本發(fā)明涉及一種金屬部件表面至少一部分的表面硬化方法。本發(fā)明還涉及使用該方法的金屬部件。

背景技術(shù)：

滲碳、碳氮共滲和感應(yīng)硬化是可以用于在金屬部件的表面上產(chǎn)生堅硬的耐磨層(硬化層(case))的表面硬化處理。

滲碳是鐵或鋼在其它固體、液體或氣體材料存在的情況下受熱，導(dǎo)致所述材料在分解時釋放碳(到所述鐵或鋼中)的熱處理工藝。表面或滲碳層將具有比原始材料更高的碳含量。當(dāng)鐵或鋼通過淬火快速冷卻時，高碳含量表面變硬，而芯部保持柔軟(即可延展性)和韌性。

碳氮共滲是這樣一種冶金表面改性技術(shù)，碳和氮的原子間隙擴(kuò)散(diffuse interstitially)到金屬中，從而產(chǎn)生滑動障礙，并增加表面附近的硬度，典型情況下發(fā)生在0.1至0.3mm的厚度層中。碳氮共滲也可用于產(chǎn)生碳化物或氮化物，主要用于避免或減少晶粒生長(grain growth)，并減少磨粒磨損。碳氮共滲通常在850-860℃的溫度下進(jìn)行。

感應(yīng)硬化是通過感應(yīng)加熱將金屬部件加熱至鐵素體/奧氏體相變溫度(ferrite/austenite transformation temperature)以上然后淬火的熱處理。淬火的金屬經(jīng)歷馬氏體轉(zhuǎn)變，增加了金屬部件的表面的硬度和脆性。感應(yīng)硬化可以用于在不影響整個部件的性能的情況下選擇性地硬化機(jī)械部件的區(qū)域。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的對金屬部件表面的至少一部分進(jìn)行表面硬化的方法。

該目的通過以下方法實現(xiàn)，該方法包括以下步驟：步驟a)，對金屬部件表面的至少一部分用碳和/或氮進(jìn)行富集，以及步驟b)，對金屬部件表面的至少一部分進(jìn)行感應(yīng)硬化。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，表面富集(步驟a))和感應(yīng)硬化(步驟b))的這種組合提供了具有增大的表面硬度和增大的壓縮殘余應(yīng)力的金屬部件，從而與僅使用表面富集(僅步驟a))和僅進(jìn)行感應(yīng)硬化(僅步驟b))的金屬部件的表面硬度相比提高了疲勞性能。此外，在硬化深入至硬化深度(即深度距金屬部件的表面大于2mm)時，根據(jù)本發(fā)明的方法比僅使用表面滲碳的表面硬化方法更快。

已經(jīng)使用根據(jù)本發(fā)明的實施方式的方法的金屬部件可以包含僅被感應(yīng)硬化、但是未經(jīng)過表面富集的區(qū)域，因此其可以具有比相同硬化深度的表面滲碳樣品(case carburized sample)低的碳含量，導(dǎo)致在該區(qū)域中脆性降低。

應(yīng)當(dāng)注意的是，感應(yīng)硬化步驟b)優(yōu)選在表面富集步驟a)之后(直接或間接地)進(jìn)行，這是因為在感應(yīng)硬化期間發(fā)生的再硬化的情況導(dǎo)致減小晶粒尺寸并由此改善疲勞特性。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，步驟a)包括對金屬部件的表面的至少一部分進(jìn)行表面滲碳或碳氮共滲。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，該方法包括在表面富集步驟a)和感應(yīng)硬化步驟b)之間對金屬部件的表面的至少一部分進(jìn)行回火的步驟。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種中間回火導(dǎo)致增大壓縮殘余應(yīng)力，這增加了金屬部件的疲勞強(qiáng)度和使用壽命，這是因為裂紋在壓縮應(yīng)力區(qū)中更難以引發(fā)或傳播。也就是壓縮應(yīng)力有利于增加抗對疲勞失效、腐蝕疲勞、應(yīng)力腐蝕開裂、氫輔助裂紋、微振磨損，汽蝕引起的磨損和腐蝕的抵抗力。因此，感應(yīng)硬化后的回火可以抵消由表面富集步驟引起的脆性。

根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的實施方式，所述方法包括在執(zhí)行完步驟a)和b)兩者之后對金屬部件的表面的至少一部分進(jìn)行回火的步驟，優(yōu)選地在執(zhí)行完步驟a)和b)兩者之后直接或間接的進(jìn)行回火的步驟。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種最終回火步驟導(dǎo)致開裂的風(fēng)險降低、奧氏體量降低、表面硬度降低和壓縮殘余應(yīng)力降低。

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，所述方法包括在執(zhí)行完步驟a)和b)兩者之后(優(yōu)選地在感應(yīng)硬化步驟b)之后)將金屬部件的表面的至少一部分深度冷卻至低于-20℃的步驟。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種深度冷卻導(dǎo)致殘余奧氏體水平降低、壓縮殘余應(yīng)力增加和表面硬度增加。

根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，所述表面富集步驟a)之后接著進(jìn)行馬氏體或貝氏體淬火或冷卻。

根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的實施方式，所述感應(yīng)硬化步驟b)之后接著進(jìn)行馬氏體或貝氏體淬火。

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，所述金屬部件構(gòu)成以下之一的至少一部分：球軸承、滾柱軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承、球面滾子軸承、CARB圓環(huán)滾子軸承、滾珠推力軸承、滾柱推力軸承、推力圓錐滾子軸承、車輪軸承、輪轂軸承單元、回轉(zhuǎn)軸承、滾珠絲杠或用于承受交替赫茲應(yīng)力的應(yīng)用中的部件，諸如滾動接觸或者既有滾動又有滑動的情形，和/或需要高耐磨性和/或需要加強(qiáng)疲勞和拉伸強(qiáng)度應(yīng)用中的部件。所述金屬部件可以包括或構(gòu)成齒輪齒、凸輪、軸、軸承、緊固件、銷、汽車離合器片、工具或模具。金屬部件可以用于汽車風(fēng)力(wind)、船舶、金屬生產(chǎn)或其它需要高耐磨性和/或增加疲勞和/或拉伸強(qiáng)度的機(jī)器應(yīng)用中。

根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，所述金屬部件包含以下材質(zhì)的鋼：所述鋼包含0.5-5.0％重量百分比的Cr、0.1-5.0％重量百分比的Mo和0.1-1.1％重量百分比的C，其余為Fe和一種或一種以上的下列可選元素Si、Mn、Ni和/或V，以及正常存在的雜質(zhì)。

根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的實施方式，所述金屬部件包括以下種類的鋼之一：C56E2、42CrMo4、50CrMo4、20NiCrMo7、16MnCr5、18NiCrMo14-6、18NiCrMo7-6，諸如100Cr6的高碳軸承鋼等級的鋼。

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，在經(jīng)受所述方法處理以后，所述金屬部件具有上至1+Dw/30mm的硬化層深度(即，滲碳硬化或碳氮共滲深度)、0.5-2.5％重量百分比的表面碳含量和/或0-1％重量百分比的表面氮含量，以及上至1.3*(1+Dw/30)mm的感應(yīng)硬化深度，其中Dw是以毫米為單位的所述金屬部件的最大橫向尺寸。

根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，在經(jīng)過所述方法處理以后，所述金屬部件在其表面以下0-0.5mm的深度處具有低于-300MPa的殘余應(yīng)力。

本發(fā)明還涉及一種金屬部件，所述金屬部件具有上至1+Dw/30mm的滲碳層深度、0.5-2.5％重量百分比的表面碳含量和/或0-1％重量百分比的表面氮含量、以及上至1.3*(1+Dw/30)mm的感應(yīng)硬化深度，其中Dw是以毫米為單位的所述金屬部件的最大橫向尺寸。該金屬部件可以使用根據(jù)本發(fā)明的任一實施方式的方法提供。

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，經(jīng)過所述方法處理以后，所述金屬部件在其表面以下0-0.5mm的深度處具有低于-300MPa的殘余應(yīng)力。

根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，所述金屬部件包含以下成分的鋼：所述鋼包含0.5-5.0％的重量百分比的Cr、0.1-5.0％重量百分比的Mo和0.1-1.1％重量百分比的C，其余為Fe和一種或一種以上的下列可選元素Si、Mn、Ni和/或V，以及正常存在的雜質(zhì)。

根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實施方式，所述金屬部件包括以下種類的鋼之一：C56E2、42CrMo4、50CrMo4、20NiCrMo7、16MnCr5、18NiCrMo14-6、18NiCrMo7-6，諸如100Cr6的高碳軸承鋼等級的鋼。

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，所述金屬部件構(gòu)成以下之一的至少一部分：球軸承、滾柱軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承、球面滾子軸承、CARB圓環(huán)滾子軸承、滾珠推力軸承、滾柱推力軸承、推力圓錐滾子軸承、車輪軸承、輪轂軸承單元、回轉(zhuǎn)軸承、滾珠絲杠，或者用于承受交替赫茲應(yīng)力的應(yīng)用中的部件，諸如滾動接觸或者既有滾動又有滑動的情形，和/或需要高耐磨性和/或需要加強(qiáng)疲勞和拉伸強(qiáng)度的應(yīng)用中的部件。所述金屬部件可以包括或構(gòu)成齒輪齒、凸輪、軸、軸承、緊固件、銷、汽車離合器片、工具或模具。

所述金屬部件可以用于汽車、風(fēng)力、船舶、金屬生產(chǎn)或其它需要高耐磨性和/或增加疲勞和/或拉伸強(qiáng)度的機(jī)器應(yīng)用中。

附圖說明

下面將參照附圖通過非限制性示例的方式對本發(fā)明進(jìn)一步說明，其中：

圖1示出根據(jù)本發(fā)明實施方式的方法的步驟，

圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的金屬部件，

圖3示出與使用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行表面硬化處理的金屬部件的硬度相比使用根據(jù)本發(fā)明的實施方式的方法的金屬部件的硬度，

圖4示出與使用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行表面硬化處理的金屬部件的殘余應(yīng)力相比使用根據(jù)本發(fā)明的實施方式的方法的金屬部件的殘余應(yīng)力，

圖5和6示出中間回火步驟對使用根據(jù)本發(fā)明的實施方式的方法的金屬部件的硬度和殘余應(yīng)力的影響，

圖7和圖8示出最終回火步驟對使用根據(jù)本發(fā)明實施方式的方法的金屬部件的硬度和殘余應(yīng)力的影響，以及

圖9和10示出使用碳氮共滲代替根據(jù)本發(fā)明的方法中的步驟a)中的表面滲碳對使用這種方法的金屬部件的硬度和殘余應(yīng)力的影響。

應(yīng)當(dāng)注意的是，附圖沒有按比例繪制，并且為了清楚起見，某些特征的尺寸被放大。

具體實施方式

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的用于金屬部件的表面的至少一部分的表面硬化方法。該方法包括以下步驟：a)對金屬部件的表面的至少一部分用碳和/或氮進(jìn)行富集(enrich)，然后直接或間接地b)對金屬部件的表面的至少一部分進(jìn)行感應(yīng)硬化。

表面富集(surface enrichment)步驟a)可以包括對金屬部件的表面的至少一部分進(jìn)行表面滲碳(case carburizing)，然后進(jìn)行馬氏體或貝氏體淬火或冷卻。可選擇地，表面富集步驟a)可以包括對金屬部件的表面的至少一部分進(jìn)行碳氮共滲，接著進(jìn)行馬氏體或貝氏體淬火。使用這種表面富集來改變金屬部件的表面的微結(jié)構(gòu)可以改善其耐磨性、耐腐蝕性、承載能力、表面硬度、芯部硬度、復(fù)合層厚度、磨粒磨損(abrasive wear)、粘合磨損(adhesive wear)和/或抗疲勞性并且增強(qiáng)其在表面任何壓痕的邊緣處釋放應(yīng)力集中的能力。

感應(yīng)硬化步驟b)之后也可以進(jìn)行馬氏體或貝氏體淬火。

可選地，該方法包括在表面富集步驟a)和感應(yīng)硬化步驟b)之間對金屬部件的表面的至少一部分進(jìn)行回火(tempering)的步驟。這種中間回火可以在爐中或通過感應(yīng)回火進(jìn)行。中間回火例如可以在390℃的溫度下進(jìn)行4小時，或者和在任何其它合適的溫度下進(jìn)行任何其它合適的時間。

可選地，該方法包括在已經(jīng)進(jìn)行步驟a)和b)兩者之后將金屬部件的表面的至少一部分深度冷卻(深冷)至低于-20℃的步驟。

可選地，該方法包括在已經(jīng)執(zhí)行步驟a)和b)兩者之后對金屬部件的表面的至少一部分進(jìn)行回火的步驟。這種最終回火可以在爐中或通過感應(yīng)回火進(jìn)行。最終回火例如可以在160℃的溫度下進(jìn)行1小時，或者和在任何其它合適的溫度下進(jìn)行任何其它合適的時間。

根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的方法可以用于提供以下金屬部件：在經(jīng)過所述方法處理后，所述金屬部件具有上至1+Dw/30mm的硬化層深度(case depth)、0.5-2.5％或0.5-1.5％重量百分比的表面碳含量、和/或0-1％或0-0.4％重量百分比的表面氮含量、以及上至1.3*(1+Dw/30)mm的感應(yīng)硬化深度，其中Dw是以毫米為單位的金屬部件的最大橫向尺寸(截面尺寸(transverse dimension))，例如滾動體的直徑。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的金屬部件的示例，即，滾動軸承10，其可以尺寸范圍從10mm的直徑到幾米的直徑并具有從幾十克到幾千噸的承載能力。即，根據(jù)本發(fā)明的金屬部件10可以具有任何尺寸并且具有任何承載能力。所示的軸承10具有內(nèi)圈12和外圈14以及滾動體16的列?？梢詫L動軸承10的內(nèi)圈12、外圈14和/或滾動體16(優(yōu)選滾動軸承10的所有滾動接觸部分的表面的至少一部分)使用根據(jù)本發(fā)明的方法。

金屬部件可以包括含有0.5-5.0％重量百分比的Cr、0.1-5.0％重量百分比的Mo和0.1-1.1％重量百分比的C、其余為Fe和可選的下列Si、Mn、Ni、和/或V中的任意一種或多種、和正常存在的雜質(zhì)的鋼。

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，金屬部件包括含有0.5-2.0％重量百分比的Cr、0.1-0.5％重量百分比的Mo和0.1-1.1％重量百分比的C、其余為Fe和可選的下列Si、Mn、Ni、和/或V中的任意一種或多種、和正常存在的雜質(zhì)的鋼。

根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，金屬部件包括含有0.5-0.7％重量百分比的C和小于1％重量百分比的Mn、其余為Fe和可選的下列Cr、Mo、Si、Ni、和/或V中的任意一種或多種、和正常存在的雜質(zhì)的鋼。

根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，金屬部件包括含有小于0.2％重量百分比的C、4.0-4.5％重量百分比的Cr、4.0-4.5％重量百分比的Mo、3.0-4.0％重量百分比的Ni和1.0-1.5％重量百分比的V、其余為Fe和可選的下列Si和/或Mn中的任意一種或多種和正常存在的雜質(zhì)的鋼。

金屬部件可以包括以下鋼之一：C56E2、42CrMo4、50CrMo4、20NiCrMo7、16MnCr5、18NiCrMo14-6、18NiCrMo7-6，諸如100Cr6的高碳軸承鋼級。

圖3-10示出在對包含18CrNiMo7-6的金屬部件使用根據(jù)本發(fā)明的實施方式的方法之后收集的實驗數(shù)據(jù)。

圖3示出了與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行表面硬化處理的金屬部件(即，僅進(jìn)行表面滲碳和僅進(jìn)行感應(yīng)硬化的金屬部件)的硬度相比使用根據(jù)本發(fā)明的實施方式的方法的金屬部件的硬度?？梢钥闯觯鶕?jù)本發(fā)明的方法提供了具有比僅進(jìn)行表面滲碳或僅進(jìn)行感應(yīng)硬化所獲得的表面硬度大的表面硬度的金屬部件。

使用根據(jù)本發(fā)明的方法的金屬部件的表面可以具有700-1000HV的表面硬度和200-550HV的芯部硬度，芯部硬度取決于所使用的鋼的等級。

圖4示出了與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行表面硬化處理的金屬部件(即，僅進(jìn)行表面滲碳和僅進(jìn)行感應(yīng)硬化的金屬部件)的殘余應(yīng)力相比使用根據(jù)本發(fā)明的實施方式的方法的金屬部件的殘余應(yīng)力?？梢钥闯觯鶕?jù)本發(fā)明的方法提供了具有比僅進(jìn)行表面滲碳的金屬部件的殘余應(yīng)力大的殘余應(yīng)力的金屬部件。

圖5和6示出了中間回火(也就是根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟a)和b)之間的回火步驟)對使用這種方法的金屬部件的硬度和殘余應(yīng)力的影響。圖5示出了金屬部件的硬度曲線不受中間回火的影響。然而，圖6顯示中間回火增加了金屬部件的表面下100-500μm深度的壓縮殘余應(yīng)力。因此，如果在成品金屬部件中期望這種增加的壓縮殘余應(yīng)力，則可以執(zhí)行這種中間回火步驟。

圖7和圖8示出了最終回火(也就根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟a)和b)執(zhí)行之后的回火步驟)對使用根據(jù)本發(fā)明的實施方式的方法的金屬部件的硬度和殘余應(yīng)力的影響。圖7示出最終回火使金屬部件的表面下直到0.5mm深度處的硬度降低約50HV0.5。圖8示出直至金屬部件的表面下0.3mm，最終回火使壓縮殘余應(yīng)力減小100-200MPa。因此，最終回火可以可選地包括在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施方案中，以根據(jù)其將用于的應(yīng)用獲得具有期望特性的成品金屬部件。

圖9和10示出了使用碳氮共滲代替根據(jù)本發(fā)明的方法中的表面富集步驟a)中的表面滲碳對使用這種方法的金屬部件的硬度和殘余應(yīng)力的影響。圖9示出表面滲碳和碳氮共滲提供了具有非常相似的硬度曲線的金屬部件。圖10示出了碳氮共滲提供了直至其表面下0.5mm的深度都具有增加的壓縮應(yīng)力的金屬部件。因此，如果在成品金屬部件中期望這種增加的壓縮殘余應(yīng)力，則可以在根據(jù)本發(fā)明的方法的表面富集步驟a)中使用碳氮共滲。此外，而由于將氮引入金屬中，因此使用碳氮共滲代替根據(jù)本發(fā)明的方法中的表面富集步驟a)中的表面滲碳可以稍微增加金屬部件的耐腐蝕性。

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，金屬部件在使用該方法之后在其表面下0-0.5mm的深度處具有低于-300MPa、低于-400MPa或低于-500MPa的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的大小強(qiáng)烈依賴于感應(yīng)硬化深度。如果選擇較小的感應(yīng)硬化深度，則可以獲得低的殘余應(yīng)力，即低于-300MPa。

在權(quán)利要求的范圍內(nèi)的本發(fā)明的進(jìn)一步修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。