[发明专利]热处理钢构件的方法及钢构件

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于热处理钢构件(steel component)的方法和已经经历该方法的钢构件。

背景技术

碳氮共渗(carbonitriding)是一种冶金学表面修饰技术，其用于增加金属构件的表面硬度，从而减少使用过程中对构件的磨损。在碳氮共渗过程中，碳和氮原子间隙式地扩散进入(diffuse interstitially into)金属中，从而形成滑移障碍并且增加表面附近(通常在0.1～0.3mm厚的层)的硬度。碳氮共渗通常在850～860℃的温度下进行。

通常碳氮共渗用于改进具有中碳钢或低碳钢而非高碳钢的钢构件的耐磨性(wear resistance)。尽管包括高碳钢的钢构件强度更好，但是已经证实它们在某些应用中更容易裂化。构件例如可以应用于常见的肮脏环境，在肮脏环境中润滑油容易被污染，例如在齿轮箱中，并且构件的使用寿命在这种条件下会显著缩短是众所周知的。换句话说，润滑剂中的颗粒能够例如在齿轮箱的各种移动部件之间进入，并在它们的接触表面上形成凹口(indentation)。应力在这些凹口的边缘周围富集并且这些接触应力富集最终可能导致疲劳裂纹。使用这种方式损伤的构件还可能造成由所述构件产生的噪音增加。

奥氏体氮碳共渗(austenitic nitrocarburizing)是一种表面硬化工艺，其中向铁金属(ferrous metal)的表面提供氮和碳。奥氏体氮碳共渗制造由陶瓷型铁-碳氮化物层(化合物层)和底部扩散区域组成的薄硬表面，其中氮和碳溶解于基体中。最通常的是，对低碳的、低合金的钢使用奥氏体氮碳共渗。

发明内容

本发明的目的是提供用于热处理钢的改进方法。

这一目的通过包括以下步骤的方法得以实现：a)对钢构件进行碳氮共渗，和b)对钢构件进行奥氏体氮碳共渗，其中优选这些步骤顺序进行。

使用所述方法改变了钢构件表面的显微结构，改进了其耐磨性、耐蚀性、承重能力、表面硬度、型芯硬度(core hardness)、化合物层厚度、耐磨耗性(abrasive wear resistance)、耐粘附磨损性(adhesive wear resistance)、耐疲劳性，并增强了其释放在表面上任何凹口的边缘处应力集中的能力。

经历所述方法的钢构件的表面可具有800～1000HV或更高的表面硬度和300～500HV的型芯硬度，取决于所使用的钢的类型。相比于现有技术，经历所述方法的高碳钢构件的表面和型芯的硬度均大于包含具有低碳含量的钢的已知构件的强度。结果改进了滚动接触的耐磨性和疲劳强度。此外，会增加钢构件例如轴承的荷重能力，由此轴承可以是为具体应用的更小构造(construction)。还增加了滚动接触的耐疲劳性，使得可以延长钢构件的使用寿命。此外，没有发现现有技术中所记载的经裂化导致的缺点。

作为所述方法的结果，所述钢构件可以提供有厚度为15～40μm的化合物层，该厚度是从钢构件的表面测得的。根据本发明的实施方式，所述钢构件还可以提供有在所述化合物层下面的厚度为5～15μm的中间层。已经扩散进入钢构件表面的氮降低了奥氏体化温度，并且在化合物层和扩散区域之间形成了中间层。

通过例如在200～400℃下对中间层回火2～4小时，能够将中间层转化为具有厚度在1000HV以上的层，这进一步增大了钢构件的承重能力。回火时，中间层转化为硬的富氮材料，从而导致硬度增加以支撑化合物层。

根据本发明的一种实施方式，在590～700℃的温度下实施步骤b)。该工艺温度导致钢构件微小的形状畸变，这意味着后研磨(post-grinding)是没有必要的。因此，该方法是成本有效的提高钢构件耐磨性和耐蚀性的方式。

根据本发明的一种实施方式，可以使用气体、盐浴、离子或等离子体、或流化床奥氏体氮碳共渗实施步骤b)。

根据本发明的一种实施方式，钢构件包括0.60～1.20重量％碳含量的钢，即具有中高碳含量的钢。根据本发明的一种实施方式，钢构件包括高碳轴承钢，例如SAE 52100/100Cr6或ASTM-A485等级2。

根据本发明进一步的实施方式，钢构件包括100CrMo7-4钢或任何其它的按照ISO 683-17:1999的钢。

根据本发明的一种实施方式，钢构件包括或构成滚压元件或滚柱，或者用于经历交变赫兹应力的应用的钢构件。

根据本发明的一种实施方式，在60％NH₃、35％N₂和5％CO₂的气氛中实施步骤b)。