CN106987686B - 钢构件的淬火方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供钢构件的淬火方法，该淬火方法能够缩短一系列的淬火工序的热处理周期，且淬火后的热处理变形小。该钢构件的淬火方法为，用石墨覆盖进行淬火加热之前的钢构件的表面的一部分或全部，进行这样的覆盖处理之后，在具有发热体的加热炉内，将该覆盖处理后的钢构件加热到淬火温度，然后冷却。优选为，向上述淬火温度的加热过程中的至少一段时间的加热在真空或减压气氛中进行。上述覆盖处理可以在对钢构件的表面覆盖防渗碳剂或防脱碳剂之后进行。

Description

钢构件的淬火方法

本申请是申请日为2013年7月24日、申请号为201310314249.5、发明名称为钢构件的淬火方法的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种钢构件的淬火方法。

背景技术

对各种钢制件及以模具、工具为代表的钢制品等这样的钢构件进行淬火处理，淬火处理是将该钢构件加热到奥氏体组织的状态后、进行冷却的处理。并且，对于加热钢构件到淬火温度时的手段，利用以下方式：以导入到炉内的气氛气体为介质，向钢构件传递热量的对流加热；从各种射线源(发热体)向钢构件辐射红外线，通过电磁波加热的红外线加热(专利文献1～4)。

对流加热的情况具有以下优点：例如能通过加压气氛气体提高加热效率，缩短加热所需时间。另一方面，根据加热炉内的位置的不同，对流的气体的压力、方向在钢构件的表面的每个部位是不同的，在钢构件的各部位有产生温度不均匀(加热不均匀)的情况。另外，根据钢构件的形状，在其厚的部分与薄的部分之间有产生加热不均匀的情况。并且，当该加热不均匀明显时，在淬火冷却时钢构件会产生热处理变形。

红外线加热的情况下，因为不用向加热炉内导入气体就可以加热，所以也可以在真空中(包括在减压气氛下的情况)加热，这种情况有利于抑制钢构件的表面氧化等。

专利文献1日本特开2006-342377号公报

专利文献2日本特开平10-080746号公报

专利文献3日本特开平08-067909号公报

专利文献4日本特开昭61-253320号公报

在钢构件的淬火处理中，加热时的方法使用红外线加热有很多优点。但是，即使是一般被认为加热效率好的红外线加热，在具有发热体的加热炉内加热钢构件的情况下，得不到与其作用相符的加热效率，加热速度慢。特别是，作为射线源的发热体在升温之前(一般是到600℃左右之前)，从射线源辐射的红外线量少，该期间的加热速度就慢。

另外，红外线加热的情况下，因为利用的红外线具有方向性，所以根据在加热炉内的位置的不同，钢构件的与射线源相对的表面的角度不同，因此钢构件吸收的能量在表面的不同部位是不同的。其结果与对流加热的情况一样，有在钢构件的各部位产生加热不均匀的情况。并且，在加热模具等复杂形状的钢构件时，有时因为其形状导致厚的部分的温度、表面的凹部的温度低而产生加热不均匀。如上所述，该加热不均匀导致淬火冷却时的热处理变形。

此外，在钢构件的淬火处理中，被加热至淬火温度的钢构件接下来被冷却。并且，这时的冷却方法与上述的加热方法的种类无关，通常，或吹拂加压后的冷却气体来实施冷却，或浸入水、油、各种聚合物、盐等淬火剂中来实施冷却，或使用流动槽(日文：流動槽)来实施冷却。其中，使用冷却气体的方法具有提高速度的效果，根据与冷却气体接触方式的不同，在钢构件的各部位有产生冷却程度不同(冷却不均匀)的情况。另外，由于在钢构件的厚的部分、表面的凹部部分冷却速度慢，因此这也是冷却不均匀的主要原因。对此，即使利用能够比较均匀地对钢构件的表面进行冷却的浸入淬火剂的方法、采用流动槽的方法，也是同样的。并且，当冷却不均匀明显时，在冷却后的钢构件产生大的热处理变形。

发明内容

本发明的目的是提供一种钢构件的淬火方法，该淬火方法能够缩短一系列的淬火工序的热处理周期(日文：ヒートサイクル時間)，且淬火后的热处理变形小。

大部分用于淬火的钢构件的表面经机械加工等被精加工成具有金属光泽的表面。因此，表面的红外线辐射率低，不能充分利用红外线加热的作用。因此，关于用于提高该红外线辐射率的方法，本发明人作了研究。其结果是，找到了最合适的用于提高该红外线辐射率的方法，从而不仅能够提高淬火时的加热速度及冷却速度，并且也能够抑制由钢构件的厚的部分、凹部等形状引起的上述加热不均匀及冷却不均匀所导致的热处理变形，从而实现本发明。

也就是，本发明是一种钢构件的淬火方法，其特征在于，用石墨覆盖进行淬火加热之前的钢构件的表面的一部分或全部，进行这样的覆盖处理之后，在具有发热体的加热炉内，将该覆盖处理后的钢构件加热到淬火温度，然后冷却。并且，优选的是，向上述淬火温度的加热过程中的至少一段时间的加热在真空或减压气氛中进行。

在本发明中，上述覆盖处理可以在对钢构件的表面覆盖防渗碳剂或防脱碳剂之后进行。

根据本发明，通过简单的方法，能够缩短加热到淬火温度的加热时间。并且，能够减少在钢构件中产生的加热不均匀。并且，在接下来的淬火冷却中，也能够缩短冷却时间，且也能够减少冷却不均匀。这样，作为能够缩短一系列的淬火工序的热处理周期且能够缩小淬火后的热处理变形的实用方法是有用的。

附图说明

图1是表示在本发明例及比较例的淬火方法中、炉内温度及钢构件的中心部的温度随着加热过程中的加热时间的变化的图。

图2是表示在本发明例及比较例的淬火方法中、炉内温度及钢构件的中心部的温度随着冷却过程中的冷却时间的变化的图。

具体实施方式

本发明的特征是，通过简便的方法对淬火加热前的钢构件的表面进行预处理，从而即使对电阻加热炉等现有技术的红外线加热炉不作改变，也能够使加热过程中的钢构件整体均匀且短时间地达到淬火温度。并且，通过上述处理，在使用各种方法的淬火冷却的过程中，都能够使钢构件整体均匀且在短时间内冷却。以下，说明本发明的各技术特征。

(1)进行覆盖处理，即用石墨覆盖进行淬火加热之前的钢构件的表面的一部分或全部。

在红外线加热的情况下，其加热效率受被加热对象物的表面状态很大影响。并且，当被加热对象物的表面的红外线辐射率低时，相对从射线源辐射的红外线能量，加热对象物所吸收的能量少，达到加热温度所需时间长。所谓红外线辐射率是指，是以能够吸收从射线源辐射的全部红外线能量的“绝对黑体”作为基准而能够评价实际的被加热对象的“加热容易度”的指标，表示为将绝对黑体的红外线吸收量设为1时的与绝对黑体的红外线吸收量之比(小于1)。于是，若淬火的钢构件的表面例如像模具等制品那样具有金属光泽，则这时的红外线辐射率为0.05～0.3左右，较低，红外线的加热效率差。因此，在实际中，具有金属光泽表面的钢构件的淬火加热应用了通过导入加压后气氛气体进行的对流加热。并且，在该对流加热时也一起使用红外线加热的作用，但是此时的红外线加热是少量的。

因此，本发明人研究了提高钢构件的表面的红外线辐射率的方法。结果发现，如果在钢构件的表面覆盖能够吸收辐射热的物质，则能够有效提高该部分的红外线辐射率。并且，在上述能够吸收辐射热的物质中，石墨为其本身的红外线辐射率非常高的物质。这样，本发明人发现，如果在钢构件的表面覆盖石墨，则即使其是少量的覆盖量，也具有提高钢构件的表面的红外线辐射率的效果。因此，本发明中进行覆盖处理，即用石墨覆盖进行淬火加热之前的钢构件的表面的一部分或全部。

各种构件的表面的红外线辐射率除了受构成该构件本身的物质的种类的影响之外，也受其表面粗糙度的影响。并且，在钢构件的情况下，其表面一般经磨削、研磨等各种机械加工而被精加工成具有各种表面粗糙度的金属光泽表面。在本发明中，即使在这样的情况下，通过用作为红外线辐射率比该表面高的物质的石墨覆盖进行淬火加热之前的钢构件的具有金属光泽的表面，这样可以提高钢构件的表面的红外线辐射率。并且，从作为射线源的发热体升温之前(红外线的辐射量充分增加之前)的加热初期起能够得到充分地缩短加热时间的效果。

本发明的上述覆盖处理可以在钢构件的整个表面上进行，也可以仅在想要提高红外线辐射率的部位等、根据需要局部进行。一般来说，钢构件的厚的部分、表面的凹部部分相比其他的部位而言加热时的升温速度慢。其结果，若相对于目标的淬火温度，在各部位之间产生加热不均匀，则这也可能成为淬火冷却时的热处理变形的主要原因。另外，上述加热时升温速度慢的部位在冷却时的降温速度也慢。这样，也成为冷却时的发生冷却不均匀的主要原因，有可能助长热处理变形。在这样的情况下，通过仅对上述加热及冷却慢的部分进行覆盖处理，能够减轻加热不均匀及冷却不均匀，将钢构件的整体加热、冷却至均匀的温度。

关于石墨的覆盖方法，只要是能够在钢构件的表面粘附石墨的方法，则不限定其种类。并且，也可以涂布、喷涂含有石墨的溶剂。在这时的溶剂中例如可以利用石墨系防反射剂、石墨系润滑剂。另外，关于石墨的覆盖量，只要在覆盖有石墨的表面部分达到所期望的红外线辐射率(例如，如果达到后述的0.5以上的红外线辐射率)，则不限定覆盖量。如上所述，石墨为其本身的红外线辐射率非常高的物质，因此即使是少量的覆盖量也有提高红外线辐射率的效果。并且，在本发明中，特别是在作为淬火对象的钢构件具有金属光泽的表面的情况下，上述覆盖处理能够发挥效果。

并且，上述覆盖处理优选为，以覆盖有石墨的表面部分在200℃时的红外线辐射率为0.5以上的方式覆盖石墨。关于在覆盖有石墨的钢构件的表面能够取得充分的缩短加热时间的效果时的红外线辐射率的值，本发明人还作了调查。这时，所谓加热时间的缩短效果，是指到作为通常的淬火温度的1000℃左右的加热速度快。这样，本发明人发现，该效果的程度可以用加热钢构件到200℃时测量的红外线辐射率作为指标来评价。并且，调查的结果是：本发明人发现，对于提高上述加热速度而言优选在向钢构件的表面覆盖石墨时，以使钢构件的覆盖后的表面部分的红外线辐射率的值在加热到200℃时为0.5以上的方式进行覆盖。进一步优选为，以上述红外线辐射率的值为0.6以上的方式覆盖。

对于0.5以上的上述红外线辐射率的值，例如，能够通过在钢构件的具有金属光泽的表面，以没有色斑(阴影)的均匀的方式覆盖石墨至一定程度的厚度，来进行调整。这时，以含有石墨的溶剂的状态涂布、喷涂用于覆盖的石墨能有效达到上述没有色斑(阴影)的均匀的覆盖。

(2)将进行完上述覆盖处理后的钢构件在具有发热体的加热炉内加热到淬火温度。

本发明中的将上述钢构件加热到淬火温度的加热可以按照通常的方法进行。这时使用的加热炉只要为具有金属发热体、碳化硅发热体等各种发热体的通常的用于淬火加热的加热炉即可。并且，例如，在发热体升温之前(红外线加热的作用提高之前)的期间，为了进一步确保加热效率等，也可以向炉内导入气氛气体等。在这种情况下，在对钢构件的加热中，对流加热发挥较大的作用，红外线加热也产生作用。于是，如果是本发明的在表面进行了覆盖石墨的覆盖处理的钢构件的情况，则由于从作为射线源的发热体的温度低的时候开始就可以最大限度利用此时的红外线加热的作用，因此，对于一系列热处理所需的热处理周期的缩短是有利的。

另一方面，通常，在具有金属光泽表面的钢构件的加热中，为了防止表面在此时产生氧化皮、脱碳等，该加热的主流是在真空中或减压气氛中进行。在这种情况下，由于没有积极地向炉内导入气氛气体，钢构件的加热仅靠红外线加热的作用。于是，如果是本发明的钢构件，即使只利用红外线加热，也能够高效率加热，因此加热炉中可以为真空或减压气氛，有利于防止加热中的钢构件的表面氧化、脱碳。因此，在本发明的情况下，优选向上述淬火温度的加热过程中的至少一段时间的加热在真空或减压气氛中进行。并且，优选的是，即使按上述方法等，在加热的初期向炉内导入气氛气体的情况下，也在发热体升温之后(例如，炉内温度达到500～900℃之后)将炉内变为真空或减压气氛。

(3)冷却已加热到上述淬火温度的钢构件。

本发明的钢构件的淬火方法对淬火冷却时的冷却不均匀的抑制也有效果。也就是，红外线辐射率高的物体的表面容易加热且容易冷却。于是，如果是本发明的进行了覆盖石墨的覆盖处理的钢构件的表面，则加热时能迅速升温且冷却时能迅速降温，因此能够均匀地冷却钢构件的整体。并且，加热时的升温速度慢的部分也是冷却时的降温速度慢的部分(即，钢构件的厚的部分、表面的凹部部分)，因此，对于为了减轻加热不均匀而仅在上述的部分进行了本发明的覆盖处理，结果还能够减轻冷却不均匀，能够均匀地冷却钢构件的整体。并且，该结果能够抑制冷却后的钢构件发生的热处理变形。

(4)优选为，上述的覆盖处理在钢构件的表面覆盖防渗碳剂或防脱碳剂之后进行。

对于本发明的覆盖处理，例如在钢构件的表面覆盖了石墨的情况下，从加热到冷却的工序，该被覆盖的表面可能会由于石墨而发生渗碳。这里，通过在覆盖处理之前的钢构件的表面覆盖防渗碳剂，能够预防渗碳。但是，覆盖防渗碳剂的表面不限于接下来要进行本发明的覆盖处理的部分，也可以在想要预防渗碳的表面覆盖防渗碳剂。作为防渗碳剂可以使用在以往热处理中使用的、或者公知的各种防渗碳剂。

另外，若加热炉中为氧化气氛，则钢构件的表面可能会脱碳。这时，在覆盖处理之前的钢构件的表面覆盖防脱碳剂是有效果的。但是，覆盖防脱碳剂的表面不限于接下来要进行本发明的覆盖处理的部分，也可以在想预防脱碳的表面覆盖防脱碳剂。作为防脱碳剂可以使用在过去热处理中使用的、或者公知的各种防脱碳剂。

实施例

准备JIS标准的SKD61的热加工工具钢的150mm³的块构件。然后，通过铣削加工将其所有面加工成具有金属光泽，作为用于淬火的钢构件。接下来，对这些钢构件的表面的一部分或全部，以目视检查不到色斑的程度均匀地喷涂含有石墨的微细粉末的公知的激光加工用防反射剂(产品名：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会社])，从而进行了涂布，进行了覆盖处理。覆盖条件如表1所示，有以下两种条件：对块构件的所有面进行涂布(No.1)；留下相对的两个面，在剩下的四个侧面的中央部以圆形形状(半径为75mm)进行涂布(No.2)。

接下来，对钢构件的上述进行了覆盖处理的表面和没有进行覆盖处理而仍然带有金属光泽的表面测量了在200℃时的红外线辐射率。首先用电加热器加热要测量的表面，用接触式温度计和辐射温度计(产品名：T425(检测波长范围7.5um～13um)[フリアーシステムズ公司])两种温度计来测量了此时的表面温度。然后，以在接触式温度计测得的表面温度达到200℃时辐射温度计表示的温度也为200℃的方式调节辐射温度计的设定辐射率，此时的辐射率为该表面为200℃时的红外线辐射率。并且，测量的结果是，钢构件的进行了覆盖处理的表面的红外线辐射率为0.62，而带有金属光泽的表面为0.25。

然后，将进行了上述覆盖处理的钢构件No.1、No.2和没有进行任何覆盖处理的金属光泽表面的钢构件No.3一起放入到具有发热体的加热炉内，进行了向淬火温度的加热、加热后的冷却。这时，在钢构件的中心部插入有热电偶，以能够测量中心部的温度。加热炉能够调节炉内气氛、压力，也具有在加热后通过吹拂冷却气体来进行冷却的冷却功能。

加热的顺序为，首先使炉内暂且为真空，之后，导入氮气，在加压至200kPa的氮气中实施了加热。然后，当炉内温度到达800℃时，暂且维持该炉内温度，在钢构件的中心部的温度到达800℃时停止导入氮气。然后，使炉内减压，在减压到70Pa左右的条件下实施了加热，直到使炉内温度达到1020℃。在图1中表示这时炉内温度(炉温)及钢构件的中心部的温度随加热时间的变化。然后，在炉内温度达到1020℃之后，测量了钢构件的中心部的温度达到1010℃所需的时间(加热时的延迟时间)。

接下来，冷却的顺序为，将炉内温度保持在1020℃的状态之后，导入氮气，首先对钢构件的整周吹拂已加压至200kPa的氮气15分钟。然后，紧接着，升高氮气的压力到400kPa来进行冷却。此时炉内温度(炉温)及钢构件的中心部的温度随冷却时间的变化如图2所示。然后，测量了从冷却开始到钢构件的中心部的温度达到520℃所需的时间(半冷却时间)，并测量了在冷却完成之后的钢构件产生的热处理变形量(将直尺放于钢构件的表面的最大对角线上时能测量到的钢构件的表面与直尺之间的间隙量)。

表1

钢构件的表面的一部分或全部进行了覆盖处理的No.1、No.2与表面没有进行覆盖处理的No.3相比，进行了覆盖处理的部分的红外线辐射率高。并且，在加热时，No.1、No.2的钢构件从加热的初期开始升温速度快(图1)，而被认为升温速度慢的中心部达到淬火温度所需的时间比No.3大大缩短了。另外，在冷却时，一般需要急速冷却的高温区域的冷却时间也缩短了。并且，在No.1、No.2中，钢构件的整个表面都进行了覆盖处理的No.1对热处理周期的缩短特别具有效果。并且，在No.1、No.2的钢构件中，其冷却后的热处理变形量也抑制得较小，与No.3相比得到了改善。

另外，对整个表面都进行了覆盖处理的No.1与对表面的一部分(留下相对的两个面而在剩下的四个侧面的中央部以圆形状(半径75mm)进行了涂布)进行了覆盖处理的No.2相比较，No.2能够将热处理变形量抑制得更小。对于块状的钢构件的情况，角部的加热时的升温速度(冷却时的降温速度)比其他部分的加热时的升温速度(冷却时的降温速度)快。因此，避开该角部，对加热时的升温速度(冷却时的降温速度)慢的部分进行覆盖处理，能够进一步抑制由于钢构件的局部的加热时的升温速度(冷却时的降温速度)的不同导致的热处理变形。

Claims (4)

1.一种钢构件的淬火方法，其特征在于，

该钢构件为模具，

用石墨覆盖进行淬火加热之前的钢构件的表面的一部分或全部，进行这样的覆盖处理之后，将该覆盖处理后的钢构件的整体放入到具有发热体的加热炉内而加热到淬火温度，在向上述淬火温度的加热过程中，向炉内导入气氛气体，在炉内温度达到500～900℃时停止上述气氛气体的导入，之后，在真空或减压气氛中进行加热，并在该加热后在加热炉内进行冷却，上述覆盖处理是以覆盖有石墨的表面部分在200℃时的红外线辐射率为0.5以上的方式覆盖石墨。

2.根据权利要求1所述的钢构件的淬火方法，其特征在于，

在加热初期向加热炉内导入气氛气体。

3.根据权利要求1所述的钢构件的淬火方法，其特征在于，

通过向加热炉内吹入冷却气体进行冷却。

4.根据权利要求1所述的钢构件的淬火方法，其特征在于，

上述覆盖处理在对钢构件的表面覆盖防渗碳剂或防脱碳剂之后进行。