專利名稱：高濃度滲碳·低應(yīng)變淬火部件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及作為機械構(gòu)造部件的強化方法被大量利用的滲碳淬火處理中，具有耐回火軟化性(temper softening resistance)高、高強度·高接觸壓力(contact pressure)等特征的高濃度滲碳淬火部件，還涉及兼具高性能化和熱處理應(yīng)變的相反的特性的高濃度滲碳·低應(yīng)變淬火部件(以下，有時簡稱“部件”)及其制造方法。

背景技術(shù)：
滲碳淬火部件由于耐久強度以及耐磨耗性等優(yōu)良的特征，作為運輸機器或產(chǎn)業(yè)機械等的各種部件等被廣泛使用，從基于進(jìn)一步提高該部件性能的小型化·輕量化等的觀點出發(fā)，進(jìn)行了關(guān)于滲碳淬火部件的大量開發(fā)。另外，近年開發(fā)了真空滲碳(低壓滲碳)工藝，該工藝與以往的氣體滲碳工藝比較具有以下優(yōu)良的特征對環(huán)境友好、可防止?jié)B碳層的粒間氧化、可進(jìn)行高溫滲碳處理、容易控制滲碳和碳的擴散等，從部件的更加良好的性能、品質(zhì)的提高以及部件的生產(chǎn)性更加提高等方面考慮，希望進(jìn)行進(jìn)一步的普及。
作為對齒輪或軸承部件等機械構(gòu)造部件進(jìn)行滲碳淬火從而使該部件的耐點蝕性能(pitting resistance)提高的方法有碳氮共滲處理。該處理將碳和氮同時擴散至基質(zhì)，使部件的耐回火軟化性提高。另外，還開發(fā)出使碳化物在部件的表層部析出、使部件的耐回火軟化性提高的高濃度滲碳處理，近年來，與低壓滲碳設(shè)備的進(jìn)展相應(yīng)，進(jìn)行了大量的研究。
作為高濃度滲碳方法的代表例，在專利文獻(xiàn)1中公開了部件的滲碳處理方法。該專利文獻(xiàn)1中提出了以下方法，進(jìn)行預(yù)滲碳使球狀碳化物在鋼材的表層部析出，并使該表層部的碳濃度在Acm以下且在鋼和碳的共析濃度以上，之后使處理部件緩緩冷卻或驟冷，將該表層部轉(zhuǎn)化成貝氏體、珠光體或馬氏體組織后，從Ac1點開始以20℃/分鐘以下的加熱速度升溫至750～950℃，進(jìn)行滲碳淬火，在深度0.4mm的范圍內(nèi)生成體積率在30％以上的類球狀或球狀碳化物。
但是，在上述方法中，雖然通過使碳化物在部材的表層部析出，改善了該部件的耐點蝕性能等特性，但是該方法由于是使30％的碳化物在表層部析出的高濃度滲碳，因此所得部件存在熱處理變形或應(yīng)變等問題。
關(guān)于通過高濃度滲碳法使碳化物微細(xì)析出在部件的表層部的方法，研究了大量的加熱和冷卻方法，據(jù)專利文獻(xiàn)1所述預(yù)滲碳后，進(jìn)行空氣冷卻(生成貝氏體或珠光體組織)或者淬火(生成馬氏體組織)，在后續(xù)工序的碳化物生成處理中從Ac1轉(zhuǎn)變溫度開始以20℃/分鐘以下的速度緩緩升溫至750～950℃進(jìn)行加熱，直接淬火或空氣冷卻后，再進(jìn)行加熱淬火方法是優(yōu)良的方法。
另外，在專利文獻(xiàn)2和專利文獻(xiàn)3中提出在預(yù)滲碳或一次滲碳之后進(jìn)行緩慢冷卻(或者30℃/Hr以下)的方法為優(yōu)選方法。
但是，在專利文獻(xiàn)1、2、3所示的方法中，預(yù)滲碳或一次滲碳之后的淬火在空氣冷卻或緩慢冷卻的情況下，部材的表層部內(nèi)，網(wǎng)狀碳化物容易沿著晶界析出，經(jīng)后續(xù)工序的碳化物生成處理，上述網(wǎng)狀碳化物在短時間內(nèi)分解，難以使之在表層內(nèi)分散析出，因此有的示例中進(jìn)行多次加熱冷卻。
另一方面，在專利文獻(xiàn)1中，為了得到馬氏體而在將部件預(yù)滲碳之后，加速冷卻速度地進(jìn)行淬火，但是表層內(nèi)的碳化物的核有可能固溶消失，另外，成為碳為過飽和狀態(tài)的淬火，由于高碳馬氏體的轉(zhuǎn)變，有可能出現(xiàn)部件的膨脹、收縮等變形或應(yīng)變增大。
在專利文獻(xiàn)4中記載了通過低壓滲碳法的高濃度滲碳部件的制造方法，雖然有在一次滲碳時將碳濃度控制在0.5～0.7質(zhì)量％、在二次滲碳中將碳濃度控制在0.7～1質(zhì)量％以及將一次冷卻控制在1～10℃/分鐘的緩慢速度等關(guān)于碳化物的微細(xì)化的記載，但是關(guān)于變形應(yīng)變與上述的引用文獻(xiàn)1、2和3同樣不佳。
在此為了參考，以下顯示了最近正在市場上擴大的低壓滲碳法與通常的氣體滲碳法比較的優(yōu)點。
a)可以容易迅速地變化爐內(nèi)氣氛條件，可以容易地從滲碳?xì)夥涨袚Q至碳的擴散氣氛。
b)可以進(jìn)行高溫處理，可以迅速滲碳。
c)由于部件的表層部中沒有粒間氧化，因此可以抑制以此為原因的處理部件的皸裂的出現(xiàn)。
d)不會產(chǎn)生炭黑(sooting)，不會出現(xiàn)伴隨產(chǎn)生炭黑的滲碳不均。
專利文獻(xiàn)1日本專利特公昭62-24499號公報
專利文獻(xiàn)2日本專利特許第2787455號公報
專利文獻(xiàn)3日本專利特許第2808621號公報
專利文獻(xiàn)4日本專利特開2002-348615號公報

發(fā)明內(nèi)容
但是，即使是通過以往的低壓滲碳法的高濃度滲碳處理，也不能得到被處理部件的表層內(nèi)的碳化物的生成過程與表層部的顯微組織的最佳平衡，仍然存在處理部件的變形或應(yīng)變的問題。因此，滲碳工序后需要部件的研磨加工、為修整應(yīng)變的部件的精加工等，使本來可以得到的高濃度滲碳的高接觸壓力化性能下降，還使生產(chǎn)性下降以及成本上升，這阻礙了高濃度滲碳處理的普及。
本發(fā)明中，利用了可以迅速且高精度應(yīng)對部件的碳濃度、滲碳處理/擴散處理的反復(fù)、部件的升溫、均熱、滲碳、淬火等的各種溫度條件、加熱條件以及冷卻速度(淬火)條件等的各種控制的低壓滲碳設(shè)備，開發(fā)了能兼顧部件的高接觸壓力化和低應(yīng)變的最適工序，解決了上述課題。
通過以下的本發(fā)明完成了上述課題。
1.高濃度滲碳·低應(yīng)變淬火部件的制造方法，其特征在于，包括一次處理和二次處理，一次處理為通過真空滲碳(低壓滲碳)方法，將機械構(gòu)造用鋼部件加熱至奧氏體范圍的溫度，使共析碳濃度以上的碳固溶在該部件的表層部之后，再將該部件以3～15℃/秒的速度從奧氏體范圍的溫度冷卻到A1轉(zhuǎn)變點以下的溫度進(jìn)行淬火，使微細(xì)碳化物及/或該碳化物的核生成在上述部件的表層部，二次處理為接著使該部件升溫至奧氏體范圍的溫度并使其均熱后進(jìn)行迅速淬火，使微細(xì)碳化物以有效硬化深度比為10～30％的范圍析出在最表層部。
2.上述部件的制造方法，其特征在于，在上述二次處理中，在部件的表層部進(jìn)行追加滲碳處理。
3.上述部件的制造方法，其中，在上述二次處理中，使微細(xì)碳化物在上述部件的表層部析出，在該表層部形成部分含有托氏體和殘留的奧氏體等的混合組織的以馬氏體為主體的組織，該層的最表層部(A部)與比A部更內(nèi)側(cè)的層部(B部)與比B部更內(nèi)側(cè)的層部(C部)的各奧氏體結(jié)晶粒度的微細(xì)度順序為A≥C≥B。
高濃度滲碳法·低應(yīng)變淬火部件，其特征在于，表層部為部分含有托氏體和殘留的奧氏體等的混合組織的以馬氏體為主體的組織，該層的奧氏體結(jié)晶粒度的微細(xì)度順序在最表層部(A部)與比A部更內(nèi)部的層(B部)與比B部更內(nèi)部的層(C部)中為A≥C≥B。
本發(fā)明的方法使用處理部件的低壓滲碳設(shè)備，將以最適的高濃度滲碳和最適的冷卻速度進(jìn)行部件的淬火的一次處理，以及后續(xù)進(jìn)行的使微細(xì)碳化物簡單有效地析出的二次處理組合，可以將處理部件的熱處理變形以及應(yīng)變抑制到極小。通過該方法，在以往的高濃度滲碳中最令人擔(dān)心的，例如在軸的彎曲或齒廓的變形應(yīng)變等處理后的部件的繁雜的研磨加工、應(yīng)變修整加工等可以被大量減省，有助于大幅改善高濃度滲碳部件的生產(chǎn)性、品質(zhì)和成本等。
另外，在本發(fā)明的方法中，通過再于二次處理中對部件的表層部實施追加滲碳處理，可有助于基質(zhì)的高硬度化，可以使部件的最表層部的結(jié)晶粒度成為超微細(xì)粒，對部件的高強度化以及高韌性化也極有效。通過該本發(fā)明的方法，以往難以采用高濃度滲碳的軸承和齒輪等部件的高強度化、高韌性化和高接觸壓力化等變得容易實現(xiàn)。因此，本發(fā)明的方法可以廣泛應(yīng)用至對此具有高需要的領(lǐng)域等范圍中，對部件的高性能化和小型輕量化有很大貢獻(xiàn)。

具體實施例方式 以下，例舉實施本發(fā)明的最佳方式來詳細(xì)說明本發(fā)明。完成本發(fā)明的技術(shù)過程和發(fā)現(xiàn)如下所示。
本發(fā)明人的目的在于開發(fā)出使用低壓滲碳設(shè)備，使微細(xì)碳化物在部件的表層部析出的高濃度滲碳工藝，詳盡研究了上述表層部的碳濃度、各種加熱和冷卻條件與表層部的微細(xì)碳化物的析出狀態(tài)以及基質(zhì)的顯微組織的關(guān)系。另外，對設(shè)想為齒輪和軸承等的部件的熱處理應(yīng)變的改良等進(jìn)行了多方面的研究，確定目標(biāo)為建立通過高濃度滲碳可使部件的高性能化和部件的變形、應(yīng)變等相反的特性保持高度均衡，可以兼顧兩者的新的高濃度滲碳·低應(yīng)變淬火方法。
在向鋼材(部件)的表層部進(jìn)行高濃度滲碳方面，重要的點在于將一次處理和二次處理最佳組合盡量使多的微細(xì)碳化物分散析出在部件的表層部，在控制微細(xì)碳化物的生成中，使用的滲碳淬火設(shè)備也起到重要作用。本發(fā)明中，使用與以往的滲碳設(shè)備相比，可以迅速且高精度應(yīng)對碳濃度、滲碳/擴散的反復(fù)、升溫、均熱、滲碳、淬火等的各種溫度條件、加熱條件以及冷卻速度條件等的各種控制的低壓滲碳設(shè)備，進(jìn)行各種開發(fā)。
具體是，對一次處理時的部件的升溫、均熱、高濃度滲碳、擴散和冷卻(淬火)條件等進(jìn)行各種研究，首先，實現(xiàn)減少一次處理階段中的部件的變形或應(yīng)變，再者，后續(xù)工序的二次處理中，可以調(diào)整微細(xì)碳化物的析出和滲碳層的奧氏體結(jié)晶粒度的滲碳和淬火(冷卻)條件是重要的。即，發(fā)現(xiàn)了二次處理中使部件的表層部的微細(xì)碳化物的析出范圍以滲碳層的有效硬化深度比表示為10～30％，再將最表層部成為超微細(xì)結(jié)晶結(jié)構(gòu)，就可以使部件的熱處理變形及應(yīng)變極小化。
在此的有效硬化深度比是指在結(jié)束部件的二次處理之后(也包括180℃回火處理)的滲碳有效硬化深度(T)與存在于該部件的最表面層部的微細(xì)碳化物的析出深度(t)之比(t/T)。另外，滲碳有效硬化深度是指根據(jù)JIS G0557鋼的滲碳硬化層深度測定方法的，處于淬火狀態(tài)或以不超過200℃的溫度回火后的硬化層的，從表面到維氏硬度(HV)為550的極限深度的位置的距離。
微細(xì)碳化物的析出深度是指利用光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡進(jìn)行分析，從該部件的最表層部起微細(xì)碳化物存在的最大深度。在此，為了容易判斷微細(xì)碳化物，在使用5％的硝酸酒精等蝕刻液蝕刻該部件的狀態(tài)下進(jìn)行分析。
本發(fā)明中使用的真空滲碳(低壓滲碳)設(shè)備是具有滲碳加熱室的設(shè)備，該滲碳加熱室包括可以分壓控制在200～2000Pa的處理爐，該設(shè)備已有市售，市售的設(shè)備均可在本發(fā)明中使用。本發(fā)明中，作為一次處理，在該設(shè)備的爐內(nèi)將部件升溫及均熱到規(guī)定的溫度后，為了使部件的表層部的碳濃度為共析碳濃度以上的碳濃度，將滲碳與擴散交替重復(fù)之后，以合適的冷卻速度進(jìn)行部件的淬火。另外，在后續(xù)的二次處理中，使碳化物在部件的表層部微細(xì)析出，還可以根據(jù)需要進(jìn)行追加滲碳處理。
本發(fā)明的方法中的一次處理中，將被處理鋼材(部件)升溫至900～1100℃的奧氏體范圍進(jìn)行均熱后，進(jìn)行滲碳優(yōu)選使表層部的碳濃度在0.8質(zhì)量％以上，接著，從該狀態(tài)開始以最適的冷卻速度進(jìn)行淬火。在此，最適冷卻條件為在滲碳溫度(奧氏體范圍的溫度)開始到A1轉(zhuǎn)變點以下，優(yōu)選為至400℃以下的溫度范圍以3～15℃/秒的冷卻速度將部件均一冷卻。通過該冷卻使微細(xì)碳化物在部件的表層部析出，使在表層部形成以馬氏體為主的組織。在此，微細(xì)碳化物是指Fe3C(碳化鐵)或鋼中的Cr、Mo等碳化物形成元素與過飽和固溶的碳結(jié)合所生成的M23C6型碳化物。
接著，在二次處理中，將部件的非滲碳部分(內(nèi)部)升溫及均熱至奧氏體化溫度+80℃以內(nèi)，優(yōu)選為奧氏體化溫度+10～70℃的范圍，之后急速冷卻進(jìn)行微細(xì)碳化物的析出并使表層部的碳濃度優(yōu)選在0.8質(zhì)量％以上，更優(yōu)選為1.0～2.0質(zhì)量％。另外，優(yōu)選的是通過與二次處理中的微細(xì)碳化物的析出一并進(jìn)行在表層部的追加滲碳處理，助長表層部的微細(xì)碳化物的析出，并且將基質(zhì)的碳濃度調(diào)整為適當(dāng)從該狀態(tài)急速淬火。
另外，對于二次處理后的最終淬火溫度隨前處理條件而不同，也就是是否最終淬火在升溫·均熱之后，或者在升溫·均熱·追加滲碳后，可以直接在該溫度下進(jìn)行急速淬火，也可以對該溫度進(jìn)行升降溫。即，可以根據(jù)對該部件要求的硬度和顯微組織等熱處理品質(zhì)來設(shè)定二次處理后的最終淬火溫度。
本發(fā)明人為了構(gòu)建高濃度滲碳的最佳條件，對使用低壓滲碳設(shè)備的在部件的表層部進(jìn)行高濃度滲碳的一次處理和使碳化物的微細(xì)粒在表層部內(nèi)析出的二次處理，詳盡研究了升溫、均熱、滲碳時的碳濃度以及擴散和各種冷卻(淬火)條件。結(jié)果成功得到了高濃度滲碳淬火部件，其最表層部中以有效硬化深度比(t/T)計在10～30％的范圍內(nèi)的碳濃度優(yōu)選為0.8質(zhì)量％以上，更優(yōu)選在1.0～2.0質(zhì)量％，并且該高濃度滲碳淬火部件具有從最表層開始為奧氏體結(jié)晶粒度在10號以上的超微細(xì)粒層、細(xì)粒層、微細(xì)粒層的3層結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)了，該高濃度滲碳淬火部件在處理后的變形和應(yīng)變極小，不需要在以往的高濃度滲碳中不可避免的應(yīng)變的校正，或者比以往方法更容易應(yīng)對。
實施例 以下，例舉實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
使用下表1所示的機械構(gòu)造用鋼材(材料)，事先在900℃將材料進(jìn)行?；幚碇?，進(jìn)行機械加工制成φ30/φ25/φ20×L300mm的帶階的圓棒試驗片。該試驗片的滲碳淬火使用能在低壓下加熱及滲碳、且能夠油淬火和加壓氣體冷卻的設(shè)備，進(jìn)行本發(fā)明的高濃度滲碳工序的一次處理。
在此，鋼種記號1和2為JIS的滲碳淬火用鋼材，記號1為鉻-鉬鋼的SCM420，記號2為鉻鋼的SCr415。鋼種記號3的MAC14為鋼材廠家開發(fā)的商品記號，與上述的2鋼種相比，Cr含量更多，另外還添加了Mo元素，是以在高濃度滲碳時(一次和二次處理)析出M23C6型的微細(xì)碳化物為目的而開發(fā)的鋼材。
表1使用鋼材和化學(xué)成分 (質(zhì)量％) 表2是針對本發(fā)明的一次處理中的冷卻速度對試驗片的表層部的碳化物的析出狀態(tài)以及試驗片的熱處理變形的影響進(jìn)行各種實驗而得到的總結(jié)。在此，作為一次處理條件，按照圖1所示的熱循環(huán)，在升溫·均熱后，以有效硬化深度為0.5mm作為目標(biāo)，進(jìn)行試驗片的高濃度滲碳。具體是，在950℃的溫度下交替進(jìn)行高濃度滲碳和擴散處理約70分鐘，使最終狀態(tài)的試驗片的表層部的碳濃度約為1.5質(zhì)量％，從試驗片的表層部的碳濃度為過飽和的狀態(tài)開始，在表2所示的各種冷卻速度條件下進(jìn)行試驗片的淬火，考察試驗片的表層部的碳化物的形狀、大小、表層部的顯微組織。
另外，為了考察經(jīng)一次處理的試樣片的熱處理變形和應(yīng)變，使用帶階的圓棒試驗片(φ30/φ25/φ20×L300mm)作為試驗片，分析處于兩端支撐狀態(tài)下的試驗片的軸中央部的偏心量(runout)，考察試驗片的淬火時的冷卻速度和試驗片的軸偏心量之間的關(guān)系。
表2一次處理的冷卻條件和碳化物的析出形態(tài)以及軸偏心量的關(guān)系 在此，表中所示記號和分析方法如下說明。
1)冷卻速度表示從試驗片的滲碳·擴散結(jié)束后的淬火溫度950℃開始，到400℃的試驗片的軸中央部的平均冷卻速度。
2)碳化物的形狀和大小利用掃描電子顯微鏡來觀察。
3)顯微組織的省略號 F鐵素體、P珠光體、B貝氏體、T托氏體、M馬氏體、γ殘留奧氏體 4)軸偏心量是將試驗片安裝在兩端支撐的偏心測定器上，利用測微儀測得的軸中央部的偏心量。
在此，表2的試驗片No.1、4、6所示比較例由于冷卻時的冷卻速度緩慢為1℃/秒，因而在表層部的碳化物的析出以片狀碳化物連接的網(wǎng)狀碳化物的析出為主，基質(zhì)成為鐵素體、珠光體和貝氏體的不完全淬火組織，結(jié)果軸偏心量和變形增大。另外，試驗片No.3所示的比較例由于進(jìn)行了相當(dāng)于一般的油淬火(20℃/秒)的急速冷卻，因此碳化物的析出量非常少，并且成為碳來自過飽和的高碳狀態(tài)的淬火組織，軸偏心量和變形較大。
試驗樣片2、5和7所示的實施例的冷卻速度為4～12℃/秒時(本發(fā)明)，微細(xì)碳化物大量析出，還出現(xiàn)了成為其核的微細(xì)組織，改善了作為高濃度滲碳的令人大為擔(dān)心的課題的試驗片的變形和應(yīng)變(軸偏心量)。即，與冷卻緩慢的緩冷或者相反迅速的急速淬火相比，本發(fā)明的試驗片的軸偏心量為其它示例的大致1/2水平，可以實現(xiàn)軸偏心量的大幅減少。由這些結(jié)果可知，最優(yōu)選的是，一次處理的淬火時的冷卻速度為3～15℃/秒。
表3中顯示了，使用表2所示的一次處理的代表的試驗片進(jìn)行以使微細(xì)碳化物最終析出在表層部為目的的二次處理，對表層部的碳濃度、碳化物的析出狀態(tài)和顯微組織、結(jié)晶粒度以及試驗片的軸偏心量等進(jìn)行各種研究的結(jié)果。作為二次處理的條件，按照圖2所示的熱循環(huán)，將均熱溫度設(shè)定在A1轉(zhuǎn)變以上的800℃、850℃、900℃的3個水平，另外，作為為了更加提高二次處理中的表層部的碳濃度，以及使微細(xì)碳化物的析出增多的方法，在升溫·均熱后還同時實施追加滲碳以達(dá)到共析碳濃度以上。
圖1～3中(滲碳/擴散)n和(追加滲碳/擴散)n中的“n”表示在各工序中的滲碳和擴散的重復(fù)次數(shù)，該“n”數(shù)根據(jù)對各部件要求的品質(zhì)來設(shè)定。例如，在表2所示的實施例No.2的情況中n＝8，另外在表3所示的實施例No.2-2的情況中n＝5。
表3二次處理的處理條件與碳化物的析出形態(tài)和軸偏心的關(guān)系 [表層部的碳濃度的分析方法] 使用試驗片(φ30/φ25/φ20×L300mm)，用在削加工從φ25mm部的表層部采集切削至0.05mm深的碎片，利用濕式分析法求出表層部的碳濃度。
由表3顯示了試驗片No.2系列的使二次處理溫度變化時的對碳化物的析出形態(tài)和其它方面的影響，以及No.5和7系列的由于是否在二次處理中進(jìn)行追加滲碳而對微細(xì)碳化物的析出和對表層部的最終碳濃度等的影響。
在此，關(guān)于二次處理溫度(在此被稱為追加滲碳溫度)，在使用試驗片No.2-1的900℃的溫度下，表層部的碳化物固溶，整體中碳化物粒子的析出少，另外存在試驗片的軸偏心量也增大的問題。另外，使用試驗片No.2-3的800℃的二次處理溫度中，片狀碳化物在表層部的晶界析出，而且部件的內(nèi)部(非硬化部)不完全淬火，試驗片的軸偏心量出現(xiàn)不均。由這些結(jié)果可知，進(jìn)行二次處理使微細(xì)碳化物在表層部析出的最佳處理溫度可根據(jù)該部件的組成(滲碳處理前)來確定，優(yōu)選為相當(dāng)于A3轉(zhuǎn)變點溫度+10～70℃的溫度。
關(guān)于在二次處理中有無追加滲碳處理的情況，由試驗片5-1和7-1的結(jié)果可知，通過實施追加滲碳處理，不僅提高了表層部中碳濃度，而且碳化物也微細(xì)析出。作為其理由認(rèn)為是，由于表層部的碳以碳化物析出，基質(zhì)中的碳濃度減少，因此通過進(jìn)行追加滲碳向表層部中補給碳，有助于表層部中新的Fe3C和M23C6等微細(xì)碳化物和其核的生成。
另外，追加滲碳處理部件如圖4所示，可知最表層部的奧氏體結(jié)晶粒度為超微細(xì)粒度。在此，超微細(xì)粒度是指按照J(rèn)IS-G0551鋼的奧氏體粒度試驗方法中的滲碳粒度試驗方法，相當(dāng)于奧氏體結(jié)晶粒度在10號以上，還發(fā)現(xiàn)了朝向內(nèi)部方向形成由細(xì)粒和微細(xì)粒構(gòu)成的3層結(jié)構(gòu)這一顯著特征。另外，如果關(guān)注這些奧氏體結(jié)晶粒度與滲碳層之間的關(guān)系，若將微細(xì)碳化物的析出量多的最表層部作為A部，將其內(nèi)部的滲碳層部(細(xì)粒部)作為B部，再將其內(nèi)部(非硬化部)的微細(xì)粒部作為C部，則該3層的結(jié)晶粒度具有A≥C≥B的關(guān)系。另外，通常滲碳中的表層部的奧氏體結(jié)晶粒度一般約相當(dāng)于7～8號，本發(fā)明中形成了特征性的3層結(jié)構(gòu)的晶粒結(jié)構(gòu)。這在以往的滲碳處理中沒有出現(xiàn)過。
在此，作為這些超微細(xì)粒度層的效果，可以改善以往的滲碳處理部件中令人擔(dān)心的表面硬化層的韌性，具有賦予作為本發(fā)明特征的高接觸壓力化的同時，也可一并賦予滲碳層自身的高韌性的顯著特征，對進(jìn)一步提高今后的滲碳部件的高強度化極有效。
表4中，顯示了本發(fā)明的高濃度滲碳中碳化物析出層的有效硬化深度比對各種特性的影響。在此，各種試驗片為使用JIS機械構(gòu)造用鋼的SCM420作為材料，事先在900℃將材料進(jìn)行常化處理后再進(jìn)行機械加工制得。試驗片的高濃度滲碳處理按照圖3所示的一次處理和二次處理的熱循環(huán)來進(jìn)行。分析考察經(jīng)處理的試驗片的抗點蝕壽命、耐沖擊強度和熱處理應(yīng)變等。另外，對于表5所示的試驗片的最表層部的碳濃度對試驗片的強度耐久性和熱處理變形的影響，也與表4的各試驗片同樣進(jìn)行圖3所示的熱循環(huán)處理，考察處理試驗片的碳濃度等。
在此，表4的碳化物的析出深度的調(diào)整主要通過控制滲碳時間和碳濃度等，另外，表5的最表層部的碳濃度的調(diào)整是通過根據(jù)事先計算的程序控制重復(fù)一次處理和二次處理的滲碳·擴散時的工作氣體量、時間等來進(jìn)行的。作為低壓滲碳用工作氣體有丙烷、乙炔、乙烯等，其中使用最常用且廉價的丙烷或者作為擴散時的惰性氣體的氮氣。另外，在二次處理中的急速淬火用油冷卻來實施，除此之外也可以采用單獨使用或復(fù)合使用N2、He、H2等氣體的加壓氣體冷卻。
表4有效硬化深度比對強度、耐久性以及熱處理變形的影響 表5最表層部碳濃度對強度、耐久性以及熱處理變形的影響 1)有效硬化深度比表示微細(xì)碳化物層的深度與以顯微維氏硬度計具有550HMV以上硬度的深度(T)的比值(t/T)。
2)滾動疲勞壽命表示在以下條件下直到出現(xiàn)點蝕的反復(fù)次數(shù)。
接觸壓力3GPa，旋轉(zhuǎn)次數(shù)1500rpm，滑動率-40％、油壓80℃ 3)耐沖擊強度表示使用卻貝(charpy)試驗片而得的破壞能量。
4)圓度表示使用試驗片形狀為φ100(φ80)×15t的環(huán)，利用形狀測定器測定的環(huán)內(nèi)徑的X-Y方向的變形量。
關(guān)于有效硬化深度比對滾動疲勞壽命的影響，當(dāng)為記號A的比較例的有效硬化深度比較淺為5％時，微細(xì)碳化物自身的析出量少，缺乏作為高濃度滲碳的特征的耐回火軟化性，抗點蝕性(pitting toughness)低。另一方面，當(dāng)為有效硬化深度比為40％的記號E的比較例的情況時，由于高硬度的范圍廣，因此存在抗沖擊強度降低的問題，另外，對于從圓度而得的熱處理變形也有應(yīng)變增加的傾向。由這些結(jié)果可知，碳化物析出層與有效硬化深度的深度比優(yōu)選在10～30％的范圍內(nèi)。
接著，對于表5所示的最表層部的碳濃度對抗點蝕壽命的影響，可以認(rèn)為是最表層部的碳濃度高的記號H、J、K優(yōu)良，碳濃度較前者低、為1％的記號G、I的抗點蝕壽命部分劣化。如作為參考例顯示的記號F的最表層部碳濃度不到0.8質(zhì)量時，試驗片的抗點蝕性大幅劣化。也就是說，最表層部中微細(xì)碳化物多析出的碳濃度越高越好。因此，在本發(fā)明中將高濃度滲碳的碳濃度設(shè)定在0.8質(zhì)量％以上。
關(guān)于被滲碳的碳濃度的上限，到2.0質(zhì)量％沒有特別的問題。另外當(dāng)碳濃度成為超過2.0質(zhì)量％的高濃度時，容易析出片狀碳化物，試驗片的抗沖擊強度和熱處理變形有可能向不利方向發(fā)展。因此，需要根據(jù)部件(試驗片)的要求特性來設(shè)定最表層部的碳濃度。
關(guān)于記號I、J、K的二次處理中采用追加滲碳處理時對耐點蝕壽命、耐沖擊強度、熱處理變形(應(yīng)變)帶來的影響，與碳濃度同等的追加滲碳為“無”的記號G、H相比，所有特性均離差小，比較理想。作為其理由，認(rèn)為是由于通過追加滲碳處理，基質(zhì)的碳濃度穩(wěn)定化，還有助于最表層部的微細(xì)碳化物的生成，滲碳層自身成為致密且均衡的組織，熱處理品質(zhì)整體穩(wěn)定化。
通過以上的各種分析結(jié)果，本發(fā)明的方法中最適處理條件為，使用機械構(gòu)造用鋼作為部件，將低壓滲碳下的一次處理和二次處理組合進(jìn)行高濃度滲碳，經(jīng)過最適的加熱和冷卻條件后，使最終工序的碳化物的析出深度以有效硬化深度比計控制在10～30％的范圍，并且使表層部的碳濃度控制在0.8質(zhì)量％以上。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性 通過上述的一系列的結(jié)果，可知通過本發(fā)明可使作為機械構(gòu)造部件的齒輪和軸承部件等實現(xiàn)高強度化和高接觸壓力化，而且也能夠以低應(yīng)變實現(xiàn)要求低應(yīng)變的部件、具有軸承結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)滑動或往返滑動部件、以及要求在高接觸壓力下的接觸疲勞和耐磨耗性的部件等各種部件的高強度化、高性能化和輕型小型化等要求，可以提供全新的高濃度滲碳·低應(yīng)變淬火部件以及其制造方法。



圖1一次處理的熱循環(huán) 圖2二次處理的熱循環(huán) 圖3實施例的熱循環(huán) 圖4表3的試驗片No.2-2的光學(xué)顯微鏡照片(放大率×100)
權(quán)利要求
1.高濃度滲碳·低應(yīng)變淬火部件的制造方法，其特征在于，包括一次處理和后續(xù)的二次處理，一次處理為通過真空滲碳(低壓滲碳)方法，將機械構(gòu)造用鋼部件加熱至奧氏體范圍的溫度，使共析碳濃度以上的碳固溶在該部件的表層部之后，再將該部件以3～15℃/秒的冷卻速度從奧氏體范圍的溫度冷卻到A1轉(zhuǎn)變點以下的溫度進(jìn)行淬火，使微細(xì)碳化物及/或該碳化物的核生成在上述部件的表層部，二次處理為使該部件升溫至奧氏體范圍的溫度并使其均熱后進(jìn)行迅速淬火，使微細(xì)碳化物以有效硬化深度比為10～30％的范圍析出在最表層部。
2.如權(quán)利要求1所述的上述部件的制造方法，其特征在于，在上述二次處理中，在部件的表層部進(jìn)行追加滲碳處理。
3.如權(quán)利要求2所述的上述部件的制造方法，其特征在于，在上述二次處理中，使微細(xì)碳化物在上述部件的表層部析出，在該表層部形成以馬氏體為主的組織，其中包括一部分托氏體和殘留的奧氏體等的混合組織，該層的最表層部(A部)與比A部更內(nèi)側(cè)的層(B部)與比B部更內(nèi)側(cè)的層(C部)的各奧氏體結(jié)晶粒度的微細(xì)度順序為A≥C≥B。
4.高濃度滲碳·低應(yīng)變淬火部件，其特征在于，表層部為以馬氏體為主的組織，其中包含一部分托氏體和殘留的奧氏體等的混合組織，該層的奧氏體結(jié)晶粒度的微細(xì)度順序在最表層部(A部)與比A部更內(nèi)部的層(B部)與比B部更內(nèi)部的層(C部)中為A≥C≥B。
全文摘要
本發(fā)明在具有高強度·高接觸壓力等特征的高濃度滲碳淬火領(lǐng)域，可以提供兼有高性能化和熱處理應(yīng)變極小化的高濃度滲碳·低應(yīng)變淬火部件極其制造方法，該高濃度滲碳·低應(yīng)變淬火部件制造方法包括一次處理和后續(xù)的二次處理，一次處理為通過真空滲碳(低壓滲碳)方法，將機械構(gòu)造用鋼部件加熱至奧氏體范圍的溫度，使共析碳濃度以上的碳固溶在該部件的表層部之后，再將該部件以3～15℃/秒的速度從奧氏體范圍的溫度冷卻到A1轉(zhuǎn)變點以下的溫度進(jìn)行淬火，使微細(xì)碳化物及/或該碳化物的核生成在上述部件的表層部，二次處理為使該部件升溫至奧氏體范圍的溫度并使其均熱后進(jìn)行迅速淬火，使微細(xì)碳化物以有效硬化深度比為10～30％的范圍析出在最表層部。
文檔編號C21D1/06GK101115859SQ20068000411
公開日2008年1月30日 申請日期2006年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月8日
發(fā)明者町田功, 安部壽士, 福島壽夫, 堀切浩司 申請人:帕卡熱處理工業(yè)株式會社