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JP2024095320A - Processed material for nitrided component and nitrided component - Google Patents

Processed material for nitrided component and nitrided component Download PDF

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JP2024095320A
JP2024095320A JP2022212521A JP2022212521A JP2024095320A JP 2024095320 A JP2024095320 A JP 2024095320A JP 2022212521 A JP2022212521 A JP 2022212521A JP 2022212521 A JP2022212521 A JP 2022212521A JP 2024095320 A JP2024095320 A JP 2024095320A
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JP
Japan
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nitrided
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less
amount
steel
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Application number
JP2022212521A
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Japanese (ja)
Inventor
将人 祐谷
Masahito Suketani
暁 大川
Akira Okawa
遥子 末安
Yoko Sueyasu
裕章 多比良
Hiroaki Taira
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Publication date
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Abstract

To provide a processed material for nitrided component which can be manufactured by omitting or simplifying quenching and tempering, and has excellent machinability, whose bending in nitriding is suppressed, and by which a nitrided component having excellent bending fatigue properties is obtained, and to provide the nitrided component.SOLUTION: A processed material for nitrided component includes a shaft part having a diameter of 10 mm or more, has a chemical composition, by mass%, of C: 0.35 to 0.60%, Si: 0.03 to 0.35%, Mn: 1.00 to 2.10%, P: 0.050% or less, S: 0.010 to 0.095%, Cr: more than 0.60 to 1.20%, Al:0.001 to 0.080%, and N: 0.0040 to 0.0250%, and the balance consisting of Fe and impurities, and has a fine structure made of ferrite and pearlite, or pearlite at the depth 5 mm position from the surface of the shaft part, where a ratio of a solid-solution Cr amount for the total Cr amount at the depth 5 mm position from the surface of shaft part is 0.10 to 0.75.SELECTED DRAWING: None

Description

本開示は、窒化部品用素形材及び窒化部品に関する。 This disclosure relates to base materials for nitrided parts and nitrided parts.

自動車、船舶、産業機械等に用いられる機械構造部品には、高い曲げ応力が繰り返し加わる部品がある。それらの部品に必要な疲労強度を具備させるため、種々の表面硬貨熱処理が施される場合がある。高い曲げ疲労強度に加えて、摺動特性、耐食性、ひずみが小さいことが要求される部品の場合には、表面硬化熱処理として窒化処理が用いられることがある。
窒化部品の製造方法の一例は、次のとおりである。初めに、素材となる鋼材を熱間鍛造して鋼素形材を製造する。製造した鋼素形材に対しては、必要に応じて微細組織を最適化させるための熱処理を施す。その後、機械加工(切削加工等)して、最終製品に近い形状にする。機械加工後の鋼素形材に窒化処理を実施して、表層の強度を高める。窒化後に研磨等の仕上げ加工を行ったり、曲げ矯正を行ったりする。このような工程により、窒化部品が製造される。
Some mechanical structural parts used in automobiles, ships, industrial machines, etc. are repeatedly subjected to high bending stress. In order to provide these parts with the necessary fatigue strength, various surface hardening heat treatments may be performed. In the case of parts that require high bending fatigue strength, sliding properties, corrosion resistance, and small distortion, nitriding treatment may be used as a surface hardening heat treatment.
An example of a method for manufacturing a nitrided part is as follows. First, a steel material is hot forged to produce a steel preform. The produced steel preform is heat treated as necessary to optimize the microstructure. It is then machined (cutting, etc.) to form a shape close to the final product. The machined steel preform is then subjected to a nitriding treatment to increase the strength of the surface layer. After nitriding, finishing processes such as polishing are performed, or bending is straightened. Through these steps, a nitrided part is manufactured.

窒化処理によって表面に生成する化合物層(窒化層の一部)は、摩擦係数を低減したり、摩耗を抑制したりすることで、部品の摺動特性を向上させる。化合物層は部品の耐食性を高める効果もあり、部品の耐食性を高める目的で部品に窒化処理が施される場合もある。本明細書では、窒化処理が施された機械構造部品(クランクシャフトなど)を窒化部品という。 The compound layer (part of the nitride layer) that is formed on the surface by nitriding improves the sliding characteristics of the parts by reducing the coefficient of friction and suppressing wear. The compound layer also has the effect of increasing the corrosion resistance of the parts, and nitriding is sometimes performed on parts for the purpose of increasing their corrosion resistance. In this specification, mechanical structural parts (such as crankshafts) that have been subjected to nitriding are referred to as nitrided parts.

窒化部品には、非調質化が望まれている。製造コスト、および製造時のCO排出量削減の観点からは、焼入焼戻しを省略、または簡略化することが望ましい。 Non-tempered nitrided parts are desired. From the viewpoint of manufacturing costs and reducing CO2 emissions during manufacturing, it is desirable to omit or simplify the quenching and tempering processes.

焼入焼戻しを省略、または簡略化した窒化部品に関する技術が開示されている。 A technology has been disclosed that relates to nitrided parts in which quenching and tempering is omitted or simplified.

例えば、特許文献1では、鋼成分を最適化するとともに、窒化後の表層近傍の硬さ、化合物層厚さを規定することで、高い曲げ疲労強度と曲げ矯正性が得られることが記載されている。 For example, Patent Document 1 describes how high bending fatigue strength and bending straightening properties can be obtained by optimizing the steel composition and specifying the hardness near the surface after nitriding and the thickness of the compound layer.

特許文献2では、鋼成分を最適化するとともに、不純物を適正に抑制することで、窒化後の高い曲げ疲労強度と面疲労強度を得つつ、窒化時の変形が抑制されることが記載されている。 Patent Document 2 describes how, by optimizing the steel composition and appropriately controlling impurities, high bending fatigue strength and surface fatigue strength after nitriding can be obtained while suppressing deformation during nitriding.

国際公開第2014/136348号International Publication No. 2014/136348 特開2012-158812号公報JP 2012-158812 A

繰り返しの曲げ応力が加わる窒化部品には高い曲げ疲労強度が必要である。窒化部品の曲げ疲労強度は、窒化層の疲労特性に支配される。例えばクランクシャフトのように窒化部品が大型である場合など、窒化部品の表面近傍における曲げ応力の勾配が緩やかな場合には、ごく最表層のみを硬化させるだけでは、内部破壊を抑制することができず、十分に疲労強度が向上しない。焼入焼戻しを省略、または簡略化すると、芯部の硬さを高めることができないため、部品の表面近傍における曲げ応力の勾配が緩やかな部品には適用できない場合がある。
窒化部品の焼入れ焼戻しを省略しても必要な芯部硬さを得るためには、多量の合金元素の添加が必要になる。しかし、芯部硬さを高める効果を持つMn、Cr等の合金元素は窒素と窒化物を形成することで窒化層の硬化に寄与する半面、窒化物を形成し窒化層を膨張させることで部品の変形量を大きくする作用を有する。そのため、窒化部品の焼入れ焼戻しを省略または簡略化しても必要な芯部硬さを得るためにMn、Cr等の合金元素を多量に含有させると、窒化時の変形量が大きくなり、部品の形状が許容範囲内に収まらない場合がある。
Nitrided parts that are subjected to repeated bending stresses require high bending fatigue strength. The bending fatigue strength of nitrided parts is governed by the fatigue properties of the nitrided layer. For example, when a nitrided part is large, such as a crankshaft, and the gradient of bending stress near the surface of the nitrided part is gentle, hardening only the very outermost layer is not enough to suppress internal fracture and does not sufficiently improve fatigue strength. If quenching and tempering is omitted or simplified, it is not possible to increase the hardness of the core, and therefore it may not be applicable to parts with a gentle gradient of bending stress near the surface of the part.
In order to obtain the necessary core hardness even if quenching and tempering of the nitrided parts is omitted, it is necessary to add a large amount of alloying elements. However, alloying elements such as Mn and Cr, which have the effect of increasing the core hardness, contribute to hardening of the nitrided layer by forming nitrides with nitrogen, but also have the effect of increasing the deformation amount of the part by forming nitrides and expanding the nitrided layer. Therefore, if a large amount of alloying elements such as Mn and Cr is added to obtain the necessary core hardness even if quenching and tempering of the nitrided parts is omitted or simplified, the amount of deformation during nitriding will be large, and the shape of the part may not be within the allowable range.

特許文献1に開示された技術は、窒化後の変形の抑制については言及していない。
特許文献2に開示された技術は、窒化後の変形を抑制できているが、歯車等の極めて高い被削性が必要な部品に最適な技術であるため、実施例で示された窒化部品用素形材の硬さは210HV以下であり、窒化部品の表面近傍における曲げ応力の勾配が緩やかな場合には高い疲労強度を得ることができない。
The technique disclosed in Patent Document 1 does not mention suppression of deformation after nitriding.
The technology disclosed in Patent Document 2 is able to suppress deformation after nitriding. However, since this technology is optimal for parts that require extremely high machinability, such as gears, the hardness of the nitrided part base material shown in the examples is 210 HV or less, and high fatigue strength cannot be obtained when the gradient of bending stress near the surface of the nitrided part is gradual.

本開示の課題は、焼入焼戻しを省略、または簡略化して製造することができ、被削性に優れ、窒化時の曲がりが抑制され、かつ曲げ疲労特性に優れた窒化部品が得られる窒化部品用素形材、並びに窒化時の曲がりが抑制され、かつ曲げ疲労特性に優れた窒化部品を提供することである。 The objective of the present disclosure is to provide a base material for nitrided parts that can be manufactured without or with simplified quenching and tempering, has excellent machinability, is suppressed from bending during nitriding, and can produce nitrided parts with excellent bending fatigue properties, as well as to provide a nitrided part that is suppressed from bending during nitriding and has excellent bending fatigue properties.

上記課題は、以下の手段により解決される。
<1> 径が10mm以上の軸部を含み、
化学組成が、質量%で、
C:0.35~0.60%、
Si:0.03~0.35%、
Mn:1.00~2.10%、
P:0.050%以下、
S:0.010~0.095%、
Cr:0.60超~1.20%、
Al:0.001~0.080%、
N:0.0040~0.0250%であり、残部はFe及び不純物からなる素形材であり、
前記軸部の表面から深さ5mm位置において、フェライト及びパーライト、またはパーライトからなる微細組織を有し、
前記軸部の表面から深さ5mm位置において、全Cr量に対する固溶Cr量の割合が0.10~0.75である、窒化部品用素形材。
<2> 径が10mm以上の軸部を含み、
化学組成が、質量%で、
C:0.35~0.60%、
Si:0.03~0.35%、
Mn:1.00~2.10%、
P:0.050%以下、
S:0.010~0.095%、
Cr:0.60超~1.20%、
Al:0.001~0.080%、
N:0.0040~0.0250%であり、さらに下記第1群、第2群及び第3群からなる群から選択される1種又は2種以上を含有し、残部はFe及び不純物からなる素形材であり、
前記軸部の表面から深さ5mm位置において、フェライト及びパーライト、またはパーライトからなる微細組織を有し、
前記軸部の表面から深さ5mm位置において、全Cr量に対する固溶Cr量の割合が0.10~0.75である、窒化部品用素形材。
[第1群]
Cu:0.40%以下、
Ni:0.40%以下、
V:0.20%以下、及び
Mo:0.30%以下からなる群より選択される1種又は2種以上
[第2群]
Sn:0.10%以下、及び
Ca:0.0050%以下からなる群より選択される1種又は2種
[第3群]
Ti:0.100%以下
<3> 前記化学組成が、前記第1群を含有する<2>に記載の窒化部品用素形材。
<4> 前記化学組成が、前記第2群を含有する<2>又は<3>に記載の窒化部品用素形材。
<5> 前記化学組成が、前記第3群を含有する<2>~<4>のいずれか1つに記載の窒化部品用素形材。
<6> 径が10mm以上の軸部を含み、
表面から1.5mmより深い部分である芯部と、当該芯部の外側に存在する窒化層とを有する部品であって、
前記芯部の化学組成が、質量%で、
C:0.35~0.60%、
Si:0.03~0.35%、
Mn:1.00~2.10%、
P:0.050%以下、
S:0.010~0.095%、
Cr:0.60超~1.20%、
Al:0.001~0.080%、
N:0.0040~0.0250%であり、任意に、下記第1群、第2群及び第3群からなる群から選択される1種又は2種以上を含有し、残部はFe及び不純物からなり、
前記軸部の表面から深さ5mm位置において、フェライト及びパーライト、またはパーライトからなる微細組織を有し、
前記軸部の表面から深さ5mm位置において、全Cr量に対する固溶Cr量の割合が0.10~0.75である、窒化部品。
[第1群]
Cu:0.40%以下、
Ni:0.40%以下、
V:0.20%以下、及び
Mo:0.30%以下からなる群より選択される1種又は2種以上
[第2群]
Sn:0.10%以下、及び
Ca:0.0050%以下からなる群より選択される1種又は2種
[第3群]
Ti:0.100%以下
The above problems are solved by the following means.
<1> A shaft portion having a diameter of 10 mm or more,
The chemical composition, in mass%, is
C: 0.35 to 0.60%,
Si: 0.03 to 0.35%,
Mn: 1.00 to 2.10%,
P: 0.050% or less,
S: 0.010 to 0.095%,
Cr: more than 0.60 to 1.20%,
Al: 0.001 to 0.080%,
N: 0.0040 to 0.0250%, the balance being Fe and impurities;
The shaft portion has a microstructure of ferrite and pearlite or pearlite at a depth of 5 mm from the surface thereof,
The base material for nitrided parts, wherein the ratio of the amount of dissolved Cr to the amount of total Cr at a depth of 5 mm from the surface of the shaft portion is 0.10 to 0.75.
<2> Including a shaft portion having a diameter of 10 mm or more,
The chemical composition, in mass%, is
C: 0.35 to 0.60%,
Si: 0.03 to 0.35%,
Mn: 1.00 to 2.10%,
P: 0.050% or less,
S: 0.010 to 0.095%,
Cr: more than 0.60 to 1.20%,
Al: 0.001 to 0.080%,
N: 0.0040 to 0.0250%, and further containing one or more selected from the group consisting of the following first group, second group, and third group, with the balance being Fe and impurities;
The shaft portion has a microstructure of ferrite and pearlite or pearlite at a depth of 5 mm from the surface thereof,
The base material for nitrided parts, wherein the ratio of the amount of dissolved Cr to the amount of total Cr at a depth of 5 mm from the surface of the shaft portion is 0.10 to 0.75.
[First Group]
Cu: 0.40% or less,
Ni: 0.40% or less,
V: 0.20% or less, and Mo: 0.30% or less [Group 2]
Sn: 0.10% or less, and Ca: 0.0050% or less [Group 3]
<3> The nitrided part base material according to <2>, wherein the chemical composition contains the first group.
<4> The base material for nitrided parts according to <2> or <3>, wherein the chemical composition contains the second group.
<5> The base material for nitrided parts according to any one of <2> to <4>, wherein the chemical composition contains the third group.
<6> The shaft portion has a diameter of 10 mm or more,
A component having a core portion that is a portion deeper than 1.5 mm from a surface, and a nitride layer that is present on the outside of the core portion,
The chemical composition of the core is, in mass%,
C: 0.35 to 0.60%,
Si: 0.03 to 0.35%,
Mn: 1.00 to 2.10%,
P: 0.050% or less,
S: 0.010 to 0.095%,
Cr: more than 0.60 to 1.20%,
Al: 0.001 to 0.080%,
N: 0.0040 to 0.0250%, optionally containing one or more selected from the group consisting of the following first, second and third groups, with the balance being Fe and impurities;
The shaft portion has a microstructure of ferrite and pearlite or pearlite at a depth of 5 mm from the surface thereof,
A nitrided component, wherein the ratio of the amount of dissolved Cr to the amount of total Cr at a depth of 5 mm from the surface of the shaft portion is 0.10 to 0.75.
[First Group]
Cu: 0.40% or less,
Ni: 0.40% or less,
V: 0.20% or less, and Mo: 0.30% or less [Group 2]
Sn: 0.10% or less, and Ca: 0.0050% or less [Group 3]
Ti: 0.100% or less

本開示によれば、焼入焼戻しを省略、または簡略化して製造することができ、被削性に優れ、窒化時の曲がりが抑制され、かつ曲げ疲労特性に優れた窒化部品が得られる窒化部品用素形材、並びに窒化時の曲がりが抑制され、かつ曲げ疲労特性に優れた窒化部品が提供される。 According to the present disclosure, a base material for nitrided parts is provided that can be manufactured by eliminating or simplifying quenching and tempering, and that can produce nitrided parts that have excellent machinability, are suppressed from bending during nitriding, and have excellent bending fatigue properties, as well as nitrided parts that are suppressed from bending during nitriding and have excellent bending fatigue properties.

実施例の曲げ疲労試験で用いた、小野式回転曲げ疲労試験片の側面図である。FIG. 2 is a side view of an Ono-type rotating bending fatigue test piece used in the bending fatigue test of the examples. 実施例の曲がり量評価で用いた、試験片の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a test piece used in evaluating the amount of bending in the examples. 実施例における曲がり量の測定方法を説明する模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a method for measuring the amount of bending in the examples.

本開示の一例である実施形態について説明する。
本開示において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。ただし、「~」の前後に記載される数値に「超」又は「未満」が付されている場合の数値範囲は、これら数値を下限値又は上限値として含まない範囲を意味する。
化学組成の元素の含有量は、元素記号に「量」を付して(例えば、C量、Si量等)表記する場合がある。
化学組成の元素の含有量について、「%」は「質量%」を意味する。
化学組成の元素の含有量について「0~」と記載している場合は、その元素を含まなくてもよいことを意味する。
「工程」との用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
An embodiment that is an example of the present disclosure will be described.
In this disclosure, a numerical range expressed using "to" means a range that includes the numerical values before and after "to" as the lower and upper limits. However, when the numerical values before and after "to" are followed by "more than" or "less than," the numerical range does not include these numerical values as the lower or upper limit.
The content of an element in a chemical composition may be expressed by adding "amount" to the element symbol (for example, C amount, Si amount, etc.).
With regard to the contents of elements in chemical compositions, "%" means "mass %".
When the content of an element in a chemical composition is described as "0-", this means that the element does not necessarily need to be contained.
The term "process" includes not only an independent process but also a process that cannot be clearly distinguished from other processes as long as the intended purpose of the process is achieved.

本開示の発明者は、曲げ応力が加わった際の応力勾配が緩やかな窒化部品を製造する場合に、焼入れ焼戻しを省略または簡略化しても高い疲労強度が得られ、さらに窒化時の変形量を小さくするための手法について検討し、以下の知見及び推測を得た。 The inventors of the present disclosure have investigated a method for obtaining high fatigue strength even when quenching and tempering is omitted or simplified when manufacturing nitrided parts that have a gentle stress gradient when bending stress is applied, and further for reducing the amount of deformation during nitriding, and have obtained the following findings and speculations.

(a)合金元素を多量に含有させても、窒化時の変形量を小さくするためにはMn、Cr等の元素を多量に含有させた鋼を用いて、熱間鍛造後の冷却中にはそれらの元素を固溶状態として硬化に寄与させ、窒化時にはそれらの元素を変形への影響が小さい形態に制御すればよい。
(b)母相に固溶している合金元素が母相と比べ密度の低い窒化物として析出すると体積は膨張し、部品の変形をもたらす要因となる。セメンタイトは母相と比べて密度が低いので、あらかじめセメンタイトに合金元素を濃化させておけば、その元素が窒化物として析出しても体積変化は小さく、部品の変形が抑制される。
(c)Cr等の元素をセメンタイトに濃化させるためには、熱間鍛造後に熱処理を行えばよい。熱間鍛造後の熱処理は、A点以下で行う低温焼なましであれば、焼入れ焼戻しと比べてCOの排出量は少ない。熱間鍛造後の部品に残留応力が加わっている場合は、この低温焼なましによって残留応力が解放され、その後の窒化処理時の変形量が小さくなる。
(d)合金元素をセメンタイトへ濃化させすぎると、母相中の固溶量が低下しすぎて窒化時の硬化量が低減し、疲労特性が劣化する。
本開示に係る窒化部品用素形材及び窒化部品は、上記知見及び推測に基づいて見出されたものである。なお、本開示において窒化部品用素形材とは、切削、窒化等を経て窒化部品を製造するための鋼材であって、最終的に製造する窒化部品に模した形状を有する鋼材を意味する。
(a) In order to reduce the amount of deformation during nitriding even when a large amount of alloying elements is contained, a steel containing a large amount of elements such as Mn and Cr is used, and these elements are made to enter a solid solution state during cooling after hot forging and contribute to hardening, and during nitriding, these elements are controlled to a form that has little effect on deformation.
(b) When an alloying element dissolved in the parent phase precipitates as a nitride, which has a lower density than the parent phase, its volume expands, which causes deformation of the part. Since cementite has a lower density than the parent phase, if the alloying element is concentrated in the cementite in advance, the volume change is small even if the element precipitates as a nitride, and deformation of the part is suppressed.
(c) In order to concentrate elements such as Cr in cementite, heat treatment can be performed after hot forging. If the heat treatment after hot forging is low-temperature annealing performed at or below the A1 point, it will emit less CO2 than quenching and tempering. If residual stress is present in the part after hot forging, this low-temperature annealing will release the residual stress, and the amount of deformation during the subsequent nitriding treatment will be reduced.
(d) If the alloying elements are concentrated too much in cementite, the amount of solid solution in the matrix decreases too much, reducing the amount of hardening during nitriding and deteriorating the fatigue properties.
The preform for a nitrided part and the nitrided part according to the present disclosure have been discovered based on the above findings and speculations. Note that in the present disclosure, the preform for a nitrided part means a steel material for manufacturing a nitrided part through cutting, nitriding, etc., and has a shape that resembles the nitrided part to be finally manufactured.

[窒化部品用素形材]
本開示に係る窒化部品用素形材は、径が10mm以上の軸部を含み、
化学組成が、質量%で、
C:0.35~0.60%、
Si:0.03~0.35%、
Mn:1.00~2.10%、
P:0.050%以下、
S:0.010~0.095%、
Cr:0.60超~1.20%、
Al:0.001~0.080%、
N:0.0040~0.0250%であり、任意に、後述する第1群~第3群から選ばれる1種以上の元素(任意元素)を含み、残部はFe及び不純物からなる。
また、軸部の表面から深さ5mm位置において、フェライト及びパーライト、またはパーライトからなる微細組織を有し、
さらに、軸部の表面から深さ5mm位置において、全Cr量に対する固溶Cr量の割合が0.10~0.75である。
[Materials for nitrided parts]
The nitrided part base material according to the present disclosure includes a shaft portion having a diameter of 10 mm or more,
The chemical composition, in mass%, is
C: 0.35 to 0.60%,
Si: 0.03 to 0.35%,
Mn: 1.00 to 2.10%,
P: 0.050% or less,
S: 0.010 to 0.095%,
Cr: more than 0.60 to 1.20%,
Al: 0.001 to 0.080%,
N: 0.0040 to 0.0250%, optionally containing one or more elements (optional elements) selected from the first to third groups described below, with the balance being Fe and impurities.
In addition, at a depth of 5 mm from the surface of the shaft portion, the shaft portion has a microstructure of ferrite and pearlite or a microstructure of pearlite,
Furthermore, at a depth of 5 mm from the surface of the shaft portion, the ratio of the amount of dissolved Cr to the total amount of Cr is 0.10 to 0.75.

(形状)
本開示に係る窒化部品用素形材は、径が10mm以上の軸部を有し、典型的には軸部に沿って長尺の形状を有する。窒化部品用素形材を切削、窒化して得られる窒化部品の用途に応じた形状を選択することができる。軸部の径は最終製品にもよるが、例えば、製造容易性などの観点から、15~160mmであってもよい。最終的に製造する窒化部品は特に限定されないが、例えば、クランクシャフト、カムシャフトなどが挙げられる。
(shape)
The nitrided part preform according to the present disclosure has a shaft portion with a diameter of 10 mm or more, and typically has a long shape along the shaft portion. The shape of the nitrided part obtained by cutting and nitriding the nitrided part preform can be selected according to the application. The diameter of the shaft portion depends on the final product, but may be, for example, 15 to 160 mm from the viewpoint of ease of manufacture. The nitrided part to be finally manufactured is not particularly limited, but examples thereof include crankshafts and camshafts.

(化学組成)
本開示に係る窒化部品用素形材の化学組成について説明する。
本開示に係る窒化部品用素形材の化学組成及び窒化部品の芯部における化学組成は、素材として用いられる鋼材の化学組成と同じである。以下の説明において、本開示に係る窒化部品用素形材を「鋼素形材」、本開示に係る窒化部品用素形材の製造に用いる鋼材を「本開示の鋼材」あるいは単に「鋼材」と称する場合がる。
本開示の鋼材及び鋼素形材は、下記の元素を含有する。
(Chemical Composition)
The chemical composition of the nitrided part preform according to the present disclosure will now be described.
The chemical composition of the nitrided part base material according to the present disclosure and the chemical composition of the core of the nitrided part are the same as the chemical composition of the steel material used as the raw material. In the following description, the nitrided part base material according to the present disclosure may be referred to as the "steel base material," and the steel material used to manufacture the nitrided part base material according to the present disclosure may be referred to as the "steel material of the present disclosure" or simply as the "steel material."
The steel material and steel preform of the present disclosure contain the following elements.

C:0.35~0.60%
炭素(C)は、窒化部品の芯部硬さを高め、窒化部品用素形材を素材として製造される窒化部品の曲げ疲労強度を高める。また、Cは窒化物形成元素を固溶させるためのセメンタイトの形成に用いられる。C含有量が0.35%未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、C含有量が0.60%を超えれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、窒化部品用素形材の被削性が低下する。
したがって、C含有量は0.35~0.60%である。
C含有量の好ましい下限は0.37%であり、さらに好ましくは0.40%であり、さらに好ましくは0.43%である。
C含有量は好ましい上限は0.57%であり、さらに好ましくは0.55%であり、さらに好ましくは0.53%である。
C: 0.35 to 0.60%
Carbon (C) increases the core hardness of the nitrided part and increases the bending fatigue strength of the nitrided part manufactured using the nitrided part preform as a material. C is also used to form cementite to dissolve nitride-forming elements. If the C content is less than 0.35%, the above effects cannot be sufficiently obtained even if the contents of other elements are within the ranges disclosed herein.
On the other hand, if the C content exceeds 0.60%, the machinability of the nitrided part preform decreases even if the contents of other elements are within the ranges of the present disclosure.
Therefore, the C content is 0.35 to 0.60%.
The lower limit of the C content is preferably 0.37%, more preferably 0.40%, and further preferably 0.43%.
The upper limit of the C content is preferably 0.57%, more preferably 0.55%, and further preferably 0.53%.

Si:0.03~0.35%
シリコン(Si)は、フェライトに固溶して、窒化部品用素形材を素材とした窒化部品の曲げ疲労強度を高める。Si含有量が0.03%未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Si含有量が0.35%を超えると、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、窒化部品用素形材の被削性が低下する。
したがって、Si含有量は0.03~0.35%である。
Si含有量の好ましい下限は0.05%であり、さらに好ましくは0.08%であり、さらに好ましくは0.10%である。
Si含有量の好ましい上限は0.32%であり、さらに好ましくは0.30%である。
Si: 0.03 to 0.35%
Silicon (Si) dissolves in ferrite to increase the bending fatigue strength of nitrided parts made from the nitrided part preform. If the Si content is less than 0.03%, the above effect cannot be sufficiently obtained even if the contents of other elements are within the ranges disclosed herein.
On the other hand, if the Si content exceeds 0.35%, the machinability of the nitrided part preform decreases even if the contents of other elements are within the ranges disclosed in this disclosure.
Therefore, the Si content is 0.03 to 0.35%.
The lower limit of the Si content is preferably 0.05%, more preferably 0.08%, and further preferably 0.10%.
The upper limit of the Si content is preferably 0.32%, and more preferably 0.30%.

Mn:1.00~2.10%
マンガン(Mn)は、窒化部品の芯部硬さを高め、疲労強度を向上させる。また、窒化処理においては、窒化物を形成することで窒化層の硬さを高めることでも疲労強度を向上させる。Mnはさらに、Sと結合してMnSを形成して、窒化部品用素形材の被削性を高める。Mn含有量が1.00%未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Mn含有量が2.10%を超えると、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、十分な厚さの化合物層が得られなくなり、摺動性や耐食性が得られない場合がある。したがって、Mn含有量は1.00~2.10%である。
Mn含有量の好ましい下限は1.15%であり、さらに好ましくは1.20%であり、さらに好ましくは1.25%である。
Mn含有量は好ましい上限は2.05%であり、さらに好ましくは2.00%であり、さらに好ましくは1.95%であり、1.90%であってもよい。
Mn: 1.00 to 2.10%
Manganese (Mn) increases the core hardness of the nitrided parts and improves the fatigue strength. In the nitriding process, the hardness of the nitrided layer is increased by forming nitrides, which also improves the fatigue strength. Mn also combines with S to form MnS, improving the machinability of the preform for nitrided parts. If the Mn content is less than 1.00%, the above effects cannot be sufficiently obtained even if the contents of other elements are within the ranges of the present disclosure.
On the other hand, if the Mn content exceeds 2.10%, even if the contents of other elements are within the ranges of the present disclosure, a compound layer of sufficient thickness cannot be obtained, and sliding properties and corrosion resistance may not be obtained. Therefore, the Mn content is 1.00 to 2.10%.
The lower limit of the Mn content is preferably 1.15%, more preferably 1.20%, and further preferably 1.25%.
The upper limit of the Mn content is preferably 2.05%, more preferably 2.00%, and further preferably 1.95%, and may be 1.90%.

P:0.050%以下
燐(P)は不純物として鋼材に含まれる元素である。P含有量が0.050%を超えると、鋼材の靭性が劣化する。したがって、P含有量は0.050%以下である。
P含有量はいくら少なくてもよい。P含有量の好ましい上限は0.045%であり、さらに好ましくは0.040%である。
P: 0.050% or less Phosphorus (P) is an element contained in steel as an impurity. If the P content exceeds 0.050%, the toughness of the steel deteriorates. Therefore, the P content is 0.050% or less.
The P content may be as small as possible. The upper limit of the P content is preferably 0.045%, and more preferably 0.040%.

S:0.010~0.095%
硫黄(S)は、Mnと結合してMnSを形成し、窒化部品用素形材の被削性を高める。S含有量が0.010%未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、S含有量が0.095%を超えれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、粗大なMnSが形成される。この場合、窒化部品用素形材を素材とした窒化部品の曲げ疲労強度が低下する。したがって、S含有量は0.010~0.095%である。
S含有量の好ましい下限は0.015%であり、さらに好ましくは0.020%であり、さらに好ましくは0.025%である。
S含有量の好ましい上限は0.090%であり、さらに好ましくは0.085%であり、さらに好ましくは0.080%であり、0.070%でもよい。
S: 0.010 to 0.095%
Sulfur (S) combines with Mn to form MnS, which improves the machinability of the nitrided part preform. If the S content is less than 0.010%, the above effect cannot be sufficiently obtained even if the contents of other elements are within the ranges disclosed herein.
On the other hand, if the S content exceeds 0.095%, even if the contents of other elements are within the ranges of the present disclosure, coarse MnS is formed. In this case, the bending fatigue strength of the nitrided part made from the nitrided part preform decreases. Therefore, the S content is 0.010 to 0.095%.
The lower limit of the S content is preferably 0.015%, more preferably 0.020%, and further preferably 0.025%.
The upper limit of the S content is preferably 0.090%, more preferably 0.085%, further preferably 0.080%, and may be 0.070%.

Cr:0.60超~1.20%
クロム(Cr)は、窒化部品の芯部硬さを高め、疲労強度を向上させる。また、窒化処理においては、窒化物を形成することで窒化層の硬さを高めることでも疲労強度を向上させる。Cr含有量が0.60%以下であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Cr含有量が1.20%を超えると、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、十分な厚さの化合物層が得られなくなり、摺動性や耐食性が得られない場合がある。さらに、窒化時の硬化深さも浅くなるため、必要な疲労強度が得られない場合もある。したがって、Cr含有量は0.60超~1.20%である。
Cr含有量の好ましい下限は0.65%であり、さらに好ましくは0.70%である。
Cr含有量の好ましい上限は1.10%であり、さらに好ましくは1.00%であり、さらに好ましくは0.95%であり、さらに好ましくは0.90%であり、さらに好ましくは0.85%である。
Cr: more than 0.60 to 1.20%
Chromium (Cr) increases the core hardness of the nitrided parts and improves the fatigue strength. In addition, in the nitriding process, the hardness of the nitrided layer is increased by forming nitrides, which also improves the fatigue strength. If the Cr content is 0.60% or less, the above effect cannot be sufficiently obtained even if the contents of other elements are within the ranges of the present disclosure.
On the other hand, if the Cr content exceeds 1.20%, even if the contents of other elements are within the ranges of the present disclosure, a compound layer of sufficient thickness cannot be obtained, and the sliding properties and corrosion resistance may not be obtained. Furthermore, the hardening depth during nitriding is also shallow, so that the required fatigue strength may not be obtained. Therefore, the Cr content is more than 0.60 to 1.20%.
The lower limit of the Cr content is preferably 0.65%, and more preferably 0.70%.
The upper limit of the Cr content is preferably 1.10%, more preferably 1.00%, further preferably 0.95%, further preferably 0.90%, and further preferably 0.85%.

Al:0.001~0.080%
アルミニウム(Al)は、鋼材の製造工程中の製鋼工程において、鋼を脱酸する。Al含入量が0.001%未満であれば、上記効果が十分に得られない。一方、Al含有量が0.080%を超えれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、鋼材中にAl酸化物が過剰に多く生成する。この場合、窒化部品用素形材の被削性が低下する。
したがって、Al含有量は0.001~0.080%である。
Al含有量の好ましい下限は0.002%であり、さらに好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.010%である。
Al含有量の好ましい上限は0.060%であり、さらに好ましくは0.050%であり、さらに好ましくは0.040%である。
Al: 0.001 to 0.080%
Aluminum (Al) deoxidizes steel during the steelmaking process in the manufacturing process of steel material. If the Al content is less than 0.001%, the above effect cannot be sufficiently obtained. On the other hand, if the Al content exceeds 0.080%, even if the contents of other elements are within the ranges of the present disclosure, excessive amounts of Al oxides are generated in the steel material. In this case, the machinability of the preform for nitrided parts is reduced.
Therefore, the Al content is 0.001 to 0.080%.
The lower limit of the Al content is preferably 0.002%, more preferably 0.005%, and further preferably 0.010%.
The upper limit of the Al content is preferably 0.060%, more preferably 0.050%, and further preferably 0.040%.

N:0.0040~0.0250%
窒素(N)は、窒化部品の芯部硬さを高め、疲労強度を向上させる。N含有量が0.0040%未満であれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、N含有量が0.0250%を超えれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、窒化部品中に窒素ガスによる気泡が発生し、曲げ疲労強度が低下する場合がある。
したがって、N含有量は0.0040~0.0250%である。
N含有量の好ましい下限は0.0060%であり、さらに好ましくは0.0080%である。
N含有量の好ましい上限は0.0230%であり、さらに好ましくは0.0200%である。
N: 0.0040 to 0.0250%
Nitrogen (N) increases the core hardness and improves fatigue strength of nitrided parts. If the N content is less than 0.0040%, the above effects cannot be sufficiently obtained even if the contents of other elements are within the ranges disclosed herein.
On the other hand, if the N content exceeds 0.0250%, even if the contents of other elements are within the ranges of the present disclosure, bubbles due to nitrogen gas may be generated in the nitrided component, which may reduce the bending fatigue strength.
Therefore, the N content is 0.0040 to 0.0250%.
The lower limit of the N content is preferably 0.0060%, and more preferably 0.0080%.
The upper limit of the N content is preferably 0.0230%, and more preferably 0.0200%.

本開示の鋼材の化学組成の残部は、Fe及び不純物からなる。ここで、化学組成における不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は製造環境などから混入されるものであって、意図的に含有するものではなく、本開示の鋼材に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。 The balance of the chemical composition of the steel material of the present disclosure consists of Fe and impurities. Here, impurities in the chemical composition refer to substances that are mixed in from raw materials such as ore, scrap, or the manufacturing environment when the steel material is industrially manufactured, and are not intentionally contained, but are tolerated to the extent that they do not adversely affect the steel material of the present disclosure.

[任意元素(Optional Elements)]
本開示の鋼材の化学組成は、さらに、Feの一部に代えて、第1群、第2群、及び第3群(Ti)から選択される1種以上を含有してもよい。以下、任意元素について説明する。
本開示は、鋼の曲げ疲労強度を高めるために、さらに、Feの一部に代えて、下記第1群から選択される1種以上を含有してもよい。
(第1群)
Cu:0.40%以下
Ni:0.40%以下
V:0.20%以下
Mo:0.30%以下
[Optional Elements]
The chemical composition of the steel material of the present disclosure may further contain one or more elements selected from the first, second and third groups (Ti) in place of a portion of Fe. The optional elements will be described below.
In the present disclosure, in order to increase the bending fatigue strength of the steel, one or more elements selected from the following first group may be contained in place of a portion of Fe.
(First group)
Cu: 0.40% or less Ni: 0.40% or less V: 0.20% or less Mo: 0.30% or less

Cu:0.40%以下
銅(Cu)は、任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Cu含有量は0%であってもよい。Cuは、フェライトに固溶して、芯部硬さを高めることで、曲げ疲労強度を向上させる。Cu含有量が少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、Cu含有量が0.40%を超えれば、他の元素含有量が本開示の範囲内であっても、鋼材の製造工程中、又は、鋼材を素材とした窒化部品用素形材の製造工程中の熱間加工工程において、鋼材の粒界に偏析して熱間割れが発生する場合がある。
したがって、Cu含有量は0.40%以下である。
Cu含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.05%である。
Cu含有量の好ましい上限は0.35%であり、さらに好ましくは0.30%である。
Cu: 0.40% or less Copper (Cu) is an optional element and may not be contained. In other words, the Cu content may be 0%. Cu dissolves in ferrite to increase the core hardness, thereby improving the bending fatigue strength. If even a small amount of Cu is contained, the above effect can be obtained to a certain extent.
However, if the Cu content exceeds 0.40%, even if the contents of other elements are within the ranges of the present disclosure, segregation may occur at grain boundaries of the steel material, resulting in hot cracking, during the manufacturing process of the steel material or during the hot working process in the manufacturing process of a base material for nitrided parts using the steel material as a material.
Therefore, the Cu content is not more than 0.40%.
The lower limit of the Cu content is preferably more than 0%, more preferably 0.01%, and further preferably 0.05%.
The upper limit of the Cu content is preferably 0.35%, and more preferably 0.30%.

Ni:0.40%以下
ニッケル(Ni)は、任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ni含有量は0%であってもよい。Niは、フェライトに固溶して、芯部硬さを高めることで、曲げ疲労強度を向上させる。Niはさらに、鋼材がCuを含有する場合において、Cuに起因する熱間割れの発生を抑制する。Niが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、Ni含有量が0.40%を超えれば、上記効果が飽和し、製造コストが高くなる。
したがって、Ni含有量は0.40%以下である。
Ni含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.05%である。
Ni含有量の好ましい上限は0.35%であり、より好ましくは0.30%である。
Ni: 0.40% or less Nickel (Ni) is an optional element and may not be contained. In other words, the Ni content may be 0%. Ni dissolves in ferrite to increase the core hardness, thereby improving bending fatigue strength. Ni also suppresses the occurrence of hot cracks caused by Cu when the steel material contains Cu. If even a small amount of Ni is contained, the above effects can be obtained to a certain extent.
However, if the Ni content exceeds 0.40%, the above effects become saturated and the production cost increases.
Therefore, the Ni content is 0.40% or less.
The lower limit of the Ni content is preferably more than 0%, more preferably 0.01%, and further preferably 0.05%.
The upper limit of the Ni content is preferably 0.35%, and more preferably 0.30%.

V:0.20%以下
バナジウム(V)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、V含有量は0%であってもよい。
Vが含有される場合、つまり、V含有量が0%超である場合、Vは、窒化部品の芯部硬さ、および窒化層の硬さを高め窒化部品の曲げ疲労強度を高める。Vが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、V含有量が0.20%を超えれば、窒化時の変形量が大きくなったり、素形材の硬さが過剰に高くなり、被削性が劣化したりする。したがって、V含有量は0~0.20%である。
V含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%である。
V含有量の好ましい上限は0.15%であり、さらに好ましくは0.10%である。
Vanadium (V) is an optional element and may not be contained. In other words, the V content may be 0%.
When V is contained, that is, when the V content is more than 0%, V increases the core hardness and the hardness of the nitrided layer of the nitrided part, thereby increasing the bending fatigue strength of the nitrided part. Even if even a small amount of V is contained, the above effects can be obtained to a certain extent.
However, if the V content exceeds 0.20%, the amount of deformation during nitriding increases, the hardness of the raw material becomes excessively high, and the machinability deteriorates. Therefore, the V content is 0 to 0.20%.
The lower limit of the V content is preferably more than 0%, and more preferably 0.01%.
The upper limit of the V content is preferably 0.15%, and more preferably 0.10%.

Mo:0.30%以下
モリブデン(Mo)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Mo含有量は0%であってもよい。
Moが含有される場合、つまり、Mo含有量が0%超である場合、Moは、窒化部品の芯部硬さ、および窒化層の硬さを高め窒化部品の曲げ疲労強度を高める。Moが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、Mo含有量が0.30%を超えれば、窒化時の変形量が大きくなったり、素形材の硬さが過剰に高くなり、被削性が劣化したりする。
したがって、Mo含有量は0~0.30%である。
Mo含有量の好ましい下限は0.05%であり、さらに好ましくは0.10%である。
Mo含有量の好ましい上限は0.25%であり、さらに好ましくは0.20%である。
Mo: 0.30% or less Molybdenum (Mo) is an optional element and may not be contained. In other words, the Mo content may be 0%.
When Mo is contained, that is, when the Mo content is more than 0%, Mo increases the core hardness and the hardness of the nitrided layer of the nitrided part, thereby increasing the bending fatigue strength of the nitrided part. Even if even a small amount of Mo is contained, the above effects can be obtained to some extent.
However, if the Mo content exceeds 0.30%, the amount of deformation during nitriding increases, the hardness of the raw material becomes excessively high, and the machinability deteriorates.
Therefore, the Mo content is 0 to 0.30%.
The lower limit of the Mo content is preferably 0.05%, and more preferably 0.10%.
The upper limit of the Mo content is preferably 0.25%, and more preferably 0.20%.

本開示に係る窒化部品用素形材の化学組成は、鋼の被削性を高めるために、さらに、Feの一部に代えて、下記第2群から選択される1種以上を含有してもよい。
(第2群)
Ca:0.0050%以下
Sn:0.10%以下
The chemical composition of the nitrided part preform according to the present disclosure may further contain one or more elements selected from the following second group in place of a portion of Fe in order to improve the machinability of the steel.
(Group 2)
Ca: 0.0050% or less Sn: 0.10% or less

Ca:0.0050%以下
カルシウム(Ca)は、任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ca含有量は0%であってもよい。Caが含有される場合、鋼材の被削性を高める。しかしながら、Ca含有量が高すぎれば、粗大なCa酸化物が生成し、鋼材の疲労強度が低下する。したがって、Ca含有量は0~0.0050%である。
上記効果を安定して得るためのCa含有量の好ましい下限は0.0001%であり、Ca含有量の好ましい下限は0.0003%である。
Ca含有量の好ましい上限は0.0040%であり、さらに好ましくは0.0035%である。
Ca: 0.0050% or less Calcium (Ca) is an optional element and does not have to be contained. In other words, the Ca content may be 0%. When Ca is contained, it improves the machinability of the steel material. However, if the Ca content is too high, coarse Ca oxides are generated and the fatigue strength of the steel material decreases. Therefore, the Ca content is 0 to 0.0050%.
In order to stably obtain the above effects, the lower limit of the Ca content is preferably 0.0001%, and the lower limit of the Ca content is preferably 0.0003%.
The upper limit of the Ca content is preferably 0.0040%, and more preferably 0.0035%.

Sn:0.10%以下
錫(Sn)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Sn含有量は0%であってもよい。Snが含有される場合、つまり、Sn含有量が0%超である場合、Snは、切削加工時の切り屑処理性を高めることで、鋼材の被削性を高める。Snが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、Sn含有量が0.10%を超えれば、鋼材の靭性が劣化する場合がある。したがって、Sn含有量は0~0.10%である。
Sn含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。
Sn含有量の好ましい上限は0.09%であり、さらに好ましくは0.07%である。
Sn: 0.10% or less Tin (Sn) is an optional element and may not be contained. In other words, the Sn content may be 0%. When Sn is contained, that is, when the Sn content is more than 0%, Sn improves the chip disposability during cutting processing, thereby improving the machinability of the steel material. If even a small amount of Sn is contained, the above effect can be obtained to a certain extent.
However, if the Sn content exceeds 0.10%, the toughness of the steel material may deteriorate, so the Sn content is set to 0 to 0.10%.
The lower limit of the Sn content is preferably 0.01%, and more preferably 0.02%.
The upper limit of the Sn content is preferably 0.09%, and more preferably 0.07%.

本開示の鋼材は、鋼の靭性を高めるために、さらに、Feの一部に代えて、第3群としてのTiを含有してもよい。
(第3群)
Ti:0.100%以下
チタン(Ti)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ti含有量は0%であってもよい。
Tiが含有される場合、つまり、Ti含有量が0%超である場合、Tiは、結晶粒径を微細化させ、鋼材の靭性を高める。Tiが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、Ti含有量が0.100%を超えれば、粗大なTi炭窒化物が生成し、疲労特性を劣化させる場合がある。したがって、Ti含有量は0~0.100%である。
Ti含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.003%である。
Ti含有量の好ましい上限は0.050%であり、さらに好ましく0.030%である。
The steel material of the present disclosure may further contain Ti as a third group element in place of a portion of Fe in order to increase the toughness of the steel.
(Group 3)
Ti: 0.100% or less Titanium (Ti) is an optional element and may not be contained. In other words, the Ti content may be 0%.
When Ti is contained, that is, when the Ti content exceeds 0%, Ti refines the grain size and increases the toughness of the steel material. Even if even a small amount of Ti is contained, the above effect can be obtained to some extent.
However, if the Ti content exceeds 0.100%, coarse Ti carbo-nitrides are formed, which may deteriorate the fatigue properties. Therefore, the Ti content is 0 to 0.100%.
The lower limit of the Ti content is preferably more than 0%, and more preferably 0.003%.
The upper limit of the Ti content is preferably 0.050%, and more preferably 0.030%.

(化学組成の測定方法)
本開示の鋼材、鋼素形材、または窒化部品の化学組成は、JIS G0321:2017に準拠した周知の成分分析法で測定できる。具体的には、ドリルを用いて、鋼材等の表面から1mm深さ以上の内部から、切粉を採取する。採取された切粉を酸に溶解させて溶液を得る。溶液に対して、ICP-AES(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry)を実施して、化学組成の元素分析を実施する。C含有量及びS含有量については、周知の高周波燃焼法(燃焼-赤外線吸収法)により求める。N含有量については、周知の不活性ガス溶融-熱伝導度法を用いて求める。
(Method of measuring chemical composition)
The chemical composition of the steel material, steel preform, or nitrided part of the present disclosure can be measured by a known component analysis method in accordance with JIS G0321:2017. Specifically, chips are collected from the inside of the steel material or the like at a depth of 1 mm or more from the surface using a drill. The collected chips are dissolved in acid to obtain a solution. ICP-AES (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry) is performed on the solution to perform elemental analysis of the chemical composition. The C content and S content are determined by a known high-frequency combustion method (combustion-infrared absorption method). The N content is determined by a known inert gas fusion-thermal conductivity method.

なお、各元素含有量は、本開示で規定された有効数字に基づいて、測定された数値の端数を四捨五入して、本開示で規定された各元素含有量の最小桁までの数値とする。なお、四捨五入とは、端数が5未満であれば切り捨て、端数が5以上であれば切り上げることを意味する。例えば、本開示の鋼材のC含有量は小数第二位までの数値で規定される。したがって、C含有量は、測定された数値の小数第三位を四捨五入して得られた小数第二位までの数値とする。 The content of each element is determined by rounding off the measured value based on the significant figures specified in this disclosure to the lowest digit of the content of each element specified in this disclosure. Rounding off means rounding down if the fraction is less than 5, and rounding up if the fraction is 5 or more. For example, the C content of the steel material in this disclosure is specified as a value to two decimal places. Therefore, the C content is determined as a value to two decimal places obtained by rounding off the measured value to two decimal places.

本開示の鋼材のC含有量以外の他の元素含有量も同様に、測定された値に対して、本開示で規定された最小桁までの数値の端数を四捨五入して得られた値を、当該元素含有量とする。 Similarly, the contents of other elements other than the C content of the steel material disclosed herein shall be the measured values rounded off to the lowest digit specified in this disclosure to obtain the contents of those elements.

(微細組織)
微細組織:フェライト+パーライト、またはパーライト
本開示に係る窒化部品用素形材は、軸部の表面から深さ5mm位置において、フェライト及びパーライト(フェライトとパーライトが混在)、またはパーライトからなる微細組織を有する。
本開示に係る窒化部品用素形材は、高い芯部硬さを具備させるために、適度な量の合金元素を含有させており、必要な芯部硬さを得るために焼入れを施す必要がない。セメンタイト中のCr量を最適化させるために低温焼なましを施すが、低温焼なましは鋼の変態点以下で行われるため、鋼材の微細組織は熱間鍛造ままの状態の微細組織がそのまま残ることになる。
(Microstructure)
Microstructure: Ferrite + Pearlite, or Pearlite The nitrided part raw material according to the present disclosure has a microstructure consisting of ferrite and pearlite (a mixture of ferrite and pearlite) or pearlite at a depth of 5 mm from the surface of the shaft portion.
The nitrided part preform according to the present disclosure contains an appropriate amount of alloying elements to provide high core hardness, and does not require quenching to obtain the required core hardness. Low-temperature annealing is performed to optimize the Cr content in the cementite, but since the low-temperature annealing is performed below the transformation point of the steel, the microstructure of the steel remains the same as it was when hot forged.

本開示で規定された化学成分の鋼を熱間鍛造後に、水冷等の加速冷却を用いることなく、空冷や、風冷等で冷却した場合、鋼の微細組織はフェライト+パーライト、またはパーライトになる。より具体的には、窒化部品用素形材の軸部の表面から深さ5mm位置においてフェライト+パーライト、またはパーライトからなる微細組織を有している。このような微細組織を有することで、窒化部品を製造する際の被削性が良好となる。なお、空冷や、風冷等で冷却した場合でもこの部位の組織にベイナイトが含まれる場合は、合金元素が過剰であることになり、被削性が劣化する。なお、微細組織の具体的な観察方法は実施例で説明する。 When steel having the chemical composition specified in this disclosure is cooled by air cooling or wind cooling without using accelerated cooling such as water cooling after hot forging, the microstructure of the steel becomes ferrite + pearlite or pearlite. More specifically, the shaft portion of the preform for nitrided parts has a microstructure consisting of ferrite + pearlite or pearlite at a depth of 5 mm from the surface. By having such a microstructure, machinability is improved when manufacturing nitrided parts. Note that even when cooled by air cooling or wind cooling, if the structure in this area contains bainite, the alloy elements are excessive, and machinability is deteriorated. Note that a specific method for observing the microstructure will be explained in the examples.

全Cr量に対する固溶Cr量の割合(固溶Cr量/全Cr量):0.10~0.75
本開示に係る窒化部品用素形材は、窒化部品の芯部硬さを確保するために多量の合金元素を含有させるため、そのまま窒化すると窒化時の変形量が大きくなる。変形を抑制するためには熱間鍛造後から窒化処理の間で、低温焼なまし等の熱処理によってセメンタイト中にCrを濃化させ、フェライト中の固溶Cr量を最適化させる。具体的には窒化部品用素形材の軸部の表面から深さ5mm位置において、全Cr量に対する固溶Cr量の割合(固溶Cr量/全Cr量)を0.10~0.75の範囲とする。全Cr量に対する固溶Cr量の割合が大きすぎると、窒化時の変形量が大きくなる。全Cr量に対する固溶Cr量の割合の好ましい上限は0.70であり、さらに好ましくは0.68である。全Cr量に対する固溶Cr量の割合が小さすぎると疲労強度が劣化する。全Cr量に対する固溶Cr量の割合の好ましい下限は0.20であり、さらに好ましくは0.30である。
Ratio of dissolved Cr content to total Cr content (dissolved Cr content/total Cr content): 0.10 to 0.75
The nitrided part preform according to the present disclosure contains a large amount of alloy elements to ensure the core hardness of the nitrided part, and therefore, if the preform is nitrided as is, the amount of deformation during nitriding will be large. In order to suppress deformation, Cr is concentrated in the cementite by a heat treatment such as low-temperature annealing between hot forging and nitriding, and the amount of dissolved Cr in the ferrite is optimized. Specifically, at a depth of 5 mm from the surface of the shaft part of the nitrided part preform, the ratio of the amount of dissolved Cr to the total amount of Cr (amount of dissolved Cr/total amount of Cr) is set to a range of 0.10 to 0.75. If the ratio of the amount of dissolved Cr to the total amount of Cr is too large, the amount of deformation during nitriding will be large. The preferred upper limit of the ratio of the amount of dissolved Cr to the total amount of Cr is 0.70, and more preferably 0.68. If the ratio of the amount of dissolved Cr to the total amount of Cr is too small, the fatigue strength will deteriorate. The preferred lower limit of the ratio of the amount of dissolved Cr to the total amount of Cr is 0.20, and more preferably 0.30.

[鋼材の製造方法]
本開示に係る窒化部品用素形材を製造するための鋼材の製造方法の一例は、次の工程を含む。
(工程1)素材準備工程
(工程2)熱間加工工程
以下、各工程について説明する。
[Method of manufacturing steel material]
An example of a method for manufacturing a steel material for producing a nitrided component preform according to the present disclosure includes the following steps.
(Step 1) Material preparation step (Step 2) Hot working step Each step will be explained below.

(工程1)素材準備工程
素材準備工程では、本開示の鋼材の素材を準備する。
具体的には、前述した化学組成を満たす溶鋼を製造する。精錬方法は特に限定されず、周知の方法を用いればよい。例えば、周知の方法で製造された溶銑に対して転炉での精錬(一次精錬)を実施する。転炉から出鋼した溶鋼に対して、周知の二次精錬を実施する。二次精錬において、合金元素を溶鋼に添加して成分を調整し、前述した化学組成を有する溶鋼を製造する。
(Step 1) Material Preparation Step In the material preparation step, a material for the steel material of the present disclosure is prepared.
Specifically, molten steel satisfying the above-mentioned chemical composition is produced. The refining method is not particularly limited, and any known method may be used. For example, molten iron produced by a known method is subjected to refining in a converter (primary refining). The molten steel tapped from the converter is subjected to a known secondary refining. In the secondary refining, alloy elements are added to the molten steel to adjust the composition, and molten steel having the above-mentioned chemical composition is produced.

前述の精錬方法により製造された溶鋼を用いて、周知の鋳造法により素材を製造する。例えば、溶鋼を用いて造塊法によりインゴットを製造する。また、溶鋼を用いて連続鋳造法によりブルーム又はビレットを製造してもよい。以上の方法により、素材(インゴット、ブルーム又はビレット)を製造する。 The molten steel produced by the above-mentioned refining method is used to manufacture materials using known casting methods. For example, the molten steel is used to manufacture ingots using an ingot casting method. The molten steel may also be used to manufacture blooms or billets using a continuous casting method. Materials (ingots, blooms, or billets) are manufactured using the above methods.

(工程2)熱間加工工程
製造された素材を熱間加工して、鋼材を製造する。
熱間加工工程では通常、1又は複数回の熱間加工を実施する。複数回熱間加工を実施する場合、最初の熱間加工は例えば、分塊圧延又は熱間鍛造を用いた圧延であり、次回以降の熱間加工は、連続圧延機を用いた圧延であってもよい。連続圧延機は、一列に配列された複数の圧延スタンドを備える。
熱間加工後の鋼材を室温まで冷却する。粗圧延及び連続圧延機を用いた圧延により、ビレットを製造し、その後、そのビレットを再加熱して、連続圧延機を用いた仕上げ圧延をさらに実施して、所望のサイズの鋼材を製造してもよい。また、熱間鍛造のみにより素材から鋼材を製造してもよい。熱間加工時の素材の加熱温度は特に限定されないが、例えば、1100~1300℃である。
(Step 2) Hot Working Step The produced material is hot worked to produce steel material.
In the hot working step, one or more hot working steps are usually performed. When multiple hot working steps are performed, the first hot working step may be, for example, rolling using blooming or hot forging, and subsequent hot working steps may be rolling using a continuous rolling mill. The continuous rolling mill includes multiple rolling stands arranged in a row.
The steel material after hot working is cooled to room temperature. A billet may be produced by rough rolling and rolling using a continuous rolling mill, and then the billet may be reheated and further subjected to finish rolling using a continuous rolling mill to produce a steel material of a desired size. Alternatively, the steel material may be produced from the material only by hot forging. The heating temperature of the material during hot working is not particularly limited, but is, for example, 1100 to 1300°C.

以上の工程により、本開示に係る窒化部品用素形材を製造するための鋼材が製造される。 The above steps produce the steel material for manufacturing the nitrided part base material according to the present disclosure.

[窒化部品用素形材の製造方法]
本開示に係る窒化部品用素形材の製造方法の一例は、次の工程を含む。
(工程3)鋼素形材成形工程
(工程4)セメンタイト中へのCr濃化工程
[Method of manufacturing base material for nitrided parts]
An example of a method for producing a nitrided component preform according to the present disclosure includes the following steps.
(Step 3) Steel material forming process (Step 4) Cr concentration process in cementite

(工程3)鋼素形材成形工程
鋼素形材成形工程では、前述の化学組成を有する鋼材を用いて、窒化部品用素形材(鋼素形材)に成形する。成形方法は例えば、熱間鍛造である。
具体的には、初めに、前述の化学組成を有する鋼材を加熱する。加熱温度は例えば、1000~1300℃である。加熱された鋼材を熱間鍛造して、所定の形状の鋼素形材に成形する。成形後の鋼素形材を空冷する。空冷での冷却速度は、ファンを用いて適宜調整してもよい。
(Step 3) Steel preform forming step In the steel preform forming step, a steel material having the above-mentioned chemical composition is formed into a preform for nitrided parts (steel preform) by, for example, hot forging.
Specifically, first, a steel material having the above-mentioned chemical composition is heated. The heating temperature is, for example, 1000 to 1300°C. The heated steel material is hot forged and formed into a steel preform having a predetermined shape. The formed steel preform is air-cooled. The cooling rate during air cooling may be appropriately adjusted using a fan.

(工程4)セメンタイト中へのCr濃化工程
熱間鍛造後の鋼素形材に対して母相中のCrをセメンタイト中に濃化させるための熱処理を行う。具体的には、鋼素形材を所定の温度で所定の時間加熱した後、室温まで冷却する。加熱温度は例えば、600~650℃であり、加熱時間は例えば、30~300分である。この熱処理によって、Crがセメンタイトに濃化するため、鋼素形材から窒化部品を製造する窒化時の変形量が低減できる。
なお、所定の量のCrをセメンタイトに濃化させ、全Cr量に対する固溶Cr量の割合を0.10~0.75の範囲内にすることができるのであれば、どのような処理であってもよい。
(Step 4) Step of concentrating Cr in cementite The hot forged steel preform is subjected to a heat treatment for concentrating Cr in the parent phase in cementite. Specifically, the steel preform is heated at a predetermined temperature for a predetermined time, and then cooled to room temperature. The heating temperature is, for example, 600 to 650°C, and the heating time is, for example, 30 to 300 minutes. This heat treatment concentrates Cr in cementite, so that the amount of deformation during nitriding to manufacture a nitrided part from the steel preform can be reduced.
Any treatment may be used as long as it can concentrate a predetermined amount of Cr in cementite and bring the ratio of the amount of dissolved Cr to the total amount of Cr within the range of 0.10 to 0.75.

[窒化部品]
本開示に係る窒化部品は、表層に形成される窒化層と、窒化層よりも内部の芯部とを備え、芯部の化学組成は、前述した本開示の鋼材及び窒化部品用素形材の化学組成と同じである。本開示において窒化部品の表層とは、表面から深さ1.5mmまでの領域を意味し、芯部とは表面から1.5mmより深い領域を意味する。窒化処理によって表面から侵入する窒素の深さは最大で1.5mm程度と見込まれる。すなわち、ここで窒化部品の表層とは窒素が侵入しうる領域を指し、芯部とは窒化処理による窒素の侵入が及ばない領域を指す。本開示に係る窒化部品は、表面から1.5mmより深い部分である芯部と、芯部の外側(表層)に存在する窒化層とを有する。
[Nitriding parts]
The nitrided part according to the present disclosure includes a nitrided layer formed on the surface layer and a core part located inside the nitrided layer, and the chemical composition of the core part is the same as that of the steel material and the preform for nitrided part according to the present disclosure. In the present disclosure, the surface layer of the nitrided part means a region from the surface to a depth of 1.5 mm, and the core part means a region deeper than 1.5 mm from the surface. The depth of nitrogen penetrating from the surface by the nitriding process is expected to be about 1.5 mm at maximum. In other words, the surface layer of the nitrided part here refers to a region into which nitrogen can penetrate, and the core part refers to a region that is not reached by the penetration of nitrogen by the nitriding process. The nitrided part according to the present disclosure has a core part that is a portion deeper than 1.5 mm from the surface, and a nitrided layer that exists outside the core part (surface layer).

本開示に係る窒化部品の芯部における化学組成及び微細組織は、前述した本開示に係る窒化部品用素形材と同じであるため、ここでの説明は省略する。
鋼を窒化した場合、表層には鉄窒化物を主体とする化合物層と呼ばれる層が生じ、その直下には、母相が固溶Nや合金窒化物で強化された拡散層と呼ばれる層が生じる。本開示において、窒化層とは、化合物層と拡散層の両方を含み、化合物層のN含有量は、例えば2~11%であり、拡散層のN含有量は、例えば0.0300~0.6000%である。
The chemical composition and microstructure of the core of the nitrided component according to the present disclosure are the same as those of the base material for nitrided components according to the present disclosure described above, and therefore will not be described here.
When steel is nitrided, a layer called a compound layer, which is mainly composed of iron nitride, is formed on the surface, and a layer called a diffusion layer, in which the matrix is reinforced with solid-solution N or alloy nitride, is formed immediately below the compound layer. In the present disclosure, the nitride layer includes both the compound layer and the diffusion layer, and the N content of the compound layer is, for example, 2 to 11%, and the N content of the diffusion layer is, for example, 0.0300 to 0.6000%.

[窒化部品の製造方法]
本開示に係る窒化部品は、例えば、前述した窒化部品用素形材を用いて製造することができる。前述の窒化部品用素形材を素材とした本開示に係る窒化部品の製造方法の一例は、次の工程を含む。
(工程5)機械加工工程
(工程6)窒化処理工程
以下、各工程について説明する。
[Manufacturing method of nitrided parts]
The nitrided component according to the present disclosure can be manufactured, for example, by using the above-mentioned preform for a nitrided component. An example of a method for manufacturing the nitrided component according to the present disclosure using the above-mentioned preform for a nitrided component as a material includes the following steps.
(Step 5) Machining step (Step 6) Nitriding step Each step will now be described.

(工程5)機械加工工程
機械加工工程では、窒化部品用素形材に対して機械加工を実施して、窒化部品用素形材を、最終製品形状に近い形状に整える。具体的には、周知の切削加工及び/又は研削加工を実施して、窒化部品用素形材の形状を整える。
In the machining process, the nitrided part preform is machined to shape the nitrided part preform into a shape close to the shape of the final product. Specifically, the shape of the nitrided part preform is shaped by known cutting and/or grinding.

(工程6)窒化処理工程
窒化処理工程では、機械加工工程後の鋼素形材に対して、窒化処理を実施する。窒化処理は例えば、ガス窒化、ガス軟窒化、塩浴軟窒化、プラズマ窒化等である。窒化処理に用いるガスは、NHのみであってもよいし、NHに加え、N、H、CO、各種炭化水素を含有する周知の混合気体であってもよい。
窒化処理の温度と時間は、表面に必要な硬化層が生成する条件であればどのような条件でもよく、窒化温度は530~620℃であってもよく、窒化時間は0.5~10時間であってもよい。
窒化後の冷却方法は、水冷であってもよいし、油冷であってもよいし、炉冷であってもよい。
以上の製造工程により、本開示に係る窒化部品を製造することができる。
(Step 6) Nitriding Step In the nitriding step, the steel blank after the machining step is subjected to nitriding. Examples of nitriding include gas nitriding, gas soft nitriding, salt bath soft nitriding, plasma nitriding, etc. The gas used in the nitriding step may be only NH3 , or may be a well-known mixed gas containing NH3 , N2 , H2 , CO2 , and various hydrocarbons.
The temperature and time of the nitriding treatment may be any conditions as long as the necessary hardened layer is formed on the surface. The nitriding temperature may be 530 to 620° C., and the nitriding time may be 0.5 to 10 hours.
The cooling method after nitriding may be water cooling, oil cooling, or furnace cooling.
The nitrided component according to the present disclosure can be manufactured by the above manufacturing process.

実施例により本開示に係る窒化部品用素形材をさらに具体的に説明する。以下の実施例での条件は、本開示に係る窒化部品用素形材及び窒化部品の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例である。したがって、本開示に係る窒化部品用素形材及び窒化部品は下記の実施例に限定されない。 The base material for nitrided parts according to the present disclosure will be explained in more detail with reference to examples. The conditions in the following examples are examples of conditions adopted to confirm the feasibility and effectiveness of the base material for nitrided parts and nitrided parts according to the present disclosure. Therefore, the base material for nitrided parts and nitrided parts according to the present disclosure are not limited to the following examples.

[鋼材の製造]
表1に示す化学組成(残部はFe及び不純物)を有する鋼材A~Pをそれぞれ次の方法で製造した。
真空溶解炉を用いて、50kgのインゴットを製造した。インゴットを1250℃に加熱した後、熱間加工を実施して鋼材を製造した。具体的には、熱間鍛造を実施して軸方向に垂直な断面が75mm×75mmの棒鋼とした。棒鋼を再度1250℃に加熱した後、直径60mmの断面を持つ棒鋼に熱間で鍛伸し、そのまま常温まで放冷した。以上の製造工程により、鋼材(棒鋼)を製造した。
[Steel manufacturing]
Steel materials A to P having the chemical compositions shown in Table 1 (the balance being Fe and impurities) were produced by the following methods.
A 50 kg ingot was produced using a vacuum melting furnace. The ingot was heated to 1250°C, and then hot processing was performed to produce a steel material. Specifically, hot forging was performed to produce a steel bar having a cross section perpendicular to the axial direction of 75 mm x 75 mm. The steel bar was heated again to 1250°C, and then hot forged into a steel bar having a cross section of 60 mm in diameter, and allowed to cool to room temperature. The steel material (steel bar) was produced by the above manufacturing process.


[鋼素形材の製造]
製造された各鋼材を素材として、鋼素形材を次の方法で製造した。
[Manufacturing of steel blanks]
Using each of the produced steel materials as a raw material, steel preforms were produced by the following method.

前述の工程3の鋼素形材成形工程を模擬して、鋼材を1150℃で60分保持した後、常温まで空冷する、熱間鍛造模擬処理を施した。 To simulate the steel material forming process in step 3 described above, the steel material was subjected to a simulated hot forging process in which it was held at 1,150°C for 60 minutes and then air-cooled to room temperature.

熱間鍛造模擬処理後の棒鋼を600~700℃で1.0~4.0h保持後に炉冷する低温焼なまし処理に供し、セメンタイト中にCrを濃化させた。
以上の製造工程により、窒化部品用素形材を模擬した、鋼素形材を製造した。
The steel bars after the hot forging simulation treatment were subjected to low-temperature annealing treatment in which they were held at 600 to 700°C for 1.0 to 4.0 hours and then cooled in the furnace to concentrate Cr in the cementite.
Through the above manufacturing process, a steel preform simulating a preform for nitrided parts was manufactured.

[評価]
製造された各鋼素形材、並びに各鋼素形材を切削及び窒化して窒化部品を模した試験片に対して、次の評価(試験1~試験5)を実施した。
(試験1)鋼素形材の微細組織観察
(試験2)鋼素形材の被削性評価
(試験3)鋼素形材のセメンタイト中のCr濃度分析
(試験4)曲げ疲労強度評価
(試験5)窒化時の曲がり量評価
以下、各試験について説明する。
[evaluation]
The following evaluations (Tests 1 to 5) were carried out on each of the produced steel preforms and test pieces that were prepared by cutting and nitriding each of the steel preforms to simulate nitrided parts.
(Test 1) Observation of microstructure of steel preform (Test 2) Evaluation of machinability of steel preform (Test 3) Analysis of Cr concentration in cementite of steel preform (Test 4) Evaluation of bending fatigue strength (Test 5) Evaluation of bending amount during nitriding Each test will be described below.

(試験1)鋼素形材の微細組織観察
各試験番号の鋼素形材の長手方向に垂直な横断面のうち、表面から5mm深さ位置が被検面の中心となるように組織観察用のブロック状の試験片を切り出し、樹脂に埋め込んでから鏡面研磨した。研磨面をナイタールでエッチングして、光学顕微鏡を用いて、視野面積1.56mmの領域を200倍の倍率で1箇所観察した。
いずれの試験番号の組織にも、マルテンサイトやベイナイトは含まれず、フェライト及びパーライト、またはパーライトのみで構成されていた。
(Test 1) Microstructural Observation of Steel Preforms Block-shaped test pieces for microstructural observation were cut out from a cross section perpendicular to the longitudinal direction of each steel preform of test number so that the center of the test surface was located 5 mm deep from the surface, embedded in resin, and mirror-polished. The polished surface was etched with nital, and one spot in a region with a visual field area of 1.56 mm2 was observed at a magnification of 200 times using an optical microscope.
None of the structures of the test numbers contained martensite or bainite, and were composed of ferrite and pearlite, or pearlite only.

(試験2)鋼素形材の被削性評価(硬さ試験)
各試験番号の微細組織観察試験片のビッカース硬さを測定した。鏡面研磨した面の任意の5箇所で、JIS Z 2244:2009に準拠したビッカース硬さ試験を実施した。試験力は9.8Nとした。得られた5つの硬さの算術平均値を、当該試験番号のビッカース硬さと定義した。ビッカース硬さが300HV以下である場合、十分な被削性が得られると判断した。
(Test 2) Machinability evaluation of steel materials (hardness test)
The Vickers hardness of the microstructure observation test piece of each test number was measured. A Vickers hardness test was performed in any five positions on the mirror-polished surface in accordance with JIS Z 2244:2009. The test force was 9.8 N. The arithmetic average value of the five hardness values obtained was defined as the Vickers hardness of the test number. When the Vickers hardness was 300 HV or less, it was determined that sufficient machinability was obtained.

(試験3)鋼素形材のセメンタイト中のCr濃度分析(固溶Cr量/全Cr量の算出)
各試験番号の鋼素形材(直径60mmの棒鋼)の軸方向に垂直な断面の表面から5mm深さ位置から、直径5mm、長さ40mmの電解分析用試験片を作製した。試験片は10%アセチルアセトン-1%塩化テトラメチルアンモニウム-メタノール電解液で電流密度20mA/cmで電解した。電解後の溶液をメッシュサイズ0.2μmのクリポアフィルターで吸引ろ過した。得られた残さ中のCr量を高周波誘導結合プラズマ発光分光装置を用いて分析し、そのCr量がセメンタイト中に濃化したCr量とみなした。全Cr量からセメンタイト中に濃化したCr量を差し引いた値を固溶Cr量とみなした。
そして、鋼素形材に含まれる全Cr量に対する固溶Cr量の質量割合(固溶Cr量/全Cr量)を算出した。
(Test 3) Analysis of Cr concentration in cementite of steel material (calculation of dissolved Cr amount/total Cr amount)
A test piece for electrolytic analysis having a diameter of 5 mm and a length of 40 mm was prepared from a position 5 mm deep from the surface of a cross section perpendicular to the axial direction of each steel blank (a steel bar having a diameter of 60 mm) of each test number. The test piece was electrolyzed at a current density of 20 mA/ cm2 in a 10% acetylacetone-1% tetramethylammonium chloride-methanol electrolyte. The solution after electrolysis was suction filtered with a Crypore filter having a mesh size of 0.2 μm. The amount of Cr in the resulting residue was analyzed using a high-frequency inductively coupled plasma emission spectrometry device, and the amount of Cr was considered to be the amount of Cr concentrated in the cementite. The value obtained by subtracting the amount of Cr concentrated in the cementite from the total amount of Cr was considered to be the amount of dissolved Cr.
Then, the mass ratio of the amount of dissolved Cr to the total amount of Cr contained in the steel material (amount of dissolved Cr/total amount of Cr) was calculated.

(試験4)曲げ疲労強度評価
各試験番号の鋼素形材(直径60mmの棒鋼)の軸方向に垂直な断面の半径中央位置(R/2位置)から、図1に示す小野式回転曲げ疲労試験片を作製した。図1中の数値は、寸法(単位はmm)を示す。図1中の「φ」は直径を意味する。図2及び図3についてもい同様である。「R3」は、切欠き底の曲率半径が3mmであることを意味する。
(Test 4) Bending fatigue strength evaluation An Ono-type rotating bending fatigue test piece as shown in Fig. 1 was prepared from the radial center position (R/2 position) of a cross section perpendicular to the axial direction of the steel blank (steel bar with a diameter of 60 mm) of each test number. The numbers in Fig. 1 indicate dimensions (unit: mm). "φ" in Fig. 1 means diameter. The same applies to Figs. 2 and 3. "R3" means that the radius of curvature at the notch bottom is 3 mm.

具体的には、各試験番号の鋼素形材を機械加工(切削加工)して、小野式回転曲げ疲労試験片の中間品に加工した。中間品に対して、窒化処理を実施して、図1に示す小野式回転曲げ疲労試験片を作製した。実施した窒化処理の条件は、以下のとおりとした。窒化処理では、中間品を、RXガス(吸熱型変成ガス)とアンモニアガスとが1:1の雰囲気内で、570℃で3時間保持した。保持後の中間品を油冷した。以上の工程により、窒化部品を模擬した小野式回転曲げ疲労試験片を作製した。 Specifically, the steel blanks of each test number were machined (cut) to process them into intermediate Ono-type rotating bending fatigue test pieces. The intermediate pieces were then subjected to a nitriding process to produce the Ono-type rotating bending fatigue test pieces shown in Figure 1. The nitriding conditions were as follows: In the nitriding process, the intermediate pieces were held at 570°C for three hours in an atmosphere of 1:1 RX gas (endothermic transformation gas) and ammonia gas. After holding, the intermediate pieces were oil-cooled. Through the above process, Ono-type rotating bending fatigue test pieces simulating nitrided parts were produced.

各試験番号の小野式回転曲げ疲労試験片を用いて、小野式回転曲げ疲労試験を行った。各試験番号ごとに複数の小野式回転曲げ疲労試験片を準備した。各試験片ごとに加える応力を変えて疲労試験を実施し、1000万回(10回)繰り返しの後、破断しなかった最も高い応力を曲げ疲労強度(MPa)とした。小野式回転曲げ疲労試験では、回転速度を3000rpmとし、応力比を両振りとした。得られた曲げ疲労強度を、表2中の「窒化部品」欄の「曲げ疲労強度(MPa)」欄に示す。疲労強度が540MPa以上である場合、十分な疲労強度が得られると判断した。 Ono-type rotating bending fatigue tests were conducted using Ono-type rotating bending fatigue test pieces of each test number. A number of Ono-type rotating bending fatigue test pieces were prepared for each test number. Fatigue tests were conducted by changing the stress applied to each test piece, and the highest stress at which the test piece did not break after 10 million cycles ( 107 cycles) was taken as the bending fatigue strength (MPa). In the Ono-type rotating bending fatigue test, the rotation speed was 3000 rpm, and the stress ratio was reversed. The obtained bending fatigue strengths are shown in the "Bending fatigue strength (MPa)" column of the "Nitriding parts" column in Table 2. It was determined that a sufficient fatigue strength was obtained when the fatigue strength was 540 MPa or more.

(試験5)窒化時の曲がり量評価
各試験番号の鋼素形材(直径60mmの棒鋼)の軸方向に垂直な断面の半径中央位置(R/2位置)から、図2に示すφ15×100mmの曲がり測定用試験片を作製した。試験片に対して、RXガスとアンモニアガスとが1:1の雰囲気内で、570℃で3時間保持し、その後油冷する窒化処理を施した。
窒化後の試験片の曲がり量を接触型の3次元測定機で測定した。具体的には、図3に示すように、試験片の両端部から10mm位置、長手方向の中間位置の3ヶ所において、横断面から基準円を求め、その基準円の中心を求め、両端部から10mm位置の基準円の中心座標を結んだ線(A1)と、長手方向の中間位置の基準円の中心座標(A0)との距離を曲がり量とみなした。基準円の求め方について述べる。基準円を求める位置において、円周部を45°ピッチで各8点の座標を測定した。各8点の座標から真円を近似したものをその位置の基準円とした。曲がり量が2.0μm以下の場合、十分に曲がりが抑制できるとみなした。
(Test 5) Evaluation of bending amount during nitriding A test piece for bending measurement, measuring φ15×100 mm as shown in Fig. 2, was prepared from the radial center position (R/2 position) of a cross section perpendicular to the axial direction of the steel preform (steel bar with a diameter of 60 mm) of each test number. The test piece was subjected to a nitriding treatment in which it was held at 570°C for 3 hours in an atmosphere of RX gas and ammonia gas at a ratio of 1:1, and then cooled with oil.
The amount of bending of the test piece after nitriding was measured by a contact type three-dimensional measuring machine. Specifically, as shown in FIG. 3, a reference circle was obtained from the cross section at three positions, 10 mm from both ends of the test piece and at the midpoint in the longitudinal direction, and the center of the reference circle was obtained. The distance between the line (A1) connecting the center coordinates of the reference circle at the 10 mm position from both ends and the center coordinate (A0) of the reference circle at the midpoint in the longitudinal direction was regarded as the amount of bending. The method of obtaining the reference circle will be described. At the position where the reference circle is to be obtained, the coordinates of eight points were measured at 45° pitches on the circumference. The coordinates of each of the eight points were used to approximate a perfect circle and regarded as the reference circle at that position. When the amount of bending was 2.0 μm or less, it was considered that bending could be sufficiently suppressed.

熱間鍛造模擬処理後の熱処理条件、及び試験2~5の評価結果等を表2に示す。 The heat treatment conditions after the simulated hot forging process and the evaluation results of tests 2 to 5 are shown in Table 2.

本開示の要件を満たす試験番号では、曲げ疲労強度が540MPa以上であり、かつ曲がり量が2.0μm以下であった。
試験番号1は、C含有量が過少であり、曲げ疲労強度が不十分であった。
試験番号4は、C含有量が過多であり、被削性が劣った。
試験番号6は、Mn含有量が過少であり、曲げ疲労強度が不十分であった。
試験番号8は、Mn含有量が過多であり、被削性が劣った。
試験番号9は、Cr含有量が過少であり、曲げ疲労強度が不十分であった。
試験番号11は、Cr含有量が過多であり、曲がり量が大き過ぎた。
試験番号17、18は、熱処理を行わなかったため、セメンタイトにCrが濃縮されず、固溶Cr量/全Cr量が高い値となり、曲がり量が大き過ぎた。
試験番号19は、熱処理温度が高過ぎたため、セメンタイトにCrが濃縮され過ぎ、固溶Cr量/全Cr量が低い値となり、曲げ疲労強度が不十分であった。
In the test numbers that satisfied the requirements of the present disclosure, the bending fatigue strength was 540 MPa or more and the bending amount was 2.0 μm or less.
Test No. 1 had an insufficient C content and thus had insufficient bending fatigue strength.
Test No. 4 had an excessively high C content and was poor in machinability.
Test No. 6 had an insufficient Mn content and thus had insufficient bending fatigue strength.
Test No. 8 had an excessively high Mn content and was poor in machinability.
Test No. 9 had an insufficient Cr content and had insufficient bending fatigue strength.
Test No. 11 had an excessively high Cr content and was bent to an excessively large extent.
In test numbers 17 and 18, heat treatment was not performed, so Cr was not concentrated in cementite, the dissolved Cr amount/total Cr amount was high, and the amount of bending was too large.
In test number 19, the heat treatment temperature was too high, so that Cr was too concentrated in the cementite, the dissolved Cr amount/total Cr amount was a low value, and the bending fatigue strength was insufficient.

Claims (6)

径が10mm以上の軸部を含み、
化学組成が、質量%で、
C:0.35~0.60%、
Si:0.03~0.35%、
Mn:1.00~2.10%、
P:0.050%以下、
S:0.010~0.095%、
Cr:0.60超~1.20%、
Al:0.001~0.080%、
N:0.0040~0.0250%であり、残部はFe及び不純物からなる素形材であり、
前記軸部の表面から深さ5mm位置において、フェライト及びパーライト、またはパーライトからなる微細組織を有し、
前記軸部の表面から深さ5mm位置において、全Cr量に対する固溶Cr量の割合が0.10~0.75である、窒化部品用素形材。
A shaft portion having a diameter of 10 mm or more,
The chemical composition, in mass%, is
C: 0.35 to 0.60%,
Si: 0.03 to 0.35%,
Mn: 1.00 to 2.10%,
P: 0.050% or less,
S: 0.010 to 0.095%,
Cr: more than 0.60 to 1.20%,
Al: 0.001 to 0.080%,
N: 0.0040 to 0.0250%, the balance being Fe and impurities;
The shaft portion has a microstructure of ferrite and pearlite or pearlite at a depth of 5 mm from the surface thereof,
The base material for nitrided parts, wherein the ratio of the amount of dissolved Cr to the amount of total Cr at a depth of 5 mm from the surface of the shaft portion is 0.10 to 0.75.
径が10mm以上の軸部を含み、
化学組成が、質量%で、
C:0.35~0.60%、
Si:0.03~0.35%、
Mn:1.00~2.10%、
P:0.050%以下、
S:0.010~0.095%、
Cr:0.60超~1.20%、
Al:0.001~0.080%、
N:0.0040~0.0250%であり、さらに下記第1群、第2群及び第3群からなる群から選択される1種又は2種以上を含有し、残部はFe及び不純物からなる素形材であり、
前記軸部の表面から深さ5mm位置において、フェライト及びパーライト、またはパーライトからなる微細組織を有し、
前記軸部の表面から深さ5mm位置において、全Cr量に対する固溶Cr量の割合が0.10~0.75である、窒化部品用素形材。
[第1群]
Cu:0.40%以下、
Ni:0.40%以下、
V:0.20%以下、及び
Mo:0.30%以下からなる群より選択される1種又は2種以上
[第2群]
Sn:0.10%以下、及び
Ca:0.0050%以下からなる群より選択される1種又は2種
[第3群]
Ti:0.100%以下
A shaft portion having a diameter of 10 mm or more,
The chemical composition, in mass%, is
C: 0.35 to 0.60%,
Si: 0.03 to 0.35%,
Mn: 1.00 to 2.10%,
P: 0.050% or less,
S: 0.010 to 0.095%,
Cr: more than 0.60 to 1.20%,
Al: 0.001 to 0.080%,
N: 0.0040 to 0.0250%, and further containing one or more selected from the group consisting of the following first group, second group, and third group, with the balance being Fe and impurities;
The shaft portion has a microstructure of ferrite and pearlite or pearlite at a depth of 5 mm from the surface thereof,
The base material for nitrided parts, wherein the ratio of the amount of dissolved Cr to the amount of total Cr at a depth of 5 mm from the surface of the shaft portion is 0.10 to 0.75.
[First Group]
Cu: 0.40% or less,
Ni: 0.40% or less,
V: 0.20% or less, and Mo: 0.30% or less [Group 2]
Sn: 0.10% or less, and Ca: 0.0050% or less [Group 3]
Ti: 0.100% or less
前記化学組成が、前記第1群を含有する請求項2に記載の窒化部品用素形材。 The base material for nitrided parts according to claim 2, wherein the chemical composition contains the first group. 前記化学組成が、前記第2群を含有する請求項2に記載の窒化部品用素形材。 The base material for nitrided parts according to claim 2, wherein the chemical composition contains the second group. 前記化学組成が、前記第3群を含有する請求項2に記載の窒化部品用素形材。 The base material for nitrided parts according to claim 2, wherein the chemical composition contains the third group. 径が10mm以上の軸部を含み、
表面から1.5mmより深い部分である芯部と、当該芯部の外側に存在する窒化層とを有する部品であって、
前記芯部の化学組成が、質量%で、
C:0.35~0.60%、
Si:0.03~0.35%、
Mn:1.00~2.10%、
P:0.050%以下、
S:0.010~0.095%、
Cr:0.60超~1.20%、
Al:0.001~0.080%、
N:0.0040~0.0250%であり、任意に、下記第1群、第2群及び第3群からなる群から選択される1種又は2種以上を含有し、残部はFe及び不純物からなり、
前記軸部の表面から深さ5mm位置において、フェライト及びパーライト、またはパーライトからなる微細組織を有し、
前記軸部の表面から深さ5mm位置において、全Cr量に対する固溶Cr量の割合が0.10~0.75である、窒化部品。
[第1群]
Cu:0.40%以下、
Ni:0.40%以下、
V:0.20%以下、及び
Mo:0.30%以下からなる群より選択される1種又は2種以上
[第2群]
Sn:0.10%以下、及び
Ca:0.0050%以下からなる群より選択される1種又は2種
[第3群]
Ti:0.100%以下
A shaft portion having a diameter of 10 mm or more,
A component having a core portion that is a portion deeper than 1.5 mm from a surface, and a nitride layer that is present on the outside of the core portion,
The chemical composition of the core is, in mass%,
C: 0.35 to 0.60%,
Si: 0.03 to 0.35%,
Mn: 1.00 to 2.10%,
P: 0.050% or less,
S: 0.010 to 0.095%,
Cr: more than 0.60 to 1.20%,
Al: 0.001 to 0.080%,
N: 0.0040 to 0.0250%, optionally containing one or more selected from the group consisting of the following first, second and third groups, with the balance being Fe and impurities;
The shaft portion has a microstructure of ferrite and pearlite or pearlite at a depth of 5 mm from the surface thereof,
A nitrided component, wherein the ratio of the amount of dissolved Cr to the amount of total Cr at a depth of 5 mm from the surface of the shaft portion is 0.10 to 0.75.
[First Group]
Cu: 0.40% or less,
Ni: 0.40% or less,
V: 0.20% or less, and Mo: 0.30% or less [Group 2]
Sn: 0.10% or less, and Ca: 0.0050% or less [Group 3]
Ti: 0.100% or less
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