JP5821512B2 - NITRIDED COMPONENT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF - Google Patents

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Description

本発明は、窒化部品およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a nitrided part and a manufacturing method thereof.

従来、機械構造用部品の分野においては、例えば、歯車、無段変速機リングベルト、コイルばね等の部品が使用されている。この種の部品は、繰り返し応力が負荷される環境下で使用されることが多いため、高い疲労特性を有している必要がある。   Conventionally, in the field of machine structural parts, for example, parts such as gears, continuously variable transmission ring belts, and coil springs are used. Since this type of component is often used in an environment in which repeated stress is applied, it needs to have high fatigue characteristics.

上記部品の疲労特性を高める手法としては、表面処理により部品表面に圧縮残留応力を付与して疲労特性を向上させる方法が知られている。最近では、さらなる疲労特性の向上が求められており、そのための手法として、窒化処理もしくは浸炭焼入処理に代表される表面処理に加えてさらにショットピーニングを施す提案がなされている(特許文献1等を参照)。   As a method for improving the fatigue characteristics of the component, a method of improving the fatigue characteristics by applying compressive residual stress to the component surface by surface treatment is known. Recently, further improvement in fatigue characteristics has been demanded, and as a technique for that purpose, proposals have been made to perform shot peening in addition to surface treatment represented by nitriding or carburizing and quenching (Patent Document 1, etc.) See).

特開平5−339763号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-339763

しかしながら、窒化処理に加えてショットピーニングを施した場合、施工時間を要するため生産性が低下し、窒化部品の大幅なコスト上昇を招いていた。窒化部品を高強度化することによって疲労強度の改善を図ることも考えられるが、この場合も、高強度化のための高価な合金元素の添加やそれに伴う製造性の低下により、やはりコスト上昇を招きやすい。   However, when shot peening is performed in addition to the nitriding treatment, the construction time is required, so that the productivity is lowered and the cost of nitrided parts is greatly increased. It is conceivable to improve fatigue strength by increasing the strength of nitrided parts, but in this case as well, cost increases due to the addition of expensive alloy elements for increasing the strength and the accompanying decrease in manufacturability. Easy to invite.

本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、高価なショットピーニングを施さなくても疲労特性の向上を図ることが可能な窒化部品、またその製造方法を提供しようとするものである。   The present invention has been made in view of such a background, and an object of the present invention is to provide a nitrided part capable of improving fatigue characteristics without performing expensive shot peening, and a method for manufacturing the same. is there.

本発明の一態様は、表面が硬化してなる表面硬化層を有する鋼製の部品であって、
上記表面硬化層は、炭素濃度が部品内部のC含有量よりも低い脱炭層と、窒素濃度が部品内部のN含有量よりも高い窒化層とを含んで構成されており、
上記部品内部の化学成分が、質量%で、
C:0.15%以上0.5%未満を含有し、
Cr:6.0%以下、V:2.5%以下、Mo:3.0%以下およびAl:1.5%以下から選択される1種または2種以上を含有し、
N含有量が0.03%以下であり、
(0.08×[%Cr]+0.29×[%V]+0.15×[%Mo]+0.65×[%Al])/[%C]の式にて定義される窒化係数N1が1.0以上であり、
上記表面硬化層は、(C−C)/Cの式にて定義される脱炭率が0.30以上、かつ、N2/(C−C+0.2)の式にて定義される表面窒素濃度係数Nsが1.0以上である(但し、上記C は、上記表面硬化層表面の炭素濃度の平均値(質量%)、上記N2は、上記表面硬化層表面の窒素濃度の平均値(質量%))ことを特徴とする窒化部品にある(請求項1)。
One aspect of the present invention is a steel part having a surface hardened layer formed by hardening the surface,
The surface hardened layer includes a decarburized layer having a carbon concentration lower than the C content inside the component, and a nitride layer having a nitrogen concentration higher than the N content inside the component,
The chemical composition inside the parts is mass%,
C: 0.15% or more and less than 0.5%,
One or more selected from Cr: 6.0% or less, V: 2.5% or less, Mo: 3.0% or less, and Al: 1.5% or less,
N content is 0.03% or less,
The nitriding coefficient N1 defined by the equation (0.08 × [% Cr] + 0.29 × [% V] + 0.15 × [% Mo] + 0.65 × [% Al]) / [% C] is 1.0 or more,
The surface hardened layer is defined by a formula: (C-C 1) / C decarburization rate is defined by a formula: 0.30 or more on, and, N 2 / (C-C 1 +0.2) The surface nitrogen concentration coefficient Ns is 1.0 or more (where C 1 is the average value (% by mass) of the carbon concentration on the surface hardened layer surface, and N2 is the nitrogen concentration on the surface hardened layer surface). The average value (mass%) of the nitrided component (claim 1).

本発明の他の態様は、素材としての鋼製の窒化用部材の表面に脱炭層を形成する脱炭工程と、
上記脱炭工程を経た窒化用部材の表面を窒化処理して窒化層を形成し、上記脱炭層と上記窒化層とを含む表面硬化層を形成する窒化工程とを少なくとも有し、
上記素材としての窒化用部材の化学成分が、質量%で、
C:0.15%以上0.5%未満を含有し、
Cr:6.0%以下、V:2.5%以下、Mo:3.0%以下およびAl:1.5%以下から選択される1種または2種以上を含有し、
N含有量が0.03%以下であり、
(0.08×[%Cr]+0.29×[%V]+0.15×[%Mo]+0.65×[%Al])/[%C]の式にて定義される窒化係数N1が1.0以上であり、
上記脱炭工程は、(C−C)/Cの式にて定義される脱炭率が0.30以上とされるとともに、上記窒化工程は、N2/(C−C+0.2)の式にて定義される表面窒素濃度係数Nsが1.0以上となるように窒化処理が施される(但し、上記C は、上記表面硬化層表面の炭素濃度の平均値(質量%)、上記N2は、上記表面硬化層表面の窒素濃度の平均値(質量%))ことを特徴とする窒化部品の製造方法にある(請求項3)。
Another aspect of the present invention is a decarburization step of forming a decarburization layer on the surface of a steel nitriding member as a material,
Nitriding the surface of the nitriding member that has undergone the decarburization step to form a nitride layer, and at least a nitridation step to form a surface hardened layer including the decarburization layer and the nitride layer,
The chemical component of the nitriding member as the material is mass%,
C: 0.15% or more and less than 0.5%,
One or more selected from Cr: 6.0% or less, V: 2.5% or less, Mo: 3.0% or less, and Al: 1.5% or less,
N content is 0.03% or less,
The nitriding coefficient N1 defined by the equation (0.08 × [% Cr] + 0.29 × [% V] + 0.15 × [% Mo] + 0.65 × [% Al]) / [% C] is 1.0 or more,
In the decarburization step , the decarburization rate defined by the formula ( C-C 1 ) / C is set to 0.30 or more, and the nitriding step is N 2 / (C-C 1 +0.2. ) Is subjected to nitriding treatment so that the surface nitrogen concentration coefficient Ns defined by the formula of 1.0 is not less than 1.0 (where C 1 is the average value (mass%) of the carbon concentration on the surface hardened layer surface. N2 is an average value (mass%) of the nitrogen concentration on the surface hardened layer surface) ( nitriding component manufacturing method).

従来、高い疲労強度を必要とする部品は、熱間加工等を施して所定の部品形状に成形するうちに、部品表面が脱炭することによって、表面の炭素濃度が低下し、部品の強度が大幅に低下するため、部品として必要としている疲労強度を得ることができなかった。さらに耐摩耗性を確保するためにマトリックス中に炭化物を析出させている場合には、部品表面が脱炭することにより、耐摩耗性が低下してしまうことがあった。そのため、製造方法の面では、脱炭した部品の表面は、切削等により脱炭していない部品の内層まで除去する必要があり、生産性を低下させる要因となっていた。
これを抑制する方法として、光輝焼鈍などの表面脱炭しないような前処理を施す等の方法があるが、脱炭層を除去するよりも生産性が低下し、高コストにならざるを得なかったため、一般的には切削等により除去していた。また、脱炭した部品表面を切削等により除去した後、窒化処理を施して所定部位に窒化層を形成することにより、表面硬化層を形成し、疲労強度を確保していた。
しかし、本発明者らは、脱炭層と窒化処理との関係について着目し、鋭意研究を重ねた結果、従来の予想に反して、不良部位として取り扱われていた脱炭層が疲労強度の低下といった悪影響を与えるどころか、所定の条件下で脱炭層に窒化処理を施すことにより、従来よりも窒化部品の表面の疲労強度を向上させることができることを知見した。またこれにより、従来では、窒化処理前に部品の表面に存在する脱炭層を除去するために不可欠であった切削等を施す必要がなくなることを見出した。
Conventionally, parts that require high fatigue strength are subjected to hot working or the like to be molded into a predetermined part shape. The fatigue strength required as a part could not be obtained because of a significant decrease. Further, when carbides are precipitated in the matrix in order to ensure wear resistance, the wear resistance may be deteriorated due to decarburization of the part surface. Therefore, in terms of the manufacturing method, the surface of the decarburized part needs to be removed to the inner layer of the part that has not been decarburized by cutting or the like, which has been a factor of reducing productivity.
As a method of suppressing this, there is a method such as performing pretreatment that does not decarburize the surface such as bright annealing, but productivity has been reduced compared to removing the decarburized layer, and the cost has to be high Generally, it was removed by cutting or the like. Further, after removing the decarburized part surface by cutting or the like, nitriding treatment is performed to form a nitrided layer at a predetermined site, thereby forming a hardened surface layer and ensuring fatigue strength.
However, the present inventors focused on the relationship between the decarburized layer and the nitriding treatment, and as a result of intensive research, the decarburized layer treated as a defective part contrary to the conventional expectation has an adverse effect such as a decrease in fatigue strength. On the contrary, it has been found that the fatigue strength of the surface of the nitrided part can be improved by nitriding the decarburized layer under predetermined conditions. Further, it has been found that, in the prior art, it is not necessary to perform cutting or the like, which has been indispensable for removing the decarburized layer existing on the surface of the component before nitriding.

上記窒化部品は、炭素濃度が部品内部のC含有量よりも低い脱炭層と、窒素濃度が部品内部のN含有量よりも高い窒化層とを含んで表面硬化層が構成されている。そして、部品内部の化学成分が、特定の成分を含有するとともに上記で規定される窒化係数N1が1.0以上とされている。さらに、上記表面硬化層は、上記で規定される脱炭率が0.30以上であり、かつ、上記で規定される表面窒素濃度係数Nsが1.0以上である。そのため、高価なショットピーニングを施さなくても、疲労特性の向上を図ることができる。   The nitrided part includes a decarburized layer having a carbon concentration lower than the C content inside the part and a nitrided layer having a nitrogen concentration higher than the N content inside the part to form a hardened surface layer. The chemical component inside the component contains a specific component, and the nitriding coefficient N1 defined above is 1.0 or more. Further, the surface hardened layer has a decarburization rate specified above of 0.30 or more and a surface nitrogen concentration coefficient Ns specified above of 1.0 or more. Therefore, fatigue characteristics can be improved without expensive shot peening.

上記窒化部品の製造方法は、素材としての鋼製の窒化用部材の表面に脱炭層を形成する脱炭工程と、脱炭工程を経た窒化用部材の表面を窒化処理して窒化層を形成し、脱炭層と窒化層とを含む表面硬化層を形成する窒化工程とを有している。この際、上記特定の化学成分を有し、かつ、上記で規定される窒化係数N1が1.0以上である窒化用部材を素材として用いる。また、上記脱炭工程は、上記で規定される脱炭率が0.30以上とされる。さらに、上記窒化工程では、上記で規定される表面窒素濃度係数Nsが1.0以上となるように窒化処理が施される。   The method of manufacturing the nitrided part includes a decarburization step of forming a decarburization layer on the surface of a steel nitriding member as a material, and nitriding the surface of the nitriding member after the decarburization step to form a nitrided layer. And a nitriding step for forming a hardened surface layer including a decarburized layer and a nitrided layer. At this time, a nitriding member having the specific chemical component and having a nitriding coefficient N1 defined above of 1.0 or more is used as a material. In the decarburization step, the decarburization rate specified above is 0.30 or more. Further, in the nitriding step, nitriding is performed so that the surface nitrogen concentration coefficient Ns defined above becomes 1.0 or more.

一般に、構造用鋼は、素地強化を目的としてCを幾らか含有している。Cは、強度や靱性を確保するために必須の元素であることから、通常、強度低下を招くため鋼からC量を減ずることは考え難い。ところが、上記窒化部品の製造方法のように脱炭層を敢えて形成することによって、高価なショットピーニングを施さなくても、疲労特性の向上を図ることが可能な窒化部品を得ることができるのである。   In general, structural steel contains some C for the purpose of strengthening the substrate. Since C is an essential element for securing strength and toughness, it is difficult to think of reducing the amount of C from steel because it usually causes a decrease in strength. However, by deliberately forming the decarburized layer as in the above-described method for manufacturing a nitrided part, it is possible to obtain a nitrided part capable of improving fatigue characteristics without expensive shot peening.

これは以下の理由によるものと推察される。すなわち、上記窒化部品の製造方法において、素材としての窒化用部材は、上記した特定の化学成分を有し、かつ、上記で規定される窒化係数N1が1.0以上である鋼からなり、この鋼は、素地強化等を目的としてCを特定量含有している。鋼中のマトリックスがマルテンサイト化してCが固溶した状態であると、窒化処理時にNの固溶・拡散が阻害されやすくなる。また、CrやV、Mo等の窒化物を形成しうる元素とCとが結びつき、炭化物が形成された状態であると、侵入・拡散したNにより析出可能な窒化物量が低減する。しかし、上記窒化部品の製造方法に示すように、脱炭層が形成された窒化用部材の表面を窒化処理することにより、脱炭層が形成されていない窒化用部材の表面を同条件にて窒化処理する場合に比べ、得られる窒化部品の表面により多くのNを含有させることができる。つまり、窒化処理時に、通常の窒化限界(脱炭層が形成されていない場合の窒化限界)を超える量のNが部品表面に導入される。そのため、窒化処理後の部品表面における窒化物量が増加し、それにより高いひずみ量が確保される。これにより、上記窒化部品の製造方法は、窒化処理後の窒化部品の表面に高い圧縮残留応力を付与することができるものと考えられる。そして、その結果、得られる窒化部品は、優れた疲労特性を発揮することができるものと考えられる。   This is presumably due to the following reasons. That is, in the method for manufacturing a nitrided part, a nitriding member as a material is made of steel having the specific chemical component described above and having a nitriding coefficient N1 defined above of 1.0 or more. Steel contains a specific amount of C for the purpose of strengthening the substrate. When the matrix in the steel is martensite and C is in a solid solution state, the solid solution / diffusion of N is likely to be inhibited during the nitriding treatment. In addition, when an element capable of forming a nitride such as Cr, V, or Mo is combined with C to form a carbide, the amount of nitride that can be precipitated by N that has entered and diffused is reduced. However, as shown in the method for manufacturing a nitrided part, the surface of the nitriding member on which the decarburized layer is formed is nitrided on the same condition by nitriding the surface of the nitriding member on which the decarburized layer is formed. Compared to the case, more N can be contained in the surface of the obtained nitrided part. That is, during the nitriding treatment, an amount of N exceeding the normal nitriding limit (nitriding limit when no decarburized layer is formed) is introduced to the component surface. Therefore, the amount of nitride on the surface of the component after nitriding increases, thereby ensuring a high strain amount. Thereby, it is thought that the manufacturing method of the said nitrided part can give a high compressive residual stress to the surface of the nitrided part after nitriding treatment. As a result, it is considered that the obtained nitrided part can exhibit excellent fatigue characteristics.

上記窒化部品およびその製造方法について説明する。
先ず、上記窒化部品について説明する。上記窒化部品は、表面が硬化してなる表面硬化層を有する鋼製の部品である。表面硬化層は、炭素濃度が部品内部のC含有量よりも低い脱炭層と、窒素濃度が部品内部のN含有量よりも高い窒化層とを含んで構成されている。ここで、上記部品内部とは、脱炭層および窒化層よりも内側に存在するマトリックス部分(母材部分)をいう。また、上記脱炭層とは、部品表面から内方に向かって存在する領域であって、部品表面から内方への深さに対する炭素濃度分布(質量%)をとった際に、炭素濃度が連続的に増加した後、一定濃度(すなわち、部品内部の炭素濃度)となる炭素濃度分布における、炭素濃度が一定濃度となる前までの部分をいう。また、上記窒化層とは、部品表面から内方に向かって存在する領域であって、部品表面から内方への深さに対する窒素濃度分布(質量%)をとった際に、窒素濃度が連続的に低下した後、一定濃度(すなわち、部品内部の窒素濃度)となる窒素濃度分布における、窒素濃度が一定濃度となる前までの部分をいう。なお、脱炭層の部品表面からの深さと窒化層の部品表面からの深さは、ほぼ同じであってもよいし、いずれか一方が深くてもよい。また、脱炭層および窒化層の深さに制限はなく、両者が同時に存在していれば、本発明の効果は得られる。
The nitride component and the manufacturing method thereof will be described.
First, the nitrided part will be described. The nitrided part is a steel part having a hardened surface formed by hardening the surface. The surface hardened layer includes a decarburized layer having a carbon concentration lower than the C content inside the component, and a nitride layer having a nitrogen concentration higher than the N content inside the component. Here, the inside of the component refers to a matrix portion (base material portion) existing inside the decarburized layer and the nitrided layer. The decarburized layer is a region existing inward from the part surface, and the carbon concentration is continuous when taking a carbon concentration distribution (% by mass) with respect to the depth from the part surface to the inside. After the increase, the portion until the carbon concentration reaches a certain concentration in the carbon concentration distribution where the concentration becomes a certain concentration (that is, the carbon concentration inside the part) is meant. The nitride layer is a region existing inward from the part surface, and the nitrogen concentration is continuous when taking a nitrogen concentration distribution (mass%) with respect to the depth from the part surface to the inside. This is the portion of the nitrogen concentration distribution in which the concentration is constant (that is, the nitrogen concentration inside the part) before the nitrogen concentration reaches a certain concentration. The depth of the decarburized layer from the component surface and the depth of the nitrided layer from the component surface may be substantially the same, or one of them may be deep. Moreover, there is no restriction | limiting in the depth of a decarburization layer and a nitride layer, and the effect of this invention will be acquired if both exist simultaneously.

ここで、部品内部の化学成分は、上記の通り、質量%で、C:0.15%以上0.5%未満を含有し、Cr:6.0%以下、V:2.5%以下、Mo:3.0%以下およびAl:1.5%以下から選択される1種または2種以上を含有し、N含有量が0.03%以下であり、(0.08×[%Cr]+0.29×[%V]+0.15×[%Mo]+0.65×[%Al])/[%C]の式にて定義される窒化係数N1が1.0以上である。以下に、各成分範囲の限定理由等について説明する。   Here, as described above, the chemical components inside the component are in mass% and contain C: 0.15% or more and less than 0.5%, Cr: 6.0% or less, V: 2.5% or less, One or two or more selected from Mo: 3.0% or less and Al: 1.5% or less are contained, N content is 0.03% or less, (0.08 × [% Cr] The nitriding coefficient N1 defined by the formula of + 0.29 × [% V] + 0.15 × [% Mo] + 0.65 × [% Al]) / [% C] is 1.0 or more. Below, the reason for limitation of each component range etc. are demonstrated.

C:0.15%以上0.5%未満
Cは、強度及び靱性を確保するために必須の元素である。さらには、脱炭層の炭素濃度と部品内部のC含有量との間に差を設けることが望ましい。そのため、C含有量の下限値は0.15%とする。C含有量の下限値は、好ましくは、0.20%、より好ましくは、0.30%である。一方、過度にCを含有すると粗大炭化物が生成して延性及び靱性が低下する。そのため、C含有量の上限値は0.5%未満とする。また、窒化部品の製造時に素材としての窒化用部材を所定形状にする場合に溶接が行われることがあり、過度にCを含有していると溶接性が確保できなくなる場合がある。C含有量の上限値は、好ましくは、0.45%である。
C: 0.15% or more and less than 0.5% C is an essential element for securing strength and toughness. Furthermore, it is desirable to provide a difference between the carbon concentration in the decarburized layer and the C content inside the part. Therefore, the lower limit value for the C content is 0.15%. The lower limit of the C content is preferably 0.20%, more preferably 0.30%. On the other hand, when C is contained excessively, coarse carbides are generated and ductility and toughness are lowered. Therefore, the upper limit of C content is less than 0.5%. In addition, welding may be performed when a nitriding member as a raw material is formed into a predetermined shape at the time of manufacturing a nitrided part. If C is excessively contained, weldability may not be ensured. The upper limit value of the C content is preferably 0.45%.

Cr:6.0%以下、V:2.5%以下、Mo:3.0%以下およびAl:1.5%以下から選択される1種または2種以上
Cr:6.0%以下
Crは、窒化処理による表面硬度の向上に有効であるともに、部品表面の圧縮残留応力の付与に有効な元素である。一方、Crを過度に含有すると部品表面に不動態被膜が形成されやすくなり窒化性が急激に低下する。また、炭化物安定効果により炭化物の成長を助長して強度低下を招き、脱炭層の深さ制御が困難となる。そのため、Cr含有量の上限値を6.0%とする。Cr含有量の上限値は、好ましくは、5.0%である。
One or more selected from Cr: 6.0% or less, V: 2.5% or less, Mo: 3.0% or less, and Al: 1.5% or less Cr: 6.0% or less Cr is In addition to being effective for improving the surface hardness by nitriding treatment, it is an element effective for imparting compressive residual stress on the part surface. On the other hand, when Cr is excessively contained, a passive film is easily formed on the surface of the component, and the nitriding property is drastically lowered. In addition, the carbide stabilizing effect promotes the growth of the carbide and causes a decrease in strength, making it difficult to control the depth of the decarburized layer. Therefore, the upper limit value of the Cr content is set to 6.0%. The upper limit of the Cr content is preferably 5.0%.

V:2.5%以下
Vは、比較的少量であっても窒化処理による表面硬度の向上に有効であるともに、部品表面の圧縮残留応力の付与に有効な元素である。但し、V含有量が多くなりすぎてもその効果が飽和し、また、粗大な炭化物を生成して強度、靱性を低下させるおそれがある。さらに、脱炭層の深さ制御も困難になる。そのため、V含有量の上限値は2.5%とする。V含有量の上限値は、好ましくは、2.0%、より好ましくは、1.0%である。
V: 2.5% or less V is an element that is effective for improving the surface hardness by nitriding even in a relatively small amount and is effective for imparting compressive residual stress on the surface of the component. However, if the V content becomes too large, the effect is saturated, and coarse carbides may be generated to reduce strength and toughness. Furthermore, it becomes difficult to control the depth of the decarburized layer. Therefore, the upper limit of V content is set to 2.5%. The upper limit value of the V content is preferably 2.0%, more preferably 1.0%.

Mo:3.0%以下
Moは、窒化処理による表面硬度の向上に有効であるともに、部品表面の圧縮残留応力の付与に有効な元素である。但し、Mo含有量が多くなりすぎてもその効果が飽和し、コストアップを招く。また、脱炭処理時の温度域において炭化物が安定に存在しやすく、脱炭層の深さ制御が困難となる。そのため、Mo含有量の上限値は3.0%以下とする。Mo含有量の上限値は、好ましくは、2.0%である。
Mo: 3.0% or less Mo is an element effective not only for improving the surface hardness by nitriding but also for imparting compressive residual stress on the part surface. However, even if the Mo content is too large, the effect is saturated and the cost is increased. Moreover, the carbide tends to exist stably in the temperature range at the time of the decarburization treatment, and it becomes difficult to control the depth of the decarburization layer. Therefore, the upper limit of the Mo content is 3.0% or less. The upper limit of the Mo content is preferably 2.0%.

Al:1.5%以下
Alは、比較的少量であっても窒化処理による表面硬度の向上に有効であるともに、部品表面の圧縮残留応力の付与に有効な元素である。但し、Al含有量が多くなりすぎてもその効果が飽和する。さらに、鋼の製造性を極度に悪化させるだけでなく、強度低下も引き起こす。そのため、Al含有量の上限値は1.5%以下とする。Al含有量の上限値は、好ましくは、1.0%である。
Al: 1.5% or less Al is an element that is effective for improving the surface hardness by nitriding even in a relatively small amount and is effective for imparting a compressive residual stress on the surface of the component. However, the effect is saturated even if the Al content becomes too large. Furthermore, not only the manufacturability of steel is extremely deteriorated, but also the strength is reduced. Therefore, the upper limit of Al content is 1.5% or less. The upper limit of the Al content is preferably 1.0%.

N含有量:0.03%以下
N含有量を0.03%以下に制限した場合には、窒化処理前に鋼中に含まれる窒化物を低減することができ、窒化処理による表面硬度を確保しやすくなる。N含有量の上限値は、好ましくは、0.015%である。
N content: 0.03% or less When N content is limited to 0.03% or less, nitrides contained in steel can be reduced before nitriding, and surface hardness by nitriding is ensured. It becomes easy to do. The upper limit of the N content is preferably 0.015%.

(0.08×[%Cr]+0.29×[%V]+0.15×[%Mo]+0.65×[%Al])/[%C]の式にて定義される窒化係数N1が1.0以上
上記式中、[%X]は、X成分の含有量(質量%)を意味する。窒化処理により析出しうる窒化物に含まれる窒素量よりも素地に含まれる炭素量が多いと、窒化物として析出しうる析出サイトに予め合金炭化物が析出し、窒化物の析出効率を下げて部品表面の圧縮残留応力を効率的に付与できなくなる。そのため、上記式を満たす必要がある。窒化係数N1が1.0未満になると、炭素量が過多となり、窒化処理による効果が十分に得られなくなる。そのため、部品表面の圧縮残留応力が十分に向上せず、十分な疲労特性が得られなくなる。上記窒化係数N1は、好ましくは、1.05以上、より好ましくは、1.10以上、さらに好ましくは、1.20以上であるとよい。なお、窒化係数N1の上限は、素地に含まれるC含有量に比較して、窒化処理により合金窒化物として析出しうるN含有量を確保するために特に限定されるものではない。窒化係数N1は、窒化物を形成する合金元素の量に依存し、それら合金元素を多量に含有すると部品コストの上昇を招くため、好ましくは、3.0以下、より好ましくは、2.5以下、さらに好ましくは、2.0以下であるとよい。
The nitriding coefficient N1 defined by the equation (0.08 × [% Cr] + 0.29 × [% V] + 0.15 × [% Mo] + 0.65 × [% Al]) / [% C] is 1.0 or more In the above formula, [% X] means the content (mass%) of the X component. If the amount of carbon contained in the substrate is greater than the amount of nitrogen contained in the nitride that can be precipitated by nitriding, alloy carbides will precipitate in advance at the precipitation sites that can precipitate as nitride, reducing the precipitation efficiency of the nitride. The surface compressive residual stress cannot be applied efficiently. Therefore, it is necessary to satisfy the above formula. If the nitriding coefficient N1 is less than 1.0, the amount of carbon becomes excessive, and the effect of nitriding cannot be obtained sufficiently. Therefore, the compressive residual stress on the part surface is not sufficiently improved, and sufficient fatigue characteristics cannot be obtained. The nitriding coefficient N1 is preferably 1.05 or more, more preferably 1.10 or more, and further preferably 1.20 or more. The upper limit of the nitriding coefficient N1 is not particularly limited in order to ensure the N content that can be precipitated as alloy nitride by nitriding as compared with the C content contained in the substrate. The nitriding coefficient N1 depends on the amount of alloying elements that form nitrides, and if these alloying elements are contained in a large amount, the cost of parts is increased. Therefore, it is preferably 3.0 or less, more preferably 2.5 or less. More preferably, it is 2.0 or less.

上記化学成分において、上記各元素以外にも、上述した効果が得られる限り、他の元素を添加することが可能である。最も基本的な化学成分としては、上記各元素以外の残部は、基本的にFeおよび不可避的不純物とすることができる。   In the chemical component, other elements can be added in addition to the above elements as long as the above-described effects can be obtained. As the most basic chemical components, the remainder other than the above elements can be basically made of Fe and inevitable impurities.

上記化学成分は、上記成分元素以外にも、任意元素として、Si:1.5%以下、Mn:1.5%以下、Ni:4.0%以下、W:5.0%以下およびB:0.03%以下から選択される1種または2種以上を含有することができる(請求項2)。その限定理由は以下の通りである。   In addition to the above-described component elements, the chemical components include, as optional elements, Si: 1.5% or less, Mn: 1.5% or less, Ni: 4.0% or less, W: 5.0% or less, and B: One or two or more selected from 0.03% or less can be contained (claim 2). The reason for the limitation is as follows.

Si:1.5%以下
Siは、溶製時の脱酸剤として有効な元素である。但し、Si含有量が多すぎると延性が著しく低下するため、その上限値を1.5%とする。Si含有量の上限値は、好ましくは、0.5%である。
Si: 1.5% or less Si is an element effective as a deoxidizer during melting. However, if the Si content is too large, the ductility is remarkably lowered, so the upper limit is made 1.5%. The upper limit of the Si content is preferably 0.5%.

Mn:1.5%以下
Mnは、溶製時の脱酸剤として有効な元素である。但し、Mn含有量が多すぎると延性が低下するため、その上限値を1.5%とする。Mn含有量の上限値は、好ましくは、1.0%である。
Mn: 1.5% or less Mn is an element effective as a deoxidizer during melting. However, if the Mn content is too large, the ductility is lowered, so the upper limit is made 1.5%. The upper limit of the Mn content is preferably 1.0%.

Ni:4.0%以下
Niは、焼入れ性向上に有効な元素である。また、炭化物の生成抑制にも有効であり、粒界炭化物の低減による強度、靱性の向上に寄与しうる元素である。但し、Niを過度に含有すると製造性が悪化し、また得られる効果も飽和する。さらに高価な元素でありコストアップを招く。そのため、Ni含有量の上限値を4.0%とする。Ni含有量の上限値は、好ましくは、1.0%である。
Ni: 4.0% or less Ni is an element effective for improving hardenability. It is also an element effective in suppressing the formation of carbides and can contribute to the improvement of strength and toughness due to the reduction of grain boundary carbides. However, if Ni is contained excessively, the productivity is deteriorated and the obtained effect is saturated. Furthermore, it is an expensive element and causes an increase in cost. Therefore, the upper limit of Ni content is set to 4.0%. The upper limit of the Ni content is preferably 1.0%.

W:5.0%以下
Wは、炭化物を形成することにより、部品の耐摩耗性などの機能性向上に有効な元素である。しかしながら、過度に添加すると炭化物粗大化による強度、靱性の低下を招き、また得られる効果も飽和する。さらに高価な元素であり大幅なコストアップを招く。そのため、W含有量の上限値を5.0%とする。W含有量の上限値は、好ましくは、2.0%である。
W: 5.0% or less W is an element effective for improving the functionality such as wear resistance of parts by forming carbides. However, excessive addition causes a decrease in strength and toughness due to coarsening of the carbide, and the obtained effect is saturated. Furthermore, it is an expensive element and causes a significant cost increase. Therefore, the upper limit value of W content is 5.0%. The upper limit value of the W content is preferably 2.0%.

B:0.03%以下
B含有量が0.03%以下である場合には、窒化処理前に鋼中に含まれるホウ化物を低減することができ、窒化処理による表面硬度を確保しやすくなる。B含有量の上限値は、好ましくは、0.005%である。
B: 0.03% or less When the B content is 0.03% or less, borides contained in the steel can be reduced before nitriding, and the surface hardness by nitriding can be easily secured. . The upper limit of the B content is preferably 0.005%.

上記窒化部品において、 は、表面硬化層表面の炭素濃度の平均値(質量%)である。具体的には、Cは、EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)を用い、表面硬化層の表面50μm×50μmの領域について1μmピッチで炭素濃度を測定して得られる各測定値の平均値である。 Oite to the nitride portions article, C 1 is the average value of the carbon concentration of the surface hardened layer surface (wt%) Ru der. Specifically , C 1 is an average value of each measurement value obtained by measuring the carbon concentration at a pitch of 1 μm in an area of 50 μm × 50 μm of the surface hardened layer using EPMA (Electron Probe Micro Analyzer).

記表面硬化層は、(C−C)/Cの式にて定義される脱炭率が0.30以上である。脱炭率が0.30未満になると、脱炭量が少ないために窒化処理による窒素量の増量効果が見込めず、部品表面の圧縮残留応力が十分に向上しなくなる。その結果、疲労特性の向上を図ることが難しくなる。脱炭率の下限値は、好ましくは、0.45、より好ましくは、0.60である。なお、脱炭率の上限は、完全に脱炭させた方が高効率なために特に限定されるものではないが、部品形状や処理条件に起因する品質バラツキの安定化や製造性等の観点から、好ましくは、0.95以下、より好ましくは、0.90以下、さらに好ましくは、0.85以下であるとよい。 Upper Symbol surface hardened layer is decarburization rate is 0.30 or more, which is defined by a formula: (C-C 1) / C . When the decarburization rate is less than 0.30, the amount of decarburization is small, so that the effect of increasing the nitrogen amount by nitriding cannot be expected, and the compressive residual stress on the part surface cannot be sufficiently improved. As a result, it becomes difficult to improve the fatigue characteristics. The lower limit value of the decarburization rate is preferably 0.45, more preferably 0.60. The upper limit of the decarburization rate is not particularly limited because it is more efficient to completely decarburize, but from the viewpoints of stabilization of quality variations and manufacturability due to part shapes and processing conditions Therefore, it is preferably 0.95 or less, more preferably 0.90 or less, and still more preferably 0.85 or less.

上記窒化部品において、N2は、表面硬化層表面の窒素濃度の平均値(質量%)である。具体的には、N2は、前述のEPMAを用い、表面硬化層の表面50μm×50μmの領域について1μmピッチで窒素濃度を測定して得られる各測定値の平均値である。 Oite to the nitride portions article, N2 is the average value of the nitrogen concentration in the surface hardened layer surface (wt%) Ru der. Specifically , N2 is an average value of each measurement value obtained by measuring the nitrogen concentration at a pitch of 1 μm in a 50 μm × 50 μm surface area of the surface hardened layer using the above-mentioned EPMA.

記表面硬化層は、N2/(C−C+0.2)の式にて定義される表面窒素濃度係数Nsが1.0以上である。Nsが1.0未満になると、窒化処理による窒素量の増量効果が、脱炭層が形成されていないものに比較して十分に得られず、部品表面の圧縮残留応力の向上効果が得られなくなる。その結果、疲労特性の向上を図ることが難しくなる。Nsの下限値は、好ましくは、1.2、より好ましくは、1.4である。なお、Nsの上限値は、窒化処理による窒素量の増量効果が高いほどよいために特に限定されるものではないが、窒化処理により白層もしくは化合物層と称される脆弱な鉄窒化物層が表面に生成して疲労強度が低下する場合がある。そのため、Nsの上限値は、好ましくは、3.5以下、より好ましくは、2.0以下であるとよい。 Upper Symbol surface hardened layer is N2 / (C-C 1 +0.2 ) surface nitrogen concentration coefficient Ns defined by a formula of 1.0 or more. When Ns is less than 1.0, the effect of increasing the amount of nitrogen by nitriding is not sufficiently obtained as compared with the case where the decarburized layer is not formed, and the effect of improving the compressive residual stress on the part surface cannot be obtained. . As a result, it becomes difficult to improve the fatigue characteristics. The lower limit value of Ns is preferably 1.2, and more preferably 1.4. The upper limit of Ns is not particularly limited because the effect of increasing the amount of nitrogen by nitriding is better, but the fragile iron nitride layer referred to as a white layer or a compound layer is formed by nitriding. It may be generated on the surface and the fatigue strength may decrease. Therefore, the upper limit of Ns is preferably 3.5 or less, and more preferably 2.0 or less.

次に、上記窒化部品の製造方法について説明する。上記窒化部品の製造方法は、脱炭工程と、窒化工程とを少なくとも有している。   Next, a method for manufacturing the nitride component will be described. The method for manufacturing a nitrided part includes at least a decarburizing step and a nitriding step.

脱炭工程は、素材としての鋼製の窒化用部材の表面に脱炭層を形成する工程である。上記脱炭工程において、脱炭層は、素材としての鋼製の窒化用部材を所定形状に成形する際に部材表面に生じた脱炭層をそのまま利用することができる。好ましくは、上記脱炭工程は、素材としての鋼製の窒化用部材の表面に脱炭処理を施すことにより脱炭層を形成する工程であるとよい(請求項6)。窒化用部材の表面に積極的に脱炭処理を施すことにより、脱炭層の形成が確実なものとなるからである。   The decarburization step is a step of forming a decarburization layer on the surface of a steel nitriding member as a material. In the decarburization step, the decarburization layer can use the decarburization layer generated on the surface of the member when the steel nitriding member as a material is formed into a predetermined shape. Preferably, the decarburization step may be a step of forming a decarburization layer by performing a decarburization process on a surface of a steel nitriding member as a material. This is because the decarburization layer is surely formed by positively decarburizing the surface of the nitriding member.

脱炭工程において、素材としての窒化用部材の形状は、特に限定されるものでない。具体的な形状としては、例えば、歯車形状、クランクシャフト形状、ボルト形状などを例示することができる。素材としての窒化用部材は、例えば、鋼塊を、必要な形状となるように熱間加工(熱間鍛造、熱間圧延等)したままでもよいし、その後に必要に応じて冷間加工(冷間鍛造、冷間圧延等)するなどして成形することにより準備することができる。また、必要に応じて、成形品に対して溶接等の接合、切断、切削、研削や、焼入れ、焼戻し等の熱処理などを行うことができる。また、表面が硬化してなる表面硬化層を有する鋼製の部品であって、特に、小物部品を製造する場合においては、熱間加工後の冷却による脱炭層が形成され難い場合、再度、脱炭処理を施すことで確実に脱炭層を形成することができる。   In the decarburization step, the shape of the nitriding member as the material is not particularly limited. Specific examples of the shape include a gear shape, a crankshaft shape, and a bolt shape. The nitriding member as a raw material may be, for example, a steel ingot that has been hot worked (hot forging, hot rolling, etc.) so as to have a required shape, and then cold worked (if necessary) It can be prepared by forming by cold forging, cold rolling or the like. Moreover, joining, cutting | disconnection, cutting, grinding, heat processing, such as hardening and tempering, etc. can be performed with respect to a molded article as needed. In addition, in the case of steel parts having a surface hardened layer with a hardened surface, especially when manufacturing small parts, it is difficult to form a decarburized layer by cooling after hot working. A decarburized layer can be reliably formed by performing the charcoal treatment.

なお、素材としての窒化用部材の化学成分は、上記の通りである。窒化用部材の化学成分における各成分範囲の限定理由、窒化係数N1等については、上記窒化部品の説明で述べた部品内部の化学成分の説明を準用する。   The chemical components of the nitriding member as the material are as described above. Regarding the reason for limiting each component range in the chemical components of the nitriding member, the nitriding coefficient N1, and the like, the description of the chemical components inside the components described in the description of the nitrided components applies mutatis mutandis.

窒化用部材の化学成分は、上記各元素以外にも、他の元素を添加することが可能である。最も基本的な化学成分としては、上記各元素以外の残部は、基本的にFeおよび不可避的不純物とすることができる。   In addition to the above elements, other elements can be added to the chemical component of the nitriding member. As the most basic chemical components, the remainder other than the above elements can be basically made of Fe and inevitable impurities.

上記窒化用部材の化学成分において、上記成分元素以外にも、任意元素として、Si:1.5%以下、Mn:1.5%以下、Ni:4.0%以下、W:5.0%以下およびB:0.03%以下から選択される1種または2種以上を含有することができる(請求項5)。なお、上記窒化用部材の化学成分におけるこれら各成分範囲の限定理由等についても、上記窒化部品の説明で述べた部品内部の化学成分の説明を準用する。   In the chemical component of the nitriding member, in addition to the above component elements, as optional elements, Si: 1.5% or less, Mn: 1.5% or less, Ni: 4.0% or less, W: 5.0% One or two or more selected from the following and B: 0.03% or less can be contained (claim 5). The explanation of the chemical components inside the parts described in the explanation of the nitrided parts applies mutatis mutandis to the reasons for limiting the ranges of these components in the chemical components of the nitriding member.

脱炭工程では、(C−C)/Cの式にて定義される脱炭率が0.30以上とされる(但し、C は、表面硬化層表面の炭素濃度の平均値(質量%))。好ましくは、上記脱炭率が0.30以上となるように脱炭処理が施される。なお、Cの測定方法や、脱炭率の好ましい範囲等については、上記窒化部品の説明で述べた説明を準用する。 The decarburization step, (C-C 1) / C decarburization rate is defined by a formula: is 0.30 or more (however, C 1 is the average value of the carbon concentration of the surface hardened layer surface (mass %)) . Preferably, the decarburization process is performed so that the decarburization rate is 0.30 or more. Incidentally, the or measurement method C 1, the preferred range, and the like of the decarburization rate, mutatis mutandis description described in the explanation of the nitride component.

脱炭方法としては、例えば、処理対象となる素材としての窒化用部材を大気雰囲気等の酸化雰囲気中、好ましくは、300℃〜600℃にて1分〜10分間保持した後、より好ましくは、400℃〜500℃にて1〜10分間保持した後、空冷、焼入れ処理等する方法などを例示することができる。   As a decarburization method, for example, a nitriding member as a material to be treated is kept in an oxidizing atmosphere such as an air atmosphere, preferably at 300 ° C. to 600 ° C. for 1 minute to 10 minutes, and more preferably, Examples of the method include air cooling and quenching after holding at 400 to 500 ° C. for 1 to 10 minutes.

次に、窒化工程は、脱炭工程を経た窒化用部材の表面を窒化処理して窒化層を形成し、脱炭層と窒化層とを含む表面硬化層を形成する工程である。つまり、本工程では、脱炭処理等により窒化用部材の表層に形成された脱炭層の一部または全部に重なるようにして、窒化処理によって窒化層を形成し、表面硬化層を形成する。   Next, the nitriding step is a step of forming a nitrided layer by nitriding the surface of the nitriding member that has undergone the decarburizing step, and forming a hardened surface layer including the decarburized layer and the nitrided layer. That is, in this step, a nitrided layer is formed by nitriding treatment so as to overlap a part or all of the decarburized layer formed on the surface layer of the nitriding member by decarburizing treatment or the like, and a hardened surface layer is formed.

窒化工程では、N2/(C−C+0.2)の式にて定義される表面窒素濃度係数Nsが1.0以上となるように窒化処理が施される(但し、C は、表面硬化層表面の炭素濃度の平均値(質量%)、N2は、表面硬化層表面の窒素濃度の平均値(質量%))。なお、C、N2の測定方法や、Nsの好ましい範囲等については、上記窒化部品の説明で述べた説明を準用する。 In the nitriding step, nitriding is performed so that the surface nitrogen concentration coefficient Ns defined by the formula of N 2 / (C−C 1 +0.2) is 1.0 or more (provided that C 1 is Average value (mass%) of carbon concentration on the surface hardened layer surface, N2 is an average value (mass%) of nitrogen concentration on the surface hardened layer surface . The measurement method and the C 1, N2, for the preferred range, and the like of Ns, mutatis mutandis description described in the explanation of the nitride component.

窒化処理方法としては、例えば、ガス雰囲気を制御可能なバッチ炉を用い、HとNとの混合ガス雰囲気において、400℃〜550℃の温度に1時間〜40時間保持するイオン窒化処理などを例示することができる。また例えば、ガス雰囲気を制御可能なバッチ炉を用い、NHとNおよび/またはHの混合ガス雰囲気において、400℃〜550℃の温度に1時間〜40時間保持するガス窒化処理なども例示することができる。 As a nitriding treatment method, for example, ion nitriding treatment is performed by using a batch furnace capable of controlling the gas atmosphere, and maintaining at a temperature of 400 ° C. to 550 ° C. for 1 hour to 40 hours in a mixed gas atmosphere of H 2 and N 2. Can be illustrated. Further, for example, gas nitriding treatment using a batch furnace capable of controlling the gas atmosphere and holding at a temperature of 400 ° C. to 550 ° C. for 1 hour to 40 hours in a mixed gas atmosphere of NH 3 and N 2 and / or H 2 It can be illustrated.

上記窒化部品の製造方法は、基本的に、上述した工程を少なくとも有している。他にも例えば、脱炭工程と窒化工程との間に、脱炭工程を経た窒化部品を熱処理する熱処理工程を任意に追加することができる。具体的な熱処理としては、焼鈍、焼入れ処理などを例示することができる。これらは1または2以上組み合わせて行うことができる。また、熱処理条件を変えて同種の熱処理を繰り返し行うことも可能である。焼鈍を行った場合には、脱炭工程によりひずみが生じた場合、その影響を除去しやすくなる。また、焼入れ処理を行った場合にも焼鈍と同様に脱炭工程によりひずみが生じた場合、その影響を除去しやすくなる。   The manufacturing method of the nitrided part basically includes at least the above-described steps. In addition, for example, a heat treatment step for heat-treating the nitrided part that has undergone the decarburization step can be arbitrarily added between the decarburization step and the nitridation step. Specific examples of the heat treatment include annealing and quenching treatment. These can be carried out by one or a combination of two or more. It is also possible to repeatedly perform the same kind of heat treatment while changing the heat treatment conditions. When annealing is performed, if distortion occurs in the decarburization process, it is easy to remove the influence. In addition, even when quenching is performed, if distortion occurs in the decarburization process as in annealing, it is easy to remove the influence.

また例えば、脱炭工程と窒化工程との間に、脱炭工程を経た窒化部品の表面の全部または一部に対して引張または圧縮による塑性変形が生じるように変形を加える変形工程を任意に追加することができる。この場合には、脱炭工程により生じ得る窒化部品表面の引張残留応力を減ずる、もしくは、圧縮残留応力に推移させることができる。そのため、窒化工程後の窒化部品表面の圧縮残留応力の向上に寄与しやすくなる。   In addition, for example, a deformation process is optionally added between the decarburization process and the nitridation process so that all or part of the surface of the nitrided part that has undergone the decarburization process undergoes plastic deformation due to tension or compression. can do. In this case, the tensile residual stress on the surface of the nitrided part that can be generated by the decarburization step can be reduced or shifted to the compressive residual stress. Therefore, it becomes easy to contribute to the improvement of the compressive residual stress on the surface of the nitrided part after the nitriding process.

また、窒化工程の後に、さらなる部品表面の圧縮残留応力の付与や、窒化により圧縮残留応力の付与された領域よりも深い領域に圧縮残留応力を付与するために、ショットピーニング等による処理や、表面に油滑性や耐摩耗性を付与するためのコーティング処理、寸法精度等を向上させることを狙いとする機械加工等の工程などを任意に追加することができる。なお、上記窒化部品の製造方法は、上述した工程を有しているため、基本的にショットピーニングを施さなくても疲労強度に優れた窒化部品を得ることが可能であるが、さらにこれによって得られる以上に高い疲労強度を付与したい場合もありうる。そのため、上記のように、追加的にショットピーニング処理がなされる場合を除外するものではない。   In addition, after the nitriding step, in order to give further compressive residual stress to the surface of the part, or to give compressive residual stress to a region deeper than the region to which compressive residual stress is given by nitriding, It is possible to arbitrarily add a process such as a coating process for imparting oil lubricity and wear resistance, machining for the purpose of improving dimensional accuracy, and the like. In addition, since the method for manufacturing a nitrided part includes the steps described above, a nitrided part having excellent fatigue strength can be obtained basically without performing shot peening. In some cases, it may be desired to give higher fatigue strength than is possible. Therefore, the case where the shot peening process is additionally performed as described above is not excluded.

上記窒化部品の製造方法において、σ /σの式にて定義される表面の圧縮残留応力の向上率は1.1以上である(但し、上記σ は、脱炭工程を経ることなく窒化用部材の表面を窒化処理して得られる窒化部品の表面の圧縮残留応力、上記σ は、脱炭工程を経た窒化用部材の表面を窒化処理して得られる窒化部品の表面の圧縮残留応力)ことが好ましい(請求項4)。 In the method for manufacturing a nitrided part, the improvement rate of the compressive residual stress on the surface defined by the formula σ 1 / σ 0 is 1.1 or more (provided that σ 0 does not go through a decarburization step). The compressive residual stress of the surface of the nitrided part obtained by nitriding the surface of the nitriding member, σ 1 is the compressive residual of the surface of the nitrided part obtained by nitriding the surface of the nitriding member that has undergone the decarburization process Stress) is preferred (claim 4).

この場合には、疲労強度が明らかに向上していることを確認することができる。但し、上記σ/σが1.0以上であれば、試験バラツキ等を考慮しても十分に明瞭な効果を期待することができる。上記σ/σの上限値は、疲労強度の向上の観点から特に限定されるものではない。 In this case, it can be confirmed that the fatigue strength is clearly improved. However, if the σ 1 / σ 0 is 1.0 or more, a sufficiently clear effect can be expected even when the test variation is taken into consideration. The upper limit value of σ 1 / σ 0 is not particularly limited from the viewpoint of improving fatigue strength.

以下では、各種製造条件の異なる窒化部品の試料を作製し、その特性の調査を行う実験を行った。この実験例に基づき、実施例に係る窒化部品およびその製造方法について詳細に説明する。   Below, samples of nitrided parts with different manufacturing conditions were prepared and experiments were conducted to investigate their characteristics. Based on this experimental example, the nitrided part and the manufacturing method thereof according to the example will be described in detail.

(実験例)
<試料の作製>
表1に示す各化学成分組成を有する鋼塊を30kgVIM溶解炉にて溶解して作製した。次いで、鋼塊を表面研削する皮削り工程を経た後、熱間鍛伸・冷間圧延によって板状(板厚5mm)に成形した。これにより、素材としての板状の窒化用部材(板厚5mm×幅10mm×長さ600mm)を準備した。
(Experimental example)
<Preparation of sample>
Steel ingots having the respective chemical composition shown in Table 1 were prepared by melting in a 30 kg VIM melting furnace. Next, the steel ingot was subjected to a surface grinding process for surface grinding, and then formed into a plate shape (plate thickness 5 mm) by hot forging and cold rolling. Thereby, a plate-shaped nitriding member (plate thickness 5 mm × width 10 mm × length 600 mm) as a material was prepared.

Figure 0005821512
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準備した素材としての窒化用部材の表面に対し、脱炭処理を施した。この際、脱炭処理の条件は、表2に示すように、各窒化用部材を大気雰囲気中(酸化雰囲気中)にて300℃〜600℃に1分〜10分間保持した後、空冷するという条件とした。   The surface of the nitriding member as the prepared material was decarburized. At this time, as shown in Table 2, the decarburization treatment condition is that each nitriding member is held in an air atmosphere (in an oxidizing atmosphere) at 300 ° C. to 600 ° C. for 1 minute to 10 minutes, and then air-cooled. Condition.

次に、脱炭工程を経た一部の窒化用部材に対し、真空熱処理炉による熱処理を施した。熱処理を施したのは、脱炭工程により生じ得る熱処理ひずみの影響を除去しやすくなる利点があるからである。もっとも、上記熱処理は、部品形状や脱炭処理条件に依存する場合があり、必要に応じて適宜実施可能な処理である。本例では、試料5、試料14および試料20の作製時に熱処理を行った。残りの試料については、脱炭処理後に熱処理を施すことなく窒化処理を行った。この際、上記熱処理条件は、表2に示すように、試料5については、脱炭処理が施された窒化用部材をNガス雰囲気中、950℃にて5分間保持した後、Nガスにて強制的に冷却により焼入れ、さらに焼戻し処理をNガス雰囲気中、500℃にて10分間保持した後、Nガス雰囲気中にて冷却するという条件とした。試料14および試料20については、表2に示すように、脱炭処理が施された窒化用部材をNガス雰囲気中、600℃に10分間保持した後、Nガス雰囲気中にて冷却するという条件とした。 Next, heat treatment using a vacuum heat treatment furnace was performed on some of the nitriding members that had undergone the decarburization step. The reason why the heat treatment is performed is that there is an advantage that it becomes easy to remove the influence of heat treatment strain that may be generated by the decarburization process. However, the heat treatment may depend on the part shape and decarburization processing conditions, and can be appropriately performed as necessary. In this example, heat treatment was performed when Sample 5, Sample 14, and Sample 20 were produced. The remaining samples were subjected to nitriding treatment without performing heat treatment after decarburization treatment. At this time, as shown in Table 2, the heat treatment conditions were as follows. For sample 5, the nitriding member that had been decarburized was held in an N 2 gas atmosphere at 950 ° C. for 5 minutes, and then N 2 gas N 2 gas atmosphere quenching, further tempered by forcibly cooled by, after holding for 10 minutes at 500 ° C., and the condition of cooling at a N 2 gas atmosphere. For sample 14 and sample 20, as shown in Table 2, in the member for nitriding the decarburization treatment is performed N 2 gas atmosphere, was held for 10 minutes to 600 ° C., cooled at an N 2 gas atmosphere The condition was as follows.

次に、脱炭処理を施した窒化用部材(脱炭処理後の窒化用部材、または、脱炭処理および熱処理後の窒化用部材)の表面に対し、イオン窒化処理を施した。この際、イオン窒化処理の条件は、HとNとの混合ガス雰囲気中、化合物層と称される鉄窒化物層が生成しないように400℃〜550℃の温度に2時間保持するという条件とした。 Next, ion nitriding treatment was performed on the surface of the nitriding member subjected to decarburization treatment (nitriding member after decarburization treatment or nitriding member after decarburization treatment and heat treatment). At this time, the condition of the ion nitriding treatment is that the mixed gas atmosphere of H 2 and N 2 is maintained at a temperature of 400 ° C. to 550 ° C. for 2 hours so that an iron nitride layer called a compound layer is not generated. Condition.

以上により、試料1〜試料26を作製した。   Thus, Sample 1 to Sample 26 were produced.

<脱炭率>
脱炭率を以下のようにして算出した。具体的には、EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)を用い、窒化処理後の試料表面50μm×50μmの領域について1μmピッチで表面の炭素濃度を測定した。各測定値の平均値を算出し、これをその試料表面の炭素濃度C(質量%)とした。そして、式(C−C)/Cより脱炭率を算出した。なお、式中のC(質量%)には、素材として用いた窒化用部材のC含有量を用いた。脱炭層および窒化層を含まない試料内部のC含有量は、素材として用いた窒化用部材のC含有量と実質的に同一である。
<Decarburization rate>
The decarburization rate was calculated as follows. Specifically, the surface carbon concentration was measured at a pitch of 1 μm in an area of 50 μm × 50 μm of the sample surface after nitriding using EPMA (Electron Probe Micro Analyzer). The average value of each measured value was calculated, and this was defined as the carbon concentration C 1 (mass%) of the sample surface. Then, it was calculated formula (C-C 1) / decarburization rate than C. In addition, C content of the member for nitriding used as a raw material was used for C (mass%) in the formula. The C content inside the sample that does not include the decarburized layer and the nitrided layer is substantially the same as the C content of the nitriding member used as the material.

<表面窒素濃度係数>
表面窒素濃度係数を以下のようにして算出した。具体的には、前述のEPMAを用い、窒化処理後の試料表面50μm×50μmの領域について1μmピッチで表面の窒素濃度を測定した。各測定値の平均値を算出し、これをその試料表面の窒素濃度N2(質量%)とした。そして、式N2/(C−C+0.2)より表面窒素濃度係数Nsを算出した。
<Surface nitrogen concentration coefficient>
The surface nitrogen concentration coefficient was calculated as follows. Specifically, using the above-mentioned EPMA, the nitrogen concentration of the surface was measured at a pitch of 1 μm in a 50 μm × 50 μm region of the sample surface after nitriding. The average value of each measured value was calculated, and this was used as the nitrogen concentration N2 (mass%) on the sample surface. Then, the surface nitrogen concentration coefficient Ns was calculated from the formula N2 / (C−C 1 +0.2).

<表面圧縮残留応力の向上率>
得られた窒化部品について、部品表面の圧縮残留応力の向上率を求めた。具体的には、試料1〜試料26の作製時に、脱炭処理を施さなかった点以外は同様にして、基準試料1〜基準試料26を作製した。次いで、各試料、各基準試料の板表面における圧縮残留応力を測定した。具体的には、管球にCr管球を使用するとともに解析方法に並傾法を適用し、各試料、各基準試料の板表面にX線をあて、各試料表面の圧縮残留応力σ、各基準試料表面の圧縮残留応力σを測定した。そして、式σ/σより圧縮残留応力の向上率を算出した。
<Improvement rate of surface compressive residual stress>
About the obtained nitrided component, the improvement rate of the compressive residual stress of the component surface was calculated | required. Specifically, Reference Sample 1 to Reference Sample 26 were manufactured in the same manner except that the decarburization treatment was not performed when Sample 1 to Sample 26 were manufactured. Subsequently, the compressive residual stress in the plate surface of each sample and each reference sample was measured. Specifically, a Cr tube is used as the tube, and a parallel tilt method is applied to the analysis method. X-rays are applied to the plate surfaces of each sample and each reference sample, and the compressive residual stress σ 1 on each sample surface, The compressive residual stress σ 0 on the surface of each reference sample was measured. And the improvement rate of compressive residual stress was computed from Formula (sigma) 1 / (sigma) 0 .

<疲労特性>
上記各試料と同様にして作製した疲労試験のための各試験片(板厚5mm×幅10mm×長さ600mm)、上記各基準試料と同様に脱炭処理を施すことなく作製した疲労試験のための各基準試験片を用い、10t油圧サーボプレスにより3点曲げ疲労試験を行った。この際、上記疲労試験の条件は、支点間距離40mm、負荷荷重0.1〜5kNの片振り50Hzという条件で行った。脱炭処理を実施することにより疲労寿命が大幅に向上したものを「A」、疲労寿命がわずかに向上したものを「B」、疲労寿命が変わらないもしくは低下したものを「C」と評価した。
<Fatigue properties>
For fatigue tests prepared without performing decarburization treatment as in the case of the above-mentioned respective reference samples (plate thickness 5 mm × width 10 mm × length 600 mm). A three-point bending fatigue test was performed using a 10-t hydraulic servo press. Under the present circumstances, the conditions of the said fatigue test were performed on the conditions of the distance between fulcrums of 40 mm, and the single swing of 50 Hz with a load of 0.1 to 5 kN. “A” indicates that the fatigue life is significantly improved by carrying out the decarburization treatment, “B” indicates that the fatigue life is slightly improved, and “C” indicates that the fatigue life is not changed or decreased. .

表2に、試料1〜試料26の製造条件および各種特性をまとめて示す。   Table 2 summarizes the manufacturing conditions and various characteristics of Sample 1 to Sample 26.

Figure 0005821512
Figure 0005821512

表2から次のことが分かる。すなわち、試料18および試料19は、素材として用いた鋼材のC含有量が0.5%以上であるとともに窒化係数N1も1未満であるため、炭素量が過多であり、窒化処理による効果が十分に得られない。そのため、脱炭率や表面窒素濃度係数Nsは規定を満足するものの、圧縮残留応力が十分に向上せず、その結果、十分な疲労特性を得ることができない。   Table 2 shows the following. That is, since the C content of the steel material used as a raw material is 0.5% or more and the nitriding coefficient N1 is less than 1, Sample 18 and Sample 19 have an excessive amount of carbon, and the effect of nitriding treatment is sufficient. I can't get it. Therefore, although the decarburization rate and the surface nitrogen concentration coefficient Ns satisfy the regulations, the compressive residual stress is not sufficiently improved, and as a result, sufficient fatigue characteristics cannot be obtained.

試料20〜試料23は、素材として用いた鋼材のC含有量が過多である上、Cr、V、Mo、Al含有量のいずれかが過多である。そのため、脱炭率や表面窒素濃度係数Nsは規定を満足するものの、粗大な炭化物が生成しやすく、これが疲労破壊起点となって十分な疲労特性を得ることができない。   In Samples 20 to 23, the steel material used as the material has an excessive C content, and any of the Cr, V, Mo, and Al contents is excessive. Therefore, although the decarburization rate and the surface nitrogen concentration coefficient Ns satisfy the regulations, coarse carbides are easily generated, and this becomes a fatigue fracture starting point and sufficient fatigue characteristics cannot be obtained.

試料24〜試料26は、素材として用いた鋼材の化学成分については適正な範囲内にあり、脱炭率も規定を十分に満足する範囲であるものの、表面窒素濃度係数Nsを満足していないため、圧縮残留応力が十分に向上せず、その結果、十分な疲労特性を得ることができない。   Samples 24 to 26 are in an appropriate range for the chemical composition of the steel used as the material, and the decarburization rate is in a range that sufficiently satisfies the regulations, but does not satisfy the surface nitrogen concentration coefficient Ns. The compressive residual stress is not sufficiently improved, and as a result, sufficient fatigue characteristics cannot be obtained.

これらに対し、試料15〜試料17は、素材として用いた鋼材の化学成分については適正な範囲内にあるものの、脱炭処理による脱炭率が規定される範囲の下限側で施されている。しかし、窒化処理による試料表面の窒素濃度が高いため、圧縮残留応力が十分に向上しないものの、疲労特性が若干向上した。   On the other hand, although the sample 15-sample 17 exists in the appropriate range about the chemical component of the steel materials used as a raw material, it is given by the lower limit side of the range in which the decarburization rate by a decarburization process is prescribed | regulated. However, since the nitrogen concentration on the sample surface by nitriding treatment is high, the compressive residual stress is not sufficiently improved, but the fatigue characteristics are slightly improved.

また、試料1〜試料14は、上記した特定の化学成分を有する鋼を素材として用い、脱炭処理による脱炭率が0.45超の範囲で施されており、この脱炭処理の後に窒化処理がなされて製造されている。そのため、試料1〜試料14によれば、高価なショットピーニングをあえて施さなくても、疲労特性の向上を図ることができる。また、高価な合金元素を含む鋼(例えばマルエージング鋼)ではなく、一般的に機械構造用鋼として使用される合金炭素鋼レベルにて効果が得られるため、結果として低コスト化に寄与することができる。   Samples 1 to 14 are made of steel having the above-mentioned specific chemical composition as a material, and the decarburization rate by decarburization treatment is applied in the range of more than 0.45, and nitriding is performed after this decarburization treatment. Processed and manufactured. Therefore, according to the samples 1 to 14, the fatigue characteristics can be improved even if expensive shot peening is not performed. In addition, it is effective not at steel containing expensive alloy elements (for example, maraging steel) but at the level of alloy carbon steel that is generally used as steel for machine structural use. As a result, it contributes to cost reduction. Can do.

また、試料1〜試料14について比較するとわかるように、脱炭処理時の脱炭率を0.5以上、さらには0.6以上とすることにより、圧縮残留応力の向上効果が大きくなり、疲労特性の向上に寄与しやすくなることがわかる。   Further, as can be seen by comparing Sample 1 to Sample 14, by making the decarburization rate at the time of decarburization treatment 0.5 or more, further 0.6 or more, the effect of improving the compressive residual stress is increased, and fatigue is reduced. It turns out that it becomes easy to contribute to the improvement of a characteristic.

さらに、Si、Mn、Ni、W、N、Bは、規定量以下であれば、圧縮残留応力の向上効果が得られ、疲労特性が向上することがわかる。   Furthermore, it can be seen that if Si, Mn, Ni, W, N, and B are less than the specified amount, the effect of improving the compressive residual stress is obtained, and the fatigue characteristics are improved.

以上、実施例について説明したが、本発明は、上記実施例により限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能なものである。   Although the embodiments have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

Claims (6)

表面が硬化してなる表面硬化層を有する鋼製の部品であって、
上記表面硬化層は、炭素濃度が部品内部のC含有量よりも低い脱炭層と、窒素濃度が部品内部のN含有量よりも高い窒化層とを含んで構成されており、
上記部品内部の化学成分が、質量%で、
C:0.15%以上0.5%未満を含有し、
Cr:6.0%以下、V:2.5%以下、Mo:3.0%以下およびAl:1.5%以下から選択される1種または2種以上を含有し、
N含有量が0.03%以下であり、
(0.08×[%Cr]+0.29×[%V]+0.15×[%Mo]+0.65×[%Al])/[%C]の式にて定義される窒化係数N1が1.0以上であり、
上記表面硬化層は、(C−C)/Cの式にて定義される脱炭率が0.30以上、かつ、N2/(C−C+0.2)の式にて定義される表面窒素濃度係数Nsが1.0以上である(但し、上記C は、上記表面硬化層表面の炭素濃度の平均値(質量%)、上記N2は、上記表面硬化層表面の窒素濃度の平均値(質量%))ことを特徴とする窒化部品。
A steel part having a hardened surface formed by hardening the surface,
The surface hardened layer includes a decarburized layer having a carbon concentration lower than the C content inside the component, and a nitride layer having a nitrogen concentration higher than the N content inside the component,
The chemical composition inside the parts is mass%,
C: 0.15% or more and less than 0.5%,
One or more selected from Cr: 6.0% or less, V: 2.5% or less, Mo: 3.0% or less, and Al: 1.5% or less,
N content is 0.03% or less,
The nitriding coefficient N1 defined by the equation (0.08 × [% Cr] + 0.29 × [% V] + 0.15 × [% Mo] + 0.65 × [% Al]) / [% C] is 1.0 or more,
The surface hardened layer is defined by a formula: (C-C 1) / C decarburization rate is defined by a formula: 0.30 or more on, and, N 2 / (C-C 1 +0.2) The surface nitrogen concentration coefficient Ns is 1.0 or more (where C 1 is the average value (% by mass) of the carbon concentration on the surface hardened layer surface, and N2 is the nitrogen concentration on the surface hardened layer surface). Nitride parts characterized by an average value of (mass%) .
請求項1に記載の窒化部品であって、
上記化学成分は、質量%で、Si:1.5%以下、Mn:1.5%以下、Ni:4.0%以下、W:5.0%以下およびB:0.03%以下から選択される1種または2種以上を含有することを特徴とする窒化部品。
The nitrided part according to claim 1,
The chemical component is selected from mass%, Si: 1.5% or less, Mn: 1.5% or less, Ni: 4.0% or less, W: 5.0% or less, and B: 0.03% or less. A nitrided part containing one or more of the above.
素材としての鋼製の窒化用部材の表面に脱炭層を形成する脱炭工程と、
上記脱炭工程を経た窒化用部材の表面を窒化処理して窒化層を形成し、上記脱炭層と上記窒化層とを含む表面硬化層を形成する窒化工程とを少なくとも有し、
上記素材としての窒化用部材の化学成分が、質量%で、
C:0.15%以上0.5%未満を含有し、
Cr:6.0%以下、V:2.5%以下、Mo:3.0%以下およびAl:1.5%以下から選択される1種または2種以上を含有し、
N含有量が0.03%以下であり、
(0.08×[%Cr]+0.29×[%V]+0.15×[%Mo]+0.65×[%Al])/[%C]の式にて定義される窒化係数N1が1.0以上であり、
上記脱炭工程は、(C−C)/Cの式にて定義される脱炭率が0.30以上とされるとともに、上記窒化工程は、N2/(C−C+0.2)の式にて定義される表面窒素濃度係数Nsが1.0以上となるように窒化処理が施される(但し、上記C は、上記表面硬化層表面の炭素濃度の平均値(質量%)、上記N2は、上記表面硬化層表面の窒素濃度の平均値(質量%))ことを特徴とする窒化部品の製造方法。
A decarburization step of forming a decarburization layer on the surface of a steel nitriding member as a material;
Nitriding the surface of the nitriding member that has undergone the decarburization step to form a nitride layer, and at least a nitridation step to form a surface hardened layer including the decarburization layer and the nitride layer,
The chemical component of the nitriding member as the material is mass%,
C: 0.15% or more and less than 0.5%,
One or more selected from Cr: 6.0% or less, V: 2.5% or less, Mo: 3.0% or less, and Al: 1.5% or less,
N content is 0.03% or less,
The nitriding coefficient N1 defined by the equation (0.08 × [% Cr] + 0.29 × [% V] + 0.15 × [% Mo] + 0.65 × [% Al]) / [% C] is 1.0 or more,
In the decarburization step , the decarburization rate defined by the formula ( C-C 1 ) / C is set to 0.30 or more, and the nitriding step is N 2 / (C-C 1 +0.2. ) Is subjected to nitriding treatment so that the surface nitrogen concentration coefficient Ns defined by the formula of 1.0 is not less than 1.0 (where C 1 is the average value (mass%) of the carbon concentration on the surface hardened layer surface. N2 is an average value (% by mass) of nitrogen concentration on the surface hardened layer surface) .
請求項3に記載の窒化部品の製造方法であって
σ /σの式にて定義される表面の圧縮残留応力の向上率が1.1以上である(但し、上記σ は、上記脱炭工程を経ることなく上記窒化用部材の表面を窒化処理して得られる窒化部品の表面の圧縮残留応力、上記σ は、上記脱炭工程を経た上記窒化用部材の表面を窒化処理して得られる窒化部品の表面の圧縮残留応力)ことを特徴とする窒化部品の製造方法。
A method for producing a nitrided part according to claim 3 ,
The improvement rate of the compressive residual stress of the surface defined by the equation of σ 1 / σ 0 is 1.1 or more (provided that σ 0 is the surface of the nitriding member without passing through the decarburization step. The compressive residual stress on the surface of the nitrided part obtained by nitriding treatment, σ 1 is the compressive residual stress on the surface of the nitrided part obtained by nitriding the surface of the nitriding member that has undergone the decarburization step) A method for producing a nitrided component.
請求項3または4に記載の窒化部品の製造方法であって、
上記化学成分は、質量%で、Si:1.5%以下、Mn:1.5%以下、Ni:4.0%以下、W:5.0%以下およびB:0.03%以下から選択される1種または2種以上を含有することを特徴とする窒化部品の製造方法。
A method for producing a nitrided part according to claim 3 or 4,
The chemical component is selected from mass%, Si: 1.5% or less, Mn: 1.5% or less, Ni: 4.0% or less, W: 5.0% or less, and B: 0.03% or less. A method for producing a nitrided part, comprising one or more of the above.
請求項3〜5のいずれか1項に記載の窒化部品の製造方法であって、
上記脱炭工程は、上記素材としての鋼製の窒化用部材の表面に脱炭処理を施すことにより脱炭層を形成することを特徴とする窒化部品の製造方法。
A method for manufacturing a nitride component according to any one of claims 3 to 5,
The said decarburization process forms a decarburization layer by performing a decarburization process on the surface of the steel nitriding member as said raw material, The manufacturing method of the nitriding component characterized by the above-mentioned.
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