專利名稱：冷鍛氮化用鋼、冷鍛氮化用鋼材及冷鍛氮化部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冷鍛氮化用鋼、冷鍛氮化用鋼材以及冷鍛氮化部件。具體而言，涉及冷鍛性和冷鍛后的切削性優(yōu)異，同時能夠使實施了冷鍛和氮化的處理的部件具備高的芯部硬度和表面硬度、以及深的有效硬化層深度，適于用作冷鍛氮化部件的原材料的冷鍛氮化用鋼和冷鍛氮化用鋼材、以及使用其得到的冷鍛氮化部件。本發(fā)明中所稱的“氮化”，不僅包括作為“使N侵入、擴(kuò)散”處理的“氮化”，還包括作為“使N和C侵入、擴(kuò)散”處理的“軟氮化”。因此，以下的說明中，有時包括“軟氮化”在內(nèi)僅稱為“氮化”。另外，上述“冷鍛氮化”指的是進(jìn)行“冷鍛”后進(jìn)一步實施“氮化”處理。
背景技術(shù)：
對于齒輪、帶式無級變速機(jī)(以下稱為“CVT”)用滑輪等汽車的變速箱等中使用的機(jī)械結(jié)構(gòu)用部件，從彎曲疲勞強(qiáng)度提高、點(diǎn)蝕強(qiáng)度提高和耐磨耗性提高的觀點(diǎn)考慮，通常實施表面硬化處理。作為代表性的表面硬化處理，有滲碳淬火、高頻淬火、氮化等。上述表面硬化處理中，滲碳淬火為下述處理:通常使用低碳鋼，在Ac3點(diǎn)以上的高溫的奧氏體區(qū)域使C侵入、 擴(kuò)散后，進(jìn)行淬火的處理。滲碳淬火具有得到高的表面硬度和深的有效硬化層深度的優(yōu)點(diǎn)，但是由于為伴隨有相變的處理，存在熱處理變形增大的問題。因此，要求高的部件精度時，在滲碳淬火后需要磨削、珩磨等精加工。另外還存在生成在表層的晶界氧化層、不完全淬火層等所謂“滲碳異常層”成為彎曲疲勞等的破壞起點(diǎn)，使疲勞強(qiáng)度降低的問題。高頻淬火為急速加熱到Ac3點(diǎn)以上的高溫的奧氏體區(qū)域、并進(jìn)行冷卻而進(jìn)行淬火的處理。雖然具有比較容易調(diào)整有效硬化層深度的優(yōu)點(diǎn)，但是并不是如滲碳那樣使C侵入、擴(kuò)散的表面硬化處理，因此為了得到必要的表面硬度、有效硬化層深度和芯部硬度，通常使用C量比滲碳用鋼高的中碳鋼。但是，中碳鋼由于原材料硬度比低碳鋼高，因此存在切削性降低的問題。另外，需要對各個部件分別制作高頻加熱線圈。與此相對，氮化為在Ac1點(diǎn)以下的400 550°C左右的溫度下，使N侵入、擴(kuò)散而得到高的表面硬度和適當(dāng)?shù)挠行в不瘜由疃鹊奶幚?。與滲碳淬火和高頻淬火相比，處理溫度低，因此具有熱處理變形小的優(yōu)點(diǎn)。另外，氮化中軟氮化為在Ac1點(diǎn)以下的500 650°C左右的溫度下，使N和C侵入、擴(kuò)散而得到高的表面硬度的處理，由于處理時間短、為數(shù)小時，因此為適于大量生產(chǎn)的處理。進(jìn)而，隨著近來的以抑制全球變暖為背景的減少溫室效應(yīng)氣體的潮流，期待減少熱鍛和滲碳淬火之類高溫下保持的工序。因此氮化是順應(yīng)時代的處理。但是，以往的氮化用鋼存在以下的〈1> 〈3>所述的問題。〈1>氮化為不進(jìn)行從高溫的奧氏體區(qū)域的淬火處理的表面硬化處理、即為不能進(jìn)行伴隨有馬氏體相變的強(qiáng)化的表面硬化處理。因此，為了使氮化部件確保所希望的芯部硬度而需要含有大量的合金元素，結(jié)果難以利用冷鍛進(jìn)行成型加工，需要利用熱鍛等進(jìn)行成型加工?！?>作為代表性的氮化用鋼，有JIS G 4053(2008)中規(guī)定的鋁鉻鑰鋼(SACM645)。但是，該鋼雖然由于Cr、Al等在表面附近生成氮化物，可以得到高的表面硬度，但是由于有效硬化層淺，因此不能確保高的彎曲疲勞強(qiáng)度。<3>氮化中軟氮化由于在500 650°C左右的溫度區(qū)域保持?jǐn)?shù)小時，因此部件的芯部易回火軟化。其結(jié)果，對于負(fù)荷高表面壓力的部件而言，芯部易產(chǎn)生塑性變形，接觸面凹陷而變形。因此，為了解決前述問題，例如專利文獻(xiàn)I和專利文獻(xiàn)2中公開了氮化相關(guān)的技術(shù)。專利文獻(xiàn)I中公開了目的在于提供軋制后的硬度按維氏硬度計為200以下、軟氮化性和冷鍛性優(yōu)異的軟氮化用鋼的“冷鍛性優(yōu)異的軟氮化用鋼”。上述“軟氮化用鋼”，按質(zhì)量％ 計含有 C:0.05 0.25%,Si:0.50% 以下、Mn:0.55% 以下、Cr:0.50 2.00%,V:0.02 0.35%和Al:0.005 0.050%，根據(jù)需要進(jìn)而含有Nb:0.02 0.35%，剩余部分由Fe和雜質(zhì)
元素組成。專利文獻(xiàn)2中公開了表面硬化層硬、且有效硬化層深度深、另外能夠得到必要的芯部硬度、同時切削等機(jī)械加工量少的“氮化處理部件的制造方法”。上述“氮化處理部件的制造方法”為對具有下述組成的鋼材，在氮化處理之前進(jìn)行V的析出控制熱處理，然后進(jìn)行冷加工后，進(jìn)而實施氮化處理的技術(shù):按質(zhì)量％計含有C:0.10 0.40%,S1:0.10 0.70%、Mn:0.20 1.50%,Cr:0.50 2.50% 和 V:0.05 0.60%，根據(jù)需要進(jìn)而含有 Al、Mo、T1、Nb、Ta、B、S、Pb、Te、Se、Ca、Bi和Sb中的一種或兩種以上，剩余部分實質(zhì)上由Fe組成?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1:日本特開平5-171347號公報專利文獻(xiàn)2:日本特開平7-102343號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題
前述專利文獻(xiàn)I中公開的鋼，其冷鍛性、冷鍛后的切削性、耐變形性、彎曲疲勞強(qiáng)度和耐磨耗性未必全部優(yōu)異。另外，有效硬化層深度指的是按維氏硬度(以下有時稱為“HV”)計為400以上的深度，不具有充分的有效硬化層深度。專利文獻(xiàn)2中公開的鋼中含有大量的合金元素。因此，若以大的加工度進(jìn)行冷鍛，則未必能夠確保充分的冷鍛性，有可能存在問題。本發(fā)明是鑒于上述現(xiàn)狀而提出的，其目的在于，提供一種冷鍛氮化用鋼和冷鍛氮化用鋼材，其冷鍛性和冷鍛后的切削性優(yōu)異，同時能夠使實施了冷鍛和氮化的部件具備高的芯部硬度、高的表面硬度和深的有效硬化層深度，適于用作冷鍛氮化部件的原材料。具體而言，本發(fā)明的目的在于，提供一種冷鍛氮化用鋼和冷鍛氮化用鋼材，其冷鍛之前的硬度按HV計為160以下，冷鍛后切削阻力低、且切屑處理性也優(yōu)異，進(jìn)而能夠得到實施了冷鍛和氮化后的芯部硬度按HV計為220以上、表面硬度按HV計為650以上以及有效硬化層深度為0.20mm以上的硬度特性，能夠用作冷鍛氮化部件的原材料。另外，本發(fā)明的目的還在于，提供使用上述冷鍛氮化用鋼和冷鍛氮化用鋼材得到的冷鍛氮化部件。用于解決問題的方案如前述所述那樣，氮化為不進(jìn)行從奧氏體區(qū)域的淬火處理的表面硬化處理、即為不能進(jìn)行伴隨有馬氏體相變的強(qiáng)化的表面硬化處理。因此，為了使氮化部件確保所希望的芯部硬度而需要含有大量的合金元素，但是此時難以利用冷鍛進(jìn)行成型加工。因此，本發(fā)明人等，為了解決前述問題，首先作為不進(jìn)行熱鍛和滲透淬火之類高溫保持就得到機(jī)械結(jié)構(gòu)用部件的方法，對通過冷鍛而實施成型加工，通過氮化進(jìn)行表面硬化處理，由此可以確保作為機(jī)械結(jié)構(gòu)用部件必要的芯部硬度、表面硬度和有效硬化層深度的技術(shù)方案進(jìn)行了研究。其結(jié)果，得出以下技術(shù)思路:若將合金元素量抑制在必要最小限度來確保優(yōu)異的冷鍛性，通過利用冷鍛實現(xiàn)的加工硬化和氮化溫度下的時效硬化的復(fù)合效果，可以得到高的芯部硬度，則可以確保高的芯部硬度和良好的冷鍛性的相反的特性兩者。因此，本發(fā)明人等基于上述技術(shù)思路，進(jìn)而反復(fù)實驗，得到下述(a) (e)的發(fā)現(xiàn)。(a)若使鋼中含有Cr和Al，則通過氮化可以提高表面硬度。(b)為了通過氮化而得到更高的表面硬度、并且在氮化溫度下增大時效硬化量，在限制鋼中的N的含量的基礎(chǔ)上、含有V是有效的。進(jìn)而，若含有Mo則可以得到更大的時效硬化量。 (c)另一方面，若含有Cr和V則冷鍛性降低。為了不降低芯部硬度、并確保冷鍛性而限制各成分元素的含量是有限度的。但是，若不僅限制N的含量，而且將C、S1、Mn、Cr、Mo和V的含量限制在特定的范圍內(nèi)，則即使含有Cr和V，也可以確保優(yōu)異的冷鍛性。其結(jié)果，由于可以以大的加工度進(jìn)行冷鍛，因此可以利用加工硬度實現(xiàn)強(qiáng)化。(d)進(jìn)而，若將鋼的C、Mn、Cu、N1、Cr、Mo和V的含量限制在特定范圍內(nèi)，則冷鍛后可以賦予優(yōu)異的切削性。(e)通過上述加工硬化和時效硬化，可以確保作為機(jī)械結(jié)構(gòu)用部件必要的高的芯
部硬度。本發(fā)明是基于上述發(fā)現(xiàn)而完成的，其要旨在于，下述(I) (5)所示的冷鍛氮化用鋼、(6)所示的冷鍛氮化用鋼材和(7)所示的冷鍛氮化部件。(I) 一種冷鍛氮化用鋼，其特征在于，其具有下述化學(xué)組成:按質(zhì)量％計含有:C:0.01 0.15%、Si:0.35% 以下、Mn:0.10 0.90%、P:0.030% 以下、S:0.030% 以下、Cr:0.50 2.0%、V:0.10 0.50%、A1:0.01 0.10%、N:0.0080% 以下和 O:0.0030% 以下，剩余部分由Fe和雜質(zhì)組成，進(jìn)而下述(I)式所示的Fnl為160以下、⑵式所示的Fn2為20 80、(3)式所示的Fn3為160以上、并且⑷式所示的Fn4為90 170，F(xiàn)nl=399 X C+26 X Si+123 XMn+30 X Cr+32 XMo+19 XV (I)Fn2= (669.3 X logeC_1959.6 X logeN_6983.3) X (0.067 XMo+0.147 XV) (2)Fn3=140 X Cr+125 X Al+235 X V (3)Fn4=511 X C+33 X Mn+56 X Cu+15 X Ni+36 X Cr+5 X Mo+134 X V(4)
上述(I) (4)式中的C、S1、Mn、Cr、Mo、V、N、Al、Cu和Ni指的是該元素的按質(zhì)
量％計的含量。(2)根據(jù)上述(I)所述的冷鍛氮化用鋼，其特征在于，其按質(zhì)量％計含有Mo:0.50%以下來替代Fe的一部分。(3)根據(jù)上述⑴或(2)所述的冷鍛氮化用鋼，其特征在于，其按質(zhì)量％計含有選自Cu:0.50%以下和N1:0.50%以下中的一種以上來替代Fe的一部分。(4)根據(jù)上述(I) (3)中任一項所述的冷鍛氮化用鋼，其特征在于，其按質(zhì)量％計含有選自T1:0.20%以下、Nb:0.10%以下和Zr:0.10%以下中的一種以上來替代Fe的一部分。(5)根據(jù)上述(I) (4)中任一項所述的冷鍛氮化用鋼，其特征在于，其按質(zhì)量％計含有選自 Pb:0.50% 以下、Ca:0.010% 以下、B1:0.30% 以下、Te:0.30% 以下、Se:0.30% 以下和Sb:0.30%以下中的一種以上來替代Fe的一部分。(6) 一種冷鍛氮化用鋼材，其特征在于，其具有上述(I) (5)中任一項所述的化學(xué)組成，組織為鐵素體-珠光體組織、鐵素體-貝氏體組織或鐵素體-珠光體-貝氏體組織，并且鐵素體的面積率為70%以上，利用提取殘渣分析得到的析出物中的V含量為0.10%以下。(7) 一種冷鍛氮 化部件，其特征在于，其具有上述(I) (5)中任一項所述的化學(xué)組成，芯部硬度按維氏硬度計為220以上，表面硬度按維氏硬度計為650以上，有效硬化層深度為0.20mm以上。作為剩余部分的“Fe和雜質(zhì)”中的“雜質(zhì)”，指的是在工業(yè)上制造鋼鐵材料時，從作為原材料的礦石、廢料、或制造環(huán)境等混入的物質(zhì)。“鐵素體-珠光體組織”指的是鐵素體與珠光體的混合組織，“鐵素體-貝氏體組織”指的是鐵素體與貝氏體的混合組織，“鐵素體-珠光體-貝氏體組織”指的是鐵素體、珠光體與貝氏體的混合組織。“鐵素體的面積率”不包括與滲碳體一起構(gòu)成珠光體的鐵素體的面積率。發(fā)明的效果本發(fā)明的冷鍛氮化用鋼和冷鍛氮化用鋼材，其冷鍛性和冷鍛后的切削性優(yōu)異，同時能夠使實施了冷鍛和氮化的處理的部件具備高的芯部硬度、高的表面硬度和深的有效硬化層深度。因此，適于用作冷鍛氮化部件的原材料。另外，本發(fā)明的冷鍛氮化部件由于耐變形性、彎曲疲勞強(qiáng)度和耐磨耗性優(yōu)異，可以適于用作齒輪、CVT用滑輪等汽車的變速箱等中使用的機(jī)械結(jié)構(gòu)用部件。


圖1為表示實施例中使用的冷鍛時的變形阻力測定用平滑試驗片的形狀的圖。圖中的尺寸的單位為“mm”。圖2為表示實施例中使用的冷鍛時的臨界壓縮率測定用切口試驗片的形狀的圖。圖中的尺寸的單位為“mm”。圖3為表示實施例中使用的氮化后的硬度等的測定用圓棒試驗片的形狀的圖。圖中的尺寸的單位為“mm”。
圖4為表示從實施例中使用的帶切口小野式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗片的冷拔材切出的狀態(tài)下的粗制形狀的圖。圖中的尺寸的單位為圖5為表示實施例中使用的耐磨耗性調(diào)查用塊狀試驗片A的形狀的圖。圖中的尺寸的單位為“mm”。圖6為表示實施例中使用的耐變形性調(diào)查用塊狀試驗片B的形狀的圖。圖中的尺寸的單位為“mm”。圖7為表示實施例中，對圖3 圖6所示的試驗片實施的軟氮化的加熱曲線的圖。圖8為表示實施例中使用的帶切口小野式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗片的精加工形狀的圖。圖中的尺寸的單位為“mm”。圖9為對于實施例的使用NC車床進(jìn)行車削加工而產(chǎn)生的切屑的長度進(jìn)行說明的圖。

圖10為對實施例中實施的環(huán)塊式磨耗試驗方法進(jìn)行說明的圖。圖11為表示實施例的環(huán)塊式磨耗試驗中使用的環(huán)狀試驗片的形狀的圖。圖中的尺寸的單位為“mm”。圖12為表示實施例中對精加工磨削之前的環(huán)狀試驗片實施的氣體滲碳淬火-回火的加熱曲線的圖。圖13為對實施例中實施的環(huán)塊式磨耗試驗后的磨耗深度的測定方法進(jìn)行說明的圖。圖14為對實施例中實施的壓入試驗的方法進(jìn)行說明的圖。圖15為表示實施例的壓入試驗中使用的壓入試驗治具的形狀的圖。圖中的尺寸的單位為“mm”。圖16為對式(I)所示的Fnl與實施例的調(diào)查I中的冷加工之前的硬度(HV)的關(guān)系進(jìn)行整理而得到的圖。圖17為對式(I)所示的Fnl與實施例的調(diào)查5中的冷鍛中的變形阻力的關(guān)系進(jìn)行整理而得到的圖。圖18為對式(I)所示的Fnl與實施例的調(diào)查6中的冷鍛中的臨界壓縮率的關(guān)系進(jìn)行整理而得到的圖。圖19為對式⑵所示的Fn2與實施例的調(diào)查8中的氮化后的芯部硬度(HV)的關(guān)系進(jìn)行整理而得到的圖。圖20為對式(2)所示的Fn2與實施例的調(diào)查11中的壓入變形量的關(guān)系進(jìn)行整理而得到的圖。圖21為對式(3)所示的Fn3與實施例的調(diào)查8中的氮化后的表面硬度(HV)的關(guān)系進(jìn)行整理而得到的圖。圖22為對式(3)所示的Fn3與實施例的調(diào)查9中的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行整理而得到的圖。圖23為對式(3)所示的Fn3與實施例的調(diào)查10中的磨耗深度的關(guān)系進(jìn)行整理而得到的圖。圖24為對式(4)所示的Fn4與實施例的調(diào)查7中的切削阻力的關(guān)系進(jìn)行整理而得到的圖。
具體實施例方式以下對本發(fā)明的各特征進(jìn)行具體說明。需要說明的是，各元素的含量的“％”指的是“質(zhì)量％”。⑷化學(xué)組成:C:0.01 0.15%C是為了確保冷鍛氮化部件的彎曲疲勞強(qiáng)度和芯部硬度而必要的元素，需要0.01%以上的含量。但是，若C的含量過多，則硬度提高，冷鍛性降低。因此，設(shè)定上限，使C的含量為0.01 0.15%。C的含量優(yōu)選為0.03%以上，另外優(yōu)選為0.10%以下。Si:0.35% 以下Si是以雜質(zhì)形式含有在鋼中的元素。另一方面，也是具有脫氧作用的元素。若Si含量過多，則硬度提高，冷鍛性降低。因此，設(shè)定上限，使Si的含量為0.35%以下。為了得到脫氧作用，Si優(yōu)選為0.02%以上的含量。Si的含量優(yōu)選為0.02%以上，另外優(yōu)選為0.15%以下。Mn:0.10 0.90%Mn具有確保冷鍛氮化部件的彎曲疲勞強(qiáng)度和芯部硬度的作用和脫氧作用。為了得到這些效果，需要0.10%以上的含量。但是，若Mn的含量過多，則硬度提高，冷鍛性降低。因此，設(shè)定上限，使Mn的含量為0.10 0.90%。Mn的含量優(yōu)選為0.10%以上，另外優(yōu)選為0.70%以下。P:0.030% 以下P是含有在鋼中的雜質(zhì)。若P的含量過多，則在晶界偏析的P有可能使鋼脆化。因此，設(shè)定上限，使P的含量為0.030%以下。更優(yōu)選的P的含量為0.020%以下。S:0.030% 以下S是含有在鋼中的雜質(zhì)。另一方面，若積極地含有S，則與Mn結(jié)合而形成MnS，具有提高切削性的效果。但是，若S的含量超過0.030%，則形成粗大的MnS而熱加工性和彎曲疲勞強(qiáng)度降低。因此，使S的含量為0.030%以下。S的含量優(yōu)選為0.015%以下。需要說明的是，為了得到提高切削性的效果的情況下，S的含量優(yōu)選為0.003%以上，進(jìn)一步優(yōu)選為0.005% 以上。Cr:0.50 2.0%Cr在氮化時與N結(jié)合而生成氮化物，提高氮化中的表面硬度，具有確保冷鍛氮化部件的彎曲疲勞強(qiáng)度和耐磨耗性的效果。但是，Cr的含量不足0.50%時，得不到前述效果。另一方面，若Cr的含量超過2.0%則變硬而冷鍛性降低。因此，使Cr的含量為0.50 2.0%。Cr的含量優(yōu)選為0.70%以上，另外優(yōu)選為1.5%以下。V:0.10 0.50%
V在氮化時與C或/和N結(jié)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，通過氮化溫度下的時效硬化作用、即形成碳化物，從而具有提高芯部硬度的效果。為了得到這些效果，需要含有0.10%以上的V。但是，若V的含量多，則不僅硬度變得過高，而且冷鍛性降低。因此，設(shè)定上限，使V的含量為0.10 0.50%。V的含量優(yōu)選為0.15%以上，另外優(yōu)選為0.40%以下。
Al:0.01 0.10%Al具有脫氧作用。另外，在氮化時與N結(jié)合而形成A1N，具有提高表面硬度的效果。為了得到這些效果，需要含有0.01%以上的Al。但是，若Al的含量過多，則不僅形成硬質(zhì)且粗大的Al2O3而冷鍛性降低，而且存在氮化中的有效硬化層變淺、結(jié)果彎曲疲勞強(qiáng)度和點(diǎn)蝕強(qiáng)度降低的問題。因此，設(shè)定上限，使Al的含量為0.01 0.10%。Al的含量優(yōu)選為0.02%以上，另外，優(yōu)選為0.07%以下。N:0.0080% 以下N是含有在鋼中的雜質(zhì)，與C 一起與V等元素結(jié)合而形成碳氮化物。若熱軋時析出碳氮化物，則硬度提高，冷鍛性降低。另外，也不能充分得到利用氮化溫度下的時效硬化實現(xiàn)的芯部硬度提高效果。因此，需要限制N的含量，使N的含量為0.0080%以下。優(yōu)選的N的含量為0.0070%以下。O:0.0030% 以下0(氧)是含有在鋼中的雜質(zhì)，形成氧化物系的夾雜物，成為夾雜物起點(diǎn)的疲勞破壞的原因，使彎曲疲勞強(qiáng)度降低。若O的含量超過0.0030%，則彎曲疲勞強(qiáng)度的降低顯著。因此，使O的含量為0.0030%以下。需要說明的是，優(yōu)選的O含量為0.0020%以下。Fnl:160 以下對于本發(fā)明的冷鍛氮化用鋼和冷鍛氮化用鋼材而言，下述(I)式所示的Fnl必須為160以下。其中，(I)式中的(:、51、1111、(>、10和￥指的是該元素的按質(zhì)量％計的含量。Fnl=399 X C+26 X Si+123 XMn+30 X Cr+32 XMo+19 XV (I)上述Fnl是成為冷鍛性的指標(biāo)的參數(shù)。若Fnl為160以下，則冷鍛之前的硬度降低而可以確保良好的冷鍛性。另一方面，若Fnl超過160，則冷鍛之前的硬度變得過高，冷鍛性降低。Fnl優(yōu)選為80以上，另外，優(yōu)選為150以下。Fn2:20 80對于本發(fā)明的冷鍛氮化用鋼和冷鍛氮化用鋼材而言，下述(2)式所示的Fn2必須為20 80。其中，⑵式中的C、N、Mo和V指的是該元素的按質(zhì)量％計的含量。Fn2= (669.3 X logeC_1959.6 X logeN_6983.3) X (0.067 XMo+0.147 XV) (2)上述Fn2是成為利用冷鍛后的氮化實現(xiàn)的時效硬化量、即利用氮化實現(xiàn)的芯部硬度的提高量的指標(biāo)的參數(shù)。若Fn2為20以上，則氮化后的時效硬化量增大，芯部硬度提高。但是，若Fn2超過80，則上述效果飽和。Fn2優(yōu)選為30以上，另外優(yōu)選為80以下。Fn3:160 以上對于本發(fā)明的冷鍛氮化用鋼和冷鍛氮化用鋼材而言，下述(3)式所示的Fn3必須為160以上。其中，(3)式中的Cr、Al和V指的是該元素的按質(zhì)量％計的含量。Fn3=140 X Cr+125 X Al+235 X V (3)上述Fn3是成為氮化后的表面硬度、彎曲疲勞強(qiáng)度和耐磨耗性的指標(biāo)的參數(shù)。Cr、Al和V在氮化過程中于冷鍛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。通過使Fn3為160，表面硬度按HV計為650以上，能夠得到與滲碳淬火材同等的彎曲疲勞強(qiáng)度和耐磨耗性。Fn3小于160時，表面硬度低，與滲碳淬火材相t匕，彎曲疲勞強(qiáng)度和耐磨耗性差。Fn3優(yōu)選為170以上，另外優(yōu)選為300以下。Fn4:90 170
對于本發(fā)明的冷鍛氮化用鋼和冷鍛氮化用鋼材而言，下述(4)式所示的Fn4必須為90 170。其中，(4)式中的(:、111、(:11、附、0、10和￥指的是該元素的按質(zhì)量％計的含量。Fn4=511 X C+33 X Mn+56 X Cu+15 X Ni+36 X Cr+5 X Mo+134 X V (4)上述Fn4是成為冷加工后的切削性的指標(biāo)的參數(shù)。若Fn4為90 170，則在冷鍛后的車削中，切屑處理性良好，并且能穩(wěn)定地得到低的切削阻力，具有優(yōu)異的切削性。Fn4小于90時，車削中的切屑變長，切屑處理性差。另外，F(xiàn)n4大于170時，車削中的切削阻力提高，有可能成為工具壽命降低的原因。Fn4優(yōu)選為100以上，另外，優(yōu)選為160以下。本發(fā)明的冷鍛氮化用鋼和冷鍛氮化用鋼材的一種方式，具有除了上述元素之外，剩余部分由Fe和雜質(zhì)組成的化學(xué)組成。需要說明的是，如前述所述，“Fe和雜質(zhì)”中的“雜質(zhì)”，指的是在工業(yè)上制造鋼鐵材料時，從作為原材料的礦石、廢料、或制造環(huán)境等混入的物質(zhì)。本發(fā)明的冷鍛氮化用鋼和冷鍛氮化用鋼材的化學(xué)組成的另一種方式，含有選自Mo、Cu、N1、T1、Nb、Zr、Pb、Ca、B1、Te、Se和Sb中的一種以上元素來替代Fe的一部分。以下對作為任意元素的上述Mo、Cu、N1、T1、Nb、Zr、Pb、Ca、B1、Te、Se和Sb的作用效果和含量的限定理由進(jìn)行說明。Mo:0.50% 以下Mo在氮化溫度下與C結(jié)合而形成碳化物，具有通過時效硬化而提高芯部硬度的作用，因此為了得到上述效果，含有Mo為宜。但是若含有超過0.50%的Mo，則變硬而冷鍛性降低。因此，含有Mo時的Mo的量設(shè)定為0.50%以下。需要說明的是，含有Mo時的Mo的量優(yōu)選為0.40%以下。另一方面，為了穩(wěn)定地得到前述Mo的效果，含有時的Mo的量優(yōu)選為0.05%以上。Cu和Ni均具有提高芯部硬度的作用。因此，為了得到上述效果，含有這些元素為宜。以下對上述Cu和Ni進(jìn)行說明。Cu:0.50% 以下Cu由于具有提高芯部硬度的作用，為了得到上述效果，含有Cu為宜。但是，若Cu的含量增多，則冷鍛性降低，并且在熱軋等的高溫下，Cu熔融而成為液體。液體化了的Cu浸潤晶粒之間，使晶界脆化，成為熱軋中的表面缺陷的原因。因此，對于含有Cu時的Cu的量設(shè)定上限，使其為0.50%以下。含有Cu時的Cu的量優(yōu)選為0.40%以下。另一方面，為了穩(wěn)定地得到前述Cu的效果，含有Cu時的Cu的量優(yōu)選為0.10%以上。N1:0.50% 以下Ni由于具有提高芯部硬度的作用，為了得到上述效果，含有Ni為宜。但是，若Ni的含量增多，則冷鍛性降低。因此，對于含有Ni時的Ni的量設(shè)定上限，使其為0.50%以下。含有Ni時的Ni的量優(yōu)選為0.40%以下。另一方面，為了穩(wěn)定地得到前述Ni的效果，含有Ni時的Ni的量優(yōu)選為0.10%以上。對于上述Cu和Ni而言，可以僅含有其中的任意一種或以兩種的復(fù)合形式含有。復(fù)合這些元素來含有時的總量可以是Cu和Ni的含量分別為上限值時的1.00%，但是優(yōu)選為0.80%以下。另外，含有Cu時，為了避免前述熱軋中的表面缺陷的產(chǎn)生，優(yōu)選復(fù)合Ni來含有。
Ti,Nb和Zr均具有使晶粒微細(xì)化而提高彎曲疲勞強(qiáng)度的作用。因此，為了得到上述效果，含有這些元素為宜。以下對于上述T1、Nb和Zr進(jìn)行說明。T1:0.20% 以下Ti與C或/和N結(jié)合而形成微細(xì)的碳化物、氮化物和碳氮化物，具有使晶粒微細(xì)化、提高彎曲疲勞強(qiáng)度的作用。因此，為了得到上述效果，含有Ti為宜。但是，Ti的含量多時，生成粗大的TiN，因此彎曲疲勞強(qiáng)度反而降低。因此，對于含有Ti時的Ti的量設(shè)定上限，使其為0.20%以下。含有Ti時的Ti的量優(yōu)選為0.15%以下。另一方面，為了穩(wěn)定地得到前述Ti的效果，含有Ti時的Ti的量優(yōu)選為0.005%以上。Nb:0.10% 以下Nb與C或/和N結(jié)合而形成微細(xì)的碳化物、氮化物和碳氮化物，具有使晶粒微細(xì)化、提高彎曲疲勞強(qiáng)度的作用。因此，為了得到上述效果，含有Nb為宜。但是，Nb的含量多時，硬度提高，冷鍛性降低。因此，對于含有Nb時的Nb的量設(shè)定上限，使其為0.10%以下。含有Nb時的Nb的量優(yōu)選為0.07%以下。另一方面，為了穩(wěn)定地得到前述Nb的效果，含有Nb時的Nb的量優(yōu)選為0.020%以上。Zr:0.10% 以下Zr也與C或/和N結(jié)合而形成微細(xì)的碳化物、氮化物和碳氮化物，具有使晶粒微細(xì)化、提高彎曲疲勞強(qiáng)度的作用。因此，為了得到上述效果，含有Zr為宜。但是，Zr的含量多時，硬度提高，冷鍛性降低。因此，對于含有Zr時的Zr的量設(shè)定上限，使其為0.10%以下。含有Zr時的Zr的量優(yōu)選為0.07%以下。另一方面，為了穩(wěn)定地得到前述Zr的效果，含有Zr時的Zr的量優(yōu)選為0.002%以上。對于上述T1、Nb和Zr而言，可以僅含有其中的任意一種或以兩種以上的復(fù)合形式含有。復(fù)合這些元素來含有時的總量，可以是T1、Nb和Zr的含量分別為上限值時的0.40%,但是優(yōu)選為0.24%以下。Pb、Ca、B1、Te、Se和Sb均具有提高切削性的作用。因此，為了得到上述效果，含有這些元素為宜。以下對上述Pb、Ca、B1、Te、Se和Sb進(jìn)行說明。Pb:0.50% 以下Pb具有提高切削性的作用。因此，為了得到上述效果，含有Pb為宜。但是，Pb含量多時，熱加工性降低，進(jìn)而也導(dǎo)致冷鍛氮化部件的韌性降低。因此，對于含有Pb時的Pb的量設(shè)定上限，使其為0.50%以下。含有Pb時的Pb的量優(yōu)選為0.20%以下。另一方面，為了穩(wěn)定地得到前述Pb的效果，含有Pb時的Pb的量優(yōu)選為0.02%以上。Ca:0.010% 以下Ca具有提高切削性的作用。因此，為了得到上述效果，含有Ca為宜。但是，Ca含量多時，熱加工性降低，進(jìn)而也導(dǎo)致冷鍛氮化部件的韌性降低。因此，對于含有Ca時的Ca的量設(shè)定上限，使其為0.010%以下。含有Ca時的Ca的量優(yōu)選為0.005%以下。另一方面，為了穩(wěn)定地得到前述Ca的效果，含有Ca時的Ca的量優(yōu)選為0.0003%以上。B1:0.30% 以下Bi也具有提高切削性的作用。因此，為了得到上述效果，含有Bi為宜。但是，Bi含量多時，熱加工性降低，進(jìn)而也導(dǎo)致冷鍛氮化部件的韌性降低。因此，對于含有Bi時的Bi的量設(shè)定上限，使其為0.30%以下。含有Bi時的Bi的量優(yōu)選為0.10%以下。另一方面，為了穩(wěn)定地得到前述Bi的效果，含有Bi時的Bi的量優(yōu)選為0.005%以上。Te:0.30% 以下Te具有提高切削性的作用。因此，為了得到上述效果，含有Te為宜。但是，Te含量多時，熱加工性降低，進(jìn)而也導(dǎo)致冷鍛氮化部件的韌性降低。因此，對于含有Te時的Te的量設(shè)定上限，使其為0.30%以下。含有Te時的Te的量優(yōu)選為0.10%以下。另一方面，為了穩(wěn)定地得到前述Te的效果，含有Te時的Te的量優(yōu)選為0.003%以上。Se:0.30% 以下Se也具有提高切削性的作用。因此，為了得到上述效果，含有Se為宜。但是，Se含量多時，熱加工性降 低，進(jìn)而也導(dǎo)致冷鍛氮化部件的韌性降低。因此，對于含有Se時的Se的量設(shè)定上限，使其為0.30%以下。含有Se時的Se的量優(yōu)選為0.15%以下。另一方面，為了穩(wěn)定地得到前述Se的效果，含有Se時的Se的量優(yōu)選為0.005%以上。Sb:0.30% 以下Sb具有提高切削性的作用。因此，為了得到上述效果，含有Sb為宜。但是，Sb含量多時，熱加工性降低，進(jìn)而也導(dǎo)致冷鍛氮化部件的韌性降低。因此，對于含有Sb時的Sb的量設(shè)定上限，使其為0.30%以下。含有Sb時的Sb的量優(yōu)選為0.15%以下。另一方面，為了穩(wěn)定地得到前述Sb的效果，含有Sb時的Sb的量優(yōu)選為0.005%以上。對于上述Pb、Ca、B1、Te、Se和Sb而言，可以僅含有其中的任意一種或以兩種以上的復(fù)合形式含有。復(fù)合這些元素來含有時的總量，優(yōu)選為0.50%以下，進(jìn)一步優(yōu)選為0.30%以下。(B)鋼材的組織和利用提取殘渣分析得到的析出物中的V含量:本發(fā)明的冷鍛氮化用鋼材，除了具有前述(A)項中記載的化學(xué)組成之外，組織為鐵素體-珠光體組織、鐵素體-貝氏體組織或鐵素體-珠光體-貝氏體組織，并且鐵素體的面積率為70%以上，利用提取殘渣分析得到的析出物中的V含量規(guī)定為0.10%以下。冷鍛氮化用鋼材，即使其組織為鐵素體-珠光體組織、鐵素體-貝氏體組織或鐵素體-珠光體-貝氏體組織，若硬度低的鐵素體的面積率減少，則冷鍛時的變形阻力提高，同時易產(chǎn)生裂紋，特別是若鐵素體的面積率不足70%，則易產(chǎn)生冷鍛性的顯著降低。因此，使上述組織中的鐵素體的面積率為70%以上。進(jìn)一步優(yōu)選上述組織中的鐵素體的面積率為80%以上，另外優(yōu)選為98%以下。如前述所述，上述“鐵素體的面積率”不包括與滲碳體一起構(gòu)成珠光體的鐵素體的面積率。冷鍛氮化用鋼材，即使其組織為鐵素體-珠光體組織、鐵素體-貝氏體組織或鐵素體-珠光體-貝氏體組織,并且鐵素體的面積率為70%以上，若析出大量的微細(xì)的V析出物、即V的碳化物、氮化物和碳氮化物，則鐵素體被強(qiáng)化而硬度提高，冷鍛性易降低。因此，為了確保冷鍛性，利用提取殘渣分析得到的析出物中的V含量優(yōu)選為0.10%以下。析出物中的V含量更優(yōu)選為0.08%以下。利用提取殘渣分析得到的析出物中的V含量例如可以如下求出:采集適當(dāng)?shù)脑囼炂?，?0%AA系溶液中恒定電流電解，用網(wǎng)眼尺寸0.2 μ m的過濾器過濾所提取的溶液，對于過濾物進(jìn)行一般性化學(xué)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銨、乙酰丙酮和甲醇以1:10:100混合而成的溶液。如上所述，在熱軋或熱鍛的狀態(tài)下有可能析出V的碳化物、氮化物和碳氮化物而冷鍛性不充分。因此，為了得到其組織為鐵素體-珠光體組織、鐵素體-貝氏體組織或鐵素體-珠光體-貝氏體組織，并且鐵素體的面積率為70%以上，利用提取殘渣分析得到的析出物中的V含量為0.10%以下的冷鍛氮化用鋼材，優(yōu)選在熱軋或/和熱鍛后，例如加熱到850 950°C后，強(qiáng)制風(fēng)冷而冷卻至室溫，由此進(jìn)行“正火”。若在上述溫度區(qū)域下加熱后，在大氣中自然冷卻或緩慢冷卻，冷卻至室溫，由此進(jìn)行“正火”，則冷卻過程中再次析出V的碳化物、氮化物和碳氮化物而硬度提高，冷鍛性有可能降低。因此，加熱后優(yōu)選例如通過800 500°C的溫度范圍內(nèi)的平均冷卻速度為0.5
5.(TC /秒的強(qiáng)制風(fēng)冷進(jìn)行冷卻，以不會析出V的碳化物、氮化物和碳氮化物。(C)冷鍛氮化部件:
本發(fā)明的冷鍛氮化部件，除了具有前述(A)項中記載的化學(xué)組成之外，芯部硬度按HV計為220以上、表面硬度按HV計為650以上、有效硬化層深度為0.20mm以上是必須的。滿足上述條件時，冷鍛氮化部件的耐變形性、彎曲疲勞強(qiáng)度和耐磨耗性優(yōu)異，可以適于用作齒輪、CVT用滑輪等汽車的變速箱等中使用的機(jī)械結(jié)構(gòu)用部件。芯部硬度按HV計優(yōu)選為230以上，另外優(yōu)選為350以下。表面硬度按HV計優(yōu)選為670以上，另外優(yōu)選為900以下。有效硬化層深度優(yōu)選為0.25mm以上，另外優(yōu)選為0.50mm以下。(D)冷鍛氮化部件的制造方法上述(C)項的冷鍛氮化部件例如可以如下制造:原材料具有圓筒狀的形狀時，對于具有前述(A)項中記載的化學(xué)組成的冷鍛氮化用鋼材，優(yōu)選對于具有前述(A)項中記載的化學(xué)組成、前述(B)項中記載的組織和利用提取殘渣分析得到的析出物中的V含量的冷鍛氮化用鋼材，以50%以上的壓縮率進(jìn)行冷鍛后，在400 650°C下實施I 30小時的氮化，由此可以制造上述(C)項的冷鍛氮化部件。壓縮率指的是冷鍛之前的原材料的高度為Htl、冷鍛之后的部件的高度為H時，以KHtl-HVHJ X 100表示的值。為了提高冷鍛氮化部件的芯部硬度，優(yōu)選增大冷鍛中的加工度、即增大應(yīng)變，從而有效利用通過加工硬化實現(xiàn)的強(qiáng)化。
進(jìn)行上述冷鍛后，為了不僅有效利用通過加工硬化實現(xiàn)的強(qiáng)化，還有效利用通過時效硬化實現(xiàn)的強(qiáng)化，優(yōu)選在400 650°C下實施I 30小時的氮化。進(jìn)行氮化的溫度低、低于400°C時，雖然可以對冷鍛氮化部件賦予高的表面硬度，但是有效硬化層變淺，進(jìn)而難以通過時效硬化來達(dá)成芯部硬度提高。另一方面，進(jìn)行氮化的溫度高、超過650°C時，雖然冷鍛氮化部件的有效硬化層變深，但是表面硬度降低，進(jìn)而芯部硬度也降低。進(jìn)行氮化的溫度優(yōu)選為450°C以上，另外優(yōu)選為630°C以下。實施氮化的時間根據(jù)冷鍛氮化部件所需要的有效硬化層的深度不同而改變，不足I小時的情況下，有效硬化層變淺。另一方面，超過30小時的長時間的情況下，不適于大量生產(chǎn)。進(jìn)行氮化的時間優(yōu)選為I小時以上，另外優(yōu)選為20小時以下。對于用于得到本發(fā)明的冷鍛氮化部件的氮化方法沒有特別規(guī)定，可以使用氣體氮化、鹽浴氮化、離子氮化等。軟氮化的情況下，例如可以并用NH3和RX氣體，在NH3與RX氣體為1:1的氣氛中進(jìn)行處理即可。實施氮化的時間根據(jù)處理溫度不同而異，例如在590°C下進(jìn)行軟氮化時，用9小時就可以得到前述(C)項中所述的表面硬度、芯部硬度和有效硬化層深度。另外，想要抑制脆弱的化合物的形式時，優(yōu)選作為利用NH3進(jìn)行氮化的前處理使用氟氣體，或者氮化使用NH3與H2的混合氣體。以下，通過利用氣體軟氮化進(jìn)行處理的實施例對本發(fā)明進(jìn)行更具體的說明，但是本發(fā)明不被這些實施例所限定。實施例通過真空熔解爐將180kg具有表I所示的化學(xué)成分的鋼I 22熔煉,鑄造成鋼錠。表I中的鋼I 15 為化學(xué)組成處于本發(fā)明中規(guī)定的范圍內(nèi)的本發(fā)明例的鋼，另一方面，鋼16 22為化學(xué)組成在本發(fā)明中規(guī)定的條件之外的比較例的鋼。上述比較例的鋼中，鋼16為相當(dāng)于JIS G 4052(2008)中規(guī)定的SCr420H的鋼。[表I]
權(quán)利要求
1.一種冷鍛氮化用鋼，其特征在于，其具有下述化學(xué)組成:按質(zhì)量％計含有:c:0.01 0.15%,S1:0.35% 以下、Mn:0.10 0.90%,P:0.030% 以下、S:0.030% 以下、Cr:0.50 2.0%、V:0.10 0.50%、A1:0.01 0.10%、N:0.0080% 以下和 O:0.0030% 以下，剩余部分由 Fe 和雜質(zhì)組成，進(jìn)而下述⑴式所示的Fnl為160以下、⑵式所示的Fn2為20 80、(3)式所示的Fn3為160以上、并且⑷式所示的Fn4為90 170，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷鍛氮化用鋼，其特征在于，其按質(zhì)量％計含有Mo:0.50%以下來替代Fe的一部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的冷鍛氮化用鋼，其特征在于，其按質(zhì)量％計含有選自Cu:0.50%以下和N1:0.50%以下中的一種以上來替代Fe的一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項所述的冷鍛氮化用鋼，其特征在于，其按質(zhì)量％計含有選自T1:0.20%以下、Nb:0.10%以下和Zr:0.10%以下中的一種以上來替代Fe的一部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項所述的冷鍛氮化用鋼，其特征在于，其按質(zhì)量％計含有選自 Pb:0.50% 以下、Ca:0.010% 以下、B1:0.30% 以下、Te:0.30% 以下、Se:0.30% 以下和Sb:0.30%以下中的一種以上來替代Fe的一部分。
6.一種冷鍛氮化用鋼材，其特征在于，其具有權(quán)利要求1 5中任一項所述的化學(xué)組成，組織為鐵素體-珠光體組織、鐵素體-貝氏體組織或鐵素體-珠光體-貝氏體組織，并且鐵素體的面積率為70%以上，利用提取殘渣分析得到的析出物中的V含量為0.10%以下。
7.一種冷鍛氮化部件，其特征在于，其具有權(quán)利要求1 5中任一項所述的化學(xué)組成，芯部硬度按維氏硬度計為220以上，表面硬度按維氏硬度計為650以上，有效硬化層深度為0.20mm 以上。
全文摘要
一種冷鍛氮化用鋼，其具有下述化學(xué)組成含有C0.01～0.15%、Si≤0.35%、Mn0.10～0.90%、P≤0.030%、S≤0.030%、Cr0.50～2.0%、V0.10～0.50%、Al0.01～0.10%、N≤0.0080%和O≤0.0030%，根據(jù)需要含有特定量的Mo、Cu、Ni、Ti、Nb、Zr、Pb、Ca、Bi、Te、Se和Sb中的一種以上，剩余部分由Fe和雜質(zhì)組成，[399×C+26×Si+123×Mn+30×Cr+32×Mo+19×V≤160]、[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[90≤511×C+33×Mn+56×Cu+15×Ni+36×Cr+5×Mo+134×V≤170]，其冷鍛性和冷鍛后的切削性優(yōu)異，同時能夠使實施了冷鍛和氮化的處理的部件具備高的芯部硬度、高的表面硬度以及深的有效硬化層深度。因此，該鋼適于用作冷鍛氮化部件的原材料。
文檔編號C21D8/06GK103180476SQ201180050590
公開日2013年6月26日 申請日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月20日
發(fā)明者今高秀樹, 堀本雅之, 臼井佑介, 行德裕也 申請人:新日鐵住金株式會社