滲碳鋼及其製造方法與流程

2023-06-01 20:33:01

本申請要求2015年8月12日向韓國知識產權局提交的韓國專利申請第10-2015-0113991號的優先權和權益，其全部內容通過參考併入本文。

發明領域

本發明涉及一種滲碳鋼及其組合物，並進一步涉及滲碳鋼的製造方法。

背景技術：

通常，車輛傳動裝置通過例如鍛造鋼材料、正火或退火、加工(剃削加工&滾齒加工)、滲碳熱處理和滲氮熱處理的連續工藝製造。

作為常規的材料，鉻(Cr)合金鋼、鉻-鉬(Cr-Mo)合金鋼、鎳-鉻-鉬(Ni-Cr-Mo)合金鋼等已經廣泛用作傳動裝置用合金鋼。由於車輛傳動齒輪(transmission gear)通過鍛造具有大致形狀，通過加工具有精確的形狀，這些合金鋼應當具有優異的可鍛性和易加工性。

例如，鉻合金鋼和鉻-鉬合金鋼價格低，但其疲勞性能和衝擊性能並不優異，因此，它們主要用於負載不高的傳動裝置。

而且，鎳-鉻-鉬合金鋼具有由於所含的鎳而價格高以及難以加工的缺點。但是，其疲勞性能和衝擊性能很優異，因此，它們主要用於負載高的齒輪。

在通常的傳動裝置的情形中，傳動件(gear)彼此互鎖，並有接觸應力，從而導致傳動裝置部件表面上的點蝕，這可以導致耐久性降低，並且產生噪音。具體地，當動力系統尺寸縮小、小型化並且動力高從而增加傳動裝置負載時，問題的發生增加。

因此，需要開發接觸疲勞壽命(例如，抗點蝕性)提高的傳動裝置。

該背景部分公開的上述信息僅僅用於增強對發明背景的理解，因此，其可以含有不構成在該國家中本領域普通技術人員已經知曉的現有技術的信息。

技術實現要素：

一方面，本發明提供一種滲碳鋼及其組合物。

另一方面，本發明提供滲碳鋼的製造方法。

本發明的示例性實施方式提供一種滲碳鋼組合物，其可以包括：大約0.7-1.3wt％的矽(Si)、大約0.15-0.5wt％的鎳(Ni)、大約2.0-2.8wt％的鉻(Cr)、大約0.15-0.5wt％的鉬(Mo)、大約0.02-0.1wt％的釩(V)、大約0.01-0.02wt％的氮(N)和構成滲碳鋼組合物餘量的鐵(Fe)，所有wt％均基於滲碳鋼組合物的總重量。

而且，滲碳鋼組合物可以進一步包括：大約0.15-0.25wt％的碳(C)、大約0.3-1.0wt％的錳(Mn)、大約0.03wt％或更低但大於0wt％的磷(P)、大約0.03wt％或更低但大於0wt％的硫(S)、大約0.3wt％或更低但大於0wt％的銅(Cu)、大約0.01-0.05wt％的鈮(Nb)和大約0.01-0.05wt％的鋁(Al)，所有wt％均基於滲碳鋼組合物的總重量。

進一步提供可以由本文所述組分組成、基本上由本文所述組分組成或主要由本文所述組分組成的滲碳鋼組合物。例如，滲碳鋼組合物可以由以下組分組成、基本上由其組成或者主要由其組成，所述組分為：大約0.7-1.3wt％的矽(Si)、大約0.15-0.5wt％的鎳(Ni)、大約2.0-2.8wt％的鉻(Cr)、大約0.15-0.5wt％的鉬(Mo)、大約0.02-0.1wt％的釩(V)、大約0.01-0.02wt％的氮(N)和構成滲碳鋼組合物餘量的鐵(Fe)，所有wt％均基於滲碳鋼組合物的總重量。此外，滲碳鋼組合物可以由以下組分組成、基本上由其組成或者主要由其組成，所述組分為：大約0.7-1.3wt％的矽(Si)、大約0.15-0.5wt％的鎳(Ni)、大約2.0-2.8wt％的鉻(Cr)、大約0.15-0.5wt％的鉬(Mo)、大約0.02-0.1wt％的釩(V)、大約0.01-0.02wt％的氮(N)、大約0.15-0.25wt％的碳(C)、大約0.3-1.0wt％的錳(Mn)、大約0.03wt％或更低但大於0wt％的磷(P)、大約0.03wt％或更低但大於0wt％的硫(S)、大約0.3wt％或更低但大於0wt％的銅(Cu)、大約0.01-0.05wt％的鈮(Nb)、大約0.01-0.05 wt％的鋁(Al)和構成滲碳鋼組合物餘量的鐵(Fe)，所有wt％均基於滲碳鋼組合物的總重量。

優選地，對於滲碳鋼組合物，以下式1可以具有大約12.5-14的值：

式1＝

(5/8*(1+log√[Si]))*(log([Ni])+10))+2*(1+log([Cr]))+√([Mo])*5+√([V])*3+√([N])*100

在式1中，[Si]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[V]和[N]分別指Si、Ni、Cr、Mo、V和N的添加量(wt％)。

本發明另一示例性實施方式提供了一種滲碳鋼的製造方法，其可以包括：對包括大約0.7-1.3wt％的矽(Si)、大約0.15-0.5wt％的鎳(Ni)、大約2.0-2.8wt％的鉻(Cr)、大約0.15-0.5wt％的鉬(Mo)、大約0.02-0.1wt％的釩(V)和大約0.01-0.02wt％的氮(N)和構成滲碳鋼組合物餘量的鐵(Fe)的鋼材料進行滲碳，所有wt％均基於滲碳鋼組合物的總重量。具體地，滲碳可以在大約930-1050℃的熱處理溫度下進行。

優選地，對於滲碳鋼組合物，以下式1可以具有大約12.5-14的值。

式1＝

(5/8*(1+log√[Si]))*(log([Ni])+10))+2*(1+log([Cr]))+√([Mo])*5+√([V])*3+√([N])*100

在式1中，[Si]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[V]和[N]分別指Si、Ni、Cr、Mo、V和N的加入量(wt％)。

優選地，滲碳中的碳勢(CP)可以為大約0.85-1.1。

鋼材料可以進一步包括：大約0.15-0.25wt％的碳(C)、大約0.3-1.0wt％的錳(Mn)、大約0.03wt％或更低但大於0wt％的磷(P)、大約0.03wt％或更低但大於0wt％的硫(S)、大約0.3wt％或更低但大於0wt量的銅(Cu)、大約0.01-0.05wt％的鈮(Nb)和大約0.01-0.05wt％的鋁(Al)，所有wt％均基於滲碳鋼組合物的總重量。

優選地，在滲碳之後，可以進一步包括對鋼材料進行滲氮的步驟。滲氮步驟可以在含有大約0.5-2vol％的氨氣(NH3)的氣氛下在大約820-870℃的溫度範圍下進行。

可以通過鍛造、正火、退火和加工中的任意一種或多種將鋼材料製造成預訂的傳動裝置形狀。

進一步提供包括本文所述滲碳鋼組合物的車輛部件。例如，車輛部件可以是傳動裝置。

此外，提供包括含有本文所述滲碳鋼組合物的車輛部件例如傳動裝置的車輛。

根據本發明各示例性實施方式，可以提供抗點蝕性提高的滲碳鋼。而且，可以使用滲碳鋼提供抗點蝕性提高的傳動裝置。

以下公開本發明的其他方面。

附圖說明

本文所用的術語僅僅是出於描述具體實施方式的目的，而並無意於對發明加以限定。如本文所用，除非上下文明確另外指出，單數形式的「一」、「一個」和「該種」意在也包括複數形式。應進一步理解到，當用於本說明書時，術語「包括」和/或「包括有」說明存在有所述的特徵、整數、步驟、操作、元素和/或成分，但並不排除存在或添加一種或多種其他的特徵、整數、步驟、操作、元素、成分和/或其組合。如本文所用，術語「和/或」包括一種或多種所列關聯項的任何和全部組合。

除非明確說明或從上下文很明顯，如本文所用，術語「大約」理解成在本領域的正常公差範圍內，例如，在平均值的2個標準差內。「大約」可以理解成在所述數值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％內。除非另外由上下文很明顯，本文提供的所有數值均由術語「大約」修飾。

而且，應當理解到，本文所用的術語「車輛」、「車用」或其它類似術語包括通常的機動車輛，例如載客車輛，包括運動型多功能車(SUV)、公共汽車、卡車、各種商用車輛，包括各種船隻和船舶的水運工具，航空器和類似物，並包括混合動力車輛、電動車輛、插電式混合動力電動車輛、氫動力車輛和其它代用燃料車輛(例如，源自石油以外的資源的燃料)。如本文所用，混合動力車輛是具有兩種或更多種動力來源的車輛，例如，汽油動力和電動力的車輛。

本發明的優勢和特徵及其實現方法將由以下結合附圖詳述的示例性實施方式說明。但是，本發明並不限於以下公開的示例性實施方式， 而是將會以各種方式實施。本發明的示例性實施方式對本發明進行了充分的公開，並提供成使得本領域技術人員可以很容易理解本發明的範圍。因此，本發明將由所附權利要求的範圍限定。在說明書中，類似的參考數字是指類似的部件。

因此，在一些示例性實施方式中，公知的技術將不加以具體說明，以避免對本發明的理解不清楚。除非在本文中另外定義，說明書中使用的所有術語(包括技術和科學術語)均具有本領域技術人員通常理解的含義。根據本發明示例性實施方式的滲碳鋼組合物可以包括：大約0.7-1.3wt％的矽(Si)、大約0.15-0.5wt％的鎳(Ni)、大約2.0-2.8wt％的鉻(Cr)、大約0.15-0.5wt％的鉬(Mo)、大約0.02-0.1wt％的釩(V)和大約0.01-0.02wt％的氮(N)和構成滲碳鋼組合物餘量的鐵(Fe)，所有wt％均基於滲碳鋼組合物的總重量。

而且，滲碳鋼組合物可以進一步包括：大約0.15-0.25wt％的碳(C)、大約0.3-1.0wt％的錳(Mn)、大約0.03wt％或更低但大於0wt％的磷(P)、大約0.03wt％或更低但大於0wt％的硫(S)、大約0.3wt％或更低但大於0wt％的銅(Cu)、大約0.01-0.05wt％的鈮(Nb)和大約0.01-0.05wt％的鋁(Al)，所有wt％均基於滲碳鋼組合物的總重量。

滲碳鋼組合物可以滿足以下式1，以具有大約12.5-14的值：

式1＝

(5/8*(1+log√[Si]))*(log([Ni])+10))+2*(1+log([Cr]))+√([Mo])*5+√([V])*3+√([N])*100

在式1中，[Si]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[V]和[N]分別指Si、Ni、Cr、Mo、V和N的加入量(wt％)。

限定組分的原因如下：

如本文所用，碳(C)可以增加材料的強度和硬度，並析出碳化物。當碳以大約0.15-0.25wt％的量包括時，滲碳時碳擴散可以很容易。而且，當碳以小於大約0.15wt％包括時，抗張強度可以變差，當碳以大於大約0.30wt％包括時，衝擊韌性可以變差。

如本文所用，矽(Si)可以大約0.7-1.3wt％的量添加，以增加硬度、彈性模量等，並強化鐵氧體相。而且，耐高溫軟化性可以提高，以降低硬度降低的發生率。當矽以小於大約0.7wt％包括時，晶粒間氧 化可以大量發生，當矽以大於大約1.3wt％包括時，伸長值和衝擊值可以降低。

如本文所用，錳(Mn)可以大約0.3wt％或更大的量添加，以增加淬火特性和強度，但是，當錳以大於大約1.0wt％包括時，加工性能可以變差。

如本文所用，磷(P)可以大於大約0.03wt％、更具體為大於大約0.02wt％的量添加，因此可以形成Fe3P。Fe3P是可離析的，因此即使即使在退火的情形中也難以均化，通過鍛軋伸長，使耐衝擊性變差，並促進了回火脆性。

如本文所用，硫(S)可以形成MnS，以提高機械加工性能。但是，當硫以大於大約0.03wt％添加時，強度可以降低。

如本文所用，鉻(Cr)可以大約2.0wt％或更大的量加入，從而通過碳化物析出提高耐回火軟化性，並提高淬火特性。但是，當鉻以大於大約2.8wt％添加時，可以發生例如產生網狀碳化物的問題。

如本文所用，鉬(Mo)可以大約0.15wt％或更大的量添加，以提高淬透性，防止回火脆性，並使碳化物分布均勻。鉬的上限不受具體限制，但考慮到經濟上的可行性，鉬可以大約0.5wt％或更低的量添加。

如本文所用，鎳(Ni)可以大約0.15wt％或更大的量添加，以改善鋼結構。鎳可以是奧氏體或鐵氧體，以強化基質，提高淬透性，並增加接觸疲勞壽命。鎳的上限不受具體限制，但考慮到經濟上的可行性，鎳可以大約0.5wt％或更低的量添加。

當以大於大約0.3wt％添加時，銅(Cu)可以使熱加工性變差，並產生熱脆性。

鈮(Nb)可以大約0.01wt％或更大的量添加，以改善微晶和碳化物。鈮的上限不受具體限制，但考慮到經濟上的可行性，鎳可以大約0.5wt％或更低的量添加。

釩(V)可以大約0.02wt％或更大的量添加，以產生細顆粒碳化物，從而改善鋼結構，並提高耐回火軟化性。但是，當釩以大於預定的量添加時，可以形成蒸汽壓高的氧化物V2O5，從而在高溫下氣化。因此，釩可以大約0.1wt％或更低的量加入。

鋁(Al)可以大約0.01wt％或更大的量添加，以使鋼中微細地析 出AlN，從而改善奧氏體微晶。但是，當鋁以大於大約0.05wt％的量添加時，可以發生脆化。

氮(N)可以大約0.01wt％或更大的量添加，以增加屈服強度，並形成氮化物，從而改善奧氏體微晶。但是，當氮以大於大約0.02wt％的量添加時，伸長率可以變差。

具體地，對於滲碳鋼組合物，下式可以具有大約12.5-14的值。

式1＝

(5/8*(1+log√[Si]))*(log([Ni])+10))+2*(1+log([Cr]))+√([Mo])*5+√([V])*3+√([N])*100

在式1中，[Si]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[V]和[N]分別指Si、Ni、Cr、Mo、V和N的添加量(wt％)。

而且，當下式1的值小於大約12.5時，高溫下的耐軟化性可以降低，從而增加點蝕的發生率。此外，當式1的值大於大約14時，硬度可以增加，從而使加工性變差。

而且，可以優選粒徑更小的滲碳鋼微晶，因為這樣的滲碳鋼具有在大於大約1150℃的溫度下發生異常微晶的有利特徵。

微晶的尺寸可以與強度有關，根據Hall-Petch方程，微晶的尺寸越小，強度和韌性提高越多。

上述滲碳鋼可以是用於車輛傳動裝置的滲碳鋼。

在下文中，將通過本發明的示例性實施方式對滲碳鋼製造方法進行說明。

如上所述，鋼材料可以包括：大約0.7-1.3wt％的矽(Si)、大約0.15-0.5wt％的鎳(Ni)、大約2.0-2.8wt％的鉻(Cr)、大約0.15-0.5wt％的鉬(Mo)、大約0.02-0.1wt％的釩(V)和大約0.01-0.02wt％的氮(N)和構成滲碳鋼組合物餘量的鐵(Fe)，所有wt％均基於滲碳鋼組合物的總重量。

優選地，對於滲碳鋼組合物，以下式1可以具有大約12.5-14的值。

式1＝

(5/8*(1+log√[Si]))*(log([Ni])+10))+2*(1+log([Cr]))+√([Mo])*5+√([V])*3+√([N])*100

在式1中，[Si]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[V]和[N]分別指Si、Ni、Cr、 Mo、V和N的添加量(wt％)。

鋼材料可以進一步包括：大約0.15-0.25wt％的碳(C)、大約0.3-1.0wt％的錳(Mn)、大約0.03wt％或更低但大於0wt％的磷(P)、大約0.03wt％或更低但大於0wt％的硫(S)、大約0.3wt％或更低但大於0wt％的銅(Cu)、大約0.01-0.05wt％的鈮(Nb)和大約0.01-0.05wt％的鋁(Al)，所有wt％均基於滲碳鋼組合物的總重量。鋼材料的組成限定原因與上述滲碳鋼組合物的限定原因相同。

此外，可以通過鍛造、正火、退火和加工中的任意一種或多種將鋼材料製造成預定的傳動裝置形狀。

具體地，鋼材料可以是通過將具有與鋼材料相同組成的材料熱鍛或冷鍛、然後對其進行正火或退火處理、並加工(剃削加工&滾齒加工)製造成預定的車輛用傳動裝置形狀的那些鋼材料。

鋼材料可以是滲碳的。具體地，當滲碳時，熱處理溫度可以是大約930-1050℃。

在本發明示例性實施方式的鋼材料組成系統中，當鋼材料的熱處理在低於大約930℃的溫度下進行時，碳化物可以析出，而當熱處理在高於大約1050℃的溫度下進行時，微晶可以生長。

而且，在滲碳中碳勢(CP)可以是大約0.85-1.1。

當CP小於大約0.85時，滲碳之後可以發生硬度降低，當CP大於大約1.1時，碳化物可以析出。

當滲碳完成時，可以進行對鋼材料滲氮的步驟。

滲氮步驟可以在注入0.5-2vol％的氨(NH3)氣(相對於爐內氣氛)的條件下在大約820-870℃的溫度範圍下進行。

在此，當滲氮溫度低於大約820℃時，氨解離不會發生，氨氣不會擴散，當滲氮溫度高於大約870℃時，在蝕刻時可以發生嚴重的熱變形。

而且，當NH3氣體以小於大約0.5vol％注入時，不會表現出滲氮作用(奧氏體殘餘量增加，淬透性提高)，當NH3氣體以大於大約2vol％注入時，可以通過形成氮化物使耐久性變差。

而且，由於滲氮處理時間隨組分要求變化，不對其進行具體制定。

具體實施方式

實施例

在下文中，將通過實施例對本發明加以詳述。但是，以下實施例僅對本發明進行說明，本發明的公開內容不受以下實驗實施例限定。

在耐點蝕性提高的合金鋼的情形中，其在滲碳熱處理之後應當具有高表面硬度，並在大約300℃下具有優異的耐回火軟化性。

本發明要求的元素確定為Si、Cr、Ni、Mo和V，對滲碳之後的接觸疲勞壽命進行比較，從而結果顯示於下表1中。在表1中，所有測試數據均在0.9的CP下獲得，P、Cu、S和Al均在相同的條件下，測試在以下含量比進行：P：0.01wt％、Cu：0.1wt％、S：0.01wt％和Al：0.03wt％。

但是，在Mo的情形中，其添加量是等量設定的，因為量本來就大，更大的量導致成本負擔。

1)隨著從#1到#5耐點蝕性參數(下一頁所述)增加，在80℃下的接觸疲勞壽命增加，但增量不大。

2)隨著從#1到#5耐點蝕性參數(下一頁所述)增加，在100℃下的接觸疲勞壽命增加，增量大。

在溫度更高的條件下，元素對於耐回火軟化性的影響更加顯著。

3)耐點蝕性參數越高，淬火後材料硬度越高。

4)示出了有關V的實驗數據：0.02％(#6實驗)，有關V的實驗數據：0.1％(#5實驗)，有關耐點蝕性參數的實驗數據：12.5(#2和#3實驗)，和有關耐點蝕性參數的實驗數據：14(#5實驗)。

而且，應用發明的鋼種和開發的滲碳和滲氮熱處理方法，對物理性質進行評價，結果，能夠得到下表2所示的物理性質評價結果。

表2：物理性質評價的比較表

1)在對發明的材料應用常規滲碳和滲氮方法的情形中，與常規方法相比，因為網狀碳化物，接觸疲勞結果並不好。

2)當發明的滲碳和滲氮方法應用於發明的材料時，能夠獲得最好的耐點蝕性。

儘管已參考附圖對本發明的示例性實施方式加以說明，本領域技 術人員將會認識到，可以在不偏離本發明精神和必要特徵的前提下進行各種改良和變化。

因此，應當理解到，上述示例性實施方式並不是限定性的，而是在所有方面均為說明性的。應當理解到，本發明的範圍由以下權利要求限定，而不是由上述詳述限定，由權利要求的含義、範圍和等同方式得出的所有改良方式和變化方式均包括在本發明的範圍內。

儘管本發明已結合目前視作示例性實施方式者進行描述，但應當理解，本發明並非局限於公開的示例性實施方式，而是相反地，意在涵蓋包括在所附權利要求限定的精神和範圍之內的各種變化方式和等同方式。