JP2000008141A - Non-heat treated soft-nitrided steel forged parts and production thereof - Google Patents

Non-heat treated soft-nitrided steel forged parts and production thereof

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JP2000008141A
JP2000008141A JP10175744A JP17574498A JP2000008141A JP 2000008141 A JP2000008141 A JP 2000008141A JP 10175744 A JP10175744 A JP 10175744A JP 17574498 A JP17574498 A JP 17574498A JP 2000008141 A JP2000008141 A JP 2000008141A
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Japan
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steel
heat treated
forged
bending
nitriding
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JP10175744A
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Japanese (ja)
Inventor
Masato Kurita
真人 栗田
Koji Watari
宏二 渡里
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To produce non-heat treated soft-nitrided steel forged parts excellent in fatigue strength and bending straightenability after nitriding treatment. SOLUTION: These non-heat treated soft-nitrided steel forged parts have a chemical compsn. contg., by weight, 0.02 to 0.30% C, 1.0 to 2.0% Mn, <=0.10% P, 0 to 0.15% Cr, 0 to 0.01% sol.Al, <=0.02% Ti, 0.010 to 0.030% N and 0 to 0.02% V with inevitable impurity elements. For improving the machinability thereof, one or more kinds of elements among 0.04 to 0.10% S, 0.0003 to 0.0030% Ca and 0.05 to 0.20% Pb may be incorporated therein. This steel is forged, is, if required, subjected to machining as non-heat treated, is thereafter subjected to nitriding treatment and is, if required, subjected to bending straightening.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、鍛造後の焼入れ焼
もどしや焼ならしなどの調質処理を行わない、高い疲労
強度および優れた曲げ矯正性をもつ非調質軟窒化鋼鍛造
部品およびその製造方法に関する。本発明はとくに、自
動車エンジン等に使用されるクランク軸用途に好適であ
る。
[0001] The present invention relates to a non-heat treated soft nitrided steel forged part having high fatigue strength and excellent bending straightening property, which is not subjected to a tempering treatment such as quenching and tempering or normalizing after forging. It relates to the manufacturing method. The present invention is particularly suitable for a crankshaft used for an automobile engine or the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】高い疲労強度が要求される鋼鍛造部品、
例えば自動車エンジン用のクランク軸では、鍛造、機械
加工後に高周波焼入れや軟窒化処理などの表面強化の処
理を行うことが多い。軟窒化処理は疲労強度向上の点で
は高周波焼入れに若干劣るものの表面に硬質の化合物層
が生成し、耐焼付き性や耐かじり性の点では著しく優れ
るため、軟窒化処理が多用される。軟窒化処理とは、窒
化層がもろくならず、適度の軟らかさと靭性を有するも
のである。以下の説明では、軟窒化処理を単に窒化処理
ともいう。
2. Description of the Related Art Forged steel parts requiring high fatigue strength,
For example, a crankshaft for an automobile engine is often subjected to a surface strengthening process such as induction hardening or soft nitriding after forging and machining. Soft nitriding is slightly inferior to induction hardening in terms of improvement in fatigue strength, but forms a hard compound layer on the surface and is extremely excellent in seizure resistance and galling resistance. Therefore, soft nitriding is often used. The nitrocarburizing treatment is one in which the nitrided layer does not become brittle and has appropriate softness and toughness. In the following description, the nitrocarburizing treatment is simply referred to as nitriding treatment.

【0003】図1は、調質鋼および非調質鋼の軟窒化鍛
造部品の製造法を示す工程図であり、同図(a) は調質鋼
の場合、同図(b) は非調質鋼の場合である。同図(a) に
示すように、調質鋼では鋼片は熱間鍛造後、放冷(非図
示)され、調質処理により金属組織形態が調整されるの
に対し、同図(b) では、鋼片は鍛造のままの組織であ
る。次いで、窒化処理を行う。ただし、同図に示すよう
に、クランク軸のような機械加工が必要な鍛造部品の場
合、窒化処理後では表面が硬化し、機械加工が困難なた
め窒化処理前に機械加工を行う。窒化処理後の鍛造部品
には曲がりが生じる場合があり、必要に応じ適当な曲げ
矯正を行って製品とする。
FIG. 1 is a process chart showing a method for producing a soft-nitrided forged part of a tempered steel and a non-tempered steel. FIG. 1 (a) shows a case of a tempered steel, and FIG. This is the case for high quality steel. As shown in Fig. 5 (a), in the case of tempered steel, the billet is left to cool (not shown) after hot forging, and the metal structure is adjusted by tempering treatment. Then, the billet is an as-forged structure. Next, a nitriding treatment is performed. However, as shown in the figure, in the case of a forged part that requires machining, such as a crankshaft, the surface is hardened after nitriding and machining is difficult, so machining is performed before nitriding. In some cases, the forged part after the nitriding treatment may be bent, and the product is subjected to appropriate bending correction as necessary.

【0004】近年、コスト削減や生産リードタイムの縮
小のために、図1(b) に示す非調質化が多くの軟窒化鍛
造部品に対して検討されており、クランク軸でも同様で
ある。しかしながら、調質処理を省略することによって
一部の性能が劣化することあり、このために非調質化で
きない軟窒化鍛造部品もある。
In recent years, non-heat treatment shown in FIG. 1 (b) has been studied for many nitrocarburized forged parts for cost reduction and production lead time reduction, and the same applies to crankshafts. However, some performance may be degraded by omitting the temper treatment, and therefore, there are some nitrocarburized forged parts that cannot be non-heat treated.

【0005】性能劣化の一つには、疲労強度の問題があ
る。鍛造後に調質処理を行わずに窒化処理を施した部品
(以下、非調質軟窒化鋼という)の疲労限度は、同一組
成の鋼を鍛造後に調質処理を行って窒化処理を施した部
品(以下、調質軟窒化鋼と呼ぶ)のそれよりも低い。
One of the performance degradations is the problem of fatigue strength. The fatigue limit of parts that have been subjected to nitriding without tempering after forging (hereinafter referred to as non-tempered nitrocarburized steel) is the parts that have been subjected to tempering after tempering after forging steel of the same composition. (Hereinafter referred to as tempered nitrocarburized steel).

【0006】第二には、曲げ矯正性の問題がある。窒化
処理によって鍛造部品が変形し、これを曲げ矯正しなけ
ればならないことがある。曲げ矯正時には大きなき裂を
生じることがあり、き裂が発生する限界のひずみ量(以
後、曲げ矯正可能ひずみ量と呼ぶ)は非調質軟窒化鋼の
場合、調質軟窒化鋼の場合よりも小さい。
[0006] Second, there is a problem of bend straightening. The nitriding process may deform the forged part, which must be straightened. A large crack may be generated during bending straightening, and the limit amount of strain at which cracking occurs (hereinafter referred to as the amount of strain that can be straightened) is greater for non-tempered nitrocarburized steel than for tempered nitrocarburized steel. Is also small.

【0007】一般に、曲げ矯正可能ひずみ量が小さいほ
ど、部品の疲労限度も低くなる。とくにクランク軸の製
造では窒化処理後に曲げ矯正を行うことが多いので、非
調質軟窒化鋼の適用が困難である。
Generally, the smaller the amount of strain that can be bent, the lower the fatigue limit of the part. In particular, in the manufacture of crankshafts, bending correction is often performed after nitriding treatment, so that it is difficult to apply non-heat-treated nitrocarburized steel.

【0008】これまで、析出硬化元素を高濃度に添加す
ることによって、調質処理も窒化処理も施さずに鍛造の
ままで高い疲労限度を得る発明がなされた。
Heretofore, an invention has been made to obtain a high fatigue limit in a forged state without adding a tempering treatment or a nitriding treatment by adding a precipitation hardening element in a high concentration.

【0009】例えば、特開平8−144018号公報に
は、Cr、V、Alを適量添加し、軟窒化処理による表
面硬化を狙うとともに、軟窒化による心材の強度低下を
防止できる鋼材が開示されている。
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-144018 discloses a steel material in which appropriate amounts of Cr, V, and Al are added to aim at surface hardening by nitrocarburizing treatment and to prevent a decrease in the strength of a core material due to nitrocarburizing. I have.

【0010】特開平7−102340号公報には、M
n、S、Ti、Vを適量添加し、MnS、TiN,VN
の複合析出により疲労強度を確保し、鍛造後のフェライ
ト+パーライト組織量を制御し、さらに時効処理を施す
ことによって降伏強度を向上させる方法が開示されてい
る。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-102340 discloses M
n, S, Ti, V are added in appropriate amounts, and MnS, TiN, VN
Discloses a method in which the fatigue strength is ensured by complex precipitation of, the amount of ferrite + pearlite structure after forging is controlled, and the yield strength is improved by further performing aging treatment.

【0011】特開平4−193931号公報には、C、
Vを適量添加し、Si添加を抑制し、フェライト相の脱
炭・硬度低下を防止して、鍛造肌のままで使用できる材
料が開示されている。
[0011] Japanese Patent Application Laid-Open No. 193931/1992 discloses C,
There is disclosed a material which can be used as forged skin by adding an appropriate amount of V, suppressing the addition of Si, preventing decarburization of the ferrite phase and preventing a decrease in hardness.

【0012】これらはいずれも強力な析出硬化元素であ
るバナジウム(V)を高濃度に含有した鋼であり、高価
である。また、耐焼付き性などが問題になる場合は、こ
れらの高V鋼に軟窒化処理を施さなければならないが、
このとき窒化処理後の高V鋼の曲げ矯正性は後述する実
施例で示すように、きわめて劣るものとなる。また、こ
れらの公報には、疲労限度および曲げ矯正性を同時に改
善する試みはなされていない。
[0012] These are steels containing a high concentration of vanadium (V), which is a strong precipitation hardening element, and are expensive. If seizure resistance or the like becomes a problem, these high-V steels must be soft-nitrided.
At this time, the bending straightness of the high-V steel after the nitriding treatment is extremely poor as shown in the examples described later. Further, these publications do not attempt to simultaneously improve the fatigue limit and the bending straightness.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、鍛造
後の調質なしに、窒化処理後の曲げ矯正時に発生するき
裂がないか、またはき裂が発生する限界のひずみ量が高
く、かつ疲労限度の高い鋼鍛造部品およびその製造方法
を提供することにある。具体的には、焼準処理を行った
代表的なS48C鋼軟窒化調質クランク軸以上の性能、
すなわち疲労限度および曲げ矯正性(曲げ矯正可能ひず
み量)を同時に達成することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a steel sheet without forging after tempering, without any cracks occurring at the time of bending correction after nitriding treatment, or a high strain amount at which cracks occur. Another object of the present invention is to provide a forged steel part having a high fatigue limit and a method of manufacturing the same. Specifically, the performance of a typical S48C steel soft-nitrided tempered crankshaft that has been subjected to normalizing treatment,
That is, it is to simultaneously achieve the fatigue limit and the bending straightness (the amount of strain that can be bent).

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】一般に、窒化処理によっ
て形成される窒化層は、最表面の化合物層とその下の拡
散層からなる。非調質軟窒化鋼で疲労破壊が発生する起
点は、拡散層内あるいは拡散層と母材の境界部であり、
また曲げ矯正で問題となるき裂は拡散層でのき裂であ
る。いずれも拡散層の性質が前記の性能を決めることを
示している。以下の説明で「表面」というとき、化合物
層を除いた拡散層の表面側をいうものとする。
In general, a nitrided layer formed by a nitriding treatment comprises a compound layer on the outermost surface and a diffusion layer thereunder. The starting point where fatigue fracture occurs in non-heat treated nitrocarburized steel is within the diffusion layer or at the boundary between the diffusion layer and the base metal,
A crack that is a problem in straightening is a crack in the diffusion layer. Both show that the properties of the diffusion layer determine the performance. In the following description, “surface” refers to the surface side of the diffusion layer excluding the compound layer.

【0015】(a) 非調質軟窒化鋼の疲労限度が低い原因
は以下による。 拡散層と母材部の境界付近には、非調質軟窒化鋼では高
い引張応力が残留している。この引張残留応力が疲労破
壊の起点になる。
(A) The reason why the fatigue limit of the non-heat treated nitrocarburized steel is low is as follows. In the vicinity of the boundary between the diffusion layer and the base material, high tensile stress remains in the non-heat-treated nitrocarburized steel. This tensile residual stress becomes the starting point of fatigue fracture.

【0016】非調質軟窒化鋼では析出硬化元素を含まな
い鋼であっても、硬さは表面で著しく高くなり、内部に
向かって急勾配で低下する。このために、表面には高い
圧縮残留応力が発生するが、母材の境界付近ではそれと
均衡する引張残留応力が生ずると推測される。
In the case of non-tempered nitrocarburized steel, even if the steel does not contain any precipitation hardening element, the hardness is significantly increased on the surface and decreases steeply toward the inside. For this reason, a high compressive residual stress is generated on the surface, but it is presumed that a tensile residual stress is generated near the boundary of the base material, which is balanced with it.

【0017】このように母材の境界付近で引張残留応力
が高くなるのは、表面のみ硬さが著しく高く、かつ硬化
層深さが小さいことから来ているものと推定される。こ
のことは外部から入った窒素が内部に入りにくく表面に
とどまっていることを意味する。この原因を窒化処理時
の窒素の拡散挙動から見ると、下記のように考えられ
る。
It is presumed that the reason why the tensile residual stress increases near the boundary of the base material is that the hardness of only the surface is extremely high and the depth of the hardened layer is small. This means that nitrogen entering from the outside hardly enters the inside and stays on the surface. From the viewpoint of the diffusion behavior of nitrogen during nitriding, the cause is considered as follows.

【0018】非調質鋼は、1100℃以上に加熱後10
00℃以上で鍛造を終了し、そのまま放冷するので、そ
の組織は巨大な旧オ−ステナイト粒界に沿った薄いネッ
ト状フェライトと、残りの部分のパ−ライトから構成さ
れる。これに対して、調質鋼の組織は、微細なオ−ステ
ナイトから変態した、微細なフェライトとパ−ライトの
混合組織(焼準の場合)、またはきわめて微細なラス構
造と炭化物からなるマルテンサイトまたはベイナイト組
織(焼入れ焼戻しの場合)のいずれかである。また、非
調質鋼のフェライト体積率は、焼準した鋼のそれに比較
して小さい。これは、非調質鋼のオ−ステナイト粒径が
大きい分だけ焼入れ性が大きく、フェライト変態が抑制
されているためである。
Non-heat treated steel is heated to 1100 ° C.
Since the forging is completed at a temperature of 00 ° C. or more and the mixture is left to cool as it is, the structure thereof is composed of a thin net-like ferrite along a giant old austenite grain boundary and the remaining pearlite. On the other hand, the structure of the tempered steel is a mixed structure of fine ferrite and pearlite (in the case of normalization) transformed from fine austenite, or martensite composed of extremely fine lath structure and carbide. Or bainite structure (in the case of quenching and tempering). The ferrite volume fraction of the non-heat treated steel is smaller than that of the normalized steel. This is because the hardenability is large due to the large austenite grain size of the non-heat treated steel, and the ferrite transformation is suppressed.

【0019】窒化処理を行うとき、窒素の拡散速度はフ
ェライト中では大きく、パ−ライト中では層状セメンタ
イトに拡散を阻害されるために著しく小さい。非調質鋼
ではフェライトが旧オ−ステナイト粒界沿ってネット状
に薄く集中しているために、窒素の内部への拡散はこの
フェライトを通ってしかできない。従って、外部から入
った窒素は内部に入りにくい。これが、非調質鋼で母材
部の境界付近に引張応力が残留する原因と考えられる。
When nitriding, the diffusion rate of nitrogen is high in ferrite and extremely low in pearlite because the diffusion is inhibited by layered cementite. In the non-heat-treated steel, since the ferrite is thinly concentrated in a net shape along the old austenite grain boundary, diffusion of nitrogen into the inside can be performed only through the ferrite. Therefore, nitrogen that has entered from the outside hardly enters the inside. This is considered to be a cause of the tensile stress remaining near the boundary of the base metal part in the non-heat treated steel.

【0020】これに対して、調質処理(焼準処理)を行
った組織では微細なフェライトが粒界に限らず組織全体
に分布しているので、組織全体にわたって拡散経路が存
在する。このために、調質鋼では窒化処理を施すと表面
から内部にまで緩やかな硬度分布ができると推定され
る。
On the other hand, in the structure subjected to the tempering treatment (normalizing treatment), fine ferrite is distributed not only in the grain boundaries but also in the whole structure, so that a diffusion path exists throughout the structure. For this reason, it is presumed that a mild hardness distribution can be formed from the surface to the inside of the tempered steel when the nitriding treatment is performed.

【0021】(b) 非調質軟窒化鋼の曲げ矯正可能ひずみ
量が低下する原因は以下による。 鋼の表面硬さが高いほど曲げ矯正の際、き裂を生じやす
い。しかし、き裂長さは表面硬さだけでは一義的に決ま
らない。
(B) The cause of the decrease in the amount of strain that can be bent in non-tempered nitrocarburized steel is as follows. The higher the surface hardness of steel, the easier it is for cracks to occur during straightening. However, the crack length cannot be uniquely determined only by the surface hardness.

【0022】前述のように、非調質鋼の組織はフェライ
ト変態が抑制された混粒となる。曲げ矯正時に発生する
き裂は、パ−ライト粒を一単位として進展し、粒界のフ
ェライトで停止するため、一旦き裂が発生すると、き裂
長さが大きくなる。
As described above, the structure of the non-heat treated steel is a mixed grain in which the ferrite transformation is suppressed. The crack generated at the time of bending correction propagates as a unit of pearlite grains and stops at ferrite at the grain boundary, so that once a crack occurs, the crack length increases.

【0023】これに対して、調質鋼では、微細なフェラ
イト粒が組織全体に分布しているので、曲げ矯正により
き裂が発生してもさほど進展しないと考えられる。
On the other hand, in the tempered steel, since fine ferrite grains are distributed throughout the structure, it is considered that even if a crack is generated by bending correction, the crack does not progress much.

【0024】以上をまとめると、非調質鋼の窒化処理の
問題は、(a) 硬化層深さが小さいことが、疲労強度低下
の原因となる、(b) 窒化処理後の表面硬さを上昇させる
と、曲げ矯正性を悪化させる、ことに集約される。
Summarizing the above, the problems of the nitriding treatment of the non-heat treated steel are as follows: (a) the small depth of the hardened layer causes the deterioration of the fatigue strength; and (b) the surface hardness after the nitriding treatment. When it is raised, it deteriorates the bend straightening ability, and it is concentrated.

【0025】従って、非調質軟窒化鋼ではき裂起点とな
る境界部の高い引張残留応力を低減するには、母材を窒
素原子が拡散しやすい組織とし、硬さ勾配をなだらかに
することと、窒化によって表面を過度に硬化させないこ
とが必要である。
Therefore, in order to reduce the high tensile residual stress at the boundary which becomes the crack initiation point in the non-heat-treated nitrocarburized steel, the base metal should have a structure in which nitrogen atoms are easily diffused and the hardness gradient should be gentle. It is necessary that the surface is not excessively hardened by nitriding.

【0026】そこで、具体的に組織等を改善する方法を
確認するために、本発明者らは以下の実験を行った。
Therefore, the present inventors conducted the following experiment in order to specifically confirm a method for improving a tissue or the like.

【0027】C:0.05%C、Mn:1.4%、N:
0.017%、Ti:0.008%を有する低中炭素鋼
を基本組成として、各種元素の含有量を変えた22鋼種
を溶製し、素材棒鋼を作成した。
C: 0.05% C, Mn: 1.4%, N:
Based on a low-medium carbon steel having 0.017% and Ti: 0.008% as a basic composition, 22 steels with various contents of various elements were melted to prepare a raw steel bar.

【0028】図2は上記の素材棒鋼をクランク軸を模擬
して鍛造し、機械加工した試験片を示す概要図である。
FIG. 2 is a schematic view showing a test piece obtained by forging the above-mentioned material steel bar to simulate a crankshaft and machined.

【0029】表1に上記の22種類の鋼の一覧表を示
す。表1の最上欄の鋼X1が基本組成である。これに対
して鋼X2以下の鋼はC、Mn、P、Cr、Ti、N、
Vの影響を知るための組成の鋼である。
Table 1 shows a list of the above 22 types of steel. Steel X1 in the uppermost column of Table 1 is the basic composition. On the other hand, steels of steel X2 or less are C, Mn, P, Cr, Ti, N,
It is a steel with a composition for knowing the effect of V.

【0030】[0030]

【表1】 [Table 1]

【0031】これら実験室溶製による素材棒鋼を120
0℃に加熱、熱間鍛造し自然空冷し、調質処理を行うこ
となく試験片に加工し、ガス窒化処理(RXガス:NH
3 =1:1の雰囲気中で570℃に3時間保持した後に
油冷)を施した。ここでRXガスとは、CO、N2 、H
2 からなる浸炭性を持つ吸熱性ガスである。
The raw steel bars produced by these laboratory melts were used for 120
Heated to 0 ° C., hot forged, air-cooled, processed into test pieces without tempering, and gas-nitrided (RX gas: NH
After maintaining at 570 ° C. for 3 hours in an atmosphere of 3 = 1: 1, oil cooling was performed. Here, the RX gas is CO, N 2 , H
It is an endothermic gas with carburizing properties consisting of 2 .

【0032】なお比較用のクランク軸用調質鋼として一
般に用いられるS48C鋼を鍛造した後、焼準処理(8
60℃に再加熱し15分間保持後に空冷)を行い、同じ
試験片に加工し、同じ窒化処理を施した。これらの窒化
処理後の試験片について、疲労試験および曲げ試験を行
った。
After forging S48C steel which is generally used as a tempered steel for crankshafts for comparison, normalizing treatment (8
After reheating to 60 ° C. and holding for 15 minutes, the mixture was air-cooled), processed into the same test piece, and subjected to the same nitriding treatment. A fatigue test and a bending test were performed on the test pieces after the nitriding treatment.

【0033】疲労試験は室温で、図2に示す試験片のジ
ャーナル部端部およびピン部中央部を支持した3点曲げ
にて荷重制御両振りにて繰返し速度5Hzで実施し、破
断繰返し数が107 回となる応力振幅を疲労限度と定義
した。ここでの応力は、疲労き裂が発生するピン部フィ
レットR部での応力であり、長さ1mmのひずみゲージ
による測定値から換算したものである。
The fatigue test was carried out at room temperature at a repetition rate of 5 Hz by a load control swing with a three-point bending supporting the end of the journal and the center of the pin shown in FIG. the stress amplitude of 10 7 times was defined as the fatigue limit. The stress here is the stress at the pin fillet R where a fatigue crack occurs, and is converted from a value measured by a strain gauge having a length of 1 mm.

【0034】一方、曲げ矯正性は同試験片による静的曲
げ試験により評価した。疲労試験時にひずみゲージを貼
付した場所と同一の場所にひずみゲージを貼付し、室温
にて曲げを負荷し、ひずみゲージの断線をき裂の発生と
見なし、その時のひずみ量を曲げ矯正可能ひずみ量とし
た。曲げ矯正可能ひずみ量はばらつきが大きいため、1
鋼種につき4回の試験を行いその平均値で評価した。
On the other hand, the bending straightness was evaluated by a static bending test using the same test piece. Attach the strain gauge to the same place where the strain gauge was attached at the time of the fatigue test, apply bending at room temperature, consider the disconnection of the strain gauge as the occurrence of a crack, and calculate the amount of strain at that time to be able to correct the bending. And Since the amount of strain that can be bent is large, 1
Four tests were performed for each steel type, and the average was evaluated.

【0035】図3は、疲労限度および曲げ矯正可能ひず
み量に及ぼすC、Mn、P、Cr、Ti、N、Vの影響
を示したグラフである。同図の中に、前記S48C鋼の
焼準材の疲労限度および曲げ矯正可能ひずみ量を目安と
して示す。
FIG. 3 is a graph showing the influence of C, Mn, P, Cr, Ti, N and V on the fatigue limit and the amount of strain that can be bent. In the same figure, the fatigue limit and the amount of strain that can be bent and corrected for the normalized material of the S48C steel are shown as a guide.

【0036】これらの結果および組織の観察から、疲労
強度、曲げ矯正性を改善するために、つぎのことが必要
であることがわかった。
From these results and the observation of the structure, it was found that the following was necessary in order to improve the fatigue strength and the bending straightness.

【0037】微量Tiによって鍛造加熱時のオ−ステナ
イト粒成長を抑制する。C含有量低減によってフェライ
トの粒内粒界にわたって均一分布させる。TiおよびA
l含有量の抑制によって固溶窒素量を確保し、疲労限度
を向上させる。V、Cr、Alの制限によって窒化後の
過度の表面硬さを抑制する。P、Mn、N含有量増加に
よって疲労限度を向上させる。
A small amount of Ti suppresses austenite grain growth during forging heating. By reducing the C content, the ferrite is uniformly distributed over the intragranular grain boundaries. Ti and A
By suppressing the l content, the amount of dissolved nitrogen is secured and the fatigue limit is improved. By limiting V, Cr and Al, excessive surface hardness after nitriding is suppressed. The fatigue limit is improved by increasing the contents of P, Mn, and N.

【0038】本発明は、上記の知見に基づいて完成され
たもので、下記の(1) 〜(3) を要旨とする。
The present invention has been completed based on the above findings and has the following (1) to (3).

【0039】(1) 化学組成が重量%で、C:0.02〜
0.30%、Mn:1.0〜2.0%、P:0.10%
以下、Cr:0〜0.15%、sol.Al:0〜0.
01%、Ti:0.02%以下、N:0.010〜0.
030%、V:0〜0.02%を含有し、不可避不純物
元素を含有することを特徴とする非調質軟窒化鋼鍛造部
品。
(1) Chemical composition in weight%, C: 0.02 to
0.30%, Mn: 1.0 to 2.0%, P: 0.10%
Hereinafter, Cr: 0 to 0.15%, sol. Al: 0-0.
01%, Ti: 0.02% or less, N: 0.010-0.
030%, V: 0 to 0.02%, and an unavoidable impurity element is contained.

【0040】(2) 前記(1) 項に記載の非調質軟窒化鋼鍛
造部品の化学組成が、さらにS:0.04〜0.10
%、Ca:0.0003〜0.0030%、Pb:0.
05〜0.20%のうち1種以上の元素を含有すること
を特徴とする非調質軟窒化鋼鍛造部品。
(2) The chemical composition of the forged non-heat treated nitrocarburized steel according to the above item (1) further includes S: 0.04 to 0.10.
%, Ca: 0.0003 to 0.0030%, Pb: 0.
A non-heat treated nitrocarburized steel forged part containing one or more elements of from 0.05 to 0.20%.

【0041】(3) 化学組成が重量%で、C:0.02〜
0.30%、Mn:1.0〜2.0%、P:0.10%
以下、Cr:0〜0.15%、sol.Al:0〜0.
01%、Ti:0.02%以下、N:0.010〜0.
030%、V:0〜0.02%を含有し、不可避不純物
元素を含有する鋼片を熱間鍛造後、放冷し、その後調質
処理することなく、軟窒化処理を行うことを特徴とする
非調質軟窒化鋼鍛造部品の製造方法。
(3) Chemical composition in weight%, C: 0.02 to
0.30%, Mn: 1.0 to 2.0%, P: 0.10%
Hereinafter, Cr: 0 to 0.15%, sol. Al: 0-0.
01%, Ti: 0.02% or less, N: 0.010-0.
030%, V: 0 to 0.02%, and after hot forging a steel slab containing an unavoidable impurity element, it is allowed to cool and then subjected to a soft nitriding treatment without a tempering treatment. To produce a non-heat treated soft nitrided steel forged part.

【0042】[0042]

【発明の実施の形態】本発明の各構成元素の作用および
各元素の濃度を限定した理由は次の通りである。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The action of each constituent element of the present invention and the reason for limiting the concentration of each element are as follows.

【0043】C:0.02〜0.30%、Cが過大であ
ると、パーライトの体積率は増加し、その結果曲げ矯正
性は劣化する。また疲労限度もむしろ低下する傾向にあ
る。従って上限を0.30%とした。しかし、フェライ
トの固溶強化元素としてのCは疲労強度の確保のため重
要であり、そのためには室温での固溶限、あるいは安全
を見てそれ以上の添加が必要である。そこで添加量の下
限を0.02%とした。好適範囲は0.05〜0.30
%である。
C: 0.02 to 0.30%, and when C is excessive, the volume ratio of pearlite increases, and as a result, the bending correctability deteriorates. Also, the fatigue limit tends to decrease. Therefore, the upper limit is set to 0.30%. However, C as a solid solution strengthening element for ferrite is important for securing fatigue strength, and for that purpose, it is necessary to add a solid solution limit at room temperature or more in view of safety. Therefore, the lower limit of the addition amount is set to 0.02%. The preferred range is 0.05 to 0.30
%.

【0044】Mn:1.0〜2.0%、Mnは、疲労限
度改善のために効果的な元素である。そのため、下限は
1.0%としなければならない。しかし、2.0%を超
えて過剰に添加するとパーライトの体積率を増加させる
ため曲げ矯正性が低下する。そこでMn含有量は1.0
〜2.0%とする。好適範囲は1.0〜1.6%であ
る。
Mn: 1.0 to 2.0%, Mn is an element effective for improving the fatigue limit. Therefore, the lower limit must be 1.0%. However, if it is added in excess of 2.0%, the volume percentage of pearlite is increased, and the bending straightening property is reduced. Therefore, the Mn content is 1.0
To 2.0%. The preferred range is 1.0-1.6%.

【0045】P:0.10%以下、Pは疲労限度改善の
ために効果的な元素である。しかしながら同時に衝撃値
および破壊靭性値を低下させ、曲げ矯正性を劣化させる
ため、両者のバランスを考慮して添加量を決めるべきで
ある。ただし多量に含有すると疲労限度向上の割には曲
げ矯正性の劣化が大きいので、上限を0.10%以下と
した。好ましくは0.08%以下である。下限は脱Pコ
スト等からみて、0.01%とするのが好ましい。
P: 0.10% or less, P is an element effective for improving the fatigue limit. However, at the same time, the impact value and the fracture toughness value are reduced, and the bending correctability is deteriorated. Therefore, the addition amount should be determined in consideration of the balance between the two. However, if contained in a large amount, the bending straightening property is greatly deteriorated in spite of the improvement of the fatigue limit, so the upper limit was made 0.10% or less. Preferably it is 0.08% or less. The lower limit is preferably set to 0.01% in view of the cost for removing P and the like.

【0046】Cr:0〜0.15%、Crは含有しない
ことが望ましい。Crを含有すると窒化処理により窒化
物を生成し表面の硬さを高め、曲げ矯正性を劣化させる
ためである。しかし、その含有量を0.15%以下にす
るには精錬コストが大幅に増大するので、0.15%ま
での含有量は許容することとする。好ましくは0.07
%以下である。
Cr: 0 to 0.15%, desirably does not contain Cr. This is because when Cr is contained, nitrides are generated by nitriding treatment to increase the hardness of the surface and deteriorate the bending straightness. However, reducing the content to 0.15% or less greatly increases the refining cost. Therefore, the content up to 0.15% is allowed. Preferably 0.07
% Or less.

【0047】sol.Al:0〜0.01%、Alは一
般には鋼の脱酸剤として有効な元素である。しかし、鍛
造部品においては、通常レベルの含有量であってもAl
は窒素をAlNとして固定して固溶窒素を少なくするこ
とにより、疲労限度を低下させ、また窒化処理により表
面を硬化させ曲げ矯正性を劣化させるという好ましくな
い作用を持つ。したがってsol.Alは不純物として
極力少なくすることが望ましい。脱酸のためにAlを添
加してもその含有量は最小限にとどめるべきである。し
たがってsol.Alとしての含有量を0.01%以下
とした。好ましくは0.005%以下である。
Sol. Al: 0 to 0.01%, Al is an element generally effective as a deoxidizing agent for steel. However, in forged parts, even at a normal level of content,
Has an undesired effect of lowering the fatigue limit by fixing nitrogen as AlN to reduce solid solution nitrogen and hardening the surface by nitriding treatment to deteriorate bending straightness. Therefore, sol. It is desirable that Al be minimized as an impurity. Even if Al is added for deoxidation, its content should be kept to a minimum. Therefore, sol. The content as Al was set to 0.01% or less. Preferably it is 0.005% or less.

【0048】Ti:0.02%以下、微量のTiは鍛造
前加熱時のオ−ステナイト粒成長の抑制により、フェラ
イトパ−ライト組織を微細化する。その結果、非調質鋼
の組織を焼準のそれに近づけることができ、曲げ矯正時
に発生するき裂を小さくすることができる。しかしなが
ら添加量の増加とともに鋼中の固溶Nが減少し疲労限度
が低下する。従って、上限値を0.02%とする。な
お、フェライト体積率が高い成分系では微細化による曲
げ矯正性への寄与は小さいので、必ずしもTiの添加は
必要ではない。好適範囲は0.01%以下である。
Ti: 0.02% or less, a trace amount of Ti makes the ferrite pearlite structure fine by suppressing the growth of austenite grains during heating before forging. As a result, the structure of the non-heat-treated steel can be made close to that of the normal steel, and the crack generated at the time of straightening can be reduced. However, as the amount of addition increases, the amount of solute N in steel decreases and the fatigue limit decreases. Therefore, the upper limit is set to 0.02%. In addition, in a component system having a high ferrite volume ratio, the contribution to bending correctability by miniaturization is small, so that addition of Ti is not necessarily required. A preferred range is 0.01% or less.

【0049】N:0.010〜0.030%、Nは疲労
限度向上に有効な元素である。この効果を得るためには
0.010%以上は必要である。しかしながら0.03
0%を超えて含有してもその効果は飽和するとともに曲
げ矯正性が低下するので、0.010〜0.030%と
する。好適範囲は0.012〜0.020%である。
N: 0.010-0.030%, N is an element effective for improving the fatigue limit. To obtain this effect, 0.010% or more is required. However, 0.03
If the content exceeds 0%, the effect is saturated and the bend straightening property is reduced. Therefore, the content is set to 0.010 to 0.030%. The preferred range is 0.012 to 0.020%.

【0050】V:0〜0.02%、Vは不可避不純物と
して混入する以上に添加しない。不可避不純物としても
0.02%以下としなければならない。0.02%を越
えて含有すると、窒化処理後表面硬さが上昇して、曲げ
矯正性が著しく低下するからである。好ましくは0.0
1%以下である。
V: 0 to 0.02%, V is not added beyond mixing as unavoidable impurities. Inevitable impurities must be made 0.02% or less. If the content exceeds 0.02%, the surface hardness after the nitriding treatment increases, and the bend straightening property is significantly reduced. Preferably 0.0
1% or less.

【0051】さらに、被削性が要求される場合には、下
記3元素のうち1種以上を意図的に添加することが望ま
しい。
Further, when machinability is required, it is desirable to intentionally add one or more of the following three elements.

【0052】S:0.04〜0.10%、Sは被削性の
向上に効果があるので0.04%以上は必要である。
0.10%以下とするのはそれを超えると連続鋳造スラ
ブに欠陥を生じるからである。好適範囲は0.04〜
0.07%である。
S: 0.04 to 0.10%. Since S is effective in improving machinability, 0.04% or more is necessary.
The reason for setting the content to 0.10% or less is that if it exceeds this value, a defect occurs in the continuously cast slab. The preferred range is 0.04 to
0.07%.

【0053】Ca:0.0003〜0.0030%、C
aは被削性の向上に効果があるので、0.0003%以
上は必要である。しかし、0.0030%を超えると大
型介在物の混入が避けられないので、0.0003〜
0.0030%とする。好適範囲は0.0010〜0.
0030%である。
Ca: 0.0003-0.0030%, C
Since a is effective for improving machinability, 0.0003% or more is necessary. However, if the content exceeds 0.0030%, the inclusion of large inclusions cannot be avoided.
0.0030%. The preferred range is 0.0010 to 0.00.
0030%.

【0054】Pb:0.05〜0.20%、Pbは被削
性の向上に効果があるので0.05%以上は必要であ
る。しかし過剰に含有すると介在物が多くなり疲労限度
が著しく低下する。そこで0.05〜0.20%とし
た。好適範囲は0.05〜0.16%である。
Pb: 0.05 to 0.20%, Pb is effective for improving machinability, so 0.05% or more is required. However, if it is contained excessively, the amount of inclusions increases and the fatigue limit is remarkably reduced. Therefore, the content is set to 0.05 to 0.20%. The preferred range is 0.05-0.16%.

【0055】なお、鋼材の常用元素としてのSiは脱酸
材として必要であり、特に規定するものではないが、通
常の0.05〜0.60の範囲が好適である。
It should be noted that Si as a common element of steel is necessary as a deoxidizing material and is not particularly limited, but is preferably in the usual range of 0.05 to 0.60.

【0056】つぎに上記の本発明による非調質軟窒化鋼
鍛造部品の製造方法について述べる。本発明の化学組成
の鋼片を加熱し、鍛造加工を行い目的の形状とする。こ
の時の加熱温度は低ければ低いほど好ましいが、その分
プレスの能力が必要となるため、一般的な条件として1
200℃を標準とし、プレスの能力に応じて1150〜
1250℃の範囲で決める。鍛造後は製造コストの点か
ら放冷(空冷)とする。ただし若干の製造時間短縮のた
めに送風等による強制空冷を行ってもなんら問題はな
い。
Next, a method for manufacturing a forged part of a non-heat treated soft nitrided steel according to the present invention will be described. The steel slab having the chemical composition of the present invention is heated and forged to obtain a desired shape. The heating temperature at this time is preferably as low as possible. However, since the pressing ability is required accordingly, as a general condition, 1 is required.
200 ° C as standard, 1150 to 1400 depending on press capacity
Determine in the range of 1250 ° C. After forging, it is allowed to cool (air cooling) in terms of manufacturing cost. However, there is no problem even if forced air cooling by air blowing or the like is performed to slightly shorten the manufacturing time.

【0057】鍛造および必要に応じて機械加工により形
状に整えた後は、焼準または焼入れ焼もどしなどの調質
処理を行う必要はない。
After the shape is formed by forging and, if necessary, machining, it is not necessary to perform a tempering treatment such as normalizing or quenching and tempering.

【0058】次に窒化処理を施す。窒化条件は、例えば
RXガス:アンモニア=1:0.8〜1.2、の気相雰
囲気中で、環境温度570〜600℃、時間60分〜2
40分で窒化処理し、その後直接油冷する。ここでガス
組成比、環境温度および時間を上記のように定めるの
は、耐焼付き性のための適正な化合物層と十分な深さの
拡散層を得るためであり、従来の軟窒化調質クランク軸
の製造方法と特に違いはない。なお、窒化処理方法はガ
ス軟窒化のほか、短時間で処理可能な窒化方法ならいず
れでも可能であり、たとえば塩浴窒化、イオン窒化を行
ってもよい。窒化処理後、曲がり、ひずみの大きい場合
等、必要に応じて、曲げ矯正を行って製品とする。
Next, a nitriding treatment is performed. Nitriding conditions are, for example, in a gaseous atmosphere of RX gas: ammonia = 1: 0.8 to 1.2, an ambient temperature of 570 to 600 ° C., and a time of 60 minutes to 2 hours.
Nitriding is performed for 40 minutes, and then oil cooling is performed directly. The gas composition ratio, ambient temperature and time are determined as described above in order to obtain a proper compound layer for seizure resistance and a diffusion layer having a sufficient depth. There is no particular difference from the shaft manufacturing method. The nitriding method may be any method other than gas soft nitriding, as long as it can be performed in a short time. For example, salt bath nitriding or ion nitriding may be performed. After the nitriding treatment, the product is bent and straightened as necessary, such as when bending or strain is large.

【0059】[0059]

【実施例】表2に、本発明に係る鋼10種類(本発明
例)および比較用の鋼16種類(比較例)の化学組成の
一覧表を示す。
EXAMPLES Table 2 shows a list of chemical compositions of 10 types of steel according to the present invention (Example of the present invention) and 16 types of steel for comparison (Comparative Example).

【0060】[0060]

【表2】 [Table 2]

【0061】これらの鋼50kgを大気中溶解炉で溶製
した後に、1200℃まで加熱し、図2に示すクランク
軸を擬した試験片の粗形状に熱間鍛造した後、放冷し
た。その後、若干の機械加工、ガス窒化処理を施した。
ガス窒化は、ガス比RX:NH3 =1:1の雰囲気中に
試験片を570℃に加熱し180分保持した後、150
℃の油中で油冷した。窒化した各試験体をそのまま各試
験に供した。
After smelting 50 kg of these steels in an air melting furnace, they were heated to 1200 ° C., hot forged into a rough shape of a test piece simulating a crankshaft shown in FIG. 2, and then allowed to cool. After that, some machining and gas nitriding were performed.
In the gas nitriding, the test piece was heated to 570 ° C. in an atmosphere having a gas ratio of RX: NH 3 = 1: 1 and held for 180 minutes.
Oil cooled in oil at ℃. Each nitrided specimen was used for each test as it was.

【0062】疲労試験は前述した方法と同様の方法で実
施し、破断繰返し数が107 回となる応力振幅を疲労限
度と定義した。
The fatigue test was carried out in the same manner as described above, and the stress amplitude at which the number of repetition of breaking was 10 7 was defined as the fatigue limit.

【0063】一方、曲げ矯正性も前述した方法と同様の
方法で評価した。被削性についても全ての鋼に対して工
具寿命の試験を行った。表3に、これら疲労、曲げおよ
び被削性の各試験結果を示す。
On the other hand, the bending straightness was evaluated by the same method as described above. As for machinability, all steels were tested for tool life. Table 3 shows the results of these tests on fatigue, bending and machinability.

【0064】[0064]

【表3】 [Table 3]

【0065】同表に示すように、本発明例の鋼は疲労限
度および曲げ矯正可能ひずみ量の両方において目標値
(S48C鋼を素材とする調質軟窒化鋼鍛造部品相当の
値)を達成している。これに対して比較例の鋼は目標値
の疲労限度と曲げ矯正可能ひずみ量を同時に達成するも
のは存在しない。
As shown in the table, the steel of the present invention achieved the target values (equivalent to tempered nitrocarburized steel forged parts made of S48C steel) in both the fatigue limit and the amount of strain that can be corrected. ing. On the other hand, none of the steels of the comparative examples simultaneously achieve the target values of the fatigue limit and the amount of strain that can be corrected.

【0066】表3の被削性の結果は、S48C鋼にPb
を0.05%添加した鋼に調質処理を行った鍛造部品を
基準とした。これと同等以上の工具寿命となったものを
良好として、○印を付してある。本発明例の鋼のうちP
bを添加したものは、疲労限度と曲げ矯正性を同時に満
たしたうえで良好な被削性をもつことがわかる。
The results of the machinability in Table 3 show that Pb was added to S48C steel.
Was subjected to a tempering treatment on steel to which 0.05% was added. A tool having a tool life equal to or longer than this is regarded as good and is marked with a circle. P of the steel of the present invention example
It can be seen that the one with the addition of b has good machinability while simultaneously satisfying the fatigue limit and bending straightness.

【0067】[0067]

【発明の効果】本発明に係る非調質軟窒化鋼鍛造部品は
熱間鍛造後、調質処理を行わずに軟窒化窒化処理を施し
ても、素材鋼の組織が改善されているため、従来の調質
処理を行った軟窒化鋼鍛造部品と同等以上の優れた疲労
限度および曲げ矯正性を確保できる。調質処理を省略で
きるため、大きなコスト削減が可能である。
According to the forged non-heat-treated nitrocarburized steel component of the present invention, the structure of the material steel is improved even if the nitrocarburized nitro-nitride treatment is performed without performing the temper treatment after hot forging. Excellent fatigue limit and bend straightening property equal to or better than that of conventional tempered nitrocarburized steel forged parts can be secured. Since the refining process can be omitted, a large cost reduction can be achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】調質鋼および非調質鋼の軟窒化鍛造部品の製造
法を示す工程図であり、同図(a) は調質鋼の場合、同図
(b) は非調質鋼の場合である。
FIG. 1 is a process chart showing a method for producing a soft-nitrided forged part of a tempered steel and a non-heat-treated steel, and FIG.
(b) is the case of non-heat treated steel.

【図2】クランク軸を模擬した疲労試験、曲げ矯正試験
の試験片を示す概要図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a test piece for a fatigue test and a bending correction test simulating a crankshaft.

【図3】疲労限度および曲げ矯正可能ひずみ量に及ぼす
C、Mn、P、Cr、Ti、N、Vの影響を示すグラフ
である。
FIG. 3 is a graph showing the effects of C, Mn, P, Cr, Ti, N, and V on the fatigue limit and the amount of strain that can be bent.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C23C 8/38 C23C 8/38 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) C23C 8/38 C23C 8/38

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 化学組成が重量%で、C:0.02〜
0.30%、Mn:1.0〜2.0%、P:0.10%
以下、Cr:0〜0.15%、sol.Al:0〜0.
01%、Ti:0.02%以下、N:0.010〜0.
030%、V:0〜0.02%を含有し、不可避不純物
元素を含有することを特徴とする非調質軟窒化鋼鍛造部
品。
1. The chemical composition in% by weight, C: 0.02 to
0.30%, Mn: 1.0 to 2.0%, P: 0.10%
Hereinafter, Cr: 0 to 0.15%, sol. Al: 0-0.
01%, Ti: 0.02% or less, N: 0.010-0.
030%, V: 0 to 0.02%, and an unavoidable impurity element is contained.
【請求項2】 請求項1に記載の非調質軟窒化鋼鍛造部
品の化学組成が、さらにS:0.04〜0.10%、C
a:0.0003〜0.0030%、Pb:0.05〜
0.20%のうち1種以上の元素を含有することを特徴
とする非調質軟窒化鋼鍛造部品。
2. The chemical composition of the forged non-heat treated nitrocarburized steel according to claim 1, further comprising: S: 0.04 to 0.10%, C
a: 0.0003-0.0030%, Pb: 0.05-
A forged non-heat-treated nitrocarburized steel component containing at least one element of 0.20%.
【請求項3】 化学組成が重量%で、C:0.02〜
0.30%、Mn:1.0〜2.0%、P:0.10%
以下、Cr:0〜0.15%、sol.Al:0〜0.
01%、Ti:0.02%以下、N:0.010〜0.
030%、V:0〜0.02%を含有し、不可避不純物
元素を含有する鋼片を熱間鍛造後、放冷し、その後調質
処理することなく、軟窒化処理を行うことを特徴とする
非調質軟窒化鋼鍛造部品の製造方法。
3. The chemical composition in weight%, C: 0.02
0.30%, Mn: 1.0 to 2.0%, P: 0.10%
Hereinafter, Cr: 0 to 0.15%, sol. Al: 0-0.
01%, Ti: 0.02% or less, N: 0.010-0.
030%, V: 0 to 0.02%, and after hot forging a steel slab containing an unavoidable impurity element, it is allowed to cool and then subjected to a soft nitriding treatment without a tempering treatment. To produce a non-heat treated soft nitrided steel forged part.
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