弹簧用钢及钢材的表面处理方法

专利名称：弹簧用钢及钢材的表面处理方法
技术领域：
本发明涉及弹簧用钢以及钢材的表面处理方法，特别是涉及进行渗氮处理，在表层尽量不生成氮化物而形成厚的高硬度层的技术。
背景技术：
近年，例如汽车用气门弹簧，由于要求降低气门系统的摩擦损耗、确保发动机室内的冲击吸收空间，而有小型化·轻量化的趋势，从而气门弹簧用钢材所必需的强度有增加的倾向。通常钢的疲劳强度在材料硬度约为400HV以下时随着硬度的增加而增加，但是在超过约400HV的高硬度区域增加幅度减小，若硬度进一步升高则存在饱和的趋势。原因之一认为是，由于硬度增加而使钢材切口敏感性增加。近年的弹簧用钢和弹簧的硬度超过500HV,因此认为不能期待通过钢材整体的硬度增加实现疲劳强度的大幅增加。因此，为了解决这种问题而提出了以下的方法。·专利文献I中提出了通过添加V、Nb等而使结晶粒径微细化，钢材的韧性得到提高的、疲劳特性优异的弹簧。但是，对于本文献中记载的弹簧，虽然发现疲劳特性提高的效果，但是由于上述添加元素昂贵而存在钢材的价格升高的问题。专利文献2中提出了通过利用高频感应加热的淬火回火处理，组织细微化，碳化物微细地分散析出的同时抑制在晶界中的析出，钢材的韧性提高，由此赋予高的疲劳强度的技术。但是，对于通常具有三维形状的弹簧，使用高频感应加热来控制钢材的各部位的温度是困难的，由于加热条件的管理复杂等，结果存在成本高的问题。专利文献3中提出了钢材的氧化物系夹杂物的组成按照重量％计为SiO2 30 60%、Al2O3 10 30%、CaO 10 30%、MgO 3 15%，且其粒径的圆当量直径为15 μ m以下的疲劳特性优异的弹簧用钢。但是，难以将氧化物系夹杂物的组成及粒径严格控制在上述范围内。因此，对于所制造的弹簧用钢，必须检查确认氧化物系夹杂物是否在上述范围内，即使是同一批次的弹簧用钢，未被实际检查的弹簧用钢的氧化物系夹杂物也有可能不在上述范围内，这种情况下，以氧化物系夹杂物为起点，弹簧有可能过早折损。专利文献4中提出了表层不存在脆的氮化物，从表面直至规定深度具有固溶了氮的氮扩散层，且实施了淬火处理的渗氮淬火物及其制造方法。根据这种技术，即使渗氮后也不会形成有可能成为破坏起点的氮化物，且表层硬度高，因此可以期待疲劳强度的升高。但是，专利文献4中记载的实施例中，表层的高硬度层的厚度最大也非常薄、为O. 06mm左右，对于提高疲劳强度来说不充分。此外，在专利文献4中记载的渗氮温度范围￠00 800°C )，本发明中的钢的中心部难以奥氏体化，即使之后骤冷也会形成不完全淬火，不能得到作为弹簧所必需的中心部的硬度(500HV以上)。专利文献5中公开了通过在I 30hPa的减压气氛下渗碳，由此得到具有表面硬度为700 900HV的渗碳层的渗碳齿轮部件。这种减压渗碳，与以往广泛使用的气体渗碳不同，是利用可以抑制可能成为破坏起点的晶界氧化、且处理温度高(950°C以上)的优点而得到厚的高硬度层的方法。但是，减压渗碳由于利用乙炔的非平衡分解反应，不能像气体渗碳那样控制碳侵入量。因此，由于被处理部件的部位、形状不同而使碳侵入量不均，难以得到均一的高硬度层。因此，要求碳等的侵入量的控制、管理容易的处理方法。专利文献I :日本特开平8-170152号公报 专利文献2 :日本特开平8-134545号公报
专利文献3 :日本特开平6-158226号公报 专利文献4 :日本特开2007-46088号公报 专利文献5 :日本专利第4229609号公报。

发明内容

因此，本发明是鉴于上述情况而提出的，其目的在于，提供不需要昂贵的添加元素、复杂的温度控制就可以低成本地制造，使表层的氮化物层及碳化物层的厚度尽量薄，同时可以得到必要的中心部硬度和高硬度层厚度的弹簧用钢以及钢材的表面处理方法。本发明人对于弹簧用钢和弹簧，就形成厚的表面高硬度层，而不损害中心部的韧性、且几乎不生成脆的氮化物及碳化物的方法进行深入研究。其结果发现，对于未添加特殊元素的一般碳钢，在规定温度下进行化学表面处理，然后进行淬火以及回火，由此可得到在表层形成厚的表面高硬度层，而几乎不生成脆的氮化物及碳化物，且中心部维持韧性的具有硬度的钢材。本发明的钢材的表面处理方法是基于上述发现而提出的，其特征在于，具有渗氮步骤，对于按照重量％计满足 C :0. 27 O. 48%,Si :0. 01 2· 2%、Mn :0. 30 I. 0%、P :0. 035%以下、S :0. 035%以下，剩余部分由铁和不可避免的杂质构成的钢材，加热到钢的A3点以上且1100°C以下，与50体积％以上的NH3和由惰性气体和不可避免的杂质构成的剩余部分的混合气体气氛接触，由此使氮和碳在表层富集；接着以20°C /秒以上的速度冷却至室温的淬火步骤；和接着加热到100 400°C的回火步骤。此外，本发明的弹簧用钢和弹簧是通过上述方法得到的，其特征在于，具有按照重量 ％ 计为 C 0. 27 O. 48%、Si :0. 01 2. 2%、Mn 0. 30 I. 0%、P 0. 035% 以下、S 0. 035%以下，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成的全部组成，表面的氮化物层和碳化物层的厚度为2 μ m以下，且横截面中中心部的硬度为500 700HV，比氮化物和碳化物层更靠近内侧的厚度O. I I. Omm的部分为比中心部的硬度大100 500HV的高硬度层。此外，优选横截面的圆当量直径为I. 5 15. 0mm。应予说明，“横截面”指的是与弹簧用钢和弹簧的长度方向正交的截面。以下，对上述数值限定的根据和本发明的作用进行说明。首先，对本发明中使用的钢的化学成分的限定理由进行说明。应予说明，以下说明中的“％”指的是“重量％。”
[C 0. 27 O. 48%]
C是为了确保通过淬火回火而使弹簧可耐负荷的钢的强度而必须的元素。钢材的硬度存在随着C浓度的增加而升高的趋势，而本发明的表面处理方法中，为了即使在400°C进行回火后、钢材的中心部的硬度也为500HV以上，C的浓度有必要为O. 27%以上。另一方面，若C的浓度过量，则淬火后的中心部的硬度超过700HV，韧性显著降低。对此通过超过400°C的高温回火，可以降低中心部的硬度，但是同时在氮和碳的固溶层中产生氮化物、碳化物。因此，为了即使在不产生氮化物、碳化物的程度进行低温回火也可使钢材中心部的硬度为700HV以下，C浓度为O. 48%以下。[Si :0. 01 2. 2%]
Si为在钢精炼中有用的脱氧元素，必须添加O. 01%以上。此外,Si也为固溶增强元素，是用于得到高强度的有效元素，但是若Si的浓度过量则导致加工性降低，所以为2. 2%以下。[Mn :0· 30 I. 0%]
Mn作为脱氧元素添加，但是其有助于固溶增强、淬火性的提高，因此添加O. 30%以上。另一方面，若Mn的浓度过量则产生偏析，加工性易降低，因此为I. 0%以下。[P 0. 035% 以下、S :0. 035% 以下]· P和S是助长由晶界偏析所导致的晶界破坏的元素，因此理想的是浓度低，上限为O. 035%。P和S的浓度优选为O. 01%以下。接着对用于得到高硬度层的步骤进行说明。本发明的高硬度层通过实施以下步骤来生成渗氮步骤，加热到钢的A3点以上且1100°C以下，与50体积％以上的NH3和由惰性气体和不可避免的杂质构成的剩余部分的混合气体气氛接触，由此使氮和碳在表层富集；接着以20°C /秒以上的速度冷却至室温的淬火步骤；和接着加热到100 400°C的回火步骤。对加热到A3点以上之前的钢材的组织不特别限定。例如，可以使用经过了热锻、拉丝加工的条钢材作为原材料。以下对各步骤中的限定理由进行说明。[渗氮步骤]
为了使钢材的中心部奥氏体化，必须将钢材加热到A3点以上。另一方面，若加热温度过高，则NH3气在导入后立即被分解，氮和碳对被处理材料的侵入(对于碳的侵入如后所述)被显著抑制，因此加热温度以1100°C作为上限。理想的是850 1000°C。此外，为了使氮和碳在表层富集，必须使钢材与50体积％以上的NH3和包含惰性气体的剩余部分的混合气体气氛接触。混合气体气氛中的NH3浓度小于50体积％时，氮和碳的每单位时间的侵入量少，为了得到高硬度层所需的厚度，需要的时间长，在实际操作上成为问题。若NH3的浓度超过90体积％，则易形成氮化物和碳化物，因此优选为80 90体积％。渗氮步骤中的加热时间理想的是15 110分钟。加热时间小于15分钟时，有可能得不到高硬度层所需的厚度，若加热时间超过110分钟则易在表层形成比2 μ m厚的氮化物、碳化物，这成为龟裂的起点。此外，若形成比2 μ m厚的氮化物、碳化物，则即使进行喷丸处理，也难以完全除去这些化合物。如此，渗氮步骤的温度、混合气体的组成及时间对于通过侵入到钢材表面的氮和碳快速扩散到内部来抑制在表层形成氮化物和碳化物，且形成厚的高硬度层来说是重要的条件。其中，对通过使钢材与包含NH3和惰性气体的混合气体接触来使碳在钢材表层浓缩进行说明。本发明人对钢材的内部方向的碳的分布状态进行调查，结果在渗氮步骤前后未发现钢材内部的碳量变化，因此难以认为在该表层浓缩的碳是由钢材的内部移动而来的。现在，碳在表层浓缩的原因还不清楚，但是推测如下。即，钢材表面的NH3在上述条件下以Fe作为催化剂被分解为N原子和H原子。预测形成了原子状的N形成具有不成对电子的自由基状态。该自由基N侵入到钢中发生固溶，由于某种原因而维持自由基状态，在具体实施方式
中记载的元素分析中使用的电子射线微量分析仪(岛津制作所制EPMA-1600)中，本来由N得到的特征X射线波长产生某种变化，认为有可能其在分析上作为碳被检出。[淬火步骤]
在渗氮步骤后的淬火步骤中，冷却至室温的冷却速度越快越好，必须以20°C /秒以上的冷却速度进行。冷却速度小于20°C /秒时，冷却途中生成珍珠体，淬火不完全，不能得到所需的硬度。冷却至室温的冷却速度优选为50°C /秒以上。[回火步骤]
钢材的中心部为淬火后的马氏体组织时，因淬火产生的应变而产生自然时效开裂等不良问题，同时韧性显著降低，不能确保作为弹簧的耐负荷，因此进行回火。回火为了降低钢材的中心部的应变，必须在100°C以上进行。另一方面，若回火温度超过400°C则钢材的中心部硬度降低，不能耐受弹簧的负荷。此外，固溶的氮、碳形成化合物，所以不优选。

接着对本发明的弹簧用钢和弹簧的物理特性的限定理由进行说明。[表面的氮化物层和碳化物层的厚度]
氮化物、碳化物由于脆、缺乏韧性，若它们形成在表面上则促进龟裂的产生。因此，虽然氮化物和碳化物在一定程度上容许，但是它们的厚度的上限为2 μπι，优选为I μπι以下。[钢材中心部的硬度]
钢材中心部的硬度为了确保可耐受弹簧所必需的负荷的强度，必须为500HV以上。另一方面，硬度过高时钢材自身的切口敏感性增加，疲劳强度降低，因此抑制在700HV以下。[高硬度层的硬度与中心部硬度之差]
表层的高硬度层对于抑制龟裂的产生来说是非常有效的，高硬度层的硬度必须比中心部的硬度大100HV以上。但是，若高硬度层的硬度过高则显著变脆，因此增加幅度的上限为500HV以下。[高硬度层的厚度]
高硬度层的厚度为了抑制龟裂的产生必须为O. Imm以上，理想的是O. 3mm以上。另一方面，若上述高硬度层的厚度过厚则导致钢材自身的韧性降低，因此将厚度抑制在I. Omm以下。[渗氮层中的氮和碳的总浓度]
本发明中，理想的是，在1-6氮化物和碳化物层的靠内的内侧，具有氮和碳的平均含有浓度的总计比氮和碳的全部组成的总浓度多O. I I. 5重量％的渗氮层。此外，该渗氮层的厚度理想的是O. Imm以上，更理想的是O. I O. 5mm。应予说明，该渗氮层没有必要必定与高硬度层一致。通过使渗氮层中的氮和碳的总浓度比钢材的平均浓度多O. 1%以上，带来由氮和碳的固溶增强实现的硬度的增加。本发明的特征之一为在表层固溶氮和碳，而氮与碳相比对于钢的最大固溶浓度高，因此含有更多的氮对于得到厚的高硬度层来说是有效的。另一方面，氮和碳浓度的增加导致马氏体相变开始温度(Ms点)的降低，由此淬火后生成过量的残留奥氏体，硬度降低。因此，理想的是表层中的氮和碳的总浓度的增加为1.5%以下。若渗氮层的厚度小于O. 1mm，则难以充分得到上述效果。应予说明，若渗氮层的厚度超过O. 5mm,则易导致钢材自身的韧性降低，因此更理想的是为O. 5mm以下。发明效果
根据本发明可以得到下述效果不需要昂贵的添加元素、复杂的温度控制就可以低成本地制造，使表层的氮化物层及碳化物层的厚度尽量薄的同时，可以得到必要的中心部硬
度和高硬度层厚度等。
具体实施例方式对包含表I中记载的平均化学成分的A和B的直径4mm的圆棒钢材在表2中记载的条件下进行渗氮处理后，以20°C /秒以上的速度冷却至室温进行淬火，然后回火60分钟。对如此得到的钢材，采用以下的要点研究各种性质。[表 I]
权利要求
1.钢材的表面处理方法，其特征在于，具有渗氮步骤，对于按照重量％计满足CO. 27 O. 48%、Si 0. Ol 2. 2%,Mn 0. 30 I. 0%、P :0. 035% 以下、S 0. 035% 以下，剩余部分由铁和不可避免的杂质构成的全部组成的钢材，加热到钢的A3点以上且1100°C以下，与50体积％以上的NH3和由惰性气体和不可避免的杂质构成的剩余部分的混合气体气氛接触，由此使氮和碳在表层富集；接着以20°C /秒以上的速度冷却至室温的淬火步骤；和接着加热到100 400°C的回火步骤。
2.如权利要求I所述的钢材的表面处理方法，其特征在于，在所述渗氮步骤中，加热温度为850 1000°C，且加热时间为15 110分钟。
3.如权利要求I或2所述的钢材的表面处理方法，其特征在于，在所述渗氮步骤中，所述混合气体气氛的NH3浓度为80 90体积％。
4.弹簧用钢，其特征在于，具有按照重量％计为C:0. 27 O. 48%,Si :0. 01 2. 2%、Mn 0.30 I. 0%、P :0. 035%以下、S :0. 035%以下，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成的全部组成，表面的氮化物层和碳化物层的厚度为2μπι以下，且横截面中中心部硬度为500 700HV，比所述氮化物和所述碳化物层更靠近内侧的厚度O. I I. Omm的部分为比所述中心部的硬度大100 500HV的高硬度层。
5.如权利要求4所述的弹簧用钢，其特征在于，所述高硬度层的厚度为O.3mm 1.Omm0
6.如权利要求4或5所述的弹簧用钢，其特征在于，在比所述氮化物和所述碳化物层更靠近内侧，具有厚度为O. Imm以上的氮和碳的平均含有浓度的总计比氮和碳的全部组成的总浓度多O. I I. 5重量％的渗氮层。
7.如权利要求4 6中任意一项所述的弹簧用钢，其特征在于，所述渗氮层的厚度为O.I O. 5mmο
8.如权利要求4 7中任意一项所述的弹簧用钢，其特征在于，横截面的圆当量直径为 L 5 15. Omm0
9.弹簧，其用权利要求4 8中任意一项所述的弹簧用钢制造而成。
全文摘要
本发明提供钢材的表面处理方法，该方法具有渗氮步骤，其中，对于按照重量%计满足C0.27～0.48%、Si0.01～2.2%、Mn0.30～1.0%、P0.035%以下、S0.035%以下，剩余部分由铁和不可避免的杂质构成的钢材，加热到钢的A3点以上且1100℃以下，与50体积%以上的NH3和由惰性气体和不可避免的杂质构成的剩余部分的混合气体气氛接触，由此使氮和碳在表层富集；接着以20℃/秒以上的速度冷却至室温的淬火步骤；和接着加热到100～400℃的回火步骤。
文档编号C21D1/06GK102791890SQ20118001448
公开日2012年11月21日 申请日期2011年3月18日 优先权日2010年3月18日
发明者小野芳树, 铃木健, 黑川真平 申请人:日本发条株式会社