JP7617376B2 - Nitrided steel parts - Google Patents
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Description
本発明は、窒化鋼部品に関し、さらに詳しくは、冷間加工により成形した後、窒化処理を施した、窒化鋼部品に関する。 The present invention relates to nitrided steel parts, and more specifically to nitrided steel parts that have been formed by cold working and then subjected to a nitriding treatment.
自動車部品、建設機械部品及び産業機械部品等に代表される機械構造用部品の素材として、構造用鋼鋼材が用いられている。構造用鋼鋼材はたとえば、機械構造用炭素鋼鋼材、機械構造用合金鋼鋼材等である。 Structural steel materials are used as materials for machine structural parts, such as automobile parts, construction machinery parts, and industrial machinery parts. Examples of structural steel materials include carbon steel materials for machine structures and alloy steel materials for machine structures.
近年、自動車及び建設車両、産業機械等の燃費向上を目的として、機械構造用部品の軽量化及び小型化が進んでいる。機械構造用部品の軽量化及び小型化は、機械構造用部品に掛かる負荷を増加させる。そのため、構造用鋼鋼材を用いて製造される機械構造用部品には、優れた曲げ疲労強度が求められる。たとえば、はすば歯車やウォームギア等のような歯丈の高い機械構造用部品では、高い曲げ疲労強度が求められる。 In recent years, there has been a trend towards making machine structural parts lighter and smaller in order to improve the fuel efficiency of automobiles, construction vehicles, industrial machinery, etc. The lighter and smaller machine structural parts increase the load on the machine structural parts. For this reason, machine structural parts manufactured using structural steel are required to have excellent bending fatigue strength. For example, machine structural parts with high tooth depths, such as helical gears and worm gears, require high bending fatigue strength.
構造用鋼鋼材を用いて優れた曲げ疲労強度を有する機械構造用部品を製造するために、熱間鍛造後に焼入れ及び焼戻し処理を実施する方法が用いられる場合がある。しかしながら、熱間鍛造後に焼入れ及び焼戻し処理を実施する方法では、加工時の形状精度が低い場合がある。そのため、加工時の形状精度を高めるために、熱間鍛造及び熱間鍛造後に焼入れ及び焼戻し処理を実施する方法に代えて、冷間加工を実施する方法が用いられる場合がある。 In order to manufacture machine structural parts with excellent bending fatigue strength using structural steel, a method of performing quenching and tempering after hot forging is sometimes used. However, the method of performing quenching and tempering after hot forging may result in low shape accuracy during processing. Therefore, in order to improve shape accuracy during processing, a method of performing cold processing may be used instead of the method of performing hot forging and quenching and tempering after hot forging.
冷間加工を実施する場合、冷間加工により加工硬化が起こり、機械構造用部品の曲げ疲労強度が向上する。しかしながら、冷間加工による加工硬化のみでは、熱間鍛造及び熱間鍛造後に焼入れ及び焼戻し処理を実施する場合に得られる曲げ疲労強度に相当するほどの高い曲げ疲労強度を得ることは難しい。そこで、冷間加工を実施した場合に、曲げ疲労強度を高める方法として、冷間加工後に時効硬化処理を実施することにより、機械構造用部品の曲げ疲労強度を高める方法が提案されている。 When cold working is performed, work hardening occurs due to the cold working, improving the bending fatigue strength of machine structural parts. However, it is difficult to obtain a bending fatigue strength as high as that obtained when hot forging, and quenching and tempering treatments are performed after hot forging, using only cold working for work hardening. Therefore, as a method for increasing bending fatigue strength when cold working is performed, a method has been proposed in which age hardening treatment is performed after cold working to increase the bending fatigue strength of machine structural parts.
冷間加工後に時効硬化処理を実施して機械構造用部品を製造するための素材となる鋼材はたとえば、特開2019-173168号公報(特許文献1)に提案されている。 A steel material that can be used to manufacture machine structural parts by performing age hardening treatment after cold working is proposed, for example, in JP 2019-173168 A (Patent Document 1).
特許文献1の冷間鍛造用鋼材は、質量%で、C:0.02~0.25%、Si:0.005~0.50%、Mn:0.70超~2.50%、P:0.035%以下、S:0.050%以下、Al:0.005~0.050%、Cr:0.02~0.70%、V:0.02~0.30%、N:0.003~0.030%、Nb:0~0.10%、B:0~0.005%、Ca:0~0.005%、Bi:0~0.10%、Pb:0~0.20%、及び、残部:Fe及び不純物、からなる。特許文献1の冷間鍛造用鋼材において、上記不純物中のCu、Ni及びMoの合計含有量は0.05質量%以下であり、上記不純物中のTi含有量は0.005質量%以下であり、式(1)を満たす化学組成を有する。なお、式(1)は、[V析出物]/[V含有量]≦0.50である。特許文献1の冷間鍛造用鋼材において、ミクロ組織はフェライト、パーライト及び/又はベイナイトを含有する。ミクロ組織におけるフェライトの面積率は10~90%である。これにより、高い冷間鍛造性を有し、かつ、冷間鍛造後に時効硬化処理された場合、高い曲げ疲労強度が得られる、と特許文献1には記載されている。 The cold forging steel material of Patent Document 1 consists, in mass percent, of C: 0.02-0.25%, Si: 0.005-0.50%, Mn: over 0.70% to 2.50%, P: 0.035% or less, S: 0.050% or less, Al: 0.005-0.050%, Cr: 0.02-0.70%, V: 0.02-0.30%, N: 0.003-0.030%, Nb: 0-0.10%, B: 0-0.005%, Ca: 0-0.005%, Bi: 0-0.10%, Pb: 0-0.20%, and the balance: Fe and impurities. In the cold forging steel material of Patent Document 1, the total content of Cu, Ni, and Mo in the above impurities is 0.05 mass% or less, the Ti content in the above impurities is 0.005 mass% or less, and the chemical composition satisfies formula (1). Formula (1) is [V precipitates]/[V content]≦0.50. In the cold forging steel material of Patent Document 1, the microstructure contains ferrite, pearlite, and/or bainite. The area ratio of ferrite in the microstructure is 10 to 90%. Patent Document 1 states that this provides high cold forgeability and high bending fatigue strength when subjected to age hardening treatment after cold forging.
しかしながら、冷間加工後に時効硬化処理を実施した場合であっても、機械構造用部品の曲げ疲労強度が十分に高まらない場合がある。そこで、さらに曲げ疲労強度を高める方法として、時効硬化処理に代えて、冷間加工後に窒化処理を実施することにより、機械構造用部品の曲げ疲労強度を高める方法が提案されている。 However, even when age hardening is performed after cold working, the bending fatigue strength of machine structural parts may not be sufficiently increased. Therefore, as a method for further increasing bending fatigue strength, a method has been proposed in which nitriding is performed after cold working instead of age hardening, thereby increasing the bending fatigue strength of machine structural parts.
冷間加工後に窒化処理を実施して機械構造用部品を製造するための素材となる鋼材はたとえば、特開平9-279296号公報(特許文献2)に提案されている。 A steel material that can be used to manufacture machine structural parts by performing nitriding treatment after cold working is proposed, for example, in JP-A-9-279296 (Patent Document 2).
特許文献2の軟窒化用鋼は、質量%で、C:0.01~0.15%、Si:0.01~1.00%、Mn:0.1~1.5%、Cr:0.1~2.0%、Al:0.10%超~1.00%、V:0.05~0.40%を含み、残部が鉄及び不可避的な不純物からなり、かつCr、Al、Vの添加量が次の(1)式を満足する化学組成を有する。なお、式(1)は、1.65≦Cr+6.2Al+1.9Vである。この軟窒化用鋼はさらに、熱間圧延後又は熱間鍛造後の芯部硬さがHvで200以下、かつ、その後の冷間鍛造における限界圧縮率が65%以上である。これにより、特許文献2の軟窒化用鋼は、良好な冷間鍛造性を有すると共に、表面硬さの高い優れた軟窒化特性を合わせ持つ、と特許文献2には記載されている。 The nitrocarburizing steel of Patent Document 2 has a chemical composition containing, by mass%, C: 0.01-0.15%, Si: 0.01-1.00%, Mn: 0.1-1.5%, Cr: 0.1-2.0%, Al: over 0.10% to 1.00%, V: 0.05-0.40%, with the remainder being iron and unavoidable impurities, and the amounts of Cr, Al, and V added satisfy the following formula (1). Formula (1) is 1.65≦Cr+6.2Al+1.9V. This nitrocarburizing steel further has a core hardness of 200 or less in Hv after hot rolling or hot forging, and a limit compression ratio in the subsequent cold forging of 65% or more. Patent Document 2 states that the nitrocarburizing steel of Patent Document 2 has good cold forgeability and excellent nitrocarburizing characteristics with high surface hardness.
特許文献2は、冷間鍛造後に窒化処理を実施することにより、窒化鋼部品の表面の硬さを高めている。これにより、ピッチング等の面疲労強度は向上すると考えられる。しかしながら、表面の硬さを高めるだけでは、窒化鋼部品の曲げ疲労強度が十分に向上しない場合がある。 In Patent Document 2, the surface hardness of nitrided steel parts is increased by carrying out a nitriding treatment after cold forging. This is thought to improve surface fatigue strength against pitting and the like. However, there are cases where simply increasing the surface hardness does not sufficiently improve the bending fatigue strength of nitrided steel parts.
本開示の目的は、高い曲げ疲労強度を有する窒化鋼部品を提供することである。 The objective of this disclosure is to provide a nitrided steel part that has high bending fatigue strength.
本発明による窒化鋼部品は、
前記窒化鋼部品の表層部の窒化層と、
前記窒化層よりも内部の芯部とを備え、
前記芯部の化学組成が、質量%で、
C:0.03~0.25%、
Si:0.02~0.50%、
Mn:0.70超~2.50%、
P:0.035%以下、
S:0.050%以下、
Al:0.005~0.050%、
Cr:0.03~0.30%未満、
V:0.10超~0.40%、及び、
N:0.003~0.030%、を含有し、
残部がFe及び不純物からなり、
前記芯部の化学組成中のV含有量を[V](質量%)と定義し、前記芯部のV析出物中のVの総含有量を[析出物中V](質量%)と定義したとき、式(1)を満たし、
陰極水素チャージ法で水素をチャージした場合の拡散性水素量が0.10ppm以上である。
[析出物中V]/[V]≧0.30 (1)
The nitrided steel part according to the invention has
a nitrided layer on the surface layer of the nitrided steel part;
A core portion located inside the nitride layer,
The chemical composition of the core is, in mass%,
C: 0.03-0.25%,
Si: 0.02-0.50%,
Mn: more than 0.70 to 2.50%,
P: 0.035% or less,
S: 0.050% or less,
Al: 0.005-0.050%,
Cr: 0.03 to less than 0.30%;
V: more than 0.10% to 0.40%; and
N: 0.003 to 0.030%;
The balance is Fe and impurities,
When the V content in the chemical composition of the core portion is defined as [V] (mass%) and the total V content in the V precipitates of the core portion is defined as [V in precipitates] (mass%), formula (1) is satisfied,
When hydrogen is charged by the cathodic hydrogen charging method, the amount of diffusible hydrogen is 0.10 ppm or more.
[V in precipitate]/[V]≧0.30 (1)
本発明による窒化鋼部品は、高い曲げ疲労強度を有する。 The nitrided steel parts of the present invention have high bending fatigue strength.
本発明者らは、上述の課題を解決するために、種々の検討を行い、次の知見を得た。 The inventors conducted various studies to solve the above problems and obtained the following findings.
初めに、本発明者らは、芯部において、質量%で、C:0.03~0.25%、Si:0.02~0.50%、Mn:0.70超~2.50%、P:0.035%以下、S:0.050%以下、Al:0.005~0.050%、Cr:0.03~0.30%未満、V:0.10超~0.40%、N:0.003~0.030%、Nb:0~0.100%、B:0~0.0100%、Cu:0~0.20%、Ni:0~0.20%、Ca:0~0.0050%、Bi:0~0.100%、Pb:0~0.090%、Mo:0~0.05%、Ti:0~0.005%、及び、残部がFe及び不純物からなる化学組成を有する窒化鋼部品において、窒化処理により、表面の硬さを高め、曲げ疲労強度を向上させる方法を検討した。しかしながら、窒化鋼部品の表面の硬さを高めるだけでは、曲げ疲労強度が高まらない場合があった。 First, the inventors determined that the core portion contains, in mass%, C: 0.03-0.25%, Si: 0.02-0.50%, Mn: over 0.70% and up to 2.50%, P: 0.035% or less, S: 0.050% or less, Al: 0.005-0.050%, Cr: 0.03-less than 0.30%, V: over 0.10% and up to 0.40%, N: 0.003-0.030%, Nb: 0-0.100%, B: 0 We investigated a method of increasing the surface hardness and improving the bending fatigue strength of nitrided steel parts with a chemical composition of Mo: 0.0100%, Cu: 0-0.20%, Ni: 0-0.20%, Ca: 0-0.0050%, Bi: 0-0.100%, Pb: 0-0.090%, Mo: 0-0.05%, Ti: 0-0.005%, and the balance being Fe and impurities, by using nitriding treatment. However, there were cases where simply increasing the surface hardness of nitrided steel parts did not increase the bending fatigue strength.
そこで、本発明者らは、窒化鋼部品の表面の硬さを高めるだけでは、曲げ疲労強度が高まらない原因について調査した。窒化鋼部品は、主として曲げ応力やねじり応力を受ける部位に使用される。窒化鋼部品が受ける曲げ応力やねじり応力は、窒化鋼部品の表面で最大となる。そのため、窒化鋼部品の表面に疲労破壊の起点が生じやすい。したがって、表面の硬さを高めることにより、表面を起点とする破壊は抑制される。一方、窒化鋼部品の芯部に向かうに伴い、上記の応力は小さくなるものの、窒化鋼部品の芯部にもある程度の負荷が掛かる。そのため、曲げ応力やねじり応力を受けた窒化鋼部品は、窒化鋼部品の芯部を起点として疲労破壊が生じる場合がある。したがって、表面の硬さを高めるだけではなく、芯部の硬さを高めることが有効である。 The inventors therefore investigated the reason why the bending fatigue strength of a nitrided steel part does not increase simply by increasing the hardness of the surface. Nitrided steel parts are mainly used in areas that are subject to bending stress and torsional stress. The bending stress and torsional stress that a nitrided steel part is subjected to are greatest on the surface of the nitrided steel part. Therefore, the origin of fatigue fracture is likely to occur on the surface of the nitrided steel part. Therefore, by increasing the hardness of the surface, fracture originating from the surface is suppressed. On the other hand, although the above stress decreases toward the core of the nitrided steel part, a certain amount of load is also applied to the core of the nitrided steel part. Therefore, when a nitrided steel part is subjected to bending stress or torsional stress, fatigue fracture may occur originating from the core of the nitrided steel part. Therefore, it is effective to not only increase the hardness of the surface, but also to increase the hardness of the core.
次に、本発明者らは、窒化処理で窒化鋼部品の芯部の硬さが十分に高まらない原因について調査した。冷間加工後の鋼材は、窒化処理を実施することにより、表層部の窒化層と、窒化層よりも内部の芯部とを備える窒化鋼部品となる。ここで窒化層とは、窒化処理により鋼材表層に形成される層であり、芯部よりも高い硬さを有する。 Next, the inventors investigated the reason why the hardness of the core of a nitrided steel part is not sufficiently increased by nitriding. By carrying out nitriding on steel after cold working, it becomes a nitrided steel part that has a nitrided layer on the surface and a core part deeper than the nitrided layer. Here, the nitrided layer is a layer formed on the surface of the steel by nitriding, and has a higher hardness than the core part.
窒化処理では、鋼材表面から窒素を拡散侵入させ、鋼材の表層でCr窒化物、Al窒化物及びV窒化物等の窒化物を形成する。そのため、鋼材中にCr、Al及びV等の窒化物を形成しやすい元素(以下、窒化物形成元素ともいう)の含有量が高ければ、鋼材の表層の窒化物形成は促進される。そのため、窒化層の硬さは高まる。したがって、窒化鋼部品の表面の硬さを高めるためには、窒化鋼部品の素材である鋼材中に窒化物形成元素を多く含有すればよい。しかしながら、この場合、鋼材の表面から供給された窒素の多くはCr窒化物、Al窒化物及びV窒化物等の形成に使用される。そのため、鋼材の内部にまで十分に窒素が拡散されない場合がある。この場合、窒化鋼部品の芯部の硬さは十分に高まらず、窒化鋼部品の曲げ疲労強度は十分に高まらない。窒化鋼部品の芯部の硬さを高めるほど多くのCr、Al及びV等を含有した鋼材に対して窒化処理を実施すれば、窒化鋼部品の窒化層の硬さが著しく高まる。しかしながら、窒化層の硬さが過剰に高まれば、かえって曲げ疲労強度が低下する。そこで、本発明者らは、窒化層の硬さを過剰に高めず、窒化鋼部品の芯部の硬さを高め、窒化鋼部品の曲げ疲労強度を高めるのが良いと考えた。 In the nitriding process, nitrogen is diffused from the surface of the steel material to form nitrides such as Cr nitrides, Al nitrides, and V nitrides in the surface layer of the steel material. Therefore, if the content of elements that easily form nitrides such as Cr, Al, and V (hereinafter also referred to as nitride-forming elements) in the steel material is high, the formation of nitrides in the surface layer of the steel material is promoted. Therefore, the hardness of the nitrided layer is increased. Therefore, in order to increase the hardness of the surface of the nitrided steel part, it is sufficient to contain a large amount of nitride-forming elements in the steel material, which is the material of the nitrided steel part. However, in this case, most of the nitrogen supplied from the surface of the steel material is used to form Cr nitrides, Al nitrides, V nitrides, etc. Therefore, there are cases where nitrogen is not sufficiently diffused to the inside of the steel material. In this case, the hardness of the core of the nitrided steel part is not sufficiently increased, and the bending fatigue strength of the nitrided steel part is not sufficiently increased. If the nitriding process is performed on a steel material that contains a large amount of Cr, Al, V, etc. to increase the hardness of the core of the nitrided steel part, the hardness of the nitrided layer of the nitrided steel part will be significantly increased. However, if the hardness of the nitrided layer is excessively high, the bending fatigue strength will actually decrease. Therefore, the inventors thought that it would be better to increase the hardness of the core of the nitrided steel part rather than increasing the hardness of the nitrided layer excessively, thereby increasing the bending fatigue strength of the nitrided steel part.
本発明者らは、さらなる調査及び検討の結果、窒化処理だけでなく、V析出物による析出強化を利用することにより、窒化層の硬さを過剰に高めず、窒化鋼部品の芯部の硬さを高め、窒化鋼部品の曲げ疲労強度を高めることができると考えた。 As a result of further research and consideration, the inventors have concluded that by utilizing precipitation strengthening by V precipitates in addition to nitriding, it is possible to increase the hardness of the core of nitrided steel parts without excessively increasing the hardness of the nitrided layer, thereby increasing the bending fatigue strength of the nitrided steel parts.
具体的には、V析出物による析出強化では、ナノサイズの微細なV析出物を多数生成して曲げ疲労強度を高める。本明細書では、V炭窒化物(V(C,N))、V炭化物(VC)及びV窒化物(VN)を総称して「V析出物」と定義する。窒化鋼部品中に析出するV析出物のほとんどはV炭窒化物(V(C,N))である。しかしながら、V析出物の一部がV炭化物(VC)及び/又はV窒化物(VN)として析出する場合もあり得る。V炭化物及びV窒化物もV炭窒化物と同様の効果があると考えられる。したがって、本明細書では、「V析出物」は、V炭窒化物、V炭化物及びV窒化物を含む。 Specifically, precipitation strengthening by V precipitates produces many nano-sized fine V precipitates to increase bending fatigue strength. In this specification, V carbonitride (V(C,N)), V carbide (VC) and V nitride (VN) are collectively defined as "V precipitates". Most of the V precipitates that precipitate in nitrided steel parts are V carbonitride (V(C,N)). However, some of the V precipitates may precipitate as V carbide (VC) and/or V nitride (VN). V carbide and V nitride are considered to have the same effect as V carbonitride. Therefore, in this specification, "V precipitates" includes V carbonitride, V carbide and V nitride.
具体的には、窒化鋼部品の芯部の化学組成中のV含有量を[V](質量%)と定義し、窒化鋼部品の芯部の化学組成を100%とした場合の、窒化鋼部品の芯部のV析出物中のVの総含有量を[析出物中V](質量%)と定義する。この場合、芯部の化学組成中の各元素含有量が上述の範囲内である窒化鋼部品において、以下の式(1)を満たせば、曲げ疲労強度を高めるのに十分な量のV析出物が窒化鋼部品中に析出している。
[析出物中V]/[V]≧0.30 (1)
Specifically, the V content in the chemical composition of the core of a nitrided steel part is defined as [V] (mass %), and the total V content in V precipitates in the core of a nitrided steel part when the chemical composition of the core of the nitrided steel part is taken as 100% is defined as [V in precipitates] (mass %). In this case, in a nitrided steel part in which the contents of each element in the chemical composition of the core are within the above-mentioned ranges, if the following formula (1) is satisfied, a sufficient amount of V precipitates is precipitated in the nitrided steel part to increase bending fatigue strength.
[V in precipitate]/[V]≧0.30 (1)
上述のとおり、芯部の化学組成中の各元素含有量が上述の範囲内である窒化鋼部品において、式(1)を満たすだけの十分な量のV析出物が析出していれば、窒化鋼部品の曲げ疲労強度はある程度向上する。しかしながら、芯部の化学組成中の各元素含有量が上述の範囲内である窒化鋼部品において、式(1)を満たすだけの十分なV析出物が析出していても、歯丈の高い歯車等に使用する場合には曲げ疲労強度が不十分である場合があった。そこで、本発明者らは、さらに高い曲げ疲労強度が得られる条件を検討した。その結果、V析出物による析出強化により、窒化鋼部品の曲げ疲労強度をさらに高めるためには、V析出物の形状を制御することが有効であると考えた。以下、この点について説明する。 As described above, in a nitrided steel part in which the content of each element in the chemical composition of the core is within the above-mentioned range, if a sufficient amount of V precipitates are precipitated to satisfy formula (1), the bending fatigue strength of the nitrided steel part is improved to a certain extent. However, even if a sufficient amount of V precipitates are precipitated to satisfy formula (1) in a nitrided steel part in which the content of each element in the chemical composition of the core is within the above-mentioned range, the bending fatigue strength may be insufficient when used in gears with high tooth heights. Therefore, the inventors of the present invention have investigated conditions under which even higher bending fatigue strength can be obtained. As a result, they have concluded that controlling the shape of the V precipitates is effective in further increasing the bending fatigue strength of nitrided steel parts through precipitation strengthening by the V precipitates. This point will be explained below.
V析出物には、球状のV析出物と、板状のV析出物とが存在する。以降の説明では、球状のV析出物を球状V析出物と称し、板状のV析出物を板状V析出物と称する。球状V析出物が生成する場合、球状V析出物と母相との界面は主に非整合界面となる。非整合界面として析出した球状V析出物は単純な障害物としてのみ作用し、直接衝突する転位運動のみを阻害する。このため、球状V析出物は、転位運動に対して抵抗となりにくい。 There are spherical V precipitates and plate-shaped V precipitates. In the following explanation, spherical V precipitates are referred to as spherical V precipitates, and plate-shaped V precipitates are referred to as plate-shaped V precipitates. When spherical V precipitates form, the interface between the spherical V precipitates and the parent phase is mainly an incoherent interface. Spherical V precipitates that precipitate as incoherent interfaces act only as simple obstacles, hindering only the motion of dislocations that directly collide with them. For this reason, spherical V precipitates do not provide much resistance to dislocation motion.
一方、板状V析出物はNaCl型の結晶構造を有し、母相(α)に対してBaker-Nutting(B-N)の関係(つまり、板状V析出物の{100}と母相の{100}とが平行であり、かつ、板状V析出物の<100>方向と母相の<110>方向とが平行の関係)となる整合界面又は半整合界面を形成する。整合界面又は半整合界面は、板状V析出物の周辺に整合歪場を形成する。この整合歪場が転位と相互作用することで、直接衝突する転位運動のみではなく、板状V析出物の近傍を通過する転位運動も阻害する。このため、板状V析出物は、転位運動に対して大きな抵抗となる。 On the other hand, the plate-shaped V precipitates have a NaCl-type crystal structure and form a coherent or semi-coherent interface with the parent phase (α) that has a Baker-Nutting (B-N) relationship (i.e., the {100} of the plate-shaped V precipitates is parallel to the {100} of the parent phase, and the <100> direction of the plate-shaped V precipitates is parallel to the <110> direction of the parent phase). The coherent or semi-coherent interface forms a coherent strain field around the plate-shaped V precipitates. This coherent strain field interacts with dislocations, inhibiting not only dislocation motion that directly impinges, but also dislocation motion that passes near the plate-shaped V precipitates. For this reason, the plate-shaped V precipitates provide a large resistance to dislocation motion.
以上の検討結果から、本発明者らは、窒化鋼部品の芯部に、球状V析出物ではなく、板状V析出物をなるべく析出させることにより、転位運動の抵抗をさらに高めることができ、窒化鋼部品において、高い曲げ疲労強度が得られると考えた。 Based on the above findings, the inventors believed that by precipitating as many plate-shaped V precipitates as possible in the core of nitrided steel parts, rather than spherical V precipitates, it would be possible to further increase resistance to dislocation motion, thereby achieving high bending fatigue strength in nitrided steel parts.
ところで、板状V析出物のサイズはナノレベルである。そのため、ミクロ組織観察により、板状V析出物及び球状V析出物を特定し、V析出物中の板状V析出物の割合を求めることは極めて困難である。一方、整合界面及び半整合界面では水素がトラップされやすく、非整合界面では、水素がトラップされにくい。つまり、板状V析出物は水素をトラップしやすく、球状V析出物は水素をトラップしにくい。したがって、式(1)を満たす量のV析出物が析出された窒化鋼部品において、水素をチャージした場合の水素トラップ量が多ければ、曲げ疲労強度を高める量のV析出物中において、板状V析出物の割合が多いことを意味する。 The size of the plate-shaped V precipitates is at the nano level. Therefore, it is extremely difficult to identify plate-shaped V precipitates and spherical V precipitates by microstructural observation and to determine the proportion of plate-shaped V precipitates in the V precipitates. On the other hand, hydrogen is easily trapped at coherent interfaces and semi-coherent interfaces, and is not easily trapped at incoherent interfaces. In other words, plate-shaped V precipitates are easy to trap hydrogen, and spherical V precipitates are not easy to trap hydrogen. Therefore, in a nitrided steel part in which V precipitates are precipitated in an amount that satisfies formula (1), if the amount of hydrogen trapped when hydrogen is charged is large, it means that the proportion of plate-shaped V precipitates is high among the amount of V precipitates that increases bending fatigue strength.
そこで、本発明者らは、V析出物中の板状V析出物の割合を示す指標として、後述の陰極水素チャージ法で窒化鋼部品の芯部に水素をチャージした場合に得られる拡散性水素量と疲労特性との関係を調査した。その結果、芯部の化学組成中の各元素含有量が上述の範囲内であり、式(1)を満たすV析出物量を有する窒化鋼部品の芯部において、陰極水素チャージ法で水素をチャージした場合の拡散性水素量が0.10ppm以上であれば、V析出物中の板状V析出物の割合が高く、優れた曲げ疲労強度が得られることを見出した。 The inventors therefore investigated the relationship between the amount of diffusible hydrogen obtained when hydrogen is charged to the core of a nitrided steel part by the cathodic hydrogen charging method described below, as an index showing the proportion of plate-like V precipitates in the V precipitates, and fatigue properties. As a result, they found that in the core of a nitrided steel part in which the content of each element in the chemical composition of the core is within the above-mentioned range and the amount of V precipitates satisfying formula (1), if the amount of diffusible hydrogen is 0.10 ppm or more when hydrogen is charged by the cathodic hydrogen charging method, the proportion of plate-like V precipitates in the V precipitates is high, and excellent bending fatigue strength can be obtained.
以上の知見に基づいて完成した本実施形態による窒化鋼部品の要旨は次のとおりである。 The nitrided steel part of this embodiment, which was completed based on the above findings, has the following features:
[1]
窒化鋼部品であって、
前記窒化鋼部品の表層部の窒化層と、
前記窒化層よりも内部の芯部とを備え、
前記芯部の化学組成が、質量%で、
C:0.03~0.25%、
Si:0.02~0.50%、
Mn:0.70超~2.50%、
P:0.035%以下、
S:0.050%以下、
Al:0.005~0.050%、
Cr:0.03~0.30%未満、
V:0.10超~0.40%、及び、
N:0.003~0.030%、を含有し、
残部がFe及び不純物からなり、
前記芯部の化学組成中のV含有量を[V](質量%)と定義し、前記芯部のV析出物中のVの総含有量を[析出物中V](質量%)と定義したとき、式(1)を満たし、
陰極水素チャージ法で水素をチャージした場合の拡散性水素量が0.10ppm以上である、
窒化鋼部品。
[析出物中V]/[V]≧0.30 (1)
[1]
1. A nitrided steel part, comprising:
a nitrided layer on the surface layer of the nitrided steel part;
A core portion located inside the nitride layer,
The chemical composition of the core is, in mass%,
C: 0.03-0.25%,
Si: 0.02-0.50%,
Mn: more than 0.70 to 2.50%,
P: 0.035% or less,
S: 0.050% or less,
Al: 0.005-0.050%,
Cr: 0.03 to less than 0.30%;
V: more than 0.10% to 0.40%; and
N: 0.003 to 0.030%;
The balance is Fe and impurities,
When the V content in the chemical composition of the core portion is defined as [V] (mass%) and the total V content in the V precipitates of the core portion is defined as [V in precipitates] (mass%), formula (1) is satisfied,
The amount of diffusible hydrogen when hydrogen is charged by a cathodic hydrogen charging method is 0.10 ppm or more.
Nitrided steel parts.
[V in precipitate]/[V]≧0.30 (1)
[2]
[1]に記載の窒化鋼部品であって、
前記芯部の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、
Nb:0.100%以下、及び、
B:0.0100%以下、
からなる群から選択される1種以上を含有する、
窒化鋼部品。
[2]
A nitriding steel part according to [1],
The chemical composition of the core portion further includes, instead of a part of Fe,
Nb: 0.100% or less; and
B: 0.0100% or less,
Contains one or more selected from the group consisting of
Nitrided steel parts.
[3]
[1]又は[2]に記載の窒化鋼部品であって、
前記芯部の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、
Cu:0.20%以下、及び、
Ni:0.20%以下、
からなる群から選択される1種以上を含有する、
窒化鋼部品。
[3]
A nitriding steel part according to [1] or [2],
The chemical composition of the core portion further includes, instead of a part of Fe,
Cu: 0.20% or less, and
Ni: 0.20% or less,
Contains one or more selected from the group consisting of
Nitrided steel parts.
[4]
[1]~[3]のいずれかに記載の窒化鋼部品であって、
前記芯部の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、
Ca:0.0050%以下、
Bi:0.100%以下、及び、
Pb:0.090%以下、
からなる群から選択される1種以上を含有する、
窒化鋼部品。
[4]
A nitriding steel part according to any one of [1] to [3],
The chemical composition of the core portion further includes, instead of a part of Fe,
Ca: 0.0050% or less,
Bi: 0.100% or less; and
Pb: 0.090% or less,
Contains one or more selected from the group consisting of
Nitrided steel parts.
[5]
[1]~[4]のいずれかに記載の窒化鋼部品であって、
前記芯部の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、
Mo:0.05%以下、及び、
Ti:0.005%以下、
からなる群から選択される1種以上を含有する、
窒化鋼部品。
[5]
A nitriding steel part according to any one of [1] to [4],
The chemical composition of the core portion further includes, instead of a part of Fe,
Mo: 0.05% or less, and
Ti: 0.005% or less,
Contains one or more selected from the group consisting of
Nitrided steel parts.
本実施形態による窒化鋼部品は、高い曲げ疲労強度を有する。 The nitrided steel parts according to this embodiment have high bending fatigue strength.
以下、本実施形態による窒化鋼部品について詳述する。元素に関する「%」は、質量%を意味する。 The nitrided steel part according to this embodiment will be described in detail below. "%" for elements means mass %.
[窒化鋼部品の構成]
本実施形態の窒化鋼部品は、窒化層と、芯部とを備える。窒化層は、窒化鋼部品の表層に形成されている。窒化層の硬さは、芯部の硬さよりも高い。窒化鋼部品における窒化層及び芯部は、例えばEPMA(Electron Probe Micro Analyzer)を用いたN濃度分布測定により区別可能である。
[Configuration of nitrided steel parts]
The nitrided steel part of this embodiment includes a nitrided layer and a core. The nitrided layer is formed on the surface layer of the nitrided steel part. The nitrided layer has a higher hardness than the core. The nitrided layer and the core in the nitrided steel part can be distinguished by N concentration distribution measurement using, for example, an EPMA (Electron Probe Micro Analyzer).
[化学組成]
本実施形態による窒化鋼部品の芯部の化学組成は、次の元素を含有する。
[Chemical composition]
The chemical composition of the core of the nitrided steel part according to this embodiment contains the following elements:
C:0.03~0.25%
炭素(C)は、窒化鋼部品中のVと結合してV析出物を形成する。V析出物が形成されれば、析出強化により、窒化鋼部品の曲げ疲労強度が高まる。Cはさらに、窒化鋼部品中のパーライト及びベイナイトの面積率を高める。パーライト及びベイナイトは、フェライトと比較して高強度の相である。そのためパーライト及びベイナイトの面積率が高まれば、窒化鋼部品の曲げ疲労強度が高まる。C含有量が0.03%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、C含有量が0.25%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、窒化鋼部品の素材である鋼材の冷間加工性が低下する。したがって、C含有量は0.03~0.25%である。C含有量の好ましい下限は0.05%であり、さらに好ましくは0.07%であり、さらに好ましくは0.10%である。C含有量の好ましい上限は0.23%未満であり、さらに好ましくは0.21%であり、さらに好ましくは0.19%である。
C: 0.03-0.25%
Carbon (C) combines with V in the nitrided steel parts to form V precipitates. If V precipitates are formed, the bending fatigue strength of the nitrided steel parts is increased by precipitation strengthening. C also: Increase the area ratio of pearlite and bainite in nitrided steel parts. Pearlite and bainite are phases with higher strength than ferrite. Therefore, if the area ratio of pearlite and bainite is increased, the bending fatigue strength of nitrided steel parts will be improved. If the C content is less than 0.03%, the above effect cannot be sufficiently obtained even if the contents of other elements are within the ranges of this embodiment. %, the cold workability of the steel material from which the nitrided steel parts are made deteriorates even if the contents of other elements are within the ranges of this embodiment. The preferred lower limit of the C content is 0.05%, more preferably 0.07%, and even more preferably 0.10%. The preferred upper limit of the C content is 0.23%. %, more preferably less than 0.21%, and even more preferably less than 0.19%.
Si:0.02~0.50%
シリコン(Si)は、窒化鋼部品の曲げ疲労強度を高める。また、Siは鋼を脱酸する。Si含有量が0.02%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Si含有量が0.50%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、窒化鋼部品の素材である鋼材の冷間加工性が低下する。したがって、Si含有量は0.02~0.50%である。Si含有量の好ましい下限は0.05%であり、さらに好ましくは0.07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0.45%であり、さらに好ましくは0.40%であり、さらに好ましくは0.35%である。
Si: 0.02-0.50%
Silicon (Si) increases the bending fatigue strength of nitrided steel parts. Si also deoxidizes the steel. If the Si content is less than 0.02%, the contents of other elements are within the range of this embodiment. On the other hand, if the Si content exceeds 0.50%, the above effect cannot be sufficiently obtained even if the contents of other elements are within the range of this embodiment. The cold workability of the steel material is deteriorated. Therefore, the Si content is 0.02 to 0.50%. The lower limit of the Si content is preferably 0.05%, and more preferably 0.07%. The upper limit of the Si content is preferably 0.45%, more preferably 0.40%, and still more preferably 0.35%.
Mn:0.70超~2.50%
マンガン(Mn)は、高強度相であるパーライト若しくはベイナイトの生成を促進する。その結果、窒化鋼部品の曲げ疲労強度を高める。Mn含有量が0.70%以下であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Mn含有量が2.50%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、窒化鋼部品の素材である鋼材の強度が高くなりすぎて冷間加工性が低下する。Mn含有量が2.50%を超えればさらに、素材である鋼材のパーライト及びベイナイトが過剰に生成され、フェライト面積率が過剰に低下する。そのため、冷間加工性がさらに低下する。したがって、Mn含有量は0.70超~2.50%である。Mn含有量の好ましい下限は0.75%であり、さらに好ましくは0.80%であり、さらに好ましくは1.20%であり、さらに好ましくは1.40%である。Mn含有量の好ましい上限は2.30%であり、さらに好ましくは2.10%であり、さらに好ましくは1.90%である。
Mn: more than 0.70 to 2.50%
Manganese (Mn) promotes the formation of high strength phases, pearlite and bainite, thereby increasing the bending fatigue strength of nitrided steel parts. If the Mn content is 0.70% or less, it is possible to improve the bending fatigue strength of nitrided steel parts by reducing the Mn content. On the other hand, if the Mn content exceeds 2.50%, the above-mentioned effects cannot be sufficiently obtained even if the contents of the other elements are within the ranges of the present embodiment. However, the strength of the steel material from which the nitrided steel parts are made becomes too high, resulting in a decrease in cold workability. If the Mn content exceeds 2.50%, the pearlite and bainite in the steel material will become excessive. The ferrite area ratio is excessively reduced, and the cold workability is further deteriorated. Therefore, the Mn content is more than 0.70% to 2.50%. The preferable lower limit of the Mn content is 0. The upper limit of the Mn content is preferably 2.30%, more preferably 75%, more preferably 0.80%, more preferably 1.20%, and even more preferably 1.40%. It is preferably 2.10%, and more preferably 1.90%.
P:0.035%以下
リン(P)は不純物である。Pは粒界に偏析して、窒化鋼部品の曲げ疲労強度を低下させる。したがって、P含有量は0.035%以下である。P含有量の好ましい上限は0.030%であり、さらに好ましくは0.025%であり、さらに好ましくは0.020%である。P含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、P含有量の過剰な低減は製造コストを引き上げる。したがって、通常の工業生産を考慮すれば、P含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.001%であり、さらに好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.010%である。
P: 0.035% or less Phosphorus (P) is an impurity. P segregates at grain boundaries and reduces the bending fatigue strength of nitrided steel parts. Therefore, the P content is 0.035% or less. The preferred upper limit of the P content is 0.030%, more preferably 0.025%, and even more preferably 0.020%. The P content is preferably as low as possible. However, excessive reduction of the P content increases the manufacturing cost. Therefore, in consideration of normal industrial production, the preferred lower limit of the P content is more than 0%, more preferably 0.001%, more preferably 0.005%, and even more preferably 0.010%.
S:0.050%以下
硫黄(S)は不純物である。SはMnと結合してMnSを形成し、鋼材の被削性を高める。しかしながら、S含有量が0.050%を超えれば、粗大なMnSが生成する。粗大なMnSは冷間加工時に割れの起点となりやすい。そのため、窒化鋼部品の素材である鋼材の冷間加工性が低下する。したがって、S含有量は0.050%以下である。S含有量の好ましい上限は0.045%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%であり、さらに好ましくは0.020%である。S含有量の過剰な低減は製造コストを引き上げる。したがって、通常の工業生産を考慮すれば、S含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.001%であり、さらに好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.006%である。
S: 0.050% or less Sulfur (S) is an impurity. S combines with Mn to form MnS, which improves the machinability of steel. However, if the S content exceeds 0.050%, coarse MnS is generated. Coarse MnS is likely to become the starting point of cracks during cold working. Therefore, the cold workability of the steel material, which is the material of the nitriding steel parts, is reduced. Therefore, the S content is 0.050% or less. The preferred upper limit of the S content is 0.045%, more preferably 0.040%, more preferably 0.030%, and even more preferably 0.020%. Excessive reduction of the S content increases the manufacturing cost. Therefore, considering normal industrial production, the preferred lower limit of the S content is more than 0%, more preferably 0.001%, more preferably 0.005%, and even more preferably 0.006%.
Al:0.005~0.050%
アルミニウム(Al)は鋼を脱酸する。また、Al窒化物を形成し、窒化層の硬さを上昇させる。Al含有量が0.005%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Al含有量が0.050%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材中にAl酸化物等の粗大なAl系介在物が生成し、粗大なAl系介在物は冷間加工時に割れの起点となりやすい。また、窒化層深さを減少させ、窒化鋼部品の曲げ疲労強度が低下する。したがって、Al含有量は0.005~0.050%である。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%であり、さらに好ましくは0.015%である。Al含有量の好ましい上限は0.045%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%であり、さらに好ましくは0.020%である。なお、本実施の形態の窒化鋼部品において、Al含有量とは全Alの含有量を意味する。
Al: 0.005-0.050%
Aluminum (Al) deoxidizes the steel. It also forms Al nitrides, which increase the hardness of the nitrided layer. If the Al content is less than 0.005%, the contents of other elements are not affected by the present invention. On the other hand, if the Al content exceeds 0.050%, the steel material may not be able to obtain the above-mentioned effects even if the contents of the other elements are within the range of the present embodiment. Coarse Al-based inclusions such as Al oxides are formed in the nitrided steel, and these coarse Al-based inclusions are likely to become the starting point of cracks during cold working. In addition, the nitrided layer depth is reduced, and bending fatigue of nitrided steel parts is improved. The strength decreases. Therefore, the Al content is 0.005 to 0.050%. The lower limit of the Al content is preferably 0.005%, more preferably 0.010%, and even more preferably 0. The upper limit of the Al content is preferably 0.045%, more preferably 0.040%, further preferably 0.030%, and further preferably 0.020%. In the nitrided steel part of this embodiment, the Al content means the total Al content.
Cr:0.03~0.30%未満
クロム(Cr)は、窒化鋼部品の曲げ疲労強度を高める。Crはさらに、窒化処理によりCr窒化物を形成し、窒化層の硬さを高める。Cr含有量が0.03%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Cr含有量が0.30%以上であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、窒化層の深さが減少し、窒化鋼部品の曲げ疲労強度が低下する。したがって、Cr含有量は0.03~0.30%未満である。Cr含有量の好ましい下限は0.05%であり、さらに好ましくは0.07%であり、さらに好ましくは0.10%である。Cr含有量の好ましい上限は0.28%であり、さらに好ましくは0.25%であり、さらに好ましくは0.20%である。
Cr: 0.03 to less than 0.30% Chromium (Cr) increases the bending fatigue strength of nitrided steel parts. Cr also forms Cr nitrides by nitriding treatment to increase the hardness of the nitrided layer. If the Cr content is less than 0.03%, the above effect cannot be sufficiently obtained even if the contents of other elements are within the range of this embodiment. On the other hand, if the Cr content is 0.30% or more, the depth of the nitrided layer decreases and the bending fatigue strength of the nitrided steel parts decreases even if the contents of other elements are within the range of this embodiment. Therefore, the Cr content is 0.03 to less than 0.30%. The preferred lower limit of the Cr content is 0.05%, more preferably 0.07%, and even more preferably 0.10%. The preferred upper limit of the Cr content is 0.28%, more preferably 0.25%, and even more preferably 0.20%.
V:0.10超~0.40%
バナジウム(V)は、窒化鋼部品の芯部において鋼材中のC及び/又はNと結合してV析出物を形成する。芯部にV析出物が形成されれば、析出強化により、窒化鋼部品の曲げ疲労強度が高まる。Vはさらに、窒化処理によりV窒化物を形成し、窒化層の硬さを高める。V含有量が0.10%以下であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、V含有量が0.40%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、V析出物が球状化しやすい。そのため、窒化鋼部品の曲げ疲労強度が低下する。V含有量が0.40%を超えればさらに、窒化鋼部品の素材である鋼材の冷間加工性が低下する。したがって、V含有量は0.10超~0.40%である。V含有量の好ましい下限は0.12%であり、さらに好ましくは0.15%であり、さらに好ましくは0.18%である。V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%であり、さらに好ましくは0.30%であり、さらに好ましくは0.28%である。
V: more than 0.10 to 0.40%
Vanadium (V) combines with C and/or N in the steel material in the core of the nitrided steel part to form V precipitates. If V precipitates are formed in the core, the nitrided steel part will become stronger due to precipitation strengthening. The bending fatigue strength of the parts is improved. V also forms V nitrides by nitriding, which increases the hardness of the nitrided layer. If the V content is 0.10% or less, the content of other elements is comparable to that of the present invention. Even if the V content is within the range of the embodiment, the above-mentioned effects cannot be sufficiently obtained. On the other hand, if the V content exceeds 0.40%, even if the contents of other elements are within the range of the embodiment, V precipitates are easily spheroidized. This reduces the bending fatigue strength of nitrided steel parts. If the V content exceeds 0.40%, the cold workability of the steel material from which the nitrided steel parts are made also decreases. Therefore, the V content is more than 0.10% to 0.40%. The lower limit of the V content is preferably 0.12%, more preferably 0.15%, and even more preferably 0.18%. It is. The upper limit of the V content is preferably 0.38%, more preferably 0.35%, further preferably 0.30%, and further preferably 0.28%.
N:0.003~0.030%
窒素(N)は、鋼材中のVと結合してV析出物を形成する。V析出物が形成されれば、析出強化により、窒化鋼部品の曲げ疲労強度が高まる。N含有量が0.003%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、N含有量が0.030%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、熱間加工後の鋼材にV析出物であるV窒化物(VN)が過剰に析出する。V窒化物が過剰に析出すれば、後述の窒化処理工程において、V窒化物が球状化しやすくなる。あるいは、熱間加工後の冷却時にV窒化物を過剰に析出させてしまうと、後述の窒化処理工程で芯部に析出させるV析出物のV源が減少する。そのため、窒化処理工程において、芯部に板状V析出物を十分に析出させることができなくなる。その結果、曲げ疲労強度が低下する。したがって、N含有量は0.003~0.030%である。N含有量の好ましい下限は0.003%超であり、さらに好ましくは0.004%であり、さらに好ましくは0.005%である。N含有量の好ましい上限は0.025%であり、さらに好ましくは0.020%であり、さらに好ましくは0.015%である。
N: 0.003-0.030%
Nitrogen (N) combines with V in the steel material to form V precipitates. If V precipitates are formed, the bending fatigue strength of the nitrided steel parts is increased by precipitation strengthening. If the N content is less than 0.003%, the above effect cannot be sufficiently obtained even if the contents of the other elements are within the range of this embodiment. Even if the content is within the range of this embodiment, V nitrides (VN), which are V precipitates, are excessively precipitated in the steel material after hot working. In the nitriding process, the V nitrides tend to become spheroidized. Alternatively, if excessive V nitrides are precipitated during cooling after hot working, the V precipitates precipitated in the core in the nitriding process described below may become spheroidized. The V source is reduced. Therefore, in the nitriding process, plate-shaped V precipitates cannot be sufficiently precipitated in the core portion. As a result, the bending fatigue strength is reduced. Therefore, the N content is 0.003 ~0.030%. The lower limit of the N content is preferably more than 0.003%, more preferably 0.004%, and even more preferably 0.005%. The upper limit of the N content is preferably 0.025%, and even more preferably 0.005%. The content is preferably 0.020%, and more preferably 0.015%.
[任意元素(optional elements)について]
上記窒化鋼部品の芯部の化学組成は、Feの一部に代えて、Nb:0.100%以下、及び、B:0.0100%以下、からなる群から選択される1種以上を含有してもよい。これらの元素は任意元素であり、いずれも、窒化鋼部品の曲げ疲労強度を高める。
[Regarding optional elements]
The chemical composition of the core of the nitrided steel part may contain, in place of a portion of Fe, one or more elements selected from the group consisting of 0.100% or less Nb and 0.0100% or less B. These elements are optional elements, and all of them increase the bending fatigue strength of the nitrided steel part.
Nb:0.100%以下
ニオブ(Nb)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Nb含有量は0%であってもよい。含有される場合、つまり、Nb含有量が0%超の場合、Nbは鋼材中のC及び/又はNと結合してNb析出物を形成する。Nb析出物が形成されれば、析出強化により、窒化鋼部品の曲げ疲労強度が高まる。そのため、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。しかしながら、Nb含有量が0.100%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、窒化鋼部品の素材である鋼材の冷間加工性が低下する。したがって、Nb含有量は、0~0.100%である。Nbが含有される場合、Nb含有量は0.100%以下である。Nb含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.001%であり、さらに好ましくは0.010%であり、さらに好ましくは0.020%である。Nb含有量の好ましい上限は0.080%であり、さらに好ましくは0.070%であり、さらに好ましくは0.060%である。
Nb: 0.100% or less Niobium (Nb) is an optional element and may not be contained. That is, the Nb content may be 0%. When it is contained, that is, when the Nb content is more than 0%, Nb combines with C and/or N in the steel material to form Nb precipitates. If Nb precipitates are formed, the bending fatigue strength of the nitrided steel part is increased by precipitation strengthening. Therefore, even if even a small amount of Nb is contained, the above effect can be obtained to a certain extent. However, if the Nb content exceeds 0.100%, the cold workability of the steel material, which is the material of the nitrided steel part, decreases even if the contents of other elements are within the range of this embodiment. Therefore, the Nb content is 0 to 0.100%. When Nb is contained, the Nb content is 0.100% or less. The preferable lower limit of the Nb content is more than 0%, more preferably 0.001%, more preferably 0.010%, and even more preferably 0.020%. The upper limit of the Nb content is preferably 0.080%, more preferably 0.070%, and further preferably 0.060%.
B:0.0100%以下
ボロン(B)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、B含有量は0%であってもよい。含有される場合、つまり、B含有量が0%超の場合、Bは窒化鋼部品の結晶粒界を強化し、窒化鋼部品の曲げ疲労強度を高める。そのため、Bが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、B含有量が0.0100%を超えれば、上記効果が飽和する。B含有量が0.0100%を超えればさらに、原料コストが高くなり、かつ、製造性も低下する。したがって、B含有量は、0~0.0100%である。Bが含有される場合、B含有量は0.0100%以下である。B含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0010%であり、さらに好ましくは0.0020%であり、さらに好ましくは0.0050%である。B含有量の好ましい上限は0.0080%であり、さらに好ましくは0.0070%であり、さらに好ましくは0.0060%である。
B: 0.0100% or less Boron (B) is an optional element and may not be contained. In other words, the B content may be 0%. When it is contained, that is, when the B content is more than 0%, B strengthens the grain boundaries of the nitrided steel parts and increases the bending fatigue strength of the nitrided steel parts. Therefore, even if even a small amount of B is contained, the above effect can be obtained to a certain extent. However, when the B content exceeds 0.0100%, the above effect is saturated. When the B content exceeds 0.0100%, the raw material cost further increases and the manufacturability also decreases. Therefore, the B content is 0 to 0.0100%. When B is contained, the B content is 0.0100% or less. The preferable lower limit of the B content is more than 0%, more preferably 0.0001%, more preferably 0.0010%, more preferably 0.0020%, and even more preferably 0.0050%. The upper limit of the B content is preferably 0.0080%, more preferably 0.0070%, and further preferably 0.0060%.
上記窒化鋼部品の芯部の化学組成は、Feの一部に代えて、Cu:0.20%以下、及び、Ni:0.20%以下、からなる群から選択される1種以上を含有してもよい。これらの元素は任意元素であり、いずれも、窒化鋼部品の曲げ疲労強度を高める。 The chemical composition of the core of the above-mentioned nitrided steel part may contain, in place of a portion of Fe, one or more elements selected from the group consisting of Cu: 0.20% or less and Ni: 0.20% or less. These elements are optional elements, and all of them increase the bending fatigue strength of the nitrided steel part.
Cu:0.20%以下
銅(Cu)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Cu含有量は0%であってもよい。含有される場合、つまり、Cu含有量が0%超の場合、Cuは鋼材の焼入れ性を向上させ、窒化鋼部品の曲げ疲労強度を高める。Cuが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Cu含有量が0.20%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、窒化鋼部品の素材である鋼材の冷間加工性が低下する場合がある。したがって、Cu含有量は0~0.20%である。Cuが含有される場合、Cu含有量は0.20%以下である。Cu含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%であり、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。Cu含有量の好ましい上限は0.19%であり、さらに好ましくは0.18%であり、さらに好ましくは0.15%である。
Cu: 0.20% or less Copper (Cu) is an optional element and may not be contained. That is, the Cu content may be 0%. When it is contained, that is, when the Cu content is more than 0%, Cu improves the hardenability of the steel material and increases the bending fatigue strength of the nitrided steel part. If even a small amount of Cu is contained, the above effect can be obtained to a certain extent. However, if the Cu content exceeds 0.20%, the cold workability of the steel material, which is the material of the nitrided steel part, may decrease even if the contents of other elements are within the range of this embodiment. Therefore, the Cu content is 0 to 0.20%. When Cu is contained, the Cu content is 0.20% or less. The preferred lower limit of the Cu content is more than 0%, more preferably 0.01%, more preferably 0.05%, and more preferably 0.10%. The preferred upper limit of the Cu content is 0.19%, more preferably 0.18%, and more preferably 0.15%.
Ni:0.20%以下
ニッケル(Ni)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ni含有量は0%であってもよい。含有される場合、つまり、Ni含有量が0%超の場合、Niは鋼材の焼入れ性を向上させ、窒化鋼部品の曲げ疲労強度を高める。Niが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ni含有量が0.20%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、窒化鋼部品の素材である鋼材の冷間加工性が低下する場合がある。したがって、Ni含有量は0~0.20%である。Niが含有される場合、Ni含有量は0.20%以下である。Ni含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%であり、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。Ni含有量の好ましい上限は0.19%であり、さらに好ましくは0.18%であり、さらに好ましくは0.15%である。
Ni: 0.20% or less Nickel (Ni) is an optional element and may not be contained. That is, the Ni content may be 0%. When it is contained, that is, when the Ni content is more than 0%, Ni improves the hardenability of the steel material and increases the bending fatigue strength of the nitrided steel part. If even a small amount of Ni is contained, the above effect can be obtained to a certain extent. However, if the Ni content exceeds 0.20%, even if the contents of other elements are within the range of this embodiment, the cold workability of the steel material that is the material of the nitrided steel part may decrease. Therefore, the Ni content is 0 to 0.20%. When Ni is contained, the Ni content is 0.20% or less. The preferred lower limit of the Ni content is more than 0%, more preferably 0.01%, more preferably 0.05%, and more preferably 0.10%. The preferred upper limit of the Ni content is 0.19%, more preferably 0.18%, and more preferably 0.15%.
上記窒化鋼部品の芯部の化学組成は、Feの一部に代えて、Ca:0.0050%以下、Bi:0.100%以下、及び、Pb:0.090%以下、からなる群から選択される1種以上を含有してもよい。これらの元素は任意元素であり、いずれも、窒化処理前の窒化鋼部品の被削性を高める。 The chemical composition of the core of the above-mentioned nitrided steel part may contain, in place of a portion of Fe, one or more elements selected from the group consisting of Ca: 0.0050% or less, Bi: 0.100% or less, and Pb: 0.090% or less. These elements are optional elements, and all of them improve the machinability of the nitrided steel part before the nitriding treatment.
Ca:0.0050%以下
カルシウム(Ca)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ca含有量は0%であってもよい。含有される場合、つまり、Ca含有量が0%超の場合、Caは窒化鋼部品の被削性を高める。Caが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ca含有量が0.0050%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大なCaO等の析出物により、窒化鋼部品の素材である鋼材の冷間加工性が低下する場合がある。したがって、Ca含有量は0~0.0050%である。Caが含有される場合、Ca含有量は0.0050%以下である。Ca含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0010%であり、さらに好ましくは0.0020%である。Ca含有量の好ましい上限は0.0045%であり、さらに好ましくは0.0043%であり、さらに好ましくは0.0040%である。
Ca: 0.0050% or less Calcium (Ca) is an optional element and may not be contained. In other words, the Ca content may be 0%. When contained, that is, when the Ca content is more than 0%, Ca enhances the machinability of the nitrided steel part. If even a small amount of Ca is contained, the above effect can be obtained to some extent. However, if the Ca content exceeds 0.0050%, even if the contents of other elements are within the range of this embodiment, the cold workability of the steel material that is the material of the nitrided steel part may be reduced due to coarse precipitates such as CaO. Therefore, the Ca content is 0 to 0.0050%. When Ca is contained, the Ca content is 0.0050% or less. The preferred lower limit of the Ca content is more than 0%, more preferably 0.0001%, more preferably 0.0010%, and even more preferably 0.0020%. The upper limit of the Ca content is preferably 0.0045%, more preferably 0.0043%, and further preferably 0.0040%.
Bi:0.100%以下
ビスマス(Bi)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Bi含有量は0%であってもよい。含有される場合、つまり、Bi含有量が0%超の場合、Biは窒化鋼部品の被削性を高める。Biが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Bi含有量が0.100%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、窒化鋼部品の素材である鋼材の冷間加工性が低下する場合がある。したがって、Bi含有量は0~0.100%である。Biが含有される場合、Bi含有量は0.100%以下である。Bi含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.001%であり、さらに好ましくは0.010%であり、さらに好ましくは0.020%であり、さらに好ましくは0.030%である。Bi含有量の好ましい上限は0.080%であり、さらに好ましくは0.070%であり、さらに好ましくは0.060%である。
Bi: 0.100% or less Bismuth (Bi) is an optional element and may not be contained. In other words, the Bi content may be 0%. When contained, that is, when the Bi content is more than 0%, Bi enhances the machinability of the nitrided steel part. If even a small amount of Bi is contained, the above effect can be obtained to a certain extent. However, if the Bi content exceeds 0.100%, the cold workability of the steel material that is the material of the nitrided steel part may decrease even if the contents of other elements are within the range of this embodiment. Therefore, the Bi content is 0 to 0.100%. When Bi is contained, the Bi content is 0.100% or less. The preferred lower limit of the Bi content is more than 0%, more preferably 0.001%, more preferably 0.010%, more preferably 0.020%, and more preferably 0.030%. The preferred upper limit of the Bi content is 0.080%, more preferably 0.070%, and more preferably 0.060%.
Pb:0.090%以下
鉛(Pb)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Pb含有量は0%であってもよい。含有される場合、つまり、Pb含有量が0%超の場合、Pbは窒化鋼部品の被削性を高める。Pbが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Pb含有量が0.090%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、窒化鋼部品の素材である鋼材の冷間加工性が低下する場合がある。したがって、Pb含有量は0~0.090%である。Pbが含有される場合、Pb含有量は0.090%以下である。Pb含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.001%であり、さらに好ましくは0.010%であり、さらに好ましくは0.020%であり、さらに好ましくは0.040%である。Pb含有量の好ましい上限は0.080%であり、さらに好ましくは0.075%であり、さらに好ましくは0.070%である。
Pb: 0.090% or less Lead (Pb) is an optional element and may not be contained. In other words, the Pb content may be 0%. When it is contained, that is, when the Pb content is more than 0%, Pb enhances the machinability of the nitrided steel part. If even a small amount of Pb is contained, the above effect can be obtained to a certain extent. However, if the Pb content exceeds 0.090%, the cold workability of the steel material that is the material of the nitrided steel part may decrease even if the contents of other elements are within the range of this embodiment. Therefore, the Pb content is 0 to 0.090%. When Pb is contained, the Pb content is 0.090% or less. The preferred lower limit of the Pb content is more than 0%, more preferably 0.001%, more preferably 0.010%, more preferably 0.020%, and more preferably 0.040%. The preferred upper limit of the Pb content is 0.080%, more preferably 0.075%, and more preferably 0.070%.
上記窒化鋼部品の芯部の化学組成は、Feの一部に代えて、Mo:0.05%以下、及び、Ti:0.005%以下、からなる群から選択される1種以上を含有してもよい。これらの元素含有量が上述の範囲内であれば、本実施形態による窒化鋼部品の効果は得られる。 The chemical composition of the core of the above-mentioned nitrided steel part may contain, instead of a portion of Fe, one or more elements selected from the group consisting of Mo: 0.05% or less and Ti: 0.005% or less. If the contents of these elements are within the above-mentioned ranges, the effects of the nitrided steel part according to this embodiment can be obtained.
Mo:0.05%以下
モリブデン(Mo)は不純物であり、含有されなくてもよい。つまり、Mo含有量は0%であってもよい。Moは窒化鋼部品の素材である鋼材の冷間加工性を低下させる。Mo含有量が0.05%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、冷間加工性が顕著に低下する。したがって、Mo含有量は0.05%以下である。Mo含有量は0%でもよいため、Mo含有量は0~0.05%である。Mo含有量の好ましい上限は0.04%であり、さらに好ましくは0.03%である。上述のとおり、Mo含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Mo含有量の過剰な低減は製造コストを引き上げる。したがって、Mo含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。
Mo: 0.05% or less Molybdenum (Mo) is an impurity and may not be contained. In other words, the Mo content may be 0%. Mo reduces the cold workability of the steel material that is the raw material of the nitrided steel parts. If the Mo content exceeds 0.05%, the cold workability is significantly reduced even if the contents of other elements are within the range of this embodiment. Therefore, the Mo content is 0.05% or less. Since the Mo content may be 0%, the Mo content is 0 to 0.05%. The preferred upper limit of the Mo content is 0.04%, and more preferably 0.03%. As described above, it is preferable that the Mo content is as low as possible. However, excessive reduction of the Mo content increases the manufacturing cost. Therefore, the preferred lower limit of the Mo content is 0.01%, and more preferably 0.02%.
Ti:0.005%以下
チタン(Ti)は、不純物であり、含有されなくてもよい。つまり、Ti含有量は0%であってもよい。Tiは窒化鋼部品の鋼材中でNと結合し、TiN等のTi系介在物を形成する。Ti系介在物は粗大且つ硬質な介在物である。そのため、Ti系介在物は冷間加工時の割れの起点となりやすい。つまり、Ti系介在物は、窒化鋼部品の素材である鋼材の冷間加工性を低下させる。Ti含有量が0.005%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、冷間加工性が顕著に低下する。したがって、Ti含有量は0.005%以下である。Ti含有量は0%でもよいため、Ti含有量は0~0.005%である。Ti含有量の好ましい上限は0.004%であり、さらに好ましくは0.003%である。上述のとおり、Ti含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ti含有量の過剰な低減は製造コストを引き上げる。したがって、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0.002%である。
Ti: 0.005% or less Titanium (Ti) is an impurity and may not be contained. In other words, the Ti content may be 0%. Ti combines with N in the steel material of the nitrided steel part to form Ti-based inclusions such as TiN. The Ti-based inclusions are coarse and hard inclusions. Therefore, the Ti-based inclusions are likely to become the starting point of cracks during cold working. In other words, the Ti-based inclusions reduce the cold workability of the steel material that is the material of the nitrided steel part. If the Ti content exceeds 0.005%, the cold workability will be significantly reduced even if the contents of other elements are within the range of this embodiment. Therefore, the Ti content is 0.005% or less. Since the Ti content may be 0%, the Ti content is 0 to 0.005%. The preferred upper limit of the Ti content is 0.004%, and more preferably 0.003%. As described above, it is preferable that the Ti content is as low as possible. However, an excessive reduction in the Ti content increases the production cost, so the lower limit of the Ti content is preferably 0.001%, and more preferably 0.002%.
[窒化鋼部品の芯部のミクロ組織]
本実施形態の窒化鋼部品の芯部のミクロ組織は、フェライト、パーライト及び/又はベイナイトを含有する。本明細書において、ベイナイトはマルテンサイトを含む。後述のミクロ組織観察において、窒化処理後のベイナイトとマルテンサイトとは区別することが極めて困難である。そこで、本明細書では、ベイナイトとマルテンサイトとを区別せず、「ベイナイト」と総称する。
[Microstructure of the core of nitrided steel parts]
The microstructure of the core of the nitrided steel part of this embodiment contains ferrite, pearlite and/or bainite. In this specification, bainite includes martensite. In the microstructure observation described below, it is extremely difficult to distinguish between bainite and martensite after nitriding treatment. Therefore, in this specification, bainite and martensite are not distinguished from each other and are collectively referred to as "bainite".
より具体的には、窒化鋼部品の芯部のミクロ組織において、フェライトの面積率は20~90%である。フェライトの面積率が20~90%であれば、高い曲げ疲労強度を有する窒化鋼部品が得られる。この効果を得るためのフェライトの面積率は20~90%である。ミクロ組織中のフェライト面積率の好ましい下限は25%であり、さらに好ましくは30%であり、さらに好ましくは35%である。フェライト面積率の好ましい上限は80%であり、さらに好ましくは75%であり、さらに好ましくは70%である。 More specifically, in the microstructure of the core of the nitrided steel part, the area ratio of ferrite is 20-90%. If the area ratio of ferrite is 20-90%, a nitrided steel part with high bending fatigue strength can be obtained. The area ratio of ferrite to achieve this effect is 20-90%. The preferred lower limit of the ferrite area ratio in the microstructure is 25%, more preferably 30%, and even more preferably 35%. The preferred upper limit of the ferrite area ratio is 80%, more preferably 75%, and even more preferably 70%.
窒化鋼部品の芯部のミクロ組織において、パーライト及び/又はベイナイトの面積率は、10~80%であるのが好ましい。パーライトの面積率は、5超~50%であるのがさらに好ましい。ベイナイトの面積率は、5超~80%であるのがさらに好ましい。 In the microstructure of the core of a nitrided steel part, the area ratio of pearlite and/or bainite is preferably 10 to 80%. The area ratio of pearlite is more preferably greater than 5 to 50%. The area ratio of bainite is more preferably greater than 5 to 80%.
[組織の特定及び面積率の測定方法]
窒化鋼部品の組織中のフェライト面積率、パーライト及びベイナイトの総面積率は次の方法で測定する。
[Method of identifying structure and measuring area ratio]
The area ratio of ferrite and the total area ratio of pearlite and bainite in the structure of a nitrided steel part are measured by the following method.
窒化鋼部品のL断面(後述する冷間加工工程の引抜加工工程における進行方向に平行な断面)を観察面とする。観察面を鏡面研磨し、3%ナイタール(エタノール+3%硝酸溶液)で腐食する。腐食した観察面のうち、窒化鋼部品の表面から1mm以上内部の位置を光学顕微鏡で観察する。たとえば、窒化鋼部品が円柱状である場合、窒化鋼部品の上記観察面のうち、R/2位置(半径Rの中心位置)を光学顕微鏡で観察してもよい。窒化鋼部品の表面から1mm以上内部の位置は、窒化層よりも内部の芯部に相当する。観察倍率は400倍とし、観察視野は5視野とする。各視野について初析フェライトの面積率(%)、パーライト及びベイナイトの総面積率(%)を求める。各組織について、5視野の平均値を算出し、窒化鋼部品のフェライト面積率(%)、パーライト及びベイナイトの総面積率(%)とする。 The L-section of the nitrided steel part (a section parallel to the direction of travel in the drawing process of the cold working process described later) is used as the observation surface. The observation surface is mirror-polished and corroded with 3% nital (ethanol + 3% nitric acid solution). Of the corroded observation surface, a position 1 mm or more inward from the surface of the nitrided steel part is observed with an optical microscope. For example, if the nitrided steel part is cylindrical, the R/2 position (center position of radius R) of the above observation surface of the nitrided steel part may be observed with an optical microscope. The position 1 mm or more inward from the surface of the nitrided steel part corresponds to the core part deeper than the nitrided layer. The observation magnification is 400 times, and the observation field is 5 fields. The area ratio (%) of pro-eutectoid ferrite and the total area ratio (%) of pearlite and bainite are obtained for each field. The average value of the 5 fields is calculated for each structure, and is used as the ferrite area ratio (%) and the total area ratio (%) of pearlite and bainite of the nitrided steel part.
[式(1)について]
上記の芯部の化学組成を有する本実施形態の窒化鋼部品はさらに、芯部の化学組成中のVを[V](質量%)と定義し、芯部のV析出物中のVの総含有量を[析出物中V](質量%)と定義したとき、式(1)を満たす。
[析出物中V]/[V]≧0.30 (1)
[Regarding formula (1)]
The nitrided steel part of this embodiment having the above-mentioned chemical composition of the core further satisfies formula (1) when the V in the chemical composition of the core is defined as [V] (mass %) and the total V content in the V precipitates of the core is defined as [V in precipitates] (mass %).
[V in precipitate]/[V]≧0.30 (1)
[析出物中V]/[V]が0.30以上であれば、窒化鋼部品の芯部にV析出物が十分析出している。そのため、V析出物による芯部の析出強化により、窒化鋼部品の曲げ疲労強度が高まる。一方、[析出物中V]/[V]が0.30未満であれば、上記の効果が十分に得られない。したがって、[析出物中V]/[V]は0.30以上である。[析出物中V]/[V]の好ましい下限は0.31であり、さらに好ましくは0.32である。[析出物中V]/[V]の上限は特に限定されないが、好ましい上限は0.60であり、さらに好ましくは0.55であり、さらに好ましくは0.52である。 If [V in precipitates]/[V] is 0.30 or more, V precipitates are sufficiently precipitated in the core of the nitrided steel part. Therefore, the bending fatigue strength of the nitrided steel part is increased by precipitation strengthening of the core by V precipitates. On the other hand, if [V in precipitates]/[V] is less than 0.30, the above effect cannot be obtained sufficiently. Therefore, [V in precipitates]/[V] is 0.30 or more. The preferred lower limit of [V in precipitates]/[V] is 0.31, and more preferably 0.32. The preferred upper limit of [V in precipitates]/[V] is not particularly limited, but the preferred upper limit is 0.60, more preferably 0.55, and even more preferably 0.52.
[V析出物中のVの総含有量([析出物中V])の測定方法]
[析出物中V]は、次の抽出残渣分析法により求められる。窒化鋼部品の芯部から、約1000mm3(約7.8g)の試料を切り出し、抽出残渣用試料とする。10%AA系(テトラメチルアンモニウムクロライド、アセチルアセトン、メタノールを1:10:100で混合した液体)溶液中で、試料を定電流電気分解する。
[Method for measuring total V content in V precipitates ([V in precipitates])]
[V in precipitates] is determined by the following extraction residue analysis method. A sample of about 1000 mm 3 (about 7.8 g) is cut out from the core of the nitrided steel part to be used as the extraction residue sample. The sample is electrolyzed at a constant current in a 10% AA system (a liquid mixture of tetramethylammonium chloride, acetylacetone, and methanol in a ratio of 1:10:100).
より具体的には、まず、抽出残渣用試料に対して予備電気分解を行う。これにより、抽出残渣用試料の表面の付着物を除去する。予備電気分解の条件は、電流:1000mA、時間:28分、室温(25℃)とする。その後、抽出残渣用試料に対してアルコール中で超音波洗浄を実施する。これにより、抽出残渣用試料の表面の付着物を除去する。付着物を除去された抽出残渣用試料の質量(電気分解前の抽出残渣用試料の質量)を測定する。 More specifically, first, preliminary electrolysis is performed on the sample for extraction residue. This removes any adhering matter on the surface of the sample for extraction residue. The conditions for preliminary electrolysis are current: 1000 mA, time: 28 minutes, room temperature (25°C). Then, ultrasonic cleaning is performed on the sample for extraction residue in alcohol. This removes any adhering matter on the surface of the sample for extraction residue. The mass of the sample for extraction residue from which the adhering matter has been removed (mass of the sample for extraction residue before electrolysis) is measured.
次に、抽出残渣用試料に対して電気分解を実施する。電気分解の条件は、電流:173mA、時間:142分、室温(25℃)とする。電気分解された抽出残渣用試料を取り出す。取り出された抽出残渣用試料に対して、アルコール中で超音波洗浄を実施する。これにより、抽出残渣用試料の表面の付着物(残渣)を除去する。電気分解後の溶液、及び、超音波洗浄に用いた溶液を、フィルターで吸引ろ過する。フィルターのメッシュサイズは0.2μmとする。これにより、残渣を採取する。 Next, electrolysis is performed on the sample for extraction residue. The conditions for electrolysis are current: 173 mA, time: 142 minutes, and room temperature (25°C). The electrolyzed sample for extraction residue is removed. The removed sample for extraction residue is subjected to ultrasonic cleaning in alcohol. This removes any deposits (residue) on the surface of the sample for extraction residue. The solution after electrolysis and the solution used for ultrasonic cleaning are suction filtered using a filter. The mesh size of the filter is 0.2 μm. This allows the residue to be collected.
付着物(残渣)を除去された抽出残渣用試料の質量(電気分解後の抽出残渣用試料の質量)を測定する。そして電気分解前後の抽出残渣用試料の質量の測定値の差から、「電気分解された抽出残渣用試料の質量」を求める。 The mass of the sample for extraction residue from which the attached matter (residue) has been removed (mass of the sample for extraction residue after electrolysis) is measured. Then, the "mass of the electrolyzed sample for extraction residue" is calculated from the difference between the measured masses of the sample for extraction residue before and after electrolysis.
上記のフィルター上に採取された残渣を、シャーレに移して乾燥させる。乾燥した残渣の質量を測定する。その後、JIS G1258(2014)に準拠して、ICP発光分析装置(高周波誘導結合プラズマ発光分光分析装置)により残渣を分析して、「残渣中のVの質量」を求める。 The residue collected on the filter is transferred to a petri dish and dried. The mass of the dried residue is measured. The residue is then analyzed using an ICP optical emission spectrometer (inductively coupled plasma optical emission spectrometer) in accordance with JIS G1258 (2014) to determine the "mass of V in the residue."
求めた「残渣中のVの質量」を「電気分解された抽出残渣用試料の質量」で除して、百分率表示したものを、[析出物中V](質量%)と定義する。すなわち、式(1)左辺の[析出物中V]/[V]は、窒化鋼部品の芯部の化学組成中のV含有量に対する、抽出残渣分析法によりV析出物として検出されたVの総含有量の割合である。 The "mass of V in the residue" thus determined is divided by the "mass of the electrolyzed sample for extraction residue" and expressed as a percentage, which is defined as "V in precipitates" (mass %). In other words, "V in precipitates"/[V] on the left side of formula (1) is the ratio of the total content of V detected as V precipitates by the extraction residue analysis method to the V content in the chemical composition of the core of the nitriding steel part.
[拡散性水素量について]
芯部において、上記の化学組成を有する本実施形態の窒化鋼部品はさらに、陰極水素チャージ法で水素をチャージした場合の拡散性水素量が0.10ppm以上である。より具体的には、本実施形態の窒化鋼部品の芯部は、3%NaCl-3g/LNH4SCN水溶液中で、電流密度が0.1mA/cm2であり、通電時間が72時間である陰極水素チャージ法で水素チャージした場合の拡散性水素量が0.10ppm以上である。
[About diffusible hydrogen content]
The nitrided steel part of this embodiment having the above chemical composition further has a diffusible hydrogen content of 0.10 ppm or more in the core when hydrogen is charged by a cathodic hydrogen charging method. More specifically, the nitrided steel part of this embodiment has a diffusible hydrogen content of 0.10 ppm or more in the core when hydrogen is charged by a cathodic hydrogen charging method in a 3% NaCl-3 g/ LNH4SCN aqueous solution at a current density of 0.1 mA/ cm2 for a current flow time of 72 hours.
板状V析出物と母相との整合界面及び半整合界面では水素がトラップされやすく、非整合界面では、水素がトラップされにくい。つまり、板状V析出物は水素をトラップしやすく、球状V析出物は水素をトラップしにくい。したがって、式(1)を満たす量のV析出物が析出された窒化鋼部品の芯部において、水素をチャージした場合の水素トラップ量が多ければ、曲げ疲労強度を高める量のV析出物中において、板状V析出物の割合が多いことを意味する。 Hydrogen is easily trapped at the coherent and semi-coherent interfaces between the plate-shaped V precipitates and the parent phase, but is not easily trapped at incoherent interfaces. In other words, plate-shaped V precipitates are easy to trap hydrogen, while spherical V precipitates are not. Therefore, if the amount of hydrogen trapped is large when hydrogen is charged in the core of a nitrided steel part in which V precipitates in an amount that satisfies formula (1) are precipitated, this means that the proportion of plate-shaped V precipitates is high among the amount of V precipitates that increases bending fatigue strength.
本実施形態による窒化鋼部品の芯部における拡散性水素量が0.10ppm以上であれば、板状のV析出物の析出割合が十分に高まる。そのため、板状のV析出物により析出強化が起こり、窒化鋼部品の曲げ疲労強度が高まる。一方、拡散性水素量が0.10ppm未満の場合、上記の効果が十分に得られない。したがって、本実施形態による窒化鋼部品の芯部における拡散性水素量は0.10ppm以上である。拡散性水素量の好ましい下限は0.12ppmである。拡散性水素量の好ましい上限は特に限定されないが、たとえば0.50ppmであり、さらに好ましくは0.40ppmであり、さらに好ましくは0.30ppmである。 If the amount of diffusible hydrogen in the core of the nitrided steel part according to this embodiment is 0.10 ppm or more, the precipitation ratio of plate-shaped V precipitates is sufficiently increased. Therefore, precipitation strengthening occurs due to the plate-shaped V precipitates, and the bending fatigue strength of the nitrided steel part is increased. On the other hand, if the amount of diffusible hydrogen is less than 0.10 ppm, the above effect cannot be sufficiently obtained. Therefore, the amount of diffusible hydrogen in the core of the nitrided steel part according to this embodiment is 0.10 ppm or more. The preferred lower limit of the amount of diffusible hydrogen is 0.12 ppm. The preferred upper limit of the amount of diffusible hydrogen is not particularly limited, but is, for example, 0.50 ppm, more preferably 0.40 ppm, and even more preferably 0.30 ppm.
[拡散性水素量の測定方法]
拡散性水素量の測定方法は次のとおりである。最初に、拡散性水素量測定用の試験片を準備する。後述する方法で製造した窒化鋼部品の芯部から、直径7mm、長さ40mmの丸棒を切り出す。具体的にはたとえば、窒化鋼部品の表面から1mm以上内部の位置から(つまり、芯部から)、上記丸棒を切り出す。切り出された丸棒を拡散性水素量測定用の試験片とする。準備した拡散性水素量測定用の試験片に対して、陰極水素チャージ法を用いて、水素を導入する。具体的には、3%NaCl-3g/LNH4SCN水溶液中に拡散性水素量測定用の試験片を浸漬して、電流密度:0.1mA/cm2及び通電時間:72時間の条件で、陰極水素チャージ法にて、拡散性水素量測定用の試験片に水素を導入する。上記の通電を停止したタイミングを、拡散性水素量測定用の試験片への水素の導入の完了のタイミングとする。拡散性水素量測定用の試験片への水素の導入完了後、次の昇温離脱ガスクロマトグラフィにおける昇温開始までの時間(拡散性水素量測定までの時間)は、30分以下であることが好ましい。拡散性水素量測定用の試験片への水素導入完了後、拡散性水素量測定までの時間が30分を超える場合、水素の拡散放出を抑制できる方法で保管してもよい。上記保管方法はたとえば、液体窒素に浸漬する方法である。
[Method for measuring the amount of diffusible hydrogen]
The method for measuring the amount of diffusible hydrogen is as follows. First, a test piece for measuring the amount of diffusible hydrogen is prepared. A round bar with a diameter of 7 mm and a length of 40 mm is cut out from the core of a nitrided steel part manufactured by the method described below. Specifically, for example, the round bar is cut out from a position 1 mm or more inside from the surface of the nitrided steel part (i.e., from the core). The cut-out round bar is used as the test piece for measuring the amount of diffusible hydrogen. Hydrogen is introduced into the prepared test piece for measuring the amount of diffusible hydrogen by using a cathodic hydrogen charging method. Specifically, the test piece for measuring the amount of diffusible hydrogen is immersed in a 3% NaCl-3 g/LNH 4 SCN aqueous solution, and hydrogen is introduced into the test piece for measuring the amount of diffusible hydrogen by the cathodic hydrogen charging method under the conditions of a current density of 0.1 mA/cm 2 and a current application time of 72 hours. The timing at which the current application is stopped is the timing at which the introduction of hydrogen into the test piece for measuring the amount of diffusible hydrogen is completed. After the introduction of hydrogen into the test piece for measuring the amount of diffusible hydrogen is completed, the time until the start of the temperature rise in the next temperature-programmed desorption gas chromatography (the time until the measurement of the amount of diffusible hydrogen) is preferably 30 minutes or less. If the time until the measurement of the amount of diffusible hydrogen exceeds 30 minutes after the introduction of hydrogen into the test piece for measuring the amount of diffusible hydrogen is completed, the test piece may be stored in a manner that can suppress the diffusion and release of hydrogen. For example, the storage method is a method of immersing in liquid nitrogen.
水素を導入後の拡散性水素量測定用の試験片に対して、昇温離脱ガスクロマトグラフィを用いて、拡散性水素量測定用の試験片中の水素量を測定する。具体的には、100℃/時間の昇温速度で室温から400℃まで加熱する。昇温により発生した水素量を5分間隔で測定する。得られた水素量に基づいて、水素放出曲線が得られる。得られた水素放出曲線から、室温~350℃までに放出された累積水素量を求める。得られた累積水素量を拡散性水素量とする。 After hydrogen has been introduced, the test piece for measuring the amount of diffusible hydrogen is subjected to temperature-programmed desorption gas chromatography to measure the amount of hydrogen in the test piece for measuring the amount of diffusible hydrogen. Specifically, the test piece is heated from room temperature to 400°C at a heating rate of 100°C/hour. The amount of hydrogen generated by the heating is measured at 5-minute intervals. A hydrogen release curve is obtained based on the amount of hydrogen obtained. The cumulative amount of hydrogen released from room temperature to 350°C is calculated from the hydrogen release curve obtained. The cumulative amount of hydrogen obtained is regarded as the amount of diffusible hydrogen.
[製造方法]
本実施形態の窒化鋼部品の製造方法の一例を説明する。なお、本実施形態の窒化鋼部品は、下記製造方法に限定されない。
[Production method]
An example of a method for manufacturing the nitrided steel part of this embodiment will be described below. Note that the nitrided steel part of this embodiment is not limited to the manufacturing method described below.
本実施形態の窒化鋼部品の製造方法は、鋼材を準備する工程(鋼材準備工程)と、鋼材から窒化鋼部品を製造する工程(窒化鋼部品の製造工程)とを備える。以下、各工程について詳述する。 The manufacturing method of the nitrided steel part of this embodiment includes a process of preparing a steel material (steel material preparation process) and a process of manufacturing the nitrided steel part from the steel material (nitrided steel part manufacturing process). Each process is described in detail below.
[鋼材準備工程]
鋼材準備工程では、窒化鋼部品の素材となる鋼材を準備する。本実施形態の窒化鋼部品の素材となる鋼材の構成は次のとおりである。
[Steel material preparation process]
In the steel material preparation step, a steel material that will be the raw material for the nitriding steel part is prepared. The steel material that will be the raw material for the nitriding steel part of this embodiment has the following configuration.
[窒化鋼部品の素材となる鋼材の化学組成及びミクロ組織]
本実施形態の窒化鋼部品の素材となる鋼材の化学組成中の各元素含有量の範囲は、窒化鋼部品の芯部の化学組成の各元素含有量の範囲と同じである。つまり、鋼材の化学組成は、質量%で、C:0.03~0.25%、Si:0.02~0.50%、Mn:0.70超~2.50%、P:0.035%以下、S:0.050%以下、Al:0.005~0.050%、Cr:0.03~0.30%未満、V:0.10超~0.40%、N:0.003~0.030%、Nb:0~0.100%、B:0~0.0100%、Cu:0~0.20%、Ni:0~0.20%、Ca:0~0.0050%、Bi:0~0.100%、Pb:0~0.090%、Mo:0~0.05%、Ti:0~0.005%、及び、残部がFe及び不純物からなる。本実施形態の窒化鋼部品の素材である鋼材中のミクロ組織は、上述の窒化鋼部品と同じである。
[Chemical composition and microstructure of steel material used for nitrided steel parts]
The range of the content of each element in the chemical composition of the steel material that is the raw material for the nitrided steel part of this embodiment is the same as the range of the content of each element in the chemical composition of the core of the nitrided steel part. That is, the chemical composition of the steel material is, in mass %, C: 0.03 to 0.25%, Si: 0.02 to 0.50%, Mn: over 0.70 to 2.50%, P: 0.035% or less, S: 0.050% or less, Al: 0.005 to 0.050%, Cr: 0.03 to less than 0.30%, V: over 0.10 to 0.40%, N: 0.0 03-0.030%, Nb: 0-0.100%, B: 0-0.0100%, Cu: 0-0.20%, Ni: 0-0.20%, Ca: 0-0.0050%, Bi: 0-0.100%, Pb: 0-0.090%, Mo: 0-0.05%, Ti: 0-0.005%, and the balance being Fe and impurities. The microstructure in the steel material that is the material for the nitriding steel part of this embodiment is the same as that of the above-mentioned nitriding steel part.
[窒化鋼部品の素材となる鋼材の[析出物中V]/[V]]
本実施形態の窒化鋼部品の素材である鋼材はさらに、化学組成中のVを[V](質量%)と定義し、鋼材中のV析出物中のVの総含有量を「析出物中V」(質量%)と定義したとき、[析出物中V]/[V]は0.05~0.30未満である。
[[V in precipitates]/[V] of steel material used for nitrided steel parts]
In the steel material that is the raw material for the nitriding steel parts of this embodiment, when V in the chemical composition is defined as [V] (mass%) and the total content of V in V precipitates in the steel material is defined as "V in precipitates" (mass%), [V in precipitates]/[V] is 0.05 to less than 0.30.
本実施形態の窒化鋼部品の素材である鋼材において、[析出物中V]/[V]が0.05~0.30未満であれば、後述する窒化処理工程において、十分な量の板状V析出物が析出する。その結果、本実施形態の窒化鋼部品の曲げ疲労強度が高まる。 In the steel material that is the raw material for the nitrided steel parts of this embodiment, if [V in precipitates]/[V] is less than 0.05 to 0.30, a sufficient amount of plate-shaped V precipitates will precipitate in the nitriding process described below. As a result, the bending fatigue strength of the nitrided steel parts of this embodiment will be increased.
本実施形態の窒化鋼部品の素材となる鋼材は、第三者から供給されたものであってもよいし、製造してもよい。鋼材を製造する場合、鋼材準備工程は、素材を準備する工程(素材準備工程)と、素材を熱間加工して鋼材を製造する工程(熱間加工工程)とを含む。 The steel material that is the raw material for the nitriding steel parts of this embodiment may be supplied by a third party or may be manufactured. When manufacturing steel material, the steel material preparation process includes a process of preparing the raw material (raw material preparation process) and a process of hot working the raw material to manufacture the steel material (hot working process).
[素材準備工程]
上記の化学組成を有する溶鋼を製造する。溶鋼を用いて素材を準備する。たとえば、上述の化学組成を有する溶鋼を、転炉及び電気炉等を用いて製造する。溶鋼を用いて連続鋳造法により鋳片を製造する。又は、溶鋼を用いて造塊法によりインゴットを製造する。
[Material preparation process]
Molten steel having the above-mentioned chemical composition is produced. A material is prepared using the molten steel. For example, the molten steel having the above-mentioned chemical composition is produced using a converter, an electric furnace, or the like. A slab is produced using the molten steel by a continuous casting method. Alternatively, an ingot is produced using the molten steel by an ingot casting method.
[熱間加工工程]
準備された素材に対して熱間加工を実施して、鋼材を製造する。熱間加工として、熱間圧延を実施する場合、たとえば、次の方法がある。熱間圧延では、素材を粗圧延してビレットにする粗圧延工程と、ビレットを仕上げ圧延して鋼材とする仕上げ圧延工程とを含む。粗圧延工程はたとえば、次の工程を実施する。素材(鋳片、インゴット)を加熱後、分塊圧延機を用いて分塊圧延する。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。連続圧延機では、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ており、各スタンドの圧延ロールに形成された孔型を用いて素材を圧延して、ビレットにする。なお、連続鋳造法により直接ビレットを製造してもよい。
[Hot processing process]
A prepared material is subjected to hot working to produce a steel material. When hot rolling is performed as hot working, for example, the following method is available. Hot rolling includes a rough rolling process in which the material is roughly rolled to produce a billet, and a finish rolling process in which the billet is finish rolled to produce a steel material. The rough rolling process, for example, includes the following steps: After heating the material (slab, ingot), it is bloomed using a blooming mill. If necessary, after blooming, the material is further rolled in a continuous rolling mill to produce a billet. In the continuous rolling mill, horizontal roll stands and vertical roll stands are alternately arranged in a row, and the material is rolled into a billet using grooves formed in the rolling rolls of each stand. It is to be noted that billets may be directly produced by a continuous casting method.
仕上げ圧延工程はたとえば、次の工程を実施する。粗圧延工程にて製造されたビレットを加熱炉に装入して加熱する。加熱されたビレットを用いて、仕上げ圧延機列で仕上げ圧延(熱間圧延)を実施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。各スタンドの圧延ロールに形成された孔型を用いてビレットを圧延して、鋼材(棒線)を製造する。 The finishing rolling process, for example, involves the following steps: The billet produced in the rough rolling process is loaded into a heating furnace and heated. The heated billet is then subjected to finishing rolling (hot rolling) in a finishing rolling mill row to produce a bar wire of a specified diameter. The finishing rolling mill row includes a number of stands arranged in a row. Each stand includes a number of rolls arranged around a pass line. The billet is rolled using the grooves formed in the rolling rolls of each stand to produce a steel material (bar wire).
なお、熱間加工工程は熱間圧延に限定されない。熱間加工工程では、上述の熱間圧延に代えて、熱間鍛造を実施してもよいし、熱間押出を実施してもよい。 The hot working process is not limited to hot rolling. In the hot working process, instead of the above-mentioned hot rolling, hot forging or hot extrusion may be performed.
[加熱温度について]
熱間加工工程において、最終の熱間加工を実施する直前の鋼材の加熱温度はたとえば、1000~1300℃である。たとえば、熱間加工工程が粗圧延工程と仕上げ圧延工程とを含む場合、仕上げ圧延工程の加熱炉における加熱温度が1000~1300℃である。仕上げ圧延工程の加熱炉における加熱温度が1000~1300℃であれば、他の製造条件を満たすことを前提として、熱間加工工程前に生成したV析出物が十分に固溶する。
[Heating temperature]
In the hot working process, the heating temperature of the steel immediately before the final hot working is performed is, for example, 1000 to 1300° C. For example, when the hot working process includes a rough rolling process and a finish rolling process, the heating temperature in the heating furnace in the finish rolling process is 1000 to 1300° C. If the heating temperature in the heating furnace in the finish rolling process is 1000 to 1300° C., V precipitates generated before the hot working process are sufficiently dissolved, provided that other manufacturing conditions are satisfied.
[仕上げ温度について]
熱間加工工程において、最後の圧下後の鋼材温度を仕上げ温度(℃)と定義する。熱間加工工程が粗圧延工程と仕上げ圧延工程とを含む場合、仕上げ温度は、仕上げ圧延工程での仕上げ圧延機列で最後に圧下をしたスタンドの出側での鋼材温度(鋼材の表面温度)を意味する。仕上げ温度はたとえば、800~1200℃である。仕上げ温度が800~1200℃であれば、他の製造条件を満たすことを前提として、加熱炉で固溶したVの再析出を十分に抑制できる。
[Finishing temperature]
In the hot working process, the temperature of the steel material after the final reduction is defined as the finishing temperature (°C). When the hot working process includes a rough rolling process and a finish rolling process, the finishing temperature means the temperature of the steel material (surface temperature of the steel material) at the outlet side of the stand that performed the final reduction in the finishing rolling mill train in the finish rolling process. The finishing temperature is, for example, 800 to 1200°C. If the finishing temperature is 800 to 1200°C, reprecipitation of V that has been dissolved in the heating furnace can be sufficiently suppressed, provided that other manufacturing conditions are satisfied.
[冷却速度について]
熱間加工工程において、熱間加工後の冷却速度はたとえば、0.4~4.0℃/sである。ここで、熱間加工後の冷却速度は、次のとおり定義される。熱間加工完了後において、鋼材温度が、仕上げ温度から200℃に至るまでの平均の冷却速度を、熱間加工後の冷却速度(℃/s)と定義する。熱間加工後の冷却速度が0.4~4.0℃/sであれば、他の製造条件を満たすことを前提として、鋼材中のフェライト面積率が20~90%となり、さらに、鋼材中の[析出物中V]/[V]が0.05~0.30未満となる。
[Cooling rate]
In the hot working step, the cooling rate after hot working is, for example, 0.4 to 4.0°C/s. Here, the cooling rate after hot working is defined as follows. After completion of hot working, the average cooling rate at which the steel material temperature reaches 200°C from the finishing temperature is defined as the cooling rate after hot working (°C/s). If the cooling rate after hot working is 0.4 to 4.0°C/s, the ferrite area ratio in the steel material is 20 to 90%, and further, [V in precipitates]/[V] in the steel material is 0.05 to less than 0.30, provided that other manufacturing conditions are satisfied.
以上の製造方法により鋼材を製造する。上記のとおり、鋼材の製造方法はこの例に限定されず、他の製造方法により窒化鋼部品の素材となる鋼材を製造してもよい。 Steel material is manufactured using the above manufacturing method. As mentioned above, the manufacturing method of steel material is not limited to this example, and steel material that will be used as the raw material for nitrided steel parts may be manufactured using other manufacturing methods.
[その他の工程]
なお、熱間加工工程後の鋼材に対して、ミクロ組織を調整する目的で焼準処理を実施してもよい。
[Other steps]
The steel material after the hot working process may be subjected to a normalizing treatment in order to adjust the microstructure.
[焼準処理工程]
焼準処理工程は任意の工程であり、実施しなくてもよい。実施する場合、焼準処理の熱処理温度は1000~1300℃であり、熱処理温度で保持後の冷却速度は0.4~4.0℃/sでよい。つまり、焼準処理の熱処理温度、及び、冷却速度は、熱間加工工程での加熱温度及び冷却速度と同じ範囲とする。
[Normalizing process]
The normalizing treatment step is an optional step and may not be performed. If performed, the heat treatment temperature in the normalizing treatment may be 1000 to 1300°C, and the cooling rate after holding at the heat treatment temperature may be 0.4 to 4.0°C/s. In other words, the heat treatment temperature and cooling rate in the normalizing treatment are set to be in the same range as the heating temperature and cooling rate in the hot working step.
[窒化鋼部品の製造工程]
上記の鋼材を用いた窒化鋼部品の製造方法の一例を説明する。窒化鋼部品の製造工程には、鋼材を冷間加工する工程(冷間加工工程)と、冷間加工後の鋼材を窒化処理する工程(窒化処理工程)とを備える。必要に応じてさらに、窒化処理工程の前に、冷間加工後の鋼材を切削加工する工程(切削加工工程)を備えてもよい。以下、それぞれの工程について説明する。
[Manufacturing process for nitrided steel parts]
An example of a method for manufacturing a nitrided steel part using the above-mentioned steel material will be described. The manufacturing process for the nitrided steel part includes a step of cold working the steel material (cold working step) and a step of nitriding the steel material after the cold working (nitriding step). If necessary, a step of cutting the steel material after the cold working (cutting step) may be further included before the nitriding step. Each step will be described below.
[冷間加工工程]
冷間加工工程は、鋼材を引抜加工する工程(引抜加工工程)、及び、引抜加工工程後の鋼材を据込加工する工程(据込加工工程)を含む。引抜加工工程は、伸線加工を実施する。伸線加工は、一次伸線のみであってもよいし、二次伸線等、複数回の引抜加工を実施してもよい。引抜加工工程後、製造する窒化鋼部品に応じて、適当な長さに切断してもよい。以下、引抜加工工程後の鋼材、又は、引抜加工工程後、適当な長さに切断した後の鋼材を中間品という。据込加工工程は、中間品を長さ方向に圧縮する据込加工を実施する。据込加工工程は、1段階の据込加工のみであってもよいし、複数回の据込加工を実施してもよい。
[Cold working process]
The cold working process includes a process of drawing the steel material (drawing process) and a process of upsetting the steel material after the drawing process (upsetting process). The drawing process involves wire drawing. The wire drawing process may involve only primary wire drawing, or multiple drawing processes such as secondary wire drawing may be performed. After the drawing process, the steel material may be cut to an appropriate length depending on the nitrided steel part to be manufactured. Hereinafter, the steel material after the drawing process, or the steel material after the drawing process and cutting to an appropriate length is referred to as an intermediate product. The upsetting process involves upsetting, which compresses the intermediate product in the length direction. The upsetting process may involve only one upsetting step, or multiple upsetting steps.
鋼材は、引抜加工工程及び据込加工工程により、鋼材の長さ方向に対して垂直な方向及び鋼材の長さ方向の2方向から荷重を受ける。2方向から加えられた荷重により、鋼材の結晶粒内の転位の運動方向が一定ではなくなる。そのため、交差すべりが生じやすくなる。交差すべりが生じると、転位同士が衝突しやすくなる。そのため、衝突したまま動けなくなる転位が増加し、結晶粒内に取り残される転位が増加する。そのため、結晶粒内の転位密度が増加する。転位密度が増加すれば、歪が形成される。後述の窒化処理工程において、形成された歪を解消するため、歪が形成された部分にV析出物が析出しやすくなる。V析出物が析出すれば、析出強化により、製造された窒化鋼部品の曲げ疲労強度が向上する。 In the drawing and upsetting processes, the steel is subjected to loads in two directions, perpendicular to the length of the steel and in the length of the steel. Loads applied from two directions cause the direction of movement of dislocations in the crystal grains of the steel to be inconsistent. This makes cross slip more likely to occur. When cross slip occurs, dislocations are more likely to collide with each other. This increases the number of dislocations that collide and cannot move, and increases the number of dislocations that are left behind in the crystal grains. This increases the dislocation density in the crystal grains. If the dislocation density increases, strain is formed. In the nitriding process described below, V precipitates are more likely to precipitate in the parts where strain is formed in order to eliminate the formed strain. If V precipitates precipitate, the bending fatigue strength of the manufactured nitrided steel parts is improved by precipitation strengthening.
つまり、鋼材中に形成される歪量とV析出物の析出量とは、正の相関性がある。本実施形態による窒化鋼部品は、引抜加工及び据込加工による2方向の冷間加工を実施することにより、歪を生じさせる。以下、冷間加工工程により生じる歪を冷間加工歪と称する。冷間加工歪には、後述の窒化処理工程で、V析出物が析出する。後述の窒化処理工程を適切な条件で実施することにより、板状V析出物を析出させることができる。つまり、冷間加工歪の量(以下、冷間加工歪量ともいう)は、板状V析出物の析出量と正の相関性がある。 In other words, there is a positive correlation between the amount of strain formed in the steel material and the amount of V precipitates. In the nitrided steel part according to this embodiment, strain is generated by performing two-way cold working by drawing and upsetting. Hereinafter, the strain generated by the cold working process is referred to as cold working strain. V precipitates are precipitated in the nitriding process described below. By performing the nitriding process described below under appropriate conditions, plate-shaped V precipitates can be precipitated. In other words, there is a positive correlation between the amount of cold working strain (hereinafter also referred to as cold working strain amount) and the amount of plate-shaped V precipitates.
冷間加工歪量は、引抜加工工程により生じる歪の量(引抜歪量)と、据込加工工程により生じる歪の量(据込歪量)との合計である。引抜歪量及び据込歪量は、式(2)で定義される円筒近似による真歪ε(%)により算出される。
ε(%)=|ln{1+(L-L0)/L0}|×100 (2)
ここで、引抜歪量を算出する場合、Lは引抜加工工程後の鋼材の伸線方向の長さであり、L0は引抜加工工程前の鋼材の伸線方向の長さを意味する。据込歪量を算出する場合、Lは据込加工工程後の中間品の伸線方向の長さであり、L0は据込加工工程前の中間品の伸線方向の長さを意味する。
The cold working strain is the sum of the amount of strain generated in the drawing process (drawing strain) and the amount of strain generated in the upsetting process (upsetting strain). The drawing strain and upsetting strain are calculated using the true strain ε (%) according to the cylindrical approximation defined by the formula (2).
ε(%)=|ln{1+(L-L0)/L0}|×100 (2)
Here, when calculating the amount of drawing strain, L means the length in the wiredrawing direction of the steel material after the drawing process, and L0 means the length in the wiredrawing direction of the steel material before the drawing process. When calculating the amount of upsetting strain, L means the length in the wiredrawing direction of the intermediate product after the upsetting process, and L0 means the length in the wiredrawing direction of the intermediate product before the upsetting process.
冷間加工歪量は20%以上である。冷間加工歪量が20%以上であれば、鋼材中の転位密度は増加する。そのため、後述する窒化処理工程において、板状のV析出物が形成されやすくなる。その結果、窒化鋼部品の曲げ疲労強度が向上する。好ましい冷間加工歪量の下限は30%であり、さらに好ましくは35%である。冷間加工歪量が20%未満であれば、上記の効果が十分に得られない。一方、冷間加工歪量の上限は特に限定されないが、好ましくは150%以下である。冷間加工歪量が150%を超えると、冷間加工工程時の加工圧力が高くなりすぎる。つまり、冷間加工工程後の中間品の変形抵抗が高くなりすぎる。そのため、鋼材が冷間加工時に割れやすくなる。したがって、冷間加工歪量の好ましい上限は120%であり、さらに好ましくは80%である。 The cold working strain is 20% or more. If the cold working strain is 20% or more, the dislocation density in the steel increases. Therefore, plate-shaped V precipitates are more likely to form in the nitriding process described below. As a result, the bending fatigue strength of the nitrided steel part is improved. The preferred lower limit of the cold working strain is 30%, more preferably 35%. If the cold working strain is less than 20%, the above effect cannot be fully obtained. On the other hand, the upper limit of the cold working strain is not particularly limited, but is preferably 150% or less. If the cold working strain exceeds 150%, the processing pressure during the cold working process becomes too high. In other words, the deformation resistance of the intermediate product after the cold working process becomes too high. Therefore, the steel becomes more likely to crack during cold working. Therefore, the preferred upper limit of the cold working strain is 120%, more preferably 80%.
上述のとおり、本実施形態による窒化鋼部品は、引抜加工工程及び据込加工工程を実施することにより、曲げ疲労強度を向上させる。そのため、引抜加工工程により生じる引抜歪量の下限は5%超であり、かつ、据込加工工程により生じる据込歪量の下限は5%超である。引抜歪量及び据込歪量の少なくとも一方が5%以下である場合、板状のV析出物が十分に得られない。その結果、曲げ疲労強度が十分に得られない。引抜歪量及び据込歪量の上限は特に限定されない。引抜歪量の好ましい上限はたとえば40%であり、さらに好ましくは30%である。据込歪量の好ましい上限はたとえば80%であり、さらに好ましくは50%である。 As described above, the nitriding steel part according to this embodiment improves bending fatigue strength by carrying out the drawing process and the upsetting process. Therefore, the lower limit of the drawing strain caused by the drawing process is more than 5%, and the lower limit of the upsetting strain caused by the upsetting process is more than 5%. If at least one of the drawing strain and the upsetting strain is 5% or less, plate-shaped V precipitates are not obtained sufficiently. As a result, bending fatigue strength is not obtained sufficiently. The upper limits of the drawing strain and the upsetting strain are not particularly limited. A preferred upper limit of the drawing strain is, for example, 40%, and more preferably 30%. A preferred upper limit of the upsetting strain is, for example, 80%, and more preferably 50%.
[窒化処理工程]
冷間加工品に対して、窒化処理工程を実施する。窒化処理工程での処理温度(℃)、及び、処理温度での保持時間(分)は次のとおりである。
[Nitriding process]
The cold-worked product is subjected to a nitriding process, in which the treatment temperature (° C.) and the holding time (min) at the treatment temperature are as follows:
処理温度:500℃~700℃
窒化処理工程の処理温度(以下、窒化処理温度ともいう)は、一般的には、必要とする窒化層厚さ等の条件により設定される。しかしながら、本発明においては、窒化処理時に母相の冷間加工組織内に板状V析出物を析出させるため、窒化処理温度を限定する必要がある。窒化処理温度が500℃以上であれば、窒化鋼部品の表層に窒化層が十分に形成され、さらに、窒化鋼部品の芯部に十分な板状V析出物が析出する。その結果、窒化鋼部品の曲げ疲労強度が向上する。窒化処理温度が500℃未満であれば、窒化鋼部品の表層に窒化層が十分に形成されず、さらに、窒化鋼部品の芯部に板状V析出物が十分に析出しない。一方、窒化処理温度が700℃超であれば、窒化鋼部品の表層では、窒化層内の窒化物が粗大化して窒化層の硬さが不十分となる。窒化処理温度が700℃超であれば、窒化鋼部品の芯部において、板状V析出物から球状V析出物への変化が促進される。そのため、窒化鋼部品の芯部において、板状V析出物が十分に析出しない。その結果、曲げ疲労強度が十分に高まらない。したがって、窒化処理温度は500℃~700℃である。窒化処理温度が500℃~700℃であれば、高い曲げ疲労強度が得られる。
Treatment temperature: 500°C to 700°C
The treatment temperature of the nitriding process (hereinafter also referred to as the nitriding temperature) is generally set according to conditions such as the required nitride layer thickness. However, in the present invention, in order to precipitate plate-shaped V precipitates in the cold-worked structure of the parent phase during nitriding, it is necessary to limit the nitriding temperature. If the nitriding temperature is 500°C or higher, a sufficient nitride layer is formed on the surface layer of the nitrided steel part, and sufficient plate-shaped V precipitates are precipitated in the core of the nitrided steel part. As a result, the bending fatigue strength of the nitrided steel part is improved. If the nitriding temperature is less than 500°C, a sufficient nitride layer is not formed on the surface layer of the nitrided steel part, and sufficient plate-shaped V precipitates are not precipitated in the core of the nitrided steel part. On the other hand, if the nitriding temperature is more than 700°C, the nitrides in the nitride layer are coarsened in the surface layer of the nitrided steel part, resulting in insufficient hardness of the nitrided layer. If the nitriding temperature is more than 700°C, the change from plate-shaped V precipitates to spherical V precipitates is promoted in the core of the nitrided steel part. Therefore, plate-shaped V precipitates are not sufficiently precipitated in the core of the nitrided steel part. As a result, the bending fatigue strength is not sufficiently increased. Therefore, the nitriding temperature is 500°C to 700°C. If the nitriding temperature is 500°C to 700°C, high bending fatigue strength can be obtained.
保持時間:60~300分
上記窒化処理温度での保持時間を60~300分とする。保持時間が60~300分であれば、窒化鋼部品の表層に窒化層が十分に形成され、さらに、窒化鋼部品の芯部に十分な板状V析出物が析出する。その結果、高い曲げ疲労強度が得られる。保持時間が60分未満であれば、窒化鋼部品の表層に窒化層が十分に形成されず、曲げ疲労強度が十分に高まらない。一方、保持時間が300分超であれば、窒化鋼部品の芯部において、板状V析出物から球状V析出物への変化が促進される。そのため、窒化鋼部品の芯部において、板状V析出物が十分に析出しない。その結果、曲げ疲労強度が十分に高まらない。したがって、保持時間は60~300分である。保持時間の好ましい下限は75分であり、より好ましくは90分である。保持時間の好ましい上限は240分であり、より好ましくは180分である。
Holding time: 60 to 300 minutes The holding time at the above nitriding temperature is set to 60 to 300 minutes. If the holding time is 60 to 300 minutes, a nitride layer is sufficiently formed on the surface layer of the nitrided steel part, and further, sufficient plate-shaped V precipitates are precipitated in the core part of the nitrided steel part. As a result, high bending fatigue strength is obtained. If the holding time is less than 60 minutes, a nitride layer is not sufficiently formed on the surface layer of the nitrided steel part, and bending fatigue strength is not sufficiently increased. On the other hand, if the holding time is more than 300 minutes, the change from plate-shaped V precipitates to spherical V precipitates is promoted in the core part of the nitrided steel part. Therefore, plate-shaped V precipitates are not sufficiently precipitated in the core part of the nitrided steel part. As a result, bending fatigue strength is not sufficiently increased. Therefore, the holding time is 60 to 300 minutes. The preferable lower limit of the holding time is 75 minutes, more preferably 90 minutes. The preferable upper limit of the holding time is 240 minutes, more preferably 180 minutes.
本発明における窒化処理の方法は、特に限定しない。ガス窒化処理、ガス軟窒化処理、塩浴窒化処理、塩浴軟窒化処理、いずれでもよい。ただし、プラズマ窒化処理で上記の窒化処理温度を満たさないものは不適切である。 The nitriding method in the present invention is not particularly limited. Any of gas nitriding, gas soft nitriding, salt bath nitriding, and salt bath soft nitriding may be used. However, plasma nitriding that does not meet the above nitriding temperature is inappropriate.
[切削加工工程]
冷間加工工程後の中間品に対して、必要に応じて窒化処理前に切削加工を実施して、窒化鋼部品を製造する。製造された窒化鋼部品は、窒化処理により高い曲げ疲労強度を有する。本発明による窒化鋼部品は、従来の製造工程(熱間鍛造工程-切削加工工程)に代えて、上記の製造工程(冷間加工工程-切削加工工程-窒化処理工程、又は、冷間加工工程-窒化処理工程)により製造できる。そのため、生産性を高めることができる。
[Cutting process]
The intermediate product after the cold working step is cut as necessary before the nitriding step to produce a nitrided steel part. The produced nitrided steel part has high bending fatigue strength due to the nitriding step. The nitrided steel part according to the present invention can be produced by the above-mentioned production steps (cold working step-cutting step-nitriding step, or cold working step-nitriding step) instead of the conventional production steps (hot forging step-cutting step). This makes it possible to increase productivity.
以上のとおり、本発明による窒化鋼部品は、高い曲げ疲労強度を有する。 As described above, the nitrided steel parts according to the present invention have high bending fatigue strength.
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。 The present invention will be explained in more detail below with reference to examples.
種々の窒化鋼部品を製造して、曲げ疲労強度を評価した。 Various nitrided steel parts were manufactured and their bending fatigue strength was evaluated.
表1及び表2に示す化学組成を有する試験番号1~68の溶鋼を真空溶解により製造した。溶鋼を用いて150kgのインゴットを製造した。表1及び表2の「化学組成」欄における空欄は、対応する元素含有量が検出限界未満であったことを意味する。 Molten steels with test numbers 1 to 68 having the chemical compositions shown in Tables 1 and 2 were produced by vacuum melting. Ingots weighing 150 kg were produced using the molten steels. A blank in the "Chemical Composition" column in Tables 1 and 2 means that the content of the corresponding element was below the detection limit.
なお、不純物中のMo含有量の測定値が0.01%未満の場合、及び、Ti含有量の測定値が0.001%未満の場合は、非含有と同等の性能となるという観点から「-」と表記した。 When the measured value of the Mo content in the impurities is less than 0.01%, and when the measured value of the Ti content is less than 0.001%, the value is indicated as "-" because the performance is equivalent to that of a non-containing material.
製造されたインゴットに対して、熱間加工を模擬した熱間鍛造を実施して、直径24mm(φ24)の丸棒鍛伸材を製造した。熱間鍛造における加熱温度は1200℃であり、仕上げ温度は1000℃であった。熱間鍛造後の冷却速度は0.5℃/sであった。以上の方法で、丸棒鍛伸材を製造した。なお、試験番号66について、加熱温度及び仕上げ温度の条件は上記のとおりであり、熱間鍛造後の冷却速度:0.1℃/sの条件で熱間鍛造を実施した。なお、試験番号67及び68について、加熱温度及び仕上げ温度の条件は上記のとおりであり、熱間鍛造後の冷却速度:10.0℃/sの条件で熱間鍛造を実施した。 The produced ingots were subjected to hot forging simulating hot working to produce forged and stretched round bars with a diameter of 24 mm (φ24). The heating temperature in the hot forging was 1200°C, and the finishing temperature was 1000°C. The cooling rate after hot forging was 0.5°C/s. The forged and stretched round bars were produced by the above method. For test number 66, the heating temperature and finishing temperature conditions were as described above, and hot forging was performed under the cooling rate after hot forging: 0.1°C/s. For test numbers 67 and 68, the heating temperature and finishing temperature conditions were as described above, and hot forging was performed under the cooling rate after hot forging: 10.0°C/s.
製造した丸棒鍛伸材に対して、冷間加工工程を模擬した冷間加工を実施し、その後窒化処理を実施して、窒化鋼部品を製造した。冷間加工工程では、各試験番号の丸棒鍛伸材に対して引抜加工工程を実施し、その後、据込加工工程を実施した。引抜加工工程及び据込加工工程における引抜歪量(%)及び据込歪量(%)は表1及び表2に示すとおりであった。冷間加工工程後の丸棒鍛伸材に対して、窒化処理工程を実施した。窒化処理において、処理温度(℃)及び保持時間(分)は表1及び表2に示すとおりであった。なお、後述する小野式回転曲げ疲労試験では、冷間加工後の鋼材に対して切削加工を実施し、図1に示す形状の小野式回転曲げ疲労試験片を採取した。その後、表1及び表2に示す条件で窒化処理を実施し、窒化鋼疲労試験片を製造した。以上の方法で、窒化鋼部品及び窒化鋼疲労試験片を製造した。 The produced forged and stretched round bar materials were subjected to cold working simulating the cold working process, and then nitriding treatment was performed to produce nitrided steel parts. In the cold working process, the forged and stretched round bar materials of each test number were subjected to a drawing process, and then an upsetting process was performed. The drawing distortion amount (%) and upsetting distortion amount (%) in the drawing process and upsetting process were as shown in Tables 1 and 2. The forged and stretched round bar materials after the cold working process were subjected to a nitriding process. In the nitriding process, the treatment temperature (°C) and holding time (min) were as shown in Tables 1 and 2. In the Ono-type rotating bending fatigue test described later, the steel material after cold working was cut to obtain Ono-type rotating bending fatigue test pieces with the shape shown in Figure 1. Then, nitriding treatment was performed under the conditions shown in Tables 1 and 2 to produce nitrided steel fatigue test pieces. Nitrided steel parts and nitrided steel fatigue test pieces were produced by the above method.
[ミクロ組織観察]
各試験番号の丸棒鍛伸材の中心部から試験片を採取した。中心部とは、丸棒鍛伸材の中心軸を含む部分を意味する。採取された試料表面のうち、丸棒鍛伸材の圧延方向に垂直な面を観察面とした。観察面に対して機械研磨を実施し、3%ナイタール(エタノール+3%硝酸溶液)で腐食した。腐食した観察面のうち、丸棒鍛伸材のR/2位置(半径Rの中心位置)を光学顕微鏡で観察した。観察倍率は400倍とし、観察視野は5視野とした。各視野について初析フェライトの面積率(%)、及び、パーライト及びベイナイトの総面積率(%)を求めた。各組織について、5視野の平均値を算出し、各試験番号の丸棒鍛伸材のフェライト面積率(%)、及び、パーライト及びベイナイトの総面積率(%)とした。
[Microstructure Observation]
A test piece was taken from the center of the forged and stretched round bar of each test number. The center means a portion including the central axis of the forged and stretched round bar. The surface perpendicular to the rolling direction of the forged and stretched round bar of each test number was used as the observation surface. The observation surface was mechanically polished and corroded with 3% nital (ethanol + 3% nitric acid solution). Of the corroded observation surfaces, the R/2 position (center position of radius R) of the forged and stretched round bar was observed with an optical microscope. The observation magnification was 400 times, and the observation field was 5 fields. The area ratio (%) of proeutectoid ferrite and the total area ratio (%) of pearlite and bainite were obtained for each field. The average value of the 5 fields was calculated for each structure, and the ferrite area ratio (%) and the total area ratio (%) of pearlite and bainite of the forged and stretched round bar of each test number were obtained.
各試験番号の窒化鋼部品について、丸棒鍛伸材と同様の方法でミクロ組織を観察した。具体的には、窒化鋼部品のL断面(後述する冷間加工工程の引抜加工工程における進行方向に平行な断面)を観察面とした。観察面に対して機械研磨を実施し、3%ナイタール(エタノール+3%硝酸溶液)で腐食した。腐食した観察面のうち、窒化鋼部品の表面から5mmの位置を光学顕微鏡で観察した。観察倍率は400倍とし、観察視野は5視野とした。各視野について初析フェライトの面積率(%)、及び、パーライト及びベイナイトの総面積率(%)を求めた。各組織について、5視野の平均値を算出し、各試験番号の窒化鋼部品のフェライト面積率(%)、及び、パーライト及びベイナイトの総面積率(%)とした。得られた窒化鋼部品のフェライト面積率(%)、及び、パーライト及びベイナイトの総面積率(%)を表1及び表2に示す。 The microstructure of the nitrided steel parts of each test number was observed in the same manner as for the round bar forged and stretched material. Specifically, the L-section of the nitrided steel parts (a section parallel to the direction of progress in the drawing process of the cold working process described below) was used as the observation surface. The observation surface was mechanically polished and corroded with 3% nital (ethanol + 3% nitric acid solution). The corroded observation surface was observed at a position 5 mm from the surface of the nitrided steel parts using an optical microscope. The observation magnification was 400 times, and five observation fields were used. The area ratio (%) of pro-eutectoid ferrite and the total area ratio (%) of pearlite and bainite were obtained for each field. The average value of the five fields was calculated for each structure, and was used as the ferrite area ratio (%) and the total area ratio (%) of pearlite and bainite of the nitrided steel parts of each test number. The ferrite area ratio (%) and the total area ratio (%) of pearlite and bainite of the obtained nitrided steel parts are shown in Tables 1 and 2.
表1及び表2中の「窒化鋼部品」中の「F%(%)」は、観察した窒化鋼部品のミクロ組織におけるフェライトの面積率(%)を意味する。表1及び表2中の「窒化鋼部品」中の「P+B%(%)」は、観察した窒化鋼部品のミクロ組織におけるパーライト及びベイナイトの総面積率(%)を意味する。 "F% (%)" in "nitrided steel parts" in Tables 1 and 2 means the area ratio (%) of ferrite in the microstructure of the observed nitrided steel parts. "P+B% (%)" in "nitrided steel parts" in Tables 1 and 2 means the total area ratio (%) of pearlite and bainite in the microstructure of the observed nitrided steel parts.
[V析出物中のVの総含有量([析出物中V])の測定]
各試験番号の窒化鋼部品の芯部から、10mm立方の抽出残渣試験片を採取した。抽出残渣試験片を用いて、上記の方法により、抽出残渣によるV析出物中のVの総含有量(質量%)を求めた。
[Measurement of total V content in V precipitates ([V in precipitates])]
A 10 mm cubic extraction residue test piece was taken from the core of each nitrided steel part with each test number. The total V content (mass%) in the V precipitates due to the extraction residue was determined using the extraction residue test piece by the above-mentioned method.
[小野式回転曲げ疲労試験]
各試験番号の窒化鋼疲労試験片を用いて、室温、大気雰囲気中にて、JIS Z 2274(1978)に準拠した小野式回転曲げ疲労試験を実施した。回転数を3000rpmとし、応力負荷繰返し回数が107サイクル後において破断しなかった最大応力を曲げ疲労強度(MPa)とした。得られた曲げ疲労強度を表1及び表2の「疲労強度(MPa)」欄に示す。曲げ疲労強度が650MPa以上の場合、曲げ疲労強度が高いと判断した。一方、曲げ疲労強度が650MPa未満の場合、曲げ疲労強度が低いと判断した。
[Ono-type rotating bending fatigue test]
Using the nitrided steel fatigue test pieces of each test number, an Ono-type rotating bending fatigue test was carried out at room temperature in an air atmosphere in accordance with JIS Z 2274 (1978). The rotation speed was set to 3000 rpm, and the maximum stress at which the specimen did not break after 107 cycles of repeated stress loading was taken as the bending fatigue strength (MPa). The bending fatigue strengths obtained are shown in the "Fatigue strength (MPa)" column in Tables 1 and 2. When the bending fatigue strength was 650 MPa or more, the bending fatigue strength was judged to be high. On the other hand, when the bending fatigue strength was less than 650 MPa, the bending fatigue strength was judged to be low.
[拡散性水素量の測定]
拡散性水素量測定用の試験片を準備した。各試験番号の窒化鋼部品の芯部から、直径7mm、長さ40mmの丸棒を切り出した。具体的には、窒化鋼部品の表面から5mm以上の深さまで切削して、上記丸棒を切り出した。切り出された丸棒を拡散性水素量測定用の試験片とした。準備した拡散性水素量測定用の試験片に対して、上記の方法により、拡散性水素量を測定した。結果を表1及び表2に示す。拡散性水素量が0.10ppm以上の場合、拡散性水素量が十分であり、板状V析出物が十分析出していると判断した。一方、拡散性水素量が0.10ppm未満の場合、拡散性水素量が不十分であり、板状V析出物の析出が不十分であると判断した。
[Measurement of diffusible hydrogen content]
A test piece for measuring the amount of diffusible hydrogen was prepared. A round bar with a diameter of 7 mm and a length of 40 mm was cut out from the core of each nitrided steel part with each test number. Specifically, the round bar was cut out by cutting to a depth of 5 mm or more from the surface of the nitrided steel part. The cut-out round bar was used as a test piece for measuring the amount of diffusible hydrogen. The amount of diffusible hydrogen was measured for the test piece for measuring the amount of diffusible hydrogen prepared by the above method. The results are shown in Tables 1 and 2. When the amount of diffusible hydrogen was 0.10 ppm or more, it was determined that the amount of diffusible hydrogen was sufficient and that the plate-shaped V precipitates were sufficiently precipitated. On the other hand, when the amount of diffusible hydrogen was less than 0.10 ppm, it was determined that the amount of diffusible hydrogen was insufficient and that the precipitation of the plate-shaped V precipitates was insufficient.
[試験結果]
表1及び表2に試験結果を示す。なお、試験番号60及び61以外の各試験番号の丸棒鍛伸材のミクロ組織の各面積率は、各試験番号の窒化鋼部品の各面積率と同じであった。試験番号60の丸棒鍛伸材の組織において、フェライト面積率は70%であり、パーライト及びベイナイトの総面積率は30%であった。試験番号61の丸棒鍛伸材の組織において、フェライト面積率は58%であり、パーライト及びベイナイトの総面積率は42%であった。
[Test Results]
The test results are shown in Tables 1 and 2. The area ratios of the microstructures of the forged and drawn round bar materials of each test number except test numbers 60 and 61 were the same as the area ratios of the nitrided steel parts of each test number. In the structure of the forged and drawn round bar material of test number 60, the area ratio of ferrite was 70%, and the total area ratio of pearlite and bainite was 30%. In the structure of the forged and drawn round bar material of test number 61, the area ratio of ferrite was 58%, and the total area ratio of pearlite and bainite was 42%.
表1及び表2を参照して、試験番号1~40の窒化鋼部品は、芯部の化学組成が適切であり、式(1)を満たした。さらに、試験番号1~40の窒化鋼部品は、冷間加工工程及び窒化処理工程の条件が適切であった。そのため、試験番号1~40の窒化鋼部品のミクロ組織におけるフェライトの面積率は20~90%であった。さらに、試験番号1~40の窒化鋼部品は、式(1)を満たし、拡散性水素量は0.10ppm以上であった。そのため、試験番号1~40の窒化鋼部品の曲げ疲労強度は650MPa以上であり、曲げ疲労強度が高かった。 With reference to Tables 1 and 2, the nitrided steel parts of test numbers 1 to 40 had appropriate chemical compositions in the core and satisfied formula (1). Furthermore, the conditions of the cold working process and the nitriding treatment process were appropriate for the nitrided steel parts of test numbers 1 to 40. Therefore, the area ratio of ferrite in the microstructure of the nitrided steel parts of test numbers 1 to 40 was 20 to 90%. Furthermore, the nitrided steel parts of test numbers 1 to 40 satisfied formula (1) and the amount of diffusible hydrogen was 0.10 ppm or more. Therefore, the bending fatigue strength of the nitrided steel parts of test numbers 1 to 40 was 650 MPa or more, and was high.
一方、試験番号41では、C含有量が高すぎた。そのため、丸棒鍛伸材の冷間加工性が低かった。 On the other hand, in test number 41, the C content was too high. As a result, the cold workability of the forged round bar was poor.
試験番号42では、C含有量が低すぎた。そのため、窒化鋼部品のフェライト面積率が高すぎた。そのため、板状V析出物が十分に析出しなかった。その結果、式(1)を満たさず、拡散性水素量が0.10ppm未満であり、曲げ疲労強度が650MPa未満であった。 In test number 42, the C content was too low. As a result, the ferrite area ratio of the nitrided steel part was too high. As a result, plate-shaped V precipitates did not precipitate sufficiently. As a result, formula (1) was not satisfied, the amount of diffusible hydrogen was less than 0.10 ppm, and the bending fatigue strength was less than 650 MPa.
試験番号43は、Si含有量が低すぎた。そのため、曲げ疲労強度が650MPa未満であった。 Test No. 43 had too low a Si content. As a result, the bending fatigue strength was less than 650 MPa.
試験番号44は、Si含有量が高すぎた。そのため、丸棒鍛伸材の冷間加工性が低かった。 Test No. 44 had too high a Si content. As a result, the cold workability of the forged round bar was poor.
試験番号45は、Mn含有量が高すぎた。そのため、丸棒鍛伸材の冷間加工性が低かった。 Test No. 45 had too high a Mn content. As a result, the cold workability of the forged round bar was poor.
試験番号46は、Mn含有量が高すぎた。そのため、丸棒鍛伸材中のフェライトの面積率20%未満であった。その結果、丸棒鍛伸材の冷間加工性が低かった。 Test No. 46 had too high a Mn content. As a result, the area ratio of ferrite in the forged and drawn round bar was less than 20%. As a result, the cold workability of the forged and drawn round bar was poor.
試験番号47は、V含有量が高すぎた。そのため、丸棒鍛伸材の冷間加工性が低かった。 Test No. 47 had too high a V content. As a result, the cold workability of the forged round bar was poor.
試験番号48は、V含有量が低すぎた。そのため、V析出物が十分に析出しなかった。その結果、式(1)を満たさず、拡散性水素量が0.10ppm未満であり、曲げ疲労強度が650MPa未満であった。 In test number 48, the V content was too low. Therefore, V precipitates were not sufficiently formed. As a result, formula (1) was not satisfied, the amount of diffusible hydrogen was less than 0.10 ppm, and the bending fatigue strength was less than 650 MPa.
試験番号49は、Cr含有量が高すぎた。そのため、曲げ疲労強度が650MPa未満であった。 Test No. 49 had too high a Cr content. As a result, the bending fatigue strength was less than 650 MPa.
試験番号50は、N含有量が高すぎた。そのため、冷間加工工程前であって、熱間加工後の冷却時にV窒化物が過剰に析出した。そのため、窒化処理工程で、板状V析出物が十分に析出しなかった。その結果、拡散性水素量が0.10ppm未満であり、曲げ疲労強度が650MPa未満であった。 Test No. 50 had an excessively high N content. As a result, V nitrides were excessively precipitated during cooling after hot working, before the cold working process. As a result, plate-shaped V precipitates were not sufficiently precipitated during the nitriding process. As a result, the amount of diffusible hydrogen was less than 0.10 ppm, and the bending fatigue strength was less than 650 MPa.
試験番号51は、Ti含有量が高すぎた。そのため、丸棒鍛伸材の冷間加工性が低かった。 Test No. 51 had too high a Ti content. As a result, the cold workability of the forged round bar was poor.
試験番号52は、Mo含有量が高すぎた。そのため、丸棒鍛伸材の冷間加工性が低かった。 Test No. 52 had too high a Mo content. As a result, the cold workability of the forged round bar was poor.
試験番号53及び54は、冷間加工工程における冷間加工歪量が低すぎた。そのため、板状のV析出物が十分に析出しなかった。その結果、式(1)を満たさず、拡散性水素量が0.10ppm未満であり、曲げ疲労強度が650MPa未満であった。 In test numbers 53 and 54, the amount of cold working strain in the cold working process was too low. Therefore, plate-shaped V precipitates were not sufficiently precipitated. As a result, formula (1) was not satisfied, the amount of diffusible hydrogen was less than 0.10 ppm, and the bending fatigue strength was less than 650 MPa.
試験番号55及び56は、冷間加工工程において据込加工工程を実施しなかった。そのため、板状のV析出物が十分に析出しなかった。その結果、拡散性水素量が0.10ppm未満であり、曲げ疲労強度が650MPa未満であった。 For test numbers 55 and 56, the upsetting process was not performed in the cold working process. Therefore, plate-shaped V precipitates were not sufficiently precipitated. As a result, the amount of diffusible hydrogen was less than 0.10 ppm, and the bending fatigue strength was less than 650 MPa.
試験番号57及び58は、冷間加工工程において引抜加工工程を実施しなかった。そのため、板状のV析出物が十分に析出しなかった。その結果、拡散性水素量が0.10ppm未満であり、曲げ疲労強度が650MPa未満であった。 For test numbers 57 and 58, the drawing process was not performed in the cold working process. Therefore, plate-shaped V precipitates were not sufficiently precipitated. As a result, the amount of diffusible hydrogen was less than 0.10 ppm, and the bending fatigue strength was less than 650 MPa.
試験番号59は、窒化処理温度が低すぎた。そのため、V析出物が十分に析出しなかった。その結果、式(1)を満たさず、拡散性水素量が0.10ppm未満であり、曲げ疲労強度が650MPa未満であった。 In test number 59, the nitriding temperature was too low. As a result, V precipitates were not sufficiently precipitated. As a result, formula (1) was not satisfied, the amount of diffusible hydrogen was less than 0.10 ppm, and the bending fatigue strength was less than 650 MPa.
試験番号60及び61は、窒化処理温度が高すぎた。そのため、窒化処理後の冷却工程で、板状のV析出物が十分に析出しなかった。その結果、拡散性水素量が0.10ppm未満であり、曲げ疲労強度が650MPa未満であった。 In test numbers 60 and 61, the nitriding temperature was too high. As a result, plate-shaped V precipitates did not precipitate sufficiently during the cooling process after the nitriding process. As a result, the amount of diffusible hydrogen was less than 0.10 ppm, and the bending fatigue strength was less than 650 MPa.
試験番号62は、窒化処理温度での保持時間が短すぎた。そのため、板状V析出物が十分に析出しなかった。その結果、式(1)を満たさず、拡散性水素量が0.10ppm未満であり、曲げ疲労強度が650MPa未満であった。 Test No. 62 had a holding time at the nitriding temperature that was too short. As a result, plate-shaped V precipitates did not precipitate sufficiently. As a result, formula (1) was not satisfied, the amount of diffusible hydrogen was less than 0.10 ppm, and the bending fatigue strength was less than 650 MPa.
試験番号63~65は、窒化処理温度での保持時間が長すぎた。そのため、板状V析出物が十分に析出しなかった。その結果、拡散性水素量が0.10ppm未満であり、曲げ疲労強度が650MPa未満であった。 Test numbers 63 to 65 were held at the nitriding temperature for too long. As a result, plate-shaped V precipitates did not precipitate sufficiently. As a result, the amount of diffusible hydrogen was less than 0.10 ppm, and the bending fatigue strength was less than 650 MPa.
試験番号66は、芯部の化学組成は適切であるものの、丸棒鍛伸材の製造における熱間加工工程における冷却条件が適切ではなかった。そのため、丸棒鍛伸材の[析出物中V]/[V]が0.30以上であった。そのため、拡散性水素量が0.10ppm未満であった。さらに、丸棒鍛伸材のミクロ組織において、フェライトの面積率が90%超であった。そのため、窒化鋼部品のミクロ組織において、フェライトの面積率が90%超であった。その結果、曲げ疲労強度が650MPa未満であった。 In test number 66, although the chemical composition of the core was appropriate, the cooling conditions in the hot working process in the manufacture of the forged and drawn round bar material were not appropriate. As a result, the [V in precipitates]/[V] of the forged and drawn round bar material was 0.30 or more. As a result, the amount of diffusible hydrogen was less than 0.10 ppm. Furthermore, in the microstructure of the forged and drawn round bar material, the area ratio of ferrite was more than 90%. As a result, in the microstructure of the nitrided steel part, the area ratio of ferrite was more than 90%. As a result, the bending fatigue strength was less than 650 MPa.
試験番号67及び68は、芯部の化学組成は適切であるものの、丸棒鍛伸材の製造における熱間加工工程における冷却条件が適切ではなかった。そのため、丸棒鍛伸材のミクロ組織において、フェライトの面積率が20%未満であった。その結果、丸棒鍛伸材の冷間加工性が低かった。 In test numbers 67 and 68, the chemical composition of the core was appropriate, but the cooling conditions in the hot working process in the manufacture of the forged and drawn round bar material were not appropriate. As a result, the area ratio of ferrite in the microstructure of the forged and drawn round bar material was less than 20%. As a result, the cold workability of the forged and drawn round bar material was poor.
以上、本開示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開示を実施するための例示に過ぎない。したがって、本開示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 above describes the embodiments of the present disclosure. However, the above-described embodiments are merely examples for implementing the present disclosure. Therefore, the present disclosure is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented by modifying the above-described embodiments as appropriate within the scope of the spirit of the present disclosure.
Claims (5)
前記窒化鋼部品の表層部の窒化層と、
前記窒化層よりも内部の芯部とを備え、
前記芯部の化学組成が、質量%で、
C:0.03~0.25%、
Si:0.02~0.50%、
Mn:0.70超~2.50%、
P:0.035%以下、
S:0.050%以下、
Al:0.005~0.050%、
Cr:0.03~0.30%未満、
V:0.10超~0.40%、
N:0.003~0.030%、
Nb:0~0.100%、
B:0~0.0100%、
Cu:0~0.20%、
Ni:0~0.20%、
Ca:0~0.0050%、
Bi:0~0.100%、
Pb:0~0.090%、
Mo:0~0.05%、及び、
Ti:0~0.005%、を含有し、
残部がFe及び不純物からなり、
前記芯部の化学組成中のV含有量を[V](質量%)と定義し、前記芯部のV析出物中のVの総含有量を[析出物中V](質量%)と定義したとき、式(1)を満たし、
3%NaCl-3g/LNH 4 SCN水溶液中で、電流密度が0.1mA/cm 2 であり、通電時間が72時間である陰極水素チャージ法で水素をチャージした場合の拡散性水素量が0.10ppm以上である、
窒化鋼部品。
[析出物中V]/[V]≧0.30 (1) 1. A nitrided steel part, comprising:
a nitrided layer on the surface layer of the nitrided steel part;
A core portion located inside the nitride layer,
The chemical composition of the core is, in mass%,
C: 0.03-0.25%,
Si: 0.02-0.50%,
Mn: more than 0.70 to 2.50%,
P: 0.035% or less,
S: 0.050% or less,
Al: 0.005-0.050%,
Cr: 0.03 to less than 0.30%;
V: more than 0.10 to 0.40% ,
N: 0.003-0.030%,
Nb: 0 to 0.100%,
B: 0 to 0.0100%,
Cu: 0 to 0.20%,
Ni: 0 to 0.20%,
Ca: 0-0.0050%,
Bi: 0-0.100%,
Pb: 0 to 0.090%,
Mo: 0 to 0.05%, and
Ti: 0 to 0.005%;
The balance is Fe and impurities,
When the V content in the chemical composition of the core portion is defined as [V] (mass%) and the total V content in the V precipitates of the core portion is defined as [V in precipitates] (mass%), formula (1) is satisfied,
The amount of diffusible hydrogen is 0.10 ppm or more when hydrogen is charged in a 3% NaCl-3 g/LNH 4 SCN aqueous solution by a cathodic hydrogen charging method in which the current density is 0.1 mA/cm 2 and the current application time is 72 hours .
Nitrided steel parts.
[V in precipitate]/[V]≧0.30 (1)
前記芯部の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、
Nb:0.001~0.100%、及び、
B:0.0001~0.0100%、
からなる群から選択される1種以上を含有する、
窒化鋼部品。 2. The nitrided steel component according to claim 1,
The chemical composition of the core portion further includes, instead of a part of Fe,
Nb: 0.001 to 0.100 %, and
B: 0.0001 to 0.0100 %,
Contains one or more selected from the group consisting of
Nitrided steel parts.
前記芯部の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、
Cu:0.01~0.20%、及び、
Ni:0.01~0.20%、
からなる群から選択される1種以上を含有する、
窒化鋼部品。 3. The nitriding steel part according to claim 1 or 2,
The chemical composition of the core portion further includes, instead of a part of Fe,
Cu: 0.01 to 0.20 %, and
Ni: 0.01-0.20 %,
Contains one or more selected from the group consisting of
Nitrided steel parts.
前記芯部の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、
Ca:0.0001~0.0050%、
Bi:0.001~0.100%、及び、
Pb:0.001~0.090%、
からなる群から選択される1種以上を含有する、
窒化鋼部品。 A nitriding steel part according to any one of claims 1 to 3,
The chemical composition of the core portion further includes, instead of a part of Fe,
Ca: 0.0001-0.0050 %,
Bi: 0.001 to 0.100 %, and
Pb: 0.001-0.090 %,
Contains one or more selected from the group consisting of
Nitrided steel parts.
前記芯部の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、
Mo:0.01~0.05%、及び、
Ti:0.001~0.005%、
からなる群から選択される1種以上を含有する、
窒化鋼部品。
A nitriding steel part according to any one of claims 1 to 4,
The chemical composition of the core portion further includes, instead of a part of Fe,
Mo: 0.01 to 0.05 %, and
Ti: 0.001 to 0.005 %,
Contains one or more selected from the group consisting of
Nitrided steel parts.
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