制造铁金属件的方法

摘要

一种制造铁金属件的方法，包括：对由铁金属材料形成的工件执行元素去除处理；并且在元素去除处理之后，通过渗碳处理对工件执行表面硬化处理。在该方法中，在较渗碳处理更高温度且更低压力的条件下执行元素去除处理。

权利要求

1.一种制造铁金属件的方法，所述方法的特征在于包括：对由铁金属材料形成的工件执行元素去除处理，其中在所述元素去除处理中，在渗碳处理期间于所述工件的表面上形成氧化物的元素被从所述工件的所述表面蒸发；并且在所述元素去除处理之后，通过渗碳处理对所述工件执行表面硬化处理，其中在较所述渗碳处理更高温度且更低压力的条件下执行所述元素去除处理，所述元素为Mn、Si和Cr中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于

在所述元素去除处理中，所述元素在真空中被从所述工件的所述表面蒸发。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于

在所述元素去除处理之后，所述元素去除处理的所述温度降至所述渗碳处理的温度以执行所述渗碳处理。

说明书

制造铁金属件的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种采用渗碳处理来使金属表面硬化的制造铁金属件的方法，并尤其涉及一种在渗碳处理期间适当地减少金属表面上形成的脆性晶界氧化层的技术。

背景技术

[0002] 例如，在包含Fe作为主要成分的诸如钢件的铁金属件中，已知一种通过例如气体渗碳处理将碳嵌入至金属表面然后通过淬火来增强金属表面的硬度的技术。例如，日本专利申请公开第05-171348(JP 05-171348 A)号公开了这种铁金属件。

[0003] 然而，在JP 05-171348 A中，已知在气体渗碳处理期间渗碳气体中所包含的氧气渗入至铁金属件的材料表面的晶界并通过与材料表面中所包含的诸如Si、Mn或Cr的元素结合形成脆性晶界氧化层。为了对其进行处理，在JP 05-171348 A中，通过减少铁金属件中包含的Si、Mn或Cr的含量来减少晶界氧化层的形成。

发明内容

[0004] JP 05-171348 A中所公开的铁金属件具有减少诸如Si、Mn或Cr的元素的含量的局限性，因而其问题在于因铁金属件的表面所包含的诸如Si、Mn或Cr的元素所形成的晶界氧化层而使铁金属件的疲劳强度下降。

[0005] 本发明提供了一种制造铁金属件的方法，该方法可以通过适当地减小在渗碳处理期间形成的晶界氧化层来提高疲劳强度。

[0006] 由于各种分析和调查，发明人已经发现了以下事实。即，发现诸如Si、Mn或Cr的元素蒸发，即，在较渗碳处理更高温度且更低压力的条件下铁金属材料所形成的工件的表面发生了元素去除现象。而且，通常该元素去除现象具有如“脱碳”情况下的负面印象。然而，相反地，发现通过在基于有关渗碳的技术知识来进行渗碳处理之前使该元素去除现象发生，可以在后续的渗碳处理中适当地抑制晶界氧化层的形成。本发明已经基于上述发现而作出。

[0007] 根据本发明的方案的一种制造铁金属件的方法包括：对铁金属材料形成的工件执行元素去除处理；并且在元素去除处理之后，通过渗碳处理对工件执行表面硬化处理。在该方法中，在较渗碳处理更高温度且更低压力的条件下执行元素去除处理。

[0008] 在根据该方案的制造铁金属件的方法中，元素去除处理是在较渗碳处理更高温度且更低压力的条件下执行的。因此，在渗碳处理之前，在渗碳处理期间引起氧化物形成的元素被从工件的表面蒸发。因此，在渗碳处理期间于工件的表面上形成的晶界氧化层可以被适当地去除，且铁金属件的疲劳强度可以提高。

[0009] 根据该方案，在元素去除处理中，在渗碳处理之前，在渗碳处理期间于工件表面上形成氧化物的元素可以被从工件的表面蒸发。因此，在渗碳处理期间于工件的表面上形成的晶界氧化层可以被适当地去除。

[0010] 根据该方案，在元素去除处理中，元素可以在真空中被从工件的表面蒸发。因此，在渗碳处理期间于工件的表面上形成的晶界氧化层可以被适当地去除。

[0011] 根据该方案，元素可以为Mn、Si和Cr中的至少一种。因此，在元素去除处理中，具有相对高的蒸汽压力的Mn、Si和Cr中的至少一种被从工件的表面蒸发。因此，在渗碳处理期间于工件的表面上形成的晶界氧化层可以被适当地去除。

[0012] 根据该方案，在元素去除处理之后，元素去除处理的较高温度可以降至渗碳处理的温度以执行渗碳处理。因此，在元素去除处理之后，渗碳处理可以持续适当地执行。

附图说明

[0013] 下面将参照附图来描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业重要性，其中，相同的标号表示相同的元件，并且其中：

[0014] 图1是示出了采用根据本发明的制造铁金属件的方法所制造的轴并且示出了用于制造该轴的装置的配置的示意图；

[0015] 图2是示出了图1的轴的制造过程的流程图；

[0016] 图3是示出了图2所示的脱硅脱锰过程以及气体渗碳过程中的温度条件和压力条件的示意图；

[0017] 图4是示出了实验I的结果，在该实验I中通过采用与图1的轴相同的材料形成的测试件，在图2的脱硅脱锰过程中在不同的温度(℃)、压力(Pa)以及保持时间(min)的条件下测量测试件的表面中所包含的Si、Mn和Cr的含量(质量百分比)；

[0018] 图5是示出了由与图1的轴相同的材料所形成的测试件的表面所包含的Mn和Si的含量的示意图，该测试件包括通过图2的脱硅脱锰过程和气体渗碳过程来制造的测试件(根据示例1的轴)以及仅通过图2的气体渗碳过程来制造的测试件(根据比较示例1的轴)；

[0019] 图6是示出了在图5的测试件(根据示例1的轴)和测试件(根据比较示例1的轴)中形成的晶界氧化层的厚度的示意图；

[0020] 图7是示出了图5的测试件(根据比较示例1的轴)的部分表面的示意图；

[0021] 图8是示出了图5的测试件(根据示例1的轴)的部分表面的示意图；

[0022] 图9是示出了图5的测试件(根据示例1的轴)和测试件(根据比较示例1的轴)的疲劳强度的示意图；以及

[0023] 图10是与图1对应的示意图，其示出了根据本发明另一示例的铁金属件的制造方法。

具体实施方式

[0024] 下文将参照附图来描述本发明的示例1。在以下示例1的附图中，适当地简化并改进了每部分，可能没有精确地图示其尺寸、形状等。

[0025] 图1是示出了本发明适当地应用至的铁金属件的示意图，即例如包括在车辆中使用的带式无级变速器(CVT)中的轴10。轴10由包含Fe作为主要成分的铁金属材料形成，例如，由诸如具有0.02％至2.14％(wt％)的C含量的钢或表面硬化钢的低碳钢形成。轴10的表面由图1的气体渗碳装置12进行渗碳；因此使该表面硬化。

[0026] 此处将描述气体渗碳装置12。如图1所示，气体渗碳装置12包括：热处理腔室16，其由热绝缘材料14形成并容纳轴10；夹具18，其在热处理腔室16中固定并支撑轴10；加热器20，其加热热处理腔室16的内部；质量流控制器24，其测量并控制从供给例如氮气的供给设备22流入到热处理腔室16中的氮气的流量；以及减压泵26，其对热处理腔室16的内部抽气以减小热处理腔室16的内部压力。因此，在气体渗碳装置12中，轴10可以在热处理腔室16中通过气体渗碳装置12中所包含的加热器20以及减压泵26而保持在相对高温和相对低压的条件下。此外，轴10的温度通过作为从供给设备22供给的冷却气体的氮气来降温，从而冷却了轴10。此外，气体渗碳装置12设有渗碳气体供给设备(未图示)，该渗碳气体供给设备将渗碳气体供给至热处理腔室16内。在气体渗碳处理期间，从渗碳气体供给设备持续地供给渗碳气体。渗碳气体通过例如将诸如丙烷气、城市煤气、天然气或木炭气等源气体与空气以预定的比例混合并将该混合气体加热至分解来制备。

[0027] 另外，此处将利用图2描述根据示例1制造轴10的方法，即制造过程P1至P5。

[0028] 如图2所示，首先，在锻造过程P1中，通过例如锻造将例如作为表面硬化钢的SCR420的铁金属材料(钢材料)所形成的工件成形为预定形状。

[0029] 然后，在预热(退火)过程P2中，在锻造过程P1中形成的工件经退火而被软化。

[0030] 然后，在机械加工过程P3中，在预热过程P2中软化的工件通过机械加工而切割成与轴10相同的形状。

[0031] 然后，在脱硅脱锰(元素去除)过程P4中，作为在机械加工过程P3中所切割的工件的轴10布置在气体渗碳装置12中并保持在比下文描述的气体渗碳过程(渗碳过程)P5温度更高且压力更低的条件下持续预定的时间t(min)，例如，在热处理腔室16的内部温度T(℃)为1000℃至1300℃以及真空，即热处理腔室16的内部压力P(Pa)为100Pa至1000Pa的条件下，所述预定的时间t例如为5分钟至30分钟。因此，蒸发了轴10的表面中所包含的诸如Mn、Si或Cr的具有相对较高的蒸汽压力的元素。在脱硅脱锰过程P4中，真空表示较之大气压力足够低的压力，例如约100Pa至1000Pa。脱硅脱锰过程P4的压力P(100Pa至1000Pa)较之例如现有技术的真空渗碳处理的压力条件(高于1KPa且10KPa以下)而言足够低。

[0032] 然后，在气体渗碳过程P5中，通过在如图3中所示的大约930℃的气体渗碳温度下的渗碳气体，将碳嵌入在轴10的表面中，该轴10具有诸如Mn、Si或Cr的元素在脱硅脱锰过程P4中从其蒸发的表面。然后，渗碳轴10急速地冷却和淬火。因此，制造出通过被硬化的表面而提高了疲劳强度的轴10。在气体渗碳装置12中，如图3所示，在脱硅脱锰过程P4之后，温度降至例如大约930℃的气体渗碳温度以执行气体渗碳过程P5。此外，在热处理腔室16的内部压力大约为1.0×105Pa，即图3所示的大气压下执行气体渗碳过程P5。

[0033] 除了对轴10进行渗碳和淬火的机构之外，气体渗碳装置12还包括在渗碳之前使热处理腔室16的内部保持在高温且低压(真空)下的机构。因此，在执行示例1的制造过程P1至P5时，即在执行脱硅脱锰过程P4以及气体渗碳过程P5时，除了现有技术的对轴10进行渗碳和淬火的气体渗碳装置之外，没有必要例如在脱硅脱锰过程P4中添加使轴10保持在高温且低压状态下的新的设备。因此，可以显著降低制造成本。

[0034] [实验I]

[0035] 此处将描述本发明人所进行的实验I。进行实验I以证明从轴10的表面蒸发的Si、Mn和Cr的量可以适当增加这个事实，即，可以通过在脱硅脱锰过程P4中改变温度T(℃)、压力P(Pa)以及保持时间t(min)来适当地减少轴10的表面中所包含的Si、Mn和Cr的含量。

[0036] 在实验I中，在16种条件下，即在条件1至条件16下执行脱硅脱锰过程P4，其中：采用由与轴10相同的材料，即SCR420形成并具有预定形状(例如，Ф18mm×50mm)的测试件；温度T(℃)如图4所示在1000℃至1300℃的范围内改变，即温度T(℃)为1000℃、1100℃、1200℃或1300℃；压力P(Pa)在100Pa至1000Pa的范围内改变，即压力P(Pa)为100Pa、200Pa、500Pa或1000Pa；且保持时间t(min)在5分钟至30分钟的范围内变化，即保持时间t(min)为5分钟、10分钟、15分钟或30分钟。测量了对应于轴10的测试件的在其上于条件1至条件16下执行了脱硅脱锰过程P4的表面中的Si、Mn和Cr的含量。

[0037] 在实验I中，如图5所示，距对应于轴10的测试件的表面6μm的深度处的每单位质量的10倍Si含量(质量百分比)、Mn含量(质量百分比)以及Cr含量(质量百分比)的和(10Si+Mn+Cr)由对应于轴10的测试件的表面中的Si、Mn和Cr的含量y(质量百分比)表示。此外，距对应于测试件的表面6μm的深度处的每单位质量的Si、Mn和Cr的含量(质量百分比)通过辉光放电发射光谱来测量。

[0038] 下文将使用图4来描述实验I的结果。如图4所示，测试件的Si、Mn和Cr的含量y(质量百分比)在条件8、条件9以及条件13下为相对较小的2(质量百分比)以下。因此，认为通过在条件8、条件9和条件13下执行脱硅脱锰过程P4，可以适当地减小轴10的表面中包含的Si、Mn和Cr的含量y(质量百分比)。

[0039] 此外，通过利用图4所示的条件1至条件16的实验结果进行多元回归分析，得到了脱硅脱锰过程P4中的温度T(℃)、压力P(Pa)以及保持时间t(min)和对应于轴10的测试件的表面中的Si、Mn和Cr的含量y(质量百分比)之间的关系表达式(1)。y(质量百分比)＝-0.0018×T(℃)+0.0001×P(Pa)-0.0242×t(min)+6.47677…(1)

[0040] 从关系表达式(1)可以看出，在脱硅脱锰过程P4中，通过升高温度T(℃)适当地使诸如Si、Mn或Cr的元素从轴10的表面蒸发，通过减小压力P(Pa)适当地使诸如Si、Mn或Cr的元素从轴10的表面蒸发，并且通过增加保持时间t(min)适当地使诸如Si、Mn或Cr的元素从轴10的表面蒸发。通常，当轴10的表面中的Si、Mn和Cr的含量y(质量百分比)为2(质量百分比)以下时，通过渗碳处理在表面上形成的晶界氧化层A(参照图7)的厚度可以被抑制在6.0μm以下，因而可以抑制疲劳强度的下降。因此，认为例如通过设定脱硅脱锰过程P4中的温度T(℃)、压力P(Pa)和保持时间t(min)使轴10的表面中的Si、Mn和Cr的含量y(质量百分比)为2(质量百分比)以下，可以适当地抑制在气体渗碳过程P5中于轴10的表面上形成的晶界氧化层A。

[0041] [实验II]

[0042] 在此将描述由本发明人进行的实验II。进行实验II以证明图2的制造过程P1至P5中脱硅脱锰过程P4对轴的影响，即脱硅脱锰过程P4对轴10的表面上形成的晶界氧化层A的影响。在实验II中，还证明了在轴10上形成的晶界氧化层A对轴10的疲劳强度的影响。

[0043] 在实验II中，测量了在由与轴10相同的材料形成，即由SCR420形成并具有预定形状(例如，Ф18mm×50mm)的测试件上形成的晶界氧化层A的厚度(μm)，该测试件包括：与根据示例1的轴10对应的测试件(脱硅脱锰+气体渗碳)，其中在所述测试件上执行脱硅脱锰过程P4和气体渗碳过程P5；以及与根据比较示例1的轴10对应的测试件(仅气体渗碳)，其中在所述测试件上仅执行气体渗碳过程P5而不执行脱硅脱锰过程P4。此外，测量了与根据示例1的轴10对应的测试件以及与根据比较示例1的轴10对应的测试件的疲劳强度，即公称应力σ(MPa)。在脱硅脱锰过程P4中，在例如上述的条件8下执行元素去除处理。此外，在实验II中，制备了由与轴10相同的材料，即SCR420形成并具有预定的形状(例如，Ф18mm×50mm)的测试件，对所述测试件仅执行气体渗碳过程P5而不执行脱硅脱锰过程P4，且对所述测试件执行通过机械加工来去除测试件的表面，即晶界氧化层A的抛光过程。因此，制备了与根据比较示例2的轴10对应的测试件(气体渗碳+抛光)。利用与根据比较示例2的轴10对应的该测试件，测量了疲劳强度。

[0044] 下文将利用图5和图9来描述实验II的结果。如图5所示，在测试件(根据示例1的轴10)中，相比于测试件(根据比较示例1的轴10)，适当地减少了测试件的表面中所包含的Si和Mn的含量(质量百分比)。图5示出了利用辉光放电发射光谱的上述测量的结果。

[0045] 此外，如图6所示，在测试件(根据示例1的轴10)中形成的晶界氧化层A的厚度为4μm，在测试件(根据比较示例1的轴10)中形成的晶界氧化层A的厚度为20μm。在测试件(根据示例1的轴10)中，相比于测试件(根据比较示例1的轴10)，适当地减少了晶界氧化层A。通过利用光学显微镜测量例如图7和图8示出的测试件(根据示例1的轴10)的表面以及测试件(根据比较示例1的轴10)的表面的晶界氧化层，获得了图6的晶界氧化层A的厚度的测量值。晶界氧化层A的厚度定义为距测试件的观测到晶界处的表面的深度。在图8中，没有观测到晶界氧化层A。

[0046] 此外，如图9所示，当重复次数Nf大约为107时，测试件(根据示例1的轴10)的公称应力σ大约为580MPa，测试件(根据比较示例2的轴10)的公称应力σ大约为575MPa，且测试件(根据比较示例1的轴10)的公称应力σ大约为515MPa。因此，与根据示例1的轴10对应的测试件的疲劳强度适当地高于与根据比较示例1的轴10对应的测试件的疲劳强度。图9的测量结果利用例如小野式旋转弯曲疲劳试验装置来获得。

[0047] 根据实验II的结果，如图5的测量结果所示，在与根据示例1的轴10对应、在其上执行了脱硅脱锰过程P4的测试件中，相比于与根据比较示例1的轴10对应的、未在其上执行脱硅脱锰过程P4的测试件，测试件表面中包含的Si和Mn的含量(质量百分比)得以适当地减少。因此，认为在气体渗碳过程P5中引起氧化物(SiO、MnO)在轴10的表面上形成的Si和Mn通过脱硅脱锰过程P4而从轴10的表面蒸发。

[0048] 此外，根据实验II的结果，如图5和图6的测量结果所示，在与根据示例1的轴10对应的、在其上执行了脱硅脱锰过程P4的测试件中，相比于与根据比较示例1的轴10对应的、未在其上执行脱硅脱锰过程P4的测试件，测试件表面中包含的Si和Mn的含量得以适当地减少，且在测试件中形成的晶界氧化层A的厚度得以适应地减小。因此，认为通过在脱硅脱锰过程P4中将Si和Mn从轴10的表面蒸发，适当地减少了轴10表面中的Si和Mn的含量，并且减少了渗碳气体中所包含的并在后续气体渗碳过程P5中与Si和Mn结合的O的量，从而减少了在轴10上形成的晶界氧化层A。

[0049] 此外，根据实验II的结果，如图6和图9的测量结果所示，与根据示例1的轴10对应的测试件的疲劳强度高于与根据比较示例1的轴10对应的测试件的疲劳强度，其中在所述示例1中，晶界氧化层A的厚度相对较薄(4μm)，在所述比较示例1中，晶界氧化层A的厚度相对较厚(20μm)。此外，与根据比较示例2的轴10对应的测试件的疲劳强度高于与根据比较示例1的轴10对应的测试件的疲劳强度，其中在所述比较示例2中，没有执行脱硅脱锰过程P4而且通过抛光过程去除了晶界氧化层A。因此，认为通过减小轴10上形成的晶界氧化层A的厚度，提高了轴10的疲劳强度。此外，认为在根据示例1的轴10的制造过程中，对与根据比较示例2的轴10对应的测试件执行的通过机械加工来去除晶界氧化层A的抛光过程中，制造成本比脱硅脱锰过程P4的制造成本更高。因此，认为在根据示例1的轴10的制造过程P1至P5中，相比于没有执行脱硅脱锰过程P4而执行了抛光过程的根据比较示例2的轴10的制造过程，适当地降低了制造成本。

[0050] 在根据示例1的轴10的制造过程P1至P5中，在气体渗碳过程P5之前，在较气体渗碳过程P5温度更高且压力更低的条件下执行脱硅脱锰过程P4。因此，在气体渗碳过程P5之前，在气体渗碳过程P5中引起氧化物形成的诸如Si、Mn和Cr的元素从轴10的表面蒸发。因此，可以适当地减少在气体渗碳过程P5期间在轴10的表面上形成的晶界氧化层A，从而可以提高轴10的疲劳强度。

[0051] 此外，在根据示例1的轴10的制造过程P1至P5中，在气体渗碳过程P5之前的脱硅脱锰过程P4中，在气体渗碳过程P5期间引起氧化物形成在轴10的表面上的诸如Si、Mn或Cr的元素从轴10的表面蒸发。因此，可以适当地减少在气体渗碳过程P5期间在轴10的表面上形成的晶界氧化层A。

[0052] 此外，在根据示例1的轴10的制造过程P1至P5中，在脱硅脱锰过程P4中，在压力足够低于大气压的真空中，即在100Pa至1000Pa的压力下，在气体渗碳过程P5期间引起氧化物形成在轴10的表面上的诸如Si、Mn或Cr的元素从轴10的表面蒸发。因此，可以适当地减少在气体渗碳过程P5期间在轴10的表面上形成的晶界氧化层A，从而可以提高轴10的疲劳强度。

[0053] 此外，在根据示例1的轴10的制造过程P1至P5中，在气体渗碳过程P5期间引起氧化物形成的元素为Mn、Si或Cr。因此，在脱硅脱锰过程P4中，诸如Mn、Si或Cr的具有相对高蒸汽压力的元素从轴10的表面蒸发。因此，可以适当地减少在气体渗碳过程P5期间在轴10的表面上形成的晶界氧化层A。

[0054] 此外，在根据示例1的轴10的制造过程P1至P5中，在脱硅脱锰过程P4之后，温度降至大约930℃的气体渗碳过程P5的温度以执行气体渗碳过程P5。因此，在脱硅脱锰过程P4之后可以继续适当地执行气体渗碳过程P5。

[0055] 下面将描述本发明的另一示例。在下面的描述中，与上述示例1中相同的部件由相同的参考数字表示，将不对其重复进行描述。

[0056] 根据本示例的铁金属件的制造过程与根据示例1的轴10的制造过程P1至P5大致相同，除了制造作为在例如车辆中使用的驱动部件的齿轮28而非根据示例1的轴10。根据图10所示的示例的气体渗碳装置12与根据图1所示的示例1的气体渗碳装置12的形状略有不同。例如，根据本示例的加热器20和夹具18与示例1具有不同的形状但其功能与示例1的相同。

[0057] 在根据示例的齿轮28的制造过程中，与上述示例1的效果类似，在脱硅脱锰过程P4中，可以适当地减少在气体渗碳过程P5期间在齿轮28的表面上形成的晶界氧化层A，从而可以提高齿轮28的疲劳强度。此外，为了制造齿轮28，通常执行用于提高疲劳强度的喷丸硬化过程。但是，在根据本示例的齿轮28的制造过程中，由于适当地提高了疲劳强度，所以喷丸硬化过程是不必要的。因此，可以极大地减小齿轮28的制造成本。

[0058] 以上，已参照附图描述了本发明的示例，但本发明还适用于其他实施例。

[0059] 在根据示例的轴10的制造过程P1至P5中，在脱硅脱锰过程P4中，诸如Mn、Si或Cr的具有相对高蒸汽压力的元素从轴10的表面适当地蒸发。但是，其他元素也可以从轴10的表面上蒸发。此外，通过从轴10的表面蒸发Mn、Si和Cr中的至少一种元素，可以抑制晶界氧化层A的形成，从而可以提高轴10的疲劳强度。

[0060] 此外，在根据示例的轴10的制造过程P1至P5中，在脱硅脱锰过程P4中，通过利用图4所示的实验I的结果来进行多元回归分析，获得了在脱硅脱锰过程P4中的温度T(℃)、压力P(Pa)以及保持时间t(min)与轴10的表面中的Si、Mn和Cr的含量y(质量百分比)之间的关系表达式(1)。然而，例如，当轴10的材料从SCR420变成另一种时，可以通过利用与该示例相同的方法在进行实验I之后来进行多元回归分析而获得新的关系表达式。

[0061] 此外，在上述示例中，车辆中所使用的轴10和齿轮28用作铁金属件的示例。然而，本发明还适用于其他铁金属件。即，本发明适用于对其执行渗碳处理的任何铁金属件。此外，在上述示例中，轴10，即铁金属件，由包含Fe作为主要成分的铁金属材料形成，例如，由具有C含量为0.02％至2.14％(重量百分比)的钢材料形成。然而，铁金属件可以由具有C含量0.02％以下的纯铁形成。

[0062] 上述示例仅仅是示例性的，基于本领域技术人员的知识可以为本发明增添各种修改和改进。