高频淬火构件的半成品及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及实施了高频泽火的高频泽火构件、其半成品W及它们的制造方法。特 别是设及适用于汽车等的动力传递构件的具有高表面疲劳强度的构件，例如齿轮、无级变 速机、等速万向节、轮穀、轴承等高频泽火构件的半成品及其制造方法。
[0002] 本申请基于2013年3月8日向日本提出的日本特愿2013-047013号主张优先权， 在此引用其内容。
【背景技术】
[0003] 自动变速机的齿轮及无级变速机的滑轮、等速万向节、轮穀化ub)等动力传递构 件要求高的表面疲劳强度。W往，一般在上述的构件中使用JISS化420、SCM420等C为0. 2% 左右的表面渗碳钢作为母材，通过实施渗碳泽火处理而在构件表面形成C为0. 8%左右的 马氏体组织的硬化层，从而提高表面疲劳强度后加W使用。但是渗碳泽火伴有950°C左右 的高溫下的奥氏体相变，由于是5~10小时、根据情况有时成为10小时W上的长时间的处 理，因此晶粒粗大化导致的热处理变形（泽火应变）增大是难W避免的。因此在要求高精 度的构件的情况下，渗碳泽火后必须实施磨削或巧磨等精加工。
[0004] 此外，对于齿轮等构件，除了要求高的表面疲劳强度特性W外，多要求高的弯曲疲 劳强度。例如，在齿轮的情况下，需要能够抵抗由过负荷导致的在齿根的弯曲疲劳断裂的强 度。近年来，从降低地球环境负荷的立场出发，要求通过构件的轻质化来提高燃烧效率的需 求不断提高，对于实现此需求而言，高强度化即具有比W往更高的表面疲劳强度、更高的弯 曲疲劳强度是必须的。 阳0化]为了满足运些要求，基于使用JISS化420、SCM420等而进行渗碳处理的W往的方 法，在开发弯曲疲劳强度及表面疲劳强度、耐蚀性等特性优异的钢材的同时，一直在研究采 用称为高频泽火或氮化的新的热处理方法。
[0006] 高频泽火由于只对表层部的必要部分进行加热泽火，因此与渗碳工艺相比，能够 高效地得到表面硬化的构件。可是，如果仅通过高频泽火来得到与渗碳泽火材料同等的硬 度，则钢中需要0.8%W上的C浓度，对于提高表面疲劳强度而言不必要的内部的硬度也会 上化出现切削性显著劣化。因此，在不能过分增加钢中C量的情况下仅通过高频泽火来提 高表面疲劳强度是有限度的。
[0007] 氮化是通过在相变点W下的500~600°C左右的溫度区，主要使氮向钢材表层部 扩散渗透来形成硬化层的表面硬化法。此外，软氮化同样是通过使氮和碳同时向钢材表层 部扩散渗透来形成硬化层的表面硬化法。运些都是提高耐磨损性、耐烧焊性及耐疲劳性 等的表面硬化法。通过在钢材表面扩散的氮在钢中生成氮化物，一般在最表面形成主要由 化3N(W下有时记为0、Fe4N(W下有时记为丫 '）等化氮化物构成的铁氮化合物层，在其 内部生成N扩散的氮扩散层。
[0008] 氮化由于与渗碳时相比可在低溫下进行处理，因此多适用于要求低变形的构件。 另外，在氮化处理后的钢材表面氮浓度提高，耐蚀性提高。但是，在只采用氮化处理时，因硬 化层深度浅而难w适用于施加高表面压力的传动齿轮等。
[0009] 最近，作为弥补高频泽火和氮化的缺陷、发挥更优异的机械性质、特别是发挥表面 疲劳强度的方法，在尝试在氮化后实施高频泽火。
[0010] 在专利文献1中提出了一种方法，其通过组合高频泽火和气体软氮化来弥补各自 单独时的缺陷，得到优异的机械的性质，特别是通过提高抗回火软化性所带来的高的表面 疲劳强度。但是在本提案中，虽然表面硬度高，但是因氮化层中的N浓度低而使高溫硬度 低，在工作中达到高溫的齿轮等的表面，不能发挥充分的抗回火软化性，不能得到高的表面 疲劳强度。此外，不能去除来自高频泽火时的铁氮化合物层（高频泽火前为e主体的相） 的脱氮及氧化的影响，起因于此，有成为表层部的组织为不均质、使弯曲疲劳强度下降的原 因的担屯、。
[0011] 在专利文献2中，提出了利用高频泽火和气体软氮化的组合而获得的机械强度优 异的机械结构用构件的制造方法。在本提案中为了使氮化物固溶而规定为90(TCW上且 1200°CW下的高频加热。可是，因促进氮化物的分解、扩散的与N的亲和性高的元素的添加 量不足而不得不成为高溫加热，因此可预测钢材表面的氧化层的生成变得显著，特别是弯 曲疲劳强度显著下降。此外，由于一直没有考虑形成厚的铁氮化合物层的方法，所W不能W 高的表面压力得到良好的表面疲劳强度。
[0012] 在专利文献3中，提出了通过组合高频泽火和气体软氮化而得到优异的机械性质 的技术。但是，本提案的气体软氮化为60(TCW上的高溫，铁氮化合物层薄，而且其中的N浓 度低，高频泽火时分解、扩散的N量也小。即使通过该气体软氮化形成铁氮化合物层，也难 W厚厚地形成N浓度高的氮化层，因此即使通过与高频泽火的组合，也不能形成抗回火软 化性高、表面疲劳强度良好的氮化层。
[0013] 在专利文献4中，提出了一种优异的机械结构用构件，其中，除了在软氮化处理后 实施高频泽火W外，还通过使Mn和S适当地平衡来兼顾机械强度和切削性。关于该专利， 也与专利文献1种的课题同样，来自高频泽火时的铁氮化合物层（高频泽火前为e主体的 相）的脱氮及氧化的影响是不可避免的，有起因于此的表层部的组织的不均质成为使弯曲 疲劳强度下降的原因的担屯、。
[0014] 在专利文献5中，在盐浴软氮化后实施利用化学转化皮膜的抗氧化处理，极力 排除后续的高频泽火中的脱氮及氧化的影响，谋求表面组织的均匀，提高弯曲疲劳强度。 但是，利用化学转化皮膜的抗氧化处理具有界限，将高频泽火下的加热最高溫度限制为 880°C，将达到最高加热溫度的时间限制在0. 6~2. 0秒等，与通常的高频泽火中必要的加 热最高溫度为900度W上、到达最高加热溫度的时间为3秒W上相比较，只能低溫、短时间 的泽火。因此，有必要在热处理前对母材进行事前调质（利用泽火的碳分布均质化），有硬 化层深度的适当化（例如将Hv550W上的区域从表面确保到1. 5mm深度等）困难运一确保 表面疲劳强度的技术课题，从性能、经济性运两方面考虑，能够采用此法的构件具有界限。
[0015] 在专利文献6的特征在于：从抑制高频泽火时的钢材表面的氧化的目的出发，在 将高频泽火的气氛设定为氨气体气氛、不活泼气体气氛、还原性气体气氛或其组合或者低 氧气氛或真空气氛下实施高频泽火。该方法尽管对抑制表面氧化有效，但是高频泽火时的 脱氮导致的相变化（加热中e相变为奥氏体，再通过泽火而相变为马氏体及残留奥氏体） 是不可避免的，不能避免表层部的组织的不均匀化。此外，在高频泽火中进行气氛控制时， 还有因作业效率下降等而使经济性下降等担屯、。
[0016] 现有技术文献
[0017] 专利文献
[0018] 专利文献1 :日本特开平6-172961号公报
[0019] 专利文献2 :日本特开平7-90364号公报
[0020] 专利文献3 :日本特开2007-77411号公报
[0021] 专利文献 4 :PCT/JP2010/050742 号公报 阳02引专利文献5 :日本特开2009-280838号公报
[0023] 专利文献6 :日本特开2011-032536号公报
【发明内容】
[0024] 发明要解决的问题
[00巧]本发明鉴于上述实情，在组合了氮化和高频泽火的热处理工艺中，特别是关于高 频泽火的热处理，发现了：特别能够缓和上述专利文献5中记载的制约条件且可抑制氧化、 脱氮的组织及其实现方法，确保高的弯曲及表面疲劳强度。
[00%] 也就是说，提供一种高频泽火构件的半成品及其制造方法，其可弥补仅用氮化时 的表面硬度及内部硬度低的缺陷，而且具有W往构件不能得到的高的表面硬度、内部硬度、 抗回火软化性、切削性，同时高的表面疲劳强度和弯曲疲劳强度优异。
[0027] 用于解决课题的手段
[0028] 对于提高构件的表面疲劳强度而言，提高表面硬度、确保适当的硬化层深度及提 高用于维持工作中最大升溫到300°C左右的工作面的高溫强度的抗回火软化性是有效的。
[0029] 关于表面硬度，对于WC浓度计具有0. 35质量％ ^上的钢材，通过W利用氮化使 氮渗入的状态实施高频泽火，能够得到在从表面到50ym深度具有W维氏硬度计为700HV W上的硬度。与在不实施氮化的情况下进行高频泽火时相比较，能够使表面硬度W维氏硬 度计提高30~50HvW上。
[0030] 硬化层深度可根据高频泽火条件进行控制。但是，即使实施用于防氧化的化学转 化皮膜处理，在进行高溫或长时间加热的情况下，不能避免高频泽火时由脱氮及氧化导致 的表面软化。所W，只要不缓和高频泽火条件（降低泽火时的最高到达溫度、缩短加热时间 等），就不能使高频泽火后的组织均质。如果高频泽火后的组织不均质，除了表面硬度不均 匀W外，因形成起因于由脱氮、氧化导致的体积变化的裂纹等，而使表面性状不平滑，成为 使弯曲疲劳强度降低的主要原因。可是，在本发明的技术中，通过将表层部的铁氮化合物规 定为丫'（丫'相：F64N)主体的铁氮化合物层，来抑制脱氮和氧化。除此W外，通过在高频 泽火前进行水蒸气气氛下的热处理，在钢材表面形成四氧化=铁（Fe3〇4)的致密的氧化膜， 可更显著地强化抑制脱氮、氧化。另外根据条件可W有效用于铁氮化合物层的薄壁化中，也 能用于弯曲疲劳强度的提高中。
[0031] 齿轮等动力传递构件的工作面即使在润滑环境下，因滑动等造成的摩擦而使溫度 上升300°C左右。此时，钢材因回火效应而使硬度降低，构件的表面疲劳强度下降。通过氮 化而渗入表层部的氮具有防止该软化的效果。
[0032] 本发明是基于上述见识而完成的，本发明的要旨如下。
[0033] (1)本发明的第一形态的高频泽火构件用半成品（日文原文为：素形材，也可W 称为素形材），其中，母材的钢的化学成分W质量％计含有：c:0. 35~0. 6%、Si:0. 02~ 2. 0%、Mn:0. 35 ~1. 5%、A1 :0. 001 ~0. 5%、Cr:0. 05 ~2. 0%、S:0. 0001 ~0. 05%、N: 0. 003 ~0. 0120%、P:0. 03%W下、0 :〇. 0050%W下、B:0 ~0. 005%、W:0 ~0. 5%、Mo: 0 ~1. 0%、V:0 ~1. 0%、佩：0 ~0. 3%、Ti:0 ~0. 2%、Zr:0 ~0. 05%、訊：0 ~0. 1%、 Sn:0 ~0. 1%、Cu:0 ~2. 0%、Ni:0 ~2. 0%、Ca:0 ~0. 01%、Mg