圆柱状部件的热处理方法
【专利摘要】本发明涉及圆柱状部件的热处理方法。为了提供与现有的方法相比可以提高生产率、降低成本和提高质量的圆柱状部件的热处理方法，本发明的圆柱状部件的热处理方法中包括淬火工序(S1)、在该淬火工序后实施的回火工序(S2)，前述淬火工序(S1)包括淬火第一工序(S11)、在淬火第一工序后实施的淬火第二工序(S12)，第一工序(S11)中将从前述圆柱状部件(3)的外周表面(31f)到芯部(32)的整个区域加热至Ac3相变点以上的温度以进行淬火，或者是将从前述圆柱状部件(3)的外周表面部(31)到芯部(32)的一部分区域加热至Ac3相变点以上的温度以进行淬火。
【专利说明】圆柱状部件的热处理方法
[0001]本申请是基于申请日为2008年10月30日、申请号为200880115603.9、发明名称为“圆柱状部件的热处理方法”的申请所提交的分案申请。
【技术领域】
[0002]本发明涉及圆柱状部件、尤其是大型(大直径)圆柱状部件的热处理方法。此处，“圆柱状部件”包括例如作为建筑机械的无端轨道带(履带)构成部件的销(Pin)。但是，“圆柱状部件”并不仅限于销，另外，也不仅限于大型部件(如果是销则是大直径的销)。
【背景技术】
[0003]用于液压挖掘机或推土机等的建筑机械的履带10(参照图13)具有如图14所示的链节1、履板2、销3、衬套4。
[0004]在图15中，对于履带用的销3这样的圆柱状部件，要求其外周表面部(外周表面及其附近)31具有用于耐受弯曲应力和扭转应力的强度及耐磨性，并要求芯部32具有用于耐受剪切应力的强度和韧性。
[0005]作为用于满足所有这些要求品质的履带用销的热处理方法，以往提出了各种方法。
[0006]例如，存在以低碳合金钢为原材料进行“渗碳淬火”，然后实施“低温回火”的方法。根据该方法(渗碳淬火法)，以SCM415或SCM420等低碳合金钢为原材料，对其实施渗碳而仅使外周表面部为高碳合金钢，然后，实施淬火和低温回火。
[0007]但是，如果采用`渗碳淬火方法，则为了提高销的耐磨性和强度需要加深渗碳硬化层、延长渗碳时间，存在成本增加的问题。与此同时，渗碳气体的大量使用等也会引起成本上涨。
[0008]另外，还存在以中碳合金钢为原材料进行“整体加热淬火”，然后实施“低温回火”的方法。详细地，以含碳量为0.3~0.5质量％的中碳合金钢为原材料，将从销的外周表面到芯部的整体加热至Ac3相变点以上的温度，骤冷淬火，然后实施低温回火。
[0009]但是，在该现有技术中，销的硬化层深度取决于原材料的淬火性或销的直径等，因此如果使用淬火性低的原材料，则得不到所需的耐磨性和强度。另一方面，如果使用淬火性高的原材料，则硬化层的深度过深，使外周表面的压缩残留应力降低，从而存在销的断裂韧性和疲劳强度降低的问题。
[0010]作为履带用销热处理方法的现有技术，还存在以中碳合金钢为原材料进行“整体加热淬火”，然后进行“整体加热高温回火，再进行“外周表面部的高频淬火”，最后实施“低温回火”的方法。详细地，以含碳量为0.3~0.5质量％的中碳合金钢为原材料，将从销的外周表面到芯部的整体加热至Ac3相变点以上的温度，骤冷淬火后，再对从销的外周表面到芯部的整体进行高温回火，使销整体的微组织形成索氏体组织。然后，对销的外周表面部实施高频淬火，再实施低温回火。
[0011]此处，将“整体加热淬火”和“整体加热高温回火”两个工序合称为“基体调质(工序)”。大型的销(大直径的销:直径为约50mm以上的销)可以采用该方法进行热处理。
[0012]图16以表格形式表不作为中碳合金钢的一例的SCM440的组成(质量％ )。
[0013]以下将以SCM440为原材料的销表示为“销A”。应予说明，销A的长度为370mm、直径为70mm。
[0014]图17~图20表示在对销A实施前述现有技术(进行整体加热淬火、整体加热高温回火、高频淬火、低温回火的现有技术)时，各热处理工序中销的断面上的硬度分布(从外周表面到中心部的硬度分布)。
[0015]图17~图20中，横轴表示距销A的外周表面的距离，纵轴表示洛氏硬度。
[0016]图17表示整体加热淬火工序后的硬度分布。如图17所示，在整体加热淬火工序后，销的外周表面部(外周表面附近)的硬度为HRC55左右，芯部(销的中心附近的区域:从销的中心起半径方向规定距离的范围)为HRC50左右。
[0017]图18表示整体加热高温回火工序后的硬度分布。图18中，通过高温回火使销的外周表面部的硬度降低至HRC40左右。另外，在包含中心的芯部则达到HRC30左右。
[0018]图19表示高频淬火工序后的硬度分布。图19中，销的外周表面部的硬度由于高频淬火而上升至HRC60左右。销的芯部则保持在HRC30左右。并且，在销的外周表面部与芯部之间的区域，存在硬度急剧降低的区域B2。
[0019]图20表示低温回火 工序后的硬度分布。如图20所示，由于低温回火使外周表面部的硬度略为降低，达到HRC55左右。
[0020]进行整体加热淬火、整体加热高温回火、高频淬火、低温回火的上述现有技术，由于进行了四个工序，因此存在加工准备时间延长、整体的处理时间延长的问题。
[0021]另外，为了确保所需的芯部硬度(基体硬度)需要使用淬火性高的原材料，由于这种原材料价格高，因此导致成本增加。
[0022]而且，如果得不到所需的芯部硬度(基体硬度)，则在负荷了过大的剪切应力时，有折损的可能性。
[0023]作为其它现有技术，提出了对规定组成的钢材实施两次高频淬火的热处理方法(参照专利文献I)。
[0024]但是，该现有技术(专利文献I)中，二次淬火硬化层深度为0.5mm~0.7mm左右，存在无法满足履带用销所需的耐磨性的问题。
[0025]专利文献1:日本特开平7— 118791号公报
【发明内容】
[0026]发明要解决的问题
[0027]本发明鉴于上述现有技术的问题而提出，目的在于提供圆柱状部件、尤其是大型(大直径)的圆柱状部件的热处理方法，该圆柱状部件的热处理方法与现有的方法相比，可以提高生产率、降低成本，并且可以提高质量。
[0028]解决问题的方法
[0029]本发明的圆柱状部件的热处理方法是由中碳合金钢构成的圆柱状部件(3:销)的热处理方法，其特征在于:该热处理方法包括淬火工序(Si)、和在该淬火工序后实施的回火工序(S2)，前述淬火工序(SI)包括淬火第一工序(Sll)、和在淬火第一工序后实施的淬火第二工序(S12)，前述淬火第一工序(Sll)是将从前述圆柱状部件(3)的外周表面(31f)到芯部(32)的前述圆柱状部件(3)整体加热至Ac3相变点以上的温度以进行淬火的工序，前述淬火第二工序(S12)是只将前述淬火第一工序(Sll)中经淬火的前述圆柱状部件(3)的外周表面部(31)感应加热至Ac3相变点以上的温度以进行淬火的工序，前述回火工序
(S2)是对前述淬火工序(SI)中经淬火的前述圆柱状部件(3)进行低温回火的工序(权利要求I)。
[0030]此处，前述淬火第二工序(S12)中的“外周表面部(31) ”不仅是指圆柱状部件(3)的外周表面(31f)，还包括从外周表面(31f)起半径方向向内(深度方向)的一定区域。换言之，从外周表面(31f)起仅有效硬化层深度(t)的半径方向向内的区域是“外周表面部”(31)。
[0031]“有效硬化层深度(t)”是指有效硬化层的厚度(深度:半径方向尺寸)，是从圆柱状部件⑶的“外周表面”(31f)至“有效硬度位置”(31ff)的距离。
[0032]“有效硬化层”是淬火第二工序后达到有效硬度以上的区域(范围)。“有效硬度”是被认为经硬化(经淬火)的硬度，本说明书中，“以80%马氏体硬度(HRC45)作为经硬化(经淬火)的硬度。
[0033]“有效硬度位置”(31ff)是达到“有效硬度(HRC45) ”的位置(距外周表面31f的深度)。
[0034]为了确保所需的耐磨性，有效硬化层深度⑴理想为3mm以上。
[0035]另外，本发明的圆柱状部件的热处理方法是由中碳合金钢构成的圆柱状部件(3:销)的热处理方法，其特征在于:该热处理方法包括淬火工序(SI)、在该淬火工序后实施的回火工序(S2)，前述淬火工序(SI)包括淬火第一工序(SllA)、和在淬火第一工序后实施的淬火第二工序(S12)，前述淬火第一工序(SllA)是将从前述圆柱状部件(3)的外周表面(31f)到芯部(32)的一部分区域加热至Ac3相变点以上的温度以进行淬火的工序，前述淬火第二工序(S12)是只将前述淬火第一工序(SllA)中经淬火的前述圆柱状部件(3)的外周表面部(31)感应加热至变点以上的温度以进行淬火的工序，前述回火工序(S2)是对前述淬火工序(SI)中经淬火的前述圆柱状部件(3)进行低温回火的工序(权利要求2)。
[0036]此处，前述淬火第一工序(SI1、SIIA:权利要求1的淬火第一工序和权利要求2的淬火第一工序)的加热优选为感应加热(权利要求3)。
[0037]或者，前述淬火第一工序(S11、S11A:权利要求1的淬火第一工序和权利要求2的淬火第一工序)的加热优选为炉中加热(权利要求4)。
[0038]并且，前述淬火第二工序(S12)中外周表面部(31)的深度(t:有效硬化层深度)优选为圆柱状部件(3)半径(R)的I / 10以上、圆柱状部件(3)半径(R)的I / 2以下(权利要求5)。
[0039]即，优选为I / 10≤t / R≤I / 2。
[0040]并且本发明中，前述淬火第一工序(SIIA:权利要求2中的淬火第一工序)中被加热的前述圆柱状部件(3) —部分区域的半径方向尺寸(rr)优选为圆柱状部件(3)半径(R)的I / 3以上、3 / 4以下(权利要求6)。
[0041]即，优选为I / 3≤rr / R≤3 / 4。
[0042]本发明中，前述圆柱状部件(3)优选为无端轨道带用销(权利要求7)。[0043]并且，前述圆柱状部件(3)的直径优选为50mm以上。
[0044]其中，即使前述圆柱状部件(3)的直径不足50mm，也可适用本发明。
[0045]发明效果
[0046]根据具备上述构成的本发明(权利要求1和权利要求2的发明)，圆柱状部件(3)的热处理可以从四个工序削减至三个工序，因此使生产率提高、制造成本降低。
[0047]另外，由于第二工序(S12)中只对外周表面部(31)进行淬火硬化，因此外周表面部(31)被赋予高压缩的残留应力，使圆柱状部件(3)的疲劳强度提高。
[0048]并且，与采用以往方法的产品相比，销的横断面上达到最大剪切应力的位置附近的硬度提高，因而即使负荷了过大的剪切应力也可以防止折损。因此，不需要为了确保所需的芯部硬度(基体硬度)而使用淬火性高的原材料，可以使用合金元素添加(量)少的原材料作为适合使用的原材料，从而使原材料供应的成本降低。
[0049]此处本发明中，在淬火第一工序(SllA)中将从前述圆柱状部件(3)的外周表面(31f)到芯部(32)的一部分区域加热至Ac3相变点以上的温度以进行淬火，如果构成为不将圆柱状部件(3)断面的整个区域加热至Ac3相变点以上的温度(权利要求2)，由于不用将圆柱状部件(3)断面的整个区域加热至Ac3相变点以上的温度，因此可以缩短淬火第一工序(SllA)中的加热时间。
[0050]其结果可以节约在淬火第一工序(SllA)的加热中耗费的能源。
[0051]本发明中，前述淬火第一工序(Sll)的加热如果是感应加热(权利要求3)，则可以连续进行淬火工序(Si)。
`[0052]另外，本发明中，前述淬火第一工序(Sll)的加热如果是炉中加热(权利要求4)，则可降与低淬火第一工序(Sll)的加热相关的成本。
[0053]此外本发明中，如果将前述淬火第二工序(S12)中外周表面部(31)的深度(t:有效硬化层深度)设定为圆柱状部件(3)半径(R)的I / 10以上、圆柱状部件(3)半径(R)的I / 2以下(权利要求5)，则不会因有效硬化层深度(t)过小而使销(3)提前磨损，也不会因有效硬化层深度(t)过大而导致销(3)外周表面的压缩残留应力减小。
[0054]应予说明，本发明中制造的圆柱状部件(3)例如可以是无端轨道带用销(权利要求7)，也可以适用于无端轨道带用销以外的部件。
[0055]另外，根据本发明，推荐适用于制造的无端轨道带用销(3)的直径为50mm以上的情况，但也可适用于无端轨道带用销(3)的直径不足50_的情况。
【具体实施方式】
[0056]以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
[0057]为了说明本发明的圆柱状部件的热处理方法的实施方式，作为圆柱状部件，例如列举液压挖掘机或推土机等建筑机械的无端轨道带(履带)10 (参照图13)的构成部件即履带用销进行说明。其中，圆柱状部件并不仅限于履带用销(以下，记载为“销”。)。
[0058]另外，本发明的方法中列举了直径为50mm以上的大型销，但本发明的方法涉及的圆柱状部件的热处理方法也可适用于小型、中型的销。
[0059]此处，小型销是指直径不足30mm的销，中型销是指直径为30mm以上不足50mm的销，大型销是指直径为50mm以上的销。[0060]如上所述，建筑机械的履带10 (图13)如图14所示，由包括一对链节1、履板2、销
3、衬套4的单元连续连接构成。
[0061]并且，履带用的销3(参照图15)中，要求其外周表面部(从外周表面31f至有效硬度位置31ff的深度为t的范围)31具有用于耐受弯曲应力和扭转应力的强度及耐磨性，即硬度。另外，要求芯部(除外周表面部31以外的部分)32具有用于耐受剪切应力的强度和韧性。
[0062]本发明的方法中，为了通过热处理获得外周表面部31所需的硬度、芯部32所需的剪切强度和韧性，对由中碳合金钢构成的原材料实施热处理。
[0063]此处，中碳合金钢是指，向中碳钢中添加Mn、B、Cr、Mo、Ni等合金元素得到的合金钢。添加这些合金元素的目的是提高淬火性、提高耐磨性、提高韧性等。
[0064]另外，中碳钢是指，以质量％计含碳量为0.30以上0.50以下的碳钢。附带说明，低碳钢是指以质量％计含碳量为不足0.30的碳钢，高碳钢是指以质量％计含碳量超过0.50的碳钢。
[0065]参照图1~图7对本发明的第一实施方式的方法进行说明。
[0066]第一实施方式的方法中，大型销3是在机械加工完成后按照图1所示的工序制成的。
[0067]图2表示本发明第一实施方式的方法与参照图17~图20说明的现有技术(进行整体加热淬火、整体加热高温回火、高频淬火、低温回火的现有技术)进行的对比。更详细地，图2中模式性表示对本发明第一实施方式的方法的各工序(制造工艺)中断面的金属组织与图17~图20的现有技术中断面的金属组织进行比较。
[0068]与此同时，图2中还想通过参照图3~图5和图17~图20，对第一实施方式的各工序(制造工艺)中断面的硬度分布与图17~图20的现有技术中断面的硬度分布进行比较。
[0069]图1中，在以“机械加工完成品”的用语表示的工序中，对由中碳合金钢构成的原材料(棒钢)实施机械加工等，成形为大型销3。销3的原材料为SCM440，如前所述，该成分(质量％ )表示在图16中。
[0070]然后，将销3放入整体淬火装置20中，对销3实施淬火第一工序S11。虽然未明确图示，但整体淬火装置20包括加热设备(加热炉或感应加热装置)和冷却装置。首先，通过整体淬火装置20的加热设备，将销3整体(图15中从外周表面31f到芯部32的整个区域)加热至Ac3相变点以上的温度。
[0071]整体淬火装置20的加热可以通过感应加热来进行，也可以在加热炉内进行。
[0072]当在加热炉内进行加热时，可使用重油、轻油、灯油等矿物燃料或者电力作为其加热源(能量)。
[0073]工件的Ac3相变点(特定的温度)取决于工件的化学成分，大致如下式所示。
[0074]Ac3(°C )=908-224XC(% )+30XSi(% )-34XMn(% )+439XP(% )-23XNi(% )
[0075]中碳合金 钢中，在加热炉内进行加热的情况下，Ac3相变点大致为800°C左右(780~820°C )。在未图示的感应加热(急速加热)的情况下，Ac3相变点比在加热炉内进行加热的情况高100°C左右。
[0076]通过感应加热装置在淬火第一工序Sll中进行加热时，需要选定未图示的振荡器的频率，以将从工件的外周表面31f到芯部32的整个区域加热至Ac3相变点以上的温度。
[0077]此处，在频率f (kHz)和加热深度d (mm)之间存在
[0078]d=(250 / f)1/2的关系。通过按照该关系而适当设定频率f，可以将销3断面的整个区域加热至Ac3相变点以上的温度。
[0079]如果通过整体加热淬火装置20将销3整体加热至Ac3相变点以上的温度，则在停止加热使工件外周表面31f的温度下降至Ar3相变点之前，通过整体淬火装置20的未图示的冷却装置开始冷却以进行淬火。
[0080]在中碳合金钢的情况中，Ar3相变点成为比Ac3相变点低100°C左右的温度。
[0081]作为淬火时使用的冷却液(冷却设备)，有水、水溶性淬火液、油等。如果考虑到成本方面、环境方面，则最好使用水作为冷却液。
[0082]如果通过整体加热淬火装置20对销3进行淬火，完成淬火第一工序Sll，则放入部分加热淬火装置30中。虽然未明确图示，但部分加热淬火装置30包括感应加热装置和冷却装置。并且，对销3实施高频淬火工序(淬火第二工序)S12。
[0083]该高频淬火工序(淬火第二工序)S12中，仅将在淬火第一工序SI I中经淬火的销3的外周表面部31感应加热至Ac3相变点以上的温度。换言之，在淬火第一工序Sll中将销3断面的整个区域加热至Ac3相变点以上的温度，而在淬火第二工序S12中仅将销3的外周表面部31加热至Ac3相变点以上的温度。
[0084]淬火第一工序Sll的加热是整体加热，与之相对，淬火第二工序S12的加热仅加热外周表面部31，因而是所谓的部分加热。为了仅对外周表面部31进行加热(所谓的部分加热)，淬火第二工序S12中 的加热必须采用感应加热(例如利用高频感应电源进行的加热)。
[0085]此处,如图15所示,外周表面部31不仅是指销3外周表面31f,还是包含其附近的具有一定深度t (有效硬化层深度)的区域。
[0086]“有效硬化层深度t”是“有效硬化层的厚度(深度:半径方向尺寸)”，在图15中是从圆柱状部件3的外周表面31f到有效硬度位置31fT的距离。并且，“有效硬化层”是在淬火第二工序后达到有效硬度以上的区域(范围)，“有效硬度”是被认为经硬化(经淬火)的硬度，本发明的方法中，以“80%马氏体硬度(HRC45)”作为“经硬化(经淬火)”。并且，“有效硬度位置31fT”是达到“有效硬度(HRC45) ”的位置。
[0087]有效硬化层深度t优选为销3半径R的I / 10以上、销3半径R的I / 2以下。即，如果以销的半径为R，则从外周表面31f起的有效硬化层深度t理想为R / lO^t^R /2。
[0088]有效硬化层深度t如果小于R / 10，则会使销3提前磨损。另外，有效硬化层深度t如果大于R / 2，则销3外周表面的压缩残留应力减小，无法得到后述效果(降低作用于销的拉伸应力的效果)。
[0089]除此之外，为了确保所需的耐磨性，有效硬化层深度t理想为3mm以上。
[0090]根据使有效硬化层深度t为R / 10 < t < R / 2 (R为销3的半径)且有效硬化层深度t为3mm以上、并且将销3外周表面部31加热至Ac3相变点以上的温度来决定感应加热的加热深度d，按照频率f (kHz)和加热深度d(mm)的关系式d=(250 / f)1/2来决定频率。[0091]此处，用感应加热装置对淬火第一工序Sll进行加热时，淬火第二工序S12的感应加热装置的频率可以使用与淬火第一工序Sll的感应加热装置相同的频率。此时，通过调整加热时间或电流密度等，得到所需的加热深度。
[0092]通过仅对销3的外周表面部31进行感应加热，使从销3的外周表面31f到芯部32产生温度梯度。外周表面部上为Ac3相变点以上，而向芯部侧即半径方向向内则温度降低。
[0093]在外周表面部31的芯部侧附近达到400~700°C (相当于高温回火温度)，在芯部侧(半径方向向内)的区域则达到150~250°C (相当于低温回火温度I。
[0094]如果将销3的外周表面部31加热至Ac3相变点以上的温度，则在停止加热、将销3从未图示的感应加热装置中取出、销3的外周表面31f的温度下降至Ar3相变点之前的阶段，通过部分加热淬火装置30的未图示的冷却装置开始冷却以进行淬火。
[0095]如上所述，中碳合金钢的情况中，Ar3相变点为比Ac3相变点低约100°C的温度。
[0096]在高频淬火工序(淬火第二工序)S12中，也和淬火第一工序Sll同样，从成本方面、环境方面考虑，理想的是使用水作为淬火时使用的冷却液(冷却设备。但是，也可以使用水溶性淬火液、油等。
[0097]高频淬火工序(淬火第二工序)S12中，对销3的外周表面部31再次进行淬火。
[0098]另外，由于销3的芯部32中的外周表面部31附近的区域在高频淬火时被加热至400~700°C，因此实施高温回火。
[0099]并且，由于芯部32侧的中心侧(半径方向向内)区域在高频淬火时被加热到150~250°C，因此实施低温回火。
`[0100]与之相对，在图17~图20中说明的现有技术(进行整体加热淬火、整体加热高温回火、高频淬火、低温回火的现有技术)中，在本发明第一实施方式的方法中的淬火第一工序Sll和高频淬火工序(淬火第二工序)S12之间，已实施了基体高温回火(参照图18)。因此，图17~图20的现有技术中的图19的高频淬火工序(相当于本发明的方法中的淬火第二工序:S12工序)中，不对芯部32进行回火。
[0101]换言之，在图17~图20中说明的现有技术(进行整体加热淬火、整体加热高温回火、高频淬火、低温回火的现有技术)中，仅对外周表面部进行高频淬火，而在第一实施方式的高频淬火工序(淬火第二工序)S12中，同时进行三种热处理，具体地是外周表面部31的高频淬火、芯部32的外周表面部31侧(半径方向向外)区域的高温回火、芯部32的中心侧(半径方向向内)区域的低温回火。
[0102]在高频淬火工序(淬火第二工序)S12之后，将销3放入低温回火装置40中，对销3实施低温回火(S2)。
[0103]在该低温回火工序(S2)中，可以在加热炉(低温回火炉)内进行加热，也可以使用未图示的感应加热装置进行加热。
[0104]在加热炉内进行低温回火时，在150~250°C下加热。使用电力或重油、轻油、灯油等矿物燃料作为加热源(能量)。
[0105]另外，用感应加热装置进行低温回火工序S2时，由于感应加热是急速加热，因此加热温度比在加热炉内进行时高一些。需要根据上述频率f (kHz)和加热深度d(mm)的关系式d=(250 / f)1/2选定未图示的振荡器的频率，从而至少将销3的外周表面部31加热至低温回火温度。[0106]加热后的冷却可以是自然放冷。或者，可以在低温回火装置40中设置冷却装置进行强制冷却。
[0107]通过以上方式，完成销3的热处理。
[0108]然后，参照图2~图7，对第一实施方式的作用效果进行说明。
[0109]从图2可知，第一实施方式的热处理方法相对于现有技术，省略(废除)了圆柱状部件的基体高温回火工序。即,第一实施方式的热处理方法中,将以往由四个工序构成的热处理工序削减至三个工序。
[0110]该工序削减不仅缩短了圆柱状部件的制造时间，而且不需要以往在基体高温回火工序所耗费的热能量，使得制造成本大幅削减。
[0111]图3~图5中，以横轴为从销外周表面至中心位置的距离，以纵轴为硬度，表示了销的断面上的硬度分布。图3~图5的左端表示销的外周表面，右端表示销的中心。
[0112]图3~图5分别表不了本发明第一实施方式的方法中基体淬火(淬火第一工序)后销的断面上的硬度分布(图3)、表面部淬火(淬火第二工序，即图2中的“高频淬火+回火”)后销的断面上的硬度分布(图4)、低温回火后销的断面上的硬度分布(图5)。
[0113]对于低温回火工序后销的断面上的硬度分布，在现有技术(图2下栏所示的现有技术:图17~图20中说明的现有技术)中，边界部分B2(硬度急剧降低的部分)与中心之间区域的硬度为HRC30左右(参照图20)。与之相对，第一实施方式的方法中(参照图5)，芯部32 (图2的T:低温回火层)上，与外周表面部31的边界部分BI (硬度急剧降低的部分)与中心之间区域的硬度为HRC32~40左右，硬度显著提高。
[0114]同样地，对于现有技术中表面部淬火(图2的“高频淬火”)后销的断面上的硬度分布(参照图19、图20)，边界部分B2(硬度急剧降低的部分)与中心之间区域的硬度为HRC30左右；而对于第一实施方式的方法中表面部淬火(图2中的“高频淬火+回火”)后销的断面上的硬度分布(参照图4、图5)，边界部分BI (硬度急剧降低的部分)与中心之间区域的硬度为HRC32~40左右，与现有技术相比更硬。
[0115]此处，外周表面部31的边界部分(硬度急剧降低的部分:图4、图5中的B1:图19、图20中的B2)与中心之间的区域也是对销3的负荷所致的最大剪切应力作用的区域。该区域的硬度增加意味着与最大剪切应力相对的强度也增加。即，与用以往的方法制造的销相比，采用第一实施方式制造的销3即使受到过大负荷的作用也难以折损。
[0116]另外，不需要为了确保所需的芯部硬度(基体硬度)而使用淬火性高的原材料，也不需要使用高价的原材料，因此与原材料供应相关的成本降低。
[0117]应予说明，图2的高频淬火中的符号Q表示由高频淬火形成的(外周)表面硬化层。 [0118]图6表示采用本发明第一实施方式的方法制造的销3的表面残留应力的测定结果与用现有技术制造的销进行比较。图6的横轴表示圆周方向的残留应力的测定值，纵轴表示轴方向的残留应力的测定值。此处，负值是指压缩应力。因此，绝对值越大压缩残留应力就越大。
[0119]从图6中可知，采用本发明第一实施方式的方法制造的销的表面压缩残留应力与用现有技术制造的销相比，在圆周方向上程度相同，在轴方向上增大。即，在用第一实施方式的方法制造的销中，起到了使轴方向的压缩残留应力增大的作用效果。[0120]外周表面的压缩残留应力的增加使销3的外周表面31f上得到与实施例如喷丸硬化或喷丸处理等同等的效果。
[0121]因此，即使销3上作用了过大的负荷，使其表面产生拉伸应力，与用现有技术制造的销相比，该拉伸应力只会减少增加的压缩残留应力的部分。
[0122]图7表示采用本发明第一实施方式的方法制造的销3的弯曲试验结果与用以往的方法制造的销进行比较。图7的横轴表示挠曲的最大值，纵轴表示弯曲荷重的最大值。
[0123]从图7中可知，用第一实施方式的方法制造的销的弯曲强度(图7中的弯曲荷重)比用以往的方法制造的销更高。
[0124]从图6和图7中可知，根据第一实施方式的方法，可以将原材料改为更便宜的原材料，或者如果是具有与以往同等强度的原材料，则可以进行销的小型化。
[0125]虽然未明确图示，但在第一实施方式中，淬火第一工序Sll的加热如果定为感应加热，则淬火第二工序S12也是感应加热，因此可以进行所谓的“淬火工序的一列(inline)化”。
[0126]或者，如果淬火第一工序Sll的加热为炉中加热，则与感应加热炉相比，可以削减投入的能量，从而降低淬火第一工序Sll的加热成本。
[0127]然后，参照图8~图12，对本发明的第二实施方式进行说明。
[0128]在第二实施方式中，也对圆柱状部件、例如液压挖掘机或推土机等建筑机械的无端轨道带(履带)10(参照图13)的构成部件即履带用销进行热处理。
[0129]第二实施方式的方法中，列举了直径为50mm以上的大型销，但第二实施方式的方法也可适用于小型、中型的销。
[0130]本申请发明第二实施方式的方法中，大型销3是在机械加工完成后按照图8所示的工序而制造的。
[0131]图9表示本申请发明第二实施方式的方法与参照图17~图20说明的现有技术(进行整体加热淬火、整体加热高温回火、高频淬火、低温回火的现有技术)进行对比。
[0132]并且，图9中模式性表示对本发明第二实施方式的方法的各工序(制造工艺)中断面的金属组织与图17~图20的现有技术中断面的金属组织进行比较。
[0133]图9中还想通过参照图10~图12与图17~图20，将本发明第二实施方式的方法的各工序(制造工艺)中断面的硬度分布(参照图10~图12)与图17~图20的现有技术中断面的硬度分布进行比较。
[0134]图8中，在以“机械加工完成品”的用语表示的工序中，对由中碳合金钢构成的原材料(棒钢)实施机械加工等，成形为大型销3。销3的原材料为SCM440，如第一实施方式中所述，该成分(质量％ )表示在图16中。
[0135]然后，将销3放入部分加热淬火装置20A中，对销3实施淬火第一工序S11A。虽然未明确图示，但部分加热淬火装置20A包括加热设备(加热炉或感应加热装置)和冷却装置。
[0136]首先，通过部分加热淬火装置20A的加热设备，将销3的一部分(图15中从外周表面31f到芯部32的区域的一部分)加热至Ac3相变点以上的温度。
[0137]部分加热淬火装置20A的加热(部分加热)可以通过感应加热来进行，也可以在加热炉内进行。当在加热炉内进行加热时，使用重油、轻油、灯油等矿物燃料或者电力作为其加热源(能量)。
[0138]此处，“销3的一部分(图15中从外周表面31f到芯部32的区域的一部分)”包含比从外周表面31f到“有效硬度位置31ff (参照图15) ”的区域更深、销的横断面上达到最大剪切应力的位置附近。
[0139]并且，如上所述，“有效硬化层深度t”是“有效硬化层的厚度(深度:半径方向尺寸)”，在图15中是从圆柱状部件3的外周表面31f到有效硬度位置31ff的距离。并且，“有效硬化层”是在淬火第二工序后达到有效硬度以上的区域(范围)，“有效硬度”是被认为经硬化(经淬火)的硬度，本发明的方法中，以“80%马氏体硬度(HRC45)”作为“经硬化(经淬火)”。“有效硬度位置31fT”是达到“有效硬度(HRC45) ”的位置。
[0140]“销3的一部分”或者“从外周表面31f到芯部32的区域的一部分”是指例如从外周表面31f朝向芯部32、半径方向3 / 4以下的区域。并且，优选为从外周表面31f朝向芯部32、半径方向I / 3以上。即，如果以销3的半径(从外周表面31f到芯部32的距离)为“R”、以淬火第一工序SllA中被加热至Ac3相变点以上温度的“销3的一部分”的半径方向深度(从外周表面31f朝向芯部32的深度)为“rr”，则优选满足下式。
[0141]I / 3^rr/R^3 / 4
[0142]如第一实施方式中的说明所述，工件的Ac3相变点(特定的温度)取决于工件的化学成分。中碳合金钢中，在加热炉`内进行加热的情况下，Ac3相变点大致为800°C左右(780~820°C )。在未图示的感应加热(急速加热)的情况下，Ac3相变点比在加热炉内进行加热的情况高100°C左右。
[0143]通过感应加热装置加热进行淬火第一工序SllA时，需要选定未图示的振荡器的频率，以将销3的一部分(从工件的外周表面31f到芯部32的整个区域的一部分)加热至Ac3相变点以上的温度。
[0144]如第一实施方式中的说明所述，在频率f (kHz)和加热深度d(mm)之间存在
[0145]d=(250 / f)1/2的关系。通过按照该关系而适当设定频率f，可以随意控制加热区域，在淬火第一工序SllA中，可以将销3的一部分加热至Ac3相变点以上的温度。
[0146]如果通过部分加热淬火装置20A将销3的一部分加热至Ac3相变点以上的温度，则在停止加热使工件外周表面31f的温度下降至Ar3相变点之前，通过部分加热淬火装置20A的未图示的冷却装置开始冷却以进行淬火。
[0147]中碳合金钢的情况中，Ar3相变点为比Ac3相变点低100°C左右的温度。
[0148]与第一实施方式所说明的同样，作为淬火时使用的冷却液(冷却设备)，有水、水溶性淬火液、油等。如果考虑到成本方面、环境方面，则理想使用水作为冷却液。
[0149]如果通过部分加热淬火装置20A对销3的一部分进行淬火完成淬火第一工序S11A，则放入部分加热淬火装置30。虽然未明确图示，但部分加热淬火装置30具有与第一实施方式中所用的部分加热淬火装置30相同的构成，包括感应加热装置和冷却装置。并且，对销3实施高频淬火工序(淬火第二工序)S12。
[0150]该高频淬火工序(淬火第二工序)S12中，仅将在淬火第一工序SllA中经部分淬火的销3的外周表面部31感应加热至Ac3相变点以上的温度。换言之，在淬火第一工序SllA中将销3断面的一部分区域(例如，从外周表面31f朝向芯部32、半径方向3 / 4以下的区域)加热至Ac3相变点以上的温度，而在淬火第二工序S12中仅将销3的外周表面部31加热至Ac3相变点以上的温度。
[0151]本发明第二实施方式的方法中，淬火第一工序SllA的加热和淬火第二工序S12的加热都不对销3断面的整个区域进行加热，在所谓的部分加热方面相同。淬火第一工序SllA的加热是将例如从外周表面31f朝向芯部32、半径方向3 / 4以下的区域加热至Ac3相变点以上的温度，而在淬火第二工序S12中，仅加热外周表面部31。
[0152]为了仅对外周表面部31进行加热，淬火第二工序S12中的加热必须采用感应加热(例如利用高频感应电源进行的加热)。
[0153]此处，如第一实施方式中的说明所述，对于“外周表面部31”，如图15所示，不仅是指销3外周表面31f，还包含其附近的具有一定深度t (有效硬化层深度)的区域。
[0154]并且对于“有效硬化层深度t”、“有效硬化层的厚度(深度:半径方向尺寸)”、“有效硬化层”、“有效硬度”、“有效硬度位置31ff”，也与第一实施方式中的说明相同。
[0155]本申请发明第二实施方式的方法中，用感应加热装置对淬火第一工序SllA进行加热时，淬火第二工序S12的感应加热装置的频率可以使用与淬火第一工序SllA的感应加热装置相同的频率。此时，通过调整加热时间或电流密度等，得到所需的加热深度。
[0156]在图17~图20中说明的现有技术(进行整体加热淬火、整体加热高温回火、高频淬火、低温回火的现有技术)中，仅对外周表面部进行高频淬火，而本发明的第二实施方式的方法在高频淬火工序(淬火第二工序)S12中，同时进行三种热处理，具体地是外周表面部31的高频淬火、芯部32的外周表面部31侧(半径方向向外)区域的高温回火、芯部32的中心侧(半径方向向内)区域的低温回火。
[0157]第二实施方式的方法中的淬火第二工序S12与第一实施方式的方法中的淬火第二工序S12相同。
[0158]在高频淬火工序(淬火第二工序)S12之后，将销3放入低温回火装置40中，对销3实施低温回火(S2)。
[0159]本发明第二实施方式的方法中销3的低温回火工序S2与第一实施方式的方法中的低温回火工序S2相同。
[0160]通过以上方式，完成销3的热处理。
[0161]然后，参照图9~图12，对本发明的方法的作用效果进行说明。
[0162]从图9可知，图示的实施方式的热处理方法相对于现有技术，省略(废除)了圆柱状部件的基体高温回火工序。即,将以往由四个工序构成的热处理工序削减至三个工序。
[0163]该工序削减不仅缩短了圆柱状部件的制造时间，而且不需要以往在基体高温回火工序所耗费的热能量，使得制造成本大幅削减。
[0164]图10~图12中，以横轴为从销外周表面至中心位置的距离，以纵轴为硬度，表示了销断面的硬度分布。图10~图12的左端表示销的外周表面，右端表示销的中心。
[0165]图10表示在完成淬火第一工序SllA后的阶段销3断面的硬度分布。本申请发明的方法中，对从外周表面31f朝向芯部32、半径方向I / 2的区域，加热至Ac3相变点以上的温度。
[0166]从图10中可知，在完成淬火第一工序SllA后的阶段，在从外周表面31f朝向芯部32半径方向I / 2的位置，硬度急剧减少。
[0167]图11表示在完成淬火第一工序S11A、仅将销3的外周表面部31加热至Ac3相变点以上的温度后实施骤冷的阶段，即在完成淬火第二工序S12后的阶段销3断面的硬度分布。
[0168]图11中，在从外周表面31f超过一定深度的位置(包含有效硬化层深度t)硬度急剧减少，在从外周表面31f朝向芯部32、半径方向I / 2的位置，硬度进一步急剧减少。
[0169]图12表示在完成回火工序S2后的阶段销3断面的硬度分布。与图11的硬度分布相同，图12中在从外周表面31f超过一定深度的位置(包含有效硬化层深度t)硬度急剧减少，在从外周表面31f朝向芯部32、半径方向I / 2的位置，硬度进一步急剧减少。
[0170]此处，从图12的符号Cl表示的位置到外周表面31f的区域包含了对销3的负荷所致的最大剪切应力作用的区域。从图12可知，该区域的硬度最低值(图12的符号BI表示的位置的硬度)比采用现有技术的情况的芯部硬度(参照图20)更高，从而意味着与剪切应力相对应的强度增加。即，采用本发明的方法制造的销3即使受到过大负荷的作用也难以折损。
[0171]另外，不需要为了确保所需的芯部硬度(基体硬度)而使用淬火性高的原材料，也不需要使用高价的原材料，因此原材料供应涉及的成本降低。
[0172]应予说明，图9的高频淬火中的符号Q表示由高频淬火形成的(外周)表面硬化层。
[0173]从图12中可知，采用本发明的方法制成的销3中，从图12的符号Cl表示的位置到外周表面31f的区域 是产生对销3的负荷所致的最大剪切应力的位置。
[0174]采用本申请发明第二实施方式的方法制造的销3的表面残留应力显示出与采用第一实施方式的方法制造的销3的表面残留应力相同的特性(参照图6)。并且，用本发明第二实施方式的方法制造的销的表面压缩残留应力与用现有技术制造的销相比，在圆周方向上程度相同，在轴方向上增大。即，在用第二实施方式的方法制造的销中，起到了使轴方向的压缩残留应力增大的作用效果。
[0175]因此，在用第二实施方式的方法制造的销3上，即使作用了过大的负荷而在销3表面产生拉伸应力，与用现有技术制造的销相比，该拉伸应力只会减少增加的压缩残留应力的部分。
[0176]用本发明第二实施方式的方法制造的销3的弯曲试验结果也显示出与采用第一实施方式的方法制造的销相同的特性(参照图7)。
[0177]从该试验结果中可知，在本发明第二实施方式的方法中，可以将原材料改为更便宜的原材料，或者如果是具有与以往同等强度的原材料，则可以进行销的小型化。
[0178]虽然未明确图示，但本发明第二实施方式的方法中，淬火第一工序SllA的加热如果定为感应加热，则淬火第二工序S12也是感应加热，因此可以进行所谓的“淬火工序的一列化”。
[0179]或者，通过采用炉中加热进行淬火第一工序SllA的加热，与感应加热炉相比可以削减投入的能量，从而降低淬火第一工序SllA的加热成本。
[0180]除此之外，根据本申请发明第二实施方式的方法，在淬火第一工序SllA中，不是将销3断面的整个区域加热至Ac3相变点以上的温度，而是将从销3的外周表面31f到芯部32的一部分区域加热至Ac3相变点以上的温度以进行淬火。因此，与将销3断面的整个区域加热至Ac3相变点以上的温度的情况相比，可以缩短淬火第一工序SllA中的加热时间，还可以节约加热所耗费的能量。
[0181]附注:图示的实施方式终究只是示例，而不是限定本发明技术范围主旨的记述。
[0182]例如，图示的实施方式中，以建筑机械的无端轨道带用10的大型销3为例对图示的实施方式进行了说明，但也可适用于小型、中型的销。并且，也可适用于无端轨道带用销以外的圆柱状部件的热处理。
【专利附图】
【附图说明】
[0183]图1是本发明第一实施方式涉及的圆柱状部件的热处理工序图。
[0184]图2是模式性表示将本发明第一实施方式的各工序(制造工艺)中金属组织或硬度分布与现有技术对比的比较图。
[0185]图3是表示本发明第一实施方式中实施了淬火第一工序后销的断面上的硬度分布图。
[0186]图4是表示本发明第一实施方式中实施了淬火第二工序后销的断面上的硬度分布图。
[0187]图5是本发明第一实施方式中实施了低温回火工序后销的断面上的硬度分布图。
[0188]图6是表示在本发明的实施方式与现有技术的热处理工序后销的表面残留应力的测定结果比较图。
[0189]图7是表示在本发明的实施方式与现有技术的热处理工序后销的弯曲强度的测定结果比较图。
[0190]图8是本发明第二实施方式涉及的圆柱状部件的热处理工序图。
[0191]图9是模式性表示将本发明第二实施方式的各工序(制造工艺)中金属组织或硬度分布与现有技术对比的比较图。
[0192]图10是表示本发明第二实施方式中实施了淬火第一工序后销的断面上的硬度分布的图。
[0193]图11是表示本发明第二实施方式中实施了淬火第二工序后销的断面上的硬度分布的图。
[0194]图12是表示本发明第二实施方式中实施了低温回火工序后销的断面上的硬度分布的图。
[0195]图13是建筑机械的无端轨道带(履带)的斜视图。
[0196]图14是建筑机械的无端轨道带(履带)构成要素的分解斜视图。
[0197]图15是无端轨道带(履带)的销的斜视图。
[0198]图16是表示作为热处理对象的销的原材料组成表的一例的图。
[0199]图17是表示现有技术中基体调质淬火后销的断面上的硬度分布的图。
[0200]图18是表示现有技术中基体调质高温回火后销的断面上的硬度分布的图。
[0201]图19是表示现有技术中高频淬火后销的断面上的硬度分布的图。
[0202]图20是表示现有技术中低温回火后销的断面上的硬度分布的图。
[0203]符号说明
[0204]1...链节
[0205]2...履板[0206]3...圆柱状构件(履带用销)
[0207]4..?衬套
[0208]20...整体加热淬火装置
[0209]30...部分加热淬火装置
[0210]31...外周表面部
[0211]31f..?外周表面
[0212]32...芯部
[0213]40..?低温回火装置
【权利要求】
1.无端轨道带用销的热处理方法，其是无端轨道带用销(3)的热处理方法，其特征在于:包括淬火工序(SI)、和在该淬火工序后实施的回火工序(S2)，所述淬火工序(SI)包括淬火第一工序(Sll)、和在淬火第一工序后实施的淬火第二工序(S12)，所述淬火第一工序(Sll)是将从所述无端轨道带用销(3)的外周表面(31f)到芯部(32)的所述无端轨道带用销(3)整体加热至Ac3相变点以上的温度以进行淬火的工序，所述淬火第二工序(S12)是只将所述淬火第一工序(Sll)中经淬火的所述无端轨道带用销(3)的外周表面部(31)感应加热至Ac3相变点以上的温度以进行淬火的工序，所述回火工序(S2)是对所述淬火工序(SI)中经淬火的所述无端轨道带用销(3)进行低温回火的工序， 其中，无端轨道带用销(3)是化学成分按质量％计为C:0.38~0.43,S1:0.15~0.35、Mn:0.60 ~0.90、P:0.030 以下、S:0.030 以下、Cu:0.30 以下、N1:0.25 以下、Cr:0.90 ~1.20、Mo:0.15~0.30和Fe:佘量的材质。
2.无端轨道带用销的热处理方法，其是无端轨道带用销(3)的热处理方法，其特征在于:包括淬火工序(SI)、和在该淬火工序后实施的回火工序(S2)，所述淬火工序(SI)包括淬火第一工序(SllA)、和在淬火第一工序后实施的淬火第二工序(S12)，所述淬火第一工序(SllA)是将从所述无端轨道带用销(3)的外周表面(31f)到芯部(32)的一部分区域加热至Ac3相变点以上的温度以进行淬火的工序，所述淬火第二工序(S12)是只将所述淬火第一工序(SllA)中经淬火的所述无端轨道带用销(3)的外周表面部(31)感应加热至Ac3相变点以上的温度以进行淬火的工序，所述回火工序(S2)是对所述淬火工序(SI)中经淬火的所述无端轨道带用销(3)进行低温回火的工序， 其中，无端轨道带用销(3)是化学成分按质量％计为C:0.38~0.43,S1:0.15~0.35、Mn:0.60 ~0.90、P:0.030 以下、S:0.030 以下、Cu:0.30 以下、N1:0.25 以下、Cr:0.90 ~`1.20、Mo:0.15~0.30和Fe:佘量的材质。
3.权利要求1或2所述的无端轨道带用销的热处理方法，其中所述淬火第一工序(S1US11A)的加热为感应加热。
4.权利要求1或2所述的无端轨道带用销的热处理方法，其中所述淬火第一工序(S1US11A)的加热为炉中加热。
5.权利要求1~4中任一项所述的无端轨道带用销的热处理方法，其中所述淬火第二工序(S12)中外周表面部(31)的深度⑴为无端轨道带用销半径(R)的I / 10以上、无端轨道带用销半径(R)的I / 2以下。
6.权利要求2~5中任一项所述的无端轨道带用销的热处理方法，其中所述淬火第一工序(SllA)中被加热的所述无端轨道带用销(3) —部分区域的半径方向尺寸(rr)为无端轨道带用销(3)半径(R)的I / 3以上、3 / 4以下。
【文档编号】C21D9/00GK103773937SQ201310541169
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2008年10月30日 优先权日:2007年11月12日
【发明者】薛卫东 申请人:都美工业株式会社