KR100375344B1

KR100375344B1 - 침탄 및 침탄질화용 강철

Info

Publication number: KR100375344B1
Application number: KR10-2000-0053433A
Authority: KR
Inventors: 후쿠즈미다쓰오; 우에노히데오
Original assignee: 미쓰비시 세이코 무로란 도쿠슈코 가부시키가이샤
Priority date: 1999-10-27
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2003-03-10
Also published as: KR20010039875A; JP3253293B2; JP2001192765A

Abstract

기계부품의 소형, 경량화와 고응력부하의 요구 때문에 피팅피로강도와 함께 충격강도도 동시에 개선한다.

중량 퍼센트로, C = 0.10∼0.30%, Si = 0.40∼1.00%, Mn = 0.30∼1.50%, P = 0.035%이하, S = 0.005∼0.050%, Ni = 0.00∼1.00%, Cr = 0.30 ∼1.50%, Cu = 0.01∼0.50%, Mo = 0.00∼1.00%, Al = 0.010∼0.035%, Nb = 0.001∼0.050%, N = 0.0050∼0.0200% 및 O = 0.0015%이하를 포함하여 구성되고, 또한 Mo+Ni에서 표시되는 파라미터가 0.30% 이상 2.00% 이하이며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물원소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 침탄 및 침탄질화용 강철이다. 또한, 상기 강철은, V = 0.01∼0.50%, Ti = 0.005∼0.050%, B = 0.0005∼0.0050% 중에서 1종 이상을 더욱 함유한다. 또한 피삭성을 향상하는 원소이며, 피로특성을 현저히 저해하지 않은 원소로서, Pb = 0.01 ∼0.09%, Bi = 0.04∼0.20%, Te = 0.002∼0.050%, Zr = 0.01∼0.20%, Ca = 0.0001∼0.0100% 중에서 1종 이상의 원소를 함유하는 것도 있다. 강철은 소형·경량화 및 고응력부하화가 요구되기 때문에 피팅피로강도와 함께 높은 충격강도가 개선되는 것이다.

Description

침탄 및 침탄질화용 강철{CARBURIZING AND CARBONITRIDING STEEL}

본 발명은, 높은 피팅피로강도와 함께 높은 충격강도가 요구되는 톱니 바퀴나 회전축류에 적용되는 침탄 및 침탄질화용 강철에 관한 것이다.

종래의 기술에서는, 굴곡피로강도를 향상하기 위하여, 피로균열의 원인이 되는 입계산화상(粒界酸化相)을 줄일 목적으로, Fe보다 산화되기 쉬운 원소인 Si, Mn 및 Cr 등을 줄이고, Fe보다 산화되기 어려운 원소인 Ni 및 Mo 등으로 담금질성 및 기계적성질을 조정하는 기술이나 숏피닝에 의해 표면압축잔류응력을 부여하고, 피로균열의 진전을 늦추는 기술 등이 있다. 그위에, 굴곡피로강도가 개선됨으로써 클로즈업된 피팅피로강도의 개선을 목적으로 Si나 V의 첨가가 검토된 예가 보고되어 있다.

근년, 자동차 및 산업기계류의 경량화 및 엔진고출력화에의 대응으로서, 톱니 바퀴나 회전축류의 한층 더 소형·경량화 및 고응력부하화가 요구되고 있다. 그 결과 피팅피로강도 및 충격강도를 향상할 필요가 생기고 있다. 그러나, 종래 기술로서는 이들 양립이 곤란하다는 문제점이 나왔다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 상기와 같은 문제점을 비추어, 강철의 화학성분을 조정하는 것만으로, 피팅피로강도 및 충격강도를 동시에 개선하는 것이다.

도 1은, 템퍼링경도 평가용의 시험편형상의 설명도,

도 2는, 침탄충격강도 평가용의 시험편형상의 설명도,

도 3은, 침탄담금질-템퍼링 처리조건의 설명도,

도 4는, 템퍼링 경도와 Si 함유량과의 관계를 나타내는 그래프,

도 5는, 침탄충격강도와 Si 함유량과의 관계를 나타내는 그래프,

도 6은, 침탄충격강도와 템퍼링 경도와의 관계를 나타내는 그래프,

도 7은, 롤러/피팅 피로시험기의 개요를 도시한 도면,

도 8은, 롤러/피팅 피로시험편 형상의 설명도,

도 9는, 롤러/피팅 피로시험기의 부하 롤러의 형상의 설명도,

도 10은, 피팅피로수명과 침탄충격강도와의 관계를 도시한 도면이다.

상기의 과제를 해결하는 수단으로서, Si 함유량을 증량함에 의해 침탄 혹은 침탄질화처리후의 강철의 템퍼링 경도를 향상함과 동시에, Ni 및 Mo를 단독, 혹은 복합첨가함으로써 침탄층 및 심부의 파괴인성치(破壞靭性値)를 향상하는 것이다.

특히, 본 발명의 제 1 양상에 따라서, 중량 퍼센트로,

C = 0.10∼0.30%,

Si = 0.40∼1.00%,

Mn = 0.30∼1.50%,

P = 0.035%이하,

S = 0.005∼0.050%,

Ni = 0.00∼1.00%,

Cr = 0.30∼1.50%,

Cu = 0.01∼0.50%,

Mo = 0.00∼1.00%,

Al = 0.010∼0.035%,

Nb = 0.001∼0.050%,

N = 0.0050∼0.0200%, 및

O = 0.0015%이하,

를 포함하여 구성되고, 또한, Mo+Ni에서 표시되는 파라미터가 0.30% 내지 2.00% 이며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물원소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 침탄 및 침탄질화용 강철을 제공한다.

본 발명의 제 2 양상에 따라서, 상기 침탄 및 침탄질화용 강철에, 중량 퍼센트로

V = 0.01∼0.50%,

Ti = 0.005∼0.050%, 및

B = 0.0005∼0.0050%,

로 구성되는 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 함유하는 침탄 및 침탄질화용 강철이다.

본 발명의 제 3의 양상에 따라서, 피로특성을 현저히 저해하지 않고, 강철의 피삭성을 향상하는 원소로서, 중량%이고,

Pb = 0.01∼0.09%,

Bi = 0.04∼0.20%,

Te = 0.002∼0.050%,

Zr = 0.01∼0.20%, 및

Ca = 0.0001∼0.0100%

로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 함유하고 있는 상기 제 1 및 제 2 양상에 특정된 침탄 및 침탄질화용 강철이다.

본 발명자 등은, 피팅피로강도와 충격강도에 관해서, 예의연구를 거듭한 결과, 강철의 화학성분을 조정함으로써, 침탄 및 침탄질화용 강철로서 상정할 수 있는 화학성분의 범위에 있어서도, 그것들의 강도를 향상하는 방법을 찾아내었다.

그 화학성분의 조정의 골자는, Si 함유량의 증량에 의한 템퍼링 경도의 향상과 Ni 및 Mo의 단독, 혹은 복합첨가에 의한 침탄층 및 심부의 파괴인성치의 향상이다.

이 지견에 이르기까지에는, 수많은 실험에 의한 검증을 거듭하여왔다. 이하에 그 일예를 나타낸다. 지금까지의 연구성과에 의해, 침탄 톱니바퀴의 피팅피로와 충격강도를 지배하는 가장 중요한 인자는, 각각, 템퍼링 경도와 침탄충격강도인 것은 알고 있었다. 표 1은, 이들 인자를 평가하기 위하여 사용한 발명강철과 비교강철의 화학성분을 나타낸다.

[표 1]

여기서, "제 1 발명강철"이란 청구항1에 해당하는 발명강철이며, "제 2 발명강철"이란 청구항2에 해당하는 발명강철, 그리고 "제 3 발명강철"이란 청구항3에 해당하는 발명강철이다. 이들 강철을 고주파진공용해로에 의해 용제한다. 용제한 강철덩어리를 1250℃에 가열후 직경 30 mmø 로 단신(鍛伸)하고, 또한, 925℃로 소준(燒準)하였다. 이들 소재로부터 기계가공에 의해, 각각 템퍼링 경도를 평가하기 위하여 도 1에 나타내는 형상의 시험편을 1개, 충격강도를 평가하기 위하여 도 2에 나타내는 형상의 시험편을 3개씩 제작하였다. 이들의 시험편 전체수를 도 3에 나타내는 조건으로 침탄담금질-템퍼링 처리를 실시하였다.

그 후, 도 1에 나타내는 템퍼링 경도 용의 시험편은, 또한 톱니 바퀴회전중의 마찰열의 발생을 상정하여, 250 ℃로 가열한 전기화로에 8시간 유지하여 공냉하였다. 그리고, 공냉후의 시험편을 길이 방향에 수직으로 절단하여, 임의의 90°마다 2개소에 관해서, 표면에서 50㎛의 위치까지의 경도를 10㎛ 마다 마이크로빅커스경도계로 측정하여, 그것들의 평균량을 구하였다. 이들 결과를 템퍼링 후의 경도로서 상기 표 1에 나타낸다. 한편, 도 2에 나타내는 침탄충격용시험편은, 각 강철종 3개 샤르피(Charpy)충격시험을 실시하여, 샤르피충격치의 평균치를 구하였다. 이들 결과를 침탄충격강도로서 상기 표 1에 나타낸다. 이하에, 이들 데이터에 관해서 상술한다.

도 4에는, 템퍼링 경도와 Si 함유량의 관계를 나타낸다. 이것으로, Si 함유량이 0.40중량% 이상의 범위로서는, 템퍼링 경도는 700 HV 이상이며, 그 미만의 Si 함유량의 강철보다도 템퍼링 경도가 높은 것을 알 수 있다. 이것은, 종래부터 지적되어 있는 바와 같이 템퍼링/연화저항을 높이는 Si 함유량을 증량함에 의해, 톱니 바퀴회전중의 마찰열을 상정한 템퍼링 후에도 표면경도가 높은 레벨로 유지되어 있기 때문이다. 도 5에는, 침탄충격강도와 Si 함유량의 관계를 나타낸다. 우선, Ni와 Mo 함유량의 합계치가 0.30중량% 이하에서는, Si 함유량이 높아짐에 따라서, 침탄충격강도가 저하하는 것을 알았다. 이것은, Si 함유량의 증량에 의해 침탄층 및 심부의 파괴인성치가 저하하였기 때문이라고 추정된다. 한편, Ni와 Mo 함유량의 합계치가 0.30중량% 미만으로서는, Si 함유량이 높아짐에 따라서, 아주 조금 침탄충격강도가 저하하지만, 그 정도는 Ni와 Mo 함유량의 합계치가 0.30중량% 미만의 강철보다도 대단히 작은 것을 알 수 있다. 이것은, Si 함유량이 증량하더라도, Ni나 Mo의 첨가에 의하여 침탄층 및 심부의 파괴인성치가 높게 유지되어 있기 때문으로 추정된다. 따라서, Si 함유량이 0.40중량% 이상이며, 또한, Ni와 Mo 함유량의 합계치로 표시되는 Ni+Mo의 파라미터가 0.30중량% 이상의 발명강철의 범위에서는, 템퍼링 경도가 높고, 또한, 침탄충격강도가 높은 것을 알았다.

도 6에는, 이들의 관계를 알기 쉽게 설명하기 위하여, 템퍼링 경도와 침탄충격강도의 관계를 나타낸다. 템퍼링 경도의 향상과 침탄충격강도의 향상을 양립하는 것에 대하여, 발명강철은 비교강철보다 매우 유리한 것을 알 수 있다.

이상의 연구성과로부터 본 발명은 이루어졌다. 다음에 본 발명의 화학성분에 관해서, 그 한정이유를 설명한다. 그리고, 톱니 바퀴용 강철의 화학성분은, 그 사용환경, 즉, 톱니 바퀴가 크기, 부하강도 및 침탄 혹은 침탄질화조건 등을 고려하여, 다양한 범위로 조정될 수 있다는 것을 생각할 수 있다. 본 발명에서는, 그들의 상정할 수 있는 어떠한 화학성분의 범위에 있어서도 발명의 효과를 얻을 수 있다는 것을 확인하여, 성분청구범위를 청구하였다.

C:0.10∼0.30중량%

C는, 톱니 바퀴에 요구되는 심부경도를 확보하기 위해서는, 적어도0.10중량% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, 그 지나친 첨가는, 심부의 경도를 너무 상승시키고, 또한 심부의 인성을 열화시킨다. 이것을 피하기 위해서는 상한을 0.30중량%으로 한정해야 한다.

따라서, C의 첨가량은 0.10∼0.30중량%의 범위로 하였다.

Si:0.40∼1.00중량%

Si는 본 발명강철에 있어서 가장 중요한 원소이다. 특히, Si는 톱니 바퀴등이 회전중에 도달한다고 생각되는 200∼250℃의 온도영역에 있어서의 연화를 작게 하는 원소이다. 이들 효과를 발휘하기 위해서는 적어도 0.40중량% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, 그 지나친 첨가는, 침탄층 및 심부의 인성을 저하시킬 뿐만 아니라, 침탄성을 저해하거나, 침탄전의 강철재료가 너무 딱딱하게 되는 것 때문에, 냉단성(냉단성)이나 절삭성을 열화시킨다. 이것을 회피하기 위해서는 상한을 1.00중량%으로 한정할 필요가 있다.

따라서, Si의 첨가량은 0.40∼1.00중량%의 범위로 하였다.

Mn:0.30∼1.50중량%

Mn은, 담금질성을 확보하기 위하여 필요한 원소이며, 적어도 0.30중량% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, 그 지나친 첨가는 침탄전의 강철재료가 너무 딱딱해짐으로써, 냉단성이나 절삭성을 열화시킨다. 이것을 회피하기 위해서는 상한을 1.50중량%으로 한정할 필요가 있다.

따라서, Mn의 첨가량은 0.30∼1.50중량%의 범위로 하였다.

P:0.035중량% 이하

P는 오스테나이트입계에 편석하여 입계를 취약하게 함으로써 인성이나 피로강도를 저하시키는 원소이다. 0.035중량%을 넘게 포함하면 이러한 폐해가 현저하게 된다.

따라서, P의 함유량은 0.035중량% 이하로 한정하였다.

Ni:0.00∼1.00중량%

Ni는 본 발명강철에 있어서, Si 에 다음으로 후술하는 Mo와 같이 중요한 원소이다. 특히, Ni는 Mo와 같이 침탄층 및 심부의 파괴인성을 향상시키는 원소이다.

따라서, Mo가 첨가되어 있지 않으면 첨가해야하는 원소이다. 그러나, Ni는 비싼 원소인 것부터, 그 지나친 첨가는 경제적인 관점에서 바람직하지 않고, 또한 잔류 오스테나이트의 형성을 촉진함으로써 표면경도가 저하하고, 또한, 침탄전의 강철재료가 너무 딱딱해짐으로써, 냉단성이나 절삭성을 열화시킨다. 이것을 회피하기 위해서는 상한을 1.00중량%에 한정해야 한다.

따라서, Ni의 첨가량은 0.00∼1.00중량%의 범위로 하였다.

Cr:0.30∼1.50중량%

Cr은, 담금질성을 확보하기 위하여 필요한 원소이며, 적어도 0.30중량% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, 그 지나친 첨가는, 침탄전의 강철재료가 너무 딱딱해짐으로써, 냉단성이나 절삭성을 열화시킨다. 이것을 회피하기 위해서는 상한을 1.50중량%에 한정하는 필요가 있다.

따라서, Cr의 첨가량은 0.30∼1.50중량%의 범위로 하였다.

Mo:0.00∼1.00중량% 이하

Mo는 본 발명강철에 있어서, Si에 이어서 전술한 Ni와 같이 중요한 원소이다. 특히, Mo는 Ni와 같이 침탄층 및 심부의 파괴인성치를 향상시키는 원소이다. 따라서, 전술한 Ni가 첨가되어 있지 않은 경우는 첨가해야 하는 원소이다. 그러나, Mo는 비싼 원소인 점에서 그 지나친 첨가는 경제적인 관점에서 바람직하지 않고, 또한, 침탄전의 강철재료가 너무 딱딱해짐으로써, 냉단성이나 절삭성을 열화시킨다. 이것을 회피하기 위해서는 상한을 1.00중량%에 한정할 필요가 있다. 그리고, 전술한 Ni가 첨가되어 있으면, 굳이 첨가할 필요가 없는 경우도 있다.

따라서, Mo의 첨가량은 0.00∼1.00중량%의 범위로 하였다.

Al:0.010∼0.035중량%

Al는 N과 결합하여 AlN을 형성함으로써, 오스테나이트결정립을 미세화하여, 침탄층 및 심부의 인성을 향상한다. 그 효과를 발휘하기 위해서는, 적어도 0.010중량% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, 지나친 첨가는 피로강도에 대하여 유해한 Al₂O₃개재물의 생성을 조장한다. 이것을 회피하기 위해서는 상한을 0.035중량%에 한정해야 한다.

따라서, Al의 첨가량은 0.010∼0.035중량%의 범위로 하였다.

Nb:0.001∼0.050중량%

Nb는 강철 중의 C 및 N과 결합하여 탄질화물을 형성함으로써, AlN과 같이 오스테나이트결정립의 크기를 감소하기에 효과적이다. 이 입자크기가 미세할지라도, 원소는 침탄층 및 심부의 인성을 향상한다. 그 효과를 발휘하기 위해서는, 0.01% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, 그 지나친 첨가는 거칠고 큰 탄질화물을 형성, 석출하여, 침탄층의 인성을 저하시킨다. 이것을 회피하기 위해서는 상한을 0.050중량%으로 한정할 필요가 있다.

따라서, Nb의 첨가량은 0.001∼0.050중량%의 범위로 하였다.

O:0.0015중량% 이하

O은, 강철중에 있어서는, 산화물계개재물로서 존재하며, 피로강도를 손상하는 원소이다.

따라서, O의 상한을 0.0015중량%이하로 규정하였다.

N:0.0050∼0.0200중량%

N은 Al이나 Nb와 결합하여 AlN, NbN을 형성하고, 오스테나이트결정입자를 미세화하고, 침탄층 및 심부의 인성을 향상한다. 그 효과를 발휘하기 위해서는, 적어도 0.0050중량% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, 지나친 첨가는 응고시의 강철덩어리표면에서 거품이 발생하거나 강철재료의 단조성을 열화시킨다. 이것을 회피하기 위해서는 상한을 0.0200중량%에 한정해야 한다.

따라서, N의 첨가량은 0.0050∼0.0200중량%의 범위로 하였다.

Ni+Mo에서 표시되는 파라미터: 0.30중량% 내지 2.00%

Ni 및 Mo는 해당하는 각각의 항에서 기재한 바와 같이, Si 첨가량의 증량에 의하여 저하한 침탄층 및 심부의 파괴인성치를 향상시키는 원소이다. 적어도 Ni+Mo에서 표시되는 파라미터가 0.30중량% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, Ni, Mo는 비싼 원소인 점에서, 그 지나친 첨가는 경제적인 관점으로부터 바람직하지 않고, 또한 침탄전의 강철재료가 너무 딱딱하게 되어버림으로써, 냉단성나 절삭성을 열화시킨다. 이 때문에, 상한을 2.00중량%에 한정해야 한다.

Cu:0.01∼0.50중량%

Cu는 400∼600℃의 비교적 높은 온도영역에 있어서 석출경화를 기대할 수 있는 원소이다. 따라서, 톱니면 혹은 회전면의 온도가 현저히 상승할 정도로 심하게 사용하는 상태가 상정되는 경우나, 항공기재료와 같이 제트추진기나 터빈근방의 고온환경에서 사용되는 경우에는 첨가하여야 한다. 그 효과를 발휘하기 위해서는, Cu 0.01% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, 지나친 첨가는 열간취성을 증가시키고, 또한, 침탄성을 저해한다. 이것을 회피하기 위해서는 상한을 0.50중량%에 한정해야 한다.

따라서, Cu의 첨가량은 0.01∼0.50중량%의 범위로 하였다.

V:0.01∼0.50중량 %

V는 침탄온도근방의 비교적 낮은 온도에 있어서도 탄화물을 형성하고, 침탄층의 경도를 향상시킴과 동시에 담금질성을 향상하는 원소이다. 그러므로, 그 효과를 발휘하기 위해서는, 0.01% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, 그 지나친 첨가는, 침탄층의 인성을 열화시키고, 또한, V는 비싼 원소인 점에서 경제적인 관점으로부터 바람직하지 않다. 또한, 침탄전의 강철재료가 너무 딱딱해짐으로써, 냉단성나 절삭성을 열화시킨다. 이것을 회피하기 위해서는 상한을 0.50중량%에 한정할 필요가 있다.

따라서, V의 첨가량은 0.01∼0.50중량%의 범위로 하였다.

Ti:0.005∼0.050중량% 이하

Ti는 강철중의 N이 후술하는 B와 결합하여 BN을 생성하고 B의 담금질성향상효과를 열화시키는 것을 방지하기 위하여 첨가하는 원소이다. 그러므로, 그 효과를 발휘하기 위해서는 0.005% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, 다량으로 첨가하면 대형의 TiN을 생성하여 피로파괴의 기점이 될 가능성이 있기 때문에, 상한을 0.050중량%에 한정하는 필요가 있다.

따라서, Ti의 첨가량은 0.005∼0.050중량%의 범위로 하였다.

B:0.0005∼0.0050중량%

B는, 침탄전의 강철재료의 냉단성이나 절삭성을 열화시키는 일없이, 담금질성을 향상하는 원소이다. 따라서, 그와 같은 효과를 필요로 하는 경우에는 첨가하여야 한다. 그 효과를 발휘하기 위해서는 0.0005중량% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나 0.0050중량%을 넘어 첨가하여도 그 효과가 포화함과 동시에, 열간가공성을 열화한다. 그러므로, 상한을 0.0050중량%에 한정할 필요가 있다.

따라서, B의 첨가량은 0.0005∼0.0050중량%의 범위로 하였다.

S:0.005∼0.050중량%

S는 대부분은 유화물계 개재물로서 강철 중에 존재하여, 톱니 바퀴와 같이절삭가공에 의해 성형되는 부품으로서는, 피삭성의 향상에 효과적인 원소이다. 그것을 위하여는 적어도 0.005중량% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, 지나친 첨가는, 피로강도저하를 초래하는 요인이 된다. 이것을 회피하기 위해서는 상한을 0.050중량%에 한정할 필요가 있다.

따라서, S의 첨가량은 0.005∼0.050중량%의 범위로 하였다.

Pb:0.01∼0.09중량%

Pb는 S의 단독첨가에 더하여, 보다 피삭성을 향상시키는 원소이다. 그 효과를 발휘하기 위해서는 적어도 0.01중량% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, 그 지나친 첨가는, 피로강도저하를 초래하는 요인이 되는 원소이다. 또한, 0.01중량% 이상으로서는 Pb의 취급상, 집진장치, 방법 등이 법적인 규제를 받는다. 이것을 피하기 위해서는 상한을 0.09중량%로 한정할 필요가 있다.

따라서, Pb의 첨가량은 0.01∼0.09중량%의 범위로 하였다.

Bi:0.04∼0.20중량%

Bi는 S의 단독첨가로 가하여, 보다 피삭성을 향상시키는 원소이다. 그러므로, 그 효과를 발휘시키기 위해서는 적어도 0.04중량% 이상 첨가해야한다. 그러나, 지나친 첨가는, 인성을 저하시킨다. 이것을 회피하기 위해서는 상한을 0.20중량%에 한정할 필요가 있다.

따라서, Bi의 첨가량은 0.04∼0.20중량%의 범위로 하였다.

Te:0.002∼0.050중량%

Te는 S의 단독첨가로 가하여, 보다 피삭성을 향상시키는 원소이다. 그 효과를 발휘시키기 위해서는 적어도 0.002중량% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나 지나친 첨가는, 열간취성을 발생시킨다. 이것을 회피하기 위해서는 상한을 0.050중량%에 한정할 필요가 있다.

따라서, Te의 첨가량은 0.002∼0.050중량%의 범위로 하였다.

Zr:0.01∼0.20중량%

Zr는 S의 단독첨가로 가하여, 보다 피삭성을 향상시키는 원소이다. 그 효과를 발휘하기 위해서는 적어도 0.01중량% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, 지나친 첨가는, 인성을 저하시킨다. 이것을 회피하기 위해서는 상한을 0.20중량%에 한정할 필요가 있다.

따라서, Zr의 첨가량은 0.01∼0.20중량%의 범위로 하였다.

Ca:0.0001∼0.0100 중량%

Ca는, S의 단독첨가로 가하여, 보다 피삭성을 향상시키는 원소이다. 그렇게 하기 위해서는 적어도 0.0001중량% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, 그 지나친 첨가는, 인성을 저하시킨다. 이것을 회피하기 위해서는 상한을 0.0100중량%에 한정할 필요가 있다.

따라서, Ca의 첨가량은 0.0001∼0.0100중량%의 범위로 하였다.

[발명의 실시형태]

다음에, 구체적인 실시예를 들어, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 표 2에는 이상의 지견을 기초로 하여 실화로로 용제한 발명강철과 그것과 대비하기 위한 비교강철의 화학성분을 나타낸다.

[표 2]

표에서 발명강철 A는 붕소무첨가이며, 발명강철 B는 붕소함유 강철이다. 또한, 비교강철 I는 JIS(Japanise Industrial Standard)의 SNCM420H 이며, 비교강철 Ⅱ는 JIS의 SCM420H를 베이스로 Si 함유량을 증량한 강철이다.

이들 강철에 대하여 롤러/피팅 피로시험과 침탄충격시험을 실시하고, 그들 피팅피로수명과 침탄충격강도를 평가하였다. 도 7에는, 롤러/피팅피로시험기의 개요를 나타낸다. 여기서 1은 시험편, 2는 부하롤러, 3 및 4는 맞물림톱니바퀴, 5는 축받이, 6은 커플링, 7은 전달벨트, 8은 모터이다. 도 8은 롤러/피팅피로시험편의 형상, 도 9는 롤러/피팅피로시험기의 부하롤러의 형상을 나타낸다.

우선, 발명강철과 비교강철을 직경 30 mmø 로 열간단조후, 소준한 다음, 도 8에 나타낸 롤러/피팅피로시험편과 도 2에 나타내는 침탄충격용 시험편을 5개씩 작성하였다. 다음에, 이들 시험편을 도 3에 나타내는 조건에서 침탄담금질-템퍼링처리를 실시하였다.

롤러/피팅 피로시험편에 대해서는, 표 3에 나타내는 조건으로 롤러피팅 피로시험을 실시하고, 피팅 피로수명을 요구하였다. 침탄충격용 시험편에 대해서는, 샤르피충격시험을 실시하고, 침탄충격강도를 구하였다. 표 4에, 이들 결과를 나타낸다. 롤러/피팅 피로시험에 대해서는, 전동회수 20.00×10⁶까지 실시하고, 피팅이 발생하지 않은 경우는 시험을 종료하였다. 도 10에는, 표 4의 결과를 정리하였다.

[표 3]

제 언	내 용
최대헤르쯔응력	2940 MPa
슬립율(slip rate)	-40%
회전수	1000 r.p.m
윤활유	엔진오일(코마츠 순수유 EO-30-cd)
윤활유온도	50℃
대 롤러/크라우닝 지름	300 mmR

[표 4]

	피팅피로수명(×10⁶)	침탄충격강도(J/cm²)
	n=1	n=2	n=3	n=4	n=5	n=1	n=2	n=3	n=4	n=5
발명강철A	20.00^*	20.00^*	20.00^*	20.00^*	20.00^*	35.3	36.1	32.8	33.1	37.7
발명강철B	20.00^*	20.00^*	20.00^*	20.00^*	20.00^*	30.1	34.2	32.2	31.6	34.0
비교강철Ⅰ	0.75	0.66	0.51	0.47	0.38	35.5	32.1	32.0	33.0	34.8
비교강철Ⅱ	15.70^*	20.00^*	13.30	20.00^*	20.00^*	8.9	15.2	12.2	11.1	7.8

이 표로부터, 발명강철 A 및 발명강철 B 양쪽 다 피팅피로수명은 20.00×10⁶이상이며, 또한, 침탄충격강도가 30 J/cm²이상인 것을 알 수 있다. 한편, 비교강철 I에 있어서는, 침탄충격강도는 30 J/cm²이상이지만, 피팅피로수명이 짧다. 부가하여, 비교강철 Ⅱ는, 피팅피로수명은 양호하지만, 침탄충격강도가 낮은 것을 알 수 있다.

따라서, 발명강철은 피팅피로강도가 높고, 또한, 충격강도가 높은 것이 확인되었다.

이상과 같이, 본 발명에 의해, 강철의 화학성분을 강정(鋼整)하는 것만으로, 피팅피로강도의 향상과 같이 충격강도도 향상할 수가 있고, 발명이 해결하고자 하는 과제를 해결할 수 있다.

따라서, 본 발명의 효과로서는, 현상의 제조공정에 있어서도, 침탄톱니 바퀴의 소형 및 경량화가 가능해지고, 또한, 같은 형상 및 치수로도 보다 고출력화가 가능해지며, 톱니 바퀴류를 사용하는 산업계에서, 비용의 저감과 신뢰성의 향상에 널리 공헌하는 것을 들 수 있다.

Claims

중량퍼센트로,

C = 0.10∼0.30%,

Si = 0.40∼1.00%,

Mn = 0.30∼1.50%,

P = 0.035%이하,

S = 0.005∼0.050%,

Ni = 1.00%이하,

Cr = 0.30∼1.50%,

Cu = 0.01∼0.50%,

Mo = 1.00%이하,

Al = 0.010∼0.035%,

Nb = 0.001∼0.050%,

N = 0.0050∼0.0200%, 및

O = 0.0015%이하,

를 포함하여 구성되고, 또한, Mo+Ni에서 표시되는 파라미터가 0.30% 내지 2.00%이며, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물원소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 침탄 및 침탄질화용 강철.
중량퍼센트로,

C = 0.10∼0.30%,

Si = 0.40∼1.00%,

Mn = 0.30∼1.50%,

P = 0.035%이하,

S = 0.005∼0.050%,

Cr = 0.30∼1.50%,

Cu = 0.01∼0.50%,

Mo = 0.30∼1.00%,

Al = 0.010∼0.035%,

Nb = 0.001∼0.050%,

N = 0.0050∼0.0200%, 및

O = 0.0015%이하,

를 포함하여 구성되고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물원소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 침탄 및 침탄질화용 강철.
중량퍼센트로,

C = 0.10∼0.30%,

Si = 0.40∼1.00%,

Mn = 0.30∼1.50%,

P = 0.035%이하,

S = 0.005∼0.050%,

Ni = 0.30∼1.00%,

Cr = 0.30∼1.50%,

Cu = 0.01∼0.50%,

Al = 0.010∼0.035%,

Nb = 0.001∼0.050%,

N = 0.0050∼0.0200%, 및

O = 0.0015%이하,

를 포함하여 구성되고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물원소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 침탄 및 침탄질화용 강철.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

중량퍼센트이며,

V = 0.01∼0.50%,

Ti = 0.005∼0.050%, 및

B = 0.0005∼0.0050%,

로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 더욱 함유하고 있는 침탄 및 침탄질화용 강철.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

강철의 피삭성을 향상하는 원소로서 중량%로,

Pb = 0.01∼0.09%,

Bi = 0.04∼0.20%,

Te = 0.002∼0.050%,

Zr = 0.01∼0.20%, 및

Ca = 0.0001∼0.0100%

로 구성되는 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 더욱 함유하고 있는 침탄 및 침탄질화용 강철.
제 4 항에 있어서,

강철의 피삭성을 향상하는 원소로서 중량%로,

Pb = 0.01∼0.09%,

Bi = 0.04∼0.20%,

Te = 0.002∼0.050%,

Zr = 0.01∼0.20%, 및

Ca = 0.0001∼0.0100%

로 구성되는 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 더욱 함유하고 있는 침탄 및 침탄질화용 강철.