JP5370073B2 - Alloy steel for machine structural use - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an alloy steel for machine structural use which has high fatigue strength, is excellent in machinability, particularly in chipping resistance and can secure a stable life of a tool. <P>SOLUTION: The alloy steel for machine structural use contains, by mass, 0.15-0.25% C, &ge;0.15% to &lt;0.50% Si, 0.70-1.30% Mn, &le;0.015% S, &gt;1.25% to &le;1.80% Cr, 0.005-0.035% Al and &ge;0.010-0.025% N, wherein Si and Cr satisfy relationship: 1.50&le;Si+Cr&le;1.85, the balance comprising Fe and impurities, wherein P and O in the impurities respectively satisfy relationships: P&le;0.020% and O&le;0.0020%, further, 95% or more of the structure is composed of a ferrite-pearlite structure and, moreover, the proportion of ferrite occupied in the structure is 40 to 60%. The alloy steel for machine structural use may contain at least one kind of Mo, Ni, Nb and Ca which satisfy [Mn+Mo+Ni&le;1.30] each in a specific amount. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、機械構造用合金鋼鋼材に関し、詳しくは、疲労強度に優れるとともに、切削加工時の工具のチッピングが発生しにくい機械構造用合金鋼鋼材に関する。より詳しくは、本発明は、疲労強度に優れるとともに、例えば、産業機械、自動車などに用いるギヤ、シャフトなどの部品製造の際の切削加工用工具、なかでも、超硬工具に対して、優れた被削性、特に工具のチッピングが発生しにくいフェライト・パーライト組織を有する機械構造用合金鋼鋼材に関する。以下、切削加工用工具のチッピングが発生しにくいことを、耐チッピング性に優れるという。   The present invention relates to an alloy steel material for machine structure, and more particularly to an alloy steel material for machine structure that is excellent in fatigue strength and hardly causes chipping of a tool during cutting. More specifically, the present invention is excellent in fatigue strength and, for example, in cutting tools for manufacturing parts such as gears and shafts used in industrial machines, automobiles, etc., and in particular, cemented carbide tools. The present invention relates to an alloy steel material for machine structure having a ferrite pearlite structure, which is hard to cause chipping of a machine, particularly a tool. Hereinafter, the fact that chipping of a cutting tool is less likely to occur is said to be excellent in chipping resistance.

産業機械、自動車などの部品のなかで、例えばギヤなどの素材鋼としては、JISに規定されたクロム鋼であるSCr420鋼、クロムモリブデン鋼であるSCM420鋼などに代表される機械構造用合金鋼が広く用いられている。   Among the parts of industrial machines and automobiles, for example, as steel materials for gears, there are alloy steels for machine structures represented by JIS-defined chromium steel, SCr420 steel, chromium molybdenum steel, SCM420 steel, etc. Widely used.

これらの鋼は、多くの場合、圧延によって棒鋼に加工され、ついで、焼準、焼鈍などの熱処理を施されて硬さや組織などが調整され、さらに鍛造などによって製品形状に近い状態にまで塑性加工された後、切削工程により所定の形状に加工される。その後、必要とされる特性に応じて浸炭などの表面処理を施され、さらに、仕上げのための研削加工などを受けて最終部品となる。   These steels are often processed into steel bars by rolling, then subjected to heat treatment such as normalization and annealing to adjust the hardness and structure, etc., and further plastically processed to a state close to the product shape by forging etc. Then, it is processed into a predetermined shape by a cutting process. After that, surface treatment such as carburization is performed according to the required characteristics, and the final part is subjected to grinding for finishing.

上記工程のなかでも特に切削工程の生産能率向上のために、鋼には優れた被削性を有していることが強く望まれる。   Among the above processes, it is strongly desired that steel has excellent machinability in order to improve the production efficiency particularly in the cutting process.

一般に「被削性に優れる」ということは、
・切削時に使用する工具の寿命が長いこと、
・切削時に排出される切りくずが細かく分断されること、
・切削抵抗が低いこと、
・切削面や研削面の仕上がりが良好であること、
などを意味する。
In general, "excellent machinability" means
-Long tool life for cutting,
-Chips discharged during cutting are finely divided,
・ Low cutting resistance,
-The finish of the cutting surface and grinding surface is good,
Means.

切削工程において無人化や自動化が進むと、上記のうちでも特に工具寿命が長く、かつその長寿命が安定して得られることが重要となってくる。   As unmanning and automation progress in the cutting process, it is important that the tool life is particularly long and the long life can be stably obtained.

例えば、耐工具摩耗性が確保されていても、「チッピング」と称される、何らかの要因で突発的に工具の刃先が欠ける現象が生じると、製品の切削面や研削面の仕上げ精度が低下することに加えて歩留まりが低下するなど極めて重要な問題となる。   For example, even if tool wear resistance is ensured, if the phenomenon of sudden chipping of the tool due to some factor, called “chipping”, occurs, the finishing accuracy of the cutting surface or grinding surface of the product will decrease. In addition, it becomes a very important problem such as a decrease in yield.

被削性の向上に対しては、主に切削方法(切削条件、工具材質、工具形状など)の適正化で対応されることが多い。しかしながら、被削性は鋼材そのものの特性に支配される場合もあり、特に、長い工具寿命を安定して確保できることは、鋼材の被削性の向上という点からも重要な課題となっている。   In many cases, machinability is improved mainly by optimizing the cutting method (cutting conditions, tool material, tool shape, etc.). However, the machinability may be governed by the characteristics of the steel material itself. In particular, it is an important issue from the viewpoint of improving the machinability of the steel material that a long tool life can be stably secured.

一般に、鋼材の被削性はPbの添加により向上することがよく知られている。しかしながら、Pbの添加は、鋼材価格の上昇を伴うばかりでなく、環境汚染を招く懸念がある。 そこで、Pbを添加せずに鋼材の被削性を改善する技術の研究が進められてきた。その代表的なものは、硫化物系介在物であるMnSの活用による被削性改善技術であり、多くの検討がなされ、実用化されているものもある。   In general, it is well known that the machinability of steel is improved by the addition of Pb. However, the addition of Pb is not only accompanied by an increase in the price of steel materials, but there is a concern that environmental pollution is caused. Therefore, research on techniques for improving the machinability of steel without adding Pb has been advanced. A typical example is a machinability improving technique using MnS, which is a sulfide-based inclusion, and many studies have been made and put into practical use.

しかし、機械構造用合金鋼鋼材に関しては、その生産上の特徴から冷間鍛造を実施する場合があり、その際、MnSが割れの起点になることもある。また、ギヤなどはピッチング強度などに代表される疲労特性に優れることが必要であり、介在物は疲労破壊の起点となる場合がある。そのため、Sを多量に添加することを避ける場合が多い。   However, regarding alloy steel for machine structural use, cold forging may be performed due to production characteristics, and MnS may be the starting point of cracking. Further, gears and the like are required to have excellent fatigue characteristics such as pitching strength, and inclusions may become a starting point of fatigue failure. For this reason, adding a large amount of S is often avoided.

このように機械構造用合金鋼鋼材においては、介在物を積極的に活用せずに被削性を改善させることが強く望まれている。   Thus, in alloy steels for machine structures, it is strongly desired to improve machinability without actively using inclusions.

なお、MnSの活用も含め機械構造用合金鋼鋼材の被削性を改善する技術が、例えば、特許文献1〜3に提案されている。   In addition, the technique which improves the machinability of the alloy steel materials for machine structures including utilization of MnS is proposed by patent documents 1-3, for example.

具体的には、特許文献1に、C:0.03〜0.25%、Si:0.50%以下、Mn:0.55〜3.00%、Cr:0.30〜1.50%、S:0.035%以下、P:0.015%以下、Al:0.015〜0.06%およびN:0.004%超え0.03%以下を含有し、さらに必要に応じて、Cu、Ni、Mo、V、Ti、Nb、B、Ca、ZrおよびTeのうちの1種以上を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、Ceq=C+(1/20)Si+(1/20)Mn+(1/20)Cr+(1/25)Mo+(33/100)V(%)で表わされるCeqが0.50%以下で、かつ〔表面硬化処理後の表面C(%)〕×Cr(%)≦1.2であることを特徴とする「肌焼鋼」が提案されている。   Specifically, in Patent Document 1, C: 0.03 to 0.25%, Si: 0.50% or less, Mn: 0.55 to 3.00%, Cr: 0.30 to 1.50% , S: 0.035% or less, P: 0.015% or less, Al: 0.015-0.06% and N: more than 0.004% and 0.03% or less, and if necessary, It contains one or more of Cu, Ni, Mo, V, Ti, Nb, B, Ca, Zr and Te, and consists of the balance Fe and inevitable impurities, and Ceq = C + (1/20) Si + (1 / 20) Ceq represented by Mn + (1/20) Cr + (1/25) Mo + (33/100) V (%) is 0.50% or less, and [Surface C (%) after surface hardening treatment] × “Skin-hardened steel” characterized by Cr (%) ≦ 1.2 has been proposed.

特許文献2には、化学成分組成が、質量%で、C:0.3%以下、Si:0.3%以下、Mn:1.5%以下、P:0.02%以下、S:0.02%以下、Al:0.06%以下およびN:0.03%以下に加えて、Cr:3%以下、Mo:1.5%以下およびV:1.5%以下のうちの1種以上を含有し、さらに必要に応じて、Ti、Nb、Cu、Ni、Ca、Zr、PbおよびBのうちの1種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物であり、(フェライト+パーライト)の面積率が75%以上であり、かつフェライトの平均粒径が40μm以下およびパーライトの平均粒径が30μm以下であることを特徴とする「冷間鍛造用肌焼鋼」が提案されている。   In Patent Document 2, the chemical composition is, in mass%, C: 0.3% or less, Si: 0.3% or less, Mn: 1.5% or less, P: 0.02% or less, S: 0 0.02% or less, Al: 0.06% or less and N: 0.03% or less, Cr: 3% or less, Mo: 1.5% or less, and V: 1.5% or less In addition, if necessary, it contains at least one of Ti, Nb, Cu, Ni, Ca, Zr, Pb and B, with the balance being Fe and inevitable impurities (ferrite + pearlite) ) Has an area ratio of 75% or more, an average grain size of ferrite of 40 μm or less, and an average grain size of pearlite of 30 μm or less has been proposed. .

特許文献3には、質量%で、C:0.10〜0.35%、Si:0.03〜0.35%、Mn:0.20〜2.0%、S:0.003〜0.30%、Al:0.010〜0.05%およびN:0.010〜0.025%を含有し、さらに必要に応じて、Cr、Mo、Nb、Pb、Bi、Te、CaおよびSeのうちの1種以上を含有し、残部Feおよび不可避不純物よりなる鋼において、840〜930℃に加熱し、730〜650℃の温度区間を徐冷温度域として15〜50℃/hの冷却速度で冷却することを特徴とするフェライトおよびパーライトの2相組織からなり「冷間加工性および結晶粒度特性に優れた肌焼鋼の製造方法」が提案されている。   In Patent Document 3, in mass%, C: 0.10 to 0.35%, Si: 0.03 to 0.35%, Mn: 0.20 to 2.0%, S: 0.003 to 0 .30%, Al: 0.010 to 0.05% and N: 0.010 to 0.025%, and if necessary, Cr, Mo, Nb, Pb, Bi, Te, Ca and Se In steel which contains 1 or more types of these, and consists of remainder Fe and an unavoidable impurity, it heats to 840-930 degreeC, and makes the temperature area of 730-650 degreeC a slow cooling temperature range, and the cooling rate of 15-50 degreeC / h "A method for producing a case-hardened steel excellent in cold workability and crystal grain size characteristics" has been proposed.

特開平7−179990号公報JP-A-7-179990 特開平11−12684号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-12684 特開平2002−146438号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-146438

前述の特許文献1で開示された鋼は、ハイス工具によるホブ加工時の工具摩耗量という意味では被削性に優れているかもしれないが、C、Si、SおよびCr含有量が適切でなく、超硬工具を用いた場合の耐チッピング性ということでは、優れた工具寿命を有しているとはいえるものではなく、また、優れた被削性と良好な疲労強度を両立できるという点でも十分とはいえなかった。   The steel disclosed in Patent Document 1 may have excellent machinability in terms of the amount of tool wear during hobbing with a high-speed tool, but the C, Si, S, and Cr contents are not appropriate. In terms of chipping resistance when using cemented carbide tools, it can not be said that it has an excellent tool life, and it is also possible to achieve both excellent machinability and good fatigue strength. It was not enough.

特許文献2に開示されている鋼は、冷間鍛造後に浸炭処理を行うことを前提としたものであり、球状化焼鈍処理の迅速化が達成できて冷間鍛造性に優れるものの、切削加工した場合に長い工具寿命を維持できるという点では、満足できるものでなかった。   The steel disclosed in Patent Document 2 is premised on performing a carburizing process after cold forging, and although it can achieve a rapid spheroidizing annealing process and is excellent in cold forgeability, it has been machined. In that case, it was not satisfactory in that a long tool life could be maintained.

特許文献3に開示された方法で製造された鋼は、冷間加工後に浸炭処理を行うことを前提としているものであり、浸炭時の混粒発生はしにくいものの、切削加工中の工具のチッピングを必ずしも抑制できるものではなく、安定した被削性を有するといえるものではなかった。
上述のように、従来提案されている機械構造用合金鋼鋼材はいずれも、良好な疲労強度と優れた被削性、特に耐チッピング性とを両立できるものではなかった。
Steel manufactured by the method disclosed in Patent Document 3 is premised on performing carburization after cold working, and although it is difficult for mixed grains to occur during carburizing, chipping of a tool during cutting is performed. Is not necessarily suppressed, and it could not be said to have stable machinability.
As described above, none of the conventionally proposed alloy steels for machine structures can achieve both good fatigue strength and excellent machinability, particularly chipping resistance.

本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、高い疲労強度を有するとともに、被削性、なかでも、耐チッピング性に優れ安定した工具寿命を確保させることができる機械構造用合金鋼鋼材を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above situation, and has an alloy steel for machine structure that has high fatigue strength and is excellent in machinability, in particular, chipping resistance and can secure a stable tool life. The purpose is to provide.

機械構造用合金鋼鋼材の被削性のうちで、特に、工具寿命については、熱処理による硬さの調整で工具摩耗を抑制できることはよく知られている。しかしながら、突発的に発生する工具刃先の欠け(チッピング)の抑制に関する検討はあまりなされていない。   Among the machinability of alloy steels for machine structures, it is well known that the tool wear can be suppressed by adjusting the hardness by heat treatment, especially with respect to the tool life. However, there has not been much research on suppression of chipping (chipping) of the tool edge that occurs suddenly.

そこで本発明者らは、機械構造用合金鋼鋼材の耐チッピング性を改善するため、鋼材の機械的特性、合金成分およびミクロ組織と被削性との関係を詳細に調査した。その結果、下記(a)〜(d)の知見を得た。   Therefore, the present inventors have investigated in detail the relationship between the mechanical properties, alloy components and microstructure of the steel material and machinability in order to improve the chipping resistance of the alloy steel material for mechanical structure. As a result, the following findings (a) to (d) were obtained.

(a)硬さが同等の鋼材におけるチッピングの発生は、切削加工中の切削抵抗の主分力の変動幅と相関を有する。すなわち、図1および図2に示すように、主分力の変動幅が小さい場合(図1)にはチッピングは発生せず、主分力の変動幅が大きい場合(図2)にチッピングが発生する。このことから、切削抵抗の主分力の変動幅が大きくなることによって刃先への繰り返しの負荷が増大されてチッピングに至ることが判明した。なお、上記の切削抵抗の主分力の変動幅はデータのバラツキとして標準偏差σで表現することができる。   (A) The occurrence of chipping in steel materials having the same hardness has a correlation with the fluctuation range of the main component force of the cutting resistance during the cutting process. That is, as shown in FIGS. 1 and 2, no chipping occurs when the fluctuation range of the main component force is small (FIG. 1), and chipping occurs when the fluctuation range of the main component force is large (FIG. 2). To do. From this, it has been found that when the fluctuation range of the main component force of the cutting force is increased, the repeated load on the cutting edge is increased to lead to chipping. In addition, the fluctuation range of the main component force of the cutting force can be expressed by the standard deviation σ as the data variation.

(b)切削加工中の切削抵抗の主分力の変動幅を小さくするためには、鋼材の主たる組織がフェライトとパーライトで形成されるいわゆる「フェライト・パーライト組織」であるのがよく、しかも、引張特性における降伏比(0.2%耐力/引張強さ)が小さい方がよい。これはフェライトの硬さが低いことが有効であることを意味し、切りくず形成時に連続して起こるせん断歪みがフェライトに集中することで切削抵抗が安定化するものと考えられる。   (B) In order to reduce the fluctuation range of the main component force of the cutting force during cutting, the main structure of the steel material is preferably a so-called “ferrite-pearlite structure” formed of ferrite and pearlite, A smaller yield ratio (0.2% yield strength / tensile strength) in tensile properties is better. This means that it is effective that the hardness of the ferrite is low, and it is considered that the cutting resistance is stabilized by concentrating the shear strain that occurs continuously during chip formation on the ferrite.

(c)Siは、従来からフェライト強化元素として知られているが、Siの含有量を増やしても適正な熱処理条件を選択することで降伏比が低下することが判明した。   (C) Although Si is conventionally known as a ferrite strengthening element, it has been found that the yield ratio is lowered by selecting appropriate heat treatment conditions even if the Si content is increased.

(d)一方、組織に占めるフェライトの割合が多すぎると、鋼材の延性が大きくなりすぎ、切削加工中に工具への鋼材の凝着が進みやすくなる。そして、切削加工中の凝着物の生成脱落の繰り返しによって、耐チッピング性が損なわれることになる。したがって、組織に占めるフェライトの割合は、高ければよいわけではなく、制限する必要がある。   (D) On the other hand, if the proportion of ferrite in the structure is too large, the ductility of the steel material becomes too large, and the steel material tends to adhere to the tool during the cutting process. And chipping resistance will be impaired by the repetition of generation | occurrence | production and removal | elimination of the adhesion thing in cutting. Therefore, the proportion of ferrite in the structure is not necessarily high, and must be limited.

そこでさらに、本発明者らは、合金成分、鋼材の組織を種々変更し、切削抵抗の変動と降伏比の関係を調査した。その結果、図3に一例を示すように、降伏比が0.63以下の場合には切削加工中の切削抵抗の主分力の変動幅(標準偏差σ)が抑えられていることが判明した。   Therefore, the inventors further changed the alloy composition and the structure of the steel material, and investigated the relationship between the variation in cutting resistance and the yield ratio. As a result, as shown in FIG. 3, when the yield ratio is 0.63 or less, it has been found that the fluctuation range (standard deviation σ) of the main component force of the cutting force during cutting is suppressed. .

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)〜(4)に示す機械構造用合金鋼鋼材にある。   This invention is completed based on said knowledge, The summary exists in the alloy steel materials for mechanical structures shown to following (1)-(4).

(1)質量%で、C:0.15〜0.25%、Si:0.15以上で0.50%未満、Mn:0.70〜1.30%、S:0.015%以下、Cr:1.25%を超えて1.80%以下、Al:0.005〜0.035%およびN:0.010〜0.025%を含み、かつ下記の(1)式で表されるfn1の範囲が1.50〜1.85であり、残部はFeおよび不純物からなり、不純物中のPおよびO(酸素)がそれぞれ、P:0.020%以下およびO:0.0020%以下であり、さらに組織の95%以上がフェライト・パーライト組織で構成され、しかも、組織に占めるフェライトの割合が40〜60%であることを特徴とする機械構造用合金鋼鋼材。
fn1=Si+Cr・・・(1)
ただし、(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: 0.15 to 0.25%, Si: 0.15 or more and less than 0.50%, Mn: 0.70 to 1.30%, S: 0.015% or less, Cr: more than 1.25% and 1.80% or less, Al: 0.005 to 0.035% and N: 0.010 to 0.025%, and represented by the following formula (1) The range of fn1 is 1.50 to 1.85, the balance is made of Fe and impurities, and P and O (oxygen) in the impurities are P: 0.020% or less and O: 0.0020% or less, respectively. Further, 95% or more of the structure is composed of a ferrite / pearlite structure, and the proportion of ferrite in the structure is 40 to 60%.
fn1 = Si + Cr (1)
However, the element symbol in the formula (1) represents the content in mass% of the element.

(2)Feの一部に代えて、質量%で、Mo:0.50%以下およびNi:0.20%以下のうちの1種以上を含有するとともに、下記の(2)式で表されるfn2の範囲が1.30以下であることを特徴とする上記(1)に記載の機械構造用合金鋼鋼材。
fn2=Mn+Mo+Ni・・・(2)
ただし、(2)式中の元素記号は、その元素の質量%での含有量を表す。
(2) Instead of a part of Fe, in mass%, it contains at least one of Mo: 0.50% or less and Ni: 0.20% or less, and is represented by the following formula (2) The range of fn2 is 1.30 or less. The alloy steel for machine structure as described in (1) above.
fn2 = Mn + Mo + Ni (2)
However, the element symbol in the formula (2) represents the content in mass% of the element.

(3)Feの一部に代えて、質量%で、Nb:0.050%以下を含有することを特徴とする上記(1)または(2)に記載の機械構造用合金鋼鋼材。   (3) The alloy steel material for machine structure according to the above (1) or (2), which contains Nb: 0.050% or less in mass% instead of part of Fe.

(4)Feの一部に代えて、質量%で、Ca:0.0050%以下を含有することを特徴とする上記(1)から(3)までのいずれかに記載の機械構造用合金鋼鋼材。   (4) The alloy steel for machine structure according to any one of the above (1) to (3), wherein Ca is contained in mass% and not more than 0.0050% instead of a part of Fe Steel material.

なお、残部としての「Feおよび不純物」における「不純物」とは、鉄鋼材料を工業的に製造する際に、原料としての鉱石やスクラップあるいは環境などから混入するものを指す。   The “impurities” in the remaining “Fe and impurities” refers to those mixed from ore, scrap, or the environment as raw materials when industrially producing steel materials.

「フェライト・パーライト組織」とは、フェライトとパーライトの混合組織を指す。   “Ferrite / pearlite structure” refers to a mixed structure of ferrite and pearlite.

「組織に占めるフェライトの割合」における「フェライト」にはパーライトを構成するフェライトは含まない。   “Ferrite” in the “ratio of ferrite in the structure” does not include ferrite constituting pearlite.

組織に占める「フェライト・パーライト組織」および「フェライト」の割合は、面積率を指す。   The ratio of “ferrite / pearlite structure” and “ferrite” in the structure refers to the area ratio.

本発明の機械構造用合金鋼鋼材は、MnSなどの介在物を積極的に活用しないにもかかわらず被削性に優れており、さらに、疲労強度にも優れている。特に、機械構造用合金鋼鋼材の対象部品に代表されるギヤなどの切削加工を必要とする部品の素材としてこの鋼材を使用することにより、その部品の製造コストを大幅に低下させることができる。   The alloy steel for machine structural use according to the present invention is excellent in machinability and excellent in fatigue strength despite not actively utilizing inclusions such as MnS. In particular, by using this steel material as a material of a part that requires cutting such as a gear represented by a target part of the alloy steel material for machine structural use, the manufacturing cost of the part can be greatly reduced.

切削加工中の切削抵抗測定結果を示す図で、切削加工中の主分力の変動幅が小さくチッピングを生じなかった場合について説明する図である。It is a figure which shows the cutting resistance measurement result in cutting, and is a figure explaining the case where the fluctuation range of the main component force in cutting is small, and no chipping has arisen. 切削加工中の切削抵抗測定結果を示す図で、切削加工中の主分力の変動幅が大きくチッピングを生じた場合について説明する図である。It is a figure which shows the cutting resistance measurement result in cutting, and is a figure explaining the case where the fluctuation range of the main component force in the cutting process is large and chipping has occurred. 切削加工中の主分力の変動幅に及ぼす降伏比の影響を示す図である。It is a figure which shows the influence of the yield ratio which acts on the fluctuation range of the main component force during cutting. 実施例で用いた切欠き付き小野式回転曲げ疲労試験片の熱処理材から切り出したままの形状を示す図である。It is a figure which shows the shape as cut out from the heat processing material of the Ono type | formula rotation bending fatigue test piece with a notch used in the Example. 実施例における「浸炭焼入−焼戻し」のヒートパターンを示す図である。It is a figure which shows the heat pattern of "the carburizing quenching-tempering" in an Example. 実施例の小野式回転曲げ疲労試験で用いた切欠き付き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 with a notch used in the Ono type | formula rotation bending fatigue test of the Example.

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素の含有量の「%」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 each element means “mass%”.

(A)鋼材の化学組成について:
C:0.15〜0.25%
Cは、ギヤなど機械構造部品の芯部(生地)の強度確保のために必須の元素であり、0.15%以上の含有量が必要である。また、Cの含有量が、0.15%を下回ると、鋼材の組織に占めるフェライト面積率が過剰になることにより、耐チッピング性が低下する。しかしながら、Cの含有量が多すぎると硬さが大きくなって摩耗による工具寿命の低下を招き、特に、その含有量が0.25%を超えると、硬さ上昇に伴う工具寿命の低下が著しくなる。したがって、Cの含有量を0.15〜0.25%とした。なお、Cの含有量は0.17%以上、0.23%以下であることが好ましい。
(A) About chemical composition of steel materials:
C: 0.15-0.25%
C is an essential element for securing the strength of the core (fabric) of mechanical structural parts such as gears, and a content of 0.15% or more is necessary. On the other hand, if the C content is less than 0.15%, the ferrite area ratio in the steel structure becomes excessive, and the chipping resistance is lowered. However, if the C content is too large, the hardness increases and the tool life is reduced due to wear. In particular, if the C content exceeds 0.25%, the tool life is significantly reduced as the hardness increases. Become. Therefore, the content of C is set to 0.15 to 0.25%. The C content is preferably 0.17% or more and 0.23% or less.

Si:0.15%以上で0.50%未満
Siは、本発明において重要な元素の一つであり、耐チッピング性を向上させる作用を有する。すなわち、Siは、含有量の増加とともに引張強さが上昇することで切削抵抗の平均値は高くなるが、一方で降伏比の上昇を防ぐ作用があり、この結果切削抵抗の変動幅を大きく抑制する効果がある。切削抵抗の平均値の上昇効果に比べて、切削抵抗の変動幅の抑制効果が大きいため、耐チッピング性を大幅に向上させる。この効果を得るには、0.15%以上のSiを含有する必要がある。しかしながら、Siの含有量が0.50%以上になると硬さが高くなり、切削抵抗そのものが高くなりすぎることで工具摩耗が増加し、かえって工具寿命の低下を招く。加えて、浸炭部品の場合には、浸炭による粒界酸化層の生成が促進されて疲労強度も低下する。したがって、Siの含有量を0.15%以上で0.50%未満とした。
Si: 0.15% or more and less than 0.50% Si is one of the important elements in the present invention and has an effect of improving chipping resistance. In other words, the average value of cutting resistance increases as the tensile strength increases as the content increases. On the other hand, Si has the effect of preventing the yield ratio from increasing, and as a result, the fluctuation range of cutting resistance is greatly suppressed. There is an effect to. Compared with the effect of increasing the average value of the cutting resistance, the effect of suppressing the fluctuation range of the cutting resistance is large, so that the chipping resistance is greatly improved. In order to obtain this effect, it is necessary to contain 0.15% or more of Si. However, when the Si content is 0.50% or more, the hardness is increased, and the cutting resistance itself is excessively increased, so that tool wear is increased, leading to a decrease in tool life. In addition, in the case of carburized parts, the formation of a grain boundary oxide layer by carburization is promoted, and the fatigue strength is also reduced. Therefore, the Si content is set to 0.15% or more and less than 0.50%.

より良好な被削性が要求される場合には、Siの含有量は0.25%以上であることが好ましく、0.30%を超えれば一層好ましい。   When better machinability is required, the Si content is preferably 0.25% or more, and more preferably 0.30%.

なお、Siの含有量は上記の範囲において、前記の(1)式で表されるfn1が1.50≦fn1≦1.85も満たす必要がある。   In addition, Si content needs to satisfy also 1.50 <= fn1 <= 1.85 by fn1 represented by said Formula (1) in said range.

Mn:0.70〜1.30%
Mnは、ギヤなど機械構造部品の強度を確保するために必要である。Mnには、浸炭時の焼入性を向上させる作用もある。これらの効果を得るには、0.70%以上のMn含有量が必要である。しかしながら、Mnの含有量が1.30%を超えると、切削加工前のフェライト量の減少をきたし、延いてはベイナイト組織が形成し切削抵抗が上昇することで工具摩耗が増加し、かえって工具寿命の低下を招く。したがって、Mnの含有量を0.70〜1.30%とした。なお、Mnの含有量は0.75%以上、1.25%以下であることが好ましい。
Mn: 0.70 to 1.30%
Mn is necessary to ensure the strength of mechanical structural parts such as gears. Mn also has the effect of improving the hardenability during carburizing. In order to obtain these effects, a Mn content of 0.70% or more is necessary. However, if the Mn content exceeds 1.30%, the amount of ferrite before cutting decreases, and as a result, the bainite structure is formed and the cutting resistance increases, so that tool wear increases. Cause a decline. Therefore, the Mn content is set to 0.70 to 1.30%. In addition, it is preferable that content of Mn is 0.75% or more and 1.25% or less.

なお、Mo:0.50%以下およびNi:0.20%以下のうちの1種以上も含む場合には、Mnの含有量は上記の範囲において、前記の(2)式で表されるfn2が1.30以下を満たせばよい。   When one or more of Mo: 0.50% or less and Ni: 0.20% or less are included, the content of Mn is fn2 represented by the above formula (2) within the above range. May satisfy 1.30 or less.

S:0.015%以下
Sは、鋼に含有される不純物である。また、Sは含有させると、Mnと結合してMnSを形成し、被削性を向上させる作用がある。しかしながら、Sの含有量が0.015%を超えると粗大なMnSを形成して、生産性の面で熱間加工性および冷間鍛造性が低下し、さらに、機械構造部品として要求される耐疲労特性(曲げ疲労強度、ピッチング強度など)が低下する。したがって、Sの含有量を0.015%以下とした。
S: 0.015% or less S is an impurity contained in steel. Moreover, when S is contained, it combines with Mn to form MnS and has an effect of improving machinability. However, if the S content exceeds 0.015%, coarse MnS is formed, and in terms of productivity, hot workability and cold forgeability are lowered, and further, resistance to resistance required as a machine structural part is reduced. Fatigue properties (bending fatigue strength, pitting strength, etc.) are reduced. Therefore, the content of S is set to 0.015% or less.

Cr:1.25%を超えて1.80%以下
Crは、Siと同様に本発明において重要な元素の一つであり、浸炭時の焼入性を向上させる効果がある。Crには、耐チッピング性を向上させる作用もある。すなわち、Crは、含有量の増加とともに引張強さが上昇することで切削抵抗の平均値は高くなるが、一方で降伏比の上昇を防ぐ作用があり、この結果切削抵抗の変動幅を大きく抑制する効果がある。切削抵抗の平均値の上昇効果に比べて、切削抵抗の変動幅の抑制効果が大きいため、耐チッピング性を大幅に向上させる。この効果を得るには、Crを1.25%を超えて含有する必要がある。しかしながら、Crの含有量が1.80%を超えると硬さが高くなり、切削抵抗そのものが高くなりすぎることで工具摩耗が増加し、かえって工具寿命の低下を招く。したがって、Crの含有量を1.25%を超えて1.80%以下とした。
Cr: more than 1.25% and not more than 1.80% Cr is one of the important elements in the present invention like Si, and has the effect of improving the hardenability during carburizing. Cr also has the effect of improving chipping resistance. That is, Cr increases the tensile strength as the content increases, so that the average value of cutting resistance increases, but on the other hand, it has the effect of preventing the yield ratio from increasing, and as a result, the fluctuation range of cutting resistance is greatly suppressed. There is an effect to. Compared with the effect of increasing the average value of the cutting resistance, the effect of suppressing the fluctuation range of the cutting resistance is large, so that the chipping resistance is greatly improved. In order to acquire this effect, it is necessary to contain Cr exceeding 1.25%. However, if the Cr content exceeds 1.80%, the hardness increases, and the cutting resistance itself increases too much, so that tool wear increases, which in turn leads to a decrease in tool life. Therefore, the Cr content is more than 1.25% and not more than 1.80%.

より一層良好な被削性が要求される場合には、Crの含有量は1.40%以上であることが好ましく、1.65%以下であることが好ましい。   When much better machinability is required, the Cr content is preferably 1.40% or more, and preferably 1.65% or less.

なお、Crの含有量は上記の範囲において、前記の(1)式で表されるfn1が1.50≦fn1≦1.85も満たす必要がある。   In addition, the Cr content needs to satisfy 1.50 ≦ fn1 ≦ 1.85 so that fn1 represented by the above formula (1) satisfies the above range.

Al:0.005〜0.035%
Alは、脱酸作用を有する。また、Alには、Nと結合してAlNを形成し、結晶粒を微細化して鋼を強化する作用もある。しかしながら、Alの含有量が0.005%未満では、前記の効果を得難い。一方、Alの含有量が0.035%を超えると、硬質で粗大なAl23を形成し、工具摩耗が増大し工具寿命の低下を招く。したがって、Alの含有量を0.005〜0.035%とした。なお、Al含有量は0.015%以上であることが好ましく、また、0.025%以下であることが好ましい。
Al: 0.005-0.035%
Al has a deoxidizing action. Moreover, Al also has the effect | action which combines with N, forms AlN, refines | miniaturizes a crystal grain, and strengthens steel. However, when the Al content is less than 0.005%, it is difficult to obtain the above effect. On the other hand, if the Al content exceeds 0.035%, hard and coarse Al 2 O 3 is formed, and tool wear increases, leading to a reduction in tool life. Therefore, the content of Al is set to 0.005 to 0.035%. In addition, it is preferable that Al content is 0.015% or more, and it is preferable that it is 0.025% or less.

N:0.010〜0.025%
Nは、窒化物を形成することにより結晶粒を微細化させ、曲げ疲労強度を向上させる効果を有する。この効果を得るには、Nを0.010%以上含有する必要がある。しかしながら、Nの含有量が過剰になると、粗大な窒化物を形成して靱性の低下を招き、特に、その含有量が0.025%を超えると、靱性の低下が著しくなる。したがって、Nの含有量を0.010〜0.025%とした。なお、Nの含有量は0.015%を超えることが好ましく、また、0.020%以下であることが好ましい。
N: 0.010 to 0.025%
N has the effect of making the crystal grains finer by forming nitrides and improving the bending fatigue strength. In order to acquire this effect, it is necessary to contain N 0.010% or more. However, when the content of N is excessive, coarse nitrides are formed and the toughness is reduced. In particular, when the content exceeds 0.025%, the toughness is significantly reduced. Therefore, the N content is set to 0.010 to 0.025%. In addition, it is preferable that content of N exceeds 0.015%, and it is preferable that it is 0.020% or less.

fn1:1.50〜1.85
SiとCrは、本発明において重要な元素であり、耐チッピング性を向上させる作用を有する。すなわち、前述のとおり、SiおよびCrは、含有量の増加とともに引張強さが上昇することで切削抵抗の平均値を高くするが、一方で降伏比の上昇を防ぐ作用があり、この結果切削抵抗の変動幅を大きく抑制する効果がある。切削抵抗の平均値の上昇効果に比べて、切削抵抗の変動幅の抑制効果が大きいため、耐チッピング性を大幅に向上させる。この効果を得るには、SiおよびCrの含有量をそれぞれ、上述した範囲に調整したうえで、前記の(1)式で表されるfn1、つまり、〔Si+Cr〕を1.50以上にする必要がある。一方、fn1が1.85を超えると硬さが大きくなりすぎて、切削抵抗そのものが上昇することで工具摩耗が増加し、かえって工具寿命の低下を招く。したがって、fn1が1.50〜1.85の範囲にあることが必要である。
fn1: 1.50-1.85
Si and Cr are important elements in the present invention, and have an effect of improving chipping resistance. That is, as described above, Si and Cr increase the average value of the cutting resistance by increasing the tensile strength with the increase in the content, but on the other hand, there is an action to prevent the yield ratio from increasing. There is an effect of greatly suppressing the fluctuation range of the. Compared with the effect of increasing the average value of the cutting resistance, the effect of suppressing the fluctuation range of the cutting resistance is large, so that the chipping resistance is greatly improved. In order to obtain this effect, the contents of Si and Cr are adjusted to the above-described ranges, and fn1 represented by the above formula (1), that is, [Si + Cr] must be 1.50 or more. There is. On the other hand, if fn1 exceeds 1.85, the hardness becomes too large, and the cutting resistance itself increases, so that the tool wear increases, leading to a decrease in the tool life. Therefore, fn1 needs to be in the range of 1.50 to 1.85.

本発明の機械構造用合金鋼鋼材の一つは、上記元素のほか、残部がFeおよび不純物からなる化学組成を有するものである。   One of the alloy steels for machine structure of the present invention has a chemical composition in which the balance is composed of Fe and impurities in addition to the above elements.

なお、本発明においては、不純物中のPおよびO(酸素)は、その含有量をそれぞれ、P:0.020%以下およびO:0.0020%以下に制限する必要がある。   In the present invention, the contents of P and O (oxygen) in the impurities must be limited to P: 0.020% or less and O: 0.0020% or less, respectively.

以下、上記不純物中のPおよびOについて説明する。   Hereinafter, P and O in the impurities will be described.

P:0.020%以下
Pは、鋼に含有される不純物であり、結晶粒界に偏析して鋼を脆化させる。特に、その含有量が0.020%を超えると、脆化の程度が著しくなる。したがって、本発明においては、不純物中のPの含有量を0.020%以下とした。なお、不純物中のPの含有量は0.010%以下とすることが好ましい。
P: 0.020% or less P is an impurity contained in the steel and segregates at the grain boundaries to embrittle the steel. In particular, when the content exceeds 0.020%, the degree of embrittlement becomes significant. Therefore, in the present invention, the content of P in the impurities is set to 0.020% or less. In addition, it is preferable that content of P in an impurity shall be 0.010% or less.

O(酸素):0.0020%以下
O(酸素)は、鋼中のSiやAlと結合して、酸化物を生成する。酸化物のうちでも、特に、Al23は硬質であるため、被削性を低下させる。したがって、本発明においては、不純物中のOの含有量を0.0020%以下とした。
O (oxygen): 0.0020% or less O (oxygen) combines with Si or Al in steel to generate an oxide. Among the oxides, in particular, Al 2 O 3 is hard, so that machinability is lowered. Therefore, in the present invention, the content of O in the impurities is set to 0.0020% or less.

本発明の機械構造用合金鋼鋼材の他の一つは、Feの一部に代えて、Mo、Ni、NbおよびCaのうちの1種以上の元素を含有するものである。   Another one of the alloy steels for machine structure of the present invention contains one or more elements of Mo, Ni, Nb and Ca instead of a part of Fe.

以下、任意元素である上記Mo、Ni、NbおよびCaの作用効果と、含有量の限定理由について説明する。   Hereinafter, the effect of said Mo, Ni, Nb, and Ca which are arbitrary elements, and the reason for limitation of content are demonstrated.

MoおよびNiは、いずれも、浸炭時の焼入性を高める作用を有する。このため、浸炭時により大きな焼入性を得たい場合には、これらの元素を含有させてもよい。以下、上記のMoおよびNiについて説明する。   Both Mo and Ni have the effect of increasing the hardenability during carburizing. For this reason, when it is desired to obtain greater hardenability during carburizing, these elements may be contained. Hereinafter, the above Mo and Ni will be described.

Mo:0.50%以下
Moは、浸炭時の焼入性を向上させる作用があるため必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Moの含有量が0.50%を超えると、切削加工前のフェライト量の減少をきたし、延いてはベイナイト組織が形成し切削抵抗が上昇することで工具摩耗が増加し、かえって工具寿命の低下を招く。したがって、含有させる場合のMoの含有量を0.50%以下とした。なお、Moの含有量は0.30%以下であることが好ましい。
Mo: 0.50% or less Mo has an effect of improving the hardenability at the time of carburizing, and may be contained as necessary. However, if the Mo content exceeds 0.50%, the amount of ferrite before cutting decreases, and the tool wear increases due to the formation of a bainite structure and the cutting resistance increases. Cause a decline. Therefore, the Mo content in the case of inclusion is set to 0.50% or less. The Mo content is preferably 0.30% or less.

一方、前記したMoの浸炭時の焼入性向上効果を確実に得るためには、Moの含有量は0.03%以上であることが好ましい。   On the other hand, in order to surely obtain the effect of improving the hardenability at the time of carburizing Mo described above, the Mo content is preferably 0.03% or more.

なお、Moの含有量は上記の範囲において、前記の(2)式で表されるfn2が1.30以下も満たす必要がある。   In addition, Mo content needs to satisfy | fill fn2 represented by said Formula (2) as 1.30 or less in said range.

Ni:0.20%以下
Niは、浸炭時の焼入性を向上させる作用を有するので、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Niの含有量が0.20%を超えると、切削加工前のフェライト量の減少をきたし、延いてはベイナイト組織が形成し切削抵抗が上昇することで工具摩耗が増加し、かえって工具寿命の低下を招く。したがって、含有させる場合のNiの含有量を0.20%以下とした。なお、Niの含有量は0.10%以下であることが好ましい。
Ni: 0.20% or less Ni has an effect of improving the hardenability at the time of carburizing, and may be contained as necessary. However, if the Ni content exceeds 0.20%, the ferrite content before cutting is reduced, and the tool wear is increased because the bainite structure is formed and the cutting resistance is increased. Cause a decline. Therefore, the Ni content when contained is set to 0.20% or less. The Ni content is preferably 0.10% or less.

一方、前記したNiの浸炭時の焼入性向上効果を確実に得るためには、Niの含有量は0.03%以上であることが好ましい。   On the other hand, in order to reliably obtain the effect of improving the hardenability at the time of carburizing Ni described above, the Ni content is preferably 0.03% or more.

なお、Niの含有量は上記の範囲において、前記の(2)式で表されるfn2が1.30以下も満たす必要がある。   In addition, the content of Ni needs to satisfy fn2 represented by the above formula (2) as 1.30 or less in the above range.

上記のMoおよびNiは、そのうちのいずれか1種のみ、または、2種の複合で含有させることができる。なお、これらの元素の合計含有量は0.70%以下であってもよいが、0.50%以下とすることが好ましい。   Said Mo and Ni can be contained only in any 1 type or 2 types of composites. The total content of these elements may be 0.70% or less, but is preferably 0.50% or less.

fn2:1.30以下
Mn、MoおよびNiはいずれも、浸炭時の焼入性を向上させる作用を有するが、適正な組織形態を確保するためにそれぞれの含有量を制限する必要がある。このためには、前記の(2)式で表されるfn2、つまり、〔Mn+Mo+Ni〕を1.30以下にする必要がある。fn2が1.30を超えると、切削加工前のフェライト量の減少をきたし、延いてはベイナイト組織が形成し切削抵抗が上昇することで工具摩耗が増加し、かえって工具寿命の低下を招く。したがって、浸炭時の焼入性を高めるためにMoおよびNiのうちの1種以上を含有させる場合には、fn2は1.30以下の範囲にあることが必要である。なお、fn2は、1.20以下とすることが好ましい。
fn2: 1.30 or less Mn, Mo, and Ni all have the effect of improving the hardenability during carburizing, but it is necessary to limit the respective contents in order to ensure an appropriate microstructure. For this purpose, it is necessary to set fn2 represented by the above formula (2), that is, [Mn + Mo + Ni] to 1.30 or less. When fn2 exceeds 1.30, the amount of ferrite before cutting is reduced, and a bainite structure is formed and cutting resistance is increased. As a result, tool wear increases, and on the contrary, tool life is reduced. Therefore, in order to improve the hardenability at the time of carburizing, when one or more of Mo and Ni are contained, fn2 needs to be in the range of 1.30 or less. Note that fn2 is preferably 1.20 or less.

また、浸炭時の焼入性向上効果を確実に得るためには、fn2は0.73以上であることが好ましい。fn2はより好ましくは0.76以上、さらに好ましくは0.80以上である。   Moreover, in order to acquire the hardenability improvement effect at the time of carburizing reliably, it is preferable that fn2 is 0.73 or more. fn2 is more preferably 0.76 or more, and further preferably 0.80 or more.

Nb:0.050%以下
Nbは、CおよびNと結合して微細な炭化物、窒化物、炭窒化物を形成して結晶粒を微細化し、機械構造部品としての疲労特性、特に曲げ疲労強度を向上させる効果を有するので、必要に応じて含有してもよい。しかしながら、Nbの含有量が過剰になると熱間延性の低下を招き、特に、その含有量が0.050%を超えると、熱間延性の低下が著しくなって、熱間圧延や熱間鍛造時に表面キズが発生しやすくなる。また、Nbの含有量が高くなりすぎると、結晶粒の微細化が著しく、降伏比が上昇し、その結果、耐チッピング性が低下する。したがって、含有させる場合のNbの含有量を0.050%以下とした。なお、Nbの含有量は0.040%以下であることが好ましい。
Nb: 0.050% or less Nb combines with C and N to form fine carbides, nitrides, carbonitrides, refines the crystal grains, and improves fatigue characteristics, especially bending fatigue strength, as mechanical structural parts. Since it has the effect to improve, you may contain as needed. However, when the content of Nb is excessive, the hot ductility is reduced. Particularly, when the content exceeds 0.050%, the hot ductility is significantly reduced, and during hot rolling or hot forging. Surface scratches are likely to occur. On the other hand, if the Nb content is too high, the crystal grains are remarkably refined, the yield ratio is increased, and as a result, the chipping resistance is lowered. Therefore, when Nb is contained, the Nb content is set to 0.050% or less. The Nb content is preferably 0.040% or less.

一方、前記したNbの特性向上効果を確実に得るためには、Nbの含有量は0.005%以上であることが好ましく、0.020%以上であれば一層好ましい。   On the other hand, the Nb content is preferably 0.005% or more and more preferably 0.020% or more in order to surely obtain the above-described effect of improving Nb characteristics.

Ca:0.0050%以下
Caは、被削性を改善する作用を有する。このため、被削性向上のためにCaを含有してもよい。しかしながら、Caの過度の添加はコストの上昇につながり、特に、Caの含有量が0.0050%を超えると、被削性向上効果が飽和するのでコストが嵩んで経済性が損なわれる。しかも、Caの含有量が0.0050%を超える場合には、粗大な酸化物を形成して曲げ疲労強度およびピッチング強度の低下も招く。したがって、含有させる場合のCaの含有量を0.0050%以下とした。なお、Caの含有量は0.0030%以下であることが好ましい。
Ca: 0.0050% or less Ca has an effect of improving machinability. For this reason, you may contain Ca in order to improve machinability. However, excessive addition of Ca leads to an increase in cost. In particular, when the Ca content exceeds 0.0050%, the machinability improving effect is saturated, so that the cost increases and the economic efficiency is impaired. In addition, when the Ca content exceeds 0.0050%, a coarse oxide is formed, leading to a decrease in bending fatigue strength and pitching strength. Therefore, when Ca is contained, the content of Ca is set to 0.0050% or less. In addition, it is preferable that content of Ca is 0.0030% or less.

一方、前記したCaの被削性改善効果を確実に得るためには、Caの含有量は0.0005%以上であることが好ましい。   On the other hand, in order to reliably obtain the above-described effect of improving the machinability of Ca, the Ca content is preferably 0.0005% or more.

(B)鋼材の組織について:
本発明の機械構造用合金鋼鋼材は、組織の95%以上が、フェライト・パーライト組織で構成され、しかも、組織に占めるフェライトの割合が40〜60%であることが必要である。
(B) Steel structure:
In the alloy steel for machine structure of the present invention, it is necessary that 95% or more of the structure is composed of a ferrite pearlite structure, and the ratio of ferrite in the structure is 40 to 60%.

先ず、フェライト・パーライト組織の形成は良好な疲労強度を確保するとともに降伏比を下げることで被削性を安定して確保するうえで重要な因子である。すなわち、上記(A)項で述べた化学組成を有する鋼材において、組織に占めるフェライト・パーライト組織の割合が95%より少ない場合は、その残部はベイナイトに置き換わることになる。この場合には、硬さが増して切削抵抗が上がりすぎので、工具摩耗が増加することによる工具寿命の低下を招く。したがって、組織の95%以上がフェライト・パーライト組織で構成されることとした。なお、組織の100%がフェライト・パーライト組織であってもよい。   First, the formation of a ferrite-pearlite structure is an important factor for ensuring good fatigue strength and ensuring stable machinability by lowering the yield ratio. That is, in the steel material having the chemical composition described in the above section (A), when the proportion of the ferrite / pearlite structure in the structure is less than 95%, the remainder is replaced with bainite. In this case, since the hardness increases and the cutting resistance increases too much, the tool life is reduced due to an increase in tool wear. Therefore, 95% or more of the structure is composed of a ferrite / pearlite structure. Note that 100% of the structure may be a ferrite / pearlite structure.

次に、組織に占めるフェライトの割合は良好な疲労強度を確保するとともに被削性を安定して確保するうえで重要な因子である。すなわち、上記の、95%以上がフェライト・パーライト組織で構成される組織に占めるフェライトの割合が40%より少ない場合には、残部のパーライト量が増加するか、場合によっては一部ベイナイトなどに置き換わることになって、硬さが増して切削抵抗が上がりすぎので、工具摩耗が増加することによる工具寿命の低下を招く。一方、上記の組織に占めるフェライトの割合が60%を超えると、硬さが低下し鋼材としては延性が増加するため、切削中に工具への凝着が進みやすくなる。そして、硬さの低下による工具摩耗は抑制されても切削加工中の凝着物の生成脱落の繰り返しによって、かえって耐チッピング性が損なわれることになる。以上のことから、組織に占めるフェライトの割合が40〜60%であることとした。   Next, the ratio of ferrite in the structure is an important factor for ensuring good fatigue strength and stably ensuring machinability. That is, when the proportion of ferrite in the structure composed of 95% or more of the ferrite / pearlite structure is less than 40%, the remaining amount of pearlite is increased or, in some cases, partly replaced with bainite or the like. As a result, the hardness increases and the cutting resistance increases too much, leading to a reduction in tool life due to increased tool wear. On the other hand, if the proportion of ferrite in the above structure exceeds 60%, the hardness decreases and the ductility of the steel material increases, so that adhesion to the tool easily proceeds during cutting. And even if the tool wear due to the decrease in hardness is suppressed, the chipping resistance is deteriorated on the contrary by the repeated generation and dropping of the adherend during the cutting process. From the above, it was decided that the proportion of ferrite in the structure was 40 to 60%.

既に述べたように、「フェライト・パーライト組織」とは、フェライトとパーライトの混合組織を指し、「組織に占めるフェライトの割合」における「フェライト」にはパーライトを構成するフェライトは含まない。また、組織に占める「フェライト・パーライト組織」および「フェライト」の割合は、面積率を指す。   As described above, the “ferrite-pearlite structure” refers to a mixed structure of ferrite and pearlite, and “ferrite” in the “ratio of ferrite in the structure” does not include ferrite constituting pearlite. The ratios of “ferrite / pearlite structure” and “ferrite” in the structure indicate area ratios.

なお、(A)項で述べた化学組成を有する鋼材の組織を、組織の95%以上が、フェライト・パーライト組織で構成され、しかも、組織に占めるフェライトの割合が40〜60%であるものとするためには、例えば、鋼材を870〜950℃の範囲に30分以上加熱した後、鋼材の表面温度で800℃から500℃の冷却時間を6分以上として連続冷却する熱処理が推奨される。上記の熱処理において、870〜950℃の範囲への加熱時間の上限は特に規定されるものではないが、生産性の観点から推奨される加熱時間は2時間以内である。また、安定して所定の組織を得るために、鋼材の表面温度で800℃から500℃の冷却時間は8分以上とすることがより推奨されるが、生産性の観点から30分以内にすることが好ましい。なお、鋼材の表面温度が500℃に達した後の冷却速度については特段の調整をするに及ばない。生産性、設備面などの観点から適宜の冷却方法で冷却すればよい。   In addition, 95% or more of the structure of the steel material having the chemical composition described in the section (A) is composed of a ferrite / pearlite structure, and the ratio of ferrite in the structure is 40 to 60%. In order to do this, for example, a heat treatment is recommended in which the steel material is heated in the range of 870 to 950 ° C. for 30 minutes or more and then continuously cooled at a surface temperature of the steel material of 800 ° C. to 500 ° C. for 6 minutes or more. In the above heat treatment, the upper limit of the heating time in the range of 870 to 950 ° C. is not particularly defined, but the recommended heating time is 2 hours or less from the viewpoint of productivity. Further, in order to stably obtain a predetermined structure, it is more recommended that the cooling time from 800 ° C. to 500 ° C. is 8 minutes or more at the surface temperature of the steel material, but within 30 minutes from the viewpoint of productivity. It is preferable. Note that the cooling rate after the surface temperature of the steel material reaches 500 ° C. is not limited to special adjustment. What is necessary is just to cool with an appropriate cooling method from viewpoints of productivity, an installation surface, etc.

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に示す化学組成の鋼A1〜A11および鋼B1〜B15を150kg真空溶解炉で溶製し、インゴット鋳造により製造した。なお、鋼A1〜A11は、化学組成が本発明で規定する範囲内にある本発明例の鋼であり、一方、鋼B1〜B15は、本発明で規定する条件から外れた比較例の鋼である。   Steels A1 to A11 and steels B1 to B15 having chemical compositions shown in Table 1 were melted in a 150 kg vacuum melting furnace and manufactured by ingot casting. Steels A1 to A11 are steels of the present invention examples whose chemical compositions are within the range defined by the present invention, while steels B1 to B15 are steels of comparative examples that deviate from the conditions defined by the present invention. is there.

Figure 0005370073
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各鋼の鋼塊を1250℃に加熱してから1000℃以上で仕上げる熱間鍛造を行い、直径65mmの丸棒を作製した。なお、熱間鍛造後は大気中で放冷した。   A steel bar of each steel was heated to 1250 ° C. and then hot forging was performed at a temperature of 1000 ° C. or higher to produce a round bar having a diameter of 65 mm. The hot forging was allowed to cool in the atmosphere.

このようにして得た各鋼の丸棒に、組織および硬さを調整するための熱処理として、900℃に加熱して1時間保持し、次いで、800℃から500℃の冷却時間が10分となる冷却を実施した。なお、鋼A2の丸棒については、上記の熱処理のほかに、800〜1000℃に加熱して1時間保持し、次いで、800℃から500℃の冷却時間が10分となる冷却と、900℃に加熱して1時間保持し、次いで、800℃から500℃の冷却時間が5分となる冷却も行った。なお、いずれの熱処理についても500℃に達した後の冷却は大気中での放冷とした。   As a heat treatment for adjusting the structure and hardness, each steel round bar thus obtained was heated to 900 ° C. and held for 1 hour, and then the cooling time from 800 ° C. to 500 ° C. was 10 minutes. Cooling was performed. In addition to the above heat treatment, the steel A2 round bar was heated to 800 to 1000 ° C. and held for 1 hour, and then cooled to 800 ° C. to 500 ° C. for 10 minutes, and 900 ° C. And then held for 1 hour, followed by cooling from 800 ° C. to 500 ° C. for 5 minutes. In any of the heat treatments, the cooling after reaching 500 ° C. was allowed to cool in the air.

上記の熱処理を施した各丸棒の表面から16mmの位置(以下、「R/2部」という。)を中心にして、鍛練軸方向に平行に採取、つまり、長手方向に平行に採取した試験片の10mm×10mmの断面を鏡面研磨し、ナイタールで腐食して、100倍の倍率で各試料について6視野の光学顕微鏡観察を行い組織を調査するとともに、組織に占めるパーライトおよびフェライトの割合(面積率)を計測し、フェライト・パーライト組織およびフェライトが組織に占める割合を求めた。なお、具体的な計測は次のようにして行った。   Test taken in parallel to the training axis direction, ie, parallel to the longitudinal direction, centered on a position 16 mm (hereinafter referred to as “R / 2 part”) from the surface of each round bar subjected to the above heat treatment A 10 mm × 10 mm cross section of the piece is mirror-polished, corroded with nital, and the structure is examined by observing the structure of each sample with an optical microscope with six fields of view at a magnification of 100 times. The ratio of ferrite / pearlite structure and ferrite to the structure was determined. In addition, the specific measurement was performed as follows.

組織の100%がフェライトとパーライトで形成されている場合には、フェライトとそれ以外の組織形態を画像解析により2値化処理し、フェライトに色分けられた領域の面積を、全面積で除した値を組織に占めるフェライトの割合とした。   When 100% of the structure is formed of ferrite and pearlite, the value obtained by binarizing the ferrite and other structural forms by image analysis and dividing the area of the color-coded area by the total area Was the proportion of ferrite in the structure.

また、フェライトとパーライト以外の相(ベイナイト)を含んでいる場合には、先ず、ベイナイトとそれ以外の組織形態を画像解析により2値化処理し、全面積からベイナイトに色分けられた領域の面積を引いた値をフェライト・パーライトの割合とした。また、フェライトとそれ以外の組織形態を画像解析により2値化処理し、フェライトに色分けられた領域の面積を、全面積で除した値を組織に占めるフェライトの割合とした。   In addition, when a phase other than ferrite and pearlite (bainite) is included, first, binarization of the bainite and other structural forms is performed by image analysis, and the area of the region color-coded into bainite from the total area is calculated. The subtracted value was used as the ratio of ferrite and pearlite. Further, the ferrite and other microstructures were binarized by image analysis, and the value obtained by dividing the area of the region color-coded by ferrite by the total area was defined as the proportion of ferrite in the tissue.

また、上記の組織を観察した試験片を、再度鏡面研磨し、JIS Z 2244(2009)に記載の「ビッカース硬さ試験−試験方法」に準拠して、R/2部でのビッカース硬さ(以下、「HV硬さ」という。)を、試験力を980Nとして測定し、その値を算術平均して熱処理材のHV硬さを評価した。   Moreover, the test piece which observed said structure | tissue is mirror-polished again, and Vickers hardness in R / 2 part (in accordance with "Vickers hardness test-test method" described in JIS Z 2244 (2009) ( Hereinafter, “HV hardness” was measured with a test force of 980 N, and the value was arithmetically averaged to evaluate the HV hardness of the heat-treated material.

さらに、上述のようにして作製した直径65mmの熱処理材のR/2部から、丸棒の長手方向に平行にJIS Z 2201(1998)に記載のJIS14A号試験片(平行部の直径が4.5mm)を採取して、室温で引張試験を行い、0.2%耐力および引張強さを測定して降伏比を求めた。   Furthermore, from the R / 2 part of the heat-treated material with a diameter of 65 mm produced as described above, a JIS No. 14A test piece described in JIS Z 2201 (1998) (the diameter of the parallel part is 4. 5 mm) was sampled and subjected to a tensile test at room temperature, and 0.2% yield strength and tensile strength were measured to obtain a yield ratio.

被削性は、上述のようにして作製した直径65mmの熱処理材をそれぞれ、直径62mmにまでピーリングして長さ400mmに切断した円柱状試験片を用いて、旋削加工による被削性試験を行って評価した。   For machinability, a heat treatment material having a diameter of 65 mm produced as described above was peeled to a diameter of 62 mm, and a cylindrical test piece cut to a length of 400 mm was used to perform a machinability test by turning. And evaluated.

なお、切削は、P20種の超硬工具を使用し、20倍に希釈した水溶性エマルジョンによる湿式加工(供給量:20リットル/min)によって、切削速度を150m/minの一定とし、送りが0.35mm/revで、切り込み量が1.5mmとなる条件で400mmの試験片の長手方向に実施した。   In addition, the cutting is performed using a P20 type carbide tool, wet cutting with a water-soluble emulsion diluted 20 times (supply amount: 20 liters / min), the cutting speed is kept constant at 150 m / min, and the feed is 0 The test was performed in the longitudinal direction of a 400 mm test piece under the condition that the cutting amount was 1.5 mm at 35 mm / rev.

切削抵抗の評価について、工具は未使用の状態から切削を開始し、加工時間5〜6秒までの間をサンプリングタイムを1/100秒として計測した。そして、先の図1および図2に示すような切削加工中の主分力の測定結果を得た後に、加工開始後0.5秒後以降の加工時間内4秒間(データ数:400)において、主分力の平均値とその変動を標準偏差σとして算出した。なお、切削加工中の「主分力」とは、工具と被削材が接する点に働く被削材の回転方向に平行な接線方向の力を指す。   Regarding the evaluation of the cutting resistance, the tool started cutting from an unused state, and the sampling time was measured as 1/100 second between 5 to 6 seconds. Then, after obtaining the measurement result of the main component force during the cutting process as shown in FIGS. 1 and 2, the process time is 4 seconds (data number: 400) within 0.5 seconds after the start of the process. The average value of the main component force and its fluctuation were calculated as the standard deviation σ. The “main component force” during cutting refers to a tangential force parallel to the rotation direction of the work material acting on the point where the tool and the work material come into contact.

工具摩耗については、上記の条件にて切削距離3000mまで加工を実施し、刃先の損傷状況を切削距離300m毎に観察した。工具寿命の判定は、損傷状況を観察時に逃げ面摩耗量(以下、「VB」という。)が0.2mmを超えた時点、または、チッピングが確認できた時点の切削距離とした。   Regarding tool wear, machining was performed up to a cutting distance of 3000 m under the above conditions, and the state of damage to the cutting edge was observed every 300 m of the cutting distance. The tool life was determined based on the cutting distance when the flank wear amount (hereinafter referred to as “VB”) exceeded 0.2 mm at the time of observing the damage state, or when chipping was confirmed.

浸炭後の疲労強度は次に述べる小野式回転曲げ疲労試験を実施し、107回転で破断しなかった応力を疲労限として評価した。 The fatigue strength after carburizing was evaluated by the Ono type rotating bending fatigue test described below, and the stress that did not break at 10 7 rotations was evaluated as the fatigue limit.

先ず、上述のようにして作製した直径65mmの熱処理材のR/2部から、丸棒の長手方向に平行に図4に示す粗形状の切欠付き小野式回転曲げ疲労試験片を切り出した。   First, from the R / 2 part of the heat-treated material having a diameter of 65 mm produced as described above, a coarse notched Ono type rotating bending fatigue test piece shown in FIG. 4 was cut out parallel to the longitudinal direction of the round bar.

なお、図4中に示した試験片における寸法の単位は全て「mm」であり、図中の仕上記号「▽」、「▽▽」および「▽▽▽」は、JIS B 0601(1982)の解説表1の表面粗さを示す「三角記号」である。   In addition, the unit of the dimension in the test piece shown in FIG. 4 is all “mm”, and the finish symbols “▽”, “▽▽” and “▽▽▽” in the figure are those of JIS B 0601 (1982). It is a “triangular symbol” indicating the surface roughness in Table 1.

上記粗形状の切欠付き小野式回転曲げ疲労試験片の全てに対して、図5に示すヒートパターンによる「浸炭焼入−焼戻し」を施した。図5中の「Cp」はカーボンポテンシャルを表す。また、「100℃油焼入」は油温100℃の油中に焼入したことを、さらに「AC」は大気中で放冷したことを表す。油焼入については、均一に焼入処理されるように、攪拌している焼入油中に試験片を投入して行った。   “Carburization quenching-tempering” by the heat pattern shown in FIG. 5 was performed on all of the coarse Ono rotary bending fatigue test pieces with notches. “Cp” in FIG. 5 represents the carbon potential. “100 ° C. oil quenching” indicates quenching in oil at an oil temperature of 100 ° C., and “AC” indicates cooling in the atmosphere. About oil quenching, the test piece was thrown into the quenching oil stirred so that it might be uniformly quenched.

なお、上記の「浸炭焼入−焼戻し」は、各試験片の吊り下げ用に加工した孔に針金を通し、吊下げた状態で実施した。   In addition, said "carburization hardening-tempering" was implemented in the state which passed the wire processed through the hole processed for suspension of each test piece, and was suspended.

上記の「浸炭焼入−焼戻し」を施した試験片を仕上げ加工して、図6に示す切欠付き小野式回転曲げ疲労試験片を作製した。   The test piece subjected to the above-mentioned “carburization quenching-tempering” was finished to produce an Ono-type rotary bending fatigue test piece with a notch shown in FIG.

なお、図6に示した試験片における寸法の単位も全て「mm」であり、図における仕上記号「▽」および「▽▽▽」は先の図4におけると同様、それぞれ、JIS B 0601(1982)の解説表1の表面粗さを示す「三角記号」である。また、「▽▽▽」に付した「G」はJIS B 0122(1978)に規定の「研削」を示す加工方法の略号であることを意味する。さらに、「〜」は「波形記号」であり、生地であること、すなわち、「浸炭焼入−焼戻し」した表面のままであることを意味する。   The units of dimensions in the test piece shown in FIG. 6 are all “mm”, and the finish symbols “▽” and “▽▽▽” in the figure are the same as those in FIG. 4, respectively, as in JIS B 0601 (1982). ) Is a “triangular symbol” indicating the surface roughness in Table 1. Further, “G” added to “▽▽▽” means an abbreviation of a processing method indicating “grinding” defined in JIS B 0122 (1978). Furthermore, “˜” is a “waveform symbol”, which means that it is a dough, that is, it remains on a “carburized and tempered” surface.

上記の仕上加工した小野式回転曲げ疲労試験片を用いて、下記の試験条件によって小野式回転曲げ疲労試験を実施し、前述のとおり、繰返し数107回転で破断しなかった応力を疲労限として評価した。 Using the finished Ono rotary bending fatigue test piece, the Ono rotary bending fatigue test was conducted under the following test conditions. As described above, the stress that did not break at 10 7 rotations was used as the fatigue limit. evaluated.

・温度:室温、
・雰囲気:大気中、
・回転数:3400rpm。
・ Temperature: Room temperature,
・ Atmosphere: In air
-Number of rotations: 3400 rpm.

表2に、上記の各調査結果をまとめて示す。なお、表2には前記直径65mmの丸棒に施した熱処理を併せて示した。   Table 2 summarizes the results of each of the above investigations. Table 2 also shows the heat treatment applied to the round bar having a diameter of 65 mm.

Figure 0005370073
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表2から、本発明で規定する条件を満たす試験番号1〜11の場合、切削距離3000m時点でも工具寿命に至っておらず、被削性が良好で、さらに、疲労限も500MPa以上であって、疲労強度にも優れていることが明らかである。   From Table 2, in the case of test numbers 1 to 11 that satisfy the conditions defined in the present invention, the tool life is not reached even at a cutting distance of 3000 m, the machinability is good, and the fatigue limit is 500 MPa or more, It is clear that the fatigue strength is also excellent.

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試験番号12〜30の場合、被削性と疲労強度の片方もしくは双方ともが劣っている。   On the other hand, in the case of test numbers 12 to 30 of comparative examples that deviate from the conditions specified in the present invention, one or both of machinability and fatigue strength are inferior.

すなわち、試験番号12、試験番号13、試験番号15および試験番号17の場合には鋼材の化学組成が本発明で規定する条件から外れているため、切削加工中の主分力の変動幅が大きく、チッピングによって工具寿命に至っており、被削性が劣る。   That is, in the case of Test No. 12, Test No. 13, Test No. 15 and Test No. 17, the chemical composition of the steel material deviates from the conditions specified in the present invention. The tool life is reached by chipping, and the machinability is inferior.

試験番号14、試験番号16、試験番号18〜23および試験番号25の場合には鋼材の化学組成および組織が本発明で規定する条件から外れているため、切削加工中の主分力の変動幅が大きく、VBの増加あるいはチッピングによって工具寿命に至っており、被削性が劣る。上記のうちでも試験番号14はSi含有量が本発明で規定する上限から外れているため疲労限が500MPaに達しておらず、疲労強度にも劣っている。   In the case of Test No. 14, Test No. 16, Test No. 18-23, and Test No. 25, the chemical composition and structure of the steel material are out of the conditions defined in the present invention. The tool life is reached by increasing VB or chipping, and the machinability is poor. Among the above, test number 14 is inferior in fatigue strength because the Si content is outside the upper limit defined in the present invention, so that the fatigue limit does not reach 500 MPa.

試験番号24および試験番号26の場合には鋼材の化学組成が本発明で規定する条件から外れているため、すなわち、試験番号24はSの含有量が、試験番号26はCaの含有量が、それぞれ本発明で規定する上限から外れているため疲労限が500MPaに達しておらず、疲労強度に劣っている。   In the case of Test No. 24 and Test No. 26, the chemical composition of the steel material deviates from the conditions specified in the present invention, that is, Test No. 24 has an S content, and Test No. 26 has a Ca content. Each of them is outside the upper limit defined in the present invention, so the fatigue limit does not reach 500 MPa, and the fatigue strength is inferior.

試験番号27〜30場合には鋼材の化学組成は本発明で規定する条件を満たすものの組織が本発明で規定する条件から外れているため、切削加工中の主分力の変動幅が大きく、VBの増加あるいはチッピングによって工具寿命に至っており、被削性が劣る。   In the case of test numbers 27 to 30, the chemical composition of the steel material satisfies the conditions specified in the present invention, but the structure deviates from the conditions specified in the present invention. Therefore, the fluctuation range of the main component force during cutting is large. The tool life has been reached by increasing or chipping, and the machinability is poor.

本発明の機械構造用合金鋼鋼材は、MnSなどの介在物を積極的に活用しないにもかかわらず被削性に優れており、さらに、疲労強度にも優れている。特に、機械構造用合金鋼鋼材の対象部品に代表されるギヤなどの切削加工を必要とする部品の素材としてこの鋼材を使用することにより、その部品の製造コストを大幅に低下させることができる。   The alloy steel for machine structural use according to the present invention is excellent in machinability and excellent in fatigue strength despite not actively utilizing inclusions such as MnS. In particular, by using this steel material as a material of a part that requires cutting such as a gear represented by a target part of the alloy steel material for machine structural use, the manufacturing cost of the part can be greatly reduced.

Claims (4)

質量%で、C:0.15〜0.25%、Si:0.15以上で0.50%未満、Mn:0.70〜1.30%、S:0.015%以下、Cr:1.25%を超えて1.80%以下、Al:0.005〜0.035%およびN:0.010〜0.025%を含み、かつ下記の(1)式で表されるfn1の範囲が1.50〜1.85であり、残部はFeおよび不純物からなり、不純物中のPおよびO(酸素)がそれぞれ、P:0.020%以下およびO:0.0020%以下であり、さらに組織の95%以上がフェライト・パーライト組織で構成され、しかも、組織に占めるフェライトの割合が40〜60%であることを特徴とする機械構造用合金鋼鋼材。
fn1=Si+Cr・・・(1)
ただし、(1)式中の元素記号は、その元素の質量%での含有量を表す。
% By mass, C: 0.15 to 0.25%, Si: 0.15 or more and less than 0.50%, Mn: 0.70 to 1.30%, S: 0.015% or less, Cr: 1 More than 25% and not more than 1.80%, Al: 0.005 to 0.035% and N: 0.010 to 0.025%, and the range of fn1 represented by the following formula (1) 1.50 to 1.85, the balance is Fe and impurities, and P and O (oxygen) in the impurities are P: 0.020% or less and O: 0.0020% or less, respectively. An alloy steel for mechanical structure, characterized in that 95% or more of the structure is composed of a ferrite / pearlite structure, and the ratio of ferrite in the structure is 40 to 60%.
fn1 = Si + Cr (1)
However, the element symbol in the formula (1) represents the content in mass% of the element.
Feの一部に代えて、質量%で、Mo:0.50%以下およびNi:0.20%以下のうちの1種以上を含有するとともに、下記の(2)式で表されるfn2の範囲が1.30以下であることを特徴とする請求項1に記載の機械構造用合金鋼鋼材。
fn2=Mn+Mo+Ni・・・(2)
ただし、(2)式中の元素記号は、その元素の質量%での含有量を表す。
Instead of a part of Fe, by mass%, it contains at least one of Mo: 0.50% or less and Ni: 0.20% or less, and fn2 represented by the following formula (2) 2. The alloy steel for machine structure according to claim 1, wherein the range is 1.30 or less.
fn2 = Mn + Mo + Ni (2)
However, the element symbol in the formula (2) represents the content in mass% of the element.
Feの一部に代えて、質量%で、Nb:0.050%以下を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の機械構造用合金鋼鋼材。   The alloy steel material for machine structure according to claim 1 or 2, wherein Nb: 0.050% or less is contained in mass% instead of a part of Fe. Feの一部に代えて、質量%で、Ca:0.0050%以下を含有することを特徴とする請求項1から3までのいずれかに記載の機械構造用合金鋼鋼材。   The alloy steel material for machine structure according to any one of claims 1 to 3, characterized by containing Ca: 0.0050% or less in mass% instead of part of Fe.
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