專利名稱：氮化用鋼及氮化處理部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及兼具氮化處理前的加工性和氮化處理后的強(qiáng)度的氮化用鋼、以及對(duì)氮化用鋼進(jìn)行氮化處理而制造的氮化處理部件。本申請(qǐng)基于2010年11月17日在日本提出申請(qǐng)的特愿2010-257210號(hào)以及2010年11月17日在日本提出申請(qǐng)的特愿2010-257183號(hào)主張優(yōu)先權(quán)，并將其內(nèi)容援引于此。
背景技術(shù)：
在汽車(chē)和各種產(chǎn)業(yè)機(jī)械中，大量使用以改善疲勞強(qiáng)度為目的而實(shí)施了表面硬化處理的部件。代表性的表面硬化處理方法是滲碳、氮化、高頻淬火等。氮化處理與其它方法不同，其在鋼的相變點(diǎn)以下的低溫下進(jìn)行處理，因而能夠減 小熱處理變形。另外，氮化處理還可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)得到ΙΟΟμπι以上的有效硬化層深度，可以改善
疲勞強(qiáng)度。為了得到疲勞強(qiáng)度更高的鋼部件，需要將有效硬化層進(jìn)一步加深。為了得到具有所需的硬度及深度的有效硬化層，提出了適當(dāng)添加有氮化物形成合金的鋼(例如專利文獻(xiàn)
I及 2)。專利文獻(xiàn)2中公開(kāi)了一種氮化用鋼，其含有C:0. 35 0. 65重量％、S1:0. 35 2. 00重量％、]^ 0. 80 2. 50重量％、Cr 0. 20重量％以下、以及Al 0. 035重量％以下，余量包含F(xiàn)e及不可避免的雜質(zhì)。專利文獻(xiàn)3 7中提出了一種通過(guò)控制鋼組織而提高了加工性、氮化特性的鋼。例如，專利文獻(xiàn)5中公開(kāi)了一種冷鍛性優(yōu)異的氮化用鋼，其以重量％計(jì)含有C :O. 01 O. 15%、Si 0. 01 1. 00%、Mn 0. Γ . 5%、Cr 0.1 2. 0%、Al 超過(guò) O. 10%"1. 00%、V O. 05、. 40%,進(jìn)一步含有Mo 0. l(Tl. 00%,余量包含鐵及不可避免的雜質(zhì)，且具有以下特性熱軋后或熱鍛后的芯部硬度以HV計(jì)為200以下、在之后的冷鍛中的極限壓縮率為65%以上。專利文獻(xiàn)6中公開(kāi)了一種拉削加工性優(yōu)異的氮化部件用原材料，其特征在于，以質(zhì)量 % 計(jì)含有 C 0. 10 0· 40%、Si 0. 50% 以下、Mn 0. 30 低于1. 50%、Cr 0. 30 2· 00%、Al O. 02、. 50%，余量包含F(xiàn)e及雜質(zhì)元素，且包含硬度為HV210以上的貝氏體組織。專利文獻(xiàn)7中公開(kāi)了一種曲軸，其特征在于，以質(zhì)量％計(jì)含有C :0. 1(Γθ. 30%、Si 0. 05 O. 3%、Mn 0. 5 1. 5%、Mo 0. 8 2. 0%、Cr 0. Γ . 0%、以及 V :0. Γθ. 5%,余量包含F(xiàn)e及不可避免的雜質(zhì)，將滿足2. 3%彡C+Mo+5V ( 3. 7%、2· 0% ( Mn+Cr+Mo ( 3. 0%、
2.7% ( 2. 16Cr+Mo+2. 54V ( 4. 0%且從不受氮化處理的影響的中心部采集的鋼試樣在1200°C下進(jìn)行I小時(shí)奧氏體化后、以通過(guò)90(T30(TC時(shí)的冷卻速度達(dá)到O. 5°C /秒的方式冷卻至室溫時(shí)，貝氏體的比率為80%以上，并且在剖面測(cè)得的維氏硬度為26CT330HV以下，而且連桿部及軸頸部的氮化層的表面硬度為650HV以上、氮化層的形成深度為O. 3mm以上，中心部硬度為340HV以上。
專利文獻(xiàn)8中公開(kāi)了一種軟氮化用鋼，其以質(zhì)量％計(jì)含有C彡O. 15%、Si ( 0.5、Mn ( 2.5%、Ti 0. 03 O. 35%、Mo 0. 03 O. 8%，在軟氮化后，具有貝氏體面積率為50%以上的組織，在貝氏體相中分散析出了全部析出物的90%以上的粒徑低于IOnm的微細(xì)析出物?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1:日本特開(kāi)昭58-71357號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 :日本特開(kāi)平4-83849號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3 日本特開(kāi)平7-157842號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)4 :日本特開(kāi)平5-065592號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)5 :日本特開(kāi)平9-279295號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)6 日本特開(kāi)2006-249504號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)7 :日本特開(kāi)2006-291310號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)8 :日本特開(kāi)2010-163671號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題上述現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)施了氮化處理的鋼與利用現(xiàn)在主流的疲勞強(qiáng)度改善技術(shù)即滲碳進(jìn)行處理而得到的鋼相比，有效硬化層深度或芯部硬度不足，當(dāng)在受到較大沖擊或面壓的環(huán)境下使用時(shí)不具有充分的特性。因此，具有熱處理變形小的優(yōu)點(diǎn)的氮化處理沒(méi)有得到充分的利用。一部分現(xiàn)有技術(shù)雖然具有充分的有效硬化層深度、疲勞強(qiáng)度也充分，但由于氮化處理前的鋼材硬，因而得不到加工性。也就是說(shuō)，氮化技術(shù)的課題在于氮化后部件的疲勞強(qiáng)度與氮化前鋼材的加工性的兼顧，問(wèn)題是這種兼顧尚未實(shí)現(xiàn)。可以說(shuō)氮化前的鋼材的硬度與氮化后的特別是芯部的硬度之差越大的鋼材是越優(yōu)異的發(fā)明。另外，氮化處理雖然使鋼的表層硬化，但是與滲碳處理相比難以確保芯部硬度，因此與通過(guò)滲碳處理得到的鋼相比，存在疲勞強(qiáng)度差的問(wèn)題。但是，當(dāng)實(shí)施氮化處理前的鋼過(guò)硬時(shí)，難以加工成汽車(chē)部件等，因此實(shí)施氮化處理前的鋼需要硬度小。也就是說(shuō)，實(shí)施氮化處理的鋼需要兼具上述特征、即氮化前硬度小、氮化后具有深的有效硬化層深度、鋼的芯部也充分變硬這樣的相反的特征。更具體而言，氮化前的鋼的硬度為HV230以下、優(yōu)選為HV200以下，氮化后的有效層深度為200 μ m以上，氮化后的鋼的表層的硬度為HV700以上，氮化后的芯部硬度的上升率優(yōu)選為1. 3倍以上。為了提高加工特性，可以考慮降低鋼的Si量。然而，當(dāng)過(guò)度降低Si量時(shí)，雖然氮化處理前的硬度變低、加工性提高，但會(huì)在晶界及表面生成被稱為白層的鐵氮化物的脆弱的層，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度、特別是制成在部件中有槽的形狀時(shí)的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度降低。此外，在專利文獻(xiàn)8的情況下，未能通過(guò)軟氮化得到充分的芯部硬度。本發(fā)明是鑒于上述情況而完成的發(fā)明，其技術(shù)問(wèn)題在于提供與現(xiàn)有技術(shù)相比在氮化處理后可得到深的有效硬化層及充分的芯部硬度、氮化處理前的加工性優(yōu)異、且抑制晶界及表面上的白層的生成、具有充分的疲勞強(qiáng)度的氮化用鋼、以及將氮化用鋼進(jìn)行氮化處理而制造的氮化處理部件。用于解決技術(shù)問(wèn)題的手段
本發(fā)明的主旨如下所述。(I)本發(fā)明的第一方案是一種氮化用鋼，其以質(zhì)量％計(jì)含有C :0. 1(Γθ. 20%、Si O. ΟΓΟ. 7%、Mn 0. 2 2. 0%、Cr 0. 2 2. 5%、Al 0. θΓ 低于 O. 19%、V :超過(guò) O. 2 1. 0%、Mo 0 0· 54%、以及N :0. 001 O. 02%，P被限制在O. 05%以下，S被限制在O. 20%以下，余量包含F(xiàn)e及不可避免的雜質(zhì)，所述氮化用鋼具有上述V、上述C的以質(zhì)量％計(jì)的含量[v]、[c]滿足式I的成分組成，且包含具有以面積率計(jì)為50%以上的貝氏體的鋼組織。2 彡[V]/[C]彡 10 (式 I)(2)在上述(I)所述的氮化用鋼中，可以是上述成分組成進(jìn)一步含有Ti及Nb中的至少I(mǎi)種，上述Ti和上述Nb的合計(jì)含量以質(zhì)量 ％計(jì)為O. ΟΓΟ. 4%。(3)在上述(I)或⑵所述的氮化用鋼中，可以是上述C、上述Mn、上述S1、上述Cr、上述Mo的以質(zhì)量%計(jì)的含量[C]、[Mn]、[Si]、[Cr]、[Mo]滿足式2。65 彡 8. 65 X [C]1/2 X (1+4.1 X [Mn]) X (1+0. 64 X [Si]) X (1+2. 33 X [Cr]) X (1+3.14X [Mo]) ^ 400 (式 2)(4)在上述⑴或⑵所述的氮化用鋼中，可以是上述成分組成進(jìn)一步以質(zhì)量％計(jì)含有B 0. 0003、. 005%,上述C、上述Mn、上述S1、上述Cr、上述Mo的以質(zhì)量％計(jì)的含量[C]、[Mn]、[Si]、[Cr]、[Mo]滿足式 3。65 彡 8. 65 X [C]1/2 X (1+4.1 X [Mn]) X (1+0. 64 X [Si]) X (1+2. 33 X [Cr]) X (1+3.14Χ [Mo]) X (1+1. 5Χ (0. 9_[C]))彡 400 (式 3)(5)在上述(1) (4)中任一項(xiàng)所述的氮化用鋼中，可以是上述Mn的含量以質(zhì)量％計(jì)為0. 2 1. 0%。(6)在上述(1) (5)中任一項(xiàng)所述的氮化用鋼中，可以是上述Mo的含量以質(zhì)量％計(jì)為0. 05 0. 2%，且上述V的含量以質(zhì)量%計(jì)為0. 3 0. 6%。(7)在上述(I廣(6)中任一項(xiàng)所述的氮化用鋼中，可以是上述C、上述Mn、上述Cr、上述Mo、上述V的以質(zhì)量%計(jì)的含量[C]、[Mn]、[Cr]、[Mo]、[V]滿足式4。0. 50 ( [C] + {[Mn] /6} + {([Cr] + [Mo] + [V]) /5}彡 0. 80 (式 4)(8)本發(fā)明的第二方案是一種氮化處理部件，其以質(zhì)量％計(jì)含有C 0. 10^0. 20%、Si 0. ΟΓΟ. 7%、Μη 0. 2 2. 0%、Cr 0. 2 2· 5%、Α1 0. θΓ 低于 O. 19%、V :超過(guò) O. 2 1. 0%、以及Mo :(Γθ. 54%，P被限制在0. 05%以下，S被限制在0. 20%以下，余量包含F(xiàn)e、N及不可避免的雜質(zhì)，所述氮化處理部件具有上述V、上述C的以質(zhì)量％計(jì)的含量[V]、[C]滿足式5的成分組成，包含具有以面積率計(jì)為50%以上的貝氏體的鋼組織，且表面具有氮化層，有效硬化層深度為200 μ m以上，在鋼中析出的Cr碳氮化物中含有0. 5%以上的上述V、或者上述Mo和上述V。2 彡[V]/[C]彡 10 (式 5)(9)在上述⑶所述的氮化處理部件中，可以是上述成分組成進(jìn)一步含有Ti及Nb中的至少I(mǎi)種，上述Ti和上述Nb的合計(jì)含量以質(zhì)量％計(jì)為0. 0Γ0. 4%。(10)在上述⑶或(9)所述的氮化處理部件中，可以是上述C、上述Mn、上述S1、上述Cr、上述Mo的以質(zhì)量%計(jì)的含量[C]、[Mn]、[Si]、[Cr]、[Mo]滿足式6。65 彡 8. 65 X [C]1/2 X (1+4.1 X [Mn]) X (1+0. 64 X [Si]) X (1+2. 33 X [Cr]) X (1+3.14X [Mo]) ^ 400 (式 6)
(11)在上述(8)或(9)所述的氮化處理部件中，可以是上述成分組成進(jìn)一步以質(zhì)量％計(jì)含有B 0. 0003、. 005%,上述C、上述Mn、上述S1、上述Cr、上述Mo的以質(zhì)量％計(jì)的含量[C]、[Mn]、[Si]、[Cr]、[Mo]滿足式 7。65 彡 8. 65 X [C]1/2 X (1+4.1 X [Mn]) X (1+0. 64 X [Si]) X (1+2. 33 X [Cr]) X (1+3.14X [Mo]) X (1+1. 5X (O. 9_[C]))彡 400 (式 7)(12)在上述(8) (11)中任一項(xiàng)所述的氮化處理部件中，可以是上述Mn的含量以質(zhì)量％計(jì)為O. 2 1. 0%。(13)在上述(8廣(12)中任一項(xiàng)所述的氮化處理部件中，可以是上述Mo的含量以質(zhì)量％計(jì)為O. 05、. 2%，且上述V的含量以質(zhì)量％計(jì)為O. 3^0. 6%。(14)在上述(8廣(13)中任一項(xiàng)所述的氮化處理部件中，可以是上述C、上述Mn、上述Cr、上述Mo、上述V的以質(zhì)量%計(jì)的含量[C]、[Mn]、[Cr]、[Mo]、[V]滿足式8。 O. 50 ( [C] + {[Mn] /6} + {([Cr] + [Mo] + [V]) /5}彡 O. 80 (式 8)發(fā)明效果本發(fā)明能夠提供氮化處理前的硬度低且在氮化處理中可得到深的有效硬化層和充分的芯部硬度的氮化用鋼、以及將氮化用鋼進(jìn)行氮化處理而制造的氮化處理部件，能夠提供熱處理變形小且疲勞強(qiáng)度高的部件。


圖1是對(duì)以往的鋼材進(jìn)行氮化處理而得到的部件的有效硬化層的TEM圖像。圖2是表示對(duì)以往的鋼材進(jìn)行氮化處理而得到的部件的有效硬化層的Cr碳氮化物的利用X射線元素分析裝置得到的成分分析結(jié)果的圖。圖3是對(duì)本發(fā)明的鋼材進(jìn)行氮化處理而得到的部件的有效硬化層的TEM圖像。圖4是表示對(duì)本發(fā)明的鋼材進(jìn)行氮化處理而得到的部件的有效硬化層的Cr碳氮化物的利用X射線元素分析裝置得到的成分分析結(jié)果的圖。圖5Α是表示在實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)中使用的試驗(yàn)片A的形狀的圖。圖5Β是表示在實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)中使用的試驗(yàn)片B的形狀的圖。圖5C是表示在實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)中使用的試驗(yàn)片C的形狀的圖。圖6是表示本發(fā)明的實(shí)施例中制作的齒輪的一部分的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明人對(duì)用于解決上述技術(shù)問(wèn)題的鋼的成分組成及鋼組織進(jìn)行了深入研究。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過(guò)在鋼中復(fù)合添加Cr及V、或者復(fù)合添加Cr、V及Mo,使Cr碳氮化物中含有Mo或V，能夠有效地提高鋼的強(qiáng)度，還能夠?qū)⒌瘯r(shí)氮擴(kuò)散的阻礙抑制到最小限度從而得到深的有效硬化層。另外，還可知C由于會(huì)使氮化處理前的鋼變硬而使加工性降低，因此需要盡量減少，但通過(guò)設(shè)成適當(dāng)?shù)某煞纸M成，即使C的含量少，也能夠確保充分的淬火性及氮化后的鋼的芯部硬度。另外，Si雖然會(huì)使氮化處理前的鋼變硬而使加工性降低，但由于其會(huì)抑制晶界及表面生成白層從而抑制疲勞強(qiáng)度降低，因此需要添加適當(dāng)?shù)牧俊１景l(fā)明人發(fā)現(xiàn)了即使在以防止生成白層從而防止疲勞強(qiáng)度降低的程度添加了 Si的情況下也不會(huì)提高氮化處理前的鋼的硬度的適當(dāng)?shù)某煞纸M成。另外，還發(fā)現(xiàn)通過(guò)V碳化物的析出硬化，能夠使氮化后的鋼的芯部變硬，通過(guò)使C中含有充分多的V，其效果變大，其結(jié)果是可獲得與利用滲碳得到的部件同等的疲勞強(qiáng)度。此外，還發(fā)現(xiàn)通過(guò)將鋼組織制成貝氏體主體，能夠在氮化處理前使對(duì)析出強(qiáng)化(沉淀硬化)有效的元素在鋼中充分固溶，有效硬化層深度及氮化后的鋼的芯部硬度提高。以下，對(duì)基于上述見(jiàn)解而完成的本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明?！暗娩摗笔侵缸鳛榈幚聿考脑牧鲜褂玫匿摬?。氮化用鋼通過(guò)對(duì)鋼坯或鋼錠等鋼材根據(jù)需要實(shí)施熱加工或冷加工等而得到。“氮化處理部件”是指通過(guò)將氮化用鋼進(jìn)行氮化處理而得到的部件。 “氮化處理”是指使氮在氮化用鋼的表面層擴(kuò)散從而將表面層硬化的處理。代表性地可舉出氣體氮化、等離子體氮化、氣體軟氮化、鹽浴軟氮化等。其中，氣體軟氮化、鹽浴軟氮化是使碳也與氮一起同時(shí)擴(kuò)散的軟氮化處理。另外，通過(guò)確認(rèn)表層已硬化以及表層的氮濃度與芯部相比上升來(lái)判斷制品為氮化處理部件?！盁峒庸ぁ笔侵笩彳埣盁徨懙目偡Q。具體而言，“熱加工”是指將鋼材加熱至1000°C以上后進(jìn)行成形的加工處理。關(guān)于“有效硬化層深度”，參考JIS G 0557中記載的鋼的滲碳有效硬化層深度測(cè)定方法的定義，是指從表面到HV達(dá)到550的位置為止的距離。(第I實(shí)施方式)本發(fā)明的第I實(shí)施方式是具有規(guī)定的成分組成和鋼組織的氮化用鋼。以下，對(duì)成分組成進(jìn)行說(shuō)明。另外，表示含量的“ ％ ”是指“質(zhì)量％ ”。此外，符號(hào)[C]、[Mn]、[Si]、[Cr]、[Mo]、[V]表示各元素的以質(zhì)量％計(jì)的含量。C 0. 10 0· 20%C是確保淬火性、得到貝氏體主體的鋼組織所必需的元素。另外，C還是使合金碳化物在氮化處理中析出從而也有助于析出強(qiáng)化的元素。當(dāng)C低于O. 10%時(shí)，得不到所需的強(qiáng)度，當(dāng)超過(guò)O. 20%時(shí)，鋼材的加工變難。因此，C含量的上限為O. 20%、優(yōu)選為O. 18%、進(jìn)一步優(yōu)選為低于O. 15%，下限為O. 10%、優(yōu)選為O. 11%、進(jìn)一步優(yōu)選為O. 12%。Si 0. ΟΓΟ. 7%Si通過(guò)O. 01%以上的含量而作為脫氧劑起作用，同時(shí)具有以下作用在氮化后抑制表面及晶界上的白層的生成，防止疲勞強(qiáng)度降低。另一方面，當(dāng)Si的含量超過(guò)O. 7%時(shí)，在氮化處理中無(wú)助于表面硬度的提高，會(huì)使有效硬化層深度變淺。因此，為了同時(shí)提高“有效硬化層深度”及“疲勞強(qiáng)度”，將Si含量設(shè)為O. ΟΓΟ. 7%。因此，Si含量的上限為O. 7%、優(yōu)選為O. 5%、進(jìn)一步優(yōu)選為O. 3%，下限為O. 01%、優(yōu)選為O. 05%、進(jìn)一步優(yōu)選為O. 1%。Mn 0. 2 2. 0%Mn是確保淬火性、得到貝氏體主體的鋼組織所必需的元素。當(dāng)Mn低于O. 2%時(shí),無(wú)法確保充分的淬火性。當(dāng)Mn超過(guò)2. 0%時(shí)，鋼組織容易含有馬氏體，加工變難。當(dāng)大量添加Mn時(shí)，會(huì)與氮發(fā)生相互作用而妨礙氮的擴(kuò)散，因此為了有效地得到氮化處理的效果，Mn的含量?jī)?yōu)選設(shè)為1. 0%以下。因此，Mn含量的上限為2. 0%、優(yōu)選為1. 5%、進(jìn)一步優(yōu)選為1. 0%，下限為O. 2%、優(yōu)選為O. 35%、進(jìn)一步優(yōu)選為O. 5%。Cr 0. 2 2. 5%Cr是與在氮化處理時(shí)浸入的N及鋼中的C形成碳氮化物、利用碳氮化物的析出強(qiáng)化而使表面的硬度顯著提高的元素。當(dāng)Cr量低于O. 2%時(shí)，無(wú)法得到充分的有效硬化層深度，當(dāng)超過(guò)2. 5%時(shí)，其效果飽和。當(dāng)大量添加Cr時(shí)，會(huì)與氮發(fā)生相互作用而妨礙氮的擴(kuò)散，因此為了有效地得到氮化處理的效果，Cr的含量?jī)?yōu)選設(shè)為1. 3%以下。因此，Cr含量的上限為2. 5%、優(yōu)選為1. 8%、進(jìn)一步優(yōu)選為1. 3%，下限為O. 2%、優(yōu)選為O. 35%、進(jìn)一步優(yōu)選為O. 5%。 Al :0· 01 低于 O. 19%Al是作為脫氧元素所必需的元素，另外，會(huì)與在氮化處理時(shí)浸入的N形成氮化物而顯著提高表面的硬度。Al與Si同樣地是過(guò)量添加時(shí)會(huì)使有效硬化層變淺的元素。當(dāng)Al低于O. 01%時(shí)，在制鋼時(shí)無(wú)法充分脫氧，而且有時(shí)表面的硬度的上升變得不充分。當(dāng)添加O. 19%以上的Al時(shí)，有效硬化層變淺。為了得到更深的有效硬化層，Al的含量?jī)?yōu)選低于O. 1%。從制鋼時(shí)脫氧的容易性的觀點(diǎn)出發(fā)，Al的含量?jī)?yōu)選為O. 02%以上。因此，Al含量的上限為低于O. 19%、優(yōu)選為低于O. 15%、進(jìn)一步優(yōu)選為低于O. 1%，下限為O. 01%、優(yōu)選為O. 02%、進(jìn)一步優(yōu)選為O. 03%。V :超過(guò) O. 2 1. 0%V通過(guò)與在氮化時(shí)浸入的N及鋼中浸入的N及鋼中的C形成碳化物、或者與Cr形成復(fù)合碳氮化物，賦予高的表面硬度及深的有效硬化層深度。另外，V還具有以下效果與C形成V碳化物，利用析出硬化來(lái)提高氮化后的鋼的芯部硬度。因此，在本發(fā)明的氮化用鋼中，V是非常重要的元素。為了充分得到上述效果，V的含量需要超過(guò)O. 2%。當(dāng)添加超過(guò)1. 0%的V時(shí)，在軋制時(shí)容易產(chǎn)生瑕疵、制造性下降。因此，V含量的上限為1. 0%、優(yōu)選為O. 8%、進(jìn)一步優(yōu)選為O. 6%，下限為超過(guò)O. 2%、優(yōu)選為O. 3%、進(jìn)一步優(yōu)選為O. 4%。[V]/[C] :2 10進(jìn)而，為了充分得到由V碳化物的析出硬化帶來(lái)的芯部硬度提高效果，相對(duì)于C量需要足夠量的V。V與C相比擴(kuò)散慢，因此需要添加比C更多的V。V即使以V的含量與C的含量比[v]/[c]超過(guò)10的方式進(jìn)行添加，也得不到與添加相稱的效果。另外，當(dāng)[v]/[c]低于2時(shí)，得不到充分的析出強(qiáng)化量。因此，需要調(diào)節(jié)C和V的含量以滿足2彡[V]/[C]彡10。從制造性的觀點(diǎn)出發(fā)，[V]/[C]的上限優(yōu)選為8，進(jìn)一步優(yōu)選為5。進(jìn)而，從析出強(qiáng)化量的觀點(diǎn)出發(fā)，[V]/[C]的下限優(yōu)選為3，進(jìn)一步優(yōu)選為4。由此，氮化后的芯部的硬度上升，能夠得到與滲碳部件同等的疲勞強(qiáng)度。因此，[V]/[C]的上限為10、優(yōu)選為8、進(jìn)一步優(yōu)選為5，下限為2、優(yōu)選為3、進(jìn)一步優(yōu)選為4。Mo 0"0. 54%Mo是對(duì)確保淬火性、得到貝氏體主體的鋼組織有效的元素。另外，通過(guò)與在氮化時(shí)浸入的N及鋼中的C形成碳氮化物、或者與Cr形成復(fù)合碳氮化物，賦予高的表面硬度及深的有效硬化層深度。但是，由Mo的添加帶來(lái)的效果也可通過(guò)V的添加來(lái)得到，因此Mo不一定需要添加。當(dāng)大量添加Mo時(shí)，軋制時(shí)容易產(chǎn)生瑕疵，制造性下降。此外，Mo由于是固溶強(qiáng)化能力高的元素，因此氮化處理前的鋼的硬度會(huì)變得過(guò)硬。因此，Mo含量的上限為O. 54%、優(yōu)選為O. 35%、進(jìn)一步優(yōu)選為O. 2%，下限為0%、優(yōu)選為O. 05%、進(jìn)一步優(yōu)選為O. 1%。如上所述那樣由Mo的添加帶來(lái)的效果雖然也可通過(guò)V的添加來(lái)得到，但在同時(shí)添加Mo和V的情況下，能夠協(xié)同地得到高的表面硬度和深的有效硬化層深度。具體而言，優(yōu)選Mo的含量為O. 05 O. 2%且V的含量為O. 3 O. 6%。N 0. ΟΟΓΟ. 02%關(guān)于N，當(dāng)超過(guò)O. 02%時(shí)，高溫區(qū)域的延展性降低，導(dǎo)致在熱軋或熱鍛時(shí)產(chǎn)生裂紋， 因此生產(chǎn)率降低。另一方面，要使N達(dá)到O. 001%以下時(shí)，制鋼時(shí)的成本會(huì)提高，因此在經(jīng)濟(jì) 上不優(yōu)選。因此，N含量的上限為O. 02%、優(yōu)選為O. 01%、進(jìn)一步優(yōu)選為O. 008%，下限為O. 001%、優(yōu)選為O. 002%、進(jìn)一步優(yōu)選為O. 003%。P: O. 05% 以下P是雜質(zhì)，當(dāng)超過(guò)O. 05%時(shí)，會(huì)使鋼的晶體晶界脆化而導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度劣化。另一方面，從制鋼成本的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選的P的下限值為O. 0001%。因此，P含量的上限為O. 05%、優(yōu)選為O. 04%、進(jìn)一步優(yōu)選為O. 03%，下限為0%、O. 0001%、或O.0005%。S :O. 20% 以下S在鋼中形成MnS，從而提高被削性。但當(dāng)?shù)陀贠. 0001%時(shí)，其效果不充分。而當(dāng)超過(guò)O. 20%時(shí)，會(huì)在晶界發(fā)生偏析而導(dǎo)致晶界脆化。因此，S含量的上限為O. 20%、優(yōu)選為O. 10%、進(jìn)一步優(yōu)選為O. 05%，下限為0%、O. 0001%、或O.0005%。關(guān)于C、Mn、S1、Cr、及Mo的含量，下述式A所示的淬火性倍數(shù)α從確保淬火性的觀點(diǎn)出發(fā)優(yōu)選為65以上，從熱加工或冷加工的容易性的觀點(diǎn)出發(fā)優(yōu)選為400以下。淬火性倍數(shù)α =8. 65X [C]1/2X (1+4.1X [Mn]) X (1+0. 64X [Si]) X (1+2. 33X [Cr])X (1+3. 14X [Mo]) (式 A)淬火性倍數(shù)是表示合金元素影響淬火性的程度的數(shù)值。該式參考了門(mén)間改三著《鐵鋼材料學(xué)》(實(shí)教出版、東京、2005年發(fā)行)p. 250表5-11。Ti+Nb 0. ΟΓΟ. 4%Ti和Nb也是對(duì)確保淬火性、得到貝氏體主體的鋼組織有效的元素，可添加一者或兩者。Ti及Nb與Mo、V同樣地是對(duì)通過(guò)與在氮化時(shí)浸入的N及鋼中的C形成碳氮化物而得到高的表面硬度及深的有效硬化層深度有效的元素。關(guān)于Ti及Nb的合計(jì)含量，當(dāng)?shù)陀?. 01%時(shí)，無(wú)法充分地得到其效果，當(dāng)超過(guò)0. 4%時(shí)，無(wú)法完全固熔，因此其效果飽和。因此，Ti及Nb的合計(jì)含量的上限為0. 4%、優(yōu)選為0. 35%、進(jìn)一步優(yōu)選為0. 30%，下限為0%、優(yōu)選為0. 01%、進(jìn)一步優(yōu)選為0. 05%。B 0"0. 005%
B是對(duì)通過(guò)O. 0003%以上的含量而提高淬火性并得到貝氏體主體的鋼組織有效的元素，可選擇性地進(jìn)行添加。當(dāng)B低于O. 0003%時(shí)，無(wú)法充分得到添加的效果，當(dāng)超過(guò)O. 005%時(shí)，其效果飽和。因此，B含量的上限為O. 005%、優(yōu)選為O. 004%、進(jìn)一步優(yōu)選為O. 003%，下限為0%、優(yōu)選為O. 0003%、進(jìn)一步優(yōu)選為O. 0008%O在添加有B的情況下，淬火性倍數(shù)從確保淬火性的觀點(diǎn)出發(fā)也優(yōu)選為65以上，從冷加工及鍛造加工的容易性的觀點(diǎn)出發(fā)也優(yōu)選為400以下。但是，此時(shí)的淬火性倍數(shù)是作為淬火性倍數(shù)β通過(guò)以下的式B來(lái)求出。淬火性倍數(shù)β =8. 65X [C]1/2X (1+4.1X [Mn]) X (1+0. 64X [Si]) X (1+2. 33X [Cr])X (1+3. 14Χ [Mo]) X (1+1. 5Χ (O. 9_[C])) (式 B)該式參考了門(mén)間改三著《鐵鋼材料學(xué)》(實(shí)教出版、東京、2005年發(fā)行)p. 250表5-11。碳當(dāng)量0.50 0. 80氮化用鋼的成分組成優(yōu)選由[C] + {[Mn]/6} + {([Cr] + [Mo] + [V])/5}求出的碳當(dāng)量(Ceq.)為O. 50以上且O. 80以上。當(dāng)碳當(dāng)量為O. 50以上且O. 80以下時(shí)，對(duì)后述的貝氏體生成有利地發(fā)揮作用，還能夠避免氮化前的過(guò)度的硬度上升。由此，可得到所期望的熱鍛后硬度。余量Fe及不可避免的雜質(zhì) 本實(shí)施方式的氮化用鋼的成分組成除上述元素以外，還可包含在制造工序等中不可避免地混入的雜質(zhì)，但優(yōu)選盡可能不混入雜質(zhì)。另外，在對(duì)氮化用鋼進(jìn)行氮化而得到的氮化處理部件中，作為余量，具有Fe、N和不可避免的雜質(zhì)。接著，對(duì)本實(shí)施方式的氮化用鋼的鋼組織進(jìn)行說(shuō)明。本實(shí)施方式的氮化用鋼的鋼組織具有以面積率計(jì)為50%以上的貝氏體。為了提高有效硬化層深度，需要使氮化用鋼在氮化時(shí)充分析出強(qiáng)化而使鋼的硬度上升。因此，需要在氮化處理前事先使析出所需的合金元素在氮化用鋼中充分固溶，為此，馬氏體或貝氏體是適合的。另一方面，當(dāng)考慮到冷鍛性或切削性時(shí)，馬氏體為主體的鋼組織由于硬度過(guò)高而不適合?；谝陨系脑颍摻M織為貝氏體主體是最合適的，為了使其充分地析出強(qiáng)化，鋼組織需要具有以面積率計(jì)為50%以上的貝氏體。為了使其更有效地析出強(qiáng)化，鋼組織優(yōu)選具有以面積率計(jì)為70%以上的貝氏體。另外，除貝氏體以外的余量的鋼組織為鐵素體、珠光體及馬氏體中的I種或2種以上。關(guān)于鋼組織的貝氏體，在鏡面研磨后，用硝酸乙醇溶液進(jìn)行蝕刻，即可用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。例如，用光學(xué)顯微鏡以500倍觀察與測(cè)定了硬度的位置相當(dāng)?shù)膮^(qū)域的5個(gè)視野并拍攝照片，對(duì)這些照片進(jìn)行圖像解析，可求出貝氏體的面積率。氮化用鋼可以是鑄造后的鋼材，也可以是對(duì)鑄造后的鋼材根據(jù)需要實(shí)施了熱加工或冷加工而得到的鋼材。在對(duì)鋼材不進(jìn)行熱加工或熱處理的情況下制造氮化用鋼時(shí)，鋼材的鋼組織需要具有以面積率計(jì)為50%以上的貝氏體。在對(duì)鋼材進(jìn)行熱加工而制造氮化用鋼的情況下，也優(yōu)選鋼材的鋼組織具有50%以上的貝氏體。因?yàn)樵谶@種情況下在最終的熱加工中容易得到具有包含以面積率計(jì)為50%以上的貝氏體的鋼組織的氮化用鋼。但是，當(dāng)對(duì)鋼材進(jìn)行熱加工而制造具有包含以面積率計(jì)為50%以上的貝氏體的鋼組織的氮化用鋼時(shí)，鋼材的鋼組織也可以不含50%以上的貝氏體。這是因?yàn)椋词篃峒庸で暗匿摬牡匿摻M織例如為鐵素體和珠光體的二相組織，通過(guò)熱加工，全部的鋼組織會(huì)先變成奧氏體，在熱加工后的冷卻中會(huì)變成貝氏體。也就是說(shuō)，只要氮化用鋼的鋼組織具有50%以上的貝氏體即可。具有50%以上的貝氏體的鋼組織可通過(guò)控制用于制造氮化用鋼的熱軋或用于制造氮化處理部件的熱鍛來(lái)得到。具體而言，可通過(guò)規(guī)定熱軋或熱鍛的溫度、熱軋或熱鍛后的冷卻速度來(lái)得到。當(dāng)熱軋及熱鍛前的加熱溫度低于1000°C時(shí)，變形阻力增大，成本升高，而且添加合金元素不會(huì)充分固熔，因此淬火性降低，貝氏體的面積率降低。因此，軋制前及鍛造前的加 熱溫度優(yōu)選為1000°c以上。當(dāng)加熱溫度超過(guò)1300°c時(shí)，奧氏體晶界會(huì)粗大化，因此加熱溫度優(yōu)選為1300°C以下。在具有上述的成分組成的鋼材的情況下，當(dāng)在熱軋或熱鍛后到冷卻至500°C為止的冷卻速度低于O. rc /sec時(shí)，貝氏體的面積率降低、或鐵素體/珠光體增加，因此冷卻速度優(yōu)選為O.10C /sec以上。當(dāng)冷卻速度超過(guò)10°C /sec時(shí)，由于馬氏體的增加，使冷鍛或切削前的強(qiáng)度變高、成本升高，因此冷卻速度優(yōu)選為10°C /sec以下。在上述條件下進(jìn)行熱軋并冷加工(例如冷鍛、切削加工)成規(guī)定的形狀后制造的氮化用鋼通過(guò)進(jìn)行氮化處理，可在抑制變形的同時(shí)提高疲勞強(qiáng)度。(第2實(shí)施方式)接著，對(duì)本發(fā)明的第2實(shí)施方式的氮化處理部件進(jìn)行說(shuō)明。本實(shí)施方式的氮化處理部件通過(guò)對(duì)第I實(shí)施方式中說(shuō)明過(guò)的氮化用鋼進(jìn)行軟氮化處理而得到。對(duì)于有關(guān)其成分組成的說(shuō)明，由于與第I實(shí)施方式中說(shuō)明過(guò)的成分組成相同，因而省略。但是，關(guān)于N含量，由于根據(jù)氮化處理的條件不同，含量會(huì)大幅發(fā)生變化，因此不進(jìn)行規(guī)定。在氮化處理部件中，需要以面積率計(jì)為50%以上的鋼組織是貝氏體。氮化處理部件的貝氏體的面積率可通過(guò)與氮化處理用鋼的貝氏體的面積率同樣的方法來(lái)求出。通過(guò)對(duì)第I實(shí)施方式的氮化用鋼進(jìn)行軟氮化處理，可以在氮化處理部件中使鋼中析出的Cr碳氮化物中含有O. 5%以上的V、或者M(jìn)o和V。具體而言，為了使Cr碳氮化物中含有O. 5%以上的V、或者M(jìn)o和V，需要制成含有Mo :(Γθ. 54%及V :超過(guò)O. 2 1. 0%、且具有50%以上的貝氏體的鋼組織來(lái)進(jìn)行氮化處理。由此，能夠得到優(yōu)異的表面硬度及有效硬化層深度。另外，可以認(rèn)為通過(guò)氮化處理而表層發(fā)生硬化的機(jī)制是由合金或鐵的氮化物帶來(lái)的析出強(qiáng)化、或者是氮的固溶強(qiáng)化。關(guān)于在Cr碳氮化物中是否含有V、Mo，可用X射線元素分析裝置等進(jìn)行分析。X射線元素分析裝置等的精度只要能夠檢測(cè)出含有O. 5%以上的元素即可。關(guān)于氮化處理，例如設(shè)為10小時(shí)的利用580°C的N2+NH3+C02混合氣體的氣體軟氮化處理。由此，可得到表面硬度為HV700以上、有效硬化層深度為200 μ m以上的有效硬化層。即，能夠以工業(yè)上實(shí)用的時(shí)間得到充分的表面硬度及比以往的鋼材更深的有效硬化層，還能夠得到充分的芯部硬度。關(guān)于對(duì)基于現(xiàn)有技術(shù)的CrMn鋼進(jìn)行氣體軟氮化處理得到的部件，其有效硬化層的利用透射型電子顯微鏡的觀察結(jié)果示于圖1，其使用了 X射線元素分析裝置的有效硬化層部分的Cr碳氮化物中的成分分析結(jié)果示于圖2。關(guān)于對(duì)基于本發(fā)明的CrMoV鋼進(jìn)行氣體軟氮化處理得到的部件，其有效硬化層的利用透射型顯微鏡的觀察結(jié)果示于圖3。可知與利用現(xiàn)有技術(shù)的氣體軟氮化處理部件相t匕，析出大量微細(xì)的Cr碳氮化物，充分地被析出強(qiáng)化。 圖4示出使用了 X射線元素分析裝置的基于本發(fā)明的部件的有效硬化層部分的Cr碳氮化物中的成分分析結(jié)果。由該結(jié)果可知在Cr碳氮化物中含有Mo及V。實(shí)施例1 在實(shí)驗(yàn)例AfA36中，對(duì)具有表1、表2所示的成分組成的鋼進(jìn)行了熔煉。表2中的 P表示作為不可避免的雜質(zhì)檢測(cè)出的P的含量，并非有意地添加的物質(zhì)。另外，表1、表2中的表示未有意地添加該元素。關(guān)于表2中的“淬火性倍數(shù)”，在不含B的實(shí)驗(yàn)例的情況下是由 8. 65 X [C]1/2 X (1+4.1 X [Mn]) X (1+0. 64 X [Si]) X (1+2. 33 X [Cr]) X (1+3. 14 X [Mο])算出的值，在含有B的實(shí)驗(yàn)例的情況下是由8. 65X [C]1/2X (1+4.1X [Mn]) X (1+0. 64X) X (1+2. 33X [Cr]) X (1+3. 14X [Mo]) X (1+1. 5X (O. 9_[C]))算出的值。另外，“Ceq”是由[C] + {[Mn]/6} + {([Cr] + [Mo] + [V])/5}算出的值。表I
權(quán)利要求
1.一種氮化用鋼，其特征在于，以質(zhì)量％計(jì)含有 C 0. 10 0· 20%、 Si 0. 01 O. 7%、 Mn 0. 2 2. 0%、 Cr 0. 2^2. 5%、 Al 0. 01%以上且低于O. 19%、 V:超過(guò)O. 2%且1.0%以下、Mo :0 0· 54%、以及N 0. ΟΟΓΟ. 02%, P被限制在O. 05%以下， S被限制在O. 20%以下， 余量包含F(xiàn)e及不可避免的雜質(zhì)， 所述氮化用鋼具有所述V、所述C的以質(zhì)量％計(jì)的含量[V]、[C]滿足式I的成分組成，且包含具有以面積率計(jì)為50%以上的貝氏體的鋼組織，2 ( [V]/[C]彡 10 (式 I)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化用鋼，其特征在于，所述成分組成進(jìn)一步含有Ti及Nb中的至少I(mǎi)種，所述Ti和所述Nb的合計(jì)含量以質(zhì)量％計(jì)為O. 0Γ0. 4%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氮化用鋼，其特征在于，所述C、所述Mn、所述S1、所述Cr、所述Mo的以質(zhì)量%計(jì)的含量[C]、[Mn]、[Si]、[Cr]、[Mo]滿足式2， 65 彡 8. 65 X [C]1/2 X (1+4.1 X [Mn]) X (1+0. 64 X [Si]) X (1+2. 33 X [Cr]) X (1+3. 14 X[Mo])彡 400 (式 2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氮化用鋼，其特征在于，所述成分組成進(jìn)一步以質(zhì)量％計(jì)含有 B 0. 0003 0. 005%, 所述C、所述Mn、所述S1、所述Cr、所述Mo的以質(zhì)量％計(jì)的含量[C]、[Mn]、[Si]、[Cr]、[Mo]滿足式3， 65 彡 8. 65 X [C]1/2 X (1+4.1 X [Mn]) X (1+0. 64 X [Si]) X (1+2. 33 X [Cr]) X (1+3. 14 X[Mo]) X (1+1. 5Χ (0. 9-[C]))彡 400 (式 3)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氮化用鋼，其特征在于，所述Mn的含量以質(zhì)量％計(jì)為0. 2 1. 0%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氮化用鋼，其特征在于，所述Mo的含量以質(zhì)量％計(jì)為0.05 0. 2%，且所述V的含量以質(zhì)量%計(jì)為0. 3 0. 6%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氮化用鋼，其特征在于，所述C、所述Mn、所述Cr、所述Mo、所述V的以質(zhì)量%計(jì)的含量[C]、[Mn]、[Cr]、[Mo]、[V]滿足式4，0.50 彡[C] + {[Mn]/6} + {([Cr] + [Mo] + [V])/5}彡 0. 80 (式 4)。
8.一種氮化處理部件，其特征在于，以質(zhì)量％計(jì)含有 C 0. 10 0· 20%、Si0. ΟΓΟ. 7%、 Mn 0. 2 2. 0%、 Cr 0. 2^2. 5%、Al 0. 01%以上且低于O. 19%、 V :超過(guò)O. 2%且1. 0%以下、以及 Mo :0 0· 54%, P被限制在O. 05%以下， S被限制在O. 20%以下， 余量包含F(xiàn)e、N及不可避免的雜質(zhì)， 所述氮化處理部件具有所述V、所述C的以質(zhì)量％計(jì)的含量[V]、[C]滿足式5的成分組成， 包含具有以面積率計(jì)為50%以上的貝氏體的鋼組織， 且表面具有氮化層，有效硬化層深度為200 μ m以上， 在鋼中析出的Cr碳氮化物中含有O. 5%以上的所述V、或者所述Mo和所述V， .2 ≤[V]/[C] ≤10 (式 5)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氮化處理部件，其特征在于，所述成分組成進(jìn)一步含有Ti及Nb中的至少I(mǎi)種，所述Ti和所述Nb的合計(jì)含量以質(zhì)量％計(jì)為O. ΟΓΟ. 4%。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的氮化處理部件，其特征在于，所述C、所述Mn、所述S1、所述Cr、所述Mo的以質(zhì)量%計(jì)的含量[C]、[Mn]、[Si]、[Cr]、[Mo]滿足式6， .65 ≤ 8. 65 X [C]1/2 X (1+4.1 X [Mn]) X (1+0. 64 X [Si]) X (1+2. 33 X [Cr]) X (1+3. 14 X[Mo])≤ 400 (式 6)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的氮化處理部件，其特征在于，所述成分組成進(jìn)一步以質(zhì)量 % 計(jì)含有 B 0. 0003 O. 005%, 所述C、所述Mn、所述S1、所述Cr、所述Mo的以質(zhì)量％計(jì)的含量[C]、[Mn]、[Si]、[Cr]、[Mo]滿足式7， .65 ≤ 8. 65 X [C]1/2 X (1+4.1 X [Mn]) X (1+0. 64 X [Si]) X (1+2. 33 X [Cr]) X (1+3. 14 X[Mo]) X (1+1. 5Χ (O. 9-[C]))≤ 400(式 7)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的氮化處理部件，其特征在于，所述Mn的含量以質(zhì)量％計(jì)為 O. 2 1. 0%。
13.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的氮化處理部件，其特征在于，所述Mo的含量以質(zhì)量％計(jì)為O. 05 O. 2%，且所述V的含量以質(zhì)量%計(jì)為O. 3 O. 6%。
14.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的氮化處理部件，其特征在于，所述C、所述Mn、所述Cr、所述Mo、所述V的以質(zhì)量%計(jì)的含量[C]、[Mn]、[Cr]、[Mo]、[V]滿足式8，O.50 ≤[C] + {[Mn]/6} + {([Cr] + [Mo] + [V])/5}≤ O. 80 (式 8)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種氮化用鋼，其以質(zhì)量%計(jì)含有C0.10~0.20%、Si0.01~0.7%、Mn0.2~2.0%、Cr0.2~2.5%、Al0.01~低于0.19%、V超過(guò)0.2~1.0%、Mo0~0.54%以及N0.001~0.01%，P被限制在0.05%以下，S被限制在0.2%以下，余量包含F(xiàn)e及不可避免的雜質(zhì)，所述氮化用鋼具有上述V、上述C的以質(zhì)量%計(jì)的含量[V]、[C]滿足2≤[V]/[C]≤10的成分組成，且包含具有以面積率計(jì)為50%以上的貝氏體的鋼組織。
文檔編號(hào)C22C38/38GK103003459SQ20118003227
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月17日
發(fā)明者千田徹志, 久保田學(xué), 樽井敏三, 平上大輔, 橋村雅之 申請(qǐng)人:新日鐵住金株式會(huì)社