JP2022079181A - Steel for nitriding and nitriding treatment component - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化用鋼およびガス窒化処理を施された鋼部品に関する。 The present invention relates to nitriding steel and gas nitriding steel parts.
自動車や各種産業機械などに使用される鋼部品には、疲労強度、面疲労強度、耐焼付き性などの機械的性質を向上させるために、浸炭焼入れ、高周波焼入れ、窒化処理などの表面硬化熱処理が施される場合が多い。 Steel parts used in automobiles and various industrial machines are subjected to surface hardening heat treatment such as carburizing and quenching, induction hardening, and nitriding in order to improve mechanical properties such as fatigue strength, surface fatigue strength, and seizure resistance. Often given.
浸炭焼入れ処理は、鋼の表層にC(炭素)を侵入拡散させた後、鋼をAc3点以上のオーステナイト域まで加熱し、その後冷却してマルテンサイト変態により表層を硬化させるため、比較的短時間で深い硬化層と高い表層硬さが得られる熱処理である。しかしながら部品全体が相変態することから、熱処理後の部品の寸法変化が大きいという問題がある。 In the carburizing and quenching treatment, after C (carbon) is infiltrated and diffused into the surface layer of the steel, the steel is heated to the austenite region of Ac3 or more, and then cooled to harden the surface layer by martensitic transformation, so that the surface layer is hardened for a relatively short time. It is a heat treatment that can obtain a deep hardened layer and a high surface hardness. However, since the entire component undergoes phase transformation, there is a problem that the dimensional change of the component after heat treatment is large.
高周波焼入れ処理は、鋼の表層のみを短時間でオーステナイト域まで急速加熱して焼入れを施す熱処理であり、浸炭焼入れに比べて焼入れ歪が小さい。しかしながら高周波焼入れは、浸炭焼入れとは異なり、表層のC(炭素)濃度を高める熱処理方法ではないため、高い面疲労強度や曲げ疲労強度が要求される部品には適さない。 Induction hardening is a heat treatment in which only the surface layer of steel is rapidly heated to the austenite region and quenched, and the quenching strain is smaller than that of carburizing and quenching. However, unlike induction hardening, induction hardening is not a heat treatment method for increasing the C (carbon) concentration of the surface layer, and is not suitable for parts that require high surface fatigue strength and bending fatigue strength.
窒化処理および軟窒化処理は、鋼をA1点以下のフェライト域で加熱し、表層に侵入拡散させたN(窒素)による固溶強化および窒化物の粒子分散強化で表層を硬化させるため、相変態を伴わず、熱処理ひずみを小さくすることができる。また、窒化や軟窒化後に高周波焼入れを施し、表層にN濃度の高いマルテンサイト組織を深く形成させることで、部品の歪を抑えたまま面疲労強度や曲げ疲労強度を高めることができる。そのため、窒化処理および軟窒化処理は、高い寸法精度を有する部品や大型の部品に用いられることが多く、例えば自動車のトランスミッション部品に用いられる歯車や、エンジンに用いられるクランク軸に適用されている。しかしながら窒化および軟窒化では、表層硬さを高くするために、母材となる窒化処理前の鋼材(以下、単に「母材」という。)にCrやVなど窒化物形成元素を含有させたり、非窒化層である鋼芯部の硬さを担保するため合金元素を含有させて疲労強度を高めたりする必要がある。そのため、窒化用鋼は浸炭焼入れ用鋼に比べ相対的に母材が硬く、被削性の悪さが問題となる場合がある。 In the nitriding treatment and the soft nitriding treatment, the steel is heated in a ferrite region of A1 point or less, and the surface layer is hardened by solid solution strengthening by N (nitrogen) infiltrated and diffused into the surface layer and particle dispersion strengthening of the nitride. The heat treatment strain can be reduced without the above. Further, by performing induction hardening after nitriding or soft nitriding to deeply form a martensite structure having a high N concentration on the surface layer, surface fatigue strength and bending fatigue strength can be increased while suppressing distortion of parts. Therefore, the nitriding treatment and the soft nitriding treatment are often used for parts having high dimensional accuracy and large-sized parts, and are applied to, for example, gears used for transmission parts of automobiles and crank shafts used for engines. However, in nitriding and soft nitriding, in order to increase the surface hardness, the steel material before nitriding treatment (hereinafter, simply referred to as “base material”), which is the base material, may contain a nitride-forming element such as Cr or V. In order to secure the hardness of the steel core portion which is a non-nitriding layer, it is necessary to contain an alloy element to increase the fatigue strength. Therefore, the nitriding steel has a relatively hard base material as compared with the carburizing and quenching steel, and poor machinability may be a problem.
そこで、窒化前の被削性と窒化後の疲労強度を両立させるために、例えば特許文献1~3に示す軟窒化用鋼が提案されている。
特許文献1には、MoおよびVを一定の範囲に含有させることで、被削性を確保した軟窒化用鋼および軟窒化処理部品の製造方法が開示されている。
特許文献2には、MoやV、Tiを一定の範囲に含有させ、ベイナイト組織の面積率が50%超であることを特徴とする軟窒化用鋼が提案されている。
特許文献3には、フェライト中にCuを析出させることによる析出効果と疲労強度を得ることと、鋼中のCやNの含有量を低減しパーライトを抑制することにより熱間圧延まま、もしくは熱間鍛造のままでの硬さが150HV以下である冷間鍛造性に優れた軟窒化用鋼が提案されている。
Therefore, in order to achieve both machinability before nitriding and fatigue strength after nitriding, for example, the soft nitriding steels shown in Patent Documents 1 to 3 have been proposed.
Patent Document 1 discloses a method for manufacturing a soft nitriding steel and a soft nitriding processed part that secures machinability by containing Mo and V in a certain range.
Patent Document 2 proposes a steel for soft nitriding, which contains Mo, V, and Ti in a certain range and has a bainite structure having an area ratio of more than 50%.
Patent Document 3 describes that hot rolling remains or heat is obtained by obtaining the precipitation effect and fatigue strength by precipitating Cu in ferrite and by reducing the content of C and N in steel to suppress pearlite. A steel for soft nitriding having excellent cold forging property, which has a hardness of 150 HV or less as it is forged, has been proposed.
特許文献1で開示されている軟窒化用鋼には、焼入れ性を確保するためにMoやBの添加が必須となっており、合金コストや製造性に改善の余地がある。
特許文献2で開示されている軟窒化用鋼では、窒化処理前の硬さが233~363HVであり、被削性に優れているとは言い難い。
特許文献3で開示されている軟窒化用鋼の窒化前における硬さは低いが、母材にCuを0.5質量%以上含有させる必要がある他、冷間鍛造を前提とした技術であり、熱間鍛造のままで切削加工した部品においては窒化後の芯部の硬さが低く、高い疲労強度は得難い。
The soft nitriding steel disclosed in Patent Document 1 requires the addition of Mo and B in order to ensure hardenability, and there is room for improvement in alloy cost and manufacturability.
The soft nitriding steel disclosed in Patent Document 2 has a hardness of 233 to 363 HV before the nitriding treatment, and cannot be said to be excellent in machinability.
Although the hardness of the soft nitriding steel disclosed in Patent Document 3 before nitriding is low, it is necessary to contain 0.5% by mass or more of Cu in the base material, and it is a technique premised on cold forging. In the parts machined with hot forging, the hardness of the core after nitriding is low, and it is difficult to obtain high fatigue strength.
本発明は上記問題を解決し、熱間加工(熱間圧延や熱間鍛造など)のままでの被削性に優れ、かつ窒化処理後の面疲労強度や回転曲げ疲労強度を確保することを課題とし、これらの特性に優れた窒化用鋼および窒化処理部品を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned problems, is excellent in machinability in hot working (hot rolling, hot forging, etc.), and secures surface fatigue strength and rotational bending fatigue strength after nitriding treatment. It is an object of the present invention to provide steel for nitriding and nitriding parts having excellent characteristics.
本発明者らは、前述の課題を解決するため、各種合金成分を独立に変化させ、個々の元素が窒化前(窒化処理前)の母材の硬さや組織形態、窒化後(窒化処理後)の拡散層表層部や芯部の硬さに及ぼす影響を種々調査し、(a)~(f)の知見を得た。 In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors independently change various alloy components, and each element has the hardness and structure morphology of the base material before nitriding (before nitriding treatment), and after nitriding (after nitriding treatment). Various effects on the hardness of the surface layer portion and the core portion of the diffusion layer were investigated, and the findings of (a) to (f) were obtained.
(a)熱間加工(熱間圧延或いは熱間鍛造など)後(窒化前)の表面の硬さが低いほど被削性に優れ、窒化処理後の拡散層表層部および芯部の硬さが高いほど、面疲労強度および曲げ疲労強度が高くなる。 (A) The lower the surface hardness after hot working (hot rolling or hot forging, etc.) (before nitriding), the better the machinability, and the hardness of the surface layer and core of the diffusion layer after nitriding. The higher the value, the higher the surface fatigue strength and the bending fatigue strength.
(b)窒化前の硬さは、C含有量の増加に伴い顕著に増大する。そのため被削性の観点では、母材のC量を低くすることが好ましい。 (B) The hardness before nitriding increases remarkably as the C content increases. Therefore, from the viewpoint of machinability, it is preferable to reduce the amount of C in the base metal.
(c)窒化処理前後における芯部の時効硬化能を大きくするためには、窒化前における母材のベイナイト組織分率を高める必要がある。ベイナイト組織分率を高めるためには、Mn含有量の増加が有効である。 (C) In order to increase the age hardening ability of the core portion before and after the nitriding treatment, it is necessary to increase the bainite structure fraction of the base material before nitriding. Increasing the Mn content is effective in increasing the bainite structure fraction.
(d)窒化後の拡散層表層部硬さは、CrやV含有量の増加に伴い増大する。特にVは芯部の時効硬化能の向上にも有効である。 (D) The hardness of the surface layer of the diffusion layer after nitriding increases as the content of Cr and V increases. In particular, V is also effective in improving the age hardening ability of the core portion.
(e)窒化後の拡散層表層部硬さは、CおよびSi含有量の増加に伴い低下する。 (E) The hardness of the surface layer of the diffusion layer after nitriding decreases as the C and Si contents increase.
(f)母材のCおよびMo量の増加に伴い、窒化後の化合物層中におけるε相の体積分率が高くなり、面疲労強度や曲げ疲労強度が低下する。 (F) As the amounts of C and Mo in the base metal increase, the volume fraction of the ε phase in the compound layer after nitriding increases, and the surface fatigue strength and bending fatigue strength decrease.
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は以下のとおりである。
[1]
質量%で、
C :0.01~0.11%、
Si:0.01~0.30%、
Mn:1.20~2.50%、
P :0.025%以下、
S :0.100%以下、
Cr:0.20~0.90%、
V :0.05~0.50%、
Al:0.050%以下、および
N :0.0250%以下、
を含有し、残部がFeおよび不純物であることを特徴とする窒化用鋼。
[2]
表面のビッカース硬さが220HV以下であることを特徴とする[1]に記載の窒化用鋼。
[3]
さらに、質量%で、
Mo:0.50%以下、
Cu:0.45%以下、
Ni:0.50%以下、
W:0.50%以下、
Bi:0.50%以下、
Co:0.50%以下、
Nb:0.200%以下、
Ti:0.250%以下、および
B :0.0100以下%、
のうちの1種または2種以上を含有することを特徴とする、[1]または[2]に記載の窒化用鋼。
[4]
さらに、質量%で、
Ca:0.0100%以下、
Mg:0.0100%以下、
Te:0.100%以下、
Pb:0.090%以下、
Sn:0.100%以下、
Sb:0.0100%以下、および
REM:0.0100%以下
のうちの1種または2種以上を含有することを特徴とする、[1]~[3]のいずれか一つに記載の窒化用鋼。
[5]
主軸方向に垂直な断面において、当該断面と図心を共有し、当該断面の相似比1/4になる相似形領域である芯部の成分が、質量%で、
C :0.01~0.11%、
Si:0.01~0.30%、
Mn:1.20~2.50%、
P :0.025%以下、
S :0.100%以下、
Cr:0.20~0.90%、
V :0.05~0.50%、
Al:0.050%以下、および
N :0.0250%以下、を含有し、残部Feおよび不純物からなり、
前記断面において、表面から50μm深さ位置におけるN濃度が、前記芯部におけるN濃度より高く、
さらに前記50μm深さ位置におけるビッカース硬さが700HV以上、前記芯部におけるビッカース硬さが220HV以上であることを特徴とする窒化処理部品。
[6]
さらに、前記芯部の成分が、質量%で、
Mo:0.50%以下、
Cu:0.45%以下、
Ni:0.50%以下、
W:0.50%以下、
Bi:0.50%以下、
Co:0.50%以下、
Nb:0.200%以下、
Ti:0.250%以下、および
B :0.0100以下%、
のうちの1種または2種以上を含有することを特徴とする、[5]に記載の窒化処理部品。
[7]
さらに、前記芯部の成分が、質量%で、
Ca:0.0100%以下、
Mg:0.0100%以下、
Te:0.100%以下、
Pb:0.090%以下、
Sn:0.100%以下、
Sb:0.0100%以下、および
REM:0.0100%以下
のうちの1種または2種以上を含有することを特徴とする、[5]または[6]に記載の窒化処理部品。
The present invention has been completed based on the above findings, and the gist thereof is as follows.
[1]
By mass%,
C: 0.01 to 0.11%,
Si: 0.01-0.30%,
Mn: 1.20 to 2.50%,
P: 0.025% or less,
S: 0.100% or less,
Cr: 0.20 to 0.90%,
V: 0.05 to 0.50%,
Al: 0.050% or less, and N: 0.0250% or less,
A steel for nitriding, characterized in that the balance is Fe and impurities.
[2]
The nitriding steel according to [1], wherein the Vickers hardness of the surface is 220 HV or less.
[3]
In addition, by mass%,
Mo: 0.50% or less,
Cu: 0.45% or less,
Ni: 0.50% or less,
W: 0.50% or less,
Bi: 0.50% or less,
Co: 0.50% or less,
Nb: 0.200% or less,
Ti: 0.250% or less, and B: 0.0100 or less%,
The nitriding steel according to [1] or [2], which comprises one or more of the above.
[4]
In addition, by mass%,
Ca: 0.0100% or less,
Mg: 0.0100% or less,
Te: 0.100% or less,
Pb: 0.090% or less,
Sn: 0.100% or less,
The nitriding according to any one of [1] to [3], which contains one or more of Sb: 0.0100% or less and REM: 0.0100% or less. Steel for use.
[5]
In the cross section perpendicular to the main axis direction, the component of the core portion, which is a similar figure region that shares the center of gravity with the cross section and has a similarity ratio of 1/4 of the cross section, is mass%.
C: 0.01 to 0.11%,
Si: 0.01-0.30%,
Mn: 1.20 to 2.50%,
P: 0.025% or less,
S: 0.100% or less,
Cr: 0.20 to 0.90%,
V: 0.05 to 0.50%,
It contains Al: 0.050% or less and N: 0.0250% or less, and consists of the balance Fe and impurities.
In the cross section, the N concentration at a depth of 50 μm from the surface is higher than the N concentration in the core portion.
Further, the nitriding-treated component is characterized in that the Vickers hardness at the 50 μm depth position is 700 HV or more and the Vickers hardness at the core portion is 220 HV or more.
[6]
Further, the component of the core portion is by mass%,
Mo: 0.50% or less,
Cu: 0.45% or less,
Ni: 0.50% or less,
W: 0.50% or less,
Bi: 0.50% or less,
Co: 0.50% or less,
Nb: 0.200% or less,
Ti: 0.250% or less, and B: 0.0100 or less%,
The nitrided component according to [5], which contains one or more of the above.
[7]
Further, the component of the core portion is by mass%,
Ca: 0.0100% or less,
Mg: 0.0100% or less,
Te: 0.100% or less,
Pb: 0.090% or less,
Sn: 0.100% or less,
The nitrided component according to [5] or [6], which contains one or more of Sb: 0.0100% or less and REM: 0.0100% or less.
本発明によれば、熱間加工後で窒化前の硬さが低いため被削性が良好である窒化用鋼を得ることができ、さらに、窒化処理することにより、高い面疲労強度と曲げ疲労強度を兼備する窒化処理部品を得ることができる。そのため例えば、加工難易度の高い自動車用のインターナルギヤなどの素材としての用途が好適である。 According to the present invention, it is possible to obtain a nitriding steel having good machinability because the hardness before nitriding is low after hot working, and further, by nitriding, high surface fatigue strength and bending fatigue can be obtained. It is possible to obtain a nitrided component having both strength. Therefore, for example, it is suitable for use as a material for internal gears for automobiles, which have a high degree of processing difficulty.
本発明の一実施形態に係る窒化用鋼および窒化処理部品を例にして本発明を説明する。本実施形態に係る窒化処理部品(窒化処理した部品であって、以下、単に「部品」という場合がある。)は、部品となる鋼材の中心部である芯部(以下、単に「芯部」という場合がある。)と、鋼材の表層に位置する化合物層と、化合物層に隣接する窒素拡散層(以下、単に「拡散層」という場合がある。)を有する。
ここで芯部とは、窒化処理により窒素の侵入が及ばなかった部分であり、便宜的に、窒化処理部品の主軸方向(例えば長手方向中心軸)に垂直な断面において、当該断面と図心を共有して、当該断面の相似比1/4になる当該断面の相似形状の領域(面積比で1/16)を指す。即ち、窒化後の部品断面において、表面から、当該表面に垂直方向(深さ方向)に厚さ(板状であれば板厚、棒状であれば直径)の1/2深さの位置(以下、「厚さ(直径)の1/2位置」という場合がある。)を中心に、厚さ(直径)の1/4の幅(中心(または中心線)からの片側振れ幅が±厚さ(直径)の1/8)の領域を指す。例えば、直径Dの円柱状部品の場合、その軸方向に垂直な断面において、断面の図心(円の中心)から直径D/4の円形領域が芯部となる。
The present invention will be described by exemplifying a nitriding steel and a nitriding processed component according to an embodiment of the present invention. The nitriding-treated component (which is a nitriding-treated component and may be simply referred to as a “part” below) according to the present embodiment is a core portion (hereinafter, simply “core portion”) which is a central portion of a steel material to be a component. It has a compound layer located on the surface layer of the steel material and a nitrogen diffusion layer adjacent to the compound layer (hereinafter, may be simply referred to as a “diffusion layer”).
Here, the core portion is a portion that is not invaded by nitrogen due to the nitriding treatment, and for convenience, the cross section and the center of the figure are taken in a cross section perpendicular to the main axis direction (for example, the central axis in the longitudinal direction) of the nitriding processed component. In common, it refers to a region of similar shape of the cross section (1/16 in area ratio) where the similarity ratio of the cross section is 1/4. That is, in the cross section of the component after nitriding, the position at a depth of 1/2 of the thickness (plate thickness if plate-shaped, diameter if rod-shaped) in the direction perpendicular to the surface (depth direction) from the surface (hereinafter). , "It may be called" 1/2 position of thickness (diameter) "), and the width of 1/4 of the thickness (diameter) (one-sided swing width from the center (or center line) is ± thickness." Refers to the area of 1/8) of (diameter). For example, in the case of a columnar part having a diameter D, a circular region having a diameter D / 4 from the center of the cross section (center of the circle) is the core portion in the cross section perpendicular to the axial direction.
[母材の成分]
母材の成分について説明する。通常、窒化処理部品の芯部も母材と同じ成分になるので、特に断りのない限り、母材成分と部品の芯部成分は同等である。なお、鋼における各成分元素の含有量および部品表面における元素の濃度の「%」は、特に断りのない限り「質量%」を意味する。
[Ingredients of base material]
The components of the base material will be described. Normally, the core of the nitrided component has the same composition as the base material, so unless otherwise specified, the core component of the base material and the core component of the component are the same. The "%" of the content of each component element in steel and the concentration of the element on the surface of the component means "mass%" unless otherwise specified.
[C:0.01~0.11%]
C(炭素)は、窒化処理部品の芯部の硬さを確保するために重要な元素である。この効果を得るため、C含有量は0.01%以上にするとよい。一方、Cの含有量が高いと、窒化処理後の拡散層の硬化能が小さくなることに加え、化合物層中のε相体積比率が高くなりやすくなるため、面疲労強度や曲げ疲労強度が低下する。加えて、母材の熱間加工後の硬さが高くなりすぎるため、母材の被削性が大きく低下する。さらに、窒化後の部品の表層部硬さは、C含有量が高いほど低下する。これらのことから、C含有量は低い方が好ましく、その上限は0.11%にするとよい。
なお好ましくは、C含有量を0.02%以上、0.03%以上、もしくは0.04%以上としてもよい。また同様に、C含有量を0.10%以下、0.09%以下、0.08%以下、0.07%以下、もしくは0.06%以下としてもよい。
[C: 0.01 to 0.11%]
C (carbon) is an important element for ensuring the hardness of the core of the nitrided component. In order to obtain this effect, the C content should be 0.01% or more. On the other hand, when the C content is high, the curing ability of the diffusion layer after the nitriding treatment becomes small, and the ε-phase volume ratio in the compound layer tends to be high, so that the surface fatigue strength and the bending fatigue strength decrease. do. In addition, the hardness of the base metal after hot working becomes too high, so that the machinability of the base metal is greatly reduced. Further, the hardness of the surface layer portion of the component after nitriding decreases as the C content increases. From these facts, it is preferable that the C content is low, and the upper limit thereof is preferably 0.11%.
More preferably, the C content may be 0.02% or more, 0.03% or more, or 0.04% or more. Similarly, the C content may be 0.10% or less, 0.09% or less, 0.08% or less, 0.07% or less, or 0.06% or less.
[Si:0.01~0.30%]
Siは、脱酸作用を有する。この効果を得るために、Siを0.01%以上含有するとよい。一方、Siの含有量が高いと、拡散層の硬化能が低下することに加え、母材の熱間加工後の硬さが高くなりすぎるため、母材の被削性が大きく低下するため、Si含有量は0.30%以下にするとよい。
なお好ましくは、Si含有量を0.02%以上、0.03%以上、0.04%以上、0.05%以上、0.06%以上、もしくは0.07%以上としてもよい。また同様に、Si含有量を0.29%以下、0.28%以下、0.27%以下、0.26%以下、0.25%以下、0.24%以下、0.23%以下、0.22%以下、0.21%以下、0.20%以下、0.19%以下、0.18%以下、0.17%以下、0.16%以下、もしくは0.15%以下としてもよい。
[Si: 0.01 to 0.30%]
Si has a deoxidizing effect. In order to obtain this effect, it is preferable to contain 0.01% or more of Si. On the other hand, if the Si content is high, the curability of the diffusion layer is lowered, and the hardness of the base metal after hot working is too high, so that the machinability of the base metal is greatly reduced. The Si content should be 0.30% or less.
More preferably, the Si content may be 0.02% or more, 0.03% or more, 0.04% or more, 0.05% or more, 0.06% or more, or 0.07% or more. Similarly, the Si content is 0.29% or less, 0.28% or less, 0.27% or less, 0.26% or less, 0.25% or less, 0.24% or less, 0.23% or less, 0.22% or less, 0.21% or less, 0.20% or less, 0.19% or less, 0.18% or less, 0.17% or less, 0.16% or less, or 0.15% or less good.
[Mn:1.20~2.50%]
Mnは、固溶強化によって芯部硬さを高める元素である。また、焼入れ性を高める元素でもあり、母材の熱間加工後のベイナイト組織分率を高める。加えて、Mnは、窒化処理によって、化合物層や拡散層中に微細な窒化物(Mn3N2)を形成し、面疲労強度や曲げ疲労強度を高める元素である。これらの効果を得るために、Mn含有量は1.20%以上にするとよい。一方、Mn含有量が高いと、母材の熱間加工後の硬さが高くなりすぎるため、母材の被削性が大きく低下するため、2.50%以下にするとよい。
なお好ましくは、Mn含有量を1.25%以上、1.30%以上、1.35%以上、1.40%以上、1.45%以上、1.50%以上、1.55%以上、1.60%以上、1.65%以上、1.70%以上、もしくは1.75%以上としてもよい。また同様に、Mn含有量を2.45%以下、2.40%以下、2.35%以下、2.30%以下、2.25%以下、2.20%以下、2.15%以下、2.10%以下、もしくは2.05%以下としてもよい。
[Mn: 1.20 to 2.50%]
Mn is an element that increases the hardness of the core by strengthening the solid solution. It is also an element that enhances hardenability and enhances the bainite structure fraction after hot working of the base metal. In addition, Mn is an element that forms fine nitrides (Mn3N2) in the compound layer and the diffusion layer by nitriding treatment to increase surface fatigue strength and bending fatigue strength. In order to obtain these effects, the Mn content should be 1.20% or more. On the other hand, if the Mn content is high, the hardness of the base metal after hot working becomes too high, and the machinability of the base metal is greatly reduced. Therefore, it is preferably 2.50% or less.
More preferably, the Mn content is 1.25% or more, 1.30% or more, 1.35% or more, 1.40% or more, 1.45% or more, 1.50% or more, 1.55% or more. It may be 1.60% or more, 1.65% or more, 1.70% or more, or 1.75% or more. Similarly, the Mn content is 2.45% or less, 2.40% or less, 2.35% or less, 2.30% or less, 2.25% or less, 2.20% or less, 2.15% or less, It may be 2.10% or less, or 2.05% or less.
[P:0.025%以下]
Pは不純物であって、粒界偏析して部品を脆化させ、面疲労強度や曲げ疲労強度が低下する場合があるので、P含有量は0.025%以下にするとよい。P含有量はできるだけ少ない方が好ましい。P含有量の好ましい上限は0.018%、0.015%、0.013%、もしくは0.010%にするとよい。Pの含有量は望ましくは0%でもよいが、脱P費用の増大につながるため精錬の経済性を考慮し、P含有量を0.001%以上、0.005%以上、もしくは0.008%以上としてもよい。
[P: 0.025% or less]
Since P is an impurity and may cause grain boundary segregation to embrittle parts and reduce surface fatigue strength and bending fatigue strength, the P content is preferably 0.025% or less. It is preferable that the P content is as low as possible. The preferred upper limit of the P content is 0.018%, 0.015%, 0.013%, or 0.010%. The P content may be preferably 0%, but the P content is 0.001% or more, 0.005% or more, or 0.008% in consideration of the economic efficiency of refining because it leads to an increase in the cost of removing P. The above may be applied.
[S:0.100%以下]
Sは、Mnと結合してMnSを形成し、被削性を向上させる元素である。しかし、S含有量が高いと、粗大なMnSを生成しやすくなり、面疲労強度や曲げ疲労強度が大きく低下するので、S含有量は0.100%にするとよい。S含有量の好ましい上限は0.080%、0.060%、もしくは0.040%である。Sの含有量は0%でもよいが、脱S費用の増大につながるため精錬の経済性を考慮し、S含有量を0.001%以上、0.002%%以上、もしくは0.005%以上としてもよい。
[S: 0.100% or less]
S is an element that combines with Mn to form MnS and improves machinability. However, when the S content is high, coarse MnS is likely to be generated, and the surface fatigue strength and the bending fatigue strength are greatly reduced. Therefore, the S content is preferably 0.100%. The preferred upper limit of the S content is 0.080%, 0.060%, or 0.040%. The S content may be 0%, but the S content may be 0.001% or more, 0.002%% or more, or 0.005% or more in consideration of the economic efficiency of refining because it leads to an increase in the cost of removing S. May be.
[Cr:0.20~0.90%]
Crは、窒化処理によって、化合物層や拡散層中に微細な窒化物(CrN)を形成し、面疲労強度や曲げ疲労強度を高める元素である。これらの効果を得るため、Cr含有量は0.20%以上にするとよい。一方、Crの含有量が高いと、面疲労強度や曲げ疲労強度を向上させる効果が飽和するだけでなく、母材の熱間加工後の硬さが高くなりすぎるため、母材の被削性が著しく低下するため、Si含有量は0.90%以下にするとよい。
なお好ましくは、Cr含有量を0.25%以上、0.30%以上、0.35%以上、0.40%以上、0.45%以上、もしくは0.50%以上としてもよい。また同様に、Cr含有量を0.85%以下、0.80%以下、0.75%以下、0.70%以下、0.65%以下、もしくは0.60%以下としてもよい。
[Cr: 0.20 to 0.90%]
Cr is an element that forms fine nitrides (CrN) in the compound layer and the diffusion layer by the nitriding treatment and enhances the surface fatigue strength and the bending fatigue strength. In order to obtain these effects, the Cr content is preferably 0.20% or more. On the other hand, when the Cr content is high, not only the effect of improving the surface fatigue strength and the bending fatigue strength is saturated, but also the hardness of the base material after hot working becomes too high, so that the machinability of the base material becomes too high. However, the Si content should be 0.90% or less.
More preferably, the Cr content may be 0.25% or more, 0.30% or more, 0.35% or more, 0.40% or more, 0.45% or more, or 0.50% or more. Similarly, the Cr content may be 0.85% or less, 0.80% or less, 0.75% or less, 0.70% or less, 0.65% or less, or 0.60% or less.
[V:0.05~0.50%]
Vは、窒化処理によって、化合物層や拡散層中に微細な窒化物(VN)を形成し、芯部に炭化物(VC)を形成することで部品の面疲労強度や曲げ疲労強度を高める元素である。これらの効果を得るため、Vの含有量は0.05%以上にするとよい。一方、Vの含有量が高いと、面疲労強度や曲げ疲労強度を向上させる効果が飽和するだけでなく、母材の熱間加工後の硬さが高くなりすぎるため、母材の被削性が著しく低下するので、V含有量は0.50%以下にするとよい。
なお好ましくは、V含有量を0.06%以上、0.08%以上、0.10%以上、0.12%以上、0.15%以上、0.18%以上、もしくは0.20%以上としてもよい。また同様に、V含有量を0.48%以下、0.45%以下、0.43%以下、0.40%以下、0.38%以下、もしくは0.35%以下としてもよい。
[V: 0.05 to 0.50%]
V is an element that increases the surface fatigue strength and bending fatigue strength of parts by forming fine nitrides (VN) in the compound layer and diffusion layer by nitriding treatment and forming carbides (VC) in the core. be. In order to obtain these effects, the V content is preferably 0.05% or more. On the other hand, when the V content is high, not only the effect of improving the surface fatigue strength and the bending fatigue strength is saturated, but also the hardness of the base material after hot working becomes too high, so that the machinability of the base material becomes too high. However, the V content should be 0.50% or less.
More preferably, the V content is 0.06% or more, 0.08% or more, 0.10% or more, 0.12% or more, 0.15% or more, 0.18% or more, or 0.20% or more. May be. Similarly, the V content may be 0.48% or less, 0.45% or less, 0.43% or less, 0.40% or less, 0.38% or less, or 0.35% or less.
[Al:0.050%以下]
Alは、脱酸元素であるが、特に含有しなくてもよい。しかし、AlはNと結合してAlNを形成し、オーステナイト粒のピンニング作用により、窒化処理前の母材の組織を微細化し、窒化処理部品の機械的特性のばらつきを低減する効果を持つ。この効果を得るためには、Alの含有量は0.001%以上にすることが好ましく、さらに好ましくは0.002%以上、0.003%以上、0.004%以上、もしくは0.005%以上にするとよい。
一方で、Alは硬質な酸化物系介在物を形成しやすく、Al含有量が高いと、曲げ疲労強度の低下が著しくなり、他の要件を満たしていても所望の曲げ疲労強度が得られなくなることがあるのでAl含有量は0.050%以下にするとよい。曲げ疲労強度の低下を防止するためAl含有量の好ましい上限は0.040%、0.030%、もしくは0.020%にするとよい。
[Al: 0.050% or less]
Al is a deoxidizing element, but it does not have to be contained in particular. However, Al combines with N to form AlN, and the pinning action of the austenite grains has the effect of refining the structure of the base metal before the nitriding treatment and reducing the variation in the mechanical properties of the nitriding treated parts. In order to obtain this effect, the Al content is preferably 0.001% or more, more preferably 0.002% or more, 0.003% or more, 0.004% or more, or 0.005%. It is good to do the above.
On the other hand, Al tends to form hard oxide-based inclusions, and if the Al content is high, the bending fatigue strength is significantly reduced, and the desired bending fatigue strength cannot be obtained even if other requirements are satisfied. Since it may occur, the Al content should be 0.050% or less. The preferable upper limit of the Al content is preferably 0.040%, 0.030%, or 0.020% in order to prevent a decrease in bending fatigue strength.
[N:0.0250%以下]
N(窒素)は特に含有しなくてもよい。しかし、Nは、Mn、Cr、Al、Vと結合してMn3N2、CrN、AlN、VNを形成し、特にAl、Vは、オーステナイト粒のピンニング作用により、窒化処理前の母材の組織を微細化し、窒化処理部品の機械的特性のばらつきを低減する効果を持つ。この効果を得る観点から、N含有量を0.0010%以上、0.0015%以上、0.0020%以上、0.0025%以上、0.0030%以上、0.0035%以上、もしくは0.0040%以上としてもよい。
一方で、N含有量が高いと、粗大なAlNやVNが形成されやすくなるため、曲げ疲労強度の低下が著しくなり、他の要件を満たしていても所望の面疲労強度や曲げ疲労強度が得られなくなることがあるため、N含有量は0.0250%以下にするとよい。好ましくは、N含有量を0.0200%以下、0.0150%以下、もしくは0.0100%以下としてもよい。
[N: 0.0250% or less]
N (nitrogen) does not have to be contained in particular. However, N combines with Mn, Cr, Al, and V to form Mn3N2, CrN, AlN, and VN, and in particular, Al and V have a fine structure of the base material before the nitriding treatment due to the pinning action of the austenite grains. It has the effect of reducing variations in the mechanical properties of nitrided parts. From the viewpoint of obtaining this effect, the N content is 0.0010% or more, 0.0015% or more, 0.0020% or more, 0.0025% or more, 0.0030% or more, 0.0035% or more, or 0. It may be 0040% or more.
On the other hand, when the N content is high, coarse AlN and VN are likely to be formed, so that the bending fatigue strength is significantly reduced, and the desired surface fatigue strength and bending fatigue strength can be obtained even if other requirements are satisfied. The N content should be 0.0250% or less because it may not be possible. Preferably, the N content may be 0.0200% or less, 0.0150% or less, or 0.0100% or less.
以上の元素の他の残部は、基本的にFeおよび不純物からなる。不純物とは、原材料に含まれる成分、あるいは製造の過程で混入する成分等であって、意図的に含有されたものではない元素も含み、本実施形態に係る窒化用鋼や窒化処理部品の特性を損なわない範囲のものであれば許容される。 The rest of the above elements are basically composed of Fe and impurities. Impurities include components contained in raw materials, components mixed in during the manufacturing process, and elements that are not intentionally contained, and are the characteristics of the nitriding steel and nitriding parts according to the present embodiment. It is acceptable as long as it does not impair.
母材がさらに含有しうる成分として、Feの一部に代えて以下の元素を含有することができる。ただし、以下に例示される元素を含むことなく、本実施形態に係る部品はその課題を解決することができる。従って、以下に例示される元素の含有量の下限値は0%である。 As a component that can be further contained in the base material, the following elements can be contained in place of a part of Fe. However, the parts according to the present embodiment can solve the problem without containing the elements exemplified below. Therefore, the lower limit of the content of the elements exemplified below is 0%.
[Mo:0.50%以下]
Moは、固溶強化によって芯部硬さを高める元素である。また、焼入れ性を高める元素でもあり、母材の熱間加工後のベイナイト組織分率を高める。加えて、Mnは、窒化処理によって、化合物層や拡散層中に微細な窒化物(Mо2N)を形成し、芯部に炭化物(Mo2C)を形成することで面疲労強度や曲げ疲労強度を高める元素である。これらの効果を得るために、Mo含有量は0.01%以上にしてもよい。一方、Mo含有量が高いと、窒化後の化合物層中のε相体積比率が高くなりやすく、面疲労強度や曲げ疲労強度が低下するため、Mo含有量は0.50%以下にするとよい。さらに、母材の熱間加工後の硬さが高くなりすぎるため、母材の被削性が大きく低下する。
なおMoを含有する場合、好ましくは、Mo含有量を0.05%以上、0.10%以上、もしくは0.15%以上にするとよい。また同様に、Mo含有量を0.45%以下、0.40%以下、もしくは0.30%以下にするとよい。
[Mo: 0.50% or less]
Mo is an element that increases the hardness of the core by strengthening the solid solution. It is also an element that enhances hardenability and enhances the bainite structure fraction after hot working of the base metal. In addition, Mn forms fine nitrides (Mо 2 N) in the compound layer and diffusion layer by nitriding treatment, and forms carbides (Mo 2 C) in the core to form surface fatigue strength and bending fatigue. It is an element that increases strength. In order to obtain these effects, the Mo content may be 0.01% or more. On the other hand, when the Mo content is high, the ε-phase volume ratio in the compound layer after nitriding tends to be high, and the surface fatigue strength and bending fatigue strength are lowered. Therefore, the Mo content should be 0.50% or less. Further, since the hardness of the base metal after hot working becomes too high, the machinability of the base metal is greatly reduced.
When Mo is contained, the Mo content is preferably 0.05% or more, 0.10% or more, or 0.15% or more. Similarly, the Mo content may be 0.45% or less, 0.40% or less, or 0.30% or less.
[Cu:0.45%以下]
Cuは、固溶強化によって芯部硬さを高める元素である。この効果を確実に得るためにCu含有量を、0.01%以上にしてもよい。一方、Cu含有量が高いと、母材の熱間加工後の硬さが高くなりすぎるため、母材の被削性が大きく低下するので、Cu含有量は0.45%以下にするとよい。
Cuを含有する場合、好ましくはCu含有量を0.05%以上、0.10%以上、もしくは0.15%以上にするとよい。また同様に、Cu含有量を0.40%以下、0.35%以下、0.30%以下、もしくは0.25%以下にするとよい。
[Cu: 0.45% or less]
Cu is an element that increases the hardness of the core by strengthening the solid solution. In order to surely obtain this effect, the Cu content may be 0.01% or more. On the other hand, if the Cu content is high, the hardness of the base metal after hot working becomes too high, and the machinability of the base metal is greatly reduced. Therefore, the Cu content should be 0.45% or less.
When Cu is contained, the Cu content is preferably 0.05% or more, 0.10% or more, or 0.15% or more. Similarly, the Cu content may be 0.40% or less, 0.35% or less, 0.30% or less, or 0.25% or less.
[Ni:0.50%以下]
Niは、固溶強化によって芯部硬さを高める元素である。この効果を確実に得るためにNi含有量を、0.01%以上にしてもよい。一方、Ni含有量が高いと、母材の熱間加工後の硬さが高くなりすぎるため、母材の被削性が大きく低下するので、Ni含有量は0.50%以下にするとよい。
Niを含有する場合、好ましくはNi含有量を0.05%以上、0.10%以上、もしくは0.15%以上にするともよい。また同様に、Ni含有量を0.45%以下、0.40%以下、0.35%以下、もしくは0.30%以下にするとよい。
[Ni: 0.50% or less]
Ni is an element that increases the hardness of the core by strengthening the solid solution. In order to surely obtain this effect, the Ni content may be 0.01% or more. On the other hand, if the Ni content is high, the hardness of the base metal after hot working becomes too high, and the machinability of the base metal is greatly reduced. Therefore, the Ni content should be 0.50% or less.
When Ni is contained, the Ni content may be preferably 0.05% or more, 0.10% or more, or 0.15% or more. Similarly, the Ni content may be 0.45% or less, 0.40% or less, 0.35% or less, or 0.30% or less.
[W:0.50%以下]
Wは、固溶強化や炭化物(WCやW2C)の析出により芯部硬さおよび表面硬さを向上させる。Wの作用を確実に得るためには、W含有量を0.01%以上にするとよい。一方、Wが高いと、母材の熱間加工後の硬さが高くなりすぎるため、母材の被削性が大きく低下するので、W含有量は0.50%以下にするとよい。
Wを含有する場合、好ましくはW含有量を0.05%以上、0.10%以上、もしくは0.15%以上にするとよい。また同様に、W含有量を0.45%以下、0.40%以下、0.35%以下、もしくは0.30%以下にするとよい。
[W: 0.50% or less]
W improves the core hardness and the surface hardness by strengthening the solid solution and precipitating carbides (WC and W2C). In order to surely obtain the action of W, the W content should be 0.01% or more. On the other hand, if W is high, the hardness of the base metal after hot working becomes too high, and the machinability of the base metal is greatly reduced. Therefore, the W content should be 0.50% or less.
When W is contained, the W content is preferably 0.05% or more, 0.10% or more, or 0.15% or more. Similarly, the W content may be 0.45% or less, 0.40% or less, 0.35% or less, or 0.30% or less.
[Bi:0.50%以下]
Biは、切削抵抗を低下させ工具を長寿命化させる作用を有する。この効果を確実に得るためには、Bi含有量を0.01%以上にするとよい。一方、Bi含有量が高いと、熱間加工時に割れや疵を生じやすくなるので、Bi含有量は0.50%以下にするとよい。
Biを含有する場合、好ましくはBi含有量を0.05%以上、0.10%以上、もしくは0.15%以上にするとよい。また同様に、Bi含有量を0.45%以下、0.40%以下、0.35%以下、もしくは0.30%以下にしてもよい。
[Bi: 0.50% or less]
Bi has the effect of reducing cutting resistance and prolonging the life of the tool. In order to surely obtain this effect, the Bi content should be 0.01% or more. On the other hand, if the Bi content is high, cracks and scratches are likely to occur during hot working, so the Bi content should be 0.50% or less.
When Bi is contained, the Bi content is preferably 0.05% or more, 0.10% or more, or 0.15% or more. Similarly, the Bi content may be 0.45% or less, 0.40% or less, 0.35% or less, or 0.30% or less.
[Co:0.50%以下]
Coは、固溶強化によって芯部硬さを高める元素である。この効果を確実に得るためには、Co含有量を0.01%以上にするとよい。一方、Coの含有量が高いと、母材の熱間加工後の硬さが高くなりすぎるため、母材の被削性が大きく低下するので、Co含有量を0.50%以下にするとよい。
Coを含有する場合、好ましくはCo含有量を0.05%以上、0.10%以上、もしくは0.15%以上にするとよい。また同様に、Co含有量を0.45%以下、0.40%以下、0.35%以下、もしくは0.30%以下としてもよい。
[Co: 0.50% or less]
Co is an element that increases the hardness of the core by strengthening the solid solution. In order to surely obtain this effect, the Co content should be 0.01% or more. On the other hand, if the Co content is high, the hardness of the base metal after hot working becomes too high, and the machinability of the base metal is greatly reduced. Therefore, the Co content should be 0.50% or less. ..
When Co is contained, the Co content is preferably 0.05% or more, 0.10% or more, or 0.15% or more. Similarly, the Co content may be 0.45% or less, 0.40% or less, 0.35% or less, or 0.30% or less.
[Nb:0.200%以下]
Nbは、窒化時に鋼の表層に侵入したNや、母相のCと結合し、微細な窒化物(NbN)や炭化物(NbC)を形成し、表面硬さや芯部硬さを向上させることができる。この効果を確実に得るためには、Nb含有量を0.010%以上にするとよい。一方、Nb含有量が高いと、粗大な窒化物、炭窒化物の生成し易くなるのでNb含有量を0.200%以下にするとよい。
Nbを含有する場合、好ましくはNb含有量を0.015%以上、0.020%以上、0.025%以上、もしくは0.030%以上にするとよい。また同様に、Nb含有量を0.175%以下、0.150%以下、0.125%以下、もしくは0.100%以下にするとよい。
[Nb: 0.200% or less]
Nb can be combined with N that has penetrated into the surface layer of steel during nitriding and C of the matrix to form fine nitrides (NbN) and carbides (NbC), and can improve surface hardness and core hardness. can. In order to surely obtain this effect, the Nb content should be 0.010% or more. On the other hand, if the Nb content is high, coarse nitrides and carbonitrides are likely to be produced, so the Nb content should be 0.200% or less.
When Nb is contained, the Nb content is preferably 0.015% or more, 0.020% or more, 0.025% or more, or 0.030% or more. Similarly, the Nb content may be 0.175% or less, 0.150% or less, 0.125% or less, or 0.100% or less.
[Ti:0.250%以下]
Tiは、窒化時に母材の表層に侵入したNや、母材中のCと結合し、微細な窒化物(TiN)や炭化物(TiC)を形成し、表面硬さや芯部硬さを向上させることができる。この効果を確実に得るためには、Ti含有量を0.005%以上にするとよい。一方、Tiの含有量が高いと、粗大な窒化物、炭化物が生成し易くなるため、Ti含有量は0.250%以下にするとよい。
Tiを含有する場合、好ましくはTi含有量を0.007%以上、0.010%以上、0.015%以上、もしくは0.020%以上にするとよい。また同様に、Ti含有量を0.200%以下、0.150%以下、もしくは0.100%以下にするとよい。
[Ti: 0.250% or less]
Ti combines with N that has penetrated into the surface layer of the base metal and C in the base metal during nitriding to form fine nitrides (TiN) and carbides (TiC), and improves surface hardness and core hardness. be able to. In order to surely obtain this effect, the Ti content should be 0.005% or more. On the other hand, if the Ti content is high, coarse nitrides and carbides are likely to be generated. Therefore, the Ti content should be 0.250% or less.
When Ti is contained, the Ti content is preferably 0.007% or more, 0.010% or more, 0.015% or more, or 0.020% or more. Similarly, the Ti content may be 0.200% or less, 0.150% or less, or 0.100% or less.
[B:0.0100%以下]
固溶Bは、Pの粒界偏析を抑制し、靭性を向上させる効果を持つ。また、Nと結合して析出するBNは被削性を向上させる。これらの作用を確実に得るため、B含有量は0.0005%(5ppm)以上にするとよい。一方、Bの含有量が高いと、多量のBNの偏析を促進され、鋼材の割れにつながる可能性があるので、B含有量を0.0100%以下にするとよい。
Bを含有する場合、好ましくはB含有量を0.0008%以上、0.0010%以上、0.0015%以上、もしくは0.0020%以上にするとよい。また同様に、B含有量を0.0080%以下、0.0070%以下、もしくは0.0060%以下にするとよい。
[B: 0.0100% or less]
The solid solution B has the effect of suppressing the grain boundary segregation of P and improving the toughness. In addition, BN that binds to N and precipitates improves machinability. In order to surely obtain these effects, the B content is preferably 0.0005% (5 ppm) or more. On the other hand, if the B content is high, segregation of a large amount of BN is promoted, which may lead to cracking of the steel material. Therefore, the B content should be 0.0100% or less.
When B is contained, the B content is preferably 0.0008% or more, 0.0010% or more, 0.0015% or more, or 0.0020% or more. Similarly, the B content may be 0.0080% or less, 0.0070% or less, or 0.0060% or less.
[Ca:0.0100%以下]
Caは、MnSを微細化して面疲労強度を向上させる働きがある。Caのこの作用を確実に得るためには、Ca含有量を0.0010%以上にするとよい。一方、Ca含有量が高くしても、効果が飽和し経済性を損なうため、Ca含有量は0.0100%以下にするとよい。
Caを含有する場合、好ましくはCa含有量を0.0020%以上、0.0030%以上、もしくは0.0040%以上にするとよい。また同様に、Ca含有量を0.0090%以下、0.0080%以下、もしくは0.0070%以下にするとよい。
[Ca: 0.0100% or less]
Ca has a function of refining MnS and improving surface fatigue strength. In order to surely obtain this effect of Ca, the Ca content should be 0.0010% or more. On the other hand, even if the Ca content is high, the effect is saturated and the economic efficiency is impaired. Therefore, the Ca content should be 0.0100% or less.
When Ca is contained, the Ca content is preferably 0.0020% or more, 0.0030% or more, or 0.0040% or more. Similarly, the Ca content may be 0.0090% or less, 0.0080% or less, or 0.0070% or less.
[Mg:0.0100%以下]
Mgは、MnSを微細化して面疲労強度を向上させる働きがある。Mgの作用を確実に得るためには、Mg含有量を0.0010%以上にするとよい。一方、Mg含有量が高いと、効果が飽和し経済性を損なうので、Mg含有量を0.0100%以下にするとよい。
Mgを含有する場合、好ましくはMg含有量を0.0020%以上、0.0030%以上、もしくは0.0040%以上にするとよい。また同様に、Mg含有量を0.0090%以下、0.0080%以下、もしくは0.0070%以下にするとよい。
[Mg: 0.0100% or less]
Mg has a function of refining MnS and improving surface fatigue strength. In order to surely obtain the action of Mg, the Mg content should be 0.0010% or more. On the other hand, if the Mg content is high, the effect is saturated and the economy is impaired. Therefore, the Mg content should be 0.0100% or less.
When Mg is contained, the Mg content is preferably 0.0020% or more, 0.0030% or more, or 0.0040% or more. Similarly, the Mg content may be 0.0090% or less, 0.0080% or less, or 0.0070% or less.
[Te:0.100%以下]
Teは、MnSを微細化して面疲労強度を向上させる働きがある。Teの作用を確実に得るためには、Te含有量を0.010%以上にするとよい。一方、Teの含有量が高いと、効果が飽和し経済性を損なうためTe含有量を0.0100%以下にするとよい。
Teを含有する場合、好ましくはTe含有量を0.020%以上、0.030%以上、もしくは0.040%以上にするとよい。また同様に、Te含有量を0.090%以下、0.080%以下、もしくは0.070%以下にするとよい。
[Te: 0.100% or less]
Te has a function of refining MnS and improving surface fatigue strength. In order to surely obtain the action of Te, the Te content should be 0.010% or more. On the other hand, if the Te content is high, the effect is saturated and the economic efficiency is impaired. Therefore, the Te content should be 0.0100% or less.
When Te is contained, the Te content is preferably 0.020% or more, 0.030% or more, or 0.040% or more. Similarly, the Te content may be 0.090% or less, 0.080% or less, or 0.070% or less.
[Pb:0.090%以下]
Pbは、切削抵抗を低下させ工具を長寿命化させる作用を有するが、Pbの含有量を高くすると、効果は飽和し経済性を損なうため、Pb含有量は0.090%以下にするとよい。
Pbを含有する場合、好ましくはPb含有量を0.080%以下、0.070%以下、0.060%以下、もしくは0.050%以下にするとよい。
[Pb: 0.090% or less]
Pb has the effect of lowering the cutting resistance and prolonging the life of the tool. However, if the content of Pb is increased, the effect is saturated and the economic efficiency is impaired. Therefore, the Pb content is preferably 0.090% or less.
When Pb is contained, the Pb content is preferably 0.080% or less, 0.070% or less, 0.060% or less, or 0.050% or less.
[Sn:0.100%以下]
Snは、切削抵抗を低下させ工具を長寿命化させる作用を有する。この効果を確実に得るためには、Sn含有量を0.010%以上にするとよい。一方、Sn含有量が高いと、効果が飽和し経済性を損なうので、Sn含有量は0.100%以下にするとよい。
Snを含有する場合、好ましくはSn含有量を0.020%以上、0.030%以上、もしくは0.040%以上にするとよい。また同様に、Sn含有量を0.090%以下、0.080%以下、もしくは0.070%以下にするとよい。
[Sn: 0.100% or less]
Sn has the effect of reducing cutting resistance and prolonging the life of the tool. In order to surely obtain this effect, the Sn content may be 0.010% or more. On the other hand, if the Sn content is high, the effect is saturated and the economic efficiency is impaired. Therefore, the Sn content should be 0.100% or less.
When Sn is contained, the Sn content is preferably 0.020% or more, 0.030% or more, or 0.040% or more. Similarly, the Sn content may be 0.090% or less, 0.080% or less, or 0.070% or less.
[Sb:0.0100%以下]
Sbは、切削抵抗を低下させ工具を長寿命化させる作用を有する。この効果を確実に得るためには、Sb含有量を0.0010%以上にするとよい。一方、Sb含有量が高いと、効果が飽和し経済性を損なうため、Sb含有量を0.0100%以下にするとよい。
Sbを含有する場合、好ましくはSb含有量を0.0020%以上、0.0030%以上、もしくは0.0040%以上としてもよい。また同様に、Sb含有量を0.0090%以下、0.0080%以下、もしくは0.0070%以下にするとよい。
[Sb: 0.0100% or less]
Sb has the effect of reducing cutting resistance and prolonging the life of the tool. In order to surely obtain this effect, the Sb content may be 0.0010% or more. On the other hand, if the Sb content is high, the effect is saturated and the economic efficiency is impaired. Therefore, the Sb content should be 0.0100% or less.
When Sb is contained, the Sb content may be preferably 0.0020% or more, 0.0030% or more, or 0.0040% or more. Similarly, the Sb content may be 0.0090% or less, 0.0080% or less, or 0.0070% or less.
[REM:0.0100%以下]
REM(希土類元素)は、Sc、Yおよびランタノイドからなる合計17元素を指し、REM含有量とは、これらの17元素の合計含有量を意味する。ランタノイドをREMとして用いる場合、工業的には、REMはミッシュメタルの形で添加される。
REMは、MnSを微細化して面疲労強度を向上させる働きがある。REMの作用を確実に得るためには、REM含有量を0.0010%以上にするとよい。一方、REM含有量が高いと、効果が飽和し経済性を損なうため、REM含有量を0.0100%以下にするとよい。
REMを含有する場合、好ましくはREM含有量を0.0020%以上、0.0030%以上、もしくは0.0040%以上にするとよい。また同様に、REM含有量を0.0090%以下、0.0080%以下、もしくは0.0070%以下にするとよい。
[REM: 0.0100% or less]
REM (rare earth element) refers to a total of 17 elements consisting of Sc, Y and lanthanoids, and REM content means the total content of these 17 elements. When lanthanides are used as REMs, industrially, REMs are added in the form of mischmetal.
REM has a function of refining MnS and improving surface fatigue strength. In order to surely obtain the action of REM, the REM content should be 0.0010% or more. On the other hand, if the REM content is high, the effect is saturated and the economy is impaired. Therefore, the REM content should be 0.0100% or less.
When REM is contained, the REM content is preferably 0.0020% or more, 0.0030% or more, or 0.0040% or more. Similarly, the REM content may be 0.0090% or less, 0.0080% or less, or 0.0070% or less.
[硬さ]
本発明に係る窒化用鋼は、溶製後に熱間加工(熱間圧延或いは熱間鍛造など)後、切削加工などにより歯車等所定の部品形状へ加工され、その後に窒化処理を施され、窒化処理部品となる。本発明の一実施形態において、熱間加工後の硬さ(以下、「窒化前硬さ」という。)と被削性、窒化処理後の拡散層表層部における硬さ(以下、「表層部硬さ」という。)および芯部の硬さ(以下、「芯部硬さ」という。)と面疲労強度および曲げ疲労強度との間にはそれぞれ一定の相関があることを見出している。そこで以下に、窒化用鋼の被削性の指標となる窒化前硬さ、窒化処理部品の疲労強度の指標の一つとなる表層部硬さおよび芯部硬さを説明する。なお本発明における硬さは、JIS Z 2244:2009「ビッカース硬さ試験-試験方法」に準拠したビッカース硬さ(HV)を指す。
[Hardness]
The nitriding steel according to the present invention is melted, hot-worked (hot rolling or hot forging, etc.), then cut into a predetermined part shape such as a gear, and then nitrided to be nitrided. It becomes a processing part. In one embodiment of the present invention, the hardness after hot working (hereinafter referred to as “pre-nitriding hardness”) and machinability, and the hardness in the surface layer portion of the diffusion layer after nitriding treatment (hereinafter referred to as “surface layer hardness”). It has been found that there is a certain correlation between the hardness of the core portion (hereinafter referred to as "core hardness") and the surface fatigue strength and the bending fatigue strength. Therefore, the pre-nitriding hardness, which is an index of machinability of nitriding steel, and the surface layer hardness and core hardness, which are one of the indexes of fatigue strength of nitrided parts, will be described below. The hardness in the present invention refers to Vickers hardness (HV) according to JIS Z 2244: 2009 "Vickers hardness test-test method".
[窒化用鋼の熱間加工後の硬さ(窒化前硬さ)]
本発明に係る窒化用鋼の窒化前硬さとは、熱間加工後の母材を、加工方向(圧延或いは鍛造方向)に対し垂直に切断することで現出した断面を鏡面研磨し、試験力1.96Nで測定した表面より1mmまでの領域を除く任意の10点におけるビッカース硬さの平均値を指す。
この窒化前硬さは、部品の被削性に影響を及ぼし、窒化前硬さが220HV以下であれば、被削性が良好であることは経験的に把握している。一方で、窒化前硬さが220HVを超えてしまうと、部品の被削性が不良となる。そのため、窒化用鋼の熱間加工後(窒化前)硬さを220HV以下とした。熱間加工後(窒化前)硬さは210HVであることが好ましく、さらに好ましくは200HV以下であるとよい。
[Hardness after hot working of steel for nitriding (hardness before nitriding)]
The pre-nitriding hardness of the nitriding steel according to the present invention is the test force obtained by mirror-polishing the cross section of the base metal after hot working by cutting it perpendicular to the working direction (rolling or forging direction). Refers to the average value of Vickers hardness at any 10 points excluding the region up to 1 mm from the surface measured at 1.96 N.
This pre-nitriding hardness affects the machinability of parts, and it is empirically understood that the machinability is good when the pre-nitriding hardness is 220 HV or less. On the other hand, if the hardness before nitriding exceeds 220 HV, the machinability of the component becomes poor. Therefore, the hardness of the nitriding steel after hot working (before nitriding) was set to 220 HV or less. The hardness after hot working (before nitriding) is preferably 210 HV, more preferably 200 HV or less.
[窒化処理後の拡散層表層部における硬さ(表層部硬さ)]
表層部硬さとは、窒化後の部品(窒化処理部品)を主軸方向あるいは長手方向に対し垂直に切断することで現出した断面を鏡面研磨し、表面から0.05mm(50μm)深さ位置(表面に垂直方向の位置)における任意の10点を試験力1.96Nで測定し算出したビッカース硬さの平均値を指す。
この表層部硬さは、部品の面疲労強度および曲げ疲労強度に影響を及ぼす。表層部硬さが700HV以上であれば、面疲労強度および曲げ疲労強度が良好である。一方で、表層部硬さが700HV未満であると、部品の面疲労強度および曲げ疲労強度が低位となる。そのため、窒化処理部品の表層部硬さは700HV以上であるとよい。表層部硬さの好ましい下限は720HVであり、さらに好ましくは740HVである。
[Hardness in the surface layer of the diffusion layer after nitriding treatment (hardness of the surface layer)]
The surface layer hardness is the position of 0.05 mm (50 μm) from the surface at a depth of 0.05 mm (50 μm) from the surface by mirror-polishing the cross section that appears by cutting the part after nitriding (nitriding part) perpendicular to the main axis direction or the longitudinal direction. It refers to the average value of Vickers hardness calculated by measuring any 10 points (positions perpendicular to the surface) with a test force of 1.96 N.
This surface layer hardness affects the surface fatigue strength and bending fatigue strength of the component. When the surface layer hardness is 700 HV or more, the surface fatigue strength and the bending fatigue strength are good. On the other hand, when the hardness of the surface layer portion is less than 700 HV, the surface fatigue strength and the bending fatigue strength of the component are low. Therefore, the hardness of the surface layer of the nitrided component is preferably 700 HV or more. The preferable lower limit of the surface hardness is 720 HV, and more preferably 740 HV.
[窒化処理後の芯部における硬さ(芯部硬さ)]
芯部硬さとは、窒化後の部品(窒化処理部品)を主軸方向あるいは長手方向に対し垂直に切断することで現出した断面を鏡面研磨し、芯部における任意の10点を試験力1.96Nで測定し算出したビッカース硬さの平均値を指す。
芯部とした理由は以下の通りである。窒化処理により窒素が侵入した拡散層と、窒素の侵入が及ばなかった部分との境界を厳密に特定することは困難であるが、厚さ(直径)の1/2位置となる芯部では窒化処理による窒素の侵入の影響がほとんどない。このため、部品の芯部において硬さを測定することにより、窒化による化学成分への影響を受けることなく、芯部の硬さを測定することができる。 芯部硬さは、部品の面疲労強度および曲げ疲労強度に影響を及ぼす。芯部硬さが220HV以上であれば、面疲労強度および曲げ疲労強度が良好である。一方で、芯部硬さが220HV未満であると、芯部と同等の硬さである表層側の非窒化層で塑性変形が生じ、拡散層との界面近傍からき裂が生じたり、拡散層に生じた圧縮残留応力が解放されたりすることで、部品の面疲労強度および曲げ疲労強度が低位となる。そのため、窒化処理部品の芯部硬さは220HV以上あるとよい。芯部硬さの好ましい下限は230HVであり、さらに好ましくは240HVである。一方、拡散層より硬くなることはないので、芯部硬さの上限は700HVとしてもよい。
[Hardness in the core after nitriding (core hardness)]
The core hardness means that the cross section exposed by cutting the part after nitriding (nitriding part) perpendicular to the main axis direction or the longitudinal direction is mirror-polished, and any 10 points in the core are tested. Refers to the average value of Vickers hardness measured and calculated at 96N.
The reason for using the core is as follows. It is difficult to strictly identify the boundary between the diffusion layer in which nitrogen has invaded by the nitriding treatment and the portion where nitrogen has not invaded, but nitriding is performed in the core portion at the position of 1/2 of the thickness (diameter). There is almost no effect of nitrogen intrusion by the treatment. Therefore, by measuring the hardness of the core portion of the component, the hardness of the core portion can be measured without being affected by the chemical composition due to nitriding. The core hardness affects the surface fatigue strength and bending fatigue strength of the part. When the core hardness is 220 HV or more, the surface fatigue strength and the bending fatigue strength are good. On the other hand, if the core hardness is less than 220 HV, plastic deformation occurs in the non-nitriding layer on the surface layer side, which has the same hardness as the core, cracks occur from the vicinity of the interface with the diffusion layer, or the diffusion layer becomes By releasing the generated compressive residual stress, the surface fatigue strength and bending fatigue strength of the component become low. Therefore, the hardness of the core of the nitriding component is preferably 220 HV or more. The preferable lower limit of the core hardness is 230 HV, and more preferably 240 HV. On the other hand, since it is not harder than the diffusion layer, the upper limit of the core hardness may be 700 HV.
[窒化処理部品の製造方法]
本発明に係る窒化用鋼およびそれを用いた窒化処理部品の製造方法の一態様について説明する。本発明に係る窒化用鋼、窒化処理部品の製造方法は、この態様に限定されることはない。
まず、上述した化学成分を有する鋼を常法により溶製し、インゴット、スラブ、ビレットなどの鋼材を製造する。次にこれらの鋼材を用いて、例えば以下の方法により加工および熱処理を施すことにより製造することができる。
[Manufacturing method of nitriding parts]
An aspect of a method for manufacturing a nitriding steel according to the present invention and a nitriding-treated component using the same will be described. The method for manufacturing a nitriding steel and a nitriding processed part according to the present invention is not limited to this aspect.
First, steel having the above-mentioned chemical composition is melted by a conventional method to produce steel materials such as ingots, slabs, and billets. Next, these steel materials can be manufactured by subjecting them to processing and heat treatment by, for example, the following methods.
[熱間加工]
上述した化学成分を有する鋼材を適当な大きさに切断した後、1050~1250℃に加熱保持し、その後粗形状に熱間加工する。なお、鋼の均熱不足や表面酸化被膜低減のため、加熱保持時間は0.5~4.0時間とすることが好ましい。熱間加工は、主に熱間圧延や熱間鍛造であるが、特にこの加工方法に限定されることもなく、前述の方法に準じて熱間加工すればよい。
なお、熱間加工後の組織の結晶粒径を均一化させる目的で、後述する切削加工前にJIS B 6911:2010「鉄鋼の焼ならしおよび焼なまし加工」に準拠した焼きならしを行ってもよい。
[Hot working]
After cutting the steel material having the above-mentioned chemical composition into an appropriate size, it is heated and held at 1050 to 1250 ° C., and then hot-worked into a rough shape. The heating retention time is preferably 0.5 to 4.0 hours in order to reduce the heat equalization of the steel and reduce the surface oxide film. The hot working is mainly hot rolling or hot forging, but the hot working is not particularly limited to this working method, and the hot working may be performed according to the above-mentioned method.
For the purpose of equalizing the crystal grain size of the structure after hot working, normalizing according to JIS B 6911: 2010 "Normalizing and Annealing of Steel" is performed before cutting, which will be described later. May be.
[切削加工]
熱間加工後の粗形品を旋盤などで切削加工した後、例えば歯車の場合には、ブローチ加工等により所定の部品形状へ加工する。
[Cutting]
After cutting a rough product after hot working with a lathe or the like, for example, in the case of a gear, it is machined into a predetermined part shape by broaching or the like.
[窒化処理]
切削加工され所定形状になった部品に窒化処理を施す。本態様における窒化部品の窒化処理方法は特に限定されるものではなく、周知のガス窒化、ガス軟窒化、塩浴軟窒化、プラズマ窒化等を適用できる。窒化処理に用いるガスは、NH3のみであってもよいし、NH3に加え、N2、H2を含有する混合気体であってもよい。また、これらのガスに、浸炭性のガスを含有して、軟窒化処理を実施してもよい。さらに、窒化処理の前処理や後処理として、窒化処理温度を超えない範囲であれば、被膜除去等の化学処理や酸化処理を実施してもよい。
しかしながら、浸炭性ガスを含む窒化(例えばガス軟窒化、塩浴軟窒化)処理では、窒化後に部品表面に生成させる化合物層の構成相が脆弱なε単相となりやすい。そのため、浸炭性ガスを含まない雰囲気で窒化処理することが好ましい。
なお、化合物層や拡散層を安定的に生成させ、面疲労強度や曲げ疲労強度を確保するため、窒化処理の温度を550~650℃、窒化処理の保持時間を1~10時間とすることが好ましい。
[Nitriding treatment]
Nitriding is applied to the parts that have been cut into a predetermined shape. The method for nitriding the nitrided component in this embodiment is not particularly limited, and well-known gas nitriding, gas nitrocarburizing, salt bath nitriding, plasma nitriding and the like can be applied. The gas used for the nitriding treatment may be only NH3, or may be a mixed gas containing N2 and H2 in addition to NH3. Further, a carburizing gas may be contained in these gases to carry out a soft nitriding treatment. Further, as a pretreatment or a posttreatment of the nitriding treatment, a chemical treatment such as film removal or an oxidation treatment may be carried out as long as the temperature does not exceed the nitriding treatment temperature.
However, in nitriding including carburizing gas (for example, gas nitriding, salt bath nitriding), the constituent phase of the compound layer formed on the surface of the component after nitriding tends to be a fragile ε single phase. Therefore, it is preferable to perform nitriding treatment in an atmosphere that does not contain carburizing gas.
In order to stably generate a compound layer and a diffusion layer and secure surface fatigue strength and bending fatigue strength, the temperature of the nitriding treatment may be 550 to 650 ° C. and the holding time of the nitriding treatment may be 1 to 10 hours. preferable.
[高周波焼入れ処理]
窒化処理の後工程として、面疲労強度や曲げ疲労強度を高める目的で、高周波焼入れを施しても良い。高周波焼入れを施すことで、表層部は、窒化物形成元素の固溶した高Nマルテンサイト組織となった硬化層になる。そのため、面疲労における接触摩擦による歯面温度上昇(約200~400℃)域で、CrやV等の合金が窒化物のクラスタを生成することで硬さが低下しにくく、高い面疲労強度を得られる。加えて、硬化層が深くなることで、曲げ疲労における内部起点破壊を抑制できる。これらの効果を得るため、部品の表面から100μm以上の深さに高周波焼入れを施すことが好ましい。また、高周波焼入れ処理の加熱温度は1000℃以上1200℃以下にし、室温から加熱温度に昇温するのに要する時間を4秒以内とするとよい。1000℃以上1200℃以下の温度域に鋼材が保持される時間は0.2秒以上2秒以下とするとよい。
[Induction hardening]
As a post-process of the nitriding treatment, induction hardening may be performed for the purpose of increasing surface fatigue strength and bending fatigue strength. By induction hardening, the surface layer portion becomes a hardened layer having a high N martensite structure in which the nitride forming element is solid-solved. Therefore, in the region where the tooth surface temperature rises (about 200 to 400 ° C.) due to contact friction in surface fatigue, the hardness does not easily decrease due to the formation of nitride clusters by alloys such as Cr and V, resulting in high surface fatigue strength. can get. In addition, by deepening the hardened layer, it is possible to suppress internal origin fracture due to bending fatigue. In order to obtain these effects, it is preferable to perform induction hardening at a depth of 100 μm or more from the surface of the component. Further, the heating temperature of the induction hardening treatment may be 1000 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower, and the time required for raising the temperature from room temperature to the heating temperature may be 4 seconds or less. The time for holding the steel material in the temperature range of 1000 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower is preferably 0.2 seconds or longer and 2 seconds or shorter.
以下、本発明の一例として実施例を示す。本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
表1に示す化学成分を有する鋼a~adを、50kg真空溶解炉で溶解して溶製し、鋳造してインゴットを製造した。また、表1に示す鋼a~〇の成分のうち、表1に示す成分以外の残部は、Feおよび不純物である。なお、全ての鋼において、O(酸素)が不純物として約10ppm含まれていた。
Hereinafter, examples will be shown as an example of the present invention. The present invention is not limited to the following examples.
Steels a to ad having the chemical components shown in Table 1 were melted and melted in a 50 kg vacuum melting furnace and cast to produce an ingot. Further, among the components of steels a to 〇 shown in Table 1, the balance other than the components shown in Table 1 is Fe and impurities. In all steels, O (oxygen) was contained as an impurity at about 10 ppm.
表1に示す各鋼のインゴットを熱間鍛造して直径40mmの丸棒とした。熱間鍛造は、前記インゴットを加熱炉で1100℃から1200℃の間の温度にて2時間保定し、鍛造により直径40mmの丸棒にし、鍛造後は大気中で放冷した。
[窒化前硬さの測定]
熱間鍛造後の各丸棒について、長手方向中央部において長手方向垂直に切断した後、その切断面を鏡面研磨した。その後、断面における任意の10点のビッカース硬さを、マイクロビッカース硬度計(島津製作所製;HMV-G31-FA)を用いて試験力1.96Nの条件にて測定した。この10点の平均値を、窒化前硬さと定義した。
The ingots of each steel shown in Table 1 were hot forged to obtain a round bar having a diameter of 40 mm. In hot forging, the ingot was held in a heating furnace at a temperature between 1100 ° C. and 1200 ° C. for 2 hours, forged into a round bar having a diameter of 40 mm, and after forging, it was allowed to cool in the air.
[Measurement of hardness before nitriding]
Each round bar after hot forging was cut vertically in the longitudinal direction at the central portion in the longitudinal direction, and then the cut surface was mirror-polished. Then, the Vickers hardness at any 10 points in the cross section was measured using a micro Vickers hardness tester (manufactured by Shimadzu Corporation; HMV-G31-FA) under the condition of a test force of 1.96 N. The average value of these 10 points was defined as the hardness before nitriding.
[被削性評価試験]
熱間鍛造後の各丸棒を機械加工により、直径20mm、長さ300mmとした後、超硬工具(K10種グレード、TiNコーティング)、送り速度0.20mm/rev、周速100m/分、切込み0.9mmの条件で切削試験を実施し、それらの切削抵抗を測定した。
被削性の評価指標として、JIS G 4053:2016のSCr420規格を満たす鋼を同一形状に機械加工し、先述した切削試験を実施した。そして、SCr420鋼の切削抵抗を基準切削抵抗とし、これを1.00としたときの各鋼の切削抵抗の基準切削抵抗に対する比(比切削抵抗)が1.40以下であれば、被削性が良好であると評価した。
[Machinability evaluation test]
After hot forging, each round bar is machined to a diameter of 20 mm and a length of 300 mm, and then a carbide tool (K10 grade, TiN coating), feed rate 0.20 mm / rev, peripheral speed 100 m / min, cutting. A cutting test was carried out under the condition of 0.9 mm, and their cutting resistance was measured.
As an evaluation index of machinability, steel satisfying the SCr420 standard of JIS G 4053: 2016 was machined into the same shape, and the above-mentioned cutting test was carried out. If the cutting resistance of the SCr420 steel is used as the reference cutting resistance and the ratio of the cutting resistance of each steel to the reference cutting resistance (specific cutting resistance) is 1.40 or less when this is set to 1.00, the machinability Was evaluated as good.
続いて、熱間鍛造後の各丸棒に切削加工を施し、図1に示す面疲労強度を評価するためのローラピッチング試験用の小ローラを作製した。一つのインゴットから、ローラピッチング試験に向けて複数の小ローラを作製するが、その際、断面における硬さを調査することを想定し、ローラピッチング試験に必要な数よりも多く小ローラを作製した。さらに、同じ丸棒を素材として、図3に示す回転曲げ疲労強度を評価するための円柱試験片を作製した。円柱試験片も、一つのインゴットから回転曲げ疲労試験に向けて複数を作製した。 Subsequently, each round bar after hot forging was machined to produce a small roller for a roller pitching test for evaluating the surface fatigue strength shown in FIG. 1. Multiple small rollers were manufactured from one ingot for the roller pitching test, and at that time, more small rollers were manufactured than required for the roller pitching test, assuming that the hardness in the cross section was investigated. .. Further, using the same round bar as a material, a cylindrical test piece for evaluating the rotational bending fatigue strength shown in FIG. 3 was produced. Multiple cylindrical test pieces were also prepared from one ingot for the rotary bending fatigue test.
採取された試験片に対して、ガス窒化処理、ガス軟窒化処理、およびプラズマ窒化処理を実施した。表2に、各試験片と窒化処理の対応を示す。いずれの窒化処理においても、窒化処理温度を590℃、窒化処理時間を5時間とし、窒化処理後の試験片を80℃の油を用いて油冷却した。
ガス窒化処理については、試験片をガス窒化炉に装入し、炉内にNH3、H2、N2の各ガスを導入し、ガス軟窒化試験についてはこれらのガスに加え、CO2ガスを体積比率で3%導入した。
The collected test pieces were subjected to gas nitriding treatment, gas soft nitriding treatment, and plasma nitriding treatment. Table 2 shows the correspondence between each test piece and the nitriding treatment. In any of the nitriding treatments, the nitriding treatment temperature was 590 ° C., the nitriding treatment time was 5 hours, and the test piece after the nitriding treatment was oil-cooled with oil at 80 ° C.
For gas nitriding, test pieces are charged into a gas nitriding furnace, and NH 3 , H 2 , and N 2 gases are introduced into the furnace. For gas nitriding tests, CO 2 gas is added to these gases. Was introduced at a volume ratio of 3%.
雰囲気中のH2分圧は、ガス窒化炉体に直接装着した熱伝導式H2センサを用いて測定した。標準ガスと測定ガスとの熱伝導度の違いをガス濃度に換算して測定した。H2分圧は、ガス窒化処理の間、継続して測定した。 The H 2 partial pressure in the atmosphere was measured using a heat conduction type H 2 sensor directly mounted on the gas nitride furnace body. The difference in thermal conductivity between the standard gas and the measured gas was converted into gas concentration and measured. The H2 partial pressure was continuously measured during the gas nitriding process.
また、NH3分圧は、炉外に取り付けた赤外線吸収式NH3分析計を用いて測定した。NH3分圧は、ガス窒化処理の間継続して測定した。なお、CO2ガス混合の雰囲気下である試験番号5については、赤外線吸収式NH3分析計内に(NH4)2CO3が析出し、装置が故障する恐れがあったため、ガラス管式NH3分析計を用いて、10分毎にNH3分圧を測定した。 The NH 3 partial pressure was measured using an infrared absorption type NH 3 analyzer installed outside the furnace. The NH 3 partial pressure was continuously measured during the gas nitriding process. Regarding test number 5, which is in an atmosphere of CO 2 gas mixing, (NH 4 ) 2 CO 3 was deposited in the infrared absorption type NH 3 analyzer, and there was a risk that the equipment would break down. The NH 3 partial pressure was measured every 10 minutes using a 3 analyzer.
ガス窒化処理の窒化ポテンシャルKNは、下記式で定義される。
KN(atm-1/2)=(NH3分圧(atm))/[(H2分圧(atm))3/2]
The nitriding potential KN of the gas nitriding process is defined by the following equation.
KN (atm- 1 / 2 ) = (NH 3 partial pressure (atm)) / [(H 2 partial pressure (atm)) 3/2 ]
装置内で演算された窒化ポテンシャルKNが目標値に収束するように、NH3流量およびN2流量を制御した。10分毎に窒化ポテンシャルKNを記録し、処理時間中に測定したKNの平均値を算出した。
プラズマ窒化処理については、試験片をプラズマ窒化設備に装入し、炉内にH2、N2の各ガスを導入し、H2ガスとN2ガスの分圧比が3:1で一定となるようガス流量を制御した。
前記窒化試験片の一部に、高周波焼入れを施した。いずれの処理においても、加熱温度を1100℃、室温から加熱温度に昇温するのに要する時間を3秒、1100℃に鋼材を保持する時間を1秒とし、高周波焼入れの後直ちに室温の水で急冷した。その後、170℃で1.5時間の焼戻しを行った。
The NH 3 flow rate and the N 2 flow rate were controlled so that the nitriding potential KN calculated in the apparatus converged to the target value. The nitriding potential KN was recorded every 10 minutes, and the average value of KN measured during the processing time was calculated.
For plasma nitriding treatment, test pieces are charged into plasma nitriding equipment, H 2 and N 2 gases are introduced into the furnace, and the partial pressure ratio of H 2 gas and N 2 gas becomes constant at 3: 1. The gas flow rate was controlled.
A part of the nitriding test piece was induction hardened. In each treatment, the heating temperature was set to 1100 ° C, the time required to raise the temperature from room temperature to the heating temperature was set to 3 seconds, the time to hold the steel material at 1100 ° C was set to 1 second, and immediately after induction hardening, water at room temperature was used. Quenched. Then, tempering was performed at 170 ° C. for 1.5 hours.
[表層部硬さおよび芯部硬さの測定]
上記窒化処理または窒化高周波焼入れ処理を施した各小ローラから、長手方向中心部に垂直な面で10mmの長さに切断した後、その切断面を鏡面研磨した。その後、表面から0.05mm(50μm)深さ位置における任意の10点のビッカース硬さを、マイクロビッカース硬度計(島津製作所製;HMV-G31-FA)を用いて試験力1.96Nの条件にて測定した。この10点の平均値を、表層部硬さと定義した。
同様に、表面硬さを測定した試験片を用いて、芯部の任意の10点のビッカース硬さを、同装置を用いて試験力1.96Nの条件にて測定し、10点の平均値を芯部硬さと定義した。
[Measurement of surface hardness and core hardness]
Each small roller subjected to the nitriding treatment or the nitriding induction hardening treatment was cut to a length of 10 mm on a surface perpendicular to the center in the longitudinal direction, and then the cut surface was mirror-polished. After that, the Vickers hardness at any 10 points at a depth of 0.05 mm (50 μm) from the surface was adjusted to a test force of 1.96 N using a Micro Vickers hardness tester (manufactured by Shimadzu Corporation; HMV-G31-FA). Was measured. The average value of these 10 points was defined as the surface hardness.
Similarly, using a test piece whose surface hardness was measured, the Vickers hardness at any 10 points of the core was measured using the same device under the condition of a test force of 1.96 N, and the average value of 10 points was measured. Was defined as core hardness.
[面疲労強度評価試験]
面疲労強度は、ローラピッチング試験機(小松設備社製;RP102)により、次の方法で評価した。ローラピッチング試験用小ローラを、熱処理ひずみを除く目的で掴み部の仕上げ加工を行った後、それぞれローラピッチング試験片に供した。仕上げ加工後の形状を図1に示す。
[Surface fatigue strength evaluation test]
The surface fatigue strength was evaluated by the following method using a roller pitching tester (manufactured by Komatsu Equipment Co., Ltd .; RP102). The small rollers for the roller pitching test were subjected to finishing of the grip portion for the purpose of removing heat treatment strain, and then subjected to each roller pitching test piece. The shape after finishing is shown in FIG.
ローラピッチング試験片である小ローラは、図1に示すように、中央の直径26mm、幅28mmの試験面部と、その両側部に設けられた直径22mmの掴み部とを備える。ローラピッチング試験では、試験面部を大ローラと接触させ、所定の面圧を加えたうえで回転させた。
ローラピッチング試験は、上記のローラピッチング試験用小ローラと図2に示す形状のローラピッチング試験用大ローラの組み合わせで、表3に示す条件で行った。
As shown in FIG. 1, the small roller, which is a roller pitching test piece, includes a central test surface portion having a diameter of 26 mm and a width of 28 mm, and grip portions having a diameter of 22 mm provided on both side portions thereof. In the roller pitching test, the test surface portion was brought into contact with the large roller, and a predetermined surface pressure was applied before rotation.
The roller pitching test was performed under the conditions shown in Table 3 with a combination of the above-mentioned small roller for roller pitching test and a large roller for roller pitching test having the shape shown in FIG.
なお、図1、2における寸法の単位はmmである。
ローラピッチング試験用大ローラは、JIS G 4053:2016のSCM420規格を満たす鋼を用いて、一般的な製造工程、つまり「焼きならし→試験片加工→ガス浸炭炉による共析浸炭→低温焼戻し→研磨」の工程によって作製したものであり、表面から深さ0.05mm(50μm)の位置におけるビッカース硬さHVは740~760で、また、ビッカース硬さHvが550以上の深さは、0.8~1.0mmの範囲にあった。
The unit of dimensions in FIGS. 1 and 2 is mm.
The large roller for roller pitching test uses steel that meets the SCM420 standard of JIS G 4053: 2016, and is a general manufacturing process, that is, "normalizing-> test piece processing-> eutectoid carburizing by gas carburizing furnace-> low-temperature tempering-> It was produced by the process of "polishing", and the Vickers hardness HV at a position of 0.05 mm (50 μm) from the surface was 740 to 760, and the depth of Vickers hardness Hv of 550 or more was 0. It was in the range of 8 to 1.0 mm.
表3に、面疲労強度の評価を行った試験条件を示す。表3に、面疲労強度の評価を行った試験条件を示す。試験の打切繰返し回数は、一般的な鋼の疲労限を示す2.0×107回とし、小ローラ試験片においてピッチングが発生せずに2×107回に達した最大面圧を小ローラ試験片の疲労限とした。ローラピッチング試験においては、特に疲労限付近では面圧を50MPa刻みで試験を行った。すなわち、表2に示すピッチング強度の値は、対象試験番号において、同面圧下にて試験を行った小ローラ試験片にはピッチングが生じなかったが、同面圧よりも50MPa高い面圧下で試験を行った小ローラ試験片にはピッチングが生じたことを示している。 Table 3 shows the test conditions for which the surface fatigue strength was evaluated. Table 3 shows the test conditions for which the surface fatigue strength was evaluated. The number of repetitions of the test cutoff was 2.0 × 107 times, which indicates the fatigue limit of general steel, and the maximum surface pressure reached 2 × 10 7 times without pitching in the small roller test piece was set to the small roller. The fatigue limit of the test piece was set. In the roller pitching test, the surface pressure was measured in increments of 50 MPa, especially near the fatigue limit. That is, in the values of the pitching strength shown in Table 2, in the target test number, pitching did not occur in the small roller test piece tested under the same surface pressure, but the test was performed under a surface pressure 50 MPa higher than the same surface pressure. It is shown that pitching occurred in the small roller test piece that was subjected to.
ピッチング発生の検出は、試験機に備え付けられた振動計によって行い、振動発生後に、小ローラ試験片と大ローラ試験片の両方の回転を停止させ、ピッチング発生と回転数を確認した。本実施例においては、歯車部品への適用を想定し、表3に示すローラピッチング試験での疲労限における面圧が2000MPa以上であることを目標とした。 The occurrence of pitching was detected by a vibration meter installed in the testing machine, and after the vibration was generated, the rotation of both the small roller test piece and the large roller test piece was stopped, and the occurrence of pitching and the rotation speed were confirmed. In this embodiment, assuming application to gear parts, the target is that the surface pressure at the fatigue limit in the roller pitching test shown in Table 3 is 2000 MPa or more.
[回転曲げ疲労強度評価試験]
ガス窒化処理に供した円柱試験片に対し、JIS Z 2274:1978「金属材料の回転曲げ疲れ試験方法」に準拠した小野式回転曲げ疲労試験を実施した。回転数は3000rpm、試験打切繰返し数は、一般的な鋼の疲労限を示す1×107回とし、回転曲げ疲労試験片において、破断が生じずに1×107回に達した最大応力を回転曲げ疲労試験片の疲労限とした。回転曲げ疲労試験においては、特に疲労限付近では応力を10MPa刻みで試験を行った。すなわち、表2に示す回転曲げ疲労強度の値は、対象試験番号において、同応力下にて試験を行った円柱試験片には破断が生じなかったが、同応力よりも10MPa高い応力下で試験を行った円柱試験片には破断が生じたことを示している。
[Rotary bending fatigue strength evaluation test]
An Ono-type rotary bending fatigue test based on JIS Z 2274: 1978 "Rotating bending fatigue test method for metal materials" was carried out on a cylindrical test piece subjected to gas nitriding treatment. The number of rotations is 3000 rpm, the number of test cutoff repetitions is 1 × 10 7 times, which indicates the fatigue limit of general steel, and the maximum stress reached 1 × 10 7 times without fracture in the rotary bending fatigue test piece. The fatigue limit of the rotary bending fatigue test piece was set. In the rotary bending fatigue test, the stress was tested in increments of 10 MPa, especially near the fatigue limit. That is, the values of the rotational bending fatigue strength shown in Table 2 showed that the cylindrical test piece tested under the same stress did not break under the same stress, but the test was performed under a
本発明部品においては、歯車部品への適用を想定し、小野式回転曲げ疲労試験での疲労限における応力が550MPa以上であることを目標にした。 In the parts of the present invention, assuming application to gear parts, the goal was to have a stress of 550 MPa or more in the fatigue limit in the Ono-type rotary bending fatigue test.
[試験結果]
結果を表2に示す。試験番号1~19は、鋼の成分が本発明の範囲内であるため、窒化前硬さが低く被削性に優れ、且つ窒化または窒化高周波焼入れ後の表層部硬さ、芯部硬さが高く面疲労強度および回転曲げ疲労強度をも具備する結果が得られた。
[Test results]
The results are shown in Table 2. In test numbers 1 to 19, since the steel component is within the range of the present invention, the hardness before nitriding is low and the machinability is excellent, and the surface layer hardness and core hardness after nitriding or induction hardening are high. The results obtained that the surface fatigue strength and the rotational bending fatigue strength were also high.
一方、試験番号20~35は、鋼の成分が本発明の範囲外であり、窒化前の硬さが高くなり被削性が劣位であるか、もしくは窒化または窒化高周波焼入れ後の表層部硬さ、芯部硬さが低く、所望の面疲労強度や回転曲げ疲労強度が本発明の目標に達しなかった。 On the other hand, in test numbers 20 to 35, the steel component is out of the range of the present invention, the hardness before nitriding is high and the machinability is inferior, or the hardness of the surface layer after nitriding or induction hardening. The core hardness was low, and the desired surface fatigue strength and rotational bending fatigue strength did not reach the objects of the present invention.
以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示にすぎない。従って、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。 The embodiment of the present invention has been described above. However, the embodiments described above are merely examples for carrying out the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the above-mentioned embodiment can be appropriately modified and carried out within a range not deviating from the gist thereof.
本発明は、歯車等の機械部品や、輸送機械のトランスミッションやカムシャフトなど、広く産業分野において利用することができる。 The present invention can be widely used in industrial fields such as mechanical parts such as gears, transmissions and camshafts of transportation machines.
Claims (7)
C :0.01~0.11%、
Si:0.01~0.30%、
Mn:1.20~2.50%、
P :0.025%以下、
S :0.100%以下、
Cr:0.20~0.90%、
V :0.05~0.50%、
Al:0.050%以下、および
N :0.0250%以下、
を含有し、残部がFeおよび不純物であることを特徴とする窒化用鋼。 By mass%,
C: 0.01 to 0.11%,
Si: 0.01-0.30%,
Mn: 1.20 to 2.50%,
P: 0.025% or less,
S: 0.100% or less,
Cr: 0.20 to 0.90%,
V: 0.05 to 0.50%,
Al: 0.050% or less, and N: 0.0250% or less,
A steel for nitriding, characterized in that the balance is Fe and impurities.
Mo:0.50%以下、
Cu:0.45%以下、
Ni:0.50%以下、
W:0.50%以下、
Bi:0.50%以下、
Co:0.50%以下、
Nb:0.200%以下、
Ti:0.250%以下、および
B :0.0100%以下、
のうちの1種または2種以上を含有することを特徴とする、請求項1または2に記載の窒化用鋼。 In addition, by mass%,
Mo: 0.50% or less,
Cu: 0.45% or less,
Ni: 0.50% or less,
W: 0.50% or less,
Bi: 0.50% or less,
Co: 0.50% or less,
Nb: 0.200% or less,
Ti: 0.250% or less, and B: 0.0100% or less,
The nitriding steel according to claim 1 or 2, wherein the steel contains one or more of the two.
Ca:0.0100%以下、
Mg:0.0100%以下、
Te:0.100%以下、
Pb:0.090%以下、
Sn:0.100%以下、
Sb:0.0100%以下、および
REM:0.0100%以下
のうちの1種または2種以上を含有することを特徴とする、請求項1~3のいずれか1項に記載の窒化用鋼。 In addition, by mass%,
Ca: 0.0100% or less,
Mg: 0.0100% or less,
Te: 0.100% or less,
Pb: 0.090% or less,
Sn: 0.100% or less,
The nitriding steel according to any one of claims 1 to 3, which contains one or more of Sb: 0.0100% or less and REM: 0.0100% or less. ..
C :0.01~0.11%、
Si:0.01~0.30%、
Mn:1.20~2.50%、
P :0.025%以下、
S :0.100%以下、
Cr:0.20~0.90%、
V :0.05~0.50%、
Al:0.050%以下、
N :0.0250%以下、
を含有し、残部Feおよび不純物からなり、
前記断面において、表面から50μm深さ位置におけるN濃度が、前記芯部におけるN濃度より高く、
さらに前記50μm深さ位置におけるビッカース硬さが700HV以上、前記芯部におけるビッカース硬さが220HV以上であることを特徴とする窒化処理部品。 In the cross section perpendicular to the main axis direction, the component of the core portion, which is a similar figure region that shares the center of gravity with the cross section and has a similarity ratio of 1/4 of the cross section, is mass%.
C: 0.01 to 0.11%,
Si: 0.01-0.30%,
Mn: 1.20 to 2.50%,
P: 0.025% or less,
S: 0.100% or less,
Cr: 0.20 to 0.90%,
V: 0.05 to 0.50%,
Al: 0.050% or less,
N: 0.0250% or less,
Containing, the balance consists of Fe and impurities,
In the cross section, the N concentration at a depth of 50 μm from the surface is higher than the N concentration in the core portion.
Further, the nitriding-treated component is characterized in that the Vickers hardness at the 50 μm depth position is 700 HV or more and the Vickers hardness at the core portion is 220 HV or more.
Mo:0.50%以下、
Cu:0.45%以下、
Ni:0.50%以下、
W:0.50%以下、
Bi:0.50%以下、
Co:0.50%以下、
Nb:0.200%以下、
Ti:0.250%以下、および
B :0.0100以下%、
のうちの1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項5に記載の窒化処理部品。 Further, the component of the core portion is by mass%,
Mo: 0.50% or less,
Cu: 0.45% or less,
Ni: 0.50% or less,
W: 0.50% or less,
Bi: 0.50% or less,
Co: 0.50% or less,
Nb: 0.200% or less,
Ti: 0.250% or less, and B: 0.0100 or less%,
The nitrided component according to claim 5, wherein the nitriding component contains one or more of the two or more.
Ca:0.0100%以下、
Mg:0.0100%以下、
Te:0.100%以下、
Pb:0.090%以下、
Sn:0.100%以下、
Sb:0.0100%以下、および
REM:0.0100%以下
のうちの1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項5または6に記載の窒処理部品。 Further, the component of the core portion is by mass%,
Ca: 0.0100% or less,
Mg: 0.0100% or less,
Te: 0.100% or less,
Pb: 0.090% or less,
Sn: 0.100% or less,
The nitrogen treatment component according to claim 5 or 6, wherein Sb: 0.0100% or less, and REM: 0.0100% or less, one or more of them are contained.
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