热处理钢构件的方法及钢构件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于热处理钢构件(steel component)的方法和已经经历该方法的钢构件。
【背景技术】
[0002]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，碳和氮原子间隙式地扩散进入(diffuse interstitially into)金属中，从而形成滑移障碍并且增加表面附近(通常在0.1?0.3mm厚的层)的硬度。碳氮共渗通常在850?860°C的温度下进行。
[0003]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)?尽管包括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(indentat1n)。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。
[0004]奥氏体氮碳共渗(austenitic nitrocarburizing)是一种表面硬化工艺，其中向铁金属(ferrous metal)的表面提供氮和碳。奥氏体氮碳共渗制造由陶瓷型铁-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、低合金的钢使用奥氏体氮碳共渗。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供用于热处理钢的改进方法。
[0006]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)对钢构件进行奥氏体氮碳共渗，其中优选这些步骤顺序进行。
[0007]使用所述方法改变了钢构件表面的显微结构，改进了其耐磨性、耐蚀性、承重能力、表面硬度、型芯硬度(core hardness)、化合物层厚度、耐磨耗性(abrasive wearresistance)、耐粘附磨损性(adhesive wear resistance)、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。
[0008]经历所述方法的钢构件的表面可具有800?1000HV或更高的表面硬度和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强度。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(construct1n)。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。
[0009]作为所述方法的结果，所述钢构件可以提供有厚度为15?40 μ m的化合物层，该厚度是从钢构件的表面测得的。根据本发明的实施方式，所述钢构件还可以提供有在所述化合物层下面的厚度为5?15 μπι的中间层。已经扩散进入钢构件表面的氮降低了奥氏体化温度，并且在化合物层和扩散区域之间形成了中间层。
[0010]通过例如在200?400°C下对中间层回火2?4小时，能够将中间层转化为具有厚度在1000HV以上的层，这进一步增大了钢构件的承重能力。回火时，中间层转化为硬的富氮材料，从而导致硬度增加以支撑化合物层。
[0011]根据本发明的一种实施方式，在590?700°C的温度下实施步骤b)。该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，该方法是成本有效的提高钢构件耐磨性和耐蚀性的方式。
[0012]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、或流化床奥氏体氮碳共渗实施步骤b)。
[0013]根据本发明的一种实施方式，钢构件包括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。
[0014]根据本发明进一步的实施方式，钢构件包括100CrMo7-4钢或任何其它的按照ISO683-17:1999 的钢。
[0015]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。
[0016]根据本发明的一种实施方式，在60%NH3、35%NjP5% CO2的气氛中实施步骤b)。
[0017]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。
[0018]根据本发明的另一种实施方式，所述方法包括在步骤b)后对钢构件进行滚磨(tumbling)的步骤，但是该步骤不是必须在步骤b)之后直接进行。在奥氏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。
[0019]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200?400°C的温度下实施步骤d)。
[0020]根据本发明的一种实施方式，所述方法包括在步骤b)后的闪速氧化(flashoxidize)钢构件的步骤。
[0021]本发明还涉及由钢制成的构件，其表面硬度具有800?1000HV或更高的表面硬度和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。
[0022]根据本发明的一种实施方式，所述钢包含具有厚度为15 - 40 μπι的化合物层。根据本发明的另一种实施方式，所述钢包括在所述化合物层以下的具有厚度为5?15 μπι的中间层。
[0023]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。
[0024]根据本发明进一步的实施方式，所述钢包括100CrMo7_4钢。
[0025]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(combined rolling and sliding)的钢构件，例如旋转轴承或轴承座圈(raceway for a bearing)。钢构件可以包括或构成齿轮牙、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(roller bearing)、滚针轴承(needle bearing)、圆锥滚柱轴承(taperedroller bearing)、球面滚柱轴承(spherical roller bearing)、环形滚柱轴承(toroidalroller bearing)或止推轴承(thrust bearing)。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】
[0026]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:
[0027]图1示出了根据本发明实施方式的方法，
[0028]图2示出了已经经历不同热处理的五种钢材料的Micro Vickers硬度分布曲线，
[0029]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，
[0030]图4示出了已经经过碳氮共渗和奥氏体氮碳共渗的100CrMo7-4钢的显微照片，以及
[0031]图5示出了根据本发明实施方式的钢构件。
[0032]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】
[0033]图1示出了根据本发明热处理循环。使钢构件例如在970°C的温度下经历碳氮共渗工艺(步骤a)例如5-25小时。例如在控制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表面深度和用于奥氏体氮碳共渗的温度。
[0034]然后，例如在60% NH3、35%队和5% CO 2的气氛中通过将构件再加热至590?700°C的温度对钢构件进行奥氏体氮碳共渗步骤(步骤b))。奥氏体氮碳共渗步骤b)为钢构件提供经韧化回火的芯和硬的类陶瓷表面、中间层及扩散区域。
[0035]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(intricate part)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200?400°C的温度下。回火后，将构件冷却至室温，并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。
[0036]根据本发明的一种实施方式，所述方法可以包括在步骤b)后使钢构件经历滚磨的步骤。
[0037]所述方法可以改进以下钢构件性质中的至少一种:耐磨性、耐蚀性、承重能力、表面硬度、型芯硬度、化合物层厚度、耐磨耗性、耐疲劳性。
[0038]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