強(qiáng)度部件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及耐衰退性(耐\ *9性)、屈服強(qiáng)度優(yōu)異的強(qiáng)度部件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 例如，作為汽車引擎用閥彈簧之類的強(qiáng)度部件的材料，以往從耐疲勞性、耐衰退性 的觀點(diǎn)出發(fā)而廣泛使用具有回火馬氏體組織的Si-Cr鋼油回火絲。與此相對(duì)，專利文獻(xiàn)1 中提出了如下技術(shù)：通過在盤簧后形成以延展性優(yōu)異的微細(xì)貝氏體作為主體的組織，從而 賦予比回火馬氏體組織更大的塑性應(yīng)變而不降低耐疲勞性。在該技術(shù)中，通過降低對(duì)耐衰 退性有害的位錯(cuò)密度，并且利用應(yīng)變時(shí)效來(lái)有效地固定位錯(cuò)，從而提高了耐衰退性。另外， 通過進(jìn)行立定處理而賦予較大的塑性應(yīng)變，因此在線材內(nèi)部被賦予較大的壓縮殘留應(yīng)力， 還能夠同時(shí)提高耐衰退性和耐疲勞性。進(jìn)而，在上述技術(shù)中，能夠使用低廉的材料，因此還 有能夠降低制造成本這一優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn) 專利文獻(xiàn) 專利文獻(xiàn)1 :日本特開2012-111992號(hào)公報(bào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明要解決的問題 但是，近年來(lái)，比以往更加尋求汽車的低燃耗化，對(duì)彈簧、螺栓等強(qiáng)度部件要求更高的 耐衰退性、屈服強(qiáng)度。
[0005] 因此，本發(fā)明是鑒于上述情況而進(jìn)行的，因此，其目的在于提供如下強(qiáng)度部件及其 制造方法，所述強(qiáng)度部件能夠大幅提高耐衰退性和屈服強(qiáng)度而無(wú)損成本優(yōu)勢(shì)、且無(wú)需大幅 改變工序。
[0006] 用于解決問題的方案 本發(fā)明人等為了解決上述課題而進(jìn)行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：通過對(duì)在等溫淬火處理 中利用水冷而生成的馬氏體進(jìn)行回火，使其分解成鐵素體和滲碳體并減少位錯(cuò)，從而使耐 衰退性大幅提高。另外還發(fā)現(xiàn)：在馬氏體中的位錯(cuò)減少的同時(shí)，組織會(huì)急劇地軟化，通常會(huì) 成為使疲勞強(qiáng)度降低的原因，但通過將組織的主體制成微細(xì)貝氏體，不會(huì)發(fā)生由硬度降低 導(dǎo)致的疲勞強(qiáng)度降低。另一方面，本發(fā)明的耐衰退性的提高與屈服強(qiáng)度的上升相伴，因此能 夠應(yīng)用于要求高屈服強(qiáng)度的螺栓等螺紋部件、轉(zhuǎn)向橫拉桿等。
[0007] 本發(fā)明的強(qiáng)度部件是基于上述見解而完成的，其特征在于，其具有：以質(zhì)量％計(jì)為 C:0? 5~0. 7%、Si:1. 0~2. 0%、Mn:0? 1~1. 0%、Cr:0? 1~1. 0%、P:0? 035% 以下、S:0? 035% 以下、 余量包含鐵和不可避免的雜質(zhì)的組成；以及，以面積比率計(jì)具有65%以上的貝氏體的組織， 任意截面的平均位錯(cuò)密度為2.OX1016m2以下。
[0008] 另外，本發(fā)明的強(qiáng)度部件的制造方法的特征在于，其具備如下工序：將線材成 型為制品形狀的成型工序，所述線材具有以質(zhì)量％計(jì)為C:0. 5~0. 7%、Si:1. 0~2. 0%、Mn: 0. 1~1. 0%、Cr :0. 1~1. 0%、P :0. 035%以下、S :0. 035%以下、余量包含鐵和不可避免的雜質(zhì)的 成分；在Ac3點(diǎn)~ (Ac3點(diǎn)+250°C )的溫度進(jìn)行奧氏體化后，以20°C /秒以上的速度進(jìn)行冷 卻，在（Ms點(diǎn)-20°C) ~ (Ms點(diǎn)+60°C)的溫度保持400秒以上，接著冷卻至室溫的熱處理工 序；以及，將熱處理后的前述制品在350~450°C的溫度進(jìn)行保持的回火工序。此處，Ac3點(diǎn) 是指材料在加熱中從鐵素體+奧氏體的兩相域轉(zhuǎn)變成奧氏體單相域的邊界溫度，Ms點(diǎn)是指 在冷卻中開始生成馬氏體的溫度。需要說明的是，強(qiáng)度部件為彈簧時(shí)，期望具備對(duì)制品投射 丸粒的噴丸硬化工序。
[0009] 本發(fā)明不限定于彈簧，還能夠應(yīng)用于如螺栓等螺紋部件、轉(zhuǎn)向橫拉桿等那樣地要 求強(qiáng)度的所有強(qiáng)度部件。
[0010] 發(fā)明的效果 根據(jù)本發(fā)明，通過降低任意截面的平均位錯(cuò)密度，可獲得能夠大幅提高耐衰退性和屈 服強(qiáng)度而無(wú)損成本優(yōu)勢(shì)、且無(wú)需大幅改變工序等效果。
【附圖說明】
[0011] 圖1是顯示本發(fā)明的制造方法的工序的圖。
[0012] 圖2是顯示本發(fā)明的實(shí)施例中的回火溫度與平均位錯(cuò)密度的關(guān)系的圖。
[0013] 圖3是顯示本發(fā)明的實(shí)施例中的回火溫度與殘余剪切應(yīng)變的關(guān)系的圖。
[0014] 圖4是顯示本發(fā)明的實(shí)施例中的回火溫度與彈簧線料的內(nèi)部硬度的關(guān)系的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 首先，針對(duì)本發(fā)明中使用的鋼的化學(xué)成分的限定理由進(jìn)行說明。需要說明的是，在 以下的說明中，"％"表示"質(zhì)量％"。
[0016] C ：0. 5-0. 7% C是用于確保期望強(qiáng)度的重要元素，為了獲得這種效果而需要含有0. 5%以上。然而， C濃度變得過量時(shí)，作為軟質(zhì)相的殘留奧氏體的比率過度增加而難以得到期望強(qiáng)度，因此抑 制在0. 7%以下。
[0017] Si ：1, 0-2. 0% Si是有助于固溶強(qiáng)化的元素，為了獲得期望強(qiáng)度而需要含有1. 0%以上。但是，Si量為 過量時(shí)，軟質(zhì)的殘留奧氏體比率變高，反而招致強(qiáng)度的降低，因此抑制在2. 0%以下。
[0018] Mn ：0. 1-1. 0% Mn作為精煉中的脫氧元素而添加，另一方面，是能夠提高鋼材的淬火性且容易提高強(qiáng) 度的元素，因此，為了獲得期望強(qiáng)度而需要含有0. 1%以上。另一方面，含量過量時(shí)，容易產(chǎn) 生偏析而加工性降低，因此抑制在1. 0%以下。
[0019] Cr ：0. 1-1. 0% Cr是能夠提高鋼材的淬火性且容易提高強(qiáng)度的元素。另外，還有使珠光體相變延遲的 作用，在奧氏體化加熱后的冷卻時(shí)能夠穩(wěn)定地獲得貝氏體組織(抑制珠光體組織)，因此，需 要含有0. 1%以上。但是，過量含有Cr時(shí)，容易產(chǎn)生鐵碳化物，因此抑制在1. 0%以下。
[0020] P、S :0? 035% 以下 P和S是助長(zhǎng)晶界偏析導(dǎo)致的晶界破壞的元素，因此期望其含量盡可能低，但其為不可 避免的雜質(zhì)且為了使其降低而耗費(fèi)冶煉成本，因此上限設(shè)為0. 035%。P和S的含量?jī)?yōu)選為 0. 01%以下。
[0021 ] 接著，針對(duì)所有組織中的貝氏體的面積比率等的限定理由進(jìn)行說明。
[0022] ?貝氏體：65%以上貝氏體是指：使現(xiàn)有的進(jìn)行了奧氏體化的鋼材在550°C左右以 下且超過馬氏體相變起始溫度的溫度區(qū)域中發(fā)生等溫相變而得到的金屬組織，其由貝氏體 鐵素體與鐵碳化物構(gòu)成。作為基質(zhì)的貝氏體鐵素體的位錯(cuò)密度高，另外，鐵碳化物具有析出 強(qiáng)化效果，因此，即使硬度因馬氏體中的位錯(cuò)的減少而降低，也能夠以貝氏體組織來(lái)提高強(qiáng) 度。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的制造方法，關(guān)于貝氏體組織，將進(jìn)行了奧氏體化的鋼材在Ms點(diǎn)附近 進(jìn)行等溫保持，因此能夠獲得在微細(xì)的貝氏體鐵素體基底中微細(xì)析出鐵碳化物的結(jié)構(gòu)，晶 界強(qiáng)度的降低少，即使為高強(qiáng)度，延展性韌性的降低也小。因此，即使賦予大的塑性應(yīng)變，也 不會(huì)產(chǎn)生對(duì)耐疲勞性有害的龜裂等缺陷，能夠降低位錯(cuò)密度。像這樣，貝氏體是對(duì)于獲得高 強(qiáng)度和高延展性而言不可缺少的組織，其面積比率越高越優(yōu)選，為了獲得期望的高強(qiáng)度高 延展性，需要為65%以上。
[0024] 另一方面，等溫保持中的未相變奧氏體通過在之后冷卻至室溫而成為馬氏 體、殘留奧氏體。貝氏體面積比率不足65%的組織表示等溫保持時(shí)間短，在該階段 中的未相變奧氏體中的C的濃縮度小，因此通過其后的冷卻而馬氏體比率變高。因 此，貝氏體面積比率不足65%時(shí)，馬氏體變多而能夠得到高強(qiáng)度，但切口靈敏性（ 切焚飫憝受性）顯著變高，因此無(wú)法賦予較大的塑性應(yīng)變，耐衰退性不提高。
[0025] 需要說明的是，殘留奧氏體是軟質(zhì)的，因此因加工而產(chǎn)生的剪切應(yīng)變?nèi)菀讱埩簟Ｒ?此，殘留奧氏體的量成為殘余剪切應(yīng)變的量的指標(biāo)，其量為過量時(shí)，會(huì)使耐衰退性降低。從 該觀點(diǎn)出發(fā)，殘留奧氏體的面積比率期望抑制在6. 5%以下。
[0026] 另外，為了確保制品有可耐受必須載重的強(qiáng)度，制品的任意橫截面的中心的維氏 硬度期望為450HV以上。另一方面，硬度過度高時(shí)，通常伸長(zhǎng)率變小，且鋼材自身的切口靈 敏性增加，無(wú)法賦予大的塑性應(yīng)變，因此期望為650HV以下。
[0027] 接著，針對(duì)本發(fā)明的強(qiáng)度部件的制造方法，以彈簧為例進(jìn)行說明。圖1 (A)是顯示 實(shí)施方式的制造方法的圖，圖1 (B)是顯示以往的制造方法的圖。彈簧可以如下制造：針對(duì) 上述化學(xué)成分的鋼材，例如在盤簧工序之后，根據(jù)需要在對(duì)彈簧的兩端面進(jìn)行研削的座研 磨工序后，在Ac3點(diǎn)~ (Ac3點(diǎn)+250°C)的溫度進(jìn)行奧氏體化后，以20°C /秒以上的速度進(jìn) 行冷卻，在（Ms點(diǎn)-20°C )~ (Ms點(diǎn)+60°C )的溫度保持400秒以上，接著以20°C /秒以上的 冷卻速度冷卻至室溫，在上述熱處理工序之后，在350~450°C進(jìn)行回火，在噴丸硬化工序后， 根據(jù)需要進(jìn)行立定處理工序，從而制造。針對(duì)加熱至Ac3點(diǎn)以上之前的鋼組織，沒有特別限 定。例如，能夠?qū)⑦M(jìn)行了熱鍛、拉絲加工的條鋼用作原材料。以下，針對(duì)各工序進(jìn)行說明，根 據(jù)需要敘述限定理由。
[0028] 盤簧工序 是冷乳成型至期望線圈形狀的工序。成型方法利用使用彈簧形成機(jī)(盤簧機(jī)）的方法、 使用芯軸的方法等即可。需要說明的是，作為螺旋彈簧之外的彈簧，可以應(yīng)用于板簧、扭桿、 穩(wěn)定器等任意彈簧。
[0029] ?座面研磨工序 本工序是根據(jù)需要而進(jìn)行的，是使彈簧的兩端面相對(duì)于彈簧的軸芯成為直角平面而進(jìn) 行研磨的工序。
[0030] ?熱處理工序 通過將盤簧后的彈簧進(jìn)行奧氏體化后，進(jìn)行等溫保持，其后進(jìn)行冷卻，從而結(jié)束熱處理 工序。針對(duì)進(jìn)行奧氏體化之前的鋼組織，沒有特別限定。例如，可以將進(jìn)行了熱鍛、拉絲加 工的條鋼用作原材料。奧氏體化的溫度需要為Ac3A~ (Ac3點(diǎn)+250°C)。在Ac3點(diǎn)以下， 會(huì)直接成為原材料的組織構(gòu)成而不進(jìn)行奧氏體化。另外，超過(Ac3點(diǎn)+250°C)時(shí)，舊奧氏 體粒徑容易變得粗大化，有可能招致延展性的降低。
[0031] 在奧氏體化后冷卻至進(jìn)行等溫保持的溫度的速度越快越好，需要以20°C /秒以上 的冷卻速度來(lái)進(jìn)行，優(yōu)選為50°C /秒以上。冷卻速度不足20°C /秒時(shí)，在冷卻過程中生成珠 光體，無(wú)法得到65面積％以上的貝氏體。進(jìn)行等溫保持的溫度需要為（Ms點(diǎn)-20°C)~ (Ms 點(diǎn)+60°C)，其是作為用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的彈簧鋼和彈簧的制造方法而非常重要的控制因素。 進(jìn)行等溫保持的溫度不足（Ms點(diǎn)-20°C)時(shí)，相變初期生成的馬氏體量多而阻礙延展性的提 高，除此之外，無(wú)法獲得65面積％以上的貝氏體。另一方面，進(jìn)行等溫保持的溫度超過（Ms 點(diǎn)+60°C )時(shí)，