CN102803539A - 面疲劳强度优异的气体渗碳钢部件、气体渗碳用钢材以及气体渗碳钢部件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种气体渗碳用钢材，其用于制造渗碳钢部件，其中，母材的组成以质量%计，含有C：0.1~0.4%、Si：超过1.2~4.0%、Mn：0.2~3.0%、Cr：0.5~5.0%、Al：0.005~0.1%、S：0.001~0.3%、N：0.003~0.03%，且限制O为0.0050%以下、P为0.025%以下，并且当将Si、Mn和Cr的含量（质量%）记为[Si％]、[Mn%]、[Cr%]时，满足下式（1）；所述气体渗碳用钢材在从表面至2~50μm的深度的范围内，存在满足下式（2）的合金缺乏层。32≥3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]>9（1）3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]≤9（2）。
Description
技术领域
本发明涉及面疲劳强度优异的气体渗碳钢部件，另外，本发明还涉及用于制造该气体渗碳钢部件的气体渗碳用钢材和使用了该钢材的气体渗碳钢部件的制造方法。
背景技术
齿轮和轴承等钢部件在由于转矩的传导等而受到大负荷的苛刻的环境下使用。因此，对于上述钢部件要求高疲劳强度和耐磨性。这些钢部件在成型为所使用的形状后，实施表面硬化处理，在确保内部的韧性的同时，赋予所要求的高疲劳强度和耐磨性。
钢中的Si在高碳马氏体中显示高回火软化阻力，因此为了面压疲劳强度的高强度化，优选增加Si含量。例如，专利文献1中公开了使钢的Si含量为0.5~3.0%、实施真空渗碳的技术。但是，真空渗碳在难以连续处理方面、产生焦油方面、难以控制部件特性方面等方面存在缺点，且难以批量生产。
相对于此，气体渗碳没有这些缺点，作为假想批量生产时的表面硬化处理，气体渗碳比真空渗碳更优选。
但是，钢中Si在气体渗碳中使渗碳性降低。渗碳性的降低是指，在相同的渗碳条件下，与如JIS规格钢SCr420这样的通常使用的表面硬化钢相比，通过渗碳得到的硬化层深度较差。
例如，非专利文献1报道了随着Si含量的增加，气体渗碳深度减小，能够适用气体渗碳的Si含量的上限为1.2%。因此，关于高含Si钢，期望开发出能够进行气体渗碳的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-280610号公报
非专利文献
非专利文献1：「鉄と鋼」第58年(1972)第7号(昭和47年6月1日、(財)日本鉄鋼協会発行)，第926页
发明内容
发明所要解决的课题
鉴于以上情况，本发明的目的在于，提供回火软化阻力没有降低、并且面疲劳强度优异的钢部件。另外，本发明的目的还在于，提供适于制造该钢部件的气体渗碳用钢材和气体渗碳钢部件的制造方法。
用于解决课题的手段
如上所述，如果增加钢材中Si的量，则回火软化阻力提高，另一方面，气体渗碳性降低。因此，本发明人等对于即使增加Si的量、气体渗碳性也不降低的方法进行了深入的研究。
其结果得到如下见解：为了使回火软化阻力提高，当将钢材中的Si、Mn和Cr的含量（质量%）记为[Si％]、[Mn%]、[Cr%]时，需要满足下式（1）。
3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]>9（1）
并且另一方面，得到如下见解：为了即使增加Si的量、气体渗碳性也不降低，在从钢材的表面至2~50μm的深度的范围内，需要存在满足下式（2）的合金缺乏层。
3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]≤9（2）
本发明是基于上述见解而完成的发明，其主旨如下。
（1）一种气体渗碳钢部件，其在表面上具有C：0.50质量%以上的气体渗碳层，其中，母材的组成以质量%计，含有C：0.1~0.4%、Si：超过1.2~4.0%、Mn：0.2~3.0%、Cr：0.5~5.0%、Al：0.005~0.1%、S：0.001~0.3%、N：0.003~0.03%，且限制O：0.0050%以下、P：0.025%以下，并且当将Si、Mn和Cr的含量（质量%）记为[Si％]、[Mn%]、[Cr%]时，满足下式（1），所述母材在从表面至2~50μm的深度的范围内，存在满足下式（2）的合金缺乏层，
32≥3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]>9（1）
3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]≤9（2）。
（2）根据（1）所述的气体渗碳钢部件，其中，所述母材的组成以质量%计，还含有Nb：0.01~0.3%、Ti：0.01~0.3%、V：0.01~0.3%中的一种或两种以上。
（3）根据（1）所述的气体渗碳钢部件，其中，所述母材的组成以质量%计，还含有Ni：0.2~3.0%、Cu：0.2~3.0%、Co：0.2~3.0%、Mo：0.05~0.4%、W：0.05~0.4%和B：0.0006~0.005%中的一种或两种以上。
（4）根据（1）所述的气体渗碳钢部件，其中，所述母材的组成以质量%计，还含有Nb：0.01~0.3%、Ti：0.01~0.3%、V：0.01~0.3%中的一种或两种以上、以及Ni：0.2~3.0%、Cu：0.2~3.0%、Co：0.2~3.0%、Mo：0.05~0.4%、W：0.05~0.4%和B：0.0006~0.005%中的一种或两种以上。
（5）一种气体渗碳用钢材，其用于制造渗碳钢部件，其中，以质量%计，含有C：0.1~0.4%、Si：超过1.2~4.0%、Mn：0.2~3.0%、Cr：0.5~5.0%、Al：0.005~0.1%、S：0.001~0.3%、N：0.003~0.03%，且限制O：0.0050%以下、P：0.025%以下，并且当将Si、Mn和Cr的含量（质量%）记为[Si％]、[Mn%]、[Cr%]时，满足下式（1）：
32≥3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]>9（1）。
（6）根据（5）所述的气体渗碳用钢材，其中，以质量%计，还含有Nb：0.01~0.3%、Ti：0.01~0.3%、V：0.01~0.3%中的一种或两种以上。
（7）根据（5）所述的气体渗碳用钢材，其中，以质量%计，还含有Ni：0.2~3.0%、Cu：0.2~3.0%、Co：0.2~3.0%、Mo：0.05~0.4%、W：0.05~0.4%和B：0.0006~0.005%中的一种或两种以上。
（8）根据（5）所述的气体渗碳用钢材，其中，所述母材的组成以质量%计，还含有Nb：0.01~0.3%、Ti：0.01~0.3%、V：0.01~0.3%中的一种或两种以上、以及Ni：0.2~3.0%、Cu：0.2~3.0%、Co：0.2~3.0%、Mo：0.05~0.4%、W：0.05~0.4%和B：0.0006~0.005%中的一种或两种以上。
（9）一种气体渗碳用钢材，其用于制造渗碳钢部件，其中，母材的组成以质量%计，含有C：0.1~0.4%、Si：超过1.2~4.0%、Mn：0.2~3.0%、Cr：0.5~5.0%、Al：0.005~0.1%、S：0.001~0.3%、N：0.003~0.03%，且限制O：0.0050%以下、P：0.025%以下，并且当将Si、Mn和Cr的含量（质量%）记为[Si％]、[Mn%]、[Cr%]时，满足下式（1），且所述母材在从表面至2~50μm的深度的范围内，存在满足下式（2）的合金缺乏层，
32≥3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]>9（1）
3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]≤9（2）。
（10）根据（9）所述的气体渗碳用钢材，其中，所述母材的组成以质量%计，还含有Nb：0.01~0.3%、Ti：0.01~0.3%、V：0.01~0.3%中的一种或两种以上。
（11）根据（9）所述的气体渗碳用钢材，其中，所述母材的组成以质量%计，还含有Ni：0.2~3.0%、Cu：0.2~3.0%、Co：0.2~3.0%、Mo：0.05~0.4%、W：0.05~0.4%和B：0.0006~0.005%中的一种或两种以上。
（12）根据（9）所述的气体渗碳用钢材，其中，所述母材的组成以质量%计，还含有Nb：0.01~0.3%、Ti：0.01~0.3%、V：0.01~0.3%中的一种或两种以上、以及Ni：0.2~3.0%、Cu：0.2~3.0%、Co：0.2~3.0%、Mo：0.05~0.4%、W：0.05~0.4%和B：0.0006~0.005%中的一种或两种以上。
（13）一种气体渗碳钢部件的制造方法，其使用气体渗碳用钢材来制造渗碳钢部件，所述气体渗碳用钢材以质量%计，含有C：0.1~0.4%、Si：超过1.2~4.0%、Mn：0.2~3.0%、Cr：0.5~5.0%、Al：0.005~0.1%、S：0.001~0.3%、N：0.003~0.03%，且限制O：0.0050%以下、P：0.025%以下，并且当将Si、Mn和Cr的含量（质量%）记为[Si％]、[Mn%]、[Cr%]时，满足下式（1）；所述制造方法中，将所述气体渗碳用钢材在生成氧化被膜的气氛下进行实施热处理的一次渗碳，除去表面上形成的氧化被膜，然后在渗碳制气氛中进行二次渗碳：
32≥3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]>9（1）。
（14）根据（13）所述的气体渗碳用钢材，其中，通过所述一次渗碳，所述气体渗碳用钢材在从表面至2~50μm的深度的范围内，形成了满足下式（2）的合金缺乏层，
3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]≤9（2）。
（15）根据（13）所述的气体渗碳钢部件的制造方法，其中，所述气体渗碳用钢材以质量%计，还含有Nb：0.01~0.3%、Ti：0.01~0.3%、V：0.01~0.3%中的一种或两种以上。
（16）根据（13）所述的气体渗碳钢部件的制造方法，其中，所述气体渗碳用钢材以质量%计，还含有Ni：0.2~3.0%、Cu：0.2~3.0%、Co：0.2~3.0%、Mo：0.05~0.4%、W：0.05~0.4%和B：0.0006~0.005%中的一种或两种以上。
（17）根据（13）所述的气体渗碳钢部件的制造方法，其中，所述气体渗碳用钢材以质量%计，还含有Nb：0.01~0.3%、Ti：0.01~0.3%、V：0.01~0.3%中的一种或两种以上、以及Ni：0.2~3.0%、Cu：0.2~3.0%、Co：0.2~3.0%、Mo：0.05~0.4%、W：0.05~0.4%和B：0.0006~0.005%中的一种或两种以上。
发明效果
根据本发明，能够提供回火软化阻力没有降低、并且面疲劳强度优异的钢部件。另外，根据本发明，还能够提供适于制造该钢部件的气体渗碳用钢材和气体渗碳钢部件的制造方法。
附图说明
图1是表示3.5[Si％]+[Mn%]+3[Cr%]的距表面的分布的一个例子的图。
图2是参考例No.26的钢材的一次渗碳后的表层组织的放大照片。
图3是参考例No.26的钢材的二次渗碳后的表层组织的放大照片。
图4是发明例No.9的钢材的一次渗碳后的表层组织的放大照片。
图5是发明例No.9的钢材的二次渗碳后的表层组织的放大照片。
图6是比较发明例No.9的钢材与参考例No.29的钢材的各渗碳处理下的滚柱点蚀疲劳试验的疲劳寿命的条形图。
具体实施方式
当钢中的Si的含量增加时，回火软化阻力提高，另一方面，气体渗碳性降低。本发明人等对气体渗碳性降低的原因进行了研究，结果发现，在气体渗碳的初期，在表面上形成的主要由Si、Mn和Cr中的一种或两种以上构成的氧化被膜对气体渗碳性的降低具有影响。
即认为，由于Si、Mn和Cr的氧化物在渗碳时的气氛中稳定地存在，且该氧化物以被膜状存在，因此阻碍了钢材的气体渗碳反应。并且，从本发明人等的研究可知，当将Si、Mn和Cr的含量（质量%）记为[Si％]、[Mn%]、[Cr%]时，在3.5[Si％]+[Mn%]+3[Cr%]>9的情况下，在钢材的表面上形成氧化被膜，使气体渗碳性降低。
因此，本发明人等认为，为了改善由氧化被膜引起的气体渗碳性的降低、开发具有优异的面疲劳强度的钢部件，若在氧化被膜的形成后通过机械的方法（例如机械研磨）除去氧化被膜，则即使Si多也能够进行气体渗碳。
因此，根据该想法，使用由于氧化被膜的影响而渗碳性降低的成分体系的钢材，在生成氧化被膜的气氛下实施热处理（一次渗碳）。接着，对除去了氧化被膜的钢材和没有除去氧化被膜的钢材实施气体渗碳处理（二次渗碳），研究气体渗碳性。
其结果发现，没有除去氧化被膜的钢材的渗碳性几乎没有变化，而在仅除去氧化被膜的钢材中，渗碳性得到了改善。其原因认为是，在一次渗碳中氧化被膜生成时，钢中的固溶合金元素（Si、Mn、Cr）由于氧化而被消耗，其结果，在钢材的表面上生成的合金元素的缺乏层有很大影响。
即认为，当在一次渗碳后仅除去氧化被膜时，在与气氛接触的钢材表面，合金元素的固溶量降低，有助于氧化的合金元素（Si、Mn、Cr）的量减少。因此，难以形成新的氧化被膜。
由以上内容可知，在由于氧化被膜生成而渗碳性降低的成分体系：3.5[Si％]+[Mn%]+3[Cr%]>9的钢材中，在一次渗碳后，通过仅除去氧化被膜，能够得到在从表面至2~50μm的深度的范围内存在由成分组成范围：3.5[Si％]+[Mn%]+3[Cr%]≤9定义的合金缺乏层的钢材。该钢材由于在表面上存在合金缺乏层，因此可知能够进行气体渗碳（二次渗碳）。
另外，研究Si含量与气体渗碳性的相关性的结果发现，当钢材（母材）中的Si超过1.2%时，通过气体渗碳能够得到面疲劳强度优异的钢部件。
本发明的气体渗碳用钢材（以下有时称为“本发明钢材”）是基于以上见解而得到的，其以质量%计，含有C：0.1~0.4%、Si：超过1.2~4.0%、Mn：0.2~3.0%、Cr：0.5~5.0%、Al：0.005~0.1%、S：0.001~0.3%、N：0.003~0.03%，且限制O：0.0050%以下、P：0.025%以下，并且当将Si、Mn和Cr的含量（质量%）记为[Si％]、[Mn%]、[Cr%]时，满足下式（1）。
32≥3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]>9（1）
另外，本发明的气体渗碳用钢材还可以采用以下实施方式，在从表面至2~50μm的深度的范围内，存在满足下式（2）的合金缺乏层。
3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]≤9（2）
首先，对规定本发明的气体渗碳用钢材的成分组成的理由进行说明。以下，成分组成中的%是指质量%。
C：0.1~0.4%
C是保持钢的强度所必需的元素。C量决定芯部的强度，对有效硬化层深度也有影响。为了确保所需要的芯部强度，使下限为0.1%。另一方面，当过多时，韧性降低，因此，使上限为0.4%。优选为0.15~0.25%。
Si：超过1.2~4.0%
Si是对钢的脱氧有效的元素，并且是对赋予必要的强度和淬透性有效的元素，另外，也是对回火软化阻力的提高有效的元素。为了得到其添加效果，使下限超过1.2%。另一方面，当超过4.0%时，锻造时的脱碳变得显著，因此使上限为4.0%。优选为1.2~2.5%。
Mn：0.2~3.0%
Mn是对脱氧有效的元素，并且是对赋予必要的强度和淬透性有效的元素。另外，Mn也是将钢中不可避免地混入的杂质元素S以MnS的形式固定、进行无害化的元素。为了确保Mn的添加效果，使下限为0.2%。另一方面，当超过3.0%时，即使实施深冷处理，残留奥氏体也稳定地存在，强度降低，因此使上限为3.0%。优选为0.5~1.5%。
Cr：0.5~5.0%
Cr是对提高淬透性有效的元素，另外，也是对回火软化阻力的提高有效的元素。为了得到Cr的添加效果，使下限为0.5%。另一方面，当超过5.0%时，硬度上升，冷加工性降低，因此，使上限为5.0%。优选为0.8~2.5%。
Al：0.005~0.1%
Al是对脱氧有效的元素，并且是以氮化物形式析出、发挥晶粒微细化效果的元素。为了得到Al的添加效果，使下限为0.005%。另一方面，当超过0.1%时，析出物变粗大，成为脆化的原因，因此，使上限为0.1%。优选为0.01~0.05%。
S：0.001~0.3%
S是不可避免地混入的杂质元素，但是是对切削性的提高有效的元素。为了确保所需要的切削性，使S的下限为0.001%。另一方面，当超过0.3%时，锻造性显著降低，因此使上限为0.3%。优选为0.001~0.1%。
N：0.003~0.03%
N是不可避免地混入的元素，但其与Al形成化合物，是显现出晶粒微细化效果的元素。为了得到晶粒微细化效果，使下限为0.003%。另一方面，当超过0.03%时，锻造性显著降低，因此使上限为0.03%。
O：0.0050%以下
O以氧化铝或氧化钛等氧化物类夹杂物的形式在钢中存在。当O多时，该氧化物变得大型，以其为起点，动力传导部件产生破损，因此需要限制为0.0050%以下。由于越少越优选，因此优选为0.0020%以下，另外，在以高寿命为目标的情况下，优选为0.0015%以下。
P：0.025%以下
P是在钢中作为杂质含有的成分，其在晶界发生偏析而使韧性降低，因此需要尽可能减少其含量，故限制为0.025%以下。由于越少越优选，因此优选为0.020%以下，另外，在以高寿命为目标的情况下，优选为0.015%以下。
此外，本发明钢材中，以使晶粒进一步微细化和防止晶粒变得粗大为目的，还可以添加Nb、Ti和V中的一种或两种以上。
Nb：0.01~0.3%
Ti：0.01~0.3%
V：0.01~0.3%
Nb、Ti和V与C或N形成化合物，显现出晶粒微细化效果，因此添加0.01%以上的Nb、Ti和V中的一种或两种以上。但是，各元素即使均超过上述上限地添加，不仅晶粒微细化效果饱和，而且热轧、热锻、切削加工等的生产率也低，因此使Nb、Ti和V各自的上限为0.3%。优选Nb、Ti和V均为0.02~0.1%。
本发明钢材中，以进一步提高淬透性为目的，可以添加Ni、Cu、Co、Mo、Wo和B中的一种或两种以上。
Ni：0.2~3.0%
Cu：0.2~3.0%
Co：0.2~3.0%
Mo：0.05~0.4%
W：0.05~0.4%
B：0.0006~0.005%
Ni、Cu和Co是对提高淬透性有效的元素。为了得到其添加效果，添加0.2%以上，但当超过3.0%时，添加效果饱和，在经济上变得不利，因此使上限为3.0%。优选为0.2~2.0%。
Mo、W和B也是对提高淬透性有效的元素。为了得到其添加效果，Mo和W添加0.05%以上，B添加0.0006%以上。但是，当Mo和W超过0.4%时，添加效果饱和，在经济上变得不利，因此使上限为0.4%。当B超过0.005%时，B化合物在晶界上析出、韧性降低，因此使上限为0.005%。
Mo和W优选为0.10~0.3%。B优选为0.0006~0.001%。
接着，对形成氧化被膜、渗碳性降低的钢材的成分组成（Si、Mn、Cr）进行说明。
本发明人等使用特性X射线进行氧化被膜的元素分析，结果确认在氧化被膜中存在Si、Mn、Cr和O。
Si、Mn和Cr是氧化倾向强的元素。在除Si、Mn和Cr以外的成分中，氧化倾向弱的元素（例如Ni、Cu）没有氧化，因此对氧化被膜的形成不产生影响，氧化倾向强的元素（例如Ti、V）与Si、Mn和Cr的含量相比为微量，因此对氧化被膜的形成产生的影响小到几乎可以忽视。
因此，在使渗碳性降低的氧化被膜的形成中，Si、Mn和Cr的关系最大，因此在本发明钢材的成分组成中，形成氧化被膜而使渗碳性降低的成分组成条件可以仅用Si、Mn和Cr来设定。
在锻造下述钢材、实施热处理后，通过机械加工，制作直径为30mm的圆柱状试验片，实施气体渗碳，所述钢材含有C：0.1~0.4%、Al：0.005~0.1、S：0.001~0.1%、N：0.003~0.03%，且限制O：0.005%以下、P：0.025%以下，并且含有0.1~4.0%的范围内的Si、0.1~3.0%的范围内的Mn、0.1~5.0%的范围内的Cr。
在相同的气体渗碳条件（950℃-碳势0.8）下，将引起气体渗碳性降低的水平的最表层的C浓度以Si、Mn和Cr的各浓度作为因子进行多元回归分析，作为达到实施通常的气体渗碳时的C浓度的临界条件，得到下式（1'）。
3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]＝9（1'）
即，当3.5[Si％]+[Mn%]+3[Cr%]的值超过9时，渗碳性降低，观察到C浓度的降低。由氧化被膜引起的气体渗碳性的降低从3.5[Si％]+[Mn%]+3[Cr%]的值超过9的时刻开始显现，随着3.5[Si％]+[Mn%]+3[Cr%]的值增加，渗碳性降低。
另一方面，Si、Mn、Cr是对赋予钢材的强度和淬透性有效的元素。另外，Si、Cr是对提高回火软化阻力有效的元素。为了得到对于齿轮和轴承等钢部件所需要的强度、回火软化阻力，需要使母材中的3.5[Si％]+[Mn%]+3[Cr%]的值超过9。其中，从Si、Mn和Cr的含量的上限的角度出发，得到32≥3.5[Si％]+[Mn%]+3[Cr%]。因此，本发明的气体渗碳用钢材中，满足下式（1）。
32≥3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]>9（1）
但是，如上所述，在钢材的表面上，当3.5[Si％]+[Mn%]+3[Cr%]的值超过9时，氧化被膜形成，因此渗碳性降低。另外，本发明的气体渗碳用钢材优选为在表面上具有使渗碳性提高的合金缺乏层的实施方式。
合金缺乏层是指合金元素由于氧化而被消耗、在钢材的表层部上形成的合金浓度降低的区域。本发明中，该合金缺乏层的存在有助于渗碳性的改善。
本发明钢材中，合金缺乏层被定义为Si、Mn和Cr的含量（%）满足下式（2）的区域。
3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]≤9（2）
本发明的气体渗碳用钢材通过在表面上形成满足式（2）的合金缺乏层，从而使气体渗碳性提高。该合金缺乏层能够通过将母材中的3.5[Si％]+[Mn%]+3[Cr%]的值超过9的钢材进行一次渗碳、然后除去一次渗碳中生成的氧化被膜而得到。这样，在表面上形成有满足式（2）的合金缺乏层的钢材，即使再次实施气体渗碳（二次渗碳），也不会形成使气体渗碳性降低的新的氧化被膜。
这样，为了改善二次渗碳中的气体渗碳性，需要合金缺乏层存在即Si、Mn和Cr的含量（%）需要满足上述式（2）。
其中，为了充分地改善渗碳性，上述式（2）左边的值越小越优选，优选为3.5[Si％]+[Mn%]+3[Cr%]<7。需要说明的是，优选的下限由其与气体渗碳的气氛的平衡来确定，因此根据气体渗碳条件的不同而异，优选为1.0<3.5[Si％]+[Mn%]+3[Cr%]。
本发明的气体渗碳用钢材在从表面至2~50μm的深度的范围内具有满足下式（2）的合金缺乏层。由于合金元素从母材中扩散，合金缺乏层的浓度增加，为了不生成使渗碳性降低的氧化被膜，使下限为2μm。该数值2μm是假设气体渗碳温度：950℃、渗碳时间：120分钟的渗碳条件下的数值。
其中，当气体渗碳温度为高温或者气体渗碳为长时间时，合金元素的扩散距离变长，因此为了确实地改善渗碳性，合金缺乏层的厚度优选为10μm以上。
相反，在气体渗碳温度低、渗碳时间短的情况下，即使合金缺乏层的厚度为2μm以下，也能够改善气体渗碳性。另一方面，合金缺乏层的厚度过厚时，不完全淬火层也一起增厚，硬度降低，疲劳强度降低，因此使合金缺乏层的厚度的上限为50μm。
接着，对于本发明钢材以及使用了本发明钢材的钢部件的制造方法进行说明。
首先，根据常规方法，将具有本发明范围的组成的钢进行熔制、铸造，对所得到的钢片或者钢锭进行热加工、成型，得到气体渗碳用钢材。热加工为热轧或者热锻，可以多次进行，也可以将热轧与热锻组合进行。
成型可以通过热锻进行，也可以进行冷锻等冷加工、切削或它们的组合。在对所得到的气体渗碳用钢材实施形成氧化被膜的热处理（一次渗碳）后，除去氧化被膜。
热处理（一次渗碳）需要在不使Fe氧化而使Si、Mn和Cr选择性地氧化的气氛下进行。气氛为以H2或H2O气氛、CO或CO2气氛、含微量氧的不活泼性气体气氛、或者它们的混合气氛为代表的低氧分压气氛。
根据钢材的成分组成不同，所需要的气氛发生变化，但当向着气氛温度高的方向、气氛中的氧分压高的方向调节时，合金缺乏层增厚的倾向加强，因此本发明中，优选向着气氛温度高的方向和/或气氛中的氧分压高的方向调节。
实施例中，通过使用渗碳气氛，实现了合金缺乏层的形成。除去所生成的氧化被膜不仅通过以喷丸除锈为代表的机械除去方法进行，而且通过化学研磨、电解研磨等化学除去方法或者它们的组合方法进行。
在除去氧化被膜后，对气体渗碳用钢材实施气体渗碳处理（二次渗碳），制造气体渗碳钢部件。Si具有使钢材中的C的活量增加的效果，为了使渗碳量降低，优选二次渗碳处理的条件为提高碳势。另外，处理温度高时，且在渗碳处理的前后，可以实施切削加工。
另外，在实施冷加工之前，为了使成形性提高，可以进行球状化退火。球状化退火优选在700~800℃下进行。
实施例
接着，对本发明的实施例进行说明，实施例中的条件是为了确认本发明的可实施性和效果而采用的一个条件例，本发明不受该条件例的限定。只要不脱离本发明的主旨并能够实现本发明的目的，则本发明可以采用各种条件。
对具有表1所示的成分组成的各钢材1~29实施锻造和热处理，然后，通过机械加工，制作具有直径为26mm、宽度为28mm的圆筒部的小滚柱试验片和直径为130mm、宽度为18mm、在外周具有R=150mm的凸起的滚柱试验片。
表1
关于所制作的滚柱试验片，对No.1~19、21的试验片实施渗碳处理（热处理）A，用于试验。对No.22~27、29~32的试验片实施渗碳处理（热处理）B，用于试验。对No.20、28的试验片实施渗碳处理（热处理）C，用于试验。
渗碳处理（热处理）A：
实施“950℃-碳势0.8×1小时的RX气体渗碳→油淬火（一次渗碳）”。接着，在“喷丸粒径为0.2mm、投射速度为70m/秒、弧高度为0.6mmA”的条件下实施喷丸除锈。然后，实施“950℃-碳势0.8×2小时的RX气体渗碳→油淬火”（二次渗碳），接着，进行150℃×90分钟的回火处理，用于试验。
渗碳处理（热处理）B：
实施“850℃-碳势0.8×1小时的RX气体渗碳→油淬火（一次渗碳）”。接着，在“喷丸粒径为0.2mm、投射速度为70m/秒、弧高度为0.6mmA”的条件下实施喷丸除锈。然后，实施“950℃-碳势0.8×2小时的RX气体渗碳→油淬火”（二次渗碳），接着，进行150℃×90分钟的回火处理，用于试验。
渗碳处理（热处理）C：
实施“950℃-碳势0.8×150小时的RX气体渗碳→油淬火”（一次渗碳）。接着，在“喷丸粒径为0.2mm、投射速度为70m/秒、弧高度为0.6mmA”的条件下实施喷丸除锈。然后，实施“950℃-碳势0.8×2小时的RX气体渗碳→油淬火”（二次渗碳），接着，进行150℃×90分钟的回火处理，用于试验。
渗碳处理A和渗碳处理B是为了根据一次渗碳的温度的不同来改变扩散距离、即改变合金缺乏层的厚度。渗碳处理B中，一次渗碳的温度和氧分压低，合金缺乏层的厚度比渗碳处理A薄。或者，渗碳处理B中，没有形成充分的合金缺乏层。
需要说明的是，关于最表面处的3.5[Si％]+[Mn%]+3[Cr%]的值的评价、以及最表面的C浓度的评价，通过EPMA来测定Si、Mn、Cr和C的浓度分布，然后使用距表面30μm位置的浓度进行评价。
为了评价面疲劳强度，使用大滚柱试验片和小滚柱试验片，进行滚柱点蚀疲劳试验。
滚柱点蚀疲劳试验中，在小滚柱上使面压为赫氏应力2500MPa来按压大滚柱。使接触部处的两滚柱的圆周速度方向为同向，以转差率为-40%（与小滚柱相比大滚柱的接触部的圆周速度大40%），使滚柱旋转。并且，将直至在小滚柱上发生蚀斑的转数作为寿命。
供给到上述接触部中的齿轮油的油温为80℃。蚀斑发生的检出通过安装的振动计来进行。振动检出后，停止两滚柱的旋转，确认蚀斑的发生和转数。由于转数达到1000万次也不发生蚀斑情况能够评价为具有充分面压疲劳强度，因此1000万次时停止试验。
将以上的结果总结示于表2。
表2
图1中，作为表层浓度分布的例子，示出了发明例No.1的表层部的“3.5[Si％]+[Mn%]+3[Cr%]”的分布。这样，在表层部观察到合金浓度的降低，合金缺乏层位于从表面至2.9μm的位置。
如表2所示，发明例的No.1~20中，第二次渗碳（二次渗碳）后的最表层的C浓度比钢材（母材）的C量高，但比较例的No.22~27中，尽管与发明例的No.1、5~7、12和13的成分组成相同，但最表层C浓度几乎与钢材（母材）的C量相同。
发明例的No.1~20中，滚柱点蚀疲劳试验的寿命为1000万次耐久，具有优异的面疲劳强度。比较例No.21中，Si浓度比本发明中规定的Si浓度低，因此面疲劳强度低。比较例No.28中，合金缺乏层的厚度超过本发明中规定的厚度，因此面疲劳强度低。
参考例No.29~33中，钢材（母材）的Si、Mn和Cr的含量不满足3.5[Si％]+[Mn%]+3[Cr%]>9的条件，并且没有生成阻碍渗碳性的氧化被膜，因此是在喷丸除锈的前后没有观察到气体渗碳性的降低的例子。
即，如参考例No.29~33所示，在母材的Si、Mn和Cr的含量为3.5[Si％]+[Mn%]+3[Cr%]≤9的钢材中，气体渗碳性不会降低。但是，该钢材无法充分地得到齿轮和轴承等钢部件所需要的强度、回火软化阻力。这点是在本发明钢材中规定钢材（母材）的Si、Mn和Cr的含量满足3.5[Si％]+[Mn%]+3[Cr%]>9的技术含义。
由以上的结果可知，发明例的No.1~20的渗碳性得到改善。
其原因认为是由于，（a）钢材（母材）中的化学成分的质量%在规定的范围内（C：0.1~0.4%、Si：1.2~4.0%、Mn：0.2~3.0%、Cr：0.5~5.0%、Al：0.005~0.1%、S：0.001~0.3%、N：0.003~0.03%、O：0.0050%以下和P：0.025%以下）；（b）钢材（母材）中的Si、Mn和Cr的含量（%）满足3.5[Si％]+[Mn%]+3[Cr%]>9的条件；以及（c）存在于表面层上且Si、Mn和Cr的含量（%）满足3.5[Si％]+[Mn%]+3[Cr%]≤9的合金缺乏层的厚度为2~50μm。
在发明例No.9的钢材和参考例No.29的钢材中观察到的一次渗碳后和二次渗碳后的表层组织如下。如图2所示，参考例No.29的钢材在一次渗碳后的表层上生成以珠光体为主的不完全淬火层。另外，如图3所示，参考例No.29的钢材在二次渗碳后的表层上进一步生成以珠光体为主的不完全淬火层。
另一方面，如图4所示，发明例No.9的钢材在一次渗碳后的表层上生成马氏体。另外，如图5所示，发明例No.9的钢材在二次渗碳后，进一步生成以马氏体为主的淬火层，与参考例No.29（图3）相比，不完全淬火层的产生量减少。
另外，比较对发明例No.9的钢材依次进行气体渗碳、应用开发方法、真空渗碳这3种处理时和对参考例No.29的钢材依次进行气体渗碳、真空渗碳这2种处理时的滚柱点蚀疲劳试验中的疲劳寿命。将结果示于图6。其中，在发明例No.9、参考例No.29的任意一种情况下，“气体渗碳”的条件为上述渗碳处理A。对发明例No.9的钢材进行的“应用开发方法”为上述渗碳处理A。其结果，参考例No.29的钢材没有得到充分的疲劳寿命。发明例No.9的钢材，通过“应用开发方法”，得到与真空渗碳同等程度的疲劳寿命。
产业上的可利用性
本发明对汽车、建设车辆、产业机械等的高输出功率化和提高燃料效率等有很大贡献，因此产业上的可利用性大。
Claims (17)
1.一种气体渗碳钢部件，其在表面上具有C：0.50质量%以上的气体渗碳层，其中，
母材的组成以质量%计，含有
C：0.1~0.4%、
Si：超过1.2~4.0%、
Mn：0.2~3.0%、
Cr：0.5~5.0%、
Al：0.005~0.1%、
S：0.001~0.3%、
N：0.003~0.03%，
且限制O：0.0050%以下、
P：0.025%以下，
并且在将Si、Mn和Cr的含量以质量%表示记为[Si％]、[Mn%]、[Cr%]时，满足下式（1）；
且所述母材在从表面至2~50μm的深度的范围内，存在满足下式（2）的合金缺乏层；
32≥3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]>9 （1）
3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]≤9 （2）。
2.根据权利要求1所述的气体渗碳钢部件，其中，
所述母材的组成以质量%计，还含有
Nb：0.01~0.3%、
Ti：0.01~0.3%、
V：0.01~0.3%中的一种或两种以上。
3.根据权利要求1所述的气体渗碳钢部件，其中，
所述母材的组成以质量%计，还含有
Ni：0.2~3.0%、
Cu：0.2~3.0%、
Co：0.2~3.0%、
Mo：0.05~0.4%、
W：0.05~0.4%、
和B：0.0006~0.005%中的一种或两种以上。
4.根据权利要求1所述的气体渗碳钢部件，其中，
所述母材的组成以质量%计，还含有
Nb：0.01~0.3%、
Ti：0.01~0.3%、
V：0.01~0.3%中的一种或两种以上，以及
Ni：0.2~3.0%、
Cu：0.2~3.0%、
Co：0.2~3.0%、
Mo：0.05~0.4%、
W：0.05~0.4%、
和B：0.0006~0.005%中的一种或两种以上。
5.一种气体渗碳用钢材，其用于制造渗碳钢部件，其中，
以质量%计，含有
C：0.1~0.4%、
Si：超过1.2~4.0%、
Mn：0.2~3.0%、
Cr：0.5~5.0%、
Al：0.005~0.1%、
S：0.001~0.3%、
N：0.003~0.03%，
且限制O：0.0050%以下、
P：0.025%以下，
并且当将Si、Mn和Cr的含量以质量%表示记为[Si％]、[Mn%]、[Cr%]时，满足下式（1），
32≥3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]>9 （1）。
6.根据权利要求5所述的气体渗碳用钢材，其中，
以质量%计，还含有
Nb：0.01~0.3%、
Ti：0.01~0.3%、
V：0.01~0.3%中的一种或两种以上。
7.根据权利要求5所述的气体渗碳用钢材，其中，
以质量%计，还含有
Ni：0.2~3.0%、
Cu：0.2~3.0%、
Co：0.2~3.0%、
Mo：0.05~0.4%、
W：0.05~0.4%、
和B：0.0006~0.005%中的一种或两种以上。
8.根据权利要求5所述的气体渗碳用钢材，其中，
所述母材的组成以质量%计，还含有
Nb：0.01~0.3%、
Ti：0.01~0.3%、
V：0.01~0.3%中的一种或两种以上、以及
Ni：0.2~3.0%、
Cu：0.2~3.0%、
Co：0.2~3.0%、
Mo：0.05~0.4%、
W：0.05~0.4%、
和B：0.0006~0.005%中的一种或两种以上。
9.一种气体渗碳用钢材，其用于制造渗碳钢部件，其中，
母材的组成以质量%计，含有
C：0.1~0.4%、
Si：超过1.2~4.0%、
Mn：0.2~3.0%、
Cr：0.5~5.0%、
Al：0.005~0.1%、
S：0.001~0.3%、
N：0.003~0.03%，
且限制O：0.0050%以下、
P：0.025%以下，
并且当将Si、Mn和Cr的含量以质量%表示记为[Si％]、[Mn%]、[Cr%]时，满足下式（1），
所述母材在从表面至2~50μm的深度的范围内，存在满足下式（2）的合金缺乏层，
32≥3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]>9 （1）
3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]≤9 （2）。
10.根据权利要求9所述的气体渗碳用钢材，其中，
所述母材的组成以质量%计，还含有
Nb：0.01~0.3%、
Ti：0.01~0.3%、
V：0.01~0.3%中的一种或两种以上。
11.根据权利要求9所述的气体渗碳用钢材，其中，
所述母材的组成以质量%计，还含有
Ni：0.2~3.0%、
Cu：0.2~3.0%、
Co：0.2~3.0%、
Mo：0.05~0.4%、
W：0.05~0.4%、
和B：0.0006~0.005%中的一种或两种以上。
12.根据权利要求9所述的气体渗碳用钢材，其中，
所述母材的组成以质量%计，还含有
Nb：0.01~0.3%、
Ti：0.01~0.3%、
V：0.01~0.3%中的一种或两种以上、以及
Ni：0.2~3.0%、
Cu：0.2~3.0%、
Co：0.2~3.0%、
Mo：0.05~0.4%、
W：0.05~0.4%、
和B：0.0006~0.005%中的一种或两种以上。
13.一种气体渗碳钢部件的制造方法，其使用气体渗碳用钢材来制造渗碳钢部件，所述气体渗碳用钢材以质量%计，含有
C：0.1~0.4%、
Si：超过1.2~4.0%、
Mn：0.2~3.0%、
Cr：0.5~5.0%、
Al：0.005~0.1%、
S：0.001~0.3%、
N：0.003~0.03%，
且限制O：0.0050%以下、P：0.025%以下，
并且在将Si、Mn和Cr的含量以质量%表示记为[Si％]、[Mn%]、[Cr%]时，满足下式（1）；
所述制造方法中，将所述气体渗碳用钢材在生成氧化被膜的气氛下进行实施热处理的一次渗碳，
除去在表面上形成的氧化被膜，
然后在渗碳制气氛中进行二次渗碳；
32≥3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]>9 （1）。
14.根据权利要求13所述的气体渗碳用钢材，其中，通过所述一次渗碳，所述气体渗碳用钢材在从表面至2~50μm的深度的范围内，形成了满足下式（2）的合金缺乏层，
3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]≤9 （2）。
15.根据权利要求13所述的气体渗碳钢部件的制造方法，其中，
所述气体渗碳用钢材以质量%计，还含有
Nb：0.01~0.3%、
Ti：0.01~0.3%、
V：0.01~0.3%中的一种或两种以上。
16.根据权利要求13所述的气体渗碳钢部件的制造方法，其中，
所述气体渗碳用钢材以质量%计，还含有
Ni：0.2~3.0%、
Cu：0.2~3.0%、
Co：0.2~3.0%、
Mo：0.05~0.4%、
W：0.05~0.4%、
和B：0.0006~0.005%中的一种或两种以上。
17.根据权利要求13所述的气体渗碳钢部件的制造方法，其中，
所述气体渗碳用钢材以质量%计，还含有
Nb：0.01~0.3%、
Ti：0.01~0.3%、
V：0.01~0.3%中的一种或两种以上、以及
Ni：0.2~3.0%、
Cu：0.2~3.0%、
Co：0.2~3.0%、
Mo：0.05~0.4%、
W：0.05~0.4%、
和B：0.0006~0.005%中的一种或两种以上。
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