JP2020033636A - Component and manufacturing method therefor - Google Patents

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Abstract

To provide a component less in heat treatment strain and excellent in abrasion resistance and fatigue characteristic, and a manufacturing method therefor.SOLUTION: A component consists of a prescribed constituent, has a component composition with a Z value defined by the following (1) formula of 30 or more, in which a structure by depth of 100 μm from a surface of the component has volume percentage of retained austenite of 30% or less, the balance consists of one or both of martensite and bainite, a structure other than the nitrided part contains ferrite 5 to 60 area%, and one or both of martensite and bainite of 40 to 95 area% as total. Z=186-449C+38Si-8Mn-4 Ni+7Cu-29Cr+15Mo+165V+142Ti+368Al+4210B (1).SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は部品に関し、例えばトランスミッションに用いられるサンギヤ、リングギヤ、シャフトギヤ等や、CVT用プーリー、また、エンジンに用いられるクランクシャフト、タイミングギヤ、カムギヤ、カムシャフト、インジェクションノズル等の自動車部品、あるいは、例えば減速機用のギヤ類、各種シャフト類等の各種産業機器用部品として好適に用いることができる、熱処理歪が少なく、かつ耐摩耗性と疲労特性に優れた部品に関する。また、本発明は前記部品の製造方法に関する。   The present invention relates to parts, for example, sun gears, ring gears, shaft gears and the like used in transmissions, pulleys for CVT, and automobile parts such as crankshafts, timing gears, cam gears, camshafts, injection nozzles used in engines, or For example, the present invention relates to a component which can be suitably used as a component for various industrial devices such as gears for reduction gears and various shafts, has a small heat treatment distortion, and has excellent wear resistance and fatigue characteristics. The present invention also relates to a method for manufacturing the component.

自動車等に用いられている軸類、歯車類は、近年、省エネルギーのための車体軽量化に伴って小型化が要求される一方、エンジンの高出力化、電動化により負荷が増大していることから、耐久性の向上が求められている。一方、省力化の観点からは製造工程の省略が検討されており、熱処理後の歪取り等が省略可能なことも重要となっている。   In recent years, shafts and gears used in automobiles and the like have been required to be reduced in size in accordance with the weight reduction of the vehicle body for energy saving, but the load has been increased due to the increase in engine output and electrification. Therefore, improvement in durability is required. On the other hand, from the viewpoint of labor saving, omitting the manufacturing process is being studied, and it is also important that distortion removal after heat treatment can be omitted.

従来、高強度部材としては、JIS SCM420H、SNCM420H等の肌焼鋼を
成形し、浸炭焼入れ焼戻し処理を行って得られる部品が用いられてきた。また、熱処理後の歪が小さいことが求められる部品の製造には、軟窒化処理が用いられてきた。
Conventionally, as a high-strength member, a part obtained by forming case-hardened steel such as JIS SCM420H or SNCM420H and performing carburizing, quenching and tempering has been used. In addition, nitrocarburizing treatment has been used for the production of components that require a small distortion after heat treatment.

さらに近年では、浸窒焼入れ処理を採用して、強度と低歪を両立させた部品を製造することが検討されている。例えば、特許文献1〜3では、従来実施されている浸窒焼入れ方法に対して改良を加えることで、部品の硬度分布および組織を制御する方法が提案されている。また、特許文献4および8では、新たな浸窒焼入れ法としてプラズマを用いた浸窒焼入れが提案されている。   Furthermore, in recent years, it has been studied to adopt a nitriding and quenching process to produce a component that achieves both strength and low distortion. For example, Patent Literatures 1 to 3 propose a method of controlling the hardness distribution and the structure of a part by improving a conventionally practiced nitriding and quenching method. Patent Literatures 4 and 8 propose nitriding and quenching using plasma as a new method of nitriding and quenching.

特許文献5では、浸窒時における炉内雰囲気などを制御することにより、部品表層における窒素濃度をコントロールする方法が提案されている。また、特許文献6では、浸窒焼入れを適用したねじ部品が提案されている。   Patent Literature 5 proposes a method of controlling the nitrogen concentration in the surface layer of a component by controlling the atmosphere in a furnace during nitriding. Patent Document 6 proposes a screw component to which nitriding and quenching is applied.

特許文献7では、特定の成分組成を有する鋼材に対して浸窒焼入れを施す方法が提案されている。前記方法によれば、浸窒焼入れの時間が短くとも目的とする硬度分布を得ることができ、さらに表層の組織を制御する事で疲労強度が向上するとされている。   Patent Document 7 proposes a method of performing nitriding and quenching on steel having a specific component composition. According to the method, a target hardness distribution can be obtained even if the time of nitriding and quenching is short, and the fatigue strength is improved by controlling the structure of the surface layer.

特許文献9では限定した材料に浸炭浸窒焼入れ・焼き戻しを行い、熱処理歪を抑える事で疲労特性を向上させた歯車が提案されている。   Patent Literature 9 proposes a gear in which a limited material is carburized, quenched and tempered and tempered to suppress heat treatment distortion and thereby improve fatigue characteristics.

特開2009−270155号公報JP 2009-270155 A 特開2010−138460号公報JP 2010-138460 A 特開2010−229524号公報JP 2010-229524 A 特開2014−111821号公報JP 2014-111821 A 特開2015−025161号公報JP-A-2005-025161 特開2015−212559号公報JP 2015-212559 A 特許第5617747号公報Japanese Patent No. 5617747 特許第5944797号公報Japanese Patent No. 5944797 特許第5872863号公報Japanese Patent No. 5872863

しかし、特許文献1〜4および8では、浸窒焼入れ方法については改良が試みられているものの、素材としては従来と同様のものが用いられている。そのため、従来品よりも大きく特性が向上するとは言い難い。   However, in Patent Literatures 1 to 4 and 8, although an attempt is made to improve the nitriding and quenching method, the same material as in the related art is used. Therefore, it is hard to say that the characteristics are greatly improved as compared with the conventional product.

また、特許文献5および6で提案されている方法によれば部品の耐摩耗性をある程度向上させることができるものの、著しく向上するとまではいえない。また、前記方法では、その他の疲労特性を向上させることはできない。   Further, according to the methods proposed in Patent Literatures 5 and 6, although the wear resistance of components can be improved to some extent, it cannot be said that the wear resistance is significantly improved. In addition, the above method cannot improve other fatigue characteristics.

特許文献7で提案されている方法によれば、表層組織と硬度分布を制御することによって現状の必要強度を維持できるが、それ以上の疲労強度を得るには不十分である。   According to the method proposed in Patent Literature 7, the current required strength can be maintained by controlling the surface layer structure and the hardness distribution, but it is insufficient to obtain a higher fatigue strength.

特許文献9に提案されている浸炭浸窒処理では、焼入れ後の歪低減がある程度可能だが、熱処理温度が高いため、浸窒焼入れ材よりも低減しない。また、焼き戻し軟化抑制のために表層固溶窒素量を確保するには、浸炭をすれば炭素の侵入が邪魔をしてしまい、窒素を多く固溶させる事が出来ず、焼き戻し軟化抑制に効果が無い。   In the carburizing and nitriding treatment proposed in Patent Literature 9, the strain after quenching can be reduced to some extent, but because of the high heat treatment temperature, it is not reduced as compared with the quenched and quenched material. In addition, in order to secure the amount of nitrogen dissolved in the surface layer in order to suppress tempering softening, if carburization is performed, the intrusion of carbon is hindered, so that a large amount of nitrogen cannot be dissolved, so that tempering softening is suppressed. No effect.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、熱処理歪が少なく、かつ耐摩耗性と疲労特性に優れた部品およびその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a component having a small heat treatment distortion, and having excellent wear resistance and fatigue characteristics, and a method for manufacturing the same.

本発明者等は、上記課題の達成に向けて鋭意研究を重ねた結果、以下の知見を得た。   The present inventors have earnestly studied to achieve the above object, and have obtained the following findings.

(1)窒素は、鋼の素地中に固溶して強化する作用を有する元素である。したがって、窒素を含有させることによって鋼部品の疲労強度を向上させることができる。さらに、部品の素地中に固溶した窒素は、使用時に該部品が発熱した際に微細な窒化物を形成し、該窒化物が分散することにより素材を強化する。そのため、窒素を含有させることは、摩耗を伴う疲労に対する耐性を向上させる観点からも有効である。 (1) Nitrogen is an element having a function of strengthening by dissolving in a steel base. Therefore, by including nitrogen, the fatigue strength of the steel component can be improved. Further, the nitrogen dissolved in the base material of the component forms fine nitrides when the component generates heat during use, and the nitride is dispersed to strengthen the material. Therefore, the inclusion of nitrogen is effective from the viewpoint of improving the resistance to fatigue accompanied by wear.

(2)そのため、部品の耐摩耗性や疲労強度を向上させるためには浸窒焼入れ処理を行うことが有効であるが、浸窒焼入れ部品の疲労強度を向上させるためには、該部品の表面硬度を高めることと、硬化層の厚さを増加させることに加えて、非浸窒領域の硬度を高めることが必要である。したがって、疲労強度を高めるという観点からは、部品の表層だけでなく、内部(非浸窒領域)の組織をマルテンサイトまたはベイナイトとすることが望ましい。 (2) For this reason, it is effective to perform the quenching and quenching treatment in order to improve the wear resistance and the fatigue strength of the part. However, in order to improve the fatigue strength of the quenched and quenched part, the surface of the part is hardened. In addition to increasing the hardness and increasing the thickness of the hardened layer, it is necessary to increase the hardness in the non-nitrided region. Therefore, from the viewpoint of increasing the fatigue strength, it is desirable that not only the surface layer of the component but also the internal (non-nitrided region) structure be martensite or bainite.

(3)しかし、非浸窒領域の硬度を向上させると、焼入れした際の歪(熱処理歪)が大きくなる。前記熱処理歪は、焼入れ時にオーステナイトからマルテンサイトまたはベイナイトへ変態した際に発生する体積膨張に起因する。したがって、焼入れ時の膨張を抑制して熱処理歪を低減するためには、内部の組織を変態させないか、または変態量を減らす事が必要である。 (3) However, when the hardness in the non-nitriding region is improved, the distortion (heat treatment distortion) at the time of quenching increases. The heat treatment distortion is caused by volume expansion that occurs when austenite is transformed into martensite or bainite during quenching. Therefore, in order to suppress expansion during quenching and reduce heat treatment distortion, it is necessary not to transform the internal structure or to reduce the amount of transformation.

(4)以上のように、熱処理歪の低減と疲労強度の向上は相反する課題と言える。しかし、表層組織をマルテンサイトおよび/またはベイナイトとし、かつ内部組織をマルテンサイトおよび/またはベイナイトに加えてフェライトを含有する組織とすることにより、熱処理歪の低減と疲労強度の向上を両立させることができる。 (4) As described above, reduction of heat treatment strain and improvement of fatigue strength are contradictory issues. However, when the surface layer structure is martensite and / or bainite and the internal structure is a structure containing ferrite in addition to martensite and / or bainite, it is possible to achieve both a reduction in heat treatment strain and an improvement in fatigue strength. it can.

(5)鋼の成分組成が特定の条件を満たすよう厳密に制御することにより、浸窒焼入れ部品において、上記の表層組織および内部組織を実現することができる。 (5) By strictly controlling the component composition of the steel to satisfy specific conditions, the above-described surface layer structure and internal structure can be realized in the quenched and quenched part.

(6)加えて、内部硬度を高めるという観点からは、軟質な組織であるフェライトを強化することが必要であり、そのためにはフェライト中にSiを固溶させて強化することが有効である。また、Siは焼き戻しによる軟化を抑制する効果を有している。そのため、Siを所定量含有させることにより、部品の使用時に表層部が摩擦熱によって軟化することを防止し、耐摩耗性を向上させることができる。 (6) In addition, from the viewpoint of increasing the internal hardness, it is necessary to strengthen ferrite which is a soft structure, and for that purpose, it is effective to form a solid solution of Si in ferrite and strengthen it. Further, Si has an effect of suppressing softening due to tempering. Therefore, by containing a predetermined amount of Si, it is possible to prevent the surface layer portion from being softened by frictional heat during use of the component, and to improve wear resistance.

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨構成は、次のとおりである。   The present invention has been made based on the above findings, and the gist configuration thereof is as follows.

1.鋼からなり、表層に浸窒部を有する部品であって、
前記鋼が、質量%で、
C :0.08〜0.50%、
Si:0.80%超、1.80%以下
Mn:0.30〜2.50%、
P :0.100%以下、
S :0.100%以下、
Cr:0.05〜2.50%、
Al:0.005〜0.080%、および
N :0.0020〜0.0300%、
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ、下記(1)式で定義されるZ値が30以上である成分組成を有し、
前記部品の表面から100μmの深さまでの組織が、残留オーステナイトの体積率が30%以下であり、残部がマルテンサイトおよびベイナイトの一方または両方からなり、
前記浸窒部以外における組織が、フェライトを面積率で5〜60%、マルテンサイトおよびベイナイトの一方または両方を合計面積率で40〜95%含む、部品。

Z=186−449C+38Si−8Mn−4Ni+7Cu−29Cr+15Mo+165V+142Ti+368Al+4210B ・・・(1)
(ただし、(1)式における元素記号は、前記鋼中における各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合にはゼロとする)
1. A part made of steel and having a nitriding portion on a surface layer,
The steel, in mass%,
C: 0.08 to 0.50%,
Si: more than 0.80%, 1.80% or less Mn: 0.30 to 2.50%,
P: 0.100% or less,
S: 0.100% or less,
Cr: 0.05-2.50%,
Al: 0.005 to 0.080%, and N: 0.0020 to 0.0300%,
And a component composition comprising the balance of Fe and unavoidable impurities, and having a Z value defined by the following formula (1) of 30 or more,
The structure from the surface of the component to a depth of 100 µm has a volume fraction of retained austenite of 30% or less, and the balance consists of one or both of martensite and bainite;
A component in which the structure other than the nitrided portion contains ferrite in an area ratio of 5 to 60% and one or both of martensite and bainite in a total area ratio of 40 to 95%.
Z = 186-449C + 38Si-8Mn-4Ni + 7Cu-29Cr + 15Mo + 165V + 142Ti + 368Al + 4210B (1)
(However, the element symbol in the formula (1) indicates the content (% by mass) of each element in the steel, and is zero when not contained.)

2.前記成分組成が、質量%で、
Cu:0.50%以下、
Ni:2.0%以下、および
Sb:0.0050%以下からなる群より選択される1または2以上をさらに含有する、上記1に記載の部品。
2. The component composition is represented by mass%,
Cu: 0.50% or less,
2. The component according to the above 1, further comprising one or more selected from the group consisting of Ni: 2.0% or less and Sb: 0.0050% or less.

3.前記成分組成が、質量%で、
Mo:0.80%以下、
V :0.200%以下、
Ti:0.200%以下、および
B :0.0080%以下からなる群より選択される1または2以上をさらに含有する、上記1または2に記載の部品。
3. The component composition is represented by mass%,
Mo: 0.80% or less,
V: 0.200% or less,
The component according to 1 or 2, further containing one or more selected from the group consisting of Ti: 0.200% or less and B: 0.0080% or less.

4.上記1〜3のいずれか1つに記載の成分組成を有する鋼を加工して部品形状とした後、浸窒処理を施し、次いで焼入れを行う、部品の製造方法。 4. A method for producing a part, comprising: processing a steel having the component composition described in any one of the above items 1 to 3 to form a part, performing a nitriding treatment, and then quenching.

5.前記焼入れの後に、さらに150℃〜350℃の温度で焼戻しを行う、上記4に記載の部品の製造方法。 5. 5. The method for manufacturing a component according to the above item 4, wherein after the quenching, tempering is further performed at a temperature of 150C to 350C.

本発明によれば、熱処理歪が少なく、かつ耐摩耗性と疲労特性に優れた部品を得ることができる。本発明の部品は、自動車、産業機械等に好適に使用することができ、熱処理後の歪取りも不要であるため、産業上極めて有用である。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the heat treatment distortion is small and the component excellent in wear resistance and fatigue characteristics can be obtained. The component of the present invention can be suitably used for automobiles, industrial machines, and the like, and does not require distortion removal after heat treatment, and is therefore extremely useful in industry.

実施例において熱処理変形量の測定に用いた試験片の模式図である。It is a schematic diagram of the test piece used for the measurement of the heat processing deformation amount in an Example. 実施例において回転曲げ疲労試験に用いた試験片の模式図である。It is a schematic diagram of the test piece used for the rotating bending fatigue test in an Example. 実施例においてローラーピッチング試験に用いた試験片の模式図である。It is a schematic diagram of the test piece used for the roller pitching test in an Example. 実施例における浸窒焼入れ処理条件を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the nitriding-hardening process conditions in an Example. 実施例における浸炭浸窒焼入れ処理条件を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the carburizing and quenching and quenching processing conditions in an Example.

次に、本発明を実施する方法について具体的に説明する。なお、以下の説明は、本発明の好適な実施態様を示すものであり、本発明は以下の説明によって何ら限定されるものではない。   Next, a method for carrying out the present invention will be specifically described. The following description shows a preferred embodiment of the present invention, and the present invention is not limited by the following description.

本発明の一実施形態における部品は、鋼からなり、表面に浸窒部を有している。まず、前記鋼の成分組成について説明する。なお、以下の説明における「%」は、特に断らない限り「質量%」を表すものとする。   The component in one embodiment of the present invention is made of steel and has a nitrided portion on the surface. First, the composition of the steel will be described. In the following description, “%” means “% by mass” unless otherwise specified.

C:0.08〜0.50%
Cは強度確保のために必要な元素である。C含有量が0.08%未満では内部硬さが確保できず、耐曲げ応力が低下して疲労強度を確保できない。そのため、C含有量を0.08%以上とする。一方、C含有量が0.50%より多いと、表層の残留オーステナイトが過多となって表面硬度が低下するとともに、内部靭性が劣化して曲げ応力や面圧に対する耐久性が悪くなる。そのため、C含有量は0.50%以下とする。
C: 0.08 to 0.50%
C is an element necessary for securing the strength. When the C content is less than 0.08%, the internal hardness cannot be secured, the bending stress resistance is reduced, and the fatigue strength cannot be secured. Therefore, the C content is set to 0.08% or more. On the other hand, if the C content is more than 0.50%, the amount of retained austenite in the surface layer becomes excessive and the surface hardness is reduced, and the internal toughness is deteriorated, so that the durability against bending stress and surface pressure is deteriorated. Therefore, the C content is set to 0.50% or less.

Si:0.80%超、1.80%以下
Siは、脱酸作用に加えて、フェライト中に固溶して強化する作用を有する元素である。また、Siは、焼き戻し軟化抵抗を高めることにより、摩擦による軟化を抑制し、疲労強度を向上させる効果を有している。前記効果を得るために、Si含有量を0.80%超とする。一方、Si含有量が1.80%を超えると変態温度が上昇しすぎるために浸窒温度領域では表層まで二相組織のままとなり、窒素の侵入が遅くなってしまい、必要な硬化層が得られなくなる。そのため、Si含有量は1.80%以下とする。
Si: more than 0.80% and 1.80% or less Si is an element having a function of strengthening by solid solution in ferrite in addition to a deoxidizing function. Further, Si has the effect of suppressing the softening due to friction and increasing the fatigue strength by increasing the tempering softening resistance. In order to obtain the above effect, the Si content is set to more than 0.80%. On the other hand, if the Si content exceeds 1.80%, the transformation temperature rises too much, so that in the nitriding temperature region, a two-phase structure is maintained up to the surface layer, and the penetration of nitrogen is slowed down, and a necessary hardened layer is obtained. Can not be. Therefore, the Si content is set to 1.80% or less.

Mn:0.30〜2.50%
Mnは焼入れ性を高める元素である。焼入れ性を確保するために、Mn含有量を0.30%以上とする。一方、2.50%を超えて添加すると変態点が下がりすぎて、内部組織におけるマルテンサイトおよび/またはベイナイトが過剰となる。その結果、熱処理変形が大きくなりすぎる。そのため、Mn含有量を2.50%以下とする。Mn含有量は2.00%以下とすることが好ましい。
Mn: 0.30 to 2.50%
Mn is an element that enhances hardenability. In order to ensure hardenability, the Mn content is set to 0.30% or more. On the other hand, if added in excess of 2.50%, the transformation point is too low, and the martensite and / or bainite in the internal structure becomes excessive. As a result, the heat treatment deformation becomes too large. Therefore, the Mn content is set to 2.50% or less. The Mn content is preferably 2.00% or less.

P:0.100%以下
Pは、不可避不純物として鋼中に含まれる元素である。P含有量が0.100%を超えると、Pが粒界に偏析して粒界を脆化させ、その結果、疲労特性が悪化する。そのため、P含有量を0.100%以下とする。一方、P含有量の下限については限定されず、0%であってもよいが、P含有量を必要以上に低減することは、製造コストの観点から不利となるため、P含有量を0.005%以上とすることが好ましい。
P: 0.100% or less P is an element contained in steel as an inevitable impurity. If the P content exceeds 0.100%, P segregates at the grain boundaries, embrittles the grain boundaries, and as a result, fatigue properties deteriorate. Therefore, the P content is set to 0.100% or less. On the other hand, the lower limit of the P content is not limited, and may be 0%. However, if the P content is reduced more than necessary, it is disadvantageous from the viewpoint of manufacturing cost. It is preferably at least 005%.

S:0.100%以下
Sは、不可避的不純物として鋼中に含まれる元素であり、鋼中でMnと結合してMnSを形成する。S含有量が0.100%を超えると、MnS起点による疲労破壊が低強度で発生するため、疲労強度が悪化する。そのため、S含有量は0.100%以下とする。一方、S含有量の下限については限定されないが、前記MnSは被削性を向上させる作用を有しているため、前記作用を期待してMnSを形成させるためには、S含有量を0.003%以上とすることが好ましい。
S: 0.100% or less S is an element contained in steel as an inevitable impurity, and combines with Mn in steel to form MnS. If the S content exceeds 0.100%, the fatigue fracture due to the MnS starting point occurs at low strength, and the fatigue strength deteriorates. Therefore, the S content is set to 0.100% or less. On the other hand, the lower limit of the S content is not limited. However, since the MnS has an action of improving machinability, in order to form MnS with the expectation of the action, the S content is set to 0.1%. It is preferably set to 003% or more.

Cr:0.05〜2.50%
Crは、焼入れ性向上元素であるとともに、焼戻し軟化抵抗を高める元素である。両方の効果を発揮させるためには、Cr含有量を0.05%以上とする必要がある。一方、Cr含有量が2.50%を超えると、軟化抵抗を高める効果が飽和することに加え、焼入れ性が高くなりすぎるため内部の靭性が劣化し、疲労亀裂の進展が早くなって曲げ疲労強度が低下する。そのため、Cr含有量は2.50%以下とする。
Cr: 0.05-2.50%
Cr is an element that improves the hardenability and also increases the tempering softening resistance. In order to exert both effects, the Cr content needs to be 0.05% or more. On the other hand, if the Cr content exceeds 2.50%, the effect of increasing the softening resistance is saturated, and the hardenability becomes too high, so that the internal toughness is deteriorated, and the fatigue crack progresses rapidly, resulting in bending fatigue. Strength decreases. Therefore, the Cr content is set to 2.50% or less.

Al:0.005〜0.080%
Alは脱酸に有効な元素であり、その効果は0.005%以上の添加で発揮される。また、Alは、Nと結合してAlNを生成し、結晶粒の粗大化を抑える働きがある。そのため、Al含有量を0.005%以上とする。一方、Al含有量が0.080%を超えると、かえって粗大粒が発生し、疲労亀裂が進展し易くなって曲げ疲労強度が低下する。そのため、Al含有量は0.080%以下とする。
Al: 0.005 to 0.080%
Al is an element effective for deoxidation, and its effect is exhibited by adding 0.005% or more. Further, Al combines with N to generate AlN, and has a function of suppressing the coarsening of crystal grains. Therefore, the Al content is set to 0.005% or more. On the other hand, if the Al content exceeds 0.080%, coarse grains are rather generated, and fatigue cracks are more likely to develop, and the bending fatigue strength decreases. Therefore, the Al content is set to 0.080% or less.

N:0.0020〜0.0300%
Nは、Alと結合してAlNを生成し、結晶粒の粗大化を抑えて疲労強度を向上させる効果を有している。前記効果を得るに、N含有量を0.0020%以上とする。一方、N含有量が0.0300%を超えると、その効果が飽和するだけでなく、部品内部にブローホール等の欠陥を発生させ、曲げ疲労強度を低下させる。そのため、N含有量は0.0300%以下とする。
N: 0.0020 to 0.0300%
N combines with Al to form AlN, and has the effect of suppressing coarsening of crystal grains and improving fatigue strength. To obtain the above effect, the N content is set to 0.0020% or more. On the other hand, when the N content exceeds 0.0300%, not only the effect is saturated, but also defects such as blowholes are generated inside the component, and the bending fatigue strength is reduced. Therefore, the N content is set to 0.0300% or less.

本発明の一実施形態における鋼の成分組成は、上記元素と、残部のFe及び不可避不純物からなるものとすることができる。   In one embodiment of the present invention, the composition of the steel may be composed of the above elements, the balance of Fe and inevitable impurities.

また、本発明の他の実施形態においては、さらに鋼の特性を向上させるため、上記成分組成に加え、Cu、Ni、およびSbからなる群より選択される1または2以上を任意に含有することができる。   In another embodiment of the present invention, in order to further improve the properties of the steel, one or more selected from the group consisting of Cu, Ni, and Sb are arbitrarily contained in addition to the above component composition. Can be.

Cu:0.50%以下
Cuは鋼中に固溶して、鋼材の強度を高める効果を有する元素である。しかし、Cu含有量が0.50%を超えると、鋼材製造時に表面疵が発生して部品製造の際に表面欠陥が発生しやすくなり、また表面研削等を行なった後に部品製造をするとコスト増となる等、かえって不利益となる。そのため、Cuを含有させる場合、Cu含有量を0.50%以下とする。一方、Cu含有量の下限は特に限定されないが、Cuの添加効果を十分に得るという観点からためにはCu含有量を0.02%以上とすることが好ましい。また、Cuを添加する場合、表面疵の発生を抑制する効果の高いNiを同時に添加することが好ましい。
Cu: 0.50% or less Cu is an element that forms a solid solution in steel and has the effect of increasing the strength of a steel material. However, if the Cu content exceeds 0.50%, surface defects occur during the production of steel materials, and surface defects tend to occur during the production of parts. In addition, if parts are produced after surface grinding or the like, the cost increases. It is disadvantageous on the contrary. Therefore, when Cu is contained, the Cu content is set to 0.50% or less. On the other hand, the lower limit of the Cu content is not particularly limited, but is preferably 0.02% or more from the viewpoint of sufficiently obtaining the effect of adding Cu. In addition, when adding Cu, it is preferable to simultaneously add Ni having a high effect of suppressing the generation of surface flaws.

Ni:2.0%以下
Niは、鋼中に固溶して強度を高めると共に、焼入れ性を高くして表面の硬化層深さを深くする効果を有する元素である。しかし、Niは高価であり、過度の添加はコストの上昇を招くため、Ni含有量は2.0%以下とする。一方、Ni含有量の下限は特に限定されないが、Niの添加効果を十分に得るためにはNi含有量を0.02%以上とすることが好ましい。
Ni: 2.0% or less Ni is an element that has the effect of increasing the hardenability and increasing the depth of the hardened layer on the surface while increasing the strength by forming a solid solution in steel. However, Ni is expensive, and excessive addition causes an increase in cost. Therefore, the Ni content is set to 2.0% or less. On the other hand, the lower limit of the Ni content is not particularly limited, but it is preferable that the Ni content be 0.02% or more in order to sufficiently obtain the effect of adding Ni.

Sb:0.0050%以下
Sbは、鋼材の表面の脱炭を抑制して表面の硬度を確保する効果を有する元素である。しかし、0.0050%を超えて添加してもその効果は飽和してしまうため、Sb含有量は0.0050%以下とする。一方、Sb含有量の下限は特に限定されないが、Sbの添加効果を十分に得るためには、Sb含有量を0.0005%以上とすることが好ましい。
Sb: 0.0050% or less Sb is an element having an effect of suppressing decarburization of the surface of a steel material and securing hardness of the surface. However, even if added over 0.0050%, the effect is saturated, so the Sb content is set to 0.0050% or less. On the other hand, the lower limit of the Sb content is not particularly limited, but the Sb content is preferably 0.0005% or more in order to sufficiently obtain the effect of adding Sb.

また、本発明の他の実施形態においては、さらに鋼の特性を向上させるため、上記成分組成に加え、Mo、V、Ti、およびBからなる群より選択される1または2以上を任意に含有することができる。   In another embodiment of the present invention, in order to further improve the properties of steel, one or more selected from the group consisting of Mo, V, Ti, and B are arbitrarily contained in addition to the above component composition. can do.

Mo:0.80%以下
Moは、焼入れ性を向上させる効果を有する元素である。しかし、Mo含有量が0.80%を超えると、焼入れ性が高くなりすぎて焼割れが起こりやすくなり、また、Moは高価なためコストが増加する。そのため、Mo含有量は0.80%以下とする。一方、Mo含有量の下限は特に限定されないが、Moによる焼入れ性向上効果を十分に得るためには、Mo含有量を0.01%以上とすることが好ましい。
Mo: 0.80% or less Mo is an element having an effect of improving hardenability. However, when the Mo content exceeds 0.80%, the quenchability becomes too high and quenching cracks easily occur, and the cost increases because Mo is expensive. Therefore, the Mo content is set to 0.80% or less. On the other hand, the lower limit of the Mo content is not particularly limited. However, in order to sufficiently obtain the effect of improving the hardenability by Mo, the Mo content is preferably 0.01% or more.

V:0.200%以下
Vは、鋼の焼入性を向上させるとともにSi、Crと同じく焼戻し軟化抵抗を高める効果を有する元素である。また、Vは、炭窒化物を形成して結晶粒の粗大化を抑制する作用も有する。しかし、V含有量が0.200%を超えると上記の効果が飽和し、含有量を増加させるに見合う十分な効果は得られず、製造コストが上がるだけとなる。そのため、V含有量は0.200%以下とする。一方、V含有量の下限は特に限定されないが、前記効果を十分に得るためには、V含有量を0.030%以上とすることが好ましい。
V: 0.200% or less V is an element that has the effect of improving the hardenability of steel and increasing the temper softening resistance like Si and Cr. V also has the effect of forming carbonitrides and suppressing the coarsening of crystal grains. However, if the V content exceeds 0.200%, the above effect is saturated, and a sufficient effect corresponding to increasing the V content cannot be obtained, and only the manufacturing cost increases. Therefore, the V content is set to 0.200% or less. On the other hand, the lower limit of the V content is not particularly limited, but it is preferable that the V content be 0.030% or more in order to sufficiently obtain the above effects.

Ti:0.200%以下
Tiは、鋼中で微細Ti化合物を生成して、鍛造後の結晶粒を小さくして強度を高める効果を有する元素である。しかし、Ti含有量が0.200%を超えるとTi析出物が粗大化し、疲労破壊の起点となって寿命が低下するようになる。そのため、Ti含有量は、0.200%以下とする。一方、Ti含有量の下限は特に限定されないが、前記効果を十分に得るためには、Ti含有量を0.005%以上とすることが好ましい。
Ti: 0.200% or less Ti is an element having an effect of generating a fine Ti compound in steel to reduce crystal grains after forging to increase strength. However, if the Ti content exceeds 0.200%, the Ti precipitates become coarse and serve as starting points for fatigue failure, resulting in a shortened life. Therefore, the Ti content is set to 0.200% or less. On the other hand, the lower limit of the Ti content is not particularly limited, but it is preferable that the Ti content be 0.005% or more in order to sufficiently obtain the above effects.

B:0.0080%以下
Bは、鋼中に固溶して焼入れ性を上げる効果を有する元素である。しかし、B含有量が0.0080%を超えると、その添加効果が飽和するようため、B含有量は0.0080%以下とする。一方、B含有量の下限は特に限定されないが、前記効果を十分に得るためには、B含有量を0.0005%以上とすることが好ましい。
B: 0.0080% or less B is an element having the effect of increasing the hardenability by forming a solid solution in steel. However, if the B content exceeds 0.0080%, the effect of the addition is saturated, so the B content is set to 0.0080% or less. On the other hand, although the lower limit of the B content is not particularly limited, it is preferable that the B content be 0.0005% or more in order to sufficiently obtain the above effects.

[Z値]
さらに本発明においては、上記鋼の成分組成が、下記(1)式で定義されるZ値が30以上となる組成であることが必要である。
Z=186−449C+38Si−8Mn−4Ni+7Cu−29Cr+15Mo+165V+142Ti+368Al+4210B ・・・(1)
ただし、上記(1)式における元素記号は、前記鋼中における各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合にはゼロとする。
[Z value]
Furthermore, in the present invention, it is necessary that the component composition of the steel be a composition such that the Z value defined by the following formula (1) is 30 or more.
Z = 186-449C + 38Si-8Mn-4Ni + 7Cu-29Cr + 15Mo + 165V + 142Ti + 368Al + 4210B (1)
However, the element symbol in the above formula (1) represents the content (% by mass) of each element in the steel, and is zero when not contained.

鋼からなる部品を浸窒焼入れした後に、該部品の表層と内部の両者を後述する所定の組織とするためには、前記Z値が30以下であることが必要である。Z値が30未満であると、表層(浸窒部)および内部(非浸窒部)の少なくとも一方が、所期した組織とならず、その結果、熱処理歪の低減と、優れた耐摩耗性および疲労強度とを両立することができない。   The Z value must be 30 or less in order to make both the surface layer and the inside of the steel part have a predetermined structure described later after the steel part is nitrided and quenched. When the Z value is less than 30, at least one of the surface layer (nitrided portion) and the inner portion (non-nitrided portion) does not have a desired structure, and as a result, heat treatment distortion is reduced and excellent wear resistance is obtained. And fatigue strength cannot be compatible.

一方、Z値の上限は、(1)式に含まれる各元素の含有量の上限によって実質的に規定されているため、別途限定する必要は無いが、通常は339以下とすることができる。また、Z値は、300以下であってもよく、250以下であってもよく、160以下であってもよい。   On the other hand, since the upper limit of the Z value is substantially defined by the upper limit of the content of each element included in the formula (1), it is not necessary to separately limit it, but it can be usually 339 or less. Further, the Z value may be 300 or less, 250 or less, or 160 or less.

[ミクロ組織]
次に、本発明において、部品のミクロ組織(以下、単に「組織」という)を限定した理由を説明する。本発明の部品は、表層に浸窒部、すなわち、表面から窒素が侵入して内部よりも窒素含有量が高くなる領域を有し、浸窒部以外の内部部分は窒素が侵入していない非浸窒部となる。そこで、本発明では、浸窒部が形成される部品表層、具体的には、部品の表面から100μmの深さまでの領域と、前記浸窒部以外の領域の両者における組織を特定の範囲に制御する。
[Microstructure]
Next, the reason why the microstructure (hereinafter, simply referred to as “structure”) of a part is limited in the present invention will be described. The component of the present invention has a nitriding portion in the surface layer, that is, a region in which nitrogen enters from the surface and has a higher nitrogen content than the inside, and the inside portion other than the nitriding portion has no nitrogen therein. It becomes a nitriding part. Therefore, in the present invention, the structures in the surface layer of the part where the nitrided part is formed, specifically, both the region from the surface of the part to a depth of 100 μm and the region other than the nitrided part are controlled to a specific range. I do.

[表層組織]
部品の表面から100μmの深さまでの領域における組織(以下、単に「表層組織」という場合がある)を、残留オーステナイト(以下、「残留γ」ともいう)の体積率が30%以下であり、残部がマルテンサイトおよびベイナイトの一方または両方からなる組織とする。浸窒部は硬さを高くする必要があるため、表層組織は、ベイナイトおよび/またはマルテンサイトを主体とする。鋼組織中には残留オーステナイトが混入するが、この残留オーステナイトが30体積%を超えて残存すると硬度が低下するため、表層組織中の残留オーステナイトの体積率を30%以下とする。そして、表層組織の残部は、マルテンサイトおよびベイナイトの一方または両方である。なお、ここで表層組織における残留オーステナイトの体積率は、実施例に記載した方法で測定した値とする。
[Surface organization]
The structure in the region from the surface of the component to a depth of 100 μm (hereinafter, may be simply referred to as “surface structure”) has a volume fraction of retained austenite (hereinafter, also referred to as “residual γ”) of 30% or less, Is a structure composed of one or both of martensite and bainite. Since the nitrided portion needs to have a high hardness, the surface layer structure is mainly composed of bainite and / or martensite. Although retained austenite is mixed in the steel structure, if the residual austenite exceeds 30% by volume, the hardness decreases, so the volume fraction of the retained austenite in the surface layer structure is set to 30% or less. The remainder of the surface structure is one or both of martensite and bainite. Here, the volume ratio of retained austenite in the surface layer structure is a value measured by the method described in Examples.

なお、本発明の部品においては、浸窒処理に加えて浸炭処理を行うものではない。浸炭処理を行うと、表面から炭素が侵入して表層の炭素含有量は内部よりも高くなるが、表層炭素濃度の増加により、表層における窒素の固溶量が減少し、焼戻し軟化抵抗性が劣化する。よって、本発明の部品では浸炭処理は行われていないものとする。すなわち、本発明の部品における表層の浸窒部は、浸炭浸窒部を含むものではなく、よって表層の炭素含有量は内部部分と同等であることを必要とする。   Note that, in the component of the present invention, carburizing treatment is not performed in addition to nitriding treatment. When carburizing is performed, carbon penetrates from the surface and the carbon content of the surface layer becomes higher than that of the inside, but the increase in surface carbon concentration decreases the amount of nitrogen dissolved in the surface layer, deteriorating temper softening resistance. I do. Therefore, it is assumed that the parts of the present invention have not been carburized. That is, the nitriding portion of the surface layer in the component of the present invention does not include the carburizing and nitriding portion, and therefore, the carbon content of the surface layer needs to be equal to that of the inner portion.

本発明における部品は、その表面から少なくとも100μmの深さまでの領域が、上記表層組織を有している必要がある。上記表層組織を有している領域が表面から100μmに満たないと、部品表面の硬さが不足する。   In the component of the present invention, it is necessary that a region from the surface to a depth of at least 100 μm has the above surface structure. If the area having the surface layer structure is less than 100 μm from the surface, the hardness of the component surface is insufficient.

[非浸窒部組織]
前記浸窒部以外における組織(以下、非浸窒部組織という)は、フェライトを面積率で5〜60%、マルテンサイトおよびベイナイトの一方または両方を合計面積率で40〜95%含むものとする。浸窒焼入れ後の非浸窒部の組織中にフェライトを一定量存在させることにより、部品の変形を抑制し、熱処理歪を小さくする事ができる。前記効果を得るために、非浸窒部組織におけるフェライトの面積率を5%以上とする。一方、フェライト面積率が60%を超えると、部品内部の硬度が過度に低下し、その結果、十分な疲労強度を得ることができない。そのため、非浸窒部のフェライト面積率は60%以下とする。
[Non-nitrided tissue]
The structure other than the nitrided portion (hereinafter referred to as non-nitrided portion structure) contains ferrite in an area ratio of 5 to 60% and one or both of martensite and bainite in a total area ratio of 40 to 95%. By allowing a certain amount of ferrite to be present in the structure of the non-nitrided part after the quenching and quenching, the deformation of the part can be suppressed and the heat treatment distortion can be reduced. To obtain the above effect, the area ratio of ferrite in the non-nitrided portion structure is set to 5% or more. On the other hand, if the ferrite area ratio exceeds 60%, the hardness inside the part is excessively reduced, and as a result, it is not possible to obtain a sufficient fatigue strength. Therefore, the ferrite area ratio of the non-nitrided portion is set to 60% or less.

また、非浸窒部組織におけるフェライト以外の残部は、内部硬度を確保し、疲労強度を向上するという観点からは主としてマルテンサイトおよび/またはベイナイトとする。具体的には、マルテンサイトおよびベイナイトの一方または両方の合計面積率を40〜95%とする。   The remainder other than ferrite in the non-nitrided structure is mainly martensite and / or bainite from the viewpoint of securing internal hardness and improving fatigue strength. Specifically, the total area ratio of one or both of martensite and bainite is set to 40 to 95%.

非浸窒部には、フェライト、マルテンサイト、およびベイナイト以外の他の組織が含まれていてもよいが、非浸窒部の特性を確保するという観点から、前記他の組織の面積率は10%以下とすることが好ましく、5%以下とすることがより好ましく、0%であることがさらに好ましい。前記他の組織としては、例えば、セメンタイトやパーライトが挙げられる。なお、本発明で規定するフェライトの面積率には、パーライト組織中に含まれる薄い板状のフェライトは含めないものとする。また、ここで非浸窒部は、実施例に記載した方法で特定される領域を指すものとする。   The non-nitrided portion may contain other structures other than ferrite, martensite, and bainite, but from the viewpoint of securing the characteristics of the non-nitrided portion, the area ratio of the other structure is 10%. %, Preferably 5% or less, more preferably 0%. Examples of the other structure include cementite and pearlite. It should be noted that the area ratio of ferrite specified in the present invention does not include thin plate-like ferrite contained in the pearlite structure. Here, the non-nitrided portion indicates a region specified by the method described in the embodiment.

[製造方法]
本発明の一実施形態においては、上述した成分組成を有する鋼を加工して部品形状とした後、浸窒処理を施し、次いで焼入れを行うことによって、上記条件を満たす部品を製造することができる。以下、好適な製造方法について説明する。
[Production method]
In one embodiment of the present invention, a part satisfying the above conditions can be manufactured by processing a steel having the above-described component composition into a part shape, performing a nitriding treatment, and then performing quenching. . Hereinafter, a preferred manufacturing method will be described.

[加工]
上記加工は、特に限定されることなく、鋼を加工することができる方法であれば任意の方法で行うことができる。前記加工方法としては、機械加工および鍛造の一方または両方を好適に用いることができる。例えば、鍛造を行った後、さらに機械加工を行って部品形状とすることができる。前記鍛造としては、熱間鍛造、温間鍛造、および冷間鍛造のいずれをも用いることができ、複数を組み合わせて用いることもできる。前記熱間鍛造は、1100〜1250℃の温度に加熱した後に行うことが好ましい。また、前記温間鍛造は、400〜950℃で行うことが好ましい。
[processing]
The above processing is not particularly limited and can be performed by any method as long as it can process steel. As the processing method, one or both of mechanical processing and forging can be suitably used. For example, after forging is performed, machining may be further performed to obtain a part shape. As the forging, any of hot forging, warm forging, and cold forging can be used, and a plurality of forgings can be used in combination. The hot forging is preferably performed after heating to a temperature of 1100 to 1250 ° C. Further, the warm forging is preferably performed at 400 to 950 ° C.

[浸窒処理]
次いで、部品形状に加工された部材に対して浸窒処理を施す。浸窒処理の方法は特に限定されず、任意の方法とすることができ、例えば、常法に従って行えばよい。浸窒処理温度は、特に限定されないが、680〜850℃とすることが好ましい。浸窒時の温度並びに炉内雰囲気コントロールについても限定されないが、例えば、部品表面における化合物層の生成を防止するために、窒素ポテンシャルを制御することが好ましい。具体的には、常法に従って、水素センサーを使用して炉内雰囲気を監視するとともに、アンモニア流量コントロールを行い、窒素ポテンシャルを調整することが好ましい。尚、浸窒処理を850℃を超える温度で行ったり、浸窒処理後に850℃超の温度に加熱したりすると、後続する焼入れ処理後に非浸窒処理部組織におけるマルテンサイトまたはベイナイト組織の生成量が多くなり、所望の非浸窒部組織、すなわちフェライト面積率5%以上の組織を得られず、部品の変形を抑えることができなくなる。
[Nitriding treatment]
Next, the member processed into the component shape is subjected to a nitriding treatment. The method of the nitriding treatment is not particularly limited, and may be any method. For example, it may be performed according to a conventional method. The nitriding temperature is not particularly limited, but is preferably 680 to 850 ° C. The temperature at the time of nitriding and the control of the furnace atmosphere are not limited. For example, it is preferable to control the nitrogen potential in order to prevent the formation of a compound layer on the component surface. Specifically, it is preferable to monitor the atmosphere in the furnace using a hydrogen sensor and control the flow rate of ammonia to adjust the nitrogen potential according to a conventional method. When the nitriding treatment is performed at a temperature exceeding 850 ° C., or when the temperature is increased to a temperature exceeding 850 ° C. after the nitriding treatment, the formation amount of martensite or bainite in the non-nitriding treated portion after the subsequent quenching treatment is increased. And a desired non-nitrided portion structure, that is, a structure having a ferrite area ratio of 5% or more, cannot be obtained, and deformation of parts cannot be suppressed.

[焼入れ]
浸窒処理を施した後、浸窒処理温度から部品を焼入れする。焼入れの方法は特に限定されず、油焼入れや水焼入れなど、任意の方法で行うことができる。油焼入れの場合、油の温度は60〜130℃とすることが好ましい。
[Quenching]
After the nitriding treatment, the parts are quenched from the nitriding temperature. The method of quenching is not particularly limited, and any method such as oil quenching or water quenching can be used. In the case of oil quenching, the temperature of the oil is preferably set to 60 to 130 ° C.

[焼き戻し]
焼入れ後、さらに焼き戻しを行うことが好ましい。前記焼き戻しにおける焼き戻し温度は150〜350℃とすることが好ましい。
[Tempering]
After quenching, it is preferable to further perform tempering. The tempering temperature in the tempering is preferably 150 to 350 ° C.

[後処理]
以上の工程で製造された部品に対して、さらに耐久性の向上などを目的として、高周波焼入れ焼き戻し、ピーニング処理、めっき処理、コーティング処理など、各種の後処理を、1種または2種以上組み合わせて行うことができる。前記ピーニング処理としては、例えば、ショットピーニングなどを用いることができる。前記めっき処理としては、例えば、電気めっきなどを用いることができる。また、前記コーティング処理としては、物理気相成長法(PVD)や化学気相成長法(CVD)などによるコーティング処理など、任意の方法を用いることができる。前記コーティングとしては、例えば、ダイヤモンドライクカーボンなどを用いることが好ましい。
[Post-processing]
One or more post-treatments such as induction quenching and tempering, peening, plating, and coating are combined with the components manufactured in the above process for the purpose of further improving durability. Can be done. As the peening process, for example, shot peening can be used. As the plating treatment, for example, electroplating can be used. Further, as the coating treatment, any method such as a coating treatment by physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD) can be used. As the coating, for example, diamond-like carbon is preferably used.

以下の手順で浸窒焼入れ部品を製造し、その特性を評価した。   Nitric quenched parts were manufactured according to the following procedure, and the characteristics were evaluated.

・試験片の作製
まず、表1、2に示す成分組成を有する鋼のインゴッドを溶製し、次いで熱間圧延して直径70mmの丸棒鋼とした。前記丸棒鋼に対して焼準処理を施した後、該丸棒鋼から、熱処理変形量測定試験片、回転曲げ疲労試験片、およびローラーピッチング疲労試験片を作製した。前記熱処理変形量測定試験片としては、図1に示すCリング形状(外径:60mm、内径34.8mm、厚さ:12mm、開口部間隔:6mm)の試験片を用いた。前記回転曲げ疲労試験片としては、図2に示す形状の、平行部直径9.6mmの試験片を用いた。前記回転曲げ疲労試験片の平行部には、該平行部と直角方向における深さ0.8mmの切り欠きを、全周に渡って設けた。前記ローラーピッチング疲労試験片としては、図3に示す形状の、直径:26mmの試験片を用いた。
Preparation of Test Piece First, a steel ingot having the component composition shown in Tables 1 and 2 was melted and then hot-rolled into a round bar steel having a diameter of 70 mm. After normalizing the round steel bars, heat treatment deformation measurement specimens, rotating bending fatigue specimens, and roller pitting fatigue specimens were prepared from the round steel bars. As the test piece for measuring the amount of deformation of the heat treatment, a C-shaped test piece (outer diameter: 60 mm, inner diameter: 34.8 mm, thickness: 12 mm, opening interval: 6 mm) shown in FIG. 1 was used. As the rotating bending fatigue test piece, a test piece having a parallel part diameter of 9.6 mm having a shape shown in FIG. 2 was used. A notch with a depth of 0.8 mm in a direction perpendicular to the parallel portion was provided in the parallel portion of the rotating bending fatigue test piece over the entire circumference. As the roller pitting fatigue test piece, a test piece having a shape shown in FIG. 3 and having a diameter of 26 mm was used.

・浸窒焼入れ、浸炭浸窒焼入れ
次に、表2中のNo.40,41以外の得られた各試験片に対して、浸窒処理と、焼入れを施した。処理条件を図4に示す。具体的には、各試験片を800℃まで昇温し、窒素雰囲気中で30分間均熱後、炉内にアンモニアを供給して800℃で300分間浸窒処理を施した。その後、60℃の油を用いて焼入れを行った。No.40の試験片については浸炭浸窒焼入れを実施した。条件は図5に示す。具体的には浸炭、拡散処理を930℃で3時間行い、その後に850℃まで30分で冷却した後、850℃で30分保持した。930℃より降温する時点から焼入れるまでの間、アンモニアを炉内に流入する事で浸窒を実施した。その後、60℃の油に焼入れを行った。No.41の試験片については、浸窒処理温度を900℃として、800℃で浸窒処理を実施したほかの材料の浸窒処理と同様に300分の浸窒処理を施した後、60℃の油に焼入れを行った。
・ Carburizing and quenching and quenching Each of the obtained test pieces other than 40 and 41 was subjected to nitriding treatment and quenching. FIG. 4 shows the processing conditions. Specifically, each test piece was heated to 800 ° C., soaked in a nitrogen atmosphere for 30 minutes, and then supplied with ammonia in a furnace and subjected to a nitriding treatment at 800 ° C. for 300 minutes. Thereafter, quenching was performed using oil at 60 ° C. No. Carburizing and quenching and quenching were performed on 40 test pieces. The conditions are shown in FIG. Specifically, carburizing and diffusion treatments were performed at 930 ° C. for 3 hours, then cooled to 850 ° C. in 30 minutes, and then kept at 850 ° C. for 30 minutes. From the time when the temperature was lowered from 930 ° C. to the time of quenching, nitriding was performed by flowing ammonia into the furnace. Then, it was quenched in oil at 60 ° C. No. The test piece No. 41 was subjected to a nitriding treatment at a temperature of 900 ° C., a nitriding treatment at 800 ° C. for 300 minutes in the same manner as the nitriding treatment of other materials, and then an oil at 60 ° C. Was quenched.

・焼き戻し
一部の試験片については、上記焼入れ後、さらに、150℃で2時間保持後に空冷する焼き戻しを行った。
Tempering About some test pieces, after the above-mentioned quenching, tempering was further performed by holding at 150 ° C. for 2 hours and then air-cooling.

以上のようにして得たローラーピッチング疲労試験片のそれぞれについて、以下の手順で表層組織、非浸窒部組織、表面硬度、有効硬化層深さ、内部硬度、および浸窒部旧オーステナイト粒度を測定した。   For each of the roller pitting fatigue test pieces obtained as described above, the surface layer structure, the non-nitrided portion structure, the surface hardness, the effective hardened layer depth, the internal hardness, and the nitrified portion old austenite particle size were measured by the following procedure. did.

(表層組織)
表層部より深さ方向に電解研磨を行い、X線を用いて0μm、25μm、50μm、75μm、および100μm深さ位置のそれぞれにおける残留オーステナイトの体積率を測定し、その最大値を表層組織における残留オーステナイトの体積率とした。また、ナイタールエッチング後に光学顕微鏡にて組織観察を行い、パーライトおよびセメンタイトの有無を確認した。
(Surface organization)
Electropolishing is performed in the depth direction from the surface layer portion, and the volume ratio of retained austenite at each of the 0 μm, 25 μm, 50 μm, 75 μm, and 100 μm depth positions is measured using X-rays, and the maximum value is determined as the residual volume in the surface layer structure. The volume fraction of austenite was used. After the nital etching, the structure was observed with an optical microscope to confirm the presence or absence of pearlite and cementite.

(非浸窒部組織)
まず、非浸窒部を特定するために、浸窒した試験片の断面を研磨し、電子線マイクロアナライザにて前記断面における深さ方向の窒素濃度分布を調査した。前記調査の結果、窒素が侵入しておらず、窒素濃度が一定である部分である非浸窒部の深さ方向位置を特定した。その後、前記非浸窒部をナイタールでエッチングした後、光学顕微鏡を用いて倍率100倍で20視野観察した。その際、フェライト以外の主要組織がマルテンサイトおよび/またはベイナイトであるか否かを確認した。得られた画像に二値化処理を施し、全体の面積に対する白い部分の面積の割合を求め、20視野での平均値をフェライトの面積率とした。また、走査電子顕微鏡による組織観察を行い、セメンタイトおよびパーライトの有無を確認した。
(Non-nitrided tissue)
First, in order to identify a non-nitrided portion, a cross section of a test piece which was nitrided was polished, and a nitrogen concentration distribution in the depth direction in the cross section was examined with an electron beam microanalyzer. As a result of the investigation, the position in the depth direction of the non-nitrided portion, which is the portion where nitrogen has not entered and the nitrogen concentration is constant, was specified. Then, after etching the non-nitrided portion with nital, 20 visual fields were observed at 100 times magnification using an optical microscope. At that time, it was confirmed whether the main structure other than ferrite was martensite and / or bainite. The obtained image was subjected to a binarization process, the ratio of the area of the white portion to the entire area was determined, and the average value in 20 visual fields was defined as the area ratio of ferrite. The structure was observed with a scanning electron microscope to confirm the presence or absence of cementite and pearlite.

(表面硬度)
試験片の表面から深さ0.05mmの位置でのマイクロビッカース硬さを、荷重2.94Nにて5点測定し、その平均値を表面硬度とした。
(surface hardness)
The micro Vickers hardness at a depth of 0.05 mm from the surface of the test piece was measured at five points under a load of 2.94 N, and the average value was defined as the surface hardness.

(有効硬化層深さ)
マイクロビッカース硬度計により、試験片断面の硬さを該試験片の表面から深さ方向に50μm間隔で、荷重2.94Nにて測定し、深さ方向における硬度分布曲線を求めた。前記硬度分布曲線において硬さが513HVとなる深さを有効硬化層深さとして求めた。
(Effective hardened layer depth)
The hardness of the cross section of the test piece was measured from the surface of the test piece at 50 μm intervals in the depth direction at a load of 2.94 N using a micro Vickers hardness meter, and a hardness distribution curve in the depth direction was obtained. The depth at which the hardness was 513 HV in the hardness distribution curve was determined as the effective hardened layer depth.

(内部硬度)
非浸窒部組織を観察した位置と同じ位置におけるマイクロビッカース硬さを、荷重2.94Nにて5点測定し、その平均値を内部硬度とした。
(Internal hardness)
The micro Vickers hardness at the same position where the non-nitrided tissue was observed was measured at five points under a load of 2.94 N, and the average value was taken as the internal hardness.

(浸窒部旧オーステナイト粒度)
浸窒部における旧オーステナイト粒度(浸窒部旧γ粒度)は、試験片の断面において、該試験片の表面から深さ方向に50μmの位置で調査した。
(Former austenite grain size in the nitrided part)
The prior austenite grain size in the nitrided part (former γ grain size in the nitrided part) was measured at a position of 50 μm in the depth direction from the surface of the test piece in the cross section of the test piece.

さらに、各試験片を用いて、熱処理変形量測定、回転曲げ疲労試験、およびローラーピッチング疲労試験を行った。具体的な試験条件は以下のとおりとした。   Further, using each test piece, a heat treatment deformation amount measurement, a rotational bending fatigue test, and a roller pitting fatigue test were performed. Specific test conditions were as follows.

(熱処理変形量測定)
得られた熱処理変形量測定試験片を用い、浸窒焼入れ前後での開口部の開き量の変化率の絶対値を熱処理変形量とした。開き量の測定は、開口部を幅方向に4等分した境界の3箇所における開き量をマイクロメータで測定し、その平均値を用いた。
(Measurement of heat treatment deformation)
Using the obtained heat treatment deformation amount measurement test piece, the absolute value of the rate of change of the opening amount of the opening before and after nitrocarburizing was defined as the heat treatment deformation amount. The opening amount was measured by using a micrometer to measure the opening amount at three locations on the boundary where the opening was divided into four equal parts in the width direction, and the average value was used.

(回転曲げ疲労試験)
得られた回転曲げ疲労試験片を用い、試験温度:20℃にて回転曲げ疲労試験を実施した。前記試験は、島津製作所製小野式回転曲げ疲労試験機を用い、試験温度20℃、回転数3000rpmにて、試験応力を10MPa刻みで負荷して行った。前記試験において、1千万回回転させても破断しなかった応力を回転曲げ疲労試験における疲労強度とした。
(Rotating bending fatigue test)
Using the obtained rotating bending fatigue test piece, a rotating bending fatigue test was performed at a test temperature of 20 ° C. The test was performed using an Ono-type rotary bending fatigue tester manufactured by Shimadzu Corporation at a test temperature of 20 ° C. and a rotation speed of 3000 rpm while applying a test stress in increments of 10 MPa. In the above test, the stress that did not break even after rotating 10 million times was defined as the fatigue strength in the rotating bending fatigue test.

(ローラーピッチング疲労試験)
得られたローラーピッチング疲労試験片を用いて、ローラーピッチング疲労試験を行った。前記試験には、ニッコークリエート製RP−201型試験機を使用した。従動側ローラーとしては、鋼種SUJ2の調質材を使用し、潤滑油としては80℃のトランスミッション用オイルを用いた。試験条件は、すべり率:40%、回転数:1500rpmとした。上記条件で、面圧を変化させて破損までの繰り返し数を調べ、繰り返し数1千万回で破損しない最大面圧をローラーピッチング疲労試験における疲労強度とした。
(Roller pitting fatigue test)
A roller pitting fatigue test was performed using the obtained roller pitting fatigue test piece. For the test, a RP-201 type tester manufactured by Nikko Create was used. A tempered material of steel grade SUJ2 was used as the driven roller, and a transmission oil at 80 ° C. was used as the lubricating oil. The test conditions were a slip ratio of 40% and a rotation speed of 1500 rpm. Under the above conditions, the number of repetitions up to breakage was examined by changing the surface pressure, and the maximum surface pressure that did not break after 10 million repetitions was defined as the fatigue strength in the roller pitting fatigue test.

また、大ローラー側のクラウニング量を150mmRとし、面圧2000MPaで10万回まで回転させ、試験片の接触面の横断面の磨耗曲線を採取して、試験前表面に対する磨耗最大深さを求めた。   Further, the crowning amount on the side of the large roller was set to 150 mmR, the surface was rotated up to 100,000 times at a surface pressure of 2000 MPa, and the wear curve of the cross section of the contact surface of the test piece was collected to determine the maximum wear depth for the surface before the test. .

測定結果を表3、4に示す。この結果から分かるように、本発明の条件を満たす実施例は、熱処理による変形が抑制されているとともに、耐摩耗性と疲労特性に優れていた。これに対し、本発明の条件を満たさない比較例では、熱処理変形量、耐摩耗性、および疲労特性の少なくとも一つが劣っていた。なお、No.42では、ローラーピッチング試験は疲労強度が2000MPa以下であるため中止とした。また、No.54では焼入れ性が高すぎるために焼割れが発生した。そのため、熱処理変形量測定と疲労試験は中止となった。また、浸炭浸窒焼入れを実施したNo.40については、表層に浸炭浸窒部が形成されており、単なる浸窒部(窒素のみを浸入させた層)が形成されていないため、耐摩耗性、疲労特性が劣っていた。本発明の好適温度範囲より高い温度で浸窒処理を行ったNo.41は、所望の非浸窒部組織が得られておらず、そのために熱処理変形量が増大し、ローラーピッチング試験の際にも面圧が安定せず疲労強度が低下した。   Tables 3 and 4 show the measurement results. As can be seen from the results, the examples satisfying the conditions of the present invention suppressed deformation due to heat treatment and were excellent in wear resistance and fatigue properties. On the other hand, in Comparative Examples not satisfying the conditions of the present invention, at least one of the heat treatment deformation, the wear resistance, and the fatigue properties was inferior. In addition, No. In No. 42, the roller pitting test was stopped because the fatigue strength was 2000 MPa or less. In addition, No. In No. 54, quenching cracking occurred because the hardenability was too high. Therefore, the heat treatment deformation measurement and the fatigue test were discontinued. In addition, No. 1 in which carburizing and quenching was performed. As for No. 40, the carburized carbonitrid portion was formed in the surface layer and the mere nitriding portion (the layer into which only nitrogen was infiltrated) was not formed, so that the abrasion resistance and the fatigue characteristics were inferior. No. 1 which was subjected to the nitriding treatment at a temperature higher than the preferred temperature range of the present invention. In No. 41, a desired non-nitrided portion structure was not obtained, so that the amount of heat treatment deformation increased, and the surface pressure was not stable even during the roller pitting test, resulting in a decrease in fatigue strength.

Claims (5)

鋼からなり、表層に浸窒部を有する部品であって、
前記鋼が、質量%で、
C :0.08〜0.50%、
Si:0.80%超、1.80%以下
Mn:0.30〜2.50%、
P :0.100%以下、
S :0.100%以下、
Cr:0.05〜2.50%、
Al:0.005〜0.080%、および
N :0.0020〜0.0300%、
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ、下記(1)式で定義されるZ値が30以上である成分組成を有し、
前記部品の表面から100μmの深さまでの組織が、残留オーステナイトの体積率が30%以下であり、残部がマルテンサイトおよびベイナイトの一方または両方からなり、
前記浸窒部以外における組織が、フェライトを面積率で5〜60%、マルテンサイトおよびベイナイトの一方または両方を合計面積率で40〜95%含む、部品。

Z=186−449C+38Si−8Mn−4Ni+7Cu−29Cr+15Mo+165V+142Ti+368Al+4210B ・・・(1)
(ただし、(1)式における元素記号は、前記鋼中における各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合にはゼロとする)
A part made of steel and having a nitriding portion on a surface layer,
The steel, in mass%,
C: 0.08 to 0.50%,
Si: more than 0.80%, 1.80% or less Mn: 0.30 to 2.50%,
P: 0.100% or less,
S: 0.100% or less,
Cr: 0.05-2.50%,
Al: 0.005 to 0.080%, and N: 0.0020 to 0.0300%,
And a component composition comprising the balance of Fe and unavoidable impurities, and having a Z value defined by the following formula (1) of 30 or more,
The structure from the surface of the component to a depth of 100 µm has a volume fraction of retained austenite of 30% or less, and the balance consists of one or both of martensite and bainite;
A component in which the structure other than the nitrided portion contains ferrite in an area ratio of 5 to 60% and one or both of martensite and bainite in a total area ratio of 40 to 95%.
Z = 186-449C + 38Si-8Mn-4Ni + 7Cu-29Cr + 15Mo + 165V + 142Ti + 368Al + 4210B (1)
(However, the element symbol in the formula (1) indicates the content (% by mass) of each element in the steel, and is zero when not contained.)
前記成分組成が、質量%で、
Cu:0.50%以下、
Ni:2.0%以下、および
Sb:0.0050%以下からなる群より選択される1または2以上をさらに含有する、請求項1に記載の部品。
The component composition is represented by mass%,
Cu: 0.50% or less,
The component according to claim 1, further comprising one or more selected from the group consisting of Ni: 2.0% or less and Sb: 0.0050% or less.
前記成分組成が、質量%で、
Mo:0.80%以下、
V :0.200%以下、
Ti:0.200%以下、および
B :0.0080%以下からなる群より選択される1または2以上をさらに含有する、請求項1または2に記載の部品。
The component composition is represented by mass%,
Mo: 0.80% or less,
V: 0.200% or less,
3. The component according to claim 1, further comprising one or more selected from the group consisting of Ti: 0.200% or less, and B: 0.0080% or less. 4.
請求項1〜3のいずれか一項に記載の成分組成を有する鋼を加工して部品形状とした後、浸窒処理を施し、次いで焼入れを行う、部品の製造方法。   A method for producing a part, comprising: after processing a steel having the component composition according to any one of claims 1 to 3 into a part shape, performing a nitriding treatment and then quenching. 前記焼入れの後に、さらに150℃〜350℃の温度で焼戻しを行う、請求項4に記載の部品の製造方法。   The method for manufacturing a component according to claim 4, wherein after the quenching, tempering is further performed at a temperature of 150C to 350C.
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