热处理钢构件的方法及钢构件与流程

本发明涉及一种用于热处理钢构件(steelcomponent)的方法和已经经历该方法的钢构件。

背景技术：

碳氮共渗(carbonitriding)是一种冶金学表面修饰技术，其用于增加金属构件的表面硬度，从而减少使用过程中对构件的磨损。在碳氮共渗过程中，碳和氮的原子间隙式地扩散进入(diffuseinterstitiallyinto)金属中，从而形成滑移障碍并且增加近表面(通常是0.1～0.3mm厚的层)的硬度。碳氮共渗通常在850～860℃的温度下进行。

通常碳氮共渗用于改进具有中碳钢或低碳钢而非高碳钢的钢构件的耐磨性(wearresistance)。尽管包含高碳钢的钢构件强度更好，但是已经证实它们在某些应用中更容易裂化。构件例如可以应用于常见的肮脏环境，在该肮脏环境中润滑油容易被污染，例如在齿轮箱中，并且构件的使用寿命在这种条件下会显著缩短是众所周知的。换句话说，润滑剂中的颗粒能够例如在齿轮箱的各种移动部件之间进入，并在它们的接触表面上形成凹口(indentation)。应力在这些凹口的边缘周围富集并且这些接触应力富集最终可能导致疲劳裂纹。使用这种方式损伤的构件还可能造成由所述构件产生的噪音增加。

铁素体氮碳共渗(ferriticnitrocarburizing)是一种表面硬化工艺，其中向铁金属(ferrousmetal)的表面提供氮和碳。铁素体氮碳共渗通常在525～625℃的温度下进行，并产生由陶瓷型铁-碳氮化物层(化合物层)和底部扩散区域组成的薄的硬表面，其中氮和碳溶解于基体中。最通常的是，对低碳的、低合金的钢使用铁素体氮碳共渗。

技术实现要素：

本发明的目的是提供用于热处理钢的改进方法。

这一目的通过包括以下步骤的方法得以实现：a)对钢构件进行碳氮共渗，和b)对钢构件进行铁素体氮碳共渗，其中优选这些步骤依次进行。

使用方法改变了钢构件表面的显微结构，改进其耐磨性、耐蚀性、承重能力、表面硬度、型芯硬度(corehardness)、化合物层厚度、抗摩擦磨损性(abrasivewearresistance)、耐粘附磨损性(adhesivewearresistance)、和/或耐疲劳性，并增强了其释放在表面上任何凹口的边缘处应力集中的能力。

经历所述方法的钢构件的表面可具有800～1000hv的表面硬度和300～500hv的型芯硬度，取决于所使用的钢的类型。相比于现有技术，经历所述方法的高碳钢构件的表面和型芯的硬度均大于包含具有低碳含量的钢的已知构件的硬度。作为结果，改进了滚动接触的耐磨性和疲劳强度。此外，会增加钢构件例如轴承的荷重能力，由此轴承可以是为具体应用的更小构造(construction)。还增加了滚动接触的耐疲劳性，使得可以延长钢构件的使用寿命。此外，没有发现现有技术中所记载的经裂化导致的缺点。

所述钢构件可以具有厚度为10–20μm的化合物层，该厚度是从钢构件的表面测得的。

根据本发明的一种实施方式，在500～700℃的温度下、优选低于590℃的温度下实施步骤b)。这种低工艺温度导致钢构件微小的形状畸变，这意味着后研磨(post-grinding)是没有必要的。因此，该方法是提高钢构件耐磨性和耐蚀性的成本有效的方式。

根据本发明的一种实施方式，可以使用气体、盐浴、离子或等离子体或流化床铁素体氮碳共渗实施步骤b)。

根据本发明的一种实施方式，钢构件包括具有0.60～1.20重量％碳含量的钢，即具有中高碳含量的钢。根据本发明的一种实施方式，钢构件包括高碳轴承钢，例如sae52100/100cr6或astm-a485等级2。

根据本发明进一步的实施方式，钢构件包括100cr6钢或100crmo7钢或任何其它的按照iso683-17:1999的钢。

根据本发明的一种实施方式，钢构件包括或构成滚压元件或滚柱，或者用于经历交变赫兹应力的应用的钢构件。

根据本发明的一种实施方式，在60％nh3、35％n2和5％co2的气氛中实施步骤b)。

根据本发明的另一种实施方式，步骤a)包括对钢构件进行碳氮共渗5～25小时。

根据本发明的另一种实施方式，所述方法包括在步骤b)对钢构件进行滚磨(tumbling)的步骤，但该步骤不是必须在步骤b)之后直接进行。在铁素体氮碳共渗后对钢构件进行滚磨提供了更好的表面光洁度，并能够用于进一步改进钢构件的耐疲劳性。

根据本发明的一种实施方式，所述方法包括以下步骤：c)淬火钢构件和d)回火钢构件。可以在150～260℃的温度下实施步骤d)。

本发明还涉及由钢制成的构件，其具有800～1000hv的表面硬度和300～500hv的型芯硬度。可以使用根据本发明的实施方式中的任一种的方法制造所述钢构件。

根据本发明的一种实施方式，所述钢包含具有厚度为10–20μm的化合物层。

根据本发明的一种实施方式，所述钢具有0.60～1.20重量％的碳含量。

根据本发明进一步的实施方式，所述钢包括100cr6钢或100crmo7钢。

根据本发明的一种实施方式，钢构件包括或构成滚压元件或滚柱，或者用于经历交变赫兹应力例如滚动接触或联合滚动和滑动(combinedrollingandsliding)的钢构件，例如旋转轴承或轴承座圈(racewayforabearing)。该构件可以包括或构成齿轮齿、凸轮(cam)、转轴、轴承、紧固件、销(pin)、汽车离合板、刀具(tool)或模具。钢构件可以例如构成滚柱轴承(rollerbearing)、滚针轴承(needlebearing)、圆锥滚柱轴承(taperedrollerbearing)、球面滚柱轴承(sphericalrollerbearing)、环形滚柱轴承(toroidalrollerbearing)或止推轴承(thrustbearing)。钢构件可以用在汽车绕组(automotivewind)、船舶(marine)、金属制造或其它需要高耐磨性和/或高耐蚀性和/或提高的耐疲劳性和/或抗拉强度的机械应用。

附图说明

下文将结合附图借助非限定性的实施例进一步解释本发明，其中：

图1示出了根据本发明实施方式的方法，

图2示出了已经经历不同热处理的五种钢材料的microvickers硬度分布曲线，

图3示出了对六种不同的经历不同热处理的材料的腐蚀侵蚀，

图4示出了经过8小时碳氮共渗和铁素体氮碳共渗的100cr6钢的显微照片，

图5示出了经过22小时碳氮共渗和铁素体氮碳共渗的100cr6钢的显微照片，以及

图6示出了根据本发明实施方式的钢构件。

应该指出，没有按照比例绘制这些附图，为了清楚起见，放大了某些特征的尺寸。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的热处理循环。使钢构件例如在970℃的温度下经历碳氮共渗工艺(步骤a)例如5-25小时。例如在受控载气的存在下通过向熔炉中引入甲烷/丙烷/天然气(碳源)和氨气(氮源)提供所述工艺的环境。通过保持工作气体的合适比例，构件具有富碳和富氮钢的薄的碳氮共渗层。根据本发明的一种实施方式，所述方法包括在碳氮共渗步骤a)开始时供应较高浓度的氨气以增强碳氮共渗工艺。例如，可以开始时使用9.5％的氨气；可以将其降低至6.5％的氨气，然后降低至0％。可以在约70％的碳氮共渗步骤a)中使用9.5％的氨气。通过碳氮共渗步骤a)增加钢构件的承重能力。承重能力取决于碳氮共渗所到达的硬化层深度(casedepth)。

然后，例如在60％nh3、35％n2和5％co2的气氛中通过将构件再加热至500～700℃的温度、优选至低于590℃的温度对钢构件进行铁素体氮碳共渗步骤(步骤b))。铁素体氮碳共渗步骤b)为钢构件提供经韧化回火的芯和硬的类陶瓷表面及扩散区域。

然后，在油浴或盐浴中对钢构件进行淬火(步骤c))，其中选择浴温以实现最佳性质的同时具有可接受的尺寸变化水平。能够使用热油/盐浴淬火以使复杂零件(intricatepart)的变形最小化。然后，可以实施低温回火(步骤d))以使钢构件增韧，例如在150–260℃的温度下。回火后，将构件冷却至室温，然后可以将其应用于可能经历在常规操作循环下的应力、应变、冲击和/或磨损的任何应用中，例如在受污染的和/或润滑差的条件下。

根据本发明的一种实施方式，所述方法可以包括在步骤b)后对钢构件进行滚磨的步骤。

所述方法可以改进钢构件的以下性质中的至少一种：耐磨性、耐蚀性、承重能力、表面硬度、型芯硬度、化合物层厚度、耐磨损性、耐疲劳性。

经历根据本发明的实施方式的方法的钢构件可以随或不随后续的研磨操作一起使用。

钢构件可以包括具有0.60～1.20重量％的碳含量的钢、100cr6钢或100crmo7钢。

所述方法可以用于热处理钢构件，该钢构件包括或构成滚压元件或滚柱，或者用于经历交变赫兹应力的应用的钢构件，特别是在对耐磨性和/或耐蚀性具有高要求的应用中。

图2示出了在经历不同热处理的五种钢材料10、12、14、16、18的表面以下0.1～1mm深度的microvickers硬度分布曲线。

·材料10是已经经历硬化和奥氏体氮碳共渗的100cr6钢。

·材料12是已经碳氮共渗8小时、再硬化和奥氏体氮碳共渗的100cr6钢。

·材料14是根据本发明的实施方式已经碳氮共渗8小时、再硬化和铁素体氮碳共渗的100cr6钢。

·材料16是已经碳氮共渗8小时和再硬化的100cr6钢。

·材料18是已经经历再硬化的100cr6钢。

在密封淬火炉中，在60％nh3、35％n2和5％co2的气氛中、在580℃下对材料14的样品进行铁素体氮碳共渗2.5小时。然后，将它们在60℃的油中淬火并在180℃下回火。

除了将温度提高至620℃外，在与铁素体氮碳共渗相同的条件下对材料10和12的样品进行奥氏体氮碳共渗。当将工艺温度从铁素体氮碳共渗提高至奥氏体氮碳共渗时看到的主要区别是在奥氏体氮碳共渗样品中，增加了化合物层厚度，并且在化合物层和基体之间出现了奥氏体层。选择足够高的奥氏体氮碳共渗温度使得在化合物层33下面形成奥氏体层，但尽可能低，以使变形最小化。在刚要淬火前，使这些样品暴露于所述气氛数秒。这种所谓的闪速氧化(flashoxidation)在样品的表面产生薄的氧化物层。

从图2可以看出，按照本发明的方法对钢构件进行碳氮共渗和铁素体氮碳共渗制造的钢构件比对钢构件进行碳氮共渗和奥氏体氮碳共渗制造的钢构件在扩散区域中具有更高的硬度。在铁素体氮碳共渗之前进行碳氮共渗比在铁素体氮碳共渗之前进行硬化导致型芯和扩散区域的硬度更高。

相比于在软条件(softcondition，即在铁素体氮碳共渗之前没有进行碳氮共渗)下进行铁素体氮碳共渗的材料，在铁素体氮碳共渗之前进行碳氮共渗同时增大了扩散区域和型芯的硬度，即基体材料的硬度。然而，相比于只经过碳氮共渗的材料，所述扩散区域和型芯的硬度较低。

图3示出了在中性盐雾中在104后对铁素体和奥氏体氮碳共渗材料20、22、24、26、28和30进行的腐蚀侵蚀。

·材料20是已经进行硬化的100cr6钢；

·材料22是已经碳氮共渗22小时的100cr6钢；

·材料24是已经碳氮共渗8小时并再硬化的100cr6钢；

·材料26是已经碳氮共渗22小时并再硬化的100cr6钢；

·材料28是50crmo4钢；

·材料30是已经碳氮共渗8小时并再硬化的c56e2钢。

全部材料20、22、24、26、28和30的样品在已经经历上文所述的热处理(参见图3中的“对照”值)后并且然后在铁素体氮碳共渗或奥氏体氮碳共渗后进行腐蚀测试。从图3可以看出，经历根据本发明实施方式的热处理的样品(铁素体氮碳共渗的24、26和28)表现出非常好的耐蚀性。

相比于对照，样品24、26和28的铁素体氮碳共渗导致腐蚀侵蚀减少。在中性盐雾中104小时后，经历根据本发明实施方式的热处理的样品(铁素体氮碳共渗的24、26和28)的表面中只有5～10％被腐蚀。

图4是示出了根据本发明方法已经经过碳氮共渗8小时、再硬化和铁素体氮碳共渗的100cr6钢的显微照片。

图5示出了根据本发明方法已经经过碳氮共渗22小时、再硬化和铁素体氮碳共渗的100cr6钢的显微照片。

根据本发明的方法制造了由陶瓷型铁-碳氮化物层(化合物层33)和下面的扩散区域组成的薄的硬表面，其中氮和碳溶解于基体中。

作为所述方法的结果，经历根据本发明的方法的钢构件具有厚度为10～20μm、表面硬度为800～1000hv和型芯硬度为300～500hv的化合物层，800～1000hv的表面硬度意味着对磨损的高抗性。因为使型芯韧化回火(toughtempered)，其裂纹传播速率小。此外，认为化合物层33大部分包含ε相，这表明有良好的耐粘附磨损性。

图6示出了根据本发明实施方式的钢构件的实例，即滚压元件轴承34，其直径尺寸可以从10mm至数米并具有从几十克至数千吨的承重能力。换言之，根据本发明的轴承34可以是任何尺寸和具有任何承重能力。该轴承34具有内环36和外环38以及一组滚动元件40。可以使该滚动元件轴承34的内环36、外环38和/或滚动元件40，以及优选滚动元件轴承40的全部滚动接触部件的表面的至少一部分，经历根据本发明的方法。

本发明在权利要求范围内的进一步修改对于本领域技术人员将是显而易见的。

本申请还包括以下内容：

1.一种热处理钢构件(34，36，38，40)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

a)对所述钢构件(34，36，38，40)进行碳氮共渗；以及

b)对所述钢构件(34，36，38，40)进行铁素体氮碳共渗。

2.根据项1的方法，其特征在于，在低于590℃的温度下实施步骤b)。

3.根据前述项中任一项的方法，其特征在于，所述钢构件(34，36，38，40)包含具有0.60～1.20重量％碳含量的钢。

4.根据前述项中任一项的方法，其特征在于，所述钢构件(34，36，38，40)包含100cr6钢或100crmo7钢。

5.根据前述项中任一项的方法，其特征在于，所述钢构件(34，36，38，40)包括或构成滚压元件或滚柱，或者用于经历交变赫兹应力的应用的钢构件。

6.根据前述项中任一项的方法，其特征在于，作为所述方法的结果，所述钢构件(34，36，38，40)提供有厚度为10～20μm的化合物层(33)。

7.根据前述项中任一项的方法，其特征在于，作为所述方法的结果，所述钢构件(34，36，38，40)提供有800～1000hv的表面硬度和300～500hv的型芯硬度。

8.根据前述项中任一项的方法，其特征在于，在60％nh3、35％n2和5％co2的环境中实施步骤b)。

9.根据前述项中任一项的方法，其特征在于，步骤a)包括对所述钢构件(34，36，38，40)进行碳氮共渗5～25小时。

10.根据前述项中任一项的方法，其特征在于，所述方法包括在步骤b)后对所述钢构件(34，36，38，40)进行滚磨的步骤。

11.根据前述项中任一项的方法，其特征在于，所述方法包括c)淬火所述钢构件(34，36，38，40)和d)回火所述钢构件(34，36，38，40)的步骤。

12.根据项10的方法，其特征在于，在150～260℃的温度下实施步骤d)。

13.根据前述项中任一项的方法，其特征在于，所述方法是用于改进钢构件(34，36，38，40)的至少一种以下性质的方法：耐磨性、耐蚀性、承重能力、表面硬度、型芯硬度、化合物层厚度、耐磨损性，和耐疲劳性。

14.由钢制成的构件(34，36，38，40)，其特征在于，所述钢具有800～1000hv的表面硬度和300～500hv的型芯硬度。

15.根据项14的钢构件(34，36，38，40)，其特征在于，所述钢具有厚度为10～20μm的化合物层。

16.根据项14或15的钢构件(34，36，38，40)，其特征在于，所述钢具有0.60～1.20重量％的碳含量。

17.根据项14～16中任一项的钢构件(34，36，38，40)，其特征在于，所述钢包括100cr6钢或100crmo7钢。

18.根据项14～17中任一项的钢构件(34，36，38，40)，其特征在于，所述钢构件(34，36，38，40)包括或构成滚压元件，或者滚柱或用于经历交变赫兹应力的应用的钢构件(34，36，38，40)。