JP5131770B2 - Non-tempered steel for soft nitriding - Google Patents

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Description

本発明は、軟窒化用非調質鋼に関し、詳しくは、調質処理(焼入れ−焼戻し処理)を行わずに軟窒化処理を施しても、高い疲労強度と優れた曲げ矯正性を有する自動車、産業機械および建設機械用などのクランクシャフトなど軟窒化機械部品の素材となるV含有量の少ない低コストの軟窒化用非調質鋼に関する。   The present invention relates to a non-tempered steel for soft nitriding, and more specifically, an automobile having high fatigue strength and excellent bend straightening even if soft nitriding treatment is performed without performing tempering treatment (quenching-tempering treatment), The present invention relates to a low-cost non-refined steel for soft nitriding with a low V content, which is a material for soft nitriding machine parts such as crankshafts for industrial machinery and construction machinery.

従来、自動車、産業機械および建設機械用などのクランクシャフトなどは、熱間鍛造などの方法で素材鋼片を所望の形状に熱間加工した後、調質処理を行って組織を微細化し、その後、主として疲労強度を高める目的で軟窒化処理を施して製造されてきた。   Conventionally, crankshafts for automobiles, industrial machinery and construction machinery, etc. are hot-worked into a desired shape by a method such as hot forging, then tempered to refine the structure, It has been manufactured by applying a soft nitriding treatment mainly for the purpose of increasing fatigue strength.

しかしながら、コスト削減や省エネルギーの観点から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いる。   However, from the viewpoint of cost reduction and energy saving, it is desired to omit the tempering process, and in recent years, the demand is particularly strong.

一般に、調質処理を省略すると、結晶粒径の調節がなされないため、熱間加工中および熱間加工後の冷却工程で発達した結晶組織がそのまま最終製品に引き継がれてしまう。例えば、通常のクランクシャフトは、素材を1250℃程度というオーステナイト単相領域に保持した後、数回の熱間鍛造によって仕上げられるが、一般に、その鍛造終了温度は1000℃を超えている。この場合、上記のオーステナイト単相領域での保持により、オーステナイト粒径は粗大化し、その結果、冷却中のフェライトへの変態の際にフェライト核生成サイトが減少し、このため、低温へ持ちきたされるオーステナイトが増える。そして、上記のオーステナイトが共析変態すればパーライトになるが、旧オーステナイト粒径が大きいため、フェライトに囲まれたパーライトコロニー群を「パーライト粒」とした場合のいわゆる「パーライト粒径」が大きくなってしまう。このため、軟窒化処理しても高い疲労強度を確保できないことが多い。   In general, if the tempering treatment is omitted, the crystal grain size is not adjusted, so that the crystal structure developed in the cooling process during hot working and after hot working is passed on to the final product as it is. For example, a normal crankshaft is finished by hot forging several times after holding the material in an austenite single phase region of about 1250 ° C. Generally, the forging end temperature exceeds 1000 ° C. In this case, the austenite grain size becomes coarse due to the retention in the austenite single-phase region, and as a result, the ferrite nucleation sites are reduced during the transformation to ferrite during cooling, which is brought to a low temperature. Austenite increases. And if the above-mentioned austenite undergoes eutectoid transformation, it becomes pearlite, but since the prior austenite grain size is large, the so-called “pearlite grain size” when the pearlite colony group surrounded by ferrite is made “pearlite grain” becomes large. End up. For this reason, it is often impossible to ensure high fatigue strength even by soft nitriding.

なお、軟窒化処理を施すと歪みが発生して部品の寸法精度が低下する。したがって、特にクランクシャフトなどの部品においては、軟窒化処理後に曲げ矯正が行われることが多いので、軟窒化用鋼には軟窒化処理後の曲げ矯正性が優れていることも要求される。しかしながら、調質処理を省略した場合の曲げ矯正性は著しく劣っている。   When soft nitriding is performed, distortion occurs and the dimensional accuracy of the component decreases. Therefore, especially in parts such as a crankshaft, bending straightening is often performed after soft nitriding, and therefore, the steel for soft nitriding is also required to have excellent bending straightening after soft nitriding. However, the bending straightness when the tempering treatment is omitted is extremely inferior.

このため、調質処理を省略しても高い疲労強度と優れた曲げ矯正性を備えた軟窒化用非調質鋼に対する要望が大きい。   For this reason, there is a great demand for non-tempered steel for soft nitriding having high fatigue strength and excellent bend straightening properties even if the tempering treatment is omitted.

ここで、上記の「優れた曲げ矯正性」とは、大きな曲げ変位量まで部品の表面に亀裂が入らないか、あるいは、亀裂長さが十分に短いことを指す。具体的には、後述する直径20mm×長さ300mmの試験片を用いた支点間距離200mmの3点曲げ矯正試験において、亀裂が入らない(ゲージアウトとならない)ストローク量が3.0mm以上であることを指す。   Here, the “excellent bend straightening property” indicates that the surface of the part does not crack until a large bending displacement amount, or that the crack length is sufficiently short. Specifically, in a three-point bending correction test with a distance between support points of 200 mm using a test piece having a diameter of 20 mm and a length of 300 mm, which will be described later, a stroke amount that does not crack (does not result in gauge out) is 3.0 mm or more. Refers to that.

なお、「軟窒化処理」は、一般に、500〜600℃の温度域でNとCを同時に侵入・拡散させて表面を硬化させる手法である。主に耐摩耗性を向上させることを目的とする「窒化処理」に対して、「軟窒化処理」は特に疲労強度を向上させる手法として秀でており、急速に普及している。   The “soft nitriding treatment” is generally a technique in which N and C simultaneously enter and diffuse in a temperature range of 500 to 600 ° C. to harden the surface. In contrast to “nitriding” which mainly aims to improve wear resistance, “soft nitriding” is particularly excellent as a technique for improving fatigue strength, and is rapidly spreading.

前記した要望に応えるべく、特許文献1〜3に、種々の軟窒化用鋼が提案されている。また、特許文献4および5には、窒化用非調質鋼が提案されている。   In order to meet the above-described demands, various soft nitriding steels are proposed in Patent Documents 1 to 3. Patent Documents 4 and 5 propose non-tempered steel for nitriding.

具体的には、特許文献1に、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%以下など特定の元素を含み、〔221C(%)+99.5Mn(%)+52.5Cr(%)−304Ti(%)+577N(%)+25〕で表される式の値が150以上を満たし、残部はFeおよび不可避不純物の化学組成であって、組織が、フェライトおよ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「軟窒化用鋼材」が開示されている。   Specifically, in Patent Document 1, in terms of weight percent, C: 0.20 to 0.60%, Si: 0.05 to 1.0%, Mn: 0.3 to 1.0%, P: 0 0.05% or less, 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 : A specific element such as 0.05% or less, and the value of the formula represented by [221C (%) + 99.5Mn (%) + 52.5Cr (%) − 304Ti (%) + 577N (%) + 25] is 150 The remainder is the chemical composition of Fe and inevitable impurities, and the structure is composed of ferrite and pearlite and the ferrite Wherein the fraction is 10% or more "soft nitriding steel materials" is disclosed.

特許文献2には、C、Si、Mn、Cr、Mo、酸可溶AlおよびNなど特定元素の含有量を適正化した「軟窒化用非調質鋼」が開示されている。   Patent Document 2 discloses “non-tempered steel for soft nitriding” in which the content of specific elements such as C, Si, Mn, Cr, Mo, acid-soluble Al and N is optimized.

また、本発明者らが提案した特許文献3には、C:0.30〜0.50%、Si:0.05〜0.5%、Mn:0.2〜0.8%、P:0.005〜0.05%、S:0.005〜0.1%、V:0.2%を超えて0.3%以下およびN:0.005〜0.030%を含有し、残部はFeおよび不純物からなり、不純物中のCrが0.10%未満であることを特徴とする「軟窒化用非調質鋼」が開示されている。   Further, Patent Document 3 proposed by the present inventors includes C: 0.30 to 0.50%, Si: 0.05 to 0.5%, Mn: 0.2 to 0.8%, P: 0.005 to 0.05%, S: 0.005 to 0.1%, V: more than 0.2% and 0.3% or less and N: 0.005 to 0.030%, the balance Is made of Fe and impurities, and Cr in the impurities is less than 0.10%, “non-tempered steel for soft nitriding” is disclosed.

特許文献4には、質量%で、C:0.15〜0.40%、Si≦0.50%、Mn:0.20〜1.50%、Cr:0.05〜0.50%など特定の元素を含み、残部Feおよ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、すなわち、「フェライト」と「パーライト」との混合組織であり、フェライト面積率が30%以上かつフェライト粒度番号が5番以上の粒度であり、パーライト平均寸法が50μm以下である「窒化鋼」が開示されている。   In Patent Document 4, in mass%, C: 0.15 to 0.40%, Si ≦ 0.50%, Mn: 0.20 to 1.50%, Cr: 0.05 to 0.50%, etc. It contains a specific element, consists of the remainder Fe and inevitable impurities, and the structure after hot working is substantially a ferrite-pearlite structure, that is, a mixed structure of “ferrite” and “pearlite”, and the ferrite area ratio is 30%. “Nitride steel” is disclosed in which the ferrite grain size number is 5 or more and the pearlite average dimension is 50 μm or less.

特許文献5には、質量%で、C:0.30〜0.50%、Cr:0.1〜1.5%、V:0.09〜0.25%、原子%比でMn/S:0.6〜1.4など特定の元素を含み、残部Feおよび不可避不純物からなり、熱間加工後の調質処理を省略し、微細MnSを主成分とする硫化物系介在物を5000個/mm2以上含有する「窒化用高強度非調質鋼」が開示されている。 In Patent Document 5, the mass% is C: 0.30 to 0.50%, Cr: 0.1 to 1.5%, V: 0.09 to 0.25%, and the atomic% ratio is Mn / S. : Specified elements such as 0.6 to 1.4, the balance Fe and inevitable impurities, tempering after hot working is omitted, and 5000 sulfide inclusions mainly composed of fine MnS "High-strength non-tempered steel for nitriding" containing at least / mm 2 is disclosed.

特開平9−324241号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-324241 特開2000−309846号公報JP 2000-309846 A 特開2007−2292号公報JP 2007-2292 A 特開平9−291339号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-291339 特開2005−113163号公報JP 2005-113163 A

前述した特許文献1で開示された技術によれば、鋼成分を適正化し、フェライト分率を10%以上とすることによって引張強度、疲労強度および曲げ特性に優れる軟窒化用鋼材を提供できる。この技術で開示されている疲労強度は381.8〜440.9MPaであった。   According to the technique disclosed in Patent Document 1 described above, a steel material for nitrocarburizing excellent in tensile strength, fatigue strength and bending characteristics can be provided by optimizing the steel components and setting the ferrite fraction to 10% or more. The fatigue strength disclosed in this technique was 381.8 to 440.9 MPa.

特許文献2で開示された技術によれば、軟窒化処理後に矯正を行うことができる優れた曲げ矯正性を有し、かつ、軟窒化処理によって優れた疲労強度を示す「軟窒化用非調質鋼」を提供することができるとはいうものの、曲げ矯正性を5mm×10mmの断面積の板を用いた支点間距離100mmの3点曲げ試験で評価したものに過ぎない。このため、必ずしも十分な曲げ矯正性が得られているとはいえない。   According to the technique disclosed in Patent Document 2, “non-refining for soft nitriding has excellent bending straightening property that can be corrected after soft nitriding treatment and exhibits excellent fatigue strength by soft nitriding treatment. Although “steel” can be provided, the bending straightness is only evaluated by a three-point bending test using a plate having a cross-sectional area of 5 mm × 10 mm and a distance between supporting points of 100 mm. For this reason, it cannot necessarily be said that sufficient bending correction property is obtained.

本発明者らが特許文献3で提案した軟窒化用非調質鋼は、高い疲労強度と良好な曲げ矯正性を有するものである。しかしながら、合金コストの上昇が著しいVを質量%で、0.2%を超えて0.3%以下含むものである。このため、Vの含有量をできるだけ低減して合金コストを抑制したいという産業界の要望に対しては、必ずしも十分応えることができていない。   The non-tempered steel for soft nitriding proposed by the present inventors in Patent Document 3 has high fatigue strength and good bend straightening properties. However, the increase in alloy cost is significant, and V is contained in mass%, exceeding 0.2% and not more than 0.3%. For this reason, the demand of the industry for reducing the V content as much as possible to suppress the alloy cost cannot be sufficiently met.

特許文献4で開示された技術によれば、C、MnおよびCrの含有量を適正化してフェライト面積率を増加させ、かつ微細化することによって疲れ特性と曲げ特性を良化させた窒化鋼が提供できるとはいうものの、曲げ矯正性(曲げ特性)は、直径10mmの円柱状試験片を用いて、支点間距離100mmの3点曲げ試験で評価したものに過ぎず、しかも、割れが発生するまでの最大変位量は、高々598μmである。このため、必ずしも十分な曲げ矯正性を有しているとはいえない。   According to the technique disclosed in Patent Document 4, a nitrided steel that has improved fatigue characteristics and bending characteristics by optimizing the contents of C, Mn, and Cr to increase the ferrite area ratio and miniaturizing is provided. Although it can be provided, the bending straightness (bending characteristics) is only evaluated by a three-point bending test with a distance between supporting points of 100 mm using a cylindrical test piece having a diameter of 10 mm, and cracking occurs. The maximum displacement amount up to 598 μm. For this reason, it cannot necessarily be said that it has sufficient bending correction property.

特許文献5で開示された技術によれば、Mn/S比を規定し鋼中の微細硫化物系介在物量を制御することで矯正時の亀裂深さが抑制されるとしている。しかしながら、この特許文献5で提案された鋼は窒化用鋼であり、軟窒化処理や疲労強度の検討がなされたものではない。   According to the technique disclosed in Patent Document 5, the Mn / S ratio is regulated and the amount of fine sulfide inclusions in the steel is controlled to suppress the crack depth during correction. However, the steel proposed in Patent Document 5 is a nitriding steel and has not been studied for nitrocarburizing treatment or fatigue strength.

本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、調質処理を行わずに軟窒化処理を施しても、高い疲労強度と優れた曲げ矯正性を有するV含有量の少ない低コストの軟窒化用非調質鋼、具体的には、図1に示す形状の試験片を用いて室温で小野式回転曲げ疲労試験をした場合の460MPa以上の疲労強度および、直径20mm×長さ300mmの試験片を用いた支点間距離200mmの3点曲げ矯正試験において、亀裂が入らない(ゲージアウトとならない)ストローク量が3.0mm以上の曲げ矯正性を有するV含有量の少ない低コストの軟窒化用非調質鋼を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described situation. Even when soft nitriding is performed without tempering, low fatigue soft nitriding with high fatigue strength and excellent bend straightening and low V content is achieved. Non-heat treated steel, specifically, a specimen having a fatigue strength of 460 MPa or more and a diameter of 20 mm × length of 300 mm when an Ono-type rotary bending fatigue test is performed at room temperature using a specimen having the shape shown in FIG. In a three-point bending straightening test using a fulcrum distance of 200 mm, the crack is not cracked (it does not become gauge-out) and the stroke amount is 3.0 mm or more. The purpose is to provide tempered steel.

ここで、「ゲージアウトとなる」とは、試験片にひずみゲージを貼付した位置に亀裂が入ることによりひずみゲージがはがれる、あるいは、測定可能範囲を超えてしまうことを指す。なお、き裂が入った場合には物理的に必ずゲージアウトするため、ゲージアウトが起こることは試験片にき裂が入ったことと同義となる。   Here, “becomes gauge out” means that the strain gauge peels off or exceeds the measurable range when a crack enters a position where the strain gauge is attached to the test piece. When a crack is entered, the gauge is always physically gauged out. Therefore, the occurrence of gauge-out is synonymous with the occurrence of a crack in the test piece.

本発明者らは、前記した課題を解決するために、種々の軟窒化用鋼を作製して軟窒化後の疲労強度と曲げ矯正性を調査するとともに、ミクロ組織についても詳細に研究を行い、疲労強度と曲げ矯正性に及ぼす影響を調査した。その結果、下記(a)および(b)の基礎的な知見を得た。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors made various soft nitriding steels and investigated fatigue strength and bend straightening after soft nitriding, and also performed detailed research on the microstructure, The effects on fatigue strength and bend straightening were investigated. As a result, the following basic findings (a) and (b) were obtained.

(a)非調質鋼は軟質なフェライトを含む「フェライト・パーライト組織」であるため、母相の強度が低く、高い疲労強度が得られない。また、粗粒な「フェライト・パーライト組織」であるため、良好な曲げ矯正性が得られない。   (A) Since the non-tempered steel has a “ferrite / pearlite structure” containing soft ferrite, the strength of the parent phase is low and high fatigue strength cannot be obtained. Moreover, since it is a coarse “ferrite / pearlite structure”, good bending straightness cannot be obtained.

(b)軟窒化後、フェライト地が過度に強化されて表層部の硬さが高すぎる場合にも曲げ矯正性の劣化が生じる。   (B) After soft nitriding, deterioration of bending straightness also occurs when the ferrite ground is excessively strengthened and the hardness of the surface layer portion is too high.

そこで、上記の知見を踏まえて、種々の合金元素について疲労強度と曲げ矯正性に対する効果について詳細な研究を行った。その結果、下記(c)〜(h)に示す重要な知見を得た。   Based on the above findings, we conducted detailed studies on the effects of various alloy elements on fatigue strength and bend straightening. As a result, important findings shown in the following (c) to (h) were obtained.

(c)質量%で、0.05%以上のVを含有すれば、熱間加工後の冷却過程でV炭化物が微細析出し、このV炭化物の析出強化作用によって母材(生地)の硬さが高くなり、高い疲労強度を確保することができる。   (C) When V is 0.05% or more by mass%, V carbide is finely precipitated in the cooling process after hot working, and the hardness of the base material (dough) is enhanced by the precipitation strengthening action of this V carbide. Increases, and high fatigue strength can be secured.

(d)一方、Vは、従来、窒化物形成能が高いAl、Cr、Mnなどと同様に軟窒化時に表層部に微細窒化物を形成して、表層部の硬さを過度に高めるため曲げ矯正性を害すると考えられてきた。   (D) On the other hand, V is bent in order to excessively increase the hardness of the surface layer portion by forming fine nitride on the surface layer portion during soft nitriding like Al, Cr, Mn and the like having high nitride forming ability. It has been thought to harm the correctiveness.

(e)しかしながら、不純物中のCrの含有量を0.10%未満に、Alの含有量を0.005%以下に制限しておけば、Vは、軟窒化によりフェライト地を過度に強化することなく、表層部の硬さを適度に高める作用を有する。このため、0.05質量%以上の量のVを含有させても、曲げ矯正性の著しい低下は起こらない。   (E) However, if the Cr content in the impurities is limited to less than 0.10% and the Al content is limited to 0.005% or less, V excessively strengthens the ferrite ground by soft nitriding. And has the effect of appropriately increasing the hardness of the surface layer portion. For this reason, even if 0.05% by mass or more of V is contained, the bending straightness does not significantly decrease.

(f)さらに、Vに対し、その1オーダー程度低い含有量のTiを複合して含有する場合には、VとTiの原子比が同じオーダーのVとTiの複合炭窒化物(以下、「(V+Ti)炭窒化物」という。)が鋼の凝固後の冷却過程で生成する。この(V+Ti)炭窒化物は熱間加工時の1000℃を超える温度域での加熱でも固溶せず、オーステナイト粒をピン止めして組織を微細化するだけではなく、Baker−Nuttingの関係から有能なフェライト核生成サイトとなることができるため、フェライトの生成サイトを増加させ、得られる母材の「フェライト・パーライト組織」をさらに微細にすることができ、これによって曲げ矯正性の低下をさらに抑えることが可能である。なお、上記の効果を得るためには、質量%で、0.005%以上の量のTiをVと複合して含有させる必要がある。ただし、0.05質量%以上のVと0.005質量%以上のTiを複合して含有させただけでは、優れた疲労強度と曲げ矯正性との両立を図ることができない場合がある。   (F) Furthermore, in the case of containing Ti with a content lower by about one order with respect to V, a composite carbonitride of V and Ti with the same atomic ratio of V and Ti (hereinafter, “ (V + Ti) carbonitride ”) is formed in the cooling process after solidification of the steel. This (V + Ti) carbonitride does not dissolve even when heated in the temperature range exceeding 1000 ° C. during hot working, not only pinning austenite grains to refine the structure, but also from the Baker-Nutting relationship Since it can be a competent ferrite nucleation site, the ferrite formation site can be increased, and the “ferrite / pearlite structure” of the resulting base material can be further refined, thereby reducing the bending straightness. Further suppression is possible. In order to obtain the above effect, it is necessary to contain Ti in an amount of 0.005% or more in combination with V in mass%. However, in some cases, it is not possible to achieve both excellent fatigue strength and bend straightening property by simply adding 0.05% by mass or more of V and 0.005% by mass or more of Ti in combination.

(g)質量%で、0.05%以上のVと0.005%以上のTiが含まれる場合に、上記(f)のような(V+Ti)炭窒化物が「フェライト・パーライト組織」を微細化する効果を得てこれによって高い曲げ矯正性を確保するためには、下記の(1)式で表されるfn1の値が、「0≦fn1」を満たす必要がある。すなわち、「fn1<0」の場合には、Nが不足して十分な量の(V+Ti)炭窒化物が生成しないため、「フェライト・パーライト組織」を微細にすることができず、良好な曲げ矯正性が得られない。
fn1=N−0.63×Ti・・・(1)
ここで、(1)式中の元素記号は、その元素の質量%での含有量を表す。
(G) When mass% contains 0.05% or more of V and 0.005% or more of Ti, (V + Ti) carbonitride as described in (f) above makes the “ferrite / pearlite structure” fine. In order to obtain the effect of achieving the above and ensure high bending straightness, the value of fn1 expressed by the following equation (1) needs to satisfy “0 ≦ fn1”. That is, in the case of “fn1 <0”, N is insufficient and a sufficient amount of (V + Ti) carbonitride is not generated, so that “ferrite / pearlite structure” cannot be made fine, and good bending is achieved. Correctiveness cannot be obtained.
fn1 = N−0.63 × Ti (1)
Here, the element symbol in the formula (1) represents the content in mass% of the element.

(h)一方、前記(c)のV炭化物による析出強化作用によって高い疲労強度を確保するためには、上記の(1)式で表されるfn1の値が、「fn1≦0.020」を満たす必要がある。すなわち、「0.020<fn1」の場合には、Nの量が過剰となるため、鋼の凝固後の冷却過程で(V+Ti)炭窒化物だけでなく、V窒化物も生成してしまう。このV窒化物は熱間加工時の1000℃を超える温度域での加熱でも固溶しないため、析出強化作用を有する微細なV炭化物の析出に寄与するV量が不足し、熱間加工後の冷却過程で微細析出するV炭化物の析出量が減少してしまう。このため、十分な母材(生地)の硬さが確保されず、疲労強度が低下してしまう。   (H) On the other hand, in order to ensure high fatigue strength by the precipitation strengthening action by the V carbide of (c), the value of fn1 represented by the above formula (1) satisfies “fn1 ≦ 0.020”. It is necessary to satisfy. That is, in the case of “0.020 <fn1”, the amount of N becomes excessive, so that not only (V + Ti) carbonitride but also V nitride is generated in the cooling process after solidification of the steel. Since this V nitride does not form a solid solution even when heated at a temperature exceeding 1000 ° C. during hot working, the amount of V contributing to the precipitation of fine V carbide having a precipitation strengthening action is insufficient. The precipitation amount of V carbide that finely precipitates during the cooling process decreases. For this reason, sufficient hardness of the base material (fabric) is not ensured, and the fatigue strength decreases.

本発明者らはさらに、質量%で、0.05%のVが含まれる場合に、他の元素が曲げ矯正性と疲労強度に及ぼす影響をミクロ組織および硬さプロファイルの観点から詳細に検討した。その結果、下記(i)および(j)の重要な知見を得た。   The present inventors further examined in detail, in terms of microstructure and hardness profile, the effects of other elements on bend straightening and fatigue strength when 0.05% V is contained in mass%. . As a result, the following important findings (i) and (j) were obtained.

(i)質量%で、0.05%以上のVが含まれている場合には、AlおよびCrは微量であっても表層部の硬さを高くして曲げ矯正性を著しく低下させてしまう。このため、Alの含有量は0.005%以下に、また、Crの含有量は0.10%未満に制限しなければならない。   (I) When V of 0.05% or more is contained in mass%, even if a small amount of Al and Cr, the hardness of the surface layer is increased and the bending straightness is remarkably lowered. . For this reason, the Al content must be limited to 0.005% or less, and the Cr content must be limited to less than 0.10%.

(j)質量%で、0.05%以上のVが含まれている場合に、0.02%を超えるPbが含まれていると、母材(生地)中に軟質部が形成され、その軟質部を起点として疲労破壊が起こるために、疲労強度が低下してしまう。   (J) When 0.05% or more of V is contained by mass%, if Pb exceeding 0.02% is contained, a soft part is formed in the base material (fabric). Since fatigue failure occurs starting from the soft part, the fatigue strength decreases.

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記(1)〜(3)に示す軟窒化用非調質鋼にある。   This invention is completed based on said knowledge, The summary exists in the non-tempered steel for soft nitriding shown to following (1)-(3).

(1)質量%で、C:0.30〜0.60%、Si:0.05〜0.80%、Mn:0.20%以上0.80%未満、P:0.050%以下、S:0.005〜0.10%、V:0.05〜0.20%、Ti:0.005〜0.030%およびN:0.007〜0.030%を含有し、残部はFeおよび不純物からなり、不純物中のCr、AlおよびPbがそれぞれ、Cr:0.10%未満、Al:0.005%以下およびPb:0.02%以下で、かつ下記の(1)式で表されるfn1の値が、0≦fn1≦0.020を満足することを特徴とする軟窒化用非調質鋼。
fn1=N−0.63×Ti・・・(1)
ここで、(1)式中の元素記号は、その元素の質量%での含有量を表す。
(1) By mass%, C: 0.30-0.60%, Si: 0.05-0.80%, Mn: 0.20% or more and less than 0.80%, P: 0.050% or less, S: 0.005 to 0.10%, V: 0.05 to 0.20%, Ti: 0.005 to 0.030% and N: 0.007 to 0.030%, the balance being Fe And Cr, Al and Pb in the impurities are Cr: less than 0.10%, Al: 0.005% or less and Pb: 0.02% or less, respectively, and represented by the following formula (1) The non-tempered steel for soft nitriding characterized in that the value of fn1 satisfies 0 ≦ fn1 ≦ 0.020.
fn1 = N−0.63 × Ti (1)
Here, the element symbol in the formula (1) represents the content in mass% of the element.

(2)Feの一部に代えて、Mo:0.30%以下を含有することを特徴とする上記(1)に記載の軟窒化用非調質鋼。   (2) The non-tempered steel for soft nitriding according to the above (1), which contains Mo: 0.30% or less instead of part of Fe.

(3)Feの一部に代えて、Ca:0.0050%以下を含有することを特徴とする上記(1)または(2)に記載の軟窒化用非調質鋼。   (3) The non-tempered steel for soft nitriding as described in (1) or (2) above, wherein Ca is contained in an amount of 0.0050% or less instead of part of Fe.

本発明の軟窒化用非調質鋼は、調質処理を行わずに軟窒化処理を施しても、高い疲労強度と優れた曲げ矯正性を有するので、自動車、産業機械および建設機械用などのクランクシャフトなど軟窒化機械部品の素材として用いることができる。この軟窒化用非調質鋼はV含有量が少ないので、合金コストを抑制することができる。   The non-tempered steel for nitrocarburizing of the present invention has high fatigue strength and excellent bend straightening even when subjected to nitrocarburizing treatment without tempering treatment, so that it is used for automobiles, industrial machinery and construction machinery. It can be used as a material for soft nitriding machine parts such as crankshafts. Since the non-tempered steel for soft nitriding has a small V content, the alloy cost can be suppressed.

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、化学成分の含有量の「%」は「質量%」を意味する。   Hereinafter, each requirement of the present invention will be described in detail. In addition, “%” of the content of the chemical component means “mass%”.

C:0.30〜0.60%
Cは、熱間加工後の冷却過程でVと結合して微細なV炭化物を形成し、析出強化に寄与して疲労強度を向上させる作用を有する。また、Cは、クランクシャフトなど機械部品に耐摩耗性を付与するのに有効な元素である。さらに、Cは、凝固後の冷却過程でNとともにVおよびTiと結合して(V+Ti)炭窒化物を形成し、この(V+Ti)炭窒化物が、熱間加工時の加熱の際にオーステナイト粒のピン止め作用を有するとともに、熱間加工後の冷却過程でフェライト核生成サイトになるので、「フェライト・パーライト組織」を微細化することができ、この組織微細化によって高い曲げ矯正性を確保するのにも効果を有する元素である。これらの効果を得るには、0.30%以上のC含有量が必要である。しかしながら、Cを過剰に含有するとパーライトの量が増加して曲げ矯正性が損なわれ、特に、Cの含有量が0.60%を超えると曲げ矯正性の劣化が著しくなる。したがって、Cの含有量を0.30〜0.60%とした。なお、C含有量の望ましい下限は0.35%であり、また、望ましい上限は0.55%である。
C: 0.30 to 0.60%
C combines with V in the cooling process after hot working to form fine V carbide, and contributes to precipitation strengthening and has the effect of improving fatigue strength. C is an element effective for imparting wear resistance to mechanical parts such as a crankshaft. Further, C combines with V and Ti together with N in the cooling process after solidification to form (V + Ti) carbonitrides, and these (V + Ti) carbonitrides are austenite grains during heating during hot working. In addition to its pinning action, it becomes a ferrite nucleation site in the cooling process after hot working, so the "ferrite-pearlite structure" can be refined, and this structure refinement ensures high bending straightness. It is an element that also has an effect. In order to obtain these effects, a C content of 0.30% or more is necessary. However, when C is contained excessively, the amount of pearlite is increased and the bend straightening property is impaired. In particular, when the C content exceeds 0.60%, the bend straightening property is significantly deteriorated. Therefore, the content of C is set to 0.30 to 0.60%. The desirable lower limit of the C content is 0.35%, and the desirable upper limit is 0.55%.

Si:0.05〜0.80%
Siは、脱酸作用を有するとともにフェライト中に固溶して固溶強化作用を有する。しかしながら、その含有量が0.05%未満では効果に乏しい。一方、Siを過剰に含有すると曲げ矯正性が損なわれ、特に、Siの含有量が0.80%を超えると曲げ矯正性の劣化が著しくなる。したがって、本発明においては、フェライトの固溶強化に必要かつ十分な0.80%をその含有量の上限として、Siの含有量を0.05〜0.80%とした。なお、Si含有量の望ましい下限は0.10%であり、また、望ましい上限は0.60%である。
Si: 0.05 to 0.80%
Si has a deoxidizing action and has a solid solution strengthening action by being dissolved in ferrite. However, if the content is less than 0.05%, the effect is poor. On the other hand, when Si is contained excessively, the bending straightening property is impaired, and particularly when the Si content exceeds 0.80%, the bending straightening property is significantly deteriorated. Therefore, in the present invention, 0.80% necessary and sufficient for solid solution strengthening of ferrite is set as the upper limit of the content, and the Si content is set to 0.05 to 0.80%. The desirable lower limit of the Si content is 0.10%, and the desirable upper limit is 0.60%.

Mn:0.20%以上0.80%未満
Mnは、固溶強化元素であり、母材硬さを高めて疲労強度を向上させる作用を有する。この効果を得るには、0.20%以上のMn含有量が必要である。しかしながら、Mnを過剰に含有すると曲げ矯正性が損なわれ、特に、Mnの含有量が0.80%以上になると曲げ矯正性の劣化が著しくなる。したがって、Mnの含有量を0.20%以上0.80%未満とした。なお、Mn含有量の望ましい下限は0.30%であり、また、望ましい上限は0.75%である。
Mn: 0.20% or more and less than 0.80% Mn is a solid solution strengthening element, and has the effect of increasing the base material hardness and improving the fatigue strength. In order to obtain this effect, a Mn content of 0.20% or more is necessary. However, when Mn is contained excessively, the bend straightening property is impaired. In particular, when the Mn content is 0.80% or more, the bend straightening property is significantly deteriorated. Therefore, the Mn content is set to 0.20% or more and less than 0.80%. The desirable lower limit of the Mn content is 0.30%, and the desirable upper limit is 0.75%.

P:0.050%以下
Pは、不可避的に含有される不純物である。また、強化元素としての作用効果も有する。このような作用効果を得る場合には、0.005%以上含有させることが望ましい。しかしながら、過剰のPは粒界に偏析して粒界の脆化割れを助長し、特に、その含有量が0.050%を超えると、粒界の脆化割れが著しくなる。したがって、Pの含有量を0.050%以下とした。なお、P含有量の望ましい上限は0.045%である。
P: 0.050% or less P is an impurity inevitably contained. Moreover, it also has an effect as a strengthening element. When obtaining such an effect, it is desirable to contain 0.005% or more. However, excessive P segregates at the grain boundary and promotes embrittlement cracking at the grain boundary. Particularly, when the content exceeds 0.050%, embrittlement cracking at the grain boundary becomes remarkable. Therefore, the content of P is set to 0.050% or less. A desirable upper limit of the P content is 0.045%.

S:0.005〜0.10%
Sは、鋼の被削性の向上に有効な元素であり、この効果を得るためには0.005%以上含有させる必要がある。しかしながら、Sの含有量が多すぎると熱間加工性や疲労強度の低下を招き、特に、その含有量が0.10%を超えると、熱間加工性および疲労強度の低下が著しくなる。したがって、Sの含有量を0.005〜0.10%とした。なお、S含有量の望ましい下限は0.010%であり、また、望ましい上限は0.080%である。
S: 0.005-0.10%
S is an element effective for improving the machinability of steel, and in order to obtain this effect, it is necessary to contain 0.005% or more. However, when the content of S is too large, the hot workability and fatigue strength are reduced. In particular, when the content exceeds 0.10%, the hot workability and fatigue strength are significantly reduced. Therefore, the content of S is set to 0.005 to 0.10%. A desirable lower limit of the S content is 0.010%, and a desirable upper limit is 0.080%.

V:0.05〜0.20%
Vは、本発明において最も重要な元素の一つである。すなわち、Vは、熱間加工後の冷却過程でCと結合し、V炭化物の析出強化作用を通じて高い疲労強度を確保する作用を有する。Vは、また、凝固後の冷却過程でTiとともにC、Nと結合して(V+Ti)炭窒化物を形成し、この(V+Ti)炭窒化物が、熱間加工時の加熱の際にオーステナイト粒のピン止め作用を有するとともに、熱間加工後の冷却過程におけるフェライト核生成サイトになるので、組織(「フェライト・パーライト組織」)を微細化することができ、この組織微細化によって曲げ矯正性を高める効果も併せ持つ元素である。こうした効果を得るためには、0.05%以上の量のVを含有させる必要がある。しかしながら、Vの過度の添加は合金コストの増大につながる。したがって、本発明においては、0.20%をその含有量の上限として、Vの含有量を0.05〜0.20%とした。なお、V含有量の望ましい下限は0.08%である。
V: 0.05-0.20%
V is one of the most important elements in the present invention. That is, V combines with C in the cooling process after hot working and has the effect of ensuring high fatigue strength through precipitation strengthening action of V carbide. V also combines with C and N together with Ti in the cooling process after solidification to form (V + Ti) carbonitrides, and these (V + Ti) carbonitrides become austenite grains during heating during hot working. In addition to its pinning action, it becomes a ferrite nucleation site in the cooling process after hot working, so the structure ("ferrite pearlite structure") can be refined, and this microstructure refinement improves bending straightness. It is an element that also has an enhancing effect. In order to obtain such an effect, it is necessary to contain V in an amount of 0.05% or more. However, excessive addition of V leads to increased alloy costs. Therefore, in the present invention, the upper limit of the content is 0.20%, and the V content is 0.05 to 0.20%. The desirable lower limit of the V content is 0.08%.

Ti:0.005〜0.030%
Tiは、本発明において最も重要な元素の一つである。すなわち、Tiは、凝固後の冷却過程でVとともにC、Nと結合して(V+Ti)炭窒化物を形成し、この(V+Ti)炭窒化物が、熱間加工時の加熱の際にオーステナイト粒のピン止め作用を有するとともに、熱間加工後の冷却過程におけるフェライト核生成サイトになるので、「フェライト・パーライト組織」を微細化することができ、この組織微細化によって高い曲げ矯正性を確保するのに効果を有する元素である。こうした効果を得るためには、0.005%以上のTi含有量が必要である。一方、Tiの含有量が多くなり、特に、0.030%を超えると、(V+Ti)炭窒化物が粗大化してその効果が飽和するばかりか、介在物として疲労破壊の起点となって、疲労強度を低下させることがある。したがって、Tiの含有量を0.005〜0.030%とした。なお、Ti含有量の望ましい下限は0.010%であり、また、望ましい上限は0.025%である。
Ti: 0.005-0.030%
Ti is one of the most important elements in the present invention. That is, Ti combines with C and N together with V in the cooling process after solidification to form (V + Ti) carbonitrides, and these (V + Ti) carbonitrides become austenite grains during heating during hot working. In addition to its pinning action, it becomes a ferrite nucleation site in the cooling process after hot working, so the "ferrite-pearlite structure" can be refined, and this structure refinement ensures high bend straightening. It is an element that has an effect. In order to obtain such an effect, a Ti content of 0.005% or more is necessary. On the other hand, when the Ti content increases, especially when it exceeds 0.030%, (V + Ti) carbonitride is coarsened and its effect is saturated, and it becomes a starting point of fatigue fracture as an inclusion, resulting in fatigue. May reduce strength. Therefore, the content of Ti is set to 0.005 to 0.030%. The desirable lower limit of the Ti content is 0.010%, and the desirable upper limit is 0.025%.

N:0.007〜0.030%
Nは、凝固後の冷却過程でCとともにVおよびTiと結合して(V+Ti)炭窒化物を形成し、この(V+Ti)炭窒化物が、熱間加工時の加熱の際のオーステナイト粒のピン止め作用を有するとともに、熱間加工後の冷却過程におけるフェライト核生成サイトになるので、「フェライト・パーライト組織」が微細化し、曲げ矯正性を高めるのに効果を有する。前記の効果を得るには、0.007%以上のN含有量が必要である。しかしながら、Nを含有量で0.030%を超えた量とするのは工業的な困難を伴う上、例えば、インゴット中で気泡欠陥を生成して材質を損なうことがある。このため、Nの含有量を0.007〜0.030%とした。なお、N含有量の望ましい下限は0.010%を超える量であり、また、望ましい上限は0.025%である。
N: 0.007 to 0.030%
N combines with V and Ti together with C in the cooling process after solidification to form (V + Ti) carbonitride, and this (V + Ti) carbonitride is a pin of austenite grains during heating during hot working In addition to having a stopping action, it becomes a ferrite nucleation site in the cooling process after hot working, so that the “ferrite / pearlite structure” is refined and has an effect of improving the bending straightness. In order to acquire the said effect, N content of 0.007% or more is required. However, it is not only industrially difficult to make N more than 0.030% in content, but, for example, bubble defects may be generated in the ingot to damage the material. For this reason, the N content is set to 0.007 to 0.030%. A desirable lower limit of the N content is an amount exceeding 0.010%, and a desirable upper limit is 0.025%.

本発明においては、さらに、不純物中のCr、AlおよびPbの含有量について、次のとおり規定する。   In the present invention, the contents of Cr, Al and Pb in the impurities are further defined as follows.

Cr:0.10%未満
0.05%以上のVを含む本発明に係る軟窒化用非調質鋼の場合、Crは微量でも著しい曲げ矯正性の低下を招き、特に、その含有量が0.10%以上になると、曲げ矯正性の低下が著しくなる。したがって、不純物中のCrの含有量を0.10%未満とした。
Cr: Less than 0.10% In the case of the non-tempered steel for soft nitriding according to the present invention containing V of 0.05% or more, Cr causes a significant decrease in bending straightness even in a small amount, and in particular, its content is 0 When it is 10% or more, the bending straightness is significantly deteriorated. Therefore, the content of Cr in the impurities is set to less than 0.10%.

Al:0.005%以下
0.05%以上のVを含む本発明に係る軟窒化用非調質鋼の場合、Alは微量でも著しい曲げ矯正性の低下を招き、特に、その含有量が0.005%を超えると、曲げ矯正性の低下が著しくなる。したがって、不純物中のAlの含有量を0.005%以下とした。
Al: 0.005% or less In the case of the non-tempered steel for soft nitriding according to the present invention containing V of 0.05% or more, Al causes a significant decrease in bending straightness even in a small amount. If it exceeds 0.005%, the bend straightening property is remarkably deteriorated. Therefore, the Al content in the impurities is set to 0.005% or less.

Pb:0.02%以下
0.05%以上のVを含む本発明に係る軟窒化用非調質鋼の場合、Pbは母材(生地)中に軟質部を形成して疲労強度の低下を招き、特に、その含有量が0.02%を超えると、疲労強度の低下が著しくなる。したがって、不純物中のPbの含有量を0.02%以下とした。
Pb: 0.02% or less In the case of the non-tempered steel for soft nitriding according to the present invention containing V of 0.05% or more, Pb forms a soft part in the base material (fabric) and reduces fatigue strength. In particular, when the content exceeds 0.02%, the fatigue strength is significantly reduced. Therefore, the content of Pb in the impurities is set to 0.02% or less.

本発明においては、さらに、TiおよびNの含有量に関する前記(1)式、つまり、〔fn1=N−0.63×Ti〕の式で表されるfn1の値についても次のとおり規定する。以下、このことについて説明する。   In the present invention, the value of fn1 represented by the above formula (1) relating to the contents of Ti and N, that is, the formula of [fn1 = N−0.63 × Ti] is further defined as follows. This will be described below.

0≦fn1≦0.020
Vに対し、その1オーダー程度低い含有量のTiを複合して含有する場合には、鋼の凝固後の冷却過程でVとTiの原子比がほぼ等しいVとTiの複合炭窒化物、つまり、(V+Ti)炭窒化物が生成する。この(V+Ti)炭窒化物は熱間加工時の1000℃を超える温度域での加熱でも固溶せず、オーステナイト粒をピン止めして組織を微細化するだけではなく、熱間加工後の冷却過程においてフェライトの生成サイトを増加させ、得られる母材の「フェライト・パーライト組織」をさらに微細にすることができる。
0 ≦ fn1 ≦ 0.020
In the case of containing Ti with a content of about one order lower than V, a composite carbonitride of V and Ti in which the atomic ratio of V and Ti is substantially equal in the cooling process after solidification of the steel, that is, , (V + Ti) carbonitride is produced. This (V + Ti) carbonitride does not dissolve even when heated in the temperature range exceeding 1000 ° C. during hot working, and not only pinning austenite grains to refine the structure but also cooling after hot working In the process, the generation site of ferrite can be increased, and the “ferrite / pearlite structure” of the obtained base material can be further refined.

Vの含有量がTiより1オーダー程度多い本発明の軟窒化用非調質鋼において、このような(V+Ti)炭窒化物を得るためには、Tiの含有量に対して同じオーダーの量のVからなる(V+Ti)炭窒化物を形成させるためのNが必要となる。(V+Ti)炭窒化物はTi炭窒化物のTiの一部がVに置き換わったものであり、含まれるV量が最大の場合、原子比でV:Ti=1:1となる。したがって、含まれるTiをすべて(V+Ti)炭窒化物にするために必要なN量が以下のように計算できる。   In the non-tempered steel for soft nitriding of the present invention in which the V content is about one order higher than that of Ti, in order to obtain such (V + Ti) carbonitride, the amount of the same order with respect to the Ti content. N is required to form (V + Ti) carbonitride composed of V. (V + Ti) carbonitride is obtained by replacing part of Ti in Ti carbonitride with V. When the amount of V contained is maximum, the atomic ratio is V: Ti = 1: 1. Therefore, the amount of N necessary to make all the contained Ti into (V + Ti) carbonitride can be calculated as follows.

V、Ti、N、(V+Ti)の原子量をそれぞれ、M(V)、M(Ti)、M(N)、M(V+Ti)で表すと、M(V)/M(Ti)=50.94/47.88≒1.1であることから、M(V+Ti)は2.1×M(Ti)となる。同様に、M(N)/M(Ti)=14.01/47.88≒0.3である。   When the atomic weights of V, Ti, N, and (V + Ti) are represented by M (V), M (Ti), M (N), and M (V + Ti), respectively, M (V) / M (Ti) = 50.94 Since /47.88≈1.1, M (V + Ti) is 2.1 × M (Ti). Similarly, M (N) / M (Ti) = 14.01 / 47.88≈0.3.

したがって、質量%で、(2.1×Ti)をすべて窒化物とするために必要なNの量は、(2.1×Ti)×0.3となり、Nの量が、少なくとも(2.1×Ti)×0.3=0.63×Tiより多ければ、Tiはすべて(V+Ti)炭窒化物となるのに十分である。   Therefore, the amount of N required to make all of (2.1 × Ti) nitride in mass% is (2.1 × Ti) × 0.3, and the amount of N is at least (2. If there is more than 1 * Ti) * 0.3 = 0.63 * Ti, all Ti is sufficient to be (V + Ti) carbonitride.

すなわち、前記(1)式で表されるfn1の値が0より小さければ、十分な量の(V+Ti)炭窒化物が得られないのに対して、fn1の値が0以上であるときには、所望の(V+Ti)炭窒化物が得られるので、高い曲げ矯正性を確保することが可能である。   That is, if the value of fn1 represented by the formula (1) is smaller than 0, a sufficient amount of (V + Ti) carbonitride cannot be obtained, whereas if the value of fn1 is 0 or more, it is desirable. Since (V + Ti) carbonitride is obtained, it is possible to ensure high bending straightness.

一方、前記(1)式で表されるfn1の値が0.020を超える場合には、Nの量が過剰となるため、鋼の凝固後の冷却過程で(V+Ti)炭窒化物だけでなく、V窒化物が生成してしまう。このV窒化物は熱間加工時の1000℃を超える温度域での加熱でも固溶しないため、析出強化作用を有する微細なV炭化物の析出に寄与するV量が不足し、熱間加工後の冷却過程で微細析出するV炭化物の析出量が減少してしまう。このため、十分な母材(生地)の硬さが確保されず、疲労強度が低下してしまう。   On the other hand, when the value of fn1 represented by the above formula (1) exceeds 0.020, the amount of N becomes excessive, so not only (V + Ti) carbonitride during the cooling process after solidification of steel. V nitride is produced. Since this V nitride does not form a solid solution even when heated at a temperature exceeding 1000 ° C. during hot working, the amount of V contributing to the precipitation of fine V carbide having a precipitation strengthening action is insufficient. The precipitation amount of V carbide that finely precipitates during the cooling process decreases. For this reason, sufficient hardness of the base material (fabric) is not ensured, and the fatigue strength decreases.

以上の理由から、前記(1)式で表されるfn1の値が、0≦fn1≦0.020を満足することと規定した。   For the above reasons, it was defined that the value of fn1 represented by the above formula (1) satisfies 0 ≦ fn1 ≦ 0.020.

本発明の軟窒化用非調質鋼の一つは、上記元素のほか、残部がFeと不純物からなるものである。なお、本発明に係る軟窒化用非調質鋼における不純物中のCuとNiについては、Cuが0.3%以下、Niが0.2%以下の範囲で許容できる。   One of the non-tempered steels for soft nitriding of the present invention is composed of Fe and impurities in the balance in addition to the above elements. In addition, about Cu and Ni in impurities in the non-tempered steel for soft nitriding according to the present invention, Cu is acceptable within a range of 0.3% or less and Ni within a range of 0.2% or less.

本発明の軟窒化用非調質鋼の他の一つは、上記の元素に加えてさらに、MoおよびCaのうちから選んだ1種以上の元素を含有するものである。以下、これらの元素の作用効果と、含有量の限定理由について説明する。   Another one of the non-tempered steels for soft nitriding of the present invention contains one or more elements selected from Mo and Ca in addition to the above elements. Hereinafter, the effect of these elements and the reason for limiting the content will be described.

Mo:0.30%以下
Moは、固溶強化元素としてフェライトの強度を上げ、これによって疲労強度を高める作用を有するので、こうした効果を得るためにMoを含有してもよい。しかしながら、Moの含有量が0.30%を超えるとコストがかさむ。したがって、添加する場合のMoの含有量を0.30%以下とした。なお、Moの含有量は0.20%以下とすることが好ましい。
Mo: 0.30% or less Mo has the effect of increasing the strength of ferrite as a solid solution strengthening element and thereby increasing the fatigue strength. Therefore, Mo may be contained in order to obtain such an effect. However, if the Mo content exceeds 0.30%, the cost increases. Therefore, the Mo content in the case of addition is set to 0.30% or less. Note that the Mo content is preferably 0.20% or less.

一方、前記したMoの疲労強度向上効果を確実に得るためには、Mo含有量の下限を0.01%とすることが好ましく、0.03%とすれば一層好ましい。   On the other hand, in order to surely obtain the effect of improving the fatigue strength of Mo described above, the lower limit of the Mo content is preferably 0.01%, and more preferably 0.03%.

Ca:0.0050%以下
Caは、鋼の被削性を高める作用を有する。しかしながら、Caの過度の添加は熱間加工性および疲労強度の低下をきたし、特に、Caの含有量が0.0050%を超えると熱間加工性および疲労強度の低下が著しくなる。したがって、添加する場合のCaの含有量を0.0050%以下とした。なお、Caの含有量は0.0045%以下とすることが好ましい。
Ca: 0.0050% or less Ca has an effect of enhancing the machinability of steel. However, excessive addition of Ca causes a decrease in hot workability and fatigue strength. In particular, when the Ca content exceeds 0.0050%, the hot workability and fatigue strength are significantly reduced. Therefore, when Ca is added, the content of Ca is set to 0.0050% or less. The Ca content is preferably 0.0045% or less.

一方、前記したCaの被削性向上効果を確実に得るためには、Ca含有量の下限を0.0005%とすることが好ましく、0.0008%とすれば一層好ましい。   On the other hand, in order to reliably obtain the above-described effect of improving the machinability of Ca, the lower limit of the Ca content is preferably 0.0005%, and more preferably 0.0008%.

自動車、産業機械および建設機械用などのクランクシャフトなど軟窒化機械部品は、本発明の軟窒化用非調質鋼からなる鋳片や鋼塊、あるいは、その鋳片や鋼塊から作製した鋼片を所望の形状に熱間加工した後、これに調質処理を行うことなく軟窒化処理を施すことによって得ることができる。   Soft nitriding machine parts such as crankshafts for automobiles, industrial machines and construction machines are cast slabs or ingots made of non-tempered steel for soft nitriding of the present invention, or slabs made from the slabs or ingots After hot working into a desired shape, it can be obtained by subjecting it to soft nitriding treatment without performing tempering treatment.

なお、上記所望の形状への熱間加工条件は特に規定する必要はない。ただし、所望の形状に熱間加工する前の加熱温度を1100〜1250℃とし、加工温度は加工中にV炭化物が析出しない900℃以上とし、熱間加工後の冷却は大気中での放冷とすることが好ましい。   In addition, it is not necessary to prescribe | regulate especially the hot processing conditions to the said desired shape. However, the heating temperature before hot working into a desired shape is set to 1100 to 1250 ° C., the working temperature is set to 900 ° C. or more at which V carbide does not precipitate during the working, and the cooling after the hot working is allowed to cool in the air. It is preferable that

また、軟窒化処理条件も特に規定する必要はなく、ガス軟窒化、塩浴軟窒化やプラズマ軟窒化などを適宜用いればよい。いずれの処理であっても、表面に厚さほぼ20μmの化合物層とその直下の拡散層を安定かつ均質に形成させることができる。例えば、ガス軟窒化の場合には、通常行われるように、RXガスとアンモニアガスを1:1に混合した温度が570℃の雰囲気中で3時間程度処理すればよい。なお、上記の「RXガス」は変性ガスの1種で、ガスの商標名である。   Further, the soft nitriding conditions do not need to be specified, and gas soft nitriding, salt bath soft nitriding, plasma soft nitriding, or the like may be used as appropriate. In any treatment, a compound layer having a thickness of approximately 20 μm and a diffusion layer immediately below the compound layer can be stably and uniformly formed on the surface. For example, in the case of gas soft nitriding, as is normally performed, the processing may be performed for about 3 hours in an atmosphere in which RX gas and ammonia gas are mixed at 1: 1 at a temperature of 570 ° C. The above “RX gas” is a kind of modified gas and is a trade name of gas.

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

表1に示す化学組成を有する鋼1〜20を真空炉溶製して180kg鋼塊を作製した。   Steels 1 to 20 having the chemical composition shown in Table 1 were melted in a vacuum furnace to produce a 180 kg steel ingot.

表1中の鋼1〜10は、化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼である。一方、鋼11〜20は、成分元素のいずれかの含有量、あるいは、前記の(1)式で表されるfn1の値が本発明で規定する条件から外れた比較例の鋼である。   Steels 1 to 10 in Table 1 are steels whose chemical compositions are within the range defined by the present invention. On the other hand, the steels 11 to 20 are steels of comparative examples in which the content of any of the component elements or the value of fn1 represented by the above formula (1) deviates from the conditions defined in the present invention.

Figure 0005131770
Figure 0005131770

このようにして得た鋼塊を、1200℃に加熱した後、鋼材の温度が1000℃を下回らないように熱間鍛造して直径60mmの丸棒とした。熱間鍛造後の冷却は大気中での放冷とした。   The steel ingot thus obtained was heated to 1200 ° C., and then hot forged so that the temperature of the steel material did not fall below 1000 ° C. to obtain a round bar having a diameter of 60 mm. Cooling after hot forging was allowed to cool in the atmosphere.

鋼1〜20の上記直径60mmの各丸棒のR/2部(「R」は半径を意味する。)から、図1に示す小野式回転曲げ疲労試験片および直径20mm×長さ300mmの曲げ矯正性試験片を採取した。   From the R / 2 part ("R" means radius) of each round bar of steel 1 to 20 with a diameter of 60 mm, an Ono-type rotating bending fatigue test piece shown in FIG. 1 and a bending of 20 mm in diameter and 300 mm in length Orthodontic specimens were collected.

次いで、上記の各試験片を、RXガスとアンモニアガスを1:1に混合した温度が570℃の雰囲気中で3時間保持して軟窒化処理し、その後100℃の油中に冷却した。   Next, each test piece was soft-nitrided by holding RX gas and ammonia gas in a 1: 1 mixture at a temperature of 570 ° C. for 3 hours, and then cooled in 100 ° C. oil.

軟窒化処理した図1に示す形状の試験片を用いて、室温、大気中で小野式回転曲げ疲労試験を行い、疲労強度を測定した。   Using the test piece having the shape shown in FIG. 1 subjected to soft nitriding treatment, an Ono-type rotary bending fatigue test was performed in the atmosphere at room temperature, and the fatigue strength was measured.

小野式回転曲げ疲労試験は、試験数を各8、回転数を3000rpmとして行い、繰り返し数1.0×107回まで破断しなかったうちの最も高い応力を「疲労強度」とし、460MPa以上の疲労強度が得られた場合に耐疲労特性に優れているとした。 The Ono-type rotating bending fatigue test was performed with the number of tests being 8 and the number of rotations being 3000 rpm, and the highest stress that did not break until the number of repetitions of 1.0 × 10 7 times was defined as “fatigue strength”. When fatigue strength is obtained, the fatigue resistance is considered excellent.

また、軟窒化処理した直径20mm×長さ300mmの試験片を用いて、曲げ矯正性試験を行い、曲げ矯正性を調査した。   In addition, a bending straightness test was performed using a soft nitriding-treated test piece having a diameter of 20 mm and a length of 300 mm to investigate the bending straightness.

曲げ矯正性試験は、三点曲げの手法で支点間を200mmとして行い、試験片の中央部に歪みゲージを貼付し、ゲージアウトとなったときのストローク量を記録し、そのストローク量が3.0mm以上であるときに曲げ矯正性が良好であるとした。なお、ストローク量が3.3mmに達した場合には、試験打ち切りとした。   The bending straightness test is performed by a three-point bending method with a fulcrum distance of 200 mm, a strain gauge is attached to the center of the test piece, and the stroke amount when the gauge is out is recorded. When the thickness is 0 mm or more, the bending straightness is considered good. When the stroke amount reached 3.3 mm, the test was terminated.

なお、既に説明したとおり、「ゲージアウトとなる」とは、試験片にひずみゲージを貼付した位置に亀裂が入ることによりひずみゲージがはがれる、あるいは、測定可能範囲を超えてしまうこと、すなわち試験片にき裂が入ったことを指す。   As already explained, “being gauge-out” means that the strain gauge is peeled off due to a crack at the position where the strain gauge is attached to the test piece or exceeds the measurable range, that is, the test piece. Indicates that a crack has entered.

表2に、各供試鋼について、疲労強度および曲げ矯正性の評価基準としてのストローク量をまとめて示す。   Table 2 summarizes the stroke amounts as evaluation criteria for fatigue strength and bending straightness for each test steel.

Figure 0005131770
Figure 0005131770

表2から、本発明に係る鋼1〜10の軟窒化用非調質鋼を用いた試験番号1〜10の場合は、いずれも、曲げ矯正試験した場合のストロークは3.0mm以上で、良好な曲げ矯正性を有することが明らかである。また、疲労強度は全て460MPaを超えた値で、高い疲労強度を有していることが明らかである。
これに対して、本発明で規定する条件から外れた比較例の鋼を用いた試験番号11〜20の場合は、疲労強度と曲げ矯正性のいずれかが劣っている。
From Table 2, in the case of test numbers 1 to 10 using the non-tempered steel for soft nitriding of steels 1 to 10 according to the present invention, the stroke when the bending straightening test is performed is 3.0 mm or more and good It is clear that it has excellent bend straightening properties. Moreover, it is clear that the fatigue strength is a value exceeding 460 MPa and has high fatigue strength.
On the other hand, in the case of the test numbers 11-20 using the steel of the comparative example which deviated from the conditions prescribed | regulated by this invention, either fatigue strength or bend straightening property is inferior.

すなわち、試験番号11の場合、鋼11のSiの含有量が0.80%を超えているため、ストロークは2.9mmで3.0mmに達しておらず、曲げ矯正性に劣っている。   That is, in the case of test number 11, since the Si content of steel 11 exceeds 0.80%, the stroke does not reach 3.0 mm at 2.9 mm, and the bending straightness is poor.

試験番号12の場合は、鋼12のVの含有量が0.05%に満たないため、疲労強度が439MPaと低く目標に達していない。   In the case of the test number 12, since the V content of the steel 12 is less than 0.05%, the fatigue strength is as low as 439 MPa and does not reach the target.

試験番号13の場合は、鋼13のCrの含有量が0.10%以上であるため、ストロークは2.3mmと小さく、曲げ矯正性に劣っている。   In the case of the test number 13, since the Cr content of the steel 13 is 0.10% or more, the stroke is as small as 2.3 mm and the bending straightness is inferior.

試験番号14の場合は、鋼14の(1)式で表されるfn1の値が0に満たないため、ストロークは2.2mmと小さく、曲げ矯正性に劣っている。   In the case of the test number 14, since the value of fn1 represented by the formula (1) of the steel 14 is less than 0, the stroke is as small as 2.2 mm and the bending straightness is inferior.

試験番号15の場合は、鋼15のCの含有量が0.60%を超えているため、ストロークは2.9mmで3.0mmに達しておらず、曲げ矯正性に劣っている。   In the case of test number 15, since the C content of steel 15 exceeds 0.60%, the stroke does not reach 3.0 mm at 2.9 mm, and the bending straightness is poor.

試験番号16の場合は、鋼16のAlの含有量が0.015%で0.005%を超えるため、ストロークは2.1mmと小さく、曲げ矯正性に劣っている。   In the case of test number 16, since the Al content of steel 16 is 0.015% and exceeds 0.005%, the stroke is as small as 2.1 mm and the bending straightness is inferior.

試験番号17の場合は、鋼17の(1)式で表されるfn1の値が0.020を超えているため、疲労強度が450MPaと低く目標に達していない。   In the case of test number 17, since the value of fn1 represented by the formula (1) of steel 17 exceeds 0.020, the fatigue strength is as low as 450 MPa and does not reach the target.

試験番号18の場合は、鋼18のTiの含有量が0.005%に満たないため、ストロークは2.8mmで3.0mmに達しておらず、曲げ矯正性に劣っている。   In the case of test number 18, since the Ti content of steel 18 is less than 0.005%, the stroke is 2.8 mm and does not reach 3.0 mm, and the bending straightness is poor.

試験番号19の場合は、鋼19のMnの含有量が0.80%以上であるため、ストロークは2.5mmと小さく、曲げ矯正性に劣っている。   In the case of the test number 19, since the Mn content of the steel 19 is 0.80% or more, the stroke is as small as 2.5 mm and the bending straightness is inferior.

試験番号20の場合は、鋼20のPbの含有量が0.02%を超えるため、疲労強度が395MPaと低く目標に達していない。   In the case of test number 20, since the Pb content of steel 20 exceeds 0.02%, the fatigue strength is as low as 395 MPa and the target has not been reached.

本発明の軟窒化用非調質鋼は、調質処理を行わずに軟窒化処理を施しても、高い疲労強度と優れた曲げ矯正性を有するので、自動車、産業機械および建設機械用などのクランクシャフトなど軟窒化機械部品の素材として用いることができる。この軟窒化用非調質鋼はV含有量が少ないので、合金コストを抑制することができる。   The non-tempered steel for nitrocarburizing of the present invention has high fatigue strength and excellent bend straightening even when subjected to nitrocarburizing treatment without tempering treatment, so that it is used for automobiles, industrial machinery and construction machinery. It can be used as a material for soft nitriding machine parts such as crankshafts. Since the non-tempered steel for soft nitriding has a small V content, the alloy cost can be suppressed.

実施例で用いた小野式回転曲げ疲労試験片の形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the Ono type | formula rotation bending fatigue test piece used in the Example.

Claims (3)

質量%で、C:0.30〜0.60%、Si:0.05〜0.80%、Mn:0.20%以上0.80%未満、P:0.050%以下、S:0.005〜0.10%、V:0.05〜0.20%、Ti:0.005〜0.030%およびN:0.007〜0.030%を含有し、残部はFeおよび不純物からなり、不純物中のCr、AlおよびPbがそれぞれ、Cr:0.10%未満、Al:0.005%以下およびPb:0.02%以下で、かつ下記の(1)式で表されるfn1の値が、0≦fn1≦0.020を満足することを特徴とする軟窒化用非調質鋼。
fn1=N−0.63×Ti・・・(1)
ここで、(1)式中の元素記号は、その元素の質量%での含有量を表す。
In mass%, C: 0.30 to 0.60%, Si: 0.05 to 0.80%, Mn: 0.20% or more and less than 0.80%, P: 0.050% or less, S: 0 0.005 to 0.10%, V: 0.05 to 0.20%, Ti: 0.005 to 0.030% and N: 0.007 to 0.030%, the balance being Fe and impurities Fn1 represented by the following formula (1): Cr, Al and Pb in the impurities are Cr: less than 0.10%, Al: 0.005% or less and Pb: 0.02% or less, respectively. The non-tempered steel for soft nitriding is characterized by satisfying 0 ≦ fn1 ≦ 0.020.
fn1 = N−0.63 × Ti (1)
Here, the element symbol in the formula (1) represents the content in mass% of the element.
Feの一部に代えて、Mo:0.30%以下を含有することを特徴とする請求項1に記載の軟窒化用非調質鋼。   The non-tempered steel for soft nitriding according to claim 1, characterized by containing Mo: 0.30% or less in place of a part of Fe. Feの一部に代えて、Ca:0.0050%以下を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の軟窒化用非調質鋼。   The non-tempered steel for soft nitriding according to claim 1 or 2, characterized by containing Ca: 0.0050% or less in place of part of Fe.
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