軟氮化用鋼以及以該鋼作為原材的軟氮化部件的制作方法
【專利摘要】根據(jù)本發(fā)明，能夠得到一種軟氮化用鋼，其由預(yù)定的成分組成構(gòu)成，通過在軟氮化前具有貝氏體面積率大于50％的組織而使軟氮化前的切削性優(yōu)良，另一方面，在軟氮化后具有與現(xiàn)有鋼例如SCr420鋼的滲碳材料同等的強度、韌性，還具備更優(yōu)良的疲勞特性。
【專利說明】軟氮化用鋼以及以該鋼作為原材的軟氮化部件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及軟氮化用鋼以及以該鋼作為原材的軟氮化部件，特別是涉及在軟氮化 后疲勞特性優(yōu)良、優(yōu)選作為汽車、建筑機械用的軟氮化用鋼以及以該鋼作為原材的軟氮化 部件。

【背景技術(shù)】
[0002] 對于汽車的齒輪等機械結(jié)構(gòu)部件而言，要求優(yōu)良的疲勞特性，慣例是實施表面硬 化處理。作為表面硬化處理，熟知有滲碳處理、高頻淬火處理和氮化處理。
[0003] 滲碳處理在高溫的奧氏體區(qū)使C滲入、擴散，因此，能夠得到較深的硬化深度，對 于提商疲勞強度有效。
[0004] 但是，由于產(chǎn)生熱處理應(yīng)變，因此難以應(yīng)用于從肅靜性等觀點出發(fā)要求嚴(yán)格的尺 寸精度的部件。
[0005] 高頻淬火處理是通過高頻感應(yīng)加熱對表層部進行淬火的處理，與滲碳處理同樣尺 寸精度較差。
[0006] 氮化處理是在ACl相變點以下的溫度范圍內(nèi)使氮滲入、擴散從而提高表面硬度的 處理，但處理時間長達50?100小時，并且處理后需要將表層的較脆的化合物層除去。
[0007] 因此，開發(fā)了在與氮化處理相同程度的處理溫度下以短時間進行氮化的軟氮化處 理，近年來以機械結(jié)構(gòu)用部件等為對象得到廣泛普及。軟氮化處理是在500?600°C范圍內(nèi) 的溫度范圍使N和C同時滲入、擴散從而使表面硬化的處理，與現(xiàn)有的氮化處理相比，能夠 使處理時間為一半以下。
[0008] 但是，在滲碳處理中，通過淬火硬化能夠使芯部硬度升高，與此相對，在軟氮化處 理中，由于在鋼的相變點以下的溫度下進行處理，因此芯部硬度不升高，與滲碳處理材料相 t匕，軟氮化處理材料的疲勞強度差。
[0009] 為了提高軟氮化處理材料的疲勞強度，通常在軟氮化前通過淬火、回火處理使芯 部硬度升高，但所得到的疲勞強度難以稱為充分，并且制造成本升高，機械加工性也降低。 [0010] 為了解決這樣的問題，提出了如下技術(shù)方案：將鋼的成分組成設(shè)定為含有Ni、Al、 Cr、Ti的成分組成，在軟氮化時，對于芯部而言，利用Ni-Al、Ni-Ti系金屬間化合物或Cu化 合物使其時效硬化，對于表面而言，使Cr、Al、Ti等的氮化物或碳化物在氮化層中析出硬化 (專利文獻1、專利文獻2)。
[0011] 在專利文獻3中記載了如下技術(shù)方案：通過熱鍛對含有0. 5?2% Cu的鋼進行鍛 造延伸后，進行空冷而形成固溶有Cu的鐵素體主體組織，在580°C X 120分鐘的軟氮化處理 中使Cu析出，進而還聯(lián)用Ti、V、Nb碳氮化物的析出硬化，從而在軟氮化處理后形成具備優(yōu) 良的彎曲疲勞特性的鋼。在專利文獻4中公開了分散有Ti-Mo碳化物、并且在其中進一步 分散有包含Nb、V、W中的一種或兩種以上的碳化物的軟氮化用鋼。
[0012] 現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0013] 專利文獻
[0014] 專利文獻1 :日本特開平5-59488號公報
[0015] 專利文獻2 :日本特開平7-138701號公報
[0016] 專利文獻3 :日本特開2002-69572號公報
[0017] 專利文獻4 :日本特開2010-163671號公報


【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 發(fā)明所要解決的問題
[0019] 但是，專利文獻1、2中所述的軟氮化鋼雖然通過Cu等的析出硬化提高了彎曲疲勞 強度，但加工性的確保難以稱為充分，專利文獻3中所述的軟氮化鋼需要添加較大量的Cu、 Ti、V、Nb，生產(chǎn)成本高。專利文獻4中所述的軟氮化用鋼含有較大量的Ti、Mo,因此存在生 產(chǎn)成本高的問題。
[0020] 因此，本發(fā)明的目的在于提供一種軟氮化用鋼以及以該鋼作為原材的軟氮化部 件，該軟氮化用鋼在軟氮化前具有硬度低且機械加工性優(yōu)良的性質(zhì)，通過軟氮化處理能夠 提高芯部硬度，并且能夠比較廉價地制造疲勞特性優(yōu)良的軟氮化部件。
[0021] 用于解決問題的方法
[0022] 為了解決上述問題，發(fā)明人對于組織、組成對鋼的軟氮化后的疲勞特性所帶來的 影響進行了深入研究。結(jié)果得到如下見解：對含有特定量的V、Nb作為鋼組成且以貝氏體主 體組織作為軟氮化前組織的鋼材實施軟氮化處理，利用此時的溫度升高，使微細(xì)的析出物 在軟氮化的表層部以外的芯部組織中時效析出，由此提高芯部硬度，如果這樣則在軟氮化 后能夠得到優(yōu)良的疲勞特性。
[0023] 本發(fā)明是基于上述見解進一步進行研究而得到的，其特征如下。
[0024] 1. 一種軟氮化用鋼，以質(zhì)量％計，含有C :0.01%以上且低于0. 10%、Si :1.0%以 下、Μη :0· 5 ?3. 0%、Cr :0· 30 ?3· 0%、M〇 :0· 005 ?0· 4%、V :0· 02 ?0· 5%、Nb :0· 003 ? 0· 15%、A1 :0· 005 ?0· 2%、S :0· 06% 以下、P :0· 02% 以下和 B :0· 0003 ?0· 01%，余量由 Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，所述軟氮化用鋼在軟氮化前具有貝氏體面積率大于50%的組 織。
[0025] 2.如上述1所述的軟氮化用鋼，其中，在軟氮化后，在貝氏體相中分散析出有含有 V、Nb的析出物。
[0026] 3. -種軟氮化部件，其以上述1或2所述的軟氮化用鋼作為原材。
[0027] 發(fā)明效果
[0028] 根據(jù)本發(fā)明，能夠得到軟氮化用鋼以及以該鋼作為原材的軟氮化部件，該軟氮化 用鋼在軟氮化前切削性優(yōu)良，在軟氮化后具有與現(xiàn)有鋼例如SCr420鋼的滲碳材料同等的 強度和韌性，還具備優(yōu)良的疲勞特性，本發(fā)明在產(chǎn)業(yè)上極其有用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1是表示用于使用本發(fā)明的軟氮化用鋼來制造軟氮化部件的制造工序的示意 圖。

【具體實施方式】
[0030] 下面對本發(fā)明的軟氮化用鋼的顯微組織、成分組成和制造條件進行說明。
[0031] 1.顯微組織
[0032] 使軟氮化前的顯微組織的貝氏體面積率大于50%，并且在軟氮化后形成在貝氏體 相中分散析出有V、Nb析出物的組織。在使軟氮化前的母相為貝氏體面積率大于50%的貝 氏體主體組織的情況下，與鐵素體-珠光體組織的情況相比，顯著抑制了 V、Nb析出物在母 相中的生成。結(jié)果，能夠抑制V、Nb析出物在軟氮化前析出而引起的鋼的硬度升高，使通常 在軟氮化前進行的切削加工性得到改善。此外，如果對其實施軟氮化處理，則在表層部被氮 化的同時，在表層氮化部以外的芯部貝氏體組織中，V、Nb析出物時效析出，從而使芯部硬度 升高。結(jié)果，軟氮化后的疲勞強度以及強度顯著提高。
[0033] 需要說明的是，在本發(fā)明中，貝氏體面積率大于50 %的組織是指在截面組織觀察 (200倍的光學(xué)顯微鏡組織觀察）中貝氏體組織（相）的面積率大于50%。優(yōu)選使貝氏體組 織的面積率大于60%，更優(yōu)選大于80%。另外，作為在貝氏體組織中析出的V、Nb析出物， 優(yōu)選分散有粒徑小于l〇nm的微細(xì)析出物。從充分析出強化的方面考慮，進一步優(yōu)選該粒徑 小于10nm的V、Nb析出物在每1 μ m2中存在500個以上。
[0034] 2.成分組成
[0035] 對于本發(fā)明的軟氮化用鋼中的成分組成的限定理由進行說明。以下，鋼成分的％ 均為質(zhì)量％。
[0036] C :0· 01% 以上且低于 0· 10%
[0037] C是為了生成貝氏體組織和確保強度而添加的。C添加量低于0. 01 %時，貝氏體生 成量減少，同時V、Nb析出物量減少，難以確保強度。另一方面，若添加0. 10%以上的C，則 貝氏體組織的硬度增大，機械加工性下降。因此，C添加量設(shè)定為0. 01 %以上且低于0. 10% 的范圍內(nèi)。更優(yōu)選為0.03%以上且低于0.10%。
[0038] Si :1.0% 以下
[0039] Si是為了有效地脫氧和生成貝氏體組織而添加的，Si添加量若大于1. 0%，則會 由于鐵素體和貝氏體組織的固溶硬化而導(dǎo)致機械加工性和冷加工性變差。因此，Si添加量 設(shè)定為1.0%以下。更優(yōu)選為0.5%以下。進一步優(yōu)選為0.3%以下。另外，為了使Si有效 地有助于脫氧，優(yōu)選將Si添加量設(shè)定為0. 01 %以上。
[0040] Mn :0.5 ?3.0%
[0041] Μη是為了有效地生成貝氏體組織和提高強度而添加的。Μη添加量低于0. 5%時， 貝氏體組織生成量減少，生成V、Nb析出物，因此軟氮化前硬度增加，同時軟氮化處理后的 V、Nb析出物生成量減少，軟氮化后硬度降低而難以確保強度。另一方面，Μη添加量若大于 3. 0%，則會使機械加工性和冷加工性變差。因此，Μη添加量設(shè)定為0. 5?3. 0%的范圍內(nèi)。 更優(yōu)選為〇. 5%以上且2. 5%以下。進一步優(yōu)選為0. 6%以上且2. 0%以下。
[0042] Cr :0.30 ?3.0%
[0043] Cr是為了有效地生成貝氏體組織而添加的。Cr添加量低于0. 30%時，貝氏體組織 生成量減少，生成V、Nb析出物，因此軟氮化前硬度增加，同時軟氮化處理后的V、Nb析出物 生成量減少，軟氮化后硬度降低而難以確保強度。另一方面，Cr添加量若大于3.0%，則會 使機械加工性和冷加工性變差。因此，Cr添加量設(shè)定為0. 30?3. 0%的范圍內(nèi)。更優(yōu)選為 0. 5%以上且2. 0%以下。進一步優(yōu)選為0. 5%以上且1. 5%以下。
[0044] V :0.02 ?0.5%
[0045] V是通過軟氮化時的溫度升高而與Nb -起形成微細(xì)析出物從而使芯部硬度增大、 使強度提高的重要元素。V添加量若低于0.02%，則添加效果差。另一方面，V添加量若大 于0.5%，則會導(dǎo)致析出物粗大化。因此，V添加量設(shè)定為0.02?0.5%的范圍內(nèi)。更優(yōu)選 為0. 03%以上且0. 3%以下。進一步優(yōu)選為0. 03%以上且0. 25%以下。
[0046] Nb :0· 003 ?0· 15%
[0047] Nb通過軟氮化時的溫度升高而與V -起形成微細(xì)析出物，對于增加芯部硬度、提 高疲勞強度而言是極其有效的元素。Nb添加量若低于0.003%，則添加效果差。另一方面， Nb添加量若大于0. 15%，則析出物粗大化。因此，Nb添加量設(shè)定為0.003?0. 15 %的范圍 內(nèi)。更優(yōu)選為0.02%以上且0.12%以下。
[0048] Mo :0· 005 ?0· 4%
[0049] Mo具有使V、Nb析出物微細(xì)析出從而提高軟氮化處理材料的強度的效果，在本 發(fā)明中是重要的元素。另外，Mo對于生成貝氏體組織也是有效的。為了提高強度而添加 0. 005%以上，但由于是昂貴的元素，若添加大于0. 4%，則會招致成分成本的升高。因此，Mo 添加量設(shè)定為0.005?0.4%的范圍內(nèi)。更優(yōu)選為0.01?0.3%。進一步優(yōu)選為0.04? 0· 2%。
[0050] A1 :0· 005 ?0· 2%
[0051] A1對于提高軟氮化后的表面硬度和有效硬化層深度是有效的元素，要主動地添 力口。另外，通過抑制熱鍛時的奧氏體晶粒生長而使組織微細(xì)化，在提高韌性方面也是有用的 元素，因此添加0. 005%以上。另一方面，即使含有大于0. 2%，其效果也飽和，反而會產(chǎn)生 招致成分成本升高的不利影響。因此，A1添加量設(shè)定為0. 005?0. 2%的范圍內(nèi)。優(yōu)選大 于0.020%且為0. 1%以下。進一步優(yōu)選大于0.020%且為0.040%以下。
[0052] S :0.06% 以下
[0053] S是在鋼中形成MnS而提高切削性的有用元素，但若含量大于0.06%則損害韌性。 因此，S添加量設(shè)定為0. 06%以下。優(yōu)選為0.04%以下。另外，為了表現(xiàn)出S所帶來的切 削性提高的效果，優(yōu)選將S添加量設(shè)定為0. 002%以上。
[0054] P :0.02% 以下
[0055] P在奧氏體晶界發(fā)生偏析而使晶界強度降低，由此導(dǎo)致強度、韌性降低。因此，P 含量優(yōu)選盡可能降低，但允許至0.02%。因此，P含量設(shè)定為0.02%以下。另外，使P低于 0. 001 %需要高成本，因此在工業(yè)上降低至0. 001 %即可。
[0056] B :0· 0003 ?0· 01%
[0057] B具有促進貝氏體組織生成的效果。B添加量若低于0. 0003%，則添加效果差。另 一方面，即使添加大于〇. 01 %的B，其效果也飽和，會招致成分成本的升高。因此，B添加量 設(shè)定為〇. 0003?0. 01 %的范圍內(nèi)。更優(yōu)選設(shè)定為0. 0010%以上且0. 01 %以下。
[0058] 需要說明的是，為了得到促進貝氏體組織生成的效果，優(yōu)選B固溶在鋼中。但是， 在鋼中存在固溶N的情況下，鋼中的B被BN的形成所消耗，B在鋼中以BN的形式存在時， 無助于淬透性的提高。因此，在鋼中存在固溶N時，B優(yōu)選添加被BN的形成所消耗的量以 上的量，優(yōu)選在鋼中的B量（％B)與N量（％N)之間使下述（1)式表示的關(guān)系成立。
[0059] % B N/14X10. 8+0. 0003-(1)
[0060] 本發(fā)明的軟氮化用鋼中，在鍛造后或使軟氮化處理材料的切削性提高時，可以添 加選自Pb < 0. 2%、Bi < 0. 02%中的一種以上。需要說明的是，本發(fā)明的效果并不會因這 些元素的含量及有無添加而受損。
[0061] 另外，本發(fā)明的軟氮化用鋼中，上述添加元素以外的余量為Fe和不可避免的雜 質(zhì)，尤其是Ti，不僅對V、Nb的析出強化帶來不良影響，而且使芯部硬度降低，因此要盡可能 不含有。優(yōu)選低于〇. 010%、進一步優(yōu)選低于〇. 005%。
[0062] 3.制造條件
[0063] 圖1是表示使用本發(fā)明的軟氮化用鋼來制造軟氮化部件的制造工序的示意圖。
[0064] 圖1中，S1表不作為原材的棒鋼的制造工序，S2表不輸送工序，S3表不制品（軟 氮化部件）精加工工序。
[0065] 即，在棒鋼制造工序（S1)中，對鋼錠進行熱軋而制成棒鋼，在質(zhì)檢后進行裝運。然 后，裝運后，對于被輸送（S2)的棒鋼，在制品（軟氮化部件）精加工工序（S3)中將上述棒 鋼切割成預(yù)定的尺寸，進行熱鍛或者冷鍛，根據(jù)需要通過鉆頭穿孔、車削等切削加工制成所 期望的形狀后，進行軟氮化處理而制成制品。
[0066] 另外，有時直接通過車削、鉆頭穿孔等切削加工將熱軋材料精加工成所期望的形 狀，然后進行軟氮化處理而制成制品。需要說明的是，熱鍛的情況下，在熱鍛后還可以進行 冷矯直。另外，有時對最終制品進行涂漆、鍍敷等覆膜處理。以下對優(yōu)選的制造條件進行說 明。
[0067] 軋制加熱溫度
[0068] 軋制加熱溫度優(yōu)選設(shè)定為950?1250°C的范圍內(nèi)。這是因為，本發(fā)明的軟氮化用 鋼中，為了不會由于在軋制材料（作為熱鍛部件的原材的棒鋼）中析出微細(xì)析出物而損害 鍛造性，使自熔化時起殘留的碳化物在熱軋時固溶。
[0069] S卩，使軋制加熱溫度低于950°C時，自熔化時起殘留的碳化物難以固溶。另一方面， 軋制加熱溫度若高于1250°C，則晶粒粗大化，鍛造性容易變差。因此，乳制加熱溫度優(yōu)選設(shè) 定為950°C?1250°C的范圍內(nèi)。
[0070] 軋制結(jié)束溫度
[0071] 軋制結(jié)束溫度優(yōu)選設(shè)定為800°C以上。這是因為，乳制結(jié)束溫度低于800°C時，會 生成鐵素體組織，因此，作為后續(xù)工序、特別是在冷鍛或者切削加工后實施軟氮化的情況 下，對于在軟氮化后得到以面積率計大于50%的貝氏體組織作為母相是不利的。另外還因 為，乳制結(jié)束溫度若低于800°C，則乳制載荷高、乳制材料的正圓度變差。因此，乳制結(jié)束溫 度優(yōu)選設(shè)定為800°C以上。
[0072] 冷卻速度
[0073] 優(yōu)選對軋制后的冷卻速度進行規(guī)定以使得微細(xì)析出物在鍛造前析出從而不損害 鍛造性。優(yōu)選在微細(xì)析出物的析出溫度范圍700?550°C內(nèi)以大于能夠得到微細(xì)析出物的 極限冷卻速度（〇. 5°C /秒）的冷卻速度進行冷卻。
[0074] 軟氮化處理（析出處理）
[0075] 以所得到棒鋼作為原材，鍛造后通過切削加工等制成部件形狀。然后，進行軟氮化 處理。為了使含有V、Nb的微細(xì)析出物析出，軟氮化處理中優(yōu)選將軟氮化處理溫度設(shè)定為 550?700°C的范圍內(nèi)、將處理時間設(shè)定為10分鐘以上。這是因為，若低于550°C，則不能得 到足夠量的析出物，另一方面，若高于700°C，則達到奧氏體區(qū)而難以進行軟氮化。另外，更 優(yōu)選為550?630°C的范圍。另外，將處理時間設(shè)定為10分鐘以上是因為能夠得到足夠量 的V、Nb析出物。
[0076] 需要說明的是，在使用熱鍛的情況下，為了在軟氮化后使母相為以面積率計大于 50%的貝氏體組織、并且從熱鍛后的冷矯直和切削加工性的觀點出發(fā)，優(yōu)選在使熱鍛時的 加熱溫度為950?1250°C的范圍內(nèi)、使鍛造結(jié)束溫度為800°C以上并且使鍛造后的冷卻速 度大于0. 5°C /秒的條件下進行熱鍛，以使得微細(xì)析出物不會析出。
[0077] 實施例
[0078] 接著，通過實施例對本發(fā)明進一步進行說明。
[0079] 將150kg表1所示組成的鋼（鋼No. 1?17)在真空熔煉爐中進行熔煉，以在 1150°C加熱、970°C結(jié)束的條件進行軋制，然后，以0. 9°C /秒的冷卻速度冷卻至室溫，制備 50πιπιΦ的棒鋼。No. 17為現(xiàn)有材料JISSCr420。需要說明的是，對于表1中的所有鋼，均未 主動添加 P。因此，表1中的P含量表示作為不可避免的雜質(zhì)而混入的值。另外，就Ti而 言，對于表1中的鋼No. 14和鋼No. 15是添加的，對于鋼No. 1?13和鋼No. 16?17并不 是主動添加的。因此，表1中，鋼No. 1?13和鋼No. 16?17的Ti含量均表示作為不可避 免的雜質(zhì)而混入的值。
[0080] 將這些原材進一步加熱至1200°C后，在1KKTC下進行熱鍛，制成30mm(K以 0. 8°C /秒的冷卻速度冷卻至室溫，并且為了進行比較，將一部分以0. 1 °C /秒的冷卻速度冷 卻至室溫。
[0081] 學(xué)氏割鉆能 光貝切柄不 用的料直頭 利部材的鉆 是芯鍛Φ到 察出熱nm隊 觀求將6H1L,口八才 ，勺肜尉言1?通 組·而Η51貫 察刖體SK開 考鰣具修處 的氏t具55 性則frXJw雇在m速麵 越一一 驗JISP 測tIJU用每 度 g _ | f^^切^件!>#頭料條 驄乳2杜的 觀組!31驗3m 胗嘟?試5rp m 芯 m 為795 TT定 _作:7。 _鑒切料速價 ,a而先材轉(zhuǎn)評 材察另的3V>行 原觀。得re進 述行數(shù)所Ilm/數(shù) 上進分以5ml孔 于面百?,11總 對截積M:o的 對面^給止 21鏡的I進為 082微相20以削 [0顯體為頭切

【權(quán)利要求】
1. 一種軟氮化用鋼，以質(zhì)量％計，含有c :0. 01%以上且低于0. 10%、Si :1.0%以下、 Μη :0. 5 ?3. 0 %、Cr :0. 30 ?3. 0 %、Mo :0. 005 ?0. 4 %、V :0. 02 ?0. 5 %、Nb :0. 003 ? 0· 15%、A1 :0· 005 ?0· 2%、S :0· 06% 以下、P :0· 02% 以下和 B :0· 0003 ?0· 01%，余量由 Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，所述軟氮化用鋼在軟氮化前具有貝氏體面積率大于50 %的組 織。
2. 如權(quán)利要求1所述的軟氮化用鋼，其中，在軟氮化后，在貝氏體相中分散析出有含有 V、Nb的析出物。
3. -種軟氮化部件，其以權(quán)利要求1或2所述的軟氮化用鋼作為原材。
【文檔編號】C22C38/60GK104114733SQ201380009412
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年2月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月15日
【發(fā)明者】巖本隆, 安藤佳祐, 富田邦和, 大森靖浩, 上井清史, 三田尾真司 申請人:Jfe條鋼株式會社, 杰富意鋼鐵株式會社