CN101033536B - 经渗碳处理的机器零件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种经渗碳处理机器零件，其不存在由于碳的过度引入而导致边缘形状部分强度下降的问题。该机器零件是通过加工表面硬化钢并通过真空渗碳进行渗碳处理制得的，该表面硬化钢基本上由以下合金组分构成：以重量％计，C：0.1-0.3％，Si：0.5-3.0％，Mn：0.3-3.0％，P：最高0.03％，S：最高0.03％，Cu：0.01-1.00％，Ni：0.01-3.00％，Cr：0.3-1.0％，Al：最高0.2％及N：最高0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质，且满足如下条件：[Si％]+[Ni％]+[Cu％]-[Cr％]＞0.5％。

Description

经渗碳处理的机器零件
技术领域
本发明涉及一种表面硬化钢，其通过抑制过度渗碳使得经渗碳处理的机器零件具有合适的碳含量。本发明还涉及采用该种表面硬化钢制造的经渗碳处理的机器零件。
背景技术
近来，通过加工钢材形成例如齿轮和对已成型坯料进行渗碳来制造钢制机器零件时，通常采用真空渗碳代替传统的气体渗碳。这是因为真空渗碳较气体渗碳具有如下优点：
1)由于在真空下进行渗碳时材料不会发生氧化，故可以避免晶界的氧化，从而保障了产品的强度；
2)由于渗碳设备结构上的特点使得高温渗碳很容易实行，故快速渗碳成为可能；且
3)由于渗碳气体的量小故渗碳的运行成本较低。
另一方面，经渗碳处理产品的表面碳含量容易受到零件形状的影响。也就是说，边缘形状部分会渗入过量的碳，其结果是残余奥氏体的增加和碳化物的形成导致强度局部降低。为弥补这一缺点，有人建议通过在渗碳后脱碳来去除过量的碳(日本专利公开号2003-171756和2004-115893)。然而脱碳不仅增加工艺步骤而且在脱碳过程中发生晶界氧化引起强度下降，因而有丧失真空渗碳优点的危险。
经渗碳处理产品中存在的一个问题是渗碳处理的淬火步骤中在零件内部会产生应力，且这种应力会导致零件在使用过程中破坏。为避免这种情况发生，人们建议选择能在未渗碳零件中形成铁素体的特定合金组成，从而将该结构转变成铁素体-马氏体二元相(日本专利公开号09-111408)。然而这种技术无助于提高经渗碳处理机器零件强度的初衷。
至于高强度表面硬化钢，曾经公开了一种技术，通过分散细小的TiC使得晶界氧化深度较小以提高强度(日本专利公开号2004-3000550)。还有一种表面硬化钢，通过选择合金组成具有提高的抗回火软化的性能，从而提高齿面的强度，如抗俯仰和抗磨损(日本专利公开2003-231943)。然而这些工艺不包括应对边缘形状部位渗碳过度的考虑。
本发明人为找到一种解决边缘形状部位在真空渗碳中引入过多碳的方法而进行了研究。对真空渗碳中碳的引入机理的研究表明，碳是通过在提供碳到机器零件表面的碳引入步骤中形成碳化物而累积起来的；然后碳化物在扩散步骤中分解以释放碳，释放的这些碳通过在其中溶解被供应给基体。本发明认为在真空渗碳中边缘形状部位渗碳过度是由于在边缘形状部位中的碳化物形成比平坦表面中更密集，因此累积了更多的碳化物。然而，如果降低整个零件表面的碳含量以避免碳化物的析出，平坦表面部分的碳含量将会极低从而经渗碳处理机器零件的硬度和强度会下降。
基于上述认识，发现在经渗碳处理零件表面无碳化物析出的最高碳含量是1.1％。另一方面，发现经渗碳处理零件表面具有足够硬度和强度的最低碳含量是0.6％。
本发明人进一步找到了易于对待渗碳机器零件的表面层内碳含量加以控制的合金组成。这基于这样的观点：通过选择合金组成使得在有待通过渗碳引入的碳中通过碳化物途径引入部分相对较小，而通过直接溶解途径引入部分相对较高。本发明人对合金化成分效果的研究发现在渗碳过程中Si和Ni抑制碳化物的形成，Cu与其类似，Cr有助于碳化物的形成，而Mn和Mo几乎没有影响。
发明内容
基于本发明人的上述认识，本发明的目的是提供一种表面硬化钢，使得即使经真空渗碳处理这种表面硬化钢提供的机器零件的表面碳含量波动仍较小，并且通过采用这种表面硬化钢提供经渗碳处理的机器零件，其边缘形状部位的渗碳过度问题得以抑制，且不存在过度渗碳导致的强度降低问题。
依照本发明的具有较小碳含量波动的机器零件是通过加工具有如下合金基本组成的表面硬化钢以制成坯料并通过真空渗碳对坯料进行渗碳处理而制得的经渗碳处理的机器零件：以重量％计，C：0.1-0.3％，Si：0.5-3.0％，Mn：0.3-3.0％，P：最高0.03％，S：最高0.03％，Cu：0.01-1.00％，Ni：0.01-3.00％，Cr：0.3-1.0％，Al：最高0.2％及N：最高0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质，且满足如下条件：[Si％]+[Ni％]+[Cu％]-[Cr％]＞0.5％。
附图说明
图1概念性的阐明了依照本发明的经渗碳处理机器零件的表面碳含量的状况，其中A代表非边缘形状部位，B代表边缘形状部位；
图2是本发明实施例中制备的样品的显微照片，显示了经真空渗碳和热处理之后具有边缘形状部位的样品中碳化物的形成，其中采用的表面硬化钢是高Si钢；
图3是与图2相似的显微照片，其中的表面硬化钢是SCM420(Cr：1.0％)；
图4也是与图2相似的显微照片，其中的表面硬化钢是高Cr的SCM420(Cr：4.9％)；
图5显示了两种渗碳模式A(图5A)和B(图5B)，在模式A中渗碳气体只引入一次，而在模式B中渗碳气体采用脉冲方式分几部分引入。
图6是本发明实施例数据的曲线显示了式[Si％]+[Ni％]+[Cu％]-[Cr％]的值与107循环强度之间的相互关系的数据的图。
具体实施方式
依照本发明的经渗碳处理的机器零件中，因经渗碳处理的零件的表面碳含量为最高1.1％，形成的碳化物的量小，因此不会出现因碳化物分解导致的高的局部碳含量，且边缘形状部位的回弹性不会低。另外，经渗碳处理的零件表面的碳含量最低为0.6％，因此不会出现由于渗碳不足造成的低强度。
对上述表面硬化钢制成的成型制品进行渗碳获得的机器零件可以理解为如下经渗碳处理的产品，其中：假设在零件表面直径为1mm球体，该球体内钢的体积除以该表面积所得的商为0.7mm或更大的部分中的表面碳含量最高为1.1％，商为0.3mm或更小的部分的表面碳含量至少为0.6％。参照图1A和图1B更容易理解这一概念。
图1A显示了经渗碳处理机器零件，其中假设在零件表面上直径为1mm的球体，该假想球体内钢的体积除以该表面积所得的商为0.7mm或更高。该图表示图中所示点的棱角角度大于或等于170°的情况，也就是非边缘形状部位。另一方面，图1B表示经渗碳处理机器零件，其中假设在零件表面上直径为1mm的球体，用上述假想球体内钢的体积除以该表面积所得的商为0.3mm或更小。该图表示的是图中所示点的棱角角度小于或等于60°的情况，即边缘形状部位。在前一个情形中表面碳含量最高为1.1％及后一个情形中表面碳含量最低为0.6％是必要的。
依照本发明制造经渗碳处理的机器零件，只要渗碳则采用真空渗碳，可以采用诸如乙炔、乙烯和丙烷等各种烃类气体作为渗碳气体。对渗碳模式的选择不加限制。本领域的技术人员可以参照下述实施例决定真空渗碳的适当条件。
依照本发明作为经渗碳处理机器零件的材料的表面硬化钢除上述基本合金成分外，可以包含如下可选合金化元素中的至少一组：
1)Mo：最高2.0％，
2)Nb：最高0.20％及Ti：最高0.20％中的一种或两种，
3)B：最高0.01％，及
4)Pb：0.01-0.20％，Bi：0.01-0.10％和Ca：0.0003-0.0100％中的一种或几种。
下面解释本发明表面硬化钢的基本合金组成。前面提到的碳含量范围(0.1-0.3％)对于保证机器零件所必需的强度是一个合适的范围。在炼钢过程中作为脱氧剂加入的Mn对碳化物的形成几乎没有影响，因而其含量可以在宽的范围内(0.3-3.0％)加以选择。磷和硫是杂质并且会对所生产机器零件的机械性能产生不良影响，因而其含量应尽量低。上述值(均为0.03％)是能够允许的上限。
硅(0.4-3.0％)、镍(0.01-3.00％)和铜(0.01-1.00％)是抑制碳化物形成的元素。它们必须按照上述下限或更高的量加入且三者加入量之和减去Cr含量应大于0.5％。然而加入过多则会降低钢的热加工性能，因而设定上述上限。
Cr：0.3-1.0％
正如上面提到的那样，Cr是一种促进碳化物形成的组分，因而其在本发明表面硬化钢中不应大量存在。上述1.0％是Cr含量的上限，只有在抑制碳化物形成的组分的含量足够时才允许。然而，极低的Cr含量会引起钢的淬透性下降，其结果是所生产的机器零件的机械性能不够理想，因而设定0.3％为下限。
Al：最高0.20％
铝在炼钢过程中作为脱氧剂加入。如果加入过多，会破坏钢的加工性能，因此应在最高0.20％的范围内选择适当的加入量。Al还具有防止晶粒粗化的作用，在需要这种效果时，应加入至少0.005％或更多的Al。
N：0.001-0.050％
氮具有防止晶粒粗化的作用。钢中有必要存在至少0.001％的N。由于这种作用在约0.050％的含量下达到饱和，故加入超出这一上限的过量的N没有用处。
[Si％]+[Ni％]+[Cu％]-[Cr％]＞0.5％
如上所述，Si、Ni和Cu抑制碳化物的形成而Cr则有促进作用。可以通过平衡前三者的作用和后者的作用达到本发明的目标：实现抑制边缘形状部位碳化物的形成。该式是由下述实施例中的数据引出的。
下面解释可选择加入到本发明表面硬化钢中的合金元素。
Mo：最多2.0％
加入钼的目的在于提高淬透性及防止回火软化。加入过多会破坏钢的加工性能，因此合适的加入量应选择为最高2.0％。
Nb：最高0.20％及Ti：最高0.20％，两者中的一种或两种
加入这些元素有助于在渗碳时抑制晶粒长大并保持完整晶粒结构。加入量过多会影响加工性能，故加入量应在上述上限之内。
B：最高0.01％
硼有助于提高钢的淬透性，如果需要可以加入。由于大量的硼对于钢的加工性能有害，加入量最高应为0.01％。
Pb：0.01-0.20％，Bi：0.01-0.10％和Ca：0.0003-0.0100％中的一种或几种
这些元素有助于改善所制造机器零件的机械加工性能。如果加入量过大，钢的回弹性将受到影响。因此加入量应当在上述上限之内。
在作为经渗碳处理机器零件原材料的表面硬化钢的基本合金组成或具有可选合金元素的合金组成中，优选依据原材料的选择控制钢中包含的各重要元素的量。重要的杂质是Sn、As和Sb，这些元素会使钢变脆。应注意控制这些元素的含量满足条件：[Sn％]+[As％]+[Sb％]＜0.3％。
实施例
试验实施例
采用具有表1所示合金组成的三种类型的钢(重量％，余量为铁)，制备了具有边缘形状部位的机器零件试样。
表1
  C   Si   Mn   Cu   Ni   Cr   Si+Ni+Cu-Cr
  高Si   0.2   1.5   0.8   0.1   0.05   0.7   0.95
  SCM420   0.2   0.2   0.8   0.1   0.05   1.0   -0.65
  SCM420高Cr   0.2   0.2   0.8   0.1   0.05   4.9   -4.55
对这些试样按如下条件进行渗碳和热处理：
1)在950℃下均热30分钟
2)在950℃下渗碳30分钟
3)在950℃下扩散处理30分钟
4)在850℃下保持30分钟
5)淬火
6)在180℃下回火1小时
渗碳的条件：200Pa丙烷气体气氛；扩散处理的条件：在真空下(小于等于5Pa)。
对经过渗碳和热处理后的三个试样的边缘形状部位进行研磨并用硝酸酒精侵蚀暴露表面。采用金相显微镜观察该表面，结果如图2-图4所示。这些照片中的白色区域显示碳化物的存在。在具有高[Si％]+[Ni％]+[Cu％]-[Cr％]值的高Si钢的照片(图2)中不能够清楚观察到碳化物。另一方面，在上述式的值为负的SCM420钢的照片(图3)中明显存在碳化物，且在高Cr钢的照片(图4)中观察到碳化物的大量形成。
工作例和对照例
采用具有如表2所示组成的钢进行渗碳。由每种钢都制备了具有60°棱角角度的边缘的试样。将这些试样按照图5A所示模式(模式“A”)进行渗碳，该模式中渗碳气体只引入一次；或按照图5B所示模式(模式“B”)进行渗碳，该模式中渗碳气体采用脉冲方式分几部分引入。渗碳条件如下所示：
气氛：乙炔或丙烷气体
压力：渗碳步骤200Pa，扩散步骤小于或等于5Pa。
测定所获得的经渗碳处理的产品的表面碳含量。在平面部分(对应于直径为1mm球体内钢的体积除以该表面积所得的系数为0.7mm或更大的部分)和边缘形状部分(对应于用直径为1mm球体内钢的体积除以该表面积所得的系数为0.3mm或更小的部分)进行测定。
之后，通过机加工将这些试样制成试验齿轮，将其在与试验实施例相同的条件下进行渗碳和热处理。对试验齿轮进行107循环强度测试。测试条件与试验实施例相同。渗碳条件、平面部分及棱状部分的碳含量及疲劳强度如表3所示。
将工作例和对照例的[Si％]+[Ni％]+[Cu％]-[Cr％]公式数值与107循环强度的关系绘制成曲线图得到了图6。从该图可以看出在上述式的值大于约0.5％时107循环强度较高并接近恒定。
Figure GA20191867200610064138301D00071
表3

Claims (6)

1.一种经渗碳处理的机器零件，其通过对表面硬化钢处理形成坯料并通过真空渗碳对坯料进行渗碳处理制成，所述表面硬化钢的合金组成基本上由以下合金组分构成：以重量％计，C：0.1-0.3％，Si：0.5-3.0％，Mn：0.3-3.0％，P：最高0.03％，S：最高0.03％，Cu：0.01-1.00％，Ni：0.01-3.00％，Cr：0.3-1.0％，Al：最高0.2％及N：最高0.05％，且余量为Fe和不可避免的杂质，且满足如下条件：[Si％]+[Ni％]+[Cu％]-[Cr％]＞0.5％。
2.如权利要求1所述的经渗碳处理的机器零件，其中除上述合金组分外所采用的表面硬化钢进一步包含：最高2.0％的Mo。
3.如权利要求1所述的经渗碳处理的机器零件，其中除上述合金组分外所采用的表面硬化钢进一步包含：最高0.20％的Ti。
4.如权利要求1所述的经渗碳处理的机器零件，其中除上述合金组分外所采用的表面硬化钢进一步包含：最高0.01％的B。
5.如权利要求1所述的经渗碳处理的机器零件，其中除上述合金组分外所采用的表面硬化钢进一步包含：0.01-0.20％的Pb，0.01-0.10％的Bi和0.0003-0.0100％的Ca中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的经渗碳处理的机器零件，其中所采用的表面硬化钢中杂质的含量满足如下条件：[Sn％]+[As％]+[Sb％]＜0.3％。
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