碳氮共渗钢构件的方法、钢构件以及该构件的使用的制作方法
【专利摘要】热处理钢构件（28、36）的方法，以向钢构件（28、36）提供具有改进的耐磨性的表面。该方法包括以下步骤：在930-970℃的温度下碳氮共渗钢构件（28、36），冷却钢构件（28、36），再加热钢构件（28、36）至780-820℃的温度，以及或淬火钢构件（28、36）以形成马氏体并回火，或淬火钢构件（28、36）以形成贝氏体并回火。
【专利说明】碳氮共渗钢构件的方法、钢构件以及该构件的使用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种热处理钢构件的方法，从而向钢构件提供具有改进的耐磨性的表面。本发明还涉及一种具有碳氮共渗层的钢构件以及在受污染和/或不良润滑的条件下这样的钢构件的使用。
【背景技术】
[0002]碳氮共渗是一种冶金表面改性技术，其用来增加金属构件的表面硬度，从而减少使用过程中构件的磨损。在碳氮共渗过程中，碳和氮的原子有空隙地扩散进入到金属中，促使障碍物打滑并增加表面附近通常在0.1至0.3毫米厚的层中的硬度。碳氮共渗通常是在850-860 V的温度下进行的。
[0003]碳氮共渗通常用来改善含有低或中碳钢且不含有高碳钢的钢构件的耐磨性。虽然含有高碳钢的钢构件更坚固，但是人们已经发现其在某些应用中更容易开裂。例如，构件可能用于通常很脏的润滑油易于受到污染的环境中，比如在齿轮箱中，并且众所周知的是，构件的使用寿命在这样的条件下可能大大降低。例如，润滑剂中的颗粒即可位于齿轮箱的各种运动部件之间，并且在它们的接触面产生凹痕。应力集中在这些凹痕的边缘周围，并且接触应力的集中可能最终会导致疲劳开裂。使用以这种方式损坏的构件还可能会导致由这些构件所产生的噪声的增加。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种热处理钢构件的方法，以向钢构件提供具有改进的耐磨性的表面。
[0005]此目的是通 过这样的方法实现的，该方法包括以下步骤:a)在930_970°C的温度即比通常的碳氮共渗温度更高的温度下碳氮共渗钢构件，以便溶解所有的碳化物，b)冷却钢构件至A1转变温度以下的温度，c)再加热(重新硬化)钢构件至780-820°C的温度，即高于A1转变温度的温度，低于碳氮共渗温度且低于现有技术中所使用的温度，以及或d)淬火钢构件，例如在油中，以形成马氏体并回火，或d)在淬火介质浴中淬火钢构件，比如盐浴、聚合物溶液或油，以形成贝氏体。
[0006]进行根据本发明方法的钢构件的表面将具有至少为60的洛氏硬度HRC，并且包括相当数量的细小碳化物，即具有最大纵向尺寸为0.2-0.3 μ m的碳化物。以这种方式改变钢构件的表面的微观结构改善其耐磨性，并且提高其缓解表面上任何凹痕的边缘处的应力集中的能力。
[0007]通过在给定的温度范围内的一定温度下执行碳氮共渗步骤，以及随后的(重新硬化)热处理，钢构件可以设置有具有从钢构件的表面所测得的深度为0.3-1.5_的碳氮共渗层，其中该碳氮共渗层仅包含具有最大纵向尺寸为0.2-0.3μπι的碳化物，并且不包含具有更长最大纵向尺寸的碳化物。
[0008]根据本发明的实施例，所述方法包括在150_260°C范围内的温度下低温回火钢构件的步骤。执行回火，通过将脆性的马氏体或贝氏体转换到铁素体与渗碳体的组合中使钢构件坚韧。脆性材料在其已被回火后变得强硬和柔韧。
[0009]根据本发明的实施例，所述方法包括在约290摄氏度的温度下回火钢构件达4小时的步骤。这将导致钢构件的硬度增加，并且还可以在较高的工作温度下使用钢构件，比如轴承，同时保持构件的高硬度。在本实施例中，工作温度达250摄氏度。这可用于贝氏体与马氏体结构。在钢构件的实施例中，当钢构件已进行贝氏体淬火并随后在290摄氏度下回火达4小时的时候，构件的硬度将约为61.5HRC。在钢构件的实施例中，当钢构件已进行马氏体淬火并随后在290摄氏度下回火达4小时时，构件的硬度将约为57.6HRC。[0010]根据本发明的另一实施例，所述方法包括在约340摄氏度的温度下回火钢构件达4小时的步骤。这将导致钢构件的硬度增加，并且还可以在较高的工作温度下使用钢构件，比如轴承，同时保持构件的高硬度。在本实施例中，工作温度达300摄氏度。这可用于贝氏体与马氏体结构。在钢构件的实施例中，当钢构件已进行贝氏体淬火并随后在340摄氏度下回火达4小时时，构件的硬度将约为59.5HRC。在钢构件的实施例中，当钢构件已进行马氏体淬火并随后在340摄氏度下回火达4小时时，构件的硬度将约为55.5HRC。
[0011]根据本发明的另一实施例，所述方法包括在约390摄氏度的温度下回火钢构件达4小时的步骤。这将导致钢构件的硬度增加，并且还可以在较高的工作温度下使用钢构件，比如轴承，同时保持构件的高硬度。在本实施例中，工作温度达350摄氏度。这可用于贝氏体与马氏体结构。在钢构件的实施例中，当钢构件已进行贝氏体淬火并随后在390摄氏度下回火达4小时时，构件的硬度将约为58HRC。在钢构件的实施例中，当钢构件已进行马氏体淬火并随后在390摄氏度下回火达4小时时，构件的硬度将约为52.5HRC。
[0012]根据本发明的另一实施例，步骤a)包括在930_970°C的温度下碳氮共渗钢构件达5-10小时。在本发明的另一实施例中，步骤a)包括在930-970°C的温度下碳氮共渗钢构件达至少8小时。这将会导致碳氮共渗层将深入到钢构件的表面中，约1-1.5mm。这特别对于大型钢构件比如大型滚动轴承是有利的。
[0013]根据本发明的实施例，钢构件包括或构成滚动元件或滚子，或用于其中进行交变赫兹应力的应用的钢构件，比如滚动接触或组合的滚动与滑动，比如旋转枢转轴承或用于轴承的滚道。该构件可以包括或构成齿轮齿、凸轮、轴、轴承、紧固件、销、汽车离合器片、刀具或模具。钢构件例如可以构成至少一部分的滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承、调心滚子轴承、圆环滚子轴承或推力轴承。该构件可用于汽车、风能、海运、金属生产或要求高耐磨性和/或增加疲劳与拉伸强度的其他机械应用中。
[0014]根据本发明另一实施例，钢构件包括碳含量为0.6-1.20% (重量)的钢，比如例如为SAE52100/Gd3的高碳轴承钢。与现有技术相比，高碳钢构件的碳氮共渗层与芯部的硬度大于公知的包括具有低碳含量的钢的构件的情况。结果，滚动接触的耐磨性和疲劳强度得到改善。此外，构件比如轴承的负载能力将得到提高，从而对于特定应用来说，轴承的结构可能更小。滚动接触的抗疲劳性也增加了，从而使轴承的使用寿命可以延长。另外，通过在现有技术中所描述的出现开裂的缺点尚未发现。
[0015]根据本发明的另一实施例，钢构件包括碳含量为0.6-1.20% (重量)的钢，比如例如为SAE52100(高碳铬钢)的高碳轴承钢，其中，钢在热处理过程之前球化退火，具有约15%的碳化物，这些全都将在930-970°C下渗碳钢时溶解。在另一实施例中，钢构件包括碳含量为0.7-1.20% (重量)的钢。在本发明的另一实施例中，步骤C)包括再加热(重新硬化)钢构件至780-820°C的温度，这将导致在钢构件的芯中3-5%的残留碳化物。人们已经发现，通过使用0.6-1.20% (重量)的碳的高碳钢，再加热步骤将在芯部中产生残留的碳化物。这将增加芯部的硬度和强度，并且发生开裂的风险显著降低。
[0016]根据本发明的另一实施例，作为所述方法的结果，钢构件设置有具有从钢构件的表面所测得的碳氮共渗层的深度(d)与所述钢构件的最大横向尺寸(D)的比例(d:D)为1:4000至1:17000或以上的碳氮共渗层。根据本发明的方法可以用来提供具有碳氮共渗层的任意大小的构件。然而，该方法特别适于向具有例如数米的最大横向尺寸的大型构件提供碳氮共渗层，因为较高的碳氮共渗温度向碳氮共渗层提供更大的深度，从而碳氮共渗层的一部分可能在构件的制造过程中被磨掉，而基本上不影响构件的耐磨性。
[0017]本发明还涉及一种钢构件，其包括具有从钢构件的表面所测得的碳氮共渗层深度为0.3-1.5mm的碳氮共渗层，其中该碳氮共渗层仅包含具有最大纵向尺寸为0.2-0.3 μ m的碳化物。
[0018]根据本发明的实施例，所述钢构件包括碳含量为0.6-1.2% (重量)的钢，比如例如为SAE52100/Gd3的高碳轴承钢。
[0019]据本发明的实施例，所述钢构件包括或构成滚动元件或滚子，或用于其中进行交变赫兹应力的应用的钢构件。
[0020]根据本发明的另一实施例，所述钢构件包括具有从钢构件的表面所测得的碳氮共渗层的碳氮共渗层深度(d)与所述钢构件的最大横向尺寸(D)的比例(d:D)为1:4000至1:17000或以上的碳氮共渗层。
[0021]本发明还涉及在受污染和/或不良润滑条件下使用根据本发明任一实施例的钢构件。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]在下文中，将参照附图，通过非限制性示例，对本发明进行进一步说明，其中，
[0023]图1示出了根据现有技术的热处理周期，
[0024]图2示出了根据本发明实施例的方法，
[0025]图3示出了根据本发明实施例的构件的碳氮共渗层深度，
[0026]图4示出了根据本发明实施例的构件的碳氮共渗层的显微照片和其中的示意性图示，以及
[0027]图5和图6示出了根据本发明实施例的构件。
[0028]应该指出的是，附图没有按比例绘制，并且为了清楚起见，夸大了某些特征的尺寸。
【具体实施方式】
[0029]图1示出了根据现有技术的热处理周期。钢构件在850°C的温度下进行了碳氮共渗(CN)过程。通过在受控制的载气的条件下将甲烷/丙烷/天然气(为了碳)和氨(为了氮)引入到炉中来设置该过程的环境。通过保持工作气体的适当的比例，构件设置有富含碳氮的钢的薄碳氮共渗层。然后，构件被再加热到820°C且随后淬火，以实现完全的表面硬度。淬火可以在具有所选定的以实现具有尺寸变化的可接受水平的最佳性能的浴温的油或盐浴中进行。热油/盐浴淬火可用于使复杂部件的扭曲变形最小化。可以进行低温回火，以使钢构件坚韧。
[0030]图2示出了根据本发明的方法。该方法包括步骤a):在930_970°C的温度下碳氮共渗钢构件达5-10小时。 [0031]根据本发明的实施例，所述方法包括在碳氮共渗步骤a)开始时供给较高浓度的氨，以推进碳氮共渗过程。例如，最初可以使用9.5%的氨；这可以降低至6.5%的氨以及然后O %。9.5%的氨可以用于约70%的碳氮共渗步骤a)。
[0032]然后，所述方法包括步骤:b)冷却钢构件至A1转变温度以下的温度；c)再加热钢构件至780-820°C的温度，即高于A1转变温度的温度，低于碳氮共渗温度且低于现有技术中所使用的再加热温度；和d)淬火钢构件以形成马氏体，以及在150-260°C范围内的温度下低温回火钢构件。回火后，构件冷却至室温，然后可以用在任何应用中，其中可能在正常运转周期下比如在受污染和/或不良润滑的条件下经受应力、应变、撞击和/或磨损。
[0033]或者，在钢构件被再加热至780-820°C的温度的步骤c)之后，可以对钢构件进行淬火，例如在盐浴中，以形成贝氏体。这将会在钢构件的表面下引起压缩残余应力。在实施例中，钢构件表面下的压缩残余应力是250-300MPa。标准贝氏体钢可能具有约50_75MPa的压缩残余应力。压缩残余应力有益于疲劳寿命，例如经受交变赫兹应力的轴承构件的疲劳寿命。可选的是，钢构件随后可以进行回火步骤。
[0034]进行根据本发明实施例的方法的构件可以与或不与随后的研磨操作使用。
[0035]包括碳含量为0.6-1.20% (重量)的钢的钢部件可进行根据本发明的方法。
[0036]图3示出了相对于碳氮共渗层的硬度(y轴)的距离根据本发明实施例的构件的表面以μ m为单位的碳氮共渗深度(X轴)。图3示出了构件碳氮共渗层的测量的硬度值，该构件包括已经进行根据本发明方法的SAE52100/Gd3钢。
[0037]图3即示出了下列构件的硬度曲线:
[0038]?经受在930°C下进行碳氮共渗达8小时且在160°C下马氏体地再硬化达1.5小时及在350°C下回火达5小时的构件(曲线10)，
[0039]?经受在970°C下进行碳氮共渗达6小时且在160°C下马氏体地再硬化达1.5小时及在350°C下回火达5小时的构件(曲线12)，
[0040]?经受在930°C下进行碳氮共渗达8小时且在215°C下达4小时、240°C下达4小时贝氏体地再硬化及在350°C下回火达5小时的构件(曲线14)，以及
[0041]?经受在970°C下进行碳氮共渗达6小时且在215°C下达4小时、240°C下达4小时贝氏体地再硬化及在350°C下回火达5小时的构件(曲线16)。
[0042]图3还示出了在贝氏体中取得的渗氮深度18和在马氏体中取得的渗氮深度20。曲线10-16示出的是，通过选择合适的碳氮共渗与重新硬化的温度和时间，可以对碳氮共渗层的深度进行调整，以适应特定的应用。
[0043]根据本发明的方法可以用来向钢构件提供具有0.3-1.2mm厚度的碳氮共渗层，其中在碳氮共渗层中的所有碳化物具有0.2-0.3 μ m的最大纵向尺寸。
[0044]图4示出了根据本发明的构件的碳氮共渗层的显微照片21，该构件已经经受了在930°C下进行碳氮共渗，在油浴中冷却至70°C，在320°C下回火，再加热至820°C，在215°C的盐浴中淬火达四个小时，及之后直接转移至240°C的盐浴中达四个小时并冷却至室温，且最终进行350°C回火。显微照片21中的白色结构与示意性图示中的黑色结构是碳化物24。
[0045]图4还示出了根据本发明另一实施例及其示意性图示的构件的碳氮共渗层的显微照片22，该构件已经经受了在970°C下进行碳氮共渗，在油浴中冷却至70°C，在320°C下回火，再加热至820°C，在215°C的盐浴中淬火达四个小时，及之后直接转移至240°C的盐浴中达四个小时并冷却至室温，且最终进行350°C回火。显微照片22中的白色结构与示意性图示22中的结构中的黑色结构是碳化物26。
[0046]可以看出，显微照片21中的碳化物24比显微照片22中的细小碳化物26更粗大。显微照片21中的粗大碳化物24比显微照片22中的细小碳化物26更疏远地间隔开，并且碳氮共渗层的每单位面积具有的更少。根据本发明的构件的碳氮共渗层，其包含比现有技术构件的碳氮共渗层更多的碳化物，更细小的碳化物及更密集间隔开的碳化物24、26，与具有更少、更大且更疏远地间隔开的碳化物的现有技术构件的碳氮共渗层相比，根据本发明的构件的碳氮共渗层已被发现具有优越的耐磨性。通过选择合适的碳氮共渗的温度和时间，可以对构件碳氮共渗层中的碳化物24和26的分布进行调整，以适应特定的应用。
[0047]图5示出了根据本发明实施例的构件的示例，即滚动元件轴承28，其尺寸可在从IOmm直径至几米直径的范围内变化并且具有从几十克至数千吨的承载能力。即根据本发明的轴承28可以是任意尺寸的，并且具有任意的承载能力。轴承28具有内圈30、外圈32和一组滚动元件34。内圈30、外圈32和/或滚动元件轴承28的滚动元件34，及优选的是滚动元件轴承28的所有滚动接触部分的表面的至少一部分可以进行根据本发明的方法。
[0048]图6示出了根据本发明实施例的构件36，即以横截面所示的轴。通过使用根据本发明实施例的方法，构件36已在其外表面上设置有碳氮共渗层38。从构件36的表面测量的碳氮共渗层38的深度为d，构件36的最大横向尺寸(在这种情况下为轴的直径)为D。碳氮共渗层38的厚度d与构件36的最大横向尺寸D的比例(d:D)为1:4000-17000或以上。
[0049]示例
[0050]?钢构件进行根据本发明的方法，包括以下步骤:在930°C或970°C的温度下碳氮共渗钢构件(步骤a))，通过使用油浴将钢构件冷却至70°C(步骤b))，在320°C下回火构件，将钢构件再加热(贝氏体重新硬化)至820°C (步骤c))，在215°C的盐浴中淬火钢构件达四个小时(步骤e)，及之后直接在240°C的盐浴中淬火达四个小时并空气冷却至室温。进行此方法的钢构件的所测得的硬度为61.5至62.0HRC。
[0051]?钢构件还进行根据本发明的方法，包括以下步骤:在930°C或970°C的温度下碳氮共渗钢构件(步骤a))，通过使用油浴将钢构件冷却至70°C (步骤b))，在320°C下回火构件，将钢构件再加热(马氏体重新硬化)至820°C (步骤c))，在70°C的油浴中淬火钢构件(步骤d)，空气冷却至室温，在5°C的水浴中后淬火，在160°C下回火达90分钟且空气冷却至室温。进行此方法的钢构件的所测得的硬度为64.5至65.5HRC。
[0052].SAE52100/Gd2钢构件进行在970 °C下碳氮共渗达3小时；碳势(Cp) 1.4，NH39.5%和C020%(碳势和氮势(Np)都在碳氮共渗处理过程中得以提高)，SAE52100/Gd3钢构件进行在970°C下碳氮共渗达13小时，Cpl.2，NH39.5%和C020% (氮势(Np)在碳氮共渗处理过程中得以提高)，SAE52100/Gd6钢构件进行在970°C下碳氮共渗达1.5小时，Cpl.2，NH36.5%和C020%, SAE52100/Gd70钢构件进行在970°C下碳氮共渗达4.5小时，Cpl.2，NHS3.0%和C020%。然后，构件在320°C的盐浴中淬火，在805°C下再加热(贝氏体重新硬化)达I小时，在215°C的盐浴中淬火达18.5小时，及之后直接在240°C的盐浴中淬火达六个小时并冷却至室温。进行此方法的SAE52100/Gd2钢构件的所测得的硬度为60.0HRC0进行此方法的SAE52100/Gd6钢构件的所测得的硬度为61.7HRC。碳氮共渗层的深度为2.5_3mm。
[0053]对于本领域 技术人员来说，在权利要求书的范围内对本发明进行进一步的修改将是显而易见的。
【权利要求】
1.一种热处理钢构件(28、36)的方法，从而向钢构件(28、36)提供具有改进的耐磨性的表面，其特征在于包括以下步骤: a)在930-9701:的温度下碳氮共渗钢构件(28、36)， b)冷却钢构件(28、36)， c)再加热钢构件(28、36)至780-820°C的温度，以及 或 d)淬火钢构件(28、36)以形成马氏体，并回火， 或 d)淬火钢构件(28、36)以形成贝氏体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a)包括在930-970°C的温度下碳氮共渗钢构件(28、36)达5-10小时。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述钢构件(28、36)包括碳含量为0.6-1.20% (重量)的钢。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤d)包括淬火所述钢构件以形成贝氏体，并回火。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述钢构件(28、36)包括或构成滚动元件或滚子，或用于 其中进行交变赫兹应力的应用的钢构件(28、36)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，作为所述方法的结果，所述钢构件(28、36)设置有具有0.3-1.5_厚度(d)的碳氮共渗层(38)，其中在所述碳氮共渗层(38)中的所有碳化物(24、26)具有0.2-0.3μπι的最大纵向尺寸。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，作为所述方法的结果，所述钢构件(28、36)设置有具有从钢构件(28、36)的表面所测得的碳氮共渗层(38)的深度(d)与所述钢构件(28、36)的最大横向尺寸(D)的比例(d:D)为1:4000至1:17000或以上的碳氮共渗层(38)。
8.一种钢构件(28、36)，其特征在于，其包括具有从钢构件(28、36)的表面所测得的深度为0.3-1.2mm的碳氮共渗层(38)，其中在所述碳氮共渗层(38)中的所有碳化物(24、26)具有0.2-0.3 μ m的最大纵向尺寸。
9.根据权利要求8所述的钢构件(28、36)，其特征在于，其包括碳含量为0.6-1.2%(重量)的钢。
10.根据权利要求8或9所述的钢构件(28、36),其特征在于,其包括或构成滚动元件或滚子，或用于其中进行交变赫兹应力的应用的钢构件(28、36)。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的钢构件(28、36)，其特征在于，其包括具有从钢构件(28、36)的表面所测得的碳氮共渗层的碳氮共渗层(38)深度(d)与所述钢构件(28、36)的最大横向尺寸(D)的比例(d:D)为1:4000至1:17000或以上的碳氮共渗层(38)。
12.在受污染和/或不良润滑条件下使用根据权利要求8-11中任一项所述的钢构件(28、36)。
【文档编号】F16C33/00GK103547699SQ201280025243
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年4月4日 优先权日:2011年4月13日
【发明者】S.拉森, P.纽曼 申请人:Skf公司