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公開番号2024179337
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-12-26
出願番号2023098095
出願日2023-06-14
発明の名称窒化部品用素形材、窒化部品、及び窒化部品の製造方法
出願人日本製鉄株式会社
代理人弁理士法人太陽国際特許事務所
主分類C22C 38/00 20060101AFI20241219BHJP(冶金;鉄または非鉄合金;合金の処理または非鉄金属の処理)
要約【課題】切削加工時は硬さが十分に低く被削性に優れ、窒化時には部品の変形が抑制され、窒化後には高い疲労特性を得ることができる窒化部品用素形材、窒化部品、及び窒化部品の製造方法をを提供する。
【解決手段】所定び化学組成を有し、表面から深さ5mmの位置において、ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和が90%未満である微細組織を有し、固溶状態のCrであるCrsolの含有量が0.45%以上であり、かつ、下記式(1)で表されるFnが0.50以上である、窒化部品用素形材、及びその応用。
Fn=(Cr-Crsol)/(C×Cr)・・・(1)
(式(1)中、Cr及びCは、各元素の含有量を表し、Crsolは、Crsolの含有量を表す。)
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．０４～０．１８％、
Ｓｉ：０．０３～０．３５％、
Ｍｎ：０．４０～２．２０％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．００１～０．０５０％、
Ｃｕ：０．０１～０．４０％、
Ｃｒ：０．５０～１．４０％、
Ｎｉ：０．０１～０．４０％、
Ａｌ：０．００１～０．０８０％、
Ｖ：０．１０～０．４０％、及び
Ｎ：０．００４０～０．０２５０％であり、残部はＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、
表面から深さ５ｍｍの位置において、ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和が９０％未満である微細組織を有し、
前記表面から深さ５ｍｍの位置において、固溶状態のＣｒであるＣｒｓｏｌの質量％での含有量が０．４５％以上であり、かつ、下記式（１）で表されるＦｎが０．５０以上である、窒化部品用素形材。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
（式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の質量％での含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、Ｃｒｓｏｌの質量％での含有量を表す。）
続きを表示（約 1,500 文字）【請求項２】
質量％で、
Ｃ：０．０４～０．１８％、
Ｓｉ：０．０３～０．３５％、
Ｍｎ：０．４０～２．２０％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．００１～０．０５０％、
Ｃｕ：０．０１～０．４０％、
Ｃｒ：０．５０～１．４０％、
Ｎｉ：０．０１～０．４０％、
Ａｌ：０．００１～０．０８０％、
Ｖ：０．１０～０．４０％、及び
Ｎ：０．００４０～０．０２５０％であり、さらに、下記Ａ群～Ｃ群からなる群より選ばれる１種又は２種以上の元素を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、
（Ａ群）
Ｍｏ：０．３０％未満
（Ｂ群）
Ｃａ：０．００５０％以下、及び
Ｓｎ：０．１００％以下からなる群より選択される１種又は２種
（Ｃ群）
Ｔｉ：０．０５０％以下、及び
Ｎｂ：０．０５０％以下からなる群より選択される１種又は２種
表面から深さ５ｍｍの位置において、ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和が９０％未満である微細組織を有し、
前記表面から深さ５ｍｍの位置において、固溶状態のＣｒであるＣｒｓｏｌの質量％での含有量が０．４５％以上であり、かつ、下記式（１）で表されるＦｎが０．５０以上である、窒化部品用素形材。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
（式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の質量％での含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、Ｃｒｓｏｌの質量％での含有量を表す。）
【請求項３】
質量％で、前記Ａ群を含有する化学組成を有する請求項２に記載の窒化部品用素形材。
【請求項４】
質量％で、前記Ｂ群を含有する化学組成を有する請求項２に記載の窒化部品用素形材。
【請求項５】
質量％で、前記Ｃ群を含有する化学組成を有する請求項２に記載の窒化部品用素形材。
【請求項６】
ビッカース硬さＨＶが、３００以下である請求項１又は請求項２に記載の窒化部品用素形材。
【請求項７】
表面から１．５ｍｍより深い部分である芯部と、当該芯部の外側に存在する窒化層とを有する部品であって、
前記芯部が、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の前記化学組成及び前記微細組織を有し、
表面から深さ５ｍｍの位置において、固溶状態のＣｒであるＣｒｓｏｌの質量％での含有量が０．４０％以上であり、かつ、下記式（１）で表されるＦｎが１．００以上である、窒化部品。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
（式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、Ｃｒｓｏｌの含有量を表す。）
【請求項８】
請求項７に記載の窒化部品を製造する方法であって、
請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の前記化学組成及び前記微細組織を有する棒鋼を鍛造により鋼素形材に成形する鋼素形材成形工程と、
前記鋼素形材を、５００～６３０℃で０．５～３．０時間保持する低温焼なまし工程と、
前記低温焼なまし工程後の前記鋼素形材を機械加工により部品形状を有する部材に加工する機械加工工程と、
前記部材に対し、５５０～６２０℃で、かつ、前記低温焼なまし工程における低温焼なまし温度＋５０℃以下の温度で１．０～１０．０時間保持する窒化処理を施す窒化処理工程と、
を含む、窒化部品の製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、窒化部品用素形材、窒化部品、及び窒化部品の製造方法に関する。
続きを表示（約 2,800 文字）【背景技術】
【０００２】
自動車、船舶、産業機械等に用いられる機械構造部品には、高い曲げ応力が繰り返し加わる部品がある。それらの部品に必要な疲労強度を具備させるため、種々の表面硬化熱処理が施される場合がある。
一方、部品に浸炭や高周波焼入れ等の表面硬化熱処理を施すと、焼入れ時のマルテンサイト変態によって部品が変形する。このような焼入れ時の変形を抑制するために、浸炭や高周波焼入れの代わりに窒化が適用される場合がある。
【０００３】
窒化処理は６００℃以下の比較的低温で行われ、マルテンサイト変態が生じないため、部品の変形量が小さいという特徴がある。窒化処理は、他の表面硬化熱処理と比べて部品の変形量が小さくなるが、変形が完全に無くなるわけではない。極めて高い寸法精度が必要とされる部品に窒化処理を施した場合、窒化時の変形が無視できなくなり、歩留まりが悪化したり、窒化後の矯正等の工程が追加されることで、製造コストが増大したりする場合がある。そのため、窒化部品の変形を抑制する技術が開発されている。
【０００４】
窒化部品の変形の抑制に関する技術は、例えば特許文献１に開示されている。
【０００５】
特許文献１に記載の技術では、変形の原因の一つである化合物層の生成を抑制するために、鋼成分を最適化するとともに窒化処理温度を制御している。化合物層の生成を抑制することでリング状試験片の外径変化量が抑制されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開平８－４９０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の技術では、窒化層の膨張を抑制することが主眼に置かれている。したがって、形状が完全な軸対称のシャフトのように、部品の変形が径や軸長の増大のみであるような場合には効果があるものの、複雑な形状の部品の曲がり変形やねじれ変形の抑制には十分な効果が得られない。
【０００８】
つばやキー溝の付いたシャフト状部品、ねじれ変形が起こりやすい薄肉大型のリング状部品、歯車のように複雑な形状の部品には、曲がり変形やねじり変形が抑制され、かつ、機械構造部品として必要な疲労強度と被削性を有することが望ましい。
【０００９】
本開示は、切削加工時は硬さが十分に低く被削性に優れ、窒化時には部品の変形が抑制され、窒化後には高い疲労特性を得ることができる窒化部品用素形材、窒化部品、及び窒化部品の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題は、以下の手段により解決される。
＜１＞質量％で、
Ｃ：０．０４～０．１８％、
Ｓｉ：０．０３～０．３５％、
Ｍｎ：０．４０～２．２０％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．００１～０．０５０％、
Ｃｕ：０．０１～０．４０％、
Ｃｒ：０．５０～１．４０％、
Ｎｉ：０．０１～０．４０％、
Ａｌ：０．００１～０．０８０％、
Ｖ：０．１０～０．４０％、及び
Ｎ：０．００４０～０．０２５０％であり、残部はＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、
表面から深さ５ｍｍの位置において、ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和が９０％未満である微細組織を有し、
前記表面から深さ５ｍｍの位置において、固溶状態のＣｒであるＣｒｓｏｌの質量％での含有量が０．４５％以上であり、かつ、下記式（１）で表されるＦｎが０．５０以上である、窒化部品用素形材。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
（式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の質量％での含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、Ｃｒｓｏｌの質量％での含有量を表す。）
＜２＞質量％で、
Ｃ：０．０４～０．１８％、
Ｓｉ：０．０３～０．３５％、
Ｍｎ：０．４０～２．２０％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．００１～０．０５０％、
Ｃｕ：０．０１～０．４０％、
Ｃｒ：０．５０～１．４０％、
Ｎｉ：０．０１～０．４０％、
Ａｌ：０．００１～０．０８０％、
Ｖ：０．１０～０．４０％、及び
Ｎ：０．００４０～０．０２５０％であり、さらに、下記Ａ群～Ｃ群からなる群より選ばれる１種又は２種以上の元素を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる化学組成を有し、
（Ａ群）
Ｍｏ：０．３０％未満
（Ｂ群）
Ｃａ：０．００５０％以下、及び
Ｓｎ：０．１００％以下からなる群より選択される１種又は２種
（Ｃ群）
Ｔｉ：０．０５０％以下、及び
Ｎｂ：０．０５０％以下からなる群より選択される１種又は２種
表面から深さ５ｍｍの位置において、ベイナイトとマルテンサイトの面積率の和が９０％未満である微細組織を有し、
前記表面から深さ５ｍｍの位置において、固溶状態のＣｒであるＣｒｓｏｌの質量％での含有量が０．４５％以上であり、かつ、下記式（１）で表されるＦｎが０．５０以上である、窒化部品用素形材。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
（式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の質量％での含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、Ｃｒｓｏｌの質量％での含有量を表す。）
＜３＞質量％で、前記Ａ群を含有する化学組成を有する＜２＞に記載の窒化部品用素形材。
＜４＞質量％で、前記Ｂ群を含有する化学組成を有する＜２＞に記載の窒化部品用素形材。
＜５＞質量％で、前記Ｃ群を含有する化学組成を有する＜２＞に記載の窒化部品用素形材。
＜６＞ビッカース硬さＨＶが、３００以下である＜１＞～＜５＞のいずれか１つに記載の窒化部品用素形材。
＜７＞表面から１．５ｍｍより深い部分である芯部と、当該芯部の外側に存在する窒化層とを有する部品であって、
前記芯部が、＜１＞～＜５＞のいずれか１つに記載の前記化学組成及び前記微細組織を有し、
表面から深さ５ｍｍの位置において、固溶状態のＣｒであるＣｒｓｏｌの質量％での含有量が０．４０％以上であり、かつ、下記式（１）で表されるＦｎが１．００以上である、窒化部品。
Ｆｎ＝（Ｃｒ－Ｃｒｓｏｌ）／（Ｃ×Ｃｒ）・・・（１）
（式（１）中、Ｃｒ及びＣは、各元素の質量％での含有量を表し、Ｃｒｓｏｌは、Ｃｒｓｏｌの質量％での含有量を表す。）
【発明の効果】
（【００１１】以降は省略されています）

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