JP4500708B2 - Non-tempered steel nitrocarburized parts - Google Patents

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Description

本発明は非調質鋼に軟窒化処理を施した機械部品に関する。詳しくは、自動車、産業機械及び建設機械等のクランクシャフトやコネクティングロッド等の軟窒化処理を施した機械部品に関する。   The present invention relates to a machine part obtained by nitrocarburizing non-heat treated steel. Specifically, the present invention relates to mechanical parts subjected to soft nitriding treatment such as crankshafts and connecting rods of automobiles, industrial machines and construction machines.

従来、自動車、産業機械及び建設機械等のクランクシャフトやコネクティングロッド等の機械部品は、熱間鍛造等の方法で熱間加工した後に調質処理(焼入れ、焼戻し、焼ならし(焼準)、焼鈍)を施して製造される。調質処理によって組織の均質化と微細化がもたらされる。調質処理の後、主として疲労強度を高める目的で、軟窒化処理が施される。   Conventionally, mechanical parts such as crankshafts and connecting rods of automobiles, industrial machines and construction machines are subjected to tempering treatment (quenching, tempering, normalization) after hot working by a method such as hot forging. (Annealing). The tempering process results in homogenization and refinement of the tissue. After the tempering treatment, soft nitriding treatment is performed mainly for the purpose of increasing the fatigue strength.

軟窒化処理を施すことによってひずみが発生する。その歪は部品の寸法精度を害するので、軟窒化処理を施した後には曲げ矯正が行われることが多い。従って、軟窒化処理後の部品には、高い疲労強度と共に優れた曲げ矯正性が必要とされる。   Strain is generated by the soft nitriding treatment. Since the distortion impairs the dimensional accuracy of the part, bending correction is often performed after the soft nitriding treatment. Accordingly, the parts after the soft nitriding treatment are required to have high bending strength as well as high bending strength.

上記の「優れた曲げ矯正性」とは、大きな曲げ変位量に到るまで、部品の表面にき裂が入らないことを意味する。   The above “excellent bend straightening” means that the surface of the part does not crack until a large amount of bending displacement is reached.

機械部品の製造においては、製造コスト削減および省エネルギーのために、調質処理を省略することが望まれており、近年、その要求は特に強まってきている。   In the manufacture of mechanical parts, it is desired to omit the tempering process in order to reduce the manufacturing cost and save energy, and in recent years, the demand has been particularly strong.

しかし、調質処理を省略すると、熱間加工時に生成した不均質な組織が残存しやすく、また、熱間加工開始前の素材の加熱中に成長して粗大化した結晶粒が、そのまま製品中に残存し製品の機械的性質が低下する。そこで、通常、熱間加工の後に焼準処理を施してこの問題を解決している。熱間加工後に焼準処理を行わない場合には、結晶粒は粗大化したままであったり、熱間変形組織が部分的に残留した不均質な組織になる。従って、焼準処理を省略した材料では、軟窒化処理を施しても所望の疲労強度が得られない。   However, if the tempering treatment is omitted, the inhomogeneous structure generated during hot working tends to remain, and the crystal grains grown and coarsened during heating of the raw material before the start of hot working remain in the product. And the mechanical properties of the product deteriorate. Therefore, this problem is usually solved by performing a normalizing process after hot working. When the normalizing treatment is not performed after the hot working, the crystal grains remain coarsened or become an inhomogeneous structure in which the hot deformed structure partially remains. Therefore, in a material in which the normalizing process is omitted, a desired fatigue strength cannot be obtained even if a soft nitriding process is performed.

また、上記のように、軟窒化処理後の部品には曲げ矯正性が優れていることが必要とされるが、調質処理を省略した場合には、上述した粗大結晶粒組織または/および不均一組織のために軟窒化処理後の部品の曲げ矯正性は著しく劣ったものとなることが多い。   In addition, as described above, the parts after soft nitriding are required to have excellent bend straightening properties. However, when the tempering treatment is omitted, the above-described coarse crystal grain structure and / or non-refining properties are not required. Due to the uniform structure, the bend straightening of the parts after nitrocarburizing is often extremely inferior.

従って、コスト削減および省エネルギーを目的として調質処理を省略した場合にも、軟窒化処理後に高い疲労強度と優れた曲げ矯正性を備えた機械部品の開発が望まれている。   Therefore, even when the tempering treatment is omitted for the purpose of cost reduction and energy saving, it is desired to develop a mechanical component having high fatigue strength and excellent bend straightening after nitrocarburizing treatment.

以下では、調質処理の中の代表例として「焼準」を取り上げて説明する。焼準処理を省略した場合にも窒化処理後に高い疲労強度および優れた「曲げ矯正性」を備えた部品となり得る軟窒化処理用非調質鋼を得る方法については、これまでにも幾つかの提案がある。それらは下記の二つに大別される。   Hereinafter, “normalization” will be described as a representative example in the tempering process. Regarding the method of obtaining non-tempered steel for soft nitriding that can be a part with high fatigue strength and excellent “bend straightening” after nitriding even when normalizing treatment is omitted, I have a suggestion. They are roughly divided into the following two.

(1)鋼の微細組織を調質鋼と同様にフェライトとパーライトに保ったままで熱間鍛造での組織の粗大化をできるだけ避ける方法(例えば、特許文献1〜4参照)。   (1) A method of avoiding the coarsening of the structure by hot forging as much as possible while keeping the microstructure of the steel in ferrite and pearlite like the tempered steel (see, for example, Patent Documents 1 to 4).

(2)鋼の微細組織をベイナイトにする方法(例えば、特許文献5〜9参照)。   (2) A method in which the microstructure of steel is made bainite (see, for example, Patent Documents 5 to 9).

特許文献1には、「合金元素の含有量が質量%で、C:0.15〜0.40%、Si≦0.50%、Mn:0.20〜1.50%、Cr:0.05〜0.50%、残部Fe及び不可避不純物からなり、熱間加工後の組織が実質上フェライト・パーライト組織であり、フェライト面積率が30%以上、フェライト粒度番号が5番以上の粒度であり、かつ、パーライトの平均寸法が50μm以下であることを特徴とする窒化鋼」が開示されている。この鋼は、焼準処理を省略しても窒化処理後の疲労強度及び曲げ矯正性に優れていると記載されている。   Patent Document 1 states that “alloy element content is mass%, C: 0.15 to 0.40%, Si ≦ 0.50%, Mn: 0.20 to 1.50%, Cr: 0.00. It consists of 05-0.50%, the balance Fe and inevitable impurities, and the structure after hot working is substantially a ferrite-pearlite structure, the ferrite area ratio is 30% or more, and the ferrite grain size number is 5 or more And a nitrided steel characterized in that the average dimension of pearlite is 50 μm or less ”. This steel is described as being excellent in fatigue strength and bend straightening after nitriding even if the normalizing treatment is omitted.

特許文献2には、「鋼に窒化処理してなる窒化処理部品であって、前記鋼が、合金成分として質量%で、C:0.15〜0.40%、Si:0.50%以下、Mn:0.20〜1.50%、Cr:0.05〜0.50%を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなり、かつ、前記鋼は、熱間加工ままで、フェライトとパーライトからなる混合組織を有し、前記フェライトの結晶粒の平均寸法が50μm以下であり、前記パーライトの結晶粒の平均寸法が50μm以下であり、前記窒化処理による平均硬化深さが0.3mm以上であり、かつ、前記硬化深さの変動が0.1mm以内であることを特徴とする窒化処理部品」が開示されている。そして、この部品が、熱間鍛造後の焼準処理を省略して窒化処理されたものであっても、疲労強度及び曲げ矯正性に優れていると記載されている。   Patent Document 2 states that “it is a nitriding part formed by nitriding steel, and the steel is mass% as an alloy component, C: 0.15 to 0.40%, Si: 0.50% or less. , Mn: 0.20 to 1.50%, Cr: 0.05 to 0.50%, the balance is Fe and inevitable impurities, and the steel remains hot-worked with ferrite and pearlite. The average size of the ferrite crystal grains is 50 μm or less, the average size of the pearlite crystal grains is 50 μm or less, and the average hardening depth by the nitriding treatment is 0.3 mm or more. There is also disclosed a nitriding component characterized in that the variation of the curing depth is within 0.1 mm. And it is described that even if this part is nitrided by omitting the normalizing process after hot forging, it is excellent in fatigue strength and bending straightness.

特許文献3には、「重量%で、C:0.20〜0.60%、Si:0.05〜1.0%、Mn:0.3〜1.0%、P:0.05%以下、S:0.005〜0.10%、Cr:0.3%以下、Al:0.08%以下、Ti:0.03%以下、N:0.008〜0.020%、Ca:0.005%以下、Pb:0.30%以下、Cu:0.30%以下、Ni:0.30%以下、Mo:0.30%以下、V:0.20%以下、Nb:0.05%以下、且つ、221C(%)+99.5Mn(%)+52.5Cr(%)−304Ti(%)+577N(%)+25≧150を満たし、残部はFe及び不可避不純物の化学組成であって、組織が、フェライト及びパーライトからなり、そのフェライト分率が10%以上であることを特徴とする軟窒化処理用鋼材」等が開示されている。   Patent Document 3 states that “in weight%, C: 0.20 to 0.60%, Si: 0.05 to 1.0%, Mn: 0.3 to 1.0%, P: 0.05%. Hereinafter, S: 0.005 to 0.10%, Cr: 0.3% or less, Al: 0.08% or less, Ti: 0.03% or less, N: 0.008 to 0.020%, Ca: 0.005% or less, Pb: 0.30% or less, Cu: 0.30% or less, Ni: 0.30% or less, Mo: 0.30% or less, V: 0.20% or less, Nb: 0.00. 05% or less and 221C (%) + 99.5 Mn (%) + 52.5 Cr (%) − 304 Ti (%) + 577 N (%) + 25 ≧ 150, with the balance being the chemical composition of Fe and inevitable impurities, Soft nitriding treatment characterized in that the structure is composed of ferrite and pearlite and the ferrite fraction is 10% or more. Use steel "and the like have been disclosed.

この特許文献3には、疲労強度を含有元素の回帰式として表現して、その因子が特定の大きさ以上であると共に、組織がフェライト及びパーライトからなりそのフェライト分率が10%以上であれば、焼準処理を省略しても疲労強度及び曲げ矯正性に優れた窒化処理部品が得られると記載されている。   In this Patent Document 3, if fatigue strength is expressed as a regression equation of contained elements, the factor is not less than a specific size, the structure is composed of ferrite and pearlite, and the ferrite fraction is not less than 10%. Further, it is described that a nitriding part excellent in fatigue strength and bend straightening can be obtained even if the normalizing treatment is omitted.

特許文献4には、「重量%で、C:0.30〜0.43%、Si:0.05〜0.40%、Mn:0.20〜0.60%、P:0.08%以下、S:0.10%以下、sol.Al:0.010%以下、Ti:0.013%以下、Ca:0.0030%以下、Pb:0.20%以下およびN:0.010〜0.030%を含有し残部がFeおよび不純物からなり、不純物中のCrが0.10%以下、Vが0.01%以下であることを特徴とする窒化用鋼」等が開示されている。   Patent Document 4 states that “in weight%, C: 0.30 to 0.43%, Si: 0.05 to 0.40%, Mn: 0.20 to 0.60%, P: 0.08%. Hereinafter, S: 0.10% or less, sol.Al: 0.010% or less, Ti: 0.013% or less, Ca: 0.0030% or less, Pb: 0.20% or less, and N: 0.010 Nitride steel characterized by containing 0.030%, the balance being Fe and impurities, Cr in impurities being 0.10% or less, and V being 0.01% or less " .

この特許文献4には、焼準処理を省略して窒化処理を施しても、窒化層における硬さ勾配をなだらかにすることにより、疲労強度及び曲げ矯正性に優れた製品が得られると記載されている。   This Patent Document 4 describes that even if the nitriding treatment is omitted without carrying out the normalizing treatment, a product excellent in fatigue strength and bending straightness can be obtained by smoothing the hardness gradient in the nitrided layer. ing.

特許文献5には、「C:0.1〜0.35%、Si:0.05〜0.35%、Mn:0.6〜1.50%、P:0.01%以下、S:0.015%以下、Cr:1.1〜2.0%、Mo:0.5〜1.0%、V:0.03〜0.13%、B:0.0005〜0.0030%、Ti:0.01〜0.04%、Al:0.01〜0.04%、残部:Feおよび不可避的不純物からなることを特徴とする高疲労強度構造用鋼」等が開示されている。   In Patent Document 5, “C: 0.1 to 0.35%, Si: 0.05 to 0.35%, Mn: 0.6 to 1.50%, P: 0.01% or less, S: 0.015% or less, Cr: 1.1-2.0%, Mo: 0.5-1.0%, V: 0.03-0.13%, B: 0.0005-0.0030%, "High fatigue strength structural steel characterized by comprising Ti: 0.01 to 0.04%, Al: 0.01 to 0.04%, balance: Fe and inevitable impurities" and the like are disclosed.

この特許文献5では、Crは焼入れ性及び窒化硬化性を向上させるのに有効で、Vは析出する炭化物を微細化して疲労強度を高めるのに有効とされている。ここで、Crによる窒化硬化性は、Cr窒化物の析出によるものであるので、ここでの疲労強度の向上はCr及びVによる析出強化に基づくものである。しかし、この特許文献5では、いったん製造された鋼材に対して再度加熱し冷却してベイナイト組織としており、この鋼は、調質鋼の範疇に含まれるものである。   In Patent Document 5, Cr is effective in improving hardenability and nitriding hardenability, and V is effective in increasing the fatigue strength by refining the precipitated carbide. Here, since the nitriding hardenability by Cr is due to the precipitation of Cr nitride, the improvement in fatigue strength here is based on the precipitation strengthening by Cr and V. However, in Patent Document 5, the steel material once manufactured is heated and cooled again to form a bainite structure, and this steel is included in the category of tempered steel.

特許文献6には、「質量%で、C:0.1〜0.3%未満、Si:0.01〜1.0%、Mn:1.5〜3.0%、Cr:0.01〜0.5%、Mo:0.1〜1.0%、酸可溶Al:0.01〜0.045%、N:0.005〜0.025%を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなることを特徴とする軟窒化処理用非調質鋼」等が開示されている。   Patent Document 6 states that “mass%, C: less than 0.1 to 0.3%, Si: 0.01 to 1.0%, Mn: 1.5 to 3.0%, Cr: 0.01 -0.5%, Mo: 0.1-1.0%, acid-soluble Al: 0.01-0.045%, N: 0.005-0.025%, the remainder Fe and inevitable impurities Non-tempered steel for soft nitriding characterized by comprising “and the like”.

この特許文献6では、熱間加工温度から空冷することによって得られるベイナイト組織を有する鋼は、強靭性に優れると共に、軟窒化処理を施した後に優れた曲げ矯正性を有するとされている。ここで、ベイナイトの硬さが硬くなり過ぎて機械加工性を損なわないようにするためにC濃度は0.3%未満とされ、ベイナイトを生成させるための鋼の焼入れ性を確保するためにMn濃度は1.5%以上と規定されている。また、0.01〜0.05%のCrを添加して、Cr窒化物による析出強化で窒化層の硬さ増大を図るとしている。即ち、この特許文献6では、ベイナイト組織によって曲げ矯正性が改善されるのは、ベイナイトがフェライト・パーライト組織に比べて、同じ硬さでは靭性が高いためであるとの理由で、上述したように、ベイナイトの硬さが硬くなり過ぎないように、C濃度を0.3%未満としている。しかし、C濃度が0.3%未満では、耐摩耗性の不足が懸念される。クランクシャフトやコネクティングロッド等の機械部品では耐摩耗性も非常に重要な因子である。   According to Patent Document 6, steel having a bainite structure obtained by air cooling from a hot working temperature is excellent in toughness and has excellent bend straightening after soft nitriding treatment. Here, the C concentration is less than 0.3% in order to prevent the bainite from becoming too hard and impairing the machinability, and Mn to ensure the hardenability of the steel for generating bainite. The concentration is specified as 1.5% or more. Moreover, 0.01 to 0.05% of Cr is added, and the hardness of the nitride layer is increased by precipitation strengthening with Cr nitride. That is, in Patent Document 6, the reason why the bend straightening is improved by the bainite structure is that bainite has higher toughness at the same hardness than the ferrite pearlite structure, as described above. The C concentration is less than 0.3% so that the hardness of bainite does not become too hard. However, if the C concentration is less than 0.3%, there is a concern about insufficient wear resistance. Wear resistance is also a very important factor for machine parts such as crankshafts and connecting rods.

特許文献7には、「重量%で、C:0.05〜0.30%、Si:1.20%以下、Mn:0.60〜1.30%、Cr:0.70〜1.50%、Al:0.10%以下、N:0.006〜0.020%、V:0.05〜0.20%、Mo:0〜1.00%、B:0〜0.0050%、S:0〜0.060%、Pb:0〜0.20%、Ca:0〜0.010%、かつ、0.60≦C+0.1Si+0.2Mn+0.25Cr+1.65V≦1.35、または、0.60≦C+0.1Si+0.2Mn+0.25Cr+1.65V+0.55Mo+8B≦1.35、残部Feおよび不可避的不純物、から成る鋼組成を有し、熱間圧延後あるいは熱間鍛造後冷却して、熱処理なしで、芯部硬さがHv200〜300、組織がベイナイトまたはフェライト分率が80%未満の「フェライト+ベイナイト」の混合組織としたことを特徴とする軟窒化処理用鋼」が開示されている。   Patent Document 7 states that “in weight percent, C: 0.05 to 0.30%, Si: 1.20% or less, Mn: 0.60 to 1.30%, Cr: 0.70 to 1.50. %, Al: 0.10% or less, N: 0.006 to 0.020%, V: 0.05 to 0.20%, Mo: 0 to 1.00%, B: 0 to 0.0050%, S: 0 to 0.060%, Pb: 0 to 0.20%, Ca: 0 to 0.010%, and 0.60 ≦ C + 0.1Si + 0.2Mn + 0.25Cr + 1.65V ≦ 1.35, or 0 .60 ≦ C + 0.1Si + 0.2Mn + 0.25Cr + 1.65V + 0.55Mo + 8B ≦ 1.35, having a steel composition consisting of the balance Fe and inevitable impurities, cooled after hot rolling or hot forging and without heat treatment , The core hardness is Hv200-300, the structure is bainite or Fe Soft nitriding steel for site fraction is characterized in that a mixed microstructure of "ferrite + bainite" of less than 80% "is disclosed.

この特許文献7の発明でも、特許文献5と同様にCr及びVによる析出強化を利用して疲労強度の向上を図るという思想が採用されている。しかし、特許文献6と同様に、C濃度が0.3%未満と規定されているために、耐摩耗性の面での懸念が拭いきれない。   The invention of Patent Document 7 also adopts the idea of improving fatigue strength by utilizing precipitation strengthening by Cr and V, as in Patent Document 5. However, as in Patent Document 6, since the C concentration is defined to be less than 0.3%, the concern regarding wear resistance cannot be wiped out.

特許文献8には、「重量%で、C:0.15〜0.40%、Si:1.20%以下、Mn:0.60〜1.80%、Cr:0.20〜2.00%、Al:0.02〜0.10%、N:0.006〜0.020%、V:0.05〜0.20%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物から成る鋼、かつ、0.60≦C+0.1Si+0.2Mn+0.25Cr+1.65V≦1.35、および、0.25Cr+2V≦0.85の条件を有する鋼を用い、熱間圧延あるいは熱間鍛造後冷却して、熱処理なしで、芯部硬さがHv200〜300、組織が「フェライト+パーライト」または「ベイナイト分率が20%未満のフェライト+パーライト(+ベイナイト)」の混合組織を有し、それに軟窒化処理を施すことにより、高い表面硬さと深い硬化深さ、さらに低い熱処理歪特性を有することを特徴とする軟窒化処理用鋼」が開示されている。   Patent Document 8 states that “in weight percent, C: 0.15 to 0.40%, Si: 1.20% or less, Mn: 0.60 to 1.80%, Cr: 0.20 to 2.00. %, Al: 0.02 to 0.10%, N: 0.006 to 0.020%, V: 0.05 to 0.20%, and the balance Fe and unavoidable impurities, and 0.60 ≦ C + 0.1Si + 0.2Mn + 0.25Cr + 1.65V ≦ 1.35 and steel having conditions of 0.25Cr + 2V ≦ 0.85, and after cooling by hot rolling or hot forging, without heat treatment The core has a hardness of Hv200 to 300 and the structure is a mixed structure of “ferrite + pearlite” or “ferrite + pearlite (+ bainite) with a bainite fraction of less than 20%”, and is subjected to soft nitriding treatment High surface hardness and deep curing depth It discloses a soft nitriding steel ", characterized by further comprising a low heat treatment distortion characteristics.

この特許文献8の鋼は、C濃度が0.15〜0.40%であるから、耐摩耗性は向上していると予想される。しかし、この鋼についても、特許文献7の発明と同様にCr及びVによる析出強化を利用して疲労強度の向上を図るという思想が採用されている。   Since the steel of Patent Document 8 has a C concentration of 0.15 to 0.40%, it is expected that the wear resistance is improved. However, the idea of improving the fatigue strength using precipitation strengthening by Cr and V as well as the invention of Patent Document 7 is adopted for this steel.

特許文献9には、「C:0.15〜0.35%、Mn:1.00〜3.00%、Cr:0〜0.15%、V:0〜0.02%、Cu:0.50〜1.50%、Ni:Cu含有量の0.4倍以上を含有し、B、NおよびTiの含有量が、Bsol=B−(11/14){N−(14/48)Ti}で定義されるBsolで0.0010〜0.0030%であり、残部がFeおよび不可避的不純物元素からなることを特徴とする非調質窒化鍛造部品」が開示されている。   In Patent Document 9, "C: 0.15 to 0.35%, Mn: 1.00 to 3.00%, Cr: 0 to 0.15%, V: 0 to 0.02%, Cu: 0 .50 to 1.50%, Ni: Cu content of 0.4 times or more, B, N and Ti content is Bsol = B- (11/14) {N- (14/48) Non-tempered nitriding forged parts characterized in that Bsol defined by Ti} is 0.0010 to 0.0030%, and the balance is made of Fe and inevitable impurity elements.

この特許文献9では「窒化用鋼としてはフェライト主体組織とするか、それが困難な場合にはフェライト+パーライト組織よりもマルテンサイトあるいはベイナイトの単相組織が望ましい」とされている。ここでは、Cr及びVによる析出強化は避けているが、代わりにCuによる析出強化を利用するという思想である。また、ベイナイト単相組織を得るために、Mn濃度を1.0%以上にしなければならないとしており、ベイナイト単相の非調質鋼を志向している。
一方、軟窒化処理条件の工夫に関しては、従来、化合物層を形成させるための時間を短縮させる軟窒化処理方法(特許文献10参照)、化合物層の耐食性を高める軟窒化処理方法(特許文献11参照)及び打痕に対する抵抗性を高める軟窒化処理方法(特許文献12参照)が開示されているが、疲労強度や曲げ矯正性を向上させるための軟窒化処理方法は検討されていない。
According to Patent Document 9, “the nitriding steel has a ferrite main structure, or if this is difficult, a martensite or bainite single phase structure is preferable to a ferrite + pearlite structure”. Here, precipitation strengthening by Cr and V is avoided, but the idea is to use precipitation strengthening by Cu instead. Further, in order to obtain a bainite single-phase structure, the Mn concentration must be 1.0% or more, and the bainite single-phase non-tempered steel is intended.
On the other hand, regarding contrivance of soft nitriding treatment conditions, conventionally, a soft nitriding treatment method (see Patent Document 10) that shortens the time for forming a compound layer, and a soft nitriding treatment method that improves the corrosion resistance of a compound layer (see Patent Document 11). ) And a soft nitriding method for improving resistance to dents (see Patent Document 12), but a soft nitriding method for improving fatigue strength and bend straightening has not been studied.

例えば、特許文献12では、軟窒化処理後にさらに、オーステナイト温度域に加熱して急冷する焼入れ処理によって拡散層と母材基地をマルテンサイト化して、これを再び焼戻すという熱処理を行って、機械部品の耐摩耗性や打痕に対する抵抗性を高める軟窒化処理方法が開示されている。しかしながら、軟窒化処理自体は、ガス軟窒化処理を標準温度(570〜580℃)で行う、とされているのみである。   For example, in Patent Document 12, after the soft nitriding treatment, the diffusion layer and the base material base are martensite by a quenching treatment that is heated to an austenite temperature range and rapidly cooled, and then a heat treatment is performed to re-temper the machined parts. A soft nitriding method for improving the wear resistance and resistance to dents is disclosed. However, the soft nitriding treatment itself is only performed by performing the gas soft nitriding treatment at a standard temperature (570 to 580 ° C.).

特開平9−291339号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-291339 特開平9−324258号公報JP-A-9-324258 特開平9−324241号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-324241 特開平10−46287号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-46287 特開平5−65592号公報JP-A-5-65592 特開2000−309846号公報JP 2000-309846 A 特開平7−157842号公報JP-A-7-157842 特開平8−176733号公報JP-A-8-176733 特開2000−160287号公報JP 2000-160287 A 特開2003−253420号公報JP 2003-253420 A 特開2002−302756号公報JP 2002-302756 A 特開平11−269631号公報JP-A-11-269631

上記のとおり、ベイナイト組織を活用することによって、軟窒化処理の後に疲労強度と曲げ矯正性に優れた部品となる軟窒化処理用非調質鋼を得る方法は既に知られている。しかしながら、添加合金元素による析出強化で疲労強度を高めることは、一方で、曲げ矯正性を低下させる。即ち、高い疲労強度と優れた曲げ矯正性を両立させるという課題は、未だ解決されていない。   As described above, by utilizing a bainite structure, a method for obtaining a non-tempered steel for nitrocarburizing treatment that becomes a component excellent in fatigue strength and bend straightening after nitrocarburizing treatment is already known. However, increasing the fatigue strength by precipitation strengthening with an additive alloy element, on the other hand, decreases the bending straightness. That is, the problem of achieving both high fatigue strength and excellent bend straightening has not yet been solved.

また、近年の更なる部品の高強度化の要請に応えるために、これまで以上に高い疲労強度を有し、しかも曲げ矯正性にも優れた軟窒化処理部品用の非調質鋼が求められている。しかし、上記した従来の「析出強化及び組織のベイナイト化」という技術では、必ずしもそうした要請には応えることができなかった。   In addition, in order to meet the recent demand for higher strength of parts, there is a need for non-tempered steel for nitrocarburized parts that has higher fatigue strength than ever and is also excellent in bend straightening. ing. However, the conventional technique of “precipitation precipitation and bainite formation of the structure” described above cannot always meet such a request.

こうした状況に鑑み、発明者らの一部は、先に、調質処理を省略した状態で軟窒化処理を施した場合にも、高い疲労強度と優れた曲げ矯正性を有する部品となる非調質軟窒化処理用鋼を提供することを目的とする発明を完成してPCT/JP2004/012372として出願した。この発明の要旨とするところは、「質量%で、C:0.30〜0.45%、Si:0.1〜0.5%、Mn:0.6〜1.0%、Ti:0.005〜0.1%およびN:0.015〜0.030%を含有し、残部がFe及び不純物よりなり、ベイナイト及びフェライトからなる混合組織またはベイナイト、フェライト及びパーライトからなる混合組織を有し、その混合組織中のベイナイト分率が5〜90%であることを特徴とする軟窒化処理用非調質鋼」にある。なお、この鋼は、Nb:0.003〜0.1%、Mo:0.01〜1.0%、Cu:0.01〜1.0%、Ni:0.01〜1.0%、B:0.001〜0.005%、S:0.01〜0.1%、およびCa:0.0001〜0.005%のうちの1種以上を含有してもよいものである。   In view of these circumstances, some of the inventors have previously found non-adjusted parts that have high fatigue strength and excellent bend straightening properties even when soft nitriding is performed without the tempering treatment. An invention aimed at providing high quality nitrocarburizing steel was completed and filed as PCT / JP2004 / 012372. The gist of the present invention is “mass%, C: 0.30 to 0.45%, Si: 0.1 to 0.5%, Mn: 0.6 to 1.0%, Ti: 0 0.005 to 0.1% and N: 0.015 to 0.030%, with the balance being Fe and impurities, and having a mixed structure consisting of bainite and ferrite or a mixed structure consisting of bainite, ferrite and pearlite The tempered steel for soft nitriding is characterized by having a bainite fraction in the mixed structure of 5 to 90%. In addition, this steel has Nb: 0.003-0.1%, Mo: 0.01-1.0%, Cu: 0.01-1.0%, Ni: 0.01-1.0%, One or more of B: 0.001 to 0.005%, S: 0.01 to 0.1%, and Ca: 0.0001 to 0.005% may be contained.

本発明の目的は、この非調質軟窒化処理用鋼を踏まえて、調質処理を省略した状態で軟窒化処理を施した場合であっても、さらに改善された高い疲労強度と優れた曲げ矯正性を有する機械部品を提供することにある。   The object of the present invention is based on the steel for non-tempered nitrocarburizing treatment, even when soft nitriding is performed in a state where the tempering treatment is omitted, further improved high fatigue strength and excellent bending It is to provide a machine part having a straightening property.

発明者らは、PCT/JP2004/012372の出願の後も、引き続き、研究を行ってきた。その結果、軟窒化処理時の冷却速度を工夫することにより、軟窒化処理後の部品の疲労強度と曲げ矯正性をさらに向上させ得ることに気付き、さらに検討を重ねた結果、下記の知見を得た。   The inventors have continued research after the application of PCT / JP2004 / 012372. As a result, we noticed that by improving the cooling rate during soft nitriding, the fatigue strength and bend straightening of the parts after soft nitriding could be further improved. It was.

(a)軟窒化処理後の拡散層の領域に観察される析出物のうち、鉄窒化物は専ら、軟窒化処理の冷却過程において生成し、その生成挙動は冷却条件に強く依存する。   (A) Among the precipitates observed in the diffusion layer region after the soft nitriding treatment, iron nitride is generated exclusively during the cooling process of the soft nitriding treatment, and the generation behavior strongly depends on the cooling conditions.

(b)拡散層に生成する主たる鉄窒化物は棒状のγ’-Fe4Nと円板状のα’’-Fe16N2である。
(c)拡散層におけるこれら鉄窒化物の生成の有無は、軟窒化処理された機械部品の疲労強度と曲げ矯正性に大きく影響する。特に、棒状のγ’窒化物であるγ’-Fe4Nの析出が、疲労強度を大きく低下させる。
(d)拡散層におけるフェライト粒での窒素の存在形態を調整すること、すなわち、軟窒化処理時に導入される窒素を鉄窒化物として析出させることなく、できるだけ、過飽和な固溶窒素として、フェライトの強化を図ることで、軟窒化処理後の部品に、優れた疲労強度と曲げ矯正性とを持たせることができる。
(B) The main iron nitrides generated in the diffusion layer are rod-like γ′-Fe 4 N and disk-like α ″ -Fe 16 N 2.
(C) The presence or absence of these iron nitrides in the diffusion layer greatly affects the fatigue strength and bend straightening properties of the nitrocarburized machine parts. In particular, the precipitation of γ′-Fe 4 N, which is a rod-like γ ′ nitride, greatly reduces the fatigue strength.
(D) adjusting the presence form of nitrogen in the ferrite grains in the diffusion layer, that is, as much as possible as saturated solid solution nitrogen without precipitation of nitrogen introduced during soft nitriding as iron nitride, By strengthening, the parts after the soft nitriding treatment can have excellent fatigue strength and bend correction.

本発明は上記の知見に基づいて完成されたものである。   The present invention has been completed based on the above findings.

本発明の要旨は、下記の非調質鋼軟窒化処理部品にある。   The gist of the present invention resides in the following non-tempered steel nitrocarburized parts.

(1)質量%で、C:0.30〜0.45%、Si:0.1〜0.5%、Mn:0.6〜1.0%、Ti:0.005〜0.1%およびN:0.010〜0.030%を含有し、残部がFe及び不純物よりなり、ベイナイト及びフェライトからなる混合組織またはベイナイト、フェライト及びパーライトからなる混合組織を有し、その混合組織中のベイナイト分率が5〜90%であることを特徴とする非調質鋼を軟窒化処理した軟窒化処理部品であって、その拡散層のフェライト粒内に存在するγ’窒化物の長手方向の大きさが20μm以下であることを特徴とする軟窒化処理部品。   (1) By mass%, C: 0.30 to 0.45%, Si: 0.1 to 0.5%, Mn: 0.6 to 1.0%, Ti: 0.005 to 0.1% N: 0.010 to 0.030%, the balance being Fe and impurities, and having a mixed structure composed of bainite and ferrite or a mixed structure composed of bainite, ferrite and pearlite, and bainite in the mixed structure A nitrocarburized component obtained by nitrocarburizing a non-tempered steel having a fraction of 5 to 90%, and a longitudinal size of γ ′ nitride existing in ferrite grains of the diffusion layer A soft nitriding component having a thickness of 20 μm or less.

(2)質量%で、C:0.30〜0.45%、Si:0.1〜0.5%、Mn:0.6〜1.0%、Ti:0.005〜0.1%およびN:0.010〜0.030%を含有し、下記の第1元素群から選んだ1種以上の元素及び第2元素群から選んだ1種以上の元素のうちの一方又は両方を含有し、残部がFe及び不純物よりなり、ベイナイト及びフェライトからなる混合組織またはベイナイト、フェライト及びパーライトからなる混合組織を有し、その混合組織中のベイナイト分率が5〜90%であることを特徴とする非調質鋼を軟窒化処理した軟窒化処理部品であって、その拡散層のフェライト粒内に存在するγ’窒化物の長手方向の大きさが20μm以下であることを特徴とする軟窒化処理部品。
第1元素群:
Nb:0.001〜0.1%、
Mo:0.01〜1.0%、
Cu:0.01〜1.0%、
Ni:0.01〜1.0%、および
B:0.001〜0.005%
第2元素群:
S:0.01〜0.1%、および
Ca:0.0001〜0.005%
なお、ここでいう「拡散層」とは、JIS G0562で定義されているもので、軟窒化処理された部品の表面層のうちの化合物層を除いた、窒素、炭素などの拡散が認められる層である。また、「γ’窒化物」とは、前記のγ’−Fe4Nのことである。
(2) By mass%, C: 0.30 to 0.45%, Si: 0.1 to 0.5%, Mn: 0.6 to 1.0%, Ti: 0.005 to 0.1% And N: 0.010 to 0.030%, containing one or both of one or more elements selected from the following first element group and one or more elements selected from the second element group And the balance is Fe and impurities, and has a mixed structure composed of bainite and ferrite or a mixed structure composed of bainite, ferrite and pearlite, and the bainite fraction in the mixed structure is 5 to 90%. A soft nitriding component obtained by soft nitriding a non-tempered steel, wherein the longitudinal size of γ ′ nitride existing in the ferrite grains of the diffusion layer is 20 μm or less Processing parts.
First element group:
Nb: 0.001 to 0.1%,
Mo: 0.01 to 1.0%,
Cu: 0.01 to 1.0%,
Ni: 0.01 to 1.0%, and B: 0.001 to 0.005%
Second element group:
S: 0.01 to 0.1%, and Ca: 0.0001 to 0.005%
The “diffusion layer” here is defined by JIS G0562, and is a layer in which diffusion of nitrogen, carbon, etc. is recognized, excluding the compound layer in the surface layer of the soft-nitrided component. It is. Further, “γ ′ nitride” refers to the above-mentioned γ′-Fe 4 N.

本発明によれば、非調質鋼を素材として、疲労強度及び曲げ矯正性に優れた高強度の軟窒化処理部品が得られる。したがって、部品製造コストの削減が可能になる。   According to the present invention, a high-strength nitrocarburized part excellent in fatigue strength and bending straightness can be obtained using non-heat treated steel as a raw material. Therefore, the part manufacturing cost can be reduced.

以下、本発明の各要件について説明する。なお、各元素の含有量の「%」表示は「質量%」を意味する。   Hereinafter, each requirement of the present invention will be described. In addition, "%" display of the content of each element means "mass%".

(A)化学組成
C:0.30〜0.45%
Cは、「ベイナイト+フェライト」または「ベイナイト+フェライト+パーライト」の混合組織を得るための必須の元素である。オーステナイトの安定化及び材料の耐摩耗性の確保のために0.30%以上の含有量が必要である。一方、0.45%を超えると焼入性が上がり過ぎて有害なマルテンサイトの生成を招きやすくなる。従って、C含有量の適正範囲は、0.30〜0.45%である。
(A) Chemical composition C: 0.30 to 0.45%
C is an essential element for obtaining a mixed structure of “bainite + ferrite” or “bainite + ferrite + pearlite”. A content of 0.30% or more is necessary for stabilizing austenite and ensuring wear resistance of the material. On the other hand, if it exceeds 0.45%, the hardenability is excessively increased and harmful martensite is easily generated. Therefore, the appropriate range of C content is 0.30 to 0.45%.

Si:0.1〜0.5%
Siは、脱酸剤として製鋼工程で添加されるが、フェライトの固溶強化にも効くので0.1%以上の含有量が必要である。一方、Si含有量が0.5%を超えると、鋼の熱間変形抵抗を高めたり、靭性や被削性を劣化させたりしてしまう。従って、Si含有量の適正範囲は0.1〜0.5%である。
Si: 0.1 to 0.5%
Si is added as a deoxidizer in the steel making process, but it is also effective for strengthening the solid solution of ferrite, so a content of 0.1% or more is necessary. On the other hand, if the Si content exceeds 0.5%, the hot deformation resistance of steel is increased, and the toughness and machinability are deteriorated. Therefore, the appropriate range of Si content is 0.1 to 0.5%.

Mn:0.6〜1.0%
Mnは、Siと同様に脱酸剤として製鋼工程で添加される。また、オーステナイトを安定化して「ベイナイト+フェライト」の混合組織、または「ベイナイト+フェライト+パーライト」の混合組織を得るための必須の元素である。さらに、Mnは鋼中のSと結合してMnSを形成し、被削性改善にも効果がある。
Mn: 0.6 to 1.0%
Mn is added in the steel making process as a deoxidizing agent similarly to Si. Further, it is an essential element for stabilizing austenite to obtain a mixed structure of “bainite + ferrite” or a mixed structure of “bainite + ferrite + pearlite”. Furthermore, Mn combines with S in steel to form MnS, which is effective in improving machinability.

上記の混合組織において、ベイナイト分率は5%以上でなければならない。そして、この分率のベイナイトを生成させるような焼入性を確保するためには、0.6%以上のMnの含有量が必要である。一方、Mnの含有量が1.0%を超えると焼入性が上がり過ぎて有害なマルテンサイトの生成を招きやすくなる。従って、Mnの含有量の適正範囲は0.6〜1.0%である。   In the above mixed structure, the bainite fraction must be 5% or more. And in order to ensure the hardenability which produces | generates this fraction of bainite, content of 0.6% or more of Mn is required. On the other hand, if the Mn content exceeds 1.0%, the hardenability is excessively increased and harmful martensite is easily generated. Therefore, the appropriate range of the Mn content is 0.6 to 1.0%.

Ti:0.005〜0.1%
Tiは、熱間加工時の結晶粒粗大化を抑えるためのピンニング粒子を形成させるために必須の元素である。ピンニング粒子としてはTiの窒化物、炭化物、炭窒化物があり、充分な分布密度のピンニング粒子を生成させるためには、0.005%以上の含有量が必要である。一方、Fe窒化物を作って母材強度の増大に寄与する鋼中のNを消費し尽くさないためには、Ti含有量を0.1%以下に抑える必要がある。以上の理由で、Ti含有量の適正範囲は0.005〜0.1%である。一層望ましいのは0.01〜0.05%である。
Ti: 0.005 to 0.1%
Ti is an essential element for forming pinning particles for suppressing coarsening of crystal grains during hot working. Pinning particles include Ti nitrides, carbides, and carbonitrides, and a content of 0.005% or more is required to generate pinning particles having a sufficient distribution density. On the other hand, in order to prevent the consumption of N in the steel, which contributes to the increase in the strength of the base metal by making Fe nitride, it is necessary to suppress the Ti content to 0.1% or less. For the above reasons, the proper range of Ti content is 0.005 to 0.1%. More desirable is 0.01 to 0.05%.

N:0.010〜0.030%
Nは、オーステナイトを安定化して「ベイナイト+フェライト」の混合組織または「ベイナイト+フェライト+パーライト」の混合組織を得るため、結晶粒粗大化を抑えるためのピンニング粒子を構成するためと固溶窒素として固溶強化に寄与して母材強度を増大させるために添加する。ここで、ピンニング粒子として消費される分を考慮すると0.010%以上の含有が必要である。一方、Nが0.030%を超えるとインゴット中で気泡欠陥が生成して材質を損なうことがある。従って、Nの含有量の適正範囲は、0.010〜0.030%である。望ましいのは0.015〜0.030%であり、より望ましいのは0.015〜0.025%である。
N: 0.010 to 0.030%
N stabilizes austenite to obtain a mixed structure of “bainite + ferrite” or a mixed structure of “bainite + ferrite + pearlite”, so as to constitute pinning particles for suppressing grain coarsening and as solid solution nitrogen It is added to contribute to solid solution strengthening and increase the strength of the base material. Here, considering the amount consumed as the pinning particles, the content of 0.010% or more is necessary. On the other hand, if N exceeds 0.030%, bubble defects may be generated in the ingot and the material may be damaged. Therefore, the appropriate range of N content is 0.010 to 0.030%. Desirable is 0.015 to 0.030%, and more desirable is 0.015 to 0.025%.

本発明の軟窒化処理部品の素材として用いられる軟窒化処理用非調質鋼の一つは、上述の元素の他、残部がFeと不純物とからなる鋼である。   One of the non-tempered steels for nitrocarburizing treatment used as a material for the nitrocarburized component of the present invention is steel composed of Fe and impurities in the balance in addition to the elements described above.

本発明の軟窒化処理部品の素材として用いられる軟窒化処理用非調質鋼の他の一つは、上述の元素に加えて、更に前記の第1元素群から選んだ1種以上の元素及び第2元素群から選んだ1種以上の元素のうちの一方又は両方を含有し、残部がFeと不純物とからなる鋼である。   Another non-tempered steel for nitrocarburizing treatment used as a material for the nitrocarburized component of the present invention includes one or more elements selected from the first element group, in addition to the elements described above, and This steel contains one or both of one or more elements selected from the second element group, and the balance is Fe and impurities.

第1群に属する元素、即ち、Nb、Mo、Cu、NiおよびBは、本発明鋼の強度を高めるという共通の作用効果を有する。それぞれの作用効果および含有量の限定理由は下記のとおりである。   Elements belonging to the first group, that is, Nb, Mo, Cu, Ni and B have a common effect of increasing the strength of the steel of the present invention. The reasons for limiting the respective effects and contents are as follows.

Nb:0.001〜0.1%
Nbは、熱間加工時の結晶粒粗大化を抑えるためのピンニング粒子を形成させるために利用できる元素である。また、熱間加工を終えてからの冷却中に微細な炭窒化物となって析出し、母材の強度を高めるのにも効果がある。こうした効果を得るためには0.001%以上の含有量が必要である。一方、含有量が0.1%を超えても効果は飽和する上、製鋼時に粗大な溶け残りの炭窒化物を形成して鋼片の品質を劣化させることがある。従って、Nbを添加する場合には、その含有量を0.001〜0.1%とするのが良い。望ましいのは0.003〜0.1%、より望ましいのは0.005〜0.1%、最も望ましいのは0.005〜0.05%である。
Nb: 0.001 to 0.1%
Nb is an element that can be used to form pinning particles for suppressing crystal grain coarsening during hot working. In addition, during the cooling after the hot working is finished, it is precipitated as fine carbonitride, which is effective in increasing the strength of the base material. In order to obtain such an effect, a content of 0.001% or more is necessary. On the other hand, even if the content exceeds 0.1%, the effect is saturated, and a coarse undissolved carbonitride is formed at the time of steel making, which may deteriorate the quality of the steel slab. Therefore, when Nb is added, the content is preferably 0.001 to 0.1%. Desirable is 0.003 to 0.1%, more desirable is 0.005 to 0.1%, and most desirable is 0.005 to 0.05%.

Mo:0.01〜1.0%
Moは、鋼の焼入性を高めて高強度化に寄与し、かつ靭性の向上にも有効な元素である。また、Moを添加すると「ベイナイト+フェライト」の混合組織、または「ベイナイト+フェライト+パーライト」の混合組織が得やすくなる。こうした効果を得るには、0.01%以上の含有量が必要である。一方、Moの含有量が1.0%を超えると、焼入性が過度に高まるが故に、マルテンサイトの生成が促進されて、軟窒化処理後の曲げ矯正性や靭性を劣化させる。従って、Moを添加する場合には、その含有量を0.01〜1.0%とするのが良い。より望ましい含有量は0.05〜0.6%である。
Mo: 0.01 to 1.0%
Mo is an element that enhances the hardenability of steel, contributes to high strength, and is also effective in improving toughness. Further, when Mo is added, a mixed structure of “bainite + ferrite” or a mixed structure of “bainite + ferrite + pearlite” is easily obtained. In order to obtain such an effect, a content of 0.01% or more is necessary. On the other hand, if the Mo content exceeds 1.0%, the hardenability is excessively increased, so that the formation of martensite is promoted and the bend straightening and toughness after the soft nitriding treatment are deteriorated. Therefore, when adding Mo, the content is preferably 0.01 to 1.0%. A more desirable content is 0.05 to 0.6%.

Cu:0.01〜1.0%、Ni:0.01〜1.0%
Cuを添加する場合は、その固溶強化及びオーステナイト安定化によるベイナイト分率の増大を期待する。従って、Cuは0.01%以上を含有させる。
Cu: 0.01 to 1.0%, Ni: 0.01 to 1.0%
When adding Cu, the increase in the bainite fraction by the solid solution strengthening and austenite stabilization is expected. Therefore, Cu contains 0.01% or more.

Cu及びNiには、炭窒化物形成による析出強化の作用はないが、Cuはフェライト中に時効析出して析出強化に寄与し得る。ただし、一般的な軟窒化処理の温度(580℃程度)と処理時間(数時間程度)を時効処理に代わるものとしたとき、充分なCuの析出を起こさせるためにはCuの含有量を1.0%以上とする必要がある。ところが、本発明の軟窒化処理部品では、軟窒化処理時にことさらCuの時効硬化作用を期待する必要はない。さらに、Cuの融点は1085℃と低いので、製鋼工程での凝固過程で液相として残存する時間が長く、従って、鋼の粒界に偏析して熱間割れを誘起する。この弊害を除くために、本発明鋼においては、Cu含有量の上限を1.0%とする。なお、Cuを多く添加する場合は、上記の弊害を防ぐためにNiを添加するのが望ましい。   Cu and Ni do not have the effect of precipitation strengthening due to carbonitride formation, but Cu can age precipitate in ferrite and contribute to precipitation strengthening. However, when the temperature of a general soft nitriding treatment (about 580 ° C.) and the treatment time (about several hours) are substituted for an aging treatment, the Cu content is set to 1 in order to cause sufficient Cu precipitation. 0.0% or more is necessary. However, in the soft nitriding part of the present invention, it is not necessary to expect the age hardening effect of Cu during the soft nitriding process. Further, since the melting point of Cu is as low as 1085 ° C., the time remaining as a liquid phase in the solidification process in the steel making process is long, and therefore segregates at the grain boundaries of the steel to induce hot cracking. In order to eliminate this harmful effect, the upper limit of the Cu content is set to 1.0% in the steel of the present invention. In addition, when adding a lot of Cu, it is desirable to add Ni in order to prevent the above-described adverse effects.

NiもCuと同様、オーステナイト安定化元素であり、固溶強化及び望ましいベイナイト分率の確保に効果があるので、0.01%以上含有させるのが好ましい。一方、1.0%を超える量含有させても、その効果は飽和し、素材コストが増大するだけなので、その上限を1.0%とした。なお、Cuと併用する場合は、前記の熱間割れを防止する効果を確実にするために、Cuの含有量の1/2以上のNiを含有させるのが望ましい。   Ni, like Cu, is an austenite stabilizing element and is effective in securing solid solution strengthening and a desirable bainite fraction. Therefore, it is preferable to contain Ni by 0.01% or more. On the other hand, even if the content exceeds 1.0%, the effect is saturated and the material cost only increases, so the upper limit was made 1.0%. In addition, when using together with Cu, in order to ensure the effect which prevents the said hot crack, it is desirable to contain Ni more than 1/2 of Cu content.

B:0.001〜0.005%
Bは、鋼の焼入れ性を高めて、「ベイナイト+フェライト」の混合組織、または「ベイナイト+フェライト+パーライト」の混合組織の生成を促す。0.001%以上の含有量でその効果が明瞭に発現する。一方、Bの含有量が0.005%を超えると鋼の靭性が損なわれる。従って、Bを添加する場合には、その含有量を0.001〜0.005%とするのが良い。
B: 0.001 to 0.005%
B increases the hardenability of the steel and promotes the formation of a mixed structure of “bainite + ferrite” or a mixed structure of “bainite + ferrite + pearlite”. The effect is clearly manifested at a content of 0.001% or more. On the other hand, if the B content exceeds 0.005%, the toughness of the steel is impaired. Therefore, when adding B, the content is good to be 0.001 to 0.005%.

第2群の元素は、SとCaであり、これらは本発明の軟窒化処理部品の素材として用いられる軟窒化処理用非調質鋼の被削性を改善する。それぞれの含有量の限定理由は下記のとおりである。   The elements of the second group are S and Ca, and these improve the machinability of the non-tempered steel for nitrocarburizing treatment used as a material for the nitrocarburized component of the present invention. The reasons for limiting the respective contents are as follows.

S:0.01〜0.1%、Ca:0.0001〜0.005%
SとCaは、いずれも鋼材の被削性を向上させる元素である。添加すれば被削性がより一層向上するので、必要に応じて、いずれか1種または2種を添加する。しかしながら、過剰に添加すると、鋼片内での偏析欠陥を発生させたり、熱間加工性を劣化させたりするので、S含有量の範囲は0.01〜0.1%、Ca含有量の範囲は0.0001〜0.005%が適正である。Caの望ましい下限は、0.001%である。
S: 0.01 to 0.1%, Ca: 0.0001 to 0.005%
S and Ca are both elements that improve the machinability of the steel material. If added, the machinability is further improved. Therefore, either one or two of them are added as necessary. However, if added excessively, segregation defects are generated in the steel slab or hot workability is deteriorated, so the S content range is 0.01 to 0.1%, and the Ca content range. 0.0001 to 0.005% is appropriate. A desirable lower limit of Ca is 0.001%.

以上に述べた元素以外は、本発明の軟窒化処理部品の素材として用いられる軟窒化処理用非調質鋼においては不純物であるので、意図的には添加しない。しかし、製鋼工程でのいたずらなコストアップを招かないために、不純物の許容量について次に述べる。   Except for the elements described above, they are impurities in the non-refined steel for soft nitriding used as the material for the soft nitriding component of the present invention, so that they are not added intentionally. However, the allowable amount of impurities will be described below in order not to cause an unreasonable cost increase in the steel making process.

Pは、粒界に偏析して粒界脆化割れを助長するので0.05%以下とするのが好ましい。   P segregates at the grain boundary and promotes grain boundary embrittlement cracking, so 0.05% or less is preferable.

Alは、脱酸剤として、通常、溶製時に添加される。Alは、アルミナ粒子として鋼中に残存したり、また、Nと結合してAlNを形成したりする。アルミナは硬度の高い酸化物系介在物であり、切削加工に使用される工具の寿命を短縮する。AlNは、軟窒化処理時には表面近傍に析出したり、表面化合物層の成長を促進したりして表面層硬さを著しく高めて、曲げ矯正性を劣化させる。また、AlNは熱間加工温度では固溶してしまうので、ピンニング粒子としての機能は期待できず、結晶粒の微細化には殆ど役に立たない。従って、Alの含有量は低い方が良い。ただし、Al含有量の下限を極小にすることは、脱酸工程での制約を生んでコスト増大につながるので、本発明鋼の曲げ矯正性を阻害しない0.05%以下とするのが好ましい。   Al is usually added as a deoxidizer during melting. Al remains in the steel as alumina particles or binds to N to form AlN. Alumina is an oxide-based inclusion with high hardness, and shortens the life of tools used for cutting. AlN precipitates in the vicinity of the surface during soft nitriding treatment or promotes the growth of the surface compound layer to remarkably increase the surface layer hardness and deteriorate the bending straightness. In addition, since AlN is dissolved at the hot working temperature, it cannot be expected to function as pinning particles, and is hardly useful for refinement of crystal grains. Therefore, it is better that the Al content is low. However, minimizing the lower limit of the Al content causes a restriction in the deoxidation process and leads to an increase in cost. Therefore, it is preferable that the lower limit of the Al content is 0.05% or less that does not hinder the bending straightening property of the steel of the present invention.

CrおよびVも本発明鋼には添加しない。これらは不純物であり、その含有量は、少ないほど良い。その理由は、既に述べたように、CrおよびVは窒化物を析出させて鋼の表面近傍層の硬さを著しく高めて、曲げ矯正性を損なうからである。本発明の効果を損なわないこと、および、精錬コストや高炉−転炉法以外の方法による鋳片製造法における素材の純度等を勘案すると、Crは0.15%まで、Vは0.02%までは不純物として許容される。なお、Crは0.1%以下とするのが一層望ましい。   Cr and V are not added to the steel of the present invention. These are impurities, and the smaller the content, the better. The reason for this is that, as already described, Cr and V precipitate nitrides and remarkably increase the hardness of the near-surface layer of the steel, thereby impairing the bending straightness. Considering that the effects of the present invention are not impaired and that the refining cost and the purity of the material in the slab manufacturing method other than the blast furnace-converter method are taken into account, Cr is up to 0.15%, and V is 0.02%. Up to is allowed as an impurity. Note that Cr is more preferably 0.1% or less.

(B)本発明の軟窒化処理部品の素材の組織
本発明の軟窒化処理部品の素材として用いられる軟窒化処理用非調質鋼の組織は、ベイナイトとフェライトの混合組織、またはベイナイトとフェライトとパーライトの混合組織である。そしてこれらの混合組織中のベイナイト分率は5〜90%である。
(B) Structure of the material of the nitrocarburized part of the present invention The structure of the non-tempered steel for soft nitriding used as the material of the nitrocarburized part of the present invention is a mixed structure of bainite and ferrite, or bainite and ferrite. It is a mixed structure of pearlite. And the bainite fraction in these mixed structures is 5 to 90%.

既述のとおり、ベイナイト変態を利用すればマルテンサイトの生成を避けることができると共に、粗大なパーライトコロニーよりは微細な組織を得ることができる。このベイナイト組織は、図1に示すような笹の葉状のフェライト(ベイニティック・フェライト)と、炭化物からなる。このベイニティック・フェライトは旧オーステナイト粒の内部に分散しており、旧オーステナイト粒界から発達した初析フェライト(ポリゴナルフェライト)よりも小さい。即ち、このベイナイトは「パーライトコロニー内に、形状は笹の葉状であるが比較的微細なフェライト(ベイニティック・フェライト)が分散した組織」であり、このベイニティック・フェライトが分散したパーライトコロニーは、このベイニティック・フェライトを含まない完全なパーライトコロニーの場合と比較すると、そのラメラー組織は乱れたものとなっている。   As described above, the use of the bainite transformation can avoid the formation of martensite and can obtain a finer structure than a coarse pearlite colony. This bainite structure is made of bamboo leaf-shaped ferrite (bainitic ferrite) as shown in FIG. 1 and carbide. This bainitic ferrite is dispersed inside the prior austenite grains and is smaller than the proeutectoid ferrite (polygonal ferrite) developed from the prior austenite grain boundaries. In other words, this bainite is “a structure in which a relatively fine ferrite (bainitic ferrite) is dispersed in a pearlite colony, and the shape is a bamboo leaf shape”, and the pearlite colony in which this bainitic ferrite is dispersed. Compared with the case of this complete pearlite colony not containing bainitic ferrite, the lamellar structure is disordered.

図2は、ベイニティック・フェライトが分散した旧オーステナイト粒のSEM像である。この図から明らかなように、パーライトコロニー内でのフェライト/セメンタイトのラメラー組織の配列は整然としたラメラー組織ではなく、各所に乱れが認められるものとなっている。こうした組織は、旧オーステナイト粒が全体的にパーライト変態したものよりも強度は低下するが、き裂の折れ曲がりやベイニティック・フェライト中でき裂先端での塑性変形が起こるために、き裂の進展抵抗という点では、粗大なパーライトコロニーよりも優れている。   FIG. 2 is an SEM image of prior austenite grains in which bainitic ferrite is dispersed. As is clear from this figure, the arrangement of the ferrite / cementite lamellar structure in the pearlite colony is not an orderly lamellar structure, but disorder is observed in various places. Although this structure has lower strength than that of a prior austenite grain that has undergone pearlite transformation as a whole, the crack progresses due to crack bending and plastic deformation at the crack tip in bainitic ferrite. In terms of resistance, it is superior to coarse pearlite colonies.

すなわち、ベイナイト組織を混在させることによって、結晶粒組織が多少粗大化したとしても、き裂進展抵抗を高く保つことができる。そのためには、ベイナイトを面積率で5%以上含有させることが必要である。ここで、組織全体をベイナイトとしても構わないのであるが、ベイナイト分率が90%を超える組織では、現実的にはマルテンサイトの混在が避けられない。マルテンサイトは、曲げ矯正性を劣化させ、機械加工性をも悪化させるので、その混在は好ましくない。従って、混合組織におけるベイナイト分率を5〜90%としている。一層望ましいベイナイト分率は、10〜80%である。ベイナイト以外の組織は、実質的にフェライトまたはフェライトとパーライトである。   That is, by mixing the bainite structure, the crack growth resistance can be kept high even if the crystal grain structure becomes somewhat coarse. For that purpose, it is necessary to contain 5% or more of bainite by area ratio. Here, the entire structure may be bainite, but in a structure where the bainite fraction exceeds 90%, it is practically inevitable that martensite is mixed. Martensite deteriorates the bending straightening property and also deteriorates the machinability, so that the mixture is not preferable. Therefore, the bainite fraction in the mixed structure is set to 5 to 90%. A more desirable bainite fraction is 10 to 80%. The structure other than bainite is substantially ferrite or ferrite and pearlite.

(C)本発明の軟窒化処理部品の素材の製造方法
本発明の軟窒化処理部品の素材として用いられる軟窒化処理用非調質鋼の組織は、例えば、以下に示す方法によって得ることができる。
(C) Production method of nitrocarburized component material of the present invention The structure of non-tempered steel for nitrocarburized treatment used as the material of the nitrocarburized component of the present invention can be obtained by, for example, the following method .

熱間鍛造の素材としては、鋳塊を分塊圧延したビレット、連続鋳造材を分塊圧延したビレット等、あるいはこれらを熱間圧延した棒鋼のいずれでも良いが、規定した化学成分範囲を有する素材を準備する。これらの熱間鍛造用素材の加熱温度は1100〜1250℃とする。熱間鍛造後の冷却は大気中での放冷、あるいはファンを使った強制空冷程度とする。また、例えば、共析変態温度近傍までを速く冷却して、700〜500℃の範囲を緩冷却しても良いし、熱間鍛造後、直ちに500〜300℃程度まで冷却して、この温度で保持してベイナイト変態を促進させても構わない。冷却速度の調整は、事前に連続冷却変態図(CCT曲線図)を作成しておき、ベイナイト変態領域を通過する冷却速度範囲を求め、求めた冷却速度範囲に調整すれば良い。   The material for hot forging may be either a billet obtained by performing ingot rolling on an ingot, a billet obtained by performing ingot rolling on a continuous cast material, or a bar steel obtained by hot rolling these, but a material having a specified chemical composition range. Prepare. The heating temperature of these hot forging materials is 1100 to 1250 ° C. Cooling after hot forging should be in the air or by forced air cooling using a fan. Also, for example, it may be cooled rapidly to the vicinity of the eutectoid transformation temperature, and the range of 700 to 500 ° C. may be slowly cooled, or after hot forging, immediately cooled to about 500 to 300 ° C. You may hold | maintain and may promote a bainite transformation. The cooling rate may be adjusted by preparing a continuous cooling transformation diagram (CCT curve diagram) in advance, obtaining a cooling rate range that passes through the bainite transformation region, and adjusting the obtained cooling rate range.

(D)本発明の軟窒化処理部品における拡散層の組織
本発明の軟窒化処理部品の拡散層では、フェライト粒内に存在する棒状のγ’窒化物の長手方向の大きさが20μm以下である。
(D) Structure of the diffusion layer in the nitrocarburized part of the present invention In the diffusion layer of the nitrocarburized part of the present invention, the longitudinal size of the rod-like γ 'nitride existing in the ferrite grains is 20 µm or less. .

既述のとおり、拡散層に固溶した過飽和な窒素がγ’窒化物として析出したり、析出したγ’窒化物が大きく成長して、固溶窒素をさらに減少させてしまうと、フェライト粒の強度が低下して、疲労強度の低下を招く。さらに、γ’窒化物は棒状の形態をしていて、フェライト粒界からフェライト粒内へ伸びるように成長するために、γ’窒化物が長く大きく成長すると、フェライト粒内を横断するような状態で分布する。γ’窒化物の近傍では固溶窒素濃度が著しく低下しているために強度も低下しているので、細長いγ’窒化物が、フェライト粒内を横断するように分散すると、フェライト粒内に侵入してきたき裂はγ’窒化物/フェライト界面を、一層、伝播しやすくなり、き裂進展抵抗が低下する。すなわち、γ’窒化物の析出によって、フェライト粒自体の平均的な強度が低下している上に、γ’窒化物の近傍では局所的にき裂進展抵抗が低下しているので、疲労破壊し易くなるのである。したがって、γ’窒化物の析出、およびその成長を抑制する。   As described above, when supersaturated nitrogen dissolved in the diffusion layer precipitates as γ ′ nitride, or when the precipitated γ ′ nitride grows greatly and solid solution nitrogen further decreases, the ferrite grains The strength is reduced, leading to a reduction in fatigue strength. Furthermore, since γ 'nitride has a rod-like form and grows so as to extend from the ferrite grain boundary into the ferrite grain, when γ' nitride grows long and large, it is in a state where it crosses the ferrite grain. Distributed by. In the vicinity of the γ 'nitride, the strength is also reduced because the concentration of dissolved nitrogen is remarkably reduced. Therefore, if the elongated γ' nitride is dispersed so as to cross the ferrite grain, it penetrates into the ferrite grain. The cracks that have been generated are more likely to propagate through the γ ′ nitride / ferrite interface, and the crack propagation resistance is reduced. In other words, the precipitation of γ ′ nitride reduces the average strength of the ferrite grains themselves, and the crack growth resistance locally decreases in the vicinity of the γ ′ nitride. It becomes easier. Therefore, precipitation of γ ′ nitride and its growth are suppressed.

棒状のγ’窒化物の長手方向の大きさを20μm以下と規定したのは以下の理由による。本発明の軟窒化処理部品の素材となる非調質鋼のフェライト粒の粒径は、概ね10〜50μmである。したがって、フェライト粒界から粒内へ向かって成長する棒状のγ’窒化物が、フェライト粒内で連結して、あたかも一つの粗大なγ’窒化物がフェライト粒を横断しているような状況を避けるためには、棒状のγ’窒化物の長さを、フェライト粒径の1/2以下に抑制する必要がある、このことから、拡散層のフェライト粒内に存在する棒状のγ’窒化物の長手方向の大きさを20μm以下と規定した。望ましくは、10μm以下、より一層望ましくは、5μm以下である。   The reason why the length in the longitudinal direction of the rod-like γ ′ nitride is specified to be 20 μm or less is as follows. The grain size of the ferrite grain of the non-tempered steel used as the material of the soft nitriding part of the present invention is approximately 10 to 50 μm. Therefore, a rod-like γ 'nitride that grows from the ferrite grain boundary toward the inside of the grain is connected in the ferrite grain, and it is as if one coarse γ' nitride crosses the ferrite grain. In order to avoid this, it is necessary to suppress the length of the rod-like γ ′ nitride to ½ or less of the ferrite grain size. From this, the rod-like γ ′ nitride present in the ferrite grains of the diffusion layer The size in the longitudinal direction was defined as 20 μm or less. Desirably, it is 10 μm or less, and more desirably 5 μm or less.

(E)本発明の軟窒化処理部品の拡散層を得るための手段
軟窒化処理には、ガス軟窒化処理、塩浴軟窒化処理(タフトライド処理)、イオン窒化等を用いることができる。いずれの方法にしても、製品の表面に厚さ20μm程度の化合物層(窒化物層)とその直下の拡散層を均質に形成させ得る。ただし、いずれの軟窒化処理を用いるにしても、γ’窒化物の析出およびその成長を抑制して、γ’窒化物の長手方向の大きさを20μm以下する必要がある。そのためには、軟窒化処理の均熱温度から室温への冷却工程において、工夫する必要がある。以下、軟窒化処理の均熱温度からの冷却工程について、ガス軟窒化処理を例に挙げて述べる。
(E) Means for Obtaining Diffusion Layer of Soft Nitrided Component of the Present Invention For the soft nitriding treatment, gas soft nitriding treatment, salt bath soft nitriding treatment (tuftride treatment), ion nitriding or the like can be used. In any method, a compound layer (nitride layer) having a thickness of about 20 μm and a diffusion layer immediately below the compound layer can be uniformly formed on the surface of the product. However, regardless of which soft nitriding treatment is used, it is necessary to suppress the precipitation and growth of γ ′ nitride and to reduce the size of γ ′ nitride in the longitudinal direction to 20 μm or less. For that purpose, it is necessary to devise in the cooling process from the soaking temperature of soft nitriding to room temperature. Hereinafter, the cooling process from the soaking temperature of soft nitriding will be described by taking gas soft nitriding as an example.

ガス軟窒化処理によって機械部品を得るためには、例えば、RXガスとアンモニアガスを1:1に混合した雰囲気中で均熱温度550〜620℃にて数十分から数時間の処理を行う。均熱温度が低すぎると、表面化合物層の成長が遅くなるとともに素材鋼中への窒素の拡散侵入も遅くなって十分な硬化作用が得られない。一方、均熱温度が高すぎると、冷却工程での部品の寸法変化(ゆがみ)が問題となる。したがって、均熱温度は550〜620℃がよく、より一層望ましい均熱温度は580〜600℃の範囲である。均熱温度での保持時間(処理時間)によって、表面化合物層の厚さや鋼中に拡散侵入する窒素の量が決定される。所望の疲労強度向上の効果が得られ、かつ、工業的な生産効率の観点から、保持時間は30分〜3時間とするのがよく、望ましくは1〜2時間とするのがよい。   In order to obtain mechanical parts by gas soft nitriding, for example, processing is performed for several tens of minutes to several hours at a soaking temperature of 550 to 620 ° C. in an atmosphere in which RX gas and ammonia gas are mixed 1: 1. If the soaking temperature is too low, the growth of the surface compound layer is slowed and the diffusion and penetration of nitrogen into the material steel is also slowed, so that a sufficient hardening action cannot be obtained. On the other hand, when the soaking temperature is too high, a dimensional change (distortion) of the component in the cooling process becomes a problem. Therefore, the soaking temperature is preferably 550 to 620 ° C, and the more desirable soaking temperature is in the range of 580 to 600 ° C. The holding time (treatment time) at the soaking temperature determines the thickness of the surface compound layer and the amount of nitrogen that diffuses and penetrates into the steel. From the viewpoint of obtaining a desired fatigue strength improvement and industrial production efficiency, the holding time is preferably 30 minutes to 3 hours, and more preferably 1 to 2 hours.

軟窒化処理の均熱保持状態では、拡散侵入した窒素はFeとは表面に化合物層を形成するのみであって、拡散層領域においてはFe窒化物の析出は起こらず窒素は母相中のFeに固溶状態にある。その後、均熱保持後の冷却過程において、冷却速度が小さいと拡散層領域の窒素は母相に固溶しきれなくなり、γ’窒化物が析出・成長する。一方、冷却速度を大きくした場合には、拡散層領域の窒素は母相に過飽和状態固溶し、γ’窒化物が析出・成長は抑制される。しかしながら、冷却速度を大きくしても冷却後に100〜200℃の温度で長時間保持されれば準安定相であるα’’窒化物が析出したり、さらに長時間その温度に保持された場合には、そのα’’窒化物はγ’窒化物に変態したりすることがある。このような窒化物が析出した場合には、疲労強度が低下する。特にγ’窒化物は疲労強度の低下させる効果が大きい。   In the soaking state of soft nitriding treatment, nitrogen that has diffused and penetrated only forms a compound layer on the surface of Fe, and precipitation of Fe nitride does not occur in the diffusion layer region, and nitrogen does not form Fe in the parent phase. It is in a solid solution state. Thereafter, in the cooling process after soaking, if the cooling rate is low, the nitrogen in the diffusion layer region cannot be completely dissolved in the parent phase, and γ ′ nitride precipitates and grows. On the other hand, when the cooling rate is increased, nitrogen in the diffusion layer region dissolves in the supersaturated state in the matrix phase, and precipitation and growth of γ ′ nitride is suppressed. However, even if the cooling rate is increased, if it is maintained at a temperature of 100 to 200 ° C. for a long time after cooling, a metastable phase α ″ nitride precipitates, or if it is maintained at that temperature for a long time. In some cases, the α ″ nitride may be transformed into γ ′ nitride. When such a nitride precipitates, the fatigue strength decreases. In particular, γ ′ nitride has a great effect of reducing fatigue strength.

本発明において、γ’窒化物の析出を抑制するためには、均熱温度からγ’窒化物の析出が起こらない200℃までの冷却速度を1.0℃/秒以上に大きくすることが効果的であり、より望ましくは、冷却速度を1.5℃/秒以上にするのがよい。加えて、油焼入れを用いる場合には、油温を100℃以下とし、機械部品の抜熱が十分に起こるような大きな熱容量をもった油槽を使うか、又は、一度に処理する部品の点数を減らすこと等により、部品が軟窒化処理後の冷却工程で100〜200℃の温度範囲に長時間(30分以上)保持されないように注意することも、高い疲労強度を確保する上で重要である。   In the present invention, in order to suppress the precipitation of γ ′ nitride, it is effective to increase the cooling rate from the soaking temperature to 200 ° C. at which γ ′ nitride does not precipitate increases to 1.0 ° C./second or more. More desirably, the cooling rate should be 1.5 ° C./second or more. In addition, when using oil quenching, use an oil tank with a large heat capacity so that the oil temperature is 100 ° C. or less and sufficient heat removal from machine parts occurs, or the number of parts to be processed at one time It is also important to ensure that high fatigue strength is ensured that the parts are not kept in the temperature range of 100 to 200 ° C. for a long time (30 minutes or more) in the cooling process after the soft nitriding treatment by reducing the number of parts. .

一般に、ガス軟窒化処理の均熱温度から室温への冷却には、焼入れひずみを低減させるために、水冷よりも冷却速度が小さい油冷(油焼入れ)が用いられている。また、冷却条件を調節するために、冷媒の油温を変化させたり、性状の異なる種々の熱処理油が用いられている。加えて、工業的なガス軟窒化処理では、操業効率や安全上の理由から、RXガスとアンモニアガスの処理雰囲気から直接、油槽に油焼入れするわけではなく、処理雰囲気で満たされている加熱炉から、いったん、処理物を別の不活性なガスで満たされた空間に引き出して、そこで油槽に油焼入れされることが多い。   In general, in order to reduce quenching distortion, oil cooling (oil quenching) having a cooling rate lower than that of water cooling is used for cooling from a soaking temperature to room temperature in gas soft nitriding. In order to adjust the cooling conditions, various heat-treated oils having different properties or different oil temperatures are used. In addition, in the industrial gas soft nitriding treatment, for the reasons of operational efficiency and safety, the heating furnace filled with the treatment atmosphere is not directly quenched into the oil tank from the treatment atmosphere of RX gas and ammonia gas. In many cases, the treated product is once drawn into a space filled with another inert gas, and then oil-quenched there.

このようなガス軟窒化処理の均熱温度からの冷却工程において、例えば、580℃の処理雰囲気から処理物を別空間に引き出し、引き続いて、100℃に保持した油槽に油冷すると、拡散層ではγ’窒化物とα’’窒化物の析出が認められることがある。これは、次の理由による。   In such a cooling process from the soaking temperature of the gas soft nitriding treatment, for example, when a treatment object is drawn from a treatment atmosphere of 580 ° C. to another space and subsequently oil-cooled in an oil tank maintained at 100 ° C., Precipitation of γ ′ nitride and α ″ nitride may be observed. This is due to the following reason.

1)処理物が油冷前に別空間に搬送された段階で、処理物の温度が580℃から400℃程度にまで低下し、この時の冷却速度が小さいためにγ’窒化物の析出が起こる。   1) At the stage where the treated product is transported to another space before oil cooling, the temperature of the treated product decreases from 580 ° C. to about 400 ° C., and since the cooling rate at this time is small, γ ′ nitride is precipitated. Occur.

2)処理物が100℃以上の油槽に長時間浸漬されている間に準安定相のα’’窒化物やさらには上記γ’窒化物の析出が起こる。   2) While the treated product is immersed in an oil bath at 100 ° C. or higher for a long time, metastable phase α ″ nitride and further γ ′ nitride precipitate.

よって、このような冷却過程をとる場合にも、処理物が油冷前に別空間に搬送された段階での冷却速度を大きくし、処理物が高温の油槽に長時間浸漬されることを避けなければならない。   Therefore, even when such a cooling process is taken, the cooling rate at the stage where the processed material is conveyed to another space before oil cooling is increased, and the processed material is prevented from being immersed in a hot oil bath for a long time. There must be.

以下、実施例により本発明を詳しく説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.

表1に示す化学成分の鋼180kgを真空溶解炉にて溶製した後、鋼片を1200℃まで加熱し、鋼材温度が1000℃を下回らない様に熱間鍛造して直径50mmの丸棒とした。熱間鍛造後の冷却は大気中での放冷により行った。この丸棒からミクロ組織観察用の試験片、段付き丸棒曲げ試験片、および平面曲げ疲労試験用の試験片を採取した。   After melting 180 kg of steel with chemical components shown in Table 1 in a vacuum melting furnace, the steel slab is heated to 1200 ° C. and hot forged so that the steel temperature does not fall below 1000 ° C. did. Cooling after hot forging was performed by cooling in the atmosphere. From this round bar, specimens for microstructural observation, stepped round bar bending specimens, and plane bending fatigue test specimens were collected.

Figure 0004500708
Figure 0004500708

ミクロ組織観察用の試験片は、その一部を切断して熱間鍛造ままの微細組織を倍率200倍の光学顕微鏡で観察し、ベイナイト分率(面積率)を測定した。ベイナイトと定義した領域は、笹の葉状のベイニティック・フェライトが存在する領域を連続的な閉曲線で囲み、その領域の全視野面積に対する面積率から算定した。各鋼種のベイナイト分率は表1に合わせて示した。No.7の鋼は、フェライトとパーライトの組織でベイナイトは見られなかった。また、No.9の鋼は、ベイナイト分率が90%を超え、マルテンサイトが生成していた。ミクロ組織観察用の試験片の残部は、平面曲げ疲労試験用の試験片とともに軟窒化処理を行い、拡散層の微細組織を走査電子顕微鏡(SEM)で観察して、γ’窒化物の大きさを調べた。γ’窒化物の大きさは、倍率1000倍で10視野を撮影した時に観察される最も長いγ’窒化物の長手方向の大きさとした。   A part of the specimen for microstructural observation was cut, and the microstructure as hot forged was observed with an optical microscope having a magnification of 200 times, and the bainite fraction (area ratio) was measured. The area defined as bainite was calculated from the area ratio with respect to the total visual field area of the area where the area where the bamboo leaf-like bainitic ferrite exists was surrounded by a continuous closed curve. The bainite fraction of each steel type is shown in Table 1. No. In the steel No. 7, no bainite was observed in the structure of ferrite and pearlite. No. Steel No. 9 had a bainite fraction of over 90% and martensite was generated. The remainder of the specimen for microstructural observation is soft-nitrided together with the specimen for plane bending fatigue test, and the microstructure of the diffusion layer is observed with a scanning electron microscope (SEM). I investigated. The size of γ ′ nitride was the longest γ ′ nitride in the longitudinal direction observed when 10 fields of view were photographed at a magnification of 1000 times.

段付き丸棒曲げ試験片は、中央部に両端よりも直径が太くなった幅10mmの段差がついた形状で、中央部の直径は15mm、本体部分の直径は10mm、また、段差の部分はコーナーRが2mmの曲率となっている。段付き丸棒曲げ試験片を軟窒化処理した後、この曲率の部分にひずみゲージを添付し、三点曲げの要領で曲げ矯正試験を行った。曲げ矯正性は、中央部に負荷を与えた時に、ひずみゲージが断線するまでの押込みストロークで評価した。押込みストロークが3mmまで、ひずみゲージが破断しなかったものを、曲げ矯正性が良好であると判定した。   The stepped round bar bending test piece has a shape with a 10 mm wide step with a diameter larger than both ends at the center. The diameter of the center is 15 mm, the diameter of the main body is 10 mm, and the step is The corner R has a curvature of 2 mm. After the stepped round bar bending test piece was soft-nitrided, a strain gauge was attached to the curvature portion, and a bending correction test was performed in the manner of three-point bending. The bending straightness was evaluated by the indentation stroke until the strain gauge was disconnected when a load was applied to the center. When the indentation stroke was up to 3 mm and the strain gauge did not break, it was determined that the bending straightness was good.

平面曲げ疲労試験用の試験片は直径44mmの円柱状の胴体にテーパーのついたネック部(ネック部直径は20mm)を加工したものである。この試験片を軟窒化処理した後、試験片の頭部側を固定して、反対側の端部に繰返し荷重を負荷することで、平面曲げ疲労試験を行った。   The test piece for the plane bending fatigue test is obtained by processing a tapered neck portion (neck portion diameter is 20 mm) on a cylindrical body having a diameter of 44 mm. After subjecting this test piece to nitrocarburizing treatment, a plane bending fatigue test was conducted by fixing the head side of the test piece and applying a load repeatedly to the opposite end.

軟窒化処理には、RXガス:アンモニアガス=1:1の雰囲気によるガス軟窒化処理を用いた。均熱温度は600℃とし、均熱温度での保持時間は2時間とした。均熱処理を終えた試験片は、均熱室とはシャッターで隔てられていて窒素雰囲気に調整してある別室に、いったん、搬送された後、この別室の下部に据え付けてある油槽に挿入して油冷した。この際、別室に搬送されてから油槽に挿入されるまでの時間を変化させて、γ’窒化物の析出、成長の度合いを変化させた。油槽の油温は80〜150℃の範囲内の所定の温度とし、油冷後に試験片が油槽中に保持される時間は10〜90分の範囲内の所定の時間とした。均熱温度からの冷却工程での冷却速度を、炉内すべてを窒素雰囲気とした状態で、平面曲げ疲労試験用の試験片の表面に点溶接したPt−Rh熱電対により、別途、測定した。これは、実際のガス軟窒化処理での雰囲気中(RXガス:アンモニアガス)では、熱電対の損傷が問題となるためである。測定に際しては、試験片が均熱室から別室に搬送されて油槽に挿入されるまでの時間を変化させた時の試験片の到達温度や同温度に至るまでの冷却速度に注意を払って測定を行った。   For soft nitriding, gas soft nitriding in an atmosphere of RX gas: ammonia gas = 1: 1 was used. The soaking temperature was 600 ° C., and the holding time at the soaking temperature was 2 hours. The test piece that has been soaked is separated from the soaking chamber by a shutter and is transported to a separate chamber adjusted to a nitrogen atmosphere, and then inserted into an oil tank installed at the bottom of this separate chamber. Oil cooled. At this time, the degree of precipitation and growth of γ ′ nitride was changed by changing the time from the transfer to a separate chamber to the insertion into the oil tank. The oil temperature in the oil tank was set to a predetermined temperature in the range of 80 to 150 ° C., and the time for which the test piece was held in the oil tank after oil cooling was set to a predetermined time in the range of 10 to 90 minutes. The cooling rate in the cooling process from the soaking temperature was separately measured with a Pt-Rh thermocouple spot-welded to the surface of the test piece for the plane bending fatigue test in a state where the entire furnace was in a nitrogen atmosphere. This is because damage to the thermocouple becomes a problem in an atmosphere (RX gas: ammonia gas) in an actual gas soft nitriding treatment. When measuring, pay attention to the ultimate temperature of the test piece and the cooling rate until it reaches the same temperature when changing the time from when the test piece is transferred from the soaking chamber to being inserted into the oil bath. Went.

表2に、各鋼種について、γ’窒化物の大きさ、疲労強度および曲げ矯正性をまとめて示す。備考欄には、ガス軟窒化処理の均熱温度からの冷却工程での冷却速度や、油冷後の保持を含めて100℃以上に保持されていた時間を合わせて示した。   Table 2 summarizes the size of γ 'nitride, fatigue strength, and bending straightness for each steel type. In the remarks column, the cooling rate in the cooling step from the soaking temperature of the gas soft nitriding treatment and the time during which the temperature was kept at 100 ° C. or higher including the holding after oil cooling are shown.

Figure 0004500708
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表2から明らかなように、本発明では、焼準省略タイプとして高強度の範疇に分類される標準的な疲労強度:550MPaと同等であるか、またはそれ以上の高い疲労強度と良好な曲げ矯正性(曲げストローク3mm以上)が得られている。   As is apparent from Table 2, in the present invention, the standard fatigue strength classified into the category of high strength as a normalization omitted type: high fatigue strength equal to or higher than 550 MPa and good bending correction (Bending stroke of 3 mm or more) is obtained.

一方、ガス軟窒化処理での冷却速度が小さいために、γ’窒化物の大きさが20μmを越えるような場合には、一様に疲労強度が低下した。図3に、γ’窒化物が分散した時の拡散層の代表的な組織を示す。ここで、図中に矢印で示されるものが、特に粗大なγ’窒化物である。   On the other hand, due to the low cooling rate in the gas soft nitriding treatment, the fatigue strength was uniformly reduced when the size of the γ ′ nitride exceeded 20 μm. FIG. 3 shows a typical structure of the diffusion layer when γ ′ nitride is dispersed. Here, what is indicated by an arrow in the drawing is particularly coarse γ ′ nitride.

また、素材となる非調質鋼の化学成分や微細組織が本発明から逸脱していると、γ’窒化物の大きさが20μmを以下であっても、疲労強度が低くなる、あるいは、曲げ矯正性が劣る結果となった。   Further, if the chemical composition and microstructure of the non-heat treated steel that is the material deviates from the present invention, even if the size of the γ ′ nitride is 20 μm or less, the fatigue strength becomes low, or the bending The result was poor correction.

以上のとおりであるから、本発明によれば、非調質鋼を素材として、疲労強度及び曲げ矯正性に優れた高強度の軟窒化処理鋼部品が得られる。したがって、部品製造コストの削減が可能になる。   As described above, according to the present invention, a high-strength nitrocarburized steel part having excellent fatigue strength and bend straightening properties can be obtained using non-tempered steel as a raw material. Therefore, the part manufacturing cost can be reduced.

本発明の軟窒化処理部品の素材として用いられる軟窒化処理用非調質鋼の「ベイナイト+フェライト+パーライト」混合組織の代表的な組織写真である。2 is a representative structural photograph of a “bainite + ferrite + pearlite” mixed structure of non-tempered steel for soft nitriding used as a material for the soft nitriding component of the present invention. ベイティニック・フェライトが分散した旧オーステナイト粒のSEM像である。It is a SEM image of former austenite grains in which batinic ferrite is dispersed. 粗大なγ’窒化物(矢印で示す)が分散した時の拡散層の組織である。This is the structure of the diffusion layer when coarse γ ′ nitride (indicated by an arrow) is dispersed.

Claims (2)

質量%で、C:0.30〜0.45%、Si:0.1〜0.5%、Mn:0.6〜1.0%、Ti:0.005〜0.1%およびN:0.010〜0.030%を含有し、残部がFe及び不純物よりなり、ベイナイト及びフェライトからなる混合組織またはベイナイト、フェライト及びパーライトからなる混合組織を有し、その混合組織中のベイナイト分率が5〜90%であることを特徴とする非調質鋼を軟窒化処理した軟窒化処理部品であって、その拡散層のフェライト粒内に存在するγ’窒化物の長手方向の大きさが20μm以下であることを特徴とする軟窒化処理部品。   In mass%, C: 0.30 to 0.45%, Si: 0.1 to 0.5%, Mn: 0.6 to 1.0%, Ti: 0.005 to 0.1% and N: Containing 0.010-0.030%, the balance being Fe and impurities, having a mixed structure consisting of bainite and ferrite or a mixed structure consisting of bainite, ferrite and pearlite, and the bainite fraction in the mixed structure is A nitrocarburized component obtained by nitrocarburizing non-tempered steel, characterized in that it is 5 to 90%, and the longitudinal size of γ ′ nitride existing in the ferrite grains of the diffusion layer is 20 μm A soft nitriding component characterized by the following: 質量%で、C:0.30〜0.45%、Si:0.1〜0.5%、Mn:0.6〜1.0%、Ti:0.005〜0.1%およびN:0.010〜0.030%を含有し、下記の第1元素群から選んだ1種以上の元素及び第2元素群から選んだ1種以上の元素のうちの一方又は両方を含有し、残部がFe及び不純物よりなり、ベイナイト及びフェライトからなる混合組織またはベイナイト、フェライト及びパーライトからなる混合組織を有し、その混合組織中のベイナイト分率が5〜90%であることを特徴とする非調質鋼を軟窒化処理した軟窒化処理部品であって、その拡散層のフェライト粒内に存在するγ’窒化物の長手方向の大きさが20μm以下であることを特徴とする軟窒化処理部品。
第1元素群:
Nb:0.001〜0.1%、
Mo:0.01〜1.0%、
Cu:0.01〜1.0%、
Ni:0.01〜1.0%、および
B:0.001〜0.005%
第2元素群:
S:0.01〜0.1%、および
Ca:0.0001〜0.005%
In mass%, C: 0.30 to 0.45%, Si: 0.1 to 0.5%, Mn: 0.6 to 1.0%, Ti: 0.005 to 0.1% and N: Containing 0.010 to 0.030%, containing one or both of one or more elements selected from the following first element group and one or more elements selected from the second element group, and the balance Is composed of Fe and impurities and has a mixed structure composed of bainite and ferrite or a mixed structure composed of bainite, ferrite and pearlite, and the bainite fraction in the mixed structure is 5 to 90%. A nitrocarburized component obtained by nitrocarburizing a carbon steel, wherein the γ ′ nitride present in the ferrite grains of the diffusion layer has a longitudinal size of 20 μm or less.
First element group:
Nb: 0.001 to 0.1%,
Mo: 0.01 to 1.0%,
Cu: 0.01 to 1.0%,
Ni: 0.01 to 1.0%, and B: 0.001 to 0.005%
Second element group:
S: 0.01 to 0.1%, and Ca: 0.0001 to 0.005%
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