JP7135485B2 - Carburizing steel and parts - Google Patents

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Description

本発明は、浸炭用鋼及び部品に関し、さらに詳しくは、熱間鍛造に用いられる浸炭用鋼と、当該浸炭用鋼から得られる部品に関する。 The present invention relates to carburizing steels and parts, and more particularly to carburizing steels used in hot forging and parts obtained from such carburizing steels.

歯車や、プーリ、トランスミッション用シャフト等の鋼製部品は、自動車及び産業機械に利用される。鋼製部品はたとえば、以下の製造方法により製造される。機械構造用鋼からなる圧延棒鋼又は線材を準備する。機械構造用鋼はたとえば、JIS規格のSCr420や、SCM420、SNCM420等である。準備された圧延棒鋼又は線材を熱間鍛造して中間製品を粗成形する。必要に応じて中間製品に対して焼準処理を実施する。さらに、中間製品に対して切削加工を実施する。切削加工された中間製品に対して、浸炭焼入れ又は浸炭窒化焼入れを実施し、200℃以下の焼戻しを実施する。焼入れ及び焼戻しされた中間製品に対して必要に応じてショットピーニングを実施する。以上の製造工程により、疲労強度及び耐摩耗性を有する鋼製部品が製造される。 Steel parts such as gears, pulleys and transmission shafts are used in automobiles and industrial machinery. Steel parts are manufactured, for example, by the following manufacturing method. A rolled steel bar or wire made of steel for machine structural use is prepared. Machine structural steels are, for example, JIS standard SCr420, SCM420, SNCM420, and the like. The prepared rolled steel bar or wire rod is hot forged to roughly form an intermediate product. If necessary, the intermediate product is normalized. Furthermore, cutting is performed on the intermediate product. Carburizing quenching or carbonitriding quenching is performed on the cut intermediate product, and tempering is performed at 200° C. or less. Shot peening is performed as necessary on the quenched and tempered intermediate product. A steel component having fatigue strength and wear resistance is manufactured by the manufacturing process described above.

近年、たとえば自動車の燃費を向上するため、又は、エンジンの高出力化を実現するため、鋼製部品の軽量化、小型化が進んでいる。軽量化及び小型化により、鋼製部品にかかる負荷は増大している。そのため、鋼製部品は高い曲げ疲労強度及び接触疲労強度を求められる。 BACKGROUND ART In recent years, for example, in order to improve the fuel efficiency of automobiles or to achieve higher engine output, steel parts are becoming lighter and smaller. Weight reduction and miniaturization have increased the load on steel components. Therefore, steel parts are required to have high bending fatigue strength and contact fatigue strength.

ここで、「接触疲労」は、「面疲労」、「線疲労」及び「点疲労」を含む。しかしながら、実際には、鋼製部品において、線接触や点接触は発生しにくい。ほとんどの場合、面接触が発生する。したがって、鋼製部品は、接触疲労強度として、「面疲労強度」の向上を求められる。面疲労による破壊形態の代表例はピッチングである。面疲労強度が高いことは、ピッチング強度が高いことを意味する。 Here, "contact fatigue" includes "face fatigue", "line fatigue" and "point fatigue". However, in practice, line contact and point contact are less likely to occur in steel parts. In most cases, surface contact occurs. Therefore, steel parts are required to improve "surface fatigue strength" as contact fatigue strength. Pitching is a representative example of fracture mode due to surface fatigue. A high surface fatigue strength means a high pitting strength.

上述のとおり、鋼製部品は高い曲げ疲労強度及び面疲労強度を求められる。また、トランスミッション用シャフト等、自動車及び産業機械に利用される鋼部品は、潤滑油が塗布された状態で使用される場合が多いために、潤滑油由来の水素進入により遅れ破壊が生じやすい。このような遅れ破壊を防止するために耐遅れ破壊特性も求められる。 As described above, steel parts are required to have high bending fatigue strength and surface fatigue strength. In addition, steel parts used in automobiles and industrial machinery, such as transmission shafts, are often used in a state where lubricating oil is applied, so delayed fracture is likely to occur due to the ingress of hydrogen derived from the lubricating oil. In order to prevent such delayed fracture, delayed fracture resistance is also required.

特許文献1には、Si含有量を0.01~0.10%に低減し、且つCr含有量及び/又はMo含有量を多くすることによって、高い曲げ疲労強度が得られることが開示されている。しかし、特許文献1には、Mnによる耐水素脆化特性への影響が考慮されていない。 Patent Document 1 discloses that high bending fatigue strength can be obtained by reducing the Si content to 0.01 to 0.10% and increasing the Cr content and/or Mo content. there is However, Patent Literature 1 does not consider the effect of Mn on hydrogen embrittlement resistance.

特許文献2には、Si含有量を0.20%以下に制限することによって鋼の冷間加工性が向上することが開示されており、また、Mn含有量とCr含有量との比Mn/Crが0.55以下であれば、高強度であっても優れた耐水素脆化特性が得られることが開示されている。 Patent Document 2 discloses that the cold workability of steel is improved by limiting the Si content to 0.20% or less. It is disclosed that if Cr is 0.55 or less, excellent hydrogen embrittlement resistance can be obtained even with high strength.

特開2013-108144号公報JP 2013-108144 A 特開2017-122270号公報JP 2017-122270 A

特許文献2は、焼き入れ性を確保するために、Mnを鋼中に0.4%以上含有させている。特許文献2に開示された鋼中のMn含有量の下限は、特許文献1に開示された鋼中のMn含有量と同じであるため、特許文献2も、Mnに起因する耐水素脆化特性の低下の防止に限界がある。 In Patent Document 2, 0.4% or more of Mn is contained in steel in order to ensure hardenability. Since the lower limit of the Mn content in the steel disclosed in Patent Document 2 is the same as the Mn content in the steel disclosed in Patent Document 1, Patent Document 2 also has hydrogen embrittlement resistance caused by Mn. There is a limit to the prevention of a decrease in

本発明は、高い被削性と、焼入れ後の高い面疲労教護を有しながら、Mn含有量を低減することによって耐水素脆化特性への影響を抑制することを課題とし、水素侵入環境下における優れた耐水素脆化特性を有する熱間鍛造に用いられる浸炭用鋼を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to suppress the effect on hydrogen embrittlement resistance by reducing the Mn content while having high machinability and high surface fatigue protection after quenching. An object of the present invention is to provide a carburizing steel used for hot forging, which has excellent resistance to hydrogen embrittlement in steel.

本発明者らは、浸炭用鋼の熱間鍛造加工性、及び耐水素脆化特性に影響を及ぼす成分及び組織について調査検討を行った。本発明者らは、1300MPa級の低合金ボロン鋼の耐水素脆化特性に及ぼすMnの影響を調査した結果、Mnを低減することによって限界拡散性水素量を向上できることを見出した。 The present inventors have investigated and investigated the components and structures that affect the hot forging workability and hydrogen embrittlement resistance of carburizing steel. The present inventors investigated the effect of Mn on the hydrogen embrittlement resistance of 1300 MPa class low alloy boron steel, and found that the critical diffusible hydrogen amount can be improved by reducing Mn.

上記知見に加え、本発明者らは、Mn:0.40%未満であっても、焼入れ性を高める鋼組成について更に検討を進めた。その結果、Si含有量を0.20~0.60%およびCr含有量を1.60~2.00%に高めることによって焼入れ性が向上するので、焼入れ後の強度が高められるとともに、優れた耐水素脆化特性が得られることを見出した。 In addition to the above findings, the present inventors have further studied steel compositions that improve hardenability even when Mn is less than 0.40%. As a result, the hardenability is improved by increasing the Si content to 0.20 to 0.60% and the Cr content to 1.60 to 2.00%. It was found that hydrogen embrittlement resistance can be obtained.

[浸炭用鋼の焼入れ性について]
(a)Si含有量を少なくすれば、曲げ疲労強度が高まるものの、焼戻し軟化抵抗が低くなり、面疲労強度が不十分になる。一方、Si含有量を少なくし、かつ、Cr含有量及び/又はMo含有量を多くすることによって、曲げ疲労強度が向上する。
[Hardenability of carburizing steel]
(a) If the Si content is reduced, the bending fatigue strength increases, but the temper softening resistance decreases, and the surface fatigue strength becomes insufficient. On the other hand, by decreasing the Si content and increasing the Cr content and/or Mo content, the bending fatigue strength is improved.

(b)また、Cr含有量及び/又はMo含有量を多くすることによって、曲げ疲労強度だけでなく、面疲労強度も高まる。 (b) By increasing the Cr content and/or the Mo content, not only the bending fatigue strength but also the surface fatigue strength is increased.

(c)しかし、Mo含有量が多すぎれば、浸炭用鋼に対して熱間鍛造を実施した後、又は、熱間鍛造された浸炭用鋼に対して焼準処理を実施した後、前記鋼中にベイナイト組織が生成しやすくなる。ベイナイト組織が生成すれば、前記鋼の硬度が高まるので、前記鋼の切削性が低下する。Moが含有されなくても、Cr含有量が多すぎれば、同様にベイナイト組織が生成しやすくなる。 (c) However, if the Mo content is too high, after performing hot forging on the carburizing steel, or after performing normalizing treatment on the hot forged carburizing steel, the steel A bainite structure is easily generated inside. If the bainite structure is generated, the hardness of the steel increases, so the machinability of the steel decreases. Even if Mo is not contained, if the Cr content is too high, a bainite structure is likely to be generated as well.

(d)したがって、焼戻し軟化抵抗を向上しつつ、曲げ疲労強度、浸炭焼入れ後の表層部分の耐摩耗性、すなわち、浸炭焼入れ後の表層部分の面疲労強度を高め、しかも被削性を高められるようにCr含有量及びMo含有量を調整しなければならない。具体的には、以下の式で定義されるF1が1.90~2.40の範囲になるよう、Cr含有量及びMo含有量を調整する。
F1=Si+Cr+2×Mo
ここで、F1の前記式中の元素記号は、対応する元素の含有量(質量%)が代入され、対応する元素が不純物レベルの場合、F1の前記式の対応する元素記号には0が代入される。
(d) Therefore, while improving temper softening resistance, bending fatigue strength and wear resistance of the surface layer portion after carburizing and quenching, that is, surface fatigue strength of the surface layer portion after carburizing and quenching can be increased, and machinability can be improved. The Cr content and Mo content must be adjusted as follows. Specifically, the Cr content and Mo content are adjusted so that F1 defined by the following formula falls within the range of 1.90 to 2.40.
F1 = Si + Cr + 2 x Mo
Here, the element symbol in the above formula for F1 is substituted with the content (% by mass) of the corresponding element, and when the corresponding element is an impurity level, 0 is substituted for the corresponding element symbol in the above formula for F1. be done.

[浸炭用鋼の硫化物制御について]
Caは硫化物に固溶して硫化物の球状化を促進する。しかしながら、Sに対してCa含有量が高すぎれば、硫化物に固溶しなかったCaが粗大な酸化物を形成して鋼の耐水素脆化特性を低下する。鋼中のS含有量に対するCa含有量の比を適切な範囲に設定すれば、硫化物の形態を制御して耐水素脆化特性を維持できる。具体的には、熱間鍛造加工部品用鋼の化学組成が式(2)を満たす場合、耐水素脆化特性が維持される。
0.03≦Ca/S≦0.15・・・(2)
ここで、式(2)の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
[Regarding sulfide control in carburizing steel]
Ca dissolves in sulfides and promotes spheroidization of sulfides. However, if the Ca content is too high with respect to S, Ca that has not dissolved in the sulfide forms coarse oxides, degrading the hydrogen embrittlement resistance of the steel. If the ratio of Ca content to S content in steel is set within an appropriate range, the morphology of sulfides can be controlled to maintain hydrogen embrittlement resistance. Specifically, when the chemical composition of the steel for hot forged parts satisfies the formula (2), hydrogen embrittlement resistance is maintained.
0.03≦Ca/S≦0.15 (2)
Here, the content (% by mass) of the corresponding element is substituted for each element symbol in formula (2).

F2=Ca/Sと定義する。F2は耐水素脆化特性の指標である。Caは、硫化物に固溶して、硫化物を微細分散させ、硫化物の形状を球状化する。F2が低すぎれば、つまりS含有量に対するCa含有量が低すぎれば、Caが硫化物に固溶しにくく、硫化物が球状化されにくい。そのため、耐水素脆化特性が低下する。一方、F2が大きすぎれば、S含有量に対するCa含有量が高すぎる。この場合、硫化物に固溶しなかったCaが粗大な酸化物を形成し、耐水素脆化特性が低下する。F2が式(2)を満たせば、優れた耐水素脆化特性が得られる。 Define F2=Ca/S. F2 is an index of hydrogen embrittlement resistance. Ca forms a solid solution in sulfides, finely disperses the sulfides, and spheroidizes the sulfides. If F2 is too low, that is, if the Ca content relative to the S content is too low, Ca is less likely to form a solid solution in the sulfide, and the sulfide is less likely to be spheroidized. Therefore, the hydrogen embrittlement resistance is lowered. On the other hand, if F2 is too large, the Ca content is too high relative to the S content. In this case, Ca that did not form a solid solution in the sulfide forms coarse oxides, degrading hydrogen embrittlement resistance. If F2 satisfies the formula (2), excellent hydrogen embrittlement resistance can be obtained.

[浸炭用鋼の耐水素脆化特性について]
Mn量の制限に加えて、前述した式(2)を前提に式(3)を満たすことによって、高強度であっても優れた耐水素脆化特性が得られる。
Mn/Cr≦0.20・・・(3)
ここで、式(3)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。F3=Mn/Crと定義する。
[About hydrogen embrittlement resistance of carburizing steel]
In addition to limiting the amount of Mn, by satisfying formula (3) on the premise of formula (2) described above, excellent hydrogen embrittlement resistance can be obtained even with high strength.
Mn/Cr≦0.20 (3)
Here, the content (% by mass) of the corresponding element is substituted for each element symbol in formula (3). Define F3=Mn/Cr.

図1は、限界拡散水素量比HRと、F3(=Mn/Cr)との関係を示す図である。図1は後述の実施例により得られた。 FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the critical diffusion hydrogen amount ratio HR and F3 (=Mn/Cr). FIG. 1 was obtained from the examples described later.

図1中の縦軸は、限界拡散性水素量比HRを示す。限界拡散性水素量比HRは、JIS G4053(2016)のSCM435に相当する化学組成を有する鋼Mの限界拡散性水素量Hrefを基準として、次の式(A)で定義される。限界拡散性水素量比HRは耐水素脆化特性の指標である。
HR=Hc/Href・・・(A)
Hcは、後述の実施例において、各試験番号の限界拡散水素量である。限界拡散水素量Hcは、各試験番号において、種々の濃度の水素を導入した試験片に対して定荷重試験を実施した場合の、破断しなかった試験片の最大水素量を意味する。
The vertical axis in FIG. 1 indicates the critical diffusible hydrogen amount ratio HR. The critical diffusible hydrogen amount ratio HR is defined by the following formula (A) based on the critical diffusible hydrogen amount Href of steel M having a chemical composition corresponding to SCM435 of JIS G4053 (2016). The critical diffusible hydrogen amount ratio HR is an index of hydrogen embrittlement resistance.
HR=Hc/Href (A)
Hc is the critical amount of diffusion hydrogen for each test number in Examples described later. The critical diffusion hydrogen amount Hc means the maximum amount of hydrogen in a test piece that did not break when a constant load test was performed on test pieces to which various concentrations of hydrogen were introduced in each test number.

図1を参照して、F3が減少するほど、つまり、Mn含有量のCr含有量に対する比が小さくなるほど、限界拡散性水素量比HRは顕著に高まる。そして、F3が0.20より低くなれば、HRが1.00よりも高くなり、優れた耐水素脆化特性が得られる。 Referring to FIG. 1, as F3 decreases, that is, as the ratio of Mn content to Cr content decreases, the critical diffusible hydrogen amount ratio HR remarkably increases. When F3 is lower than 0.20, HR is higher than 1.00 and excellent hydrogen embrittlement resistance is obtained.

[浸炭用鋼の金属組織について]
被削性は、鋼の金属組織に依存する。金属組織中が主としてフェライトであり、かつ、初析フェライトの面積率が高ければ、被削性に優れる。具体的には、浸炭用鋼の金属組織中において、フェライトの面積率が50%以上であり、残部がパーライト及びベイナイトであれば、熱間鍛造加工性が高まる。
[Metal structure of carburizing steel]
Machinability depends on the metallographic structure of the steel. When the metallographic structure is mainly ferrite and the area ratio of proeutectoid ferrite is high, the machinability is excellent. Specifically, if the area ratio of ferrite is 50% or more in the metal structure of the carburizing steel, and the balance is pearlite and bainite, the hot forging processability is enhanced.

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は次のとおりである。
(1)質量%で、C:0.15~0.25%、Si:0.20~0.60%、Mn:0.20~0.40%未満、Cr:1.60~2.00%、Al:0.005~0.060%、N:0.0015~0.0080%、Ca:0.0003~0.0050%、及びS:0.010~0.020%を含有し、
P:0.020%以下、O:0.0020%以下に制限され、
残部はFe及び不純物からなり、
下記式(1)~式(3)を満たす化学組成を有し、
フェライトの面積率が50%以上であることを特徴とする浸炭用鋼。
1.90≦Si+Cr≦2.40・・・ (1)
0.03≦Ca/S≦0.15・・・(2)
Mn/Cr≦0.20・・・(3)
ここで、式(1)~式(3)の各元素記号には対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
(2)更に、質量%で、
Sb:0.100%以下、Sn:0.100%以下、及びBi:0.100%以下からなる群から選択される1種又は2種以上を含有することを特徴とする(1)に記載の浸炭用鋼。
(3)更に、質量%で、Ti:0.010~0.050%、B:0.0003~0.0040%、Cu:0.50%以下、Ni:0.30%以下、Mo:0.05%以下、V:0.050%以下、及びNb:0.050%以下からなる群から選択される1種又は2種以上を含有し、
下記式(1’)を満たすことを特徴とする(1)又は(2)に記載の浸炭用鋼。
1.90≦Si+Cr+2×Mo≦2.40・・・ (1’)
ここで、式(1’)の各元素記号には対応する元素の含有量(質量%)が代入され、対応する元素が不純物レベルの場合、式(1’)の対応する元素記号には0が代入される。
(4)鋼の金属組織は、フェライトの面積率が65%~90%であることを特徴とする(1)~(3)のうちいずれかに記載の浸炭用鋼。
(5)(1)~(3)のうちいずれかに記載の成分組成を有する芯部と、前記芯部よりも炭素含有量が高い表層部とを有することを特徴とする部品。
The present invention was made based on the above findings, and the gist thereof is as follows.
(1) In mass%, C: 0.15 to 0.25%, Si: 0.20 to 0.60%, Mn: 0.20 to less than 0.40%, Cr: 1.60 to 2.00 %, Al: 0.005 to 0.060%, N: 0.0015 to 0.0080%, Ca: 0.0003 to 0.0050%, and S: 0.010 to 0.020%,
P: 0.020% or less, O: limited to 0.0020% or less,
the balance consists of Fe and impurities,
Having a chemical composition satisfying the following formulas (1) to (3),
Carburizing steel characterized by having a ferrite area ratio of 50% or more.
1.90≦Si+Cr≦2.40 (1)
0.03≦Ca/S≦0.15 (2)
Mn/Cr≦0.20 (3)
Here, the content (% by mass) of the corresponding element is substituted for each element symbol in formulas (1) to (3).
(2) Furthermore, in % by mass,
(1) characterized by containing one or more selected from the group consisting of Sb: 0.100% or less, Sn: 0.100% or less, and Bi: 0.100% or less carburizing steel.
(3) Furthermore, in mass%, Ti: 0.010 to 0.050%, B: 0.0003 to 0.0040%, Cu: 0.50% or less, Ni: 0.30% or less, Mo: 0 05% or less, V: 0.050% or less, and Nb: 0.050% or less, containing one or more selected from the group consisting of
The carburizing steel according to (1) or (2), which satisfies the following formula (1′).
1.90≦Si+Cr+2×Mo≦2.40 (1′)
Here, the content (% by mass) of the corresponding element is substituted for each element symbol in formula (1′), and when the corresponding element is at the impurity level, the corresponding element symbol in formula (1′) contains 0 is substituted.
(4) The steel for carburizing according to any one of (1) to (3), characterized in that the metallographic structure of the steel has a ferrite area ratio of 65% to 90%.
(5) A part comprising a core portion having the composition according to any one of (1) to (3) and a surface layer portion having a carbon content higher than that of the core portion.

本発明による浸炭用鋼は、面疲労強度及び被削性を有し、水素侵入環境下における優れた耐水素脆化特性を有する。 The carburizing steel according to the present invention has surface fatigue strength and machinability, and excellent resistance to hydrogen embrittlement under a hydrogen penetration environment.

限界拡散性水素量比と、浸炭用鋼中のMn/Crとの関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the critical diffusible hydrogen amount ratio and Mn/Cr in carburizing steel. 図2は、実施例で作製したローラピッチング小ローラ試験片の側面図である。FIG. 2 is a side view of a roller pitching small roller test piece produced in an example. 図3は、実施例で作製した切り欠き付き小野式回転曲げ疲労試験片の側面図である。FIG. 3 is a side view of a notched Ono-type rotary bending fatigue test piece prepared in an example. 図4は、実施例における浸炭焼入れ条件を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing carburizing and quenching conditions in Examples. 実施例におけるローラピッチング試験で使用した、大ローラの正面図である。It is a front view of a large roller used in a roller pitching test in Examples. 環状Vノッチ付きの試験片の側面図である。FIG. 4 is a side view of a test specimen with an annular V-notch;

以下、本実施形態による浸炭用鋼について詳述する。元素に関する「%」は、特に断りがない限り、質量%を意味する。 The carburizing steel according to this embodiment will be described in detail below. "%" for elements means % by weight unless otherwise specified.

[化学組成]
本実施形態の浸炭用鋼の化学組成は、次の元素を含有する。
[Chemical composition]
The chemical composition of the carburizing steel of this embodiment contains the following elements.

[C:0.15~0.25%]
炭素(C)は、鋼の強度を高める。具体的には、Cは、浸炭焼入れ又は浸炭窒化焼入れを実施した鋼製部品の芯部の強度を高める。しかしながら、Cが過剰に含有されれば、パーライトの面積率が増大してフェライトの面積率が減少して鋼の硬度が増大するため、被削性が悪化する。したがって、C含有量は、0.15~0.25%である。好ましいC含有量の上限は、0.23%である。好ましいC含有量の下限は、0.13%である。
[C: 0.15 to 0.25%]
Carbon (C) increases the strength of steel. Specifically, C enhances the strength of the core of the steel part that has been carburized and quenched or carbonitrided and quenched. However, if C is contained excessively, the area ratio of pearlite increases, the area ratio of ferrite decreases, and the hardness of the steel increases, thereby deteriorating the machinability. Therefore, the C content is 0.15-0.25%. A preferable upper limit of the C content is 0.23%. A preferable lower limit of the C content is 0.13%.

[Si:0.20~0.60%]
珪素(Si)は、焼入れ性を高める。Siはさらに、鋼の焼戻し軟化抵抗を高める。したがって、Siは、鋼の面疲労強度を高める。しかしながら、Siが過剰に含有されれば、浸炭焼入れ又は浸炭窒化焼入れにより、粒界酸化層が過剰に生成され、製造された部品の曲げ疲労強度が低下する。一方、シリコン(Si)は、セメンタイトの析出を抑制して、焼戻し軟化抵抗を高める。Siはさらに、鋼を脱酸する。脱酸生成物のMnO-SiOはガラス化した軟質の介在物であり、熱間圧延中に延伸及び分断されて微細化される。そのため、耐水素脆化特性が高まる。製造された部品の曲げ疲労強度と耐水素脆化特性との観点から、Si含有量は、0.20%以上0.60%以下とする。Si含有量が0.20%未満であれば、上述の効果が得られない。一方、Si含有量が0.60%を超えれば、強度が高くなり過ぎる。この場合、鋼の被削性が低下する。Si含有量の好ましい下限は0.35%超であり、さらに好ましくは0.40%であり、さらに好ましくは0.45%であり、さらに好ましくは0.50%超である。
[Si: 0.20 to 0.60%]
Silicon (Si) enhances hardenability. Si also increases the temper softening resistance of the steel. Therefore, Si increases the surface fatigue strength of steel. However, if Si is contained excessively, a grain boundary oxide layer is excessively formed by carburizing quenching or carbonitriding quenching, and the bending fatigue strength of the manufactured parts is lowered. On the other hand, silicon (Si) suppresses precipitation of cementite and increases temper softening resistance. Si also deoxidizes the steel. The deoxidation product, MnO—SiO 2 , is a vitrified soft inclusion, which is refined by stretching and breaking during hot rolling. Therefore, the hydrogen embrittlement resistance is enhanced. From the viewpoint of bending fatigue strength and hydrogen embrittlement resistance of the manufactured parts, the Si content is set to 0.20% or more and 0.60% or less. If the Si content is less than 0.20%, the above effects cannot be obtained. On the other hand, if the Si content exceeds 0.60%, the strength becomes too high. In this case, the machinability of the steel deteriorates. The lower limit of the Si content is preferably over 0.35%, more preferably 0.40%, still more preferably 0.45%, still more preferably over 0.50%.

[Mn:0.20~0.40%未満]
マンガン(Mn)は、焼入れ性を高めて鋼の強度を高める。Mn含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Mn含有量が高すぎれば、仕上げ圧延後の冷却時にフェライト変態の開始温度が低下してフェライトの面積率が低下し、熱間鍛造後の鋼の被削性が低下する。また、Mnは、Siと結合して介在物(MnO-SiO)を形成する。この介在物は軟質であり、熱間圧延中に延伸及び分断されて微細化されるため、MnO-SiOの密度が低減し、耐水素脆化性が高まる。Mn含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Mn含有量が高すぎれば、粒界に偏析して粒界破壊を助長して、耐水素脆化性がかえって低くなる。したがって、Mn含有量は、0.20~0.40%未満である。Mn含有量の好ましい下限は0.22%であり、さらに好ましくは0.25%である。Mn含有量の好ましい上限は0.38%であり、さらに好ましくは0.35%である。
[Mn: less than 0.20 to 0.40%]
Manganese (Mn) increases hardenability and strength of steel. If the Mn content is too low, this effect cannot be obtained. On the other hand, if the Mn content is too high, the starting temperature of ferrite transformation is lowered during cooling after finish rolling, the area ratio of ferrite is lowered, and the machinability of the steel after hot forging is lowered. Moreover, Mn combines with Si to form inclusions (MnO—SiO 2 ). Since these inclusions are soft and are stretched and split during hot rolling to be finer, the density of MnO—SiO 2 is reduced and hydrogen embrittlement resistance is increased. If the Mn content is too low, this effect cannot be obtained. On the other hand, if the Mn content is too high, it segregates at the grain boundaries and promotes intergranular fracture, resulting in rather low hydrogen embrittlement resistance. Therefore, the Mn content is less than 0.20-0.40%. A preferred lower limit for the Mn content is 0.22%, more preferably 0.25%. A preferable upper limit of the Mn content is 0.38%, more preferably 0.35%.

[Cr:1.60~2.00%]
クロム(Cr)は、鋼の焼入れ性及び耐焼戻し軟化性を高め、鋼の曲げ疲労強度及び面疲労強度を高める。しかしながら、Crが過剰に含有されれば、熱間鍛造後又は焼準処理後において、鋼中にベイナイト組織が生成しやくなる。ベイナイト組織が生成すれば、鋼の被削性が低下する。したがって、Cr含有量は、1.60~2.00%である。好ましいCr含有量の上限は、1.90%である。好ましいCr含有量の下限は、1.80%である。
[Cr: 1.60 to 2.00%]
Chromium (Cr) enhances the hardenability and temper softening resistance of steel, and enhances the bending fatigue strength and surface fatigue strength of steel. However, if Cr is contained excessively, a bainite structure tends to form in the steel after hot forging or normalizing treatment. If the bainite structure is generated, the machinability of the steel is lowered. Therefore, the Cr content is 1.60-2.00%. A preferable upper limit of the Cr content is 1.90%. A preferable lower limit of the Cr content is 1.80%.

[Al:0.005~0.060%]
アルミニウム(Al)は鋼を脱酸する。Al含有量が0.005%未満であれば、この効果が得られない。Alはさらに、Nと結合してAlNを形成し、浸炭加熱時のオーステナイト粒の粗大化を抑制する。オーステナイト粒の粗大化が抑制されれば、鋼の曲げ疲労強度が高まる。一方、Al含有量が0.060%を超えれば、粗大な酸化物系介在物が生成して鋼の曲げ疲労強度が低下する。したがって、Al含有量は0.005~0.060%である。Al含有量の好ましい下限は0.010%である。Al含有量の好ましい上限は0.055%である。
[Al: 0.005 to 0.060%]
Aluminum (Al) deoxidizes steel. This effect cannot be obtained if the Al content is less than 0.005%. Al further combines with N to form AlN, which suppresses coarsening of austenite grains during carburizing heating. If coarsening of austenite grains is suppressed, the bending fatigue strength of steel increases. On the other hand, if the Al content exceeds 0.060%, coarse oxide-based inclusions are formed and the bending fatigue strength of the steel is lowered. Therefore, the Al content is 0.005-0.060%. A preferable lower limit of the Al content is 0.010%. A preferred upper limit for the Al content is 0.055%.

[N:0.0015~0.0080%]
窒素(N)は、鋼中のTiと結合して窒化物を生成し、熱間圧延時のオーステナイト粒を微細化する。N含有量が0.0015%未満であれば、この効果が得られない。一方、N含有量が0.0080%を超えれば、その効果が飽和する。さらに、NがBと結合して窒化物を生成し、固溶B量を低下する。この場合、鋼の焼入れ性が低下する。したがって、N含有量は0.0015~0.0080%である。N含有量の好ましい下限は0.0020%である。N含有量の好ましい上限は0.0070%である。
[N: 0.0015 to 0.0080%]
Nitrogen (N) combines with Ti in steel to form nitrides and refine austenite grains during hot rolling. This effect cannot be obtained if the N content is less than 0.0015%. On the other hand, if the N content exceeds 0.0080%, the effect is saturated. Furthermore, N combines with B to form nitrides, which reduces the solid solution B amount. In this case, the hardenability of steel deteriorates. Therefore, the N content is 0.0015-0.0080%. A preferable lower limit of the N content is 0.0020%. A preferable upper limit of the N content is 0.0070%.

[Ca:0.0003~0.0050%]
カルシウム(Ca)は、硫化物に固溶して、硫化物を微細かつ球状化する。これにより、Caは鋼の冷間加工性を高める。Ca含有量が低すぎると、この効果が得られない。一方、Ca含有量が高すぎると、粗大な酸化物が形成される。粗大な酸化物は、鋼の冷間鍛造性を低下する。したがって、Ca含有量は0.0003~0.0050%である。Ca含有量の好ましい下限は0.005%であり、さらに好ましくは0.0007%である。Ca含有量の好ましい上限は0.0025%であり、さらに好ましくは0.0030%であり、さらに好ましくは0.0035%である。
[Ca: 0.0003 to 0.0050%]
Calcium (Ca) forms a solid solution in sulfide to make the sulfide fine and spherical. Thereby, Ca enhances the cold workability of steel. If the Ca content is too low, this effect cannot be obtained. On the other hand, if the Ca content is too high, coarse oxides are formed. Coarse oxides reduce the cold forgeability of steel. Therefore, the Ca content is 0.0003-0.0050%. A preferable lower limit of the Ca content is 0.005%, more preferably 0.0007%. A preferable upper limit of the Ca content is 0.0025%, more preferably 0.0030%, and still more preferably 0.0035%.

[S: 0.010~0.020%]
硫黄(S)は、不純物であるが、Mnと結合してMnSを形成し、鋼の被削性を高める。しかしながら、Sが過剰に含有されれば、粗大なMnSが生成しやすくなり、鋼の疲労強度(曲げ疲労強度及び面疲労強度)が低下する。硫黄(S)は硫化物を形成して鋼の熱間鍛造性を低下し、さらに、耐水素脆化特性を低下する。したがって、S含有量は0.010%以上0.020%以下である。
[S: 0.010 to 0.020%]
Sulfur (S), which is an impurity, combines with Mn to form MnS and enhances the machinability of steel. However, if S is contained excessively, coarse MnS tends to be generated, and the fatigue strength (bending fatigue strength and surface fatigue strength) of steel is lowered. Sulfur (S) forms sulfides and lowers the hot forgeability of steel and further lowers the hydrogen embrittlement resistance. Therefore, the S content is 0.010% or more and 0.020% or less.

[P:0.020%以下]
燐(P)は不純物である。Pは、結晶粒界に偏析して粒界を脆化し、さらに、耐水素脆化特性を低下する。したがって、P含有量は少ない方が好ましい。P含有量は0.025%以下である。好ましいP含有量は、0.020%以下である。
[P: 0.020% or less]
Phosphorus (P) is an impurity. P segregates at grain boundaries to embrittle the grain boundaries, and further lowers hydrogen embrittlement resistance. Therefore, the smaller the P content, the better. The P content is 0.025% or less. A preferable P content is 0.020% or less.

[O:0.0020%以下]
酸素(O)は、不純物である。Oは、Alと結合して、硬質な酸化物系介在物を形成し、鋼の曲げ疲労強度を低下する。O含有量が0.0020%を超えれば、酸化物が多量に生成するとともに、MnSが粗大化する。したがって、O含有量は0.0020%以下である。O含有量の好ましい上限は0.0018%である。O含有量はなるべく低い方が好ましい。
[O: 0.0020% or less]
Oxygen (O) is an impurity. O combines with Al to form hard oxide inclusions and lowers the bending fatigue strength of steel. If the O content exceeds 0.0020%, a large amount of oxide is produced and MnS is coarsened. Therefore, the O content is 0.0020% or less. A preferred upper limit of the O content is 0.0018%. It is preferable that the O content is as low as possible.

[1.90≦Si+Cr≦2.40]
本実施形態の浸炭用鋼の化学組成は、前述したように、曲げ疲労強度、面疲労強度及び被削性を確保するために、さらに、式(1)を満たす。
1.90≦F1(=Si+Cr)≦2.40・・・(1)
[1.90≤Si+Cr≤2.40]
As described above, the chemical composition of the carburizing steel of the present embodiment further satisfies the formula (1) in order to ensure bending fatigue strength, surface fatigue strength and machinability.
1.90≦F1 (=Si+Cr)≦2.40 (1)

また、本実施形態の浸炭用鋼の化学組成は、任意添加元素としてMoを含有できるが、この場合、式(1)に加えて式(1’)を満たす。
1.90≦F1(=Si+Cr+2×Mo)≦2.40・・・(1’)
Further, the chemical composition of the carburizing steel of the present embodiment can contain Mo as an optional additive element, but in this case, the formula (1′) is satisfied in addition to the formula (1).
1.90≦F1 (=Si+Cr+2×Mo)≦2.40 (1′)

[0.03≦Ca/S≦0.15]
本実施形態の浸炭用鋼の化学組成は、前述したように、耐水素脆化特性を維持しつつ、優れた熱間鍛造加工性を得るために、さらに、式(2)を満たす。
0.03≦F2(=Ca/S)≦0.15・・・(2)
[0.03≦Ca/S≦0.15]
As described above, the chemical composition of the carburizing steel of the present embodiment further satisfies formula (2) in order to obtain excellent hot forging workability while maintaining hydrogen embrittlement resistance.
0.03≦F2 (=Ca/S)≦0.15 (2)

F2は耐水素脆化特性の指標となる。Caは、硫化物に固溶して、硫化物を微細分散させ、硫化物の形状を球状化する。F2が低すぎれば、つまりS含有量に対するCa含有量が低すぎれば、Caが硫化物に固溶しにくく、硫化物が球状化されにくい。そのため、耐水素脆化特性が低下する。一方、F2が大きすぎれば、S含有量に対するCa含有量が高すぎる。この場合、硫化物に固溶しなかったCaが粗大な酸化物を形成し、耐水素脆化特性が低下する。したがって、F2は、0.03~0.15である。F2の好ましい下限は0.04である。F2の好ましい上限は0.12であり、さらに好ましくは0.10である。 F2 is an index of hydrogen embrittlement resistance. Ca forms a solid solution in sulfides, finely disperses the sulfides, and spheroidizes the sulfides. If F2 is too low, that is, if the Ca content relative to the S content is too low, Ca is less likely to form a solid solution in the sulfide, and the sulfide is less likely to be spheroidized. Therefore, the hydrogen embrittlement resistance is lowered. On the other hand, if F2 is too large, the Ca content is too high relative to the S content. In this case, Ca that did not form a solid solution in the sulfide forms coarse oxides, degrading hydrogen embrittlement resistance. Therefore, F2 is between 0.03 and 0.15. A preferred lower limit for F2 is 0.04. A preferred upper limit for F2 is 0.12, more preferably 0.10.

[Mn/Cr≦0.20]
上述の浸炭用鋼の化学組成はさらに、式(3)を満たす。
F3(=Mn/Cr)≦0.20・・・(3)
Mn及びCrは、焼入れ性を高める。さらに、上述のとおり、MnのCrに対する比率が適切であれば、優れた耐水素脆化特性が得られる。そして、F3が0.20以下であれば、図1に示すように限界拡散性水素量比HRが1.0よりも高くなり、優れた耐水素脆化特性が得られる。
[Mn/Cr≦0.20]
The chemical composition of the carburizing steel described above further satisfies equation (3).
F3 (=Mn/Cr)≦0.20 (3)
Mn and Cr improve hardenability. Furthermore, as mentioned above, the proper ratio of Mn to Cr provides excellent resistance to hydrogen embrittlement. When F3 is 0.20 or less, the critical diffusible hydrogen amount ratio HR becomes higher than 1.0 as shown in FIG. 1, and excellent hydrogen embrittlement resistance is obtained.

[任意選択元素]
本実施の形態による浸炭用鋼はさらに、Feの一部に代えて、以下の元素のうち少なくとも一種を任意選択的に含有してもよい。
[Optional element]
The carburizing steel according to the present embodiment may optionally contain at least one of the following elements instead of part of Fe.

[Sb:0.100%以下;Sn:0.100%以下;Bi:0.100%以下]
本発明は上記の必須成分に加えて、アンチモン(Sb)、錫(Sn)、ビスマス(Bi)のうちの1種または2種以上をそれぞれ0.100%以下の範囲内で添加しても良い。これらの元素は、0.001%以上添加することにより水素侵入を抑制する効果を発揮する。水素侵入を抑制する効果を発揮するための下限はそれぞれ0.001%以上であるが、効果を十分に発揮させるための好ましい下限としてはそれぞれ0.005%以上である。さらに、好ましくはそれぞれ0.010%以上である。また、上限についてはそれぞれ0.100%を超えると、鋼の熱間加工性が劣化し、連続鋳造が困難となる。また、好ましくは、Sb、Sn、Biの濃度の合計が0.030~0.100%であればよい。
[Sb: 0.100% or less; Sn: 0.100% or less; Bi: 0.100% or less]
In the present invention, in addition to the above essential components, one or more of antimony (Sb), tin (Sn), and bismuth (Bi) may be added within the range of 0.100% or less. . These elements exhibit the effect of suppressing hydrogen penetration by adding 0.001% or more. The lower limit for exhibiting the effect of suppressing hydrogen penetration is 0.001% or more for each, and the preferable lower limit for exhibiting the effect sufficiently is 0.005% or more for each. Furthermore, each is preferably 0.010% or more. On the other hand, if the upper limit of each content exceeds 0.100%, the hot workability of the steel deteriorates, making continuous casting difficult. Also, preferably, the total concentration of Sb, Sn, and Bi should be 0.030 to 0.100%.

[Ti:0.010~0.050%]
チタン(Ti)は鋼中のNと結合して窒化物(TiN)を形成する。TiNの生成により、BNの生成が抑制され、固溶B量が増える。その結果、鋼材の焼入れ性が高まる。Tiはさらに、Cと結合して炭化物(TiC)を形成して結晶粒を微細化する。これにより、鋼の耐水素脆化特性が高まる。Ti含有量が0.010%未満であれば、これらの効果が得られない。一方、Ti含有量が0.050%を超えれば、粗大なTiNが多量に生成する。この場合、鋼の疲労強度及び耐水素脆化特性が低下する。したがって、Ti含有量は0.010~0.050%である。Ti含有量の好ましい下限は0.015%である。Ti含有量の好ましい上限は0.045%である。
[Ti: 0.010 to 0.050%]
Titanium (Ti) combines with N in steel to form nitrides (TiN). The formation of TiN suppresses the formation of BN and increases the amount of dissolved B. As a result, the hardenability of the steel is enhanced. Ti further combines with C to form carbides (TiC) to refine grains. This enhances the hydrogen embrittlement resistance of the steel. These effects cannot be obtained if the Ti content is less than 0.010%. On the other hand, if the Ti content exceeds 0.050%, a large amount of coarse TiN is produced. In this case, the fatigue strength and hydrogen embrittlement resistance of the steel are lowered. Therefore, the Ti content is 0.010-0.050%. A preferred lower limit for the Ti content is 0.015%. A preferred upper limit for the Ti content is 0.045%.

[B:0.0003~0.0040%]
ボロン(B)は鋼の焼入れ性を高める。Bはさらに、Pの粒界偏析を抑制して、鋼の耐水素脆化特性を高める。B含有量が0.0003%未満であれば、これらの効果が得られない。一方、B含有量が0.0040%を超えれば、焼入れ性向上の効果が飽和する。さらに、粗大なBNが生成して熱間鍛造性が低下する。したがって、B含有量は0.0003~0.0040%である。B含有量の好ましい下限は0.0005%である。B含有量の好ましい上限は0.0025%である。
[B: 0.0003 to 0.0040%]
Boron (B) enhances the hardenability of steel. B further suppresses the grain boundary segregation of P and enhances the hydrogen embrittlement resistance of steel. If the B content is less than 0.0003%, these effects cannot be obtained. On the other hand, if the B content exceeds 0.0040%, the effect of improving hardenability is saturated. In addition, coarse BN is generated to deteriorate hot forgeability. Therefore, the B content is 0.0003-0.0040%. A preferable lower limit of the B content is 0.0005%. A preferable upper limit of the B content is 0.0025%.

[Cu:0.50%以下]
銅(Cu)は、鋼の焼入れ性を高め、鋼の曲げ疲労強度を高める。しかしながら、Cuが過剰に含有されると、焼入れ性が高くなりすぎて仕上げ圧延後にベイナイトが生成し、熱間延性及び熱間加工性の低下が顕著になる。したがって、Cu含有量は0~0.50%である。Cu含有量の好ましい下限は0.015%であり、さらに好ましくは0.020%である。Cu含有量の好ましい上限は0.30%であり、さらに好ましくは0.20%である。
[Cu: 0.50% or less]
Copper (Cu) enhances the hardenability of steel and enhances the bending fatigue strength of steel. However, when Cu is excessively contained, hardenability becomes too high, bainite is formed after finish rolling, and hot ductility and hot workability are significantly deteriorated. Therefore, the Cu content is 0-0.50%. A preferable lower limit of the Cu content is 0.015%, more preferably 0.020%. A preferable upper limit of the Cu content is 0.30%, more preferably 0.20%.

[Ni:0.30%以下]
ニッケル(Ni)は鋼の焼入れ性を高め、曲げ疲労強度を高める。しかしながら、Ni含有量が高すぎれば、熱間鍛造後又は焼準処理後において、鋼中にベイナイト組織が生成しやすくなる。さらに、焼入れ性の向上による曲げ疲労強度を高める効果が飽和する。したがって、Ni含有量は0~0.30%である。Ni含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.03%である。Ni含有量の好ましい上限は0.20%であり、さらに好ましくは0.10%である。
[Ni: 0.30% or less]
Nickel (Ni) enhances the hardenability of steel and enhances bending fatigue strength. However, if the Ni content is too high, a bainite structure tends to form in the steel after hot forging or normalizing treatment. Furthermore, the effect of increasing the bending fatigue strength by improving the hardenability is saturated. Therefore, the Ni content is 0-0.30%. A preferable lower limit of the Ni content is 0.01%, more preferably 0.03%. A preferable upper limit of the Ni content is 0.20%, more preferably 0.10%.

Mo:0.05%以下
モリブデン(Mo)は、選択元素である。つまり、Moは含有されなくてもよい。Moは、鋼の焼入れ性及び耐焼戻し軟化性を高め、鋼の曲げ疲労強度及び面疲労強度を高める。しかしながら、Moが過剰に含有されれば、熱間鍛造後又は焼準処理後において、鋼中にベイナイト組織が生成しやくなり、鋼の被削性が低下する。したがって、Mo含有量は、0.05%以下である。好ましいMo含有量の下限は、0.005%であり、さらに好ましくは0.008%である。Mo含有量の好ましい上限は0.03%であり、さらに好ましくは0.02%である。
Mo: 0.05% or less Molybdenum (Mo) is an optional element. That is, Mo does not have to be contained. Mo increases the hardenability and temper softening resistance of steel, and increases the bending fatigue strength and surface fatigue strength of steel. However, if Mo is contained excessively, a bainite structure tends to form in the steel after hot forging or normalizing treatment, and the machinability of the steel deteriorates. Therefore, Mo content is 0.05% or less. The lower limit of Mo content is preferably 0.005%, more preferably 0.008%. A preferred upper limit for the Mo content is 0.03%, more preferably 0.02%.

V:0.050%以下
バナジウム(V)は鋼の焼入れ性を高める。Vはさらに、C及びNと結合して、炭化物、窒化物又は炭窒化物を形成して結晶粒を微細化する。しかしながら、V含有量が高すぎれば、炭化物及び炭窒化物が鋼の強度を高め、鋼の被削性が低下する。したがって、V含有量は0~0.050%である。V含有量の好ましい下限は0.003%であり、さらに好ましくは0.004%である。V含有量の好ましい上限は0.030%であり、さらに好ましくは0.020%である。
V: 0.050% or less Vanadium (V) enhances the hardenability of steel. V further combines with C and N to form carbides, nitrides or carbonitrides to refine grains. However, if the V content is too high, carbides and carbonitrides increase the strength of the steel and reduce the machinability of the steel. Therefore, the V content is 0-0.050%. A preferable lower limit of the V content is 0.003%, more preferably 0.004%. A preferable upper limit of the V content is 0.030%, more preferably 0.020%.

Nb:0.050%以下
ニオブ(Nb)は、C及びNと結合して、炭化物、窒化物又は炭窒化物(炭窒化物等という)を形成する。Nb炭窒化物等は、ピンニング効果により熱間圧延時にオーステナイト粒を微細化し、仕上げ圧延後の冷却過程でのベイナイト生成を抑制し、初析フェライトの面積率を高める。Nb炭窒化物等はさらに、浸炭加熱時のオーステナイト粒の粗大化を抑制する。しかしながら、Nbが過剰に含有されれば、Nb炭化物、Nb窒化物、Nb炭窒化物が粗大化し、オーステナイト粒の粗大化を抑制できなくなる。したがって、Nb含有量は、0.050%以下である。Nbが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。好ましいNb含有量の下限は、0.010%である。上記効果をより有効に得るためのNb含有量の好ましい下限は0.002%である。Nb含有量の好ましい上限は0.040%であり、さらに好ましくは0.030%である。
Nb: 0.050% or less Niobium (Nb) combines with C and N to form carbides, nitrides or carbonitrides (called carbonitrides and the like). Nb carbonitride or the like refines austenite grains during hot rolling due to the pinning effect, suppresses the formation of bainite during the cooling process after finish rolling, and increases the area ratio of pro-eutectoid ferrite. Nb carbonitride and the like further suppress coarsening of austenite grains during carburizing heating. However, if Nb is contained excessively, Nb carbides, Nb nitrides, and Nb carbonitrides coarsen, and coarsening of austenite grains cannot be suppressed. Therefore, the Nb content is 0.050% or less. If even a small amount of Nb is contained, the above effect can be obtained to some extent. A preferable lower limit of the Nb content is 0.010%. A preferable lower limit of the Nb content for obtaining the above effect more effectively is 0.002%. A preferable upper limit of the Nb content is 0.040%, more preferably 0.030%.

[金属組織について]
本実施形態の浸炭用鋼の金属組織は、主としてフェライトからなる。ここで、浸炭用鋼の金属組織では、フェライトの面積率が50%以上であり、残部がパーライト及びベイナイトである。なお、前記「フェライトの面積率が50%以上」のフェライトは初析フェライトであって、パーライトのラメラセメンタイト間のフェライトは含まれない。
[About metal structure]
The metal structure of the carburizing steel of this embodiment is mainly composed of ferrite. Here, in the metallographic structure of carburizing steel, the area ratio of ferrite is 50% or more, and the balance is pearlite and bainite. The ferrite having a ferrite area ratio of 50% or more is proeutectoid ferrite, and does not include ferrite between lamellar cementites of pearlite.

初析フェライトは、パーライト及びベイナイトよりも軟質であり、被削性に優れる。さらに、初析フェライトはパーライト及びベイナイトよりも被削性に優れる。初析フェライトの面積率が65%以上100%未満であれば、優れた被削性が得られる。 Proeutectoid ferrite is softer than pearlite and bainite and has excellent machinability. Furthermore, pro-eutectoid ferrite has better machinability than pearlite and bainite. If the area ratio of pro-eutectoid ferrite is 65% or more and less than 100%, excellent machinability can be obtained.

金属組織は次の方法で測定される。浸炭用鋼内部(棒鋼又は線材の場合はD/4部、板材又は鋼管の場合はt/4部)からサンプルを採取する。採取されたサンプルの表面のうち、浸炭用鋼の圧延方向に垂直な面を観察面とする。観察面を研磨した後、3%硝酸アルコール(ナイタル腐食液)にて5~15秒エッチングする。エッチングされた観察面を500倍の光学顕微鏡にて観察して、任意の5視野の写真画像を生成する。 The metallographic structure is measured by the following method. Samples are taken from the inside of the carburizing steel (D/4 parts for steel bars or wire rods, t/4 parts for plate materials or steel pipes). Among the surfaces of the collected samples, the surface perpendicular to the rolling direction of the carburizing steel is used as the observation surface. After polishing the observation surface, it is etched with 3% nitric acid alcohol (nital etchant) for 5 to 15 seconds. Observe the etched viewing surface with a 500x optical microscope to generate photographic images of any 5 fields of view.

各視野において、初析フェライト、パーライト、ベイナイト等の各相は、相ごとにコントラストが異なる。したがって、コントラストに基づいて、各相を特定する。特定された相のうち、全ての視野での初析フェライトの面積の総和の、全ての視野の総面積に対する比を、初析フェライト面積率(%)と定義する。 In each field of view, each phase such as proeutectoid ferrite, pearlite, and bainite has a different contrast for each phase. Therefore, each phase is identified based on the contrast. Among the identified phases, the ratio of the total area of pro-eutectoid ferrite in all fields of view to the total area of all fields of view is defined as the pro-eutectoid ferrite area ratio (%).

[製造方法]
本発明の浸炭用鋼の製造方法の一例として、棒鋼又は線材(棒線)の製造方法について説明する。本実施形態の浸炭用鋼の製造方法は、ビレットを製造する工程(分塊圧延工程)と、製造されたビレットを棒線に圧延する工程(仕上圧延工程)とを含む。以下、各工程について詳述する。
[Production method]
As an example of the method for producing the carburizing steel of the present invention, a method for producing a steel bar or wire (bar and wire) will be described. The method for producing carburizing steel according to the present embodiment includes a step of producing a billet (blooming rolling step) and a step of rolling the produced billet into bars (finish rolling step). Each step will be described in detail below.

[分塊圧延工程]
初めに、上記化学組成を有する素材を準備する。たとえば、素材は次の方法で製造される。上述の化学組成を有する溶鋼を、転炉または電気炉等を用いて製造し、連続鋳造法または造塊法により鋳片またはインゴットを製造する。
[Blooming rolling process]
First, a material having the above chemical composition is prepared. For example, the material is manufactured in the following way. Molten steel having the chemical composition described above is produced using a converter or an electric furnace, and cast slabs or ingots are produced by continuous casting or ingot casting.

準備された素材(鋳片、インゴット)を加熱後、分塊圧延し、必要に応じて、分塊圧延後に連続圧延機でさらに圧延して、ビレットを製造する。 After heating the prepared material (slab, ingot), it is bloomed, and if necessary, further rolled by a continuous rolling mill after blooming to produce a billet.

[仕上げ圧延工程]
分塊圧延工程により製造されたビレットに対してさらに熱間圧延を実施して、棒線等の浸炭用鋼を製造する。ここでの圧延はたとえば、水平ロールスタンド、垂直ロールスタンドが交互に一列に配列された連続圧延機を用いた、連続圧延である。
[Finish rolling process]
The billet produced by the blooming process is further subjected to hot rolling to produce carburizing steel such as bars and wires. The rolling here is, for example, continuous rolling using a continuous rolling mill in which horizontal roll stands and vertical roll stands are alternately arranged in a row.

初めに、ビレットを加熱炉に装入して、加熱する。好ましい加熱温度は1000~1100℃以下である。製品圧延時の加熱温度が高すぎれば、分塊圧延工程後に析出した微細な炭化物及び炭窒化物が再び固溶する。この場合、製品圧延後の冷却時のフェライト変態時に、炭化物及び炭窒化物が整合析出する。析出した炭窒化物及び炭化物は製品圧延後の鋼の強度を高め、熱間鍛造性を低下させる。なお、Ti炭化物及びTi炭窒化物は、ビレットの加熱によって固溶しにくい。したがって、製品圧延後の強度に影響しにくく、熱間鍛造性を維持できる。 First, the billet is put into a heating furnace and heated. A preferable heating temperature is 1000 to 1100° C. or less. If the heating temperature during product rolling is too high, the fine carbides and carbonitrides precipitated after the blooming step will dissolve again. In this case, carbides and carbonitrides precipitate coherently during ferrite transformation during cooling after product rolling. The precipitated carbonitrides and carbides increase the strength of the steel after product rolling and reduce the hot forgeability. Note that Ti carbides and Ti carbonitrides are difficult to form a solid solution by heating the billet. Therefore, the strength after rolling of the product is hardly affected, and the hot forgeability can be maintained.

加熱されたビレットを用いて、鍛錬比5.5以上になるように仕上げ圧延機列で熱間鍛造して所定の径の棒線にする。仕上げ圧延機列は、一列に配列された複数のスタンドを含む。各スタンドは、パスライン周りに配置された複数のロールを含む。 Using the heated billet, hot forging is performed in a row of finishing rolling mills so that the forging ratio is 5.5 or more to form a bar wire having a predetermined diameter. A finishing mill train includes a plurality of stands arranged in a row. Each stand includes multiple rolls arranged around the pass line.

仕上げ圧延機列を利用した仕上げ圧延での製造条件は次のとおりである。
仕上げ温度:750~850℃
仕上げ温度は、仕上げ圧延機列の複数のスタンドのうち、最後にビレットを圧下するスタンド(以下、仕上げスタンドという)の出側でのビレット温度(℃)を意味する。仕上げ温度は、仕上げスタンドの出側に配置された赤外線放射温度計を用いて測定される。
The manufacturing conditions for finish rolling using a row of finishing rolling mills are as follows.
Finishing temperature: 750-850°C
The finishing temperature means the billet temperature (° C.) at the delivery side of the stand that finally reduces the billet (hereinafter referred to as finishing stand) among the plurality of stands in the row of finishing rolling mills. Finishing temperatures are measured using an infrared thermometer located on the exit side of the finishing stand.

仕上げ温度が750℃未満である場合、未再結晶のオーステナイト粒からフェライト変態が始まり、冷却後の金属組織が微細になりすぎる。この場合、鋼の強度が高くなり、熱間鍛造性が低下する。一方、仕上げ温度が850℃を超える場合、再結晶後のオーステナイト粒が粗大化し、フェライト変態の開始温度が低くなる。そのため、冷却後の初析フェライトの面積率が小さくなり、熱間鍛造性が低下する。 If the finishing temperature is lower than 750° C., ferrite transformation starts from unrecrystallized austenite grains, and the metal structure after cooling becomes too fine. In this case, the strength of the steel increases and the hot forgeability deteriorates. On the other hand, if the finishing temperature exceeds 850° C., the austenite grains after recrystallization become coarse and the starting temperature of ferrite transformation becomes low. Therefore, the area ratio of the pro-eutectoid ferrite after cooling becomes small, and the hot forgeability deteriorates.

仕上げ温度が750~850℃であれば、後述の冷却条件を満たすことを条件として、金属組織における初析フェライトの面積率が50%以上となる。 If the finishing temperature is 750 to 850° C., the area ratio of proeutectoid ferrite in the metal structure becomes 50% or more on condition that the cooling conditions described later are satisfied.

冷却速度:5.0℃/秒未満
仕上げ圧延後の鋼の冷却速度は、金属組織に影響する。冷却速度が5.0℃/秒以上となれば、鋼中に硬質のベイナイト等が生成しやすくなり、初析フェライトの面積率が50%未満となる。冷却速度が5.0℃/秒未満であれば、冷却後の鋼材の金属組織における初析フェライトの面積率が50%以上となる。
Cooling rate: less than 5.0°C/sec The cooling rate of steel after finish rolling affects the metallographic structure. If the cooling rate is 5.0° C./second or more, hard bainite or the like is likely to form in the steel, and the area ratio of pro-eutectoid ferrite is less than 50%. If the cooling rate is less than 5.0° C./sec, the area ratio of proeutectoid ferrite in the metallographic structure of the steel after cooling is 50% or more.

冷却速度の下限は特に限定されない。しかしながら、実際の生産操業を考慮すれば、冷却速度の下限はたとえば0.2℃/秒である。 The lower limit of the cooling rate is not particularly limited. However, considering actual production operations, the lower limit of the cooling rate is, for example, 0.2° C./sec.

以上の製造工程により、本実施形態の浸炭用鋼(本例は棒線)が製造される。つまり、本実施形態の浸炭用鋼は、いわゆる圧延まま材(アズロール材)である。この場合、式(1)~式(3)を満たす化学組成の浸炭用鋼の引張強度は650MPa以下となる。さらに、上記仕上げ圧延での製造条件(加熱温度、仕上げ温度及び冷却速度)を満たすことにより、鋼材の金属組織における初析フェライトの面積率が50%以上となる。そのため、優れた疲労強度、被削性及び耐水素脆化特性が得られる。 The steel for carburizing of the present embodiment (bar and wire in this example) is manufactured by the manufacturing process described above. That is, the carburizing steel of this embodiment is a so-called as-rolled material (as-rolled material). In this case, the tensile strength of the carburizing steel having the chemical composition satisfying the formulas (1) to (3) is 650 MPa or less. Furthermore, by satisfying the manufacturing conditions (heating temperature, finishing temperature and cooling rate) in the finish rolling, the area ratio of proeutectoid ferrite in the metal structure of the steel becomes 50% or more. Therefore, excellent fatigue strength, machinability and hydrogen embrittlement resistance are obtained.

上述の製造方法では、棒線を製造する。しかしながら、棒線と同様に、分塊圧延工程及び仕上げ圧延工程を実施して、浸炭用鋼の板材、鋼管も製造することができる。 In the manufacturing method described above, a rod wire is manufactured. However, like the bar and wire, it is also possible to manufacture sheet materials and steel pipes of carburizing steel by carrying out blooming and finish rolling processes.

[本実施形態の浸炭用鋼を用いた加工部品の製造]
以上の製造工程により製造される棒鋼及び線材は、以下の製造工程により、鋼製部品になる。初めに、準備された圧延棒鋼又は線材を熱間鍛造して中間製品を粗成形する。必要に応じて、中間製品に対して焼準処理を実施する。中間製品に対して切削加工を実施する。切削加工された中間製品に対して、浸炭焼入れ又は浸炭窒化焼入れを実施し、200℃以下の焼戻しを実施する。以上の製造工程により鋼製部品が製造される。
[Production of machined parts using carburizing steel of the present embodiment]
The steel bars and wire rods manufactured by the above-described manufacturing processes are turned into steel parts by the following manufacturing processes. First, a prepared rolled steel bar or wire rod is hot forged to roughly form an intermediate product. If necessary, the intermediate product is normalized. Cutting is performed on the intermediate product. Carburizing quenching or carbonitriding quenching is performed on the cut intermediate product, and tempering is performed at 200° C. or less. A steel component is manufactured by the manufacturing process described above.

前記鋼製部品は、浸炭焼入れ工程又は浸炭窒化焼入れ工程によって炭素含有量が前記工程の前後で変化しない芯部と、前記工程後に炭素含有量が増加する表層部とを備える。前記芯部は、部品の表面から板厚又は肉厚の1/4深さ位置から表面から板厚又は肉厚の中心との間の領域であり、表層は、部品の表面から0.5~1.0mmの深さ領域である。また、前記表層の金属組織は、マルテンサイトとからなる。 The steel component includes a core part whose carbon content does not change before and after the carburizing and quenching process or the carbonitriding and quenching process, and a surface part whose carbon content increases after the process. The core portion is a region between the 1/4 depth position of the plate thickness or wall thickness from the surface of the part and the center of the plate thickness or wall thickness from the surface, and the surface layer is 0.5 to 0.5 from the surface of the part. 1.0 mm depth region. Moreover, the metal structure of the surface layer is composed of martensite.

表1-1及び表1-2の化学組成を有する鋼No.A~Sの溶鋼を製造した。鋼No.A~Sのそれぞれの溶鋼を用いて連続鋳造及び分塊圧延により横断面が162mm×162mmのビレットを製造した(分塊圧延工程)。このとき、鋳片の断面積を鋼片の断面積で除した値である分塊圧延工程の圧延比は5.5であった。このようにして得られた化学組成No.A~Sのビレットを、一旦室温まで冷却し、鋳片の表面割れの有無を目視にて判定した。その結果を表2-1及び表2-2に示す。 Steel No. having the chemical compositions in Tables 1-1 and 1-2. Molten steel of A to S was produced. Steel no. A billet having a cross section of 162 mm×162 mm was produced by continuous casting and blooming using each of the molten steels A to S (blooming rolling step). At this time, the rolling ratio in the blooming step, which is the value obtained by dividing the cross-sectional area of the slab by the cross-sectional area of the steel slab, was 5.5. Chemical composition no. The billets A to S were once cooled to room temperature, and the presence or absence of surface cracks in the slab was visually determined. The results are shown in Tables 2-1 and 2-2.

Figure 0007135485000001
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Figure 0007135485000002
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次に、化学組成No.A~Sのビレットに対して仕上げ圧延(熱間圧延)を実施して、直径14mmの線材を製造した(仕上げ熱間圧延工程)。ビレットの加熱温度(℃)、仕上げ圧延での仕上げ温度(℃)及び仕上げ圧延後の冷却速度(℃/秒)はそれぞれ、表2-1及び表2-2に示すとおりであった。なお、いずれの試験番号においても、加工速度は5~15/秒であった。 Next, chemical composition no. Finish rolling (hot rolling) was performed on the A to S billets to produce wire rods with a diameter of 14 mm (finish hot rolling step). The heating temperature (°C) of the billet, the finishing temperature (°C) in finish rolling, and the cooling rate (°C/sec) after finish rolling were as shown in Tables 2-1 and 2-2, respectively. The processing speed was 5 to 15/sec in any test number.

Figure 0007135485000003
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Figure 0007135485000004
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[ミクロ組織観察試験]
浸炭用鋼線材を圧延方向と垂直な方向に切断し、10mmのサンプルを採取した。サンプルの切断面が被検面になるように樹脂埋めし、鏡面研磨を行った。その後、上述の方法でミクロ組織観察を実施して、初析フェライトの面積率(%)とを求めた。求めた結果を表2-1及び表2-2の「フェライト面積率」の欄に示す。
[Microstructure Observation Test]
A steel wire rod for carburizing was cut in a direction perpendicular to the rolling direction to obtain a 10 mm sample. The cut surface of the sample was filled with resin so that the surface to be inspected was mirror-polished. After that, the microstructure was observed by the method described above, and the area ratio (%) of pro-eutectoid ferrite was determined. The obtained results are shown in the column of "ferrite area ratio" in Tables 2-1 and 2-2.

[面疲労強度試験片及び曲げ疲労強度試験片]
各試験番号の棒鋼を、1200℃で30分加熱した。次に、仕上げ温度を950℃以上として熱間鍛造し、直径35mmの丸棒を製造した。直径35mmの丸棒を機械加工して、図2に示すローラピッチング小ローラ試験片と、図3に示す切欠き付き小野式回転曲げ疲労試験片(図2及び図3ともに、図中の寸法の単位はmm)を作製した。
[Area fatigue strength test piece and bending fatigue strength test piece]
The steel bars of each test number were heated at 1200° C. for 30 minutes. Next, hot forging was performed at a finishing temperature of 950° C. or higher to produce a round bar with a diameter of 35 mm. A round bar with a diameter of 35 mm was machined, and the roller pitching small roller test piece shown in FIG. 2 and the notched Ono type rotating bending fatigue test piece shown in FIG. The unit is mm).

作成された各試験片を、ガス浸炭炉を用いて、図4に示す条件で浸炭焼入れを実施した。焼入れ後、170℃で1.5時間の焼戻しを実施した。ローラピッチング試験用小ローラ試験片、及び、小野式回転曲げ疲労試験片に対して、熱処理ひずみを除く目的で、つかみ部の仕上げ加工を実施した。 Carburizing and quenching were performed on each of the prepared test pieces using a gas carburizing furnace under the conditions shown in FIG. After quenching, tempering was performed at 170° C. for 1.5 hours. For the purpose of removing heat treatment distortion, finishing of the grip portion was performed on the small roller test piece for the roller pitching test and the Ono type rotating bending fatigue test piece.

[面疲労強度試験]
ローラピッチング試験により、面疲労強度を求めた。ローラピッチング試験は、上記の小ローラ試験片と図5に示す形状の大ローラ(図中の寸法の単位はmm)とを組合せ、表3に示す条件で行った。
[Surface fatigue strength test]
The surface fatigue strength was determined by a roller pitting test. The roller pitting test was conducted under the conditions shown in Table 3 by combining the small roller test piece and a large roller having the shape shown in FIG.

Figure 0007135485000005
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図5に示す大ローラは、JIS規格SCM420Hの規格を満たす鋼からなり、一般的な製造工程、つまり、焼きならし、試験片加工、ガス浸炭炉による共析浸炭、低温焼戻し及び研磨、の工程によって作製された。 The large roller shown in FIG. 5 is made of steel that satisfies the JIS standard SCM420H, and the general manufacturing process includes normalizing, test piece processing, eutectoid carburizing in a gas carburizing furnace, low temperature tempering and polishing. made by

各試験番号について、ローラピッチング試験における試験数は6とした。試験後、縦軸に面圧、横軸にピッチング発生までの繰り返し数をとったS-N線図を作成した。繰り返し数2.0×10回までピッチングが発生しなかったもののうち、最も高い面圧を面疲労強度とした。なお、小ローラ試験片の表面が損傷している箇所のうち、最大のものの面積が1mm以上になった場合をピッチング発生と定義した。 For each test number, the number of tests in the roller pitting test was 6. After the test, an SN diagram was prepared with the vertical axis representing the surface pressure and the horizontal axis representing the number of repetitions until pitching occurred. The highest surface pressure among those in which pitting did not occur up to the number of repetitions of 2.0×10 7 was taken as the surface fatigue strength. Pitching was defined as occurrence of pitting when the area of the largest damaged portion on the surface of the small roller test piece was 1 mm 2 or more.

表2-1及び表2-2に、試験により得られた面疲労強度比を示す。表2-1及び表2-2中の面疲労強度比では、JIS G4053(2016)のSCM420に相当する化学組成を有する試験番号19の面疲労強度比を基準値(1.00)とした。そして、各試験番号の面疲労強度を、基準値に対する比で示した。面疲労強度比が1.10以上であれば、優れた面疲労強度が得られたと判断した。 Tables 2-1 and 2-2 show the surface fatigue strength ratio obtained by the test. For the surface fatigue strength ratios in Tables 2-1 and 2-2, the surface fatigue strength ratio of Test No. 19 having a chemical composition corresponding to SCM420 of JIS G4053 (2016) was used as the reference value (1.00). The surface fatigue strength of each test number is shown as a ratio to the reference value. It was judged that excellent surface fatigue strength was obtained when the surface fatigue strength ratio was 1.10 or more.

[曲げ疲労強度試験]
曲げ疲労強度は、小野式回転曲げ疲労試験により求めた。小野式回転曲げ疲労試験での試験数は試験番号ごとに8個とした。試験時の回転数は3000rpmとし、その他は通常の方法により試験を行った。繰り返し数1.0×10回まで破断しなかったもののうち、最も高い応力をそれぞれ高サイクル回転曲げ疲労強度とした。
[Bending fatigue strength test]
The bending fatigue strength was determined by Ono's rotary bending fatigue test. The number of tests in the Ono-type rotary bending fatigue test was 8 for each test number. The number of revolutions during the test was set to 3000 rpm, and the test was carried out by a normal method otherwise. Among those that did not break up to 1.0×10 7 repetitions, the highest stress was taken as the high cycle rotating bending fatigue strength.

表2-1及び表2-2に、高サイクルの曲げ疲労強度を示す。高サイクルの曲げ疲労強度では、JIS G4053(2016)のSCM420に相当する化学組成を有する試験番号19の高サイクルの曲げ疲労強度を基準値(1.00)とした。そして、各試験番号の高サイクルの曲げ疲労強度を、基準値に対する比で示した。高サイクルの曲げ疲労強度が1.10以上であれば、優れた曲げ疲労強度が得られたと判断した。 Tables 2-1 and 2-2 show high-cycle bending fatigue strength. For the high-cycle bending fatigue strength, the high-cycle bending fatigue strength of Test No. 19 having a chemical composition corresponding to SCM420 of JIS G4053 (2016) was used as the reference value (1.00). The high-cycle bending fatigue strength of each test number is shown as a ratio to the reference value. If the high-cycle bending fatigue strength was 1.10 or more, it was determined that excellent bending fatigue strength was obtained.

[切削試験]
切削試験を実施し、被削性を評価した。以下の方法により切削試験片を得た。各試験番号の直径70mmの棒鋼を1200℃の加熱温度で30分加熱した。加熱された棒鋼を950℃以上の仕上げ温度で熱間鍛造し、直径50mmの丸棒を得た。この丸棒に対して焼準処理を実施した。具体的には、丸棒を950℃の加熱温度で1時間加熱し、その後放冷した。焼準処理された丸棒から機械加工によって、直径46mm、長さ400mmの切削試験片を得た。切削試験片を用いて、下記の条件で切削試験を行った。
[Cutting test]
A cutting test was performed to evaluate the machinability. Cutting test pieces were obtained by the following method. A steel bar with a diameter of 70 mm of each test number was heated at a heating temperature of 1200° C. for 30 minutes. The heated steel bar was hot forged at a finishing temperature of 950° C. or higher to obtain a round bar with a diameter of 50 mm. This round bar was subjected to normalizing treatment. Specifically, the round bar was heated at a heating temperature of 950° C. for 1 hour and then allowed to cool. A cutting test piece with a diameter of 46 mm and a length of 400 mm was obtained by machining from the normalized round bar. A cutting test was performed using the cutting test piece under the following conditions.

切削試験(旋削)
チップ:母材材質 超硬P20種グレード、コーティング なし
条件:周速200m/分、送り0.30mm/rev、切り込み1.5mm、水溶性切削油を使用
測定項目:切削時間10分後の逃げ面の主切刃摩耗量
Cutting test (turning)
Tip: Base material P20 grade carbide, no coating Conditions: Circumferential speed 200m/min, feed 0.30mm/rev, depth of cut 1.5mm, water-soluble cutting oil used Measurement items: Flank after 10 minutes of cutting wear amount of the main cutting edge

表2-1及び表2-2の「逃げ面摩耗量」の欄に、得られた主切刃摩耗量を示す。表2-1及び表2-2では、試験番号21(鋼E使用)を焼準処理した試験片の逃げ面の主切刃摩耗量を基準値(1.00)とした。そして、各試験番号の主切刃摩耗量を、基準値に対する比で示した。主切刃摩耗量が0.85以下であれば、優れた被削性が得られたと判断した。 The obtained main cutting edge wear amount is shown in the column of "flank wear amount" in Tables 2-1 and 2-2. In Tables 2-1 and 2-2, the standard value (1.00) is the major cutting edge wear amount on the flank surface of the normalized test piece of Test No. 21 (using steel E). The major cutting edge wear amount for each test number is shown as a ratio to the reference value. If the main cutting edge wear amount was 0.85 or less, it was determined that excellent machinability was obtained.

[耐水素脆化特性評価試験]
各試験番号の線材に対して焼入れ及び焼戻しを実施して、線材の引張強度を約1200MPaに調整した。
[Hydrogen embrittlement resistance evaluation test]
Quenching and tempering were performed on the wire of each test number to adjust the tensile strength of the wire to about 1200 MPa.

ただし引張強度を約1200MPa得るための焼戻し処理温度が435℃未満になる場合については、強度不足と判断し、耐水素脆化特性評価は実施せず、本発明の対象外と判断した。 However, when the tempering temperature for obtaining a tensile strength of about 1200 MPa was less than 435°C, it was determined that the strength was insufficient, the hydrogen embrittlement resistance was not evaluated, and it was determined to be out of the scope of the present invention.

引張強度が調整された線材に対して機械加工を実施して、図6に示す環状Vノッチ試験片を、各試験番号の線材につき複数作製した。図6中の単位が示されていない数値は、試験片の対応する部位の寸法(単位はmm)を示す。図中の「φ数値」は、指定されている部位の直径(mm)を示す。「60°」は、Vノッチ角度が60°であることを示す。「0.175R」は、Vノッチ底半径が0.175mmであることを示す。 A plurality of annular V-notch test pieces shown in FIG. 6 were produced for each wire rod of each test number by machining the wire rod whose tensile strength was adjusted. Numerical values without units in FIG. 6 indicate the dimensions (unit: mm) of the corresponding portions of the test piece. The "φ value" in the figure indicates the diameter (mm) of the designated portion. "60°" indicates that the V notch angle is 60°. "0.175R" indicates that the V-notch bottom radius is 0.175 mm.

電解チャージ法を用いて、各鋼に、試験片に対して種々の濃度の水素を導入した。電解チャージ法は次のとおり実施した。チオシアン酸アンモニウム水溶液中に試験片を浸漬した。試験片を浸漬した状態で、試験片の表面にアノード電位を発生させて水素を試験片内に取り込んだ。 Various concentrations of hydrogen were introduced to the specimens of each steel using the electrolytic charging method. The electrolytic charging method was carried out as follows. A test piece was immersed in an ammonium thiocyanate aqueous solution. While the test piece was immersed, an anodic potential was generated on the surface of the test piece and hydrogen was taken into the test piece.

試験片内に水素を導入した後、試験片表面に亜鉛めっき被膜を形成し、試験片中の水素の散逸を防止した。続いて、試験片のVノッチ断面に対して公称応力1080MPa(引張強度の90%)の引張応力が負荷されるように一定加重を負荷する定荷重試験を実施した。試験中に破断した試験片、及び破断しなかった試験片に対して、ガスクロマトグラフ装置を用いた昇温分析法を実施して、試験片中の水素量を測定した。測定後、各試験番号において、破断しなかった試験片のうちの最大水素量を限界拡散性水素量Hcと定義した。 After hydrogen was introduced into the test piece, a galvanized film was formed on the surface of the test piece to prevent hydrogen from escaping from the test piece. Subsequently, a constant load test was performed in which a constant load was applied so that a tensile stress with a nominal stress of 1080 MPa (90% of the tensile strength) was applied to the V-notch cross section of the test piece. A temperature programmed analysis method using a gas chromatograph was performed on the test piece that was broken during the test and the test piece that was not broken, and the amount of hydrogen in the test piece was measured. After the measurement, the maximum amount of hydrogen in the test pieces that did not break was defined as the critical diffusible hydrogen amount Hc in each test number.

さらに、JIS G4053(2016)のSCM420に相当する化学組成を有する鋼Sの限界拡散水素量を、限界拡散性水素量比HRの基準(Href)とした。限界拡散性水素量Hrefを基準として、式(A)を用いて限界拡散性水素量比HRを求めた。
HR=Hc/Href (A)
比HRが1.00よりも高ければ、耐水素脆化特性に優れると判断した。
Furthermore, the limit diffusible hydrogen amount of steel S having a chemical composition corresponding to SCM420 of JIS G4053 (2016) was used as the reference (Href) for the limit diffusible hydrogen amount ratio HR. Using the critical diffusible hydrogen amount Href as a reference, the critical diffusible hydrogen amount ratio HR was obtained using the formula (A).
HR=Hc/Href (A)
It was judged that if the ratio HR was higher than 1.00, the hydrogen embrittlement resistance was excellent.

[試験結果]
表2-1及び表2-2に試験結果を示す。
[Test results]
Test results are shown in Tables 2-1 and 2-2.

試験番号1~15の浸炭用鋼の化学組成は適切であり、式(1)~式(3)を満たした。さらに、線材内部の金属組織中における初析フェライト及びパーライトの総面積率は90%以上であり、フェライトの面積率は50%以上であった。また、これらの試験番号の疲労強度は1.10以上であり、面疲労強度比は1.10以上であった。更に、主切刃摩耗量は0.85以下であった。さらに、比HRは1.00を超え、優れた耐水素脆化特性を示した。 The chemical compositions of the carburizing steels of test numbers 1 to 15 were appropriate and satisfied formulas (1) to (3). Furthermore, the total area ratio of proeutectoid ferrite and pearlite in the metal structure inside the wire was 90% or more, and the area ratio of ferrite was 50% or more. Moreover, the fatigue strength of these test numbers was 1.10 or more, and the plane fatigue strength ratio was 1.10 or more. Furthermore, the main cutting edge wear amount was 0.85 or less. Furthermore, the ratio HR exceeded 1.00, indicating excellent hydrogen embrittlement resistance.

一方、試験番号16~18は、Sb、Sn及びBiのいずれかが0.10%を超える量を含有しており、圧延時に割れがあった。試験番号16~18は使用できない状態であるため、面疲労強度試験、曲げ疲労強度試験、切削試験及び耐水素脆化特性評価試験が行われていない。 On the other hand, test numbers 16 to 18 contained more than 0.10% of any of Sb, Sn and Bi, and cracks occurred during rolling. Since Test Nos. 16 to 18 are in an unusable state, the surface fatigue strength test, bending fatigue strength test, cutting test, and hydrogen embrittlement resistance evaluation test were not conducted.

試験番号19、20は、式(1)を満たさなかった例である。試験番号19は高サイクル疲労強度比及び面疲労強度に劣り、試験番号15は、被削性に劣る。 Test numbers 19 and 20 are examples that did not satisfy formula (1). Test No. 19 is inferior in high cycle fatigue strength ratio and surface fatigue strength, and Test No. 15 is inferior in machinability.

試験番号21、22は、式(2)を満たさなかった例である。試験番号21は高サイクル疲労強度比に劣り、試験番号22は耐水素脆化特性に劣る。 Test numbers 21 and 22 are examples that did not satisfy formula (2). Test No. 21 is inferior in high cycle fatigue strength ratio, and Test No. 22 is inferior in hydrogen embrittlement resistance.

試験番号23~25は、式(3)を満たさなかった例であり、耐水素脆化特性に劣る。特に、試験番号24、25の焼き入れ後の面疲労強度試験の結果、いずれの試験番号の面疲労強度比が1.10未満(不合格)であった。試験番号24、25におけるSiの含有量が0.2%未満であったので、それぞれの試験片の焼き戻し軟化抵抗が低くなり、焼入れされた部分の耐摩耗性が不十分になったと考えられる。 Test numbers 23 to 25 are examples that did not satisfy the formula (3), and were inferior in hydrogen embrittlement resistance. In particular, as a result of the surface fatigue strength test after quenching of test numbers 24 and 25, the surface fatigue strength ratio of both test numbers was less than 1.10 (failed). Since the Si content in Test Nos. 24 and 25 was less than 0.2%, the temper softening resistance of each test piece was low, and the wear resistance of the quenched portion was considered insufficient. .

試験番号26の線材はCaを含有していない。そのため、耐水素脆化特性に劣る。 The wire of Test No. 26 does not contain Ca. Therefore, it is inferior in hydrogen embrittlement resistance.

試験番号27~30は、式(1)~(3)を満たしているが、フェライトの面積率が50%未満の例である。いずれも、被削性に劣る。 Test numbers 27 to 30 are examples in which the formulas (1) to (3) are satisfied, but the area ratio of ferrite is less than 50%. Both are inferior in machinability.

図1は、F2値が0.03以上0.150以下の本発明例及び比較例について、F3(Mn/Cr)値及び限界拡散性水素量比HRとの関係をまとめたグラフである。このグラフに示されるように、F2値が0.03以上0.150以下であることを前提に、F3が0.20より低くなれば、HRが1.00よりも高くなり、優れた耐水素脆化特性が得られることが分かる。 FIG. 1 is a graph summarizing the relationship between the F3 (Mn/Cr) value and the critical diffusible hydrogen amount ratio HR for the inventive examples and comparative examples having an F2 value of 0.03 or more and 0.150 or less. As shown in this graph, on the premise that the F2 value is 0.03 or more and 0.150 or less, if the F3 is lower than 0.20, the HR is higher than 1.00, and excellent hydrogen resistance It can be seen that embrittlement properties are obtained.

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の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の形態を適宜変更して実施することができる。 The embodiments of the present invention have been described above. However, the above-described embodiments are merely examples for implementing the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented by appropriately modifying the above-described embodiment without departing from the spirit of the present invention.

本発明の浸炭用鋼は、高い面疲労強度及び被削性を有し、水素侵入環境下における優れた耐水素脆化特性を有するので、自動車、産業機械、建築等に用いられる部材、特に、歯車や、プーリ、トランスミッション用シャフト等の鋼製部品への利用に好適である。 The carburizing steel of the present invention has high surface fatigue strength and machinability, and excellent resistance to hydrogen embrittlement in a hydrogen penetration environment. It is suitable for use in steel parts such as gears, pulleys and transmission shafts.

Claims (4)

質量%で、
C:0.15~0.25%、
Si:0.20~0.60%、
Mn:0.20~0.40%未満、
Cr:1.60~2.00%、
Al:0.005~0.060%、
N:0.0015~0.0080%、
Ca:0.0003~0.0050%、及び
S:0.010~0.020%を含有し、
P:0.020%以下、O:0.0020%以下に制限され、
残部はFe及び不純物からなり、
下記式(1)~式(3)を満たす化学組成を有し、フェライトの面積率が50%以上であることを特徴とする浸炭用鋼。
1.90≦Si+Cr≦2.40・・・ (1)
0.03≦Ca/S≦0.15・・・(2)
Mn/Cr≦0.20・・・(3)
ここで、式(1)~式(3)の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
in % by mass,
C: 0.15 to 0.25%,
Si: 0.20 to 0.60%,
Mn: less than 0.20 to 0.40%,
Cr: 1.60-2.00%,
Al: 0.005 to 0.060%,
N: 0.0015 to 0.0080%,
Ca: 0.0003 to 0.0050%, and S: 0.010 to 0.020%,
P: 0.020% or less, O: limited to 0.0020% or less,
the balance consists of Fe and impurities,
A carburizing steel characterized by having a chemical composition satisfying the following formulas (1) to (3) and having a ferrite area ratio of 50% or more.
1.90≦Si+Cr≦2.40 (1)
0.03≦Ca/S≦0.15 (2)
Mn/Cr≦0.20 (3)
Here, the content (% by mass) of the corresponding element is substituted for each element symbol in formulas (1) to (3).
更に、質量%で、
Sb:0.100%以下、
Sn:0.100%以下、及び
Bi:0.100%以下からなる群から選択される1種又は2種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の浸炭用鋼。
Furthermore, in mass %,
Sb: 0.100% or less,
2. The carburizing steel according to claim 1, containing one or more selected from the group consisting of Sn: 0.100% or less and Bi: 0.100% or less.
更に、質量%で、
Ti:0.010~0.050%、
B:0.0003~0.0040%、
Cu:0.50%以下、
Ni:0.30%以下、
Mo:0.05%以下、
V:0.050%以下、及び
Nb:0.050%以下からなる群から選択される1種又は2種以上を含有し、
下記式(1’)を満たすことを特徴とする請求項1又は2に記載の浸炭用鋼。
1.90≦Si+Cr+2×Mo≦2.40・・・ (1’)
ここで、式(1’)の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される
Furthermore, in mass %,
Ti: 0.010 to 0.050%,
B: 0.0003 to 0.0040%,
Cu: 0.50% or less,
Ni: 0.30% or less,
Mo: 0.05% or less,
V: 0.050% or less, and Nb: 0.050% or less, containing one or more selected from the group consisting of
3. The carburizing steel according to claim 1, wherein the following formula (1') is satisfied.
1.90≦Si+Cr+2×Mo≦2.40 (1′)
Here, the content (% by mass) of the corresponding element is substituted for each element symbol in formula (1′).
請求項1~3のうちいずれか1項に記載の成分組成を有する芯部と、前記芯部よりも炭素含有量が高い表層部とを有することを特徴とする部品。 A component comprising a core portion having the composition according to any one of claims 1 to 3 and a surface layer portion having a higher carbon content than the core portion.
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