機械結構用鋼及其制造方法和表面硬化鋼部件及其制造方法

專利名稱：機械結構用鋼及其制造方法和表面硬化鋼部件及其制造方法
技術領域：
本發明涉及用于進行切削加工而制造機械結構部件而使用的機械結構用鋼及其制造方法，和切削加工成部件形狀之后，進行滲碳或碳氮共滲而得到的表面硬化鋼部件及其制造方法。
背景技術：
以汽車用變速器和差動裝置為首的各種齒輪傳動裝置所利用的齒輪、軸、滑輪和等速萬向接頭等，此外還有曲柄軸、連桿等的機械結構部件，一般是對于機械結構用鋼實施鍛造等之后，再通過切削加工而精加工成最終形狀(部件形狀)的。由于切削加工所需要的成本在制造費用整體中所占的比例很大，所以就要求上述機械結構用鋼有良好的被削性。 另外在前述機械結構部件中，還期待其疲勞特性(特別是耐俯仰性(pitchingresistance))優異。因此機械結構部件,在通過切削加工而精加工成最終形狀(部件形狀)后，為了提高疲勞特性，會實施滲碳處理和碳氮共滲處理(包括大氣壓、低壓、真空、等離子體氣氛)等的表面硬化處理而進行制造。在上述機械結構部件之中，特別是制造齒輪時的切削加工中，一般由滾刀(hob)進行切齒，這時的切削被稱為斷續切削。作為用于滾刀加工的工具，現在的主流是使用對于高速工具鋼實施了 AlTiN等涂層的工具(以下簡稱為“高速鋼エ具”)。但是使用高速鋼エ具的滾刀加工(斷續切削)進行的切齒為低速(具體來說，切削速度在150m/min左右以下)、低溫(具體來說，200 600°C左右)，但因為是斷續切削，所以容易與空氣接觸，存在工具容易氧化/磨損的弊端。因此供滾刀加工等的低速斷續切削的機械結構用鋼，在其被削性之中還特別要求延長工具壽命。作為改善斷續切削性的技術，專利文獻I中提出有一種斷續高速切削用鋼，其含有Al :0. 04 O. 20%,O :0. 0030%以下。在該技術中，以高速で斷續切削提高了 Al含量的鋼，使工具面上附送Al氧化物，由此使工具壽命提高。但是該斷續高速切削用鋼，主要側重的是切削速度200m/min以上的高速斷續切削，沒有關注滾刀加工這樣的低速斷續切削。另ー方面，作為用于切削加工的工具，除上述高速鋼工具以外，也有對超硬合金實施AlTiN等涂層的工具(以下簡稱為“超硬工具”)。該超硬工具由于存在的問題是，若對于正火材應用，則容易發生“切屑”，由此多被應用于車削等的連續切削。車削等的連續切削，通常切削速度超過150m/min,大部分的情況是以200m/min以上的高速進行。如此在上述斷續切削和連續切削中切削機理不同，于是分別選擇與各個切削相應的工具。但是作為被削材的機械結構用鋼，則期望其在任何ー種切削中都發揮出良好的被削性。于是在精加工成最終形狀后，實施滲碳處理和碳氮共滲處理(包括大氣壓、低壓、真空、等離子體氣氛)等的表面硬化處理，再實施淬火回火和高頻淬火等的熱處理而提高到規定的強度。但是若受到熱影響，則韌性降低，沖擊特性惡化。
作為改善沖擊特性的技術，在專利文獻2中提出有ー種機械結構用鋼，其在超過O. 1%、0. 3%以下的范圍含有Al。在該文獻中公開，通過降低固溶N量能夠提高被削性和沖擊特性，以及使Al含量適正化，適量確保對被削性提高效果有效的固溶Al和A1N，能夠得到對于從低速到高速的寬泛的切削速度區域都有效的切削性能。在該文獻中，通過測量擺錘沖擊試驗中的吸收能來評價機械結構用鋼的沖擊特性。但是該文獻所能夠達成的吸收能達不到50J/cm2,要求沖擊特性進ー步提高。本申請人也在專利文獻3中提出了ー種機械結構用鋼，其在高速鋼工具下的斷續切削和超硬工具下的連續切削的兩方面都發揮出優異的被削性，此外在滲碳-油淬火后，即使在進行回火處理的情況下，仍顯示出優異的沖擊特性。在該技術中，通過適當地控制Cr和Al的含量及其含量的比，從而改善被削性和沖擊特性。另外如前述，在精加工成最終形狀后，實施了滲碳處理和碳氮共滲處理等的表面硬化處理的機械結構部件中，還期望其疲勞特性(特別是耐俯仰性)優異。
作為提供實施了表面硬化處理的表面硬化鋼的技術，已知有專利文獻4。在該技術中，為了將熱軋后的AlN析出量限制在O. 01%以下，在滲碳時防止晶粒的粗大化，作為釘扎粒子不是活用AlN和NbN，而是活用以TiC和TiCS為主體的Ti系析出物。于是為了改善疲勞特性(在該文獻中為滾動疲勞特性)，減小Ti析出物的最大尺寸。但是在該技術中在少至O. 005 O. 05%的范圍規定Al量，不是改善在O. I %以上的范圍含有Al的表面硬化鋼部件的疲勞特性的技木。先行技術文獻專利文獻專利文獻I :日本特開2001-342539號公報專利文獻2 :日本特開2008-13788號公報專利文獻3 :日本特開2009-30160號公報專利文獻4 :日本特開2005-240175號公報

發明內容
本發明的第一目的在于，通過與本申請人先前提出的上述專利文獻3不同的方法，提供一種機械結構用鋼及其制造方法，其在使用了高速鋼工具的低速下的斷續切削(例如滾刀加工)中發揮出優異的被削性(特別是工具壽命的延長)，而且在使用了超硬工具的高速下的連續切削(例如、車削)中也發揮出優異的被削性(特別是工具壽命的延長)，此外在實施了淬火回火等的熱處理后仍顯示出優異的沖擊特性。然后，本發明的第二目的在干，提供ー種表面硬化鋼部件及其制造方法，是通過進 行滲碳或碳氮共滲得到的表面硬化鋼制品，其疲勞特性(特別是耐俯仰性)優異。能夠解決上述課題的本發明的機械結構用鋼，具有如下要g :其含有C :0. 05 O. 8% (質量 ％ 的意思，下同)、Si :0· 03 2%、Mn :0· 2 I. 8%、Al :0· I O. 5%、B :O. 0005 O. 008%、N 0. 002 O. 015%，滿足 P 0. 03% 以下(不含 0% )、S :0· 03% 以下(不含0%)、0 :0. 002%以下(不含0%)，余量由鐵和不可避免的雜質構成，在鋼中析出BN和AlN的質量比(BN/A1N)為O. 020 O. 2。在鋼中析出的BN優選為，在舊奧氏體晶界析出的BN與在舊奧氏體晶內析出的BN的個數比(晶界BN/晶內BN)為O. 50以下。上述機械結構用鋼，作為其他元素，也可以還含有如下等(a)Cr :3% 以下(不含 0% );(b)Mo :1% 以下(不含 0% );(c)Nb :0· 15% 以下(不含 0% );(d)從 Zr 0. 02% 以下(不含 0% ) ,Hf 0. 02% 以下(不含 0% )、Ta :0. 02% 以下(不含0% )和Ti 0. 02%以下(不含0% )構成的群中選出至少I種；(e)從V :0· 5%以下(不含0% ) ,Cu :3%以下(不含0% )、和Ni :3%以下(不含0% )構成的群中選出至少I種。 本發明的機械結構用鋼，能夠根據具有如下エ序的制造方法制造加熱エ序，將滿足上述成分組成的鋼加熱到1100°c以上；保持エ序，在所述加熱エ序后，在900 1050°C的溫度區域保持150秒以上；冷卻エ序，在所述保持エ序后，從900°C至700°C以O. 05 10°C /秒的平均冷卻速度進行冷卻。另外，在所述加熱エ序之后，也可以進行在1000°C以上進行熱加工的熱加工エ序，并且，所述熱加工エ序中的加工時間和所述保持エ序中的保持時間的合計為150秒以上。能夠解決上述課題的本發明的表面硬化鋼部件，是對于含有C :0. 05 0.8%、Si O. 03 2%、Mn :0. 2 L 8%,Al 0. I O. 5%、B 0. 0005 O. 008%,N 0. 002 O. 015%,滿足Ρ:0· 03%以下(不含0%)、S:0. 03%以下(不含0%)、0:0· 002%以下(不含0%)，余量由鐵和不可避免的雜質構成的鋼，進行了滲碳或碳氮共滲的表面硬化鋼部件，其具有的要旨在于，在部件表面析出的BN和AlN的質量比(BN/A1N)為O. 01以下(不含O)這ー點。上述表面硬化鋼部件，作為其他元素，也可以還含有如下等(a)Cr :3% 以下(不含 0% );(b)Mo :1% 以下(不含 0% );(c)Nb :0· 15% 以下(不含 0% );(d)從 Zr 0. 02% 以下(不含 0% ) ,Hf 0. 02% 以下(不含 0% )、Ta :0. 02% 以下(不含0% )和Ti 0. 02%以下(不含0% )構成的群中選出的至少I種元素；(e)從V :0· 5%以下(不含0% ) ,Cu :3%以下(不含0% )、和Ni :3%以下(不含0% )構成的群中選出的至少I種元素。本發明的表面硬化鋼部件，能夠通過具有如下エ序的制造方法制造切削加工エ序，將滿足上述成分組成的鋼切削加工成部件形狀；表面加工エ序，對于所述進行了切削加エ的部件實施滲碳處理或碳氮共滲處理；冷卻エ序，在滲碳處理或碳氮共滲處理的エ序后進行冷卻，并且在所述冷卻エ序中、從900°C至800°C以O. IO0C /秒以下(不含0°C /秒)的平均冷卻速度進行冷卻。在制造上述表面硬化鋼部件時，優選使用前述的本發明的機械結構用鋼制造。即，如果使用改善了切削加工成部件形狀時的被削性(特別是工具壽命)的本發明的機械結構用鋼，則可以更高效率地制造本發明的表面硬化鋼部件。具體來說，就是進行如下エ序加熱エ序，在所述切削エ序之前，將滿足所述成分組成的鋼加熱到1100°c以上；保持エ序，在所述加熱エ序之后在900 1050°C的溫度區域保持150秒以上保持；冷卻エ序，在所述保持エ序后，從900°C至700°C以O. 05 10°C /秒的平均冷卻速度進行冷卻。根據本發明的機械結構用鋼，因為抑制了 AlN的析出，另ー方面使BN積極地析出，將鋼中析出的BN與AlN的質量比(BN/A1N)調整到適當的范圍，所以能夠提供如下機械結構用鋼及其制造方法，其在低速下的斷續切削和高速下的連續切削兩方面都發揮出優異有被削性(特別是工具壽命的延長)，此外即使進行熱處理，仍顯示出優異的沖擊特性。根據本發明的表面硬化鋼部件，因為適當地控制了滲碳處理或碳氮共滲處理條件，將在部件表面析出的BN和AlN的質量比(BN/A1N)抑制在O. 01以下，因此能夠提供疲勞特性(特別是耐俯仰性)優異的表面硬化鋼部件。



圖I是表示進行小松式滑移率變動(roller pitching)試驗時的試驗片的狀態的說明圖，(A)是全景圖，(B)是從(A)的箭頭A方向觀看的圖。
具體實施例方式首先，對于本發明的機械結構用鋼進行說明。本發明者們，為了提供在低速下的斷續切削和在高速下的連續切削兩方面都發揮出優異的被削性(特別是工具壽命的延長)，此外即使實施淬火回火等熱處理，仍顯示出優異的沖擊特性的機械結構用鋼，而從各種角度反復研究。其結果發現，如果ー邊適當調整機械結構用鋼的化學成分組成，一邊適當地控制在鋼中析出的BN和AlN的質量比(BN/A1N)，則在斷續切削和連續切削這兩方面都顯示出良好的被削性，且也能夠提高熱處理后的沖擊特性，從而完成了本發明。對于本發明的機械結構用鋼的化學成分組成進行說明之后，再說明對本發明賦予特征的BN和AlN的質量比。本發明的機械結構用鋼，含有C :0· 05 O. 8%,Si 0. 03 2%、Mn :0. 2 I. 8%,Al 0. I O. 5%、B 0. 0005 O. 008%JPN:0. 002 O. 015%，滿足 P 0. 03% 以下(不含0% )、S :0. 03%以下(不含0% )和O :0.002%以下(不含0% )。規定這樣的范圍的理由如下。C是用于確保強度所需要的元素，需要含有O. 05%以上。優選為O. 1%以上，更優選為O. 15%以上。但是若C含量過剩，則硬度過度上升，被削性和韌性降低。因此C量為O. 8%以下。優選為O. 6%以下，更優選為O. 5%以下。Si作為脫氧元素起作用，是使內部品質提高的元素，需要使之含有O. 03%以上。優選為O. I %以上，更優選為O. 15%以上。但是若Si含量過剩，加工成部件形狀時的熱加エ性和冷加工性劣化，或在切削加工成部件形狀后進行的滲碳處理時和碳氮共滲處理吋，生成晶界氧化等的異常組織。因此Si量需要在2%以下，優選為1.5%以下，更優選為1%以下，進ー步優選為O. 6%以下。Mn是使淬火性提高而提高強度的元素，需要使之含有O. 2%以上。優選為O. 4%以上，更優選為O. 5%以上。但是若Mn含量過剩，則淬火性過度提高，在正火后仍生成過冷組織，被削性降低。因此Mn量需要在I. 8%以下。優選為I. 5%以下，更優選為1%以下。
Al通過在鋼中以固溶狀態存在，從而是用于提高斷續切削時的被削性所需要的元素。另外、其與N結合而析出的A1N，在切削加工成部件形狀之后進行的滲碳處理時和碳氮共滲處理時，抑制晶粒異常生長，另外還有助于防止因韌性的降低造成的沖擊特性的惡化。另外Al是具有脫氧作用的元素，是用于使內部品質所需要的元素。因此在本發明中使Al含有O. I %以上，優選為O. 13%以上。但是若過剩地含有Al，AlN大量析出，則連續切削時的被削性劣化。另外過剩的AlN使加工成部件形狀時的熱加工性降低。因此Al量為O. 5%以下，優選為O. 4%以下，更優選為O. 35%以下。B與N結合在鋼中析出BN，是有助于改善斷續切削時的被削性和連續切削時的被削性這兩方的元素。另外、通過使BN析出，能夠將固溶N量向少的方向調整，因此也能夠改善加工成部件形狀時的熱加工性。另外、B在切削加工后進行淬火回火等熱處理吋，使淬火性提高，并且提高晶界強度，是有助于機械結構部件的強度提高的元素。因此B量需要使之含有O. 0005%以上。優選為O. 0007%以上，更優選為O. 0010%以上。但是若過剩地含有，則變得過硬，因此被削性降低。因此B量需要在O. 008%以下，優選為O. 006%以下，更優選 為O. 0035%以下。 N與B結合在鋼中析出BN，如上述，是有助于斷續切削時和連續切削時的被削性提高的元素。另外N與Al結合在鋼中析出A1N，是有助于在切削加工成部件形狀之后進行的滲碳處理時和碳氮共滲處理時，防止晶粒異常生長的元素，在抑制韌性的降低，使沖擊特性提高上發揮著作用。為了發揮這樣的作用，N量為0.002%以上。優選為O. 003%以上，更優選為O. 004%以上。但是若過剩地含有N，AlN過多地析出，則連續切削時的被削性劣化。另外若AlN的析出量變多，則熱加工性降低。因此N量為O. 015%以下，優選為O. 010%以下，更優選為O. 008%以下。P是不可避免地含有的雜質元素，在熱加工時助長裂紋的發生，因此盡可能地低減。因此在本發明中，P量為O. 03%以下，優選為O. 02%以下，更優選為O. 015%以下。還有，使P量達到0%在エ業上困難。S具有的作用是，若在鋼中有Mn存在，則生成MnS系夾雜物，使被削性提高。但是，若過剩地含有MnS系夾雜物，則延展性和性降低。MnS系夾雜物容易在壓延時向壓延方向伸展，因此使相對于壓延方向、特別是直角方向的韌性(橫向的韌性)劣化。因此S量為
O.03%以下，優選為O. 02%以下。還有，S是不可避免地含有的雜質元素，因此使S量達到0%在エ業上困難。O是不可避免地含有的雜質元素，形成粗大的氧化物系夾雜物，是帶給被削性、延展性、韌性和熱加工性等以不利影響的元素。因此O量為O. 002%以下，優選為O. 0015%以下。還有，對于O量來說，達到0%在エ業上也有困難。本發明的機械結構用鋼滿足上述成分組成，余量為鐵和不可避免的雜質。本發明的機械結構用鋼，作為其他元素，也可以含有如下等(a)Cr :3% 以下(不含 0% );(b)Mo :1% 以下(不含 0% );(C)Nb :0· 15% 以下(不含 0% );(d)從 Zr 0. 02% 以下(不含 0% ) ,Hf 0. 02% 以下(不含 0% )、Ta :0. 02% 以下(不含0% )、和Ti 0. 02%以下(不含0% )構成的群中選擇的至少I種元素；
(e)從V :0. 5%以下(不含0% ) ,Cu :3%以下(不含0% )、和Ni :3%以下(不含0% )構成的群中選擇的至少I種元素。(a) Cr使淬火性提高，是提高強度的元素。另外通過復合添加Al，也是在改善斷續切削時的被削性上發揮作用的元素。為了發揮這樣的效果，Cr優選含有0.1%以上。優選為O. 3%以上，更優選為O. 7%以上。但是若過剩地含有，則使粗大的碳化物生成，或使過冷組織生成，使被削性劣化。因此Cr量優選為3%以下。更優選為2%以下，進ー步優選為
I.6%以下。(b)Mo是提高淬火性，抑制不完全淬火組織生成的元素。這ー效果隨著Mo含量增加而增大，不過優選含有O. 01%以上，更優選為O. 05%以上，進ー步優選為O. 1%以上。但是若過剩地含有，則在正火后仍生成過冷組織，被削性降低。因此Mo量優選在1%以下。更優選為O. 8%以下，進ー步優選為O. 5%以下。
(c) Nb與C和N結合形成碳化物、氮化物和碳氮化物，這些化合物對于抑制在切削加工成部件形狀后進行滲碳處理和碳氮共滲處理時晶粒發生異常生長發揮作用，提高沖擊特性。這樣的效果隨著Nb量增加而增大する，但為了有效地發揮，優選含有O. 05%以上。但是若過剩地含有，則硬質的碳化物和氮化物等過剩地析出，被削性降低。因此Nb量優選為O. 15%以下，更優選為O. 13%以下。(d)Zr、Hf、Ta和Ti與上述Nb同樣，是抑制晶粒異常生長的元素，有助于沖擊特性提高。這ー效果隨著這些元素的含量增加而増大，但為了有效地發揮，優選各元素均分別單獨計，含有O. 002%以上。更優選各元素均分別單獨計為O. 005%以上。但是若過剩地含有，則硬質的碳化物和氮化物等大量析出，被削性降低。因此各元素均優選分別單獨計為O. 02%以下。更優選為O. 015%以下。Zr、Hf、Ta、Ti也可以任意選擇2種以上元素含有。含有2種以上元素時，優選使合計量為O. 02%以下。合計量更優選為O. 015%以下。(e)V、Cu和Ni在使淬火性提高而提高強度上是有效發揮作用的元素。這ー效果隨著這些元素的含量增加而増大，但是為了有效地發揮，優選V含有O. 05%以上，Cu含有O. I %以上，Ni含有O. 3%以上。但是若過剩地含有，則過冷組織生成，或延展性和韌性降低，因此優選V為O. 5%以下，Cu為3%以下，Ni為3%以下。更優選V為O. 3%以下，Cu為2%以下，Ni為2%以下。在本發明中，除了將機械結構用鋼的化學成分組成調整到上述規定范圍以外，在 鋼中析出的BN與AlN的質量比(BN/A1N)為O. 020 O. 2也很重要。即在本發明中，在O. I O. 5%的范圍內比較多地含有Al，使Al在鋼中以固溶狀態存在，從而使斷續切削時的被削性提高。但是若大量含有Al，則固溶Al量増加的反面是，一部的Al與鋼中的N結合而析出A1N，該AlN促進車床和鉆頭等的工具磨損，縮短工具壽命。因為AlN是硬質粒子，所以促進工具磨損，特別是使連續切削時的工具壽命(被削性)劣化。因此在本發明中，積極地使鋼中的N與B結合，在鋼中使BN析出，抑制AlN的析出，使鋼中析出的BN與AlN的質量比(BN/A1N)為O. 020 O. 2。通過使BN/A1N比為O. 020 O. 2，能夠改善斷續切削時的被削性和連續切削時的被削性兩方面，而且也能夠改善熱處理后的沖擊特性。BN/A1N低于O. 020時，AlN比BN更多地析出，因此連續切削時的被削性劣化。因此BN/A1N為O. 020以上。優選為O. 025以上，更優選為O. 030以上。優選BN/A1N的值大的方面，但若AlN過少，BN/A1N超過O. 2，則熱處理后的沖擊特性劣化。因此BN/A1N為O. 2以下。優選為O. 15以下，更優選為O. I以下，進ー步優選為O. 08以下。在鋼中析出的BN，例如能夠通過組合電解提取、酸溶解和吸光光度法進行定量。另一方面，鋼中析出的A1N，例如能夠通過溴こ酸甲酯法進行定量。在鋼中析出的BN之中，在舊奧氏體晶界析出的BN與在舊奧氏體晶內析出的BN的個數比(晶界BN/晶內BN)優選為O. 50以下。降低在舊奧氏體(以下表述為舊Y)晶界析出的BN的個數，増加在舊Y晶內析出的BN的個數，特別是即使在切削加工成部件形狀后進行淬火回火等的熱處理，沖擊特性也不會劣化，能夠進一歩改善沖擊特性。晶界BN/晶內BN更優選為O. 45以下，進ー步優選為O. 40以下。還有，晶界BN/晶內BN的下限值為O. 30左右。在舊Y晶界析出的BN的個數與在舊Y晶內析出的BN的個數，只要使用附屬于掃描型電子顯微鏡(SEM)的能量色散型X射線分析裝置(EDS)，進行存在位置和成分組成分析就能夠測量。接著，對于制造本發明的機械結構用鋼的方法進行說明。本發明的機械結構用鋼，只要將滿足上述成分組成的鋼加熱到1100°C以上之后，在900 1050°C的溫度區域保持150秒以上，之后進行冷卻時，使900°C至700°C的平均冷卻速度為O. 05 10°C /秒就能夠制造。另外，只要將滿足上述成分組成的鋼加熱到1100°C以上之后，以1000°C以上進行熱加工，并且在900 1050°C的溫度區域下的保持時間為150秒以上，使能夠在其后的冷卻過程中，在舊Y晶內積極地使BN析出，因此更為優選。對于規定這樣的范圍的理由進行說明。[加熱到1100°C以上]需要將滿足上述成分組成鋼先加熱到1100°C以上，使鋼中所含的AlN和BN等的析出物再固溶。即，含有Al達O. I %的鋼，根據其制造條件，Al、B和N的固溶狀態和析出狀態發生很大變體化，因此在本發明中，通過將鋼加熱到1100°C以上，使鋼中所含的AlN和BN在鋼中再固溶。[在900 1050°C的溫度區域保持150秒以上]加熱到1100°C以上之后，在900 1050°C的溫度區域保持150秒以上，能夠使BN析出。即，AlN的析出溫度大致為低于900°C，BN的析出溫度大致為1050°C以下，因此在900 1050°C的溫度區域進行保持，能夠選擇性地使析出。但是，保持時間低于150秒吋，BN的析出無法充分進行，BN不足，不能改善連續切削時的被削性。另外，熱處理后的沖擊特性也劣化。因此保持時間為150秒以上，優選為 170秒以上，更優選為200秒以上。保持時間的上限沒有特別限定，但即使長時間保持，BN的析出量也是飽和，另外生產率差，因此例如為600秒以下。在900 1050°C的溫度區域的保持可以在恒溫下進行，也可以在該溫度區域內加熱和/或冷卻，在該溫度區域的保持時間為150秒以上即可。[從900°C到700°C的平均冷卻速度為O.05 10°C /秒]以900 1050°C保持而使BN析出后，縮短通過900 700°C的溫度區域的時間，從而能夠抑制AlN的析出，并且防止BN向AlN變化，確保BN的析出量。即，在900 700°C的溫度區域，與BN相比，AlN —方熱力學上穩定，因此即使在900 1050°C的高溫域選擇性地使BN析出，若通過900 700°C的低溫域的時間變長，BN也會變化成A1N，BN的析出量減少。因此不能將BN/A1N比控制在上述范圍。因此在本發明中，對于900°C至700°C的低溫域進行冷卻時的平均冷卻速度為O. 050C /秒以上。優選為O. 1°C /秒以上，更優選為O. 5°C /秒以上，進ー步優選為1°C/秒以上。但是若該溫度區域的平均冷卻速度過大，則馬氏體和貝氏體等過冷組織生成，被削反而降低。因此從900°C到700°C的平均冷卻速度為10°C /秒以下。優選為9. 5°C /秒以下，更優選為8°C /秒以下，進ー步優選為5°C /秒以下，特別優選為3°C/秒以下。[在1000°C以上進行熱加工]在本發明中，也可以將滿足上述成分組成的鋼加熱至1100°C以上后，在1000°C以上進行熱加工，并且在900 1050°C的溫度區域下的保持時間為150秒以上。通過加熱到IlOO0C以上而使AlN和BN再固溶之后，在1000°C以上實施熱加工，能夠向鋼中導放加工應 變。該加工應變成為BN的析出點，在其后的冷卻過程中，BN在Y晶內比在Y晶界更容易析出。其結果是，能夠使BN在舊Y晶內析出，能夠進一歩改善進行淬火回火等的熱處理之后的沖擊特性。上述熱加工更優選在1050°C以上進行。熱加工溫度的上限只要比上述加熱溫度低即可。熱加工例如為熱鍛即可。還有，在1000 1050°C的溫度區域進行上述熱加工時，進行該熱加工的時間和在上述900 1050°C的溫度區域進行的保持時間的合計為前述保持時間。如此得到的本發明的機械結構用鋼，因為BN與AlN的平衡得到適當地控制，所以在低速下的斷續切削和高速下的連續切削這兩方面都發揮出優異的被削性(特別是工具壽命的延長)。另外，本發明的機械結構用鋼，因為BN與AlN的平衡得到適當地控制，所以將該機械結構用鋼切削加工成部件形狀之后，實施淬火回火等的熱處理而得到的機械結構部件，沖擊特性優異。熱處理條件，是制造機械結構部件時通常所采用的條件即可。例如，加熱到800 1000°C左右之后進行淬火，接著在150 600°C左右，保持20分鐘 I小時左右來進行回火即可。切削加工成部件形狀之后，在進行淬火回火等的熱處理之前，也可以遵循常規方法進行滲碳處理和碳氮共滲處理。這時滲碳處理或碳氮共滲處理，例如可以在上述900 1050°C的溫度區域進行。滲碳處理或碳氮共滲處理之后，繼續以上述條件進行淬火回火等的熱處理即可。接下來，對于本發明的表面硬化鋼部件進行說明。本發明者們，為了改善經滲碳或碳氮共滲而得到的表面硬化鋼部件的疲勞特性(特別是耐俯仰性)，從各種角度反復進行研究。其結果發現，如果ー邊適當調整鋼的化學成分組成，一邊調整滲碳處理或碳氮共滲處理的條件而將部件表面析出的BN與AlN的質量比(BN/A1N)抑制在O. 01以下，則能夠提高表面硬化鋼部件的疲勞特性，從而完成了本發明。另外，本發明者們還發現，在制造這樣的表面硬化鋼部件時，如果使用前述的本發明的機械結構用鋼，則能夠在切削加工エ序中以低速進行斷續切削時，和以高速進行連續切削時這兩方面都發揮出優異的被削性(特別是工具壽命)，能夠高效率地制造本發明的表面硬化鋼部件。以下，對于賦予本發明的表面硬化鋼部件以特征的BN和AlN的質量比進行說明。還有，關于本發明的表面硬化鋼部件的化學成分組成，與前述的本發明的機械結構用鋼及其范圍共通同，其成分限定理由也重復，因此省略說明。在本發明中，除了將表面硬化鋼部件的化學成分組成調整到前述的規定范圍之夕卜，重要的還有使在部件表面析出的BN與AlN的質量比(BN/A1N)為O. 01以下。即在本發明中，使B在O. 0005 O. 008%的范圍含有，但因為B與N結合而析出的BN容易粗大化，所以若在表面硬化鋼部件的表面有粗大的BN析出同，則粗大的BN成為疲勞斷裂的起點，引起表面剝離而成為耐俯仰性(疲勞特性)降低的原因。另外，若BN大量析出，則鋼中的固溶B量減少，因此淬火性降低，其結果是表面硬化鋼部件的強度降低。因此在本發明中，使鋼中的N與Al積極地結合而使AlN析出，從而抑制BN的析出，使在部件表面析出的BN與AlN的質量比(BN/A1N)為O. 01以下。優選為O. 0080以下，更優選為O. 0070以下，進ー步優選為O. 0060以下。BN/A1N的下限優選為O. 0040左右。在部件表面析出的BN，例如能夠通過組合電解提取、酸溶解和吸光光度法來進行定量。另ー方面，在部件表面析出的A1N，例如能夠通過溴こ酸甲酯法進行定量。在本發明中所謂部件表面，意思是從部件的最表面至深Imm位置的區域。因此部件表面的BN量與AlN量，以上述方法定量如下部分即可，即，對于從部件表面至深Imm位置的部分進行切削加工，對于削掉的部分進行定量。還有，在前述的本發明的機械結構用鋼中，使鋼中的(追加)BN與AlN的質量比(BN/A1N)為O. 020 O. 2。這是由于，如前述，以提高切削加工性為主要目，另ー方面，在本發明的表面硬化鋼部件中，以提高作為部件的疲勞特性為目的，而使表面的(追加)BN與AlN的質量比(BN/A1N)為O. 01以下。即，在切削加工成部件之前的段階，預先使BN比較大量地析出，在加工的觀點上雖然重要，但作為實際的部件使用時(切削加工結束之后)，從部件特性的觀點出發，重要的是使BN減少，為了滿足這樣不同的兩種特性面的要求，在部件制造的經過途中規定完全相反的狀態。如此，使加工前的狀態下為完全相反的狀態(BN多的狀態)的鋼，在加工后的部件狀態下成為BN低的狀態很重要，這是以下進行說明的制造條件。本發明的表面硬化鋼部件，如果能夠將滿足上述成分組成的鋼切削加工成部件形狀之后，進行滲碳處理或碳氮共滲處理，在其的后冷卻時，使900°C至800°C的平均冷卻速度在O. 10°C /秒以下(不含0°C /秒)，則能夠制造。g卩，AlN的析出溫度大約750 900°C，BN的析出溫度大約600 1050°C，但在800 900°C的溫度區域，相比BN，AlN這一方在熱力學上穩定，因此延長通過該溫度區域時的時間，能夠使鋼中析出的BN變成A1N。其結果是，不使BN析出，而能夠選擇性地使AlN析出，因此能夠將BN/A1N比控制在O. 01以下。因此在本發明中，使900°C至800°C的平均冷卻速度在O. IO0C /秒以下。優選為O. 08°C /秒以下，更優選為O. 050C /秒以下。從900°C向800°C冷卻時，從900°C向800°C可以以一定的速度冷卻，也可以在途中使冷卻速度變化。另外，也可以在900 800°C的溫度區域一旦保持之后再冷卻至低于800°C的溫度，只要從900°C至800°C的平均冷卻速度滿足上述范圍即可。上述平均冷卻速度以外的滲碳處理條件或碳氮共滲處理條件沒有特別限定，但滲碳(或碳氮共滲)時的溫度優選為900 950°C左右。若滲碳(或碳氮共滲)溫度超過950°C，則AlN容易固溶中，發生異常粒生長，疲勞特性降低。在上述滲碳(或碳氮共滲)溫度下的保持時間，例如為30分鐘 8小時左右即可。還有，加熱至上述滲碳(或碳氮共滲)溫度時的氣氛為滲碳(或碳氮共滲)氣氛即可。滲碳或碳氮共滲的種類沒有特別限定，可以采用氣體滲碳(氣體碳氮共滲)、真空滲碳(真空碳氮共滲)、高濃度滲碳(高碳滲碳)等公知的方法。真空滲碳(真空碳氮共滲)時的真空度，例如為O. OlMPa左右以下即可。滲碳處理或碳氮共滲處理之后，除了使900°C至800°C的平均冷卻速度在O. IO0C /秒以下以外，遵循常規方法進行淬火回火處理即可。 淬火回火條件為制造機械結構部件電霸通常所采用條件即可，例如，滲碳(或碳氮共滲)后，在800 850°C程度的溫度區域保持之后，進行淬火，接著在150 400°C左右，保持20分鐘 I小時左右而進行回火即可。滲碳(或碳氮共滲)后，調整在800 850°C左右的溫度區域保持的時間，將900°C至800°C的平均冷卻速度控制在O. 10°C /秒以下即可。那么在制造上述表面硬化鋼部件時，如前述，如果使用本發明的機械結構用鋼，則也能夠改善切削加工時的被削性(特別是工具壽命)。具體來說，如本發明的機械結構用鋼的制造方法的說明處詳細記述的，將滿足上述成分組成的鋼加熱至1100°c以上后，在900 1050°C的溫度區域保持150秒以上，在其后冷卻時，使900°C至700°C的平均冷卻速度為O. 05 10°C /秒，以這樣的條件進行熱處理，制造本發明的機械結構用鋼，即，降低鋼中的AlN量，使BN量的増加的機械結構用鋼，之后進行切削加工，從而能夠改善以低速斷續切削時的被削性，和以高速連續切削時的被削性這兩方。實施例以下，列舉實施例更具體地說明本發明，但本發明當然不受下述實施例限制，在能夠符合前、后述的宗_的范圍內當然也可以適當加以變更實施，這些均包含在本發明的技術的范圍同內。(實施例I:關于本發明的機械結構用鋼的實施例)將下述表I所示的No. 18 22以外的化學成分組成的鋼150kg以真空感應爐進行熔融，鑄造成上面φ245ιηιιι>< 、: φ21 Ommx K: 480mm的鑄錠，進行鍛造(均熱(soaking) :1250 °C X3小時左右、鍛造加熱1100°C X I小時左右)和切斷，經由ー邊150mm X長680mm的四角材形狀,加工成下述(a)、(b)這2種鍛造材。(a)板材厚 30mm、寬 155mm、長 10Omm(b)圓棒材cp80m.rn、長 350mm表I
加熱所得取的(a)板材和(b)圓棒材之后進行冷卻。冷卻時，在900 1050°C的溫度區域保持規定時間。另外在冷卻時，使900°C至700°C的平均冷卻速度變化。在下述表2中分別顯示加熱溫度(V ) ,900 1050°C的溫度區域下的保持時間(秒)、從90(TC到700°C的平均冷卻速度(V /秒)。另ー方面，對于上述表I所示的No.18 22的化學成分組成的鋼，以與上述相同的條件加工成ー邊150mmX長680mm的四角材形狀之后，加熱至1200°C，接著以1100で進行從150_角向cp80mm鍛伸的熱加工之后，加工成上述(a)、(b)這兩種鍛造材，進行冷卻。冷卻時，在900 1050°C的溫度區域保持規定時間保持。另外在冷卻時，使900°C至700で的平均冷卻速度變化。在下述表2中分別顯示加熱溫度(V ) >900 1050°C的溫度區域的保持時間(秒)、從900°C到700°C的平均冷卻速度(°C /秒)。定量分析冷卻后的圓棒材所含的BN和A1N，以質量比計算BN/A1N比。BN量與AlN量，是準備從同一部位提取的2個試樣，以下面的步驟進行定量。試樣所含的BN量，組合電解提取、酸溶解和吸光光度法進行定量。具體來說，是使用AA系電解液(含有10質量％的こ酰丙酮和I質量％的四甲基氯化銨的甲醇溶液)，對試樣進行電解之后過濾，提取未溶解殘渣，用鹽酸和硝酸對該殘渣進行分解后，添加硫酸和磷酸進行加熱分解。其后，依據JIS GU27以硼作為硼酸甲酯進行蒸餾，使氫氧化鈉吸收。依據JISG1227，以硼酸甲酯蒸餾分離姜黃素吸光光度法，定量吸收的硼酸甲酯所含的硼量。定量的硼全部生成BN，計算與該硼結合的N量，在定量的硼中添加所計算的結合N量，以其為BN量。另外，試樣所含的AlN量，由溴乙酸甲酯法定量。具體來說，將試樣放入燒瓶中，在溴和こ酸甲酯中加熱至70°C而溶解后，進行過濾，提取未溶解殘渣，用こ酸甲酯充分清洗該殘渣后，使之干燥。依據JIS G1228，在氨蒸餾器中添加氫氧化鈉，對干燥的殘渣進行蒸餾，O以· 1%硼作為吸收液使之吸收，依據JIS G1228以氨基磺酸標準液滴定所得到的吸收液，根據吸收液中的N量和試樣的量取量，定量AlN量。基于定量結果，以質量比計算BN/A1N比。計算結果顯示在下述表2中。另外，從冷卻后的圓棒材的表面，以IOmm位置為中心，使用掃描型電子顯微鏡(SEM)進行觀察，使用附屬于Sffl的能量色散型X射線分析裝置(EDS)分析觀察視野內所確認到的析出物的成分組成，并且測量存在于舊Y晶界的BN的個數和存在于舊Y晶內的BN的個數，計算晶界BN/晶內BN的個數比。BN的個數，是使檢測界限為直徑O. I μ m，以10000倍的觀察倍率，將10個視野測量的結果進行平均而計算。計算結果顯示在下述表2中。表2
權利要求
1.一種機械結構用鋼，其特征在于，以質量％計含有C :0. 05 O. 8 %、Si :0. 03 2 %、Mn :0· 2 I. 8 %、Al :0· I O. 5 %、B 0. 0005 O. 008%、N 0. 002 O. 015%，滿足 P O. 03%以下但不含0%、S :0. 03%以下但不含0%、O :0. 002%以下但不含0%，余量是鐵和不可避免的雜質， 并且，在鋼中析出的BN與AlN的質量比(BN/A1N)為O. 020 O. 2。
2.根據權利要求I所述的機械結構用鋼，其中，在鋼中析出的BN之中，在舊奧氏體晶界析出的BN與在舊奧氏體晶內析出的BN的個數比(晶界BN/晶內BN)為O. 50以下。
3.根據權利要求I或2所述的機械結構用鋼，其中，除了上述組成以外，以質量％計還含有以下的(a) (e)群中的至少I群， (a)Cr :3%以下但不含0% ； (b)Mo I %以下但不含0% ； (c)Nb0. 15%以下但不含0% ； (d)從Zr:0. 02%以下但不含0%、Hf :0. 02%以下但不含0%、Ta :0. 02%以下但不含.0%和Ti :0. 02%以下但不含0%構成的群中選擇的至少I種元素； (e)從V:0. 5%以下但不含0%、Cu :3%以下但不含0%和Ni :3%以下但不含0%構成的群中選擇的至少I種元素。
4.一種表面硬化鋼部件，其特征在于，其是將如下的鋼進行滲碳或碳氮共滲而成，該鋼以質量％計含有 C :0· 05 O. 8%、Si :0· 03 2%、Mn :0· 2 I. 8%、A1 :0· I O. 5%、B :O. 0005 O. 008%, N 0. 002 O. 015%，滿足 P 0. 03% 以下但不含 0%、S 0. 03% 以下但不含0%、O :0. 002%以下但不含0%，余量是鐵和不可避免的雜質， 并且，在部件表面析出的BN與AlN的質量比(BN/A1N)為O. 01以下。
5.根據權利要求4所述的表面硬化鋼部件，其中，除了上述組成以外，以質量％計還含有以下的(a) (e)群中的至少I群， (a)Cr :3%以下但不含0% ； (b)Mo1 %以下但不含0% ； (c)Nb0. 15%以下但不含0% ； (d)從Zr:0. 02%以下但不含0%、Hf :0. 02%以下但不含0%、Ta :0. 02%以下但不含.0%和Ti :0. 02%以下但不含0%構成的群中選擇的至少I種元素； (e)從V:0. 5%以下但不含0%、Cu :3%以下但不含0%和Ni :3%以下但不含0%構成的群中選擇的至少I種元素。
6.一種機械結構用鋼的制造方法，其特征在于，是制造權利要求I 3中任一項所述的機械結構用鋼的方法，具有 將滿足所述成分組成的鋼加熱到1100°c以上的加熱工序； 在所述加熱工序后，在900 1050°C的溫度區域保持150秒以上的保持工序； 在所述保持工序后，從900°C至700°C以O. 05 10°C /秒的平均冷卻速度進行冷卻的冷卻工序。
7.根據權利要求6所述的制造方法，其特征在于，在所述加熱工序之后，進行在1000°C以上進行熱加工的熱加工工序，并且，所述熱加工工序的加工時間和所述保持工序的保持時間的合計為150秒以上。
8.一種表面硬化鋼部件的制造方法，其特征在于，是制造權利要求4或5所述的表面硬化鋼部件的方法，具有 將滿足所述成分組成的鋼切削加工成部件形狀的切削加工工序； 對經過所述切削加工的部件進行滲碳處理或碳氮共滲處理的表面加工工序； 在滲碳處理或碳氮共滲處理的工序后進行冷卻的冷卻工序，并且在所述冷卻工序中，從900°C至800°C以O. IO0C /秒以下但不含0°C /秒的平均冷卻速度進行冷卻。
9.根據權利要求8所述的制造方法，其特征在于，在所述切削工序之前，進行如下工序 將滿足所述成分組成的鋼加熱至1100°c以上的加熱工序； 在所述加熱工序之后，在900 1050°C的溫度區域保持150秒以上的保持工序； 在所述保持工序后，從900°C至700°C以O. 05 10°C /秒的平均冷卻速度進行冷卻的冷卻工序。
全文摘要
本發明涉及機械結構用鋼和在經過滲碳或碳氮共滲的部件表面析出的(BN/A1N)比為0.01以下的表面硬化鋼部件及其制造方法，機械結構用鋼含有C0.05～0.8％、Si0.03～2％、Mn0.2～1.8％、Al0.1～0.5％、B0.0005～0.008％和N0.002～0.015％，滿足P0.03％以下(不含0％)、S0.03％以下(不含0％)和O0.002％以下(不含0％)，余量由鐵和不可避免的雜質構成。機械結構用鋼，在使用了高速鋼工具的低速下的斷續切削和使用了超硬工具的高速下的連續切削中，均發揮出優異被削性，此外即使在實施淬火回火等熱處理，仍顯示出優異的沖擊特性。另外，表面硬化鋼部件其耐疲勞性，特別是耐俯仰性優異。
文檔編號C23C8/30GK102686759SQ201080044768
公開日2012年9月19日 申請日期2010年9月30日 優先權日2009年10月2日
發明者土田武廣, 增田智一, 永濱睦久 申請人:株式會社神戶制鋼所