[发明专利]表层硬化处理用钢及表层硬化钢部件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及表层硬化处理用钢及表层硬化钢部件及其制造方法。

本申请基于2010年3月19日在日本申请的专利申请2010-064880号并主张优先权，将其内容引用于此。

背景技术

在汽车、建筑机械、农业机械、发电用风车、其他的产业机械等中使用的传动部件(例如、齿轮、轴承、CVT滑轮、旋转轴等)从部件的疲劳特性的提高、耐磨损性的提高等目的出发几乎都是在实施表面硬化处理后来使用。在已知的多种表面硬化处理中，渗碳处理从表面硬度、硬化层的深度、生产率等方面来看比其他表面硬化处理优良，因此适用部件非常多。

例如，在齿轮、轴承部件的通常的制造工序中，使用JISG4053中规定的SCM420、SCR420、SNCM220等中碳合金钢，利用热锻、冷锻、切削、或它们的组合实施机械加工以得到规定的形状，然后，实施渗碳处理或渗碳氮化处理。

渗碳齿轮的疲劳破坏大致分为弯曲疲劳(齿根疲劳)和齿面疲劳(点蚀(pitting)等)。为了实现齿轮部件的高强度化，需要使这两种疲劳强度都提高。其中，已知弯曲疲劳强度可通过改善表层的组织(减少晶界氧化层、不完全淬火层)来改善，并且可通过实施喷丸硬化来大幅度改善。

另一方面，齿面疲劳强度即使实施喷丸硬化也几乎无法改善，因此，齿面疲劳强度的提高成为课题。此外，不仅齿轮，对于CVT滑轮、轴承类也进一步要求高面压化，因此对于提高齿面疲劳或转动疲劳等面疲劳的要求较高。

相对于此，最近报道了下述内容：从在齿轮的使用中齿面的表面温度上升到300℃左右的方面考虑，提高300℃下的硬度(或者300℃回火后的硬度，以下称为300℃回火硬度)对于改善齿面疲劳强度是有效的。

由此，提出了增加Si或Cr的添加量而使300℃回火硬度提高的钢材。但是，仅通过钢材成分使300℃回火硬度提高是有限的，并且难以大幅度提高，因此要求进一步的改善技术。

近年来，作为大幅度改善300℃回火硬度的技术，提出了在渗碳部件的表面使渗碳体积极地析出的“高碳渗碳(也称为高浓度渗碳)技术”。通常的渗碳处理为如下处理：将气氛的碳势(以下也称为C.P.)设定为0.70～0.90％左右，将部件的表层部的碳量控制为0.80％左右，然后通过进行淬火，使部件的表层部的组织成为碳量为0.80％左右的马氏体组织。

相对于此，在其他的高碳渗碳技术中，通过将C.P.设定为比通常高(与共析碳量相当的值以上)，进行表面的碳量超过Acm组成那样的渗碳。由此，使渗碳体在表层部析出、分散，最终得到在马氏体中分散有渗碳体的组织。这样的技术也被称为CD渗碳：carbide dispersion carburizing(碳化物析出型渗碳)。

“碳势”是表示将钢加热的气氛的渗碳能力的用语。碳势的基本定义为“在某气体气氛中将钢加热至特定温度进行渗碳，达到与该气体气氛平衡时的钢的表面的碳浓度”。但是，在碳势的值超过进行渗碳处理的钢的Acm组成那样的条件下进行渗碳的情况下，碳势表示未发生渗碳体析出的假想的钢的表面的碳浓度的意思。该情况下，碳势与实际的钢的表面的碳固溶浓度未必一致。

马氏体如果在部件的使用中被暴露于高温下，则受到回火而软化。另一方面，渗碳体等碳化物相比马氏体大幅度硬化，即使温度提高也不容易软化。因此，如果能使大量的碳化物在钢中分散，则能使上述300℃回火硬度大幅度提高。该方法是使齿面疲劳强度、转动疲劳强度等面疲劳强度提高的有力的手段。

但是，在对于JISG4053中规定的SCM420、SCR420、SNCM220等中碳合金钢实施高碳渗碳的情况下，粗大的渗碳体必然沿着奥氏体晶界析出(所谓的先共析渗碳体)，成为疲劳龟裂的发生部位或传播路径。因此，弯曲疲劳强度降低，并且齿面疲劳强度也产生不均匀，存在无法得到期待的疲劳强度的问题。

因此，在通常的高碳渗碳的情况下，首先在较高温度下进行高碳渗碳(一次渗碳)，然后，以不生成先共析渗碳体的方式以充分大的冷却速度暂时冷却到室温附近。然后，再次加热，在奥氏体+渗碳体的二相域进行碳化物的析出处理，然后进行淬火。该处理一般被称为“二次淬火”。

例如，在专利文献1中提出了通过高频淬火进行二次淬火的方法。在专利文献2中提出了通过规定二次淬火的加热模式来使碳化物微细分散的方法。但是，如果进行二次淬火，则不仅招致热处理成本增加，而且部件性能也劣化。即，通过反复进行热处理，由热处理引起的变形蓄积，部件的变形不可避免地增加，尺寸精度劣化。