JP2020041186A - Case hardened steel for gas carburization, and gas carburization - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、自動車部品の素材として好適に用いられるガス浸炭用肌焼鋼及びガス浸炭部品に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a case hardening steel for gas carburizing and a gas carburizing part which are suitably used as a material for an automobile part.
自動車の部品として用いられるギヤやシャフトといった部品では、表面の強度および内部の靭性を確保するため、ガス浸炭処理が用いられている。 In parts such as gears and shafts used as automobile parts, gas carburizing is used in order to secure surface strength and internal toughness.
ガス浸炭処理では、結晶粒界近傍に固溶するＣｒ，Ｍｎ，Ｓｉ等と、浸炭雰囲気中に含まれる酸素が結びついて、鋼表層に粒界酸化層が生成される。このとき粒界酸化層の周りには、Ｃｒ，Ｍｎ，Ｓｉ等の濃度が低く、焼入れ性の低下した領域が生じる。そして、この領域では、ガス浸炭焼入れ時、マルテンサイトとは異なる不完全焼入層が生成される。この不完全焼入層の存在は、浸炭部品の曲げ疲労強度を低下させる要因のひとつとされ、不完全焼入層深さの低減が指向されていた。 In the gas carburizing treatment, Cr, Mn, Si, etc., which form a solid solution in the vicinity of the crystal grain boundaries, are combined with oxygen contained in the carburizing atmosphere to form a grain boundary oxide layer on the steel surface layer. At this time, a region where the concentration of Cr, Mn, Si and the like is low and hardenability is reduced is generated around the grain boundary oxide layer. In this region, an incomplete quenched layer different from martensite is generated during gas carburizing and quenching. The existence of the incompletely quenched layer is considered to be one of the factors for reducing the bending fatigue strength of the carburized part, and the reduction of the depth of the incompletely quenched layer has been aimed at.
従来、不完全焼入層深さの低減には、「Ｓｉ量低減（による粒界酸化層の低減）」、および「Ｎｉ，Ｍｏ増量（による表層の焼入れ性向上）」が有効とされており、これらを施行したガス浸炭用高強度鋼が種々提案されている（例えば下記特許文献１〜４参照）。これらガス浸炭用高強度鋼からなるガス浸炭部品は、ＳＣＲ，ＳＣＭといった浸炭用スタンダード鋼からなるガス浸炭部品と比べ、高い曲げ疲労強度が得られる。 Conventionally, "reduction of Si content (reduction of grain boundary oxide layer)" and "increase of Ni, Mo (improvement of hardenability of surface layer)" have been considered effective for reducing the depth of incompletely quenched layer. There have been proposed various high-strength steels for gas carburization in which these are implemented (for example, see Patent Documents 1 to 4 below). Gas carburized parts made of these high-strength steels for gas carburization have higher bending fatigue strength than gas carburized parts made of standard steels for carburization such as SCR and SCM.
しかしながら、Ｓｉ量低減は、鋼材の被削性低下を招くため加工コストが高くなり、またＮｉ，Ｍｏ増量は、鋼材コストを上昇させる。このように従来公知のガス浸炭用高強度鋼では、製造コストが上昇してしまう問題があり、ガス浸炭用高強度鋼の普及の妨げとなっていた。 However, a reduction in the amount of Si causes a reduction in the machinability of the steel material, resulting in an increase in the processing cost, and an increase in the amount of Ni and Mo increases the cost of the steel material. As described above, the conventionally known high-strength steel for gas carburization has a problem that the production cost is increased, and this has hindered the spread of the high-strength steel for gas carburization.
本発明は以上のような事情を背景とし、製造コストの上昇を抑えつつ、ガス浸炭焼入れ時に生成される不完全焼入層深さを低減して浸炭部品の疲労強度を高めることが可能なガス浸炭用肌焼鋼及びこれを用いたガス浸炭部品を提供することを目的としてなされたものである。 In view of the above circumstances, the present invention is a gas capable of increasing the fatigue strength of a carburized part by reducing the depth of an incompletely quenched layer generated during gas carburizing and quenching while suppressing an increase in manufacturing cost. An object of the present invention is to provide a case hardening steel for carburizing and a gas carburizing part using the same.
而して本発明の請求項１は、「ガス浸炭用肌焼鋼」に関するもので、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％，Ｓｉ：０．０１〜１．５０％以下，Ｍｎ：０．３０〜２．００％，Ｐ：０．０３％以下，Ｓ：０．０５％以下，Ｃｕ：０．０１〜１．００％，Ｎｉ：０．０１〜３．００％，Ｃｒ：０．０１〜３．００％，Ｍｏ：０．０１〜２．００％，Ａｌ：０．１０〜２．００％，Ｎ：０．０５０％，Ｏ：０．００１５％以下，残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、且つ下記式（１）を満たすことを特徴とする。
Ｆ１≧０．１・・式(１) 但し、Ｆ１＝[Al]-1.9[Ｎ]-1.1[Ｏ]
（Ｆ１の式中[ ]は、[ ]内元素の含有質量％を表す）
Claim 1 of the present invention relates to "case-hardening steel for gas carburizing", wherein, by mass%, C: 0.10 to 0.30%, Si: 0.01 to 1.50%, Mn: 0.30 to 2.00%, P: 0.03% or less, S: 0.05% or less, Cu: 0.01 to 1.00%, Ni: 0.01 to 3.00%, Cr : 0.01 to 3.00%, Mo: 0.01 to 2.00%, Al: 0.10 to 2.00%, N: 0.050%, O: 0.0015% or less, the balance being Fe And unavoidable impurities, and satisfy the following expression (1).
F1 ≧ 0.1 Expression (1) where F1 = [Al] -1.9 [N] -1.1 [O]
(In the formula of F1, [] represents the content% by mass of the element in [].)
請求項２のものは、請求項１において、質量％で、Ｔｉ：０．００５〜０．２０％を更に含有することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, 0.005 to 0.20% by mass of Ti is further contained.
請求項３のものは、請求項１，２の何れかにおいて、更に下記式（２）を満たすことを特徴とする。
Ｆ２≧０．１４・・式(２) 但し、Ｆ２＝（[Ni]+[Mo]）／（10[Si]+[Mn]+[Cr]）
（Ｆ２の式中[ ]は、[ ]内元素の含有質量％を表す）
According to a third aspect, in any one of the first and second aspects, the following expression (2) is further satisfied.
F2 ≧ 0.14 formula (2) where F2 = ([Ni] + [Mo]) / (10 [Si] + [Mn] + [Cr])
([] In the formula of F2 represents the content% by mass of the element in [])
請求項４のものは、請求項１〜３の何れかにおいて、更に質量％で、Ｓｉ：０．５０〜１．５０％を含有することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the composition further contains 0.50 to 1.50% by mass of Si.
請求項５のものは、請求項１〜４の何れかにおいて、質量％で、Ｎｂ：０．２０％以下を更に含有することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, the composition further contains Nb: 0.20% or less by mass%.
請求項６のものは、請求項１〜５の何れかにおいて、質量％で、Ｂ：０．０１％以下を更に含有することを特徴とする。 A sixth aspect of the present invention is characterized in that, in any one of the first to fifth aspects, B: 0.01% or less by mass% is further contained.
請求項７のものは、請求項１〜６の何れかにおいて、質量％で、Ｐｂ：０．０１〜０．２０％、Ｂｉ：０．００５〜０．１０％、Ｃａ：０．０００３〜０．０１００％の何れか１種若しくは２種以上を更に含有することを特徴とする。 According to a seventh aspect, in any one of the first to sixth aspects, Pb: 0.01 to 0.20%, Bi: 0.005 to 0.10%, Ca: 0.0003 to 0% by mass%. It is characterized by further containing any one or more of 0.0100%.
請求項８は、「ガス浸炭部品」に関するもので、請求項１〜７の何れかに記載のガス浸炭用肌焼鋼からなり、ガス浸炭後の表層に生成された不完全焼入層深さが１５μｍ以下であることを特徴とする。 Claim 8 relates to a "gas carburized part", comprising the case hardened steel for gas carburizing according to any one of claims 1 to 7, and the depth of the incompletely quenched layer generated in the surface layer after gas carburizing. Is 15 μm or less.
かかる本発明は、Ａｌ2Ｏ3系介在物やＡｌＮ等の析出物を除いた鋼中に固溶しているＡｌ（以下、フリーＡｌと称する）が、Ｃ濃度の高い浸炭層領域において、焼入れ性を高める効果を有している、との知見に基づくもので、本発明のガス浸炭用肌焼鋼は、鋼中のフリーＡｌを従来鋼よりも増量したことを特徴とする。
本発明のガス浸炭用肌焼鋼によれば、粒界酸化層の周りに生成されたＣｒ，Ｍｎ，Ｓｉ等の濃度が低くなった領域における焼入れ性の低下を、フリーＡｌの増量によって補い、ガス浸炭焼入れ時、鋼表層に生成される不完全焼入層深さの低減を図っている。
In the present invention, Al (hereinafter, referred to as free Al) dissolved in steel excluding precipitates such as Al 2 O 3 inclusions and AlN is hardened in a carburized layer region having a high C concentration. It is based on the finding that it has the effect of enhancing the heat resistance, and the case hardening steel for gas carburizing of the present invention is characterized in that the amount of free Al in the steel is increased as compared with the conventional steel.
According to the case hardening steel for gas carburization of the present invention, the decrease in hardenability in the region where the concentration of Cr, Mn, Si, etc. generated around the grain boundary oxide layer is low is compensated for by increasing the amount of free Al. At the time of gas carburizing and quenching, the depth of the incomplete quenched layer generated on the steel surface layer is reduced.
具体的には、フリーＡｌの量を規定する指数Ｆ１を設け、指数Ｆ１が式（１）の条件を満たすように各合金元素の含有量を規定することで、不完全焼入れ層深さの低減を図っている。 Specifically, an index F1 for defining the amount of free Al is provided, and the content of each alloy element is specified such that the index F1 satisfies the condition of the formula (1), thereby reducing the depth of the incompletely quenched layer. Is being planned.
本発明のガス浸炭用肌焼鋼では、ＳＣＲ，ＳＣＭといった浸炭用スタンダード鋼と比べ、不完全焼入層深さを低減させることができる。一方、従来公知のガス浸炭用高強度鋼とは不完全焼入れ層深さの低減を実現させるための手段が異なり、本発明のガス浸炭用肌焼鋼では、必ずしもＳｉ量を低減する必要はなく被削性の低下を回避できる。また必ずしもＮｉ，Ｍｏを増量する必要はなく鋼材コストの上昇を抑えることができる。すなわち従来のガス浸炭用高強度鋼に比べて、所定の疲労強度を備えた浸炭部品を製造するのに要するコストを低く抑えることができる。 The case hardening steel for gas carburizing according to the present invention can reduce the depth of the incompletely quenched layer as compared with the standard steels for carburizing such as SCR and SCM. On the other hand, the means for realizing the reduction of the depth of the incompletely quenched layer is different from the conventionally known high-strength steel for gas carburization, and the case hardening steel for gas carburization of the present invention does not necessarily need to reduce the Si content. A decrease in machinability can be avoided. In addition, it is not always necessary to increase the amount of Ni and Mo, and it is possible to suppress an increase in steel material cost. That is, compared to the conventional high-strength steel for gas carburizing, the cost required for manufacturing a carburized part having a predetermined fatigue strength can be suppressed.
次に本発明における各化学成分の限定理由を以下に詳述する。尚、以降の説明では、特にことわりがない限り「％」は「質量％」を意味するものとする。
Ｃ：０．１０〜０．３０％
Ｃは、芯部硬さを確保するために有効な元素である。必要な硬さを得るには０．１０％以上の添加を必要とする。但し、過剰な添加は被削性の低下を招くため、その上限を０．３０％とする。好適なＣの範囲は、０．１１〜０．２９％であり、芯部硬さを安定して確保することができる。より好ましくは、０．１１〜０．２５％であり、芯部硬さを安定して確保することができ、且つ安定した被削性を確保することができる。
Next, the reasons for limiting each chemical component in the present invention will be described in detail below. In the following description, “%” means “% by mass” unless otherwise specified.
C: 0.10 to 0.30%
C is an element effective for securing core hardness. To obtain the required hardness, 0.10% or more must be added. However, excessive addition causes reduction in machinability, so the upper limit is made 0.30%. A preferred range of C is 0.11 to 0.29%, and the core hardness can be stably secured. More preferably, it is 0.11 to 0.25%, and the core hardness can be stably secured, and the stable machinability can be secured.
Ｓｉ：０．０１〜１．５０％
Ｓｉは、軟化抵抗性を向上させて面疲労強度を確保するのに有効な元素である。但し、過剰な添加は熱間加工性の低下を招き、不完全焼入層深さの増加を招くため、その上限を１．５０％とする。好適なＳｉの範囲は、０．０２〜１．５０％である。より好ましくは、０．５０〜１．５０％であり、安定して面疲労強度を確保することができ、且つ安定した熱間加工性を確保することができ、且つ不完全焼入層の形成を抑制できる。
Si: 0.01-1.50%
Si is an element effective for improving the softening resistance and securing the surface fatigue strength. However, excessive addition causes a reduction in hot workability and an increase in the depth of the incompletely quenched layer. Therefore, the upper limit is set to 1.50%. A preferable range of Si is 0.02 to 1.50%. More preferably, it is 0.50 to 1.50%, and the surface fatigue strength can be stably secured, the stable hot workability can be secured, and the incompletely quenched layer is formed. Can be suppressed.
Ｍｎ：０．３０〜２．００％
Ｍｎは、焼入れ性を確保するのに有効な元素である。但し、過剰な添加は不完全焼入層深さの増加を招くため、その上限を２．００％とする。好適なＭｎの範囲は、０．３０〜１．９０％であり、安定して焼入れ性を確保することができる。より好ましくは、０．３０〜１．００％であり、安定して焼入れ性を確保することができ、且つ不完全焼入層の形成を抑制できる。
Mn: 0.30-2.00%
Mn is an element effective for ensuring hardenability. However, excessive addition causes an increase in the depth of the incompletely quenched layer, so the upper limit is set to 2.00%. The preferable range of Mn is 0.30 to 1.90%, and the hardenability can be stably secured. More preferably, it is 0.30 to 1.00%, and the hardenability can be stably secured, and the formation of the incompletely hardened layer can be suppressed.
Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０５％以下
ＰおよびＳは、不純物である。これらは部品の機械的性質にとって好ましくない元素であるため、その量は少ないほうが好ましい。ＰおよびＳは、靭性を劣化させ疲労強度を低下させるため、Ｐについてはその上限を０．０３％とし、Ｓについてはその上限を０．０５％とする。
P: 0.03% or less, S: 0.05% or less P and S are impurities. Since these are unfavorable elements for the mechanical properties of components, the smaller the amount, the better. Since P and S deteriorate toughness and reduce fatigue strength, the upper limit of P is set to 0.03%, and the upper limit of S is set to 0.05%.
Ｃｕ：０．０１〜１．００％
Ｃｕは、焼入れ性を高めるのに有効な元素である。但し、過剰な添加は熱間鍛造性の低下を招くほか、コストアップの要因にもなることから、その上限を１．００％とする。好適なＣｕの範囲は、０．０１〜０．９８％である。
Cu: 0.01 to 1.00%
Cu is an element effective for improving hardenability. However, excessive addition causes a reduction in hot forgeability and also causes an increase in cost, so the upper limit is set to 1.00%. A preferable range of Cu is 0.01 to 0.98%.
Ｎｉ：０．０１〜３．００％
Ｎｉは、焼入れ性確保のため、また不完全焼入層の深さ低減効果による疲労強度向上のため添加される。但し、過剰な添加は鋼材コストを上昇させるため、その上限を３．００％とする。好適なＮｉの範囲は、０．０１〜２．９９％であり、安定した疲労強度が得られる。より好ましくは、０．０１〜２．００％であり、鋼材コストを抑えつつ、より安定した疲労強度が得られる。
Ni: 0.01 to 3.00%
Ni is added for securing hardenability and for improving fatigue strength due to the effect of reducing the depth of the incompletely quenched layer. However, excessive addition increases the steel material cost, so the upper limit is 3.00%. The preferable range of Ni is 0.01 to 2.99%, and stable fatigue strength can be obtained. More preferably, it is 0.01 to 2.00%, and more stable fatigue strength can be obtained while suppressing steel material cost.
Ｃｒ：０．０１〜３．００％
Ｃｒは、焼入れ性を確保するために有効な元素である。但し、過剰な添加は鋼材コストを上昇させるため、その上限を３．００％とする。好適なＣｒの範囲は、０．０２〜２．９０％であり、安定した焼入れ性を確保することができる。より好ましくは、０．０２〜２．００％であり、鋼材コストを抑えつつ、より安定した焼入れ性を確保できる。
Cr: 0.01 to 3.00%
Cr is an element effective for ensuring hardenability. However, excessive addition increases the steel material cost, so the upper limit is 3.00%. A preferable range of Cr is 0.02 to 2.90%, and stable hardenability can be secured. More preferably, it is 0.02 to 2.00%, and more stable hardenability can be secured while suppressing the cost of steel material.
Ｍｏ：０．０１〜２．００％
Ｍｏは、焼入れ性確保のため、また不完全焼入層の深さ低減効果による疲労強度向上のため添加される。但し、過剰な添加は鋼材コストの上昇に繋がるため、その上限を２．００％とする。好適なＭｏの範囲は、０．０２〜１．９９％である。
Mo: 0.01 to 2.00%
Mo is added for ensuring hardenability and for improving fatigue strength due to the effect of reducing the depth of the incompletely hardened layer. However, excessive addition leads to an increase in steel material cost, so the upper limit is set to 2.00%. The preferred range of Mo is 0.02 to 1.99%.
Ａｌ：０．１０〜２．００％
Ａｌは、本発明において不可欠な元素で、不完全焼入層深さを低減して疲労強度を向上させる。その働きのために０．１０％以上含有させる。但し、過剰な添加は、加工性の低下を招くため、その上限を２．００％とする。好適なＡｌの範囲は、０．１０〜１．９９％であり、安定した疲労強度を確保できる。より好ましくは、０．１０〜１．００％であり、安定した疲労強度を確保でき、且つ安定した加工性を確保できる。
尚、より好適なＡｌの下限は０．１０９％であり、Ａｌの範囲を０．１０９〜１．９９％、更には０．１０９〜１．００％とし得る。
Al: 0.10 to 2.00%
Al is an essential element in the present invention, and reduces the depth of the incompletely quenched layer to improve the fatigue strength. 0.10% or more is contained for its function. However, excessive addition causes a reduction in workability, so the upper limit is set to 2.00%. The preferable range of Al is 0.10 to 1.99%, and stable fatigue strength can be secured. More preferably, it is 0.10 to 1.00%, so that stable fatigue strength can be secured and stable workability can be secured.
The lower limit of Al is more preferably 0.109%, and the range of Al may be 0.109% to 1.99%, and more preferably 0.109% to 1.00%.
Ｎ：０．０５０％以下
Ｎは、浸炭時の異常粒成長抑制のために有効な元素である。但し、過剰な添加は、疲労強度の低下を招くため、その上限を０．０５０％とする。好適なＮの範囲は、０．００１〜０．０４９％であり、浸炭時の異常粒成長の抑制に安定して寄与する。
N: 0.050% or less N is an element effective for suppressing abnormal grain growth during carburization. However, excessive addition causes a decrease in fatigue strength, so the upper limit is made 0.050%. The preferable range of N is 0.001 to 0.049%, which contributes stably to the suppression of abnormal grain growth during carburization.
Ｏ：０．００１５％以下
Ｏは、鋼中に酸化物を形成し、これが非金属介在物として疲労破壊の起点となり、疲労強度を低下させるため、その上限を０．００１５％とする。
O: 0.0015% or less O forms an oxide in steel, which becomes a starting point of fatigue fracture as a nonmetallic inclusion, and lowers fatigue strength. Therefore, the upper limit is made 0.0015%.
Ｆ１≧０．１・・式(１) 但し、Ｆ１＝[Al]-1.9[Ｎ]-1.1[Ｏ]
Ｆ１は、焼入れ性向上に寄与するフリーＡｌの量を規定する指数である。本発明者らが調査した結果によれば、指数Ｆ１が０．１以上になると、フリーＡｌによる焼入れ性向上の効果により、ガス浸炭焼入れ時の不完全焼入層深さを１５μｍ以下にできることが確認された。このため本発明では、式（１）においてＦ１≧０．１と規定している。更に望ましくは、Ｆ１≧０．１０９であり、より安定してフリーＡｌによる焼入れ性向上の効果を発揮し得る。
F1 ≧ 0.1 Expression (1) where F1 = [Al] -1.9 [N] -1.1 [O]
F1 is an index that defines the amount of free Al that contributes to the improvement of hardenability. According to the results of investigations by the present inventors, when the index F1 is 0.1 or more, the depth of incomplete quenched layer during gas carburizing and quenching can be reduced to 15 μm or less due to the effect of improving the hardenability by free Al. confirmed. For this reason, in the present invention, F1 ≧ 0.1 is defined in Expression (1). More preferably, F1 ≧ 0.109, and the effect of improving the hardenability by free Al can be exhibited more stably.
Ｔｉ：０．００５〜０．２０％
Ｔｉは、Ｎと結合してＴｉＮを生成する。これによりＮがＴｉに固定されるため、ＡｌＮの生成が抑制される。即ちＴｉを添加することで、Ｔｉよりも高価なＡｌの添加量を少なくすることができる。但し、過剰な添加は、加工性低下を招くため、その上限は０．２０％とする。好適なＴｉの範囲は、０．００５〜０．０６０％であり、安定してＡｌＮの生成を抑制し得る。
Ti: 0.005 to 0.20%
Ti combines with N to form TiN. This fixes N to Ti, thereby suppressing the generation of AlN. That is, by adding Ti, the amount of Al that is more expensive than Ti can be reduced. However, excessive addition causes a reduction in workability, so the upper limit is made 0.20%. The preferable range of Ti is 0.005 to 0.060%, and the generation of AlN can be suppressed stably.
Ｆ２≧０．１４・・式(２) 但し、Ｆ２＝（[Ni]+[Mo]）／（10[Si]+[Mn]+[Cr]）
上記フリーＡｌのほか、ＮｉおよびＭｏも不完全焼入層深さを低減させる効果を有している。一方、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒについては、逆に不完全焼入層深さを増加させる。このためこれら元素をバランスさせることで、不完全焼入層深さを更に低減させることができる。
本発明者らが調査した結果によれば、指数Ｆ２を０．１４以上とすることで、ガス浸炭焼入れ時の不完全焼入れ層深さを８μｍ以下にまで低減できることが確認された。このため本発明では、式（２）においてＦ２≧０．１４と規定している。
F2 ≧ 0.14 formula (2) where F2 = ([Ni] + [Mo]) / (10 [Si] + [Mn] + [Cr])
In addition to the above-mentioned free Al, Ni and Mo also have the effect of reducing the depth of the incompletely quenched layer. On the other hand, for Si, Mn, and Cr, the depth of the incompletely quenched layer is increased. Therefore, by balancing these elements, the depth of the incompletely quenched layer can be further reduced.
According to the results of an investigation by the present inventors, it was confirmed that by setting the index F2 to 0.14 or more, the depth of the incompletely quenched layer during gas carburizing and quenching can be reduced to 8 μm or less. For this reason, in the present invention, F2 ≧ 0.14 is defined in Expression (2).
Ｎｂ：０．２０％以下
Ｎｂは、炭化物を形成して浸炭時の異常粒成長を抑制する効果を有している。但し、過剰な添加は、加工性の低下を招くため、その上限を０．２０％とする。好適なＮｂの範囲は、０．０１５〜０．１８％であり、安定して浸炭時の異常粒成長を抑制し、且つ安定した加工性を確保し得る。
Nb: 0.20% or less Nb has an effect of forming carbides to suppress abnormal grain growth during carburization. However, excessive addition causes a reduction in workability, so the upper limit is made 0.20%. The preferable range of Nb is 0.015 to 0.18%, which can stably suppress abnormal grain growth during carburization and ensure stable workability.
Ｂ：０．０１％以下
Ｂは、芯部の焼入れ性を高める効果を有している。但し、過剰な添加は、加工性の低下を招くため、その上限を０．０１％とする。好適なＢの範囲は、０．０００３〜０．００５０％である。
B: 0.01% or less B has the effect of improving the hardenability of the core. However, excessive addition causes a decrease in workability, so the upper limit is made 0.01%. A preferable range of B is 0.0003 to 0.0050%.
Ｐｂ：０．０１〜０．２０％
Ｂｉ：０．００５〜０．１０％
Ｃａ：０．０００３〜０．０１００％
これらの元素は被削性を向上させる効果を有している。但し、過剰な添加は、熱間加工性低下を招くため、Ｐｂについてはその上限を０．２０％、Ｂｉについてはその上限を０．１０％、Ｃａについてはその上限を０．０１００％とする。
Pb: 0.01 to 0.20%
Bi: 0.005 to 0.10%
Ca: 0.0003-0.0100%
These elements have the effect of improving machinability. However, excessive addition causes a reduction in hot workability, so the upper limit is 0.20% for Pb, 0.10% for Bi, and 0.0100% for Ca. .
以上のような本発明によれば、製造コストの上昇を抑えつつ、ガス浸炭焼入れ時の不完全焼入層深さを低減して浸炭部品の疲労強度を高めることが可能なガス浸炭用肌焼鋼及びこれを用いたガス浸炭部品を提供することができる。 According to the present invention as described above, the case hardening for gas carburizing can reduce the depth of the incompletely quenched layer at the time of gas carburizing and increase the fatigue strength of the carburized part while suppressing an increase in the manufacturing cost. Steel and gas carburized parts using the same can be provided.
次に本発明の実施例を以下に説明する。ここでは、下記表１に示す実施例および比較例について試験片を作製し、各種評価を行った。
表１に示す比較例は、使用する鋼材の組成が本発明の範囲を外れている。なお、比較例７はＳＣＲ材、比較例８はＳＣＭ材、比較例９はこれらＳＣＲ材およびＳＣＭ材に対し低Ｓｉ，高Ｎｉ，高Ｃｒとした従来のガス浸炭用高強度鋼材を用いた例である。
Next, examples of the present invention will be described below. Here, test pieces were prepared for Examples and Comparative Examples shown in Table 1 below, and various evaluations were made.
In the comparative examples shown in Table 1, the composition of the steel material used is out of the range of the present invention. Comparative Example 7 is an example using an SCR material, Comparative Example 8 is an SCM material, and Comparative Example 9 is an example using a conventional high-strength steel material for gas carburization in which the SCR material and the SCM material are made of low Si, high Ni and high Cr. It is.
１．試験片の製造
下記表１に示す化学成分の鋼塊１５０ｋｇを真空誘導溶解炉にて溶製し、得られた鋼塊を１２５０℃でΦ３０ｍｍの丸棒に鍛伸後、９００℃で焼準処理を行った。その後、機械加工により図１に示す試験片１０を作製した。その後、試験片１０を９００〜１０５０℃の温度で、所望の表層Ｃ量、Ｃ深さとなるようにガス浸炭焼入れを行った。焼入れは１２０℃の油で行った。そして、浸炭後の試験片１０は１４０〜１８０℃で２時間の焼戻し処理を行った。このようにして得られた焼戻し後の試験片１０について、表層Ｃ濃度・表層硬さ・不完全焼入層深さ・疲労強度を以下の方法により評価した。
1. Production of test pieces 150 kg of steel ingot having the chemical composition shown in Table 1 below was melted in a vacuum induction melting furnace, and the obtained steel ingot was forged at 1250 ° C. into a round bar of Φ30 mm, and then subjected to normalizing treatment at 900 ° C. Was done. Then, the test piece 10 shown in FIG. 1 was produced by machining. Thereafter, the test piece 10 was subjected to gas carburizing and quenching at a temperature of 900 to 1050 ° C. so as to have a desired surface layer C amount and C depth. Quenching was performed at 120 ° C. oil. The test piece 10 after carburizing was tempered at 140 to 180 ° C. for 2 hours. The tempered specimen 10 thus obtained was evaluated for surface layer C concentration, surface layer hardness, incompletely quenched layer depth, and fatigue strength by the following methods.
２．試験片の評価
（表層Ｃ濃度）
試験片１０のノッチ底部について、ＥＰＭＡにより表層Ｃ濃度（単位はｗｔ％）を測定した。
2. Evaluation of test piece (surface layer C concentration)
The surface layer C concentration (unit: wt%) of the notch bottom of the test piece 10 was measured by EPMA.
（表層硬さ）
試験片１０のノッチ底部について、ビッカース硬さ試験機を用い、表面下０．０５ｍｍの位置の硬さの５点平均を表層硬さとして測定した。この時の試験荷重は３００ｇとした。
(Surface hardness)
Using the Vickers hardness tester, the five-point average of the hardness at a position 0.05 mm below the surface of the notch bottom of the test piece 10 was measured as the surface hardness. The test load at this time was 300 g.
（不完全焼入層深さ）
試験片１０のノッチ部について、表層断面を鏡面研磨後、ナイタールで腐食し、ＳＥＭの倍率２０００倍で計１０視野、表層の不完全焼入層深さを観察した。そして、全視野中で最も深い不完全焼入層の深さを不完全焼入層深さとした。不完全焼入層深さの目標は、従来のガス浸炭用高強度鋼と同等以上の１５．０μｍ以下とした。
(Incomplete quenching depth)
About the notch part of the test piece 10, the surface layer cross section was mirror-polished, then corroded with nital, and the depth of the incomplete quenched layer of the surface layer was observed in a total of 10 visual fields at a magnification of 2000 times of SEM. The depth of the deepest incompletely quenched layer in the entire field of view was defined as the incompletely quenched layer depth. The target of the depth of the incompletely quenched layer was 15.0 μm or less, which is equal to or higher than that of the conventional high-strength steel for gas carburization.
（曲げ疲労強度）
図１の試験片１０（切欠底Ｒ１．５ｍｍ、応力集中係数α１．８９である）を用いて４点曲げ疲労試験を行い、Ｓ−Ｎ線図を取得し、Ｓ−Ｎ線図から疲労強度（１×１０7回強度）を評価した。
４点曲げ疲労試験は、図２に示すように、試験片１０を２個所の支持部１４において下側から支持した状態で、２個所の入力部１６において試験片１０に対し下向きに荷重を加えて試験片１０を曲げ変形させ、その後、荷重を取り除いて形状を元に戻した後再び荷重を負荷することを繰り返した。
疲労強度の目標は、従来のガス浸炭用高強度鋼と同等以上の１３９０ＭＰａ以上とした。
(Bending fatigue strength)
A four-point bending fatigue test was performed using the test piece 10 of FIG. 1 (notch bottom R 1.5 mm, stress concentration coefficient α 1.89), an SN diagram was obtained, and fatigue strength was obtained from the SN diagram. (1 × 10 7 times strength) was evaluated.
In the four-point bending fatigue test, as shown in FIG. 2, a load is applied downward to the test piece 10 at the two input portions 16 in a state where the test piece 10 is supported from below by the two support portions 14. The test piece 10 was bent and deformed, and thereafter, the load was removed, the shape was returned to its original shape, and then the load was applied again.
The target of the fatigue strength was 1390 MPa or more, which is equal to or higher than that of the conventional high-strength steel for gas carburizing.
これらの評価結果を下記表２および図３、図４に示す。 The results of these evaluations are shown in Table 2 below and in FIGS.
表２の評価結果により、以下のことが分かる。
浸炭用スタンダード鋼であるＳＣＲ材を用いた比較例７は、不完全焼入層深さが２５．５μｍと深く、疲労強度が１２２０ＭＰａと低い。
同じく浸炭用スタンダード鋼であるＳＣＭ材を用いた比較例８も、不完全焼入層深さが２７．１μｍと深く、疲労強度が１２７０ＭＰａと低い。
The following can be seen from the evaluation results in Table 2.
Comparative Example 7 using the SCR material, which is a standard steel for carburization, has a deep incomplete quenched layer of 25.5 μm and a low fatigue strength of 1220 MPa.
Similarly, Comparative Example 8 using the SCM material, which is a standard steel for carburizing, also has a deep incompletely quenched layer of 27.1 μm and a low fatigue strength of 1270 MPa.
一方、これら比較例７，８よりも低Ｓｉで且つ高Ｎｉ，高Ｍｏのガス浸炭用高強度鋼材を用いた比較例９は、不完全焼入層深さが１５．２μｍで、比較例７，８よりも不完全焼入層深さが浅い。また、この不完全焼入層深さ低減効果により、疲労強度は比較例７，８よりも高くなっている。しかしながら、比較例９は、Ｓｉ量低減により被削性が低下し加工コストが高く、またＮｉおよびＭｏ増量により鋼材コストも高い。比較例９にあっては、製造コストの上昇が問題である。 On the other hand, in Comparative Example 9 using a high-strength steel material for gas carburization with lower Si, higher Ni, and higher than those of Comparative Examples 7 and 8, the depth of the incompletely quenched layer was 15.2 μm. , 8 the depth of the incomplete quenched layer is shallower. Further, due to the effect of reducing the depth of the incompletely quenched layer, the fatigue strength is higher than that of Comparative Examples 7 and 8. However, in Comparative Example 9, the machinability was reduced due to the reduction in the Si content, and the processing cost was high, and the steel material cost was high due to the increase in Ni and Mo. In Comparative Example 9, an increase in manufacturing cost is a problem.
このように、従来、ガス浸炭用の肌焼鋼として用いられていた比較例７，８，９は、何れもフリーＡｌの量が少なく（Ｆ１の値が０．１０未満）、不完全焼入層深さ若しくは製造コストに問題があることが分かる。 Thus, in Comparative Examples 7, 8, and 9 conventionally used as case hardening steels for gas carburizing, the amount of free Al was small (the value of F1 was less than 0.10), and incomplete quenching was observed. It turns out that there is a problem in the layer depth or the manufacturing cost.
一方、比較例１は、Ａｌ量とＯ量が本発明の上限値を上回って過剰に添加されている例である。比較例１は、高Ａｌの効果により不完全焼入層深さが４．０μｍと改善されているが、実際に浸炭部品を製造した場合には、介在物（Ａｌ2Ｏ3）起点の破壊による疲労強度の低下が懸念される。 On the other hand, Comparative Example 1 is an example in which the amount of Al and the amount of O are added in excess of the upper limit of the present invention. In Comparative Example 1, the depth of the incomplete quenched layer was improved to 4.0 μm due to the effect of high Al. However, when a carburized part was actually manufactured, the fracture of the inclusion (Al 2 O 3 ) starting point was destroyed. There is a concern that the fatigue strength may be reduced due to this.
比較例２は、Ｃｒ量が本発明の上限値を超えて過剰に添加されており、不完全焼入層深さおよび疲労強度が何れも目標未達である。 In Comparative Example 2, the amount of Cr was excessively added exceeding the upper limit of the present invention, and neither the incompletely quenched layer depth nor the fatigue strength reached the target.
比較例３は、Ｓ量が本発明の上限値を超えて過剰に添加されている。不完全焼入層深さは７．７μｍと改善されているが、疲労強度は目標よりも低い。実際に浸炭部品を製造した場合には、介在物（ＭｎＳ）起点の破壊による疲労強度の低下が懸念される。 In Comparative Example 3, the amount of S exceeds the upper limit of the present invention and is excessively added. Although the depth of the incompletely quenched layer is improved to 7.7 μm, the fatigue strength is lower than the target. When carburized parts are actually manufactured, there is a concern that the fatigue strength may be reduced due to the destruction of the inclusion (MnS) starting point.
比較例４は、Ｃ量が本発明の下限値よりも低い例である。不完全焼入層深さは４．２μｍと改善されているが、実際に浸炭部品を製造した場合には、内部降伏による疲労強度の低下が懸念される。 Comparative Example 4 is an example in which the C amount is lower than the lower limit of the present invention. Although the depth of the incompletely quenched layer has been improved to 4.2 μm, there is a concern that when actually carburizing parts are manufactured, the fatigue strength may decrease due to internal yielding.
比較例５は、Ｓｉ量が本発明の上限値を超えて過剰に添加されており、不完全焼入層深さおよび疲労強度が何れも目標未達である。 In Comparative Example 5, the amount of Si was excessively added exceeding the upper limit of the present invention, and neither the incompletely quenched layer depth nor the fatigue strength reached the target.
比較例６は、Ｐ量が本発明の上限値を超えて過剰に添加されており、疲労強度が低い。粒界脆弱により強度が低下したものと推測される。 In Comparative Example 6, the P content exceeded the upper limit of the present invention and was excessively added, and the fatigue strength was low. It is presumed that the strength decreased due to grain boundary weakness.
他方、鋼材の組成が本発明の範囲を満足する実施例１〜３１においては、何れも不完全焼入層深さが１５．０μｍ以下で目標を満足している。即ち各合金元素を式（１）の条件（Ｆ１≧０．１０）を満足するように含有させ、フリーＡｌを増量したことによる効果が得られている。 On the other hand, in Examples 1 to 31 in which the composition of the steel material satisfies the range of the present invention, the target satisfies the target with an incompletely quenched layer depth of 15.0 μm or less. That is, the effect of increasing the amount of free Al is obtained by including each alloy element so as to satisfy the condition (F1 ≧ 0.10) of the formula (1).
またこれら実施例は、疲労強度についても目標を満足しており、従来のガス浸炭用高強度鋼（比較例９）と同等以上の疲労強度が得られている。例えば、比較例９と、同じ疲労強度の実施例２５とを比較すると、実施例２５はＳｉ量が高く被削性に優れ、またＮｉ，Ｍｏ量も少なく安価な組成であり、比較例９に比べて浸炭部品を製造するのに要するコストを低く抑えることができることが分かる。 In addition, these examples also satisfy the target of the fatigue strength, and the fatigue strength equal to or higher than that of the conventional high-strength steel for gas carburizing (Comparative Example 9) is obtained. For example, comparing Comparative Example 9 with Example 25 having the same fatigue strength, Example 25 has a high Si content and excellent machinability, and also has a low Ni and Mo content and an inexpensive composition. It can be seen that the cost required to manufacture carburized parts can be kept low.
もっとも、本発明においても低Ｓｉで且つ高Ｎｉ、高Ｍｏとすることは、不完全焼入層深さの低減、更には疲労強度の向上に有効である。表１に示す実施例のなかで、特に式（２）の要件を満たすものについては、表２及び図４に示すように、不完全焼入層深さが８．０μｍ以下にまで低減され、疲労強度については１５００ＭＰａ以上にまで高めることができることが分かる。 However, in the present invention, the use of low Si, high Ni, and high Mo is effective in reducing the depth of the incompletely quenched layer and further improving the fatigue strength. Among the examples shown in Table 1, particularly those satisfying the requirements of the formula (2), as shown in Table 2 and FIG. 4, the depth of the incompletely quenched layer was reduced to 8.0 μm or less, It can be seen that the fatigue strength can be increased to 1500 MPa or more.
以上本発明について詳しく説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
Claims (8)
Ｃ：０．１０〜０．３０％
Ｓｉ：０．０１〜１．５０％
Ｍｎ：０．３０〜２．００％
Ｐ：０．０３％以下
Ｓ：０．０５％以下
Ｃｕ：０．０１〜１．００％
Ｎｉ：０．０１〜３．００％
Ｃｒ：０．０１〜３．００％
Ｍｏ：０．０１〜２．００％
Ａｌ：０．１０〜２．００％
Ｎ：０．０５０％以下
Ｏ：０．００１５％以下
残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、且つ下記式（１）を満たすことを特徴とするガス浸炭用肌焼鋼。
Ｆ１≧０．１・・式(１) 但し、Ｆ１＝[Al]-1.9[Ｎ]-1.1[Ｏ]
（Ｆ１の式中[ ]は、[ ]内元素の含有質量％を表す） C: 0.10 to 0.30% by mass%
Si: 0.01-1.50%
Mn: 0.30-2.00%
P: 0.03% or less S: 0.05% or less Cu: 0.01 to 1.00%
Ni: 0.01 to 3.00%
Cr: 0.01 to 3.00%
Mo: 0.01 to 2.00%
Al: 0.10 to 2.00%
N: 0.050% or less O: 0.0015% or less A case-hardening steel for gas carburization characterized by that the balance is Fe and inevitable impurities and satisfies the following formula (1).
F1 ≧ 0.1 Expression (1) where F1 = [Al] -1.9 [N] -1.1 [O]
(In the formula of F1, [] represents the content% by mass of the element in [].)
Ｔｉ：０．００５〜０．２０％
を更に含有することを特徴とするガス浸炭用肌焼鋼。 In Claim 1, Ti: 0.005 to 0.20% by mass%
A case hardening steel for gas carburizing characterized by further containing:
Ｆ２≧０．１４・・式(２) 但し、Ｆ２＝（[Ni]+[Mo]）／（10[Si]+[Mn]+[Cr]）
（Ｆ２の式中[ ]は、[ ]内元素の含有質量％を表す） The case hardening steel for gas carburization according to any one of claims 1 and 2, further satisfying the following expression (2).
F2 ≧ 0.14 formula (2) where F2 = ([Ni] + [Mo]) / (10 [Si] + [Mn] + [Cr])
([] In the formula of F2 represents the content% by mass of the element in [])
Ｓｉ：０．５０〜１．５０％
を含有することを特徴とするガス浸炭用肌焼鋼。 The method according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
Si: 0.50 to 1.50%
A case-hardening steel for gas carburizing characterized by containing.
Ｎｂ：０．２０％以下
を更に含有することを特徴とするガス浸炭用肌焼鋼。 The case hardening steel for gas carburization according to any one of claims 1 to 4, further comprising Nb: 0.20% or less by mass%.
Ｂ：０．０１％以下
を更に含有することを特徴とするガス浸炭用肌焼鋼。 The case hardening steel for gas carburization according to any one of claims 1 to 5, further comprising B: 0.01% or less by mass%.
Ｐｂ：０．０１〜０．２０％
Ｂｉ：０．００５〜０．１０％
Ｃａ：０．０００３〜０．０１００％
の何れか１種若しくは２種以上を更に含有することを特徴とするガス浸炭用肌焼鋼。 Pb: 0.01 to 0.20% by mass% according to any one of claims 1 to 6.
Bi: 0.005 to 0.10%
Ca: 0.0003-0.0100%
A case hardening steel for gas carburization, further comprising one or more of the following.
ガス浸炭後の表層に生成された不完全焼入層深さが１５μｍ以下であることを特徴とするガス浸炭部品。 It consists of case hardening steel for gas carburization according to any one of claims 1 to 7,
A gas carburized part characterized in that the depth of the incompletely quenched layer formed on the surface layer after gas carburizing is 15 μm or less.
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