CN103080343A

CN103080343A - 机械部件和用于表面硬化的方法

Info

Publication number: CN103080343A
Application number: CN2011800391476A
Authority: CN
Inventors: M.伯特舍恩
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2013-05-01
Also published as: WO2012002863A1; EP2598662A1; US20130216856A1; JP2013532233A

Abstract

一种具有表面（10a，10b，12a，12b）的机械部件（10），所述表面的至少一部分（18）已经通过感应加热被表面硬化。穿过所述表面（10a，10b，12a，12b）的机械部件（10）的截面展现出在所述表面（10a，10b）处的硬度H_表面和在机械部件（10）的未被硬化的核心（10c）处的硬度H_核心。所述截面的硬度分布展现出第一区域（24）、第三区域（26）和在所述第一区域和第三区域（26）之间的第二区域（25），所述第一区域的硬度基本上等于在所述表面（10a，10b）处的硬度H_表面，所述第三区域的硬度基本上等于在机械部件的未被硬化的核心（10c）处的硬度H_核心。在第一区域中的硬度分布具有平均硬度Y₁，在第三区域中的硬度分布具有平均硬度Y₃。如果在点（方程式）和点（方程式）（其中0<k<2）之间在第二区域（25）中的硬度分布上划线，那么沿线确定的在第二区域（25）中的机械部件的硬度以少于每毫米50HRC减少。

Description

机械部件和用于表面硬化的方法

技术领域

本发明涉及一种机械部件和一种用于将这样的机械部件的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至铁素体/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。

美国专利4949758公开了用于将细长的（8-32英尺，也就是244-975cm）、薄壁的（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，它涉及利用位于内部的电磁感应线圈的渐进的加热、接着用淬火环组件立即淬火来以管子的内表面上产生马氏体层的过程。这个方法被用来获得具有至少58HRC的硬度的表面和基本上未被硬化的核心，并且硬化过的表面和未被硬化的外层核心之间有明显的界线。

但是，将部件的表面表面硬化时，获得在硬化过的表面和部件的未被硬化的核心之间不表现出明显的界线的硬度分布才是有利的。当部件在使用中时，硬化过的表面和未被硬化的核心之间的平滑的界线、也就是其中硬度随着深度稳定地而不是突然地减少的过渡区域，减小或消除了在那个区域中在材料中的任何应力。这样的稳定地减少的硬度分布可以通过将部件的表面渗碳获得。

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，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过的非穿透硬化的机械部件。

这个目的通过这样的机械部件实现，该机械部件具有平的或不平的表面，也就是内表面或外表面，它的至少一部分已经通过感应加热被表面硬化。也就是说，所述表面包括通过利用电磁感应线圈的感应硬化、接着通过利用淬火设备淬火而制成的马氏体微观结构。穿过该表面的机械部件的纵向或横向截面展现出在该表面的硬度H_表面和在机械部件的未被硬化的核心（也就是在机械部件的未被硬化的基底金属中）的硬度H_核心。截面的硬度分布（利用维氏硬度检验或例如任何其他适合的方法所测得）展现出第一区域、第三区域和在所述第一和第三区域之间的第二区域，所述第一区域的硬度基本上等于在所述表面的硬度H_表面，所述第三区域的硬度基本上等于在机械部件的未被硬化的核心的硬度H_核心。在第一区域中的硬度分布具有平均硬度Y₁，在第三区域中的硬度分布具有平均硬度Y₃。如果在点

和点（其中0<k<2并且k是实数）之间在第二区域中的硬度分布上划线，那么沿着所述线所确定的在第二区域中的机械部件的硬度以少于每毫米50HRC减少。

这样的非穿透硬化的机械部件的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，用来制造这样的机械部件的感应硬化热处理比渗碳热处理更加节能和有成本效益，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，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，k是1。

根据本发明的实施方式，k是0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8或1.9。

根据本发明的实施方式，沿所述线确定的在第二区域中的机械部件的硬度以少于每毫米30HRC、少于每毫米25HRC、少于每毫米20HRC、少于每毫米15HRC或少于每毫米10HRC减少。

根据本发明的另一实施方式，在所述表面的硬度H_表面在洛氏硬度表上在55-75HRC之间，优选地在58-63HRC之间。

根据本发明的又一实施方式，在机械部件未被硬化的核心的硬度H_核心在15-30HRC之间。

根据本发明的另一实施方式，第一区域从所述表面延伸至表面以下最多6mm的深度，优选地，至所述表面以下1-4mm的深度，也就是增加了硬度的材料可以延伸至所述表面以下约0.5-6mm的深度，优选地，在所述表面以下1-2mm。

根据本发明的又一实施方式，机械部件可以是条钢、圆柱、杆、活塞、轴或梁。

根据本发明的实施方式，机械部件可以例如被用在汽车、风、海洋、金属生产或其它的要求高耐磨性能和/或增加的疲劳和抗张强度的机械应用中。

根据本发明的实施方式，机械部件具有容许机械部件和其他部件（例如第二部件）之间的相对运动的接触表面。

根据本发明的实施方式，所述接触表面包括已经被硬化过的至少一部分。

根据本发明的实施方式，所述至少一部分基本上相当于接触平面。

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，或机械部件由碳或具有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机械部件的内表面或外表面的至少一部分表面硬化的方法，该方法包括以下步骤：通过感应加热利用电磁感应线圈将表面的至少一部分加热至铁素体/奥氏体转变温度或更高，将所述表面的所述至少一部分维持在那个温度以容许所述表面以下充分的热量传递导致至少一部分的充分奥氏体化，以及将所述表面的所述至少一部分淬火以获得穿过所述表面的机械部件的截面，所述截面展现出在所述表面处的硬度H_表面以及在机械部件的未被硬化的核心（也就是在机械部件的未被硬化的基底金属中）处的的硬度H_核心。截面的硬度分布（例如利用维氏硬度检验所测得）展现出第一区域、第三区域和在所述第一和第三区域之间的第二区域，所述第一区域的硬度基本上等于在所述表面的硬度H_表面，所述第三区域的硬度基本上等于在机械部件的未被硬化的核心的硬度H_核心。在第一区域中的硬度分布具有平均硬度Y₁，在第三区域中的硬度分布具有平均硬度Y₃。如果在点

和点

（其中0<k<2并且k是实数）之间在第二区域中的硬度分布上划线，那么沿该线所确定的在第二区域中的机械部件的硬度以少于每毫米50HRC减少。

在传统的感应淬火中，其中机械部件被快速加热和/或热量被容许传递到部件各处，不稳定、不均一的奥氏体形成。在根据本发明的方法中，热量被容许传递到机械部件各处10秒、20秒、30秒、40秒、50秒或更多时间，从而形成稳定的、均一的奥氏体。因此，“为了容许表面以下充分的热传递导致至少一部分的充分的奥氏体化”的表述指的是在表面的至少一部分中足够形成稳定的、均一的奥氏体的一段时间。通过容许形成均一的奥氏体，过渡区域的形成变得可能/更加容易，其中在过渡区域中硬度随表面以下的深度稳定地而不是突然地减少。

根据所述方法的实施方式，沿所述线确定的第二区域中的机械部件的硬度以少于每毫米30HRC、少于每毫米25HRC、少于每毫米20HRC或少于每毫米15HRC减少。

根据本发明的方法的实施方式，k是1。根据本发明的另一实施方式，k是0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8或1.9。

应当指出的是，本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。感应线圈可以被布置为包围整个机械部件或要被硬化的机械部件的一个或多个部分。

在所述方法的实施方式中，感应线圈从机械部件移除，并且例如淬火喷雾或环的淬火设备被用来将已经被热处理过的表面的至少一部分立即淬火。

在所述方法的另一实施方式中，机械部件从感应线圈移除，并且淬火设备、例如淬火喷雾或环，被用来将已经热处理过的表面的至少一部分立即淬火。

根据所述方法的另一实施方式，第一区域从表面延伸至表面以下最多6mm的深度，优选地，至表面以下1-4mm的深度。

附图说明

通过参照示意附图的非限制的实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，

图3表示根据本发明的实施方式的机械部件的截面，

图4和5表示根据本发明的实施方式的机械部件的硬度分布图，以及

图6表示使用渗碳和感应硬化得到的硬度分布图的对比。

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以剖面图示出由钢制成的厚壁旋转对称的机械部件10，也就是由实心条钢制成的用来作为轴的圆柱体。所述轴10、例如由50CrMo4钢制成并且包括孔12和均匀圆形截面，所述截面在其纵向方向一直延伸穿过部件的中心。轴10具有最小厚度T，该厚度从组成孔12的外周长的内表面12a径向向外至轴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可替代为比如圆锥形的，这样就具有非均匀的截面尺寸。可替代地或附加地，孔12可以布置为具有非均匀截面的形状。

电磁感应线圈14被用来硬化轴10的外表面10a、10b的至少一部分。高频电（约1kHz至400kHz）的电源被用来驱动通过感应线圈14的大交流电。工作频率和电流穿透深度以至硬化深度之间的关系成反比，也就是频率越低，硬化深度越大。

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，而要被加热的外表面10a、10b的一部分被放置于这个强烈交变的磁场内。涡电流在外表面10a、10b的所述部分内产生，并且在外表面10a、10b的所述部分中电阻导致了金属的焦耳热。轴10的外表面10a、10b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。

为了选择正确的电源，首先需要计算要被加热的轴的表面积。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密度、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然后被移除并且淬火设备16、例如淬火喷雾或环，被用来将已经被热处理过的外表面10a、10b的至少一部分立即淬火。所述外表面10a、10b的所述至少一部分可以例如被淬火至室温（20至25℃）或至0℃或更低。所述淬火设备16设置成为被加热的外表面层10a、10b提供基于水、油或聚合物的淬火，在这以后形成比轴10的基底金属更硬的马氏体结构。轴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而形成棒料的那些物理性质。

应当注意的是，根据本发明的机械部件的多个表面可以被表面硬化。例如，机械部件的内表面12a、12b的至少一部分也可以经受根据本发明所述的方法。例如，内表面12a、12b可以被硬化至深度1-2mm，而机械部件10的外表面10a、10b可以被硬化至4-6mm的深度，这取决于机械部件10被使用在其中的应用。

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40-70s的淬火时间和200l/min的淬火率和时间可以用来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。应当指出的是，轴10的外表面10a、10b、10s的至少一部分可替代地经受另一表面硬化热处理，例如感应硬化，火焰硬化或任何其它的传统热处理。

此外，尽管在图示实施方式中轴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，应当注意的是，轴10可以朝向任何位置。例如，感应线圈14和淬火设备16可以从滚柱10的相同或不同的端部被垂直地移动到位。例如，感应线圈14可以通过垂直地降低到位以及当感应线圈14通过垂直地抬升它而被撤回时淬火设备被垂直地抬升。

图3表示热处理之后的轴10的纵向截面。所述轴10的外表面材料10a、10b的一部分18包括马氏体微观结构，所述马氏体微观结构通过利用电磁感应线圈14的感应淬火、接着通过利用淬火设备16立即淬火而制成。

根据本发明的方法导致过渡区域的形成在硬度和微观结构上均可视。外表面材料10a、10b的热处理过的部分18可以，也就是具有在洛氏硬度表上55-75HRC的范围内的硬度，优选地59-63HRC。硬度增加的材料18可以例如延伸至最多6mm的深度，优选地在外表面10a、10b以下1-4mm，该深度从轴10的外表面10a、10b的外表面径向向下分别朝向轴的内表面12a、12b所测得。这样的轴10可以被用于任何在其中外表面10a、10b的一部分受到增加的磨损、疲劳或抗张应力的应用。可替代地，整个外表面10a、10b可以经受根据本发明所述方法，这取决于轴10被使用在其中的应用。

轴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匹配的螺纹（未示出）。

图4表示根据本发明的实施方式的机械部件的纵向截面的硬度分布22，该分布是如图3中所示在箭头20的方向径向穿过被表面硬化的区域18所测得的。硬度分布22展示出第一区域24，它的硬度基本上等于在机械部件10的外表面10a、10b处的硬度H_表面，在55-75HRC之间，优选地例如在58-63之间。硬度分布图22也包括第三区域26，它的硬度基本上等于在机械部件10的未被硬化的核心10c处的硬度H_核心，例如在15-30HRC之间。硬度分布图22还包括在第一区域24和第三区域26之间的第二区域25，其中硬度分布展现出在第一区域24和第三区域26的硬度之间的平滑过渡，也就是硬度分布展现出其中硬度随表面以下的深度稳定地而不是突然地减少的过渡区域。在第一区域24中的硬度分布具有平均硬度Y₁，在第三区域26中的硬度分布具有平均硬度Y₃，并且如果在点和点

（其中0<k<2）之间在第二区域25中的硬度分布上划线，那么沿着所述线确定的在第二区域中的机械部件的硬度以少于每毫米50HRC减少。

应当注意的是，如果轴10的内表面12a、12b受到根据本发明所述的方法，虽然它的硬度值可以被选择为与轴10的外表面10a、10b的硬度值不同，可是它也将具有相似形状的硬度分布。第一区域24的深度和第二区域25的深度可以根据机械部件10被使用在其中的应用来选择。

在图4中的虚线表示硬度分布30，该硬度分布在机械部件10的外表面10a、10b的硬度H_表面和机械部件10的未被硬化的核心10c的硬度H_核心之间具有明显的界线，其中硬度以多于每毫米50HRC减少。

图5表示利用根据本发明所述的方法获得的并且从所测得的硬度值确定的（利用维氏硬度检测或任何其他合适的方法所测得的）硬度分布22。为了获得在机械部件10的外表面10a、10b处的硬度H_表面，所述值可以被推断为深度0mm。在图示实施方式中，在机械部件10的表面以下6-8mm深度的机械部件10的硬度可以被认为是在机械部件10的未被硬化的核心10c处的硬度H_核心。

图6表示使用渗碳获得的硬度分布24、使用传统感应硬化获得的硬度分布26和使用根据本发明的方法获得的硬度分布22之间的比较。如图4所示，可以看出，由传统的感应硬化产生的硬度分布26在对应于第二区域25的过渡区域中突然减少。也可以看出，使用根据本发明的方法获得的硬度分布22随着深度减少得更加稳定。

在权利要求范围内的本发明的其他修改对于技术人员该是明显的。例如，机械部件可以相对于固定感应线圈和/或淬火设备被移动到位，而不是相对于固定的机械部件将感应线圈和/或淬火设备移动到位。

Claims

1.一种具有表面（10a，10b，12a，12b）的机械部件（10），其特征在于所述表面（10a，10b，12a，12b）的至少一部分（18）已经通过感应加热被表面硬化，其中穿过所述表面（10a，10b，12a，12b）的机械部件（10）的截面展现出在所述表面（10a，10b）处的硬度H_表面和在机械部件（10）的未被硬化的核心（10c）处的硬度H_核心，其中所述截面的硬度分布展现出第一区域（24）、第三区域（26）和在所述第一区域和第三区域（26）之间的第二区域（25），所述第一区域的硬度基本上等于在所述表面（10a，10b）处的硬度H_表面，所述第三区域的硬度基本上等于在机械部件的未被硬化的核心（10c）处的硬度H_核心，其中在第一区域中的硬度分布具有平均硬度Y₁，在第三区域中的硬度分布具有平均硬度Y₃，并且如果在点

和点

（其中0<k<2）之间在第二区域（25）中的硬度分布上划线，那么沿着所述线所确定的在第二区域（25）中的机械部件的硬度以少于每毫米50HRC减少。

2.根据权利要求1所述的机械部件（10），其特征在于沿所述线确定的在所述第二区域（25）中的机械部件（10）的硬度以少于每毫米30HRC、少于每毫米25HRC、少于每毫米20HRC、或少于每毫米15HRC减少。

3.根据权利要求1或2所述的机械部件（10），其特征在于在所述表面（10a，10b，12a，12b）的硬度H_表面在55-75HRC之间，优选地在58-63HRC之间。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的机械部件（10），其特征在于在机械部件（10）的未被硬化的核心（10）处的硬度H_核心在15-30HRC之间。

5.根据权利要求4所述的机械部件（10），其特征在于所述第一区域（24）从表面（10a，10b，12a，12b）延伸至所述表面（10a，10b，12a，12b）以下最多6mm的深度，优选地延伸至所述表面（10a，10b，12a，12b）以下1-4mm的深度。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的机械部件（10），其特征在于它构成条钢、圆柱、杆、活塞、轴或梁。

7.一种用于将机械部件（10）的表面（10a，10b，12a，12b）的至少一部分（18）表面硬化（10a，10b，12a，12b）的方法，其特征在于它包括以下步骤：通过感应加热利用电磁感应线圈（14）将表面（10a，10b，12a，12b）的所述至少一部分（18）加热至铁素体/奥氏体转变温度或更高，将所述表面的至少一部分（18）维持在那个温度以容许所述表面（10a，10b，12a，12b）以下充分的热量传递导致所述至少一部分（18）的充分的奥氏体化，以及将表面（10a，10b，12a，12b）的所述至少一部分（18）淬火以获得穿过表面（10a，10b，12a，12b）的机械部件（10）的截面，所述截面展现出在所述表面（10a，10b，12a，12b）处的硬度H_表面和在机械部件（10）的未被硬化的核心（10c）处的硬度H_核心，其中所述截面的硬度分布展现出第一区域（24）、第三区域（26）和在所述第一区域和第三区域（26）之间的第二区域（25），所述第一区域的硬度基本上等于在所述表面（10a，10b）处的硬度H_表面，所述第三区域的硬度基本上等于在机械部件（10）的未被硬化的核心（10c）处的硬度H_核心，其中在第一区域中的硬度分布具有平均硬度Y₁，在第三区域中的硬度分布具有平均硬度Y₃，并且如果在点

和点

（其中0<k<2）之间在第二区域（25）中的硬度分布上划线，那么沿该线所确定的在第二区域（25）中的机械部件的硬度以少于每毫米50HRC减少。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于它包括以下步骤：通过感应加热得用电磁感应线圈（14）将表面（10a，10b，12a，12b）的所述至少一部分（18）加热至铁素体/奥氏体转变温度或更高，将所述内表面的至少一部分（18）维持在那个温度以容许表面（10a，10b，12a，12b）以下充分的热量传递导致所述至少一部分（18）的充分的奥氏体化，以及将表面（10a，10b，12a，12b）的所述至少一部分（18）淬火以获得穿过表面（10a，10b，12a，12b）的机械部件（10）的截面，所述截面展现出在所述表面（10a，10b，12a，12b）处的硬度H_表面和在机械部件（10）的未被硬化的核心（10c）处的硬度H_核心，其中沿所述线所确定的在所述第二区域（25）中的机械部件（10）的硬度以少于每毫米30HRC、少于每毫米25HRC、少于每毫米20HRC或少于每毫米15HRC减少。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于它包括将内表面的所述至少一部分（18）维持在所述温度至少10秒、20秒、30秒、40秒、50秒或更多的步骤。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于所述截面的硬度分布（22）其展现出第一区域（24）、第三区域（26）和在第一区域和第三区域（26）之间的第二区域（25），所述第一区域的硬度基本上等于在所述表面（10a，10b，12a，12b）处的硬度H_{表面（10a，10b，12a，12b）}，所述第三区域的硬度基本上等于在机械部件（10）的未被硬化的核心（10c）处的硬度H_{核心（10c）}，在所述第二区域中硬度分布展现出在所述第一区域和第三区域（26）的硬度之间的平滑过渡。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于所述第一区域（24）从表面（10a，10b，12a，12b）延伸至所述表面（10a，10b，12a，12b）以下最多6mm的深度，优选地延伸至所述表面（10a，10b，12a，12b）以下2-4mm的深度。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的方法，其特征在于机械部件（10）构成条钢、圆柱、杆、活塞、轴或梁。