CN109790593A - 渗碳轴部件 - Google Patents

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Abstract

提供一种渗碳轴部件，其特征在于，具有规定的组成，表层部的C含量以质量％计为0.60～1.00％，在外周表面具有至少1个孔，从外周表面起算沿孔的轴向1mm的深度位置且从孔的表面起算20μm的深度位置的组织中的马氏体和残余奥氏体的合计体积率为97％以上，从外周表面起算沿孔的轴向1mm的深度位置且从孔的表面起直到200μm深度为止的范围中的最大残余奥氏体体积率(R1)为10.0～30.0％，由R1、和从外周表面起算沿所述孔的轴向1mm的深度位置且从孔的表面起算20μm的深度位置的残余奥氏体体积率(R2)，通过式(A)：Δγ＝(R1－R2)/R1×100求出的残余奥氏体减少率为20％以上。

Description

渗碳轴部件
技术领域
本发明涉及渗碳轴部件。
背景技术
在汽车、产业机械所使用的轴部件(例如传动轴)中，有实施了作为表面硬化处理的一种的渗碳淬火或高频淬火的轴部件。
作为实施淬火的轴部件的制造方法，可列举例如以下的方法。即，首先，制造与最终制品接近的形状的粗构件。接着，通过钻孔加工等来开孔，制造与最终制品更接近的中间构件。而且，在最后，对中间构件实施淬火(高频淬火或渗碳淬火)从而得到轴部件。
通常，在轴部件上开有包括油孔在内的各种孔，该孔的周边成为在强度上最弱的部位。因此，为了提高具有孔的轴部件的强度，必须对孔和其周边进行重点性强化。在专利文献1和专利文献2中都公开了提高轴部件的扭转疲劳强度的技术。
在专利文献1公开了一种将钢材成分以及渗碳时间最适化的、扭转疲劳强度高的轴部件的制造方法
在专利文献2中公开了一种耐疲劳特性优异的轴及其疲劳特性提高方法，所述轴的特征在于，在油孔的表层中的压缩残余应力为钢材的抗拉强度的50％～90％。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2005－256082号公报
专利文献2:日本特开2006－111962号公报
发明内容
然而，在最近的汽车、产业机械中，为了好的燃油经济性，强烈要求小型化、轻量化。其中，对于轴部件，除了要求进一步提高扭转疲劳强度之外，还要求优异的静扭转强度。但是，在通过专利文献1所公开的技术得到的轴部件中，由于与孔的加工、强度改善相关的研究、以及孔表层的组织的研究不够充分，因此有时难以以高水平兼备静扭转强度和扭转疲劳强度。
在专利文献2所公开的技术中，通过利用超声波振动端子打击油孔内部，向油孔的表层导入压缩残余应力，由此强化了成为轴的疲劳破坏的起点的油孔部分。但是，在利用超声波振动端子进行的打击中，难以对油孔整体均匀地实施处理，有可能经常得不到目标的强度。而且，由于钢材的成分和表层的组织的研究不够充分，因此有时难以以高水平兼备静扭转强度和扭转疲劳强度。
作为强化油孔的方法，除了专利文献2所公开的利用超声波振动端子进行的打击之外，还可以考虑利用喷丸硬化进行的表面改质处理。但是，这些工序均需要与通常的工序不同的设备、装置，成本提高，因此在经济方面是不利的。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的是提供静扭转强度和扭转疲劳强度均优异的渗碳轴部件。
本发明人对于能够兼备优异的静扭转强度和扭转疲劳强度的渗碳轴部件进行了潜心研究。其结果，本发明人发现：通过在渗碳淬火后切削加工孔，在切削时孔表层部的残余奥氏体相变为硬质的加工诱发马氏体，从而能使孔附近的硬度上升。进而，本发明人还发现：通过使孔附近的硬度上升能抑制来自孔附近的部位的裂纹的发生以及发展，因此能够使渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度提高，另外，通过在切削时使更多的残余奥氏体进行加工诱发马氏体相变，能够更进一步提高渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度。
通常，为了控制切削时的向加工诱发马氏体的相变行为，使切削条件最适化是有效的。因此，本发明人为了尽量增多向马氏体的相变量，尝试了切削条件的最适化。但是，当仅将切削条件最适化时，虽然渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度确实提高，但是还不至于达到作为目标的值。
因此，本发明人还着眼于钢材(渗碳轴部件)的化学成分、热处理条件，尝试了静扭转强度和扭转疲劳强度的进一步改善。其结果判明：通过采用特定的钢材成分、热处理条件，在切削加工时变得容易发生加工诱发马氏体相变，渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度格外地提高。
以往，为了控制残余奥氏体量，一般采用特定的钢材的化学成分、热处理条件。但是，为了不仅控制残余奥氏体量还控制切削加工时的加工诱发马氏体相变的行为而将钢材的化学成分、热处理条件最适化是迄今为止尚未进行的新的技术思想。
根据以上所述，本发明人得到了以下的见解：为了强烈地改善渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度，希望并不是将钢材的化学成分、热处理条件以及切削条件分开地最适化，而是将这些条件相互关联地有机地最适化。
而且，本发明人得到了以下的见解：通过钢材的化学成分、热处理条件以及切削条件的有机的最适化，能够得到适当地控制渗碳淬火后的组织和切削加工后的组织、进而均衡性良好地改善了静扭转强度和扭转疲劳强度的渗碳轴部件。基于以上的见解，本发明人完成了发明。其要旨如下。
[1]一种渗碳轴部件，其特征在于，从外周表面起算3mm深度处或比其深的内部，以质量％计，含有：
C：0.10～0.30％、
Si：0.01～0.30％、
Mn：0.4～2.0％、
P：0.050％以下、
S：0.005～0.020％、
Cr：0.4～3.5％、
Al：0.010～0.050％、
N：0.005～0.025％、和
O：0.003％以下，
余量包含Fe和杂质，
作为任意选择的元素，以质量％计，可以含有：
Pb：0.5％以下、
总含量为0.1％以下的选自V、Nb和Ti之中的1种以上、
选自Mo：3.0％以下、和Ni：2.5％以下之中的1种以上、
Cu：0～0.50％、和
B：0～0.020％，
且满足式(1)和式(2)，
1.54×C+0.81×Si+1.59×Mn+1.65×Cr+1.77×Mo+0.63×Ni≥2.35 (1)
11.3≤－0.1×Si+15.2×Mn+7.0×Cr+6.7×Mo+6.2×Ni≤33.8 (2)
其中，向式(1)和(2)中的各元素符号代入各元素的含量(质量％)，在不含元素的情况下代入0，
表层部的C含量(Cs)以质量％计为0.60～1.00％，
在所述外周表面具有至少1个孔，
从所述外周表面起算沿所述孔的轴向1mm的深度位置、且从所述孔的表面起算20μm的深度位置的组织中的马氏体和残余奥氏体的合计体积率(α’+γ)为97％以上，
在从所述外周表面起算沿所述孔的轴向1mm的深度位置、且从所述孔的表面起直到200μm深度为止的范围中的最大残余奥氏体体积率(R1)为10.0～30.0％，
由所述R1、和从所述外周表面起算沿所述孔的轴向1mm的深度位置且从所述孔的表面起算20μm的深度位置的残余奥氏体体积率(R2)，通过式(A)求出的残余奥氏体减少率(Δγ)为20％以上，
Δγ＝(R1－R2)/R1×100 (A)。
[2]根据上述[1]所述的渗碳轴部件，其特征在于，所述R2为20％以下。
[3]根据上述[1]或[2]所述的渗碳轴部件，其特征在于，在所述孔的表面具有塑性流动层。
[4]根据上述[3]所述的渗碳轴部件，其特征在于，所述塑性流动层的厚度为0.5～15μm。
根据本发明，能够得到静扭转强度和扭转疲劳强度均优异的渗碳轴部件。
附图说明
图1(a)是淬火材料和渗碳轴部件的示意图，图1(b)是表示从淬火材料和渗碳轴部件的外周沿孔的轴向1mm的深度位置且与孔轴心垂直的截面A－A’的图。
图2是表示渗碳轴部件的残余奥氏体体积率的测定中的基准位置的图。
图3是从渗碳轴部件的外周沿孔的轴向1mm的深度位置且与孔垂直的截面A－A’中的、孔表层的扫描型电子显微镜像。
图4是扭转试验所使用的试样的侧视图。
图5是本发明涉及的渗碳轴部件中的孔周边部的俯视图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式涉及的渗碳轴部件进行详细说明。再有，附图中的相同或相当的构件附带相同的标记，不重复进行其说明。
＜渗碳轴部件＞
本发明的实施方式涉及的渗碳轴部件，从外周表面起算3mm深度处或比其深的内部以质量％计含有：
C：0.10～0.30％、
Si：0.01～0.30％、
Mn：0.4～2.0％、
P：0.050％以下、
S：0.005～0.020％、
Cr：0.4～3.5％、
Al：0.010～0.050％、
N：0.005～0.025％、和
O：0.003％以下，
余量包含Fe和杂质，
作为任意选择的元素，以质量％计，可以含有：
Pb：0.5％以下、
总含量为0.1％以下的选自V、Nb和Ti之中的1种以上、
选自Mo：3.0％以下、和Ni：2.5％以下之中的1种以上、
Cu：0～0.50％、和
B：0～0.020％，
且满足式(1)和式(2)，
1.54×C+0.81×Si+1.59×Mn+1.65×Cr+1.77×Mo+0.63×Ni≥2.35 (1)
11.3≤－0.1×Si+15.2×Mn+7.0×Cr+6.7×Mo+6.2×Ni≤33.8 (2)
其中，向式(1)和(2)中的各元素符号代入各元素的含量(质量％)，在不含元素的情况下代入0，
表层部的C含量(Cs)以质量％计为0.60～1.00％，
在所述外周表面具有至少1个孔，
从所述外周表面起算沿所述孔的轴向1mm的深度位置、且从所述孔的表面起算20μm的深度位置的组织中的马氏体和残余奥氏体的合计体积率(α’+γ)为97％以上，
在从所述外周表面起算沿所述孔的轴向1mm的深度位置、且从所述孔的表面起直到200μm深度为止的范围中的最大残余奥氏体体积率(R1)为10.0～30.0％，
由所述R1、和从所述外周表面起算沿所述孔的轴向1mm的深度位置且从所述孔的表面起算20μm的深度位置的残余奥氏体体积率(R2)，通过式(A)求出的残余奥氏体减少率(Δγ)为20％以上，
Δγ＝(R1－R2)/R1×100 (A)。
本发明的实施方式涉及的渗碳轴部件，是包括在外周表面具有油孔等的至少1个孔且进行了渗碳处理的任意的轴部件的部件，没有特别的限定，例如包括在汽车及产业机械中使用的轴部件、例如传动轴。另外，本发明的实施方式涉及的渗碳轴部件，包括任意形状的轴部件，没有特别的限定，可以是例如直径为约150mm以下、约100mm以下、或约30mm以下、长度为5mm以上的中空或实心的筒状或棒状的轴部件。
(渗碳轴部件的化学组成((必需成分))
渗碳轴部件具有以下的化学组成。再者，以下所示的各元素的比例(％)全部意指质量％。在渗碳轴部件中，通过渗碳处理向表层部导入碳，因此，严格来说，在渗碳轴部件的表层部和内部的化学组成不同。因此，以下所示的化学组成(包含必需成分、杂质、以及任意选择的成分)，是针对不受渗碳处理的影响以使得与渗碳处理前的钢材的化学组成一致的区域、即从渗碳轴部件的外周表面起算3mm深度处或比其深的内部的化学组成而言的。
C：0.10～0.30％，
碳(C)提高渗碳轴部件的强度(特别是芯部的强度)。C还生成用于提高静扭转强度和扭转疲劳强度的残余奥氏体。如果C含量过低，则不能得到该效果。另一方面，如果C含量过高，则加工成渗碳轴部件的钢材的强度变得过高。因此，钢材的切削性降低。因此，C含量为0.10～0.30％。C含量的优选的下限为0.15％以上。C含量的优选的上限为小于0.25％。
Si：0.01～0.30％，
硅(Si)具有提高可淬性的作用，但在渗碳处理时会使渗碳异常层增加。特别是，当其含量超过0.30％时，渗碳异常层大幅增加，因此生成被称为不完全淬火组织的软质组织，渗碳轴部件的扭转疲劳强度降低。为了防止渗碳异常层的生成，Si的含量优选设为0.25％以下，更优选设为0.20％以下。但是，在量产上，很难使Si的含量小于0.01％。因此，将Si的含量设为0.01～0.30％。再者，当考虑量产中的制造成本时，在实际制造的本发明产品中，Si含量为0.05％以上的情况较多。
Mn：0.4～2.0％
锰(Mn)提高钢的可淬性，并且使钢中的残余奥氏体增加。含有Mn的奥氏体与不含有Mn的奥氏体相比，在渗碳淬火后的切削时容易进行加工诱发马氏体相变。其结果，渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度提高。如果Mn含量过低，则不能得到该效果。另一方面，如果Mn含量过高，则渗碳淬火和回火后的残余奥氏体变得过多。因此，在切削加工时没有发生充分的加工诱发马氏体相变，在切削加工后残余奥氏体也变得过量，而且，在切削加工时没有发生充分的加工诱发马氏体相变，在切削加工后残余奥氏体也很难减少。其结果，切削加工后的渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度降低。因此，Mn含量为0.4～2.0％。Mn含量的优选的下限为0.8％。Mn含量的优选的上限为1.8％。
P：0.050％以下
磷(P)为杂质。P在晶界偏析而降低晶界强度。其结果，渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度降低。因此，P含量为0.050％以下。P含量的优选的上限为0.030％。P含量尽量低为好。P含量的优选的下限为0.0002％。
S：0.005～0.020％
硫(S)与Mn结合而形成MnS，提高切削性。如果S含量过低，则不能得到该效果。另一方面，如果S含量过高，则形成粗大的MnS，钢的热加工性、冷加工性、渗碳轴部件的扭转疲劳强度降低。因此，S含量为0.005～0.020％。S含量的优选的下限为0.008％。S含量的优选的上限为0.015％。
Cr：0.4～3.5％
铬(Cr)提高钢的可淬性，而且，使残余奥氏体增加。如果Cr含量过低，则不能得到该效果。另一方面，如果Cr含量过高，则渗碳淬火及回火后的残余奥氏体变得过量。在该情况下，在孔切削工序中的切削加工时没有发生充分的加工诱发马氏体相变，在切削加工后残余奥氏体也很难减少。其结果，渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度降低。因此，Cr含量为0.4～3.5％。Cr含量的优选的下限为0.5％。Cr含量的优选的上限为3.1％。
Al：0.010～0.050％
铝(Al)将钢脱氧。Al还与N结合而形成AlN，将晶粒微细化。其结果，渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度提高。如果Al含量过低，则不能得到该效果。另一方面，如果Al含量过高，则生成硬质且粗大的Al2O3，钢的切削性降低，而且扭转疲劳强度也降低。因此，Al含量为0.010～0.050％。Al含量的优选的下限为0.020％。Al含量的优选的上限为0.040％。
N：0.005～0.025％
氮(N)形成氮化物而将晶粒微细化，提高渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度。如果N含量过低，则不能得到该效果。另一方面，如果N含量过高，则生成粗大的氮化物，钢的韧性降低。因此，N含量为0.005～0.025％。N含量的优选的下限为0.010％。N含量的优选的上限为0.020％。
O：0.003％以下
氧(O)为杂质。O与Al结合而形成硬质的氧化物系夹杂物。氧化物系夹杂物使钢的切削性降低，也使渗碳轴部件的扭转疲劳强度降低。因此，O含量为0.003％以下。O含量尽量低为好。O含量的优选的下限为0.0001％。
上述渗碳轴部件的化学组成的其余部分(余量)为铁(Fe)以及杂质。杂质是指从用作为钢的原料的矿石、废料混入或从制造工序的环境等混入的成分，而不是使渗碳轴部件有意地含有的成分。即使在渗碳轴部件中混有杂质，只要是微量且不损害钢材的性质的范围，就能够实现本发明的目的。作为具体的例子，本发明涉及的渗碳轴部件，即使分别在规定的范围内包含以下所示的各元素，也能够实现发明的目的。
稀土元素(REM)：0.0005％以下
钙(Ca)：0.0005％以下
镁(Mg)：0.0005％以下
钨(W)：0.001％以下
锑(Sb)：0.001％以下
铋(Bi)：0.001％以下
钴(Co)：0.001％以下
钽(Ta)：0.001％以下
(渗碳轴部件的化学组成(任意选择的成分))
渗碳轴部件也可以还包含Pb来代替一部分Fe。
Pb：0.5％以下
铅(Pb)是任意选择的元素，也可以不包含。在含有的情况下，能实现工具磨损的降低以及切屑处理性的提高。但是，如果Pb含量过高，则钢的强度以及韧性降低，渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度也降低。因此，Pb含量优选设为0.5％以下。Pb含量的进一步优选的上限为0.4％。再者，为了得到上述的效果，优选将Pb含量设为0.03％以上。
渗碳轴部件也可以还包含选自V、Nb和Ti之中的1种以上来代替一部分Fe。
V、Nb和Ti：总含量为0.1％以下
钒(V)、铌(Nb)以及钛(Ti)是任意选择的元素，也可以不含有。这些元素与C及N结合而形成析出物。这些元素的析出物对由AlN带来的淬火部的晶粒微细化进行补充。这些元素的析出物提高渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度。但是，如果这些元素的总含量超过0.1％，则析出物粗大化，扭转疲劳强度降低。因此，V、Nb以及Ti的总含量优选为0.1％以下。作为任意选择的元素，如果含有V、Nb和Ti之中的任1种以上，则能够得到上述效果。V、Nb以及Ti的总含量的更优选的上限为0.08％。为了得到由V、Nb以及Ti带来的上述的效果，优选含有0.01％以上。
渗碳轴部件也可以还含有选自Mo和Ni之中的1种以上来代替一部分Fe。这些元素均提高钢的可淬性，并使残余奥氏体增加。
Mo：3.0％以下
钼(Mo)是任意选择的元素，也可以不含有。在含有的情况下，Mo提高钢的可淬性，并使残余奥氏体增加。Mo还提高抗回火软化性，提高渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度。但是，如果Mo含量过高，则渗碳淬火后的残余奥氏体变得过量。在该情况下，在切削加工时没有发生充分的加工诱发马氏体相变。其结果，渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度降低。因此，Mo含量优选设为3.0％以下。Mo含量的进一步优选的上限为2.0％。为了得到由Mo带来的上述的效果，优选含有0.1％以上。
Ni：2.5％以下
镍(Ni)是任意选择的元素，也可以不包含。在含有的情况下，Ni提高钢的可淬性，并使残余奥氏体增加。Ni还提高钢的韧性。但是，如果Ni含量过高，则渗碳淬火后的残余奥氏体变得过量。在该情况下，在回火后的切削加工时没有发生充分的加工诱发马氏体相变。其结果，渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度降低。因此，Ni含量优选为2.5％以下。Ni含量的进一步优选的上限为2.0％。为了得到由Ni带来的上述的效果，优选含有0.1％以上。
Cu：0～0.50％
Cu固溶于马氏体来提高钢材的强度。因此，钢材的疲劳强度提高。但是，如果Cu含量过高，则在热锻时在钢的晶界偏析而诱发热裂纹。因此，Cu含量为0.50％以下。再者，Cu含量优选为0.40％以下，进一步优选为0.25％以下。为了得到由Cu带来的上述的效果，优选含有0.10％以上。
B：0～0.020％
B具有抑制P的晶界偏聚来提高韧性的效果。但是，当超过0.020％地添加时，在渗碳时发生异常晶粒长大，扭转疲劳强度降低。因此，B含量为0.020％以下。再者，B含量优选为0.015％，进一步优选为0.010％以下。为了得到由B带来的上述的效果，优选含有0.0005％以上。
(各元素的含量的关系)
构成渗碳轴部件的各元素的含量的关系，满足以下所示的式(1)和式(2)。
1.54×C+0.81×Si+1.59×Mn+1.65×Cr+1.77×Mo+0.63×Ni≥2.35 (1)
11.3≤－0.1×Si+15.2×Mn+7.0×Cr+6.7×Mo+6.2×Ni≤33.8 (2)
在此，向式(1)和(2)中的各元素符号代入各元素的含量(质量％)，在不含元素的情况下代入0。
关于式(1)，定义为F1＝1.54×C+0.81×Si+1.59×Mn+1.65×Cr+1.77×Mo+0.63×Ni。F1是表示钢的可淬性的参数。如果F1过低，则钢的可淬性变低。在该情况下，生成强度低的铁素体和珠光体，渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度降低。因此，F1为2.35以上。F1的更优选的下限为3.0。为了确保渗碳轴部件的韧性，F1的优选的上限为8.0。
关于式(2)，定义为F2＝－0.1×Si+15.2×Mn+7.0×Cr+6.7×Mo+6.2×Ni。F2是表示奥氏体的稳定度的参数。如果F2过低，则在渗碳淬火后得到的残余奥氏体比例变低。其结果，不能得到由加工诱发马氏体相变产生的孔周边部的硬化作用，渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度变低。另一方面，如果F2过高，则渗碳淬火和回火后的残余奥氏体的量变得过量，静扭转强度和扭转疲劳强度降低。而且，由于残余奥氏体稳定，因此在切削加工时所得到的加工诱发马氏体相变的比例也变少。从该观点来看，渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度也降低。因此，要求F2为11.3～33.8。F2的优选的下限为12.0。F2的优选的上限为33.0。
[渗碳轴外周表面的至少一个孔]
本发明的实施方式涉及的渗碳轴部件，具有相对于该渗碳轴部件的长度(轴)方向垂直或具有规定的角度、且从该渗碳轴部件的外周表面开的1个或多个贯通孔或非贯通孔。孔的直径不特别限定，但可以是例如0.2mm～10mm。
[表层部的C含量(Cs)：0.60～1.00％]
渗碳轴部件的表层部所含有的C，提高渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度。在本发明中，渗碳轴部件表层部的C含量采用以下的方法进行测定。
通过切削加工，切取从渗碳轴部件的外周表面沿孔的轴向1mm深度且孔表层50μm的部分，通过发射光谱分析来对该切粉中的C含量进行定量测定，将其值作为表层部的C含量。另外，渗碳轴部件表层部的C浓度也可使用EPMA(电子射线显微分析仪)进行定量分析。
如果表层部所含有的C含量(Cs)低，则渗碳层的硬度变低。其结果，渗碳轴部件的静扭转强度降低。另一方面，如果(Cs)高，则在渗碳轴部件的表层部生成硬质的初析渗碳体。在Cs过高，该初析渗碳体超过3％的情况下，渗碳体成为破坏的起点，静扭转强度和扭转疲劳强度降低。而且，切削加工时的工具磨损增大，切削性降低。因此，表层部的C含量(Cs)为0.60～1.00％。Cs的优选的下限为0.65％。Cs的优选的上限为0.90％。
[从渗碳轴部件的外周表面起算沿孔的轴向1mm的深度位置且从孔的表面起算20μm的深度位置的组织中的马氏体和残余奥氏体的合计体积率(α’+γ)]
作为从渗碳轴部件的外周表面起算沿孔的轴向1mm的深度位置且从孔的表面起算20μm的深度位置的组织，如果存在铁素体、珠光体等的强度低的相，则容易以这些相为起点发生裂纹，渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度变低。另外，如果存在初析渗碳体，则渗碳轴部件的制造工序中的切削加工时的工具磨损增大，而且成为疲劳破坏的起点，因此扭转疲劳强度降低。因此，将上述位置处的组织中的马氏体和残余奥氏体的合计体积率(α’+γ)限定为97％以上。再者，该合计体积率的优选的范围为99％以上。
在本发明中，马氏体和残余奥氏体的合计体积率(α’+γ)，是对基准位置21(参照图2)进行组织观察，采用以下的方法来测定的，所述基准位置21相当于从渗碳轴部件的外周表面沿孔的轴向1mm的深度位置且从孔的表面起20μm深度位置。即，制取包含从渗碳轴部件的外周起算沿孔的轴向1mm的深度位置且与孔轴心垂直的截面中的孔表层部、且与孔的轴向垂直的面(横截面)成为观察面的试样(图1A－A’)。用5％硝酸乙醇腐蚀溶液将进行了镜面研磨的试样腐蚀。用倍率1000倍的光学显微镜对被腐蚀了的表面进行3个视场的观察。此时，使基准位置21为视场的中心(图1－11)。在从视场的中心向淬火材料的表面方向10μm、从视场的中心向与淬火材料的表面相反的方向10μm、从视场的中心向与淬火材料的表面方向垂直的两个方向各50μm的、20μm×100μm的范围的平面内，采用通常的图像解析方法求出各相的面积率。将针对3个视场分别得到的各相的面积率的平均值定义为各相的体积率。
[在从渗碳轴部件的外周表面起算沿孔的轴向1mm的深度位置且从孔的表面起直到200μm的深度为止的范围中的最大残余奥氏体体积率(R1)]
通过渗碳淬火而导入的残余奥氏体在渗碳轴部件的孔切削加工时进行加工诱发马氏体相变。具体而言，在开孔加工时，由于切削工具与母材之间的摩擦力，位于孔的表层附近的残余奥氏体的一部分相变成为加工诱发马氏体。另一方面，越接近孔的表面，由该作用引起的加工诱发马氏体相变的发生越强，越远离孔的表面，由该作用引起的加工诱发马氏体相变的发生越弱。
伴随着开孔加工引起的加工诱发马氏体相变的结果是，渗碳轴部件的强度上升，静扭转强度和扭转疲劳强度上升。为了得到这种效果，在从渗碳轴部件的外周表面起算沿孔的轴向1mm的深度位置且从孔的表面起直到200μm深度为止的范围中的最大残余奥氏体体积率(R1)必须为10.0％以上。
另一方面，由于残余奥氏体是软质的，所以当最大残余奥氏体体积率(R1)超过30.0％时，反而渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度降低。
在本发明中，最大残余奥氏体体积率(R1)使用以下的方法来测定。以在孔的轴向上且穿过其中心而将孔一分为二的方式切断渗碳轴部件(图2B－B’)。在孔表面，施加以从外周表面起算1mm深度位置为中心而开出Ф1mm的孔的掩模，并实施电解研磨。通过使电解研磨的时间变化来调整研磨量，挖出30μm深度的孔。电解研磨是使用含有11.6％的氯化铵、35.1％的甘油、53.3％的水的电解液，在电压20V下进行的。对电解研磨后的表面实施X射线衍射，求出从表面起算30μm位置的残余奥氏体的体积率。通过反复进行该过程而将孔每次加深10μm，每次都测定残余奥氏体的体积率，这样的工作反复进行到孔的深度变为200μm为止。然后，将其中所得到的最大的残余奥氏体体积率作为(R1)。
在电解研磨后的表面，以基准位置为中心来照射X射线，通过X射线衍射法进行解析。对于X射线衍射，使用株式会社リガク制的商品名RINT－2500HL/PC。对于光源，使用Cr管球。管电压为40kV，管电流为40mA，准直器直径为0.5mm。利用V型滤光器除去Kβ线，使用Kα线。数据解析使用AutoMATE软件(株式会社リガク制)。通过Rachinger法除去Kα2成分，使用Kα1成分的图谱，基于bcc结构的(211)面和fcc结构的(220)面的衍射峰的积分强度比来计算残余奥氏体体积率(R1)。再者，照射的X射线的光点(spot)尺寸设为Ф0.5mm以下。
[从渗碳轴部件的外周表面起算沿孔的轴向1mm的深度位置且从孔的表面起算20μm的深度位置的残余奥氏体的体积率(R2)]
从渗碳轴部件的外周表面起算沿孔的轴向1mm的深度位置且从孔的表面起算20μm的深度位置的残余奥氏体的体积率(R2)优选为20％以下。如果切削加工后的残余奥氏体的体积率过高，则不能得到硬质的马氏体，静扭转强度和扭转疲劳强度降低。
在本发明中，残余奥氏体体积率(R2)使用以下的方法来测定。以在孔的轴向上且通过其中心而将孔一分为二的方式切断渗碳轴部件(图2B－B’)。在孔表面，施加以从外周表面起算1mm深度位置为中心而开出Ф1mm的孔的掩模，并实施电解研磨。通过使电解研磨的时间变化来调整研磨量，开出20μm深度的孔。向该孔的中心照射光点尺寸Ф0.5mm的X射线，与残余奥氏体体积率(R1)同样地测定残余奥氏体体积率(R2)。
[由R1和R2通过式(A)：Δγ＝(R1－R2)/R1×100求出的残余奥氏体减少率Δγ]
由R1和R2通过上述式(A)求出的残余奥氏体减少率(Δγ)为20％以上。
残余奥氏体减少率(Δγ)表示切削加工时的加工诱发马氏体相变的程度。当Δγ大时，意味着在切削时发生了更多的加工诱发马氏体相变，静扭转强度和扭转疲劳强度提高。为了得到这样的效果，Δγ必须为20％以上。再者，优选的Δγ的值为25％以上。
[孔表面的塑性流动层]
本发明的实施方式涉及的渗碳轴部件可以在孔的表面具有塑性流动层。该塑性流动层是在孔的切削加工时通过在孔的表层部产生大的变形而形成的层。该塑性流动层为硬质的，当厚度变为0.5μm以上时，能够使渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度提高。但是，由于塑性流动层较脆，所以虽然在其厚度薄的情况下能够发生某种程度的变形，但当厚度超过15μm时，会产生裂纹而成为裂纹发生的起点，因此有时扭转疲劳强度反而降低。而且，当塑性流动层的厚度超过15μm时，有时切削性降低，切削加工时的对工具的负担变大从而工具寿命显著降低。根据以上所述，渗碳轴部件的表层的塑性流动层的厚度优选为0.5～15μm。再者，为了使渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度进一步提高，渗碳轴部件的表层的塑性流动层的厚度优选设为1μm以上，进一步优选设为3μm以上。另外，优选的上限为13μm，进一步优选为10μm。
孔表面的塑性流动层的厚度使用以下的方法来测定。制取包含从渗碳轴部件的外周表面起算沿孔的轴向1mm的深度位置且与孔垂直的截面中的孔表层部、且与孔的轴向垂直的面(横截面)成为观察面的试样(图1的A－A’)。用5％硝酸乙醇腐蚀液溶液将进行了镜面研磨的试样腐蚀。用倍率5000倍的扫描型电子显微镜(SEM)对腐蚀了的表面进行观察。在图3中示出了所得到的SEM像的一例。在该图中，塑性流动层31是相对于母材32，组织沿着孔的表面(在图3中从纸面的左方向右方)弯曲的部分，将从孔的表面到弯曲了的组织的端部为止的距离定义为塑性流动层31的厚度。
[孔表层部的硬化层]
本发明的实施方式涉及的渗碳轴部件具有包括上述的塑性流动层在内的、从孔表面起遍及一定的深度而硬化的层。这样的硬化层包含在孔的切削加工时通过孔表层部的残余奥氏体进行加工诱发马氏体相变而形成的层(加工诱发马氏体层)，例如具有约200～300μm的厚度。本发明涉及的渗碳轴部件，如图5所示，通过在能成为使静扭转强度和扭转疲劳强度降低的主要因素的孔43的周边具备包含塑性流动层31和加工诱发马氏体层51、特别是包含硬质的加工诱发马氏体层51的硬化层，作为整体实现了优异的静扭转强度和扭转疲劳强度。
＜渗碳轴部件的制造方法＞
本发明的实施方式涉及的渗碳轴部件，能够通过在渗碳淬火后切削加工孔来制造，例如，能够利用以下的方式1和方式2所示出的方法来制造。
(方式1)
一种渗碳轴部件的制造方法，包括：加工钢材而得到粗构件的工序(粗构件制造工序)；对粗构件实施渗碳淬火处理而得到渗碳材料的工序(渗碳材料制造工序)；对淬火材料实施孔的切削加工而得到渗碳轴部件的工序(孔切削工序)。更具体而言，渗碳轴部件的制造方法包括：
对钢材进行加工而得到粗构件的工序(粗构件制造工序)，
所述钢材以质量％计含有：
C：0.10～0.30％、
Si：0.01～0.30％、
Mn：0.4～2.0％、
P：0.050％以下、
S：0.005～0.020％、
Cr：0.4～3.5％、
Al：0.010～0.050％、
N：0.005～0.025％、和
O：0.003％以下，
余量包含Fe和杂质，
作为任意选择的元素，以质量％计，可以含有：
Pb：0.5％以下、
总含量为0.1％以下的选自V、Nb和Ti之中的1种以上、
选自Mo：3.0％以下和Ni：2.5％以下之中的1种以上、
Cu：0～0.50％、和
B：0～0.020％，
且满足式(1)和式(2)，
1.54×C+0.81×Si+1.59×Mn+1.65×Cr+1.77×Mo+0.63×Ni≥2.35 (1)
11.3≤－0.1×Si+15.2×Mn+7.0×Cr+6.7×Mo+6.2×Ni≤33.8 (2)
其中，向式(1)和(2)中的各元素符号代入各元素的含量(质量％)，不含的元素以0代入；
对所述粗构件实施渗碳处理、恒温保持处理、淬火处理从而得到渗碳材料的工序(渗碳材料制造工序)，在该工序中，通过将渗碳温度(T1)设为900°以上且1050℃以下，将渗碳处理时的碳势(Cp1)设为0.7％以上且1.1％以下，将渗碳时间(t1)设为60分钟以上，将恒温保持温度(T2)设为820℃以上且870℃以下，将恒温保持处理时的碳势(Cp2)设为0.7％以上且0.9％以下，将恒温保持处理时间(t2)设为20～60分钟，从而在所述渗碳材料中，相当于从作为最终形态的渗碳轴部件的外周表面起算沿孔的轴向1mm的深度位置且从相当于孔的表面的位置起算20μm的深度位置的基准位置的组织，包含马氏体和体积率为12.0～35.0％的残余奥氏体(RI)，并且所述马氏体和残余奥氏体以外的其它相以体积率计为3％以下；和
对所述渗碳材料的孔实施切削加工而得到渗碳轴部件的工序(孔切削工序)，在该工序中，通过将切削时的工具进给量设为超过0.01mm/rev且为0.1mm/rev以下，将切削速度设为10m/分以上且50m/分以下，将切深(进刀量)(d)设为0.05mm以上且0.25mm以下，从而在所述基准位置的组织中，残余奥氏体的体积率(RF)为20％以下，由切削前的残余奥氏体体积率(RI)和切削后的残余奥氏体的体积率(RF)通过式(B)求出的残余奥氏体减少率(Δγ’)为35％以上。
Δγ’＝(RI－RF)/RI×100 (B)
[粗构件制造工序]
在本工序中，制造具有接近于渗碳轴部件的形状的所希望的形状的粗构件。最初，准备具有上述化学组成的钢材。
(粗构件的制造)
对具有上述化学组成的钢材进行加工而得到粗构件。加工方法能够采用公知的方法。作为加工方法，例如可举出热加工、冷加工、切削加工等。关于粗构件，孔以外的部分形成为与渗碳轴部件同样的形状，孔的直径小于渗碳轴部件的孔的直径。再者，渗碳轴部件的孔的半径与粗构件中的孔的半径之差相当于后面的孔切削工序中的切深(d)。
[渗碳材料制造工序]
对如上述这样得到的粗构件实施渗碳处理、恒温保持处理、淬火处理而得到渗碳材料。由此，使得在渗碳材料中，相当于从作为最终形态的渗碳轴部件的外周表面起算沿孔的轴向1mm的深度且从相当于孔的表面的位置起算20μm的深度位置的基准位置21(参照图2)的组织，包含马氏体和体积率为12.0～35.0％的残余奥氏体(RI)，并且上述马氏体和残余奥氏体以外的其它相以体积率计为3％以下。
(渗碳淬火)
在渗碳淬火工序中，最初实施渗碳处理，然后实施恒温保持处理。渗碳处理和恒温保持处理在以下的条件下进行。
(渗碳处理)
渗碳温度(T1)：900～1050℃
如果渗碳温度(T1)过低，则粗构件的表层没有充分地被渗碳。在该情况下，渗碳淬火后的残余奥氏体少，表层的硬度也低。因此，渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度变低。另一方面，如果渗碳温度(T1)过高，则奥氏体粒粗大化，渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度降低。因此，渗碳温度(T1)为900～1050℃。渗碳温度(T1)的优选的下限为910℃，优选的上限为1000℃。
渗碳处理时的碳势(Cp1)：0.7～1.1％
如果碳势(Cp1)过低，则没有进行充分的渗碳。在该情况下，渗碳淬火后的残余奥氏体少，表层的硬度也低。因此，渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度降低。另一方面，如果碳势(Cp1)过高，则在渗碳时析出的硬质的初析渗碳体在渗碳淬火后也残留超过3％。在该情况下，以初析渗碳体为起点而发生裂纹，渗碳轴部件的扭转疲劳强度降低。另外，切削加工时的工具磨损增大，渗碳材料的切削性降低。因此，碳势(Cp1)为0.7～1.1％。碳势(Cp1)也可以在渗碳处理时在上述范围内变动。
渗碳时间(t1)：60分钟以上
如果渗碳处理的时间(渗碳时间)(t1)过短，则没有进行充分的渗碳。因此，渗碳时间(t1)设为60分钟以上。另一方面，如果渗碳时间(t1)过长，则生产率降低。因此，渗碳时间(t1)的上限优选设为240分钟。
(恒温保持处理)
在渗碳处理后，实施恒温保持处理。恒温保持处理在以下的条件下进行。
恒温保持温度(T2)：820～870℃
如果恒温保持温度(T2)过低，则很难进行碳势等的气氛控制。在该情况下，难以调整残余奥氏体的体积率。另一方面，如果恒温保持温度(T2)过高，则有时在淬火时产生的应变增大而发生淬火裂纹。因此，恒温保持温度(T2)为820～870℃。
恒温保持处理时的碳势(Cp2)：0.7～0.9％
如果恒温保持处理时的碳势(Cp2)过低，则在渗碳时侵入的C再次释放到外部。在该情况下，渗碳淬火后的残余奥氏体少，表层硬度也低。其结果，渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度降低。另一方面，如果碳势(Cp2)过高，则析出硬质的初析渗碳体。在该情况下，以初析渗碳体为起点而发生裂纹，渗碳轴部件的扭转疲劳强度降低。另外，切削加工时的工具磨损增大，渗碳材料的切削性降低。因此，碳势(Cp2)为0.7～0.9％。
恒温保持时间(t2)：20～60分钟
如果恒温保持时间(t2)过短，则粗构件的温度没有变得均匀，淬火时产生的应变增大。在该情况下，有时在渗碳材料中发生淬火裂纹。另一方面，如果恒温保持时间(t2)过长，则生产率降低。因此，恒温保持时间(t2)为20～60分钟。
(淬火处理)
在恒温保持处理后，使用公知的方法实施淬火处理。淬火处理例如设为油淬火。
(回火处理)
在想要提高渗碳轴部件的韧性的情况下，也可以在实施了渗碳淬火处理后，实施回火处理。
(渗碳材料制造工序结束后的渗碳材料的组织)
在上述的条件下，相当于从作为最终形态的轴部件的外周表面起算沿孔的轴向1mm的深度位置且从相当于孔的表面的位置起算20μm的深度位置的基准位置21的组织，包含马氏体和体积率为12.0～35.0％的残余奥氏体(RI)，并且上述马氏体和残余奥氏体以外的其它相以体积率计为3％以下。
再者，淬火材料中的相当于从作为最终形态的渗碳轴部件的外周表面起算沿孔的轴向1mm的深度位置且从相当于孔的表面的位置起算20μm的深度位置的基准位置21的组织观察，采用以下的方法来实施。即，在淬火材料中，制取包含从作为最终形态的渗碳轴部件的外周起算沿孔的轴向1mm的深度位置且与孔轴心垂直的截面中的孔表层部、且与孔的轴向垂直的面(横截面)成为观察面的试样(图1A－A’)。用5％硝酸乙醇腐蚀溶液将镜面研磨后的试样腐蚀。用倍率1000倍的光学显微镜对腐蚀了的表面进行3个视场的观察。此时，使基准位置为视场的中心(图1－11)。在从视场的中心向淬火材料的表面方向10μm、从视场的中心向与淬火材料的表面相反的方向10μm、从视场的中心向与淬火材料的表面方向垂直的两个方向各50μm的、20μm×100μm的范围的平面内，通过通常的图像解析方法求出各相的面积率。将针对3个视场分别得到的各相的面积率的平均值定义为各相的体积率。
在利用光学显微镜进行的组织观察中，残余奥氏体包含在马氏体中。也就是说，在利用光学显微镜进行的组织观察中，不能区别马氏体和残余奥氏体。因此，使用以下的方法测定：相当于从作为最终形态的渗碳轴部件的外周表面起算沿孔的轴向1mm的深度位置且从相当于孔的表面的位置起算20μm的深度位置的基准位置(图2－21)的残余奥氏体体积率RI)。以在孔的轴向上且通过其中心而将孔一分为二的方式切断渗碳材料(图2B－B’)。在孔表面，施加以从外周表面起算1mm深度位置为中心而开出Ф1mm的孔的掩模，并实施电解研磨。通过使电解研磨的时间变化来调整研磨量，挖出到达基准位置的深度的孔。电解研磨是使用含有11.6％的氯化铵、35.1％的甘油、53.3％的水的电解液在电压20V下进行的。
在电解研磨后的表面，以基准位置为中心来照射X射线，通过X射线衍射法进行解析。对于X射线衍射，使用株式会社リガク制的商品名RINT－2500HL/PC。对于光源，使用Cr管球。管电压为40kV，管电流为40mA，准直器直径为0.5mm。通过V型滤光器除去Kβ线，使用Kα线。数据解析使用AutoMATE软件(株式会社リガク制)。通过Rachinger法除去Kα2成分，使用Kα1成分的图谱，基于bcc结构的(211)面与fcc结构的(220)面的衍射峰的积分强度比来计算残余奥氏体体积率(RI)。再者，照射的X射线的光点尺寸设为Ф0.5mm以下。
相当于从作为最终形态的渗碳轴部件的外周表面起算沿孔的轴向1mm的深度位置且从相当于孔的表面的位置起算20μm的深度位置的基准位置21的残余奥氏体的体积率(RI)为12.0～35.0％。残余奥氏体在渗碳淬火后的孔切削加工时进行加工诱发马氏体相变。如上述那样，在本发明涉及的轴部件中，利用在孔的周边形成的加工诱发马氏体来抑制由于孔的存在而引起的渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度的降低。在从外周表面起算1mm深度位置的残余奥氏体的体积率(RI)低于12.0％的情况下，不能得到该效果。另一方面，在残余奥氏体的体积率(RI)高于35.0％的情况下，在切削加工后也残留很多的软质的奥氏体。因此，对于渗碳轴部件整体而言，不能得到优异的静扭转强度和扭转疲劳强度。通过将RI控制在12.0～35.0％的范围内，在作为最终形态的渗碳轴部件中，能够更可靠地实现以下的特征、即(a)10.0～30.0％的最大残余奥氏体体积率(R1)以及(b)20％以上的残余奥氏体减少率(Δγ)之中的一方或两方。
渗碳材料的基准位置处的马氏体和残余奥氏体以外的其它相(例如铁素体、珠光体、初析渗碳体)的体积率为3％以下。如果在渗碳材料的基准位置存在铁素体、珠光体等的强度低的相，则这些相在切削加工后也被维持，因此容易以这些相为基点而发生裂纹，渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度降低。另外，如果存在初析渗碳体，则以初析渗碳体为起点而发生裂纹，渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度降低。
[孔切削工序(切削加工)]
在实施了渗碳淬火处理后，对孔实施切削加工。通过切削加工，在开孔的同时，在其表层中使加工诱发马氏体相变发生。由此，渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度提高。切削加工在以下的条件下进行。再者，作为切削工具，能够使用例如cBN的立铣刀。使用cBN的立铣刀，在工具磨损的抑制以及加工效率提高的方面是有效的。另外，在想要削减工具成本的情况下，也可以使用施加了涂层的硬质合金钻头(JIS B0171：2014年，1003、1004号所规定的涂层硬质合金钻头)。
工具进给量f：超过0.01mm/rev(转)且0.1mm/rev以下
在渗碳后将油孔切削加工时，从渗碳材料外周部向中心一边沿着油孔使工具旋转一边前进。此时，将工具每旋转一周而前进的距离称为工具进给量f。如果工具进给量f过小，则切削抗力、也就是说工具按压到被削材料的力过小。在该情况下，没有发生充分的加工诱发马氏体相变。因此，渗碳轴部件的扭转疲劳强度没有提高。另一方面，如果进给量过大，则切削抗力变得过大。在该情况下，有可能在切削时工具发生破损。因此，进给量f为超过0.01mm/rev且在0.1mm/rev以下。进给量f的优选的下限是0.02mm/rev。进给量f的优选的上限是0.08mm/rev，更优选为0.05。
切削速度v：10～50m/分钟
在渗碳后切削加工孔时，从渗碳材料外周部向中心一边沿着孔使工具旋转一边前进。此时，将工具的外周部旋转的速度称为切削速度v。如果切削速度v过大，则切削温度上升，很难发生马氏体相变。因此，渗碳轴部件的扭转疲劳强度没有提高。另一方面，如果切削速度过小，则切削效率降低，制造效率降低。因此，切削速度v是10～50m/分。优选的上限是40m/分，更优选为30m/分。
切深(d)：0.05～0.25mm
切深d)是渗碳轴部件的孔的半径与粗构件中的孔的半径之差，相当于切削加工的切削量。如果切深(d)过小，则切削抗力变小。在该情况下，没有发生充分的加工诱发马氏体相变。因此，渗碳轴部件的扭转疲劳强度没有提高。另一方面，如果切深(d)过大，则渗碳硬化层变得过薄，因此渗碳轴部件的静扭转强度和扭转疲劳强度降低。因此，切深(d)是0.05～0.25mm。切深(d)的优选的下限是0.08mm，优选的上限是0.20mm，更优选为0.15mm。
(渗碳轴部件的组织)
通过以上所示的孔切削加工，能够得到渗碳轴部件。在作为从渗碳轴部件的外周表面起算沿孔的轴向1mm的深度位置且从孔的表面起算20μm的深度位置的基准位置21，残余奥氏体的体积率(RF)变为20％以下，由切削前的残余奥氏体体积率(RI)和切削后的残余奥氏体的体积率(RF)，通过式(B)求出的切削前后的残余奥氏体减少率(Δγ’)变为35％以上。
奥氏体体积率(RF)的测定是使用以下的方法来实施。即，以在孔的轴向上且通过其中心而将孔一分为二的方式切断渗碳轴部件(图2B－B’)。在孔表面，施加以从外周表面起算1mm深度位置为中心而开出Ф1mm的孔的掩模，并实施电解研磨。通过使电解研磨的时间变化来调整研磨量，开20μm深度的孔。向该孔的中心照射光点尺寸Ф0.5mm的X射线，与前述的残余奥氏体体积率(RI)同样地测定残余奥氏体体积率(RF)。
因此，切削加工前后的残余奥氏体的体积减少率(Δγ’)是基于求出的体积率(RI)和(RF)，通过式(B)来计算。
减少率Δγ’＝(RI－RF)/RI×100 (B)
从渗碳轴部件的外周表面起算沿孔的轴向1mm的深度位置且从孔表面起算20μm的深度位置的奥氏体的体积率(RF)为20％以下。如果切削加工后的残余奥氏体的体积率过高，则不能得到硬质的马氏体，静扭转强度和扭转疲劳强度降低。
切削加工前后的残余奥氏体的体积减少率(Δγ’)为35％以上。通过利用切削加工，残余奥氏体进行加工诱发马氏体相变，从而静扭转强度和疲劳强度提高。如果体积减少率(Δγ’)过低，则不能充分地得到该效果。在此，残余奥氏体体积率(RF)是在渗碳轴部件的栏目中记述的残余奥氏体体积率(R2)。另外，通过式(B)求出的残余奥氏体减少率(Δγ’)是与上述的(在渗碳轴部件的栏目中记述的)Δγ类似的值，均表示渗碳轴部件的制造工序中的孔切削加工时的奥氏体的加工诱发相变的程度。因此，Δγ越大，则Δγ’也越大。
在方式1的制造方法中，如上所述，在粗构件制造工序中开出比最终的孔径小的直径的预孔后，在接下来的渗碳材料制造工序中进行渗碳淬火处理。因此，根据方式1的制造方法，通过该渗碳淬火处理，能够使接近于轴部件的外周表面的预孔表层部比较容易地硬化，作为其结果，能够在最后的孔切削工序中使接近于该外周表面的孔表层部的残余奥氏体可靠相变成为硬质的加工诱发马氏体。因此，根据方式1的制造方法，能抑制从孔附近的部位开始的裂纹的发生以及发展，因此能够制造静扭转强度和扭转疲劳强度优异的渗碳轴部件。
(方式2)
本发明的实施方式涉及的渗碳轴部件，也可以与方式1的情况不同，在钢材上没有开预孔而进行了渗碳淬火处理后，通过切削加工孔来制造。但是，在该情况下，需要使渗碳处理的时间、即渗碳时间(t1)比方式1的情况长，以使得与开预孔的情况相比，可靠地渗碳到钢材的更深的位置。因此，根据方式2，渗碳时间(t1)优选设为300分以上、例如300～900分。其原因是，当t1小于300分时，未进行充分的渗碳。再者，渗碳淬火处理中的其它条件、即渗碳温度(T1)、渗碳处理时的碳势(Cp1)、恒温保持温度(T2)、恒温保持处理时的碳势(Cp2)以及恒温保持时间(t2)，只要在针对方式1在上面记载了的范围内适当确定即可。另外，关于孔切削工序中的切削时的工具进给量以及切削速度，只要在关于方式1所记载的范围内适当确定即可。方式2由于不需要开预孔，因此工序比方式1简单，从这一点来看是有利的。但是，方式2如上述那样需要非常长的渗碳时间(t1)。因此，从生产率的观点出发，优选使用方式1的制造方法来制造本发明的实施方式涉及的渗碳轴部件。
以下，通过实施例更详细地说明本发明，但本发明丝毫不被这些实施例限定。在以下示出的表中，对于不满足本发明的要件的项目、以及不满足本发明的所希望的制造条件的项目，附带了星号(＊)。
实施例
使用真空熔化炉，得到具有表1所示的化学组成的150kg的钢液A～T。
使用各钢种的钢液，利用铸锭法得到铸锭。在1250℃下将各铸锭加热4小时后，进行热锻，得到直径35mm的圆棒。热锻时的终锻温度是1000℃。
对各圆棒进行了正火处理。正火处理温度为925℃，正火处理时间为2小时。在正火处理后，将圆棒自然冷却到室温(25℃)。
对自然冷却后的圆棒实施机械加工，制造了成为图4所示的扭转试样41的原料的粗构件。在按照上述方式1的方法，在渗碳淬火前开预孔的情况下，在粗构件的状态，预孔的直径比3mm小。相当于渗碳轴部件的扭转试样41，横截面为圆形，具备圆柱状的试验部42、配置在试验部42的中央的孔43、配置在两侧的圆柱状的粗径部44、和将粗径部的圆周进行了倒角的一对把持部45。而且，为了轻量化，试样的中心部成为中空孔46。如图4所示，扭转试样41的整体长度为200mm，试验部42的外径为20mm，试验部42的长度为30mm，孔43的直径为3mm，中空孔46的直径为6mm。
针对扭转试样41的粗构件，基于表2所示的条件实施了渗碳淬火。
表2
在渗碳淬火后，在180℃下进行30分钟的回火处理。
使用表1的钢种D，通过表2的热处理条件a的渗碳淬火以及回火而形成的渗碳硬化层的厚度，根据距表面的距离(厚度)和其维氏硬度(HV)的测定值，为约1.0mm。
[渗碳材料的组织观察]
采用以下的方法来实施渗碳材料中的相当于从作为最终形态的渗碳轴部件的外周表面起算沿孔的轴向1mm的深度位置且从相当于孔的表面的位置起算20μm的深度位置的基准位置21的组织观察。即，在淬火材料中，制取包含从相当于作为最终形态的轴部件的试样(扭转试样41)的外周起算沿孔的轴向1mm的深度位置且与孔轴心垂直的截面中的孔表层部、且与孔的轴向垂直的面(横截面)成为观察面的试样(参照图1的标记12)。用5％硝酸乙醇腐蚀溶液将镜面研磨了的试样腐蚀。用倍率1000倍的光学显微镜对腐蚀了的表面进行3个视场的观察。此时，使基准位置为视场中心。在从视场的中心向淬火材料的表面方向10μm、从视场的中心向与淬火材料的表面相反的方向10μm、从视场的中心向与淬火材料的表面方向垂直的两个方向各50μm的、20μm×100μm的范围的平面内，通过通常的图像解析方法求出各相的面积率。将针对3个视场分别得到的各相的面积率的平均值定义为各相的体积率。
[残余奥氏体的体积率(RI)的测定]
在淬火材料中，使用以下的方法测定相当于从与作为最终形态的轴部件相当的试样(扭转试样51)的外周表面起算沿孔的轴向1mm的深度位置且从相当于孔的表面的位置起算20μm的深度位置的基准位置21的奥氏体体积率(RI)。以在孔的轴向上且通过其中心而将孔一分为二的方式切断渗碳材料(图2)。在孔表面，施加以从外周表面起算1mm深度位置为中心而开出Ф1mm的孔的掩模，并实施电解研磨。通过使电解研磨的时间变化来调整研磨量，挖掘出到达基准位置的深度的孔。关于电解研磨，使用含有11.6％的氯化铵、35.1％的甘油、53.3％的水的电解液在电压20V下进行了电解研磨。
在电解研磨后的表面，以基准位置为中心来照射X射线，采用X射线衍射法进行解析。对于X射线衍射，使用株式会社リガク制的商品名RINT－2500HL/PC。对于光源，使用Cr管球。管电压为40kV，管电流为40mA，准直器直径为0.5mm。通过V型滤光器除去Kβ线，使用Kα线。数据解析使用AutoMATE软件(株式会社リガク制)。通过Rachinger法除去Kα2成分，使用Kα1成分的图谱，基于bcc结构的(211)面与fcc结构的(220)面的衍射峰的积分强度比来计算残余奥氏体体积率(RI)。再者，照射的X射线的光点(spot)尺寸设为Ф0.5mm以下。
对成为渗碳材料的扭转试样41，在表3所示的条件下实施孔切削加工，得到相当于渗碳轴部件的扭转试样41。再者，表3中的切削条件α、β、γ、ε、δ以及ε表示在钢材上开预孔并实施了渗碳淬火处理之后，以表3所示的工具进给量f以及切削速度v的条件进行孔切削加工。另一方面，切削条件δ表示在钢材上没有开预孔而实施了渗碳淬火处理后，以表3所示的工具进给量f和切削速度v的条件进行孔切削加工，切削条件ζ表示在钢材上开预孔并实施了渗碳淬火处理后，不进行孔切削加工。
表3
在孔切削加工时，对于切削工具，使用了在硬质合金的表面实施了陶瓷涂覆的、直径3mm的涂层硬质合金钻头。另外，对于倒角，使用了顶端角90°的直径6mm的涂层硬质合金钻头的顶端部。
而且，将实施了上述的开孔加工的试样作为扭转试样41。
使用表1的钢种D，通过表2的热处理条件a、表3的切削条件α形成的孔表面附近的维氏硬度，在距离孔表面的深度方向的距离10μm处为约900Hv，在20μm处为约890HV，在40μm处为约860HV，在50μm处为约820HV，在100μm处为约770HV，在300μm处为约740HV。
[残余奥氏体的体积率(R2·RF)的测定]
以在相当于渗碳轴部件的试样(扭转试样41)的孔的轴向上且通过其中心而将孔一分为二的方式切断渗碳轴部件(图2)。在孔表面，施加以从外周表面起算1mm深度位置为中心开出Ф1mm的孔的掩模，并实施了电解研磨。通过使电解研磨的时间变化来调整研磨量，挖出20μm深度的孔。
使用上述的方法，对孔表面实施X射线衍射，求出从从外周表面起算1mm的深度位置且从孔的表面起算20μm深度位置的残余奥氏体的体积率(R2·RF)。
[残余奥氏体的体积率(R1)的测定]
使用以下的方法测定了在从相当于渗碳轴部件的试样(扭转试样41)的外周表面起算沿孔的轴向1mm的深度位置且从孔的表面起直到200μm的深度为止的范围中的最大残余奥氏体体积率(R1)。以在孔的轴向上且通过其中心而将孔一分为二的方式切断渗碳材料(图2)。在孔表面，施加以从外周表面起算1mm深度位置为中心而开出Ф1mm的孔的掩模，并实施电解研磨。通过使电解研磨的时间变化来调整研磨量，挖出30μm深度的孔。使用上述的方法对其表面实施X射线衍射，求出从表面起算30μm位置的残余奥氏体的体积率。通过反复进行该过程，将孔每次加深10μm，每次测定残余奥氏体的体积率，反复进行上述工作直到孔的深度变为200μm为止。然后，将其中所得到的最大的残余奥氏体体积率作为(R1)。
[静扭转试验(静扭转强度的测定)]
使用图4所示的扭转试样41，用伺服脉冲(Servopulser)式扭转试验机进行扭转试验，取得应力与扭转角的关系。接着，将应力和扭转角保持比例关系的最大的剪切应力η、即所谓的比例极限作为静扭转强度。该比例极限相当于在拉伸试验中所说的屈服应力。在本试验中，静扭转强度为520MPa以上的情况，相对于现有技术具有优异的静扭转强度，从该点来看是合格的。
[扭转疲劳试验(扭转疲劳强度的测定)]
使用图4所示的扭转试样41，使负荷最大剪切应力η以50MPa间距变化，以重复频率4Hz进行交变的扭转疲劳试验。然后，将在达到重复数105次之前断裂的最大剪切应力的最小值(ηf,min)与比在(ηf,min)低的应力下最大的未断裂点的最大剪切应力(ζr,max)的中间点作为疲劳极限。再者，对于试验机，使用了伺服脉冲式扭转试验机。在本试验中，扭转疲劳强度为375MPa以上的情况，相对于现有技术具有优异的扭转疲劳强度，从该点来看是合格的。
[试验结果]
在表4、表5中示出与以上说明的各试验等有关的结果。
从表4明确证明了：对于本发明涉及的实施例的渗碳轴部件而言，通过以调整其化学组成(包含表层部的C含量)为前提，并特别地将相当于切削前的孔表层部的残余奥氏体体积率的RI控制在规定的范围，并且在切削后使该残余奥氏体相变成为加工诱发马氏体以使得其减少率Δγ‘成为规定的比例以上，从而能够实现优异的静扭转强度和扭转疲劳强度。发现这些特征是在渗碳轴部件中R1为10.0～30.0％、Δγ为20％以上；等等。另外证明了：对于在钢材上没有开预孔而实施了渗碳淬火处理后进行了孔切削加工的表4的No.26的渗碳轴部件(表3的切削条件δ)，也通过以600分钟的较长渗碳时间(t1)进行渗碳处理(表2的热处理条件d)，从而在作为最终形态的渗碳轴部件中实现10.0～30.0％的R1以及20％以上的Δγ这两方的特征，作为其结果，能够实现优异的静扭转强度和扭转疲劳强度。
与此相对，从表5明确可知，在比较例的渗碳轴部件中，其化学组成(包含表层部的C含量)、R1以及Δγ等没有控制在本发明的范围内，因此不能以高水平兼备静扭转强度和扭转疲劳强度。另外可知，对于在钢材上没有开预孔而实施了渗碳淬火处理后进行了孔切削加工的表5的No.33的渗碳轴部件(表3的切削条件δ)，由于渗碳时间(t1)较短，为120分(表2的热处理条件c)，例如在作为最终形态的渗碳轴部件中R1在10.0～30.0％这一范围以外，结果不能够以高水平兼备静扭转强度和扭转疲劳强度。
附图标记说明
11：组织观察位置
2：扫描型电子显微镜观察位置
21：基准位置
22：渗碳轴部件的孔表面
23：渗碳材料的孔表面
31：塑性流动层
32：母材
41：扭转试样
42：试验部
43：孔
44：粗径部
45：把持部
51：加工诱发马氏体层

Claims (4)

1.一种渗碳轴部件，其特征在于，从外周表面起算3mm深度处或比其深的内部，以质量％计，含有：
C：0.10～0.30％、
Si：0.01～0.30％、
Mn：0.4～2.0％、
P：0.050％以下、
S：0.005～0.020％、
Cr：0.4～3.5％、
Al：0.010～0.050％、
N：0.005～0.025％、和
O：0.003％以下，
余量包含Fe和杂质，
作为任意选择的元素，以质量％计，可以含有：
Pb：0.5％以下、
总含量为0.1％以下的选自V、Nb和Ti之中的1种以上、
选自Mo：3.0％以下、和Ni：2.5％以下之中的1种以上、
Cu：0～0.50％、和
B：0～0.020％，
且满足式(1)和式(2)，
1.54×C+0.81×Si+1.59×Mn+1.65×Cr+1.77×Mo+0.63×Ni≥2.35 (1)
11.3≤－0.1×Si+15.2×Mn+7.0×Cr+6.7×Mo+6.2×Ni≤33.8 (2)
其中，向式(1)和(2)中的各元素符号代入单位为质量％的各元素的含量，在不含元素的情况下代入0，
表层部的C含量Cs以质量％计为0.60～1.00％，
在所述外周表面具有至少1个孔，
从所述外周表面起算沿所述孔的轴向1mm的深度位置、且从所述孔的表面起算20μm的深度位置的组织中的马氏体和残余奥氏体的合计体积率α’+γ为97％以上，
在从所述外周表面起算沿所述孔的轴向1mm的深度位置、且从所述孔的表面起直到200μm深度为止的范围中的最大残余奥氏体体积率R1为10.0～30.0％，
由所述R1、和从所述外周表面起算沿所述孔的轴向1mm的深度位置且从所述孔的表面起算20μm的深度位置的残余奥氏体体积率R2，通过式(A)求出的残余奥氏体减少率Δγ为20％以上，
Δγ＝(R1－R2)/R1×100 (A)。
2.根据权利要求1所述的渗碳轴部件，其特征在于，所述R2为20％以下。
3.根据权利要求1或2所述的渗碳轴部件，其特征在于，在所述孔的表面具有塑性流动层。
4.根据权利要求3所述的渗碳轴部件，其特征在于，所述塑性流动层的厚度为0.5～15μm。
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