CN108350516A - 气体淬火方法 - Google Patents

Abstract

本发明的气体淬火方法包含：第1阶段(t1～t2)，通过冷却用气体的强制循环对工件进行骤冷；第2阶段(t2～t3)，将冷却用气体的循环停止且将炉内减压而进行隔热；以及第3阶段(t3及其以后)，通过冷却用气体再次对工件进行冷却。在第2阶段中，工件被维持为比马氏体相变开始温度高的中间的温度，在此期间，工件各部分均热化。因此，能够实现均匀的淬火，能够抑制由冷却速度的差异引起的应变。

Description

气体淬火方法

技术领域

本发明涉及一种作为钢的淬火而在对工件进行加热之后使用冷却用气体进行冷却的气体淬火方法。

背景技术

钢的淬火是在将钢设为高温状态之后进行骤冷而得到马氏体组织的热处理技术。当前，对于进行较大部件的淬火而言，大多采用将冷却性较高的油、水或者聚合物溶液等液体作为冷却剂，进行加热后的冷却的液体淬火方法。但是，在该液体淬火中，淬火中不均匀地产生沸腾，其结果，冷却速度变得不均匀，品质不稳定。另外，在淬火后需要将冷却剂去除的清洗工序，通过清洗产生的废水的处理也成为较大的问题。

根据上述观点，近年来，如下气体淬火方法备受关注，即，使用氮气等非活性气体作为冷却剂，例如使冷却用气体在排列于炉内的工件的周围流过，从而进行工件的骤冷即淬火。

此外，在非专利文献1中公开了，作为气体淬火方法的一种，通过使用300℃左右的高温热气，从而以在冷却的中途保持为一定时间等温的方式进行的等温淬火(也称为多阶段淬火)。在该淬火中，利用工厂排热等而预先将冷却用气体预热至300℃左右，使该热气在收容有加热至1000℃左右的工件的气体炉中循环，从而对工件进行冷却，且将工件等温处理为与热气的温度平衡的300℃前后的温度。而且，在温度平衡后，切换为从冷却器通过而成为低温的冷却用气体的循环，从而对工件进行冷却，完成淬火。

在非专利文献1中记载了，通过进行上述多阶段淬火，从而与通常的连续淬火相比，降低工件产生的应变。

然而，如非专利文献1那样，在使用温度不同的多个气体而实现多阶段淬火的现有的方法中，对于气体炉，需要气体加热用的热交换器、气体冷却用的冷却器、以及流路的切换的阻尼器等，设备复杂化。

另外，通过热气的温度与工件的温度的平衡而实现等温化，因此，工件的温度收敛于作为目标的等温处理温度为止花费时间，淬火处理整体的循环时间变长。

非专利文献1：浜边晃弘，“ホットガスを利用した真空焼入れ及び浸炭マルクエンチ処理について”，Jaurnal of the Vacuum Society of Japan，一般社団法人日本真空学会，2010年，第53卷，第1号，p.49-52

发明内容

本发明是一种气体淬火方法，其对由钢构成的工件进行加热，在炉内使冷却用气体沿工件周围流过，从而对工件进行冷却而淬火，

在该气体淬火方法中，

在工件达到马氏体相变开始温度之前的淬火的中途，将冷却用气体的供给停止，

将炉内设为减压状态，将工件温度维持为比马氏体相变开始温度高的中间的温度，且通过辐射冷却使工件各部分均热化，

在工件各部分均热化之后，重新开始冷却用气体的供给，以从马氏体相变开始温度通过的方式进行淬火。

即，在本发明的淬火方法中，在使用了冷却用气体的淬火的中途，将冷却用气体的供给停止，且对炉内进行减压，从而抑制工件的冷却速度。特别是，通过炉内的减压，基于对流的冷却作用迅速地得到抑制，实质上仅进行辐射冷却。换言之，通过减压炉内成为隔热的状态，工件暂时维持为中间的温度。此时，在工件中热量从温度相对高的部位向温度相对低的部位移动，工件各部分均热化。因此，在进行通过随后的冷却用气体的供给实现的冷却时，工件的各部分大致同时且以同样的温度梯度从马氏体相变开始温度通过，更均匀地进行淬火。

根据本发明，能够不需要温度不同的多个气体而实现多阶段淬火，通过工件各部分的均热化，伴随淬火的工件的应变减少。另外，与使用热气的现有的方法相比，能够在短时间进行直至中间的温度为止的冷却以及均热化处理，淬火处理整体的循环时间变短。

附图说明

图1是本发明的气体淬火方法中使用的气体淬火炉的结构说明图。

图2是表示一个实施例的气体淬火方法的工序的说明图。

图3是表示工件的一个例子的斜视图。

图4是成为工件的下连杆整体的斜视图。

图5是表示通过实施例和对比例对伴随淬火的应变量进行比较的特性图。

具体实施方式

下面，对本发明的一个实施例进行详细说明。

图1示出本发明的气体淬火方法中使用的气体淬火炉1的一个例子。该气体淬火炉1是从前方观察时呈沿上下细长的椭圆形的纵向型的炉，在上部设置有风扇2，该风扇2在气体淬火炉1内使冷却用气体循环且对该冷却用气体进行搅拌。在下部配置有1层或多层托盘3，该托盘3排列有多个成为淬火处理的对象的后述工件。该托盘3构成为具有多个开口部的网格状，以使得由风扇2输送的冷却用气体的气流(在图中以箭头G示出)从该托盘3贯穿而能够沿上方方向流过。此外，该托盘3经由未图示的门而相对于炉内进行取出放入。

气体淬火炉1在外部具备减压泵4，该减压泵4具有承受规定的减压状态的密闭构造，且用于对炉内部进行减压。该减压泵4经由减压通路5与炉内的空间连接，减压通路5具备由电磁阀等构成的开闭阀6。

另外，气体淬火炉1具备：气体导入通路7，其用于将由例如氮气、或者氢气、氦气、氩气等构成的冷却用气体导入到炉内；以及气体排出通路9，其用于将冷却用气体从炉内排出。气体导入通路7具备由电磁阀等构成的开闭阀8，气体排出通路9同样具备由电磁阀等构成的开闭阀10。

图2示出使用了上述气体淬火炉1的本发明的气体淬火方法的一个实施例。该实施例中使用的工件是例如将SCr420的铬钢作为母材，在机械加工成规定的形状之后，预先通过气体渗碳对表面进行了渗碳处理的工件。渗碳处理中的表面的目标碳浓度是0.6％，因此，工件表面的材料成为与SCr460相当的材料。渗碳处理在其他炉进行，在从渗碳处理温度缓冷之后，为了淬火而在再加热至1050℃的状态下连同托盘3一起送入至气体淬火炉1内部。

在将气体淬火炉1的未图示的门密闭之后，经由气体导入通路7将冷却用气体导入至气体淬火炉1内，在充满冷却用气体之后将开闭阀8等关闭，将气体淬火炉1内部设为密闭状态。并且，对风扇2进行驱动，进行通过冷却用气体的强制循环实施的工件的冷却。作为冷却用气体，例如使用温度调整为40℃的氮气。

图2分别示出(a)工件的温度变化、(b)气体冷却即风扇2的ON/OFF状态、(c)炉内的减压即减压泵4的ON/OFF状态，但从时刻t1进行通过冷却用气体的强制循环实现的工件的骤冷。由此，工件的温度相对急剧地降低。此外，在图2的(a)中，一并示出伴随冷却而在马氏体相变之前产生向贝氏体的相变的贝氏体相变曲线(B)，以使得不将该突出状的贝氏体相变曲线横穿的方式设定由冷却用气体实现的温度降低速度。

在上述骤冷期间之后，在工件的温度达到马氏体相变开始温度之前，在时刻t2处，将风扇2停止，停止进行冷却用气体的循环、搅拌。与此实质上同时地，使减压泵4动作，对气体淬火炉1的内部进行减压。通过风扇2的停止来抑制通过冷却用气体实现的冷却，进一步对气体淬火炉1内部进行减压，由此气体淬火炉1内部成为隔热的状态。即，基于对流的冷却作用迅速地得到抑制，仅稍微通过来自工件表面的辐射实现的辐射冷却。由此，工件的冷却速度变得非常小，工件的温度如图2(a)所示，暂时保持为比马氏体相变开始温度高的中间的温度。对于作为目标的中间的温度，略微比马氏体相变开始温度(Ms)高，例如是300℃。

在时刻t1～t2之间的骤冷期间，在工件的各部分存在略微的冷却速度的差异，在冷却速度快的部位，如图2(a)中以实线F示出那样，温度降低快速发展，与此相对在冷却速度相对慢的部位，如以虚线L示出那样，温度降低的发展迟缓。因此，在时刻t2处，在各个部位产生温度差，但是在通过风扇2的停止以及减压而实质上将工件进行隔热的期间，在工件中，热量从温度相对高的部位向温度相对低的部位移动，在略微比马氏体相变开始温度高的作为目标的中间温度(例如300℃)附近，工件各部分均热化。即，以图2(a)的实线F示出的温度和以虚线L示出的温度彼此收敛，维持在300℃左右。

在这里，作为时刻t2处的风扇2的停止以及减压泵4的ON动作的控制，例如使用红外线型温度传感器等对工件的实际的温度进行监视，在考虑温度变化的迟缓而成为略微比作为均热时的目标的中间的温度高的规定温度时，也可以执行风扇2的停止以及减压泵4的ON动作。或者，也可以以实验的方式求出从时刻t1直至降低至规定的温度为止的所需时间，在从时刻t1的经过时间达到规定值时执行风扇2的停止以及减压泵4的动作开始。在一个实施例中，时刻t1～t2之间的初始的骤冷期间例如是45秒左右。

通过维持中间的温度而完成工件各部分的均热化，然后在时刻t3处，将减压泵4设为OFF，且经由气体导入通路7再次将冷却用气体导入到气体淬火炉1内，在此基础上，对风扇2进行驱动，重新开始通过冷却用气体的强制循环实现的工件的骤冷。冷却用气体也可以与初始的骤冷期间的气体相同，例如使用温度调整为40℃的氮气。

通过上述的骤冷，工件的温度横穿马氏体相变开始温度(Ms)而降低(即，从马氏体相变开始温度(Ms)通过)，进行淬火。此时，工件各部分均热化，因此对于工件的各部分，从马氏体相变开始温度通过时的时机以及温度梯度(冷却速度)恒定。因此，在各部分处均匀地产生马氏体相变，得到均匀的淬火。

时刻t2～t3之间的所需时间在一个实施例中，例如是30秒左右。作为时刻t3处的冷却重新开始的控制，只要下述方式进行即可，即，以实验的方式求出均热化需要的所需时间，在从时刻t2的经过时间达到规定值时重新开始冷却。或者，使用红外线型温度传感器等对工件的多个部位的实际的温度进行监视，也可以在它们大致收敛为相等的温度时，重新开始冷却。

对于时刻t3及其以后的冷却，在一个实施例中例如进行2～5分钟左右。

这样，在上述实施例的淬火方法中，作为使用了单一冷却用气体的气体淬火，实现了由下述阶段构成的多阶段淬火：作为时刻t1～t2之间的骤冷期间的第1阶段；成为时刻t2～t3之间的均热化期间的第2阶段；以及作为时刻t3及其以后的骤冷期间的第3阶段。具备在略微比上述马氏体相变开始温度高的中间的温度下成为均热化期间的第2阶段，由此能够进行均匀的淬火，伴随淬火的应变变小。而且，作为第2阶段利用基于减压实现的隔热而能够迅速地降低冷却速度，因此第1阶段以及第2阶段的所需时间变短，例如与利用现有的热气的方法相比，循环时间变短。

在这里，时刻t2～t3之间的第2阶段的温度如图2(a)所示，设定为比马氏体相变开始温度(Ms)高，且比突出状的贝氏体相变曲线低的温度。即，以使得工件的温度变化的特性不将贝氏体相变曲线横穿的方式设定中间的温度以及第2阶段的期间。由此，抑制了淬火中的向贝氏体的相变。

图3示出适于本发明的淬火方法的工件的一个例子。该工件是构成内燃机的多连杆式曲柄连杆机构中的下连杆11(参照图4)的一部分的部件。这种下连杆11例如如日本特开2015-42849号公报所记载，是将一端连结于活塞销的上连杆和曲轴的曲柄销连结的下连杆，如图4所示，在中央具有嵌合于曲柄销的圆筒形的曲柄销轴承部12，且在将该曲柄销轴承部12夹持而彼此处于大致180°相反侧的位置，分别设置有上部销用凸台部13以及控制销用凸台部14。该下连杆11整体上呈接近于菱形的平行四边形，在从曲柄销轴承部12的中心穿过的分割面15处分割形成为包含上部销用凸台部13在内的下连杆上部11A、和包含控制销用凸台部14在内的下连杆下部11B这2个部件。上述实施例的工件是上述下连杆上部11A。

该下连杆上部11A中的上部销用凸台部13成为两股状结构，以将上连杆夹持于轴向中央部，即，成为将中央的凹部16夹持而彼此相对的一对壁状部件。

上述工件即下连杆上部11A以如图3所示的姿态配置于前述的托盘3上。即，与分割面15正交的一个侧面17(参照图4)成为与托盘3接触的底面，且保持为分割面15从托盘3的表面垂直立起那样的纵向型的姿态。并且，在气体淬火炉1内，冷却用气体被引导为与分割面15平行，冷却用气体沿呈壁状的一对凸台部13的表面背面流过。

在对上述工件的淬火中，壁状的凸台部13与分割面15附近的部分相比为薄壁且相对于气流较宽地露出，因此，通常，壁状的凸台部13成为冷却速度快的部位，分割面15附近的厚壁部成为冷却速度慢的部位。而且，即使在壁状的凸台部13的外侧面和内侧面(凹部16侧的面)，冷却速度也不同。其结果，伴随淬火，壁状的凸台部13容易产生沿下连杆11的轴向位移的应变。

根据上述实施例的多阶段淬火方法，能够抑制上述壁状的凸台部13的轴向的应变。

图5针对由上述应变引起的一对凸台部13的间隔(换言之凹部16的轴向的宽度)的变化量，示出在下述情况下进行比较实验的结果，即，由实施例的多阶段淬火方法实现的情况和作为对比例而由将通过冷却用气体实现的冷却持续的单纯的连续淬火实现的情况。在这里，对于实施例的淬火而言，作为第1阶段，将40℃的氮气在0.6MPa的压力下封入，通过风扇2使其循环而进行1分钟骤冷，然后作为第2阶段，减压至1kPa而保持30秒，进而作为第3阶段，将40℃的氮气在0.6MPa的压力下封入，通过风扇2使其循环而进行1分钟冷却。在对比例中，将40℃的氮气在0.6MPa的压力下封入，通过风扇2使其循环，进行冷却2分30秒。

如图示，根据实施例的多阶段淬火，与连续淬火相比，得到凸台部13的轴向的应变减半的结果。

以上，对本发明的一个实施例进行了说明，但本发明并不限定于上述实施例，能够进行包含处理的温度、时间等在内的各种变更。另外，本发明也适于图4所示的下连杆11的下连杆下部11B的淬火，能够适用于其他各种部件的淬火。

Claims (4)

1.一种气体淬火方法，其对由钢构成的工件进行加热，在炉内使冷却用气体在工件周围流过，从而对工件进行冷却而进行淬火，

在该气体淬火方法中，

在工件达到马氏体相变开始温度之前的淬火的中途，将冷却用气体的供给停止，

将炉内设为减压状态，将工件温度维持为比马氏体相变开始温度高的中间的温度，且通过辐射冷却使工件各部分均热化，

在工件各部分均热化之后，重新开始冷却用气体的供给，以从马氏体相变开始温度通过的方式进行淬火。

2.根据权利要求1所述的气体淬火方法，其中，

将工件温度维持为比马氏体相变开始温度高且比贝氏体相变曲线低的温度而进行工件各部分的均热化。

3.根据权利要求1或2所述的气体淬火方法，其中，

工件预先进行了表面的渗碳处理。

4.一种气体淬火方法，其具备下述工序：

第1工序，在炉内通过冷却用气体将由钢构成的工件从加热状态进行骤冷；

第2工序，在工件的温度降低的中途，以将工件维持为比马氏体相变开始温度高的中间的温度的方式，停止向工件供给冷却用气体且对炉内进行减压；以及

第3工序，在工件均热化之后再次通过冷却用气体进行骤冷。