JP2024048190A - Nitriding steel with excellent machinability and nitriding properties - Google Patents

Nitriding steel with excellent machinability and nitriding properties Download PDF

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  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)

Abstract

【課題】 加工性と窒化後の硬さと芯部硬さのバランスのよい窒化用鋼を提供。【解決手段】 質量%で、C:0.12~0.30%、Si:0.10~0.40%、Mn:0.50~1.50%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cr:0.50~2.00%、Mo:0.03~0.30%、Al:0.025~0.300%、N:0.004~0.030%、V:0.05~0.30%、残部Fe及び不可避的不純物からなり、0.15<0.10×Cr+0.67×Al+0.24×V<0.43、0.25<0.80×C+0.10×Cr+0.36×Mo<0.50であって、窒化前組織がフェライト及びパーライトからなる組織、もしくはフェライト及びパーライトにさらにベイナイトを含んだ組織であって、これら組織におけるパーライトの割合は面積率で10~60%、ベイナイトの割合が面積率で0~20%であり、その芯部硬さが160~260Hvである窒化用鋼。【選択図】 なし[Problem] To provide a nitriding steel having a good balance between workability, hardness after nitriding, and core hardness. [Solution] The steel is composed of, in mass%, C: 0.12-0.30%, Si: 0.10-0.40%, Mn: 0.50-1.50%, P: 0.030% or less, S: 0.030% or less, Cr: 0.50-2.00%, Mo: 0.03-0.30%, Al: 0.025-0.300%, N: 0.004-0.030%, V: 0.05-0.30%, the balance being Fe and unavoidable impurities, and has a composition of 0.15<0.10×Cr+0.67×Al+0.2 A nitriding steel in which 4 x V < 0.43, 0.25 < 0.80 x C + 0.10 x Cr + 0.36 x Mo < 0.50, the pre-nitriding structure is a structure consisting of ferrite and pearlite, or a structure containing bainite in addition to ferrite and pearlite, the ratio of pearlite in these structures is 10 to 60% by area and the ratio of bainite is 0 to 20% by area, and the core hardness is 160 to 260 Hv. [Selected drawing] None

Description

本発明は、熱間鍛造後に、ガス窒化やガス軟窒化などにより鋼表面に窒素を侵入させる表面硬化処理を施して使用される機械構造用部品、例えば自動車、建設機械、工作機械などのギアなどの動力伝達部品の素材として好適な窒化用鋼に関する。 The present invention relates to a nitriding steel that is suitable as a material for machine structural parts, such as gears for power transmission parts in automobiles, construction machinery, machine tools, etc., which are used after hot forging and then surface hardening treatment, such as gas nitriding or gas soft nitriding, in which nitrogen penetrates into the steel surface.

従来から歯車などの動力伝達部品に用いられる機械構造用鋼として強度と靭性の両立を志向した窒化用鋼が提案されている。
たとえば、本願出願人は、鋼成分の適正化すること(質量%で、C:0.10~0.40%、Si:0.10~0.50%、Mn:0.50~1.50%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cr:0.50~1.50%、Mo:0.05~0.30%、Al:0.15~0.80%、N:0.005~0.030%、残部Fe)に加えて、窒化前組織を焼入焼戻処理によりマルテンサイトとし、窒化物の種類とその割合をNAl/NCrが0.2以上と規定することで、従来の窒化用鋼に比べて優れた表面硬さ(800Hv以上)と硬化層深さ(0.25mm以上)を備えた鋼を発明している(特許文献1、特許第6300647号参照。)。
Nitriding steels that aim to achieve both strength and toughness have been proposed as machine structural steels used for power transmission parts such as gears.
For example, the applicant of the present application has invented a steel having superior surface hardness (800 Hv or more) and hardened layer depth (0.25 mm or more) compared to conventional nitriding steels by optimizing the steel composition (by mass%, C: 0.10-0.40%, Si: 0.10-0.50%, Mn: 0.50-1.50%, P: 0.030% or less, S: 0.030% or less, Cr: 0.50-1.50%, Mo: 0.05-0.30%, Al: 0.15-0.80%, N: 0.005-0.030%, balance Fe), converting the pre-nitriding structure to martensite by quenching and tempering, and specifying the type and ratio of nitrides to be N Al /N Cr of 0.2 or more (see Patent Document 1 and Patent No. 6,300,647).

また、鋼成分(C:0.20~0.30%、Si:0.25%以下、Mn:0.50%未満、P:0.03%以下、S:0.05%以下、Cr:1.00超~2.00%、Mo:0.10~0.50%未満、V:0.10~0.50%、Al:0.10超~0.20%、Ti:0.10%以下、N:0.0060~0.020%以下を含有し、かつ18<27C+9Mn+7Cr+8Mo及び22<37C+6Mn+8Cr+11Vの条件を満足し、残部がFe)を規定し、熱間鍛造や熱処理条件を規定することでベイナイト組織が70%以上、窒化後の表面硬さが650Hv以上、450Hv以上の範囲と定義された硬化深さが0.2mm以上のベイナイト型窒化部品が提案されている(特許文献2参照。)。 In addition, the steel composition (C: 0.20-0.30%, Si: 0.25% or less, Mn: less than 0.50%, P: 0.03% or less, S: 0.05% or less, Cr: over 1.00% to 2.00%, Mo: 0.10% to less than 0.50%, V: 0.10% to 0.50%, Al: over 0.10% to 0.20%, Ti: 0.10% or less, N: 0.0060% to 0.020% or less, and 18<2 By specifying the conditions of 7C+9Mn+7Cr+8Mo and 22<37C+6Mn+8Cr+11V, with the remainder being Fe, and specifying the hot forging and heat treatment conditions, a bainite-type nitrided part has been proposed that has a bainite structure of 70% or more, a surface hardness after nitriding of 650Hv or more, and a hardening depth of 0.2mm or more, defined as a range of 450Hv or more (see Patent Document 2).

また、表面硬さと有効硬化層深さを確保するべく、鋼成分をC:0.05~0.30%、Si:0.003~0.50%、Mn:0.4~3.0%、Cr:0.2~0.9%、Al:0.19~0.70%、V:0.05~1.0%及びMo:0.05~0.50%、を含有し、0.5%≦1.9Al+Cr≦1.8%を満足し、残部がFeとする窒化用鋼が提案されている(特許文献3参照。)。 In addition, to ensure surface hardness and effective hardened layer depth, a nitriding steel has been proposed that contains the following steel components: C: 0.05-0.30%, Si: 0.003-0.50%, Mn: 0.4-3.0%, Cr: 0.2-0.9%, Al: 0.19-0.70%, V: 0.05-1.0%, and Mo: 0.05-0.50%, satisfying 0.5%≦1.9Al+Cr≦1.8%, with the balance being Fe (see Patent Document 3).

特開2015-229780号公報JP 2015-229780 A 特開2006-022350号公報JP 2006-022350 A 特表2010-147224号公報JP 2010-147224 A

上述の従来の提案では、AlやV、Ti等の添加量が高いことや、芯部組織の硬さが不十分であること、化合物層厚さの規定が厳しいことなどが課題であった。
たとえば、特許文献1に記載の窒化用鋼は、窒化前組織がマルテンサイトであり、C量やAl量、V量が高いため、被削性や加工性の観点からは、部品製造にコストがかかる。
The above-mentioned conventional proposals have had problems such as high amounts of Al, V, Ti, etc. added, insufficient hardness of the core structure, and strict regulations on the thickness of the compound layer.
For example, the nitriding steel described in Patent Document 1 has a martensite structure before nitriding and contains high amounts of C, Al and V, so that from the standpoint of machinability and processability, the production of parts is costly.

また、特許文献2に記載の窒化用鋼はCr量が多いため、硬化深さを高めるためにV量を多くすることや、窒化温度を高くせざるを得なくなっており、原料コストの高まりや表面硬さ不足が懸念される。また、芯部硬さも過剰となり、被削性等が悪化することが懸
念される。
In addition, since the nitriding steel described in Patent Document 2 has a large Cr content, it is necessary to increase the V content and the nitriding temperature in order to increase the hardening depth, which raises concerns about an increase in raw material costs and insufficient surface hardness.In addition, the core hardness becomes excessive, which raises concerns about deterioration of machinability, etc.

また、特許文献3に記載の窒化用鋼では、硬化深さに悪影響を与えるCr量を低減しており、低下した芯部硬さを補うためにVとAl、Moを多量に添加せざるを得ないものであるから原料コストがかかる。 In addition, the nitriding steel described in Patent Document 3 has a reduced amount of Cr, which has a negative effect on hardening depth, and large amounts of V, Al, and Mo must be added to compensate for the reduced core hardness, which increases raw material costs.

このように窒化物を形成し窒化による表面硬さを上げうるAlやCrは、多量に入れると硬化深さが低下してしまう。また、A1線以下の温度で熱処理することが求められる窒化処理の過程ではマルテンサイト変態を利用することができない。そこで動力伝達用部品等の芯部硬さを確保するためには、さらに合金成分を工夫して添加する必要があるものの、合金成分を過剰に添加することは、被削性などの加工性を阻害してしまうこととなりやすい。 In this way, Al and Cr, which can form nitrides and increase the surface hardness through nitriding, will reduce the hardening depth if added in large quantities. In addition, martensitic transformation cannot be utilized in the nitriding process, which requires heat treatment at a temperature below the A1 line. Therefore, in order to ensure the core hardness of power transmission parts and the like, it is necessary to add further alloying elements in a creative way, but adding excessive alloying elements is likely to impair processability such as machinability.

そこで、上述の機械構造用鋼を窒化する際の背景を踏まえ、本発明は、加工性と窒化後の硬さと芯部硬さのバランスのよい窒化用鋼を提供することを目的としている。 Therefore, taking into consideration the background of nitriding steel for mechanical structures described above, the present invention aims to provide a nitriding steel that has a good balance between workability, hardness after nitriding, and core hardness.

そこで、本願発明者らは鋭意検討の結果、Al、V、Crの成分バランスの最適化により、加工性を損なうことなく、窒化後の特性に優れる窒化用鋼を得た。そして、熱間鍛造後はフェライトとパーライトの混相組織またはフェライトとパーライトに一部ベイナイトを有した混相組織となり、被削性と窒化性のバランスに優れ、窒化時に合金窒化物を適切に析出させることができる合金設計とした。ベイナイト率のより高い組織とすると芯部硬さに優れるが被削性が劣ってくるが、本発明は、フェライトとパーライトの混相組織またはフェライトとパーライトに一部ベイナイトを有した混相組織とすることで、より被削性に優れるものとなっている。 As a result of extensive research, the inventors of the present application have optimized the balance of Al, V, and Cr components to obtain a nitriding steel that has excellent properties after nitriding without impairing workability. After hot forging, the alloy is designed to have a mixed phase structure of ferrite and pearlite or a mixed phase structure of ferrite and pearlite with some bainite, providing an excellent balance between machinability and nitridability and allowing alloy nitrides to precipitate appropriately during nitriding. A structure with a higher bainite ratio provides excellent core hardness but poor machinability. However, the present invention provides a mixed phase structure of ferrite and pearlite or a mixed phase structure of ferrite and pearlite with some bainite, resulting in better machinability.

そこで、本発明の課題を解決するための第1の手段は、
質量%で、C:0.12~0.30%、Si:0.10~0.40%、Mn:0.50~1.50%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cr:0.50~2.00%、Mo:0.03~0.30%、Al:0.025~0.300%、N:0.004~0.030%、V:0.05~0.30%、残部Fe及び不可避的不純物からなり、
式1及び式2の関係性を満足し、その窒化前組織がフェライト及びパーライトからなる組織、もしくはフェライト及びパーライトにさらにベイナイトを含んだ組織であって、これら組織におけるパーライトの割合は面積率で10~60%、ベイナイトの割合が面積率で0~20%であり、その芯部硬さが160~260Hvである窒化用鋼である。
0.15<0.10×Cr+0.67×Al+0.24×V<0.43・・・式1
0.25<0.80×C+0.10×Cr+0.36×Mo<0.50・・・式2
ただし、式1及び式2中の元素記号には、該当成分の質量%の値を代入する。
Therefore, the first means for solving the problems of the present invention is to
In mass %, it consists of C: 0.12 to 0.30%, Si: 0.10 to 0.40%, Mn: 0.50 to 1.50%, P: 0.030% or less, S: 0.030% or less, Cr: 0.50 to 2.00%, Mo: 0.03 to 0.30%, Al: 0.025 to 0.300%, N: 0.004 to 0.030%, V: 0.05 to 0.30%, the balance being Fe and unavoidable impurities,
The steel for nitriding satisfies the relationship between Formula 1 and Formula 2, and has a pre-nitriding structure consisting of ferrite and pearlite, or a structure containing bainite in addition to ferrite and pearlite, in which the ratio of pearlite in these structures is 10 to 60% in terms of area ratio and the ratio of bainite is 0 to 20% in terms of area ratio, and the core hardness is 160 to 260 Hv.
0.15<0.10×Cr+0.67×Al+0.24×V<0.43...Equation 1
0.25<0.80×C+0.10×Cr+0.36×Mo<0.50...Equation 2
However, the element symbols in Formulas 1 and 2 are substituted with the mass % values of the corresponding components.

その第2の手段は、
質量%で、C:0.12~0.30%、Si:0.10~0.40%、Mn:0.50~1.50%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cr:0.50~2.00%、Mo:0.03~0.30%、Al:0.025~0.300%、N:0.004~0.030%、V:0.05~0.30%であり、
さらに、選択的付加的成分としてNb:0.10%以下、Ti:0.020~0.200%、B:0.0030%以下のいずれか1種または2種以上を含有し、
残部Fe及び不可避的不純物からなり、
式1及び式2の関係性を満足し、その窒化前組織がフェライト及びパーライトからなる組織、もしくはフェライト及びパーライトにさらにベイナイトを含んだ組織であって、これら組織におけるパーライトの割合は面積率で10~60%、ベイナイトの割合が面積率で0~20%であり、その芯部硬さが160~260Hvである窒化用鋼である。
0.15<0.10×Cr+0.67×Al+0.24×V<0.43・・・式1
0.25<0.80×C+0.10×Cr+0.36×Mo<0.50・・・式2
ただし、式1及び式2中の元素記号には、該当成分の質量%の値を代入する。
The second method is:
In mass%, C: 0.12 to 0.30%, Si: 0.10 to 0.40%, Mn: 0.50 to 1.50%, P: 0.030% or less, S: 0.030% or less, Cr: 0.50 to 2.00%, Mo: 0.03 to 0.30%, Al: 0.025 to 0.300%, N: 0.004 to 0.030%, V: 0.05 to 0.30%,
Furthermore, the steel contains one or more of the following optional additional components: Nb: 0.10% or less, Ti: 0.020 to 0.200%, and B: 0.0030% or less;
The balance is Fe and unavoidable impurities.
The steel for nitriding satisfies the relationship between Formula 1 and Formula 2, and has a pre-nitriding structure consisting of ferrite and pearlite, or a structure containing bainite in addition to ferrite and pearlite, in which the ratio of pearlite in these structures is 10 to 60% in terms of area ratio and the ratio of bainite is 0 to 20% in terms of area ratio, and the core hardness is 160 to 260 Hv.
0.15<0.10×Cr+0.67×Al+0.24×V<0.43...Equation 1
0.25<0.80×C+0.10×Cr+0.36×Mo<0.50...Equation 2
However, the element symbols in Formulas 1 and 2 are substituted with the mass % values of the corresponding components.

本発明の手段によると、加工性と窒化後の硬さと芯部硬さのバランスのよい窒化用鋼が得られる。すなわち、本発明の窒化用鋼は芯部硬さが160~260Hvと加工性に優れている。
また、本発明の窒化用鋼は、これを窒化した場合には、その窒化後の表面硬さが700Hv以上となるものであって、400Hv以上となる表層部の硬化層深さが0.29mm以上となるなど、窒化後の硬さも備え得る。
According to the present invention, a nitriding steel having a good balance between workability, hardness after nitriding, and core hardness can be obtained. That is, the nitriding steel of the present invention has a core hardness of 160 to 260 Hv and is excellent in workability.
Furthermore, when the nitriding steel of the present invention is nitrided, the surface hardness after nitriding is 700 Hv or more, and the hardened layer depth of the surface layer having a hardness of 400 Hv or more is 0.29 mm or more, so that the steel can also have a hardness after nitriding.

本発明の実施の形態の説明に先立ち、窒化用鋼の化学成分を規定する理由について述べる。なお、化学成分の%は質量%である。 Before explaining the embodiments of the present invention, the reasons for specifying the chemical composition of the steel for nitriding will be described. Note that the percentages of the chemical composition are mass percentages.

C:0.12~0.30%
Cは素材硬さを上昇させる成分である。Cが0.12%未満であると、窒化後の芯部硬さが十分に得られず低下するので、部品としての強度不足を招くこととなる。他方、Cが過多であると素材硬さが上昇することで加工性が低下してしまう。すなわち、被削性、冷間加工性が劣ることとなる。また窒素の鋼表面からの拡散を阻害することとなり、硬化層深さが低減してしまう。そこで、Cは0.30%以下とする。。
C: 0.12 to 0.30%
C is a component that increases the hardness of the material. If C is less than 0.12%, the core hardness after nitriding is insufficient and decreases, resulting in insufficient strength as a part. On the other hand, if C is too much, the material hardness increases and workability decreases. In other words, machinability and cold workability become poor. It also inhibits the diffusion of nitrogen from the steel surface, reducing the depth of the hardened layer. Therefore, C is set to 0.30% or less.

Si:0.10~0.40%
Siは鋼の製造時の脱酸に有用な成分である。Siが0.10%未満であると、製造時の脱酸不足を招きやすくなるので、介在物品位が低下してしまうことなる。他方、Siが0.40%を超えると、素材硬さの上昇によりかえって加工性が低下してしまうこととなる。そこで、Siは0.10~0.40%とする。
Si: 0.10 to 0.40%
Silicon is a useful component for deoxidation during steel manufacturing. If the silicon content is less than 0.10%, deoxidation during manufacturing is likely to be insufficient, resulting in a decrease in the inclusion quality. On the other hand, if the silicon content exceeds 0.40%, the material hardness increases, resulting in a decrease in workability. Therefore, the silicon content is set to 0.10 to 0.40%.

Mn:0.50~1.50%
Mnは芯部硬さ(素材硬さ)を向上させる成分であることから、Mnが0.50%を下回ると、芯部硬さが不足を招く。他方、Mnは素材硬さが増すと被削性や鍛造性などの加工性を阻害するので加工性が低下することとなる。そこで、Mnは0.50~1.50%とする。
Mn: 0.50 to 1.50%
Since Mn is an ingredient that improves the core hardness (hardness of the material), if the Mn content falls below 0.50%, the core hardness will be insufficient. On the other hand, if Mn increases the material hardness, it will hinder workability such as machinability and forgeability, resulting in a decrease in workability. Therefore, the Mn content is set to 0.50 to 1.50%.

Cr:0.50~2.00%
Crは、鋼の芯部硬さを向上させ、また鋼を窒化した際の硬さを向上させる成分である。Crが過少であると、窒化後の硬さが不足することとなり、芯部硬さも不十分なものとなる。他方、Crが過多であると、素材硬さが上昇することで加工性が低下する。また、窒素の拡散が阻害されることによって、硬化層深さが低減する。
そこで、Crは0.50~2.00%とする。望ましくは、Crは1.00~1.80%である。
Cr: 0.50 to 2.00%
Cr is an ingredient that improves the core hardness of steel and also improves the hardness when the steel is nitrided. If there is too little Cr, the hardness after nitriding will be insufficient, and the core hardness will also be insufficient. On the other hand, if there is too much Cr, the material hardness will increase, resulting in a decrease in workability. In addition, the diffusion of nitrogen will be hindered, resulting in a decrease in the depth of the hardened layer.
Therefore, the Cr content is set to 0.50 to 2.00%, and preferably, the Cr content is set to 1.00 to 1.80%.

Mo:0.03~0.30%
Moは、素材硬さを向上させる成分である。Moが0.03%を下回ると、窒化後の芯部硬さを低下させ、強度不足を招く。他方、Moが0.30%を超えると、素材硬さの上昇によりかえって加工性が低下してしまい、被削性、冷間加工性が劣ることとなる。
Mo: 0.03 to 0.30%
Mo is a component that improves the hardness of the material. If the Mo content is less than 0.03%, the core hardness after nitriding is reduced, resulting in insufficient strength. On the other hand, if the Mo content exceeds 0.30%, the workability is reduced due to the increase in the material hardness, resulting in poor machinability and cold workability.

Al:0.025~0.300%
Alは製造時の脱酸に有用な成分である。Alが過少であると、鋼の製造時の脱酸不足を招きやすく、介在物品位が低下する。また、窒化した後の鋼部品の表面硬さ、硬化層深さも不足することとなる。Alが過多であると、粗大な窒化物(AlN)が形成することで、疲労特性や加工性が低下することとなる。そこで、Alは0.025~0.300%とする。望ましくはAlは0.050~0.200%である。
Al: 0.025 to 0.300%
Al is a useful component for deoxidation during manufacturing. If there is too little Al, deoxidation during steel manufacturing is likely to be insufficient, and the inclusion quality will decrease. In addition, the surface hardness and hardened layer depth of the steel parts after nitriding will also be insufficient. If there is too much Al, coarse nitrides (AlN) will form, which will decrease fatigue properties and workability. Therefore, Al is set to 0.025 to 0.300%. Desirably, Al is 0.050 to 0.200%.

N:0.004~0.030%
Nは炭窒化物を形成する成分である。Nが過少であると炭窒化物が不足し、結晶粒が粗大化するので、靭性や疲労特性が低下しやすくなる。他方、Nが過多であると、粗大な炭窒化物が形成される結果、疲労特性や加工性が低下し、またピン止め効果のある微細な炭窒化物が減少することからピンニング効果が発揮されず、結晶粒が粗大化する。そこで、Nは0.004~0.030%とする。
N: 0.004 to 0.030%
N is a component that forms carbonitrides. If there is too little N, there will be a shortage of carbonitrides and the crystal grains will become coarse, which will lead to a decrease in toughness and fatigue properties. On the other hand, if there is too much N, coarse carbonitrides will be formed, which will result in a decrease in fatigue properties and workability, and the pinning effect will not be exerted due to a decrease in fine carbonitrides that have a pinning effect, leading to coarsening of the crystal grains. Therefore, N is set to 0.004 to 0.030%.

V:0.05~0.30%
Vは鋼の硬度を向上させるために有用な成分であり、窒素拡散を阻害する影響が小さいので硬化層の深さの減少を防止するためにも有用な成分である。AlとVは複合的に作用して、VはNとのクラスターを形成しNの拡散を担保し、そこにAlとNの窒化物が発生することで硬化層深さが向上するので、硬化層深さが大きく向上する。Vが過少であると硬化層深さが不足する。他方、Vが過多であると、加工性が悪化するほか、V成分に起因してコストが増加する。そこで、Vは0.05~0.30%とする。
V: 0.05 to 0.30%
V is a useful component for improving the hardness of steel, and since it has little effect in inhibiting nitrogen diffusion, it is also a useful component for preventing a decrease in the depth of the hardened layer. Al and V act in combination, V forms clusters with N to ensure the diffusion of N, and nitrides of Al and N are generated there, which increases the hardened layer depth, so the hardened layer depth is greatly improved. If there is too little V, the hardened layer depth will be insufficient. On the other hand, if there is too much V, the workability will deteriorate and the cost will increase due to the V component. Therefore, V is set to 0.05 to 0.30%.

なお、残部はFe及び不可避不純物である。なお、PとSはいずれも不可避的不純物として含有される場合があるので、次のとおり上限を規定する。 The balance is Fe and unavoidable impurities. Note that since both P and S may be contained as unavoidable impurities, the upper limits are specified as follows:

P:0.030%以下(不可避不純物)
Pは粒界偏析を助長して靭性を低下させる成分である。そこで、不可避的不純物としてPが含まれる場合、Pは0.030%以下とする。
P: 0.030% or less (unavoidable impurities)
P is a component that promotes grain boundary segregation and reduces toughness, so when P is contained as an unavoidable impurity, the P content is set to 0.030% or less.

S:0.030%以下(不可避不純物)
Sが過多であると、粗大なMnSを多量に形成することから、靭性や疲労強度の低下を招く。そこで、Sが含まれる場合は、Sは0.030%以下とする。
S: 0.030% or less (unavoidable impurities)
If there is an excessive amount of S, a large amount of coarse MnS is formed, which leads to a decrease in toughness and fatigue strength. Therefore, if S is contained, the S content is set to 0.030% or less.

本発明における選択的付加的成分について説明する。本発明の鋼の成分に、以下の範囲において、Nb、Ti、Bのうち1種または2種以上を選択して添加することができる。 The optional additional components in the present invention are explained below. One or more of Nb, Ti, and B can be selected and added to the components of the steel of the present invention within the following ranges.

Nb:0.10%以下
Nbは硬さを向上させる成分であるが、過多になると硬さの上昇に伴って加工性が悪化してしまう。そこで、Nbを含有する場合は、0.10%以下までとする。
Nb: 0.10% or less Nb is a component that improves hardness, but if it is excessive, the workability deteriorates as the hardness increases. Therefore, when Nb is contained, the content is set to 0.10% or less.

Ti:0.020~0.200%
Tiは窒化物や炭窒化物の析出により硬度を向上させる成分である。Tiが0.020%を下回ると、微細な窒化物量に不足するので、Tiによって曲げ疲労強度の強化が十分に得られることはない。他方、Tiが過多であると、粗大な炭窒化物が増加することから、曲げ疲労強度が低下することとなる。そこで、Tiを添加する場合は、0.020~0.200%とする。
Ti: 0.020 to 0.200%
Ti is a component that improves hardness by precipitating nitrides and carbonitrides. If Ti is less than 0.020%, the amount of fine nitrides is insufficient, and Ti does not sufficiently improve bending fatigue strength. On the other hand, if Ti is excessive, the amount of coarse carbonitrides increases, and bending fatigue strength decreases. Therefore, when Ti is added, the amount is set to 0.020 to 0.200%.

B:0.0030%以下
Bは素材硬さを上昇させる成分であるが、0.0030%を超えると、素材硬さの上昇に伴い加工性が低下してしまう。また、炭ホウ化物形成による脆化も招来してしまう。そこで、Bを添加する場合は、0.0030%以下とする。
B: 0.0030% or less B is a component that increases the hardness of the material, but if it exceeds 0.0030%, the workability decreases as the hardness of the material increases. In addition, embrittlement due to the formation of carboborides is also caused. Therefore, when B is added, it is set to 0.0030% or less.

次に、式1及び式2を規定する理由について説明する。
0.15<0.10×Cr+0.67×Al+0.24×V<0.43・・・式1
0.25<0.80×C+0.10×Cr+0.36×Mo<0.50・・・式2
各式の元素記号には、該当する鋼成分の質量%の値を代入して求める。
Next, the reasons for defining formulas 1 and 2 will be described.
0.15<0.10×Cr+0.67×Al+0.24×V<0.43...Equation 1
0.25<0.80×C+0.10×Cr+0.36×Mo<0.50...Equation 2
The formula is calculated by substituting the mass percentage of the corresponding steel component for the element symbol.

まず、式1は、CrとAlとVを用いた指標で、窒化硬さと硬化層深さに関わる指標である。式1の数値が0.15以下であると、窒化硬さに不足したり、硬化層深さが不足することとなる。0.43以上である場合も硬化層深さが不足しやすくなる。 First, formula 1 is an index using Cr, Al, and V, and is an index related to nitriding hardness and hardened layer depth. If the value of formula 1 is 0.15 or less, the nitriding hardness and hardened layer depth will be insufficient. If it is 0.43 or more, the hardened layer depth will also be likely to be insufficient.

式2はCとCrとMoを用いた指標で、窒化後の芯部硬さや素材硬さに関わる指標である。式2の値が0.25以下であると、芯部硬さが不足し、強度不足を招来する。式2の値が0.50以上であると、素材硬さが高すぎて部品の加工性(被削性や冷間加工性)が悪くなることとなる。 Formula 2 is an index using C, Cr, and Mo, and is an index related to the core hardness and material hardness after nitriding. If the value of Formula 2 is 0.25 or less, the core hardness will be insufficient, resulting in insufficient strength. If the value of Formula 2 is 0.50 or more, the material hardness will be too high, resulting in poor workability of the part (machinability and cold workability).

窒化前の組織がフェライト及びパーライトからなる組織もしくはフェライト及びパーライトにさらにベイナイトを含んだ組織であって、かつ、パーライトの割合が面積率で10~60%、ベイナイトの割合が面積率で0~25%であること
本発明の窒化用鋼は、窒化処理前の組織がフェライト+パーライト組織もしくは、フェライト+パーライトにベイナイトを含む組織であって、その組織中におけるパーライトの割合が面積率で10~60%、ベイナイトの割合は、面積率で0~20%である。
パーライトの割合が10%未満であると、軟質なフェライトが主となる組織となり、切りくずが切断されにくくなるため、被削性が低下する。パーライトの割合が60%を超えると、硬さが過剰となり被削性が低下する。
また、ベイナイトの割合が20%超であると、芯部硬さが高くなりすぎ、加工性が悪くなってしまう。そこで、ベイナイトを含む場合の割合は、面積率で20%以下とする。
The structure before nitriding is a structure consisting of ferrite and pearlite, or a structure consisting of ferrite and pearlite further containing bainite, and the proportion of pearlite is 10 to 60% in terms of area percentage, and the proportion of bainite is 0 to 25%.The steel for nitriding of the present invention has a structure before nitriding treatment which is a ferrite + pearlite structure, or a structure consisting of ferrite + pearlite containing bainite, and the proportion of pearlite in the structure is 10 to 60% in terms of area percentage, and the proportion of bainite is 0 to 20% in terms of area percentage.
If the proportion of pearlite is less than 10%, the structure will be mainly composed of soft ferrite, making it difficult to cut chips and reducing machinability, whereas if the proportion of pearlite is more than 60%, the hardness will be excessive and the machinability will be reduced.
On the other hand, if the proportion of bainite exceeds 20%, the core hardness becomes too high, resulting in poor workability. Therefore, the proportion of bainite, if present, is set to 20% or less in terms of area ratio.

芯部硬さ:160~260Hv
素材硬さが過度に硬すぎると、加工性に劣ることとなる。他方で、窒化後の芯部硬さが不足すると、ギアなどの部品全体の強度に不足することともなる。そこで、好ましい芯部硬さは160~260Hvである。この範囲の硬さであると、被削性が悪化することがなく、工具側での工夫を求めることもないので、好ましい。
Core hardness: 160-260Hv
If the material hardness is too hard, the workability will be poor. On the other hand, if the core hardness after nitriding is insufficient, the strength of the entire part such as a gear will be insufficient. Therefore, the preferred core hardness is 160 to 260 Hv. A hardness in this range is preferable because it does not deteriorate the machinability and does not require any special effort on the tool side.

表1の実施例1~19、比較例1~5に示す各化学成分と残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼について、100kgを真空溶解炉で溶製した。次いで、熱間鍛造により径40mmの棒鋼を作製し、その後、焼ならしとして700~950℃の温度で1~3時間保持後、空冷を実施した。実施例では冷却速度は0.1~0.3℃/sとした。 100 kg of steels with the chemical compositions shown in Examples 1 to 19 and Comparative Examples 1 to 5 in Table 1, with the balance being Fe and unavoidable impurities, were melted in a vacuum melting furnace. Next, steel bars with a diameter of 40 mm were produced by hot forging, and then normalized by holding at a temperature of 700 to 950°C for 1 to 3 hours, followed by air cooling. In the examples, the cooling rate was 0.1 to 0.3°C/s.

焼ならしはカンタル炉を用い、具体的には次の手順で実施している。まず、所定の保持温度に設定した炉内に、上記の成分の各供試材を投入し、供試材の昇温時間を30分確保する。その後、任意の時間保持してから、空冷もしくは水冷を実施する。保持時間の選定については炉に装入する鋼材の量や寸法を考慮するものとする。 Normalizing is performed using a Kanthal furnace, specifically following the procedure below. First, each test material with the above composition is placed in a furnace set to a designated holding temperature, and the test materials are allowed to heat up for 30 minutes. They are then held for a desired period of time before being air-cooled or water-cooled. The holding time is selected taking into consideration the amount and dimensions of the steel material to be charged into the furnace.

さらに焼ならし後に、580℃で2~6時間の窒化処理を実施した。 After normalizing, the material was then subjected to nitriding treatment at 580°C for 2 to 6 hours.

Figure 2024048190000001
Figure 2024048190000001

次いで、鋼組織中におけるパーライトの面積率(%)、ベイナイトの面積率(%)、窒化後の表面硬さ、窒化後の硬化層深さ、及び芯部硬さ(焼準後硬さ)を次の手順で測定し、表2に示した。 Next, the area ratio (%) of pearlite in the steel structure, the area ratio (%) of bainite, the surface hardness after nitriding, the hardened layer depth after nitriding, and the core hardness (hardness after normalizing) were measured using the following procedure, and are shown in Table 2.

Figure 2024048190000002
Figure 2024048190000002

<評価方法>
表1の各鋼の表面からの硬さ分布をJIS Z 2244に準拠してビッカース硬度計にて測定し、表1に示す各実施例鋼および各比較例鋼の表面硬さと有効硬化層の深さを表2に記載する。
(1)表面硬さ
表面硬さは、表面から0.05mmの深さ位置における硬さとし、JIS Z 2244に準拠してビッカース硬度計にて測定した。
(2)表面硬化層深さ
表面からの硬さ分布をJIS Z 2244に準拠してビッカース硬度計にて測定し、400Hv以上の硬さを維持している領域を硬化層深さとした。
(3)窒化後の芯部硬さ
窒化後の試験片を切断し断面の芯部硬さをJIS Z 2244に準拠してビッカース硬度計にて測定した。
<Evaluation method>
The hardness distribution from the surface of each steel in Table 1 was measured using a Vickers hardness tester in accordance with JIS Z 2244, and the surface hardness and effective hardened layer depth of each example steel and each comparative steel shown in Table 1 are shown in Table 2.
(1) Surface Hardness The surface hardness was defined as the hardness at a depth of 0.05 mm from the surface, and was measured using a Vickers hardness tester in accordance with JIS Z 2244.
(2) Depth of Surface Hardened Layer The hardness distribution from the surface was measured using a Vickers hardness tester in accordance with JIS Z 2244, and the area maintaining a hardness of 400 Hv or more was taken as the depth of the hardened layer.
(3) Core Hardness after Nitriding The test piece after nitriding was cut, and the core hardness of the cross section was measured by a Vickers hardness tester in accordance with JIS Z 2244.

また、窒化前の各鋼の組織については、焼準後の各鋼を鏡面研磨し、ナイタール液でエッチングした後、光学顕微鏡で観察し、各組織を特定し、判別した。判別された各組織については、撮像された顕微鏡画像について画像処理ソフトで当該ピクセル数をカウントするなどして、組織毎の比率を求め、全組織中におけるパーライトの面積率、ベイナイトの面積率を%で表2に示した。 In addition, the structure of each steel before nitriding was identified and classified by observing it under an optical microscope after mirror polishing of each normalized steel and etching with nital solution. The ratio of each structure was calculated by counting the number of pixels in the captured microscope images using image processing software, and the area ratio of pearlite and bainite in the total structure are shown in Table 2 as a percentage.

本願の実施例No.1~19の鋼は、パーライト組織の面積率が10~60%であり、ベイナイト組織が20%以下であり、芯部硬さが160~260Hvと加工性に優れている。また、これらの鋼を窒化した場合には、その窒化後の表面硬さが700Hv以上となるものであって、硬化層深さが0.29mm以上となるなど、実用性のある窒化層が形成されており、加工性とのバランスに優れた窒化用鋼となっている。そこで、これらの鋼で加工された部品に窒化処理をすることで、機械構造用部品、とりわけ歯車などの動力伝達部品を好適に得ることができる。 The steels of Examples 1 to 19 of this application have excellent workability, with an area ratio of pearlite structure of 10 to 60%, a bainite structure of 20% or less, and a core hardness of 160 to 260 Hv. Furthermore, when these steels are nitrided, the surface hardness after nitriding is 700 Hv or more, and a practical nitrided layer is formed with a hardened layer depth of 0.29 mm or more, making these nitriding steels well-balanced with workability. Therefore, by subjecting parts machined with these steels to nitriding treatment, machine structural parts, particularly power transmission parts such as gears, can be obtained.

比較例No.1は、CとMnが過多であり、式2の値もオーバーしており、ベイナイト組織も過多となっている。そして、芯部硬さが高すぎて加工性に劣ったものとなっている。また硬化層深さが不足している。
比較例No.2は、AlとVが過少であり、硬化層深さが不足している。
比較例No.3は、式1、式2の値がいずれも下回っており、満足しておらず、表面硬さが低く、芯部硬さも不足している。
比較例No.4は、Moが過少で、パーライト率が過多であり、芯部硬さが不足し、窒化後の硬化層深さも不足している。
比較例No.5は、式1の値が下回っており、窒化後の表面硬さ及び硬化層深さが不足している。
Comparative Example No. 1 has excessive C and Mn, exceeds the value of formula 2, and has an excessive bainite structure. The core hardness is too high, resulting in poor workability. The hardened layer depth is also insufficient.
In Comparative Example No. 2, the amounts of Al and V were too small, and the depth of the hardened layer was insufficient.
In Comparative Example No. 3, the values of both Formula 1 and Formula 2 are below the required values, and the test is not satisfactory, with low surface hardness and insufficient core hardness.
Comparative Example No. 4 has an insufficient amount of Mo, an excessive pearlite ratio, an insufficient core hardness, and an insufficient hardened layer depth after nitriding.
In Comparative Example No. 5, the value of Formula 1 is lower than that, and the surface hardness and hardened layer depth after nitriding are insufficient.

Claims (2)

質量%で、C:0.12~0.30%、Si:0.10~0.40%、Mn:0.50~1.50%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cr:0.50~2.00%、Mo:0.03~0.30%、Al:0.025~0.300%、N:0.004~0.030%、V:0.05~0.30%、残部Fe及び不可避的不純物からなり、
式1及び式2の関係性を満足し、その窒化前組織がフェライト及びパーライトからなる組織、もしくはフェライト及びパーライトにさらにベイナイトを含んだ組織であって、これら組織におけるパーライトの割合は面積率で10~60%、ベイナイトの割合が面積率で0~20%であり、その芯部硬さが160~260Hvである窒化用鋼。
0.15<0.10×Cr+0.67×Al+0.24×V<0.43・・・式1
0.25<0.80×C+0.10×Cr+0.36×Mo<0.50・・・式2
ただし、式1及び式2中の元素記号には、該当成分の質量%の値を代入する。
In mass %, it consists of C: 0.12 to 0.30%, Si: 0.10 to 0.40%, Mn: 0.50 to 1.50%, P: 0.030% or less, S: 0.030% or less, Cr: 0.50 to 2.00%, Mo: 0.03 to 0.30%, Al: 0.025 to 0.300%, N: 0.004 to 0.030%, V: 0.05 to 0.30%, the balance being Fe and unavoidable impurities,
A steel for nitriding which satisfies the relationship between Formula 1 and Formula 2, and has a pre-nitriding structure consisting of ferrite and pearlite, or a structure containing bainite in addition to ferrite and pearlite, in which the ratio of pearlite in these structures is 10 to 60% in terms of area ratio and the ratio of bainite is 0 to 20% in terms of area ratio, and the core hardness is 160 to 260 Hv.
0.15<0.10×Cr+0.67×Al+0.24×V<0.43...Equation 1
0.25<0.80×C+0.10×Cr+0.36×Mo<0.50...Equation 2
However, the element symbols in Formulas 1 and 2 are substituted with the mass % values of the corresponding components.
質量%で、C:0.12~0.30%、Si:0.10~0.40%、Mn:0.50~1.50%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cr:0.50~2.00%、Mo:0.03~0.30%、Al:0.025~0.300%、N:0.004~0.030%、V:0.05~0.30%であり、
さらに、選択的付加的成分としてNb:0.10%以下、Ti:0.020~0.200%、B:0.0030%以下のいずれか1種または2種以上を含有し、
残部Fe及び不可避的不純物からなり、
式1及び式2の関係性を満足し、その窒化前組織がフェライト及びパーライトからなる組織、もしくはフェライト及びパーライトにさらにベイナイトを含んだ組織であって、これら組織におけるパーライトの割合は面積率で10~60%、ベイナイトの割合が面積率で0~20%であり、その芯部硬さが160~260Hvである窒化用鋼。
0.15<0.10×Cr+0.67×Al+0.24×V<0.43・・・式1
0.25<0.80×C+0.10×Cr+0.36×Mo<0.50・・・式2
ただし、式1及び式2中の元素記号には、該当成分の質量%の値を代入する。
In mass%, C: 0.12 to 0.30%, Si: 0.10 to 0.40%, Mn: 0.50 to 1.50%, P: 0.030% or less, S: 0.030% or less, Cr: 0.50 to 2.00%, Mo: 0.03 to 0.30%, Al: 0.025 to 0.300%, N: 0.004 to 0.030%, V: 0.05 to 0.30%,
Furthermore, the steel contains one or more of the following optional additional components: Nb: 0.10% or less, Ti: 0.020 to 0.200%, and B: 0.0030% or less;
The balance is Fe and unavoidable impurities.
A steel for nitriding which satisfies the relationship between Formula 1 and Formula 2, and has a pre-nitriding structure consisting of ferrite and pearlite, or a structure containing bainite in addition to ferrite and pearlite, in which the ratio of pearlite in these structures is 10 to 60% in terms of area ratio and the ratio of bainite is 0 to 20% in terms of area ratio, and the core hardness is 160 to 260 Hv.
0.15<0.10×Cr+0.67×Al+0.24×V<0.43...Equation 1
0.25<0.80×C+0.10×Cr+0.36×Mo<0.50...Equation 2
However, the element symbols in Formulas 1 and 2 are substituted with the mass % values of the corresponding components.
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