專利名稱：滲碳部件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及實(shí)施了滲碳的部件(以下稱作“滲碳部件”)及其制造方法。詳細(xì)地講，是涉及可用作汽車、建筑工程機(jī)械、工業(yè)機(jī)械等的各種軸類或者動(dòng)力傳遞用部件等的高強(qiáng)度鋼制滲碳部件及其制造方法。更詳細(xì)地講，是提高了強(qiáng)度、特別是隨著沖擊負(fù)荷而產(chǎn)生的所謂的“低 中循環(huán)區(qū)域”中的疲勞強(qiáng)度、即“在為了付與塑性變形而施加反復(fù)的沖擊負(fù)荷的情況下，在IO3 IO4循環(huán)左右以下的反復(fù)次數(shù)下產(chǎn)生疲勞破壞的強(qiáng)度”的高強(qiáng)度鋼制滲碳部件及其制造方法。
背景技術(shù)：
汽車橋軸(axle shaft)、驅(qū)動(dòng)軸、等速接頭用軸承座圈(outer race)或者動(dòng)力傳遞用的齒輪等汽車部件、建筑工程機(jī)械部件及工業(yè)機(jī)械部件通常在機(jī)械加工成規(guī)定形狀之后，為了具有期望的機(jī)械性質(zhì)而實(shí)施表面硬化處理或者采用通常的“淬火-回火”的硬化處理來制造。對(duì)于上述部件中的特別是汽車部件，從近年來的汽車的燃燒消耗率提高或者廢氣降低等應(yīng)對(duì)環(huán)境問題的方面考慮，越來越謀求小型化、輕量化。因此，部件承受的負(fù)荷越發(fā)增大，特別是在沖擊負(fù)荷成為問題的“低 中循環(huán)區(qū)域”中，提高疲勞強(qiáng)度非常重要。對(duì)于部件的高疲勞強(qiáng)度化，通常大多采用作為表面硬化處理的“滲碳淬火”。但是，在通常的“滲碳淬火”處理的情況下，表面被硬化處理后的部位的碳濃度按質(zhì)量％計(jì)為0. 8%左右，淬火后的微觀組織是高碳馬氏體組織。因此，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)較高的硬度，但是很難避免由高碳馬氏體組織引起的“脆化”。本說明書中說明的“馬氏體”是指利用等溫相變及連續(xù)冷卻相變得到的所謂的“新生馬氏體(7 > 7 * - >〒 > 寸4卜)”、“進(jìn)行了自熱回火后的馬氏體”及將它們回火而得到的“回火馬氏體”中的、“板條狀組織形態(tài)”的組織，在上述“板條狀組織”中也包含析出有ε或者θ等的碳化物的組織。在將上述“新生馬氏體”及“進(jìn)行了自熱回火后的馬氏體”回火的情況下，也實(shí)施高溫下的回火、例如超過700°C這樣的較高溫度下的回火，在“板條狀組織”再結(jié)晶而成為等軸狀的鐵素體的情況下，不包含在“回火馬氏體”中。在非專利文獻(xiàn)1中，對(duì)以“滲碳淬火”處理為前提的材料進(jìn)行了研究。但是，在這樣的僅變更材料的情況下，很難避免由上述高碳馬氏體組織引起的“脆化”。因此，不能充分提高隨著沖擊負(fù)荷而產(chǎn)生的“低 中循環(huán)區(qū)域”中的疲勞強(qiáng)度。因此，作為實(shí)現(xiàn)較高的疲勞強(qiáng)度的方法之一，研究了在實(shí)施滲碳淬火等表面硬化處理之后，進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理，對(duì)部件表面付與壓縮殘余應(yīng)力。具體地講，例如在專利文獻(xiàn) 1 4中提出了組合滲碳淬火等表面硬化處理和噴丸強(qiáng)化處理的高疲勞強(qiáng)度部件及其制造方法。在專利文獻(xiàn)5中，作為實(shí)現(xiàn)較高的疲勞強(qiáng)度的另一種方法提出了在實(shí)施滲碳淬火的表面硬化處理之后，再對(duì)制品的特定部位進(jìn)行高頻淬火的高疲勞強(qiáng)度部件及其制造方法。S卩，在專利文獻(xiàn)1中公開了一種“疲勞強(qiáng)度較高的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械部件的制造方法”，其特征在于，使用含有0. 1 % 0. 3 %的碳的鋼成形為機(jī)械部件，進(jìn)行滲碳處理或者滲碳氮化處理而使維氏硬度大于等于400且小于700的不完全淬火層存在于從表面起到 10 μ m 50 μ m的深度之后，或者使用含有0. 35 % 0. 75%的碳的鋼成形為機(jī)械部件，進(jìn)行淬火而使維氏硬度大于等于400且小于700的不完全淬火層存在于從表面起到ΙΟμπι 50μπι的深度并再進(jìn)行回火之后，利用具有維氏硬度為500以上的硬度的投射材料進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理。在專利文獻(xiàn)2中公開了一種“高疲勞強(qiáng)度滲碳淬火品的制造方法”，其特征在于， 對(duì)按質(zhì)量％計(jì)分別含有C :0. 0.4%、Si :0. 3%以下、Al 0. 02% 0. 08%、并以滿足 [6. 4 % ^ 2 [Mn] + [Ni] + [Cr] + [Mo] ^8. 2% ]的式子的方式含有從由 Mn :0.3% 3. l%,Ni 0% 6%、Cr 1. 2%、Mo 1. 2%構(gòu)成的組中選擇的兩種以上元素、并且根據(jù)需要含有從由Nb 0. 005% 0. 2%和V 0. 03% 0. 8%構(gòu)成的組中選擇的一種或者兩種、余量由鐵和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的鋼材，實(shí)施滿足
的式子的滲碳或者滲碳氮化處理，接著自奧氏體單相區(qū)域進(jìn)行淬火， 從而得到滲碳淬火硬化層的最高硬度按維氏硬度計(jì)為550 620、且從表面到300 μ m深度的殘留奧氏體面積率不會(huì)達(dá)到20%以下的鋼材，之后在弧高0. 6mmA以上的條件下進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理。在專利文獻(xiàn)3中公開了一種“耐剝離性(耐C 7 f > V性)和耐磨損性優(yōu)良的高表面壓力用部件”，其特征在于，由按質(zhì)量％計(jì)含有C :0. 15% 0. 60%, Si :0. 01% 2. 00%,Mn 0. 01% 2. 00%,Al :0. 003% 0. 050%,N :0. 005% 0. 100%,Cr :1. 50% 6. 00%,Mo 0. 01% 3. 00%、且Cr+2Mo :2. 00% 8. 00%的鋼構(gòu)成，并且，根據(jù)需要含有從 Ni 0. 2. 0%、B 0. 0001% 0. 0020%, V :0. 01% 0. 50%, Nb 0. 01% 0. 20%, Ti :0. 01% 0. 20%中選擇的一種或者兩種以上，余量由！^和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，在表層中長(zhǎng)徑和短徑之積的平方根為2μπι以上的碳化物按面積率計(jì)為2%以下；以及一種 “高表面壓力用部件的制造方法”，其特征在于，對(duì)于該高表面壓力用部件，將加熱溫度控制在930 V 1050 V、滲碳表層的C濃度控制在0. 60 % 0. 80 %、淬火溫度控制在850 V 900°C地實(shí)施滲碳淬火、回火處理，或者實(shí)施滲碳氮化淬火、回火處理，或者在實(shí)施上述回火處理之后，再進(jìn)行研磨、噴丸強(qiáng)化、高能噴丸(Hard Shot Peening)、微粒子噴丸強(qiáng)化中的任一種或者其中多種表面硬化處理。在專利文獻(xiàn)4中公開了一種“低循環(huán)疲勞特性優(yōu)良的滲碳部件”，其特征在于，按質(zhì)量％計(jì)含有C 大于等于0. 10%且小于0. 30%, Si 0. 以下、Mn :0. 20% 0. 60%, P 0. 015% 以下、S 0. 035% 以下、Cr :0. 50% 1. 00%, Mo :0. 50% 1. 00%, B :0. 0005% 0. 0030%,Ti 0. 010% 0. 100%,Nb :0. 010% 0. 100%，余量由！^e 和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，氣體滲碳處理之后的表層C濃度為0. 40% 0. 60%，使極限硬度按維氏硬度計(jì)為513 的有效硬化層深度為0. 6mm 1. 2mm,而且，噴丸強(qiáng)化處理后的表面硬度按維氏硬度計(jì)為 700以上。在專利文獻(xiàn)5中公開了一種“高疲勞強(qiáng)度滲碳強(qiáng)化處理品的制造方法”，其特征在于，將按質(zhì)量比含有 C 0. 15% 0. 35%, Al 0. 01% 0. 15%,N 0. 005% 0. 025%,Mn 0. 30% 1. 2%、Cr 0. 30% 1. 20%, S :0. 01% 0. 20%、根據(jù)需要還組合一種或者兩種以上地含有(a) Nb :0. 020% 0. 120%及 Ti 0. 005% 0. 10%、(b)Mo :1. 0% 以下、Ni 4.0%以下、Cu :2. 0%以下、V :1.0%以下這兩組元素、限制為P :0. 01%以下、Si :0. 50% 以下、余量由Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的鋼加工為所需的制品形狀，在碳勢(shì)Cp為0. 4質(zhì)量％ 0. 9質(zhì)量％的范圍、且以碳勢(shì)和材料的碳濃度之差為0. 2質(zhì)量％以上的碳勢(shì)進(jìn)行滲碳淬火之后，進(jìn)行使制品的一部分或者整個(gè)制品的滲碳時(shí)的全硬化層深度的0. 3倍 1. 5 倍的部分奧氏體化的高頻淬火。專利文獻(xiàn)1 日本特開平5-1407 號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本特開平5-156421號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3 日本特開2007-246941號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)4 日本特開2008-255470號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)5 日本特開昭64-36779號(hào)公報(bào)非專利文獻(xiàn)1 松島等:R&D神戶制鋼技報(bào)，Vol. 50，No. 1 (Apr. 2000)，P. 57 60在上述專利文獻(xiàn)1中提出的技術(shù)利用這樣的方式，即，作為表面硬化處理以滲碳淬火或者滲碳氮化淬火為前提，通過使表層部的特定部位存在軟質(zhì)的“不完全淬火層”，在噴丸強(qiáng)化加工時(shí)，表層的軟質(zhì)層與內(nèi)部的硬質(zhì)層相比比較容易塑性變形，結(jié)果表層的壓縮殘余應(yīng)力升高。因而，利用該技術(shù)，能夠提高例如小野式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)這樣的、IXIO6 循環(huán)左右以上的反復(fù)次數(shù)的疲勞破壞為對(duì)象的所謂的“高循環(huán)區(qū)域”中的疲勞強(qiáng)度。但是， 在沖擊性且施加比較大的負(fù)荷的所謂的“低 中循環(huán)區(qū)域”中，存在即使能夠?qū)Ρ韺硬扛杜c較大的壓縮殘余應(yīng)力，若存在不完全淬火層，則該“不完全淬火層”自身會(huì)促進(jìn)產(chǎn)生疲勞龜裂，也無法避免產(chǎn)生疲勞破壞的情況。因此，并不一定能夠得到“低 中循環(huán)區(qū)域”中的疲勞強(qiáng)度的提高效果。在專利文獻(xiàn)2中提出的技術(shù)中，MruNi、Cr和Mo的含有量總量、以及表面C量和表面N量限制在特定的范圍內(nèi)，使?jié)B碳淬火時(shí)生成的殘留奧氏體量適當(dāng)化，使通過噴丸強(qiáng)化產(chǎn)生的表面壓縮殘余應(yīng)力付與的效果到達(dá)材料內(nèi)部的更深的位置。因而，利用該技術(shù)，也能夠提高“高循環(huán)區(qū)域”中的疲勞強(qiáng)度。但是，在殘留奧氏體量大于20%地存在的情況下，在噴丸強(qiáng)化處理時(shí)，由殘留奧氏體的加工誘發(fā)相變引起的變形量變大，因此，無法避免部件產(chǎn)生應(yīng)變。因而，需要用于校正應(yīng)變的作業(yè)。在專利文獻(xiàn)3中提出的高表面壓力部件將鋼材成分中的、特別是比較昂貴的Cr和 Mo調(diào)整到Cr為1. 50 % 6. 00 %的范圍、將Mo調(diào)整為0. 01 % 3. 00 %的范圍、將[Cr+2Mo] 的值調(diào)整為2. 00% 8. 00%。因此，存在無法避免隨著合金元素含有量的增加而引起制造成本增加的情況。在該專利文獻(xiàn)3中提出的技術(shù)通過在滲碳表層的C濃度、即碳勢(shì)為 0. 60% 0. 80%的條件下進(jìn)行滲碳淬火，并根據(jù)需要進(jìn)行各種噴丸強(qiáng)化處理，能夠提高高循環(huán)區(qū)域中的疲勞強(qiáng)度。但是，由于碳勢(shì)較高，因此，很難避免表面硬化層部中的“脆化”。 因此，并不一定能夠得到“低 中循環(huán)區(qū)域”中的疲勞強(qiáng)度的提高效果。在專利文獻(xiàn)4中提出的技術(shù)中，通過付與壓縮殘余應(yīng)力來補(bǔ)償隨著降低滲碳部件的表層C濃度而引起的表層硬度的降低，并且，使壓縮殘余應(yīng)力最大的深度位置為距表層 100 μ m以內(nèi)，出于抑制因彎曲疲勞而產(chǎn)生龜裂、并除去作為龜裂起點(diǎn)的表層的晶界氧化層的目的，實(shí)施噴丸強(qiáng)化處理。在該專利文獻(xiàn)4中，對(duì)于在兩個(gè)階段中進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理也進(jìn)行了公開。但是，完全沒有考慮部件的表面粗糙度，因此，在部件的表面粗糙較大的情況下， 認(rèn)為因“缺口效應(yīng)”容易產(chǎn)生疲勞龜裂。因此，并不一定能夠得到“低 中循環(huán)區(qū)域”中的疲勞強(qiáng)度的提高效果。在專利文獻(xiàn)5中提出的技術(shù)通過以特定的碳勢(shì)進(jìn)行滲碳淬火，接著在特定的條件下進(jìn)行高頻淬火，能夠?qū)⒈韺拥呐f奧氏體結(jié)晶粒徑做成JIS粒徑編號(hào)為10號(hào)以上的細(xì)粒， 并付與-294MPa(-30kgf/mm2)以下的表層壓縮殘余應(yīng)力。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)使用平滑試驗(yàn)片通過小野式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)的疲勞極限為941MPa(96kgf/mm2)以上的疲勞強(qiáng)度。但是，該方法作為表面硬化處理同時(shí)進(jìn)行了“滲碳淬火”和“高頻淬火”這兩種處理，因此會(huì)導(dǎo)致制造成本升高。另外，關(guān)于低 中循環(huán)區(qū)域中的疲勞強(qiáng)度沒有公開。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明即是鑒于上述現(xiàn)狀而做成的，其目的在于提供大幅度提高了 “低 中循環(huán)區(qū)域”中的疲勞強(qiáng)度的滲碳部件及其制造方法。本發(fā)明人為了提高“低 中循環(huán)區(qū)域”中的疲勞特性，對(duì)實(shí)施了硬化處理后的部件的硬化層部微觀組織進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查。結(jié)果可判明，為了提高“低 中循環(huán)區(qū)域”中的疲勞強(qiáng)度，需要至少使硬化層部“高韌性化”。因此，進(jìn)行用于實(shí)現(xiàn)硬化層部的高韌性化的研究，發(fā)現(xiàn)抑制硬化層部的脆性破壞及抑制不完全淬火組織非常重要。推斷為，為了抑制上述硬化層部的脆性破壞，使硬化層部的馬氏體組織的C 量適當(dāng)化艮口可° 與其相關(guān)聯(lián)，G. Krauss 在“Materials Science and Engineering A273-275(1999) ”的第40 第57頁中報(bào)告了只要調(diào)質(zhì)處理的情況下的馬氏體組織中的C 量為0. 50%以下，就能抑制脆性破壞而產(chǎn)生延展性破壞。但是，在進(jìn)行“滲碳淬火”這樣的表面硬化處理的情況下，從部件表面朝向內(nèi)部地產(chǎn)生碳濃度的分布。該碳濃度的分布根據(jù)滲碳淬火條件而變化，因此，存在內(nèi)部的碳濃度高于表面的碳濃度的情況。因而，可認(rèn)為硬化層部的特性僅利用部件的極表面的碳濃度無法評(píng)價(jià)。因此，本發(fā)明人將具有表1所示的化學(xué)組成的鋼A真空爐熔煉，制作150kg鋼塊， 利用4點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)對(duì)滲碳處理品的碳濃度分布與疲勞試驗(yàn)中的破壞形態(tài)的相關(guān)性進(jìn)行了調(diào)查。上述鋼A是相當(dāng)于JIS G 4053 (2008)所記載的SCr420的鋼。表 權(quán)利要求
1.一種滲碳部件，該滲碳部件為鋼制，其特征在于，原料鋼是具有按質(zhì)量％計(jì)含有C 0. 15 % 0. 25 %、Si :0. 03 % 0. 50 %、Mn 大于 0. 60%且小于等于 1. 5%,P 0. 015% 以下、S :0. 006% 0. 030%,Cr :0. 05% 2. 0%,A1 0. 10%以下、N 0. 03%以下及0 :0. 0020%以下、余量由！^和雜質(zhì)構(gòu)成的化學(xué)組成的鋼； 表面硬化層部滿足下述(a) (c)的條件；(a)C(ave)按質(zhì)量％計(jì)為0. 35% 0. 60% ；(b)表面粗糙度Rz 15 μ m以下；以及(c)or(0) :-800MPa以下、or(100) :_800MPa以下及殘余應(yīng)力強(qiáng)度指數(shù)Ir :80000以上；其中，C(ave)從最表面到深度0. 2mm的位置的平均碳濃度； 表面粗糙度Rz JIS B 0601(2001)所規(guī)定的最大高度粗糙度； or(0)部件最表面的壓縮殘余應(yīng)力； or (100)距部件最表面100 μ m的位置的壓縮殘余應(yīng)力；殘余應(yīng)力強(qiáng)度指數(shù)Ir 將從部件最表面到100 μ m深度的位置的距最表面的深度設(shè)為 y μ m，將該部位的殘余應(yīng)力設(shè)為。！"(》，用[11· = / I or(y) dy]表示的值； 在此，積分區(qū)間、即“y”的范圍為0(μπι) 100(μ m)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滲碳部件，其特征在于，原料鋼是具有替代作為余量的狗的一部分而按質(zhì)量％計(jì)含有從Mo 小于0. 50%, Cu 1.0%以下、Ni :3.0%以下及B :0. 0030%以下中選擇的1種以上的化學(xué)組成的鋼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的滲碳部件，其特征在于，原料鋼是具有替代作為余量的狗的一部分而按質(zhì)量％計(jì)含有從Ti 0. 10%以下、Nb 0. 10%以下及V :0. 30%以下中選擇的1種以上的化學(xué)組成的鋼。
4.一種滲碳部件的制造方法，其特征在于，對(duì)使用具有權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的原料的化學(xué)組成的鋼成形加工為期望形狀的部件依次實(shí)施下述工序(a)及(b)所述的處理；工序(a)通過在碳勢(shì)為0.35% 0.90%的氣氛中進(jìn)行滲碳處理，使從部件的最表面到深度0. 2mm的位置的平均碳濃度達(dá)到按質(zhì)量％計(jì)為0. 35% 0. 60%，然后進(jìn)行淬火處理，或者在上述淬火處理之后再以200°C以下的溫度進(jìn)行回火處理； 工序(b):實(shí)施滿足下述條件的兩階段噴丸強(qiáng)化處理； 第1階段的噴丸強(qiáng)化處理?xiàng)l件 投射材料的HV硬度650 750 ； 投射材料的平均粒徑0. 6mm 1. Omm ； 覆蓋率500%以上； 第2階段的噴丸強(qiáng)化處理?xiàng)l件 投射材料的HV硬度700 850 ； 投射材料的平均粒徑0. 05mm 0. 25mm ； 覆蓋率500%以上。
全文摘要
本發(fā)明提供滲碳部件及其制造方法。該滲碳部件的原料鋼是具有下述化學(xué)組成的鋼按質(zhì)量％計(jì)含有C0.15％～0.25％、Si0.03％～0.50％、Mn大于0.60％且小于等于1.5％、P≤0.015％、S0.006％～0.030％、Cr0.05％～2.0％、Al≤0.10％、N≤0.03％及O≤0.0020％，根據(jù)需要含有指定量的Mo、Cu、Ni、B、Ti、Nb及V中的1種以上，余量由Fe和雜質(zhì)構(gòu)成，表面硬化層部滿足下述(a)～(c)的條件的滲碳部件的“低～中循環(huán)區(qū)域”中的疲勞強(qiáng)度優(yōu)良。(a)從最表面到深度0.2mm的位置的平均碳濃度0.35％～0.60％；(b)表面粗糙度Rz≤15μm；(c)部件最表面的壓縮殘余應(yīng)力≤-800MPa，距部件最表面100μm的位置的壓縮殘余應(yīng)力≤-800MP a、及Ir≥80000。其中，Ir是指將從部件最表面到100μm深度的位置的距最表面的深度設(shè)為yμm，將該部位的殘余應(yīng)力設(shè)為σr(y)，使積分區(qū)間為0～100地由[∫|σr(y)|dy]求出的值。
文檔編號(hào)C22C38/54GK102459678SQ201080033260
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者小林祐次, 末野秀和, 杉浦英明, 根石豐, 浜田貴成 申請(qǐng)人:住友金屬工業(yè)株式會(huì)社, 新東工業(yè)株式會(huì)社