JP2017066474A - Hot forging component and manufacturing method of hot forging component - Google Patents
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Abstract
【課題】耐焼付き性に優れた熱間鍛造部品を提供する。【解決手段】熱間鍛造部品は、化学組成が、質量%で、C:0.35〜0.6%、Si:0.1%以上1.2%未満、Mn:0.1%以上1.2%未満、P:0.02%を超え0.05%以下、S:0.06%以下、Al:0.05%を超え0.8%以下、N:0.001〜0.02%、V:0〜0.2%、残部:Fe及び不純物であり、化学組成が、下記の式(1)を満たし、面積率で90%以上のパーライトを含む組織を有し、パーライトの平均ラメラ間隔が35nmを超え100nm以下である鋼材からなる。[Si]+[Mn]≦1.2・・・式(1)ここで、[Si]、[Mn]にはSi、Mnの各含有量が質量%で代入される。【選択図】図8A hot forged part having excellent seizure resistance is provided. A hot forged part has a chemical composition of mass%, C: 0.35 to 0.6%, Si: 0.1% to less than 1.2%, Mn: 0.1% to 1%. Less than 2%, P: more than 0.02% and 0.05% or less, S: 0.06% or less, Al: more than 0.05% and 0.8% or less, N: 0.001 to 0.02 %, V: 0 to 0.2%, balance: Fe and impurities, the chemical composition satisfies the following formula (1), and has a structure containing pearlite of 90% or more by area ratio, and the average of pearlite It consists of a steel material having a lamellar spacing of more than 35 nm and not more than 100 nm. [Si] + [Mn] ≦ 1.2 Formula (1) Here, each content of Si and Mn is substituted by mass% for [Si] and [Mn]. [Selection] Figure 8
Description
本発明は、摺動部品として好適な熱間鍛造部品及び熱間鍛造部品の製造方法に関する。 The present invention relates to a hot forged part suitable as a sliding part and a method for producing a hot forged part.
クランクシャフトに代表される摺動部品には、耐摩耗性及び疲労強度が求められる。耐摩耗性及び疲労強度を高めるために、摺動部品には、高周波焼入れや軟窒化等の表面硬化処理が実施される場合が多い。一方、低コスト化の要請から、表面硬化処理を省略しても使用可能な摺動部品が求められている。 A sliding component represented by a crankshaft is required to have wear resistance and fatigue strength. In order to increase the wear resistance and fatigue strength, the sliding parts are often subjected to surface hardening treatment such as induction hardening and soft nitriding. On the other hand, sliding parts that can be used even if the surface hardening treatment is omitted are demanded from the demand for cost reduction.
特許第5370281号公報には、初析フェライトの面積率が10%未満であるフェライト・パーライト組織、又はパーライト組織の非調質鋼材からなる鍛造クランクシャフトが開示されている。同文献には、初析フェライト面積率が10%未満であれば、表面硬化処理が省略されても、優れた耐摩耗性が得られると記載されている。 Japanese Patent No. 5370281 discloses a forged crankshaft made of a ferrite-pearlite structure in which the area ratio of pro-eutectoid ferrite is less than 10%, or a non-heat treated steel material having a pearlite structure. This document describes that if the pro-eutectoid ferrite area ratio is less than 10%, excellent wear resistance can be obtained even if the surface hardening treatment is omitted.
特許第4140283号公報には、表層から200nmまでの領域における組織が、面積率で5%以下の初析フェライトとラメラ間隔が30nm以下のパーライトとの混合組織であることを特徴とする非調質鋼クランクシャフトが開示されている。同文献には、耐摩耗性に影響するのは表層から200nmまでの領域における硬さであり、ナノインデンテーション装置を用いてこの領域を測定した硬さが10GPa以上であれば、優れた耐摩耗性が得られると記載されている。 In Japanese Patent No. 4140283, the structure in the region from the surface layer to 200 nm is a mixed structure of proeutectoid ferrite with an area ratio of 5% or less and pearlite with a lamellar spacing of 30 nm or less. A steel crankshaft is disclosed. In this document, it is the hardness in the region from the surface layer to 200 nm that affects the wear resistance, and if the hardness measured in this region using a nanoindentation apparatus is 10 GPa or more, excellent wear resistance It is described that the sex can be obtained.
摺動部品には、上記の特性に加えて、優れた耐焼付き性が求められる。自動車の軽量化ニーズを背景に、クランクシャフトの細軸化及び狭幅化に対する要求が高まっている。そのため、クランクシャフトと軸受けと間の摺動条件は過酷になっている。したがって、クランクシャフトには、従来よりも優れた耐焼付き性が求められている。 Sliding parts are required to have excellent seizure resistance in addition to the above characteristics. In response to the need for lighter automobiles, there is an increasing demand for narrower and narrower crankshafts. Therefore, the sliding conditions between the crankshaft and the bearing are severe. Therefore, the crankshaft is required to have better seizure resistance than before.
特許第4589885号公報には、熱伝導率κが40W/mK以上であって、かつ高周波焼入れ後の表面硬さHvが(2.7×κ+420)よりも大きいことを特徴とするクランクシャフトが開示されている。同文献には、焼付きの支配因子は摺動面の温度上昇であると記載されている。温度上昇を抑制するためには、熱伝導率を高くすること、及び、摩擦係数を低減することが有効であると記載されている。 Japanese Patent No. 4589885 discloses a crankshaft characterized in that the thermal conductivity κ is 40 W / mK or more and the surface hardness Hv after induction hardening is larger than (2.7 × κ + 420). Has been. This document describes that the seizing factor is the temperature rise of the sliding surface. It is described that it is effective to increase the thermal conductivity and reduce the friction coefficient in order to suppress the temperature rise.
上記の特許文献に記載されているように、耐焼付き性を向上させるためには、表面(摺動面)から数100nm以内の領域の硬さ(以下、「ナノ硬さ」という。また、通常のビッカース硬さを、ナノ硬さと区別して「母材硬さ」と呼ぶ場合がある。)を高くすることが有効である。ナノ硬さを高くすれば、母材硬さが低くても、優れた耐焼付き性を得ることができる。 As described in the above-mentioned patent document, in order to improve the seizure resistance, the hardness (hereinafter referred to as “nano hardness”) of a region within a few hundreds of nanometers from the surface (sliding surface). It is effective to increase the Vickers hardness of the base material in order to distinguish it from nano hardness. If the nano hardness is increased, excellent seizure resistance can be obtained even if the base material hardness is low.
本発明者らは、摺動部品のナノ硬さが、長時間摺動することによって変化することを見いだした。上記の特許文献では、長時間摺動後のナノ硬さについては検討されていない。 The present inventors have found that the nano hardness of the sliding component changes by sliding for a long time. In the above-mentioned patent document, the nano hardness after sliding for a long time is not examined.
本発明の課題は、表面硬化処理を省略しても使用できる、耐焼付き性に優れた熱間鍛造部品を提供することである。 The subject of this invention is providing the hot forging components excellent in the seizure resistance which can be used even if a surface hardening process is abbreviate | omitted.
本発明の一実施形態による熱間鍛造部品は、化学組成が、質量%で、C:0.35〜0.6%、Si:0.1%以上1.2%未満、Mn:0.1%以上1.2%未満、P:0.02%を超え0.05%以下、S:0.06%以下、Al:0.05%を超え0.8%以下、N:0.001〜0.02%、V:0〜0.2%、残部:Fe及び不純物であり、前記化学組成が、下記の式(1)を満たし、面積率で90%以上のパーライトを含む組織を有し、前記パーライトの平均ラメラ間隔が35nmを超え100nm以下である鋼材からなる。
[Si]+[Mn]≦1.2・・・式(1)
ここで、[Si]、[Mn]にはSi、Mnの各含有量が質量%で代入される。
The hot forged part according to one embodiment of the present invention has a chemical composition of mass%, C: 0.35 to 0.6%, Si: 0.1% or more and less than 1.2%, Mn: 0.1 % To less than 1.2%, P: more than 0.02% to 0.05% or less, S: 0.06% or less, Al: more than 0.05% to 0.8% or less, N: 0.001 to 0.02%, V: 0 to 0.2%, balance: Fe and impurities, the chemical composition satisfies the following formula (1), and has a structure containing pearlite of 90% or more in area ratio The pearlite is made of a steel material having an average lamella spacing of more than 35 nm and not more than 100 nm.
[Si] + [Mn] ≦ 1.2 Formula (1)
Here, each content of Si and Mn is substituted by mass% for [Si] and [Mn].
本発明の一実施形態による熱間鍛造部品の製造方法は、化学組成が、質量%で、C:0.35〜0.6%、Si:0.1%以上1.2%未満、Mn:0.1%以上1.2%未満、P:0.02%を超え0.05%以下、S:0.06%以下、Al:0.05%を超え0.8%以下、N:0.001〜0.02%、V:0〜0.2%、残部:Fe及び不純物である素材を準備する工程と、前記素材を1000〜1250℃に加熱する工程と、前記加熱された素材を熱間鍛造する工程と、前記熱間鍛造された素材を冷却する工程とを備える。前記化学組成が、下記の式(1)を満たし、前記冷却する工程において、900℃から400℃までの平均冷却速度を、下記の式(2)で定義される冷却速度指数CI以下にし、かつ、下記の式(3)で定義されるパーライト冷却速度指数PIよりも大きくする。
[Si]+[Mn]≦1.2・・・式(1)
CI=10x・・・式(2)
PI=500×10−y・・・式(3)
ただし、x=0.1×[Al]−[Si]−[Mn]−5.8×[V]+2.2
y=0.6×[Si]+1.7×[Mn]+46×[P]+66×[S]+22×[V]+1.2×[Al]−1.9
ここで、[Si]、[Mn]、[Al]、[V]、[P]、[S]には前記素材のSi、Mn、Al、V、P、Sの各含有量が質量%で代入される。冷却速度指数CI及びパーライト冷却速度指数PIの単位は℃/秒である。
In the method for producing a hot forged part according to an embodiment of the present invention, the chemical composition is mass%, C: 0.35 to 0.6%, Si: 0.1% or more and less than 1.2%, Mn: 0.1% or more and less than 1.2%, P: more than 0.02% and 0.05% or less, S: 0.06% or less, Al: more than 0.05% and 0.8% or less, N: 0 0.001 to 0.02%, V: 0 to 0.2%, balance: Fe and a step of preparing materials that are impurities, a step of heating the materials to 1000 to 1250 ° C, and the heated materials A step of hot forging and a step of cooling the hot forged material. The chemical composition satisfies the following formula (1), and in the cooling step, an average cooling rate from 900 ° C. to 400 ° C. is set to a cooling rate index CI defined by the following formula (2), and , Larger than the pearlite cooling rate index PI defined by the following formula (3).
[Si] + [Mn] ≦ 1.2 Formula (1)
CI = 10 x Expression (2)
PI = 500 × 10 −y Formula (3)
However, x = 0.1 * [Al]-[Si]-[Mn] -5.8 * [V] +2.2
y = 0.6 * [Si] + 1.7 * [Mn] + 46 * [P] + 66 * [S] + 22 * [V] + 1.2 * [Al] -1.9
Here, [Si], [Mn], [Al], [V], [P], and [S] each contain the contents of Si, Mn, Al, V, P, and S in the material in mass%. Assigned. The unit of the cooling rate index CI and the pearlite cooling rate index PI is ° C./second.
本発明によれば、表面硬化処理を省略しても使用できる、耐焼付き性に優れた熱間鍛造部品が得られる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the hot forging components excellent in the seizure resistance which can be used even if a surface hardening process is abbreviate | omitted are obtained.
本発明者らは、主に自動車用のクランクシャフトを対象として、焼付き現象について検討した。通常、クランクシャフトと軸受けとは、油膜を挟んで対向する流体潤滑の状態で摺動している。しかし、本発明者らの調査によって、長時間の摺動中には、流体潤滑から境界潤滑に至る局面が少なからずあることがわかった。一般的に境界潤滑環境下で鋼が長時間摺動を受けると、加工硬化や摩擦熱による軟化が生じ、摺動面近傍(表面から20nm以内)の硬さが変化することが明らかになった。 The present inventors examined the seizure phenomenon mainly for a crankshaft for an automobile. Usually, the crankshaft and the bearing slide in a state of fluid lubrication facing each other across an oil film. However, as a result of the investigation by the present inventors, it has been found that there are not a few phases from fluid lubrication to boundary lubrication during long-time sliding. In general, when steel is subjected to sliding for a long time in a boundary lubrication environment, it has been found that work hardening and softening due to frictional heat occur, and the hardness near the sliding surface (within 20 nm from the surface) changes. .
組織観察の結果、摺動面では、摺動による加工層の形成と、摩擦熱による組織の変質(焼戻し、回復、及び再結晶)とが重畳的に起こっていることがわかった。このうち、摺動による加工層の形成はナノ硬さを向上させる因子であり、摩擦熱による組織の変質はナノ硬さを低下させる因子である。また、摺動面で剥離が生じると、摩耗が助長されて摩擦熱が大きくなるため、ナノ硬さが低下する原因となる。 As a result of the structure observation, it was found that the formation of the processed layer by sliding and the alteration of the structure (tempering, recovery, and recrystallization) by frictional heat occurred on the sliding surface in a superimposed manner. Among these, the formation of the processed layer by sliding is a factor that improves the nano hardness, and the alteration of the structure due to frictional heat is a factor that decreases the nano hardness. Moreover, when peeling occurs on the sliding surface, wear is promoted and frictional heat increases, which causes a decrease in nano hardness.
したがって、摺動面のナノ硬さを向上させるためには、(1)加工硬化性の向上、(2)摺動面での剥離の抑制、(3)熱伝導率の向上による摩擦熱散逸が有効である。 Therefore, in order to improve the nano hardness of the sliding surface, (1) improvement of work hardening, (2) suppression of peeling on the sliding surface, (3) frictional heat dissipation due to improvement of thermal conductivity. It is valid.
(1)加工硬化性の向上
本発明者らは、適正に組織制御されたパーライトを有する鋼材は、摺動によって大きく加工硬化し、表面硬化処理された材料と同等以上のナノ硬さを示すことを見いだした。
(1) Improvement of work hardenability The present inventors show that a steel material having appropriately controlled pearlite is greatly work hardened by sliding and exhibits a nanohardness equivalent to or higher than that of a surface hardened material. I found.
図1は、パーライト鋼の摺動面の組織を示す断面図である。図1に示すように、摺動面ではパーライトのラメラが大きく塑性変形している。最表層では、パーライトを形成するセメンタイトが分断されて微細化し、パーライトがナノ結晶化している。ナノ結晶化した層(以下、ナノ結晶化層という。)では、セメンタイトの一部が分解してフェライトに固溶している。摺動後のパーライトが高いナノ硬さを示す要因は、摺動による強加工によってセメンタイトが微細化すること、及び微細化したセメンタイトが分解することによってフェライト中の固溶炭素量が増加すること、にあると考えられる。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the sliding surface of pearlite steel. As shown in FIG. 1, the pearlite lamella is greatly plastically deformed on the sliding surface. In the outermost layer, cementite forming pearlite is divided and refined, and pearlite is nanocrystallized. In the nanocrystallized layer (hereinafter referred to as nanocrystallized layer), part of cementite is decomposed and dissolved in ferrite. Factors that indicate high nano-hardness of pearlite after sliding are that cementite is refined by strong processing by sliding, and that the amount of solid solution carbon in ferrite increases due to decomposition of refined cementite, It is thought that there is.
Si及びMnは、セメンタイトの分解を抑制する。そのため、Si及びMnは、パーライトの加工硬化性を低下させる。したがって、加工硬化性を高めるためには、Si及びMnの含有量を低くすることが好ましい。 Si and Mn suppress the decomposition of cementite. Therefore, Si and Mn reduce the work hardening of pearlite. Therefore, it is preferable to reduce the contents of Si and Mn in order to improve work curability.
Pは、パーライト内のフェライトに固溶し、パーライトの加工硬化性を高める。Pは一般的には、粒界に偏析して鋼の強度を低下させるが、ナノ結晶化層では粒界の面積が大きいため、Pが偏析しにくい。したがって、加工硬化性を高めるためには、P含有量を高くすることが好ましい。 P dissolves in the ferrite in the pearlite and enhances the work hardening of the pearlite. P generally segregates at the grain boundaries to reduce the strength of the steel. However, since the grain boundary area is large in the nanocrystallized layer, P hardly segregates. Therefore, in order to improve work curability, it is preferable to increase the P content.
パーライトのラメラ間隔が微細なほど、ナノ結晶化しやすく、加工硬化性が高くなる。一方、鋼材にマルテンサイトやベイナイト等の硬質な組織が含まれていると、パーライトの塑性変形が阻害され、加工硬化性が低くなる。したがって、加工硬化性を高めるためには、微細なラメラを有し、かつパーライト分率の高い組織とすることが好ましい。 The finer the pearlite lamella spacing, the easier it is to crystallize and the higher the work curability. On the other hand, if the steel material contains a hard structure such as martensite or bainite, the plastic deformation of pearlite is hindered and the work hardenability is lowered. Therefore, in order to improve work curability, it is preferable to have a structure having a fine lamella and a high pearlite fraction.
(2)摺動面での剥離の抑制
上述のとおり、適量のナノ結晶化層は、摺動面のナノ硬さの向上に寄与する。一方、ナノ結晶化層が厚くなりすぎると、ナノ結晶化層内で割れや剥離が生じやすくなり、かえってナノ硬さが低下する。
(2) Suppression of peeling on sliding surface As described above, an appropriate amount of the nanocrystallized layer contributes to the improvement of the nano hardness of the sliding surface. On the other hand, if the nanocrystallized layer becomes too thick, cracks and peeling are likely to occur in the nanocrystallized layer, and the nanohardness is reduced.
パーライトのラメラ間隔が小さすぎると、ナノ結晶化層が厚くなりすぎ、ナノ結晶化層内で割れや剥離が生じやすくなる。加工硬化の効果を得つつ、摺動面での剥離を抑制するためには、パーライトのラメラ間隔を適切に制御する必要がある。 If the pearlite lamella spacing is too small, the nanocrystallized layer becomes too thick, and cracking and peeling are likely to occur in the nanocrystallized layer. In order to suppress the peeling on the sliding surface while obtaining the work hardening effect, it is necessary to appropriately control the pearlite lamella spacing.
ナノ結晶化層の過度の発達は、AlやVの添加によって抑制することができる。このメカニズムは明らかではないが、Vは炭化物を生成することによってフェライト中の固溶炭素量の増加を抑制し、Alはフェライト中に固溶してフェライトの変形形態を変えることによってナノ結晶化層の生成を抑制する効果があるためと考えられる。 Excessive development of the nanocrystallized layer can be suppressed by adding Al or V. Although this mechanism is not clear, V suppresses an increase in the amount of solid solution carbon in the ferrite by generating carbide, and Al dissolves in the ferrite to change the deformation form of the ferrite to change the nanocrystallization layer. This is thought to be due to the effect of suppressing the generation of.
(3)熱伝導率の向上による摩擦熱散逸
熱伝導率の向上には、Si含有量の低減が有効であることが従来から知られている。本発明者らは、他の元素の影響を明らかにするため、中高炭素鋼をベースとして合金元素の添加量を変化させて、その熱伝導率を測定した。結果を図2に示す。図2に示すとおり、C、Siに加えて、Mnも熱伝導率に大きく影響を与える元素であり、Mn含有量の低減によって熱伝導率を向上できることがわかった。したがって、熱伝導率を向上させるためには、Si及びMnの含有量を低くすることが好ましい。
(3) Friction heat dissipation by improving thermal conductivity It has been conventionally known that reduction of Si content is effective for improving thermal conductivity. In order to clarify the influence of other elements, the inventors measured the thermal conductivity of the medium-high carbon steel while changing the addition amount of the alloy element. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 2, in addition to C and Si, Mn is an element that greatly affects the thermal conductivity, and it was found that the thermal conductivity can be improved by reducing the Mn content. Therefore, in order to improve thermal conductivity, it is preferable to reduce the contents of Si and Mn.
以上のとおり、上記(1)〜(3)によって摺動面のナノ硬さを向上させるためには、P及びAlの含有量を高くし、Si及びMnの含有量を低くするとともに、パーライト分率の高い組織とし、かつパーライトのラメラ間隔を適切に制御すればよい。より具体的には、熱間鍛造部品を構成する鋼材の化学組成が下記の式(1)を満たし、面積率で90%以上のパーライトを含む組織とし、かつパーライトの平均ラメラ間隔が35nmを超え100nm以下になるようにすれば、表面硬化処理をしなくても、表面硬化処理された材料と同等以上のナノ硬さが得られる。
[Si]+[Mn]≦1.2・・・式(1)
ここで、[Si]、[Mn]にはSi、Mnの各含有量が質量%で代入される。
As described above, in order to improve the nano hardness of the sliding surface by the above (1) to (3), the P and Al contents are increased, the Si and Mn contents are decreased, and the pearlite content is increased. What is necessary is just to set it as a structure | tissue with a high rate, and to control the lamella space | interval of a pearlite appropriately. More specifically, the chemical composition of the steel material constituting the hot forged part satisfies the following formula (1), has a structure containing pearlite of 90% or more in area ratio, and the average lamella spacing of pearlite exceeds 35 nm. If the thickness is 100 nm or less, nanohardness equivalent to or higher than that of the surface-cured material can be obtained without performing the surface-curing treatment.
[Si] + [Mn] ≦ 1.2 Formula (1)
Here, each content of Si and Mn is substituted by mass% for [Si] and [Mn].
表面硬化処理には、表面の硬化だけではなく、表面に圧縮歪みを与えて疲労破壊を抑制する効果もある。表面硬化処理を省略しても使用可能な摺動部品とするためには、摺動面のナノ硬さだけではなく、母材の強度も高くしておくことが好ましい。高強度のパーライトを得るためには、(4)化学組成に応じた冷却条件の選択が必要である。 The surface hardening treatment has an effect of suppressing fatigue failure by giving not only surface hardening but also compressive strain to the surface. In order to obtain a sliding component that can be used even if the surface hardening treatment is omitted, it is preferable to increase not only the nano hardness of the sliding surface but also the strength of the base material. In order to obtain high-strength pearlite, (4) it is necessary to select cooling conditions according to the chemical composition.
(4)化学組成に応じた冷却条件の選択
パーライトの強度を高くするためには、熱間鍛造後の冷却速度を大きくすればよい。一方、熱間鍛造後の冷却速度が大きすぎると、化学組成によってはマルテンサイト変態又はベイナイト変態が先行し、パーライト分率の高い組織が得られない。したがって、高強度でかつパーライト分率の高い組織を得るためには、適切な化学組成を選択するとともに、化学組成に応じた冷却条件を選択する必要がある。
(4) Selection of cooling conditions according to chemical composition In order to increase the strength of pearlite, the cooling rate after hot forging may be increased. On the other hand, if the cooling rate after hot forging is too high, depending on the chemical composition, martensitic transformation or bainite transformation precedes and a structure with a high pearlite fraction cannot be obtained. Therefore, in order to obtain a structure having high strength and a high pearlite fraction, it is necessary to select an appropriate chemical composition and a cooling condition corresponding to the chemical composition.
種々の検討の結果、熱間鍛造後に冷却する工程において、900℃から400℃までの平均冷却速度を、下記の式(2)で定義される冷却速度指数CI以下にし、かつ、下記の式(3)で定義されるパーライト冷却速度指数PIよりも大きくすれば、鋼材を、面積率で90%以上のパーライトを含む組織とし、かつパーライトの平均ラメラ間隔を35nmを超え100nm以下にできることがわかった。
CI=10x・・・式(2)
PI=500×10−y・・・式(3)
ただし、x=0.1×[Al]−[Si]−[Mn]−5.8×[V]+2.2
y=0.6×[Si]+1.7×[Mn]+46×[P]+66×[S]+22×[V]+1.2×[Al]−1.9
ここで、[Si]、[Mn]、[Al]、[V]、[P]、[S]にはSi、Mn、Al、V、P、Sの各含有量が質量%で代入される。冷却速度指数CI及びパーライト冷却速度指数PIの単位は℃/秒である。
As a result of various studies, in the step of cooling after hot forging, the average cooling rate from 900 ° C. to 400 ° C. is set to a cooling rate index CI or less defined by the following equation (2), and the following equation ( It was found that if the pearlite cooling rate index PI defined in 3) is made larger, the steel material can have a structure containing pearlite with an area ratio of 90% or more, and the average lamella spacing of pearlite can be more than 35 nm and less than 100 nm. .
CI = 10 x Expression (2)
PI = 500 × 10 −y Formula (3)
However, x = 0.1 * [Al]-[Si]-[Mn] -5.8 * [V] +2.2
y = 0.6 * [Si] + 1.7 * [Mn] + 46 * [P] + 66 * [S] + 22 * [V] + 1.2 * [Al] -1.9
Here, [Si], [Mn], [Al], [V], [P], and [S] are substituted for each content of Si, Mn, Al, V, P, and S by mass%. . The unit of the cooling rate index CI and the pearlite cooling rate index PI is ° C./second.
以上の知見に基づいて、本発明は完成された。以下、本発明の一実施形態による熱間鍛造部品について詳述する。 Based on the above findings, the present invention has been completed. Hereinafter, the hot forged part by one Embodiment of this invention is explained in full detail.
[化学組成]
本実施形態による熱間鍛造部品を構成する鋼材は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「%」は、質量%を意味する。
[Chemical composition]
The steel material which comprises the hot forging components by this embodiment has the chemical composition demonstrated below. In the following description, “%” of the element content means mass%.
C:0.35〜0.6%
炭素(C)は、パーライト組織を得るために必要な元素である。C含有量が0.35%未満では、パーライト分率の高い組織が得られない。一方、C含有量が0.6%を超えると、鋼の被削性が低下する。したがって、C含有量は0.35〜0.6%である。C含有量の下限は、好ましくは0.4%であり、さらに好ましくは0.5%である。C含有量の上限は、好ましくは0.58%である。
C: 0.35-0.6%
Carbon (C) is an element necessary for obtaining a pearlite structure. When the C content is less than 0.35%, a structure having a high pearlite fraction cannot be obtained. On the other hand, if the C content exceeds 0.6%, the machinability of the steel decreases. Therefore, the C content is 0.35 to 0.6%. The lower limit of the C content is preferably 0.4%, more preferably 0.5%. The upper limit of the C content is preferably 0.58%.
Si:0.1%以上1.2%未満
シリコン(Si)は、パーライト組織を得るために必要な元素である。Siはまた、パーライト内のフェライトに固溶してパーライトを強化する。Si含有量が0.1%未満では、パーライト分率の高い組織が得られない。一方、Siはセメンタイトの固溶を抑制し、パーライトの加工硬化性を低下させる。Siはまた、鋼の熱伝導率を低下させる。そのため、Si含有量が1.2%以上になると、十分な耐焼付き性が得られない。したがって、Si含有量は0.1%以上1.2%未満である。Si含有量の下限は、好ましくは0.2%である。Si含有量の上限は、好ましくは1.0%であり、さらに好ましくは0.9%である。
Si: 0.1% or more and less than 1.2% Silicon (Si) is an element necessary for obtaining a pearlite structure. Si also strengthens pearlite by dissolving in ferrite in pearlite. When the Si content is less than 0.1%, a structure having a high pearlite fraction cannot be obtained. On the other hand, Si suppresses the solid solution of cementite and lowers the work hardening property of pearlite. Si also reduces the thermal conductivity of the steel. Therefore, when the Si content is 1.2% or more, sufficient seizure resistance cannot be obtained. Therefore, the Si content is 0.1% or more and less than 1.2%. The lower limit of the Si content is preferably 0.2%. The upper limit of the Si content is preferably 1.0%, and more preferably 0.9%.
Mn:0.1%以上1.2%未満
マンガン(Mn)は、パーライト組織を得るために必要な元素である。Mn含有量が0.1%未満では、パーライト分率の高い組織が得られない。一方、Mnはセメンタイトの固溶を抑制し、パーライトの加工硬化性を低下させる。Mnはまた、鋼の熱伝導率を低下させる。そのため、Mn含有量が1.2%以上になると、十分な耐焼付き性が得られない。したがって、Mn含有量は0.1%以上1.2%未満である。Mn含有量の下限は、好ましくは0.2%である。Mn含有量の上限は、好ましくは1.1%であり、さらに好ましくは1.0%である。
Mn: 0.1% or more and less than 1.2% Manganese (Mn) is an element necessary for obtaining a pearlite structure. When the Mn content is less than 0.1%, a structure having a high pearlite fraction cannot be obtained. On the other hand, Mn suppresses solid solution of cementite and lowers the work hardening property of pearlite. Mn also reduces the thermal conductivity of the steel. Therefore, if the Mn content is 1.2% or more, sufficient seizure resistance cannot be obtained. Therefore, the Mn content is 0.1% or more and less than 1.2%. The lower limit of the Mn content is preferably 0.2%. The upper limit of the Mn content is preferably 1.1%, more preferably 1.0%.
P:0.02%を超え0.05%以下
リン(P)は、パーライト内のフェライトに固溶してパーライトを強化する。Pはまた、パーライトの加工硬化性を向上させる。P含有量が0.02%以下では、これらの効果が得られない。一方、P含有量が0.05%を超えると、過剰なPが粒界に偏析して、鋼の疲労強度が低下する。したがって、P含有量は0.02%を超え0.05%以下である。P含有量の下限は、好ましくは0.022%である。P含有量の上限は、好ましくは0.045%であり、さらに好ましくは0.04%である。
P: more than 0.02% and 0.05% or less Phosphorus (P) strengthens pearlite by dissolving in ferrite in pearlite. P also improves the work hardening of pearlite. If the P content is 0.02% or less, these effects cannot be obtained. On the other hand, if the P content exceeds 0.05%, excess P segregates at the grain boundaries, and the fatigue strength of the steel decreases. Therefore, the P content exceeds 0.02% and is 0.05% or less. The lower limit of the P content is preferably 0.022%. The upper limit of the P content is preferably 0.045%, and more preferably 0.04%.
S:0.06%以下
硫黄(S)は、不純物として鋼中に含有される。また、Sは、積極的に含有させると、硫化物系介在物を形成し、鋼の被削性を向上させる。一方、S含有量が0.06%を超えると、熱間加工性が低下する。したがって、S含有量は0.06%以下である。被削性の向上効果を得るためには、S含有量の下限は、好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。S含有量の上限は、好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.04%である。
S: 0.06% or less Sulfur (S) is contained in steel as an impurity. Further, when S is positively contained, sulfide inclusions are formed and the machinability of the steel is improved. On the other hand, when the S content exceeds 0.06%, the hot workability decreases. Accordingly, the S content is 0.06% or less. In order to obtain the machinability improving effect, the lower limit of the S content is preferably 0.01%, more preferably 0.02%. The upper limit of the S content is preferably 0.05%, more preferably 0.04%.
Al:0.05%を超え0.8%以下
アルミニウム(Al)は、鋼を脱酸する。Alはさらに、ナノ結晶化層の過度の発達を抑制する。Al含有量が0.05%以下では、これらの効果が十分に得られない。一方、Al含有量が0.8%を超えると、オーステナイトとフェライトとの熱力学的相安定性が変化することにより、パーライトのラメラ間隔が大きくなり、パーライトの強度が低下する。したがって、Al含有量は0.05%を超え0.8%以下である。Al含有量の下限は、好ましくは0.055%である。Al含有量の上限は、好ましくは0.7%であり、さらに好ましくは0.6%である。
Al: more than 0.05% and 0.8% or less Aluminum (Al) deoxidizes steel. Al further suppresses excessive development of the nanocrystallized layer. When the Al content is 0.05% or less, these effects cannot be obtained sufficiently. On the other hand, if the Al content exceeds 0.8%, the thermodynamic phase stability between austenite and ferrite changes, resulting in an increase in pearlite lamellar spacing and a decrease in pearlite strength. Therefore, the Al content is more than 0.05% and 0.8% or less. The lower limit of the Al content is preferably 0.055%. The upper limit of the Al content is preferably 0.7%, more preferably 0.6%.
N:0.001〜0.02%
窒素(N)は、鋼の強度を高める。N含有量が0.001%未満では、この効果が十分に得られない。一方、N含有量が0.02%を超えると、鋼の靱性が低下する。したがって、N含有量は0.001〜0.02%である。N含有量の下限は、好ましくは0.0015%であり、さらに好ましくは0.002%である。N含有量の上限は、好ましくは0.015%である。
N: 0.001 to 0.02%
Nitrogen (N) increases the strength of the steel. If the N content is less than 0.001%, this effect cannot be sufficiently obtained. On the other hand, if the N content exceeds 0.02%, the toughness of the steel decreases. Therefore, the N content is 0.001 to 0.02%. The lower limit of the N content is preferably 0.0015%, more preferably 0.002%. The upper limit of the N content is preferably 0.015%.
本実施形態による熱間鍛造部品を構成する鋼材の化学組成の残部は、Fe及び不純物である。ここでいう不純物は、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップから混入する元素、あるいは製造過程の環境等から混入する元素をいう。 The balance of the chemical composition of the steel material constituting the hot forged part according to the present embodiment is Fe and impurities. The impurity here refers to an element mixed from ore and scrap used as a raw material of steel, or an element mixed from the environment of the manufacturing process.
V:0〜0.2%
本実施形態による熱間鍛造部品を構成する鋼材の化学組成は、Feの一部に代えて、バナジウム(V)を含有してもよい。Vは、鋼の強度を高める。Vはさらに、ナノ結晶化層の過度の発達を抑制する。一方、V含有量が0.2%を超えると、鋼の被削性が低下する。したがって、V含有量は0〜0.2%である。V含有量が0.05%以上であれば、上記の効果が顕著に得られる。V含有量の下限は、さらに好ましくは0.08%である。V含有量の上限は、好ましくは0.15%であり、さらに好ましくは0.12%である。
V: 0 to 0.2%
The chemical composition of the steel material constituting the hot forged part according to the present embodiment may contain vanadium (V) instead of part of Fe. V increases the strength of the steel. V further suppresses excessive development of the nanocrystallized layer. On the other hand, if the V content exceeds 0.2%, the machinability of the steel decreases. Therefore, the V content is 0 to 0.2%. If V content is 0.05% or more, said effect will be acquired notably. The lower limit of the V content is more preferably 0.08%. The upper limit of the V content is preferably 0.15%, more preferably 0.12%.
[式(1)について]
本実施形態による熱間鍛造部品を構成する鋼材の化学組成は、下記の式(1)を満たす。
[Si]+[Mn]≦1.2・・・式(1)
ここで、[Si]、[Mn]にはSi、Mnの各含有量が質量%で代入される。
[Regarding Formula (1)]
The chemical composition of the steel material constituting the hot forged part according to the present embodiment satisfies the following formula (1).
[Si] + [Mn] ≦ 1.2 Formula (1)
Here, each content of Si and Mn is substituted by mass% for [Si] and [Mn].
Si及びMnは、セメンタイトの分解を抑制し、パーライトの加工硬化性を低下させる。Si及びMnはまた、鋼の熱伝導性を低下させる。そのため、これらの元素の含有量が多すぎると、十分な耐焼付き性が得られない。Si及びMnの含有量は、それぞれの上限を制限するのに加えて、その合計量も1.2%以下に制限する。Si及びMnの含有量の合計は、好ましくは1.1%以下である。 Si and Mn suppress the decomposition of cementite and reduce the work hardening of pearlite. Si and Mn also reduce the thermal conductivity of the steel. Therefore, when there is too much content of these elements, sufficient seizure resistance cannot be obtained. In addition to limiting the respective upper limits, the total amount of Si and Mn is also limited to 1.2% or less. The total content of Si and Mn is preferably 1.1% or less.
[組織]
本実施形態による熱間鍛造部品を構成する鋼材は、面積率で90%以上のパーライトを含む組織を有する。パーライトは、摺動によって大きく加工硬化する。鋼材にマルテンサイトやベイナイト等の硬質な組織が含まれていると、パーライトの塑性変形が阻害され、加工硬化性が低下する。また、初析フェライトが多いと、強度が不足する。パーライトの面積率は、好ましくは95%以上である。
[Organization]
The steel material constituting the hot forged part according to the present embodiment has a structure including pearlite with an area ratio of 90% or more. Pearlite is greatly hardened by sliding. If the steel material contains a hard structure such as martensite or bainite, the plastic deformation of pearlite is hindered and the work hardenability decreases. Moreover, when there is much proeutectoid ferrite, intensity | strength will be insufficient. The area ratio of pearlite is preferably 95% or more.
パーライトの面積率は、次のように測定する。 The area ratio of pearlite is measured as follows.
表面から100μmの深さの位置を含むように、熱間鍛造部品から試料を採取する。このとき、熱間鍛造部品の表面と垂直な面が観察面となるように試料を採取する。観察面を機械研磨した後、電解研磨して組織を現出させる。観察面を走査型電子顕微鏡(SEM)により倍率1000倍で5視野観察する。画像処理によって各視野のパーライトの面積率を求める。5視野について平均したものを、鋼材のパーライトの面積率とする。 A sample is taken from the hot forged part to include a position 100 μm deep from the surface. At this time, a sample is taken so that a surface perpendicular to the surface of the hot forged part becomes an observation surface. After the observation surface is mechanically polished, the structure is revealed by electrolytic polishing. The observation surface is observed with a scanning electron microscope (SEM) at five magnifications at a magnification of 1000. The perlite area ratio of each visual field is obtained by image processing. The average of the five fields of view is the area ratio of the pearlite of the steel material.
本実施形態による熱間鍛造部品を構成する鋼材は、パーライトの平均ラメラ間隔が、35nmを超え100nm以下である。平均ラメラ間隔が100nmを超えると、加工硬化性が低くなる。また、十分な母材硬さが得られない。一方、平均ラメラ間隔が35nm以下になると、ナノ結晶化層が厚くなり、ナノ結晶化層内で割れや剥離が生じやすくなる。平均ラメラ間隔の下限は、好ましくは40nmである。平均ラメラ間隔の上限は、好ましくは90nmである。 In the steel material constituting the hot forged part according to this embodiment, the average lamella spacing of pearlite is more than 35 nm and not more than 100 nm. If the average lamella spacing exceeds 100 nm, the work curability is lowered. Moreover, sufficient base material hardness cannot be obtained. On the other hand, when the average lamella spacing is 35 nm or less, the nanocrystallized layer becomes thick, and cracks and peeling easily occur in the nanocrystallized layer. The lower limit of the average lamella interval is preferably 40 nm. The upper limit of the average lamella interval is preferably 90 nm.
パーライトの平均ラメラ間隔は、次のように測定する。 The average lamella spacing of pearlite is measured as follows.
パーライトの面積率の測定と同様に、熱間鍛造部品の表面と垂直な面が観察面となるように試料を採取する。観察面を機械研磨した後、電解研磨して組織を現出させる。観察面をSEMにより倍率5000倍で5視野観察する。 Similar to the measurement of the area ratio of pearlite, a sample is taken so that the surface perpendicular to the surface of the hot forged part becomes the observation surface. After the observation surface is mechanically polished, the structure is revealed by electrolytic polishing. The observation surface is observed by SEM at five magnifications at a magnification of 5000 times.
各視野において、長さLの試験線と交差するセメンタイトの数nを求める。図3は、試験線の引き方の具体例である。図3に示すように、各視野において、表面に平行及び垂直な試験線をそれぞれ5μm間隔で3本引き、各試験線について平均ラメラ間隔lavを、下記の式(A)から求める。さらに、5視野×6試験線の平均値をパーライトの平均ラメラ間隔とする。
lav=0.5×(L/n)・・・(A)
In each field of view, the number n of cementite that intersects the test line of length L is determined. FIG. 3 is a specific example of how to draw a test line. As shown in FIG. 3, in each field of view, three test lines parallel and perpendicular to the surface are drawn at intervals of 5 μm, and the average lamella spacing lav is obtained from the following formula (A) for each test line. Furthermore, let the average value of 5 visual fields x 6 test lines be the average lamella spacing of pearlite.
lav = 0.5 × (L / n) (A)
本実施形態による熱間鍛造部品は、好ましくはHv300以上の母材硬さを有する。 The hot forged part according to the present embodiment preferably has a base material hardness of Hv300 or higher.
[製造方法]
以下、本実施形態による熱間鍛造部品の製造方法の一例を説明する。本実施形態による熱間鍛造部品の製造方法は、これに限定されない。
[Production method]
Hereinafter, an example of the manufacturing method of the hot forged part by this embodiment is demonstrated. The manufacturing method of the hot forged part by this embodiment is not limited to this.
図4は、本実施形態による熱間鍛造部品の製造方法の一例を示すフロー図である。この製造方法は、素材を準備する工程(ステップS1)と、素材を加熱する工程(ステップS2)と、加熱された素材を熱間鍛造する工程(ステップS3)と、熱間鍛造された素材を冷却する工程(ステップS4)とを備えている。 FIG. 4 is a flowchart showing an example of a method for producing a hot forged part according to the present embodiment. This manufacturing method includes a step of preparing a material (step S1), a step of heating the material (step S2), a step of hot forging the heated material (step S3), and a hot forged material. And a step of cooling (step S4).
まず、上述した化学組成の素材を準備する(ステップS1)。例えば、上述した化学組成の鋼を溶製し、連続鋳造及び分塊圧延によってビレットを製造する。 First, a material having the above-described chemical composition is prepared (step S1). For example, the steel having the above-described chemical composition is melted and billets are produced by continuous casting and ingot rolling.
素材を1000〜1250℃に加熱する(ステップS2)。続いて、加熱された素材を熱間鍛造する(ステップS3)。熱間鍛造によって、素材を製品の粗形状に加工する。熱間鍛造の条件は特に限定されないが、仕上げ温度は例えば900℃である。 The material is heated to 1000 to 1250 ° C. (step S2). Subsequently, the heated material is hot forged (step S3). The material is processed into the rough shape of the product by hot forging. The hot forging conditions are not particularly limited, but the finishing temperature is, for example, 900 ° C.
熱間鍛造された素材を冷却する(ステップS4)。このとき、900℃から400℃までの平均冷却速度を、下記の式(2)で定義される冷却速度指数CI以下にし、かつ、下記の式(3)で定義されるパーライト冷却速度指数PIよりも大きくする。
CI=10x・・・式(2)
PI=500×10−y・・・式(3)
ただし、x=0.1×[Al]−[Si]−[Mn]−5.8×[V]+2.2
y=0.6×[Si]+1.7×[Mn]+46×[P]+66×[S]+22×[V]+1.2×[Al]−1.9
ここで、[Al]、[Si]、[Mn]、[V]、[P]、[S]には素材のAl、Si、Mn、V、P、Sの各含有量が質量%で代入される。冷却速度指数CIの単位は℃/秒である。
The hot forged material is cooled (step S4). At this time, the average cooling rate from 900 ° C. to 400 ° C. is made equal to or lower than the cooling rate index CI defined by the following equation (2), and from the pearlite cooling rate index PI defined by the following equation (3): Also make it bigger.
CI = 10 x Expression (2)
PI = 500 × 10 −y Formula (3)
However, x = 0.1 * [Al]-[Si]-[Mn] -5.8 * [V] +2.2
y = 0.6 * [Si] + 1.7 * [Mn] + 46 * [P] + 66 * [S] + 22 * [V] + 1.2 * [Al] -1.9
Here, [Al], [Si], [Mn], [V], [P], and [S] are substituted with the contents of Al, Si, Mn, V, P, and S of the material in mass%. Is done. The unit of the cooling rate index CI is ° C./second.
本実施形態で規定する化学組成の素材を、900℃から400℃までの平均冷却速度が冷却速度指数CI以下になるように冷却すれば、パーライトの面積率が90%以上であり、パーライトの平均ラメラ間隔が35nmよりも大きい組織を得ることができる。 When the material having the chemical composition defined in the present embodiment is cooled so that the average cooling rate from 900 ° C. to 400 ° C. is equal to or lower than the cooling rate index CI, the pearlite area ratio is 90% or more, and the average pearlite A tissue with a lamella spacing larger than 35 nm can be obtained.
上記に加えて、パーライトの平均ラメラ間隔を100nm以下にするためには、900℃から400℃までの平均冷却速度を、パーライト冷却速度指数PIよりも大きくする必要がある。 In addition to the above, the average cooling rate from 900 ° C. to 400 ° C. needs to be larger than the pearlite cooling rate index PI in order to set the average lamella spacing of pearlite to 100 nm or less.
冷却手段は特に限定されないが、冷却速度に応じて、断熱材を用いた緩空冷、通常の空冷、送風機による強制空冷、油冷、水冷、氷水冷等を用いることができる。 Although the cooling means is not particularly limited, slow air cooling using a heat insulating material, normal air cooling, forced air cooling using a blower, oil cooling, water cooling, ice water cooling, or the like can be used depending on the cooling rate.
以上、本発明の実施形態を説明した。本実施形態によれば、耐焼付き性に優れた熱間鍛造部品が得られる。上述した実施形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。 The embodiments of the present invention have been described above. According to this embodiment, a hot forged part having excellent seizure resistance can be obtained. The above-described embodiments are merely examples for carrying out the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented by appropriately modifying the above-described embodiment without departing from the spirit thereof.
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. The present invention is not limited to these examples.
表1に示す化学組成の鋼を150kg真空誘導溶解炉(VIM)によって溶製し、素材とした。各素材を1200℃に加熱後、1100℃で減面率40%の熱間鍛造を実施した。熱間鍛造された素材の厚さは、7.2mmであった。熱間鍛造された素材を、冷却速度を変えて室温まで冷却して供試材とした。なお、表1の「−」は、該当する元素の含有量が不純物レベルであることを示す。 Steel having the chemical composition shown in Table 1 was melted by a 150 kg vacuum induction melting furnace (VIM) to obtain a raw material. Each material was heated to 1200 ° C., and hot forging was performed at 1100 ° C. with a reduction in area of 40%. The thickness of the hot forged material was 7.2 mm. The hot forged material was cooled to room temperature by changing the cooling rate to obtain a test material. Note that “-” in Table 1 indicates that the content of the corresponding element is at the impurity level.
7.2mmの厚さの素材より、寸法:2.7mm×2.0mm×2.0mmのブロックを複数個採取した。このブロックを用い、各供試材のパーライトの面積率、及びパーライトの平均ラメラ間隔を実施形態で説明した方法によって測定した。 A plurality of blocks having dimensions of 2.7 mm × 2.0 mm × 2.0 mm were collected from a material having a thickness of 7.2 mm. Using this block, the area ratio of pearlite of each specimen and the average lamella spacing of pearlite were measured by the method described in the embodiment.
900℃から400℃までの平均冷却速度と、組織との関係を表2に示す。表2において、「P/数字」は、パーライトの面積率が90%以上であったことを示し、数字はパーライトの平均ラメラ間隔(nm)を示す。「P/−」は、パーライトの面積率が90%以上であったことを示し、パーライトの平均ラメラ間隔は未測定であることを示す。「P+B」は、パーライトの面積率が60%以上90%未満であり、かつ、残部がベイナイトを含む組織であったことを示す。「P+α」は、パーライトの面積率が60%以上90%未満であり、かつ、残部がフェライトを含む組織であったことを示す。「×」は、パーライトの面積率が60%未満であったことを示す。「−」は、未測定であることを示す。 Table 2 shows the relationship between the average cooling rate from 900 ° C. to 400 ° C. and the structure. In Table 2, “P / number” indicates that the area ratio of pearlite was 90% or more, and the number indicates the average lamella spacing (nm) of pearlite. “P / −” indicates that the area ratio of pearlite was 90% or more, and that the average lamella spacing of pearlite was not measured. “P + B” indicates that the area ratio of pearlite is 60% or more and less than 90%, and the balance is a structure containing bainite. “P + α” indicates that the area ratio of pearlite is 60% or more and less than 90%, and the balance is a structure containing ferrite. “X” indicates that the area ratio of pearlite was less than 60%. “-” Indicates that measurement has not been performed.
表2に示すように、鋼種C、E、Iでは、900℃から400℃までの平均冷却速度が冷却速度指数CI以下であり、かつパーライト冷却速度指数PIよりも大きければ、パーライトの面積率が90%以上であり、かつ平均ラメラ間隔が35nmよりも大きく100nm以下である組織が得られることがわかった。 As shown in Table 2, in steel types C, E, and I, if the average cooling rate from 900 ° C. to 400 ° C. is equal to or less than the cooling rate index CI and greater than the pearlite cooling rate index PI, the area ratio of pearlite is It was found that a structure having 90% or more and an average lamella spacing of more than 35 nm and not more than 100 nm can be obtained.
前記ブロックを用い、各供試材の母材硬さ(ビッカース硬さ)を測定した。900℃から400℃までの平均冷却速度と、母材硬さとの関係を表3に示す。表3において、「−」は、未測定であることを示す。 Using the block, the base material hardness (Vickers hardness) of each test material was measured. Table 3 shows the relationship between the average cooling rate from 900 ° C. to 400 ° C. and the base material hardness. In Table 3, “-” indicates that measurement has not been performed.
表3から、900℃から400℃までの平均冷却速度がパーライト冷却速度指数PIよりも大きければ、母材硬さをHv300以上にできることがわかる。 From Table 3, it can be seen that if the average cooling rate from 900 ° C. to 400 ° C. is larger than the pearlite cooling rate index PI, the base material hardness can be increased to Hv300 or more.
図5A及び図5Bは、900℃から400℃までの平均冷却速度と、組織及び母材硬さとの関係を示す散布図である。図5A及び図5Bにおいて、中実のマーク(◆、■、●等)は、パーライトの面積率が90%以上であり、かつ平均ラメラ間隔が35nmよりも大きく100nm以下であったことを示す。白抜きのマーク(◇、□、○等)は、パーライトの面積率が90%未満であるか、平均ラメラ間隔が35nm以下又は100nm超であったことを示す。 5A and 5B are scatter diagrams showing the relationship between the average cooling rate from 900 ° C. to 400 ° C., the structure and the base material hardness. 5A and 5B, solid marks (♦, ■, ●, etc.) indicate that the area ratio of pearlite is 90% or more, and the average lamella spacing is greater than 35 nm and less than 100 nm. White marks (◇, □, ○, etc.) indicate that the area ratio of pearlite is less than 90%, or the average lamella spacing is 35 nm or less or more than 100 nm.
以上のとおり、本実施形態で規定する化学組成の素材を、900℃から400℃までの平均冷却速度が冷却速度指数CI以下であり、かつパーライト冷却速度指数PIよりも大きい冷却速度で冷却すれば、母材硬さがHv300以上であって、母材の組織が、パーライトの面積率が90%以上であり、かつ平均ラメラ間隔が35nmよりも大きく100nm以下である熱間鍛造部品が得られる。 As described above, if the material having the chemical composition defined in the present embodiment is cooled at a cooling rate with an average cooling rate from 900 ° C. to 400 ° C. equal to or lower than the cooling rate index CI and larger than the pearlite cooling rate index PI. Thus, a hot forged part having a base material hardness of Hv300 or more, a base material structure having a pearlite area ratio of 90% or more, and an average lamella spacing of greater than 35 nm and less than 100 nm is obtained.
[耐焼付き性評価]
長時間摺動後のナノ硬さを評価するため、以下に説明するように、各供試材に対して摩耗試験を実施し、摩耗試験後のナノ硬さを測定した。
[Evaluation of seizure resistance]
In order to evaluate the nano hardness after sliding for a long time, as described below, a wear test was performed on each specimen, and the nano hardness after the wear test was measured.
まず、表面の凹凸を除去するため、前記ブロックの2.7mm×2.0mmの面に対して、ペーパー研磨及びコロイダルシリカを用いた研磨を実施した。さらに、ペーパー研磨及びコロイダルシリカを用いた研磨によって生成した加工層を除去するため、電解研磨を実施した。除去した加工層の厚さは、約3μmであった。加工層を除去した試験片に対して、図6に示すピンオンディスク型摩耗試験を実施した。 First, in order to remove unevenness on the surface, paper polishing and polishing using colloidal silica were performed on a 2.7 mm × 2.0 mm surface of the block. Furthermore, in order to remove the processing layer produced | generated by the grinding | polishing using paper grinding | polishing and colloidal silica, electrolytic polishing was implemented. The thickness of the removed processed layer was about 3 μm. A pin-on-disk wear test shown in FIG. 6 was performed on the test piece from which the processed layer was removed.
ピンオンディスク型摩耗試験は、より具体的には、次のように実施した。ピンオンディスク試験機の回転ディスク10の表面に、800番のエメリーペーパー20を貼り付けた。そして、エメリーペーパー20に試験片(ブロック)30の2.7mm×2.0mmの面を0.3MPaの面圧で押しつけたまま、摺動距離が2000mになるように回転ディスク10を回転させた。摩耗試験後、摺動面(2.7mm×2.0mmの面)のナノ硬さをナノインデテーション法によって測定した。 More specifically, the pin-on-disk wear test was performed as follows. The 800-th emery paper 20 was affixed on the surface of the rotating disk 10 of the pin-on-disk tester. Then, while the 2.7 mm × 2.0 mm surface of the test piece (block) 30 was pressed against the emery paper 20 with a surface pressure of 0.3 MPa, the rotating disk 10 was rotated so that the sliding distance was 2000 m. . After the abrasion test, the nano hardness of the sliding surface (2.7 mm × 2.0 mm surface) was measured by the nanoindentation method.
ナノ硬さの測定は、Agilent Technology社製ナノインデンター、XP/DCM型を用いた。図7に示すように、ナノインデンターの探針40を試験片30の摺動面30aに接触させて測定した。より具体的には、ダイアモンド製のバーコビッチ型針を摺動面30aに連続剛性方式(CSM式)で押し込んだ。連続剛性方式の条件は、振動数を45Hz、振幅を2nm、押し込み深さを250nmとした。 The nano hardness was measured using a nanoindenter, XP / DCM type, manufactured by Agilent Technology. As shown in FIG. 7, measurement was performed by bringing the probe 40 of the nanoindenter into contact with the sliding surface 30 a of the test piece 30. More specifically, a diamond Barkovic needle was pushed into the sliding surface 30a by a continuous stiffness method (CSM method). The conditions for the continuous stiffness method were a frequency of 45 Hz, an amplitude of 2 nm, and an indentation depth of 250 nm.
各供試材の冷却条件、組織、パーライトの面積率、母材硬さ、及び表層から20nm以内の位置でのナノ硬さ(以下、表層ナノ硬さという。)を表4にまとめて示す。なお、試験番号1の供試材は、熱間鍛造後に高周波焼入れ相当の熱処理を実施し、マルテンサイト組織としたものである。 Table 4 summarizes the cooling conditions, the structure, the area ratio of pearlite, the base material hardness, and the nano hardness at a position within 20 nm from the surface layer (hereinafter referred to as surface layer nano hardness). In addition, the test material of the test number 1 implements the heat processing equivalent to induction hardening after hot forging, and is made into the martensitic structure.
表4の「組織」の欄において、「M」はマルテンサイト組織を示す。「P+α」はフェライト・パーライト組織を、「P」はパーライト組織を、「B+M」はベイナイト及びマルテンサイトの混合組織を、「P+B」はパーライト及びベイナイトの混合組織をそれぞれ示す。 In the “structure” column of Table 4, “M” indicates a martensite structure. “P + α” indicates a ferrite pearlite structure, “P” indicates a pearlite structure, “B + M” indicates a mixed structure of bainite and martensite, and “P + B” indicates a mixed structure of pearlite and bainite.
表4に示すように、試験番号5、9〜11、及び17の供試材は、パーライトの面積率が90%以上であり、かつパーライトの平均ラメラ間隔が35nmを超え100nm以下であった。これらの供試材は、母材硬さがHv300以上であり、高周波焼入れ相当の熱処理を実施した試験番号1の供試材と同等以上のナノ硬さを示した。 As shown in Table 4, the test materials of Test Nos. 5, 9 to 11 and 17 had an area ratio of pearlite of 90% or more and an average lamella spacing of pearlite of more than 35 nm and 100 nm or less. These specimens had a base metal hardness of Hv300 or higher, and showed a nanohardness equivalent to or higher than that of test specimen No. 1 that was subjected to heat treatment equivalent to induction hardening.
試験番号2の供試材は、母材硬さ及び表層ナノ硬さが低かった。これは、パーライトの面積率が低かったためと考えられる。 The test material of Test No. 2 had a low base material hardness and a surface layer nano hardness. This is probably because the area ratio of pearlite was low.
試験番号3、4、6、及び8の供試材は、母材硬さ及び表層ナノ硬さが低かった。これは、パーライトの平均ラメラ間隔が大きすぎたためと考えられる。 The test materials of test numbers 3, 4, 6, and 8 had low base material hardness and surface layer nano hardness. This is probably because the average lamella spacing of pearlite was too large.
試験番号7、12〜14及び18は、母材硬さは高かったものの、表層ナノ硬さが低かった。これは、パーライトの面積率が低くナノ結晶化による加工硬化が進まなかったためと考えられる。 In Test Nos. 7, 12 to 14, and 18, although the base material hardness was high, the surface layer nano hardness was low. This is presumably because the area ratio of pearlite was low and work hardening by nanocrystallization did not proceed.
試験番号15及び16は、母材硬さは高かったものの、表層ナノ硬さが低かった。これは、パーライトの平均ラメラ間隔が小さすぎ、摺動面で割れや剥離が生じたためと考えられる。 In test numbers 15 and 16, although the base material hardness was high, the surface nano hardness was low. This is thought to be because the average lamella spacing of pearlite was too small, and cracking and peeling occurred on the sliding surface.
表5及び図8に、一部の供試材におけるナノ硬さの分布を示す。 Table 5 and FIG. 8 show the nano hardness distribution in some of the test materials.
試験番号5及び10の供試材は、母材硬さが高周波焼入れ処理材(試験番号1の供試材)の母材硬さの約半分であるにもかかわらず、表層の加工硬化量が大きく、高周波焼入れ処理材と同等以上の表層ナノ硬さを示している。一方、試験番号13の供試材は、加工硬化量が不十分であり、表層ナノ硬さは低位である。 Although the test materials of test numbers 5 and 10 have a base material hardness of about half of the base material hardness of the induction-hardened material (test material of test number 1), the work hardening amount of the surface layer is small. It is large and shows a surface layer nano hardness equal to or higher than that of the induction-hardened material. On the other hand, the test material of test number 13 has an insufficient work-hardening amount, and the surface nanohardness is low.
以上の結果から、表面硬化処理を省略しても、高周波焼入れ処理材と同等以上の耐焼付き性を有する熱間鍛造部品が得られることが確認された。 From the above results, it was confirmed that even if the surface hardening treatment is omitted, a hot forged part having seizure resistance equivalent to or higher than that of the induction hardening material can be obtained.
Claims (3)
C :0.35〜0.6%、
Si:0.1%以上1.2%未満、
Mn:0.1%以上1.2%未満、
P :0.02%を超え0.05%以下、
S :0.06%以下、
Al:0.05%を超え0.8%以下、
N :0.001〜0.02%、
V :0〜0.2%、
残部:Fe及び不純物であり、
前記化学組成が、下記の式(1)を満たし、
面積率で90%以上のパーライトを含む組織を有し、
前記パーライトの平均ラメラ間隔が35nmを超え100nm以下である、鋼材からなる熱間鍛造部品。
[Si]+[Mn]≦1.2・・・式(1)
ここで、[Si]、[Mn]にはSi、Mnの各含有量が質量%で代入される。 Chemical composition is mass%,
C: 0.35-0.6%,
Si: 0.1% or more and less than 1.2%,
Mn: 0.1% or more and less than 1.2%,
P: more than 0.02% and 0.05% or less,
S: 0.06% or less,
Al: more than 0.05% and 0.8% or less,
N: 0.001 to 0.02%,
V: 0 to 0.2%,
Balance: Fe and impurities,
The chemical composition satisfies the following formula (1):
It has a structure containing pearlite of 90% or more in area ratio,
A hot forged part made of steel, wherein the average lamella spacing of the pearlite is more than 35 nm and not more than 100 nm.
[Si] + [Mn] ≦ 1.2 Formula (1)
Here, each content of Si and Mn is substituted by mass% for [Si] and [Mn].
前記化学組成が、質量%で、
V :0.05〜0.2%、
を含有する熱間鍛造部品。 The hot forged part according to claim 1,
The chemical composition is mass%,
V: 0.05-0.2%
Hot forged parts containing.
前記素材を1000〜1250℃に加熱する工程と、
前記加熱された素材を熱間鍛造する工程と、
前記熱間鍛造された素材を冷却する工程とを備え、
前記化学組成が、下記の式(1)を満たし、
前記冷却する工程において、900℃から400℃までの平均冷却速度を、下記の式(2)で定義される冷却速度指数CI以下にし、かつ、下記の式(3)で定義されるパーライト冷却速度指数PIよりも大きくする、熱間鍛造部品の製造方法。
[Si]+[Mn]≦1.2・・・式(1)
CI=10x・・・式(2)
PI=500×10−y・・・式(3)
ただし、x=0.1×[Al]−[Si]−[Mn]−5.8×[V]+2.2
y=0.6×[Si]+1.7×[Mn]+46×[P]+66×[S]+22×[V]+1.2×[Al]−1.9
ここで、[Si]、[Mn]、[Al]、[V]、[P]、[S]には前記素材のSi、Mn、Al、V、P、Sの各含有量が質量%で代入される。冷却速度指数CI及びパーライト冷却速度指数PIの単位は℃/秒である。 Chemical composition is mass%, C: 0.35-0.6%, Si: 0.1% or more and less than 1.2%, Mn: 0.1% or more and less than 1.2%, P: 0.02 %: 0.05% or less, S: 0.06% or less, Al: more than 0.05% and 0.8% or less, N: 0.001 to 0.02%, V: 0 to 0.2% The remainder: a step of preparing a material that is Fe and impurities;
Heating the material to 1000-1250 ° C .;
Hot forging the heated material;
Cooling the hot forged material,
The chemical composition satisfies the following formula (1):
In the cooling step, the average cooling rate from 900 ° C. to 400 ° C. is made the cooling rate index CI defined by the following formula (2) or less, and the pearlite cooling rate defined by the following formula (3) A method for manufacturing a hot forged part that is larger than the index PI.
[Si] + [Mn] ≦ 1.2 Formula (1)
CI = 10 x Expression (2)
PI = 500 × 10 −y Formula (3)
However, x = 0.1 * [Al]-[Si]-[Mn] -5.8 * [V] +2.2
y = 0.6 * [Si] + 1.7 * [Mn] + 46 * [P] + 66 * [S] + 22 * [V] + 1.2 * [Al] -1.9
Here, [Si], [Mn], [Al], [V], [P], and [S] each contain the contents of Si, Mn, Al, V, P, and S in the material in mass%. Assigned. The unit of the cooling rate index CI and the pearlite cooling rate index PI is ° C./second.
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