CN100594249C - 机械部件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种由钢制成的通过渗氮处理进行表面硬化处理的机械部件(1)，具体地，具有通过经渗氮处理而增大了表面硬度的表层(2)，和未受渗氮处理影响并显示出几乎恒定硬度的内层部分(3)。将内层部分(3)的维氏硬度调整至190HV～260HV，将表层部分(2)在距部件表面50μm深的基准位置测得的维氏硬度调整至340HV～460HV，并将从部件表面(4)测起的维氏硬度达到270HV的硬化层的有效深度调整为大于等于0.3mm。这使得提供由钢制成并通过渗氮处理进行表面硬化处理的机械部件成为可能，并且成功地改善了其强度和弯曲度矫直特性，并且还提供了该机械部件的制造方法。

Description

机械部件及其制造方法

技术领域

本发明涉及通过渗氮法进行表面硬化处理的钢制机械部件及其制造方法，更具体地，本发明涉及经表面硬化处理的、同时不仅赋予其强度而且赋予其弯曲矫直特性的机械部件及其制造方法。

背景技术

诸如齿轮、轴承、轴、曲柄轴和连杆等机械部件对耐磨性和疲劳特性具有很高的要求。这些机械部件的制造通常包括用于提高强度例如耐磨性和疲劳特性的表面硬化处理。通常在对用于制造机械结构的由碳素钢或合金钢制成的待铸造材料进行热锻造、进行典型如正火等退火处理、并进一步加工成各种机械部件所需的几何形状之后进行表面硬化处理。在表面硬化处理之后，材料通常通过弯曲矫直而制成，由此得到机械部件的最终产品。

表面硬化处理通过诸如盐浴渗氮和气体软渗氮等渗氮处理来进行。通常已知，与诸如渗碳处理等表面硬化处理后所出现的加工后变形相比，渗氮处理仅导致微小的加工后变形，并被认为是特别有效的方法(例如特开平第09-324258号公报)。

然而在某些情况下，通过渗氮法进行的表面硬化处理会导致无法接受程度的生成变形(generated distortion)，并且因而在表面硬化处理后常常需要弯曲矫直。进行弯曲矫直的目的是为了将弯曲矫直到产品可接受的水平，其中加工的容易程度，或弯曲矫直特性依赖于表面硬化处理后所获得的表面硬度。当表面硬度变低时，则弯曲矫直特性得到改善。另一方面，当表面硬度变低时，则机械部件的诸如耐磨性和疲劳特性等部件强度劣化。为了提高机械部件的部件强度，则更大的表面硬度是优选的。由上述内容所知，从机械部件的部件强度的观点来看，通过表面硬化处理充分提高表面硬度是优选的，而从弯曲矫直特性的观点来看，抑制通过表面硬化处理所得到的表面硬度是优选的，因为更大的表面硬度将使弯曲矫直特性劣化，并且在弯曲矫直过程中更易于在表面上产生微裂纹。

如上所述，对于机械部件，在表面硬化处理后使部件强度与弯曲矫直特性很好地协调是不容易的。然而，关键问题是进行表面硬化处理以确保所制造的机械部件具有所需的品质并改善产品的屈服比，以及在表面硬化处理后改善作为产品所提供的机械部件的部件强度和弯曲矫直特性。在确实考虑到上述问题后提出了本发明的构思，其目的在于提供一种通过渗氮进行表面硬化处理并能够同时改善部件强度和弯曲矫直特性的机械部件及其制造方法。

发明内容

旨在解决上述问题的机械部件由钢制成并通过渗氮处理进行表面硬化处理，

该机械部件在相应于距其表面50μm深处的基准位置测得的表层部分的维氏硬度为340HV～460HV，未受渗氮处理影响且显示出几乎恒定硬度的内层部分的维氏硬度为190HV～260HV，且从所述部件表面测起的维氏硬度达到270HV的硬化层的有效深度为大于等于0.3mm。

旨在解决上述问题的机械部件的制造方法是一种制造钢制机械部件并通过渗氮来进行表面硬化处理的方法，其中进行渗氮处理以便将相应于距所述机械部件的表面50μm深处的基准位置测得的表层部分的维氏硬度调整为340HV～460HV，并将未受渗氮处理影响且显示出几乎恒定硬度的内层部分的维氏硬度调整为190HV～260HV、并将从所述部件表面测得的维氏硬度达到270HV的硬化层的有效深度调整为大于等于0.3mm。

上述机械部件以那些钢制且通过渗氮进行表面硬化处理的机械部件为目标。渗氮处理是一种使氮成分从机械部件的表面向内部扩散的处理方法，以便氮化机械部件的表层部分，从而提高包括部件表面的表层部分的硬度。本发明的要点是不仅通过渗氮处理改善表面的硬度，而且为所述处理后作为产品而得到的机械部件提供优异的机械强度及弯曲矫直特性。前述段落已经讨论了机械部件的表层部分的表面硬度可以通过渗氮处理进行改善。增大表面硬度可以导致机械部件的诸如耐磨性和疲劳特性等部件强度的增大。另一方面，增大表面硬度可以导致弯曲矫直特性的降低，所述弯曲矫直特性表示渗氮处理后进行弯曲矫直处理的容易度。弯曲矫直特性的降低可以导致在部件表面产生诸如微裂纹等缺陷，不能制造令人满意的机械部件，成为制造业中导致产品屈服比低下的原因。

如上所述，就所进行的处理而言，渗氮处理的实施及机械产品优异的部件强度和弯曲矫直特性的获得似乎必然导致两难的困境。然而，本发明人在大量的实验和讨论之后得出结论，即通过对从部件表面向深度方向上的由渗氮处理所得到的硬度分布进行最优化，或者换句话说，通过对渗氮处理后作为产物提供的机械部件的表层部分在深度方向上的硬度分布进行最优化，并通过对未受渗氮处理影响且显示出几乎恒定硬度的内层部分的硬度进行最优化，即使在渗氮处理后也可以同时赋予机械部件以优异的强度和弯曲矫直特性。

因此如此对本发明的机械部件通过渗氮进行表面硬化处理，使得在相当于距所述机械部件的表面50μm深的基准位置(在下文中称为“表层基准位置”)测得的表层部分的维氏硬度为340HV～460HV、未受渗氮处理影响的且显示出几乎恒定硬度的内层部分(在下文中称为“内层部分”)的维氏硬度为190HV～260HV、并且维氏硬度达到270HV的硬化层的有效深度从所述部件表面测起为大于等于0.3mm。

首先，在表层基准位置维氏硬度小于340HV会导致仅具有较小的表面硬度，而无法使部件具有有用且优异的部件强度。另一方面，维氏硬度超过460HV可能会导致表面硬度较高，可能更易于在弯曲矫直过程中导致组如微裂纹等缺陷，并且无法使部件具有有用且优异的弯曲矫直特性。其次，即使是对部件进行渗氮处理以便将表层基准位置的维氏硬度调整到令人满意的范围，内层部分的维氏硬度小于190HV也无法为从部件表面直至足够深的位置提供令人满意的硬度，从而导致仅具有较小的表面硬度，并且无法使部件具有有用且优异的部件强度。另一方面，即使是对部件进行渗氮处理以便将表层基准位置的维氏硬度调整到令人满意的范围，内层部分的维氏硬度超过260HV也会导致表层部分由渗氮处理所赋予的硬度过度增高，这会导致表层部分的硬度增高量过大，并且无法使部件具有有用且优异的弯曲矫直特性。

在氮成分从部件表面向深度方向扩散的过程中，氮成分的扩散浓度随着深度增加而降低，直到未受渗氮影响从而显示出几乎恒定硬度的内层部分，这表明氮成分扩散的停止。换句话说，由渗氮处理所提供的硬度的增加量随着从部件表面向内层部分深度的增加而减小。硬度增加量减小的速度可以根据构成机械部件的钢的组成元素的种类和含量，以及渗氮处理的温度和处理的时间而任意改变。所以仅通过规定表层基准位置和内层部分的硬度的范围来最优化渗氮处理后表层部分在深度方向上的硬度分布是不够的。因此本发明的机械部件进一步提供了这样的条件，该条件规定从所述部件表面测起的维氏硬度达到270HV的硬化层的有效深度(在下文中也简称为“有效硬化深度”)为大于等于0.3mm。该条件意味着可以缓和由渗氮处理提供的硬度升高量的下降速度，以致使所述下降速度从部件表面向内层部分的深度方向上出现下降，从而使得在渗氮处理后为机械部件的表层部分在从部件表面直到更深位置的范围提供更大的硬度成为可能。更具体地，从部件表面起维氏硬度达到270HV的有效硬化深度小于0.3mm，则会导致机械部件表层部分在深度方向上硬度分布过于急剧的下降，并且有时无法获得必要的表层硬度以使部件具有有用且优异的强度。

如上所述，通过适当地限定表层基准位置的硬度、内层部分的硬度和有效硬化深度，以及通过对从部件表面起的深度方向上的硬度分布进行最优化，可以制造出同时具有优异的强度和弯曲矫直特性的机械部件。

根据应用的领域，可以采用各种钢作为构成机械部件的原料。因此在制造方法上，通过用与构成部件的钢的组成相适合的方式来调节渗氮处理时氮成分在部件表面的流速、处理温度和处理时间，可以将表层基准位置和内层部分的硬度及有效硬化深度调整至上述范围，使机械部件可以同时具有优异的强度和弯曲矫直特性。

其次，本发明的机械部件的特征为，个别构成元素具有如下组成：对所述构成元素进行调节，以便使Cr[eq.]的范围为大于等于0.72％且小于等于1.0％、C[eq.]为大于等于0.65％且小于等于0.86％，并具有如下限制条件：

Cr[eq.]＝0.475×C+0.164×Si+0.241×Mn+Cr和

C[eq.]＝C+0.07×Si+0.16×Mn+0.19×Cu+0.17×Ni+0.2×Cr，和

具有落入由以下方程式(1)所表示的区域Z中的硬度分布曲线H(X)，所述曲线通过在H-x平面上绘制从部件表面看在深度方向上x处测得的维氏硬度H而得到：

$H^{\′}\left(x\right)=H^{\′}0+(H^{\′}1-H^{\′}0)\×[1-\mathrm{erf}\left(\frac{x}{2\sqrt{\mathrm{\αDt}}}\right)]...\left(1\right)$

其中，

H′0＝C[eq.]×254+33.8

H′1＝Cr[eq.]×392+65.8

Cr[eq.]：如上所述的铬当量

C[eq.]：如上所述的碳当量；

$D=D_0\×\exp \left(\frac{-Q}{R\×(T+273)}\right)$

D₀：1.13×10^-6

Q： $83\×(1-\frac{14.03}{T+273})\×1000$

R：8.314；

α＝exp(-1.47×Si-0.918×Mn+0.998)

Si：Si含量(重量％)

Mn：Mn含量(重量％)；和

区域Z的定义为当t在3.6×10³至18×10³之间变化，且T在500至650之间变化时，方程式(1)所表示的H′(x)在满足条件H′(0.3×10^-3)≥270的同时在H-x平面上能够移动的区域。

在渗氮处理时，表层硬化的程度受到构成机械部件的钢材的组成的响。为了使表层基准位置的硬度、内层部分的硬度和有效硬化深度以更可靠的方式落入上述范围内，有效的方法可能是这样，在渗氮处理之前对钢的组成进行最优化使之有效地有助于与表层部分的硬度相关的内层部分的硬度，并且使钢的组成有效地有助于渗氮处理。为此目的，首先在构成机械部件的钢材中，将定义为Cr[eq.]＝0.475×C+0.164×Si+0.241×Mn+Cr的铬当量Cr[eq.]调整至大于等于0.72重量％且小于等于1.0重量％。这里据认为Cr[eq.]可以作为能够有效提高表层基准位置硬度的组成成分的指标。已经发现在渗氮处理后能够有效地提高机械部件表层基准位置硬度的组成成分是Cr、C、Mn和Si，以效果递减的顺序列举。表示这种效果程度的常数项是通过大量测量所测得的测定值。若如此定义的Cr[eq.]值低于0.72％，则即使在渗氮处理后有时也无法将机械部件表层基准位置的维氏硬度提高到340HV或者更高，另一方面，若Cr[eq.]值超过1.0％，则由于在渗氮处理中表层部分过度硬化，因此有时无法将机械部件表层基准位置的维氏硬度抑制在460HV或者更低。

其次，在构成机械部件的钢材中，将定义为C[eq.]＝C+0.07×Si+0.16×Mn+0.19×Cu+0.17×Ni+0.2×Cr的碳当量C[eq.]调整至大于等于0.65重量％且小于等于0.86重量％。这里据认为C[eq.]可以作为能够有效提高内层部分硬度的组成成分的指标。已经发现能够有效地提高机械部件内层部分的硬度的组成成分是C、Cr、Cu、Ni、Mn和Si，以效果递减的顺序列举。与上面所述相类似，表示这种效果程度的常数项是通过大量测量所测得的测定值。若如此定义的C[eq.]值低于0.65％，则有时无法将机械部件内层部分的维氏硬度提高到190HV或者更高，另一方面，若C[eq.]值超过0.86％，则由于内层部分过度硬化，因此有时无法将机械部件内层部分的维氏硬度抑制在260HV或者更低。

机械部件的特征还在于，具有落入由以下方程式(1)所表示的区域Z中的硬度分布曲线H(X)，所述曲线通过在H-x平面上绘制从部件表面看在深度方向上x处所测得的维氏硬度H而得到：

$H^{\′}\left(x\right)=H^{\′}0+(H^{\′}1-H^{\′}0)\×[1-\mathrm{erf}\left(\frac{x}{2\sqrt{\mathrm{\αDt}}}\right)]...\left(1\right)$

其中，

H′0＝C[eq.]×254+33.8

H′1＝Cr[eq.]×392+65.8

Cr[eq.]：如上所述的铬当量

C[eq.]：如上所述的碳当量；

$D=D_0\×\exp \left(\frac{-Q}{R\×(T+273)}\right)$

D₀：1.13×10^-6

Q： $83\×(1-\frac{14.03}{T+273})\×1000$

R：8.314；

α＝exp(-1.47×Si-0.918×Mn+0.998)

Si：Si含量(重量％)

Mn：Mn含量(重量％)；且

区域Z的定义为当t在3.6×10³至18×10³之间变化，且T在500至650之间变化时，方程式(1)所表示的H′(x)在满足条件H′(0.3×10^-3)≥270的同时在H-x平面上能够移动的区域。

渗氮处理是一种使氮成分从部件表面向深度方向扩散的处理。氮成分的扩散浓度C关于深度方向x的扩散方程式C(x)由以下方程式(2)表示：

$C\left(x\right)=C0+(C1-C0)\×[1-\mathrm{erf}\left(\frac{x}{2\sqrt{\mathrm{Dt}}}\right)]...\left(2\right)$

其中，

D：扩散系数和

t：自扩散开始后的时间

根据方程式(2)，现在假设在时间t＝0(渗氮处理的开始时间)时在x＞0的区域(x＝0为部件表面，并且将从部件表面看深度方向上的x定义为正)中氮成分的浓度为C0(在本渗氮处理中C0＝0)，在x＝0时，假设部件表面始终具有恒定的氮成分浓度C1，可以将C(0)作为表示从部件表面(x＝0)看在深度方向上x处氮成分的扩散浓度变化的方程式。本发明的基本观点是以近似的方式采用方程式，以便最优化机械部件表层部分在深度方向上的硬度分布。

渗氮处理是一种通过渗氮处理使氮成分从部件表面向深度方向扩散以硬化表层部分的处理。因此距部件表面一定深度的氮成分的扩散浓度，与在该深度通过渗氮处理所得到的硬度程度紧密相关，并且大致可以相互代换。首先，在渗氮处理后方程式(2)中的C(x)被从部件表面看深度方向上x处的硬度分布H′(x)所代换。其次，方程式(2)中的C0被表示机械部件内层部分硬度的H′0所代换，即，在渗氮处理开始时将表层部分的硬度假设为内层部分的硬度。将H′0进一步定义为H′0＝C[eq.]×254+33.8，对于该方程式，以及C[eq.]，可以采用基于硬度测量结果的测量值。再次，方程式(2)中C1由表示机械部件表层基准位置硬度的H′1所代换，其中由于机械部件真正表面的硬度无法测定，因此假设H′1具有表示机械部件表层基准位置硬度的值。将H′1进一步定义为H′1＝Cr[eq.]×392+65.8，对于该方程式，以及Cr[eq.]，可以采用基于硬度测量结果的测量值。方程式(2)的近似使用模式即得到方程式(1)。

方程式(1)中的D是在金属或者合金中的扩散系数，一般表示为D＝D₀×exp(-Q/(R×(T+273)))，其中D₀是震动频率数项，Q是活化能，R是气体常数，且T是摄氏温度。在本发明中，由于机械部件由钢构成，据信其中所含有的主要成分Fe的含量至少为50％或者更多，因此假定以氮作为扩散元素在纯Fe中扩散来确定扩散系数D。这里所采用的具体值是在文献(Metal Data Book，第3版，Maruzen出版；第21页)中所描述的值，为当以N为扩散元素在α-δ-Fe中扩散时所定义的值，所述值为D₀＝1.13×10^-6，Q＝83×(1-14.03/(T+273))×1000，和R＝8.314。

其次，在方程式(2)中未曾出现的方程式(1)中的α，是用于修正方程式(1)中所使用的扩散系数D的修正扩散系数。这里将修正扩散系数α定义为α＝exp(-1.47×Si-0.918×Mn+0.998)。修正扩散系数α用于向H′(x)中引入钢中所含有的除Fe以外的组成元素对N扩散产生的全部影响。α也是基于大量硬度测量结果的测量值。值得注意的是，钢中所含有的Si和Mn，特别是Si是抑制N扩散的组成元素。换句话说，当Si和Mn含量升高时，α急剧下降。因此据信Si含量的最优化是可靠地对机械部件表层部分在深度方向上的硬度分布进行最优化的一个必要方面。例如，优选调整Si和Mn的含量以便使α落入0.3～1.6的范围内。

在H′(x)中，t代表渗氮处理的时间，其值一般在3.6×10³～18×10³秒的范围内。T代表渗氮处理的温度，其值一般在500℃～650℃的范围内。

H′(x)按如上所述来确定。假定当用于构成机械部件的钢的组成唯一确定时，H′(x)是含有与渗氮处理条件相关的任意变量t和T的函数。通过在H-x平面上绘制从部件表面看深度方向上x处测得的维氏硬度H以得到的硬度分布曲线，现在给出作为H(x)。限制H(x)使其仅存在于区域Z中，其中将区域Z定义为当t在3.6×10³～18×10³之间任意改变和T在500℃～650℃之间任意改变时H′(x)在H-x平面上能够移动的区域，同时满足从部件表面起0.3mm或更深处可以达到270HV的维氏硬度的条件，或者换句话说，在这样的条件下，即从部件表面起0.3mm深的位置将显示出270HV或者更高的硬度，用H′(0.3×10^-3)≥270来表示。具有如上所述限制的从机械部件表面看的硬度分布H(x)的区域，可以可靠地最优化机械部件的表层部分深度方向上的硬度分布，并且同时赋予机械部件以优异的部件强度和弯曲矫直特性。这里限制在区域Z中的H(x)区域意味着对用于机械部件的钢材组成的所有必要条件，例如Cr[eq.]、C[eq.]、Si含量和Mn含量，均在通常的渗氮处理条件的范围内进行了最优化。这种钢材组成的最优化模式使得可以更可靠地赋予机械部件以优异的强度和弯曲矫直特性。

在制造方法中，通过将Cr[eq.]和C[eq.]调整至与上述的范围相似的范围内，并且按如下所述对渗氮处理条件进行调整，可以更可靠地赋予机械部件以优异的强度和弯曲矫直特性。对于气体软渗氮处理或盐浴渗氮处理所采用的渗氮处理条件包括3.6×10³秒～18×10³秒的处理时间和500℃～650℃的渗氮处理温度。在此所采用的其他渗氮处理条件与通常的气体软渗氮处理或者盐浴渗氮处理中所采用的条件相同。渗氮处理温度低于500℃有时会过度降低氮成分的扩散，从而无法通过渗氮处理在深度方向上赋予机械部件以令人满意的表面硬度曲线。相反，超过650℃的渗氮处理温度会过度加速氮成分的扩散，有时会使表面硬度的增加超过期望。其次，对于处理时间，如果时间少于3.6×10³秒，或1个小时，则有时会无法通过渗氮处理在深度方向上赋予机械部件以令人满意的表面硬度曲线。相反，如果渗氮处理的时间超过18×10³秒，或5个小时，则有时会导致超过期望的过大的表面硬度。通过考虑这些情况来确定渗氮处理的处理时间和处理温度的范围，其中相对于例如考虑到制造上的作业效率而确定范围而言，这些范围是更普通的范围。基于这些原因来设定渗氮处理的条件，从而可以成功地以更可靠地方式赋予机械部件以优异的强度和弯曲矫直特性。

其次，本发明的机械部件的特征在于，以重量％计，具有大于等于90％的Fe含量，并且含有分别具有以下含量的组成元素：C：0.35％～0.5％；Si：0.01％～0.3％；Mn：0.6％～1.8％；Cu：0.01％～0.5％；Ni：0.01％～0.5％；Cr：0.01％～0.5％；Al：0.001％～0.01％和N：0.005％～0.025％。

本发明的机械部件由钢材料制成。因此如上所述，其主要成分是上述的Fe，更具体地，将Fe含量调整至大于等于90重量％。作为除Fe以外的组成元素之一，C的含量为0.35重量％～0.5重量％。C是一种有助于有效地提高机械部件的内层部分和表层基准位置的硬度的元素，其中大于等于0.35％的含量可以使效果更明显。相反，含量超过0.5％有时会导致过度的效果，无法将机械部件的表层硬度调整到令人满意的水平。当将机械部件加工成所需的几何形状时，例如当加工钢制锻造材料时，它还可以成为造成切削加工性下降的原因。其次，Si的含量为0.01重量％～0.3重量％。Si在钢熔融时用作脱氧剂元素，因此Si的含量至少必须为大于等于0.01％。然而，Si还在渗氮处理中作为抑制N扩散的元素。为了可靠地为机械部件提供所需的硬度曲线，优选控制其含量使其小于等于0.3％。再次，Mn的含量为0.6重量％～1.8重量％。Mn是有助于有效地提高内层部分和表层基准位置的硬度的元素，其中大于等于0.6％的含量可以使效果更明显。相反，含量超过1.8％有时会在渗氮处理之前在诸如热锻造和正火等操作中导致贝氏体的产生。Mn也是在渗氮处理中抑制N扩散的组成元素，尽管与Si比程度较低。从这个观点来看，优选将Mn的含量控制在小于等于1.8％。

Cu和Ni的含量均为0.01重量％～0.5重量％。作为不可避免的杂质，Cu和Ni的含量均大于等于0.01％，并且有助于有效地提高机械部件内层部分的硬度。然而，含量超过0.5％从经济的观点来看是不利的，并且会提高机械部件的成本，因此将其含量调整至小于等于0.5％。其次，Cr的含量为0.01重量％～0.5重量％。Cr是有助于有效地提高机械部件内层部分和表层基准位置硬度的元素。将该含量调整至大于等于0.01％可以使效果更加明显。相反，该含量超过0.5％有时会导致过度的效果，并且无法将机械部件的表层硬度调整到令人满意的水平。再次，Al的含量为0.001重量％～0.1重量％的Al。与Si相似，Al也在钢熔融中用作脱氧剂元素，因此必须至少含有大于等于0.001％的含量。然而在某些情况下，Al会过度增大机械部件表层基准位置的硬度，因此优选将其含量限制在小于等于0.01％的范围。再次，N的含量为0.005重量％～0.025重量％。通常在热锻造过程中，通过与Al形成氮化物，N是有助于有效地抑制钢部件晶粒生长的元素。其含量优选设定为大于等于0.005％，但是对于其上限，由于含量高于0.025％时效果已经饱和，因此0.025％的含量作为其上限是足够的。

本发明的机械部件的特征为，该部件含有任意一种、两种或两种以上分别具有以下含量的组成元素：以重量％计，Pb：小于等于0.30％；S：小于等于0.20％；Ca：小于等于0.01％；Bi：小于等于0.30％；Ti：小于等于0.02％；Zr：小于等于0.02％和Mg：小于等于0.01％。

上述的Pb、S、Ca和Bi是当将钢制锻造材料加工成所需的几何形状时有助于有效地改善切削加工性的元素。如果不具有所需程度的切削加工性，则在加工过程中在部件的表面上会产生过度的加工变形，并且无法可靠地为机械部件提供令人满意的弯曲矫直特性。对于Pb、S、Ca和Bi各自的含量，任何超过上述上限的含量均会降低机械部件的热切削加工性或诸如疲劳特性等部件强度，因此优选以重量计调整至以下含量：Pb：小于等于0.30％；S：小于等于0.20％；Ca：小于等于0.01％；和Bi：小于等于0.30％。其次已知Ti、Zr和Mg通过其氧化物的形成，可以在钢熔融时促进MnS等的微观分散。该作用还可以改善制造中的切削加工性、并例如在随后的热锻造步骤中在诸如正火等退火后使钢的晶体结构微粉化，以及进一步可靠地赋予机械部件以必要的部件强度和弯曲矫直特性。对于Ti、Zr和Mg各自的含量，任何超过上述上限的含量均会使效果饱和，因此优选调整至如下含量：以重量计，Ti：小于等于0.02％；Zr：小于等于0.02％和Mg：小于等于0.01％。

前述段落已经对本发明的同时赋予其强度和弯曲矫直特性的机械部件的基本要点进行了描述。对作为本发明目标的机械部件没有特别的限制，可适用于任何公知的机械部件，例如齿轮、轴承、轴、曲柄轴和连杆。其中，特别是限于曲柄轴。这是因为曲柄轴是在高速旋转下使用的机械部件，需要通过弯曲矫直对偏心进行精确控制。通过应用本发明的同时具有优异的强度和弯曲矫直特性的机械部件，可以改善曲柄轴的有用性。

附图说明

图1是本发明机械部件的一个实施方式的示意性侧视图；

图2是沿着图1中II-II线的截面图；和

图3是基于测量结果和理论计算的硬度曲线图。

具体实施方式

以下段落将参考附图对本发明的机械部件的最佳的实施方式进行说明。

图1是曲柄轴的一个必要部分的凸缘部分的示意性侧视图，该曲柄轴为机械部件的一个实施方式。图2是该凸缘部分沿着图1中II-II线的示意性截面图。图中，以凸缘部分1作为机械部件1。由于曲柄轴是通过将分别制造的组件装配形成，因此将凸缘部分假定为本发明的机械部件并未违背本发明的宗旨。凸缘部分1由钢制成并且经渗氮处理。如图2所示，凸缘部分1包括通过渗氮处理而增大了表面硬度的表层部分2，和未受渗氮处理影响且显示出几乎恒定硬度的内层部分3。在表层部分2中，硬度在从部件表面4向内层部分3的深度方向上下降。将内层部分3调整至具有190HV～260HV的维氏硬度，在对应于距部件表面50μm深的基准位置将表层部分2调整至具有340HV～460HV的维氏硬度，并进一步进行调整以具有0.3mm或更深的从部件表面4测起的维氏硬度达到270HV的硬化层的有效深度。这种对表层部分2中由部件表面4沿深度方向的硬度分布的调节可以改善机械部件1的部件强度，例如耐磨性和疲劳特性，并且在渗氮处理后的步骤中可以改善弯曲矫直处理中的弯曲矫直特性。

如上所述通过同时赋予机械部件以优异的强度和弯曲矫直特性，使得可以有效地抑制弯曲矫直中微裂纹的产生，并使机械部件具有优异的强度。

以下段落将解释制造本发明的机械部件(包括图1所示的凸缘部分)的示例性方法。首先，通过熔融制造具有预定组成的钢材，以便获得机械部件所必须的钢的组成，然后进行热锻造以生产锻造材料。然后对钢制锻造材料通过诸如正火、淬火和回火等退火而进行热精炼，并按照机械部件的预定几何形状进行加工。加工后，将机械部件通过渗氮处理进行表面硬化处理以改善硬度。其次，进行弯曲矫直以使所有弯曲，包括归因于由渗氮处理所产生的变形的弯曲，落入所需的可接受的范围。在一系列这样的制造步骤之后，将机械部件制成产品。对于任何由两种或者两种以上以独立方式制造的组件构成的机械部件，可以将每一个组件假定为机械部件，根据上述工艺流程分别制造，并进行装配从而得到具有所需几何形状的机械部件。在这个意义上，本发明的机械部件主要针对于公知的机械部件，例如齿轮、轴承、轴、曲柄轴和连杆，但是可以假定任何由两种或两种以上组件所组成的机械部件中的每一个组件均可以认为是本发明机械部件。

需要指出的是，上述制造方法仅仅是一个实例，本发明也可以采用无精炼工艺，其中可以省略在热锻造后通过退火进行的精炼。一个基本点是可以采用任何制造方法，只要其至少包括通过渗氮处理进行表面硬化处理，随后通过弯曲矫直从而得到作为产品的机械部件即可。渗氮处理可以通过诸如盐浴渗氮和气体软渗氮等公知的方法进行。适当调整渗氮处理的条件，例如处理温度，处理时间和供给部件表面的氮的流速，可以在机械部件的表层部分获得令人满意的深度硬度分布。

以下段落将描述用于确认本发明效果的实施例。

实施例

将具有如表1所列举的化学组成的钢熔融，并进行热锻造从而制得直径为40mm的棒状锻造材料。然后将锻造材料保持在880℃加热60分钟，然后通过冷却至室温而进行正火。然后将锻造材料加工成如图1所示的曲柄轴凸缘部分的几何形状。经加工的凸缘部分通过气体软渗氮进行渗氮处理。在此采用的条件包括2个小时(7.2×10³秒)的处理时间和600℃的处理温度，这些条件处于通常范围之内。对如此制造的实施产品1～10和比较产品1～12用以下所示检测方法进行检测。表1还显示了构成各个试样的各个钢的铬当量Cr[eq.]和碳当量C[eq.]。表1还显示了基于作为上述方程式(1)所给出的理论公式H′(X)所得到的H′(0.3×10^-3)的的计算值，所述计算值是距部件表面0.3mm深处的维氏硬度值。

(断面硬度)

试件的断面硬度通过在从部件表面向内层部分1mm深度内用维氏硬度计在以间距为0.1mm、负载为2.9kN和检测时间为15秒的条件下测定得到。在此应当注意，部件真正表面的硬度是无法测量的，因此采用距部件表面50μm深的位置测得的维氏硬度为部件表面(深度＝0mm)的硬度。

(疲劳特性)

试件用小野型(Ono-type)回转-弯曲疲劳测试仪进行疲劳测定，将疲劳强度(MPa)的测量值用作部件强度的疲劳特性指标。

(弯曲矫直特性)

用万能材料测试仪对试件进行3点弯曲测定，其中将导致部件表面裂纹的压痕量(mm)的测量值用作弯曲矫直特性的指标。

表2显示了这些测量的结果，其中包括表层基准位置(距部件表面50μm深的位置)的维氏硬度、距部件表面0.3mm深的位置(下文中称为“有效硬化深度位置”)的维氏硬度、作为疲劳特性指标的疲劳强度和作为弯曲矫直特性指标的压痕量。在此应当注意，对于各个断面强度、疲劳特性和弯曲矫直特性的测量，使用在相同条件下分别制造的独立试件来进行。

同时还对例如在制造试件时加工中的切削加工性进行了评价。与上面所描述的类似，将具有表1所列举的化学组成的钢熔融、并进行热锻造从而制得直径为40mm的棒状锻造材料，加热至880℃并保持60分钟，然后通过冷却至室温而进行正火。通过用硬质合金刀具对其进行机械切削试验来对如此正火的产品的切削加工性进行评价。机械切削试验在切削速度为200m/分、加料速度为2mm/转和切削宽度为2mm的条件下进行，其中对在硬质合金刀具边隙表面的磨耗幅度达到0.2mm前所经过的切削时间进行测定。现在假定实施产品1所对应的正火产品的切削时间为100，在此基础上对其他测试产品所对应的正火产品的切削时间的测定值进行标准化，并作为表示切削加工性的切削效率列于表2中。

如表1和表2所示，实施产品1～10在表层基准位置的维氏硬度值在340HV～460HV之间，内层部分的维氏硬度在190HV～260HV之间，有效硬化深度处的维氏硬度大于等于270HV。他们已被证实同时具有优异的疲劳特性和弯曲矫直特性。在此应当注意，在本实施例中，同时具有优异的疲劳特性和弯曲矫直特性的机械部件的定义为，具有以下疲劳特性和弯曲矫直特性的机械部件，其中作为所述疲劳特性指标的疲劳强度大于等于400Mpa，作为所述弯曲矫直特性指标的压痕量大于等于2mm。在表1所列出的钢的组成中，其中未被列出的剩余部分主要由铁组成。

相反，尽管比较产品1表层基准位置的硬度保持在355HV，但其内部硬度低于190HV且有效硬化深度位置的硬度低于270HV。这因此导致表层部分的表面硬度不足，并且疲劳强度显著低于实施产品，换句话说，无法得到具有令人满意程度的部件强度。就钢的组成方面而言，比较产品1因C含量而具有比实施产品更小的C[eq.]。本实施例采用通常范围内的渗氮处理条件(处理温度、处理时间)，并且可以得出结论，即为了可靠地将表层基准位置和有效硬化深度位置的硬度调整至令人满意的水平，以及增大内层部分的硬度，优选将C[eq.]调整至大于等于0.65，其中所述硬度对于确保足够水平的部件强度是必要的。对于C含量，优选调整至大于等于0.35重量％(见实施产品2)。

其次，比较产品8的内层部分硬度低于190HV，且表层基准位置和有效硬化深度位置的硬度都达到了令人满意的水平，但是朝向内层部分的硬度衰减率像比较产品1一样高，从而导致表层部分的表面硬度不足，并且疲劳强度显著低于实施产品。就比较产品8的钢的组成方面而言，为了可靠地提高内层部分的硬度，所述硬度对确保足够水平的部件强度是必要的，基于与比较产品1相同的理由，优选将C[eq.]调整至大于等于0.65重量％。

比较产品3显示出了令人满意水平的表层基准位置硬度和内层部分硬度，但是显示出有效硬化深度位置的硬度低于270HV，证明朝向内层部分的硬度衰减率较大，从而导致表层部分的表面硬度不足，并且疲劳强度显著低于实施产品。就比较产品3的钢的组成而言，可以说由于与实施产品相比其Si含量过高，因此朝向内层部分的硬度衰减率过度增大。为了可靠地提高对确保足够水平的部件强度所必需的内层部分的硬度，优选将Si含量调整至例如小于等于0.3重量％(见实施产品2)。

比较产品12显示出了所需的内层部分硬度，但是所显示的表层基准位置和有效硬化深度位置的硬度低于所需的硬度。这因此导致表层部分的表面硬度不足，并且疲劳强度显著低于实施产品。就比较产品12的钢的组成方面而言，为了可靠地提高对确保足够水平的部件强度所必须的表面硬度，优选将Cr[eq.]调整至大于等于0.72。

比较产品5显示出内层部分硬度超过260HV，并且在有效硬化深度位置达到了270HV的所需硬度水平，但是还显示出表层基准位置的硬度超过460HV。这导致表层部分的表面硬度过高，压痕量显著低于实施产品，从而导致弯曲矫直特性不足。就比较产品5的钢的组成方面而言，据认为过大的表层部分的表面硬度应归因于其Cr[eq.]因Cr含量而高于实施产品。因而为了可靠地在表层基准位置获得对于确保足够水平的弯曲矫直特性所必需的预期水平的表面硬度，优选将Cr[eq.]调整至小于等于1.0。据认为另一个导致表面硬度过大的可能的原因是Cr含量较大，这应归因于大于预期水平的较高的C[eq.]和内层部分的硬度。因此为了可靠地确保足够水平的弯曲矫直特性，优选将C[eq.]限制在小于等于0.86的范围。从Cr含量的观点来看，优选调整至小于等于0.5重量％(见实施产品2)。

比较产品6和7显示出了所需水平的内层部分硬度和有效硬化深度位置的硬度，但是显示出在表层基准位置的硬度值超过了460HV。这导致表层硬度过大，压痕量显著低于实施产品，从而导致弯曲矫直特性不足。从钢的组成的观点来看，据认为由于比较产品7的Cr[eq.]高于实施产品，因此其表层部分的表面硬度过度增高。因此为了可靠地在表层基准位置获得令人满意的对于确保足够水平的弯曲矫直特性所需硬度水平，优选将Cr[eq.]限制在小于等于1.0的范围。据认为比较产品6的表面硬度过度增高是由于Al含量过高。因此为了可靠地获得令人满意的水平的弯曲矫直特性，优选将Al含量限制在小于等于0.01重量％的范围(见实施产品3)。

以下段落将对切削加工性进行描述。已经发现比较产品2同时具有优异的部件强度和弯曲矫直特性，但是由于高C含量而抑制了切削加工性。对于需要改善切削加工性、并且同时需要优异的部件强度和弯曲矫直特性的情况，优选将C含量限制在例如小于等于0.5重量％(见实施产品3)。实施产品5至10含有Pb、S、Ca、Bi、Ti、Zr和Mg等切削加工性改善元素中的任意一种或多种。因此与其他产品相比，实施产品5～10成功地提高了切削加工性。由于抑制切削加工性有时会导致部件强度的降低，因此据认为在钢的组成中加入切削加工性改善元素是有效的措施。通过对例如实施产品1和6进行比较发现，二者具有相同的压痕量，但是含有切削加工性改善元素的实施产品6无疑具有更高的疲劳限度。

还发现比较产品9～11与实施产品相似，同样具有优异的部件强度和弯曲矫直特性。在这些钢的组成中含有切削加工性改善元素。然而，由于这些切削加工性改善元素的含量较大，作为部件强度指标的疲劳限度反而低于实施产品。因此优选将含量限制在以下范围：Pb：小于等于0.30重量％；S：小于等于0.20重量％；Ca：小于等于0.01重量％；Bi：小于等于0.30重量％；Ti：小于等于0.02重量％；Zr：小于等于0.02重量％以及Mg：小于等于0.01重量％。

由于在钢的组成中过大的Mn含量，因此比较产品4显示出产生了过量的贝氏体。已经发现比较产品4早在其被制成锻造材料时就是不适当的产品。因此优选将Mn含量限制在小于等于1.8重量％的范围。

通过参考表1和表2的讨论，可以确认，分别对表层基准位置、有效硬化深度位置和内层部分的维氏硬度进行调整以使其落入本发明最优化的范围内，是获得优异的部件强度和弯曲矫直特性所必需的。下面，基于上述方程式(1)所得到的数据如图3所示。

图3中的各个数据点表示选自各个试验产品的代表性试件的断面硬度的测量结果。基于方程式(1)可以得到几乎与各数据点相吻合的各条曲线(虚线)。显然方程式(1)是能够更好地反映断面硬度测量值的良好的近似表达式。从图中可以明显看出，断面硬度从部件表面向内层部分降低，直到内层部分的平稳段。在此需要指出，内层部分的定义为距部件表面深度大于等于1mm的区域。图中所示的基于方程式(1)的各条曲线在以下条件下获得：T＝600℃，对应于渗氮处理温度；t＝7.2×10³秒，对应于处理时间为。

图3中实心点代表实施产品，空心点代表比较产品。由实施产品的数据点所围起来的区域(图中的纵线区域)包含在用方程式(1)定义的区域Z中。更具体地，对于实施产品1进一步提高渗氮处理的温度和时间将导致断面硬度的增大，以致于更加接近于实施产品4。相反，对于实施产品4降低渗氮处理的温度和时间将导致断面硬度的降低，以致于更加接近于实施产品1。因此很显然，对测得的硬度分布曲线进行调整使之落入由方程式(1)所定义的区域Z中，可以使机械部件同时具有优异的部件强度和弯曲矫直特性。表示表层基准位置硬度的方程式(1)中的H′1的数值范围以Cr[eq.]为基础，由此定义为从348HV～458HV的维氏硬度范围，另一方面，表示内层部分硬度的H′0的数值范围以C[eq.]为基础，由此定义为从199HV～252HV的维氏硬度范围。换句话说，通过使测得的硬度分布曲线落入由方程式(1)定义的区域Z内，可以同时获得优异的强度和弯曲矫直特性。这使得通过在区域Z内适当地改变硬度分布曲线以获得令人满意的水平的部件强度和弯曲矫直特性成为可能。

上述结果证明了可以成功地获得本发明的效果和预期结果。需要指出的是，上述实施方式和实施例仅为了进行举例说明，不能据此对本发明进行限制，在不脱离本发明论述的范围内可以进行任何包含在本发明构思之内的修改。

Claims (4)

1、一种机械部件，该机械部件由钢制成并通过渗氮处理进行表面硬化处理，所述机械部件在相应于距其表面50μm深处的基准位置测得的表层部分的维氏硬度为340HV～460HV，未受渗氮处理影响且显示出几乎恒定硬度的内层部分的维氏硬度为190HV～260HV，且从所述部件表面测起的维氏硬度达到270HV的硬化层的有效深度为大于等于0.3mm，

所述钢中个别构成元素具有如下组成：对所述构成元素进行调节，以便使Cr[eq.]的范围为大于等于0.72％且小于等于1.0％、C[eq.]为大于等于0.65％且小于等于0.86％，并具有如下限制条件：

Cr[eq.]＝0.475×C+0.164×Si+0.241×Mn+Cr

C[eq.]＝C+0.07×Si+0.16×Mn+0.19×Cu+0.17×Ni+0.2×Cr，和

具有落入由以下方程式(1)所表示的区域Z中的硬度分布曲线H(X)，所述曲线通过在H-x平面上绘制从部件表面看在深度方向上x处测得的维氏硬度H而得到：

$H^{\′}\left(x\right)=H^{\′}0+(H^{\′}1-H^{\′}0)\×[1-\mathrm{erf}\left(\frac{x}{2\sqrt{\mathrm{\αDt}}}\right)]---\left(1\right)$

其中，

H′0＝C[eq.]×254+33.8

H′1＝Cr[eq.]×392+65.8

Cr[eq.]：如上所述的铬当量

C[eq.]：如上所述的碳当量；

$D=D_0\×\exp \left(\frac{-Q}{R\×(T+273)}\right)$

D₀：1.13×10^-6

$Q:83\×(1-\frac{14.03}{T+273})\×1000$

R：8.314；

α＝exp(-1.47×Si-0.918×Mn+0.998)

Si：Si含量，以重量％计

Mn：Mn含量，以重量％计；和

区域Z的定义为当t在3.6×10³～18×10³之间变化，且T在500～650之间变化时，方程式(1)所表示的H′(x)在满足条件H′(0.3×10^-3)≥270的同时在H-x平面上能够移动的区域，

以重量％计，所述钢含有大于等于90％的Fe，并且含有分别具有以下含量的组成元素：C：0.35％～0.5％；Si：0.01％～0.3％；Mn：0.6％～1.8％；Cu：0.01％～0.5％；Ni：0.01％～0.5％；Cr：0.01％～0.5％；Al：0.001％～0.01％和N：0.005％～0.025％。

2、如权利要求1所述的机械部件，所述钢含有任意一种、两种或两种以上分别具有以下含量的组成元素：以重量％计，Pb：小于等于0.30％；S：小于等于0.20％；Ca：小于等于0.01％；Bi：小于等于0.30％；Ti：小于等于0.02％；Zr：小于等于0.02％和Mg：小于等于0.01％。

3、如权利要求1或2所述的机械部件，其中所述机械部件是曲柄轴。

4、一种机械部件的制造方法，该机械部件由钢制成并通过渗氮处理进行表面硬化处理，如此进行所述渗氮处理，以便将相应于距所述机械部件表面50μm深的基准位置测得的表层部分的维氏硬度调整为340HV～460HV、将未受渗氮处理影响且显示出几乎恒定硬度的内层部分的维氏硬度调整为190HV～260HV、并将从所述部件表面测起的维氏硬度达到270HV的硬化层的有效深度调整为大于等于0.3mm，

以重量％计，所述钢含有大于等于90％的Fe，并且含有分别具有以下含量的组成元素：C：0.35％～0.5％；Si：0.01％～0.3％；Mn：0.6％～1.8％；Cu：0.01％～0.5％；Ni：0.01％～0.5％；Cr：0.01％～0.5％；Al：0.001％～0.01％和N：0.005％～0.025％，

其中对个别组成元素的组成进行调整以便将Cr[eq.]限制在大于等于0.72％且小于等于1.0％的范围、并将C[eq.]限制在大于等于0.65％且小于等于0.86％的范围，并具有如下限制条件：

Cr[eq.]＝0.475×C+0.164×Si+0.241×Mn+Cr

C[eq.]＝C+0.07×Si+0.16×Mn+0.19×Cu+0.17×Ni+0.2×Cr，和

所述渗氮处理在3.6×10³秒～18×10³秒的处理时间和500℃～650℃的处理温度的条件下通过气体软渗氮处理或者盐浴渗氮处理来进行。

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