熱處理鋼構件的方法及鋼構件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于熱處理鋼構件(steel component)的方法和已經經歷該方法的鋼構件。
【背景技術】
[0002]碳氮共滲(carbonitriding)是一種冶金學表面修飾技術，其用于增加金屬構件的表面硬度，從而減少使用過程中對構件的磨損。在碳氮共滲過程中，碳和氮原子間隙式地擴散進入(diffuse interstitially into)金屬中，從而形成滑移障礙并且增加表面附近(通常在0.1?0.3mm厚的層)的硬度。碳氮共滲通常在850?860°C的溫度下進行。
[0003]通常碳氮共滲用于改進具有中碳鋼或低碳鋼而非高碳鋼的鋼構件的耐磨性(wearresistance)?盡管包括高碳鋼的鋼構件強度更好，但是已經證實它們在某些應用中更容易裂化。構件例如可以應用于常見的骯臟環境，在骯臟環境中潤滑油容易被污染，例如在齒輪箱中，并且構件的使用壽命在這種條件下會顯著縮短是眾所周知的。換句話說，潤滑劑中的顆粒能夠例如在齒輪箱的各種移動部件之間進入，并在它們的接觸表面上形成凹口(indentat1n)。應力在這些凹口的邊緣周圍富集并且這些接觸應力富集最終可能導致疲勞裂紋。使用這種方式損傷的構件還可能造成由所述構件產生的噪音增加。
[0004]奧氏體氮碳共滲(austenitic nitrocarburizing)是一種表面硬化工藝，其中向鐵金屬(ferrous metal)的表面提供氮和碳。奧氏體氮碳共滲制造由陶瓷型鐵-碳氮化物層(化合物層)和底部擴散區域組成的薄硬表面，其中氮和碳溶解于基體中。最通常的是，對低碳的、低合金的鋼使用奧氏體氮碳共滲。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供用于熱處理鋼的改進方法。
[0006]這一目的通過包括以下步驟的方法得以實現:a)對鋼構件進行碳氮共滲，和b)對鋼構件進行奧氏體氮碳共滲，其中優選這些步驟順序進行。
[0007]使用所述方法改變了鋼構件表面的顯微結構，改進了其耐磨性、耐蝕性、承重能力、表面硬度、型芯硬度(core hardness)、化合物層厚度、耐磨耗性(abrasive wearresistance)、耐粘附磨損性(adhesive wear resistance)、耐疲勞性，并增強了其釋放在表面上任何凹口的邊緣處應力集中的能力。
[0008]經歷所述方法的鋼構件的表面可具有800?1000HV或更高的表面硬度和300?500HV的型芯硬度，取決于所使用的鋼的類型。相比于現有技術，經歷所述方法的高碳鋼構件的表面和型芯的硬度均大于包含具有低碳含量的鋼的已知構件的強度。結果改進了滾動接觸的耐磨性和疲勞強度。此外，會增加鋼構件例如軸承的荷重能力，由此軸承可以是為具體應用的更小構造(construct1n)。還增加了滾動接觸的耐疲勞性，使得可以延長鋼構件的使用壽命。此外，沒有發現現有技術中所記載的經裂化導致的缺點。
[0009]作為所述方法的結果，所述鋼構件可以提供有厚度為15?40 μ m的化合物層，該厚度是從鋼構件的表面測得的。根據本發明的實施方式，所述鋼構件還可以提供有在所述化合物層下面的厚度為5?15 μπι的中間層。已經擴散進入鋼構件表面的氮降低了奧氏體化溫度，并且在化合物層和擴散區域之間形成了中間層。
[0010]通過例如在200?400°C下對中間層回火2?4小時，能夠將中間層轉化為具有厚度在1000HV以上的層，這進一步增大了鋼構件的承重能力。回火時，中間層轉化為硬的富氮材料，從而導致硬度增加以支撐化合物層。
[0011]根據本發明的一種實施方式，在590?700°C的溫度下實施步驟b)。該工藝溫度導致鋼構件微小的形狀畸變，這意味著后研磨(post-grinding)是沒有必要的。因此，該方法是成本有效的提高鋼構件耐磨性和耐蝕性的方式。
[0012]根據本發明的一種實施方式，可以使用氣體、鹽浴、離子或等離子體、或流化床奧氏體氮碳共滲實施步驟b)。
[0013]根據本發明的一種實施方式，鋼構件包括0.60?1.20重量％碳含量的鋼，即具有中高碳含量的鋼。根據本發明的一種實施方式，鋼構件包括高碳軸承鋼，例如SAE52100/100Cr6 或 ASTM-A485 等級 2。
[0014]根據本發明進一步的實施方式，鋼構件包括100CrMo7-4鋼或任何其它的按照ISO683-17:1999 的鋼。
[0015]根據本發明的一種實施方式，鋼構件包括或構成滾壓元件或滾柱，或者用于經歷交變赫茲應力的應用的鋼構件。
[0016]根據本發明的一種實施方式，在60%NH3、35%NjP5% CO2的氣氛中實施步驟b)。
[0017]根據本發明的另一種實施方式，步驟a)包括對鋼構件進行碳氮共滲5?25小時。
[0018]根據本發明的另一種實施方式，所述方法包括在步驟b)后對鋼構件進行滾磨(tumbling)的步驟，但是該步驟不是必須在步驟b)之后直接進行。在奧氏體氮碳共滲后對鋼構件進行滾磨提供了更好的表面光潔度，并能夠用于進一步改進鋼構件的耐疲勞性。
[0019]根據本發明的一種實施方式，所述方法包括以下步驟:c)淬火鋼構件和d)回火鋼構件。可以在200?400°C的溫度下實施步驟d)。
[0020]根據本發明的一種實施方式，所述方法包括在步驟b)后的閃速氧化(flashoxidize)鋼構件的步驟。
[0021]本發明還涉及由鋼制成的構件，其表面硬度具有800?1000HV或更高的表面硬度和300?500HV的型芯硬度。可以使用根據本發明的實施方式中的任一種的方法制造所述鋼構件。
[0022]根據本發明的一種實施方式，所述鋼包含具有厚度為15 - 40 μπι的化合物層。根據本發明的另一種實施方式，所述鋼包括在所述化合物層以下的具有厚度為5?15 μπι的中間層。
[0023]根據本發明的一種實施方式，所述鋼具有0.60?1.20重量％的碳含量。
[0024]根據本發明進一步的實施方式，所述鋼包括100CrMo7_4鋼。
[0025]根據本發明的一種實施方式，鋼構件包括或構成滾壓元件或滾柱，或者用于經歷交變赫茲應力、例如滾動接觸或聯合滾動和滑動(combined rolling and sliding)的鋼構件，例如旋轉軸承或軸承座圈(raceway for a bearing)。鋼構件可以包括或構成齒輪牙、凸輪(cam)、轉軸、軸承、緊固件、銷(pin)、汽車離合板、刀具(tool)或模具。鋼構件可以例如構成滾柱軸承(roller bearing)、滾針軸承(needle bearing)、圓錐滾柱軸承(taperedroller bearing)、球面滾柱軸承(spherical roller bearing)、環形滾柱軸承(toroidalroller bearing)或止推軸承(thrust bearing)。鋼構件可以用在汽車繞組(automotivewind)、船舶(marine)、金屬制造或其它需要高耐磨性和/或高耐蝕性和/或提高的耐疲勞性和/或抗拉強度的機械應用。
【附圖說明】
[0026]下文將結合附圖借助非限定性的實施例進一步解釋本發明，其中:
[0027]圖1示出了根據本發明實施方式的方法，
[0028]圖2示出了已經經歷不同熱處理的五種鋼材料的Micro Vickers硬度分布曲線，
[0029]圖3示出了對六種不同的經歷不同熱處理的材料的腐蝕侵蝕，
[0030]圖4示出了已經經過碳氮共滲和奧氏體氮碳共滲的100CrMo7-4鋼的顯微照片，以及
[0031]圖5示出了根據本發明實施方式的鋼構件。
[0032]應該指出，沒有按照比例繪制這些附圖，為了清楚起見，放大了某些特征的尺寸。
【具體實施方式】
[0033]圖1示出了根據本發明熱處理循環。使鋼構件例如在970°C的溫度下經歷碳氮共滲工藝(步驟a)例如5-25小時。例如在控制載氣的存在下通過向熔爐中引入甲烷/丙烷/天然氣(碳源)和氨氣(氮源)提供所述工藝的環境。通過保持工作氣體的合適比例，構件具有富碳和富氮鋼的薄的碳氮共滲層。根據本發明的一種實施方式，所述方法包括在碳氮共滲步驟a)開始時供應較高濃度的氨氣以增強碳氮共滲工藝。例如，可以開始時使用
9.5%的氨氣；可以將其降低至6.5%的氨氣，然后降低至0%。可以在約70%的碳氮共滲步驟a)中使用9.5%的氨氣。通過碳氮共滲步驟a)增加鋼構件的承重能力。承重能力取決于碳氮共滲所到達的表面深度和用于奧氏體氮碳共滲的溫度。
[0034]然后，例如在60% NH3、35%隊和5% CO 2的氣氛中通過將構件再加熱至590?700°C的溫度對鋼構件進行奧氏體氮碳共滲步驟(步驟b))。奧氏體氮碳共滲步驟b)為鋼構件提供經韌化回火的芯和硬的類陶瓷表面、中間層及擴散區域。
[0035]然后，在油浴或鹽浴中對鋼構件進行淬火(步驟C))，其中選擇浴溫以實現最佳性質的同時，具有可接受的尺寸變化水平。能夠使用熱油/鹽浴淬火以使復雜零件(intricate part)的變形最小化。然后，可以實施低溫回火(步驟d))以使鋼構件增韌，例如在200?400°C的溫度下。回火后，將構件冷卻至室溫，并然后可以將其應用于可能經歷在常規操作循環下的應力、應變、沖擊和/或磨損的任何應用中，例如在受污染的和/或潤滑差的條件下。
[0036]根據本發明的一種實施方式，所述方法可以包括在步驟b)后使鋼構件經歷滾磨的步驟。
[0037]所述方法可以改進以下鋼構件性質中的至少一種:耐磨性、耐蝕性、承重能力、表面硬度、型芯硬度、化合物層厚度、耐磨耗性、耐疲勞性。
[0038]經歷根據本發明的實施方式的方法的鋼構件可以隨或不隨后續的研磨操作一起使用