CN103492613A - 机械部件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

机械部件的制造方法具备准备由钢形成的构件的工序(S10)、通过对该构件进行氧化而在表面形成含钒的膜的工序(S20)、和通过将形成了膜的上述构件在含氮气且不含氨气的热处理气体气氛中加热来进行碳氮共渗处理从而形成氮富化层的工序(S30)。

Description

机械部件的制造方法
技术领域
本发明涉及机械部件的制造方法，更具体涉及在表层部具有氮富化层的机械部件的制造方法。
背景技术
有时以机械部件的疲劳强度的提高和耐磨损性的提高为目的，通过碳氮共渗等方法在机械部件的表层部形成有氮浓度比内部高的氮富化层。碳氮共渗处理中，一般大多将丙烷、丁烷或城市燃气与空气在1000℃以上的高温下混合而制成运送气体(吸热型变换气，以下也称RX气体)，使用向其中加入少量丙烷、丁烷、氨而得的气氛气体。另外，通过在该气氛气体中加热被处理物，在被处理物的表层部形成氮富化层。使用RX气体作为运送气体的碳氮共渗处理中，因未分解的氨而发生氮化反应(参照例如毛利信之等，《采用热处理的渗碳钢的耐磨损性提高(日文：熱処理による浸炭鋼の耐摩耗性向上)》，NTN技术评论(NTN TECHNICAL REVIEW)，2008年，76号，17-22页(非专利文献1))。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1:毛利信之等，《采用热处理的渗碳钢的耐磨损性提高》，NTN TECHNICAL REVIEW，2008年，76号，17-22页
发明的概要
发明所要解决的技术问题
一般温度越高，氨气分解进行得越完全。因此，基于未分解的氨的氮化处理较少在900℃以上的温度区域内实施。其结果是，在对需要厚度大的氮化层的制品进行处理的情况下，也难以提高处理温度而缩短碳氮共渗时间，存在处理时间变长的问题。此外，使用氨气的碳氮共渗处理中，还存在由于需要设置用于向热处理炉导入氨气的设备、热处理炉内所使用的部件(例如制品搬运用篮)的消耗快等而设备的维持管理成本高的问题。
本发明是为了解决如上所述的问题而完成的发明，其目的在于提供可通过不使用氨气的迅速的热处理制造在表层部具有氮富化层的机械部件的机械部件的制造方法。
解决技术问题所采用的技术方案
基于本发明的机械部件的制造方法具备准备由钢形成的构件的工序、在该构件的表面形成含钒的膜的工序、通过将形成了该膜的上述构件在含氮气且不含氨气的热处理气体气氛中进行加热来形成氮富化层的工序。
本发明人在进行与钢的热处理相关的各种研究的过程中发现，通过在由钢形成的构件的表面形成含钒的膜并在含氮气的气氛中加热，在该气氛不含氨气的情况下也在构件的表层部形成氮富化层，从而想到了本发明。即，本发明的机械部件的制造方法中，通过将在表面形成有含钒的膜的由钢形成的构件在含氮气且不含氨气的气氛中进行加热，从而在机械部件的表层部形成氮富化层。该制造方法中，氮富化层的形成并不通过未分解的氨进行，因此可在更高的温度下进行热处理。因此，可缩短热处理时间。此外，该制造方法中不使用氨，因此可抑制热处理炉内所使用的部件的消耗，降低设备的维持管理成本。如上所述，如果采用本发明的机械部件的制造方法，则可通过不使用氨气的迅速的热处理来制造在表层部具有氮富化层的机械部件。
上述不含氨气的热处理气体是指实质上不含氨气，不排除杂质水平的氨气的混入。
上述机械部件的制造方法中，上述热处理气体的氧分压可以在10×10-16Pa以下。由此，上述由钢形成的构件的氧化受到抑制，可容易地形成氮富化层。
上述机械部件的制造方法中，上述热处理气体可以含还原性气体。由此，上述由钢形成的构件的氧化受到抑制，可容易地形成氮富化层。
上述机械部件的制造方法中，上述热处理气体可以含氮气和氢气，其余部分由杂质形成。氢气适合作为抑制由钢形成的上述构件的氧化的还原性气体。
上述机械部件的制造方法中，上述准备构件的工序中准备由含0.1质量％以上的钒的钢形成的构件，上述形成膜的工序中通过氧化上述构件而形成上述膜。
由含0.1质量％以上的钒的钢形成的机械部件中，通过对该构件进行氧化处理，可容易地形成含钒的膜。因此，通过这样进行处理，可容易地实现氮富化层的形成。
上述机械部件的制造方法中，上述形成膜的工序中，上述构件可加热至800℃以上的温度区域进行氧化。通过这样进行处理，可更容易地形成含钒的膜。
上述机械部件的制造方法中，上述形成膜的工序中可对上述构件进行锻造。机械部件的制造工艺包括锻造工序的情况下，通过在该锻造工序中氧化机械部件，可高效地形成含钒的膜。
上述机械部件的制造方法中，上述形成膜的工序中可通过物理蒸镀法形成上述膜。此外，上述形成膜的工序中，也可通过化学蒸镀法形成上述膜。此外，上述形成膜的工序中，还可通过湿涂法形成上述膜。通过这样的方法，可容易地形成含钒的膜。
上述机械部件的制造方法中，上述热处理气体可以含吸热型变换气。由此，可容易地调整气氛的碳势并实现氮富化层的形成。
上述机械部件的制造方法中，可进一步具备通过将形成了氮富化层的上述构件从A1相变点以上的温度冷却至MS点以下的温度来对上述构件进行淬火硬化的工序。通过这样进行处理，可容易地制造形成氮富化层且经淬火硬化的耐久性高的机械部件。
上述机械部件的制造方法中，上述进行部件可以是构成滚动轴承的部件。构成滚动轴承的轨道圈、滚动体等部件大多要求高疲劳强度和耐磨损性。因此，本发明的机械部件的制造方法适合作为构成滚动轴承的部件的制造方法。
发明的效果
由以上的说明可知，如果采用本发明的机械部件的制造方法，则可提供可通过不使用氨气的迅速的热处理来制造在表层部具有氮富化层的机械部件的机械部件的制造方法。
附图的简单说明
图1是用于说明基于本发明的机械部件的制造方法的一例的流程图。
图2是用于说明基于本发明的机械部件的制造方法的另一例的流程图。
图3是用于说明基于本发明的机械部件的制造方法的又另一例的流程图。
图4是表示深度方向上的碳和氮的浓度分布的图。
图5是表示深度方向上的碳和氮的浓度分布的图。
图6是表示深度方向上的碳和氮的浓度分布的图。
图7是表示深度方向上的碳和氮的浓度分布的图。
图8是表示试样表面的钒的分布的图。
图9是表示试样表面的氮的分布的图。
图10是表示试样表面的碳的分布的图。
图11是表示钢材中的钒含量与表面氮浓度的关系的图。
图12是表示表层部的氮浓度分布的图。
图13是表示表层部的氮浓度分布的图。
实施发明的方式
以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。对于以下的附图中相同或同等的部分标记同一参照编号，略去其重复说明。
(实施方式1)
首先，对作为本发明的一种实施方式的实施方式1进行说明。参照图1，实施方式1的机械部件的制造方法中，实施作为工序(S10)的钢构件准备工序。该工序(S10)中，准备作为由钢形成的成形为机械部件的大致形状的构件的钢构件。具体来说，准备例如作为含0.1质量％以上的钒的钢的AMS2315的钢材，实施锻造、旋削等加工而制成钢构件。
接着，实施作为工序(S20)的氧化工序。该工序(S20)中，对工序(S10)中准备的钢构件进行氧化处理。具体来说，例如通过将上述钢构件在大气中加热至800℃以上的温度区域，从而氧化该钢构件的表层部。这时，钢中所含的钒与钢中的碳和气氛中的氮反应，从而在钢构件的表面形成含钒的膜。该膜具体为V(钒)-N(氮)膜、V-C(碳)膜、V-C-N膜等。
接着，实施作为工序(S30)的碳氮共渗工序。该工序(S30)中，对工序(S20)中进行了氧化处理的钢构件实施碳氮共渗处理。具体来说，例如在变换炉中将丙烷气体和空气混合，在催化剂的存在下加热至1000℃以上的温度，在向由此得到的作为吸热型变换气的RX气体中添加作为富化气的丙烷气体等而调整至所需的碳势的气氛中，将上述钢构件被加热至A1相变点以上的温度区域。这时，上述气氛中不添加氨气。由此，碳侵入钢构件的表层部中。此外，上述钢构件的表面在工序(S20)中形成含钒的膜，且RX气体包含空气中的氮气，所以氮也侵入钢构件的表层部。其结果是，钢构件被实施碳氮共渗处理，在钢构件的表层部形成氮富化层。
在此，上述热处理气体(气氛气体)的氧分压较好是在10×10-16Pa以下。由此，钢构件的氧化受到抑制，可容易地形成氮富化层。此外，上述热处理气体不仅限于在RX气体中添加了富化气的气体，只要是含氮且例如通过包含还原性气体而抑制钢构件的氧化的气体即可。作为还原性气体，可采用例如氢气、一氧化碳气体等。更具体来说，例如上述热处理气体可采用含氮气和氢气且其余部分由杂质形成的气体来代替在RX气体中添加了富化气的气体。该情况下，氢气的比例可以是50体积％左右，即使是2体积％左右也足以形成氮富化层。从确保氮富化层的充分形成并减少作为可燃性气体的氢气的观点来看，氢含量可以是例如2体积％以上30体积％以下。
接着，实施作为工序(S40)的淬火硬化工序。该工序(S40)中，对工序(S30)中进行了碳氮共渗处理的钢构件实施淬火硬化。具体来说，工序(S30)中在A1相变点以上的温度区域进行了碳氮共渗的钢构件被从A1相变点以上的温度冷却至MS点以下的温度，从而淬火硬化。由此，对含氮富化层的钢构件整体进行淬火硬化，赋予钢构件高疲劳强度和耐磨损性。
接着，实施作为工序(S50)的回火工序。该工序(S50)中，对工序(S40)中进行了淬火硬化处理的钢构件进行回火处理。具体来说，工序(S50)中，工序(S40)中进行了淬火硬化处理的钢构件通过被加热至A1相变点以下的温度后冷却来实施回火处理。
接着，实施作为工序(S60)的精加工工序。该工序(S60)中，通过对于实施工序(S10)至工序(S50)而得的钢构件实施精加工，从而完成轴承部件等机械部件。具体来说，工序(S60)中，对经回火处理的钢构件实施研磨处理等而完成机械部件。通过以上的工艺，实施完本实施方式中的机械部件的制造方法，机械部件完成。
本实施方式的机械部件的制造方法中，在表面形成有含钒的膜的钢构件在含氮气且不含氨气的气氛中进行加热，制成具有氮富化层的机械部件。本实施方式的机械部件的制造方法中，氮富化层的形成并不通过未分解的氨进行。因此，可不用顾虑氨的分解，进行高温下的热处理。其结果是，本实施方式的机械部件的制造方法中，可在高温下实施形成氮富化层的处理，缩短热处理时间。此外，上述制造方法中不使用氨，因此可抑制热处理炉内所使用的部件的损耗，降低设备的维持管理成本。如上所述，如果采用本实施方式的机械部件的制造方法，则可通过不使用氨气的迅速的热处理来制造在表层部具有氮富化层的机械部件。
(实施方式2)
以下，参照图2对作为本发明的另一实施方式的实施方式2进行说明。实施方式2的机械部件的制造方法基本上与实施方式1的情况同样地实施。但是，实施方式2的机械部件的制造方法在包括热锻造工序这一点上与实施方式1的情况不同。
实施方式2的机械部件的制造方法中，首先，工序(S10)中与实施方式1的情况同样地准备含0.1质量％以上的钒的钢，通过成形为可实施后述的工序(S21)中的热锻造的形状而制成钢构件。
接着，实施作为工序(S21)的热锻造工序。该工序(S21)中，对上述钢构件进行热锻造。具体来说，上述钢构件例如通过在大气中进行热锻造来成形。这时，钢构件的表层部通过大气中的氧而氧化。其结果是，钢中所含的钒与钢中的碳和气氛中的氮反应，从而在钢构件的表面形成含钒的膜，具体形成V-N膜、V-C膜、V-C-N膜等。
然后，略去工序(S20)，工序(S30)～(S60)与实施方式1的情况同样地实施，完成机械部件。
本实施方式的机械部件的制造方法中，利用制造工艺中所包括的热锻造工序实施钢构件的氧化处理。因此，可在抑制工序数增加的同时实施本发明的机械部件的制造方法。
(实施方式3)
以下，参照图3对作为本发明的又另一实施方式的实施方式3进行说明。实施方式3的机械部件的制造方法基本上与实施方式1的情况同样地实施。但是，实施方式3的机械部件的制造方法在钢构件的成分组成和含钒的膜的形成方法上与实施方式1不同。
实施方式3的机械部件的制造方法中，首先工序(S10)中与实施方式1的情况同样地准备钢，通过对其进行加工而制成钢构件。这时，实施方式3中，钢不需要含有0.1质量％以上的钒，例如原材料采用JIS SNCM420、SCN420等渗碳钢(机械结构用合金钢)。
接着，实施作为工序(S22)的被膜形成工序。该工序(S22)中，在钢构件的表面形成含钒的膜。具体来说，例如通过物理蒸镀法、化学蒸镀法、湿涂法等方法，在钢构件的表面形成V膜、V-N膜、V-C膜、V-C-N膜等含钒的膜。然后，工序(S30)～(S60)与实施方式1的情况同样地实施，完成机械部件。
本实施方式的机械部件的制造方法中，通过物理蒸镀法、化学蒸镀法、湿涂法等方法在钢构件的表面形成含钒的膜。因此，作为原材料的钢不需要含有0.1质量％以上的钒，可采用各种原材料。其结果是，如果采用本实施方式的机械部件的制造方法，则可使用不含钒的低价的钢，制造疲劳强度和耐磨损性优异的机械部件。
实施例
(实施例1)
进行了确认通过形成含钒的膜可藉由不含氨气的热处理气体气氛中的加热形成氮富化层的实验。
首先，准备具有表1所示的成分组成的4种钢，由该钢制成试验片。表1中，数值的单位为质量％，表中所记载的组成的其余部分为铁和杂质。此外，钢C和钢D中未添加钒，钒为杂质水平的含量。钢A、钢C和钢D分别相当于AMS2315、JIS SNCM420、JIS SCM420。
[表1]
C Si Mn Cr Mo V
钢A 0.15 0.2 0.3 4 4 1.2
钢B 0.15 0.2 0.6 1.5 1.2 0.4
钢C 0.2 0.2 0.6 0.6 0.2 -
钢D 0.2 0.2 0.6 1.1 0.2 -
将所制成的试验片在大气中加热至900℃以上进行氧化处理后，在碳势0.6的不含氨气的RX气体气氛中加热至960℃进行渗碳处理。接着，考察了该试验片的深度方向上的碳和氮浓度分布。图4、图5、图6和图7分别对应于表1的钢A、钢B、钢C和钢D的试验结果。
参照图4～图7，对于含0.1质量％以上的钒的钢A和钢B，确认通过不含氨气的气氛中的加热可形成氮富化层。
接着，对于由钢A(AMS2315)形成的渗碳后的试验片的表面，进行了采用EPMA(电子探针微量分析，Electron Probe Micro Analysis)的分布分析。图8、图9和图10分别表示钒、氮和碳的分布。
参照图8～图10，在渗碳后的试验片的表面分布有钒，该钒的分布与碳和氮的分布对应。由此确认，含0.1质量％以上的钒的钢的情况下，介以通过氧化处理形成的含钒的膜(例如V膜、V-N膜、V-C膜、V-C-N膜等)，可在未导入氨气的RX气体气氛中形成氮富化层。
由以上的结果确认，通过在钢表面形成含钒的膜，可实现不使用氨气的碳氮共渗处理(氮富化层的形成)。
本发明的机械部件的制造方法中，如上所述，可在比使用氨的情况高的温度下形成氮富化层。但是，经高温下处理的钢可能会因为结晶粒的粗大化而导致机械性质的下降。因此，本发明的机械部件的制造方法中，进行高温下的氮富化层的形成的情况下，较好是在形成氮富化层后，一度冷却至A1相变点以下的温度区域后，再加热至A1相变点以上的温度区域，然后实施冷却至MS点以下的温度进行淬火硬化的二次淬火处理。
此外，通过本发明的机械部件的制造方法制造轴承部件的情况下，从耐磨损性提高的观点来看，表层部中的氮浓度理想的是在0.3质量％以上。此外，对于轴承部件的表层部的碳浓度，通过使其达到0.6质量％以上，可获得足够的表面硬度。另一方面，如果轴承部件的表层部的碳浓度超过1.2质量％以下，则轴承部件的机械性质可能会因粗大碳化物的生成而恶化。因此，理想的是轴承部件的表层的碳浓度为0.6质量％以上1.2质量％以下。另外，轴承部件很少使用至磨损深度达到0.1mm以上，所以氮富化层的厚度为0.1mm以上即可。
(实施例2)
进行了调查对由含钒的钢形成的构件进行氧化处理而形成含钒的膜并将其在含氮气且不含氨气的热处理气体气氛中进行加热来形成氮富化层的情况下的钢的钒含量与氮富化层的氮浓度的关系的实验。实验的步骤如下。
首先，准备由JIS标准SUJ2、向SUJ2中添加0.25～3.97质量％钒而得的材料和AMS(航空宇宙材料标准，美国)6491的钢材形成的试验片。钢材的成分组成示于表2。表2中，数值分别表示C(碳)、Si(硅)、(Mn)锰、Cr(铬)、Mo(钼)和V(钒)的含量，其余部分为铁和杂质。此外，数值的单位为质量％。
[表2]
C Si Mn Cr Mo V
SUJ2 0.99 0.30 0.47 1.49 - -
SUJ2+V0.25% 0.99 0.31 0.47 1.50 - 0.25
SUJ2+V0.48% 1.00 0.31 0.45 1.51 - 0.48
SUJ2+V0.77% 1.00 0.31 0.47 1.50 - 0.77
SUJ2+V1.02% 1.00 0.31 0.46 1.51 - 1.02
SUJ2+V1.98% 1.03 0.27 0.01 1.49 - 1.98
SUJ2+V3.97% 1.00 0.31 0.01 1.52 - 3.97
AMS6491 0.80 <0.35 <0.40 4.00 4.25 1.00
将所准备的试验片在大气中加热至950℃以上进行氧化处理后，在通过富化气的添加等将碳势调整至0.6的不含氨气的RX气体气氛中加热至960℃。接着，通过EPMA(电子探针微量分析)考察了试验片表面的氮浓度。考察结果示于图11。
图11中，横轴表示构成试验片的钢的钒含量，纵轴表示试验片表面的氮浓度。参照图11，钢的钒含量为0.25质量％的情况下，在试验片表面获得接近0.1质量％的氮含量。另外，随着使钢的钒含量达到0.25质量％以上而使钒含量增加，试验片表面的氮含量也增加。但是，可知如果钢的钒含量达到1质量％左右，则氮含量的增加饱和，即使在钢中添加超过1质量％的钒，试验片表面的氮含量也几乎不会增加。由此可认为，从使表面的氮含量增加的观点来看，添加超过1质量％的钒的效果小。因此，如果考虑到钒的添加导致的钢材价格上升，较好是钒的添加量在1％以下。
(实施例3)
进行了确认热处理气体采用含氮气和氢气且其余部分由杂质形成的气体的情况下的氮富化层的形成的实验。首先，准备与上述实施例2中供于实验的试验片中向SUJ2添加1.02质量％的钒的试验片和添加3.97质量％的钒的试验片同样的试验片，与实施例2的情况同样地进行氧化处理。接着，进行将这些试验片在氮气50体积％、氢气50体积％的气氛中加热至960℃并保持24小时的热处理。然后，通过EPMA测定了试验片的表层部的氮浓度分布。此外，对于由向SUJ2添加1.02质量％的钒的钢材形成的试验片，对进行了在氮气98体积％、氢气2体积％的气氛中加热至960℃并保持24小时的热处理的试验片也同样地测定了表层部的氮浓度分布。测定结果示于图12和图13。
图12和图13中，横轴表示自试验片的表面的深度，纵轴表示氮浓度。此外，图12中，细线对应于添加3.97质量％的钒的试验片的测定结果，粗线对应于添加1.02质量％的钒的试验片的测定结果。另一方面，图13中，细线对应于在氮气98体积％、氢气2体积％的气氛中加热后的试验片的测定结果，粗线对应于在氮气50体积％、氢气50体积％的气氛中加热后的试验片的测定结果。
参照图12，确认不论是钢材的钒含量为1.02质量％的情况，还是钢材的钒含量为3.97质量％的情况，都在试验片的表面明显地形成了氮富化层。此外，使钢材的钒含量增加至3.97质量％的情况与钒含量为1.02质量％的情况之间，表层部的氮浓度分布未发现明显的差异。因此，如上述实施例2中所说，可认为以氮富化层的形成为目的的钒的添加为1％就足够了。
此外，参照图13，若比较气氛中的氢浓度为50体积％的情况和2体积％的情况，存在2体积％的情况下的氮浓度比50体积％的情况低的倾向。但是，即使在使气氛中的氢浓度为2体积％的情况下，也在表层部明显地形成了氮富化层。由此可知，表层部所需的氮浓度不太高的情况下，可使气氛的氢气比例降低至2体积％左右。
应理解此次揭示的实施方式和实施例全部为示例，不是限制。本发明的范围通过权利要求书示出，而非上述的说明，包含与权利要求书同等的含义以及范围内的任何变更。
工业上的可利用性
本发明的机械部件的制造方法可特别良好地应用于在表层部具有氮富化层的机械部件的制造方法。

Claims (10)

1.机械部件的制造方法，其特征在于，具备：
准备由钢形成的构件的工序、
在所述构件的表面形成含钒的膜的工序、和
通过将形成了所述膜的所述构件在含氮气且不含氨气的热处理气体气氛中进行加热来形成氮富化层的工序。
2.如权利要求1所述的机械部件的制造方法，其特征在于，所述热处理气体的氧分压在10×10-16Pa以下。
3.如权利要求1所述的机械部件的制造方法，其特征在于，所述热处理气体含还原性气体。
4.如权利要求3所述的机械部件的制造方法，其特征在于，所述热处理气体含氮气和氢气，其余部分由杂质形成。
5.如权利要求1所述的机械部件的制造方法，其特征在于，
所述准备构件的工序中，准备由含0.1质量％以上的钒的钢形成的构件，
所述形成膜的工序中，通过氧化所述构件而形成所述膜。
6.如权利要求5所述的机械部件的制造方法，其特征在于，所述形成膜的工序中，所述构件被加热至800℃以上的温度区域进行氧化。
7.如权利要求5所述的机械部件的制造方法，其特征在于，所述形成膜的工序中，对所述构件进行锻造。
8.如权利要求1所述的机械部件的制造方法，其特征在于，所述热处理气体含吸热型变换气。
9.如权利要求1所述的机械部件的制造方法，其特征在于，还具备通过将形成了氮富化层的所述构件从A1相变点以上的温度冷却至MS点以下的温度来对所述构件进行淬火硬化的工序。
10.如权利要求1所述的机械部件的制造方法，其特征在于，所述机械部件为构成滚动轴承的部件。
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