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CN106048456A - 具有改善的耐久性的渗碳合金钢及其制造方法 - Google Patents

具有改善的耐久性的渗碳合金钢及其制造方法 Download PDF

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CN106048456A CN201510718593.XA CN201510718593A CN106048456A CN 106048456 A CN106048456 A CN 106048456A CN 201510718593 A CN201510718593 A CN 201510718593A CN 106048456 A CN106048456 A CN 106048456A
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Abstract

本发明提供了具有改善的耐久性的渗碳合金钢及其制造方法。渗碳合金钢包含基于渗碳合金钢的总重量的0.1至0.35wt％的碳、0.1至2.0wt％的硅、0.1至1.5wt％的锰、1.5至3.0wt％的铬、0.2至0.5wt％的钼、大于0至0.07wt％的铌、以及余量的铁。

Description

具有改善的耐久性的渗碳合金钢及其制造方法
相关申请的引用
本申请在35 U.S.C.§119下要求于2015年4月14日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2015-52243号的优先权的权益，通过引用将其整体结合于此。
技术领域
本公开涉及具有改善的耐久性的渗碳合金钢以及制造其的方法，并且更具体地，涉及具有合适的构成组分和含量以有效地在合金钢的表面上引起渗碳并且因此改善硬度、强度、韧性、疲劳强度、疲劳寿命等的渗碳合金钢，以及制造其的方法。
背景技术
近来年，环境问题已经在全球增加，因此已经寻找用于降低燃料消耗以应对整个行业中的这样的问题的方法。为了降低燃料消耗，在车辆行业中提出的解决方案包括提高车辆发动机的效率以及减轻车辆的重量。减轻车辆的重量可以是能够增加车辆的燃料效率的措施。然而，如果减轻车辆的重量，则可能出现的问题在于：可能不能满足车辆中所需的强度和耐久性。因此，其解决方案成为车辆行业的主要目标。
因此，在车辆行业中，已经开发了各种环境友好的车辆，目的是根据欧洲法规到2021将二氧化碳排放量降低至95g/km，所述排放量是其当前量的27％。此外，为了到2025满足美国的公司平均燃料经济性(CAFE)的所需值54.5mpg(23.2km/l)，车辆制造商努力开发技术以缩小尺寸以及改善燃料经济性。
通常，为了应对部件数目的增加或重量的增加，减轻材料的重量。在这种情况下，作为重量减轻方法，经常使用用于实现材料的高强度或固化材料表面的热处理技术。此外，为了应对复杂的部件形状，使用精确连接(precise joining)、低变形焊接、以及低变形热处理技术。此外，使用了用于降低由热处理引起的变形的技术以及噪声消减和除尘技术。
例如，已经开发了为了最大化车辆的燃料经济性的用于发动机和变速器(transmission)的高性能和高效率的技术，并且这种技术包括增加的齿轮数、新概念启动装置、高效率双泵系统、融合混合动力技术(fusion hybridtechnology)，涉及自动/手动融合变速器、混合动力变速器等的技术。
用于涉及发动机和变速器的技术的合金钢可以用于发动机的部件、变速器的支架(carrier)、齿轮、轴、同步器毂等，并且合金钢的使用比率(useratio)基于发动机的重量相应于32至40％以及基于变速器的重量相应于约58至62wt％。例如，在变速器的齿轮等中，已经持续需要开发满足重量减轻和缩小尺寸的需要的高强度和高耐久的材料。然而，涉及缩小尺寸或提高燃料效率的技术具有的问题在于：由于燃烧、摩擦、磨损等致使施加至发动机的部件的负荷增加，部件的质量降低，以及耐久性寿命缩短。
通常，车辆的变速器的齿轮是这样一种部件：将发动机动力直接传递至差动系统(differential system)并且在两个或多个轴之间有效地传递旋转或动力以使发动机动力被调整为车辆的行使状态，以及同时收到弯曲应力和接触应力。在齿轮中，当材料的耐久性不充足时，经常发生由于缺乏弯曲疲劳强度而导致的疲劳失效(轮齿折断)以及由于缺乏接触疲劳强度而导致的疲劳损伤(点蚀(pitting))。因此，在齿轮中，需要诸如硬度、强度、韧性、疲劳强度和疲劳寿命的物理性能。
作为上述需求的替代选择，目前，使用了诸如包含0.17至0.23wt％的碳(C)、0.5至0.7wt％的硅(Si)、0.45至0.75wt％的锰(Mn)、1.95至2.25wt％的铬(Cr)、0.015至0.035wt％的钼(Mo)、0.0015wt％的氧(O2)等的SCM820PRH的渗碳钢。然而，这种渗碳钢具有容易发生轮齿折断和点蚀的问题。
发明内容
本公开提供了具有改善的物理性能诸如硬度、强度、韧性、疲劳强度和疲劳寿命的渗碳合金钢，以及制造其的方法。
本公开已经致力于提供包括碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、铬(Cr)、钼(Mo)、铌(Nb)、硼(B)、钒(V)、镍(Ni)、钛(Ti)、以及氮(N)以改善诸如硬度、强度和韧性的物理性能并且因此具有改善的耐久性的渗碳合金钢，以及制造其的方法。
本发明构思的一个示例性实施方式提供了渗碳合金钢，所述渗碳合金钢包含基于渗碳合金钢的总重量的0.1至0.35wt％的碳、0.1至2.0wt％的硅、0.1至1.5wt％的锰、1.5至3.0wt％的铬、0.2至0.5wt％的钼、大于0至0.07wt％的铌、以及余量的铁。
渗碳合金钢可以进一步包含镍。镍的含量可以是0.1至0.6wt％。
渗碳合金钢可以进一步包含钒。钒的含量可以是大于0至0.3wt％。
渗碳合金钢可以进一步包含钛。钛的含量可以是大于0至0.2wt％。
渗碳合金钢可以进一步包含氮。氮的含量可以是大于0至0.015wt％。
渗碳合金钢可以进一步包含硼。硼的含量可以是0.00002至0.00005wt％。
在另一实施方式中，渗碳合金钢可以进一步包含选自由镍、钒、钛、氮、以及硼组成的组中的至少一种。
基于渗碳合金钢的总重量，镍的含量可以是0.1至0.6wt％、钒的含量可以是大于0至0.3wt％、钛的含量可以是大于0至0.2wt％、氮的含量可以是大于0至0.015wt％、以及硼的含量可以是0.00002至0.00005wt％。
在另一实施方式中，提供了制造渗碳合金钢的方法。该方法包括使合金钢在880至940℃渗碳1.5至2小时的步骤，所述合金钢包含基于渗碳合金钢的总重量的0.1至0.35wt％的碳、0.1至2.0wt％的硅、0.1至1.5wt％的锰、1.5至3.0wt％的铬、0.2至0.5wt％的钼、大于0至0.07wt％的铌、以及余量的铁；在80至120℃对渗碳合金钢进行油淬火；以及在170至200℃使油淬火的合金钢回火1至3小时。
可以使用渗碳合金钢制造用于车辆的变速器。
根据本发明构思的渗碳合金钢以及制造渗碳合金钢的方法，包括碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、铬(Cr)、钼(Mo)、铌(Nb)、钒(V)、镍(Ni)、钛(Ti)、氮(N)、以及硼(B)以改善材料的诸如硬度、强度、韧性、疲劳强度、以及疲劳寿命的耐久性。
还可以使渗碳合金钢的高强度可行，因此通过厚度减小，重量减轻约20％等，还可以确保车辆设计的自由程度(degree of freedom)以及降低制造成本。
根据通过使用本发明构思的渗碳合金钢制造的用于车辆的变速器，可以增加车辆的耐久性以及实现车辆的可行的重量减轻，并且因此增加燃料效率和阻止环境污染。
具体实施方式
在下文中，将详细描述本发明构思的示例性实施方式。基于发明人可以以最佳方式适当定义术语的概念以描述他/她自己的发明构思，不应将本说明书和权利要求书中所使用的术语或词语解释为受限于通常意义或词典意义，而应当将其解释为具有遵从本发明构思的技术精神的意义和概念。因此，本说明书中所描述的实施方式的构成仅仅是本发明构思的一个实施方式而不表示本发明构思的所有技术精神。因此，应当理解的是，在提交本申请时存在替代实施方式的各种等同物和修改。
在下文中，将会详细描述本发明构思。本发明构思涉及具有改善的耐久性的渗碳合金钢以及制造其的方法。在一个方面，本发明构思涉及具有改善的耐久性的渗碳合金钢。
基于合金钢的总重量，根据本发明构思的具有改善的耐久性的渗碳合金钢可以形成为包含：作为主要成分的铁(Fe)、0.1至0.35wt％的碳(C)、0.1至2wt％的硅(Si)、0.1至1.5wt％的锰(Mn)、1.5至3.0wt％的铬(Cr)、0.2至0.5wt％的钼(Mo)、0.1至0.6wt％的镍(Ni)、大于0wt％且0.07wt％或更少的铌(Nb)、大于0wt％且0.3wt％或更少的钒(V)、大于0wt％且0.2wt％或更少的钛(Ti)、大于0wt％且0.015wt％或更少的氮(N)、以及0.00002至0.00005wt％的硼(B)。
更具体地，根据本发明构思的构成渗碳合金钢的组分的数值如下。
(1)0.1至0.35wt％的碳(C)
碳(C)是填隙基质强化元素，并且与诸如铬(Cr)的元素结合以形成碳化物从而改善强度、硬度等，并且在渗碳期间增加表面硬度以及产生沉淀物碳化物(precipitate carbide)。
基于合金钢的总重量，碳(C)的含量可以是约0.1至0.35wt％。在此，当碳(C)的含量小于约0.1wt％时，可能降低合金钢的强度，并且可能难以通过渗碳确保硬度。另一方面，当碳(C)的含量大于约0.35wt％时，由于过度渗碳使得合金钢的芯部硬度增加，使得合金钢的总韧性降低。
(2)0.1至2wt％的硅(Si)
当以过量添加时，硅(Si)阻碍渗碳，但是作为去氧剂抑制合金钢中形成针孔，通过固溶于基质中的固溶强化效应增加合金钢的强度，以及增加碳(C)的活性等。
基于合金钢的总重量，硅(Si)的含量可以是约0.1至2.0wt％。在此，当硅(Si)的含量小于约0.1wt％时，作为去氧剂几乎没有影响，另一方面，当硅(Si)的含量大于约2.0wt％时，过度地增强了基质的固溶强化效应从而降低可成形性、渗碳性能等。
(3)0.1至1.5wt％的锰(Mn)
锰(Mn)改善了合金钢的淬火性能并且改善了合金钢的强度等。锰(Mn)的含量可以是约0.1至1.5wt％。在此，当锰(Mn)的含量小于约0.1wt％时，可能不能确保充分的淬火性能等，另一方面，当锰(Mn)的含量大于约1.5wt％时，晶界氧化发生，并且降低了合金钢的机械性能。
(4)1.5至3.0wt％的铬(Cr)
铬(Cr)改善了合金钢的淬火性能，同时提供淬透性(hardenability)并微粉化合金钢的组织，以及通过与碳(C)反应形成细小的碳化物来促进渗碳和降低渗碳时间。进一步地，增加了沉淀物碳化物和渗碳体(cementite)的形成。
铬(Cr)的含量可以是约1.5至3.0wt％。在此，当铬(Cr)的含量小于约1.5wt％时，形成碳化物的效果降低，另一方面，当铬(Cr)的含量大于约3.0wt％时，合金钢的韧性降低，并且晶界氧化发生。根据含量增加的效果无价值地引起制造成本的增加。
(5)0.2至0.5wt％的钼(Mo)
钼(Mo)增加碳化物的形成，增加高温下的稳定性，并且降低碳的活性。进一步地，钼(Mo)在淬火或回火之后改善合金钢的淬透性、韧性等并且提供抗脆性。
钼(Mo)的含量可以是约0.2至0.5wt％。在此，在钼(Mo)的含量小于约0.2wt％的情况下，可能不能充分地确保合金钢的淬透性和韧性等，另一方面，当钼(Mo)的含量大于约0.5wt％时，合金钢的可加工性(机械加工性)和生产率等降低。
(6)大于0wt％且0.07wt％或更少的铌(Nb)
铌(Nb)与氮结合形成氮化物等以微粉化晶粒，增加再结晶温度，以及促进高温渗碳，从而改善合金钢的淬透性和韧性等。铌(Nb)的含量可以是大于0wt％且约0.07wt％或更少。
在此，当铌(Nb)的含量大于约0.07wt％时，铌(Nb)的效果会饱和，韧性降低，并且可加工性、生产率等降低。另一方面，当不包含铌(Nb)时，在高温下可能难以进行渗碳工艺。
(7)大于0wt％且0.3wt％或更少的钒(V)
钒(V)形成诸如碳化物的沉淀物，通过沉淀强化效应增强基质组织，改善强度和耐磨性，并且微粉化晶粒。进一步地，钒(V)降低碳的活性。
钒(V)的含量可以是大于0wt％且约0.3wt％或更少。在此，当钒(V)的含量大于约0.3wt％时，合金钢的韧性和硬度等可能降低。
(8)大于0wt％且0.2wt％或更少的钛(Ti)
钛(Ti)形成碳氮化物以抑制晶粒的生长并且改善高温稳定性、强度、韧性等。钛(Ti)的含量可以是大于0wt％且约0.2wt％或更少。
在此，当钛(Ti)的含量大于约0.2wt％时，形成粗沉淀物，并且由于低温冲击性能的降低和其效果的饱和，使得制造成本增加。
(9)大于0wt％且0.015wt％或更少的氮(N)
氮(N)稳定奥氏体，微粉化其晶粒，并且改善合金钢的拉伸强度、屈服强度、以及伸长率等。然而，由于杂质的形成，耐久性寿命可能降低。
氮(N)的含量可以是大于0wt％且约0.015wt％或更少。在此，当氮(N)的含量大于约0.015wt％时，可能导致脆性并且耐久性寿命等可能降低。
(10)0.00002至0.00005wt％的硼(B)
硼(B)改善合金钢的淬透性、拉伸强度、抗冲击性、以及强度，并且阻止腐蚀。然而，可以降低可焊性。
硼(B)的含量可以是约0.00002至0.00005wt％。在此，当硼(B)的含量小于约0.00002wt％时，难以确保合金钢的充足的淬透性，另一方面，当硼(B)的含量大于约0.00005wt％时，合金钢的韧性和耐久性等降低，使得降低抗冲击性等。
(11)0.1至0.6wt％的镍(Ni)
镍(Ni)改善耐热性和韧性。镍(Ni)的含量可以是约0.1至0.6wt％。在此，当镍(Ni)的含量小于约0.1wt％时，可能不能确保充足的耐热性和韧性，另一方面，当镍(Ni)的含量大于约0.6wt％时，合金钢的可加工性(机械加工性)和生产率等降低。
由于根据本发明构思的具有上述构成的渗碳合金钢具有优异的硬度、强度、韧性、疲劳强度、以及疲劳寿命，因此渗碳合金钢可以应用于车辆部件等。例如，渗碳合金钢可以应用于自动或手动变速器等。在变速器之中，渗碳合金钢可以应用于支架、环形齿轮(annulus gear)、齿轮、轴、同步器毂等。
在下文中，在另一个方面，本发明构思涉及制造具有改善的耐久性的渗碳合金钢的方法。
根据本发明构思的具有改善的耐久性的渗碳合金钢可以由本领域的技术人员参照公知的技术适当地制造。更具体地，根据本发明构思的制造具有改善的耐久性的渗碳合金钢的方法可以包括混合用于渗碳的合金钢的材料；在约930至980℃下对合金钢进行渗碳热处理约1.6至4小时；在约80至120℃下对渗碳热处理的合金钢进行油淬火；以及在约150至200℃下使油淬火的合金钢回火约1至3小时。
在混合用于渗碳的合金钢的材料的步骤中，铁(Fe)被配置为主要组分，并且可以选择性地将镍(Ni)、钒(V)、钛(Ti)、氮(N)、或硼(B)添加至碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、铬(Cr)、钼(Mo)、以及铌(Nb)以进行混合。
在此，对于渗碳热处理步骤，当热处理温度小于约930℃时，由于热处理时间增加，所以生产率降低，以及在热处理时间小于约1.6小时的情况下，由于供给、注射和扩散碳(C)的时间短，所以渗碳可能不能充分进行。
另一方面，在热处理温度大于约980℃的情况下，可能出现合金钢的再结晶，使得降低机械性能，并且在热处理时间大于约4小时的情况下，可能发生过饱和渗碳(over-carburizing)和热变形，并且可能增加制造成本。
在油淬火步骤中，如果油淬火温度小于约80℃，或在第四步骤中的情况下，回火温度小于约150℃，由于残留奥氏体未形成，因此可能难以确保合金钢的韧性，并且当回火时间小于约1小时时，脆性的松弛可能不充分，材料偏差可能是严重的，并且可能难以确保韧性。
另一方面，当油淬火温度大于约120℃或回火温度大于约200℃时，由于在淬火工艺期间残留奥氏体的增加，可能降低合金钢的疲劳性能等，并且当回火时间大于约3小时时，由于合金钢的硬度的急剧降低，可能难以改善耐久性寿命等。
在下文中，在本发明构思的又一方面，提供了使用具有改善的耐久性的渗碳合金钢制造的用于车辆的变速器。
根据本发明构思的使用具有改善的耐久性的渗碳合金钢制造的用于车辆的变速器可以由本领域的技术人员参照公知的技术适当地制造。更具体地，在使用渗碳合金钢制造用于车辆的变速器的情况下，相应材料的高强度是可行的，因此，通过厚度减小，重量减轻约20％等，可以确保车辆设计的自由程度并且可以降低制造成本。
因此，车辆的耐久性增加，并且车辆的重量减轻是可行的，从而燃料效率增加并且阻止了环境污染。
[实施例]
在下文中，通过实施例将更详细地描述本发明构思。这些实施例仅用于描述本发明构思，并且对于本领域的技术人员而言显而易见的是，不应将本发明构思的范围解释为由这些实施例限制。
为了比较根据本发明构思的具有改善的耐久性的渗碳合金钢的物理性能，将在以下表2中描述的渗碳温度和时间、淬火油温度、以及回火温度和时间的条件应用至具有如以下表1中描述的组分的比较例和实施例。
[表1]
分类 单位 比较例1 比较例2 比较例3 实施例1 实施例2
C wt％ 0.19 0.20 0.22 0.33 0.18
Si wt％ 0.63 0.62 0.63 0.55 1.86
Mn wt％ 0.65 0.61 0.58 0.78 1.23
Cr wt％ 2.06 3.64 3.73 1.75 2.99
Ni wt％ - - - 0.15 0.58
Mo wt％ 0.38 - 0.16 0.25 0.48
Nb wt％ 0.029 0.026 0.025 0.052 0.066
V wt％ - - - 0.16 0.29
Ti wt％ - 0.0018 - 0.18 0.04
B wt％ - 0.013 - 0.000043 0.000026
N wt％ 0.0079 0.0067 0.0083 0.006 0.0053
在表1中，比较了根据现有的合金钢的比较例1至3的构成组分和含量以及根据本发明构思的实施例1和2的构成组分和含量。
[表2]
表2是在具有表1的构成组分和含量的比较例1至3以及实施例1和2的制造条件之中，比较渗碳温度和时间、淬火油温度、以及回火温度和时间的表。在此，所有比较例1至3和实施例1和2均满足根据本发明构思的渗碳温度和时间、淬火油温度、以及回火温度和时间。
[表3]
表3是在根据表2的条件制造出具有表1的构成组分和含量的比较例1至3以及实施例1和2之后，比较表面硬度、芯部硬度、拉伸强度、屈服强度、渗碳深度、冲击值、旋转弯曲强度、以及接触疲劳寿命、沉淀部分、以及马氏体部分的表。
表面硬度和芯部硬度通过使用显微维氏硬度测试仪(Micro VickersHardness tester)根据KS B 0811测量方法测量，并且在旋转弯曲强度的情况下，根据KS B ISO 1143测量方法在最大屈曲力矩(maximum flectionmoment)为约20kgfm、旋转数为约200至3000RPM、最大负载为约100kg或更少、以及220V和7KW的三相电源的条件下，通过使用约4mm的标准线直径经由旋转弯曲疲劳测试仪测量L10寿命。
L10寿命是试样的额定疲劳寿命(rating fatigue life)，并且指直到损坏试样的约10％的旋转弯曲疲劳测试仪的总旋转数。进一步地，在接触疲劳的情况下，在试样中形成裂缝之前用于接触疲劳测试的辊的旋转数是在表面压力为约332kg/mm2、润滑剂温度为约80℃、以及润滑剂量为约1.2l/min的条件下通过使用接触疲劳试验仪器测量的。
实施例1和2表现出的表面硬度和芯部硬度的值均高于比较例1至3中的那些值，在实施例2中的拉伸强度和屈服强度的值最高，实施例1和2中的渗碳深度大于比较例1至3中的渗碳深度，并且实施例1和2的冲击值、旋转弯曲强度、以及接触疲劳寿命优于比较例1至3中的那些。进一步地，可以证实改善了沉淀部分和马氏体部分。
因此，可以证实与比较例1至3相比，在根据本发明构思的实施例1和2中，表面硬度优异约10％，芯部硬度优异约12％，拉伸强度和屈服强度各自优异约5％，渗碳深度优异约7％，冲击值优异约52％，旋转弯曲强度优异约24％，以及接触疲劳寿命优异约72％。
如上所述，已经相对于本发明构思的具体实施方式描述了本发明构思，但实施方式仅是说明性的并且本发明构思不限于此。本发明构思所属技术领域中的技术人员在不背离本发明构思的范围的情况下，可以对所描述的实施方式进行改变或修改，并且在本发明构思的技术精神及所附的权利要求的等同范围内，各种变化和修改是可能的。

Claims (15)

1.一种渗碳合金钢，包含：
基于所述渗碳合金钢的总重量，
0.1至0.35wt％的碳，
0.1至2.0wt％的硅，
0.1至1.5wt％的锰，
1.5至3.0wt％的铬，
0.2至0.5wt％的钼，
大于0至0.07wt％的铌，以及
余量的铁。
2.根据权利要求1所述的渗碳合金钢，进一步包含镍。
3.根据权利要求2所述的渗碳合金钢，其中，镍的含量是0.1至0.6wt％。
4.根据权利要求1所述的渗碳合金钢，进一步包含钒。
5.根据权利要求4所述的渗碳合金钢，其中，钒的含量是大于0至0.3wt％。
6.根据权利要求1所述的渗碳合金钢，进一步包含钛。
7.根据权利要求6所述的渗碳合金钢，其中，钛的含量是大于0至0.2wt％。
8.根据权利要求1所述的渗碳合金钢，进一步包含氮。
9.根据权利要求8所述的渗碳合金钢，其中，氮的含量是大于0至0.015wt％。
10.根据权利要求1所述的渗碳合金钢，进一步包含硼。
11.根据权利要求10所述的渗碳合金钢，其中，硼的含量是0.00002至0.00005wt％。
12.根据权利要求1所述的渗碳合金钢，进一步包含选自由镍、钒、钛、氮、以及硼组成的组中的至少一种。
13.根据权利要求12所述的渗碳合金钢，其中，镍的含量是0.1至0.6wt％、钒的含量是大于0至0.3wt％、钛的含量是大于0至0.2wt％、氮的含量是大于0至0.015wt％、以及硼的含量是0.00002至0.00005wt％。
14.一种制造渗碳合金钢的方法，所述方法包括以下步骤：
使合金钢在880至940℃渗碳1.5至2小时，基于所述渗碳合金钢的总重量，所述合金钢包含：
0.1至0.35wt％的碳，
0.1至2.0wt％的硅，
0.1至1.5wt％的锰，
1.5至3.0wt％的铬，
0.2至0.5wt％的钼，
大于0至0.07wt％的铌，以及
余量的铁；
在80至120℃对所述渗碳合金钢进行油淬火；以及
使油淬火的所述合金钢在170至200℃回火1至3小时。
15.一种使用根据权利要求1所述的渗碳合金钢制造的用于车辆的变速器。
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