CN101115859A - 高浓度渗碳·低应变淬火部件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明在具有高强度·高接触压力等特征的高浓度渗碳淬火领域，可以提供兼有高性能化和热处理应变极小化的高浓度渗碳·低应变淬火部件极其制造方法，该高浓度渗碳·低应变淬火部件制造方法包括一次处理和后续的二次处理，一次处理为通过真空渗碳(低压渗碳)方法，将机械构造用钢部件加热至奥氏体范围的温度，使共析碳浓度以上的碳固溶在该部件的表层部之后，再将该部件以3～15℃/秒的速度从奥氏体范围的温度冷却到A1转变点以下的温度进行淬火，使微细碳化物及/或该碳化物的核生成在上述部件的表层部，二次处理为使该部件升温至奥氏体范围的温度并使其均热后进行迅速淬火，使微细碳化物以有效硬化深度比为10～30％的范围析出在最表层部。

Description

高浓度渗碳·低应变淬火部件及其制造方法
技术领域
本发明涉及作为机械构造部件的强化方法被大量利用的渗碳淬火处理中，具有耐回火软化性(temper softening resistance)高、高强度·高接触压力(contact pressure)等特征的高浓度渗碳淬火部件，还涉及兼具高性能化和热处理应变的相反的特性的高浓度渗碳·低应变淬火部件(以下，有时简称“部件”)及其制造方法。
背景技术
渗碳淬火部件由于耐久强度以及耐磨耗性等优良的特征，作为运输机器或产业机械等的各种部件等被广泛使用，从基于进一步提高该部件性能的小型化·轻量化等的观点出发，进行了关于渗碳淬火部件的大量开发。另外，近年开发了真空渗碳(低压渗碳)工艺，该工艺与以往的气体渗碳工艺比较具有以下优良的特征：对环境友好、可防止渗碳层的粒间氧化、可进行高温渗碳处理、容易控制渗碳和碳的扩散等，从部件的更加良好的性能、品质的提高以及部件的生产性更加提高等方面考虑，希望进行进一步的普及。
作为对齿轮或轴承部件等机械构造部件进行渗碳淬火从而使该部件的耐点蚀性能(pitting resistance)提高的方法有碳氮共渗处理。该处理将碳和氮同时扩散至基质，使部件的耐回火软化性提高。另外，还开发出使碳化物在部件的表层部析出、使部件的耐回火软化性提高的高浓度渗碳处理，近年来，与低压渗碳设备的进展相应，进行了大量的研究。
作为高浓度渗碳方法的代表例，在专利文献1中公开了部件的渗碳处理方法。该专利文献1中提出了以下方法，进行预渗碳使球状碳化物在钢材的表层部析出，并使该表层部的碳浓度在Acm以下且在钢和碳的共析浓度以上，之后使处理部件缓缓冷却或骤冷，将该表层部转化成贝氏体、珠光体或马氏体组织后，从Ac1点开始以20℃/分钟以下的加热速度升温至750～950℃，进行渗碳淬火，在深度0.4mm的范围内生成体积率在30％以上的类球状或球状碳化物。
但是，在上述方法中，虽然通过使碳化物在部材的表层部析出，改善了该部件的耐点蚀性能等特性，但是该方法由于是使30％的碳化物在表层部析出的高浓度渗碳，因此所得部件存在热处理变形或应变等问题。
关于通过高浓度渗碳法使碳化物微细析出在部件的表层部的方法，研究了大量的加热和冷却方法，据专利文献1所述预渗碳后，进行空气冷却(生成贝氏体或珠光体组织)或者淬火(生成马氏体组织)，在后续工序的碳化物生成处理中从Ac1转变温度开始以20℃/分钟以下的速度缓缓升温至750～950℃进行加热，直接淬火或空气冷却后，再进行加热淬火方法是优良的方法。
另外，在专利文献2和专利文献3中提出在预渗碳或一次渗碳之后进行缓慢冷却(或者30℃/Hr以下)的方法为优选方法。
但是，在专利文献1、2、3所示的方法中，预渗碳或一次渗碳之后的淬火在空气冷却或缓慢冷却的情况下，部材的表层部内，网状碳化物容易沿着晶界析出，经后续工序的碳化物生成处理，上述网状碳化物在短时间内分解，难以使之在表层内分散析出，因此有的示例中进行多次加热冷却。
另一方面，在专利文献1中，为了得到马氏体而在将部件预渗碳之后，加速冷却速度地进行淬火，但是表层内的碳化物的核有可能固溶消失，另外，成为碳为过饱和状态的淬火，由于高碳马氏体的转变，有可能出现部件的膨胀、收缩等变形或应变增大。
在专利文献4中记载了通过低压渗碳法的高浓度渗碳部件的制造方法，虽然有在一次渗碳时将碳浓度控制在0.5～0.7质量％、在二次渗碳中将碳浓度控制在0.7～1质量％以及将一次冷却控制在1～10℃/分钟的缓慢速度等关于碳化物的微细化的记载，但是关于变形应变与上述的引用文献1、2和3同样不佳。
在此为了参考，以下显示了最近正在市场上扩大的低压渗碳法与通常的气体渗碳法比较的优点。
a)可以容易迅速地变化炉内气氛条件，可以容易地从渗碳气氛切换至碳的扩散气氛。
b)可以进行高温处理，可以迅速渗碳。
c)由于部件的表层部中没有粒间氧化，因此可以抑制以此为原因的处理部件的皲裂的出现。
d)不会产生炭黑(sooting)，不会出现伴随产生炭黑的渗碳不均。
专利文献1：日本专利特公昭62-24499号公报
专利文献2：日本专利特许第2787455号公报
专利文献3：日本专利特许第2808621号公报
专利文献4：日本专利特开2002-348615号公报
发明内容
但是，即使是通过以往的低压渗碳法的高浓度渗碳处理，也不能得到被处理部件的表层内的碳化物的生成过程与表层部的显微组织的最佳平衡，仍然存在处理部件的变形或应变的问题。因此，渗碳工序后需要部件的研磨加工、为修整应变的部件的精加工等，使本来可以得到的高浓度渗碳的高接触压力化性能下降，还使生产性下降以及成本上升，这阻碍了高浓度渗碳处理的普及。
本发明中，利用了可以迅速且高精度应对部件的碳浓度、渗碳处理/扩散处理的反复、部件的升温、均热、渗碳、淬火等的各种温度条件、加热条件以及冷却速度(淬火)条件等的各种控制的低压渗碳设备，开发了能兼顾部件的高接触压力化和低应变的最适工序，解决了上述课题。
通过以下的本发明完成了上述课题。
1.高浓度渗碳·低应变淬火部件的制造方法，其特征在于，包括一次处理和二次处理，一次处理为通过真空渗碳(低压渗碳)方法，将机械构造用钢部件加热至奥氏体范围的温度，使共析碳浓度以上的碳固溶在该部件的表层部之后，再将该部件以3～15℃/秒的速度从奥氏体范围的温度冷却到A1转变点以下的温度进行淬火，使微细碳化物及/或该碳化物的核生成在上述部件的表层部，二次处理为接着使该部件升温至奥氏体范围的温度并使其均热后进行迅速淬火，使微细碳化物以有效硬化深度比为10～30％的范围析出在最表层部。
2.上述部件的制造方法，其特征在于，在上述二次处理中，在部件的表层部进行追加渗碳处理。
3.上述部件的制造方法，其中，在上述二次处理中，使微细碳化物在上述部件的表层部析出，在该表层部形成部分含有托氏体和残留的奥氏体等的混合组织的以马氏体为主体的组织，该层的最表层部(A部)与比A部更内侧的层部(B部)与比B部更内侧的层部(C部)的各奥氏体结晶粒度的微细度顺序为A≥C≥B。
高浓度渗碳法·低应变淬火部件，其特征在于，表层部为部分含有托氏体和残留的奥氏体等的混合组织的以马氏体为主体的组织，该层的奥氏体结晶粒度的微细度顺序在最表层部(A部)与比A部更内部的层(B部)与比B部更内部的层(C部)中为A≥C≥B。
本发明的方法使用处理部件的低压渗碳设备，将以最适的高浓度渗碳和最适的冷却速度进行部件的淬火的一次处理，以及后续进行的使微细碳化物简单有效地析出的二次处理组合，可以将处理部件的热处理变形以及应变抑制到极小。通过该方法，在以往的高浓度渗碳中最令人担心的，例如在轴的弯曲或齿廓的变形应变等处理后的部件的繁杂的研磨加工、应变修整加工等可以被大量减省，有助于大幅改善高浓度渗碳部件的生产性、品质和成本等。
另外，在本发明的方法中，通过再于二次处理中对部件的表层部实施追加渗碳处理，可有助于基质的高硬度化，可以使部件的最表层部的结晶粒度成为超微细粒，对部件的高强度化以及高韧性化也极有效。通过该本发明的方法，以往难以采用高浓度渗碳的轴承和齿轮等部件的高强度化、高韧性化和高接触压力化等变得容易实现。因此，本发明的方法可以广泛应用至对此具有高需要的领域等范围中，对部件的高性能化和小型轻量化有很大贡献。
具体实施方式
以下，例举实施本发明的最佳方式来详细说明本发明。完成本发明的技术过程和发现如下所示。
本发明人的目的在于开发出使用低压渗碳设备，使微细碳化物在部件的表层部析出的高浓度渗碳工艺，详尽研究了上述表层部的碳浓度、各种加热和冷却条件与表层部的微细碳化物的析出状态以及基质的显微组织的关系。另外，对设想为齿轮和轴承等的部件的热处理应变的改良等进行了多方面的研究，确定目标为建立通过高浓度渗碳可使部件的高性能化和部件的变形、应变等相反的特性保持高度均衡，可以兼顾两者的新的高浓度渗碳·低应变淬火方法。
在向钢材(部件)的表层部进行高浓度渗碳方面，重要的点在于将一次处理和二次处理最佳组合尽量使多的微细碳化物分散析出在部件的表层部，在控制微细碳化物的生成中，使用的渗碳淬火设备也起到重要作用。本发明中，使用与以往的渗碳设备相比，可以迅速且高精度应对碳浓度、渗碳/扩散的反复、升温、均热、渗碳、淬火等的各种温度条件、加热条件以及冷却速度条件等的各种控制的低压渗碳设备，进行各种开发。
具体是，对一次处理时的部件的升温、均热、高浓度渗碳、扩散和冷却(淬火)条件等进行各种研究，首先，实现减少一次处理阶段中的部件的变形或应变，再者，后续工序的二次处理中，可以调整微细碳化物的析出和渗碳层的奥氏体结晶粒度的渗碳和淬火(冷却)条件是重要的。即，发现了二次处理中使部件的表层部的微细碳化物的析出范围以渗碳层的有效硬化深度比表示为10～30％，再将最表层部成为超微细结晶结构，就可以使部件的热处理变形及应变极小化。
在此的有效硬化深度比是指在结束部件的二次处理之后(也包括180℃回火处理)的渗碳有效硬化深度(T)与存在于该部件的最表面层部的微细碳化物的析出深度(t)之比(t/T)。另外，渗碳有效硬化深度是指根据JIS G0557钢的渗碳硬化层深度测定方法的，处于淬火状态或以不超过200℃的温度回火后的硬化层的，从表面到维氏硬度(HV)为550的极限深度的位置的距离。
微细碳化物的析出深度是指利用光学显微镜或电子显微镜进行分析，从该部件的最表层部起微细碳化物存在的最大深度。在此，为了容易判断微细碳化物，在使用5％的硝酸酒精等蚀刻液蚀刻该部件的状态下进行分析。
本发明中使用的真空渗碳(低压渗碳)设备是具有渗碳加热室的设备，该渗碳加热室包括可以分压控制在200～2000Pa的处理炉，该设备已有市售，市售的设备均可在本发明中使用。本发明中，作为一次处理，在该设备的炉内将部件升温及均热到规定的温度后，为了使部件的表层部的碳浓度为共析碳浓度以上的碳浓度，将渗碳与扩散交替重复之后，以合适的冷却速度进行部件的淬火。另外，在后续的二次处理中，使碳化物在部件的表层部微细析出，还可以根据需要进行追加渗碳处理。
本发明的方法中的一次处理中，将被处理钢材(部件)升温至900～1100℃的奥氏体范围进行均热后，进行渗碳优选使表层部的碳浓度在0.8质量％以上，接着，从该状态开始以最适的冷却速度进行淬火。在此，最适冷却条件为在渗碳温度(奥氏体范围的温度)开始到A1转变点以下，优选为至400℃以下的温度范围以3～15℃/秒的冷却速度将部件均一冷却。通过该冷却使微细碳化物在部件的表层部析出，使在表层部形成以马氏体为主的组织。在此，微细碳化物是指Fe3C(碳化铁)或钢中的Cr、Mo等碳化物形成元素与过饱和固溶的碳结合所生成的M23C6型碳化物。
接着，在二次处理中，将部件的非渗碳部分(内部)升温及均热至奥氏体化温度+80℃以内，优选为奥氏体化温度+10～70℃的范围，之后急速冷却进行微细碳化物的析出并使表层部的碳浓度优选在0.8质量％以上，更优选为1.0～2.0质量％。另外，优选的是通过与二次处理中的微细碳化物的析出一并进行在表层部的追加渗碳处理，助长表层部的微细碳化物的析出，并且将基质的碳浓度调整为适当从该状态急速淬火。
另外，对于二次处理后的最终淬火温度随前处理条件而不同，也就是是否最终淬火在升温·均热之后，或者在升温·均热·追加渗碳后，可以直接在该温度下进行急速淬火，也可以对该温度进行升降温。即，可以根据对该部件要求的硬度和显微组织等热处理品质来设定二次处理后的最终淬火温度。
本发明人为了构建高浓度渗碳的最佳条件，对使用低压渗碳设备的在部件的表层部进行高浓度渗碳的一次处理和使碳化物的微细粒在表层部内析出的二次处理，详尽研究了升温、均热、渗碳时的碳浓度以及扩散和各种冷却(淬火)条件。结果成功得到了高浓度渗碳淬火部件，其最表层部中以有效硬化深度比(t/T)计在10～30％的范围内的碳浓度优选为0.8质量％以上，更优选在1.0～2.0质量％，并且该高浓度渗碳淬火部件具有从最表层开始为奥氏体结晶粒度在10号以上的超微细粒层、细粒层、微细粒层的3层结构。发现了，该高浓度渗碳淬火部件在处理后的变形和应变极小，不需要在以往的高浓度渗碳中不可避免的应变的校正，或者比以往方法更容易应对。
实施例
以下，例举实施例进一步说明本发明。
使用下表1所示的机械构造用钢材(材料)，事先在900℃将材料进行常化处理之后，进行机械加工制成φ30/φ25/φ20×L300mm的带阶的圆棒试验片。该试验片的渗碳淬火使用能在低压下加热及渗碳、且能够油淬火和加压气体冷却的设备，进行本发明的高浓度渗碳工序的一次处理。
在此，钢种记号1和2为JIS的渗碳淬火用钢材，记号1为铬-钼钢的SCM420，记号2为铬钢的SCr415。钢种记号3的MAC14为钢材厂家开发的商品记号，与上述的2钢种相比，Cr含量更多，另外还添加了Mo元素，是以在高浓度渗碳时(一次和二次处理)析出M23C6型的微细碳化物为目的而开发的钢材。
表1：使用钢材和化学成分  (质量％)
  钢种记号   C   Si   Mn   P   S   Cr   Mo
  1   SCM420   0.20   0.30   0.75   0.019   0.025   1.10   0.20
  2   SCr415   0.16   0.35   0.78   0.021   0.019   1.05   0.02
  3   MAC14   0.15   0.27   0.53   0.020   0.022   2.50   0.38
表2是针对本发明的一次处理中的冷却速度对试验片的表层部的碳化物的析出状态以及试验片的热处理变形的影响进行各种实验而得到的总结。在此，作为一次处理条件，按照图1所示的热循环，在升温·均热后，以有效硬化深度为0.5mm作为目标，进行试验片的高浓度渗碳。具体是，在950℃的温度下交替进行高浓度渗碳和扩散处理约70分钟，使最终状态的试验片的表层部的碳浓度约为1.5质量％，从试验片的表层部的碳浓度为过饱和的状态开始，在表2所示的各种冷却速度条件下进行试验片的淬火，考察试验片的表层部的碳化物的形状、大小、表层部的显微组织。
另外，为了考察经一次处理的试样片的热处理变形和应变，使用带阶的圆棒试验片(φ30/φ25/φ20×L300mm)作为试验片，分析处于两端支撑状态下的试验片的轴中央部的偏心量(runout)，考察试验片的淬火时的冷却速度和试验片的轴偏心量之间的关系。
表2：一次处理的冷却条件和碳化物的析出形态以及轴偏心量的关系
分类 No. 钢种记号 冷却速度(℃/秒) 碳化物的形状、大小 表层部的显微组织  轴偏心量(mm)
比较例 1 SCM420 1  3～10μm的片状 F+P+B  0.45
实施例 2 同上 12  0.5～5μm的粒状 M+T  0.17
比较例 3 同上 20  2μm以下的粒状 M+γ  0.38
比较例 4 SCr415  1  3～10μm的片状 F+P  0.40
实施例 5 同上 4  0.5～5μm的粒状 M+T  0.15
比较例 6 MAC14  1  5μm的粒+片状 F+P+B  0.38
实施例 7 同上 7  2～7μm的片状 M+T  0.20
在此，表中所示记号和分析方法如下说明。
1)冷却速度表示从试验片的渗碳·扩散结束后的淬火温度950℃开始，到400℃的试验片的轴中央部的平均冷却速度。
2)碳化物的形状和大小利用扫描电子显微镜来观察。
3)显微组织的省略号
F：铁素体、P：珠光体、B：贝氏体、T：托氏体、M：马氏体、γ：残留奥氏体
4)轴偏心量是将试验片安装在两端支撑的偏心测定器上，利用测微仪测得的轴中央部的偏心量。
在此，表2的试验片No.1、4、6所示比较例由于冷却时的冷却速度缓慢为1℃/秒，因而在表层部的碳化物的析出以片状碳化物连接的网状碳化物的析出为主，基质成为铁素体、珠光体和贝氏体的不完全淬火组织，结果轴偏心量和变形增大。另外，试验片No.3所示的比较例由于进行了相当于一般的油淬火(20℃/秒)的急速冷却，因此碳化物的析出量非常少，并且成为碳来自过饱和的高碳状态的淬火组织，轴偏心量和变形较大。
试验样片2、5和7所示的实施例的冷却速度为4～12℃/秒时(本发明)，微细碳化物大量析出，还出现了成为其核的微细组织，改善了作为高浓度渗碳的令人大为担心的课题的试验片的变形和应变(轴偏心量)。即，与冷却缓慢的缓冷或者相反迅速的急速淬火相比，本发明的试验片的轴偏心量为其它示例的大致1/2水平，可以实现轴偏心量的大幅减少。由这些结果可知，最优选的是，一次处理的淬火时的冷却速度为3～15℃/秒。
表3中显示了，使用表2所示的一次处理的代表的试验片进行以使微细碳化物最终析出在表层部为目的的二次处理，对表层部的碳浓度、碳化物的析出状态和显微组织、结晶粒度以及试验片的轴偏心量等进行各种研究的结果。作为二次处理的条件，按照图2所示的热循环，将均热温度设定在A1转变以上的800℃、850℃、900℃的3个水平，另外，作为为了更加提高二次处理中的表层部的碳浓度，以及使微细碳化物的析出增多的方法，在升温·均热后还同时实施追加渗碳以达到共析碳浓度以上。
图1～3中(渗碳/扩散)n和(追加渗碳/扩散)n中的“n”表示在各工序中的渗碳和扩散的重复次数，该“n”数根据对各部件要求的品质来设定。例如，在表2所示的实施例No.2的情况中n＝8，另外在表3所示的实施例No.2-2的情况中n＝5。
表3：二次处理的处理条件与碳化物的析出形态和轴偏心的关系
分类 No. 钢种记号   二次处理温度(℃)   有无追加渗碳   碳化物的析出   奥氏体结晶粒度和三层构造
  形状 量   最表层     三层的有无
比较例 2-1   SCM420   900   有   微细 少   ≥10     有
实施例 2-2   同上   850   有   微细 适量   ≥10     有
比较例 2-3   同上   800   有   片状 过多   ≥10     有
实施例 5-1   SCr415   850   有   微细 适量   ≥10     有
实施例 5-2   同上   850   无   微细 少   6～8     无
实施例 7-1   MAC14   850   有   微细 适量   ≥10     有
实施例 7-2   同上   850   无   微细 少   6～8     无
分类 No. 钢种记号 显微组织 碳浓度(％) 有效硬化深度(mm)     有效硬化深度比t/T(％)   轴偏心量(mm)
比较例 2-1   SCM420   M+γ     1.6     0.52     5   0.35
实施例 2-2   同上   M     1.5     0.48     25   0.14
比较例 2-3   同上   M+F     1.5     0.46     20   0.20
实施例 5-1   SCr415   M     1.6     0.50     18   0.16
实施例 5-2   同上   M     1.2     0.46     10   0.23
实施例 7-1   MAC14   M     1.4     0.53     25   0.21
实施例 7-2   同上   M+γ     1.1     0.48     15   0.25
[表层部的碳浓度的分析方法]
使用试验片(φ30/φ25/φ20×L300mm)，用在削加工从φ25mm部的表层部采集切削至0.05mm深的碎片，利用湿式分析法求出表层部的碳浓度。
由表3显示了试验片No.2系列的使二次处理温度变化时的对碳化物的析出形态和其它方面的影响，以及No.5和7系列的由于是否在二次处理中进行追加渗碳而对微细碳化物的析出和对表层部的最终碳浓度等的影响。
在此，关于二次处理温度(在此被称为追加渗碳温度)，在使用试验片No.2-1的900℃的温度下，表层部的碳化物固溶，整体中碳化物粒子的析出少，另外存在试验片的轴偏心量也增大的问题。另外，使用试验片No.2-3的800℃的二次处理温度中，片状碳化物在表层部的晶界析出，而且部件的内部(非硬化部)不完全淬火，试验片的轴偏心量出现不均。由这些结果可知，进行二次处理使微细碳化物在表层部析出的最佳处理温度可根据该部件的组成(渗碳处理前)来确定，优选为相当于A3转变点温度+10～70℃的温度。
关于在二次处理中有无追加渗碳处理的情况，由试验片5-1和7-1的结果可知，通过实施追加渗碳处理，不仅提高了表层部中碳浓度，而且碳化物也微细析出。作为其理由认为是，由于表层部的碳以碳化物析出，基质中的碳浓度减少，因此通过进行追加渗碳向表层部中补给碳，有助于表层部中新的Fe3C和M23C6等微细碳化物和其核的生成。
另外，追加渗碳处理部件如图4所示，可知最表层部的奥氏体结晶粒度为超微细粒度。在此，超微细粒度是指按照JIS-G0551钢的奥氏体粒度试验方法中的渗碳粒度试验方法，相当于奥氏体结晶粒度在10号以上，还发现了朝向内部方向形成由细粒和微细粒构成的3层结构这一显著特征。另外，如果关注这些奥氏体结晶粒度与渗碳层之间的关系，若将微细碳化物的析出量多的最表层部作为A部，将其内部的渗碳层部(细粒部)作为B部，再将其内部(非硬化部)的微细粒部作为C部，则该3层的结晶粒度具有A≥C≥B的关系。另外，通常渗碳中的表层部的奥氏体结晶粒度一般约相当于7～8号，本发明中形成了特征性的3层结构的晶粒结构。这在以往的渗碳处理中没有出现过。
在此，作为这些超微细粒度层的效果，可以改善以往的渗碳处理部件中令人担心的表面硬化层的韧性，具有赋予作为本发明特征的高接触压力化的同时，也可一并赋予渗碳层自身的高韧性的显著特征，对进一步提高今后的渗碳部件的高强度化极有效。
表4中，显示了本发明的高浓度渗碳中碳化物析出层的有效硬化深度比对各种特性的影响。在此，各种试验片为使用JIS机械构造用钢的SCM420作为材料，事先在900℃将材料进行常化处理后再进行机械加工制得。试验片的高浓度渗碳处理按照图3所示的一次处理和二次处理的热循环来进行。分析考察经处理的试验片的抗点蚀寿命、耐冲击强度和热处理应变等。另外，对于表5所示的试验片的最表层部的碳浓度对试验片的强度耐久性和热处理变形的影响，也与表4的各试验片同样进行图3所示的热循环处理，考察处理试验片的碳浓度等。
在此，表4的碳化物的析出深度的调整主要通过控制渗碳时间和碳浓度等，另外，表5的最表层部的碳浓度的调整是通过根据事先计算的程序控制重复一次处理和二次处理的渗碳·扩散时的工作气体量、时间等来进行的。作为低压渗碳用工作气体有丙烷、乙炔、乙烯等，其中使用最常用且廉价的丙烷或者作为扩散时的惰性气体的氮气。另外，在二次处理中的急速淬火用油冷却来实施，除此之外也可以采用单独使用或复合使用N2、He、H2等气体的加压气体冷却。
表4：有效硬化深度比对强度、耐久性以及热处理变形的影响
分类 记号     有效硬化深度比t/T(％)     渗碳时间(分钟)   最表层部碳浓度(％)   滚动疲劳寿命(N数)    耐冲击强度(J)     圆度(μ)
比较例     A     5     80   1.0   6.5×106    118     29
实施例     B     10     104   1.5   1.1×107    110     31
实施例     C     20     119   1.7   2.1×107    105     39
实施例     D     30     134   1.9   2.3×107    98     50
比较例     E     40     149   2.0   2.2×107    67     65
表5：最表层部碳浓度对强度、耐久性以及热处理变形的影响
分类 记号   最表层部碳浓度(％)     渗碳时间(分钟)     滚动疲劳寿命(N数)     耐冲击强度(J)     圆度(μ)   有无追加渗碳
  参考例     F   不到0.8     80     5.3×106     56     30   无
  实施例     G   1.0     80     1.5×107     87     32   同上
  实施例     H   1.5     80     2.0×107     69     37   同上
  实施例     I   1.0     96     1.9×107     116     35   有
  实施例     J   1.5     133     2.4×107     111     39   同上
  实施例     K   2.0     130     2.6×107     98     53   同上
1)有效硬化深度比表示微细碳化物层的深度与以显微维氏硬度计具有550HMV以上硬度的深度(T)的比值(t/T)。
2)滚动疲劳寿命表示在以下条件下直到出现点蚀的反复次数。
接触压力：3GPa，旋转次数：1500rpm，滑动率：-40％、油压：80℃
3)耐冲击强度表示使用却贝(charpy)试验片而得的破坏能量。
4)圆度表示使用试验片形状为φ100(φ80)×15t的环，利用形状测定器测定的环内径的X-Y方向的变形量。
关于有效硬化深度比对滚动疲劳寿命的影响，当为记号A的比较例的有效硬化深度比较浅为5％时，微细碳化物自身的析出量少，缺乏作为高浓度渗碳的特征的耐回火软化性，抗点蚀性(pitting toughness)低。另一方面，当为有效硬化深度比为40％的记号E的比较例的情况时，由于高硬度的范围广，因此存在抗冲击强度降低的问题，另外，对于从圆度而得的热处理变形也有应变增加的倾向。由这些结果可知，碳化物析出层与有效硬化深度的深度比优选在10～30％的范围内。
接着，对于表5所示的最表层部的碳浓度对抗点蚀寿命的影响，可以认为是最表层部的碳浓度高的记号H、J、K优良，碳浓度较前者低、为1％的记号G、I的抗点蚀寿命部分劣化。如作为参考例显示的记号F的最表层部碳浓度不到0.8质量时，试验片的抗点蚀性大幅劣化。也就是说，最表层部中微细碳化物多析出的碳浓度越高越好。因此，在本发明中将高浓度渗碳的碳浓度设定在0.8质量％以上。
关于被渗碳的碳浓度的上限，到2.0质量％没有特别的问题。另外当碳浓度成为超过2.0质量％的高浓度时，容易析出片状碳化物，试验片的抗冲击强度和热处理变形有可能向不利方向发展。因此，需要根据部件(试验片)的要求特性来设定最表层部的碳浓度。
关于记号I、J、K的二次处理中采用追加渗碳处理时对耐点蚀寿命、耐冲击强度、热处理变形(应变)带来的影响，与碳浓度同等的追加渗碳为“无”的记号G、H相比，所有特性均离差小，比较理想。作为其理由，认为是由于通过追加渗碳处理，基质的碳浓度稳定化，还有助于最表层部的微细碳化物的生成，渗碳层自身成为致密且均衡的组织，热处理品质整体稳定化。
通过以上的各种分析结果，本发明的方法中最适处理条件为，使用机械构造用钢作为部件，将低压渗碳下的一次处理和二次处理组合进行高浓度渗碳，经过最适的加热和冷却条件后，使最终工序的碳化物的析出深度以有效硬化深度比计控制在10～30％的范围，并且使表层部的碳浓度控制在0.8质量％以上。
产业上利用的可能性
通过上述的一系列的结果，可知通过本发明可使作为机械构造部件的齿轮和轴承部件等实现高强度化和高接触压力化，而且也能够以低应变实现要求低应变的部件、具有轴承结构的旋转滑动或往返滑动部件、以及要求在高接触压力下的接触疲劳和耐磨耗性的部件等各种部件的高强度化、高性能化和轻型小型化等要求，可以提供全新的高浓度渗碳·低应变淬火部件以及其制造方法。
附图说明
图1：一次处理的热循环
图2：二次处理的热循环
图3：实施例的热循环
图4：表3的试验片No.2-2的光学显微镜照片(放大率×100)

Claims (4)

1.高浓度渗碳·低应变淬火部件的制造方法，其特征在于，包括一次处理和后续的二次处理，一次处理为通过真空渗碳(低压渗碳)方法，将机械构造用钢部件加热至奥氏体范围的温度，使共析碳浓度以上的碳固溶在该部件的表层部之后，再将该部件以3～15℃/秒的冷却速度从奥氏体范围的温度冷却到A1转变点以下的温度进行淬火，使微细碳化物及/或该碳化物的核生成在上述部件的表层部，二次处理为使该部件升温至奥氏体范围的温度并使其均热后进行迅速淬火，使微细碳化物以有效硬化深度比为10～30％的范围析出在最表层部。
2.如权利要求1所述的上述部件的制造方法，其特征在于，在上述二次处理中，在部件的表层部进行追加渗碳处理。
3.如权利要求2所述的上述部件的制造方法，其特征在于，在上述二次处理中，使微细碳化物在上述部件的表层部析出，在该表层部形成以马氏体为主的组织，其中包括一部分托氏体和残留的奥氏体等的混合组织，该层的最表层部(A部)与比A部更内侧的层(B部)与比B部更内侧的层(C部)的各奥氏体结晶粒度的微细度顺序为A≥C≥B。
4.高浓度渗碳·低应变淬火部件，其特征在于，表层部为以马氏体为主的组织，其中包含一部分托氏体和残留的奥氏体等的混合组织，该层的奥氏体结晶粒度的微细度顺序在最表层部(A部)与比A部更内部的层(B部)与比B部更内部的层(C部)中为A≥C≥B。
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