DE112020006870T5 - GAS SOFT NITRIDING-TREATED COMPONENT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF - Google Patents

GAS SOFT NITRIDING-TREATED COMPONENT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF Download PDF

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Abstract

Ein gasweichnitrierbehandeltes Bauteil gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst einen Stahlkern, eine Verbundschicht und eine Stickstoffdiffusionsschicht, die zwischen dem Stahlkern und der Verbundschicht vorhanden ist, wobei der Stahlkern als Zusammensetzung in Masse-% enthält: C: 0,05% bis 0,60%, Si: 0,05% bis 1,50%, Mn: 0,20% bis 2,50%, P: 0,025% oder weniger, S: 0,050% oder weniger, Cr: 0,50% bis 2,50%, V: 0,05% bis 1,30%, Al: 0,050% oder weniger, N: 0,0250% oder weniger, und ein Rest, der Fe und eine Verunreinigung enthält, wobei die Mengen an C, Mn, Cr, V und Mo in der Zusammensetzung des Stahlkerns 0,00 ≤ -2,1 × C + 0,04 × Mn + 0,5 × Cr + 1,8 × V - 1,5 × Mo ≤ 0. 50, die Dicke der Verbundschicht beträgt 3 bis 20 µm, die Verbundschicht enthält mehr als 50% einer ε-Phase, bezogen auf ein Flächenverhältnis, und einen Rest einer γ'-Phase, und der Porositätsflächenanteil in einem Bereich von der Oberfläche der Verbundschicht bis zu einer Tiefe von 3 µm beträgt weniger als 12%.A gas-soft nitriding-treated member according to an aspect of the present invention includes a steel core, a compound layer, and a nitrogen diffusion layer present between the steel core and the compound layer, wherein the steel core contains as composition % by mass: C: 0.05% to 0.60% %, Si: 0.05% to 1.50%, Mn: 0.20% to 2.50%, P: 0.025% or less, S: 0.050% or less, Cr: 0.50% to 2.50% %, V: 0.05% to 1.30%, Al: 0.050% or less, N: 0.0250% or less, and a balance containing Fe and an impurity, the amounts of C, Mn, Cr , V and Mo in the composition of the steel core 0.00 ≤ -2.1 × C + 0.04 × Mn + 0.5 × Cr + 1.8 × V - 1.5 × Mo ≤ 0. 50, the thickness of the compound layer is 3 to 20 µm, the compound layer contains more than 50% of an ε phase in terms of an area ratio and a balance of a γ' phase, and the porosity area ratio in a range from the surface of the compound layer to a depth of 3 µm is less than 12%.

Description

[Technisches Gebiet der Erfindung][Technical Field of the Invention]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stahlbauteil, an dem eine Gasweichnitrierungsbehandlung durchgeführt wurde, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.The present invention relates to a steel member subjected to gas soft nitriding treatment and a method of manufacturing the same.

[Verwandter Stand der Technik][Related Prior Art]

Bei einigen Stahlbauteilen, die in Automobilen, verschiedenen Industriemaschinen oder ähnlichem verwendet werden, ist eine Ermüdungsfestigkeit der Oberflächen erforderlich. So müssen z. B. CVT-Riemenscheiben oder Nockenwellen in Getrieben verschleißfest oder biegefest sein, und Zahnräder müssen Ermüdungseigenschaften wie Oberflächen- und Biegewechselfestigkeit aufweisen. Es wird davon ausgegangen, dass eine Verbesserung der Oberflächenhärte zur Verbesserung dieser Eigenschaften beiträgt. Daher werden für diese Stahlbauteile derzeit Nitrier- und Weichnitrierbehandlungen angewandt. Nitrierbehandlungen und Weichnitrierbehandlungen haben den Vorteil, dass eine hohe Oberflächenhärte erhalten werden kann und die Belastung durch die Wärmebehandlung gering ist.Some steel members used in automobiles, various industrial machines or the like require surface fatigue strength. So z. B. CVT pulleys or camshafts in transmissions must be wear-resistant or resistant to bending, and gears must have fatigue properties such as surface and reverse bending strength. It is believed that improving surface hardness helps improve these properties. Therefore, nitriding and soft nitriding treatments are currently used for these steel components. Nitriding treatments and soft nitriding treatments have the advantages that high surface hardness can be obtained and stress from the heat treatment is small.

Nitrieren ist eine oberflächenhärtende Wärmebehandlung, bei dem Stickstoff zum Eindringen in die Stahloberfläche gebracht wird, und Weichnitrieren ist eine oberflächenhärtende Wärmebehandlung, bei der Stickstoff und Kohlenstoff zum Eindringen in die Stahloberfläche gebracht wird. Als Medien für das Nitrieren und das Weichnitrieren werden beispielhaft Gas, Salzbad, Plasma und dergleichen verwendet. Bei Kraftfahrzeuggetriebekomponenten werden hauptsächlich das Gasnitrierverfahren und das Gasweichnitrierverfahren eingesetzt, die sich durch eine hohe Produktivität auszeichnen.Nitriding is a surface hardening heat treatment in which nitrogen is infiltrated into the steel surface, and soft nitriding is a surface hardening heat treatment in which nitrogen and carbon are infiltrated into the steel surface. Gas, salt bath, plasma and the like are used as media for the nitriding and the soft nitriding, for example. The gas nitriding process and the gas soft nitriding process, which are characterized by high productivity, are mainly used for motor vehicle transmission components.

Als gehärtete Schichten, die durch Gasnitrieren und Gasweichnitrieren gebildet werden, werden eine Stickstoffdiffusionsschicht (im Folgenden in einigen Fällen als Diffusionsschicht abgekürzt) und eine mehrere bis mehrere zehn Mikrometer dicke Verbundschicht auf der Oberflächenseite der Diffusionsschicht gebildet.As hardened layers formed by gas nitriding and soft gas nitriding, a nitrogen diffusion layer (hereinafter abbreviated as diffusion layer in some cases) and a compound layer several to several tens of microns thick are formed on the surface side of the diffusion layer.

Die Diffusionsschicht ist eine Schicht, die durch einen Mischkristallverfestigungsmechanismus durch eindringenden Stickstoff und Kohlenstoff und einen Partikeldispersionsverfestigungsmechanismus eines Nitrids gehärtet wird. Es ist bekannt, dass eine Verbesserung der Härte und Tiefe der Diffusionsschicht die Biegewechselfestigkeit oder die Oberflächenermüdungsfestigkeit von Bauteilen verbessert. Zur Verbesserung der Härte oder Tiefe der Diffusionsschicht wurden bisher eine Reihe von Studien durchgeführt.The diffusion layer is a layer hardened by a solid solution strengthening mechanism by nitrogen and carbon penetrating and a particle dispersion strengthening mechanism of a nitride. It is known that improving the hardness and depth of the diffusion layer improves the reverse bending strength or the surface fatigue strength of components. A number of studies have hitherto been made to improve the hardness or depth of the diffusion layer.

Die Verbundschicht wird hauptsächlich aus Eisennitriden von Fe2N bis Fe3N (ε-Phase) und Fe4N (γ'-Phase) gebildet und ist extrem härter als die Primärphasen. Daher ist die Verbundschicht ein wirksames Mittel zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit. Im Vergleich zur γ'-Phase hat die ε-Phase einen großen C-Mischkristallbereich und eine schnelle Wachstumsrate. Aus diesem Grund wird sich beim Weichnitrieren, bei dem aufkohlende Gase gemischt werden, wahrscheinlich eine Verbundschicht bilden, die hauptsächlich die ε-Phase enthält. Daher ist es beim Weichnitrieren möglich, im Vergleich zum Nitrieren in kurzer Zeit dicke Verbundschichten zu erhalten, und zwar unabhängig von der Art des Stahls der Bauteile. Daher wird das Weichnitrieren schon seit langem zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Bauteilen eingesetzt.The compound layer is mainly formed of iron nitrides of Fe 2 N to Fe 3 N (ε phase) and Fe 4 N (γ' phase), and is extremely harder than the primary phases. Therefore, the composite layer is an effective means of improving wear resistance. Compared to the γ' phase, the ε phase has a large C solid solution area and a fast growth rate. For this reason, soft nitriding in which carburizing gases are mixed is likely to form a compound layer mainly containing the ε phase. Therefore, with soft nitriding, it is possible to obtain thick composite layers in a short time compared with nitriding, regardless of the type of steel of the components. Therefore, soft nitriding has long been used to improve the wear resistance of components.

Konventionelle Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Verbundschichten und Verschleißfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit sind im Folgenden beschrieben.Conventional understandings of the relationship between composite layers and wear resistance and fatigue strength are described below.

Patentdokument 1 offenbart ein nitriertes oder weichnitriertes Bauteil, bei dem die Dicke einer ε-Einphasen-Verbundschicht 8 bis 30 µm beträgt, die Vickershärte 680 HV oder mehr beträgt und der Volumenanteil an Porositäten in der Verbundschicht weniger als 10% beträgt.Patent Document 1 discloses a nitrided or soft nitrided member in which the thickness of an ε-single-phase compound layer is 8 to 30 μm, the Vickers hardness is 680 HV or more, and the volume ratio of porosities in the compound layer is less than 10%.

Darüber hinaus offenbart Patentdokument 2 eine Schaufel für einen Rotationskompressor, bei der die Dicke einer Verbundschicht nach dem Nitrieren 1 bis 5 µm beträgt, die Oberflächenrauhigkeit nach dem Nitrieren Rz1,6 oder weniger ist, die Verbundschicht eine γ'-Phase oder eine Mischphase aus einer γ'-Phase und einer ε-Phase aufweist, und der Porositätsanteil 5% oder weniger beträgt.Furthermore, Patent Document 2 discloses a blade for a rotary compressor, in which the thickness of a compound layer after nitriding is 1 to 5 µm, the surface roughness after nitriding is Rz1.6 or less, the compound layer has a γ' phase or a mixed phase of a γ' phase and an ε phase, and the porosity ratio is 5% or less.

Patentdokument 3 offenbart, dass die Mengen der Stahlzusammensetzungen, insbesondere C, Mn, Cr, V und Mo, in Abhängigkeit von den angestrebten Eigenschaften eingestellt werden und ein nitriertes Bauteil unter Steuerung des Nitrierpotentials hergestellt wird.Patent Document 3 discloses that the amounts of the steel compositions, particularly C, Mn, Cr, V, and Mo, are adjusted depending on the properties aimed at, and a nitrided member is manufactured while controlling the nitriding potential.

Patentdokument 4 offenbart ein nitrierbehandeltes Bauteil, das nicht nur hinsichtlich der Oberflächenermüdungsfestigkeit, sondern auch hinsichtlich der Rotationsbiegewechselfestigkeit hervorragend ist, wobei ein Stahlmaterial mit einer vorbestimmten chemischen Zusammensetzung als Material verwendet wird, eine Verbundschicht, die Eisen, Stickstoff und Kohlenstoff enthält und eine Dicke von 3 µm oder mehr und weniger als 20 µm aufweist, auf einer Oberfläche des Stahlmaterials gebildet wird, die Phasenstruktur in der Verbundschicht in einem Bereich von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 5 µm 50% oder mehr einer γ'-Phase in Bezug auf ein Flächenverhältnis enthält, das Porositätsflächenverhältnis in einem Bereich von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 3 µm weniger als 1% beträgt und die Druckeigenspannung an der Oberfläche der Verbundschicht 500 MPa oder mehr beträgt.Patent Document 4 discloses a nitriding-treated member excellent not only in surface fatigue strength but also in rotational flex life, using a steel material having a predetermined chemical composition as a material, a compound layer containing iron, nitrogen and carbon, and a thickness of 3 µm or more and less than 20 µm is formed on a surface of the steel material, the phase structure in the compound layer in a region from the surface to a depth of 5 µm contains 50% or more of a γ' phase in terms of an area ratio contains, the porosity area ratio in a range from the surface to a depth of 3 µm is less than 1%, and the compressive residual stress at the surface of the composite layer is 500 MPa or more.

Patentdokument 5 offenbart ein Gasweichnitrierbehandlungsverfahren von niedriglegiertem Stahl, bei dem der niedriglegierte Stahl auf 550°C bis 620°C erwärmt wird, wenn eine Gasweichnitrierungsbehandlung mit einer auf 1,5 bis 10 Stunden festgelegten Behandlungszeit A durchgeführt wird, die Nitrierungspotentiale Knx 0,10 bis 1,00 betragen, der Durchschnittswert KnXave 0,20 bis 0,55 beträgt, nach einer Hoch-Kn-Wert-Behandlung mit einer auf X Stunden festgelegten Behandlungszeit die Nitrierungspotentiale Kny in einem Bereich von 0,01 bis 0,20 liegen, der Mittelwert Knyave 0,02 bis 0,15 beträgt, eine Niedrig-Kn-Wert-Behandlung mit einer auf Y Stunden festgelegten Behandlungszeit durchgeführt wird, und aus dem Mittelwert KnXave, dem Mittelwert KnYave, der Behandlungszeit A und den Behandlungszeiten X und Y der Hoch-Kn-Wert-Behandlung und der Niedrig-Kn-Wert-Behandlung der Mittelwert KnXave, der Nitrierpotentiale der Weichnitrierbehandlung 0,05 bis 0,20 beträgt.Patent Document 5 discloses a gas-soft nitriding treatment method of low-alloy steel, in which the low-alloy steel is heated to 550° C. to 620° C. when gas-soft nitriding treatment is performed with treatment time A set to 1.5 to 10 hours, the nitriding potentials Knx are 0.10 to 0.10 1.00, the average value Kn Xave is 0.20 to 0.55, after a high Kn value treatment with a treatment time fixed at X hours, the nitration potentials Kn y are in a range from 0.01 to 0.20 , the mean value Kny ave is 0.02 to 0.15, a low Kn value treatment is performed with a treatment time fixed at Y hours, and from the mean value Kn Xave , the mean value Kn Yave , the treatment time A and the treatment times X and Y of the high Kn treatment and the low Kn treatment, the average value Kn Xave , which is 0.05 to 0.20 nitriding potentials of the soft nitriding treatment.

[Stand der Technik Dokument][Prior Art Document]

[Patentdokument][patent document]

  • [Patentdokument 1] PCT Internationale Veröffentlichung Nr. WO 2016/153009 [Patent Document 1] PCT International Publication No. WO 2016/153009
  • [Patentdokument 2] Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Erstveröffentlichung Nr. 2005-16386[Patent Document 2] Japanese Unexamined Patent Application, First Publication No. 2005-16386
  • [Patentdokument 3] PCT Internationale Veröffentlichung Nr. WO 2019/098340 [Patent Document 3] PCT International Publication No. WO 2019/098340
  • [Patentdokument 4] PCT Internationale Veröffentlichung Nr. WO 2018/066666 [Patent Document 4] PCT International Publication No. WO 2018/066666
  • [Patentdokument 5] Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Erstveröffentlichung Nr. 2015-175009[Patent Document 5] Japanese Unexamined Patent Application, First Publication No. 2015-175009

[Offenbarung der Erfindung][Disclosure of the Invention]

[Durch die Erfindung zu lösende Probleme][Problems to be Solved by the Invention]

In dem nitrierten Bauteil oder dem weichnitrierten Bauteil des Patentdokuments 1 wird der Porositätsanteil von der äußersten Oberfläche bis zur untersten Oberfläche (der Grenzfläche zwischen der Verbundschicht und einer Diffusionsschicht) der Verbundschicht unterdrückt. In der Praxis konzentrieren sich die Porositäten jedoch häufig in einem Bereich von der Stahloberfläche bis etwa 3 µm . Wenn in diesem Bereich eine Reihe von Porositäten vorhanden ist, kann keine günstige Biegewechselfestigkeit erhalten werden. Bei der Auswertung des nitrierbehandelten Bauteils aus dem Patentdokument 3 stellten die Erfinder fest, dass sich in einer Verbundschicht in einem Oberflächenschichtbereich des Bauteils intensiv Leerstellen bildeten und der Volumenanteil der Leerstellen in diesem Oberflächenschichtbereich über 40% betrug. In Bezug auf die Stahlzusammensetzungen und ein Verfahren zur Steuerung des Nitrierens zur Unterdrückung des Porositätsanteils von der Oberfläche auf 3 µm im Verfahren des Patentdokuments 1 gibt es daher Raum für Verbesserungen.In the nitrided member or the soft nitrided member of Patent Document 1, the proportion of porosity is suppressed from the outermost surface to the lowermost surface (the interface between the compound layer and a diffusion layer) of the compound layer. In practice, however, the porosities are often concentrated in an area from the steel surface to about 3 µm. If there are a number of porosities in this area, favorable reverse flex life cannot be obtained. When evaluating the nitriding-treated member of Patent Document 3, the inventors found that voids were formed intensively in a compound layer in a surface layer portion of the member, and the volume fraction of voids in this surface layer portion was over 40%. Therefore, with respect to the steel compositions and a method of controlling nitriding to suppress the proportion of porosity from the surface to 3 μm in the method of Patent Document 1, there is room for improvement.

In dem nitrierten Bauteil des Patentdokuments 2 ist die Verbundschicht so extrem dünn wie ein Minimum von 1 µm, und die Phasenstruktur umfasst hauptsächlich eine γ'-Phase, die eine geringere Härte als eine ε-Phase aufweist. Daher besteht nach der Technik des Patentdokuments 2 die Möglichkeit, dass eine günstige Verschleißfestigkeit nicht erhalten werden kann.In the nitrided member of Patent Document 2, the compound layer is as extremely thin as 1 μm minimum, and the phase structure mainly includes a γ′ phase that is lower in hardness than an ε phase. Therefore, according to the technique of Patent Document 2, there is a possibility that favorable wear resistance cannot be obtained.

Bei den nitrierten Bauteilen des Patentdokuments 3 und des Patentdokuments 4 enthält die Struktur der Verbundschicht hauptsächlich eine γ'-Phase mit geringer Härte. Bei dem in Patentdokument 5 beschriebenen Verfahren soll die Bildung einer Verbundschicht unterdrückt werden, und zu diesem Zweck wird das Nitrierpotential auf einen niedrigeren Wert als üblich festgelegt. Daher wird bei den nitrierten Bauteilen der Patentdokumente 3 bis 5 davon ausgegangen, dass die Verschleißfestigkeit noch verbessert werden kann.In the nitrided members of Patent Document 3 and Patent Document 4, the structure of the compound layer mainly contains a γ' phase with low hardness. In the method described in Patent Document 5, formation of a compound layer is intended to be suppressed, and for this purpose, the nitriding potential is set to a lower value than usual. Therefore, in the nitrided members of Patent Documents 3 to 5, it is considered that the wear resistance can still be improved.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bauteil, das nicht nur eine günstige Verschleißfestigkeit, sondern auch eine hervorragende Rotationsbiegewechselfestigkeit aufweist, und ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen.It is the object of the present invention to provide a component which not only has favorable wear resistance but also outstanding rotational flexural fatigue strength, and a method for its manufacture.

[Mittel zur Lösung des Problems][Means to Solve the Problem]

Die Grundzüge der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden beschrieben.

  • (1) Ein gasweichnitrierbehandeltes Bauteil gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst einen Stahlkern, eine Verbundschicht und eine Stickstoffdiffusionsschicht, die sich zwischen dem Stahlkern und der Verbundschicht befindet, wobei der Stahlkern als Zusammensetzung, in Massenprozent, enthält: C: 0,05% bis 0,60%, Si: 0,05% bis 1,50%, Mn: 0,20% bis 2,50%, P: 0,025% oder weniger, S: 0,050% oder weniger, Cr: 0,50% bis 2,50%, V: 0,05% bis 1,30%, Al: 0,050% oder weniger, N: 0. 0250% oder weniger und einen Rest, der Fe und eine Verunreinigung aufweist, die Mengen an C, Mn, Cr, V und Mo in der Zusammensetzung des Stahlkerns der Formel 1 genügen, eine Dicke der Verbundschicht 3 bis 20 µm beträgt, die Verbundschicht mehr als 50% einer ε-Phase bezogen auf ein Flächenverhältnis und einen Rest einer γ'-Phase enthält, und ein Porositätsflächenanteil (Flächenanteil von Porositäten) in einem Bereich von einer Oberfläche der Verbundschicht bis zu einer Tiefe von 3 µm weniger als 12% beträgt. 0,00 2,1 × C + 0 ,04 × Mn + 0 ,5 × Cr + 1 ,8 × V 1 ,5 × Mo 0 ,50
    Figure DE112020006870T5_0001
    Hier geben die Elementsymbole in der Formel 1 die Mengen (Masse-%) der entsprechenden Elemente an, und Null wird zugewiesen, wenn die Elemente nicht enthalten sind.
  • (2) In dem gasweichnitrierbehandelten Bauteil nach (1) kann der Stahlkern als Zusammensetzung in Masse-% enthalten: C: 0,05% bis 0,60%, Si: 0,05% bis 1,50%, Mn: 0,20% bis 2,50%, P: 0,025% oder weniger, S: 0,050% oder weniger, Cr: 0,50% bis 2,50%, V: 0,05% bis 1,30%, Al: 0,050% oder weniger, N: 0,0250% oder weniger, Mo: 0% bis 1,50%, Cu: 0% bis 1,00%, Ni: 0% bis 1,00%, W: 0% bis 0,50%, Co: 0% bis 0,50%, Nb: 0% bis 0,300%, Ti: 0% bis 0,250%, B: 0% bis 0,0100%, Ca: 0% bis 0,010%, Mg: 0% bis 0,010%, REM: 0% bis 0,010%, und der Rest besteht aus Fe und einer Verunreinigung.
  • (3) In dem gasweichnitrierbehandelten Bauteil gemäß den obigen (1) oder (2) kann C in der Zusammensetzung des Stahlkerns 0,05% bis 0,35% betragen.
  • (4) Bei dem gasweichnitrierbehandelten Bauteil nach einem der obigen (1) bis (3) enthält die Verbundschicht 90% oder weniger der ε-Phase, bezogen auf das Flächenverhältnis.
  • (5) Bei dem gasweichnitrierbehandelten Bauteil nach einem der obigen (1) bis (4) kann die Dicke der Verbundschicht 6 µm oder mehr betragen.
  • (6) Ein Verfahren zur Herstellung eines gasweichnitrierbehandelten Bauteils gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des gasweichnitrierbehandelten Bauteils gemäß einem der obigen (1) bis (5), bei dem ein Stahlmaterial mit der Zusammensetzung des Stahlkerns gemäß einem der obigen (1) bis (3) in eine vorbestimmte Form bearbeitet wird, um einen Rohformstahl zu erhalten, und bei dem an dem Rohformstahl eine Gasweichnitrierbehandlung durchgeführt wird, wobei die Gasweichnitrierungsbehandlung in einer Gasatmosphäre durchgeführt wird, die mindestens eines von CO2, CO und Kohlenwasserstoffgas in einem Aufkohlungsgas-Injektionsanteil, der durch eine Formel 2 dargestellt wird, von 2 Vol.-% oder mehr und weniger als 10 Vol.-% und einen Rest von NH3, H2, N2 und einem Verunreinigungsgas, durch Halten einer Temperatur bei 550°C oder höher und 630°C oder niedriger für 1,0 Stunden oder länger und 7,0 Stunden oder kürzer, in der Gasatmosphäre ein durch Formel 3 erhaltenes Nitrierungspotential KN innerhalb eines Bereichs von 0,15 oder mehr und 0,40 oder weniger liegt, indem die Gasweichnitrierungsbehandlung durchgeführt wird, und, und ein Durchschnittswert KNave der Nitrierungspotentiale KN 0,18 oder mehr und weniger als 0,30 beträgt. Aufkohlunhsgas Injektionsanteil ( Vol . % ) = Gesamt Injektionsdurchsatz von CO 2 , CO und Kohlenwasserstoffgas  ( 1 / min ) / Gesamt Injektionsdurchsatz von atmosph a ¨ rischem Gas ( 1 / min ) × 100
    Figure DE112020006870T5_0002
    K N = ( NH 3 Partialdruck ) / [ ( H 2 Partialdruck ) 3 / 2 ] ( atm 1 / 2 )
    Figure DE112020006870T5_0003
The outline of the present invention is described below.
  • (1) A gas-soft nitriding-treated component according to an aspect of the present invention comprises a steel core, a compound layer, and a nitrogen diffusion layer located between the steel core and the compound layer, the steel core containing as a composition, in percentage by mass: C: 0.05% to 0.60%, Si: 0.05% to 1.50%, Mn: 0.20% to 2.50%, P: 0.025% or less, S: 0.050% or less, Cr: 0.50% to 2.50%, V: 0.05% to 1.30%, Al: 0.050% or less, N: 0.0250% or less and a balance comprising Fe and an impurity, the amounts of C, Mn, Cr, V and Mo in the composition of the steel core satisfy formula 1, a thickness of the compound layer is 3 to 20 µm, the compound layer contains more than 50% of an ε-phase in terms of an area ratio and a balance of a γ'-phase, and an area ratio of porosity (area ratio of porosities) in a range from a surface of the composite layer to a depth of 3 µm is less than 12%. 0.00 2.1 × C + 0 ,04 × Mn + 0 ,5 × Cr + 1 ,8th × V 1 ,5 × Mon 0 ,50
    Figure DE112020006870T5_0001
    Here, the element symbols in Formula 1 indicate the amounts (mass%) of the respective elements, and zero is assigned when the elements are not included.
  • (2) In the gas-soft nitriding-treated component according to (1), the steel core may contain, as a composition in % by mass: C: 0.05% to 0.60%, Si: 0.05% to 1.50%, Mn: 0, 20% to 2.50%, P: 0.025% or less, S: 0.050% or less, Cr: 0.50% to 2.50%, V: 0.05% to 1.30%, Al: 0.050% or less, N: 0.0250% or less, Mo: 0% to 1.50%, Cu: 0% to 1.00%, Ni: 0% to 1.00%, W: 0% to 0.50 %, Co: 0% to 0.50%, Nb: 0% to 0.300%, Ti: 0% to 0.250%, B: 0% to 0.0100%, Ca: 0% to 0.010%, Mg: 0% to 0.010%, REM: 0% to 0.010%, and the balance is Fe and an impurity.
  • (3) In the gas-soft nitriding-treated member according to the above (1) or (2), C in the composition of the steel core may be 0.05% to 0.35%.
  • (4) In the gas-soft nitriding-treated member according to any one of the above (1) to (3), the compound layer contains 90% or less of the ε phase in terms of area ratio.
  • (5) In the gas-soft nitriding-treated member according to any one of the above (1) to (4), the thickness of the composite layer may be 6 µm or more.
  • (6) A method for manufacturing a gas-softened nitriding-treated member according to another aspect of the present invention is a method for manufacturing the gas-softening-treated member according to any one of the above (1) to (5), in which a steel material having the composition of the steel core according to any one of the above (1) to (3) is worked into a predetermined shape to obtain a raw shape steel, and in which a gaseous soft nitriding treatment is performed on the raw shape steel, the gaseous soft nitriding treatment being performed in a gas atmosphere containing at least one of CO 2 , CO and hydrocarbon gas in a carburizing gas injection rate represented by a formula 2 of 2% by volume or more and less than 10% by volume and a balance of NH 3 , H 2 , N 2 and an impurity gas, by maintaining a temperature at 550°C or higher and 630°C or lower for 1.0 hour or longer and 7.0 hours or shorter in the gas atmosphere nitriding potential KN obtained by Formula 3 is within a range of 0.15 or more and 0.40 or less by performing the gas soft nitriding treatment, and, and an average value K Nave of the nitriding potentials KN is 0.18 or more and less than 0 is .30. carburizing gas injection proportion ( volume . % ) = In total injection throughput of CO 2 , CO and hydrocarbon gas ( 1 / at least ) / In total injection throughput of atmosph a ¨ ric gas ( 1 / at least ) × 100
    Figure DE112020006870T5_0002
    K N = ( NH 3 partial pressure ) / [ ( H 2 partial pressure ) 3 / 2 ] ( atm 1 / 2 )
    Figure DE112020006870T5_0003

[Wirkungen der Erfindung][Effects of the invention]

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein weichnitrierbehandeltes Bauteil zu erhalten, das nicht nur hinsichtlich der Verschleißfestigkeit, sondern auch hinsichtlich der Rotationsbiegewechselfestigkeit hervorragend ist.According to the present invention, it is possible to obtain a soft nitrided member excellent not only in wear resistance but also in rotational flex life.

Figurenlistecharacter list

  • 1 ist eine vergrößerte Ansicht einer Oberfläche eines gasnitrierbehandelten Bauteils gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 1 14 is an enlarged view of a surface of a gas nitriding treated member according to the present embodiment.
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines gasweichnitrierbehandelten Bauteils gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. 2 14 is a flow chart showing a method for manufacturing a gas soft nitriding treated member according to the present embodiment.
  • 3 ist eine Ansicht, die die Form einer kleinen Walze für einen Walzen-Lochfraßtest zeigt. Die Maßeinheiten in der Zeichnung sind „mm“. 3 Fig. 14 is a view showing the shape of a small roller for a roller pitting test. The units of measurement in the drawing are "mm".
  • 4 ist eine Ansicht, die die Form einer großen Walze für den Walzen-Lochfraßtest zeigt. Die Maßeinheiten in der Zeichnung sind „mm“. 4 Fig. 14 is a view showing the shape of a large roll for the roll pitting test. The units of measurement in the drawing are "mm".
  • 5 ist eine Ansicht, die die Form eines zylindrischen Teststücks für einen Rotationsbiegeermüdungstest zeigt. Die Maßeinheiten in der Zeichnung sind „mm“. 5 14 is a view showing the shape of a cylindrical test piece for a rotational flexural fatigue test. The units of measurement in the drawing are "mm".

[Ausführungsformen der Erfindung][Embodiments of the invention]

Die vorliegenden Erfinder haben sich mit der Form einer Verbundschicht befasst, die durch Weichnitrieren auf einer Oberfläche eines Stahlmaterials gebildet wird, und den Zusammenhang zwischen der Form der Verbundschicht und der Dauerfestigkeit untersucht.The present inventors have studied the shape of a compound layer formed by soft nitriding on a surface of a steel material and studied the relationship between the shape of the compound layer and fatigue strength.

Als Ergebnis wurde festgestellt, dass beim Weichnitrieren eines Stahlmaterials mit eingestellten Zusammensetzungen in einer bestimmten Atmosphäre bei gleichzeitiger Steuerung des Nitrierpotentials Porositäten, die sich auf der Oberflächenseite der Verbundschicht bilden, unterdrückt werden können. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass, wenn die Dicke der Verbundschicht innerhalb eines bestimmten Bereichs festgelegt wird und die Härte der Verbundschicht auf einen bestimmten Wert oder mehr festgelegt wird, ein weichnitriertes Bauteil mit ausgezeichneter Verschleißfestigkeit und Rotationsbiegewechselfestigkeit hergestellt werden kann.As a result, it was found that by soft nitriding a steel material having adjusted compositions in a specific atmosphere while controlling the nitriding potential, porosities formed on the surface side of the compound layer can be suppressed. In addition, it has been found that when the thickness of the compound layer is set within a certain range and the hardness of the compound layer is set to a certain value or more, a soft nitrided member excellent in wear resistance and rotational flex life can be manufactured.

Ein gasweichnitrierbehandeltes Bauteil gemäß der vorliegenden Ausführungsform, das aufgrund der obigen Erkenntnisse erhalten wurde, wird im Detail beschrieben. Wie in 1 gezeigt, umfasst ein gasweichnitrierbehandeltes Bauteil 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform (im Folgenden in einigen Fällen einfach als „Bauteil“ bezeichnet) einen Stahlkern 11 (im Folgenden in einigen Fällen einfach als „Stahl“ bezeichnet), eine Verbundschicht 12 und eine Stickstoffdiffusionsschicht 13 zwischen dem Stahlkern 11 und der Verbundschicht 12 (im Folgenden in einigen Fällen einfach als „Diffusionsschicht“ bezeichnet).A gas-soft nitriding-treated component according to the present embodiment obtained from the above knowledge will be described in detail. As in 1 As shown, a gas-soft nitriding-treated component 1 according to the present embodiment (hereinafter simply referred to as “component” in some cases) comprises a steel core 11 (hereinafter simply referred to as “steel” in some cases), a compound layer 12 and a nitrogen diffusion layer 13 between the steel core 11 and the composite layer 12 (hereinafter referred to simply as “diffusion layer” in some cases).

[Zusammensetzung des Stahls][composition of the steel]

Nachfolgend wird die Zusammensetzung des Stahls beschrieben. Sofern nicht ausdrücklich anders beschrieben, bezieht sich die Menge jedes im Folgenden beschriebenen Zusammensetzungselements auf die Zusammensetzung des Stahls. Die Zusammensetzungen der Verbundschicht und der Diffusionsschicht sind nicht auf die im Folgenden zu beschreibenden Bereiche begrenzt. Darüber hinaus bedeutet „%“ in Bezug auf die Menge jedes Zusammensetzungselements im Stahl und die Konzentration eines Elements auf der Oberfläche des Bauteils „Masse%“, sofern nicht ausdrücklich anders beschrieben.The composition of the steel is described below. Unless specifically described otherwise, the amount of each composition element described below is based on the composition of the steel. The compositions of the compound layer and the diffusion layer are not limited to the ranges to be described below. In addition, "%" in terms of the amount of each composition element in the steel and the concentration of an element on the surface of the member means "% by mass" unless expressly described otherwise.

[C: 0,05% bis 0,60%][C: 0.05% to 0.60%]

C stabilisiert die Bildung einer ε-Phase. Daher ist C ein wirksames Element zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit des Bauteils durch Erhöhung der Dicke der Verbundschicht nach dem Nitrieren und des Volumenanteils der ε-Phase. Außerdem ist C ein notwendiges Element, um die Härte des Kernabschnitts des Bauteils zu gewährleisten. Um diese Effekte zu erhalten, muss der C-Gehalt 0,05% oder mehr betragen. Übersteigt der C-Gehalt hingegen 0,60%, so wird die Härte eines Stahlstabes, Walzdrahtes und dergleichen, die als Material dienen, nach dem Warmschmieden zu hoch. Daher verschlechtert sich die Verarbeitbarkeit des Materials erheblich. Der C-Gehalt kann auf 0,08% oder mehr, 0,10% oder mehr, oder 0,15% oder mehr festgelegt werden. Der C-Gehalt kann auf 0,55% oder weniger, 0,50% oder weniger, 0,40% oder weniger, oder 0,35% oder weniger festgelegt werden.C stabilizes the formation of an ε phase. Therefore, C is an effective element for improving the wear resistance of the member by increasing the thickness of the compound layer after nitriding and the volume fraction of the ε phase. In addition, C is a necessary element to ensure the hardness of the core portion of the member. In order to obtain these effects, the C content must be 0.05% or more. On the other hand, if the C content exceeds 0.60%, the hardness of a steel bar, wire rod and the like serving as a material becomes too high after hot forging. Therefore, the workability of the material deteriorates significantly. The C content can be set to 0.08% or more, 0.10% or more, or 0.15% or more. The C content can be set to 0.55% or less, 0.50% or less, 0.40% or less, or 0.35% or less.

[Si: 0,05% bis 1,50%][Si: 0.05% to 1.50%]

Si ist ein Element, das die Härte des Kernabschnitts durch Verfestigung in fester Lösung erhöht. Da Si außerdem die Beständigkeit gegen Erweichung bei hohen Temperaturen erhöht, steigert es die Verschleißfestigkeit, wenn die Temperatur des Bauteils in einer Kontaktreibungsumgebung hoch wird. Um diese Effekte zu erzielen, muss der Si-Gehalt 0,05% oder mehr betragen. Übersteigt der Si-Gehalt jedoch 1,50%, wird die Härte des Stahlstabs, des Walzdrahts und dergleichen, die als Material dienen, nach dem Warmschmieden zu hoch. Daher verschlechtert sich die Verarbeitbarkeit des Materials erheblich. Der Si-Gehalt kann auf 0,08% oder mehr, 0,10% oder mehr, oder 0,20% oder mehr festgelegt werden. Der Si-Gehalt kann auf 1,30% oder weniger, 1,10% oder weniger, oder 1,00% oder weniger festgelegt werden.Si is an element that increases the hardness of the core portion by solid solution strengthening. In addition, since Si increases resistance to high-temperature softening, it increases wear resistance when the temperature of the member becomes high in a contact friction environment. In order to obtain these effects, the Si content must be 0.05% or more. However, if the Si content exceeds 1.50%, the hardness of the steel bar, wire rod and the like serving as the material becomes too high after hot forging. Therefore, the workability of the material deteriorates significantly. The Si content can be set to 0.08% or more, 0.10% or more, or 0.20% or more. The Si content can be set to 1.30% or less, 1.10% or less, or 1.00% or less.

[Mn: 0,20% bis 2,50%][Mn: 0.20% to 2.50%]

Mn ist ein Element, das ein feines weiches Nitrid (Mn3N2) in der Verbundschicht oder der Diffusionsschicht durch eine Weichnitrierbehandlung bildet und die Verschleißfestigkeit oder die Biegewechselfestigkeit erhöht. Darüber hinaus erhöht Mn die Härte des Kernabschnitts durch Mischkristallverfestigung. Um diese Effekte zu erhalten, muss der Mn-Gehalt 0,20% oder mehr betragen. Übersteigt der Mn-Gehalt jedoch 2,50%, ist nicht nur die Wirkung auf die Verbesserung der Verschleißfestigkeit oder der Biegewechselfestigkeit gesättigt, sondern auch die Härte des Stahlstabs, des Walzdrahts und dergleichen, die als Material dienen, wird nach dem Warmschmieden zu hoch. Daher verschlechtert sich die Bearbeitbarkeit des Materials erheblich. Der Mn-Gehalt kann auf 0,40% oder mehr, 0,60% oder mehr, oder 1,00% oder mehr festgelegt werden. Der Mn-Gehalt kann auf 2,30% oder weniger, 2,00% oder weniger oder 1,80% oder weniger festgelegt werden.Mn is an element that forms a fine soft nitride (Mn 3 N 2 ) in the compound layer or the diffusion layer by soft nitriding treatment and increases wear resistance or flex life. In addition, Mn increases the hardness of the core portion through solid solution strengthening. In order to obtain these effects, the Mn content must be 0.20% or more. However, if the Mn content exceeds 2.50%, not only the effect of improving wear resistance or reverse bending fatigue strength is saturated, but also the hardness of the steel bar, wire rod and the like serving as the material becomes too high after hot forging. Therefore, the machinability of the material deteriorates significantly. The Mn content can be set to 0.40% or more, 0.60% or more, or 1.00% or more. The Mn content can be set to 2.30% or less, 2.00% or less, or 1.80% or less.

[P: 0,025% oder weniger][P: 0.025% or less]

P ist eine Verunreinigung und versprödet das Bauteil durch Randentmischung. Daher ist der P-Gehalt vorzugsweise so gering wie möglich. Bei einem P-Gehalt von mehr als 0,025% verschlechtert sich unter Umständen die Verschleißfestigkeit oder die Biegewechselfestigkeit. Eine bevorzugte Obergrenze des P-Gehalts zur Vermeidung einer Verschlechterung der Verschleißfestigkeit oder der Biegewechselfestigkeit ist 0,018%, 0,015% oder 0,010%. Der P-Gehalt kann 0% betragen, er kann aber auch unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit der Raffination auf 0,001% oder mehr, 0,005% oder mehr oder 0,008% oder mehr festgelegt werden.P is an impurity and embrittles the component through edge segregation. Therefore, the P content is preferably as small as possible. With a P content of more than 0.025%, wear resistance or flex fatigue strength may deteriorate. A preferred upper limit of the P content to avoid deterioration in wear resistance or flex fatigue strength is 0.018%, 0.015% or 0.010%. The P content may be 0%, but it may be set to 0.001% or more, 0.005% or more, or 0.008% or more in consideration of refining economy.

[S: 0,050% oder weniger][S: 0.050% or less]

S ist ein Element, das sich mit Mn zu MnS verbindet und die Bearbeitbarkeit verbessert. Wenn der S-Gehalt jedoch 0,050% übersteigt, wird wahrscheinlich grobes MnS gebildet, und die Verschleißfestigkeit oder die Biegewechselfestigkeit verschlechtert sich erheblich. Eine bevorzugte Obergrenze des S-Gehalts zur Vermeidung einer Verschlechterung der Verschleißfestigkeit oder der Biegewechselfestigkeit ist 0,030%, 0,025% oder 0,020%. Der S-Gehalt kann 0% betragen, er kann aber auch auf 0,001% oder mehr, 0,002% oder mehr oder 0,005% oder mehr festgelegt werden, um die Wirtschaftlichkeit der Raffination zu berücksichtigen.S is an element that combines with Mn to form MnS and improves machinability. However, when the S content exceeds 0.050%, coarse MnS is likely to be formed, and wear resistance or flex fatigue strength deteriorates significantly. A preferred upper limit of the S content to avoid deterioration in wear resistance or flex fatigue strength is 0.030%, 0.025% or 0.020%. The S content may be 0%, but it may be set to 0.001% or more, 0.002% or more, or 0.005% or more in consideration of refining economy.

[Cr: 0,50% bis 2,50%][Cr: 0.50% to 2.50%]

Cr ist ein Element, das durch eine Weichnitrierbehandlung ein feines weiches Nitrid (CrN) in der Verbundschicht oder in der Diffusionsschicht bildet und die Verschleißfestigkeit oder die Biegewechselfestigkeit erhöht. Um diese Effekte zu erhalten, muss der Cr-Gehalt 0,50% oder mehr betragen. Übersteigt der Cr-Gehalt hingegen 2,50%, ist nicht nur die Wirkung auf die Verbesserung der Verschleißfestigkeit oder der Biegewechselfestigkeit gesättigt, sondern auch die Härte des Stahlstabs und des Walzdrahts, die als Material dienen, wird nach dem Warmschmieden zu hoch. Dadurch verschlechtert sich die Bearbeitbarkeit des Materials erheblich. Der Cr-Gehalt kann auf 0,70% oder mehr, 0,80% oder mehr, oder 1,00% oder mehr festgelegt werden. Der Cr-Gehalt kann auf 2,20% oder weniger, 2,00% oder weniger oder 1,80% oder weniger festgelegt werden.Cr is an element that forms a fine soft nitride (CrN) in the compound layer or in the diffusion layer by soft nitriding treatment and increases wear resistance or flex life. In order to obtain these effects, the Cr content must be 0.50% or more. On the other hand, when the Cr content exceeds 2.50%, not only the effect of improving wear resistance or reverse bending fatigue strength is saturated, but also the hardness of the steel bar and wire rod serving as the material becomes too high after hot forging. As a result, the machinability of the material deteriorates significantly. The Cr content can be set to 0.70% or more, 0.80% or more, or 1.00% or more. The Cr content can be set to 2.20% or less, 2.00% or less, or 1.80% or less.

[V: 0,05% bis 1,30%][V: 0.05% to 1.30%]

V ist ein Element, das ein feines weiches Nitrid (VN) in der Verbundschicht oder der Diffusionsschicht durch eine Weichnitrierbehandlung bildet und die Verschleißfestigkeit oder die Biegewechselfestigkeit erhöht. Um diese Wirkungen zu erhalten, muss der V-Gehalt 0,05% oder mehr betragen. Übersteigt der V-Gehalt hingegen 1,30%, ist nicht nur die Wirkung auf die Verbesserung der Verschleißfestigkeit oder der Biegewechselfestigkeit gesättigt, sondern auch die Härte des Stahlstabs und des Walzdrahts, die als Material dienen, wird nach dem Warmschmieden zu hoch. Dadurch verschlechtert sich die Bearbeitbarkeit des Materials erheblich. Der V-Gehalt kann auf 0,10% oder mehr, 0,20% oder mehr, oder 0,40% oder mehr festgelegt werden. Der V-Gehalt kann auf 1,10% oder weniger, 1,00% oder weniger oder 0,80% oder weniger festgelegt werden.V is an element that forms fine soft nitride (VN) in the compound layer or the diffusion layer by soft nitriding treatment and increases wear resistance or flex life. In order to obtain these effects, the V content must be 0.05% or more. On the other hand, when the V content exceeds 1.30%, not only the effect of improving wear resistance or reverse bending fatigue strength is saturated, but also the hardness of the steel bar and wire rod serving as the material becomes too high after hot forging. As a result, the machinability of the material deteriorates significantly. The V content can be set to 0.10% or more, 0.20% or more, or 0.40% or more. The V content can be set to 1.10% or less, 1.00% or less, or 0.80% or less.

[Al: 0,050% oder weniger][Al: 0.050% or less]

Al ist in den Bauteilen gemäß der vorliegenden Ausführungsform nicht essentiell. Andererseits ist Al ein desoxidierendes Element. Darüber hinaus verbindet sich Al mit N zu AlN und hat Auswirkungen auf die Verfeinerung der Struktur des Stahlmaterials vor der Weichnitrierbehandlung aufgrund der Pinning-Wirkung für Austenitkörner und auf die Verringerung der Schwankungen der mechanischen Eigenschaften des weichnitrierbehandelten Bauteils. Um diese Wirkungen zu erhalten, muss der Al-Anteil 0,005% oder mehr betragen. Andererseits ist es wahrscheinlich, dass Al einen auf hartem Oxid basierenden Einschluss bildet. Wenn der Al-Gehalt 0,050% übersteigt, verschlechtert sich die Biegewechselfestigkeit erheblich, und es wird unmöglich, die gewünschte Biegewechselfestigkeit zu erhalten, selbst wenn andere Anforderungen erfüllt sind. Eine bevorzugte Obergrenze für den Al-Gehalt zur Vermeidung einer Verschlechterung der Biegewechselfestigkeit ist 0,040%, 0,030% oder 0,020%. Der Al-Gehalt kann 0% betragen; um jedoch die oben beschriebenen Effekte zu erhalten, kann der Al-Gehalt auf 0,001% oder mehr, 0,002% oder mehr oder 0,005% oder mehr festgelegt werden.Al is not essential in the components according to the present embodiment. On the other hand, Al is a deoxidizing element. In addition, Al combines with N to form AlN, and has effects on refinement of the structure of the steel material before soft nitriding treatment due to the pinning effect for austenite grains and reduction of variation in mechanical properties of the soft nitriding treated member. In order to obtain these effects, the Al content must be 0.005% or more. On the other hand, Al is likely to form a hard oxide-based inclusion. If the Al content exceeds 0.050%, the flex fatigue strength deteriorates significantly, and it becomes impossible to obtain the desired flex fatigue strength even when other requirements are satisfied. A preferable upper limit of the Al content to avoid deterioration of the flex fatigue strength is 0.040%, 0.030% or 0.020%. The Al content can be 0%; however, in order to obtain the effects described above, the Al content may be set to 0.001% or more, 0.002% or more, or 0.005% or more.

[N: 0,0250% oder weniger][N: 0.0250% or less]

N ist in dem Bauteil gemäß der vorliegenden Ausführungsform nicht essentiell, und der N-Gehalt kann 0% betragen. Andererseits verbindet sich N mit Mn, Cr, Al und V und bildet Mn3N2, CrN, AlN und VN. Unter diesen nitridbildenden Elementen haben Al und V, die eine hohe Nitridbildungstendenz aufweisen, Auswirkungen auf die Verfeinerung der Struktur des Stahlmaterials vor der Weichnitrierungsbehandlung aufgrund der Pinning-Wirkung für Austenitkörner und auf die Verringerung von Schwankungen in den mechanischen Eigenschaften des weichnitrierungsbehandelten Bauteils. Um die oben beschriebenen Effekte zu erhalten, kann der N-Gehalt auf 0,0030% oder mehr, 0,0035% oder mehr oder 0,0040% oder mehr festgelegt werden. Übersteigt der N-Gehalt hingegen 0,0250%, so wird wahrscheinlich grobes AlN oder VN gebildet, was es schwierig macht, die oben beschriebenen Effekte zu erhalten. Der N-Gehalt kann auf 0,0220% oder weniger, 0,0200% oder weniger, oder 0,0100% oder weniger festgelegt werden.N is not essential in the device according to the present embodiment, and the N content may be 0%. On the other hand, N combines with Mn, Cr, Al and V to form Mn 3 N 2 , CrN, AlN and VN. Among these nitriding elements, Al and V, which have a high nitriding tendency, have effects on refinement of the structure of the steel material before the soft nitriding treatment due to the pinning effect for austenite grains and reduction of variations in the mechanical properties of the soft nitriding-treated member. In order to obtain the effects described above, the N content may be set to 0.0030% or more, 0.0035% or more, or 0.0040% or more. On the other hand, when the N content exceeds 0.0250%, coarse AlN or VN is likely to be formed, making it difficult to obtain the effects described above. The N content can be set to 0.0220% or less, 0.0200% or less, or 0.0100% or less.

Die chemische Zusammensetzung des Stahlkerns des gasweichnitrierbehandelten Bauteils gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält die oben beschriebenen Elemente und einen Rest, der Fe und eine Verunreinigung enthält. Bei der Verunreinigung handelt es sich um eine Zusammensetzung, die in einem Rohmaterial enthalten ist, oder eine Zusammensetzung, die in den Herstellungsprozess eingebracht wird, oder ähnliches, und eine Zusammensetzung, die die Eigenschaften des Bauteils gemäß der vorliegenden Ausführungsform nicht beeinträchtigt. Die Verunreinigung ist z.B. 0,0040% oder weniger O (Sauerstoff).The chemical composition of the steel core of the gas-soft nitriding-treated component according to the present embodiment contains the elements described above and a balance containing Fe and an impurity. The impurity is a composition contained in a raw material, or a composition introduced in the manufacturing process, or the like, and a composition that does not impair the properties of the device according to the present embodiment. For example, the impurity is 0.0040% or less O (oxygen).

Bei dem gasweichnitrierbehandelten Bauteil gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist jedoch der Teil, der hauptsächlich zur Lösung des Problems beiträgt, die Verbundschicht. Solange die Verbundschicht derart konfiguriert ist, wie unten beschrieben, ist es nicht ausgeschlossen, dass der Stahlkern andere Zusammensetzungen als die oben beschriebenen enthält. Als Zusammensetzungen, die ferner in dem Stahlkern enthalten sein können, können die folgenden Elemente beispielhaft genannt werden. Das Bauteil gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist jedoch in der Lage, das Problem zu lösen, ohne die nachfolgend beispielhaft genannten Elemente zu enthalten. Daher sind die Untergrenzen der Mengen der unten beispielhaft aufgeführten Elemente 0%.However, in the gas-soft nitriding-treated member according to the present embodiment, the part that mainly contributes to solving the problem is the compound layer. As long as the composite layer is configured as described below, it is not excluded that the steel core contains compositions other than those described above. As the compositions which can be further contained in the steel core, the following elements can be exemplified. However, the device according to the present embodiment is able to solve the problem without including the elements exemplified below. Therefore, the lower limits on the amounts of the elements exemplified below are 0%.

[Mo: 0% bis 1,50%][Mon: 0% to 1.50%]

Mo stabilisiert die ε-Phase in der Verbundschicht. Darüber hinaus bildet Mo ein feines Nitrid (Mo2N) in der Verbundschicht oder der Diffusionsschicht und erhöht die Härte. Daher ist Mo ein wirksames Element zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit oder der Biegewechselfestigkeit. Um diese Effekte zuverlässig zu erhalten, sind vorzugsweise 0,01% oder mehr Mo enthalten. Wird der Mo-Gehalt hingegen auf 1,50% oder weniger festgelegt, wird die Härte des Stahlstabs und des Walzdrahts, die als Material dienen, nach dem Warmschmieden unterdrückt, und die maschinelle Bearbeitbarkeit der Materialien kann gewährleistet werden, was vorzuziehen ist. Ein bevorzugter unterer Grenzwert für den Mo-Gehalt ist 0,05% oder 0,10%. Eine bevorzugte obere Grenze des Mo-Gehalts liegt bei weniger als 1,20%, 1,10% oder 1,00%.Mo stabilizes the ε-phase in the compound layer. In addition, Mo forms a fine nitride (Mo 2 N) in the compound layer or the diffusion layer and increases the hardness. Therefore, Mo is an effective element for improving wear resistance or flex fatigue strength. In order to reliably measure these effects obtained, 0.01% or more Mo is preferably contained. On the other hand, when the Mo content is set to 1.50% or less, the hardness of the steel bar and wire rod serving as the material is suppressed after hot forging, and the machinability of the materials can be secured, which is preferable. A preferred lower limit for the Mo content is 0.05% or 0.10%. A preferred upper limit of the Mo content is less than 1.20%, 1.10% or 1.00%.

[Cu: 0% bis 1,00%][Cu: 0% to 1.00%]

Cu verbessert als Mischkristallverfestigungselement die Härte des Kernabschnitts des Bauteils und die Härte der Stickstoffdiffusionsschicht. Um die mischkristallverfestigende Wirkung von Cu zuverlässig zu entfalten, sind vorzugsweise 0,01% oder mehr Cu enthalten. Wird der Cu-Gehalt hingegen auf 1,00% oder weniger festgelegt, wird die Härte des Stahlstabs und des Walzdrahts, die als Material dienen, nach dem Warmschmieden unterdrückt, und die maschinelle Bearbeitbarkeit der Materialien kann gewährleistet werden, was vorzuziehen ist. Wenn der Cu-Gehalt auf 1,00% oder weniger festgelegt wird, wird außerdem die Warmduktilität des Materials verbessert, wodurch die Entstehung von Oberflächenkratzern beim Warmwalzen und beim Warmschmieden ferner unterdrückt werden kann, was vorzuziehen ist. Der Cu-Gehalt kann auf 0,05% oder mehr, 0,10% oder mehr, oder 0,20% oder mehr festgelegt werden. Der Gehalt kann auf 0,90% oder weniger, 0,80% oder weniger, oder 0,60% oder weniger festgelegt werden.Cu, as a solid solution strengthening element, improves the hardness of the core portion of the device and the hardness of the nitrogen diffusion layer. In order to reliably exhibit the solid solution strengthening effect of Cu, 0.01% or more of Cu is preferably contained. On the other hand, when the Cu content is set to 1.00% or less, the hardness of the steel bar and wire rod serving as the material is suppressed after hot forging, and the machinability of the materials can be secured, which is preferable. In addition, when the Cu content is set to 1.00% or less, the hot ductility of the material is improved, whereby generation of surface scratches in hot rolling and hot forging can be further suppressed, which is preferable. The Cu content can be set to 0.05% or more, 0.10% or more, or 0.20% or more. The content can be set to 0.90% or less, 0.80% or less, or 0.60% or less.

[Ni: 0% bis 1,00%][Ni: 0% to 1.00%]

Ni verbessert die Härte des Kernabschnitts und die Oberflächenhärte durch Mischkristallverfestigung. Um die mischkristallverfestigende Wirkung von Ni zuverlässig zu zeigen, sind vorzugsweise 0,01% oder mehr an Ni enthalten. Wird der Ni-Gehalt hingegen auf 1,00% oder weniger festgelegt, wird die Härte des Stahlstabs und des Walzdrahts nach dem Warmschmieden unterdrückt, und die Bearbeitbarkeit der Materialien kann ferner verbessert werden, was vorzuziehen ist. Der Ni-Gehalt kann auf 0,05% oder mehr, 0,10% oder mehr, oder 0,20% oder mehr festgelegt werden. Der Ni-Gehalt kann auf weniger als 0,90%, 0,80% oder weniger, oder 0,70% oder weniger festgelegt werden.Ni improves the hardness of the core portion and the surface hardness through solid solution strengthening. In order to reliably exhibit the solid solution strengthening effect of Ni, 0.01% or more of Ni is preferably contained. On the other hand, when the Ni content is set to 1.00% or less, the hardness of the steel bar and wire rod after hot forging is suppressed, and the workability of the materials can be further improved, which is preferable. The Ni content can be set to 0.05% or more, 0.10% or more, or 0.20% or more. The Ni content can be set to less than 0.90%, 0.80% or less, or 0.70% or less.

[W: 0% bis 0,50%][W: 0% to 0.50%]

W verbessert die Härte des Kernabschnitts und die Oberflächenhärte durch Mischkristallverfestigung oder die Ausscheidung eines Karbids (WC oder W2C). Um die Wirkung von W zuverlässig zu zeigen, sind vorzugsweise 0,01% oder mehr W enthalten. Wird der W-Gehalt hingegen auf 0,50% oder weniger festgelegt, wird die Härte des Stahlstabs und des Walzdrahts nach dem Warmschmieden unterdrückt, und die Bearbeitbarkeit kann gewährleistet werden, was vorzuziehen ist. Der W-Gehalt kann auf 0,05% oder mehr, 0,10% oder mehr, oder 0,20% oder mehr festgelegt werden. Der W-Gehalt kann 0,40% oder weniger, 0,35% oder weniger, oder 0,30% oder weniger betragen.W improves core portion hardness and surface hardness by solid solution strengthening or precipitation of a carbide (WC or W 2 C). In order to exhibit the effect of W reliably, 0.01% or more of W is preferably contained. On the other hand, when the W content is set to 0.50% or less, the hardness of the steel bar and wire rod after hot forging is suppressed and workability can be secured, which is preferable. The W content can be set to 0.05% or more, 0.10% or more, or 0.20% or more. The W content can be 0.40% or less, 0.35% or less, or 0.30% or less.

[Co: 0% bis 0,50%][Co: 0% to 0.50%]

Co verbessert die Härte des Kernabschnitts und die Oberflächenhärte durch Mischkristallverfestigung. Um die Wirkung von Co zuverlässig zu entfalten, sind vorzugsweise 0,01% oder mehr Co enthalten. Wird der Co-Gehalt hingegen auf 0,50% oder weniger festgelegt, wird die Härte des Stahlstabs und des Walzdrahts nach dem Warmschmieden unterdrückt, und die Bearbeitbarkeit kann gewährleistet werden, was vorzuziehen ist. Der Co-Gehalt kann auf 0,05% oder mehr, 0,10% oder mehr, oder 0,20% oder mehr festgelegt werden. Der Co-Gehalt kann 0,40% oder weniger, 0,35% oder weniger, oder 0,30% oder weniger betragen.Co improves core portion hardness and surface hardness through solid solution strengthening. In order to reliably exhibit the effect of Co, it is preferable to contain 0.01% or more of Co. On the other hand, when the Co content is set to 0.50% or less, the hardness of the steel bar and wire rod after hot forging is suppressed and workability can be secured, which is preferable. The Co content can be set to 0.05% or more, 0.10% or more, or 0.20% or more. The Co content can be 0.40% or less, 0.35% or less, or 0.30% or less.

[Nb: 0% bis 0,300%][NB: 0% to 0.300%]

Nb bindet sich an N, das beim Nitrieren in die Oberflächenschicht des Stahls eingedrungen ist, und verbindet sich mit C in der Primärphase zu einem feinen Nitrid oder Karbonitrid. Dadurch verbessert Nb die Oberflächenhärte oder die Härte des Kernabschnitts. Um diesen Effekt zuverlässig zu zeigen, sind vorzugsweise 0,010% oder mehr Nb enthalten. Andererseits wird der Nb-Gehalt auf 0,300% oder weniger festgelegt, wodurch die Bildung eines groben Nitrids oder Karbonitrids unterdrückt werden kann, was vorzuziehen ist. Der Nb-Gehalt kann auf 0,015% oder mehr, 0,020% oder mehr, oder 0,050% oder mehr festgelegt werden. Der Nb-Gehalt kann auf weniger als 0,250%, 0,200% oder weniger, oder 0,180% oder weniger festgelegt werden.Nb bonds to N, which has entered the surface layer of the steel during nitriding, and combines with C in the primary phase to form a fine nitride or carbonitride. Thereby, Nb improves the surface hardness or the hardness of the core portion. In order to exhibit this effect reliably, 0.010% or more of Nb is preferably contained. On the other hand, the Nb content is set to 0.300% or less, whereby the formation of a coarse nitride or carbonitride can be suppressed, which is preferable. The Nb content can be set to 0.015% or more, 0.020% or more, or 0.050% or more. The Nb content can be set to less than 0.250%, 0.200% or less, or 0.180% or less.

[Ti: 0% bis 0,250%][Ti: 0% to 0.250%]

Ti verbindet sich mit N, das beim Nitrieren in die Oberflächenschicht des Stahls eingedrungen ist, und C in der Primärphase zu einem feinen Nitrid oder Karbonitrid. Dadurch verbessert Ti die Oberflächenhärte oder die Härte des Kernabschnitts. Um diesen Effekt zuverlässig zu zeigen, sind vorzugsweise 0,005% oder mehr Ti enthalten. Andererseits wird der Ti-Gehalt auf 0,250% oder weniger festgelegt, wodurch die Bildung eines groben Nitrids oder Karbonitrids unterdrückt werden kann, was vorzuziehen ist. Der Ti-Gehalt kann auf 0,007% oder mehr, 0,010% oder mehr oder 0,020% oder mehr festgelegt werden. Der Ti-Gehalt kann auf 0,200% oder weniger, 0,150% oder weniger, oder 0,100% oder weniger festgelegt werden.Ti combines with N, which has penetrated into the surface layer of the steel during nitriding, and C in the primary phase to form a fine nitride or carbonitride. Thereby, Ti improves the surface hardness or the hardness of the core portion. In order to exhibit this effect reliably, 0.005% or more of Ti is preferably contained. On the other hand, the Ti content is set to 0.250% or less, whereby the formation of a coarse nitride or carbonitride can be suppressed, which is preferable. The Ti content can be set to 0.007% or more, 0.010% or more, or 0.020% or more. The Ti content can be set to 0.200% or less, 0.150% or less, or 0.100% or less.

[B: 0% bis 0,0100%][B: 0% to 0.0100%]

Ein B-Mischkristall hat Auswirkungen auf die Unterdrückung der Grenzseigerung von P und auf die Verbesserung der Zähigkeit. Darüber hinaus verbessert BN, das sich nach der Bindung von B an N ausscheidet, die Bearbeitbarkeit. Um diese Wirkungen zuverlässig zu erhalten, wird B vorzugsweise auf 0,0005% (5 ppm) oder mehr festgelegt. Wird der B-Gehalt hingegen auf 0,0100% oder weniger festgelegt, wird die Entmischung einer großen Menge an BN unterdrückt, wodurch die Rissbildung im Stahlmaterial unterdrückt werden kann, was vorzuziehen ist. Der B-Gehalt kann auf 0,0008% oder mehr, 0,0010% oder mehr, oder 0,0020% oder mehr festgelegt werden. Der Gehalt kann auf 0,0080% oder weniger, 0,0070% oder weniger, oder 0,0060% oder weniger festgelegt werden.A B solid solution has an effect of suppressing the boundary segregation of P and improving toughness. In addition, BN, which precipitates after binding B to N, improves machinability. In order to reliably obtain these effects, B is preferably set to 0.0005% (5 ppm) or more. On the other hand, when the B content is set to 0.0100% or less, segregation of a large amount of BN is suppressed, whereby cracking of the steel material can be suppressed, which is preferable. The B content can be set to 0.0008% or more, 0.0010% or more, or 0.0020% or more. The content can be set to 0.0080% or less, 0.0070% or less, or 0.0060% or less.

[Ca: 0% bis 0,010%][Approx: 0% to 0.010%]

Ca hat die Wirkung, MnS zu veredeln, um die Oberflächenermüdungsfestigkeit zu verbessern. Um die Wirkung von Ca zuverlässig zu entfalten, sind vorzugsweise 0,001% oder mehr Ca enthalten. Wird der Ca-Gehalt hingegen auf 0,010% oder weniger festgelegt, kann die Wirkung von Ca wirksam entfaltet werden, ohne die Wirtschaftlichkeit zu beeinträchtigen. Der Ca-Gehalt kann auf 0,002% oder mehr, 0,003% oder mehr, oder 0,004% oder mehr festgelegt werden. Der Ca-Gehalt kann auf 0,009% oder weniger, 0,008% oder weniger oder 0,007% oder weniger festgelegt werden.Ca has the effect of refining MnS to improve surface fatigue strength. In order to reliably exhibit the effect of Ca, it is preferable to contain 0.001% or more of Ca. On the other hand, when the Ca content is set to 0.010% or less, the effect of Ca can be effectively exhibited without impairing the economy. The Ca content can be set to 0.002% or more, 0.003% or more, or 0.004% or more. The Ca content can be set to 0.009% or less, 0.008% or less, or 0.007% or less.

[Mg: 0% bis 0,010%][Mg: 0% to 0.010%]

Mg hat die Wirkung, MnS zu veredeln, um die Oberflächenermüdungsfestigkeit zu verbessern. Um die Wirkung von Mg zuverlässig zu entfalten, sind vorzugsweise 0,001% oder mehr Mg enthalten. Wird der Mg-Gehalt hingegen auf 0,010% oder weniger festgelegt, kann die Wirkung von Mg wirksam entfaltet werden, ohne die Wirtschaftlichkeit zu beeinträchtigen. Der Mg-Gehalt kann auf 0,002% oder mehr, 0,003% oder mehr, oder 0,004% oder mehr festgelegt werden. Der Mg-Gehalt kann auf 0,009% oder weniger, 0,008% oder weniger oder 0,007% oder weniger festgelegt werden.Mg has the effect of refining MnS to improve surface fatigue strength. In order to reliably exhibit the effect of Mg, it is preferable to contain 0.001% or more of Mg. On the other hand, when the Mg content is set to 0.010% or less, the effect of Mg can be effectively exhibited without impairing the economy. The Mg content can be set to 0.002% or more, 0.003% or more, or 0.004% or more. The Mg content can be set to 0.009% or less, 0.008% or less, or 0.007% or less.

[REM: 0% bis 0,010%][REM: 0% to 0.010%]

Der Begriff „REM“ bezieht sich auf insgesamt 17 Elemente, die aus Sc, Y und Lanthanoiden bestehen, und der REM-Gehalt bezeichnet den Gesamtgehalt dieser 17 Elemente. Wenn Lanthanoide als REM verwendet werden, wird REM industriell in Form von Mischmetallen zugesetzt.The term "REM" refers to a total of 17 elements made up of Sc, Y and lanthanides, and REM content denotes the total content of these 17 elements. When lanthanides are used as REM, REM is industrially added in the form of misch metals.

REM hat die Wirkung, MnS zu veredeln, um die Oberflächenermüdungsfestigkeit zu verbessern. Um die Wirkung von REM zuverlässig zu entfalten, sind vorzugsweise 0,001% oder mehr REM enthalten. Wird der REM-Gehalt hingegen auf 0,010% oder weniger festgelegt, kann die Wirkung von REM ohne Beeinträchtigung der Wirtschaftlichkeit wirksam entfaltet werden. Der REM-Gehalt kann auf 0,002% oder mehr, 0,003% oder mehr, oder 0,004% oder mehr festgelegt werden. Der REM-Gehalt kann auf 0,009% oder weniger, 0,008% oder weniger oder 0,007% oder weniger festgelegt werden.REM has the effect of refining MnS to improve surface fatigue strength. In order to reliably exhibit the effect of REM, 0.001% or more of REM is preferably contained. On the other hand, when the REM content is set to 0.010% or less, the effect of REM can be effectively exhibited without impairing the economy. The REM content can be set to 0.002% or more, 0.003% or more, or 0.004% or more. The REM content can be specified as 0.009% or less, 0.008% or less, or 0.007% or less.

[ 0,00 2,1 × Cb + 0 ,04 × Mn + 0 ,5 × Cr + 1 ,8 × V-1 ,5 × Mo 0 ,50 ]

Figure DE112020006870T5_0004
[ 0.00 2.1 × cb + 0 ,04 × Mn + 0 ,5 × Cr + 1 ,8th × V-1 ,5 × Mon 0 ,50 ]
Figure DE112020006870T5_0004

In den Zusammensetzungen des Stahlkerns des gasweichnitrierbehandelten Bauteils gemäß der vorliegenden Ausführungsform erfüllen die Mengen (Masse-%) von C, Mn, Cr, V und Mo außerdem die folgende Formel (1). 0,00 2,1 × C + 0 ,04 × Mn + 0 ,5 × Cr + 1 ,8 × V 1 ,5 × Mo 0 ,50

Figure DE112020006870T5_0005
In addition, in the compositions of the steel core of the gas-soft nitriding-treated member according to the present embodiment, the amounts (mass %) of C, Mn, Cr, V, and Mo satisfy the following formula (1). 0.00 2.1 × C + 0 ,04 × Mn + 0 ,5 × Cr + 1 ,8th × V 1 ,5 × Mon 0 ,50
Figure DE112020006870T5_0005

Die Elementsymbole in der Formel (1) geben die Mengen (Masse-%) der entsprechenden Elemente an, und der Wert Null wird für den Fall angegeben, dass keine Elemente enthalten sind.The element symbols in the formula (1) indicate the amounts (mass %) of the respective elements, and the value zero is indicated in the case of containing no elements.

C, Mn, Cr, V und Mo sind Elemente, die die Dicke der Verbundschicht beeinflussen. C und Mo wirken sich auf die Stabilisierung der ε-Phase aus und erhöhen die Dicke. Mn, Cr und V hingegen wirken sich auf die Ausdünnung der Verbundschicht aus. Wenn die Mengen dieser Elemente innerhalb eines bestimmten Bereichs gesteuert werden, ist es daher möglich, die Dicke der Verbundschicht stabil zu steuern und die Verschleißfestigkeit und die Biegewechselfestigkeit zu verbessern.C, Mn, Cr, V and Mo are elements affecting the thickness of the compound layer. C and Mo affect the stabilization of the ε-phase and increase the thickness. On the other hand, Mn, Cr and V affect the thinning of the composite layer. Therefore, if the amounts of these elements are controlled within a certain range, it is possible to stably control the thickness of the compound layer and improve wear resistance and flex life.

Um diese Effekte zu erhalten, ist der Wert von {-2,1 × C + 0,04 × Mn + 0,5 × Cr + 1,8 × V - 1,5 × Mo} in der Formel (1) vorzugsweise 0,00 oder mehr. Wenn andererseits der Wert von {-2,1 × C + 0,04 × Mn + 0,5 × Cr + 1,8 × V - 1,5 × Mo} 0,50 übersteigt, wird die Verbundschicht dünn, und es gibt einen Fall, in dem die gewünschte Oberflächen- und Biegewechselfestigkeit nicht erhalten werden kann. Eine bevorzugte untere Grenze des Wertes von {-2,1 × C + 0,04 × Mn + 0,5 × Cr + 1,8 × V - 1,5 × Mo} ist 0,03%, 0,05% oder 0,10%. Eine bevorzugte obere Grenze des Wertes von {-2,1 × C + 0,04 × Mn + 0,5 × Cr + 1,8 × V - 1,5 × Mo} ist 0,45%, 0,40% oder 0,30%.In order to obtain these effects, the value of {-2.1 × C + 0.04 × Mn + 0.5 × Cr + 1.8 × V - 1.5 × Mo} in the formula (1) is preferably 0 .00 or more. On the other hand, when the value of {-2.1 × C + 0.04 × Mn + 0.5 × Cr + 1.8 × V - 1.5 × Mo} exceeds 0.50, the composite layer becomes thin and there is a case where the desired surface strength and reverse bending strength cannot be obtained. A preferred lower limit of the value of {-2.1xC + 0.04xMn + 0.5xCr + 1.8xV - 1.5xMo} is 0.03%, 0.05% or 0.10%. A preferred upper limit of the value of {-2.1xC + 0.04xMn + 0.5xCr + 1.8xV - 1.5xMo} is 0.45%, 0.40% or 0.30%.

Ein Messteil der chemischen Zusammensetzung des Stahlkerns ist ein Teil, der 5,0 mm oder tiefer von der Oberfläche des Bauteils entfernt ist. Der Grund dafür ist wie unten beschrieben.A measuring part of the chemical composition of the steel core is a part that is 5.0 mm or deeper from the surface of the component. The reason for this is as described below.

Es ist schwierig, die Grenze zwischen der Stickstoffdiffusionsschicht, in die der Stickstoff durch die Nitrierbehandlung eingedrungen ist, und dem Stahlkern, in den der Stickstoff nicht eingedrungen ist, genau zu bestimmen. Unter den Nitrierbedingungen der vorliegenden Ausführungsform hat das Eindringen von Stickstoff durch die Nitrierbehandlung in einer Tiefe von 5,0 mm oder mehr von der Oberfläche aus fast keinen Einfluss. Daher kann die chemische Zusammensetzung des Stahlkerns gemessen werden, ohne den Einfluss des Nitrierens auf die chemische Zusammensetzung zu erhalten, indem die chemische Zusammensetzung an einer Stelle gemessen wird, die 5,0 mm oder tiefer von der Oberfläche des Bauteils liegt.It is difficult to precisely determine the boundary between the nitrogen diffusion layer into which nitrogen has penetrated by the nitriding treatment and the steel core into which nitrogen has not penetrated. Under the nitriding conditions of the present embodiment, penetration of nitrogen by the nitriding treatment to a depth of 5.0 mm or more from the surface has almost no influence. Therefore, the chemical composition of the steel core can be measured without obtaining the influence of nitriding on the chemical composition by measuring the chemical composition at a position 5.0 mm or deeper from the surface of the component.

Nachfolgend wird die Verbundschicht des gasweichnitrierbehandelten Bauteils gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.The compound layer of the gas-soft nitriding-treated member according to the present embodiment will be described below.

Das gasweichnitrierbehandelte Bauteil gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird hergestellt, indem das Stahlmaterial zu einem Rohformstahl umgeformt und anschließend unter vorgegebenen Bedingungen einer Weichnitrierbehandlung unterzogen wird. Wie oben beschrieben, umfasst das gasnitrierbehandelte Bauteil 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform den Stahlkern 11, die auf dem Stahlkern 11 gebildete Stickstoffdiffusionsschicht 13 und die auf der Stickstoffdiffusionsschicht 13 gebildete Verbundschicht 12. Das heißt, das gasweichnitrierbehandelte Bauteil 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist eine Struktur auf, bei der die Verbundschicht 12 auf der Oberfläche, die Stickstoffdiffusionsschicht 13 innerhalb der Verbundschicht 12 und der Stahlkern 11 innerhalb der Stickstoffdiffusionsschicht 13 vorhanden ist.The soft nitriding treated component according to the present embodiment is manufactured by forming the steel material into a raw form steel and then subjecting it to a soft nitriding treatment under predetermined conditions. As described above, the gas nitriding treated member 1 according to the present embodiment includes the steel core 11, the nitrogen diffusion layer 13 formed on the steel core 11, and the compound layer 12 formed on the nitrogen diffusion layer 13. That is, the gas nitriding treated member 1 according to the present embodiment has a structure , in which the compound layer 12 is present on the surface, the nitrogen diffusion layer 13 is present inside the compound layer 12, and the steel core 11 is present inside the nitrogen diffusion layer 13.

Die Verbundschicht ist eine Schicht, die als Hauptzusammensetzung ein Eisennitrid enthält, das durch die Bindung von Stickstoffatomen, die durch die Nitrierbehandlung in den Rohformstahl eingedrungen sind, und Eisenatomen, die in dem Rohformstahl enthalten sind, gebildet wird. Die Verbundschicht besteht hauptsächlich aus dem Eisennitrid; zusätzlich zu Eisen und Stickstoff sind jedoch auch Sauerstoff, der aus der Außenluft aufgenommen wird, und jedes Element, das in dem Rohformstahl enthalten ist (d. h. jedes Element, das im Stahlkern enthalten ist), in der Verbundschicht enthalten. Im Allgemeinen bestehen 90% oder mehr (Masse-%) der in der Verbundschicht enthaltenen Elemente aus Stickstoff und Eisen. Das in der Verbundschicht enthaltene Eisennitrid besteht hauptsächlich aus Fe2 bis 3N (ε-Phase) oder Fe4N (γ'-Phase).The composite layer is a layer containing, as a main composition, an iron nitride formed by bonding nitrogen atoms penetrated into the raw mold steel by the nitriding treatment and iron atoms contained in the raw mold steel. The compound layer consists mainly of the iron nitride; however, in addition to iron and nitrogen, oxygen taken in from the outside air and each element contained in the raw shape steel (ie, each element contained in the steel core) are also contained in the compound layer. In general, 90% or more (mass%) of the elements contained in the compound layer are composed of nitrogen and iron. The iron nitride contained in the compound layer consists mainly of Fe 2 to 3 N (ε phase) or Fe 4 N (γ' phase).

[Dicke der Verbundschicht: 3 µm oder mehr und 20 µm oder weniger][Thickness of compound layer: 3 µm or more and 20 µm or less]

Die Dicke der Verbundschicht beeinflusst die Verschleißfestigkeit oder die Biegefestigkeit des gasweichnitrierbehandelten Bauteils. Die Verbundschicht 12 hat im Vergleich zur Diffusionsschicht 13 eine geringere Verformbarkeit. Wenn die Verbundschicht zu dick ist, ist es daher wahrscheinlich, dass die Verbundschicht als Bruchursache für die Biegung wirkt. Wenn die Verbundschicht zu dünn ist, kann es außerdem vorkommen, dass ein Teil des Bauteils eine Oberfläche ohne Verbundschicht aufweist, wodurch sich die Verschleißfestigkeit oder die Biegefestigkeit verschlechtert. Bei dem gasweichnitrierbehandelten Bauteil gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Dicke der Verbundschicht auf 3 µm oder mehr und 20 µm oder weniger unter dem Gesichtspunkt der Verschleißfestigkeit oder der Biegefestigkeit festgelegt. Die Verbundschichtdicke kann auf 5 µm oder mehr, 6 µm oder mehr oder 8 µm oder mehr festgelegt werden. Die Verbundschichtdicke kann auf 15 µm oder weniger, 14 µm oder weniger, oder 12 µm oder weniger festgelegt werden.The thickness of the compound layer affects the wear resistance or the flexural strength of the gas-soft nitrided component. Compared to the diffusion layer 13, the compound layer 12 has a lower deformability. Therefore, when the compound layer is too thick, the compound layer is likely to act as a cause of breakage for the deflection. In addition, if the compound layer is too thin, a part of the component may have a surface without a compound layer, thereby deteriorating wear resistance or flexural strength. In the gas-soft nitriding treated member according to the present embodiment, the thickness of the compound layer is set to 3 μm or more and 20 μm or less from the viewpoint of wear resistance or flexural strength. The composite layer thickness can be set to 5 µm or more, 6 µm or more, or 8 µm or more. The Ver Bond layer thickness can be set to 15 µm or less, 14 µm or less, or 12 µm or less.

Die Dicke der Verbundschicht kann anhand eines Sekundärelektronenbildes eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) gemessen werden. Ein Querschnitt senkrecht zur Oberfläche des gasweichnitrierbehandelten Bauteils wird poliert und 20 bis 30 Sekunden lang mit einer 3%igen Nital-Lösung geätzt. Die Verbundschicht 12 wird auf der Oberflächenschicht des Bauteils 1 als nicht korrodierte Schicht ohne Unebenheiten beobachtet, und die Diffusionsschicht 13 wird direkt unter der Verbundschicht als korrodierte Schicht beobachtet. Die Verbundschichten 12 in 10 Sichtfeldern (Fläche pro Sichtfeld: 6,6 × 102 µm2) auf Strukturfotografien, die bei 4000-facher Vergrößerung aufgenommen wurden, sind angegeben. Darüber hinaus werden auf jeder Aufnahme die Dicken der Verbundschichten 12 an drei Punkten im Abstand von 10 µm in horizontaler Richtung gemessen. Die 10 Sichtfelder werden so ausgewählt, dass sie sich nicht überschneiden. Darüber hinaus wird der Mittelwert der Dicken der Verbundschichten 12 an den gemessenen 30 Punkten als Dicke (µm) der Verbundschicht des gasweichnitrierbehandelten Bauteils definiert.The thickness of the compound layer can be measured from a secondary electron image of a scanning electron microscope (SEM). A cross section perpendicular to the surface of the soft nitrided part is polished and etched with a 3% Nital solution for 20 to 30 seconds. The compound layer 12 is observed on the surface layer of the member 1 as a non-corroded layer having no unevenness, and the diffusion layer 13 directly under the compound layer is observed as a corroded layer. The composite layers 12 in 10 fields of view (area per field of view: 6.6×10 2 μm 2 ) on structural photographs taken at 4000× magnification are indicated. In addition, on each photograph, the thicknesses of the composite layers 12 are measured at three points 10 µm apart in the horizontal direction. The 10 fields of view are selected so that they do not overlap. In addition, the mean value of the thicknesses of the compound layers 12 at the measured 30 points is defined as the thickness (µm) of the compound layer of the gas-soft nitriding-treated member.

[Flächenanteil der ε-Phase in der Verbundschicht: mehr als 50%][Area ratio of ε phase in compound layer: more than 50%]

Die Strukturphasen der Verbundschicht beeinflussen die Verschleißfestigkeit bzw. Biegefestigkeit des gasweichnitrierbehandelten Bauteils. Die ε-Phase hat eine hcp-Struktur und weist im Vergleich zur γ'-Phase mit fcc-Struktur eine geringe Verformbarkeit auf. Andererseits hat die ε-Phase im Vergleich zur γ'-Phase breitere N- und C-Mischkristallbereiche und eine höhere Härte. Wenn der Flächenanteil der ε-Phase gering ist, wird die Härte der Verbundschicht wahrscheinlich klein, und die Verschleißfestigkeit verschlechtert sich unter Umständen. Bei dem gasweichnitrierbehandelten Bauteil gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der Flächenanteil der ε-Phase in der Verbundschicht auf mehr als 50% festgelegt. Ein bevorzugter Bereich des Flächenanteils der ε-Phase liegt bei mehr als 70%, 75% oder mehr, oder 80% oder mehr. Der Flächenanteil der ε-Phase kann 100% betragen. Die Obergrenze des Flächenanteils der ε-Phase ist nicht besonders limitiert; jedoch kann der Flächenanteil der ε-Phase z.B. unter dem Gesichtspunkt der weiteren Erhöhung der Rotationsbiegewechselfestigkeit auf 95% oder weniger, 92% oder weniger, 90% oder weniger oder 88% oder weniger festgelegt werden.The structural phases of the composite layer influence the wear resistance or flexural strength of the gas-soft nitrided component. The ε-phase has an hcp structure and has low ductility compared to the γ'-phase with fcc structure. On the other hand, the ε-phase has broader N and C mixed crystal regions and higher hardness compared to the γ'-phase. When the area ratio of the ε phase is small, the hardness of the compound layer is likely to become small and the wear resistance tends to deteriorate. In the gas-soft nitriding-treated member according to the present embodiment, the area ratio of the ε-phase in the compound layer is set to be more than 50%. A preferred range of the area fraction of the ε-phase is more than 70%, 75% or more, or 80% or more. The area fraction of the ε phase can be 100%. The upper limit of the area ratio of the ε phase is not particularly limited; however, the area ratio of the ε phase may be set to 95% or less, 92% or less, 90% or less, or 88% or less, for example, from the viewpoint of further increasing the rotational flex life.

Der Flächenanteil der ε-Phase kann 100% betragen, so dass der Rest nicht vorhanden sein dürfte. Wenn der Rest der Verbundschicht vorhanden ist, besteht der Rest hauptsächlich aus der γ'-Phase. Es gibt einen Fall, in dem eine eigentümliche Phase enthalten ist, die weder zur ε-Phase noch zur γ'-Phase gehört. Die Verbundschicht, in der das Flächenverhältnis der ε-Phase mehr als 50% und der Gesamtwert der Flächenverhältnisse der ε-Phase und der γ'-Phase mehr als 95% beträgt, wird jedoch als Verbundschicht betrachtet, die mehr als 50% der ε-Phase in Bezug auf das Flächenverhältnis enthält und einen Rest der γ'-Phase aufweist.The area fraction of the ε phase can be 100%, so the rest should not be present. When the remainder of the composite layer is present, the remainder consists mainly of the γ' phase. There is a case where a peculiar phase belonging to neither ε-phase nor γ'-phase is included. However, the composite layer in which the area ratio of the ε phase is more than 50% and the total value of the area ratios of the ε phase and the γ' phase is more than 95% is regarded as the composite layer having more than 50% of the ε- phase in terms of area ratio and has a residue of γ' phase.

Das Flächenverhältnis der ε-Phase wird durch die Bildverarbeitung von Strukturfotografien erhalten. Konkret werden auf 10 Strukturfotografien eines Querschnitts senkrecht zur Oberfläche des nitrierbehandelten Bauteils, die mit der Elektronenrückstreubeugung (EBSD) bei 4000-facher Vergrößerung aufgenommen wurden, die γ'-Phasen und die ε-Phasen in den Verbundschichten unterschieden. Darüber hinaus werden die Flächenanteile der ε-Phasen in den Verbundschichten durch Binarisierung der Strukturaufnahmen mittels Bildverarbeitung erhalten. Darüber hinaus wird der Mittelwert der Flächenanteile der ε-Phasen in den 10 gemessenen Gesichtsfeldern als Flächenanteil (%) der ε-Phase definiert.The area ratio of the ε phase is obtained by image processing of structure photographs. Specifically, γ'-phases and ε-phases in the composite layers are distinguished on 10 structural photographs of a cross section perpendicular to the surface of the nitrided member taken by electron backscatter diffraction (EBSD) at a magnification of 4000x. In addition, the area proportions of the ε-phases in the composite layers are obtained by binarizing the structural images using image processing. In addition, the average of the area ratios of the ε phases in the 10 measured visual fields is defined as the area ratio (%) of the ε phase.

[Porositätsflächenanteil im Bereich von der Oberfläche der Verbundschicht bis in eine Tiefe von 3 µm : Weniger als 12%][Porosity area ratio in the range from the surface of the compound layer to a depth of 3 µm : Less than 12%]

Wenn Porositäten in einem Bereich von der Oberfläche der Verbundschicht bis zu einer Tiefe von 3 µm vorhanden sind, kommt es zu einer Spannungskonzentration, und die Verschleißfestigkeit verschlechtert sich oder die Porositäten wirken als Bruchursachen bei Biegeermüdung. Daher muss das Flächenverhältnis der Porositäten (Porositätsflächenanteil) im Bereich von der Oberfläche der Verbundschicht bis zu einer Tiefe von 3 µm auf weniger als 12% festgelegt werden.When porosities exist in a region from the surface of the composite layer to a depth of 3 µm, stress concentration occurs and wear resistance deteriorates, or the porosities act as causes of flex fatigue fracture. Therefore, the area ratio of porosities (porosity area ratio) in the range from the surface of the compound layer to a depth of 3 µm needs to be set to be less than 12%.

Der Porositätsflächenanteil kann mittels SEM gemessen werden. Zunächst wird das nitrierbehandelte Bauteil mit Ni-plattiert. Anschließend wird das nitrierbehandelte Bauteil senkrecht zur Oberfläche geschnitten und dieser Querschnitt poliert. Die Ni-Plattierung wird vor dem Polieren aufgebracht, um eine Verformung der Verbundschicht während des Polierens zu verhindern. Außerdem wird in dem polierten Querschnitt ein Sekundärelektronenbild eines rechteckigen Bereichs (Fläche: 90 µm2) aufgenommen, der das Produkt aus einer Tiefe von 3 µm von der äußersten Oberfläche und einer Länge von 30 µm entlang der äußersten Oberfläche ist. Schwarze Abschnitte auf dem Sekundärelektronenbild in diesem Bereich können als Porositäten angesehen werden. Auf dem Sekundärelektronenbild ist ein Fall zu erkennen, in dem die äußerste Oberfläche des Bauteils uneben ist. In diesem Fall wird der integrale Durchschnitt der äußersten Oberfläche als äußerste Oberfläche betrachtet.The porosity area fraction can be measured by SEM. First, the nitriding treated component is plated with Ni. The nitrided component is then cut perpendicularly to the surface and this cross section is polished. The Ni plating is applied before polishing to prevent deformation of the composite layer during polishing. Also, in the polished cross section, a secondary electron image of a rectangular portion (area: 90 µm 2 ) showing the product of a depth of 3 µm from the outermost surface and a length of 30 µm along the outermost surface. Black portions on the secondary electron image in this area can be regarded as porosities. In the secondary electron image, there is a case where the outermost surface of the device is uneven. In this case, the integral average of the outermost surface is regarded as the outermost surface.

Darüber hinaus wird das Verhältnis der Gesamtfläche der Porositäten in der Fotografie jedes Sekundärelektronenbildes (Porositätsflächenanteil, Einheit: %) mit einer Bildverarbeitungsanwendung erhalten. Darüber hinaus wird der Mittelwert des Porositätsflächenanteils in den 10 gemessenen Sichtfeldern als Porositätsflächenanteil (%) des Bauteils definiert. Selbst wenn die Dicke der Verbundschicht weniger als 3 µm beträgt, wird ebenfalls ein Bereich von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 3 µm als Messobjekt betrachtet. Die 10 Sichtfelder werden so ausgewählt, dass sie sich nicht überschneiden. Was die Größe der zu messenden Porositäten betrifft, so werden Porositäten mit einem äquivalenten Kreisdurchmesser von 0,3 µm oder mehr in Bezug auf die Fläche als Objekte betrachtet. Das heißt, bei der Messung der Porositätsflächenanteile werden Porositäten mit einem äquivalenten Kreisdurchmesser von weniger als 0,3 µm ignoriert. Normalerweise liegen die äquivalenten Kreisdurchmesser von Porositäten bei maximal 1 µm .In addition, the ratio of the total area of porosities in the photograph of each secondary electron image (porosity area ratio, unit: %) is obtained with an image processing application. In addition, the mean value of the porosity area percentage in the 10 measured fields of view is defined as the porosity area percentage (%) of the component. Even if the thickness of the composite layer is less than 3 µm, an area from the surface to a depth of 3 µm is also considered as a measurement object. The 10 fields of view are selected so that they do not overlap. As for the size of porosities to be measured, porosities having an equivalent circular diameter of 0.3 µm or more in terms of area are regarded as objects. This means that when measuring the porosity area fractions, porosities with an equivalent circular diameter of less than 0.3 µm are ignored. Normally, the equivalent circular diameters of porosities are at most 1 µm.

Der Porositätsflächenanteil beträgt vorzugsweise weniger als 11%, weniger als 10%, weniger als 9%, weniger als 7% oder weniger als 3% und könnte 0% betragen. Die Untergrenze des Porositätsflächenanteils ist nicht besonders limitiert, und der Porositätsflächenanteil kann beispielsweise auf 0% oder mehr, 1% oder mehr, 2% oder mehr oder 4% oder mehr festgelegt werden.The porosity area fraction is preferably less than 11%, less than 10%, less than 9%, less than 7% or less than 3% and could be 0%. The lower limit of the porosity area ratio is not particularly limited, and the porosity area ratio can be set to, for example, 0% or more, 1% or more, 2% or more, or 4% or more.

[Härte der Verbundschicht: vorzugsweise 740 HV oder mehr][Hardness of compound layer: preferably 740 HV or more]

Wenn die Härte der Verbundschicht hoch ist, verbessert sich die Verschleißfestigkeit oder die Rotationsbiegewechselfestigkeit des Bauteils. Die Härte der Verbundschicht kann durch Erhöhung des Flächenanteils der ε-Phase, durch Ausscheidung eines Nitrids wie CrN und VN in der Verbundschicht oder durch Bildung eines Mischkristalls eines Substitutionselements in der Verbundschicht erhöht werden. Außerdem ändert sich die Härte in Abhängigkeit von der Nitriertemperatur. Das gasweichnitrierbehandelte Bauteil gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist eine hervorragende Verschleißfestigkeit oder Rotationsbiegewechselfestigkeit auf, wenn die Härte der Verbundschicht auf 740 HV oder mehr festgelegt ist, was vorzuziehen ist. Die Härte der Verbundschicht beträgt vorzugsweise 770 HV oder mehr. Wenn die Verbundschicht so gesteuert wird, dass sie derart konfiguriert ist, wie oben beschrieben, ist es möglich, die Härte der Verbundschicht auf 740 HV oder mehr festzulegen.When the hardness of the composite layer is high, the wear resistance or rotational flex life of the member improves. The hardness of the compound layer can be increased by increasing the area ratio of ε-phase, by precipitating a nitride such as CrN and VN in the compound layer, or by forming a mixed crystal of a substitutional element in the compound layer. In addition, the hardness changes depending on the nitriding temperature. The gas-soft nitriding treated member according to the present embodiment exhibits excellent wear resistance or rotational flex life when the hardness of the compound layer is set to 740 HV or more, which is preferable. The hardness of the compound layer is preferably 770 HV or more. When the compound layer is controlled to be configured as described above, it is possible to set the hardness of the compound layer to 740 HV or more.

Nachfolgend wird ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines gasweichnitrierbehandelten Bauteils gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.An example of a method for manufacturing a gas-soft nitriding-treated member according to the present embodiment will be described below.

Wie in 2 gezeigt, wird bei dem Verfahren zur Herstellung eines gasweichnitrierbehandelten Bauteils gemäß der vorliegenden Ausführungsform zunächst ein Stahlmaterial mit den oben beschriebenen Zusammensetzungen des Stahlkerns durch Umformung, wie z.B. Warmschmieden, in eine vorbestimmte Form gebracht, und es wird eine maschinelle Bearbeitung oder ein Schleifen nach Bedarf durchgeführt, wodurch ein Rohformstahl erhalten wird. Zusätzlich wird eine Gasweichnitrierungsbehandlung an dem Rohformstahl durchgeführt, wodurch ein gasweichnitrierbehandeltes Bauteil erhalten wird.As in 2 1, in the method for manufacturing a gas-soft nitriding-treated member according to the present embodiment, first, a steel material having the above-described steel core compositions is formed into a predetermined shape by working such as hot forging, and machining or grinding is performed as necessary , whereby a rough shape steel is obtained. In addition, a gas-soft nitriding treatment is performed on the raw form steel, whereby a gas-soft nitriding-treated component is obtained.

[Gasweichnitrierungsbehandlung][Gas Soft Nitriding Treatment]

Die Gasweichnitrierungsbehandlung wird in einer Gasatmosphäre durchgeführt, die insgesamt 99 Vol.-% oder mehr CO2, CO oder ein Kohlenwasserstoffgas wie CH4 oder C3H8 unter einer Bedingung enthält, bei der das Nitrierungspotential gesteuert wird, um zusätzlich zu NH3, H2 und N2 das Eindringen von C in die Stahloberfläche zu bewirken. Der Rest kann ein Verunreinigungsgas wie O2 enthalten. Vorzugsweise muss der Gesamtanteil von NH3, H2, N2, CO2, CO, CH4 und C3H8 99,5 Vol.-% oder mehr betragen. Das Gas, das zum Zweck der Penetration von C zugesetzt wird (CO2, CO oder ein Kohlenwasserstoffgas wie CH4 oder C3H8), wird im Folgenden als Aufkohlungsgas bezeichnet.The soft gas nitration treatment is carried out in a gas atmosphere containing 99% by volume or more in total of CO 2 , CO or a hydrocarbon gas such as CH 4 or C 3 H 8 under a condition where the nitration potential is controlled to, in addition to NH 3 , H 2 and N 2 to cause C to penetrate into the steel surface. The remainder may contain an impurity gas such as O 2 . Preferably, the total proportion of NH 3 , H 2 , N 2 , CO 2 , CO, CH 4 and C 3 H 8 must be 99.5% by volume or more. The gas added for the purpose of penetrating C (CO 2 , CO or a hydrocarbon gas such as CH 4 or C 3 H 8 ) is hereinafter referred to as carburizing gas.

[Behandlungstemperatur: 550°C bis 630°C][Treatment temperature: 550°C to 630°C]

Die Temperatur der Gasweichnitrierbehandlung korreliert hauptsächlich mit der Diffusionsrate von Stickstoff und beeinflusst die Oberflächenhärte und die Tiefe einer gehärteten Schicht. Wenn die Behandlungstemperatur zu niedrig ist, ist die Diffusionsgeschwindigkeit des Stickstoffs langsam, und die Dicke der Verbundschicht oder die Tiefe der gehärteten Schicht wird gering. Ist die Weichnitrierbehandlungstemperatur hingegen zu hoch, entstehen an der Oberfläche der Verbundschicht wahrscheinlich Porositäten, und außerdem nimmt die Härte der Verbundschicht ab. Wenn die Behandlungstemperatur den Punkt ACl überschreitet, bildet sich außerdem an der Grenzfläche zwischen der Verbundschicht und der Diffusionsschicht Austenit (γ-Phase), der eine langsamere Stickstoffdiffusionsrate als Ferrit (a-Phase) aufweist, und die Tiefe der gehärteten Schicht wird flach. Daher liegt die Weichnitrierbehandlungstemperatur in der vorliegenden Ausführungsform bei 550°C bis 630°C in der Nähe des Ferrit-Temperaturbereichs. In diesem Fall ist es möglich, eine Abnahme der Härte der Verbundschicht zu unterdrücken und zu verhindern, dass die Tiefe der gehärteten Schicht zu gering wird.The temperature of the gas soft nitriding treatment mainly correlates with the diffusion rate of nitrogen and affects the surface hardness and the depth of a hardened layer. If the treatment temperature is too low, the diffusion rate of nitrogen is slow, and the thickness of the Composite layer or the depth of the hardened layer becomes shallow. On the other hand, if the soft nitriding treatment temperature is too high, porosity is likely to be generated on the surface of the compound layer, and also the hardness of the compound layer decreases. In addition, when the treatment temperature exceeds the A Cl point, austenite (γ-phase), which has a slower nitrogen diffusion rate than ferrite (a-phase), is formed at the interface between the compound layer and the diffusion layer, and the depth of the hardened layer becomes shallow. Therefore, in the present embodiment, the soft nitriding treatment temperature is 550° C. to 630° C. near the ferrite temperature range. In this case, it is possible to suppress a decrease in hardness of the compound layer and prevent the depth of the hardened layer from becoming too shallow.

[Behandlungszeit (Verweilzeit) der gesamten Gasnitrierbehandlung][Treatment Time (Residence Time) of Entire Gas Nitriding Treatment]

Die Dauer der gesamten Gasweichnitrierbehandlung, d. h. die Zeit vom Beginn bis zum Ende der Weichnitrierbehandlung (Verweilzeit), korreliert mit der Bildung und Zersetzung der Verbundschicht sowie der Diffusion und Permeation von Stickstoff und beeinflusst die Oberflächenhärte und die Tiefe der gehärteten Schicht. Wenn die Behandlungszeit zu kurz ist, wird die Dicke der Verbundschicht oder die Tiefe der gehärteten Schicht zu gering. Ist die Behandlungszeit hingegen zu lang, erhöht sich der Porositätsflächenanteil in der Oberfläche der Verbundschicht, und die Biegewechselfestigkeit nimmt ab. Wenn die Behandlungszeit zu lang ist, werden die Herstellungskosten hoch. Daher beträgt die Behandlungszeit (Verweilzeit) der Gasweichnitrierbehandlung vorzugsweise 1,0 Stunde oder länger und 7,0 Stunden oder kürzer. Die untere Grenze der Verweilzeit wird vorzugsweise auf 1,5 Stunden und noch bevorzugter auf 2,0 Stunden festgelegt.The duration of the entire soft gas nitriding treatment, i. H. the time from the start to the end of the soft nitriding treatment (dwell time), correlates with the formation and decomposition of the compound layer and the diffusion and permeation of nitrogen, and affects the surface hardness and the depth of the hardened layer. If the treating time is too short, the thickness of the bonded layer or the depth of the cured layer becomes too small. On the other hand, if the treatment time is too long, the porosity area ratio in the surface of the composite layer increases and the flex fatigue strength decreases. If the treatment time is too long, the manufacturing cost becomes high. Therefore, the treatment time (residence time) of the soft gas nitriding treatment is preferably 1.0 hour or longer and 7.0 hours or shorter. The lower limit of the residence time is preferably set at 1.5 hours, and more preferably at 2.0 hours.

[Aufkohlungsgas-Injektionsanteil bei der Gasweichnitrierbehandlung][Carburizing Gas Injection Rate in Soft Gas Nitriding Treatment]

Bei der Gasweichnitrierbehandlung in der vorliegenden Erfindung wird ein Einzel- oder Mischgas, das mindestens eines von CO2, CO oder ein Kohlenwasserstoffgas wie CH4 oder C3H8 enthält, in einem Aufkohlungsgas-Injektionsanteil (Vol.-%) gehandhabt, das durch eine Formel (2) dargestellt wird. Aufkohlunhsgas Injektionsanteil ( Vol . % ) = Gesamt Injektionsdurchsatz von CO 2 , CO und Kohlenwasserstoffgas  ( 1 / min ) / Gesamt Injektionsdurchsatz von atmosph a ¨ rischem Gas ( 1 / min ) × 100

Figure DE112020006870T5_0006
In the soft gas nitriding treatment in the present invention, a single or mixed gas containing at least one of CO 2 , CO or a hydrocarbon gas such as CH 4 or C 3 H 8 is handled in a carburizing gas injection proportion (vol%) determined by a formula (2) is represented. carburizing gas injection proportion ( volume . % ) = In total injection throughput of CO 2 , CO and hydrocarbon gas ( 1 / at least ) / In total injection throughput of atmosph a ¨ ric gas ( 1 / at least ) × 100
Figure DE112020006870T5_0006

Wenn der Aufkohlungsgas-Injektionsanteil weniger als 2 Vol.-% beträgt, wird keine gleichmäßige ε-Phase gebildet und die Verschleißfestigkeit verschlechtert sich. Andererseits, wenn der Aufkohlungsgas-Injektionsanteil 10 Vol.-% oder mehr beträgt, wird der Partialdruck eines Nitrierreaktionsgases wie NH3 oder H2 relativ niedrig, wodurch die Bildungsrate der Verbundschicht langsam wird und die Verbundschicht dünn wird oder eine Variation in der Dicke der Verbundschicht groß wird, was die Verschleißfestigkeit oder die Biegewechselfestigkeit verschlechtert. Daher wird der Aufkohlungsgas-Inj ektionsanteil in dem Verfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf 2 Vol.-% oder mehr und weniger als 10 Vol.-% festgelegt. Der Aufkohlungsgas-Injektionsanteil kann auf 3 Vol.-% oder mehr oder 4 Vol.-% oder mehr festgelegt werden. Der Aufkohlungsgas-Injektionsanteil kann auf 9 Vol.-% oder weniger oder weniger als 8 Vol.-% festgelegt werden.When the carburizing gas injection ratio is less than 2% by volume, ε phase is not formed uniformly and wear resistance deteriorates. On the other hand, when the carburizing gas injection ratio is 10% by volume or more, the partial pressure of a nitriding reaction gas such as NH 3 or H 2 becomes relatively low, whereby the formation rate of the compound layer becomes slow and the compound layer becomes thin or a variation in the thickness of the compound layer becomes large, deteriorating wear resistance or flex fatigue strength. Therefore, in the method according to the present embodiment, the carburizing gas injection rate is set to be 2% by volume or more and less than 10% by volume. The carburizing gas injection ratio may be set to 3% by volume or more, or 4% by volume or more. The carburizing gas injection rate may be set to 9% by volume or less or less than 8% by volume.

[Nitrierpotential bei der Gasweichnitrierbehandlung][Nitriding Potential in Soft Gas Nitriding Treatment]

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines gasweichnitrierbehandelten Bauteils gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird das Nitrierpotential gesteuert. Wenn das Weichnitrieren an dem oben beschriebenen Rohformstahl unter den folgenden Bedingungen durchgeführt wird, ist es möglich, ein gasweichnitrierbehandeltes Bauteil zu erhalten, in dem eine Verbundschicht mit einer Dicke von 3 bis 20 µm vorhanden ist und der Porositätsflächenanteil im Bereich von der Oberfläche der Verbundschicht bis zu einer Tiefe von 3 µm weniger als 12% beträgt.In the method for manufacturing a gas soft nitrided device according to the present embodiment, the nitriding potential is controlled. When soft nitriding is performed on the above-described raw form steel under the following conditions, it is possible to obtain a gas-soft nitriding-treated member in which there is a compound layer with a thickness of 3 to 20 µm and the porosity area ratio ranges from the surface of the compound layer to to a depth of 3 µm is less than 12%.

Das Nitrierpotential KN der Gasweichnitrierbehandlung ist durch die folgende Formel (3) definiert. K N = ( NH 3 Partialdruck ) / [ ( H 2 Partialdruck ) 3 / 2 ] ( atm 1 / 2 )

Figure DE112020006870T5_0007
The nitriding potential K N of the soft gas nitriding treatment is defined by the following formula (3). K N = ( NH 3 partial pressure ) / [ ( H 2 partial pressure ) 3 / 2 ] ( atm 1 / 2 )
Figure DE112020006870T5_0007

Darüber hinaus ist der Durchschnittswert KNave der Nitrierpotentiale KN der Durchschnittswert der oben beschriebenen Nitrierpotentiale KN, die alle 10 Minuten vom Beginn bis zum Ende der Gasweichnitrierbehandlung aufgezeichnet werden. Wie in der Formel dargestellt, werden als Partialdrücke von NH3 und H2 Werte in der Einheit (atm) verwendet.In addition, the average value K Nave of the nitriding potentials KN is the average value of the above-described nitriding potentials KN measured every 10 minutes from the start to the end of the soft gas nitriding treatment are recorded. As shown in the formula, values in the unit (atm) are used as the partial pressures of NH 3 and H 2 .

Die Partialdrücke von NH3 und H2 in der Atmosphäre der Gasweichnitrierungsbehandlung können durch Einstellen der Flussmenge des Gases gesteuert werden.The partial pressures of NH 3 and H 2 in the atmosphere of the soft gas nitriding treatment can be controlled by adjusting the flow amount of the gas.

Die Untersuchungen der vorliegenden Erfinder haben ergeben, dass das Nitrierpotenzial der Gasweichnitrierbehandlung die Dicke der Verbundschicht und das Porositätsflächenverhältnis beeinflusst. Es wurde festgestellt, dass bei optimalem Nitrierpotential das durch die Formel (3) erhaltene Nitrierpotential KN während einer Gasweichnitrierungsbehandlung in einem Bereich von 0,15 oder mehr und 0,40 oder weniger gehalten wird, und dass der Durchschnittswert KNave der Nitrierpotentiale KN während der Gasweichnitrierungsbehandlung 0,18 oder mehr und weniger als 0,30 wird.The investigations of the present inventors have revealed that the nitriding potential of the soft gas nitriding treatment affects the thickness of the compound layer and the porosity area ratio. It has been found that at the optimum nitriding potential, the nitriding potential KN obtained by the formula (3) is maintained in a range of 0.15 or more and 0.40 or less during a soft gas nitriding treatment, and that the average value KNave of the nitriding potentials KN becomes 0.18 or more and less than 0.30 during the gas soft nitriding treatment.

Wenn das Weichnitrieren an Stahl mit dem Zusammensetzungssystem der vorliegenden Erfindung unter solchen Bedingungen durchgeführt wird, ist es möglich, ein gasweichnitrierbehandeltes Bauteil mit einer Verbundschicht herzustellen, bei dem die Dicke der Verbundschicht stabil 3 bis 20 µm beträgt und der Porositätsflächenanteil im Bereich von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 3 µm weniger als 12% beträgt.When soft nitriding is performed on steel with the composition system of the present invention under such conditions, it is possible to produce a gas-soft nitriding-treated member having a compound layer in which the thickness of the compound layer is stably 3 to 20 µm and the porosity area ratio ranges from the surface to to a depth of 3 µm is less than 12%.

[Beispiele][Examples]

Die Stähle a bis ab mit der in Tabelle 1 gezeigten chemischen Zusammensetzung wurden in einem 50-kg-Vakuumschmelzofen geschmolzen, um geschmolzene Stähle herzustellen, und die geschmolzenen Stähle wurden gegossen, um Barren herzustellen. a bis t in Tabelle 2-1 und Tabelle 2-2 sind Stähle mit der in der vorliegenden Erfindung angegebenen chemischen Zusammensetzung. Andererseits sind die Stähle u bis ab Stähle von Vergleichsbeispielen, bei denen mindestens ein oder mehrere Elemente von der in der vorliegenden Erfindung angegebenen chemischen Zusammensetzung abweichen. In Tabelle 1 bezeichnet „X“ den Wert von „-2,1 × C + 0,04 × Mn + 0,5 × Cr + 1,8 × V - 1,5 × Mo“. Außerdem weisen Unterstreichungen auf Zusammensetzungen hin, die nicht in den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung fallen, und leere Zellen zeigen an, dass die entsprechenden Legierungselemente nicht absichtlich hinzugefügt wurden. Darüber hinaus sind in den Zusammensetzungen der in Tabelle 1 aufgeführten Stähle a bis ab neben der in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzung (Rest) Fe und eine Verunreinigung enthalten. In allen Stählen waren etwa 10 ppm O als Verunreinigung enthalten.

Figure DE112020006870T5_0008
Figure DE112020006870T5_0009
Figure DE112020006870T5_0010
Steels a to ab having chemical compositions shown in Table 1 were melted in a 50 kg vacuum melting furnace to produce molten steels, and the molten steels were cast to produce ingots. a to t in Table 2-1 and Table 2-2 are steels having the chemical composition specified in the present invention. On the other hand, Steels u to ab are comparative example steels in which at least one or more elements differ from the chemical composition specified in the present invention. In Table 1, "X" denotes the value of "-2.1 × C + 0.04 × Mn + 0.5 × Cr + 1.8 × V - 1.5 × Mo". In addition, underlining indicates compositions not falling within the scope of the present invention and blank cells indicate that the corresponding alloying elements were not intentionally added. In addition, the compositions of the steels a to ab listed in Table 1 contain, in addition to the composition (balance) shown in Table 1, Fe and an impurity. All steels contained about 10 ppm O as an impurity.
Figure DE112020006870T5_0008
Figure DE112020006870T5_0009
Figure DE112020006870T5_0010

Der Barren jedes der Stähle a bis ab wurde warmgeschmiedet, um einen Rundstab mit einem Durchmesser von 40 mm herzustellen. Anschließend wurde jeder Rundstab geglüht und geschnitten, um eine kleine Walze für einen Lochfraßtest zur Bewertung der Verschleißfestigkeit, wie in 3 dargestellt, und eine große Walze, wie in 4 dargestellt, herzustellen. Außerdem wurde ein zylindrisches Teststück zur Bewertung der in 5 dargestellten Rotationsbiegewechselfestigkeit hergestellt.The ingot of each of steels a to ab was hot forged to produce a round bar having a diameter of 40 mm. Then, each round bar was annealed and cut to form a small roller for a pitting test for wear resistance evaluation as described in 3 shown, and a large roller, as in 4 shown to produce. In addition, a cylindrical test piece was used to evaluate the in 5 shown rotational bending fatigue strength produced.

An den gesammelten Teststücken wurde eine Gasweichnitrierungsbehandlung unter folgenden Bedingungen durchgeführt. Das Teststück wurde in einen Gasweichnitrierofen geladen, jedes Gas aus NH3, H2, N2 und CO2 wurde in den Ofen eingeleitet, und die Weichnitrierbehandlung wurde unter den in Tabelle 2-1 und Tabelle 2-2 angegebenen Bedingungen durchgeführt. Die Gesamtinjektionsflussrate der NH3-, H2- und N2-Gase und die Injektionsflussrate des CO2-Gases wurden so festgelegt, dass sie während der Behandlung unverändert blieben, so dass der Injektionsanteil des CO2-Gases konstant wurde. Nach der Gasweichnitrierungsbehandlung wurden die Probestücke mit einem Öl von 80°C gekühlt.Soft gas nitriding treatment was performed on the collected test pieces under the following conditions. The test piece was loaded into a gas soft nitriding furnace, each gas of NH 3 , H 2 , N 2 and CO 2 was introduced into the furnace, and the soft nitriding treatment was performed under the conditions shown in Table 2-1 and Table 2-2. The total injection flow rate of the NH 3 , H 2 and N 2 gases and the injection flow rate of the CO 2 gas were set to remain unchanged during the treatment so that the injection proportion of the CO 2 gas became constant. After the gas soft nitriding treatment, the test pieces were cooled with an oil of 80°C.

Der H2-Partialdruck in der Atmosphäre wurde mit einem H2-Sensor vom Typ Wärmeleitung gemessen, der direkt in den Ofenkörper des Gasweichnitrierofens eingebaut wurde. Die Messung erfolgt durch Umrechnung des Unterschieds in der Wärmeleitfähigkeit zwischen einem Standardgas und dem gemessenen Gas in eine Gaskonzentration. Der H2-Partialdruck wurde während der Gasweichnitrierungsbehandlung kontinuierlich gemessen.The H 2 partial pressure in the atmosphere was measured with a heat conduction type H 2 sensor installed directly in the furnace body of the soft gas nitriding furnace. The measurement is made by converting the difference in thermal conductivity between a standard gas and the measured gas into a gas concentration. The H 2 partial pressure was continuously measured during the gas soft nitration treatment.

Außerdem wurde der NH3-Partialdruck alle 10 Minuten mit einem an der Außenseite des Ofens angebrachten NH3-Analysator vom Typ Glasrohr gemessen.In addition, the NH 3 partial pressure was measured every 10 minutes with a glass tube type NH 3 analyzer attached to the outside of the furnace.

Die NH3-Flussrate, die H2-Flussrate und die N2-Flussrate wurden so eingestellt, dass das Nitrierpotenzial KN auf einen Zielwert konvergierte. Das Nitrierpotenzial KN wurde alle 10 Minuten aufgezeichnet, und der Minimalwert, der Maximalwert und der Durchschnittswert während der Behandlung wurden abgeleitet. [TABELLE 2-1] Test Nummer Stahl Gasweichnitrierbehandlung Temperatur Zeit Nitrierpotential KN CO2 Volumenanteil Minimum Maximum Durchschnitt (°C) (h) (atm-1/2) (%) 1 a 590 3.0 0.18 0.31 0.24 4 2 a 600 4.0 0.19 0.36 0.29 5 3 a 570 3.0 0.16 0.28 0.20 3 4 a 610 3.0 0.17 0.35 0.28 6 5 a 560 4.0 0.20 0.36 0.25 3 6 a 590 3.0 0.17 0.27 0.23 9 7 a 590 3.0 0.22 0.38 0.28 2 8 b 570 5.0 0.22 0.38 0.29 5 9 c 610 3.0 0.16 0.26 0.18 6 10 d 570 3.0 0.21 0.40 0.27 7 11 e 590 3.0 0.16 0.32 0.21 8 12 f 610 1.0 0.18 0.25 0.20 5 13 9 550 7.0 0.20 0.36 0.27 4 14 h 630 3.0 0.16 0.23 0.19 3 15 i 600 3.0 0.18 0.26 0.23 4 16 j 590 4.0 0.20 0. 35 0.26 5 17 k 590 3.0 0.17 0.32 0.24 4 18 l 590 3.0 0.18 0.34 0.26 3 19 m 590 3.0 0.16 0.33 0.20 6 20 n 590 3.0 0.20 0.35 0.25 5 21 ο 590 3.0 0.16 0.31 0.21 4 22 p 590 3.0 0.18 0.33 0.25 5 23 q 590 3.0 0.17 0.35 0.21 5 24 r 570 6.0 0.16 0.30 0.20 6 25 s 590 3.0 0.20 0.34 0.28 8 26 t 590 3.0 0.19 0.33 0.25 5 27 a 640 5.0 0.18 0.37 0.28 4 28 a 540 2.0 0.20 0.35 0.25 5 29 a 600 11.0 0.19 0.34 0.28 6 30 a 550 0.5 0.16 0.28 0.20 7 31 a 630 3.0 0.15 0.41 0.29 5 32 a 560 1.0 0.14 0.30 0.18 8 33 a 620 10.0 0.23 0.39 0.29 9 34 a 570 2.0 0.15 0.21 0.17 2 35 b 560 1.5 0.15 0.25 0.18 10 36 b 590 6.5 0.17 0.36 0.25 0 37 u 570 2.0 0.18 0.32 0.22 2 38 v 610 4.0 0.20 0.38 0.25 5 39 ­­w 560 5.0 0.17 0.26 0.20 2 40 x 580 2.0 0.18 0.30 0.22 3 41 y 580 2.0 0.17 0.32 0.23 4 42 z 570 2.0 0.17 0.35 0.23 5 43 aa 600 1.5 0.17 0.36 0.24 4 44 ab 610 1.0 0.16 0.38 0.26 8 45 i 590 5.0 0.95 1.70 1.28 3
Unterstreichungen bedeuten, dass die entsprechenden Werte nicht in den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung fallen oder die Kriterien für das Bestehen nicht erfüllen.

Figure DE112020006870T5_0011
Figure DE112020006870T5_0012
The NH 3 flow rate, H 2 flow rate, and N 2 flow rate were adjusted so that the nitration potential KN converged to a target value. The nitration potential KN was recorded every 10 minutes, and the minimum, maximum and mean values during the treatment were derived. [TABLE 2-1] test number steel soft gas nitriding treatment temperature time Nitration potential K N CO 2 volume fraction minimum maximum Average (ºC) (H) (atm -1/2 ) (%) 1 a 590 3.0 0.18 0.31 0.24 4 2 a 600 4.0 0.19 0.36 0.29 5 3 a 570 3.0 0.16 0.28 0.20 3 4 a 610 3.0 0.17 0.35 0.28 6 5 a 560 4.0 0.20 0.36 0.25 3 6 a 590 3.0 0.17 0.27 0.23 9 7 a 590 3.0 0.22 0.38 0.28 2 8th b 570 5.0 0.22 0.38 0.29 5 9 c 610 3.0 0.16 0.26 0.18 6 10 i.e 570 3.0 0.21 0.40 0.27 7 11 e 590 3.0 0.16 0.32 0.21 8th 12 f 610 1.0 0.18 0.25 0.20 5 13 9 550 7.0 0.20 0.36 0.27 4 14 H 630 3.0 0.16 0.23 0.19 3 15 i 600 3.0 0.18 0.26 0.23 4 16 j 590 4.0 0.20 0. 35 0.26 5 17 k 590 3.0 0.17 0.32 0.24 4 18 l 590 3.0 0.18 0.34 0.26 3 19 m 590 3.0 0.16 0.33 0.20 6 20 n 590 3.0 0.20 0.35 0.25 5 21 o 590 3.0 0.16 0.31 0.21 4 22 p 590 3.0 0.18 0.33 0.25 5 23 q 590 3.0 0.17 0.35 0.21 5 24 right 570 6.0 0.16 0.30 0.20 6 25 s 590 3.0 0.20 0.34 0.28 8th 26 t 590 3.0 0.19 0.33 0.25 5 27 a 640 5.0 0.18 0.37 0.28 4 28 a 540 2.0 0.20 0.35 0.25 5 29 a 600 11.0 0.19 0.34 0.28 6 30 a 550 0.5 0.16 0.28 0.20 7 31 a 630 3.0 0.15 0.41 0.29 5 32 a 560 1.0 0.14 0.30 0.18 8th 33 a 620 10.0 0.23 0.39 0.29 9 34 a 570 2.0 0.15 0.21 0.17 2 35 b 560 1.5 0.15 0.25 0.18 10 36 b 590 6.5 0.17 0.36 0.25 0 37 and 570 2.0 0.18 0.32 0.22 2 38 v 610 4.0 0.20 0.38 0.25 5 39 w 560 5.0 0.17 0.26 0.20 2 40 x 580 2.0 0.18 0.30 0.22 3 41 y 580 2.0 0.17 0.32 0.23 4 42 e.g 570 2.0 0.17 0.35 0.23 5 43 ah 600 1.5 0.17 0.36 0.24 4 44 away 610 1.0 0.16 0.38 0.26 8th 45 i 590 5.0 0.95 1.70 1.28 3
Underlining means that the corresponding values do not fall within the scope of the present invention or do not meet the passing criteria.
Figure DE112020006870T5_0011
Figure DE112020006870T5_0012

[Messung der Verbundschichtdicke und des Porositätsflächenanteils][Measurement of compound layer thickness and porosity area ratio]

Ein Querschnitt der kleinen Walze nach der Gasweichnitrierungsbehandlung in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung wurde spiegelpoliert und geätzt. Der geätzte Querschnitt wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM, hergestellt von JEOL Ltd.; JSM-7100F) betrachtet, die Dicke der Verbundschicht wurde gemessen und das Vorhandensein oder Fehlen von Porositäten in der Oberflächenschicht der Verbundschicht wurde bestätigt. Das Ätzen wurde mit einer 3%igen Nital-Lösung für 20 bis 30 Sekunden durchgeführt.A cross section of the small roller after the gas soft nitriding treatment in a direction perpendicular to the longitudinal direction was mirror polished and etched. The etched cross section was observed with a scanning electron microscope (SEM, manufactured by JEOL Ltd.; JSM-7100F), the thickness of the compound layer was measured, and the presence or absence of porosities in the surface layer of Ver bund layer was confirmed. Etching was performed with a 3% Nital solution for 20 to 30 seconds.

Die Verbundschicht kann als eine nicht korrodierte Schicht auf der Oberflächenschicht des Stahls bestätigt werden. Die Verbundschicht wurde auf 10 Sichtfeldern (1 Sichtfeldfläche: 30 µm in der Breite × 22 µm in der Länge = 6,6 × 102 µm2) in einer bei 4000-facher Vergrößerung aufgenommenen Strukturfotografie beobachtet, und die Dicken der Verbundschicht wurden an 3 Punkten alle 10 µm in jedem Sichtfeld gemessen. Darüber hinaus wurde der Durchschnittswert der 30 gemessenen Punkte als Dicke der zusammengesetzten Schicht (µm) definiert.The compound layer can be confirmed as a non-corroded layer on the surface layer of the steel. The composite layer was observed in 10 fields of view (1 field of view area: 30 µm in width × 22 µm in length = 6.6 × 10 2 µm 2 ) in a structure photograph taken at 4000× magnification, and the thicknesses of the composite layer were measured at 3 Points measured every 10 µm in each field of view. In addition, the average value of the 30 measured points was defined as the thickness of the composite layer (µm).

Zusätzlich wurde aus derselben Strukturaufnahme das Verhältnis der Gesamtfläche der Porositäten auf einer Fläche von 90 µm2 in einem Bereich von der äußersten Oberfläche bis zu einer Tiefe von 3 µm (Porositätsflächenanteil, Einheit: %) mit einem Bildverarbeitungsprogramm (Hersteller: JEOL Ltd.; Analysis Station) erhalten. Darüber hinaus wurde der Durchschnittswert der 10 gemessenen Sichtfelder als Porositätsflächenanteil (%) definiert. Selbst wenn die Dicke der Verbundschicht weniger als 3 µm betrug, wurde ebenfalls ein Bereich von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 3 µm als Messobjekt betrachtet.In addition, from the same structure photograph, the ratio of the total area of porosities in an area of 90 µm 2 in a range from the outermost surface to a depth of 3 µm (porous area ratio, unit: %) was calculated with an image processing program (manufacturer: JEOL Ltd.; Analysis station) received. In addition, the average value of the 10 measured fields of view was defined as a porosity area ratio (%). Also, even when the thickness of the compound layer was less than 3 µm, an area from the surface to a depth of 3 µm was considered as a measurement object.

[Härte der Verbundschicht][hardness of compound layer]

Die Härte der Verbundschicht wurde nach folgendem Verfahren mit einer Nanoindentationsvorrichtung (hergestellt von Hysitron Inc.; TI950) gemessen. Die VickersHärte HV wurde anhand einer Kraft-Weg-Kurve gemessen, die durch zufälliges Drücken einer Position nahe der Mitte in Dickenrichtung der Verbundschicht an 50 Punkten mit einem Eindringkörper bei einer Drucklast von 10 mN erhalten wurde. Der Eindringkörper hatte die Form einer dreieckigen Pyramide (Berkovic), und die Härte wurde basierend auf ISO 14577-1 durch Umrechnung der Nanoindentationshärte HIT in die Vickershärte HV nach der folgenden Formel ermittelt. HV = 0,0924 × H IT ( MPa )

Figure DE112020006870T5_0013
Der Durchschnittswert der 50 gemessenen Punkte wurde als Härte (HV) der Verbundschicht definiert.The hardness of the compound layer was measured with a nanoindentation device (manufactured by Hysitron Inc.; TI950) by the following method. The Vickers hardness HV was measured from a force-displacement curve obtained by accidentally pressing a position near the center in the thickness direction of the composite layer at 50 points with an indenter under a compressive load of 10 mN. The indenter was in the shape of a triangular pyramid (Berkovic), and the hardness was determined based on ISO 14577-1 by converting the nanoindentation hardness H IT to the Vickers hardness HV using the following formula. HV = 0.0924 × H IT ( MPa )
Figure DE112020006870T5_0013
The average value of the 50 measured points was defined as the hardness (HV) of the compound layer.

[Bewertungstest der Verschleißfestigkeit][Wear Resistance Evaluation Test]

Die Verschleißfestigkeit wurde nach folgendem Verfahren mit einem Walzen-Lochfraß-Tester (hergestellt von Komatsu-Setsubi; RP102) bewertet. Bei den kleinen Walzen für den Walzen-Lochfraßtest wurden die Griffabschnitte nachbearbeitet, um die Erwärmungsspannungen zu beseitigen, und dann wurden die kleinen Walzen jeweils als Walzen-Lochfraß-Teststück verwendet. Die Form nach der Endbearbeitung ist in 3 dargestellt.The wear resistance was evaluated by the following method using a roller pitting tester (manufactured by Komatsu-Setsubi; RP102). In the small rollers for the roller pitting test, the grip portions were reworked to eliminate the heating stress, and then the small rollers were each used as a roller pitting test piece. The shape after finishing is in 3 shown.

Der Lochfraßtest wurde unter den in Tabelle 3 angegebenen Bedingungen mit einer Kombination aus der oben beschriebenen kleinen Walze für den Walzen-Lochfraßtest und der großen Walze für den Walzen-Lochfraßtest mit der in 4 gezeigten Form durchgeführt.The pitting test was carried out under the conditions shown in Table 3 with a combination of the above-described small roller for roller pitting test and large roller for roller pitting test with the in 4 performed in the form shown.

Die Maßeinheiten in 3 und 4 sind „mm“. Die große Walze für den Walzen-Lochfraßtest war eine Walze, die durch gewöhnliche Herstellungsschritte hergestellt wurde, d.h. „Normalisieren → Bearbeitung des Teststücks → eutektisches Aufkohlen mit einem Gasaufkohlungsofen → Tempern bei niedriger Temperatur → Polieren“ unter Verwendung von Stahl, der dem SCM420-Standard von JIS G 4053 (2016) entsprach und mit feinen Unebenheiten auf der Oberfläche versehen wurde, indem eine Kugelstrahlbehandlung bei einem Projektionsdruck von 0.2 MPa unter Verwendung einer Stahlkugel mit einer Partikelgröße von 0,8 mm, die Vickershärte HV an einer Position 0,05 mm von der Oberfläche entfernt, d. h. an einer Position in einer Tiefe von 0,05 mm, 740 bis 760 betrug, und die Tiefe mit einer Vickershärte Hv von 550 oder mehr in einem Bereich von 0,8 bis 1,0 mm lag.The units of measurement 3 and 4 are "mm". The large roller for the roller pitting test was a roller made through ordinary manufacturing steps, ie, "normalizing → processing the test piece → eutectic carburizing with a gas carburizing furnace → low-temperature annealing → polishing" using steel conforming to the SCM420 standard of JIS G 4053 (2016) and provided with fine unevenness on the surface by shot peening treatment at a projection pressure of 0.2 MPa using a steel ball with a particle size of 0.8 mm, Vickers hardness HV at a position of 0.05 mm from the surface, that is, at a position at a depth of 0.05 mm was 740 to 760, and the depth having a Vickers hardness Hv of 550 or more was in a range of 0.8 to 1.0 mm.

Tabelle 3 zeigt die Testbedingungen, unter denen die Verschleißfestigkeit bewertet wurde. Der Test wurde beendet, nachdem die Anzahl der Wiederholungen 5 x 106 erreicht hatte, und die Verschleißtiefe der kleinen Walze nach dem Test wurde gemessen. Der verschlissene Abschnitt der kleinen Walze nach dem Test wurde entlang der axialen Hauptrichtung mit einer Oberflächenrauheitsformmessmaschine (hergestellt von Tokyo Seimitsu Co., Ltd.; SURFCOM FLEX) abgetastet, ein Querschnittsformprofil wurde erfasst, und eine Differenz zwischen der maximalen Tiefe (verschlissener Abschnitt) und der minimalen Tiefe (nicht verschlissener Abschnitt) im erfassten Querschnittsformprofil wurde als maximale Verschleißtiefe gemessen. Für dasselbe Teststück (kleine Walze) wurden die maximalen Verschleißtiefen an fünf Messpositionen gemessen und gemittelt, wodurch der Wert der Verschleißtiefe berechnet wurde. Bei dem Bauteil der vorliegenden Erfindung wurde eine Verschleißtiefe von 10 µm oder weniger angestrebt.Table 3 shows the test conditions under which wear resistance was evaluated. The test was terminated after the number of repetitions reached 5×10 6 , and the depth of wear of the small roller after the test was measured. The worn portion of the small roll after the test was scanned along the axial main direction with a surface roughness shape measuring machine (manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd.; SURFCOM FLEX), a cross-sectional shape profile was detected, and a difference between the maximum depth (worn portion) and the minimum depth (non-worn portion) in the detected cross-sectional shape profile was measured as the maximum wear depth. For the same test piece (small roller), the maximum wear depths were measured at five measurement positions and averaged, thereby calculating the wear depth value. In the component of the present invention, a wear depth of 10 µm or less was aimed for.

[TABELLE 3] Tester Walzen-Lochfraß-Tester Teststückgröße Kleine Walze: Durchmesser von 26 mm Große Walze: Durchmesser von 130 mm Kontaktbereich 300 mmR Oberflächendruck 1700 MPa Anzahl der Tests 5 Schlupfrate 0% Rotationsanzahl der kleinen Walze 1500 rpm Umlaufgeschwindigkeit Kleine Walze: 123 m/Minute Große Walze: 123 m/Minute Schmiermittel Art: Öl für Automatik Öl Temperatur: 80°C [TABLE 3] tester Roller Pitting Tester test piece size Small roller: diameter of 26mm Large roller: diameter of 130mm Contact area 300mmR surface pressure 1700MPa number of tests 5 hatch rate 0% Number of rotations of the small roller 1500rpm circulation speed Small roller: 123 m/minute Large roller: 123 m/minute lubricant Type: Automatic oil Oil temperature: 80°C

[Bewertungstest der Rotationsbiegewechselfestigkeit][Rotational flex fatigue strength evaluation test]

Ein Rotationsbiege-Ermüdungstest vom Typ Ono wurde basierend auf JIS Z 2274 (1978) an einem zylindrischen Teststück durchgeführt, das einer Gasweichnitrierungsbehandlung unterzogen worden war. Die Rotationszahl betrug 3000 U/min. Die Anzahl der Testabbrüche wurde auf 1 × 107 festgelegt, was die Ermüdungsgrenze von normalem Stahl angibt. Die maximale Spannung, die bei dem Test 1 × 107 Mal erreicht wurde, ohne dass es zu einem Bruch in einem Rotationsbiegewechselfestigkeitsteststück kam, wurde als die Ermüdungsgrenze des Rotationsbiegewechselfestigkeitsteststück angesehen.An Ono-type rotational flexural fatigue test was conducted based on JIS Z 2274 (1978) on a cylindrical test piece subjected to gas soft nitriding treatment. The number of rotations was 3000 rpm. The number of test failures was set at 1 × 10 7 which indicates the fatigue limit of ordinary steel. The maximum stress reached in the test 1 × 10 7 times without breaking in a rotational flexing test piece was regarded as the fatigue limit of the rotational flexing test piece.

Bei dem Bauteil der vorliegenden Erfindung wurde eine maximale Spannung an der Ermüdungsgrenze von 500 MPa oder mehr angestrebt.In the component of the present invention, a maximum fatigue limit stress of 500 MPa or more was aimed for.

[Testergebnisse][test results]

Die Ergebnisse sind in Tabelle 2-1 und Tabelle 2-2 dargestellt. In den Tests Nr. 1 bis 26 lagen die Stahlzusammensetzungen und die Bedingungen der Gasweichnitrierbehandlungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die Verbundschichtdicken betrugen 3 µm oder mehr und 20 µm oder weniger, und die Verbundschicht-Porositätsflächenanteile waren kleiner als 12%. Als Ergebnis wurden vorteilhafte Ergebnisse von Verschleißtiefen von weniger als 10 µm und Rotationsbiege-Ermüdungsfestigkeiten von 500 MPa oder mehr erhalten.The results are shown in Table 2-1 and Table 2-2. In Tests Nos. 1 to 26, the steel compositions and the conditions of the gas soft nitriding treatments were within the scope of the present invention, the bonded layer thicknesses were 3 µm or more and 20 µm or less, and the bonded layer porosity area ratios were less than 12%. As a result, favorable results of wear depths of less than 10 µm and rotational flex fatigue strengths of 500 MPa or more were obtained.

In den Tests Nr. 27 bis 45 lagen die Stahlzusammensetzungen und einige der Bedingungen für die Gasweichnitrierungsbehandlungen außerhalb des Anwendungsbereichs der vorliegenden Erfindung, und eine der Dicken der Verbundschicht, das Flächenverhältnis der ε-Phase und der Porositätsflächenanteil oder eine Vielzahl von Eigenschaften erreichten nicht die Zielwerte der vorliegenden Erfindung. Infolgedessen erfüllten die Verschleißfestigkeit oder die Rotationsbiegewechselfestigkeit nicht die Zielvorgaben der vorliegenden Erfindung.In Tests Nos. 27 to 45, the steel compositions and some of the conditions for the gas soft nitriding treatments were outside the scope of the present invention, and one of the thicknesses of the compound layer, the area ratio of the ε phase and the porosity area ratio, or a variety of properties did not reach the target values of the present invention. As a result, the wear resistance or the rotational flex life did not meet the objectives of the present invention.

Test Nr. 27 ist ein Vergleichsbeispiel, bei dem die Temperatur der Gasweichnitrierbehandlung zum Zeitpunkt der Herstellung zu hoch war. Infolgedessen wurde in Test Nr. 27 der Porositätsflächenanteil zu groß, und die Verschleißfestigkeit und die Rotationsbiegewechselfestigkeit waren unzureichend.Test No. 27 is a comparative example in which the temperature of the gas soft nitriding treatment was too high at the time of manufacture. As a result, in Test No. 27, the porosity area ratio became too large, and wear resistance and rotational flex life were insufficient.

Test Nr. 28 ist ein Vergleichsbeispiel, bei dem die Temperatur der Gasweichnitrierungsbehandlung zum Zeitpunkt der Herstellung zu niedrig war. Infolgedessen war bei Test Nr. 28 die Dicke der Verbundschicht unzureichend, und die Verschleißfestigkeit und die Rotationsbiegewechselfestigkeit waren unzureichend.Test No. 28 is a comparative example in which the temperature of the gas soft nitriding treatment was too low at the time of manufacture. As a result, in Test No. 28, the thickness of the composite layer was insufficient, and the wear resistance and rotational flex life were insufficient.

Test Nr. 29 ist ein Vergleichsbeispiel, bei dem die Gasweichnitrierungs-Behandlungszeit zum Zeitpunkt der Herstellung zu lang war. Infolgedessen wurde bei Test Nr. 29 die Dicke der Verbundschicht zu groß, der Porositätsflächenanteil wurde zu groß und die Verschleißfestigkeit und die Rotationsbiegewechselfestigkeit waren unzureichend.Test No. 29 is a comparative example in which the gas soft nitriding treatment time at the time of manufacture was too long. As a result, in Test No. 29, the thickness of the compound layer increased large, the porosity area ratio became too large, and the wear resistance and rotational flex life were insufficient.

Test Nr. 30 ist ein Vergleichsbeispiel, bei dem die Gasweichnitrierungs-Behandlungszeit zum Zeitpunkt der Herstellung zu kurz war. Infolgedessen war bei Test Nr. 30 die Dicke der Verbundschicht unzureichend, und die Verschleißfestigkeit und die Rotationsbiegewechselfestigkeit waren unzureichend.Test No. 30 is a comparative example in which the gas soft nitriding treatment time at the time of manufacture was too short. As a result, in Test No. 30, the thickness of the composite layer was insufficient, and the wear resistance and rotational flex life were insufficient.

Test Nr. 31 ist ein Vergleichsbeispiel, bei dem das Nitrierpotenzial KN zum Zeitpunkt der Herstellung zu hoch ist. Infolgedessen wurde bei Test Nr. 31 der Porositätsflächenanteil zu groß, und die Verschleißfestigkeit und die Rotationsbiegewechselfestigkeit waren unzureichend.Test No. 31 is a comparative example in which the nitriding potential KN is too high at the time of manufacture. As a result, in Test No. 31, the porosity area ratio became too large, and wear resistance and rotational flex life were insufficient.

Test Nr. 32 ist ein Vergleichsbeispiel, bei dem das Nitrierpotenzial KN zum Zeitpunkt der Herstellung zu niedrig wird. Infolgedessen war bei Test Nr. 32 die Dicke der Verbundschicht unzureichend, und die Verschleißfestigkeit und die Rotationsbiegewechselfestigkeit waren unzureichend.Test No. 32 is a comparative example in which the nitriding potential KN becomes too low at the time of manufacture. As a result, in Test No. 32, the thickness of the composite layer was insufficient, and the wear resistance and rotational flex life were insufficient.

Test Nr. 33 ist ein Vergleichsbeispiel, bei dem die Gasweichnitrierungs-Behandlungszeit zum Zeitpunkt der Herstellung zu lang war. Infolgedessen wurde bei Test Nr. 33 die Dicke der Verbundschicht zu groß, der Porositätsflächenanteil wurde zu groß und die Verschleißfestigkeit war unzureichend.Test No. 33 is a comparative example in which the gas soft nitriding treatment time was too long at the time of manufacture. As a result, in Test No. 33, the thickness of the compound layer became too large, the porosity area ratio became too large, and the wear resistance was insufficient.

Test Nr. 34 ist ein Vergleichsbeispiel, bei dem das durchschnittliche Nitrierpotenzial KNave zum Zeitpunkt der Herstellung zu niedrig war. Infolgedessen war bei Test Nr. 34 die Dicke der Verbundschicht unzureichend, das ε-Flächenverhältnis war unzureichend, und die Verschleißfestigkeit und die Rotationsbiegewechselfestigkeit waren unzureichend.Test No. 34 is a comparative example in which the average nitriding potential K Nave was too low at the time of manufacture. As a result, in Test No. 34, the thickness of the composite layer was insufficient, the ε area ratio was insufficient, and the wear resistance and rotational flex life were insufficient.

Test Nr. 35 ist ein Vergleichsbeispiel, bei dem der Aufkohlungsgas-Injektionsanteil zum Zeitpunkt der Herstellung zu hoch war. Infolgedessen war bei Test Nr. 35 die Dicke der Verbundschicht unzureichend, und die Verschleißfestigkeit und die Rotationsbiegewechselfestigkeit waren unzureichend.Test No. 35 is a comparative example in which the carburizing gas injection rate was too high at the time of manufacture. As a result, in Test No. 35, the thickness of the compound layer was insufficient, and the wear resistance and rotational flex life were insufficient.

Test Nr. 36 ist ein Vergleichsbeispiel, bei dem der Aufkohlungsgas-Injektionsanteil zum Zeitpunkt der Herstellung zu niedrig war (d.h. es wurde nicht weich nitriert, sondern eine Nitrierbehandlung durchgeführt). Infolgedessen war bei Test Nr. 36 das ε-Flächenverhältnis unzureichend, und die Verschleißfestigkeit war unzureichend.Test No. 36 is a comparative sample in which the carburizing gas injection rate was too low at the time of manufacture (i.e., nitriding treatment was not performed but soft nitriding was performed). As a result, in Test No. 36, the ε area ratio was insufficient and the wear resistance was insufficient.

Herstellung Nr. 37 (Stahl u) ist ein Vergleichsbeispiel, bei dem die chemische Zusammensetzung des Stahlkerns mit -2,1 × C + 0,04 × Mn + 0,5 × Cr + 1,8 × V - 1,5 × Mo zu hoch war. Infolgedessen war bei Test Nr. 37 die Dicke der Verbundschicht unzureichend, und die Verschleißfestigkeit und die Rotationsbiegewechselfestigkeit waren unzureichend.Preparation No. 37 (Steel u) is a comparative example in which the chemical composition of the steel core is -2.1 × C + 0.04 × Mn + 0.5 × Cr + 1.8 × V - 1.5 × Mo was too high. As a result, in Test No. 37, the thickness of the composite layer was insufficient, and the wear resistance and rotational flex life were insufficient.

Herstellung Nr. 38 (Stahl v) ist ein Vergleichsbeispiel, bei dem die chemische Zusammensetzung des Stahlkerns mit -2,1 × C + 0,04 × Mn + 0,5 × Cr + 1,8 × V - 1,5 × Mo zu niedrig war. Infolgedessen wurde bei Test Nr. 38 die Dicke der Verbundschicht zu groß, und die Rotationsbiegewechselfestigkeit war unzureichend.Preparation No. 38 (Steel v) is a comparative example in which the chemical composition of the steel core is -2.1 × C + 0.04 × Mn + 0.5 × Cr + 1.8 × V - 1.5 × Mo was too low. As a result, in Test No. 38, the thickness of the composite layer became too large and the rotational flex life was insufficient.

Herstellung Nr. 39 (Stahl w) ist ein Vergleichsbeispiel, bei dem der C-Gehalt des Stahlkerns zu niedrig war. Infolgedessen war bei Test Nr. 39 die Verschleißfestigkeit unzureichend.Preparation No. 39 (steel w) is a comparative example in which the C content of the steel core was too low. As a result, in Test No. 39, wear resistance was insufficient.

Herstellung Nr. 40 (Stahl x) ist ein Vergleichsbeispiel, bei dem der Mn-Gehalt im Stahlkern zu niedrig war. Infolgedessen waren in Test Nr. 40 die Verschleißfestigkeit und die Rotationsbiegewechselfestigkeit unzureichend.Production No. 40 (Steel x) is a comparative example in which the Mn content in the steel core was too low. As a result, in Test No. 40, wear resistance and rotational flex life were insufficient.

Herstellung Nr. 41 (Stahl y) ist ein Vergleichsbeispiel, bei dem der Cr-Gehalt des Stahlkerns zu niedrig war. Infolgedessen waren bei Test Nr. 41 die Verschleißfestigkeit und die Rotationsbiegewechselfestigkeit unzureichend.Production No. 41 (Steel y) is a comparative example in which the Cr content of the steel core was too low. As a result, in Test No. 41, wear resistance and rotational flex life were insufficient.

Herstellung Nr. 42 (Stahl z) ist ein Vergleichsbeispiel, bei dem der V-Anteil im Stahlkern zu niedrig war. Infolgedessen waren bei Test Nr. 42 die Verschleißfestigkeit und die Rotationsbiegewechselfestigkeit unzureichend.Production No. 42 (Steel z) is a comparative example in which the V content in the steel core was too low. As a result, in Test No. 42, wear resistance and rotational flex life were insufficient.

Herstellung Nr. 43 (Stahl aa) ist ein Vergleichsbeispiel, bei dem der Anteil von P im Stahlkern zu hoch war. Infolgedessen waren bei Test Nr. 43 die Verschleißfestigkeit und die Rotationsbiegewechselfestigkeit unzureichend.Production No. 43 (steel aa) is a comparative example in which the content of P in the steel core was too high. As a result, in Test No. 43, wear resistance and rotational flex life were insufficient.

Herstellung Nr. 44 (Stahl ab) ist ein Vergleichsbeispiel, bei dem der Anteil von S im Stahlkern zu hoch war. Infolgedessen waren bei Test Nr. 44 die Verschleißfestigkeit und die Rotationsbiegewechselfestigkeit unzureichend.Preparation No. 44 (steel ab) is a comparative example in which the content of S in the steel core was too high. As a result, in Test No. 44, wear resistance and rotational flex life were insufficient.

Herstellung Nr. 45 ist ein Vergleichsbeispiel, bei dem das Nitrierpotenzial KN und das durchschnittliche Nitrierpotenzial KNave zum Zeitpunkt der Herstellung zu hoch waren. Infolgedessen wurde im Test Nr. 45 die Dicke der Verbundschicht zu groß, der Porositätsflächenanteil wurde zu groß, und die Verschleißfestigkeit und die Rotationsbiegewechselfestigkeit waren unzureichend.Preparation No. 45 is a comparative example in which the nitriding potential KN and the average nitriding potential K Nave were too high at the time of preparation. As a result, in Test No. 45, the thickness of the composite layer became too large, the porosity area ratio became too large, and wear resistance and rotational flex life were insufficient.

Bis hierher wurde die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die oben beschriebene Ausführungsform ist jedoch nur ein exemplarisches Beispiel für die Durchführung der vorliegenden Erfindung. Daher ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, und die oben beschriebene Ausführungsform kann in geeigneter Weise modifiziert und innerhalb des Umfangs des Kerns der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden.Up to this point, the embodiment of the present invention has been described. However, the embodiment described above is only an exemplary example for carrying out the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the embodiment described above, and the embodiment described above can be suitably modified and performed within the scope of the gist of the present invention.

[Industrielle Anwendbarkeit][Industrial Applicability]

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein weichnitrierbehandeltes Bauteil, das nicht nur hinsichtlich der Verschleißfestigkeit, sondern auch hinsichtlich der Rotationsbiegewechselfestigkeit ausgezeichnet ist, und ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen und ein stufenloses Getriebe (CVT), ein Nockenwellenbauteil und dergleichen bereitzustellen, die hinsichtlich der Verschleißfestigkeit und der Biegewechselfestigkeit besonders ausgezeichnet sind.According to the present invention, it is possible to provide a soft nitrided component excellent not only in wear resistance but also in rotational flex life and a method of manufacturing the same, and to provide a continuously variable transmission (CVT), a camshaft component and the like which are excellent in terms of wear resistance and reverse bending strength are particularly excellent.

BezugszeichenlisteReference List

11
Gasweichnitrierbehandeltes Bauteil (Bauteil)Gas-soft nitrided component (component)
1111
Stahlkern (Stahl)steel core (steel)
1212
Verbundschichtcomposite layer
1313
Stickstoffdiffusionsschicht (Diffusionsschicht)Nitrogen diffusion layer (diffusion layer)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • WO 2016153009 [0012]WO 2016153009 [0012]
  • WO 2019098340 [0012]WO 2019098340 [0012]
  • WO 2018066666 [0012]WO 2018066666 [0012]

Claims (6)

Gasweichnitrierbehandeltes Bauteil, umfassend: einen Stahlkern; eine Verbundschicht; und eine Stickstoffdiffusionsschicht, die sich zwischen dem Stahlkern und der Verbundschicht befindet, wobei der Stahlkern als Zusammensetzung in Masse-% enthält, C: 0,05% bis 0,60%; Si: 0,05% bis 1,50%; Mn: 0,20 % bis 2,50%; P: 0,025% oder weniger; S: 0,050% oder weniger; Cr: 0,50% bis 2,50%; V: 0,05% bis 1,30%; Al: 0,050% oder weniger; N: 0,0250% oder weniger; und ein Rest, der Fe und eine Verunreinigung aufweist, die Mengen an C, Mn, Cr, V und Mo in der Zusammensetzung des Stahlkerns der Formel (1) genügen, eine Dicke der Verbundschicht 3 bis 20 µm beträgt, die Verbundschicht mehr als 50% einer ε-Phase, bezogen auf ein Flächenverhältnis, und einen Rest einer γ'-Phase enthält, und ein Porositätsflächenanteil in einem Bereich von einer Oberfläche der Verbundschicht bis zu einer Tiefe von 3 µm weniger als 12% beträgt, 0,00 2,1 × C + 0 ,04 × Mn + 0 ,5 × Cr + 1 ,8 × V 1 ,5 × Mo 0 ,50
Figure DE112020006870T5_0014
hier geben die Elementsymbole in Formel (1) die Mengen (Masse-%) der entsprechenden Elemente an, und Null wird zugewiesen, wenn die Elemente nicht enthalten sind.
A gas-soft nitriding-treated member comprising: a steel core; a composite layer; and a nitrogen diffusion layer located between the steel core and the composite layer, wherein the steel core contains, as a composition in % by mass, C: 0.05% to 0.60%; Si: 0.05% to 1.50%; Mn: 0.20% to 2.50%; P: 0.025% or less; S: 0.050% or less; Cr: 0.50% to 2.50%; V: 0.05% to 1.30%; Al: 0.050% or less; N: 0.0250% or less; and a balance comprising Fe and an impurity, the amounts of C, Mn, Cr, V and Mo in the composition of the steel core satisfy the formula (1), a thickness of the compound layer is 3 to 20 µm, the compound layer is more than 50 % of a ε phase in terms of an area ratio and a balance of a γ' phase, and a porosity area ratio in a range from a surface of the composite layer to a depth of 3 µm is less than 12%, 0.00 2.1 × C + 0 ,04 × Mn + 0 ,5 × Cr + 1 ,8th × V 1 ,5 × Mon 0 ,50
Figure DE112020006870T5_0014
here, the element symbols in formula (1) indicate the amounts (mass%) of the respective elements, and zero is assigned when the elements are not included.
Gasweichnitrierbehandeltes Bauteil, nach Anspruch 1, wobei der Stahlkern als Zusammensetzung in Masse-% enthält: C: 0,05% bis 0,60%; Si: 0,05% bis 1,50%; Mn: 0,20% bis 2,50%; P: 0,025% oder weniger; S: 0,050% oder weniger; Cr: 0,50% bis 2,50%; V: 0,05% bis 1,30%; Al: 0,050% oder weniger; N: 0,0250% oder weniger; Mo: 0% bis 1,50%; Cu: 0% bis 1,00%; Ni: 0% bis 1,00%; W: 0% bis 0,50%; Co: 0% bis 0,50%; Nb: 0% bis 0,300%; Ti: 0% bis 0,250%; B: 0% bis 0,0100%; Ca: 0% bis 0,010%; Mg: 0% bis 0,010%; REM: 0% bis 0,010%; und der Rest bestehend aus Fe und einer Verunreinigung.Component treated with gas soft nitriding, according to claim 1 , wherein the steel core contains as a composition in mass %: C: 0.05% to 0.60%; Si: 0.05% to 1.50%; Mn: 0.20% to 2.50%; P: 0.025% or less; S: 0.050% or less; Cr: 0.50% to 2.50%; V: 0.05% to 1.30%; Al: 0.050% or less; N: 0.0250% or less; Mon: 0% to 1.50%; Cu: 0% to 1.00%; Ni: 0% to 1.00%; W: 0% to 0.50%; Co: 0% to 0.50%; Nb: 0% to 0.300%; Ti: 0% to 0.250%; B: 0% to 0.0100%; Ca: 0% to 0.010%; Mg: 0% to 0.010%; REM: 0% to 0.010%; and the balance consisting of Fe and an impurity. Gasweichnitrierbehandeltes Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei in der Zusammensetzung des Stahlkerns, C 0,05% bis 0,35% beträgt.Component treated with gas soft nitriding claim 1 or 2 , where in the composition of the steel core, C is 0.05% to 0.35%. Gasweichnitrierbehandeltes Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verbundschicht 90% oder weniger der ε-Phase, bezogen auf das Flächenverhältnis, enthält.Gas soft nitrided component according to one of Claims 1 until 3 , wherein the composite layer contains 90% or less of the ε phase in terms of area ratio. Gasweichnitrierbehandeltes Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dicke der Verbundschicht 6 µm oder mehr beträgt.Gas soft nitrided component according to one of Claims 1 until 4 , wherein the thickness of the compound layer is 6 µm or more. Herstellungsverfahren des gasweichnitrierbehandelten Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend: Bearbeiten eines Stahlmaterials mit der Zusammensetzung des Stahlkerns nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in eine vorbestimmte Form, um einen Rohformstahl zu erhalten; und Durchführen einer Gasweichnitrierungsbehandlung an dem Rohformstahl, wobei die Gasweichnitrierungsbehandlung in einer Gasatmosphäre durchgeführt wird, die mindestens eines von CO2, CO und Kohlenwasserstoffgas in einem Aufkohlungsgas-Injektionsanteil, der durch eine Formel (2) dargestellt wird, von 2 Vol.-% oder mehr und weniger als 10 Vol.-%, und einem Rest von NH3, H2, N2 und einem Verunreinigungsgas durch Halten einer Temperatur bei 550°C oder höher und 630°C oder niedriger für 1,0 Stunden oder länger und 7,0 Stunden oder kürzer, in der Gasatmosphäre ein durch Formel (3) erhaltenes Nitrierungspotential KN innerhalb eines Bereichs von 0,15 oder mehr und 0,40 oder weniger liegt, indem die Gasweichnitrierungsbehandlung durchgeführt wird, und ein Durchschnittswert KNave der Nitrierpotentiale KN 0, 18 oder mehr und weniger als 0,30 beträgt, Aufkohlunhsgas Injektionsanteil ( Vol . % ) = Gesamt Injektionsdurchsatz von CO 2 , CO und Kohlenwasserstoffgas  ( 1 / min ) / Gesamt Injektionsflussrate von atmosph a ¨ rischem Gas ( 1 / min ) × 100
Figure DE112020006870T5_0015
K N = ( NH 3 Partialdruck ) / [ ( H 2 Partialdruck ) 3 / 2 ] ( atm 1 / 2 )
Figure DE112020006870T5_0016
Manufacturing process of the gas-soft nitrided component according to one of Claims 1 until 5 comprising: processing a steel material having the composition of the steel core according to any one of Claims 1 until 3 into a predetermined shape to obtain a rough shape steel; and performing a gas soft nitriding treatment on the raw shape steel, wherein the gas soft nitriding treatment is performed in a gas atmosphere containing at least one of CO 2 , CO and hydrocarbon gas in a carburizing gas injection proportion represented by a formula (2) of 2% by volume or more and less than 10 vol .0 hours or shorter, in the gas atmosphere, a nitriding potential K N obtained by formula (3) is within a range of 0.15 or more and 0.40 or less by performing the gas soft nitriding treatment, and an average value K Nave of the nitriding potentials K N is 0.18 or more and less than 0.30, carburizing gas injection proportion ( volume . % ) = In total injection throughput of CO 2 , CO and hydrocarbon gas ( 1 / at least ) / In total injection flow rate of atmosph a ¨ ric gas ( 1 / at least ) × 100
Figure DE112020006870T5_0015
K N = ( NH 3 partial pressure ) / [ ( H 2 partial pressure ) 3 / 2 ] ( atm 1 / 2 )
Figure DE112020006870T5_0016
DE112020006870.6T 2020-03-11 2020-03-11 GAS SOFT NITRIDING-TREATED COMPONENT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF Pending DE112020006870T5 (en)

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