专利名称：：高强度渗碳高频淬火零件的制作方法
技术领域：
：本发明作为钢的表面硬化处理方法，涉及并用渗碳和高频淬火的机械零件。
背景技术：
：在以钢为材料制造要求高表面硬度的机械零件，例如齿轮时，作为表面硬化处理的方法，渗碳和高频淬火是代表性的方法。渗碳是使零件表面的碳浓度增加的操作，其结果是可以得到高强度，但是由于渗碳之后的淬火使零件的内部也被马丁体化，因而存在残留变形大的问题。另一方面，高频淬火是不使零件内部组织发生变化，而仅使表面硬化的处理，因此有变形小的优点，但从制造性角度考虑，可达到的表面碳浓度是有限度的，不能期待很高的强度。以前就尝试着结合渗碳和高频淬火方法，欲实现二者优点并存的表面处理。作为其中方法之一，已公开了如下技术，即，在特定碳势能条件下实施渗碳淬火处理，得到表层碳浓度和芯部碳浓度之差在一定值以上的渗碳产品，对于此渗碳产品，进行使渗碳时的全硬化层深度的0.3~1.5倍达到奥氏体化的高频淬火(专利文献l)。根据公开的技术，可以将决定渗碳产品的疲劳强度的旧奥氏体结晶粒度，以ns粒度编号计，晶粒细化到IO号以上。也有如下的提案，即，将特定的合金组成的表面硬化钢经过渗碳淬火之后，在400600"C进行退火处理后施以高频淬火，使因退火而软化的渗碳层的硬度得到恢复(专利文献2)。采用此方法制造的产品，充分确保了抗拉强度、冲击强度、渗碳层硬度等渗碳产品通常要求的很多特性，而且具备优异的耐延迟破坏性。为了改善零件的疲劳强度、冲击强度，有必要将结晶粒度细微化，对于表面硬化的零件为实现结晶粒度细微化，提出了进行第二次淬火工序的热处理方法，即，继渗碳渗氮淬火后，使钢的温度升温到奥氏体区域而淬火(专利文献3)。据此方法，通过渗碳渗氮淬火，含有碳和氮的钢从奥氏体变态成马丁体，然后通过第二次淬火，结晶粒度细微化。日本特开昭64-36779日本特开平5-255733日本特开平10-18020发明者的意图是，渗碳工序后不淬火而进行慢冷却，通过后续的高频淬火进行淬火，由此来避免渗碳淬火引起的变形的发生并且提高表面硬度。作为原料，如果使用常用于渗碳零件制造的JIS钢种SCR420、SCM420，则得不到所期望的强度。追究其原因可知，是由于渗碳生成的碳化物在高频淬火工序中没有溶入母体而残留，渗碳产品中的碳化物作为起因而使破坏进展。由于高频淬火的加热时间短，没有碳化物溶入的余地。为了避免这些，有必要降低碳浓度，但是由于表面的碳浓度和强度存在比例关系，因而如果降低碳浓度将导致强度下降。作为渗碳方法，除了以往的气体渗碳，近年多数采用真空渗碳的方法。真空渗碳法和气体渗碳法相比，有如下等的优点，(l)由于避免了渗碳时的晶界氧化，所以易得到高强度，U)由于高温操作容易，因而可以迅速渗碳，(3)运营成本低廉，购买其，并应用在各种齿轮、轴的制造中。但是，由于零件的位置导致碳浓度的差异大，尤其是边缘形状的部分容易形成高浓度，因而残留碳化物量也增加，由于存在这样的问题，与高频淬火的组合就更困难。由此，发明者想到，通过选择不易生成碳化物的合金组成，可不必期待高频淬火时的碳化物溶入的原理，确立了可以实现此意图的渗碳用钢的合金组成。
发明内容本发明的目的在于提供利用上述发明者的认识，在制造机械零件时并用渗碳和高频淬火来得到产品的技术，具体而言，通过渗碳后进行慢冷却来避免组织马丁体化，之后实施高频淬火，提供整体的变形小，并且表面强度高的机械零件。本发明的机械零件是将具有合金组成的钢加工为零件形状，施以真空渗碳处理后进行慢冷却，之后通过高频淬火使表面硬化而成，上述合金组成以质量。/。计含有C:0.10~0.30%、Si:0.50~3.00%、Mn:0.30-3.00%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cu:0.01~1.00%、Ni:0.01~3.00%、Cr:0.20~1.00%、Al:0.20%以下以及N:0.05%以下，剩余部分含有Fe以及不可避免的杂质，并且满足下述条件[Si%]+[Ni%]+[Cu%]-[Cr%]>0.50。该合金组成中渗碳时碳化物生成少，而且，慢冷却时产生的碳化物随着高频淬火时的再加热可容易使其溶解。本发明的机械零件，通过使用具有上述合金组成的材料，渗碳时碳化物的生成少，所以不进行渗碳淬火而进行慢冷却，通过高频淬火进行淬火也可以避免起因于残留碳化物的问题。高频淬火虽不能使大量的碳化物溶入，但也没有这种必要。渗碳后没有淬火工序，因而可以减少伴随马丁体的生成而引起的变形的产生，并且高频淬火也是变形较少的淬火方法，结合二者所制造的机械零件是几乎没有变形的产品。进行高频淬火，以往，其目的在于减少残留碳化物，渗碳时必须设定低的表面碳浓度，但是本发明的情况是，渗碳时碳化物生成少，并且慢冷却时产生的碳化物随着高频淬火时的再加热，可容易使其溶解，可以赋予表面充分的碳浓度，提高产品表面現复，达到高强度。由此，本发明的机械零件几乎没有变形，是高强度的产品。具体实施例方式作为本发明的机械零件的材料的渗碳用钢，除了含有上述必须合金成分以外，可以含有以下任意添加成分的一项或二项。(a)Mo:2.00%以下(b)Nb:0.20%以下、Ti:0.20%以下、B:0.0154以下的一种或两种以上对于本发明使用的渗碳用钢的组成，按必须成分和任意成分的顺序说明如下C:0.10~0.30%上述C量是作为机械零件而言得到必要的强度的适当的范围。Mn:0.30~3.00%Mn作为脱氧剂在溶解钢时添加，但它对于碳化物的生成几乎不产生影响，因此可以从上述宽的范围来选择其用量。P:0.030%以下、S:0.030%以下这些是杂质，对于产品的机械性能来说是不优选的成分，因此其量以低为佳。上述值都是许可P艮度。Si:0.50~3.00%、Ni:0.01~3.0094以及Cu:0.01-1.00%如上所述，Si、Ni和Cu是抑制碳化物的生成的成分，分别是上述下限值以上，而且，必须以如下方式进行添加，即，从它们的量的合计值中减去Cr的量而得到的值要超过0.50。但是，大量添加会降低热加工性能，因此分别设定了上述的上限。Cr:0.20~1.00%Cr是促进碳化物的生成的成分，因此在本发明的渗碳用钢中不能使其大量存在。在抑制碳化物生成的成分较多的情况下，Cr含量l.00%是可以允许的上限值。从加工性能尤其是被削切性考虑，不能添加超过l.00%的Cr含量。但是，含量过低会降低淬火性能，不能满足产品的机械特性，因此作为下限值设定为0.20%。Al:0.20%以下Al作为脱氧剂而添加，如果添加过量会在钢中形成氧化铝，导致强度降低，因而必须避免。而且，从影响加工性能角度考虑也不希望形成氧化铝。由于这样的原因，选择A1的添加量以到0.20%为止为宜。另一方面，Al具有抑制结晶粒粗大化的功能，为了获得此效果，可以添加0.005%以上。N:0.05%以下如果存在N，则有防止结晶粒粗大化的作用，因此优选至少使N的含量为0.001%。该效果在N的含量为0.05%左右时即为充分，因而没有超过此限度的必要。Mo:2.00%以下为了提高淬火性能和退火软化抵抗性可以添加Mo。大量的Mo会使钢的加工性能变差，因而应当选择2.00%以下的合适的添加量。Nb:0.20%以下、Ti:0.20%以下这些成分可以抑制渗碳时生成的结晶粒的成长，对于保证整粒组织这样的目的是有效的。由于添加过量会对加工性能带来坏的影响，因此各个添加量必须在上述界限范围内。B:0.01%以下B有提高淬火性能的效果，因此可以根据需要添加。大量的B有害于加工性能，因此选择0.01%以下范围的添加量。〔Si%〕+〔Ni%〕+〔Cu%〕-Cr%〕>0.50如上所述，Si、Ni以及Cu抑制碳化物的生成，另一方面，由于使Cr含量增加，使前三者的影响和后者的影响均衡，并提高抑制效果，由此，抑制了渗碳后的表面层中的碳化物的生成，即使采用不能期待碳化物的溶入的高频淬火，也可以防止由于残留碳化物引起的强度下降。关于本发明的机械零件的制造工序，"加工为零件形状"可以采用包括压延、锻造、机械加工及它们的组合的各种方法。加工后的渗碳方法使用真空渗碳。真空渗碳的减压度适合为0.001~0.lbar。渗碳后的慢冷却优选以lC/秒以下的冷却速度进行。对于本发明的机械零件，可以使表面碳浓度为0.85%以上的高浓度，而且，优选这样。对于进行通常的渗碳淬火的机械零件，公知随着表面碳浓度的增加表面硬度增大，在约0.8%时达到最高值，若碳浓度为该值以上，表面硬度反而下降。因而，通常以表面碳浓度在0.8%左右的方式进行渗碳。这是因为渗碳淬火而产生的残留奥氏体柔软。但是，由于本发明实施高频淬火，因此不生成残留奥氏体，不发生软化，所以，即使表面碳浓度增加并超过0.8%，表面硬度也不开始下降。因而，通过使表面碳浓度在0.85%以上，进而达到0.90%以上的高值，能实现更高的表面硬度。但是，随着表面碳浓度的增加，表面硬度的增大有饱和的倾向，因而过度提高碳浓度，并不是上策。本发明的高强度渗碳高频淬火零件的技术，可以适用于各种机械零件的制造，尤其在适用于制造构成自动变速器的行星齿轮的副齿轮、恒星齿轮时，其意义巨大。制造恒星齿轮的代表性步骤为将具有规定的合金組成的钢材延压成钢棒，将其切断进行热锻造，施以回火(正火)处理，坯料加工成与零件接近的形状后进行切齿加工等的机械加工，得到作为渗碳对象的齿轮零件。热锻造及回火处理的工序，可以只进行热锻造，也可以改变成退火(烧钝)处理和冷锻造的组合。另一方面，副齿轮的制造，可以在上述工序中省略热锻造及回火处理，此时，可以将钢材直接机械加工成齿轮形状。无论是哪种零件的制造，根据需要，可以在渗碳前进行齿面的修整加工，也可以在高频淬火后进行齿面研磨。溶解了表l所示合金组成的渗碳用钢。将各个材料机械加工成下述试验用的齿轮形状，模数2.5齿轮数30.螺距82.753mm齿轮幅度20咖扭曲角度25度使用乙炔气或丙烷气，保持900~1050匸温度进行真空渗碳，作为真空渗碳的条件，减压度为0.001~0.lbar。渗碳后用冷媒为氮或大气的气体冷却以0.lt:/秒的冷却速度慢冷却到5001C以下。对于渗碳后的齿轮，测定有无碳化物和表面碳浓度。将慢冷却后的齿轮按下述条件进行高频淬火，由此来对齿轮面进行淬火。加热760~900"CIO秒以内保持760~900匸l分钟以内淬火2002000t:/秒的水冷却对该齿轮施加负荷使其旋转，通过107次的旋转，来评价转至齿根折断时的齿根应力，作为齿根疲劳强度的尺度。对另外的样品齿轮的齿根进行珠击处理来强化齿根，施加与上述相同的负荷使其旋转，同样通过107次的旋转，来评价转至齿根折断时的齿面应力，作为齿面疲劳强度的尺度。将试验结果和渗碳后的碳化物的有无以及表面碳浓度，示于表2中。表l:合金组成<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表2<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>权利要求1.一种机械零件，其特征在于，将具有合金组成的钢加工为零件形状，施以真空渗碳处理后进行慢冷却，之后通过高频淬火使表面硬化而成，所述合金组成以质量％计含有C0.10～0.30％、Si0.50～3.00％、Mn0.30～3.00％、P0.030％以下、S0.030％以下、Cu0.01～1.00％、Ni0.01～3.00％、Cr0.20～1.00％、Al0.20％以下以及N0.05％以下，剩余部分含有Fe以及不可避免的杂质，且满足下述条件[Si％]+[Ni％]+[Cu％]-[Cr％]＞0.50，所述[Si％]表示Si的浓度，[Ni％]表示Ni的浓度，[Cu％]表示Cu的浓度，[Cr％]表示Cr的浓度。2.根据权利要求1所述的机械零件，其特征在于，所述钢的合金组成以质量。/。计还含有Mo:2.00%以下。3.根据权利要求1或2所述的机械零件，其特征在于，所述钢的合金组成以质量％计还含有选自Nb:0.20%以下、Ti:0.20%以下、B:0.01%以下中的至少一种。4.根据权利要求1~3中任一项所述的机械零件，其特征在于，以11C/秒以下的冷却速度实施渗碳后的慢冷却而得到的。5.根据权利要求1~4中任一项所述的机械零件，其特征在于，表面碳的浓度以质量％计为0.85~1.50%。6.—种机械零件的制造方法，其特征在于，包括下述步骤将具有合金组成的钢加工为零件形状，所述合金组成以质量％计含有C:0.10~0.30%、Si:0.50~3.00%、Mn:0.30~3.00%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cu:0.01~1.00%、Ni:0.01~3.00%、Cr:0.20~1.00%、Al:0.20。/。以下以及N:0.05%以下，剩余部分含有Fe以及不可避免的杂质，且满足下述条件[Si%]+[Ni%]+[Cu%]-[Cr%]>0.50，所述[Si%]表示Si的浓度，[Ni%]表示Ni的浓度，[Cu%]表示Cu的浓度，[Cr%]表示Cr的浓度；施以真空渗碳处理后进行慢冷却；通过高频淬火使其表面硬化。7.根据权利要求6所述的机械零件的制造方法，其特征在于，所述钢的合金组成以质量。/。计还含有Mo:2.00%以下。8.根据权利要求6或7所述的机械零件的制造方法，其特征在于，所述钢的合金组成以质量％计还含有选自Nb:0.20%以下、Ti:0.20%以下、B:0.01%以下中的至少一种。9.根据权利要求6~8中任一项所述的机械零件的制造方法，其特征在于，以11C/秒以下的冷却速度实施渗碳后的慢冷却。10.根据权利要求6~9中任一项所述的机械零件的制造方法，其特征在于，所述机械零件具有以质量％计为0.85~1.50%的表面碳的浓度。全文摘要本发明提供一种机械零件，其是在制造经表面硬化处理后的机械零件时可以并用渗碳和高频淬火，整体的变形小，并且表面强度高。该机械零件是将具有合金组成的钢加工为零件形状，施以真空渗碳处理后进行慢冷却，之后通过高频淬火使表面硬化而成，上述合金组成以质量％计含有C0.10～0.30％、Si0.50～3.00％、Mn0.30～3.00％、P0.030％以下、S0.030％以下、Cu0.01～1.00％、Ni0.01～3.00％、Cr0.20～1.00％、Al0.20％以下以及N0.05％以下，剩余部分含有Fe以及不可避免的杂质，且满足下述条件[Si％]+[Ni％]+[Cu％]-[Cr％]＞0.50。文档编号C22C38/58GK101285158SQ20081008881公开日2008年10月15日申请日期2008年3月28日优先权日2007年4月9日发明者大林巧治,松川太郎,桑原正树,森田敏之,水野孝树,江藤裕申请人:爱信艾达株式会社