KR101280203B1

KR101280203B1 - 침탄강 부품

Info

Publication number: KR101280203B1
Application number: KR1020107021698A
Authority: KR
Inventors: 게이 미야니시; 도시하루 아이소
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2013-06-28
Also published as: TWI412607B; EP2415892A1; US20110036463A1; EP2415892B1; TW201042058A; KR20100125367A; BRPI1001266A2; US8801873B2; CN102317490A; TW201350591A; CN102317490B; JPWO2010116670A1; JP4677057B2; BRPI1001266B1; TWI494445B; WO2010116670A1; EP2415892A4

Abstract

본 발명은 모재에 대해 절삭 가공 처리 및 침탄 처리를 실시하여 얻어지는 침탄강 부품이며, 상기 모재가, C : 0.3 초과 내지 0.6질량％, Si : 0.01 내지 1.5질량％, Mn : 0.3 내지 2.0질량％, P : 0.0001 내지 0.02질량％, S : 0.001 내지 0.15질량％, N : 0.001 내지 0.03 질량％, Al : 0.06 초과 내지 0.3질량％, O : 0.0001 이상 0.005질량％의 화학 성분과, 철 및 불가피적 불순물을 포함하는 잔량부를 함유하고, 상기 침탄강 부품은 표층부 경도가 HV550 내지 HV800이고, 코어부 경도가 HV400 내지 HV550인 침탄강 부품을 제공한다.

Description

침탄강 부품{CARBURIZED STEEL PART}

본 발명은 침탄 전 피삭성과 정적 굽힘 강도가 우수한 침탄강 부품에 관한 것이다.

본원은 2009년 3월 30일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2009-083228호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

기계 구조용 부품, 특히 차동 기어, 트랜스미션 기어, 기어가 부착된 침탄 샤프트 등의 기어 부품에는 차량의 급발진 시, 또는 급정차 시에 과잉의 외력이 작용한다. 이때, 기어 부품의 이뿌리부의 내부에는 높은 응력이 발생한다. 그 결과, 이뿌리부는 정적 굽힘 응력을 받으므로, 이 쓰러짐이나 이 부러짐이 발생하는 경우가 있다. 따라서, 특히 차동 기어에 있어서는, 정적 굽힘 강도의 향상이 강하게 요망되고 있다. 종래, 상술한 기어 부품의 모재(침탄 처리를 행하기 전의 강재)에는 JIS-SCr420 또는 JIS-SCM420 등의, C를 약 0.2％ 함유하는 기소강이 일반적으로 사용된다. 이에 의해, 모재의 경도를 낮게 억제하여, 침탄 처리 전에 실시되는 기어 컷팅 가공 등의 절삭 가공 처리 시의 침탄 전 피삭성을 확보한다. 그리고, 절삭 가공 처리 후에 침탄 처리(침탄 켄칭 처리 및 150℃ 전후의 저온 템퍼링 처리)를 실시하여, 침탄강 부품 표면의 금속 조직을, 약 0.8％의 C를 함유하는 템퍼링 마르텐사이트 조직(트루스타이트 조직 또는 솔바이트 조직)으로 변태시킨다. 도 7은 이와 같은 처리에 의해 얻어지는 침탄강 부품에 대해, 표면으로부터의 깊이와 비커스 경도의 관계를 나타낸 도면이다. 이 도 7에 도시된 바와 같이, 상술한 처리에 의해 표층부 경도를 높일 수 있으므로, 예를 들어 기어 부품에 대해 상술한 처리를 행함으로써, 기어 부품의 고사이클 굽힘 피로 강도나 내마모성을 향상시킬 수 있다.

이하에 상세하게 서술하는 특허 문헌 1 내지 3은 침탄강 부품의 정적 굽힘 강도를 향상시키기 위한 기술을 개시하고 있다.

특허 문헌 1은, C : 0.1 내지 0.3중량％, Mn : 0.35 내지 1.1중량％, Cr : 0.1 내지 1.1중량％, Mn＋Cr : 0.6 내지 1.7중량％, B : 0.001 내지 0.005중량％의 화학 성분을 함유하는 모재로 제조되는 침탄강 부품이며, 침탄 경화층의 표면부의 C량이 0.6 내지 1.1중량％이고, 그 침탄 경화층에 있어서의 트루스타이트의 면적분율이 5 내지 50％인 침탄강 부품을 개시하고 있다.

특허 문헌 2는, C : 0.1 내지 0.3중량％, Mn : 0.5 내지 1.3중량％, Cr : 0.1 내지 1.1중량％, Mn＋Cr : 0.9 내지 1.9중량％, B : 0.001 내지 0.005중량％의 화학 성분을 함유하는 모재로 제조되는 침탄 부품이며, 침탄 경화층의 표면부의 C량이 0.6 내지 1.1중량％이고, 그 침탄 경화층에 있어서의 트루스타이트의 면적분율이 5 내지 50％인 침탄강 부품을 개시하고 있다.

특허 문헌 3은, Ni를 0.5％ 이상 함유하는 합금 강재를 사용한 성형품에 침탄 처리를 행하여, 침탄 처리 후의 성형품의 표면으로부터 깊이 20㎛ 이상의 영역을 전해 연마 등에 의해 제거하는 방법을 개시하고 있다.

특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공개 평11-80882호 공보 특허 문헌 2 : 일본 특허 출원 공개 평9-256102호 공보 특허 문헌 3 : 일본 특허 출원 공개 평3-64500호 공보

그러나, 상술한 특허 문헌 1 내지 3의 개시 기술에서는 정적 굽힘 강도를 충분히 향상시킬 수 없었다. 또한, 정적 굽힘 강도 향상을 위한 방법은, 일반적으로 모재의 경도의 향상이나 합금 원소의 다량 첨가에 의하므로, 침탄 전 피삭성의 관점으로부터는 바람직한 방법은 아니었다. 이로 인해, 우수한 침탄 전 피삭성과 우수한 정적 굽힘 강도를 양립시키는 것이 요구되고 있었다.

본 발명은 그와 같은 과제에 따르기 위해, 종래보다도 침탄 전 피삭성과 정적 굽힘 강도가 우수한 침탄강 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위해, 이하의 수단을 채용하였다.

(1) 본 발명의 제1 형태는, 모재에 대해 절삭 가공 처리 및 침탄 처리를 실시하여 얻어지는 침탄강 부품이며, 상기 모재가, C : 0.3 초과 내지 0.6질량％, Si : 0.01 내지 1.5질량％, Mn : 0.3 내지 2.0질량％, P : 0.0001 내지 0.02질량％, S : 0.001 내지 0.15질량％, N : 0.001 내지 0.03질량％, Al : 0.06 초과 내지 0.3질량％, O : 0.0001 이상 0.005질량％의 화학 성분과, 철 및 불가피적 불순물을 포함하는 잔량부를 함유하고, 상기 침탄강 부품은 표층부 경도가 HV550 내지 HV800이고, 코어부 경도가 HV400 내지 HV550인 침탄강 부품이다.

(2) 상기 (1)에 기재된 침탄강 부품에서는, 상기 모재가, Ca : 0.0002 내지 0.005질량％, Zr : 0.0003 내지 0.005질량％, Mg : 0.0003 내지 0.005질량％, Rem : 0.0001 내지 0.015질량％의 화학 성분의 1종 이상을 더 함유해도 좋다.

(3) 상기 (1) 또는 (2) 중 어느 한 항에 기재된 침탄강 부품에서는, 상기 모재가, B : 0.0002 내지 0.005질량％의 화학 성분을 더 함유해도 좋다.

(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 침탄강 부품에서는, 상기 모재가, Cr : 0.1 내지 3.0％질량％, Mo : 0.1 내지 1.5질량％, Cu : 0.1 내지 2.0질량％, Ni : 0.1 내지 5.0질량％의 화학 성분의 1종 이상을 더 함유해도 좋다.

(5) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 기재된 침탄강 부품에서는, 상기 모재가, Ti : 0.005 내지 0.2질량％, Nb : 0.01 내지 0.1질량％, V : 0.03 내지 0.2질량％의 화학 성분의 1종 이상을 더 함유해도 좋다.

(6) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 한 항에 기재된 침탄강 부품이 기어라도 좋다.

상기 (1)에 기재된 구성에 따르면, 우수한 침탄 전 피삭성과 우수한 정적 굽힘 강도를 더불어 발휘할 수 있는 침탄강 부품을 얻을 수 있다.

상기 (2)에 기재된 구성에 따르면, 침탄 전 피삭성의 개선 효과나 MnS에 기인하는 기계적 성질의 이방성 저감 효과를 얻을 수 있다.

상기 (3)에 기재된 구성에 따르면, 켄칭성이나 입계 강도의 개선에 의한 정적 굽힘 강도의 향상 효과를 얻을 수 있다.

상기 (4)에 기재된 구성에 따르면, 켄칭성의 향상에 의한 정적 굽힘 강도 향상 효과를 얻을 수 있다.

상기 (5)에 기재된 구성에 따르면, 입자 조대화 방지 효과를 얻을 수 있다.

상기 (6)에 기재된 구성에 따르면, 우수한 침탄 전 피삭성과 우수한 정적 굽힘 강도를 더불어 갖는 기어를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 침탄강 부품의 침탄 전 피삭성의 열화에 의한 생산 비용의 대폭적인 증가를 초래하지 않고, 기어의 대폭적인 소형 경량화가 가능해져, 자동차의 연비 향상과 그것을 통한 CO₂ 배출량 삭감이 가능해진다.

도 1은 정적 굽힘 시험편을 도시하는 개략도.
도 2는 정적 굽힘 강도에 미치는 표층부 경도의 영향을 도시하는 도면.
도 3은 정적 굽힘 강도에 미치는 코어부 경도 경도의 영향을 도시하는 도면.
도 4는 침탄 전 피삭성에 미치는 Al 함유량의 영향을 도시하는 도면.
도 5는 Al 함유량과 침탄 전 피삭성의 관계를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명에 의한 침탄강의 경도 분포를 실선으로 나타내는 도면.
도 7은 종래 기술에 의한 침탄강의 경도 분포를 도시하는 도면.

본 발명자들은 상술한 과제를 해결하기 위해, 강재의 화학 성분 및 침탄 재질 특성을 광범위하고 또한 계통적으로 변화시켜, 침탄 전 피삭성과 정적 굽힘 강도 특성에 관하여 예의 조사를 행하여, 다음의 점을 명백하게 하였다.

(1) 정적 굽힘 강도를 향상시키기 위해서는, 침탄강 부품의 표층부 경도(표층으로부터 50㎛ 깊이까지의 영역의 경도)를 HV550 내지 HV800의 범위에 들어가게 하는 것이 적절한 것을 명백하게 하였다. 또한, 그 범위 내에서는 그 수치가 낮을수록 유효한 것을 명백하게 하였다.

(2) 정적 굽힘 강도를 향상시키기 위해서는, 침탄강 부품의 코어부 경도(모재의 C 함유량의 10％ 증가 이하의 영역의 경도)를 HV400 내지 HV550의 범위에 들어가게 하는 것이 적절한 것을 명백하게 하였다. 또한, 그 범위 내에서는, 그 수치가 높을수록 유효하고, 성적 굽힘 강도를 향상시키기 위해서는, C 함유량을 0.6질량％까지의 범위 내에서 높게 하는 것이 바람직한 것을 명백하게 하였다.

즉, 본 발명의 침탄강 부품의 표면으로부터의 깊이와 비커스 경도의 관계를 실선으로 나타내는 도 6에 도시한 바와 같이, 표층부 경도를 HV550 내지 HV800의 범위에 들어가게 하고, 또한 코어부 경도를 HV400 내지 HV550의 범위에 들어가게 하는 것이 바람직한 것을 명백하게 하였다. 또한, 도 6의 파선은 종래의 침탄강 부재의 경도 분포를 나타낸다.

(3) 종래에는 C 함유량이 0.3％를 초과하면 침탄강 부품의 인성이 저하되므로 균열이 발생하기 쉬워져 정적 굽힘 강도가 저하된다고 되어 왔다. 그러나 본 발명자들은 인성 저하의 주된 원인은 C 함유량이 아니라, 오히려 HV550을 초과하는 코어부 경도인 것을 명백하게 하였다. 또한, 모재에 0.6％를 초과하는 C를 함유시킴으로써 코어부 경도가 HV550을 초과해 버리는 것을 피하기 위해, 0.6％를 C의 상한으로 할 필요가 있는 것도 명백하게 하였다.

(4) 정적 굽힘 강도를 향상시키기 위해서는, Si를 0.01 내지 1.5％의 범위 내에서 증가시킨 쪽이 유효한 것을 명백하게 하였다. 종래, Si는 침탄 시의 입계 산화층의 생성에 기인하는 강도 저하를 미치므로, 0.5％ 이하로 제한하는 것이 권장되어 왔다. 그러나, 본 발명자들은 정적 굽힘 강도에 미치는 입계 산화층의 영향은 극히 작고, 오히려 Si 증가에 의한 표층부 경도의 저하, 코어부 경도의 증가가 정적 굽힘 강도의 향상에 유효한 것을 명백하게 하였다.

(5) P를 가능한 한 적게 하는 것 및 B를 첨가함으로써, 상술한 (1) 내지 (3)의 효과가 더욱 향상되는 것을 명백하게 하였다.

(6) 모재가 0.06％를 초과하는 Al량을 함유하는 경우, 모재 중에 생성되는 고용 Al이 모재의 침탄 전 피삭성을 향상시킬 수 있는 것을 명백하게 하였다. 특히, 산소와의 친화력의 크기가 Al 이하인 금속 원소로 구성되는 산화물, 즉 표준 생성 자유 에너지의 절대치가 Al₂O₃의 값 이하인 산화물을 포함하는 피막에 의해 피복된 공구를 사용하여 절삭 가공 처리를 행하면, 공구와 강재의 접촉면에서 화학 반응이 일어나기 쉬워지고, 그 결과, 공구 표층으로의 Al₂O₃ 피막의 형성이 용이해져, 공구 보호막으로서 기능하고, 대폭적인 공구 수명의 연명화가 가능해지는 것을 명백하게 하였다.

상술한 발견에 기초하여 이루어진 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해, 도면을 참조하여 이하에 설명한다.

본 발명의 일 실시 형태에 관한 침탄강 부품은, C, Si, Mn, P, S, N, Al 및 O를 함유하는 모재를 절삭 가공 처리 및 침탄 처리함으로써 제조된다. 이하, 각 화학 성분의 바람직한 함유량에 대해 설명한다. 또한, 화학 성분의 함유량에 관한 ％는 질량％를 나타낸다.

(C : 0.3％ 초과 0.6％ 이하)

C는, 침탄 켄칭 처리한 부품의 코어부 경도를 부여하여, 정적 굽힘 피로 강도의 향상에 기여한다. 침탄 켄칭 처리한 부품의 코어부의 조직은 마르텐사이트가 주체이다. 또한, 침탄 켄칭 처리 후의 마르텐사이트의 경도는 C량이 많을수록 높아진다. 또한, 동일한 코어부 경도라도 C량이 높은 쪽이 미세탄화물의 분산 강화를 통해 항복비가 증가한다. 이 효과를 확실하게 얻기 위해서는, C량을 0.3％ 초과로 할 필요가 있다. 또한, 정적 굽힘 피로 강도를 향상시키기 위해 코어부 경도를 HV450 이상으로 하기 위해, C량을 0.32％ 이상, 또는 0.35％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, C량은 0.6％를 초과하면, 상기와 같이 코어부 경도가 HV550을 초과하고, 또한 급격한 침탄 전 피삭성의 저하를 초래하므로, C량을 0.3％ 초과 내지 0.6％의 범위에 들어가게 할 필요가 있다. 침탄 전 피삭성의 관점으로부터는, C량은 0.40％ 이하로 하는 것이 바람직하므로, C의 적합 범위는 0.32 내지 0.40％이다.

(Si : 0.01 내지 1.5％)

Si는, 강의 탈산에 유효한 원소로, 템퍼링 연화 저항을 향상시키는 데 유효한 원소이다. 또한, Si는 켄칭성의 향상을 통해 침탄 켄칭 처리한 부품의 코어부 경도를 부여하여, 저사이클 굽힘 피로 강도의 향상에 기여한다. Si는, 0.01％ 미만에서는 상술한 효과가 불충분하고, 1.5％를 초과하면 침탄성이 저해되므로, Si량을 0.01 내지 1.5％의 범위 내로 들어가게 할 필요가 있다. 일반적인 카본포텐셜 0.7 내지 1.0의 가스 침탄법을 채용한 경우, Si는 강재 중의 C의 활량을 증가시키는 영향을 통해, Si가 0.5 내지 1.5％의 범위 내에서는 표층부 경도를 억제하는 효과가 있어, 정적 굽힘 강도의 가일층 향상에 유효하다. Si의 적합 범위는 0.5 내지 1.5％이다.

(Mn : 0.3 내지 2.0％)

Mn은, 강의 탈산에 유효한 원소인 동시에, 켄칭성의 향상을 통해 침탄 켄칭 처리한 부품의 코어부 경도를 부여하여, 정적 굽힘 강도의 향상에 기여한다. Mn은, 0.3％ 미만에서는 그 효과가 불충분하고, 2.0％를 초과하면 상술한 효과가 포화되므로, Mn량을 0.3 내지 2.0％의 범위 내로 들어가게 할 필요가 있다.

(P : 0.0001％ 이상 0.02％ 이하)

P는, 침탄 시의 오스테나이트 입계에 편석하여, 그것에 의해 입계 파괴를 일으킴으로써 정적 굽힘 강도를 저하시켜 버리므로, 그 함유량을 0.02％ 이하로 제한할 필요가 있다. 적합 범위는 0.01％ 이하이다. 한편, P의 함유량을 0.0001％보다 낮게 하는 것은 비용의 관점으로부터 적합하지 않다. 따라서, P의 적합 범위는 0.0001％ 이상 0.01％ 이하이다. 도 2에 있어서의 A 및 도 3에 있어서의 A'는 P의 과잉 첨가에 의해 정적 굽힘 강도가 저하된 예를 나타낸다.

(S : 0.001 내지 0.15％)

S는, 강 중에서 형성되는 MnS에 의한 침탄 전 피삭성의 향상을 목적으로 하여 첨가하지만, 0.001％ 미만에서는 그 효과는 불충분하다. 한편, 0.15％를 초과하면 그 효과는 포화되어, 오히려 입계 편석을 일으켜 입계 취화를 일으킨다. 이상의 이유로부터, S의 함유량을 0.001 내지 0.15％의 범위 내로 들어가게 할 필요가 있다. 적합 범위는 0.01 내지 0.1％이다.

(N : 0.001 내지 0.03％)

N은, 강 중에서 Al, Ti, Nb, V 등과 결합하여 질화물 또는 탄질화물을 생성하여, 결정립의 조대화를 억제한다. N은, 0.001％ 미만에서는 그 효과가 불충분하고, 0.03％를 초과하면 그 효과가 포화되는 데 추가하여 열간 압연 또는 열간 단조 가열 시에 미고용의 탄질화물이 잔존하여, 결정립의 조대화를 억제하는 데 유효한 미세한 탄질화물의 증량이 어려워진다. 따라서, N의 함유량을 0.001 내지 0.03％의 범위 내로 들어가게 할 필요가 있다. 적합 범위는 0.003 내지 0.010％이다.

(Al : 0.06 초과 내지 0.3％)

도 5는 0.008％ 이하로 제한된 N과, 0.02％, 0.04％, 0.08％, 0.1％, 0.18％, 0.24％, 또는 0.3％의 Al을 함유하는 8종류의 모재의 침탄 전 피삭성을 도시하는 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, Al 함유량이 클수록, 침탄 전 피삭성이 향상되는 것을 알 수 있다. 이 침탄 전 피삭성 향상 효과는 모재 중에 존재하는 고용 Al과, 절삭 공구의 표층부의 산화층(Fe₃O₄)의 화학 반응에 의해 공구 표면에 형성되는 Al₂O₃에 의한 보호막 효과에 기초한다. 그 반면, Al이 지나치게 많으면 Al₂O₃ 개재물의 사이즈가 커져, 고사이클의 피로 강도에 대해서는 열위로 된다. 따라서, Al의 함유량은 0.06 초과 내지 0.3％의 범위 내로 들어가게 할 필요가 있다. 적합 범위는 0.075 내지 0.25％이다. 더욱 바람직하게는, 0.1 내지 0.15％이다.

(O : 0.0001％ 이상 0.005％ 이하)

O는 입계 편석을 일으켜 입계 취화를 일으키기 쉽게 하는 동시에, 강 중에서 단단한 산화물계 개재물(예를 들어, Al₂O₃)을 형성하여 취성 파괴를 일으키기 쉽게 하는 원소이다. O는 0.005％ 이하로 제한할 필요가 있다. 한편, 0의 함유량을 0.0001％보다 낮게 하는 것은 비용의 관점으로부터 적합하지 않다. 따라서, O의 적합 범위는 0.0001％ 이상 0.005％ 이하이다.

또한, 상술한 모재에는 Ca, Zr, Mg, Rem의 1종 이상을 함유시켜도 좋다. 이 경우, 침탄 전 피삭성의 개선 효과나 MnS에 기인하는 기계적 성질의 이방성 저감 효과를 얻어진다. 이하, 이들 화학 성분을 함유시키는 경우의 바람직한 함유량에 대해 설명한다.

(Ca : 0.0002 내지 0.005％)

Ca는, 산화물을 저융점화하여, 절삭 가공 환경 하의 온도 상승에 의해 연질화됨으로써, 침탄 전 피삭성을 개선하지만, 0.0002％ 미만에서는 효과가 없고, 0.005％를 초과하면 CaS를 다량으로 생성하여, 침탄 전 피삭성을 저하시킨다. 이로 인해, Ca량을 0.0002 내지 0.005％의 범위에 들어가게 하는 것이 바람직하다.

(Zr : 0.0003 내지 0.005％)

Zr은, 탈산 원소로, 산화물을 생성하지만, 황화물도 생성함으로써 MnS와의 상호 관계를 갖는 원소이다. Zr계 산화물은 MnS의 정출/석출의 핵으로 되기 쉽다. 그로 인해, MnS의 분산 제어에 유효하다. Zr 첨가량으로서, MnS의 구상화를 목표로 하기 위해서는 0.003％를 초과한 첨가가 바람직하지만, 미세 분산시키기 위해서는 반대로 0.0003 내지 0.005％의 첨가가 바람직하다. 제품으로서는 후자의 쪽이, 제조상, 품질 안정성(성분 수율 등)의 관점으로부터 후자, 즉 MnS를 미세 분산시키는 0.0003 내지 0.005％의 쪽이 현실적으로 바람직하다. 0.0002％ 이하에서는 Zr 첨가 효과는 거의 인정되지 않는다.

(Mg : 0.0003 내지 0.005％)

Mg은, 탈산 원소로, 산화물을 생성하지만, 황화물도 생성함으로써 MnS와의 상호 관계를 갖는 원소이다. Mg계 산화물은 MnS의 정출/석출의 핵으로 되기 쉽다. 또한, 황화물이 Mn과 Mg의 복합 황화물로 됨으로써, 그 변형을 억제하여 구상화한다. 그로 인해, MnS의 분산 제어에 유효하지만, 0.0003％ 미만에서는 효과가 없고, 0.005％를 초과하면 MgS를 다량으로 생성하여, 침탄 전 피삭성이 저하되므로 Mg량을 0.0003 내지 0.005％의 범위에 들어가게 하는 것이 바람직하다.

(Rem : 0.0001 내지 0.015％)

Rem(희토류 원소)은, 탈산 원소로, 저융점 산화물을 생성하여 주조 시 노즐 막힘을 억제할 뿐만 아니라, MnS에 고용 또는 결합하여, 그 변형능을 저하시켜, 압연 및 열간 단조 시에 MnS 형상의 연신을 억제하는 작용도 있다. 이와 같이, Rem은 이방성의 저감에 유효한 원소이다. 그러나, Rem 함유량이 총량으로 0.0001％ 미만인 경우, 그 효과는 현저하지 않고, 또한 Rem을 0.015％를 초과하여 첨가하면, Rem의 황화물을 대량으로 생성하여 침탄 전 피삭성이 악화된다. 따라서, Rem을 첨가하는 경우에는 그 함유량을 0.0001 내지 0.015％로 한다.

또한, 상술한 모재에는 켄칭성이나 입계 강도의 개선에 의한 정적 굽힘 강도의 향상을 위해 B를 함유시켜도 좋다. B를 함유시키는 경우의 바람직한 함유량은 이하와 같다.

(B : 0.0002 내지 0.005％)

B는, P의 입계 편석을 억제하는 동시에, 그 자체의 입계 강도와 입자 내 강도의 향상 및 켄칭성의 향상을 통해 정적 굽힘 강도의 향상에 기여한다. B는, 0.0002％ 미만에서는 그 효과가 불충분하고, 0.005％를 초과하면 그 효과는 포화된다. 따라서, 그 함유량을 0.0002 내지 0.005％의 범위 내에 들어가게 하는 것이 바람직하다. 적합 범위는 0.0005 내지 0.003％이다.

또한, 상술한 모재에는 켄칭성의 향상에 의한 정적 굽힘 강도 향상을 위해Cr, Mo, Cu, Ni의 1종 이상을 함유시켜도 좋다. 이들 화학 성분을 함유시키는 경우의 바람직한 함유량은 이하와 같다.

(Cr : 0.1 내지 3.0％)

Cr은, 켄칭성의 향상을 통해 침탄 켄칭 처리한 부품의 코어부 경도를 부여하여, 정적 굽힘 강도의 향상에 유효한 원소이다. Mn은, 0.1％ 미만에서는 그 효과가 불충분하고, 3.0％를 초과하면 그 효과가 포화된다. 따라서, Cr량을 0.1 내지 3.0％의 범위 내에 들어가게 하는 것이 바람직하다.

(Mo : 0.1 내지 1.5％)

Mo는, 켄칭성의 향상을 통해 침탄 켄칭 처리한 부품의 코어부 경도를 부여하여, 정적 굽힘 강도의 향상에 유효한 원소이다. Mn은, 0.1％ 미만에서는 그 효과가 불충분하고, 1.5％를 초과하면 그 효과가 포화된다. 따라서, Mo량을 0.1 내지 1.5％의 범위 내에 들어가게 하는 것이 바람직하다.

(Cu : 0.1 내지 2.0％)

Cu는, 켄칭성의 향상을 통해 침탄 켄칭 처리한 부품의 코어부 경도를 부여하여, 정적 굽힘 강도의 향상에 유효한 원소이다. Cu는, 0.1％ 미만에서는 그 효과가 불충분하고, 2.0％를 초과하면 그 효과가 포화된다. 따라서, Cu량을 0.1 내지 2.0％의 범위 내에 들어가게 하는 것이 바람직하다.

(Ni : 0.1 내지 5.0％)

Ni는, 켄칭성의 향상을 통해 침탄 켄칭 처리한 부품의 코어부 경도를 부여하여, 정적 굽힘 강도의 향상에 유효한 원소이다. Ni는, 0.1％ 미만에서는 그 효과가 불충분하고, 5.0％를 초과하면 그 효과가 포화된다. 따라서, Ni량을 0.1 내지 5.0％의 범위 내에 들어가게 하는 것이 바람직하다.

또한, 상술한 모재에는, 예를 들어 침탄 깊이의 증가를 목표로 한 침탄 온도의 고온화나 장시간화일 때에도 입자 조대화 방지, 즉 탄질화물의 증량에 의한 오스테나이트 입자의 정세립화로 인해, Ti, Nb, V의 1종 이상을 함유시켜도 좋다. 이들 화학 성분을 함유시키는 경우의 바람직한 함유량은 이하와 같다.

(Ti : 0.005 내지 0.2％)

Ti는, 첨가함으로써 강 중에서 미세한 TiC, TiCS를 생성시키고, 이에 의해 침탄 시의 오스테나이트 입자의 미세화를 도모하기 위해 첨가해도 좋다. 또한, Ti를 첨가하는 경우, 강 중에서 N과 결합하여 TiN을 생성하는 것에 의한 BN의 석출 방지 효과가 얻어진다. 즉, 고용 B를 확보할 수 있다. Ti는, 0.005％ 미만에서는 그 효과가 불충분하다. 한편, 0.2％를 초과하면 TiN 주체의 석출물이 많아져 구름 이동 피로 특성이 저하된다. 이상의 이유로부터, 그 함유량을 0.005 내지 0.2％의 범위 내에 들어가게 하는 것이 바람직하다. 적합 범위는 0.01 내지 0.1％이다.

(Nb : 0.01 내지 0.1％)

Nb는, 첨가함으로써 Nb 탄질화물을 생성하여, 결정립의 조대화를 억제한다. Nb는, 0.01％ 미만에서는 그 효과가 불충분하다. 한편, 0.1％를 초과하면 침탄 전 피삭성을 열화시키므로 0.1％를 상한으로 한다.

(V : 0.03 내지 0.2％)

V는, 첨가함으로써 V 탄질화물을 생성하여, 결정립의 조대화를 억제한다. V는, 0.03％ 미만에서는 그 효과가 불충분하다. 한편, 0.2％를 초과하면 침탄 전 피삭성을 열화시키므로 0.05％를 상한으로 한다.

또한, 본 발명의 모재에는, 상술한 원소 이외에도 제조 공정 등에서 불가피하게 혼입되는 불순물을 함유해도 좋지만, 가능한 한 불순물이 혼입되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

다음에, 본 발명의 일 실시 형태에 관한, 상술한 모재에 대해 침탄 처리를 실시하여 얻어지는 침탄강 부품의 표층부 경도와 코어부 경도에 대해 설명한다.

(표층부 경도 HV550 내지 HV800)

본 발명자들은 도 2에 도시한 바와 같이, 표층부 경도 HV550 내지 HV800의 범위 내에 있어서, 표층부 경도가 낮을수록 정적 굽힘 강도가 향상되는 것을 명백하게 하였다. 또한, 본 발명자들은 이 이유가, 표층부 경도가 높으면 표면으로부터 취성 파면의 균열이 발생하여, 그 취성 파면이 급속하게 전파하기 때문인 것을, 파손품의 파면 관찰 결과로부터 명백하게 하였다. 이 경향은 HV800을 초과하면 현저하게 현출한다. 이로 인해, 표층부 경도는 HV800 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 HV770 이하이다. 표층부 경도가 낮은 경우에는, 균열은 마찬가지로 표면으로부터 발생하지만, 취성 파면의 발생률이 낮으므로 균열의 전파 속도가 작으므로 정적 굽힘 강도는 향상된다. 그러나, 표층부 경도가 HV550 미만에서는 최표층의 소성 변형량이 현저하게 증대(기어의 경우에는 치면의 대폭적인 변형에 상당)되므로, 기어로서의 기능을 손상시키는 데 추가하여, 최표층의 경도의 저하는 현저하게 고사이클 굽힘 피로 강도나 내마모성을 손상시켜 버린다. 이로 인해, 표층부 경도를 HV550 내지 HV800의 범위 내에 들어가게 할 필요가 있다. 표층부 경도는 침탄층의 경도이므로, 침탄 시의 카본포텐셜의 조정이나, 침탄 켄칭 후의 템퍼링 온도의 조정에 의해 조정하는 것이 가능하다. 조정의 목표로서는, 강 부품을, 카본포텐셜을 0.8로 침탄 켄칭 처리를 행하고, 그 후, 150℃로 템퍼링을 행한 후에 정적 굽힘 시험을 실시한다. 따라서, 정적 굽힘 강도가 소요보다도 낮은 경우에는, 카본포텐셜을 0.7로 저하, 또는 템퍼링 온도를 180℃로 증가시킴으로써 표층부 경도를 저하시켜, 정적 굽힘 강도를 향상시키도록 조정한다.

(코어부 경도 HV400 내지 HV550)

본 발명자들은 도 3에 도시한 바와 같이, 코어부 경도가 HV400 내지 HV550의 범위 내에 있어서, 코어부 경도가 높을수록 정적 굽힘 강도가 향상되는 것을 명백하게 하였다. 본 발명자들은 이 이유가, 코어부 경도가 낮으면, 침탄층 바로 아래의 코어부가 항복하여, 그 이상의 응력을 담당할 수 없어, 침탄층인 강 부품 표면에 발생하는 응력이 커지기 때문인 것을, 파면 관찰 등에서 명백하게 하였다. 종래, 일반적으로 사용되는 JIS-SCr420, JIS-SCM420 등보다도 현저하게 정적 굽힘 강도를 향상시키기 위해서는, HV400 이상이 필요하므로, 코어부 경도는 HV400 내지 HV550의 범위 내에 들어가게 할 필요가 있다. 바람직하게는, 코어부 경도는 HV430 내지 HV550의 범위 내이다. 더욱 바람직하게는 HV450 내지 HV550의 범위 내이다. 또한, 코어부 경도가 HV550을 초과하면, 코어부의 인성이 현저하게 저하되어 버려, 코어부의 균열 전파 속도가 커지는 것을 통해 정적 굽힘 강도가 저하된다.

또한, 도 2에 있어서의 B₁, B₂, B₃은 코어부 경도가 상기한 범위로부터 일탈하는 침탄강 부품의 정적 굽힘 강도를 나타내고, 도 3에 있어서의 B₁', B₂', B₃'는 표층부 경도가 상기한 범위로부터 일탈하는 침탄강 부품의 정적 굽힘 강도를 나타낸다. 이들의 점을 도시하는 도 2 및 도 3으로부터, 표층부 경도와 코어부 경도의 어느 한쪽이라도 각각의 범위를 일탈하는 경우, 충분한 정적 굽힘 강도가 얻어지지 않는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 침탄강 부품은 표층부 경도가 HV550 내지 HV800의 범위 내에 들어가게 되고, 또한 코어부 경도가 HV400 내지 HV550의 범위 내에 들어가게 된다.

또한, 여기서 정의하는 코어부라 함은, 침탄 처리에 의해 부품 표면으로부터 침입한 C가 깊이에 따라서 미량으로 되어 있는 부분이다. 구체적으로는, 모재의 C 함유량의 10％ 증가(모재의 C 함유량이 0.20％인 경우에는 0.22％) 이하의 부분을 가리킨다. 여기서 말하는 모재라 함은, 침탄 처리 전의 강재이다. 따라서, 코어부는 EPMA-C선 분석 등에 의해 식별 가능하다. 코어부 경도의 조정은 모재의 C 농도나 합금 원소 첨가에 의한 켄칭성의 조정에 의해 행할 수 있다.

또한, 침탄 방법은 특별한 방법을 사용할 필요는 없고, 일반적인 침탄 방법인 가스 침탄법, 진공 침탄법, 가스 침탄 질화법 등 어떤 방법에 의해서도 본 발명의 효과를 갖는다.

본 발명의 침탄강 부품은 기계 구조용 부품, 차동 기어, 트랜스미션 기어, 기어가 부착된 침탄 샤프트 등의 기어 부품에 사용되고, 특히 차동 기어에 유용하다.

(실시예)

이하에 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명한다. 또한, 이들 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

표 1에 나타내는 화학 성분을 갖는 강괴를 φ35㎜로 단신(鍛伸) 후, 균열 처리와 소준(단, 조정 냉각에 의해 페라이트-펄라이트 조직으로 조정하였음)을 실시한 후, 드릴 절삭용 시험편의 가공과, 도 1에 도시한(단, 스폿 페이싱 가공을 제외함) 바와 같이, 중앙 오목부에 평행부(1)와 절결부(반원호)(2)를 갖는 정적 굽힘 시험편(φ15)(3)의 조가공을 행하였다.

드릴 절삭용 시험편에 대해서는, 직경 30㎜이고 높이 21㎜인 원기둥 시험편을 잘라내어, 프라이스 마무리를 실시한 것을 드릴 절삭용 시험편으로 하였다.

다음에, 조가공 후의 정적 굽힘 시험편에 대해, 시험편 번호 1 내지 29 및 31은 변성식 가스 침탄로에서 930℃ × 5시간의 침탄 처리를 행하고, 130℃의 오일 켄칭을 행하였다. 시험편 번호 30은 변성식 가스 침탄로에서 930℃ × 5시간의 침탄 처리를 행하고, 220℃의 오일 켄칭을 행하였다. 시험편 번호 1 내지 30에 대해서는 오일 켄칭 후에 계속해서 150℃ × 1.5시간의 템퍼링을 실시하였다. 시험편 번호 31에 대해서는 오일 켄칭 후에 계속해서 120℃ × 1.5시간의 템퍼링을 실시하였다. 또한, 침탄 처리 시의 카본포텐셜은 0.5 내지 0.8의 범위 내, 템퍼링 온도는 시험편 번호 31을 제외하고는 150 내지 300℃의 범위 내에서 조정함으로써 표층부 경도와 코어부 경도를 조정하였다. 그 후, 시험편에 대해 1㎜의 스폿 페이싱 가공(4)을 실시하여 정적 굽힘 시험편을 제작하였다. 또한, 조가공 후의 정적 굽힘 시험편은 도 1의 점선을 제외한 형상이고, 마무리 가공 후의 정적 굽힘 시험편은 조가공 후의 시험편에 대해 도 1의 점선에 상당하는 스폿 페이싱 가공을 추가한 형상이다.

상술한 소준 후의 경도와 침탄 처리 후(침탄 켄칭 템퍼링 처리 후)의 재질 조사 결과를 표 2에 나타낸다.

침탄 전 피삭성 시험에 대해서는 드릴 절삭용 시험편에 대해, 표 3에 나타내는 절삭 조건으로 드릴 천공 시험을 행하여, 실시예 및 비교예의 각 강재의 침탄 전 피삭성을 평가하였다. 그때, 평가 지표로서는, 드릴 천공 시험에서는 누적 구멍 깊이 1000㎜까지 절삭 가능한 최대 절삭 속도 VL1000(m/min)을 채용하였다.

정적 굽힘 시험은 정적 굽힘 시험편을 4점 굽힘으로써 실시하였다. 본 시험은 0.1㎜/min의 압축 속도로 시험을 실시하여, 파단에 이를 때까지의 최대 하중을 구하여 정적 굽힘 강도로 하였다. 단, 표층부 경도가 극단적으로 낮을 때에는, 최표면의 소성 변형량이 현저하게 증대되었으므로, 그 시점까지의 최대 하중을 정적 굽힘 강도로 하였다. 정적 굽힘 강도의 결과를 표 2에 나타낸다.

표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명예의 시험 번호 1 내지 23은 정적 굽힘 강도가 11kN 이상으로 우수한 것에 추가하여, 침탄 전 피삭성(VL1000)이 35m/min 이상으로 우수한 것이 명백해졌다.

이에 대해, 비교예의 시험 번호 24는 정적 굽힘 강도가 나빴다. 이는 강재의 C가 본 발명 규정 범위인 0.3％를 하회한 것에 의해, 결과적으로 본 발명 규정 범위의 코어부 경도보다도 낮아졌기 때문이다.

비교예의 시험 번호 25는 정적 굽힘 강도가 나빴다. 이는 강재의 C가 본원규정 범위인 0.6％를 상회한 것에 의해, 결과적으로 본 발명 규정 범위의 코어부 경도보다도 높아졌기 때문이다.

비교예의 시험 번호 26은 정적 굽힘 강도가 나빴다. 이는 강재의 Si가 본 발명 규정 범위의 1.5％를 상회한 것에 기인하여 침탄성이 저해되어, 결과적으로 본 발명 규정 범위의 표층부 경도보다도 낮아져, 최표면의 소성 변형량이 현저하게 증대되고, 그 시점까지의 최대 하중을 정적 굽힘 강도로서 평가했기 때문이다.

비교예의 시험 번호 27은 정적 굽힘 피로 강도가 나빴다. 이는 강재의 P가 본 발명 규정 범위의 0.02％를 상회한 것에 기인하여 P의 입계 편석에 의한 입계 파괴가 일어났기 때문이다.

비교예의 시험 번호 28, 29는 침탄 전 피삭성이 나빴다. 이는 강재의 Al이 본 발명 규정 범위의 0.06％ 초과를 하회한 것에 기인하여 고용 Al에 의한 침탄 전 피삭성 개선 효과가 발휘되지 않았던 것에 의한다.

비교예의 시험 번호 30은 정적 굽힘 피로 강도가 나빴다. 이는 켄칭 오일이 220℃로 높았으므로, 결과적으로 켄칭 부족으로 되어, 코어부 경도가 본 발명 규정 범위의 HV400을 하회한 것에 의한다.

비교예의 시험 번호 31은 정적 굽힘 피로 강도가 나빴다. 이는 템퍼링 온도가 120℃로 낮았으므로, 결과적으로 표층부 경도가 본 발명 규정의 HV800을 상회한 것에 의한다.

[NACHI 통상 드릴이라 함은, 주식회사 후지코시(不二越)제의 모델 넘버 SD3.0의 드릴을 나타낸다. ※ 본 공구의 최표층은 철계 산화물]

본 발명에 따르면, 종래보다도 정적 굽힘 강도와 침탄 전 피삭성이 우수한 침탄강 부품을 제조할 수 있다. 따라서, 산업상의 이용 가능성을 충분히 갖는다.

1 : 평행부
2 : 절결부(반원호)
3 : 정적 굽힘 시험편
4 : 침탄 후 스폿 페이싱 가공

Claims

모재에 대해 절삭 가공 처리 및 침탄 처리를 실시하여 얻어지는 침탄강 부품이며,
상기 모재는,
C : 0.3 초과 내지 0.6질량％,
Si : 0.01 내지 1.5질량％,
Mn : 0.3 내지 2.0질량％,
P : 0.0001 내지 0.02질량％,
S : 0.001 내지 0.15질량％,
N : 0.001 내지 0.03질량％,
Al : 0.1 초과 내지 0.3질량％,
O : 0.0001 내지 0.005질량％
의 화학 성분과,
철 및 불가피적 불순물을 포함하는 잔량부만으로 이루어지고,
상기 침탄강 부품은,
표층부 경도가 HV550 내지 HV800이고,
코어부 경도가 HV400 내지 HV550인 것을 특징으로 하는, 침탄강 부품.
제1항에 있어서, 상기 모재가,
Ca : 0.0002 내지 0.005질량％,
Zr : 0.0003 내지 0.005질량％,
Mg : 0.0003 내지 0.005질량％,
Rem : 0.0001 내지 0.015질량％
의 화학 성분의 1종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 침탄강 부품.
제1항에 있어서, 상기 모재가,
B : 0.0002 내지 0.005질량％
의 화학 성분을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 침탄강 부품.
제1항에 있어서, 상기 모재가,
Mo : 0.1 내지 1.5질량％,
Cu : 0.1 내지 2.0질량％,
Ni : 0.1 내지 5.0질량％
의 화학 성분의 1종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 침탄강 부품.
제1항에 있어서, 상기 모재가,
Ti : 0.005 내지 0.2질량％,
Nb : 0.01 내지 0.1질량％,
V : 0.03 내지 0.2질량％
의 화학 성분의 1종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 침탄강 부품.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 침탄강 부품이 기어인 것을 특징으로 하는, 침탄강 부품.