渗碳用钢的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及不需要针对每个渗碳钢部件进行渗碳条件的调整就能够提高各种渗 碳钢部件的耐冲击特性的渗碳用钢。
[0002] 本申请基于2012年12月28日在日本提出申请的特愿2012 - 288131号主张优 先权，并将其内容引用于此。
【背景技术】
[0003] 机械构造用部件有时因急剧地受到较大的应力而破损。特别是在差动齿轮、传动 齿轮以及带齿轮的渗碳轴等车辆用齿轮中，有时由于车辆的紧急启动以及紧急停车时的负 载而使齿根因冲击破坏而破损。为了防止这种现象，特别是对于差动齿轮以及传动齿轮，期 望进一步提高其冲击值（耐冲击特性）。通过充分地提高这些机械构造用部件的冲击值，能 够减少机械构造用部件所用的材料的量，达到机械构造用部件的轻量化。
[0004] 以往，对于上述部件，通常通过将例如JISSCr420以及JISSCM420等C含量为 0. 2%左右的表面渗碳硬化钢用作原材料来确保芯部的韧性。并且，对于上述部件，实施渗 碳淬火处理和150°C左右的低温回火，使部件表面的金相组织成为C含量为0.8%左右的回 火马氏体组织。由此，提高部件的高循环弯曲疲劳强度以及耐磨性。
[0005] 以下对用于使冲击值提高的现有技术进行说明。在专利文献1中，提出了如下齿 轮用钢以及使用了该齿轮用钢的齿轮，在该齿轮用钢中，规定A1、B以及N的含量，通过固溶 B来提高了耐冲击疲劳特性以及面疲劳强度。不过，专利文献1所记载的齿轮在渗碳时引起 脱B现象，齿轮表层的固溶B消失，因此其冲击值的提高较小。
[0006] 在专利文献2中，提出了如下耐冲击性优异的齿轮，该齿轮是通过规定Mo、Si、P、 Mn以及Cr的含量、特别是提高Mo的含量而得到的。不过，在使Mo含量增大时，需要降低 Si、Mn以及Cr的含量，因此专利文献2所记载的齿轮由于淬透性的降低而导致强度降低。
[0007] 在专利文献3中，提出有通过含有适量的Cu而得到的、具有高强度且高韧性的表 面渗碳硬化钢。不过，在高温下钢中的Cu成为液层，促进钢的脆化。因而，专利文献3所记 载的表面渗碳硬化钢的制造条件存在制约。
[0008] 本发明者们专心地实施了渗碳特性和耐冲击特性之间的关系的调查。其结果是， 本发明者们得到如下见解：如后述那样，在渗碳时使C渗入钢的渗入量降低并使渗碳材料 的表面C浓度降低的做法用于提高冲击值是有效的。但是，在渗碳材料的表面C浓度过低 的情况下，无法达到作为渗碳处理的本来的目的的疲劳强度以及耐磨性等特性的提高。因 而，为了使渗碳钢部件兼顾耐冲击特性、疲劳强度以及耐磨性等特性，需要将渗碳钢部件的 表面C浓度控制为适当的水平。
[0009] 表面C浓度的减少是可通过在渗碳处理时使碳势降低来实现的。不过，在使用了 渗碳炉的实际的生产工序中难以将其实施。其原因在于，在实际的生产工序中，渗碳炉需要 对用途不同的各种部件同时且连续地进行大量处理。进行渗碳的部件所要求的特性并不如 上述那样限于耐冲击特性。例如，渗碳钢部件也要求耐磨性以及疲劳强度等特性。因而，在 渗碳处理时使碳势降低的做法对主要要求耐冲击特性的部件是有效的，但在主要要求疲劳 强度的部件中带来不良影响，产生由疲劳强度的降低而导致的问题。如果尝试通过在未怎 么发挥渗碳性的条件下进行渗碳来控制渗碳钢部件的表面C浓度，此时需要针对每个部件 调整渗碳条件。不过，这导致生产率的降低，因此在工业实用性方面并不理想。
[0010] 因而，寻求即使在能够与各种部件的渗碳相对应的强有力的渗碳条件下进行渗碳 处理、也能够将C的渗入量控制在适当水平的渗碳用钢。
[0011] 作为表面C浓度的控制技术，在专利文献4中提出了通过规定Si、Ni、Cu以及Cr 的含量的关系来抑制过度渗碳的渗碳钢部件。不过，在该文献中成为对象的渗碳气氛是将 钢的表面C浓度设定为1. 0%左右的渗碳气氛。在将钢的表面C浓度设定为这样的值的情 况下，在钢的表面产生碳化物。在该情况下，无法实现对冲击值提高有效的表面C浓度的降 低。
[0012] 现有技术文献
[0013] 专利文献
[0014] 专利文献1 :日本特开2008 - 179848号公报
[0015] 专利文献2:日本特开平1 一 108347号公报
[0016] 专利文献3:日本专利3927355号公报
[0017] 专利文献4:日本特开2007 - 291486号公报
【发明内容】
[0018] 发明所要解决的问题
[0019] 如上所述，对于机械构造用的渗碳钢部件来说，需要兼顾耐冲击特性和耐磨性。能 够变更部件的设计，以使得通过充分地提高渗碳钢部件所用的渗碳材料的耐冲击特性，从 而在抑制使用材料量的同时还确保部件的耐冲击特性。并且，需要在单一的渗碳条件下、或 者在尽可能少的种类的渗碳条件下对用途不同的各种部件进行机械构造用的渗碳钢部件 的实际的生产工序中的渗碳处理。
[0020] 在专利文献1~4的公开技术中，无法充分地满足兼顾冲击值的提高和避免生产 率降低的需求，具体而言是下述需求：不需要针对每个部件调整渗碳条件就能够得到耐冲 击特性优异的渗碳钢部件。
[0021] 本发明提供一种钢，在将该钢用作渗碳钢部件的材料时能够获得冲击值（耐冲击 特性）和耐磨性这两者优异的渗碳钢部件，而且，在制造该渗碳钢部件时无需变更渗碳条 件。
[0022] 解决问题的手段
[0023] 本发明者们为了实现能够获得避免使生产率降低而且具有优异的冲击值的渗碳 钢部件的钢，对使化学组成和渗碳材料质特性在大范围地且系统性地变化的钢实施了渗碳 以及冲击试验。其结果是，获得了以下说明的见解。
[0024] 图1是表示对钢进行渗碳处理而获得的渗碳材料的表面C浓度和冲击值之间的关 系的图表。通过渗碳处理使钢的表面C浓度上升。获得了如下见解：为了使渗碳材料的冲 击值提高，如图1所示，将渗碳后的表面C浓度控制在适当的水平是有效的。
[0025] 并且，本发明者们获得了如下见解：如上所述那样控制渗碳材料的表面C浓度能 够通过对固溶于钢中的合金元素的含量进行调整来实现。具体而言，在将各合金元素的含 量分别设定为规定范围内、且将钢中的合金元素中的Si、Ni、Al以及Sn的钢中含量（单位： 质量％ )设定为[Si% ]、[Ni% ]、[A1% ]、[Sn% ]时，本发明者们弄清楚了如下内容而完 成了本发明：通过满足下述式（A)，渗碳材料的表面C浓度成为适当的值，冲击值得以提高。
[0026] 42^21X[Si% ]+5X[Ni% ]+40X[Sn% ]+32X[Al%] ^8. 5 (A)
[0027] 本发明是基于以上的新见解而完成的，本发明的主旨如下所述。
[0028] (1)本发明的一技术方案的钢，其化学组成以质量％计含有C:0. 16~0.30%、 Si:0. 01 ~2. 0%、Mn:0. 35 ~1. 45%、Cr:0. 05 ~3. 0%、A1 :0. 001 ~0. 2%、Ni:0. 04 ~ 5. 0%、Sn:0? 015 ~1. 0%、S:0? 004 ~0? 05%、N:0? 003 ~0? 03%、0 :0? 005% 以下、P: 0? 025% 以下、Mo:0 ~1. 0%、Cu:0 ~1. 0%、B:0 ~0? 005%、Nb:0 ~0? 3%、Ti:0 ~0? 3%、 V:0 ~1. 0%、Ca:0 ~0? 01%、Mg:0 ~0? 01%、Zr:0 ~0? 05%、Te:0 ~0? 1% 以及稀土类 元素：0~0. 005%，并且剩余部分为Fe以及杂质，在将Si、Ni、Al以及Sn的含量以质量％ 计表示为[Si% ]、[Ni% ]、[A1% ]、[Sn% ]时，满足下述式（A)。
[0029] 42^21X[Si% ]+5X[Ni% ]+40X[Sn% ]+32X[Al%] ^8. 5 (A)
[0030] (2)根据上述（1)所记载的钢，所述化学组成也可以以质量％计含有Mo:0. 05~ 1. 0%、Cu:0? 01~1. 0%以及B:0? 0002~0? 005%中的一种或两种以上。
[0031] (3)根据上述⑴或⑵所记载的钢，所述化学组成也可以以质量％计含有Nb: 0? 005~0? 3%、Ti:0? 005~0? 3%以及V:0? 01~1. 0%中的一种或两种以上。
[0032] (4)根据上述⑴~（3)中任一项所记载的钢，所述化学组成也可以以质量％计含 有Ca:0? 0005 ~0? 01%、Mg:0? 0005 ~0? 01%、Zr:0? 0005 ~0? 05%、Te:0? 0005 ~0? 1% 以及稀土类元素：0. 0001~0.005%中的一种或两种以上。
[0033] 发明效果
[0034] 若使用本发明的钢来制造渗碳钢部件，则不需要为了提高渗碳钢部件的冲击值而 针对每个渗碳钢部件调整渗碳条件。因而，能够通过渗碳方法的统一来提高制造效率，并且 能够获得优异的冲击值的渗碳钢部件，由本发明带来的工业上的效果极大。
【附图说明】
[0035] 图1是表示冲击值和表面C浓度之间的关系的图表。
[0036] 图2是表示在本发明使用的夏氏冲击试验片的与缺口的延伸方向垂直的截面的 示意图。
[0037] 图3是表示表面C浓度的测量区域的示意图。
[0038] 图4是表示表面C浓度和冲击值比之间的关系的半对数图表。
[0039]图 5 是表示 21X[Si% ]+5X[Ni% ]+40X[Sn% ]+32X[A1%]与表面C浓度和 冲击值比之间的关系的图表。
【具体实施方式】
[0040] 以下详细地说明用于实施本发明的方式。
[0041] 首先，对本实施方式的钢的化学成分的限定理由进行说明。以下，将作为合金元素 的含量的单位