CN101535522A - 高浓度渗碳钢的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高浓度渗碳钢的制造方法，所述方法不会导致熔炉寿命的缩短、钢材的变形和工作效率的降低，并且所述方法能够大量分散精细的球形碳化物。所述方法包括以下步骤：(i)在一次渗碳温度T1(℃)对具有某种组成的钢材进行渗碳直至表面碳浓度C变为某一碳浓度的一次渗碳步骤，(ii)在完成一次渗碳步骤后以大于或等于1℃/分钟的冷却速率将所述钢材冷却至低于或等于Arl点的冷却步骤，(iii)将所述钢材的温度升至比一次渗碳温度T1低大于或等于100℃的二次渗碳开始温度T2s以在二次渗碳温度T2对钢材进行渗碳的二次渗碳初始步骤，(iv)在完成二次渗碳初始步骤后升温至淬火温度Tq以在淬火温度Tq进一步渗碳的二次渗碳后期步骤，和(v)在完成所述二次渗碳后对钢材进行淬火的淬火步骤。

Description

高浓度渗碳钢的制造方法
技术领域
本发明涉及高浓度渗碳钢的制造方法，更具体而言，本发明涉及其中通过渗碳处理而使精细的球形碳化物能够大量析出在表面中而制造高浓度渗碳钢的方法。
背景技术
渗碳是指在渗碳气氛中加热钢从而增加表面中的碳浓度的处理。渗碳通常应用于低碳钢，所述低碳钢在渗碳后淬火，然后再使用。经过这种渗碳-淬火处理的材料被称作表面硬化钢或渗碳钢，由于这类钢具有硬质表面和软质内部，因此它们在商业上被用作诸如轴、轴承、齿轮、活塞销和凸轮等机械部件。
在渗碳处理中，增加材料表面附近的碳浓度以析出碳化物的处理被特称为“高浓度渗碳”。通过高浓度渗碳获得的材料含有分散于它们的表面中的硬质碳化物，因此它们的特征在于，与通过进行常规的共析渗碳获得的那些材料相比，它们具有较高的耐磨性和较高的表面疲劳强度。
然而，由于经过高浓度渗碳处理的材料的特性受到碳化物分散状态的强烈影响，因此必须分散大量精细的球形碳化物，以获得高强度(参考非专利文献1)。具体而言，在晶界析出的粗碳化物会导致强度降低。
因此，为了解决这一问题，按照惯例，已有各种提案被提出。
例如，专利文献1揭露了一种钢渗碳处理方法，在所述方法中，对于由含C：0.05％～0.45％的钢制机器结构部件进行以下步骤：
(i)通过在高于或等于880℃的温度进行的等离子渗碳来进行一次渗碳，以使部件表面的碳浓度增加至大于或等于钢的Acm，从而在表面附近析出碳化物；
(ii)将机器结构部件逐渐冷却至低于钢的Arl的温度，在将温度保持在该水平后，再将其加热到超过Arl的温度；
(iii)通过在比一次渗碳温度低10℃～60℃的温度进行的再次等离子渗碳来进行二次渗碳；和
(iv)立即淬火和回火或在进行扩散处理后淬火和回火，从而获得下述部件，所述部件中表面碳浓度大于或等于1.5％、渗碳层中碳化物的形状近似球形，并且具有优异的耐磨性和优异的抗俯仰性(pitchingresistance)。
此外，该文献还揭露了在上述步骤(iii)后进行的以下步骤：
(v)将机器结构部件逐渐冷却至低于钢的Arl的温度，立即将温度保持在该水平，再将其加热到超过Arl的温度；
(vi)通过在比二次渗碳温度仍低10℃～60℃的温度进行的再次等离子渗碳来进行三次渗碳；和接下来的步骤(iv)，
由此获得表面碳浓度大于或等于1.7％的部件，其中渗碳层中碳化物的形状近似球形，并且所述部件具有优异的耐磨性和优异的抗俯仰性。
在该文献还描述了以下内容：
(1)当使用等离子渗碳作为渗碳处理方法时，无须担心会存在渗碳不均匀性，因为虽然碳势高，但是生成的煤烟少；
(2)由于在一次渗碳中，渗碳在高于Acm的高度进行，碳化物可能会以团块形状析出在奥氏体晶界处；
(3)渗碳后，当温度先被降低至低于Arl的温度并再次升高至高于Arl的温度时，奥氏体晶界会迁移，结果，最初存在于晶界处的碳化物会保留在新奥氏体晶粒中；和
(4)通过进一步进行二次渗碳，碳化物析出在新奥氏体晶界处，通过新生成的碳化物和上述残留的碳化物，可以获得具有优选碳化物分布的渗碳层。
此外，专利文献2揭露了一种钢部件的渗碳热处理方法。所述方法包括：
以大于或等于0.1℃/秒的冷却速率，将在经渗碳处理使表面碳浓度达到大于或等于0.8％水平的钢部件在所述渗碳处理之后冷却至低于或等于300℃的温度，
加热钢部件至下述温度范围，所述温度范围为从比钢的Ac1转变温度高50℃到比钢的Ac1转变温度低150℃，
将钢部件保持在该温度，和
以10℃/秒的加热速率进一步升温至下述温度并保持该温度，在所述温度，钢部件的中心部分获得奥氏体单相或者奥氏体/铁素体双相，其中铁素体面积比小于或等于30％，
直接进行淬火或者在将温度降低至淬火所需的预定水平后淬火。
据该文献描述，通过将渗碳钢部件保持在从比钢的Ac1转变温度高50℃到比钢的Ac1转变温度低150℃的温度范围内，精细碳化物可以生长。
非专利文献1：下村哲也、森田敏之、井上幸一郎著，电气制钢(ElectricFurnace Steel)，第77卷(2006)，第11页
专利文献1：日本专利公报JP-B-2808621
专利文献2：日本专利公开公报JP-A-6-108226
发明内容
本发明要解决的问题
正如专利文献2所揭露，只通过一次渗碳处理很难大量分散精细的球形碳化物。因此，在许多常规进行的高浓度渗碳中，都进行包括一次渗碳处理和二次渗碳处理的两次渗碳处理。进行一次渗碳处理主要是为了在表面中固溶高浓度的碳，以便在进行二次渗碳处理而进行再次加热时大量析出精细碳化物。另一方面，进行二次渗碳处理主要是为使在再次加热时生成的精细碳化物生长。为达到这些目的，需要使一次渗碳处理与二次渗碳处理之间的温差足够大。
然而，如果为增大一次渗碳处理与二次渗碳处理之间的温差而升高一次渗碳处理的温度，熔炉寿命将被缩短。此外，表面硬化钢通常不经修整工序即直接使用，因此在比必要的温度更高的温度加热会增加材料的变形。
另一方面，如果为解决该问题而在降低一次渗碳处理温度的同时降低二次渗碳处理的温度，二次渗碳处理时碳的扩散速率将被降低。因此，需要长时间才能析出所需量的碳化物，这降低了工作效率。
此外，如果将二次渗碳处理的温度保持在高水平而只降低一次渗碳处理的温度，一次渗碳处理与二次渗碳处理之间的温差将变小。这样容易在晶界处析出片状粗碳化物，这会降低结构的再现性。
本发明要解决的一个问题是提供高浓度渗碳钢的制造方法，所述方法能够分散大量精细的球形碳化物，而不缩短熔炉寿命。
本发明要解决的另一问题是提供高浓度渗碳钢的制造方法，所述方法不会在渗碳处理后引起大的变形。
本发明要解决的再一问题是提供高浓度渗碳钢的制造方法，所述方法能够分散大量精细的球形碳化物，而不降低工作效率。
本发明要解决的又一问题是提供高浓度渗碳钢的制造方法，在所述方法中，晶界处不会析出片状粗碳化物，并且所述方法会提供结构的高再现性。
解决问题的手段
为解决上述问题，本发明的高浓度渗碳钢的制造方法包括：
(i)一次渗碳步骤，在一次渗碳温度T1(℃)对钢材进行渗碳，直至表面碳浓度C变为Ceu<C≤C(Acm)，所述钢材含有0.15质量％～0.30质量％的C、0.40质量％～0.80质量％的Si、0.3质量％～0.8质量％的Mn、1.25质量％～2.00质量％的Cr和余量的Fe及不可避免的杂质，其中Ceu是所述钢材的共析碳浓度，而C(Acm)是在所述一次渗碳温度T1所述钢材的Acm线所对应的碳浓度；
(ii)冷却步骤，在完成一次渗碳步骤后，以大于或等于1℃/分钟的冷却速率将所述钢材冷却至低于或等于700℃；
(iii)二次渗碳初始步骤，将所述钢材的温度升至二次渗碳开始温度T2s，以在二次渗碳温度T2对所述钢材进行渗碳，其中Ac1点(℃)≤T2s(℃)≤一次渗碳温度T1-100℃≤二次渗碳刚开始时钢材的表面碳浓度所对应的Acm线温度(℃)，并且T2s≤T2≤钢材的表面碳浓度所对应的Acm线温度(℃)；
(iv)二次渗碳后期步骤，在完成所述二次渗碳初始步骤后，接着升温至淬火温度Tq(℃)，在所述淬火温度Tq对所述钢材进一步进行渗碳，其中Tq≤钢材的表面碳浓度所对应的Acm线温度(℃)；和
(v)淬火步骤，在完成所述二次渗碳后对钢材进行淬火。
本发明的优点
当在所述一次渗碳温度T1进行所述一次渗碳处理并进一步进行所述二次渗碳处理时，通过将所述二次渗碳处理分为在低于所述淬火温度Tq的二次渗碳温度T2进行渗碳的二次渗碳初始步骤和在淬火温度进行渗碳的二次渗碳后期步骤，即使在所述一次渗碳温度T1是较低的温度时，也可使所述一次渗碳温度T1与所述二次渗碳温度T2之间的温差足够大。由此精细的球形碳化物可以得到大量分散，而不会缩短熔炉寿命和在渗碳处理后产生严重变形。此外，在所述二次渗碳后期步骤中，渗碳在较高温度进行，因此工作效率不会降低。此外，由于可使所述一次渗碳温度T1与所述二次渗碳温度T2之间的温差足够大，因此即使钢材之间的组成不一致，也能确保抑制片状粗碳化物在晶界处的析出。
附图说明
图1A至图1D是显示在不同条件下进行高浓度渗碳的情况下的结构变化的示意图和相图；和
图2是显示实施例中所采用的典型的渗碳处理模式的图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施方式。
首先描述要对其应用本发明的高浓度渗碳钢制造方法的钢材。
要对其应用本发明的制造方法的钢材包含如下所述的合金元素，其其余部分是铁和不可避免的杂质。合金元素的种类、成分的范围和限定所述范围的理由如下。
(1)C：0.15质量％～0.30质量％
如果C量过少，则中心部分将产生铁素体，如此会降低强度。因此，C量优选大于或等于0.15质量％。
另一方面，如果C量过大，则材料硬度将会增加，这会降低加工性(特别是切削性)。因此，C量优选小于或等于0.30质量％。
(2)Si：0.40质量％～0.80质量％
如果Si量过少，则基体的回火硬度降低，如此会降低强度。因此，Si量优选大于或等于0.40质量％。
另一方面，如果Si量过大，则生成的碳化物的量将减少，这会降低强度。此外，中心部分将生成铁素体，如此会降低强度。因此，Si量优选小于或等于0.80质量％。
(3)Mn：0.3质量％～0.8质量％
如果Mn量过少，则基体的淬火性能被劣化，强度会因不完全淬火而降低。因此，Mn量优选大于或等于0.3质量％。
另一方面，如果Mn量过大，则材料硬度会增加，这会降低加工性(特别是切削性)。因此，Mn量优选小于或等于0.8质量％。
(4)Cr：1.25质量％～2.00质量％
如果Cr量过少，则生成的碳化物的量将会降低，这会降低强度。此外，中心部分将生成铁素体，如此会降低强度。因此，Cr量优选大于或等于1.25质量％。
另一方面，如果Cr量过大，则材料硬度将会增加，这会降低加工性(特别是切削性)。因此，Cr量优选小于或等于2.00质量％。
下面将描述本发明的高浓度渗碳钢的制造方法。
本发明的高浓度渗碳钢的制造方法包括一次渗碳步骤、冷却步骤、二次渗碳初始步骤、二次渗碳后期步骤和淬火步骤。
一次渗碳步骤是在一次渗碳温度T1(℃)对具有上述组成的钢材进行渗碳以使表面碳浓度C满足Ceu<C≤C(Acm)的步骤。
对于一次渗碳温度T1而言，其为比下文所述的二次渗碳开始温度T2高大于或等于100℃的温度是令人满意的。一般说来，一次渗碳温度T1越高，完成渗碳至预定碳浓度所需的时间越短。具体而言，一次渗碳温度T1优选高于或等于900℃。
另一方面，如果一次渗碳温度T1过高，则熔炉寿命将被缩短，或者在一些情况下会出现钢材变形。因此，具体而言，一次渗碳温度T1优选低于或等于1,100℃，更优选低于或等于1,000℃。
此外，进行渗碳，使得钢材的表面碳浓度C满足Ceu<C≤C(Acm)。此处，术语“表面碳浓度”是指距表面10μm区域内的平均碳浓度。此外，“Ceu”是指含有分别在上述范围内的Si、Mn和Cr的钢材的共析碳浓度。关于每一种上述钢材，共析碳浓度都大于或等于0.5质量％。
此外，“C(Acm)”是指在一次渗碳温度T1，含有分别在上述范围内的Si、Mn和Cr的钢材的Acm线所对应的碳浓度。进行渗碳直至C≤C(Acm)是指在钢材表面温度达到或高于Acm线的温度(即，表面变为γ-相单相的温度)进行一次渗碳。
如果表面碳浓度C过小，在下文将描述的二次渗碳中的升温过程中，碳化物将不会析出在基体内。如果碳化物不析出在基体内，在二次渗碳过程中晶界处将生成粗碳化物。因此，必须进行一次渗碳，使得表面碳浓度C变得大于Ceu。
另一方面，如果表面碳浓度C过大，在一次渗碳过程中晶界处就会生成碳化物。由于一次渗碳中生成的碳化物如此残留，因此必须防止粗碳化物的生成。具体而言，优选不存在长径大于或等于5μm的粗碳化物。因此，必须进行一次渗碳，使得表面碳浓度C变得小于或等于C(Acm)。
例如，对于具有上述组成的钢材，当一次渗碳温度T1为950℃～1,000℃时，C(Acm)变为大约1.25质量％～1.4质量％。
进行一次渗碳时的渗碳方法不受特别限制，各种方法都可以采用。具体而言，优选采用气体渗碳和真空渗碳作为渗碳方法，因为它们易于操作并且处理时间短。当采用具体的渗碳方法时，可以通过优化渗碳条件来将表面碳浓度C控制在上述范围内。
例如，采用气体渗碳时，通过在渗碳气体气氛中加热钢材进行渗碳。在此情况下，可以通过渗碳气氛的碳势控制渗碳量。碳势是由气氛平衡的纯铁的表面平衡碳浓度，它取决于气氛中CO/CO2之比和H2O的量。通常，当碳势变高和/或当一次渗碳温度T1变高时，可以在较短的时间内增加表面碳浓度。
此外，采用真空渗碳时，可以通过例如下述方式进行渗碳：将已向其内引入钢材的熔炉内部的压力降低至大约1.3Pa，然后在向其中引入诸如甲烷或丙烷等烃类气体时加热至渗碳温度。在此情况下，可以通过引入烃类气体的时间控制渗碳量。另外，当进行真空渗碳时，表面附近的碳浓度可能变得过高。在此情况下，通常进行在渗碳后停止供应烃类气体并保持为同一状态的扩散处理。
冷却步骤是在完成一次渗碳步骤后，以大于或等于1℃/分钟的冷却速率将钢材冷却至低于或等于700℃的步骤。
在完成一次渗碳后，钢材先被冷却至低于或等于700℃的温度。将温度冷却至低于或等于700℃的原因在于，当在二次渗碳中再次加热时，精细的碳化物将会析出在晶粒中。在此情况下，当冷却速率过低时，冷却过程中晶界处将形成片状粗碳化物，因此不优选过低的冷却速率。冷却过程中生成的粗碳化物在下文将要描述的步骤中不会消失，并会导致钢材强度降低。因此，优选冷却速率大于或等于1℃/分钟。冷却速率越快越优选。
二次渗碳初始步骤是其中将经冷却的钢材升温至二次渗碳开始温度T2s并在二次渗碳温度T2对钢材进行渗碳的步骤。
术语“二次渗碳开始温度T2s”是指满足下式(1)条件的温度。
Ac1点(℃)≤T2s(℃)≤一次渗碳温度T1-100℃≤二次渗碳开始时钢材的表面碳浓度所对应的Acm线温度(℃)  ……(1)
二次渗碳开始温度T2s与一次渗碳温度T1之间的温差优选大于或等于100℃。如果二者之间的所述温差小于100℃，则存在晶界处生成片状粗碳化物的可能。二者之间的温差越大越优选。
此外，二次渗碳开始温度T2s必须大于或等于Ac1点，并且必须小于或等于二次渗碳开始时钢材的表面碳浓度所对应的Acm线温度。这意味着在钢材的表面温度位于Ac1点和Acm线之间(即，表面变为γ+Fe3C相时的温度)时开始二次渗碳。
术语“二次渗碳温度T2”是指满足下式(2)条件的温度。
T2s≤T2≤上述钢材的表面碳浓度所对应的Acm线温度(℃)  …(2)
二次渗碳温度T2可以与二次渗碳开始温度T2s相同，或者是比二次渗碳开始温度T2s高的温度。
如果二次渗碳温度T2与二次渗碳开始温度T2s相同，则在二次渗碳温度T2的保持时间应使当温度升至下文中将要描述的淬火温度Tq时，钢材的表面温度不超过Acm线温度。通常，表面碳浓度随着在二次渗碳温度T2的保持时间的延长而增大，因此可以在将钢材的表面温度保持在低于或等于Acm线的情况下进行渗碳。为使在升温至淬火温度Tq时钢材的表面温度低于或等于Acm线，在二次渗碳温度T2的保持时间优选大于或等于15分钟。
另一方面，当二次渗碳温度T2高于二次渗碳开始温度T2s时，可以通过从二次渗碳开始温度T2s逐步升温或连续升温来达到二次渗碳温度T2。
术语“逐步”是指将温度保持在固定水平一段预定时间，然后以预定温度幅宽升温，并将温度保持在该预定温度一段时间。当逐步升高温度时，可以通过优化升温幅宽和温度保持时间，在将钢材的表面温度保持在低于或等于Acm线的情况下进行渗碳。
此外，术语“连续”是指以预定升温速率升高温度。当连续升高温度时，可以通过优化升温速率，在将钢材的表面温度保持在低于或等于Acm线的情况下进行渗碳。二次渗碳后期步骤是在完成二次渗碳初始步骤后，接着将钢材的温度升高至淬火温度Tq(℃)，以及如果Tq≤上述钢材的表面碳含量所对应的Acm线温度(℃)则进一步在淬火温度Tq下进行渗碳的步骤。
二次渗碳后期步骤是下述步骤，所述步骤不仅将钢材的温度升高至淬火温度Tq，还在短时间内将表面碳浓度调整为的目标碳浓度，而不在晶界处析出片状粗碳化物。因此，淬火温度Tq必须低于或等于钢材的表面碳浓度所对应的Acm线温度。当二次渗碳初始步骤的渗碳条件得到优化时，可以在保持钢材的表面温度低于或等于Acm线温度的情况下，将温度升高至淬火温度Tq。
通常，随着淬火温度Tq的降低，在保持过程中在晶界处生成片状粗碳化物的难度将变低。然而，如果淬火温度Tq过低，则不仅会导致碳的扩散速率的降低，还会导致中心部分淬火不足。因此，淬火温度Tq优选高于或等于钢材中心部分变成奥氏体单相时的温度。
将温度保持在淬火温度Tq的时间不受特别限制，可以根据钢材的组成、淬火温度Tq和钢材所需的特性等选择最优时间。通常，随着温度保持时间的延长，钢材的表面碳浓度将会变得更高。为获得具有优异的耐磨性和表面疲劳强度的高浓度渗碳钢，在淬火温度Tq的温度保持时间(即，渗碳时间)优选大于或等于15分钟。
另外，当在二次渗碳初始步骤中逐步或连续升高二次渗碳温度T2时，可以立即充分进行淬火，而不需在温度到达淬火温度Tq后在淬火温度Tq进行渗碳，只要在温度达到淬火温度Tq和钢材浸渍充分那一时间点获得了充分的渗碳量即可。
淬火步骤是在完成二次渗碳后期步骤后对钢材进行淬火的步骤。
进行淬火是为了将表面渗碳层和中心部分转化为马氏体。基于这一目的，优选对完成二次渗碳后期步骤的钢材进行淬火。作为淬火方法，具体有油淬火法和气体淬火法。
下面将描述本发明的高浓度渗碳钢的制造方法的效果。
图1A至图1D是显示在不同条件下进行高浓度渗碳时结构变化的示意图。另外，图1A至图1D中也显示有相图。
在高浓度渗碳中，许多时候要进行两次，即一次渗碳和二次渗碳。在分两步进行渗碳的常规高浓度渗碳中，完成一次渗碳时的表面碳浓度低于如图1A的相图中所示的渗碳温度所对应的Acm线浓度。即，完成一次渗碳后的表面处于奥氏体单相状态。因此，在以预定冷却速率将钢材由此状态冷却至低于或等于700℃时，钢材的结构变为如图1A的左图所示的其中在晶界处不产生粗碳化物的状态。
当钢材的温度被升至二次渗碳温度时，在第二渗碳的升温过程中将生成球形精细碳化物，如图1A的中图所示。这是因为二次渗碳是在低于钢材的表面碳浓度所对应的Acm线温度(即，表面变为γ+Fe3相时的温度)的温度进行的，并且碳扩散速率比一次渗碳中的低，因而碳化物难以析出在晶界中。
当在温度达到二次渗碳温度后开始二次渗碳时，在升温过程中生成的精细碳化物会起到允许碳化物生长的核的作用，如图1A中的右图所示。
为了获得如图1A中所示的结构，完成一次渗碳时的温度必须高于Acm线，并且开始二次渗碳时的温度必须低于Acm线。由于产生的钢材在不同批次之间组成不一致，因此Acm线的位置在各钢材之间存在一定程度的变化。因此，为了确保获得如图1A所示的结构，需要使一次渗碳温度与二次渗碳温度之间存在充分的温差。
然而，当出于提供充分的温差的目的而升高一次渗碳温度时，熔炉的耐用性将降低。另一方面，当为避免此情况而降低二次渗碳温度时，二次渗碳中碳扩散速率将被降低，这会导致加工性的严重降低。
此外，当出于既实现熔炉的耐用性又实现加工性的目的而降低一次渗碳温度与二次渗碳温度之间的温差时，难以具有良好再现性地进行Acm线位于两步之间的两步渗碳处理。
例如，在将二次渗碳温度保持为与常规技术相同的温度并降低一次渗碳温度的同时使一次渗碳温度高于Acm线时，完成一次渗碳后的钢材的结构处于在晶界处不生成粗碳化物的状态，如图1B的左图所示。然而，当二次渗碳温度超过Acm线时，在二次渗碳中的升温过程中已经在晶粒内生成的精细碳化物会再次进行固溶，如图1B的中图所示。因此，允许碳化物生长的核将在晶粒内消失，碳化物因而会优先在具有较小形成能的晶界处生成。结果，在晶界处生成粗碳化物，如图1B的右图所示。
另一方面，在将二次渗碳温度保持为与常规技术相同的温度并降低一次渗碳温度的同时使一次渗碳温度低于Acm线时，完成一次渗碳后的钢材的结构处于在晶界处生成片状碳化物的状态，如图1C的左图所示。当温度被升至二次渗碳开始温度时，在升温过程中将在晶粒内生成精细碳化物，如图1C的中图所示。当由此状态进行二次渗碳时，在晶粒内存在的精细碳化物和在晶界处生成的片状碳化物都将生长，如图1C的右图所示。
在图1B和图1C这两种情况下，在晶界处生成的片状粗碳化物将成为高浓度渗碳钢强度降低的原因。
相反，在将一次渗碳温度保持为与常规技术相同或低于常规技术的温度的状态下完成一次渗碳时，完成一次渗碳后的钢材的结构处于在晶界处不生成粗碳化物的状态，如图1D的左图所示。此外，在冷却钢材后升温至二次渗碳开始温度的同时使二次渗碳开始温度比一次渗碳温度低大于或等于100℃时，钢材的表面温度可以确保被调整为低于Acm线的温度。因此，在温度达到二次渗碳开始温度这一点时，在晶粒内生成精细碳化物，如图1D的中图所示。
当温度由此状态保持为与二次渗碳开始温度相同的水平，或者当温度由二次渗碳开始温度逐步或连续升高以进行预定时间的渗碳时，晶粒内的碳化物将生长，但在晶界处不会生成碳化物。
此外，随着二次渗碳的进行，表面碳浓度增大，并且表面的Acm线温度也升高。因此，当二次渗碳初始步骤的条件得到优化时，即使钢材的温度升高至淬火温度，淬火温度也不会超过表面的Acm线温度。结果，如图1D的右图所示，可以使晶粒中的碳化物生长，在晶界不会生成碳化物。
为防止在晶界处析出片状粗碳化物，一次渗碳必须在高于Acm线的温度下进行，并且二次渗碳必须在低于Acm线的温度下进行。本发明的高浓度渗碳钢的制造方法可以在一次渗碳完成后与二次渗碳开始时之间提供充分的温差，因此即使不同批次之间的钢材的组成不一致，也可以确保对片状粗碳化物生成的抑制。此外，由于不必升高一次渗碳的温度以提供充分的温差，熔炉的耐用性不会降低。此外，由于在温度达到二次渗碳开始温度后的预定时间后，通过升温至淬火温度而持续进行渗碳，因此表面的碳浓度可以在短时间内达到目标浓度。
实施例
(实施例1～15和比较例1～5)
[1.样品的制备]
在不同条件下对具有不同组成的钢材进行渗碳。另外，每一渗碳都以一次渗碳和二次渗碳这两步进行。此外，除实施例15和比较例1之外，二次渗碳以两步进行，即，将温度保持在固定水平(低温)一段预定时间的二次初始步骤和升温至淬火温度(高温)并保持该温度一段预定时间的二次渗碳后期步骤。典型的渗碳处理模式如图2所示。
在所有的一次渗碳、二次初始渗碳和二次后期渗碳中，这些渗碳都通过总共重复以下过程(1)和(2)4次来进行：
(1)通过以相当于总渗碳时间的2％的时间流入渗碳气体来进行渗碳；和
(2)通过以相当于总渗碳时间的23％的时间真空泵吸来进行扩散。
然而，在实施例15中，二次渗碳开始温度被设定为750℃，该温度在进行渗碳的同时在40分钟内升高至850℃的淬火温度，并在温度达到淬火温度后立即进行淬火。
此外，在比较例2的二次渗碳初始步骤中，通过以相当于总渗碳时间的3％的时间流入渗碳气体而进行渗碳的过程和通过以相当于总渗碳时间的22％的时间真空泵吸而进行扩散的过程总共被重复4次。
此外，在比较例3的二次渗碳初始步骤中，通过以相当于总渗碳时间的1％的时间流入渗碳气体而进行渗碳的过程和通过以相当于总渗碳时间的24％的时间真空泵吸而进行扩散的过程总共被重复4次。
[2.测试方法]
完成一次渗碳后的表面碳浓度通过以下方式确定：通过EPMA(电子探针显微分析)测量断面碳浓度的分布并计算距表面10μm的区域内的平均碳浓度。此外，完成一次渗碳后的碳化物的直径和淬火后的直径通过以下方式测量：在使用苦醇腐蚀样品的断面后使用SEM(扫描电子显微镜)照相，并将1mm2内存在的碳化物的粒径的最大值作为“碳化物粒径”。此外，淬火后的疲劳强度通过旋转弯曲疲劳测试(根据JIS Z 2274)测量。
[3.结果]
各钢材料的组成、渗碳条件和测试结果如表1中所示。
在比较例1中，淬火后生成有大于10μm的粗碳化物。其原因可能在于，由于二次渗碳初始步骤被省略并且立即在885℃进行二次渗碳后期步骤，在二次渗碳过程中生成的精细碳化物再次发生固溶。
此外，在比较例2中，淬火后生成有大于10μm的粗碳化物。其原因在于，一次渗碳过度，并且在一次渗碳完成时即已生成了粗碳化物。
此外，在比较例3中，生成有大于6μm的粗碳化物。其原因可能在于，由于一次渗碳不充分，并且表面碳浓度没有达到共析碳浓度，在温度达到二次渗碳开始温度的时间点上晶粒内没有生成精细的碳化物。
此外，在比较例4中，虽然不存在粗碳化物，但是疲劳强度低。其原因可能在于，由于二次渗碳初始温度与二次渗碳后期温度相同，并且碳的扩酸速率低，因而未产生足够量的碳化物。
此外，在比较例5中，生成有大于7μm的粗碳化物。其原因可能在于，由于保持在二次渗碳初始温度的保持时间短，在温度升至二次渗碳后期温度时，钢材的表面温度超过了Acm线。
因此，在所有的比较例1～5中，疲劳强度都低于700MPa。
相反，在所有的实施例1～15中，疲劳强度都大于或等于700MPa。其原因可能在于，由于一次渗碳、二次渗碳初始过程和二次渗碳后期过程都是在适当的条件下进行的，因此在晶粒内形成有大量精细的球形碳化物，而未在晶界处生成片状粗碳化物。
Figure A200780041343D00181
工业实用性
本发明的高浓度渗碳钢的制造方法可以用作诸如轴、轴承、齿轮、活塞销和凸轮等机械部件的制造方法。
虽然本发明已经通过参照具体实施方式进行了详细描述，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以进行各种改变和改进而不会脱离本发明的精神和范围。本申请基于2006年11月6日提交的日本专利申请(日本专利申请2006-299836号公报)，在此以参考的方式引入其内容。

Claims (5)

1.一种高浓度渗碳钢的制造方法，所述方法包括：
(i)一次渗碳步骤，在一次渗碳温度T1(℃)对钢材进行渗碳，直至表面碳浓度C变为Ceu<C≤C(Acm)，所述钢材含有0.15质量％～0.30质量％的C、0.40质量％～0.80质量％的Si、0.3质量％～0.8质量％的Mn、1.25质量％～2.00质量％的Cr和余量的Fe以及不可避免的杂质，其中，Ceu是所述钢材的共析碳浓度，而C(Acm)是所述钢材在所述一次渗碳温度T1的Acm线所对应的碳浓度；
(ii)冷却步骤，在完成所述一次渗碳步骤后，以大于或等于1℃/分钟的冷却速率将所述钢材冷却至低于或等于700℃；
(iii)二次渗碳初始步骤，将所述钢材的温度升至二次渗碳开始温度T2s，以在二次渗碳温度T2对所述钢材进行渗碳，其中，Ac1点(℃)≤T2s(℃)≤一次渗碳温度T1-100℃≤二次渗碳刚开始时所述钢材的表面碳浓度所对应的Acm线温度(℃)，并且T2s≤T2≤所述钢材的表面碳浓度所对应的Acm线温度(℃)；
(iv)二次渗碳后期步骤，在完成所述二次渗碳初始步骤后，接着升温至淬火温度Tq(℃)，在所述淬火温度Tq对所述钢材进一步进行渗碳，其中，Tq≤所述钢材的表面碳浓度所对应的Acm线温度(℃)；和
(v)淬火步骤，在完成所述二次渗碳后对所述钢材进行淬火。
2.如权利要求1所述的高浓度渗碳钢的制造方法，其中，所述一次渗碳温度T1低于或等于1,100℃。
3.如权利要求1或2所述的高浓度渗碳钢的制造方法，其中，所述二次渗碳初始步骤是在保持所述二次渗碳温度T2为所述二次渗碳开始温度T2s的情况下进行时间为大于或等于15分钟的渗碳的步骤。
4.如权利要求1或2所述的高浓度渗碳钢的制造方法，其中，所述二次渗碳初始步骤是在将所述二次渗碳温度T2由所述二次渗碳初始温度T2s逐步或连续升至所述淬火温度Tq的情况下进行渗碳的步骤。
5.如权利要求1至4任一项所述的高浓度渗碳钢的制造方法，其中，所述二次渗碳后期步骤是在所述淬火温度Tq进行时间为大于或等于15分钟的渗碳的步骤。
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