的内层产生，这样使得内层被未经硬化的、耐冲击的外层包围。硬化过程在引入管子中的感应头的帮助下通过感应淬火进行。在硬化过程中，感应头和管子在轴向方向相对于彼此移动，感应淬火过程的有效硬化深度依照在管子中的感应头的瞬时位置被控制。优选地，在最终区域的有效硬化深度大于在中心区域的有效硬化深度，从而提供具有显著耐磨性的管子。

美国专利4949758公开了用于将长的（8-32英尺，也就是244-975cm）、薄壁（1/8至1/4英寸，也就是3-6mm）、小内径（1¹/₄至3¹/₄英寸，也就是32至83mm）的管状构件的内表面硬化的过程。更确切地说，它涉及包括用位于内部的电磁感应线圈渐进的加热、接着用淬火环组件通过立即淬火来在管子的内表面上产生马氏体层的过程。

因此，已知的是利用感应淬火来硬化大直径的或具有薄壁（多至1/4英寸[也就是多至6mm]）的管子的内表面。美国专利4949758公开的方法还未被用来硬化具有厚壁（也就是臂具有7mm的最小的厚度）和非常小的贯穿其中孔（也就是具有小于32mm的半径的孔）的部件。这是因为将部件的内表面足够快地加热和淬火以获得在内表面中所需的微观结构是不可能的，因为实际上不可能制造出所提出的用于实行该方法的设备以配合非常小的孔。作为替代，当硬化具有厚壁（也就是具有7mm的最小的厚度）、复杂几何形状（例如具有不均匀的或不对称的部分的部件）和/或包括非常小的贯穿的孔（也就是具有小于32mm的直径的孔）的机械部件的表面时，因为在渗碳中使用的碳的气体、液体、固体或等离子来源能够穿透到孔和紧的间隙中，所以渗碳经常被使用。

渗碳是在分解时释放碳的另一材料的参与下铁或钢被加热的热处理过程。外表面或外层会比原来的材料具有更高的碳含量。当铁或钢通过淬火被迅速冷却时，外表面上更高的碳含量变硬，而核心部分保持柔软（也就是易延展的）和有韧性。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的非穿透硬化的机械部件，该部件具有贯穿其中的横截面为均匀的或非均匀的孔，也就是延伸穿过机械部件的至少一部分，其中孔的最大横向尺寸为31.75mm或更少并且其中机械部件的最小厚度为7mm，该厚度从组成孔的外周长的内表面径向向外至机械部件的外表面所测得的。

这个目的通过这样的机械部件实现，其中该组成孔的外周长的机械部件的内表面材料的至少一部分包括马氏体微观结构，所述马氏体微观结构通过利用位于所述孔内侧的电磁感应线圈的感应淬火、接着当电磁感应线圈已经从所述孔被移除或当电磁感应线圈从所述孔正在从所述孔被移除时通过利用位于所述孔内侧的淬火设备立即淬火而制成。内表面材料的所述至少一部分在内表面可以具有在洛氏硬度表上55-75HRC范围内的硬度，优选地是58-63HRC，并且增加硬度的材料可以延伸到内表面以下大约0.5-6mm的深度，优选的在内表面以下1-4mm。

这样的非穿透硬化的机械部件的内表面的至少一部分将展现出增加的表面硬度、增加的耐磨性能和/或增加的疲劳和抗张强度。此外，用来制造这样机械部件的感应淬火热处理比渗碳热处理更加节能和更有成本效益并且比起渗碳热处理它具有更短的循环时间以及提供更好的变形控制。另外，所述内表面的至少一部分的特性，例如硬度，微观结构和残余应力可以为特定的应用按需定制。

根据本发明的实施方式，所述内表面的至少一部分延伸到所述内表面以下0.2、0.3、0.4、0.5、0.75或1.0mm的深度。

根据本发明的实施方式，所述内表面的至少一部分延伸到所述内表面以下1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5或6.0mm的深度。

根据本发明的实施方式，孔的最大横向尺寸为5-31.75mm，优选地，10-30mm。

根据本发明另一实施方式，从内表面径向向外至机械部件的外表面所测得的机械部件的最小厚度为10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm或更多。

根据本发明的另一实施方式，组成孔的外周长的内表面的至少一部分包括螺纹。

根据本发明的实施方式，机械部件构成旋转对称的机械部件。

根据本发明的另一实施方式，机械部件构成滚动元件或滚柱，或用于在其中受到交互赫兹应力的应用的部件，例如滚动接触或滚动与滑动结合的应用，例如回转轴承或轴承的滚道。机械部件可以例如被用在需要高耐磨性能和/或增加的疲劳和抗张强度的汽车和机器应用。

根据本发明的另一实施方式，机械部件包括碳或具有0.40至1.10%的当量碳含量的合金钢，或由碳或具有0.40至1.10%的当量碳含量的合金钢组成，优选地高碳铬钢。例如，机械部件包括具有重量百分比为0.5的C、重量百分比为0.25的Si、重量百分比为0.70的Mn、重量百分比为1.10的Cr、重量百分比为0.20的P的合成物的50CrMo4钢，100Cr6钢或SAE1070或者机械部件由具有重量百分比为0.5的C、重量百分比为0.25的Si、重量百分比为0.70的Mn、重量百分比为1.10的Cr、重量百分比为0.20的P的合成物的50CrMo4钢，100Cr6钢或SAE1070组成。

本发明也涉及一种用于将具有31.75mm的最大横向尺寸的或者小于该尺寸的贯穿其中的孔的机械部件的内表面的至少一部分表面硬化的方法，其中机械部件具有7mm的最小厚度，该厚度从组成孔的外周长的内表面径向向外至机械部件的外表面所测得。所述方法包括将电磁感应线圈插入孔内、通过感应加热将内表面的至少一部分加热至铁素体/奥氏体转变温度或更高、将电磁感应线圈从孔移除并且同时或随后将淬火设备插入孔内以立即将所述内表面的至少一部分淬火的步骤。

根据本发明的实施方式，所述方法包括将电磁感应线圈插入到孔的一个端部、将电磁感应线圈从孔中经由孔的相同端部移除以及将淬火设备从孔的另一端部插入的步骤。这能够使淬火迅速开始，并且如果淬火设备正在被插入而感应线圈正在被移除时能够使淬火特别地快速开始。

根据本发明的方法基于这个方法保证了这样的机械部件的内表面被加热并且被足够快地淬火以获得在内表面中的所需的微观结构的发现。

根据本发明的实施方式包括在机械部件的外侧上还提供至少一个外部淬火设备以立即将内表面的至少一部分淬火的步骤。当使用具有薄壁的机械部件时这是特别有利的，其中来自感应线圈的热量也可能影响不应该被影响到的机械部件微观结构的一部分，例如，在外部或内部表面上的初始的微观结构或已经被硬化的微观结构。然后外部淬火设备可以用来防止这个部分的微观结构受热。

应当指出的是，这个文件自始至终使用的、关于机械部件和根据本发明的方法的“感应线圈”的表达，意指一个或多个感应线圈。以相同或不同方式工作的多个感应线圈、例如以相同或不同的频率，可以比如被用来同时地或连续地加热机械部件的内表面（和/或外表面）的多个部分，或多个机械部件的一个或多个部分。

根据本发明的实施方式，所述方法包括将内表面的至少一个部分加热到所述内表面以下0.2、0.3、0.4、0.5、0.75或1.0mm的深度的步骤。

根据本发明的实施方式，内表面的至少一个部分延伸到所述内表面以下1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5或6.0mm的深度。

根据所述方法的另一实施方式，孔的最大横向尺寸为5-31.75mm，优选地，10-30mm。

根据所述方法的又一实施方式，从内表面径向向外至机械部件的外表面所测得的机械部件的最小厚度为10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm或更多。

根据所述方法的实施方式，组成孔的外周长的内表面的至少一部分包括螺纹。

根据所述方法的实施方式，机械部件构成旋转对称的机械部件。

根据本发明的另一实施方式，机械部件构成滚柱或用于在其中受到交变的赫兹应力的应用的部件，例如滚动接触或滚动和滑动的组合。

附图说明

通过参照示意附图的非限制的事例本发明将得到进一步的解释，其中：

图1和2表示根据本发明的实施方式的方法的步骤，以及

图3表示根据本发明的实施方式的机械部件的横截面。

应当指出的是，附图并没有按比例绘制，并且仅为清楚起见某些特征的尺寸被夸大了。

具体实施方式

图1图示出在横截面上厚壁的旋转对称的机械部件10，该部件由轴承钢制成，该机械部件被称为圆柱形滚柱。所述滚柱10、例如由50CrMo4钢制成并且包括具有直径d和均匀圆形横截面的孔12，所述孔在其纵向方向一直延伸穿过部件的中心。滚柱10的最小厚度为T，该厚度从组成孔12的外周长的内表面12a径向向外至滚柱10的外表面10a（或者从12b至10b）所测得。所述最小厚度T为7mm、10mm、20mm、30mm或更多。孔12的直径d为31.75mm或更少。孔12可替代为比如圆锥形的，这样就具有非均匀的横截面大小，而它的最大直径为31.75mm或更少。可替代地或附加地，孔12可以布置为具有非均匀的横截面形状。

为硬化滚柱10的内表面12a、12b的至少一部分，也就是组成孔12的外周长的表面的至少一部分，在孔的左手边的末端电磁感应线圈14被插入孔12内侧。高频电（约1kHz至400kHz）的电源被用来驱动通过感应线圈14的大的交流电。工作频率和电流穿透深度以及因此的硬度深度之间的关系成反比，也就是频率越低，硬度深度越大。

通过感应线圈14的电流通路产生了非常强烈和变化迅速的磁场，而要被加热的内表面12a、12b的一部分被放置于这个强烈交变的磁场内。涡流在内表面12a、12b的一部分内产生，并且在内表面12a、12b的该部分中电阻导致金属的焦耳热。滚柱10的内表面12a、12b通过感应加热被加热至铁素体/奥氏体转变温度或更高并且优选地被维持在该温度10到40秒。

为选择正确的电源，首先需要计算要被加热的滚柱的表面积。一旦这个被确定，经验计算、经验和/或技巧、例如有限元分析，可以被用来计算所需的功率、加热时间和发电机工作频率。

在图示实施方式中，感应线圈14然后经由孔12的左手边的末端被移除并且淬火设备16、例如淬火喷雾或环，经由孔12的右手边被插入从而将已经被热处理过的内表面12a、12b的至少一部分立即淬火。所述内表面12a、12b的至少一部分可以例如被淬火至室温（20-25℃）或至0℃或更低。所述淬火设备16布置为向被加热的内表面层12a、12b提供基于水、油或聚合物的淬火，因此在所述被加热的内表面层上形成比滚柱10的基底金属更硬的马氏体结构。滚柱10的剩余部分的微观结构本质上保持不受热处理的影响并且它的物理性质将会是被加工的棒料的那些物理性质。应当指出的是，感应线圈14已经从孔12被移除之后，如同感应线圈14一样，淬火设备14可以经由孔12的相同（左手边的）末端被插入。

例如，60-200kW的电源、20-60kHZ的频率、优选地10-30kHz或

15-20kHz、10-40秒的总加热时间，以及分别为200l/min的淬火率和40-70s的淬火时间可以用于获得根据本发明的机械部件。

图2表示当淬火发生时的淬火设备16的位置。图2也表示在淬火步骤期间，一个或更多的附加的外部淬火设备20也可以被放置在滚柱的外侧上。

应当指出的是，滚柱10的外表面10a、10b、10s的至少一部分可以受到表面硬化热处理，例如感应淬火、火焰硬化或其他任何的传统的热处理。

此外，即使在图示实施方式中滚柱10已经被表示出处于水平位置并且感应线圈14和淬火设备16水平地被插入，应当指出的是，滚柱10可以朝向任何位置。例如，感应线圈14和淬火设备16可以从孔12的相同或不同的末端被垂直地插入到滚柱10中。例如，感应线圈14可以通过垂直地降低它到滚柱的孔12中而被插入到滚柱10中并且，当感应线圈14通过垂直地抬升它而被撤回时，淬火设备可以通过垂直地抬升它而被插入到滚柱的孔12中。

图3表示热处理之后的滚柱10的横截面。组成贯穿滚柱的孔12的外周长的滚柱10的内表面材料12a、12b的部分22包括马氏体微观结构，所述马氏体微观结构通过利用位于所述孔12内侧的电磁感应线圈14的感应淬火、接着通过利用位于所述孔12内侧的淬火设备16和可选地一个或多个外部的淬火设备20的立即淬火而制成。

根据本发明的方法导致转变区域的形成在硬度和微观结构上均可视。内表面材料12a、12b的热处理过的部分22可以，也就是在内表面12a、12b处具有在洛氏硬度表上55-75HRC的范围内的硬度，优选地，58-63HRC。从滚柱10的内表面12a、12b的内表面径向向外分别至滚柱的外表面10a、10b测量，硬度增加过的材料22的体积可以例如延伸至内表面以下1到2mm的深度。这样的滚柱10可以被用于在其中内表面12a、12b的一部分经受增加的磨损、疲劳或抗张应力的任何应用。可选地，整个内表面12a、12b可以经受根据本发明的方法，这取决于使用所述滚柱10的应用。

滚柱10的内表面12a、12b可以例如包括布置为与另一个部件的对应螺纹相匹配的螺纹（未示出）。

在权利要求范围内的本发明的其他修改对于技术人员应该是明显的。

Claims (16)

1.一种具有贯穿其中的孔（12）并且具有7mm的最小厚度（T）的机械部件（10），该厚度从组成孔（12）的外周长的内表面（12a，12b）径向向外至所述机械部件（10）的外表面（10a，10b）所测得，其特征在于所述孔（12）的最大横向尺寸（d）为31.75mm或更少并且组成所述孔（12）的外周长的机械部件（10）的内表面（12a，12b）材料的至少一部分（22）包括马氏体微观结构，所述马氏体微观结构通过利用位于所述孔（12）内侧的电磁感应线圈（14）的感应淬火、接着当电磁感应线圈（14）已经从所述孔（12）被移除或当电磁感应线圈（14）从所述孔（12）正在被移除时通过利用位于所述孔（12）内侧的淬火设备（16）立即淬火而制成。

2.根据权利要求1所述的机械部件（10），其特征在于所述内表面（12a，12b）的至少一个部分（22）延伸到所述内表面（12a，12b）以下0.2、0.3、0.4、0.5、0.75、1.0mm的深度。

3.根据权利要求1或2所述的机械部件（10），其特征在于所述孔（12）的最大横向尺寸（d）为5-31.75mm，优选地，10-30mm。

4.根据前述权利要求中任一项所述的机械部件（10），其特征在于从所述内表面（12a，12b）径向向外至所述机械部件（10）的外表面所测得的所述机械部件（10）的最小厚度（T）为10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm或更多。

5.根据前述权利要求中任一项所述的机械部件（10），其特征在于组成孔（12）的外周长的所述内表面（12a，12b）的至少一部分（22）包括螺纹。

6.根据前述权利要求中任一项所述的机械部件（10），其特征在于构成旋转对称的机械部件。

7.根据前述权利要求中任一项所述的机械部件（10），其特征在于它构成滚柱或者用于在其中受到交变赫兹应力的应用的部件，该应用例如滚动接触或滚动与滑动的结合。

8.一种将机械部件（10）的内表面（12a，12b）的至少一个部分（22）表面硬化的方法，所述机械部件具有贯穿其中的最大横向尺寸（d）为31.75mm或更少的孔（12），其中机械部件（10）具有7mm的最小厚度（T），该厚度从组成孔（12）的外周长的内表面（12a，12b）径向向外至所述机械部件（10）的外表面（10a，10b）所测得，其特征在于所述方法包括将电磁感应线圈（14）插入所述孔（12）内、将所述内表面（12a，12b）的至少一部分（22）通过感应加热加热到铁素体/奥氏体转变温度或更高、将所述电磁感应线圈（14）从所述孔（12）移除并且同时地或随后地将淬火设备（16）插入所述孔（12）内以立即淬火所述内表面（12a，12b）的所述至少一部分（22）的步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于它包括将所述电磁感应线圈（14）插入到所述孔（12）的其中一个端部、将所述电磁感应线圈（14）从所述孔（12）经由孔（12）的相同端部移除并且从所述孔（12）的另一端部插入所述淬火设备（16）的步骤。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于它包括在所述机械部件（10）的外侧上还提供至少一个外部淬火设备（22）以立即淬火所述内表面（12a，12b）的至少一部分（22）的步骤。

11.根据权利要求8至10中任何一个所述的方法，其特征在于它包括将所述内表面（12a，12b）的至少一部分（22）加热到所述内表面（12a，12b）以下0.2、0.3、0.4、0.5、0.75、1.0mm的深度的步骤。

12.根据权力要求8至11中的任一项所述的方法，其特征在于所述孔（12）的最大横向尺寸（d）为5-31.75mm，优选地，10-30mm。

13.根据权利要求8至12中的任一项所述的方法，其特征在于从所述内表面（12a，12b）径向向外至所述机械部件（10）的外表面所测得的机械部件（10）的最小厚度（T）为10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm或更多。

14.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，其特征在于组成孔（12）的外周长的所述内表面（12a，12b）的至少一部分（22）包括螺纹。

15.根据权利要求8至14中任一项所述的方法，其特征在于所述机械部件（10）构成旋转对称的机械部件。

16.根据权利要求8至15中任一项所述的方法，其特征在于所述机械部件（10）构成滚柱或者用于在其中受到交变的赫兹应力的应用的部件，该应用例如滚动接触或滚动与滑动的结合。

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