CN107849655A

CN107849655A - 机械部件

Info

Publication number: CN107849655A
Application number: CN201680038347.2A
Authority: CN
Inventors: 佐藤美有; 大木力
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2018-03-27
Also published as: US20180187280A1; EP3315625A1; EP3315625A4; JP2017014550A; WO2017002532A1

Abstract

提供了一种高强度钢制机械部件。机械部件(10)是由具有0.2质量％以上且0.8质量％以下的碳含量的钢制成的机械部件，并且包括形成在所述机械部件的表层中的淬火硬化层(11)。在淬火硬化层(11)中，前奥氏体晶粒的粒度号为11号以上。此外，淬火硬化层(11)可具有500HV以上的维氏硬度在这种情况下，淬火硬化层(11)中的前奥氏体晶粒变得微细化，由此提供具有高强度的机械部件(10)。

Description

机械部件

技术领域

本发明涉及一种机械部件，更具体地涉及一种具有形成在机械部件的表层中的硬化层的机械部件。

背景技术

ECAP(等通道角挤压工艺)方法是一种用于将大应变施加到金属材料的代表性方法。ECAP法作为大应变加工方法受到关注，在该方法中，材料的形状在加工前后变化不大。然而，在ECAP方法中，一次加工中的应变量并不是非常大。因此，在ECAP法中，不得不进行多次加工，以呈现所需的微细晶粒和可塑性。这在加工效率方面存在问题。而且，在ECAP方法中，难以控制加工条件。由于存在这样的问题，因此难以将ECAP方法用作工业技术。

作为具有高批量生产性和低成本的金属加工方法，已经提出了以下方法：对由金属材料制成的目标物进行加热而形成的抗低变形区域扭转，以产生该区域的剪切变形，从而获得微细的金属结构(例如，参照日本专利公开第2007-308806号(专利文献1))。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开第2007-308806号

发明内容

技术问题

然而，在上述方法中，没有关于钢材的淬火处理、能够进行淬火处理的条件以及能够获得钢材的微细晶体结构的条件的这些方面的报告。

在此，例如，在汽车工业中，为了提高燃油效率或改善行驶性能，有对减轻车体等的重量的需求。解决这个问题的措施之一是通过使用由微细晶体结构带来的高强度的材料来减轻重量。特别地，可以想到通过为作为汽车车体等的主要部分的钢材提供微细晶体结构以具有高强度，从而对汽车车身等的轻量化作出很大的贡献。

本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种由具有高强度的钢制成的机械部件。

问题的解决方案

根据本公开的机械部件是由具有0.2质量％以上且0.8质量％以下的碳含量的钢制成的机械部件，该机械部件包括形成在机械部件的表层中的淬火硬化层。在淬火硬化层中，前奥氏体晶粒的粒度号为11号以上。

发明的有利效果

根据以上描述，可以得到由具有高强度的钢制成的机械部件。

附图说明

图1是用于示出制造根据本实施例的机械部件的方法的流程图。

图2是示出图1所示的热处理步骤中使用的加工装置的构型的示意图。

图3是根据本实施例的机械部件的示意剖视图。

图4示出了实验中使用的试样的外观的照片。

图5示出了试样1的横截面的放大图片。

图6示出了试样2的横截面的放大图片。

图7示出了试样3的横截面的放大图片。

具体实施方式

下面参照附图来描述本公开的实施例。应该注意，在下面的附图中，相同或相应的部分用相同的附图标记表示，并且将不进行重复描述。

<制造机械部件的方法>

下面将参照图1，描述根据本实施例的制造机械部件的方法。如图1所示，在根据本实施例的制造机械部件的方法中，首先执行准备步骤(S10)。在步骤(S10)中，准备待形成机械部件的钢制目标物1(参见图2)和诸如图2所示这样的加工装置。目标物1可以加工成机械部件的大体形状。目标物1可具有0.2质量％以上的碳含量。加工物1可以使用任何常规已知的方法进行加工。对于目标物1的材料，可以采用具有任何成分的钢，然而，该材料具有例如0.2质量％以上的碳含量。可以采用任何形状的目标物1，但是，例如，如图2所示，目标物1可以具有纵向轴线沿预定方向延伸的形状(例如，棒状形状)。此外，其在与目标物1的纵向轴线垂直的方向上的截面形状可以是任意形状，例如可以是圆形。

接下来，执行热处理步骤(S20)。在该步骤(S20)中，在对目标物1的表面部分施加剪切应变的情况下，通过将目标物1的表面部分加热到A3相变点温度以上的加热温度，随后对目标物1的表面部分进行冷却，从而进行淬火处理。在作为执行淬火处理的步骤的步骤(S20)中，加热温度为800℃以上。此外，在淬火处理中，目标物的表面部分在从850℃至300的温度范围内以35℃/秒以上的速度进行冷却。通过在施加剪切应变的情况下进行淬火处理，可以得到高强度钢机械部件，其表面部分具有带微细晶体结构的淬火硬化层。应该注意，在该步骤(S20)中使用的加工装置的构型将下文进行描述。

接下来，执行后处理步骤(S30)。在该步骤(S30)，对已经过热处理步骤(S20)的目标物1进行研磨、清洗和/或其它加工，由此获得最终的机械部件。应该注意，任何常规已知的方法都可以用于研磨、清洗和/或其它加工。

<加工装置的构型>

下面将参照图2，描述在上述热处理步骤(S20)中使用的加工装置的构型。如图2所示，加工装置主要包括：对目标物1的一个端部进行保持的旋转部4；对目标物1的另一个端部进行固定的固定部5；用于进行感应加热的加热线圈2；用于进行淬火处理的冷却喷嘴3；整合板6；冷却剂循环装置7；电源8；以及用于电源8的冷却剂循环装置9。

旋转部4构造成能够旋转以使目标物1的一个端部相对于固定部5扭转。旋转部4包括对目标物1的一个端部进行保持的旋转部侧保持器。只要旋转部侧保持器能够可拆卸地对目标物1的一个端部进行保持，则可以使用任何常规公知的构型以作为旋转部侧保持器的构型。此外，旋转部4例如可包括电机和减速齿轮。在旋转部4中，诸如电机这样的驱动装置可经由减速齿轮连接到上述旋转部侧保持器。旋转部4的旋转部侧保持器构造成可通过上述驱动装置来旋转。

固定部5包括对目标物1的另一端部进行保持的固定部侧保持器。只要固定部侧保持器能够可拆卸地保持目标物1的另一端部，任何常规公知的构型均可以用于固定部侧保持器的构型。

此外，加热线圈2布置于包围由旋转部4和固定部5保持的目标物1的外周。冷却喷嘴3布置成邻接加热线圈2。冷却喷嘴3构造成能够将冷却剂喷到目标物1。对于冷却剂来说，能够使用诸如像水或油的液体这样的任何冷却剂。加热线圈2和冷却喷嘴3可沿目标物1的延伸方向(例如，从固定部5向旋转部4的方向)移动。作为用于使加热线圈2和冷却喷嘴3移动的机构，能够使用任何常规公知的机构，诸如液压缸、电动马达等。

整合板6包括例如电容器和变压器，并且对供应到加热线圈2的电力进行控制，以控制目标物1的加热状态。整合板6连接到加热线圈2和电源8。电源8是用于高频感应加热的电源，并且包括例如逆变器。作为电源8和整合板6的构型，能够使用任何常规公知的构型。

冷却剂循环装置7向加热线圈2供应作为用于冷却加热线圈2的冷却剂的水。此外，冷却剂循环装置7可向整合板6供应作为用于冷却整合板6的冷却剂的水。此外，冷却剂循环装置7向冷却喷嘴3供应水，其中，上述水从冷却喷嘴3喷射到目标物1，用于冷却的目的。

冷却剂循环装置9向电源8供应作为用于冷却电源8的冷却剂的水。

<加工装置的操作>

在图1所示的热处理步骤(S20)中，使用图2所示的加工装置进行上述热处理。具体地，目标物1通过旋转部4和固定部5固定。在这种情况下，目标物1通过旋转部4用应力馈送，以使目标物1绕沿着目标物1的延伸方向延伸的旋转轴线旋转(扭转)。此时，目标物1的另一端部通过固定部5固定，其结果是，由扭转引起的剪切应变被施加到目标物1的外周表面(绕旋转轴线的侧表面)。

另外，此时，旋转部4可以以0.05(转/秒)以上的转速相对于固定部5旋转。这样，能够在目标物1的表面上产生足够的剪切应变。此外，施加到目标物1的表面的剪切应变的应变量可以是7.1以上。应该注意，剪切应变的应变量在本文中定义如下。即，当目标物1绕上述旋转轴线(目标物1的纵向轴线)扭转(扭转进而旋转)并且目标物1在热处理步骤(S20)中如下所述被加热时，沿周向延伸的线形图案形成在目标物1的外周表面中。通过测量获得上述旋转轴线与线形图案延伸的方向之间的角度θ。接着，剪切应变的应变量定义为tanθ。

此外，剪切应变的应变量例如能够通过控制从旋转部4施加到目标物1的应力来调节。对于用于控制应力的方法，可以使用诸如控制用于使目标物1在旋转部4中旋转的驱动装置(诸如电动马达)的输出的常规公知的方法。

在对目标物1施加剪切应变的情况下，目标物1的表面通过布置成包围目标物1的外周的加热线圈2来进行感应加热。通过感应加热，目标物1的表面被加热到A3相变点以上的预定加热温度。

加热线圈2和冷却喷嘴3沿着目标物1的表面移动。加热线圈2和冷却喷嘴3的移动方向是从冷却喷嘴3朝向加热线圈2的方向(图2中从固定部5朝向旋转部4的方向)。结果是，冷却喷嘴3移动到位于被加热线圈2加热的目标物1的表面的正上方。然后，诸如水的冷却剂从冷却喷嘴3向目标物1的被加热表面喷射，由此对目标物1的表面提供淬火处理。应该注意，加热线圈2的移动速度可以是0.5毫米/秒以上。进一步地，冷却喷嘴3的移动速度也可以0.5毫米/秒以上。此外，冷却喷嘴3的移动速度可以与加热线圈2的移动速度相同。进一步地，加热线圈2和冷却喷嘴3可以是一体的。

此外，通过移动加热线圈2和冷却喷嘴3，如上所述，通过加热线圈进行的加热和通过冷却喷嘴3进行的冷却(淬火处理)可以沿从固定部5侧向旋转部4侧的方向依次对目标物1的表面进行。进一步地，由于在通过旋转部4向目标物1提供扭转目标物1的力来对目标物1的表面施加剪切应变的情况下进行淬火处理，因此，能使淬火后的目标物1的淬火硬化层中的前奥氏体晶粒微细化。

<机械部件>

参照图3，下面描述通过图1所示的机械部件的制造方法获得的机械部件的构型。图3是机械部件10在垂直于机械部件10的纵向轴线的方向上的示意性剖视图。如图3所示，机械部件10包括：形成在机械部件10的表层中的淬火硬化层11；以及位于淬火硬化层11的周向内侧的芯部12。在淬火硬化层中，前奥氏体晶粒的粒度号为11号以上。粒度号在JISG0551中定义。此外，机械部件10是由具有0.2质量％以上且0.8质量％以下的碳含量的钢制成的机械部件。淬火硬化层11具有比芯部12的硬度高的硬度。例如，淬火硬化层11可具有500HV以上、或者400HV以上的维氏硬度。此外，例如，淬火硬化层11的厚度可以4毫米以上(假设淬火硬化层11是具有400HV以上的维氏硬度的区域)。应该注意，淬火硬化层11的厚度可以通过借助维氏硬度测量找到淬火硬化深度来确定。

本发明的实施例的特征构型将被列出，虽然这些构型的一部分可能被重复地描述。

根据本公开的机械部件10是由具有0.2质量％以上且0.8质量％以下的碳含量的钢制成的机械部件，该机械部件包括形成在机械部件的表层中的淬火硬化层11。在淬火硬化层11中，前奥氏体晶粒的粒度号为11号以上。在这种情况下，淬火硬化层11的前奥氏体晶粒变细，以提供具有高强度的机械部件10。

这里，为了通过淬火处理可靠地形成淬火硬化层，机械部件的碳含量为0.2质量％以上。此外，机械部件的碳含量0.8质量％以下，以防止淬火裂缝。应该注意，碳含量的下限可以是0.3质量％或是0.35质量％。另一方面，碳含量的上限可以是0.7质量％或0.6质量％。此外，上述前奥氏体晶粒的粒度号可以为12以上。

在机械部件10中，淬火硬化层的厚度可以是4毫米以上(假设淬火硬化层用具有400HV以上的维氏硬度的区域表示)。在这种情况下，具有足够厚度的淬火硬化层11形成在机械部件10的表层中，由此可靠地提高机械部件的强度。应该注意，淬火硬化层的厚度可以是4.5毫米以上、或者5毫米以上。

在机械部件10中，淬火硬化层11可具有500HV以上的维氏硬度。在这种情况下，能够可靠地获得高强度机械部件。应该注意，淬火硬化层11可具有550HV以上、或者580HV以上的维氏硬度。此外，淬火硬化层11的上述维氏硬度是指在机械部件10的横截面中沿淬火硬化层的深度方向的多个位置(例如，5个点)处的维氏硬度的测量值的平均。

根据本公开的制造机械部件的方法包括：准备待形成为机械部件的钢制目标物1(准备步骤(S10))；以及通过在对目标物1的表面部分施加剪切应变的情况下，将目标物1的表面部分加热到A3相变点温度以上的加热温度，然后对该表面部分进行冷却，来进行淬火处理(加热处理步骤(S20))。目标物1具有0.2质量％以上的碳含量。在进行淬火处理的步骤(S20)中，加热温度为800℃以上，并且目标物1的表面部分在淬火处理中在从850℃至300℃的温度范围内以35℃/秒以上的冷却速度被冷却。

这样，可以获得具有提供有淬火硬化层11的表面部分的高强度的钢制机械部件10，淬火硬化层11具有微细晶体结构。

应该注意，加热温度为800℃以上，以通过可靠地使目标物1的表面部分具有A3相变点以上的温度来可靠地进行淬火处理。加热温度可以是850℃以上、或者900℃以上。此外，加热温度的上限可以是1000℃。

此外，考虑到当冷却速度小于35℃/秒时，存在出现未完全淬火的部分的可能性，因而，冷却速度设定为在850℃至300℃的温度范围内为35℃/秒以上。冷却速度可以是在850℃至300℃的温度范围内为38℃/秒以上、或者40℃/秒以上。

在机械部件的制造方法中，在进行淬火处理的步骤(S20)中，目标物1中的两个位置可以通过第一和第二保持器(旋转部4和固定部5)保持，并且第一保持器(旋转部4)可以绕从第一保持器(旋转部4)朝向第二保持器(固定部5)延伸的旋转轴线相对于第二保持器(固定部5)旋转，以对目标物1施加剪切应变。

在这种情况下，通过使保持器(旋转部4)在目标物1中的两个位置被保持的状态下旋转的这样比较简单的工序，从而能够将剪切应变施加到目标物1。因此，制造机械部件的方法可以避免复杂化。

在制造机械部件的方法中，当第一保持器(旋转部4)相对于第二保持器(固定部5)旋转时，转速(扭转速度)可以是0.05(转/秒)以上。

在这种情况下，可以在目标物1的表面部分中产生足够的剪切应变，由此能够使表面部分中的晶体结构(前奥氏体晶粒)可靠地微细化。应该注意，上述转速设定为0.05(转/秒)以上，是因为如果转速小于0.05(转/秒)，则足够的剪切应变可能无法施加到目标物1的表面部分。转速可以0.07(转/秒)以上，或者可以0.1(转/秒)以上。

在制造机械部件的方法中，在执行淬火处理的步骤(S20)中，表面部分的一部分被加热，并且被加热部分可以在表面部分中移动。被加热部分可以以0.5毫米/秒以上的速度移动。在这种情况下，制造机械部件的方法中的淬火处理的工作效率可以变成足够高。应该注意，移动被加热部分的速度因以下原因，而可以是0.5毫米/秒以上：如果移动被加热部分的速度小于0.5毫米/秒，则淬火处理的工作效率变得太低，因而可能导致实际问题。移动被加热部分的速度可以是0.7毫米/秒以上、或者1毫米/秒以上。

在制造机械部件的方法中，在执行淬火处理的步骤(S20)中，剪切应变的应变量可以是7.1以上。在这种情况下，足够的剪切应变施加到表面部分，由此能使表面部分中的晶体结构可靠地微细化。这里，剪切应变的应变量可以是7.1以上，是因为如果应变量小于7.1，则淬火硬化层的前奥氏体晶粒会变得不够微细化。应变量可以是7.5以上、或者8以上。

<实验实例>

为了确认本实施例的效果，进行以下实验。

(试样)

作为试样，使用各自具有在其中添加有少量硼的碳钢轴向材料。关于试样，准备了三种试样ID1至ID3。在每种试样中，碳含量为0.38质量％。试样的形状为圆柱形。试样的尺寸如下：其长度是500毫米；并且其横截面的直径是20.1毫米。

(热处理)

图2所示的加工装置用于对试样ID1-ID3进行热处理。具体地，通过使用加热线圈2进行高频感应加热，来对试样加热。通过沿着每个试样的轴向方向移动加热线圈2和相邻的冷却喷嘴3，从而试样的表面被淬火。加热线圈2和冷却喷嘴3以0.5毫米/秒的速度移动。

此外，作为热处理的条件，在每个试样的表面温度被加热至A3相变点以上的加热温度(900℃)并且接着冷却，由此进行淬火处理。作为冷却的条件，将冷却速度设定在从850℃至300℃的温度范围内以37℃/秒进行冷却。

此外，在关于每个试样在热处理中的扭转的试样的不同条件下进行加热处理。具体地，对于试样ID1，热处理在没有扭转的情况下进行。对于试样ID2，热处理在旋转部4相对于固定部5的转速(扭转速度)为0.025(转/秒)的情况下进行。对于试样ID3，热处理在转速为0.05(转/秒)的情况下进行。

(测量项目)

观察经过热处理的每个试样的外观，获取每个试样的表层(淬火硬化层)的横截面照片，并且观察横截面中的微观结构。具体地，经过热处理的每个试样的横截面用AGS进行腐蚀，并且使用光学显微镜观察微观结构。

此外，测量试样ID3中的剪切应变量。作为测量剪切应变量的方法，使用以下方法。即，在经过热处理的试样的外周表面中，形成有沿周向方向延伸的下述线形图案，如图4所示。通过测量获得试样的纵向轴线(旋转轴线)与线形图案所延伸的方向之间的角度θ。接着，tanθ计算为剪切应变量。

此外，在横截面中，维氏硬度在从表面到200μm深度的区域内进行测量。具体地，维氏硬度在每个试样的横截面中的、从表面到200μm深度的区域内沿深度方向每隔40μm在5个位置处进行测量。

(结果)

外观观察结果：

图4示出了在没有扭转的情况下经过热处理的试样ID1(示于上侧)和在试样ID3以0.05(转/秒)的旋转速度扭转的情况下经过热处理的试样ID3(示于下侧)各自的外观照片。如从图4理解的，试样ID3中产生的线形图案沿着用白点线表示的方向(沿扭转方向的周向方向)延伸。

剪切应变量：

试样ID3中的剪切应变量是大约7.1。

维氏硬度测量：

作为测量试样ID1至ID3中的每一个的维氏硬度的结果，试样ID1至ID3中的每一个的维氏硬度的平均值在从表面至200μm深度的区域中为600HV以上。即，在每个试样中，从表面至200μm深度的区域被淬火硬化。

横截面的微观结构观察：

图5至图7分别示出了在用AGS腐蚀后的试样ID1至ID3的横截面的微观结构。使用光学显微镜观察微观结构。图5示出了试样ID1的横截面的微观结构照片。图5所示的试样ID1中的前奥氏体晶粒的粒度号(参见JISG0551)为9号。图6所示的试样ID2中的前奥氏体晶粒的粒度号(参见JISG0551)为10号。图7所示的试样ID3中的前奥氏体晶粒的粒度号(参见JISG0551)为12号。

从这些中可以确认，具有微细晶粒的淬火硬化层可以通过在扭转的同时(即，施加剪切应变的同时)进行热处理来形成。

应该注意，作为试样ID1至ID3中的每一个的材料，使用具有在其中添加有少量硼的碳钢，但是，具有0.2质量％以上的碳含量的钢因为在硬化之后获得500HV以上的硬度，而是有效的。

虽然本发明的实施例已经进行了说明，但是上述实施例可以以各种方式修改。进一步地，本发明的范围不限于上述实施例。本发明的范围由权利要求书限定，并且旨在包括与权利要求书等同的含义和范围内的所有变更。

工业应用性

本发明特别有利地应用于具有形成在机械部件的表面中的硬化层的机械部件。

附图标记列表

1：目标物；2：加热线圈；3：冷却喷嘴；4：旋转部(电机和减速齿轮)；5：固定部；6：整合板(电容；变压器)；7：使用于对整合板和加热线圈进行冷却的冷却剂和向冷却喷嘴供应的冷却剂循环的冷却剂循环装置；8：高频感应加热电源(逆变器)；9：用于对高频感应加热电源进行冷却的的冷却剂循环装置；10：机械部件；11：淬火硬化层；12：芯部。

Claims

1.一种机械部件，由具有0.2质量％以上且0.8质量％以下的碳含量的钢制成，所述机械部件包括形成在所述机械部件的表层中的淬火硬化层，

在所述淬火硬化层中，前奥氏体晶粒的粒度号为11号以上。

2.根据权利要求1所述的机械部件，其特征在于，所述淬火硬化层具有4毫米以上的厚度。

3.根据权利要求1或2所述的机械部件，其特征在于，所述淬火硬化层具有500HV以上的维氏硬度。