JP2017039971A - Case hardening steel for high strength cold forging - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a case hardening steel for high strength cold forging that does not contain Ni and Mo which are expensive elements as much as possible, that has small anisotropy of cold forgeability, is excellent in hardenability and has shallow depth of a carburization abnormal layer caused by carburization and hardening.SOLUTION: The case hardening steel for high strength cold forging is provided which contains, by mass%, Si:0.02 to 1.00%, Mn:0.30 to 1.00%, S:0.002 to 0.030%, Cr:1.50 to 3.00%, Te:0.0003 to 0.0050% and having contents of Si, Mn, Cr, S and Te with following values of fn1, fn2 and fn3 satisfying 30≤fn1≤150, fn2≤0.010 and 0.90≤fn3≤1.60 respectively. fn1:Mn/S (1), fn2:Cr×Te (2), fn3:(14/24)×Cr+(14/25)×Mn-Si (3), where element symbols in the formula (1), the formula (2) and the formula (3) represent contents of each element by mass%.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、冷間鍛造によって成形された後、浸炭焼入に供される肌焼鋼に関する。   The present invention relates to a case-hardened steel that is formed by cold forging and then subjected to carburizing and quenching.

浸炭歯車は、主として熱間鍛造、浸炭焼入、切削工程により製造されている。浸炭焼入は、AC3点以上のオーステナイト域の温度で部品の表層に炭素を侵入・拡散させた後、焼入する処理である。従来は、浸炭歯車の素材として、低炭素の肌焼鋼が使用されていた。 Carburized gears are mainly manufactured by hot forging, carburizing and quenching, and cutting processes. Carburizing and quenching, after infested-diffusing carbon into the surface layer of the part at a temperature of the austenite region above C3 points A, is a process of hardening. Conventionally, low-carbon case-hardened steel has been used as a material for carburized gears.

歯車には高い強度が求められるため、焼入れ層の深さを大きくできるように、素材となる鋼には高い焼入性が求められる。そのため、浸炭部品の素材となる肌焼鋼には、JIS G 4052(2003)に限定されたSNCM220Hなどのニッケルクロムモリブデン鋼、SCM420Hなどのクロムモリブデン鋼が使用されることが多い。   Since high strength is required for the gear, the steel used as the material is required to have high hardenability so that the depth of the hardened layer can be increased. For this reason, nickel-chromium molybdenum steel such as SNCM220H limited to JIS G 4052 (2003) and chromium-molybdenum steel such as SCM420H are often used for case-hardened steel as a material for carburized parts.

Ni及びMoはいずれも、浸炭層の深さ及び芯部の硬さを大きくするために有用な元素である。しかも、Ni及びMoはともに酸化し難い元素である。このため、Ni及びMoは、ガス浸炭の際に表面に生成する粒界酸化層の深さを増大させることなく、浸炭層の焼入性を向上させる効果も有している。しかし、Ni及びMoは高価な合金元素であるため、含有量を極力抑えて合金コストを低くすることが求められている。   Both Ni and Mo are useful elements for increasing the depth of the carburized layer and the hardness of the core. Moreover, both Ni and Mo are elements that are difficult to oxidize. For this reason, Ni and Mo also have the effect of improving the hardenability of the carburized layer without increasing the depth of the grain boundary oxide layer formed on the surface during gas carburizing. However, since Ni and Mo are expensive alloy elements, it is required to reduce the alloy cost by suppressing the content as much as possible.

省合金の要望に応えるべく、特許文献1には、Si、Mn、CrおよびSの含有量が、下記の(1)式および(2)式で表されるfn1およびfn2の値でそれぞれ、30≦fn1≦150および0.7≦fn2≦1.1を満たす(fn1=Mn/S・・・(1)、fn2=Cr/(Si+2Mn)・・・(2)、但し、(1)式および(2)式中の元素記号は、その元素の質量%での含有量を表す。)肌焼鋼が提案されている。特許文献1にて提案された肌焼鋼は、熱間鍛造による浸炭部品を製造する場合に好適である。   In order to meet the demand for alloy saving, Patent Document 1 discloses that the contents of Si, Mn, Cr, and S are 30 in terms of fn1 and fn2 expressed by the following formulas (1) and (2), respectively. ≦ fn1 ≦ 150 and 0.7 ≦ fn2 ≦ 1.1 are satisfied (fn1 = Mn / S (1), fn2 = Cr / (Si + 2Mn) (2), provided that the formula (1) and (2) The element symbol in the formula represents the content in mass% of the element.) Case-hardened steel has been proposed. The case-hardened steel proposed in Patent Document 1 is suitable for manufacturing carburized parts by hot forging.

ところで、浸炭歯車の生産性を向上させ、低コスト化を図るには、熱間鍛造と比較して鋼材の歩留が良好で、部品の寸法精度が良い冷間鍛造による成形方法を採用することが望ましい。しかし、冷間鍛造では、加工中の鋼材に加工硬化が生じ、延性が低下して部品が割れ易くなる問題がある。特に、熱間圧延により延伸したMnSは、異方性を生じさせ、特定方向の延性が極端に低くなる。
このような問題に対して、Mn硫化物を球状に維持するために、Mn硫化物にCaを固溶させ、また、TeによってCaがMn硫化物に固溶するのを促進するように、Ca、Te、S及びOの含有量とバランスを適正にした冷間鍛造用快削鋼が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
By the way, in order to improve the productivity of carburized gears and reduce costs, it is necessary to adopt a cold forging forming method with better steel yield and better dimensional accuracy than hot forging. Is desirable. However, in cold forging, there is a problem that work hardening occurs in the steel material being processed, ductility is lowered, and parts are easily broken. In particular, MnS drawn by hot rolling causes anisotropy and the ductility in a specific direction becomes extremely low.
In order to keep the Mn sulfide spherical, the Ca is dissolved in the Mn sulfide, and Ca is promoted to dissolve in the Mn sulfide by Te. , Te, S, and O content and the free cutting steel for cold forging which made the balance appropriate is proposed (for example, refer patent document 2).

特開2009−249685号公報JP 2009-249865 A 特開2012−117098号公報JP 2012-1117098 A

肌焼鋼の冷間鍛造性には異方性があり、冷間鍛造時に、圧延方向に延伸したMnSが、圧延方向と直行する方向から引張応力を受けると割れが生じ易い。
特許文献1によって提案された肌焼鋼は、熱間鍛造による部品の製造を前提としており、圧延方向に延伸したMnSに起因する延性の異方性に対する配慮がなされていない。このため、冷間鍛造性を満足させることができない場合がある。
The cold forgeability of case-hardened steel has anisotropy, and during cold forging, if MnS stretched in the rolling direction is subjected to a tensile stress from a direction perpendicular to the rolling direction, cracking is likely to occur.
The case-hardened steel proposed by Patent Document 1 is premised on the production of parts by hot forging, and no consideration is given to ductility anisotropy due to MnS drawn in the rolling direction. For this reason, the cold forgeability may not be satisfied.

また、Ni及びMoを極力含有させることなく、焼入性を確保するためには、Cr含有量を高めることが有効である。しかし、特許文献2によって提案された冷間鍛造用鋼では、Cr含有量を高めた場合のTeの効果について検討されておらず、必ずしも、浸炭焼入性と冷間鍛造性とを両立させることができない場合がある。また、Cr含有量を高めると、浸炭焼入により、浸炭異常層である粒界酸化層及び不完全焼入層が生じることがある。浸炭異常層は、曲げ疲労強度およびピッティング強度に悪影響を及ぼす。   In order to ensure hardenability without containing Ni and Mo as much as possible, it is effective to increase the Cr content. However, in the steel for cold forging proposed by Patent Document 2, the effect of Te when the Cr content is increased has not been studied, and both carburizing hardenability and cold forgeability are always made compatible. May not be possible. Further, when the Cr content is increased, carburizing and quenching may cause a grain boundary oxidation layer and an incomplete quenching layer that are carburizing abnormal layers. An abnormal carburizing layer adversely affects bending fatigue strength and pitting strength.

本発明は、高価な元素であるNi及びMoを極力含有せず、冷間鍛造性の異方性が小さく、焼入性に優れ、かつ浸炭焼入による浸炭異常層の深さが浅い高強度冷間鍛造用肌焼鋼の提供を課題とするものである。   The present invention does not contain expensive elements Ni and Mo as much as possible, has low cold forgeability anisotropy, excellent hardenability, and has a shallow depth of carburizing abnormal layer due to carburizing and quenching. An object is to provide a case-hardened steel for cold forging.

本発明者らは、焼入性、MnSの形状、浸炭異常層に影響を及ぼすMn、S、Te、Cr、Siの含有量について検討を行い、下記(a)〜(c)の知見を得た。   The present inventors have studied the contents of Mn, S, Te, Cr, and Si that affect the hardenability, the shape of MnS, and the carburized abnormal layer, and obtained the following knowledge (a) to (c). It was.

(a)優れた冷間鍛造性を得るためには、粗大なMnSを極力少なくすることが有効である。粗大なMnSの生成を抑制するには、MnとSの個々の含有量の制御だけでなく、MnとSの含有量バランスを適正化することが必要である。具体的には、式中の元素記号を、その元素の質量%での含有量として、[fn1=Mn/S]の式で表されるfn1の値を30以上150以下に制御する。このことによって、粗大なMnSの生成を抑制できる。したがって、優れた冷間鍛造性を得るためには、MnおよびSの個々の含有量を制御するとともに、それらが前記の関係式を満たすようにする必要がある。 (A) In order to obtain excellent cold forgeability, it is effective to reduce coarse MnS as much as possible. In order to suppress the formation of coarse MnS, it is necessary not only to control the individual contents of Mn and S but also to optimize the balance of the contents of Mn and S. Specifically, the value of fn1 represented by the formula [fn1 = Mn / S] is controlled to 30 or more and 150 or less, with the element symbol in the formula as the content in mass% of the element. This can suppress the formation of coarse MnS. Therefore, in order to obtain excellent cold forgeability, it is necessary to control the individual contents of Mn and S and to satisfy the above relational expression.

(b)MnSの形状を極力球形に近づけて、一層優れた冷間鍛造性を得るためには、Teの添加が有効である。さらに、本発明者らは、MnSの球状化のためにはCrとTeの含有量バランスを適正化することが必要であることを初めて明らかにした。具体的には、式中の元素記号を、その元素の質量%での含有量として、[fn2=Cr×Te]の式で表されるfn2の値を0.010以下に制御する。このことによって、製造時におけるMnS粒子の球状化を促進できる。したがって、冷間鍛造性の異方性を小さくし、優れた冷間鍛造性を得るためには、CrおよびTeの個々の含有量を制御するとともに、それらが前記の関係式を満たすようにする必要がある。 (B) Addition of Te is effective for making the shape of MnS as close to a sphere as possible and obtaining better cold forgeability. Furthermore, the present inventors have clarified for the first time that it is necessary to optimize the content balance of Cr and Te in order to spheroidize MnS. Specifically, the value of fn2 represented by the formula [fn2 = Cr × Te] is controlled to 0.010 or less with the element symbol in the formula as the content in mass% of the element. This can promote spheroidization of MnS particles during production. Therefore, in order to reduce the anisotropy of cold forgeability and obtain an excellent cold forgeability, the individual contents of Cr and Te are controlled, and they should satisfy the above relational expression. There is a need.

(c)浸炭異常層である粒界酸化層および不完全焼入層の深さは、酸化し易い元素、なかでも、Cr、Si及びMnの含有量バランスを適正化することによって小さくできる。具体的には、式中の元素記号を、その元素の質量%での含有量として、[fn3=(14/24)×Cr+(14/25)×Mn−Si]の式で表されるfn3の値を0.90以上1.60以下にする。このことによって、Cr含有量を高めても、浸炭焼入による浸炭異常層の深さを小さくすることが可能となり、優れた冷間鍛造性と焼入性を確保できる。 (C) The depths of the grain boundary oxide layer and the incompletely quenched layer, which are carburized abnormal layers, can be reduced by optimizing the content balance of elements that are easily oxidized, especially Cr, Si, and Mn. Specifically, the element symbol in the formula is expressed by the formula [fn3 = (14/24) × Cr + (14/25) × Mn—Si] as the content in mass% of the element. Is set to 0.90 or more and 1.60 or less. As a result, even if the Cr content is increased, the depth of the carburizing abnormal layer due to carburizing and quenching can be reduced, and excellent cold forgeability and hardenability can be ensured.

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、以下のとおりである。   The present invention has been completed based on the above findings, and the gist thereof is as follows.

[1] 質量%で、
C:0.10〜0.30%、
Si:0.02〜1.00%、
Mn:0.30〜1.00%、
S:0.002〜0.030%、
Cr:1.50〜3.00%、
Al:0.010〜0.050%、
N:0.0040〜0.0250%、
Te:0.0003〜0.0050%
を含有し、
P:0.020%以下、
Ti:0.005%未満、
O:0.0015%以下
に制限し、残部はFe及び不可避的不純物からなり、
Si、Mn、Cr、S及びTeの含有量が、下記の(1)式、(2)式及び(3)式で表されるfn1、fn2及びfn3の値でそれぞれ30≦fn1≦150、fn2≦0.010及び0.90≦fn3≦1.60を満たすことを特徴とする高強度冷間鍛造用肌焼鋼。
fn1:Mn/S・・・(1)
fn2:Cr×Te・・・(2)
fn3:(14/24)×Cr+(14/25)×Mn−Si・・・(3)
但し、(1)式、(2)式及び(3)式中の元素記号は、その元素の質量%での含有量を表す。
[2] 更に、質量%で、
Mo:0.10%以下、
Cu:0.20%以下、
Ni:0.20%以下
のうちの1種又は2種以上を含有することを特徴とする上記[1]に記載の高強度冷間鍛造用肌焼鋼。
[3] 更に、質量%で、
V:0.20%以下、
Nb:0.050%以下
の一方又は両方を含有することを特徴とする上記[1]又は[2]に記載の高強度冷間鍛造用肌焼鋼。
[4] 更に、質量%で、
Ca:0.0050%以下、
Zr:0.010%以下
の一方又は両方を含有することを特徴とする上記[1]〜[3]の何れか1項に記載の高強度冷間鍛造用肌焼鋼。
[1] By mass%
C: 0.10 to 0.30%,
Si: 0.02 to 1.00%,
Mn: 0.30 to 1.00%
S: 0.002 to 0.030%,
Cr: 1.50 to 3.00%,
Al: 0.010 to 0.050%,
N: 0.0040 to 0.0250%,
Te: 0.0003 to 0.0050%
Containing
P: 0.020% or less,
Ti: less than 0.005%,
O: limited to 0.0015% or less, the balance is composed of Fe and inevitable impurities,
The contents of Si, Mn, Cr, S and Te are 30 ≦ fn1 ≦ 150 and fn2 in the values of fn1, fn2 and fn3 represented by the following formulas (1), (2) and (3), respectively. ≦ 0.010 and 0.90 ≦ fn3 ≦ 1.60, high strength cold forging case-hardening steel.
fn1: Mn / S (1)
fn2: Cr × Te (2)
fn3: (14/24) × Cr + (14/25) × Mn—Si (3)
However, the element symbols in the formulas (1), (2) and (3) represent the content in mass% of the element.
[2] Furthermore, in mass%,
Mo: 0.10% or less,
Cu: 0.20% or less,
Ni: The case hardening steel for high-strength cold forging as described in [1] above, containing one or more of 0.20% or less.
[3] Furthermore, in mass%,
V: 0.20% or less,
Nb: The case hardening steel for high-strength cold forging as described in [1] or [2] above, containing one or both of 0.050% or less.
[4] Furthermore, in mass%,
Ca: 0.0050% or less,
One or both of Zr: 0.010% or less are contained, The high strength cold forging case hardening steel of any one of said [1]-[3] characterized by the above-mentioned.

本発明の高強度冷間鍛造用肌焼鋼は、Ni及びMoを極力含有させることなく、優れた冷間鍛造性と焼入性を実現し、また、浸炭焼入による浸炭異常層の生成を抑制できる。
本発明の高強度冷間鍛造用肌焼鋼は、冷間鍛造後に浸炭焼入を行うことにより、優れた曲げ疲労強度およびピッティング強度が得られる。このため、本発明の高強度冷間鍛造用肌焼鋼は、自動車あるいは各種産業機械の歯車用の素材として好適である。
The case-hardened steel for high-strength cold forging of the present invention achieves excellent cold forgeability and hardenability without containing Ni and Mo as much as possible, and also generates carburized abnormal layers by carburizing and quenching. Can be suppressed.
The case-hardened steel for cold forging according to the present invention can have excellent bending fatigue strength and pitting strength by carburizing and quenching after cold forging. For this reason, the high strength cold forging case hardening steel of this invention is suitable as a raw material for the gears of a motor vehicle or various industrial machines.

環状切欠き試験片を作製するための試験素材の切り出し方向を説明する図である。It is a figure explaining the cutting-out direction of the test raw material for producing an annular notch test piece. R3環状切欠き引張試験片を示す図である。It is a figure which shows a R3 annular notch tensile test piece. R20環状切欠き引張試験片を示す図である。It is a figure which shows a R20 annular notch tensile test piece. R3環状切欠き引張試験片及びR20環状切欠き引張試験片の荷重−変位曲線と、延性き裂発生点を説明する図である。It is a figure explaining the load-displacement curve and ductile crack generation | occurrence | production point of a R3 annular notch tensile test piece and a R20 annular notch tensile test piece. Cr及びTeの添加量とε−εとの関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the addition amount of Cr and Te, and (epsilon) L- ( epsilon ) C. 浸炭焼入、焼戻しのヒートパターンを示す図である。It is a figure which shows the heat pattern of carburizing quenching and tempering. [fn3=(14/24)×Cr+(14/25)×Mn−Si]の値と粒界酸化層深さとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the value of [fn3 = (14/24) * Cr + (14/25) * Mn-Si], and the grain boundary oxide layer depth. [fn3=(14/24)×Cr+(14/25)×Mn−Si]の値と不完全焼入層深さとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the value of [fn3 = (14/24) * Cr + (14/25) * Mn-Si], and incomplete hardened layer depth. 切欠き回転曲げ疲労試験片の切り出しままの粗形状を示す図である。It is a figure which shows the rough shape as a cut-out of a notch rotation bending fatigue test piece. 切欠き回転曲げ疲労試験片の仕上形状を示す図である。It is a figure which shows the finishing shape of a notch rotation bending fatigue test piece. ローラーピッティング小ローラー試験片の切り出しままの粗形状を示す図である。It is a figure which shows the rough shape as a cut-out of a roller pitting small roller test piece. ローラーピッティング小ローラー試験片の仕上形状を示す図である。It is a figure which shows the finishing shape of a roller pitting small roller test piece. ローラーピッティング大ローラー試験片の切り出しままの粗形状を示す図である。この図において、(a)は粗形状のローラーピッティング大ローラー試験片を中心線で半割りにした場合の正面図で、また(b)は中心線における断面図である。It is a figure which shows the rough shape as a cut-out of a roller-pitting large roller test piece. In this figure, (a) is a front view when a coarse roller-pitting large roller test piece is halved by a center line, and (b) is a cross-sectional view at the center line. ローラーピッティング大ローラー試験片の仕上形状を示す図である。この図において、(a)はローラーピッティング大ローラー試験片を中心線で半割りにした場合の正面図で、また(b)は中心線における断面図である。It is a figure which shows the finishing shape of a roller pitting large roller test piece. In this figure, (a) is a front view when a roller-pitting large roller test piece is halved by a center line, and (b) is a cross-sectional view at the center line.

本発明者らは、特に、焼入性、MnSの形状、浸炭異常層に影響を及ぼすMn、S、Te、Cr、Siの含有量について検討を行った。具体的には、種々の成分組成の鋼材を溶解し、溶製後、鋼片とし、熱間圧延によって、直径55mmの丸棒とした。得られた種々の成分組成の丸棒を用いて、冷間鍛造性、浸炭焼入後の粒界酸化層深さ及び不完全焼入層深さの調査を行った。   The inventors of the present invention particularly examined the hardenability, the shape of MnS, and the contents of Mn, S, Te, Cr, and Si that affect the carburized abnormal layer. Specifically, steel materials having various component compositions were melted, made into steel pieces after melting, and made into round bars having a diameter of 55 mm by hot rolling. Using the obtained round bars of various component compositions, the cold forgeability, the grain boundary oxide layer depth after carburizing and quenching, and the incomplete quenching layer depth were investigated.

<1>冷間鍛造性の調査:
圧縮試験により割れが発生する相当塑性ひずみと、環状切欠き引張試験により割れが発生する相当塑性ひずみには相関がある。このことから、環状切欠き引張試験により冷間鍛造時の割れにくさに及ぼす鋼成分の影響を評価した。
図1は、環状切欠き試験片を作製するための試験素材の切り出し方向を説明する図である。種々の成分組成の棒鋼から、図1に示すように、圧延方向に対して平行の素材(平行素材)と、圧延方向に対して垂直の素材(垂直素材)とを切り出した。棒鋼中のMnSからなる粒子は、図1に示すように、圧延方向に延伸している。
<1> Investigation of cold forgeability:
There is a correlation between the equivalent plastic strain at which a crack is generated by a compression test and the equivalent plastic strain at which a crack is generated by an annular notch tensile test. From this, the influence of steel components on the cracking resistance during cold forging was evaluated by an annular notch tensile test.
FIG. 1 is a diagram for explaining the cut-out direction of a test material for producing an annular notch test piece. As shown in FIG. 1, a material parallel to the rolling direction (parallel material) and a material perpendicular to the rolling direction (vertical material) were cut out from the steel bars having various component compositions. Particles made of MnS in the steel bar are stretched in the rolling direction as shown in FIG.

棒鋼から切り出した平行素材および垂直素材のそれぞれについて、球状化焼鈍を施した後、機械加工により、切欠き部の曲率半径が3mmである図2に示すR3環状切欠き引張試験片と、切欠き部の曲率半径が20mmである図3に示すR20環状切欠き引張試験片とを作製し、引張試験を行った。R3環状切欠き引張試験片は、応力集中が厳しい試験片である。R20環状切欠き引張試験片は、応力集中が緩い試験片である。   Each of the parallel material and the vertical material cut out from the steel bar is subjected to spheroidizing annealing and then machined to make an R3 annular notch tensile test piece having a notch radius of curvature of 3 mm and a notch shown in FIG. An R20 annular notch tensile test piece shown in FIG. 3 having a radius of curvature of 20 mm was produced, and a tensile test was performed. The R3 annular notch tensile specimen is a specimen with severe stress concentration. The R20 annular notch tensile test piece is a test piece with a low stress concentration.

各試験片に対する引張試験の結果から、それぞれ図4に示すように鋼組成に固有の荷重−変位曲線が得られ、それぞれの荷重−変位曲線の形状から、延性き裂発生点を求めた。
そして、それぞれ、環状切欠き引張試験片の形状と、引張試験結果(すなわち、荷重−変位曲線)をもとにした有限要素解析を行い、切欠き底で延性き裂が発生する臨界の相当塑性ひずみを求めた。
From the result of the tensile test for each specimen, a load-displacement curve specific to the steel composition was obtained as shown in FIG. 4, and the ductile crack initiation point was determined from the shape of each load-displacement curve.
Then, finite element analysis is performed based on the shape of the annular notch tensile test piece and the tensile test result (ie, load-displacement curve), and the critical equivalent plasticity where a ductile crack occurs at the notch bottom. Strain was determined.

冷間鍛造性は、圧延方向に対して平行に切り出した素材から得た試験片の延性き裂発生点における相当塑性ひずみεにより評価した。その結果、R3環状切欠き引張試験片のεが0.75以上および/またはR20環状切欠き引張試験片のεが1.05以上である鋼は、冷間鍛造時に割れにくく、冷間鍛造性が良好であった。 Cold forgeability was evaluated by the equivalent plastic strain ε L at the ductile crack initiation point of a test piece obtained from a material cut out in parallel to the rolling direction. As a result, the steel in which the ε L of the R3 annular notch tensile test piece is 0.75 or more and / or the ε L of the R20 annular notch tensile test piece is 1.05 or more is hard to crack during cold forging. The forgeability was good.

鋼の冷間鍛造性の異方性は、圧延方向に対して平行に切り出した素材から得た試験片の延性き裂発生点における相当塑性ひずみεと、圧延方向に対して垂直に切り出した素材から得た試験片の延性き裂発生点における相当塑性ひずみεとの差(ε−ε)で評価できる。本発明では、環状切欠き引張試験片の曲率半径に関わらず、ε−εが0.3以下の場合を異方性が小さく、冷間鍛造性に優れると評価した。 The anisotropy of the cold forgeability of the steel was cut out perpendicular to the rolling direction and the equivalent plastic strain ε L at the ductile crack initiation point of the test piece obtained from the material cut out parallel to the rolling direction. It can be evaluated by the difference (ε L −ε C ) from the equivalent plastic strain ε C at the ductile crack initiation point of the test piece obtained from the material. In the present invention, the case where ε LC is 0.3 or less was evaluated as having low anisotropy and excellent cold forgeability regardless of the radius of curvature of the annular notch tensile test piece.

鋼の冷間鍛造性と、成分組成との関係を検討した。その結果、冷間鍛造性の異方性(ε−ε)と、CrおよびTeの添加量とに相関が見られることがわかった。また、冷間鍛造性の異方性(ε−ε)は、Cr及びTeの添加量と、その積Cr×Teで整理できることがわかった。
図5は、種々の成分組成の試験片において、CrおよびTeの添加量とε−εとの関係を説明する図である。図5において、○はε−εが0.3以下である試験片を示し、×はε−εが0.3超の試験片を示す。また、図5に示す曲線は、Cr×Te=0.010で示されるものである。また、図5に示す4つの直線は、それぞれCr=1.50質量%、Cr=3.00質量%、Te=0.0003質量%、Te=0.0050質量%で示されるものである。
図5に示したように、Cr:1.50〜3.00質量%、Te:0.0003〜0.0050質量%、Cr×Te≦0.010を満足する成分組成の範囲内で、ε−εが0.3以下となり、異方性が小さく、優れた冷間鍛造性が得られることがわかった。
The relationship between the cold forgeability of steel and the component composition was examined. As a result, it was found that there was a correlation between the anisotropy of cold forgeability (ε L −ε C ) and the added amounts of Cr and Te. Further, it was found that the cold forgeability anisotropy (ε L −ε C ) can be arranged by the addition amount of Cr and Te and the product Cr × Te.
FIG. 5 is a diagram for explaining the relationship between the added amounts of Cr and Te and ε LC in test pieces having various component compositions. In FIG. 5, ◯ represents a test piece having ε LC of 0.3 or less, and x represents a test piece having ε LC of more than 0.3. Further, the curve shown in FIG. 5 is represented by Cr × Te = 0.010. Moreover, the four straight lines shown in FIG. 5 are respectively shown by Cr = 1.50 mass%, Cr = 3.00 mass%, Te = 0.003 mass%, and Te = 0.050 mass%.
As shown in FIG. 5, within the range of the component composition satisfying Cr: 1.50 to 3.00 mass%, Te: 0.0003 to 0.0050 mass%, and Cr × Te ≦ 0.010, ε L-epsilon C becomes 0.3 or less, the anisotropy is small, it was found that excellent cold forgeability can be obtained.

<2>粒界酸化層深さ及び不完全焼入層深さの測定:
種々の成分組成の素材から圧延方向に対して平行に切り出したR3環状切欠き引張試験片に、図6に示すヒートパターンによる浸炭焼入−焼戻しを施した。なお、図6中のCpはカーボンポテンシャルを表す。また、図6において、120℃油焼入は油温120℃の油中に焼入したことを表し、更にACは空冷したことを表す。油焼入については、均一に焼入処理されるように、攪拌している焼入油中に引張試験片を投入して行った。
次に、浸炭焼入−焼戻し処理したR3環状切欠き引張試験片を、直径6mmの切欠き部を横断するように切断した。その後、圧延方向と直交する切断面が観察面になるように、試験片を樹脂に埋め込み、研磨を行って観察面を鏡面仕上げした。
<2> Measurement of grain boundary oxide layer depth and incomplete quenching layer depth:
Carburization quenching-tempering by the heat pattern shown in FIG. 6 was given to the R3 annular notch tensile test piece cut out in parallel with the rolling direction from materials of various component compositions. In addition, Cp in FIG. 6 represents a carbon potential. In FIG. 6, 120 ° C. oil quenching indicates quenching in oil having an oil temperature of 120 ° C., and AC indicates air cooling. The oil quenching was performed by putting a tensile test piece in the quenching quenching oil so that the quenching treatment was uniformly performed.
Next, the R3 annular notch tensile specimen subjected to carburizing and tempering was cut so as to cross the notch having a diameter of 6 mm. Thereafter, the test piece was embedded in resin and polished so that the cut surface perpendicular to the rolling direction became the observation surface, and the observation surface was mirror-finished.

研磨後、試験片の表層部を、倍率1000倍の光学顕微鏡によって任意に10視野観察した。そして、試験片表層部の結晶粒界に沿って観察される粒界酸化層の深さを測定し、算術平均して、粒界酸化層深さを求めた。
続いて、研磨後の試験片の観察面を、ナイタール(硝酸アルコール溶液)で0.2〜2秒腐食し、倍率1000倍の光学顕微鏡によって、試験片の表層部を任意に10視野観察した。そして、表層部において内部より腐食の程度が顕著な部分を不完全焼入層とし、それらの深さを算術平均して不完全焼入層深さを求めた。
After polishing, the surface layer portion of the test piece was arbitrarily observed with 10 optical fields using an optical microscope with a magnification of 1000 times. And the depth of the grain boundary oxide layer observed along the crystal grain boundary of a test piece surface layer part was measured, the arithmetic mean was calculated | required, and the grain boundary oxide layer depth was calculated | required.
Subsequently, the observation surface of the polished test piece was corroded with nital (nitric alcohol solution) for 0.2 to 2 seconds, and the surface layer portion of the test piece was arbitrarily observed in 10 fields with an optical microscope with a magnification of 1000 times. Then, in the surface layer portion, the portion where the degree of corrosion was remarkable from the inside was regarded as an incompletely hardened layer, and the depth of the incompletely hardened layer was obtained by arithmetically averaging the depths.

図7に、種々の成分組成の試験片における[fn3=(14/24)×Cr+(14/25)×Mn−Si]の値と粒界酸化層深さの関係を示す。図7において、○は粒界酸化層深さが10μm以下である試験片を示し、×は粒界酸化層深さが10μm超である試験片を示す。
図8に、種々の成分組成の試験片における[fn3=(14/24)×Cr+(14/25)×Mn−Si]の値と不完全焼入層深さの関係を示す。図8において、○は不完全焼入層深さが15μm以下である試験片を示し、×は不完全焼入層深さが15μm超である試験片を示す。
図7および図8に示すように、[fn3=(14/24)×Cr+(14/25)×Mn−Si]が0.90〜1.60の範囲内で、粒界酸化層深さ及び不完全焼入層深さが浅くなり、浸炭異常層の生成を抑制できることがわかった。
FIG. 7 shows the relationship between the value of [fn3 = (14/24) × Cr + (14/25) × Mn—Si] and the grain boundary oxide layer depth in test pieces having various component compositions. In FIG. 7, ◯ indicates a test piece having a grain boundary oxide layer depth of 10 μm or less, and x indicates a test piece having a grain boundary oxide layer depth of more than 10 μm.
FIG. 8 shows the relationship between the value of [fn3 = (14/24) × Cr + (14/25) × Mn—Si] and the incompletely hardened layer depth in test pieces having various component compositions. In FIG. 8, ◯ indicates a test piece having an incomplete quenching layer depth of 15 μm or less, and x indicates a test piece having an incomplete quenching layer depth of more than 15 μm.
As shown in FIGS. 7 and 8, when [fn3 = (14/24) × Cr + (14/25) × Mn—Si] is in the range of 0.90 to 1.60, the grain boundary oxide layer depth and It was found that the depth of the incompletely hardened layer becomes shallow and the formation of the carburized abnormal layer can be suppressed.

以下、本発明について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「%」は「質量%」を意味する。   The present invention will be described in detail below. In addition, “%” of the content of each element means “mass%”.

C:0.10〜0.30%
Cは、部品の強度確保のため必須の元素であり、0.10%以上の含有量が必要であり、0.15%以上含有することが好ましい。しかしながら、Cの含有量が多過ぎると硬さが大きくなって冷間加工性の低下を招く。特に、Cの含有量が0.30%を超えると、硬さ上昇に伴う冷間加工性の低下が著しくなる。したがって、Cの含有量を0.30%以下とした。なお、より一層良好な冷間加工性が要求される場合には、Cの含有量を0.20%以下とすることが好ましい。
C: 0.10 to 0.30%
C is an essential element for securing the strength of the component, and a content of 0.10% or more is necessary, and it is preferable to contain 0.15% or more. However, if the C content is too large, the hardness increases and cold workability decreases. In particular, when the content of C exceeds 0.30%, the cold workability is significantly lowered due to the increase in hardness. Therefore, the content of C is set to 0.30% or less. In addition, when much better cold workability is required, the C content is preferably 0.20% or less.

Si:0.02〜1.00%
Siは鋼の焼戻し軟化抵抗を高め、部品が高温で使用される際の軟化を防ぐ効果がある。これらの効果を得るには、0.02%以上のSiを含有する必要がある。一方、Siは少量を含有した場合には、浸炭処理中に表層で選択酸化され、浸炭異常層である粒界酸化層及び不完全焼入層を形成するため、曲げ疲労強度および面疲労強度を表すピッティング強度の低下を招く。しかし、Siを0.15%以上含有した場合には、むしろひび割れ状に発達する表層酸化が抑制されるため、曲げ疲労強度およびピッティング強度の低下は抑制される。よってSiは、0.15%以上含有するのが好ましい。Siの含有量が多くなると、焼戻し軟化抵抗の効果が飽和し、冷間加工性も低下する。特に、Siの含有量が1.00%を超えると、冷間加工性の低下が著しくなる。より一層良好な冷間加工性が要求される場合には、Siの含有量を0.70%以下とすることが好ましい。
Si: 0.02 to 1.00%
Si increases the temper softening resistance of steel and has the effect of preventing softening when the part is used at high temperatures. In order to obtain these effects, it is necessary to contain 0.02% or more of Si. On the other hand, when Si is contained in a small amount, it is selectively oxidized at the surface layer during the carburizing process, and forms a grain boundary oxide layer and an incompletely hardened layer, which are abnormal carburizing layers. This results in a decrease in the pitting strength. However, when Si is contained in an amount of 0.15% or more, surface layer oxidation that develops in the form of cracks is suppressed, so that a decrease in bending fatigue strength and pitting strength is suppressed. Therefore, it is preferable to contain Si 0.15% or more. When the content of Si increases, the effect of temper softening resistance is saturated and cold workability is also lowered. In particular, when the Si content exceeds 1.00%, the cold workability deteriorates remarkably. When even better cold workability is required, the Si content is preferably 0.70% or less.

なお、Siの含有量は上記の範囲において、前記の(3)式で表されるfn3の値が0.90≦fn3≦1.60をも満たす必要がある。   In addition, Si content needs to satisfy | fill 0.90 <= fn3 <= 1.60 of the value of fn3 represented by said Formula (3) in said range.

Mn:0.30〜1.00%
Mnは、焼入性を向上させる作用を有する。焼入性向上の効果を得るには、0.30%以上のMn含有量が必要である。しかしながら、Mnの含有量が多くなると、硬さが大きくなって冷間加工性の低下を招く。特に、Mnの含有量が1.00%を超えると、硬さ上昇に伴う冷間加工性の低下が著しくなる。しかも、Siと同様にMnは酸化し易い元素であるため、その含有量が多くなると、鋼表面にMn酸化物が生成され、浸炭異常層である粒界酸化及び不完全焼入層の深さが大きくなる。そして、浸炭異常層の深さが大きくなると、曲げ疲労強度及びピッティング強度の低下を招く。特に、Mnの含有量が1.00%を超えると、浸炭異常層の深さ増大による曲げ疲労強度及びピッティング強度の低下が著しくなる。したがって、Mnの含有量を0.30〜1.00%とした。なお、Mn含有量の好ましい下限は0.60%である。また、Mn含有量の好ましい上限は0.90%である。
Mn: 0.30 to 1.00%
Mn has the effect | action which improves hardenability. In order to obtain the effect of improving hardenability, a Mn content of 0.30% or more is necessary. However, when the Mn content increases, the hardness increases and the cold workability decreases. In particular, when the content of Mn exceeds 1.00%, the cold workability is significantly lowered due to the increase in hardness. Moreover, since Mn is an easily oxidizable element like Si, when its content increases, Mn oxide is generated on the steel surface, and the grain boundary oxidation and the depth of the incompletely hardened layer, which are carburized abnormal layers. Becomes larger. And if the depth of a carburizing abnormal layer becomes large, it will cause the fall of bending fatigue strength and pitting strength. In particular, when the Mn content exceeds 1.00%, the bending fatigue strength and the pitting strength are significantly lowered due to the increased depth of the carburized abnormal layer. Therefore, the content of Mn is set to 0.30 to 1.00%. In addition, the minimum with preferable Mn content is 0.60%. Moreover, the upper limit with preferable Mn content is 0.90%.

なお、Mnの含有量は上記の範囲において、前記の(1)式で表されるfn1の値が30≦fn1≦150を満たし、前記の(3)式で表されるfn3の値が0.90≦fn3≦1.60を満たす必要がある。   Note that the content of Mn is within the above range, the value of fn1 represented by the above formula (1) satisfies 30 ≦ fn1 ≦ 150, and the value of fn3 represented by the above formula (3) is 0.00. It is necessary to satisfy 90 ≦ fn3 ≦ 1.60.

S:0.002〜0.030%以下
Sは、Mnと結合してMnSを形成し、被削性を向上させる作用がある。したがって、Sの含有量を0.002%以上とする。しかし、Sの含有量が0.030%を超えると、粗大なMnSを形成して、熱間加工性、冷間鍛造性、曲げ疲労強度及びピッティング強度が低下する。したがって、Sの含有量を0.030%以下に制限し、好ましくは0.020%以下とする。鋼の被削性を高める場合、好ましいS含有量は0.010%以上である。
S: 0.002 to 0.030% or less S combines with Mn to form MnS and has an effect of improving machinability. Therefore, the content of S is set to 0.002% or more. However, if the S content exceeds 0.030%, coarse MnS is formed, and hot workability, cold forgeability, bending fatigue strength, and pitting strength are reduced. Therefore, the S content is limited to 0.030% or less, and preferably 0.020% or less. When improving the machinability of steel, the preferable S content is 0.010% or more.

なお、Sの含有量は上記の範囲において、前記の(1)式で表されるfn1の値が30≦fn1≦150をも満たす必要がある。   In addition, S content needs to satisfy | fill 30 <= fn1 <= 150 also in the value of fn1 represented by said Formula (1) in said range.

Cr:1.50〜3.00%
Crは、焼入性を向上させる効果、焼戻し軟化抵抗及びMnSの球状化を促進する効果を有し、高温状況下での鋼の軟化を防ぐ効果及び冷間鍛造性の異方性を低減する効果がある。これらの効果を得るには、1.50%以上の含有量が必要である。しかしながら、Crの含有量が多くなると、硬さが高くなって冷間加工性の低下を招く。特に、Crの含有量が3.00%を超えると、硬さ上昇に伴う冷間加工性の低下が著しくなる。しかも、Si及びMnと同様に、Crは酸化し易い元素である。このため、Crの含有量が多くなると、鋼表面にCr酸化物が生成され、浸炭異常層である粒界酸化層及び不完全焼入層の深さが大きくなる。そして、浸炭異常層の深さが大きくなると、曲げ疲労強度及びピッティング強度の低下を招く。特に、Crの含有量が3.00%を超えると、浸炭異常層の深さ増大による曲げ疲労強度及びピッティング強度の低下が著しくなる。したがって、Crの含有量を1.50〜3.00%とした。より一層良好な冷間加工性が要求される場合には、Crの含有量を2.00%以下とすることが好ましい。Crを含有させることによる上記効果を得るには、Crの含有量を1.80%以上とすることが好ましい。
Cr: 1.50 to 3.00%
Cr has an effect of improving hardenability, an effect of promoting temper softening resistance and spheroidizing of MnS, an effect of preventing softening of steel under a high temperature condition, and anisotropy of cold forgeability. effective. In order to obtain these effects, a content of 1.50% or more is required. However, as the Cr content increases, the hardness increases and cold workability is reduced. In particular, when the Cr content exceeds 3.00%, the cold workability is significantly lowered due to the increase in hardness. Moreover, like Si and Mn, Cr is an easily oxidizable element. For this reason, when the content of Cr increases, Cr oxide is generated on the steel surface, and the depth of the grain boundary oxide layer and the incompletely hardened layer, which are carburized abnormal layers, increases. And if the depth of a carburizing abnormal layer becomes large, it will cause the fall of bending fatigue strength and pitting strength. In particular, when the Cr content exceeds 3.00%, the bending fatigue strength and the pitting strength are significantly reduced due to the increased depth of the carburized abnormal layer. Therefore, the Cr content is set to 1.50 to 3.00%. If even better cold workability is required, the Cr content is preferably 2.00% or less. In order to acquire the said effect by containing Cr, it is preferable to make content of Cr into 1.80% or more.

なお、Crの含有量は上記の範囲において、前記の(2)式で表されるfn2の値がfn2≦0.010を満たし、前記の(3)式で表されるfn3の値が0.90≦fn3≦1.60を満たす必要がある。   The Cr content is within the above range, and the value of fn2 represented by the above formula (2) satisfies fn2 ≦ 0.010, and the value of fn3 represented by the above formula (3) is 0.00. It is necessary to satisfy 90 ≦ fn3 ≦ 1.60.

Al:0.010〜0.050%
Alには、Nと結合してAlNを形成し、結晶粒を微細化して鋼を強化する作用がある。しかしながら、Alの含有量が0.010%未満では、結晶粒微細化の効果が得られ難い。一方、Alの含有量が過剰になると、硬質で粗大なAl形成による被削性の低下をきたし、更に、曲げ疲労強度及びピッティング強度も低下する。特に、Alの含有量が0.050%を超えると、被削性、曲げ疲労強度及びピッティング強度の低下が著しくなる。したがって、Alの含有量を0.010〜0.050%とした。なお、Alの含有量の好ましい下限は0.020%である。また、Alの含有量の好ましい上限は0.040%である。
Al: 0.010 to 0.050%
Al combines with N to form AlN and has the effect of refining the crystal grains and strengthening the steel. However, if the Al content is less than 0.010%, it is difficult to obtain the effect of crystal grain refinement. On the other hand, when the Al content is excessive, the machinability is lowered due to the formation of hard and coarse Al 2 O 3 , and the bending fatigue strength and the pitting strength are also lowered. In particular, when the Al content exceeds 0.050%, the machinability, bending fatigue strength, and pitting strength are significantly reduced. Therefore, the content of Al is set to 0.010 to 0.050%. In addition, the minimum with preferable content of Al is 0.020%. Moreover, the upper limit with preferable content of Al is 0.040%.

N:0.0040〜0.0250%
Nは、窒化物を形成することにより結晶粒を微細化させ、曲げ疲労強度を向上させる効果を有する。この効果を得るには、Nを0.0040%以上含有する必要がある。しかしながら、Nの含有量が過剰になると、粗大な窒化物を形成して靭性の低下を招く。特に、Nの含有量が0.0250%を超えると、靭性の低下が著しくなる。したがって、Nの含有量を0.0040〜0.0250%とした。なお、N含有量の好ましい下限は0.0130%である。また、N含有量の好ましい上限は0.0200%である。
N: 0.0040 to 0.0250%
N has the effect of making the crystal grains finer by forming nitrides and improving the bending fatigue strength. In order to acquire this effect, it is necessary to contain N 0.0040% or more. However, when the N content is excessive, coarse nitrides are formed, leading to a reduction in toughness. In particular, when the N content exceeds 0.0250%, the toughness is significantly lowered. Therefore, the content of N is set to 0.0040 to 0.0250%. In addition, the minimum with preferable N content is 0.0130%. Moreover, the upper limit with preferable N content is 0.0200%.

Te:0.0003〜0.0050%
Teは、MnSの球状化を促進する極めて重要な元素であり、冷間鍛造性の異方性を低減するために、0.0003%以上を添加する。一方、Te含有量が0.0050%を超えると、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、Te含有量は0.0003〜0.0050%とした。Te含有量は、冷間鍛造性の異方性をより低減するため、0.0005%以上であることが好ましい。Te含有量は、熱間加工性の低下を抑制するために、0.0030%以下であることが好ましい。
Te: 0.0003 to 0.0050%
Te is an extremely important element that promotes the spheroidization of MnS, and 0.0003% or more is added to reduce the anisotropy of cold forgeability. On the other hand, when the Te content exceeds 0.0050%, the hot workability of the steel decreases. Therefore, the Te content is set to 0.0003 to 0.0050%. The Te content is preferably 0.0005% or more in order to further reduce the anisotropy of cold forgeability. The Te content is preferably 0.0030% or less in order to suppress a decrease in hot workability.

なお、Teの含有量は上記の範囲において、前記の(2)式で表されるfn2の値がfn2≦0.010をも満たす必要がある。   Note that the Te content needs to satisfy fn2 ≦ 0.010 in the above range within the above range.

fn1の値:30以上150以下
粗大なMnSは、熱間圧延や熱間鍛造などの熱間加工時の割れ及び冷間鍛造時の割れの起点となる。このため、熱間加工時の割れ及び冷間鍛造時の割れを抑制するためには、粗大なMnSを極力少なくすることが必要である。
前記の(1)式で表されるfn1の値が30未満である場合には、Sの含有量が過剰となって粗大なMnSの生成が避けられない。一方、fn1の値が150を超える場合には、Mnの含有量が過剰となって中心偏析部において粗大なMnSが生成する。そのため、いずれの場合にも、冷間鍛造性に悪影響を及ぼす。したがって、前記の(1)式、つまり[fn1=Mn/S]で表されるfn1の値が、30≦fn1≦150を満たすこととした。なお、fn1の値の好ましい下限は50である。また、fn1の好ましい上限は100である。
The value of fn1: 30 or more and 150 or less Coarse MnS becomes a starting point of cracks during hot working such as hot rolling and hot forging and cracks during cold forging. For this reason, in order to suppress the crack at the time of hot processing and the crack at the time of cold forging, it is necessary to reduce coarse MnS as much as possible.
When the value of fn1 represented by the above formula (1) is less than 30, the content of S becomes excessive, and generation of coarse MnS is inevitable. On the other hand, when the value of fn1 exceeds 150, the Mn content becomes excessive and coarse MnS is generated in the central segregation part. Therefore, in any case, the cold forgeability is adversely affected. Therefore, the value of fn1 represented by the above formula (1), that is, [fn1 = Mn / S] is set to satisfy 30 ≦ fn1 ≦ 150. The preferred lower limit of the value of fn1 is 50. The preferred upper limit of fn1 is 100.

fn2の値:0.010以下
圧延方向に延伸したMnSは、延性の異方性を生じさせる。このため、できるだけMnSの形状を球状に近づけることが必要である。MnSの球状化を促進するためには、Teの添加が有効であるが、Cr含有量が高い場合、前記の(2)式で表されるfn2の値が0.010を超える場合には高温延性が低下する。この理由は必ずしも明らかではないが、結果として、冷間鍛造性に悪影響を及ぼす。したがって、前記の(2)式、つまり[fn2=Cr×Te]で表されるfn2の値が、fn2≦0.010を満たすこととした。fn2の好ましい上限は0.008である。
fn2 value: 0.010 or less MnS stretched in the rolling direction causes ductile anisotropy. For this reason, it is necessary to make the shape of MnS as close to a sphere as possible. In order to promote the spheroidization of MnS, the addition of Te is effective, but when the Cr content is high, the value of fn2 represented by the above formula (2) exceeds 0.010, the temperature is high. Ductility decreases. Although this reason is not necessarily clear, as a result, it has a bad influence on cold forgeability. Therefore, the value of fn2 expressed by the above equation (2), that is, [fn2 = Cr × Te] is determined to satisfy fn2 ≦ 0.010. A preferable upper limit of fn2 is 0.008.

fn3の値:0.90以上1.60以下
Ni及びMoを極力含有させることなく、高い曲げ疲労強度と高いピッティング強度を具備させるためには、焼入性を確保しつつ、浸炭異常層である粒界酸化層及び不完全焼入性の深さを小さくする必要がある。そのためには、酸化し易い元素のうちで、特に、Cr、Si、Mnの含有量を前記の範囲にしたうえで、これらの元素の含有量バランスとしての前記(3)式で表されるfn3の値を0.90以上1.60以下とする必要がある。すなわち、前記(3)式で表されるfn3の値が0.90未満である場合及び1.60を超える場合にはいずれも、浸炭異常層の深さが大きくなるので、曲げ疲労強度とピッティング強度が低下してしまう。したがって、前記(3)式、つまり[fn3=(14/24)×Cr+(14/25)×Mn−Si]で表されるfn3の値が、0.90≦fn3≦1.60を満たすことが必要である。なお、fn3の好ましい下限は0.95以上である。fn3の好ましい上限は1.55以下である。
fn3 value: 0.90 or more and 1.60 or less In order to provide high bending fatigue strength and high pitting strength without containing Ni and Mo as much as possible, while ensuring hardenability, It is necessary to reduce the depth of certain grain boundary oxide layers and incomplete hardenability. For this purpose, among the elements that are easily oxidized, in particular, the content of Cr, Si, and Mn is set in the above range, and the content balance of these elements is represented by the formula (3). Must be 0.90 or more and 1.60 or less. That is, in both cases where the value of fn3 represented by the above formula (3) is less than 0.90 and exceeds 1.60, the depth of the carburized abnormal layer increases, so that the bending fatigue strength and the peak value are increased. Ting strength is reduced. Therefore, the value of fn3 expressed by the above equation (3), that is, [fn3 = (14/24) × Cr + (14/25) × Mn-Si] satisfies 0.90 ≦ fn3 ≦ 1.60. is necessary. In addition, the preferable minimum of fn3 is 0.95 or more. The upper limit with preferable fn3 is 1.55 or less.

本発明においては、P、Ti及びO(酸素)は、不純物であり、その含有量をそれぞれ、P:0.020%以下、Ti:0.005%未満及びO:0.0015%以下に制限する必要がある。   In the present invention, P, Ti and O (oxygen) are impurities, and their contents are limited to P: 0.020% or less, Ti: less than 0.005% and O: 0.0015% or less, respectively. There is a need to.

P:0.020%以下
Pは、鋼に含有される不純物であり、結晶粒界に偏析して鋼を脆化させる。特に、Pの含有量が0.020%を超えると、脆化の程度が著しくなる。好ましいPの含有量は0.010%以下である。
P: 0.020% or less P is an impurity contained in the steel and segregates at the grain boundaries to embrittle the steel. In particular, when the P content exceeds 0.020%, the degree of embrittlement becomes significant. P content is preferably 0.010% or less.

Ti:0.005%未満
Tiは、Nとの親和性が高いため、鋼中のNと結合して硬質で粗大な非金属介在物であるTiNを形成し、曲げ疲労強度及びピッティング強度を低下させ、更に、被削性も低下させる。したがって、本発明においては、不純物中のTiの含有量を0.005%未満とした。Ti含有量は0.003%以下であることが好ましい。
Ti: Less than 0.005% Ti has a high affinity with N, so it combines with N in steel to form TiN, which is a hard and coarse non-metallic inclusion, and has bending fatigue strength and pitting strength. In addition, the machinability is also reduced. Therefore, in the present invention, the content of Ti in the impurities is less than 0.005%. The Ti content is preferably 0.003% or less.

O(酸素):0.0015%以下
O(酸素)は、鋼中のSiやAlと結合して、酸化物を生成する。酸化物のうちでも、特に、Alは硬質であるため、被削性を低下させ、更に、曲げ疲労強度及びピッティング強度の低下も招く。したがって、本発明においては、不純物のOの含有量を0.0015%以下とした。O(酸素)含有量は0.0013%以下であることが好ましい。
O (oxygen): 0.0015% or less O (oxygen) combines with Si or Al in steel to generate an oxide. Among the oxides, in particular, Al 2 O 3 is hard, so that machinability is reduced, and further, bending fatigue strength and pitting strength are reduced. Therefore, in the present invention, the content of impurity O is set to 0.0015% or less. The O (oxygen) content is preferably 0.0013% or less.

本発明の肌焼鋼は、必要に応じて更に、下記の第1群〜第3群の各グループの元素の1種類以上を選択的に含有させることができる。
第1群:Mo:0.10%以下、Cu:0.20%以下、Ni:0.20%以下のうちの1種又は2種以上、第2群:V:0.20%以下、Nb:0.050%以下の一方又は両方、第3群:Ca:0.0050%以下、Zr:0.010%以下の一方又は両方。
The case-hardened steel of the present invention can further selectively contain one or more elements of each group of the following first group to third group as required.
First group: Mo: 0.10% or less, Cu: 0.20% or less, Ni: one or more of 0.20% or less, second group: V: 0.20% or less, Nb : One or both of 0.050% or less, 3rd group: Ca: 0.0050% or less, Zr: One or both of 0.010% or less.

第1群:Mo:0.10%以下、Cu:0.20%以下及びNi:0.20%以下のうちの1種以上
Mo、Cu及びNiは、いずれも、焼入性を高める作用を有する。このため、より大きな焼入性を得たい場合には、以下の範囲で含有してもよい。ただし、これらの合金元素は高価であり、コストを低下させるために、含有量を制限することが好ましい。
First group: one or more of Mo: 0.10% or less, Cu: 0.20% or less, and Ni: 0.20% or less Mo, Cu, and Ni all have an effect of improving hardenability. Have. For this reason, when it is desired to obtain greater hardenability, it may be contained in the following range. However, these alloy elements are expensive, and the content is preferably limited in order to reduce the cost.

Mo:0.10%以下
Moは、焼入性を高める作用を有し、浸炭焼入後の表面硬さ、硬化層深さ及び芯部硬さを向上させて、浸炭部品の強度を確保する効果がある。しかも、Moは、酸化し難い元素であるため、浸炭時に粒界酸化層の深さを増大させずに鋼表層を強靭化することができる。このため、これらの効果を得るためにMoを含有してもよい。しかしながら、Moは高価な元素であり、過度の添加は成分コストの上昇につながる。したがって、Moの含有量を0.10%以下とした。一方、前記したMoの作用効果を確実に得るためには、Moの含有量は0.04%以上とすることが好ましい。
Mo: 0.10% or less Mo has an effect of improving hardenability, and improves the surface hardness, the hardened layer depth and the core hardness after carburizing and quenching to ensure the strength of the carburized component. effective. Moreover, since Mo is an element that is difficult to oxidize, the steel surface layer can be strengthened without increasing the depth of the grain boundary oxide layer during carburizing. For this reason, in order to acquire these effects, you may contain Mo. However, Mo is an expensive element, and excessive addition leads to an increase in component cost. Therefore, the Mo content is set to 0.10% or less. On the other hand, the Mo content is preferably 0.04% or more in order to reliably obtain the above-described effects of Mo.

Cu:0.20%以下
Cuは、焼入性を高める作用を有するので、さらなる焼入性向上のために含有してもよい。しかしながら、Cuは熱間加工性の低下を招く。特に、Cuの含有量が0.20%を超えると、熱間加工性の低下が著しくなる。Cuの好ましい含有量は0.18%以下である。また、Cuを含有することによる焼入性向上効果を確実に得るためには、Cuの含有量は0.05%以上とすることが好ましい。
Cu: 0.20% or less Cu has an effect of improving hardenability, and may be contained for further improving hardenability. However, Cu causes a decrease in hot workability. In particular, when the Cu content exceeds 0.20%, the hot workability is significantly reduced. The preferable content of Cu is 0.18% or less. Moreover, in order to acquire the hardenability improvement effect by containing Cu reliably, it is preferable that content of Cu shall be 0.05% or more.

Ni:0.20%以下
Niは、焼入性を高める作用を有する。Niは、靭性を向上させる作用があり、酸化し難い元素であるため、浸炭時に粒界酸化層の深さを増大させずに鋼表面を強靭化できる。これらの効果を得るためにNiを含有してもよい。しかしながら、Niは高価な元素であるので、Niの含有量を0.20%以下とした。前記したNiの作用効果を確実に得るためには、Niの含有量は0.05%以上とすることが好ましい。
Ni: 0.20% or less Ni has an effect of improving hardenability. Ni has an effect of improving toughness and is an element that is difficult to oxidize. Therefore, the steel surface can be toughened without increasing the depth of the grain boundary oxide layer during carburizing. In order to obtain these effects, Ni may be contained. However, since Ni is an expensive element, the Ni content is set to 0.20% or less. In order to reliably obtain the above-described effect of Ni, the Ni content is preferably 0.05% or more.

なお、上記のMo、Cu及びNiは、そのうちいずれか1種のみ、又は2種以上を複合で含有することができる。   In addition, said Mo, Cu, and Ni can contain only any 1 type among them, or 2 or more types in combination.

第2群:V:0.20%以下及びNb:0.050%以下のうちの1種又は2種
V及びNbは、いずれも、C及びNと結合して微細な炭化物、窒化物及び炭窒化物を形成して結晶粒を微細化し、曲げ疲労強度及びピッティング強度を向上させる効果を有する。このため、さらなる曲げ疲労強度の向上及びピッティング強度の向上のために、V及びNbを以下の範囲で含有してもよい。
Group 2: V: 0.20% or less and Nb: 0.05% or less, one or two of them V and Nb all combine with C and N to form fine carbides, nitrides and charcoal It has the effect of forming nitrides to refine crystal grains and improving bending fatigue strength and pitting strength. For this reason, in order to further improve the bending fatigue strength and the pitting strength, V and Nb may be contained in the following ranges.

V:0.20%以下
Vは、C及びNと結合して微細な炭化物、窒化物、炭窒化物を形成して結晶粒を微細化し、曲げ疲労強度及びピッティング強度を向上させる効果を有する。しかしながら、Vの含有量が過剰になると、熱間延性の低下を招く。特に、Vの含有量が0.20%を超えると、熱間延性の低下が著しくなり、熱間圧延時に表面キズが発生しやすくなる。したがって、Vの含有量を0.20%以下とした。Vの結晶粒微細化効果を確実に得るためには、その含有量を0.05%以上とすることが好ましい。このため、より望ましいVの含有量は0.05〜0.20%である。なお、一層望ましいV含有量の下限は0.08%である。また、一層好ましいV含有量の上限は0.10%である。
V: 0.20% or less V combines with C and N to form fine carbides, nitrides, and carbonitrides, thereby refining crystal grains and improving bending fatigue strength and pitting strength. . However, when the V content is excessive, hot ductility is reduced. In particular, when the V content exceeds 0.20%, the hot ductility is remarkably lowered, and surface scratches are likely to occur during hot rolling. Therefore, the content of V is set to 0.20% or less. In order to reliably obtain the V crystal grain refinement effect, the content is preferably 0.05% or more. For this reason, the more desirable V content is 0.05 to 0.20%. The more desirable lower limit of the V content is 0.08%. A more preferable upper limit of the V content is 0.10%.

Nb:0.050%以下
Nbは、C及びNと結合して微細な炭化物、窒化物、炭窒化物を形成して結晶粒を微細化し、曲げ疲労強度及びピッティング強度を向上させる効果を有する。しかしながら、Nbの含有量が過剰になると、熱間延性の低下を招く。特に、Nbの含有量が0.050%を超えると、熱間延性の低下が著しくなって、熱間圧延時に表面キズが発生しやすくなる。したがって、Nbの含有量を0.050%以下とした。前記したNbの結晶粒微細化効果を確実に得るためには、含有量を0.005%以上とすることが好ましい。このため、より望ましいNbの含有量は0.005〜0.050%である。なお、Nb含有量の一層好ましい下限は0.020%である。また、一層好ましいNb含有量の上限は0.040%である。
Nb: 0.050% or less Nb combines with C and N to form fine carbides, nitrides, carbonitrides, refines crystal grains, and has an effect of improving bending fatigue strength and pitting strength . However, when the Nb content is excessive, hot ductility is reduced. In particular, when the Nb content exceeds 0.050%, the hot ductility is significantly reduced, and surface scratches are likely to occur during hot rolling. Therefore, the Nb content is set to 0.050% or less. In order to reliably obtain the above-described Nb crystal grain refining effect, the content is preferably set to 0.005% or more. For this reason, the more desirable Nb content is 0.005 to 0.050%. Note that a more preferable lower limit of the Nb content is 0.020%. A more preferable upper limit of the Nb content is 0.040%.

なお、上記のV及びNbは、そのうちいずれか1種のみ、又は2種を複合で含有することができる。   In addition, said V and Nb can contain only any 1 type among them, or 2 types in combination.

第3群:Ca:0.0050%以下及びZr:0.010%以下のうちの1種又は2種
Ca及びZrは、MnSを球状化し、異方性を小さくすることで冷間鍛造性を向上させる。このため、さらなる冷間鍛造性の向上のためには以下の範囲で含有させてもよい。
3rd group: Ca: 0.0050% or less and Zr: 1 type or 2 types of 0.010% or less Ca and Zr spheroidize MnS and reduce cold anisotropy by reducing anisotropy. Improve. For this reason, you may make it contain in the following ranges for the further improvement of cold forgeability.

Ca:0.0050%以下
Caは、軟質酸化物を生成し、被削性を向上させるだけでなく、MnSに固溶してその変形能を低下させ、圧延や熱間鍛造してもMnS形状の延伸を抑制する働きがある。したがって、異方性の低減に有効な元素である。しかし、0.0050%を超えてCaを添加しても硬質のCaOを大量に生成し、かえって被削性や疲労特性などの機械的性質が低下する。したがって、Caの含有量を0.0050%以下とする。好ましくは0.0030%以下である。また、Caの含有量は切削性改善効果を安定的に発現するため、0.0003%以上であることが好ましい。
Ca: 0.0050% or less Ca not only generates soft oxides and improves machinability, but also dissolves in MnS to lower its deformability, and even if rolled or hot forged, MnS shape There is a function to suppress the stretching of the. Therefore, it is an effective element for reducing anisotropy. However, even if Ca is added in excess of 0.0050%, a large amount of hard CaO is generated, and mechanical properties such as machinability and fatigue properties are deteriorated. Therefore, the Ca content is set to 0.0050% or less. Preferably it is 0.0030% or less. Further, the Ca content is preferably 0.0003% or more in order to stably exhibit the machinability improving effect.

Zr:0.010%以下
Zrは鋼中に酸化物を生成する。Zr酸化物はMnSの析出核となるため、MnSの析出サイトを増やし、MnSを均一分散させる。また、ZrはMnSに固溶して、複合硫化物を生成してその変形能を低下させ、圧延や熱間鍛造してもMnS形状の延伸を抑制する働きがある。したがって、Zrは、異方性の低減に有効な元素である。しかし、0.010%を超えてZrを添加すると、硬質のZrOやZrSなどを大量に生成し、かえって被削性や疲労特性などの機械的性質が低下する。したがって、Zrの含有量を0.010%以下とする。Zr含有量は、好ましくは0.008%以下である。また、Zrの含有量は、異方性の低減効果および切削性改善効果を安定的に発現するため、0.002%以上であることが好ましい。
Zr: 0.010% or less Zr generates an oxide in steel. Since the Zr oxide becomes a precipitation nucleus of MnS, the precipitation sites of MnS are increased and MnS is uniformly dispersed. Further, Zr dissolves in MnS to form a composite sulfide to reduce its deformability, and has the function of suppressing the stretching of the MnS shape even when rolling or hot forging. Therefore, Zr is an element effective for reducing anisotropy. However, if Zr is added in excess of 0.010%, a large amount of hard ZrO 2 , ZrS, or the like is generated, and mechanical properties such as machinability and fatigue properties are deteriorated. Therefore, the Zr content is set to 0.010% or less. The Zr content is preferably 0.008% or less. Further, the content of Zr is preferably 0.002% or more in order to stably exhibit the effect of reducing anisotropy and the effect of improving machinability.

本実施形態の肌焼鋼は、従来公知の方法により製造できる。例えば、上述した成分組成の鋼材を、転炉、電気炉等の通常の方法によって溶製し、鋳造工程、必要に応じて分塊圧延工程を経て、線材または棒鋼に熱間圧延することによって製造できる。
本実施形態の肌焼鋼の浸炭焼入条件は、特に限定されるものはない。本実施形態の肌焼鋼を用いて加工される部品の用途等に応じて決定できる。
The case hardening steel of this embodiment can be manufactured by a conventionally well-known method. For example, the steel material having the above-described composition is melted by a normal method such as a converter, an electric furnace, etc., and is manufactured by hot rolling into a wire rod or a steel bar through a casting process and, if necessary, a batch rolling process. it can.
The carburizing and quenching conditions of the case hardening steel of the present embodiment are not particularly limited. It can be determined according to the application of the parts processed using the case-hardened steel of the present embodiment.

表1に示す成分組成の鋼材を、150kg真空溶解炉によって溶製後、直径55mmの丸棒に熱間鍛伸することによって、試験番号1〜30の肌焼鋼を製造した。なお、球状化焼鈍として直径55mmの丸棒に対して760℃の温度で4.5時間の熱処理を行った。
表1中の鋼1〜18は、化学組成が本発明で規定する範囲内にある本発明例の鋼であり、一方、鋼19〜30は、化学組成が本発明で規定する条件から外れた比較例の鋼である。
After the steel materials having the component compositions shown in Table 1 were melted by a 150 kg vacuum melting furnace, the case-hardened steels having test numbers 1 to 30 were manufactured by hot forging into a round bar having a diameter of 55 mm. In addition, heat treatment for 4.5 hours was performed at a temperature of 760 ° C. on a round bar having a diameter of 55 mm as spheroidizing annealing.
Steels 1 to 18 in Table 1 are steels according to examples of the present invention whose chemical composition is within the range specified by the present invention, while Steels 19 to 30 are out of the conditions specified by the present invention for chemical composition. It is steel of a comparative example.

上記の比較例の鋼のうちで鋼19及び鋼20はそれぞれ、JIS G 4052(2003)に規定されたニッケルクロムモリブデン鋼のSNCM220H及びクロムモリブデン鋼のSCM420Hに相当する鋼である。   Among the steels of the above comparative examples, steel 19 and steel 20 are steels corresponding to SNCM220H of nickel chromium molybdenum steel and SCM420H of chromium molybdenum steel respectively defined in JIS G 4052 (2003).

Figure 2017039971
Figure 2017039971

上述した<1>冷間鍛造性の調査に記載の方法を用いて、試験番号1〜30の肌焼鋼から、それぞれ図2に示すR3環状切欠き引張試験片及び図3に示すR20環状切欠き引張試験片を採取し、ε−ε(圧延方向に対して平行に切り出した素材から得た試験片の延性き裂発生点における相当塑性ひずみεと、圧延方向に対して垂直に切り出した素材から得た試験片の延性き裂発生点における相当塑性ひずみεとの差)およびεを求めた。 Using the method described in the above-mentioned <1> cold forgeability investigation, from the case-hardened steel of test numbers 1 to 30, an R3 annular notch tensile test piece shown in FIG. 2 and an R20 annular cut shown in FIG. A notch tensile test piece was collected and ε L −ε C (equivalent plastic strain ε L at the ductile crack initiation point of the test piece obtained from the material cut in parallel to the rolling direction and perpendicular to the rolling direction. The difference from the equivalent plastic strain ε C at the ductile crack initiation point of the specimen obtained from the cut material and ε L were determined.

そして、R3環状切欠き引張試験片のεが0.75以上およびR20環状切欠き引張試験片のεが1.05以上の場合、冷間鍛造時に割れにくく、冷間鍛造性が良好であると評価した。また、ε−εが0.3以下の場合を異方性が小さく、冷間鍛造性に優れると評価した。 When epsilon L is 1.05 or more R3 cyclic notched tensile specimens of epsilon L is 0.75 or more and R20 annular notched tensile specimens, difficult to break during cold forging, cold forgeability is good Evaluated that there was. Moreover, when ε LC was 0.3 or less, it was evaluated that the anisotropy was small and the cold forgeability was excellent.

上述した<2>粒界酸化層深さ及び不完全焼入層深さの調査に記載の方法を用いて、以下に示す試験片を得た。すなわち、試験番号1〜30の肌焼鋼の圧延方向に対して平行に切り出した素材から得た図2に示すR3環状切欠き引張試験片に対して、図6に示すヒートパターンによる浸炭焼入−焼戻しを施した。次いで、浸炭焼入−焼戻し処理したR3環状切欠き引張試験片の直径6mmの切欠き部を横断するように切断した。その後、圧延方向と直交する切断面が観察面になるように、切断した試験片を樹脂に埋め込み、研磨を行って鏡面仕上げした面を観察面とする試験片を得た。   Using the method described in the above-described investigation of <2> grain boundary oxide layer depth and incompletely quenched layer depth, the following test pieces were obtained. That is, carburizing and quenching with the heat pattern shown in FIG. 6 is performed on the R3 annular notch tensile test piece shown in FIG. -Tempered. Subsequently, it cut | disconnected so that the notch part of 6 mm in diameter of the R3 cyclic | annular notch tensile test piece which carburized and quenched and tempered could be crossed. Then, the cut test piece was embedded in resin so that the cut surface perpendicular to the rolling direction became the observation surface, and a test piece having a mirror-finished surface by polishing was obtained.

「有効硬化層深さ」
そして、JIS Z 2244に準拠し、マイクロビッカース硬度計を使用して、研磨後の試験片の表面から中心に向かう方向(圧延方向と直交する方向)に、試験力を2.94Nとしてビッカース硬さ(Hv硬さ)を測定した。Hv硬さが550となる場合の表面からの深さを、任意の10箇所で測定し、その最小値を有効硬化層深さとした。有効硬化層深さは0.6mm以上の場合を良好と評価した。
"Effective hardened layer depth"
Then, in accordance with JIS Z 2244, using a micro Vickers hardness tester, the test force is set to 2.94 N in the direction from the surface of the test piece after polishing toward the center (direction perpendicular to the rolling direction), and the Vickers hardness (Hv hardness) was measured. The depth from the surface when the Hv hardness was 550 was measured at any 10 locations, and the minimum value was taken as the effective hardened layer depth. The case where the effective hardened layer depth was 0.6 mm or more was evaluated as good.

「粒界酸化層深さ」
試験片として、有効硬化層深さの測定に使用した試験片の観察面を再度研磨し、鏡面仕上げしたままのものを用いて、上述した<2>粒界酸化層深さ及び不完全焼入層深さの測定に記載の方法を用いて、粒界酸化層深さを求めた。粒界酸化層深さは10μm以下の場合を良好と評価した。
"Grain boundary oxide layer depth"
As the test piece, the observation surface of the test piece used for the measurement of the effective hardened layer depth was ground again, and the mirror finished surface was used, and <2> the grain boundary oxide layer depth and incomplete quenching described above were used. Using the method described in the measurement of the layer depth, the grain boundary oxide layer depth was determined. The case where the grain boundary oxide layer depth was 10 μm or less was evaluated as good.

「不完全焼入層深さ」
粒界酸化層深さの測定に使用した試験片の観察面を、ナイタールで0.2〜2秒腐食し、上述した<2>粒界酸化層深さ及び不完全焼入層深さの測定に記載の方法を用いて、不完全焼入層深さを求めた。不完全焼入層深さは、15μm以下の場合を良好と評価した。
"Incomplete hardened layer depth"
The observation surface of the test piece used for the measurement of the grain boundary oxide layer depth was corroded with nital for 0.2 to 2 seconds, and the above-described <2> measurement of the grain boundary oxide layer depth and the incomplete quenching layer depth was performed. Was used to determine the incompletely hardened layer depth. The incomplete quenching layer depth was evaluated as good when it was 15 μm or less.

「MnS粒子の平均アスペクト比」
粒界酸化層深さの測定に使用した試験片を圧延方向に沿って切断した。その後、圧延方向に沿う断面である切断面が観察面になるように樹脂に埋め込み、研磨を行って、鏡面仕上げした。観察面を倍率500倍の走査型電子顕微鏡を用いて観察した。そして、300個のMnS粒子について、MnS粒子の長手方向を縦方向として縦および横の長さを測定し、それぞれの平均値を平均アスペクト比(縦の長さ/横の長さ)として算出した。MnS粒子の平均アスペクト比は、6以下の場合を良好と評価した。なお、MnS粒子のアスペクト比は、浸炭焼入−焼戻しを施す前と後とで違いはない。
"Average aspect ratio of MnS particles"
The specimen used for the measurement of the grain boundary oxide layer depth was cut along the rolling direction. Then, it embedded in resin so that the cut surface which is a cross section along a rolling direction might become an observation surface, it grind | polished and mirror-finished. The observation surface was observed using a scanning electron microscope having a magnification of 500 times. And about 300 MnS particle | grains, the longitudinal direction and the horizontal length were measured by making the longitudinal direction of the MnS particle | grains into the vertical direction, and each average value was computed as average aspect ratio (vertical length / horizontal length). . The average aspect ratio of MnS particles was evaluated as good when it was 6 or less. The aspect ratio of the MnS particles is not different before and after carburizing and quenching.

「回転曲げ疲労試験による疲労特性」
試験番号1〜30の肌焼鋼を上記球状化焼鈍した後の直径55mmの素材から、長さ方向が圧延方向に平行である図9に示す粗形状(切り出しまま)の切欠き回転曲げ疲労試験片を切り出した。図9に示す粗形状の切欠き回転曲げ疲労試験片に対して、図6に示すヒートパターンによる浸炭焼入−焼戻しを施した。その後、仕上げ加工を行い、図10に示す切欠き回転曲げ疲労試験片を作製した。
"Fatigue characteristics by rotating bending fatigue test"
From the material having a diameter of 55 mm after the spheroidizing annealing of the case-hardened steels of test numbers 1 to 30, the notched rotational bending fatigue test of the rough shape (as cut out) shown in FIG. 9 whose length direction is parallel to the rolling direction. A piece was cut out. The carved quenching-tempering by the heat pattern shown in FIG. 6 was performed on the coarse-shaped notched rotary bending fatigue test piece shown in FIG. Then, finish processing was performed, and the notch rotation bending fatigue test piece shown in FIG. 10 was produced.

この仕上げ加工した回転曲げ疲労試験片を用いて、下記の試験条件によって回転曲げ疲労試験を実施し、繰返し数が10回において破断しない最大の強度で回転曲げ疲労強度を評価した。
・温度:室温、
・雰囲気:大気中、
・回転数:3000rpm。
なお、回転曲げ疲労強度が550MPa以上の場合を回転曲げ疲労強度特性に優れるものとした。
With this finishing the rotating bending fatigue test piece, carried out bending fatigue test rotation by the test under the following conditions, the number of repetition and rated the rotary bending fatigue strength at the maximum intensity that does not break at 10 7 times.
・ Temperature: Room temperature,
・ Atmosphere: In air
-Number of rotations: 3000 rpm.
The case where the rotational bending fatigue strength was 550 MPa or more was considered excellent in the rotational bending fatigue strength characteristics.

「ローラーピッティング試験による耐ピッティング特性評価」
上記球状化焼鈍後の直径55mmの素材から、長さ方向が圧延方向に平行である図11に示す粗形状(切り出しまま)のローラーピッティング小ローラー試験片を切り出した。
その後、図11に示す粗形状のローラーピッティング小ローラー試験片に対して、図6に示すヒートパターンによる浸炭焼入−焼戻しを施し、仕上げ加工を行って、図12に示すローラーピッティング小ローラー試験片を作製した。
"Evaluation of anti-pitting characteristics by roller pitting test"
From the material having a diameter of 55 mm after the spheroidizing annealing, a roller-pitting small roller test piece having a rough shape (as cut out) shown in FIG. 11 whose length direction is parallel to the rolling direction was cut out.
Then, carburizing quenching-tempering by the heat pattern shown in FIG. 6 was performed on the coarse roller pitting small roller test piece shown in FIG. 11, and finishing was performed, and the roller pitting small roller shown in FIG. A test piece was prepared.

また、表2に示す鋼31、すなわちJIS G 4052 (2003)に規定された化学成分を有するSCM420Hを300kg真空溶解炉によって溶製した。その後、直径140mmの丸棒に熱間圧延することによって、試験番号31の肌焼鋼を製造した。なお、球状化焼鈍として直径140mmの丸棒に対して760℃の温度で9.0時間の熱処理を行った。   Moreover, steel 31 shown in Table 2, that is, SCM420H having chemical components defined in JIS G 4052 (2003) was melted in a 300 kg vacuum melting furnace. Then, the case hardening steel of the test number 31 was manufactured by hot-rolling to a round bar with a diameter of 140 mm. In addition, as a spheroidizing annealing, a round bar having a diameter of 140 mm was subjected to a heat treatment at 760 ° C. for 9.0 hours.

Figure 2017039971
Figure 2017039971

試験番号31の肌焼鋼を上記球状化焼鈍試験した後の直径140mmの素材から、ローラー試験片の厚さ方向が圧延方向に平行となるように、図13(a)および図13(b)に示す粗形状(切り出しまま)のローラーピッティング大ローラー試験片を切り出した。図13(a)は粗形状のローラーピッティング大ローラー試験片を中心線で半割りにした場合の正面図であり、図13(b)は中心線における断面図である。   13 (a) and 13 (b) so that the thickness direction of the roller test piece is parallel to the rolling direction from the material having a diameter of 140 mm after the spheroidizing annealing test of the case-hardened steel of test number 31. A large roller test piece having a rough shape (as cut out) shown in FIG. FIG. 13 (a) is a front view when a coarse roller-pitting large roller test piece is divided in half by a center line, and FIG. 13 (b) is a cross-sectional view at the center line.

その後、図13に示す粗形状のローラーピッティング大ローラー試験片に対して、図6に示すヒートパターンによる浸炭焼入−焼戻しを施し、仕上げ加工を行って、図14に示すローラーピッティング大ローラー試験片を作製した。   Then, carburizing quenching-tempering according to the heat pattern shown in FIG. 6 was performed on the coarse roller-pitting large roller test piece shown in FIG. 13, and finishing was performed. The roller-pitting large roller shown in FIG. A test piece was prepared.

図12に示す仕上げ加工したローラーピッティング小ローラー試験片および図14に示すローラーピッティング大ローラー試験片を用いて、下記試験条件でローラーピッティング試験(二円筒転がり疲労試験)を実施し、繰返し数10回において、長辺が1mm以上の大きなピッティングが発生しない最大の面圧でピッティング強度を評価した。
・すべり率:40%、
・回転数:1000rpm、
・潤滑:油温100℃のマニュアルトランスミッション用潤滑油を2.0リットル/分の割合で、ローラーピッティング小ローラー試験片とローラーピッティング大試験片の接触部に噴出させて実施した。
Using the finished roller pitting small roller test piece shown in FIG. 12 and the roller pitting large roller test piece shown in FIG. 14, a roller pitting test (two-cylinder rolling fatigue test) is performed under the following test conditions, and repeated. in several 10 7 times to evaluate the pitting strength at the maximum surface pressure long side does not occur a large pitting than 1 mm.
・ Slip rate: 40%
・ Rotation speed: 1000 rpm,
Lubrication: The lubricating oil for manual transmission with an oil temperature of 100 ° C. was jetted at a rate of 2.0 liters / minute to the contact portion between the roller pitting small roller test piece and the roller pitting large test piece.

ただし、上記の「すべり率」は、「V1」をローラーピッティング小ローラー試験片表面の接線速度、「V2」をローラーピッティング大ローラー試験片表面の接線速度として、下記の式で計算される値を指す。
すべり率={(V2−V1)/V1}×100
なお、ピッティング強度が1650MPa以上の場合を耐ピッティング特性に優れるものとした。
However, the above-mentioned “slip rate” is calculated by the following formula, where “V1” is the tangential speed of the surface of the roller-pitting small roller specimen and “V2” is the tangential speed of the surface of the large roller-testing specimen. Points to the value.
Slip rate = {(V2−V1) / V1} × 100
In addition, when the pitting strength was 1650 MPa or more, the anti-pitting property was excellent.

表3に、ε、ε−εC、有効硬化層深さ、粒界酸化層深さ、不完全焼入層深さ、MnS粒子の平均アスペクト比、曲げ疲労強度、ピッティング強度の結果をまとめて示す。 Table 3 shows the results of ε L , ε LC, effective hardened layer depth, intergranular oxide layer depth, incompletely quenched layer depth, average aspect ratio of MnS particles, bending fatigue strength, and pitting strength. Are shown together.

Figure 2017039971
Figure 2017039971

表3に示したように、本発明で規定する条件を満たす鋼を用いた試験番号1〜18では、ε−εが0.3以下であり、冷間鍛造の異方性が小さかった。また、試験番号1〜18では、R3環状切欠き引張試験のεが0.75以上であって、R20環状切欠き引張試験のεが1.05以上であり、冷間鍛造時に割れにくいものであった。よって、試験番号1〜18で用いた鋼は、良好な冷間鍛造性を有する。 As shown in Table 3, in test numbers 1 to 18 using steel satisfying the conditions specified in the present invention, ε LC was 0.3 or less, and the anisotropy of cold forging was small. . Further, in Test No. 1 to 18, comprising the R3 cyclic notch tensile test epsilon L is 0.75 or more, R20 annular notch tensile test epsilon L is not less than 1.05, less likely to crack during cold forging It was a thing. Therefore, the steel used in test numbers 1 to 18 has good cold forgeability.

また、本発明で規定する条件を満たす鋼に浸炭焼入−焼戻しを施した試験番号1〜18では、MnS粒子の平均アスペクト比が6以下であり、MnS粒子の圧延方向への延伸が抑性されていた。さらに、試験番号1〜18では、有効硬化層深さが0.6mm以上であるとともに、粒界酸化層深さが10μm以下、不完全焼入層深さは15μm以下であり、浸炭焼入による浸炭異常層の生成が抑制されていた。   Further, in test numbers 1 to 18 where carburizing quenching and tempering were performed on steel satisfying the conditions specified in the present invention, the average aspect ratio of MnS particles was 6 or less, and the stretching of MnS particles in the rolling direction was suppressed. It had been. Furthermore, in test numbers 1 to 18, the effective hardened layer depth is 0.6 mm or more, the grain boundary oxide layer depth is 10 μm or less, the incomplete quenching layer depth is 15 μm or less, and carburizing and quenching. Generation of an abnormal carburization layer was suppressed.

また、試験番号1〜18は、鋼19(ニッケルクロムモリブデン鋼のSNCM220Hに相当)及び鋼20(クロムモリブデン鋼のSCM420Hに相当)を用いた試験番号19及び20の場合と同等以上の有効硬化層深さを有し、試験番号19及び20と比較して、粒界酸化層深さ及び不完全焼入層深さが浅かった。   Test numbers 1 to 18 are effective hardened layers equal to or greater than those of test numbers 19 and 20 using steel 19 (corresponding to SNCM220H of nickel chromium molybdenum steel) and steel 20 (corresponding to SCM420H of chromium molybdenum steel). Compared with test numbers 19 and 20, the grain boundary oxide layer depth and the incompletely hardened layer depth were shallow.

さらに、鋼1〜18を用いた試験番号1〜18では、高い曲げ疲労強度、高いピッティング強度を確保できることがわかった。   Furthermore, in the test numbers 1-18 using steel 1-18, it turned out that high bending fatigue strength and high pitting strength can be ensured.

これに対して、試験番号19では、鋼19にTeが添加されていないため、ε−εの値が高く、冷間鍛造性の異方性が大きい。また、試験番号19は、R3およびR20環状切欠き引張試験片のεが小さく、冷間鍛造性が不十分である。さらに、試験番号19は平均アスペクト比が高い。また、試験番号19は[fn3=(14/24)×Cr+(14/25)×Mn−Si]の値が本発明で規定する範囲を下回るため、曲げ疲労強度及びピッティング強度に悪影響を及ぼす粒界酸化層深さ及び不完全層焼入層深さは試験番号1〜18と比較して深い。 On the other hand, in the test number 19, since Te is not added to the steel 19, the value of ε LC is high, and the anisotropy of cold forgeability is large. In Test No. 19, ε L of the R3 and R20 annular notch tensile test pieces is small, and the cold forgeability is insufficient. Furthermore, test number 19 has a high average aspect ratio. In Test No. 19, since the value of [fn3 = (14/24) × Cr + (14/25) × Mn—Si] is below the range defined in the present invention, the bending fatigue strength and the pitting strength are adversely affected. The grain boundary oxide layer depth and the incomplete layer quenching layer depth are deeper than those of Test Nos. 1-18.

試験番号20では、鋼20にTeが添加されていないため、ε−εの値が高く、冷間鍛造性の異方性が大きい。また、試験番号20は、R3およびR20環状切欠き引張試験片のεが小さく、冷間鍛造性が不十分である。さらに、試験番号20は平均アスペクト比が高い。また、試験番号20は上記の[fn3]の値が本発明で規定する範囲を下回るため、曲げ疲労強度及びピッティング強度に悪影響を及ぼす粒界酸化層深さ及び不完全層焼入層深さは試験番号1〜18と比較して深い。 In Test No. 20, since Te is not added to the steel 20, the value of ε LC is high, and the anisotropy of cold forgeability is large. In Test No. 20, ε L of the R3 and R20 annular notch tensile specimens is small, and the cold forgeability is insufficient. Furthermore, test number 20 has a high average aspect ratio. In Test No. 20, since the value of [fn3] is below the range specified in the present invention, the grain boundary oxide layer depth and the incomplete layer quenching layer depth adversely affecting the bending fatigue strength and the pitting strength. Is deeper than test numbers 1-18.

試験番号21では、鋼21のCrの添加量が本発明で規定する範囲を下回るため、試験番号1〜18と比較して平均アスペクト比が大きく、曲げ疲労強度及びピッティング強度も試験番号1〜18と比較して低い。
試験番号22では、R3およびR20環状切欠き引張試験片のεが小さく、試験番号1〜18と比較して冷間鍛造性が悪い。また、試験番号22は平均アスペクト比が大きい。これらの結果は、鋼22の[fn1=Mn/S]の値が本発明で規定する範囲を下回るため、粗大なMnSが生成したことによるものであると推定される。さらに、試験番号22では、鋼22の上記[fn3]の値が本発明で限定する範囲を下回るため、不完全焼入層深さが試験番号1〜18と比較して深く、曲げ疲労強度およびピッティング強度が低い。
In test number 21, since the amount of Cr added to steel 21 is below the range specified in the present invention, the average aspect ratio is larger than test numbers 1 to 18, and bending fatigue strength and pitting strength are also test numbers 1 to 1. Low compared to 18.
In the test number 22, ε L of the R3 and R20 annular notch tensile test pieces is small, and the cold forgeability is poor as compared with the test numbers 1 to 18. Test number 22 has a large average aspect ratio. These results are presumed to be due to the generation of coarse MnS because the value of [fn1 = Mn / S] of steel 22 is below the range defined in the present invention. Furthermore, in the test number 22, since the value of the above [fn3] of the steel 22 is less than the range limited by the present invention, the incompletely hardened layer depth is deeper than the test numbers 1 to 18, bending fatigue strength and Pitting strength is low.

試験番号23では、鋼23の[fn2=Cr×Te]の値が本発明で規定する範囲を上回るため、ε−εの値が高く、試験番号1〜18と比較して異方性が大きい。さらに、試験番号23は平均アスペクト比が大きい。また、試験番号23はR3およびR20環状切欠き引張試験片のεが小さく、冷間鍛造性が不十分である。
試験番号24では、鋼24の上記[fn3]の値が本発明で限定する範囲を上回るため、粒界酸化層深さおよび不完全焼入層深さが試験番号1〜18と比較して深く、曲げ疲労強度およびピッティング強度が低い。
In the test number 23, the value of [fn2 = Cr × Te] of the steel 23 exceeds the range defined in the present invention, so the value of ε L −ε C is high, and anisotropy is compared with the test numbers 1 to 18. Is big. Furthermore, test number 23 has a large average aspect ratio. In Test No. 23, ε L of the R3 and R20 annular notch tensile test pieces is small, and the cold forgeability is insufficient.
In the test number 24, the value of [fn3] of the steel 24 exceeds the range limited by the present invention, so that the grain boundary oxide layer depth and the incomplete quenching layer depth are deeper than those of the test numbers 1-18. Bending fatigue strength and pitting strength are low.

試験番号25では、R3およびR20環状切欠き引張試験片のεが小さく、試験番号1〜18と比較して冷間鍛造性が悪い。これは、鋼25のMnの添加量が本発明で規定する範囲を上回り、[fn1=Mn/S]の値が本発明で規定する範囲を上回るため、粗大なMnSが生成したことによるものであると推定される。さらに、鋼25の上記[fn3]の値が本発明で限定する範囲を上回るため、不完全焼入層深さが試験番号1〜18と比較して深く、曲げ疲労強度およびピッティング強度が低い。 In the test number 25, ε L of the R3 and R20 annular notch tensile test pieces is small, and the cold forgeability is poor as compared with the test numbers 1 to 18. This is because the amount of Mn added to the steel 25 exceeds the range specified by the present invention, and the value of [fn1 = Mn / S] exceeds the range specified by the present invention, so that coarse MnS was generated. Presumed to be. Furthermore, since the value of [fn3] of the steel 25 exceeds the range limited by the present invention, the incompletely hardened layer depth is deeper than those of test numbers 1 to 18, and the bending fatigue strength and the pitting strength are low. .

試験番号26では、鋼26の上記[fn3]の値が本発明で規定する範囲を下回るため、粒界酸化層深さおよび不完全焼入層深さが試験番号1〜18と比較して深く、曲げ疲労強度およびピッティング強度が低い。   In test number 26, the value of [fn3] of steel 26 is below the range defined in the present invention, so the grain boundary oxide layer depth and the incomplete quenching layer depth are deeper than test numbers 1-18. Bending fatigue strength and pitting strength are low.

試験番号27では、R3およびR20環状切欠き引張試験片のεが小さく、試験番号1〜18と比較して冷間鍛造性が悪い。また、試験番号27は平均アスペクト比が大きい。これらの結果は、鋼27のSの添加量が本発明で規定する範囲を上回り、鋼27の[fn1=Mn/S]の値が本発明で規定する範囲を下回るため、粗大なMnSが生成したことによるものであると推定される。さらに、鋼27の上記[fn3]の値が本発明で限定する範囲を下回るため、粒界酸化層深さおよび不完全焼入層深さが試験番号1〜18と比較して深く、曲げ疲労強度およびピッティング強度が低い。 In test number 27, ε L of the R3 and R20 annular notch tensile test pieces is small, and the cold forgeability is poor as compared with test numbers 1 to 18. Test number 27 has a large average aspect ratio. These results indicate that the addition amount of S in steel 27 exceeds the range specified in the present invention, and the value of [fn1 = Mn / S] in steel 27 is lower than the range specified in the present invention, so that coarse MnS is generated. It is presumed that Furthermore, since the value of [fn3] of steel 27 is below the range limited by the present invention, the grain boundary oxide layer depth and the incompletely hardened layer depth are deeper than those of test numbers 1 to 18, and bending fatigue Low strength and pitting strength.

試験番号28では、Cの添加量が本発明で規定する範囲を下回るため、試験番号1〜18と比較して有効硬化層が浅く、曲げ疲労強度およびピッティング強度が低い。   In Test No. 28, the amount of C added is below the range defined in the present invention, so that the effective hardened layer is shallower and the bending fatigue strength and pitting strength are lower than those in Test Nos. 1-18.

試験番号29では、Siの添加量が本発明で規定する範囲を上回り、鋼29の上記[fn3]の値が本発明で限定する範囲を下回るため、粒界酸化層深さおよび不完全焼入層深さが試験番号1〜18と比較して深く、曲げ疲労強度およびピッティング強度が低い。   In test number 29, the amount of Si added exceeded the range specified in the present invention, and the value of [fn3] of steel 29 was lower than the range limited by the present invention. The layer depth is deeper than test numbers 1 to 18, and the bending fatigue strength and pitting strength are low.

試験番号30では、Teの添加量が本発明で規定する範囲を下回るため、平均アスペクト比が大きい。また、試験番号30は、ε−εの値が高く、試験番号1〜18と比較して異方性が大きい。 In test number 30, the average aspect ratio is large because the amount of Te added is below the range defined in the present invention. In addition, the test number 30 has a high value of ε LC , and is larger in anisotropy than the test numbers 1 to 18.

本発明の肌焼鋼は、JIS G 4052(2003)に規定されたニッケルクロムモリブデン鋼のSNCM220H及びクロムモリブデン鋼のSCM420Hと比較してNiおよびMoの含有量が少ないため成分コストが低く、冷間鍛造の異方性が小さく良好な鍛造性を有する。しかも、この肌焼鋼を素材とする浸炭歯車は、SNCM220HおよびSCM420Hを素材とする浸炭部品と同じ程度の有効硬化層深さを有し、曲げ疲労強度およびピッティング強度に悪影響を及ぼす粒界酸化層深さおよび不完全焼入れ層深さが浅い。このため、本発明の肌焼鋼は、低コスト・軽量・耐高トルク性能を備えた浸炭歯車用の素材として用いるのに好適である。   The case-hardened steel of the present invention has a lower component cost because it contains less Ni and Mo than nickel-molybdenum steel SNCM220H and chromium-molybdenum steel SCM420H specified in JIS G 4052 (2003). Small forging anisotropy and good forgeability. Moreover, the carburized gear made from this case-hardened steel has the same effective hardened layer depth as carburized parts made from SNCM220H and SCM420H, and has a grain boundary oxidation that adversely affects bending fatigue strength and pitting strength. The layer depth and incomplete quenching layer depth are shallow. For this reason, the case-hardened steel of the present invention is suitable for use as a material for a carburized gear having low cost, light weight, and high torque resistance.

Claims (4)

質量%で、
C:0.10〜0.30%、
Si:0.02〜1.00%、
Mn:0.30〜1.00%、
S:0.002〜0.030%、
Cr:1.50〜3.00%、
Al:0.010〜0.050%、
N:0.0040〜0.0250%、
Te:0.0003〜0.0050%
を含有し、
P:0.020%以下、
Ti:0.005%未満、
O:0.0015%以下
に制限し、残部はFe及び不可避的不純物からなり、
Si、Mn、Cr、S及びTeの含有量が、下記の(1)式、(2)式及び(3)式で表されるfn1、fn2及びfn3の値でそれぞれ30≦fn1≦150、fn2≦0.010及び0.90≦fn3≦1.60を満たすことを特徴とする高強度冷間鍛造用肌焼鋼。
fn1:Mn/S・・・(1)
fn2:Cr×Te・・・(2)
fn3:(14/24)×Cr+(14/25)×Mn−Si・・・(3)
但し、(1)式、(2)式及び(3)式中の元素記号は、その元素の質量%での含有量を表す。
% By mass
C: 0.10 to 0.30%,
Si: 0.02 to 1.00%,
Mn: 0.30 to 1.00%
S: 0.002 to 0.030%,
Cr: 1.50 to 3.00%,
Al: 0.010 to 0.050%,
N: 0.0040 to 0.0250%,
Te: 0.0003 to 0.0050%
Containing
P: 0.020% or less,
Ti: less than 0.005%,
O: limited to 0.0015% or less, the balance is composed of Fe and inevitable impurities,
The contents of Si, Mn, Cr, S and Te are 30 ≦ fn1 ≦ 150 and fn2 in the values of fn1, fn2 and fn3 represented by the following formulas (1), (2) and (3), respectively. ≦ 0.010 and 0.90 ≦ fn3 ≦ 1.60, high strength cold forging case-hardening steel.
fn1: Mn / S (1)
fn2: Cr × Te (2)
fn3: (14/24) × Cr + (14/25) × Mn—Si (3)
However, the element symbols in the formulas (1), (2) and (3) represent the content in mass% of the element.
更に、質量%で、
Mo:0.10%以下、
Cu:0.20%以下、
Ni:0.20%以下
のうちの1種又は2種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の高強度冷間鍛造用肌焼鋼。
Furthermore, in mass%,
Mo: 0.10% or less,
Cu: 0.20% or less,
The hardened steel for high-strength cold forging according to claim 1, characterized by containing one or more of Ni: 0.20% or less.
更に、質量%で、
V:0.20%以下、
Nb:0.050%以下
の一方又は両方を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の高強度冷間鍛造用肌焼鋼。
Furthermore, in mass%,
V: 0.20% or less,
Nb: One or both of 0.050% or less is contained, The high strength cold forging case hardening steel of Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned.
更に、質量%で、
Ca:0.0050%以下、
Zr:0.010%以下
の一方又は両方を含有することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の高強度冷間鍛造用肌焼鋼。
Furthermore, in mass%,
Ca: 0.0050% or less,
One or both of Zr: 0.010% or less are contained, The high strength cold forging case hardening steel of any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned.
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