氮化处理钢部件及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种能够满足部件的小型轻量化或高负载容量的要求的弯曲矫正性和弯曲疲劳特性优异的氮化处理钢部件，其特征在于，以下述钢材作为原材料，所述钢材以质量％计含有：C：0.2～0.6％、Si：0.05～1.5％、Mn：0.2～2.5％、P：0.025％以下、S：0.003～0.05％、Cr：0.05～0.5％、Al：0.01～0.05％和N：0.003～0.025％，并且剩余部分为Fe和杂质，所述氮化处理钢部件具有形成于钢表面的含有铁、氮和碳的厚度为3μm以下的化合物层和形成于化合物层之下的硬化层，有效硬化层深度为160～410μm。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】氮化处理钢部件及其制造方法
本专利技术涉及实施了氮化处理的钢部件、特别是弯曲矫正性和弯曲疲劳特性优异的曲轴等氮化处理钢部件及其制造方法。
技术介绍
对于在汽车、各种产业机器等中所使用的钢部件，为了提高疲劳强度、耐磨性和耐烧粘性等机械性质，实施渗碳淬火、高频淬火、氮化和软氮化等表面硬化热处理。氮化处理和软氮化处理在A1点以下的铁素体区域中进行，由于在处理中没有相变，因此能够减小热处理应变。因此，氮化处理和软氮化处理多用于具有高尺寸精度的部件和大型部件，例如已应用于汽车的传动部件中使用的齿轮和发动机中使用的曲轴。氮化处理是使氮侵入钢材表面的处理方法。对于用于氮化处理的介质来说，有气体、盐浴、等离子体等。对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，使得在钢材表面形成厚度为10μm以上的化合物层，此外，在化合物层下侧的钢材表层形成作为氮扩散层的硬化层。化合物层主要由Fe2～3N和Fe4N构成，与成为母材的钢相比，化合物层的硬度极高。因此，化合物层在使用的初期使钢部件的耐磨性和耐点蚀性得以提高。但是，化合物层由于韧性低并且变形能力低，因此有可能在使用中化合物层与母层的界面剥离，部件的强度降低。因此，难以将气体氮化部件用作承受冲击应力、大弯曲应力的部件。因此，为了用作承受冲击应力、大弯曲应力的部件，需要减薄化合物层的厚度、进而消除化合物层。另外，已知化合物层的厚度可以通过氮化处理的处理温度和氮势KN来控制，上述氮势KN由NH3分压和H2分压按照下式求出。KN＝(NH3分压)/[(H2分压)3/2]如果降低氮势KN，则能够减薄化合物层，进而也能够消除化合物层。但是，如果降低氮势KN，则氮变得难以侵入钢中。这种情况下，硬化层的硬度变低，并且其深度变浅。其结果是，氮化部件的疲劳强度、耐磨性和耐烧粘性降低。为了应对该性能降低，有下述方法：对气体氮化处理后的氮化部件实施机械研磨或喷丸等，从而除去化合物层。但是，对于该方法而言，制造成本升高。在专利文献1中，针对上述这样的问题提出了下述方法：利用与上述的氮势不同的氮化参数KN′＝(NH3分压)/[(H2分压)1/2]来控制气体氮化处理的气氛，减小硬化层深度的不均。在专利文献2中，提出了不形成化合物层就能够形成硬化层(氮化层)的气体氮化方法。专利文献2的方法是首先通过氟化处理除去部件的氧化皮膜，然后进行氮化处理，在处理炉内需要非氮化性材料作为用于配置被处理物的夹具。但是，由专利文献1所提出的氮化参数即使对硬化层深度的控制有用，也不会提高作为部件的功能。如专利文献2中所提出的那样，在准备非氮化性的夹具并首先进行氟化处理的方法的情况下，会产生夹具的选择和作业工时的增加的问题。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2006-28588号公报专利文献2：日本特开2007-31759号公报
技术实现思路
专利技术要解决的课题本专利技术的目的在于解决难以兼顾使低韧性且低变形能力的化合物层薄层化并且使硬化层深度变大的课题，并提供能够满足部件的小型轻量化或高负载容量的要求的弯曲矫正性和弯曲疲劳特性优异的氮化处理钢部件及其氮化处理方法。用于解决课题的手段本专利技术的专利技术者们对于将通过氮化处理而在钢材表面所形成的化合物层减薄并且得到深的硬化层的方法进行了研究。进一步，也一并研究了在氮化处理时(特别是以高KN值进行的处理时)，抑制氮在钢材的表面附近气体化而形成空隙的方法。此外，考察了氮化处理条件与弯曲矫正性和弯曲疲劳特性的关系。其结果是，本专利技术的专利技术者们获得了下述(a)～(d)的认识。(a)关于气体氮化处理中的KN值一般来说，KN值是使用进行气体氮化处理的炉内的气氛(以下称为“氮化处理气氛”或仅称作“气氛”)的NH3分压和H2分压，由下述式子来定义的。KN＝(NH3分压)/[(H2分压)3/2]KN值能够通过气体流量来控制。但是，设定气体流量后，氮化处理气氛达到平衡状态需要一定的时间。因此，在KN值达到平衡状态为止的这段期间，KN值也是时时刻刻变化的。另外，在气体氮化处理的过程中改变KN值的情况下，在达到平衡状态为止的这段期间KN值也是变动的。上述这样的KN值的变动会影响化合物层、表面硬度和硬化层深度。因此，不仅KN值的目标值需要控制在规定范围内，气体氮化处理中的KN值的偏差的范围也需要控制在规定范围内。(b)关于化合物层生成的抑制与表面硬度和硬化层深度的确保的兼顾在本专利技术的专利技术者们的各种实验中，氮化部件的弯曲矫正性和弯曲疲劳特性与化合物层的厚度、化合物层中的空隙、表面硬度和硬化层深度相关。如果化合物层较厚、而且化合物层中的空隙较多，则容易以化合物层为起点产生裂纹，弯曲矫正性和弯曲疲劳强度降低。另外，表面硬度越低、硬化层深度越浅，则越会以扩散层为起点产生龟裂、裂纹，弯曲疲劳强度降低。进而，如果表面硬度过高，则弯曲矫正性变差。即，本专利技术的专利技术者们发现了：除了化合物层薄、化合物层中的空隙少、表面硬度在一定的范围内以外，硬化层深度越深，则弯曲矫正性和弯曲疲劳特性越优异。由以上内容可知，为了兼顾弯曲矫正性和弯曲疲劳特性，尽量不要生成化合物层，并且将表面硬度控制在一定的范围，进而增大硬化层深度是重要的。为了最终抑制化合物层的生成，确保硬化层深度，在暂时生成化合物层后，将生成的化合物层分解而利用作为向硬化层的氮供给源是有效率的。具体而言，在气体氮化处理的前半段，实施提高了氮势的气体氮化处理(高KN值处理)来形成化合物层。然后，在气体氮化处理的后半段，实施氮势比高KN值处理降低了的气体氮化处理(低KN值处理)。其结果是，在高KN值处理中形成的化合物层被分解为Fe和N，通过N扩散从而促进氮扩散层(硬化层)的形成。最终，能够对于氮化部件减薄化合物层，并且提高表面硬度，加深硬化层深度。(c)关于空隙的生成的抑制在气体氮化处理的前半段以高KN值进行氮化处理时，有时在化合物层中会生成含有空隙的层(多孔层)(图1(a))。这种情况下，在氮化物分解而形成了氮扩散层(硬化层)后，空隙也会原样地残存于氮扩散层内。如果氮扩散层内残存空隙，则氮化部件的疲劳强度降低。在高KN值处理中，生成化合物层时如果限制KN值的上限，则能够抑制多孔层和空隙的生成(图1(b))。(d)关于钢材成分与化合物层和氮扩散层的关系如果钢材中存在C，则化合物层厚度容易变厚，另外，如果存在Mn、Cr等氮化物形成元素，则氮扩散层的硬度和扩散层深度会变化。化合物层厚度越薄，另外表面硬度越低，则弯曲矫正性越提高，表面硬度越高；另外扩散层越深，则弯曲疲劳特性越提高，因此需要设定钢材成分的最佳范围。本专利技术是根据上述的认识而完成的，其要旨如下。[1]一种氮化处理钢部件，其特征在于，以下述钢材作为原材料，所述钢材以质量％计含有：C：0.2～0.6％、Si：0.05～1.5％、Mn：0.2～2.5％、P：0.025％以下、S：0.003～0.05％、Cr：0.05～0.5％、Al：0.01～0.05％、和N：0.003～0.025％，并且剩余部分为Fe和杂质，所述氮化处理钢部件具有形成于钢表面的含有铁、氮和碳的厚度为3μm以下的化合物层和形成于化合物层之下的硬化层，有效硬化层深度为160～410μm。[2]根据上述[1]所述的氮化处理钢部件，其特征在于，所述钢本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化处理钢部件，其特征在于，以下述钢材作为原材料，所述钢材以质量％计含有：C：0.2～0.6％、Si：0.05～1.5％、Mn：0.2～2.5％、P：0.025％以下、S：0.003～0.05％、Cr：0.05～0.5％、Al：0.01～0.05％、和N：0.003～0.025％，并且剩余部分为Fe和杂质，所述氮化处理钢部件具有形成于钢表面的含有铁、氮和碳的厚度为3μm以下的化合物层和形成于化合物层之下的硬化层，有效硬化层深度为160～410μm。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.08 JP 2015-1764981.一种氮化处理钢部件，其特征在于，以下述钢材作为原材料，所述钢材以质量％计含有：C：0.2～0.6％、Si：0.05～1.5％、Mn：0.2～2.5％、P：0.025％以下、S：0.003～0.05％、Cr：0.05～0.5％、Al：0.01～0.05％、和N：0.003～0.025％，并且剩余部分为Fe和杂质，所述氮化处理钢部件具有形成于钢表面的含有铁、氮和碳的厚度为3μm以下的化合物层和形成于化合物层之下的硬化层，有效硬化层深度为160～410μm。2.根据权利要求1所述的氮化处理钢部件，其特征在于，所述钢材含有Mo：0.01％以上且低于0.50％、V：0.01％以上且低于0.50％中的1种或2种来代替一部分Fe。3.根据权利要求1或2所述的氮化处理钢部件，其特征在于，所述钢材含有Cu：0.01％以上且低于0.50％、Ni：0.01％以上且低于0.50％中的1种或2种来代替一部分Fe。4.根据权利要求1～3中任一项所述的氮化处理钢部件，其特征在于，所述钢材含有Ti：0.005％以上且低于0.05％来代替一部分Fe。5.一种氮化处理方法，其特征在于，以下述钢材作为原材料，所述钢材以质量％计含有：C：0.2～0.6％、Si：0.05～1.5％、Mn：0.2～2.5％、P：0.025％以下、S：0.003～0.05％、Cr：0.05～0.5％、Al：0.01～0.05％、和N：0.003～0.025％，并且剩余部分为Fe和杂质，所述氮化处理方法具备实施气体氮化处理的工序，在该工序中，在含有NH3、H2和N2的气体气氛中将所述钢材加热至550～620℃，整个处理时间A设定为1.5～10小时，所述气体氮化处理包含将处理时间设定为X小时的高KN值处理和在高KN值处理之后接着进行的将处理时间设定为Y小时的低KN值处理，在所述高KN...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅原崇秀，祐谷将人，大藤善弘，
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