TW568953B - Steel for nitriding and sliding member having improved wear resistance and fatigue strength - Google Patents

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568953 五、發明説明（！ 發明背景 1 ·發明領域 本叙明疋關於供氮化鋼及由氮化鋼製成的滑動元件 。更特別的本發明{關於在其表面可以進行氮化或軟 亂化的鋼。具氮化或軟氮化的鋼可呈現高耐磨耗性及疲勞 強度，而且適合用於滑動元件。 2·相關技藝的說明 沣多零件需要同時符合滑動的性質以及耐疲勞性，諸 如彈簧、活塞環及齒輪。耐摩擦與耐磨耗性整體被稱為滑 動性質。大體而言，滑動性質和耐疲勞性質彼此是相互抵 觸的。硬度增加結果會改善滑動性質，但是會帶來材料的 脆化及強度降低。因為疲勞強度通常被認為是抗張強度的 一半，強度降低當然會使疲勞強度減少。在此使用氮化處 理可以解決上述的矛盾。也就是，用於氮化之鋼製產品可 以在其滑動表面進行氮化處理。與鋼内部的強度相比，氮 化鋼的表面硬度可以被大幅提昇。結果，諸如耐磨耗性與 耐摩擦之滑動性質可以被大幅改善。 除此硬度增加之外，在氮化鋼的表面會產生很大的殘 留壓應力。因此，與未被氮化之鋼相比，疲勞強度會被大 幅改善。當具有表面氮化之鋼被進一步進行喷珠或滲碳， 可使更大的壓應力被疊置，藉此可以提供具有更高疲勞強 度的零件。 當鋼材被氮化時，已知的直至此時仍是使用麻田散鐵 系13鉻（13C0不鏽鋼及具有額外的鋁及鉻之低合金鋼。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ·、?τ— 4 568953 A7 -----— —__B7_ 五、發明説明（2^ " ~— 直至此時，對於氮化結構將疲勞強度提升至所需要的 水準，幾乎沒有任何討論或考量。換句話說，如果氮化的 疲勞強度不被滿足時，該氮化鋼一般只是進行後氮化處理 ’例如噴珠或滲碳。不過，該後氮化處理會增加加工步驟 及成本。 發明摘要 因此，本發明的目的是提供一種疲勞強度可以達到所 而要的水準，而且不必進行例如喷珠或滲碳之後氮化處理 的氮化鋼。 本發明的目的也提供一種具有可以滿足疲勞強度，而 不需進行如喷珠或滲碳之後氮化處理的滑動元件。 依據本發明的目的，氮化鋼是由〇_5至1〇%碳、1〇% 或更低的矽、由0.3至1.0%的錳、由yosuo%的鉻、由 〇·5至2.0%的鉬、由ojsqj%的釩，其餘是鐵及不可避免 的雜質所組成。 它也提供由上述氮化或軟氮化鋼所製成之滑動元件。 依據本發明之滑動元件的實施例，該氮化層包含晶粒 ’沿著晶粒邊界沈析之（鐵）化合物層，和實質上含有分散 在该晶粒中且尺寸小於1 〇微米的析出物，而且大小在1至1 〇 微米之間的析出物之面積百分比是在5%或更低。 依據本發明之鋼材的氮化層的破壞韌性是很高的。因 此具有該氮化層之滑動元件即使沒有後氮化處理也有很高 的耐疲勞性。以下將參考該些組成物對本發明做一說明。 較佳實施例的說明 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂— 568953 A7 -----^___ 五、發明説明（3 ) 在鐵晶格中以部份合金鉻替代鐵，而使鐵及鉻形成一 替代的固體溶液。該替代固體溶液中之溶質鉻可促進氮化 。其他部份的鉻會與碳反應形成，而在鋼材中形成碳化鉻 。在氮化或後氮化之後該氮化層中會形成細的碳氮化物。 結果，在該氮化層中之基材適度地由該細的碳氮化物所硬 化。該氮化層中之基材可以抵抗在材料内部產生裂縫的延 伸，以下將做更詳細的說明。本發明所獲得的抵抗裂縫延 伸性和疲勞強度比具有低於5%鉻之鋼組件，或沒有氮化處 理之鋼組件更尚。當鉻含量高於12%或更多時，因為幾乎 所有的碳化鉻在氮化後轉化成碳氮化物，粗的碳氮化物或 細的碳氮化物聚合結構很容易被形成。結果，疲勞強度被 降低。因此，鉻含量是12%或更低。較佳的鉻含量是在7 %至11%。在鋼材表面區域中（疊合氮化層），該氮化層可 以形成於其中，且下述的結構是較佳的。也就是，在表面 層（疊合氮化層）中的碳化鉻大小是10微米或更小，而且大 小在1至10微米的碳化鉻的面積比例是5%或更小。具有此 細碳化物結構的氮化鋼可以藉由增加鑄造時的冷卻速度而 被產生出來。 氮化鋼之基材中部份的碳被溶解，而且藉由格隙溶液 的硬化而提高硬度，同時其他部份的碳會與鉻及其他會形 成碳化物元素反應，而形成碳化物。因此耐磨性會提升。 所以碳含量必須是0.5%或更多。另一方面，當碳含量是ίο %或更多時，j炭化物傾向變得粗化而妨礙氮化〇 一更為明 顯的事實是於碳含量為1.0%或是f高時，其冷作性極磨认 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •、可| -41^- 6 568953 A7 _— B7_ 五、發明説明（4 ) &則[害°因此該碳含量不小於0.5%且不大於1.0%。該 碳含量較好是在0.7至0.8%。 ------ ---------------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 矽被添加作為去氧劑而且在該鐵基材中也會被溶解 。該矽溶質可以改善耐熱性。因此可以含有某一程度的矽 。不過，當矽含量超過丨·〇%時，因為脆化而使冷作性減弱 。因此，矽含量是1.0%或更低。 錳也被添加用來作為與矽一樣之去氧劑。為用來去氧 化，錳含量必需是0.3%或更多。當錳含量是1〇%或更高 時，耐氧化性、熱作性及冷作性被減弱。因此，錳含量是 不小於0.3%且不大於1.0%。 為了抑制在氮化期間的質地軟化，所需要的鉬含量是 0.5%或更多。鉬會形成小粒徑的碳化物而提升硬度。因此 ，顧可以有效的提升耐磨性。；過，當強碳化物成形者， 鉬，被添加的量是2.0%或更多時，粗的碳化物會被形成。 結果，無法獲得具有該耐疲勞性之結構。因此，鉬含量是 不小於0.5%且不大於2.0%。 微量的釩會大幅提昇氮化速度並且提升該氮化層的 硬度。當鈒含量小於〇.1%時則不具此效果。另—方面當 飢含量是0_3%或更多時，在該晶粒邊界會形成碳化飢，^ 此而降低韌性。所以，釩含量是不小於〇1且不大於〇3% 依據本發明之滑動組件，至少在該鋼材的外部周邊滑 動表面含有5至200微米厚的氮化層。該主要是由碳 氮化物組成，而且分散在該氮化層之基材的晶粒中。該基 本紙張尺度適用中國國家標準（WS) Α4規格（21〇><297公着） 568953 A7

568953 A7 ____ _B7_ 五、發明説明（6 ) 照片圖（放大4〇〇倍）。 第5圖是本發明產物B之氮化層的表面及截面的顯微 照片圖（放大4〇〇倍）。 第6圖是比較產物a之氮化層的表面及截面的顯微照 片圖（放大400倍）。 第7圖是比較產物B之氮化層的表面及截面的顯微照 片圖（放大400倍）。 第8圖是磨耗試驗樣品。 第9圖是超高壓耐磨試驗機的部份截面圖。 第1〇圖是沿著第9圖中A-A，線的視圖。 第11圖是其他磨耗試驗機的一部份。 參考第1圖’現在說明為何依據本發明之氮化鋼不可 能發生疲勞破裂。在氮化層的表面會產生殘留壓應力。當 外部壓力被施加在該氮化鋼上時，在表面上的外部壓力最 大，而且往内部隨著距表面距離遞減。因此在鋼材中的實 際應力是殘留壓應力與外部張應力的向量和。最大的應力 不疋產生在表面’而很明顯地是在材料（鋼）的内部。這是 才曰疲勞破裂不疋起始於在表面’而很明顯地是在材料（鋼） 的内部。一般所了解的該斷裂是源自於非金屬炎雜物。 當裂縫源自於在材料（鋼）相當内部中之非金屬炎雜物 時，該裂縫沿著兩個方向延伸。也就是裂縫往内部或表面 延伸。鋼材的内部未受氮化，因此可以具有符合要求的高 破壞韌性。另一方面，該氮化表面較脆且具有較低的破壞 韌性。該裂縫容易地於該氮化層中延伸。因此裂縫的傳播 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

9 568953 A7 B7 五、發明説明（7 ) 能ΐ疋由氮化層本身的迫害韌性值來決定。當裂縫到達氮 化鋼表面時，該氮化層的壓應力無法有效的避免裂縫的傳 播。因為這些裂縫已經被拉伸通過該氮化層，因為凹口效 應，它可以向内部延伸。該裂縫後具的傳播速度是呈加速 狀態，最後藉此而達到疲勞破壞。 參考第1圖的說明，為了發展改善破壞強度的氮化鋼 的氮化結構’該鋼的氮化結構應該抑制裂縫在鋼材内部的 傳播。鋼的鉻和碳含量可以如上述做調整以用於氮化結構 〇 以下將參考實施例對本發明做一說明。 具有表1所列之組成物的麻田散鐵不鏽鋼可以在電子 爐中被熔融，然後將其澆鑄成錠。該錠材被粗軋成鋼坯。 該些鋼胚經過熱軋後被壓成直徑15公釐的棒材。該棒材被 塑成如第1圖所示之0形彎折樣品。比較產品Α和Β分別具 有比本發明之產品更低或更高的鉻含量。 表1 樣品的化學組成物 碳 矽 猛 鉻 鉬 釩 鐵 發明 產品A 0.79 0.32 0.42 8.04 0.79 0.15 其餘 部份 發明 產品B 0.78 0.32 0.44 9.93 0.76 0.15 其餘 部份 比較 產品A 0 78 0.32 0.77 4.80 0.99 0.16 其餘 部份 比較 產品B 0.82 0.42 0.42 17.4 0.12 0.10 其餘 部份 其後，在精細的概念下，氣體氮化是在570°C的條件 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· 参丨 10 568953 A7 B7 五、發明説明（8 下進行360分鐘。氮化後，形成於該些試片表面的該表面化 合物層（所謂的白層）可以利用砂紙將其除去。然後藉由連 續使用# 180、# 320、# 360和# 12〇〇號砂紙進行表面最後 加工。利用〇no型旋轉彎區試驗機對所製備的疲勞樣品進 行疲勞試驗。疲勞限度（MPa)的定義是在1〇7次懸還後不會 產生疲勞破壞的最大強度。本發明產品與比較產品的疲勞 限度如表2所列。此外破壞起始的位置以及大小為丨微米或 更大之碳氮化物析出物的面積比也列於表2中。 表2 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明與比較產品的疲勞限度 疲勞限度（Mpa) 破壞起始 的位置 1 -5微米碳氮化物 的面積比(％) 發明產品A 842 内部的部份 2.4 發明產品B 853 内部的部份 3.5 比車父產品A 742 内部的部份 2.5 比車父產品B 617 内部的部份 11.9 訂· 雖然本發明的產品與比較產品僅有鉻含量不同，但前 者的疲勞限度比後者高約100%1^至23〇1^1^。這是因為該 氮化層的為結構改變所造成的。 關於第3圖，其顯示發明材料八的迫害表面的掃瞄式電 子顯微鏡照片。該裂縫源自於位於該氮化層（意即氮的擴散 層）的邊界内側之非金屬皇雜從〇這個現象可以證實第1圖 的破壞模型。 第4圖顯不發明產物A的氮化層的截面微結構，第5圖 11 568953 A7 _____Β7_ 五、發明説明（9 ) 是關於發明產物B，第6圖是關於比較產物A，同時第7圖是 關於比較產物B。如第4與第5圖所示，許多化合物層是存 在於晶粒邊界中，而且存在於晶粒中粗的碳氮化物是丨〇微 米或更小。除此之外，如表2所示，在發明產物a和B中大 小不小於1微米且不大於1 〇微米之碳氮化物的面積比是5 % 或更小。 關於第6圖，比較產物A可以滿足本發明之下列的要求 :化合物層存在於晶粒邊界中；沒有粗的析出物存在在晶 粒中；而且大小在1至1〇微米的鼓的表面比是5%或更 低。不過’因為比較產物A的絡含量是小於5 %，該氮化層 的基材有低的強度以及低疲勞強度。在第7圖中所顯示的比 較產物B中有非常大的碳氮化物存在，而且析出物的面積 比是11.9%，其大於5%。其疲勞強度低可能是因為這個原 因。 滑動性質的試驗 (耐磨耗試驗） 第8圖中顯示利用發明產物a和b及比較產物a和B製 備用來進行耐磨耗試驗的樣品。該些樣品被適當的預處理 ，然後在570°C下進行氣體氮化360分鐘。然後將表面上的 表面化合物層（白層）除去，該滑動表面進行最後加工成為 20公釐且粗糙度為〇·4微米或更低。該些處理過的樣品經由 試驗機器評估，其耐磨性有提升，如第9與第1 〇圖所示。在 第9與第10圖中，該些參考數字是表示：16_扭力傳送軸； 17-荷重元；18-放大器；而且19-記錄器。該接觸的荷重逐 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公楚） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂— 0, 12 568953 A7 ---------B7 五、發明説^Τΐο ) ~~ 步增加，而且摩擦力的不連續增加的的時間可以被決定。 在此時，接觸荷重可以被視作磨耗負載。在相同時間，接 觸面積可以利用顯微鏡來測定。該磨耗負載可以由（磨耗負 载/接觸面積）來定義。測試條件與結果（表3)如下。 iiiL試條件 滑動速度：8公尺/秒 接觸負荷：由l.OPa每次增加〇.2 pa 潤滑油：機油# 20

油溫：80°C 油量：5cc/分鐘 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 相對材料：FC25〇相等物（表面粗縫度Rz 1-2微米） 表3 樣品 磨耗負載（MPa) 發明產品A 354 發明產品B 353 比較產品A 352 比較產品B 360 、可| 發明產物A及B的磨耗負載與比較產物a與B相當。 磨耗試驗是由第11圖中所顯示的試驗機器來進行。樣 品25的大小是5公釐x 5公釐X 20公釐。該滑動表面最後被 加工成用來進行耐磨耗試驗的樣品。那就是，氮化、白層 的移除並且加工成20R彎曲表面。在第11圖中，該些象考 數字代表下列組件：21-相對材料（FC250相等物）；22_電加 熱器；23-潤滑油；和24-樣品載台。測試條件如下： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) μ規格（210X297公釐) '~"^ --- 568953 A7 B7 五、發明説明（11 試驗機器··針_鼓磨耗試驗機 摩擦速度：0.5公尺/秒 時間：4小時 荷重：490牛頓 鼓的表面溫度：180°C 潤滑：機油# 30，〇.15cc/分鐘 表4 樣品 磨耗量^ 發明產品A 4 ^~~~^ 發明產品B 3 " 比較產品A ------— 15 比較產品B 3 ^ 發明產品A和B的耐磨耗性與比較產品b相同，而且σ 非常兩的。 如上所述，依據本發明之氮化鋼同時具有高滑動性與 耐磨耗性，因此它非常適用於汽機車彈簧、活塞環之零件 及同時需要該二性質的耐磨零件。 元件標號對照 16…扭力傳送轉 17…荷重元 18…放大器 19…記錄器 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 21…相對材料(FC250相等物） 22…電加熱器 23…潤滑油 24…樣品載台 14

Claims (1)

1. 568953 A B c D

   六、申請專利範圍 第090109823號專利申請案申請專利範圍修正本 修正日期：91年12月 1 · 一種氮化鋼，其在氮化處理後可以呈現出改善的耐磨性 及疲勞強度，而且其是由〇.5至1〇%的碳、1〇%或更低 的矽、由0.3至1.0%的錳、由7 〇至u 〇%的鉻、由0.5 至2.0%的鉬，由〇.1至03%的釩，其餘是鐵及不可避免 的雜質所組成。 2. 如申凊專利範圍第1項的氮化鋼，其中碳含量是由ο.?至 0.8% 〇 3. 如申請專利範圍第2項的氮化鋼，其中它含有鉻碳化物 ’再者存在於表面（被認為是氮化層）中將被進行氮化之 鉻石厌化物的大小是丨〇微米或更小，而且在該表面（被認 為疋氮化層）中將被進行氮化，大小由丨至丨〇微米之該鉻 碳化物的面積比是5%或更低。 4·如申凊專利範圍第3項的氮化鋼，其中該表面（想像的氮 化層）有5至200微米的厚度。 5· 一種滑動70件，其是由〇·5至1.0%的碳、1.0%或更低的 石夕由0·3至10%的錳、由7.0至11.0%的鉻、由0.5至2.0 %的鉬，由0.1至0·3%的釩，其餘是鐵及不可避免的雜 貝所組成的鋼所形成，而且至少在該鋼的該外部周邊滑 動表面上形成一氮化層。 6. 如申請專利範圍第5項的滑動元件，其中該氮化層有5 至200微米的厚度。 7. 如申請專利範圍第5項或第6項的滑動元件，其中該氮化

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