BRPI1001266B1

BRPI1001266B1 - Carburized steel part

Info

Publication number: BRPI1001266B1
Application number: BRPI1001266-4A
Authority: BR
Inventors: Miyanishi Kei; Aiso Toshiharu
Original assignee: Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2017-12-19
Also published as: CN102317490A; TWI412607B; TW201350591A; TWI494445B; TW201042058A; EP2415892B1; JPWO2010116670A1; BRPI1001266A2; EP2415892A4; US20110036463A1; CN102317490B; EP2415892A1; KR101280203B1; WO2010116670A1; JP4677057B2; US8801873B2; KR20100125367A

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PEÇA DE AÇO CARBURIZADO".

Campo Técnico [001] A presente invenção refere-se a uma peça de aço carburizado tendo excelente capacidade de usinagem antes de carburização e resistência à flexão estática.

[002] O presente pedido de patente reivindica prioridade baseado no pedido de patente japonês 2009-083228 depositado no Japão em 30 de março de 2009, os conteúdos do qual são aqui citados. Antecedentes da Técnica [003] No momento em que um veículo subitamente peça ou o veículo subitamente para, excesso de forças externas é aplicado a peças usadas em uma construção de motor, especialmente, engrenagens diferenciais, engrenagens de transmissão, eixos dentados carburizados e outras peças de engrenagens. Neste momento, um alto grau de tensão é gerado dentro de uma porção de base de dente da peça engrenagem. Como um resultado, falha ou quebra de dente pode ocorrer na porção de base do dente devido à recepção de tensão de flexão estática. Por isso, tem sido fortemente demandado que a resistência de flexão estática seja aperfeiçoada, especialmente para engrenagens diferenciais. No passado, um aço de camada cementada contendo cerca de 0,2% de C de acordo com JIS-SCr420, JIS-SCM420 ou e semelhantes foi geralmente usado para um material base (aço antes de carburização é aplicado) para a peça de engrenagem como descrito acima. Este torna possível diminuir a dureza do material de base, e manter a capacidade de usinagem antes de carburização, por exemplo, no momento de realização de operação de corte tal como corte de dente, que é implementada antes de carburização. Então, uma operação de carburização (operação de carburização e endurecimento, e operação de têmpera em baixa temperatura ao redor de 150*0) é aplicada após a operação de corte para transformar uma estrutura de metal de uma superfície da peça de aço carburizado em uma estrutura martensita revenido (estrutura troostita ou estrutura sorbita) contendo cerca de 0,8% de C. A figura 7 é um diagrama mostrando uma relação entre uma profundidade a partir da superfície e dureza Vickers da peça de aço carburizado obtida pelos processos como descrito acima. Como mostrado na figura 7, a dureza da porção de camada de superfície pode ser enrijecida através de processos como descrito acima, e portanto, a resistência de fadiga de flexão de alto ciclo e a resistência de desgaste da peça de engrenagem podem ser aperfeiçoada através de implementação de processos como descrito acima para a peça de engrenagem.

[004] Literaturas de patente 1-3, que serão descritas em detalhes mais tarde, mostram técnicas para aperfeiçoamento de resistência de flexão estática da peça de aço carburizado.

[005] A literatura de patente 1 mostra uma peça de aço carburizado fabricada a partir de um material base contendo componentes químicos de 0,1-0,3% em peso de C, 0,35-1,1% em peso de Mn, 0,1-1,1% em peso de Cr, 0,6-1,7% em peso de Mn+Cr, e 0,001-0,005% em peso de B, onde a quantidade de C em uma porção de superfície de uma camada carburizada e endurecida é 0,6-1,1% em peso, e uma fração de área troostita na camada carburizada e endurecida é 5-50%.

[006] Literatura de patente 2 mostra uma peça de aço carburizado fabricada de um material de base contendo componentes químicos de 0,1-0,3% em peso de C, 0,5-1,3% em peso de Mn, 0,1-1,1% em peso de Cr, 0,9-1,9% em peso de Mn+Cr, e 0,001-0,005% em peso de B, onde a quantidade de C na porção de superfície de uma camada carburizada e endurecida é 0,6-1,1% em peso, e uma fração de área troostita na camada carburizada e endurecida é 5-50%.

[007] Literatura de patente 3 mostra um processo no qual uma operação de carburização é aplicada a um produto formado fabricado através de uso de aço liga contendo 0,5% ou mais de Ni, e uma região a partir de uma superfície do produto formado carburizado até uma profundidade de 20 micrometros ou mais é removida através de polimento eletrolítico e similares.

Literatura de Técnica Relacionada [008] Literatura de patente 1: Pedido de patente não-examinado Japonês, primeira publicação N° H11-80882 Literatura de Patente 2: Pedido de patente não-examinado Japonês, primeira publicação N° H9-256102 Literatura de Patente 3: Pedido de patente não-examinado Japonês, primeira publicação N° H3-64500.

Sumário da Invenção Problema a ser resolvido pela invenção [009] Entretanto, com as técnicas mostradas de Literaturas de Patente 1-3 descritas acima, a resistência de flexão estática não pode ser satisfatoriamente aperfeiçoada. Além disso, uma vez que o processo para aperfeiçoamento de resistência de flexão estática é feito geralmente através de aumento de dureza do material base ou adição de grande quantidade de elementos de formação de liga, as técnicas não são um processo desejável em termos de capacidade de usinagem antes de carburização. Por isso, ambas, excelente capacidade de usinagem antes de carburização e excelente resistência de flexão estática têm sido desejadas.

[0010] De modo a resolver o problema descrito acima, um objeto da presente invenção é prover uma peça de aço carburizado tendo excelente capacidade de usinagem antes de carburização e excelente resistência de flexão estática comparada a técnicas relacionadas.

Meios para resolução de problema [0011] Para resolver o problema descrito acima, a presente invenção emprega as seguintes configurações. (1) Um primeiro aspecto da presente invenção provê uma peça de aço carburizado obtido através de sujeição de um material base a uma operação de corte e uma operação de carburização, na qual o material base inclui componentes químicos de: C: maior que 0,3 mas menos que ou igual a 0,6% em massa; Si: 0,01 a 1,5% em massa; Mn: 0,3 a 2,0% em massa; P: 0,0001 a 0,02% em massa; S: 0,001 a 0,15% em massa; N: 0,001 na 0,03% em massa; Al: maior que 0,06 mas menos que ou igual a 0,3% em massa; e, O: 0,0001 a 0,005% em massa, com um balanço incluindo ferro e impurezas inevitáveis, e onde a peça de aço carburizado tem uma dureza de HV550 a HV800 em uma porção de camada de superfície, e uma dureza de HV400 a HV550 em uma porção de núcleo. (2) Na peça de aço carburizado de acordo com item (1) acima, o material base ainda pode incluir um ou mais componentes químicos de: Ca: 0,0002 a 0,005% em massa, Zr: 0,0003 a 0,005% em massa, Mg: 0,0003 a 0,005% em massa, e Rem: 0,0001 a 0,015% em massa. (3) Na peça de aço carburizado de acordo com o item (1) ou (2) acima, o material base ainda inclui um componente químico de B: 0,0002 a 0,005% em massa. (4) Na peça de aço carburizado de acordo com qualquer um dos itens (1)-(3) acima, o material base ainda pode incluir um ou mais componentes químicos de: Cr: 0,1 a 3,0% em massa, Mo: 0,1 a 1,5% em massa, Cu: 0,1 a 2,)% em massa, e, Ni: 0,1 a 5,0% em massa. (5) Na peça de aço carburizado de acordo com qualquer um dos itens (1)-(4) acima, o material base ainda pode incluir um ou mais componentes químicos: Ti: 0,005 a 0,2% em massa, Nb: 0,01 a 0,1% em massa, e, V: 0,03 a 0,2% em massa. (6) Pode ser possível que a peça de aço carburizado de acordo com qualquer um dos itens (1)-(5) acima seja uma engrenagem.

Efeitos da Invenção [0012] De acordo com uma configuração descrita no item (1) acima, uma peça de aço carburizado tendo ambas, excelente capacidade de usinagem antes de carburização e excelente resistência de flexão estática pode ser obtida.

[0013] De acordo com uma configuração descrita no item (2) acima, um efeito de aperfeiçoamento de capacidade de usinagem antes de carburização ou um efeito de redução de anisotropia para as propriedades mecânicas resultantes de MnS pode ser obtido.

[0014] De acordo com uma configuração descrita no item (3) acima, um efeito de aumento de resistência de flexão estática devido a um aperfeiçoamento na capacidade de endurecimento ou resistência contorno de grão pode ser obtido.

[0015] De acordo com uma configuração descrita no item (4) acima, um efeito de aumento de resistência de flexão estática através de um aumento na capacidade de endurecimento pode ser obtido.

[0016] De acordo com a configuração descrita no item (5) acima, um efeito de prevenção de engrossamento dos grãos pode ser obtido.

[0017] De acordo com uma configuração descrita no item (6) acima, uma engrenagem tendo ambas, excelente capacidade de usinagem antes de carburização e excelente resistência de flexão estática pode ser obtida.

[0018] Adicionalmente, de acordo com a presente invenção, é possível realizar uma significante miniaturização e redução de peso da engrenagem, sem causar um grande aumento no custo de produção devido a deterioração na capacidade de usinagem antes de carburização da peça de aço carburizado, e é também possível aperfeiçoar a eficiência de combustível de um automóvel e obter a resultante redução na quantidade de emissão de C02.

Breve Descrição dos Desenhos [0019] A figura 1 é um diagrama esquemático mostrando um espécime para um teste de flexão estática; A figura 2 é um diagrama mostrando um efeito de uma dureza de uma porção de camada de superfície sobre uma resistência de flexão estática; A figura 3 é um diagrama mostrando um efeito de uma dureza de uma porção de núcleo sobre uma resistência de flexão estática; A figura 4 é um diagrama mostrando o efeito de teor de Al sobre capacidade de usinagem antes de carburização; A figura 5 é um diagrama mostrando uma relação entre teor de Al e capacidade de usinagem antes de carburização; A figura 6 é um diagrama mostrando, em uma linha sólida, uma distribuição da dureza em um aço carburizado de acordo com a presente invenção; e, A figura 7 é um diagrama mostrando uma distribuição da dureza em um aço carburizado de acordo com a técnica relacionada.

[0020] Para resolver o problema descrito acima, os presentes inventores estudaram seriamente propriedades de capacidade de usinagem antes de carburização e de resi8stência a flexão estática através de mudança de componentes químicos e propriedades de material carburizado de aço em uma maneira extensiva e sistemática, e verificaram os seguintes pontos. (1) Para aperfeiçoar a resistência de flexão estática, é verificado que foi apropriado para a dureza de uma porção de camada de superfície de uma peça de aço carburizado (dureza na região a partir de uma camada de superfície de até 50 pm de profundidade), estar em uma faixa de HV 550 a HV 800. Adicionalmente, o resultante efeito aumenta quando o valor dentro da faixa se torna menor. (2) Para aperfeiçoar a resistência de flexão estática, foi verificado que é apropriado para a dureza de uma porção de núcleo da peça de aço carburizado (dureza em uma região onde um teor de C aumenta por 10% ou menos a partir daquela de um material base), para estar em uma faixa de HV 400 a HV 550. Além disso, também foi verificado que o resultante efeito aumenta na medida em que o valor dentro da faixa se torna mais alto, e é apropriado aumentar o teor de C dentro de uma faixa até 0,6% em massa para aperfeiçoar a resistência de flexão estática.

[0021] Em outras palavras, como mostrado na Fig. 6, que representa, em uma linha sólida, uma relação entre a dureza Vickers e a profundidade a partir da superfície da peça de aço carburizado de acordo com a presente invenção, foi verificado que é apropriado para a dureza da porção de camada de superfície estar em uma faixa de HV 550 a HV 800, enquanto a dureza da porção de núcleo está em uma faixa de HV 400 a HV 550. Notar que a linha partida na figura 6 indica uma distribuição de dureza no material de aço carburizado convencional. (3) No passado, foi dito que, quando o teor de C excede 0,3%, a rigidez da peça de aço carburizado diminui, e portanto, rachaduras são prováveis de aparecerem. Isto faz com que a resistência de flexão estática decline. Entretanto, os presentes inventores verificaram que a causa primária da diminuição em rigidez é devida à dureza da porção de núcleo excedendo HV 550, antes que o teor de C. Adicionalmente, os presentes inventores verificaram que, para evitar que a dureza da porção de núcleo exceda HV 550 devido ao fato de que o material base contem C excedendo 0,6%, é necessário fixar um limite superior de C em 0,6%. (4) Para aperfeiçoar a resistência de flexão estática, foi verificado que é efetivo aumentar Si dentro de uma faixa de 0,01% a 1,5%. No passado, uma vez que Si diminui a resistência a resistência devido a formação de uma camada de óxido intragranular durante a carburização, foi recomendado que Si seja limitado a 0,5% ou menos. Entretanto, os presentes inventores verificaram que o efeito da camada de óxido intragranular sobre a resistência de flexão estática é extremamente pequeno, e antes, ele é efetivo para diminuir a dureza da porção de camada de superfície e aumentar a dureza da porção de núcleo através de aumento de Si para aperfeiçoar a resistência de flexão estática. (5) Foi verificado que, tornando-se o valor de P tão pequeno quanto possível e adicionando B, os efeitos de (1)-(3) descritos acima ainda aperfeiçoam. (6) Foi verificado que, quando a quantidade de Al contida no material base excede 0,06%, Al soluto formado no material base pode aperfeiçoar a capacidade de usinagem antes de carburização do material base. Em particular, foi verificado que, quando uma operação de corte é implementada através de uso de uma ferramenta revestida com um revestimento contendo o óxido formado por elementos metais tendo uma afinidade com oxigênio de menos que ou igual àquela de Al, ou seja, um óxido tendo um valor absoluto de energia livre padrão de formação de menos que ou igual àquela de Al203, uma reação química é provável de ocorrer em uma superfície de contato da ferramenta com o aço; isto torna fácil a formação do revestimento de Al203 sobre a camada de superfície de ferramenta; e este revestimento funciona como o revestimento de proteção de ferramenta, pelo que a vida de serviço da ferramenta pode ser significantemente prolongada.

[0022] Com referência aos desenhos, um modo para realizar a presente invenção baseado nas verificações acima será descrito abaixo.

[0023] Uma peça de aço carburizado de acordo com uma realização da presente invenção é fabricada através de aplicação de uma operação de corte e uma operação de carburização para um material base contendo C, WSi, Μη, P, S, N, Al, e O. Aqui abaixo, o teor preferível de cada um dos componentes químicos será descrito. Notar que o caractere "%" referente ao teor de cada componente químico representa uma % em massa. (C: maior que 0.3% mas menos que ou iaual a 0.6%) [0024] C adiciona dureza à porção de núcleo de uma peça sendo submetida à operação de carburização e endurecimento, e contribui para aperfeiçoamento de resistência a fadiga de flexão estática. Uma estrutura principal da porção de núcleo da peça tendo sido submetida à operação de carburização e endurecimento é martensita. Ainda, com o aumento no teor de C, a dureza da martensita aumenta após a operação de carburização e endurecimento. Adicionalmente, mesmo se a porção de núcleo tem o mesmo grau de dureza, a razão de limite de elasticidade aumenta devido a enrijecimento de dispersão de partículas de carbeto finas, quando o teor de C aumenta. Para obter confiável mente este efeito, é necessário fixar o teor de C acima de 0,3%. Ainda, é preferível fixar o teor de C em 0,32% ou mais, ou em 0,35% ou mais para fazer com que a porção de núcleo tenha a dureza de HV 450 ou mais de modo a aperfeiçoar a resistência de fadiga de flexão estática. Por outro lado, quando o teor de C excede 0,6%, a dureza da porção de núcleo excede HV 550 como descrito acima, o que causa uma rápida queda na capacidade de usinagem antes de carburização. Por isso, é necessário fixar o teor de C para maior que 0,3% mas menos que ou igual a 0,6%. Em termos de capacidade de usinagem antes de carburização, uma vez que é preferível que o teor de C seja 0,40% ou menor, a faixa preferível de C é 0,32 a 0,40%. (Si: 0.01 a 1.5%) [0025] Si é um elemento efetivo na desoxidação de aço, e é um elemento efetivo no aperfeiçoamento de uma resistência a amolecimento de têmpera. Ainda, Si adiciona a dureza à porção de núcleo da peça tendo sido submetida à operação de carburização e endurecimento através de aperfeiçoamento em capacidade de endurecimento, que contribui para aperfeiçoamento de resistência de fadiga de flexão de baixo ciclo. Quando Si é menos que 0,01%, Si não pode prover suficiente efeito descrito acima, e quando Si excede 1,5%, propriedades de carburização são inibidas. Por isso, é necessário que a quantidade de Si esteja em uma faixa de 0,01 a 1,5%. Quando um processo de carburização de gás genérico com um potencial de carbono de 0,7-1,0 é empregado, Si em uma faixa de 0,5 a 1,5% tem um efeito de supressão de dureza de uma porção de camada de superfície devido ao efeito de Si para aumento de atividade de C no aço, que é efetivo em ainda aperfeiçoamento de resistência de flexão estática. A faixa preferível de Si é 0,5-1,5%. (Mn: 0.3 a 2.0%) [0026] Mn é um elemento efetivo na desoxidação de aço, e adiciona dureza à porção de núcleo da peça tendo sido submetida à operação de carburização e endurecimento através de aperfeiçoamento em capacidade de endurecimento, que contribui para aperfeiçoamento de resistência de flexão estática. Quando Mn é menos que 0,3%, seu efeito é insuficiente, e quando Mn excede 2,0%, o efeito descrito acima se torna saturado. Por isso, é necessário que a quantidade de Mn esteja na faixa de 0,3 a 2,0%. (P: 0.0001% a 0.02%) [0027] P é segregado em limites de grão austenita no momento de carburização, o que faz com que uma fratura intergranular diminua a resistência de flexão estática. Por isso, é necessário limitar seu teor para 0,02% ou menor. A faixa preferível é 0,01% ou menor. Por outro lado, do ponto de vista de custo, não é preferível que o teor de P seja menor que 0,0001%. Da mesma maneira, a faixa preferível de P é 0,0001% ou mais, mas menor que ou igual a 0,01%. O caractere "A" na figura 2 e o caractere "A" na figura 3 indicam exemplos nos quais a resistência de flexão estática é diminuída devido à excessiva adição de P. (S: 0.001 a 0.15%) [0028] S é adicionado para o propósito de aperfeiçoamento de capacidade de usinagem antes de carburização resultante de MnS formado no aço. Quando S é menor que 0,001%, seu efeito é insuficiente. Por outro lado, quando S excede 0,15%, seu efeito se torna saturado, e ocorre segregação intergranular, que causa fragilidade intergranular.Devido às razões descritas acima, é necessário que o teor de S esteja em uma faixa de 0,001 a 0,15%. A faixa preferível é 0,01 a 0,1%. (N: 0,001 a 0,03%) [0029] N combina com Al, Ti, Nb, V e semelhantes no aço, e gera nitreto ou carbonitreto para suprimir engrossamento de grãos de cristais. Quando N é menos que 0,001 %, seu efeito é insuficiente. Por outro lado, quando N excede 0,03%, seu efeito se torna saturado, e carbonitreto não-soluto permanece e existe no momento de laminação quente e calor de forjamento quente, o que torna difícil aumentar a quantidade de carbonitreto fino que é efetivo em supressão de engrossamento dos grãos de cristais. Por isso, é necessário que o teor de N esteja em uma faixa de 0,001 a 0,03%. A faixa preferível é de 0,003 a 0,010%. (Al: maior aue 0.06 mas menos aue ou iaual a 0.3%) [0030] A figura 5 é um diagrama mostrando a capacidade de usinagem antes de carburização de oito tipos de material base contendo N que é limitado a 0,008% ou menor, e Al de 0,02%, 0,04%, 0,08%, 0,1%0,18%, 0,24% ou 0,3%. Como mostrado na figura 5, pode ser entendido que, com o aumento no teor de Al, a capacidade de usinagem antes de carburização é ainda aperfeiçoada. Este efeito de aperfeiçoamento de capacidade de usinagem antes de carburização é baseado no efeito de um revestimento protetor resultante de Al203 formado sobre a superfície de ferramenta através de uma reação química do Al soluto existindo no material base com uma camada de oxido (Fe304) de uma porção de camada de superfície da ferramenta de corte. Por outro lado, quando o Al aumenta excessivamente, o tamanho de inclusão de Al203 torna-se grande, o que tem um efeito negativo sobre a resistência de fadiga de alto ciclo. Por isso, é necessário fixar o teor de Al em uma faixa de 0,06 a 0,3%. A faixa preferível é de 0,075% a 0,25%. Ainda a faixa preferível é de 0,1 a 0,15%. (O: 0.0001% a 0.005%) [0031] O é um elemento que causa segregação intergranular, que é provável de causar fragilidade intergranular, e que forma duras inclusões baseadas em óxido (por exemplo, Al203) em aço, que são prováveis de causarem fratura quebradiça. É necessário limitar o O para 0,005% ou menor. Por outro lado, em termos de custo, não é preferível fixar o teor de O para menor que 0,0001%. Por isso, a faixa preferível de O é 0,0001% a 0,005%.

[0032] Ainda, pode ser possível que o material base descrito acima contenha um ou mais elementos de Ca, Zr, Mg e Rem. Neste caso, um efeito de aperfeiçoamento para capacidade de usinagem antes de carburização ou um efeito de redução de anisotropia para as propriedades mecânicas resultantes de MnS pode ser obtido. Daqui por diante, teores desejáveis em um caso de contendo estes componentes químicos serão descritos. (Ca: 0,0002 a 0,005%) [0033] Ca diminui um ponto de fusão de oxido, e amolece o material base devido ao aumento de temperatura sob o ambiente de operação de corte, pelo que a capacidade de usinagem antes de aperfeiçoamento de carburização. Entretanto, quando Ca é menos que 0,0002%, ele não tem qualquer efeito, e quando Ca excede 0,005%, uma grande quantidade de Cãs é gerada, que diminui a capacidade de usinagem antes de carburização. Por isso, é desejável fixar a quantidade de Ca em uma faixa de 0,0002 a 0,005%. (Zr: 0.0003 a 0.005%) [0034] Zr é um elemento de desoxidação e gera óxidos, e Zr também gera sulfeto e assim é um elemento que tem correlação com MnS. Óxido baseado em Zr é provável de formar um núcleo de cristalização / precipitação de MnS, pelo que sendo efetivo no controle de dispersão de MnS. Para a quantidade de Zr adicionada, é preferível adicionar Zr excedendo 0,003% para esferoidizar o MnS. Por outro lado, para dispersar finamente o MnS, é preferível adicionar Zr de 0,0003 a 0,005%. Em termos de produto, o último é preferível, e em termos de fabricação e estabilidade de qualidade (rendimentos de componentes, etc.), o último, ou seja, 0,0003 a 0,005% onde MnS é finamente dispersado é realisticamente preferível. Quando Zr é 0,0002% ou menor, quase nenhum efeito de adição de Zr pode ser visto. (Ma: 0.0003 a Q.005%] [0035] Mg é um elemento de desoxidação e gera óxido, e Mg também gera sulfeto e assim é um elemento que tem uma correlação com MnS. Óxido baseado em Mg é provável de formar um núcleo de cristalização / precipitação de MnS. Ainda, o sulfeto se torna sulfeto compósito com Mn e Mg, pelo que suprimindo sua deformação e esferoidizando o mesmo. Por isso, Mg é efetivo em controle de dispersão de MnS. Entretanto, quando Mg é menos que 0,0003%, nenhum efeito é obtido, e quando Mg excede 0,005%, uma grande quantidade de MgS é gerada, que diminui a capacidade de usinagem antes de carburização. Por isso, é preferível que a quantidade de Mg esteja em uma faixa de 0,0003 a 0,005%. (Rem: 0.0001 a 0.015%) [0036] Rem (metais terras raras) é um elemento de desoxidação e gera óxido de baixo ponto de fusão. Rem não somente suprime um entupimento de um bocal no momento de forjamento, mas é também solvido - sólido em ou combinado com MnS, pelo que diminuindo sua deformabilidade. Também, Rem funciona de modo a suprimir a extensão da forma de MnS no momento da laminação e o forjamento quente. Como descrito acima, Rem é um elemento efetivo na diminuição de anisotropia. Entretanto, quando o teor de Rem total é menos que 0,0001%, seu efeito não é significante, e quando o Rem adicionado excede 0,015%, a grande quantidade de sulfeto com Rem é gerada, que deteriora a capacidade de usinagem antes de carburização. Por isso, em caso de adição de Rem, seu teor está em uma faixa de 0,0001 a 0,015%.

[0037] Ainda, pode ser possível que o material base descrito acima contenha B para aperfeiçoar a resistência de flexão estática devido ao aperfeiçoamento na capacidade endurecimento ou resistência de contorno de grão. Um teor preferível em um caso de conter B será descrito abaixo. (B: 0.0002 a 0.005%) [0038] B suprime a segregação intergranular de P, e contribui para aumento de resistência de flexão estática através de aumento de resistência de contorno de grão e a resistência no seu grão, e o aperfeiçoamento na capacidade de endurecimento. Quando B é menos que 0,0002%, seu efeito é insuficiente, e quando B excede 0,005%, seu efeito se torna saturado. Por isso, é desejável fixar seu teor em uma faixa de 0,0002 a 0,005%. A faixa preferível é de 0,0005 a 0,003%.

[0039] Ainda, pode ser possível que o material base descrito acima contenha um ou mais elementos de Cr, Mo, Cu, e Ni para aperfeiçoar a resistência de flexão estática resultante do aperfeiçoamento na capacidade de endurecimento. Um teor desejável em um caso de conter estes componentes químicos será descrito abaixo. (Cr: 0.1 a 3.0%) [0040] Cr adiciona a dureza à porção de núcleo da peça tendo sido submetida à operação de carburização e endurecimento através de aperfeiçoamento em capacidade de endurecimento, e é um elemento efetivo no aperfeiçoamento de resistência de flexão estática. Quando Mn é menos que 0,1%, seu efeito é insuficiente, e quando Mn excede 3,0%, seu efeito se torna saturado. Por isso, é desejável que a quantidade de Cr esteja em uma faixa de 0,1 a 3,0%. (Mo: 0.1 a 1.5%) [0041] Mo adiciona a dureza à porção de núcleo da peça tendo sido submetida à operação de carburização e endurecimento através de aperfeiçoamento em capacidade de endurecimento, e é um elemento efetivo no aperfeiçoamento de resistência de flexão estática. Quando Mn é menos que 0,1%, seu efeito é insuficiente, e quando Mn excede 1,5%, seu efeito se torna saturado. Por isso, é desejável que a quantidade de Mo esteja em uma faixa de 0,1 a 1,5%. (Cu: 0,1 a 2,0%) [0042] Cu adiciona a dureza à porção de núcleo da peça tendo sido submetida à operação de carburização e endurecimento através de aperfeiçoamento em capacidade de endurecimento, e é um elemento efetivo no aperfeiçoamento de resistência de flexão estática. Quando Cu é menos que 0,1%, seu efeito é insuficiente, e quando Cu excede 2,0%, seu efeito se torna saturado. Por isso, é desejável que a quantidade de Cu esteja em uma faixa de 0,1 a 2,0%. (Ni: 0,1 a 5,0%) [0043] Ni adiciona a dureza à porção de núcleo da peça tendo sido submetida à operação de carburização e endurecimento através de aperfeiçoamento em capacidade de endurecimento, e é um elemento efetivo em aperfeiçoamento de resistência de flexão estática. Quando Ni é menos que 0,1%, seu efeito é insuficiente, e quando Ni excede 5,0%, seu efeito se torna saturado. Por isso, é desejável que a quantidade de Ni esteja em uma faixa de 0,1 a 5,0%.

[0044] Ainda, pode ser possível que o material base descrito acima contenha um ou mais elementos de Ti, Nb, e V para prevenir que os grãos engrossem no momento de tornar a temperatura de carburização maior ou o tempo de carburização mais longo de modo a aumentar a profundidade de carburização, ou seja, para arranjar e refinar o grão austenita através de aumento de quantidade do carbonitreto. Um teor preferível em umcaso de conter estes componentes químicos será descrito abaixo. (Ti: 0.005 a 0.2%) [0045] Quando Ti é adicionado, TiC fino e TiCS são gerados no aço. Por esta razão, Ti pode ser adicionado para refinar o grão austenita no momento de carburização. Ainda, em um caso de adição de Ti, Ti combina-se com N no aço para gerar TiN, pelo que um efeito de prevenção - precipitação de BN pode ser obtido. Em outras palavras, B soluto pode ser obtido. Quando Ti é menos que 0,005%, seu efeito é insuficiente. Por outro lado, quando Ti excede 0,2%, a quantidade de precipitados formados principal mente por TiN se torna aumentada, o que conduz a deterioração em uma propriedade de fadiga de contato de laminação. Pelas razões descritas acima, é desejável que o teor de Ti esteja em uma faixa de 0,005 a 0,2%. A faixa preferível é de 0,01 a 0,1%. (Nb: 0.01 a 0.1 %ϊ [0046] Através de adição de Nb, carbonitreto de Nb é gerado, e o engrossamento de grãos de cristais é suprimido. Quando Nb é menos que 0,01%, seu efeito é insuficiente. Por outro lado, quando Nb excede 0,1%, a capacidade de usinagem antes de carburização deteriora, e portanto, o limite superior é fixado para 0,1%. (V: 0,03 a 0.2%) [0047] Através de adição de V, carbonitreto de V é gerado, e o engrossamento de grãos de cristais é suprimido. Quando V é menos que 0,03%, seu efeito é insuficiente. Por outro lado, quando V excede 0,2%, a capacidade de usinagem antes de carburação deteriora. Portanto, o limite superior é fixado em 0,05%.

[0048] Deve ser notado que, em adição aos elementos descritos acima, o material base de acordo com a presente invenção pode conter impurezas inevitavelmente incorporadas no mesmo durante o processo de fabricação, mas é preferível manter tais impurezas tão mínimas quanto possível.

[0049] A seguir, será feita descrição da dureza da porção de camada de superfície e a dureza da porção de núcleo da peça de aço carburizado obtido pela aplicação de operação de carburização ao material base descrito acima, de acordo com a realização da presente invenção. (Dureza de porção de camada de superfície HV 550 a HV 800) [0050] Como mostrado na figura 2, os presentes inventores verificaram que, quando a dureza da porção de camada de superfície está em uma faixa de HV550 a HV800, a resistência de flexão estática aperfeiçoa crescentemente à medida em que a dureza da porção de camada de superfície diminui. Ainda, baseado nos resultados de observação de superfície de fratura sobre produtos fraturados, os presentes inventores verificaram que é por isso, quando a dureza da porção de camada de superfície é alta, uma rachadura de superfície de fratura quebradiça aparece sobre a superfície, e a superfície de fratura quebradiça propaga rapidamente. Esta tendência se torna notável se a dureza excede HV 800. Por esta razão, é preferível que a dureza da porção de camada de superfície seja HV 800 ou menor, e mais preferivelmente a dureza é HV 770 ou menor. Quando a dureza da porção de camada de superfície é baixa, embora a rachadura similarmente apareça a partir da superfície, a taxa de ocorrência da superfície de fratura quebradiça é baixa, e assim a velocidade de propagação de rachadura [e lenta, pelo que a resistência de flexão estática é aperfeiçoada. Entretanto, quando a dureza da porção de camada de superfície é de menos que HV 550, a quantidade de deformação plástica na camada de superfície externa aumenta significantemente (correspondendo a uma grande deformação de uma superfície de dente em um caso de engrenagem), que prejudica a função de engrenagem. Adicionalmente, a diminuição na dureza da camada de superfície mais externa conduz à deterioração na resistência de fadiga de flexão de alto ciclo e a resistência ao desgaste. Pelas razões acima, é necessário fixar a dureza da porção de camada de superfície em uma faixa de HV 550 a HV 800. Uma vez que a dureza da porção de camada de superfície corresponde à dureza da camada carburizada, a dureza pode ser ajustada através de ajuste de potencial de carbono no momento de carburização ou ajuste de temperatura de têmpera após a operação de carburização e endurecimento. Como um guia para ajuste, a peça de aço é submetida à operação de carburização e endurecimento no potencial de carbono de 0,8, e então é submetida à têmpera em uma temperatura de 150^, e a seguir, o teste de flexão estática é implementado. Como um resultado do teste, e a resistência de flexão estática é menor que uma resistência predeterminada, ajuste é feito de modo que o potencial de carbono seja diminuído para 0,7, ou a temperatura de têmpera é aumentada para 180*0 para diminuir a dureza da porção de camada de superfície, e a resistência de flexão estática é aperfeiçoada. (Dureza de porção de núcleo HV 400 a HV 550) [0051] Como mostrado na figura 3, os presentes inventores verificaram que, quando a dureza da porção de núcleo está em uma faixa de HV 400 a HV550, a resistência de flexão estática aperfeiçoa crescentemente na medida em que a dureza da porção de núcleo aumenta. Como um resultado de observação de superfície de fratura e assim por diante, os presentes inventores verificaram que isto é porque, se a dureza da porção de núcleo é baixa, a porção de núcleo imediatamente abaixo de camada carburizada cede e não pode ainda suportar tensão, e a tensão ocorrendo na superfície da peça de aço, que é a camada carburizada, torna-se maior. No passado, para aperfeiçoar mais significantemente a resistência de flexão estática do que os geralmente usados JlS-SCr 420, JIS-SCM 420 e semelhantes, a dureza de HV 400 ou mais é requerida. Por isso, é necessário que a dureza da porção de núcleo esteja em uma faixa de HV 400 a HV 550. Desejavelmente, a dureza da porção de núcleo está em uma faixa de HV 430 a HV 550. Mais desejavelmente, a dureza de porção de núcleo está em uma faixa de HV 450 a HV 550. Notar que, quando a dureza da porção de núcleo excede HV 550, a rigidez da porção de núcleo diminui significantemente, e a resistência de flexão estática diminui através de aumento na velocidade de propagação de rachadura na porção de núcleo.

[0052] Deve ser notado que B1, B2 e B3 na figura 2 indicam a resistência de flexão estática da peça de aço carburizado cuja dureza de porção de núcleo não cai dentro da faixa estabelecida acima, e B1’, B2’ e B3’ na figura 3 indica a resistência de flexão estática da peça de aço carburizado cuja dureza de porção de camada de superfície não cai dentro da faixa estabelecida acima. A partir de figuras 2 e 3 que indicam aqueles pontos, pode ser entendido que, se uma da dureza de porção de camada de superfície e a dureza de porção de núcleo cai fora da faixa estabelecida acima, a suficiente resistência de flexão estática não pode ser obtida. Por isso, a dureza da porção de camada de superfície da peça de aço carburizado de acordo com esta realização está na faixa de HV 550 a HV 800, e a dureza da porção de núcleo está na faixa de HV 400 a HV 550.

[0053] Deve ser notado que o termo "porção de núcleo" como aqui usado representa uma porção onde a quantidade de C infiltrando a partir da superfície da peça através de operação de carburização diminui quando a profundidade torna-se maior. Mais especificamente, a porção de núcleo representa uma porção onde o teor de C aumenta por 10% ou menor a partir daquela do material base (quando o teor de C do material base é 0,20%, o valor é 0,22%). O termo "material base" como aqui usado significa aço antes de operação de carburização. Por isso, a porção de núcleo pode ser identificada por análise de linha-C de ΕΡΜΑ e assim por diante. Ajuste da dureza da porção de núcleo é feito através de ajuste de concentração de C do material base ou a capacidade de endurecimento através de adição de elementos de formação de liga.

[0054] Deve ser notado que um processo especial não é necessário para o processo de carburização, e um efeito da presente invenção pode ser obtido através de qualquer processo genérico de carburização tal como carburização de gás, carburização de baixa pressão, ou carbonitretação.

[0055] A peça de aço carburizado de acordo com a presente invenção é usada para peças de construção de motor, e engrenagens diferenciais, engrenagens de transmissão, eixos dentados carburizados ou outras peças de engrenagens, e, especialmente, é útil para as engrenagens diferenciais.

Exemplo [0056] Abaixo, a presente invenção será especificamente descrita através de um exemplo. Notar que o exemplo abaixo é dado para o propósito de explicação da presente invenção, e não é dado para limitação de escopo da presente invenção.

[0057] Após lingotes de aço tendo componentes químicos mostrados na tabela 1 serem estendidos e forjados para serem de 35 mm de diâmetro e então terem sido submetidos a encharcamento e normalização (contanto que o aço seja formado para ser uma estrutura ferrita - pearlita através de resfriamento controlado), o aço foi submetido a uma usinagem para obtenção de um espécime para uma operação de perfuração - corte, e uma usinagem grosseira para obtenção de um espécime de teste de flexão estática (15 mm de diâmetro)3 tendo uma peça paralela 1 e um dente (semicírculo) 2 em uma porção em recesso de centro como mostrado na figura 1 (exceto para uma operação de fresar por pontos).

[0058] Como para o espécime para uma operação de perfuração - corte, um espécime cilíndrico tendo um diâmetro de 30 mm e uma altura de 21 mm foi cortado, e submetido a acabamento de moagem para obter o espécime para a operação de perfuração - corte.

[0059] A seguir, com relação a espécimes para o teste de flexão estática tendo sido submetidos à usinagem grosseira, espécimes N°s 1-29, e 31 foram submetidos à operação de carburização a 930*0 por cinco horas em um forno de carburização de gás tipo transformação, e então submetidos a endurecimento em óleo a 1300. Espécime N° 30 foi submetidos à operação de carburização a 9300 p or cinco horas, e então submetido ao endurecimento em óleo a 220*Ό. Após ser submetido ao endurecimento em óleo, os espécimes N°s 1-30 foram então submetidos a têmpera a 150*0 por 1,5 horas. Por outro lado, após ter sido submetido ao endurecimento em óleo, o espécime N° 31 foi então submetido à têmpera a 120*0 por 1,5 horas. Notar que ajuste foi feito de modo que o potencial de carbono no momento da operação de carburização foi fixado em uma faixa de 0,5-0,8, e a temperatura de têmpera foi fixada em uma faixa de 150-3000, exceto para o espécime N° 31, para ajustar a dureza de porção de camada de superfície e a dureza de porção de núcleo. Após isto, os espécimes foram submetidos à operação de fresagem de pontos 4 de 1 mm para fabricar espécimes para o teste de flexão estática. Notar que o espécime para o teste de flexão estática após usinagem grosseira foi conformado de modo que uma porção forrada - partida foi removida da Fig. 1, e o espécime para o teste de flexão estática após a operação de acabamento foi conformado de modo que a operação de fresar por pontos correspondendo à porção forrada-partida na figura 1 foi aplicada ao espécime para o teste de flexão estática após usinagem grosseira.

[0060] A tabela 2 mostra os resultados de exame referentes a dureza após normalização e as propriedades de material após uma operação de carburização (após operações de carburização, endurecimento e têmpera) como descrito acima.

[0061] Com relação a um teste sobre a capacidade de usinagem antes de carburização, um teste de broca-perfuração foi conduzido para um espécime para uma operação de broca - corte sob uma condição de corte mostrada na Tabela 3, e avaliação foi feita sobre a capacidade de usinagem antes de carburização de cada material aço neste exemplo e exemplos comparativos. Neste teste, como um parâmetro de avaliação, uma taxa de corte máxima VL 1000 (m/minuto) no qual um orifício cumulativo de profundidade de 1000 mm pode ser perfurado foi empregado no teste de broca - perfuração.

[0062] No teste de flexão estática, um espécime para o teste de flexão estática foi curvado em quatro pontos. Este teste foi conduzido em uma taxa de compressão de 0,1 mm/minuto para obter a carga máxima até o ponto de ruptura, que é definido como a resistência de flexão estática. Entretanto, quando a dureza da porção de camada de superfície foi excepcional mente baixa, a quantidade de deformação plástica da camada de superfície mais externa foi significantemente aumentada, e portanto, a carga máxima até este ponto foi definida como a resistência de flexão estática. A tabela 2 mostra os resultados da resistência à flexão estática.

[0063] Como mostrado na Tabela 2, foi verificado que os espécimes N°s 1-23 do exemplo de acordo com a presente invenção não somente tiveram excelentes resistências à flexão estática de 11 kN ou mais, mas também tiveram excelente capacidade de usinagem (VL 1000) antes de carburização de 35 m/minuto ou mais.

[0064] Por outro lado, o espécime N° 24 do exemplo comparativo teve a pobre resistência de flexão estática. Isto porque C no material aço é menor que 0,3%, que é a faixa especificada na presente invenção, e como um resultado, a dureza de sua porção de núcleo torna-se menor que a faixa especificada na presente invenção.

[0065] O espécime N° 25 do exemplo comparativo teve a pobre resistência de flexão estática. Isto porque o material aço excede 0,6%, que é a faixa especificada na presente invenção, e como um resultado, a dureza de sua porção de núcleo torna-se maior que a faixa especificada na presente invenção.

[0066] O espécime N° 26 do exemplo comparativo teve a pobre resistência à flexão estática. Isto porque a propriedade de carburização é inibida devido ao fato de que Si no material aço excede 1,5%, que é a faixa especificada na presente invenção. Como um resultado, a dureza de sua porção de camada de superfície se torna menor que aquela da faixa especificada na presente invenção, e a quantidade de deformação plástica na camada de superfície mais externa é significantemente aumentada. Portanto, a avaliação é feita pela definição de carga máxima até este ponto como a resistência à flexão estática.

[0067] O espécime N° 27 do exemplo comparativo teve a pobre resistência à flexão estática. Isto porque P no material aço excede 0,02%, que é a faixa especificada na presente invenção, e como um resultado, uma fratura intergranular é causada pela segregação intergranular de P.

[0068] Os espécimes N°s 28 e 29 do exemplo comparativo tiveram pobre capacidade de usinagem antes de carburização. Isto porque Al no material aço é menor que a faixa de maior que 0,06%, que é a faixa especificada na presente invenção, e como um resultado, o efeito de aperfeiçoamento de capacidade de usinagem antes de carburização obtido pela solução sólida de Al não pode ser obtido.

[0069] O espécime N° 30 do exemplo comparativo teve pobre resistência à flexão estática. Isto porque a temperatura de óleo para endurecimento é alta, a qual é de 220*0. Como um resultado, o endurecimento não é suficiente, resultando na dureza de sua porção de núcleo sendo menor que HV400, que é a faixa especificada na presente invenção.

[0070] O espécime N° 31 do exemplo comparativo teve pobre resistência à flexão estática. Isto porque a temperatura de têmpera é baixa, a qual é de 120*0, e como um resultado, a du reza da porção de camada de superfície excede HV800 especificada na presente invenção.

Tabela 3___________________________________________________________ (broca NACHI normal refere-se a uma broca cujo tipo é SD 3,0 fabricada por NACHI-FUJIKOSHI CORP. - A camada de superfície mais externa desta ferramenta é óxido baseado-ferro) Aplicabilidade Industrial [0071] De acordo com a presente invenção, uma peça de aço carburizado tendo resistência à flexão estática e capacidade de usinagem antes de carburização mais excelentes que a convencional pode ser fabricada. Por isso, existe suficiente aplicabilidade industrial. Breve Descrição dos Símbolos de Referência 1 peça paralela 2 dente (semicírculo) 3 espécime de teste de flexão estática 4 operação de fresagem de ponto após carburização REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Peça de aço carburizado obtida por sujeição de um material base a uma operação de corte e uma operação de carburização, caracterizada pelo fato de que o material base consiste de componentes químicos de: C: maior que 0,3, porém menor que ou igual a 0,6% em massa; Si: 0,01 a 1,5% em massa; Mn: 0,3 a 2,0% em massa; P: 0,0001 a 0,02% em massa; S: 0,001 a 0,15% em massa; N: 0,001 a 0,03% em massa; Al: maior que 0,06, porém menor que ou igual a 0,3% em massa; e, O: 0,0001 a 0,005% em massa, e opcionalmente um ou mais de: Ca: 0,0002 a 0,005% em massa; Zr: 0,0003 a 0,005% em massa; Mg: 0,0003 a 0,005% em massa; Rem: 0,0001 a 0,015% em massa; B: 0,0002 a 0,005% em massa; Cr: 0,1 a 3,0% em massa; Mo: 0,1 a 1, 5% em massa; Cu: 0,1 a 2,0% em massa; Ni: 0,1 a 5,0% em massa; Ti: 0,005 a 0,2% em massa; Nb: 0,01 a 0,1% em massa; e, V: 0,03 a 0,2% em massa, com o balanço consistindo de ferro e impurezas inevitáveis, e onde a peça de aço carburizado tem uma dureza de HV550 a HV800 em uma porção de camada de superfície, e uma dureza de HV400 a HV550 em uma porção de núcleo.

2. Peça de aço carburizado de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o material base inclui um ou mais componentes químicos de: Ca: 0,0002 a 0,005% em massa, Zr: 0,0003 a 0,005% em massa, Mg: 0,0003 a 0,005% em massa, e Rem: 0,0001 a 0,015% em massa.

3. Peça de aço carburizado de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o material base inclui um componente químico de B: 0,0002 a 0,005% em massa.

4. Peça de aço carburizado de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o material base inclui um ou mais componentes químicos de: Cr: 0,1 a 3,0 % em massa, Mo: 0,1 a 1,5% em massa, Cu: 0,1 a 2,0% em massa, e Ni: 0,1 a 5,0% em massa.

5. Peça de aço carburizado de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o material base inclui um ou mais componentes químicos de: Ti: 0,005 a 0,2% em massa, Nb: 0,01 a 0,1% em massa, e, V: 0,03 a 0,2% em massa.

6. Peça de aço carburizado de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que a peça de aço carburizado é uma engrenagem.

7. Peça de aço carburizado de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a quantidade de C não é inferior a 0. 41%.

8. Peça de aço carburizado de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a quantidade de C não é inferior a 0. 51%.

9. Peça de aço carburizado de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a quantidade de Al não é inferior a 0,101%.

10. Peça de aço carburizado de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a quantidade de Al não é inferior a 0,110%.