滲碳鋼部件的制造方法和滲碳鋼部件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供能夠提高對(duì)Si含量高的鋼部件的氣體滲碳性，且抑制生產(chǎn)率的降低的滲碳鋼部件的制造方法。本制造方法具備：預(yù)備氣體滲碳工序和主氣體滲碳工序。預(yù)備氣體滲碳工序中，對(duì)鋼部件以滿足式(A)的滲碳溫度Tp℃實(shí)施10分鐘～低于20小時(shí)的氣體滲碳處理，該鋼部件具有以質(zhì)量％計(jì)含有C、Si、Mn、Cr，且滿足式(1)的化學(xué)組成。主氣體滲碳工序中，以滿足式(B)的滲碳溫度Tr℃和滲碳時(shí)間tr分鐘實(shí)施氣體滲碳處理。6.5<3.5[Si％]+[Mn％]+3[Cr％]≤18(1)800≤Tp<163×ln(CP+0.6)?41×ln(3.5[Si％]+[Mn％]+3[Cr％])+950(A)4<13340/(Tr+273.15)?ln(tr)<7(B)其中，式中的CP中代入預(yù)備氣體滲碳工序中的滲碳時(shí)的碳勢(shì)。
【專利說明】
滲碳鋼部件的制造方法和滲碳鋼部件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及鋼部件的制造方法和鋼部件，更詳細(xì)而言，涉及實(shí)施滲碳處理而制造 的滲碳鋼部件的制造方法和滲碳鋼部件。
【背景技術(shù)】
[0002] 以齒輪、軸承為代表的鋼部件在惡劣的環(huán)境下使用，會(huì)通過扭矩的傳遞等承受較 大的負(fù)荷。因此，對(duì)于這種鋼部件要求有高表面疲勞強(qiáng)度。
[0003] 通常，鋼部件如下進(jìn)行制造。首先，將原材料成型為目標(biāo)形狀而制造中間產(chǎn)物。對(duì) 中間產(chǎn)物實(shí)施表面硬化處理而制成鋼部件。實(shí)施了表面硬化處理的鋼部件具有高表面疲勞 強(qiáng)度。
[0004] 作為提高表面疲勞強(qiáng)度的方法，日本特開2013-204645號(hào)公報(bào)（專利文獻(xiàn)1)中有： 通過酸洗處理在鋼部件的表面形成凹凸。然而，該方法與通常的鋼部件的制造方法相比較， 由于追加了酸洗處理，從而導(dǎo)致工序數(shù)量增加。工序數(shù)量的增加會(huì)使制造成本提高。
[0005] 作為提高表面疲勞強(qiáng)度的其它方法，具有提高鋼部件中的Si含量的方法。Si能夠 提高鋼部件的淬透性，進(jìn)而在馬氏體中提高抗回火軟化。因此，Si可提高鋼部件的芯部的強(qiáng) 度，從而提高表面疲勞強(qiáng)度。
[0006] 作為提高表面疲勞強(qiáng)度的另一其它方法，具有以表面硬化處理的形式實(shí)施滲碳處 理的方法。滲碳處理是在鋼部件的表面形成滲碳層，從而提高鋼部件的表面疲勞強(qiáng)度。
[0007] 日本特開2008-280610號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)2)公開了 ：提高Si含量的鋼部件的制造方 法。專利文獻(xiàn)2中：對(duì)含有0.5~3.0 % Si的鋼實(shí)施真空滲碳處理。然而，在真空滲碳處理中， 難以進(jìn)行連續(xù)處理。此外，真空滲碳處理中容易產(chǎn)生焦油化(tarring)。此外，難以控制鋼部 件的特性。因此，對(duì)于真空滲碳處理來說，難以批量生產(chǎn)鋼部件，生產(chǎn)率較低。
[0008] 作為與真空滲碳處理不同的其它滲碳處理，有氣體滲碳處理。氣體滲碳處理不具 有上述真空滲碳處理的缺點(diǎn)。因此，氣體滲碳處理適于鋼部件的批量生產(chǎn)。
[0009] 然而，鋼中的Si會(huì)降低氣體滲碳處理中的滲碳性。例如，準(zhǔn)備具有相當(dāng)于JIS G4052規(guī)定的SCr420的化學(xué)組成的表面硬化鋼（以下，稱為通常表面硬化鋼）、和與SCr420相 比較Si含量高的表面硬化鋼（以下，稱為高含Si鋼）。在相同條件下對(duì)通常表面硬化鋼和高 含Si鋼實(shí)施氣體滲碳處理。在該情況下，高含Si鋼的有效硬化層深度與通常表面硬化鋼相 比變淺。
[0010] 「鉄 i 鋼」第58年（1972)第7號(hào)（昭和47年6月1 日、The Iron and Steel Institute of Japan發(fā)行）、第926頁(非專利文獻(xiàn)1)中報(bào)告有:若Si含量增大，則氣體滲碳深度降低。因 此，期望開發(fā)如下制造方法:即使對(duì)高含Si鋼實(shí)施氣體滲碳處理，也能夠得到足夠的有效硬 化層深度。
[0011]日本特開平2-156063號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)3)和國際公開第12/077705號(hào)（專利文獻(xiàn)4) 中公開了提高鋼部件的疲勞強(qiáng)度的氣體滲碳方法。
[0012]專利文獻(xiàn)3中，以高于六:相變點(diǎn)的滲碳溫度對(duì)鋼材實(shí)施預(yù)備滲碳以使表面碳濃度 成為1.0%以上。接著，將鋼材緩冷至略高于^相變點(diǎn)，進(jìn)行均熱。接著，再次加熱至低于預(yù) 備滲碳時(shí)的滲碳溫度的溫度，進(jìn)行淬火。
[0013]然而，作為專利文獻(xiàn)3的對(duì)象的鋼材為JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SCr鋼、SCM鋼、SNCM鋼、表面 硬化鋼。這些鋼的Si含量較低。因此，對(duì)Si含量高的鋼實(shí)施專利文獻(xiàn)3的氣體滲碳處理的情 況下，有時(shí)無法獲得足夠的表面疲勞強(qiáng)度。
[0014] 專利文獻(xiàn)4中，關(guān)于包括高含Si鋼的氣體滲碳處理的制造方法，公開了如下內(nèi)容。 在對(duì)高含Si鋼實(shí)施通常的氣體滲碳處理的情況下，滲碳初始在表面形成有氧化覆膜。氧化 覆膜會(huì)降低氣體滲碳性。因此，專利文獻(xiàn)4中實(shí)施了如下的氣體滲碳處理。首先，在生成氧化 覆膜的氣氛下，對(duì)鋼材實(shí)施1次滲碳。接著，通過噴丸處理、化學(xué)研磨等將在鋼材上形成的氧 化覆膜去除。接著，對(duì)去除了氧化覆膜的鋼材實(shí)施2次滲碳。
[0015] 然而，專利文獻(xiàn)4的方法與通常的滲碳處理相比較，追加了去除氧化覆膜的工序。 工序數(shù)量的增加會(huì)降低生產(chǎn)率，且會(huì)提高制造成本。
[0016] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn) [0017]專利文獻(xiàn)
[0018] 專利文獻(xiàn)1:日本特開2013-204645號(hào)公報(bào) [0019] 專利文獻(xiàn)2:日本特開2008-280610號(hào)公報(bào) [0020] 專利文獻(xiàn)3:日本特開平2-156063號(hào)公報(bào) [0021] 專利文獻(xiàn)4:國際公開第12/077705號(hào) [0022]非專利文獻(xiàn)
[0023] 非專利文獻(xiàn)1:「鉄i鋼」第58年（1972)第7號(hào)（昭和47年6月1日，The Iron and Steel Institute of Japan發(fā)行），第926頁

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024]本發(fā)明的目的在于，提供能夠提尚對(duì)Si含量尚的鋼部件的氣體滲碳性，且抑制生 產(chǎn)率的降低的滲碳鋼部件的制造方法。
[0025] 本實(shí)施方式的滲碳鋼部件的制造方法具備：預(yù)備氣體滲碳工序和主氣體滲碳工 序。預(yù)備氣體滲碳工序是對(duì)鋼部件以滿足式(A)的滲碳溫度T P°C實(shí)施10分鐘~低于20小時(shí) 的氣體滲碳處理，該鋼部件具有下述化學(xué)組成：以質(zhì)量％計(jì)含有C:0.1~0.4%、Si:0.7~ 4.0%、Μη:0·2~3.0%、Cr:0.5~5.0%、A1:0.005~0· 15%、S:0.3% 以下、Ν:0·003~ 0.03%、0:0.0050%以下、卩：0.025%以下、恥：0~0.3%、11 :0~0.3%、￥:0~0.3%、附：0~ 3.0%、Cu:0~3.0%、C〇:0~3.0%、Μ〇:0~1 ·0%、W:0~1 ·0%、Β:0~0.005%、Ca:0~ 0.01%、]\%:0~0.01%、2〇0~0.05%、丁6:0~0.1%、和稀土元素 ：0~0.005%、余量由卩6和 雜質(zhì)構(gòu)成，且滿足式（1)。主氣體滲碳工序是緊接預(yù)備氣體滲碳工序而實(shí)施的。主氣體滲碳 工序中，以滿足式(B)的滲碳溫度T r°C和滲碳時(shí)間tr分鐘實(shí)施氣體滲碳處理。
[0026] 6.5<3.5[Si%] + [Mn%]+3[Cr%]^18(l)
[0027] 800^TP<163 X ln(CP+0.6)-41 X ln(3.5 X [Si % ] + [Mn% ]+3 X [Cr% ] )+950(A)
[0028] 4<13340/(Tr+273.15)-ln(tr)<7(B)
[0029] 其中，式中的[Si%]、[Mn%]和[Cr%]中代入鋼部件中的Si含量、Mn含量和Cr含量 (質(zhì)量％)<Jn〇為自然對(duì)數(shù)。CP中代入預(yù)備滲碳工序中的滲碳時(shí)的碳勢(shì)。
[0030] 本實(shí)施方式的制造方法能夠提高對(duì)Si含量高的鋼部件的氣體滲碳性，且抑制生產(chǎn) 率的降低。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本實(shí)施方式的滲碳鋼部件的表層的截面照片。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 本發(fā)明人等針對(duì)即使提高鋼部件中的Si含量也能夠抑制氣體滲碳性的降低的方 法進(jìn)行了調(diào)查和研究。
[0033] 如上所述，若鋼部件中的Si含量提高，則抗回火軟化提高，但是氣體滲碳時(shí)在鋼部 件的表面形成氧化覆膜，從而氣體滲碳性降低?？烧J(rèn)為:對(duì)于氧化覆膜的形成而言，容易形 成氧化物的合金元素與對(duì)合金元素和氧的擴(kuò)散系數(shù)產(chǎn)生影響的滲碳溫度、和對(duì)氧分壓產(chǎn)生 影響的碳勢(shì)存在相關(guān)性。
[0034] 對(duì)鋼部件實(shí)施通常的滲碳處理，結(jié)果:在鋼部件的表面形成有氧化覆膜，該鋼部件 以質(zhì)量 ％ 計(jì)含有 c:0.1 ~0.4%、Si:0.7~4·0%、Μη:0·2~3.0%、Cr:0.5~5.0%、Al:0.005 ~0· 15%、S:0.3% 以下、Ν:0·003~0.03%、0:0.0050% 以下、Ρ:0·025% 以下、Nb:0~ 0.3%、Ti:0~0.3%、V:0~0.3%、Ni:0~3.0%、Cu :0~3.0%、Co:0~3.0%、Mo:0~1.0%、 W:0~1·0%、Β:0 ~0.005%、Ca:0~0.01%、Mg:0~0.01%、Zr:0~0.05%、Te:0~0.1%、^P 稀土元素:0~0.005%，余量由Fe和雜質(zhì)構(gòu)成。使用特定X射線對(duì)氧化覆膜進(jìn)行元素分析，結(jié) 果:氧化覆膜中含有的主要元素為Si、Mn、Cr和0(氧）。
[0035] Si、Mn和Cr與氧的親和力高，容易發(fā)生氧化。具體而言，上述化學(xué)組成中，與Si、Mn 和Cr相比與氧的親和力弱的元素(例如，Ni、Cu等)不會(huì)發(fā)生氧化，故不會(huì)對(duì)氧化覆膜的形成 產(chǎn)生影響。另一方面，比起Si、Mn和Cr相比與氧的親和力高的元素（例如Ti、V等）的含量與 Si、Mn和Cr含量相比較是微量的，故實(shí)質(zhì)上不會(huì)對(duì)氧化覆膜的形成產(chǎn)生影響。因此，上述化 學(xué)組成的鋼部件中，對(duì)氧化覆膜的形成產(chǎn)生影響的元素為Si、Mn和Cr。以下，將Si、Mn和Cr稱 為"特定元素"。
[0036]特定元素均會(huì)提高鋼的強(qiáng)度和淬透性，且提高抗回火軟化。因此，如果這些特定元 素的含量過低，則滲碳鋼部件的表面疲勞強(qiáng)度降低。
[0037] F1如下定義。
[0038] Fl = 3.5X[Si%] + [Mn%]+3X[Cr%]
[0039] 其中，[Si % ]、[Μη% ]和[Cr% ]中分別代入鋼部件中的Si含量、Μη含量和Cr含量。 [0040]若F1高于6.5,則能夠獲得齒輪、軸承等滲碳鋼部件所需要的強(qiáng)度和抗回火軟化， 得到優(yōu)異的表面疲勞強(qiáng)度。因此，本實(shí)施方式中的滲碳鋼部件中，需要使F1高于6.5。
[0041] 另一方面，如上所述，特定元素會(huì)形成氧化覆膜而降低氣體滲碳性。因此，本發(fā)明 人等進(jìn)一步通過如下試驗(yàn)方法針對(duì)通常的氣體滲碳處理中的特定元素的含量與氣體滲碳 性的關(guān)系進(jìn)行了調(diào)查。
[0042] 準(zhǔn)備如下各種鋼材：含有C:0.1~0·4%、Α1:0·005~0· 15%、S:0.3%以下、N: 0.003~0.03%、0:0.0050% 以下、P:0.025% 以下，且含有0.1~4.0% 的Si、0.1~3.0% 的 Mn、0.1~5.0 %的Cr。對(duì)各鋼材實(shí)施熱鍛和熱處理。然后，實(shí)施機(jī)械加工，制作20mm X 20mm方 柱狀的鋼部件。
[0043]在相同氣體滲碳條件(950°C_碳勢(shì)0.8)下，對(duì)各鋼部件實(shí)施通常的氣體滲碳處理 而制作滲碳鋼部件。利用ΕΡΜΑ測(cè)定滲碳鋼部件的表層的C含量。通過多元回歸分析求出作為 觀察對(duì)象的表層的C含量成為0.5%以上的特定元素含量的條件。
[0044]試驗(yàn)結(jié)果:在通常的氣體滲碳處理的情況下，若F1不是6.5以下，則無法獲得表層 的C含量成為0.5%以上的滲碳鋼部件。在F1高于6.5時(shí)，在鋼部件的表面會(huì)形成氧化覆膜， 故滲碳性低，難以形成滲碳層。
[0045] 然而，滲碳鋼部件中，為了獲得足夠的表面疲勞強(qiáng)度，F(xiàn)1必須高于6.5。因此，本發(fā) 明人等針對(duì)即使F1高于6.5，也能夠抑制氧化覆膜的形成，獲得充分的氣體滲碳性的氣體滲 碳處理方法進(jìn)行了研究。其結(jié)果，本發(fā)明人等得到如下見解。
[0046] 滲碳溫度的降低會(huì)抑制氧化覆膜的形成。滲碳溫度低時(shí)，氧化物容易形成于鋼部 件的表層的內(nèi)部而不是鋼部件的表面。也就是說，此時(shí)，難以形成氧化覆膜，取而代之，在表 層的內(nèi)部形成有氧化物。以下，將在鋼部件的表層的內(nèi)部的晶界和晶粒內(nèi)所形成的氧化物 稱為"內(nèi)部氧化物"。
[0047] 圖1為基于本實(shí)施方式的滲碳鋼部件的表層的截面照片。圖1中，在鋼部件的表層 的內(nèi)部形成有多個(gè)氧化物（圖1中的黑點(diǎn)）。若在氣體滲碳處理中形成這種內(nèi)部氧化物，則在 鋼部件的表層中能夠抑制因擴(kuò)散而導(dǎo)致特定元素濃度的增大。因此，若某種程度形成內(nèi)部 氧化物，則在此后的氣體滲碳處理中，在表面不易形成氧化覆膜，從而氣體滲碳性提高。 [0048]因此，作為用于即便F1高于6.5也能抑制氧化覆膜的形成的方法，實(shí)施如下兩階段 的氣體滲碳工序。本實(shí)施方式的氣體滲碳工序包含:預(yù)備氣體滲碳工序和緊接預(yù)備氣體滲 碳處理而實(shí)施的主氣體滲碳工序。
[0049] 預(yù)備氣體滲碳工序?qū)?nèi)部氧化物的形成作為主要目的。預(yù)備氣體滲碳工序中，根 據(jù)特定元素含量和碳勢(shì)而調(diào)整滲碳溫度，從而促進(jìn)內(nèi)部氧化物的生成。
[0050] 具體而言，預(yù)備氣體滲碳工序中，使用具有滿足下式（1)的化學(xué)組成的鋼部件，以 滿足式(Α)的滲碳溫度TP rc)實(shí)施氣體滲碳處理。
[0051] 6.5<3.5[Si%] + [Mn%]+3[Cr%]^18(l)
[0052] 800^TP<163 X ln(CP+0.6)-41 X ln(3.5 X [Si % ] + [Mn% ]+3 X [Cr% ] )+950(A)
[0053] 其中，式中的[Si%]、[Mn%]和[Cr%]中帶入鋼部件中的Si含量、Mn含量和Cr含量 (質(zhì)量％)。式中的ln〇為自然對(duì)數(shù)，CP中帶入預(yù)備氣體滲碳工序中的滲碳時(shí)的碳勢(shì)。
[0054] 如式（1)所示，即便F1高于6.5,若在18以下，則將以滿足式(A)的滲碳溫度T實(shí)施10 分鐘~低于20小時(shí)的預(yù)備氣體滲碳處理作為條件，能夠抑制氧化覆膜的形成。
[0055] 預(yù)備氣體滲碳工序后，緊接著實(shí)施主氣體滲碳工序。主氣體滲碳工序中，在鋼部件 的母材的表面上形成滲碳層。
[0056] 主氣體滲碳工序中，為了提高滲碳鋼部件的表面疲勞強(qiáng)度，以滿足下式(B)的滲碳 溫度Tr (°C)和滲碳時(shí)間tr (分鐘)實(shí)施氣體滲碳處理。
[0057] 4<13340/(Tr+273.15)-ln(tr)<7(B)
[0058] 若滲碳溫度Tr(°C)和滲碳時(shí)間tr(分鐘)滿足式(B)，則滲碳鋼部件的有效硬化層會(huì) 成為適合的深度，滲碳鋼部件的表面疲勞強(qiáng)度會(huì)提高。
[0059] 優(yōu)選的是，將主氣體滲碳工序的滲碳溫度Tr(°C)設(shè)成高于預(yù)備氣體滲碳工序的滲 碳溫度TP(°C)。本實(shí)施方式中，通過滿足式(A)的預(yù)備氣體滲碳工序生成內(nèi)部氧化物。因此， 主氣體滲碳工序時(shí)的鋼部件的表層中，特定元素濃度被抑制得較低。因此，主氣體滲碳工序 中，即使將滲碳溫度Tr(°C)設(shè)成高于滲碳溫度T P(°C)，若主氣體滲碳工序滿足式(B)，則不易 形成氧化覆膜，也可以維持氣體滲碳性。其結(jié)果，即使是Si含量高的鋼部件，也能夠在短時(shí) 間內(nèi)形成足夠厚的滲碳層，抑制生產(chǎn)率的降低，且能夠制造具有優(yōu)異表面疲勞強(qiáng)度的滲碳 鋼部件。
[0060] 基于以上見解而完成的本實(shí)施方式的滲碳鋼部件的制造方法具備:預(yù)備氣體滲碳 工序和主氣體滲碳工序。預(yù)備氣體滲碳工序中，對(duì)鋼部件以滿足式(A)的滲碳溫度T P°C實(shí)施 10分鐘~低于20小時(shí)的氣體滲碳處理，該鋼部件具有下述化學(xué)組成：以質(zhì)量％計(jì)含有C:0.1 ~0.4%、Si:0.7~4.0%、Mn :0.2~3.0%、Cr:0.5~5.0%、Al:0.005~0.15%、S :0.3%& 下、Ν:0·003~0.03%、0:0.0050%以下、卩：0.025%以下、恥 ：0~0.3%、11:0~0.3%、￥:0~ 0.3%、Ni :0~3.0%、Cu:0~3.0%、C〇:0~3.0%、Μ〇:0~1 ·0%、W:0~1 ·0%、Β:0~ 0.005%、0&:0~0.01%、]\^:0~0.01%、21 :0~0.05%、了6:0~0.1%、和稀土元素：0~ 0.005%，余量由Fe和雜質(zhì)構(gòu)成，且滿足式（1)。主氣體滲碳工序是緊接預(yù)備氣體滲碳工序而 實(shí)施的。主氣體滲碳工序中，以滿足式(B)的滲碳溫度T r°C和滲碳時(shí)間tr分鐘實(shí)施氣體滲碳 處理。
[0061] 6.5<3.5[Si%] + [Mn%]+3[Cr%]^18(l)
[0062] 800^TP<163 X ln(CP+0.6)-41 X ln(3.5 X [Si % ] + [Mn% ]+3 X [Cr% ] )+950(A)
[0063] 4<13340/(Tr+273.15)-ln(tr)<7(B)
[0064] 其中，式中的[Si%]、[Mn%]和[Cr%]中帶入鋼部件中的Si含量、Mn含量和Cr含量 (質(zhì)量％)<Jn〇為自然對(duì)數(shù)。CP中代入預(yù)備氣體滲碳工序中的滲碳時(shí)的碳勢(shì)。
[0065] 基于本實(shí)施方式的滲碳鋼部件具備:母材和在母材的表面上形成的滲碳層，該母 材具有如下的化學(xué)組成：以質(zhì)量％計(jì)含有C:0.1~0.4%、Si :0.7~4.0%、Mn:0.2~3.0%、 0:0.5~5.0%、厶1:0.005~0.15%、5 :0.3%以下川：0.003~0.03%、0:0.0050%以下、卩： 0.025%WT、Nb:0~0.3%、Ti:0~0.3%、V:0~0.3%、Ni :0~3.0%、Cu:0~3.0%、Co:0~ 3.0%、Mo:0~1.0%、W :0~1.0%、B:0~0.005%、Ca:0~0.01%、Mg:0~0.01%、Zr:0~ 0.05%、Te:0~0.1 %、和稀土元素:0~0.005%，余量由Fe和雜質(zhì)構(gòu)成，且滿足式（1)。滲碳 層的表層的C含量為0.5%以上，滲碳層的表層的Si含量、Μη含量和Cr含量滿足式(2)。有效 硬化層深度為0.3~低于1.5mm，在距離滲碳層的表面的深度為10μπι±3μπι范圍中的氧化物 的面積率為7~50 %。
[0066] 6.5<3.5[Si%] + [Mn%]+3[Cr%]^18(l)
[0067] 3.5[Sis%] + [Mns%]+3[Crs%]^9(2)
[0068] 其中，式（1)中的[Si%]、[Μη%]和[Cr%]中分別代入母材中的Si含量、Μη含量和 Cr含量(質(zhì)量％)，式(2)中的[Sis%]、[Mns%]和[Crs%]中分別代入滲碳層的表層的Si含 量、Μη含量和Cr含量(質(zhì)量％ )。
[0069] 上述化學(xué)組成可以含有選自由Nb:0.02~0.3%、Ti :0.02~0.3%和V:0.02~ 0.3 %組成的組中的1種或2種以上。
[0070] 上述化學(xué)組成可以含有選自由Ni :0.2~3.0%、Cu:0.2~3 ·0%、(：〇 :0.2~3.0%、 Mo:0.05~1.0%、W:0.05~1.0%和Β:0·0006~0.005%組成的組中的1種或2種以上。
[0071] 上述化學(xué)組成可以含有選自由Ca :0.0005~0.01 %、Mg :0.0005~0.01 %、Zr: 0 · 0005~0 · 05 %、Te: 0 · 0005~0 · 1 %和稀土元素:0 · 0001~0 · 005 %組成的組中的1種或2種 以上。
[0072] 以下，對(duì)基于本實(shí)施方式的滲碳鋼部件的制造方法進(jìn)行說明。本制造方法包含:預(yù) 備氣體滲碳工序和主氣體滲碳工序。預(yù)備氣體滲碳工序中，在Si含量高的鋼部件的表層的 內(nèi)部形成氧化物（內(nèi)部氧化物），抑制在表面形成氧化覆膜。主氣體滲碳工序中，對(duì)于能夠抑 制氧化覆膜的形成的鋼部件，以高于預(yù)備氣體滲碳工序中的滲碳溫度的滲碳溫度實(shí)施氣體 滲碳處理，從而提高生產(chǎn)率。以下，對(duì)預(yù)備氣體滲碳工序和主氣體滲碳工序進(jìn)行詳細(xì)說明。 [0073][預(yù)備氣體滲碳工序]
[0074]預(yù)備氣體滲碳工序中，準(zhǔn)備具有如下所示的化學(xué)組成的鋼部件。對(duì)準(zhǔn)備好的鋼部 件實(shí)施預(yù)備氣體滲碳，在鋼中生成內(nèi)部氧化物，抑制表層的特定元素濃度。
[0075][鋼部件的化學(xué)組成]
[0076] 鋼部件的化學(xué)組成含有如下元素。以下，涉及元素的"％ "是指質(zhì)量％。
[0077] C:0.1 ~0.4%
[0078] 碳(C)是提高鋼的強(qiáng)度的。更具體而言，C提高鋼部件的芯部的強(qiáng)度。若C含量過低， 則無法有效地獲得上述效果。C含量還對(duì)有效硬化層的深度也產(chǎn)生影響。另一方面，若C含量 過高，則鋼的韌性降低。因此，C含量為0.1~0.4%。C含量的優(yōu)選下限為0.16 %、進(jìn)一步優(yōu)選 為0.18% X含量的優(yōu)選上限為0.30%、進(jìn)一步優(yōu)選為0.28%。
[0079] Si:0.7 ~4.0%
[0080] 硅(Si)對(duì)鋼進(jìn)行脫氧。Si還提高鋼的強(qiáng)度和淬透性，且提高抗回火軟化。因此，Si 提高鋼部件的芯部的強(qiáng)度，且提高表面疲勞強(qiáng)度。Si還通過滿足下述制造條件而形成內(nèi)部 氧化物。內(nèi)部氧化物提高鋼的表面疲勞強(qiáng)度。若Si含量過低，則無法有效地獲得上述效果。 另一方面，若Si含量過高，則在熱鍛等熱加工時(shí)鋼容易變得脫碳。因此，Si含量為0.7~ 4.含量的優(yōu)選下限為0.8%、進(jìn)一步優(yōu)選為1.0% 含量的優(yōu)選上限為3.0%、進(jìn)一 步優(yōu)選為2.5%。
[0081] Μη:0·2 ~3.0%
[0082] 錳(Μη)對(duì)鋼進(jìn)行脫氧。Μη還提高鋼的強(qiáng)度和淬透性，且提高抗回火軟化。因此，Μη 提高鋼部件的芯部的強(qiáng)度，且提高表面疲勞強(qiáng)度。Μη還與鋼中的S結(jié)合而形成MnS，使S無害 化。Μη還通過滿足下述制造條件而形成內(nèi)部氧化物。內(nèi)部氧化物提高鋼的表面疲勞強(qiáng)度。若 Μη含量過低，則無法有效地獲得上述效果。另一方面，若Μη含量過高，則即使實(shí)施零下處理， 殘留奧氏體也會(huì)殘留在鋼中，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。因此，Μη含量為0.2~3.0% Jn含量的優(yōu) 選下限為0.4%、進(jìn)一步優(yōu)選為0.5% Jn含量的優(yōu)選上限為2.0%、進(jìn)一步優(yōu)選為1.5%。
[0083] 0:0.5~5.0%
[0084] 鉻(Cr)提高鋼的強(qiáng)度和淬透性，且提高抗回火軟化。因此，Cr提高鋼部件的芯部的 強(qiáng)度，且提高表面疲勞強(qiáng)度。Cr還通過滿足下述制造條件而形成內(nèi)部氧化物。內(nèi)部氧化物提 高鋼的表面疲勞強(qiáng)度。若Cr含量過低，則無法有效地獲得上述效果。另一方面，若Cr含量過 高，則鋼的硬度提高，冷加工性降低。因此，Cr含量為0.5~5.0 % Xr含量的優(yōu)選下限為 0.6 %、進(jìn)一步優(yōu)選為0.8 %。Cr含量的優(yōu)選上限為3.0 %、進(jìn)一步優(yōu)選為2.5 %。
[0085] Α1:0·005 ~0.15%
[0086] 鋁(A1)對(duì)鋼進(jìn)行脫氧。A1還與氮結(jié)合而形成氮化物，使晶粒微小化。若A1含量過 低，則無法有效地獲得上述效果。另一方面，若A1含量過高，則氮化物粗化而導(dǎo)致鋼發(fā)生脆 化。因此，A1含量為0.005~0.15% J1含量的優(yōu)選下限為0.01 %、進(jìn)一步優(yōu)選為0.02%。八1 含量的優(yōu)選上限為0.10%、進(jìn)一步優(yōu)選為0.05%。需要說明的是，上述A1含量是指總A1含 量。
[0087] S:0.3% 以下
[0088] 硫(S)是不可避免含有的。S由于具有提高鋼的切削性的效果，故可以積極地含有。 若S含量過高，則鋼的鍛造性降低。因此，S含量為0.3%以下。為了獲得提高鋼的切削性的效 果，S含量的優(yōu)選下限為0.005%、進(jìn)一步優(yōu)選為0.01 %。S含量的優(yōu)選上限為0.15 %、進(jìn)一步 優(yōu)選為〇. 1 %。
[0089] Ν:0·003 ~0.03%
[0090] 氮(Ν)與Α1結(jié)合而形成氮化物，使晶粒微小化。若Ν含量過低，則無法有效地獲得該 效果。另一方面，若Ν含量過高，則鋼的鍛造性降低。因此，Ν含量為0.003~0.03% Α含量的 優(yōu)選下限為0.004%、進(jìn)一步優(yōu)選為0.005% A含量的優(yōu)選上限為0.025%、進(jìn)一步優(yōu)選為 0.02%〇
[0091] 0:0.0050% 以下
[0092] 氧(0)為雜質(zhì)。氧以氧化鋁、二氧化鈦等氧化物系夾雜物的形式存在于鋼中。若0含 量過高，則氧化物系夾雜物粗化。粗大的氧化物系夾雜物成為斷裂的起點(diǎn)。因此，在鋼部件 為動(dòng)力傳遞部件時(shí)，有時(shí)斷裂擴(kuò)展而發(fā)生破損。因此，〇含量為〇. 0050 %以下。優(yōu)選0含量盡 可能地低。0含量?jī)?yōu)選為0.0020 %以下，在實(shí)現(xiàn)鋼部件的高壽命化時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)選為 0.0015% 以下。
[0093] Ρ:〇·〇25% 以下
[0094]磷(Ρ)為雜質(zhì)。Ρ在晶界偏析而使鋼的韌性降低。因此，Ρ含量為0.025%以下。優(yōu)選Ρ 含量盡可能地低。Ρ含量?jī)?yōu)選為〇. 020 %以下，在實(shí)現(xiàn)鋼部件的高壽命化時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)選為 0.015% 以下。
[0095]基于本實(shí)施方式的鋼部件的化學(xué)組成的余量由Fe和雜質(zhì)構(gòu)成。其中，雜質(zhì)是在工 業(yè)上制造鋼時(shí)，從作為原料的礦石、廢料、或制造環(huán)境等混入的物質(zhì)，是指在不會(huì)對(duì)本實(shí)施 方式的鋼部件產(chǎn)生不良影響的范圍內(nèi)所容許的物質(zhì)。
[0096]基于本實(shí)施方式的鋼部件的化學(xué)組成還可以含有選自由Nb、Ti和V組成的組中的1 種或2種以上代替Fe的一部分。
[0097] Nb:0~0.3%
[0098] Ti:0 ~0.3%
[0099] V:〇 ~0.3%
[0100] 鈮(Nb)、鈦(Ti)和釩(V)均為任意元素，也可以不含有。在含有的情況下，這些元素 與C和/或N結(jié)合而形成碳化物、氮化物和碳氮化物，使晶粒微小化。然而，若這些元素含量過 高，則上述效果飽和。進(jìn)而，鋼的熱加工性和切削性降低。因此，Nb含量為0~0.3%，Ti含量 為0~0.3%，V含量為0~0.3%。
[0101]為了更有效地獲得上述效果，Nb含量的優(yōu)選下限為0.02%，Ti含量的優(yōu)選下限為 0.02%，V含量的優(yōu)選下限為0.02%。仙含量的優(yōu)選上限為0.1 %，Ti含量的優(yōu)選上限為 ο. 1 %，v含量的優(yōu)選上限為0.1 %。
[0102] 基于本實(shí)施方式的鋼部件的化學(xué)組成也可以進(jìn)一步含有選自由Ni、Cu、Co、Mo、W^P B組成的組中的1種或2種以上代替Fe的一部分。
[0103] Ni:0 ~3.0%
[0104] Cu:0 ~3.0%
[0105] Co:0 ~3.0%
[0106] Mo:0 ~1.0%
[0107] W:〇 ~1.0%
[0108] B:0 ~0.005%
[0109] 鎳(Ni)、銅(Cu)、鈷(Co)、鉬(Mo)、鎢(W)和硼(B)均為任意元素，也可以不含有。在 含有的情況下，這些元素均提高鋼的淬透性。然而，若這些元素含量過高，則上述效果飽和， 制造成本變高。因此，Ni含量為0~3.0%，Cu含量為0~3.0%，Co含量為0~3.0%，Mo含量為 0~1.0%，W含量為0~1.0%，B含量為0~0.005%。
[0110] 為了更有效地獲得上述效果，Ni含量的優(yōu)選下限為0.2%，Cu含量的優(yōu)選下限為 0.2 %，Co含量的優(yōu)選下限為0.2%，Mo含量的優(yōu)選下限為0.05%，W含量的優(yōu)選下限為 0.05%，B含量的優(yōu)選下限為0.0006 %含量的優(yōu)選上限為2.0 %，Cu含量的優(yōu)選上限為 2.0%，Co含量的優(yōu)選上限為2.0%，Mo含量的優(yōu)選上限為0.3%，W含量的優(yōu)選上限為0.3%， B含量的優(yōu)選上限為0.001 %。
[0111] 基于本實(shí)施方式的鋼部件的化學(xué)組成也可以進(jìn)一步含有選自由0&、1%、2^1^和稀 土元素(REM)組成的組中的1種或2種以上來代替Fe的一部分。
[0112] Ca:0 ~0.01%
[0113] Mg:0 ~0.01%
[0114] Zr:0 ~0.05%
[0115] Te:0 ~0.1%
[0116] 稀土元素（1^]\〇:0~0.005%
[0117] 鈣(Ca)、鎂(Mg)、鋯(Zr)、碲(Te)和稀土元素(REM)均為任意元素，也可以不含有。 在含有的情況下，這些元素提高鋼的切削性。
[0118] 具體而言，Ca會(huì)降低氧化物的融點(diǎn)。此時(shí)，由于切削加工時(shí)的鋼材的放熱，使氧化 物發(fā)生軟質(zhì)化而鋼的切削性提高。然而，若Ca含量過高，則大量生成硬質(zhì)的CaS，鋼的切削性 反而降低。因此，Ca含量為0~0.01 %。為了更有效地獲得上述效果，Ca含量的優(yōu)選下限為 0.0005%。
[0119] Mg、Zr、Te和REM控制MnS的形態(tài)，提高鋼的切削性。然而，若Mg含量過高，則生成MgS 而鋼的切削性降低。因此，Mg含量為0~0.01 %。若Zr含量過高，則上述效果飽和。因此，Zr含 量為0~0.05 %。若Te含量過高，則上述效果飽和。因此，Te含量為0~0.1 %。若REM含量過 高，則生成粗化的硫化物而使鋼的切削性降低。因此，REM含量為0~0.005%。
[0120] 為了更有效地獲得上述效果，Mg含量的優(yōu)選下限為0.0005 %，Zr含量的優(yōu)選下限 為0.0005%，Te含量的優(yōu)選下限為0.0005%，REM含量的優(yōu)選下限為0.0001 %。
[0121]本說明書中所說的REM是在從元素周期表中的原子序數(shù)57的鑭(La)至原子序數(shù)71 的镥(Lu)中，添加釔(Y)和鈧(Sc)而得到的17個(gè)元素的總稱。REM的含量是指這些1種或2種 以上元素的總含量。
[0122] [關(guān)于式(1)]
[0123] 本實(shí)施方式的鋼部件的化學(xué)組成還滿足式(1)。
[0124] 6.5<3.5[Si%] + [Mn%]+3[Cr%]^18(l)
[0125] 其中，式（1)中的[Si% ]、[Μη%]和[Cr%]中代入鋼部件中的Si含量、Μη含量和Cr 含量(質(zhì)量％)。
[0126]如上所述，式（1)是涉及特定元素（Si、Mn和Cr)的含量的指標(biāo)。特定元素會(huì)提高鋼 的表面疲勞強(qiáng)度，相反在氣體滲碳處理中容易形成氧化覆膜。
[0127] 若Fl( = 3.5[Si%] + [Mn%]+3[Cr%])過低，則鋼部件中的特定元素含量不足。因 此，滲碳鋼部件的抗回火軟化降低，表面疲勞強(qiáng)度降低。另一方面，若F1過高，則即使在后述 的制造條件下實(shí)施氣體滲碳處理，也會(huì)在鋼部件的表面形成氧化覆膜，從而使氣體滲碳性 降低。若F1為超過6.5~18，則表面疲勞強(qiáng)度充分提高，且即使實(shí)施后述的氣體滲碳處理，也 不易形成氧化覆膜。因此，也能夠維持氣體滲碳性。
[0128] 上述鋼部件例如按照如下方法制造。制造具有上述化學(xué)組成的鋼水。通過連鑄法 將鋼水制成鑄坯。也可以通過鑄錠法將鋼水制成鋼錠(鋼塊）。也可以將鑄坯或鋼錠熱加工， 制成鋼坯(鋼片）、棒鋼。
[0129] 利用加熱爐加熱鑄坯、鋼錠、鋼坯或棒鋼。將加熱好的鑄坯、鋼錠、鋼坯或棒鋼進(jìn)行 熱加工，制造鋼部件。熱加工例如為熱乳或熱鍛。也可以實(shí)施多次熱加工來制造鋼部件。還 可以實(shí)施熱乳和熱鍛來制造鋼部件。
[0130] 也可以對(duì)于熱鍛后的中間產(chǎn)物實(shí)施以冷鍛為代表的冷加工而制造鋼部件。還可以 對(duì)經(jīng)過熱加工和/或冷加工的中間產(chǎn)物實(shí)施切削加工而制造鋼部件。在實(shí)施冷加工而制造 鋼部件時(shí)，對(duì)于冷加工前的中間產(chǎn)物，優(yōu)選在700~800 °C下實(shí)施球化退火。此時(shí)，成型性提 尚。
[0131][預(yù)備氣體滲碳處理]
[0132] 對(duì)制造出的鋼部件實(shí)施預(yù)備氣體滲碳處理。預(yù)備氣體滲碳處理時(shí)使用氣體滲碳爐 而實(shí)施的。將鋼部件裝入氣體滲碳爐后，在如下條件下實(shí)施氣體滲碳處理。
[0133] [預(yù)備氣體滲碳溫度TP]
[0134] 滲碳溫度^滿足下式(A)。
[0135] 800^TP<163 X ln(CP+0.6)-41 X ln(3.5 X [Si % ] + [Mn% ]+3 X [Cr% ] )+950(A)
[0136] 定義為：FA=163Xln(CP+0.6)-41 Xln(3.5X [Si% ] + [Mn%]+3X [Cr%])+950。 若滲碳溫度相比過高，則氣體滲碳爐內(nèi)的氧分壓變得過高。進(jìn)而，特定元素和氧的擴(kuò) 散系數(shù)也變高。因此，即使是具有滿足式（1)的化學(xué)組成的鋼部件，在預(yù)備氣體滲碳處理時(shí)， 也會(huì)在表面形成氧化覆膜。此時(shí)，氣體滲碳性降低，因此即使實(shí)施下一工序的主氣體滲碳工 序，也無法得到足夠的滲碳層。其結(jié)果，滲碳鋼部件的表面疲勞強(qiáng)度變低。
[0137] 另一方面，若滲碳溫度TP低于800°C，則預(yù)備氣體滲碳處理中的滲碳能率降低。此 時(shí)，生產(chǎn)率降低。因此，滲碳溫度T的下限為800°C。
[0138] 若滲碳溫度TP滿足式(A)，則在預(yù)備氣體滲碳處理中，在鋼部件的表層的內(nèi)部的晶 界和晶粒內(nèi)形成包含Si、Μη和Cr的內(nèi)部氧化物。其結(jié)果，表層的內(nèi)部的特定元素的濃度被抑 制。因此，在下一工序的主氣體滲碳工序中，能夠抑制形成氧化覆膜。
[0139] [碳勢(shì) CP]
[0140] 對(duì)于預(yù)備氣體滲碳處理中的碳勢(shì)CP，若滲碳溫度TP滿足式(A)，則沒有特別限制。 碳勢(shì)的優(yōu)選下限為0.6、優(yōu)選上限為1.2。
[0141][預(yù)備氣體滲碳時(shí)間]
[0142] 將上述滲碳溫度T下的滲碳時(shí)間（預(yù)備氣體滲碳時(shí)間）設(shè)為10分鐘~低于20小時(shí)。 若滲碳時(shí)間低于10分鐘，則不會(huì)充分生成內(nèi)部氧化物，表層的內(nèi)部的特定元素的濃度依然 很高。此時(shí)，主氣體滲碳處理中變得容易形成氧化覆膜。另一方面，若滲碳時(shí)間為20小時(shí)以 上，則生產(chǎn)率降低。因此，滲碳時(shí)間為10分鐘~低于20小時(shí)。
[0143] [主氣體滲碳工序]
[0144] 實(shí)施上述預(yù)備氣體滲碳工序后，緊接著實(shí)施主氣體滲碳工序。主氣體滲碳工序與 預(yù)備氣體滲碳工序相同是利用氣體滲碳爐實(shí)施的。具體而言，預(yù)備氣體滲碳工序后，將氣體 滲碳爐的溫度上升。為了得到高的表面疲勞強(qiáng)度，需要適當(dāng)?shù)毓芾碛蓾B碳工序得到的有效 硬化層深度。因此，主氣體滲碳工序中的滲碳溫度Tr(°C)和滲碳時(shí)間tr(分鐘）滿足下述式 ⑶。
[0145] 4<13340/(Tr+273.15)-ln(tr)<7(B)
[0146] 定義為:FB=13340/(Tr+273.15)-ln(tr)。若FB與7相比過高，則有效硬化層深度變 得過淺，滲碳鋼部件的表面疲勞強(qiáng)度變低。另一方面，若FB與4相比過低，則有效硬化層深度 變得過深，滲碳鋼部件的表面疲勞強(qiáng)度變低。
[0147] 優(yōu)選的是，將主氣體滲碳工序的滲碳溫度Tr設(shè)成高于預(yù)備氣體滲碳工序的滲碳溫 度!^。此時(shí)，能夠縮短氣體滲碳處理的時(shí)間，生產(chǎn)率提高。本實(shí)施方式中，首先在滿足式(A) 的條件下實(shí)施預(yù)備氣體滲碳工序而生成內(nèi)部氧化物，故可以抑制鋼部件的表層的內(nèi)部的特 定元素濃度。由于實(shí)施這種預(yù)備氣體滲碳工序，因此在滿足式(B)的主氣體滲碳工序中即使 以短時(shí)間提高滲碳溫度T r而實(shí)施氣體滲碳處理，也能夠得到足夠的有效硬化層深度，且能 夠得到高表面疲勞強(qiáng)度。
[0148] 對(duì)于主氣體滲碳工序中的碳勢(shì)沒有特別限制。在眾所周知的碳勢(shì)的范圍內(nèi)實(shí)施滲 碳處理即可。
[0149] 主氣體滲碳工序中的滲碳溫度Tr的優(yōu)選下限為820°C、進(jìn)一步優(yōu)選為850°C。滲碳 溫度Tr的優(yōu)選上限為1050°C。此外，主氣體滲碳工序中的滲碳時(shí)間tr的優(yōu)選下限為20分鐘。
[0150] [對(duì)于主氣體滲碳工序之后的工序]
[0151 ]在實(shí)施上述預(yù)備氣體滲碳工序和主氣體滲碳工序后，實(shí)施淬火和回火。
[0152] 實(shí)施本滲碳?xì)怏w工序后，通過眾所周知的方法實(shí)施淬火處理。淬火處理例如為水 淬火或油淬火。實(shí)施淬火處理后，實(shí)施回火處理。若實(shí)施回火處理，則產(chǎn)品構(gòu)件的韌性提高。 回火處理是在眾所周知的條件下實(shí)施的。
[0153] 通過以上制造工序，制造滲碳鋼部件。制造出的滲碳鋼部件即使Si含量高，也具有 足夠深度的有效硬化層深度。因此，本滲碳鋼部件具有優(yōu)異的表面疲勞強(qiáng)度。以下，針對(duì)滲 碳鋼部件進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0154] [滲碳鋼部件]
[0155] 由上述制造方法制造出的滲碳鋼部件具備母材和滲碳層。
[0156] [母材]
[0157] 母材具有上述鋼部件的化學(xué)組成。即，母材的化學(xué)組成含有與上述鋼部件相同的 元素，且滿足式（1)。
[0158] [滲碳層]
[0159]滲碳層是在母材的表面上形成的。滲碳層的表層的C含量為0.5%以上。滲碳層的 表層的C含量是通過如下方法測(cè)定的。在滲碳鋼部件的表面采取具有垂直的截面的樣品。樣 品中，在距包含滲碳鋼部件的表面的截面（以下，稱為觀察面）的表面深至30μπι深度的區(qū)域 中，使用ΕΡΜΑ(電子射線顯微分析儀)在深度方向以5μπι間距測(cè)定C濃度。將所得的C濃度的平 均定義為滲碳鋼部件的表層的C含量。
[0160] 若表層的C含量低于0.5%，則表層部的硬度變低，無法得到優(yōu)異的表面疲勞強(qiáng)度。 表層的C含量的優(yōu)選下限為0.6%、優(yōu)選上限為1.0%。
[0161] 進(jìn)而，滲碳鋼部件的有效硬化層深度為0.3~低于1.5mm。有效硬化層是以距離得 到維氏硬度550Hv的表面的深度(mm)而定義的。有效硬化層深度是通過如下方法測(cè)定的。在 滲碳鋼部件的截面中，在從表面至中心的區(qū)域中，基于JIS Z2244(2009)，使用維氏硬度計(jì) 制作硬度分布。此時(shí)，試驗(yàn)力F設(shè)為1.96N。在得到的硬度分布中，求出維氏硬度成為550Hv的 深度，將其定義為有效硬化深度(mm)。
[0162] 若有效硬化層深度低于0.3mm，則無法獲得優(yōu)異的表面疲勞強(qiáng)度。另一方面，若有 效硬化層深度為1.5mm以上，則壓縮殘留應(yīng)力降低，從而表面疲勞強(qiáng)度降低。因此，有效硬化 層深度為〇. 3~低于1.5mm。
[0163] 進(jìn)而，滲碳層的表層的Si含量、Μη含量和Cr含量滿足式(2)。
[0164] 3.5[Sis%] + [Mns%]+3[Crs%]^9(2)
[0165] 其中，式(2)中的[Sis% ]、[Mns%]和[Crs%]中分別代入滲碳層的表層的Si含量、 Μη含量和Cr含量(質(zhì)量％)。
[0166] 滲碳層的表層的Si含量、Μη含量和Cr含量是通過與上述表層的C含量相同的方法 而定義的。即，在距樣品的觀察面的表面深至30M1深度的區(qū)域中，使用EPMA，在深度方向以5 μπι間距測(cè)定Si濃度、Μη濃度和Cr濃度。將所得的各元素濃度的平均定義為滲碳層的表層的 Si含量、Μη含量和Cr含量（％ )。
[0167] 定義為:F2 = 3.5[Sis% ] + [Mns% ]+3[Crs% ]。通過在上述條件下實(shí)施預(yù)備氣體滲 碳工序，形成內(nèi)部氧化物。此時(shí)，在鋼部件內(nèi)固溶的特定元素被消耗。因此，認(rèn)為:主氣體滲 碳工序開始時(shí)的鋼部件的表層的特定元素含量降低至F2滿足式(2)的水平。由于能夠抑制 表層的特定元素的含量，因此能夠維持主氣體滲碳工序中的氣體滲碳性，得到足夠深度的 滲碳層。若實(shí)施上述制造方法，則作為結(jié)果，在滲碳鋼部件的表層(滲碳層的表層）中，F(xiàn)2滿 足式(2)。
[0168] [內(nèi)部氧化物的面積率]
[0169] 滲碳鋼部件中，進(jìn)而在距離滲碳層的表面的深度為10μπι±3μπι范圍中的氧化物（內(nèi) 部氧化物）的面積率為7~50%。以下，將在距離滲碳層的表面的深度為10μπι±3μπι范圍中的 氧化物得面積率稱為"內(nèi)部氧化物率"。
[0170] 內(nèi)部氧化物率是通過如下方法測(cè)定的。在上述樣品的觀察面(400μπιΧ400μπι)中， 使用ΕΡΜΑ以0 · 3μπιX 0 · 3μπι的間隔獲得氧的元素映射。其中，提取距離表面的200μπι深度的。 濃度分布，在除了夾雜物等第二相之外的金屬鐵中將成為最大氧濃度的數(shù)值作為閾值來進(jìn) 行二值化。其后，裁切距離滲碳層的表面的深度為l〇ym± 3μηι的范圍，并在所裁切的范圍中， 由閾值求出高氧濃度區(qū)域的面積率。將求出的面積率定義為內(nèi)部氧化物率（％)。
[0171 ]若在上述條件下實(shí)施預(yù)備氣體滲碳工序和主氣體滲碳工序，則內(nèi)部氧化物率達(dá)到 7~50%。在預(yù)備氣體滲碳工序中，若滲碳溫度Τ超過FA，則氧化物的面積率低于7%。另一方 面，在實(shí)施本實(shí)施方式的氣體滲碳處理(預(yù)備氣體滲碳工序和主氣體滲碳工序)時(shí)，內(nèi)部氧 化物率不會(huì)超過50 %。
[0172] 需要說明的是，在對(duì)Si含量為0.7%以上的鋼部件實(shí)施以往的氣體滲碳處理時(shí)，內(nèi) 部氧化物不會(huì)在晶粒內(nèi)形成，僅少量形成于晶界。因此，在實(shí)施以往的氣體滲碳處理時(shí)，內(nèi) 部氧化物率低于7 %。
[0173] 實(shí)施例
[0174][滲碳鋼部件的有效硬化層深度測(cè)定和內(nèi)部氧化物率的測(cè)定]
[0175] 準(zhǔn)備具有表1示出的化學(xué)組成的鋼號(hào)1~34的鋼材。對(duì)各鋼材實(shí)施熱鍛和熱處理來 制造中間產(chǎn)物。對(duì)中間產(chǎn)物實(shí)施切削加工(機(jī)械加工），從而制造 20mmX 20mm方柱狀的鋼部 件。
[0176] 表1
[0178]如表2所示，對(duì)各試驗(yàn)編號(hào)的鋼部件，在表2示出的條件下實(shí)施預(yù)備氣體滲碳和主 氣體滲碳。
[0179][表 2]
[0182] 在試驗(yàn)編號(hào)1~30、33~36中，在表2示出的條件(滲碳溫度、滲碳時(shí)間、碳勢(shì)CP)下 實(shí)施預(yù)備氣體滲碳工序。進(jìn)而，緊接著預(yù)備氣體滲碳工序，在表2示出的條件(滲碳溫度、滲 碳時(shí)間和CP)下實(shí)施主氣體滲碳工序。對(duì)主氣體滲碳工序后的鋼部件，利用130 °C的油實(shí)施 淬火，并在150 °C下實(shí)施回火，從而制造滲碳鋼部件。
[0183] 試驗(yàn)編號(hào)31和32中，未實(shí)施預(yù)備氣體滲碳工序，而在表2的條件下實(shí)施了主氣體滲 碳工序。主氣體滲碳工序后，對(duì)鋼部件實(shí)施130 °C的油淬火，并實(shí)施150 °C的回火。通過以上 工序，制造試驗(yàn)編號(hào)1~36的滲碳鋼部件(試驗(yàn)片）。
[0184] [評(píng)價(jià)試驗(yàn)]
[0185] [滲碳層的表層的C含量和特定元素含量的測(cè)定]
[0186] 使用EPMA，通過上述方法求出各試驗(yàn)編號(hào)的滲碳鋼部件的滲碳層的表層中的C含 量、Si含量、Μη含量和Cr含量?；谒肧i含量、Μη含量和Cr含量，通過上述方法求出F2。 ΕΡΜΑ裝置使用了 JEOL Ltd.制的商品名JXA-8200。
[0187] [有效硬化層深度和內(nèi)部氧化物率的測(cè)定]
[0188] 通過上述方法，求出滲碳鋼部件的有效硬化層深度(mm)。進(jìn)而，通過上述方法，求 出在距離滲碳鋼部件的滲碳層的表面的深度為1 Ομπι ± 3μπι的范圍內(nèi)的氧化物的面積率（內(nèi) 部氧化物率）。
[0189] [滾軸點(diǎn)蝕(roller pitting)疲勞試驗(yàn)]
[0190] 為了評(píng)價(jià)制造出的滲碳鋼部件的表面疲勞強(qiáng)度，使用大滾軸試驗(yàn)片和小滾軸試驗(yàn) 片，進(jìn)行滾軸點(diǎn)蝕疲勞試驗(yàn)。具體而言，對(duì)表1的鋼號(hào)1~34的鋼材實(shí)施熱鍛和熱處理而制造 中間產(chǎn)物。對(duì)中間產(chǎn)物實(shí)施機(jī)械加工，從而制作小滾軸試驗(yàn)片和大滾軸試驗(yàn)片。小滾軸試驗(yàn) 片的直徑為26mm，寬度為28mm。大滾軸試驗(yàn)片的直徑為130mm，寬度為18mm。大滾軸試驗(yàn)片在 外周還具有150mm的凸起。
[0191] 對(duì)于制作的小滾軸試驗(yàn)片和大滾軸試驗(yàn)片，在試驗(yàn)編號(hào)1~30、33~36中，在表2所 示的條件下實(shí)施預(yù)備氣體滲碳工序和主氣體滲碳工序，進(jìn)而實(shí)施130 °C下的油淬火、以及 150°C下的回火。在試驗(yàn)編號(hào)31和32中，對(duì)小滾軸試驗(yàn)片和大滾軸試驗(yàn)片不實(shí)施預(yù)備氣體滲 碳工序，而在表2示出的條件下實(shí)施主氣體滲碳工序，并實(shí)施130°C下的油淬火、以及150°C 下的回火。
[0192] 使用回火后的小滾軸試驗(yàn)片和大滾軸試驗(yàn)片，如下實(shí)施了滾軸點(diǎn)蝕試驗(yàn)。將大滾 軸試驗(yàn)片按壓到小滾軸試驗(yàn)片上。此時(shí)，將面壓設(shè)為赫茲應(yīng)力(Hertz stress)3000MPa。將 在小滾軸試驗(yàn)片與大滾軸試驗(yàn)片的接觸部的兩滾軸的圓周速度方向設(shè)為相同方向，將滑動(dòng) 率設(shè)為-40%，旋轉(zhuǎn)各滾軸。具體而言，將接觸部的大滾軸試驗(yàn)片的圓周速度與小滾軸試驗(yàn) 片的圓周速度相比設(shè)為大40%。求出至小滾軸試驗(yàn)片上產(chǎn)生點(diǎn)蝕的旋轉(zhuǎn)數(shù)，將所得旋轉(zhuǎn)數(shù) 設(shè)為表面疲勞強(qiáng)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
[0193] 滾軸點(diǎn)蝕試驗(yàn)中，供給至接觸部的齒輪油的油溫設(shè)為80°C。通過配備的振動(dòng)計(jì)檢 測(cè)點(diǎn)蝕的產(chǎn)生。振動(dòng)檢測(cè)后，停止兩滾軸試驗(yàn)片的旋轉(zhuǎn)，確認(rèn)點(diǎn)蝕的產(chǎn)生和旋轉(zhuǎn)數(shù)。將即使 旋轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到1000萬次也未產(chǎn)生點(diǎn)蝕的情況，判斷為具有優(yōu)異的表面疲勞強(qiáng)度，在1000萬次 時(shí)停止試驗(yàn)。
[0194] [試驗(yàn)結(jié)果]
[0195] 將試驗(yàn)結(jié)果示于表3。
[0196] [表 3]
[0197] 表3
[0199] 試驗(yàn)編號(hào)1~26中，鋼材的化學(xué)組成是適當(dāng)?shù)模現(xiàn)1滿足式（1)。進(jìn)而，制造條件也是 適當(dāng)?shù)模A(yù)備氣體滲碳工序的滲碳溫度低于FA，F(xiàn)B滿足式(2)。因此，滲碳鋼部件的滲碳層表 層的C含量為0.5%以上，F(xiàn)2滿足式(2)。進(jìn)而，有效硬化層為0.3~低于1.5mm，內(nèi)部氧化物率 為7~50%。因此，在這些試驗(yàn)編號(hào)中，利用滾軸點(diǎn)蝕試驗(yàn)?zāi)褪?000萬次，示出優(yōu)異的表面疲 勞強(qiáng)度。進(jìn)而，氣體滲碳工序(預(yù)備氣體滲碳工序和主氣體滲碳工序）的滲碳時(shí)間低于50小 時(shí)，不遜色于通常的氣體滲碳處理。
[0200] 另一方面，試驗(yàn)編號(hào)27中，鋼材的C含量過低。因此，滾軸點(diǎn)蝕疲勞試驗(yàn)中，在達(dá)到 1000萬次之前就發(fā)生損壞，表面疲勞強(qiáng)度低。C含量過低，因此認(rèn)為作為滲碳鋼部件的非滲 碳層的芯部的強(qiáng)度低。
[0201] 試驗(yàn)編號(hào)28中，Si含量過低。因此，滾軸點(diǎn)蝕疲勞試驗(yàn)中，在達(dá)到1000萬次之前就 發(fā)生損壞，表面疲勞強(qiáng)度低。Si含量過低，因此抗回火軟化低，其結(jié)果，認(rèn)為表面疲勞強(qiáng)度降 低。
[0202]試驗(yàn)編號(hào)29中，雖然鋼材中的各元素含量是適當(dāng)?shù)?，但F1超出了式（1)的上限。因 此，內(nèi)部氧化物率低于7 %，有效硬化層為0mm，表層的C含量低于5 %。其結(jié)果，表面疲勞強(qiáng)度 低。認(rèn)為:F1超出了式（1)的上限，故特定元素的含量過多，在主氣體滲碳處理中，在鋼材表 面形成了氧化覆膜。
[0203]試驗(yàn)編號(hào)30中，雖然鋼材中的各元素含量是適當(dāng)?shù)模獸1低于式（1)的下限。因此， 表面疲勞強(qiáng)度低。由于抗回火軟化低，因此認(rèn)為表面疲勞強(qiáng)度降低。
[0204] 試驗(yàn)編號(hào)31中，F(xiàn)1低于式（1)的下限。進(jìn)而，未實(shí)施預(yù)備氣體滲碳工序。因此，表面 疲勞強(qiáng)度低。
[0205] 試驗(yàn)編號(hào)32中，化學(xué)組成是適當(dāng)?shù)?，雖然F1滿足式（1)，但是未實(shí)施預(yù)備氣體滲碳 工序。因此，有效硬化層深度為〇mm，內(nèi)部氧化物率也低。其結(jié)果，表面疲勞強(qiáng)度低。認(rèn)為在本 滲碳處理時(shí)形成了氧化覆膜，未進(jìn)行滲碳。
[0206]試驗(yàn)編號(hào)33中，化學(xué)組成是適當(dāng)?shù)?，雖然F1滿足式（1)，但預(yù)備氣體滲碳工序中的 滲碳時(shí)間過短。因此，F(xiàn)2不滿足式(2)，有效硬化層為0mm。其結(jié)果，表面疲勞強(qiáng)度低。
[0207]試驗(yàn)編號(hào)34中，化學(xué)組成是適當(dāng)?shù)?，雖然F1滿足式（1)，但是預(yù)備氣體滲碳處理中 的滲碳溫度TPSFA以上。因此，F(xiàn)2不滿足式（2)，有效硬化層為0mm。其結(jié)果，表面疲勞強(qiáng)度 低。
[0208]試驗(yàn)編號(hào)35中，F(xiàn)B超出了式⑶的上限。因此，有效硬化層深度過低，從而表面疲勞 強(qiáng)度降低。
[0209] 試驗(yàn)編號(hào)36中，F(xiàn)B低于式(B)的下限。因此，有效硬化層深度超過1.5mm，表面疲勞 強(qiáng)度低。
[0210] 以上，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了說明。然而，上述實(shí)施方式只不過是用于實(shí)施本 發(fā)明的示例。因此，本發(fā)明并不限定于上述實(shí)施方式，在不脫離其主旨的范圍內(nèi)可以對(duì)上述 實(shí)施方式加以適當(dāng)變更來實(shí)施。
[0211] 產(chǎn)業(yè)上的可利用性
[0212] 基于本實(shí)施方式的滲碳鋼部件的制造方法可以廣泛地適用于滲碳鋼部件的制造。 特別是，由該制造方法制造出的滲碳鋼部件能夠使汽車、建筑車輛、產(chǎn)業(yè)機(jī)械等高輸出化， 從而提高燃料經(jīng)濟(jì)性。因此，該制造方法適用于上述領(lǐng)域中利用的滲碳鋼構(gòu)件的制造。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種滲碳鋼部件的制造方法，其具備： 預(yù)備氣體滲碳工序:對(duì)鋼部件以滿足式(A)的滲碳溫度TptC實(shí)施10分鐘~低于20小時(shí)的 氣體滲碳處理，該鋼部件具有下述化學(xué)組成：以質(zhì)量％計(jì)含有C: 0.1~0.4%、Si :0.7~ 4.0%、Μη:0·2~3.0%、Cr:0.5~5.0%、A1:0.005~0· 15%、S:0.3% 以下、Ν:0·003~ 0.03%、0:0.0050%以下、卩：0.025%以下、恥：0~0.3%、11 :0~0.3%、￥:0~0.3%、附：0~ 3.0%、Cu:0~3.0%、C〇:0~3.0%、Μ〇:0~1 ·0%、W:0~1 ·0%、Β:0~0.005%、Ca:0~ 0.01%、]\%:0~0.01%、2〇0~0.05%、丁6:0~0.1%、和稀土元素 ：0~0.005%，余量由卩6和 雜質(zhì)構(gòu)成，且滿足式(1);和 主氣體滲碳工序:緊接預(yù)備氣體滲碳工序，以滿足式(B)的滲碳溫度Tr °C和滲碳時(shí)間tr 分鐘實(shí)施氣體滲碳處理， 6.5<3.5[Si%] + [Mn%]+3[Cr%]^18 (1) 800^TP<163Xln(CP+0.6)-41Xln(3.5X [Si%] + [Mn%]+3X [Cr%])+950 (A) 4<13340/(Tr+273.15)-ln(tr)<7 (B) 其中，式中的[Si%]、[Mn%]和[Cr%]中分別代入所述鋼部件中的以質(zhì)量％計(jì)的Si含 量、Mn含量和Cr含量，In ()為自然對(duì)數(shù)，CP中代入預(yù)備氣體滲碳工序中的滲碳時(shí)的碳勢(shì)。2. 一種滲碳鋼部件，其具備： 母材:其具有下述化學(xué)組成：以質(zhì)量％計(jì)含有C:0.1~0.4%、Si :0.7~4.0%、Mn:0.2~ 3.0%、0:0.5~5.0%、八1:0.005~0.15%、5:0.3%以下川 :0.003~0.03%、0:0.0050%以 下、P:0.025%WT、Nb:0~0.3%、Ti :0~0.3%、V:0~0.3%、Ni:0~3.0%、Cu:0~3.0%、 Co:0~3.0%、Mo:0~1.0%、W:0~1.0%、B :0~0.005%、Ca:0~0.01%、Mg:0~0.01%、Zr: 0~0.05%、Te:0~0.1%、和稀土元素:0~0.005%，余量由Fe和雜質(zhì)構(gòu)成，且滿足式（1);和 滲碳層:其形成于所述母材的表面上， 所述滲碳層的表層的C含量為0.5 %以上， 所述滲碳層的表層的Si含量、Mn含量和Cr含量滿足式(2)， 有效硬化層深度為0.3~低于1.5mm， 在距離所述滲碳層的表面的深度為1〇μπι±3μπι的范圍中的氧化物的面積率為7~50%， 6.5<3.5[Si%] + [Mn%]+3[Cr%]^18 (1) 3.5[Sis%] + [Mns%]+3[Crs%]^9 (2) 其中，式（1)中的[Si% ]、[Mn%]和[Cr%]中分別代入所述母材中的以質(zhì)量％計(jì)的Si含 量、Mn含量和Cr含量，式(2)中的[Sis% ]、[Mns % ]和[Crs % ]中分別代入所述滲碳層的表層 的以質(zhì)量％計(jì)的Si含量、Mn含量和Cr含量。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的滲碳鋼部件，其中， 所述化學(xué)組成中含有選自由Nb:0.02~0.3%、Ti :0.02~0.3%和V:0.02~0.3%組成 的組中的1種或2種以上。4. 根據(jù)權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的滲碳鋼部件，其中， 所述化學(xué)組成中含有選自由Ni :0.2~3.0%、Cu:0.2~3 ·0%、(：〇:0.2~3.0%、Mo :0.05 ~1.0%、W:0.05~1.0%和B:0.0006~0.005%組成的組中的1種或2種以上。5. 根據(jù)權(quán)利要求2~權(quán)利要求4中任一項(xiàng)所述的滲碳鋼部件，其中， 所述化學(xué)組成中含有選自由Ca:0.0005~0.01 %、Mg:0.0005~0.01 %、Zr :0.0005~ 0.05%、Te:0.0005~0.1 %和稀土元素:0.OOOl~0.005%組成的組中的1種或2種以上。
【文檔編號(hào)】C22C38/00GK105899697SQ201480071095
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2014年12月24日
【發(fā)明人】小山達(dá)也, 久保田學(xué)
【申請(qǐng)人】新日鐵住金株式會(huì)社