软氮化高频淬火钢部件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及软氮化高频淬火钢部件，尤其涉及在适合用于汽车等的动力传输部件 用途的具有高面疲劳强度的齿轮、无级变速器、等速万向节、轮毂等中使用的软氮化高频淬 火钢部件。
【背景技术】
[0002] 对于例如自动变速器的齿轮、无级变速器的滑轮，等速万向节、轮毂等动力传输 部件之类的钢部件，要求高面疲劳强度。通常对于上述部件而言，在原材料中使用JIS SCr420、SCM420等C为0. 2 %左右的表面渗碳钢，在表面渗碳钢中实施了渗碳淬火处理而在 部件的表层形成C为0. 8%左右的马氏体组织的硬化层，从而提高面疲劳强度来进行使用。
[0003] 然而，渗碳淬火处理是在950°C左右的高温下的奥氏体区域进行5~10小时、根 据情况进行10小时以上的处理，因此有时由晶粒粗大化带来的热处理变形（淬火应变）变 大。因此，在要求高精度的部件的情况下，需要在渗碳淬火之后实施研削、抛光等精加工。
[0004] 近年来，汽车发动机等低噪音化的要求增高，因此作为热应变比渗碳淬火处理小 的表面硬化处理的高频淬火、软氮化备受注目。
[0005] 高频淬火是仅对表层部的必要部分以短时间加热进行奥氏体化从而进行淬火，因 此淬火应变小；通过高频淬火，能够精度良好地得到表面硬化部件。然而，当仅以高频淬火 获得与渗碳淬火材料相同的强度时，需要具有超过0. 8%的C含量的钢材。其结果是，母材 的硬度上升，切削性产生显著劣化。因此，不能无节制地增加钢中的C含量，在仅以高频淬 火来提高面疲劳强度上存在局限。
[0006] 软氮化处理是在A1相变点以下的温度区域得到表面硬化层的处理；另外，与渗碳 淬火处理相比，处理时间短至2~4小时左右。因此，较多适用于要求低应变的钢部件的软 氮化。然而，仅以软氮化处理得到的硬化层深度小，因此难以在施加高面压的变速器齿轮等 中适用。
[0007] 最近，作为弥补高频淬火和软氮化处理的缺点、获得更优异的机械性质尤其是面 疲劳强度的方法，尝试了在软氮化后实施高频淬火。
[0008] 专利文献1~3公开了通过组合软氮化处理与高频淬火来提高面疲劳强度的机械 结构用钢。专利文献1~3所述的技术由于高频淬火温度小于950°C，因此通过软氮化处 理而析出到表层的氮化物未充分固溶，氮（N)的大部分作为氮化物存在，表层的固溶N浓度 低。其结果是，由于压缩残余应力，因此无法获得足够高的面疲劳强度。
[0009] 专利文献4提出了通过组合高频淬火与氮化处理来制造机械强度优异的钢部件 的制造方法。由专利文献4的制造方法得到的钢部件的表层硬度高。然而，表层的总N浓 度即氮化物的N浓度与固溶N浓度的总量低，并且大量存在V等氮化物形成元素，另外，表 层的总N浓度中的固溶N浓度低，因此表层的高温硬度低。由此，对于在运行中会变成高温 的齿轮等的表层而言，无法发挥充分的回火软化抵抗，无法获得高的面疲劳强度。
[0010] 专利文献5也提出了通过组合高频淬火与氮化处理来获得优异的机械性质的技 术。专利文献5所述的技术的特征在于：从表面0.05mm深度的氮浓度高。然而，面疲劳破 坏虽然是以表面为起点的破坏，但是破坏的深度会达到数倍于〇. 〇5_的深度。因此，仅仅 从表面0. 05mm深度的硬度高是无法获得高的面疲劳强度的。
[0011] 专利文献6也提出了通过组合高频淬火与氮化处理来制造机械强度优异的钢部 件的制造方法。专利文献6所述的技术相对于部件的大小的有效硬化层深，并且通过高频 加热而奥氏体化的区域所占的深度深。因此，表面附近的压缩残余应力小，进而淬火应变变 大，作为部件特性是不优选的。
[0012] 现有技术文献
[0013] 专利文献
[0014] 专利文献1 :国际公开第2010/082685号
[0015] 专利文献2 :日本特开2011-208250号公报
[0016] 专利文献3 :国际公开第2010/070958号
[0017] 专利文献4 :日本特开平6-172961号公报
[0018] 专利文献5 :日本特开2007-77411号公报
[0019] 专利文献6 :日本特开平7-90364号公报
【发明内容】
[0020] 发明所要解决的问题
[0021] 本发明的目的在于：鉴于上述实际情况，提供由现有的软氮化高频淬火钢部件所 无法获得的回火软化抵抗优异、显示高的表面附近压缩残余应力并且面疲劳强度优异的软 氮化高频淬火钢部件。
[0022] 用于解决问题的手段
[0023] 动力传输部件由于使用时发热而使得运行面的温度上升至300°C左右。因此，对 于提高钢部件的面疲劳强度而言，为了维持运行面的高温强度而提高回火软化抵抗是有效 的。进而，对于提高钢部件的面疲劳强度而言，提高表面附近的压缩残余应力是有效的。另 外，对于提高钢部件的精度而言，降低淬火应变是有效的。
[0024] 本发明的发明者们对通过组合软氮化处理与高频淬火对钢部件进行表面硬化处 理进行了各种研宄，获得了以下见解。
[0025] a)对于提高钢部件的运行面的回火软化抵抗而言，提高钢部件的表层的固溶N浓 度是有效的。通常测定的N浓度是固溶在马氏体中的N和钢中的氮化物的N的总量。本发 明的发明者们通过使高频加热时的最高温度变化而使表层的固溶N与氮化物的比例变化， 由此对在300°C回火时表层的固溶N浓度给硬度带来的影响进行了研宄，结果确认到了增 加马氏体中的固溶N浓度对于提高回火软化抵抗是有效的。
[0026] b)对于提高表面附近的压缩残余应力而言，提高表层的固溶N浓度并且使得有效 硬化层深度较浅是有效的。即，在提高表层的固溶N浓度的情况下，高频淬火时因马氏体相 变而引起的膨胀量变大，因此能够提高表面附近的压缩残余应力。另外，即使相对于部件的 大小使得有效硬化层深度浅，也能够提高表面附近的压缩残余应力。通过将这些组合起来， 能够提高表面附近的压缩残余应力。进而，相对于部件的大小使得有效硬化层深度浅还有 助于降低淬火应变。这是因为淬火应变是由于奥氏体的马氏体相变而显现的。
[0027] 为了提高表层的固溶N浓度，需要提高高频加热时的到达温度。然而，在仅仅提高 高频加热时的到达温度时，有效硬化层深度变得过深，表面附近的压缩残余应力变低。现有 技术中也存在进行了 900°C以上的高频加热的例子，但是有效硬化层深度变深，无法充分提 高压缩残余应力。
[0028] 本发明的发明者们为了解决上述的问题，对高频加热的条件进行了深入研宄，从 而完成了本发明。其要旨如下所述。
[0029] (1) 一种软氮化高频淬火钢部件，其特征在于，母材的化学组成以质量％计含有 C :0. 30 ~0. 80%、Si :0. 02 ~2. 5%、Mn :0. 35 ~2. 0%、Al :0. 001 ~2. 0%、Cr :0. 01 ~ 3. 0%、S :0. 040%以下、N :0. 0030~0. 02%，并且分别将O和P限制为O :0. 005%以下、P : 0. 025 %以下，剩余部分为Fe和杂质，从表面到0. 2mm深度的固溶N浓度为0. 05~1. 5 %，在 300°C回火后的从表面到0. 2mm深度的维氏硬度为Hv600以上，有效硬化层深度t为0. 5mm 以上，并且在将破损危险部位的半径或壁厚的一半设定为r (mm)时，t/r < 0. 35。
[0030] (2)根据上述⑴的软氮化高频淬火钢部件，其特征在于，以质量％计含有Nb : 0· 3% 以下、Ti :0· 3% 以下、V :L 0% 以下、Ni :3· 0% 以下、Cu :3· 0% 以下、Co :3· 0% 以 下、Mo :L 0% 以下、W :0· 5% 以下、B :0· 005% 以下、Ca :0· 01% 以下、Mg :0· 01% 以下、Zr : 0. 05%以下、Te :0. 1%以下、Pb :0. 5%以下、REM :0. 005%以下中的一种或两种以上来代替 母材的化学组成的Fe的一部分。
[0031] 发明效果
[0032] 根据本发明，能够提供由现有的软氮化高频淬火钢部件所无法获得的显示高的表 面附近的压缩残余应力、