JP2010070831A - Carbonitrided component made of steel - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbonitrided component made of steel which has excellent bending fatigue strength and surface fatigue strength, and can respond to the requirements of reduction in weight, size and higher stress load of a component. <P>SOLUTION: Regarding the carbonitrided component made of steel, in which the base is composed of steel comprising 0.1 to 0.3% C, 0.05 to 1.5% Si, 0.2 to 1.5% Mn, 0.003 to 0.05% S, 0.5 to 2.5% Cr, 0.20 to 0.8% Mo, 0.01 to 0.05% Al and 0.008 to 0.025% N, and the balance Fe with impurities, and, in the region to a depth of 0.1 mm from the surface, the average C concentration Cs is 0.60 to 0.90%, the average N concentration Ns is 0.15 to 0.35%, Cs+Ns is 0.80 to 1.10%, also, in the case of Cr-(Ns×3.7)≥0, [(1+0.7×Si)×(1+3.3×Mn)×[1+2.2×äCr-(Ns×3.7)+(0.048/Ns)}]×(1+3.0×Mo)≥9], and, in the case of Cr-(Ns×3.7)<0, [(1+0.7×Si)×(1+3.3×Mn)×ä1+2.2×(0.048/Ns)}×(1+3.0×Mo)≥9] are satisfied. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、浸炭窒化を施して使用する鋼製の部品、つまり、鋼製の「浸炭窒化部品」に関する。より詳しくは、曲げ疲労強度および面疲労強度に優れた歯車、シャフトなどの鋼製の浸炭窒化部品に関し、表面硬化処理として最も代表的な浸炭焼入れによって製造した場合に較べて、大幅に優れた曲げ疲労強度および面疲労強度を有する鋼製の浸炭窒化部品に関する。   The present invention relates to a steel part used by carbonitriding, that is, a “carbonitriding part” made of steel. More specifically, with regard to steel carbonitriding parts such as gears and shafts, which have excellent bending fatigue strength and surface fatigue strength, bending that is significantly superior to that produced by carburizing and quenching, which is the most typical surface hardening treatment. The present invention relates to a carbonitrided steel part having fatigue strength and surface fatigue strength.

従来、自動車や産業機械の歯車、シャフトなどの鋼製の部品(以下、「鋼製の部品」を単に「部品」ともいう。)は、JIS規格のSCr420、SCM420やSNCM420などの機械構造用合金鋼を素材として、浸炭または浸炭窒化を施して焼入れ(以下、浸炭を施した焼入れを「浸炭焼入れ」といい、また、浸炭窒化を施した焼入れを「浸炭窒化焼入れ」という。)、その後、200℃以下の焼戻しを行い、さらに、必要に応じて化成皮膜処理やショットピーニング処理を施すことにより、接触疲労強度、曲げ疲労強度や耐摩耗性など、それぞれの部品に要求される特性を確保することがなされていた。   Conventionally, steel parts such as gears and shafts of automobiles and industrial machines (hereinafter, “steel parts” are also simply referred to as “parts”) are mechanical structural alloys such as JIS standard SCr420, SCM420 and SNCM420. Carburizing or carbonitriding and quenching using steel as a raw material (hereinafter, carburizing and quenching is referred to as “carburizing and quenching”, and carbonitriding and quenching is referred to as “carbonitriding and quenching”), and then 200 Securing the properties required for each component such as contact fatigue strength, bending fatigue strength, and wear resistance by tempering at a temperature of ℃ or less, and by applying chemical conversion coating treatment and shot peening treatment as necessary. Has been made.

しかしながら、近年、自動車の燃費向上やエンジンの高出力化への対応のために部品の軽量・小型化が進み、これに伴って、部品にかかる負荷が増加する傾向にある。このため、産業界からは上記特性のうちでも特に接触疲労強度と曲げ疲労強度を高めたいとの要望が大きい。   However, in recent years, parts have become lighter and smaller in size in order to improve the fuel efficiency of automobiles and increase the output of engines, and accordingly, the load on the parts tends to increase. For this reason, there is a great demand from the industry to increase contact fatigue strength and bending fatigue strength among the above characteristics.

なお、上記の「接触疲労」には「面疲労」、「線疲労」および「点疲労」が含まれるが、実際には「線」接触や「点」接触になることはほとんどないため、以下、接触疲労強度として「面疲労強度」を取り扱う。   Note that the above "contact fatigue" includes "face fatigue", "line fatigue" and "point fatigue", but in practice there is almost no "line" contact or "point" contact. In addition, “surface fatigue strength” is handled as contact fatigue strength.

また、「ピッチング」は、面疲労の破壊形態の一つであり、歯車の歯面およびシャフトにおける面疲労の損傷形態は主にピッチングである。このため、ピッチング強度を向上させることが、上記の面疲労強度の向上に対応することになるので、以下、「面疲労」としての「ピッチング」について説明し、「ピッチング強度」を「面疲労強度」という。   “Pitching” is one of the forms of fracture of surface fatigue, and the form of damage of surface fatigue on the tooth surface of the gear and the shaft is mainly pitching. For this reason, improving the pitching strength corresponds to the improvement of the above-mentioned surface fatigue strength. Therefore, “pitting” as “surface fatigue” will be described below. "

上記、産業界からの要望に対しては、従来、部品の曲げ疲労強度や面疲労強度を向上させるために、
・浸炭窒化焼入れすること、
・浸炭焼入れ、あるいは浸炭窒化焼入れによって、部品表層部のC濃度、あるいは「C+N」濃度を制御すること、
・浸炭焼入れ、あるいは浸炭窒化焼入れの途中で、一旦A1点以下の温度まで冷却することにより、炭化物を分散させること、
などの対策が講じられ、例えば、特許文献1〜4に曲げ疲労強度や面疲労強度に優れた鋼部品やその製造方法に関する技術が提案されている。
In order to improve the bending fatigue strength and surface fatigue strength of parts,
・ Carburizing and quenching,
-Controlling the C concentration or “C + N” concentration of the surface layer of parts by carburizing or carbonitriding and quenching,
-In the middle of carburizing and quenching or carbonitriding and quenching, the carbide is dispersed by cooling to a temperature of A 1 point or less.
For example, Patent Documents 1 to 4 propose a technique related to a steel part excellent in bending fatigue strength and surface fatigue strength and a manufacturing method thereof.

具体的には、特許文献1に、鋼の化学組成を規定するとともに、表面から深さ0.1mmまでの間のCおよびN濃度の和が0.70〜1.30重量%である、浸炭浸窒処理または浸炭窒化処理が施されていることを特徴とする「高面圧用機械構造部材」が開示されている。   Specifically, the carburizing which prescribes | regulates the chemical composition of steel to patent document 1, and the sum of C and N density | concentration from the surface to the depth of 0.1 mm is 0.70-1.30 weight%. A “high surface pressure mechanical structure member” characterized by being subjected to a nitriding treatment or a carbonitriding treatment is disclosed.

特許文献2に、表面から少なくとも150μm深さまでの窒素含有量を規定するとともに、その領域におけるミクロ組織を規定することを特徴とする「高強度歯車」が開示されている。   Patent Document 2 discloses a “high-strength gear” characterized by defining the nitrogen content from the surface to a depth of at least 150 μm and defining the microstructure in that region.

特許文献3に、鋼の化学組成を規定するとともに、表面から0.1mmまでのC量やN量などを規定することを特徴とする「浸炭窒化部品」が開示されている。   Patent Document 3 discloses a “carbonitriding component” characterized by defining the chemical composition of steel and defining the amount of C, N, etc. from the surface to 0.1 mm.

特許文献4に、化学組成を規定するとともに、表面炭素濃度0.8〜3.0%の高濃度浸炭することにより表面の浸炭層に炭化物を微細分散させることを特徴とする「浸炭用鋼」が開示されている。   Patent Document 4 defines “Chemical composition” and “Carburizing steel” characterized in that carbide is finely dispersed in the carburized layer on the surface by high-concentration carburizing at a surface carbon concentration of 0.8 to 3.0%. Is disclosed.

特開昭63−62859号公報JP-A 63-62859 特開平7−190173号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-190173 特開2001−73072号公報JP 2001-73072 A 特開2002−266053号公報JP 2002-266053 A

前述の特許文献1で提案された技術は、表面近傍のCとNの個々の濃度が最適化されておらず、さらに、表面近傍のN濃度に対応した化学成分になっていない。このため、面疲労強度および曲げ疲労強度が不十分である。   In the technique proposed in Patent Document 1, the individual concentrations of C and N in the vicinity of the surface are not optimized, and furthermore, the chemical component does not correspond to the N concentration in the vicinity of the surface. For this reason, the surface fatigue strength and the bending fatigue strength are insufficient.

特許文献2で提案された技術は、表面近傍のC濃度および「C+N」濃度が最適化されておらず、さらに、表面近傍のN濃度に対応した化学成分になっていない。このため、面疲労強度および曲げ疲労強度が不十分である。   In the technique proposed in Patent Document 2, the C concentration and “C + N” concentration in the vicinity of the surface are not optimized, and furthermore, the chemical component does not correspond to the N concentration in the vicinity of the surface. For this reason, the surface fatigue strength and the bending fatigue strength are insufficient.

特許文献3で提案された技術は、表面近傍の「C+N」濃度が高いため、浸炭窒化あるいは浸炭窒化後焼入れ・焼戻しされた部品の残留オーステナイト量が非常に多くなる。このため、実施例に記載されているようにショットピーニング処理する必要がある。しかしながら、実部品ではショットピーニングを施しにくい部位も多く、曲げ疲労強度の低下が懸念される。   Since the technique proposed in Patent Document 3 has a high “C + N” concentration in the vicinity of the surface, the amount of retained austenite in the parts subjected to carbonitriding or quenching and tempering after carbonitriding becomes very large. For this reason, it is necessary to perform shot peening as described in the embodiments. However, there are many parts that are difficult to perform shot peening in actual parts, and there is a concern that the bending fatigue strength may decrease.

特許文献4で提案された技術は、実施例を見ると、炭化物を微細分散させるために浸炭後、一旦A1点以下の温度にまで冷却し、再度A1点以上に加熱・保持した後、焼入れしており、熱処理歪みが増大してしまう。また、浸炭異常層が生成すると考えるので、高い曲げ疲労強度を得るためには、実施例に記載されているように、焼入れ・焼戻し後に研磨仕上げが必要になる。 Technique proposed in Patent Document 4, looking at the examples, after carburizing in order to carbides finely dispersed, once cooled to a temperature below 1 point A, after heated and held for more than a point again A, Quenching and heat treatment distortion increases. Further, since it is considered that a carburized abnormal layer is generated, in order to obtain a high bending fatigue strength, a polishing finish is required after quenching and tempering as described in Examples.

前述の特許文献1〜4で開示された技術は、各実施例に示されているとおり、鋼製部品の面疲労強度や曲げ疲労強度を高めることができる技術ではある。しかしながら、これらの技術はいずれも、近年、産業界から要望されている部品の軽量化、小型化、高応力負荷化に対応できる疲労強度と部品のコストダウンの両立ができないものであった。   The techniques disclosed in Patent Documents 1 to 4 described above are techniques that can increase the surface fatigue strength and the bending fatigue strength of steel parts, as shown in each example. However, none of these techniques can achieve both the fatigue strength and the cost reduction of parts that can cope with the weight reduction, size reduction, and high stress load of parts recently requested by the industry.

そこで、本発明の目的は、大幅なコストアップをすることなく、表面硬化処理として最も代表的な浸炭焼入れによって製造した場合に較べて大幅に優れた曲げ疲労強度および面疲労強度を有し、部品の軽量化、小型化、高応力負荷化の要求に応えることができる鋼製の浸炭窒化部品を提供することである。   Therefore, the object of the present invention is to have a bending fatigue strength and a surface fatigue strength that are significantly superior to those produced by carburizing and quenching, which is the most representative surface hardening treatment, without significantly increasing the cost. It is to provide a carbonitriding part made of steel that can meet demands for weight reduction, size reduction, and high stress load.

本発明者らは、前記した課題を解決するためには、表面近傍を適正な硬さ、ミクロ組織とするためのC、N濃度、およびそれに対応した化学成分にすることに着目した調査・研究を重ねた。その結果、下記(a)〜(e)の知見を得た。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted research and research focusing on making the vicinity of the surface appropriate hardness, C, N concentration to make a microstructure, and chemical components corresponding thereto. Repeated. As a result, the following findings (a) to (e) were obtained.

(a)浸炭焼入れに較べて、浸炭窒化焼入れは面疲労強度の向上に有効であるが、N量には適正な範囲があり、過剰な場合、残留オーステナイトが多量に生成して硬さが低下するため、曲げ疲労強度が低下する。   (A) Compared with carburizing and quenching, carbonitriding and quenching are effective in improving surface fatigue strength, but there is an appropriate range for the amount of N, and if it is excessive, a large amount of retained austenite is generated and hardness decreases. Therefore, the bending fatigue strength decreases.

(b)浸炭窒化焼入れの場合、面疲労強度と曲げ疲労強度を両立させるためには、浸炭窒化層の「C+N」量の管理だけでは不十分である。例えば、C量が低いと、焼入れ後に十分な硬さが得られない。N量については上記(a)に記載したとおりである。そのため、C量、N量および「C+N」量を制御する必要がある。   (B) In the case of carbonitriding and quenching, in order to achieve both surface fatigue strength and bending fatigue strength, it is not sufficient to manage the “C + N” amount of the carbonitrided layer. For example, if the amount of C is low, sufficient hardness cannot be obtained after quenching. The amount of N is as described in (a) above. Therefore, it is necessary to control the C amount, the N amount, and the “C + N” amount.

(c)浸炭窒化した場合、Nが生地中のCrと結合してCrNを生成しやすく、特に、旧オーステナイト粒界に多量のCrNが生成する。そのため旧オーステナイト粒界近傍では固溶Cr濃度が低下し、旧オーステナイト粒界に沿ってパーライトなどの軟質層が生成するため、面疲労強度、曲げ疲労強度ともに低下する。   (C) When carbonitriding, N is likely to combine with Cr in the dough to produce CrN, and in particular, a large amount of CrN is produced at the prior austenite grain boundaries. Therefore, the solid solution Cr concentration decreases in the vicinity of the prior austenite grain boundary, and a soft layer such as pearlite is formed along the prior austenite grain boundary, so both the surface fatigue strength and the bending fatigue strength are decreased.

(d)旧オーステナイト粒界に沿ったパーライトなどの軟質層の生成を抑制するためには、生成するCrN量を予測し、CrNが生成しても旧オーステナイト粒界に沿って軟質層が生成しないように、焼入れ性への寄与が大きいSi、Mn、Cr、Moの量を、CrNの生成を前提にして調整すればよい。   (D) In order to suppress the formation of a soft layer such as pearlite along the prior austenite grain boundary, the amount of CrN to be generated is predicted, and even if CrN is generated, the soft layer is not generated along the prior austenite grain boundary. Thus, what is necessary is just to adjust the quantity of Si, Mn, Cr, and Mo with the big contribution to hardenability on the assumption of the production | generation of CrN.

(e)浸炭窒化焼入れの効果を高めるためには、Moを適量含有させることが有効である。   (E) In order to enhance the effect of carbonitriding and quenching, it is effective to contain an appropriate amount of Mo.

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記(1)〜(3)に示す鋼製の浸炭窒化部品にある。   The present invention has been completed based on the above findings, and the gist thereof is a carbonitriding component made of steel shown in the following (1) to (3).

(1)生地が、質量%で、C:0.1〜0.3%、Si:0.05〜1.5%、Mn:0.2〜1.5%、S:0.003〜0.05%、Cr:0.5〜2.5%、Mo:0.20〜0.8%、Al:0.01〜0.05%およびN:0.008〜0.025%を含有し、残部はFeおよび不純物からなる鋼材であり、表面から深さ0.1mmまでの領域において、平均のC濃度Csが0.60〜0.90%、平均のN濃度Nsが0.15〜0.35%、Cs+Nsが0.80〜1.10%で、かつ、下記の式(イ)または式(ロ)で規定されるXの値が9.0以上であることを特徴とする鋼製の浸炭窒化部品。   (1) Material | dough is mass%, C: 0.1-0.3%, Si: 0.05-1.5%, Mn: 0.2-1.5%, S: 0.003-0 0.05%, Cr: 0.5-2.5%, Mo: 0.20-0.8%, Al: 0.01-0.05% and N: 0.008-0.025% The balance is a steel material composed of Fe and impurities. In the region from the surface to a depth of 0.1 mm, the average C concentration Cs is 0.60 to 0.90%, and the average N concentration Ns is 0.15 to 0. .35%, Cs + Ns is 0.80 to 1.10%, and the value of X defined by the following formula (A) or (B) is 9.0 or more. Carbonitriding parts.

Cr−(Ns×3.7)≧0の場合:
X=(1+0.7×Si)×(1+3.3×Mn)×[1+2.2×{Cr−(Ns×3.7)+(0.048/Ns)}]×(1+3.0×Mo)・・・(イ)
Cr−(Ns×3.7)<0の場合:
X=(1+0.7×Si)×(1+3.3×Mn)×{1+2.2×(0.048/Ns)}×(1+3.0×Mo)・・・(ロ)
なお、上記の各式におけるCr、Si、MnおよびMoは、生地の鋼材中のその元素の質量%での含有量を表す。
When Cr- (Ns × 3.7) ≧ 0:
X = (1 + 0.7 × Si) × (1 + 3.3 × Mn) × [1 + 2.2 × {Cr− (Ns × 3.7) + (0.048 / Ns)}] × (1 + 3.0 × Mo )···(I)
When Cr- (Ns × 3.7) <0:
X = (1 + 0.7 × Si) × (1 + 3.3 × Mn) × {1 + 2.2 × (0.048 / Ns)} × (1 + 3.0 × Mo) (B)
In addition, Cr, Si, Mn, and Mo in each of the above formulas represent the content in mass% of the element in the steel material of the dough.

(2)生地の鋼材が、Feの一部に代えて、Ti:0.10%以下、Nb:0.08%以下およびV:0.15%以下のうちの1種以上を含有するものであることを特徴とする上記(1)に記載の鋼製の浸炭窒化部品。   (2) The steel material of the material contains one or more of Ti: 0.10% or less, Nb: 0.08% or less, and V: 0.15% or less, instead of part of Fe. The steel carbonitriding component according to (1) above, characterized in that there is.

(3)生地の鋼材が、Feの一部に代えて、Ca:0.003%以下、Mg:0.003%以下および希土類元素:0.02%以下のうちの1種以上を含有するものであることを特徴とする上記(1)または(2)に記載の鋼製の浸炭窒化部品。   (3) The material steel material contains at least one of Ca: 0.003% or less, Mg: 0.003% or less, and rare earth elements: 0.02% or less, instead of part of Fe The carbonitriding part made of steel according to the above (1) or (2), characterized in that:

なお、「浸炭窒化部品」とは、浸炭窒化を施された部品を指す。また、「濃度」とは、質量%での含有量を表す。   The “carbonitriding component” refers to a component that has been subjected to carbonitriding. Further, “concentration” represents the content in mass%.

本発明でいう「希土類元素」とは、Sc、Yおよびランタノイドの合計17元素を指す。また、「希土類元素の含有量」とは「希土類元素の合計の含有量」を指す。以下の説明においては、希土類元素を「REM」という。   The “rare earth element” in the present invention refers to a total of 17 elements of Sc, Y and lanthanoid. The “rare earth element content” refers to the “total content of rare earth elements”. In the following description, the rare earth element is referred to as “REM”.

本発明の鋼製の浸炭窒化部品は、曲げ疲労強度および面疲労強度が優れているので、自動車や産業機械の歯車、シャフトなどに用いることができる。   Since the steel carbonitrided parts of the present invention have excellent bending fatigue strength and surface fatigue strength, they can be used for gears and shafts of automobiles and industrial machines.

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、生地の鋼材における各成分元素の含有量および部品表面における元素の濃度の「%」は「質量%」を意味する。   Hereinafter, each requirement of the present invention will be described in detail. In addition, “%” of the content of each component element in the steel material of the material and the concentration of the element on the part surface means “mass%”.

(A)生地の鋼材の化学組成について:
C:0.1〜0.3%
Cは、浸炭窒化焼入れしたときの部品の生地の強度(芯部強度)を確保するために必須の元素である。しかしながら、その含有量が0.1%未満では前記の効果が不十分である。一方、Cの含有量が0.3%を超えると、棒鋼、線材や熱間鍛造後の強度が高くなりすぎるため、切削加工性が大きく低下する。したがって、生地の鋼材におけるCの含有量を0.1〜0.3%とした。なお、C含有量の好ましい下限は0.20%であり、また、好ましい上限は0.25%である。
(A) About chemical composition of steel material of dough:
C: 0.1 to 0.3%
C is an essential element for ensuring the strength (core strength) of the material of the component when carbonitrided and quenched. However, if the content is less than 0.1%, the above effect is insufficient. On the other hand, if the content of C exceeds 0.3%, the strength after steel bar, wire, and hot forging becomes too high, so that the machinability is greatly reduced. Therefore, the C content in the steel material is set to 0.1 to 0.3%. In addition, the minimum with preferable C content is 0.20%, and a preferable upper limit is 0.25%.

Si:0.05〜1.5%
Siは、焼入れ性および焼戻し軟化抵抗を高める効果がある。しかしながら、その含有量が0.05%未満では前記の効果が不十分である。一方、Siの含有量が1.5%を超えると、棒鋼、線材や熱間鍛造後の強度が高くなりすぎるため、切削加工性が大きく低下する。したがって、生地の鋼材におけるSiの含有量を0.05〜1.5%とした。なお、Siの含有量が0.4%以上であれば、面疲労強度を高める効果があるため、Si含有量の下限は0.4%とすることが好ましい。なお、Si含有量のより好ましい下限は0.5%であり、また、好ましい上限は0.8%である。
Si: 0.05 to 1.5%
Si has the effect of increasing hardenability and temper softening resistance. However, if the content is less than 0.05%, the above effects are insufficient. On the other hand, if the Si content exceeds 1.5%, the strength after steel bar, wire, and hot forging becomes too high, so that the machinability is greatly reduced. Therefore, the Si content in the steel material is set to 0.05 to 1.5%. Note that if the Si content is 0.4% or more, there is an effect of increasing the surface fatigue strength, so the lower limit of the Si content is preferably 0.4%. In addition, the more preferable minimum of Si content is 0.5%, and a preferable upper limit is 0.8%.

Mn:0.2〜1.5%
Mnは、焼入れ性を高める効果があるため、曲げ疲労強度および面疲労強度を高めるのに有効な元素である。しかしながら、その含有量が0.2%未満では前記の効果が不十分である。Mnの含有量が0.4%以上になると、曲げ疲労強度および面疲労強度の向上が顕著になる。一方、Mnの含有量が1.5%を超えると、曲げ疲労強度および面疲労強度を高める効果が飽和するだけでなく、棒鋼、線材や熱間鍛造後の強度が高くなりすぎるため、切削加工性が大きく低下する。したがって、生地の鋼材におけるMnの含有量を0.2〜1.5%とした。Mn含有量の下限は0.4%とすることが好ましい。なお、Mn含有量のより好ましい下限は0.8%であり、また、好ましい上限は1.2%である。
Mn: 0.2 to 1.5%
Mn is an element effective in increasing the bending fatigue strength and the surface fatigue strength because it has the effect of increasing the hardenability. However, if the content is less than 0.2%, the above effect is insufficient. When the Mn content is 0.4% or more, the bending fatigue strength and the surface fatigue strength are significantly improved. On the other hand, if the content of Mn exceeds 1.5%, not only the effect of increasing the bending fatigue strength and the surface fatigue strength is saturated, but also the strength after steel bar, wire rod and hot forging becomes too high. The performance is greatly reduced. Therefore, the Mn content in the steel material is set to 0.2 to 1.5%. The lower limit of the Mn content is preferably 0.4%. In addition, the more preferable minimum of Mn content is 0.8%, and a preferable upper limit is 1.2%.

S:0.003〜0.05%
Sは、Mnと結合してMnSを形成し、切削加工性を向上させる。しかしながら、その含有量が0.003%未満では、前記の効果が得難い。一方、Sの含有量が多くなると、粗大なMnSを生成しやすくなり、曲げ疲労強度および面疲労強度を低下させる傾向があり、特に、その含有量が0.05%を超えると、曲げ疲労強度および面疲労強度の低下が顕著になる。したがって、生地の鋼材におけるSの含有量を0.003〜0.05%とした。なお、S含有量の好ましい下限は0.01%であり、また、好ましい上限は0.03%である。
S: 0.003-0.05%
S combines with Mn to form MnS and improves the machinability. However, if the content is less than 0.003%, it is difficult to obtain the above effect. On the other hand, when the S content increases, coarse MnS tends to be generated, and the bending fatigue strength and the surface fatigue strength tend to be reduced. In particular, when the content exceeds 0.05%, the bending fatigue strength is increased. In addition, the decrease in surface fatigue strength becomes remarkable. Therefore, the S content in the steel material is set to 0.003 to 0.05%. In addition, the minimum with preferable S content is 0.01%, and a preferable upper limit is 0.03%.

Cr:0.5〜2.5%
Crは、焼入れ性および焼戻し軟化抵抗を高める効果があり、曲げ疲労強度および面疲労強度を高めるのに有効な元素である。しかしながら、その含有量が0.5%未満では前記の効果が不十分である。Crの含有量が1.2%以上になると、曲げ疲労強度および面疲労強度の向上が顕著になる。一方、Crの含有量が2.5%を超えると、曲げ疲労強度および面疲労強度を高める効果が飽和するだけでなく、棒鋼、線材や熱間鍛造後の強度が高くなりすぎるため、切削加工性が著しく低下する。したがって、生地の鋼材におけるCrの含有量を0.5〜2.5%とした。Cr含有量の下限は1.2%とすることが好ましい。なお、Cr含有量のより好ましい下限は1.4%であり、また、好ましい上限は2.0%である。
Cr: 0.5 to 2.5%
Cr has an effect of increasing hardenability and temper softening resistance, and is an element effective for increasing bending fatigue strength and surface fatigue strength. However, if the content is less than 0.5%, the above effect is insufficient. When the Cr content is 1.2% or more, the bending fatigue strength and the surface fatigue strength are significantly improved. On the other hand, if the Cr content exceeds 2.5%, not only the effect of increasing bending fatigue strength and surface fatigue strength is saturated, but also the strength after steel bar, wire rod and hot forging becomes too high, so that cutting work Remarkably deteriorates. Therefore, the Cr content in the steel material is set to 0.5 to 2.5%. The lower limit of the Cr content is preferably 1.2%. A more preferable lower limit of the Cr content is 1.4%, and a preferable upper limit is 2.0%.

Mo:0.20〜0.8%
Moは、焼入れ性および焼戻し軟化抵抗を高める効果があり、曲げ疲労強度および面疲労強度を高めるのに有効な元素であり、その含有量が0.20%以上であれば、表面硬化処理として最も代表的な浸炭焼入れによって製造した場合に較べて大幅に優れた曲げ疲労強度および面疲労強度を安定かつ確実に確保することができる。一方、Moの含有量が0.8%を超えると、曲げ疲労強度、面疲労強度を高める効果が飽和するだけでなく、棒鋼、線材や熱間鍛造後の強度が高くなりすぎるため、切削加工性が大きく低下する。したがって、生地の鋼材におけるMoの含有量を0.20〜0.8%とした。なお、Mo含有量の好ましい下限は0.3%であり、また、好ましい上限は0.5%である。
Mo: 0.20 to 0.8%
Mo has an effect of increasing hardenability and temper softening resistance, and is an effective element for increasing bending fatigue strength and surface fatigue strength. If its content is 0.20% or more, it is the most surface hardening treatment. Bending fatigue strength and surface fatigue strength, which are significantly superior to those produced by typical carburizing and quenching, can be ensured stably and reliably. On the other hand, if the Mo content exceeds 0.8%, not only the effect of increasing the bending fatigue strength and surface fatigue strength is saturated, but the strength after steel bar, wire rod and hot forging becomes too high, so that cutting work The performance is greatly reduced. Therefore, the Mo content in the steel material is set to 0.20 to 0.8%. In addition, the minimum with preferable Mo content is 0.3%, and a preferable upper limit is 0.5%.

Al:0.01〜0.05%
Alは、脱酸作用を有すると同時に、Nと結合してAlNを形成しやすく、焼入れ部の結晶粒微細化に有効で、曲げ疲労強度を高める効果がある。しかしながら、Alの含有量が0.01%未満ではこの効果は得難い。一方で、Alは硬質な酸化物系介在物を形成しやすく、Alの含有量が0.05%を超えると、曲げ疲労強度の低下が著しくなり、他の要件を満たしていても所望の曲げ疲労強度が得られなくなる。したがって、生地の鋼材におけるAlの含有量を0.01〜0.05%とした。なお、Al含有量の好ましい下限は0.02%であり、また、好ましい上限は0.04%である。
Al: 0.01 to 0.05%
Al has a deoxidizing action, and at the same time, easily binds to N to form AlN, is effective for refining crystal grains in the quenched portion, and has an effect of increasing bending fatigue strength. However, this effect is difficult to obtain when the Al content is less than 0.01%. On the other hand, Al tends to form hard oxide inclusions, and if the Al content exceeds 0.05%, the bending fatigue strength is significantly reduced, and the desired bending can be achieved even if other requirements are satisfied. Fatigue strength cannot be obtained. Therefore, the content of Al in the steel material is set to 0.01 to 0.05%. In addition, the minimum with preferable Al content is 0.02%, and a preferable upper limit is 0.04%.

N:0.008〜0.025%
Nは、Al、Ti、Nb、Vと結合してAlN、TiN、NbN、VNを形成しやすく、このうちAlN、NbN、VNは結晶粒微細化に有効で、曲げ疲労強度を高める効果がある。しかしながら、Nの含有量が0.008%未満ではこの効果は得難い。一方で、Nの含有量が0.025%を超えると、粗大なTiNが形成されやすくなるため、曲げ疲労強度の低下が著しくなり、他の要件を満たしていても所望の曲げ疲労強度が得られなくなる。したがって、生地の鋼材におけるNの含有量を0.008〜0.025%とした。なお、N含有量の好ましい下限は0.012%であり、また、好ましい上限は0.020%である。
N: 0.008 to 0.025%
N easily binds to Al, Ti, Nb, and V to form AlN, TiN, NbN, and VN. Of these, AlN, NbN, and VN are effective in refining crystal grains and have an effect of increasing bending fatigue strength . However, this effect is difficult to obtain when the N content is less than 0.008%. On the other hand, if the N content exceeds 0.025%, coarse TiN is likely to be formed, so that the bending fatigue strength is significantly reduced, and the desired bending fatigue strength can be obtained even if other requirements are satisfied. It becomes impossible. Therefore, the N content in the steel material is set to 0.008 to 0.025%. In addition, the minimum with preferable N content is 0.012%, and a preferable upper limit is 0.020%.

本発明の浸炭窒化部品の生地の鋼材の一つは、上記元素のほか、残部がFeと不純物からなる化学組成を有するものである。なお、不純物としてのPおよびO(酸素)の含有量は下記のとおりに制限することが好ましい。   One of the base steel materials of the carbonitrided component of the present invention has a chemical composition in which the balance is composed of Fe and impurities in addition to the above elements. In addition, it is preferable to restrict | limit the content of P and O (oxygen) as an impurity as follows.

P:0.025%以下
Pは、粒界偏析して粒界を脆化させやすい元素のため、その含有量が0.025%を超えると、他の要件を満たしていても、少ない頻度ではあるが、曲げ疲労強度が低下する場合がある。したがって、生地の鋼材におけるPの含有量は0.025%以下とすることが好ましい。P含有量のより好ましい上限は0.018%である。
P: 0.025% or less P is an element that easily segregates at the grain boundaries and embrittles the grain boundaries. Therefore, if the content exceeds 0.025%, even if other requirements are satisfied, the frequency is low. Although there is a case where the bending fatigue strength is reduced. Therefore, the P content in the steel material is preferably 0.025% or less. A more preferable upper limit of the P content is 0.018%.

O(酸素):0.002%以下
Oは、Alと結合して硬質な酸化物系介在物を形成しやすく、特に、Oの含有量が0.002%を超えると、他の要件を満たしていても、少ない頻度ではあるが、曲げ疲労強度が低下する場合がある。したがって、生地の鋼材におけるOの含有量は0.002%以下にすることが好ましい。さらに、不純物としてのOの含有量はできる限り少なくすることが望ましいが、製鋼でのコストを考慮すると、0.0010%以下にすることがより好ましい。
O (oxygen): 0.002% or less O tends to combine with Al to form hard oxide inclusions. In particular, when the O content exceeds 0.002%, other requirements are satisfied. Even if it is, the bending fatigue strength may be reduced although the frequency is low. Therefore, the O content in the steel material is preferably 0.002% or less. Furthermore, it is desirable to reduce the content of O as an impurity as much as possible, but considering the cost of steel making, it is more preferable to make it 0.0010% or less.

本発明の浸炭窒化部品の生地の鋼材の他の一つの化学組成は、上記の元素に加えてさらに、Ti、Nb、V、Ca、MgおよびREMのうちから選んだ1種以上の元素を含有するものである。以下において、これらの元素の作用効果と、含有量の限定理由について説明する。   Another chemical composition of the steel material of the carbonitrided component according to the present invention further includes one or more elements selected from Ti, Nb, V, Ca, Mg and REM in addition to the above elements. To do. Below, the effect of these elements and the reason for limitation of content are demonstrated.

先ず、Ti、NbおよびVは、いずれもAlNによる焼入れ部の結晶粒微細化を補完して、曲げ疲労強度を高める作用を有する。このため、より高い曲げ疲労強度を確保したい場合には、以下の範囲で含有してもよい。   First, Ti, Nb, and V all have the effect of supplementing the grain refinement of the quenched portion with AlN and increasing the bending fatigue strength. For this reason, when ensuring higher bending fatigue strength, you may contain in the following ranges.

Ti:0.10%以下
Tiは、C、Nと結合してTiC、TiN、Ti(C、N)を形成しやすく、前述したAlNによる焼入れ部の結晶粒微細化を補完するのに有効で、曲げ疲労強度を高める作用を有するので、こうした効果を得るためにTiを含有してもよい。しかしながら、Tiの含有量が多くなって、0.10%を超えると、粗大なTiNが生成しやすくなり、却って曲げ疲労強度が低下する。したがって、生地の鋼材におけるTiの含有量を0.10%以下とした。なお、Tiの含有量は0.06%以下とすることが好ましい。
Ti: 0.10% or less Ti is easy to form TiC, TiN, Ti (C, N) by combining with C and N, and is effective in supplementing the above-described grain refinement of the quenched portion by AlN. Since it has an action of increasing the bending fatigue strength, Ti may be contained in order to obtain such an effect. However, if the Ti content increases and exceeds 0.10%, coarse TiN is likely to be generated, and the bending fatigue strength is decreased. Therefore, the Ti content in the steel material is set to 0.10% or less. The Ti content is preferably 0.06% or less.

一方、前記したTiの曲げ疲労強度の向上効果を確実に得るためには、Ti含有量の下限を0.01%とすることが好ましく、0.02%とすれば一層好ましい。   On the other hand, in order to reliably obtain the above-described effect of improving the bending fatigue strength of Ti, the lower limit of the Ti content is preferably 0.01%, and more preferably 0.02%.

Nb:0.08%以下
Nbは、C、Nと結合してNbC、NbN、Nb(C、N)を形成しやすく、前述したAlNによる焼入れ部の結晶粒微細化を補完するのに有効で、曲げ疲労強度を高める作用を有するので、こうした効果を得るためにNbを含有してもよい。しかしながら、Nbの含有量が多くなって、0.08%を超えると、粗大なNb(C、N)が生成しやすくなり、却って曲げ疲労強度が低下する。したがって、生地の鋼材におけるNbの含有量を0.08%以下とした。なお、Nbの含有量は0.05%以下とすることが好ましい。
Nb: 0.08% or less Nb is easy to form NbC, NbN, Nb (C, N) by combining with C and N, and is effective in supplementing the above-described grain refinement of the quenched portion by AlN. Since it has an action of increasing the bending fatigue strength, Nb may be contained in order to obtain such an effect. However, if the Nb content increases and exceeds 0.08%, coarse Nb (C, N) is likely to be generated, and the bending fatigue strength is decreased. Therefore, the Nb content in the steel material is set to 0.08% or less. The Nb content is preferably 0.05% or less.

一方、前記したNbの曲げ疲労強度および面疲労強度の向上効果を確実に得るためには、Nb含有量の下限を0.01%とすることが好ましく、0.02%とすれば一層好ましい。   On the other hand, in order to reliably obtain the effect of improving the bending fatigue strength and surface fatigue strength of Nb described above, the lower limit of the Nb content is preferably 0.01%, and more preferably 0.02%.

V:0.15%以下
Vは、C、Nと結合してVN、VCを形成しやすく、このうち、VNは、前述したAlNによる焼入れ部の結晶粒微細化を補完するのに有効で、曲げ疲労強度を高める作用を有する。また、浸炭窒化時にVNが析出すると、曲げ疲労強度をより高める効果がある。このため、前述した効果を得るためにVを含有してもよい。しかしながら、Vの含有量が多くなって、0.15%を超えると、棒鋼、線材や熱間鍛造後の強度が高くなりすぎるため、切削加工性が大きく低下する。したがって、生地の鋼材におけるVの含有量を0.15%以下とした。なお、Vの含有量は0.10%以下とすることが好ましい。
V: 0.15% or less V is easy to form VN and VC by combining with C and N, and among these, VN is effective in complementing the above-described grain refinement of the quenched portion by AlN. Has the effect of increasing the bending fatigue strength. Moreover, when VN precipitates during carbonitriding, there is an effect of further increasing the bending fatigue strength. For this reason, in order to acquire the effect mentioned above, you may contain V. However, if the content of V increases and exceeds 0.15%, the strength after steel bar, wire rod, and hot forging becomes too high, so that the machinability is greatly reduced. Therefore, the V content in the steel material is set to 0.15% or less. The V content is preferably 0.10% or less.

一方、前記したVの曲げ疲労強度の向上効果を確実に得るためには、V含有量の下限を0.02%とすることが好ましく、0.05%とすれば一層好ましい。   On the other hand, in order to reliably obtain the above-described effect of improving the bending fatigue strength of V, the lower limit of the V content is preferably 0.02%, and more preferably 0.05%.

なお、上記のTi、NbおよびVは、そのうちのいずれか1種のみ、または2種以上の複合で含有することができる。   In addition, said Ti, Nb, and V can be contained only in any 1 type in them, or 2 or more types of composites.

次に、Ca、MgおよびREMは、いずれも曲げ疲労強度を高める作用を有する。このため、より高い曲げ疲労強度を具備させたい場合には、以下の範囲で含有してもよい。   Next, Ca, Mg, and REM all have the effect of increasing the bending fatigue strength. For this reason, when you want to provide higher bending fatigue strength, you may contain in the following ranges.

Ca:0.003%以下
Caは、曲げ疲労強度を高める作用を有する。さらに、Caは、切削加工性を高める作用も有する。このため、前述した効果を得るためにCaを含有してもよい。しかしながら、Caを0.003%を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、生地の鋼材におけるCaの含有量を0.003%以下とした。
Ca: 0.003% or less Ca has an effect of increasing bending fatigue strength. Furthermore, Ca also has the effect | action which improves cutting workability. For this reason, in order to acquire the effect mentioned above, you may contain Ca. However, even if Ca is contained in excess of 0.003%, the above effect is saturated and the cost is increased. Therefore, the Ca content in the steel material is set to 0.003% or less.

一方、前記したCaの曲げ疲労強度および切削加工性の向上効果を確実に得るためには、Ca含有量の下限を0.0003%とすることが好ましい。   On the other hand, in order to reliably obtain the above-described effects of improving the bending fatigue strength and cutting workability of Ca, the lower limit of the Ca content is preferably set to 0.0003%.

Mg:0.003%以下
Mgは、曲げ疲労強度を高める作用を有する。さらに、Mgは、切削加工性を高める作用も有する。このため、前述した効果を得るためにMgを含有してもよい。しかしながら、Mgを0.003%を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、生地の鋼材におけるMgの含有量を0.003%以下とした。
Mg: 0.003% or less Mg has an action of increasing bending fatigue strength. Furthermore, Mg also has the effect | action which improves cutting workability. For this reason, in order to acquire the effect mentioned above, you may contain Mg. However, even if Mg is contained in excess of 0.003%, the above effect is saturated and the cost is increased. Therefore, the Mg content in the steel material is set to 0.003% or less.

一方、前記したMgの曲げ疲労強度および切削加工性の向上効果を確実に得るためには、Mg含有量の下限を0.0003%とすることが好ましい。   On the other hand, in order to surely obtain the effect of improving the bending fatigue strength and cutting workability of Mg described above, the lower limit of the Mg content is preferably set to 0.0003%.

REM:0.02%以下
REMは、曲げ疲労強度を高める作用を有する。このため、前述した効果を得るためにREMを含有してもよい。しかしながら、REMを0.02%を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、生地の鋼材におけるREMの含有量を0.02%以下とした。なお、REMの含有量は0.01%以下とすることが好ましい。
REM: 0.02% or less REM has the effect of increasing the bending fatigue strength. For this reason, in order to acquire the effect mentioned above, you may contain REM. However, even if REM is contained in excess of 0.02%, the above effect is saturated and the cost is increased. Therefore, the REM content in the steel material is set to 0.02% or less. In addition, it is preferable that content of REM shall be 0.01% or less.

一方、前記したREMの曲げ疲労強度の向上効果を確実に得るためには、REM含有量の下限を0.0003%とすることが好ましく、0.001%とすれば一層好ましい。   On the other hand, in order to reliably obtain the above-described effect of improving the bending fatigue strength of REM, the lower limit of the REM content is preferably 0.0003%, and more preferably 0.001%.

既に述べたように、本発明でいう「REM」とは、Sc、Yおよびランタノイドの合計17元素を指し、また、「REMの含有量」とは「REMの合計の含有量」を指す。   As described above, “REM” in the present invention refers to a total of 17 elements of Sc, Y, and lanthanoid, and “REM content” refers to “total content of REM”.

なお、上記のCa、MgおよびREMは、そのうちのいずれか1種のみ、または2種以上の複合で含有することができる。   In addition, said Ca, Mg, and REM can be contained only in any 1 type in them, or 2 or more types of composites.

(B)表層部のC、Nの濃度について:
本発明者らの検討によって、本発明に係る鋼製の浸炭窒化部品は、表面から深さ0.1mmまでの領域において、
平均のC濃度Csが0.60〜0.90%、
平均のN濃度Nsが0.15〜0.35%、
Cs+Nsが0.80〜1.10%、
でなければならないことが明らかになった。
(B) Concentration of C and N in the surface layer portion:
According to the study by the present inventors, the carbonitriding component made of steel according to the present invention is in a region from the surface to a depth of 0.1 mm,
The average C concentration Cs is 0.60 to 0.90%,
The average N concentration Ns is 0.15 to 0.35%,
Cs + Ns is 0.80 to 1.10%,
It became clear that it had to be.

以下、上記の事項について詳しく説明する。   Hereinafter, the above items will be described in detail.

面疲労強度および曲げ疲労強度は、表面近傍の硬さ、焼戻し軟化抵抗、組織などに大きく影響されることが知られており、従来、浸炭窒化は焼戻し軟化抵抗を高めることによって、特に面疲労強度の向上に有効であるといわれてきた。   It is known that surface fatigue strength and bending fatigue strength are greatly affected by hardness in the vicinity of the surface, temper softening resistance, structure, etc. Conventionally, carbonitriding has been particularly effective in increasing surface fatigue strength by increasing temper softening resistance. It has been said that it is effective in improving

確かに、浸炭窒化は面疲労強度の向上にとっては有効な手段であるが、曲げ疲労強度など他の強度特性に対してはあまり効果的ではなく、むしろ低下させてしまう場合があった。そのため、単なる浸炭窒化を施すだけでは、産業界からの要望である軽量化、小型化および高応力負荷化に対応できる疲労強度の確保と部品のコストをあまり増加させないということの両立に対して不十分である。   Certainly, carbonitriding is an effective means for improving the surface fatigue strength, but it is not very effective for other strength properties such as bending fatigue strength, but rather it may be lowered. For this reason, simply performing carbonitriding is not compatible with ensuring the fatigue strength that can meet the demands of the industry, such as weight reduction, downsizing, and high stress loading, and not increasing the cost of parts so much. It is enough.

そこで、本発明者らは、浸炭窒化による表層部のC、N量の最適化、およびそれに適した鋼材の化学成分について検討を行い、疲労破壊の起点となりやすい、粒界近傍の軟質な組織の生成を確実に抑制しつつ、表層部の硬さおよび軟化抵抗を高めることにより、面疲労強度のみならず、曲げ疲労強度も向上させるという、従来とは異なる視点にたって、以下に示す検討を行った。   Therefore, the present inventors have studied the optimization of the C and N amount of the surface layer by carbonitriding, and the chemical composition of the steel material suitable for it, and the soft structure in the vicinity of the grain boundary, which is likely to be the starting point of fatigue fracture. The following studies were conducted from a different viewpoint from the viewpoint of improving not only the surface fatigue strength but also the bending fatigue strength by increasing the hardness and softening resistance of the surface layer part while suppressing the formation reliably. It was.

先ず、表1に示す前記(A)項で述べた生地の鋼材の化学組成を満たす鋼αおよび鋼βを50kg真空溶解炉で溶解した後、インゴットに鋳造した。   First, steel α and steel β satisfying the chemical composition of the steel material of the dough described in the section (A) shown in Table 1 were melted in a 50 kg vacuum melting furnace, and then cast into an ingot.

Figure 2010070831
Figure 2010070831

鋳造後の各インゴットは一旦室温まで冷却した後、再度1250℃で30分加熱し、仕上げ温度を950℃以上として熱間鍛造して、直径35mmの丸棒を得た。   Each ingot after casting was once cooled to room temperature, then heated again at 1250 ° C. for 30 minutes, and hot forged at a finishing temperature of 950 ° C. or higher to obtain a round bar having a diameter of 35 mm.

次いで、上記の直径が35mmの各丸棒に、920℃で1時間保持して室温まで大気中で放冷する処理を行った。その後、丸棒の中心部から鍛錬軸に平行に、機械加工によって直径が26mmで長さが240mmの試験片を作製した。   Next, each round bar having a diameter of 35 mm was subjected to a treatment that was held at 920 ° C. for 1 hour and allowed to cool to room temperature in the air. Thereafter, a test piece having a diameter of 26 mm and a length of 240 mm was produced by machining from the center of the round bar in parallel with the forging axis.

上記の試験片は、ガス浸炭炉を用いて、図1および表2に示す条件で浸炭窒化焼入れ(表2に示す処理条件記号B〜M)または浸炭焼入れ(表2に示す処理条件記号A)を行い、次いで、170℃で1.5時間の焼戻しを行った後、試験片の軸方向に垂直な面で3等分した。ここで、図1及び表2における「CP」は、カーボンポテンシャルを意味する。なお、上記の170℃で焼戻しを行ったのは、浸炭窒化焼入れ後の一般的な焼戻し温度が160〜180℃であるためである。   Said test piece is carbonitriding and quenching (treatment condition symbols B to M shown in Table 2) or carburizing and quenching (treatment condition symbol A shown in Table 2) under the conditions shown in FIG. 1 and Table 2 using a gas carburizing furnace. Then, after tempering at 170 ° C. for 1.5 hours, the test piece was divided into three equal parts on a plane perpendicular to the axial direction of the test piece. Here, “CP” in FIG. 1 and Table 2 means carbon potential. The reason why tempering was performed at 170 ° C. is that the general tempering temperature after carbonitriding is 160 to 180 ° C.

Figure 2010070831
Figure 2010070831

このようにして3等分した試験片のうちの1つを用いて、表面から深さ0.1mmまでの領域(以下、「表層部」ともいう。)について、旋盤加工によって切粉を採取し、一般的な化学分析によって、CおよびNの含有量を測定し、表層部における平均のC濃度(Cs)および平均のN濃度(Ns)を求めた。   Using one of the test pieces divided into three in this manner, chips were collected by lathe processing for a region from the surface to a depth of 0.1 mm (hereinafter also referred to as “surface layer portion”). The contents of C and N were measured by general chemical analysis, and the average C concentration (Cs) and the average N concentration (Ns) in the surface layer portion were obtained.

また、上記の3等分した試験片のうちの別の1つを用いて、さらに300℃で1時間の焼戻しを行った。なお、300℃で焼戻しを行ったのは、浸炭窒化部品の接触部近傍では200℃を大きく上回る温度まで昇温することがあり、300℃での焼戻し後の表層部の硬さが面疲労強度と相関が大きいためである。   Moreover, tempering was further performed at 300 ° C. for 1 hour using another one of the test pieces divided into three. It should be noted that tempering at 300 ° C. may cause the temperature to rise significantly above 200 ° C. near the contact portion of the carbonitrided part, and the hardness of the surface layer portion after tempering at 300 ° C. is the surface fatigue strength. This is because the correlation is large.

170℃で焼戻し後に3等分した試験片のうちの残りの1つ、および上記のさらに300℃で焼戻した試験片を用いて、表面近傍のビッカース硬さを、JIS Z 2244(2003)における「ビッカース硬さ試験−試験方法」に準拠して、次の方法で測定した。   Using the remaining one of the test pieces divided into three equal parts after tempering at 170 ° C. and the test piece further tempered at 300 ° C. described above, the Vickers hardness in the vicinity of the surface was measured according to “JIS Z 2244 (2003)”. Based on “Vickers hardness test—test method”, the measurement was performed by the following method.

すなわち、試験片の軸方向に垂直な面で2等分した切断面が被検面になるように鏡面研磨し、試験部の最表面から深さ0.05mmおよび0.10mmの位置で、試験力を1.961Nとして各5ヶ所測定し、それを算術平均して表層部のビッカース硬さとした。   That is, mirror polishing was performed so that the cut surface divided in half by the plane perpendicular to the axial direction of the test piece becomes the test surface, and the test was conducted at the depth of 0.05 mm and 0.10 mm from the outermost surface of the test part. The force was measured at 1.961 N at 5 locations, and the average was calculated as the Vickers hardness of the surface layer.

表3に、上記の表層部分析結果とビッカース硬さ(Hv)測定結果を示す。また、図2〜7に、表層部の平均のC濃度(Cs)、平均のN濃度(Ns)、Cs+Nsとビッカース硬さとの関係を整理して示す。   Table 3 shows the above-mentioned surface layer analysis results and Vickers hardness (Hv) measurement results. 2 to 7 collectively show the relationship between the average C concentration (Cs), average N concentration (Ns), Cs + Ns, and Vickers hardness of the surface layer portion.

Figure 2010070831
Figure 2010070831

なお、本発明においては、ガス浸炭部品の面疲労強度と曲げ疲労強度を大幅に上回ることを目標としている。このため、面疲労強度および回転曲げ疲労強度はそれぞれ、JIS規格のSCM420を満たす鋼のガス浸炭品である、後述する表8の試験番号1の面疲労強度を20%以上上回ること、および、その回転曲げ疲労強度よりも20%以上高い値の600MPaを目標とした。この目標を達成するためには、表8に示すように、170℃焼戻し材のビッカース硬さ(Hv)が765以上、および300℃焼戻し材のビッカース硬さ(Hv)が710以上であることが必要であるため、目標のビッカース硬さは、170℃焼戻し材は765以上、300℃焼戻し材は710以上とした。   In addition, in this invention, it aims at exceeding the surface fatigue strength and bending fatigue strength of gas carburized components. For this reason, the surface fatigue strength and the rotational bending fatigue strength are 20% or more of the surface fatigue strength of test number 1 in Table 8 to be described later, which is a gas carburized product of steel satisfying JIS standard SCM420, and The target was 600 MPa, which is 20% or more higher than the rotational bending fatigue strength. In order to achieve this goal, as shown in Table 8, the Vickers hardness (Hv) of the 170 ° C. tempered material is 765 or more, and the Vickers hardness (Hv) of the 300 ° C. tempered material is 710 or more. Since it is necessary, the target Vickers hardness was 765 or higher for the 170 ° C. tempered material and 710 or higher for the 300 ° C. tempered material.

図2〜7から、上記の目標硬さを達成する事例があるのは、表層部、つまり、表面から深さ0.1mmまでの領域における平均のC濃度(Cs)が0.60〜0.90%、平均のN濃度(Ns)が0.15〜0.35%、Cs+Nsが0.80〜1.10%であることがわかる。   2-7, there is an example which achieves said target hardness, the average C density | concentration (Cs) in the surface layer part, ie, the area | region from the surface to a depth of 0.1 mm, is 0.60-0. It can be seen that 90%, the average N concentration (Ns) is 0.15 to 0.35%, and Cs + Ns is 0.80 to 1.10%.

そこで、表3の結果を見ると、表層部における平均のC濃度(Cs)が0.60〜0.90%、平均のN濃度(Ns)が0.15〜0.35%、Cs+Nsが0.80〜1.10%のすべてを満たす場合、常に目標の硬さを満足していることがわかる。   Therefore, looking at the results in Table 3, the average C concentration (Cs) in the surface layer portion is 0.60 to 0.90%, the average N concentration (Ns) is 0.15 to 0.35%, and Cs + Ns is 0. It can be seen that when all of .80 to 1.10% are satisfied, the target hardness is always satisfied.

以上のことから、表面から深さ0.1mmまでの領域において、平均のC濃度Csが0.60〜0.90%、平均のN濃度Nsが0.15〜0.35%、Cs+Nsが0.80〜1.10%であることと規定した。   From the above, in the region from the surface to a depth of 0.1 mm, the average C concentration Cs is 0.60 to 0.90%, the average N concentration Ns is 0.15 to 0.35%, and Cs + Ns is 0. It was specified to be 80 to 1.10%.

(C)生地の鋼材の化学組成と表層部のN濃度について:
本発明者らの検討によって、本発明に係る鋼製の浸炭窒化部品は、下記の式(イ)または式(ロ)で規定されるXの値が9.0以上でなければならないことが明らかになった。
(C) About chemical composition of steel material of dough and N concentration of surface layer part:
According to the study by the present inventors, it is clear that the value of X defined by the following formula (A) or (B) must be 9.0 or more in the steel carbonitriding component according to the present invention. Became.

Cr−(Ns×3.7)≧0の場合:
X=(1+0.7×Si)×(1+3.3×Mn)×[1+2.2×{Cr−(Ns×3.7)+(0.048/Ns)}]×(1+3.0×Mo)・・・(イ)
Cr−(Ns×3.7)<0の場合:
X=(1+0.7×Si)×(1+3.3×Mn)×{1+2.2×(0.048/Ns)}×(1+3.0×Mo)・・・(ロ)
なお、上記の各式におけるCr、Si、MnおよびMoは、生地の鋼材中のその元素の質量%での含有量を表す。
When Cr- (Ns × 3.7) ≧ 0:
X = (1 + 0.7 × Si) × (1 + 3.3 × Mn) × [1 + 2.2 × {Cr− (Ns × 3.7) + (0.048 / Ns)}] × (1 + 3.0 × Mo )···(I)
When Cr- (Ns × 3.7) <0:
X = (1 + 0.7 × Si) × (1 + 3.3 × Mn) × {1 + 2.2 × (0.048 / Ns)} × (1 + 3.0 × Mo) (B)
In addition, Cr, Si, Mn, and Mo in each of the above formulas represent the content in mass% of the element in the steel material of the dough.

以下、上記の事項について詳しく説明する。   Hereinafter, the above items will be described in detail.

本発明者らは、化学成分が浸炭窒化後の表層部の組織に与える影響を明らかにするために、次の試験を行った。   In order to clarify the influence of chemical components on the structure of the surface layer after carbonitriding, the present inventors conducted the following test.

すなわち、表4に示す前記(A)項で述べた生地の鋼材の化学組成を満たす鋼a〜kを50kg真空溶解炉で溶解した後、インゴットに鋳造した。   That is, steels a to k that satisfy the chemical composition of the steel material of the dough described in the section (A) shown in Table 4 were melted in a 50 kg vacuum melting furnace and then cast into an ingot.

Figure 2010070831
Figure 2010070831

鋳造後の各インゴットは一旦室温まで冷却した後、再度1250℃で30分加熱し、仕上げ温度を950℃以上として熱間鍛造して、直径35mmの丸棒を得た。   Each ingot after casting was once cooled to room temperature, then heated again at 1250 ° C. for 30 minutes, and hot forged at a finishing temperature of 950 ° C. or higher to obtain a round bar having a diameter of 35 mm.

次いで、上記の直径が35mmの各丸棒に、920℃で1時間保持して室温まで大気中で放冷する処理を行った。その後、丸棒の中心部から鍛錬軸に平行に、機械加工により図8に示す形状の切欠き付き小野式回転曲げ疲労試験片を各8本作製した。なお、図8における寸法の単位は「mm」である。   Next, each round bar having a diameter of 35 mm was subjected to a treatment that was held at 920 ° C. for 1 hour and allowed to cool to room temperature in the air. Thereafter, eight ono-type rotary bending fatigue test pieces with notches having a shape shown in FIG. 8 were produced by machining from the center of the round bar in parallel to the forging axis. The unit of the dimension in FIG. 8 is “mm”.

上記の試験片は、ガス浸炭炉を用いて、図1および表2に示す条件で浸炭窒化焼入れ(表2に示す処理条件記号FとG)を行い、次いで、170℃で1.5時間の焼戻しを行った。   The above test piece was subjected to carbonitriding and quenching (treatment condition symbols F and G shown in Table 2) using the gas carburizing furnace under the conditions shown in FIG. 1 and Table 2, and then at 170 ° C. for 1.5 hours. Tempering was performed.

このようにして得た切欠き付き小野式回転曲げ疲労試験片の各1ヶについて、そのつかみ部の表面から深さ0.1mmまでの領域、つまり、表層部について、旋盤加工によって切粉を採取し、一般的な化学分析によって、CおよびNの含有量を測定し、表層部における平均のC濃度(Cs)および平均のN濃度(Ns)を求めた。   For each one of the Ono-type rotating bending fatigue test pieces with notches obtained in this way, chips were collected by lathe processing in the area from the surface of the grip part to a depth of 0.1 mm, that is, the surface layer part. Then, the contents of C and N were measured by a general chemical analysis, and the average C concentration (Cs) and the average N concentration (Ns) in the surface layer portion were obtained.

表5に、上記の表層部分析結果を示す。   Table 5 shows the results of the surface layer analysis.

Figure 2010070831
Figure 2010070831

表5中に示すように、全ての試験片が、前記(B)項で述べた、表面から深さ0.1mmまでの領域において、平均のC濃度(Cs)が0.60〜0.90%、平均のN濃度(Ns)が0.15〜0.35%、Cs+Nsが0.80〜1.10%であることを満たしていた。   As shown in Table 5, the average C concentration (Cs) was 0.60 to 0.90 in the region from the surface to the depth of 0.1 mm as described in the item (B). %, The average N concentration (Ns) was 0.15 to 0.35%, and Cs + Ns was 0.80 to 1.10%.

そこで、各鋼の残りの7ヶの切欠き付き小野式回転曲げ疲労試験片について、熱処理ひずみを除く目的で、つかみ部の仕上げ加工を行った後、室温での小野式回転曲げ疲労試験に供した。なお、試験条件は回転数3000rpmとし、その他は通常の方法とし、繰り返し数1.0×107回まで破断しなかったうちの最も高い応力を「回転曲げ疲労強度」とした。 Therefore, the remaining seven notched Ono-type rotating bending fatigue test pieces of each steel were subjected to the finishing process of the grip part for the purpose of removing heat treatment strain, and then subjected to the Ono-type rotating bending fatigue test at room temperature. did. The test conditions were a rotational speed 3000 rpm, others as a normal method, was the highest stress of that did not break up repetitive number 1.0 × 10 7 times as "rotary bending fatigue strength".

このようにして求めた回転曲げ疲労強度を表5に併せて示す。   The rotational bending fatigue strength thus obtained is also shown in Table 5.

表5から、前記(B)項で述べた、表面から深さ0.1mmまでの領域において、平均のC濃度(Cs)が0.60〜0.90%、平均のN濃度(Ns)が0.15〜0.35%、Cs+Nsが0.80〜1.10%という条件を満たしていても、回転曲げ疲労強度は前記した600MPaという目標値を達成できない場合があることが明らかになった。   From Table 5, the average C concentration (Cs) is 0.60 to 0.90% and the average N concentration (Ns) is in the region from the surface to the depth of 0.1 mm described in the section (B). Even when the conditions of 0.15 to 0.35% and Cs + Ns satisfy the conditions of 0.80 to 1.10%, it has become clear that the rotational bending fatigue strength may not achieve the target value of 600 MPa described above. .

そこで次に、つかみ部の切粉採取に使用した切欠き付き小野式回転曲げ疲労試験片の切欠き部を軸方向に平行な面で2等分した切断面が被検面になるように鏡面研磨し、ナイタールで腐食してから、光学顕微鏡によって、試験片表層部近傍を、倍率400倍で観察した。   Therefore, the mirror surface is such that the cut surface of the notched portion of the Ono-type rotating bending fatigue test piece with notches used for collecting chips at the grip portion is divided into two equal parts by a plane parallel to the axial direction. After polishing and corroding with nital, the vicinity of the surface layer of the test piece was observed at a magnification of 400 times with an optical microscope.

その結果、回転曲げ疲労強度が前記した600MPaという目標に達していない試験片においては、旧オーステナイト粒界に沿って、マルテンサイト組織に較べて濃いコントラストを呈する箇所が認められた。   As a result, in the test piece in which the rotational bending fatigue strength did not reach the target of 600 MPa as described above, a portion exhibiting a darker contrast than the martensite structure was observed along the prior austenite grain boundary.

そこでさらに、走査型電子顕微鏡を用いて、倍率5000倍で観察した結果、この濃いコントラストを呈する部分は、パーライト組織やベイナイト組織であることがわかった。なお、上記のパーライト組織やベイナイト組織は、マルテンサイト組織の部分より軟質と考えられるため、この旧オーステナイト粒界近傍に生成した軟質な組織の生成を抑制することが、回転曲げ疲労強度を高めるために重要である、すなわち、旧オーステナイト粒界近傍の焼入れ性を高める必要があることが明らかになった。   Therefore, as a result of further observation using a scanning electron microscope at a magnification of 5000, it was found that the portion exhibiting this dark contrast was a pearlite structure or a bainite structure. In addition, since the above pearlite structure and bainite structure are considered to be softer than the martensite structure, suppressing the formation of a soft structure generated in the vicinity of the prior austenite grain boundary increases the rotational bending fatigue strength. It was found that it is important to improve the hardenability in the vicinity of the prior austenite grain boundaries.

ここで、鋼の焼入れ性は、理想焼入れをしたときの臨界直径、すなわちDIで見積もることができること、そしてDIは、化学成分などから見積もることができることが知られている。 Here, it is known that the hardenability of steel can be estimated by a critical diameter when ideal quenching, that is, D I , and D I can be estimated from a chemical component or the like.

なお、浸炭窒化したときの鋼材表層部の粒界ではCrNが生成しやすく、粒界近傍ではCr欠乏相が形成されるため、粒界近傍での軟質相生成を確実に防止するためには、CrNが最大限生成しても、所定の焼入れ性を確保する必要がある。   In addition, since CrN is easily generated at the grain boundary of the steel surface layer when carbonitriding, and a Cr-deficient phase is formed in the vicinity of the grain boundary, in order to reliably prevent the generation of a soft phase in the vicinity of the grain boundary, Even if CrN is generated to the maximum extent, it is necessary to ensure a predetermined hardenability.

CrとNの原子量の比から、表層部において平均の窒素濃度(Ns)のNと結合する最大のCrの量は〔3.7×Ns〕%である。しかしながら、一般的な浸炭窒化の焼入れ温度である830〜870℃においては、CrNはマトリックスであるオーステナイト中にある程度は固溶でき、その量はCrNの溶解度積である下記の式(ハ)から見積もることができるので、この固溶Cr量を差し引く必要がある。   From the ratio of the atomic weight of Cr and N, the maximum amount of Cr combined with N having an average nitrogen concentration (Ns) in the surface layer portion is [3.7 × Ns]%. However, at a quenching temperature of general carbonitriding of 830 to 870 ° C., CrN can be dissolved to some extent in austenite as a matrix, and the amount is estimated from the following formula (c) which is a solubility product of CrN. Therefore, it is necessary to subtract this solute Cr amount.

log[Cr][N]=(6095/T)+4.11・・・(ハ)
なお、式(ハ)におけるTは、絶対温度(K)単位での温度を表す。
log [Cr] [N] = (6095 / T) +4.11 (C)
In the formula (C), T represents a temperature in absolute temperature (K) units.

上記の式(ハ)に、浸炭窒化時の焼入れ温度である850℃(1123K)を代入すると、[Cr][N]=0.048となる。   Substituting 850 ° C. (1123 K), which is the quenching temperature at the time of carbonitriding, into the above formula (c), [Cr] [N] = 0.048.

したがって、粒界近傍のCr量の下限Crgは、次に示す式、つまり、
Cr−(Ns×3.7)≧0の場合:
Crg=Cr−(Ns×3.7)+(0.048/Ns)・・・(ニ)
Cr−(Ns×3.7)<0の場合:
Crg=(0.048/Ns)・・・(ホ)
の式(ニ)または式(ホ)から求めることができる。
Therefore, the lower limit Cr g of the Cr amount near the grain boundary is expressed by the following equation,
When Cr- (Ns × 3.7) ≧ 0:
Cr g = Cr− (Ns × 3.7) + (0.048 / Ns) (d)
When Cr- (Ns × 3.7) <0:
Cr g = (0.048 / Ns) (e)
It can be obtained from the following formula (d) or formula (e).

以上のことから一般的に知られているDIを見積もる相乗法に、上記した粒界近傍のCr量の下限を組み合わせると、式(イ)または式(ロ)が得られる。 A synergistic method to estimate D I which is generally known from the above, the combination of the lower limit of the Cr content near the grain boundary mentioned above, Formula (I) or formula (B) is obtained.

Cr−(Ns×3.7)≧0の場合:
X=(1+0.7×Si)×(1+3.3×Mn)×[1+2.2×{Cr−(Ns×3.7)+(0.048/Ns)}]×(1+3.0×Mo)・・・(イ)、
Cr−(Ns×3.7)<0の場合:
X=(1+0.7×Si)×(1+3.3×Mn)×{1+2.2×(0.048/Ns)}×(1+3.0×Mo)・・・(ロ)。
When Cr- (Ns × 3.7) ≧ 0:
X = (1 + 0.7 × Si) × (1 + 3.3 × Mn) × [1 + 2.2 × {Cr− (Ns × 3.7) + (0.048 / Ns)}] × (1 + 3.0 × Mo )···(I),
When Cr- (Ns × 3.7) <0:
X = (1 + 0.7 × Si) × (1 + 3.3 × Mn) × {1 + 2.2 × (0.048 / Ns)} × (1 + 3.0 × Mo) (B).

表5に、〔Cr−(Ns×3.7)〕の値とともに、式(イ)または式(ロ)から求めたXの値を併せて示す。   In Table 5, together with the value of [Cr- (Ns × 3.7)], the value of X obtained from the formula (A) or the formula (B) is also shown.

また、図9に回転曲げ疲労強度と式(イ)または式(ロ)から求めたXの値との関係を整理して示す。   FIG. 9 shows the relationship between the rotational bending fatigue strength and the value of X obtained from the formula (A) or the formula (B).

図9から、Xの値が9.0未満になると、回転曲げ疲労強度が大きく低下して、600MPaという目標を達成できないことが明らかである。   From FIG. 9, it is clear that when the value of X is less than 9.0, the rotational bending fatigue strength is greatly reduced and the target of 600 MPa cannot be achieved.

以上のことから、前記の式(イ)または式(ロ)で規定されるXの値が9.0以上であることと規定した。   From the above, it is defined that the value of X defined by the above formula (A) or (B) is 9.0 or more.

なお、本発明の鋼製の浸炭窒化部品は、ガス浸炭炉、真空浸炭炉(減圧浸炭炉)などを用いて浸炭窒化処理すればよい。   The steel carbonitriding component of the present invention may be carbonitrided using a gas carburizing furnace, a vacuum carburizing furnace (vacuum carburizing furnace) or the like.

また、複雑な形状の浸炭窒化部品の場合には、表層部、表面から深さ0.1mmまでの領域における平均のC濃度(Cs)および平均のN濃度(Ns)は、電子プローブ微量分析(EPMA)による線分析で測定してもよい。   In the case of a carbonitriding part having a complicated shape, the average C concentration (Cs) and the average N concentration (Ns) in the surface layer part and the region from the surface to a depth of 0.1 mm are measured by an electron probe microanalysis ( EPMA) may be measured by line analysis.

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

表6に示す化学組成を有する鋼1〜15を50kg真空溶解炉で溶解した後、鋳造してインゴットを得た。なお、表5中の鋼1〜7および鋼9〜15は、本発明で規定する生地の鋼材の化学組成範囲内にある鋼である。一方、鋼8は、Alの含有量が、本発明で規定する生地の鋼材の化学組成条件から外れた比較例の鋼である。   Steels 1 to 15 having chemical compositions shown in Table 6 were melted in a 50 kg vacuum melting furnace and then cast to obtain an ingot. In addition, steel 1-7 in Table 5 and steel 9-15 are steel which exists in the chemical composition range of the steel material of the dough prescribed | regulated by this invention. On the other hand, the steel 8 is a steel of a comparative example in which the Al content deviates from the chemical composition conditions of the steel material of the fabric defined in the present invention.

Figure 2010070831
Figure 2010070831

鋳造後の各インゴットは一旦室温まで冷却した後、再度1250℃で30分加熱し、仕上げ温度を950℃以上として熱間鍛造して、直径35mmの丸棒を得た。   Each ingot after casting was once cooled to room temperature, then heated again at 1250 ° C. for 30 minutes, and hot forged at a finishing temperature of 950 ° C. or higher to obtain a round bar having a diameter of 35 mm.

次いで、上記の直径が35mmの各丸棒に、920℃で1時間保持して室温まで大気中で放冷する処理を行った。その後、丸棒の中心部から鍛錬軸に平行に、機械加工により直径が26mmで長さが240mmの試験片(以下、「丸棒試験片」と称する。)、図8に示す形状の切欠き付き小野式回転曲げ疲労試験片および図10に示す形状のローラーピッチング試験用小ローラーを作製した。なお、図10における寸法の単位は「mm」である。   Next, each round bar having a diameter of 35 mm was subjected to a treatment that was held at 920 ° C. for 1 hour and allowed to cool to room temperature in the air. Thereafter, a test piece (hereinafter, referred to as “round bar test piece”) having a diameter of 26 mm and a length of 240 mm by machining, parallel to the forging axis from the center of the round bar, and a notch having the shape shown in FIG. An attached Ono type rotating bending fatigue test piece and a roller for roller pitching test having the shape shown in FIG. 10 were prepared. The unit of the dimension in FIG. 10 is “mm”.

上記の各試験片は、ガス浸炭炉を用いて、図1および表2に示す条件で浸炭窒化焼入れ(表2に示す処理条件記号C〜I、K、M)または浸炭焼入れ(表2に示す処理条件記号A)を行い、次いで、170℃で1.5時間の焼戻しを行った。   Each of the above test pieces was carbonitrided and quenched (treatment condition symbols C to I, K, and M shown in Table 2) or carburized and quenched (shown in Table 2) under the conditions shown in FIG. 1 and Table 2 using a gas carburizing furnace. Treatment condition symbol A) was performed, followed by tempering at 170 ° C. for 1.5 hours.

なお、上記の170℃で1.5時間の焼戻しを行った丸棒試験片については、軸方向に垂直な面で3等分し、その3等分した試験片のうちの1つを用いて、表面から深さ0.1mmまでの領域である表層部について、旋盤加工によって切粉を採取し、一般的な化学分析によって、CおよびNの含有量を測定し、表層部における平均のC濃度(Cs)および平均のN濃度(Ns)を求めた。   In addition, about the round bar test piece which tempered at said 170 degreeC for 1.5 hours, it divides into 3 equal parts in a surface perpendicular | vertical to an axial direction, and uses one of the test pieces divided into 3 parts. For the surface layer portion, which is a region from the surface to a depth of 0.1 mm, chips are collected by lathe processing, the contents of C and N are measured by general chemical analysis, and the average C concentration in the surface layer portion (Cs) and average N concentration (Ns) were determined.

また、上記の丸棒試験片を3等分した試験片うちの別の1つを用いて、さらに300℃で1時間の焼戻しを行った。   Moreover, tempering was further performed at 300 ° C. for 1 hour using another one of the test pieces obtained by dividing the round bar test piece into three equal parts.

丸棒試験片を170℃で焼戻し後に3等分した試験片のうちの残りの1つ、および上記のさらに300℃で焼戻した試験片を用いて、表面近傍のビッカース硬さを、JIS Z 2244(2003)における「ビッカース硬さ試験−試験方法」に準拠して、次の方法で測定した。   The Vickers hardness in the vicinity of the surface was measured according to JIS Z 2244 by using the remaining one of the test pieces obtained by dividing the round bar test piece into three equal parts after tempering at 170 ° C. and the test piece further tempered at 300 ° C. Based on "Vickers hardness test-test method" in (2003), the measurement was performed by the following method.

すなわち、試験片の軸方向に垂直な面で2等分した切断面が被検面になるように鏡面研磨し、試験部の最表面から深さ0.05mmおよび0.10mmの位置で、試験力を1.961Nとして各5ヶ所測定し、それを算術平均して表層部のビッカース硬さとした。   That is, mirror polishing was performed so that the cut surface divided in half by the plane perpendicular to the axial direction of the test piece becomes the test surface, and the test was conducted at the depth of 0.05 mm and 0.10 mm from the outermost surface of the test part. The force was measured at 1.961 N at 5 locations, and the average was calculated as the Vickers hardness of the surface layer.

170℃で焼戻ししたローラーピッチング試験用小ローラーおよび切欠き付き小野式回転曲げ疲労試験片は、熱処理ひずみを除く目的で、つかみ部の仕上げ加工を行った後、それぞれ、ローラーピッチング試験と室温での小野式回転曲げ疲労試験に供した。   The roller pitting test small roller tempered at 170 ° C and the Ono rotary bending fatigue test piece with notch were subjected to the roller pitching test and room temperature after finishing the grip part for the purpose of eliminating heat treatment strain, respectively. It was subjected to an Ono type rotating bending fatigue test.

ローラーピッチング試験は、上記のローラーピッチング試験用小ローラーと図11に示す形状のローラーピッチング試験用大ローラーの組み合わせで、表7に示す条件で行った。なお、図11における寸法の単位は「mm」である。   The roller pitching test was carried out under the conditions shown in Table 7 with a combination of the above-mentioned small roller pitching test roller and the large roller pitching test roller having the shape shown in FIG. The unit of the dimension in FIG. 11 is “mm”.

上記ローラーピッチング試験用大ローラーは、JISのSCM420の規格を満たす鋼を用いて、一般的な製造工程、つまり、「焼きならし→試験片加工→ガス浸炭炉による共析浸炭→低温焼戻し→研磨」の工程によって作製したものであり、表面から0.05mmの位置、つまり、深さ0.05mmの位置におけるビッカース硬さHvは740〜760で、また、ビッカース硬さHvが550以上の深さは、0.8〜1.0mmの範囲にあった。   The large roller for the roller pitching test is made of a steel that satisfies the standard of JIS SCM420, which is a general manufacturing process, that is, “normalization → test piece processing → eutectoid carburization by gas carburizing furnace → low temperature tempering → polishing The Vickers hardness Hv at a position of 0.05 mm from the surface, that is, at a depth of 0.05 mm, is 740 to 760, and the depth of the Vickers hardness Hv is 550 or more. Was in the range of 0.8 to 1.0 mm.

Figure 2010070831
Figure 2010070831

各試験番号について、ローラーピッチング試験における試験数は5とし、縦軸に面圧、横軸にピッチング発生までの繰り返し数をとったS−N線図を作成し、繰り返し数1.0×107回までピッチングが発生しなかったうちの最も高い面圧を「面疲労強度」とした。なお、小ローラーの試験部の表面が損傷している箇所のうちで、最大のものの面積が1mm2以上になった場合をピッチング発生とした。 For each test number, the number of tests in the roller pitching test was set to 5, an SN graph was created with the surface pressure on the vertical axis and the number of repetitions until the occurrence of pitching on the horizontal axis, and the number of repetitions was 1.0 × 10 7. The highest surface pressure from which no pitting occurred was defined as “surface fatigue strength”. In addition, when the area of the largest thing became 1 mm < 2 > or more among the places where the surface of the test part of a small roller was damaged, it was set as pitching generation | occurrence | production.

室温での小野式回転曲げ疲労試験は、試験数を各7として、回転数3000rpm、その他は通常の方法によって行い、繰り返し数1.0×107回まで破断しなかったうちの最も高い応力を「回転曲げ疲労強度」とした。 The Ono-type rotating bending fatigue test at room temperature was carried out with the number of tests being 7 each, a rotational speed of 3000 rpm, and others by the usual method, and the highest stress among those that did not break until the number of repetitions of 1.0 × 10 7 times. “Rotating bending fatigue strength”.

表8に、上記の各試験結果をまとめて示す。なお、ローラーピッチング試験での面疲労強度の目標は、鋼Aを用いて浸炭焼入れした試験番号1の面疲労強度を20%以上上回ることとし、また、小野式回転曲げ疲労強度の目標は、上記試験番号1の回転曲げ疲労強度よりも20%以上高い値の600MPaとした。なお、表8においては、面疲労強度は試験番号1の値を「1.00」として表記した。   Table 8 summarizes the above test results. In addition, the surface fatigue strength target in the roller pitching test is 20% or more higher than the surface fatigue strength of Test No. 1 carburized and quenched using steel A, and the Ono type rotary bending fatigue strength target is the above The value was 600 MPa, which is 20% or more higher than the rotational bending fatigue strength of Test No. 1. In Table 8, the surface fatigue strength is expressed by assuming the value of test number 1 as “1.00”.

Figure 2010070831
Figure 2010070831

表8から、本発明で規定する条件から外れた試験番号2〜8、試験番号16および試験番号23の場合には、ローラーピッチング試験における面疲労強度と小野式回転曲げ疲労試験における曲げ疲労強度のいずれか、または両方が目標に達していないことが明らかである。   From Table 8, in the case of test numbers 2 to 8, test number 16 and test number 23 that deviate from the conditions specified in the present invention, the surface fatigue strength in the roller pitching test and the bending fatigue strength in the Ono rotary bending fatigue test It is clear that either or both have not reached their goals.

上記の比較例に対して、本発明で規定する条件を満たす試験番号9〜15および試験番号17〜22の場合には、ローラーピッチング試験における面疲労強度および小野式回転曲げ疲労試験における曲げ疲労強度がともに目標を満たしており、表面硬化処理として最も代表的な浸炭焼入れによって製造した試験番号1の場合に較べて、大幅に優れた曲げ疲労強度および面疲労強度を有することが明らかである。   In the case of test numbers 9 to 15 and test numbers 17 to 22 that satisfy the conditions specified in the present invention with respect to the above comparative example, the surface fatigue strength in the roller pitching test and the bending fatigue strength in the Ono-type rotary bending fatigue test It is clear that both of them satisfy the target and have significantly better bending fatigue strength and surface fatigue strength than the case of test number 1 manufactured by carburizing and quenching, which is the most typical surface hardening treatment.

さらに、Ti、Nb、V、Ca、Mg、REMのいずれか1種以上を含有する鋼を用いた試験番号では、曲げ疲労強度が630MPa以上であり、さらに良好なことが明らかである。   Furthermore, in the test number using steel containing any one or more of Ti, Nb, V, Ca, Mg, and REM, the bending fatigue strength is 630 MPa or more, which is clearly better.

本発明の鋼製の浸炭窒化部品は、曲げ疲労強度および面疲労強度が優れているので、自動車や産業機械の歯車、シャフトなどに用いることができる。   Since the steel carbonitrided parts of the present invention have excellent bending fatigue strength and surface fatigue strength, they can be used for gears and shafts of automobiles and industrial machines.

浸炭窒化焼入れあるいは浸炭焼入れのヒートパターンについて説明する図である。なお、アンモニア流量Gが0の場合が浸炭焼入れである。It is a figure explaining the heat pattern of carbonitriding quenching or carburizing quenching. The case where the ammonia flow rate G is 0 is carburizing and quenching. 浸炭窒化焼入れあるいは浸炭焼入れ後に170℃で焼戻しした場合の表層部の平均のC濃度(Cs)とビッカース硬さとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the average C density | concentration (Cs) of the surface layer part at the time of tempering at 170 degreeC after carbonitriding quenching or carburizing quenching, and Vickers hardness. 浸炭窒化焼入れあるいは浸炭焼入れ後に170℃で焼戻ししてからさらに300℃で焼戻しした場合の表層部の平均のC濃度(Cs)とビッカース硬さとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the average C density | concentration (Cs) of the surface layer part at the time of tempering at 170 degreeC after carbonitriding quenching or carburizing hardening, and further tempering at 300 degreeC, and Vickers hardness. 浸炭窒化焼入れあるいは浸炭焼入れ後に170℃で焼戻しした場合の表層部の平均のN濃度(Ns)とビッカース硬さとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the average N density | concentration (Ns) of the surface layer part at the time of tempering at 170 degreeC after carbonitriding quenching or carburizing quenching, and Vickers hardness. 浸炭窒化焼入れあるいは浸炭焼入れ後に170℃で焼戻ししてからさらに300℃で焼戻しした場合の表層部の平均のN濃度(Ns)とビッカース硬さとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the average N density | concentration (Ns) of the surface layer part at the time of tempering at 170 degreeC after carbonitriding quenching or carburizing quenching, and further tempering at 300 degreeC, and Vickers hardness. 浸炭窒化焼入れあるいは浸炭焼入れ後に170℃で焼戻しした場合の表層部のCs+Nsとビッカース硬さとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Cs + Ns of the surface layer part at the time of tempering at 170 degreeC after carbonitriding quenching or carburizing quenching, and Vickers hardness. 浸炭窒化焼入れあるいは浸炭焼入れ後に170℃で焼戻ししてからさらに300℃で焼戻しした場合の表層部のCs+Nsとビッカース硬さとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Cs + Ns of the surface layer part at the time of tempering at 170 degreeC after carbonitriding quenching or carburizing quenching, and further tempering at 300 degreeC, and Vickers hardness. 切欠き付き小野式回転曲げ疲労試験片形状を示す図である。なお、寸法の単位は「mm」である。It is a figure which shows the Ono type | formula rotation bending fatigue test piece shape with a notch. The unit of dimension is “mm”. 浸炭窒化焼入れ後に170℃で焼戻しした場合の回転曲げ疲労強度とXの値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the rotation bending fatigue strength at the time of tempering at 170 degreeC after carbonitriding and quenching, and the value of X. ローラーピッチング小ローラー試験片の形状を示す図である。なお、寸法の単位は「mm」である。It is a figure which shows the shape of a roller pitching small roller test piece. The unit of dimension is “mm”. ローラーピッチング大ローラー試験片の形状を示す図である。なお、寸法の単位は「mm」である。It is a figure which shows the shape of a roller pitching large roller test piece. The unit of dimension is “mm”.

Claims (3)

生地が、質量%で、C:0.1〜0.3%、Si:0.05〜1.5%、Mn:0.2〜1.5%、S:0.003〜0.05%、Cr:0.5〜2.5%、Mo:0.20〜0.8%、Al:0.01〜0.05%およびN:0.008〜0.025%を含有し、残部はFeおよび不純物からなる鋼材であり、表面から深さ0.1mmまでの領域において、平均のC濃度Csが0.60〜0.90%、平均のN濃度Nsが0.15〜0.35%、Cs+Nsが0.80〜1.10%で、かつ、下記の式(イ)または式(ロ)で規定されるXの値が9.0以上であることを特徴とする鋼製の浸炭窒化部品。
Cr−(Ns×3.7)≧0の場合:
X=(1+0.7×Si)×(1+3.3×Mn)×[1+2.2×{Cr−(Ns×3.7)+(0.048/Ns)}]×(1+3.0×Mo)・・・(イ)
Cr−(Ns×3.7)<0の場合:
X=(1+0.7×Si)×(1+3.3×Mn)×{1+2.2×(0.048/Ns)}×(1+3.0×Mo)・・・(ロ)
なお、上記の各式におけるCr、Si、MnおよびMoは、生地の鋼材中のその元素の質量%での含有量を表す。
Dough is mass%, C: 0.1-0.3%, Si: 0.05-1.5%, Mn: 0.2-1.5%, S: 0.003-0.05% , Cr: 0.5-2.5%, Mo: 0.20-0.8%, Al: 0.01-0.05% and N: 0.008-0.025%, the balance being It is a steel material made of Fe and impurities, and in the region from the surface to a depth of 0.1 mm, the average C concentration Cs is 0.60 to 0.90%, and the average N concentration Ns is 0.15 to 0.35%. Cs + Ns is 0.80 to 1.10%, and the value of X defined by the following formula (A) or (B) is 9.0 or more. parts.
When Cr- (Ns × 3.7) ≧ 0:
X = (1 + 0.7 × Si) × (1 + 3.3 × Mn) × [1 + 2.2 × {Cr− (Ns × 3.7) + (0.048 / Ns)}] × (1 + 3.0 × Mo )···(I)
When Cr- (Ns × 3.7) <0:
X = (1 + 0.7 × Si) × (1 + 3.3 × Mn) × {1 + 2.2 × (0.048 / Ns)} × (1 + 3.0 × Mo) (B)
In addition, Cr, Si, Mn, and Mo in each of the above formulas represent the content in mass% of the element in the steel material of the dough.
生地の鋼材が、Feの一部に代えて、Ti:0.10%以下、Nb:0.08%以下およびV:0.15%以下のうちの1種以上を含有するものであることを特徴とする請求項1に記載の鋼製の浸炭窒化部品。   The steel material of the dough contains one or more of Ti: 0.10% or less, Nb: 0.08% or less, and V: 0.15% or less instead of part of Fe. The carbonitriding part made of steel according to claim 1 characterized by the above-mentioned. 生地の鋼材が、Feの一部に代えて、Ca:0.003%以下、Mg:0.003%以下および希土類元素:0.02%以下のうちの1種以上を含有するものであることを特徴とする請求項1または2に記載の鋼製の浸炭窒化部品。   The dough steel material contains at least one of Ca: 0.003% or less, Mg: 0.003% or less, and rare earth elements: 0.02% or less, instead of part of Fe. The carbonitriding component made of steel according to claim 1 or 2.
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