CN105658823A - 用于在厚壁构件中边缘层的局部强度提高的热处理方法以及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热处理方法以及一种装置，其用于由能够马氏体方式强化的钢材料构成的厚壁构件(1)的高压负载的贯通内部几何结构(2)的边缘层(P1)的局部强度提高，其特征在于以下方法步骤：-将整个构件(1)加热到820℃至1050℃的温度，-在所述构件的内部几何结构(2)的区域中局部激冷到150℃至450℃的温度，从所述内部几何结构(2)的区域到外部的表层区域(P2)以每秒1℃至100℃的温度梯度缓慢冷却所述构件(1)，直到实现温度均衡，-将所述构件(1)最终冷却到室温。

Description

用于在厚壁构件中边缘层的局部强度提高的热处理方法以及装置
技术领域
本发明涉及热处理方法，其用于厚壁构件的受高压负载的贯通内部几何结构的边缘层的局部强度提高，所述构件由能够马氏体方式强化的钢材料构成。此外，本发明还涉及用于实施这样的方法的装置。
本发明的应用领域主要延及机动车技术。局部承受高的压力加载的、由钢制成的构件尤其使用在具有喷射***的内燃机中以及用于液压部件。这尤其涉及这样的构件的内部几何结构，例如通孔、交叉孔、通道区段、腔室区域和类似结构。
背景技术
根据通常已知的现有技术，为了提高这种构件的内部几何结构的边缘层相对于重复负载的抵抗能力，使用应用于局部提高强度的方法。因为，当所述构件在受压力加载的内部几何结构区域中具有足够的强度时，就足够了。为此使用的所谓边缘层强化方法能够划分为热、热物理、热化学和机械的方法。
用于受内部压力加载的构件的边缘层强化的通常已知的机械方法是自增强(Autofrettage)，其中，在运行加载之前施加一次远超过之后的运行压力的拉伸压力。由于在高应力部位上的塑化(Plastifizierung)和在加载时包围这些部位的弹性材料，在卸压时导致在应力最高并且由此裂纹临界的部位中产生压力固有应力，该压力固有应力反作用于由接下来的运行加载引起的应力并且由此对构件的使用寿命和尤其对构件的振动强度产生有利影响。
与之不同，本发明致力于用于构件的内部几何结构的区域中的局部强度提高的热处理方法，以在此引入延长使用寿命的压力固有应力。为此前提是，具有内部几何结构的构件具有数毫米的壁厚度，以在构件的钢材料中产生明显的温度差，从而能够以热处理的方式达到边缘层强化。
应用这里关心的热处理方法的另外一个前提在于，所述构件包括可转变、尤其可马氏体方式强化的钢材料。
本发明的任务是，提出用于厚壁构件的受高压力加载的内部几何结构的边缘层的局部强度提高的方法以及装置，借助方法/装置可以通过在制作技术方面简单的方式为这里关心的构件设置振动强度优化的固有应力和组织梯度。
发明内容
该任务在方法技术方面通过权利要求1解决。关于执行所述方法的装置参照权利要求5。分别引用的从属权利要求给出本发明的有利扩展构型。
本发明包含技术教导，为了制造边缘层被强化的构件，实施下列方法步骤：
-将整个构件(1)加热到820℃至1050℃的温度，
-在所述构件的内部几何结构(2)的区域中局部激冷到材料特定的转换温度150℃至450℃以下的温度，并且随后保持在该温度，
-从所述内部几何结构(2)的区域到外部的表层区域(P2)以每秒1℃至100℃的温度梯度缓慢冷却所述构件(1)，直到实现温度均衡，
-使所述构件(1)最终冷却到室温。
相对于开始描述的自增强，可以通过根据本发明的热处理方法附加地有针对性地局部地通过热处理来调节构件的组织特征，其方式是，实施局部的马氏体方式的强化。此外，可以将介质的***压力设置得相对于自增强更低，这导致密封要求的降低较小的工具磨损。根据本发明的方法原理上基于构件的芯区域和边缘层的被分别调节的、分开的冷却。在此，构件的内部几何结构区域局部激冷到大约150℃-450℃的中间温度并随后温度平衡以及强化允许有针对性地设置内部几何结构的固有应力和组织并且由此提供提受内部压力加载的构件的振动强化提高的潜力。
优选，构件在内部几何结构区域中的局部激冷通过引导激冷介质经过贯通的内部几何结构来实施。在此，优选使用水气混合物作为激冷介质。当然也可以考虑，实施纯粹的气体激冷，这尤其在构件具有小的材料厚度时适用。此外，也完全可以考虑，应用具有各种不同调温作用的油或者含盐的介质作为激冷介质。
在根据本发明的方法的最后将整个构件最后激冷到室温上，可以以简单的方式这样实施，使得引导另外的激冷介质穿过构件的贯通的内部几何结构，直到达到完全冷却。由此不必为了执行该最终的方法步骤而使用新的技术手段并且根据本发明的整个方法可以在单一的装置中实施。
这样的装置优选基本上包括用于将整个构件加热到上面提到的820℃-1050℃之间范围内的温度的加热单元。这样的加热单元可以例如构造成感应加热单元。然而也可以考虑实施导热的加热或者用烘箱中的热辐射加热。
此外，所述装置包括激冷单元，其用于供入激冷介质用于在构件的内部几何结构区域中局部激冷到所提出的150至450℃之间的温度上。所述激冷单元优选局部地布置在构件的上方并且连接在贯通的内部几何结构、例如孔的一侧上。即，所述激冷介质可以从那例出来经过内部几何结构并且在通孔的另一端部上又离开构件。因此，在孔交叉(Bohrungsverschneidungen)的情况下有多个构件出口。
为了调节用于调温的激冷介质的温度，提供激冷介质的激冷单元可以配备有冷却装置。此外，该装置也可以包括泵装置，以将激冷介质供入给构件的贯通的内部几何结构。
为了测量和控制构件的从内部几何结构区域到外部的表层区域的尤其缓慢冷却的温度，设置至少一个温度传感器，所述温度传感器至少布置在外部的表层面上，检测在那里占主导的温度。由于可以借助已调温的激冷介质实施激冷工序，所以可以取消内部轮廓区域中的测量。因为已调温的激冷介质的温度在这样的情况下已知。对于批量生产的构件的确定的内部几何结构，根据本发明的方法也可以作为纯受控的过程来实施。取代持续地降低边缘层上的温度，也可以使其保持等温。
根据本发明的方法能够运用到各种材料。优选使用材料50CrMo4，其中，借助根据本发明的方法可以实现几何结构中的边缘层的明显的局部强度提高。材料的组织转变和足够惰性的贝氏体转变行为总是其前提。
附图说明
改善本发明的其它措施与本发明优选实施例的说明共同地在下面借助附图详细地示出。附图示出：
图1用于厚壁构件的贯通内部几何结构的边缘层的局部强度提高的装置的示意图；
图2构件的部分剖面，其中示出材料组织结构；
图3在实施根据本发明的边缘层强化方法时的温度时间变化曲线图。
具体实施方式
根据图1，用于在通孔形式的、包含在构造为柱形套筒的构件1中的、贯通的内部几何结构2中局部地提高强度的装置包括感应式加热单元3，该加热单元包围该构件1，该加热单元用于使构件1加热到820℃至1050℃之间的范围内的初始温度。构件1合适地、厚壁地构造有数毫米的壁厚度并且包括可马氏体方式强化的钢材料。
在构件1的上方布置有用于供入水气混合物形式的激冷介质的激冷单元4。激冷介质的温度已知并且至少与大约20-25℃的室温相当，而构件1在外部表层区域中的温度通过布置在那里的温度传感器5测得。温度传感器5设置在没有进一步地示出的电子控制单元中，用于控制构件1的从被激冷介质通流的内部几何结构到外部的表层区域的缓慢冷却，在此之前，首先通过供入激冷介质经过构件1的内部几何结构2来实现冷却到150℃至450℃温度。必要时也可在内部几何结构2的区域中安装温度传感装置，以便更好地控制激冷。
参数激冷介质温度、构件温度以及构件的几何尺寸对于用于局部提高内部几何结构2的边缘层的强度的方法的控制具有重要意义。
激冷介质通过构件1的内部几何结构2的流动速度形成另一参数，该流动速度通过集成在激冷单元4中的泵7控制。激冷介质通过布置在激冷单元4的出口侧上的接头8到达构件1，所述接头密封地贴靠在构件1的贯通的内部几何结构2的一侧上。布置在激冷单元4排出侧的阀9设置用于接通和断开冷却介质流并且由电子控制单元电磁控制，以按照根据本发明的方法的措施来控制所述激冷介质的流动。
根据图2，在此在部分剖面中示出的构件1在热处理后在内部几何结构2的区域中具有由马氏体钢构成的经强化的边缘层P1以及具有由贝氏体至马氏体的钢构成的外部的表层区域P2。
按照根据图3的温度时间曲线图，在用于局部提高强度的热处理方法期间，构件首先被加热到820℃至1050℃。在该温度达到不变后，即该构件热透后，在接下来的方法步骤中在构件的内部几何结构的区域中进行局部激冷，其通过借助穿流的激冷介质在内部几何结构的边缘层P1中将温度迅速地激冷到150℃至450℃来实现。与之不同，表层区域P2以每秒1℃至100℃的温度梯度较缓慢地被冷却。由此形成相对强化的边缘层P1。接着构件被冷却到室温。
本发明不局限于上面描述的优选实施例。更准确地说也可考虑与此不同的变型方案，所述变型方案也被下文中的权利要求包括。由此例如也允许，为了冷却构件而使用不同于水气混合物的其他激冷介质。在此应相应地匹配激冷单元的功能单元即泵、冷却装置以及阀技术。此外也可以允许，在构件上或者围绕构件安置多个温度传感器，以便通过适合的温度检测能够在控制技术上可靠地执行根据本发明的方法。

Claims (9)

1.热处理方法，其用于厚壁构件(1)的受内部压力加载的内部几何结构(2)的边缘层(P1)的局部的强度提高，所述构件由能够马氏体方式强化的钢材料构成，其中，存在至少一个流出开口与至少一个进入开口相连接，其特征在于以下方法步骤：
-将整个构件(1)加热到820℃至1050℃的温度，
-在所述构件的内部几何结构(2)的区域中局部激冷到150℃至450℃的温度，
-从所述内部几何结构(2)的区域到外部的表层区域(P2)以每秒1℃至100℃的温度梯度缓慢冷却所述构件(1)，直到实现温度均衡，
-将所述构件(1)最终冷却到室温。
2.根据权利要求1的热处理方法，
其特征在于，所述构件(1)的在内部几何结构(2)区域中的所述局部激冷通过将激冷介质引导通过所述内部几何结构(2)来实施。
3.根据权利要求1的热处理方法，
其特征在于，整个构件(1)到室温的最终激冷通过继续引导激冷介质通过所述内部几何结构(2)来实施。
4.根据权利要求1的热处理方法，
其特征在于，在激冷之前，将所述构件(1)感应地加热。
5.用于由能够马氏体方式强化的钢材料构成的厚壁构件(1)的被内部压力加载的内部几何结构(2)的边缘层(P1)的局部的强度提高的装置，其中，存在至少一个流出开口与至少一个进入开口相连接，其特征在于，所述构件(1)被用于将整个构件(1)加热到820至1050℃的温度的加热单元(3)包围，并且，在所述构件(1)的内部几何结构(2)上连接有激冷单元(4)，其用于供入气态和/或液态的激冷介质，用于在所述构件的内部几何结构(2)的区域中局部激冷到150℃至450℃的温度，其中，设置至少一个温度传感器(5)，其用于调节所述构件(1)的从内部几何结构(2)的区域到外部的表层区域(P2)的具有每秒1℃至100℃温度梯度的缓慢冷却，以在所述构件(1)中实现温度均衡并且之后冷却到室温。
6.根据权利要求5的装置，
其特征在于，所述激冷介质是惰性气体或者水气混合物或者基于油或基于聚合物或者基于盐的介质。
7.根据权利要求5的装置，
其特征在于，提供所述激冷介质的激冷单元(4)配备有用于调节所述激冷介质的温度的冷却和/或加热装置(6)。
8.根据权利要求5的装置，
其特征在于，所述加热单元(3)构造成感应的、导热的、对流的和/或基于辐射的加热单元。
9.根据权利要求5的装置，
其特征在于，所述激冷单元(4)具有泵装置(7)，其用于将所述激冷介质供入到所述构件(1)的内部几何结构(2)中。
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