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
【專利摘要】一種冷鍛氮化用鋼，其具有下述化學組成：包含：按質量％計、C：0.10～0.15％、Si：0.02％以上且不足0.10％、Mn：超過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％，以及根據需要的特定量的選自Mo、Cu、Ni、Ti、Nb、Zr、Pb、Ca、Bi、Te、Se和Sb中的一種以上，剩余部分為Fe和雜質，[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]，該冷鍛氮化用鋼，其冷鍛性和冷鍛之后的切削性優異，能夠使冷鍛氮化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鋼。
【專利說明】冷鍛氮化用鋼、冷鍛氮化用鋼材及冷鍛氮化部件

【技術領域】
[0001] 本發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，本發明 涉及冷鍛性和冷鍛后的切削性尤其是切屑處理性優異，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。
[0002] 本發明中所稱的"氮化"，不僅包括作為"使N侵入、擴散"處理的"氮化"，還包括作 為"使N和C侵入、擴散"處理的"軟氮化"。因此，以下的說明中，包括"軟氮化"在內僅稱 為"氮化"。
[0003] 另外，上述"冷鍛氮化"指的是進行"冷鍛"后進一步實施"氮化"處理。

【背景技術】
[0004] 對于齒輪、帶式無級變速機（CVT)用滑輪等汽車的變速箱等中使用的機械結構用 部件，從彎曲疲勞強度提高、點蝕強度提高和耐磨耗性提高的觀點考慮，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。
[0005] 上述中，滲碳淬火為下述處理：通常使用低碳鋼，在Ac3點以上的高溫的奧氏體區 域使C侵入、擴散后，進行淬火的處理。滲碳淬火具有得到高的表面硬度和深的有效硬化層 深度的優點，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，使疲勞強度降低的問 題。
[0006] 高頻淬火為急速加熱到Ac3點以上的高溫的奧氏體區域、并進行冷卻而進行淬火 的處理。雖然具有比較容易調整有效硬化層深度的優點，但是并不是如滲碳那樣使C侵入、 擴散的表面硬化處理。因此高頻淬火的情況下，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。
[0007] 與此相對，氮化為在ACl點以下的400?550°C左右的溫度下，使N侵入、擴散而得 到高的表面硬度和適當的有效硬化層深度的處理，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點。
[0008] 另外，氮化中軟氮化為在ACl點以下的500?650°C左右的溫度下，使N和C侵入、 擴散而得到高的表面硬度的處理，由于處理時間短、為數小時，因此為適于大量生產的處 理。
[0009] 進而，隨著近來的以抑制全球變暖為背景的減少溫室效應氣體的潮流，期待減少 滲碳淬火之類高溫下保持的工序。因此氮化是順應時代的處理。
[0010] 但是，以往的氮化用鋼存在以下的〈1>?〈3>所述的問題。
[0011] 〈1>氮化為不進行從高溫的奧氏體區域的淬火處理的表面硬化處理、即為不能進 行伴隨有馬氏體相變的強化的表面硬化處理。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，結果難以利用冷鍛進行成型加工，需要利用熱鍛等進行成 型加工。
[0012] 〈2>作為代表性的氮化用鋼，有JIS G 4053(2008)中規定的鋁鉻鑰鋼（SACM645)。 但是，該鋼雖然由于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 效硬化層淺，因此不能確保高的彎曲疲勞強度。
[0013] 〈3>氮化中軟氮化由于在500?650°C左右的溫度區域保持數小時，因此部件的芯 部易回火軟化。其結果，對于負荷高表面壓力的部件而言，芯部易產生塑性變形，接觸面凹 陷而變形。
[0014] 因此，為了解決前述問題，例如專利文獻1和專利文獻2中公開了氮化相關的技 術。
[0015] 專利文獻1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 化性和冷鍛性優異的軟氮化用鋼的"冷鍛性優異的軟氮化用鋼"。上述"軟氮化用鋼"，按 質量％計含有 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%，根據需要進而含有Nb :0. 02?0. 35%，剩余部分由 Fe和雜質元素組成。
[0016] 專利文獻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，在氮化處理之前進行V的析出控制熱處理，然后 進行冷加工后，進而實施氮化處理的技術：按質量％計含有C 10?0. 40%、Si 10? 0· 70%、Mn :0· 20 ?1. 50%、Cr :0· 50 ?2. 50%和 V :0· 05 ?0· 60%，根據需要進而含有選 自Al、Mo、Ti、Nb、Ta、B、S、Pb、Te、Se、Ca、Bi和Sb中的一種以上，剩余部分實質上由Fe組 成。
[0017] 現有技術文獻
[0018] 專利文獻
[0019] 專利文獻1 :日本特開平5-171347號公報
[0020] 專利文獻2 :日本特開平7-102343號公報


【發明內容】

[0021] 發明要解決的問是頁
[0022] 前述專利文獻1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 度和耐磨耗性未必全部優異。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。
[0023] 專利文獻2中公開的鋼中含有大量的合金元素，因此，若以大的加工度進行冷鍛， 則未必能夠確保充分的冷鍛性，有可能存在問題。
[0024] 本發明是鑒于上述現狀而提出的，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尤其是切屑處理性優異，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。
[0025] 具體而言，本發明的目的在于，提供一種冷鍛氮化用鋼和冷鍛氮化用鋼材，其不 易產生冷鍛中的裂紋、并且冷鍛之后的切屑處理性也優異，進而能夠得到實施了冷鍛和氮 化后的芯部硬度按HV計為200以上、表面硬度按HV計為700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。
[0026] 另外，本發明的目的還在于，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。
[0027] 用于解決問題的方案
[0028] 如前述所述那樣，氮化為不進行從奧氏體區域的淬火處理的表面硬化處理、即為 不能進行伴隨有馬氏體相變的強化的表面硬化處理。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，但是此時有可能難以利用冷鍛進行成型加工。
[0029] 因此，本發明人等，為了解決前述問題，首先對通過冷鍛而實施成型加工，通過氮 化進行表面硬化處理，由此可以確保作為機械結構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方案進行了研究。
[0030] 其結果，得出以下技術思路：若將合金元素量抑制在必要最小限度則可以確保優 異的冷鍛性，通過利用冷鍛實現的加工硬化和氮化溫度下的時效硬化的復合效果，可以得 到高的芯部硬度。
[0031] 因此，本發明人等基于上述技術思路，進而反復實驗，得到下述（a)?（e)的發現。
[0032] (a)若使鋼中含有Cr和A1，則通過氮化可以提高表面硬度。
[0033] (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的含量的基礎上、鋼中含有V是有效的。若上述鋼中含有Mo則可以得到更大 的時效硬化量。
[0034] (c)為了確保優異的冷鍛性，抑制粗大的MnS的形成是有效的，為此，將Μη與S的 含量比（Mn/S)限制在特定范圍內即可。
[0035] (d)若將鋼的C、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo和V的含量限制在特定范圍內，則冷鍛后可以 確保優異的切削性。
[0036] (e)通過利用冷鍛實現的加工硬化和氮化時的時效硬化，可以確保作為機械結構 用部件必要的高的芯部硬度。
[0037] 本發明是基于上述發現而完成的，其要旨在于，下述的冷鍛氮化用鋼、冷鍛氮化用 鋼材和冷鍛氮化部件。
[0038] (1) -種冷鍛氮化用鋼，其特征在于，其具有下述化學組成：
[0039] 包含：按質量％計、C :0· 10?0· 15%、Si :0· 02%以上且不足0· 10%、Μη :超過 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] 剩余部分為Fe和雜質，
[0041] 雜質中的 P、S、N 和 0 為 P :0. 030% 以下、S :0. 050% 以下、N :0. 0080% 以下和 0 : 0. 0030% 以下，
[0042] 進而下述⑴式所示的Fnl為35?200、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指的是該元素的按質 量％計的含量。
[0048] (2)根據上述（1)所述的冷鍛氮化用鋼，其特征在于，其按質量％計含有Mo: 0. 50%以下來替代Fe的一部分。
[0049] (3)根據上述⑴或⑵所述的冷鍛氮化用鋼，其特征在于，其按質量％計含有選 自Cu :0. 50%以下和Ni :0. 50%以下中的一種以上來替代Fe的一部分。
[0050] (4)根據上述（1)?（3)中任一項所述的冷鍛氮化用鋼，其特征在于，其按質量％ 計含有選自！1 :0.20%以下、吣：0.10%以下和21':0.10%以下中的一種以上來替代？6的 一部分。
[0051] (5)根據上述（1)?⑷中任一項所述的冷鍛氮化用鋼，其特征在于，其按質 量％計含有選自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%以下中的一種以上來替代Fe的一部分。
[0052] (6) -種冷鍛氮化用鋼材，其特征在于，其具有上述（1)?（5)中任一項所述的化 學組成，利用提取殘渣分析測得的析出物中的V含量為0. 10%以下。
[0053] (7) -種冷鍛氮化部件，其特征在于，其具有上述（1)?（5)中任一項所述的化學 組成，芯部硬度按維氏硬度計為200以上，表面硬度按維氏硬度計為700以上，有效硬化層 深度為〇· 20謹以上。
[0054] 作為剩余部分的"Fe和雜質"中的"雜質"，指的是在工業上制造鋼鐵材料時，從作 為原材料的礦石、廢料、或制造環境等混入的物質。
[0055] 發明的效果
[0056] 本發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尤其是切 屑處理性優異，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。
[0057] 另外，本發明的冷鍛氮化部件由于耐變形性、彎曲疲勞強度和耐磨耗性優異，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械結構用部件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0058] 圖1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"。
[0059] 圖2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"。
[0060] 圖3為表示從實施例中使用的帶切口小野式旋轉彎曲疲勞試驗片的冷拔材切出 的狀態下的粗制形狀的圖。除了表示為"3. 2S"的部位，圖中的尺寸的單位為
[0061] 圖4為表示實施例中使用的耐磨耗性調查用塊狀試驗片A的形狀的圖。圖中的沒 有示出單位的尺寸為"mm"。
[0062] 圖5為表示實施例中使用的耐變形性調查用塊狀試驗片B的形狀的圖。圖中的沒 有示出單位的尺寸為"mm"。
[0063] 圖6為表示實施例中，對圖2?圖5所示的試驗片實施的軟氮化的加熱曲線的圖。
[0064] 圖7為表示實施例中使用的帶切口小野式旋轉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"。
[0065] 圖8為對于實施例的使用NC車床進行車削加工而產生的切屑的長度進行說明的 圖。
[0066] 圖9為對實施例中實施的環塊式磨耗試驗方法進行說明的圖。
[0067] 圖10為表示實施例的環塊式磨耗試驗中使用的環狀試驗片的形狀的圖。圖中的 沒有示出單位的尺寸為"mm"。
[0068] 圖11為表示實施例中對精加工磨削之前的環狀試驗片和壓入試驗治具實施的氣 體滲碳淬火-回火的加熱曲線的圖。
[0069] 圖12為對實施例中實施的環塊式磨耗試驗后的磨耗深度的測定方法進行說明的 圖。
[0070] 圖13為對實施例中實施的壓入試驗的方法進行說明的圖。
[0071] 圖14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。圖中的沒有 示出單位的尺寸為"mm"。
[0072] 圖15為對式⑵所示的Fn2與實施例的調查6中的氮化后的芯部硬度（HV)的關 系進行整理而得到的圖。
[0073] 圖16為對式（2)所示的Fn2與實施例的調查9中的壓入變形量的關系進行整理 而得到的圖。
[0074] 圖17為對式⑶所示的Fn3與實施例的調查6中的氮化后的表面硬度（HV)的關 系進行整理而得到的圖。
[0075] 圖18為對式（3)所示的Fn3與實施例的調查7中的旋轉彎曲疲勞強度的關系進 行整理而得到的圖。
[0076] 圖19為對式（3)所示的Fn3與實施例的調查8中的磨耗深度的關系進行整理而 得到的圖。

【具體實施方式】
[0077] 以下對本發明的各特征進行具體說明。需要說明的是，各元素的含量的"％"指的 是"質量％"。
[0078] ⑷化學組成：
[0079] C :0.10 ?0.15%
[0080] C是為了確保冷鍛氮化部件的彎曲疲勞強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的含量過多，則硬度提高，冷鍛性和切削性降低。因此，設定 上限，使C的含量為0. 10?0. 15%。C的含量優選為0. 13%以下。
[0081] Si :0· 02% 以上且不足 0· 10%
[0082] Si具有脫氧作用。為了得到這種效果，需要0.02%以上的含量。但是，若Si含量 過多，則硬度提高，冷鍛性降低。因此，設定上限，使Si的含量為0. 02%以上且不足0. 10%。 Si的含量優選為0. 03%以上。
[0083] Μη :超過 0· 90 %且 2. 50% 以下
[0084] Μη具有確保冷鍛氮化部件的彎曲疲勞強度和芯部硬度的作用和脫氧作用。為了得 到這些效果，需要超過0. 90 %的Μη含量。但是，若Μη的含量過多，則硬度提高，冷鍛性和 切削性降低。因此，設定上限，使Μη的含量超過0.90%且2. 50%以下。Μη的含量優選為 1. 50%以上，另外優選為2. 00%以下。
[0085] Cr :0.80 ?2.0%
[0086] Cr在氮化時與N結合而生成氮化物，提高氮化中的表面硬度，具有確保冷鍛氮化 部件的彎曲疲勞強度和耐磨耗性的效果。但是，Cr的含量不足0.80%時，不能得到前述效 果。另一方面，若Cr的含量超過2.0%則變硬而冷鍛性和切削性降低。因此，使Cr的含量 為0. 80?2. 0%。Cr的含量優選為0. 90%以上，另外優選為1. 5%以下。
[0087] V :0.05 ?0.50%
[0088] V在氮化時與C或/和N結合而形成碳化物、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0.05%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，設定上限，使V的含量為0.05?0.50%。V的含量優選 為0. 10%以上，另外優選為0. 40%以下。
[0089] A1 :0· 01 ?0· 07%
[0090] A1具有脫氧作用。另外，在氮化時與N結合而形成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A1。但是，若A1的含量過多，則不僅形成 硬質且粗大的A1 203而冷鍛性降低，而且存在氮化中的有效硬化層變淺、結果彎曲疲勞強度 和點蝕強度降低的問題。因此，設定上限，使A1的含量為0.01?0.07%。A1的含量優選 為0. 02%以上，另夕卜，優選為0. 06%以下。
[0091] 本發明的冷鍛氮化用鋼和冷鍛氮化用鋼材的一種方式具有下述化學組成：包含上 述C?Al的元素以及剩余部分為Fe和雜質，雜質中的P、S、0和N為P :0.030%以下、S: 0. 050%以下、N :0. 0080%以下和0 :0. 0030%以下，并且滿足后述的對于Fnl?Fn4的條 件。需要說明的是，如已經所述，"Fe和雜質"中的"雜質"，指的是在工業上制造鋼鐵材料 時，從作為原材料的礦石、廢料、或制造環境等混入的物質。
[0092] P :0.030% 以下
[0093] P是含有在鋼中的雜質。若P的含量過多，則在晶界偏析的P有可能使鋼脆化。因 此，設定上限，使P的含量為0.030%以下。更優選的P的含量為0.020%以下。
[0094] S :0.050% 以下
[0095] S是含有在鋼中的雜質。另外，若積極地含有S，則與Μη結合而形成MnS，具有提高 切削性的效果。但是，若S的含量超過0. 050%，則形成粗大的MnS而冷鍛性和彎曲疲勞強度 降低。因此，使S的含量為0.050 %以下。S的含量優選為0.030 %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的含量優選為0. 003%以上，進一步優選為0. 005% 以上。
[0096] N :0.0080% 以下
[0097] N是含有在鋼中的雜質。N與C 一起與V等元素結合而形成碳氮化物。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。優選 的N的含量為0. 0070 %以下。
[0098] 0:0.0030% 以下
[0099] 0是含有在鋼中的雜質。0形成氧化物系的夾雜物，成為夾雜物起點的疲勞破壞的 原因，使彎曲疲勞強度降低。若〇的含量超過0.0030%，則彎曲疲勞強度的降低顯著。因 此，使〇的含量為〇. 0030%以下。需要說明的是，優選的0含量為0. 0020%以下。
[0100] 本發明的冷鍛氮化用鋼和冷鍛氮化用鋼材的另一種方式具有下述化學組成：含有 選自]?〇、(：11、附、11、恥、21'、？13、0&、8丨、了6、56和513中的一種以上元素來替代上述？6的一 部分，并且滿足對于Fnl?Fn4的條件。
[0101] 以下對作為任意元素的上述]?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進行說明。
[0102] Mo :0.50 % 以下
[0103] Mo在氮化溫度下與C結合而形成碳化物，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 和切削性降低。因此，含有Mo時的Mo的量設定為0.50%以下。需要說明的是，含有Mo時 的Mo的量優選為0.40%以下。
[0104] 另一方面，為了穩定地得到前述Mo的效果，含有Mo時的Mo的量優選為0. 05%以 上。
[0105] 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進行說明。
[0106] Cu :0.50% 以下
[0107] 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，則冷鍛性和切削性降低，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的量設定上限，使其為0. 50%以下。含有Cu時的Cu的量優選為0. 40%以下。
[0108] 另一方面，為了穩定地得到前述Cu的效果，含有Cu時的Cu的量優選為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，為了得到上述效果，含有Ni為宜。但是，若Ni的 含量增多，則冷鍛性和切削性降低。因此，對于含有Ni時的Ni的量設定上限，使其為0. 50% 以下。含有Ni時的Ni的量優選為0. 40%以下。
[0111] 另一方面，為了穩定地得到前述Ni的效果，含有Ni時的Ni的量優選為0. 10%以 上。
[0112] 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合形式含有。復 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生，優選復合Ni來含 有。
[0113] Ti、Nb和Zr均具有使晶粒微細化而提高彎曲疲勞強度的作用。因此，為了得到上 述效果，含有這些元素為宜。以下對于上述Ti、Nb和Zr進行說明。
[0114] Ti :0.20% 以下
[0115] Ti與C或/和N結合而形成微細的碳化物、氮化物和碳氮化物，具有使晶粒微細 化、提高彎曲疲勞強度的作用。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，因此彎曲疲勞強度反而降低。因此，對于含有Ti時的Ti的量設定上 限，使其為0.20%以下。含有Ti時的Ti的量優選為0. 10%以下。
[0116] 另一方面，為了穩定地得到前述Ti的效果，含有Ti時的Ti的量優選為0.005%以 上。
[0117] Nb :0.10 % 以下
[0118] Nb與C或/和N結合而形成微細的碳化物、氮化物和碳氮化物，具有使晶粒微細 化、提高彎曲疲勞強度的作用。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，冷鍛性和切削性降低。因此，對于含有Nb時的Nb的量設定上限，使其為 0. 10%以下。含有Nb時的Nb的量優選為0. 07%以下。
[0119] 另一方面，為了穩定地得到前述Nb的效果，含有Nb時的Nb的量優選為0. 020%以 上。
[0120] Zr :0.10 % 以下
[0121] Zr也與C或/和N結合而形成微細的碳化物、氮化物和碳氮化物，具有使晶粒微 細化、提高彎曲疲勞強度的作用。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，冷鍛性和切削性降低。因此，對于含有Zr時的Zr的量設定上限，使其為 0. 10%以下。含有Zr時的Zr的量優選為0. 07%以下。
[0122] 另一方面，為了穩定地得到前述Zr的效果，含有Zr時的Zr的量優選為0. 002%以 上。
[0123] 對于上述Ti、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合形式 含有。復合這些元素來含有時的總量，可以是Ti、Nb和Zr的含量分別為上限值時的0. 40%， 但是優選為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，為了得到上述效果，含有 這些元素為宜。以下對上述？13、0 &、8丨、了6、56和513進行說明。
[0125] Pb :0.50 % 以下
[0126] 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，進而也導致冷鍛氮化部件的韌性降低。因此，對于含有Pb時的Pb 的量設定上限，使其為〇. 50%以下。含有Pb時的Pb的量優選為0. 20%以下。
[0127] 另一方面，為了穩定地得到前述Pb的效果，含有Pb時的Pb的量優選為0.02%以 上。
[0128] Ca :0.010% 以下
[0129] 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，進而也導致冷鍛氮化部件的韌性降低。因此，對于含有Ca時的Ca 的量設定上限，使其為〇. 010%以下。含有Ca時的Ca的量優選為0. 005%以下。
[0130] 另一方面，為了穩定地得到前述Ca的效果，含有Ca時的Ca的量優選為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，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，進而也導致冷鍛氮化部件的韌性降低。因此，對于含有Bi時的Bi 的量設定上限，使其為0.30%以下。含有Bi時的Bi的量優選為0. 10%以下。
[0133] 另一方面，為了穩定地得到前述Bi的效果，含有Bi時的Bi的量優選為0.005%以 上。
[0134] Te :0.30 % 以下
[0135] 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，進而也導致冷鍛氮化部件的韌性降低。因此，對于含有Te時的Te 的量設定上限，使其為〇. 30%以下。含有Te時的Te的量優選為0. 10%以下。
[0136] 另一方面，為了穩定地得到前述Te的效果，含有Te時的Te的量優選為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，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，進而也導致冷鍛氮化部件的韌性降低。因此，對于含有Se時的Se 的量設定上限，使其為〇. 30%以下。含有Se時的Se的量優選為0. 10%以下。
[0139] 另一方面，為了穩定地得到前述Se的效果，含有Se時的Se的量優選為0. 005%以 上。
[0140] Sb :0.30 % 以下
[0141] 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，進而也導致冷鍛氮化部件的韌性降低。因此，對于含有Sb時的Sb 的量設定上限，使其為0. 30%以下。含有Sb時的Sb的量優選為0. 10%以下。
[0142] 另一方面，為了穩定地得到前述Sb的效果，含有Sb時的Sb的量優選為0. 005%以 上。
[0143] 對于上述Pb、Ca、Bi、Te、Se和Sb而言，可以僅含有其中的任意一種或以兩種以 上的復合形式含有。復合這些元素來含有時的總量，優選為0.50 %以下，進一步優選為 0. 30%以下。
[0144] Fnl :35 ?200
[0145] 對于本發明的冷鍛氮化用鋼和冷鍛氮化用鋼材而言，
[0146] Fnl = Mn/S (1)
[0147] 所示的Fnl必須為35?200。其中，（1)式中的Μη和S指的是該元素的按質量％ 計的含量。
[0148] 上述Fnl為成為MnS生成和中心偏析的指標的參數。Fnl不足35的情況下，S含 量過量而不能避免粗大的MnS的生成。另一方面,Fnl的值超過200的情況下,Μη的含量過 量而在中心偏析部生成粗大的MnS。因此，任意一種情況下，都導致彎曲疲勞強度的降低，并 且難以避免冷鍛時的裂紋。Fnl優選為40以上，另外優選為190以下。
[0149] Fn2:20 ?80
[0150] 對于本發明的冷鍛氮化用鋼和冷鍛氮化用鋼材而言，
[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必須為20?80。其中，（2)式中的C、N、Mo和V指的是該元素的按質 量％計的含量。
[0153] 上述Fn2是成為利用冷鍛后的氮化實現的時效硬化量、即利用氮化實現的芯部硬 度的提高量的指標的參數。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,則不僅上述效果飽和，而且冷鍛性降低。Fn2優選為30以上。
[0154] Fn3:160 以上
[0155] 對于本發明的冷鍛氮化用鋼和冷鍛氮化用鋼材而言，
[0156] Fn3 = 140XCr+125XAl+235XV (3)
[0157] 所示的Fn3必須為160以上。其中，（3)式中的Cr、A1和V指的是該元素的按質 量％計的含量。
[0158] 上述Fn3是成為氮化后的表面硬度、彎曲疲勞強度和耐磨耗性的指標的參數。
[0159] 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700以上，能夠得到與滲 碳淬火材同等的彎曲疲勞強度和耐磨耗性。Fn3小于160時，表面硬度低，與滲碳淬火材相 t匕，彎曲疲勞強度和耐磨耗性差。Fn3優選為170以上，另外優選為350以下。
[0160] Fn4:150 ?200
[0161] 對于本發明的冷鍛氮化用鋼和冷鍛氮化用鋼材而言，
[0162] Fn4 = 511 XC+33XMn+56XCu+15XNi+36XCr+5XMo+134XV (4)
[0163] 所示的Fn4必須為150?200。其中，（4)式中的（：、]?11、(：11、附、0、]\1〇和￥指的是 該元素的按質量％計的含量。
[0164] 上述Fn4是成為冷加工后的切削性的指標的參數。
[0165] 若Fn4為150?200,則在冷鍛后的車削中，切屑處理性良好，并且具有優異的切削 性。Fn4小于150時，車削中的切屑變長，切屑處理性差。另外，Fn4大于200時，車削中的 切削阻力提高，成為工具壽命降低的原因。Fn4優選為160以上，另外，優選為190以下。
[0166] (B)利用提取殘渣分析測得的析出物中的V含量：
[0167] 本發明的冷鍛氮化用鋼材，除了具有前項（A)中記載的化學組成之外，規定利用 提取殘渣分析測得的析出物中的V含量為0. 10%以下。
[0168] 冷鍛氮化用鋼材中，若析出大量的微細的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 析測得的析出物中的V含量為0. 10%以下。上述析出物中的V含量優選為0.08%以下。
[0169] 利用提取殘渣分析測得的析出物中的V含量例如可以如下求出：采集適當的試驗 片，在10% AA系溶液中恒定電流電解，用網眼尺寸0. 2 μ m的過濾器過濾所提取的溶液，對 于過濾物進行一般性化學分析，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。
[0170] 如上所述，在熱軋或熱鍛的狀態下有可能析出V的碳化物、氮化物和碳氮化物而 冷鍛性不充分。因此，為了得到利用提取殘渣分析測得的析出物中的V含量為0. 10%以下 的冷鍛氮化用鋼材，優選在熱軋或/和熱鍛后，例如加熱到850?950°C后，強制風冷而冷卻 至室溫，由此進行"正火"。
[0171] 若在上述溫度區域下加熱后，在大氣中自然冷卻或緩慢冷卻，冷卻至室溫，由此進 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，加熱后優選例如通過800?500°C的溫度范圍內的平均冷卻速度為0. 5? 5. 0°C /秒的強制風冷進行冷卻，以不會析出V的碳化物、氮化物和碳氮化物。
[0172] (C)冷鍛氮化部件：
[0173] 本發明的冷鍛氮化部件，除了具有前述（A)項中記載的化學組成之外，芯部硬度 按HV計為200以上、表面硬度按HV計為700以上、有效硬化層深度為0. 20mm以上是必須 的。
[0174] 滿足上述條件時，冷鍛氮化部件的耐變形性、彎曲疲勞強度和耐磨耗性優異，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械結構用部件。
[0175] 芯部硬度按HV計優選為210以上，另外優選為400以下。表面硬度按HV計優選為 710以上，另外優選為900以下。有效硬化層深度優選為0. 25mm以上，另外優選為0. 50mm 以下。
[0176] (D)冷鍛氮化部件的制造方法：
[0177] 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)項中記載的化學組成和前述（B)項中記載的利用提取殘渣分析測得的析出 物中的V含量的冷鍛氮化用鋼材，以30%以上的壓縮率進行冷鍛后，在400?650°C下實施 1?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％、冷鍛之后的部件的高度為Η時，以{(HcrHVHj X 100表示的值。
[0178] 為了提高冷鍛氮化部件的芯部硬度，優選增大冷鍛中的加工度、即增大應變，從而 有效利用通過加工硬化實現的強化。
[0179] 進行上述冷鍛后，為了不僅有效利用通過加工硬化實現的強化，還有效利用通過 時效硬化實現的強化，優選在400?650°C下實施1?30小時的氮化。
[0180] 進行氮化的溫度低、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，進而難以通過時效硬化來達成芯部硬度提高。另一方面，進行氮化的 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，進而芯部 硬度也降低。進行氮化的溫度優選為450°C以上，另外優選為630°C以下。
[0181] 實施氮化的時間根據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 1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。進行氮化的時間優選為1小時以上，另外優選為20小時以下。
[0182] 對于用于得到本發明的冷鍛氮化部件的氮化方法沒有特別規定，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NH 3和RX氣體，在NH3與RX氣 體為1:1的氣氛中進行處理即可。
[0183] 實施氮化的時間根據處理溫度不同而異，例如在590°C下進行軟氮化時，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。
[0184] 另外，想要抑制脆弱的化合物的形成時，優選作為利用見13進行氮化的前處理使用 氟氣體，或者氮化使用NH 3與H2的混合氣體。
[0185] 以下，通過利用氣體軟氮化進行處理的實施例對本發明進行更具體的說明，但是 本發明不被這些實施例所限定。
[0186] 實施例
[0187] 通過真空熔化爐將180kg具有表1所示的化學成分的鋼1?22熔煉，鑄造成鋼錠。
[0188] 表1中的鋼1?13為化學組成處于本發明中規定的范圍內的本發明例的鋼。另 一方面，鋼14?22為化學組成在本發明中規定的條件之外的比較例的鋼。需要說明的是， (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中記載為的情況下為"0(零）"。
[0189] 上述比較例的鋼中，鋼14為相當于JIS G 4052(2008)中規定的SCr420H的鋼。
[0190]

【權利要求】
1. 一種冷鍛氮化用鋼，其特征在于，其具有下述化學組成： 包含：按質量％計、c :0· 10?0· 15%、Si :0· 02%以上且不足0· 10%、Mn :超過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 剩余部分為Fe和雜質， 雜質中的P、S、N和0為P :0· 030 %以下、S :0· 050 %以下、N :0· 0080 %以下和0 : 0. 0030% 以下， 進而下述⑴式所示的Fnl為35?200、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、￥、隊41、(：11和附指的是該元素的按質量％計 的含量。
2. 根據權利要求1所述的冷鍛氮化用鋼，其特征在于，其按質量％計含有Mo :0.50%以 下來替代Fe的一部分。
3. 根據權利要求1或2所述的冷鍛氮化用鋼，其特征在于，其按質量％計含有選自Cu : 0. 50%以下和Ni :0. 50%以下中的一種以上來替代Fe的一部分。
4. 根據權利要求1?3中任一項所述的冷鍛氮化用鋼，其特征在于，其按質量％計含有 選自Ti :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. 根據權利要求1?4中任一項所述的冷鍛氮化用鋼，其特征在于，其按質量％計含有 選自 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%以下中的一種以上來替代Fe的一部分。
6. -種冷鍛氮化用鋼材，其特征在于，其具有權利要求1?5中任一項所述的化學組 成，利用提取殘渣分析測得的析出物中的V含量為0. 10%以下。
7. -種冷鍛氮化部件，其特征在于，其具有權利要求1?5中任一項所述的化學組成， 芯部硬度按維氏硬度計為200以上，表面硬度按維氏硬度計為700以上，有效硬化層深度為 0. 20mm 以上。
【文檔編號】C23C8/38GK104254628SQ201380018121
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年2月28日 優先權日:2012年4月2日
【發明者】今高秀樹, 堀本雅之, 行德裕也, 田中康介 申請人:新日鐵住金株式會社