冷锻氮化用钢、冷锻氮化用钢材及冷锻氮化部件的制作方法

冷锻氮化用钢、冷锻氮化用钢材及冷锻氮化部件的制作方法
【专利摘要】一种冷锻氮化用钢，其具有下述化学组成：包含：按质量％计、C：0.10～0.15％、Si：0.02％以上且不足0.10％、Mn：超过0.90％～2.50％、P≤0.030％、S≤0.050％、Cr：0.80～2.0％、V：0.05～0.50％、Al：0.01～0.07％、N≤0.0080％和O≤0.0030％，以及根据需要的特定量的选自Mo、Cu、Ni、Ti、Nb、Zr、Pb、Ca、Bi、Te、Se和Sb中的一种以上，剩余部分为Fe和杂质，[35≤Mn/S≤200]、[20≤(669.3×logeC-1959.6×logeN-6983.3)×(0.067×Mo+0.147×V)≤80]、[140×Cr+125×Al+235×V≥160]以及[150≤511×C+33×Mn+56×Cu+15×Ni+36×Cr+5×Mo+134×V≤200]，该冷锻氮化用钢，其冷锻性和冷锻之后的切削性优异，能够使冷锻氮化部件具备高的芯部硬度、高的表面硬度和深的有效硬化层深度，因此适于用作冷锻氮化部件的原材料钢。
【专利说明】冷锻氮化用钢、冷锻氮化用钢材及冷锻氮化部件

【技术领域】
[0001] 本发明涉及冷锻氮化用钢、冷锻氮化用钢材以及冷锻氮化部件。具体而言，本发明 涉及冷锻性和冷锻后的切削性尤其是切屑处理性优异，同时能够使实施了冷锻和氮化的处 理的部件具备高的芯部硬度和表面硬度、以及深的有效硬化层深度，适于用作冷锻氮化部 件的原材料的冷锻氮化用钢和冷锻氮化用钢材、以及使用其得到的冷锻氮化部件。
[0002] 本发明中所称的"氮化"，不仅包括作为"使N侵入、扩散"处理的"氮化"，还包括作 为"使N和C侵入、扩散"处理的"软氮化"。因此，以下的说明中，包括"软氮化"在内仅称 为"氮化"。
[0003] 另外，上述"冷锻氮化"指的是进行"冷锻"后进一步实施"氮化"处理。

【背景技术】
[0004] 对于齿轮、带式无级变速机（CVT)用滑轮等汽车的变速箱等中使用的机械结构用 部件，从弯曲疲劳强度提高、点蚀强度提高和耐磨耗性提高的观点考虑，通常实施表面硬化 处理。作为代表性的表面硬化处理，有渗碳淬火、高频淬火、氮化等。
[0005] 上述中，渗碳淬火为下述处理：通常使用低碳钢，在Ac3点以上的高温的奥氏体区 域使C侵入、扩散后，进行淬火的处理。渗碳淬火具有得到高的表面硬度和深的有效硬化层 深度的优点，但是由于为伴随有相变的处理，存在热处理变形增大的问题。因此，要求高的 部件精度时，在渗碳淬火后需要磨削、珩磨等精加工。另外还存在生成在表层的晶界氧化 层、不完全淬火层等所谓"渗碳异常层"成为弯曲疲劳等的破坏起点，使疲劳强度降低的问 题。
[0006] 高频淬火为急速加热到Ac3点以上的高温的奥氏体区域、并进行冷却而进行淬火 的处理。虽然具有比较容易调整有效硬化层深度的优点，但是并不是如渗碳那样使C侵入、 扩散的表面硬化处理。因此高频淬火的情况下，为了得到必要的表面硬度、有效硬化层深度 和芯部硬度，通常使用C量比渗碳用钢高的中碳钢。但是，中碳钢由于原材料硬度比低碳钢 高，因此存在切削性降低的问题。另外，需要对各个部件分别制作高频加热线圈。
[0007] 与此相对，氮化为在ACl点以下的400?550°C左右的温度下，使N侵入、扩散而得 到高的表面硬度和适当的有效硬化层深度的处理，与渗碳淬火和高频淬火相比，处理温度 低，因此具有热处理变形小的优点。
[0008] 另外，氮化中软氮化为在ACl点以下的500?650°C左右的温度下，使N和C侵入、 扩散而得到高的表面硬度的处理，由于处理时间短、为数小时，因此为适于大量生产的处 理。
[0009] 进而，随着近来的以抑制全球变暖为背景的减少温室效应气体的潮流，期待减少 渗碳淬火之类高温下保持的工序。因此氮化是顺应时代的处理。
[0010] 但是，以往的氮化用钢存在以下的〈1>?〈3>所述的问题。
[0011] 〈1>氮化为不进行从高温的奥氏体区域的淬火处理的表面硬化处理、即为不能进 行伴随有马氏体相变的强化的表面硬化处理。因此，为了使氮化部件确保所希望的芯部硬 度而需要含有大量的合金元素，结果难以利用冷锻进行成型加工，需要利用热锻等进行成 型加工。
[0012] 〈2>作为代表性的氮化用钢，有JIS G 4053(2008)中规定的铝铬钥钢（SACM645)。 但是，该钢虽然由于Cr、A1等在表面附近生成氮化物，可以得到高的表面硬度，但是由于有 效硬化层浅，因此不能确保高的弯曲疲劳强度。
[0013] 〈3>氮化中软氮化由于在500?650°C左右的温度区域保持数小时，因此部件的芯 部易回火软化。其结果，对于负荷高表面压力的部件而言，芯部易产生塑性变形，接触面凹 陷而变形。
[0014] 因此，为了解决前述问题，例如专利文献1和专利文献2中公开了氮化相关的技 术。
[0015] 专利文献1中公开了目的在于提供轧制后的硬度按维氏硬度计为200以下、软氮 化性和冷锻性优异的软氮化用钢的"冷锻性优异的软氮化用钢"。上述"软氮化用钢"，按 质量％计含有 C :0· 05 ?0· 25%、Si :0· 50% 以下、Μη :0· 55% 以下、Cr :0· 50 ?2. 00%、V : 0. 02?0. 35%和A1 :0. 005?0. 050%，根据需要进而含有Nb :0. 02?0. 35%，剩余部分由 Fe和杂质元素组成。
[0016] 专利文献2中公开了表面硬化层硬、且有效硬化层深度深、另外能够得到必要的 芯部硬度、同时切削等机械加工量少的"氮化处理部件的制造方法"。上述"氮化处理部件 的制造方法"为对具有下述组成的钢材，在氮化处理之前进行V的析出控制热处理，然后 进行冷加工后，进而实施氮化处理的技术：按质量％计含有C 10?0. 40%、Si 10? 0· 70%、Mn :0· 20 ?1. 50%、Cr :0· 50 ?2. 50%和 V :0· 05 ?0· 60%，根据需要进而含有选 自Al、Mo、Ti、Nb、Ta、B、S、Pb、Te、Se、Ca、Bi和Sb中的一种以上，剩余部分实质上由Fe组 成。
[0017] 现有技术文献
[0018] 专利文献
[0019] 专利文献1 :日本特开平5-171347号公报
[0020] 专利文献2 :日本特开平7-102343号公报


【发明内容】

[0021] 发明要解决的问是页
[0022] 前述专利文献1中公开的钢，其冷锻性、冷锻后的切削性、耐变形性、弯曲疲劳强 度和耐磨耗性未必全部优异。另外，有效硬化层深度指的是按维氏硬度（以下有时称为 "HV"）计为400以上的深度，不具有充分的有效硬化层深度。
[0023] 专利文献2中公开的钢中含有大量的合金元素，因此，若以大的加工度进行冷锻， 则未必能够确保充分的冷锻性，有可能存在问题。
[0024] 本发明是鉴于上述现状而提出的，其目的在于，提供一种冷锻氮化用钢和冷锻氮 化用钢材，其冷锻性和冷锻后的切削性尤其是切屑处理性优异，同时能够使实施了冷锻和 氮化的部件具备高的芯部硬度、高的表面硬度和深的有效硬化层深度，适于用作冷锻氮化 部件的原材料。
[0025] 具体而言，本发明的目的在于，提供一种冷锻氮化用钢和冷锻氮化用钢材，其不 易产生冷锻中的裂纹、并且冷锻之后的切屑处理性也优异，进而能够得到实施了冷锻和氮 化后的芯部硬度按HV计为200以上、表面硬度按HV计为700以上以及有效硬化层深度为 0. 20mm以上的硬度特性，能够用作冷锻氮化部件的原材料。
[0026] 另外，本发明的目的还在于，提供使用上述冷锻氮化用钢和冷锻氮化用钢材得到 的冷锻氮化部件。
[0027] 用于解决问题的方案
[0028] 如前述所述那样，氮化为不进行从奥氏体区域的淬火处理的表面硬化处理、即为 不能进行伴随有马氏体相变的强化的表面硬化处理。因此，为了使氮化部件确保所希望的 芯部硬度而需要含有大量的合金元素，但是此时有可能难以利用冷锻进行成型加工。
[0029] 因此，本发明人等，为了解决前述问题，首先对通过冷锻而实施成型加工，通过氮 化进行表面硬化处理，由此可以确保作为机械结构用部件必要的芯部硬度、表面硬度和有 效硬化层深度的技术方案进行了研究。
[0030] 其结果，得出以下技术思路：若将合金元素量抑制在必要最小限度则可以确保优 异的冷锻性，通过利用冷锻实现的加工硬化和氮化温度下的时效硬化的复合效果，可以得 到高的芯部硬度。
[0031] 因此，本发明人等基于上述技术思路，进而反复实验，得到下述（a)?（e)的发现。
[0032] (a)若使钢中含有Cr和A1，则通过氮化可以提高表面硬度。
[0033] (b)为了通过氮化而得到更高的表面硬度、并且在氮化温度下增大时效硬化量，在 限制钢中的N的含量的基础上、钢中含有V是有效的。若上述钢中含有Mo则可以得到更大 的时效硬化量。
[0034] (c)为了确保优异的冷锻性，抑制粗大的MnS的形成是有效的，为此，将Μη与S的 含量比（Mn/S)限制在特定范围内即可。
[0035] (d)若将钢的C、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo和V的含量限制在特定范围内，则冷锻后可以 确保优异的切削性。
[0036] (e)通过利用冷锻实现的加工硬化和氮化时的时效硬化，可以确保作为机械结构 用部件必要的高的芯部硬度。
[0037] 本发明是基于上述发现而完成的，其要旨在于，下述的冷锻氮化用钢、冷锻氮化用 钢材和冷锻氮化部件。
[0038] (1) -种冷锻氮化用钢，其特征在于，其具有下述化学组成：
[0039] 包含：按质量％计、C :0· 10?0· 15%、Si :0· 02%以上且不足0· 10%、Μη :超过 0. 90%且 2. 50% 以下、Cr :0. 80 ?2. 0%、V :0. 05 ?0. 50%和 Α1 :0. 01 ?0. 07% ;以及
[0040] 剩余部分为Fe和杂质，
[0041] 杂质中的 P、S、N 和 0 为 P :0. 030% 以下、S :0. 050% 以下、N :0. 0080% 以下和 0 : 0. 0030% 以下，
[0042] 进而下述⑴式所示的Fnl为35?200、⑵式所示的Fn2为20?80、（3)式所 示的Fn3为160以上、并且⑷式所示的Fn4为150?200，
[0043] Fnl = Mn/S (1)
[0044] Fn2 = (669. 3 X logeC-1959. 6 X logeN-6983. 3) X (0· 067 XΜο+0· 147 X V) (2)
[0045] Fn3 = 140XCr+125XAl+235XV (3)
[0046] Fn4 = 511 XC+33XMn+56XCu+15XNi+36XCr+5XMo+134XV (4)
[0047] 上述（1)?⑷式中的C、Μη、S、Cr、Mo、V、N、Al、Cu和Ni指的是该元素的按质 量％计的含量。
[0048] (2)根据上述（1)所述的冷锻氮化用钢，其特征在于，其按质量％计含有Mo: 0. 50%以下来替代Fe的一部分。
[0049] (3)根据上述⑴或⑵所述的冷锻氮化用钢，其特征在于，其按质量％计含有选 自Cu :0. 50%以下和Ni :0. 50%以下中的一种以上来替代Fe的一部分。
[0050] (4)根据上述（1)?（3)中任一项所述的冷锻氮化用钢，其特征在于，其按质量％ 计含有选自！1 :0.20%以下、吣：0.10%以下和21':0.10%以下中的一种以上来替代？6的 一部分。
[0051] (5)根据上述（1)?⑷中任一项所述的冷锻氮化用钢，其特征在于，其按质 量％计含有选自Pb :0. 50%以下、Ca :0. 010%以下、Bi :0. 30%以下、Te :0. 30%以下、Se : 0. 30%以下和Sb :0. 30%以下中的一种以上来替代Fe的一部分。
[0052] (6) -种冷锻氮化用钢材，其特征在于，其具有上述（1)?（5)中任一项所述的化 学组成，利用提取残渣分析测得的析出物中的V含量为0. 10%以下。
[0053] (7) -种冷锻氮化部件，其特征在于，其具有上述（1)?（5)中任一项所述的化学 组成，芯部硬度按维氏硬度计为200以上，表面硬度按维氏硬度计为700以上，有效硬化层 深度为〇· 20謹以上。
[0054] 作为剩余部分的"Fe和杂质"中的"杂质"，指的是在工业上制造钢铁材料时，从作 为原材料的矿石、废料、或制造环境等混入的物质。
[0055] 发明的效果
[0056] 本发明的冷锻氮化用钢和冷锻氮化用钢材，其冷锻性和冷锻后的切削性尤其是切 屑处理性优异，同时能够使实施了冷锻和氮化的处理的部件具备高的芯部硬度、高的表面 硬度和深的有效硬化层深度，因此，适于用作冷锻氮化部件的原材料。
[0057] 另外，本发明的冷锻氮化部件由于耐变形性、弯曲疲劳强度和耐磨耗性优异，可以 适于用作齿轮、CVT用滑轮等汽车的变速箱等中使用的机械结构用部件。

【专利附图】

【附图说明】
[0058] 图1为表示实施例中使用的冷锻时的临界压缩率测定用切口试验片的形状的图。 图中的尺寸的单位为"mm"。
[0059] 图2为表示实施例中使用的氮化后的硬度等的测定用圆棒试验片的形状的图。图 中的尺寸的单位为"mm"。
[0060] 图3为表示从实施例中使用的带切口小野式旋转弯曲疲劳试验片的冷拔材切出 的状态下的粗制形状的图。除了表示为"3. 2S"的部位，图中的尺寸的单位为
[0061] 图4为表示实施例中使用的耐磨耗性调查用块状试验片A的形状的图。图中的没 有示出单位的尺寸为"mm"。
[0062] 图5为表示实施例中使用的耐变形性调查用块状试验片B的形状的图。图中的没 有示出单位的尺寸为"mm"。
[0063] 图6为表示实施例中，对图2?图5所示的试验片实施的软氮化的加热曲线的图。
[0064] 图7为表示实施例中使用的带切口小野式旋转弯曲疲劳试验片的精加工形状的 图。图中的尺寸的单位为"mm"。
[0065] 图8为对于实施例的使用NC车床进行车削加工而产生的切屑的长度进行说明的 图。
[0066] 图9为对实施例中实施的环块式磨耗试验方法进行说明的图。
[0067] 图10为表示实施例的环块式磨耗试验中使用的环状试验片的形状的图。图中的 没有示出单位的尺寸为"mm"。
[0068] 图11为表示实施例中对精加工磨削之前的环状试验片和压入试验治具实施的气 体渗碳淬火-回火的加热曲线的图。
[0069] 图12为对实施例中实施的环块式磨耗试验后的磨耗深度的测定方法进行说明的 图。
[0070] 图13为对实施例中实施的压入试验的方法进行说明的图。
[0071] 图14为表示实施例的压入试验中使用的压入试验治具的形状的图。图中的没有 示出单位的尺寸为"mm"。
[0072] 图15为对式⑵所示的Fn2与实施例的调查6中的氮化后的芯部硬度（HV)的关 系进行整理而得到的图。
[0073] 图16为对式（2)所示的Fn2与实施例的调查9中的压入变形量的关系进行整理 而得到的图。
[0074] 图17为对式⑶所示的Fn3与实施例的调查6中的氮化后的表面硬度（HV)的关 系进行整理而得到的图。
[0075] 图18为对式（3)所示的Fn3与实施例的调查7中的旋转弯曲疲劳强度的关系进 行整理而得到的图。
[0076] 图19为对式（3)所示的Fn3与实施例的调查8中的磨耗深度的关系进行整理而 得到的图。

【具体实施方式】
[0077] 以下对本发明的各特征进行具体说明。需要说明的是，各元素的含量的"％"指的 是"质量％"。
[0078] ⑷化学组成：
[0079] C :0.10 ?0.15%
[0080] C是为了确保冷锻氮化部件的弯曲疲劳强度和芯部硬度而必要的元素，需要 0.10%以上的含量。但是，若C的含量过多，则硬度提高，冷锻性和切削性降低。因此，设定 上限，使C的含量为0. 10?0. 15%。C的含量优选为0. 13%以下。
[0081] Si :0· 02% 以上且不足 0· 10%
[0082] Si具有脱氧作用。为了得到这种效果，需要0.02%以上的含量。但是，若Si含量 过多，则硬度提高，冷锻性降低。因此，设定上限，使Si的含量为0. 02%以上且不足0. 10%。 Si的含量优选为0. 03%以上。
[0083] Μη :超过 0· 90 %且 2. 50% 以下
[0084] Μη具有确保冷锻氮化部件的弯曲疲劳强度和芯部硬度的作用和脱氧作用。为了得 到这些效果，需要超过0. 90 %的Μη含量。但是，若Μη的含量过多，则硬度提高，冷锻性和 切削性降低。因此，设定上限，使Μη的含量超过0.90%且2. 50%以下。Μη的含量优选为 1. 50%以上，另外优选为2. 00%以下。
[0085] Cr :0.80 ?2.0%
[0086] Cr在氮化时与N结合而生成氮化物，提高氮化中的表面硬度，具有确保冷锻氮化 部件的弯曲疲劳强度和耐磨耗性的效果。但是，Cr的含量不足0.80%时，不能得到前述效 果。另一方面，若Cr的含量超过2.0%则变硬而冷锻性和切削性降低。因此，使Cr的含量 为0. 80?2. 0%。Cr的含量优选为0. 90%以上，另外优选为1. 5%以下。
[0087] V :0.05 ?0.50%
[0088] V在氮化时与C或/和N结合而形成碳化物、氮化物和碳氮化物，具有提高表面硬 度的效果。另外，通过氮化温度下的时效硬化作用、即形成碳化物，从而具有提高芯部硬度 的效果。为了得到这些效果，需要含有0.05%以上的V。但是，若V的含量多，则不仅硬度 变得过高，而且冷锻性降低。因此，设定上限，使V的含量为0.05?0.50%。V的含量优选 为0. 10%以上，另外优选为0. 40%以下。
[0089] A1 :0· 01 ?0· 07%
[0090] A1具有脱氧作用。另外，在氮化时与N结合而形成A1N，具有提高表面硬度的效 果。为了得到这些效果，需要含有0.01%以上的A1。但是，若A1的含量过多，则不仅形成 硬质且粗大的A1 203而冷锻性降低，而且存在氮化中的有效硬化层变浅、结果弯曲疲劳强度 和点蚀强度降低的问题。因此，设定上限，使A1的含量为0.01?0.07%。A1的含量优选 为0. 02%以上，另夕卜，优选为0. 06%以下。
[0091] 本发明的冷锻氮化用钢和冷锻氮化用钢材的一种方式具有下述化学组成：包含上 述C?Al的元素以及剩余部分为Fe和杂质，杂质中的P、S、0和N为P :0.030%以下、S: 0. 050%以下、N :0. 0080%以下和0 :0. 0030%以下，并且满足后述的对于Fnl?Fn4的条 件。需要说明的是，如已经所述，"Fe和杂质"中的"杂质"，指的是在工业上制造钢铁材料 时，从作为原材料的矿石、废料、或制造环境等混入的物质。
[0092] P :0.030% 以下
[0093] P是含有在钢中的杂质。若P的含量过多，则在晶界偏析的P有可能使钢脆化。因 此，设定上限，使P的含量为0.030%以下。更优选的P的含量为0.020%以下。
[0094] S :0.050% 以下
[0095] S是含有在钢中的杂质。另外，若积极地含有S，则与Μη结合而形成MnS，具有提高 切削性的效果。但是，若S的含量超过0. 050%，则形成粗大的MnS而冷锻性和弯曲疲劳强度 降低。因此，使S的含量为0.050 %以下。S的含量优选为0.030 %以下。需要说明的是，为 了得到提高切削性的效果的情况下，S的含量优选为0. 003%以上，进一步优选为0. 005% 以上。
[0096] N :0.0080% 以下
[0097] N是含有在钢中的杂质。N与C 一起与V等元素结合而形成碳氮化物。若热轧时 析出碳氮化物，则硬度提高，冷锻性降低。另外，也不能充分得到利用氮化温度下的时效硬 化实现的芯部硬度提高效果。因此，需要限制N的含量，使N的含量为0.0080%以下。优选 的N的含量为0. 0070 %以下。
[0098] 0:0.0030% 以下
[0099] 0是含有在钢中的杂质。0形成氧化物系的夹杂物，成为夹杂物起点的疲劳破坏的 原因，使弯曲疲劳强度降低。若〇的含量超过0.0030%，则弯曲疲劳强度的降低显著。因 此，使〇的含量为〇. 0030%以下。需要说明的是，优选的0含量为0. 0020%以下。
[0100] 本发明的冷锻氮化用钢和冷锻氮化用钢材的另一种方式具有下述化学组成：含有 选自]?〇、(：11、附、11、恥、21'、？13、0&、8丨、了6、56和513中的一种以上元素来替代上述？6的一 部分，并且满足对于Fnl?Fn4的条件。
[0101] 以下对作为任意元素的上述]?〇、(：11、附、11、恥、21'、？13、0&、8丨、了6、56和513的作用 效果和含量的限定理由进行说明。
[0102] Mo :0.50 % 以下
[0103] Mo在氮化温度下与C结合而形成碳化物，具有通过时效硬化而提高芯部硬度的作 用，因此为了得到上述效果，含有Mo为宜。但是若含有超过0.50%的Mo,则变硬而冷锻性 和切削性降低。因此，含有Mo时的Mo的量设定为0.50%以下。需要说明的是，含有Mo时 的Mo的量优选为0.40%以下。
[0104] 另一方面，为了稳定地得到前述Mo的效果，含有Mo时的Mo的量优选为0. 05%以 上。
[0105] Cu和Ni均具有提高芯部硬度的作用。因此，为了得到上述效果，含有这些元素为 宜。以下对上述Cu和Ni进行说明。
[0106] Cu :0.50% 以下
[0107] Cu由于具有提高芯部硬度的作用，为了得到上述效果，含有Cu为宜。但是，若Cu 的含量增多，则冷锻性和切削性降低，并且在热轧等的高温下，Cu熔融而成为液体。液体化 了的Cu浸润晶粒之间，使晶界脆化，成为热轧中的表面缺陷的原因。因此，对于含有Cu时 的Cu的量设定上限，使其为0. 50%以下。含有Cu时的Cu的量优选为0. 40%以下。
[0108] 另一方面，为了稳定地得到前述Cu的效果，含有Cu时的Cu的量优选为0. 10%以 上。
[0109] Ni :0.50% 以下
[0110] Ni由于具有提高芯部硬度的作用，为了得到上述效果，含有Ni为宜。但是，若Ni的 含量增多，则冷锻性和切削性降低。因此，对于含有Ni时的Ni的量设定上限，使其为0. 50% 以下。含有Ni时的Ni的量优选为0. 40%以下。
[0111] 另一方面，为了稳定地得到前述Ni的效果，含有Ni时的Ni的量优选为0. 10%以 上。
[0112] 对于上述Cu和Ni而言，可以仅含有其中的任意一种或以两种的复合形式含有。复 合这些元素来含有时的总量可以是Cu和Ni的含量分别为上限值时的1. 00%，但是优选为 0.80%以下。另外，含有Cu时，为了避免前述热轧中的表面缺陷的产生，优选复合Ni来含 有。
[0113] Ti、Nb和Zr均具有使晶粒微细化而提高弯曲疲劳强度的作用。因此，为了得到上 述效果，含有这些元素为宜。以下对于上述Ti、Nb和Zr进行说明。
[0114] Ti :0.20% 以下
[0115] Ti与C或/和N结合而形成微细的碳化物、氮化物和碳氮化物，具有使晶粒微细 化、提高弯曲疲劳强度的作用。因此，为了得到上述效果，含有Ti为宜。但是，Ti的含量多 时，生成粗大的TiN，因此弯曲疲劳强度反而降低。因此，对于含有Ti时的Ti的量设定上 限，使其为0.20%以下。含有Ti时的Ti的量优选为0. 10%以下。
[0116] 另一方面，为了稳定地得到前述Ti的效果，含有Ti时的Ti的量优选为0.005%以 上。
[0117] Nb :0.10 % 以下
[0118] Nb与C或/和N结合而形成微细的碳化物、氮化物和碳氮化物，具有使晶粒微细 化、提高弯曲疲劳强度的作用。因此，为了得到上述效果，含有Nb为宜。但是，Nb的含量 多时，硬度提高，冷锻性和切削性降低。因此，对于含有Nb时的Nb的量设定上限，使其为 0. 10%以下。含有Nb时的Nb的量优选为0. 07%以下。
[0119] 另一方面，为了稳定地得到前述Nb的效果，含有Nb时的Nb的量优选为0. 020%以 上。
[0120] Zr :0.10 % 以下
[0121] Zr也与C或/和N结合而形成微细的碳化物、氮化物和碳氮化物，具有使晶粒微 细化、提高弯曲疲劳强度的作用。因此，为了得到上述效果，含有Zr为宜。但是，Zr的含量 多时，硬度提高，冷锻性和切削性降低。因此，对于含有Zr时的Zr的量设定上限，使其为 0. 10%以下。含有Zr时的Zr的量优选为0. 07%以下。
[0122] 另一方面，为了稳定地得到前述Zr的效果，含有Zr时的Zr的量优选为0. 002%以 上。
[0123] 对于上述Ti、Nb和Zr而言，可以仅含有其中的任意一种或以两种以上的复合形式 含有。复合这些元素来含有时的总量，可以是Ti、Nb和Zr的含量分别为上限值时的0. 40%， 但是优选为0.24%以下。
[0124] ?13工&、8丨、1^、56和513均具有提高切削性的作用。因此，为了得到上述效果，含有 这些元素为宜。以下对上述？13、0 &、8丨、了6、56和513进行说明。
[0125] Pb :0.50 % 以下
[0126] Pb具有提高切削性的作用。因此，为了得到上述效果，含有Pb为宜。但是，Pb含 量多时，热加工性降低，进而也导致冷锻氮化部件的韧性降低。因此，对于含有Pb时的Pb 的量设定上限，使其为〇. 50%以下。含有Pb时的Pb的量优选为0. 20%以下。
[0127] 另一方面，为了稳定地得到前述Pb的效果，含有Pb时的Pb的量优选为0.02%以 上。
[0128] Ca :0.010% 以下
[0129] Ca具有提高切削性的作用。因此，为了得到上述效果，含有Ca为宜。但是，Ca含 量多时，热加工性降低，进而也导致冷锻氮化部件的韧性降低。因此，对于含有Ca时的Ca 的量设定上限，使其为〇. 010%以下。含有Ca时的Ca的量优选为0. 005%以下。
[0130] 另一方面，为了稳定地得到前述Ca的效果，含有Ca时的Ca的量优选为0. 0003% 以上。
[0131] Bi :0.30% 以下
[0132] Bi也具有提高切削性的作用。因此，为了得到上述效果，含有Bi为宜。但是，Bi 含量多时，热加工性降低，进而也导致冷锻氮化部件的韧性降低。因此，对于含有Bi时的Bi 的量设定上限，使其为0.30%以下。含有Bi时的Bi的量优选为0. 10%以下。
[0133] 另一方面，为了稳定地得到前述Bi的效果，含有Bi时的Bi的量优选为0.005%以 上。
[0134] Te :0.30 % 以下
[0135] Te具有提高切削性的作用。因此，为了得到上述效果，含有Te为宜。但是，Te含 量多时，热加工性降低，进而也导致冷锻氮化部件的韧性降低。因此，对于含有Te时的Te 的量设定上限，使其为〇. 30%以下。含有Te时的Te的量优选为0. 10%以下。
[0136] 另一方面，为了稳定地得到前述Te的效果，含有Te时的Te的量优选为0. 003%以 上。
[0137] Se :0.30% 以下
[0138] Se也具有提高切削性的作用。因此，为了得到上述效果，含有Se为宜。但是，Se 含量多时，热加工性降低，进而也导致冷锻氮化部件的韧性降低。因此，对于含有Se时的Se 的量设定上限，使其为〇. 30%以下。含有Se时的Se的量优选为0. 10%以下。
[0139] 另一方面，为了稳定地得到前述Se的效果，含有Se时的Se的量优选为0. 005%以 上。
[0140] Sb :0.30 % 以下
[0141] Sb具有提高切削性的作用。因此，为了得到上述效果，含有Sb为宜。但是，Sb含 量多时，热加工性降低，进而也导致冷锻氮化部件的韧性降低。因此，对于含有Sb时的Sb 的量设定上限，使其为0. 30%以下。含有Sb时的Sb的量优选为0. 10%以下。
[0142] 另一方面，为了稳定地得到前述Sb的效果，含有Sb时的Sb的量优选为0. 005%以 上。
[0143] 对于上述Pb、Ca、Bi、Te、Se和Sb而言，可以仅含有其中的任意一种或以两种以 上的复合形式含有。复合这些元素来含有时的总量，优选为0.50 %以下，进一步优选为 0. 30%以下。
[0144] Fnl :35 ?200
[0145] 对于本发明的冷锻氮化用钢和冷锻氮化用钢材而言，
[0146] Fnl = Mn/S (1)
[0147] 所示的Fnl必须为35?200。其中，（1)式中的Μη和S指的是该元素的按质量％ 计的含量。
[0148] 上述Fnl为成为MnS生成和中心偏析的指标的参数。Fnl不足35的情况下，S含 量过量而不能避免粗大的MnS的生成。另一方面,Fnl的值超过200的情况下,Μη的含量过 量而在中心偏析部生成粗大的MnS。因此，任意一种情况下，都导致弯曲疲劳强度的降低，并 且难以避免冷锻时的裂纹。Fnl优选为40以上，另外优选为190以下。
[0149] Fn2:20 ?80
[0150] 对于本发明的冷锻氮化用钢和冷锻氮化用钢材而言，
[0151] Fn2 = (669. 3 X logeC-1959. 6 X logeN-6983. 3) X (0. 067 XMo+0. 147 X V) (2)
[0152] 所示的Fn2必须为20?80。其中，（2)式中的C、N、Mo和V指的是该元素的按质 量％计的含量。
[0153] 上述Fn2是成为利用冷锻后的氮化实现的时效硬化量、即利用氮化实现的芯部硬 度的提高量的指标的参数。若Fn2为20以上，则氮化后的时效硬化量增大，芯部硬度提高。 但是，若Fn2超过80,则不仅上述效果饱和，而且冷锻性降低。Fn2优选为30以上。
[0154] Fn3:160 以上
[0155] 对于本发明的冷锻氮化用钢和冷锻氮化用钢材而言，
[0156] Fn3 = 140XCr+125XAl+235XV (3)
[0157] 所示的Fn3必须为160以上。其中，（3)式中的Cr、A1和V指的是该元素的按质 量％计的含量。
[0158] 上述Fn3是成为氮化后的表面硬度、弯曲疲劳强度和耐磨耗性的指标的参数。
[0159] Cr、Al和V在氮化过程中于冷锻氮化部件的表面附近生成硬度高的氮化物和碳氮 化物，可以提高表面硬度。通过使Fn3为160,表面硬度按HV计为700以上，能够得到与渗 碳淬火材同等的弯曲疲劳强度和耐磨耗性。Fn3小于160时，表面硬度低，与渗碳淬火材相 t匕，弯曲疲劳强度和耐磨耗性差。Fn3优选为170以上，另外优选为350以下。
[0160] Fn4:150 ?200
[0161] 对于本发明的冷锻氮化用钢和冷锻氮化用钢材而言，
[0162] Fn4 = 511 XC+33XMn+56XCu+15XNi+36XCr+5XMo+134XV (4)
[0163] 所示的Fn4必须为150?200。其中，（4)式中的（：、]?11、(：11、附、0、]\1〇和￥指的是 该元素的按质量％计的含量。
[0164] 上述Fn4是成为冷加工后的切削性的指标的参数。
[0165] 若Fn4为150?200,则在冷锻后的车削中，切屑处理性良好，并且具有优异的切削 性。Fn4小于150时，车削中的切屑变长，切屑处理性差。另外，Fn4大于200时，车削中的 切削阻力提高，成为工具寿命降低的原因。Fn4优选为160以上，另外，优选为190以下。
[0166] (B)利用提取残渣分析测得的析出物中的V含量：
[0167] 本发明的冷锻氮化用钢材，除了具有前项（A)中记载的化学组成之外，规定利用 提取残渣分析测得的析出物中的V含量为0. 10%以下。
[0168] 冷锻氮化用钢材中，若析出大量的微细的V析出物、即V的碳化物、氮化物和碳氮 化物，则铁素体被强化而硬度提高，冷锻性易降低。因此，为了确保冷锻性，利用提取残渣分 析测得的析出物中的V含量为0. 10%以下。上述析出物中的V含量优选为0.08%以下。
[0169] 利用提取残渣分析测得的析出物中的V含量例如可以如下求出：采集适当的试验 片，在10% AA系溶液中恒定电流电解，用网眼尺寸0. 2 μ m的过滤器过滤所提取的溶液，对 于过滤物进行一般性化学分析，由此可以求出析出物中的V含量。上述10% AA系溶液指的 是四甲基氯化铵、乙酰丙酮和甲醇以1:10:100混合而成的溶液。
[0170] 如上所述，在热轧或热锻的状态下有可能析出V的碳化物、氮化物和碳氮化物而 冷锻性不充分。因此，为了得到利用提取残渣分析测得的析出物中的V含量为0. 10%以下 的冷锻氮化用钢材，优选在热轧或/和热锻后，例如加热到850?950°C后，强制风冷而冷却 至室温，由此进行"正火"。
[0171] 若在上述温度区域下加热后，在大气中自然冷却或缓慢冷却，冷却至室温，由此进 行"正火"，则冷却过程中再次析出V的碳化物、氮化物和碳氮化物而硬度提高，冷锻性有可 能降低。因此，加热后优选例如通过800?500°C的温度范围内的平均冷却速度为0. 5? 5. 0°C /秒的强制风冷进行冷却，以不会析出V的碳化物、氮化物和碳氮化物。
[0172] (C)冷锻氮化部件：
[0173] 本发明的冷锻氮化部件，除了具有前述（A)项中记载的化学组成之外，芯部硬度 按HV计为200以上、表面硬度按HV计为700以上、有效硬化层深度为0. 20mm以上是必须 的。
[0174] 满足上述条件时，冷锻氮化部件的耐变形性、弯曲疲劳强度和耐磨耗性优异，可以 适于用作齿轮、CVT用滑轮等汽车的变速箱等中使用的机械结构用部件。
[0175] 芯部硬度按HV计优选为210以上，另外优选为400以下。表面硬度按HV计优选为 710以上，另外优选为900以下。有效硬化层深度优选为0. 25mm以上，另外优选为0. 50mm 以下。
[0176] (D)冷锻氮化部件的制造方法：
[0177] 上述（C)项的冷锻氮化部件例如可以如下制造：原材料具有圆筒状的形状时，对 于具有前述（A)项中记载的化学组成和前述（B)项中记载的利用提取残渣分析测得的析出 物中的V含量的冷锻氮化用钢材，以30%以上的压缩率进行冷锻后，在400?650°C下实施 1?30小时的氮化，由此可以制造上述（C)项的冷锻氮化部件。压缩率指的是冷锻之前的 原材料的高度为％、冷锻之后的部件的高度为Η时，以{(HcrHVHj X 100表示的值。
[0178] 为了提高冷锻氮化部件的芯部硬度，优选增大冷锻中的加工度、即增大应变，从而 有效利用通过加工硬化实现的强化。
[0179] 进行上述冷锻后，为了不仅有效利用通过加工硬化实现的强化，还有效利用通过 时效硬化实现的强化，优选在400?650°C下实施1?30小时的氮化。
[0180] 进行氮化的温度低、低于400°C时，虽然可以对冷锻氮化部件赋予高的表面硬度， 但是有效硬化层变浅，进而难以通过时效硬化来达成芯部硬度提高。另一方面，进行氮化的 温度高、超过650°C时，虽然冷锻氮化部件的有效硬化层变深，但是表面硬度降低，进而芯部 硬度也降低。进行氮化的温度优选为450°C以上，另外优选为630°C以下。
[0181] 实施氮化的时间根据冷锻氮化部件所需要的有效硬化层的深度不同而改变，不足 1小时的情况下，有效硬化层变浅。另一方面，超过30小时的长时间的情况下，不适于大量 生产。进行氮化的时间优选为1小时以上，另外优选为20小时以下。
[0182] 对于用于得到本发明的冷锻氮化部件的氮化方法没有特别规定，可以使用气体氮 化、盐浴氮化、离子氮化等。软氮化的情况下，例如可以并用NH 3和RX气体，在NH3与RX气 体为1:1的气氛中进行处理即可。
[0183] 实施氮化的时间根据处理温度不同而异，例如在590°C下进行软氮化时，用9小时 就可以得到前述（C)项中所述的表面硬度、芯部硬度和有效硬化层深度。
[0184] 另外，想要抑制脆弱的化合物的形成时，优选作为利用见13进行氮化的前处理使用 氟气体，或者氮化使用NH 3与H2的混合气体。
[0185] 以下，通过利用气体软氮化进行处理的实施例对本发明进行更具体的说明，但是 本发明不被这些实施例所限定。
[0186] 实施例
[0187] 通过真空熔化炉将180kg具有表1所示的化学成分的钢1?22熔炼，铸造成钢锭。
[0188] 表1中的钢1?13为化学组成处于本发明中规定的范围内的本发明例的钢。另 一方面，钢14?22为化学组成在本发明中规定的条件之外的比较例的钢。需要说明的是， (2)式所示的Fn2中的Mo和V、（3)式所示的Fn3中的V、以及⑷式所示的Fn4中的Cu、 Ni、Mo和V，在表1中记载为的情况下为"0(零）"。
[0189] 上述比较例的钢中，钢14为相当于JIS G 4052(2008)中规定的SCr420H的钢。
[0190]

【权利要求】
1. 一种冷锻氮化用钢，其特征在于，其具有下述化学组成： 包含：按质量％计、c :0· 10?0· 15%、Si :0· 02%以上且不足0· 10%、Mn :超过0· 90% 且 2. 50% 以下、Cr :0.80 ?2.0%、V :0.05 ?0.50%和 A1 :0.01 ?0.07% ;以及 剩余部分为Fe和杂质， 杂质中的P、S、N和0为P :0· 030 %以下、S :0· 050 %以下、N :0· 0080 %以下和0 : 0. 0030% 以下， 进而下述⑴式所示的Fnl为35?200、⑵式所示的Fn2为20?80、（3)式所示的 Fn3为160以上、并且⑷式所示的Fn4为150?200， Fnl = Mn/S (1) Fn2 = (669. 3 X logeC-1959. 6 X logeN-6983. 3) X (0· 067 XΜο+0· 147 X V) (2) Fn3 = 140XCr+125XAl+235XV (3) Fn4 = 511XC+33XMn+56XCu+15XNi+36XCr+5XMo+134XV (4) 上述⑴?⑷式中的(：^11、5、〇^0、￥、队41、(：11和附指的是该元素的按质量％计 的含量。
2. 根据权利要求1所述的冷锻氮化用钢，其特征在于，其按质量％计含有Mo :0.50%以 下来替代Fe的一部分。
3. 根据权利要求1或2所述的冷锻氮化用钢，其特征在于，其按质量％计含有选自Cu : 0. 50%以下和Ni :0. 50%以下中的一种以上来替代Fe的一部分。
4. 根据权利要求1?3中任一项所述的冷锻氮化用钢，其特征在于，其按质量％计含有 选自Ti :0. 20%以下、Nb :0. 10%以下和Zr :0. 10%以下中的一种以上来替代Fe的一部分。
5. 根据权利要求1?4中任一项所述的冷锻氮化用钢，其特征在于，其按质量％计含有 选自 Pb :0. 50% 以下、Ca :0. 010% 以下、Bi :0. 30% 以下、Te :0. 30% 以下、Se :0. 30% 以下 和Sb :0. 30%以下中的一种以上来替代Fe的一部分。
6. -种冷锻氮化用钢材，其特征在于，其具有权利要求1?5中任一项所述的化学组 成，利用提取残渣分析测得的析出物中的V含量为0. 10%以下。
7. -种冷锻氮化部件，其特征在于，其具有权利要求1?5中任一项所述的化学组成， 芯部硬度按维氏硬度计为200以上，表面硬度按维氏硬度计为700以上，有效硬化层深度为 0. 20mm 以上。
【文档编号】C23C8/38GK104254628SQ201380018121
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年2月28日 优先权日:2012年4月2日
【发明者】今高秀树, 堀本雅之, 行德裕也, 田中康介 申请人:新日铁住金株式会社