[发明专利]表面硬化用机械结构用钢以及机械结构用部件

说明书

技术领域

本发明涉及表面硬化用机械结构用钢以及机械结构用部件。详细而言，涉及适用于汽车等的动力传导部件的具有高表面疲劳强度的部件，特别涉及齿轮、无级变速器、轴承、等速接头、轮毂等机械结构用部件。

背景技术

机械结构用部件例如自动变速器的齿轮和无级变速器的滑轮、轴承、等速接头、轮毂等动力传导部件，要求高表面疲劳强度。一直以来，对于上述部件，一般在原材料中使用JIS SCr420、SCM420等C为约0.2％的表面渗碳钢，进行渗碳淬火处理从而在部件的表面上形成C为约0.8％的马氏体组织的硬化层，由此提高表面疲劳强度来使用。

但是，由于渗碳淬火随着在约950℃的高温下的奥氏体相变而成为5～10小时、根据情况有时甚至为10小时以上的长时间处理，因此不能避免由晶粒粗大化引起的热处理变形(淬火变形)增大。因而，要求高尺寸精度的部件在进行渗碳淬火后，必须进行研削、珩磨等精加工。

近年来，由于对降低汽车的发动机等的噪音的要求提高，因此与渗碳淬火处理相比，作为热变形小的表面硬化处理的高频淬火和软氮化处理变得受关注。

高频淬火是对钢材进行短时间加热，仅将表层部的必要部分进行奥氏体化、淬火，因此可以得到淬火变形小、尺寸精度高的表面硬化部件。

但是，为了仅通过高频淬火得到与渗碳淬火材同等的硬度，需要将0.8％以上的C添加到钢材中，与表面疲劳强度的提高无关的原材料内部的硬度也上升，产生切削性的显著劣化。因此，由于不能使钢材中的C量过度增加，所以仅通过高频淬火使表面疲劳强度提高受到限制。

软氮化处理为一种表面硬化法，其中，在相变点以下的500～600℃左右的温度范围内主要使氮和碳同时在钢材表面扩散渗透，由此形成硬化层，提高耐磨损性、耐烧结性、耐疲劳性等。

在钢材表面扩散的氮在钢中生成氮化物，通常在钢材的最表层上形成主要由Fe₃N、Fe₄N等Fe氮化物构成的化合物层，在钢材的最表层的内部生成N扩散的氮化层。

软氮化处理可以在低温下进行，并且与进行渗碳淬火的情况相比，处理时间可以为约2～4小时的短时间，因此多数适用于要求低变形的钢部件。

但是，仅通过软氮化处理，硬化层深度小，因此难以应用于施加高表面压力的传动装置的齿轮等。

最近，作为弥补高频淬火和软氮化处理的缺点、提高更优良的机械性质、特别是表面疲劳强度的方法，尝试在软氮化处理后实施高频淬火。

专利文献1中提出了一种制造方法，通过组合气体软氮化处理和高频淬火，弥补各自单独应用时的缺点，使软化阻力提高，从而得到优良的机械性质、特别是高表面疲劳强度。

专利文献1的制造方法中，对钢材实施气体软氮化，形成化合物层，之后，通过高频淬火，使通过气体软氮化而形成的化合物层中的氮化合物在钢中分解，扩散，从而形成淬火氮化层。

另外，以下的说明中，将通过软氮化处理在钢材的最表层上形成的由Fe₃N、Fe₄N等Fe氮化物构成的层称为“化合物层”，在钢材的最表层的内部N扩散而形成的氮化层中，将在未实施高频淬火的情况下形成的层称为“氮化层”，将实施高频淬火而形成的层称为“淬火氮化层”，从而将它们加以区别。

由专利文献1的制造方法制造的钢材虽然表面硬度高，但淬火氮化层中的N浓度低，因此高温时的钢材的硬度低，在工作中达到高温的齿轮等的表面上不能发挥充分的软化阻力，结果无法得到高表面疲劳强度。

专利文献2中提出了通过组合软氮化处理和高频淬火而得到机械性质优良的机械结构用部件的制造方法。专利文献2的制造方法中，通过在钢材中添加与N的亲和性高的元素，使钢材中的氮化物分解、扩散。

但是，专利文献2的制造方法中，使钢材中的氮化物分解、扩散的元素的添加量不充分，因此需要将钢材高频加热至900℃以上且1200℃以下的非常高的温度，使N在钢中固溶。因此，在钢材表面上生成厚氧化层，由于该氧化层，无法避免钢材的机械性质显著劣化。

另外，在将由软氮化处理得到的化合物层通过高频淬火来形成淬火氮化层时，专利文献2的制造方法中，没有考虑到用于使淬火氮化层增厚的方法。

因此，由专利文献2的制造方法得到的机械结构用部件，由于淬火氮化层的厚度不充分，因此不具有能够耐受高表面压力下的使用的良好的表面疲劳强度。