軟氮化高頻淬火鋼部件的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及軟氮化高頻淬火鋼部件，尤其涉及在適合用于汽車等的動力傳輸部件 用途的具有高面疲勞強度的齒輪、無級變速器、等速萬向節、輪轂等中使用的軟氮化高頻淬 火鋼部件。
【背景技術】
[0002] 對于例如自動變速器的齒輪、無級變速器的滑輪，等速萬向節、輪轂等動力傳輸 部件之類的鋼部件，要求高面疲勞強度。通常對于上述部件而言，在原材料中使用JIS SCr420、SCM420等C為0. 2 %左右的表面滲碳鋼，在表面滲碳鋼中實施了滲碳淬火處理而在 部件的表層形成C為0. 8%左右的馬氏體組織的硬化層，從而提高面疲勞強度來進行使用。
[0003] 然而，滲碳淬火處理是在950°C左右的高溫下的奧氏體區域進行5~10小時、根 據情況進行10小時以上的處理，因此有時由晶粒粗大化帶來的熱處理變形（淬火應變）變 大。因此，在要求高精度的部件的情況下，需要在滲碳淬火之后實施研削、拋光等精加工。
[0004] 近年來，汽車發動機等低噪音化的要求增高，因此作為熱應變比滲碳淬火處理小 的表面硬化處理的高頻淬火、軟氮化備受注目。
[0005] 高頻淬火是僅對表層部的必要部分以短時間加熱進行奧氏體化從而進行淬火，因 此淬火應變小；通過高頻淬火，能夠精度良好地得到表面硬化部件。然而，當僅以高頻淬火 獲得與滲碳淬火材料相同的強度時，需要具有超過0. 8%的C含量的鋼材。其結果是，母材 的硬度上升，切削性產生顯著劣化。因此，不能無節制地增加鋼中的C含量，在僅以高頻淬 火來提高面疲勞強度上存在局限。
[0006] 軟氮化處理是在A1相變點以下的溫度區域得到表面硬化層的處理；另外，與滲碳 淬火處理相比，處理時間短至2~4小時左右。因此，較多適用于要求低應變的鋼部件的軟 氮化。然而，僅以軟氮化處理得到的硬化層深度小，因此難以在施加高面壓的變速器齒輪等 中適用。
[0007] 最近，作為彌補高頻淬火和軟氮化處理的缺點、獲得更優異的機械性質尤其是面 疲勞強度的方法，嘗試了在軟氮化后實施高頻淬火。
[0008] 專利文獻1~3公開了通過組合軟氮化處理與高頻淬火來提高面疲勞強度的機械 結構用鋼。專利文獻1~3所述的技術由于高頻淬火溫度小于950°C，因此通過軟氮化處 理而析出到表層的氮化物未充分固溶，氮（N)的大部分作為氮化物存在，表層的固溶N濃度 低。其結果是，由于壓縮殘余應力，因此無法獲得足夠高的面疲勞強度。
[0009] 專利文獻4提出了通過組合高頻淬火與氮化處理來制造機械強度優異的鋼部件 的制造方法。由專利文獻4的制造方法得到的鋼部件的表層硬度高。然而，表層的總N濃 度即氮化物的N濃度與固溶N濃度的總量低，并且大量存在V等氮化物形成元素，另外，表 層的總N濃度中的固溶N濃度低，因此表層的高溫硬度低。由此，對于在運行中會變成高溫 的齒輪等的表層而言，無法發揮充分的回火軟化抵抗，無法獲得高的面疲勞強度。
[0010] 專利文獻5也提出了通過組合高頻淬火與氮化處理來獲得優異的機械性質的技 術。專利文獻5所述的技術的特征在于：從表面0.05mm深度的氮濃度高。然而，面疲勞破 壞雖然是以表面為起點的破壞，但是破壞的深度會達到數倍于〇. 〇5_的深度。因此，僅僅 從表面0. 05mm深度的硬度高是無法獲得高的面疲勞強度的。
[0011] 專利文獻6也提出了通過組合高頻淬火與氮化處理來制造機械強度優異的鋼部 件的制造方法。專利文獻6所述的技術相對于部件的大小的有效硬化層深，并且通過高頻 加熱而奧氏體化的區域所占的深度深。因此，表面附近的壓縮殘余應力小，進而淬火應變變 大，作為部件特性是不優選的。
[0012] 現有技術文獻
[0013] 專利文獻
[0014] 專利文獻1 :國際公開第2010/082685號
[0015] 專利文獻2 :日本特開2011-208250號公報
[0016] 專利文獻3 :國際公開第2010/070958號
[0017] 專利文獻4 :日本特開平6-172961號公報
[0018] 專利文獻5 :日本特開2007-77411號公報
[0019] 專利文獻6 :日本特開平7-90364號公報
【發明內容】
[0020] 發明所要解決的問題
[0021] 本發明的目的在于：鑒于上述實際情況，提供由現有的軟氮化高頻淬火鋼部件所 無法獲得的回火軟化抵抗優異、顯示高的表面附近壓縮殘余應力并且面疲勞強度優異的軟 氮化高頻淬火鋼部件。
[0022] 用于解決問題的手段
[0023] 動力傳輸部件由于使用時發熱而使得運行面的溫度上升至300°C左右。因此，對 于提高鋼部件的面疲勞強度而言，為了維持運行面的高溫強度而提高回火軟化抵抗是有效 的。進而，對于提高鋼部件的面疲勞強度而言，提高表面附近的壓縮殘余應力是有效的。另 外，對于提高鋼部件的精度而言，降低淬火應變是有效的。
[0024] 本發明的發明者們對通過組合軟氮化處理與高頻淬火對鋼部件進行表面硬化處 理進行了各種研宄，獲得了以下見解。
[0025] a)對于提高鋼部件的運行面的回火軟化抵抗而言，提高鋼部件的表層的固溶N濃 度是有效的。通常測定的N濃度是固溶在馬氏體中的N和鋼中的氮化物的N的總量。本發 明的發明者們通過使高頻加熱時的最高溫度變化而使表層的固溶N與氮化物的比例變化， 由此對在300°C回火時表層的固溶N濃度給硬度帶來的影響進行了研宄，結果確認到了增 加馬氏體中的固溶N濃度對于提高回火軟化抵抗是有效的。
[0026] b)對于提高表面附近的壓縮殘余應力而言，提高表層的固溶N濃度并且使得有效 硬化層深度較淺是有效的。即，在提高表層的固溶N濃度的情況下，高頻淬火時因馬氏體相 變而引起的膨脹量變大，因此能夠提高表面附近的壓縮殘余應力。另外，即使相對于部件的 大小使得有效硬化層深度淺，也能夠提高表面附近的壓縮殘余應力。通過將這些組合起來， 能夠提高表面附近的壓縮殘余應力。進而，相對于部件的大小使得有效硬化層深度淺還有 助于降低淬火應變。這是因為淬火應變是由于奧氏體的馬氏體相變而顯現的。
[0027] 為了提高表層的固溶N濃度，需要提高高頻加熱時的到達溫度。然而，在僅僅提高 高頻加熱時的到達溫度時，有效硬化層深度變得過深，表面附近的壓縮殘余應力變低。現有 技術中也存在進行了 900°C以上的高頻加熱的例子，但是有效硬化層深度變深，無法充分提 高壓縮殘余應力。
[0028] 本發明的發明者們為了解決上述的問題，對高頻加熱的條件進行了深入研宄，從 而完成了本發明。其要旨如下所述。
[0029] (1) 一種軟氮化高頻淬火鋼部件，其特征在于，母材的化學組成以質量％計含有 C :0. 30 ~0. 80%、Si :0. 02 ~2. 5%、Mn :0. 35 ~2. 0%、Al :0. 001 ~2. 0%、Cr :0. 01 ~ 3. 0%、S :0. 040%以下、N :0. 0030~0. 02%，并且分別將O和P限制為O :0. 005%以下、P : 0. 025 %以下，剩余部分為Fe和雜質，從表面到0. 2mm深度的固溶N濃度為0. 05~1. 5 %，在 300°C回火后的從表面到0. 2mm深度的維氏硬度為Hv600以上，有效硬化層深度t為0. 5mm 以上，并且在將破損危險部位的半徑或壁厚的一半設定為r (mm)時，t/r < 0. 35。
[0030] (2)根據上述⑴的軟氮化高頻淬火鋼部件，其特征在于，以質量％計含有Nb : 0· 3% 以下、Ti :0· 3% 以下、V :L 0% 以下、Ni :3· 0% 以下、Cu :3· 0% 以下、Co :3· 0% 以 下、Mo :L 0% 以下、W :0· 5% 以下、B :0· 005% 以下、Ca :0· 01% 以下、Mg :0· 01% 以下、Zr : 0. 05%以下、Te :0. 1%以下、Pb :0. 5%以下、REM :0. 005%以下中的一種或兩種以上來代替 母材的化學組成的Fe的一部分。
[0031] 發明效果
[0032] 根據本發明，能夠提供由現有的軟氮化高頻淬火鋼部件所無法獲得的顯示高的表 面附近的壓縮殘余應力、