熱處理應(yīng)變小的表面硬化鋼材的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的表面硬化鋼材具有下述成分組成，以質(zhì)量％計含有：C：0.05～0.45％、Si：0.01～1.0％、Mn：超過0且2.0％以下、Al：0.001～0.06％、N：0.002～0.03％、S：超過0且0.1％以下、P：超過0且0.05％以下、和其余量：Fe和不可避免的雜質(zhì)，在等軸晶區(qū)滿足下述(1)式和下述(2)式，或者，在柱狀晶區(qū)滿足下述(3)式：Re＝(Ae/Ao)×100≤30％(1)式；(Cmin，1/Co)≥0.95(2)式；(Cmin，2/Co)≥0.95(3)式。
【專利說明】熱處理應(yīng)變Λ?、的表面硬化鋼材

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通過滲碳、滲碳氮化或碳氮共滲(以下有時稱為「滲碳.氮化」)淬火處理而使表層部成為硬質(zhì)的表面硬化鋼材。該表面硬化鋼材，尤其作為需要高水平的耐磨損性、耐疲勞特性的汽車等的齒輪、軸、等速接頭等機械部件的材料是有用的。
[0002]本申請基于2012年I月26日在日本提出的專利申請2012-014474號要求優(yōu)先權(quán)，將其內(nèi)容援引于本申請中。

【背景技術(shù)】
[0003]近年來，從降低CO2排放量、促進節(jié)能的觀點出發(fā)，要求使包括汽車、機動二輪車等的運輸機械的車身輕量化，謀求提高燃油效率。作為車身輕量化對策的一環(huán)，齒輪、軸等機械部件的小型化、輕量化在被推進，但與其相伴，對于所述機械部件，要求提高耐磨損性、疲勞強度。
[0004]作為改善齒輪等機械部件的耐磨損性、耐疲勞性的手段，一直以來，以滲碳.氮化淬火處理為代表的表面硬化處理被廣泛應(yīng)用。但是，在響應(yīng)提高實施了表面硬化處理的機械部件的尺寸精度，提高工作時的光滑性、靜音性的技術(shù)要求的意義上，極力減小在表面硬化處理中產(chǎn)生的應(yīng)變(以下有時稱為「熱處理應(yīng)變」)是一個重要的課題。
[0005]作為降低熱處理應(yīng)變的對策，例如，專利文獻I和2中公開了一種方法，該方法進行組織調(diào)整以使得滲碳.氮化熱處理后的內(nèi)部組織成為奧氏體+鐵素體層，并由該組織狀態(tài)進行淬火來制造應(yīng)變小的高強度齒輪。
[0006]但是，在該方法中，由于使用的鋼材的Si含量少因此抗軟化性低。因此，如果將制造出的齒輪在高速旋轉(zhuǎn)中使用，則存在表面的溫度上升并軟化，耐點蝕性下降的難點。
[0007]專利文獻3中公開了用同樣的方法降低了熱處理應(yīng)變的表面硬化鋼。但是，該表面硬化鋼由于C含量多，因此具有被切削性、冷態(tài)加工性、韌性等差的問題。
[0008]專利文獻4中公開了一種齒輪用鋼，該齒輪用鋼規(guī)定滲碳處理后的理想臨界直徑，使?jié)B碳淬火后的滲碳.氮化沒有被實施的內(nèi)部的金屬組織，成為鐵素體為10~70%的低應(yīng)變型滲碳淬火組織。但是，該齒輪用鋼由于Si含量多因此滲碳性差，并且具有被切削性、冷態(tài)加工性差的問題。
[0009]專利文獻5中公開了一種方法，該方法適當(dāng)調(diào)整鋼材的成分組成，采用最佳的滲碳處理條件來降低熱處理應(yīng)變。另外，專利文獻6中公開了一種方法，該方法通過鋼中的C、Mn含量來控制臨界冷卻速度，謀求熱處理后的低應(yīng)變化。
[0010]專利文獻7和8中公開了一種方法，該方法在表面硬化處理后的淬火處理中，通過根據(jù)成分組成設(shè)定淬火開始溫度進行淬火，從而將表面硬化處理后的芯部、即非滲碳層的組織調(diào)整至初析鐵素體的面積率為20~80%。
[0011]專利文獻9中公開了一種方法，該方法作為降低應(yīng)變量的對策，實施滲碳冷卻和再加熱淬火處理，謀求降低熱處理應(yīng)變和提高彎曲疲勞強度。但是，該方法無法避免伴隨再加熱淬火的生產(chǎn)性的下降、熱處理成本的上升。
[0012]專利文獻10中公開了一種氮化用鋼，該氮化用鋼是將未凝固區(qū)域在特定的條件下壓下，在凝固末期位置不施加電磁攪拌，不使白亮帶生成，使在D/4部的偏析度C/Co為
.0.99~1.01，實質(zhì)上不具有白亮帶的氮化用鋼。
[0013]專利文獻11中公開了一種表面硬化鋼，該表面硬化鋼的鑄片的徑向截面內(nèi)的C和Mn的微觀偏析度的最大值與最小值的差為0.03%以內(nèi)，鄰接的含量的差為0.02%以內(nèi)。另外，專利文獻12中公開了由C的中心偏析度為1.1~1.0的鑄片制造的低應(yīng)變表面硬化鋼。
[0014]但是，實際情況是即使應(yīng)用上述任一種方法和鋼，也無法達成滿足近期的消費者的嚴格要求的低應(yīng)變化。
[0015]在先技術(shù)文獻
[0016]專利文獻1:日本國特開平05-070924號公報
[0017]專利文獻2:日本國特開平05-070925號公報
[0018]專利文獻3:日本國特開昭58-113316號公報
[0019]專利文獻4:日本國特開平08-109435號公報
[0020]專利文獻5:日本國特開平02-298250號公報
[0021]專利文獻6:日本國特開昭61-210154號公報
[0022]專利文獻7:日本國特開平09-137266號公報
[0023]專利文獻8:日本國特開平10-147814號公報
[0024]專利文獻9:日本國特開平05-148535號公報
[0025]專利文獻10:日本國特開2000-343191號公報
[0026]專利文獻11:日本國特開2006-097066號公報
[0027]專利文獻12:日本國特開昭58-052459號公報


【發(fā)明內(nèi)容】

[0028]本發(fā)明鑒于上述實際情況，其課題是在表面硬化鋼材的滲碳?氮化淬火處理中，極力減小在該淬火處理中產(chǎn)生的熱處理應(yīng)變，其目的是解決該課題，提供一種耐磨損性和疲勞強度優(yōu)異、并且尺寸精度高的表面硬化鋼制品。
[0029]本發(fā)明的主旨如下。
[0030](I)本發(fā)明的第一方式是一種表面硬化鋼材，其橫截面具有包含等軸晶區(qū)和柱狀晶區(qū)的宏觀組織，所述柱狀晶區(qū)被配置于該等軸晶區(qū)的周圍，所述表面硬化鋼材的特征在于，所述表面硬化鋼材具有下述成分組成，以質(zhì)量％計含有:c:0.05~0.45%, Si:0.01~
.1.0%,Μη:超過O 且2.0% 以下、Al:0.001 ~0.06%,N:0.002 ~0.03%,S:超過O 且0.1%以下、P:超過O且0.05%以下、和其余量:Fe和不可避免的雜質(zhì)，在所述等軸晶區(qū)滿足下述(a)式和下述(b)式，或者在所述柱狀晶區(qū)，滿足下述(c)式，
[0031]Re = (Ae/Ao) X 100 ≤30%(a)式，
[0032](Cmin，1/Co)≥ 0.95(b)式，
[0033](Cmin，2/Co)≥ 0.95(c)式，
[0034]在此，Re:所述等軸晶區(qū)的面積率)
[0035]Ae:所述等軸晶區(qū)的面積(％ )
[0036]Ao:所述橫截面的面積(％ )
[0037]Co:所述橫截面中的平均C濃度(質(zhì)量％ )，或者，鋼包或連鑄中間包內(nèi)的鋼液的C濃度(質(zhì)量％)
[0038]Cmin, 1:所述等軸晶區(qū)內(nèi)部的最小C濃度(質(zhì)量％ )
[0039]Cmin，2:所述柱狀晶區(qū)內(nèi)部的最小C濃度(質(zhì)量％ )。
[0040](2)在上述⑴所述的表面硬化鋼材中，可以在所述等軸晶區(qū)滿足所述(a)式和所述(b)式，并且在所述柱狀晶區(qū)滿足所述(C)式。
[0041](3)在上述(I)或(2)所述的表面硬化鋼材中，可以在所述等軸晶區(qū)，滿足下述(d)式和下述(e)式的至少一方，
[0042](L/F)≥ 0.6(d)式，
[0043](L/S)≥0.6(e)式，
[0044]在此，L:從所述等軸晶區(qū)的外周部之中最接近所述橫截面的中心部的位置，到所述橫截面的中心部的距離(mm)，
[0045]F:從相對于所述橫截面的中心部，與所述等軸晶區(qū)的外周部之中最接近所述橫截面的中心部的位置對稱的方向的、所述等軸晶區(qū)的外周部的位置，到所述橫截面的中心部的距離(mm)，
[0046]S:在與將所述等軸晶區(qū)的外周部之中最接近所述橫截面的中心部的位置和所述橫截面的中心部連結(jié)的直線正交的直線之中的、通過所述橫截面的中心部的直線與所述等軸晶區(qū)的外周部交叉的位置、與所述橫截面的中心部的距離中的大的距離(mm)。
[0047](4)在上述(3)所述的表面硬化鋼材中，可以在所述等軸晶區(qū)滿足所述⑷式和所述(e)式。
[0048](5)在上述(I)~(4)中任一項所述的表面硬化鋼材中，所述鋼的成分組成，可以以質(zhì)量％計還含有:Mo:超過O且1.5%以下、V:超過O且1.5%以下、Nb:超過O且1.5%以下、Cu:超過O且1.0%以下、N1:超過O且2.5%以下、Cr:超過O且2.0 %以下、和Sn:超過O且1.0 %以下之中的至少I種。
[0049](6)在上述(I)~(5)中任一項所述的表面硬化鋼材中，所述鋼的成分組成，可以以質(zhì)量％計還含有:Ca:超過O且0.01%以下、Zr:超過O且0.08%以下、Pb:超過O且0.4%以下、B1:超過O且0.3%以下、Te:超過O且0.3%以下、Rem:超過O且0.1%以下、和Sb:超過O且0.1%以下之中的至少I種。
[0050](7)在上述(I)~(6)中任一項所述的表面硬化鋼材中，所述鋼的成分組成，可以以質(zhì)量％計還含有:T1:超過O且0.30%以下、和B:超過O且0.005%以下之中的至少I種。
[0051](8)在上述(I)~(7)中任一項所述的表面硬化鋼材中，所述鋼的成分組成，可以以質(zhì)量％計還含有:w:超過O且2.0%以下。
[0052](9)本發(fā)明的第二方式是一種機械部件，是將上述(I)~(8)中任一項所述的表面硬化鋼材進行加工和熱處理而得到的。
[0053]根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種在滲碳?氮化淬火處理中產(chǎn)生的熱處理應(yīng)變小，尺寸精度高，并且疲勞特性優(yōu)異的表面硬化鋼材制品。并且，通過將這樣的表面硬化鋼材進行加工和熱處理，可以提供一種噪音、振動少，疲勞壽命長的機械部件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0054]圖1是模式地表示鋼材截面內(nèi)的宏觀組織中的等軸晶區(qū)的偏向的圖。
[0055]圖2是表示在實施例中采用的滲碳淬火條件的圖。

【具體實施方式】
[0056]在本說明書中，以向齒輪的應(yīng)用為主體對本發(fā)明進行說明，但本發(fā)明的表面硬化鋼材并沒有限定于向齒輪的應(yīng)用，能夠應(yīng)用于通過上述淬火處理而使表層部硬質(zhì)化的機械部件，尤其是嚴格要求降低滲碳、氮化淬火處理后的應(yīng)變量的機械部件。
[0057]如上所述，本
【發(fā)明者】們?yōu)榻鉀Q本發(fā)明的課題、達成本發(fā)明的目的，首先認真調(diào)查了影響熱處理應(yīng)變的原因。其結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了在鋼材橫截面的宏觀組織(凝固組織)中，下述(a)、(b)、(c)等大大影響熱處理應(yīng)變:
[0058](a) C濃度的下降；
[0059](b)溶質(zhì)濃度容易變得不均勻的等軸晶區(qū)的面積和面積率；和
[0060](c)在等軸晶區(qū)和等軸晶區(qū)周邊的柱狀晶區(qū)的C濃度的下降。
[0061]并且，繼續(xù)認真調(diào)查的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了在鋼材橫截面的宏觀組織(凝固組織)中，通過下述(X)、(y)、(z)，或使(X)、(y)、(z)組合兩個以上，能夠降低熱處理應(yīng)變達到滿足近來的消費者的嚴格要求的水準:
[0062](X)在縮小了等軸晶區(qū)的基礎(chǔ)上，抑制等軸晶區(qū)的C濃度的下降；
[0063](y)抑制等軸晶區(qū)周邊的柱狀晶區(qū)的C濃度的下降；或
[0064](Z)使在鋼材橫截面內(nèi)的等軸晶區(qū)的分布更加接近軸對稱。
[0065]在鋼材橫截面內(nèi)的宏觀組織中的等軸晶區(qū)，有從外周部向該橫截面的中心部，C等溶質(zhì)的濃度下降的傾向。因此，如果等軸晶區(qū)在所述橫截面內(nèi)偏離軸對稱，則下述(A)、(B)、(C)為原因，熱處理應(yīng)變增大:(A)與在滲碳.氮化淬火處理中產(chǎn)生的馬氏體相變相伴的膨脹量的不均勻；
[0066](B)產(chǎn)生馬氏體相變的時間的偏差；和
[0067](C)馬氏體相變后的機械特性在周向中的不均勻。
[0068]另一方面，在鋼材橫截面內(nèi)的宏觀組織中，如果使等軸晶區(qū)的分布接近軸對稱，則在鋼材橫截面內(nèi)的上述(A)、(B)、(C)被更正，因此熱處理應(yīng)變降低。
[0069]另外，在鋼材橫截面內(nèi)的宏觀組織中，如果縮小等軸晶區(qū)、防止等軸晶區(qū)內(nèi)部的C濃度的下降、或者在等軸晶區(qū)周邊的柱狀晶區(qū)抑制C濃度的下降，則在等軸晶區(qū)、等軸晶區(qū)周邊的柱狀晶區(qū)中，在由滲碳.氮化淬火處理導(dǎo)致的相變中產(chǎn)生的膨脹量，產(chǎn)生馬氏體相變的時間的偏差，以及馬氏體相變后的機械特性在周向中的不均勻減少，熱處理應(yīng)變降低。
[0070]具體來說，在鋼材橫截面內(nèi)的宏觀組織中，如果使等軸晶區(qū)的面積(Ae)相對于橫截面的面積(Ao)的面積率(Re = Ae/Ao)為30%以下，并且使鋼材橫截面內(nèi)的等軸晶區(qū)內(nèi)部的最小C濃度(Cmin，I)(質(zhì)量％ )相對于鋼材橫截面內(nèi)的平均C濃度(Co)(質(zhì)量％ )、或者鋼包或連鑄中間包內(nèi)的鋼液的C濃度(Co)(質(zhì)量％ )的比(Cmin，1/Co)為0.95以上，則能夠有效地降低熱處理應(yīng)變。
[0071]并且，如果將鋼材橫截面內(nèi)的宏觀組織中的等軸晶區(qū)的偏向(參照圖1)，通過以下述L、F和S定義的指標(L/F)和(L/S)來定量地把握，將(L/F)和/或(L/S)維持在0.6以上，則能夠進一步降低熱處理應(yīng)變。
[0072]L:從鋼材橫截面內(nèi)的宏觀組織中在等軸晶區(qū)外周部最接近橫截面中心部的位置，到橫截面中心部的距離(mm)，
[0073]F:從相對于橫截面中心部，與鋼材橫截面內(nèi)的宏觀組織中在等軸晶區(qū)外周部最接近橫截面中心部的位置對稱的方向的、等軸晶區(qū)外周部的位置，到橫截面中心部的距離(mm),
[0074]S:在與將鋼材橫截面內(nèi)的宏觀組織中在等軸晶區(qū)外周部最接近橫截面中心部的位置和橫截面內(nèi)中心部連結(jié)的直線正交的直線之中的、通過橫截面中心部的直線與等軸晶區(qū)外周部交叉的位置、與橫截面中心部的距離中的大的距離(mm)，
[0075]并且，如果將鋼材橫截面內(nèi)的宏觀組織中的等軸晶區(qū)周邊的柱狀晶區(qū)內(nèi)部的最小C濃度(質(zhì)量％)設(shè)為Cmin，2，將Cmin，2(質(zhì)量％)相對于鋼材橫截面內(nèi)的平均C濃度(Co)(質(zhì)量％ )、或者鋼包或連鑄中間包內(nèi)的鋼液的C濃度(Co)(質(zhì)量％ )的比(Cmin, 2/Co)維持在0.95以上，則能夠更進一步降低熱處理應(yīng)變。
[0076]如上所述，通過下述(a)、(b)，能夠穩(wěn)定地降低熱處理應(yīng)變:
[0077](a)滿足下述⑴式和⑵式；或
[0078](b)滿足下述(3)式。
[0079]另外，通過下述(C)，能夠在更多樣的用途中降低熱處理應(yīng)變:
[0080](c)滿足所有下述⑴式~(3)式。
[0081]并且，通過下述(d)，能夠在各種形狀的機械部件中，更進一步穩(wěn)定地降低熱處理應(yīng)變:
[0082](d)滿足下述⑷式、(5)式的一個或兩個。
[0083]Re = (Ae/Ao) X 100 ^ 30%(I)式
[0084](Cmin, Ι/Co)≤ 0.95(2)式
[0085](Cmin, 2/Co)≤ 0.95(3)式
[0086](L/F)≤ 0.6(4)式
[0087](L/S)≤ 0.6(5)式
[0088]鋼材橫截面內(nèi)的宏觀組織中的等軸晶區(qū)的L、F、S的測定，等軸晶區(qū)內(nèi)部的最小C濃度的測定，以及柱狀晶區(qū)中的最小C濃度的測定，可以使用鑄片、鋼片、軋制材料、和將軋制材料加工了的機械部件的任一種鋼材來進行。
[0089]鋼材橫截面內(nèi)的宏觀組織中的等軸晶區(qū)、柱狀晶區(qū)，可以使用鹽酸系或苦味酸系的腐蝕液、鋼鐵顯微分析用腐蝕液(oberhofer’ s reagent)腐蝕使其出現(xiàn),也可以采用硫印法、蝕刻印刷法使其出現(xiàn)。另外，也可以使用EPMA等各種電子顯微鏡，通過凝固組織中的元素映射(面分析)來把握。
[0090]等軸晶區(qū)的Cmin，1、柱狀晶區(qū)的Cmin，2的評價，在確認了宏觀組織的基礎(chǔ)上，采用鉆孔加工或分段磨削法等從各區(qū)域采集切屑并進行化學(xué)分析，或者采用倒數(shù)法測定各區(qū)域的C濃度的分布，或者采用通過EPMA等的元素映射、線分析法等測定C濃度的分布來進行。
[0091]Co可以采用上述方法測定鋼材橫截面內(nèi)的平均C濃度，另外，也可以對在鋼包、連鑄中間包中采集的鋼液樣品進行化學(xué)分析，或者采用倒數(shù)法進行分析來求得。
[0092]根據(jù)本發(fā)明，能夠通過限制供于滲碳.氮化淬火處理的表面硬化鋼材的橫截面中的等軸晶區(qū)的面積率，并且，抑制在等軸晶區(qū)內(nèi)、等軸晶區(qū)周邊的柱狀晶區(qū)內(nèi)生成負偏析，并且，更正橫截面中的等軸晶區(qū)的分布、形狀的偏向，從而抑制表面硬化鋼材的淬火性、機械特性在橫截面的周向的不均勻。因此，能夠提供在滲碳.氮化淬火處理中生成的熱處理應(yīng)變小，尺寸精度高，并且疲勞特性優(yōu)異的表面硬化鋼材制品。
[0093]接著，對于限定本發(fā)明的表面硬化鋼材的成分組成的理由進行說明。再者，%意味著質(zhì)量％。
[0094]C:0.05 ~0.45%
[0095]C是在確保作為機械部件的內(nèi)部強度方面必需的元素。如果低于0.05%，則無法得到充分的內(nèi)部強度，因此將下限設(shè)為0.05%。如果超過0.45%，則除了韌性劣化以外，被切削性、冷態(tài)鍛造性也下降而使加工性劣化，因此將0.45%設(shè)為上限。
[0096]C含量的優(yōu)選下限為0.10%，更優(yōu)選下限為0.20%。
[0097]C含量的優(yōu)選上限為0.30%，更優(yōu)選上限為0.25%。
[0098]S1:0.01 ~1.0%
[0099]Si除了在熔煉時作為脫氧材料發(fā)揮作用以外，還體現(xiàn)提高相變點，提高內(nèi)部強度的作用。另外，Si體現(xiàn)即使在通常的淬火溫度(800~1050°C )也使內(nèi)部組織兩相化并抑制熱處理應(yīng)變的作用。
[0100]為得到添加效果而添加0.01%以上的Si，但如果Si含量超過1.0%，則晶界氧化進展，除了彎曲疲勞強度劣化以外，冷態(tài)鍛造性、被切削性也劣化，因此將1.0%設(shè)為上限。作為表面硬化手段，采用氣體滲碳.氮化法的情況下，如果Si超過1.0%，則滲碳.氮化被阻礙，因此從這一點出發(fā)也將1.0%設(shè)為上限。
[0101]Si含量的優(yōu)選下限為0.15%，更優(yōu)選下限為0.30%。
[0102]Si含量的優(yōu)選上限為0.7%，更優(yōu)選上限為0.6%。
[0103]Mn:超過O且2.0%以下
[0104]Mn是作為脫氧劑發(fā)揮作用，并且有助于提高強度和淬火性的元素，但如果超過2.0%，則除了冷態(tài)加工性惡化以外，向晶粒邊界的偏析量增大而使彎曲疲勞特性惡化，因此將上限設(shè)為2.0%。優(yōu)選為1.5%以下。下限為超過0%，但在確實地得到添加效果的方面，優(yōu)選為0.3%以上。
[0105]Al:0.001 ~0.06%
[0106]Al是作為脫氧劑發(fā)揮作用，并且與鋼中的N結(jié)合形成A1N，構(gòu)成防止晶粒的粗大化的作用的元素。為得到脫氧效果，添加0.001%以上。如果超過0.06%，則添加效果飽和，并且與氧結(jié)合，形成對沖擊特性帶來不利影響的非金屬系夾雜物，因此將0.06%設(shè)為上限。
[0107]Al含量的優(yōu)選下限為0.005%,更優(yōu)選下限為0.01 %。
[0108]Al含量的優(yōu)選上限為0.04%，更優(yōu)選上限為0.03%。
[0109]N:0.002 ~0.03%
[0110]N是在鋼中與Al、V、T1、Nb等結(jié)合，形成抑制晶粒的粗大化的氮化物的元素。為得到添加效果，添加0.002%以上。優(yōu)選為0.007%以上。如果超過0.03%，則添加效果飽和，并且生成的氮化物成為夾雜物而對物性帶來不利影響，因此將上限設(shè)為0.03%。優(yōu)選為
0.01%以下。
[0111]P:超過O且0.05%以下
[0112]P是在晶粒邊界偏析并使韌性下降的元素，因此將上限設(shè)為0.05%。優(yōu)選為
0.03%以下。P優(yōu)選越少越好，下限為超過O %，但通常不可避免地存在0.001%左右。
[0113]S:超過O且0.1%以下
[0114]S是抑制熱處理時的表層脫碳，并且改善被切削性的元素，但如果超過0.1%，則熱態(tài)下的加工性、疲勞特性下降，因此將上限設(shè)為0.1 %。齒輪的情況下，不僅縱向的沖擊特性，橫向的沖擊特性也很重要。為降低各向異性而提高橫向的沖擊特性，S優(yōu)選為0.03%以下。更優(yōu)選為0.01%以下。
[0115]本發(fā)明的表面硬化鋼材的其余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，但可以進一步添加下述元素中的至少I種作為選擇元素來謀求提高特性:
[0116]Mo:超過O且1.5%以下、
[0117]V:超過O且1.5%以下、
[0118]Nb:超過O且1.5%以下、
[0119]Cu:超過O且1.0%以下、
[0120]N1:超過O且2.5%以下、
[0121]Cr:超過O且2.0%以下、和
[0122]Sn:超過O且1.0%以下。
[0123]Mo、V、Nb都是提高相變點，即使在通常的淬火溫度(800~1050°C )也能夠進行內(nèi)部組織的兩相化，構(gòu)成抑制熱處理應(yīng)變的作用的元素。Mo是有助于提高晶界強度、減少不完全淬火組織、以及提高淬火性的元素，但如果超過1.5%，則添加效果飽和，因此將上限設(shè)為
1.5%。優(yōu)選為1.0%以下。
[0124]V和Nb是與C、N結(jié)合形成碳氮化物并使晶粒細微化，也有助于提高韌性的元素，但如果V超過1.5%則被切削性劣化，因此V以1.5%為上限，如果Nb超過1.5%則加工性劣化，因此Nb也以1.5%為上限。
[0125]優(yōu)選下限，Mo、V、Nb都為 0.005%。
[0126]優(yōu)選上限，Mo、V、Nb都為 1.0%。
[0127]Cu,Ni,Cr和Sn，是有助于內(nèi)部組織的兩相化的元素。Cu和Sn是也有助于提高耐腐蝕性的元素。如果Cu和Sn超過1.0%，則添加效果飽和并且熱態(tài)加工性劣化，因此都將上限設(shè)為1.0%。優(yōu)選都為0.6%以下。
[0128]再者，單獨添加Cu、復(fù)合添加Cu和Sn，對熱態(tài)加工性帶來顯著的不利影響，因此單獨添加Cu、復(fù)合添加Cu和Sn的情況下，優(yōu)選添加與Cu同量程度以上的Ni。
[0129]Ni是使淬火硬化后的組織細微化并提高韌性，有助于提高加工性，并且有助于確保已穩(wěn)定的內(nèi)部硬度的元素。如果超過2.5%，則添加效果飽和，因此將上限設(shè)為2.5%。優(yōu)選為2.0%以下。
[0130]Cr是構(gòu)成提高淬火性來提高內(nèi)部硬度的作用的元素，但如果超過2.0%，則在晶界析出碳化物，晶界強度下降，韌性下降，因此將上限設(shè)為2.0%。優(yōu)選為1.5%以下。
[0131]本發(fā)明的表面硬化鋼材，為提高特性，可以還含有下述元素中的至少I種作為選擇元素:
[0132]Ca:超過 O 且 0.01% 以下、
[0133]Zr:超過 O 且 0.08% 以下、
[0134]Pb:超過O且0.4%以下、
[0135]B1:超過O且0.3%以下、
[0136]Te:超過O且0.3%以下、
[0137]Rem(Ce、La、Nb等稀土兀素):超過0%且0.1 以下、和
[0138]Sb:超過O且0.1 %以下。
[0139]Ca是使硬質(zhì)氧化物軟質(zhì)化而提高被切削性的元素，但如果超過0.01%則添加效果飽和，因此將上限設(shè)為0.01%。優(yōu)選為0.007%以下。Zr是使MnS球狀化而改善各向異性，提高被切削性的元素，但如果超過0.08%則添加效果飽和，因此將上限設(shè)為0.08%。優(yōu)選為0.05%以下。
[0140]Pb、B1、Te、Rem(Ce、La、Nb等稀土元素)和Sb是有助于提高被切削性，并且抑制硫化物的延伸而抑制由硫化物導(dǎo)致的韌性等機械特性的劣化、各向異性的增大的元素。如果過多，則對點蝕壽命、疲勞強度帶來顯著的不利影響，因此Pb設(shè)為0.40%以下，Bi和Te各自設(shè)為0.3%以下，Rem和Sb各自設(shè)為0.1%以下。優(yōu)選Pb設(shè)為0.30%以下，Bi和Te各自設(shè)為0.2%以下，Rem和Sb各自設(shè)為0.06%以下。
[0141]本發(fā)明的表面硬化鋼材，為提高特性，可以還含有以下元素中的至少I種:
[0142]T1:超過0%且0.3%以下、和
[0143]B:超過 0%且 0.005% 以下。
[0144]Ti是與N結(jié)合形成氮化物并使晶粒細微化，有助于提高韌性的元素，但如果過多則對點蝕壽命、切削性帶來不利影響，因此將上限設(shè)為0.1%。
[0145]Ti的優(yōu)選下限為0.005%，更優(yōu)選下限為0.010%。
[0146]Ti的優(yōu)選上限為0.05%，更優(yōu)選上限為0.02%。
[0147]B是有助于提高淬火性的元素，但添加效果在0.005%飽和，因此將上限設(shè)為
0.005%。優(yōu)選為0.002%以下。
[0148]W:超過0%且2.0%以下
[0149]本發(fā)明的表面硬化鋼材，為提高特性，可以還含有W:超過O %且2.0%以下。
[0150]添加適度的W，在提高淬火性、和通過強化鐵素體來提高強度方面是有效的。但是，添加效果在2.0%飽和，因此將上限設(shè)為2.0%。優(yōu)選為1.5%以下。
[0151]本發(fā)明的表面硬化鋼材，是上述成分組成的鋼材，是鋼材截面內(nèi)的等軸晶區(qū)的面積率、等軸晶區(qū)的負偏析度、等軸晶區(qū)的形狀、偏向、以及柱狀晶區(qū)的負偏析度，滿足上述
(I)式和⑵式，或滿足上述(3)式，并且適當(dāng)滿足上述⑷式和/或(5)式的鋼材，因此如果對成形為機械部件的鋼材，實施滲碳.氮化淬火處理，則結(jié)果能夠得到尺寸精度高，并且表面硬度高，耐磨損性優(yōu)異的機械部件。
[0152]在本發(fā)明中采用的滲碳?氮化淬火處理，不限定于特定的處理，可以采用公知的氣體滲碳(或滲碳氮化)、固體滲碳(或滲碳氮化)、鹽浴滲碳(或滲碳氮化)、等離子體滲碳(或滲碳氮化)、真空滲碳(或滲碳氮化)等。再者，尤其想得到具有高水平的韌性的表面硬化鋼材制品的情況下，期望在滲碳?氮化淬火處理后，在100~200°C左右進行回火處理。
[0153]在滲碳.氮化淬火處理之后，或在其后進行回火處理后，如果對表面硬化鋼材制品實施噴丸處理，對表面給予壓縮殘余應(yīng)力，則疲勞強度進一步提高。噴丸處理條件，例如，使用硬度為HRC45以上，并且粒徑為0.04~1.5mm的噴射顆粒，弧高(表示由噴丸處理產(chǎn)生的表面的變形高度的值)優(yōu)選為0.2~1.2mmA。
[0154]如果噴射顆粒的硬度低于HRC45，或弧高低于0.2mmA，則不能對表面硬化鋼材制品的表面給予充分的壓縮殘余應(yīng)力，并且，如果弧高超過1.2mmA，則變?yōu)檫^度噴丸而對疲勞特性帶來不利影響。噴射顆粒的硬度的上限沒有特別規(guī)定，但實際使用上達到HRC65左右。噴射顆粒的粒徑也沒有特別限制，但優(yōu)選為0.04~1.5mm，更優(yōu)選為0.3~1.0mm。
[0155]噴丸處理通常I次就足夠了，但根據(jù)需要也可以重復(fù)進行2次以上。實施例
[0156]接著，舉出實施例對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和作用效果更加具體地說明，但本發(fā)明當(dāng)然并不由于下述實施例而受到限制，在能夠適合于本發(fā)明的宗旨的范圍內(nèi)，也可以加以變更來實施，其包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。
[0157](實施例)
[0158]將具有表1~4、7~10所示成分組成的鋼材，在通常的連鑄工藝中，使用厚度220mmX寬度220mm的正方形截面的鑄模、或厚度350mmX寬度560mm的矩形截面的鑄模進行了鑄造。表1~4中表示發(fā)明例(Ex.)，表7~10中表示比較例(Comp.Ex.)。表中表示成分組成，并且表示Re (% )、(Cmin, 1/Co), (Cmin, 2/Co)以及(L/F)和(L/S)。另外，表中，tr表示該成分元素的含量為可忽略不計的程度的極微量。
[0159]發(fā)明例的鋼材、與比較例的鋼材的Re、(Cmin, 1/Co), (Cmin, 2/Co)以及(L/F)和(L/S)，采用以下的方法進行了調(diào)整。
[0160](a)使中間包內(nèi)的鋼液過熱；(b)使鑄模內(nèi)的電磁攪拌強度變化；(C)使鑄造速度變化等，并且，對于一部分的鑄片應(yīng)用凝固末期的輕壓來抑制在等軸晶區(qū)內(nèi)的負偏析，使鋼材截面內(nèi)的等軸晶區(qū)的面積和面積率、等軸晶區(qū)的在橫截面內(nèi)的形狀和偏向、以及等軸晶區(qū)內(nèi)部的C濃度、等軸晶區(qū)周邊的柱狀晶區(qū)的C濃度分布變化。
[0161]在中間包中的鋼液的過熱的溫度越低，等軸晶區(qū)的面積率越增大，并且，鑄模內(nèi)的電磁攪拌強度越高，等軸晶區(qū)的面積率越增大。另外，使用扁平的矩形截面的鑄模鑄造的情況，與使用了正方形截面的鑄模的情況相比，等軸晶區(qū)的橫截面內(nèi)的形狀容易變?yōu)楸馄健?br> [0162]在連鑄工藝中如果提高鑄造速度，則等軸晶變得容易向鑄片的下面?zhèn)瘸两?，鑄片橫截面內(nèi)的等軸晶區(qū)向下面?zhèn)绕?。如果增強鑄模內(nèi)的電磁攪拌，則在表層側(cè)的柱狀晶區(qū)中C濃度下降，如果在凝固末期施加輕壓，則能夠抑制中心偏析、形成于周邊部的負偏析的生成，能夠抑制在等軸晶區(qū)內(nèi)部的C濃度的下降。
[0163]將在各種鑄造條件下鑄造而得到的鑄片，通過開坯，成形為162mm見方的鋼片，然后，通過熱軋，成形為25mmΦ和48πιπιΦ的棒鋼。25πιπιΦ的棒鋼，在900°C保持I小時后，進行空冷的正火處理之后，切斷為200mm的長度，接著，切削表層，加工為22mm Φ X長度200mm的棒狀試驗片。
[0164]48mmΦ的棒鋼，也在900°C保持I小時后，進行空冷的正火處理之后，切斷為15mm的長度，接著，切削表層并加工為外徑45.ιΦ，然后，將其中心部鉆孔，加工為內(nèi)徑26mm Φ X外徑45_Φ X高度15_的環(huán)狀試驗片。
[0165]使用這些試驗片，在圖2所示的條件下，對于任一水準各取5個實施滲碳淬火試驗，測定試驗片的旋轉(zhuǎn)偏心量、圓度來評價熱處理應(yīng)變，算出5個的平均值。
[0166]在滲碳淬火中，各處理了 I根或I個試驗片。再者，在油淬火時，對于棒狀試驗片，相對于油面垂直浸潰，并且，對于環(huán)狀試驗片，試驗片的上下面相對于油面平行地浸潰，以滲碳.淬火的方法和條件的變動不影響熱處理應(yīng)變的方式進行了考慮。
[0167]在滲碳淬火試驗的前后,對于22_Φ X長度200_的棒狀試驗片，使其以試驗片兩端的截面中心部為支點沿周向旋轉(zhuǎn)，測定相當(dāng)于在長度方向中央部的旋轉(zhuǎn)偏心量的彎曲量并算出了平均值，對于環(huán)狀試驗片，在試驗片的高度方向的3個位置，沿內(nèi)周和外周測定圓度并算出了平均值。平均值以η = 5根或η = 5個算出。
[0168]棒狀試驗片的最大彎曲量的平均值，和環(huán)狀試驗片的圓度的最大值的平均值，在表5、6、11、12中表不。
[0169]另外，從滲碳淬火后的試驗片中采集組織觀察用的試料，用苦味酸系的腐蝕液腐蝕而使宏觀組織出現(xiàn)，測定Ae、L、F和S，算出了 Re、L/F和L/S。使用上述試料，通過EPMA進行元素映射，求得等軸晶區(qū)中的Cmin，I和柱狀晶區(qū)中的Cmin，2，并且，求得中間包內(nèi)的鋼液的C濃度Co，算出了(Cmin，l/Co)和(Cmin，2/Co)。算出結(jié)果在表5、6、11、12中表示。
[0170]在表1~6所示的實施例(Ex.1~100)中，在將棒狀試驗片滲碳淬火后測定的最大彎曲量(η = 5根的平均值)被降低至15 μ m以下，并且，在將環(huán)狀試驗片滲碳淬火后測定的圓度的最大值(η = 5個的平均值)也被降低至10 μ m以下。
[0171]另一方面，在表7~12所示的比較例(Comp.Ex.1~79)中，在將棒狀試驗片滲碳淬火后測定的最大彎曲量為20μπι以上，并且，在將環(huán)狀試驗片滲碳淬火后測定的圓度的最大值為15 μ m以上 ,都是比發(fā)明例的值大5μL?以上的值。
[0172]表1
[0173]

【權(quán)利要求】
1.一種表面硬化鋼材，其橫截面具有包含等軸晶區(qū)和柱狀晶區(qū)的宏觀組織，所述柱狀晶區(qū)被配置于該等軸晶區(qū)的周圍，所述表面硬化鋼材的特征在于， 所述表面硬化鋼材具有下述成分組成，以質(zhì)量％計含有:
C:0.05 ~0.45%,
Si:0.01 ~1.0%, Mn:超過O且2.0%以下、
Al:0.001 ~0.06%,
N:0.002 ~0.03%, S:超過O且0.1%以下、 P:超過O且0.05%以下、和 其余量:Fe和不可避免的雜質(zhì)， 在所述等軸晶區(qū)滿足下述(I)式和下述(2)式，或者 在所述柱狀晶區(qū)滿足下述(3)式， Re = (Ae/Ao) X 100 ^ 30%(I)式， (Cmin，Ι/Co)≥ 0.95⑵式， (Cmin，2/Co)≥ 0.95(3)式， 在此，Re:所述等軸晶區(qū)的面積率， Ae:所述等軸晶區(qū)的面積， Ao:所述橫截面的面積， Co:所述橫截面中的平均C濃度，或者，鋼包或連鑄中間包內(nèi)的鋼液的C濃度， Cmin, 1:所述等軸晶區(qū)內(nèi)部的最小C濃度， Cmin, 2:所述柱狀晶區(qū)內(nèi)部的最小C濃度， 其中，面積率和面積的單位為％，C濃度的單位為質(zhì)量％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面硬化鋼材，其特征在于， 在所述等軸晶區(qū)滿足所述(I)式和所述(2)式，并且 在所述柱狀晶區(qū)滿足所述(3)式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的表面硬化鋼材，其特征在于，在所述等軸晶區(qū)，滿足下述(4)式和下述(5)式的至少一方， (L/F)≥ 0.6(4)式， (L/S)≥ 0.6(5)式， 在此，L:從所述等軸晶區(qū)的外周部之中最接近所述橫截面的中心部的位置，到所述橫截面的中心部的距離， F:從相對于所述橫截面的中心部，與所述等軸晶區(qū)的外周部之中最接近所述橫截面的中心部的位置對稱的方向的、所述等軸晶區(qū)的外周部的位置，到所述橫截面的中心部的距離， S:在與將所述等軸晶區(qū)的外周部之中最接近所述橫截面的中心部的位置和所述橫截面的中心部連結(jié)的直線正交的直線之中的、通過所述橫截面的中心部的直線與所述等軸晶區(qū)的外周部交叉的位置、與所述橫截面的中心部的距離中的大的距離， 其中，距離的單位為mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的表面硬化鋼材，其特征在于，在所述等軸晶區(qū)，滿足所述(4)式和所述(5)式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的表面硬化鋼材，其特征在于，所述鋼材的成分組成，以質(zhì)量％計還含有: Mo:超過O且1.5%以下、 V:超過O且1.5%以下、 Nb:超過O且1.5%以下、 Cu:超過O且1.0%以下、
N1:超過O且2.5%以下、 Cr:超過O且2.0%以下、和 Sn:超過O且1.0%以下 之中的至少I種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的表面硬化鋼材，其特征在于，所述鋼材的成分組成，以質(zhì)量％計還含有: Ca:超過O且0.01%以下、 Zr:超過O且0.08%以下、 Pb:超過O且0.4%以下、 B1:超過O且0.3%以下、 Te:超過O且0.3%以下、 Rem:超過O且0.1 %以下、和 Sb:超過O且0.1%以下 之中的至少I種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的表面硬化鋼材，其特征在于，所述鋼材的成分組成，以質(zhì)量％計還含有: T1:超過O且0.30%以下、和 B:超過O且0.005%以下 之中的至少I種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的表面硬化鋼材，其特征在于，所述鋼材的成分組成，以質(zhì)量％計還含有: W:超過O且2.0%以下。
9.一種機械部件，其特征在于，是將權(quán)利要求1或2所述的表面硬化鋼材進行加工和熱處理而得到的。
【文檔編號】C22C38/60GK104053808SQ201280066577
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2012年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月26日
【發(fā)明者】磯部浩一, 土江雅彥 申請人:新日鐵住金株式會社