專利名稱：碳氮共滲部件及碳氮共滲部件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及實(shí)施了碳氮共滲處理的部件(以下稱為“碳氮共滲部件”)和碳氮共滲部件的制造方法。更具體而言，本發(fā)明涉及適合作為要求具有優(yōu)異的接觸疲勞強(qiáng)度 (contact pressure fatigue strength)尤其是對于J^t蟲(pitching)而言的高強(qiáng)度與優(yōu)異的耐磨耗性的動力傳輸部件的碳氮共滲部件及該碳氮共滲部件的制造方法。
背景技術(shù)：
作為汽車的變速器使用的齒輪、帶式無級變速器(CVT)用滑輪等動力傳輸部件目前如下制造通過鍛造、切削等加工，將JIS 64053(2003)規(guī)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)用合金鋼鋼材成型為規(guī)定的形狀，進(jìn)行滲碳淬火、碳氮共滲淬火，此后進(jìn)一步回火。近年來，對改善汽車燃料消耗率的要求越來越嚴(yán)格。在該狀況下，為了實(shí)現(xiàn)與燃料消耗率改進(jìn)直接相關(guān)的車體的輕量化，對上述部件提出了進(jìn)一步小型化和高強(qiáng)度化的要求，提高作為接觸疲勞之一的點(diǎn)蝕的極限強(qiáng)度(以下稱為“點(diǎn)蝕強(qiáng)度”)與耐磨耗性被重視。一般，為了提高點(diǎn)蝕強(qiáng)度與耐磨耗性，有效的是，通過滲碳或碳氮共滲使部件表面硬化。因此，以含有0. 2%左右(質(zhì)量％ )的碳的SMn420為代表的錳系、以SMnC420為代表的錳鉻系、以SCr420為代表的鉻系和以SCM420為代表的鉻鉬系等機(jī)械結(jié)構(gòu)用合金鋼鋼材作為滲碳部件和碳氮共滲部件的原料使用。然而，在上述鋼材中含有的元素當(dāng)中，稀有金屬元素在近年來價(jià)格顯著高漲，尤其是鉬，發(fā)生了顯著的價(jià)格高漲?！疤嫉矟B”包括在滲碳性氣氛中混合氨氣，在滲碳的同時(shí)進(jìn)行滲氮的“氣體碳氮共滲”等，氮被視為具有提高所謂的“抗回火軟化性(temper softening resistance) ”的效果。然而，氮具有抑制碳擴(kuò)散的作用，而且，滲氮處理在比滲碳處理更低的溫度下實(shí)施，因此，具有硬化深度變小的問題。此外，氮是奧氏體穩(wěn)定化元素，由于與C同樣地Ms點(diǎn)降低， 因此，容易存在殘留奧氏體，還存在難以獲得硬質(zhì)的馬氏體的問題。因此，例如在專利文獻(xiàn)1 4中公開了解決碳氮共滲中的上述問題的技術(shù)。具體而言，專利文獻(xiàn)1中公開了 “一種齒面強(qiáng)度優(yōu)異的齒輪的制造方法，其特征在于，該齒輪以機(jī)械結(jié)構(gòu)用表面硬化鋼(case hardening steel)為原料，具有如下的表面硬化組織最表面的C量為0. 5重量％以上且0. 9重量％以下，且最表面的N量為0. 3重量％ 以上且0.8重量％以下，N量為與C量同等程度的同時(shí)，N的侵入深度達(dá)到能獲得硬度Hv550 的有效深度即有效硬化深度的至少80%的深度。該方法中，在800°C以上且950°C以下的溫度下對由機(jī)械結(jié)構(gòu)用表面硬化鋼構(gòu)成的齒輪原料進(jìn)行滲碳處理的同時(shí)進(jìn)行滲氮處理，之后冷卻，進(jìn)一步再加熱至800以上且930以下的奧氏體化溫度，再次進(jìn)行滲氮處理，之后淬火， 從而使表面硬化組織由不僅固溶有C而且固溶有N的致密馬氏體組織構(gòu)成”。專利文獻(xiàn)2中公開了 “一種高強(qiáng)度齒輪，其特征在于，該齒輪以化學(xué)成分為C、Si、 Mn、P、S、Cr或在這些成分中添加有Mo或Mo和V的機(jī)械結(jié)構(gòu)用表面硬化鋼為原料，對齒輪成型體實(shí)施過碳氮共滲處理，該處理是依次進(jìn)行滲碳工序、利用NH3氣體的氮化工序、在鹽中的浸漬工序和回火工序的表面硬化熱處理，從表面到至少150μπι深度的氮含量為0. 2%以上且0.8%以下，而且具有由含氮的致密馬氏體和10 40%的殘留奧氏體的混合組織， 或者含氮的致密馬氏體、下部貝氏體(bainite)和10 40%的殘留奧氏體的混合組織構(gòu)成的表面硬化層”。專利文獻(xiàn)3中公開了 “耐點(diǎn)蝕性優(yōu)異的碳氮共滲處理部件的熱處理方法，其特征在于，將按重量％計(jì)(以下相同)含有C 0. 10 0. 35%, Si 0. 05 1. 00%, Mn 0. 30 1. 50%, S 0. 005 0. 03%、Cr :0. 50 4. 00%和 Al :0. 02 0. 60%，根據(jù)需要含有 Ni 0. 05 3. 00%, Mo 0. 05 4. 00%, V :0. 05 1. 00%和 W :0. 05 1. 00% 中的一種或兩種以上，此外根據(jù)需要還含有Nb 0. 005 0. 10%，其余部分基本上由Fe構(gòu)成的鋼的部件滲碳后碳氮共滲或直接碳氮共滲，此后淬火，在200 560°C的溫度下回火”。(“耐點(diǎn)蝕性” 與本發(fā)明中的“點(diǎn)蝕強(qiáng)度”同義)。專利文獻(xiàn)4中公開了 “一種耐磨耗性、接觸疲勞特性優(yōu)異的、適用于研磨部件的碳氮共滲鋼，其中，合金元素的含量按質(zhì)量％計(jì)為C 0. 10 0. 30%, Si 0. 50 1. 50%,Mn 0. 50 1. 50%,P ^ 0. 020%,S :0. 003 0. 020%,Cr :0. 50 3. 00%，其余部分由 Fe 和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成”。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 日本特開平11-51155號公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本特開平7-190173號公報(bào)專利文獻(xiàn)3 日本特開2001-140020號公報(bào)專利文獻(xiàn)4 日本特開2002-194492號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題在前述的專利文獻(xiàn)1中公開的齒輪的制造方法的情況下，為了加深氮的侵入深度、增大有效硬化深度，需要進(jìn)行再加熱淬火。因此，專利文獻(xiàn)1中公開的技術(shù)從制造工序、 能量消耗的觀點(diǎn)來看并非有效。專利文獻(xiàn)2中公開的高強(qiáng)度齒輪由于以含氮的致密馬氏體為主要組織或以含氮的致密馬氏體與下部貝氏體為主要組織，因此只是將殘留奧氏體的量限制在10 40%的技術(shù)。因此，專利文獻(xiàn)2中公開的技術(shù)未必能夠獲得充分的耐磨耗性與點(diǎn)蝕強(qiáng)度。專利文獻(xiàn)3中公開的熱處理方法基于以下技術(shù)思想通過在比以往的150 180°C高的200 560°C的溫度下回火，從而使柔軟的殘留奧氏體被分解為馬氏體與η碳化物，能夠提高表面硬度，同時(shí)，CrN, AlN等氮化物微細(xì)地析出，發(fā)生析出硬化，由此提高了耐點(diǎn)蝕性。在上述的200 560°C的溫度范圍回火時(shí)，為了使其分解為能夠提高表面硬度的馬氏體與Π碳化物的混合組織，重要的是控制原來的殘留奧氏體中的氮濃度。不過，專利文獻(xiàn)3中完全沒有公開在碳氮共滲工序中應(yīng)該引入何種程度的氮(即，最適合的氮?jiǎng)?，因此，根據(jù)氮?jiǎng)莸倪x擇方式，有時(shí)完全不能獲得如上所述的混合組織。而且，在指定的溫度范圍中的高溫側(cè)的溫度下進(jìn)行回火，直到發(fā)生CrN、AlN等合金元素氮化物的析出時(shí)，殘留奧氏體不是分解為馬氏體與Π碳化物，而是分解為鐵素體與滲碳體(cementite)，或者析出粗大的Y’ -Fe4N氮化物，導(dǎo)致硬度顯著降低，點(diǎn)蝕強(qiáng)度反而降低的問題。
專利文獻(xiàn)4中公開的碳氮共滲用鋼基于使Si的含量增大從而提高抗回火軟化性的技術(shù)思想。然而，在不控制碳氮共滲的氣氛，僅僅應(yīng)用一般性氣體碳氮共滲時(shí)，由于Si的含量高，因此不可避免地促進(jìn)晶界氧化，因此，具有不能獲得充分的表面硬度的問題。如上所述，迄今為止提出的碳氮共滲技術(shù)中，不足以有效地提供耐磨耗性與點(diǎn)蝕強(qiáng)度二者均優(yōu)異的碳氮共滲部件。因此，本發(fā)明的目的是提供碳氮共滲部件，其解決了這些課題，而且，進(jìn)一步通過降低近年來價(jià)格顯著高漲的昂貴合金元素Mo的含量或不添加Mo，從而比以往的鋼低廉，同時(shí)，可以確保優(yōu)異的耐磨耗性和大的點(diǎn)蝕強(qiáng)度。本發(fā)明的目的也在于提供碳氮共滲部件的制造方法，該方法可以有效地獲得上述碳氮共滲部件。用于解決問題的方案本發(fā)明人等為了解決上述問題，使用以SCr320為代表的鉻系和以SCM420為代表的鉻鉬系的表面硬化鋼，在各種條件下進(jìn)行碳氮共滲實(shí)驗(yàn)，調(diào)查了碳氮共滲部件的耐磨耗性和點(diǎn)蝕強(qiáng)度與表面硬化層的微組織的關(guān)系。結(jié)果，關(guān)于在碳氮共滲中能夠表現(xiàn)優(yōu)異的耐磨耗性與高的點(diǎn)蝕強(qiáng)度的微組織，獲得了下述(a) (d)的見解。(a)在進(jìn)行碳氮共滲、淬火時(shí)，在硬化層中容易生成殘留奧氏體。迄今已知的是，含 N的殘留奧氏體比不含N的殘留奧氏體穩(wěn)定，不容易相變，但硬化層中的殘留奧氏體的體積分?jǐn)?shù)越小，可以獲得越優(yōu)異的耐磨耗性和越高的點(diǎn)蝕強(qiáng)度。(b)在碳氮共滲中引入氮的工序中，通過將溫度和氮?jiǎng)菹拗圃谶m當(dāng)?shù)姆秶?，可以使長徑約50 300nm的ε -Fe3N和/或ζ -Fe2N的顆粒析出。這些鐵氮化物顆粒在硬化層中穩(wěn)定存在，即使在碳氮共滲之后淬火，此后進(jìn)一步進(jìn)行回火也沒有變化，，有助于增大碳氮共滲部件的表面硬度，尤其具有提高耐磨耗性的作用。另外，上述鐵氮化物顆粒還具有提高碳氮共滲部件的點(diǎn)蝕強(qiáng)度的效果。(c)通過碳氮共滲后淬火而在硬化層中生成的殘留奧氏體，其在150 180°C下保持1 2小時(shí)的一般回火條件的情況下也基本上不分解。然而，在超過250°C且350°C以下的溫度范圍，如果保持1 2小時(shí)進(jìn)行回火，殘留奧氏體分解為寬度約50 200nm、長度約 200nm Ιμπι左右的微細(xì)“小竹葉”形狀的貝氏體鐵素體和!^e3C和α ”-Fe16N2，殘留奧氏體的面積率大致降低至低于約5%。從鐵素體的形狀來推測，認(rèn)為這種殘留奧氏體的分解行為是等溫貝氏體相變。此時(shí)，硬度顯著增大，碳氮共滲部件的耐磨耗性和點(diǎn)蝕強(qiáng)度提高。另外，回火溫度超過350°C時(shí)，殘留奧氏體分解為鐵素體、Fe3C^P、’-Fe4N,此時(shí)的硬度沒怎么增大。另一方面，在該情況下，由于淬火處理而相變?yōu)轳R氏體的部分分解為等軸粒狀的鐵素體與粒狀的狗3(，因此，總體上的硬度降低。因此，回火溫度超過350°C時(shí)，碳氮共滲部件的耐磨耗性和點(diǎn)蝕強(qiáng)度降低。(d)如果碳氮共滲部件的微組織為下述微組織，即，在硬化層中，尤其在從表面直到有效硬化深度(定義為能獲得維氏硬度550處距離表面的深度)位置的區(qū)域中分散有長徑約50 300nm的ε -Fe3N和/或ζ -Fe2N的鐵氮化物顆粒，且殘留奧氏體分解為寬度約 50 200nm、長度約200nm 1 μ m左右的微細(xì)貝氏體鐵素體以及!^e3C和α ” -Fe16N2,即使在以鉻系的表面硬化鋼為原料的情況下，其碳氮共滲部件也具有與以鉻鉬系表面硬化鋼為原料在通常的氣體滲碳之后淬火和回火的部件同等以上的耐磨耗性和點(diǎn)蝕強(qiáng)度。
本發(fā)明是基于上述的見解而完成的，其主旨是下述第(1)和( 項(xiàng)中所示的碳氮共滲部件以及第( 和(4)項(xiàng)中所示的碳氮共滲部件的制造方法。(1) 一種碳氮共滲部件，其特征在于，該碳氮共滲部件的鋼材坯料按質(zhì)量％計(jì)含有 C 0. 10 0. 35%, Si 0. 15 1. 0%、Mn :0. 30 1. 0%、Cr :0. 40 2. 0%、S :0. 05% 以下，其余部分由Fe和雜質(zhì)構(gòu)成，在從該碳氮共滲部件的硬化層的表面到有效硬化深度的位置的區(qū)域中，分散有S-Fe3N*/或ζ-Fe2N的鐵氮化物顆粒，且殘留奧氏體分解為貝氏體鐵素體、！^e3C和 α ”- ^2。(2)根據(jù)上述第(1)項(xiàng)所述的碳氮共滲部件，其特征在于，鋼材坯料按照質(zhì)量％計(jì)進(jìn)一步含有Mo 0. 50%以下。(3) 一種碳氮共滲部件的制造方法，其特征在于，該制造方法是使用下述鋼材的碳氮共滲部件的制造方法按質(zhì)量％計(jì)含有C 0. 10 0. 35%,Si 0. 15 1. 0%,Mn :0. 30 1. 0%Xr :0. 40 2. 0%、S :0. 05%以下，其余部分由！^和雜質(zhì)構(gòu)成的鋼材，該制造方法依次包括以下步驟1到步驟4的處理步驟1 保持于溫度為900 950°C的滲碳性氣氛中，從而對該鋼材進(jìn)行滲碳，步驟2 保持于溫度800 900°C、氮?jiǎng)?. 2 0. 6%的碳氮共滲氣氛中，從而對該實(shí)施過滲碳的鋼材實(shí)施碳氮共滲，步驟3 對該實(shí)施過碳氮共滲的鋼材進(jìn)行淬火，步驟4 將該實(shí)施過淬火的鋼材在超過250°C且350°C以下的溫度下回火。(4)根據(jù)上述第( 項(xiàng)所述的碳氮共滲部件的制造方法，其特征在于，鋼材按質(zhì)量％計(jì)進(jìn)一步含有Mo 0. 50%以下。其中，“有效硬化深度”是指能獲得維氏硬度550處距離表面的深度。另外，由于ε -Fe3N, ζ -Fe2N, α，，-Fe16N2和γ，-Fe4N具有表1所示的晶體結(jié)構(gòu)與晶格常數(shù)，因此拍攝電子束衍射圖形，分析該圖像，可以鑒定各相。[表 1]
權(quán)利要求
1.一種碳氮共滲部件，其特征在于，該碳氮共滲部件的鋼材坯料按質(zhì)量％計(jì)含有C:0.10 0. 35%, Si 0. 15 1. 0%, Mn 0. 30 1. 0%, Cr 0. 40 2. 0%、S 0. 05% 以下，其余部分由狗和雜質(zhì)構(gòu)成，在從該碳氮共滲部件的硬化層的表面到有效硬化深度位置的區(qū)域中，分散有ε -Fe3N 和/或ζ-Fe2N的鐵氮化物顆粒，且殘留奧氏體分解為貝氏體鐵素體、Fe3C^P C-FeJ2，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳氮共滲部件，其特征在于，鋼材坯料按質(zhì)量％計(jì)進(jìn)一步含有Mo 0. 50%以下。
3.一種碳氮共滲部件的制造方法，其特征在于，該制造方法是使用下述鋼材的碳氮共滲部件的制造方法按質(zhì)量％計(jì)含有C :0. 10 0. 35%, Si 0. 15 1.0%、Mn :0. 30 1.0%Xr :0. 40 2. 0%、S :0. 05%以下，其余部分由！^和雜質(zhì)構(gòu)成的鋼材，所述制造方法依次包括以下步驟1到步驟4的處理步驟1 保持于溫度為900 950°C的滲碳性氣氛中，從而對該鋼材進(jìn)行滲碳， 步驟2 保持于溫度為800 900°C、氮?jiǎng)轂?. 2 0. 6%的碳氮共滲氣氛中，從而對該實(shí)施過滲碳的鋼材實(shí)施碳氮共滲，步驟3 對該實(shí)施過碳氮共滲的鋼材進(jìn)行淬火，步驟4 將該實(shí)施過淬火的鋼材在超過250°C且350°C以下的溫度下回火。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的碳氮共滲部件的制造方法，其特征在于，鋼材按質(zhì)量％計(jì)進(jìn)一步含有Mo 0. 50%以下。
全文摘要
本發(fā)明提供了碳氮共滲部件，該碳氮共滲部件的鋼材坯料含有C0.10～0.35％、Si0.15～1.0％、Mn0.30～1.0％、Cr0.40～2.0％、S≤0.05％以下，此外，根據(jù)需要還含有Mo≤0.50％以下，其余部分由Fe和雜質(zhì)構(gòu)成。從硬化層的表面到有效硬化深度的位置的區(qū)域中分散有ε-Fe3N和/或ζ-Fe2N的鐵氮化物顆粒，且殘留奧氏體分解為貝氏體鐵素體、Fe3C和α”-Fe16N2，該碳氮共滲部件中，即使降低昂貴的Mo的含量或不添加Mo，也能確保優(yōu)異的耐磨耗性與高的點(diǎn)蝕強(qiáng)度。該碳氮共滲部件可以如下制造保持于例如900～950℃的滲碳性氣氛中滲碳，接著保持于溫度800～900℃、氮?jiǎng)?.2～0.6％的碳氮共滲氣氛中進(jìn)行碳氮共滲，接著，進(jìn)行淬火，此后進(jìn)一步在超過250℃且350℃以下的溫度范圍內(nèi)回火。
文檔編號C23C8/34GK102239273SQ20098014859
公開日2011年11月9日 申請日期2009年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月2日
發(fā)明者二宮彬仁, 佐野直幸, 岡田善成, 堀本雅之, 天野政樹 申請人:住友金屬工業(yè)株式會社, 本田技研工業(yè)株式會社