CN101213313B - 热处理油组合物 - Google Patents

Abstract

本发明的热处理油组合物的特征在于包含含有5质量％以上、小于50质量％的5％馏出温度为300℃以上400℃以下的低沸点基油及超过50质量％、95质量％以下的5％馏出温度为500℃以上的高沸点基油的混合基油。其是在金属材料的淬火中，当同时淬火大量的处理物时，难以产生硬度和淬火变形不均的淬火油组合物。

Description

热处理油组合物

技术领域

本发明涉及热处理油组合物，更详细地说涉及在金属材料的淬火中同时淬火大量处理物时，难以产生硬度或淬火变形的不均的热处理油组合物。

背景技术

在钢材等金属材料中，为了改善其性质，将实施淬火、回火、退火、正火等热处理。在该热处理中，淬火是将例如处于奥氏体状态被加热的钢材以上部临界冷却速度以上的速度进行冷却，变形为马氏体等淬火组织的处理，通过该淬火，处理物变得非常硬。此时，作为冷却剂通常使用油性、水性(水溶液性)、乳液性的热处理液。若对钢材的淬火进行说明，当将加热的钢材投入到作为冷却剂的热处理液中时冷却速度并非一定，通常经过3个阶段。即经过(1)钢材被热处理液的蒸汽包围的第1阶段(蒸汽膜阶段)、(2)蒸汽膜破裂发生沸腾的第2阶段(沸腾阶段)、(3)钢材的温度达到热处理液的沸点以下通过对流夺取热量的第3阶段(对流阶段)，被冷却。在这3个阶段中，冷却速度在第2阶段的沸腾阶段最大。在以往的热处理油中，显示冷却性能的热传导率特别在沸腾阶段急剧地上升，在处理物表面上的蒸汽膜阶段和沸腾阶段混存的状态中产生极大的温度差，由于与其相伴的热收缩差别和变形时间差别产生热应力及变形应力，淬火变形增大。

金属的热处理、特别是在淬火中，重要的是选定适于其热处理条件的热处理油，当该选定不恰当时，有时无法得到充分的淬火硬度，或者有时产生明显的变形。

这种热处理油被JIS K2242分类为1种～3种，在淬火中使用的是1种的1号油、2号油，2种的1号油、2号油。其中，在JIS K2242中，作为冷却性标准的JIS冷却曲线中的800℃至400℃的冷却秒数规定为，1种2号为4.0秒钟以下、2种1号为5.0秒以下、2种2号为6.0秒以下。该冷却时间越短，冷却性越高，热处理物的硬度变高。一般来说，硬度和淬火变形为折衷的关系，硬度越高则淬火变形越大。

另外，作为工业上显示油剂冷却性的指标，H值被广泛使用，在各油剂制造商的目录等中也作为显示冷却性的标准记载。H值在由JISK2242冷却曲线中的800℃至300℃的冷却时间计算的方法中被广泛使用。使用者以这种指标为基础，为了获得目标硬度和淬火变形选择淬火油，例如在变形成为问题的汽车用齿轮部件等淬火中广泛使用JIS 2种1号油。这是由于，JIS 1种油变形过大，而且随部件不同硬度过高，另外，2种2号油虽然变形很小，但硬度不足。

汽车用变速机或减速机等的部件在大部分情况下被大量地生产，进行在1个托盘中层装大量处理物，一次性地进行淬火的所谓的团体淬火。此时，安装有层装的部件的位置会导致硬度和变形的不均。例如，安装在下部的部件的硬度升高、安装在上部的部件的硬度降低等。

为了减少该团体淬火的不均，考虑到追加振动机或喷射装置等特殊的设备(例如参照专利文献1、权利要求书)。但是，在以往的装置中追加这种设备需要成本，并且难以根据设备进行改造。期待不需要这种设备投资即可仅通过淬火油的特性减少该不均的技术。

在非专利文献1中，对使基油的粘度相同、但使5％馏出温度为350℃以下的情况和350℃以上的情况的硬度和变形进行评价，表明350℃以下的情况具有能够较高地维持硬度但变形可以减小的可能性(参照非专利文献1、图12和图13)。但是，非专利文献1公开的技术内容在以下方面具有问题。

一个问题为利用SUJ2轴部件的翘曲评价变形。热处理油的冷却过程经过蒸汽膜阶段、沸腾阶段和对流阶段进行，但为轴部件的形状时，蒸汽膜阶段的破裂时间的不均会大大地影响变形，因此蒸汽膜长度(特性秒数)的影响比讨论粘度和沸点范围更具有支配性。非专利文献1中虽然记载了蒸汽膜长度，但由基油的组成可以容易地判断蒸汽膜长度越短则变形越小，此为一般的倾向。另外，相对于通过SUJ2进行变形评价，利用S45C进行硬度的评价，硬度和变形的评价中使用的材料的材质不同。为了兼顾硬度和变形时，有必要利用相同材质评价硬度和变形，但假设利用硬度评价中所用的S45C评价变形时，可以预想淬火性差、大部分的变形没有差别。

另一个问题是非专利文献1中在与JIS 1种2号油接近的冷却性较高的区域进行研究，特别是变形成为问题的部件的情况下，几乎不使用这种冷却性高的油剂。一般来说，变形成为问题的部件多用JIS 2种1号油、或者根据情况用JIS 2种2号油等冷却性低、可以抑制变形的热处理油进行处理，例如汽车用的齿轮等多用JIS 2种1号油处理。由此，期待变形的评价利用JIS 2种1号油、通过在汽车用变速机或传动装置或者减速机等部件中广泛使用的SCM420或SCr420等进行。

接着，本发明人等的团队作为在金属材料的淬火中难以产生冷却不均、确保淬火处理物硬度的同时可以降低淬火变形的热处理油组合物，提出了含有具有40℃下的动粘度为5～60mm²/s的低粘度基油和40℃下的动粘度为300mm²/s以上的高粘度基油的混合基油的热处理油组合物(参照专利文献2、权利要求书)。这里使用的实施例中，虽然提出了添加50重量％以上低粘度基油的热处理油组合物，但在之后的研究中并未明确以该组成范围适用于汽车用齿轮的淬火等时，硬度过高。

专利文献1：日本特开2003-286517号公报

专利文献2：日本特开2002-327191号公报

非专利文献1：热处理、43卷2号、93～98页

发明内容

发明所要解决的技术问题

本发明在这种状况下完成，其目的在于提供可以减小团体淬火时的冷却性不均的淬火油、特别是提供在具有与在变形成为问题的汽车用变速机或减速机的部件等的淬火中使用的JIS 2种1号油同等程度的冷却性的同时、可以减小团体淬火时的冷却性不均的淬火油组合物。

解决技术问题的方法

本发明人为了达成上述目的进行了深入研究，结果发现作为团体淬火时的冷却性不均的原因有被处理物加热所导致的局部油温的差别、在处理物的上游和下游中的流速的差别、油压的差别等，其中，流速差别作为冷却性不均的原因占有特别大的比重。

因此，本发明人为了评价由于流速的差别导致的冷却性差别减小的淬火油，对有无搅拌的冷却性进行了研究，结果发现，通过组合低沸点基油和高沸点基油，与以往的2种1号油相比，可以将有无搅拌所导致的冷却性变化和硬度变化抑制在更低。而且，当以相同组成实际地进行齿轮的团体淬火时，发现特别可以减小硬度的不均、齿轮精度的不均。本发明鉴于上述发现而完成。

即，本发明提供(1)热处理油组合物，其特征在于包含含有5质量％以上、小于50质量％的5％馏出温度为300℃以上400℃以下的低沸点基油，及超过50质量％、95质量％以下的5％馏出温度为500℃以上的高沸点基油的混合基油；(2)上述(1)所述的热处理油混合物，其中混合基油中的低沸点基油为10质量％以上、小于50质量％，且高沸点基油超过50质量％、90质量％以下；(3)上述(1)或(2)所述的热处理油组合物，其中JIS K2242冷却性试验的300℃秒数为7.5～12.3秒；(4)上述(1)～(3)任一项所述的热处理油组合物，其含有蒸汽膜破裂剂。

发明的效果

通过本发明可以减低团体淬火时的冷却性的不均，特别是可以获得在具有与汽车用变速机的齿轮等变形成为问题的部件的淬火中使用的JIS 2种1号油同等程度的冷却性的同时、可以减小团体淬火时的冷却性不均的淬火油。

附图说明

图1为对于齿轮部件，说明A扭转角误差和B压力角误差的图。

具体实施方式

本发明的热处理油组合物的特征在于，包含含有5％馏出温度为300℃以上400℃以下的低沸点基油(以下有时称为“本发明的低沸点基油”)及5％馏出温度为500℃以上的高沸点基油(以下有时称为“本发明的高沸点基油”)的混合基油。这里，5％馏出温度是指通过JIS K2254“石油制品-蒸馏试验”的“参考：石油馏分的气相法蒸馏试验方法”测定的5％馏出温度。

当作为混合基油的构成要素含有的低沸点基油的5％馏出温度不在300℃以上400℃以下的范围时，不能发挥本发明的效果，特别是当使用一定量以上的5％馏出温度小于300℃的低沸点基油时，具有使用时油烟变大的害处。

另外，作为混合基油的构成要素含有的高沸点基油的5％馏出温度小于500℃时，可见团体淬火时的冷却性的不均。

本发明的低沸点基油的含量以混合基油为基准为5质量％以上、小于50质量％的范围。该低沸点基油的含量如果小于5质量％，则本发明的效果不充分。另一方面，低沸点基油的含量如果为50质量％以上，则硬度变得过高。由上述观点出发，本发明的低沸点基油的含量以混合基油为基准优选为10质量％以上小于50质量％的范围。

本发明的高沸点基油的含量以混合基油为基准为超过50质量％、95质量％以下的范围。该高沸点基油的含量如果为50质量％以下，则硬度变得过高。另一方面，如果高沸点基油的含量超过95质量％，则可见团体淬火时的冷却性的不均。

本发明的热处理油组合物的上述5％馏出温度以外的蒸馏性状并没有特别限定，优选低沸点基油的初馏点、50％馏出温度、95％馏出温度分别为250～350℃、360～460℃、400～500℃。通过满足这些蒸馏性状，初馏点可以抑制油烟，50％馏出温度和95％馏出温度可以抑制硬度的过度上升。

作为本发明的低沸点基油和高沸点基油，使用矿物油和合成油。作为矿物油可以是烷烃系矿物油、环烷系矿物油、芳香系矿物油等馏分的任一种，还可以使用经过溶剂精制、氢化精制或氢化分解等所有精制法的矿物油。作为合成油，例如可以使用烷基苯类、烷基萘类、α-烯烃寡聚物、受阻型酯油等。

本发明的热处理油组合物中，作为低沸点基油和高沸点基油，可以分别使用上述矿物油的1种，还可以组合2种以上使用，另外还可以使用1种上述合成油，还可以组合物2种以上使用。还可以组合1种以上的该矿物油和1种以上的合成油使用。

本发明的热处理油组合物在不损害本发明效果的范围内，除了上述混合基油之外，还可以并用其他基油。

本发明的热处理油组合物中，还可以混合蒸汽膜破裂剂。通过混合该蒸汽膜破裂剂，可以缩短蒸汽膜阶段。作为该蒸汽膜破裂剂，例如可以举出高分子聚合物，具体为乙烯-α-烯烃共聚物、聚烯烃、聚甲基丙烯酸酯类等，沥青等高分子量有机化合物、油分散型无机物等。这些蒸汽膜破裂剂可以单独使用1种，还可以组合2种以上使用。

其在热处理油组合物中的含量通常为1～10质量％、优选为3～6质量％。该含量如果为1质量％以上，则可以充分地发挥加入有蒸汽膜破裂剂的效果，另一方面，如果为10质量％以下，则热处理油组合物的粘度不会变得过高，很适度，作为热处理油组合物的性能不会降低。具有这种组成的本发明热处理油组合物由于蒸汽膜阶段短、沸腾阶段的冷却性能的增加被抑制，因此可以减小由于冷却不均导致的淬火变形。另外，沸腾阶段的温度范围宽，能够确保处理物的硬度。

本发明的热处理油组合物优选JIS K2242冷却性试验的300℃秒数为7.5～12.3秒的范围。这里所谓的300℃秒数是指在JIS K2242冷却性试验中，从800℃到300℃的冷却秒数。该300℃秒数如果小于7.5秒钟，则硬度会变得过高。另一方面，如果300℃秒数超过12.3秒，则硬度不足。由以上的观点出发，JIS K2242冷却性试验的300℃秒数更优选为7.5～10.0秒的范围。

本发明的热处理油组合物在100℃的动粘度优选为5～50mm²/s的范围。100℃的动粘度如果在5mm²/s以上，则硬度不会变得过高，着火的危险性也降低，优选。另一方面，如果100℃的动粘度为50mm²/s以下，则可以获得充分的硬度，洗涤性不会恶化，优选。由以上的观点出发，更优选100℃的动粘度为8～35mm²/s的范围。

在不损害本发明目的的范围内，本发明的热处理油组合物中可以根据需要混合以往热处理油中惯用的添加剂，例如表面活性剂、劣化酸中和剂、抗氧化剂、光亮剂等。

作为表面活性剂可以举出碱土类金属或碱金属的水杨酸酯、磺酸酯、对酚磺酸酯等。作为碱土类金属优选为钙、钡和镁。作为碱金属优选为钾、钠。作为表面活性剂的含量以热处理油组合物总量为基准，通常为0.1～10质量％的范围，优选为0.2～7质量％的范围。

作为老化酸中和剂，例如可以举出碱土类金属的水杨酸酯、对酚磺酸酯、磺酸酯等。作为碱土类金属优选为钙、钡和镁。作为抗氧化剂，可以举出以往公知的胺系抗氧化剂或受阻酚系抗氧化剂。作为光亮剂，可以举出以往公知的油脂、油脂脂肪酸、烯基琥珀酰亚胺、取代羟基芳香羧酸酯衍生物等。

本发明的热处理油组合物为了改善钢材等金属材料性质而进行，优选使用在浸碳淬火、碳氮共渗淬火、真空淬火等热处理方法中。

实施例

以下通过实施例进一步详细地说明本发明，但本发明并不局限于这些实施例。热处理油组合物的诸特性根据以下方法测定。

(1)评价1：搅拌导致的硬度变化(测试珠：圆棒)

使用JIS K2242冷却性评价试验机改造后的装置，评价搅拌导致的硬度变化。装置为密闭式、能够控制氛围，在银-镍铝合金的部分上安装钢片，制成在加热后可以淬火的装置。由加热炉至投入到油中的时间约为2秒钟，运送所导致的温度降低少，因此与其他装置相比，相同条件下的硬度稍稍增高。材料和测定条件如下所述。

测试珠：使用SCM420Ф16mrm×30mmL的圆棒。

热处理条件：纯氮氛围中，860℃下加热30分钟。

油冷却条件：油温120℃、冷却时间3分钟、在无搅拌以及搅拌(相当于30cm/s)下进行。

评价：在测试珠的轴方向中央截断、研磨，利用JIS Z2245规定的洛氏硬度C标尺HRC测定截面半径1/2位置的硬度。测定8个位置，求出其平均值。

(2)评价2：搅拌导致的精度和硬度变化(测定珠：齿轮)

使测试珠的材料和热处理条件如下，评价齿轮精度和硬度。齿轮精度的评价项目如图1所示，测定齿轮的压力角(齿形)误差B、扭转角(齿向)误差A。这里，压力角误差变化量、扭转角误差变化量分别表示淬火后相对于淬火前的变化量。硬度通过齿根的维氏硬度HV(JISZ2244规定)以及有效固化层深度(JIS G0557规定)评价。有效固化层深度的判定标准采用旧JIS规定的HV513。

测试珠：SCM420差动机构小齿轮(模数2.43)

热处理条件：将测试珠在热处理炉的加热室内加热至950℃，以碳势(CP)值1.0质量％的浓度提供浸碳氛围气体。在其中保持150分钟(浸碳工序)后，将CP值调整至0.8质量％，进而保持60分钟(扩散工序)。之后，在炉内放冷至860℃，在CP＝0.8质量％的状态下进一步保持30分钟(均热工序)。

油冷却条件：在油温130℃、冷却时间4分钟、弱搅拌(相当于20cm/s)以及强搅拌(相当于55cm/s)下进行。

(3)评价3：团体淬火时的变形不均的评价(测试珠：齿轮)

使材料和热处理条件如下，通过压力角(齿形)误差、扭转角(齿向)误差的精度变化量的6σ进行评价。

测试珠：SCM420差动机构小齿轮(模数2.43)

热处理条件：浸碳工序950℃×100分钟、CP＝1.0质量％

扩散工序950℃×70分钟、CP＝0.8质量％

均热工序860℃×30分钟、CP＝0.8质量％

油冷却条件：油温130℃、冷却时间4分钟

本发明的实施例和比较例中使用的低沸点基油的性状示于表1中，高沸点基油的性状示于表2中。

表1

表2

实施例1～8和比较例1～3

按照表3所示混合比调制热处理油组合物，实施上述评价1。其结果示于表3中。对实施例3和比较例5的热处理油组合物实施上述评价2和评价3。其结果示于表4中。

表3

表4

(注解)

^*1表面活性剂：ルブリゾ一ル公司生产“Caスルホネ一ト78W”

^*2蒸汽膜破裂剂A：光兴产(株)生产“イデミツポリブテン2000H”

^*3蒸汽膜破裂剂B：日本ケミカルズ售(株)生产“NC505”

^*4×：油烟大、不能进行淬火实验。

表5

在评价1中，在无搅拌和搅拌中，其硬度差越小越优选，硬度差小的热处理油组合物在团体淬火时的冷却性的不均小。实施例1～8的热处理油组合物的硬度差均小于3HRC，为良好。从汽车用变速机的齿轮等加有冲击荷重的部件的耐冲击性的观点出发，优选无搅拌的硬度小于40HRC，实施例1～8的热处理油组合物均满足该值。

实施例1～8的热处理油组合物的300℃秒数均为7.5～10秒钟的范围，具有适当的硬度。而在比较例中，比较例2、3和10～13的300℃秒数均小于7.5秒钟，硬度过高。

对于使用了实施例3和比较例5的热处理油组合物的上述评价2，实施例3的热处理油组合物与比较例5的热处理油组合物相比，搅拌强度导致的压力角误差变化量的差(μm)相等，但搅拌强度导致的扭转角误差变化量的差(μm)显著减小。即，扭转角误差变化量的差(μm)是强烈受到搅拌速度影响的因子，但本发明的热处理油组合物即便热处理油组合物的流速变化也可以将对品质的影响抑制在很小。

比较例5的热处理油组合物相当于JIS 2种1号油，但即便在使用实施例3的热处理油组合物时，也具有与其同等以上的齿根硬度。而且，实施例3的热处理油组合物与比较例5的热处理油组合物相比，搅拌强度导致的齿根硬度的差小，即便与齿根硬度有关，也可以减小热处理油组合物的流速变化所导致的影响。

对于有效固化层深度，实施例3的热处理油组合物相对于使用了比较例5的热处理油组合物的情况，显示了同等以上的值，而且实施例3的热处理油组合物可以减小热处理油组合物的流速变化所导致的影响。

在评价3中，实施例3的热处理油组合物与比较例5的热处理油组合物相比，在实际的团体淬火中，扭转角误差变化量的不均极小。在评价2中，压力角误差变化量的差在实施例3的热处理油组合物和比较例5的热处理油组合物中没有差别，但在实际的团体淬火的评价中，实施例3的热处理油组合物的压力角误差变化量的不均更小。

产业实用性

本发明的热处理油组合物为在金属材料的淬火中，当同时淬火大量的处理物时，难以产生硬度和淬火变形的不均，特别是具有与汽车用齿轮部件等的淬火中使用的JIS 2种1号油同等程度的冷却性，同时可以减小团体淬火时的冷却性不均的淬火油组合物。

Claims (5)

1.一种热处理油组合物，其特征在于，包含含有5质量％以上、小于50质量％的5％馏出温度为300℃以上400℃以下的低沸点基油及超过50质量％、95质量％以下的5％馏出温度为500℃以上的高沸点基油的混合基油，其中所述5％馏出温度是指通过JIS K2254“石油制品-蒸馏试验’，的“参考：石油馏分的气相法蒸馏试验方法”测定的5％馏出温度。

2.权利要求1所述的热处理油组合物，其中混合基油中的低沸点基油为10质量％以上、小于50质量％，且高沸点基油超过50质量％、90质量％以下。

3.权利要求1或2所述的热处理油组合物，其中JIS K2242冷却性试验的300℃秒数为7.5～12.3秒，所述300℃秒数是指在JIS K2242冷却性试验中，从800℃到300℃的冷却秒数。

4.权利要求1或2所述的热处理油组合物，其含有蒸汽膜破裂剂。

5.权利要求3所述的热处理油组合物，其含有蒸汽膜破裂剂。

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