CN110079652B - 用于制造钢构件的方法 - Google Patents

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Abstract

用于制造钢构件的方法包括对钢构件渗碳、使奥氏体珠光体化和进行淬火。奥氏体的珠光体化包括进行第一珠光体析出处理：将钢构件冷却至低于奥氏体转变起始温度且高于680℃的第一温度并将钢构件保持在第一温度下以使在钢构件的渗碳中形成的奥氏体的一部分珠光体化；和进行第二珠光体析出处理：将钢构件进一步冷却至等于或低于680℃且高于鼻部温度的第二温度并将钢构件保持在第二温度下以使第一珠光体析出处理中残留的奥氏体珠光体化。

Description

用于制造钢构件的方法
技术领域
本发明涉及用于制造钢构件的方法，更具体地涉及进行渗碳，然后再加热并淬火的用于制造钢构件的方法。
背景技术
例如，由于在钢构件(例如齿轮或轴承)中需要耐磨性或疲劳强度，因此在钢构件的表面层部分上形成有硬化层。例如，对加工成产品形状的钢构件渗碳，然后再加热并淬火以在钢构件的表面层部分上形成硬化层。日本未审查专利申请公开第5-279836号(JP 5-279836A)公开了用于制造钢构件的方法，其中在对钢构件渗碳之后，将钢构件冷却至低于奥氏体转变起始温度(A1)的温度并保持在降低的温度下，然后将钢构件再加热并淬火。
当将在渗碳期间奥氏体化的钢构件冷却至低于奥氏体转变起始温度(A1)的温度并保持在降低的温度下时，钢构件的显微组织从奥氏体变为珠光体。通过再加热钢构件以进行淬火，显微组织由珠光体变为奥氏体，通过淬火，显微组织由奥氏体变为马氏体。在此，珠光体具有片状组织，其中交替堆叠有由铁素体构成的层(下文中称为“铁素体层”)和由渗碳体构成的层(下文中称为“渗碳体层”)。
发明内容
进行渗碳、然后再加热并淬火的用于制造钢构件的方法具有以下问题。图9是示出在885℃下奥氏体化的共析钢(C：0.77质量％)的等温转变曲线的TTT(时间-温度-转变)图。横轴表示对数时间(秒)，纵轴表示温度(℃)。如JP 5-279836A中所公开的，在对钢构件渗碳之后将钢构件冷却至低于奥氏体转变起始温度(A1)的温度并将钢构件保持在降低的温度下的步骤也可以参照图9来描述。
如图9所示，在渗碳之后用于珠光体转变的保持温度(下文中称为“珠光体化温度”)低于奥氏体转变起始温度(A1)且高于等温转变曲线的鼻部温度(nose temperature)Tn。当在珠光体化温度下的保持时间超过珠光体转变开始曲线Ps时，珠光体转变开始。当在珠光体化温度下的保持时间超过珠光体转变完成曲线Pf时，珠光体转变完成。
如图9所示，当将珠光体化温度降低至接近鼻部温度Tn时，珠光体的片层间距变小并且形成细珠光体。另一方面，当将珠光体化温度升高至接近奥氏体转变起始温度(A1)时，珠光体的片层间距变大并且形成粗珠光体。
由于JP 5-279836A中公开的珠光体化温度等于或低于680℃，因此存在如下问题：珠光体的片层间距小，构成珠光体的渗碳体层通过再加热消失，在淬火之后无法获得足够的疲劳强度。如图9所示，当简单地升高珠光体化温度时，直至珠光体转变完成的时间突然延长，并且生产性降低。
本发明提供了用于制造钢构件的方法，所述方法能够使疲劳强度和生产性彼此兼容。
本发明的一方面涉及用于制造钢构件的方法。所述方法包括：在将钢构件加热至高于奥氏体转变完成温度的温度以进行奥氏体化的同时，对钢构件渗碳直至碳浓度变得高于共析组成；通过将钢构件冷却至低于奥氏体转变起始温度且高于等温转变曲线的鼻部温度的温度来使在钢构件的渗碳中形成的奥氏体珠光体化；以及在奥氏体的珠光体化之后将钢构件再加热至高于奥氏体转变完成温度的温度然后快速冷却钢构件从而进行淬火。奥氏体的珠光体化包括：进行第一珠光体析出处理：将钢构件冷却至低于奥氏体转变起始温度且高于680℃的第一温度并将钢构件保持在第一温度下以使在钢构件的渗碳中形成的奥氏体的一部分珠光体化，和进行第二珠光体析出处理：将钢构件进一步冷却至等于或低于680℃且高于所述鼻部温度的第二温度并将钢构件保持在第二温度下以使第一珠光体析出处理中残留的奥氏体珠光体化。
在根据本发明的方面的方法中，奥氏体的珠光体化包括：进行第一珠光体析出处理：将钢构件冷却至低于奥氏体转变起始温度(A1)且高于680℃的温度并将钢构件保持在降低的温度下以使在钢构件的渗碳中形成的奥氏体的一部分珠光体化，和进行第二珠光体析出处理：将钢构件进一步冷却至等于或低于680℃且高于鼻部温度的温度并将钢构件保持在降低的温度下以使第一珠光体析出处理中残留的奥氏体珠光体化。在第一珠光体析出处理中，析出的珠光体的片层间距变大并且构成珠光体的渗碳体层通过在进行淬火时的再加热被分成细粒并残留。因此，在淬火之后钢构件的疲劳强度得到改善。此外，通过第二珠光体析出处理，可以抑制直至珠光体转变完成的时间延长。即，可以使钢构件的疲劳强度和生产性彼此兼容。
在以上方面，第一温度可以为710℃或更低。通过将温度设定为710℃或更低，可以缩短处理时间。
在以上方面，第二温度可以为600℃或更高且650℃或更低。通过将温度设定为600℃或更高，可以抑制在再加热中消耗的能量。通过将温度设定为650℃或更低，可以缩短处理时间。
在以上方面，在钢构件的渗碳中，容纳有钢构件的热处理室的外壁可以由透过红外线的材料制成，并且钢构件可以通过安装在外壁的外部的红外加热器来加热。由于可以仅加热钢构件而不加热热处理室内部的气氛，因此当关闭加热器时，钢构件可以被快速冷却。
在以上方面，在钢构件的渗碳之后，在将钢构件容纳在热处理室中的同时，可以连续进行奥氏体的珠光体化和在进行淬火时的再加热。由于钢构件的渗碳、奥氏体的珠光体化和在进行淬火时的加热在一个热处理室中进行，因此可以使钢构件的制造装置紧凑。
根据本发明的方面，可以提供用于制造钢构件的方法，所述方法能够使疲劳强度和生产性彼此兼容。
附图说明
以下将参照附图描述本发明的示例性实施方案的特征、优点以及技术和工业重要性，其中相同的附图标记表示相同的元件，在附图中：
图1是示出根据第一实施方案的用于制造钢构件的方法的温度图；
图2是在根据第一实施方案的用于制造钢构件的方法中使用的制造装置的示意图；
图3是在根据第一实施方案的用于制造钢构件的方法中使用的另一制造装置的示意图；
图4是示出根据第一实施方案的比较例的用于制造钢构件的方法的温度图；
图5是示出根据第一实施方案的实施例的用于制造钢构件的方法的温度图；
图6是示出根据比较例和实施例的钢构件的深度方向硬度分布(profile)的图；
图7是根据比较例和实施例的钢构件的显微组织照片；
图8是示出根据比较例和实施例的钢构件在淬火之后的辊间距(rollerpitching)疲劳测试结果的图；以及
图9是在885℃下奥氏体化的具有共析组成(C：0.77质量％)的碳钢的TTT(时间-温度-转变)图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细地描述应用本发明的具体实施方案。然而，本发明不限于以下实施方案。为了阐明本说明书，适当简化以下描述和附图。
第一实施方案
用于制造钢构件的方法
首先，参照图1，将描述根据第一实施方案的用于制造钢构件的方法。根据第一实施方案的用于制造钢构件的方法适用于制造需要耐磨性和疲劳强度的钢构件(例如齿轮或轴承)的方法。钢构件的材料没有特别限制，并且例如可以使用碳浓度为0.25质量％或更低的低碳钢或合金钢。钢构件的实例包括用于机械构造的JIS标准铬-钼钢SCM420。
图1是示出根据第一实施方案的用于制造钢构件的方法的温度图。图1中的横轴为时间(秒)，纵轴为温度(℃)。如图1所示，根据第一实施方案的用于制造钢构件的方法包括渗碳步骤、珠光体化步骤和淬火步骤。在根据第一实施方案的用于制造钢构件的方法中，在渗碳步骤之后进行珠光体化步骤，然后进行淬火步骤。珠光体化步骤包括粗珠光体析出步骤(第一珠光体析出步骤)和细珠光体析出步骤(第二珠光体析出步骤)。
首先，在渗碳步骤中，将钢构件加热至高于奥氏体转变完成温度A3的温度T1并保持在该温度下。进行渗碳步骤直至钢构件的表面的碳浓度变得等于或高于共析组成(C：0.77质量％)。温度T1为例如950℃至1150℃。在渗碳步骤中，使钢构件奥氏体化以形成奥氏体单相。
作为渗碳方法，可以使用真空渗碳。具体地，将渗碳气体引入炉中，同时将炉中的气氛减压至例如2kPa或更低。作为渗碳气体，例如可以使用烃类气体例如乙炔、甲烷、丙烷或乙烯。渗碳气体在钢构件的表面上分解并且所产生的碳从钢构件的表面向其内部扩散，由此在钢构件的表面层部分上形成渗碳层。
接下来，在粗珠光体析出步骤中，将钢构件从渗碳步骤中的温度T1冷却至低于奥氏体转变起始温度A1且高于680℃的温度T2并保持在温度T2下。在此，将参照图9所示的等温转变曲线进行描述。在粗珠光体析出步骤中，使钢构件保持在温度T2下的时间长于珠光体转变开始曲线Ps且短于珠光体转变完成曲线Pf。温度T2为例如710℃或更低。通过将温度T2设定为710℃或更低，可以缩短处理时间。例如，当将温度T2设定为700℃时，保持时间可以为约10分钟。
即，在粗珠光体析出步骤中，奥氏体的一部分转变为珠光体。因此，在粗珠光体析出步骤完成时，钢构件的显微组织变为混合有奥氏体和珠光体的组织。更详细地，钢构件的其中碳浓度超过共析组成的表面层部分具有混合有奥氏体、先共析渗碳体和珠光体的组织。钢构件的其中碳浓度小于共析组成的内部(即本体)具有混合有奥氏体、先共析铁素体和珠光体的组织。
粗珠光体析出步骤中的温度T2高于680℃且高于接下来的细珠光体析出步骤中的温度T3。因此，在粗珠光体析出步骤中形成的珠光体的片层间距大于在细珠光体析出步骤中形成的珠光体的片层间距。
接下来，在细珠光体析出步骤中，将钢构件从粗珠光体析出步骤中的温度T2冷却至温度T3并保持在温度T3下。温度T3高于图9所示的等温转变曲线中的鼻部温度Tn且低于680℃。在细珠光体析出步骤中，粗珠光体析出步骤中残留的所有奥氏体转变为珠光体。温度T3为例如600℃至650℃。通过将温度T3设定为650℃或更低，可以缩短处理时间。例如，当温度T3为650℃时，保持时间可以为约30分钟。另一方面，通过将温度T3设定为600℃或更高，可以抑制再加热中消耗的能量。
在细珠光体析出步骤完成时，钢构件的整个显微组织变为珠光体。在此，混合在粗珠光体析出步骤中形成的具有大的片层间距的粗珠光体和在细珠光体析出步骤中形成的具有小的片层间距的细珠光体。如上所述，珠光体具有其中交替堆叠有铁素体层和渗碳体层的片状组织。
最后，在淬火步骤中，将钢构件从细珠光体析出步骤中的温度T3加热至高于奥氏体转变完成温度A3的温度T4并保持在温度T4下，然后将钢构件快速冷却。在用于淬火步骤的温度T4下加热使显微组织从珠光体变为奥氏体，并且快速冷却使显微组织从奥氏体变为马氏体。通过淬火步骤，使形成在钢构件的表面层部分上的渗碳层硬化。
如上所述，在根据第一实施方案的用于制造钢构件的方法中，粗珠光体析出步骤在渗碳步骤之后并且在细珠光体析出步骤之前进行。即，奥氏体的一部分在高于680℃的温度下转变为珠光体。因此，在粗珠光体析出步骤中，析出的珠光体的片层间距变大，并且构成珠光体的渗碳体层通过在淬火步骤中的再加热被分割并作为细晶粒残留。因此，在淬火之后钢构件的疲劳强度得到改善。
在粗珠光体析出步骤之后，将钢构件从温度T2冷却至温度T3，并且在细珠光体析出步骤中完成珠光体转变。因此，可以抑制直至珠光体转变完成的时间延长。换言之，还可以抑制生产性降低。以这种方式，通过根据第一实施方案的用于制造钢构件的方法，可以使钢构件的疲劳强度和生产性彼此兼容。
用于制造钢构件的装置
接下来，将参照图2描述在根据第一实施方案的用于制造钢构件的方法中使用的制造装置。图2是在根据第一实施方案的用于制造钢构件的方法中使用的制造装置的示意图。如图2所示，制造装置包括热处理装置10和冷却装置20。在图2所示的制造装置中，图1所示的渗碳步骤、粗珠光体析出步骤、细珠光体析出步骤和淬火步骤中的加热在热处理装置10中连续进行。之后，将钢构件30输送至冷却装置20，并进行图1所示的淬火步骤中的冷却。
如图2所示，热处理装置10包括热处理室11、加热器12和真空泵P。钢构件30容纳在可气密密封的盒状热处理室11中。在图2的实例中，钢构件30为齿轮。用于加热钢构件30的加热器12安装在热处理室11的外壁的外部。作为加热器12，例如可以使用红外加热器。在这种情况下，热处理室11的安装有加热器12的外壁由透过红外线的材料(例如石英)制成。
如图2所示，通过用安装在热处理室11的外壁的外部的加热器12(红外加热器)加热，可以仅加热钢构件30而不加热热处理室11内部的气氛。因此，当关闭加热器12时，钢构件30可以快速冷却。此外，热处理室11的外壁可以具有双壁结构，并且当冷却钢构件30时，制冷剂(例如冷却剂、冷却气体或液氮)可以在壁之间流动。这使得可以进一步缩短冷却时间并改善生产性。
此外，当使用红外加热器作为加热器12时，即使当改变钢构件30的形状等时，也可以均匀地加热钢构件30，并且设定变化变得不必要。此外，如图2所示，可以同时加热复数个钢构件30。虽然可以使用感应加热器作为加热器12，但是根据钢构件30的形状等设定变化变得必要。
如图2所示，热处理室11的内部可以通过真空泵P减压。此外，可以将渗碳气体例如乙炔(C2H2)引入热处理室11中。在渗碳步骤中，将渗碳气体例如乙炔(C2H2)引入，同时通过真空泵P对热处理室11的内部进行减压。当渗碳步骤完成时，停止渗碳气体的引入，并且连续进行粗珠光体析出步骤、细珠光体析出步骤和淬火步骤中的加热，同时通过真空泵P对热处理室11的内部进行减压。
冷却装置20包括淬火室21和制冷剂注入部22。将在热处理装置10中加热以进行淬火的钢构件30输送至可气密密封的盒状淬火室21的内部。制冷剂注入部22设置在淬火室21的顶板部中，将制冷剂23从制冷剂注入部22向钢构件30注入。作为制冷剂，可以使用水、油、惰性气体等。
在图2所示的制造装置中，由于渗碳步骤、珠光体化步骤(粗珠光体析出步骤和细珠光体析出步骤)以及淬火步骤中的加热通过一个热处理装置10进行，因此可以使制造装置紧凑。例如，可以单独设置预热室(未示出)以在渗碳步骤之前预先加热钢构件30。由于可以在于热处理装置10中处理钢构件30的同时在预热室中预先加热另一钢构件30，因此生产性得到改善。
用于钢构件的另一制造装置
接下来，将参照图3描述在根据第一实施方案的用于制造钢构件的方法中使用的另一制造装置。图3是在根据第一实施方案的用于制造钢构件的方法中使用的另一制造装置的示意图。如图3所示，制造装置包括渗碳处理装置10a、珠光体化处理装置10b、淬火加热装置10c和冷却装置20。
在图3所示的制造装置中，首先，在渗碳处理装置10a中进行图1所示的渗碳步骤。接下来，将钢构件30输送至珠光体化处理装置10b并进行图1所示的粗珠光体析出步骤和细珠光体析出步骤。接下来，将钢构件30输送至淬火加热装置10c并进行图1所示的淬火步骤中的加热。最后，将钢构件30输送至冷却装置20并进行图1所示的淬火步骤中的冷却。
如图3所示，渗碳处理装置10a包括热处理室11a和加热器12a。与图2所示的热处理装置10类似，渗碳处理装置10a还可以包括真空泵P并引入渗碳气体，但是在图3中省略了这样的配置。渗碳处理装置10a为例如通用的真空加热炉，用于加热钢构件30的加热器12a安装在热处理室11a的内壁上。
如图3所示，珠光体化处理装置10b包括热处理室11b和加热器12b。与图2所示的热处理装置10类似，珠光体化处理装置10b还包括真空泵P，但是在图3中省略了真空泵P。与渗碳处理装置10a类似，珠光体化处理装置10b也为例如通用的真空加热炉，用于加热钢构件30的加热器12b安装在热处理室11b的内壁上。
如图3所示，淬火加热装置10c包括热处理室11c和加热器12c。与图2所示的热处理装置10类似，淬火加热装置10c还包括真空泵P，但是在图3中省略了真空泵P。与渗碳处理装置10a类似，淬火加热装置10c也为例如通用的真空加热炉，用于加热钢构件30的加热器12c安装在热处理室11c的内壁上。由于冷却装置20与图2所示的制造装置的冷却装置20相同，因此将省略其描述。
在图2所示的制造装置中，渗碳步骤、珠光体化步骤(粗珠光体析出步骤和细珠光体析出步骤)以及淬火步骤中的加热通过一个热处理装置10进行。相比之下，在图3所示的制造装置中，渗碳步骤、珠光体化步骤(粗珠光体析出步骤和细珠光体析出步骤)以及淬火步骤中的加热通过分立的装置进行。因此，不同的钢构件30可以通过各个装置并行处理，并因此生产性是优异的。
实施例
在下文中，将描述第一实施方案的比较例和实施例。作为根据比较例和实施例的钢构件，使用由JIS标准SCM420制成的钢构件。为了进行辊间距疲劳测试，试件的形状是直径为26mm、长度为130mm的圆棒形状。图4是示出根据第一实施方案的比较例的用于制造钢构件的方法的温度图。图5是示出根据第一实施方案的实施例的用于制造钢构件的方法的温度图。
首先，如图4和图5所示，对比较例和实施例的每个钢构件在1100℃下进行渗碳12分钟。接下来，如图4所示，使根据比较例的钢构件在650℃下经历珠光体化处理30分钟。另一方面，如图5所示，使根据实施例的钢构件在700℃下经历粗珠光体析出处理10分钟，然后在650℃下经历细珠光体析出处理30分钟。
最后，如图4所示，将根据比较例的钢构件在850℃下加热1分钟，然后通过水冷进行淬火。另一方面，如图5所示，将根据实施例的钢构件在900℃下加热1分钟，然后通过水冷进行淬火。
在淬火之后对比较例和实施例的钢构件进行维氏(Vickers)硬度测量、显微组织观察和辊间距疲劳测试。此外，如图4和图5中的虚线所示，对在珠光体化处理(细珠光体析出处理)之后进行水冷的比较例和实施例的钢构件进行维氏硬度测量和显微组织观察。关于辊间距疲劳测试条件，转速为2000rpm，滑移百分比为-40％，油温为80℃，油量为1.5L/分钟。使用的润滑剂是JWS3309，其为自动传输流体(Automatic Transmission Fluid，ATF)。
图6是示出根据比较例和实施例的钢构件的深度方向硬度分布的图。横轴表示距表面的深度(mm)，纵轴表示维氏硬度(HV)。在图6中，绘制了根据比较例和实施例的钢构件在珠光体化处理之后的维氏硬度以及根据比较例和实施例的钢构件在淬火之后的维氏硬度。如图6所示，渗碳层形成直至距根据比较例的钢构件和根据实施例的钢构件二者的表面约0.7mm的深度。
如图6所示，在珠光体化处理之后的钢构件的渗碳层中，实施例的维氏硬度较比较例的维氏硬度低约50HV至100HV。在根据实施例的钢构件中，由于粗珠光体在粗珠光体析出处理中在较比较例的珠光体化处理更高的温度下析出，因此推断硬度降低。另一方面，如图6所示，淬火之后的钢构件的维氏硬度在比较例和实施例的渗碳层中是相同的。然而，在0.4mm至0.6mm的深度处，实施例的维氏硬度高于比较例的维氏硬度。
图7是根据比较例和实施例的钢构件的显微组织照片。图7示出了根据比较例和实施例的钢构件在珠光体化处理之后的显微组织以及根据比较例和实施例的钢构件在并排淬火之后的显微组织。如图7所示，确定珠光体化处理之后的钢构件的片层间距在实施例的显微组织中比在比较例的显微组织中大。在淬火之后的钢构件中，在比较例的显微组织中未确认渗碳体，而在实施例的显微组织中确认渗碳体的细粒。
图8是示出根据比较例和实施例的钢构件在淬火之后的辊间距疲劳测试结果的图。横轴表示发生间距的重复数目(次数)，纵轴表示施加至试件的赫兹(Hertzian)表面压力(MPa)。如图8所示，根据实施例的钢构件的疲劳强度是根据比较例的钢构件的疲劳强度的约1.3倍。因此，确定通过应用根据第一实施方案的用于制造钢构件的方法制造的钢构件的疲劳强度得到改善。
应注意，本发明不限于第一实施方案，并且可以在不脱离主旨的范围内进行适当修改。

Claims (6)

1.一种用于制造钢构件的方法，所述方法的特征在于包括：
在将所述钢构件加热至高于奥氏体转变完成温度的温度以进行奥氏体化的同时，对所述钢构件渗碳直至碳浓度变得高于共析组成；
通过将所述钢构件冷却至低于奥氏体转变起始温度且高于等温转变曲线的鼻部温度的温度来使在所述钢构件的所述渗碳中形成的奥氏体珠光体化；以及
在所述奥氏体的所述珠光体化之后将所述钢构件再加热至高于所述奥氏体转变完成温度的温度然后快速冷却所述钢构件从而进行淬火，
其中所述奥氏体的所述珠光体化包括：
进行第一珠光体析出处理：将所述钢构件冷却至低于所述奥氏体转变起始温度且高于680℃的第一温度并将所述钢构件保持在所述第一温度下以使在所述钢构件的所述渗碳中形成的所述奥氏体的一部分珠光体化，和
进行第二珠光体析出处理：将所述钢构件进一步冷却至等于或低于680℃且高于所述鼻部温度的第二温度并将所述钢构件保持在所述第二温度下以使所述第一珠光体析出处理中残留的所述奥氏体珠光体化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第一温度为710℃或更低。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第二温度为600℃以上且650℃以下。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述第二温度为600℃以上且650℃以下。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于在所述钢构件的所述渗碳中，容纳有所述钢构件的热处理室的外壁由透过红外线的材料制成，并且所述钢构件通过安装在所述外壁的外部的红外加热器来加热。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于在所述钢构件的所述渗碳之后，在将所述钢构件容纳在所述热处理室中的同时，连续进行所述奥氏体的所述珠光体化和在进行所述淬火时的所述再加热。
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