CN101821059B

CN101821059B - 喷丸硬化方法

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Publication number: CN101821059B
Application number: CN200880118019.9A
Authority: CN
Inventors: 石仓亮平; 狩野隆; 加藤万规男; 小林祐次; 宇治桥谕; 奥村洁
Original assignee: Sintokogio Ltd
Current assignee: Sintokogio Ltd
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2028-11-21
Also published as: US8151613B2; JP2009131912A; WO2009069556A1; EP2218547A1; TR201815596T4; KR20100100832A; BRPI0819657B1; KR101392350B1; EP2218547A4; CN101821059A; BRPI0819657A2; JP5164539B2; US20100300168A1; EP2218547B1

Abstract

本发明提供一种喷丸硬化方法，其可以抑制对被处理钢材的磨削，同时赋予目前技术所不及的高压缩残余应力。其特征在于，对由下式(1)～(3)得到的硬度HV(m)为750HV以上的被处理钢材投射比维氏硬度比该被处理钢材的硬度HV(m)高出50HV～250HV的投射材料，将该被处理钢材的磨削量控制在5μm以下，HV(m)＝{f(C)-f(T，t)}(1-γ_R/100)+400×γ_R/100…式(1)；f(C)＝-660C²+1373C+278 …式(2)；f(T，t)＝0.05T(logt+17)-318 …式(3)；其中，C：通过渗碳处理得到的表层C(碳)浓度(质量％)T：回火温度(K)t：回火保持时间(hr)γ_R：残余奥氏体量(体积％)。

Description

喷丸硬化方法

技术领域

本发明涉及一种喷丸硬化方法，详细而言，涉及一种可以赋予被处理材料的表层以目前技术所不及的高的压缩残余应力的喷丸硬化方法。

背景技术

目前，作为提高在汽车的齿轮等中使用的以渗碳处理材料为代表的高强度钢材的疲劳强度的方法，使用对材料的强力喷丸硬化(heavy shot peening)处理有用的方法。已知，喷丸硬化处理产生的表层的压缩残余应力对改善齿根弯曲疲劳强度有很大的影响。

另外，还已知压缩残余应力的应力值受投射材料的粒径、硬度、投射速度、投射时间等影响，针对喷丸硬化的条件对压缩残余应力的应力值的影响，目前也进行着各种各样的研究。

近年来，伴随着零件的小型化，对高强度钢要求进一步的高强度化，随之，为了进一步提高疲劳强度，要求通过喷丸硬化处理来赋予被处理材料更高的压缩残余应力。

例如，对于目前的强力喷丸硬化处理产生的压缩残余应力峰值1500MPa，以提高20％的疲劳强度为目标时，需要赋予被处理材料1800MPa的压缩残余应力。

就目前而言，为了赋予被处理材料更高的压缩残余应力，主要是进行高硬度的投射材料(喷丸)的开发，但是，若是仅仅提高投射材料的硬度，当被处理材料的硬度不是与所述投射材料的硬度相称的硬度时，就不能通过喷丸硬化赋予被处理材料较高的压缩残余应力，有时压缩残余应力反而会下降。

例如利用投射材料的硬度和被处理材料的硬度的组合，通过喷丸硬化使被处理材料产生明显的磨削。

由于这种情况下投射的能量被用于磨削，因此就不能有效地对被处理材料赋予压缩残余应力。

而且在投射材料的硬度比被处理材料明显高这样的情况下，即使能够赋予被处理材料高的压缩残余应力，同时也会产生大量磨削，由此加大了被处理材料的表面粗糙度，有可能成为疲劳破坏的起点。

另外，由于产生大量磨削，因此零件的尺寸大幅减少而变化。

此外，硬度明显高的投射材料相应成本也高，即使使用这样的高成本的投射材料，可以实现的压缩残余应力也不会大到一定值以上，而导致仅仅成本升高的结果。

因此，为了适当地赋予被处理材料的表层高的压缩残余应力，需要使被处理材料的硬度和投射材料的硬度的平衡适当化。

然而，关于这样的见解，目前还没有任何提案。

例如，作为将投射材料向被处理材料投射来赋予被处理材料压缩残余应力的技术，有日本特开2002-36115号公报、日本特开2001-79766号公报、日本特开平9-57629号公报所公开的技术。

然而，日本特开2002-36115号公报中没有关于磨削的见解，另外在日本特开2001-79766号公报记载的技术中没有关于被处理材料和投射材料的关系的见解。进而，在日本特开平9-57629号公报公开的技术中同样没有关于被处理材料和投射材料的关系的见解。

发明内容

本发明是以如上所述的情况为背景完成的，其目的在于提供一种喷丸硬化方法，其可以抑制被处理钢材的磨削，同时赋予表层高的压缩残余应力，并且可以利用其高的压缩残余应力有效地提高疲劳强度。

本发明的第1方式的特征在于，对由下式(1)～(3)得到的硬度HV(m)为750HV以上的被处理钢材投射维氏硬度比该被处理钢材的硬度HV(m)高出50HV～250HV范围内的投射材料，将该被处理钢材的磨削量控制在5μm以下，

HV(m)＝{f(C)-f(T，t)}(1-γ_R/100)+400×γ_R/100…式(1)

f(C)＝-660C²+1373C+278 …式(2)

f(T，t)＝0.05T(logt+17)-318 …式(3)

其中，C：通过渗碳处理得到的表层C(碳)浓度(质量％)

T：回火温度(K)

t：回火保持时间(hr)

γ_R：残余奥氏体量(体积％)

需要说明的是，HV(m)是由式(1)计算出的数值，是指估算维氏硬度。由于该数值与维氏硬度等价，因此在本说明书中在该数值的后面也附加HV来标记。

在第1方式的基础上，本发明的第2方式的特征在于，将所述表层C浓度设定在0.60～1.0％的范围内。

在第1或第2的方式中的任一方式的基础上，本发明的第3方式的特征在于，将所述投射材料的粒径设定在φ0.05～0.6mm的范围内，以空气压力0.4～0.6MPa将该投射材料向所述被处理钢材投射。

需要说明的是，在此，投射材料的粒径使用例如日本工业规格JIS G5904所规定的粒度试验方法进行测定。

如上所述，本发明将由下式(1)～(3)得到的被处理钢材的硬度HV(m)设定为750HV以上，而且将维氏硬度比该被处理钢材高50HV～250HV的投射材料投射在被处理钢材上，将被处理钢材的磨削量控制在5μm以下，同时赋予其表层压缩残余应力，根据本发明，可以赋予被处理钢材以目前技术所不及的高的例如1800MPa以上的压缩残余应力，由此可以有效地提高汽车的齿轮及其它高强度零件的疲劳强度。

在本发明中，当被处理钢材的硬度HV(m)不足750HV时，不能通过喷丸硬化对被处理钢材的表层赋予充分的压缩残余应力。

可以赋予压缩残余应力的限度为达到被处理钢材的屈服强度(大致0.2％屈服点)为止，其屈服强度与被处理钢材的硬度存在正比例关系。

因此，在被处理钢材的硬度HV(m)不足750HV的情况下，可以赋予压缩残余应力的限度低，不能赋予充分的高压缩残余应力。

因此，在本发明中，需要预先使被处理钢材的硬度HV(m)为750HV以上。

在本发明中，还需要预先使投射材料的维氏硬度HV大于被处理钢材的硬度HV(m)。

当投射材料的维氏硬度HV比被处理钢材的硬度HV(m)低时，投射材料会产生塑性变形(屈服)，无法对被处理钢材施加足够的用于赋予压缩残余应力的能量。另外，导致投射材料的寿命缩短。

特别是在本发明中，得到了这样的见解，为了赋予被处理钢材高的压缩残余应力，需要预先使投射材料的维氏硬度HV比被处理钢材的硬度HV(m)高50HV以上。

相反，当投射材料的维氏硬度HV比被处理钢材的硬度HV(m)高出超过250HV时，投射的能量会被用于磨削，不能有效且稳定地赋予高压缩残余应力。

另外，即使可以赋予被处理钢材高的压缩残余应力，由于相比被处理钢材投射材料的硬度过硬，因此，被处理钢材的表层的磨削量也过大，这不仅成为导致高强度零件的尺寸偏离规格的原因，而且因该大的磨削使被处理钢材的表面粗糙度加大，有可能成为疲劳破坏的起点。

另外，即使能够赋予高压缩残余应力，所述压缩残余应力也不会高于一定值以上，即，压缩残余应力变高并不与投射材料的硬度变硬的程度相称，其在某一程度就饱和了。

另一方面，硬度明显硬的投射材料成本上也高，处理费用变高。

在这个意义上，在本发明中，需要将被处理材料的硬度HV(m)与投射材料的维氏硬度HV之差限制在250HV以下。

在本发明中，对于将磨削量限制在5μm以下的原因，是当磨削量比5μm多时，投射能量被用于磨削而未被有效地利用于压缩残余应力的赋予，另外因大量产生磨削，高强度零件的尺寸大幅减少而变差。

需要说明的是，在本发明中，被处理钢材的硬度HV(m)是指渗碳处理后的被处理钢材的自表面至深度0.05mm的表层的硬度。即，式(1)～(3)中规定的被处理钢材的硬度HV(m)是指至深度0.05mm的表层的硬度。

在本发明中，上述(1)～(3)规定了被处理钢材的硬度(该硬度为可以以非破坏预测的硬度，得到相当于维氏硬度的值)，以能够通过控制渗碳等的条件使被处理钢材的硬度HV(m)为750HV。

在式(1)中，前半部分的{f(C)-f(T，t)}(1-γ_R/100)表示回火处理后的马氏体对硬度的贡献程度，另外，式(1)的后半部分400×γ_R/100表示残余奥氏体对硬度的贡献程度。

在被处理钢材中，向马氏体的变态通过至常温为止的冷却并不彻底，实际上形成淬火(马氏体)组织和未变态的残余奥氏体的混合组织。

因此，被处理钢材的硬度HV(m)的估算需要基于这些情况来进行。

在此，式(1)的前半部分中的{f(C)-f(T，t)}表示回火后的马氏体硬度，f(C)表示回火前的马氏体的硬度，f(T，t)表示因回火造成的硬度下降量。进而，(1-γ_R/100)表示马氏体的体积比率。

在此，f(C)用式(2)、即f(C)＝-660C²+1373C+278表示。

该式是对各种碳浓度不同的马氏体，以由二次曲线回归得到的近似式求出碳浓度和硬度的关系。

另一方面，由于回火状态由回火温度和回火的保持时间来决定，因此使用这些回火温度T、保持时间t，用基于(Hollomon等)回火参数和实测硬度的近似式0.05T(logt+17)-318表示因回火造成的硬度下降量f(T，t)。

需要说明的是，式(1)的后半部分中的数值400表示残余奥氏体硬度(维氏硬度)。

在本发明的第2方式中，在满足第1方式的条件的基础上，将上述的表层C浓度预先设定在0.60～1.0％的范围内。

当C浓度不足0.60％时，由于C量低，因此被处理钢材的硬度变低，难以使被处理钢材的硬度满足第1方式规定的条件。

相反，当C浓度超过1.0％时，C量过剩，大量产生残余奥氏体而使被处理钢材的硬度下降，难以使被处理钢材的硬度满足第1方式规定的条件。另外，当C量过剩时，大量析出晶界碳化物，成为导致疲劳强度下降的原因。

进而，优选预先使C浓度为0.60～0.85％的范围。当超过0.85％时，会有大量残余奥氏体，被处理钢材硬度开始下降。但是，通过实施使钢材冷却为室温以下的低温(-80℃以下)的零下处理，钢材的残余γ进行马氏体变态，由此，在淬火后，10～40vol％的残余γ量减至5～15vol％以下。其结果，被处理钢材的硬度得到改善。

需要说明的是，渗碳优选真空共析渗碳。

在气体渗碳的情况下，由于发生伴随表面氧化的软质的渗碳异常层(因发生晶界氧化导致的淬火性下降)，因此使被处理钢材的硬度下降，难以使被处理钢材的硬度成为满足第1方式的条件那样的硬度。其中，在气体渗碳的情况下，通过使用淬火性高的材料或在渗碳后(喷丸硬化处理前)除去异常层，可满足被处理钢材的硬度。

在本发明的第3方式中，使用粒径

0.05～0.6mm的材料作为投射材料，另外，按照以空气压力0.4～0.6MPa将该投射材料投射在被处理钢材上的方式实施。

在投射材料的粒径不足0.05mm的情况下，投射材料自身的制作困难。

另一方面，在粒径超过0.6mm的情况下，压缩残余应力的峰值变得过深，难以得到对提高疲劳强度有效的压缩残余应力分布。

对提高疲劳强度有效的峰值位置为自表面至深度100μm的部位。

另外，在空气压力不足0.4MPa的情况下，硬化强度下降，难以赋予例如1800MPa以上的高压缩残余应力。

相反，在超过0.6MPa的情况下，硬化强度可能过剩从而使磨削量变多。进而，利用通常的喷丸硬化处理装置，难以设定为投射压力(空气压力)0.6MPa以上。

本申请基于2007年11月28日在日本申请的特愿2007-308049号，其内容作为本申请的内容形成本发明的一部分。

另外，通过下面的详细说明想必能够进一步彻底地理解本发明。然而，详细的说明及特定的实施例是本发明优选的实施方式，只是为了说明的目的而记载的。对本领域技术人员来说显而易见的是，可以对该详细说明进行各种变更、改变。

申请人没有将所记载的任何实施方式均提供给公众的意图，所公开的改变、替代案中，或许文字上未包含在所要保护的范围的内容也同等地作为本发明的一部分。

在本说明书或要求保护范围的记载中，名词及同样的指示词的使用只要没有特别地指明、或者只要没有由上下文明确地否定，就可以解释为包含单数及复数两方面的内容。在本说明书中所提供的任何例示或者例示性用词(例如“等”)的使用也只不过是为了更容易地说明本发明，只要不记载在要求保护的范围中，就不对本发明的范围加以限制。

具体实施方式

接下来，详细地说明本发明的实施方式。

使用示于表1的化学成分的钢种(在JIS G4052中规定的SCM420H(铬钼钢)中，表1中的中段表示SCM420H的成分范围，下段表示用于试验的材料的成分值)，加工为直径25mm×长度100mm的圆棒形状，将其作为被处理材料，按示于表2、表3的条件进行渗碳处理及喷丸硬化处理，求出磨削量、压缩残余应力峰值，进行评价。

需要说明的是，喷丸硬化处理按如下进行。

表1 化学组成(质量％)

钢种

C

Si

Mn

P

S

Ni

Cr

Mo

Fe

SCM420H

0.17～0.23

0.15～0.35

0.55～0.95

0.030以下

0.25以下

0.85～1.25

0.15～0.30

剩余

实施例

0.19

0.20

0.72

0.025

0.018

0.11

1.10

0.16

剩余

<喷丸硬化处理方法>

如图1所示，使用具备喷射喷嘴10的空气式喷丸硬化装置，实施喷丸硬化处理。

被处理材料12按照距喷射喷嘴10的距离为200mm、投射角与被处理材料12的加工面成直角的方式设置。

然后，使被处理材料12在旋转台上以30rpm(＝每2秒钟旋转1次)旋转，对被处理材料12的表面实施喷丸硬化处理。

在此，投射时间按覆盖度为300％的方式设定。另外，投射材料使用粒径为φ0.05～0.6mm、维氏硬度为700HV～1380HV的材料，将投射压力(空气压力)设定为0.3～0.6MPa的范围，进行实验。

需要说明的是，图1中的14表示遮蔽。

对于上述经喷丸硬化处理过的材料，用示于以下的方法求出磨削量及压缩残余应力峰值。

<磨削量测定方法>

使用激光尺寸测定装置，测定喷丸硬化处理前及处理后的被处理材料12的直径，磨削量使用由下式计算得到的值。需要说明的是，磨削量使用测定n＝10次得到的平均值，测定部位设定为喷丸硬化目标位置中心(最大磨削量发生处)。

磨削量＝(D1-D2)/2

D1＝喷丸硬化处理前的直径

D2＝喷丸硬化处理后的直径

<压缩残余应力测定方法>

喷丸硬化处理后的处理品的压缩残余应力的测定方法使用作为非破坏性方法的通常的“JIS B2711”所规定的利用X射射线衍射的X射线应力测定法。

本次的样品由于是马氏体组织的钢，因此，测定使用特性X射线种类＝CrKα线、X射线应力系数k＝-318[MPa/°]进行。

另外，测定部位设定为喷丸硬化目标位置中心。

需要说明的是，压缩残余应力的峰值(＝最大值)通过电解研磨除去入射X射线束的截面尺寸的大致2倍的范围，以达到规定的深度后，测定残余应力分布而求得。

需要说明的是，在表2、表3中，表层的碳浓度测定及残余奥氏体测定用以下的方法进行。

<表层碳浓度测定方法>

为了防止样品(被处理材料12)破坏，表层碳浓度使用样品的渗碳处理时同装的同一成分的对照材料(直径20mm×厚度5mm)进行测定。测定使用发光分光分析法，测定部位为对照材料的平面部，测定次数为n＝2。其原理为，将试样中的目标元素(C)利用放电等离子进行蒸发气化激发，对所得的元素固有的原子光谱的波长进行定性，由发光强度进行定量。

<残余奥氏体测定方法>

利用X射线衍射法，非破坏性地求出表层部(至深度数十微米)的残余奥氏体(＝γ_R)。

其原理为，测定由X射线衍射求得的γ_R{220}，通过对α′{211}和衍射线分布图的积分强度进行比较，求出残余奥氏体的体积％。

结果示于表2及表3。

在表3中，在比较例1中，被处理材料的硬度HV(m)为682HV，比本发明的下限值750HV低，另外被处理材料和投射材料的硬度差也小，因此压缩残余应力也未满足作为目标的1800MPa以上。

在该比较例1中，表层C％为0.51％，也未满足第2方式的条件，成为使被处理材料的硬度HV(m)降低的原因。

进而，在该比较例1中，喷丸硬化时的空气压力为0.3MPa，未满足第3方式的条件，作为它们的结果，成为压缩残余应力值低的材料。

在比较例2中，虽然被处理材料的硬度HV(m)的条件满足本发明的条件，但在比较例2中投射材料的维氏硬度HV比被处理材料低，成为压缩残余应力值低的材料。

在该比较例2中，喷丸硬化处理时的空气压力也未满足第3方式的条件。

在比较例3中，投射材料的维氏硬度HV比被处理材料的硬度HV(m)低，未能得到目标的1800MPa的压缩残余应力值。

在比较例4中，被处理材料的硬度HV(m)为735HV，比本发明的下限值750HV低，压缩残余应力值也比目标的1800MPa低。

在比较例4中，实施气体渗碳，由于由此产生的渗碳异常层，被处理材料的硬度HV(m)变低。

在比较例5中，被处理材料的硬度HV(m)为本发明的下限值以下，压缩残余应力值也未达到目标值。

在比较例6中，被处理材料的硬度HV(m)低，压缩残余应力也比目标值低。

另外，在该比较例6中，投射材料的维氏硬度HV与被处理材料的硬度HV(m)之差为268HV，比本发明的上限值大，因此，产生超过5μm以上的大的磨削。

在比较例7中，被处理材料的硬度HV(m)低，压缩残余应力值也变低。

在该比较例7中，表层C％为1.03％，未满足第2方式的条件，残余奥氏体量也显示高为41％的值，这使得被处理材料的硬度HV(m)降低。

在比较例8中，被处理材料的硬度HV(m)低，压缩残余应力值也变为低的值。

在比较例8中，实施高浓度渗碳，由于析出碳化物，因此基体硬度变低。

在比较例9中，被处理材料的硬度HV(m)低，另外产生超过5μm的磨削。压缩残余应力值也低。

进而，在该比较例9中，表层C％比第2方式的下限值低，这使得被处理材料的硬度HV(m)降低。

在该比较例10中，虽然被处理材料的硬度HV(m)满足本发明的条件，但投射材料的维氏硬度HV明显高，因此，投射材料的硬度HV与被处理材料的硬度HV(m)之差远比本发明的上限值大，压缩残余应力值未满足目标值，而且产生很大的磨削。

另外，在该比较例10中，喷丸硬化时的空气压力未满足第3方式的条件。

在比较例11中，投射材料的维氏硬度HV明显高，压缩残余应力值虽然满足目标值1800MPa，但产生明显的大的磨削。

在比较例12中，也由于投射材料的维氏硬度HV明显过高，因此同样产生大的磨削。

同样，在比较例13中，也由于投射材料的维氏硬度HV高，与被处理材料的硬度HV(m)之差大到超过本发明的上限值，因此产生大的磨削。

相对于此，实施例1～14的材料均满足本发明的条件，其结果，压缩残余应力值也成为目标值1800MPa以上的较大值。

需要说明的是，在实施例1～实施例7中，通过低温回火，被处理材料的硬度HV(m)变为高硬度。

在实施例8中，除了零下处理以外，通过低温回火使被处理材料的硬度高硬度化。

在实施例9中，通过使表层C浓度适当，被处理材料硬度HV(m)高硬度化，在实施例10中，除此以外，通过零下处理，被处理材料硬度HV(m)高硬度化。

另外，在实施例11中，表层C浓度为高浓度，除此以外，通过实施零下处理，被处理材料硬度HV(m)高硬度化。

在本次零下处理中，将钢材置于-85℃的气氛中保持120min。

以上详述了本发明的实施方式，但其毕竟为一个例示，在不偏离其宗旨的范围内，本发明可进行各种变更。

附图说明

图1是在本发明的实施方式中实施的喷丸硬化方法的说明图。

Claims

1.一种喷丸硬化方法，其特征在于，将投射材料向由下式(1)～(3)得到的估算维氏硬度HV(m)为750HV以上的被处理钢材投射，所述投射材料的维氏硬度比该被处理钢材的估算维氏硬度HV(m)高出50HV～250HV，将该被处理钢材的磨削量控制在5μm以下，

HV(m)＝{f(C)-f(T，t)}(1-γ_R/100)+400×γ_R/100···式(1)

f(C)＝-660C²+1373C+278 ···式(2)

f(T，t)＝0.05T(logt+17)-318 ···式(3)

其中，C：通过渗碳处理得到的表层碳浓度，单位为质量％

T：回火温度，单位为K

t：回火保持时间，单位为hr

γ_R：残余奥氏体量，单位为体积％，

其中，将所述表层碳浓度设定在0.60～1.0％的范围内，

将所述投射材料的粒径设定在φ0.05～0.6mm的范围内，以空气压力0.4～0.6MPa将该投射材料向所述被处理钢材投射。