CN105308213A

CN105308213A - 钢铁部件和钢铁部件的制造方法

Info

Publication number: CN105308213A
Application number: CN201380077305.6A
Authority: CN
Inventors: 桑原孝介; 朴珉奭
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-06-10
Filing date: 2013-06-10
Publication date: 2016-02-03
Also published as: US20160138151A1; WO2014199423A1; JPWO2014199423A1; AU2013392321A1; JP6062048B2; AU2013392321B2

Abstract

一种钢铁部件，在钢铁制的被处理材料的至少一部分叠层有碳浓度比上述被处理材料高且为1.0wt.％以下的多个层，上述多个层中最表面层的碳浓度最高。一种钢铁部件的制造方法，至少包括：在钢铁制的被处理材料的至少一部分，喷雾包含碳的粉体，形成碳浓度比上述被处理材料高的第一层的工序；和在上述第一层的至少一部分，喷雾包含碳的粉体，形成碳浓度比上述第一层高的第二层的工序，包含上述第一层和上述第二层的多个层的碳浓度为1.0wt.％以下。

Description

钢铁部件和钢铁部件的制造方法

技术领域

本发明涉及钢铁部件及其制造方法。

背景技术

驱动零件、齿轮、轴承等机械零件在经常施加较高的负荷的环境下使用，因此，要求较高的机械强度、例如硬度和疲劳强度。这种机械零件可以使用碳钢、铬钢、铬钼钢、镍铬钼钢等机械结构用钢。

就机械结构用钢而言，要求：表面的抗疲劳性高、材料本身为了确保零件的耐冲击性而确保韧性的这样的在外部和内部相反的性质。作为材料，大多数以例如像低合金钢(由JIS－G4104规定的SCM415等)那样的、碳浓度较低、韧性较高的材料为母材，实施使碳固溶于材料表面而提高碳浓度，并提高硬度和抗疲劳性的浸碳处理或浸碳氮化处理。

但是，仅仅进行碳扩散时，表面固化层的碳浓度分布保持倾斜，不易较厚地形成必要的碳浓度的组织。另外，当要增厚表面固化层时，在表面上过量浸碳(过浸碳)，表面固化层脆化。例如，专利文献1中公开了一种方法，在母材表面形成高碳钢或高碳低合金钢的硬质覆膜，然后通过加热处理将母材和硬质覆膜扩散接合，来确保期望的强度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平11－222663号公报

发明内容

发明所要解决的课题

但是，专利文献1的方法中存在如下课题，作为被处理材料的母材和高碳钢的覆膜的碳浓度差较大，在母材和覆膜之间易于产生剥离。

本发明的目的在于：使被处理材料和表面固化层不易剥离。

用于解决课题的方案

为了实现上述目的，采用例如请求保护的范围所记载的方案。

发明效果

根据本发明，可以使被处理材料和表面固化层不易剥离。

附图说明

图1是钢铁部件的结构图的例子。

图2是钢铁部件的结构图的例子。

图3是说明对被处理材料形成第一层、第二层的方法的工序图的例子。

图4是第二实施例所示的钢铁部件的示意图的例子。

图5是表示第二实施例所示的钢铁部件的截面的示意图的例子。

图6是说明第二实施例所示的钢铁部件的形成方法的工序图的例子。

具体实施方式

本发明的钢铁部件在被处理材料(钢铁部件)的表面具备多层碳浓度比被处理材料高的层(高碳钢层)。高碳钢层的碳浓度全部为1.0wt.％以下，最接近表面的层的碳浓度最高。

图1中表示本发明的实施方式。在被处理材料101的至少一部分，将碳浓度比被处理材料高且为1.0wt.％以下的高碳钢层即第一层102、第二层103依次叠层，形成钢铁部件100。使第二层的碳浓度比第一层高。

另外，图2中表示另一实施方式。本实施方式中，在图1所示的钢铁部件的第二层上叠层碳浓度比第二层高、且碳浓度为1.0wt.％以下的第三层104。

作为实施表面处理的被处理材料的例子，可以列举低碳钢、低碳合金钢。例如可以列举：铬钢、铬钼钢、铬钼镍钢、铬锰钢、铬镍钢(不锈钢)等韧性较高的材料，各自的合金组成由JIS、ASTM等国内外的各种标准所限定。

要求在被处理材料上覆盖的多个高碳钢层的碳浓度均比被处理材料高，且为1.0wt.％以下。通过使各层的碳浓度比被处理材料高，能够形成疲劳强度优异的层。另外，通过将各层的碳浓度设为1.0wt.％以下，能够防止在晶界中过量析出网眼状渗碳体，因此，能够降低表面脆化，并能够形成疲劳寿命较长的层。高碳钢层至少具备第一层、第二层，根据需要进一步在其上形成一个以上的层，碳浓度从被处理材料向最表面层变高。

在不进行浸碳扩散，而对被处理材料覆盖层来提高钢铁部件方面的碳浓度的情况下，通过设置多个层，能够缩小层间的碳浓度差，因此，能够减少被处理材料与高碳钢层之间的剥离、高碳钢层的层间的剥离或裂纹等。另外，能够自由地调节需要的碳浓度和层的厚度。当层成为三层以上的多层时，即使在最表面层和被处理材料的碳浓度差较大的情况下，也能够缩小各层的碳浓度差，因此，能够减少被处理材料与层之间的剥离、层间的剥离等。

此外，图中，层间被明确区分，但从碳浓度高的层向低的层产生一些碳扩散，因此，在层与层的分界存在膜厚方向上缓和的碳浓度的倾斜。本发明中，将碳浓度倾斜的部分允许作为层间(分界)。

各层的碳以外的合金组成没有特别限定，但作为这种钢材的一例，可以列举高碳钢、高碳合金钢。特别是在形成碳以外的合金元素的组成与被处理材料大致一致的第一层、第二层、根据需要形成的其上的一层以上的层(以下，称为多个高碳钢层)时，与被处理体的一体性优异，能够防止局部的复合化合物的产生，故优选，但为了除抗疲劳性之外还要同时实现耐蚀性和耐热性等其它特性的改善，可以加减其它的合金元素。

另外，多个高碳钢层也可以以相同厚度形成于被处理材料的表面全体上，但也可以在被处理材料的表面上使各层保持厚度分布，或仅形成于被处理材料的一部分。特别是如果以机械零件为例，则为旋转轴时可以仅在与轴承的接触部、为齿轮时可以仅在齿顶、为加压辊时可以仅在与部件的接触部这样的要求特别高的疲劳强度的部位形成各层。这种部分的处理适合于分别控制要保持韧性的部位和要保持抗疲劳性的部位的特性时。另外，也可以在被处理材料的表面中，像未形成层的部位、仅形成第一层的部位、形成第一层和第二层的部位这样的、在被处理材料表面配置分布而形成各层。同样，在第二层上形成的一层以上的层也可以部分形成于被处理材料上。

这种多个高碳钢层的形成方法具有各种方法，作为形成速度和对被处理材料的密合性优异的方法，例如可以列举：冷喷涂法、蜗杆喷涂法、等离子喷镀法、电弧喷镀法、火焰喷镀法、堆焊法、气溶胶沉积法等，如图3所示，可以列举逐次形成各层的方法。

(a)准备形成高碳钢层的被处理材料101。

(b)在被处理材料101上形成第一层102。各层的材料为了适于各方法而以粉体、线材、棒材等形式供给。本图中采用喷雾粉体并堆积于被处理材料的方法。例如使用碳浓度较低的粉体(第一粉体)通过上述方法进行成膜。该粉体的碳浓度比被处理材料高，且为1.0wt.％以下。第一粉体也可以使用将碳和其它粉末混合而成的粉体。在形成层时，只要层整体所包含的碳浓度比被处理材料高且为1.0wt.％以下即可。

(c)在第一层102上形成第二层102。关于第二层，使用碳浓度比第一层高的粉体(第二粉体)成膜于第一层102上。第二粉体也可以与第一粉体同样，使用将碳和其它粉末混合而成的粉体。在形成层时，只要层整体所包含的碳浓度比第一层高且为1.0wt.％以下即可。

(d)形成高碳钢层为两层时的钢铁部件100。

如果改变碳浓度不同的多种粉体的混合比，则即使在将高碳钢层设为多层的情况下，也能够减少层形成所需要的原料种类，故更优选。成膜条件可以根据使用的方法、被处理材料、各层的材料适当调整，但在将成膜时的被处理材料的温度设为室温以上时，改善成膜效率，提高各层对被处理材料的密合力，在各层界面上可以进一步促进相互扩散，故优选。其中，成膜温度优选根据被处理材料、各层的材料的耐热性和耐氧化性等各个条件进行调整。不仅是上述层的形成，而且也可以之后进一步实施淬火、回火等热处理、浸碳、氮化等表面处理。

以下，使用附图说明实施例。

实施例1

本实施例中，对将钢铁部件100设为板材的实施例进行说明。本实施例中的钢铁部件100的结构图如图1所示。本实施例中，用于钢铁部件100的被处理材料101使用长度50mm、宽度50mm、厚度10mm的不锈钢(JIS标准：SUS304，日新制钢制，0.05wt.％)。

第一层102、第二层103以不锈钢粉(DAP304L，大同特殊钢制)为原料，将无添加的不锈钢粉A和表面载持有2.0wt.％的石墨粉(Sigma-Aldrich制)的不锈钢粉B两种粉末以规定的重量比混合，由此，形成各自的原料粉。本实施例中，第一层102的原料粉以碳浓度成为0.4wt.％(不锈钢粉A﹕不锈钢粉B＝8﹕2(重量比))的方式混合，第二层103的原料粉以碳浓度成为0.8wt.％(不锈钢粉A﹕不锈钢粉B＝6﹕4(重量比))的方式混合，并利用V型混合机均匀地混合，由此形成各层的原料粉。此外，图1中是用于容易区分各层的示意图，实际成膜的厚度如后面所示的表1那样。理论上而言，粉末调整时的碳浓度和成膜后的层的碳浓度一致，但由于碳在材料调整时和成膜过程中损失，因此，层的碳浓度成为比原料粉的浓度略低的值。

本实施例中的第一层、第二层的形成方法如图3所示。在第一层、第二层的形成中，使用冷喷涂法，以氮气为载气并在压力4MPa、被处理材料温度400℃、喷嘴距离20mm的条件下形成第一层、第二层。当加热被处理材料时，粉体易于附着，而进一步提高层间的密合性。然后，变更原料粉，通过同条件的冷喷涂法形成第二层。然后，为了使载持于不锈钢粉B的石墨粉在各层中固溶，实施800℃·30分钟的热处理，并以每秒100℃以上进行骤冷，由此形成钢铁部件100。

比较例1

在实施例1的结构中，将第一层的碳浓度设为0.8wt.％，通过冷喷涂法形成，不形成第二层。其它形成条件与实施例1相同。

实施例1的部件中，在钢铁部件100的表面得到厚度约为1mm、维氏硬度(Hv)为920且在法列克司(FALEX)试验后也没有层间剥离的密合性优异的表面处理层。但是，比较例1的部件中，在被处理材料101与第一层102之间发现微小的剥离，密合性产生问题。

[表1]

实施例2

本实施例中，表示将钢铁部件100设为旋转轴部件的实施例。本实施例中的钢铁部件100的示意图如图4所示。本实施例的钢铁部件100使用直径30mm、长度300mm的铬钼钢(JIS标准：SCM415，大同特殊钢制，0.15wt.％)的被处理材料101。在被处理材料的前端部成膜第一层102、第二层103、第三层104。

将图4中标注的A－A’的截面示意图表示在图5中。截面图表示到C－C’。在被处理材料101的前端部形成有第一层102、第二层103、第三层104，距前端100mm的部位全部为三层，但从100mm到110mm的部位仅形成第一层101和第二层102，在从110mm到120mm的范围仅形成第一层101。此外，图4是用于容易区分各层的示意图，实际成膜的厚度如后面所示的表2。

这些各层中，将以与被处理材料101同标准的铬钼钢粉(SCM415，EPSONATMIXCORPORATION)为原料的铬钼钢粉A和仅将铬钼钢粉A的碳浓度提高至2.0wt.％的铬钼钢粉B两种粉末以限定的重量比混合，由此，形成各自的原料粉。本实施例中，将第一层102的原料粉以碳浓度成为0.4wt.％(铬钼钢粉A﹕铬钼钢粉B＝86﹕14(重量比))的方式混合，将第二层103的原料粉以碳浓度成为0.6wt.％(铬钼钢粉A﹕铬钼钢粉B＝76﹕24(重量比))的方式混合，将第三层103的原料粉以碳浓度成为0.8wt.％(铬钼钢粉A﹕铬钼钢粉B＝65﹕35(重量比))的方式混合，并利用V型混合机均匀地混合，由此，形成各层的原料粉。

本实施例中的第一层、第二层、第三层的形成方法如图6所示。各层的形成使用等离子喷镀法。按照第一层、第二层、第三层的顺序变更原料粉并在同条件下成膜。本结构中，部分形成各层，因此，一边将预热至400℃的被处理材料101旋转，一边使喷镀喷嘴106在被处理材料101上扫描，如图6那样在期望的部位部分形成各层。

实施例3

在实施例2的结构中，将第三层的原料粉的碳浓度设为1.0wt.％(铬钼钢粉A﹕铬钼钢粉B＝54﹕46(重量比))，并通过等离子喷镀法形成。其它形成条件与实施例2相同。

比较例2

在实施例2的结构中，将第一层的原料粉的碳浓度设为0.8wt.％(铬钼钢粉A﹕铬钼钢粉B＝65﹕35(重量比))，并通过等离子喷镀法形成，不形成第二层、第三层。其它形成条件与实施例2相同。

比较例3

在实施例2的结构中，将第三层的原料粉的碳浓度设为1.1wt.％(铬钼钢粉A﹕铬钼钢粉B＝49﹕51(重量比))，并通过等离子喷镀法形成。其它形成条件与实施例2相同。

关于实施例2、3和比较例2、3中得到的钢铁部件100，通过机械研磨、抛光研磨进行平滑化，使得表面粗糙度(Ra)为1.0μm以下，之后，对于第三层103的成膜部，在润滑油中实施基于ASTM－D－3233的法列克司试验。切断法列克司试验后的钢铁部件100，将各层厚度、利用电子射线显微分析仪(岛津制作所)测定的平均碳浓度、利用光学显微镜确认的层间剥离的有无和最表面的层的表面粗糙度(Ra)、利用显微维氏硬度计(岛津制作所)测定的截面维氏硬度表示在表2中。

实施例2、3的部件中，在钢铁部件100的表面得到厚度约为1mm、维氏硬度(Hv)为930以上且在法列克司试验后也没有层间剥离的密合性优异的表面处理层。确认到各试样中的表面处理层均未发现晶界上的网眼状渗碳体的析出，未产生过浸碳。

另一方面，比较例2的部件中，在被处理材料101与第一层102之间发现微小的剥离，密合性产生问题。另外，在比较例3的条件下确认到，法列克司试验后的表面粗糙度比其它的大，由于磨损产生损伤。组织观察的结果是，在晶界上发现析出钢铁材料的过共析钢中特有的网眼状渗碳体，并确认到过浸碳的产生部发生损伤。

根据以上的各评价，可以确认到本发明公开的结构的钢铁部件具有表面硬度、与被处理材料的密合性优异的表面处理层。本项中表示将旋转轴作为机械零件的实施例，但当然可以适用于其它驱动零件、齿轮、轴承等各种机械零件。

[表2]

符号说明

100钢铁部件

101被处理材料

102第一层

103第二层

104第三层

105喷涂喷嘴

106喷镀喷嘴

Claims

1.一种钢铁部件，其特征在于：

在钢铁制的被处理材料的至少一部分叠层有碳浓度比所述被处理材料高且为1.0wt.％以下的多个层，所述多个层中最表面层的碳浓度最高。

2.如权利要求1所述的钢铁部件，其特征在于：

所述多个层为三层以上。

3.如权利要求1所述的钢铁部件，其特征在于：

所述被处理材料具备叠层有所述多个层的部位和未叠层所述多个层的部位。

4.如权利要求1所述的钢铁部件，其特征在于：

所述多个层从所述被处理材料侧依次叠层第一层、第二层，所述第一层具备叠层有所述第二层的部位和未叠层所述第二层的部位。

5.一种钢铁部件的制造方法，其特征在于：

至少包括：

在钢铁制的被处理材料的至少一部分，喷雾包含碳的粉体，形成碳浓度比所述被处理材料高的第一层的工序；和

在所述第一层的至少一部分，喷雾包含碳的粉体，形成碳浓度比所述第一层高的第二层的工序，

包含所述第一层和所述第二层的多个层的碳浓度为1.0wt.％以下。

6.如权利要求5所述的钢铁部件的制造方法，其特征在于：

包括在所述第二层的至少一部分，喷雾包含碳的粉体，形成碳浓度比所述第二层高的第三层的工序。

7.如权利要求5所述的钢铁部件的制造方法，其特征在于：

一边加热所述被处理材料，一边形成所述多个层。