复合钢部件及其制造方法
【专利摘要】准备具有剩余部826的半成品800，进行如下工序：渗碳工序，在渗碳环境气体中形成渗碳层；继渗碳工序的冷却工序，以比马氏体相变的冷却速度慢的冷却速度进行冷却，将半成品800冷却至能够使冷却引起的组织相变完成的温度以下；淬火工序，对半成品800的圆筒部81的期望部分，通过高密度能量进行加热后进行冷却，从而在期望部分上形成渗碳淬火部；切削工序，将半成品800的焊接预定部825切削成最终期望形状。
【专利说明】复合钢部件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有渗碳淬火部和焊接部的复合钢部件及其制造方法。
【背景技术】
[0002]例如，作为组装在汽车用自动变速器的钢部件，有叫套筒泵轮外延部(sleevepomp impeller extension)的部件。该钢部件是通过将具有呈圆筒状的圆筒部和从该圆筒部的一端向径向外侧延伸的凸缘部的第一钢部件和第二钢部件在凸缘部处焊接接合制作而成的所谓复合钢部件。第一钢部件的圆筒部的外周面为滑动面，因此为提高耐磨损性实施渗碳淬火处理。
[0003]另一方面，所述第一钢部件的凸缘部具有与第二钢部件焊接的焊接预定部，为确保焊接性要求不对该焊接预定部实施渗碳处理。
[0004]为此，在以往的所述第一钢部件的制造方法中采用了以下复杂的制造方法。即，作为坯料使用碳含量比较低的钢材，经过锻造及切削工序，得到接近最终产品形状的钢部件。其次，进行利用防渗碳剂(ant1-carburizing agent)来覆盖其钢部件的焊接预定部的防渗碳处理。接着，在气体渗碳炉中进行渗碳处理后马上进行油淬，并实施回火处理。之后，对进行了防渗碳处理的部分实施喷丸处理，去除防渗碳剂。最后，实施研磨、清洗等修整工序得到第一钢部件。之后，将第一钢部件与第二部件焊接，得到最终复合钢部件。
[0005]此外，例如在以下专利文献等中记载有一般防渗碳处理方法等。
[0006]现有技术文献
[0007]专利文献`
[0008]专利文献1:日本特开2005-76866号公报
【发明内容】
[0009]发明要解决的课题
[0010]所述复合钢部件的现有的制造方法如上所述般，在制造第一钢部件时，需要在实施了将防渗碳剂涂敷在焊接预定部的防渗碳处理的基础上，进行渗碳处理，之后，进行去除防渗碳剂的工序。防渗碳处理及去除防渗碳剂的处理特别费工时，而且会导致成本变高。另一方面，当省去防渗碳处理时，焊接预定部的坯料的碳含量增加，进行焊接时会产生焊接裂纹。因此无法简单地省略防渗碳处理。
[0011]另外，为省去渗碳处理工序，还考虑到使用碳含量比较高的钢材并仅进行淬火的方法。但是，从加工性来看，很难大幅提高碳含量，表面碳浓度不会高于经过渗碳处理的碳浓度。因此，利用淬火提高硬度的效果变差，无法得到所需要的耐磨损性。
[0012]本发明是在这种背景下做出的，目的在于提供一种使需要耐磨损的部分得到充分的表面硬度提高效果，并且将焊接部的特性提高至前所未有的水平，而且制造时完全不需要防渗碳处理的复合钢部件的制造方法。
[0013]用于解决课题的手段[0014]本发明的第一方案为一种复合钢部件的制造方法，用于制造通过焊接将多个钢部件连接而成的复合钢部件，其特征在于，准备半成品来制造第一钢部件，该第一钢部件具有呈圆筒状的圆筒部、从该圆筒部的一端向径向外侧延伸的凸缘部，在所述凸缘部上设有用于焊接第二钢部件的所述焊接预定部，所述圆筒部为已实施了渗碳淬火硬化处理后的渗碳淬火部，在该半成品的所述焊接预定部附加有厚度在之后渗碳工序中形成的渗碳层的厚度以上的剩余部，进行渗碳工序、冷却工序、淬火工序、切削工序，其中，在所述渗碳工序中，将该半成品在渗碳环境气体下加热至奥氏体化温度以上，从而在表面形成渗碳层，在继该渗碳工序的所述冷却工序中，以比马氏体相变的冷却速度慢的冷却速度，对所述半成品进行冷却，并且，将所述半成品冷却至能够使冷却引起的组织相变完成的温度以下，在所述淬火工序中，通过高密度能量将所述半成品的所述圆筒部的期望部分加热至奥氏体区域之后，以发生马氏体相变的冷却速度以上的冷却速度进行冷却，来在所述期望部分形成渗碳淬火部，在所述切削工序中，对所述半成品的所述剩余部进行切削；
[0015]接着进行焊接工序，在该焊接工序中，通过将第二钢部件抵接在所获得的所述第一钢部件的所述凸缘部的所述焊接预定部上来进行焊接，由此连接两者。
[0016]本发明的第二方案为一种复合钢部件，是通过焊接将多个钢部件连接而成的，其特征在于，第一钢部件具有呈圆筒状的圆筒部、从该圆筒部的一端向径向外侧延伸的凸缘部，所述圆筒部由渗碳淬火部构成，该渗碳淬火部的表层部由马氏体组织构成且内部由贝氏体组织构成，所述凸缘部具有焊接有第二钢部件的焊接部，该焊接部具有熔融再凝固部、与该熔融再凝固部相邻的热影响部，所述熔融再凝固部由马氏体-贝氏体-珠光体组织构成，所述热影响部由贝氏体-铁素体-珠光体组织构成。
[0017]发明的效果
[0018]在所述第一方案的制造方法中，使用具有所述剩余部的半成品来实施所述渗碳工序、冷却工序。之后,对成为渗碳淬火部的部分局部地实施所述淬火工序,并进行去除所述剩余部的切削工序。此外，淬火工序和切削工序的顺序可以互调。
`[0019]通过采用这种制造工序，无需对所述焊接预定部实施淬火处理，并且能够对碳浓度因渗碳工序而变高的部分通过所述切削工序与所述剩余部一同去除。因此，在设有焊接预定部的情况下，能够完全省略以往的防渗碳处理及防渗碳剂除去处理，从而能够减少相应的工时和能耗。
[0020]另外，就所述渗碳淬火部而言，通过局部实施采用高密度能量的所述淬火工序，能够抑制产生变形，并且能够得到具有耐磨损性优异的高硬度表面状态和韧性优异的内部的渗碳淬火部。
[0021]另外，就所述第一钢部件的整体形状而言，通过在所述渗碳工序后不实施急冷，而实施限制冷却速度的所述冷却工序，从而能够抑制冷却变形，维持良好的尺寸精度。
[0022]如此，根据所述制造方法，在制得所述第一钢部件时，使需要耐磨损的部分得到充分的表面硬度提高效果，并且将焊接预定部的焊接性提高至前所未有的水平，而且制造时完全不需要防渗碳处理。
[0023]另外，在之后的焊接工序中，如上所述，由于在焊接性良好的焊接预定部上进行焊接，因此能够得到具有优异焊接强度的复合钢部件。
[0024]所述第二方案的复合钢部件例如采用所述制造方法而容易制得。另外，由所述特定组织的渗碳淬火部构成的圆筒部发挥优异的耐磨损性，所述凸缘部的由特定组织构成的焊接部具有优异的特性。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是第一实施例的第一钢部件的立体图。
[0026]图2是第一实施例的第一钢部件的剖视图(沿图1的A — A线的剖视图)。
[0027]图3是第一实施例的中间构件的剖视图。
[0028]图4是表示第一实施例的刚进行渗碳工序后的组织状态的说明图。
[0029]图5是表示第一实施例的刚进行淬火工序后的组织状态的说明图。
[0030]图6是表示第一实施例的切削工序后的组织状态的说明图。
[0031]图7是表示第一实施例中热处理设备的结构的说明图。
[0032]图8是表示第一实施例中渗碳工序及冷却工序的加热曲线的说明图。
[0033]图9是表示第一实施例中淬火工序的加热曲线的说明图。
[0034]图10是表示比较部件的组织状态的说明图。
[0035]图11是表示第一实施例中第一钢部件与第二钢部件之间的焊接位置的说明图。
[0036]图12是表示第一实施例中第`一钢部件与第二钢部件之间的焊接部的组织状态的说明图。
[0037]图13是表示第一实施例中组装了复合钢部件的组装部件的结构的说明图，该复合钢部件通过将第一钢部件和第二钢部件焊接而成的。
【具体实施方式】
[0038]在所述复合钢部件的制造方法中，优选所述渗碳工序在氧浓度比大气低的低氧渗碳环境气体中进行。作为具体方法例如有，在将压力降低得比大气压低的减压状态的渗碳气体中进行的方法。也就是，采用减压渗碳工序比较有效。在减压渗碳工序中，能够一边将高温的渗碳炉内部维持减压状态，一边采用比较少量的渗碳气体来进行渗碳处理，因此，与以往的技术相比，能够高效地进行渗碳处理。另外，不需要使用以往大型热处理炉来进行长时间的加热处理，因此处理时间缩短、能耗降低，而且能够使渗碳淬火设备本身小型化。
[0039]另外，通过采用减压渗碳，能够在渗碳工序中将渗碳环境气体相对大气压进行减压，由此将环境气体中的氧量抑制在较低水平。从而能够防止渗碳层的晶界氧化。
[0040]另外，作为在比大气氧浓度低的渗碳环境气体中进行的渗碳方法，不限于所述减压渗碳方法，例如也可采用如下方法:不对环境气体进行减压，填充氮气或惰性气体，将环境气体中的氧量抑制在较低水平，由此防止渗碳层的晶界氧化。
[0041]所述减压渗碳也可为真空渗碳，是对炉内的环境气体进行减压，将作为渗碳气体的烃类气体(例如甲烷、丙烷、乙烯、乙炔等)直接供给于炉内而进行的渗碳处理。减压渗碳处理一般包括:渗碳期，渗碳气体接触钢表面时分解产生的活性碳，在钢表面上形成碳化物而储存在钢中；扩散期，碳化物分解，储存的碳溶解于基体(matrix)中并向内部扩散。此夕卜，碳的供给途径不限于经由碳化物的途径，也有直接溶解于基体的途径。
[0042]另外，优选所述渗碳工序在I?IOOhPa的减压条件下进行。如果减压渗碳工序的渗碳时的压力小于lhPa，则为了维持真空度，需要昂贵的设备。另一方面，如果大于lOOhPa，有可能在渗碳中产生炭黑，发生渗碳浓度不均匀的现象。
[0043]另外，作为所述渗碳气体例如可以使用乙炔、丙烷、丁烷、甲烷、乙烯、乙烷等烃类气体。
[0044]另外，作为所述钢部件用的钢坯料，优选使用碳含量在0.30质量％以下左右的低碳钢或低碳合金钢。特别地，在降低成本或者减少稀有元素的耗费量方面优选使用合金添加元素少的低碳钢。而且，即使采用这种低碳钢坯料，也能够通过采用所述制造方法，而得到所述优良特性的复合钢部件。
[0045]实施例
[0046](第一实施例)
[0047]使用附图对所述复合钢部件及其制造方法的实施例进行说明。
[0048]如图1及图2所示，在本实施例中制造的第一钢部件8为用于组装在汽车用自动变速器的钢部件，具有圆筒状的圆筒部81、从圆筒部81的一端向径向外侧延伸的凸缘部82。而且，就第一钢部件8而言，圆筒部81为已实施了渗碳淬火硬化处理的渗碳淬火部，并且在凸缘部82上设有用于焊接第二钢部件的焊接预定部825。另外，在所述圆筒部81的另一端的周向上设有两处切槽部815。
[0049]在制造这种第一钢部件8时，首先，准备半成品800，半成品800是将碳含量为
0.15质量％的低碳钢作为坯料经过热锻工序及切削工序而制得的。就该半成品800而言，如图3所示，焊接预定部825的形状呈在由虚线K表示的最终期望形状上附加了厚度在之后渗碳工序中形成的渗碳层的厚度以上的剩余部826的形状。
[0050]其次,实施渗 碳工序,将半成品800在渗碳环境气体中加热至奥氏体(austenite)化温度以上，从而在表面形成渗碳层。
[0051]接着，继渗碳工序，实施冷却工序，利用比马氏体相变(martensitictransformation)的冷却速度慢的冷却速度,对半成品800进行冷却，并且将半成品800冷却至能够使冷却弓I起的组织相变完成的温度以下。
[0052]然后，实施淬火工序,通过高密度能量(high-density energy)将半成品800的成为渗碳淬火部的部分的圆筒部81整体，加热至奥氏体区域之后，以进行马氏体相变的冷却速度以上的冷却速度进行冷却。
[0053]之后，实施切削工序，进行切削以使半成品800的焊接预定部825成为最终期望形状。此外，也可以调换该切削工序和所述淬火工序的顺序。
[0054]以下，进行更详细的说明。
[0055]首先，对所述半成品800进行渗碳工序至淬火工序的热处理设备5及具体的热处理条件等进行简单说明。
[0056]如图7所示，热处理设备5具有:前洗槽51，用于在渗碳淬火处理前对钢部件进行清洗；减压渗碳缓冷装置52，具有加热室521、减压渗碳室522和减压缓冷室523 ;高频淬火机53 ;用于检查缺陷的磁探伤装置54。
[0057]利用热处理设备5进行的本实施例中的渗碳工序是，在将压力降低得比大气压低的减压状态下的渗碳气体中进行的减压渗碳工序。在图8中示出该工序的加热曲线A。在图8中，横轴表示时间，纵轴表示温度。
[0058]如图8所示，渗碳工序的加热曲线A在升温区域a升温至渗碳温度，其次，在保持区域bl、b2保持温度恒定。保持温度恒定为奥氏体化温度以上的温度即950°C。该保持区域的初始区域bl为渗碳处理的渗碳期区域，其后的区域b2为渗碳处理的扩散期区域。作为减压渗碳处理的减压条件设为I?3.5hPa，作为所述渗碳期区域bl的渗碳气体采用了乙炔。
[0059]在减压渗碳处理的扩散期结束后，进入进行冷却工序的冷却区域C。在本实施例中采用减压缓冷工序，减压条件为600hPa。另外，冷却环境气体采用氮气(N 2)。另外，就减压缓冷工序的冷却速度而言采用如下的条件，即，从刚进行完渗碳处理后的奥氏体化温度以上的温度到变为比Al相变点低的150°C的温度为止，冷却速度在0.1?3.(TC /秒的范围内。此外，此处示出的加热曲线A及其他条件只是一例而已，可以通过适当的预试验等变更为对待处理钢部件而言最合适的条件。
[0060]在冷却工序后进行的本实施例的淬火工序中，作为其加热方法采用高频加热，作为急冷方法采用水冷。在图9中示出该加热曲线B。在图9中，横轴表示时间，纵轴表示温度。如图9所示，本实施例的淬火工序包括:升温区域dl，通过高频加热将圆筒部81整体加热至奥氏体化温度以上的温度；之后的急冷区域d2，喷射含有水和淬裂防止剂的冷却水来进行水淬，以容易得到在渗碳层发生马氏体相变的急冷临界冷却速度以上的冷却速度。可以通过适当的预试验等，将加热曲线B变更为对待处理钢部件而言最合适的条件。
[0061]其次，对经过所述各工序而形成的半成品800及第一钢部件8的各部分的组织状态变化进行说明。
[0062]首先，如图3所示，半成品800的焊接预定部825的形状呈附加了剩余部826的形状。渗碳工序前的内部组织与结束热锻后的通常钢部件一样，呈被实施了塑性加工的组织状态。通过实施渗碳工序，半成品800整体变成奥氏体组织。此外，此时，半成品800的表层部变成碳浓度高于原材料的高碳浓度的渗碳层88 (参照图4)。
[0063]其次，如图4所 示，对奥氏体组织状态的半成品800实施减压缓冷工序，由此渗碳层88以外的部分变成铁素体-珠光体(ferrite pearlite)组织FP,表层的渗碳层88变成珠光体(pearlite)组织P。
[0064]其次，半成品800的圆筒部81，通过高频加热而被加热，变成奥氏体组织状态。通过之后的水冷处理，如图5所示，渗碳层88变成马氏体组织M，其内侧变成贝氏体组织B。另一方面，未实施淬火工序的凸缘部82维持表层渗碳层88为珠光体组织P且内部为铁素体-珠光体组织FP的状态。
[0065]之后，通过实施切削工序，半成品800的凸缘部82的焊接预定部825被去除含渗碳层88的剩余部826。由此，得到最终形状的第一钢部件8。另外，第一钢部件8的焊接预定部825呈外露铁素体-珠光体组织FP的状态。此外，在进行切削工序处理时，在该处理之前或者之后实施研磨处理或磨削处理等，从而进一步提高整体的尺寸精度并在最后进行清洗，进而有助于产品质量的提高。
[0066]其次，评价了获得的第一钢部件8的各部分的硬度特性及焊接性。另外，为了进行比较，准备了用以往的制造方法制得的比较部件9。
[0067]比较部件9通过以下方式而制得，即:实施用防渗碳剂覆盖凸缘部92的表面的防渗碳处理后，实施渗碳淬火处理，之后利用喷丸处理(shot blast)去除防渗碳剂，进而实施研磨等修整处理。如图10所示，就比较部件9而言，未实施防渗碳处理的圆筒部91的表面层变成渗碳层98且变成马氏体组织M，其内部及凸缘部92整体变成贝氏体组织B。
[0068]在截面测定了第一钢部件8及比较部件9的各部分的硬度。
[0069]可知第一钢部件8的圆筒部81渗碳层88 (图6)的马氏体组织M部分的硬度在维氏硬度HV756?820的范围，硬度非常高。另外，可知第一钢部件8的圆筒部81内部的由贝氏体组织B构成的部位，维氏硬度在HV331?459范围，硬度适当，处于韧性佳的范围。而且，第一钢部件8的凸缘部82的包含焊接预定部825的铁素体-珠光体组织FP部分，维氏硬度在HV154?163的范围，硬度比较低，另一方面，凸缘部82表层的渗碳层88的由珠光体组织P构成的部分硬度稍微高，维氏硬度在HV298?311的范围。
[0070]与此相比，比较部件9中的圆筒部91的渗碳层98 (图10)的马氏体组织M部分的硬度在维氏硬度HV765?787的范围，硬度非常高。另外，比较部件9中圆筒部91内部及凸缘部92整体的由贝氏体组织B构成的部位，维氏硬度在HV282?332的范围。
[0071 ] 通过比较所述比较部件9和本实施例的第一钢部件8，可知就第一钢部件8的圆筒部81而言，圆筒部81的表面硬度处于与比较部件9同等水平，且能够维持非常佳的耐磨损特性。
[0072]其次，评价了第一钢部件8及比较部件9的焊接性。具体而言，如图11所示，准备用于焊接在焊接预定部825的第二钢部件71，实际上在焊接部位W上实施电弧焊接获得复合钢部件75。而且,针对焊接部750进行了套筒焊接强度确认试验(sleeve weldingstrength verification test)(在焊接处施加负载而测定焊接部的强度)和泄漏试验(leaktest)。
[0073]从试验结果中可知，在套筒焊接强度确认试验中得到比较部件9的同等以上程度的焊接部强度。另外，在泄漏试验中均未发生问题。从这些结果中可知，第一钢部件8的焊接性在比较部件9的同等以上程度。`
[0074]如图12所示，使用第一钢部件8和第二钢部件71制得的复合钢部件75的焊接部750，具有熔融再凝固部751以及与熔融再凝固部751相邻的热影响部752。熔融再凝固部751是马氏体-贝氏体-珠光体组织MBP，也就是马氏体组织、贝氏体组织与珠光体组织混合了的组织。另外，热影响部752是贝氏体-铁素体-珠光体组织BFP，也就是贝氏体组织、铁素体组织以及珠光体组织混合了的组织。热影响部752的周围由原来的焊接预定部825的铁素体-珠光体组织FP构成。第一钢部件8的其他部分的组织与焊接工序前相比没有发生变化。此外，第二钢部件71的焊接部750周围的组织由铁素体-珠光体组织FP构成。
[0075]其次，在图13中示出组装了复合钢部件75的组装部件7，复合钢部件75是通过焊接部750将所述第二钢部件71与第一钢部件8连接而形成的。组装部件7是组装在汽车用自动变速器的液力变矩器(T / C)。第一钢部件8是组装部件7的泵轮毂部件，要求圆筒部81具有良好的耐磨损性，且要求凸缘部82具有优良的与第二钢部件71的泵壳焊接的焊接性。在该用途中，所述实施例的第一钢部件8及将此第一钢部件8焊接在第二钢部件71而形成的复合钢部件75，具有良好的质量规格，并且能够发挥优良的性能。另外，第一钢部件8不限于泵轮毂，只要是具有圆筒部和凸缘部的部件即可，例如汽车用自动变速器的输入轴、输出轴等动力传递轴。
【权利要求】
1.一种复合钢部件的制造方法，用于制造通过焊接将多个钢部件连接而成的复合钢部件，其特征在于， 准备半成品来制造第一钢部件，该第一钢部件具有呈圆筒状的圆筒部、从该圆筒部的一端向径向外侧延伸的凸缘部，在所述凸缘部上设有用于焊接第二钢部件的所述焊接预定部，所述圆筒部为已实施了渗碳淬火硬化处理后的渗碳淬火部，在该半成品的所述焊接预定部附加有厚度在之后渗碳工序中形成的渗碳层的厚度以上的剩余部， 进行渗碳工序、冷却工序、淬火工序、切削工序，其中， 在所述渗碳工序中，将该半成品在渗碳环境气体下加热至奥氏体化温度以上，从而在表面形成渗碳层， 在继该渗碳工序的所述冷却工序中，以比马氏体相变的冷却速度慢的冷却速度，对所述半成品进行冷却，并且，将所述半成品冷却至能够使冷却引起的组织相变完成的温度以下， 在所述淬火工序中，将所述半成品的所述圆筒部的期望部分，通过高密度能量加热至奥氏体区域之后，以发生马氏体相变的冷却速度以上的冷却速度进行冷却，来在所述期望部分形成渗碳淬火部， 在所述切削工序中，对所述半成品的所述剩余部进行切削； 接着进行焊接工序，在该焊接工序中，通过将第二钢部件抵接在所获得的所述第一钢部件的所述凸缘部的所述焊接预定部上来进行焊接，由此连接两者。
2.如权利要求1所述的复合钢部件的制造方法，其特征在于，所述渗碳工序在比大气的氧浓度低的低氧渗碳环境气体中进行。
3.一种复合钢部件，是通过焊接将多个钢部件连接而成的，其特征在于， 第一钢部件具有呈圆筒状的圆筒部、从该圆筒部的一端向径向外侧延伸的凸缘部， 所述圆筒部由渗碳淬火部构成，该渗碳淬火部的表层部由马氏体组织构成且内部由贝氏体组织构成， 所述凸缘部具有焊接有第二钢部件的焊接部， 该焊接部具有熔融再凝固部、与该熔融再凝固部相邻的热影响部，所述熔融再凝固部由马氏体-贝氏体-珠光体组织构成，所述热影响部由贝氏体-铁素体-珠光体组织构成。
【文档编号】C21D1/773GK103443299SQ201280014121
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2012年3月19日 优先权日:2011年4月22日
【发明者】大林巧治, 竹内护, 杉山龙太, 清水健, 加藤纮一 申请人:爱信艾达株式会社