CN107532252A - 表面硬化钢 - Google Patents

Abstract

本发明在较廉价的生产成本下提供疲劳特性优良的表面硬化钢。该表面硬化钢设定为如下成分组成：在规定的范围下含有C：0.10～0.30％、Si：0.10～1.20％、Mn：0.30～1.50％、S：0.010～0.030％、Cr：0.10～1.00％、B：0.0005～0.0050、Sb：0.005～0.020％和N：0.0150％以下，进而，在B‑(10.8/14)N≥0.0003％的情况下以0.010％≤Al≤0.120％含有Al、并且在B‑(10.8/14)N＜0.0003％的情况下以27/14[(N‑(14/10.8)B+0.030]≤Al≤0.120％含有Al。

Description

表面硬化钢

技术领域

本发明涉及进行渗碳淬火后再被使用的表面硬化钢，尤其涉及能够应用于汽车等的驱动传递部件的、耐疲劳性和耐冲击性优良的含硼表面硬化钢。

背景技术

在作为汽车、建筑机械、其它各种工业机械使用的机械部件中，对于要求高疲劳强度、耐磨损性的部件而言，以往实施渗碳、氮化和碳氮共渗等表面硬化热处理。在这些用途中，通常以JIS标准使用SCr、SCM、SNCM等表面硬化钢，通过锻造、切削等机械加工成形为期望的部件形状后，实施上述表面硬化热处理，然后，经过研磨等精加工工序从而制造成部件。近年来，强烈期望降低在汽车、建筑机械、其它工业机械等中使用的部件的制造成本，钢材成本的降低、加工工序的合理化和简化正在推进。其中，关于降低钢材成本，提出了各种削减了表面硬化钢中的Cr、Mo的含量的硼钢。

例如，在专利文献1中公开了一种表面硬化硼钢，其添加Ti从而以TiN的形态固定N，确保固溶B，同时能够通过TiN抑制晶粒的粗大化。

在专利文献2中提出了如下方案：对于同样的Ti添加型硼钢而言，通过调节Si、Mn、Cr的添加量，减小渗碳异常层深度，由此提高韧性。

在专利文献3中公开了一种表面硬化硼钢的制造方法，其通过添加大量Al来抑制BN的生成，并且通过利用渗碳前的热处理得到的微细的碳氮化物来防止晶粒的异常晶粒生长。

在专利文献4中公开了一种冷锻性优良的表面硬化钢，其通过添加Sb来抑制渗碳异常层的产生，并且通过Ti-Mo系的碳化物有效地抑制晶粒的粗大化。

另外，在专利文献5中公开了一种机械结构用钢及其制造方法，该机械结构用钢通过添加Sb抑制脱碳层厚度，并且具有与以往实施了软化退火的钢材同等的冷加工性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭57-070261号公报

专利文献2：日本特开昭58-120719号公报

专利文献3：日本特开2003-342635号公报

专利文献4：日本特开2012-62536号公报

专利文献5：日本特开2004-250767号公报

发明内容

发明所要解决的问题

但是，上述专利文献1～4所记载的发明均存在如下所述的问题。

首先，对于专利文献1和2所记载的技术而言，均是考虑以TiN的形态固定N从而不使B与N结合。但是，TiN以较大的矩形夹杂物形式存在于钢中，因此，其成为疲劳的起点，对于齿轮而言使点蚀等面疲劳、齿根的弯曲疲劳强度降低。另外，矩形的TiN使齿轮的耐冲击性降低，对齿轮施加冲击载荷时有可能导致齿轮折损。

在专利文献3所记载的技术中，通过微细的AlN、Nb(C，N)抑制晶粒的异常生长，因此，能够提高耐冲击特性。但是，根据渗碳条件，会发生脱硼，表层部发生软化，因此，齿面上的点蚀变得容易产生而成为问题。

在专利文献4所记载的技术中，通过添加Sb，渗碳异常层深度减小，因此，能够提高旋转弯曲疲劳特性。但是，容易形成渗碳异常层的Si、Mn和Cr的含量多时，存在如下问题：有时不能得到上述Sb的效果，结果导致疲劳强度降低。

另外，对于专利文献5所记载的技术而言，存在如下问题：因具有脱碳抑制效果的Sb与促进脱碳的Si的平衡而难以可靠地避免表层的碳的降低，不能得到期望的特性。

因此，本发明的目的在于解决上述问题，以比较廉价的生产成本提供疲劳特性优良的表面硬化钢。

用于解决问题的方法

本发明人们从上述观点出发，为了开发出耐疲劳性优良的表面硬化钢及其制造方法反复进行了深入研究。其结果发现了如下见解。

(a)与Ti固定N而生成的较大型的TiN夹杂物不同，Al固定N时生成的AlN形成微细的析出物。因此，不仅不会成为使疲劳强度、韧性降低的原因，反而通过使晶粒微细化而具有使疲劳强度、韧性提高的效果。

(b)为了在不添加Ti的情况下确保对于淬透性有效的3ppm以上的固溶B的含量，需要基于钢中的Al-B-N的化学平衡而严格地控制Al含量。

(c)B由于其反应性在渗碳时在钢材表面发生氧化、脱硼、氮化等变化，难以确保表层部的淬透性。对此，通过添加Sb能够抑制上述反应。

(d)Si、Mn和Cr对于提高抗回火软化是有效的，但过量添加时会促进弯曲疲劳和成为疲劳裂纹的起点的晶界氧化。对此，通过根据Si、Mn和Cr的含量添加Sb能够抑制上述反应。

本发明立足于上述见解。

即，本发明的主旨构成如下所述。

1.一种表面硬化钢，其特征在于，

以质量％计，在满足下述式的范围下含有：

C：0.10～0.30％、

Si：0.10～1.20％、

Mn：0.30～1.50％、

S：0.010～0.030％、

Cr：0.10～1.00％、

B：0.0005～0.0050％、

Sb：0.005～0.020％和

N：0.0150％以下，

进而，在B-(10.8/14)N≥0.0003％的情况下以0.010％≤Al≤0.120％含有Al、并且在B-(10.8/14)N＜0.0003％的情况下以27/14[(N-(14/10.8)B+0.030]≤Al≤0.120％含有Al，余量由铁和不可避免的杂质构成，

上述不可避免的杂质中的Ti为Ti：0.005％以下，

所述式为：Sb≥{Si/2+(Mn+Cr)/5}/70。

2.如上述1所述的表面硬化钢，其中，进一步以质量％计含有Nb：0.050％以下和V：0.200％以下中的任意一种或两种。

发明效果

根据本发明，能够在量产化下实现提供适合用于汽车、工业机械等的疲劳强度优良的表面硬化钢。

附图说明

图1是示出渗碳淬火和回火处理条件的图。

图2是示出小野式旋转弯曲疲劳试验片的形状的图。

具体实施方式

以下，对本发明具体地进行说明。

首先，对本发明中将钢的成分组成限定于上述范围的原因进行说明。需要说明的是，只要没有特别声明，关于成分的“％”是指质量％。

C：0.10～0.30％

为了通过渗碳处理后的淬火提高该淬火材料的中心部(以下简称为芯部)的硬度，需要0.10％以上的C。另一方面，含量超过0.30％时，芯部的韧性降低。因此，C量限定为0.10～0.30％的范围。优选为0.15～0.25％的范围。

Si：0.10～1.20％

Si对于提高齿轮等转动中推定到达的200～300℃的温度范围内的抗软化而言是有效的元素。另外，还具有在渗碳时抑制粗大的碳化物的生成的效果，至少添加0.10％是必不可少的。另一方面，Si是铁素体稳定化元素，过量添加使Ac₃相变点升高，在通常的淬火温度范围内在碳含量低的芯部铁素体变得容易出现，齿根的弯曲疲劳强度降低，因此，将上限设定为1.20％。优选为0.20～0.60％的范围。

Mn：0.30～1.50％

Mn对于提高淬透性而言是有效的元素，需要至少添加0.30％。但是，Mn容易形成渗碳异常层，并且过量的添加使得残余奥氏体量过多而导致硬度的降低，因此将上限设定为1.50％。优选为0.50～1.20％的范围。

S：0.010～0.030％

S与Mn形成硫化物，具有提高切削性的作用，因此，至少含有0.010％以上。另一方面，过量的添加使得部件的疲劳强度和韧性降低，因此将上限设定为0.030％。

Cr：0.10～1.00％

Cr不仅对于提高淬透性而且对于提高抗回火软化也是有效的元素，含量小于0.10％时，其添加效果差。另一方面，超过1.00％时，容易形成渗碳异常层。此外，淬透性变得过高，齿轮内部的韧性劣化，弯曲疲劳强度降低。因此，将Cr量限定为0.10～1.00％的范围。优选为0.10～0.60％的范围。

B：0.0005～0.0050％

B对于通过微量的添加来确保淬透性而言是有效的元素，需要至少添加0.0005％。另一方面，超过0.0050％时，BN的量增加，使得部件的疲劳强度和韧性降低，因此，B量限定为0.0005～0.0050％的范围。优选为0.0010～0.0040％的范围。

Sb：0.005～0.020％

Sb向晶界的偏析倾向强，因此，是用于抑制渗碳处理中的脱硼、氮化(BN形成)等表层反应、确保淬透性的重要元素。为了得到该效果，至少添加0.005％是必不可少的。但是，过量的添加不仅导致成本增加，而且使得韧性降低，因此将上限设定为0.020％。优选为0.005～0.015％的范围。

此外，对于Sb，使其满足关于上述Si、Mn和Cr的含量的下式、即Sb≥{Si/2+(Mn+Cr)/5}/70的关系很重要。即，上式表示对晶界氧化层深度带来影响的因子，Sb不满足关于Si、Mn和Cr含量的规定值的情况下，晶界氧化的抑制效果差，导致疲劳特性的降低。

在此，晶界氧化是指在渗碳处理等热处理中钢材的表层部的晶界发生内部氧化的现象，在钢中存在有容易选择氧化的Si、Cr等时，促进其生成。在晶界氧化部中上述元素由于氧化而被消耗，因此，硬度随着周围部的淬透性降低而降低，容易发生以此作为起点的疲劳破坏。在本发明中，通过根据Si、Mn、Cr的含量按照如上述式的右边所示限定具有晶界氧化的抑制作用的Sb的添加量的下限，能够确保表层中的淬透性，能够抑制疲劳强度的降低。

N：0.0150％以下

N是与Al结合形成AlN从而有助于奥氏体晶粒的微细化的元素。为此，优选以0.0030％以上添加。但是，过量添加时，不仅难以确保固溶B，而且在凝固时的钢块中会产生气泡、或者导致锻造性的劣化，因此将上限设定为0.0150％。

Al的含量根据B量如下所述进行规定。

在B-(10.8/14)N≥0.0003％的情况下：0.010％≤Al≤0.120％

Al是作为脱氧剂所必须的元素，同时在本发明中是用于确保固溶B的必要元素。在此，“B-(10.8/14)N”表示从所含有的B中减去以化学计量与N结合的B量后的余量的B量(以下也称为固溶B量)。

该固溶B量为0.0003％以上时，能够确保提高淬透性所需的固溶B。在这种情况下，Al含量小于0.010％时，脱氧不充分，导致因氧化物系夹杂物引起的疲劳强度的降低。另一方面，添加超过0.120％的Al时，因连续铸造时喷嘴堵塞的发生、氧化铝团簇夹杂物的出现，导致韧性的降低。因此，固溶B量为0.0003％以上时，Al含量设定为0.010％以上且0.120％以下的范围。

在B-(10.8/14)N＜0.0003％的情况下：27/14[(N-(14/10.8)B+0.030]≤Al≤0.120％

对于上述，固溶B量小于0.0003％的情况下，只要没有其他容易与N结合的合金元素，N的全部量与B结合，因此难以确保固溶B。

这种情况下，需要增加与N比较容易结合的Al的量，确保有助于提高淬透性的固溶B量。为此，将Al含量设定为27/14[(N-(14/10.8)B+0.030]％以上来确保0.0003％以上的固溶B量。需要说明的是，Al的上限与上述同样地设定为0.120％。

上述成分的余量为铁和不可避免的杂质，该杂质中Ti需要按照如下所示的上限进行抑制。

Ti：0.005％以下

Ti与N的结合力强，形成TiN。但是，TiN以较大的矩形的夹杂物的形式存在于钢中，因此，其成为疲劳的起点，对于齿轮而言使点蚀等面疲劳、齿根的弯曲疲劳强度降低。因此，在本发明中，Ti为杂质，尽可能地越少越好。具体而言，超过0.005％时，表现出上述弊病，因此，Ti量限定为0.005％以下。

除此以外，作为不可避免的杂质，可以列举P和O。

即，P在晶界发生偏析，成为使得渗碳层和内部的韧性降低的原因，因此越低越优选。具体而言，超过0.020％时，表现出上述弊病，因此，P量优选设定为0.020％以下。

另外，O在钢中以氧化物系夹杂物的形式存在，是损害疲劳强度的元素。与TiN夹杂物同样地成为使得疲劳强度和韧性降低的原因，因此越低越优选。具体而言，超过0.0020％时，表现出上述弊病，因此，O量优选设定为0.0020％以下。

以上是本发明的基本成分组成，进一步提高特性的情况下，可以含有Nb和V中的任意一种或两种。

Nb：0.050％以下

Nb使晶粒微细化、使晶界强化从而有助于提高疲劳强度，因此可以添加，添加的情况下，优选含有至少0.010％以上。另一方面，其效果在0.050％时达到饱和，并且大量的添加导致成本增加，因此，优选将上限设定为0.050％。

V：0.200％以下

V是在提高淬透性的同时与Si、Cr同样地提高抗回火软化的元素，还具有形成碳氮化物而抑制晶粒的粗大化的效果。为了发挥这样的效果，优选以0.030％以上添加。另外，其效果在0.200％时饱和，并且大量的添加导致成本增加，因此，在添加的情况下，优选设定为0.200％以下。

需要说明的是，为了提高切削性，可以根据需要含有Pb、Se、Ca等易切削元素。

关于由本发明的表面硬化钢制作机械结构用部件时的制造条件，没有特别限制，适当的制造条件如下所述。

将由上述成分组成构成的钢原材进行熔化铸造而制成钢坯，将该钢坯进行热轧后，进行用于形成齿轮的预成形。然后，进行机械加工或者在锻造后进行机械加工而制成齿轮形状后，实施渗碳淬火处理，根据需要进一步对齿面实施研磨加工从而制成最终产品。可以进一步施加喷丸硬化等。优选将渗碳淬火处理设定成渗碳温度为900～1050℃、淬火温度为800～900℃，将回火设定为120～250℃的范围。

实施例

将表1所示的化学组成的钢熔炼并通过铸造制成钢坯，将该钢坯通过热轧加工成20mmφ、32mmφ和70mmφ的棒钢，对于所得到的圆棒钢在925℃实施正火处理。表1中所示的No.1～15是按照本发明的成分组成的发明钢，No.16～33是含有本发明的限制值以外的含量的成分的比较钢，No.34是JIS SCr420标准材。从正火处理后的圆棒裁取小野式旋转弯曲疲劳试验片和齿轮疲劳试验片。对于具有表1的成分组成的各试验片，按照图1所示的条件，实施渗碳淬火回火后，实施晶界氧化层深度、有效硬化层深度、表面硬度、内部硬度的各项考察和旋转弯曲疲劳试验、齿轮疲劳试验。以下对各个考察内容详细地进行说明。

[晶界氧化层深度、有效硬化层深度、表面硬度、内部硬度]

对发明钢、比较钢和SCr420的20mmφ圆棒实施渗碳淬火回火处理后进行切割，不进行蚀刻地利用光学显微镜以400倍的倍率测定该切割面中最大的晶界氧化层深度。

另外，测定同一截面的硬度分布，将以维氏硬度计达到550HV的自表面起的深度设定为有效硬化层深度。表面硬度设定为圆棒表面的维氏硬度(HV10kgf)10点的平均值。此外，将自表层起5mm深度位置的维氏硬度(HV10kgf)5点的平均值规定为内部硬度。

[旋转弯曲疲劳特性]

从直径32mm的圆棒钢按照平行部与轧制方向一致的方式裁取图2所示的尺寸和形状的平行部直径8mm的试验片，制作出对平行部的整个外周赋予与平行部为直角方向的深度2mm的切口(切口系数：1.56)的旋转弯曲疲劳试验片。对于所得到的试验片，进行渗碳淬火回火处理后，利用小野式旋转弯曲疲劳试验机，以3000rpm的转速实施旋转弯曲疲劳试验，将10⁷次作为疲劳极限，测定旋转弯曲疲劳强度。

[齿轮疲劳特性]

将直径70mm的圆棒在热锻后进行机械加工，制作出模数2.5、节圆直径80mm的斜齿轮。对于所得到的试验片，利用动力循环式齿轮疲劳试验机，润滑中使用80℃的驱动桥油，施加规定的扭矩以3000rpm的转速实施试验，将10⁷次作为疲劳极限，测定齿轮疲劳强度。

[考察结果]

将上述每个考察项目的考察结果示于表2中。可知：本发明钢(No.1～15)的旋转弯曲/齿轮疲劳特性均得到与SCr420(No.34)同等以上的特性，与比较钢(No.16～33)相比更优良。

即，比较钢No.16中，C含量低于本发明范围，因此，内部硬度过低，旋转弯曲疲劳强度和齿轮疲劳强度降低。

比较钢No.17中，C含量高于本发明范围，因此，芯部的韧性降低，旋转弯曲疲劳强度和齿轮疲劳强度降低。

比较钢No.18中，Si含量低于本发明的范围，因此，抗回火软化降低，齿轮疲劳强度降低。

比较钢No.19中，Si含量低于本发明的范围并且Cr含量高于本发明的范围。因此，渗碳表层部的Ms点降低，残余奥氏体量增加。因此，表层硬度降低，旋转弯曲疲劳强度和齿轮疲劳强度降低。

比较钢No.20中，Si含量高于本发明的范围。因此，在内部产生铁素体，容易发生齿根处的弯曲疲劳破坏，齿轮疲劳强度降低。

比较钢No.21中，Mn含量低于本发明范围。因此，淬透性降低，有效效果层深度变浅，因此，旋转弯曲疲劳强度和齿轮疲劳强度降低。

比较钢No.22中，Mn含量高于本发明的范围，因此，渗碳表层部的Ms点降低，残余奥氏体量增加。因此，表面硬度降低，旋转弯曲疲劳强度和齿轮疲劳强度降低。

比较钢No.23中，S含量高于本发明范围。因此，成为疲劳破坏的起点的MnS的生成量增多，旋转弯曲疲劳强度和齿轮疲劳强度降低。

比较钢No.24中，Cr含量低于本发明的范围。因此，芯部硬度和抗回火软化降低，旋转弯曲疲劳强度和齿轮疲劳强度降低。

比较钢No.25和26中，Cr含量高于本发明的范围，因此，渗碳表层部的Ms点降低，残余奥氏体量增加。因此，表层硬度降低，旋转弯曲疲劳强度和齿轮疲劳强度降低。

比较钢No.27中，B含量低于本发明的范围。因此，淬透性降低，有效效果层深度变浅，因此，旋转弯曲疲劳强度和齿轮疲劳强度降低。

比较钢No.28中，B含量高于本发明的范围。因此，导致韧性的降低的BN的生成量增多，旋转弯曲疲劳强度和齿轮疲劳强度降低。

比较钢No.29中，Al含量低于由本发明中规定的式子(27/14[(N-(14/10.8)B+0.030]≤Al≤0.120％)计算出的下限值。因此，不能确保有助于提高淬透性的固溶B量，有效效果层深度变浅，内部硬度也降低，因此，旋转弯曲疲劳强度和齿轮疲劳强度降低。

比较钢No.30中，Sb含量低于本发明范围。因此，渗碳时发生脱硼，表层硬度降低，因此，旋转弯曲疲劳强度和齿轮疲劳强度降低。

比较钢No.31中，N含量高于本发明的范围。其结果是不能确保有助于提高淬透性的固溶B量，有效效果层深度浅，内部硬度也降低，因此，旋转弯曲疲劳强度和齿轮疲劳强度降低。

比较钢No.32中，Ti含量高于本发明的范围。因此，容易发生因TiN起点引起的疲劳破坏，旋转弯曲疲劳强度和齿轮疲劳强度降低。

比较钢No.33在本发明成分范围内，但Sb量不满足规定式(Sb≥{Si/2+(Mn+Cr)/5}/70)，因此，晶界氧化层深。因此，表层硬度降低，旋转弯曲疲劳强度和齿轮疲劳强度降低。

表1

※1下划线表示在适用范围外。

※2 B-(10.8/14)N≥0.0003％的情况下：0.010％B-(10.8/14)B＜0.0003％的情况下：27/14[(N-(14/10.8)B+0.030]

※3{Si/2+(Mn+Cr)/5}/70

※4 B-(10.8/14)N

表2

Claims (2)

1.一种表面硬化钢，其特征在于，

以质量％计，在满足下述式的范围下含有：

C：0.10～0.30％、

Si：0.10～1.20％、

Mn：0.30～1.50％、

S：0.010～0.030％、

Cr：0.10～1.00％、

B：0.0005～0.0050％、

Sb：0.005～0.020％和

N：0.0150％以下，

进而，在B-(10.8/14)N≥0.0003％的情况下以0.010％≤Al≤0.120％含有Al、并且在B-(10.8/14)N＜0.0003％的情况下以27/14[(N-(14/10.8)B+0.030]≤Al≤0.120％含有Al，余量由铁和不可避免的杂质构成，

所述不可避免的杂质中的Ti为Ti：0.005％以下，

所述式为：Sb≥{Si/2+(Mn+Cr)/5}/70。

2.如权利要求1所述的表面硬化钢，其中，进一步以质量％计含有Nb：0.050％以下和V：0.200％以下中的任意一种或两种。