CN105555981A - 机械结构部件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种带齿部件，其是以包含如下成分组成的钢作为原材料通过实施冷锻和渗碳处理而得到的，所述钢的成分组成为：以质量％计，含有C：0.10％～0.35％、Si：0.01％～0.13％、Mn：0.30％～0.80％、P：0.03％以下、S：0.03％以下、Al：0.01％～0.045％、Cr：0.5％～3.0％、B：0.0005％～0.0040％、Nb：0.003％～0.080％和N：0.0080％以下，将作为杂质混入的Ti抑制为0.005％以下，余量为Fe和不可避免的杂质。在渗碳处理后的奥氏体粒径方面，使50μm以下的晶粒的面积率为80％以上、并且使大于300μm的晶粒的面积率为10％以下，在渗碳处理后的齿的螺旋线总偏差方面满足下式(1)，由此制成具有优异的尺寸精度的带齿的机械结构用部件。(Bmax/L)×103≤5…(1)。其中，Bmax为全部齿中的最大螺旋线总偏差(mm)，L为齿宽(mm)。

Description

机械结构部件及其制造方法
技术领域
本发明涉及在建筑产业机械、汽车的领域中使用的齿轮、花键等带齿的机械结构部件(表面硬化钢部件)及其制造方法。
背景技术
对于像汽车的动力传递部件(例如在传动装置的终传齿轮、驱动轴等中使用的齿轮或花键等带齿部件)这样的反复承受应力的部件，不仅要求优异的动力传递效率，还要求高疲劳强度、低噪音等特性，因此部件间的接触部的尺寸精度的提高受到重视。
以往，要求高尺寸精度的部件通过机械切削来成型，但存在加工时间长且制造成本高的缺点。因此，近年来，多数情况下采用成型后的尺寸精度优异的冷锻。另外，对于通过热锻成型的部件与通过冷锻成型的部件而言，最终部件的特性不同，冷锻得到的部件由于形成有锻件纤维流线，有时显示出优异的部件特性。
例如，专利文献1中提出了一种齿状部件的制造方法，其中，通过冷锻进行初始齿状的拉伸成型，之后，通过冷锻以使齿尖自初始齿状突出的方式进行成型。
另外，专利文献2中提出了一种制造方法，其中，将插入在模具中的原材料利用冲头和顶杆以规定的加压力夹持，在夹持的状态下使上述冲头旋转，同时对该冲头施加大于顶杆加压力与成型加压力之和的轴向的加压力而进行成型，由此，即使是扭转角大的部件，也能够提高成型精度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-102821号公报
专利文献2：日本特开2002-96139号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在专利文献1所记载的齿状成型后对齿尖进行成型的方法中，在齿状成型的阶段在齿的表面附近导入了相当大的加工应变，钢原材料发生加工硬化而使塑性变形能力降低，在后续的齿尖成型时无法产生充分的金属流动，因此，有时无法精度良好地成型为规定尺寸。
另外，在专利文献2所记载的制造方法中，在冷锻后需要进行精制机械加工，无法避免制造成本的相应升高。
本发明是鉴于上述实际情况而开发的，其目的在于，通过将最佳的冷锻用原材料与冷锻进行组合从而提供具有优异的尺寸精度和疲劳强度的齿轮或花键等带齿的机械结构部件。
另外，本发明的目的还在于提供上述带齿机械结构部件的有利的制造方法。
用于解决课题的手段
本发明人为了达成上述目的，对于冷锻用原材料和冷锻方法反复进行了深入研究。
结果发现，对于适合的冷锻用原材料成分，通过组合、控制适当的冷锻方法，可使利用冷锻制造的带齿部件的尺寸精度与以往相比显著提高。并且，得到了如下见解：通过提高齿的尺寸精度，能够大幅降低以往令人担忧的噪音，进而通过阻止渗碳处理后的奥氏体晶粒的粗大化，可实现疲劳强度的有利的提高。
本发明是立足于上述见解的发明。
即，本发明的要点构成如下所述。
1.一种机械结构部件，其为以包含如下成分组成的钢作为原材料通过冷锻和渗碳处理得到的带齿部件，其中，在渗碳处理后的奥氏体粒径方面，使50μm以下的晶粒的面积率为80％以上、并且使大于300μm的晶粒的面积率为10％以下，在渗碳处理后的齿的螺旋线总偏差方面满足下述式(1)，
(Bmax/L)×103≤5···(1)
其中，Bmax为全部齿的最大螺旋线总偏差(mm)，
L为齿宽(mm)；
上述钢的成分组成为：以质量％计，含有
C：0.10％～0.35％、
Si：0.01％～0.13％、
Mn：0.30％～0.80％、
P：0.03％以下、
S：0.03％以下、
Al：0.01％～0.045％、
Cr：0.5％～3.0％、
B：0.0005％～0.0040％、
Nb：0.003％～0.080％、和
N：0.0080％以下，
将作为杂质混入的Ti抑制为0.005％以下，
余量为Fe和不可避免的杂质。
2.如上述1所述的机械结构部件，其中，上述钢原材料以质量％计进一步含有选自Sb：0.0003～0.50％和Sn：0.0003～0.50％中的1种或2种。
3.一种机械结构部件的制造方法，在将包含上述1或2所述的成分组成的钢原材料通过退火和冷锻制成带齿部件后实施渗碳处理而制造机械结构部件时，
使齿成型时的截面减小率为下述式(2)的范围，
19％≤{(A-π×(d/2)2)/A}×100≤70％···(2)
其中，A为齿成型前的截面积(mm2)，
d为带齿部件的节圆直径(mm)。
4.如上述3所述的机械结构部件的制造方法，其中，使齿成型前的退火为2次以内。
发明的效果
根据本发明，通过最佳的冷锻原材料与冷锻方法的组合，能够得到具有优异尺寸精度的带齿的机械结构部件，其结果，能够实现低噪音化、以及高疲劳强度化。
附图说明
图1是示出渗碳热处理条件的图。
图2是示出退火条件的图。
具体实施方式
以下，具体地对本发明进行说明。
首先，对本发明中将钢原材料的成分组成限定为上述范围的理由进行说明。需要说明的是，若无特别说明，则涉及成分的“％”表示是指“质量％”。
C：0.10％～0.35％
为了通过对冷锻品实施的渗碳处理后的淬火而在煅造品中心部得到充分的硬度，需要0.10％以上的C，但C的含量超过0.35％时，中心部的韧性会劣化，因此将C量限定为0.10％～0.35％的范围。需要说明的是，从韧性的方面出发，优选为0.25％以下、更优选为0.20％以下。
Si：0.01％～0.13％
Si作为脱氧剂有用，至少需要添加0.01％。但是，Si在渗碳表层优先发生氧化，不仅会促进晶界氧化，还会将铁素体固溶强化、提高变形阻力从而使冷锻性劣化，因此将上限设定为0.13％。优选为0.02％～0.10％、更优选为0.02％～0.09％的范围。
Mn：0.30％～0.80％
Mn是对提高淬火性有效的元素，至少需要添加0.30％。但是，Mn的过量添加会招致固溶强化所引起的变形阻力的升高，因此将上限设定为0.80％。优选为0.60％以下、更优选为0.55％以下。
P：0.03％以下
P偏析于晶界而使韧性降低，因此P的混入越低越优选，但可容许至0.03％。优选为0.025％以下。需要说明的是，对于下限即使不特别限定也没有问题，但是不必要的低P化会招致精炼时间的延长和精炼成本的升高，因此可以设定为0.010％以上。优选为0.013％以上。
S：0.03％以下
S以硫化物系夹杂物的形式存在，是对提高切削性有效的元素，但过量的添加会招致冷锻性的降低，因此将上限设定为0.03％。另外，对于下限没有特别限定，但为了确保切削性，可以设定为0.010％以上。优选为0.012％以上。
Al：0.01～0.045％
过量的Al会将钢中的N以AlN的形式固定，由此显现出B的淬火性效果。为了使渗碳处理后的部件强度稳定化，不显现B的淬火性效果是很重要的，因此将Al量的上限设定为0.045％。另一方面，Al也是对于脱氧有效的元素，因此将下限设定为0.01％。优选为0.01％～0.040％、更优选为0.015％～0.035％的范围。
Cr：0.5％～3.0％
Cr是不仅有助于淬火性、还有助于回火并提高软化阻力、而且对于促进碳化物的球状化也有用的元素。但是，含量小于0.5％时，其添加效果不足，另一方面，超过3.0％时，会过度促进渗碳和残余奥氏体的生成，给疲劳强度带来不利影响。因此，将Cr量限定为0.5％～3.0％的范围。优选为0.7％～2.5％、更优选为1.0％～1.8％、进一步优选为1.4％～1.8％的范围。
B：0.0005～0.0040％
B具有通过在钢中与N结合而使固溶N减少的效果，因此，能够减弱由固溶N导致的冷锻时的动态应变时效，有助于降低煅造时的变形阻力。为此，需要添加0.0005％以上的B，另一方面，B量超过0.0040％时，降低变形阻力的效果饱和，反而招致韧性的降低，因此B量限定为0.0005～0.0040％的范围。优选为0.0005～0.0030％、更优选为0.0005～0.0020％的范围。
Nb：0.003～0.080％
Nb具有在钢中形成NbC、利用钉扎效应抑制渗碳处理时的奥氏体晶粒的粗粒化的效果。为了得到该效果，至少需要添加0.003％的Nb，但添加超过0.080％时，可能招致由粗大的NbC的析出引起的粗粒化抑制能力的降低和疲劳强度的劣化。因此，Nb量限定为0.003～0.080％的范围。优选为0.010～0.060％、更优选为0.015～0.045％的范围。
N：0.0080％以下
N固溶在钢中、在冷锻时产生动态应变时效、使变形阻力增大，因此是优选尽量避免混入的成分。因此将N量设定为0.0080％以下。优选为0.0070％以下、更优选为0.0065％以下。
Ti：0.005％以下
Ti是优选尽量避免混入到钢中的成分。即，Ti容易与N结合而形成粗大的TiN，并且与Nb同时添加时更容易生成粗大析出物，从而招致疲劳强度的降低，因此优选尽量避免其混入，但0.005％以下是可被容许的。优选为0.003％以下。可以为0％。
以上，对本发明的基本成分进行了说明，但在本发明中，除此之外，还可以根据需要适当含有以下的元素。
Sb：0.0003～0.50％
Sb对于抑制钢材表面的脱碳、防止表面硬度降低是有效的元素。但是，过量的添加会使冷锻性劣化，因此在0.0003％～0.50％的范围含有Sb。优选为0.0010％～0.050％、更优选为0.0015％～0.035％的范围。
Sn：0.0003～0.50％
Sn在提高钢材表面的耐腐蚀性方面是有效的元素。但是，过量的添加会使冷锻性劣化，因此在0.0003％～0.50％的范围含有Sn。优选为0.0010％～0.050％、更优选为0.0015％～0.035％的范围。
本发明中得到的带齿部件通过渗碳热处理实施了表面硬化，为了得到高疲劳强度，渗碳处理后的晶粒粒径微细这一点很重要。
即，在渗碳处理后的奥氏体粒径方面，需要使50μm以下的晶粒的面积率为80％以上，并且使大于300μm的晶粒的面积率为10％以下。优选50μm以下的晶粒的面积率为90％以上且大于300μm的晶粒的面积率为5％以下。
以上，对本发明的成分组成和组织进行了说明，在本发明的部件中，渗碳处理后的齿的螺旋线总偏差满足下式(1)是很重要的。
(Bmax/L)×103≤5···(1)
其中，Bmax为全部齿中的最大螺旋线总偏差(mm)，
L为齿宽(mm)。
上述(1)式的左边表示一个部件中的齿的精度误差的程度，该值大于5时，必然产生大的噪音。(1)式的左边的更优选的值为3以下、进一步优选为2以下。
需要说明的是，以往的钢原材料无法实现满足(1)式的这样的精度误差、即无法兼顾高的尺寸精度和充分的部件强度，这是由本发明的钢成分首次实现的。
接着，对本发明的制造方法进行说明。
本发明谋求提高齿的螺旋线精度，从而降低噪音并提高疲劳强度，为此，齿成型时的截面减小率是很重要的，使该截面减小率为满足下式(2)的范围是很重要的。
19％≤{(A-π×(d/2)2)/A}×100≤70％···(2)
其中，A为齿成型前的截面积(mm2)，
d为带齿部件的节圆直径(mm)。
即，在上述(2)式所示的截面减小率大于70％的情况下，超出了钢原材料的极限成型能力，在煅造时会发生破裂。因此，将齿成型时的截面减小率设定为70％以下。优选为60％以下。另一方面，为了通过作为冷锻的有用效果之一的锻件纤维流线的形成而实现高疲劳强度化，需要将齿成型时的截面减小率设定为19％以上。优选为25％以上。
需要说明的是，本发明中，对于冷锻条件没有特别限制，在以往公知的条件下进行即可。
在上述冷锻处理后，实施渗碳处理而制成产品，但有时在该渗碳处理后疲劳强度会发生劣化。
因此，本发明人对于这一点也反复进行了研究，结果阐明了，在产生疲劳强度劣化时，在渗碳处理后晶粒发生了粗大化。
于是，对其原因进行了考察，结果阐明了，该晶粒的粗大化与冷锻时的退火次数具有强相关性。
即，在冷锻之前或冷锻的中间进行退火的情况下，退火前的钢组织为经加工而变形的铁素体和珠光体，若进行退火，则会形成在再结晶的铁素体母相中分散有球状碳化物的组织。再结晶的铁素体非常微细，渗碳加热中的逆相变奥氏体的成核位点增大，因此渗碳初期的奥氏体微细化。极度微细化的奥氏体容易发生异常晶粒生长，因此可知，通过进行退火，晶粒容易变得粗大化。另外还确认了退火导致析出物粗大化。本来，若析出物是微细的，就能够抑制奥氏体的异常晶粒生长，但退火导致析出物粗大化时，晶界的钉扎力受损，因此难以抑制奥氏体的异常晶粒生长。越是反复进行退火，这些现象就变得越为显著，确认了该退火的次数达到3次以上时，晶粒粗大化，疲劳强度劣化。
根据本发明人的考察阐明了：在渗碳处理后的奥氏体粒径方面，使50μm以下的晶粒的面积率为80％以上且大于300μm的晶粒的面积率为10％以下，则能够得到良好的疲劳强度，但在冷锻时实施3次以上的退火时，会招致晶粒的粗大化，难以得到上述的细粒组织。
因此，为了不仅实现低噪音化、而且还一并实现高疲劳强度化，优选的是：使齿成型前的退火为2次以内，在渗碳处理后的奥氏体粒径方面，使50μm以下的晶粒的面积率为80％以上、并且使大于300μm的晶粒的面积率为10％以下。
在此，对于冷锻时的退火条件没有特别限制，在现有公知的条件下进行即可。优选的退火温度为760℃～780℃左右。
另外，对于渗碳处理条件没有特别限制，在现有公知的条件下进行即可。作为一般的处理，可以举出如下处理：在渗碳气体氛围中在900℃～960℃实施渗碳后，进行淬火，接着在120℃～250℃进行回火。
需要说明的是，渗碳时的晶粒粗大化也可以通过微细分散Al氮化物、Nb碳氮化物来抑制，但多次进行退火时，Al氮化物、Nb碳氮化物发生粗大化，结果会失去抑制渗碳时的晶粒粗大化的能力，因此优选将退火次数限制为2次以内。更优选为1次以内。
实施例
以下，根据实施例更具体地对本发明的构成和作用效果进行说明。但是，本发明并不受以下实施例的限制，也可以在能够适合于本发明的主旨的范围内进行适当变更，这些均包含在本发明的技术范围内。
<实施例1>
将表1所示的成分组成的钢熔炼，通过热轧而成型为直径39.5mm～90mm的圆棒。以所得到的圆棒作为原材料，冷锻为表2所示的渐开线齿轮形状后，在图1所示的条件下实施渗碳热处理。需要说明的是，表1中的Ti含量为0.001％或0.002％的钢未主动添加Ti，是作为杂质而混入的Ti含量。
准备用于测定奥氏体粒径的渗碳热处理后的齿轮以及供于螺旋线精度测定和疲劳试验的渗碳热处理后的齿轮，测定奥氏体粒径和螺旋线精度，进而实施疲劳试验。
将所得到的结果示于表3。
需要说明的是，渗碳热处理后的奥氏体粒径的测定如下进行：对于齿的节圆正下方的0.3mm内部、0.5mm内部、0.7mm内部、1.0mm内部的各位置，利用光学显微镜以400倍的倍率各拍摄10个视野后，对于合计40个视野，利用图像分析软件(MediaCybernetics公司制造的Image-Pro#PLUS)对50μm以下的晶粒的面积率和大于300μm的晶粒的面积率进行定量化，由此进行上述渗碳热处理后的奥氏体粒径的测定。
另外，关于螺旋线精度测定，依照JISB1702-1利用三维形状测定器从全部齿的两面侧对螺旋线总偏差进行测定，由螺旋线总偏差的最大值Bmax和齿宽L计算出式(1)的左边。
此外，关于齿轮的疲劳试验，使用动力循环式齿轮疲劳试验机以1800rpm实施齿轮的疲劳试验，求出107次的疲劳极限强度(负载转矩)，并且利用噪音计测定该强度下的噪音。需要说明的是，本试验中的疲劳强度为200N·m以上时是充分的，并且噪音为80dB以下时可称为良好。
[表1]
表1
[表2]
[表3]
表3
如表3所示，表示螺旋线精度的式(1)的左边为5以下时，能够将噪音降低至80dB以下，进一步，在使用满足本发明的成分组成的钢且式(2)的值满足19％～70％的情况下，奥氏体粒径满足上述的条件，能够得到200N·m以上的高疲劳强度。
<实施例2>
将实施例1中使用的钢A、B、C、Q、R通过热轧而成型为直径50mm的圆棒。接着，将所得到的圆棒在图2所示的条件下退火，冷锻为表2所示的渐开线齿轮形状。之后，在图1所示的条件下实施渗碳热处理。
在渗碳热处理后，进行奥氏体粒径测定和螺旋线精度测定，之后，实施疲劳试验。
将所得到的结果示于表4。
需要说明的是，冷锻时的截面减小率、渗碳热处理后的奥氏体粒径、螺旋线精度测定和疲劳试验按照与实施例1同样的方法进行。
[表4]
表4
如表4所示，在成分组成满足本发明的钢A、B、C中，通过使退火次数为1次而将式(2)的值控制为19％～70％的范围，能够得到200N·m以上的高疲劳强度。与此相对，在成分组成在本发明范围之外的钢Q、R中，即便使退火次数为1次而使式(2)的值为19％～70％的范围，也无法得到本发明中所期望的微细晶粒，因此无法得到良好的疲劳强度。
<实施例3>
将实施例1中使用的钢A、B、C、Q、R通过热轧而成型为直径45mm的圆棒。接着，将所得到的圆棒在图2所示的条件下退火，冷锻为直径50mm的圆棒。之后，再次在图2所示的条件下退火，冷锻为表2所示的渐开线齿轮形状。之后，在图1所示的条件下实施渗碳热处理。
在渗碳热处理后，进行奥氏体粒径测定和螺旋线精度测定，之后，实施疲劳试验。
将所得到的结果示于表5。
需要说明的是，冷锻时的截面减小率、渗碳热处理后的奥氏体粒径、螺旋线精度测定和疲劳试验按照与实施例1同样的方法进行。
[表5]
表5
如表5所示，与实施例2时同样，在作为本发明钢的钢A、B、C的情况下，通过使退火次数为2次而将式(2)的值控制为19％～70％的范围，能够得到200N·m以上的高疲劳强度。与此相对，在作为比较钢的钢Q、R中，即便使退火次数为2次而使式(2)的值为19％～70％的范围，也无法得到本发明中所期望的微细晶粒，因此无法得到良好的疲劳强度。
<实施例4>
将实施例1中使用的钢A、B、C、Q、R通过热轧而成型为直径40mm的圆棒。接着，将所得到的圆棒在图2所示的条件下退火，冷锻为直径45mm的圆棒后，再次在图2所示的条件下退火。之后，冷锻为直径50mm的圆棒，再次在图2所示的条件下退火后，冷锻为表2所示的渐开线齿轮形状。之后，在图1所示的条件下实施渗碳热处理。
在渗碳热处理后，进行奥氏体粒径测定和螺旋线精度测定，之后，实施疲劳试验。
将所得到的结果示于表6。
需要说明的是，冷锻时的截面减小率、渗碳热处理后的奥氏体粒径、螺旋线精度测定和疲劳试验按照与实施例1同样的方法进行。
[表6]
表6
如表6所示，在齿成型前进行了3次退火的情况下，无论成分组成如何，均无法得到良好的疲劳特性。

Claims (4)

1.一种机械结构部件，其为以包含如下成分组成的钢作为原材料通过冷锻和渗碳处理得到的带齿部件，其中，在渗碳处理后的奥氏体粒径方面，使50μm以下的晶粒的面积率为80％以上、并且使大于300μm的晶粒的面积率为10％以下，在渗碳处理后的齿的螺旋线总偏差方面满足下述式(1)，
(Bmax/L)×103≤5···(1)
其中，Bmax为全部齿中的最大螺旋线总偏差(mm)，
L为齿宽(mm)；
所述钢的成分组成为：以质量％计，含有
C：0.10％～0.35％、
Si：0.01％～0.13％、
Mn：0.30％～0.80％、
P：0.03％以下、
S：0.03％以下、
Al：0.01％～0.045％、
Cr：0.5％～3.0％、
B：0.0005％～0.0040％、
Nb：0.003％～0.080％、和
N：0.0080％以下，
将作为杂质混入的Ti抑制为0.005％以下，
余量为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的机械结构部件，其中，所述钢原材料以质量％计进一步含有选自Sb：0.0003％～0.50％和Sn：0.0003％～0.50％中的1种或2种。
3.一种机械结构部件的制造方法，在将包含权利要求1或2所述的成分组成的钢原材料通过退火和冷锻制成带齿部件后实施渗碳处理而制造机械结构部件时，
使齿成型时的截面减小率为下述式(2)的范围，
19％≤{(A-π×(d/2)2)/A}×100≤70％···(2)
其中，A为齿成型前的截面积(mm2)，
d为带齿部件的节圆直径(mm)。
4.如权利要求3所述的机械结构部件的制造方法，其中，使齿成型前的退火为2次以内。
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