專利名稱：表層部淬火的鋼鐵材料及其制造方法以及淬火零件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及作為表面壓力強(qiáng)度、耐磨損性、彎曲疲勞強(qiáng)度等機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)良的機(jī)械 構(gòu)造零件所使用的表層部淬火的鋼鐵材料及其制造方法以及淬火零件。
背景技術(shù)：
以往，為了提高機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)鑄鐵、鋼的機(jī)械構(gòu)造零件實(shí)施氮化處理、軟氮化處理、 滲碳淬火、高頻淬火等表面硬化處理。其中，眾所周知，通過(guò)氮化處理等形成于最表面的氮 化物層、特別是表面?zhèn)鹊幕衔飳拥哪突瑒?dòng)性優(yōu)良，并且耐磨損，抗咬粘(seizure)性也較尚ο
但是，以往的氮化處理或軟氮化處理與滲碳淬火、高頻淬火相比，硬化層深度較 淺，表面壓力強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等存在改良的余地。
因此，近年來(lái)，利用氮的特性開發(fā)出一種這樣的復(fù)合硬化處理，S卩，在氮化處理或 軟氮化處理之后，實(shí)施高頻淬火處理，加深硬化深度并提高表面壓力強(qiáng)度，從而提高疲勞強(qiáng)度。
在此，例如通過(guò)氮化處理在鋼鐵材料的表面形成氮化膜等化合物層之后實(shí)施高頻 淬火處理的情況下，化合物層所含有的氮擴(kuò)散到鋼鐵材料的表層部，所謂的N擴(kuò)散層擴(kuò)大。
在這種情況下，在高頻淬火過(guò)程中，淬火溫度至少需要成為奧氏體組織的Acl相 變點(diǎn)以上的溫度，通常從750 1050°C的溫度范圍中選擇。例如，以氮化溫度570°C形成的 氮化物層是鐵與氮的結(jié)合，再加熱到650°C以上時(shí)，該氮化物被氧化而分解，導(dǎo)致氮化物層 的氮在最表面作為氮?dú)獗环懦?，并在?nèi)部擴(kuò)散。
因而，化合物層的表層部因高頻淬火而被氧化，導(dǎo)致化合物層的表面成為氧化層。 在此，相對(duì)于化合物層的致密，氧化層為多孔質(zhì)。因此，化合物層的表面被氧化層覆蓋而沒 有露出來(lái)，有時(shí)還出現(xiàn)化合物層的至少一部分消失而使化合物層變薄，從而使基于化合物 層的特性的機(jī)械強(qiáng)度、耐滑動(dòng)性、耐磨損性受損。
相對(duì)于此，在專利文獻(xiàn)1中公開了一種這樣的方法，即，為了解決由于對(duì)通過(guò)氮化 處理形成于表面的氮化物層未施任何處理地進(jìn)行高頻淬火而導(dǎo)致在高溫加熱條件下氮化 物層的損傷、消失這樣的問(wèn)題，在氮化處理后的表面上以1 3mm的厚度包覆以氧化硅為成 分的防氣體氮化·離子氮化劑、防滲碳劑、防氧化劑等，再進(jìn)行淬火。
另外，例如，在專利文獻(xiàn)2中公開了一種這樣的淬火鋼鐵構(gòu)件，其特征在于，在鋼 鐵材料的表面形成有由較硬的氮化物構(gòu)成的化合物層，并且，作為該化合物層的上層形成 有無(wú)機(jī)化合物層，該無(wú)機(jī)化合物層含有從由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、W、Mo及Al構(gòu)成的組 中選出的至少一種金屬氧化物。
專利文獻(xiàn)1 日本特開昭58-096815號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)2 日本特開2008-038220號(hào)公報(bào)
但是，采用專利文獻(xiàn)1的淬火方法，雖然能夠防止加熱時(shí)的氧化現(xiàn)象，但需要Imm 以上的厚膜，致使導(dǎo)熱性變低、冷卻速度變慢、淬火時(shí)的冷卻溫度不充分，而難以獲得目標(biāo)硬度。另外，由于該防氧化膜的摩擦阻力較大，因此，在淬火處理之后需要除去，導(dǎo)致生產(chǎn)效 率降低。
對(duì)于專利文獻(xiàn)2的鋼鐵材料，利用在淬火工序之前施加的無(wú)機(jī)化合物層的表面保 護(hù)劑，來(lái)保護(hù)形成于鋼鐵材料的表面的、由較硬的氮化物構(gòu)成的化合物層防止該化合物層 在淬火工序中損傷、消失，但即使采用該發(fā)明，自大于800°C的高溫下淬火3秒以上時(shí)，也很 有可能無(wú)法防止該化合物層的氧化。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明即是鑒于上述課題而做成的，其目的在于通過(guò)避免形成于鋼鐵材料的表面 的化合物層因高頻淬火而氧化地實(shí)施淬火，來(lái)提供表層部淬火的鋼鐵材料及其制造方法以 及淬火零件。
本發(fā)明人等基于反復(fù)進(jìn)行深入研究的結(jié)果，得到能夠通過(guò)在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行高頻加 熱處理來(lái)避免形成于鋼鐵材料的表面的化合物層氧化這樣的見解，得以完成本發(fā)明。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的表層部淬火的鋼鐵材料由基材、形成于上述基材的 表面的化合物層、及形成在上述化合物層上的防氧化用包覆層構(gòu)成，其特征在于，從上述基 材的表面到規(guī)定深度具有淬火硬化層，而且，在上述化合物層的表層部未形成多孔質(zhì)的氧 化層。
在上述構(gòu)造中，化合物層優(yōu)選由從i^、Ti、&、Mo、W、Cr、B及Si中選出的至少一種 元素的氮化物層構(gòu)成，防氧化用包覆層優(yōu)選由含有如下金屬元素的氧化物構(gòu)成，該金屬元 素為從由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、W、Mo及Al構(gòu)成的組中選出的至少1種的金屬元素。
本發(fā)明的淬火零件的特征在于，采用了上述鋼鐵材料。淬火零件例如是動(dòng)力傳動(dòng) 系統(tǒng)零件。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的鋼鐵材料高頻淬火方法包括第一處理工序，在該處 理工序中以包覆形成于基材表面的化合物層的方式形成防氧化用包覆層；第二處理工序， 在該處理工序中對(duì)在上述基材的表面形成化合物層及防氧化用包覆層而成的鋼鐵材料進(jìn) 行高頻淬火，其特征在于，在上述第二處理工序中，在規(guī)定的加熱時(shí)間(tl)內(nèi)將上述鋼鐵 材料加熱至規(guī)定的加熱溫度(Tl)，在達(dá)到上述規(guī)定的加熱溫度之后立即進(jìn)行冷卻。
在上述構(gòu)造中，優(yōu)選加熱溫度Tl為760°C彡Tl ( 880°C的范圍，加熱時(shí)間tl為 0. 6秒彡tl ( 2秒的范圍。優(yōu)選以金屬附著量為150 200mg/m2的方式形成第一處理工 序的防氧化用包覆層。
采用上述構(gòu)造，在形成于基材表面的化合物層上形成有防氧化用包覆層、優(yōu)選為 氧化鈦層，之后對(duì)鋼鐵材料的表層部進(jìn)行高頻淬火，因此，利用防氧化用包覆層來(lái)阻止化合 物層的表面氧化。
因而，能夠抑制化合物層的表層部變成多孔質(zhì)的氧化層，因此，與以往相比，進(jìn)一 步較厚地殘留化合物層，且利用高頻淬火提高了硬度，而能夠維持基于化合物層的特性的 機(jī)械強(qiáng)度、耐滑動(dòng)性、耐磨損性等。
采用本發(fā)明的表層部淬火的鋼鐵材料及其制造方法以及淬火零件，能夠抑制在化 合物層的表面因高頻淬火形成氧化層。因而，不會(huì)發(fā)生剩余的化合物層變薄、或者其一部分 消失，殘留比較厚的化合物層，而使基于化合物層的特性的機(jī)械強(qiáng)度、耐滑動(dòng)性、耐磨損性等不會(huì)受損。


圖1是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的表層部淬火的鋼鐵材料的高頻淬火前的狀 態(tài)的概略剖視圖。
圖2是表示圖1的鋼鐵材料的制造方法的一個(gè)實(shí)施方式的流程圖。
圖3是示意地表示高頻淬火的加熱條件的圖。
圖4是表示圖1的鋼鐵材料在高頻淬火之后的狀態(tài)的概略剖視圖。
圖5是表示在實(shí)施例及比較例中以各種高頻淬火時(shí)間和溫度制造的鋼鐵材料的 各層厚度的表。
圖6是表示實(shí)施例4的高頻淬火后的鋼鐵材料和各種鋼鐵材料的截面硬度分布的 坐標(biāo)圖。
圖7是表示實(shí)施例4的高頻淬火后的鋼鐵材料和各種鋼鐵材料的S-N線圖的坐標(biāo) 圖。
圖8是表示實(shí)施例3的高頻淬火后的鋼鐵材料和各種鋼鐵材料的法維O^ville) 摩擦磨損試驗(yàn)的結(jié)果的坐標(biāo)圖。
圖9是表示實(shí)施例4的高頻淬火后的鋼鐵材料和各種鋼鐵材料的法列克司摩擦磨 損試驗(yàn)的結(jié)果的坐標(biāo)圖。
圖10是表示實(shí)施例4的高頻淬火后的鋼鐵材料和各種鋼鐵材料的SRV試驗(yàn)的結(jié) 果的坐標(biāo)圖。
具體實(shí)施方式
下面，參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施方式。
圖1是表示本發(fā)明的表層部淬火的鋼鐵材料10的一個(gè)實(shí)施方式的高頻淬火前的 狀態(tài)的概略剖視圖。
在圖1中，鋼鐵材料10在高頻淬火之前由鋼鐵材料(以下稱作基材)11、形成于基 材11表面的化合物層12、及形成在化合物層12上的防氧化用包覆層13構(gòu)成。
另外，發(fā)明名稱中的“鋼鐵材料”是稱呼在表面層疊有化合物層12和防氧化用包 覆層13的鋼鐵材料，“基材”僅是稱呼在表面未層疊化合物層12和防氧化用包覆層13的鋼 鐵材料。
基材11例如是碳鋼、低合金鋼、高合金鋼、鑄鐵等鋼鐵材料，優(yōu)選例如使用高碳 鋼、低合金鋼等。
化合物層12通過(guò)對(duì)基材11進(jìn)行表面處理而形成。該化合物層12優(yōu)選為例如從 Fe、Ti、Zr、Mo、W、Cr、B及Si中選出的至少一種元素的氮化物層。
形成化合物層12的表面處理的方法并沒有特別的限定，例如通過(guò)氮化擴(kuò)散處理、 CVD (Chemical Vapor D印osition 化學(xué)氣相沉積法)、PVD (Physical Vapor Deposition 物理氣相沉積法)等形成。較為優(yōu)選IS0NITE(注冊(cè)商標(biāo))處理、低溫鹽浴軟氮化處理等鹽 浴軟氮化處理、氣體軟氮化處理、離子氮化處理、等離子氮化處理等方法。
防氧化用包覆層13由金屬元素的氧化物形成，該金屬元素的氧化物含有例如從由Ti、&、Hf、V、Nb、Ta、Cr、W、Mo及Al構(gòu)成的組中選出的至少1種。其中，優(yōu)選為Ti的氧 化物(TiO2)，例如能夠使用將被處理物浸漬于含有Ti化合物的溶液中并將其提起、之后使 其干燥的浸涂法(dip coat method)等涂敷方法形成在化合物層12上。
為了使上述防氧化用包覆層13能夠可靠地防止處于其下面的化合物層12因高頻 淬火而氧化，例如將該防氧化用包覆層13形成為金屬附著量為150 200mg/m2左右。
本發(fā)明的實(shí)施方式的鋼鐵材料10在高頻淬火之前如上所述地構(gòu)成，下面，說(shuō)明其 制造方法。
圖2是表示圖1的鋼鐵材料10的制造方法的一個(gè)實(shí)施方式的流程圖。
首先，在步驟STl中，例如通過(guò)IS0NITE (注冊(cè)商標(biāo))處理在基材11的表面形成化 合物層12。
其次，在步驟ST2中，在化合物層12的表面形成防氧化用包覆層13。
接著，在步驟ST3中，對(duì)包括化合物層12和防氧化用包覆層13的基材11實(shí)施高 頻淬火處理。
圖3是示意地表示高頻淬火的加熱條件的圖。圖中的橫軸表示加熱時(shí)間(秒)，圖 中的縱軸表示加熱溫度(°c)。如圖3所示，高頻淬火通過(guò)這樣的方式來(lái)進(jìn)行，S卩，在規(guī)定的 加熱時(shí)間(tl)達(dá)到規(guī)定的加熱溫度(Tl)為止地在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行加熱，達(dá)到規(guī)定的加熱溫 度(Tl)之后立即急速冷卻。圖示的情況是以加熱速度(°C/秒)恒定的情況為例來(lái)表示 的。
優(yōu)選加熱溫度Tl為760°C以上、880°C以下的溫度(760°C≤Tl≤880°C )的范圍， 加熱時(shí)間tl為0. 6秒 2秒的范圍(0. 6秒≤tl≤2秒)。只要加熱時(shí)間tl在0. 6秒 2秒的范圍內(nèi)，則加熱速度也可以不恒定。
由此，基材11的含有化合物層12的表層部通過(guò)淬火來(lái)提高硬度，并且，利用防氧 化用包覆層13包覆化合物層12，因此，利用防氧化用包覆層13來(lái)抑制化合物層12的表面 部氧化，不形成氧化層。
圖4是表示圖1的鋼鐵材料10在高頻淬火之后的狀態(tài)的概略剖視圖。高頻淬火后 的鋼鐵材料10的基材11的與化合物層12接觸的表層部通過(guò)高頻淬火變?yōu)镹濃化層11a。 由于該N濃化層Ila比較柔軟，因此，提高了化合物層12的相對(duì)于基材11的保持性。
另外，氮原子自化合物層12擴(kuò)散到該N濃化層Ila的正下方，而形成N擴(kuò)散層lib。
以上，完成了表層部淬火的鋼鐵材料10。
在步驟ST3中，在上述范圍(760°C≤Tl ≤880°C、0. 6秒≤tl≤2秒)內(nèi)進(jìn)行高 頻淬火的情況下，淬火后的化合物層12、N濃化層Ila均良好，而且，形成于基材11表面的 硬化層的硬度也良好。
在加熱時(shí)間tl和加熱溫度Tl在上述范圍之外的情況下，形成于基材11表面部的 硬化層的硬度降低，而且，淬火后的化合物層12的表面、N濃化層Ila不良，因而不優(yōu)選該 種方式。在加熱溫度Tl過(guò)高時(shí)和即使加熱溫度Tl低于規(guī)定溫度范圍的下限值但加熱時(shí)間 tl過(guò)長(zhǎng)時(shí)，這種情況下的化合物層12的不良表現(xiàn)為因過(guò)熱導(dǎo)致防氧化用包覆層13的表面 成為多孔質(zhì)。
在通過(guò)步驟ST3的高頻淬火使基材11的與化合物層12接觸的表層部變?yōu)镹濃化 層Ila的情況下，由于形成N濃化層Ila而提高基材11的表層部的硬度。
采用本發(fā)明的表層部淬火的鋼鐵材料10，通過(guò)在化合物層12的表面又包覆了防 氧化用包覆層13，能夠抑制在化合物層12的表面因高頻淬火而形成氧化層。因而，不會(huì)發(fā) 生剩余的化合物層12變薄、或者其一部分消失，殘留比較厚的化合物層12，而使基于化合 物層12的特性的機(jī)械強(qiáng)度、耐滑動(dòng)性、耐磨損性等不會(huì)受損。另外，防氧化用包覆層13既 可以在高頻淬火之后除去，也可以不除去，能夠根據(jù)需要來(lái)選定。
由此，本發(fā)明的鋼鐵材料10即使在高表面壓力下的試驗(yàn)中也不會(huì)發(fā)生彎曲，能夠 應(yīng)用于各種齒輪、CVT零件、或者小齒輪軸(pinion shaft)等在高負(fù)荷狀態(tài)下使用的零件。 例如，能夠應(yīng)用于汽車等的從發(fā)動(dòng)機(jī)到輪胎的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)零件、即所謂的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)用零 件。
實(shí)施例1
下面，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的表層部淬火的鋼鐵材料(以下簡(jiǎn)稱作鋼鐵材料)10的實(shí) 施例。
作為基材11，使用直徑6. 5mm、長(zhǎng)度40mm的鉻鉬鋼(SCM440)，在對(duì)其表面進(jìn)行脫脂 清洗之后，在熔融鹽浴中以570°C對(duì)基材11進(jìn)行兩小時(shí)的鹽浴軟氮化處理(IS0NITE(注冊(cè) 商標(biāo))處理日本帕卡瀨精(株式會(huì)社)制)，之后油冷，從而在基材11的表面形成厚度約 Hum的由氮化鐵構(gòu)成的化合物層12。
在這樣地在表面形成了化合物層12的基材11上再浸涂濃度4%的氧化鈦中性水 分散溶膠(“> f夕> 5603 銳鈦礦(anatase)+非晶質(zhì)溶膠(Amorphous sol)，日本帕卡 瀨精(株式會(huì)社)制)，在除去多余的液體之后，在180°C溫度下使其干燥。用熒光X射線 分析裝置測(cè)量Ti的附著量，結(jié)果附著150mg/m2。
接著，利用高頻淬火裝置對(duì)這樣地形成了由氧化鈦層構(gòu)成的防氧化用包覆層13 和由氮化鐵構(gòu)成的化合物層12的基材11進(jìn)行加熱，在開始加熱后的0. 6秒達(dá)到780°C之 后，立即停止加熱、即進(jìn)行冷卻，制作出實(shí)施例1的鋼鐵材料10。
實(shí)施例2
作為高頻淬火的條件，在開始加熱后的0. 6秒達(dá)到800°C之后立即停止加熱來(lái)進(jìn) 行淬火，除此之外與實(shí)施例1同樣地制作出實(shí)施例2的鋼鐵材料10。
實(shí)施例3
作為高頻淬火的條件，在開始加熱后的1秒達(dá)到780°C之后立即停止加熱來(lái)進(jìn)行 淬火，除此之外與實(shí)施例1同樣地制作出實(shí)施例3的鋼鐵材料10。
實(shí)施例4
作為高頻淬火的條件，在開始加熱后的1秒達(dá)到800°C之后立即停止加熱來(lái)進(jìn)行 淬火，除此之外與實(shí)施例1同樣地制作出實(shí)施例4的鋼鐵材料10。
比較例1
在與實(shí)施例相對(duì)應(yīng)的比較例1中，作為高頻淬火的條件，在開始加熱后的3秒達(dá)到 760°C之后立即停止加熱來(lái)進(jìn)行淬火，除此之外與實(shí)施例1同樣地制作出鋼鐵材料。
比較例2
作為高頻淬火的條件，在開始加熱后的3秒達(dá)到880°C之后立即停止加熱來(lái)進(jìn)行 淬火。除此之外，與實(shí)施例1同樣地制作出比較例2的鋼鐵材料。
在此，在對(duì)高頻淬火的條件進(jìn)行了各種變更的實(shí)施例及比較例中，用掃描型電子顯微鏡(SEM)觀察鋼鐵材料10的面，在截面中，測(cè)量從表面?zhèn)绕鸬姆姥趸冒矊?3、化合 物層12、形成于基材11表面的N濃化層Ila的厚度。
圖5是表示在實(shí)施例及比較例中以各種高頻淬火時(shí)間和高頻淬火溫度制造出的 鋼鐵材料的各層厚度的表。由圖5明確可知高頻淬火溫度越高，化合物層12越薄，且N濃 化層Ila越厚。在高頻淬火溫度T為760°C和780V的條件下，化合物層12沒有變薄，并良 好地形成N濃化層11a。
圖5表中的數(shù)值表示化合物層12和N濃化層Ila的維氏硬度。維氏硬度使用微 小硬度計(jì)以施加10秒鐘0. 49N的載荷來(lái)測(cè)量。在高頻淬火時(shí)間為0. 6秒和1秒的情況下， 高頻淬火溫度上升時(shí)，化合物層12和N濃化層Ila的維氏硬度有降低的趨勢(shì)。另一方面， 在高頻淬火溫度為780°C和800°C的條件下，能得到良好的利用淬火形成于基材11表面的 硬化層的維氏硬度值。
表1是表示實(shí)施例和比較例的高頻淬火條件、淬火后的鋼鐵材料10的化合物層 12、N濃化層11a、硬化層各層的維氏硬度的評(píng)價(jià)和鋼鐵材料10的綜合判斷的表。由表1明 確可知在實(shí)施例1 4中，化合物層12、N濃化層11a、硬化層各層的維氏硬度均較高，良好 地實(shí)施了淬火。另一方面，在高頻淬火的溫度Tl為760°C、加熱時(shí)間tl為3秒的比較例1 中，硬化層的維氏硬度降低。在高頻淬火的溫度Tl為880°C、加熱時(shí)間tl為3秒的比較例 2中，硬化層的維氏硬度較高，對(duì)含有化合物層12的鋼鐵材料10進(jìn)行了良好的淬火，但N濃 化層Ila的維氏硬度較低。
像以上說(shuō)明的那樣，可知相對(duì)于在實(shí)施例1 4中能夠?qū)谢衔飳?2的鋼鐵 材料10進(jìn)行良好的高頻淬火，在比較例1和比較例2中，化合物層12或硬化層的維氏硬度 不足，無(wú)法作為鋼鐵材料10。
表 1
\熱處理?xiàng)l件化合物層N濃化層硬化層綜合判斷溫度Tl ( V )時(shí)間tl (秒)實(shí)施例17800.6良好良好良好良好實(shí)施例28000.6合格合格良好合格實(shí)施例37801良好良好良好良好實(shí)施例48001合格合格良好合格比較例17603良好良好不合格不合格比較例28803不合格不合格良好不合格
圖6 圖10表示按照本發(fā)明實(shí)施了高頻淬火處理后的鋼鐵材料10和以往的鋼鐵 材料的試驗(yàn)結(jié)果。
圖6是表示實(shí)施例4的鋼鐵材料10和各種鋼鐵材料的截面硬度分布的坐標(biāo)圖。圖6中的橫軸表示距表面的深度(μ m)，圖6中的縱軸表示維氏硬度(HV0. 05)。在這種情況 下，試驗(yàn)方法使用微小硬度計(jì)作為硬度試驗(yàn)機(jī)，施加10秒鐘0. 49N的載荷來(lái)測(cè)量維氏硬度。
在圖6中，附圖標(biāo)記Al表示在實(shí)施例4中被高頻淬火處理后的鋼鐵材料10，附圖 標(biāo)記A2表示通過(guò)IS0NITE (注冊(cè)商標(biāo))處理在基材11上僅形成化合物層12且未進(jìn)行高 頻淬火的材料，附圖標(biāo)記A3表示對(duì)基材11進(jìn)行了高頻淬火處理(以下稱作IH處理)后 的材料，附圖標(biāo)記A4表示對(duì)基材11進(jìn)行了滲碳淬火處理(以下稱作CQ處理)后的材料 (SCM415，有效深度0. 5mm)，附圖標(biāo)記A5表示對(duì)基材11進(jìn)行了調(diào)質(zhì)處理(以下稱作QT處 理)后的材料。
根據(jù)圖6，可知實(shí)施例4的鋼鐵材料10(附圖標(biāo)記Al)在表面附近具有較高的硬 度、以維氏硬度HV來(lái)表示為870左右，與附圖標(biāo)記A2所表示的材料相比硬度較高。另外， 實(shí)施例4的鋼鐵材料10的硬化層變深，具有與附圖標(biāo)記A4所表示的進(jìn)行了 CQ處理后的材 料大致相同的硬度特性。
圖7是表示實(shí)施例4的鋼鐵材料10和各種鋼鐵材料的S-N線圖的坐標(biāo)圖。S-N 線圖也稱作韋勒(Wohler)曲線，是表示造成破壞所需的應(yīng)力(S)與重復(fù)次數(shù)(N)的關(guān)系的 圖。圖7中的橫軸表示次數(shù)，圖7中的縱軸表示疲勞強(qiáng)度(MPa)。這種情況的試驗(yàn)方法使用 小野式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，在室溫氣氛下以截止次數(shù)1X107對(duì)由材質(zhì)SCM440構(gòu)成的直 徑8mm的平滑試驗(yàn)片進(jìn)行試驗(yàn)。
在圖7中，附圖標(biāo)記Bl表示實(shí)施例4的鋼鐵材料10，附圖標(biāo)記B2表示通過(guò) IS0NITE(注冊(cè)商標(biāo))處理在基材11上僅形成化合物層12且未進(jìn)行高頻淬火的材料，附圖 標(biāo)記B3表示對(duì)基材11進(jìn)行了 IH處理后的材料，附圖標(biāo)記A4表示對(duì)基材11進(jìn)行了 QT處 理后的材料。
根據(jù)圖7，可知實(shí)施例4的鋼鐵材料10 (附圖標(biāo)記Bi)的疲勞強(qiáng)度為860MPa，與疲 勞強(qiáng)度為575MPa的附圖標(biāo)記B2所表示的鋼鐵材料相比僅提高了 1. 59倍，與疲勞強(qiáng)度為 680MPa的附圖標(biāo)記B3所表示的鋼鐵材料相比僅提高了 1. 26倍。
圖8是表示實(shí)施例3的鋼鐵材料10和各種鋼鐵材料的法維摩擦磨損試驗(yàn)的結(jié)果 的坐標(biāo)圖。圖8中的橫軸表示載荷(N)，圖8中的縱軸表示轉(zhuǎn)矩(N· m)。這種情況的試 驗(yàn)方法使用法維摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，在使由SCM440(CQ :SCM415)構(gòu)成的直徑6. 5mm的銷和 由SCM415(CQ)構(gòu)成的V塊以圓周速度0. Im/秒旋轉(zhuǎn)的同時(shí)、使用發(fā)動(dòng)機(jī)油(engine oil) (10W-30)作為潤(rùn)滑油，自初始載荷200kg起以秒逐漸增加來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)矩。
在圖8中，附圖標(biāo)記Cl表示實(shí)施例3的鋼鐵材料10，附圖標(biāo)記C2表示通過(guò) IS0NITE(注冊(cè)商標(biāo))處理在基材11上僅形成化合物層12且未進(jìn)行高頻淬火的材料，附圖 標(biāo)記C3表示對(duì)基材11進(jìn)行了 IH處理后的材料，附圖標(biāo)記C4表示對(duì)基材11進(jìn)行了 CQ處 理后的材料。根據(jù)圖8，實(shí)施例3的鋼鐵材料10 (附圖標(biāo)記Cl)與附圖標(biāo)記C2所表示的鋼 鐵材料相同，即使在2300kg的載荷下也未發(fā)生咬粘。相對(duì)于此，附圖標(biāo)記C3所表示的鋼鐵 材料約在700kg、附圖標(biāo)記C4所表示的鋼鐵材料約在350kg發(fā)生咬粘。
圖9是表示實(shí)施例4的鋼鐵材料10和各種鋼鐵材料的法列克司摩擦磨損試驗(yàn)的 結(jié)果的坐標(biāo)圖。圖9中的縱軸表示極限咬粘載荷(kg)。這種情況的試驗(yàn)方法使用法列克司 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，在使由SCM440 (CQ :SCr420)構(gòu)成的直徑IOmm的銷和由SCr420 (CQ處理+ 磷酸錳處理)構(gòu)成的V塊以圓周速度0. 4m/秒旋轉(zhuǎn)的同時(shí)、一邊使用CVT油(NS2)作為潤(rùn)滑油以50kg/分鐘施加階段載荷，一邊測(cè)量極限咬粘載荷。
在圖9中，附圖標(biāo)記Dl表示實(shí)施例4的鋼鐵材料10，附圖標(biāo)記D2表示對(duì)基材11 進(jìn)行了 CQ處理后的材料。附圖標(biāo)記D3表示對(duì)基材11進(jìn)行了 QPQ處理后的材料。QPQ處理 是在對(duì)基材11進(jìn)行了軟氮化處理之后進(jìn)行氧化處理和研磨的組合處理的方法。例如，在實(shí) 施了軟氮化處理之后，將基材11浸漬在以堿金屬氫氧化物及堿金屬硝酸鹽為主要成分的 熔融鹽中來(lái)進(jìn)行氧化處理，之后，利用噴砂處理等研磨表面，之后再次浸漬在熔融鹽中，來(lái) 在氮化物層上生成氧化被膜。QPQ處理的特長(zhǎng)在于，在基材11上殘留著氮化的化合物層12 的狀態(tài)下做成平滑狀且最表層氧化，因此提高了滑動(dòng)特性。附圖標(biāo)記D4表示對(duì)基材11實(shí) 施了無(wú)電解鍍鎳(Ni-P處理)后的材料。
由圖9明確可知對(duì)于實(shí)施例4的鋼鐵材料10 (附圖標(biāo)記Dl)與實(shí)施了 CQ處理和 磷酸錳處理后的V塊的組合，即使在800kg載荷下也未發(fā)生咬粘，但附圖標(biāo)記D2、D3、D4所 表示的鋼鐵材料均發(fā)生了咬粘。由此可知實(shí)施例4的鋼鐵材料10與對(duì)基材11進(jìn)行了 QPQ 處理后的材料相比，其滑動(dòng)特性上升。
圖10是表示實(shí)施例4的鋼鐵材料10和各種鋼鐵材料的SRV試驗(yàn)的結(jié)果的坐標(biāo)圖。 圖10中的橫軸表示時(shí)間(秒)，圖10中的縱軸表示摩擦系數(shù)(μ)。這種情況的試驗(yàn)方法 使用SRV試驗(yàn)機(jī)，在使由SCM440(CQ :SCM420)構(gòu)成的銷和由SCM420 (CQ)構(gòu)成的圓板以速度 30Hz移動(dòng)2mm的同時(shí)、在溫度110°C的油中測(cè)量摩擦。
在圖10中，附圖標(biāo)記El表示實(shí)施例4的鋼鐵材料10，附圖標(biāo)記E2表示對(duì)基材11 進(jìn)行了 CQ處理后的材料，附圖標(biāo)記E3表示對(duì)基材11進(jìn)行了 CQ處理和磷酸錳處理后的材 料，附圖標(biāo)記E4表示對(duì)基材11進(jìn)行了 CQ處理、磷酸錳處理和固體潤(rùn)滑處理后的材料。
根據(jù)圖10，如附圖標(biāo)記El所示，實(shí)施例4的鋼鐵材料10在超過(guò)300秒之后發(fā)生咬 粘，顯示出最佳的耐咬粘性。附圖標(biāo)記E2所表示的進(jìn)行了 CQ處理后的基材11和附圖標(biāo)記 E4所表示的進(jìn)行了 CQ處理、磷酸錳處理和固體潤(rùn)滑處理后的基材11在幾十秒就發(fā)生了咬 粘，附圖標(biāo)記E3所表示的被實(shí)施了 CQ處理和磷酸錳處理后的基材11也在100 200秒就 發(fā)生了咬粘。
由此，附圖標(biāo)記El所表示的實(shí)施例4的鋼鐵材料10即使在高表面壓力下的試驗(yàn) 中也不會(huì)發(fā)生彎曲，能夠應(yīng)用于各種齒輪、CVT零件、或者小齒輪軸等在高負(fù)荷狀態(tài)下使用 的零件。
如上所述，采用本發(fā)明，能夠提供一種利用防氧化用包覆層13防止形成于基材11 的表面的化合物層12因高頻淬火而氧化的、極其優(yōu)良的鋼鐵材料10及其制造方法以及高 頻淬火零件。
附圖標(biāo)記說(shuō)明
10、表層部淬火的鋼鐵材料；11、基材(鋼鐵材料)；11a、N濃化層；lib、N擴(kuò)散層； 12、化合物層；13、防氧化用包覆層。
權(quán)利要求
1.一種表層部淬火的鋼鐵材料，該表層部淬火的鋼鐵材料由基材、形成于上述基材的 表面的化合物層和形成在上述化合物層上的防氧化用包覆層構(gòu)成，其中，從上述基材的表面到規(guī)定深度具有淬火硬化層，而且，在上述化合物層的表層部未形 成多孔質(zhì)的氧化層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表層部淬火的鋼鐵材料，其特征在于，上述化合物層由從Fe、Ti、Zr、Mo、W、Cr、B及Si中選出的至少一種元素的氮化物層構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的表層部淬火的鋼鐵材料，其特征在于，上述防氧化用包覆層由從Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、W、Mo及Al所構(gòu)成的組中選出的至 少一種金屬元素的氧化物構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的表層部淬火的鋼鐵材料，其特征在于，上述淬火硬化層通過(guò)實(shí)施這樣的高頻淬火而形成，即，在加熱溫度Tl為 7600C^ Tl ( 880°C的范圍、且上述加熱時(shí)間tl為0. 6秒彡tl ( 2秒的范圍內(nèi)升溫加熱， 在達(dá)到加熱溫度Tl之后立即進(jìn)行冷卻。
5.一種鋼鐵材料的高頻淬火方法，該鋼鐵材料的高頻淬火方法包括第一處理工序， 在該處理工序中以包覆形成于基材表面的化合物層的方式形成防氧化用包覆層；第二處理 工序，在該處理工序中對(duì)在上述基材的表面形成化合物層及防氧化用包覆層而成的鋼鐵材 料進(jìn)行高頻淬火；其特征在于，在上述第二處理工序中，在規(guī)定的加熱時(shí)間tl內(nèi)將上述鋼鐵材料加熱至規(guī)定的加熱 溫度Tl，在達(dá)到上述規(guī)定的加熱溫度之后立即進(jìn)行冷卻。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鋼鐵材料的高頻淬火方法，其特征在于，上述加熱溫度Tl為760°C彡Tl彡880°C的范圍，上述加熱時(shí)間tl為0. 6秒彡tl彡2 秒的范圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的鋼鐵材料的高頻淬火方法，其特征在于，以金屬附著量為150 200mg/m2的方式形成上述第一處理工序的防氧化用包覆層。
8.一種高頻淬火零件，其特征在于，該高頻淬火零件采用權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的表層部淬火的鋼鐵材料而形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高頻淬火零件，其特征在于， 上述淬火零件是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)零件。
全文摘要
本發(fā)明提供表層部淬火的鋼鐵材料及其制造方法以及高頻淬火零件，以便避免形成于鋼鐵材料的表面的化合物層因淬火而氧化。該表層部淬火的鋼鐵材料(10)由鋼鐵材料(11)、形成在其表面的化合物層(12)和形成在該化合物層(12)上的防氧化用包覆層(13)構(gòu)成，鋼鐵材料(11)具有規(guī)定深度的硬化層，提高了鋼鐵材料(11)的表面上的硬度。鋼鐵材料(10)通過(guò)下述方法得到，該方法包括在表面形成有化合物層(12)的鋼鐵材料(11)上形成防氧化用包覆層(13)的第一階段和對(duì)具有化合物層(12)和防氧化用包覆層(13)的鋼鐵材料(11)進(jìn)行高頻淬火的第二階段，在第二階段中，在規(guī)定的加熱時(shí)間內(nèi)升溫至規(guī)定的加熱溫度，在達(dá)到加熱溫度之后立即進(jìn)行冷卻。
文檔編號(hào)C23C8/38GK102037159SQ20098011823
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2009年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月19日
發(fā)明者三阪佳孝, 別府正昭, 川嵜一博, 池田芳宏, 深澤劍吾, 須田新 申請(qǐng)人:日本帕卡瀨精株式會(huì)社, 高周波熱煉株式會(huì)社