氮化处理部件及其制造方法技术

一种氮化处理部件，其特征在于，其是不仅表面疲劳强度优异而且旋转弯曲疲劳强度也优异的部件，以具有规定的化学组成的钢材作为原材料，其中，该部件具有形成于钢材的表面的含有铁、氮及碳的厚度为3μm以上且低于20μm的化合物层，从表面到5μm的深度为止的范围的化合物层中的相结构以面积率计含有50％以上的γ’相，在从表面到3μm的深度为止的范围内空隙面积率低于1％，化合物层表面的压缩残留应力为500MPa以上。

Nitriding treatment parts and their manufacturing methods

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】氮化处理部件及其制造方法
本专利技术涉及实施了气体氮化处理的钢部件，特别涉及表面疲劳强度及弯曲疲劳强度优异的齿轮、CVT滑轮等氮化处理部件及其制造方法。
技术介绍
对于在汽车和各种产业机械等中使用的钢部件，为了使疲劳强度、耐磨性及耐烧结性等机械性质提高，实施渗碳淬火、高频淬火、氮化及软氮化等表面硬化热处理。氮化处理及软氮化处理由于是在A1点以下的铁素体区域中进行，在处理中没有相变，所以能够减小热处理应变。因此，氮化处理及软氮化处理大多被用于具有高的尺寸精度的部件和大型的部件，例如适用于汽车的传动部件中使用的齿轮、引擎中使用的曲轴。氮化处理是使氮侵入钢材表面的处理方法。对于氮化处理中使用的介质，有气体、盐浴、等离子体等。对于汽车的传动部件，主要应用生产率优异的气体氮化处理。通过气体氮化处理，在钢材表面形成厚度为10μm以上的化合物层(Fe3N等氮化物析出的层)，进而，在化合物层的下侧的钢材表层形成氮扩散层即硬化层。化合物层主要由Fe2～3N(ε)和Fe4N(γ’)构成，化合物层的硬度与成为母材的钢相比极高。因此，化合物层在使用的初期会使钢部件的耐磨性及表面疲劳强度提高。在专利文献1中公开了一种氮化处理部件，其中，通过将化合物层中的γ’相比率设定为30mol％以上，从而使耐弯曲疲劳强度提高。在专利文献2中公开了一种低应变且具有优异的表面疲劳强度和弯曲疲劳强度的钢构件，其在钢构件中生成了具有规定的结构的铁氮化化合物层。在专利文献3中公开了一种低合金钢的氮化处理方法，其通过抑制化合物层的生成，从而具有充分的表面硬度及硬化层深度。在专利文献4中公开了一种具有高的耐点蚀性和弯曲疲劳强度且与渗碳或渗碳氮化处理(碳氮共渗处理)相比为低应变的钢构件，其在表面生成了具有规定的结构的铁氮化化合物层。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2015-117412号公报专利文献2：日本特开2013-221203号公报专利文献3：国际公开第2015/136917号专利文献4：国际公开第2013/157579号
技术实现思路
专利技术所要解决的课题据认为：专利文献1的氮化处理部件由于是在气氛气体中使用了CO2的气体软氮化，所以化合物层的表面侧容易变成ε相，因此弯曲疲劳强度还不充分。另外，专利文献2的氮化处理部件由于不论钢的成分如何，均按照NH3气体成为0.08～0.34、H2气体成为0.54～0.82、N2气体成为0.09～0.18的方式来进行控制，所以根据钢的成分有可能化合物层的结构和厚度没有达到目标。专利文献3的氮化处理方法的特征在于，通过高KN值处理、低KN值处理这两个阶段氮化而使化合物层变薄。该方法通过在第一阶段的氮化中赋予化合物层、在第二阶段的氮化中通过使N扩散至硬化层中而将所赋予的化合物层分解，从而加深有效硬化层，但需要二段氮化这样复杂的工序。另外，γ’相的比率变低，容易成为点蚀和弯曲疲劳断裂的起点。专利文献4的氮化处理由于处理时的各种气体分压的控制范围广，所以有可能γ’相的比率变低、空隙率变高。本专利技术的目的是提供不仅表面疲劳强度优异而且旋转弯曲疲劳强度也优异的部件及其制造方法。用于解决课题的手段本专利技术的专利技术者们着眼于通过氮化处理而形成于钢材的表面的化合物层的形态，对与疲劳强度的关系进行了调查。其结果发现了：通过将调整了成分的钢在考虑了坯料的C量的氮化势控制下进行氮化，从而将表面附近制成以γ’相为主体的相结构，抑制多孔的产生，将表层的压缩残留应力设定为一定值以上，由此能够制作具有优异的表面疲劳强度及旋转弯曲疲劳强度的氮化部件。本专利技术是基于上述的认识进一步反复研究而完成的，其主旨如下所述。一种氮化处理部件，其特征在于，其是以下述钢材作为原材料的部件，所述钢材以质量％计含有C：0.05％～0.30％、Si：0.05％～1.5％、Mn：0.2％～2.5％、P：0.025％以下、S：0.003％～0.05％、Cr：超过0.5％且为2.0％以下、Al：0.01％～0.05％、N：0.003％～0.025％、Nb：0％～0.1％、B：0％～0.01％、Mo：0％以上且低于0.50％、V：0％以上且低于0.50％、Cu：0％以上且低于0.50％、Ni：0％以上且低于0.50％及Ti：0％以上且低于0.05％，剩余部分为Fe及杂质，其中，该部件具有形成于钢材的表面的含有铁、氮及碳的厚度为3μm以上且低于15μm的化合物层，从表面到5μm的深度为止的范围的化合物层中的相结构以面积率计含有50％以上的γ’相，在从表面到3μm的深度为止的范围内空隙面积率低于10％，化合物层表面的压缩残留应力为500MPa以上。专利技术效果根据本专利技术，能够得到不仅表面疲劳强度优异而且旋转弯曲疲劳强度也优异的氮化处理部件。附图说明图1是说明化合物层的深度的测定方法的图。图2是化合物层和扩散层的组织照片的一个例子。图3是表示在化合物层中形成有空隙的样子的图。图4是在化合物层中形成有空隙的组织照片的一个例子。图5是表示氮化势与化合物层的相结构及旋转弯曲疲劳强度的关系的图。图6是为了评价表面疲劳强度而使用的滚轴点蚀试验用的小滚轴的形状。图7是为了评价表面疲劳强度而使用的滚轴点蚀试验用的大滚轴的形状。图8是用于评价旋转弯曲疲劳强度的圆柱试验片。具体实施方式以下，对本专利技术的各必要条件进行详细说明。首先，对成为原材料的钢材的化学组成进行说明。以下，表示各成分元素的含量及部件表面中的元素浓度的“％”是指“质量％”。[C：0.05％～0.30％]C是为了确保部件的芯部硬度而需要的元素。C的含量低于0.05％时，由于芯部强度变得过低，所以表面疲劳强度和弯曲疲劳强度大大降低。另外，如果C的含量超过0.30％，则化合物层厚度变大，表面疲劳强度和耐弯曲性大大降低。C含量的优选范围为0.08～0.25％。[Si：0.05％～1.5％]Si是通过固溶强化来提高芯部硬度。另外，提高回火软化阻力，提高在磨损条件下达到高温的部件表面的表面疲劳强度。为了发挥这些效果，Si含有0.05％以上。另一方面，如果Si的含量超过1.5％，则由于棒钢、线材和热锻造后的强度变得过高，所以切削加工性大大降低。Si含量的优选范围为0.08～1.3％。[Mn：0.2％～2.5％]Mn是通过固溶强化来提高芯部硬度。此外，Mn在氮化处理时，在硬化层中形成微细的氮化物(Mn3N2)，通过析出强化而使耐磨性及表面疲劳强度提高。为了得到这些效果，Mn需要为0.2％以上。另一方面，如果Mn的含量超过2.5％，则由于不仅提高表面疲劳强度的效果饱和，而且成为原材料的棒钢、线材和热锻造后的硬度变得过高，所以切削加工性大大降低。Mn含量的优选范围为0.4～2.3％。[P：0.025％以下]P为杂质，由于发生晶界偏析而使部件脆化，所以含量优选较少。如果P的含量超过0.025％，则有可能弯曲矫正性和弯曲疲劳强度降低。用于防止弯曲疲劳强度的降低的P含量的优选的上限为0.018％。难以将含量完全设定为0，现实的下限为0.001％。[S：0.003％～0.05％]S与Mn结合而形成MnS，使切削加工性提高。为了得到该效果，S需要为0.003％以上。然而，如果S的含量超过0.05％，则变得容易生成粗大的MnS，表面疲劳强度和弯曲疲劳强度大大降低。S本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化处理部件，其特征在于，其是以下述钢材作为原材料的部件，所述钢材以质量％计含有：C：0.05％～0.30％、Si：0.05％～1.5％、Mn：0.2％～2.5％、P：0.025％以下、S：0.003％～0.05％、Cr：超过0.5％且为2.0％以下、Al：0.01％～0.05％、N：0.003％～0.025％、Nb：0％～0.1％、B：0％～0.01％、Mo：0％以上且低于0.50％、V：0％以上且低于0.50％、Cu：0％以上且低于0.50％、Ni：0％以上且低于0.50％、及Ti：0％以上且低于0.05％，剩余部分为Fe及杂质，其中，该部件具有形成于钢材的表面的含有铁、氮及碳的厚度为3μm以上且低于15μm的化合物层，从表面到5μm的深度为止的范围的化合物层中的相结构以面积率计含有50％以上的γ’相，在从表面到3μm的深度为止的范围内空隙面积率低于10％，化合物层表面的压缩残留应力为500MPa以上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.05 JP 2016-1972621.一种氮化处理部件，其特征在于，其是以下述钢材作为原材料的部件，所述钢材以质量％计含有：C：0.05％～0.30％、Si：0.05％～1.5％、Mn：0.2％～2.5％、P：0.025％以下、S：0.003％～0.05％、Cr：超过0.5％且为2.0％以下、Al：0.01％～0.05％、N：0.003％～0.025％、Nb：0％～0.1％、B：0％～0.01...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅原崇秀，祐谷将人，
申请(专利权)人：新日铁住金株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP