JP6558016B2 - Carburized machine structural parts - Google Patents
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Description
本発明は、浸炭して表面硬化を施した機械構造部品に関する。 The present invention relates to a machine structural component that has been carburized and subjected to surface hardening.
自動車や産業機械の歯車、シャフトなどの鋼製動力伝達部品には、表面硬化処理の一種である浸炭焼入れが施されるものがある。 Some steel power transmission parts such as gears and shafts of automobiles and industrial machines are subjected to carburizing and quenching, which is a kind of surface hardening treatment.
浸炭焼入れする機械構造部品の製造方法は、例えば次の方法が挙げられる。即ち、初めに、最終部品に近い形状の粗部材を製造する。製造された粗部材に対して、切削加工を施して、最終部品形状にさらに近い中間部材を製造する。中間部材に対して浸炭焼入れ、研削加工を順次施して、最終部品としての機械構造部品を得る。 As a method for manufacturing a machine structural part to be carburized and quenched, for example, the following method may be mentioned. That is, first, a rough member having a shape close to the final part is manufactured. The manufactured rough member is cut to produce an intermediate member closer to the final part shape. Carburizing and quenching and grinding are sequentially performed on the intermediate member to obtain a machine structural part as a final part.
このように製造された部品は、燃費向上のため、小型化、軽量化が進み、部品にかかる負荷が増加する傾向にある。この結果、摺動面の耐摩耗性（特に高負荷が繰り返されることによる耐疲労摩耗）や、繰り返し数が１０7回オーダでの曲げ疲労強度（以下、単に「曲げ疲労強度」と称する場合がある）、さらには高負荷が繰り返される状況下における繰り返し数が１０4回オーダでの曲げ疲労強度（以下、単に「低サイクル曲げ疲労強度」と称する場合がある）に優れた部品の開発が、益々要請されている。 Parts manufactured in this way tend to be smaller and lighter in order to improve fuel efficiency, and the load on the parts tends to increase. As a result, the wear resistance of the sliding surface (especially fatigue wear due to repeated high loads) and the bending fatigue strength when the number of repetitions is on the order of 10 7 times (hereinafter simply referred to as “bending fatigue strength”). In addition, the development of a part having excellent bending fatigue strength (hereinafter sometimes simply referred to as “low cycle bending fatigue strength”) when the number of repetitions is on the order of 10 4 times under the condition where high load is repeated. It is increasingly requested.
疲労強度を高める技術は、特許文献１から３に開示されている。 Techniques for increasing fatigue strength are disclosed in Patent Documents 1 to 3.
特許文献１には、鋼部材に、強度向上のためのショットピーニングを施し、さらにその極表層部を切削加工する技術が開示されている。特許文献１では、当該技術により、疲労特性及びショットピーニング加工部の被削性が向上する、とされている。 Patent Document 1 discloses a technique in which a steel member is subjected to shot peening for improving strength, and the extreme surface layer portion is further cut. In Patent Document 1, it is said that the fatigue characteristics and the machinability of the shot peening portion are improved by the technique.
特許文献２には、浸炭焼入れ及び焼戻しを施して表面硬化層を形成した後、表面硬化層を研削除去する技術が開示されている。特許文献２では、当該技術により、疲労強度が高まる、とされている。 Patent Document 2 discloses a technique of grinding and removing a surface hardened layer after carburizing and tempering to form a surface hardened layer. In Patent Document 2, the fatigue strength is increased by the technique.
特許文献３には、金属部材に対して、すくい面をネガティブ方向に３０〜５０°の範囲で傾けた工具を用いて旋削加工を施す技術が開示されている。特許文献３では、当該技術により、ショットピーニングのような工程を施さなくても、圧縮残留応力を付与して疲労強度を高めることができる、とされている。 Patent Document 3 discloses a technique for turning a metal member using a tool having a rake face inclined in a negative direction in a range of 30 to 50 °. In Patent Document 3, it is said that the fatigue strength can be increased by applying compressive residual stress without applying a process such as shot peening by the technique.
ところで、昨今の機械構造部品、例えば、歯車、シャフトおよびCVTプーリーに用いられる機械構造部品については、摺動と衝撃的な荷重が繰り返し付加されることがあるという理由から、優れた耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が同時に要求される。 By the way, because of the fact that mechanical and structural parts used in recent mechanical structures, such as gears, shafts and CVT pulleys, may be repeatedly subjected to sliding and impact loads, excellent wear resistance, Bending fatigue strength and low cycle bending fatigue strength are required at the same time.
しかしながら、特許文献１から３に開示された技術によって製造された機械構造部品であっても、耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度を同時に高いレベルで発現させることは困難な場合がある。また、コスト面からは、ショットピーニングを省略し、さらに切削加工時に工具摩耗を抑制することも望まれる。 However, even in the case of machine structural parts manufactured by the techniques disclosed in Patent Documents 1 to 3, it may be difficult to develop high levels of wear resistance, bending fatigue strength, and low cycle bending fatigue strength at the same time. is there. Further, from the viewpoint of cost, it is also desired to omit shot peening and further suppress tool wear during cutting.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度に優れ、しかも被削性にも優れた浸炭機械構造部品を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a carburized machine structural component that is excellent in wear resistance, bending fatigue strength and low cycle bending fatigue strength, and also excellent in machinability. And
本発明者らは、耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度に優れ、しかも被削性にも優れた浸炭機械構造部品について、鋭意検討した。その結果、浸炭機械構造部品の化学組成と、金属組織と、表面の算術平均粗さと、を制御すれば、耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度に優れ、しかも被削性にも優れた浸炭機械構造部品を得ることができる、との知見を得た。以上の知見に基づき、本発明者らは発明を完成した。その要旨は以下のとおりである。 The present inventors diligently studied on carburized machine structural parts that are excellent in wear resistance, bending fatigue strength, low cycle bending fatigue strength, and excellent in machinability. As a result, by controlling the chemical composition of the carburized machine structural parts, the metal structure, and the arithmetic average roughness of the surface, it is excellent in wear resistance, bending fatigue strength and low cycle bending fatigue strength, and also in machinability. We obtained the knowledge that excellent carburized machine structural parts can be obtained. Based on the above findings, the present inventors have completed the invention. The summary is as follows.
［１］質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０１〜０．２５％、Ｍｎ：０．４〜０．９％、Ｓ：０．００３〜０．０５０％、Ｃｒ：１．６５〜２．００％、Ａｌ：０．０１〜０．０６％、Ｎｂ：０．０１〜０．０６％、及びＮ：０．０１０〜０．０２５％を含有するとともに、残部：Ｆｅ及び不可避的不純物を含み、
下記の（１）式で表されるＦｎ１が、−３５≦Ｆｎ１≦−３０を満たし、
不純物としてのＰ及びＯの含有量が、それぞれ、Ｐ：０．０２０％以下、及びＯ：０．００２％以下であり、
表層部のＣ含有量（Ｃｓ）が、０．６５〜１．０％であり、
表面から２０μｍの深さの組織が、マルテンサイト及び残留オーステナイトの合計で９７％以上であり、
表面から２００μｍ深さの範囲での最大残留オーステナイト体積率が１３〜２８％であり、
表面から２０μｍの深さ位置での残留オーステナイト体積率と、表面から２００μｍの範囲で最大残留オーステナイト体積率との、比が０．８以下であり、
表面に厚さ１〜１５μｍの塑性流動組織を有し、
表面の算術平均粗さＲａが０．８μｍ以下である、
ことを特徴とする浸炭機械構造部品。
Ｆｎ１＝３８×Ｓｉ−７×Ｍｎ＋７×Ｎｉ−１７×Ｃｒ−１０×Ｍｏ ・・・（１）
但し、（１）式中の元素記号には、その元素の含有量（質量％）が代入される。
[1] By mass%, C: 0.10 to 0.30%, Si: 0.01 to 0.25%, Mn: 0.4 to 0.9%, S: 0.003 to 0.050% , Cr: 1.65 to 2.00%, Al: 0.01 to 0.06%, Nb: 0.01 to 0.06%, and N: 0.010 to 0.025%, The balance: Fe and unavoidable impurities,
Fn1 represented by the following formula (1) satisfies −35 ≦ Fn1 ≦ −30,
The contents of P and O as impurities are respectively P: 0.020% or less and O: 0.002% or less,
The C content (Cs) of the surface layer part is 0.65 to 1.0%,
The structure having a depth of 20 μm from the surface is 97% or more in total of martensite and retained austenite,
The maximum retained austenite volume fraction in the range of 200 μm depth from the surface is 13 to 28%,
The ratio of the retained austenite volume fraction at a depth position of 20 μm from the surface to the maximum retained austenite volume fraction in the range of 200 μm from the surface is 0.8 or less,
It has a plastic flow structure with a thickness of 1 to 15 μm on the surface,
The arithmetic average roughness Ra of the surface is 0.8 μm or less,
Carburized machine structural parts characterized by that.
Fn1 = 38 × Si-7 × Mn + 7 × Ni-17 × Cr-10 × Mo (1)
However, the content (mass%) of the element is substituted for the element symbol in the formula (1).
［２］質量％で、Ｐｂ：０．５％、Ｃｕ：０．０５〜０．３％、Ｎｉ：０．０５〜０．３％、及びＭｏ：０．０５〜０．１５％から選択される１種以上を含有する、上記［１］に記載の浸炭機械構造部品。 [2] By mass%, Pb: 0.5%, Cu: 0.05-0.3%, Ni: 0.05-0.3%, and Mo: 0.05-0.15% The carburized machine structural component according to the above [1], including at least one of the above.
本発明に係る浸炭機械構造部品では、浸炭機械構造部品の化学組成と、金属組織と、表面の算術平均粗さと、について改良を加えている。その結果、本発明に係る浸炭機械構造部品によれば、耐摩耗性、曲げ疲労強度、低サイクル曲げ疲労強度、被削性を、すべて高いレベルで発現することができる。 In the carburized machine structural component according to the present invention, the chemical composition, metal structure, and arithmetic average roughness of the surface of the carburized machine structural component are improved. As a result, according to the carburized machine structural component according to the present invention, the wear resistance, the bending fatigue strength, the low cycle bending fatigue strength, and the machinability can all be expressed at a high level.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、単に「実施形態」と称する場合がある）を詳細に説明する。これらの実施形態は、本発明を限定するものではない。また、上記実施形態の構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。さらに、上記実施形態に含まれる各種形態は、当業者が自明の範囲内で任意に組み合わせることができる。なお、図中、同一又は相当する部材には、同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter, simply referred to as “embodiments”) will be described in detail with reference to the drawings. These embodiments do not limit the present invention. The constituent elements of the above embodiment include those that can be easily replaced by those skilled in the art or those that are substantially the same. Furthermore, various forms included in the above-described embodiments can be arbitrarily combined within a range obvious to those skilled in the art. In the drawings, the same or corresponding members are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
＜浸炭機械構造部品＞
浸炭機械構造部品（以下、単に「部品」と称する場合がある）の素材となる鋼材は、次の化学組成を有する。なお、以下に示す各元素の割合（％）は全て質量％を意味する。
<Carburized machine structural parts>
A steel material which is a material of a carburized machine structural component (hereinafter sometimes simply referred to as “component”) has the following chemical composition. In addition, the ratio (%) of each element shown below means mass%.
[浸炭機械構造部品の化学組成（必須要件）}
Ｃ：０．１〜０．３％
炭素（Ｃ）は、部品の強度（特に芯部の強度）を高める。Ｃ含有量が低すぎれば、この効果が得られず、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。一方、Ｃ含有量が高すぎれば、鋼材の強度が高くなり、鋼材の被削性が低下する。従って、Ｃ含有量は０．１〜０．３％とする。Ｃ含有量の好ましい下限は０．１５％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．２５％である。
[Chemical composition of carburized machine structural parts (required)}
C: 0.1 to 0.3%
Carbon (C) increases the strength of the component (particularly the strength of the core). If the C content is too low, this effect cannot be obtained, and the bending fatigue strength and the low cycle bending fatigue strength are reduced. On the other hand, if the C content is too high, the strength of the steel material increases and the machinability of the steel material decreases. Therefore, the C content is 0.1 to 0.3%. The minimum with preferable C content is 0.15%. The upper limit with preferable C content is 0.25%.
Ｓｉ：０．２５％以下
シリコン（Ｓｉ）は、表面硬化処理後の切削加工時に、工具と鋼の凝着を引き起こし、工具摩耗を増大させる。従って、Ｓｉ含有量は０．２５％以下とする。Ｓｉ含有量の好ましい上限は、０．１５％である。なお、量産における製造コストを考慮すると、Ｓｉ含有量の下限は０．０１％とすることが好ましい。
Si: 0.25% or less Silicon (Si) causes adhesion between the tool and steel during cutting after the surface hardening treatment, and increases tool wear. Therefore, the Si content is 0.25% or less. The upper limit with preferable Si content is 0.15%. In view of manufacturing costs in mass production, the lower limit of the Si content is preferably 0.01%.
Ｍｎ：０．４〜０．９％
マンガン（Ｍｎ）は、鋼の焼入れ性を高めるとともに、鋼中の残留オーステナイトを増加させる。その結果、部品の耐摩耗性及び曲げ疲労強度が高まる。しかし、Ｍｎ含有量が０．４％未満では、この効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が０．９％を超えると、ガス浸炭中の表層にセメンタイトが生成しやすくなり、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。従って、Ｍｎ含有量は０．４〜０．９％に限定する。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．５％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は０．８％である。
Mn: 0.4 to 0.9%
Manganese (Mn) increases the hardenability of the steel and increases retained austenite in the steel. As a result, the wear resistance and bending fatigue strength of the parts are increased. However, if the Mn content is less than 0.4%, this effect cannot be obtained. On the other hand, when the Mn content exceeds 0.9%, cementite is likely to be generated on the surface layer during gas carburizing, and the bending fatigue strength and the low cycle bending fatigue strength are reduced. Therefore, the Mn content is limited to 0.4 to 0.9%. The minimum with preferable Mn content is 0.5%. The upper limit with preferable Mn content is 0.8%.
Ｐ：０．０５０％以下
燐（Ｐ）は不純物である。Ｐは、オーステナイト結晶粒界に偏析して鋼を脆化する。従って、Ｐ含有量は０．０５０％以下とする。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０３０％であって、さらに低いことがより好ましい。
P: 0.050% or less Phosphorus (P) is an impurity. P segregates at austenite grain boundaries and embrittles the steel. Therefore, the P content is 0.050% or less. The upper limit with preferable P content is 0.030%, and it is more preferable that it is still lower.
Ｓ：０．００３〜０．０５０％
硫黄（Ｓ）は、Ｍｎと結合してＭｎＳを形成し、被削性を高める。Ｓ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｓ含有量が高すぎれば、粗大なＭｎＳを形成して、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。従って、Ｓ含有量は０．００３〜０．０５０％に限定する。Ｓ含有量の好ましい上限は０．０１５％である。
S: 0.003 to 0.050%
Sulfur (S) combines with Mn to form MnS and enhances machinability. If the S content is too low, this effect cannot be obtained. On the other hand, if the S content is too high, coarse MnS is formed, and the bending fatigue strength and the low cycle bending fatigue strength are lowered. Therefore, the S content is limited to 0.003 to 0.050%. The upper limit with preferable S content is 0.015%.
Ｃｒ：１．６５〜２．００％
クロム（Ｃｒ）は、炭素との親和性が高いため、ガス浸炭時に表面炭素濃度を増大させる効果があり、また、浸炭層のＭｓ点を低下させる効果がある。その結果、浸炭焼入れ後の表層に残留オーステナイトが生成するため、疲労摩耗による耐摩耗性向上に有効な元素である。しかし、その含有量が１．６５％未満では、上記効果が十分でなく、目標とする耐摩耗性が得られない。一方、Ｃｒの含有量が２．００％を超えると、ガス浸炭中の表層にセメンタイトが生成しやすくなり、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。従って、Ｃｒの含有量を１．６５〜２．００％とした。Ｃｒの含有量は、１．７０％以上とすることが好ましく、１．７５％以上とすることが一層好ましい。また、Ｃｒの含有量は１．９５％以下とすることが好ましく、１．９０％以下とすることが一層好ましい。
Cr: 1.65 to 2.00%
Since chromium (Cr) has a high affinity with carbon, it has the effect of increasing the surface carbon concentration during gas carburizing and the effect of reducing the Ms point of the carburized layer. As a result, retained austenite is generated in the surface layer after carburizing and quenching, and is therefore an effective element for improving wear resistance due to fatigue wear. However, if the content is less than 1.65%, the above effect is not sufficient, and the target wear resistance cannot be obtained. On the other hand, when the Cr content exceeds 2.00%, cementite is likely to be generated on the surface layer during gas carburizing, and the bending fatigue strength and the low cycle bending fatigue strength are reduced. Therefore, the Cr content is set to 1.65 to 2.00%. The Cr content is preferably 1.70% or more, and more preferably 1.75% or more. Further, the Cr content is preferably 1.95% or less, and more preferably 1.90% or less.
Ａｌ：０．０１０〜０．０６０％
アルミニウム（Ａｌ）は、Ｎと結合してＡｌＮを形成し、鋼の結晶粒を微細化することで、鋼の強度を高める。Ａｌ含有量が低すぎれば、この効果は得られない。一方、Ａｌ含有量が高すぎれば、硬質で粗大なＡｌ２Ｏ３が生成して、鋼の被削性が低下し、さらに、曲げ疲労強度及び低サイクル疲労強度も低下する。従って、Ａｌ含有量は０．０１０〜０．０６０％とする。Ａｌ含有量の好ましい下限は０．０２０％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０５０％である。
Al: 0.010 to 0.060%
Aluminum (Al) combines with N to form AlN, and refines the crystal grains of the steel, thereby increasing the strength of the steel. If the Al content is too low, this effect cannot be obtained. On the other hand, if the Al content is too high, hard and coarse Al 2 O 3 is generated, the machinability of the steel is lowered, and the bending fatigue strength and the low cycle fatigue strength are also lowered. Therefore, the Al content is made 0.010 to 0.060%. The minimum with preferable Al content is 0.020%. The upper limit with preferable Al content is 0.050%.
Ｎｂ：０．０１〜０．０６％
ニオブ（Ｎｂ）は、Ｃ、Ｎと結合してＮｂＣ、ＮｂＮ、Ｎｂ（Ｃ、Ｎ）を形成することで、浸炭加熱時のオーステナイト粒の粗大化を抑制する効果がある。その結果、使用時に亀裂の発生を抑制して、部品の低サイクル曲げ疲労強度が顕著に向上する。この効果を安定して得るためには、０．０１％以上のＮｂを含有させる必要がある。一方、Ｎｂの含有量が０．０６％を超えると、オーステナイト粒粗大化抑制の効果がむしろ低下する。従って、Ｎｂの含有量を０．０１〜０．０６％とした。Ｎｂの含有量は、０．０１５％以上とすることが好ましく、０．０２％以上とすることが一層好ましい。また、Ｎｂの含有量は０．０５％以下とすることが好ましく、０．０４％以下とすることが一層好ましい。
Nb: 0.01 to 0.06%
Niobium (Nb) combines with C and N to form NbC, NbN, and Nb (C, N), thereby suppressing the austenite grain coarsening during carburizing heating. As a result, the occurrence of cracks during use is suppressed, and the low cycle bending fatigue strength of the part is significantly improved. In order to obtain this effect stably, it is necessary to contain 0.01% or more of Nb. On the other hand, when the Nb content exceeds 0.06%, the effect of suppressing the austenite grain coarsening is rather lowered. Therefore, the Nb content is set to 0.01 to 0.06%. The Nb content is preferably 0.015% or more, and more preferably 0.02% or more. The Nb content is preferably 0.05% or less, and more preferably 0.04% or less.
Ｎ：０．０１０〜０．０２５％
窒素（Ｎ）は窒化物を形成して鋼の結晶粒を微細化し、部品の耐摩耗性を高める。Ｎ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｎ含有量が高すぎれば、粗大な窒化物が生成して鋼の靱性が低下する。従って、Ｎ含有量を０．０１０〜００２５％に限定する。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０２０％である。
N: 0.010 to 0.025%
Nitrogen (N) forms a nitride to refine the crystal grains of the steel and enhances the wear resistance of the part. If the N content is too low, this effect cannot be obtained. On the other hand, if the N content is too high, coarse nitrides are generated and the toughness of the steel is reduced. Therefore, the N content is limited to 0.010 to 0025%. The upper limit with preferable N content is 0.020%.
Ｏ：０．００２％以下
酸素（Ｏ）は不純物である。ＯはＡｌと結合して硬質な酸化物系介在物を形成する。酸化物系介在物は鋼の被削性を低下させ、曲げ疲労強度及び低サイクル疲労強度も低下させる。従って、Ｏ含有量は０．００２％以下とする。Ｏ含有量はなるべく低い方がよい。
O: 0.002% or less Oxygen (O) is an impurity. O combines with Al to form hard oxide inclusions. Oxide inclusions reduce the machinability of steel and also reduce bending fatigue strength and low cycle fatigue strength. Therefore, the O content is 0.002% or less. The lower the O content, the better.
上記鋼材の化学組成の残部には、Ｆｅ及び不可避的不純物が含まれる。不可避的不純物は、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップ、又は、製造工程の環境等から混入する成分であって、鋼材に意図的に含有させた成分ではない成分を意味する。例えば、０．０１％以下のＢ、０．０１％以下のＣａ、０．０１％以下のＭｇなどが該当する。 The balance of the chemical composition of the steel material includes Fe and inevitable impurities. Inevitable impurities mean components that are mixed from ore and scrap used as a raw material of steel, or the environment of the manufacturing process, and are not components intentionally included in steel materials. For example, 0.01% or less of B, 0.01% or less of Ca, 0.01% or less of Mg, and the like are applicable.
[浸炭機械構造部品の化学組成（任意選択的要件）]
Ｐｂ：０．５％以下
鉛（Ｐｂ）は選択元素であり、含有されなくてもよい。Ｐｂを含有した場合、工具摩耗の低減、及び切り屑処理性の向上などの被削性が良好となる。しかしながら、Ｐｂ含有量が高すぎれば、鋼の強度及び靱性が低下し、耐摩耗性及び曲げ疲労強度も低下するため、Ｐｂ含有量の上限は０．５％以下とすることが好ましい。このようなＰｂの効果を安定して得るためには、Ｐｂの含有量は０．０３％以上とすることが好ましい。Ｐｂ含有量のさらに好ましい上限は０．４％以下である。
[Chemical composition of carburized machine structural parts (optional requirement)]
Pb: 0.5% or less Lead (Pb) is a selective element and may not be contained. When Pb is contained, machinability such as reduction of tool wear and improvement of chip disposal is improved. However, if the Pb content is too high, the strength and toughness of the steel are reduced, and the wear resistance and bending fatigue strength are also reduced. Therefore, the upper limit of the Pb content is preferably 0.5% or less. In order to stably obtain such an effect of Pb, the Pb content is preferably 0.03% or more. A more preferable upper limit of the Pb content is 0.4% or less.
Ｃｕ：０〜０．３％
銅（Ｃｕ）は、焼入れ性を高める作用があり、低サイクル曲げ疲労強度や耐ピッチング強度を高めるので、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｃｕの含有量が０．３％を超えると、浸炭性を阻害するために浸炭焼入れ後の残留オーステナイトが増加しにくくなり、耐摩耗性が低下する。従って、含有させる場合のＣｕ含有量は０．３％以下とすることが好ましい。Ｃｕの含有量は０．２５％以下とすることがさらに好ましく、０．２％以下とすることが一層好ましい。このようなＣｕの効果を安定して得るためには、Ｃｕの含有量は、０．０５以上とすることが好ましく、０．１％以上とすることが一層好ましい。
Cu: 0 to 0.3%
Copper (Cu) has the effect of enhancing the hardenability and increases the low cycle bending fatigue strength and the pitting resistance, so it may be contained as necessary. However, if the Cu content exceeds 0.3%, the carburizability is hindered, so that the retained austenite after carburizing and quenching hardly increases, and the wear resistance decreases. Therefore, when Cu is contained, the Cu content is preferably 0.3% or less. The Cu content is more preferably 0.25% or less, and still more preferably 0.2% or less. In order to stably obtain such an effect of Cu, the Cu content is preferably 0.05 or more, and more preferably 0.1% or more.
鋼材はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｍｏ及びＮｉからなる群から選択される１種以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも、鋼の焼入れ性を高め、残留オーステナイトを増加させる。 The steel material may further contain one or more selected from the group consisting of Mo and Ni instead of a part of Fe. All of these elements increase the hardenability of the steel and increase the retained austenite.
Ｍｏ：０．１５％以下
モリブデン（Ｍｏ）は選択元素であり、含有されなくてもよい。Ｍｏは鋼の焼入れ性を高め、残留オーステナイトを増加させる。Ｍｏはさらに、焼戻し軟化抵抗を高め、耐摩耗性及び曲げ疲労強度を高める。しかしながら、Ｍｏ含有量が高すぎれば、浸炭焼入れ及び焼戻し後の残留オーステナイトが過剰となる。この場合、切削加工時に十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生しない。その結果、部品の耐摩耗性及び曲げ疲労強度が低下する。従って、Ｍｏ含有量を０．１５％以下に限定することが好ましい。Ｍｏ含有量のさらに好ましい上限は０．１３％である。また、Ｍｏを添加する場合、上記の効果を得るためのＭｏ含有量の好ましい下限は０．０５％である。
Mo: 0.15% or less Molybdenum (Mo) is a selective element and may not be contained. Mo increases the hardenability of the steel and increases retained austenite. Mo further increases the resistance to temper softening and increases the wear resistance and bending fatigue strength. However, if the Mo content is too high, residual austenite after carburizing and tempering becomes excessive. In this case, sufficient work-induced martensitic transformation does not occur during cutting. As a result, the wear resistance and bending fatigue strength of the parts are reduced. Therefore, it is preferable to limit the Mo content to 0.15% or less. A more preferable upper limit of the Mo content is 0.13%. Moreover, when adding Mo, the minimum with preferable Mo content for obtaining said effect is 0.05%.
Ｎｉ：０．３％以下
ニッケル（Ｎｉ）は選択元素であり、含有されなくてもよい。Ｎｉは鋼の焼入れ性を高め、残留オーステナイトを増加させる。Ｎｉはさらに、鋼の靱性を高める。しかしながら、Ｎｉ含有量が高すぎれば、浸炭焼入れ及び焼戻し後の残留オーステナイトが過剰となる。この場合、焼戻し後の切削加工時に十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生しない。その結果、部品の耐摩耗性及び曲げ疲労強度が低下する。従って、Ｎｉ含有量を０．３％以下とすることが好ましい。Ｎｉ含有量のさらに好ましい上限は０．２％である。また、Ｎｉを添加する場合、上記の効果を得るためのＮｉ含有量の好ましい下限は０．０５％である。
Ni: 0.3% or less Nickel (Ni) is a selective element and may not be contained. Ni increases the hardenability of the steel and increases the retained austenite. Ni further increases the toughness of the steel. However, if the Ni content is too high, residual austenite after carburizing and tempering becomes excessive. In this case, sufficient work-induced martensitic transformation does not occur during cutting after tempering. As a result, the wear resistance and bending fatigue strength of the parts are reduced. Therefore, the Ni content is preferably 0.3% or less. A more preferable upper limit of the Ni content is 0.2%. Moreover, when adding Ni, the minimum with preferable Ni content for acquiring said effect is 0.05%.
[各元素の含有量の関係（必須要件）]
本実施形態に係る浸炭機械構造部品は、下記（２）式で表されるＦｎ１が、−３５以上−３０以下の範囲内でなければならない。
Ｆｎ１＝３８×Ｓｉ−７×Ｍｎ＋７×Ｎｉ−１７×Ｃｒ−１０×Ｍｏ ・・・（２）
なお、（１）式中の元素記号には、その元素の含有量（質量％）が代入される。
[Relationship of the content of each element (required requirement)]
In the carburized machine structural component according to the present embodiment, Fn1 represented by the following formula (2) must be within a range of −35 or more and −30 or less.
Fn1 = 38 × Si-7 × Mn + 7 × Ni-17 × Cr-10 × Mo (2)
In addition, the content (mass%) of the element is substituted for the element symbol in the formula (1).
本実施形態に係る浸炭機械構造部品において、耐摩耗性を効率的に発現させるためには、浸炭焼入れ後に安定して残留オーステナイトを生成することが必要である。このためには、Ｆｎ１が上記範囲になければならない。Ｆｎ１は、ガス浸炭における炭素侵入のしやすさの指標であり、Ｆｎ１が小さいほど同じガス浸炭条件でも、表面の炭素濃度は高くなる。 In the carburized machine structural component according to the present embodiment, it is necessary to stably generate retained austenite after carburizing and quenching in order to efficiently exhibit wear resistance. For this purpose, Fn1 must be in the above range. Fn1 is an index of the ease of carbon penetration in gas carburization, and the smaller the Fn1, the higher the surface carbon concentration even under the same gas carburizing conditions.
しかしながら、Ｆｎ１が−３５より小さくなると、表面にセメンタイトが生成し、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。また、Ｆｎ１が−３０を超えると、表面の炭素濃度の上昇が不十分であり浸炭焼入れ時に生じる残留オーステナイト量が不十分となり、有効な耐摩耗性を発現できない。従って、−３５≦Ｆｎ１≦−３０とした。Ｆｎ１は、−３３以上であることが好ましく、また、−３１以下であることが好ましい。 However, when Fn1 is smaller than −35, cementite is generated on the surface, and the bending fatigue strength and the low cycle bending fatigue strength are reduced. On the other hand, if Fn1 exceeds -30, the carbon concentration on the surface is not sufficiently increased, the amount of retained austenite generated during carburizing and quenching is insufficient, and effective wear resistance cannot be exhibited. Therefore, −35 ≦ Fn1 ≦ −30. Fn1 is preferably −33 or more, and more preferably −31 or less.
[表層部のＣ含有量（Ｃｓ）：０．６５〜１．０％]
表層部に含まれるＣは、部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度を高める。Ｃｓが低ければ、切削加工前後での残留オーステナイトの体積減少率が小さくなり、表層の硬さも低くなる。その結果、部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。一方、Ｃｓが高ければ、表層部に硬質な初析セメンタイトが生成する。Ｃｓが過度に高く、表層部の初析セメンタイトが３％を超えた場合、セメンタイトが疲労破壊の起点となり、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下するだけでなく、切削加工時の工具摩耗が増大し、被削性が低下する。従って、表層部のＣ含有量（Ｃｓ）を０．６５〜１．０％に限定する。Ｃｓの好ましい下限は０．７０％である。Ｃｓの好ましい上限は０．９５％である。
[C content of surface layer portion (Cs): 0.65 to 1.0%]
C contained in the surface layer portion increases the wear resistance, bending fatigue strength and low cycle bending fatigue strength of the part. If Cs is low, the volume reduction rate of the retained austenite before and after cutting becomes small, and the hardness of the surface layer also becomes low. As a result, the wear resistance, bending fatigue strength, and low cycle bending fatigue strength of the parts are reduced. On the other hand, if Cs is high, hard pro-eutectoid cementite is generated in the surface layer portion. When Cs is excessively high and the pro-eutectoid cementite in the surface layer exceeds 3%, cementite becomes the starting point of fatigue failure, not only the bending fatigue strength and low cycle bending fatigue strength decrease, but also tool wear during cutting. Increases and machinability decreases. Therefore, the C content (Cs) of the surface layer is limited to 0.65 to 1.0%. The preferable lower limit of Cs is 0.70%. A preferable upper limit of Cs is 0.95%.
[浸炭機械構造部品の組織及び表面の算術平均粗さ]
本実施形態に係る浸炭機械構造部品は、その表面から２０μｍの深さの組織が、マルテンサイト及び残留オーステナイトの合計で９７％以上であり、表面から２００μｍ深さの範囲での最大残留オーステナイト体積率（Ｒ１）が１３〜２８％であり、表面から２０μｍの深さ位置（以下、単に「基準位置」と称する場合がある）での残留オーステナイト体積率（Ｒ２）と、表面から２００μｍの範囲で最大残留オーステナイト体積率との、比（Ｍ）が０．８以下であり、表面に厚さ１〜１５μｍの塑性流動組織を有し、表面の算術平均粗さＲａが０．８μｍ以下である。
[Arithmetic mean roughness of the structure and surface of carburized machine structural parts]
In the carburized machine structural component according to the present embodiment, the structure having a depth of 20 μm from the surface is 97% or more in total of martensite and retained austenite, and the maximum retained austenite volume ratio in the range of 200 μm depth from the surface. (R1) is 13 to 28%, and the retained austenite volume ratio (R2) at a depth position of 20 μm from the surface (hereinafter sometimes simply referred to as “reference position”) is maximum in the range of 200 μm from the surface. The ratio (M) to the residual austenite volume fraction is 0.8 or less, the surface has a plastic flow structure having a thickness of 1 to 15 μm, and the arithmetic average roughness Ra of the surface is 0.8 μm or less.
浸炭機械構造部品の組織観察は次の方法で実施される。上記基準位置を含む試験片を用意する。鏡面研磨した試験片を、５％ナイタール溶液で腐食する。表面から２０μｍ深さの位置を中心として、倍率１０００倍の光学顕微鏡にて３視野観察する。観察の対象範囲は、視野の中心から部品の表面方向に１０μｍ、視野の中心から部品内部方向に１０μｍ、視野の中心から部品の表面方向と垂直な両方向に各々５０μｍの２０μｍ×１００μｍの範囲内であり、各相の面積率を通常の画像解析方法によって求める。得られた各相の面積率を各相の体積率と定義する。 Observation of the structure of carburized machine structural parts is carried out by the following method. A test piece including the reference position is prepared. The mirror polished specimen is corroded with 5% nital solution. Three visual fields are observed with an optical microscope with a magnification of 1000, centered on a position 20 μm deep from the surface. The observation target range is 10 μm from the center of the field of view to the surface of the part, 10 μm from the center of the field of view to the inside of the part, and 50 μm from the center of the field of view to the surface of the part. Yes, the area ratio of each phase is obtained by a normal image analysis method. The area ratio of each obtained phase is defined as the volume ratio of each phase.
光学顕微鏡による組織観察では、フェライト、セメンタイト、及びマルテンサイトと残留オーステナイトの混合組織が区別して観察される。但し、残留オーステナイトはマルテンサイト相中に含まれるため、光学顕微鏡では、マルテンサイトと残留オーステナイトを区別することができない。そこで、部品の残留オーステナイトの体積率を、次の方法で測定する。 In the structure observation with an optical microscope, ferrite, cementite, and a mixed structure of martensite and retained austenite are distinguished and observed. However, since retained austenite is contained in the martensite phase, the optical microscope cannot distinguish between martensite and retained austenite. Therefore, the volume ratio of the retained austenite of the part is measured by the following method.
即ち、部品の表面にφ３ｍｍの穴が開いたマスキングを施し、電解研磨を施す。１１．６％の塩化アンモニウムと、３５．１％のグリセリンと、５３．３％の水とを含有する電解液を準備する。この電解液を用いて、基準位置を含む表面を、＋２０Ｖの電圧で電解研磨を実施する。電解研磨の時間を変化させることで研磨量を調整し、２０μｍ深さの穴を開ける。 That is, masking with a 3 mm hole formed on the surface of the component is performed, and electropolishing is performed. An electrolyte is prepared containing 11.6% ammonium chloride, 35.1% glycerin, and 53.3% water. Using this electrolytic solution, the surface including the reference position is subjected to electropolishing at a voltage of + 20V. The amount of polishing is adjusted by changing the electrolytic polishing time, and a hole having a depth of 20 μm is formed.
続いて、電解研磨された穴底面の残留オーステナイト量を測定する。測定には市販のＸ線回折装置を使用することができる。光源にはＣｒ管球を使用する。Ｘ線回折により得られたｂｃｃ構造の（２２１）面と、ｆｃｃ構造の（２２０）面の回折ピークの積分強度比に基づいて、残留オーステナイトの体積率を測定する。 Subsequently, the amount of retained austenite on the bottom surface of the electropolished hole is measured. A commercially available X-ray diffractometer can be used for the measurement. A Cr tube is used as the light source. The volume fraction of retained austenite is measured based on the integrated intensity ratio of the diffraction peaks of the (221) plane of the bcc structure and the (220) plane of the fcc structure obtained by X-ray diffraction.
(基準位置での組織：マルテンサイトと残留オーステナイト合計で９７％以上)
表面から２０μｍの深さ位置（基準位置）にフェライト、パーライト等の強度の低い相が存在すれば、これらの相を基点に亀裂が発生しやすく、部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。また、初析セメンタイトが存在すれば、切削加工時の工具摩耗が増大するうえに、疲労破壊の起点となるため、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。従って、マルテンサイト及び残留オーステナイト合計の体積率を９７％以上に限定する。上記体積率は９９％以上とすることが好ましい。
(Structure at reference position: 97% or more in total of martensite and retained austenite)
If low strength phases such as ferrite and pearlite are present at a depth of 20 μm (reference position) from the surface, cracks are likely to occur based on these phases, and the wear resistance, bending fatigue strength and low cycle of parts Bending fatigue strength decreases. In addition, if pro-eutectoid cementite is present, the wear of the tool during cutting increases, and it becomes a starting point for fatigue failure, so that the bending fatigue strength and the low cycle bending fatigue strength are reduced. Accordingly, the total volume ratio of martensite and retained austenite is limited to 97% or more. The volume ratio is preferably 99% or more.
(表面から２００μｍ深さの範囲での最大残留オーステナイト体積率（Ｒ１）：１３〜２８％)
残留オーステナイトは、切削加工時に加工誘起マルテンサイト変態を発生する。その結果、表面の強度が上昇し、部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が上昇する。このような効果を得るためには、最大残留オーステナイト体積率（Ｒ１）が少なくとも１３％存在しなければならない。一方、残留オーステナイトは軟質であるため体積率（Ｒ１）が２８％を超えるとかえって強度が低下する。従って、体積率（Ｒ１）は１３〜２８％に限定する。体積率（Ｒ１）は１５〜２５％とすることが好ましい。なお、上述した電解研磨方法と同じ方法を用いて、表面から１０μｍピッチで２００μｍ深さまで測定した残留オーステナイトの体積率のうち最大の値を、最大残留オーステナイト体積率（Ｒ１）とした。
(Maximum retained austenite volume ratio (R1) in the range of 200 μm depth from the surface: 13 to 28%)
Residual austenite generates a processing-induced martensitic transformation during cutting. As a result, the surface strength increases, and the wear resistance, bending fatigue strength, and low cycle bending fatigue strength of the component increase. In order to obtain such an effect, the maximum retained austenite volume fraction (R1) must be at least 13%. On the other hand, since retained austenite is soft, if the volume ratio (R1) exceeds 28%, the strength is rather lowered. Therefore, the volume ratio (R1) is limited to 13 to 28%. The volume ratio (R1) is preferably 15 to 25%. In addition, using the same method as the above-described electrolytic polishing method, the maximum value of the volume fraction of retained austenite measured from the surface to a depth of 200 μm at a pitch of 10 μm was defined as the maximum retained austenite volume ratio (R1).
（基準位置での残留オーステナイト体積率（Ｒ２）と、表面から２００μｍの範囲で最大残留オーステナイト体積率（Ｒ１）との、比（Ｍ（＝Ｒ２／Ｒ１））が０．８以下）
比Ｍは、仕上げ加工時の加工誘起マルテンサイト変態の程度を表す。Ｍが小さいと、仕上げ加工時により多くの加工誘起マルテンサイト変態が発生したことを意味し、部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が向上する。上記の効果を得るためにはＭが０．８以下でなければならない。なお、好ましいＭの値は０．７５以下である。
(The ratio (M (= R2 / R1)) of the retained austenite volume fraction (R2) at the reference position to the maximum retained austenite volume fraction (R1) in the range of 200 μm from the surface is 0.8 or less)
The ratio M represents the degree of work-induced martensitic transformation during finishing. When M is small, it means that more work-induced martensitic transformation has occurred during finishing, and the wear resistance, bending fatigue strength and low cycle bending fatigue strength of the parts are improved. In order to obtain the above effect, M must be 0.8 or less. A preferable value of M is 0.75 or less.
（表面に厚さ１〜１５μｍの塑性流動組織が存在すること）
表層の塑性流動組織の厚さは次の方法で測定される。部品の表面を含み、部品の軸方向（例えば、ダンベル状の試験片の場合はその長手方向）に垂直な面（横断面）が観察面になるような試験片を採取する。鏡面研磨した試験片を、５％ナイタール溶液で腐食する。腐食された面を、倍率５０００倍の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察する。得られたＳＥＭ像の一例を図１に示す。同図において、塑性流動組織１１は、中心部１２に対して組織が製品部材の周方向（図１において紙面の左方向から右方向）に湾曲している部分であり、製品部材の表面から湾曲した組織の端までの距離を塑性流動組織１１の厚さと定義した。
(There must be a plastic flow structure with a thickness of 1 to 15 μm on the surface)
The thickness of the plastic flow structure of the surface layer is measured by the following method. A test piece including the surface of the part and taking a plane (cross section) perpendicular to the axial direction of the part (for example, the longitudinal direction in the case of a dumbbell-shaped test piece) is taken. The mirror polished specimen is corroded with 5% nital solution. The corroded surface is observed with a scanning electron microscope (SEM) at a magnification of 5000 times. An example of the obtained SEM image is shown in FIG. In the figure, a plastic flow structure 11 is a part where the structure is curved in the circumferential direction of the product member (from the left direction to the right direction in FIG. 1) with respect to the center portion 12, and is curved from the surface of the product member. The distance to the edge of the texture was defined as the thickness of the plastic flow structure 11.
本実施形態に係る浸炭機械構造部品を製造する際には、切削加工時に、表層に大きな変形が生じ、塑性流動組織が形成される。この塑性流動組織は硬質であり、厚さが１μｍ以上になると部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が向上する。しかし、塑性流動組織は脆いため、その厚さが薄い場合にはある程度変形が可能であるが、厚さが１５μｍを超えると、割れが生じて亀裂の発生起点となるため、部品の曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が逆に低下する。さらに、厚さが１５μｍを超えると、仕上げ加工時の工具への負担が大きくなり、工具寿命が著しく低下する。従って、表層の塑性流動組織の厚さは１〜１５μｍに限定した。 When manufacturing the carburized machine structural component according to the present embodiment, a large deformation occurs in the surface layer during cutting, and a plastic flow structure is formed. This plastic flow structure is hard, and when the thickness is 1 μm or more, the wear resistance, bending fatigue strength and low cycle bending fatigue strength of the parts are improved. However, since the plastic flow structure is brittle, it can be deformed to some extent when its thickness is thin. However, when the thickness exceeds 15 μm, cracks occur and become the starting point of cracks. On the contrary, the low cycle bending fatigue strength decreases. Furthermore, if the thickness exceeds 15 μm, the burden on the tool during finishing increases, and the tool life is significantly reduced. Therefore, the thickness of the plastic fluid structure of the surface layer was limited to 1 to 15 μm.
（表面の算術平均粗さＲａ：０．８μｍ以下）
算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ０６０１（２００１）に規定される算術平均粗さＲａであり、この規定に準拠する。算術平均粗さＲａの評価方法及び測定機は、ＪＩＳ Ｂ０６３３（２００１）及びＪＩＳ Ｂ０６５１（２００１）の規定に準拠する。
(Arithmetic mean surface roughness Ra: 0.8 μm or less)
The arithmetic average roughness Ra is an arithmetic average roughness Ra defined in JIS B0601 (2001), and conforms to this rule. The evaluation method and measuring machine of arithmetic mean roughness Ra comply with the provisions of JIS B0633 (2001) and JIS B0651 (2001).
表面の算術平均粗さＲａが０．８μｍよりも大きい場合、仕上げ研磨を行って、算術平均粗さＲａを０．８μｍ以下にする。仕上げ研磨としては、例えば、ラップ研磨を採用することができる。 When the arithmetic average roughness Ra of the surface is larger than 0.8 μm, finish polishing is performed so that the arithmetic average roughness Ra is 0.8 μm or less. As the finish polishing, for example, lapping polishing can be employed.
部品表面の算術平均粗さＲａが大きすぎれば、部品摺動面の摩擦抵抗が大きくなり、部品の耐摩耗性が低下する。従って、部品表面の算術平均粗さＲａは０．８μｍ以下に限定する。 If the arithmetic average roughness Ra of the component surface is too large, the frictional resistance of the component sliding surface increases and the wear resistance of the component decreases. Therefore, the arithmetic average roughness Ra of the component surface is limited to 0.8 μm or less.
以上示したように、本実施形態に係る浸炭機械構造部品では、特定の成分の鋼材に対して加工誘起変態を発生させて硬質のマルテンサイトを十分に存在させることで、耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度、及び被削性を高めることができる。また、本実施形態に係る浸炭機械構造部品では、さらに、Ｎｂを添加したことで、浸炭加熱時のオーステナイト粒の粗大化を抑制し、亀裂の発生を抑制し、特に、部品の低サイクル曲げ疲労強度を一段と高めることができる。 As described above, in the carburized machine structural component according to the present embodiment, the wear resistance and bending fatigue can be achieved by causing the processing-induced transformation to sufficiently occur in the steel material of a specific component and sufficiently including hard martensite. Strength, low cycle bending fatigue strength, and machinability can be increased. Further, in the carburized machine structural component according to the present embodiment, the addition of Nb suppresses the coarsening of austenite grains during carburizing heating, suppresses the occurrence of cracks, and in particular, low cycle bending fatigue of the component. The strength can be further increased.
＜浸炭機械構造部品の製造方法＞
次に、本実施形態に係る浸炭機械構造部品の製造方法の一例を説明する。
<Manufacturing method of carburized machine structural parts>
Next, an example of a method for manufacturing a carburized machine structural component according to the present embodiment will be described.
［粗加工品の製造工程］
上記化学組成を有する鋼材を加工して粗加工品を製造する。加工方法は周知の方法でよい。例えば、熱間加工、冷間加工、切削加工等を用いることができる。粗加工品は、最終部品に近い形状とする。
[Production process of roughly processed product]
The steel material having the above chemical composition is processed to produce a rough processed product. The processing method may be a known method. For example, hot working, cold working, cutting and the like can be used. The roughly processed product has a shape close to the final part.
［浸炭焼入れ工程］
浸炭焼入れ工程は、初めに、浸炭処理を施し、その後、恒温保持処理を施し、さらに、焼入れ処理及び焼き戻し処理を施す。浸炭処理、恒温保持処理、焼入れ処理及び焼き戻し処理は、それぞれ、次の条件で行う。
[Carburizing and quenching process]
In the carburizing and quenching step, first, carburizing treatment is performed, then constant temperature holding processing is performed, and further quenching processing and tempering processing are performed. The carburizing process, the constant temperature holding process, the quenching process, and the tempering process are performed under the following conditions, respectively.
（浸炭処理）
浸炭温度（Ｔ１）：９００〜１０５０℃
浸炭温度Ｔ１が低すぎれば、粗加工品の表層が十分に浸炭されない。この場合、浸炭焼入れ後の残留オーステナイトが少なく、表層の硬さも低い。そのため、製品部材の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低くなる。一方、浸炭温度Ｔ１が高すぎれば、オーステナイト粒が粗大化して耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。従って、浸炭温度Ｔ１は、例えば９００〜１０５０℃とすることができる。
(Carburization treatment)
Carburizing temperature (T1): 900-1050 ° C
If the carburizing temperature T1 is too low, the surface layer of the roughly processed product is not sufficiently carburized. In this case, there is little retained austenite after carburizing and quenching, and the hardness of the surface layer is also low. Therefore, the wear resistance, bending fatigue strength, and low cycle bending fatigue strength of the product member are lowered. On the other hand, if the carburizing temperature T1 is too high, the austenite grains become coarse and wear resistance, bending fatigue strength, and low cycle bending fatigue strength decrease. Therefore, the carburizing temperature T1 can be set to 900 to 1050 ° C., for example.
カーボンポテンシャル（Ｃｐ１）：０．７〜１．１％
カーボンポテンシャルＣｐ１が低すぎれば、十分浸炭されない。Ｃｐ１が低い場合、浸炭焼入れ後の残留オーステナイトが少なく、仕上げ加工後の表層の硬さが低くなるため、部品の耐摩耗性が低下する。一方、Ｃｐ１が高すぎれば、浸炭時に析出した硬質な初析セメンタイトが残存して切削加工時の工具摩耗が増大し、被削性が低下する。従って、Ｃｐ１は、例えば０．７〜１．１％とすることができる。Ｃｐ１は浸炭処理時に上記範囲内で変動させてもよい。
Carbon potential (Cp1): 0.7 to 1.1%
If the carbon potential Cp1 is too low, carburization is not sufficient. When Cp1 is low, there is little retained austenite after carburizing and quenching, and the hardness of the surface layer after finishing is reduced, so the wear resistance of the parts is reduced. On the other hand, if Cp1 is too high, hard pro-eutectoid cementite deposited during carburization remains, and tool wear during cutting increases and machinability decreases. Therefore, Cp1 can be set to 0.7 to 1.1%, for example. Cp1 may be varied within the above range during the carburizing process.
浸炭時間（ｔ１）：６０〜２４０分
浸炭処理の時間（浸炭時間）ｔ１が短すぎれば、十分な浸炭がされない。一方、ｔ１が長すぎれば、生産性が低下する。従って、ｔ１は、例えば６０〜２４０分とすることができる。
Carburizing time (t1): 60 to 240 minutes If the carburizing time (carburizing time) t1 is too short, sufficient carburizing is not performed. On the other hand, if t1 is too long, productivity decreases. Therefore, t1 can be set to 60 to 240 minutes, for example.
（恒温保持処理）
浸炭処理後、恒温保持処理を施す。恒温保持処理は、次の条件で行う。
(Constant temperature maintenance process)
After the carburizing process, a constant temperature holding process is performed. The constant temperature holding process is performed under the following conditions.
恒温保持温度（Ｔ２）：８２０〜８７０℃
恒温保持温度Ｔ２が低すぎれば、カーボンポテンシャル等の雰囲気制御が困難になり、残留オーステナイトの体積率が調整しにくい。一方、Ｔ２が高すぎれば、焼入れ時に生じる歪みが増大して、焼割れが発生する場合がある。従って、恒温保持温度Ｔ２は、例えば８２０〜８７０℃とすることができる。
Constant temperature holding temperature (T2): 820-870 ° C.
If the constant temperature holding temperature T2 is too low, it becomes difficult to control the atmosphere such as carbon potential, and it is difficult to adjust the volume ratio of retained austenite. On the other hand, if T2 is too high, the distortion generated during quenching may increase and a crack may occur. Therefore, the constant temperature holding temperature T2 can be set to 820 to 870 ° C., for example.
カーボンポテンシャル（Ｃｐ２）：０．７〜０．９％
恒温保持処理時におけるカーボンポテンシャルＣｐ２が低すぎれば、浸炭時に侵入したＣが再度外部に放出されて浸炭焼入れ後の残留オーステナイトが少なくなり、表層硬さが低下し、部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。一方、Ｃｐ２が高すぎれば、硬質な初析セメンタイトが析出して切削加工時の工具摩耗が増大し、浸炭品の被削性が低下する。従って、Ｃｐ２は、例えば０．７〜０．９％とすることができる。
Carbon potential (Cp2): 0.7-0.9%
If the carbon potential Cp2 during the isothermal holding treatment is too low, C that has entered during carburizing is released to the outside again, and the retained austenite after carburizing and quenching decreases, the surface hardness decreases, the wear resistance of the parts, bending fatigue Strength and low cycle bending fatigue strength are reduced. On the other hand, if Cp2 is too high, hard pro-eutectoid cementite precipitates, tool wear during cutting increases, and machinability of the carburized product decreases. Therefore, Cp2 can be set to 0.7 to 0.9%, for example.
恒温保持時間（ｔ２）：２０〜６０分
恒温保持時間ｔ２が短すぎれば、浸炭品の温度が均一にならず、焼入れ時に生じる歪みが増大して、浸炭品に焼割れが生じる場合がある。一方、ｔ２が長すぎれば、生産性が低下する。従って、ｔ２は、例えば２０〜６０分とすることができる。
Constant temperature holding time (t2): 20 to 60 minutes If the constant temperature holding time t2 is too short, the temperature of the carburized product may not be uniform, and distortion generated during quenching may increase, resulting in burning cracks in the carburized product. On the other hand, if t2 is too long, productivity decreases. Therefore, t2 can be set to, for example, 20 to 60 minutes.
（焼入れ処理）
上記恒温保持処理後、周知の方法で焼入れ処理を施す。焼入れ処理としては、例えば、油焼入れが挙げられる。
(Quenching process)
After the isothermal holding treatment, a quenching treatment is performed by a well-known method. Examples of the quenching treatment include oil quenching.
（焼戻し処理）
上記浸炭焼入れ処理を施した後、焼戻し処理を施す。焼戻し処理を行えば、製品部材の靱性が高まる。さらに、Ｃが拡散して炭化物の前駆体を生成するため、残留オーステナイトが不安定化して、切削加工時に加工誘起マルテンサイト変態が発生しやすくなる。焼戻し処理は次の条件で行われる。
(Tempering treatment)
After the carburizing and quenching process, a tempering process is performed. When the tempering process is performed, the toughness of the product member is increased. Further, since C diffuses to generate a carbide precursor, the retained austenite becomes unstable, and processing-induced martensitic transformation is likely to occur during cutting. The tempering process is performed under the following conditions.
焼戻し温度（Ｔ３）：１６０〜２００℃
焼戻し温度Ｔ３が低すぎれば、上記焼戻しによる効果が得られない。一方、焼戻し温度が高すぎれば、残留オーステナイトが著しく不安定化して、焼戻し中に残留オーステナイトが分解する。さらに、分解せずに残留したオーステナイトは、熱処理歪みから解放されて安定化するため、切削加工時に十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生しない。従って、Ｔ３は、例えば１６０〜２００℃とすることができる。
Tempering temperature (T3): 160-200 ° C
If the tempering temperature T3 is too low, the above tempering effect cannot be obtained. On the other hand, if the tempering temperature is too high, the retained austenite becomes extremely unstable, and the retained austenite decomposes during tempering. Furthermore, since austenite remaining without being decomposed is released from heat treatment distortion and stabilized, sufficient work-induced martensitic transformation does not occur during cutting. Therefore, T3 can be 160-200 degreeC, for example.
焼戻し時間（ｔ３）：６０〜１８０分
焼戻し時間ｔ３が短すぎれば、上記焼戻しの効果が得られない。一方、焼戻し時間ｔ３が長すぎれば、残留オーステナイトが著しく不安定化して、焼戻し中に残留オーステナイトが分解する。さらに、分解せずに残留したオーステナイトは、熱処理歪みから解放されて安定化するため、切削加工時に十分に加工誘起マルテンサイト変態が発生しない。従って、ｔ３は６０〜１８０分とする。
Tempering time (t3): 60 to 180 minutes If the tempering time t3 is too short, the above tempering effect cannot be obtained. On the other hand, if the tempering time t3 is too long, the retained austenite becomes extremely unstable, and the retained austenite decomposes during tempering. Furthermore, since the austenite remaining without being decomposed is released from the heat treatment strain and stabilized, the processing-induced martensitic transformation does not occur sufficiently during the cutting process. Accordingly, t3 is set to 60 to 180 minutes.
以上に示す浸炭焼入れ工程により得られた浸炭品は、その表面から５０μｍの深さまでのＣ含有量（Ｃｓ）が、０．６〜１．０％となっている。その後、以下に示すような仕上げ加工としての切削加工を経て、所望の浸炭機械構造部品が得られる。なお、浸炭部品の表層部のＣ濃度は、当該部品の表層５０μｍを切削加工によって切り出し、その切粉中のＣ含有量を発光分光分析で定量測定する。また、部品表層部のＣ濃度は、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）を用いて定量分析することもできる。 The carburized product obtained by the carburizing and quenching process described above has a C content (Cs) from the surface to a depth of 50 μm of 0.6 to 1.0%. Then, a desired carburized machine structural component is obtained through a cutting process as a finishing process as described below. In addition, C density | concentration of the surface layer part of a carburized part cuts out the surface layer 50micrometer of the said part by cutting, and quantitatively measures C content in the chip by an emission spectroscopic analysis. In addition, the C concentration in the component surface layer can be quantitatively analyzed using EPMA (electron beam microanalyzer).
［切削加工工程］
上記浸炭焼入れ工程を経た後、切削加工工程を行う。切削加工工程により、製品部材の形状に仕上げつつ、表層に加工誘起マルテンサイト変態を生じさせる。これにより、部品の耐摩耗性が高まる。本発明における切削加工工程は、次の条件で行う。
[Cutting process]
After the carburizing and quenching step, a cutting step is performed. A machining process induces martensitic transformation on the surface layer while finishing the shape of the product member. This increases the wear resistance of the component. The cutting process in the present invention is performed under the following conditions.
切削工具のすくい角α：−３０°＜α≦−５°
すくい角αが−５°よりも大きければ、切削加工時に加工誘起マルテンサイト変態が十分に発生しない。そのため、部品の耐摩耗性が低下する。一方、αが−３０°以下であれば、切削抵抗が大きくなりすぎる。この場合、工具摩耗が増大し、場合によっては工具が欠損する。従って、αは、例えば−３０°＜α≦−５°とすることができる。より好ましいαの範囲は−２５°以上−１５°以下である。
Cutting tool rake angle α: −30 ° <α ≦ −5 °
If the rake angle α is larger than −5 °, the processing-induced martensitic transformation does not sufficiently occur during cutting. As a result, the wear resistance of the component is reduced. On the other hand, if α is −30 ° or less, the cutting resistance becomes too large. In this case, tool wear increases, and in some cases, the tool is lost. Therefore, α can be set to −30 ° <α ≦ −5 °, for example. A more preferable range of α is -25 ° or more and -15 ° or less.
工具のノーズｒ：０．４〜１．２ｍｍ
工具のノーズｒが小さければ表面粗さが大きくなり、部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。表面粗さが大きくなった場合には、仕上げ研磨を実施して、表面粗さを小さくしなければならない。一方、ｒが大きければ、切削抵抗が大きくなるため、工具摩耗が増大する。従って、ｒは、例えば０．４〜１．２ｍｍとすることができる。
Tool nose r: 0.4 to 1.2 mm
If the nose r of the tool is small, the surface roughness increases, and the wear resistance, bending fatigue strength and low cycle bending fatigue strength of the part decrease. When the surface roughness increases, finish polishing must be performed to reduce the surface roughness. On the other hand, if r is large, the cutting resistance increases, so that tool wear increases. Therefore, r can be set to 0.4 to 1.2 mm, for example.
送りｆ：０．１超〜０．４ｍｍ／ｒｅｖ
送りｆが小さければ、切削抵抗、つまり、工具が被削材に押し付けられる力が小さくなり、十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生しない。そのため、部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。一方、送りが大きければ、切削抵抗が大きくなって工具摩耗が大きくなる。そのため、部品の耐摩耗性が低下する。従って、ｆは、例えば０．１超〜０．４ｍｍ／ｒｅｖとすることができる。ｆの好ましい下限は０．２ｍｍ／ｒｅｖである。
Feed f: more than 0.1 to 0.4 mm / rev
If the feed f is small, the cutting force, that is, the force with which the tool is pressed against the work material is small, and sufficient work-induced martensitic transformation does not occur. Therefore, the wear resistance, bending fatigue strength, and low cycle bending fatigue strength of the parts are reduced. On the other hand, if the feed is large, the cutting resistance increases and the tool wear increases. As a result, the wear resistance of the component is reduced. Therefore, f can be, for example, more than 0.1 to 0.4 mm / rev. A preferred lower limit of f is 0.2 mm / rev.
切削速度ｖ：５０〜１５０ｍ／分
切削速度ｖが大きければ、切削温度が上昇し、凝着摩耗が発生して工具摩耗が増大する。さらに、発熱によってオーステナイトの加工誘起変態が抑制され、部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。一方、ｖが小さければ、切削能率が低下する。従って、切削速度ｖは、例えば５０〜１５０ｍ／分とすることができる。
Cutting speed v: 50 to 150 m / min If the cutting speed v is large, the cutting temperature rises, adhesion wear occurs, and tool wear increases. Furthermore, the heat generation suppresses the work-induced transformation of austenite, and the wear resistance, bending fatigue strength, and low cycle bending fatigue strength of the component are reduced. On the other hand, if v is small, cutting efficiency will fall. Therefore, the cutting speed v can be set to, for example, 50 to 150 m / min.
切り込みｄ：０．０５〜０．２ｍｍ
切り込みｄが小さければ、切削抵抗が小さくなるため、十分な加工誘起マルテンサイト変態が発生しない。そのため、部品の耐摩耗性、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度が低下する。一方、切り込みｄが大きければ、切削抵抗が大きくなり、工具摩耗が大きくなる。従って、ｄは、例えば０．０５〜０．２ｍｍとすることができる。ｄの好ましい下限は０．０８ｍｍであり、好ましい上限は０．１５ｍｍである。
Cutting depth d: 0.05 to 0.2 mm
If the cut d is small, the cutting resistance is small, so that sufficient work-induced martensitic transformation does not occur. Therefore, the wear resistance, bending fatigue strength, and low cycle bending fatigue strength of the parts are reduced. On the other hand, if the cut d is large, the cutting resistance increases and the tool wear increases. Therefore, d can be set to 0.05 to 0.2 mm, for example. The preferable lower limit of d is 0.08 mm, and the preferable upper limit is 0.15 mm.
以上に示す浸炭機械構造部品の製造方法では、特に、浸炭焼入れ工程及び切削加工工程における上述した諸条件設定により、化学組成と、金属組織と、表面の算術平均粗さと、について改良を加えられた浸炭機械構造部品が得られる。従って、当該製造方法により得られた浸炭機械構造部品は、耐摩耗性、曲げ疲労強度、低サイクル曲げ疲労強度、被削性を、すべて高いレベルで発現することができる。 In the manufacturing method of the carburized machine structural component shown above, the chemical composition, the metal structure, and the arithmetic average roughness of the surface were improved particularly by the above-described setting of conditions in the carburizing and quenching process and the cutting process. Carburized machine structural parts are obtained. Therefore, the carburized machine structural part obtained by the manufacturing method can exhibit the wear resistance, the bending fatigue strength, the low cycle bending fatigue strength, and the machinability at a high level.
真空炉を用いて、表１に示す化学組成を有する１５０ｋｇの鋼片Ａ〜Ｓを得た。 Using a vacuum furnace, 150 kg of steel slabs A to S having chemical compositions shown in Table 1 were obtained.
各鋼種の溶鋼を用いて、造塊法によりインゴットを得た。各インゴットを１２５０℃で４時間加熱した後、熱間鍛造を行って直径３５ｍｍの丸棒を得た。熱間鍛造時の仕上げ温度は１０００℃であった。 Ingots were obtained by the ingot-making method using molten steel of each steel type. Each ingot was heated at 1250 ° C. for 4 hours and then hot forged to obtain a round bar having a diameter of 35 mm. The finishing temperature during hot forging was 1000 ° C.
各丸棒に対して焼準処理を行った。焼準処理温度は９２５℃であり、焼準処理時間は２時間であった。焼準処理後、丸棒を室温（２５℃）まで放冷した。 Normalizing treatment was performed on each round bar. The normalizing treatment temperature was 925 ° C., and the normalizing treatment time was 2 hours. After the normalizing treatment, the round bar was allowed to cool to room temperature (25 ° C.).
放冷後の丸棒に対して機械加工を実施して、図２に示す摩耗試験片２１及び図３に示す回転曲げ疲労試験片３１の元となる粗加工品を製造した。浸炭機械構造部品に相当する摩耗試験片２１の横断面は円形であり、円柱状の試験部２２と、試験部２２の両端に配置された円柱状の一対のつかみ部２３とを備えている。図２に示すとおり、試験部２２の外径は２６ｍｍ、試験部２２の長さは２８ｍｍであり、摩耗試験片２１の全体長さは１３０ｍｍであった。曲げ疲労試験片３１の横断面は円形であり、中央部に曲率半径１ｍｍのノッチがある。また、放冷後の丸棒に対して機械加工を施して、直径３０ｍｍ、長さ３００ｍｍの棒状の被削性試験片（図示せず）を製造した。 Machining was performed on the round bar after being allowed to cool, and a rough processed product serving as the basis of the wear test piece 21 shown in FIG. 2 and the rotating bending fatigue test piece 31 shown in FIG. 3 was manufactured. The wear test piece 21 corresponding to the carburized machine structural part has a circular cross section, and includes a cylindrical test part 22 and a pair of cylindrical grip parts 23 arranged at both ends of the test part 22. As shown in FIG. 2, the outer diameter of the test part 22 was 26 mm, the length of the test part 22 was 28 mm, and the overall length of the wear test piece 21 was 130 mm. The bending fatigue test piece 31 has a circular cross section, and has a notch with a radius of curvature of 1 mm in the center. Moreover, it machined with respect to the round bar after standing_to_cool, and manufactured the rod-shaped machinability test piece (not shown) of diameter 30mm and length 300mm.
摩耗試験片２１及び曲げ疲労試験片３１の粗加工品、並びに上記被削性試験片に対して、表２に示す条件ａ〜ｋに基づいて、浸炭処理、恒温保持処理、焼入れ処理及び焼戻し処理を施した。浸炭焼入れにはガス浸炭炉を利用した。焼戻し後、熱処理歪みを取り除く目的で、つかみ部２３の仕上げ加工を実施した。表２に示す、Ｃｐ１、Ｃｐ２、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、ｔ１、ｔ２、ｔ３は、それぞれ、上述したカーボンポテンシャル、温度、時間である。 Based on the conditions a to k shown in Table 2, carburizing treatment, constant temperature holding treatment, quenching treatment, and tempering treatment for the coarsely processed products of the wear test piece 21 and the bending fatigue test piece 31 and the machinability test piece. Was given. A gas carburizing furnace was used for carburizing and quenching. After the tempering, the gripping part 23 was finished for the purpose of removing the heat treatment distortion. Cp1, Cp2, T1, T2, T3, t1, t2, and t3 shown in Table 2 are the above-described carbon potential, temperature, and time, respectively.
浸炭焼入れ及び焼戻し後の浸炭品（摩耗試験片２１及び曲げ疲労試験片３１の粗加工品、並びに上記被削性試験片）は、切削加工前に、後述する方法で、残留オーステナイトの体積率の測定、組織観察試験及びビッカース硬さ試験を行った。 The carburized product after carburizing and tempering (the rough processed product of the wear test piece 21 and the bending fatigue test piece 31 and the machinability test piece) is subjected to the volume ratio of retained austenite by a method described later before cutting. Measurement, structure observation test and Vickers hardness test were performed.
浸炭品となった摩耗試験片２１の試験部２２及び曲げ疲労試験片３１のノッチに対して、表３に示す条件で切削加工を施して、部品相当の摩耗試験片２１及び曲げ疲労試験片３１を得た。但し、曲げ疲労試験片３１に対しては、工具のノーズｒは０．４ｍｍに固定した。切削加工は、１パス、すなわち表３に示す切り込み量を１回だけ適用した。 The notched portions of the test portion 22 and the bending fatigue test piece 31 of the wear test piece 21 that have become carburized products are cut under the conditions shown in Table 3 so that the wear test piece 21 and the bending fatigue test piece 31 corresponding to the parts are obtained. Got. However, for the bending fatigue test piece 31, the tool nose r was fixed to 0.4 mm. In the cutting process, one pass, that is, the cutting amount shown in Table 3 was applied only once.
切削工具には、ｃＢＮ粒子を主成分とし、セラミックスを結合材とした焼結材の表面に、ＴｉＡｌＮベースのセラミックコーティングを施したｃＢＮ焼結工具を利用した。 As the cutting tool, a cBN sintered tool in which a TiAlN-based ceramic coating was applied to the surface of a sintered material mainly composed of cBN particles and ceramics as a binder was used.
そして、上記の切削加工を施した後、摩耗試験片２１及び曲げ疲労試験片３１を作成した。摩耗試験片２１については、＃２０００のエメリー紙を用いて仕上げ研磨を実施した。仕上げ研磨後の各試験番号の摩耗試験片２１及び切削加工後の曲げ疲労試験片３１の表面の算術平均粗さＲａは０．８μｍ以下であった。 And after performing said cutting, the abrasion test piece 21 and the bending fatigue test piece 31 were created. About the abrasion test piece 21, finish polishing was implemented using # 2000 emery paper. The arithmetic average roughness Ra of the surfaces of the wear test piece 21 of each test number after finish polishing and the bending fatigue test piece 31 after cutting was 0.8 μm or less.
［残留オーステナイトの体積率（ＲＦ）の測定］
部品相当の試験片（摩耗試験片２１）表面に対して、電解研磨を施した。具体的には、試験片表面に穴の直径３ｍｍのマスキングを施し、１１．６％の塩化アンモニウムと、３５．１％のグリセリンと、５３．３％の水とを含有する電解液中において、試験片を陽極として、２０Ｖの電圧で電解研磨を施し、表面から２０μｍ深さの位置の表面（以下、観察面という）を露出させた。
[Measurement of volume fraction (RF) of retained austenite]
Electrolytic polishing was performed on the surface of the test piece (wear test piece 21) corresponding to the part. Specifically, the test piece surface was masked with a hole diameter of 3 mm, and in an electrolytic solution containing 11.6% ammonium chloride, 35.1% glycerin, and 53.3% water, Using the test piece as an anode, electrolytic polishing was performed at a voltage of 20 V to expose a surface at a depth of 20 μm from the surface (hereinafter referred to as an observation surface).
観察面に対して、上述の方法でＸ線回折を実施し、表面から２０μｍ位置の残留オーステナイトの体積率（Ｒ２）を求めた。 X-ray diffraction was performed on the observation surface by the above-described method, and the volume ratio (R2) of retained austenite at a position of 20 μm from the surface was obtained.
観察面に対して、同様の方法で電解研磨を実施し、穴の深さを１０μｍ深くして３０μｍとし、その表面に対して上述の方法でＸ線回折を実施し、表面から３０μｍ位置の残留オーステナイトの体積率を求めた。この過程を繰り返すことで、１０μｍずつ穴を深くし、その都度残留オーステナイトの体積率（Ｒ２）を測定することを、穴の深さが２００μｍとなるまで繰り返した。そしてその中で得られた最大の残留オーステナイト体積率をＲ１とした。 Electrolytic polishing is performed on the observation surface by the same method, the depth of the hole is increased by 10 μm to 30 μm, and X-ray diffraction is performed on the surface by the above-described method. The volume fraction of austenite was determined. By repeating this process, the hole was deepened by 10 μm, and the volume ratio (R2) of retained austenite was measured each time until the hole depth reached 200 μm. And the largest retained austenite volume fraction obtained in that was made into R1.
［組織観察試験］
部品相当の試験片において、残留オーステナイト以外の他の組織の体積率を、上述した方法で測定した。
[Tissue observation test]
In the test piece corresponding to the part, the volume ratio of the structure other than the retained austenite was measured by the method described above.
［二円筒摩耗試験（ＲＰ試験）］
図２に示す摩耗試験片２を用いて、図４に示す二円筒摩耗試験（ＲＰ試験）を行った。図４は、ＲＰ試験方法を示す正面図である。図４に示すとおり、ＲＰ試験において、摩耗試験片２１と大ローラ試験片４１とを準備した。大ローラ試験片４１は円板状であり、直径が１３０ｍｍ、円周面の幅が１８ｍｍ、円周面のクラウニング曲率半径が７００ｍｍであった。大ローラ試験片は、ＪＩＳ規格ＳＣＭ８８２に相当する化学組成を有し、浸炭焼入れ処理がなされていた。大ローラ試験片４１の円周面を摩耗試験片２１の表面に接触させ、表４に示す条件でＲＰ試験を実施した。
[Two-cylinder wear test (RP test)]
A two-cylinder wear test (RP test) shown in FIG. 4 was performed using the wear test piece 2 shown in FIG. FIG. 4 is a front view showing the RP test method. As shown in FIG. 4, in the RP test, a wear test piece 21 and a large roller test piece 41 were prepared. The large roller test piece 41 was disk-shaped, had a diameter of 130 mm, a circumferential surface width of 18 mm, and a circumferential surface radius of curvature of 700 mm. The large roller test piece had a chemical composition corresponding to JIS standard SCM882 and was carburized and quenched. The circumferential surface of the large roller test piece 41 was brought into contact with the surface of the wear test piece 21, and the RP test was performed under the conditions shown in Table 4.
試験後、摩耗試験片２１の表面のうち、大ローラ試験片４１と接触した部分の摩耗深さを測定した。摩耗深さの測定には、触針式の表面粗さ計を用いた。測定長さは２６ｍｍとして、摩耗試験片２１の軸方向に触針を走査して、断面曲線を得た。各試験片において、円周方向に９０°刻みの４箇所で、断面曲線を測定した。得られた断面曲線から、大ローラ試験片４１が接触していない部分と、大ローラ試験片４１が接触して最も摩耗した部分との高さの差を測定した。測定された高さの差の４箇所の平均値を、各試験番号の摩耗試験片２１の摩耗深さ（ＲＰ摩耗量：単位はμｍ）と定義した。 After the test, the wear depth of the portion of the surface of the wear test piece 21 in contact with the large roller test piece 41 was measured. A stylus type surface roughness meter was used to measure the wear depth. The measurement length was 26 mm, and the stylus was scanned in the axial direction of the wear test piece 21 to obtain a cross-sectional curve. In each test piece, cross-sectional curves were measured at four locations in 90 ° increments in the circumferential direction. From the obtained cross-sectional curve, the difference in height between the portion where the large roller test piece 41 is not in contact and the most worn portion when the large roller test piece 41 is in contact was measured. The average value of the four measured height differences was defined as the wear depth (RP wear amount: μm) of the wear test piece 21 of each test number.
［回転曲げ疲労試験］
図３に示す疲労試験片３１を用いて、試験荷重を５０ＭＰaピッチで変化させて小野式回転曲げ疲労試験を行い、曲げ疲労強度及び低サイクル曲げ疲労強度を求めた。
[Rotating bending fatigue test]
Using the fatigue test piece 31 shown in FIG. 3, the Ono-type rotating bending fatigue test was performed by changing the test load at a 50 MPa pitch, and the bending fatigue strength and the low cycle bending fatigue strength were obtained.
なお、繰り返し数１０７回に達する前に破断した応力の最小値（σf,min）と、（σf,min）より低い応力で最大の未破断点の応力（σｒ,max）の中間点（疲労限度）を求め、曲げ疲労強度とした。また、種々の荷重条件で試験片が破断するまで回転曲げ疲労試験を行い、繰り返し数１×１０4回での時間強度を算出し、低サイクル曲げ疲労強度とした。 In addition, between the minimum value (σ f, min ) of the stress that broke before reaching the number of repetitions of 10 7 times and the maximum stress (σ r, max ) at a stress lower than (σ f, min ) The point (fatigue limit) was determined and used as the bending fatigue strength. Further, a rotating bending fatigue test was performed until the test piece broke under various load conditions, and the time strength at the number of repetitions of 1 × 10 4 times was calculated as the low cycle bending fatigue strength.
［工具摩耗測定］
切削工具の工具摩耗を逃げ面摩耗量（μｍ）によって評価した。方法は以下の通りである。即ち、浸炭焼入れ及び焼戻し後の被削性試験片（浸炭品相当）を、表３に示す粗加工品と同じ切削条件で、１本あたり１パスの切削加工を行った。複数の試験片について切削加工を繰り返し、合計の切削時間が５分となるまで切削加工した後に、切削工具の逃げ面摩耗幅を測定した。逃げ面摩耗幅の測定には、マイクロスコープを用いた。工具逃げ面が測定物台と平行になるように工具を設置し、倍率２００倍で摩耗部を観察した。この時の、摩耗部中心付近で摩耗が最大となる部分の切れ刃から摩耗先端部までの距離を測定し、逃げ面摩耗量とした。本測定においては、本発明の切削条件（表３に示す所定の４タイプの切削条件α、β、γ、δのいずれか）で切削することを前提に、逃げ面摩耗量が４０μｍ以下の場合が、従来技術に対して切削加工時の工具摩耗を抑制することができるという点で合格である。
[Tool wear measurement]
The tool wear of the cutting tool was evaluated by the flank wear amount (μm). The method is as follows. That is, the machinability test piece (carburized product equivalent) after carburizing and tempering was cut by one pass per piece under the same cutting conditions as the roughly processed product shown in Table 3. Cutting was repeated for a plurality of test pieces, and after cutting until the total cutting time was 5 minutes, the flank wear width of the cutting tool was measured. A microscope was used to measure the flank wear width. The tool was set so that the tool flank face was parallel to the measurement object, and the worn part was observed at a magnification of 200 times. At this time, the distance from the cutting edge of the portion where the wear was maximum near the center of the wear portion to the wear tip was measured, and was defined as the flank wear amount. In this measurement, when the flank wear amount is 40 μm or less on the premise that cutting is performed under the cutting conditions of the present invention (any one of the predetermined four types of cutting conditions α, β, γ, and δ shown in Table 3). However, it is a pass with respect to the prior art at the point that the tool wear at the time of cutting can be suppressed.
［試験結果］
以上に説明した各試験等に関する結果を表５、表６に示す。
[Test results]
Tables 5 and 6 show the results regarding the tests described above.
表５及び表６から明らかなように、所定の製造方法によって得られた浸炭機械加工部品であって本願所定の条件を満たす（即ち、浸炭機械構造部品の化学組成と、金属組織と、表面の算術平均粗さと、について改良を加えている）試験番号１〜９、２０〜２３、３０については、耐摩耗性、曲げ疲労強度、低サイクル曲げ疲労強度、被削性を、すべて高いレベルで発現することができている、ことが判る。 As is apparent from Tables 5 and 6, carburized machined parts obtained by a predetermined manufacturing method satisfying the predetermined conditions of the present application (that is, the chemical composition of the carburized machine structural parts, the metal structure, the surface Regarding the test numbers 1-9, 20-23, and 30, which are improved with respect to the arithmetic average roughness, the wear resistance, bending fatigue strength, low cycle bending fatigue strength, and machinability are all expressed at a high level. You can see that you can.
これに対し、表５及び表６から明らかなように、本願所定の製造方法によって得られていない浸炭機械加工部品であって本願所定の条件を満たさない（即ち、浸炭機械構造部品の化学組成が表１の＊Ｊ〜＊Ｓのいずれかであるか、熱処理条件が表２の＊ｆ〜＊ｋのいずれかであるか、或いは切削条件が表３の＊ε〜＊λのいずれかである）試験番号１０〜１９、２４〜２９、３１〜３９については、耐摩耗性、曲げ疲労強度、低サイクル曲げ疲労強度、被削性、の少なくともいずれかについて、優れた結果が得られていないことが判る。 On the other hand, as is apparent from Tables 5 and 6, the carburized machined part is not obtained by the predetermined manufacturing method of the present application and does not satisfy the predetermined condition of the present application (that is, the chemical composition of the carburized machine structural part is It is any of * J to * S in Table 1, the heat treatment condition is any of * f to * k in Table 2, or the cutting condition is any of * ε to * λ in Table 3. ) For test numbers 10 to 19, 24 to 29, and 31 to 39, excellent results are not obtained with respect to at least one of wear resistance, bending fatigue strength, low cycle bending fatigue strength, and machinability. I understand.
１１ 塑性流動組織
１２ 中心部
２１ 摩耗試験片
２２ 試験部
２３ つかみ部
３１ 曲げ疲労試験片
４１ 大ローラ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Plastic flow structure 12 Center part 21 Abrasion test piece 22 Test part 23 Grasp part 31 Bending fatigue test piece 41 Large roller
Claims (2)
下記の（１）式で表されるＦｎ１が、−３５≦Ｆｎ１≦−３０を満たし、
不純物としてのＰ及びＯの含有量が、それぞれ、Ｐ：０．０２０％以下、及びＯ：０．００２％以下であり、
表層部のＣ含有量（Ｃｓ）が、０．６５〜１．００％であり、
表面から２０μｍの深さの組織が、マルテンサイト及び残留オーステナイトの合計で９７％以上であり、
表面から２００μｍ深さの範囲での最大残留オーステナイト体積率が１３〜２８％であり、
表面から２０μｍの深さ位置での残留オーステナイト体積率と、表面から２００μｍの範囲で最大残留オーステナイト体積率との、比が０．８０以下であり、
表面に厚さ１．０〜１５．０μｍの塑性流動組織を有し、
表面の算術平均粗さＲａが０．８μｍ以下であり、
曲げ疲労強度が７７５ＭＰａ以上であり、低サイクル曲げ疲労強度が８７５ＭＰa以上である
ことを特徴とする浸炭機械構造部品。
Ｆｎ１＝３８×Ｓｉ−７×Ｍｎ＋７×Ｎｉ−１７×Ｃｒ−１０×Ｍｏ ・・・（１）
但し、（１）式中の元素記号には、その元素の含有量（質量％）が代入される。 In mass%, C: 0.10 to 0.30%, Si: 0.01 to 0.25%, Mn: 0.4 to 0.9%, S: 0.003 to 0.050%, Cr: 1.65 to 2.00%, Al: 0.01 to 0.06%, Nb: 0.01 to 0.06%, and N: 0.010 to 0.025%, and the balance: Fe and it consists of inevitable impurities,
Fn1 represented by the following formula (1) satisfies −35 ≦ Fn1 ≦ −30,
The contents of P and O as impurities are respectively P: 0.020% or less and O: 0.002% or less,
The C content (Cs) of the surface layer part is 0.65 to 1.00 %,
The structure having a depth of 20 μm from the surface is 97% or more in total of martensite and retained austenite,
The maximum retained austenite volume fraction in the range of 200 μm depth from the surface is 13 to 28%,
The ratio of the retained austenite volume fraction at a depth of 20 μm from the surface to the maximum retained austenite volume fraction in the range of 200 μm from the surface is 0.80 or less,
Having a plastic flow structure with a thickness of 1.0 to 15.0 μm on the surface;
The arithmetic average roughness Ra of the surface is 0.8 μm or less ,
A carburized machine structural component having a bending fatigue strength of 775 MPa or more and a low cycle bending fatigue strength of 875 MPa or more .
Fn1 = 38 × Si-7 × Mn + 7 × Ni-17 × Cr-10 × Mo (1)
However, the content (mass%) of the element is substituted for the element symbol in the formula (1).
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