JP7056237B2 - Manufacturing method of steel material for sliding parts and steel material for sliding parts - Google Patents

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Description

本発明は、摺動部品用鋼材及び摺動部品用鋼材の製造方法に関する。 The present invention relates to a steel material for sliding parts and a method for manufacturing a steel material for sliding parts.

自動車の軽量化ニーズを背景に、クランクシャフトの細軸化及び狭幅化に対する要求が高まっている。一方、燃費向上の観点から、エンジンの出力は増大しつつある。ここで問題となるのが、摺動面の高面圧化と潤滑油膜の薄化による焼付きリスクの顕在化、及びそれによるフリクションロスの懸念である。焼付き防止は次世代のエンジン部材に求められる重要課題であり、潤滑油の成分及び量、並びにクランクシャフト及び軸受の材質等、多方面から検討されている。 Against the background of the need for weight reduction of automobiles, there is an increasing demand for narrower and narrower crankshafts. On the other hand, from the viewpoint of improving fuel efficiency, the output of the engine is increasing. Here, the problems are the emergence of seizure risk due to the high surface pressure of the sliding surface and the thinning of the lubricating oil film, and the concern about friction loss due to this. Prevention of seizure is an important issue required for next-generation engine members, and is being studied from various aspects such as the composition and amount of lubricating oil, and the materials of crankshafts and bearings.

特許第4589885号公報には、熱伝導率κが40W/mK以上であって、かつ高周波焼入れ後の表面硬さHvが(2.7×κ+420)よりも大きいことを特徴とするクランクシャフトが開示されている。同文献には、焼付きの支配因子は摺動面の温度上昇であると記載されている。温度上昇を抑制するためには、熱伝導率を高くすること、及び、摩擦係数を低減することが有効であると記載されている。 Japanese Patent No. 4598885 discloses a crankshaft characterized in that the thermal conductivity κ is 40 W / mK or more and the surface hardness Hv after induction hardening is larger than (2.7 × κ + 420). Has been done. The document states that the controlling factor for seizure is the temperature rise of the sliding surface. It is described that it is effective to increase the thermal conductivity and reduce the coefficient of friction in order to suppress the temperature rise.

特許第4140283号公報には、表層から200nmまでの領域における組織が、面積率で5%以下の初析フェライトとラメラー間隔が30nm以下のパーライトとの混合組織であることを特徴とする非調質鋼クランクシャフトが開示されている。同文献には、耐摩耗性に影響するのは表層から200nmまでの領域における硬さであり、ナノインデンテーション装置を用いてこの領域を測定した硬さが10GPa以上であれば、優れた耐摩耗性が得られると記載されている。 Japanese Patent No. 4140283 is characterized in that the structure in the region from the surface layer to 200 nm is a mixed structure of proeutectoid ferrite having an area ratio of 5% or less and pearlite having a lamellar spacing of 30 nm or less. Steel crankshafts are disclosed. According to the document, it is the hardness in the region from the surface layer to 200 nm that affects the wear resistance, and if the hardness measured in this region using a nanoindentation device is 10 GPa or more, the wear resistance is excellent. It is stated that sex can be obtained.

特許第4589885号公報Japanese Patent No. 4598885 特許第4140283号公報Japanese Patent No. 4140283

クランクシャフトと軸受けとは、通常、油膜を挟んで対向する流体潤滑の状態で摺動している。しかし、長時間の摺動中には、流体潤滑から境界潤滑状態に至る局面が少なからず存在する。境界潤滑状態における耐焼付き性を向上させるためには、表面(摺動面)から数100nm以内の硬さ(ナノ硬さ)を高くすることが有効である。ナノ硬さを高くすれば、内部が軟質であっても、優れた耐焼付き性を得ることができる。 The crankshaft and the bearing are usually slid in a fluid-lubricated state facing each other with an oil film in between. However, during long-time sliding, there are not a few aspects from fluid lubrication to boundary lubrication. In order to improve the seizure resistance in the boundary lubrication state, it is effective to increase the hardness (nano hardness) within several hundred nm from the surface (sliding surface). If the nano-hardness is increased, excellent seizure resistance can be obtained even if the inside is soft.

一方、鋼の硬さを高くすると、塑性変形が起こりにくくなって脆くなるという問題がある。そのため、鋼の硬さを高くすると、摩耗粉が発生したり割れが発生したりすることで、かえって焼付きが起こりやすくなる場合がある。 On the other hand, when the hardness of steel is increased, there is a problem that plastic deformation is less likely to occur and the steel becomes brittle. Therefore, if the hardness of the steel is increased, wear debris may be generated or cracks may be generated, so that seizure may be more likely to occur.

本発明の課題は、耐焼付き性を向上させた摺動部品用鋼材を提供すること、及び耐焼付き性を向上させた摺動部品用鋼材の製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a steel material for sliding parts having improved seizure resistance, and to provide a method for manufacturing a steel material for sliding parts having improved seizure resistance.

本発明の一実施形態による衝動部品用鋼材は、化学組成が、質量%で、C:0.3~0.55%、Si:0.7%以下、Mn:0.4~1.8%、Cr:0.3%以下、Ni:0.5%以下、Cu:0.5%以下、Al:0.005~0.06%、N:0.001~0.04%、P:0.03%以下、S:0.035%以下、残部:Fe及び不純物であり、前記摺動部品用鋼材の少なくとも一部は、表面から少なくとも200μmの深さまでの組織が、焼入れままマルテンサイト分率が50~80%、残留オーステナイト分率が5~10%、残部がフェライト相である組織である。 The steel material for impulse parts according to one embodiment of the present invention has a chemical composition of% by mass, C: 0.3 to 0.55%, Si: 0.7% or less, Mn: 0.4 to 1.8%. , Cr: 0.3% or less, Ni: 0.5% or less, Cu: 0.5% or less, Al: 0.005 to 0.06%, N: 0.001 to 0.04%, P: 0 .03% or less, S: 0.035% or less, balance: Fe and impurities, and at least a part of the steel material for sliding parts has a martensite fraction as hardened, with a structure up to a depth of at least 200 μm from the surface. The structure is 50 to 80%, the retained austenite fraction is 5 to 10%, and the balance is a ferrite phase.

本発明の一実施形態による摺動部品用鋼材の製造方法は、化学組成が、質量%で、C:0.3~0.55%、Si:0.7%以下、Mn:0.4~1.8%、Cr:0.3%以下、Ni:0.5%以下、Cu:0.5%以下、Al:0.005~0.06%、N:0.001~0.04%、P:0.03%以下、S:0.035%以下、残部:Fe及び不純物である素材を準備する工程と、前記素材の少なくとも一部を、720~770℃の加熱温度に加熱して5~60分間保持する工程と、前記素材の加熱した部分を、前記加熱温度から200℃までの温度域の平均冷却速度が10℃/秒以上になるように冷却する工程とを備える。 The method for producing a steel material for sliding parts according to an embodiment of the present invention has a chemical composition of C: 0.3 to 0.55%, Si: 0.7% or less, Mn: 0.4 to% in mass%. 1.8%, Cr: 0.3% or less, Ni: 0.5% or less, Cu: 0.5% or less, Al: 0.005 to 0.06%, N: 0.001 to 0.04% , P: 0.03% or less, S: 0.035% or less, balance: Fe and the step of preparing a material which is an impurity, and at least a part of the material is heated to a heating temperature of 720 to 770 ° C. It comprises a step of holding for 5 to 60 minutes and a step of cooling the heated portion of the material so that the average cooling rate in the temperature range from the heating temperature to 200 ° C. is 10 ° C./sec or more.

本発明によれば、耐焼付き性を向上させた摺動部品用鋼材が得られる。 According to the present invention, a steel material for sliding parts having improved seizure resistance can be obtained.

図1は、本発明の一実施形態による摺動部品用鋼材の製造方法の一例を示すフロー図である。FIG. 1 is a flow chart showing an example of a method for manufacturing a steel material for sliding parts according to an embodiment of the present invention. 図2は、ピンオンディスク型摩擦試験の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a pin-on disc type friction test. 図3は、ナノインデンテーション法によるナノ硬さ測定の模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram of nano-hardness measurement by the nano-indentation method. 図4は、Rmsを説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining Rms. 図5は、原子間力顕微鏡で測定した試験番号3の供試材の摩耗試験後の表面観察結果である。FIG. 5 shows the surface observation results of the test material of test number 3 measured by an atomic force microscope after the wear test. 図6は、原子間力顕微鏡で測定した試験番号4の供試材の摩耗試験後の表面観察結果である。FIG. 6 shows the surface observation results of the test material of test number 4 measured by an atomic force microscope after the wear test. 図7は、原子間力顕微鏡で測定した試験番号3の供試材の焼付き試験後の表面観察結果である。FIG. 7 is a surface observation result after the seizure test of the test material of test number 3 measured by an atomic force microscope. 図8は、原子間力顕微鏡で測定した試験番号4の供試材の焼付き試験後の表面観察結果である。FIG. 8 shows the surface observation results of the test material of test number 4 measured by an atomic force microscope after the seizure test.

本発明者らは、種々の鋼材を作製し、自動車用クランクシャフトを想定した耐焼付き試験を実施して焼付き面圧を評価した。その結果、以下の知見を得た。 The present inventors prepared various steel materials and conducted a seizure resistance test assuming a crankshaft for automobiles to evaluate the seizure surface pressure. As a result, the following findings were obtained.

(A)耐焼付き性の支配要因
焼付き面圧は、鋼材の硬さ(Hv硬さ)とはあまり相関がなく、表面(摺動面)から数100nm以内の硬さ(以下「ナノ硬さ」という。)に依存する。鋼材のナノ硬さが高いほど、焼付き面圧が高くなる(耐焼き付き性が高くなる。)。
(A) Controlling factors of seizure resistance The seizure surface pressure does not have much correlation with the hardness (Hv hardness) of steel materials, and the hardness within several hundred nm from the surface (sliding surface) (hereinafter referred to as "nano hardness"). ".) Depends on. The higher the nanohardness of the steel material, the higher the seizure surface pressure (the higher the seizure resistance).

ただし、同一組織の鋼材の間ではナノ硬さによって焼付き面圧をある程度推測できるものの、組織の異なる鋼材の間では、ナノ硬さのみでは焼付き面圧を正しく推測できない。組織の異なる鋼材の間の焼付き面圧は、ナノ硬さを摺動後の鋼材の表面粗さで除した値とよい相関を示す。すなわち、焼付き面圧は、鋼材のナノ硬さが高く、かつ、摺動後の鋼材の表面粗さが小さいほど大きくなる。 However, although the seizure surface pressure can be estimated to some extent from the nanohardness among steel materials having the same structure, the seizure surface pressure cannot be correctly estimated from the nanohardness alone between steel materials having different structures. The seizure surface pressure between steel materials with different structures shows a good correlation with the value obtained by dividing the nano-hardness by the surface roughness of the steel material after sliding. That is, the seizure surface pressure increases as the nanohardness of the steel material is high and the surface roughness of the steel material after sliding is small.

(B)耐焼付き性向上のための組織制御
摺動部品の表面は摺動により強加工を受ける。鋼材のナノ硬さを向上させるためには、加工硬化性を向上させることが有効である。この点に関し、摺動によってナノ結晶が形成されると、転位の運動が阻害され、加工硬化が起こらなくなる。長時間の摺動に対して加工硬化性を維持するためには、可動転位の密度を高くすることが好ましい。
(B) Tissue control for improving seizure resistance The surface of sliding parts is subjected to strong machining due to sliding. In order to improve the nano-hardness of steel materials, it is effective to improve work hardening. In this regard, when nanocrystals are formed by sliding, the movement of dislocations is hindered and work hardening does not occur. In order to maintain work hardening against long-term sliding, it is preferable to increase the density of movable dislocations.

一方、摺動部品が長時間摺動を受けると、繰り返しせん断応力が加えられることにより、疲労破壊と同じメカニズムによってき裂の発生と伝播が起こる。き裂が表面に達すると、摩耗粒子が発生し、この摩耗粒子によって表面粗さが大きくなる。耐焼付き性を向上させるためには、摩耗粒子の発生を抑制するための材料設計や組織制御が必要である。 On the other hand, when a sliding component is slid for a long time, repeated shear stress is applied, so that cracks are generated and propagated by the same mechanism as fatigue fracture. When the crack reaches the surface, wear particles are generated, and the wear particles increase the surface roughness. In order to improve seizure resistance, it is necessary to design materials and control the structure to suppress the generation of wear particles.

摩耗粒子の発生を抑制するためには、表層組織を、塑性変形に対して可動転位の密度が高い組織とすることが有効である。可動転位の密度が高い組織とは、残留オーステナイト、焼入れままマルテンサイト(焼戻しをしていないマルテンサイト、以下「フレッシュマルテンサイト」という場合がある。)、及び固溶炭素量の低いフェライト相である。 In order to suppress the generation of wear particles, it is effective to make the surface layer structure a structure with a high density of movable dislocations with respect to plastic deformation. Structures with a high density of mobile dislocations are retained austenite, as-quenched martensite (unquenched martensite, hereinafter sometimes referred to as "fresh martensite"), and a ferrite phase with a low solid solution carbon content. ..

オーステナイト及びフェライト相は軟質相であるため、表面をこれらのみの組織にすると必要なナノ硬さが得られない。一方、表面をフレッシュマルテンサイトのみの組織にすると遅れ破壊が生じる場合がある。また、マルテンサイトやフェライト相に焼戻しを加えると炭化物が析出するが、炭化物は転位の運動を阻害(不動化)する。そのため、摩耗粒子の発生を抑制するためには、焼戻しを加えない組織とすることが好ましい。 Since the austenite and ferrite phases are soft phases, the required nanohardness cannot be obtained if the surface has only these structures. On the other hand, if the surface is made of only fresh martensite, delayed fracture may occur. Further, when tempering is applied to martensite or a ferrite phase, carbides are precipitated, and the carbides inhibit (immobilize) the movement of dislocations. Therefore, in order to suppress the generation of wear particles, it is preferable to have a structure that is not tempered.

したがって、耐焼付き性向上のための望ましい組織は、フレッシュマルテンサイト、残留オーステナイト、及びフェライト相からなる複相組織である。これら3つの組織を共存させることによって、高強度・高硬度を維持しつつ、き裂の発生と伝播を抑制することができる。 Therefore, a desirable structure for improving seizure resistance is a multiphase structure consisting of fresh martensite, retained austenite, and a ferrite phase. By coexisting these three structures, it is possible to suppress the generation and propagation of cracks while maintaining high strength and high hardness.

以上の知見に基づいて、本発明は完成された。以下、本発明の一実施形態による摺動部品用鋼材について詳述する。 Based on the above findings, the present invention has been completed. Hereinafter, the steel material for sliding parts according to the embodiment of the present invention will be described in detail.

[化学組成]
本実施形態による摺動部品用鋼材は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「%」は、質量%を意味する。
[Chemical composition]
The steel material for sliding parts according to this embodiment has the chemical composition described below. In the following description, "%" of the element content means mass%.

C:0.3~055%
炭素(C)は、鋼の焼入れ性を高め、硬さの向上に寄与する。C含有量が0.3%未満では、鋼の焼入れ性が不足する。一方、C含有量が0.55%を超えると、必要な被削性が得られなくなる。したがって、C含有量は0.3~0.55%である。C含有量の下限は、好ましくは0.35%であり、さらに好ましくは0.38%である。C含有量の上限は、好ましくは0.5%であり、さらに好ましくは0.45%である。
C: 0.3 to 055%
Carbon (C) enhances the hardenability of steel and contributes to the improvement of hardness. If the C content is less than 0.3%, the hardenability of steel is insufficient. On the other hand, if the C content exceeds 0.55%, the required machinability cannot be obtained. Therefore, the C content is 0.3 to 0.55%. The lower limit of the C content is preferably 0.35%, more preferably 0.38%. The upper limit of the C content is preferably 0.5%, more preferably 0.45%.

Si:0.7%以下
シリコン(Si)は、粗大なセメンタイトの生成を抑制する。Siが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、Si含有量が0.7%を超えると、鋼の熱伝導率が低下して十分な耐焼付き性が得られなくなる。したがって、Si含有量は0.7%以下である。Si含有量の下限は、好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.1%である。Si含有量の上限は、好ましくは0.65%であり、さらに好ましくは0.6%である。
Si: 0.7% or less Silicon (Si) suppresses the formation of coarse cementite. This effect can be obtained if even a small amount of Si is contained. On the other hand, if the Si content exceeds 0.7%, the thermal conductivity of the steel is lowered and sufficient seizure resistance cannot be obtained. Therefore, the Si content is 0.7% or less. The lower limit of the Si content is preferably 0.05%, more preferably 0.1%. The upper limit of the Si content is preferably 0.65%, more preferably 0.6%.

Mn:0.4~1.8%
マンガン(Mn)は、鋼の焼入れ性を高め、硬さの向上に寄与する。また、Mn含有量が少なすぎると、残留オーステナイトが少なくなり、望ましい組織を得ることが困難になる。一方、Mn含有量が1.8%を超えると、熱間加工性が低下する。したがって、Mn含有量は0.4~1.8%である。Mn含有量の下限は、好ましくは0.42%であり、さらに好ましくは0.45%である。Mn含有量の上限は、好ましくは1.6%であり、さらに好ましくは1.5%である。
Mn: 0.4 to 1.8%
Manganese (Mn) enhances the hardenability of steel and contributes to the improvement of hardness. On the other hand, if the Mn content is too low, the retained austenite will be low, and it will be difficult to obtain a desired structure. On the other hand, when the Mn content exceeds 1.8%, the hot workability deteriorates. Therefore, the Mn content is 0.4 to 1.8%. The lower limit of the Mn content is preferably 0.42%, more preferably 0.45%. The upper limit of the Mn content is preferably 1.6%, more preferably 1.5%.

Cr:0.3%以下
クロム(Cr)は、鋼の焼入れ性を高め、硬さの向上に寄与する。Crが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、Cr含有量が0.3%を超えると、二相域が狭くなり、望ましい組織を得ることが困難になる。また、炭化物が析出しやすくなる。したがって、Cr含有量は0.3%以下である。Cr含有量の下限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.03%である。Cr含有量の上限は、好ましくは0.2%であり、さらに好ましくは0.1%である。
Cr: 0.3% or less Chromium (Cr) enhances the hardenability of steel and contributes to the improvement of hardness. This effect can be obtained if even a small amount of Cr is contained. On the other hand, when the Cr content exceeds 0.3%, the two-phase region becomes narrow and it becomes difficult to obtain a desired structure. In addition, carbides are likely to precipitate. Therefore, the Cr content is 0.3% or less. The lower limit of the Cr content is preferably 0.01%, more preferably 0.03%. The upper limit of the Cr content is preferably 0.2%, more preferably 0.1%.

Ni:0.5%以下
ニッケル(Ni)は、鋼の焼入れ性を高め、硬さの向上に寄与する。Niが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、Ni含有量が0.5%を超えると、残留オーステナイトが増加し、望ましい組織を得ることが困難になる。したがって、Ni含有量は0.5%以下である。Ni含有量の下限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。Ni含有量の上限は、好ましくは0.4%であり、さらに好ましくは0.3%である。
Ni: 0.5% or less Nickel (Ni) enhances the hardenability of steel and contributes to the improvement of hardness. This effect can be obtained if even a small amount of Ni is contained. On the other hand, when the Ni content exceeds 0.5%, retained austenite increases, making it difficult to obtain a desired structure. Therefore, the Ni content is 0.5% or less. The lower limit of the Ni content is preferably 0.01%, more preferably 0.02%. The upper limit of the Ni content is preferably 0.4%, more preferably 0.3%.

Cu:0.5%以下
銅(Cu)は、鋼の焼入れ性を高め、硬さの向上に寄与する。Cuが少しでも含有されていれば、この効果が得られる。一方、Cu含有量が0.5%を超えると、二相域が狭くなり、望ましい組織を得ることが困難になる。したがって、Cu含有量は0.5%以下である。Cu含有量の下限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。Cu含有量の上限は、好ましくは0.4%であり、さらに好ましくは0.3%である。
Cu: 0.5% or less Copper (Cu) enhances the hardenability of steel and contributes to the improvement of hardness. This effect can be obtained if even a small amount of Cu is contained. On the other hand, when the Cu content exceeds 0.5%, the two-phase region becomes narrow and it becomes difficult to obtain a desired structure. Therefore, the Cu content is 0.5% or less. The lower limit of the Cu content is preferably 0.01%, more preferably 0.02%. The upper limit of the Cu content is preferably 0.4%, more preferably 0.3%.

Al:0.005~0.06%
アルミニウム(Al)は、窒化物を形成し、窒化物のピンニング効果によってオーステナイト粒の微細化に寄与する。Al含有量が0.005%未満では、この効果が十分に得られない。一方、Al含有量が0.06%を超えると、鋼の被削性が低下する。したがって、Al含有量は0.005~0.06%である。Al含有量の下限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。Al含有量の上限は、好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.04%である。
Al: 0.005 to 0.06%
Aluminum (Al) forms a nitride and contributes to the miniaturization of austenite grains by the pinning effect of the nitride. If the Al content is less than 0.005%, this effect cannot be sufficiently obtained. On the other hand, when the Al content exceeds 0.06%, the machinability of the steel is lowered. Therefore, the Al content is 0.005 to 0.06%. The lower limit of the Al content is preferably 0.01%, more preferably 0.02%. The upper limit of the Al content is preferably 0.05%, more preferably 0.04%.

N:0.001~0.04%
窒素(N)は、窒化物や炭窒化物を形成し、窒化物や炭窒化物のピンニング効果によってオーステナイト粒の微細化に寄与する。N含有量が0.001%未満では、この効果が十分に得られない。一方、N含有量が0.04%を超えると、鋼の靱性が低下する。したがって、N含有量は0.001~0.04%である。N含有量の下限は、好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.01%である。N含有量の上限は、好ましくは0.035%であり、さらに好ましくは0.03%である。
N: 0.001 to 0.04%
Nitrogen (N) forms nitrides and carbonitrides, and contributes to the miniaturization of austenite grains by the pinning effect of the nitrides and carbonitrides. If the N content is less than 0.001%, this effect cannot be sufficiently obtained. On the other hand, when the N content exceeds 0.04%, the toughness of the steel decreases. Therefore, the N content is 0.001 to 0.04%. The lower limit of the N content is preferably 0.005%, more preferably 0.01%. The upper limit of the N content is preferably 0.035%, more preferably 0.03%.

P:0.03%以下
リン(P)は、不純物である。P含有量が0.03%を超えると、鋼の疲労強度が低下する。したがって、P含有量は0.03%以下である。P含有量は、好ましくは0.025%以下であり、さらに好ましくは0.02%以下である。
P: 0.03% or less Phosphorus (P) is an impurity. When the P content exceeds 0.03%, the fatigue strength of the steel decreases. Therefore, the P content is 0.03% or less. The P content is preferably 0.025% or less, more preferably 0.02% or less.

S:0.035%以下
硫黄(S)は、不純物である。S含有量が0.035%を超えると、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、S含有量は0.035%以下である。S含有量は、好ましくは0.030%以下であり、さらに好ましくは0.025%以下である。
S: 0.035% or less Sulfur (S) is an impurity. When the S content exceeds 0.035%, the hot workability of the steel deteriorates. Therefore, the S content is 0.035% or less. The S content is preferably 0.030% or less, more preferably 0.025% or less.

本実施形態による摺動部品用鋼材の化学組成の残部は、Fe及び不純物である。ここでいう不純物は、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップから混入する元素、あるいは製造過程の環境等から混入する元素をいう。 The balance of the chemical composition of the steel material for sliding parts according to this embodiment is Fe and impurities. Impurities here refer to elements mixed from ores and scraps used as raw materials for steel, or elements mixed from the environment of the manufacturing process.

[表層組織]
本実施形態による摺動部品用鋼材は、少なくともその一部に、表面硬化処理が施されている。表面硬化処理は例えば、高周波焼入れである。本実施形態による摺動部品用鋼材は例えば、摺動部品として使用される際に摺動を受ける部分にだけ表面硬化処理が施されていてもよいし、鋼材の全体に表面硬化処理が施されていてもよい。
[Surface structure]
At least a part of the steel material for sliding parts according to the present embodiment is surface-hardened. The surface hardening treatment is, for example, induction hardening. For example, the steel material for sliding parts according to the present embodiment may be subjected to surface hardening treatment only on a portion to be slid when used as a sliding part, or the entire steel material is subjected to surface hardening treatment. May be.

本実施形態による摺動部品用鋼材は、表面硬化処理された部分の表面から少なくとも500μm以上の深さまでの組織(以下「表層組織」という。)が、焼入れままマルテンサイト(フレッシュマルテンサイト)、残留オーステナイト、及びフェライト相からなる複相組織である。 In the steel material for sliding parts according to the present embodiment, the structure (hereinafter referred to as "surface structure") from the surface of the surface-hardened portion to a depth of at least 500 μm or more remains as martensite (fresh martensite) as it is quenched. It is a multiphase structure composed of austenite and ferrite phase.

焼入れままマルテンサイト(フレッシュマルテンサイト)は、高強度化と高延性化のために必要である。フレッシュマルテンサイトが少なすぎると、十分なナノ硬さが得られない。一方、フレッシュマルテンサイトが多すぎると、遅れ破壊が発生する場合がある。表層組織におけるフレッシュマルテンサイト分率(以下「フレッシュマルテンサイト率」という。)は、50~80%である。フレッシュマルテンサイト率の下限は、好ましくは55%であり、さらに好ましくは60%である。フレッシュマルテンサイト率の上限は、好ましくは75%であり、さらに好ましくは70%である。 As-quenched martensite (fresh martensite) is necessary for high strength and high ductility. If there is too little fresh martensite, sufficient nanohardness cannot be obtained. On the other hand, if there are too many fresh martensites, delayed fracture may occur. The fraction of fresh martensite in the surface structure (hereinafter referred to as "fresh martensite fraction") is 50 to 80%. The lower limit of the fresh martensite ratio is preferably 55%, more preferably 60%. The upper limit of the fresh martensite rate is preferably 75%, more preferably 70%.

残留オーステナイトは、摺動過程で局所的に高荷重を受けたとき、マルテンサイトに変態し、耐荷重性を向上させる。残留オーステナイトが少なすぎると、この効果が十分に得られない。一方、残留オーステナイトが多すぎると、ナノ硬さが不足する。表層組織における残留オーステナイト分率(以下「残留オーステナイト率」という。)は、5~10%である。残留オーステナイト率の下限は、好ましくは6%である。残留オーステナイト率の上限は、好ましくは9%であり、さらに好ましくは8%である。 When a high load is locally applied to the retained austenite during the sliding process, it transforms into martensite and improves the load bearing capacity. If there is too little retained austenite, this effect will not be sufficient. On the other hand, if there is too much retained austenite, the nanohardness will be insufficient. The retained austenite fraction (hereinafter referred to as "retained austenite ratio") in the surface layer structure is 5 to 10%. The lower limit of the retained austenite rate is preferably 6%. The upper limit of the retained austenite rate is preferably 9%, more preferably 8%.

表層組織の残部は、フェライト相である。フェライト相は、他の組織で発生したひずみや残留応力を緩和させる。表層組織におけるフェライト相分率(以下「フェライト相率」という。)の下限は、好ましくは10%であり、さらに好ましくは15%である。フェライト相率の上限は、好ましくは40%であり、さらに好ましくは30%である。 The rest of the surface structure is the ferrite phase. The ferrite phase relieves strain and residual stresses generated in other structures. The lower limit of the ferrite phase fraction (hereinafter referred to as "ferrite phase fraction") in the surface layer structure is preferably 10%, more preferably 15%. The upper limit of the ferrite phase ratio is preferably 40%, more preferably 30%.

表層組織の厚さは、200μm以上である。表層組織の厚さが200μm未満だと、上述した複相組織による効果が十分に得られない。一方、表面から200μmまでの組織が上述した複相組織であれば、200μmよりも深い領域の組織はこれ以外の組織であってもよい。もっとも、鋼材の全深さにわたって上述した複相組織であってもよい。表面から200μmよりも深い領域の組織は、摺動特性に大きな影響を与えない。 The thickness of the surface layer structure is 200 μm or more. If the thickness of the surface layer structure is less than 200 μm, the effect of the above-mentioned double phase structure cannot be sufficiently obtained. On the other hand, if the structure up to 200 μm from the surface is the above-mentioned double-phase structure, the structure in the region deeper than 200 μm may be a structure other than this. However, the above-mentioned double-phase structure may be used over the entire depth of the steel material. Structures deeper than 200 μm from the surface do not significantly affect sliding properties.

一方、加工性の観点では、鋼材の表面のみが硬化され、内部は軟質組織のままであることが好ましい。したがって、加工性の観点では、表層組織の厚さは、200μmを下限として、できるだけ薄くすることが好ましい。表層組織の厚さの上限は、好ましくは1000μmであり、さらに好ましくは500μmである。 On the other hand, from the viewpoint of workability, it is preferable that only the surface of the steel material is hardened and the inside remains a soft structure. Therefore, from the viewpoint of processability, it is preferable that the thickness of the surface layer structure is as thin as possible with 200 μm as the lower limit. The upper limit of the thickness of the surface layer structure is preferably 1000 μm, more preferably 500 μm.

以上のとおり、本実施形態による摺動部品用鋼材の少なくとも一部は、表面から少なくとも200μmの深さまでの組織が、焼入れままマルテンサイト分率が50~80%、残留オーステナイト分率が5~10%、残部がフェライト相である組織である。 As described above, in at least a part of the steel material for sliding parts according to the present embodiment, the structure from the surface to a depth of at least 200 μm has a martensite fraction of 50 to 80% and a retained austenite fraction of 5 to 10 as hardened. %, The structure where the balance is a ferrite phase.

摺動部品用鋼材の表層組織における各組織の分率は、次のように決定する。 The fraction of each structure in the surface structure of the steel material for sliding parts is determined as follows.

表面硬化処理がされた部分から、表面から200μmよりも深い位置を含む試験片を採取する。この試験片を用いて、X線回折法によって、残留オーステナイト率を求める。具体的には、α相の(200)面、及び(211)面、並びにγ相の(200)面、(220)面、及び(311)面の各々の積分強度を測定する。α相の各面と、γ相の各面との組合せ(2×3=6組)ごとに、下記の式(A)を用いて体積率Vγを算出する。6組の体積率Vγの平均値を、残留オーステナイト率と定義する。
Vγ=100/(1+(Iα×Rγ)/(Iγ×Rα)) (A)
From the surface-hardened portion, a test piece containing a position deeper than 200 μm from the surface is collected. Using this test piece, the retained austenite ratio is determined by X-ray diffraction method. Specifically, the integrated intensities of the (200) plane and the (211) plane of the α phase and the (200) plane, the (220) plane, and the (311) plane of the γ phase are measured. The volume fraction Vγ is calculated using the following formula (A) for each combination (2 × 3 = 6 sets) of each surface of the α phase and each surface of the γ phase. The average value of the six sets of volume fraction Vγ is defined as the retained austenite ratio.
Vγ = 100 / (1+ (Iα × Rγ) / (Iγ × Rα)) (A)

ここで、「Iα」はα相の積分強度、「Rα」はα相の結晶学的理論計算値、「Iγ」はγ相の積分強度、「Rγ」はγ相の結晶学的理論計算値である。 Here, "Iα" is the integrated intensity of the α phase, "Rα" is the crystallographic theoretically calculated value of the α phase, "Iγ" is the integrated crystallographic intensity of the γ phase, and "Rγ" is the crystallographic theoretically calculated value of the γ phase. Is.

表面硬化処理がされた部分から、表面から200μmよりも深い位置を含む試験片を採取する。この試験片の深さ方向と平行な断面を研磨する。王水とグリセリンとの混合溶液を用いて研磨面をエッチングする。光学顕微鏡(観察倍率100倍)を用いて、エッチングされた面におけるフェライト相の面積率を、ASTM E562-11に準拠した点算法で測定する。測定されたフェライト相の面積率をフェライト相率と定義する。 From the surface-hardened portion, a test piece containing a position deeper than 200 μm from the surface is collected. The cross section parallel to the depth direction of this test piece is polished. The polished surface is etched with a mixed solution of aqua regia and glycerin. Using an optical microscope (observation magnification 100 times), the area ratio of the ferrite phase on the etched surface is measured by a point calculation method based on ASTM E562-11. The measured area ratio of the ferrite phase is defined as the ferrite phase ratio.

フレッシュマルテンサイト相率は、残留オーステナイト率及びフェライト相率を100%から差し引いて求める。なお、フレッシュマルテンサイトと焼戻しマルテンサイトとは、電子線後方散乱回折によって判別することができる。 The fresh martensite phase ratio is obtained by subtracting the retained austenite ratio and the ferrite phase ratio from 100%. In addition, fresh martensite and tempered martensite can be discriminated by electron backscatter diffraction.

[炭化物]
炭化物は、転位の運動を阻害(不動化)して組織の塑性変形能を低下させる。摩耗粒子の発生を抑制するためには、炭化物をできるだけ少なくすることが好ましい。したがって、上述した表層組織は、焼戻しを施さない焼入れままの組織とすることが好ましい。
[carbide]
Carbides inhibit (immobilize) the motion of dislocations and reduce the plastic deformability of the tissue. In order to suppress the generation of wear particles, it is preferable to reduce the amount of carbides as much as possible. Therefore, it is preferable that the above-mentioned surface layer structure is an as-quenched structure that is not tempered.

ただし、本実施形態による摺動部品用鋼材の化学組成では、焼戻しを実施しなくても、オートテンパーによってセメンタイト等の炭化物が析出する場合がある。その場合であっても、針状の炭化物が低密度に析出している程度であれば、摺動特性への影響は少ない。具体的には、フレッシュマルテンサイト中の炭化物の平均短径が10nm以下であり、かつ、炭化物間の平均間隔が100nm以上であれば、摺動特性への影響は少ない。 However, in the chemical composition of the steel material for sliding parts according to the present embodiment, carbides such as cementite may be deposited by the autotemper even if tempering is not performed. Even in that case, the effect on the sliding characteristics is small as long as the needle-shaped carbides are deposited at a low density. Specifically, if the average minor axis of the carbides in the fresh martensite is 10 nm or less and the average spacing between the carbides is 100 nm or more, the influence on the sliding characteristics is small.

なお、炭化物の析出は、摺動特性には不利に働くが、強度を向上させる側面もある。そのため、摺動特性を犠牲にしても強度を向上させたい場合等、上述した範囲内で炭化物を析出させることが好ましい場合もあり得る。 It should be noted that the precipitation of carbides works disadvantageously on the sliding characteristics, but also has an aspect of improving the strength. Therefore, it may be preferable to precipitate carbides within the above-mentioned range, such as when it is desired to improve the strength at the expense of sliding characteristics.

炭化物の平均短径は、次のように測定する。 The average minor axis of carbides is measured as follows.

表層組織から、深さ方向と平行な断面が観察面となるように試験片を採取する。透過電子顕微鏡(TEM)によって、観察面を40000倍及び100000倍で、摺動部品用鋼材の表面を含むようにそれぞれ5視野観察する。電子線の入射方向はフェライト<001>方向とする。視野の大きさは40000倍の場合には2.0μm×1.2μm、100000倍の場合には0.8×0.5μmとする。 A test piece is collected from the surface tissue so that the cross section parallel to the depth direction is the observation surface. The observation surface is observed with a transmission electron microscope (TEM) at 40,000 times and 100,000 times in 5 fields so as to include the surface of the steel material for sliding parts. The incident direction of the electron beam is the ferrite <001> direction. The size of the visual field is 2.0 μm × 1.2 μm in the case of 40,000 times, and 0.8 × 0.5 μm in the case of 100,000 times.

電子線回折像から、各炭化物の短径を測定する。各視野で炭化物の短径を平均し、さらに10視野で平均したものを炭化物の平均短径とする。ただし、平均を求めるにあたって、短径が1nm未満のものは含めない。短径が1nm未満のものは、炭化物であるかどうかの判定が困難なためである。 The minor axis of each carbide is measured from the electron diffraction image. The minor axis of the carbide is averaged in each field of view, and the average minor axis of the carbide is defined in 10 visual fields. However, when calculating the average, those with a minor axis of less than 1 nm are not included. If the minor axis is less than 1 nm, it is difficult to determine whether it is a carbide.

なお、炭化物の析出が殆どない場合、例えば短径が1nm以上の炭化物が殆ど存在しない場合も、「炭化物の平均短径が10nm以下である」という要件を満たすものとする。 Even when there is almost no precipitation of carbides, for example, when there is almost no carbide having a minor axis of 1 nm or more, the requirement that "the average minor axis of carbides is 10 nm or less" is satisfied.

炭化物間の平均間隔は、次のように測定する。 The average spacing between carbides is measured as follows.

表層組織から、試験片を採取する。電界放出型電子線マイクロアナライザ(FE-EPMA)によって、加速電圧15kVで30μm×30μmの領域を0.06μm間隔で500×500点を測定する。C濃度が1.5質量%以上である測定点を1とし、1.5質量%未満である点を0として二値化して、炭化物の2次元分布像を得る。炭化物間の平均間隔を以下の手順により導出する。
(1)2次元分布像から、単位面積当たりの粒子数Pを測定する。
(2)2次元平面上での平均粒子間隔Δ2を、下式で導出する。
Δ2=0.500P -1/2
(参考文献)佐久間、西澤:日本金属学会報,10,(1971),P.279-289
Collect test pieces from the surface tissue. With a field emission electron probe microanalyzer (FE-EPMA), 500 × 500 points are measured at intervals of 0.06 μm in a region of 30 μm × 30 μm at an acceleration voltage of 15 kV. A measurement point having a C concentration of 1.5% by mass or more is set to 1, and a point having a C concentration of less than 1.5% by mass is set to 0 to binarize to obtain a two-dimensional distribution image of carbides. The average spacing between carbides is derived by the following procedure.
(1) The number of particles PA per unit area is measured from the two - dimensional distribution image.
(2) The average particle spacing Δ2 on the two-dimensional plane is derived by the following equation.
Δ2 = 0.500P A -1 / 2
(Reference) Sakuma, Nishizawa: Bulletin of the Japan Institute of Metals, 10, (1971), P.M. 279-289

なお、炭化物の析出が殆どない場合、例えば短径が1nm以上の炭化物が殆ど存在しない場合も、「炭化物間の平均間隔が100nm以上である」という要件を満たすものとする。 Even when there is almost no precipitation of carbides, for example, when there are almost no carbides having a minor axis of 1 nm or more, the requirement that "the average spacing between carbides is 100 nm or more" is satisfied.

[製造方法]
以下、本実施形態による摺動部品用鋼材の製造方法の一例を説明する。本実施形態による摺動部品用鋼材の製造方法は、これに限定されない。
[Production method]
Hereinafter, an example of a method for manufacturing a steel material for sliding parts according to the present embodiment will be described. The method for manufacturing a steel material for sliding parts according to the present embodiment is not limited to this.

図1は、本実施形態による摺動部品用鋼材の製造方法の一例を示すフロー図である。この製造方法は、素材を準備する工程(ステップS1)、素材を加熱する工程(ステップS2)、及び加熱した素材を冷却する工程(ステップS3)を備えている。 FIG. 1 is a flow chart showing an example of a method for manufacturing a steel material for sliding parts according to the present embodiment. This manufacturing method includes a step of preparing a material (step S1), a step of heating the material (step S2), and a step of cooling the heated material (step S3).

まず、上述した化学組成の素材を準備する(ステップS1)。素材は例えば、熱間鍛造品である。以下では、素材が熱間鍛造品である場合を例として説明する。上述した化学組成を有する鋼を溶製し、連続鋳造又は分塊圧延を実施して鋼片にする。鋼片を熱間鍛造して摺動部品の粗形状に加工する。熱間鍛造の条件は特に限定されないが、例えば、加熱温度は1000~1250℃、加熱温度での保持時間は10~300分間、仕上げ温度は900℃以上である。熱間鍛造後の素材に切削加工等を施してもよい。 First, a material having the above-mentioned chemical composition is prepared (step S1). The material is, for example, a hot forged product. In the following, a case where the material is a hot forged product will be described as an example. Steel having the above-mentioned chemical composition is melted and continuously cast or lump-rolled to make steel pieces. Steel pieces are hot forged and processed into a rough shape for sliding parts. The conditions for hot forging are not particularly limited, but for example, the heating temperature is 1000 to 1250 ° C., the holding time at the heating temperature is 10 to 300 minutes, and the finishing temperature is 900 ° C. or higher. The material after hot forging may be machined.

素材の少なくとも一部に、以下に説明する表面硬化処理を施す。本実施形態による摺動部品用鋼材は例えば、摺動部品として使用される際に、摺動を受ける部分にだけ表面硬化処理を施してもよいし、素材の全体に表面硬化処理を施してもよい。 At least a part of the material is subjected to the surface hardening treatment described below. When the steel material for sliding parts according to the present embodiment is used as a sliding part, for example, the surface hardening treatment may be applied only to the portion to be slid, or the entire material may be subjected to the surface hardening treatment. good.

具体的にはまず、素材の少なくとも一部を、720~770℃の加熱温度に加熱して5~60分間保持する(ステップS2)。 Specifically, first, at least a part of the material is heated to a heating temperature of 720 to 770 ° C. and held for 5 to 60 minutes (step S2).

この加熱温度(720~770℃)は、いわゆる二相域である。すなわち、素材の加熱された部分は、オーステナイトとフェライトとの二相組織となる。加熱温度が低すぎても高すぎても、望ましい組織が得られない。加熱温度の下限は、好ましくは730℃である。加熱温度の上限は、好ましくは760℃である。 This heating temperature (720 to 770 ° C.) is a so-called two-phase region. That is, the heated portion of the material has a two-phase structure of austenite and ferrite. If the heating temperature is too low or too high, the desired texture will not be obtained. The lower limit of the heating temperature is preferably 730 ° C. The upper limit of the heating temperature is preferably 760 ° C.

保持時間が5分間未満だと、望ましい組織が安定して得られない。一方、保持時間を60分間よりも長くすると、結晶粒が粗大化する。保持時間の下限は、好ましくは10分間であり、さらに好ましくは15分間である。保持時間の上限は、好ましくは50分間であり、さらに好ましくは45分間である。 If the retention time is less than 5 minutes, the desired tissue cannot be obtained stably. On the other hand, if the holding time is longer than 60 minutes, the crystal grains become coarse. The lower limit of the holding time is preferably 10 minutes, more preferably 15 minutes. The upper limit of the holding time is preferably 50 minutes, more preferably 45 minutes.

続いて、素材の加熱した部分を、加熱温度から200℃までの温度域の平均冷却速度が10℃/秒以上になるように冷却する(ステップS3)。これによって、加熱温度でオーステナイトであった組織の一部がフレッシュマルテンサイトに変態し、残部は残留オーステナイトとなる。これによって、フレッシュマルテンサイト、残留オーステナイト、及びフェライト相からなる複相組織が得られる。 Subsequently, the heated portion of the material is cooled so that the average cooling rate in the temperature range from the heating temperature to 200 ° C. is 10 ° C./sec or more (step S3). As a result, a part of the tissue that was austenite at the heating temperature is transformed into fresh martensite, and the rest becomes retained austenite. This gives a multiphase structure consisting of fresh martensite, retained austenite, and a ferrite phase.

加熱温度から200℃までの温度域の平均冷却速度が10℃/秒未満だと、オーステナイトの一部がパーライト等に変態し、望ましい組織が得られない。加熱温度から200℃までの温度域の平均冷却速度は、好ましくは20℃/秒以上である。 If the average cooling rate in the temperature range from the heating temperature to 200 ° C. is less than 10 ° C./sec, a part of austenite is transformed into pearlite or the like, and a desired structure cannot be obtained. The average cooling rate in the temperature range from the heating temperature to 200 ° C. is preferably 20 ° C./sec or more.

200℃よりも低い温度領域の冷却速度は任意である。ただし、200℃よりも低い温度領域を強冷すると、残留オーステナイトが残らない場合や、変態膨張により割れが発生する場合がある。そのため、200℃よいも低い温度領域は空冷することが好ましい。 The cooling rate in the temperature range below 200 ° C. is arbitrary. However, if the temperature region lower than 200 ° C. is strongly cooled, residual austenite may not remain or cracks may occur due to transformation expansion. Therefore, it is preferable to air-cool the temperature region as low as 200 ° C.

冷却後、炭化物を析出させないため、焼戻しを実施しないことが好ましい。本実施形態による摺動部品用鋼材の表層組織は、フレッシュマルテンサイト、残留オーステナイト、及びフェライト相からなる複相組織であるため、焼戻しを実施しなくても、遅れ破壊は生じにくい。 It is preferable not to perform tempering because carbides do not precipitate after cooling. Since the surface structure of the steel material for sliding parts according to the present embodiment is a multiphase structure composed of fresh martensite, retained austenite, and a ferrite phase, delayed fracture is unlikely to occur even if tempering is not performed.

以上、本発明の一実施形態による摺動部品用鋼材及びその製造方法を説明した。本実施形態による摺動部品用鋼材は、優れた耐焼付き性を備える。そのため、本実施形態による摺動部品用鋼材は、摺動部品の材料として好適である。摺動部品は例えば、クランクシャフトである。 The steel material for sliding parts and the manufacturing method thereof according to the embodiment of the present invention have been described above. The steel material for sliding parts according to this embodiment has excellent seizure resistance. Therefore, the steel material for sliding parts according to the present embodiment is suitable as a material for sliding parts. The sliding component is, for example, a crankshaft.

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. The present invention is not limited to these examples.

表1に示す化学組成を有する鋼を150kg真空誘導溶解炉(VIM)によって溶製した後、1200~1250℃に加熱し、50mm角、150mm長さに熱間鍛造して素材とした。 Steel having the chemical composition shown in Table 1 was melted by a 150 kg vacuum induction melting furnace (VIM), heated to 1200 to 1250 ° C., and hot forged to a 50 mm square and 150 mm length to obtain a material.

Figure 0007056237000001
Figure 0007056237000001

熱間鍛造後の素材の組織は、いずれもフェライト・パーライト組織であった。これらの素材に、高周波加熱焼入れ相当の熱処理を加えて、表2に示す試験番号1~14の供試材を作製した。熱間鍛造後の熱処理条件及び熱処理後の組織を表2に示す。 The structure of the material after hot forging was a ferrite pearlite structure. Heat treatment equivalent to high-frequency heating and quenching was applied to these materials to prepare test materials of test numbers 1 to 14 shown in Table 2. Table 2 shows the heat treatment conditions after hot forging and the structure after heat treatment.

Figure 0007056237000002
Figure 0007056237000002

各供試材から、寸法:2.7mm×2.0mm×2.0mmのブロックを複数個採取した。その際、供試材の表面が2.7mm×2.0mmの面(以下「試験面」という。)となるようにブロックを採取した。試験面の凹凸を除去するため、ペーパー研磨及びコロイダルシリカを用いた研磨を実施した。さらに、ペーパー研磨及びコロイダルシリカを用いた研磨によって生成した加工層を除去するため、電解研磨を実施した。ペーパー研磨、コロイダルシリカを用いた研磨、及び電解研磨によって除去した表面の厚さは合計で約0.5μmであった。 A plurality of blocks having dimensions: 2.7 mm × 2.0 mm × 2.0 mm were collected from each test material. At that time, the blocks were collected so that the surface of the test material had a surface of 2.7 mm × 2.0 mm (hereinafter referred to as “test surface”). In order to remove the unevenness of the test surface, paper polishing and polishing with colloidal silica were carried out. Further, electrolytic polishing was carried out in order to remove the processed layer generated by paper polishing and polishing with colloidal silica. The total surface thickness removed by paper polishing, polishing with colloidal silica, and electrolytic polishing was about 0.5 μm.

[表層組織の特定]
研磨後のブロックの試験面と垂直な面を観察面として、実施形態で説明した方法によって、表層組織の特定、炭化物の平均短径、及び炭化物間の平均間隔を測定した。表層組織、炭化物の平均短径、及び炭化物間の平均間隔を表3に示す。
[Identification of surface tissue]
Using the surface perpendicular to the test surface of the block after polishing as the observation surface, the surface structure was specified, the average minor axis of the carbides, and the average spacing between the carbides were measured by the method described in the embodiment. Table 3 shows the surface structure, the average minor axis of carbides, and the average spacing between carbides.

Figure 0007056237000003
Figure 0007056237000003

表3の「組織」の欄における「M」、「A」、及び「F」は、欄外に注記したものを除き、それぞれフレッシュマルテンサイト、残留オーステナイト、及びフェライト相を示す。「組織」の欄の「-」は、該当する組織の分率が分析下限未満であったことを示す。表3の「炭化物」の「平均短径」の欄の「-」は、炭化物の平均短径が分析下限未満であったことを示す。「平均間隔」の欄の「-」は、炭化物の平均間隔の測定を実施していないことを示す。 "M", "A", and "F" in the "Structure" column of Table 3 indicate fresh martensite, retained austenite, and ferrite phase, respectively, except as noted in the margin. A "-" in the "Organization" column indicates that the fraction of the relevant organization was below the lower limit of analysis. “-” In the column of “Average minor axis” of “Carbide” in Table 3 indicates that the average minor axis of carbide was less than the lower limit of analysis. A "-" in the "Average interval" column indicates that the measurement of the average interval of carbides has not been performed.

[ビッカース硬さの測定]
表層組織の特定等に用いたものと同じブロックを用いて、ビッカース硬さを測定した。
[Measurement of Vickers hardness]
The Vickers hardness was measured using the same block used to identify the surface structure.

[ナノ硬さ及び表面粗さの測定]
長時間摺動後のナノ硬さ及び表面粗さを評価するため、各ブロックに対して摩耗試験を実施し、摩耗試験後のナノ硬さ及び表面粗さを測定した。
[Measurement of nano-hardness and surface roughness]
In order to evaluate the nano-hardness and surface roughness after sliding for a long time, a wear test was performed on each block, and the nano-hardness and surface roughness after the wear test were measured.

まず、上述したブロックを用いて、図2に示すピンオンディスク型摩耗試験を実施した。具体的には、ピンオンディスク試験機の回転ディスク10の表面に、800番のエメリーペーパー20を貼り付け、エメリーペーパー20にブロック30の試験面を0.3MPaの面圧で押しつけたまま、室温で摺動距離が2000mになるまで回転ディスク10を回転させた。 First, the pin-on-disk type wear test shown in FIG. 2 was carried out using the above-mentioned block. Specifically, the 800th emery paper 20 is attached to the surface of the rotating disk 10 of the pin-on disc tester, and the test surface of the block 30 is pressed against the emery paper 20 at a surface pressure of 0.3 MPa at room temperature. The rotating disc 10 was rotated until the sliding distance reached 2000 m.

摩耗試験後、試験面のナノ硬さ及び表面粗さをナノインデンテーション法によって測定した。 After the wear test, the nano-hardness and surface roughness of the test surface were measured by the nano-indentation method.

ナノ硬さの測定は、Agilent Technology社製ナノインデンター、XP/DCM型を用いた。図3に示すように、ナノインデンターの探針40を試験片30の試験面30aに接触させて測定した。より具体的には、ダイアモンド製のバーコビッチ型針を試験面30aに連続剛性方式(CSM式)で押し込んだ。連続剛性方式の条件は、振動数を45Hz、振幅を2nm、押し込み深さを250nmとした。 For the measurement of nano-hardness, an XP / DCM type nano-indenter manufactured by Agilent Technologies was used. As shown in FIG. 3, the probe 40 of the nanoindenter was brought into contact with the test surface 30a of the test piece 30 for measurement. More specifically, a diamond-made Berkovich-type needle was pushed into the test surface 30a by a continuous rigidity method (CSM method). The conditions of the continuous rigidity method were a frequency of 45 Hz, an amplitude of 2 nm, and a pushing depth of 250 nm.

表面粗さは、キーエンス製レーザー顕微鏡VK-X200を用い、下記の式で定義される要素長さRms(μm)を用いて評価した。なお、Xsiは、図4に示すように、一つの輪郭線要素に対応する長さである。

Figure 0007056237000004
The surface roughness was evaluated using a Keyence laser microscope VK-X200 and using the element length Rms (μm) defined by the following formula. As shown in FIG. 4, Xsi is a length corresponding to one contour line element.
Figure 0007056237000004

さらに、各供試材に対して、面圧100MPaでの耐焼付き試験を実施した。具体的には、クランクシャフトを模した円柱状のサンプル(軸直径40mm)をモーターに連結し、すべり軸受(材質は同合金)で支持しながら回転させた。回転速度は6000rpm、市販のエンジンオイルを供給しながら、60分間で面圧100MPaまで負荷した後、サンプル表面の焼付きの有無を評価した。 Further, a seizure resistance test was carried out on each test material at a surface pressure of 100 MPa. Specifically, a columnar sample (shaft diameter 40 mm) imitating a crankshaft was connected to a motor and rotated while being supported by a slide bearing (material is the same alloy). The rotation speed was 6000 rpm, and after applying a commercially available engine oil to a surface pressure of 100 MPa in 60 minutes, the presence or absence of seizure on the sample surface was evaluated.

各試験番号の供試材のビッカース硬さ、ナノ硬さ、表面粗さ(Rms)、及び焼付き試験の評価結果を示す。 The evaluation results of the Vickers hardness, nano-hardness, surface roughness (Rms), and seizure test of the test material of each test number are shown.

Figure 0007056237000005
Figure 0007056237000005

試験番号4、7、9の供試材は、ナノ硬さ/Rmsの値が7.0以上であった。これらの供試材は、焼付き試験で焼付きが生じなかった。これらの供試材は、表層が加工硬化しても、割れや摩耗粉の発生が抑制されていたと考えられる。 The test materials of test numbers 4, 7 and 9 had a nano-hardness / Rms value of 7.0 or more. These test materials did not seize in the seizure test. It is considered that these test materials were suppressed from cracking and generation of wear debris even when the surface layer was work-hardened.

試験番号1~3、5、6、8、10~14の供試材は、ナノ硬さ/Rmsの値が7.0未満であり、焼付き試験で焼付きが発生した。これは、これらの供試材の表層組織が適切でなかったためと考えられる。 The test materials of test numbers 1 to 3, 5, 6, 8, 10 to 14 had a nanohardness / Rms value of less than 7.0, and seizure occurred in the seizure test. It is considered that this is because the surface structure of these test materials was not appropriate.

試験番号1の供試材の表層組織は、フェライト・パーライトであった。これは、加熱後の冷却速度が小さすぎたためと考えられる。 The surface structure of the test material of Test No. 1 was ferrite pearlite. It is considered that this is because the cooling rate after heating was too low.

試験番号2、6の供試材は、オーステナイト温度域からの焼入れと、焼戻しとが実施された。これらの供試材の表層組織は、焼戻しマルテンサイト単一の組織であった。 The test materials of test numbers 2 and 6 were quenched from the austenite temperature range and tempered. The surface structure of these test materials was a single structure of tempered martensite.

試験番号3、8、10の供試材は、オーステナイト温度域からの焼入れが実施された。これらの供試材の表層組織は、フレッシュマルテンサイト単一の組織であった。 The test materials of test numbers 3, 8 and 10 were quenched from the austenite temperature range. The surface structure of these test materials was a single structure of fresh martensite.

試験番号5の供試材の表層組織は、フレッシュマルテンサイト分率が低かった。これは、加熱温度が低すぎたためと考えられる。 The surface structure of the test material of test number 5 had a low fresh martensite fraction. This is probably because the heating temperature was too low.

試験番号11の供試材の表層組織は、残留オーステナイト分率が低かった。これは、鋼種DのMn含有量が少なすぎたためと考えられる。 The surface structure of the test material of Test No. 11 had a low retained austenite fraction. It is considered that this is because the Mn content of the steel grade D was too low.

試験番号12の供試材の表層組織は、残留オーステナイト分率が高かった。これは、鋼種EのCr含有量が多すぎたためと考えられる。 The surface structure of the test material of test number 12 had a high retained austenite fraction. It is considered that this is because the Cr content of the steel grade E was too high.

試験番号13の供試材の表層組織は、残留オーステナイト分率が高かった。これは、鋼種FのNi含有量が多すぎたためと考えられる。 The surface structure of the test material of test number 13 had a high retained austenite fraction. It is considered that this is because the Ni content of the steel type F was too high.

試験番号14の供試材の表層組織は、残留オーステナイト分率が低かった。これは、鋼種GのCu含有量が多すぎたためと考えられる。 The surface structure of the test material of test number 14 had a low retained austenite fraction. It is considered that this is because the Cu content of the steel grade G was too high.

図5及び図6はそれぞれ、原子間力顕微鏡(AFM)で測定した試験番号3及び4の供試材の摩耗試験後の表面観察結果である。図7及び図8はそれぞれ、AFMで測定した試験番号3及び4の供試材の焼付き試験後の表面観察結果である。 5 and 6 are surface observation results after the wear test of the test materials of test numbers 3 and 4, respectively, measured by an atomic force microscope (AFM). 7 and 8 are surface observation results after the seizure test of the test materials of test numbers 3 and 4, respectively, measured by AFM.

図5~図8から、摩耗試験後及び焼付き試験後のいずれにおいても、試験番号4の供試材は、試験番号3の供試材と比較して、滑らかな表面が維持されていることが分かる。 From FIGS. 5 to 8, the test material of test number 4 maintains a smooth surface as compared with the test material of test number 3 after both the wear test and the seizure test. I understand.

以上、本発明の一実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。 Although one embodiment of the present invention has been described above, the above-described embodiment is merely an example for carrying out the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the above-mentioned embodiment can be appropriately modified and carried out within a range not deviating from the gist thereof.

Claims (3)

摺動部品用鋼材であって、
化学組成が、質量%で、
C :0.3~0.55%、
Si:0.7%以下、
Mn:0.4~1.8%、
Cr:0.01~0.3%、
Ni:0.01~0.5%、
Cu:0.01~0.5%、
Al:0.005~0.06%、
N :0.001~0.04%、
P :0.03%以下、
S :0.035%以下、
残部:Fe及び不純物であり、
前記摺動部品用鋼材の少なくとも一部は、表面から少なくとも200μmの深さまでの組織が、焼入れままマルテンサイト分率が50~80%、残留オーステナイト分率が5~10%、残部がフェライト相である組織である、摺動部品用鋼材。
Steel material for sliding parts
The chemical composition is by mass%,
C: 0.3-0.55%,
Si: 0.7% or less,
Mn: 0.4 to 1.8%,
Cr: 0.01-0.3 %,
Ni: 0.01-0.5 %,
Cu: 0.01-0.5 %,
Al: 0.005 to 0.06%,
N: 0.001 to 0.04%,
P: 0.03% or less,
S: 0.035% or less,
Remaining: Fe and impurities,
At least a part of the steel material for sliding parts has a structure from the surface to a depth of at least 200 μm, with a martensite fraction of 50 to 80%, a residual austenite fraction of 5 to 10%, and a ferrite phase remaining as hardened. Steel material for sliding parts, which is a certain structure.
請求項1に記載の摺動部品用鋼材であって、
前記焼入れままマルテンサイト中の炭化物の平均短径が10nm以下であり、
前記炭化物間の平均間隔が100nm以上である、摺動部品用鋼材。
The steel material for sliding parts according to claim 1.
The average minor axis of carbides in martensite as hardened is 10 nm or less.
A steel material for sliding parts having an average spacing of 100 nm or more between the carbides.
請求項1又は2に記載の摺動部品用鋼材の製造方法であって、
化学組成が、質量%で、C:0.3~0.55%、Si:0.7%以下、Mn:0.4~1.8%、Cr:0.01~0.3%、Ni:0.01~0.5%、Cu:0.01~0.5%、Al:0.005~0.06%、N:0.001~0.04%、P:0.03%以下、S:0.035%以下、残部:Fe及び不純物である素材を準備する工程と、
前記素材の少なくとも一部を、720~770℃の加熱温度に加熱して5~60分間保持する工程と、
前記素材の加熱した部分を、前記加熱温度から200℃までの温度域の平均冷却速度が10℃/秒以上になるように冷却する工程とを備える、摺動部品用鋼材の製造方法。
The method for manufacturing a steel material for sliding parts according to claim 1 or 2.
The chemical composition is by mass%, C: 0.3 to 0.55%, Si: 0.7% or less, Mn: 0.4 to 1.8%, Cr: 0.01 to 0.3 %, Ni. : 0.01 to 0.5 %, Cu: 0.01 to 0.5 %, Al: 0.005 to 0.06%, N: 0.001 to 0.04%, P: 0.03% or less , S: 0.035% or less, balance: Fe and the process of preparing materials that are impurities,
A step of heating at least a part of the material to a heating temperature of 720 to 770 ° C. and holding the material for 5 to 60 minutes.
A method for manufacturing a steel material for sliding parts, comprising a step of cooling the heated portion of the material so that the average cooling rate in the temperature range from the heating temperature to 200 ° C. is 10 ° C./sec or more.
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