JP2020015939A - Steel material for surface hardening, and surface hardening component - Google Patents

Steel material for surface hardening, and surface hardening component Download PDF

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Abstract

To provide a steel material for surface hardening capable of providing excellent fatigue property even when variations of a heating condition is generated during surface hardening, and a surface hardening component.SOLUTION: There is provided a steel material for surface hardening containing, by mass%, C:0.30 to 0.80%, Si:0.01 to 0.40%, Mn:1.40 to 3.00%, P:0.05% or less, S:0.001 to 0.100%, Cr:0.03 to 0.40%, Al:0.001 to 0.080%, N:0.003 to 0.025%, and the balance Fe with impurities, and having A3 point temperature represented by the following formula (1) of 760°C or lower, and (Mnθ+Crθ)/Feθ, which is a weight ratio of sum of Mn and Cr in θ carbide observed in a metal structure to Fe of 0.18 or less. A3(°C)=854-180×C-20×Mn+40×Si-10×Cr-200×N (1).SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、高い疲労強度を有する表面焼入れ用鋼材および表面焼入れ部品に関する。   The present invention relates to a surface-hardened steel material and a surface-hardened part having high fatigue strength.

自動車、産業機械および建設機械などに用いられる機械部品には、疲労強度を向上させる目的で、部品表面を高周波焼入れやレーザー焼入れ等の部分焼入れによって硬化させる処理が施されることがある。こうした処理が施された表面焼入れ部品の疲労強度は、焼入れ後の部品表層近傍の硬さプロファイルや組織の影響を受ける。そこで、鋼成分の最適化により焼入れ性を向上し、また有害な介在物を無害化することで、あるいは、鋼材の製造条件を制御して組織を微細化することで、焼入れ後の部品において高い疲労強度を得る技術が開発されている。   BACKGROUND ART For the purpose of improving fatigue strength, a mechanical component used for an automobile, an industrial machine, a construction machine, or the like may be subjected to a process of hardening the surface of the component by partial quenching such as induction hardening or laser quenching. The fatigue strength of the surface quenched component subjected to such treatment is affected by the hardness profile and the structure near the surface of the component after quenching. Therefore, by improving the hardenability by optimizing the steel composition and detoxifying harmful inclusions, or by controlling the manufacturing conditions of the steel material and refining the structure, a high quality is obtained in the hardened part. Techniques for obtaining fatigue strength have been developed.

特許文献1には、鋼材成分を最適化すると共に、母相組織にベイナイトまたはマルテンサイトを混在させることで、高周波加熱時の粒径が微細化し、表面焼入れ部品の疲労強度を向上させる技術が報告されている。   Patent Document 1 reports a technique of optimizing steel components and mixing bainite or martensite in a matrix structure to reduce the grain size during high-frequency heating and improve the fatigue strength of surface hardened parts. Have been.

特許文献2には、鋼材成分を最適化すると共に、疲労に対して有害な介在物形態を無害化することで、表面焼入れ部品の疲労強度を向上させる技術が報告されている。   Patent Literature 2 reports a technique for improving the fatigue strength of a surface-hardened part by optimizing steel components and detoxifying inclusion forms that are harmful to fatigue.

また、自動車、産業機械および建設機械などに用いられる機械部品は、素材である鋼板を切削加工することによって製造される。そのため、機械部品用の鋼材には、高い切削加工性(被削性)も求められている。   Further, machine parts used for automobiles, industrial machines, construction machines, and the like are manufactured by cutting a steel plate as a material. Therefore, steel materials for machine parts are also required to have high machinability (machinability).

特開2006−45678号公報JP 2006-45678 A 国際公開第2014/061782号International Publication No. 2014/061782

上述したような従来の技術によると、高周波加熱により、部品表層部を均一に加熱焼入れし、深い硬化層が得られた場合に、優れた疲労特性を得ることが出来るとしている。ところが、鋼を種々の部品形状に加工し、種々の条件で表面焼入れを行うと、疲労特性はばらつき、必ずしも高い疲労強度が得られないことがあった。この現象は、表面焼入れ用の機器の出力等、加熱条件を一定として処理したとしても、部品の形状が複雑であれば、部位によって、実質的に高温にさらされる時間や、到達温度といった加熱条件に差が生じ、加熱中のオーステナイト組織と焼入れ組織にばらつきが生じるためである。
実質的な加熱条件が変化した場合の疲労特性のばらつきの程度の大きさは、鋼成分や組織の影響を受けるが、上述した発明で報告された技術を適用しても、疲労特性のばらつきを低減することができなかった。
なお、加工後の部品形状が複雑でなくとも、用いる表面焼入れ用機器や、条件、使用環境等が変化することによるそもそもの加熱条件が変化した場合も、上記のような組織のばらつきは発生し、疲労特性のばらつきが生じることが確認されている。
According to the above-described conventional technology, excellent fatigue characteristics can be obtained when the surface layer of the component is uniformly heated and quenched by high-frequency heating and a deep hardened layer is obtained. However, when steel is processed into various component shapes and subjected to surface quenching under various conditions, the fatigue characteristics vary, and high fatigue strength may not always be obtained. This phenomenon is caused by the fact that even if the heating conditions such as the output of the equipment for surface quenching are fixed, if the shape of the part is complicated, depending on the part, the heating conditions such as the time to be exposed to high temperature and the ultimate temperature This causes a difference in austenite structure and quenched structure during heating.
The magnitude of the degree of variation in the fatigue characteristics when the substantial heating conditions are changed is affected by the steel composition and the structure, but even when the technology reported in the above-described invention is applied, the variation in the fatigue characteristics is reduced. Could not be reduced.
In addition, even if the shape of the part after processing is not complicated, even when the surface quenching equipment to be used, or the heating conditions in the first place due to changes in conditions, use environment, etc., the above-mentioned variation in the structure occurs, It has been confirmed that variations in fatigue characteristics occur.

本発明は、上述の問題点に鑑みて創案されたものであり、その目的は、表面焼入れ時の加熱条件にばらつきが生じた場合であっても、優れた疲労特性を得ることが可能で、しかも容易に切削加工が可能な被削性に優れた表面焼入れ用鋼材、および疲労特性に優れた表面焼入れ部品を提供することである。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and its purpose is to obtain excellent fatigue characteristics even when the heating conditions during surface quenching vary. Moreover, it is an object of the present invention to provide a surface hardened steel material excellent in machinability, which can be easily cut, and a surface hardened part excellent in fatigue characteristics.

本発明者らは、種々の加熱条件で鋼の表面を焼入れ、断面の硬さ分布を測定し、疲労強度を調査したところ、下記(a)〜(e)の知見を得た。   The present inventors quenched the surface of steel under various heating conditions, measured the hardness distribution of the cross section, and investigated the fatigue strength. As a result, the following findings (a) to (e) were obtained.

(a)表面焼入れ条件がばらついた場合に、疲労強度が大きく劣化する鋼では、焼入れ直前の状態における鋼組織が不均一であり、その結果、焼入れ後の組織(焼入れ組織)も不均一である。 (A) When the surface quenching conditions vary, the steel structure in which the fatigue strength is greatly deteriorated has a non-uniform steel structure immediately before quenching, and as a result, the structure after quenching (quenched structure) is also non-uniform. .

(b)表面焼入れ条件がばらついても、表面焼入れ直前の鋼組織を均一なオーステナイトとするために必要な要件の一つは、鋼のA3点を下げることである。特にMnを含有させることで、効果的にA3点を低下させることができ、比較的低温かつ短時間の加熱であっても均一なオーステナイトとすることが可能である。 (B) Even if the surface quenching conditions vary, one of the requirements necessary to make the steel structure just before surface quenching uniform austenite is to lower the A3 point of the steel. In particular, by containing Mn, the A3 point can be effectively reduced, and uniform austenite can be obtained even at relatively low temperature and for a short time of heating.

(c)表面焼入れ条件がばらついても高い疲労特性を得るために必要なもう一つの要件は、セメンタイトの置換型合金元素濃度と母相の置換型合金元素濃度の差を小さくすることである。これは、セメンタイトと母相の置換型合金元素の濃度差が大きくなると、焼入れ処理の際の加熱時、セメンタイトの溶解に先立ってこの置換型合金元素の拡散が必要になるため、A3点以上の温度であっても、セメンタイトが容易に分解せず、均一なオーステナイト組織が得られないためである。すなわち、加熱時に均一なオーステナイトとするためには、セメンタイトへの置換型合金元素の濃化を抑制し、セメンタイトの溶解を容易にすることが重要である。 (C) Another requirement necessary for obtaining high fatigue properties even when the surface quenching conditions vary is to reduce the difference between the substitutional alloy element concentration of cementite and the substitutional alloy element concentration of the parent phase. This is because, when the concentration difference between the substitutional alloy element of cementite and the parent phase becomes large, the diffusion of the substitutional alloy element is required prior to dissolution of the cementite during heating during the quenching treatment. This is because even at a temperature, cementite does not easily decompose and a uniform austenite structure cannot be obtained. That is, in order to obtain uniform austenite during heating, it is important to suppress the concentration of the substitutional alloy element in cementite and to facilitate the dissolution of cementite.

(d)Crはセメンタイトに濃化しやすい元素であり、Crを多量に含むセメンタイトはA3点を超えても溶解しにくい。Mnもセメンタイトに濃化する元素ではあるが、Crと比べると濃化の程度は小さい。 (D) Cr is an element that easily concentrates in cementite, and cementite containing a large amount of Cr is difficult to dissolve even if it exceeds the A3 point. Mn is also an element that concentrates in cementite, but the degree of concentration is smaller than that of Cr.

(e)Siは鋼のA3点を上げる元素であるので、多量に含有させることは好ましくない。ただし、Siはセメンタイトの粗大化を抑制し、A3点以上の温度でのセメンタイトの溶解を容易にする効果を持つため、少量であれば含有させてもよい。 (E) Since Si is an element that raises the A3 point of steel, it is not preferable to contain Si in a large amount. However, Si has the effect of suppressing the coarsening of cementite and facilitating the dissolution of cementite at a temperature of the A3 point or higher. Therefore, Si may be contained in a small amount.

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)〜(5)に示すとおりである。   The present invention has been completed based on the above findings, and the gist is as shown in the following (1) to (5).

(1)質量%で、C:0.30〜0.80%、Si:0.01〜0.40%、Mn:1.40〜3.00%、P:0.050%以下、S:0.001〜0.100%、Cr:0.03〜0.40%、Al:0.001〜0.080%、N:0.0030〜0.0250%を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、下記の式(1)で表わされるA3点が760℃以下であり、金属組織中のθ炭化物中のMnとCrの和のFeに対する重量比率である(Mnθ+Crθ)/Feθが0.18以下であることを特徴とする表面焼入れ用鋼材。
A3(℃)=854−180×C−20×Mn+40×Si−10×Cr−200×N ・・・ (1)
ここで、式(1)中の各元素記号は、鋼材中における含有量(質量%)であり、また前記Mnθ、前記Crθおよび前記Feθは、それぞれ前記θ炭化物中のMn、CrおよびFeの重量%を表す。
(2)さらに、Ti:0〜0.050%、Nb:0〜0.050%の1種以上を含有することを特徴とする上記(1)に記載の表面焼入れ用鋼材。
(3)さらに、V:0〜0.15%、Mo:0〜0.50%、Cu:0〜0.50%、Ni:0〜0.50%の1種以上を含有することを特徴とする上記(1)または(2)に記載の表面焼入れ用鋼材。
(4)さらに、B:0〜0.0050%、Ca:0〜0.0050%およびBi:0〜0.4%の1種以上を含有することを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれか一項に記載の表面焼入れ用鋼材。
(1) In mass%, C: 0.30 to 0.80%, Si: 0.01 to 0.40%, Mn: 1.40 to 3.00%, P: 0.050% or less, S: 0.001 to 0.100%, Cr: 0.03 to 0.40%, Al: 0.001 to 0.080%, N: 0.0030 to 0.0250%, the balance being Fe and impurities The point A3 represented by the following formula (1) is 760 ° C. or less, and the ratio (Mnθ + Crθ) / Feθ, which is the weight ratio of the sum of Mn and Cr in Fe carbide to Fe in Fe, is 0.18. A steel material for surface quenching characterized by the following.
A3 (° C.) = 854-180 × C-20 × Mn + 40 × Si-10 × Cr-200 × N (1)
Here, each element symbol in the formula (1) is the content (% by mass) in the steel material, and the Mnθ, Crθ, and Feθ are the weights of Mn, Cr, and Fe in the θ carbide, respectively. Represents%.
(2) The steel material for surface quenching according to (1), further comprising one or more of Ti: 0 to 0.050% and Nb: 0 to 0.050%.
(3) Further, it is characterized by containing at least one of V: 0 to 0.15%, Mo: 0 to 0.50%, Cu: 0 to 0.50%, Ni: 0 to 0.50%. The steel material for surface quenching according to the above (1) or (2).
(4) The above (1) to (3), further containing one or more of B: 0 to 0.0050%, Ca: 0 to 0.0050%, and Bi: 0 to 0.4%. The steel material for surface quenching according to any one of the above items.

(5)質量%で、C:0.30〜0.80%、Si:0.01〜0.40%、Mn:1.40〜3.00%、P:0.050%以下、S:0.001〜0.100%、Cr:0.03〜0.40%、Al:0.001〜0.080%、N:0.0030〜0.0250%を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、下記の式(2)で表わされるA3点が760℃以下であり、部品表面を含む部品表層に、ビッカース硬さが500Hv超、厚みが0.90mm以上である焼入れ層を有し、部品表面から0.90mm深さ位置の金属組織に占める初析フェライト、および、パーライトの面積率の総和が10%以下であり、前記焼入れ層よりも0.5mm以上深い領域において、θ炭化物中のMnとCrの和のFeに対する重量比率である(Mnθ+Crθ)/Feθが0.18以下であることを特徴とする表面焼入れ部品。
A3(℃)=854−180×C−20×Mn+40×Si−10×Cr−200×N ・・・ (2)
ここで、式(2)中の各元素記号は、部品中における含有量(質量%)である。
(6) さらに、Ti:0〜0.050%、Nb:0〜0.050%の1種以上を含有することを特徴とする(5)に記載の表面焼入れ部品。
(7) さらに、V:0〜0.15%、Mo:0〜0.50%、Cu:0〜0.50%、Ni:0〜0.50%の1種以上を含有することを特徴とする(5)または(6)に記載の表面焼入れ部品。
(8) さらに、B:0〜0.0050%、Ca:0〜0.0050%およびBi:0〜0.4%の1種以上を含有することを特徴とする(5)〜(7)のいずれか一項に記載の表面焼入れ部品。
(5) In mass%, C: 0.30 to 0.80%, Si: 0.01 to 0.40%, Mn: 1.40 to 3.00%, P: 0.050% or less, S: 0.001 to 0.100%, Cr: 0.03 to 0.40%, Al: 0.001 to 0.080%, N: 0.0030 to 0.0250%, the balance being Fe and impurities A3 point represented by the following formula (2) is 760 ° C. or less, and the surface of the component including the component surface has a quenched layer having a Vickers hardness of more than 500 Hv and a thickness of 0.90 mm or more; In the region where the total area ratio of proeutectoid ferrite and pearlite in the metal structure at a depth of 0.90 mm from the component surface is 10% or less and 0.5 mm or more deeper than the quenched layer, It is the weight ratio of the sum of Mn and Cr to Fe (Mnθ + Crθ) / Feθ is 0.18 or less.
A3 (° C.) = 854-180 × C-20 × Mn + 40 × Si-10 × Cr-200 × N (2)
Here, each element symbol in the formula (2) is the content (% by mass) in the component.
(6) The surface-hardened part according to (5), further comprising one or more of Ti: 0 to 0.050% and Nb: 0 to 0.050%.
(7) Further, it is characterized by containing at least one of V: 0 to 0.15%, Mo: 0 to 0.50%, Cu: 0 to 0.50%, Ni: 0 to 0.50%. (5) or (6).
(8) Further, B: 0 to 0.0050%, Ca: 0 to 0.0050%, and Bi: 0 to 0.4%, characterized by containing one or more of (5) to (7). A surface-hardened part according to any one of the preceding claims.

本発明によれば、表面焼入れ時の加熱条件にばらつきが生じた場合であっても、優れた疲労特性を得ることが可能で、しかも容易に切削加工が可能な被削性に優れた表面焼入れ用鋼材、および疲労特性に優れた表面焼入れ部品を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if the heating conditions at the time of surface quenching vary, it is possible to obtain excellent fatigue characteristics, and it is also easy to machine and has excellent machinability. And a surface-hardened part having excellent fatigue properties.

小野式回転曲げ疲労試験片の正面図である。It is a front view of an Ono-type rotating bending fatigue test piece. 四点曲げ疲労試験片の正面図および側面図である。It is the front view and side view of a four-point bending fatigue test piece.

以下、本発明の一実施形態に係る表面焼入れ用鋼材および表面焼入れ部品ついて詳しく説明する。   Hereinafter, the surface-hardened steel material and the surface-hardened parts according to one embodiment of the present invention will be described in detail.

<表面焼入れ用鋼材>
[化学組成]
本実施形態による表面焼入れ用鋼材(以下、単に鋼材とも称する。)の化学組成は、次の元素を含有する。なお、以下の説明において、各元素の含有量の「%」は「質量%」を意味する。
<Steel hardened steel>
[Chemical composition]
The chemical composition of the steel material for surface hardening according to the present embodiment (hereinafter also simply referred to as steel material) contains the following elements. In the following description, “%” of the content of each element means “% by mass”.

C:0.30〜0.80%
Cは表面焼入れ後の部品表層の硬さと、表層よりも深い領域の芯部硬さを高めて強度を向上させる効果を持つ。この効果を十分に得るためには、Cの含有量を0.30%以上とする必要がある。Cの含有量が0.80%を超えると、熱間鍛造後の硬さ、特に芯部硬さが大きくなりすぎ、被削性が劣化する。したがって、Cの含有量は0.80%以下とする必要がある。なお、C含有量は0.35%以上であることが好ましく、0.38%以上であることが一層好ましい。また、C含有量は、0.75%以下であることが好ましく、0.70%以下であることが一層好ましい。
C: 0.30 to 0.80%
C has the effect of increasing the hardness of the surface layer of the part after surface quenching and the hardness of the core in a region deeper than the surface layer to improve the strength. In order to obtain this effect sufficiently, the content of C needs to be 0.30% or more. When the content of C exceeds 0.80%, the hardness after hot forging, particularly the core hardness becomes too large, and the machinability deteriorates. Therefore, the content of C needs to be 0.80% or less. The C content is preferably 0.35% or more, and more preferably 0.38% or more. Further, the C content is preferably 0.75% or less, and more preferably 0.70% or less.

Si:0.01〜0.40%
ギヤ等の摺動部品は、使用中に温度が上昇し焼き戻されることで、硬さが下がり、疲労強度が劣化する。Siはセメンタイトの生成、成長を抑制し、この焼戻し時の軟化量を低減する効果を持つ。この効果を十分に得るためには、Siの含有量を0.01%以上とする必要がある。Siの含有量が0.40%を超えると、A3点を下げることが難しくなり、結果、表面焼入れ処理時の低温加熱処理や、短時間処理における鋼組織の均一化が不十分となり、焼入れ部品の疲労特性ばらつきを抑制することが難しくなる。したがって、Siの含有量は0.40%以下とする必要がある。なお、Si含有量は0.03%以上であることが好ましい。また、Si含有量は、0.30%以下であることが好ましく、0.23%以下であることが一層好ましく、0.18%以下であることがより一層好ましい。
Si: 0.01 to 0.40%
The sliding parts such as gears are heated and tempered during use, thereby decreasing hardness and deteriorating fatigue strength. Si has the effect of suppressing the generation and growth of cementite and reducing the amount of softening during tempering. In order to obtain this effect sufficiently, the content of Si needs to be 0.01% or more. When the content of Si exceeds 0.40%, it becomes difficult to lower the A3 point, and as a result, the low-temperature heat treatment during the surface quenching treatment and the uniformization of the steel structure in the short-time treatment become insufficient, and the quenched parts It is difficult to suppress variations in the fatigue characteristics of the steel. Therefore, the content of Si needs to be 0.40% or less. Note that the Si content is preferably 0.03% or more. Further, the Si content is preferably 0.30% or less, more preferably 0.23% or less, and even more preferably 0.18% or less.

Mn:1.40〜3.00%
Mnは、A3点を下げて、低温加熱処理、短時間加熱処理におけるフェライトからオーステナイトへの逆変態を促進することで疲労特性のばらつきを低減する効果を持つ。Mnは同様の効果を持つ他の置換型合金元素と比べて、単位量あたりのA3点を低下させる効果、焼入れ性を高める効果が大きく、本発明において重要な元素である。上記した効果を得るためには、Mnの含有量を1.40%以上とする必要がある。一方、Mnの含有量が3.00%を超えると、熱間鍛造後の硬さが硬くなり、被削性が劣化する。したがって、Mn含有量は1.40〜3.00%である。なお、Mn含有量は1.50%以上であることが好ましく、1.60%以上であることが一層好ましく、1.70%以上であることがより一層好ましい。また、Mn含有量は、2.80%以下であることが好ましく、2.60%以下であることが一層好ましい。
Mn: 1.40 to 3.00%
Mn has the effect of lowering the A3 point and promoting the reverse transformation from ferrite to austenite during low-temperature heat treatment and short-time heat treatment, thereby reducing the variation in fatigue characteristics. Mn is an important element in the present invention because it has a greater effect of lowering the A3 point per unit amount and an effect of increasing hardenability than other substitutional alloy elements having the same effect. In order to obtain the above effects, the Mn content needs to be 1.40% or more. On the other hand, if the content of Mn exceeds 3.00%, the hardness after hot forging becomes hard, and the machinability deteriorates. Therefore, the Mn content is 1.40 to 3.00%. The Mn content is preferably 1.50% or more, more preferably 1.60% or more, and even more preferably 1.70% or more. Further, the Mn content is preferably at most 2.80%, more preferably at most 2.60%.

P:0.050%以下
Pは、不純物である。Pは結晶粒界に偏析し、粒界脆化を引き起こす。したがって、P含有量はなるべく低い方が好ましい。P含有量は0.050%以下である。好ましいP含有量は0.040%以下である。
P: 0.050% or less P is an impurity. P segregates at crystal grain boundaries, causing grain boundary embrittlement. Therefore, the P content is preferably as low as possible. The P content is 0.050% or less. The preferred P content is 0.040% or less.

S:0.001〜0.100%
Sは、鋼材中でMnと結合してMnSを形成し、鋼材の被削性を高める。この効果を得るためには、Sの含有量を0.001%以上とする必要がある。一方、Sの含有量が0.100%を超えると、粗大なMnSが形成され、疲労強度が劣化する。したがって、S含有量は0.001〜0.100%である。なお、S含有量は0.005%以上であることが好ましく、0.010%以上であることが一層好ましい。また、S含有量は、0.080%以下であることが好ましく、0.070%以下であることが一層好ましい。
S: 0.001 to 0.100%
S combines with Mn in a steel material to form MnS, and enhances the machinability of the steel material. To obtain this effect, the S content needs to be 0.001% or more. On the other hand, when the content of S exceeds 0.100%, coarse MnS is formed, and the fatigue strength is deteriorated. Therefore, the S content is 0.001 to 0.100%. The S content is preferably at least 0.005%, more preferably at least 0.010%. Further, the S content is preferably 0.080% or less, and more preferably 0.070% or less.

Cr:0.03〜0.40%
Crは焼入れ性を高めて、初析フェライトやパーライト等の不完全焼入れ組織の生成を抑制し、焼入れ後の硬さばらつきを低減する効果を持つ。この効果を得るためには、Crの含有量を0.03%以上とする必要がある。一方、Crの含有量が0.40%を超えると、Crが固溶したセメンタイトが、A3点以上の温度で溶解しにくくなり、焼入れ直前の鋼組織が不均一となるほか、焼入れ後の硬さのばらつきの原因となる。したがって、Cr含有量は0.03〜0.40%である。なお、Cr含有量は0.05%以上であることが好ましい。また、Cr含有量は、0.35%以下であることが好ましく、0.30%以下であることが一層好ましい。
Cr: 0.03 to 0.40%
Cr has the effect of improving the quenchability, suppressing the formation of an incompletely quenched structure such as proeutectoid ferrite and pearlite, and reducing the variation in hardness after quenching. To obtain this effect, the Cr content needs to be 0.03% or more. On the other hand, if the Cr content exceeds 0.40%, the cementite in which Cr is dissolved as a solid becomes difficult to dissolve at a temperature of the A3 point or more, the steel structure immediately before quenching becomes uneven, and the hardened steel after quenching becomes hard. It causes the variation of the height. Therefore, the Cr content is 0.03 to 0.40%. Note that the Cr content is preferably 0.05% or more. Further, the Cr content is preferably at most 0.35%, more preferably at most 0.30%.

Al:0.001〜0.080%
アルミニウムは鋼を脱酸する。この効果を得るためには、Alの含有量を0.001%以上とする必要がある。一方、Al含有量が高すぎれば、鋼中に粗大な酸化物が形成されやすくなり、疲労強度が劣化する。したがって、Al含有量は0.001〜0.080%である。なお、Al含有量は0.005%以上であることが好ましく、0.010%以上であることが一層好ましい。また、Al含有量は、0.060%以下であることが好ましく、0.050%以下であることが一層好ましい。
Al: 0.001 to 0.080%
Aluminum deoxidizes steel. In order to obtain this effect, the Al content needs to be 0.001% or more. On the other hand, if the Al content is too high, coarse oxides are easily formed in the steel, and the fatigue strength deteriorates. Therefore, the Al content is 0.001 to 0.080%. Note that the Al content is preferably 0.005% or more, and more preferably 0.010% or more. Further, the Al content is preferably 0.060% or less, and more preferably 0.050% or less.

N:0.0030〜0.0250%
Nは、鋼のA3点を低下させることで、焼入れ直前の鋼組織の均一化に寄与するほか、焼入れ後の硬さばらつきを低減する効果を持つ。この効果を得るためには、Nの含有量を0.0030%以上とする必要がある。一方、N含有量が高すぎれば、鋼材中に気泡が生成されて、疲労強度を劣化させる場合がある。したがって、N含有量は0.0030〜0.0250%である。なお、N含有量は0.0050%以上であることが好ましい。また、N含有量は、0.0220%以下であることが好ましく、0.0200%以下であることが一層好ましい。なおNは不純物として鋼に混入する元素でもある。
N: 0.0030 to 0.0250%
N contributes to the uniformization of the steel structure immediately before quenching by lowering the A3 point of steel, and also has the effect of reducing the variation in hardness after quenching. In order to obtain this effect, the N content needs to be 0.0030% or more. On the other hand, if the N content is too high, bubbles may be generated in the steel material and the fatigue strength may be deteriorated. Therefore, the N content is 0.0030 to 0.0250%. Note that the N content is preferably 0.0050% or more. Further, the N content is preferably 0.0220% or less, and more preferably 0.0200% or less. N is also an element mixed into steel as an impurity.

本実施形態に係る表面焼入れ用鋼材の残部は、Feおよび不純物からなる。ここで、不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境などから混入されるものであって、本発明の効果や特性に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。   The remainder of the steel material for surface quenching according to the present embodiment comprises Fe and impurities. Here, the impurities are those that are mixed in from the ore, scrap, or the production environment as raw materials when the steel material is industrially manufactured, and within a range that does not adversely affect the effects and characteristics of the present invention. Means acceptable.

本実施形態による表面焼入れ用鋼材はさらに、Ti及びNbの1種又は2種を含有してもよい。   The steel material for surface hardening according to the present embodiment may further contain one or two of Ti and Nb.

Ti:0〜0.050%
Tiは母材中のNと結合してTiNを形成し、熱間鍛造時の結晶粒の粗大化を抑制する。しかしながらTi含有量が高すぎれば、TiCが生成して鋼材の硬さのばらつきが大きくなる。したがって、Ti含有量は0.050%以下である。Tiを含有させる場合のTi含有量の好ましい下限は0.005%以上であり、さらに好ましくは0.010%以上である。Ti含有量の好ましい上限は0.040%以下であり、さらに好ましくは0.030%以下である。
Ti: 0 to 0.050%
Ti combines with N in the base material to form TiN and suppresses coarsening of crystal grains during hot forging. However, if the Ti content is too high, TiC is generated and the variation in hardness of the steel material increases. Therefore, the Ti content is 0.050% or less. A preferable lower limit of the Ti content when Ti is contained is 0.005% or more, and more preferably 0.010% or more. The preferable upper limit of the Ti content is 0.040% or less, and more preferably 0.030% or less.

Nb:0〜0.050%
Nbは母材中のNと結合してNbNを形成し、熱間鍛造時の結晶粒の粗大化を抑制する。Nbはさらに、熱間鍛造時の再結晶を遅らせ、結晶粒の粗大化を抑制する。しかしながらNb含有量が高すぎれば,NbCが生成して鋼材の硬さのばらつきが大きくなる。したがって、Nb含有量は0.050%以下である。Nb含有量の好ましい下限は0.005%以上であり、さらに好ましくは0.010%以上である。Nb含有量の好ましい上限は0.040%以下であり、さらに好ましくは0.030%以下である。
Nb: 0 to 0.050%
Nb combines with N in the base material to form NbN and suppresses coarsening of crystal grains during hot forging. Nb further delays recrystallization during hot forging and suppresses coarsening of crystal grains. However, if the Nb content is too high, NbC is generated and the variation in hardness of the steel material increases. Therefore, the Nb content is 0.050% or less. A preferred lower limit of the Nb content is 0.005% or more, and more preferably 0.010% or more. The preferable upper limit of the Nb content is 0.040% or less, and more preferably 0.030% or less.

本実施形態による表面焼入れ用鋼材はさらに、V、Mo、Cu及びNiの1種又は2種以上を含有してもよい。   The steel material for surface hardening according to the present embodiment may further contain one or more of V, Mo, Cu and Ni.

V:0〜0.15%
Vは固溶強化によって、または炭窒化物の形成による析出強化によって母相を強化するため、鋼に含有させてもよい。その場合のV量の好ましい下限は0.01%以上である。一方、V含有量が高すぎれば、母相の硬度が増大し、過度に強化されて被削性が劣化する場合がある。また、Vは炭窒化物を形成することで母材中のC、Nを消費し、その結果、A3点を上げ、焼入れ性を低下させる作用も持つ。したがって、V含有量は0.15%以下である。なお、V含有量は0.12%以下であることが好ましく、0.10%以下であることが一層好ましい。
V: 0 to 0.15%
V may be included in steel to strengthen the parent phase by solid solution strengthening or by precipitation strengthening by the formation of carbonitrides. In that case, a preferable lower limit of the V amount is 0.01% or more. On the other hand, if the V content is too high, the hardness of the matrix may increase, and may be excessively strengthened to deteriorate the machinability. Further, V consumes C and N in the base material by forming carbonitride, and as a result, has an effect of raising the A3 point and lowering the hardenability. Therefore, the V content is 0.15% or less. The V content is preferably 0.12% or less, and more preferably 0.10% or less.

Mo:0〜0.50%
Moは固溶強化によって、または炭窒化物の形成による析出強化によって母相を強化するため、鋼に含有させてもよい。その場合のMo量の好ましい下限は0.01%以上である。一方、Mo含有量が高すぎれば、母相の硬度が増大し、過度に強化され被削性が劣化する場合がある。また、Moは炭窒化物を形成することで母材中のC、Nを消費し、その結果、A3点を上げ、焼入れ性を低下させる作用も持つ。したがって、Mo含有量は0.50%以下である。なお、Mo含有量は0.35%以下であることが好ましく、0.25%以下であることが一層好ましい。
Mo: 0 to 0.50%
Mo may be included in the steel to strengthen the parent phase by solid solution strengthening or by precipitation strengthening by the formation of carbonitrides. In that case, a preferable lower limit of the Mo amount is 0.01% or more. On the other hand, if the Mo content is too high, the hardness of the matrix may increase, resulting in excessive strengthening and deterioration in machinability. In addition, Mo consumes C and N in the base material by forming carbonitride, and as a result, has an effect of raising the A3 point and lowering the hardenability. Therefore, the Mo content is 0.50% or less. The Mo content is preferably at most 0.35%, more preferably at most 0.25%.

Cu:0〜0.50%
Cuは固溶強化によって母相を強化するため、鋼に含有させてもよい。その場合のCu量の好ましい下限は0.005%以上である。一方、Cu含有量が高すぎれば、熱間鍛造時に鋼の粒界に偏析して熱間割れを誘起する。したがって、Cu含有量は0.50%以下である。なお、Cu含有量は0.30%以下であることが好ましく、0.20%以下であることが一層好ましい。
Cu: 0 to 0.50%
Cu may be contained in steel to strengthen the parent phase by solid solution strengthening. In that case, a preferable lower limit of the amount of Cu is 0.005% or more. On the other hand, if the Cu content is too high, it segregates at the grain boundaries of the steel during hot forging and induces hot cracking. Therefore, the Cu content is 0.50% or less. The Cu content is preferably at most 0.30%, more preferably at most 0.20%.

Ni:0〜0.50%
Niは固溶強化によって母相を強化するため、鋼に含有させてもよい。Niはさらに、鋼材がCuを含有する場合に、Cuに起因する熱間割れを抑制する。これら効果を得るためにNiを0.005%以上含有してよい。しかしながら、Ni含有量が高すぎれば、その効果が飽和し、製造コストが高くなる。したがって、Ni含有量は0.50%以下である。なお、Ni含有量は0.35%以下であることが好ましく、0.25%以下であることが一層好ましい。
Ni: 0 to 0.50%
Ni may be contained in steel to strengthen the parent phase by solid solution strengthening. Ni further suppresses hot cracking caused by Cu when the steel material contains Cu. To obtain these effects, Ni may be contained at 0.005% or more. However, if the Ni content is too high, the effect is saturated and the production cost increases. Therefore, the Ni content is 0.50% or less. The Ni content is preferably at most 0.35%, more preferably at most 0.25%.

本実施形態による表面焼入れ用鋼材はさらに、B、Ca、Biの1種又は2種以上を含有してもよい。   The steel material for surface quenching according to the present embodiment may further contain one or more of B, Ca, and Bi.

B:0〜0.0050%
Bは焼入れ性を高めるために鋼に含有させてもよい。その場合のB量の好ましい下限は0.0005%以上である。一方、Bの含有量が高すぎれば、その効果が飽和し、コスト増大を招く。したがって、B含有量は0.0050%以下である。なお、B含有量は0.0030%以下であることが好ましい。Bを含有させる場合にはBNの生成を抑制し、Bの働きを高めるために、Tiを同時に含有させることが好ましい。
B: 0 to 0.0050%
B may be contained in steel to enhance hardenability. In that case, a preferable lower limit of the B amount is 0.0005% or more. On the other hand, if the content of B is too high, the effect is saturated and the cost is increased. Therefore, the B content is 0.0050% or less. The B content is preferably 0.0030% or less. When B is contained, it is preferable to simultaneously contain Ti in order to suppress the generation of BN and enhance the function of B.

Ca:0〜0.0050%
Caは、工具寿命を長寿命化する作用を有する。このため、必要に応じてCaを含有させてもよい。しかしながら、Caの含有量が多くなれば、粗大な酸化物を形成し、靱性を劣化させる。したがって、含有させる場合のCaの量を0.0050%以下とする。含有させる場合のCaの量は、0.0030%以下とすることが好ましい。
一方、前記したCaの含有による工具寿命を長寿命化する効果を安定して得るためには、Caの量は、0.0005%以上とすることが望ましい。
Ca: 0 to 0.0050%
Ca has the effect of extending the tool life. For this reason, Ca may be contained as necessary. However, when the content of Ca is large, a coarse oxide is formed and the toughness is deteriorated. Therefore, when Ca is contained, the amount of Ca is set to 0.0050% or less. When Ca is contained, the amount of Ca is preferably set to 0.0030% or less.
On the other hand, the amount of Ca is desirably 0.0005% or more in order to stably obtain the effect of extending the tool life by the above-described Ca content.

Bi:0〜0.4%
Biは、切削抵抗を低下させて工具寿命を長寿命化させる作用を有する。このため、必要に応じてBiを含有させてもよい。しかしながら、Biの含有量が多くなれば、熱間加工性の低下をきたす。したがって、含有させる場合のBiの量を0.4%以下とする。含有させる場合のBiの量は、0.2%以下とすることが好ましい。
一方、前記したBiの含有による工具寿命を長寿命化する効果を安定して得るためには、Bi量は、0.01%以上とすることが望ましい。
Bi: 0 to 0.4%
Bi has the effect of reducing the cutting resistance and extending the tool life. For this reason, Bi may be contained as needed. However, when the Bi content increases, the hot workability decreases. Therefore, the content of Bi when contained is set to 0.4% or less. The content of Bi when contained is preferably 0.2% or less.
On the other hand, in order to stably obtain the effect of prolonging the tool life due to the inclusion of Bi as described above, the amount of Bi is desirably 0.01% or more.

A3点:760℃以下
本実施形態に係る表面焼入れ用鋼材は、上記化学組成を有し、下記式(1)で表されるA3点が760℃以下であるものとする。
鋼材に焼入れを施す際は、鋼材をオーステナイト単相とするために、少なくともA3点以上の温度域まで加熱する必要がある。したがって、均一なオーステナイト組織とするためにはA3点が低くなる組成であることが望ましく、また加熱コストや生産性の観点からも、A3点は低くなる組成が望ましい。すなわち、比較的低温で、かつ短時間の加熱処理でも鋼材表層を均質なオーステナイトとするためには、以下の式(1)で表されるA3点を760℃以下にする。なお、A3点は750℃以下とすることが好ましい。
A3 point: 760 ° C. or lower The surface hardening steel material according to the present embodiment has the above chemical composition, and the A3 point represented by the following formula (1) is 760 ° C. or lower.
When quenching a steel material, it is necessary to heat the steel material to a temperature range of at least the A3 point or more in order to make the steel material an austenitic single phase. Therefore, in order to obtain a uniform austenite structure, a composition having a low A3 point is desirable, and from the viewpoint of heating cost and productivity, a composition having a low A3 point is desirable. That is, in order to make the steel surface layer uniform austenite even at a relatively low temperature and for a short time, the A3 point represented by the following equation (1) is set to 760 ° C. or less. In addition, it is preferable that A3 point is 750 degreeC or less.

A3点(℃)=854−180×C−20×Mn+40×Si−10×Cr−200×N ・・・ (1)
ここで、式(1)中の各元素記号は、鋼材中における含有量(質量%)である。
A3 point (° C.) = 854-180 × C-20 × Mn + 40 × Si-10 × Cr-200 × N (1)
Here, each element symbol in the formula (1) is the content (% by mass) in the steel material.

[θ炭化物中の(Mn+Cr)とFeの比率:0.18以下]
本実施形態においては、焼入れ処理における加熱時に速やかにθ炭化物(セメンタイト)を溶解させ、焼入れ直前の鋼組織を均質なオーステナイト組織とするため、鋼材中のセメンタイトへのMnおよびCrの濃化を低減させることが重要である。
セメンタイト中に含まれる置換型合金元素の中でもMnおよびCrは濃化しやすい。セメンタイト中に濃化するMnおよびCr量が多くなると、セメンタイトと母相間におけるMnおよびCrの濃度差が大きくなり、加熱時に、セメンタイトの溶解に先立ってセメンタイト中のMnとCrの拡散が必要となる。そうなると、焼入れ処理時の加熱温度がA3点以上の温度であっても、セメンタイトが容易に分解せず、均一なオーステナイト組織が得られず、結果、焼入れ組織が不均一なものとなり、焼入れ部品の疲労特性のばらつきにつながる。すなわち、焼入れ処理における加熱時の鋼組織を均一なオーステナイト組織とするためには、加熱前に、鋼材中のセメンタイトへのMnおよびCrの濃化を予め抑制しておき、加熱時のセメンタイトの溶解を容易にすることが重要である。
[Ratio of (Mn + Cr) to Fe in θ carbide: 0.18 or less]
In the present embodiment, in order to dissolve the θ carbide (cementite) quickly at the time of heating in the quenching process and to make the steel structure immediately before quenching a homogeneous austenite structure, the concentration of Mn and Cr in the cementite in the steel material is reduced. It is important that
Among the substitutional alloy elements contained in cementite, Mn and Cr are easily concentrated. When the amount of Mn and Cr concentrated in cementite increases, the difference in concentration between Mn and Cr between cementite and the matrix increases, and during heating, diffusion of Mn and Cr in cementite is required prior to dissolution of cementite. . Then, even if the heating temperature during the quenching treatment is a temperature of A3 point or more, cementite does not easily decompose and a uniform austenite structure cannot be obtained. As a result, the quenched structure becomes non-uniform, and the This leads to variations in fatigue characteristics. That is, in order to make the steel structure at the time of heating in the quenching process a uniform austenite structure, the concentration of Mn and Cr in the cementite in the steel material is suppressed before heating, and the dissolution of cementite at the time of heating is performed. It is important to facilitate

以上の観点から、本実施形態では、表面焼入れ用鋼材のセメンタイト中のFe量(Feθ)に対するMn量(Mnθ)とCr量(Crθ)の和の比率((Mnθ+Crθ)/Feθ)は0.18以下とする。セメンタイト中のFeに対するMnとCrの和の比率はいくら低くてもよい。なお、例えば0.3%のCと1.4%のMnと0.03%のCrを含む鋼材において、MnとCrがセメンタイトへ一切濃化しない場合、セメンタイト中のFeに対するMnとCrの和の比率は約0.015となる。したがって、セメンタイト中のFeに対するMnとCrの和の比率の下限は0.015以上であってもよい。炭化物中のFeに対するMnとCrの和の比率は0.16以下とすることが好ましく、0.12以下とすることが一層好ましい。
なお、上記の「Mnθ」、「Crθ」、「Feθ」は、それぞれセメンタイト中のMn、Cr、Feの重量%を示す。
From the above viewpoints, in the present embodiment, the ratio of the sum of the Mn amount (Mnθ) and the Cr amount (Crθ) to the Fe amount (Feθ) in the cementite of the surface hardening steel material ((Mnθ + Crθ) / Feθ) is 0.18. The following is assumed. The ratio of the sum of Mn and Cr to Fe in cementite may be as low as possible. For example, in a steel material containing 0.3% of C, 1.4% of Mn, and 0.03% of Cr, when Mn and Cr do not concentrate at all into cementite, the sum of Mn and Cr with respect to Fe in cementite is used. Is about 0.015. Therefore, the lower limit of the ratio of the sum of Mn and Cr to Fe in cementite may be 0.015 or more. The ratio of the sum of Mn and Cr to Fe in the carbide is preferably 0.16 or less, and more preferably 0.12 or less.
The above “Mnθ”, “Crθ”, and “Feθ” indicate the weight percentages of Mn, Cr, and Fe in cementite, respectively.

上記のような(Mnθ+Crθ)/Feθの低減は、鋼材全体において達成されていてもよいが、少なくとも鋼材表面から0.9mm深さまでの範囲で観察されるセメンタイトにおいて達成されていればよい。すなわち、本実施形態に係る鋼材は、表面焼入れ処理を施して焼入れ部品とする際に、部品表層の組織の均質化および硬化によって疲労特性を高めるものであるため、セメンタイトへのMn、Crの濃化制御は鋼材の表層(鋼材表面から0.9mm深さまでの範囲)において達成されていればよい。しかし、実際には、セメンタイトへのMn、Crの濃化の程度は、鋼材の部位によって変化しないため、セメンタイトへのMn、Crの濃化の程度を評価するのは、鋼材の表面近傍、R/2、中心、またはそれ以外の部位のどの位置で行ってもよい。   The reduction of (Mnθ + Crθ) / Feθ as described above may be achieved in the entire steel material, but it is sufficient that at least cementite observed in a range from the steel material surface to a depth of 0.9 mm is achieved. That is, when the steel material according to the present embodiment is subjected to a surface quenching treatment to form a quenched part, the fatigue characteristics are enhanced by homogenization and hardening of the surface layer of the part, and thus the concentration of Mn and Cr in the cementite is increased. It is sufficient that the formation control is achieved in the surface layer of the steel material (range from the steel surface to a depth of 0.9 mm). However, in practice, the degree of Mn and Cr enrichment in cementite does not change depending on the location of the steel material. Therefore, the degree of Mn and Cr enrichment in cementite is evaluated in the vicinity of the surface of the steel material, R / 2, at the center, or at any other position.

鋼材のθ炭化物中のMnθ、Crθ、Feθは、例えば以下の方法によって測定することができる。
まず、鋼材の表面と中心のそれぞれから、直径の1/10以上離れた部位(例えば、直径30mmの鋼材であれば、表面から3mm深さ〜12mm深さ位置)が被検面となるように試験片を作成する。さらに当該試験片を10体積%アセチルアセトン−1質量%塩化テトラメチルアンモニウム−メタノール溶液(10%AA系電解液)中で通電し、試験片の被検面の表層0.4gを電解する。得られた電解液をメッシュ粗さが0.2μmのフィルターでろ過し、フィルター上に残った残渣(析出物や介在物)を酸溶液に溶かした上でICP発光分光分析法にて分析し、固溶状態で無いFeとCrとMnの量、すなわち析出物や介在物として存在しているFeとCrとMnの量を求める。固溶状態でないこれらの元素のうち、FeとCrは全量がθ炭化物として存在していると見なすことができる。しかし、Mnはθ炭化物以外にもMnSとしても存在しているため、Mnは、得られた値から残渣中のS量の1.7倍を引いた値の量がθ炭化物として存在していると見なすことができる。
Mnθ, Crθ, and Feθ in the θ carbide of the steel material can be measured, for example, by the following method.
First, a part (for example, in the case of a steel material having a diameter of 30 mm, a depth of 3 mm to 12 mm deep from the surface) that is at least 1/10 of the diameter from each of the surface and the center of the steel material is set as the surface to be measured. Make a test piece. Further, the test piece is energized in a 10% by volume acetylacetone-1% by weight tetramethylammonium chloride-methanol solution (10% AA-based electrolyte) to electrolyze 0.4 g of the surface layer of the test surface of the test piece. The obtained electrolytic solution was filtered through a filter having a mesh roughness of 0.2 μm, and the residue (precipitate or inclusion) remaining on the filter was dissolved in an acid solution and analyzed by ICP emission spectroscopy. The amounts of Fe, Cr and Mn that are not in a solid solution state, that is, the amounts of Fe, Cr and Mn existing as precipitates and inclusions are determined. Of these elements that are not in a solid solution state, the total amount of Fe and Cr can be considered to exist as θ carbide. However, since Mn exists not only as θ carbide but also as MnS, the amount of Mn obtained by subtracting 1.7 times the amount of S in the residue from the obtained value exists as θ carbide. Can be considered.

以上のようにして、鋼材中のθ炭化物中のMnθ、Crθ、Feθを求めることができる。
なお、前記被検面が鋼材の表面と中心のそれぞれから、直径の1/10以上離れた部位であれば、その試験片の形状は板状でも円柱状であっても構わない。
また、鋼材中に、著しい中心偏析領域や、スケールへの合金元素の拡散により部分的に化学成分が本発明の規定から外れる領域が存在する場合は、これらの領域を避けて上記試験片を採取することとする。
As described above, Mnθ, Crθ, and Feθ in θ carbide in steel can be determined.
The test piece may be plate-shaped or column-shaped as long as the test surface is located at a distance of at least 1/10 of the diameter from each of the surface and the center of the steel material.
In the case where there is a remarkable center segregation region or a region where the chemical component partially deviates from the regulation of the present invention due to the diffusion of the alloy element into the scale in the steel material, the above test piece is collected avoiding these regions. I decided to.

セメンタイト中の(Mnθ+Crθ)とFeθの比率を0.18以下にするために必要な要件の一つは、MnとCrを複合的に含有させ、かつMn量を比較的多く、Cr量を少なくすることであり、すなわち本発明の規定する成分範囲とすることである。また、鋼材中のセメンタイトにおける(Mnθ+Crθ)とFeθの比率を効率よく低減できる方法として、鋼材の製造方法のうち、熱間鍛造とその後の熱処理の各条件を制御する方法があるが、その詳細については後述する。   One of the requirements for reducing the ratio of (Mnθ + Crθ) to Feθ in cementite to 0.18 or less is that Mn and Cr are contained in a complex manner, the Mn content is relatively large, and the Cr content is small. That is, it is to be within the component range specified in the present invention. As a method for efficiently reducing the ratio of (Mnθ + Crθ) and Feθ in cementite in steel, there is a method of controlling each condition of hot forging and a subsequent heat treatment among steel manufacturing methods. Will be described later.

以上、本実施形態の表面焼入れ用鋼材について説明してきたが、その金属組織については上記θ炭化物中の(Mnθ+Crθ)とFeθの比率以外特に限定しない。これは、鋼材に表面焼入れ処理を施す際に、オーステナイト温度域に加熱されるため、当該加熱前の鋼材の室温での機械的特性はさほど重要ではないためである。
しかし、鋼材に表面焼入れ処理を施した後の焼入れ部品の組織や硬さは、疲労特性を向上させるために重要となる。
この点を含め、本実施形態に係る表面焼入れ部品について以下、詳述する。
The steel material for surface quenching according to the present embodiment has been described above, but the metal structure is not particularly limited except for the ratio of (Mnθ + Crθ) and Feθ in the θ carbide. This is because the steel material is heated to the austenite temperature range when performing the surface quenching treatment, and thus the mechanical properties at room temperature of the steel material before the heating are not so important.
However, the structure and hardness of the quenched part after the surface quenching treatment is performed on the steel material are important for improving the fatigue characteristics.
Including this point, the surface hardened component according to the present embodiment will be described in detail below.

<表面焼入れ部品>
本実施形態に係る表面焼入れ部品は、上記の鋼材成分と同様の化学成分であり、かつ上記式(1)を満足するA3点である。さらに、部品表面を含む部品表層に、ビッカース硬さが500Hv超、厚みが0.90mm以上である焼入れ層を有し、部品表面から0.90mm深さ位置の金属組織に占める初析フェライト、および、パーライトの面積率の総和が10%以下であり、焼入れ層よりも0.5mm以上深い領域において、θ炭化物中のMnとCrの和のFeに対する重量比率である(Mnθ+Crθ)/Feθが0.18以下である。
<Surface hardened parts>
The surface quenched part according to the present embodiment has the same chemical composition as the above-described steel material component, and has a point A3 that satisfies the expression (1). Further, the component surface layer including the component surface has a quenched layer having a Vickers hardness of more than 500 Hv and a thickness of 0.90 mm or more, proeutectoid ferrite occupying the metal structure at a depth of 0.90 mm from the component surface, and In the region where the total area ratio of pearlite is 10% or less and 0.5 mm or more deeper than the quenched layer, the weight ratio (Mnθ + Crθ) / Feθ, which is the weight ratio of the sum of Mn and Cr in the θ carbide to Fe, is 0.1%. 18 or less.

[焼入れ層]
本実施形態の焼入れ後の部品(表面焼入れ部品)において、優れた疲労特性を得るためには、部品表面を含む部品表層の領域に、ビッカース硬さが500Hv超であって、厚みが0.90mm以上である焼入れ層を備えることが重要である。換言するに、部品表面から少なくとも0.90mm深さまでの範囲の硬さを500HV超とする必要がある。
焼入れ後の部品表面から深さ方向に硬さプロファイルを測定した場合、深さ方向に向かって硬さは減少する傾向となる。本実施形態でも同様の傾向となるが、硬さが500HV超となる位置(硬化深さ)が0.90mm以上の深さ位置であることが重要である。なお、本実施形態では、ビッカース硬さが500Hv超である領域を焼入れ層と定義し、また前記硬化深さを焼入れ層の厚みと定義する。
上述したように、鋼表面から深さ方向に向かって焼きは入り難くなるが、硬化深さ0.90mm以上である場合、硬化深さが十分に深い、つまり焼きが十分に入っていると言え、疲労特性を向上させることができる。
以上説明したように、疲労特性の向上の観点からは、500HV超となる硬化深さを大きくする、すなわち焼入れ層の厚みを十分に確保することが望ましいが、部品表面の硬さ(表面硬さ)ももちろん大きい方が望ましい。しかしながら、この表面硬さがいくら大きくとも、硬化深さが浅い(焼入れ層の厚みが薄い)と疲労特性の向上は達成できないため、本実施形態では、部品の表面硬さに加え、0.90mm深さまでの範囲の硬さを500HV超とすることが重要である。すなわち500HV超となる硬化深さが0.90mm以上であることが重要である。
[Hardened layer]
In order to obtain excellent fatigue properties in the quenched component (surface-quenched component) of the present embodiment, in the region of the component surface layer including the component surface, the Vickers hardness is more than 500 Hv and the thickness is 0.90 mm. It is important to provide a quenched layer as described above. In other words, the hardness in the range from the component surface to a depth of at least 0.90 mm needs to be more than 500 HV.
When the hardness profile is measured in the depth direction from the quenched component surface, the hardness tends to decrease in the depth direction. Although the same tendency occurs in the present embodiment, it is important that the position (hardening depth) where the hardness exceeds 500 HV is a depth position of 0.90 mm or more. In the present embodiment, a region having a Vickers hardness of more than 500 Hv is defined as a quenched layer, and the hardening depth is defined as a thickness of the quenched layer.
As described above, although hardening hardly occurs in the depth direction from the steel surface, when the hardening depth is 0.90 mm or more, it can be said that the hardening depth is sufficiently deep, that is, the hardening is sufficiently deepened. And the fatigue characteristics can be improved.
As described above, from the viewpoint of improving the fatigue characteristics, it is desirable to increase the hardening depth exceeding 500 HV, that is, to sufficiently secure the thickness of the quenched layer. ) Is also preferably larger. However, no matter how large this surface hardness is, if the hardening depth is shallow (the thickness of the quenched layer is small), improvement in fatigue characteristics cannot be achieved. Therefore, in this embodiment, in addition to the surface hardness of the component, 0.90 mm It is important that the hardness up to the depth exceeds 500 HV. That is, it is important that the curing depth exceeding 500 HV is 0.90 mm or more.

上述した、焼入れ層のビッカース硬さ、および硬化深さ(焼入れ層の厚み)については以下の方法によって測定することができる。
まず、焼入れ後の部品から部品表面を含むよう任意の断面で切断し、断面長の方向に沿って測定領域を複数に分割し、各領域においてビッカース硬さ計によって硬さプロファイルを測定する。具体的には、現出させた部品断面のうち、断面の厚み方向と直交する方向の断面長さの1/2位置、1/4位置、1/8位置それぞれにおいて、部品表面を起点とし深さ方向に向かって硬さプロファイルを測定する。得られた各領域の硬さプロファイルの結果から、各領域における硬さが500HV超となる深さをそれぞれ求める。そして、得られた深さのうち、最大値と最小値を除いた残りの深さの平均を部品の「硬化深さ(焼入れ層の厚み)」とすることができる。
The above-described Vickers hardness and hardening depth (thickness of the quenched layer) of the quenched layer can be measured by the following methods.
First, the quenched component is cut at an arbitrary cross section so as to include the component surface, the measurement region is divided into a plurality of portions along the direction of the cross section length, and a hardness profile is measured in each region with a Vickers hardness meter. Specifically, at the 現, 1 /, and 8 positions of the cross-sectional length in the direction orthogonal to the cross-sectional thickness direction of the exposed cross-section of the component, the depth is set with the component surface as the starting point. Measure the hardness profile in the vertical direction. From the obtained results of the hardness profile of each region, the depth at which the hardness in each region exceeds 500 HV is determined. Then, among the obtained depths, the average of the remaining depths excluding the maximum value and the minimum value can be determined as the “hardening depth (thickness of the quenched layer)” of the component.

[表層組織:0.90mm深さ位置の金属組織に占める初析フェライト、および、パーライトの面積率の総和が10%以下]
本実施形態の表面焼入れ用鋼材に焼入れを施した後の部品(表面焼入れ部品)において、優れた疲労特性を得るためには、上記のとおり、焼入れ層の厚みを0.90mm以上とすることに加え、焼入れ層の金属組織(表層組織)に含まれる、不完全焼入れ組織(非焼入れ組織)である初析フェライト、および、パーライトの量を制限する必要がある。一般的に、鋼表面から深さ方向に向かって焼きは入り難くなる。本実施形態で言えば、部品表面から0.90mm深さまでの範囲のうちで、最も焼きが入り難いのは、0.90mm深さの位置である。そのため、この部品表面から0.90mm深さの位置における初析フェライトとパーライトの面積率の総和を10%以下に制限する。部品表面から0.90mm深さの位置における初析フェライトとパーライトの総和が10%以下であれば、部品表層の焼きが十分に入っていると言える。すなわち、焼きが入り難い0.90mm深さの位置の不完全焼入れ組織の総和が10%以下であるということは、当該位置よりも焼きが入りやすい部品表面側にいくほど不完全焼入れ組織の量は減少する傾向となる。これらのことから、部品表面から0.90mm深さの位置における初析フェライトとパーライトの総和が10%以下であれば、部品表面から0.90mm深さまでの領域全体、すなわち焼入れ層全体において不完全焼入れ組織の面積率の総和は10%以下を満足しているとも言える。なお、部品の疲労特性のさらなる向上の観点から、部品表面から0.90mm深さの位置における初析フェライトとパーライトの面積率の総和は、好ましくは5%以下であり、0%であってもよい。
[Surface structure: the total area ratio of proeutectoid ferrite and pearlite in the metal structure at a depth of 0.90 mm is 10% or less]
In order to obtain excellent fatigue characteristics in the part (surface quenched part) after quenching the steel material for surface quenching of the present embodiment, as described above, the thickness of the quenched layer is set to 0.90 mm or more. In addition, it is necessary to limit the amounts of proeutectoid ferrite, which is an incompletely quenched structure (non-quenched structure), and pearlite contained in the metal structure (surface structure) of the quenched layer. Generally, hardening hardly proceeds from the steel surface toward the depth direction. In the present embodiment, in the range from the component surface to a depth of 0.90 mm, the hardest part is the position at a depth of 0.90 mm. Therefore, the total sum of the area ratios of proeutectoid ferrite and pearlite at a depth of 0.90 mm from the component surface is limited to 10% or less. If the total of pro-eutectoid ferrite and pearlite at a depth of 0.90 mm from the component surface is 10% or less, it can be said that the surface layer of the component has been sufficiently baked. That is, the fact that the sum of the incompletely quenched structure at a depth of 0.90 mm where hardening does not easily occur is 10% or less means that the amount of the incompletely quenched structure increases as the part is more easily quenched than the position. Tends to decrease. From these facts, if the total of proeutectoid ferrite and pearlite at a position 0.90 mm deep from the component surface is 10% or less, the entire region from the component surface to 0.90 mm depth, that is, the entire quenched layer is incomplete. It can be said that the sum of the area ratios of the quenched structure satisfies 10% or less. In addition, from the viewpoint of further improving the fatigue characteristics of the component, the sum of the area ratios of the proeutectoid ferrite and the pearlite at a position 0.90 mm deep from the component surface is preferably 5% or less, and even if it is 0%. Good.

表面焼入れ部品の表層組織において、初析フェライトとパーライト以外の組織は、特に限定しないが、部品の強度を確保する観点から、マルテンサイトを主組織とする組織とすることが望ましい。もちろん、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ベイナイト、および、残留オーステナイトの混合組織であっても構わない。   In the surface layer structure of the surface hardened part, the structure other than the proeutectoid ferrite and the pearlite is not particularly limited, but from the viewpoint of securing the strength of the part, it is desirable to use a structure mainly composed of martensite. Of course, a mixed structure of martensite, tempered martensite, bainite, and retained austenite may be used.

表面焼入れ部品の表層組織については以下の方法によって観察、測定することができる。
まず、焼入れ後の部品の断面において、部品表面を含むよう1つもしくは複数のサンプルを切り出す。次に、樹脂埋めした当該サンプルをナイタールでエッチングし、光学顕微鏡を用いて、サンプルの焼入れ部の表面から0.90mm深さを中心とした倍率200倍の組織写真を複数視野にて撮影し、画像解析により、各サンプル、各視野の初析フェライトとパーライトの面積率を求める。得られた各サンプル、各視野の初析フェライトの面積率を平均した値と、パーライトの面積率を平均した値をそれぞれ算出し、合計したものを「0.90mm深さ位置の金属組織に占める初析フェライトおよびパーライトの面積率の総和」とすることができる。なお、サンプル数は特に規定せず、部品の形状や焼入れ条件によって、適宜設定してよいが、画像解析に用いる視野は例えば3〜5個とすることができる。
The surface structure of the surface hardened part can be observed and measured by the following method.
First, one or a plurality of samples are cut out so as to include the surface of the part in the cross section of the part after quenching. Next, the sample embedded with the resin was etched with nital, and using an optical microscope, a photograph of the structure at a magnification of 200 times centered at a depth of 0.90 mm from the surface of the quenched portion of the sample was taken in a plurality of fields, The area ratio of proeutectoid ferrite and pearlite in each sample and each visual field is determined by image analysis. The average value of the area ratio of proeutectoid ferrite in each of the obtained samples and each visual field and the average value of the area ratio of pearlite were calculated, and the sum was "occupied in the metal structure at a depth of 0.90 mm." The sum of the area ratios of proeutectoid ferrite and pearlite ". The number of samples is not particularly limited, and may be appropriately set depending on the shape of the component and quenching conditions. However, the field of view used for image analysis may be, for example, 3 to 5 fields.

[部品内部のθ炭化物中の(Mn+Cr)とFeの比率:0.18以下]
鋼材に表面焼入れ処理を施して焼入れ部品とした後は、部品表層の金属組織は、焼入れ処理によって大きく変化する。しかし、部品表層よりも内部、すなわち焼入れ層よりも深い領域は、焼入れの影響を受けないため、焼入れ前の金属組織、すなわち鋼材の金属組織からほぼ変化しない。このことから、本実施形態の鋼材を用いて表面焼入れ処理を施し、焼入れ部品とした後でも、焼入れ部品の内部のセメンタイト中の(Mnθ+Crθ)とFeθの比率は、鋼材の同比率と同様に0.18以下となっていると言える。具体的には、焼入れ層よりも0.5mm以上深い領域には焼入れの影響が及んでいないといえることから、部品表面から焼入れ層の厚み+0.5mm深さ位置よりも内部において、セメンタイト中の(Mnθ+Crθ)とFeθの比率が0.18以下となる。
なお、表面焼入れ部品とした後のセメンタイト中のMnθ、Crθ、Feθを測定する際は、被検面が、焼入れの影響が及んでいない位置(焼入れ層から外れた位置)となるように試験片を作成すればよく、その他の方法や条件は、上述したような鋼材中のMnθ、Crθ、Feθの測定方法と同様の方法によって測定できる。
[Ratio of (Mn + Cr) and Fe in θ carbide inside the part: 0.18 or less]
After a steel material is subjected to surface quenching to form a quenched component, the metal structure of the surface layer of the component is significantly changed by the quenching. However, the region inside the surface of the part, that is, the region deeper than the quenched layer is not affected by the quenching, and therefore, hardly changes from the metal structure before quenching, that is, the metal structure of the steel material. From this, even after the surface quenching treatment is performed using the steel material of the present embodiment to form a quenched component, the ratio of (Mnθ + Crθ) and Feθ in the cementite inside the quenched component is 0 in the same manner as the steel material. .18 or less. Specifically, since it can be said that the effect of quenching has not been exerted on a region 0.5 mm or more deeper than the quenched layer, the cementite in the cementite is deeper than the quenched layer thickness +0.5 mm depth position from the component surface. The ratio of (Mnθ + Crθ) to Feθ is 0.18 or less.
When measuring Mnθ, Crθ, and Feθ in the cementite after the surface-hardened part, the test piece was placed so that the surface to be inspected was not affected by quenching (position deviated from the quenched layer). The other methods and conditions can be measured by the same method as the method for measuring Mnθ, Crθ, and Feθ in a steel material as described above.

<製造方法>
本実施形態による表面焼入れ用鋼材および表面焼入れ部品の製造方法の一例を説明する。
本実施形態による表面焼入れ用鋼材の製造方法は、素材準備工程と、熱間加工工程とを含み、表面焼入れ部品はその後、切削工程と、表面焼入れ工程とを含む工程によって製造される。以下、それぞれの工程を説明する。
<Production method>
An example of a method for manufacturing a surface-hardened steel material and a surface-hardened component according to the present embodiment will be described.
The method for producing a steel material for surface quenching according to the present embodiment includes a material preparation step and a hot working step, and a surface quenched component is thereafter produced by a step including a cutting step and a surface quenching step. Hereinafter, each step will be described.

[素材準備工程]
上述の化学組成を満たす溶鋼を製造する。製造された溶鋼を用いて、鋳造法により鋳片(スラブ、ブルーム)にする。又は、溶鋼を用いて、造塊法によりインゴットにする。鋳片又はインゴットを熱間加工して、ビレットを製造する。
次の熱間加工工程で使用される素材は、上記の鋳片又はインゴットでもよいし、ビレットでもよい。
[Material preparation process]
A molten steel satisfying the above chemical composition is manufactured. A slab (slab, bloom) is formed by a casting method using the manufactured molten steel. Alternatively, an ingot is formed by ingot making method using molten steel. A billet is manufactured by hot working a slab or ingot.
The raw material used in the next hot working step may be the above-mentioned slab or ingot, or may be a billet.

[熱間加工工程]
上記素材に熱間加工を施すが、当該熱間加工は、熱間圧延でもよいし、熱間鍛造でもよい。
まず、製造された上記素材を加熱する。具体的には熱間加工(例えば鍛造)後に加工まま(例えば鍛造まま)で表面焼入れを行う場合は、熱間加工における加熱温度を1100℃以上とすることが望ましい。
大型のビレットやインゴットを素材として鋼材を作成する場合は、鋳造や圧延の際の冷却時において、セメンタイトへのMnとCrの濃化が進行しやすい。このようなMnやCrが濃化したセメンタイトを含んだ素材は、熱間加工前に加熱してセメンタイトを溶解させたとしても、MnとCrの分布が十分に均質化せず、続く熱間加工やその後の熱処理の冷却中にMn+Cr比率の大きなセメンタイトが生成しやすい。さらに、鋼材において、MnやCrがセメンタイトへ濃化したままの場合、その後の焼入れ処理の加熱時に当該セメンタイトの溶解に先立ってMnやCrの母相への拡散が必要となるため、セメンタイトを容易に分解させることができず、均一組織を得ることができない。したがって、本発明の規定の成分の鋼を用いて、熱間加工(例えば鍛造)後に加工まま(例えば鍛造まま)で表面焼入れを行う場合は、熱間加工における加熱温度を1100℃以上とすることが望ましい。
このように、熱間加工時の加熱温度が低すぎたり、加熱時間が短すぎたりすれば、前工程でセメンタイトに濃化したCrとMnが分散しがたくなり、冷却後のセメンタイト中のCrとMn濃度が高くなる可能性が有る。一方、加熱温度が高すぎたり、加熱時間が長すぎたりすれば、スケールロスが大きい。したがって、好ましい加熱温度は1100〜1300℃で、好ましい加熱時間は30分〜120分である。なお、「加熱温度」とは、素材、もしくは鋼材の表面温度を指す。
[Hot working process]
The material is subjected to hot working. The hot working may be hot rolling or hot forging.
First, the manufactured material is heated. Specifically, when performing surface quenching with hot working (for example, forging) after hot working (for example, forging), the heating temperature in hot working is desirably 1100 ° C. or higher.
When a steel material is made using a large billet or ingot as a material, the concentration of Mn and Cr in cementite tends to proceed during cooling during casting or rolling. Such a material containing cementite in which Mn or Cr is concentrated does not sufficiently homogenize the distribution of Mn and Cr even if the cementite is melted by heating before hot working. Cementite having a large ratio of Mn + Cr is likely to be generated during cooling during the subsequent heat treatment. Furthermore, when Mn and Cr remain concentrated in the cementite in the steel material, it is necessary to diffuse Mn and Cr into the parent phase prior to dissolution of the cementite at the time of heating in the subsequent quenching treatment. And a uniform tissue cannot be obtained. Therefore, when performing surface quenching with hot working (for example, forging) after hot working (for example, forging) using steel having the specified composition of the present invention, the heating temperature in hot working should be 1100 ° C. or higher. Is desirable.
As described above, if the heating temperature during the hot working is too low or the heating time is too short, Cr and Mn concentrated in the cementite in the previous step are difficult to disperse, and the Cr in the cementite after cooling is hardly dispersed. And the Mn concentration may increase. On the other hand, if the heating temperature is too high or the heating time is too long, the scale loss is large. Therefore, a preferable heating temperature is 1100 to 1300 ° C, and a preferable heating time is 30 minutes to 120 minutes. The “heating temperature” refers to the surface temperature of a material or a steel material.

次に、加熱後の素材に対して、熱間加工を実施する。
以下、本工程での熱間加工を熱間鍛造として説明を続ける。
熱間鍛造の好ましい仕上げ温度は900℃以上である。仕上げ温度が低すぎれば、熱間鍛造装置の金型への負担が大きくなるためである。一方、仕上げ温度の好ましい上限は、1250℃である。なお「仕上げ温度」とは、熱間加工直後の鋼材表面の温度を指す。
また、熱間加工後の冷却工程において、鋼のA1点から500℃までの温度範囲で保持される時間を短くすることが望ましい。この温度域で保持される時間が長すぎると、次工程でセメンタイト中へのMnとCrの濃化の抑制が難しくなる。したがって、熱間加工後の冷却においては、鋼のA1点から500℃までの温度範囲を0.1℃/s以上の平均冷却速度で冷却すればよい。なお、前述の「平均冷却速度」とは、A1点から500℃の温度の差分(A1点−500℃)を、冷却に要した時間(s)で除したものである。
Next, hot working is performed on the heated material.
Hereinafter, the hot working in this step will be described as hot forging.
The preferred finishing temperature for hot forging is 900 ° C. or higher. This is because if the finishing temperature is too low, the load on the mold of the hot forging device increases. On the other hand, a preferable upper limit of the finishing temperature is 1250 ° C. The “finish temperature” refers to the temperature of the surface of the steel material immediately after hot working.
Further, in the cooling step after hot working, it is desirable to shorten the time that the steel is held in the temperature range from the point A1 to 500 ° C. If the time maintained in this temperature range is too long, it is difficult to suppress the concentration of Mn and Cr in cementite in the next step. Therefore, in cooling after hot working, the temperature range from the point A1 of the steel to 500 ° C. may be cooled at an average cooling rate of 0.1 ° C./s or more. In addition, the above-mentioned "average cooling rate" is obtained by dividing the difference between the temperature of point A1 and the temperature of 500 ° C (point A1-500 ° C) by the time (s) required for cooling.

[熱処理]
次工程の切削加工を施す前に、必要に応じて、熱処理により組織を調整したり、ひずみを開放するための熱処理を施してもよい。例えば焼ならしや、焼入れ・焼戻しや、低温焼なましを施してもよい。
また、このように熱間鍛造後に焼ならしや、焼なましのように相変態が生じる温度域での熱処理を行ってから表面焼入れを行う場合は、(Mnθ+Crθ)/Feθの低減を目的として、A3点よりも100℃以上高い加熱温度で30分以上加熱するとともに、その後の冷却において、A1点から500℃までの温度範囲を0.1℃/s以上の平均冷却速度で冷却すればよい。また熱間鍛造後、または相変態が生じる温度域での熱処理後に、さらに相変態が生じない低温での焼なましや、焼戻し処理を行ってもよい。ただしその場合は、相変態が生じない低温での熱処理における処理条件として、下記式(A)で表されるパラメータPが18.7以下になるようにすればよい。
P={(T+273)/1000}×(Log(t)+20) ・・・(A)
ここで、式(A)中のTは処理温度(℃)、tは時間(h)を表す。
[Heat treatment]
Before performing the cutting process in the next step, if necessary, the structure may be adjusted by heat treatment or a heat treatment for releasing strain may be performed. For example, normalizing, quenching / tempering, or low-temperature annealing may be performed.
In the case where the surface quenching is performed after normalizing after the hot forging or performing the heat treatment in a temperature range where a phase transformation occurs such as annealing, the purpose is to reduce (Mnθ + Crθ) / Feθ. And heating at a heating temperature higher than the point A3 by 100 ° C. or more for 30 minutes or more, and in the subsequent cooling, the temperature range from the point A1 to 500 ° C. may be cooled at an average cooling rate of 0.1 ° C./s or more. . After hot forging or after heat treatment in a temperature range in which phase transformation occurs, annealing or tempering at a low temperature at which phase transformation does not occur may be further performed. In this case, however, the parameter P represented by the following formula (A) may be set to 18.7 or less as a processing condition in the heat treatment at a low temperature at which no phase transformation occurs.
P = {(T + 273) / 1000} × (Log (t) +20) (A)
Here, T in the formula (A) represents the processing temperature (° C.), and t represents time (h).

以上により、本実施形態の表面焼入れ用鋼材が得られる。なお、以上のような熱間加工条件および熱処理条件は、鋼材のセメンタイト中の(Mnθ+Crθ)とFeθの比率を0.18以下にするための方法の一つであり、本発明の効果を得るためには(Mnθ+Crθ)とFeθの比率が0.18以下でありさえすればよく、上記の方法・条件に限定されるものではない。   As described above, the steel material for surface hardening of the present embodiment is obtained. The hot working conditions and heat treatment conditions as described above are one of the methods for reducing the ratio of (Mnθ + Crθ) to Feθ in cementite of steel to 0.18 or less. It is only necessary that the ratio of (Mnθ + Crθ) to Feθ is 0.18 or less, and the method and conditions are not limited to the above.

また、上記熱間加工工程後、または熱処理工程後、更に、切削工程を行ってもよい。
なお、本実施形態の表面焼入れ用鋼材は、鋼板、鋼管、形鋼などに加え、次工程の焼入れ前に所望の形状に加工された部材を含む。
Further, after the hot working step or the heat treatment step, a cutting step may be further performed.
The steel material for surface quenching according to the present embodiment includes a member processed into a desired shape before quenching in the next step, in addition to a steel plate, a steel pipe, a shaped steel, and the like.

[切削加工]
上述の表面焼入れ用鋼材に対して、切削加工を実施して所定の形状の鋼材にしてもよい。
次に、表面焼入れ部品を得るためには、得られた表面焼入れ用鋼材に対し、以下に説明する焼入れ処理を行う。
[Cutting]
The above-mentioned steel material for surface quenching may be subjected to cutting to obtain a steel material having a predetermined shape.
Next, in order to obtain a surface quenched part, a quenching process described below is performed on the obtained surface quenched steel material.

[表面焼入れ処理]
切削加工された表面焼入れ用鋼材に対して、表面焼入れ処理を実施する。表面焼入れは、鋼材の表面近傍のみを加熱し、加熱後に加熱部が急冷される処理であれば、どのような処理で合ってもよい。表面の加熱は、高周波誘導加熱であってもよく、レーザー照射による加熱であってもよく、炎を直接鋼の表面に当てて加熱してもよい。加熱部分の冷却は、水冷、ガス冷却、内部非加熱層への熱拡散による自己冷却でもよい。
表面焼入れ後には、靭性を高めるために焼戻しを行ってもよい。焼戻し温度が高すぎると、鋼が軟化して強度が低下するため、焼戻しを行う場合の好ましい焼戻し温度は500℃以下である。焼戻しによる靭性を高める効果を十分に得るためには、焼戻しを行う場合の好ましい焼戻し温度は100℃以上である。焼戻しによる靭性を高める効果を十分に得るためには、焼戻しの時間は、0.5h以上とすることが好ましい。焼戻しの時間が長くなると、製造コストが増加するにもかかわらず、その効果が飽和するので、焼戻しの時間は5h以下とすることが好ましい。
[Surface quenching treatment]
A surface hardening treatment is performed on the cut surface hardening steel material. The surface quenching may be performed by any process that heats only the vicinity of the surface of the steel material and rapidly cools the heating unit after the heating. Heating of the surface may be high-frequency induction heating, heating by laser irradiation, or heating by directly applying a flame to the surface of the steel. The cooling of the heating part may be water cooling, gas cooling, or self-cooling by heat diffusion to the internal non-heating layer.
After surface quenching, tempering may be performed to increase toughness. If the tempering temperature is too high, the steel is softened and the strength is reduced. Therefore, the preferred tempering temperature for tempering is 500 ° C or lower. In order to sufficiently obtain the effect of increasing the toughness by tempering, the preferable tempering temperature in the case of performing tempering is 100 ° C. or higher. In order to sufficiently obtain the effect of increasing the toughness by tempering, the tempering time is preferably 0.5 hours or more. If the tempering time is long, the effect is saturated despite the increase in the manufacturing cost. Therefore, the tempering time is preferably 5 hours or less.

以上の製造工程により製造された表面焼入れ用鋼材を用いて表面焼入れ処理を行うと、表面焼入れ条件がばらついても疲労強度に優れた焼入れ部品を製造することができる。   When a surface quenching treatment is performed using the steel material for surface quenching manufactured by the above manufacturing process, a quenched part having excellent fatigue strength can be manufactured even when surface quenching conditions vary.

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。   Next, an example of the present invention will be described. The conditions in the example are one condition example adopted to confirm the operability and effects of the present invention, and the present invention is based on this one condition example. It is not limited. The present invention can employ various conditions as long as the object of the present invention is achieved without departing from the gist of the present invention.

表1に示す化学成分の鋼種A〜Qのインゴットを1250℃に加熱した。加熱されたインゴットを熱間鍛造して、1片が75mmの正方形の断面を持つ角棒を製造した。さらに、角棒を1250℃に加熱(加熱時間:30分)し、仕上げ温度1000℃狙いの条件で60mmの直径を有する丸棒に熱間で鍛造し、室温まで放冷した。この際、A1点〜500℃までの範囲を0.1℃/s以上の平均冷却速度で冷却した。表1にはA3点(℃)を合わせて示す。   Ingots of steel types A to Q having the chemical components shown in Table 1 were heated to 1250 ° C. The heated ingot was hot forged to produce a square bar having a 75 mm square cross section. Further, the square bar was heated to 1250 ° C. (heating time: 30 minutes), hot forged into a round bar having a diameter of 60 mm under the target condition of a finishing temperature of 1000 ° C., and allowed to cool to room temperature. At this time, the range from the point A1 to 500 ° C. was cooled at an average cooling rate of 0.1 ° C./s or more. Table 1 also shows point A3 (° C.).

鍛造後の鋼種Kの丸棒の一部に焼入れ焼戻し処理を施した(試験No.12、18)。焼入れ工程では、丸棒を850℃で1時間保持後に水冷した。その後の焼戻し工程では、試験No.12では600℃に、試験No.18では650℃に加熱し、それらの温度で3時間保持した後に室温まで放冷した。なお、試験No.12、18の焼戻し工程における条件である上記パラメータPはそれぞれ、試験No.12は「17.9」、試験No.18は「18.9」であった。
また、鍛造後の鋼種K(A1点:713℃)の丸棒の他の一部に、850℃で1時間保持し室温まで冷却する焼ならし処理を施した(試験No.11、19)。なお、試験No.11では、850℃から室温までの冷却を、大気中の放冷(A1点から500℃間の平均冷却速度0.1℃/s以上)とし、試験No.19ではセラミックスのシートをかぶせて室温まで徐冷(A1点から500℃間の平均冷却速度0.1℃/s未満)とした。
各試験番号の丸棒を用いて、次の試験を実施した。
A part of the forged steel type K round bar was subjected to quenching and tempering treatment (Test Nos. 12, 18). In the quenching step, the round bar was kept at 850 ° C. for 1 hour and then cooled with water. In the subsequent tempering process, the test No. In Test No. 12 at 600 ° C. In No. 18, the sample was heated to 650 ° C., kept at those temperatures for 3 hours, and then cooled to room temperature. In addition, the test No. The parameters P, which are the conditions in the tempering processes of Test Nos. 12 and 18, are respectively the same as those of Test No. No. 12 is “17.9”, and test No. 18 was "18.9".
In addition, another part of the forged steel type K (A1 point: 713 ° C.) other round bar was subjected to a normalizing treatment of maintaining the temperature at 850 ° C. for 1 hour and cooling to room temperature (Test Nos. 11, 19). . In addition, the test No. In Test No. 11, the cooling from 850 ° C. to room temperature was allowed to cool in the air (average cooling rate from point A1 to 500 ° C. of 0.1 ° C./s or more). In 19, the sheet was covered with a ceramic sheet and slowly cooled to room temperature (average cooling rate from point A1 to 500 ° C. less than 0.1 ° C./s).
The following test was performed using the round bar of each test number.

[芯部硬さ測定]
各試験番号の丸棒から、1辺が10mmの正方形の断面を持つ長さ50mmの確性調査用試験片を作成した。試験片の長さ方向が鍛伸材(丸棒)の長さ方向と平行になるよう、かつ試験片の横断面の中心が、丸棒のR/2(Rは丸棒の半径)の位置と揃うようにした。次に試験片を樹脂にマウント後に研磨し、試験片の断面の中心付近の任意の5点で、荷重98Nでのビッカース硬さを測定し、5点の測定値の算術平均をその試験番号の芯部硬さとした。芯部硬さが280HV以下の場合に、十分に芯部硬さが低く被削性に優れていると判断し、芯部硬さが280HV超の場合は、被削性が劣化したものと判断した。
結果を表2、3に示す。
[Core hardness measurement]
From the round bar of each test number, a test piece for accuracy investigation having a length of 50 mm and a square cross section with one side of 10 mm was prepared. The length direction of the test piece is parallel to the length direction of the forged material (round bar), and the center of the cross section of the test piece is at the position of R / 2 (R is the radius of the round bar) of the round bar. It was made to match. Next, the test piece was mounted on a resin and then polished. The Vickers hardness at a load of 98 N was measured at any five points near the center of the cross section of the test piece, and the arithmetic average of the measured values at the five points was used as the test number of the test number. Core hardness was used. When the core hardness is 280 HV or less, it is determined that the core hardness is sufficiently low and the machinability is excellent, and when the core hardness is more than 280 HV, it is determined that the machinability has deteriorated. did.
The results are shown in Tables 2 and 3.

[高周波焼入れ後の回転曲げ疲労強さ測定のための試験片作製]
各試験番号の丸棒のR/2から、図1に示すような、φ10の平行部に深さ1mm、先端Rが3mmの環状切欠き(ノッチ)のついた小野式回転曲げ疲労試験片を作成した。
次に、小野式回転曲げ疲労試験片に対し、ノッチ部を含む平行部を周波数100kHzで、加熱時間1.5秒の条件(高周波条件A)、または加熱時間1秒の条件(高周波条件B)で高周波加熱し、直後に水冷する高周波焼入れ処理に供した。高周波焼入れ後の回転曲げ疲労試験片の一部は、150℃×2hの低温焼戻し処理に供した。各条件を表2に示す。高周波焼入れ後、または、低温焼戻し後の小野式回転曲げ疲労試験片のつかみ部を研磨することで、試験片の軸出しを行った。
[Preparation of test piece for measuring rotational bending fatigue strength after induction hardening]
From the R / 2 of the round bar of each test number, an Ono-type rotary bending fatigue test piece having a notch with a depth of 1 mm and a tip R of 3 mm in a parallel portion of φ10 as shown in FIG. Created.
Next, with respect to the Ono-type rotating bending fatigue test piece, a parallel portion including a notch portion was heated at a frequency of 100 kHz and heated for 1.5 seconds (high-frequency condition A) or heated for 1 second (high-frequency condition B). And subjected to induction hardening treatment immediately after cooling with water. A part of the rotary bending fatigue test piece after the induction hardening was subjected to a low-temperature tempering treatment at 150 ° C. × 2 h. Table 2 shows each condition. After the induction hardening or the low-temperature tempering, the grip of the Ono-type rotating bending fatigue test piece was polished to center the test piece.

[小野式回転曲げ疲労試験]
上述の高周波焼入れ後、もしくは低温焼戻し後の小野式回転曲げ疲労試験片を用いて、回転数3000rpmの条件で小野式回転曲げ疲労試験に供した。A、Bいずれの高周波焼入れ条件であっても疲労強度が500MPa以上である場合、疲労強度に優れると判断した。結果を表4に示す。
[Ono-type rotating bending fatigue test]
Using the Ono-type rotating bending fatigue test piece after the above-mentioned induction hardening or low-temperature tempering, it was subjected to the Ono-type rotating bending fatigue test under the condition of a rotation speed of 3000 rpm. It was determined that the fatigue strength was excellent when the fatigue strength was 500 MPa or more under any of the induction hardening conditions A and B. Table 4 shows the results.

[レーザー焼入れ後の四点曲げ疲労強さ測定のための試験片作製]
次に、各試験番号の丸棒の中心から、30mm×32mmの断面を持ち、長さが100mmであって、長さ方向の中心に32mmの辺と平行な深さ2mm、先端Rが2mmの切欠き(ノッチ)を持つ試験片を作成した。
次に、このノッチ付きの試験片に対し、ノッチ部を含む領域を、出力3.0kWの条件(レーザー照射条件A)、または2.6kWの条件(レーザー照射条件B)で、送り速度(照射速度)をともに6.5mm/sとしてレーザーにより加熱した。レーザーで試験片表層部のみを加熱すると、試験片内部の非加熱層への熱拡散により表層部は急冷され、焼きが入る。レーザー照射後の試験片の一部は、150℃×2hの低温焼戻し処理に供した。各条件を表3に示す。
次に、レーザー焼入れ後、または低温焼戻し後の試験片から、ノッチ部を含むように、試験片の幅32mmの中心に出来るだけ寄せて、断面が13mm×13mmで、長さが100mmの四点曲げ疲労試験片を作成した(図2参照)。なお、後述する四点曲げ疲労試験中に、応力状態が特異な切欠き(ノッチ)の両端部からの疲労破壊を防ぐために、切欠き端部に面取りを施した。具体的には、JIS B 0701における角の面取りCの値が0.5となるように、面取りを施した。
[Preparation of test piece for measuring four-point bending fatigue strength after laser quenching]
Next, from the center of the round bar of each test number, it has a cross section of 30 mm x 32 mm, a length of 100 mm, a depth of 2 mm parallel to the side of 32 mm at the center in the length direction, and a tip R of 2 mm. A test piece having a notch was prepared.
Next, the feed rate (irradiation) of the area including the notch portion of the notched test piece was adjusted under the condition of an output of 3.0 kW (laser irradiation condition A) or the condition of 2.6 kW (laser irradiation condition B). (Velocity) was set to 6.5 mm / s, and heating was performed by the laser. When only the surface layer portion of the test piece is heated by the laser, the surface layer portion is rapidly cooled by heat diffusion to a non-heated layer inside the test piece, and burning occurs. A part of the test piece after laser irradiation was subjected to a low-temperature tempering treatment at 150 ° C. × 2 h. Table 3 shows each condition.
Next, from the test piece after laser quenching or after low temperature tempering, the test piece was moved as close as possible to the center of the width of 32 mm so as to include the notch, and the four points with a cross section of 13 mm × 13 mm and a length of 100 mm were used. A bending fatigue test piece was prepared (see FIG. 2). Note that, during a four-point bending fatigue test described later, the notch end was chamfered in order to prevent fatigue failure from both ends of the notch having a unique stress state. Specifically, chamfering was performed so that the value of the chamfer C of the corner in JIS B 0701 was 0.5.

[四点曲げ疲労試験]
上述の工程で作成した四点曲げ疲労試験片を用いて、四点曲げ疲労試験を行った。支点間の距離は80mmで、支点間の中心にノッチが配置されるように疲労試験片をセットした。荷重点間の距離は20mmであり、荷重点の中心が支点間の中心と同じになるようにした。このように支持した疲労試験片により、試験周波数20Hz、応力比0.05の片振りの四点曲げ疲労試験を行った。繰り返し数1.0×10回まで破断しなかった荷重振幅(最大荷重と最低荷重の差の二分の一)のうち、最も大きい値を、その試験番号の疲労強度(kN)と定義した。条件A、Bいずれのレーザー照射条件によっても疲労強度が5.00kN以上である場合、疲労強度に優れると判断した。結果を表5に示す。
[Four-point bending fatigue test]
A four-point bending fatigue test was performed using the four-point bending fatigue test piece prepared in the above-described process. The distance between the fulcrums was 80 mm, and the fatigue test piece was set so that the notch was placed at the center between the fulcrums. The distance between the load points was 20 mm, and the center of the load points was the same as the center between the fulcrums. A four-point bending fatigue test with a test frequency of 20 Hz and a stress ratio of 0.05 was performed on the fatigue test pieces thus supported. Among the load amplitudes (1/2 of the difference between the maximum load and the minimum load) that did not break until the number of repetitions of 1.0 × 10 7 times, the largest value was defined as the fatigue strength (kN) of the test number. When the fatigue strength was 5.00 kN or more under any of the laser irradiation conditions A and B, it was determined that the fatigue strength was excellent. Table 5 shows the results.

[電解抽出残渣測定]
各試験番号の丸棒のR/2からφ10×35の丸棒試験片を作成した。作成した丸棒試験片を10%AA系電解液中で通電し、試験片の表層0.4gを電解した。電解液をメッシュ粗さが0.2μmのフィルターでろ過し、フィルター上に残った残渣を酸溶液に溶かした上でICP発光分光分析法にて分析し、固溶状態で無いFeとCrとMnの量を求めた。固溶状態でないこれらの元素のうち、FeとCrは全量がθ炭化物として存在していると仮定し、一方のMnは得られた値から含有S量の1.7倍を引いた値がθ炭化物として存在していると仮定し、鋼材(丸棒)中のθ炭化物中の(Mnθ+Crθ)とFeθの比率を求めた。
[Measurement of electrolytic extraction residue]
From R / 2 of the round bar of each test number, a round bar test piece of φ10 × 35 was prepared. The produced round bar test piece was energized in a 10% AA-based electrolytic solution to electrolyze 0.4 g of the surface layer of the test piece. The electrolyte solution was filtered through a filter having a mesh roughness of 0.2 μm, the residue remaining on the filter was dissolved in an acid solution, and analyzed by ICP emission spectroscopy. Was determined. Of these elements that are not in a solid solution state, Fe and Cr are assumed to be present in total in the form of [theta] carbides. On the other hand, Mn is a value obtained by subtracting 1.7 times the S content from the obtained value. Assuming that they exist as carbides, the ratio between (Mnθ + Crθ) and Feθ in θ carbide in steel material (round bar) was determined.

なお、焼入れ後の(Mnθ+Crθ)/Feθについては以下のようにして求めた。
まず、高周波焼入れ後または低温焼戻し後の回転曲げ疲労試験片の中心、もしくはレーザー焼入れ後または低温焼戻し後の四点曲げ疲労試験片の切欠き底から(0.5+5)mm深さ位置を中心とし、かつ長さ方向が各疲労試験片の長さ方向と平行となるようφ3×35の丸棒試験片を作成した。以降の測定方法は、前述の鋼材(丸棒)における電解抽出残渣測定と同様の手法によって行い、焼入れ後における内部のθ炭化物中の(Mnθ+Crθ)とFeθの比率を求めた。
なお、表2〜5中において、θ炭化物中の(Mnθ+Crθ)/Feθを、単に(Mn+Cr)/Feを表記している。
In addition, (Mnθ + Crθ) / Feθ after quenching was determined as follows.
First, the center of the rotary bending fatigue test specimen after induction hardening or low-temperature tempering, or the depth of (0.5 + 5) mm from the notch bottom of the four-point bending fatigue test specimen after laser hardening or low-temperature tempering. A φ3 × 35 round bar test piece was prepared such that the length direction was parallel to the length direction of each fatigue test piece. The subsequent measurement method was performed by the same method as the above-described electrolytic extraction residue measurement on steel materials (round bars), and the ratio of (Mnθ + Crθ) and Feθ in the internal θ carbide after quenching was determined.
In Tables 2 to 5, (Mnθ + Crθ) / Feθ in θ carbide is simply expressed as (Mn + Cr) / Fe.

[焼入れ後の組織観察]
高周波焼入れ後、または、低温焼戻し後の回転曲げ疲労試験片のノッチ底を含むように縦断し、切断面を観察できるようにサンプルを採取し、サンプルを樹脂にマウントして、組織観察用のサンプルを作製した。
同様に、レーザー焼入れ後、または、低温焼戻し後の四点曲げ疲労試験片からも、ノッチ底を含むように幅方向の中心を通る面で縦断し、切断面を観察できるようにサンプルを採取し、サンプルを樹脂にマウントして、組織観察用のサンプルを作製した。
次に、各サンプルをナイタールでエッチングし、光学顕微鏡を用いて、焼入れ後の表層の組織を観察した。試験片のノッチ部の、表面に対して垂直な方向に0.90mmの深さ位置を中心とした倍率200倍の組織写真を3視野にて撮影し、それぞれの視野における組織写真の画像解析により、初析フェライトとパーライトの面積率を求めた。そして3視野の組織写真から得られた初析フェライトの面積率の平均値と、パーライトの面積率の平均値をそれぞれ算出し、初析フェライトおよびパーライトの面積率の総和を算出した。初析フェライトとパーライトの面積率の総和が10%以下である場合、十分に焼入れがなされたと判断した。表4、5中では、初析フェライトとパーライトを合わせて「非焼入れ組織」と表記している。
[Microstructure observation after quenching]
After induction hardening or low-temperature tempering, the longitudinal bending fatigue test specimen was cut longitudinally to include the notch bottom, a sample was collected so that the cut surface could be observed, the sample was mounted on resin, and a sample for structure observation was obtained. Was prepared.
Similarly, from the four-point bending fatigue test specimen after laser quenching or after low-temperature tempering, a longitudinal section was taken along the plane passing through the center in the width direction so as to include the notch bottom, and a sample was collected so that the cut surface could be observed. The sample was mounted on a resin to prepare a sample for tissue observation.
Next, each sample was etched with nital, and the structure of the surface layer after quenching was observed using an optical microscope. The notch portion of the test piece was photographed in three visual fields at a magnification of 200 times at a depth of 0.90 mm in the direction perpendicular to the surface in three visual fields, and image analysis of the structural photographs in each visual field was performed. The area ratio of proeutectoid ferrite and pearlite was determined. Then, the average value of the area ratio of the proeutectoid ferrite and the average value of the area ratio of the pearlite obtained from the micrographs of the three visual fields were calculated, and the sum of the area ratios of the proeutectoid ferrite and the pearlite was calculated. When the total area ratio of proeutectoid ferrite and pearlite was 10% or less, it was determined that quenching was sufficiently performed. In Tables 4 and 5, the combination of proeutectoid ferrite and pearlite is described as “non-quenched structure”.

[焼入れ後の硬化深さ測定]
高周波焼入れ後、または低温焼戻し後の回転曲げ疲労試験片、ならびにレーザー焼入れ後、または低温焼戻し後の四点曲げ疲労試験片それぞれから、上記組織観察用のサンプル採取と同様にノッチ底を含むように縦断して硬化深さ用サンプルを採取した。次に、各サンプルの現出させた断面のうち、厚み方向と直交する方向の断面長さの1/2位置、1/4位置、1/8位置それぞれにおいて、各サンプルのノッチ底を起点とする深さ方向の硬さプロファイルを測定した。得られた各位置の硬さプロファイルの結果から、各位置における「硬さが500HV超となる深さ」をそれぞれ求めた。そして、得られた各位置の「500HV超となる深さ」のうち、最大値と最小値を除いた残りの深さの平均をサンプル(疲労試験片)の「硬化深さ」(焼入れ層の厚み)とした。結果を表4、5に示す。なお、表4、5中では、ノッチ底から0.05mm深さの位置の硬さを「表面硬さ」として併記している。
[Measurement of hardening depth after quenching]
After induction hardening, or rotating bending fatigue test specimens after low-temperature tempering, and after laser quenching, or from each of the four-point bending fatigue test specimens after low-temperature tempering, include the notch bottom in the same manner as the above-described sample observation for microstructure observation. A sample for the depth of cure was taken longitudinally. Next, among the exposed cross sections of each sample, at each of the 位置, 起, and 8 positions of the cross-sectional length in the direction orthogonal to the thickness direction, the notch bottom of each sample is defined as a starting point. The hardness profile in the depth direction was measured. The “depth at which the hardness exceeds 500 HV” at each position was determined from the obtained hardness profile results at each position. Then, among the obtained “depths exceeding 500 HV” at each position, the average of the remaining depths excluding the maximum value and the minimum value is calculated as the “hardening depth” of the sample (fatigue test piece). Thickness). The results are shown in Tables 4 and 5. In Tables 4 and 5, the hardness at a position at a depth of 0.05 mm from the bottom of the notch is also described as “surface hardness”.

[試験結果]
表4、5に試験結果を示す。試験番号1〜12、21、22の発明例では、高周波加熱条件、またはレーザー照射条件が変化して加熱条件が不十分になった場合、すなわち加熱条件にばらつきが生じた場合でも、芯部硬さの過度の上昇を抑制し、かつ深い硬化層を得ることができた。その結果、優れた疲労強度と被削性を享受することができた。
一方、試験番号13〜20、23、24の比較例では、高周波加熱条件、またはレーザー照射条件が変化すると、芯部硬さが過度に上昇して被削性が劣化したり、表面硬さは十分であるものの硬化層が浅くなり、疲労強度が劣化したりした。
[Test results]
Tables 4 and 5 show the test results. In the invention examples of Test Nos. 1 to 12, 21, and 22, when the high-frequency heating condition or the laser irradiation condition changes and the heating condition becomes insufficient, that is, even when the heating condition varies, the core hardening is performed. An excessive increase in the thickness was suppressed, and a deep cured layer was obtained. As a result, excellent fatigue strength and machinability could be enjoyed.
On the other hand, in the comparative examples of Test Nos. 13 to 20, 23, and 24, when the high-frequency heating condition or the laser irradiation condition changes, the core hardness excessively increases and the machinability deteriorates, and the surface hardness increases. Although sufficient, the hardened layer became shallow and the fatigue strength deteriorated.

試験番号13、23(鋼種L)は、Mn量が少なすぎたため、焼入れ性を十分に高めることができず硬化深さを十分に確保できなかった。その結果、疲労強度が、試験番号13では条件Bの場合に劣化し、試験番号23では条件A、Bの場合の両方で劣化してしまった。特に試験番号23の場合は、非焼入れ組織が多く生成されたため、疲労強度が大幅に低下してしまった。   In Test Nos. 13 and 23 (steel type L), the quenchability could not be sufficiently increased and the hardening depth could not be sufficiently ensured because the amount of Mn was too small. As a result, the fatigue strength of Test No. 13 deteriorated under the condition B, and that of Test No. 23 deteriorated under both the conditions A and B. In particular, in the case of Test No. 23, since a large amount of non-quenched structure was generated, the fatigue strength was significantly reduced.

試験番号14、24(鋼種M)は、Si量が多すぎたため、A3点を十分に下げることができず、組織の不均一化を招いた結果、疲労特性のばらつきを抑制することができなかった。   In Test Nos. 14 and 24 (steel type M), since the amount of Si was too large, the A3 point could not be lowered sufficiently, and as a result of uneven structure, the variation in fatigue characteristics could not be suppressed. Was.

試験番号15(鋼種N)は、C量が少なすぎたため、焼入れ後の組織の硬さが低く、硬化深さも浅くなった。その結果、疲労特性のばらつきを抑制することができなかった。   In Test No. 15 (steel type N), the amount of C was too small, so the hardness of the structure after quenching was low and the hardening depth was shallow. As a result, variations in fatigue characteristics could not be suppressed.

試験番号16(鋼種O)は、C量が多すぎたため、芯部硬さが過度に上昇してしまい被削性が劣化してしまった。   In Test No. 16 (steel type O), the core amount was excessively increased due to an excessive amount of carbon, and the machinability was deteriorated.

試験番号17(鋼種P)は、Cr量が多すぎたため、Crが固溶したセメンタイトが溶解しにくくなり、焼入れ前の組織の不均一とそれにともなう焼入れ後の硬さのばらつきによって硬化深さを十分に確保できなかった。その結果、疲労強度が、高周波条件Aの場合は良好であったものの、条件Bの場合は劣化してしまい、疲労特性のばらつきを抑制することができなかった。   In Test No. 17 (steel type P), since the amount of Cr was too large, the cementite in which Cr was dissolved was difficult to dissolve, and the hardening depth was reduced by the unevenness of the structure before quenching and the accompanying variation in hardness after quenching. We could not secure enough. As a result, although the fatigue strength was good under the high frequency condition A, the fatigue strength was deteriorated under the condition B, and the variation in the fatigue characteristics could not be suppressed.

試験番号18、19は、鋼種は発明範囲内であったものの、鍛造後の熱処理条件が不適であったため、焼入れ前後ともにθ炭化物中の(Mnθ+Crθ)/Feθが大きくなってしまった。その結果、セメンタイトの分解が困難となり、均一なオーステナイト組織が得られず、焼入れ後の疲労特性のばらつきを抑制することができなかった。   In Test Nos. 18 and 19, although the steel type was within the range of the invention, the heat treatment conditions after forging were unsuitable, so that (Mnθ + Crθ) / Feθ in θ carbide increased both before and after quenching. As a result, it became difficult to decompose cementite, a uniform austenite structure was not obtained, and variations in fatigue characteristics after quenching could not be suppressed.

試験番号20(鋼種Q)は、A3点が大きくなりすぎたため、組織の不均一化を招き、結果、疲労特性のばらつきを抑制することができなかった。   In Test No. 20 (steel type Q), the A3 point was too large, resulting in non-uniform structure, and as a result, it was not possible to suppress variations in fatigue characteristics.

Figure 2020015939
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本発明の表面焼入れ用鋼材によれば、部品の形状が複雑であったり、表面焼入れ条件にばらつきがある場合であっても、高い疲労強度を有する表面焼入れ部品を提供できるので、広範な範囲の機械部品製造に適用することができ、産業上の利用価値は大なるものである。   According to the steel material for surface hardening of the present invention, even if the shape of the component is complicated or the surface hardening conditions vary, it is possible to provide a surface hardened component having high fatigue strength. It can be applied to the manufacture of machine parts, and has a great industrial value.

Claims (8)

質量%で、
C:0.30〜0.80%、
Si:0.01〜0.40%、
Mn:1.40〜3.00%、
P:0.050%以下、
S:0.001〜0.100%、
Cr:0.03〜0.40%、
Al:0.001〜0.080%、
N:0.0030〜0.0250%を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、
下記の式(1)で表わされるA3点が760℃以下であり、
金属組織中のθ炭化物中のMnとCrの和のFeに対する重量比率である(Mnθ+Crθ)/Feθが0.18以下であることを特徴とする表面焼入れ用鋼材。
A3(℃)=854−180×C−20×Mn+40×Si−10×Cr−200×N ・・・ (1)
ここで、式(1)中の各元素記号は、鋼材中における含有量(質量%)であり、また前記Mnθ、前記Crθおよび前記Feθは、それぞれ前記θ炭化物中のMn、CrおよびFeの重量%を表す。
In mass%,
C: 0.30 to 0.80%,
Si: 0.01 to 0.40%,
Mn: 1.40 to 3.00%,
P: 0.050% or less,
S: 0.001 to 0.100%,
Cr: 0.03 to 0.40%,
Al: 0.001 to 0.080%,
N: 0.0030 to 0.0250%, the balance being Fe and impurities,
A3 point represented by the following formula (1) is 760 ° C. or less,
A steel material for surface hardening, wherein (Mnθ + Crθ) / Feθ, which is the weight ratio of Fe to the sum of Mn and Cr in θ carbide in the metal structure, is 0.18 or less.
A3 (° C.) = 854-180 × C-20 × Mn + 40 × Si-10 × Cr-200 × N (1)
Here, each element symbol in the formula (1) is the content (% by mass) in the steel material, and the Mnθ, Crθ, and Feθ are the weights of Mn, Cr, and Fe in the θ carbide, respectively. Represents%.
さらに、Ti:0〜0.050%、Nb:0〜0.050%の1種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の表面焼入れ用鋼材。   The steel material for surface quenching according to claim 1, further comprising one or more of Ti: 0 to 0.050% and Nb: 0 to 0.050%. さらに、V:0〜0.15%、Mo:0〜0.50%、Cu:0〜0.50%、Ni:0〜0.50%の1種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の表面焼入れ用鋼材。   Further, it contains at least one of V: 0 to 0.15%, Mo: 0 to 0.50%, Cu: 0 to 0.50%, Ni: 0 to 0.50%. Item 3. The steel material for surface hardening according to item 1 or 2. さらに、B:0〜0.0050%、Ca:0〜0.0050%およびBi:0〜0.4%の1種以上を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の表面焼入れ用鋼材。   Furthermore, B: 0 to 0.0050%, Ca: 0 to 0.0050%, and Bi: 0 to 0.4% are contained. The steel material for surface quenching according to 1. 質量%で、
C:0.30〜0.80%、
Si:0.01〜0.40%、
Mn:1.40〜3.00%、
P:0.050%以下、
S:0.001〜0.100%、
Cr:0.03〜0.40%、
Al:0.001〜0.080%、
N:0.0030〜0.0250%を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、
下記の式(2)で表わされるA3点が760℃以下であり、
部品表面を含む部品表層に、ビッカース硬さが500Hv超、厚みが0.90mm以上である焼入れ層を有し、
部品表面から0.90mm深さ位置の金属組織に占める初析フェライト、および、パーライトの面積率の総和が10%以下であり、
前記焼入れ層よりも0.5mm以上深い領域において、θ炭化物中のMnとCrの和のFeに対する重量比率である(Mnθ+Crθ)/Feθが0.18以下であることを特徴とする表面焼入れ部品。
A3(℃)=854−180×C−20×Mn+40×Si−10×Cr−200×N ・・・ (2)
ここで、式(2)中の各元素記号は、部品中における含有量(質量%)である。
In mass%,
C: 0.30 to 0.80%,
Si: 0.01 to 0.40%,
Mn: 1.40 to 3.00%,
P: 0.050% or less,
S: 0.001 to 0.100%,
Cr: 0.03 to 0.40%,
Al: 0.001 to 0.080%,
N: 0.0030 to 0.0250%, the balance being Fe and impurities,
A3 point represented by the following formula (2) is 760 ° C. or less,
A component surface layer including a component surface has a quenched layer having a Vickers hardness of more than 500 Hv and a thickness of 0.90 mm or more,
The total area ratio of proeutectoid ferrite and pearlite in the metal structure at a depth of 0.90 mm from the component surface is 10% or less,
A surface quenched part characterized in that (Mnθ + Crθ) / Feθ, which is the weight ratio of the sum of Mn and Cr in θ carbide to Fe, is 0.18 or less in a region 0.5 mm or more deeper than the quenched layer.
A3 (° C.) = 854-180 × C-20 × Mn + 40 × Si-10 × Cr-200 × N (2)
Here, each element symbol in the formula (2) is the content (% by mass) in the component.
さらに、Ti:0〜0.050%、Nb:0〜0.050%の1種以上を含有することを特徴とする請求項5に記載の表面焼入れ部品。   The surface-hardened part according to claim 5, further comprising one or more of Ti: 0 to 0.050% and Nb: 0 to 0.050%. さらに、V:0〜0.15%、Mo:0〜0.50%、Cu:0〜0.50%、Ni:0〜0.50%の1種以上を含有することを特徴とする請求項5または6に記載の表面焼入れ部品。   Further, V: 0 to 0.15%, Mo: 0 to 0.50%, Cu: 0 to 0.50%, and Ni: 0 to 0.50%. Item 7. A surface-hardened part according to item 5 or 6. さらに、B:0〜0.0050%、Ca:0〜0.0050%およびBi:0〜0.4%の1種以上を含有することを特徴とする請求項5〜7のいずれか一項に記載の表面焼入れ部品。   Furthermore, B: 0 to 0.0050%, Ca: 0 to 0.0050%, and Bi: 0 to 0.4% are contained, and any one or more of them is characterized by the above-mentioned. Surface hardened parts as described in.
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