CN105593394B - 钢构件的氮化处理方法 - Google Patents
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Abstract
进行第一氮化处理工序，在该第一氮化处理工序中，在可生成γ’相或者ε相的氮化化合物层的氮势的氮化气气氛中对钢构件进行氮化处理，其后，进行第二氮化处理工序，在该第二氮化处理工序中，在氮势比第一氮化处理工序的氮势低的氮化气气氛中对钢构件进行氮化处理，由此，使氮化化合物层中析出γ’相。能够在被处理零件整体上均匀地生成所期望的相态的氮化化合物层，制造出具有高的耐点蚀性和弯曲疲劳强度的氮化钢构件。
Description
技术领域
(关联申请的相互参照)
本申请基于2013年9月30日在日本提出的特愿2013-204786号特许申请主张优先权，在此援引其内容。
本发明涉及通过氮化处理在钢构件的表面形成氮化化合物层的钢构件的氮化处理方法。
背景技术
对于汽车用的变速器所使用的齿轮等钢构件，要求高的耐点蚀性和弯曲疲劳强度，为了满足这样的要求，作为使齿轮等钢构件强化的技术方法，通过渗碳处理、氮化处理对其进行高强度化。
并且，已知的是，例如像专利文献1中所记载的那样，以往，为了提高钢构件的耐点蚀性、弯曲疲劳强度，通过氮化处理在表面生成以γ’相为主成分的氮化铁化合物层是有效的。
此外，专利文献2中记载了一种氮化处理方法，这种氮化处理方法作为能够在短时间内使钢铁构件从表层到深部均匀地含氮的氮化处理方法，在加热炉内例如在100％的NH3气氛下进行氮化处理之后，在NH3气浓度比其低的例如50％、N2气浓度50％的状态下进行氮化处理。
【专利文献】
专利文献1：日本特愿2012-095035号公报
专利文献2：日本特开2007-238969号公报
发明内容
发明要解决的问题
为了在表层生成γ’相，必须将氮化处理时的炉内的NH3分压降低，但是在专利文献1中所记载的方法中，为了均匀地形成氮化化合物层，有必须使炉内的氮化处理气的流速在1m/sec以上这样的限制。此外，如果是形状复杂的零件，难以使零件的各个位置都均匀地生成氮化化合物层。而且，在大量生产时，批次内的氮化化合物层的厚度偏差大，生产性上有问题。
此外，专利文献2中记载的氮化处理方法中，虽然记载了在短时间内均匀地进行氮化，但是这个方法中并未提及化合物的相变等问题。
本发明的目的是提供一种氮化钢构件的制造方法，这种制造方法没有风速的限制，即使是大量的被处理零件，也能在全部被处理零件上均匀地生成所期望的相态的氮化化合物层，成为具有高的耐点蚀性和弯曲疲劳强度的氮化钢构件。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，本发明提供一种钢构件的氮化处理方法，该氮化处理方法的特征在于，进行第一氮化处理工序，在该第一氮化处理工序中，在可生成γ’相或者ε相的氮化化合物层的氮势的氮化气气氛中对所述钢构件进行氮化处理，之后，进行第二氮化处理工序，在该第二氮化处理工序中，在比所述第一氮化处理工序的氮势低的氮势的氮化气气氛中对所述钢构件进行氮化处理，由此，使所述氮化化合物层析出γ’相，所述第一氮化处理工序可以在氮势为0.6～1.51的氮化气气氛中进行，所述第二氮化处理工序可以在氮势为0.16～0.25的氮化气气氛中进行。
也可在所述第一氮化处理工序中，向进行气体氮化处理的加热室内导入NH3气体，通过调整H2气体的流量进行控制，使得氮势成为0.6～1.51，在所述第二氮化处理工序中，以比所述第一氮化处理工序低的流量向进行气体氮化处理的加热室内导入NH3气体，通过调整H2气体的流量进行控制，使得氮势成为0.16～0.25。
在所述第一氮化处理工序和所述第二氮化处理工序中，所述加热室内的温度也可以维持在520℃～610℃。
所述第一氮化处理工序和所述第二氮化处理工序中的温度差也可以在50℃以内。
所述第一氮化处理工序和所述第二氮化处理工序中的温度也可以相同。
发明的效果
根据本发明，不受风速的限制，即使是大量的被处理零件，也能在全部被处理零件上均匀地生成所期望的相态的氮化化合物层，制造出具有高耐点蚀性和弯曲疲劳强度的氮化钢构件。
附图说明
图1是表示热处理装置的构成之例的说明图。
图2是氮化处理的工序说明图。
图3是表示利用KN和温度生成的化合物的相的图。
具体实施方式
以下将参照附图说明本发明的实施方式。
本发明是通过对钢构件进行气体氮化处理，在钢构件(母材)的表面形成以γ’相为主成分的氮化铁化合物层。
对作为被处理物的钢构件实施的氮化处理是利用例如图1所示那样的热处理装置1进行的。如图1所示，热处理装置1具有搬入部10、加热室11、冷却室12和搬出输送机13。在被置于搬入部10的箱体20内，收纳有由例如用于自动变速器的齿轮等机械构造用碳钢钢材或者机械构造用合金钢钢材构成的钢构件。加热室11的入口侧(图1中左侧)安装有入口罩22，入口罩22具有可自由开关的门21。
加热室11内设有加热器25。向加热室11内导入由N2气、NH3气、H2气构成的氮化处理气，用加热器25将该氮化处理气加热到规定的温度，对被搬入到加热室11内的钢构件进行氮化处理。加热室11的顶部上安装有风扇26，风扇26对加热室11内的处理气进行搅拌，使钢构件的加热温度均匀化。加热室11的出口侧(图1中右侧)安装有可自由开关的中间门27。
冷却室12中设有升降机30，升降机30使收纳有钢构件的箱体20进行升降。冷却室12的下部设有贮存有冷却用的油31的油槽32。冷却室12的出口侧(图1中右侧)安装有出口罩36，出口罩36具有可自由开关的门35。
在该热处理装置1中，收纳有钢构件的箱体20被推送器等从搬入部10搬入到加热室11内。另外，进行氮化处理之前，为了除去被处理材料(氮化钢构件)的污垢、油，优选进行前清洗。前清洗优选为，例如用烃系清洗液将油等溶解置换并使之蒸发而进行脱脂干燥的真空清洗、用碱系清洗液进行脱脂处理的碱清洗等等。
然后，收纳有经过如此前处理的钢构件的箱体20被搬入到加热室11内之后，向加热室11内导入处理气。而且，用加热器25将被导入到加热室11内的处理气加热到规定的温度，利用风扇26搅拌处理气的同时对搬入到加热室11内的钢构件进行氮化处理。图1的热处理装置是一个例子，也可以将加热室与冷却室设为同一空间的处理室，利用气体对热处理后的钢构件进行空冷。此外，还可以将加热室分为二个，在不同的加热室中进行下文将叙述的二阶段的氮化处理工序。
图2表示氮化处理工序的一个实施方式，以下将参照图2对氮化处理进行说明。在装入钢构件之前，将例如N2气以30L/min、NH3气以120L/min导入加热室11内，将加热室11内保持在600℃。由于在打开门21装入钢构件的时候，加热室11内的温度下降，所以在继续N2气以30L/min、NH3气以120L/min导入的状态下，利用加热器25使加热室11内升温至600℃的氮化处理温度。此时，使风扇26以例如1000rpm的转速转动以便将加热室11内均匀地加热。
在加热室11内达到氮化处理温度、例如600℃之后，首先，为了促进氮化化合物层在钢构件的表层的初期生成，在氮势KN高的气氛中进行第一氮化处理工序。另外，氮势KN通过NH3气的分压P(NH3)与H2气的分压P(H2)的比率，以周知的下列公式(1)进行表示。
KN＝P(NH3)/P(H2)3/2……(1)
在对钢构件进行氮化处理的工序中，将加热室11内的NH3气的分压P(NH3)、H2气的分压P(H2)控制在规定的范围。这些气体分压可以通过如下方法进行控制：用红外吸收法对加热室11内气氛的NH3气进行分析，利用高耐蚀热导法对H2气进行分析，一边对各分析值进行在线分析，一边自动调整供给到加热室11的H2气的流量。在第一氮化处理工序，例如，如图2所示，将导入到加热室11内的NH3气设为120L/min，通过调整H2气的流量，对氮势KN进行控制，使其成为规定值。然后，利用加热器25对加热室11内进行加热，保持例如60分钟、600℃，对钢构件进行氮化处理。第一氮化处理工序中的氮势KN优选为0.6～1.51。
第一氮化处理工序之后，在将氮势KN降低后的气氛中，进行用于形成所期望的相态的氮化化合物层的第二氮化处理工序。在第二氮化处理工序，例如，如图2所示，将导入到加热室11内的NH3气设为60L/min，通过调整H2气的流量，控制氮势KN，使其成为规定值。然后，利用加热器25对加热室11内进行加热，保持例如60分钟、600℃，对钢构件进行氮化处理。第二氮化处理工序中的氮势KN优选为0.16～0.25。
在进行氮化处理期间，使加热室11内的风扇以例如1800rpm的转速转动，使氮化处理气均匀扩散。图2所示的氮化处理时间仅为一个例子，而并不限于此。
另外，氮化处理时的加热室11内的温度因被处理构件而异，例如如果是由机械构造用碳钢材或者机械构造用合金钢材构成的钢构件，则优选维持在520℃～610℃。氮化处理温度越高生产性越好，但是如果高于610℃，则有引起被处理构件软化、应变增大等的可能性。如果低于520℃，则氮化铁化合物层的形成速度变缓在成本上不甚令人满意。此外，第一氮化处理工序和第二氮化处理工序的处理温度的差小的话，能够极力减小被处理构件间的温度偏差进行氮化处理，能够抑制被处理构件的氮化品质偏差。两处理工序的温度差优选控制在50℃以内，进一步优选在30℃以内，更加优选为同一温度。
第二氮化处理工序结束后，进行冷却工序。图2表示进行气体冷却情况的一个例子，冷却用的N2气被供给到处理室内。该气体冷却进行例如60分钟。然后，冷却结束后，收纳有钢构件的箱体20被搬出到搬出输送机13上。这样一来，氮化处理结束。另外，冷却工序中的冷却方法，除了气体冷却、图1所示的油冷以外，还可以用空冷、水冷等方法进行。
图3表示利用氮势KN与处理温度形成的氮化化合物层的相态，画有剖面线的范围是γ’相及ε相的氮化化合物层生成区域。在氮化处理工序中，例如在第一氮化处理中，将温度及KN值控制在图3的A点而使得在氮化初期生成ε+γ’相，在第二氮化处理中，如图3的B点所示，通过将温度保持在固定温度下降低KN值，能够在氮化后期相变为γ’相。由此，能够抑制钢构件内、批次内的氮化化合物的生长偏差，得到例如40％以上的γ’相。如果温度、KN值低于图3所示的氮化化合物层生成区域，则不能形成所期望的相的氮化化合物层，如果温度、KN值过高，则不能生成γ’相。
此外，例如，也可以是，在第一氮化处理工序中，像图3的C点那样，在低温下提高氮势KN使得在氮化初期生成ε+γ’相，在第二氮化处理工序中如图3的B点所示使温度上升且KN降低，在氮化后期相变为γ’相。也可以在第一氮化处理工序中生成γ’相或者ε相中的任意一者。
通过以这样的条件进行氮化处理，能够得到表面具有以γ’相为主成分的氮化铁化合物层的氮化钢构件。如此得到的钢构件，内部形成有氮扩散层及氮化物而被强化，并且表面形成有富含γ’相的氮化铁化合物层，具有充分的耐点蚀性和弯曲疲劳强度。
本发明不像以往的氮化处理方法那样在长时间或者控制着风速的条件下进行NH3分压比低的氮化处理，通过在氮化处理的初期使NH3分压比高，来促进氮化化合物层的初期生成，其后通过进行NH3分压比低的氮化处理，来控制氮化化合物的形态。由此，能够使所期望的相态的化合物层在被处理零件的各个位置都均匀，此外能够大量、不受风速限制地进行生产。
此外，与渗碳、碳氮共渗处理相比较，由于本发明的氮化处理是在奥氏体相变温度以下的处理，所以应变量小。此外，由于可以省去作为渗碳与碳氮共渗处理中所必须的工序的淬火工序，所以应变偏差量也小。其结果是，能够得到高强度且低应变的氮化钢构件。
以上关于本发明的优选实施方式进行了说明，但是本发明并不限定于这样的例子。很显然，在权利要求书所记载的技术思想范畴内，本领域技术人员能够想到各种变更例或者修正例，这些应当被理解为当然属于本发明的技术范围。
【实施例】
将作为钢构件的圆筒状的环形齿轮及有底圆筒状的环形齿轮作为被处理物，进行了氮化处理。
实施例1及比较例1针对圆筒状的环形齿轮进行了氮化处理。分别在8段的夹具上以平置姿势载放了数量为320的构件。实施例1中，作为第一氮化处理工序，在KN＝1.03的气氛中进行了10分钟的氮化处理，作为第二氮化处理工序，在KN＝0.24的气氛中进行了110分钟的氮化处理。比较例1在KN＝0.25的气氛中进行了120分钟的氮化处理。氮化处理的条件及结果示于表1。另外，温度条件按图2所示进行了设定。
【表1】
优选的是，采用本发明进行了氮化处理的钢构件中所生成的富含γ’相的氮化化合物层的厚度为4μm～16μm。若小于4μm，则过薄，疲劳强度的提升不充分。另一方面，如果超过16μm，则由于γ’相的氮扩散速度迟缓，γ’相中的氮浓度变高，ε相的比例增加，氮化化合物层整体变脆，所以容易发生剥离，不能期待疲劳强度的提升。将这个4μm～16μm的优选的范围作为上限制及下限值而计算出的、实施例1的工艺能力指数Cp(6σ)为3.45，这与比较例1相比是极高的结果。工艺能力指数是将工艺能力进行了数值化而得到的，是用6σ(σ：标准偏差)除规格宽度所得的值。只要Cp≥1.33即有充分的工艺能力，制品的99.9％以上将落入规格内。
实施例2～8、比较例2针对有底圆筒状的环形齿轮进行了氮化处理。分别在8段的夹具上以底朝下的姿势载放了数量为320的构件。在实施例2～8中，在第一氮化处理工序及第二氮化处理工序中分别将NH3气的流量设定为120L/min、60L/min，通过调整H2气的流量，在第一氮化处理工序中将KN控制在了0.60～1.51的范围，在第二氮化处理工序中将KN控制在了0.16～0.25的范围。实施例2～8的第一及第二氮化处理工序各自分别进行了60分钟。比较例2与比较例1同样地，在KN＝0.25的气氛中进行了120分钟的氮化处理。氮化处理的条件及结果示于表2。另外，温度条件按图2所示进行了设定。
【表2】
实施例2～8均能得到40％以上的γ’相，工艺能力指数Cp(6σ)落在了1.57～2.82的范围。另一方面，比较例2的化合物层厚度在批次内的偏差的方面超出了规格，在工业上是不通过的。此外，由于比较例1是简单形状的圆环，炉内风速也是健全的，是本发明的实施例进一步增加了工业上的可靠性。
像以上那样，根据本发明的实施例，能够得到这样的的氮化钢构件：在内部形成氮扩散层及氮化物而被强化，并且在表面形成富含γ’相的氮化铁化合物层，具有足够的耐点蚀性和弯曲疲劳强度。此外，由于是在奥氏体相变温度以下的氮化处理，应变量小，而且由于能够省去淬火工序，所以应变的偏差量也小。因此，通过实施本发明，能够获得了高强度且低应变的氮化钢构件。
产业上的可利用性
本发明对于钢的氮化技术是有用的。
附图标记说明
1 热处理装置
10 搬入部
11 加热室
12 冷却室
13 搬出输送机
20 箱体
21 门
22 入口罩
26 风扇
30 升降机
31 油
32 油槽
35 门
36 出口罩
Claims (5)
1.一种钢构件的氮化处理方法，其特征在于，
进行第一氮化处理工序，在该第一氮化处理工序中，在可生成γ’相或者ε相的氮化化合物层的氮势的氮化气气氛中对所述钢构件进行氮化处理，之后，进行第二氮化处理工序，在该第二氮化处理工序中，在氮势比所述第一氮化处理工序的氮势低的氮化气气氛中对所述钢构件进行氮化处理，由此，使所述氮化化合物层析出γ’相，
所述第一氮化处理工序在氮势为0.6～1.51的氮化气气氛中进行，所述第二氮化处理工序在氮势为0.16～0.25的氮化气气氛中进行。
2.根据权利要求1中记载的钢构件的氮化处理方法，其特征在于，
在所述第一氮化处理工序中，向进行气体氮化处理的加热室内导入NH3气体，通过调整H2气体的流量进行控制，使得氮势成为0.6～1.51，
在所述第二氮化处理工序中，以比所述第一氮化处理工序低的流量向进行气体氮化处理的加热室内导入NH3气体，通过调整H2气体的流量进行控制，使得氮势成为0.16～0.25。
3.根据权利要求2所述的钢构件的氮化处理方法，其特征在于，
在所述第一氮化处理工序和所述第二氮化处理工序中，所述加热室内的温度维持在520℃～610℃。
4.根据权利要求3所述的钢构件的氮化处理方法，其特征在于，
所述第一氮化处理工序和所述第二氮化处理工序中的温度差在50℃以内。
5.根据权利要求4所述的钢构件的氮化处理方法，其特征在于，
所述第一氮化处理工序和所述第二氮化处理工序中的温度相同。
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