JP6443324B2 - Steel material and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、鋼材、特に強度−靭性バランスに優れ、且つ表面の高周波焼入れ性に優れる鋼材に関する。詳しくは、熱間圧延等の熱間加工によって製造した後、焼ならしや焼入れ、焼戻しなどの熱処理を施さず、熱間加工ままの状態から直接に切削加工を施した後に高周波焼入れを施して製造する部品、具体的には建設機械や産業機械のシャフト、自動車のピン等の素材として好適な、強度−靭性バランスに優れる非調質の鋼材に関する。この種の部品等に好適な強度−靭性バランスとしては、900MPa以上の強度並びに40J/cm2以上の靭性を確保する必要がある。 The present invention relates to a steel material, particularly a steel material having an excellent strength-toughness balance and excellent surface hardenability. Specifically, after manufacturing by hot working such as hot rolling, heat treatment such as normalizing, quenching, and tempering is not performed, but cutting is performed directly from the state of hot working and then induction hardening is performed. The present invention relates to a non-heat treated steel material excellent in strength-toughness balance, which is suitable as a material to be manufactured, specifically, a material for a shaft of a construction machine or industrial machine, a pin of an automobile, or the like. As a strength-toughness balance suitable for this type of component, etc., it is necessary to ensure a strength of 900 MPa or more and a toughness of 40 J / cm 2 or more.

元来鋼は、加工により金属組織中にひずみを導入せずとも、熱処理(焼入れ)により大量のひずみを導入して組織の微細化と強度向上を達成することができる、優れた素材である。その一方で、上記の熱処理においてエネルギー消費量を削減することや、該熱処理工程自体を省略すること、が強く要請されている。   Originally, steel is an excellent material that can achieve refinement of the structure and improvement in strength by introducing a large amount of strain by heat treatment (quenching) without introducing strain into the metal structure by processing. On the other hand, there is a strong demand to reduce energy consumption in the above heat treatment and to omit the heat treatment step itself.

このような要請に答える方法として、鋼に例えばVなどの析出物形成元素を添加し、熱間加工後の冷却時にVと炭素との微細な析出物を鋼中に分散させることによって、熱間加工後の鋼材の強度を高める手法がある。このように析出物形成元素を添加して上記の熱処理を省略可能とする鋼は、非調質鋼と呼ばれている。   As a method for responding to such a request, for example, a precipitate forming element such as V is added to steel, and fine precipitates of V and carbon are dispersed in the steel at the time of cooling after hot working. There is a technique to increase the strength of the steel material after processing. Thus, the steel which makes it possible to omit the heat treatment by adding a precipitate forming element is called non-tempered steel.

しかし、Vなどの添加元素は高価であり、熱処理を省略することによるエネルギー消費削減、省工程化のメリットがある一方、部品の素材となる鋼価格の高騰は避けられなかった。   However, additive elements such as V are expensive, and there are merits in energy consumption reduction and process saving by omitting heat treatment, but a rise in the price of steel used as a material for parts is inevitable.

これに対して特許文献1では、Vに代えてNbの炭窒化物により高い強度(高い降伏強度と降伏比)を得る手法が提案されている。ここで記載の鋼を用いれば、良好な機械的特性を保持し、且つ鋼を非調質鋼化するための高価な添加元素を低減することもできる。   On the other hand, Patent Document 1 proposes a method of obtaining high strength (high yield strength and yield ratio) using Nb carbonitride instead of V. If the steel described here is used, it is possible to maintain good mechanical properties and to reduce expensive additive elements for converting the steel into non-tempered steel.

特許公開2010−280978Patent Publication 2010-280978

ところで、建設機械や産業機械の部品は、高周波焼入れを施して最終製品とする場合が多い。上記した非調質鋼において、高周波焼入れを施して表層を硬化する場合に、該表層部の品質を高めること、具体的には、高周波焼入れ層の硬さのばらつきを抑制することが重要になる。   By the way, parts of construction machines and industrial machines are often subjected to induction hardening to obtain final products. In the above-mentioned non-heat treated steel, when the surface layer is hardened by induction hardening, it is important to improve the quality of the surface layer part, specifically, to suppress the variation in hardness of the induction hardened layer. .

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであり、その目的は、高周波焼入れを施した際に該高周波焼入れ層における硬さのばらつきが少なく、かつ強度と靭性とのバランスに優れる鋼材を、Vなどを添加しない非調質鋼において実現することにある。   The present invention has been made in view of the current situation, the purpose of which is a steel material with less variation in hardness in the induction-hardened layer when induction-hardened, and excellent balance between strength and toughness, It is to be realized in non-heat treated steel to which V or the like is not added.

発明者らは、上記課題の解決に向けて、鋼材の表層に高周波焼入れ層を形成した場合の該高周波焼入れ層の硬さのばらつきと高周波焼入れ前組織との関連を鋭意調査し、硬さのばらつきが最も少ない高周波焼入れ前組織はマルテンサイト組織であることを知見し、本発明を構想するに至った。本発明の要旨構成は、次のとおりである。   In order to solve the above problems, the inventors diligently investigated the relationship between the hardness variation of the induction hardening layer when the induction hardening layer is formed on the surface layer of the steel material and the structure before induction hardening. It was found that the structure before induction hardening with the least variation was a martensite structure, and the present invention was conceived. The gist configuration of the present invention is as follows.

1.質量%で、
C:0.30〜0.55%、
Si:0.05〜1.50%、
Mn:1.55%未満、
Cr:0.85〜2.00%以下、
Al:0.010〜0.050%、
N:0.0020〜0.0200%、
Nb:0.005〜0.100%、
P:0.030%以下(0%を含む)、
S:0.030%以下(0%を含む)、
Cu:0.20%以下(0%を含む)および
Ni:0.20%以下(0%を含む)
を含み、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成を有し、表面から深さ7mmまでの表層部の組織はマルテンサイトの面積率が75%以上のマルテンサイト主体組織であり、該マルテンサイト主体組織の下層にベイナイトの面積率が75%以上のベイナイト主体組織を有し、該ベイナイト主体組織の厚さが5mm以上であり、前記表層部と中心部との硬度差がビッカース硬さで60以上である鋼材。
1. % By mass
C: 0.30 to 0.55%,
Si: 0.05 to 1.50%,
Mn: less than 1.55%,
Cr: 0.85 to 2.00% or less,
Al: 0.010 to 0.050%,
N: 0.0020 to 0.0200%,
Nb: 0.005 to 0.100%,
P: 0.030% or less (including 0%),
S: 0.030% or less (including 0%),
Cu: 0.20% or less (including 0%) and Ni: 0.20% or less (including 0%)
The balance is Fe and the inevitable impurities component composition, and the structure of the surface layer part from the surface to a depth of 7 mm is a martensite-based structure with a martensite area ratio of 75% or more, the martensite-based structure The lower layer of the structure has a bainite main structure with an area ratio of bainite of 75% or more, the thickness of the bainite main structure is 5 mm or more, and the hardness difference between the surface layer part and the center part is 60 or more in terms of Vickers hardness. Steel material.

2.前記成分組成は、さらに、
Ti:0.001〜0.100質量%
を含む前記1に記載の鋼材。
2. The component composition further includes:
Ti: 0.001 to 0.100 mass%
The steel material according to 1 above, comprising:

3.前記成分組成は、さらに、
B:0.0002〜0.0050質量%
を含む前記1または2に記載の鋼材。
3. The component composition further includes:
B: 0.0002 to 0.0050 mass%
The steel material as described in 1 or 2 above.

4.前記1乃至3のいずれかに記載の成分組成を有する鋼素材に、熱間加工を施して円形断面材に成形したのち、800〜1000℃の温度域から表面より7mm深さ位置での冷却速度を10℃/s以上として冷却を行い、該冷却の開始から下記(1)式で定まる時間P[s]の経過後は空冷に切り替えて冷却することを特徴とする鋼材の製造方法。


P[s]=0.01×r2±r/10 ・・・(1)
ここで、r:冷却部位における円形断面材の半径(mm)
4). The steel material having the component composition described in any one of 1 to 3 above is subjected to hot working and formed into a circular cross-section material, and then cooled from a temperature range of 800 to 1000 ° C. at a depth of 7 mm from the surface. Is cooled to 10 ° C./s or more, and after the elapse of time P [s] determined by the following equation (1) from the start of the cooling, cooling is performed by switching to air cooling.

P [s] = 0.01 × r 2 ± r / 10 (1)
Where r: radius of the circular cross-section material at the cooling site (mm)

本発明によれば、従来のフェライトおよびパーライトからなる組織に高周波焼入れ層を形成した場合に比べて高周波焼入れ層の硬さのばらつきが少なく、且つ鋼材中心と表層との中間部の強度および靭性がそれぞれ900MPa以上および40J/cm2以上である鋼材を提供することができる。 According to the present invention, the hardness of the induction-hardened layer is less variable than the case where the induction-hardened layer is formed in the structure composed of conventional ferrite and pearlite, and the strength and toughness of the intermediate portion between the steel material center and the surface layer are reduced. Steel materials of 900 MPa or more and 40 J / cm 2 or more can be provided.

高周波焼入れ層の硬度調査位置を示す概略図である。It is the schematic which shows the hardness investigation position of an induction hardening layer. 高周波焼入れ前の組織の異なる鋼材の高周波焼入れ層の硬さのばらつきを比較して示す図である。It is a figure which compares and shows the dispersion | variation in the hardness of the induction hardening layer of the steel materials from which the structure | tissue before induction hardening differs. 高周波焼入れ前の組織の異なる鋼材の高周波焼入れ後の組織を比較して示す図である。It is a figure which compares and shows the structure after induction hardening of the steel materials from which the structure | tissue before induction hardening differs. 鋼材各位置の冷却速度と連続冷却変態図とを示す図である。It is a figure which shows the cooling rate and continuous cooling transformation diagram of each position of steel materials. 鋼材各位置の冷却速度と連続冷却変態図とを示す図である。It is a figure which shows the cooling rate and continuous cooling transformation diagram of each position of steel materials. 鋼材の中心と表層との硬度差の異なる鋼材の静的曲げ試験結果を比較して示す図である。It is a figure which compares and shows the static bending test result of the steel materials from which the hardness difference between the center of steel materials and a surface layer differs.

発明の実施の形態BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

以下、本発明を具体的に説明する。
発明者らは、まず、鋼材に高周波焼入れを施した際の、高周波焼入れ部における硬さのばらつきを把握することから検討を始めた。すなわち、JIS G4053に規定のSCM435を素材とし、これを70mmφの円柱形状に熱間加工した。この熱間加工材から、圧延ままで全組織がフェライトおよびパーライトになる丸棒鋼と、焼入れにより少なくとも表面から10mmの表層域は面積率75%以上がマルテンサイトのマルテンサイト主体組織である丸棒鋼とを、それぞれ作製し、これらの丸棒鋼に全く同一条件で高周波焼入れを施し、得られた高周波焼入れ層の硬さ並びに有効硬化層深さ(ECD)を調査した。
高周波焼入れ層は、鋼材の表層に均一に得られるため、図1に示すように、丸棒鋼1の周方向に等分12箇所の位置Tにて、高周波焼入れ層2の厚さ方向(径方向)に0.2mm間隔でビッカース硬さを測定し、硬さ測定値に基づいて各深さ位置での硬さのばらつきを調査した。なお、有効硬化層深さ(ECD)は、JIS G0557に従って測定した。この調査結果を、図2に示す。
Hereinafter, the present invention will be specifically described.
The inventors first began studying from grasping the variation in hardness in the induction-quenched portion when induction hardening was performed on the steel material. That is, SCM435 defined in JIS G4053 was used as a raw material, and this was hot-worked into a cylindrical shape of 70 mmφ. From this hot-worked material, a round bar steel in which the entire structure is ferrite and pearlite as it is rolled, and a round bar steel whose martensite main structure is martensite with a surface area of at least 10 mm from the surface by quenching with an area ratio of 75% or more. Each of these round bar steels was induction hardened under exactly the same conditions, and the hardness and effective hardened layer depth (ECD) of the obtained induction hardened layer were investigated.
Since the induction hardened layer is uniformly obtained on the surface layer of the steel material, as shown in FIG. 1, the thickness direction (radial direction) of the induction hardened layer 2 at 12 positions T equally divided in the circumferential direction of the round steel bar 1. ) Vickers hardness was measured at intervals of 0.2 mm, and the variation in hardness at each depth position was investigated based on the hardness measurement value. The effective hardened layer depth (ECD) was measured according to JIS G0557. The results of this investigation are shown in FIG.

図2に示すように、高周波焼入れ前の組織がフェライトおよびパーライトである丸棒鋼の硬さのばらつきが、同組織がマルテンサイト主体である丸棒鋼のそれより明らかに大きくなっている。また、有効硬化層深さ(ECD)に関しても、マルテンサイト主体組織の丸棒鋼の方が深くなっている。これらのことから、同じ化学組成の鋼において組織の影響を比較すると、マルテンサイト主体組織のほうが高周波焼入れ性に優れることがわかる。   As shown in FIG. 2, the variation in hardness of the round bar steel whose structure before induction hardening is ferrite and pearlite is clearly larger than that of the round bar steel whose main structure is martensite. In addition, with respect to the effective hardened layer depth (ECD), the round steel bar having a martensite main structure is deeper. From these results, it is understood that the martensite-based structure is superior in the induction hardenability when the effects of the structure are compared in steels having the same chemical composition.

次に、上記の丸棒鋼のそれぞれについて、高周波焼入れ層のミクロ組織の顕微鏡写真を図3に示す。同図から、高周波焼入れ前組織がフェライトおよびパーライトの丸棒鋼は同マルテンサイト主体の丸棒鋼より白黒のコントラストが明らかに大きいことがわかる。このことから、フェライトおよびパーライト組織では、炭素濃度の低いフェライト部と炭素濃度の高いパーライト部で炭素濃度の差が有るために、高周波焼入れ後にもこの差に従う斑が残り、硬さのばらつきに繋がるのに対し、マルテンサイト主体組織は炭素の過飽和で均質な組織であるために高周波焼入れ後も均質な組織が得られることが推察される。   Next, a micrograph of the microstructure of the induction hardened layer is shown in FIG. From this figure, it can be seen that the black and white contrast of the round bar steel of the ferrite and pearlite structure before induction hardening is clearly larger than that of the round bar steel mainly composed of the martensite. From this, in the ferrite and pearlite structures, there is a difference in carbon concentration between the ferrite portion with a low carbon concentration and the pearlite portion with a high carbon concentration, so that spots that follow this difference remain after induction hardening, leading to variation in hardness. On the other hand, since the martensite main structure is a carbon supersaturated and homogeneous structure, it can be inferred that a homogeneous structure can be obtained even after induction hardening.

ところで、高周波焼入れ前の組織がマルテンサイト主体のものの方が、フェライトとパーライトのものより高周波焼入れ後の焼入れ層の硬さばらつきおよびECDが良好であるということは、非調質鋼は高周波焼入れ性の劣化と引き換えに熱処理工程の省略を実現した技術であると解することができる。かような観点からは、高周波焼入れ性を主眼に置くならば、非調質鋼を避けて調質鋼を用いることになるのが通常である。しかしながら、熱処理工程の縮小や省略が希求されていることから、熱間圧延ままの組織であっても調質鋼並みの高周波焼入れ性を有する、非調質鋼が強く求められている。   By the way, when the structure before induction hardening is martensite-based, the hardness variation and ECD after induction hardening are better than those of ferrite and pearlite, indicating that non-tempered steel is induction hardened. It can be understood that this technique realizes the omission of the heat treatment process in exchange for the deterioration of. From such a point of view, if the focus is on induction hardenability, it is usual to use tempered steel while avoiding non-tempered steel. However, since there is a demand for reduction or omission of the heat treatment process, there is a strong demand for non-tempered steel having high-frequency hardenability equivalent to that of tempered steel even in a hot-rolled structure.

さて、高周波焼入れ性の優劣がそもそも、上記の図3に示したように、高周波焼入れ前組織における炭素濃度の斑に起因するのであれば、この炭素濃度の斑が少ない組織にすればよいことになる。ここで、熱間圧延により造り込める鋼組織として、炭素が均質に母相中に固溶しているのはマルテンサイトである。
そして、熱間圧延後にマルテンサイトを得るためには、熱間圧延直後の鋼材を急冷する必要がある。熱間圧延後にまだオーステナイトの温度域にある赤熱した鋼製品を水や湯、または油にどぶ漬けして急冷し、マルテンサイトを得るのもひとつの方法である。
Now, as shown in FIG. 3 above, if the superiority or inferiority of induction hardenability is caused by unevenness in the carbon concentration in the tissue before induction hardening, it is only necessary to make the tissue with less unevenness in carbon concentration. Become. Here, as a steel structure that can be built by hot rolling, it is martensite that carbon is homogeneously dissolved in the matrix.
And in order to obtain martensite after hot rolling, it is necessary to quench the steel material immediately after hot rolling. One method is to obtain martensite by dipping red hot steel products still in the austenite temperature range after hot rolling in water, hot water or oil and quenching.

しかし、この方法には種々の困難が付きまとう。例えば、焼入れままの鋼は非常に脆いことは良く知られている。つまり圧延後の搬送などにおいて焼き割れを起こし易く、その場合は製品として出荷できない状態になることが多い。また、このように鋼全体を冷却媒体中にどぶ漬けしたとしても、鋼全体が均一に冷却される保証は無い。もし冷却媒体が水であれば、水の沸騰により鋼材表面に蒸気膜が形成され、また沸騰し気化した水蒸気は水中を重力とは反対方向に上昇するため、鋼材に焼き斑ができ易い。焼き斑ができると、品質を保証できないばかりでなく、オーステナイトからの変態時の膨張率並びに変態を起こす温度は組織により異なるため、鋼材が歪んだり、または大きな残留応力が発生する原因となる。これを避けるために均一冷却に適した沸騰しにくい油で急冷するとしても、その設備の管理・維持にも膨大なコストがかかることが容易に想像される。   However, this method has various difficulties. For example, it is well known that as-quenched steel is very brittle. That is, it is easy to cause a burning crack in conveyance after rolling, and in that case, it is often in a state where it cannot be shipped as a product. Even if the entire steel is immersed in the cooling medium in this way, there is no guarantee that the entire steel will be cooled uniformly. If the cooling medium is water, a vapor film is formed on the surface of the steel material due to the boiling of the water, and the water vapor that has boiled and vaporized rises in the direction opposite to the gravity in the water, so that the steel material is easily burnt. When the spots are formed, not only the quality cannot be guaranteed, but also the expansion rate at the time of transformation from austenite and the temperature at which transformation occurs vary depending on the structure, which causes the steel material to be distorted or cause a large residual stress. In order to avoid this, it is easily imagined that even if the oil is rapidly cooled with an oil that is difficult to boil and suitable for uniform cooling, the cost of managing and maintaining the equipment is enormous.

以上の技術的背景の下、本発明者らは、良好な高周波焼入れ性を非調質鋼において確立する手法を種々検討した。その結果、熱間圧延後に高周波焼入れを施す表層部のみをマルテンサイト主体組織とし、このマルテンサイト主体組織とした表層以外の部分は、実質的にはフェライトおよびパーライト組織とすることを着想した。   Under the above technical background, the present inventors have studied various methods for establishing good induction hardenability in non-heat treated steel. As a result, it was conceived that only the surface layer portion subjected to induction hardening after hot rolling has a martensite main structure, and portions other than the surface layer having the martensite main structure have substantially a ferrite and pearlite structure.

すなわち、熱間圧延後に鋼材の表層だけを急冷してマルテンサイト主体組織としたあと、急冷を停止することにより、表層は高周波焼入れに適した組織とする一方、これより内側の組織に関しては脆くない(靭性の高い)マルテンサイト以外の組織とする。このような組織構成にすることによって、上記した問題をまねくことなく、鋼材自体の靭性を担保しつつ高周波焼入れ性を向上することが可能となる。   That is, after the hot rolling, only the surface layer of the steel material is rapidly cooled to form a martensite main structure, and then the rapid cooling is stopped to make the surface layer suitable for induction hardening, while the inner structure is not brittle. The structure is other than martensite (high toughness). By adopting such a structure, it is possible to improve the induction hardenability while ensuring the toughness of the steel material itself without causing the above-described problems.

さらに、鋼材自体の強度を高めることも重要である。ここに、鋼材の強度や靭性を検討するとき、強度や靭性の調査に用いる試験片はJIS Z2241に規定の4号試験片(引張試験片)や、JIS Z2242に規定のUノッチ試験片(シャルピー衝撃試験片)であることが多い。しかしこれらの試験片は、今回高周波焼入れ性の調査に用いたような、70mmφの丸棒に比して小さい。このような場合は、試験片を70mmφのどこから採取するか、つまり70mmφの丸棒のどこの位置の強度や靭性が70mmφの丸棒を代表していると見做すかが重要となる。そこで、丸棒の中心と表面との中間の位置から丸棒長手方向と平行に採取した試験片にて、強度および靭性を調査することが、種々の径の丸棒における強度および靭性を的確に比較するのに最も適していることを確認し、以下の諸実験を行った。なお、試験片の採取位置が中心と表面との中間位置が適している理由は、一般的に中心部には鋳造時に強度に悪影響を及ぼすPなどの元素が偏析し、今回のような径の太い鋼材を代表する強度や靭性としては適さないからであり、また中間部よりも表層側から試験片を採取すると、残留応力の影響を排除できないからである。   It is also important to increase the strength of the steel material itself. Here, when examining the strength and toughness of steel materials, the test piece used for the investigation of strength and toughness is the No. 4 test piece (tensile test piece) specified in JIS Z2241, and the U-notch test piece (Charpy) specified in JIS Z2242. It is often an impact test piece). However, these test pieces are smaller than the 70 mmφ round bar used for the investigation of the induction hardenability this time. In such a case, it is important where the test piece is taken from 70 mmφ, that is, where the strength and toughness of the 70 mmφ round bar represent the 70 mmφ round bar. Therefore, investigating the strength and toughness of specimens taken in parallel with the longitudinal direction of the round bar from the middle position between the center and the surface of the round bar can accurately determine the strength and toughness of round bars of various diameters. After confirming that it was most suitable for comparison, the following experiments were conducted. In addition, the reason why the intermediate position between the center and the surface is suitable for the sampling position of the test piece is generally that the element such as P that has an adverse effect on the strength during casting is segregated at the center, and the diameter of the specimen is This is because it is not suitable as the strength and toughness that represents a thick steel material, and if the test piece is collected from the surface side of the middle part, the influence of residual stress cannot be excluded.

なお、JIS Z2241に規定の4号試験片(引張試験片)の平行部径は14mmであり、掴み部はこれより太い、径20mmとすることが多い。つまり、おおよそ40mmφ未満の丸棒では中間から上記の4号試験片を採取すると中心も含む試験片となってしまう。これを避けるため、このような場合は14A号試験片で対応することとした。この14A号試験片でも上記のような問題に直面した場合は、中心位置から試験片を採取することとした。シャルピー試験片についても同様にした。   In addition, the parallel part diameter of No. 4 test piece (tensile test piece) prescribed | regulated to JISZ2241 is 14 mm, and a grip part is thicker than this and diameter 20mm in many cases. In other words, a round bar having a diameter of less than about 40 mmφ results in a test piece including the center when the No. 4 test piece is sampled from the middle. In order to avoid this, in such a case, it was decided to use a 14A test piece. Even when this 14A test piece faced the above problem, the test piece was taken from the center position. The same was done for Charpy specimens.

上記のように採取した試験片を用いて、強度や靭性を調査したところ、表層にマルテンサイト主体組織を形成し残部をフェライトおよびパーライトとすると、靭性は40J/cm2以上となるが、非調質鋼として十分な強度、具体的には900MPa以上の強度が得られないことが明らかとなった。900MPa以上の強度並びに40J/cm2以上の靭性を確保するためには、急冷により形成したマルテンサイト組織の直下にベイナイト組織を形成させることが有効であることが新たに判明した。 When the strength and toughness were investigated using the specimens collected as described above, when the martensite main structure was formed on the surface layer and the balance was ferrite and pearlite, the toughness was 40 J / cm 2 or more. It was revealed that sufficient strength as a quality steel, specifically, a strength of 900 MPa or more cannot be obtained. In order to secure a strength of 900 MPa or more and a toughness of 40 J / cm 2 or more, it has been newly found that it is effective to form a bainite structure immediately below a martensite structure formed by rapid cooling.

ところで、鋼の連続冷却図からも明らかなように、鋼材の表層に形成されたマルテンサイト相の直下にベイナイト相を形成することは、冶金的に当然であるように解される。しかし、上記した鋼材の表層のみにマルテンサイト相を形成させる独特な熱処理、つまり、熱延材を急冷して熱延材表層にマルテンサイト相を形成させた後は急冷を停止し、残部にフェライトとパーライトを形成させるために空冷するという、熱処理を行うため、マルテンサイト層直下にベイナイトを形成させることは非常に困難である。この辺の事情を、以下模式図を用いて説明する。   By the way, as is clear from the continuous cooling chart of steel, the formation of the bainite phase immediately below the martensite phase formed on the surface layer of the steel material is understood as a matter of course metallurgically. However, a unique heat treatment that forms the martensite phase only on the surface layer of the steel material described above, that is, after quenching the hot-rolled material to form the martensite phase on the hot-rolled material surface layer, the rapid cooling is stopped, and the remainder is ferrite. It is very difficult to form bainite directly under the martensite layer because heat treatment is performed to cool the air to form pearlite. This situation will be described below with reference to schematic diagrams.

鋼材への急冷を途中で停止し、大気中での放冷に切り替えると、鋼材は、それ全体で均質な温度になろうとする。これを表面からの温度変化として捉えると、一度室温まで冷却された表層部が中央部からの熱で再び温度上昇を起こすという、復熱が生じている。つまり、急冷停止後は、急冷されて温度の下がった表層部やその直下の表層近傍は再び温度が上昇することになる。この様子を、鋼材の連続冷却線図(CCT線図)に重ね合わせて図4に示す。図4において、復熱を示す線はMs点から一旦γ領域に戻った後、最終的にフェライト+パーライト(F+P)の領域に入っている。炭素を固溶する鉄の変態後の組織は、変態を起こすときの温度によって決まる。これは、変態後の炭素の形態を決定するのは炭素の拡散しやすさによって決まり、炭素の拡散しやすさは温度によって決まるからである。つまり、鋼の冷却において、γ領域でどのような熱処理履歴を経ようと、最終的な変態組織は変態するときの温度によって決定されるため、図4に示したようなCCT線図を持つ鋼の場合、冷却時にマルテンサイト変態を起こした部分以外は全て復熱時の変態となってしまい、必然的にフェライトおよびパーライトの組織となってしまう。つまり、マルテンサイト変態を起こした最表層以外は全てフェライトおよびパーライトとなってしまうのである。
これに対して、図5に示すように、フェライトおよびパーライトの領域のみがCCT線図の右側(冷却速度がより遅い側)にある鋼では、復熱時の変態がベイナイトとなる。このような鋼、つまり復熱時にベイナイト変態を起こす鋼はフェライトおよびパーライト変態を起こす鋼よりも、内部、具体的には上記した中間位置のような丸棒内部において高強度となることを知見した。
When the rapid cooling to the steel material is stopped halfway and switched to air cooling, the steel material tends to reach a uniform temperature throughout. Taking this as a temperature change from the surface, recuperation occurs where the surface layer once cooled to room temperature rises again due to heat from the center. That is, after the rapid cooling stop, the temperature rises again in the surface layer part that has been cooled rapidly and the temperature has dropped, and in the vicinity of the surface layer immediately below. This state is shown in FIG. 4 superimposed on a continuous cooling diagram (CCT diagram) of steel. In FIG. 4, a line indicating recuperation returns from the Ms point to the γ region, and finally enters the ferrite + pearlite (F + P) region. The structure after transformation of iron that dissolves carbon is determined by the temperature at which transformation occurs. This is because the form of carbon after transformation is determined by the ease of carbon diffusion, and the ease of carbon diffusion is determined by temperature. That is, in steel cooling, no matter what heat treatment history goes through in the γ region, the final transformation structure is determined by the temperature at the time of transformation, so the steel having a CCT diagram as shown in FIG. In this case, all the portions other than the portion that has undergone martensitic transformation during cooling are transformed at the time of recuperation, and inevitably become a structure of ferrite and pearlite. That is, all but the outermost layer that has undergone martensitic transformation becomes ferrite and pearlite.
On the other hand, as shown in FIG. 5, in the steel in which only the ferrite and pearlite regions are on the right side (the slower cooling rate side) of the CCT diagram, the transformation at the time of recuperation is bainite. It was found that such steels, that is, steels that undergo bainite transformation during recuperation, have higher strength inside, specifically inside the round bar as described above, than steels that undergo ferrite and pearlite transformations. .

そこで、復熱時にベイナイト変態を起こさせるための成分設計、より具体的には、CCT線図においてベイナイト領域にあまり影響を与えることなく、F+Pの領域のみを低冷却速度側にシフトさせる、上記の図5に示したようなCCT線図を有する鋼の成分設計を模索した結果、Crを一定量以上添加すること、およびNbを適量添加することが有効であることを知見した。CrおよびNbは共に変態時のセメンタイトに濃化する元素であるが、パーライトが形成されるような比較的高温域では、炭素よりも拡散速度が遅いため、セメンタイトの形成を遅らせる効果を発揮する。その一方で、ベイナイト変態時に形成されるセメンタイトは、炭素の拡散に伴うセメンタイト形成ではなく、大きな過冷却に伴ってフェライト析出核の臨界半径が低下して微小に析出したフェライト相から排出される炭素によるため、CrおよびNbの影響は受けない。よって、CrおよびNbの添加は既述のような復熱時のベイナイトの形成促進に好ましい元素である。なお、上述の特許文献1に記載の技術において、Nbは析出強化のため添加されているが、本発明では冷却・復熱時の変態挙動に影響を与える元素として添加している。   Therefore, component design for causing bainite transformation at the time of recuperation, more specifically, in the CCT diagram, only the F + P region is shifted to the low cooling rate side without significantly affecting the bainite region. As a result of searching for the component design of the steel having the CCT diagram as shown in FIG. 5, it was found that it is effective to add a certain amount or more of Cr and an appropriate amount of Nb. Both Cr and Nb are elements that concentrate in cementite at the time of transformation. However, in a relatively high temperature region where pearlite is formed, the diffusion rate is slower than that of carbon, so that the effect of delaying the formation of cementite is exhibited. On the other hand, the cementite formed during the bainite transformation is not formed by the diffusion of carbon, but the carbon discharged from the ferrite phase that is finely precipitated due to a decrease in the critical radius of the ferrite precipitation nuclei with a large supercooling. Therefore, it is not affected by Cr and Nb. Therefore, the addition of Cr and Nb is a preferable element for promoting the formation of bainite during recuperation as described above. In the technique described in Patent Document 1 described above, Nb is added for precipitation strengthening, but in the present invention, Nb is added as an element that affects the transformation behavior during cooling and recuperation.

ここまで、高周波焼入れ性を高めるための鋼材表層のマルテンサイト組織と、中間での強度を高めるためのベイナイト組織とについて述べてきたが、上記以外の中心部側の組織については特に制約はない。
ただし、中間での強度とは別に、鋼材全体の強さや粘り強さを考えた場合、できるだけ表層のみが高硬度である、いわゆるU字型に近い断面の硬度分布を持つほうが、焼入れ・焼戻し鋼のようにフラットな硬度分布のものより、丸棒としての撓みの余地が大きいことが明らかとなった。すなわち、図6に示すL1は、70mmφのSCM435を焼入れ・焼戻して、表層と中心とでビッカース硬さの差を32とした丸棒の、3点曲げ試験結果を示している。同様に、L2は表層だけにマルテンサイトを形成させるよう急冷後に大気放置し、その後、適宜焼戻しして表層と中心との硬さの差を64とした丸棒の、3点曲げ試験結果を示している。
Up to this point, the martensite structure of the steel material layer for improving the induction hardenability and the bainite structure for increasing the intermediate strength have been described, but there is no particular limitation on the structure on the center side other than the above.
However, considering the strength and tenacity of the entire steel material apart from the intermediate strength, the hardness distribution of the cross section close to the so-called U-shape, in which only the surface layer is as hard as possible, has a hardness distribution of quenched and tempered steel. Thus, it became clear that the room for bending as a round bar is larger than that of the flat hardness distribution. That is, L1 shown in FIG. 6 shows a three-point bending test result of a round bar obtained by quenching and tempering 70 mmφ SCM435 and setting the difference in Vickers hardness between the surface layer and the center to 32. Similarly, L2 shows the results of a three-point bending test of a round bar which was left in the air after quenching so as to form martensite only on the surface layer, and then tempered as appropriate and the difference in hardness between the surface layer and the center was 64. ing.

ここで、上記の表層と中心とのビッカース硬さの差は、次のように測定した硬さから算出した。すなわち、鋼材の中心の硬さは、中心から半径5mmの円周上の等分5点で測定したビッカース硬さの平均値である。同様に、表層の硬さは、表面から2mmの深さ位置から円周方向へ任意の5点で測定したビッカース硬さの平均値である。   Here, the difference in Vickers hardness between the surface layer and the center was calculated from the hardness measured as follows. That is, the hardness of the center of the steel material is an average value of Vickers hardness measured at five equally divided points on a circumference having a radius of 5 mm from the center. Similarly, the hardness of the surface layer is an average value of Vickers hardness measured at five arbitrary points in the circumferential direction from a depth position of 2 mm from the surface.

図6に示すように、表層と中心との硬度差が大きいほうが、破断に至るまでのストロークが大きい。3点曲げのストロークは丸棒としての撓みを示しており、表層と中心との硬度差が大きいほうがより大きく撓む余地があることを示している。このように、最終的な丸棒製品での外部応力に対する撓み余地を大きくし、焼入れ・焼戻し材との差別化を図るためには、表層と中心との硬度差をビッカース硬さで60以上とする必要があることを知見し、本発明を完成するに至った。   As shown in FIG. 6, the greater the difference in hardness between the surface layer and the center, the greater the stroke to break. The stroke of the three-point bending indicates the bending as a round bar, and indicates that there is room for bending more when the hardness difference between the surface layer and the center is larger. In this way, in order to increase the room for bending with respect to external stress in the final round bar product and to differentiate from the quenching / tempering material, the difference in hardness between the surface layer and the center is 60 or more in terms of Vickers hardness. As a result, the present invention has been completed.

なお、表層に導入するマルテンサイト主体組織の厚さであるが、高周波焼入れにより6mm以上の焼入れ層を形成することは部品製造の観点からは不可能であるため、余裕を見て7mmの厚さがあれば十分である。また、ベイナイト主体組織の厚みは、十分な引張強度確保の観点から5mm以上、より好ましくは6mm以上、さらに好ましくは7mm以上とする。
なお、表層に形成させるマルテンサイト主体組織は、高周波焼入れ後の硬さのばらつきを抑制するためには、面積率で75%以上がマルテンサイトであればよい。また、下限に形成させるベイナイト主体組織は、強度および靭性確保の観点から面積率で75%以上がベイナイトであればよい。
It is the thickness of the martensite main structure introduced into the surface layer, but it is impossible to form a hardened layer of 6 mm or more by induction hardening from the viewpoint of component manufacture. If there is enough. The thickness of the bainite main structure is 5 mm or more, more preferably 6 mm or more, and further preferably 7 mm or more from the viewpoint of securing sufficient tensile strength.
The martensite main structure formed on the surface layer may be martensite with an area ratio of 75% or more in order to suppress hardness variation after induction hardening. Moreover, the bainite main structure | tissue formed in a minimum should just be 75% or more of bainite by area ratio from a viewpoint of intensity | strength and toughness ensuring.

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
[成分組成]
以下、鋼材の化学組成に関する%表示は、特に断らない限り質量%を意味する。
C:0.30〜0.55%
Cは、Fe中に固溶または微細な炭化物として析出し、鋼材を強化する元素である。また熱処理中にオーステナイト中に固溶し、オーステナイトを固溶強化することで焼入性を調整することができる、極めて有用な元素である。しかしながら、Cを0.55%超で含有すると、鋼材の焼入性が高くなりすぎて、復熱時の変態ですらマルテンサイトとなってしまい、中間位置で十分な靭性が得られなくなる。一方、Cの含有量を0.30%未満とすると、焼入性が低くなりすぎる結果、CrおよびNb等の添加によってCCT線図におけるF+Pの領域を低冷却速度側にシフトとさせても復熱時の変態でベイナイトを得ることが困難になる。したがって、Cの含有量は0.30〜0.55%とした。好ましくは0.33〜0.50%の範囲である。
Hereinafter, each requirement of the present invention will be described in detail.
[Ingredient composition]
Hereinafter, unless otherwise indicated, the% display regarding the chemical composition of steel means the mass%.
C: 0.30 to 0.55%
C is an element that precipitates as a solid solution or fine carbide in Fe and strengthens the steel material. Further, it is a very useful element that can be adjusted in hardenability by solid solution in austenite during heat treatment and strengthening austenite by solid solution strengthening. However, if C is contained in an amount exceeding 0.55%, the hardenability of the steel material becomes too high, and even the transformation at the time of recuperation becomes martensite, and sufficient toughness cannot be obtained at an intermediate position. On the other hand, if the C content is less than 0.30%, the hardenability becomes too low. As a result, even if the F + P region in the CCT diagram is shifted to the low cooling rate side by adding Cr, Nb, etc. It becomes difficult to obtain bainite due to transformation during heating. Therefore, the content of C is set to 0.30 to 0.55%. Preferably it is 0.33 to 0.50% of range.

Si:0.05〜1.50%
Siは、Fe中に固溶し、鋼材を固溶強化する元素である。また、焼戻しの際に焼戻し軟化抵抗を示し、焼戻し後の強度維持にも有効な成分である。しかし、Siは脱炭を促進する元素であり、1.50%を超えると熱間圧延の加熱時の脱炭が避けられなくなる。一方、Siの含有量を0.05%未満とすると十分な固溶強化と焼戻し軟化抵抗を得られなくなる。したがって、Siの含有量は0.05〜1.50%とした。好ましくは0.08〜1.30%の範囲である。
Si: 0.05 to 1.50%
Si is an element that dissolves in Fe and strengthens the steel. Further, it is a component that exhibits temper softening resistance during tempering and is effective in maintaining strength after tempering. However, Si is an element that promotes decarburization, and if it exceeds 1.50%, decarburization during heating in hot rolling becomes unavoidable. On the other hand, if the Si content is less than 0.05%, sufficient solid solution strengthening and temper softening resistance cannot be obtained. Therefore, the Si content is set to 0.05 to 1.50%. Preferably it is 0.08 to 1.30% of range.

Mn:1.55%未満
Mnは、Fe中に固溶し、鋼材を固溶強化すると共に、鋼材の焼入性を劇的に上げるのに有効である。具体的には、F+Pの領域とともにBの領域も低冷却速度側にシフトさせてしまう元素である。このため、Mnを過度に含有すると、復熱時でもマルテンサイト変態を追い越すことになってしまう。従って、上限は1.55%、好ましくは、1.20%とする。より好ましくは1.00%である。一方、鉄鋼製品中には、鋼材の性能を劣化させる原料由来のSが不可避的に含まれるが、Mnは、このSと化合物を形成して、Sの鋼材に対する悪影響を取り除く効果がある。よって、焼入れ性に影響しない程度、例えば0.50%程度、より好ましくは0.30%程度であれば含有しても構わない。
Mn: Less than 1.55% Mn is effective for solid solution strengthening in Fe and strengthening the steel material, and at the same time dramatically increasing the hardenability of the steel material. Specifically, it is an element that shifts the B region as well as the F + P region to the low cooling rate side. For this reason, when Mn is contained excessively, the martensitic transformation will be overtaken even at the time of recuperation. Therefore, the upper limit is 1.55%, preferably 1.20%. More preferably, it is 1.00%. On the other hand, steel products inevitably contain S derived from a raw material that degrades the performance of the steel material, but Mn forms a compound with this S and has the effect of removing the adverse effects of S on the steel material. Therefore, it may be contained so long as it does not affect the hardenability, for example, about 0.50%, more preferably about 0.30%.

Cr:0.85〜2.00%
Crは、上述のように、Fe中に固溶して鋼材を固溶強化すると共に、F+P領域のみを低冷却速度側にシフトさせる効果のある添加元素である。しかし、Crを2.00%超で添加すると、加熱中のオーステナイトがCrにより固溶強化されてしまう結果、全体の焼入性が上がりすぎて復熱時でもマルテンサイト変態を起こすようになってしまう。一方で、0.85%未満では、上述のような効果が十分に得られない。したがって、Crの含有量は0.85〜2.00%とした。好ましくは0.90〜1.80%の範囲である。
Cr: 0.85-2.00%
As described above, Cr is an additive element that has the effect of forming a solid solution in Fe to solidify and strengthen the steel material and shifting only the F + P region to the low cooling rate side. However, when Cr is added in excess of 2.00%, the austenite being heated is solid-solution strengthened by Cr. As a result, the entire hardenability is increased and martensitic transformation occurs even during recuperation. End up. On the other hand, if it is less than 0.85%, the above effects cannot be obtained sufficiently. Therefore, the Cr content is set to 0.85 to 2.00%. Preferably it is 0.90 to 1.80% of range.

Al:0.010〜0.050%
Alは、鉄鋼製品の製造過程で不可避的に大気から混入する酸素を酸化物として固定し、酸素が鋼材に及ぼす悪影響を無害化する元素である。さらに、後述するNと窒化物を形成し加熱中の鋼材のオーステナイト粒径の粗大化を抑制する効果が得られる元素である。そのためには、0.010%以上で含有させる。しかし、Alを0.050%超含有すると、粗大な酸化物が形成され、鋼材内部でのクラックの発生起点となるおそれが生じる。したがって、Alの含有量は0.010〜0.050%とした。好ましくは0.025〜0.045%の範囲である。
Al: 0.010 to 0.050%
Al is an element that fixes oxygen inevitably mixed from the atmosphere as an oxide in the manufacturing process of steel products and renders the adverse effects of oxygen on steel materials harmless. Furthermore, it is an element that forms an N and nitride, which will be described later, and has an effect of suppressing coarsening of the austenite grain size of the steel being heated. For that purpose, it is contained at 0.010% or more. However, if Al is contained in excess of 0.050%, a coarse oxide is formed, which may be a starting point of cracks in the steel material. Therefore, the content of Al is set to 0.010 to 0.050%. Preferably it is 0.025 to 0.045% of range.

N:0.0020〜0.0200%
Nは、上記のAlと窒化物を形成して加熱中の鋼材のオーステナイト粒径の粗大化を抑制する効果が得られる元素である。そのためには、0.0020%以上で含有させる。しかし、0.0200%超の含有量ではFe中に固溶して、常温でいわゆる歪時効を起こすため、鋼材の伸びを著しく低下させるおそれが生じる。したがって、Nの含有量は0.0020〜0.0200%とした。好ましくは0.0040〜0.0180%の範囲である。
N: 0.0020 to 0.0200%
N is an element capable of obtaining the effect of suppressing the coarsening of the austenite grain size of the steel material being heated by forming the above-described Al and nitride. For that purpose, 0.0020% or more is contained. However, if the content exceeds 0.0200%, it dissolves in Fe and causes so-called strain aging at room temperature, which may significantly reduce the elongation of the steel material. Therefore, the content of N is set to 0.0020 to 0.0200%. Preferably it is 0.0040 to 0.0180% of range.

Nb:0.005〜0.100%
Nbは、上述のように、F+P領域のみを低冷却速度側にシフトさせるのに有用な元素である。0.005%以下ではこの効果が十分に得られない。一方で0.100%以上含有すると、鋳造時にオーステナイト結晶粒界に炭窒化物として析出し、粒界割れの原因となる。よってNbの含有量は0.005〜0.100%とした。好ましくは0.007〜0.080%の範囲である。
Nb: 0.005 to 0.100%
As described above, Nb is an element useful for shifting only the F + P region to the low cooling rate side. If it is 0.005% or less, this effect cannot be sufficiently obtained. On the other hand, when it contains 0.100% or more, it precipitates as a carbonitride at the austenite grain boundary at the time of casting, and causes a grain boundary crack. Therefore, the Nb content is set to 0.005 to 0.100%. Preferably it is 0.007 to 0.080% of range.

P:0.030%以下(0%を含む)
Pは、オーステナイト結晶粒界に偏析して、常温まで冷却されても旧オーステナイト粒界部を脆化して鋼材の靭性を低下させる有害な元素である。よって、低ければ低いほど望ましいが、不純物として許容できる上限は0.030%である。好ましくは0.025%以下であり、0%であっても良い。
P: 0.030% or less (including 0%)
P is a harmful element that segregates at the austenite grain boundaries and embrittles the prior austenite grain boundaries and lowers the toughness of the steel material even when cooled to room temperature. Therefore, the lower the value, the better, but the upper limit allowable as an impurity is 0.030%. Preferably it is 0.025% or less, and may be 0%.

S:0.030%以下(0%を含む)
Sは、鋼材中に固溶して鋼の強度を低下させる有害な元素である。Sの悪影響はMnを添加して化合物を形成させることで取り除くことができる。しかし、その量が限度を超えると、Mnでも影響を取り去りきれなくなるばかりでなく、Mnが大量にSと化合物を形成する結果、Mnの本来の添加目的である、鋼材の強化と焼入性の向上とが得られなくなる。これらの観点から、Sの含有量は低ければ低いほど望ましいが、許容できる上限は0.030%である。好ましくは0.025%以下であり、0%であっても良い。
S: 0.030% or less (including 0%)
S is a harmful element that dissolves in the steel and lowers the strength of the steel. The adverse effects of S can be removed by adding Mn to form a compound. However, if the amount exceeds the limit, not only the effect of Mn cannot be completely removed, but also Mn forms a large amount of S and a compound, resulting in the strengthening and hardenability of the steel, which is the original purpose of adding Mn. Improvement cannot be obtained. From these viewpoints, the lower the S content, the better, but the allowable upper limit is 0.030%. Preferably it is 0.025% or less, and may be 0%.

Cu:0.20%以下(0%を含む)
本発明において、Cuは鋼材に悪影響を及ぼす元素である。すなわち、Cuは、鋼材の熱間圧延中に鋼表面の結晶粒界で液相を形成し、結晶粒界の結合力を低下させることで表面割れの発生を招く。これを防ぐためには、Cuの量を一定以下に管理すればよく、この上限は0.20%である。この上限は、好ましくは0.17%であり、0%であっても良い。
Cu: 0.20% or less (including 0%)
In the present invention, Cu is an element that adversely affects steel materials. That is, Cu forms a liquid phase at the grain boundaries on the steel surface during hot rolling of the steel material, and causes the occurrence of surface cracks by reducing the bonding strength of the grain boundaries. In order to prevent this, the amount of Cu may be controlled below a certain level, and this upper limit is 0.20%. This upper limit is preferably 0.17% and may be 0%.

Ni:0.20%以下(0%を含む)
Niは、鋼材の焼入性を上げてしまうため、過剰に添加するとCや、Mn、Crなどの焼入性を調整する元素の添加を抑制するだけでは焼入性の調整が困難になる。また、Niは強烈なオーステナイト安定化元素であるため、冷却時の鋼表面で形成されるマルテンサイト中に残留オーステナイトが残存し、部品となった後の使用時の経年劣化を早めてしまう。これを抑制するために、Niの量を一定以下に管理する必要があり、この上限は0.20%である。この上限は、好ましくは0.15%、より好ましくは0.12%であり、0%であっても良い。
Ni: 0.20% or less (including 0%)
Since Ni increases the hardenability of the steel material, if it is added excessively, it becomes difficult to adjust the hardenability only by suppressing the addition of elements that adjust the hardenability such as C, Mn, and Cr. Further, since Ni is a strong austenite stabilizing element, residual austenite remains in martensite formed on the steel surface at the time of cooling, and the aging deterioration during use after becoming a part is accelerated. In order to suppress this, it is necessary to manage the amount of Ni below a certain level, and this upper limit is 0.20%. This upper limit is preferably 0.15%, more preferably 0.12%, and may be 0%.

以上の基本成分の残部はFeおよび不可避的不純物である。不可避的不純物としては、例えばCa、Mgなどのスラブから混入する元素や希土類元素(REM)がある。さらに、必要に応じて、Tiおよび/またはBを以下の範囲で添加することができる。   The balance of the above basic components is Fe and inevitable impurities. Inevitable impurities include elements mixed from slabs such as Ca and Mg, and rare earth elements (REM). Furthermore, if necessary, Ti and / or B can be added in the following range.

Ti:0.001〜0.100%
Tiは、炭化物や窒化物を高温で形成し、加熱中の鋼材のオーステナイト粒径の粗大化を抑制して、鋼材の靭性を向上させる効果のある元素であるため、0.001%以上で添加してもよい。しかし、このTi添加の効果は0.100%を超えると、逆にTi化合物の粗大化を引き起こし効果が得られなくなる、おそれがある。したがって、Tiを添加する場合は、0.001〜0.100%の範囲、好ましくは0.0040〜0.080%の範囲とする。
Ti: 0.001 to 0.100%
Ti is an element that forms carbides and nitrides at a high temperature and suppresses the coarsening of the austenite grain size of the steel material being heated and improves the toughness of the steel material, so it is added at 0.001% or more. May be. However, if the effect of addition of Ti exceeds 0.100%, the Ti compound may be coarsened and the effect may not be obtained. Therefore, when adding Ti, it is 0.001 to 0.100% of range, preferably 0.0040 to 0.080%.

B:0.0002〜0.0050%
Bは、微量でも鋼の焼入れ性を劇的に向上させる元素であり、添加しても良い。添加量が0.0002%未満では焼入れ性向上の効果が得られない。一方、0.0050%を超えると、Nと結びついて鋳造中にBNを形成し、粒界割れの原因となってしまう。したがって、Bを添加する場合は、0.0002〜0.0050%、好ましくは0.0005〜0.0030%の範囲とした。
B: 0.0002 to 0.0050%
B is an element that dramatically improves the hardenability of steel even in a small amount, and may be added. If the addition amount is less than 0.0002%, the effect of improving hardenability cannot be obtained. On the other hand, if it exceeds 0.0050%, it is combined with N to form BN during casting, which causes grain boundary cracking. Therefore, when adding B, it was made into the range of 0.0002 to 0.0050%, preferably 0.0005 to 0.0030%.

[組織]
上述のとおり、鋼材の組織は、表層をマルテンサイトの面積率が75%以上のマルテンサイト主体組織とし、該マルテンサイト主体組織の下層にベイナイト主体組織を有することが重要である。すなわち、かような組織構成とすることによって、高周波焼入れを施した際の該焼入れ層の硬さばらつきを抑制しつつ、鋼材として優れた強度および靭性を確保することができる。
ここで、表層とは、鋼材の表面から深さ7mmまでの領域であり、ベイナイト主体組織である下層は厚さ5mm以上の領域である。表層におけるマルテンサイト組織の比率は75%以上とする。勿論、100%であってもよい。同様に、下層におけるベイナイト組織の比率は75%以上とする。勿論、100%であってもよい。
[Organization]
As described above, it is important that the steel material has a martensite main structure whose surface layer has a martensite area ratio of 75% or more and a bainite main structure below the martensite main structure. That is, by setting it as such a structure, the intensity | strength and toughness which were excellent as steel materials can be ensured, suppressing the hardness dispersion | variation in this quenching layer at the time of performing induction hardening.
Here, the surface layer is a region from the surface of the steel material to a depth of 7 mm, and the lower layer, which is a bainite main structure, is a region having a thickness of 5 mm or more. The ratio of the martensite structure in the surface layer is 75% or more. Of course, it may be 100%. Similarly, the ratio of the bainite structure in the lower layer is 75% or more. Of course, it may be 100%.

なお、該表層域および下層域以外の組織は、特に限定する必要はない。例えば、フェライト、パーライトおよびベイナイトのいずれでもよいが、中心部を高靭性にして良好な撓みを得るという、観点からはフェライトおよびパーライトである。   The structure other than the surface layer region and the lower layer region is not particularly limited. For example, any of ferrite, pearlite, and bainite may be used, but ferrite and pearlite are used from the viewpoint of obtaining good bending by making the central portion high toughness.

[硬さ規定]
鋼材の中心と表層との硬度の差がビッカース硬さで60以上であることが肝要である。なぜなら、鋼材全体の強さや粘り強さを付与するには、鋼材の表面から深さ方向へ硬度分布を持つほうが、深さ方向の硬度が一様のものより、鋼材としての撓みの余地が大きくなる。
[Hardness regulation]
It is important that the difference in hardness between the center of the steel material and the surface layer is 60 or more in terms of Vickers hardness. This is because, in order to give the strength and tenacity of the entire steel material, the hardness distribution in the depth direction from the surface of the steel material has more room for bending as a steel material than the uniform hardness in the depth direction. .

[製造方法]
上述の成分組成を有する鋼素材に、熱間加工を施したのち、800〜1000℃の温度域から、表面より7mm深さ位置での冷却速度を10℃/s以上として冷却を行い、該冷却の開始から下記(1)式で定まる時間P[s]の経過後は空冷に切り替えて冷却する。

P[s]=0.01×r2±r/10 ・・・(1)
ここで、r:冷却部位における円形断面材の半径(mm)
まず、鋼材の表層をマルテンサイト主体組織とすることが肝要であるのは、上述のとおりである。そのために、円形断面材への熱間加工を施した後、800〜1000℃の温度域から冷却速度を10℃/s以上として急速冷却を行う。好ましくは、11℃/s以上、より好ましく12℃/s以上の速度にて冷却する。なお、表面から7mm深さ位置までの表層をマルテンサイト主体組織とするために、800〜1000℃の温度域から10℃/s以上の速度での冷却は、鋼材の表面から7mm深さの位置における温度にて制御する。
[Production method]
After performing hot working on the steel material having the above-described composition, cooling is performed at a cooling rate of 10 ° C./s or more at a depth of 7 mm from the surface from a temperature range of 800 to 1000 ° C. After the elapse of time P [s] determined by the following equation (1) from the start of the above, the cooling is switched to air cooling.
P [s] = 0.01 × r 2 ± r / 10 (1)
Where r: radius of the circular cross-section material at the cooling site (mm)
First, as described above, it is important that the steel material has a martensite main structure. For this purpose, after hot working on the circular cross-section material, rapid cooling is performed at a cooling rate of 10 ° C./s or more from a temperature range of 800 to 1000 ° C. Preferably, cooling is performed at a rate of 11 ° C./s or more, more preferably 12 ° C./s or more. In addition, in order to make the surface layer from the surface to a depth of 7 mm as a martensite main structure, cooling at a rate of 10 ° C./s or more from a temperature range of 800 to 1000 ° C. is performed at a position of a depth of 7 mm from the surface of the steel material. Control at the temperature.

また、熱間加工の仕上げ温度が800〜1000℃の範囲にあれば、熱間加工後の鋼材を直ちに冷却処理に供してもよい。勿論、800〜1000℃の範囲に再加熱してから冷却を行ってもよい。   Moreover, if the finishing temperature of hot working is in the range of 800 to 1000 ° C., the steel material after hot working may be immediately subjected to cooling treatment. Of course, cooling may be performed after reheating in the range of 800 to 1000 ° C.

そして、この急速冷却を上式(1)に従うP[s]とする理由は、以下のとおりである。すなわち、上述のとおり、急冷によりマルテンサイト主体組織を表層に形成させ、この表層下にベイナイト主体組織を形成させることが有効であるが、表層(マルテンサイト主体組織層)下にベイナイトを形成させるためには、図5に示すCCT線図において表層にマルテンサイトを形成させた後、表層下のマルテンサイト変態していない部分が復熱およびその後の冷却時にベイナイト変態する温度履歴を経る必要がある。この温度履歴を経るためには、ある段階で急速冷却を停止する必要がある。このとき、急速冷却時間Pが長すぎると、中心部に近い領域までマルテンサイト変態が進行してしまい、また、ベイナイト主体組織が必要以上に大きくなったりして、中心部の硬さが大きくなり、前述の表層部と中心部との硬度差を確保できなくなり、靭性が劣化する。一方、急速冷却時間Pが短すぎると、急速冷却停止後の空冷の際、表層下のマルテンサイト変態していない部分が復熱後にパーライト変態してしまい、この領域にベイナイト主体組織を形成させることができなくなる。つまり、ベイナイト主体組織の領域を確保し、かつ、表層部と中心部とに必要な高度差を付与するためには、急速冷却時間Pには適正値がある。そして、この急速冷却時間の適正値は、鋼材の径が大きいほど長くなると考えられる。そこで、発明者らは、鋼材を円形断面材として、冷却部位における円形断面材の半径毎に急速冷却時間の適正範囲を調査したところ、上式(1)を満足すれば、マルテンサイト主体組織の表層下に上述のベイナイト主体組織を形成させ、かつ、表層部と中心部とに上述の硬度差を付与できることが確認できた。よって、上式(1)に従う急速冷却時間P[s]の経過後は、空冷に切り替えて冷却する必要がある。   The reason why this rapid cooling is set to P [s] according to the above equation (1) is as follows. That is, as described above, it is effective to form a martensite main body structure on the surface layer by rapid cooling, and to form a bainite main body structure under this surface layer, but to form bainite under the surface layer (martensite main body structure layer). In the CCT diagram shown in FIG. 5, after forming martensite on the surface layer, it is necessary to undergo a temperature history in which the portion under the surface layer that has not undergone martensite transformation undergoes bainite transformation during recuperation and subsequent cooling. In order to pass through this temperature history, it is necessary to stop the rapid cooling at a certain stage. At this time, if the rapid cooling time P is too long, the martensitic transformation proceeds to a region near the center, and the bainite main structure becomes larger than necessary, and the hardness of the center increases. The hardness difference between the surface layer portion and the center portion cannot be ensured, and the toughness is deteriorated. On the other hand, if the rapid cooling time P is too short, a portion of the surface layer that has not undergone martensite transformation undergoes pearlite transformation after recuperation during air cooling after the rapid cooling stop, and a bainite main structure is formed in this region. Can not be. That is, the rapid cooling time P has an appropriate value in order to secure the area of the bainite main structure and to give the necessary altitude difference between the surface layer portion and the central portion. And it is thought that the appropriate value of this rapid cooling time becomes long, so that the diameter of steel materials is large. Therefore, the inventors investigated the appropriate range of the rapid cooling time for each radius of the circular cross-section material in the cooling region using the steel material as a circular cross-section material, and if the above formula (1) is satisfied, the martensite main structure It was confirmed that the above-mentioned bainite main structure was formed under the surface layer, and the above-described hardness difference could be imparted to the surface layer portion and the center portion. Therefore, after the elapse of the rapid cooling time P [s] according to the above equation (1), it is necessary to switch to air cooling for cooling.

上記P[s]後に大気中に放置する空冷を、室温まで行うことによって、上記した成分組成を有する鋼材は、マルテンサイト主体組織である表面から7mm以上の深さの表層と、この表層下に厚さ5mm以上のベイナイト主体組織の層を有する組織となる。   The steel material having the above-described component composition is subjected to air cooling that is allowed to stand in the atmosphere after P [s] to room temperature, so that a surface layer having a depth of 7 mm or more from the surface that is a martensite-based structure and a surface layer below this surface layer It becomes a structure | tissue which has the layer of the bainite main structure of thickness 5mm or more.

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
表1に示す成分組成を有する鋼種No.1〜79を、150kg真空溶解炉を用いて溶製して鋼塊を作製した後、一旦、直径:120mmの円柱に熱間鍛造し、この円柱を1150℃×1時間保持後空冷の条件で焼準した後に、表2に示す直径の丸棒を切り出した。
なお、表1中の鋼種No.1−56は、化学組成が本発明で規定する範囲内に適合する適合鋼である。一方、鋼種No.57−77は、下線を引いた成分が本発明で規定する含有量の範囲から外れた比較鋼である。さらに、鋼種No.78および79は、本発明の選択成分を添加した事例であり、これら選択成分の添加範囲が外れている比較鋼である。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention more concretely, this invention is not limited to these Examples.
Steel type No. having the component composition shown in Table 1. 1 to 79 were melted using a 150 kg vacuum melting furnace to produce a steel ingot, and then once hot-forged into a 120 mm diameter cylinder, this cylinder was held at 1150 ° C. for 1 hour and then air-cooled. After normalization, a round bar having a diameter shown in Table 2 was cut out.
In Table 1, the steel type No. 1-56 is a compatible steel whose chemical composition falls within the range defined in the present invention. On the other hand, steel type No. 57-77 is a comparative steel in which the underlined component deviates from the content range defined in the present invention. Furthermore, steel type No. Reference numerals 78 and 79 are examples of addition of selected components of the present invention, and are comparative steels outside the range of addition of these selected components.

上記の丸棒を、さらに180mm長さに切断し、その軸中心まで800〜900℃に加熱して鋼全体をオーステナイト化した後に、表2に示す条件で水槽中にて、時間:P(s)だけ水冷し、その後大気中で放冷した。
なお、丸棒の表面から7mm深さ位置における冷却速度は、丸棒の所定の位置までドリルで穴を開け、その穴に接触型熱伝対を設置することで測定した。また、冷却速度を計算する範囲は水冷開始から時間P(s)が経過するまでとし、水冷時間:Pはストップウオッチで計測した。
The above round bar is further cut into a length of 180 mm, heated to 800-900 ° C. to the axial center thereof to austenite the whole steel, and then in a water bath under the conditions shown in Table 2, time: P (s ) Was cooled with water, and then allowed to cool in the atmosphere.
The cooling rate at a depth of 7 mm from the surface of the round bar was measured by drilling a hole to a predetermined position of the round bar and installing a contact-type thermocouple in the hole. The range for calculating the cooling rate was from the start of water cooling until the time P (s) passed, and the water cooling time: P was measured with a stopwatch.

上記のようにして作製した丸棒の中間位置(表面からD/4深さ位置:Dは丸棒の直径)から各種の試験片を採取して、TS(引張強さ[MPa])および靭性(シャルピー衝撃試験値[J/cm2])を調査した。引張試験片はJIS Z2201に定める4号試験片とし、引張速度が引張試験機のストロークの速度で10mm/minにて測定した。シャルピー衝撃試験片はJIS Z2242で定めるUノッチ試験片(ノッチ下高さ8mm)とし、測定温度は25℃とした。ミクロ組織観察用試験片はC断面に垂直な方向の厚さ10mmの試験片を切り出し、そのC断面を観察に供した。観察面は鏡面研磨してナイタール溶液で腐食した後、倍率100倍とした光学顕微鏡で観察して、ミクロ組織の判定を行った。 Various test specimens were collected from the intermediate position of the round bar produced as described above (D / 4 depth position from the surface: D is the diameter of the round bar), and TS (tensile strength [MPa]) and toughness were obtained. (Charpy impact test value [J / cm 2 ]) was investigated. The tensile test piece was a No. 4 test piece defined in JIS Z2201, and the tensile speed was measured at 10 mm / min at the stroke speed of the tensile tester. The Charpy impact test piece was a U-notch test piece (height under notch 8 mm) defined by JIS Z2242, and the measurement temperature was 25 ° C. The specimen for microstructural observation cut out a specimen having a thickness of 10 mm in the direction perpendicular to the C section, and the C section was used for observation. The observation surface was mirror-polished and corroded with a nital solution, and then observed with an optical microscope with a magnification of 100 times to determine the microstructure.

上記の各試験結果を表3にまとめて示す。さらに、表層部と中心部とのビッカース硬さの差は、次のように測定した硬さから算出した。すなわち、鋼材の中心部の硬さは、中心から半径5mmの円周上の等分5点で測定したビッカース硬さの平均値である。同様に、表層部の硬さは、表面から2mmの深さ位置から円周方向へ任意の5点で測定したビッカース硬さの平均値である。ビッカース硬さの測定はJIS Z2244に準拠した。   The test results are summarized in Table 3. Further, the difference in Vickers hardness between the surface layer portion and the center portion was calculated from the hardness measured as follows. That is, the hardness of the central part of the steel material is an average value of Vickers hardness measured at five equally divided points on the circumference having a radius of 5 mm from the center. Similarly, the hardness of the surface layer portion is an average value of Vickers hardness measured at five arbitrary points in the circumferential direction from a depth position of 2 mm from the surface. The measurement of Vickers hardness was based on JIS Z2244.

最後に、高周波焼入れ後の丸棒表層の硬さのばらつきを、前組織がマルテンサイト組織の場合とフェライトとパーライト組織の場合とで比較した。上記の各試験片に4mmの高周波焼入れ層を形成し、表面から3mmの位置でのビッカース硬さを12箇所で測定し、その平均を、同一の鋼材で高周波焼入れ前に表層にマルテンサイト層を形成させた場合とフェライトとパーライトの場合とで比較した。前組織がフェライトとパーライトの場合を分母として、表層にマルテンサイト層を形成させた場合を分子として、その比率(%)を表3に併記する。   Finally, the hardness variation of the round bar surface layer after induction hardening was compared between the case where the previous structure was a martensite structure and the case where the structure was ferrite and pearlite. A 4 mm induction hardened layer is formed on each of the above test pieces, the Vickers hardness at a position 3 mm from the surface is measured at 12 locations, and the average is obtained by applying a martensite layer to the surface layer before induction hardening with the same steel material. A comparison was made between the case of formation and the case of ferrite and pearlite. The ratio (%) is also shown in Table 3 using the case where the previous structure is ferrite and pearlite as the denominator and the case where the martensite layer is formed on the surface layer as the numerator.

Claims (4)

質量%で、
C:0.30〜0.55%、
Si:0.05〜1.50%、
Mn:1.55%未満、
Cr:0.85〜2.00%以下、
Al:0.010〜0.050%、
N:0.0020〜0.0200%、
Nb:0.005〜0.100%、
P:0.030%以下(0%を含む)、
S:0.030%以下(0%を含む)、
Cu:0.20%以下(0%を含む)および
Ni:0.20%以下(0%を含む)
を含み、残部がFeおよび不可避的不純物の成分組成を有し、表面から深さ7mmまでの表層部の組織はマルテンサイトの面積率が75%以上のマルテンサイト主体組織であり、該マルテンサイト主体組織の下層にベイナイトの面積率が75%以上のベイナイト主体組織を有し、該ベイナイト主体組織の厚さが5mm以上であり、前記表層部と中心部との硬度差がビッカース硬さで60以上である鋼材。
% By mass
C: 0.30 to 0.55%,
Si: 0.05 to 1.50%,
Mn: less than 1.55%,
Cr: 0.85 to 2.00% or less,
Al: 0.010 to 0.050%,
N: 0.0020 to 0.0200%,
Nb: 0.005 to 0.100%,
P: 0.030% or less (including 0%),
S: 0.030% or less (including 0%),
Cu: 0.20% or less (including 0%) and Ni: 0.20% or less (including 0%)
The balance is Fe and the inevitable impurities component composition, and the structure of the surface layer part from the surface to a depth of 7 mm is a martensite-based structure with a martensite area ratio of 75% or more, the martensite-based structure The lower layer of the structure has a bainite main structure with an area ratio of bainite of 75% or more, the thickness of the bainite main structure is 5 mm or more, and the hardness difference between the surface layer part and the center part is 60 or more in terms of Vickers hardness. Steel material.
前記成分組成は、さらに、
Ti:0.001〜0.100質量%
を含む請求項1に記載の鋼材。
The component composition further includes:
Ti: 0.001 to 0.100 mass%
The steel material of Claim 1 containing.
前記成分組成は、さらに、
B:0.0002〜0.0050質量%
を含む請求項1または2に記載の鋼材。
The component composition further includes:
B: 0.0002 to 0.0050 mass%
The steel material according to claim 1 or 2 containing.
請求項1乃至3のいずれかに記載の成分組成を有する鋼素材に、熱間加工を施して円形断面材に成形したのち、800〜1000℃の温度域から表面より7mm深さ位置での冷却速度を10℃/s以上として冷却を行い、該冷却の開始から下記(1)式で定まる時間P[s]の経過後は空冷に切り替えて冷却する、表面から深さ7mmまでの表層部の組織はマルテンサイトの面積率が75%以上のマルテンサイト主体組織であり、該マルテンサイト主体組織の下層にベイナイトの面積率が75%以上のベイナイト主体組織を有し、該ベイナイト主体組織の厚さが5mm以上であり、前記表層部と中心部との硬度差がビッカース硬さで60以上である鋼材の製造方法。

P[s]=0.01×r2±r/10 ・・・(1)
ここで、r:冷却部位における円形断面材の半径(mm)
A steel material having the composition according to any one of claims 1 to 3 is subjected to hot working and formed into a circular cross-section material, and then cooled at a depth of 7 mm from the surface from a temperature range of 800 to 1000 ° C. Cooling is performed at a speed of 10 ° C./s or more, and after the time P [s] determined by the following equation (1) from the start of the cooling, cooling is performed by switching to air cooling . The structure is a martensite main structure with a martensite area ratio of 75% or more, and has a bainite main structure with a bainite area ratio of 75% or more under the martensite main structure, and the thickness of the bainite main structure. Is 5 mm or more, The manufacturing method of the steel materials whose hardness difference of the said surface layer part and center part is 60 or more by Vickers hardness .
P [s] = 0.01 × r 2 ± r / 10 (1)
Where r: radius of the circular cross-section material at the cooling site (mm)
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