钢材的淬火方法.pdf

本发明提供高强度硼钢等钢材的淬火方法，其通过防止淬火后的钢材表层的不完全淬火组织而得到均匀的组织，能够改善钢材的机械性能。在高强度硼钢的淬火中，使用以从冷却开始的时间点到处理物的温度急剧下降的时间点的经过时间即蒸气膜破裂时间作为用于决定淬火油的特性的管理项目，且将该蒸气膜破裂时间调整为规定时间以下(JIS K 2242中规定的冷却性能试验方法中为2.1秒以下)的淬火油进行淬火。蒸气膜破裂时间的调整通过制成以矿物油为基础油，且将分子量高的各种聚合物作为用于缩短蒸气膜破裂时间的添加剂配合后的淬火油进行。

1、  淬火方法，使用淬火油对钢材进行淬火，其特征在于，
将从淬火油的冷却曲线上的冷却开始的时间点到所述钢材的温度急剧下降的时间点的经过时间即蒸气膜破裂时间作为用于决定淬火油的特性的管理项目，
使用将所述蒸气膜破裂时间调整为规定时间以下的淬火油。

2、  如权利要求1所述的淬火方法，其中，所述淬火油在JIS K 2242(2006年度版)中规定的冷却性能试验中，将蒸气膜破裂时间调整为2.1秒以下。

3、  如权利要求1或者权利要求2所述的淬火方法，其特征在于，所述淬火油以矿物油为基础油，通过添加作为添加剂的聚合物或者石油系高分子聚合油来调整。

4、  如权利要求1至3中任一项所述的淬火方法，其中，所述钢材为硼钢。

钢材的淬火方法
技术领域
本发明涉及钢材的淬火方法，特别是涉及对用于汽车用螺栓等的高强度硼钢进行淬火的方法。
背景技术
近年来，作为用于形成必需具备高强度的汽车用部件(例如：各种紧固螺栓、连杆螺栓、缸盖螺栓)的钢材，多使用在结构用钢中添加了硼的钢(所谓硼钢)。在硼钢中，通过添加硼，能够显著提高钢的淬透性，同时，能够节省结构用合金钢中镍、钼、铬等贵重合金元素，因此，在钢材高强度化的同时，能够实现低廉化。
目前，这样的高强度硼钢的淬火采用和铬钼钢等其它钢材相同的方法实行。但是，存在如下问题：在以铬钼钢、镍铬钼钢为代表的高级钢的情况下，因为含有较多的淬透性提高元素，所以淬火后的钢材表层成为均匀的淬火组织，与此相对，在高强度硼钢的表层，淬火后含有较多的不完全淬火组织。
详细说明，在硼钢中，在淬火加热中发生表层的硼被扩散放出而使浓度降低的现象(所谓脱硼现象)。硼是一种即使非常微小浓度的添加也会提高基材的淬透性的元素，另一方面，完全脱硼时，基材的淬透性相反又会大幅降低。因此，在淬火工序中，部件表层产生脱硼现象时，在部件表层部分会产生不完全淬火组织。
非专利文献1：社团法人日本钢铁协会发行“铁和钢”1983年第11号、p.1494-1501(井上毅、落田义隆、辻邦夫著“硼钢中的脱硼现象及其计算模型”)
作为改善这样的硼钢表层的不完全淬火组织的方法，公知的有利用淬火炉内的气氛调整的表层脱碳防止法及渗碳法。但是，这些方法对于表层合金成分无变动的铬钼钢等有效果，然而，作为硼钢中脱硼现象的对策，不能说充分地发挥作用。即，在硼钢的情况下，即使进行淬火炉内的气氛调整，不完全淬火组织也不会完全消失。另外，即使微渗碳到超过基材的含碳量，不完全淬火组织也会残留，而且，渗碳成为钢滞后破坏的原因，因此，特别是在高强度螺栓的淬火中不能采用。因此，一直期待着即使对于高强度硼钢，在表层也不会产生不完全淬火组织的淬火方法。
发明内容
本发明是鉴于这些问题而研发的，其目的在于提供一种在高强度硼钢等钢材的淬火方法中，通过防止淬火后钢材表层的不完全淬火组织而得到均匀的组织，能够改善钢材的机械性能的淬火方法。
本发明提供一种淬火方法，使用淬火油对钢材进行淬火，其中，将从淬火油的冷却曲线上的冷却开始的时间点到所述钢材的温度急剧下降的时间点的经过时间即蒸气膜破裂时间作为用于决定淬火油的特性的管理项目，使用将所述蒸气膜破裂时间调整为规定时间以下的淬火油。
所述淬火油也可以在JIS K 2242中规定的冷却性能试验方法中，将蒸气膜破裂时间调整为2.1秒以下。
所述淬火油的调整也可以以矿物油为基础油，通过添加作为添加剂的聚合物或者石油系高分子聚合油来进行。
所述钢材也可以是硼钢。
根据本发明，使用将蒸气膜破裂时间(从淬火油的冷却曲线上的冷却开始的时间点到钢材的温度急剧下降的时间点的经过时间)调整为规定时间以下(例如，在JIS K 2242中规定的冷却性能试验方法的条件下为2.1秒以下)的淬火油进行钢材的淬火，因此，即使在进行例如硼钢的淬火的情况下，也能够在表层部分不产生不完全淬火组织。即，在本发明中，淬火油的蒸气膜破裂时间，即在淬火初期阶段由于淬火油的蒸气膜包覆钢材而使钢材没有骤冷的期间被调整得非常短，因此，在蒸气膜破裂时间中易于进行的不完全淬火组织的产生被抑制。例如，在硼钢淬火的情况下，钢材的表层部分由于脱硼现象而淬透性降低，因此，在蒸气膜破裂时间的温度600～700℃附近，铁素体容易发生转变，但是，在本发明的方法中，在淬火工序中，淬火油在蒸气膜破裂时间内位于温度600～700℃附近的期间被调整为非常短，因此，能够抑制铁素体转变。因此，能够将钢材表层的组织均匀化，从而能够改善钢材的机械性能，得到优质的钢材。
附图说明
图1是表示本实施方式的淬火油及以往方法的淬火油的冷却曲线和硼钢的铁素体转变线的关系的曲线图。
图2是表示在本发明方法和以往方法的各自的钢材表层的铁素体发生状况的一览表。
图3是表示在本发明方法和以往方法中各自的钢材的硬度的表内差的曲线图。
具体实施方式
下面，根据附图对本发明的实施方式进行说明。
在本实施方式中，在硼钢的淬火方法中，作为使用的淬火油，使用特别是按照蒸气膜破裂时间达到规定时间以下的方式调节特性的淬火油。在此，蒸气膜破裂时间是指，在将加热的处理物(钢材)冷却淬火的情况下，从冷却开始时间点到蒸气膜破裂、处理物(钢材)的温度急剧下降的时间点的时间(即，达到冷却曲线的初期的拐点的时间)。即，在利用淬火油的冷却初期阶段的数秒钟内，由于蒸气膜的存在而使处理物(钢材)的温度不能被急速冷却，但是，当蒸气膜破裂时，处理物(钢材)从该时间点开始骤冷，在冷却曲线上产生拐点。到该拐点的时间为蒸气膜破裂时间。
在本实施方式中，通过使用蒸气膜破裂时间短的淬火油进行淬火，能够抑制硼钢表层的铁素体转变，能够有效地防止不完全淬火组织的产生。在以往的淬火方法中，为了决定淬火油的特性，蒸气膜破裂时间没有被特别考虑。与之相对，本发明的淬火方法中，将蒸气膜破裂时间作为新的管理项目进行追加，通过使用蒸气膜破裂时间非常短的淬火油，大幅改善钢材特性。
作为蒸气膜破裂时间的具体数值，在JIS K 2242(2006年版)规定的冷却性能试验方法中的测定中，调节成2.1秒以下。通过这样的设定，能够抑制钢材表层的不完全淬火组织的产生，对于作为其根据的实验结果，和图2同时后述。
蒸气膜破裂时间的调整通过精制方法(基础油的种类)的选择及添加剂的添加等进行。作为基础油，例如使用链烷烃系矿物油(作为一例：属于API分类(美国石油协会分类)的第III组的基础油(硫含量0.03以下、饱和烃含量90％以上、粘度指数120％以上、主成分为异构链烷烃))。另外，作为用于缩短蒸气膜破裂时间的添加剂，例如使用分子量高的各种聚合物或石油系高分子聚合油。
淬火油的种类及蒸气膜破裂时间以外的基本特性没有特别限定，淬火油的蒸气膜破裂时间以外的基本特性例如根据JIS K 2242规定的热处理油1种或者2种设定。
具体的淬火工序及设备没有特别限定，只要使用和以往相同的工序及设备即可。例如，将根据需要成型加工后的部件加热到转变点温度以上后，将其浸渍到淬火油中进行骤冷，由此使之淬火转变。该情况下，对于淬火油的特性，进行适当的提取测验，根据需要通过添加添加剂等进行调整。
其次，使用图1对本实施方式的作用进行说明。图1的曲线图表示本实施方式及以往方法中的淬火油的冷却曲线(冷却时间-温度曲线)，分别用实线表示本实施方法中使用的淬火油的冷却曲线(本发明方法的淬火冷却曲线)，用虚线表示以往方法中使用的淬火油的冷却曲线(以往方法的淬火冷却曲线)。
如图所示，在本发明方法的淬火冷却曲线上，处理物(钢材)的温度不是从冷却开始时间点A急速冷却到拐点B，而是平稳地逐渐降低，但是，一到拐点B，伴随蒸气膜的破裂急速降低，直至淬火转变线。从该冷却开始时间点A到拐点B的时间为本发明方法的蒸气膜破裂时间。同样地，在以往方法的淬火冷却曲线上，处理物(钢材)的温度不是从冷却开始时点A急速冷却到拐点C，而是平稳地逐渐降低，但是，一到达拐点C，伴随蒸气膜的破裂急速地降低，直至淬火转变线。从该冷却开始时间点A到拐点C的时间为以往方法的蒸气膜破裂时间。
在该曲线图中，除了这些冷却曲线，还分别用双点划线表示硼钢基材的铁素体转变线，用点划线表示脱硼后的钢材表层的铁素体转变线。由图可知，以往方法的淬火冷却曲线和没有脱硼的硼钢基材的铁素体转变线不交差，但相对于脱硼后的钢材表层的铁素体转变线交差。因此，在该交差点发生铁素体转变，钢材表层部分成为含有不完全淬火组织的部分。即，钢材表层由于脱硼而淬透性降低，因此，在蒸气膜破裂时间中的温度600～700℃附近容易发生铁素体转变，该温度区域需要比以往方法更快冷却。
与之相对，本发明方法的淬火冷却曲线和以往方法的淬火冷却曲线相比较，蒸气膜破裂时间被调整到非常短，因此，在和脱硼后的钢材表层的铁素体转变线交差之前达到拐点B，在和铁素体转变线未交差的状态下迅速地被冷却，到达淬火转变线。因此，在硼钢表层不产生不完全淬火组织，从而能够生成高品质的钢材。
图2中用一览表表示分别在本发明方法和以往方法中确认的钢材表层的铁素体产生状态的实验结果。再有，本实验结果是在JIS K 2242中规定的冷却性能实验方法的条件下得到的结果。另外，本实验中使用的实验材料的化学组成如一览表下方所示。
如一览表所示，在蒸气膜破裂时间为2.4秒至2.8秒的以往方法的试样1～12中，在钢材表层确认产生铁素体。另一方面，在将蒸气膜破裂时间调整到2.1秒以下的本发明方法的试样1、2中，能够完全抑制铁素体的产生。这样，若将蒸气膜破裂时间设定为2.1秒以下，则高强度硼钢部件的表层能够完全淬火，使得表层组织均匀。
图3是表示本发明方法和以往方法中各自的钢材硬度的表内差(表面硬度和内部硬度的差值)的曲线图。如图示所示，可知，根据本发明方法，钢材表层组织的硬度与以往方法相比较，硬度高而且偏差小，表层组织的强度及均质性提高。
如上所述，根据本实施方式的淬火方法，由于按照蒸气膜破裂时间为规定时间以下的方式设定用于淬火的淬火油的品质(根据JIS K2242中规定的冷却性能实验方法测定时设定为2.1秒以下)，因此，在发生脱硼现象的硼钢表层部分，在成为不完全淬火组织发生原因的铁素体转变发生之前到达淬火冷却曲线的拐点，通过骤冷进行淬火。因此，高强度硼钢材料的表层的不完全淬火组织的产生被防止，表层组织均匀化，另外，表层的硬度降低被抑止。因此，以螺栓产品为首的高强度硼钢材料的静态强度及疲劳强度提高。另外，即使是廉价的硼钢，也能够制造具有高品质的表层组织的钢材，因此，可使用硼钢替代高价的铬钼钢及镍铬钼钢，可实现部件的低廉化带来的成本削减及金属资源节约。
再者，在上述实施方式中，以对高强度硼钢应用本发明的淬火方法的情况为例进行了说明，但是，本发明的适用范围不限于硼钢的淬火，也可以适用于例如在使用质量大的部件及淬透性低的钢材的全部结构用部件的淬火时，淬火组织的改善。