JP5402711B2 - Steel product having carbonitriding layer and method for producing the same - Google Patents

Steel product having carbonitriding layer and method for producing the same Download PDF

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Description

本発明は、浸炭窒化層を有する鋼製品およびその製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、優れた面圧疲労強度、なかでも、ピッチングに対する高い限界強度を要求される動力伝達部品などの浸炭窒化層を有する鋼製品およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a steel product having a carbonitriding layer and a method for producing the steel product. More specifically, the present invention relates to a steel product having a carbonitriding layer such as a power transmission component that is required to have excellent surface fatigue strength, in particular, high limit strength against pitching, and a method for manufacturing the same.

自動車の変速機として使用される歯車などの動力伝達部品は、従来、JIS G 4053(2008)に規定されている機械構造用合金鋼鋼材を、鍛造、切削などの加工により所定の形状に成形して、浸炭焼入れあるいは浸炭窒化焼入れし、その後さらに焼戻しを行って製造されている。   Conventionally, power transmission parts such as gears used as transmissions for automobiles are formed by molding alloy steel for machine structural use specified in JIS G 4053 (2008) into a predetermined shape by processing such as forging and cutting. Thus, it is manufactured by carburizing and quenching or carbonitriding and quenching, followed by further tempering.

近年、自動車の燃費向上への要求がますます厳しくなっている。この状況の下、燃費の向上に直結する車体の軽量化を実現するために、上記の部品についても一層の小型化および高強度化が求められ、面圧疲労の一種であるピッチングに対する限界強度(以下、「ピッチング強度」という。)と耐摩耗性を向上させることが重視されている。   In recent years, demands for improving the fuel efficiency of automobiles have become increasingly severe. Under these circumstances, in order to reduce the weight of the vehicle body, which directly leads to improved fuel efficiency, the above parts are also required to be further reduced in size and strength, and the limit strength against pitching, which is a type of surface pressure fatigue ( Hereinafter, the emphasis is on improving “pitting strength” and wear resistance.

質量%で0.2%程度の炭素を含み、浸炭部品および浸炭窒化部品の素材として使用される機械構造用合金鋼鋼材には、SMn420に代表されるマンガン鋼、SMnC420に代表されるマンガンクロム鋼、SCr420に代表されるクロム鋼およびSCM420に代表されるクロムモリブデン鋼などがあり、使用用途や製品(以下、「部材」ということがある。)の強度レベルに応じて使い分けられている。   The alloy steels for machine structural use that contain about 0.2% by mass of carbon and are used as materials for carburized parts and carbonitrided parts include manganese steel typified by SMn420 and manganese chromium steel typified by SMnC420. There are chrome steel typified by SCr420 and chrome molybdenum steel typified by SCM420, which are properly used according to the use level and the strength level of the product (hereinafter also referred to as “member”).

上記のうちで特にSCM420は、モリブデンを0.15〜0.25%の範囲で含有するものであり、他の鋼種に比べて、浸炭あるいは浸炭窒化後の焼入れ時に、表層の焼入れ性を高く保つため広く使われているものである。しかしながら、近年のモリブデンの価格高騰は著しく、Mo含有量を極力少なくしても高強度となる鋼および処理方法を求める社会的ニーズは非常に高い。   Among the above, SCM420 contains molybdenum in the range of 0.15 to 0.25%, and keeps the hardenability of the surface layer higher at the time of quenching after carburizing or carbonitriding than other steel types. Therefore, it is widely used. However, in recent years, the price of molybdenum has risen remarkably, and there is a great social need for steel and a processing method that can provide high strength even if the Mo content is minimized.

「浸炭窒化」は部材の表層に窒素を含有させる熱処理で、浸炭性の雰囲気にアンモニアガスを混合して浸炭と同時に浸窒を行う「ガス浸炭窒化」などが知られている。   “Carbonitriding” is a heat treatment in which nitrogen is contained in the surface layer of a member, and “gas carbonitriding” in which ammonia gas is mixed in a carburizing atmosphere and carburizing and nitriding is known.

浸窒で導入された窒素は、いわゆる「焼戻し軟化抵抗」を高める効果があるとされており、単にガス浸炭焼入れしたものに比べて、ピッチング強度を増大することが期待される。しかしながら、窒素は鋼中に含まれるCrとの親和性が強いため、浸窒層内にCrNを生成しやすく、浸窒層の焼入れ性を増大させる固溶Cr量を低下させる。このため、部材の表層に不完全焼入れ組織を生じやすいという問題があった。   Nitrogen introduced by nitriding is said to have an effect of increasing the so-called “temper softening resistance”, and is expected to increase the pitching strength as compared with a gas carburized and quenched. However, since nitrogen has a strong affinity with Cr contained in the steel, it is easy to generate CrN in the nitrogenous layer, and the amount of solid solution Cr that increases the hardenability of the nitrogenous layer is reduced. For this reason, there existed a problem that it was easy to produce incomplete hardening structure in the surface layer of a member.

そこで、浸炭窒化における上記の問題を解決する技術が、例えば、特許文献1〜3に開示されている。   Thus, techniques for solving the above problems in carbonitriding are disclosed in, for example, Patent Documents 1 to 3.

特許文献1には、質量%で、C:0.15〜0.25%、Si:0.40〜0.9%、Mn:0.05〜0.7%、Cr:1.25〜2.5%、Mo:0.35〜1%、Al:0.02〜0.06%、およびN:0.007〜0.015%を含み、必要に応じてさらに、Cu、Ni、Nb、Ti、B、S、Ca、Zr、Sb、PbおよびBiのうちの1種以上の元素を含有し、残部が実質的にFeである鋼からなり、[Si+Mn+Mo]量が1.0〜2.20%で、浸炭窒化または浸炭浸窒後焼入れ・焼戻し処理された表面硬化層を有し、表面から0.1mmまでのC量[Cs]が0.7%以上、N量[Ns]が0.6〜2.0%で、且つ、〔R値=1.11×[Cs]+1.25×[Ns]+1.89×Si+1.22×Mn+0.67×Mo+3.94〕によって求められるR値が7.5以上であることを特徴とする「浸炭窒化部品」が開示されている。   In Patent Document 1, in mass%, C: 0.15 to 0.25%, Si: 0.40 to 0.9%, Mn: 0.05 to 0.7%, Cr: 1.25 to 2 0.5%, Mo: 0.35 to 1%, Al: 0.02 to 0.06%, and N: 0.007 to 0.015%, and if necessary, Cu, Ni, Nb, It consists of steel containing one or more elements of Ti, B, S, Ca, Zr, Sb, Pb and Bi, with the balance being substantially Fe, and the amount of [Si + Mn + Mo] is 1.0-2. 20%, having a hardened layer that has been subjected to carbonitriding or carbonitriding followed by quenching and tempering, the C amount [Cs] from the surface to 0.1 mm is 0.7% or more, and the N amount [Ns] is 0 0.6-2.0%, and [R value = 1.11 × [Cs] + 1.25 × [Ns] + 1.89 × Si + 1.22 × Mn + 0.67 × M O + 3.94] discloses an “carbonitriding component” characterized in that the R value obtained is 7.5 or more.

特許文献2には、質量%で、C:0.10〜0.30%、Si:1.5%以下(0%を含まない)、Mn:1.5%以下(0%を含まない)、Cr:0.5〜2.5%、Mo:0.5%以下(0%を含まない)を夫々含有し、必要に応じてさらに、Ni、B、Al、Nb、Ti、V、N、S、Ca、Mg、PbおよびBiのうちの1種以上の元素を含有し、残部:鉄および不可避不純物からなる鋼材を所定形状に成形した後、浸炭処理または浸炭窒化処理した歯車部品であって、表面異常層の深さが5μm以下であると共に、歯面から50μm深さ位置でのC濃度[Cm]が0.4〜1.5%であり、且つ歯面から25μm深さ位置でのC濃度[Cs]と前記C濃度[Cm]との比[Cs]/[Cm]が1.0未満を満足するものであることを特徴とする「なじみ性に優れた歯車部品」が開示されている。   In Patent Document 2, by mass%, C: 0.10 to 0.30%, Si: 1.5% or less (not including 0%), Mn: 1.5% or less (not including 0%) , Cr: 0.5 to 2.5%, Mo: 0.5% or less (not including 0%), respectively, and if necessary, Ni, B, Al, Nb, Ti, V, N , S, Ca, Mg, Pb and Bi containing one or more elements, the balance: a steel part made of iron and unavoidable impurities is formed into a predetermined shape and then carburized or carbonitrided. In addition, the depth of the surface abnormal layer is 5 μm or less, the C concentration [Cm] at the position of 50 μm depth from the tooth surface is 0.4 to 1.5%, and at the position of 25 μm depth from the tooth surface. The ratio [Cs] / [Cm] of the C concentration [Cs] and the C concentration [Cm] is less than 1.0. "Excellent gear part conformability" is disclosed to symptoms.

特許文献3には、質量%で、C:0.1〜0.5%、Si:0.35%超〜1.5%、Mn:2%以下、Cr:3%以下を含有し、必要に応じてさらに、Ni:4%以下、Mo:2%以下、V:1%以下、Nb:0.5%以下、Ti:0.5%以下、Al:0.1%以下の6種から選択した1種または2種以上を含有し、残部Feおよび不可避不純物からなる鋼部品に、浸炭窒化焼入れ処理を施し、Si+Mnの質量比含有量が50%以上の炭窒化物であるSi−Mn炭窒化物を浸炭窒化層の最表面0.2mm以内では1%面積率以上を析出させることを特徴とする「耐ピッチング性や耐摩耗性に優れた高硬度鋼部品」が開示されている。   Patent Document 3 contains, in mass%, C: 0.1 to 0.5%, Si: more than 0.35% to 1.5%, Mn: 2% or less, Cr: 3% or less, and is necessary In addition, from 6 types of Ni: 4% or less, Mo: 2% or less, V: 1% or less, Nb: 0.5% or less, Ti: 0.5% or less, Al: 0.1% or less Si-Mn charcoal containing carbon nitride with a mass ratio content of Si + Mn of 50% or more obtained by carbonitriding and quenching a steel part containing one or more selected types and the balance Fe and inevitable impurities A “high-hardness steel part excellent in pitting resistance and wear resistance” is disclosed, in which a nitride is deposited at a rate of 1% or more within 0.2 mm of the outermost surface of the carbonitrided layer.

特開2001−73072号公報JP 2001-73072 A 特開2008−121075号公報JP 2008-121075 A 特開2002−339039号公報JP 2002-339039 A

前述の特許文献1で開示された浸炭窒化部品では、浸炭窒化時に浸窒層に生成するCrNによって浸窒層内の固溶Crが減少することによる、浸炭窒化層の焼入れ性の低下を補完するために、Moを0.35%以上含有させることを特徴としている。しかしながら、この特許文献1で提案された技術は、近年の希少金属元素、特にMoが著しく価格高騰しているという観点から、Mo含有量を極力少なくしたいという最近のニーズに必ずしも合致するものではない。   In the carbonitriding component disclosed in the above-mentioned Patent Document 1, the decrease in the hardenability of the carbonitriding layer due to the reduction of the solid solution Cr in the nitrogenizing layer by CrN generated in the nitrogenating layer during carbonitriding is supplemented. Therefore, it is characterized by containing Mo by 0.35% or more. However, the technique proposed in Patent Document 1 does not necessarily meet the recent needs to reduce the Mo content as much as possible from the viewpoint that the price of rare metal elements in recent years, particularly Mo, has risen remarkably. .

特許文献2に開示された歯車部品は、真空浸炭炉を用いて浸炭窒化条件を適正化し、歯面から25μm位置の炭素濃度を、歯面から50μm位置の炭素濃度よりも低くすることによって摩耗を促進させ、その結果、摺動面どうしのなじみ性を向上することを特徴としたものである。しかしながら、ガス浸炭窒化して焼入れした場合のなじみ性に関しては特に考慮されていない。   The gear part disclosed in Patent Document 2 is worn by optimizing the carbonitriding conditions using a vacuum carburizing furnace and lowering the carbon concentration at the 25 μm position from the tooth surface to the carbon concentration at the 50 μm position from the tooth surface. It promotes and, as a result, improves the compatibility of the sliding surfaces. However, no particular consideration is given to the conformability when quenching by gas carbonitriding.

特許文献3で開示された高硬度鋼部品は、Si+Mnの質量比含有量が50%以上であるSi−Mn炭窒化物を浸炭窒化層に析出させることを特徴とするものである。しかしながら、窒素との親和性が高いCrの含有量が多い鋼種の場合には、CrNの生成もさることながら、Crの含有量が低い鋼種に比較して浸窒工程における浸窒量が増える。したがって、浸炭窒化後に焼入れしても、変態せずに残るオーステナイトの量が多くなってしまう。このため、Crの含有量が多い場合には、十分な表面硬さが得られないばかりでなく、粒界近傍に生成した粗大なCrNにより、しゅう動面の表面が荒れやすく高いピッチング強度を得られないという問題があった。   The high-hardness steel part disclosed in Patent Document 3 is characterized in that Si—Mn carbonitride having a mass ratio content of Si + Mn of 50% or more is precipitated in the carbonitriding layer. However, in the case of a steel type having a high Cr content and a high affinity with nitrogen, the amount of nitrogen in the nitriding process is increased compared to a steel type having a low Cr content as well as the generation of CrN. Therefore, even if quenching after carbonitriding, the amount of austenite remaining without transformation increases. For this reason, when the Cr content is large, not only a sufficient surface hardness cannot be obtained, but also the coarse CrN generated in the vicinity of the grain boundary tends to roughen the surface of the sliding surface and obtain a high pitching strength. There was a problem that was not possible.

上記の様に、これまでに提案された浸炭窒化技術では、低コストでピッチング強度に優れた浸炭窒化部材を効率的に提供するには不十分であった。   As described above, the carbonitriding techniques proposed so far have been insufficient to efficiently provide a carbonitriding member with low cost and excellent pitching strength.

そこで、本発明は、近年、価格の高騰が著しい高価な合金元素であるMoの含有量を低減あるいは非添加とすることで、従来鋼よりも低廉でありながら、優れた耐摩耗性と大きなピッチング強度を確保することができる浸炭窒化層を有する鋼製品を提供することを目的とする。上記の浸炭窒化層を有する鋼製品を効率的に得ることができる製造方法を提供することも本発明の目的とするところである。   Therefore, in recent years, the present invention has reduced the content of Mo, which is an expensive alloy element whose price has risen remarkably, and has reduced wear resistance, and has excellent wear resistance and large pitching while being cheaper than conventional steel. It aims at providing the steel product which has a carbonitriding layer which can ensure intensity | strength. It is also an object of the present invention to provide a production method capable of efficiently obtaining a steel product having the carbonitriding layer.

本発明者らは、前記した課題を解決するために、JIS G 4053(2008)に規定されたSMnC420に代表されるマンガンクロム鋼をベースにSiの含有量を増やし、かつ、Mn量を変化させた鋼およびSCr420に代表されるクロム系肌焼鋼を用いて、様々な条件で浸炭窒化実験を行い、浸炭窒化部材のピッチング強度と表面硬化層のミクロ組織との関係を調べた。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors increased the Si content based on manganese chromium steel represented by SMnC420 defined in JIS G 4053 (2008), and changed the Mn amount. Carbonitriding experiments were conducted under various conditions using chrome-based case-hardened steel typified by steel and SCr420, and the relationship between the pitching strength of the carbonitrided member and the microstructure of the surface hardened layer was investigated.

その結果、浸炭窒化焼入れで優れたピッチング強度を発現させる方法に関して、下記(a)〜(f)の知見を得た。   As a result, the following findings (a) to (f) were obtained with respect to a method of expressing excellent pitching strength by carbonitriding and quenching.

(a)浸炭窒化層においては、Crの含有量が高い成分系ではCrNが生成し、SiおよびMnの含有量が高い成分系ではSiMnN2が生成する。この現象について、鋼材成分のうちのSi、MnおよびCrの含有量を用いた〔(Si+Mn)/Cr〕というパラメータで整理すると、〔(Si+Mn)/Cr〕が2以上の鋼材ではSiMnN2のみが生成し、一方、〔(Si+Mn)/Cr〕が2より小さい鋼材ではCrNが生成する。そして、これらの合金窒化物が生成するといずれの場合にも、マトリクス中に溶解する合金元素量が減少するため、焼入れした後の表層には不完全焼入れ組織が生成しやすくなる。この結果、表層硬さが低くなって表面が摩耗しやすくなる。 (A) In the carbonitrided layer, CrN is generated in a component system having a high Cr content, and SiMnN 2 is generated in a component system having a high Si and Mn content. When this phenomenon is arranged by a parameter [(Si + Mn) / Cr] using the contents of Si, Mn and Cr among the steel components, only SiMnN 2 is found in steel materials having [(Si + Mn) / Cr] of 2 or more. On the other hand, in a steel material having [(Si + Mn) / Cr] smaller than 2, CrN is generated. When these alloy nitrides are generated, the amount of alloy elements dissolved in the matrix is reduced in any case, so that an incompletely quenched structure is likely to be generated in the surface layer after quenching. As a result, the surface hardness becomes low and the surface is easily worn.

(b)浸炭窒化焼入れを施してその表層硬さが同等レベルになるようにした小型の試験片を用いて摩耗試験を行った後、各々のしゅう動部の表面粗さを測定した。その結果、表層硬さが同等レベルであっても、表層にMnSiN2が分散した鋼材の方が、表層にCrNが分散したSCr420系の鋼材よりも表面粗さが小さかった。 (B) A wear test was performed using a small test piece that was subjected to carbonitriding and quenching so that the hardness of the surface layer became the same level, and then the surface roughness of each sliding portion was measured. As a result, even when the surface hardness was an equivalent level, the surface roughness of the steel material in which MnSiN 2 was dispersed in the surface layer was smaller than that of the SCr420-based steel material in which CrN was dispersed in the surface layer.

(c)浸炭窒化層内に生成する合金窒化物の種類により、しゅう動後の表面粗さの低下具合が異なることから、浸炭窒化層内に生成する合金窒化物が、耐ピッチング性にも影響を及ぼすことが予想される。   (C) Depending on the type of alloy nitride produced in the carbonitriding layer, the degree of decrease in surface roughness after sliding varies, so the alloy nitride produced in the carbonitriding layer also affects the pitting resistance. Is expected to affect.

(d)上記(c)から、浸炭窒化層に生成する合金窒化物の種類を変えるために合金元素の含有量を種々変化させた鋼材を用いて浸炭窒化焼入れを施し、その表層硬さを同等レベルに揃えてピッチング強度を調査した。その結果、表層にCrNを生成せずにMnSiN2のみを生成したもの、つまり〔(Si+Mn)/Cr〕が2以上の場合に、CrNを生成したもの、すなわち〔(Si+Mn)/Cr〕が2より小さい場合に比べて高いピッチング強度が得られた。 (D) From the above (c), carbonitriding and quenching was performed using steel materials in which the content of the alloy element was changed in order to change the type of alloy nitride generated in the carbonitrided layer, and the surface hardness was equivalent. The pitching strength was investigated according to the level. As a result, when only MnSiN 2 was generated without generating CrN on the surface layer, that is, when [(Si + Mn) / Cr] was 2 or more, when CrN was generated, that is, [(Si + Mn) / Cr] was 2 A higher pitching strength was obtained compared to the smaller case.

(e)上記〔(Si+Mn)/Cr〕が2以上でMnSiN2のみを生成したもののうちでも、表面のオーステナイト量が30%以上、40%以下の場合に、一層高いピッチング強度が得られた。 (E) Even when the above [(Si + Mn) / Cr] was 2 or more and only MnSiN 2 was produced, a higher pitching strength was obtained when the surface austenite content was 30% or more and 40% or less.

(f)さらに、0.10%以下の微量Moを含有させることによって浸炭窒化層の焼入れ性を大きくしたり、Moが非添加であっても冷却条件を変更して焼入れ速度を大きくしたりすると、オーステナイト量の変化は小さくても、著しく高いピッチング強度が得られた。   (F) Furthermore, the hardenability of the carbonitriding layer is increased by containing a trace amount of Mo of 0.10% or less, or the quenching speed is increased by changing the cooling conditions even if Mo is not added. Even if the change in the amount of austenite is small, a remarkably high pitching strength was obtained.

なお、MnSiN2およびCrNは、表1に示す結晶構造と格子定数を有しているため、電子線回折図形を撮影し、これを解析することで各合金窒化物を同定することができる。 Since MnSiN 2 and CrN have the crystal structures and lattice constants shown in Table 1, each alloy nitride can be identified by photographing an electron diffraction pattern and analyzing it.

Figure 0005402711

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)に示す鋼製品および(4)に示す鋼製品の製造方法にある。
Figure 0005402711

This invention is completed based on said knowledge, The summary exists in the manufacturing method of the steel products shown to following (1)-(3), and (4).

(1)浸炭窒化層を有する鋼製品であって、生地の鋼材が、質量%で、C:0.10〜0.35%、Si:0.40〜1.00%、Mn:0.60〜1.50%、Cr:0.40〜0.80%、Al:0.01〜0.05%、S:0.05%以下およびN:0.0020〜0.0300%を含有し、下記の(1)式で表されるfnが2以上であって、残部がFeおよび不純物からなる化学組成を有し、浸炭窒化層表面から深さ50μmまでの領域において、分散する合金窒化物がMnSiN2のみであり、浸炭窒化層表面におけるオーステナイト量が体積率で30%以上、40%以下であることを特徴とする鋼製品。
fn=(Si+Mn)/Cr・・・(1)
ただし、(1)式中の元素記号は、その元素の生地の鋼材中における質量%での含有量を表す。
(1) Steel product having a carbonitriding layer, and the steel material of the material is mass%, C: 0.10 to 0.35%, Si: 0.40 to 1.00%, Mn: 0.60 -1.50%, Cr: 0.40-0.80%, Al: 0.01-0.05%, S: 0.05% or less and N: 0.0020-0.0300%, Fn represented by the following formula (1) is 2 or more, the remainder has a chemical composition composed of Fe and impurities, and the dispersed alloy nitride is in a region from the carbonitriding layer surface to a depth of 50 μm. A steel product comprising only MnSiN 2 and having an austenite amount on the surface of the carbonitriding layer of 30% to 40% by volume.
fn = (Si + Mn) / Cr (1)
However, the element symbol in the formula (1) represents the content in mass% in the steel material of the material of the element.

(2)生地の鋼材が、Feの一部に代えて、質量%で、Mo:0.10%以下を含有するものであることを特徴とする上記(1)に記載の鋼製品。   (2) The steel product as described in (1) above, wherein the steel material of the dough contains Mo: 0.10% or less in mass% instead of part of Fe.

(3)生地の鋼材が、Feの一部に代えて、質量%で、Ti:0.10%以下およびNb:0.080%以下のうちの1種以上を含有するものであることを特徴とする上記(1)または(2)に記載の鋼製品。   (3) The material of the steel material is one containing at least one of Ti: 0.10% or less and Nb: 0.080% or less in mass% instead of part of Fe. The steel product according to (1) or (2) above.

(4)上記(1)から(3)までのいずれかに記載の生地の鋼材の化学組成を有する鋼材に、下記〈1〉〜〈4〉の工程を順に施す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鋼製品の製造方法。
〈1〉900〜950℃の温度域で浸炭処理を行う。
〈2〉800〜900℃の温度域で、窒素ポテンシャルを0.2〜0.6%として浸炭窒化処理を行う。
〈3〉焼入れを行う。
〈4〉150℃超え250℃以下の温度域で焼戻す。
(4) The above-mentioned (1), wherein the following steps <1> to <4> are sequentially performed on a steel material having the chemical composition of the steel material of the fabric according to any one of (1) to (3) above. The manufacturing method of the steel product in any one of (3).
<1> Carburization is performed in a temperature range of 900 to 950 ° C.
<2> Carbonitriding is performed in a temperature range of 800 to 900 ° C. with a nitrogen potential of 0.2 to 0.6%.
<3> Perform quenching.
<4> Tempering in a temperature range of 150 ° C. to 250 ° C.

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.

MnSiN2は、表1に示す結晶構造と格子定数を有しているため、電子線回折図形を撮影し、これを解析することで同定することができる。 Since MnSiN 2 has the crystal structure and lattice constant shown in Table 1, it can be identified by photographing an electron diffraction pattern and analyzing it.

本発明の鋼製品は、優れた耐摩耗性と大きなピッチング強度を具備している。このため、燃費の向上に直結する車体の軽量化を実現するために、一層の小型化および高強度化が求められている自動車の変速機用の歯車などの動力伝達部品に用いることができる。しかも、本発明の鋼製品は、本発明の方法によって製造でき、また、高価な合金元素であるMoの含有量が低いか、あるいはMoが非添加という低廉な鋼を素材とするものであるため、従来の動力伝達部品に比べて製造コストの低減を実現することもできる。   The steel product of the present invention has excellent wear resistance and high pitching strength. For this reason, in order to realize the weight reduction of the vehicle body directly linked to the improvement of fuel consumption, it can be used for power transmission parts such as gears for automobile transmissions that are required to be further reduced in size and strength. In addition, the steel product of the present invention can be produced by the method of the present invention, and is made of an inexpensive steel with a low content of Mo, which is an expensive alloy element, or Mo is not added. Further, the manufacturing cost can be reduced as compared with the conventional power transmission component.

実施例で用いた鋼3を素材とし、浸炭窒化後に油焼入れしたままの試料の表面から深さ20μmの位置に存在するMnSiN2を抽出レプリカ法による透過電子顕微鏡で観察した写真を示す図である。なお、図中の黒色の斑点がMnSiN2である。Steel 3 used in Example and materials, is a diagram showing a photograph observed with a transmission electron microscope MnSiN 2 at the position of depth 20μm from the surface of the sample that remains oil quenching after carbonitriding by extraction replica method . Incidentally, it spots black in the figure are MnSiN 2. 本発明における「浸炭」工程、「浸炭窒化」工程および浸炭窒化後の「焼入れ」工程の一例を模式的に説明する図である。この図では、「焼入れ」工程を「油焼入」として例示した。図中の「Cp」と「Np」はそれぞれ、炭素ポテンシャルおよび窒素ポテンシャルを表す。It is a figure which illustrates typically an example of the "quenching" process after carbonitriding process, "carbonitriding" process, and carbonitriding in this invention. In this figure, the “quenching” step is illustrated as “oil quenching”. “Cp” and “Np” in the figure represent a carbon potential and a nitrogen potential, respectively. 実施例のローラーピッチング試験(二円筒転がり疲労試験)に用いた小ローラー試験片の形状を示す図である。なお、寸法の単位は「mm」である。It is a figure which shows the shape of the small roller test piece used for the roller pitching test (two-cylinder rolling fatigue test) of an Example. The unit of dimension is “mm”. 実施例のブロックオンリング摩耗試験に用いたブロック試験片の形状を示す図である。なお、寸法の単位は「mm」である。It is a figure which shows the shape of the block test piece used for the block on-ring abrasion test of an Example. The unit of dimension is “mm”. 実施例の窒素濃度測定のために用いた切り粉採取用試験片の形状を示す図である。なお、寸法の単位はmmである。It is a figure which shows the shape of the test piece for chip collection used for the nitrogen concentration measurement of an Example. The unit of dimension is mm. 実施例で行った「浸炭」工程、「浸炭窒化」工程、浸炭窒化後の「焼入れ」工程および焼入れ後の「焼戻し」工程の条件を模式的に説明する図である。図中の「Cp」と「Np」はそれぞれ、炭素ポテンシャルおよび窒素ポテンシャルを表す。なお、図では大気中での放冷を「AC」と表記した。It is a figure which illustrates typically the conditions of the "carburizing" process performed in the Example, the "carbonitriding" process, the "quenching" process after carbonitriding, and the "tempering" process after quenching. “Cp” and “Np” in the figure represent a carbon potential and a nitrogen potential, respectively. In the figure, the cooling in the atmosphere is expressed as “AC”. 実施例で実施したブロックオンリング摩耗試験の方法とブロック試験片の接触面に発生した摩耗部を模式的に説明する図である。It is a figure which illustrates typically the wear part which generate | occur | produced in the contact surface of the method of the block on-ring abrasion test implemented in the Example, and a block test piece.

本発明において、生地の鋼材の化学組成、ミクロ組織および製造条件を上述のように規定した理由について、以下に詳述する。なお、各成分元素の含有量の「%」は「質量%」を意味する。   In the present invention, the reason why the chemical composition, microstructure and manufacturing conditions of the steel material as defined above are defined as described above will be described in detail below. In addition, “%” of the content of each component element means “mass%”.

(A)生地の鋼材の化学組成
C:0.10〜0.35%
Cは、鋼材の強度を決定するのに最も重要な元素であり、生地の強度、すなわち浸炭窒化後の焼入れで硬化されない芯部の強度を確保するために、0.10%以上含有させる必要がある。一方、その含有量が0.35%を超えると、芯部の靱性が低下したり、被削性が低下したりする。したがって、Cの含有量を0.10〜0.35%とした。なお、Cの含有量は0.15%以上、0.30%以下であることが望ましい。
(A) Chemical composition of the steel material C: 0.10 to 0.35%
C is the most important element for determining the strength of the steel material, and in order to ensure the strength of the dough, that is, the strength of the core portion that is not hardened by quenching after carbonitriding, it is necessary to contain 0.10% or more. is there. On the other hand, when the content exceeds 0.35%, the toughness of the core part is lowered or the machinability is lowered. Therefore, the content of C is set to 0.10 to 0.35%. The C content is preferably 0.15% or more and 0.30% or less.

Si:0.40〜1.00%
Siは、オーステナイトのパーライトへの変態を抑制する作用があるとともに、固溶強化元素として芯部強度の増大にも寄与する元素である。Siには、マルテンサイトを焼戻しする際に、セメンタイトの析出を抑制して焼戻し軟化抵抗を上昇させる効果もある。さらに、Siには、浸炭窒化処理の際に、Mnや侵入する窒素と結合して、MnSiN2を生成し、しゅう動中の表面粗さを低減してピッチング強度を向上させる作用もある。これらの効果は、Siの含有量が0.40%以上で得られる。しかしながら、Siの含有量が多くなると、浸炭速度の低下や延性の低下を招き、特に、Siの含有量が1.00%を超えると、熱間加工性が劣化するとともに浸炭速度が著しく低下する。したがって、Siの含有量を0.40〜1.00%とした。なお、Siの含有量は0.50%以上、0.90%以下であることが望ましい。
Si: 0.40 to 1.00%
Si is an element that has an effect of suppressing transformation of austenite to pearlite and contributes to an increase in core strength as a solid solution strengthening element. Si also has the effect of suppressing cementite precipitation and increasing temper softening resistance when tempering martensite. Further, Si has an action of combining Mn and invading nitrogen during carbonitriding to produce MnSiN 2 and reducing the surface roughness during sliding to improve the pitching strength. These effects are obtained when the Si content is 0.40% or more. However, when the Si content increases, the carburization rate and ductility decrease. In particular, when the Si content exceeds 1.00%, the hot workability deteriorates and the carburization rate significantly decreases. . Therefore, the Si content is set to 0.40 to 1.00%. The Si content is desirably 0.50% or more and 0.90% or less.

Mn:0.60〜1.50%
Mnは、オーステナイト安定化元素で、オーステナイト中のCの活量を下げて、浸炭を促進する元素である。また、Mnは、SとともにMnSを形成して、被削性を高める作用もある。Mnには、浸炭窒化処理の際に、Siおよび侵入する窒素と結合して、MnSiN2を生成し、しゅう動中の表面粗さを低減してピッチング強度を向上させる作用もある。これらの効果を得るためには、0.60%以上のMn含有量が必要である。しかしながら、Mnを1.50%を超えて含有させてもその効果は飽和してコストが嵩むし、浸炭窒化時に生成するMnSiN2のサイズが大きくなりすぎて、ピッチング強度が低下することさえある。したがって、Mnの含有量を0.60〜1.50%とした。なお、Mnの含有量は0.70%以上、1.40%以下であることが望ましい。
Mn: 0.60 to 1.50%
Mn is an austenite stabilizing element that lowers the activity of C in austenite and promotes carburization. Mn also forms MnS together with S and has an effect of improving machinability. Mn combines with Si and invading nitrogen during carbonitriding to produce MnSiN 2 , and has the effect of reducing the surface roughness during sliding and improving the pitching strength. In order to obtain these effects, a Mn content of 0.60% or more is necessary. However, even if Mn is contained in an amount exceeding 1.50%, the effect is saturated and the cost increases, and the size of MnSiN 2 produced during carbonitriding becomes too large, and the pitching strength may even decrease. Therefore, the content of Mn is set to 0.60 to 1.50%. The Mn content is preferably 0.70% or more and 1.40% or less.

Cr:0.40〜0.80%
Crは、炭素および窒素との親和力が大きく、浸炭窒化時のオーステナイト中のCおよびNの活量を下げて、浸炭窒化を促進する効果がある。また、Crには、芯部の焼入れ性を上昇し、焼入れ後の芯部硬さを増大させる効果もある。これらの効果は、Crの含有量が0.40%以上で得られる。しかしながら、Crの含有量が多くなると、粒界および粒内に粗大なCrNを生成して粒界近傍のCrが欠乏する結果、部材の表層に不完全焼入れ組織が生成しやすくなって、しゅう動中の表面粗さが大きくなりピッチング強度の劣化をきたす。特に、Crの含有量が0.8%を超えると、部材の表層においてCrNを生成しやすく、ピッチング強度および耐摩耗性の低下が著しくなる。したがって、Crの含有量を0.40〜0.80%とした。なお、Crの含有量は0.50%以上、0.70%以下であることが望ましい。
Cr: 0.40 to 0.80%
Cr has a large affinity with carbon and nitrogen, and has an effect of promoting carbonitriding by lowering the activities of C and N in austenite during carbonitriding. Cr also has the effect of increasing the hardenability of the core and increasing the hardness of the core after quenching. These effects are obtained when the Cr content is 0.40% or more. However, when the Cr content increases, coarse CrN is generated in the grain boundaries and grains, and Cr near the grain boundaries is deficient. As a result, an incompletely hardened structure is easily generated in the surface layer of the member, and the sliding is caused. The surface roughness inside increases and the pitching strength deteriorates. In particular, when the Cr content exceeds 0.8%, CrN is likely to be generated in the surface layer of the member, and the pitching strength and wear resistance are significantly reduced. Therefore, the Cr content is set to 0.40 to 0.80%. The Cr content is desirably 0.50% or more and 0.70% or less.

Al:0.01〜0.05%
Alは、鋼中でNと結合することで微細な窒化物を形成し、結晶粒を微細化する効果を有する。しかしながら、Alの含有量が0.01%未満では効果に乏しい。一方、Alの含有量が過剰になって、特に0.05%を超えると、AlNが粗大となるため前記の結晶粒微細化効果が低下してしまう。したがって、Alの含有量を0.01〜0.05%とした。
Al: 0.01 to 0.05%
Al has the effect of forming fine nitrides by bonding with N in the steel and making the crystal grains finer. However, the effect is poor when the Al content is less than 0.01%. On the other hand, if the content of Al becomes excessive, especially exceeding 0.05%, AlN becomes coarse and the above-mentioned crystal grain refining effect is lowered. Therefore, the Al content is set to 0.01 to 0.05%.

S:0.05%以下
Sは、不純物として含有される元素である。また、MnとともにMnSを形成して被削性を高める元素である。この効果を得る場合には、Sの含有量は0.01%以上とすることが望ましい。一方、Sの含有量が過剰になって、特に、0.05%を超えると、熱間延性が低下して鍛造時に割れが発生しやすくなる。したがって、Sの含有量を0.05%以下とした。なお、Sの含有量は0.03%以下であることが望ましい。
S: 0.05% or less S is an element contained as an impurity. Moreover, it is an element which forms MnS with Mn and improves machinability. In order to obtain this effect, the S content is desirably 0.01% or more. On the other hand, when the content of S becomes excessive, especially when it exceeds 0.05%, the hot ductility is lowered and cracking is likely to occur during forging. Therefore, the S content is 0.05% or less. The S content is preferably 0.03% or less.

N:0.0020〜0.0300%
Nは、鋼中でAl、Nb、TiおよびCと結合することで微細な窒化物および/または炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化する効果を有する。この効果を得るために、Nの含有量は0.0020%以上とする。一方、N含有量が過剰になると、上記の効果が飽和するばかりでなく、窒化物および/または炭窒化物が粗大となり熱間鍛造性の低下をきたすことがある。したがって、Nの含有量を0.0020〜0.0300%とした。なお、Nの含有量は、0.0100%以上、0.0250%以下であることが望ましい。
N: 0.0020 to 0.0300%
N combines with Al, Nb, Ti, and C in steel to form fine nitrides and / or carbonitrides, and has the effect of refining crystal grains. In order to obtain this effect, the N content is set to 0.0020% or more. On the other hand, when the N content is excessive, not only the above effects are saturated, but also nitrides and / or carbonitrides become coarse, which may cause a decrease in hot forgeability. Therefore, the N content is set to 0.0020 to 0.0300%. The N content is preferably 0.0100% or more and 0.0250% or less.

fn:2以上
Si、MnおよびCrは、浸炭窒化層に形成される合金窒化物に影響を及ぼす元素であって、それぞれの含有量が適正な範囲にあり、しかも、前記の(1)式で表されるfn、つまり、〔(Si+Mn)/Cr〕が2以上であることが必要である。
fn: 2 or more Si, Mn, and Cr are elements that affect the alloy nitride formed in the carbonitrided layer, each content is in an appropriate range, and in the above formula (1) The expressed fn, that is, [(Si + Mn) / Cr] needs to be 2 or more.

前記の(1)式で表されるfnが2以上の場合、浸炭窒化によって表層に生じる合金窒化物はSiMnN2のみであるのに対して、fnが2未満の場合にはSiMnN2に加えてCrNが生成したり、場合によってはCrNのみが生成したりする。 When fn represented by the above formula (1) is 2 or more, the alloy nitride generated in the surface layer by carbonitriding is only SiMnN 2 , whereas when fn is less than 2 , in addition to SiMnN 2 CrN is generated or, in some cases, only CrN is generated.

表層硬さが同等レベルの場合、表層にMnSiN2のみが分散した場合の方が、表層にCrNが分散した場合よりもしゅう動部の表面粗さが小さくなって「なじみ性」が良好になるので、しゅう動部の一部に過剰な面圧上昇が生じることが抑止され、このため、高いピッチング強度が得られる。したがって、fnが2以上であることが必要である。 When the surface hardness is the same level, the surface roughness of the sliding portion is smaller and the “familiarity” is better when only MnSiN 2 is dispersed in the surface layer than when CrN is dispersed in the surface layer. Therefore, it is possible to suppress an excessive increase in the surface pressure in a part of the sliding portion, and thus high pitching strength can be obtained. Therefore, fn needs to be 2 or more.

なお、fnは、2.3以上であることが望ましい。fnは、SiおよびMnの含有量がそれぞれ、1.00%と1.50%で、Crの含有量が0.40%の6.25であっても構わないが、高すぎるとその効果が飽和するため、4.0以下であることが望ましい。
本発明に係る鋼製品の生地の鋼材の化学組成の一つは、上記元素のほか、残部がFeと不純物からなるものである。
Note that fn is preferably 2.3 or more. fn may be 6.25 with Si and Mn contents of 1.00% and 1.50% and Cr content of 0.40%, respectively, but if it is too high, its effect will be In order to saturate, 4.0 or less is desirable.
One of the chemical compositions of the steel material of the steel product according to the present invention is that the balance is composed of Fe and impurities in addition to the above elements.

本発明に係る鋼製品の生地の鋼材の化学組成の別の一つは、Feの一部に代えて、Mo、TiおよびNb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。   Another chemical composition of the steel material of the steel product dough according to the present invention contains one or more elements selected from Mo, Ti and Nb instead of a part of Fe.

以下、任意元素である上記Mo、TiおよびNb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 Mo, Ti, and Nb, which are optional elements, and the reason for limiting the content will be described.

Mo:0.10%以下
Moは、部材の表層における不完全焼入れ組織および/または粒界酸化による異常層の生成を抑制することで、表層硬さを増大させ、ピッチング強度を向上させる効果を有する。これらの効果を得るためにMoを含有してもよい。しかしながら、Moの含有量が0.10%を超えると、素材コストが嵩むばかりか、被削性の低下が著しくなる。したがって、含有させる場合のMoの量を0.10%以下とした。なお、含有させる場合のMo量は0.02%以上、0.08%以下の範囲であることが望ましい。
Mo: 0.10% or less Mo has an effect of increasing the surface hardness and improving the pitching strength by suppressing the formation of an abnormal layer due to incompletely quenched structure and / or grain boundary oxidation in the surface layer of the member. . In order to obtain these effects, Mo may be contained. However, if the Mo content exceeds 0.10%, not only the material cost increases, but also the machinability deteriorates remarkably. Therefore, the amount of Mo in the case of inclusion is set to 0.10% or less. In addition, when Mo is included, the Mo amount is desirably in the range of 0.02% to 0.08%.

TiおよびNbは、いずれも、結晶粒を微細化して曲げ疲労強度およびピッチング強度を高める作用を有する。このため、上記の効果を得たい場合には、これらの元素を含有させてもよい。以下、上記のTiおよびNbについて説明する。   Both Ti and Nb have the effect of refining crystal grains to increase bending fatigue strength and pitching strength. For this reason, when it is desired to obtain the above effect, these elements may be contained. Hereinafter, Ti and Nb will be described.

Ti:0.10%以下
Tiは、CおよびNと結合して炭化物、窒化物、炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化して曲げ疲労強度およびピッチング強度を向上させる効果を有するので、これらの効果を得るためにTiを含有してもよい。しかしながら、Tiの含有量が多くなって、0.10%を超えると、粗大なTi窒化物が生成しやすくなり、かえって曲げ疲労強度が低下する。したがって、含有させる場合のTiの量を0.10%以下とした。なお、含有させる場合のTiの量は0.06%以下であることが望ましい。
Ti: 0.10% or less Ti combines with C and N to form carbides, nitrides, carbonitrides, and refines crystal grains to improve bending fatigue strength and pitching strength. In order to obtain the above effect, Ti may be contained. However, if the Ti content increases and exceeds 0.10%, coarse Ti nitrides are likely to be generated, and the bending fatigue strength is lowered. Therefore, when Ti is included, the amount of Ti is set to 0.10% or less. In addition, when Ti is included, the amount of Ti is desirably 0.06% or less.

一方、前記したTiの特性向上効果を確実に得るためには、含有させる場合のTiの量は、0.01%以上であることが望ましく、0.02%以上であれば一層望ましい。   On the other hand, in order to reliably obtain the above-described effect of improving the characteristics of Ti, the amount of Ti when contained is preferably 0.01% or more, and more preferably 0.02% or more.

Nb:0.080%以下
Nbは、CおよびNと結合して炭化物、窒化物、炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化して曲げ疲労強度およびピッチング強度を向上させる効果を有するので、こうした効果を得るためにNbを含有してもよい。しかしながら、Nbの含有量が多くなって、0.080%を超えると、粗大なNb炭窒化物が生成しやすくなり、かえって曲げ疲労強度が低下する。したがって、含有させる場合のNbの量を0.080%以下とした。なお、含有させる場合のNbの量は0.05%以下であることが望ましい。
Nb: 0.080% or less Nb combines with C and N to form carbides, nitrides, carbonitrides, and has the effect of refining crystal grains to improve bending fatigue strength and pitching strength. In order to obtain the effect, Nb may be contained. However, if the Nb content increases and exceeds 0.080%, coarse Nb carbonitrides are likely to be generated, and the bending fatigue strength is lowered. Therefore, the amount of Nb in the case of inclusion is set to 0.080% or less. When Nb is included, the Nb content is desirably 0.05% 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、含有させる場合のNbの量は、0.010%以上であることが望ましく、0.020%以上であれば一層望ましい。   On the other hand, in order to reliably obtain the above-described effect of improving the characteristics of Nb, the amount of Nb when contained is preferably 0.010% or more, and more preferably 0.020% or more.

なお、上記のTiおよびNb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。これらの元素の合計含有量は0.180%であっても構わないが、0.150%以下であることが好ましい。   In addition, said Ti and Nb can be contained only in any 1 type of them, or 2 types of composites. The total content of these elements may be 0.180%, but is preferably 0.150% or less.

なお、本発明に係る鋼製品の生地の鋼材の化学組成における不純物については、特に、Pの含有量を0.05%以下に制限することが望ましく、0.03%以下に制限すれば一層望ましい。   In addition, about the impurity in the chemical composition of the steel material of the base material of the steel product according to the present invention, it is particularly desirable to limit the P content to 0.05% or less, and it is more desirable to limit it to 0.03% or less. .

(B)ミクロ組織
本発明の鋼製品は、浸炭窒化層表面から深さ50μmまでの領域において、分散する合金窒化物がMnSiN2のみであり、かつ浸炭窒化層表面におけるオーステナイト量が体積率で30%以上、40%以下でなければならない。なお、上記の「合金窒化物」中には「鉄が含有される窒化物」を含まない。
(B) Microstructure In the steel product of the present invention, in the region from the carbonitriding layer surface to a depth of 50 μm, the alloy nitride to be dispersed is only MnSiN 2 , and the austenite amount on the carbonitriding layer surface is 30 by volume. % Or more and 40% or less. The “alloy nitride” does not include “iron-containing nitride”.

以下、ミクロ組織について詳細に説明する。   Hereinafter, the microstructure will be described in detail.

<MnSiN2の分散>
浸炭窒化を施された鋼材には、浸炭窒化後の焼入れで硬化層となる表層部、つまり、浸炭窒化層に、合金窒化物であるMnSiN2および/またはCrNの粒子が析出・分散する。これらの合金窒化物は浸炭窒化後に焼入れしても、また、その焼入れ後さらに焼戻しを行っても変化しない。このため、浸炭窒化部材の表層硬さが増大して、耐摩耗性が向上するとともにピッチング強度も高くなることが期待される。
<Dispersion of MnSiN 2 >
In the steel material subjected to carbonitriding, particles of MnSiN 2 and / or CrN, which are alloy nitrides, are precipitated and dispersed in the surface layer portion that becomes a hardened layer by quenching after carbonitriding, that is, the carbonitriding layer. Even if these alloy nitrides are quenched after carbonitriding and are further tempered after the quenching, they do not change. For this reason, it is expected that the surface hardness of the carbonitrided member is increased to improve the wear resistance and the pitching strength.

しかしながら、合金窒化物の析出には部材表層の固溶合金元素量の減少を伴うため、表層部の焼入れ性が低下することもある。したがって、合金窒化物を利用するためには、目的とする強度を向上できる合金窒化物粒子を選択する必要がある。   However, precipitation of the alloy nitride is accompanied by a decrease in the amount of the solid solution alloy element in the member surface layer, so that the hardenability of the surface layer portion may be lowered. Therefore, in order to use alloy nitride, it is necessary to select alloy nitride particles that can improve the intended strength.

前記(A)項で述べた化学組成を有する鋼材の場合には、既に述べたように、浸炭窒化によって表層にMnSiN2が生成し、表層硬さが同等レベルの場合、表層にMnSiN2のみが分散した場合の方が、表層にCrNが分散した場合よりもしゅう動部の表面粗さが小さくなって「なじみ性」が良好になるので、しゅう動部の一部に過剰な面圧上昇が生じることが抑止され、このため、高いピッチング強度が得られる。 In the case of the steel material having the chemical composition described in the section (A), as already described, MnSiN 2 is generated on the surface layer by carbonitriding, and when the surface hardness is an equivalent level, only MnSiN 2 is present on the surface layer. In the case of dispersion, the surface roughness of the sliding part becomes smaller and the “fitability” becomes better than in the case where CrN is dispersed on the surface layer, so that an excessive increase in surface pressure occurs in a part of the sliding part. Occurrence is suppressed, and thus high pitching strength is obtained.

しゅう動部の表面粗さが小さくなって「なじみ性」が良好になるには、浸炭窒化層表面から深さ50μmまでの領域においてMnSiN2のみが分散しておれば足りる。このため、本発明の鋼製品は、浸炭窒化層表面から深さ50μmまでの領域において、MnSiN2のみが分散しているものとした。 Only MnSiN 2 needs to be dispersed in the region from the surface of the carbonitriding layer to a depth of 50 μm in order to reduce the surface roughness of the sliding portion and improve the “fitability”. For this reason, in the steel product of the present invention, only MnSiN 2 was dispersed in the region from the carbonitrided layer surface to a depth of 50 μm.

浸炭窒化層表面から深さ50μmを超える領域においてMnSiN2のみが分散していても、しゅう動部の表面粗さが小さくなって「なじみ性」が良好になることに変わりはない。しかしながら、MnSiN2を浸炭窒化層表面から深い領域にまで分散させるには浸窒に長時間を要するので生産性の低下をきたし、さらに、エネルギーコストの増大を招いてしまう。 Even if only MnSiN 2 is dispersed in a region exceeding the depth of 50 μm from the surface of the carbonitrided layer, the surface roughness of the sliding portion is reduced and the “familiarity” is improved. However, it takes a long time for nitriding to disperse MnSiN 2 from the surface of the carbonitriding layer to a deep region, resulting in a decrease in productivity and an increase in energy cost.

なお、上記浸炭窒化層表面から深さ50μmまでの領域において分散するMnSiN2は、円相当直径が数十〜数百nm、特に、50〜300nmであることが好ましい。このMnSiN2は、例えば、抽出レプリカにより薄膜試料を作製して透過電子顕微鏡(以下、「TEM」という。)で観察し、そのサイズを確認することができる。また、このMnSiN2を含む領域から電子線回折図形を撮影し、その回折パターンを解析して結晶構造と格子定数を求めることで、MnSiN2であることを同定することができる。 The MnSiN 2 dispersed in the region from the carbonitrided layer surface to a depth of 50 μm preferably has an equivalent circle diameter of several tens to several hundreds of nm, particularly 50 to 300 nm. The MnSiN 2 can be confirmed by, for example, preparing a thin film sample with an extraction replica and observing it with a transmission electron microscope (hereinafter referred to as “TEM”) to confirm its size. Further, the MnSiN 2 determined by taking an electron beam diffraction pattern from a region containing, by obtaining the crystal structure and lattice constant analyzes the diffraction pattern can be identified as the MnSiN 2.

図1に、浸炭窒化層表面から深さ50μmまでの領域に分散するMnSiN2の一例として、後述の実施例に示す鋼3を用いた場合を示した。この図1は、抽出レプリカ法により採取した試料をTEM観察した写真で、浸炭窒化後に油焼入れしたままの試料の表面から深さ20μmの位置に存在するMnSiN2を示している。なお、図中の黒色の斑点がMnSiN2である。 1, as an example of MnSiN 2 dispersed in the region to a depth of 50μm from the carbonitrided layer surface, showing a case of using the steel 3 shown in the examples below. FIG. 1 is a photograph obtained by TEM observation of a sample collected by the extraction replica method, and shows MnSiN 2 existing at a depth of 20 μm from the surface of the sample as it is oil-quenched after carbonitriding. Incidentally, it spots black in the figure are MnSiN 2.

<オーステナイト>
前記(A)項で述べた化学組成を有する鋼材は、浸炭窒化層表面から深さ50μmまでの領域において、分散する合金窒化物がMnSiN2のみであり、しかも、浸炭窒化層表面におけるオーステナイト量が体積率で30%以上、40%以下の場合に、一層高いピッチング強度が得られる。
<Austenite>
In the steel material having the chemical composition described in the section (A), the alloy nitride to be dispersed is only MnSiN 2 in the region from the surface of the carbonitriding layer to a depth of 50 μm, and the amount of austenite on the surface of the carbonitriding layer is small. When the volume ratio is 30% or more and 40% or less, higher pitching strength can be obtained.

この理由は、以下の様に解釈できる。すなわち、浸炭窒化焼入れの場合は表層に炭素と窒素が固溶し、Ms点が低下しているため、浸炭焼入れの場合よりもオーステナイト量が多くなりやすい。この窒素を含むオーステナイトは、摩擦熱による表面温度の上昇や高面圧の負荷が繰返されることにより、オーステナイトが「加工」されながら「ベイナイト変態」する、いわゆるオースフォームと類似した状況になる。この結果、相手面との接触で生じる片当たりを抑制するように表面がなじみながら、しかも硬さも増大するという効果が得られる。   This reason can be interpreted as follows. That is, in the case of carbonitriding and quenching, carbon and nitrogen are dissolved in the surface layer and the Ms point is lowered, so that the amount of austenite tends to be larger than in the case of carburizing and quenching. This nitrogen-containing austenite is similar to a so-called ausfoam in which austenite undergoes “bainite transformation” while being “processed” by repeated increases in surface temperature and high surface pressure due to frictional heat. As a result, it is possible to obtain an effect of increasing the hardness while adapting the surface so as to suppress the piece contact caused by the contact with the mating surface.

しかしながら、オーステナイトの量が少ない場合には、いわゆる「なじみ」は、表層のマルテンサイト組織の塑性変形や不完全焼入れ組織の塑性変形によって生じると考えられる。さらに表層では摩擦熱による表面温度の上昇も生じるため、「なじみ」が進んだ表層ではマルテンサイト組織の回復や不完全焼入れ組織の焼戻しなどの組織変化が生じると考えられる。そして、このような組織変化が生じた部位では部分的に硬さが低下するため、ピッチング損傷の起点となりやすいと考えられる。また、オーステナイトの量が多い場合には、摩擦熱による昇温や繰り返される面圧で十分に変態できないオーステナイトが存在するため、オーステナイトと変態組織との界面を起点としてピッチング損傷が生じると考えられる。このため、浸炭窒化焼入れで生じるオーステナイトの量には最適値が存在すると解釈できる。   However, when the amount of austenite is small, so-called “familiarity” is considered to be caused by plastic deformation of the martensitic structure of the surface layer or plastic deformation of the incompletely quenched structure. Furthermore, since the surface temperature rises due to frictional heat in the surface layer, it is considered that the surface layer with advanced “familiarity” causes structural changes such as recovery of the martensite structure and tempering of the incompletely quenched structure. And it is thought that it becomes easy to become a starting point of a pitching damage since hardness falls partially in the site | part in which such a structure | tissue change arose. In addition, when the amount of austenite is large, there is austenite that cannot be sufficiently transformed by temperature rise due to frictional heat or repeated surface pressure. Therefore, it is considered that pitching damage occurs starting from the interface between austenite and the transformed structure. For this reason, it can be interpreted that there is an optimum value for the amount of austenite generated by carbonitriding and quenching.

なお、この(B)項で述べたミクロ組織は、前記(A)項で述べた化学組成を有する鋼材の場合には、例えば、次の(C)項で述べる条件の熱処理を施すことによって得ることができる。   In the case of a steel material having the chemical composition described in the item (A), the microstructure described in the item (B) is obtained, for example, by performing a heat treatment under the conditions described in the following item (C). be able to.

(C)製造条件
本発明の製造条件としての熱処理は、
〈1〉900〜950℃の温度域で浸炭処理を行う。
〈2〉800〜900℃の温度域で、窒素ポテンシャルを0.2〜0.6%として浸炭窒化処理を行う。
〈3〉焼入れを行う。
〈4〉150℃超え250℃以下の温度域で焼戻す。
という〈1〉〜〈4〉の工程を順に施すものである。
(C) Manufacturing conditions The heat treatment as the manufacturing conditions of the present invention is:
<1> Carburization is performed in a temperature range of 900 to 950 ° C.
<2> Carbonitriding is performed in a temperature range of 800 to 900 ° C. with a nitrogen potential of 0.2 to 0.6%.
<3> Perform quenching.
<4> Tempering in a temperature range of 150 ° C. to 250 ° C.
The steps <1> to <4> are sequentially performed.

すなわち、本発明の製造条件としての熱処理は、900〜950℃の浸炭性雰囲気に保持する「浸炭」工程、この浸炭に続いて、温度を800〜900℃に低下させ、浸炭性雰囲気を維持したまま、例えば、アンモニアガスなどを混合して浸窒性も合わせ持たせた、窒素ポテンシャルが0.2〜0.6%の雰囲気に保持する「浸炭窒化」工程、浸炭窒化後の「焼入れ」工程および150℃を超えて250℃以下の温度範囲での「焼戻し」工程からなるものである。   That is, the heat treatment as a production condition of the present invention is a “carburizing” step of maintaining a carburizing atmosphere at 900 to 950 ° C., and subsequently to the carburizing, the temperature is lowered to 800 to 900 ° C. to maintain the carburizing atmosphere. For example, the “carbonitriding” process in which the atmosphere is mixed with ammonia gas and the like and has a nitriding property, and the nitrogen potential is maintained in an atmosphere of 0.2 to 0.6%, and the “quenching” process after carbonitriding And a “tempering” step in a temperature range of more than 150 ° C. and not more than 250 ° C.

雰囲気の浸炭能力および浸窒能力はそれぞれ、炭素ポテンシャルおよび窒素ポテンシャルとして定義される。すなわち、特定の雰囲気温度で、その雰囲気と平衡に達したときの処理部材の表面の炭素濃度および窒素濃度で表される。処理部材の表面から深さ方向への炭素濃度プロファイルおよび窒素濃度プロファイルは、炭素ポテンシャル、窒素ポテンシャル、処理温度および処理時間によって決定される。ただし、本発明においては、後述の実施例のように、特定の雰囲気温度で、その雰囲気と平衡に達したときの処理部材の最表面から50μmの位置までの窒素の平均濃度を「窒素ポテンシャル」ということにする。これは、処理部材として直径26mmで長さ100mmの棒状試料の外周曲面部を、最表面から半径方向に沿って中心に向かって深さ50μm削り取った時の切り粉を化学分析して、窒素濃度を求め、これを「表面窒素濃度」として定義したためである。   The carburizing ability and nitriding ability of the atmosphere are defined as carbon potential and nitrogen potential, respectively. That is, it is represented by the carbon concentration and the nitrogen concentration on the surface of the processing member when equilibrium is reached with the atmosphere at a specific atmospheric temperature. The carbon concentration profile and the nitrogen concentration profile in the depth direction from the surface of the processing member are determined by the carbon potential, the nitrogen potential, the processing temperature, and the processing time. However, in the present invention, the average concentration of nitrogen from the outermost surface of the processing member to the position of 50 μm when reaching an equilibrium with the atmosphere at a specific atmosphere temperature as in the examples described later is “nitrogen potential”. I will say. This is a chemical analysis of the cutting powder when the outer peripheral curved surface portion of a rod-shaped sample having a diameter of 26 mm and a length of 100 mm as a processing member is cut from the outermost surface toward the center along the radial direction by a depth of 50 μm. This is because this was defined as “surface nitrogen concentration”.

図2に、本発明における「浸炭」工程、「浸炭窒化」工程および浸炭窒化後の「焼入れ」工程の一例を模式的に示す。なお、この図では、「焼入れ」工程を「油焼入」として例示した。図中の「Cp」と「Np」はそれぞれ、炭素ポテンシャルおよび窒素ポテンシャルを表す。   FIG. 2 schematically shows an example of the “carburizing” step, “carbonitriding” step, and “quenching” step after carbonitriding in the present invention. In this figure, the “quenching” step is illustrated as “oil quenching”. “Cp” and “Np” in the figure represent a carbon potential and a nitrogen potential, respectively.

なお、炭素ポテンシャルは、必ずしも図2に示すような状態に保つ、つまり、浸炭および浸炭窒化の両工程において一定の状態に保つ必要はない。目標とする表面炭素濃度、必要浸炭深さおよび効率的な操業の観点から、適宜変化させて構わない。   Note that the carbon potential is not necessarily maintained in the state shown in FIG. 2, that is, it is not necessary to maintain a constant state in both the carburizing and carbonitriding processes. From the viewpoint of target surface carbon concentration, required carburization depth, and efficient operation, it may be appropriately changed.

例えば、浸炭工程での炭素ポテンシャルを、浸炭窒化部材の目標表面炭素濃度よりも高目に設定し、次の浸炭窒化工程に移行した際に炭素ポテンシャルを目標の表面炭素濃度に下げることによって、浸炭と浸炭窒化の合計処理時間を短縮することが可能である。   For example, by setting the carbon potential in the carburizing process higher than the target surface carbon concentration of the carbonitriding member and lowering the carbon potential to the target surface carbon concentration when moving to the next carbonitriding process, And the total processing time of carbonitriding can be shortened.

〈1〉の工程である「浸炭」工程には、例えば、ブタン、プロパンなど炭化水素ガスを空気と混合して変成したCO、H2およびN2の混合ガスである吸熱性ガス(このガスは通常「RXガス」と称される。)に、ブタン、プロパンなどいわゆる「エンリッチガス」と称されるガスを添加した雰囲気を用いて浸炭する「ガス浸炭」が適用できる。この「浸炭」工程における処理温度、つまり、浸炭雰囲気に保持する温度は、900〜950℃とする。これは、上記温度が950℃を上回れば、結晶粒の粗大化が起こりやすくなって焼入れ後の強度の低下を招きやすくなり、また、900℃を下回れば、十分な硬化層深さが得られにくくなるからである。上記温度に保持する時間は所望の硬化層深さの大きさに依存するが、例えば、2〜15時間程度とすればよい。上記の炭素ポテンシャルはもっぱら、エンリッチガスの添加量で制御することができる。 In the “carburizing” process, which is the process of <1>, for example, an endothermic gas (this gas is a mixed gas of CO, H 2 and N 2 , which is modified by mixing hydrocarbon gas such as butane and propane with air) “Gas carburizing”, in which carburizing is performed using an atmosphere to which a so-called “enriched gas” such as butane or propane is added, is usually applied. The processing temperature in this “carburizing” step, that is, the temperature maintained in the carburizing atmosphere is set to 900 to 950 ° C. This is because if the temperature is higher than 950 ° C., the crystal grains are likely to be coarsened and the strength after quenching is likely to be lowered. If the temperature is lower than 900 ° C., a sufficient hardened layer depth can be obtained. This is because it becomes difficult. The time for maintaining the temperature depends on the desired depth of the hardened layer, but may be, for example, about 2 to 15 hours. The above carbon potential can be controlled exclusively by the amount of enriched gas added.

〈1〉の工程としての「浸炭」工程に続く〈2〉の工程である「浸炭窒化」工程は、温度が800〜900℃で、窒素ポテンシャルが0.2〜0.6%の浸炭窒化雰囲気で行う。   The “carbonitriding” step which is the step <2> following the “carburizing” step as the step <1> is a carbonitriding atmosphere at a temperature of 800 to 900 ° C. and a nitrogen potential of 0.2 to 0.6%. To do.

これは、従来の一般的な「浸炭窒化」工程よりも約50℃高く、オーステナイトへの窒素の溶解度が小さくなる800〜900℃の温度で、窒素ポテンシャルを0.2%以上として浸炭窒化を施すことによって、合金窒化物として、円相当直径が50〜300nmという好ましいサイズのMnSiN2のみを析出・分散させることができるからである。また、窒素ポテンシャルを0.2%以上として浸炭窒化を施すことによって、オーステナイトが安定化され、前述した量のオーステナイトが得られやすくなる。窒素ポテンシャルが0.2%未満であれば、円相当直径が50〜300nmという好ましいサイズで、合金窒化物であるMnSiN2を析出・分散させることができないだけでなく、オーステナイトとマルテンサイト以外の不完全焼入れ組織が生ずる場合がある。ただし、窒素ポテンシャルが高すぎて、特に、0.6%を超えると、上記のMnSiN2が粗大化しやすくなって、その円相当直径は300nmを超えてしまい、MnSiN2を起点とした破壊が生じやすくなりピッチング強度が低下する場合がある。このため、上記温度域における窒素ポテンシャルは0.6%以下とする。 This is carbonitriding with a nitrogen potential of 0.2% or more at a temperature of 800 to 900 ° C., which is about 50 ° C. higher than the conventional general “carbonitriding” step, and the solubility of nitrogen in austenite is reduced. This is because only MnSiN 2 having a preferred circle equivalent diameter of 50 to 300 nm can be precipitated and dispersed as the alloy nitride. In addition, by performing carbonitriding with a nitrogen potential of 0.2% or more, austenite is stabilized, and the above-mentioned amount of austenite is easily obtained. If nitrogen potential is less than 0.2%, with a preferred size of a circle equivalent diameter 50 to 300 nm, not only can not be precipitated and dispersed MnSiN 2 is an alloy nitride, other than austenite and martensite non A fully quenched structure may occur. However, if the nitrogen potential is too high, especially exceeding 0.6%, the above MnSiN 2 is likely to be coarsened, and the equivalent circle diameter exceeds 300 nm, resulting in destruction starting from MnSiN 2. It may become easy and pitching intensity may fall. For this reason, the nitrogen potential in the said temperature range shall be 0.6% or less.

なお、〈2〉の工程である上記の「浸炭窒化」工程は、例えば、浸炭工程のガス雰囲気のまま、炉内温度を浸炭窒化する温度である800〜900℃まで低下させた後、アンモニアガスを添加して行えばよい。この際の窒素ポテンシャルは、アンモニアガスの添加量で制御することができる。なお、上記浸炭窒化雰囲気に保持する時間は数時間、例えば、1〜2時間とすればよい。   The above-mentioned “carbonitriding” step, which is the step of <2>, is performed by, for example, reducing the furnace temperature to 800 to 900 ° C., which is the temperature for carbonitriding, in the gas atmosphere of the carburizing step, May be added. The nitrogen potential at this time can be controlled by the amount of ammonia gas added. In addition, what is necessary is just to set the time hold | maintained in the said carbonitriding atmosphere to several hours, for example, 1-2 hours.

浸炭窒化後の〈3〉の工程である「焼入れ」工程は、図2に例示したように、油焼入れとすればよい。   The “quenching” step, which is the step <3> after carbonitriding, may be oil quenching as illustrated in FIG.

なお、浸炭窒化の工程では、オーステナイトに窒素が固溶していくので、オーステナイトが安定化され、これを油焼入れによって急冷しても、マルテンサイトに変態しないオーステナイト、すなわち、残留オーステナイトが生成しやすくなる。この残留オーステナイトは、しゅう動時の摩擦熱による表面温度の上昇および/または高面圧の繰返しにより、相手面との接触でのなじみ効果を発現しながらオースフォーム的に変態することにより硬さも増大する効果が期待される。この結果、耐摩耗性が向上するとともにピッチング強度が極めて大きく向上すると考えられる。   In the carbonitriding process, nitrogen dissolves in the austenite, so the austenite is stabilized, and even when quenched by oil quenching, austenite that does not transform into martensite, that is, retained austenite is easily generated. Become. This retained austenite increases in hardness by transforming like an ausfoam while exhibiting a conforming effect in contact with the mating surface due to a rise in surface temperature due to frictional heat during sliding and / or repeated high surface pressure. Expected to be effective. As a result, it is considered that the wear resistance is improved and the pitching strength is greatly improved.

このため、〈3〉の工程で焼入れした後の〈4〉の工程における焼き戻し温度は、窒素を固溶させたオーステナイトが等温ベイナイト変態する250℃を超える温度ではなく、150〜250℃の温度範囲とする。   For this reason, the tempering temperature in the step <4> after quenching in the step <3> is not the temperature exceeding 250 ° C. at which the austenite in which nitrogen is dissolved is isothermally bainite transformed, but a temperature of 150 to 250 ° C. Range.

なお、焼戻しの前から存在する50〜300nmのMnSiN2は、この焼戻しによって変化しない。このため「なじみ性」が良好になるので、しゅう動部の一部に過剰な面圧上昇が生じることが抑止され、したがって、高いピッチング強度が得られる。 The 50 to 300 nm MnSiN 2 existing before tempering is not changed by this tempering. For this reason, the “familiarity” is improved, so that an excessive increase in the surface pressure is suppressed in a part of the sliding portion, and thus high pitching strength is obtained.

上記の理由から、本発明の鋼製品の製造方法は、前記〈1〉〜〈4〉の工程を順に施すこととした。   For the above reasons, the steel product manufacturing method of the present invention sequentially performs the steps <1> to <4>.

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2に示す化学組成を有する鋼1〜15を50kg真空溶解炉によって溶解し、インゴットを作製した。   Steels 1 to 15 having the chemical compositions shown in Table 2 were melted in a 50 kg vacuum melting furnace to produce ingots.

上記の鋼1〜6はいずれも、化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼であり、一方、鋼7〜15は、本発明で規定する条件から外れた鋼である。   The above steels 1 to 6 are all steels whose chemical compositions are within the range defined by the present invention, while the steels 7 to 15 are steels deviating from the conditions defined by the present invention.

上記の化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼のうちで、鋼1は、JIS G 4053(2008)に記載のSMnC420をベースにMn量を減らして、Si量を増やした鋼である。鋼2は、SMnC420をベースにCとSiの量を増やしてNbを含有させた鋼であり、また、鋼3は、SMnC420をベースにSi量を増やしてTiを含有させた鋼である。鋼4〜6は、SMnC420をベースにCとMnの量を減らすとともにSi量を増やしてMoを含有させた鋼であり、このうち、鋼5は、さらにNbを、また、鋼6は、さらにNbとTiを含有させた鋼である。   Among the steels having the above chemical composition within the range defined in the present invention, Steel 1 is a steel in which the amount of Mn is reduced and the amount of Si is increased based on SMnC420 described in JIS G 4053 (2008). . Steel 2 is a steel containing Nb by increasing the amount of C and Si based on SMnC420, and Steel 3 is a steel containing Ti by increasing the amount of Si based on SMnC420. Steels 4 to 6 are steels based on SMnC420, in which the amount of C and Mn is reduced and the amount of Si is increased and Mo is contained, among which steel 5 further includes Nb, and steel 6 further includes It is a steel containing Nb and Ti.

化学組成が本発明で規定する範囲から外れた鋼のうちで、鋼7は、SMnC420をベースにMn量を低めて、SiとCrの量を高めた鋼である。鋼8は、鋼1に対してSi量を減らした鋼であり、また、鋼9は、鋼1に対してC、SiおよびMnの量を減らした鋼である。鋼10は、鋼1に対してSiとMnの量を減らした鋼である。鋼11および鋼12は、鋼1に対してそれぞれ、Si量およびMn量を増やした鋼である。鋼13は、鋼1に対して、Cr量を減らした鋼である。さらに、鋼14および鋼15はそれぞれ、上記JISに記載のSCr420およびSCM420に相当する鋼である。   Among the steels whose chemical compositions deviate from the range defined in the present invention, Steel 7 is a steel in which the amount of Mn is decreased and the amount of Si and Cr is increased based on SMnC420. Steel 8 is steel in which the amount of Si is reduced with respect to steel 1, and steel 9 is steel in which the amounts of C, Si, and Mn are reduced with respect to steel 1. Steel 10 is steel in which the amount of Si and Mn is reduced with respect to steel 1. Steel 11 and steel 12 are steels in which the amount of Si and the amount of Mn are increased with respect to steel 1, respectively. Steel 13 is steel in which the amount of Cr is reduced with respect to steel 1. Further, steel 14 and steel 15 are steels corresponding to SCr420 and SCM420 described in the above JIS, respectively.

なお、鋼1〜15のいずれの鋼についても、不純物としてのNiの含有量は0.02%であり、また、Cuの含有量も0.02%であった。   In any of the steels 1 to 15, the content of Ni as an impurity was 0.02%, and the content of Cu was 0.02%.

Figure 0005402711

このようにして得たインゴットを、1250℃に加熱した後、仕上げ温度が1000℃となるように熱間鍛造して、直径35mmの丸棒とした。なお、熱間鍛造終了後は、大気中で放冷した。
Figure 0005402711

The ingot thus obtained was heated to 1250 ° C. and then hot forged to a finishing temperature of 1000 ° C. to obtain a round bar having a diameter of 35 mm. In addition, after completion | finish of hot forging, it stood to cool in air | atmosphere.

次いで、上記直径35mmの丸棒に、925℃に加熱して120分保持した後大気中で放冷する焼ならし処理を施し、フェライトとパーライトの混合組織とした。   Next, the round bar having a diameter of 35 mm was heated to 925 ° C. and held for 120 minutes, and then subjected to a normalizing treatment in which it was allowed to cool in the atmosphere to obtain a mixed structure of ferrite and pearlite.

いずれの鋼についても、焼ならしした直径35mmの各丸棒の中心部から、鍛造方向(鍛錬軸)に平行に、図3に示す形状のローラーピッチング試験(二円筒転がり疲労試験)用の小ローラー試験片を切り出した。   For any steel, from the central part of each round bar with a diameter of 35 mm, parallel to the forging direction (forging axis), a small shape for a roller pitching test (two-cylinder rolling fatigue test) having the shape shown in FIG. A roller specimen was cut out.

上記焼ならしした直径35mmの各丸棒の中心部から、鍛造方向(鍛錬軸)に平行に、鋼1、鋼2および鋼14については、図4に示す形状のブロック試験片も切り出し、また、鋼15については、図5に示す形状の切り粉採取用試験片も切り出した。図3〜5に示した試験片における寸法の単位は全て「mm」である。   For the steel 1, steel 2 and steel 14, a block test piece having the shape shown in FIG. 4 was also cut out from the center of each of the normalized round bars having a diameter of 35 mm in parallel with the forging direction (forging axis). For the steel 15, a test piece for cutting chips having the shape shown in FIG. The units of dimensions in the test pieces shown in FIGS. 3 to 5 are all “mm”.

鋼15から採取した切り粉採取用試験片は切り出したままで、また、鋼1〜14から採取したローラーピッチング試験用の小ローラー試験片、ならびに、鋼1、鋼2および鋼14から採取したブロック試験片は、それぞれ、図3および図4に表示したように、大ローラー試験片およびリング試験片と接触する面を研削した後、浸炭窒化焼入れまたは浸炭焼入れを施し、その後、焼戻しを行った。   The test piece for cutting chips collected from Steel 15 is cut out, and a small roller test piece for roller pitching test collected from Steels 1 to 14, and a block test taken from Steel 1, Steel 2 and Steel 14 are used. As shown in FIGS. 3 and 4, the pieces were subjected to carbonitriding quenching or carburizing quenching after grinding the surfaces in contact with the large roller test piece and the ring test piece, and then tempered.

浸炭窒化焼入れは、図6に模式的に示すような熱処理条件で浸炭、浸炭窒化、油焼入れを施す3工程からなる。   Carbonitriding and quenching includes three steps of carburizing, carbonitriding, and oil quenching under heat treatment conditions as schematically shown in FIG.

上記の「油焼入れ」は、図6に示す120℃の油中での焼入れを行った。ただし、後述するとおり一部のものについては、これに代えて60℃の油中での焼入れを行った。   The “oil quenching” was performed in 120 ° C. oil as shown in FIG. However, as described later, some of them were quenched in oil at 60 ° C. instead.

浸炭工程は、温度を930℃、保持時間を180分とし、炭素ポテンシャルは0.6%で一定とした。   In the carburizing step, the temperature was 930 ° C., the holding time was 180 minutes, and the carbon potential was constant at 0.6%.

その後の浸炭窒化工程では、温度を820℃、保持時間を90分、炭素ポテンシャルは浸炭工程と同じく0.6%とし、炉内に導入するアンモニアガスの流量を変更することで、窒素ポテンシャルを種々に変更した。   In the subsequent carbonitriding process, the temperature is set to 820 ° C., the holding time is set to 90 minutes, the carbon potential is set to 0.6% as in the carburizing process, and the flow rate of ammonia gas introduced into the furnace is changed to change the nitrogen potential. Changed to

なお、浸炭窒化焼入れでは、ローラーピッチング試験用の小ローラー試験片およびブロック試験片の他に、鋼15から採取した切り粉採取用試験片についても同様に処理し、後述するように、窒素ポテンシャルの分析に使用した。   In the carbonitriding quenching, in addition to the small roller test piece and the block test piece for the roller pitching test, the chip collection sample taken from the steel 15 is treated in the same manner. Used for analysis.

鋼1から採取したローラーピッチング試験用の小ローラー試験片については、焼入れ、焼戻し後に存在するオーステナイトの量がピッチング強度に与える影響を評価するため、種々の窒素ポテンシャルで浸炭窒化処理を施した。   About the small roller test piece for the roller pitching test extract | collected from the steel 1, in order to evaluate the influence which the amount of austenite which exists after hardening and tempering has on the pitching strength, the carbonitriding process was performed with various nitrogen potentials.

鋼1、鋼2および鋼14から採取したブロック試験片と鋼2〜14から採取したローラーピッチング試験用の小ローラー試験片については、窒素ポテンシャルが0.4%となる条件で浸炭窒化処理を施した。   Block test specimens taken from steel 1, steel 2 and steel 14 and small roller specimens for roller pitching test taken from steels 2 to 14 are subjected to carbonitriding under conditions where the nitrogen potential is 0.4%. did.

なお、鋼1および鋼15から採取したローラーピッチング試験用の小ローラー試験片について、浸炭窒化焼入れの代わりに浸炭焼入れを施した比較試験も行った。その際は、温度と時間の条件は図6と同じとし、浸炭工程での炭素ポテンシャルは0.8%で一定とし、浸炭窒化工程と対応する820℃での保持中は、炭素ポテンシャルを0.8%とし、炉内にアンモニアガスを流さない条件とした。   In addition, about the small roller test piece for the roller pitching test extract | collected from the steel 1 and the steel 15, the comparative test which gave the carburizing quenching instead of the carbonitriding quenching was also performed. In this case, the conditions of temperature and time are the same as in FIG. 6, the carbon potential in the carburizing process is constant at 0.8%, and the carbon potential is set to 0. 0 during the holding at 820 ° C. corresponding to the carbonitriding process. The condition was 8%, and ammonia gas was not allowed to flow into the furnace.

窒素ポテンシャルは、浸炭窒化後に油焼入れした切り粉採取用試験片を用いて測定した。いずれの条件についても切り粉採取による窒素ポテンシャルの分析は、JISのSCM420に相当する鋼15で行った。その方法は、図5に示した直径26mmで長さ100mmの棒状試料の曲面部を、最外周から中心方向へ50μm旋削し、採取した切り粉をヘリウムガス雰囲気中溶融解熱伝導度法に基づいた分析装置Leco TC−136で分析し、この分析で求められた窒素の濃度を「窒素ポテンシャル」とした。なお、比較試験として浸炭窒化処理に代えて浸炭焼入れ処理したものについては、浸炭窒化工程に対応する820℃での保持中に炉内にアンモニアガスを流していないので、上述の「窒素ポテンシャル」の分析調査は行わなかった。   Nitrogen potential was measured using a specimen for collecting chips, which was oil-quenched after carbonitriding. Under any condition, the analysis of the nitrogen potential by collecting chips was performed on steel 15 corresponding to JIS SCM420. The method is based on the melted antipyretic conductivity method in which a curved portion of a rod-shaped sample having a diameter of 26 mm and a length of 100 mm shown in FIG. The analysis was performed with an analyzer Leco TC-136, and the nitrogen concentration determined by this analysis was defined as “nitrogen potential”. As a comparative test, in the case of carburizing and quenching instead of carbonitriding, ammonia gas was not flowed into the furnace during holding at 820 ° C. corresponding to the carbonitriding process. No analytical investigation was conducted.

なお、焼戻し工程では、保持温度を160℃、保持時間を120分として処理した後、炉から取り出して大気中で放冷した。なお、図6においては、上記大気中での放冷を「AC」と表記した。   In the tempering step, the holding temperature was set to 160 ° C. and the holding time was set to 120 minutes, and then the product was taken out from the furnace and allowed to cool in the atmosphere. In FIG. 6, the cooling in the atmosphere is expressed as “AC”.

上記のようにして作製した鋼1、鋼2および鋼14のブロック試験片を用いてブロックオンリング摩耗試験を実施し、ブロックオンリング摩耗試験前後の表面粗さを測定した。   A block-on-ring wear test was performed using the block test pieces of Steel 1, Steel 2 and Steel 14 produced as described above, and the surface roughness before and after the block-on-ring wear test was measured.

なお、ブロックオンリング摩耗試験に用いるリング試験片には、JIS G 4053(2008)で規定されたSCM822を機械加工して、温度が930℃、保持時間が180分、炭素ポテンシャルが0.8%の条件でガス浸炭した後油焼入れし、次いで、180℃で120分焼戻しして大気中で放冷してから表層を50μm研削したものを使用した。   The ring test piece used for the block-on-ring wear test is machined with SCM822 defined in JIS G 4053 (2008), temperature is 930 ° C., holding time is 180 minutes, and carbon potential is 0.8%. After carburizing with gas under the above conditions, oil quenching was carried out, followed by tempering at 180 ° C. for 120 minutes and allowing to cool in the air, and then grinding the surface layer by 50 μm was used.

上記のリング試験片については、その表面粗さを測定した。すなわち、触針の先端径が2μmの接触式の表面粗さ計を用いて、試験片のしゅう動面を軸方向に3mm走査させて表面粗さを測定した。なお、いずれのリング試験片もJIS B 0601(2001)で規定される算術平均粗さRaは0.4μm以下、最大高さ粗さRzは0.7μm以下であった。   About said ring test piece, the surface roughness was measured. That is, using a contact type surface roughness meter with a tip diameter of 2 μm, the sliding surface of the test piece was scanned 3 mm in the axial direction to measure the surface roughness. In each ring test piece, the arithmetic average roughness Ra specified by JIS B 0601 (2001) was 0.4 μm or less, and the maximum height roughness Rz was 0.7 μm or less.

ブロック試験片は、先ずブロックオンリング摩耗試験を行う前に、上記リング試験片の場合に用いたのと同じ触針の先端径が2μmの接触式の表面粗さ計を用いて、ブロック試験片の幅方向で測定長さを2mmとして触針を走査させて表面粗さを測定した。   Before performing the block-on-ring wear test, the block test piece was prepared by using a contact type surface roughness meter having the same stylus tip diameter of 2 μm as used in the case of the ring test piece. The surface roughness was measured by scanning the stylus with a measurement length of 2 mm in the width direction.

次に、試験荷重を1000N、すべり速度を0.1m/s、潤滑油をオートマティックトランスミッション油、潤滑油温度を90℃、試験機内の潤滑油量を100ミリリットルの条件で、延べすべり距離が2000mに至るまでブロックオンリング摩耗試験を行った。試験後、ブロック試験片摩耗部の中央部近傍の表面粗さを、試験前と同じ表面粗さ計を用いて、試験片の幅方向に触針を走査させて表面粗さを測定した。   Next, with a test load of 1000 N, a sliding speed of 0.1 m / s, a lubricating oil of automatic transmission oil, a lubricating oil temperature of 90 ° C., and a lubricating oil amount of 100 ml in the test machine, the total sliding distance is 2000 m. A block-on-ring wear test was conducted. After the test, the surface roughness in the vicinity of the central portion of the block test piece wear portion was measured by scanning the stylus in the width direction of the test piece using the same surface roughness meter as before the test.

なお、図7に、ブロックオンリング摩耗試験の方法とブロック試験片の接触面に発生した摩耗部の模式図を示す。   In addition, in FIG. 7, the schematic diagram of the abrasion part which generate | occur | produced in the contact surface of the method of a block on ring abrasion test and a block test piece is shown.

さらに、ブロックオンリング摩耗試験を行った後のブロック試験片を用いて種々の確性調査を実施した。   Furthermore, various accuracy investigations were performed using the block test pieces after the block-on-ring wear test.

先ず、試験後のブロック試験片の試験面のうち、非接触部を用いて浸炭窒化層表面における体積率でのオーステナイト量を測定した。   First, the austenite amount in the volume ratio in the carbonitriding layer surface was measured using the non-contact part among the test surfaces of the block test piece after the test.

測定には、X線回折を用い、フェライト相(110)、(200)、(211)の3面の回折ピーク強度とオーステナイト相(111)、(200)、(220)の3面の回折ピーク強度を測定し、補正係数を乗じた値をフェライト相、オーステナイト相それぞれで平均し、その強度比率で浸炭窒化層表面における体積率でのオーステナイト量を評価した。   For the measurement, X-ray diffraction was used, and the diffraction peak intensities of the three faces of the ferrite phase (110), (200), (211) and the diffraction peaks of the three faces of the austenite phases (111), (200), (220). The strength was measured, and the value multiplied by the correction coefficient was averaged for each of the ferrite phase and the austenite phase, and the amount of austenite at the volume ratio on the carbonitriding layer surface was evaluated based on the strength ratio.

次いで、試験後のブロック試験片を端部から5mmの位置で切断し、3mm×10mmの横断面を観察面として樹脂に埋め込んだ後、観察面を鏡面研磨し、ビッカース硬さ(以下、「HV硬さ」という。)の測定を行った。すなわち、上記の鏡面研磨した試験片の表面から30μm深さおよび50μm深さ位置の硬さを、JIS Z 2244(2009)に準じて、2.94Nの試験力で各5点ずつ測定し、算術平均した値をその試験片の表層硬さとして評価した。   Next, the block test piece after the test was cut at a position of 5 mm from the end, and a 3 mm × 10 mm cross section was embedded in the resin as an observation surface, and then the observation surface was mirror-polished and Vickers hardness (hereinafter referred to as “HV”). Hardness ") was measured. That is, the hardness at the 30 μm depth and the 50 μm depth position from the surface of the mirror-polished test piece was measured in accordance with JIS Z 2244 (2009) at 5 points each with a test force of 2.94 N, and arithmetic The average value was evaluated as the surface hardness of the test piece.

また、上記の樹脂埋めした試料を用いて、ブロック試験片表層の析出物の同定も行った。すなわち、HV硬さを測定した後、測定面を再度鏡面研磨してナイタールで腐食し、その後、ブロムエタノールを用いて、試験面から深さ50μmまでの領域の析出物をレプリカ試料として採取した。次いで、採取したレプリカ試料をTEMで観察し、得られた回折図形から合金窒化物を同定した。   Moreover, the deposit of the surface layer of a block test piece was also identified using the above-mentioned resin-embedded sample. That is, after measuring the HV hardness, the measurement surface was mirror-polished again and corroded with nital, and then a precipitate in a region from the test surface to a depth of 50 μm was collected as a replica sample using bromoethanol. Next, the collected replica sample was observed with a TEM, and the alloy nitride was identified from the obtained diffraction pattern.

表3に、試験前後の表面粗さと表層硬さ、オーステナイトの量、浸炭窒化層表面から50μm深さの位置までの表層で観察された合金窒化物の種類を示す。なお、表3における「Rpk」および「Rk」はそれぞれ、JIS B 0671−2(2002)に定義された「突出部山高さ」と「コア部のレベル差」を指す。   Table 3 shows the surface roughness before and after the test, the hardness of the surface layer, the amount of austenite, and the types of alloy nitrides observed on the surface layer from the surface of the carbonitriding layer to a depth of 50 μm. Note that “Rpk” and “Rk” in Table 3 refer to “projection peak height” and “level difference between core portions” defined in JIS B 0671-2 (2002), respectively.

Figure 0005402711

表3から、(1)式で表されるfn、つまり、〔(Si+Mn)/Cr〕が2以上である鋼1および鋼2の場合には、浸炭窒化層表面から50μm深さの位置までの表層に生じる合金窒化物がMnSiN2のみであるのに対して、fnが2を下回る鋼14の場合にはCrNであるため、表層硬さおよびオーステナイト量はほぼ同程度であっても、ブロックオンリング摩耗試験前後の表面粗さの変化に違いが生じていることが明らかである。すなわち、鋼1および鋼2の場合には、試験後の粗さの各パラメータは試験前よりも小さくなっているのに対して、鋼14の場合には、試験後の粗さの各パラメータは試験前よりも大きくなっている。
Figure 0005402711

From Table 3, in the case of steel 1 and steel 2 in which fn represented by the formula (1), that is, [(Si + Mn) / Cr] is 2 or more, from the surface of the carbonitriding layer to a position at a depth of 50 μm. The alloy nitride produced in the surface layer is only MnSiN 2 , whereas in the case of steel 14 with fn less than 2, it is CrN, so even if the surface layer hardness and the austenite amount are approximately the same, the block on It is clear that there is a difference in the change in surface roughness before and after the ring wear test. That is, in the case of Steel 1 and Steel 2, each parameter of roughness after the test is smaller than that before the test, whereas in the case of Steel 14, each parameter of roughness after the test is It is larger than before the test.

次に、合金窒化物の種類に着目し、浸炭窒化後にMnSiN2が析出する鋼種とCrNが析出する鋼種とをローラーピッチング試験で比較することにした。 Next, paying attention to the type of alloy nitride, it was decided to compare the steel type in which MnSiN 2 is precipitated after carbonitriding with the steel type in which CrN is precipitated in a roller pitching test.

すなわち、既に述べたようにして作製した鋼1〜15の小ローラー試験片を用いて、表4に示す条件でローラーピッチング試験を実施し、ピッチング強度を調査した。   That is, the roller pitching test was implemented on the conditions shown in Table 4 using the small roller test piece of steel 1-15 produced as mentioned above, and pitching strength was investigated.

Figure 0005402711

なお、ローラーピッチング試験に用いる大ローラー試験片には、JIS G 4053(2008)で規定されたSCM822を機械加工して、温度が930℃、保持時間が180分、炭素ポテンシャルが0.8%の条件でガス浸炭した後油焼入れし、次いで、180℃で120分焼戻したものを使用した。
Figure 0005402711

The large roller test piece used in the roller pitching test is machined with SCM822 defined in JIS G 4053 (2008), and has a temperature of 930 ° C., a holding time of 180 minutes, and a carbon potential of 0.8%. After gas carburizing under the conditions, oil quenching and then tempering at 180 ° C. for 120 minutes were used.

上記のローラーピッチング試験は、小ローラー試験片と大ローラー試験片との間の最大面圧が2050MPa、2400MPa、2600MPaおよび2800MPaとなる4条件で試験を実施し、各条件での累積回転数が2×107回に至っても疲労はく離が生じない場合、耐久したと判定した。そして、後述するようにJISのSCM420相当鋼である鋼15は最大面圧2050MPaで耐久し、最大面圧2400MPa、2600MPaおよび2800MPaでは耐久しなかったことから、最大面圧が2400MPa以上で耐久したものを、ピッチング強度が高いと判定した。 In the roller pitching test, the test is performed under four conditions where the maximum surface pressure between the small roller test piece and the large roller test piece is 2050 MPa, 2400 MPa, 2600 MPa, and 2800 MPa, and the cumulative number of rotations under each condition is 2 When fatigue peeling did not occur even after reaching × 10 7 times, it was determined that it was durable. As will be described later, steel 15 which is equivalent to JIS SCM420 is durable at a maximum surface pressure of 2050 MPa and not durable at a maximum surface pressure of 2400 MPa, 2600 MPa and 2800 MPa. Was determined to have high pitching strength.

また、未試験の小ローラー試験片を用いて、ブロック試験片と同様に確性調査を行った。   In addition, using an untested small roller test piece, the accuracy was investigated in the same manner as the block test piece.

具体的には、先ず、浸炭窒化層表面である「大ローラー試験片と接触する面」における体積率でのオーステナイト量を、既に述べたX線回折を用いた方法によって評価した。一部のものについては、小ローラー試験片の中央部で切断し、直径26mmの横断面を観察面として樹脂に埋め込んだ後、観察面を鏡面研磨し、既に述べた方法でHV硬さの測定を行った。すなわち、上記の鏡面研磨した試験片の表面から30μm深さおよび50μm深さ位置の硬さを、JIS Z 2244(2009)に準じて、2.94Nの試験力で各5点ずつ測定し、算術平均した値をその試験片の表層硬さとして評価した。   Specifically, first, the amount of austenite at the volume ratio in the “surface contacting the large roller test piece” which is the surface of the carbonitrided layer was evaluated by the method using X-ray diffraction described above. For some, cut at the center of a small roller test piece, embed a cross-section with a diameter of 26 mm in the resin as an observation surface, then mirror-polishing the observation surface, and measure the HV hardness by the method described above Went. That is, the hardness at the 30 μm depth and the 50 μm depth position from the surface of the mirror-polished test piece was measured in accordance with JIS Z 2244 (2009) at 5 points each with a test force of 2.94 N, and arithmetic The average value was evaluated as the surface hardness of the test piece.

また、上記のHV硬さを測定した試料をナイタールで腐食し、その後、ブロムエタノールを用いて、試験面から深さ50μmまでの領域の析出物をレプリカ試料として採取した。次いで、採取したレプリカ試料をTEMで観察し、得られた回折図形から、合金窒化物を同定した。   Moreover, the sample which measured said HV hardness was corroded with nital, and the deposit of the area | region from a test surface to a depth of 50 micrometers was extract | collected as a replica sample using brom ethanol after that. Next, the collected replica sample was observed with a TEM, and the alloy nitride was identified from the obtained diffraction pattern.

表5に、上記の各調査結果を、CpおよびJISのSCM420に相当する鋼15を用いて行ったNp測定結果とともに示す。なお、表5においては、試験記号hを除いて全て油焼入れは図6に示す120℃の油中での焼入れとし、一方、試験記号hは、60℃の油中での焼入れとした。   Table 5 shows the results of the above investigations together with the results of Np measurement performed using steel 15 corresponding to Cp and JIS SCM420. In Table 5, except for the test symbol h, all the oil quenching was quenching in 120 ° C. oil shown in FIG. 6, while the test symbol h was quenching in 60 ° C. oil.

Figure 0005402711

表5における試験記号aは、JISに記載のSCM420に相当する鋼15を浸炭焼入れした場合の調査結果で、この試験記号aをローラーピッチング試験評価の基準とした。すなわち、試験記号aよりも高面圧の条件で繰返し数が2×107回以上耐久した場合、換言すれば、前述のとおり、最大面圧が2400MPa以上での累積回転数が2×107回に至っても疲労はく離が生じない場合に、ピッチング強度に優れているものとした。
Figure 0005402711

The test symbol a in Table 5 is a result of investigation when carburizing and quenching steel 15 corresponding to SCM420 described in JIS, and this test symbol a was used as a reference for evaluating the roller pitching test. That is, when the number of repetitions is 2 × 10 7 times or more under conditions of higher surface pressure than the test symbol a, in other words, as described above, the cumulative number of rotations when the maximum surface pressure is 2400 MPa or more is 2 × 10 7. In the case where fatigue separation does not occur even after reaching the number of rotations, the pitching strength was excellent.

試験記号b〜hは、化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼1を種々の熱処理条件で処理した場合の調査結果である。上記のうちで、試験記号c〜hは、いずれも同じ浸炭工程で表面炭素濃度、つまり、Cp(炭素ポテンシャル)で0.60%を狙った処理とし、浸窒工程でNp(窒素ポテンシャル)を種々に変更することでオーステナイト量を変化させたものである。また、試験記号bは、浸炭工程で表面炭素濃度0.80%を狙った処理とし、浸窒工程で炉内にアンモニアを流入させることなしで浸炭雰囲気とした。このため、処理中のNpは0(零)であるので、上述の「窒素ポテンシャル」の分析調査は行わなかった。   Test symbols b to h are investigation results when the steel 1 having a chemical composition within the range defined by the present invention is processed under various heat treatment conditions. Among the above, the test symbols c to h are treatments targeting the surface carbon concentration, that is, Cp (carbon potential) of 0.60% in the same carburizing process, and Np (nitrogen potential) in the nitriding process. The amount of austenite is changed by various changes. In addition, the test symbol b was a treatment aimed at a surface carbon concentration of 0.80% in the carburizing process, and a carburizing atmosphere was used without flowing ammonia into the furnace in the nitriding process. For this reason, since Np during processing is 0 (zero), the above-described analysis investigation of “nitrogen potential” was not performed.

なお、前述したように浸窒工程でのNpは、同時に処理したJISのSCM420に相当する鋼15の直径26mmで長さ100mmの棒状試料の曲面部を、最外周から中心方向へ50μm旋削し、採取した切り粉をヘリウムガス雰囲気中溶融解熱伝導度法に基づいた分析装置Leco TC−136で分析して求めた。   In addition, as described above, Np in the nitriding step is obtained by turning 50 μm from the outermost periphery to the center of the curved surface portion of the steel 15 corresponding to JIS SCM420 processed at the same time and having a diameter of 26 mm and a length of 100 mm. The collected swarf was determined by analyzing with an analyzer Leco TC-136 based on the melting and antipyretic conductivity method in a helium gas atmosphere.

表5の試験記号c〜gに示すように、Cpを一定として、Npを変更することで浸炭窒化層表面でのオーステナイト量を変更することができた。さらに、浸炭窒化層表面でのオーステナイト量の変更により、ピッチング強度も変化することが明らかである。   As shown in the test symbols c to g in Table 5, the amount of austenite on the surface of the carbonitriding layer could be changed by changing Np while keeping Cp constant. Furthermore, it is clear that the pitching strength also changes as the amount of austenite on the carbonitrided layer surface changes.

例えば、浸炭窒化層表面でのオーステナイト量が30%未満の試験記号bおよびc、ならびにオーステナイト量が40%を超える試験記号gについては、試験記号aのJISのSCM420に相当する鋼15の浸炭材に比べてピッチング強度が低い。言い換えると、本発明で規定するように浸炭窒化層表面でのオーステナイト量を30%以上、40%以下とすることで、JISのSCM420相当鋼の浸炭材よりも高いピッチング強度を得ることができる。   For example, for the test symbols b and c having an austenite amount of less than 30% on the surface of the carbonitriding layer and the test symbol g having an austenite amount exceeding 40%, the carburized material of steel 15 corresponding to JIS SCM420 of the test symbol a Pitching strength is low compared to In other words, as specified in the present invention, by setting the austenite amount on the surface of the carbonitriding layer to 30% or more and 40% or less, it is possible to obtain a higher pitching strength than the carburizing material of JIS SCM420 equivalent steel.

なお、図6に示す120℃の油中での焼入れを行った試験記号eの表層硬さがHV硬さで540であったのに対して、60℃の油中での焼入れを行った試験記号hの表層硬さはHV硬さで710であって大幅に高くなった。このため、試験記号hと試験記号eは、浸炭窒化層表面でのオーステナイト量はほぼ同程度であるものの、ピッチング強度は、表層硬さの高い試験記号hの方が試験記号eに比べて大幅に高くなった。   In addition, the surface hardness of the test symbol e which was quenched in oil at 120 ° C. shown in FIG. 6 was 540 in HV hardness, whereas the test which was quenched in oil at 60 ° C. The surface hardness of symbol h was 710 in HV hardness, which was significantly higher. For this reason, test symbol h and test symbol e have substantially the same austenite amount on the surface of the carbonitrided layer, but the pitching strength of test symbol h having a higher surface hardness is much larger than that of test symbol e. It became high.

試験記号i〜uは、試験記号b〜gのうちで最もピッチング強度が高かった試験記号eと同じ浸炭窒化焼入れ、焼戻しを施したものである。   Test symbols i to u are subjected to the same carbonitriding and tempering and tempering as the test symbol e having the highest pitching strength among the test symbols b to g.

上記のうちで、試験記号i〜mはいずれも、化学組成およびミクロ組織が本発明で規定する条件を満たすもので、これらの場合には、JISのSCM420に相当する鋼15の浸炭材よりも高いピッチング強度を得ることができた。上記のうちでも特に、Moを含有する鋼4を用いた試験記号k、鋼5を用いた試験記号lおよび鋼6を用いた試験記号mは、試験記号eに比べて、浸炭窒化層表面でのオーステナイト量は数%減少しているが、ピッチング強度は、試験記号aのJISのSCM420相当鋼の浸炭材に比べて著しく高くなっている。   Among the above, the test symbols i to m all satisfy the conditions defined by the present invention in terms of chemical composition and microstructure. In these cases, the test symbols i to m are more than the carburized material of steel 15 corresponding to JIS SCM420. High pitching strength could be obtained. Among these, in particular, the test symbol k using the steel 4 containing Mo, the test symbol 1 using the steel 5 and the test symbol m using the steel 6 are on the surface of the carbonitriding layer as compared with the test symbol e. The austenite content of the steel is reduced by several percent, but the pitching strength is significantly higher than that of the carburized material of JIS SCM420 equivalent steel of test symbol a.

試験記号n〜uはいずれも本発明で規定する条件から外れているものであり、このため、ピッチング強度が低い。   The test symbols n to u are all out of the conditions defined in the present invention, and therefore the pitching strength is low.

具体的には、試験記号nは、用いた鋼7のCr含有量が本発明で規定する範囲を超え、また、fnは2を下回っている。このため、浸炭窒化層表面から深さ50μmまでの表層に生じる合金窒化物としてMnSiN2だけでなく、CrNも存在し、また、浸炭窒化層表面のオーステナイト量は40%を超えている。この結果、ピッチング強度は、試験記号aのJISのSCM420相当鋼の浸炭材と同等程度となり、高強度化を図ることができなかった。 Specifically, in the test symbol n, the Cr content of the steel 7 used exceeds the range specified in the present invention, and fn is less than 2. For this reason, not only MnSiN 2 but also CrN exists as an alloy nitride generated in the surface layer from the carbonitriding layer surface to a depth of 50 μm, and the austenite content on the carbonitriding layer surface exceeds 40%. As a result, the pitching strength was equivalent to that of the carburized material of JIS SCM420 equivalent steel of test symbol a, and high strength could not be achieved.

試験記号oは、用いた鋼8のSi含有量が本発明で規定する範囲よりも低く、また、fnが2を下回っている。この結果、浸炭窒化層表面から深さ50μmまでの表層に生じる合金窒化物としてMnSiN2のみでなく、CrNも存在し、また、浸炭窒化層表面のオーステナイト量は40%以上を超えている。このため、ピッチング強度は、試験記号aのJISのSCM420相当鋼の浸炭材よりも低くなり、高強度化を図ることができなかった。 In the test symbol o, the Si content of the steel 8 used is lower than the range defined in the present invention, and fn is less than 2. As a result, not only MnSiN 2 but also CrN is present as an alloy nitride generated in the surface layer from the carbonitriding layer surface to a depth of 50 μm, and the austenite amount on the carbonitriding layer surface exceeds 40% or more. For this reason, the pitching strength is lower than that of the carburized material of JIS SCM420 equivalent steel of test symbol a, and it has not been possible to increase the strength.

試験記号pは、用いた鋼9のMn含有量が本発明で規定する範囲よりも低く、また、fnが2を下回っている。この結果、浸炭窒化層表面から深さ50μmまでの表層に生じる合金窒化物としてMnSiN2だけでなく、CrNも存在し、さらに、浸炭窒化層表面のオーステナイト量が40%以上を超えている。このため、ピッチング強度は、試験記号aのJISのSCM420相当鋼の浸炭材よりも低くなり、高強度化を図ることができなかった。 In the test symbol p, the Mn content of the steel 9 used is lower than the range specified in the present invention, and fn is less than 2. As a result, not only MnSiN 2 but also CrN is present as alloy nitride generated in the surface layer from the carbonitriding layer surface to a depth of 50 μm, and the austenite content on the carbonitriding layer surface exceeds 40% or more. For this reason, the pitching strength is lower than that of the carburized material of JIS SCM420 equivalent steel of test symbol a, and it has not been possible to increase the strength.

試験記号qは、用いた鋼10の各元素の含有量は本発明で規定する範囲内であるが、fnが2以下を下回っている。この結果、浸炭窒化層表面から深さ50μmまでの表層に生じる合金窒化物としてMnSiN2のみでなく、CrNも存在し、さらに、浸炭窒化層表面のオーステナイト量が40%以上を超えている。このため、ピッチング強度は、試験記号aのJISのSCM420相当鋼の浸炭材よりも低くなり、高強度化を図ることができなかった。 In the test symbol q, the content of each element of the steel 10 used is within the range defined in the present invention, but fn is less than 2 or less. As a result, not only MnSiN 2 but also CrN is present as an alloy nitride generated in the surface layer from the carbonitriding layer surface to a depth of 50 μm, and the austenite content on the carbonitriding layer surface exceeds 40% or more. For this reason, the pitching strength is lower than that of the carburized material of JIS SCM420 equivalent steel of test symbol a, and it has not been possible to increase the strength.

試験記号rは、用いた鋼11のSi含有量が1.20%と多いため、浸炭窒化工程において粗大なMnSiN2が生じ、これを起点にピッチング破壊が生じたと考えられ、試験記号aのJISのSCM420相当鋼の浸炭材よりも高強度化することができなかった。 In the test symbol r, since the steel 11 used has a high Si content of 1.20%, coarse MnSiN 2 is generated in the carbonitriding process, and it is considered that pitting fracture has occurred from this point. It was not possible to increase the strength compared to the carburized material of SCM420 equivalent steel.

試験記号sは、用いた鋼12のMn含有量が1.70%と多いため、浸炭窒化層表面から深さ50μmまでの表層に粗大なMnSiN2が生じ、これを起点にピッチング破壊が生じたと考えられ、試験記号aのJISのSCM420相当鋼の浸炭材よりも高強度化することができなかった。 In the test symbol s, since the steel 12 used has a large Mn content of 1.70%, coarse MnSiN 2 is generated on the surface layer from the carbonitrided layer surface to a depth of 50 μm, and pitching fracture is caused from this. It was considered that the strength could not be increased as compared with the carburized material of JIS SCM420 equivalent steel of test symbol a.

試験記号tは、用いた鋼13のfnが2を超えるため、浸炭窒化層表面から深さ50μmまでの表層に生じた合金窒化物はMnSiN2であった。しかし、Cr含有量が0.30%と少ないため、芯部となる生地の焼入れ性が低く、早期にピッチング損傷し、試験記号aのJISのSCM420相当鋼の浸炭材よりも高強度化することができなかった。 In the test symbol t, since the fn of the steel 13 used exceeded 2, the alloy nitride formed in the surface layer from the carbonitrided layer surface to a depth of 50 μm was MnSiN 2 . However, since the Cr content is as low as 0.30%, the hardenability of the core material is low, the pitching damage is early, and the strength is higher than the carburized material of JIS SCM420 equivalent steel of test symbol a. I could not.

試験記号uは、用いた鋼14がJISのSCr420の相当する鋼である。この鋼uは、化学組成が本発明で規定する条件から外れた鋼であるが、ブロックオンリング試験との比較のため試験に供した。この試験記号uの場合、浸炭窒化層表面から深さ50μmまでの表層に合金窒化物としてCrNが認められ、また、オーステナイト量は40%を超えていた。このため、ピッチング強度は、試験記号aのJISのSCM420相当鋼の浸炭材よりも高強度化することができなかった。   The test symbol u is steel corresponding to the steel 14 used is JIS SCr420. This steel u is a steel whose chemical composition deviates from the conditions specified in the present invention, but was used for the test for comparison with the block-on-ring test. In the case of this test symbol u, CrN was recognized as an alloy nitride in the surface layer from the carbonitrided layer surface to a depth of 50 μm, and the austenite amount exceeded 40%. For this reason, the pitching strength could not be increased as compared with the carburized material of JIS SCM420 equivalent steel of test symbol a.

本発明の鋼製品は、優れた耐摩耗性と大きなピッチング強度を具備している。このため、燃費の向上に直結する車体の軽量化を実現するために、一層の小型化および高強度化が求められている自動車の変速機用の歯車などの動力伝達部品に用いることができる。しかも、本発明の鋼製品は、本発明の方法によって製造でき、また、高価な合金元素であるMoの含有量が低いか、あるいはMoが非添加という低廉な鋼を素材とするものであるため、従来の動力伝達部品に比べて製造コストの低減を実現することもできる。   The steel product of the present invention has excellent wear resistance and high pitching strength. For this reason, in order to realize the weight reduction of the vehicle body directly linked to the improvement of fuel consumption, it can be used for power transmission parts such as gears for automobile transmissions that are required to be further reduced in size and strength. In addition, the steel product of the present invention can be produced by the method of the present invention, and is made of an inexpensive steel with a low content of Mo, which is an expensive alloy element, or Mo is not added. Further, the manufacturing cost can be reduced as compared with the conventional power transmission component.

Claims (4)

浸炭窒化層を有する鋼製品であって、
生地の鋼材が、質量%で、C:0.10〜0.35%、Si:0.40〜1.00%、Mn:0.60〜1.50%、Cr:0.40〜0.80%、Al:0.01〜0.05%、S:0.05%以下およびN:0.0020〜0.0300%を含有し、
下記の(1)式で表されるfnが2以上であって、残部がFeおよび不純物からなる化学組成を有し、
浸炭窒化層表面から深さ50μmまでの領域において、分散する合金窒化物がMnSiN2のみであり、
浸炭窒化層表面におけるオーステナイト量が体積率で30%以上、40%以下である、
ことを特徴とする鋼製品。
fn=(Si+Mn)/Cr・・・(1)
ただし、(1)式中の元素記号は、その元素の生地の鋼材中における質量%での含有量を表す。
A steel product having a carbonitriding layer,
Steel material of the material is mass%, C: 0.10 to 0.35%, Si: 0.40 to 1.00%, Mn: 0.60 to 1.50%, Cr: 0.40 to 0.00. 80%, Al: 0.01-0.05%, S: 0.05% or less and N: 0.0020-0.0300%,
Fn represented by the following formula (1) is 2 or more, and the balance has a chemical composition composed of Fe and impurities,
In the region from the carbonitriding layer surface to a depth of 50 μm, the dispersed alloy nitride is only MnSiN 2 ,
The amount of austenite on the carbonitrided layer surface is 30% or more and 40% or less by volume ratio
Steel products characterized by that.
fn = (Si + Mn) / Cr (1)
However, the element symbol in the formula (1) represents the content in mass% in the steel material of the material of the element.
生地の鋼材が、Feの一部に代えて、質量%で、Mo:0.10%以下を含有するものであることを特徴とする請求項1に記載の鋼製品。   The steel product according to claim 1, wherein the steel material of the dough contains Mo: 0.10% or less in mass% instead of part of Fe. 生地の鋼材が、Feの一部に代えて、質量%で、Ti:0.10%以下およびNb:0.080%以下のうちの1種以上を含有するものであることを特徴とする請求項1または2に記載の鋼製品。   The dough steel material is replaced with a part of Fe and contains at least one of Ti: 0.10% or less and Nb: 0.080% or less in mass%. Item 3. The steel product according to item 1 or 2. 請求項1から3までのいずれかに記載の生地の鋼材の化学組成を有する鋼材に、下記〈1〉〜〈4〉の工程を順に施す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鋼製品の製造方法。
〈1〉900〜950℃の温度域で浸炭処理を行う。
〈2〉800〜900℃の温度域で、窒素ポテンシャルを0.2〜0.6%として浸炭窒化処理を行う。
〈3〉焼入れを行う。
〈4〉150℃超え250℃以下の温度域で焼戻す。
The steel material having the chemical composition of the steel material of the fabric according to any one of claims 1 to 3 is subjected to the following steps <1> to <4> in order. The manufacturing method of the steel product as described in 2.
<1> Carburization is performed in a temperature range of 900 to 950 ° C.
<2> Carbonitriding is performed in a temperature range of 800 to 900 ° C. with a nitrogen potential of 0.2 to 0.6%.
<3> Perform quenching.
<4> Tempering in a temperature range of 150 ° C. to 250 ° C.
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