[发明专利]表面硬化用机械结构用钢及机械结构钢部件

说明书

技术领域

本发明涉及表面硬化用机械结构用钢、特别是涉及用于齿轮、无级变速机、等速联轴器、轮毂等汽车等的动力传递部件的具有高的表面疲劳强度的机械结构钢部件。

背景技术

对于机械结构钢部件、例如自动变速机的齿轮、或无级变速机的滑轮、等速联轴器、轮毂等动力传递部件，要求高的表面疲劳强度。

以往，对于上述部件，一般采用JIS的SCr420、或SCM420等C为0.2％左右的表面硬化钢作为原材料，在将该原材料加工成部件后，通过渗碳淬火在部件表面上形成C为0.8％左右的马氏体组织的硬化层，提高表面疲劳强度来进行使用。

可是，渗碳淬火伴随着在950℃左右的高温下的奥氏体相变，成为5～10小时、根据情况甚至达到10小时以上的长时间处理，因此由晶粒粗大化导致的热处理变形(淬火变形)增大是不可避免的。

因此，在钢部件要求高精度的情况下，在渗碳淬火后，必须对钢部件实施磨削或珩磨等精加工。

而且，近年来，降低汽车发动机等的噪音的要求高涨，因此与渗碳淬火相比热变形小的表面硬化法即高频淬火、及软氮化处理受到注目。

高频淬火是通过短时间的加热只使钢材表层部的必要的部分发生奥氏体化来进行淬火的方法，因而能够得到淬火变形小、精度高的表面硬化部件。可是，若想只通过高频淬火来得到与渗碳淬火材同等的硬度，则需要添加0.8％以上的C。

如果钢中的C量达到0.8％以上，则对于表面疲劳强度的提高而言不需要的内部硬度也上升，使切削性显著劣化，因此不能过度增加钢中的C量。只通过高频淬火来提高表面疲劳强度是有限度的。

软氮化处理是在相变点以下的500～600℃的温度区，主要通过使氮和碳同时向钢材表面扩散、浸透而形成硬化层来提高耐磨损性、耐烧结性、耐疲劳性等的表面硬化法。

通过扩散的氮在钢材表面生成氮化物。通常，在钢材的最表面主要形成含有Fe₃N、Fe₄N等铁氮化物的化合物层，在其内部形成N扩散的氮化层。

软氮化处理能够在低温下进行，而且与渗碳处理相比处理时间可以是2～4小时左右的短时间，因此多用于要求低变形的钢部件的制造。可是，只采用软氮化处理，硬化层深度较浅，因此不能适用于施加高的表面压力的传动齿轮等。

最近，作为弥补高频淬火和软氮化处理的缺陷、得到更优良的机械性质、特别是更优良的表面疲劳强度的方法，尝试了在软氮化处理后实施高频淬火(参照专利文献1～7)。

例如，在专利文献1中公开了组合高频淬火和气体软氮化处理，弥补各自的缺陷，得到优良的机械性质、特别是通过提高软化阻力而带来的高的表面疲劳强度的方法。

可是，在专利文献1的方法中，尽管表面硬度高，但因氮化层中的N浓度低而使得高温硬度低，在工作中达到高温的齿轮等的表面，不能得到良好的软化阻力，结果不能得到高的表面疲劳强度。

在专利文献2中也公开了通过组合高频淬火和软氮化处理来制造机械强度优良的机械结构用部件的方法。在专利文献2的方法中，为了使氮化物固溶，需要用900℃以上且1200℃以下的高温进行高频加热。

可是，因促进氮化物分解、扩散的与N的亲和性高的元素的添加量不足而不得不进行高温加热。因此，钢材表面的氧化层的生成变得显著，使得机械性质大大劣化。

此外，在专利文献2的方法中，没有考虑用于形成厚的化合物层的方法，所以在高的表面压力下，不能得到良好的表面疲劳强度。

在专利文献3中公开了机械强度优良的机械结构部件的制造方法，其特征在于：对于以重量％计含有C：0.35～0.65％、Si：0.03～1.50％、Mn：0.3～1.0％、Cr：0.1～3.0％、余量为Fe及杂质的钢，在使氮化层深度成为150μm以上的条件下进行了软氮化处理后，在使氮化层奥氏体化的条件下进行高频淬火。

可是，在专利文献3的制造方法中，没有考虑为提高表面疲劳强度而形成所要求厚度的氮化层。

在专利文献4中公开了机械部件的热处理方法，其特征在于：通过对加工成部件形状的铁系材料进行软氮化处理使氮向表面层扩散浸透，形成化合物层，然后在对化合物层消失而新生成的表层的扩散层进行脱氮、在最表面形成多孔质层的条件下进行高频淬火。

可是，在专利文献4的热处理方法中，没有考虑为了提高表面疲劳强度而形成所要求的厚度的氮化层。