TWI474911B - 螺紋滾模 - Google Patents

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Description

螺紋滾模
本案係基於日本專利申請案第2008-167361號，申請日2008年6月26日，該案內容以引用方式併入此處。
發明領域
本發明係關於一種螺紋滾模，特別係關於允許限制型成滾製面的破裂或斷裂，且因表面硬度而具有優異耐磨性及耐用性之技術。
 發明背景
一種螺紋滾模具有形成於一型成滾製面部上之氮化物擴散層，且用於滾製來塑性變形(藉被加壓於其上)一工作件表面，該螺紋滾模係用於滾製諸如螺絲、齒輪及栓槽。此種滾模通常係藉諸如鹽浴氮化處理或氣體氮化處理，經由於諸如日本工業標準(JIS)定義之合金工具鋼(SKD)或高速工具鋼(SKH)所製成之底座面部上形成氮化物擴散層而製造。以及JP 2002-192282 A揭示藉離子氮化處理用以形成氮化物擴散層之技術。
但此種習知螺紋滾模之缺點為，由諸如氮化物形成於氮化物擴散層表面上所製成之硬質及脆性化合物層，由於容易產生破裂及斷裂，因而造成耐磨性與耐用性的低劣，而非增高表面硬度。換言之，硬質脆性化合物層無法造成預期的耐磨性與耐用性的改良。特別，於鹽浴氮化處理或氣體氮化處理中，試圖期望的表面硬度造成厚的氮化物擴散層及硬度增高，然後造成韌度及脆變性的減低。也容易產生斷裂。
因此本發明之目的係提供一種螺紋滾模之改良，該螺紋滾模經由約束因韌度減低或化合物層特性所導致之破裂及斷裂而耐用，用於欲藉氮化而硬化之螺紋滾模之一型成滾製面用以改良耐磨性。
 發明概要
前文指示之目的可根據本發明之第一模式而達成，提供一種螺紋滾模其具有一氮化物擴散層形成於一型成滾製面部之一表層部用於螺紋滾製俾塑性變形一工作件之一表面，該氮化物擴散層係形成於離子氮化處理中，使得化合物層深度為1微米或以下，實際氮化物層深度(或氮化物層之實際深度t1)係於由5微米至40微米之範圍及表面硬度為1300HV或以上或表面硬化量為400HV或以上。
實際氮化物層深度之化合物層深度係定義於日本工業標準(JIS)章則G 0562(1993)「鐵及鋼之已氮化情況深度之測量方法」。化合物層深度為由表面至主要由此種氮化物、碳化物或氮化碳所製成之層之深度；而實際氮化物層深度為由氮化物層表面至其硬度係比底材之維克斯或努普硬度值更高50(HV或HK)之一點之深度。
表面硬化量為表面硬度值與底材之維克斯或努普硬度值間之差。
前文指示之目的可根據本發明之第二模式達成，其提供本發明之第一模式之螺紋滾模，氮化物擴散層係於離子氮化處理中形成於工具底座表面上而未於其它處理中改性。
前文指示之目的可根據本發明之第三模式達成，其提供本發明之第一模式或第二模式之螺紋滾模，包括厚度由1微米至5微米之範圍之氧化物層且於氧化處理中形成於氮化物擴散層上，而未於其它處理改性。
當於離子氮化處理中形成氮化物擴散層時，化合物層深度及實際氮化物層深度可藉諸如氮氣對氫氣比及氛圍氣體壓力、處理溫度及處理時間等條件而改變。然後，經由測量以前述方式給定之多種化合物層深度及實際氮化物層深度，尋找抗彎強度或磨蝕量與化合物層深度及實際氮化物層深度間之關係。結果當化合物層深度為1微米或以下及實際氮化物層深度係於5微米至40微米之範圍時，達成優異的抗彎強度及耐磨性且磨蝕量減少。推定氮化物擴散層實質上不受硬質脆性化合物層的影響，原因在於化合物層深度為1微米或以下，及實際氮化物層深度為40微米或以下，皆為相當淺，造成氮化物擴散層可優異地維持韌度；此外，其倍增效應可達成優異的抗彎強度，換言之斷裂耐性。實際氮化物層深度為5微米或以上為表面硬度或表面硬化量達成型成滾製時的耐磨性所需。前述提供1300HV或以上之表面硬度或400HV或以上之表面硬化量之條件導致優異的耐磨性連同限制螺紋滾模上早期出現破裂及斷裂而提供耐用性之顯著改良。
由於本發明之第三模式提供螺紋滾模其具有於氧化處理中形成於氮化物擴散層上之厚1微米至5微米之氧化物層，該氧化物層改良保有潤滑劑之能力，如此提供潤滑性及耐膠著性的改良，達成更進一步優異的耐磨性與耐用性。
本發明可應用至多種滾模諸如柱狀模、平坦模及行星模。但螺紋滾模為眾所周知，也可應用於用於滾製除了螺釘以外之多種零件諸如齒輪或栓槽之滾模。工具鋼諸如合金工具鋼或高速工具鋼較佳用於滾模(工具底座)。
雖然於前述離子氮化處理中使用氮氣(N2 )與氫氣(H2 )之混合氣，但於前述離子氮化處理中也可使用氨(NH3 )。例如水蒸氣氧化處理較佳係用於形成氧化層，但也可使用任何其它氧化處理。
於本發明中，較佳氮化物擴散層係於離子氮化處理中形成於工具底座之表面上，而無任何其它改性處理諸如珠擊法，以及氧化層係於氧化處理中形成於氮化物擴散層上而未使用任何其它改性處理諸如珠擊法。
圖式簡單說明
第1A及1B圖顯示根據本發明之一實施例之柱狀滾模。第1A圖顯示該滾模之透視圖及第1B圖顯示部分表面部之剖面圖。
第2A、2B及2C圖顯示基於電子顯微相片拍攝之形成於氮化物擴散層表面上之化合物層來顯示其深度，第2A圖約為0微米，第2B圖約為1微米，及第2C圖約為5微米。
第3A圖顯示使用本發明之滾模及習知滾模藉螺紋滾製用於耐用性實驗之條件及第3B圖顯示其結果。
第4A及4B圖以流程圖顯示用於第3A及3B圖之實驗之本發明滾模及習知滾模進行表面改性處理。
第5圖顯示一線圖，指示於第4A圖之S1中於離子氮化處理後之硬度及第4B圖之R1中於鹽浴氮化處理後之硬度。
第6A圖顯示一線圖指示抗彎強度與化合物層深度間之關係，及第6B圖顯示一線圖指示抗彎強度與實際氮化物層深度間之關係。
第7A圖顯示一線圖指示磨蝕量與化合物層深度間之關係，及第7B圖顯示一線圖指示磨蝕量與實際氮化物層深度間之關係。
 較佳實施例之詳細說明
後文將參考附圖說明本發明。圖式經適當簡化或轉形，各尺寸之比例及部件或元件之形狀可能並未反映出下列實施例中之實際部件或形狀。
第1A圖以透視圖顯示根據本發明之一實施例之一對螺紋滾製柱狀模10。第1B圖以剖面圖顯示第1A圖所示該螺紋滾製柱狀模之周邊部之一部分。一對螺紋滾製柱狀模10於實際情況形成一個單元。工具之底座12係由日本工業標準(JIS)定義之合金工具鋼(SKD)製成；多個螺紋脊形成於一型成滾製面(部)14之周邊部，使得當於順著軸向切割之剖面圖中，該等螺紋脊係與欲形成於柱狀工作件(螺釘之材料)表面上的螺紋槽互補成形。換言之工作件上之螺紋係藉將該等有脊螺紋加壓於該柱狀工作件表面上且滾製而形成。
前述型成滾製面(部)14係藉離子氮化處理而處理，而未藉任何其它處理諸如珠擊法改性；氮化物擴散層16係形成於滾製面(部)14上，使得氮擴散入於滾製面(部)14表層部的氮化物擴散層16。於離子氮化處理中，於真空爐產生輝光放電，於氮氣與氫氣之混合氛圍中，氮氣係浸漬且擴散入底座12。於本實施例中，諸如氣體壓力、混合物中之氣體比例及氮化處理時間等條件係經測定使得形成氮化物擴散層16具有於5微米至40微米之範圍之實際氮化物層深度t1，及1300HV或以上之表面硬度或400HV或以上之表面硬化量。由於實際氮化物層深度t1相對較淺為40微米或以下，實際氮化物層深度t1為5微米或以上且表面硬度為1300HV或以上或表面硬化量為400HV或以上，可優異地維持層16內部韌度，約束破裂及斷裂，因而導致耐磨性優異。
於前述離子氮化處理中，於表面上由諸如氮化物所製成之化合物層係因氮與底座12中之諸如鐵反應的結果而形成；而本實施例中條件經測定使得化合物層深度為1微米或以下。此種化合物層由於硬質及脆性造成破裂或斷裂。但於本實施例中，由於化合物層深度為1微米或以下，故可限制因化合物層所導致的破裂或斷裂。化合物層深度係依據離子氮化處理時間決定，該時間基本上係根據實際氮化物層深度t1決定，同時也變更氮氣(N2 )對氫氣(H2 )之混合比來允許調整化合物層深度。
第2A、2B及2C圖顯示基於電子顯微相片以剖面圖表示之面部部分。第2A、2B及2C圖之化合物層深度分別約為0微米，約1微米及約5微米。稱作為「白層」之白部係與化合物層相對應，當測量深度時為可資區別。
氮化物擴散層16係藉前述離子氮化處理而形成之滾製面部14係於水蒸氣氧化處理中處理而未藉任何其它處理諸如珠擊法改性來形成氧化層18。於水蒸氣氧化處理中，螺紋滾製柱狀模10係於約500℃之水蒸氣氛圍中加熱而於滾製面部14表面上形成氧化層18。於本實施例中，諸如加熱溫度及處理時間等條件經測定，使得形成厚1微米至5微米之範圍之氧化層18。如此所形成之氧化層18係由氧氣與底座12中之鐵反應所產生之多孔四氧化三鐵所製成，由於潤滑油偏好保留於氧化層18之孔隙內，因而提供優異的潤滑性。
於本實施例中，螺紋滾製柱狀模10係協同增效而提供優異的抗彎強度，藉此螺紋滾製柱狀模10不會受到硬質且脆性的化合物層影響，原因在於形成於氮化物擴散層16表面上之化合物層深度為1微米或以下，由於實際氮化物層深度t1為40微米或以下且相對較淺，因而較佳維持內部韌度。此外，除了前述抗彎強度的改良之外，由於實際氮化物層深度t1為5微米或以上及表面硬度為1300HV或以上或表面硬化量為400HV或以上，經由約束滾模10之早期破裂或斷裂以及藉優異的耐磨性，滾模10之耐用性改良。
於本實施例中，由於水蒸氣氧化處理中，厚1微米至5微米之氧化層18形成於氮化物擴散層16上，氧化層18提供保有潤滑油之特性，因此潤滑特性及抗膠著性的改良可提供耐磨性與耐用性之更進一步優點。
第3A及3B圖分別顯示於第4A圖及第4B圖所示步驟製備的本發明之用於螺紋滾製之模板(或扁平模)及習知模(或產物)用於螺紋滾製耐用性測試之條件及結果。本發明係於第4A圖步驟中藉滾製面(部)14上之表面處理(離子氮化處理及水蒸氣氧化處理)而製備，及習知模係於第4B圖之步驟中藉滾製面(部)14上之另一項表面處理(鹽浴氮化處理及鹽浴氧化處理)而製備。滾製工作件之材料SCr430及SCM440分別係由日本工業標準(JIS)定義之鉻鋼及鉻-鉬鋼製造。
用於本發明，於第4A圖步驟S1中於離子氮化處理中形成具有約30微米實際氮化物層深度t1及約1357HV表面硬度(HV0.3)(約425HV表面硬化量)之氮化物擴散層16。第5圖中具有符號「X」的線圖指示於前述離子氮化處理所形成之氮化物擴散層16之硬度與距表面深度間之關係；而帶有符號「C」之線圖指示於第4B圖之步驟R1鹽浴氮化處理中所形成之氮化物擴散層16之該項關係。離子氮化處理提供優異硬度，維持表面硬化時之內側韌度，但線圖指示實際氮化物層深度t1約為30微米，表示表面硬度約為1357HV。鹽浴氮化處理由於硬化至內側造成韌度低劣，當滾製時產生諸如斷裂，線圖指示即使表面硬度為1300HV或以下，實際氮化物層深度t1約為77微米。第5圖中，對實際氮化物層深度t1之鹽浴氮化處理之標準硬度(底材之維克斯硬度值加50)係大於離子氮化處理之標準硬度，原因在於底材12之個別差異或測量時之分散之故。
化合物層深度係藉離子氮化處理時改變混合物中之氮氣(N2 )對氫氣(H2 )之比而調整。本實施例中，經由將N2 ：H2 比設定為約為1：1，可將化合物層深度調整於約0.3微米。於第4A圖之步驟S2中，於約490℃歷時約60分鐘之水蒸氣氧化處理中，形成具有約2微米前述層厚度t2之氧化層18。
至於習知產物，氮化物擴散層16係藉鹽浴氮化處理形成，氧化層18係藉第4B圖所示鹽浴氧化處理形成。
於第3A圖列舉之條件中經由使用前述本發明及習知產物輥軋來測定其壽命。當由於滾模的磨蝕而螺紋直徑大於螺紋環規(GR)之孔洞時，或當滾模上出現斷裂時其壽命結束。壽命係以所滾製的螺紋工作件之件數表示。第3B圖之線圖明白顯示根據本發明之滾模滾製SCr 430(40HRC)工作件具有比習知滾模長達兩倍的耐用性，而根據本發明之滾模滾製SCM 440(26 HRC)之工作件具有比習知滾模長約1.6倍之耐用性。發現根據本發明之滾模可獲得兩種工作件之耐用性的改良。
第6A圖顯示抗彎強度與化合物層深度間之關係。經由於離子氮化處理中諸如改變混合物中之氮氣(N2 )對氫氣(H2 )之比而製備多種不同化合物層深度之試樣後，試樣之抗彎強度係於JIS(日本工業標準)R1601定義的抗彎強度測試中測定。第6A圖之線圖指示於1微米及以內之化合物層深度，抗彎強度約為3GPa；且指示於超過1微米深度(換言之比1微米更深)之抗彎強度數值較小且顯示陡峭下降趨勢。試樣係由合金工具鋼(SKD)製造，具有5 x 4 x 10毫米尺寸之矩形平行四邊形形狀，於其上全然形成氮化物處理層，氮化物擴散層之表面硬度各自係於1358HV至1369HV之範圍，實際氮化物層深度約為30微米，及氧化層厚度約為2微米。
第6B圖顯示抗彎強度與實際氮化物層深度間之關係。於藉諸如改變離子氮化處理時間而製備多種實際氮化物層深度試樣後，以前述測量方式測定試樣之抗彎強度。第6B圖之線圖指示於40微米實際氮化物層深度及以內，抗彎強度約為3GPa，且指示超過40微米深度(換言之比40微米更深)之抗彎強度之數值較小且顯示陡峭下降趨勢。試樣之氮化物擴散層之表面硬度各自係於1358HV至1369HV之範圍，化合物層深度約為0.3微米，氧化層厚度約為2微米。因此第6A圖及第6B圖顯示當化合物層深度為1微米或以下及實際氮化物層深度為40微米或以下時，可達成約3GPa或以上之抗彎強度之高數值。
第7A圖顯示磨蝕量與化合物層深度間之關係。於離子氮化處理中經由諸如改變混合物中之氮氣(N2 )對氫氣(H2 )之比而製備多種化合物層深度之試樣，以及然後於第3A圖之相同測試條件下滾製10000個SCM 440(26HRC)工作件後，測定於扁平模試樣之滾製面部14上的螺紋脊頂之磨蝕量(高度減少量)。試樣為第3A圖耐用性測試所使用的相同螺紋滾製扁平模。第7A圖之線圖指示當化合物層深度為1微米或以下時磨蝕量約為8微米或以下，以及指示當化合物層深度超過1微米(亦即比1微米更深)時磨蝕量較大且顯示上升趨勢伴以產生頻繁破裂。各試樣之氮化物擴散層16之表面硬度係於由1358HV至1369HV之範圍，實際氮化物層深度t1約為30微米，氧化層18之厚度t2約為2微米。
第7B圖顯示磨蝕量與實際氮化物層深度t1間之關係。於經由諸如改變離子氮化處理時間而製備多種實際氮化物層深度t1試樣後，以前述測量之相同方式測量扁平模試樣之磨蝕量。第7B圖之線圖指示當實際氮化物層深度t1係於5微米至40微米之範圍時磨蝕量為12微米或以下，當實際氮化物層深度t1超過40微米(亦即比40微米更深)時，磨蝕量值較大，且顯示陡峭上升趨勢，伴以產生頻繁破裂。換言之，比5微米更淺的實際氮化物層深度t1由於表面硬度不足造成耐磨性減低；而比40微米更深的實際氮化物層深度t1，由於韌度減低變脆，造成耐磨性減低，因而容易產生破裂。各試樣之氮化物擴散層之表面硬度(實際氮化物層深度t1為0微米者除外)係於由1358HV至1369HV之範圍，化合物層深度約為0.3微米，氧化層18厚度t2約為2微米。因此第7A圖及第7B圖顯示實際氮化物層深度t1顯著影響磨蝕量，由5微米至40微米之範圍之實際氮化物層深度t1可提供優異耐磨性，具有磨蝕量約為12微米或以下。
如此，第6A、6B、7A及7B圖顯示形成具有1微米或以下之化合物層深度及5微米至40微米之範圍之實際氮化物層深度t1之氮化物擴散層16可提供優異耐磨性，伴以限制破裂與斷裂的產生。
須瞭解未悖離隨附之申請專利範圍界定之本發明之範圍與精髓，可以熟諳技藝人士已知之其它變化、改良及修改具體實施本發明。
10．．．一對螺紋滾製柱狀模
12．．．底座
14．．．型成滾製面(部)
16．．．氮化物擴散層
18．．．氧化層
t1．．．實際氮化物層深度
t2．．．氧化層厚度
第1A及1B圖顯示根據本發明之一實施例之柱狀滾模。第1A圖顯示該滾模之透視圖及第1B圖顯示部分表面部之剖面圖。
第2A、2B及2C圖顯示基於電子顯微相片拍攝之形成於氮化物擴散層表面上之化合物層來顯示其深度，第2A圖約為0微米，第2B圖約為1微米，及第2C圖約為5微米。
第3A圖顯示使用本發明之滾模及習知滾模藉螺紋滾製用於耐用性實驗之條件及第3B圖顯示其結果。
第4A及4B圖以流程圖顯示用於第3A及3B圖之實驗之本發明滾模及習知滾模進行表面改性處理。
第5圖顯示一線圖，指示於第4A圖之S1中於離子氮化處理後之硬度及第4B圖之R1中於鹽浴氮化處理後之硬度。
第6A圖顯示一線圖指示抗彎強度與化合物層深度間之關係，及第6B圖顯示一線圖指示抗彎強度與實際氮化物層深度間之關係。
第7A圖顯示一線圖指示磨蝕量與化合物層深度間之關係，及第7B圖顯示一線圖指示磨蝕量與實際氮化物層深度間之關係。
10．．．一對螺紋滾製柱狀模
12．．．底座
14．．．型成滾製面(部)
16．．．氮化物擴散層
18．．．氧化層
t1．．．實際氮化物層深度
t2．．．氧化層厚度

Claims (3)

  1. 一種螺紋滾模，其具有一氮化物擴散層，係形成於一型成滾製面部(form rolling surface portion)的表層部，該螺紋滾模用於螺紋滾製(thread rolling)來塑性變形一工作件表面，該氮化物擴散層係形成於離子氮化處理中，使得化合物層深度為1微米或以下，實際氮化物層深度係於由5微米至40微米之範圍及表面硬度為1300HV或以上或表面硬化量為400HV或以上。
  2. 如申請專利範圍第1項之螺紋滾模，該氮化物擴散層係於離子氮化處理中形成於一工具之底座表面上而未於其它處理中改性。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之螺紋滾模，包含厚度於由1微米至5微米之範圍之一氧化層且係於氧化處理中形成於該氮化物擴散層上而未於其它處理中改性。
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