JPWO2016098143A1 - Nitriding component manufacturing method and nitriding steel - Google Patents

Nitriding component manufacturing method and nitriding steel Download PDF

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Abstract

窒化処理後の疲労強度を高め、かつ窒化処理後の変形を抑制できる窒化部品の製造方法を提供する。本実施形態の製造方法は、0.55≦Cr+0.15Si+0.2(Mn−1.71S)+0.1Cr≦1.10及び0.55≦Cr+0.5Si+0.35(Mn−1.71S)−0.3C≦1.30を満たす所定の化学組成を有する素材を準備する工程と、素材を熱間加工する工程と、熱間加工された素材に対して、600℃以上であってA1=723−10.7Mn+29.1Si−16.9Ni+16.9Crで定義されるA1点以下の温度で20分以上均熱した後冷却する残留応力解放熱処理を実施して、窒化用鋼材を製造する工程と、残留応力解放熱処理後の窒化用鋼材に対して切削加工を実施する工程と、切削加工後の窒化用鋼材に対して窒化処理を実施する工程とを備える。Provided is a method for manufacturing a nitrided part that can increase fatigue strength after nitriding and can suppress deformation after nitriding. The manufacturing method of this embodiment is 0.55 <= Cr + 0.15Si + 0.2 (Mn-1.71S) + 0.1Cr <= 1.10 and 0.55 <= Cr + 0.5Si + 0.35 (Mn-1.71S) -0. .3C ≦ 1.30, a step of preparing a material having a predetermined chemical composition, a step of hot working the material, and a hot-worked material at 600 ° C. or higher and A1 = 723 A step of producing a nitriding steel by carrying out a residual stress release heat treatment after soaking for 20 minutes or more at a temperature defined by 10.7Mn + 29.1Si-16.9Ni + 16.9Cr or less at a temperature of A1 or less, and cooling; The method includes a step of cutting the nitriding steel material after the release heat treatment, and a step of performing a nitriding treatment on the nitriding steel material after the cutting processing.

Description

本発明は、窒化用鋼材を用いた窒化部品の製造方法、及び、窒化処理される窒化用鋼材に関する。  The present invention relates to a method for producing a nitrided part using a nitriding steel material, and a nitriding steel material to be nitrided.

クランクシャフトやコネクティングロッド等に代表される機械構造用部品は、自動車、産業機械及び建設機械等に用いられる。機械構造用部品には、高い疲労強度が要求される。  Machine structural parts such as crankshafts and connecting rods are used in automobiles, industrial machines, construction machines, and the like. The mechanical structural parts are required to have high fatigue strength.

窒化処理は、機械構造用部品の疲労強度を高めるために有効である。たとえば、機械構造用炭素鋼鋼材又は機械構造用合金鋼鋼材を熱間鍛造して、所望の形状の中間品を製造する。必要に応じて中間品に対して焼ならし処理を実施する。熱間鍛造後の中間品又は焼ならし処理後の中間品に対して、窒化処理を実施して機械構造用部品である窒化部品を製造する。窒化処理により、窒化部品の表層近傍に、窒素による強化層が形成される。そのため、窒化部品の疲労強度が高まる。  The nitriding treatment is effective for increasing the fatigue strength of the mechanical structural component. For example, a carbon steel material for machine structure or an alloy steel material for machine structure is hot forged to produce an intermediate product having a desired shape. Normalize the intermediate product as necessary. Nitriding is performed on the intermediate product after hot forging or the intermediate product after normalizing to produce a nitrided part that is a machine structural part. By the nitriding treatment, a reinforced layer of nitrogen is formed in the vicinity of the surface layer of the nitrided part. Therefore, the fatigue strength of the nitrided part is increased.

ところで、窒化処理により、窒化部品には曲がり等の変形が発生する場合がある。変形した窒化部品に対して、通常、冷間矯正が実施される。冷間矯正工程を省略及び簡略化できれば、製造コストの削減及びサイクルタイムの短縮を実現できる。窒化処理後の窒化部品の変形を抑えることができれば、冷間矯正を省略又は簡略化できる。  By the way, the nitriding treatment may cause deformation such as bending in the nitrided part. Cold deformation is usually performed on the deformed nitrided part. If the cold correction process can be omitted and simplified, it is possible to reduce the manufacturing cost and the cycle time. If the deformation of the nitrided part after nitriding can be suppressed, cold straightening can be omitted or simplified.

窒化部品の疲労強度及び曲げ矯正性を向上する技術については、特開平9−291339号公報(特許文献1)、特開平10−46287号公報(特許文献2)、特開2010−13729号公報(特許文献3)、特開2009−270160号公報(特許文献4)、及び、に提案されている。  Regarding techniques for improving the fatigue strength and bending straightness of nitrided parts, JP-A-9-291339 (Patent Document 1), JP-A-10-46287 (Patent Document 2), JP-A-2010-13729 ( Patent Document 3), Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-270160 (Patent Document 4), and the like.

特許文献1に開示された窒化鋼は、必須元素として、質量%で、C:0.15〜0.40%、Si:0.50%以下、Mn:0.20〜1.50%、Cr:0.05〜0.50%を含有し、任意元素として、Ni、Mo、N、V、Nb、Ti、Zr、Ta、S、Pb、Ca、Bi、Teのうち1種又は2種以上を含有できる。特許文献1には次の事項が記載されている。鋼中のC含有量、Mn含有量及びCr含有量を適正化することにより、フェライト面積率を高め、さらにフェライトとパーライトとを微細化する。これにより、優れた疲れ特性及び曲げ特性が得られる。  The nitrided steel disclosed in Patent Document 1 is, as an essential element, in mass%, C: 0.15 to 0.40%, Si: 0.50% or less, Mn: 0.20 to 1.50%, Cr : 0.05 to 0.50%, as optional elements, Ni, Mo, N, V, Nb, Ti, Zr, Ta, S, Pb, Ca, Bi, Te or one or more Can be contained. Patent Document 1 describes the following matters. By optimizing the C content, Mn content and Cr content in the steel, the ferrite area ratio is increased, and the ferrite and pearlite are further refined. Thereby, excellent fatigue characteristics and bending characteristics can be obtained.

特許文献2に開示された窒化用鋼は、重量%で、C:0.30〜0.43%、Si:0.05〜0.40%、Mn:0.20〜0.60%、P:0.08%以下、S:0.10%以下、sol.Al:0.010%以下、Ti:0.013%以下、Ca:0.0030%以下、Pb:0.20%以下及びN:0.010〜0.030%を含有し、残部がFe及び不純物からなる。この窒化用鋼ではさらに、不純物中のCr含有量が0.10%以下であり、V含有量が0.01%以下である。特許文献2には次の事項が記載されている。鋼中のAl含有量及びTi含有量を抑制することにより、疲労強度が高まる。V含有量、Cr含有量及びAl含有量を抑制することにより、窒化後の表面硬さが抑えられ、曲げ矯正性が高まる。Pを含有することにより、疲労強度が高まる。窒化用鋼を上記の化学組成とすることにより、調質処理を実施しなくても優れた疲労強度及び曲げ矯正性が得られる。  The steel for nitriding disclosed in Patent Document 2 is, by weight, C: 0.30 to 0.43%, Si: 0.05 to 0.40%, Mn: 0.20 to 0.60%, P : 0.08% or less, S: 0.10% or less, sol. Al: 0.010% or less, Ti: 0.013% or less, Ca: 0.0030% or less, Pb: 0.20% or less and N: 0.010 to 0.030%, with the balance being Fe and Consists of impurities. Further, in this nitriding steel, the Cr content in the impurities is 0.10% or less, and the V content is 0.01% or less. Patent Document 2 describes the following matters. By suppressing the Al content and Ti content in the steel, the fatigue strength is increased. By suppressing the V content, Cr content, and Al content, the surface hardness after nitriding is suppressed, and the bending straightness is improved. By containing P, fatigue strength increases. By setting the nitriding steel to the above-described chemical composition, excellent fatigue strength and bend straightening can be obtained without performing tempering treatment.

特許文献3に開示された軟窒化用鋼は、C:0.45%を超えて0.60%以下、Si:0.50%未満、Mn:1.30%を超えて1.70%以下、P:0.05%以下、S:0.02〜0.10%、Cr:0.30%以下及びN:0.007%を超えて0.030%以下を含有し、Al:0.010%を超えて0.10%以下及びTi:0.005%を超えて0.035%以下のうちの1種以上を総含有量で0.015%以上を含有し、残部はFe及び不純物からなる。不純物中のV含有量は0.010%以下である。この軟窒化用鋼はさらに、fn1=1.25C+Mn−0.1Crが1.90以上であり、fn2=N−0.45Al−(1/22)Tiが0を超える。特許文献3には次の事項が記載されている。fn1が1.90以上であれば、フェライトの割合が10%以下になる。さらに、fn2が0を超えれば、Ti及びAlの窒化物によりピンニング効果が得られ、結晶粒が微細化する。そのため、焼入れ及び焼戻しに替えて焼きならしを実施しても、優れた疲労強度及び曲げ矯正性が得られる。  The steel for soft nitriding disclosed in Patent Document 3 is C: more than 0.45% to 0.60% or less, Si: less than 0.50%, Mn: more than 1.30% to 1.70% or less , P: 0.05% or less, S: 0.02 to 0.10%, Cr: 0.30% or less and N: more than 0.007% and 0.030% or less, Al: 0. More than 010% and 0.10% or less, and Ti: more than 0.005% and 0.035% or less, the total content contains 0.015% or more, the balance being Fe and impurities Consists of. The V content in the impurities is 0.010% or less. Further, this soft nitriding steel has fn1 = 1.25C + Mn-0.1Cr of 1.90 or more, and fn2 = N-0.45Al- (1/22) Ti exceeds 0. Patent Document 3 describes the following matters. If fn1 is 1.90 or more, the proportion of ferrite is 10% or less. Furthermore, if fn2 exceeds 0, the pinning effect is obtained by the nitride of Ti and Al, and the crystal grains become finer. Therefore, even if it carries out normalization instead of quenching and tempering, excellent fatigue strength and bending straightness can be obtained.

特許文献4に開示された軟窒化用鋼材の製造方法は、質量%で、C:0.25〜0.50%、Si:0.1〜0.5%、Mn:0.3〜1.5%、P:0.05%以下、S:0.1%以下、Ti:0.005〜0.05%、Cr:0.40%以下、Al:0.05%以下およびN:0.005〜0.030%を含有し、残部はFeおよび不純物からなる鋼を、1100〜1300℃に加熱し、仕上げ温度を900℃以上として熱間鍛造した後、570℃以上で、かつ、A=723−10.7(Mn%)+29.1(Si%)−16.9(Ni%)+16.9(Cr%)で表されるA℃以下の温度で焼なましする。特許文献4では次の事項が記載されている。上記式で表されるA℃以下で焼なましを実施すれば、Crを固定するセメンタイトがマトリックス中に残存する。そのため、フェライト中のCr濃度が低下し、曲げ矯正性が高まる。The manufacturing method of the steel for soft nitriding disclosed in Patent Document 4 is mass%, C: 0.25 to 0.50%, Si: 0.1 to 0.5%, Mn: 0.3 to 1. 5%, P: 0.05% or less, S: 0.1% or less, Ti: 0.005 to 0.05%, Cr: 0.40% or less, Al: 0.05% or less, and N: 0.00. The steel containing 005 to 0.030% with the balance being Fe and impurities is heated to 1100 to 1300 ° C., hot forged at a finishing temperature of 900 ° C. or higher, 570 ° C. or higher, and A 1 = 723-10.7 (Mn%) + 29.1 (Si%) - 16.9 (Ni%) + 16.9 to annealing at a 1 ° C. below the temperature represented by (Cr%). Patent Document 4 describes the following matters. When annealing is performed at A 1 ° C or less represented by the above formula, cementite for fixing Cr remains in the matrix. For this reason, the Cr concentration in the ferrite is lowered and the bending straightness is improved.

上述のとおり、特許文献1では、結晶粒が微細化される。しかしながら、それだけでは疲労強度が改善されない場合がある。特許文献2では、曲げ矯正性を高めるために、窒素と親和力の高いCr含有量を低くする。そのため、窒化後の窒化層の硬さが低くなりやすく、疲労強度が低くなる場合がある。特許文献3では、窒化層を強化する元素の含有量が十分でない。そのため、疲労強度が十分に高くならない場合がある。  As described above, in Patent Document 1, crystal grains are refined. However, the fatigue strength may not be improved by itself. In patent document 2, in order to improve bend straightening property, Cr content with high affinity with nitrogen is made low. Therefore, the hardness of the nitrided layer after nitriding tends to be low, and the fatigue strength may be low. In Patent Document 3, the content of an element that strengthens the nitride layer is not sufficient. Therefore, the fatigue strength may not be sufficiently high.

さらに、特許文献1〜特許文献4では、窒化処理により曲がり等の変形が発生した後の鋼材の曲げ矯正性を向上する技術については開示されているものの、窒化処理後の変形そのものを抑制する点については開示及び示唆がない。  Furthermore, in Patent Documents 1 to 4, although a technique for improving the bend straightening property of a steel material after deformation such as bending is caused by nitriding treatment, the deformation itself after nitriding treatment is suppressed. There is no disclosure or suggestion.

本発明の目的は、窒化処理後の疲労強度を高め、かつ、窒化処理後の変形を抑制できる、窒化部品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 method for manufacturing a nitrided part that can increase fatigue strength after nitriding treatment and can suppress deformation after nitriding treatment.

本実施形態による窒化部品の製造方法は、質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.03〜0.5%、Mn:1.3〜2.7%、P:0.05%以下、S:0.005〜0.10%、Cr:0.05〜0.60%、N:0.003〜0.025%、Al:0.05%以下、Ti:0〜0.05%、Nb:0〜0.05%、Mo:0〜0.50%、V:0〜0.50%、Cu:0〜0.50%、Ni:0〜0.50%、及び、Ca:0〜0.005%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、式(1)及び式(2)を満たす化学組成を有する素材を準備する工程と、素材を熱間加工する工程と、熱間加工された素材に対して、600℃以上であって(3)で定義されるA点以下の温度で20分以上均熱した後冷却する残留応力解放熱処理を実施して、窒化用鋼材を製造する工程と、残留応力解放熱処理後の窒化用鋼材に対して切削加工を実施する工程と、切削加工後の窒化用鋼材に対して窒化処理を実施する工程とを備える。
0.55≦C+0.15Si+0.2(Mn−1.71S)+0.1Cr≦1.10 (1)
0.55≦Cr+0.5Si+0.35(Mn−1.71S)−0.3C≦1.30 (2)
=723−10.7Mn+29.1Si−16.9Ni+16.9Cr (3)
ここで、式(1)〜式(3)中の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
The manufacturing method of the nitride component according to the present embodiment is mass%, C: 0.25 to 0.65%, Si: 0.03 to 0.5%, Mn: 1.3 to 2.7%, P: 0.05% or less, S: 0.005 to 0.10%, Cr: 0.05 to 0.60%, N: 0.003 to 0.025%, Al: 0.05% or less, Ti: 0 ~ 0.05%, Nb: 0 ~ 0.05%, Mo: 0 ~ 0.50%, V: 0 ~ 0.50%, Cu: 0 ~ 0.50%, Ni: 0 ~ 0.50% And Ca: 0 to 0.005%, the balance being made of Fe and impurities, and preparing a material having a chemical composition satisfying the formula (1) and the formula (2), and hot working the material Residual stress release that cools after soaking for 20 minutes or more at a temperature of 600 ° C. or more and A 1 point or less as defined in (3) Performing heat treatment to manufacture nitriding steel, cutting to nitriding steel after residual stress release heat treatment, and nitriding to nitriding steel after cutting A process.
0.55 ≦ C + 0.15Si + 0.2 (Mn−1.71S) + 0.1Cr ≦ 1.10 (1)
0.55 ≦ Cr + 0.5Si + 0.35 (Mn−1.71S) −0.3C ≦ 1.30 (2)
A 1 = 723-10.7Mn + 29.1Si-16.9Ni + 16.9Cr (3)
Here, the content (mass%) of the corresponding element is substituted for the element symbols in the formulas (1) to (3).

本実施形態による窒化用鋼材は、質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.03〜0.5%、Mn:1.3〜2.7%、P:0.05%以下、S:0.005〜0.10%、Cr:0.05〜0.60%、N:0.003〜0.025%、Al:0.05%以下、Ti:0〜0.05%、Nb:0〜0.05%、Mo:0〜0.50%、V:0〜0.50%、Cu:0〜0.50%、Ni:0〜0.50%、及び、Ca:0〜0.005%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、式(1)及び式(2)を満たす化学組成を有する。窒化用鋼材の組織におけるパーライトの面積分率は50.0%よりも高く、窒化用鋼材の組織において、パーライトコロニーのうちパーライトコロニー内のセメンタイトの総長さに対する4.0μm未満の長さのセメンタイトの総長さの比率が50%以上である特定パーライトコロニーの総面積の、パーライトコロニーの総面積に対する比率が40%以上である。
0.55≦C+0.15Si+0.2(Mn−1.71S)+0.1Cr≦1.10 (1)
0.55≦Cr+0.5Si+0.35(Mn−1.71S)−0.3C≦1.30 (2)
ここで、式(1)及び式(2)中の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
The steel for nitriding according to the present embodiment is mass%, C: 0.25 to 0.65%, Si: 0.03 to 0.5%, Mn: 1.3 to 2.7%, P: 0.00. 05% or less, S: 0.005 to 0.10%, Cr: 0.05 to 0.60%, N: 0.003 to 0.025%, Al: 0.05% or less, Ti: 0 to 0 0.05%, Nb: 0 to 0.05%, Mo: 0 to 0.50%, V: 0 to 0.50%, Cu: 0 to 0.50%, Ni: 0 to 0.50%, and , Ca: 0 to 0.005%, the balance is made of Fe and impurities, and has a chemical composition satisfying the formulas (1) and (2). The area fraction of pearlite in the structure of nitriding steel is higher than 50.0%. In the structure of nitriding steel, cementite having a length of less than 4.0 μm with respect to the total length of cementite in the pearlite colony among pearlite colonies. The ratio of the total area of specific pearlite colonies having a total length ratio of 50% or more to the total area of pearlite colonies is 40% or more.
0.55 ≦ C + 0.15Si + 0.2 (Mn−1.71S) + 0.1Cr ≦ 1.10 (1)
0.55 ≦ Cr + 0.5Si + 0.35 (Mn−1.71S) −0.3C ≦ 1.30 (2)
Here, the content (mass%) of the corresponding element is substituted for the element symbols in the formulas (1) and (2).

本実施形態の窒化用鋼材は、窒化処理後の疲労強度を高め、かつ、窒化処理後の曲げの発生を抑制できる。  The steel for nitriding of this embodiment can increase the fatigue strength after nitriding and can suppress the occurrence of bending after nitriding.

図1は、パーライトコロニーの境界が描画されたSEM画像の一例である。FIG. 1 is an example of an SEM image in which a boundary of a pearlite colony is drawn. 図2は、パーライトコロニーの模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a pearlite colony. 図3は、図2と異なる他のパーライトコロニーの模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram of another pearlite colony different from FIG. 図4は、通常パーライトコロニーと特定パーライトコロニー(黒部分)とを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a normal pearlite colony and a specific pearlite colony (black portion). 図5は、小野式回転曲げ疲労試験片の側面図である。FIG. 5 is a side view of an Ono-type rotating bending fatigue test piece. 図6Aは、変形量測定試験片の側面図である。FIG. 6A is a side view of a deformation amount measurement test piece. 図6Bは、図6Aに示す変形量測定試験片の正面図である。FIG. 6B is a front view of the deformation amount measuring test piece shown in FIG. 6A. 図7は、実施例2で製造されるクランク軸粗形材の正面図である。FIG. 7 is a front view of the crankshaft rough profile manufactured in the second embodiment. 図8は、図7のクランク軸粗形材の変形量の測定試験の模式図である。FIG. 8 is a schematic diagram of a measurement test of the deformation amount of the crankshaft rough profile of FIG.

本発明者らは、鋼の窒化処理後の疲労強度及び曲がり等の変形について、種々の検討を行った。その結果、本発明者らは次の知見を得た。  The present inventors conducted various studies on deformations such as fatigue strength and bending after nitriding of steel. As a result, the present inventors obtained the following knowledge.

窒化処理後に鋼材に曲がり等の変形が生じるのは、窒化前の鋼材に導入された残留応力が窒化処理時に解放されるためである。  The reason why deformation such as bending occurs in the steel material after the nitriding treatment is that residual stress introduced into the steel material before nitriding is released during the nitriding treatment.

残留応力は、熱間鍛造後の冷却中に、鋼材内に温度差が生じることにより発生する。最終の鋼材(窒化部品)のサイズが大きくなったり、鋼材の形状が複雑になる程、冷却中の鋼材の場所ごとの温度差が大きくなりやすく、残留応力が大きくなりやすい。  Residual stress is generated due to a temperature difference in the steel during cooling after hot forging. As the size of the final steel material (nitrided part) increases or the shape of the steel material becomes more complex, the temperature difference between the locations of the steel material being cooled tends to increase, and the residual stress tends to increase.

窒化処理前の鋼材の残留応力を低減できれば、窒化処理後の鋼材の変形を抑制できる。そこで、窒化処理前の鋼材の残留応力を低減するために、窒化処理前に、「残留応力解放熱処理」を実施する。具体的には、窒化処理前に、鋼材を600℃〜A点以下のフェライト域温度で、20分以上均熱する。均熱後、2℃/秒以下で室温(25℃)まで冷却する。If the residual stress of the steel before nitriding can be reduced, deformation of the steel after nitriding can be suppressed. Therefore, in order to reduce the residual stress of the steel before nitriding, “residual stress release heat treatment” is performed before nitriding. Specifically, before nitriding, the steel material is soaked for 20 minutes or more at a ferrite region temperature of 600 ° C. to A 1 point or less. After soaking, it is cooled to room temperature (25 ° C.) at 2 ° C./second or less.

残留応力解放熱処理を実施すれば、熱間鍛造により発生した残留応力が、窒化処理前に解放される。そのため、窒化処理時に残留応力が解放されて変形が発生するのを抑制できる。しかしながら、残留応力解放熱処理で鋼材の残留応力が解放されるため、残留応力解放熱処理後の鋼材に変形が発生する。  If the residual stress release heat treatment is performed, the residual stress generated by hot forging is released before the nitriding treatment. For this reason, it is possible to suppress the occurrence of deformation due to the release of the residual stress during the nitriding process. However, since the residual stress of the steel material is released by the residual stress release heat treatment, the steel material after the residual stress release heat treatment is deformed.

ところで、通常の熱間鍛造で製造される窒化部品では、熱間鍛造により鋼材表層に形成されたスケールを除去するため、窒化処理前に切削加工が実施される。熱間鍛造時に導入された残留応力が解放されることにより生じる変形は、切削加工により鋼材から除去される切削代よりも小さい。したがって、残留応力による変形量は、切削加工により除去することができる。  By the way, in the nitrided part manufactured by normal hot forging, in order to remove the scale formed in the steel surface layer by hot forging, cutting is performed before nitriding. The deformation caused by releasing the residual stress introduced during hot forging is smaller than the cutting allowance removed from the steel material by cutting. Therefore, the deformation due to the residual stress can be removed by cutting.

そこで、本実施形態では、残留応力解放熱処理を実施した後、切削加工を実施する。そして、切削加工後に窒化処理を実施する。この場合、残留応力解放熱処理により、熱間鍛造時に導入された残留応力が解放され、変形が発生する。しかしながら、この変形は、次工程の切削加工により除去される。切削加工により発生する残留応力は、熱間鍛造により発生する残留応力よりもはるかに小さい。そのため、窒化処理を実施しても、鋼材に変形が発生しにくい。  Therefore, in the present embodiment, the cutting process is performed after the residual stress releasing heat treatment is performed. Then, nitriding is performed after cutting. In this case, the residual stress introduced during the hot forging is released by the residual stress releasing heat treatment, and deformation occurs. However, this deformation is removed by the next cutting process. The residual stress generated by cutting is much smaller than the residual stress generated by hot forging. Therefore, even if the nitriding treatment is performed, the steel material is hardly deformed.

窒化処理前に残留応力解放熱処理を実施した場合、鋼材全体の硬さが低くなり得る。鋼材全体の硬さが低ければ、高い疲労強度が得られない。そこで、鋼材の芯部及び表層の硬さを全体的に高めるために、鋼材の化学組成は式(1)及び式(2)を満たす。
0.55≦C+0.15Si+0.2(Mn−1.71S)+0.1Cr≦1.10 (1)
0.55≦Cr+0.5Si+0.35(Mn−1.71S)−0.3C≦1.30 (2)
ここで、式(1)及び式(2)中の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
When the residual stress release heat treatment is performed before the nitriding treatment, the hardness of the entire steel material can be lowered. If the hardness of the whole steel material is low, high fatigue strength cannot be obtained. Then, in order to raise the hardness of the core part and surface layer of steel materials entirely, the chemical composition of steel materials satisfy | fills Formula (1) and Formula (2).
0.55 ≦ C + 0.15Si + 0.2 (Mn−1.71S) + 0.1Cr ≦ 1.10 (1)
0.55 ≦ Cr + 0.5Si + 0.35 (Mn−1.71S) −0.3C ≦ 1.30 (2)
Here, the content (mass%) of the corresponding element is substituted for the element symbols in the formulas (1) and (2).

鋼材の化学組成が式(1)を満たせば、鋼材の芯部の硬さが高まる。具体的には、Mn、Cr及びSiにより鋼材芯部が固溶強化され、硬さが高まる。  If the chemical composition of the steel material satisfies the formula (1), the hardness of the core portion of the steel material increases. Specifically, the steel material core is solid solution strengthened by Mn, Cr and Si, and the hardness is increased.

さらに、鋼材の化学組成が式(2)を満たせば、窒化処理後の鋼材の表層の硬さが高まる。Mn、Cr及びSiは親窒素元素であり、窒素と結合して窒化物及び/又はZ.P.ゾーンを形成する。そのため、これらの元素は窒化層(表層)を硬化する。一方、S及びCは窒化層の硬さを低下する。  Furthermore, if the chemical composition of the steel material satisfies the formula (2), the hardness of the surface layer of the steel material after the nitriding treatment is increased. Mn, Cr and Si are parent nitrogen elements, which combine with nitrogen to form nitrides and / or Z.O. P. Form a zone. Therefore, these elements harden the nitride layer (surface layer). On the other hand, S and C reduce the hardness of the nitrided layer.

以上より、鋼材の化学組成が式(1)及び式(2)を満たせば、残留応力解放熱処理が実施された鋼材であっても、組織全体(表層及び芯部)の硬さを高めることができる。そのため、疲労強度が高まる。  From the above, if the chemical composition of the steel material satisfies the formula (1) and the formula (2), the hardness of the entire structure (surface layer and core portion) can be increased even in the steel material subjected to the residual stress release heat treatment. it can. Therefore, fatigue strength increases.

このように、鋼材の化学組成が式(1)及び式(2)を満たし、残留応力解放熱処理が実施された鋼材の組織を観察したところ、パーライトを構成しているセメンタイトが分断され、パーライトのラメラ構造が崩れていた。したがって、本実施形態の窒化用鋼材は、組織内のパーライトのラメラ構造で特定できる。  As described above, when the chemical composition of the steel material satisfies the formulas (1) and (2) and the structure of the steel material subjected to the residual stress release heat treatment was observed, the cementite constituting the pearlite was divided, and the pearlite The lamella structure was broken. Therefore, the steel material for nitriding of this embodiment can be specified by the lamellar structure of pearlite in the structure.

以上の知見に基づいて完成された窒化部品の製造方法及び窒化用鋼材は次のとおりである。  A method for manufacturing a nitrided part and a steel for nitriding completed based on the above knowledge are as follows.

本実施形態による窒化部品の製造方法は、質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.03〜0.5%、Mn:1.3〜2.7%、P:0.05%以下、S:0.005〜0.10%、Cr:0.05〜0.60%、N:0.003〜0.025%、Al:0.05%以下、Ti:0〜0.05%、Nb:0〜0.05%、Mo:0〜0.50%、V:0〜0.50%、Cu:0〜0.50%、Ni:0〜0.50%、及び、Ca:0〜0.005%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、式(1)及び式(2)を満たす化学組成を有する素材を準備する工程と、素材を熱間加工する工程と、熱間加工された素材に対して、600℃以上であって(3)で定義されるA点以下の温度で20分以上均熱した後冷却する残留応力解放熱処理を実施して、窒化用鋼材を製造する工程と、残留応力解放熱処理後の窒化用鋼材に対して切削加工を実施する工程と、切削加工後の窒化用鋼材に対して窒化処理を実施する工程とを備える。
0.55≦C+0.15Si+0.2(Mn−1.71S)+0.1Cr≦1.10 (1)
0.55≦Cr+0.5Si+0.35(Mn−1.71S)−0.3C≦1.30 (2)
=723−10.7Mn+29.1Si−16.9Ni+16.9Cr (3)
ここで、式(1)〜式(3)中の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
The manufacturing method of the nitride component according to the present embodiment is mass%, C: 0.25 to 0.65%, Si: 0.03 to 0.5%, Mn: 1.3 to 2.7%, P: 0.05% or less, S: 0.005 to 0.10%, Cr: 0.05 to 0.60%, N: 0.003 to 0.025%, Al: 0.05% or less, Ti: 0 ~ 0.05%, Nb: 0 ~ 0.05%, Mo: 0 ~ 0.50%, V: 0 ~ 0.50%, Cu: 0 ~ 0.50%, Ni: 0 ~ 0.50% And Ca: 0 to 0.005%, the balance being made of Fe and impurities, and preparing a material having a chemical composition satisfying the formula (1) and the formula (2), and hot working the material Residual stress release that cools after soaking for 20 minutes or more at a temperature of 600 ° C. or more and A 1 point or less as defined in (3) Performing heat treatment to manufacture nitriding steel, cutting to nitriding steel after residual stress release heat treatment, and nitriding to nitriding steel after cutting A process.
0.55 ≦ C + 0.15Si + 0.2 (Mn−1.71S) + 0.1Cr ≦ 1.10 (1)
0.55 ≦ Cr + 0.5Si + 0.35 (Mn−1.71S) −0.3C ≦ 1.30 (2)
A 1 = 723-10.7Mn + 29.1Si-16.9Ni + 16.9Cr (3)
Here, the content (mass%) of the corresponding element is substituted for the element symbols in the formulas (1) to (3).

上記素材の化学組成はさらに、Ti:0.001〜0.05%、及び、Nb:0.003〜0.05%からなる群から選択される1種又は2種を含有してもよい。また、上記素材の化学組成は、さらに、Mo:0.03〜0.50%、V:0.03〜0.50%、Cu:0.05〜0.50%、及び、Ni:0.05〜0.50%からなる群から選択される1種又は2種以上を含有してもよい。また、素材の化学組成は、さらに、Ca:0.0001〜0.005%を含有してもよい。  The chemical composition of the material may further contain one or two selected from the group consisting of Ti: 0.001 to 0.05% and Nb: 0.003 to 0.05%. Moreover, the chemical composition of the said material is Mo: 0.03-0.50%, V: 0.03-0.50%, Cu: 0.05-0.50%, and Ni: 0.0. You may contain 1 type, or 2 or more types selected from the group which consists of 05-0.50%. Moreover, the chemical composition of the raw material may further contain Ca: 0.0001 to 0.005%.

本実施形態による窒化用鋼材は、質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.03〜0.5%、Mn:1.3〜2.7%、P:0.05%以下、S:0.005〜0.10%、Cr:0.05〜0.60%、N:0.003〜0.025%、Al:0.05%以下、Ti:0〜0.05%、Nb:0〜0.05%、Mo:0〜0.50%、V:0〜0.50%、Cu:0〜0.50%、Ni:0〜0.50%、及び、Ca:0〜0.005%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、式(1)及び式(2)を満たす化学組成を有する。窒化用鋼材の組織におけるパーライトの面積分率は50.0%よりも高く、窒化用鋼材の組織において、パーライトコロニーのうちパーライトコロニー内のセメンタイトの総長さに対する4.0μm未満の長さのセメンタイトの総長さの比率が50%以上である特定パーライトコロニーの総面積の、パーライトコロニーの総面積に対する比率が40%以上である。  The steel for nitriding according to the present embodiment is mass%, C: 0.25 to 0.65%, Si: 0.03 to 0.5%, Mn: 1.3 to 2.7%, P: 0.00. 05% or less, S: 0.005 to 0.10%, Cr: 0.05 to 0.60%, N: 0.003 to 0.025%, Al: 0.05% or less, Ti: 0 to 0 0.05%, Nb: 0 to 0.05%, Mo: 0 to 0.50%, V: 0 to 0.50%, Cu: 0 to 0.50%, Ni: 0 to 0.50%, and , Ca: 0 to 0.005%, the balance is made of Fe and impurities, and has a chemical composition satisfying the formulas (1) and (2). The area fraction of pearlite in the structure of nitriding steel is higher than 50.0%. In the structure of nitriding steel, cementite having a length of less than 4.0 μm with respect to the total length of cementite in the pearlite colony among pearlite colonies. The ratio of the total area of specific pearlite colonies having a total length ratio of 50% or more to the total area of pearlite colonies is 40% or more.

以下、上述の窒化部品の製造方法及び窒化用鋼材について詳しく説明する。各元素の含有量の「%」は「質量%」を意味する。  Hereinafter, the manufacturing method of the above-described nitrided part and the steel for nitriding will be described in detail. “%” Of the content of each element means “mass%”.

[化学組成]
本発明による窒化用鋼材の化学組成は、次の元素を含有する。
[Chemical composition]
The chemical composition of the nitriding steel according to the present invention contains the following elements.

C:0.25〜0.65%
炭素(C)は、窒化処理された鋼材の強度を高め、疲労強度を高める。Cはさらに、鋼材の耐摩耗性を高める。C含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、C含有量が高すぎれば、鋼材中のセメンタイトの面積分率が高くなりすぎ、被削性が低下する。したがって、C含有量は0.25〜0.65%である。C含有量の好ましい下限は0.25%よりも高く、さらに好ましくは0.30%であり、さらに好ましくは0.35%である。C含有量の好ましい上限は0.65%未満であり、さらに好ましくは0.60%であり、さらに好ましくは0.58%である。
C: 0.25 to 0.65%
Carbon (C) increases the strength of the nitrided steel material and increases the fatigue strength. C further increases the wear resistance of the steel material. If the C content is too low, the above effect cannot be obtained. On the other hand, if the C content is too high, the area fraction of cementite in the steel material becomes too high, and the machinability deteriorates. Therefore, the C content is 0.25 to 0.65%. The minimum with preferable C content is higher than 0.25%, More preferably, it is 0.30%, More preferably, it is 0.35%. The upper limit with preferable C content is less than 0.65%, More preferably, it is 0.60%, More preferably, it is 0.58%.

Si:0.03〜0.5%
シリコン(Si)は、鋼を脱酸する。Siはさらに、フェライトに固溶して鋼材を強化する(固溶強化)。Si含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Si含有量が高すぎれば、窒化処理時において表層の硬さが過剰に高くなる。Si含有量が高すぎればさらに、窒化処理時における窒素の拡散が阻害され、硬化層深さが浅くなり、疲労強度が低下する。したがって、Si含有量は0.03〜0.5%である。Si含有量の好ましい下限は、0.03%よりも高く、さらに好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.10%である。Si含有量の好ましい上限は0.5%未満であり、さらに好ましくは0.4%であり、さらに好ましくは0.35%である。
Si: 0.03-0.5%
Silicon (Si) deoxidizes steel. Si further solidifies in ferrite and strengthens the steel (solid solution strengthening). If the Si content is too low, the above effect cannot be obtained. On the other hand, if the Si content is too high, the hardness of the surface layer becomes excessively high during nitriding. If the Si content is too high, the diffusion of nitrogen during the nitriding treatment is further inhibited, the hardened layer depth becomes shallow, and the fatigue strength decreases. Therefore, the Si content is 0.03 to 0.5%. The minimum with preferable Si content is higher than 0.03%, More preferably, it is 0.05%, More preferably, it is 0.10%. The upper limit with preferable Si content is less than 0.5%, More preferably, it is 0.4%, More preferably, it is 0.35%.

Mn:1.3〜2.7%
マンガン(Mn)は、鋼材に固溶して窒化処理後の鋼材を強化する(固溶強化)。Mnはさらに、窒化処理により鋼材内に導入されたNと結合して窒化物を形成し、表層の硬さを高め、疲労強度を高める。Mnはさらに、鋼材中でMnSを形成して鋼材の被削性を高める。Mn含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Mn含有量が高すぎれば、鋼材の焼入れ性が高くなりすぎる。この場合、鋼材中にマルテンサイトが形成され、被削性が低下する。したがって、Mn含有量は1.3〜2.7%である。Mn含有量の好ましい下限は1.3%よりも高く、さらに好ましくは1.4%であり、さらに好ましくは1.5%であり、さらに好ましくは1.55%である。Mn含有量の好ましい上限は2.7%未満であり、さらに好ましくは2.4%であり、さらに好ましくは2.1%である。
Mn: 1.3 to 2.7%
Manganese (Mn) is dissolved in the steel material to strengthen the steel material after the nitriding treatment (solid solution strengthening). Further, Mn combines with N introduced into the steel material by nitriding treatment to form a nitride, thereby increasing the hardness of the surface layer and increasing the fatigue strength. Further, Mn forms MnS in the steel material to enhance the machinability of the steel material. If the Mn content is too low, the above effect cannot be obtained. On the other hand, if the Mn content is too high, the hardenability of the steel material becomes too high. In this case, martensite is formed in the steel material and machinability is lowered. Therefore, the Mn content is 1.3 to 2.7%. The minimum with preferable Mn content is higher than 1.3%, More preferably, it is 1.4%, More preferably, it is 1.5%, More preferably, it is 1.55%. The upper limit with preferable Mn content is less than 2.7%, More preferably, it is 2.4%, More preferably, it is 2.1%.

P:0.05%以下
燐(P)は、不純物である。Pは結晶粒界に偏析し、粒界脆化割れを引き起こす。したがって、P含有量はなるべく低い方が好ましい。P含有量は0.05%以下である。好ましいP含有量は0.04%以下である。
P: 0.05% or less Phosphorus (P) is an impurity. P segregates at the grain boundaries and causes grain boundary embrittlement cracking. Therefore, the P content is preferably as low as possible. The P content is 0.05% or less. A preferable P content is 0.04% or less.

S:0.005〜0.10%
硫黄(S)は、鋼材中でMnと結合してMnSを形成し、鋼材の被削性を高める。S含有量が低すぎれば上記効果が得られない。一方、S含有量が高すぎれば、粗大なMnSが形成され、鋼材の疲労強度が低下する。したがって、S含有量は0.005〜0.10%である。S含有量の好ましい下限は0.005%よりも高く、さらに好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。S含有量の好ましい上限は0.10%未満であり、さらに好ましくは0.09%であり、さらに好ましくは0.08%である。
S: 0.005-0.10%
Sulfur (S) combines with Mn in the steel material to form MnS and enhances the machinability of the steel material. If the S content is too low, the above effect cannot be obtained. On the other hand, if S content is too high, coarse MnS will be formed and the fatigue strength of steel materials will fall. Therefore, the S content is 0.005 to 0.10%. The minimum with preferable S content is higher than 0.005%, More preferably, it is 0.01%, More preferably, it is 0.02%. The upper limit with preferable S content is less than 0.10%, More preferably, it is 0.09%, More preferably, it is 0.08%.

Cr:0.05〜0.60%
クロム(Cr)は、窒化処理により鋼材内に導入されたNと結合して窒化層中にCrNを形成し、窒化層を強化する。Cr含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Cr含有量が高すぎれば、窒化処理時における窒素の拡散が阻害され、硬化層深さが浅くなり、疲労強度が低下する。したがって、Cr含有量は0.05〜0.60%である。Cr含有量の好ましい下限は0.05%よりも高く、さらに好ましくは0.10%であり、さらに好ましくは0.15%である。Cr含有量の好ましい上限は0.60%未満であり、さらに好ましくは0.50%であり、さらに好ましくは0.40%である。
Cr: 0.05-0.60%
Chromium (Cr) combines with N introduced into the steel material by nitriding to form CrN in the nitrided layer, strengthening the nitrided layer. If the Cr content is too low, the above effect cannot be obtained. On the other hand, if the Cr content is too high, the diffusion of nitrogen during nitriding is inhibited, the hardened layer depth becomes shallow, and the fatigue strength decreases. Therefore, the Cr content is 0.05 to 0.60%. The minimum with preferable Cr content is higher than 0.05%, More preferably, it is 0.10%, More preferably, it is 0.15%. The upper limit with preferable Cr content is less than 0.60%, More preferably, it is 0.50%, More preferably, it is 0.40%.

N:0.003〜0.025%
窒素(N)は、鋼材に固溶して鋼材の強度を高める。N含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、N含有量が高すぎれば、鋼材中に気泡が生成される。気泡が欠陥となるため気泡の発生は抑制される方が好ましい。したがって、N含有量は0.003〜0.025%である。N含有量の好ましい下限は0.003%よりも高く、さらに好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.007%である。N含有量の好ましい上限は0.025%未満であり、さらに好ましくは0.022%であり、さらに好ましくは0.020%である。
N: 0.003 to 0.025%
Nitrogen (N) is dissolved in the steel material to increase the strength of the steel material. If the N content is too low, the above effect cannot be obtained. On the other hand, if the N content is too high, bubbles are generated in the steel material. Since bubbles become defects, it is preferable to suppress the generation of bubbles. Therefore, the N content is 0.003 to 0.025%. The minimum with preferable N content is higher than 0.003%, More preferably, it is 0.005%, More preferably, it is 0.007%. The upper limit with preferable N content is less than 0.025%, More preferably, it is 0.022%, More preferably, it is 0.020%.

Al:0.05%以下
アルミニウム(Al)は不可避的に含有される。Al含有量が高すぎれば、粗大な酸化物が形成され、鋼材の疲労強度が低下する。したがって、Al含有量は0.05%以下である。Al含有量の好ましい上限は0.05%未満であり、さらに好ましくは0.045%であり、さらに好ましくは0.040%である。
Al: 0.05% or less Aluminum (Al) is inevitably contained. If the Al content is too high, coarse oxides are formed, and the fatigue strength of the steel material decreases. Therefore, the Al content is 0.05% or less. The upper limit with preferable Al content is less than 0.05%, More preferably, it is 0.045%, More preferably, it is 0.040%.

一方、Alは鋼を脱酸する。そのため、脱酸を目的としてAlが含有される場合がある。この場合、Al含有量の好ましい下限は0.005%であり、さらに好ましくは0.010%である。本明細書におけるAl含有量は、全Al(Total Al)の含有量である。  On the other hand, Al deoxidizes steel. Therefore, Al may be contained for the purpose of deoxidation. In this case, the preferable lower limit of the Al content is 0.005%, more preferably 0.010%. The Al content in this specification is the content of total Al (Total Al).

本発明による窒化用鋼材の残部は、Feおよび不純物からなる。ここで、不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境などから混入されるものであって、本発明の窒化用鋼材に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。  The balance of the nitriding steel according to the present invention consists of Fe and impurities. Here, the impurities are mixed from ore as a raw material, scrap, or production environment when industrially producing the steel material, and within a range that does not adversely affect the nitriding steel material of the present invention. It means what is allowed.

[任意元素について]
本発明による窒化用鋼材はさらに、Tiを含有してもよい。
[Arbitrary elements]
The steel for nitriding according to the present invention may further contain Ti.

Ti:0〜0.05%
チタン(Ti)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Tiは母材中のNと結合してTiNを形成し、熱間鍛造時の結晶粒の粗大化を抑制する。しかしながらTi含有量が高すぎれば、TiCが生成して鋼材の硬さのばらつきが大きくなる。したがって、Ti含有量は0〜0.05%である。Ti含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.003%であり、さらに好ましくは0.005%である。Ti含有量の好ましい上限は0.05%未満であり、さらに好ましくは0.040%であり、さらに好ましくは0.030%である。
Ti: 0 to 0.05%
Titanium (Ti) is an optional element and may not be contained. When contained, Ti combines with N in the base material to form TiN, and suppresses coarsening of crystal grains during hot forging. However, if the Ti content is too high, TiC is generated and the hardness of the steel material varies greatly. Therefore, the Ti content is 0 to 0.05%. The minimum with preferable Ti content is 0.001%, More preferably, it is 0.003%, More preferably, it is 0.005%. The upper limit with preferable Ti content is less than 0.05%, More preferably, it is 0.040%, More preferably, it is 0.030%.

Nb:0〜0.05%
ニオブ(Nb)は、任意元素であり,含有されなくてもよい。含有される場合,Nbは母材中のNと結合してNbNを形成し、熱間鍛造時の結晶粒の粗大化を抑制する。Nbはさらに、熱間鍛造時の再結晶を遅らせ、結晶粒の粗大化を抑制する。しかしながらNb含有量が高すぎれば,NbCが生成して鋼材の硬さのバラつきが大きくなる。したがって、Nb含有量は0〜0.05%である。Nb含有量の好ましい下限は0.003%であり、さらに好ましくは0.005%である。Nb含有量の好ましい上限は0.05%未満であり、さらに好ましくは0.040%であり、さらに好ましくは0.030%である。
Nb: 0 to 0.05%
Niobium (Nb) is an optional element and may not be contained. When Nb is contained, Nb combines with N in the base material to form NbN, and suppresses coarsening of crystal grains during hot forging. Nb further delays recrystallization during hot forging and suppresses coarsening of crystal grains. However, if the Nb content is too high, NbC is generated and the hardness of the steel material varies greatly. Therefore, the Nb content is 0 to 0.05%. The minimum with preferable Nb content is 0.003%, More preferably, it is 0.005%. The upper limit with preferable Nb content is less than 0.05%, More preferably, it is 0.040%, More preferably, it is 0.030%.

本発明による窒化用鋼材はさらに、Mo、V、Cu及びNiからなる群から選択される1種又は2種以上を含有してもよい。Mo、V、Cu及びNiはいずれも、鋼材の強度を高める。  The steel for nitriding according to the present invention may further contain one or more selected from the group consisting of Mo, V, Cu and Ni. Mo, V, Cu and Ni all increase the strength of the steel material.

Mo:0〜0.50%
モリブデン(Mo)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Moは鋼の焼入れ性を高めて鋼材の強度を高める。そのため、鋼材の疲労強度が高まる。しかしながら、Mo含有量が高すぎれば、マルテンサイトが生成し、被削性が低下する。したがって、Mo含有量は0〜0.50%である。Mo含有量の好ましい下限は0.03%である。Mo含有量の好ましい上限は0.50%未満であり、さらに好ましくは0.40%であり、さらに好ましくは0.30%である。
Mo: 0 to 0.50%
Molybdenum (Mo) is an optional element and may not be contained. When contained, Mo increases the hardenability of the steel and increases the strength of the steel material. Therefore, the fatigue strength of the steel material is increased. However, if the Mo content is too high, martensite is generated and machinability is lowered. Therefore, the Mo content is 0 to 0.50%. A preferable lower limit of the Mo content is 0.03%. The upper limit with preferable Mo content is less than 0.50%, More preferably, it is 0.40%, More preferably, it is 0.30%.

V:0〜0.50%
バナジウム(V)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Vは熱間鍛造後の冷却中、及び、窒化処理中にVCを形成し、鋼材の芯部の強度を高める。Vはさらに、窒素と結合して窒化物を形成し、窒化層を強化する。そのため、疲労強度が高まる。しかしながら、V含有量が高すぎれば、靭性が大きく低下する。したがって、V含有量は0〜0.50%である。V含有量の好ましい下限は0.03%であり、さらに好ましくは0.05%である。V含有量の好ましい上限は0.50%未満であり、さらに好ましくは0.40%であり、さらに好ましくは0.30%である。
V: 0 to 0.50%
Vanadium (V) is an optional element and may not be contained. When contained, V forms VC during cooling after hot forging and during nitriding, and increases the strength of the core of the steel material. V further combines with nitrogen to form a nitride and strengthen the nitride layer. Therefore, fatigue strength increases. However, if the V content is too high, the toughness is greatly reduced. Therefore, the V content is 0 to 0.50%. The minimum with preferable V content is 0.03%, More preferably, it is 0.05%. The upper limit with preferable V content is less than 0.50%, More preferably, it is 0.40%, More preferably, it is 0.30%.

Cu:0〜0.50%
銅(Cu)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Cuはフェライトに固溶して鋼材の強度を高める。そのため、鋼材の疲労強度が高まる。しかしながら、Cu含有量が高すぎれば、熱間鍛造時に鋼の粒界に偏析して熱間割れを誘起する。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0.05%であり、さらに好ましくは0.10%である。Cu含有量の好ましい上限は0.50%未満であり、さらに好ましくは0.40%であり、さらに好ましくは0.30%である。
Cu: 0 to 0.50%
Copper (Cu) is an optional element and may not be contained. When contained, Cu is dissolved in ferrite to increase the strength of the steel material. Therefore, the fatigue strength of the steel material is increased. However, if the Cu content is too high, it segregates at the grain boundaries of steel during hot forging and induces hot cracking. Therefore, the Cu content is 0 to 0.50%. The minimum with preferable Cu content is 0.05%, More preferably, it is 0.10%. The upper limit with preferable Cu content is less than 0.50%, More preferably, it is 0.40%, More preferably, it is 0.30%.

Ni:0〜0.50%
ニッケル(Ni)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Niはフェライトに固溶して鋼材の強度を高める。そのため、鋼材の疲労強度が高まる。Niはさらに、鋼材がCuを含有する場合に、Cuに起因する熱間割れを抑制する。しかしながら、Ni含有量が高すぎれば、その効果が飽和し、製造コストが高くなる。したがって、Ni含有量は0〜0.50%である。Ni含有量の好ましい下限は0.05%であり、さらに好ましくは0.10%である。Ni含有量の好ましい上限は0.50%未満であり、さらに好ましくは0.40%であり、さらに好ましくは0.30%である。
Ni: 0 to 0.50%
Nickel (Ni) is an optional element and may not be contained. When contained, Ni is dissolved in ferrite to increase the strength of the steel material. Therefore, the fatigue strength of the steel material is increased. Ni further suppresses hot cracking caused by Cu when the steel material contains Cu. However, if the Ni content is too high, the effect is saturated and the manufacturing cost increases. Therefore, the Ni content is 0 to 0.50%. The minimum with preferable Ni content is 0.05%, More preferably, it is 0.10%. The upper limit with preferable Ni content is less than 0.50%, More preferably, it is 0.40%, More preferably, it is 0.30%.

本発明による窒化用鋼はさらに、Caを含有してもよい。  The nitriding steel according to the present invention may further contain Ca.

Ca:0〜0.005%
カルシウム(Ca)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Caは鋼材の被削性を高める。しかしながら、Ca含有量が高すぎれば、粗大なCa酸化物が生成し、鋼材の疲労強度が低下する。したがって、Ca含有量は0〜0.005%である。上記効果を安定して得るためのCa含有量の好ましい下限は0.0001%であり、さらに好ましくは0.0003%である。Ca含有量の好ましい上限は0.005%未満であり、さらに好ましくは0.004%であり、さらに好ましくは0.003%である。
Ca: 0 to 0.005%
Calcium (Ca) is an optional element and may not be contained. When contained, Ca increases the machinability of the steel material. However, if the Ca content is too high, coarse Ca oxide is generated, and the fatigue strength of the steel material is reduced. Therefore, the Ca content is 0 to 0.005%. The minimum with preferable Ca content for acquiring the said effect stably is 0.0001%, More preferably, it is 0.0003%. The upper limit with preferable Ca content is less than 0.005%, More preferably, it is 0.004%, More preferably, it is 0.003%.

[式(1)及び式(2)について]
上記化学組成はさらに、式(1)及び式(2)を満たす。
0.55≦C+0.15Si+0.2(Mn−1.71S)+0.1Cr≦1.10 (1)
0.55≦Cr+0.5Si+0.35(Mn−1.71S)−0.3C≦1.30 (2)
ここで、式(1)及び式(2)中の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
[Regarding Formula (1) and Formula (2)]
The chemical composition further satisfies formulas (1) and (2).
0.55 ≦ C + 0.15Si + 0.2 (Mn−1.71S) + 0.1Cr ≦ 1.10 (1)
0.55 ≦ Cr + 0.5Si + 0.35 (Mn−1.71S) −0.3C ≦ 1.30 (2)
Here, the content (mass%) of the corresponding element is substituted for the element symbols in the formulas (1) and (2).

[式(1)について]
F1=C+0.15Si+0.2(Mn−1.71S)+0.1Crと定義する。F1は鋼材の芯部の硬さの指標である。鋼材内部の強化には、C、Si、Mn、Crが有効であり、Sが強化を阻害する。F1が0.55未満であれば、鋼材内部の硬度が低すぎるため、疲労強度が低くなる。一方、F1が1.10よりも高ければ、鋼材内部の硬度が過剰に高くなるため、被削性が低下する。F1が0.55〜1.10であれば、鋼材内部は、適切な硬度を有する。F1の好ましい下限は0.60であり、さらに好ましくは0.65である。F1の好ましい上限は1.00であり、さらに好ましくは0.95である。
[Regarding Formula (1)]
It is defined as F1 = C + 0.15Si + 0.2 (Mn-1.71S) + 0.1Cr. F1 is an index of the hardness of the core of the steel material. C, Si, Mn, and Cr are effective for strengthening the inside of the steel material, and S inhibits strengthening. If F1 is less than 0.55, the hardness inside the steel material is too low, so the fatigue strength is low. On the other hand, if F1 is higher than 1.10, the hardness inside the steel material becomes excessively high, so that machinability is lowered. If F1 is 0.55 to 1.10, the inside of the steel material has appropriate hardness. The minimum with preferable F1 is 0.60, More preferably, it is 0.65. The upper limit with preferable F1 is 1.00, More preferably, it is 0.95.

[式(2)について]
F2=Cr+0.5Si+0.35(Mn−1.71S)−0.3Cと定義する。F2は、ラメラが崩れたパーライト組織である鋼材に対して窒化処理を実施した後の、鋼材の表層(窒化層)の硬さの指標である。上述のとおり、Cr、Si、Mnは窒化物を形成して窒化層を硬化する。一方、S及びCは窒化層の硬化を阻害する。F2が0.55未満であれば、窒化層の硬度が低すぎて、疲労強度が低くなる。一方、F2の値が大きくなりすぎると、表面近傍のみの硬度が過剰に高くなり、表面近傍よりも深い位置では硬度が高くなりにくくなり、さらに靭性が低下する。そのため、F2の値が1.30を超えると、疲労強度が低下する。F2が0.55〜1.30であれば、窒化層は適切な硬度を有するため、優れた疲労強度が得られる。F2の好ましい下限は0.60であり、さらに好ましくは0.65である。F2の好ましい上限は1.10であり、さらに好ましくは0.95である。
[Regarding Formula (2)]
It is defined as F2 = Cr + 0.5Si + 0.35 (Mn-1.71S) -0.3C. F2 is an index of the hardness of the surface layer (nitriding layer) of the steel material after the nitriding treatment is performed on the steel material having a pearlite structure in which the lamella is broken. As described above, Cr, Si, and Mn form nitrides and harden the nitride layer. On the other hand, S and C inhibit the hardening of the nitride layer. If F2 is less than 0.55, the hardness of the nitrided layer is too low and the fatigue strength is low. On the other hand, if the value of F2 becomes too large, the hardness only in the vicinity of the surface becomes excessively high, the hardness becomes difficult to increase at a position deeper than the vicinity of the surface, and the toughness further decreases. Therefore, if the value of F2 exceeds 1.30, the fatigue strength decreases. If F2 is 0.55 to 1.30, the nitrided layer has an appropriate hardness, so that excellent fatigue strength can be obtained. The minimum with preferable F2 is 0.60, More preferably, it is 0.65. The upper limit with preferable F2 is 1.10, More preferably, it is 0.95.

[鋼材の微細組織(Microstructure)]
[パーライト面積分率]
本発明による窒化用鋼材は、パーライトが主体の組織を有する。より具体的には、窒化用鋼材の微細組織におけるパーライトの面積分率は50.0%を超える。ここで、パーライトの面積分率は次の方法により定義される。
[Microstructure of steel]
[Perlite area fraction]
The steel for nitriding according to the present invention has a structure mainly composed of pearlite. More specifically, the area fraction of pearlite in the microstructure of the nitriding steel material exceeds 50.0%. Here, the area fraction of pearlite is defined by the following method.

窒化用鋼材の中心と表面とを結ぶ最短距離を2等分する位置から組織観察用のサンプルを採取する。鋼材が丸棒の場合、サンプルの採取位置は、丸棒の中心軸と垂直な断面において、丸棒の中心点と外周との間の距離、すなわち半径Rを2等分する点(以下、R/2位置と称する)とする。  A sample for observing the structure is taken from a position that bisects the shortest distance connecting the center and the surface of the nitriding steel. In the case where the steel material is a round bar, the sample is collected at a point where the distance between the center point and the outer circumference of the round bar, that is, the radius R, is divided into two equal parts (hereinafter referred to as R) in a cross section perpendicular to the central axis of the round bar. / 2 position).

採取されたサンプルについて、鋼材の圧延方向に垂直な断面を鏡面研磨する。鏡面研磨された表面を観察面としてナイタル腐食液で腐食する。腐食後、500倍の光学顕微鏡を用いて、任意の4視野のミクロ組織を観察して、パーライトを特定する。特定は画像処理により行ってもよいし、写真画像を利用して作業者が行ってもよい。各視野は406μm×540μmとする。各視野のパーライトの面積率(各視野でのパーライトの総面積/各視野の総面積×100(%))を求める。求められた4視野分のパーライトの面積率の平均値を、パーライトの面積分率(%)と定義する。  About the collected sample, the cross section perpendicular | vertical to the rolling direction of steel materials is mirror-polished. The mirror-polished surface is used as an observation surface and corroded with a nital etchant. After corrosion, pearlite is identified by observing the microstructure of any four fields of view using a 500 × optical microscope. The identification may be performed by image processing, or may be performed by an operator using a photographic image. Each field of view is 406 μm × 540 μm. The area ratio of pearlite in each visual field (total area of pearlite in each visual field / total area of each visual field × 100 (%)) is obtained. The average value of the pearlite area ratios for the four visual fields obtained is defined as the pearlite area ratio (%).

本発明の窒化用鋼材はパーライト主体の組織を有するため、フェライト主体の組織と比較して高い強度を有する。そのため、疲労強度が高くなる。好ましいパーライト面積分率は55.0%以上である。  Since the steel for nitriding of the present invention has a pearlite-based structure, it has higher strength than a ferrite-based structure. Therefore, the fatigue strength is increased. A preferable pearlite area fraction is 55.0% or more.

[セメンタイト分断率]
本発明の窒化用鋼材は、後述の残留応力解放熱処理が実施されることにより、パーライト内のセメンタイトが分断され、ラメラ構造が崩れた組織を有する。組織内のパーライトは、複数のパーライトコロニーを含む。各パーライトコロニーは、複数のセメンタイトを含む。複数のセメンタイトのうち、鋼材の圧延方向に垂直な断面にて4.0μm未満の長さを有するセメンタイトを、「短セメンタイト」と称する。
[Cementite fragmentation rate]
The steel for nitriding of the present invention has a structure in which cementite in pearlite is divided and a lamellar structure is broken by performing a residual stress releasing heat treatment described later. The pearlite in the tissue includes a plurality of pearlite colonies. Each perlite colony contains a plurality of cementites. Among the plurality of cementites, cementite having a length of less than 4.0 μm in a cross section perpendicular to the rolling direction of the steel material is referred to as “short cementite”.

各パーライトコロニー内の各セメンタイトの長さを測定する。そして、パーライトコロニー内の全セメンタイトの長さの合計(総長さ)に対する短セメンタイトの長さの合計(総長さ)の比(以下、短セメンタイト比率と称する)が50%以上となる場合、そのパーライトコロニーではセメンタイトが十分に分断されていると判断する。このようなパーライトコロニーを「特定パーライトコロニー」と称する。短セメンタイト比率が50%未満のパーライトコロニーを、「通常パーライトコロニー」と称する。  Measure the length of each cementite in each perlite colony. When the ratio of the total length (total length) of short cementite to the total length (total length) of all cementite in the pearlite colony (hereinafter referred to as the short cementite ratio) is 50% or more, the pearlite It is judged that the cementite is sufficiently divided in the colony. Such a pearlite colony is referred to as a “specific pearlite colony”. A pearlite colony having a short cementite ratio of less than 50% is referred to as a “normal pearlite colony”.

組織内のパーライトコロニー(つまり、通常パーライトコロニー及び特定パーライトコロニー)の総面積に対する、特定パーライトコロニーの総面積の比率を「セメンタイト分断率」(%)と定義する。  The ratio of the total area of the specific pearlite colony to the total area of the pearlite colony in the tissue (that is, the normal pearlite colony and the specific pearlite colony) is defined as “cementite fragmentation rate” (%).

本発明による窒化用鋼のセメンタイト分断率は40%以上である。この場合、残留応力解放熱処理において残留応力が十分に解放されているため、窒化処理後の窒化部品の変形が抑制される。好ましいセメンタイト分断率は50%以上であり、さらに好ましくは60%以上である。  The cementite fragmentation rate of the nitriding steel according to the present invention is 40% or more. In this case, since the residual stress is sufficiently released in the residual stress releasing heat treatment, deformation of the nitrided part after the nitriding treatment is suppressed. A preferable cementite fragmentation rate is 50% or more, and more preferably 60% or more.

セメンタイト分断率は、次の方法で測定される。鋼材の中心と表面とを結ぶ最短距離を2等分する位置から組織観察用のサンプルを採取する。例えば鋼材が丸棒である場合、丸棒の中心軸に垂直な断面において、R/2位置がサンプル採取位置となる。  The cementite fragmentation rate is measured by the following method. A sample for observing the structure is taken from a position that bisects the shortest distance between the center of the steel material and the surface. For example, when the steel material is a round bar, the R / 2 position is the sample collection position in a cross section perpendicular to the central axis of the round bar.

採取されたサンプルについて、鋼材の圧延方向に垂直な断面を鏡面研磨する。鏡面研磨された表面を観察面としてナイタル腐食液で腐食する。その後、観察面のうち、任意の3視野を3000倍の倍率のSEMで観察し、画像データを保存する。各視野の面積は1376μmであり、総面積は4128μmである。About the collected sample, the cross section perpendicular | vertical to the rolling direction of steel materials is mirror-polished. The mirror-polished surface is used as an observation surface and corroded with a nital etchant. Then, arbitrary 3 visual fields are observed by SEM of 3000 times magnification among observation surfaces, and image data is preserve | saved. The area of each visual field is 1376 μm 2 and the total area is 4128 μm 2 .

各視野の画像データにおいて、画像処理を用いて、又は、作業者の目視により、パーライトコロニーの境界を特定する。図1は、パーライトコロニーの境界が描画されたSEM画像の一例である。  In the image data of each visual field, the boundary of the pearlite colony is specified by using image processing or by visual observation of the operator. FIG. 1 is an example of an SEM image in which a boundary of a pearlite colony is drawn.

続いて、各パーライトコロニーにおいて、内部に含まれる各セメンタイトの長さを次の方法により測定する。  Subsequently, the length of each cementite contained in each pearlite colony is measured by the following method.

図2は、パーライトコロニー10の模式図である。パーライトコロニー10は、複数のセメンタイト20を含む。セメンタイト20の端部であって、セメンタイト20の幅の中心点P1を特定する。図2では、セメンタイト20の端部は、パーライトコロニー10の境界に位置する。  FIG. 2 is a schematic diagram of the pearlite colony 10. The pearlite colony 10 includes a plurality of cementite 20. A center point P <b> 1 of the end of the cementite 20 and the width of the cementite 20 is specified. In FIG. 2, the end of the cementite 20 is located at the boundary of the pearlite colony 10.

点P1を始点として、セメンタイト20の反対側の端に向かって直線を引く。直線の方向は、セメンタイト20の延材方向(セメンタイトの成長方向)とする。直線とセメンタイト20の反対側の端との交点を点P2とする。点P1と点P2とを結ぶ線分LS1の長さを、セメンタイト20の長さと定義する。  A straight line is drawn from the point P1 to the opposite end of the cementite 20. The direction of the straight line is the extending direction of cementite 20 (the growth direction of cementite). An intersection point between the straight line and the opposite end of the cementite 20 is defined as a point P2. The length of the line segment LS1 connecting the point P1 and the point P2 is defined as the length of the cementite 20.

図3は、図2と異なる他のパーライトコロニー30の模式図である。パーライトコロニー30は、湾曲した複数のセメンタイト40を含む。  FIG. 3 is a schematic diagram of another pearlite colony 30 different from FIG. The pearlite colony 30 includes a plurality of curved cementites 40.

湾曲したセメンタイト40の長さは、次の方法で測定する。複数のセメンタイト40のうち、セメンタイト40Aに注目する。セメンタイト40Aの両端は、パーライトコロニー30の境界に位置する。この場合、上述のセメンタイト20の場合と同様の方法で、端部の幅の中心点P3を特定する。さらに、点P3を始点として、セメンタイト40Aの反対側の端に向かって線分を引く。セメンタイト40Aでは、線分の先端が、セメンタイト40Aの反対側の端に到達する前に、セメンタイト40Aとフェライトとの界面(以下、セメンタイト界面という)を横切る。この場合、始点P3から伸びる線分がセメンタイト40Aのセメンタイト界面を横切るまでの直線距離が最大となるように、線分LS2を引く。そして、線分LS2とセメンタイト界面との交点を、中間点P4とする。続いて、中間点P4を始点として、セメンタイト40Aの反対側の端に向かって線分を引く。このとき、中間点P4から伸びる線分は、セメンタイト界面を横切ることなく、セメンタイト40Aの反対側の端に到達して、点P5で交差する。この場合、中間点P4と点P5との間の直線距離が(セメンタイト界面を横切ることなく)最大となるように、線分LS3を引く。この場合、セメンタイト40Aの長さは、LS2の長さ+LS3の長さとする。  The length of the curved cementite 40 is measured by the following method. Of the plurality of cementite 40, attention is focused on cementite 40A. Both ends of the cementite 40A are located at the boundary of the pearlite colony 30. In this case, the center point P3 of the end width is specified by the same method as in the case of the cementite 20 described above. Furthermore, a line segment is drawn from the point P3 toward the opposite end of the cementite 40A. In the cementite 40A, the tip of the line segment crosses the interface between the cementite 40A and the ferrite (hereinafter referred to as the cementite interface) before reaching the opposite end of the cementite 40A. In this case, the line segment LS2 is drawn so that the straight line distance until the line segment extending from the start point P3 crosses the cementite interface of the cementite 40A is maximized. The intersection point between the line segment LS2 and the cementite interface is defined as an intermediate point P4. Subsequently, a line segment is drawn from the intermediate point P4 to the opposite end of the cementite 40A. At this time, the line segment extending from the intermediate point P4 reaches the opposite end of the cementite 40A without crossing the cementite interface and intersects at the point P5. In this case, the line segment LS3 is drawn so that the linear distance between the intermediate point P4 and the point P5 is maximized (without crossing the cementite interface). In this case, the length of the cementite 40A is LS2 length + LS3 length.

仮に、中間点P4からセメンタイト40Aの反対側の端に向かって線分を引いた場合に、線分の先端が再度セメンタイト界面を横切る場合、上述の方法により新たな中間点を決定し、決定された中間点を始点として、セメンタイト40Aの反対側の端に向かって線分を引く。中間点から伸びた線分の先端が、セメンタイト40Aの反対側の端と交差するまで、上記作業を繰り返す。そして、セメンタイト40A内に引かれた各線分の長さの合計を、セメンタイト40Aの長さと定義する。  If a line segment is drawn from the intermediate point P4 toward the opposite end of the cementite 40A, and the tip of the line segment crosses the cementite interface again, a new intermediate point is determined by the above method. Starting from the intermediate point, a line segment is drawn toward the opposite end of the cementite 40A. The above operation is repeated until the end of the line segment extending from the midpoint intersects the opposite end of the cementite 40A. And the sum total of the length of each line segment drawn in cementite 40A is defined as the length of cementite 40A.

セメンタイト40の端がパーライトコロニー30の界面と接触していない場合(たとえば、図中のセメンタイト40B)も、上記方法と同じ方法により、セメンタイトの長さを測定できる。  Even when the end of the cementite 40 is not in contact with the interface of the pearlite colony 30 (for example, cementite 40B in the figure), the length of the cementite can be measured by the same method as described above.

以上の方法により、パーライトコロニー内の各セメンタイトの長さを求める。そして、各パーライトコロニーごとに、短セメンタイト比率(%)を求め、各パーライトコロニーが「通常パーライトコロニー」であるか、「特定パーライトコロニー」であるかを特定する。そして、通常パーライトコロニーの面積と、特定パーライトコロニーの面積とを求める。面積はたとえば、周知の画像解析により求めることができる。  The length of each cementite in a pearlite colony is calculated | required by the above method. Then, a short cementite ratio (%) is obtained for each pearlite colony, and whether each pearlite colony is a “normal pearlite colony” or a “specific pearlite colony” is specified. And the area of a normal pearlite colony and the area of a specific pearlite colony are calculated | required. The area can be obtained, for example, by well-known image analysis.

全ての視野(総面積4128μm)における、通常パーライトコロニーの総面積NCと、特定パーライトコロニーDCの総面積とを求める。そして、次の式により、セメンタイト分断率(%)を求める。
セメンタイト分断率=DC/(NC+DC)×100(%)
なお、各視野内のパーライトコロニーのうち、10μm未満の面積のパーライトコロニーについては、解析の対象外とする。つまり、そのようなパーライトコロニーは、通常パーライトコロニー及び特定パーライトコロニーとして認定しない。そのため、総面積DC及びNCには含まれない。
The total area NC of normal pearlite colonies and the total area of specific pearlite colonies DC in all fields of view (total area 4128 μm 2 ) are determined. And the cementite parting rate (%) is calculated | required by the following formula.
Cementite breaking rate = DC / (NC + DC) × 100 (%)
Of the pearlite colonies in each field of view, pearlite colonies with an area of less than 10 μm 2 are excluded from analysis. That is, such a pearlite colony is not normally recognized as a pearlite colony or a specific pearlite colony. Therefore, it is not included in the total areas DC and NC.

図4は、図1のSEM画像中において、上記特定方法により決定された通常パーライトコロニーと特定パーライトコロニーとを示す図である。図中、黒い部分は、特定パーライトコロニーを意味する。白い部分は、解析の対象外となったパーライトコロニー又はフェライトを意味する。黒色及び白色以外の部分は、通常パーライトコロニーを意味する。  FIG. 4 is a diagram showing normal pearlite colonies and specific pearlite colonies determined by the above-described specifying method in the SEM image of FIG. 1. In the figure, a black part means a specific pearlite colony. A white part means the pearlite colony or ferrite which became the object of analysis. Parts other than black and white usually mean pearlite colonies.

上述の化学組成、式(1)及び式(2)を満たし、セメンタイト分断率が40%以上のパーライトのラメラ構造が十分に崩れた窒化用鋼材に対して窒化処理を行うと、残留応力解放熱処理を実施しているにもかかわらず、高い疲労強度が得られる。  Residual stress release heat treatment is performed when nitriding is performed on a steel for nitriding that satisfies the above-mentioned chemical composition, formulas (1) and (2), and has a sufficiently collapsed pearlite lamellar structure with a cementite fragmentation rate of 40% or more. High fatigue strength is obtained despite the fact that

[製造方法]
本発明による窒化用鋼材及び窒化部品の製造方法の一例を説明する。
[Production method]
An example of a method for manufacturing a nitriding steel material and a nitrided part according to the present invention will be described.

本発明による窒化部品の製造方法は、素材準備工程と、熱間加工工程と、残留応力解放熱処理工程と、切削工程と、窒化処理工程とを含む。以下、それぞれの工程を説明する。  The method for manufacturing a nitrided part according to the present invention includes a material preparation process, a hot working process, a residual stress releasing heat treatment process, a cutting process, and a nitriding process. Hereinafter, each process is demonstrated.

[素材準備工程]
上述の化学組成と、式(1)及び式(2)とを満たす溶鋼を製造する。製造された溶鋼を用いて、鋳造法により鋳片(スラブ、ブルーム)にする。又は、溶鋼を用いて、造塊法によりインゴットにする。鋳片又はインゴットを熱間加工して、ビレットを製造する。熱間加工は、熱間圧延でもよいし、熱間鍛造でもよい。次工程で使用される素材(鋼材)は、上記の鋳片又はインゴットでもよいし、ビレットでもよい。
[Material preparation process]
A molten steel satisfying the above-described chemical composition and the formulas (1) and (2) is manufactured. The manufactured molten steel is used to make a slab (slab, bloom) by a casting method. Alternatively, the molten steel is used to make an ingot by the ingot-making method. A billet is manufactured by hot working a slab or an ingot. The hot working may be hot rolling or hot forging. The material (steel material) used in the next step may be the above slab or ingot, or may be a billet.

[熱間加工工程]
製造された上記素材を加熱する。加熱温度が低すぎれば、熱間加工装置に過度の負荷が掛かる。一方、加熱温度が高すぎれば、スケールロスが大きい。したがって、好ましい加熱温度は1000〜1300℃である。上記加熱温度での好ましい保持時間は、30〜1000分である。
[Hot working process]
The manufactured material is heated. If the heating temperature is too low, an excessive load is applied to the hot working apparatus. On the other hand, if the heating temperature is too high, the scale loss is large. Therefore, preferable heating temperature is 1000-1300 degreeC. A preferable holding time at the heating temperature is 30 to 1000 minutes.

加熱後の素材に対して、熱間加工を実施する。熱間加工はたとえば、熱間鍛造である。以下、本工程での熱間加工を熱間鍛造として説明を続ける。  Hot working is performed on the heated material. Hot working is, for example, hot forging. Hereinafter, the description will be continued assuming that hot working in this step is hot forging.

熱間鍛造の好ましい仕上げ温度は900℃以上である。仕上げ温度が低すぎれば、熱間鍛造装置の金型への負担が大きくなるためである。一方、仕上げ温度の好ましい上限は、1250℃である。  The preferable finishing temperature of hot forging is 900 ° C. or higher. This is because if the finishing temperature is too low, the burden on the die of the hot forging device is increased. On the other hand, the preferable upper limit of the finishing temperature is 1250 ° C.

熱間鍛造後の素材を冷却する。素材の表面温度が300℃になるまでの好ましい平均冷却速度は、5℃/秒以下である。平均冷却速度が5℃/秒を超えると、素材に生じる残留応力が大きくなりすぎ、残留応力解放熱処理によっても残留応力が十分に解放されにくくなる。この場合、窒化処理後の窒化部品に発生する変形(曲がり)が大きくなりやすい。したがって、好ましい平均冷却速度は5℃/秒以下である。さらに好ましい平均冷却速度は3℃/秒以下であり、さらに好ましくは、1℃/秒以下である。素材の表面温度が300℃まで下がった後、室温までの冷却方法は特に限定されない。なお、熱間鍛造でクランクシャフトを製造した場合、放冷すれば、平均冷却速度は5℃/秒以下となる。  Cool the material after hot forging. A preferable average cooling rate until the surface temperature of the material reaches 300 ° C. is 5 ° C./second or less. If the average cooling rate exceeds 5 ° C./second, the residual stress generated in the material becomes too large, and the residual stress is not easily released even by the residual stress releasing heat treatment. In this case, deformation (bending) generated in the nitrided part after nitriding tends to be large. Therefore, a preferable average cooling rate is 5 ° C./second or less. A more preferable average cooling rate is 3 ° C./second or less, and further preferably 1 ° C./second or less. After the surface temperature of the material is lowered to 300 ° C., the cooling method to room temperature is not particularly limited. In addition, when a crankshaft is manufactured by hot forging, the average cooling rate is 5 ° C./second or less if the crankshaft is allowed to cool.

[残留応力解放熱処理]
熱間鍛造後の素材に対して、残留応力解放熱処理を実施する。このとき、熱処理温度は、600℃以上であり、かつ、式(3)で定義されるA点以下である。
=723−10.7Mn+29.1Si−16.9Ni+16.9Cr (3)
[Residual stress release heat treatment]
Residual stress release heat treatment is performed on the material after hot forging. At this time, the heat treatment temperature is 600 ° C. or more and is A 1 point or less defined by the formula (3).
A 1 = 723-10.7Mn + 29.1Si-16.9Ni + 16.9Cr (3)

熱処理温度が600℃未満であれば、残留応力が十分に解放されない。この場合、窒化処理時に残留応力が解放され、曲がり等の変形が発生しやすくなる。  If the heat treatment temperature is less than 600 ° C., the residual stress is not sufficiently released. In this case, the residual stress is released during nitriding, and deformation such as bending is likely to occur.

一方、熱処理温度がA点を超え、二相域温度になると、フェライトとセメンタイトとの混合組織の一部が、熱処理中にオーステナイトになる。生成したオーステナイトは冷却時にフェライトとセメンタイトとに再度変態する。これらの変態過程において、素材は収縮と膨張を繰り返すため、残留応力が発生してしまう。残留応力解放熱処理はフェライト域温度で行う必要がある。そのため、熱処理温度は600℃〜A点以下である。On the other hand, the heat treatment temperature exceeds the point A, becomes a two-phase region temperature, a portion of the mixed structure of ferrite and cementite becomes the austenite during the heat treatment. The formed austenite transforms again to ferrite and cementite during cooling. In these transformation processes, the material repeatedly shrinks and expands, resulting in residual stress. Residual stress release heat treatment must be performed at the ferrite region temperature. Therefore, the heat treatment temperature is 600 ° C. to A 1 point or less.

残留応力解放熱処理の熱処理温度の好ましい下限は610℃であり、さらに好ましくは620℃である。熱処理温度の好ましい上限はA点−5℃であり、さらに好ましくはA 点−10℃である。  The preferable lower limit of the heat treatment temperature of the residual stress release heat treatment is 610 ° C., more preferably 620 ° C. A preferable upper limit of the heat treatment temperature is A.1Point −5 ° C., more preferably A 1The point is -10 ° C.

残留応力解放熱処理の600℃以上であり、かつ、式(3)で定義されるA点以下の温度での均熱時間は20分以上である。均熱時間が20分未満であれば、残留応力が十分に解放されない。この場合、窒化処理時に残留応力が解放され、曲がり等の変形が発生しやすくなる。一方、均熱時間が24時間を越えると、熱処理の効果が飽和する上、熱処理コストが増大する。そのため、均熱時間は24時間以内である。The soaking time at a temperature of 600 ° C. or higher in the residual stress release heat treatment and a temperature of A 1 or lower defined by the formula (3) is 20 minutes or longer. If the soaking time is less than 20 minutes, the residual stress is not sufficiently released. In this case, the residual stress is released during nitriding, and deformation such as bending is likely to occur. On the other hand, if the soaking time exceeds 24 hours, the effect of the heat treatment is saturated and the heat treatment cost increases. Therefore, the soaking time is within 24 hours.

上記熱処理で均熱した後、素材を常温(25℃)まで冷却する。上記熱処理後の冷却速度によって、金属組織は変わらない。よって、常温までの平均冷却速度は特に規定する必要はない。但し、新たな残留応力が発生する可能性があるので、冷却速度は遅い方が好ましい。好ましい平均冷却速度は2℃/秒以下であり、さらに好ましくは1℃/秒以下である。  After soaking by the heat treatment, the material is cooled to room temperature (25 ° C.). The metal structure does not change depending on the cooling rate after the heat treatment. Therefore, it is not necessary to specify the average cooling rate to room temperature. However, since a new residual stress may occur, it is preferable that the cooling rate is low. The average cooling rate is preferably 2 ° C./second or less, more preferably 1 ° C./second or less.

以上の工程により、本発明の窒化用鋼材が製造される。  The nitriding steel material of the present invention is manufactured through the above steps.

[切削加工]
上述の窒化用鋼材に対して切削加工を実施して所定の形状にする。上記残留応力解放熱処理での残留応力の解放により、窒化用鋼材には曲がり等の変形が発生している。切削加工では、鋼材を所定形状にするとともに、変形を除去する。切削加工の種類は、窒化用鋼材を所定の形状にできれば、特に限定されない。
[Cutting]
The above-described nitriding steel material is cut into a predetermined shape. Due to the release of the residual stress in the residual stress releasing heat treatment, deformation such as bending occurs in the nitriding steel material. In the cutting process, the steel material is made into a predetermined shape and the deformation is removed. The type of the cutting process is not particularly limited as long as the nitriding steel material can be formed into a predetermined shape.

[窒化処理]
切削加工された窒化用鋼材に対して、窒化処理を実施する。本実施形態では、周知の窒化処理が採用される。窒化処理はたとえば、ガス窒化、塩浴窒化、イオン窒化等である。窒化中の炉内雰囲気は、NHのみであってもよいし、NHと、N及び/又はHとを含有する混合気であってもよい。また、これらのガスに、浸炭性のガスを含有して、軟窒化処理を実施してもよい。したがって、本明細書にいう「窒化」とは「軟窒化」も含む。
[Nitriding treatment]
Nitriding is performed on the steel for nitriding that has been cut. In this embodiment, a well-known nitriding process is employed. The nitriding treatment is, for example, gas nitriding, salt bath nitriding, ion nitriding or the like. The furnace atmosphere during nitriding may be only NH 3 or a mixture containing NH 3 and N 2 and / or H 2 . In addition, a carburizing gas may be contained in these gases to perform soft nitriding. Therefore, “nitriding” in this specification includes “soft nitriding”.

ガス軟窒化処理を実施する場合、たとえば、吸熱型変成ガス(RXガス)とアンモニアガスとを1:1に混合した雰囲気中で、均熱温度を550〜620℃にして1〜4時間均熱すればよい。  When carrying out gas soft nitriding treatment, for example, in an atmosphere in which endothermic metamorphic gas (RX gas) and ammonia gas are mixed 1: 1, the soaking temperature is set to 550 to 620 ° C. and soaking for 1 to 4 hours. do it.

以上の製造工程により製造された窒化部品は、優れた疲労強度を有する。さらに、残留応力解放熱処理により、窒化処理前に残留応力が解放されているため、窒化処理において変形が発生しにくい。そのため、窒化処理後の冷間矯正工程を省略、又は簡略化できる。  The nitrided part manufactured by the above manufacturing process has excellent fatigue strength. Further, since the residual stress is released before the nitriding process by the residual stress releasing heat treatment, deformation is hardly caused in the nitriding process. Therefore, the cold correction process after nitriding can be omitted or simplified.

表1に示す化学組成を有する鋼A〜Cの150kgの溶鋼を、真空溶解炉を用いて製造した。鋼D〜Uの50kgの溶鋼を、真空溶解炉を用いて製造した。各溶鋼を用いてインゴットを製造した。  A 150 kg molten steel of steels A to C having the chemical composition shown in Table 1 was manufactured using a vacuum melting furnace. A 50 kg molten steel of steels D to U was produced using a vacuum melting furnace. An ingot was manufactured using each molten steel.

表1中の「F1」欄には、上述のF1の計算値が記載されている。「F2」欄には、上述のF2の計算値が記載されている。「A」欄には、式(3)で定義されるA点(℃)が記載されている。In the “F1” column in Table 1, the calculated value of F1 described above is described. In the “F2” column, the calculated value of F2 described above is described. In the “A 1 ” column, A 1 point (° C.) defined by the formula (3) is described.

各鋼種のインゴットを1250℃に加熱した。加熱されたインゴットに対して熱間鍛造を実施して、55mmの直径を有する丸棒を製造した。熱間鍛造での仕上げ温度は1000℃であった。熱間鍛造後、丸棒を常温まで放冷した。丸棒が300℃になるまでの平均冷却速度は、いずれの試験番号においても、0.23℃/秒であった。  Ingots of each steel type were heated to 1250 ° C. Hot forging was performed on the heated ingot to produce a round bar having a diameter of 55 mm. The finishing temperature in hot forging was 1000 ° C. After hot forging, the round bar was allowed to cool to room temperature. The average cooling rate until the round bar reached 300 ° C. was 0.23 ° C./second in any test number.

各試験番号の丸棒に対して、表2に示す条件で、残留応力解放熱処理を実施した。  Residual stress release heat treatment was performed on the round bars of each test number under the conditions shown in Table 2.

表2中の「鋼種」欄には、対応する試験番号で用いたインゴットの鋼種を示す。「残留応力解放熱処理」欄の「温度及び均熱時間」欄には、残留応力解放熱処理での熱処理温度(℃)と均熱時間(h)とを示す。平均冷却速度は、いずれの試験番号においても、0.17℃/秒であった。「窒化条件」欄には、窒化処理における処理温度(℃)と均熱時間(h)とを示す。  The “steel type” column in Table 2 indicates the steel type of the ingot used in the corresponding test number. The “temperature and soaking time” column in the “residual stress releasing heat treatment” column shows the heat treatment temperature (° C.) and soaking time (h) in the residual stress releasing heat treatment. The average cooling rate was 0.17 ° C./sec for all test numbers. The “nitriding conditions” column shows the processing temperature (° C.) and the soaking time (h) in the nitriding treatment.

[評価試験]
各試験番号の丸棒を用いて、次の試験を実施した。
[Evaluation test]
The following test was implemented using the round bar of each test number.

[パーライト面積分率及びセメンタイト分断率測定試験]
各試験番号の丸棒のR/2位置から、鍛軸方向に平行な断面を被検面とするサンプルを採取した。採取されたサンプルを用いて、上述の方法により、各試験番号のパーライト面積分率を求めた。各試験番号のパーライト面積率(%)を表2中の「P分率」欄に示す。
[Perlite area fraction and cementite fragmentation rate measurement test]
From the R / 2 position of the round bar of each test number, a sample having a cross section parallel to the forging axis direction as a test surface was collected. The pearlite area fraction of each test number was calculated | required by the above-mentioned method using the extract | collected sample. The pearlite area ratio (%) of each test number is shown in the “P fraction” column of Table 2.

さらに、上記サンプルを5000倍のSEMで観察して、上記方法に基づいてセメンタイト分断率を求めた。各試験番号のセメンタイト分断率(%)を表2中の「θ分断率(%)」に示す。  Furthermore, the said sample was observed by 5000 time SEM and the cementite parting rate was calculated | required based on the said method. The cementite fraction (%) of each test number is shown in “θ fraction (%)” in Table 2.

[小野式回転曲げ疲労試験片及び変形量測定試験片の作成]
各試験番号の丸棒から、図5に示す小野式回転曲げ疲労試験片を複数採取した。図中の長さL1は106mmであり、直径D1は15mmであった。試験片中央部の切り欠き部の曲率半径R1は3mmであり、切り欠き底での試験片横断面の直径は8mmであった。試験片の平行部の長さは18mmであり、平行部での直径は10mmであった。
[Preparation of Ono type rotating bending fatigue test piece and deformation measurement test piece]
A plurality of Ono-type rotating bending fatigue test pieces shown in FIG. 5 were collected from the round bars of the respective test numbers. The length L1 in the figure was 106 mm, and the diameter D1 was 15 mm. The radius of curvature R1 of the notch at the center of the test piece was 3 mm, and the diameter of the cross section of the test piece at the notch bottom was 8 mm. The length of the parallel part of the test piece was 18 mm, and the diameter at the parallel part was 10 mm.

さらに、各試験番号の丸棒から、図6A及び図6Bに示す変形量測定試験片を採取した。変形量測定試験片の直径D2は50mmであり、厚さL2は50mmであった。厚さ方向の全長にわたって切り欠きを設けた。切り下記の幅W2は10.000mmを狙い値とした。切り欠き加工後の切り欠きの幅W2の実測値をマイクロメータで測定した。測定箇所は、図6A及び図6Bの地点Mとした。地点Mは、図6Bに示す左側端面を原点としたときに、原点から幅方向に10mm、20mm、30mm及び40mmの地点とした。これら4点の地点Mで測定された幅W2の平均を、切り欠き幅(mm)と定義した。  Furthermore, the deformation measurement test pieces shown in FIGS. 6A and 6B were collected from the round bars of the respective test numbers. The diameter D2 of the deformation amount test piece was 50 mm, and the thickness L2 was 50 mm. A notch was provided over the entire length in the thickness direction. The following width W2 was set to a target value of 10.000 mm. The actually measured value of the width W2 of the notch after the notch processing was measured with a micrometer. The measurement location was point M in FIGS. 6A and 6B. The point M was 10 mm, 20 mm, 30 mm, and 40 mm in the width direction from the origin when the left end face shown in FIG. 6B was the origin. The average of the width W2 measured at these four points M was defined as the notch width (mm).

採取された小野式回転曲げ疲労試験片及び変形量測定試験片に対して、表2に示す条件(熱処理温度及び均熱時間)で窒化処理を実施した。具体的には、試験片を熱処理炉に挿入した。挿入後、炉内を表2の「窒化条件」欄の熱処理温度(℃)まで昇温しながら,アンモニアガスとRXガスを流量が1:1になるようにして炉内に導入した。そして、表2の「窒化条件」欄に示す熱処理温度(℃)及び保持時間(h)で窒化処理を実施した。保持時間が経過した後、試験片を熱処理炉から取り出し、100℃の油で急冷した。  The collected Ono-type rotating bending fatigue test piece and deformation measurement test piece were subjected to nitriding treatment under the conditions (heat treatment temperature and soaking time) shown in Table 2. Specifically, the test piece was inserted into a heat treatment furnace. After the insertion, ammonia gas and RX gas were introduced into the furnace at a flow rate of 1: 1 while raising the temperature in the furnace to the heat treatment temperature (° C.) in the “nitriding conditions” column of Table 2. Then, nitriding was performed at the heat treatment temperature (° C.) and the holding time (h) shown in the “nitriding conditions” column of Table 2. After the holding time had elapsed, the test piece was taken out of the heat treatment furnace and quenched with 100 ° C. oil.

[小野式回転曲げ疲労試験]
上述の窒化処理がされた小野式回転曲げ疲労試験片を用いて、小野式回転曲げ疲労試験を実施した。JIS Z2274(1978)に準拠した回転曲げ疲労試験を室温(25℃)の大気雰囲気中において実施した。試験は、回転数3400rpmの両振り条件で実施した。繰り返し数1.0×10回まで破断しなかった試験片のうち、最も高い応力を、その試験番号の疲労強度(MPa)と定義した。疲労強度が510MPa以上である場合、疲労強度に優れると判断した。
[Ono type rotating bending fatigue test]
Using the Ono rotary bending fatigue test piece subjected to the above nitriding treatment, an Ono rotary bending fatigue test was performed. A rotating bending fatigue test in accordance with JIS Z2274 (1978) was performed in an air atmosphere at room temperature (25 ° C.). The test was carried out under a double swing condition with a rotation speed of 3400 rpm. Of the test pieces that did not break until the number of repetitions of 1.0 × 10 7 times, the highest stress was defined as the fatigue strength (MPa) of that test number. When the fatigue strength was 510 MPa or more, it was judged that the fatigue strength was excellent.

[ビッカース硬さ試験]
小野式回転曲げ疲労試験の中心軸部分に対して、JIS Z2244(2009)に準拠したビッカース硬さ試験を実施した。試験力は10kgf=98.07Nとした。
[Vickers hardness test]
A Vickers hardness test in accordance with JIS Z2244 (2009) was performed on the central axis portion of the Ono type rotating bending fatigue test. The test force was 10 kgf = 98.07N.

[変形量測定試験]
変形量測定試験片の切り欠き幅W2を、窒化処理前に測定した。測定後、変形量測定試験片に対して、上記の窒化処理を実施した。窒化処理後の変形量測定試験片の切り欠き幅W2を再度測定した。窒化処理後の切り欠き幅W2から窒化処理前の切り欠き幅W2を差し引いた値を、変形量(μm)と定義した。変形量の絶対値が35μm以下である場合、変形量が少ないと判断した。
[Deformation measurement test]
The notch width W2 of the deformation amount test specimen was measured before nitriding. After the measurement, the above nitriding treatment was performed on the deformation amount test piece. The notch width W2 of the deformation measurement test piece after nitriding was measured again. A value obtained by subtracting the notch width W2 before nitriding from the notch width W2 after nitriding was defined as the deformation (μm). When the absolute value of the deformation amount was 35 μm or less, it was determined that the deformation amount was small.

[試験結果]
表2に試験結果を示す。「疲労強度」は小野式回転曲げ試験で得られた疲労強度(MPa)を意味し、「変形量」は変形量測定試験で得られた変形量(μm)を意味する。
[Test results]
Table 2 shows the test results. “Fatigue strength” means the fatigue strength (MPa) obtained in the Ono-type rotary bending test, and “deformation amount” means the deformation amount (μm) obtained in the deformation amount measurement test.

表2を参照して、試験番号A1〜試験番号A19では、化学組成が本発明の範囲内であって、式(1)及び式(2)も満たした。さらに、残留応力解放熱処理における熱処理温度は、600℃〜A点(℃)であった。そのため、試験番号A1〜A19のパーライト面積分率はいずれも50%を超え、セメンタイト分断率は40%以上であった。そのため、試験番号A1〜A19の疲労強度はいずれも510MPa以上であった。さらに、変形量の絶対値は35μm以下であった。Referring to Table 2, in test numbers A1 to A19, the chemical composition was within the scope of the present invention, and the formulas (1) and (2) were also satisfied. Furthermore, the heat treatment temperature in the residual stress release heat treatment was 600 ° C. to A 1 point (° C.). Therefore, the pearlite area fractions of test numbers A1 to A19 all exceeded 50%, and the cementite fragmentation ratio was 40% or more. Therefore, the fatigue strengths of test numbers A1 to A19 were all 510 MPa or more. Furthermore, the absolute value of the deformation was 35 μm or less.

試験番号A20では、化学組成は本発明の範囲内であったものの、F1値が式(1)の下限未満であった。そのため、疲労強度が510MPa未満であった。  In test number A20, the chemical composition was within the scope of the present invention, but the F1 value was less than the lower limit of formula (1). Therefore, the fatigue strength was less than 510 MPa.

試験番号A21では、化学組成は本発明の範囲内であったものの、F1値が式(1)の上限を超えた。そのため、芯部硬さが270HVを超え、被削性の低下が懸念された。  In test number A21, the chemical composition was within the scope of the present invention, but the F1 value exceeded the upper limit of formula (1). For this reason, the core hardness exceeded 270 HV, and there was concern about a decrease in machinability.

試験番号A22では、化学組成は本発明の範囲内であったものの、F2値が式(2)の下限未満であった。そのため、硬化層の表面に近い領域の硬さが低くなり、疲労強度が510MPa未満であった。  In test number A22, the chemical composition was within the scope of the present invention, but the F2 value was less than the lower limit of formula (2). Therefore, the hardness of the region near the surface of the hardened layer was low, and the fatigue strength was less than 510 MPa.

試験番号A23では、化学組成は本発明の範囲内であったものの、F2値が式(2)の上限を超えた。そのため、硬化層の深さが浅くなり、疲労強度が510MPa未満であった。  In test number A23, the chemical composition was within the scope of the present invention, but the F2 value exceeded the upper limit of formula (2). Therefore, the depth of the hardened layer became shallow and the fatigue strength was less than 510 MPa.

試験番号A24,A25では、Mn量が低く、F2値も式(2)の下限未満であった。そのため、疲労強度が510MPa未満であった。  In test numbers A24 and A25, the amount of Mn was low, and the F2 value was also less than the lower limit of formula (2). Therefore, the fatigue strength was less than 510 MPa.

試験番号A26では、残留応力解放熱処理での熱処理温度がA点を超えた。そのため、セメンタイト分断率が40%未満であり、変形量の絶対値が35μmを超えた。残留応力解放熱処理がオーステナイト単相域で実施されたため、残留応力解放熱処理の冷却時に変態による残留応力が発生したためと考えられる。試験番号A26ではさらに、疲労強度が510MPa未満であった。In Test No. A26, the heat treatment temperature of the residual stress release heat treatment exceeds the point A. Therefore, the cementite fragmentation rate was less than 40%, and the absolute value of deformation exceeded 35 μm. This is probably because residual stress release heat treatment was performed in the austenite single phase region, and residual stress due to transformation occurred during cooling of the residual stress release heat treatment. In test number A26, the fatigue strength was less than 510 MPa.

試験番号A27,A30では、残留応力解放熱処理を行わなかった。そのため、セメンタイト分断率が40%未満であり、変形量の絶対値が35μmを超えた。  In the test numbers A27 and A30, the residual stress release heat treatment was not performed. Therefore, the cementite fragmentation rate was less than 40%, and the absolute value of deformation exceeded 35 μm.

試験番号A28、A29では、残留応力解放熱処理での熱処理温度が600℃未満であった。そのため、セメンタイト分断率が40%未満であり、変形量の絶対値が35μmを超えた。
試験番号A31では、残留応力解放熱処理での熱処理時間が20分未満であった。そのため、セメンタイト分断率が40%未満であり、変形量の絶対値が35μmを超えた。
In test numbers A28 and A29, the heat treatment temperature in the residual stress release heat treatment was less than 600 ° C. Therefore, the cementite fragmentation rate was less than 40%, and the absolute value of deformation exceeded 35 μm.
In test number A31, the heat treatment time in the residual stress release heat treatment was less than 20 minutes. Therefore, the cementite fragmentation rate was less than 40%, and the absolute value of deformation exceeded 35 μm.

表1中の鋼種Gの化学組成を有する丸ビレットを準備した。丸ビレットを1250℃に加熱した。加熱された丸ビレットに対して熱間鍛造を実施して、図7に示す直列4気筒用のクランク軸粗形材50(以下、粗形材という)を複数製造した。熱間鍛造での仕上げ温度は1100℃であった。熱間鍛造後の粗形材50を放冷した。このときの冷却速度は5℃/秒以下であった。  A round billet having the chemical composition of steel type G in Table 1 was prepared. The round billet was heated to 1250 ° C. The heated round billet was hot forged to produce a plurality of in-line four-cylinder crankshaft rough shapes 50 (hereinafter referred to as rough shapes) shown in FIG. The finishing temperature in hot forging was 1100 ° C. The rough shaped material 50 after hot forging was allowed to cool. The cooling rate at this time was 5 ° C./second or less.

製造された複数の粗形材50に対して、表3に示す試験条件で窒化部品(クランク軸)を製造した。  A nitrided part (crankshaft) was manufactured under the test conditions shown in Table 3 for the plurality of manufactured rough members 50.

[試験番号B1及びB4]
試験番号B1及びB4では、表3に示す条件(熱処理温度及び均熱時間)で残留応力解放熱処理を実施し、均熱後の粗形材50を放冷した。放冷時の平均冷却速度は、いずれも2℃/秒以下であった。
[Test numbers B1 and B4]
In test numbers B1 and B4, residual stress release heat treatment was performed under the conditions shown in Table 3 (heat treatment temperature and soaking time), and the rough shaped material 50 after soaking was allowed to cool. The average cooling rate during cooling was 2 ° C./second or less.

残留応力解放熱処理後の粗形材に対して、切削加工を実施した。具体的には、図7に示す粗形材のジャーナル部51の円周を切削加工した。切削加工では、切削後の全てのジャーナル部51の外周が同一線上に揃うように加工した。さらに、取り扱いを簡便にするために、ジャーナル部51の両端から先の部分を切断した。ジャーナル部51の全長は470mm、直径は76mmとした。  Cutting was performed on the rough shape after the residual stress release heat treatment. Specifically, the circumference of the journal portion 51 of the rough profile shown in FIG. 7 was cut. In the cutting process, the outer periphery of all journal parts 51 after the cutting was processed so as to be aligned on the same line. Furthermore, in order to handle easily, the part from the both ends of the journal part 51 was cut | disconnected. The full length of the journal part 51 was 470 mm, and the diameter was 76 mm.

切削後の粗形材50に対して、実施例1と同じ条件で窒化処理を実施した。窒化処理後の粗形材50の変形量を次の方法で測定した。図8に示すとおり、粗形材50のジャーナル部51の両端2点を回転可能に支持した。粗形材50を、その中心軸周りに1回転した。このとき、ジャーナル部51の中央の外周面にダイヤルゲージ52を接触させ、高さ位置の変位を測定した。1回転して得られた高さ位置のうち、最大値と最小値との差分を変形量(μm)と定義した。  The rough shaped material 50 after cutting was subjected to nitriding treatment under the same conditions as in Example 1. The deformation amount of the rough shaped material 50 after the nitriding treatment was measured by the following method. As shown in FIG. 8, the two ends of the journal portion 51 of the rough shaped member 50 were supported rotatably. The rough shape member 50 was rotated once around its central axis. At this time, the dial gauge 52 was brought into contact with the central outer peripheral surface of the journal portion 51, and the displacement of the height position was measured. Of the height positions obtained by one rotation, the difference between the maximum value and the minimum value was defined as the deformation amount (μm).

[試験番号B2]
試験番号B2では、熱間鍛造後の粗形材50に対して上述の切削加工を実施した。切削加工後の粗形材50に対して、残留応力解放熱処理を実施せずに、上述の窒化処理を実施した。窒化処理後の粗形材50の変形量を、試験番号B1と同じ方法で求めた。
[Test number B2]
In test number B2, the above-mentioned cutting process was implemented with respect to the rough shaped material 50 after hot forging. The above-described nitriding treatment was performed on the rough shaped material 50 after the cutting without performing the residual stress releasing heat treatment. The amount of deformation of the rough shaped material 50 after the nitriding treatment was determined by the same method as in test number B1.

[試験番号B3]
試験番号B3では、熱間鍛造後の粗形材50に対して上述の切削加工を実施した。切削加工後の粗形材50に対して、表3に示す条件で残留応力解放熱処理を実施した。均熱後の粗形材50を放冷した。このときの平均冷却速度は2℃/秒以下であった。残留応力解放熱処理後の粗形材50に対して、試験番号B1と同じ条件で窒化処理を実施した。窒化処理後の粗形材50の変形量を、試験番号B1と同じ方法で求めた。
[Test number B3]
In test number B3, the above-described cutting process was performed on the rough shaped material 50 after hot forging. Residual stress release heat treatment was performed on the rough shaped material 50 after cutting under the conditions shown in Table 3. The coarse shaped material 50 after soaking was allowed to cool. The average cooling rate at this time was 2 ° C./second or less. A nitriding treatment was performed on the rough shaped material 50 after the residual stress releasing heat treatment under the same conditions as in the test number B1. The amount of deformation of the rough shaped material 50 after the nitriding treatment was determined by the same method as in test number B1.

[試験結果]
試験結果を表3に示す。表3を参照して、試験番号B1の化学組成は本発明の範囲内であり、F1及びF2値も式(1)及び式(2)の範囲内であった。さらに、製造条件も適切であった。そのため、変形量が35μm以下であり、曲がりの発生が抑制された。
[Test results]
The test results are shown in Table 3. Referring to Table 3, the chemical composition of test number B1 was within the scope of the present invention, and the F1 and F2 values were also within the scope of formula (1) and formula (2). Furthermore, the manufacturing conditions were also appropriate. Therefore, the amount of deformation was 35 μm or less, and the occurrence of bending was suppressed.

一方、試験番号B2では、残留応力解放熱処理を実施しなかった。そのため、変形量が35μmを超えた。  On the other hand, in the test number B2, the residual stress release heat treatment was not performed. Therefore, the deformation amount exceeded 35 μm.

試験番号B3では、切削加工後に残留応力解放熱処理を実施した。残留応力解放熱処理において曲がりが発生し、切削加工でその曲がりが除去されなかったため、変形量が35μmを超えた。  In test number B3, residual stress release heat treatment was performed after cutting. Since the bending occurred in the residual stress release heat treatment and the bending was not removed by the cutting process, the deformation amount exceeded 35 μm.

試験番号B4では、残留応力解放熱処理の熱処理温度がA点を超えた。そのため、変形量が35μmを超えた。残留応力解放熱処理が二相域温度で実施されたため、残留応力解放熱処理の冷却時に変態による残留応力が発生したためと考えられる。In Test Number B4, the heat treatment temperature of the residual stress release heat treatment exceeds the point A. Therefore, the deformation amount exceeded 35 μm. This is probably because residual stress release heat treatment was performed at a two-phase temperature, and residual stress due to transformation occurred during cooling of the residual stress release heat treatment.

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 embodiment of the present invention has been described above. However, 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 can be implemented by appropriately changing the above-described embodiment without departing from the spirit thereof.

10,30 パーライトコロニー
20,40,40A,40B セメンタイト
10, 30 Perlite colony 20, 40, 40A, 40B Cementite

Claims (8)

質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.03〜0.5%、Mn:1.3〜2.7%、P:0.05%以下、S:0.005〜0.10%、Cr:0.05〜0.60%、N:0.003〜0.025%、Al:0.05%以下、Ti:0〜0.05%、Nb:0〜0.05%、Mo:0〜0.50%、V:0〜0.50%、Cu:0〜0.50%、Ni:0〜0.50%、及び、Ca:0〜0.005%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、式(1)及び式(2)を満たす化学組成を有する素材を準備する工程と、
前記素材を熱間加工する工程と、
熱間加工された前記素材に対して、600℃以上であって式(3)で定義されるA点以下の温度で20分以上均熱した後、冷却する残留応力解放熱処理を実施して、窒化用鋼材を製造する工程と、
前記残留応力解放熱処理後の前記窒化用鋼材に対して切削加工を実施する工程と、
前記切削加工後の前記窒化用鋼材に対して窒化処理を実施する工程とを備える、窒化部品の製造方法。
0.55≦C+0.15Si+0.2(Mn−1.71S)+0.1Cr≦1.10 (1)
0.55≦Cr+0.5Si+0.35(Mn−1.71S)−0.3C≦1.30 (2)
=723−10.7Mn+29.1Si−16.9Ni+16.9Cr (3)
ここで、式(1)〜式(3)中の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
In mass%, C: 0.25 to 0.65%, Si: 0.03 to 0.5%, Mn: 1.3 to 2.7%, P: 0.05% or less, S: 0.005 -0.10%, Cr: 0.05-0.60%, N: 0.003-0.025%, Al: 0.05% or less, Ti: 0-0.05%, Nb: 0-0 0.05%, Mo: 0 to 0.50%, V: 0 to 0.50%, Cu: 0 to 0.50%, Ni: 0 to 0.50%, and Ca: 0 to 0.005% And a balance of Fe and impurities, and preparing a material having a chemical composition satisfying the formulas (1) and (2),
Hot working the material;
After the hot-processed material is soaked at a temperature of 600 ° C. or more and at a temperature of A 1 point or less defined by the formula (3) for 20 minutes or more, a residual stress release heat treatment is performed for cooling. Manufacturing a nitriding steel,
Performing a cutting process on the nitriding steel material after the residual stress releasing heat treatment;
And a step of performing a nitriding process on the steel for nitriding after the cutting process.
0.55 ≦ C + 0.15Si + 0.2 (Mn−1.71S) + 0.1Cr ≦ 1.10 (1)
0.55 ≦ Cr + 0.5Si + 0.35 (Mn−1.71S) −0.3C ≦ 1.30 (2)
A 1 = 723-10.7Mn + 29.1Si-16.9Ni + 16.9Cr (3)
Here, the content (mass%) of the corresponding element is substituted for the element symbols in the formulas (1) to (3).
請求項1に記載の製造方法であって、
前記素材の化学組成は、
Ti:0.001〜0.05%、及び、
Nb:0.003〜0.05%からなる群から選択される1種又は2種を含有する、窒化部品の製造方法。
The manufacturing method according to claim 1,
The chemical composition of the material is
Ti: 0.001 to 0.05%, and
Nb: A method for manufacturing a nitrided part containing one or two selected from the group consisting of 0.003 to 0.05%.
請求項1又は請求項2に記載の製造方法であって、
前記素材の化学組成は、
Mo:0.03〜0.50%、
V:0.03〜0.50%、
Cu:0.05〜0.50%、及び、
Ni:0.05〜0.50%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、窒化部品の製造方法。
It is a manufacturing method of Claim 1 or Claim 2, Comprising:
The chemical composition of the material is
Mo: 0.03-0.50%,
V: 0.03-0.50%,
Cu: 0.05 to 0.50%, and
Ni: A method for producing a nitrided part containing one or more selected from the group consisting of 0.05 to 0.50%.
請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の製造方法であって、
前記素材の化学組成は、
Ca:0.0001〜0.005%を含有する、窒化部品の製造方法。
It is a manufacturing method given in any 1 paragraph of Claims 1-3,
The chemical composition of the material is
A method for manufacturing a nitrided part containing Ca: 0.0001 to 0.005%.
窒化用鋼材であって、
質量%で、
C:0.25〜0.65%、
Si:0.03〜0.5%、
Mn:1.3〜2.7%、
P:0.05%以下、
S:0.005〜0.10%、
Cr:0.05〜0.60%、
N:0.003〜0.025%、
Al:0.05%以下、
Ti:0〜0.05%、
Nb:0〜0.05%、
Mo:0〜0.50%、
V:0〜0.50%、
Cu:0〜0.50%、
Ni:0〜0.50%、及び、
Ca:0〜0.005%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、
式(1)及び式(2)を満たす化学組成を有し、
前記窒化用鋼材の組織におけるパーライトの面積分率は50.0%よりも高く、
前記窒化用鋼材の組織において、パーライトコロニーのうち前記パーライトコロニー内のセメンタイトの総長さに対する4.0μm未満の長さのセメンタイトの総長さの比率が50%以上である特定パーライトコロニーの総面積の、前記パーライトコロニーの総面積に対する比率が40%以上である、窒化用鋼材。
0.55≦C+0.15Si+0.2(Mn−1.71S)+0.1Cr≦1.10 (1)
0.55≦Cr+0.5Si+0.35(Mn−1.71S)−0.3C≦1.30 (2)
ここで、式(1)及び式(2)中の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
A nitriding steel,
% By mass
C: 0.25 to 0.65%,
Si: 0.03 to 0.5%,
Mn: 1.3 to 2.7%,
P: 0.05% or less,
S: 0.005-0.10%,
Cr: 0.05-0.60%,
N: 0.003 to 0.025%,
Al: 0.05% or less,
Ti: 0 to 0.05%,
Nb: 0 to 0.05%,
Mo: 0 to 0.50%,
V: 0 to 0.50%,
Cu: 0 to 0.50%,
Ni: 0 to 0.50%, and
Ca: 0 to 0.005% is contained, the balance consists of Fe and impurities,
Having a chemical composition satisfying formula (1) and formula (2),
The area fraction of pearlite in the structure of the nitriding steel material is higher than 50.0%,
In the structure of the steel for nitriding, the ratio of the total area of the cementite with a length of less than 4.0 μm to the total length of cementite in the pearlite colony among the pearlite colonies is 50% or more, A steel for nitriding, wherein the ratio of the pearlite colony to the total area is 40% or more.
0.55 ≦ C + 0.15Si + 0.2 (Mn−1.71S) + 0.1Cr ≦ 1.10 (1)
0.55 ≦ Cr + 0.5Si + 0.35 (Mn−1.71S) −0.3C ≦ 1.30 (2)
Here, the content (mass%) of the corresponding element is substituted for the element symbols in the formulas (1) and (2).
請求項5に記載の窒化用鋼材であって、
前記窒化用鋼材の化学組成は、
Ti:0.001〜0.05%、及び、
Nb:0.003〜0.05%からなる群から選択される1種又は2種を含有する、窒化用鋼材。
The steel for nitriding according to claim 5,
The chemical composition of the steel for nitriding is
Ti: 0.001 to 0.05%, and
Nb: a steel material for nitriding containing one or two selected from the group consisting of 0.003 to 0.05%.
請求項5又は請求項6に記載の窒化用鋼材であって、
前記窒化用鋼材の化学組成は、
Mo:0.03〜0.50%、
V:0.03〜0.50%、
Cu:0.05〜0.50%、及び、
Ni:0.05〜0.50%
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、窒化用鋼材。
The nitriding steel material according to claim 5 or 6,
The chemical composition of the steel for nitriding is
Mo: 0.03-0.50%,
V: 0.03-0.50%,
Cu: 0.05 to 0.50%, and
Ni: 0.05 to 0.50%
A steel material for nitriding containing one or more selected from the group consisting of:
請求項5〜請求項7のいずれか1項に記載の窒化用鋼材であって、
前記窒化用鋼材の化学組成は、
Ca:0.0001〜0.005%を含有する、窒化用鋼材。
The steel for nitriding according to any one of claims 5 to 7,
The chemical composition of the steel for nitriding is
Ca: Steel material for nitriding containing 0.0001 to 0.005%.
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