KR101290609B1 - 표층부가 담금질된 철강 재료 및 그 제조 방법, 및 담금질 부품 - Google Patents

표층부가 담금질된 철강 재료 및 그 제조 방법, 및 담금질 부품 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 철강 재료의 표면에 형성된 화합물층의 담금질에 의한 산화를 회피할 수 있도록, 표층부를 담금질한 철강 재료 및 그 제조 방법, 및 고주파 담금질 부품을 제공한다. 철강 재료(11)와 그 표면에 형성된 화합물층(12)과 화합물층(12) 상에 형성된 산화 방지용 피복층(13)으로 이루어지고, 철강 재료(11)가 소정 깊이의 경화층을 가지는 담금질된 철강 재료(10)로서, 철강 재료(11)의 표면 상의 경도를 높일 수 있다. 철강 재료(10)는, 표면에 화합물층(12)가 형성된 철강 재료(11) 상에 산화 방지용 피복층(13)을 형성하는 제1 단계와, 화합물층(12) 및 산화 방지용 피복층(13)을 구비한 철강 재료(11)를 고주파 담금질하는 제2 단계를 구비하고, 제2 단계가 소정의 가열 온도로 될 때까지 소정의 가열 시간으로 승온(昇溫)하고, 가열 온도에 도달한 후, 즉시 냉각함으로써 얻어진다.

Description

표층부가 담금질된 철강 재료 및 그 제조 방법, 및 담금질 부품{IRON AND STEEL MATERIAL HAVING QUENCHED SURFACE LAYER PART, PROCESS FOR PRODUCING THE IRON AND STEEL MATERIAL, AND QUENCHED COMPONENT}
본 발명은, 면압 강도, 내마모성, 휨 피로 강도 등의 기계적 강도가 우수한 기계 구조 부품으로서 사용되는, 표층부가 담금질된 철강 재료 및 그 제조 방법, 및 담금질 부품에 관한 것이다.
종래, 기계적 강도의 향상을 위하여, 주철(鑄鐵)이나 강철의 기계 구조 부품에 질화(窒化) 처리, 연질화(軟窒化) 처리, 침탄(浸炭) 담금질, 고주파 담금질 등의 표면 경화 처리가 실시되고 있었다. 이 중, 질화 처리 등에 의해 가장 표면(最表面)에 형성되는 질화물층, 특히 표면 측의 화합물층은, 내(耐)습동성이 우수하고, 또한 마모에 강하며, 또한 소부(baking) 저항성이 높은 것이 알려져 있다.
그런데, 종래의 질화 처리 또는 연질화 처리는, 침탄 담금질 또는 고주파 담금질에 비해, 경화층의 깊이가 얕고, 면압 강도, 피로 강도 등에 개선의 여지가 있었다.
그러므로, 최근, 질소의 특성을 살려, 질화 처리 또는 연질화 처리 후에, 고주파 담금질 처리를 실시하여, 경화 심도(深度)를 깊게 하여 면압 강도를 높여 피로 강도를 높게 하도록 한 복합 경화 처리가 개발되어 있다.
여기에, 예를 들면, 질화 처리에 의해 철강 재료의 표면에 질화막 등의 화합물층을 형성한 후, 고주파 담금질 처리를 실시한 경우, 철강 재료의 표층부에 화합물층에 포함되는 질소가 확산되어, 이른바 N 확산층이 확대된다.
이 경우, 고주파 담금질에서는, 담금질 온도는 적어도 오스테나이트(austenite) 조직이 되는 Ac1 변태점 이상의 온도가 필요하며, 통상적으로는 750∼1050℃의 온도 범위로부터 선택된다. 예를 들면, 질화 온도 570℃에서 형성되는 질화물층은, 철과 질소의 결합이며, 650℃ 이상으로 재가열되면, 산화되어 분해되고, 질화물층의 질소가 가장 표면에서는 질소 가스로서 방출되고, 또한 내부에서는 확산되는 결과가 된다.
따라서, 화합물층의 표층부가 고주파 담금질에 의해 산화되어, 화합물층의 표면이 산화층이 된다. 여기서, 화합물층이 치밀한 데 비해 산화층은 다공질이다. 그러므로, 화합물층의 표면이 산화층에 의해 덮혀서 노출되지 않고, 또한 화합물층 중 적어도 일부가 소실되어 얇아질 수도 있으므로, 화합물층의 특성에 따른 기계적 강도나 내습동성, 내마모성이 약화된다.
이에 대하여, 특허 문헌 1에는, 질화 처리에 의해 표면에 형성된 질화물층을 그대로 고주파 담금질함으로써 고온 가열에서의 질화물층의 손상이나 소실과 같은 문제를 해결하기 위하여, 질화 처리 후의 표면 상에, 산화 규소를 성분으로 하는 가스 질화·이온 질화 방지제, 침탄 방지제, 산화 방지제 등을 1∼3mm의 두께로 피복하고, 담금질을 행하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 예를 들면, 특허 문헌 2에는, 철강 재료의 표면에 경질(硬質)의 질화물로 이루어지는 화합물층이 형성되고, 또한 그 상층(上層)으로서, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Mo 및 Al으로 이루어지는 군 중에서 선택되는 적어도 1종의 금속 산화물을 포함하는 무기 화합물층이 형성된 것을 특징으로 하는 담금질 철강 부재가 개시되어 있다.
일본 특허출원 공개번호 소 58-096815호 공보 일본 특허출원 공개번호 2008-038220호 공보
그러나, 특허 문헌 1에 의한 담금질 방법에서는, 가열 시에 있어서의 산화 현상을 방지할 수 있지만, 1mm 이상의 두꺼운 막이 필요하며, 열전도성도 낮으므로 냉각 속도가 늦어져서 담금질 시의 냉각 온도가 불충분하게 되어, 목적으로 하는 경도를 얻기가 곤란했다. 또한, 이와 같은 산화 방지막은 마찰 저항이 크기 때문에, 담금질 처리 후에 제거할 필요가 있어 생산 효율이 저하된다.
특허 문헌 2에 의한 철강 재료에 있어서는, 철강 재료의 표면에 형성된 경질의 질화물로 이루어지는 화합물층이, 담금질 공정 전에 행해지는 무기 화합물층의 표면 보호제에 의해, 담금질 공정의 손상이나 소실로부터 보호된다고 하지만, 상기 발명을 이용해도, 800℃를 상회하는 고온으로 3초 이상에 걸쳐 담금질하면, 상기 화합물층의 산화를 방지할 수 없을 경우가 있었다.
본 발명은, 상기 문제점을 감안하여 안출된 것이며, 철강 재료의 표면에 형성된 화합물층의 고주파 담금질에 의한 산화를 회피하여 담금질을 행함으로써, 표층부를 담금질한 철강 재료 및 그 제조 방법, 및 담금질 부품을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명자 등은 연구를 거듭한 결과, 철강 재료의 표면에 형성된 화합물층의 산화가, 고주파 가열 처리를 단시간에 행함으로써 회피 가능하다는 지견을 얻어, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 표층부가 담금질된 철강 재료는, 기재(基材)와, 상기 기재의 표면에 형성된 화합물층과, 상기 화합물층 상에 형성된 산화 방지용 피복층으로 이루어지는 철강 재료로서, 상기 기재의 표면으로부터 소정의 깊이까지 담금질 경화층을 가지고, 또한 상기 화합물층의 표층부에 다공질의 산화층이 형성되어 있지 않은 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 있어서, 화합물층은, 바람직하게는 Fe, Ti, Zr, Mo, W, Cr, B 및 Si 중에서 선택되는 적어도 1개 원소의 질화물층으로 이루어지고, 산화 방지용 피복층은, 바람직하게는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Mo 및 Al으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1개를 포함하는 금속 원소의 산화물로 이루어진다.
본 발명의 담금질 부품은, 상기 철강 재료를 사용한 것을 특징으로 한다. 담금질 부품은, 예를 들면, 파워트레인(powertrain)계 부품이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 철강 재료의 고주파 담금질 방법은, 기재의 표면에 형성된 화합물층을 피복하도록 산화 방지용 피복층을 형성하는 제1 처리 공정과, 상기 기재의 표면에 화합물층 및 산화 방지용 피복층을 형성하여 이루어지는 철강 재료를 고주파 담금질하는 제2 처리 공정을 포함하는, 철강 재료의 담금질 방법으로서, 상기 제2 처리 공정이, 소정의 가열 시간(t1)으로 소정의 가열 온도(T1)가 될 때까지 가열하고, 상기 소정의 가열 온도에 도달한 후, 즉시 냉각을 행하는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 있어서, 바람직하게는, 가열 온도(T1)는, 760℃≤T1≤880℃의 범위이며, 가열 시간(t1)은 0.6초≤t1≤2초의 범위이다. 바람직하게는, 제1 처리 공정에서의 산화 방지용 피복층을 금속 부착량으로서 150∼200 mg/m2을 포함하도록 형성한다.
전술한 구성에 의하면, 기재의 표면에 형성된 화합물층 상에 산화 방지용 피복층, 바람직하게는 산화 티탄층이 형성되고, 철강 재료의 표층부를 고주파 담금질하므로, 화합물층의 표면의 산화가 산화 방지용 피복층에 의해 저지된다.
따라서, 화합물층의 표층부가 다공질의 산화층으로 변성되는 것을 억제 가능하므로, 종래에 비해, 화합물층이 보다 두껍게 잔존하면서, 또한 고주파 담금질에 의해 경도를 높일 수 있게 되어, 화합물층의 특성에 기초한 기계적 강도나 내습동성, 내마모성 등이 유지된다.
본 발명의 표층부가 담금질된 철강 재료 및 그 제조 방법, 및 담금질 부품에 의하면, 화합물층의 표면에 있어서 고주파 담금질에 의한 산화층의 형성이 억제된다. 따라서, 나머지 화합물층이 얇아지거나, 그 일부가 소실되지 않고, 비교적 두꺼운 화합물층이 잔존하게 되어, 화합물층의 특성에 기초한 기계적 강도, 내습동성, 내마모성 등이 약화되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른, 표층부가 담금질된 철강 재료에 있어서의 고주파 담금질 전의 상태를 나타낸 개략 단면도이다.
도 2는 도 1의 철강 재료의 제조 방법의 일실시형태를 나타내는 흐름도이다.
도 3은 고주파 담금질의 가열 조건을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 철강 재료의 고주파 담금질 후의 상태를 나타낸 개략 단면도이다.
도 5는 실시예 및 비교예에 있어서 각종 고주파 담금질 시간 및 온도로 제조된 철강 재료의 각 층의 두께를 나타낸 표이다.
도 6은 실시예 4의 고주파 담금질된 철강 재료와 각종 철강 재료와의 단면 경도 분포를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 4의 고주파 담금질된 철강 재료와 각종 철강 재료와의 S-N 선도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 실시예 3의 고주파 담금질된 철강 재료와 각종 철강 재료와의 파빌레(Faville－Le Vally) 마찰 마모 시험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 실시예 4의 고주파 담금질된 철강 재료와 각종 철강 재료와의 팔렉스(Falex) 마찰 마모 시험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 실시예 4의 고주파 담금질된 철강 재료와 각종 철강 재료와의 SRV 시험의 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 몇 가지 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명에 의한 표층부가 담금질된 철강 재료(10)의 일실시형태에 있어서의 고주파 담금질 전의 상태를 나타낸 개략 단면도이다.
도 1에 있어서, 철강 재료(10)는, 고주파 담금질 전에 있어서는, 철강 재료[이하, "기재(基材)"라고 함](11)와, 기재(11)의 표면에 형성된 화합물층(12)과, 화합물층(12) 상에 형성된 산화 방지용 피복층(13)으로 구성되어 있다.
그리고, 발명의 명칭의 「철강 재료」는, 화합물층(12)과 산화 방지용 피복층(13)을 표면에 적층하고 있는 철강 재료를 칭하며, 「기재」는, 화합물층(12)과 산화 방지용 피복층(13)을 표면에 적층하고 있지 않은 철강 재료만을 지칭한다.
기재(11)는, 예를 들면, 탄소강, 저합금강, 고합금 강철, 주철 등의 철강 재료이며, 바람직하게는, 예를 들면, 고탄소강, 저합금강 등이 사용된다.
화합물층(12)은, 기재(11)를 표면 처리하여 형성되는 것이다. 이 화합물층(12)은, 바람직하게는, 예를 들면, Fe, Ti, Zr, Mo, W, Cr, B 및 Si 중에서 선택되는 적어도 1개 원소의 질화물층이다.
화합물층(12)을 형성하는 표면 처리의 방법에 대해서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 질화 확산 처리, CVD(화학증기퇴적법), PVD(물리증기퇴적법) 등에 의해 형성된다. 이소나이트(Isonite)(등록상표) 처리, 팔소나이트(Palsonite) 처리 등의 염욕(鹽浴) 연질화 처리, 가스 연질화 처리, 이온 질화 처리, 플라즈마 질화 처리 등의 방법이 바람직하게 사용된다.
산화 방지용 피복층(13)은, 예를 들면, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Mo 및 Al으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1개를 포함하는 금속 원소의 산화물로 형성된다. 그 중에서도, Ti의 산화물(TiO2)이 바람직하고, 예를 들면, Ti 화합물을 함유하는 용액중에 피처리물을 침지(浸漬)하고, 들어올려, 나중에 건조하는 것에 의한 딥코팅법(dip coating method) 등의 도포 수단을 사용하여, 화합물층(12) 상에 형성할 수 있다.
상기 산화 방지용 피복층(13)은, 그 아래에 있는 화합물층(12)의 고주파 담금질에 의한 산화를 확실하게 방지할 수 있도록, 예를 들면, 산화 방지용 피복층의 금속 부착량이 150∼200 mg/m2 정도로 되도록 형성된다.
본 발명의 실시형태에 의한 철강 재료(10)는, 고주파 담금질 전에 있어서는, 이상과 같이 구성되어 있고, 다음으로, 그 제조 방법을 설명한다.
도 2는, 도 1의 철강 재료(10)의 제조 방법의 일실시형태를 나타내는 흐름도이다.
먼저, 단계 ST1에 있어서, 기재(11)의 표면에, 예를 들면, 이소나이트(등록상표) 처리에 의해 화합물층(12)을 형성한다.
이어서, 단계 ST2에서 화합물층(12)의 표면에 산화 방지용 피복층(13)을 형성한다.
다음으로, 단계 ST3에서, 화합물층(12) 및 산화 방지용 피복층(13)을 구비한 기재(11)에 고주파 담금질 처리를 행한다.
도 3은, 고주파 담금질의 가열 조건을 모식적으로 나타낸 도면이다. 도면의 가로축은 가열 시간(초)을 나타내고, 도면의 세로축은 가열 온도(℃)를 나타내고 있다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 고주파 담금질은, 소정의 가열 시간(t1)으로 소정의 가열 온도(T1)에 도달할 때까지 단시간에 행하고, 소정의 가열 온도(T1)에 도달하면 즉시 급속 냉각시킴으로써 행해진다. 도시한 경우에는, 가열 속도(℃/초)가 일정한 경우를 예로서 나타내고 있다.
가열 온도(T1)는 760℃ 이상 880℃ 이하(760℃≤T1≤ 880℃)의 온도 범위이며, 가열 시간(t1)은, 0.6초 이상 2초 이하(0.6초≤t1≤ 2초)의 범위인 것이 바람직하다. 가열 시간(t1)이, 0.6초 내지 2초의 범위에 있는 한, 가열 속도는 일정하지 않아도 된다.
이로써, 화합물층(12)을 포함하는 기재(11)의 표층부가 담금질에 의해 경도가 높아지고, 또한 화합물층(12)을 산화 방지용 피복층(13)으로 피복하고 있으므로, 화합물층(12)의 표면부의 산화가 산화 방지용 피복층(13)에 의해 억제되어 산화층이 형성되지 않는다.
도 4는, 도 1의 철강 재료(10)의 고주파 담금질 후의 상태를 나타낸 개략 단면도이다. 고주파 담금질된 철강 재료(10)는, 기재(11)의 화합물층(12)에 접하는 표층부가, 고주파 담금질에 의해 N 농화층(11a)으로 변화한다. 이 N 농화층(11a)은 비교적 연질이므로, 화합물층(12)의 기재(11)에 대한 유지성이 향상된다.
그리고, 이 N 농화층(11a)의 바로 아래에는 화합물층(12)으로부터 질소 원자가 확산되어, N 확산층(11b)이 형성된다.
이상으로, 표층부가 담금질된 철강 재료(10)가 완성된다.
단계 ST3에서 고주파 담금질이 상기 범위(760℃≤T1≤880℃, 0.6초≤t1≤ 2초)로 행해지는 경우에는, 담금질 후의 화합물층(12), N 농화층(11a)이 모두 양호하며, 또한 기재의(11)의 표면에 형성되는 경화층의 경도도 양호하다.
가열 시간(t1)과 가열 온도(T1)가 상기 범위 외인 경우에는, 기재(11)의 표면부에 형성되는 경화층의 경도가 저하되고, 또한, 담금질 후의 화합물층(12)의 표면이나 N 농화층(11a)이 불량이 되어 바람직하지 않다. 이 경우의 화합물층(12)의 불량은, 가열 온도(T1)가 너무 높을 때 및 가열 온도(T1)가 낮은 쪽의 범위 외에도 가열 시간(t1)이 너무 클 때는, 과열에 의해 산화 방지용 피복층(13)의 표면이 다공질로 된다.
단계 ST3에 있어서의 고주파 담금질에 의해, 기재(11)의 화합물층(12)에 접하는 표층부가 N 농화층(11a)으로 변화되는 경우에는, N 농화층(11a)의 형성에 의해 기재(11)의 표층부의 경도를 높일 수 있다.
본 발명의 표층부가 담금질된 철강 재료(10)에 의하면, 화합물층(12)의 표면에 산화 방지용 피복층(13)이 더 피복되어 있은 것에 의해, 화합물층(12)의 표면에 있어서 고주파 담금질에 의한 산화층의 형성이 억제된다. 따라서, 나머지 화합물층(12)이 얇아지거나, 그 일부가 소실되지 않고, 비교적 두꺼운 화합물층(12)이 잔존하여, 화합물층(12)의 특성에 기초한 기계적 강도, 내습동성, 내마모성 등이 약화되지 않는다. 그리고, 산화 방지용 피복층(13)은, 고주파 담금질 후에 제거해도 되고, 제거하지 않아도 되어, 필요에 따라 선정할 수 있다.
이로써, 본 발명의 철강 재료(10)는, 높은 면압 하의 시험에서도 좌굴(buckling)은 발생하지 않고, 각종 기어나 CVT 부품, 또는 피니언 샤프트 등의 고부하 상황에서 사용되는 부품에 적용할 수 있다. 예를 들면, 자동차 등의 엔진으로부터 타이어에 이르는 구동계 부품, 이른바 파워트레인용 부품에 사용할 수 있다.
[실시예 1]
이하, 본 발명에 의한 표층부가 담금질된 철강 재료(이하, 간단히 "철강 재료"라고 함)(10)의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
기재(11)로서 직경 6.5mm, 길이 40mm의 크롬몰리브덴강(SCM440)을 사용하고, 이 표면을 탈지 세정한 후, 용융 염욕 중에서 570℃로 2시간 염욕연질화 처리[이소나이트(등록상표) 처리]하고 유냉(油冷)하여, 기재(11)의 표면에 두께 약 11㎛의 질화철로 이루어지는 화합물층(12)을 형성하였다.
이와 같이 하여 표면에 질화철층(12)이 형성된 기재(11)에 대하여, 농도 4%의 산화 티탄 중성 수분산(水分散) 졸(sol)[팔티탄(Paltitan) 5603: 아나타제 + 아몰퍼스 졸, 일본 파커라이징(주) 제조]을 딥코팅하고, 여분의 액을 제거한 후, 180℃로 건조시켰다. Ti의 부착량을 형광 X선 분석 장치로 측정한 바에 의하면, 150mg/m2 부착되어 있었다.
이와 같이 하여 산화 티탄층으로 이루어지는 산화 방지용 피복층(13)과 질화 철로 이루어지는 화합물층(12)을 형성한 기재(11)를, 또한 고주파 담금질 장치에 의해 가열하고, 가열 개시 후 0.6초로 780℃에 도달한 후, 즉시 가열을 정지하여, 즉, 냉각을 행해 실시예 1의 철강 재료(10)를 제작하였다.
[실시예 2]
고주파 담금질의 조건으로서, 가열 개시 후 0.6초로 800℃에 도달한 후, 즉시 가열을 정지하여 담금질을 행한 점 외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 실시예 2의 철강 재료(10)를 제작하였다.
[실시예 3]
고주파 담금질의 조건으로서, 가열 개시 후 1초로 780℃에 도달한 후, 즉시 가열을 정지하여 담금질을 행한 점 외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 실시예 3에 의한 철강 재료(10)를 제작하였다.
[실시예 4]
고주파 담금질의 조건으로서, 가열 개시 후 1초로 800℃에 도달한 후, 즉시 가열을 정지하여 담금질을 행한 점 외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 실시예 4의 철강 재료(10)를 제작하였다.
(비교예 1)
실시예에 대한 비교예 1에 있어서는, 고주파 담금질의 조건으로서, 가열 개시 후 3초로 760℃에 도달한 후, 즉시 가열을 정지하여 담금질을 행한 점 외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 철강 재료를 제작하였다.
(비교예 2)
고주파 담금질의 조건으로서, 가열 개시 후 3초로 880℃에 도달한 후, 즉시 가열을 정지하여 담금질을 행하였다. 그 외는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 비교예 2의 철강 재료를 제작하였다.
여기서, 고주파 담금질의 조건을 여러 가지로 변경한 실시예 및 비교예에 있어서, 철강 재료(10)의 면을 주사형 전자 현미경(SEM)으로 관찰하여, 단면에 있어서 표면 측으로부터 산화 방지용 피복층(13), 화합물층(12), 기재(11)의 표면에 형성되는 N 농화층(11a)의 두께를 측정하였다.
도 5는, 실시예 및 비교예에 있어서 각종 고주파 담금질 시간 및 온도로 제조된 철강 재료의 각 층의 두께를 나타낸 표이다. 도 5로부터 명백하게 알 수 있는 바와 같이, 고주파 담금질 온도가 높을수록, 화합물층(12)이 얇아지고, 또한 N 농화층(11a)이 두꺼워진다. 고주파 담금질 온도 T가 760℃ 및 780℃에 있어서, 화합물층(12)이 얇아지지 않고, N 농화층(11a)이 양호하게 형성되어 있는 것을 알 수 있다.
도 5의 표 중의 수치는, 화합물층(12) 및 N 농화층(11a)의 비커스 경도(Vickers hardness)를 나타내고 있다. 비커스 경도는, 미소 경도계를 사용하여, 하중 0.49N을 10초간 인가하여 측정하였다. 고주파 담금질 시간이 0.6초 및 1초인 경우, 화합물층(12) 및 N 농화층(11a)의 비커스 경도는, 고주파 담금질 온도가 상승하면 저하되는 경향이 있다. 한편, 담금질로 기재(11)의 표면에 형성되는 경화층의 비커스 경도는, 고주파 담금질 온도가 780℃ 및 800℃에서 양호한 값이 얻어진다.
표 1은, 실시예 및 비교예의 고주파 담금질 조건과 담금질 후의 철강 재료(10)의 화합물층(12), N 농화층(11a), 경화층의 각 층의 비커스 경도의 평가와 철강 재료(10)로서의 종합 판단을 나타낸 표이다. 표 1로부터 명백하게 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1∼4에 있어서는, 화합물층(12), N 농화층(11a), 경화층의 각 층 모두 비커스 경도가 높아서, 담금질이 양호하게 실시된 것을 알 수 있다. 한편, 고주파 담금질 온도(T1)가 760℃이며 가열 시간(t1)이 3초인 비교예 1에 있어서는, 경화층의 비커스 경도가 낮아졌다. 고주파 담금질의 온도(T1)가 880℃이며 가열 시간(t1)이 3초인 비교예 2에 있어서는, 경화층의 비커스 경도는 높고 화합물층(12)을 포함하는 철강 재료(10)에 있어서 양호한 고주파 담금질이 이루어졌지만, N 농화층(11a)의 비커스 경도가 낮았다.
이상 설명한 바와 같이, 실시예 1∼4에 있어서는, 화합물층(12)을 포함하는 철강 재료(10)에 있어서 양호한 고주파 담금질이 이루어지는 데 비해, 비교예 1 및 2에 있어서는 화합물층(12) 및 경화층 모두 비커스 경도가 부족하고, 철강 재료(10)로서는 사용 불가능으로 판명되었다.
[표 1]
Figure 112010077529162-pct00001
도 6∼도 10에, 본 발명에 따라 고주파 담금질 처리를 실시한 철강 재료(10)와 종래의 철강 재료와의 시험 결과를 나타낸다.
도 6은, 실시예 4의 철강 재료(10)와 각종 철강 재료의 단면 경도 분포를 나타낸 그래프이다. 도 6의 가로축은 표면으로부터의 깊이(㎛)를 나타내고, 도 6의 세로축은 비커스 경도(HV0.05)를 나타내고 있다. 이 경우, 시험 방법은, 경도 시험기로서 미소 경도계를 사용하여, 하중 0.49N을 10초동안 인가하여 비커스 경도를 측정하였다.
도 6에 있어서, 부호 A1은 실시예 4에서 고주파 처리한 철강 재료(10)를, 부호 A2는 기재(11)에 이소나이트(등록상표) 처리에 의해 화합물층(12)만을 형성하면서, 또한 고주파 담금질하지 않는 것을, 부호 A3는 기재(11)에 고주파 담금질 처리(이하, IH 처리라고 함)한 것을, 부호 A4는 기재(11)에 침탄 담금질 처리(이하, CQ 처리라고 함)한 것(SCM415, 유효 깊이 0.5mm)을, 부호 A5는 기재(11)에 조질(調質) 처리[이하, QT(Quenching and Tempering) 처리라고 함]한 것을, 각각 나타내고 있다.
도 6에 의하면, 실시예 4의 철강 재료(10)(부호 A1)는, 표면 근방에서, 비교적 높은 경도, 즉 비커스 경도 HV로 870 정도를 가지고 있고, 부호 A2로 나타내는 것과 비교하여 경도가 높아져 있는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 4의 철강 재료(10)는, 경화층이 깊게 되어 있고, 부호 A4로 나타내는 CQ 처리한 것과 거의 동일한 경도 특성을 가지고 있다.
도 7은, 실시예 4의 철강 재료(10)와 각종 철강 재료의 S-N선도를 나타내는 그래프이다. S-N선도는 뵐러(Wohler, "o"는 독일어 움라우트) 선도라고 하며, 파괴를 일으키기 위해 필요한 반복횟수(N)에 대한 응력(S)의 관계를 나타낸 도면이다. 도 7의 가로축은 횟수를 나타내고, 도 7의 세로축은 피로 강도(MPa)를 나타내고 있다. 이 경우의 시험 방법은, 오노(小野)식 회전 휨 피로 시험기를 사용하여, 재질 SCM440으로 이루어지는 직경 8mm의 평활 시험편을, 실온 분위기 하에서 횟수 1×107로 시험했다.
도 7에 있어서, 부호 B1은 실시예 4의 철강 재료(10)를, 부호 B2는 기재(11)에 이소나이트(등록상표) 처리에 의해 화합물층(12)만을 형성하면서 고주파 담금질하지 않는 것을, 부호 B3는 기재(11)에 IH 처리한 것을, 부호 B4는 기재(11)에 QT 처리한 것을, 각각 나타내고 있다.
도 7에 의하면, 실시예 4의 철강 재료(10)(부호 B1)는, 그 피로 강도가 860MPa이며, 피로 강도가 575MPa의 부호 B2로 나타내는 철강 재료에 비해, 1.59배, 피로 강도가 680MPa의 부호 B3로 나타내는 철강 재료에 비해, 1.26배 만큼 향상되어 있는 것을 알 수 있다.
도 8은, 실시예 3의 철강 재료(10)와 각종 철강 재료의 파빌레(Faville－Le Vally) 마찰 마모 시험의 결과를 나타내는 그래프이다. 도 8의 가로축은 하중(N)을 나타내고, 도 8의 세로축은 토크(N·m)를 나타내고 있다. 이 경우의 시험 방법은, 파빌레 마찰 마모 시험기를 사용하여, SCM440(CQ: SCM415)으로 이루어지는 직경 6.5mm의 핀 및 SCM415(CQ)로 이루어지는 V블록을 주속 0.1m/초로 회전시키면서, 윤활유로서 엔진 오일(10W-30)을 사용하여, 초기 하중 200kg로부터 25kg/초까지 서서히 증가시켜, 토크를 측정하였다.
도 8에 있어서, 부호 C1은 실시예 3의 철강 재료(10)를, 부호 C2는 기재(11)에 이소나이트(등록상표) 처리에 의해 화합물층(12)만을 형성하면서 고주파 담금질하지 않는 것을, 부호 C3는 기재(11)에 IH 처리한 것을, 부호 C4는 기재(11)에 CQ 처리한 것을, 각각 나타내고 있다. 도 8에 의하면, 실시예 3의 철강 재료(10)(부호 C1)는, 2300kg의 하중에서도 소부가 발생하지 않고, 부호 C2로 나타내는 철강 재료와 동일하다. 이에 대하여, 부호 C3로 나타내는 철강 재료는 약 700kg에서, 또 부호 C4로 나타내는 철강 재료는 약 350kg에서 소부가 발생하고 있다.
도 9는, 실시예 4의 철강 재료(10)와 각종 철강 재료의 팔렉스 마찰 마모 시험의 결과를 나타내는 그래프이다. 도 9의 세로축은 한계 소부 하중(kg)을 나타내고 있다. 이 경우의 시험 방법은, 팔렉스 마찰 마모 시험기를 사용하여, SCM440(CQ: SCr420)로 이루어지는 직경 10mm의 핀 및 SCr420(CQ 처리 + 인산 망간 처리)으로 이루어지는 V블록을 주속 0.4m/초로 회전시키면서, 윤활유로서 CVT 오일(NS2)을 사용하여, 50kg/분으로 단계 하중을 인가하면서 한계 소부 하중을 측정하였다.
도 9에 있어서, 부호 D1은 실시예 4의 철강 재료(10)를, 부호 D2는 기재(11)에 CQ 처리한 것을 나타내고 있다. 부호 D3는 기재(11)에 QPQ 처리한 것을 나타내고 있다. QPQ 처리는, 기재(11)를 연질화 처리한 후, 산화 처리와 연마와의 조합 처리를 행하는 방법이다. 예를 들면, 연질화 처리를 실시한 후, 수산화 알칼리 금속 및 질산화 알칼리 금속을 주성분으로 하는 용융염 중에 침지하여 산화 처리를 행하고, 그 후, 블라스트 처리(blasting process) 등으로 표면을 연마하고, 다시 용융염 중에 침지하여, 질화물층 상에 산화 피막을 생성시킨다. QPQ 처리의 장점은, 기재(11)에 질화된 화합물층(12)을 남긴 상태에서 평활하게 하고, 최표층이 산화되어 있으므로 습동 특성이 향상된다. 부호 D4는, 기재(11)에 무전해 니켈 도금(Ni-P 처리)을 실시한 것을 나타내고 있다.
도 9로부터 명백하게 알 수 있는 바와 같이, 실시예 4의 철강 재료(10)(부호 D1)는, CQ 처리와 인산 망간 처리를 실시한 V 블록과의 조합에 있어서, 800kg의 하중에서도 소부가 발생하지 않지만, 부호 D2, D3, D4로 나타낸 철강 재료는, 모두 소부가 발생하였다. 이러한 사실로부터, 실시예 4의 철강 재료(10)는, 기재(11)에 QPQ 처리한 것보다 습동 특성이 향상되어 있는 것을 알 수 있다.
도 10은, 실시예 4의 철강 재료(10)와 각종 철강 재료의 SRV 시험의 결과를 나타내는 그래프이다. 도 10의 가로축은 시간(초)을 나타내고, 도 10의 세로축은 마찰 계수(μ)를 나타내고 있다. 이 경우의 시험 방법은, SRV 시험기를 사용하여, SCM440(CQ: SCM420)으로 이루어지는 핀 및 SCM420(CQ)으로 이루어지는 원판을 속도 30Hz로 2mm 이동시키면서, 온도 110℃의 유중(油中)에서 마찰을 측정하였다.
도 10에 있어서, 부호 E1은 실시예 4의 철강 재료(10)를, 부호 E2는 기재(11)에 CQ 처리한 것을, 부호 E3는 기재(11)에 CQ 처리와 인산 망간 처리한 것을, 부호 E4는 기재(11)에 CQ 처리와 인산 망간 처리와 고체 윤활 처리한 것을, 각각 나타내고 있다.
도 10에 의하면, 실시예 4의 철강 재료(10)는, 부호 E1으로 나타낸 바와 같이 300초를 지나고 나서 소부가 생기고, 최선의 내(耐)소부성을 나타내고 있다. 부호 E2로 나타내는 CQ 처리한 기재(11)와 부호 E4로 나타내는 CQ 처리와 인산 망간 처리와 고체 윤활 처리한 기재(11)에서는, 수십초에 소부되고, 부호 E3로 나타내는 CQ 처리와 인산 망간 처리를 실시한 것이라도 100∼200초에 소부가 생겼다.
이로써, 부호 E1으로 나타내는 실시예 4의 철강 재료(10)는, 고면압하의 시험에서도 좌굴은 발생하지 않고, 각종 기어나 CVT 부품, 또는 피니언 샤프트 등의 고부하 상황에서 사용되는 부품에 적용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 기재(11)의 표면에 형성된 화합물층(12)에 대하여, 고주파 담금질에 의한 산화를 산화 방지용 피복층(13)으로 방지하도록 한, 매우 우수한 철강 재료(10) 및 그 제조 방법, 및 고주파 담금질 부품을 제공할 수 있다.
10: 표층부를 담금질한 철강 재료
11: 기재(철강 재료)
11a: N 농화층
11b: N 확산층
12: 화합물층
13: 산화 방지용 피복층

Claims (9)

  1. 기재(基材);
    상기 기재의 표면에 형성된 화합물층; 및
    상기 화합물층 상에 형성된 산화 방지용 피복층
    으로 이루어지는 철강 재료로서,
    상기 화합물층은 Fe, Ti, Zr, Mo, W, Cr, B 및 Si 중에서 선택되는 적어도 하나의 원소의 질화물층으로 이루어지고,
    상기 산화 방지용 피복층은, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Mo 및 Al으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속 원소의 산화물로 이루어지고,
    가열 온도(T1)가 760℃≤T1≤880℃의 범위이며, 또한 가열 시간(t1)이 0.6초≤t1≤2초의 범위에서 승온(昇溫) 가열되고, 상기 가열 온도(T1)에 도달 후 즉시 냉각을 행하는 고주파 담금질을 실시함으로써, 상기 기재의 표면에 형성되는 담금질 경화층을 가지면서, 또한 상기 화합물층의 표층부에 다공질의 산화층이 형성되어 있지 않도록 한, 표층부가 담금질된 철강 재료.
  2. 기재의 표면에 형성된 화합물층을 피복하도록 산화 방지용 피복층을 형성하는 제1 처리 공정; 및
    상기 기재의 표면에 상기 화합물층 및 상기 산화 방지용 피복층을 형성하여 이루어지는 철강 재료를 고주파 담금질하는 제2 처리 공정
    을 포함하는 철강 재료의 담금질 방법으로서,
    상기 화합물층은 Fe, Ti, Zr, Mo, W, Cr, B 및 Si 중에서 선택되는 적어도 하나의 원소의 질화물층으로 이루어지고,
    상기 산화 방지용 피복층은, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Mo 및 Al으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속 원소의 산화물로 이루어지고,
    상기 제2 처리 공정은, 0.6초≤t1≤2초의 범위의 가열 시간(t1)으로 가열 온도(T1)가 760℃≤T1≤880℃의 범위로 될 때까지 가열하고, 상기 가열 온도(T1)에 도달한 후, 즉시 냉각을 행하는, 철강 재료의 고주파 담금질 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 처리 공정에 있어서, 상기 금속 원소의 부착량이 150∼200mg/m2가 되도록 상기 산화 방지용 피복층을 형성하는, 철강 재료의 고주파 담금질 방법.
  4. 제1항에 기재된 표층부가 담금질된 철강 재료를 사용하여 형성되어 있는 고주파 담금질 부품.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 담금질 부품은 파워트레인(powertrain)계 부품인, 고주파 담금질 부품.
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