[发明专利]表面硬化钢和渗碳材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种供于施工机械、汽车领域中使用的机械结构用材料的、冷锻性优异且通过渗碳而具有高疲劳强度的表面硬化钢和高疲劳强度渗碳材料。

背景技术

对于将棒钢冷成型而制造的、例如汽车等的部件材料，要求高的冷锻性。由此，进行了实施球状化热处理来使碳化物球状化而提高冷锻性的实践。另外，从钢的成分组成的观点出发，还提出了减少对变形阻力影响大的Si的方案等。进而，也提出了有效活用B的淬硬性的钢。

例如，在专利文献1中提出了一种渗碳齿轮用钢，其通过根据提高B的淬硬性效果的程度而减少其它合金元素的量，从而由正火工序开始降低硬度，与以往的钢相比，使切齿性飞跃性地提高。

另外，在专利文献2中提出了一种表面硬化钢，其通过将减少作为固溶强化元素的Si和Mn而用B来确保淬硬性的成分体系与制造条件进行组合而确保冷加工性。

另一方面，近年来，对于汽车等所用的齿轮等而言，伴随着由节能化引起的车体重量的轻量化，要求尺寸的小型化，另外伴随着发动机的高输出化，施加于齿轮的负荷也增大。齿轮的耐久性主要由齿根弯曲疲劳破坏和齿面的表面压力疲劳破坏决定。对于齿根弯曲疲劳强度，渗碳时在表层产生的不完全淬火层的减少、原奥氏体粒径的微细化被认为是有效的。另外，对于表面压力疲劳强度的提高，指出了与回火软化抗性的关系，分别提出了提高了Si的成分、添加了Mo的成分、或者使微细的碳化物分散在渗碳表层的钢。

例如，在专利文献3中提出了通过使原奥氏体粒径为7μm以下而改善疲劳强度和韧性的渗碳用钢。另外，在专利文献4中提出了使碳化物微细分散于表面的渗碳层中的方案。

专利文献1：日本专利第3551573号

专利文献2：日本专利第3764586号

专利文献3：日本专利第3063399号

专利文献4：日本专利第4056709号

发明内容

但是，在上述专利文献1和2中，虽然冷加工性和冲击特性的提高得到确认，但是疲劳特性与以往的钢为同等程度。

另外，在专利文献3和4中，大量使用Nb、Ti及V等碳化物生成元素，在微细析出的情况下存在使加工时的变形阻力显著上升等问题。

本发明是鉴于上述实际情况而开发的，其目的在于提供一种不仅冷锻性优异而且在渗碳处理后具有高耐疲劳强度的表面硬化钢、以及使用该表面硬化钢的渗碳材料。

本发明人等为了解决上述课题而反复进行深入的研究，结果得到如下所述的见解。首先，深入查明了用于在为了提高耐疲劳强度而使C浓度为0.85质量%以上的高C浓度渗碳层（以下称为高浓度渗碳层）形成于表面硬化钢时，在渗碳表层中抑制粗大碳化物（主要为渗碳体）的生成而使碳化物微细分散的方法。

即，图1中表示在表面硬化钢的高浓度渗碳层表层中的影响到碳化物最大粒径的Al、B及Ti的关系。由该图可知，为了抑制粗大碳化物的生成而使碳化物微细地分散，重要的是Al和B量的控制及Ti添加量的控制。在此，图1中还示出了对一部分钢测定表面疲劳强度的结果，而还可知通过控制粗大碳化物的生成，可得到高的表面疲劳强度。

另外，对于使C浓度为0.70～0.84质量%的渗碳层（以下称为一般渗碳层）形成于表面硬化钢的情况，对于影响到表面疲劳强度的Al、Ti及B量的关系也进行了研究。将其结果一并示于图1中。可知：即使在形成一般渗碳层时，如果将Al和B量控制在特定范围且将Ti控制在0.003质量%以下，则也可得到高的表面疲劳强度。

应予说明，在图1中示出结果的实验为如下实验：将0.2质量%C-0.1质量%Si-0.6质量%Mn-1.5质量%Cr-0.02质量%Nb钢作为基本，准备向该基本组成中添加了各种含量的Al和B的钢坯料（余量为铁和不可避免的杂质），对这些钢坯料实施以下条件的处理后，评价碳化物的最大粒径（μm）和表面疲劳强度（MPa）。

即，对于高浓度渗碳，由钢坯料加工25mmφ的圆棒，在碳势2%、950℃下进行5小时的高浓度渗碳，暂时冷却至600℃后，再次在850℃下保持30分钟，在60℃下油冷后，在170℃下进行2小时的回火处理。切断进行了该处理的样品后，用苦醇液腐蚀切断面，用扫描型电子显微镜在6000μm²的范围内观察从表面到30μm深的区域，利用图像解析求出碳化物的最大粒径。另外，从上述圆棒采集滚轴点蚀试验片，对其实施了从上述高浓度渗碳到回火处理的各处理，对由此得到的样品在滑移率40%和油温80℃的条件下进行了滚轴点蚀试验，评价了10⁷次强度（试验片表面发生点蚀的临界强度）。