KR101371929B1

KR101371929B1 - 침탄 부품 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101371929B1
Application number: KR1020117029169A
Authority: KR
Inventors: 유타카 네이시; 다카나리 하마다; 히데카즈 스에노; 유지 고바야시; 히데아키 스기우라
Original assignee: 신토고교 가부시키가이샤; 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2014-03-07
Also published as: US8961710B2; JP5378512B2; EP2436795A4; CN102459678B; EP2436795B1; WO2010137607A1; CN102459678A; PL2436795T3; US20120085465A1; EP2436795A1; KR20120011070A; JPWO2010137607A1

Abstract

소지 강이, C : 0.15∼0.25%, Si : 0.03∼0.50%, Mn : 0.60 초과∼1.5%, P≤0.015%, S : 0.006∼0.030%, Cr : 0.05∼2.0%, Al≤0.10%, N≤0.03% 및 O≤0.0020%를 함유하고, 필요에 따라서, 특정량의 Mo, Cu, Ni, B, Ti, Nb 및 V 중 1종 이상을 포함하고, 잔부가 Fe와 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖는 강이며, 표면의 경화층부가 하기 (a)∼(c)의 조건을 만족하는 침탄 부품은, 「저∼중 사이클역」에서의 피로 강도가 뛰어나다. (a) 최표면으로부터 깊이 0.2㎜의 위치까지의 평균 탄소 농도 : 0.35∼0.60%, (b) 표면 거칠기 Rz≤15㎛, (c) 부품 최표면의 압축 잔류 응력≤-800㎫, 부품 최표면으로부터 100㎛의 위치의 압축 잔류 응력≤-800㎫ 및 Ir=≥80000. 단, Ir은, 부품 최표면으로부터 100㎛ 깊이까지의 위치에서의, 최표면으로부터의 깊이를 y㎛, 그 부위에 있어서의 잔류 응력을σr(y)로 하여 적분 구간을 0에서 100까지로 하여 〔∫｜σr(y)｜dy〕로부터 구한 값을 가리킨다.

Description

침탄 부품 및 그 제조 방법{CARBURIZED COMPONENT AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR}

본 발명은, 침탄이 실시된 부품(이하, 「침탄 부품」이라고 한다.) 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 상세하게는, 자동차, 건설 기계, 산업 기계 등의 각종 샤프트류 또는 동력 전달용 부품 등으로서 이용되는 고강도 강제(鋼製) 침탄 부품 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 강도, 그 중에서도, 충격적인 부하에 따른 이른바 「저∼중 사이클역」에 있어서의 피로 강도, 즉, 「소성 변형을 부여하도록 반복의 충격적인 부하를 건 경우에, 10³∼10⁴사이클 정도 이하의 반복수로 피로 파괴가 발생하는 강도」를 높인 고강도 강제 침탄 부품 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

액슬 샤프트, 드라이브 샤프트, 등속 조인트용 아우터 레이스 또는 동력 전달용의 기어 등의 자동차 부품, 건설 기계 부품 및 산업 기계 부품은, 일반적으로, 소정 형상으로의 기계 가공 후, 원하는 기계적 성질을 구비시키기 위해 표면 경화 처리, 또는, 통상의 「담금질-뜨임」에 의한 경화 처리가 실시되어 제조되어 있다.

상기 부품 중에서도 특히 자동차 부품에 대해서는, 근래의 자동차의 연비 향상 또는 배기 가스 저감 등, 환경 문제 대응의 관점으로부터, 소형화, 경량화가 요구되게 되었다. 이 때문에, 부품으로의 부하가 더 커지고, 특히, 충격적인 부하가 문제가 되는 「저∼중 사이클역」에 있어서, 피로 강도를 향상시키는 것이 중요하게 되어 있다.

부품의 고피로 강도화에 대해서는, 일반적으로, 표면 경화 처리로서의 「침탄 담금질」이 이용되는 일이 많다.

그러나, 통상의 「침탄 담금질」 처리의 경우, 표면의 경화 처리된 부위의 탄소 농도는, 질량%로, 0.8%정도가 되고, 담금질 후의 미크로 조직은 고탄소 마텐자이트 조직이 된다. 이 때문에, 높은 경도를 실현할 수 있지만, 고탄소 마텐자이트 조직에 기인한 「취화」를 회피하는 것이 곤란하다.

본 명세서의 설명에 있어서의 「마텐자이트」란, 등온 변태 및 연속 냉각 변태에 의해 얻어지는 이른바 「프레시 마텐자이트」, 「자기 뜨임을 받은 마텐자이트」 및, 그것들을 뜨임하여 얻어지는 「뜨임 마텐자이트」 중에서, 「라스 형상 조직 형태」인 조직을 가리키며, 상기 「라스 형상 조직」중에 ε 또는 θ 등의 탄화물이 석출되어 있는 조직도 포함한다.

상기의 「프레시 마텐자이트」 및 「자기 뜨임을 받은 마텐자이트」를 뜨임한 경우라도, 고온에서의 뜨임, 예를 들면, 700℃을 초과하는 높은 온도에서의 뜨임을 실시하여, 「라스 형상 조직」이 재결정하여 등축 형상의 페라이트가 된 경우에는, 「뜨임 마텐자이트」에 포함하지 않는다.

비특허 문헌 1에, 「침탄 담금질」처리를 전제로 한 재료의 검토가 이루어져 있다. 그러나, 이러한 재료의 변경만으로는, 상기의 고탄소 마텐자이트 조직에 기인한 「취화」를 회피하는 것이 곤란하다. 이 때문에, 충격적인 부하에 따르는 「저∼중 사이클역」에 있어서의 피로 강도를 향상시키는데는 충분하다고는 할 수 없다.

그래서, 높은 피로 강도를 실현하는 방법의 하나로서, 침탄 담금질 등의 표면 경화 처리를 실시한 후에, 쇼트피닝 처리를 행하고, 부품 표면에 압축 잔류 응력을 부여하는 것이 검토되고 있다. 구체적으로는, 예를 들면, 특허 문헌 1∼4에, 침탄 담금질 등의 표면 경화 처리와 쇼트피닝 처리를 조합한 고피로 강도 부품과 그 제조 방법이 제안되어 있다. 특허 문헌 5에는, 높은 피로 강도를 실현하는 다른 방법으로서, 침탄 담금질의 표면 경화 처리를 실시한 후, 또한 제품의 특정 부위에 고주파 담금질을 행하는 고피로 강도 부품과 그 제조 방법이 제안되어 있다.

즉, 특허 문헌 1에, 0.1∼0.3%의 탄소를 함유하는 강을 이용해 기계 부품에 성형하고, 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리하여 비커스 경도로 400 이상 700 미만의 불완전 담금질층을 표면으로부터 10㎛ 이상 50㎛ 이하의 깊이까지 존재시킨 후, 또는, 0.35∼0.75%의 탄소를 함유하는 강을 이용해 기계 부품에 성형하고, 담금질하여 비커스 경도로 400 이상 700 미만의 불완전 담금질층을 표면으로부터 10㎛ 이상 50㎛ 이하의 깊이까지 존재시켜 뜨임을 더 행한 후, 비커스 경도로 500 이상의 경도을 갖는 투사재로 쇼트피닝 처리하는 것을 특징으로 하는 「피로 강도가 높은 구동계 기계 부품의 제조 방법」이 개시되어 있다.

특허 문헌 2에, 질량%로, C : 0.1∼0.4%, Si : 0.3% 이하, Al : 0.02∼0.08%를 각각 함유함과 더불어, Mn : 0.3∼3.1%, Ni : 0∼6%, Cr : 0∼1.2%, Mo : 0∼1.2%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 2종 이상의 원소를 〔6.4%≤2［Mn］＋［Ni］＋［Cr］＋［Mo］≤8.2%〕의 식을 만족하도록 함유하고, 또한, 필요에 따라서, Nb : 0.005∼0.2% 및 V : 0.03∼0.8%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유하고, 잔부 철 및 불가피 불순물로 이루어지는 강재에,〔0.55% 표면 탄소량(질량%)＋표면 질소량(질량%)≤0.90%〕의 식을 만족하는 침탄 또는 침탄 질화 처리를 실시하고, 계속해서 오스테나이트 단상역으로부터 담금질을 행함으로써, 침탄 담금질 경화층의 최고 경도가 비커스 경도로 550∼620, 또한 표면으로부터 300㎛ 깊이까지에 있어서의 잔류 오스테나이트 면적율이 20% 이하가 되지 않는 강재를 얻고, 그 후 아크 하이트 : 0.6㎜A 이상의 조건으로 쇼트피닝 처리하는 것을 특징으로 하는 「고피로 강도 침탄 담금질품의 제조 방법」이 개시되어 있다.

특허 문헌 3에, 질량%로, C : 0.15∼0.60%, Si : 0.01∼2.00%, Mn : 0.01∼2.00%, Al : 0.003∼0.050%, N : 0.005∼0.100%, Cr : 1.50∼6.00%, Mo : 0.01∼3.00%를 함유하고, 또한, Cr＋2Mo : 2.00∼8.00%인 강으로 이루어지고, 또한, 필요에 따라서, Ni : 0.1∼2.0%, B : 0.0001∼0.0020%, V : 0.01∼0.50%, Nb : 0.01∼0.20%, Ti : 0.01∼0.20%로부터 선택한 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 표층에 있어서 장경과 단경의 적의 평방근이 2㎛ 이상인 탄화물이 면적율로 2% 이하인 것을 특징으로 하는 「내피칭성 및 내마모성이 뛰어난 고면압용 부품」 및, 이 고면압용 부품에 있어서, 가열 온도를 930∼1050℃, 침탄 표층의 C농도를 0.60∼0.80%, 담금질 온도를 850∼900℃로 제어하여 침탄 담금질, 뜨임 처리 또는 침탄 질화 담금질, 뜨임 처리를 실시하거나, 또는, 상기의 뜨임 처리를 실시한 후, 또한, 연마, 쇼트피닝, 하드 쇼트피닝, 미립자 쇼트피닝 중 어느 1종 또는 이 중의 복수의 표면 경화 처리를 행하는 것을 특징으로 하는 「고면압용 부품의 제조 방법」이 개시되어 있다.

특허 문헌 4에, 질량%로, C : 0.10∼0.30% 미만, Si : 0.10% 이하, Mn : 0.20∼0.60%, P : 0.015% 이하, S : 0.035% 이하, Cr : 0.50∼1.00%, Mo : 0.50∼1.00%, B : 0.0005∼0.0030%, Ti : 0.010∼0.100%, Nb : 0.010∼0.100%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 가스 침탄 처리 후의 표층 C농도가 0.40∼0.60%이며, 한계 경도를 비커스 경도로 513으로 하는 유효 경화층 깊이가 0.6∼1.2㎜이며, 또한 쇼트피닝 처리 후의 표층 경도가 비커스 경도로 700 이상인 것을 특징으로 하는 「저사이클 피로 특성이 뛰어난 침탄 부품」이 개시되어 있다.

특허 문헌 5에, 질량비로서, C : 0.15∼0.35%, Al : 0.01∼0.15%, N : 0.005∼0.025%, Mn : 0.30∼1.2%, Cr : 0.30∼1.20%, S : 0.01∼0.20%를 함유하고, 필요에 따라서 또한, (a) Nb : 0.020∼0.120% 및 Ti : 0.005∼0.10%, (b) Mo : 1.0% 이하, Ni : 4.0% 이하, Cu : 2.0% 이하, V1.0% 이하의 2그룹의 원소를 1 또는 2 이상 조합하여 함유하고, P : 0.01% 이하, Si : 0.50% 이하로 제한하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강재를, 필요한 제품 형상으로 가공하고, 탄소 포텐셜 Cp가 0.4∼0.9 질량%의 범위에서, 또한 탄소 포텐셜과 재료의 탄소 농도의 차가 0.2 질량% 이상인 탄소 포텐셜로, 침탄 담금질을 하고 나서, 제품의 일부 또는 전부를 침탄시의 전경화층 깊이의 0.3∼1.5배를 오스테나이트화시키는 고주파 담금질을 행하는 것을 특징으로 하는 「고피로 강도 표피 경화품의 제조 방법」이 개시되어 있다.

일본국 특허 공개 평5-140726호 공보 일본국 특허 공허 공개 평5-156421호 공보 일본국 특허 공개 2007-246941호 공보 일본국 특허 공개 2008-255470호 공보 일본국 특허 공개 소64-36779호 공보

마츠시마 등: R＆D 고베 제강 기보, Vol. 50, No. 1(Apr. 2000), P. 57∼60

상술한 특허 문헌 1에서 제안된 기술은, 표면 경화 처리로서 침탄 담금질 또는 침탄 질화 담금질을 전제로, 표층부의 특정의 부위에 연질인 「불완전 담금질층」을 존재시킴으로써, 쇼트피닝 가공시에, 내부의 경질층보다 표층의 연질층의 쪽이 비교적 용이하게 소성 변형하는 결과, 표층의 압축 잔류 응력이 높아지는 것을 이용하는 것이다. 따라서, 이 기술에 의해, 예를 들면, 오노식 회전 굽힘 피로 시험과 같은, 1×10⁶ 사이클 정도 이상의 반복수에서의 피로 파괴가 대상이 되는 이른바 「고사이클역」에 있어서의 피로 강도를 향상시키는 것이 가능하다. 그러나, 충격적이고 또한 비교적 큰 부하가 가해지는 이른바 「저∼중 사이클역」에 있어서는, 표층부에 비록 큰 압축 잔류 응력을 부여할 수 있어도, 불완전 담금질층이 존재하면, 그 「불완전 담금질층」 자체가 피로 균열의 발생을 조장하게 되어, 피로 파괴가 발생하는 것을 피할 수 없는 경우가 있다. 이 때문에, 반드시 「저∼중 사이클역」에 있어서의 피로 강도의 향상 효과를 얻을 수 있다고 하는 것은 아니다.

특허 문헌 2에서 제안된 기술은, Mn, Ni, Cr 및 Mo의 함유량 총량, 및 표면 C량 및 표면 N량이 특정의 범위가 되도록 제한하여, 침탄 담금질시에 생성하는 잔류 오스테나이트량을 적정화하고, 쇼트피닝에 의한 표면 압축 잔류 응력 부여의 효과를 재료 내부의 것보다 깊게까지 도달시키는 것이다. 따라서, 이 기술에 의해서도, 「고사이클역」에 있어서의 피로 강도를 향상시키는 것이 가능하다. 그러나, 잔류 오스테나이트량이 20%를 초과하여 존재하는 경우에는, 쇼트피닝 처리시에, 잔류 오스테나이트의 가공 유기 변태에 의한 변형량이 커지기 때문에, 부품에 왜곡이 발생하는 것을 피할 수 없다. 따라서, 왜곡을 교정하기 위한 작업이 필요하게 된다.

특허 문헌 3에서 제안된 고면압 부품은, 강재의 성분 중에서도 비교적 고가인 Cr 및 Mo를, Cr이 1.50∼6.00%의 범위, Mo가 0.01∼3.00%의 범위에서,〔Cr＋2Mo〕의 값으로 2.00∼8.00%로 조정하는 것이다. 이 때문에, 합금 원소 함유량의 증가에 수반하는 제조 코스트의 증가를 회피할 수 없는 경우가 있다. 이 특허 문헌 3에서 제안된 기술은, 침탄 표층의 C농도, 즉, 탄소 포텐셜을 0.60∼0.80%로 침탄 담금질을 행하고, 또한 필요에 따라서, 각종 쇼트피닝 처리를 행함으로써, 고사이클역에서의 피로 강도를 향상시키는 것이 가능하다. 그러나, 탄소 포텐셜이 높기 때문에, 표면 경화층부에 있어서의 「취화」를 회피하는 것이 곤란하다. 이 때문에, 반드시 「저∼중 사이클역」에 있어서의 피로 강도의 향상 효과를 얻을 수 있다고 하는 것은 아니다.

특허 문헌 4에서 제안된 기술에 있어서는, 침탄 부품의 표층 C 농도를 낮게 한 것에 따르는 표층 경도의 저하를 압축 잔류 응력의 부여에 의해 보충함과 더불어, 압축 잔류 응력이 최대가 되는 깊이 위치를 표층으로부터 100㎛ 이내로 하여, 굽힘 피로에 의한 균열의 발생을 억제하는 것, 및, 균열의 기점이 되는 표층의 입계 산화층을 제거하는 것을 목적으로 하여 쇼트피닝 처리가 실시되고 있다. 이 특허 문헌 4에 있어서는, 쇼트피닝 처리를 2단계에서 행하는 것에 대해서도 개시되어 있다. 그러나, 부품의 표면 거칠기에 대해서 전혀 고려되어 있지 않기 때문에, 부품의 표면 거칠기가 거친 경우에는 「절결 효과」에 의해 피로 균열이 용이하게 발생하는 것이 생각된다. 이 때문에, 반드시 「저∼중 사이클역」에 있어서의 피로 강도의 향상 효과를 얻을 수 있는 것은 아니다.

특허 문헌 5에서 제안된 기술은, 특정의 탄소 포텐셜로 침탄 담금질을 행하고, 거기에 이어서 특정의 조건으로 고주파 담금질을 행함으로써, 표층의 구오스테나이트 결정립도를 JIS 입도 번호로 10번 이상의 세립으로 함과 더불어, -294㎫(-30㎏f/㎟)이하의 표층 압축 잔류 응력을 부여할 수 있는 것이다. 이 때문에, 평활 시험편을 이용하여 오노식 회전 굽힘 피로 시험에 의해 평가한 피로한도로 941㎫(96㎏f/㎟)이상의 피로 강도를 실현하는 것이 가능하다. 그러나, 이 방법은, 표면 경화 처리로서 「침탄 담금질」과 「고주파 담금질」의 2개를 모두 행하는 것이기 때문에, 제조 코스트가 커져 버린다. 또, 저∼중 사이클역에 있어서의 피로 강도에 관한 개시가 없다.

본 발명은, 상기 현상을 감안하여 이루어진 것이며, 「저∼중 사이클역」에 있어서의 피로 강도를 큰 폭으로 향상시킨 침탄 부품과 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 「저∼중 사이클역」에 있어서의 피로 특성을 향상시키기 위해서, 경화 처리가 실시된 부품의 경화층부 미크로 조직에 대해서 정밀히 조사했다.

그 결과, 「저∼중 사이클역」에 있어서의 피로 강도를 향상시키려면, 적어도 경화층부를 「고인성화」할 필요가 있는 것이 판명되었다.

그래서, 경화층부의 고인성화 실현을 위한 검토를 행하고, 경화층부의 취성 파괴의 억제 및 불완전 담금질 조직의 억제가 중요한 것을 찾아냈다.

상기의 경화층부의 취성 파괴를 억제하려면, 경화층부의 마텐자이트 조직의 C량을 적정화하면 되는 것이 추정된다. 이것에 관련하여, G. Krauss는, 「Materials　Science　and　Engineering, A273-275(1999)」의 제40∼57 페이지에 있어서, 조질 처리한 경우의 마텐자이트 조직 중의 C량이 0.50% 이하이면, 취성 파괴가 억제되어 연성 파괴가 일어나는 것을 보고하고 있다.

그러나, 「침탄 담금질」과 같은 표면 경화 처리를 행하는 경우, 부품 표면으로부터 내부를 향해, 탄소 농도의 분포가 생긴다. 이 탄소 농도의 분포는, 침탄 담금질 조건에 의해 변화하기 때문에, 표면의 탄소 농도보다 내부의 탄소 농도의 쪽이 높아지는 경우가 있다. 따라서, 경화층부의 특성은, 단지 부품의 극표면의 탄소 농도만으로는 평가할 수 없다고 생각된다.

그래서, 본 발명자들은, 표 1에 나타내는 화학 조성을 갖는 강 A를 진공로 용제하여 150㎏ 강괴를 제작하고, 침탄 처리품의 탄소 농도 분포와 피로 시험에서의 파괴 형태의 상관에 대해서 4점 굽힘 피로 시험에 의해 조사했다.

상기의 강 A는, JIS　G　4053(2008)에 기재된 SCr420에 상당하는 강이다.

강 A를 이용한 침탄 처리품의 탄소 농도 분포와 4점 굽힘 피로 시험에서의 파괴 형태의 상관의 구체적인 조사는 다음과 같이 하여 실시했다.

즉, 상기의 강괴를, 1250℃로 가열한 후, 열간 단조하여 직경 30㎜의 환봉으로 했다. 열간 단조 후의 냉각은 대기 중에서의 방랭으로 했다.

다음에, 열간 단조하여 얻은 상기의 직경 30㎜의 환봉에, 가열 온도 900℃에서 60min 균열 유지한 후, 대기 중에서 방랭하는 불림 처리를 실시했다.

상기의 불림 처리한 직경 30㎜의 환봉의 중심부로부터, 기계 가공에 의해, 단면이 13㎜×13㎜이고 길이가 100㎜인 직방체를 잘라내고, 그 후 또한, 상기 직방체의 하나의 면의 길이 방향 중앙의 부위에, 반경 2㎜의 반원 절결을 설치하여, 4점 굽힘 시험편을 제작했다.

다음에, 「침탄 담금질」로서, 상기의 4점 굽힘 시험편에 대해서, 처리 온도, 유지 시간, 탄소 포텐셜을 여러 가지로 바꾸어 침탄 처리하고, 그 후, 120℃의 기름 중에 투입했다. 상기의 침탄 담금질을 행한 후, 또한 가열 온도 180℃에서 120min 균열 유지하고, 그 후, 대기 중에서 방랭하는 뜨임 처리를 실시했다.

상기의 「침탄 담금질-뜨임」처리한 4점 굽힘 시험편을 이용하여, 응력비 0.1, 지점간 거리 45㎜, 시험 주파수 5Hz의 조건으로 4점 굽힘 피로 시험을 행하고, 5×10³회 강도에 있어서의 파괴 형태를 조사했다.

또한, 탄소 농도 분포의 조사를, 상기의 파괴 형태를 조사한 것과 같은 조건으로 침탄 담금질-뜨임 처리한 4점 굽힘 시험편을 이용하여, 다음의 방법으로 행했다. 4점 굽힘 시험편을, 반원 절결을 설치한 부위에서의 횡단면을 조사할 수 있도록 수지에 묻어 연마했다. 그 후, 절결 바닥을 최표면으로 하여, 시험편 중심 방향으로의 탄소 농도 분포를, 파장 분산형 EPMA 장치를 이용해 검량선에 의해 측정했다.

강 A를 이용해, 상기의 침탄 처리품의 탄소 농도 분포와 4점 굽힘 피로 시험에서의 파괴 형태의 상관에 대해 조사한 결과, 하기의 ＜1＞의 지견을 얻을 수 있었다.

＜1＞최표면으로부터 깊이 0.2㎜의 위치까지의 질량%에서의 평균 탄소 농도(이하, 「C(aｖe)」라고도 한다.)와 4점 굽힘 피로 시험에서의 파괴 형태의 사이에는 좋은 상관이 인정되고, C(aｖe)가 0.45% 이하이면 취성 파괴를 억제할 수 있다.

상기의 최표면으로부터 깊이 0.2㎜의 위치까지의 평균 탄소 농도는, 최표면으로부터 중심 방향으로의 거리를 xmm, 그 부위에 있어서의 질량%에서의 탄소 농도를 C(x)%로 하여,

C(aｖe) =｛∫C(x)dx｝/0.2=5×∫C(x)dx

의 식으로 나타내어지는 값을 가리킨다. 상기의 식에 있어서, 적분 구간, 즉 「x」의 범위는, 0∼0.2(㎜)이다.

상기의 지견 ＜1＞을 바탕으로, 본 발명자들은, 최표면으로부터 깊이 0.2㎜의 위치까지의 평균 탄소 농도를, 경화층부의 고인성화를 나타내는 파라미터의 하나로서 이용하는 것으로 하고, 다음에 나타내는 시험을 실시했다.

즉, 표 2에 나타내는 화학 조성을 갖는 강 A∼E를 진공로 용제하여 150㎏ 강괴를 제작했다. 표 2에 있어서의 강 A는, 상기 표 1에 있어서의 강 A를 재게 한 것이다.

상기의 각 강의 강괴를, 1250℃로 가열한 후, 열간 단조하여 직경 30㎜의 환봉으로 했다. 열간 단조 후의 냉각은 대기 중에서의 방랭으로 했다.

상기의 불림 처리한 직경 30㎜의 환봉의 중심부로부터, 기계 가공에 의해, 단면이 13㎜×13㎜이고 길이가 100㎜인 직방체를 잘라냈다. 그 후, 상기 직방체의 하나의 면의 길이 방향 중앙의 부위에, 반경 2㎜의 반원 절결을 설치하여, 4점 굽힘 시험편을 제작했다.

다음에, 상기 각 강에 대해서, 4점 굽힘 시험편에 대해서, 균열 온도를 930℃로 하여 침탄 처리하고, 그 후, 120℃의 기름 중에 투입하여, 「침탄 담금질」을 행했다. 상기의 침탄 담금질을 행한 후, 또한 가열 온도 180℃에서 120min 균열하고, 그 후, 대기 중에서 방랭하는 뜨임 처리를 실시했다.

강 A에 대해서는, 4점 굽힘 시험편에 대해서, 일반적인 조건에서의 「침탄 담금질-뜨임」 처리도 행했다. 구체적으로는, 「침탄 담금질」로서, 상기의 4점 굽힘 시험편에 대해서, 930℃에서, 탄소 포텐셜을 1.1%로 하여 100min, 다음에, 탄소 포텐셜을 0.8%로 하여, 50min 균열한 후, 탄소 포텐셜을 0.8%로 한채로 일단 870℃까지 냉각하고, 그 온도에서 또한 60min 유지하여 침탄 처리하고, 그 후, 120℃의 기름 중에 투입했다. 상기의 침탄 담금질을 행한 후, 가열 온도 180℃에서 120min 균열하고, 그 후, 대기 중에서 방랭하는 뜨임 처리를 실시했다.

표 3에, 침탄 조건의 상세를 나타낸다. 또한, 표 3의 「Cp1」 및 「Cp2」는 침탄 처리에 있어서의 「탄소 포텐셜」을 나타내고, 우선 Cp1의 조건으로 「균열시간 1」로 나타내는 시간, 침탄을 행하고, 다음에 Cp2의 조건으로 「균열 시간 2」로 나타내는 시간, 침탄을 행했다. 표 3에 있어서의 시험 번호 17이, 상기의 일반적인 조건에서의 「침탄 담금질-뜨임」처리에 상당하는 것이다. 이 시험 번호 17의 침탄 조건에 있어서는, 상기의 「탄소 포텐셜을 0.8%로 한 채로 일단 870℃까지 냉각하고, 그 온도에서 또한 60min 유지」하는 처리의 기재는, 표 3에서는 생략했다.

상기의 「침탄 담금질-뜨임」처리한 4점 굽힘 시험편을 이용하여, 경도 및 탄소 농도 분포를 조사했다.

경도는, 4점 굽힘 시험편을, 반원 절결을 설치한 부위에서의 횡단면을 조사할 수 있도록 수지에 묻어 연마한 후, 비커스 경도(이하, 「HV 경도」라고도 한다.)를 측정했다. HV 경도 시험은, JIS　Z　2244(2009)에 규정된 방법으로, 시험력을 2.94N으로 하여 행하고, 중심부의 경도(이하, 「중심 경도」라고 한다.) 및 표면부의 경도(이하, 「표면 경도」라고 한다.)를 요구했다.

중심 경도는, 수지 매입(埋入)한 시험편 횡단면에 있어서의 한 변을 구성하는 반원 절결을 실시한 면을 기준으로 하여, 그 면으로부터 깊이 10㎜의 위치를 5점 측정하고, 그 평균값으로 나타냈다. 표면 경도는, 상기의 반원 절결을 실시한 면을 기준으로 하여, 그 면으로부터 깊이 0.05㎜의 위치를 5점 측정하고, 그 평균값으로 나타냈다.

탄소 농도 분포는 다음과 같이 하여 구했다. 먼저, 상기의 경도 측정과 마찬가지로, 4점 굽힘 시험편을, 반원 절결을 설치한 부위에서의 횡단면을 조사할 수 있도록 수지에 묻어 연마했다. 그 후, 절결 바닥을 최표면으로 하여, 시험편 중심 방향으로의 탄소 농도 분포를, 파장 분산형 EPMA 장치를 이용해 검량선에 의해 측정했다. 다음에, 상기의 측정 결과를 이용하여, 최표면으로부터 중심 방향으로 깊이 0.2㎜의 위치까지의 평균 탄소 농도인 C(aｖe)를 상기 「5×∫C(x)dx」의 식에 의해 구했다.

상기와 같이 하여 구한 표면 경도, 중심 경도 및 C(aｖe)를 표 3에 아울러 나타낸다.

표 3에 나타내는 시험 번호 1∼9 및 시험 번호 11∼13의 「침탄 담금질-뜨임」처리한 4점 굽힘 시험편의 반원 절결을 설치한 면에 대해서, 압축 잔류 응력을 부여하는 것을 목적으로, 하기［SP 조건 I］의 쇼트피닝 처리를 실시했다. 표 3에 나타내는 시험 번호 14∼16의 「침탄 담금질-뜨임」처리한 4점 굽힘 시험편의 반원 절결을 설치한 면에 대해서는, 하기［SP조건 II］의 쇼트피닝 처리를 실시했다.

［SP 조건 I］과 ［SP조건 II］의 각 쇼트피닝 처리는, 다음에 나타내는 조건으로 2단계로 나누어 실시했다.

［SP조건 I］에 대해서 :

1단계째의 쇼트피닝 처리 조건 :

·투사재 : HV 경도 : 700, 평균 입경 : 0.6㎜,

·투사 시간 : 12s,

·투사 에어 압력 : 0.35㎫,

·커버리지 : 500%,

2단계째의 쇼트피닝 처리 조건 :

·투사재 : HV 경도 : 800, 평균 입경 : 0.1㎜,

·투사 시간 : 20s,

·투사 에어 압력 : 0.2㎫,

·커버리지 : 500%.

［SP조건 II］에 대해서 :

1단계째의 쇼트피닝 처리 조건 :

·투사재 : HV 경도 : 780, 평균 입경 : 1. 2㎜,

·투사 시간 : 10s,

·투사 에어 압력 : 0.35㎫,

·커버리지 : 500%,

2단계째의 쇼트피닝 처리 조건 :

·투사재 : HV 경도 : 800, 평균 입경 : 0.1㎜,

·투사 시간 : 8s,

·투사 에어 압력 : 0.2㎫,

·커버리지 : 200%.

다음에, 상기 표 3에 나타내는 시험 번호 1∼9 및 시험 번호 11∼16의 「침탄 담금질-뜨임」처리의 후에 또한 각 조건의 쇼트피닝 처리를 실시한 4점 굽힘 시험편 및, 표 3에 나타내는 시험 번호 10 및 시험 번호 17의 「침탄 담금질-뜨임」처리한 채로 쇼트피닝 처리를 실시하지 않은 4점 굽힘 시험편을 이용하여,

·응력비 : 0.1,

·지점간 거리 : 45㎜,

·시험 주파수 : 5Hz,

의 조건으로 4점 굽힘 피로 시험을 행했다.

상기 4점 굽힘 피로 시험에 있어서는, 반복 회수가 5×10³회에 있어서의 균열 발생 강도를 「굽힘 피로 강도」로서 평가했다.

굽힘 피로 강도는, 표면 경화 처리 부품의 대표예인 시험 번호 17의 굽힘 피로 강도(즉, 표피 경화강으로서 일반적인 SCr420에 상당하는 강 A를 이용하여, 일반적인 조건으로 「침탄 담금질-뜨임」처리한 채의 상태로 굽힘 피로 시험에 제공한 시험 번호 17의 굽힘 피로 강도)를 기준으로 하여, 그것보다 50% 이상 향상하고 있는 것을 목표로 했다.

표 4에, 상기의 굽힘 피로 시험 결과를 나타낸다. 표 4에는, 시험 번호 17의 굽힘 피로 강도를 기준값으로 한 경우의, 그 값으로부터의 향상률을 아울러 나타냈다.

도 1에, 시험 번호 17의 굽힘 피로 강도를 기준값으로 한 경우의 굽힘 피로 강도의 향상률을, 최표면으로부터 깊이 0.2㎜의 위치까지의 질량%에서의 평균 탄소 농도인 C(aｖe)로 정리하여 나타낸다.

상기의 도 1을 기본으로 하여, 본 발명자들은, 하기 ＜2＞의 결론에 이르렀다.

＜2＞최표면으로부터 깊이 0.2㎜의 위치까지의 평균 탄소 농도가 질량%로, 0.35∼0.60%의 범위에 있으면, 예를 들면, 쇼트피닝 처리를 실시하여, 압축 잔류 응력을 부품 표면에 부여함으로써, 통상 침탄 처리품의 굽힘 피로 강도를 기준으로 한 경우의 굽힘 피로 강도를 50% 이상 향상시키는 것이 가능하다. 특히, 경화층부의 파면 형태가 「취성」이 되는 경화층부의 평균 탄소 농도가 0.45∼0.60%인 경우에서도, 쇼트피닝 처리 등에 의해, 압축 잔류 응력을 부품 표면에 부여하면, 취성 파괴를 억제할 수 있고, 피로 강도를 향상시키는 것이 가능하다.

단, 쇼트피닝 처리에 의해 압축 잔류 응력을 부여할 수 있지만, 잔류 응력에도 탄소 농도와 마찬가지로 분포가 있고, 이 잔류 응력 분포는 쇼트피닝의 처리 조건에 따라 변화하는 것이 고려된다.

일반적으로는, 「고사이클역」에 있어서의 피로 강도와 쇼트피닝 처리에 의해 도입된 압축 잔류 응력의 최소값(절대값으로 나타낸 경우의 최대값)의 사이에는 상관이 있다고 한다. 그러나, 「저∼중 사이클역」에 있어서의 피로 강도와 압축 잔류 응력의 최소값의 사이에도 같은 상관 관계가 성립되는지는 불분명하다.

또한, 쇼트피닝 처리는, 통상의 경우, 탄소 포텐셜을 0.8% 정도로 한 침탄 처리품으로 대표되는 경화층부의 경도가 HV 경도로 720 이상이 되는 부품에 대해서 행해진다. 이 때문에, 쇼트피닝 처리에 수반하는 표면 거칠기의 변화에 대해서는, 그 만큼 문제는 되지 않는다고 생각된다.

그러나, 상기 ＜2＞의 질량%로, 0.35∼0.60%라고 하는 C(aｖe)의 값은, 상기의 탄소 포텐셜을 0.8% 정도로 한 침탄 처리의 경우의 평균 탄소 농도에 비해 낮다. 이 때문에, C(aｖe)가 0.35∼0.60%인 경우의 경화층부의 경도는, 0.8% 정도의 탄소 포텐셜로 침탄 처리한 통상의 침탄품의 경화층부의 경도에 비해 낮고, 이 때문에, 압축 잔류 응력을 부여하기 위해서 쇼트피닝 처리한 경우에는, 표면 거칠기의 변화도 커지는 것이 고려된다.

또한, 「저∼중 사이클」역에 있어서의 피로의 경우에는, 비교적 큰 부하 응력이 충격적으로 작용한다. 이 때문에, 표면 거칠기가 거친 경우는, 「절결 효과」로 되어 피로 강도의 저하를 초래하는 것이 상정된다.

그래서 또한, 본 발명자들은, 「저∼중 사이클역」에 있어서의 피로 강도와, 압축 잔류 응력 및 표면 거칠기의 상관에 대해서 검토 조사했다.

즉, 먼저, 표 4에 굽힘 피로 특성을 나타낸 4점 굽힘 시험편과 같은 조건으로 처리한 4점 굽힘 시험편(구체적으로는, 상기의 굽힘 피로 시험을 행한 4점 굽힘 시험편과 같은 조건으로 「침탄 담금질-뜨임」처리와 쇼트피닝 처리를 실시한 시험 번호 1∼9 및 시험 번호 11∼16의 4점 굽힘 시험편, 및, 「침탄 담금질-뜨임」처리만을 실시한 시험 번호 10 및 시험 번호 17의 4점 굽힘 시험편)을 이용하여, 그 반원 절결 바닥의 표면에 도입된 압축 잔류 응력, 즉, 최표면에 있어서의 압축 잔류 응력(이하, 「σr(0)」라고 한다.)의 값, 및 최표면으로부터 100㎛의 위치에 있어서의 압축 잔류 응력(이하, 「σr(100)」이라고 한다.)의 값을 조사했다.

압축 잔류 응력은, 전해 연마에 의해 표면으로부터 소정의 깊이 위치까지 연마하고, 각 깊이 위치에서 회절 X선의 강도를 측정하고, 그 측정에서 얻어진 피크 강도의 반값폭과 피크 중심 위치의 관계로부터 구했다.

표 5에, 상기의 잔류 응력 조사 결과를 나타낸다. 또한, 표 5에는, 최표면으로부터 깊이가 100㎛까지의 위치에 대해서, 그 최표면으로부터의 깊이(이하, 단지 「깊이」라고도 한다.)를 y㎛, 잔류 응력을 σr(y)로 하여,

Ir=∫｜σr(y)｜dy

의 식으로 나타내어지는 잔류 응력 강도 지수 Ir을 아울러 나타냈다.

또한, 상기의 식에 있어서의 「｜σr(y)｜」는, 최표면으로부터의 깊이가 y㎛인 부위의 압축 잔류 응력의 절대값을 나타낸다. 또, 적분 구간, 즉 「y」의 범위는, 0∼100(㎛)이다.

잔류 응력 강도 지수 Ir은, 예를 들면, 다음의 (1)∼(8)에 나타내는 방법에 따라 구할 수 있다.

(1) 대상이 되는 시험편의 최표면을 기준 위치인 0㎛로 한다.

(2) 전해 연마에 의해, 깊이 y(1)㎛의 위치까지 연마한다.

(3) 깊이 y(1)㎛의 부위에 있어서의 압축 잔류 응력을 X선을 이용해 측정한다. 이 X선에 의한 압축 잔류 응력 측정 방법은, 일반적인 방법이면 된다.

(4) 다음에, 재차 전해 연마에 의해, 깊이 y(2)㎛의 위치까지 연마한다.

(5) 상기 (3)과 같게 하여, 깊이 y(2)㎛의 부위에 있어서의 압축 잔류 응력을 측정한다.

(6) 깊이 100㎛의 위치까지, 상기의 전해 연마를 반복하고, 전해 연마한 각 깊이의 부위에 있어서의 압축 잔류 응력을 측정한다.

(7) 깊이 0∼100㎛의 위치에 대해서, 얻어진 깊이와 압축 잔류 응력의 관계를, 횡축에 깊이, 종축에 압축 잔류 응력의 절대값을 취해 플롯하고, 깊이와 압축 잔류 응력의 절대값의 관계를 함수로서 구한다(바꾸어 말하면, 곡선으로 근사한다).

(8) 상기 (7)에서 얻어진 곡선이 종축과 횡축 사이에 끼워진 부분의 면적을 산출하면, 압축 잔류 응력의 절대값의 적분인 잔류 응력 강도 지수 Ir을 구할 수 있다.

표 5에 나타낸 Ir은, 상기 (1)∼(8)에 나타내는 방법에 있어서, 깊이 0㎛, 10㎛, 30㎛, 50㎛, 80㎛, 100㎛의 각 위치에 대해서, 압축 잔류 응력을 측정하여 구한 값이다.

표 5에는, 상기 표 4에 있어서의 「굽힘 피로 강도 향상률」도 병기 했다.

표 5로부터, 하기의 ＜3＞의 사항이 새롭게 판명되었다.

＜3＞굽힘 피로 강도 향상률에 대해서, σr(0), σr(100) 및 잔류 응력의 분포 상태가 크게 영향을 준다. 그리고, 상기의 굽힘 피로 강도 향상률이 50% 이상이라고 하는 목표를 달성할 수 있는 것은, σr(0) 및 σr(100)가 모두 -800㎫ 이하를 만족하고, 또한, 상기의 잔류 응력 강도 지수 Ir이 80000 이상인 경우이다.

상기의 σr(0), σr(100) 및 잔류 응력 강도 지수 Ir이, 굽힘 피로 강도 향상률에 영향을 주는 것은, 이러한 파라미터가 피로 균열의 발생에 영향을 미치기 때문이라고 생각된다.

그러나, 표 5로부터 명백한 바와 같이, 비록 상기　＜3＞의 조건을 만족해도, 시험 번호 14∼16과 같이 굽힘 피로 강도 향상률이 낮고, 50% 이상이라고 하는 목표에 도달하지 못한 경우가 있다.

상기 굽힘 피로 강도 향상률의 저하 원인으로서, 시험편의 표면 거칠기가 생각된다. 즉, 시험편의 표면 거칠기는, 피로 균열의 발생에 대해서 영향을 미치고, 부품의 표면 거칠기가 거친 경우에는 「절결 효과」에 의해 피로 균열이 용이하게 발생하고, 이 때문에 피로 강도가 저하한 것이 생각된다.

그래서 다음에, 압축 잔류 응력을 측정한 경우와 마찬가지로, 표 4에 굽힘 피로 특성을 나타낸 4점 굽힘 시험편과 같은 조건으로 처리한 4점 굽힘 시험편(구체적으로는, 같은 조건으로 「침탄 담금질-뜨임」처리와 쇼트피닝 처리를 실시한 시험 번호 1∼9 및 시험 번호 11∼16의 4점 굽힘 시험편, 및, 「침탄 담금질-뜨임」처리만을 실시한 시험 번호 10 및 시험 번호 17의 4점 굽힘 시험편)을 이용해 표면 거칠기(구체적으로는, JIS　B　0601(2001)로 규정된 최대 높이 거칠기 Rz)를 측정했다.

표 6에, 상기의 Rz 측정 결과를 나타낸다. 표 6에는, 상기 표 4의 「굽힘 피로 강도 향상률」, 표 5의 「σr(0)」, 「σr(100)」 및 「잔류 응력 강도 지수 Ir」를 병기했다.

표 6으로부터, 하기의 ＜4＞의 사항이 새롭게 밝혀졌다.

＜4＞「저∼중 사이클역」에 있어서의 굽힘 피로 강도 향상률에 대해서, JIS　B　0601(2001)에 규정된 최대 높이 거칠기 Rz가 크게 영향을 준다. 그리고, 상기의 굽힘 피로 강도 향상률이 50% 이상이라고 하는 목표를 달성할 수 있는 것은, Rz가 15㎛ 이하인 경우이다. 이 때문에, 압축 잔류 응력을 쇼트피닝 처리에 의해 부여하는 경우에는, 최종적으로 〔Rz≤15㎛〕를 만족할 수 있는 조건으로 쇼트피닝 처리할 필요가 있다.

본 발명은, 상기의 지견에 기초하여 완성된 것이며, 그 요지는, 하기 (1)∼(3)에 나타내는 침탄 부품 및 (4)에 나타내는 침탄 부품의 제조 방법에 있다.

(1) 강제의 침탄 부품으로서, 소지 강(base steel)이, 질량%로, C : 0.15∼0. 25%, Si : 0.03∼0.50%, Mn : 0.60% 초과 1.5% 이하, P : 0.015% 이하, S : 0.006∼0.030%, Cr : 0.05∼2.0%, Al : 0.10% 이하, N : 0.03% 이하 및 O : 0.0020% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖는 강이며, 표면 경화층부가 하기 (a)∼(c)의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 침탄 부품.

(a) C(aｖe) : 질량%로 0.35∼0.60%,

(b) 표면 거칠기 Rz : 15㎛이하, 및,

(c) σr(0) : -800㎫ 이하, σr(100) : -800㎫ 이하 및 잔류 응력 강도 지수 Ir : 80000 이상.

「C(aｖe)」는, 최표면으로부터 깊이 0.2㎜의 위치까지의 평균 탄소 농도로, 최표면으로부터 중심 방향으로의 ㎜단위에서의 거리를 x, 그 부위에 있어서의 질량%에서의 탄소 농도를 C(x)%로 하여, 〔C(aｖe)=5×∫C(x)dx〕로 나타내어지는 값을 나타낸다. 여기서, 적분 구간, 즉 「x」의 범위는, 0∼0.2(㎜)이다.

표면 거칠기 「Rz」는, JIS　B　0601(2001)에 규정된 「최대 높이 거칠기」를 나타낸다.

「σr(0)」는, 부품의 최표면에 있어서의 압축 잔류 응력, 「σr(100)」은, 부품의 최표면으로부터 100㎛의 위치에 있어서의 압축 잔류 응력을 가리킨다.

잔류 응력 강도 지수 「Ir」은, 부품의 최표면으로부터 100㎛ 깊이까지의 위치에서의 최표면으로부터의 깊이를 y㎛, 그 부위에 있어서의 잔류 응력을 σr(y)로 하여 〔Ir=∫｜σr(y)｜dy〕로 나타내어지는 값을 가리킨다. 여기서, 적분 구간, 즉 「y」의 범위는, 0∼100(㎛)이다.

(2) 소지 강이, 잔부로서의 Fe의 일부를 대신하여, 질량%로, Mo : 0.50% 미만, Cu : 1.0% 이하, Ni : 3.0% 이하 및 B : 0.0030% 이하 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 화학 조성을 갖는 강인 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 침탄 부품.

(3) 소지 강이, 잔부로서의 Fe의 일부를 대신하여, 질량%로, Ti : 0.10% 이하, Nb : 0.10% 이하 및 V : 0.30% 이하 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 화학 조성을 갖는 강인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 침탄 부품.

(4) 상기 (1) 내지 (3)까지 중 어느 하나에 기재된 화학 조성을 갖는 소지 강을 이용하여 원하는 형상으로 성형 가공된 부품에, 하기의 공정 (a) 및 (b)에 기재된 처리를 순서대로 실시하는 것을 특징으로 하는 침탄 부품의 제조 방법.

공정(a) : 탄소 포텐셜이 0.35∼0.90%의 분위기에서 침탄 처리함으로써, 부품의 최표면으로부터 깊이 0.2㎜의 위치까지의 평균 탄소 농도가 질량%로, 0.35∼0.60%가 되도록 하여 담금질 처리하거나, 또는, 상기 담금질 처리 후, 또한, 200℃ 이하의 온도로 뜨임 처리한다.

공정(b) : 하기의 조건을 만족하는 2단계 쇼트피닝 처리를 실시한다.

1단계째의 쇼트피닝 처리 조건 :

·투사재의 HV 경도 : 650∼750,

·투사재의 평균 입경 : 0.6∼1.0㎜,

·커버리지 : 500% 이상,

2단계째의 쇼트피닝 처리 조건 :

·투사재의 HV 경도 : 700∼850,

·투사재의 평균 입경 : 0.05∼0.25㎜,

·커버리지 : 500% 이상.

본 명세서에서 말하는 잔부로서의 「Fe 및 불순물」에 있어서의 「불순물」이란, 철강 재료를 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩 등 또는 환경 등으로부터 혼입하는 것을 가리킨다.

본 발명의 침탄 부품의 「저∼중 사이클역」에서의 피로 강도는, 종래의 침탄 담금질-뜨임 처리한 부품의 그것에 비해 큰 폭으로 향상하고 있다. 이 때문에, 본 발명의 침탄 부품은, 충격적이고 또한 비교적 큰 부하가 가해지는 일이 있는 자동차, 건설 기계, 산업 기계 등의 각종 샤프트류 또는 동력 전달용 부품 등으로서 이용하는데 적합하다.

도 1은 표 3에 있어서의 시험 번호 17의 굽힘 피로 강도를 기준값으로 한 경우의 굽힘 피로 강도의 향상률을, 최표면으로부터 0.2㎜ 깊이까지의 질량%로의 평균 탄소 농도인 C(aｖe)로 정리하여 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 각 요건에 대해서 자세하게 설명한다. 또한, 각 원소의 함유량의 「%」는 「질량%」를 의미한다.

(A) 소지 강의 화학 조성

C : 0.15∼0.25%

C는, 강의 강도를 확보하는 작용 및 침탄 담금질 후의 경화층 경도를 확보하는 작용을 갖는다. 그러나, 침탄 처리를 전제로 한 경우, 그 함유량이 0.15% 미만에서는, 자동차, 건설 기계, 산업 기계 등의 각종 샤프트류 또는 동력 전달용 부품 등으로서 이용하는데 적합한 강도를 얻을 수 없다. 한편, C의 함유량이 0.25%를 초과하면, 소정의 형상으로 성형 가공을 행할 때의 피삭성이 저하한다. 따라서, C의 함유량을 0.15∼0.25%로 했다.

피로 강도에 대해서는, 부품의 중심 경도도 영향을 준다. 그리고, 특히, 각종 샤프트류 또는 동력 전달용 부품 등으로서 이용하려면, 부품의 중심 경도가 HV 경도로 350 이상인 것이 바람직하다. 따라서, C 함유량의 하한은 0.20%로 하는 것이 바람직하다. C 함유량의 상한은 0.24%로 하는 것이 바람직하다.

Si : 0.03∼0.50%

Si는, 탈산 원소이며, 또한, 마텐자이트 조직을 뜨임 처리할 때의 경도의 저하를 억제하는, 이른바 「뜨임 연화 저항」 작용을 갖는 원소이다. 그러나, 그 함유량이 0.03% 미만에서는 이러한 효과를 얻기 어렵다. 한편, Si 함유량의 증가에 따라 A₃ 변태점이 상승하고, 탈탄 및 침탄시의 이상층이 발생되기 쉬워지고, 특히, 그 함유량이 0.50%를 초과하면, 탈탄 및 침탄 이상층의 생성이 현저해진다. 따라서, Si의 함유량을 0.03∼0.50%로 했다. Si함유량의 하한은 바람직하게는 0.08%이다. Si 함유량의 상한은 바람직하게는 0.35%이다.

Mn : 0.60% 초과 1.5% 이하

Mn은, 담금질성을 향상시키는데 유효한 원소이다. 또한, Mn은, 침탄 처리 후의 경화층부의 잔류 오스테나이트량을 증대시키는 작용을 가지며, 특히, Mn의 함유량이 0.60%를 초과하면, 침탄 처리 후의 경화층부에 잔류 오스테나이트를 형성한다. 이 때문에, 쇼트피닝 처리에 의해 압축 잔류 응력을 부여하는 경우, 그 압축 잔류 응력을 깊게, 또한 안정적으로 도입할 수 있다. 그러나, 1.5%를 초과하여 Mn을 함유시켜도 상기의 효과가 포화하는 것에 더하여, 잔류 오스테나이트가 과잉으로 생성됨으로써 쇼트피닝 가공 후의 표면 거칠기가 거칠어진다. 또한, 코스트도 커져 버린다. 따라서, Mn의 함유량을 0.60% 초과 1.5% 이하로 했다. 압축 잔류 응력을 쇼트피닝 처리에 의해 부여하는 경우, 그 압축 잔류 응력을 보다 깊고, 또한 보다 안정적으로 도입하기 위해서는, 특히, Mn 함유량의 하한을 0.70%로 하는 것이 바람직하고, 그 상한을 1.20%로 하는 것이 바람직하다.

P : 0.015% 이하

P는, 담금질시의 경화층의 인성을 열화시키고, 특히, 그 함유량이 0.015%를 초과하면, 경화층의 인성 저하가 현저해진다. 따라서, P의 함유량을, 0.015% 이하로 했다. 또한, P의 함유량은, 0.010% 이하로 하는 것이 바람직하다.

S : 0.006∼0.030%

S는, Mn과 결합하여 MnS를 형성하고, 피삭성, 그 중에서도 절삭 조각 처리성을 높이는 작용을 갖는다. 그러나, S의 함유량이 0.006% 미만에서는, 이러한 효과를 얻기 어렵다. 한편, S의 함유량이 많아져 형성되는 MnS가 많아지면, 피삭성은 개선되어도, 피로 강도의 저하를 초래하고, 특히, S의 함유량이 0.030%를 넘으면, 피로 강도의 저하가 현저해진다. 따라서, S의 함유량을 0.006∼0.030%로 했다. S함유량의 하한은 바람직하게는 0.008%이다. S함유량의 상한은 바람직하게는 0.020%이다.

Cr : 0.05∼2.0%

Cr은, 강의 담금질성을 향상시키는 효과가 있다. Cr은, 침탄 처리 등의 표면 경화 처리시에 C와 결합하여 복합 탄화물을 형성하므로, 내마모성을 향상시키는 효과도 갖는다. 이러한 효과를 확실히 얻으려면, Cr은 0.05% 이상의 함유량으로 할 필요가 있다. 그러나, Cr의 함유량이 2.0%를 넘으면 인성이 열화한다. 따라서, Cr 함유량을 0.05∼2.0%로 했다. Cr 함유량의 하한은 바람직하게는 0.10%이다. Cr 함유량의 상한은 바람직하게는 1.85%이다.

Al : 0.10% 이하

Al은, 강의 탈산의 안정화 및 균질화를 도모하는 작용을 갖는다. 그러나, 그 함유량이 0.10%를 넘으면, 상기 효과가 포화하는 것에 더하여 인성이 열화하게 된다. 따라서, Al의 함유량을 0.10% 이하로 했다. Al의 함유량은, 바람직하게는, 0.08% 이하, 보다 바람직하게는 0.05% 이하이다.

Al의 함유량에 대해서는, 특히 하한을 설치할 필요는 없다. 그러나, Al 함유량의 과도한 저감은, 탈산 효과를 충분히 얻지 못하고 강의 청정성이 저하함과 더불어, 제조 코스트의 증대를 초래한다. 그 때문에, Al 함유량의 바람직한 하한은 0.005%이다. 적어도 Al을 0.005% 포함하고 있으면, 탈산의 안정화 및 균질화 효과는 충분하다.

N : 0.03% 이하

N은, 강 중에 고용하고, 이 고용 N량이 증가하면, 열간 변형능의 저하를 초래한다. 따라서, N의 함유량을, 0.03% 이하로 했다. N의 함유량은 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다.

O : 0.0020% 이하

O(산소)는, 강 중에 불순물로서 존재하고, 강 중의 원소와 결합하여 산화물을 형성하고, 강도 저하, 그 중에서도 피로 강도의 저하를 초래한다. 특히, O의 함유량이 0.0020%를 초과하면, 형성되는 산화물이 많아짐과 더불어 MnS가 조대화하여, 피로 강도의 저하가 현저해진다. 따라서, O의 함유량을 0.0020% 이하로 했다. O의 함유량은 0.0015% 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 침탄 부품의 소지 강의 하나는, 상기 원소 외, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖는 것이다.

본 발명의 침탄 부품의 소지 강의 다른 하나는, 상기 잔부로서의 「Fe 및 불순물」에 있어서의 Fe의 일부를 대신하여, Mo, Cu, Ni, B, Ti, Nb 및 V 중에서 선택한 1종 이상의 원소를 함유하는 화학 조성을 갖는 것이다.

이하, 임의 원소인 상기 Mo, Cu, Ni, B, Ti, Nb 및 V의 작용 효과와, 함유량의 한정 이유에 대해 설명한다.

Mo, Cu, Ni 및 B는, 담금질성을 향상시키는 작용을 갖는다. 이 때문에, 보다 큰 담금질성을 확보하고 싶은 경우에는, 이들 원소를 함유시켜도 된다. 이하, 상기의 Mo, Cu, Ni 및 B에 대해 설명한다.

Mo : 0.50% 미만

Mo는, 강의 담금질성을 향상시키는데 유효한 원소이다. Mo는, 입계 취화의 원인이 되는 입계 시멘타이트의 생성 억제 및 뜨임 연화 저항을 높여, 면피로 강도를 향상시키는데 유효한 원소이기도 하다. 그러나, Mo를 0.50% 이상 함유시켜도, 상기의 효과는 포화하고, 코스트가 커질 뿐이다. 이 때문에, Mo를 함유시키는 경우, 그 양을 0.50% 미만으로 했다. Mo 함유량의 상한은 0.35%로 하는 것이 바람직하다.

한편, 안정되게 강의 담금질성을 향상시키고, 또한, 입계 시멘타이트의 억제 효과 및 면피로 강도의 향상 효과를 얻기 위해서는, Mo 함유량의 하한은 0.10%로 하는 것이 바람직하다.

Cu : 1.0% 이하

Cu는, 담금질성을 향상시키는 작용을 갖는다. 따라서, 이 효과를 얻기 위해서 Cu를 함유해도 된다. 그러나, Cu의 함유량이 1.0%를 넘으면, 열간 가공성을 열화시킨다. 따라서, Cu를 함유시키는 경우, 그 양을 1.0% 이하로 했다. Cu의 함유량은 0.50% 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기한 Cu의 효과를 확실히 얻기 위해서는, Cu 함유량의 하한을 0.05%로 하는 것이 바람직하고, 0.10%로 하면 한층 바람직하다.

Ni : 3.0% 이하

Ni는, 담금질성을 향상시키는 작용을 갖는다. 따라서, 이 효과를 얻기 위해서 Ni를 함유해도 된다. 그러나, 3.0%를 넘는 양의 Ni를 함유시켜도 상기의 효과는 포화하고, 코스트가 커질 뿐이다. 따라서, Ni를 함유시키는 경우, 그 양을 3.0% 이하로 했다. Ni의 함유량은 2.0% 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기한 Ni의 효과를 확실히 얻기 위해서는, Ni 함유량의 하한을 0.05%로 하는 것이 바람직하고, 0.10%로 하면 한층 바람직하다.

B : 0.0030% 이하

B는, 담금질성을 향상시키는 작용을 갖는다. B에는, 담금질시의 오스테나이트 입계에 있어서의 P 및 S의 편석을 억제하는 작용도 있다. 따라서, 이러한 효과를 얻기 위해서 B를 함유해도 된다. 그러나, 0.0030%를 넘는 양의 B를 함유시켜도 상기의 효과는 포화하고, 코스트가 커질 뿐이다. 따라서, B를 함유 시키는 경우, 그 양을 0.0030% 이하로 했다. 또한, B의 함유량은 0.0020% 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기한 B의 효과를 확실히 얻기 위해서는, B 함유량의 하한을 0.0005%로 하는 것이 바람직하고, 0.0010%로 하면 한층 바람직하다.

상기한 범위의 양의 B를 함유하는 경우라도, B가 강 중의 N과 결합하여 BN을 형성한 경우에는, 상술한 효과를 기대할 수 없다. 따라서, B의 효과, 즉, 담금질성 향상 효과 및, P 및 S가 오스테나이트 입계에 편석하는 것을 억제하는 효과를 발휘시키기 위해서는, 강 중의 N 함유량을 저감할 필요가 있다.

상기의 Mo, Cu, Ni 및 B는, 그 중의 어느 1종만, 또는, 2종 이상의 복합으로 함유시킬 수 있다. 이들 원소의 합계 함유량은 4.5030% 미만이어도 되지만, 4.0% 이하로 하는 것이 바람직하다.

다음에, Ti, Nb 및 V는, 결정립을 미세화시키는 작용을 갖는다. 이 때문에, 이 효과를 확보하고 싶은 경우에는, 이러한 원소를 함유시켜도 된다. 이하, 상기의 Ti, Nb 및 V에 대해 설명한다.

Ti : 0.10% 이하

Ti는, 결정립을 미세화시키는 작용을 갖는다. 즉, Ti는, 강 중의 C 또는 N과 결합하여 탄화물, 질화물 또는 탄질화물을 형성하고, 담금질시에 결정립을 미세화하는 작용을 갖는다. 따라서, 이 효과를 얻기 위해서 Ti를 함유해도 된다. 그러나, 0.10%를 넘는 양의 Ti를 함유시킨 경우, 결정립의 미세화 효과 및 N의 고정 효과는 얻을 수 있지만, 인성을 저하시켜 버린다. 따라서, Ti를 함유시키는 경우, 그 양을 0.10% 이하로 했다. Ti의 함유량은 0.08% 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기한 Ti의 효과를 확실히 얻기 위해서는, Ti 함유량의 하한을 0.010%로 하는 것이 바람직하고, 0.015%로 하면 한층 바람직하다.

Nb : 0.10% 이하

Nb는, 결정립을 미세화시키는 작용을 갖는다. 즉, Nb는, 강 중의 C 또는 N과 결합하여 탄화물, 질화물 또는 탄질화물을 형성하고, 결정립을 미세화하는 작용을 갖는다. Nb에는, 강의 강도를 향상시키는 작용도 있다. 따라서, 이들 효과를 얻기 위해서 Nb를 함유해도 된다. 그러나, 0.10%를 초과하는 양의 Nb를 함유시켜도, 상기의 효과가 포화하므로 코스트가 커지게 되고, 또한, 인성의 저하도 발생한다. 따라서, Nb를 함유시키는 경우, 그 양을 0.10% 이하로 했다. Nb의 함유량은 0.08% 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기한 Nb의 효과를 확실히 얻기 위해서는, Nb 함유량의 하한을 0.01%로 하는 것이 바람직하고, 0.015%로 하면 한층 바람직하다.

V : 0.30% 이하

V는, 결정립을 미세화시키는 작용을 갖는다. 즉, V는, 강 중의 C 또는 N과 결합하여 탄화물, 질화물 또는 탄질화물을 형성하고, 결정립을 미세화하는 작용을 갖는다. V에는, 강의 강도를 향상시키는 작용도 있다. 따라서, 이들 효과를 얻기 위해서 V를 함유해도 된다. 그러나, 0.30%를 넘는 양의 V를 함유시켜도, 상기의 효과가 포화하므로 코스트가 커지게 되고, 또한, 인성의 저하도 생긴다. 따라서, V를 함유시키는 경우, 그 양을 0.30% 이하로 했다. V의 함유량은 0.25% 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기한 V의 효과를 확실히 얻기 위해서는, V 함유량의 하한을 0.005%로 하는 것이 바람직하고, 0.010%로 하면 한층 바람직하다.

상기의 Ti, Nb 및 V는, 그 중의 어느 1종만, 또는, 2종 이상의 복합으로 함유시킬 수 있다. 이들 원소의 합계 함유량은 0.50% 이하여도 되지만, 0.40% 이하로 하는 것이 바람직하다.

(B) 표면의 경화층부의 특성

소지 강이, 상기 (A)항에서 설명한 화학 조성을 갖는 본 발명의 침탄 부품은, 그 표면의 경화층부가 하기 (a)∼(c)의 조건을 만족하는 것이 아니면 안된다.

(a) C(aｖe) : 0.35∼0.60%,

(b) 표면 거칠기 Rz : 15㎛ 이하,

(c) σr(0) : -800㎫ 이하,σr(100) : -800㎫ 이하 및 잔류 응력 강도 지수 Ir : 80000 이상.

이하, 상기 (a)∼(c)의 각각에 대해 설명한다.

(a) C(aｖe) :

침탄 부품의 표면의 경화층부의 탄소 농도는 피로 강도에 크게 영향을 준다. 최표면으로부터 깊이 0.2㎜의 위치까지의 평균 탄소 농도인 C(aｖe)가, 0.35% 미만인 경우에는, 취성 파괴는 발생하지 않지만 피로 강도가 낮고, 한편, 0.60%를 초과한 경우에는, 취성 파괴가 생기고, 비록, 압축 잔류 응력이 부여된 경우에서도, 피로 강도를 향상시키는 것이 곤란하다. 따라서, C(aｖe)를 0.35∼0.60%로 했다. C(aｖe)의 하한은 바람직하게는 0.38%이다. C(aｖe)의 상한은 바람직하게는 0.58%이다.

(b) 표면 거칠기 Rz :

침탄 부품의 표면 거칠기는, 피로 균열의 발생에 대해서 영향을 미친다. 부품의 표면 거칠기가 거친 경우에는 「절결 효과」에 의해 피로 균열이 용이하게 발생하고, 이 때문에 피로 강도가 저하한다. 특히, 「저∼중 사이클역」에 있어서, JIS　B　0601(2001)에 규정된 「최대 높이 거칠기」인 Rz가 15㎛를 초과하는 경우는, 절결 효과가 현저해지고, 피로 강도를 향상시킬 수 없다. 따라서, 표면 거칠기 Rz를 15㎛ 이하로 했다. Rz의 상한은 13㎛로 하는 것이 바람직하다. Rz가 2.0㎛보다 작아지면, 슬라이딩 시에 소부(燒付)가 발생할 위험성이 높아진다. 이 때문에, Rz의 하한은 2.0㎛로 하는 것이 바람직하다.

(c) 잔류 응력(σr(0), σr(100) 및 잔류 응력 강도 지수 Ir) :

압축 잔류 응력을 부품 표면에 부여함으로써, 피로 강도를 높일 수 있지만, 최표면으로부터 100㎛의 위치까지의 잔류 응력의 분포 상태가 크게 영향을 준다.

최표면에 있어서의 압축 잔류 응력인 「σr(0)」 및 최표면으로부터 100㎛의 위치에 있어서의 압축 잔류 응력인 「σr(100)」이 모두 -800㎫보다 크면(즉, 그들의 절대값이 모두 800㎫보다 작으면), 피로 강도의 향상을 바랄 수 없다. 또한, 비록, 「σr(0)≤-800㎫」 및 「σr(100)≤-800㎫」를 만족해도, 잔류 응력 강도 지수 Ir이 80000보다 작은 경우에는, 피로 강도 향상 효과를 기대할 수 없다.

따라서, σr(0) : -800㎫ 이하, σr(100) : -800㎫ 이하 및 잔류 응력 강도 지수 Ir : 80000 이상의 전부를 만족하는 것으로 했다.

σr(0)의 상한은 -850㎫인 것이 바람직하다. σr(100)의 상한은 -850㎫인 것이 바람직하다. 또한, 잔류 응력 강도 지수 Ir의 하한은 82000인 것이 바람직하다.

한편, 압축 잔류 응력인 σr(0) 및 σr(100)은 작을 수록(즉, 절대값이 클수록) 피로 강도의 향상에 기여한다. 이 때문에, 그들 하한은 특별히 정하는 것은 아니다.

최표면으로부터 깊이가 100㎛까지인 위치에 대해서, 그 최표면으로부터의 깊이를 y㎛, 잔류 응력을 σr(y)로 하여,

Ir=∫｜σr(y)｜dy

의 식으로 나타내어지는 잔류 응력 강도 지수 Ir은, 피로 강도 향상에 기여하는 압축 잔류 응력의 적분값이며, 잔류 응력 강도 지수가 클수록, 피로 강도가 향상하는 비율이 커진다. 이 때문에, 잔류 응력 강도 지수 Ir의 상한도 특별히 정하는 것은 아니다.

(C) 제조 조건에 대해서 :

이하에 상술하는 제조 조건은, 공업적 규모에서 본 발명의 침탄 부품을 경제적으로 요령있게 실현하기 위한 방법의 하나이며, 침탄 부품 자체의 기술적 범위는 이 제조 조건에 따라 규정되는 것은 아니다.

본 발명에 관련되는 침탄 부품은, (A)항에 기재된 화학 조성을 갖는 소지 강을 이용해 원하는 형상으로 성형 가공된 부품에, 예를 들면, 하기의 공정 (a) 및 (b)에 기재된 처리를 순서대로 실시함으로써 제조할 수 있다.

공정 (a)가 처리를 실시하기 전의 성형 가공 부품의 제조에 대해서는, 특별히 그 조건을 특정할 필요는 없다.

(C-1) 공정 (a)의 「침탄 담금질」처리 또는 「침탄 담금질-뜨임」처리 :

공정 (a)에서는, 탄소 포텐셜이 0.35∼0.90%의 분위기에서 침탄 처리함으로써, 부품의 최표면으로부터 깊이 0.2㎜의 위치까지의 평균 탄소 농도가 질량%로, 0.35∼0.60%가 되도록 조정하고 나서, 담금질 처리하거나, 또는, 상기 담금질 처리 후, 또한, 200℃ 이하의 온도로 뜨임 처리한다.

즉, 「침탄 담금질」처리 또는 「침탄 담금질-뜨임」처리인 공정 (a)에 있어서, 탄소 포텐셜이 0.35∼0.90%의 분위기에서 침탄 처리하면, 예를 들면, 침탄의 온도와 균열 시간을 관리하는 것만으로, 용이하게, 상기 (B)항의 표면의 경화층부의 특성으로서의 최표면으로부터 깊이 0.2㎜의 위치까지의 평균 탄소 농도인 C(aｖe)를 0.35∼0.60%로 조정하는 것이 가능하다.

상기의 분위기 중에서의 침탄 처리는, 예를 들면, 온도를 890∼950℃, 균열 시간을 120∼300min로 하여 행하면 된다.

상기의 뜨임 처리에 있어서의 온도의 바람직한 하한값은 100℃이다. 100℃ 이상으로 함으로써, 저농도 침탄 담금질 후, 시간을 두고 깨지는 현상(시효 균열)을 충분히 방지할 수 있다.

(C-2) 공정 (b)의 쇼트피닝 처리 :

침탄 부품의 표면 경화층부에, 압축 잔류 응력을 부여하는 1개의 수단으로서의 쇼트피닝은, 공정 (b)의 2단계 쇼트피닝 처리, 즉,

1단계째의 쇼트피닝 처리 조건 :

·투사재의 HV 경도 : 650∼750,

·투사재의 평균 입경 : 0.6∼1.0㎜,

·커버리지 : 500% 이상,

2단계째의 쇼트피닝 처리 조건 :

·투사재의 HV 경도 : 700∼850,

·투사재의 평균 입경 : 0.05∼0.25㎜,

·커버리지 : 500% 이상,

으로 하여 행하는 것이 좋다.

본 발명의 침탄 부품의 표면의 경화층부는, 상술한 대로 C(aｖe)가 0.35∼0.60%이기 때문에, 종래의 침탄 부품에 비해 표면 경화층부의 경도가 낮아져 있다.

이러한 종래의 침탄 부품보다 경화층부의 경도가 낮은 것에 대해서, 압축 잔류 응력을 부여하는 1개의 수단인 쇼트피닝을, 종래의 침탄 부품, 즉, 경화층부의 경도가 HV 경도로 720 이상인 부품에 대한 것과 마찬가지로, 경질인 투사재(이하, 「쇼트 볼」이라고도 한다.)를 이용해 행하면, 압축 잔류 응력을 부여할 수 있지만, 상기 (B)항의 표면의 경화층부의 특성으로서의, σr(0) : -800㎫ 이하, σr(100) : -800㎫ 이하 및 잔류 응력 강도 지수 Ir : 80000 이상이라고 하는 조건의 전부를 동시에 만족하는 것이 어렵다. 또한, 부품의 표면 거칠기 Rz가 커져 15㎛를 넘는 경우가 있기 때문에, 본 발명의 목적인 「저·중 사이클 피로 강도」를 향상할 수 없을 뿐만 아니라, 반대로 저하시켜 버리는 경우도 있다.

그러나, 상기의 2단계 쇼트피닝 처리를 행하면, 상기 (B)항의 표면의 경화층부의 특성으로서의 표면 거칠기 Rz : 15㎛ 이하, σr(0) : -800㎫ 이하, σr(100) : -800㎫ 이하 및 잔류 응력 강도 지수 Ir : 80000 이상의 조건의 전부를, 안정되고 또한 용이하게 달성할 수 있다.

이하, 본 발명에 있어서의 상기 공정 (b)의 2단계 쇼트피닝 처리에 대해서, 자세하게 설명한다.

(C-2-1) 1단계째의 쇼트피닝 처리 :

공정 (b)의 2단계 쇼트피닝 처리에 있어서의 1단계째의 쇼트피닝 처리는, 주로 침탄 부품의 표면 경화층을 깊은 위치까지 소성 변형시켜, 상기 (B)항의 표면의 경화층부의 특성으로서의, σr(0) : -800㎫ 이하, σr(100) : -800㎫ 이하 및 잔류 응력 강도 지수 Ir : 80000 이상이라는 3조건을 동시에 만족하기 위해서 행하는 것이다. 상기의 쇼트피닝 처리는,

·투사재의 HV 경도 : 650∼750,

·투사재의 평균 입경 : 0.6∼1.0㎜,

·커버리지 : 500% 이상,

으로 하여 실시하는 것이 좋다.

투사재의 HV 경도가 650 미만에서는, 표면 경화층의 깊은 위치까지를 소성변형시키는 것이 곤란하고, 원하는 압축 잔류 응력을 부여할 수 없는 경우가 있다. 한편, 투사재의 HV 경도가 750을 넘는 경우에는, 침탄 부품의 표면 거칠기 Rz가 커져 15㎛를 초과하는 일이 있고, 원하는 피로 강도를 얻을 수 없는 경우가 있다. 따라서, 투사재의 경도는 HV 경도로 650∼750으로 하는 것이 좋다. 표면 거칠기 Rz가 커지는 것을 억제하기 위해서, 투사재의 경도의 상한은 HV 경도로 700으로 하는 것이 보다 바람직하다. 투사재의 경도의 하한은 HV 경도로 680으로 하는 것이 보다 바람직하다.

침탄 부품의 표면에 쇼트 볼을 충돌시켰을 때에 형성되는 소성 변형 영역, 즉, 최표면으로부터의 깊이는, 쇼트 볼의 평균 입경에 영향을 받고, 평균 입경이 클수록, 부품 최표면으로부터 깊게 소성 변형한다. 1단계째의 쇼트피닝 처리에 있어서의 쇼트 볼의 평균 입경이 0.6㎜를 밑도는 경우에는, σr(100)을 -800㎫ 이하로 할 수 없는 경우가 있다. 한편, 쇼트 볼의 평균 입경이 1.0㎜를 초과하면, 침탄 부품의 표면 거칠기 Rz가 커져 15㎛를 초과하고, 원하는 피로 강도를 얻을 수 없는 경우가 있다. 따라서, 투사재의 평균 입경은 0.6∼1.0㎜로 하는 것이 좋다. 침탄 부품의 표면 거칠기 Rz가 커지는 것을 억제하기 위해서, 투사재의 평균 입경의 상한은 0.8㎜로 하는 것이 보다 바람직하다. 투사재의 평균 입경의 하한은 0.65㎜로 하는 것이 보다 바람직하다.

투사재의 HV 경도 및 평균 입경이 각각, 상술한 650∼750 및 0.6∼1.0㎜여도, 커버리지가 500% 미만인 경우에는, 투사재의 충돌에 의해 형성된 침탄 부품 표면이 큰 요철이 잔존하기 때문에, 비록 2단계째의 쇼트피닝 처리를 행해도, 표면 거칠기를, 최대 높이 거칠기 Rz로 15㎛ 이하로 할 수 없는 경우가 있다. 따라서, 커버리지는 500% 이상으로 하는 것이 좋다. 커버리지의 하한은 550%로 하는 것이 보다 바람직하다. 커버리지를 크게 하면, 표면 거칠기 Rz를 작게 할 수 있지만, 쇼트피닝 처리 시간이 증가하기 때문에, 생산성의 관점으로부터, 커버리지의 상한은 700%로 하는 것이 바람직하다.

커버리지는, 침탄 부품의 피쇼트피닝 면적에 대한 투사재의 투사 흔적 면적(압흔 면적)의 총화의 비로부터 구할 수 있다. 1회의 쇼트피닝에서의 커버리지가 C1일 때, n회의 쇼트피닝에서의 커버리지는,

Cn=［1-(1-C1)ⁿ］×100

의 식으로 나타내어지고, 그 산출값이 98% 정도로 되었을 때, 이것을 풀 커버리지로 간주하고, 100%로 한다. 그리고, 커버리지 500%란 커버리지가 100%에 달한 시간을 5배로 한 상태를 말한다.

1단계째의 쇼트피닝 처리는, 아크 하이트를 0.30∼0.60㎜N로 하여 행하는 것이 한층 바람직하다. 이것은, 아크 하이트가 0.30㎜N보다 작으면, 침탄 부품 표면의 소성 변형 영역이 작아져, 압축 잔류 응력을 원하는 깊이까지 부여할 수 없는 경우가 있고, 한편, 아크 하이트가 0.60㎜N보다 크면, 침탄 부품의 깊은 위치까지 압축 잔류 응력을 부여할 수 있지만, 부여된 압축 잔류 응력의 절대값이 작아지는 경우가 있어, 어느 경우에도 원하는 피로 강도를 얻을 수 없는 경우가 있기 때문이다. 아크 하이트의 하한은 0.50㎜N로 하는 것이 보다 바람직하다.

(C-2-2) 2단계째의 쇼트피닝 처리 :

공정(b)의 2단계 쇼트피닝 처리에 있어서의 2단계째의 쇼트피닝 처리는, 1단계째의 투사재보다 평균 입경이 작은 투사재를 이용함으로써, 주로 1단계째의 쇼트피닝 처리를 행한 침탄 부품의 표면 경화층의 극표면 근방에 압축 잔류 응력을 부여하여, 상기 (B)항의 표면의 경화층부의 특성으로서의, σr(0) : -800㎫ 이하, σr(100) : -800㎫ 이하 및 잔류 응력 강도 지수 Ir : 80000 이상이라고 하는 3조건, 및, 표면 거칠기 Rz : 15㎛ 이하라는 조건을 동시에, 안정되고 또한 확실하게 만족하기 위해 행하는 것이다. 상기의 쇼트피닝 처리는,

·투사재의 HV 경도 : 700∼850,

·투사재의 평균 입경 : 0.05∼0.25㎜,

·커버리지 : 500% 이상,

으로 하여 실시하는 것이 좋다.

투사재의 HV 경도가 700 미만에서는, 표면 경화층의 깊은 위치까지를 소성 변형시키는 것이 곤란하고, 원하는 압축 잔류 응력을 부여할 수 없는 경우가 있다. 한편, 투사재의 HV경도가 850을 넘는 경우에는, 침탄 부품의 표면 거칠기 Rz가 커져 15㎛를 넘는 경우가 있고, 원하는 피로 강도를 얻을 수 없는 경우가 있다. 따라서, 2단계째의 쇼트피닝 처리에 있어서의 투사재의 경도는 HV 경도로 700∼850으로 하는 것이 좋다. 표면 거칠기 Rz가 커지는 것을 억제하기 위해서, 투사재의 경도의 상한은 HV 경도로 800으로 하는 것이 보다 바람직하다. 투사재의 경도의 하한은 HV 경도로 720으로 하는 것이 보다 바람직하다.

2단계째의 쇼트피닝 처리에 있어서, 원하는 압축 잔류 응력을 부여하기 위해서는, 1단계째의 쇼트피닝 처리와는 반대로, 쇼트 볼의 평균 입경을 작게 하는 것이 좋다. 그러나, 쇼트 볼의 평균 입경이 0.05㎜ 미만에서는, 침탄 부품의 표층부에 소성 변형을 일으키게 하는 것이 곤란해져, 원하는 압축 잔류 응력을 부여할 수 없는 경우가 있다. 한편, 쇼트 볼의 평균 입경이 0.25㎜를 초과하면, 침탄 부품의 표면 거칠기 Rz가 커져 15㎛를 넘는 경우가 있다. 따라서, 2단계째의 쇼트피닝 처리에 있어서의 투사재의 평균 입경은 0.05∼0.25㎜로 하는 것이 좋다. 침탄 부품의 표면 거칠기 Rz가 커지는 것을 억제하기 위해서, 투사재의 평균 입경의 상한은 0.15㎜로 하는 것이 보다 바람직하다. 투사재의 평균 입경의 하한은 0.08㎜로 하는 것이 보다 바람직하다.

2단계째의 쇼트피닝 처리의 경우도, 1단계째의 쇼트피닝 처리의 경우와 같이, 커버리지가 500% 미만인 경우에는, 표면 거칠기를, 최대 높이 거칠기 Rz로 15㎛ 이하로 할 수 없는 경우가 있다. 따라서, 2단계째의 쇼트피닝 처리에 있어서의 커버리지도 500% 이상으로 하는 것이 좋다. 커버리지의 하한은 550%로 하는 것이 보다 바람직하다. 커버리지를 크게 하면, 표면 거칠기 Rz를 작게 할 수 있지만, 쇼트피닝 처리 시간이 증가한다. 이 때문에, 생산성의 관점으로부터, 커버리지의 상한은 700%로 하는 것이 바람직하다.

이미 설명한 대로, 커버리지 500%란 커버리지가 100%에 달하는 시간을 5배로 한 상태를 말한다.

2단계째의 쇼트피닝 처리는, 아크 하이트를 0.20∼0.40㎜N로 하여 행하는 것이 한층 바람직하다. 이것은, 아크 하이트가 0.20㎜N보다 작은 경우에는, 침탄 부품 표면의 소성 변형 영역이 작아져 압축 잔류 응력을 원하는 깊이까지 부여할 수 없는 경우가 있고, 한편, 아크 하이트가 0.40㎜N보다 큰 경우에는, 표면 거칠기를, 최대 높이 거칠기 Rz로 15㎛ 이하로 할 수 없는 경우가 있어, 어느 경우에도 원하는 피로 강도를 얻을 수 없는 경우가 있기 때문이다. 아크 하이트의 하한은 0.25㎜N로 하는 것이 보다 바람직하다. 아크 하이트의 상한은 0.35㎜N로 하는 것이 보다 바람직하다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.

실시예

표 7에 나타내는 화학 조성을 갖는 강 A 및 강 F∼N을 진공로 용제하여 150㎏ 강괴를 제작했다.

표 7 중의 강 A 및 강 F∼K는, 화학 조성이 본 발명에서 규정하는 범위 내에 있는 강이다. 강 L∼M은, 성분 중 어느 하나가 본 발명에서 규정하는 함유량의 범위로부터 벗어난 비교예의 강이다.

강 A는, JIS　G　4053(2008)에 기재된 SCr420에 상당하는 강이며, 상기 표 1에 있어서의 강 A를 재게한 것이다.

상기의 각 강의 강괴를, 1250℃에서 가열한 후, 열간 단조하여 직경 30㎜의 환봉으로 했다. 열간 단조 후의 냉각은 대기 중에서의 방랭으로 했다.

다음에, 상기 각 강에 대해서, 「침탄 담금질」로서, 4점 굽힘 시험편에 대해서, 균열 온도를 930℃로 하여 침탄 처리하고, 그 후, 120℃의 기름 중에 투입했다. 상기의 침탄 담금질을 행한 후, 또한 가열 온도 180℃에서 120min 균열하고, 그 후, 대기 중에서 방랭하는 뜨임 처리를 실시했다.

표 8에, 침탄 조건의 상세를 나타낸다. 표 8의 「Cp1」 및 「Cp2」는 침탄 처리에 있어서의 「탄소 포텐셜」을 나타내고, 먼저 Cp1의 조건으로 「균열시간 1」로 나타내는 시간, 침탄을 행하고, 다음에 Cp2의 조건으로 「균열 시간 2」로 나타내는 시간, 침탄을 행했다.

표 8에는, 강 A에 일반적인 「침탄 담금질-뜨임」 조건에서의 처리를 실시한 상기 표 3의 시험 번호 17의 처리를 재게했다. 표 8에 있어서도, 시험 번호 17의 처리에 대해서는 상기 표 3의 경우와 마찬가지로, 「탄소 포텐셜을 0.8%로 한 채로 일단 870℃까지 냉각하고, 그 온도로 또한 60min 유지」하는 처리의 기재는 생략했다.

경도는, 4점 굽힘 시험편을, 반원 절결을 설치한 부위에서의 횡단면을 조사할 수 있도록 수지에 묻어 연마한 후, HV 경도를 측정했다. HV 경도 시험은, JIS　Z　2244(2009)에 규정된 방법으로, 시험력을 2.94N으로 하여 행하고, 중심 경도 및 표면 경도를 구했다.

중심 경도는, 수지 매입한 시험편 횡단면에 있어서의 한 변을 구성하는 반원 절결을 실시한 면을 기준으로 하여, 그 면으로부터 깊이 10㎜의 위치를 5점 측정하고, 그 평균값으로 나타냈다.

표면 경도는, 상기의 반원 절결을 실시한 면을 기준으로 하여, 그 면으로부터 깊이 0.05㎜의 위치를 5점 측정하고, 그 평균값으로 나타냈다.

상기와 같이 하여 구한 표면 경도, 중심 경도 및 C(aｖe)를 표 8에 아울러 나타낸다.

표 8에 나타내는 시험 번호 17∼30 및 시험 번호 33∼41의 「침탄 담금질-뜨임」처리한 4점 굽힘 시험편에 대해서는, 그 반원 절결을 설치한 면에 대해서, 표 9에 나타내는 조건으로, 2단계의 쇼트피닝 처리를 실시했다.

표 8에 나타내는 시험 번호 31의 「침탄 담금질-뜨임」처리한 4점 굽힘 시험편의 경우는, 그 반원 절결을 설치한 면에 대해서, 표 9에 나타내는 1단계째의 쇼트피닝 처리만을 실시하고, 시험 번호 32의 「침탄 담금질-뜨임」처리한 4점 굽힘 시험편에는 쇼트피닝 처리를 실시하지 않았다. 표 9에도, 상기 표 3의 시험 번호 17에 대해서 병기했다.

상기의 처리를 실시한 시험 번호 18∼41의 4점 굽힘 시험편을 이용해, σr(0), σr(100), 잔류 응력 강도 지수 Ir 및 JIS　B　0601(2001)에 규정된 최대 높이 거칠기 Rz를 조사했다. 전해 연마에 의해 표면으로부터 소정의 깊이 위치까지 연마하고, 각 깊이 위치에서 회절 X선의 강도를 측정하고, 그 측정으로 얻어진 피크 강도의 반값폭과 피크 중심 위치의 관계로부터, 반원 절결 바닥의 표면에 있어서의 σr(0) 및 σr(100)을 구했다.

잔류 응력 강도 지수 Ir은, 이미 설명한 (1)∼(8)에 나타내는 방법에 있어서, 깊이 0㎛, 10㎛, 30㎛, 50㎛, 80㎛, 100㎛의 각 위치에 대해서, 압축 잔류 응력을 측정하여 구했다.

다음에, 상기가 처리를 실시한 시험 번호 18∼41의 4점 굽힘 시험편을 이용해,

·응력비 : 0.1,

·지점간 거리 : 45㎜,

·시험 주파수 : 5Hz,

의 조건으로 4점 굽힘 피로 시험을 행했다.

굽힘 피로 강도는, 상기 시험 번호 17의 굽힘 피로 강도, 즉, 표피 경화강으로서 일반적인 SCr420에 상당하는 강 A를 이용해, 일반적인 조건으로 「침탄 담금질-뜨임」처리한 채의 상태로 굽힘 피로 시험에 제공한 경우의 굽힘 피로 강도를 기준으로 하여, 그보다 50% 이상 향상하고 있는 것을 목표로 했다.

표 10에, 상기의 각 시험 결과를 정리하여 나타낸다. 표 10에는, 상기 표 6에 나타낸 시험 번호 17에 대한 시험 결과를 병기했다. 시험 번호 17의 굽힘 피로 강도를 기준값으로 한 경우의, 그 값으로부터의 향상률도 나타냈다.

표 10으로부터, 본 발명에서 규정하는 조건을 만족하는 시험 번호 18∼30의 경우의 굽힘 피로 강도는, 표피 경화강으로서 일반적인 SCr420에 상당하는 강 A를 이용하여, 종래의 일반적인 조건으로 침탄 담금질-뜨임한 시험 번호 17의 굽힘 피로 강도보다 50% 이상 향상하고 있고, 「저∼중 사이클역」에서의 피로 강도가, 종래의 침탄 담금질-뜨임 처리 부품의 그것에 비교해 큰 폭으로 향상하는 것이 분명하다.

이에 대해서, 본 발명에서 규정하는 조건으로부터 벗어난 시험 번호의 경우, 목표로 하는 굽힘 피로 강도에 달하지 않았다.

즉, 시험 번호 31의 경우는 σ(0)이 -570㎫이며, 본 발명에서 규정하는 상한값 -800㎫보다 크다. 이 때문에, 목표로 하는 피로 강도의 향상이 인정되지 않았다.

시험 번호 32의 경우는, 잔류 응력인 σ(0) 및 σ(100)의 값의 양쪽 모두가, 본 발명에서 규정하는 상한값 -800㎫보다 크고, 또한, 잔류 응력 강도 지수 Ir이 7000으로 본 발명에서 규정하는 하한값의 80000보다 작다. 이 때문에, 목표로 하는 피로 강도의 향상이 인정되지 않았다.

시험 번호 33, 시험 번호 34, 시험 번호 37 및 시험 번호 38의 경우, 표면 거칠기 Rz가 각각, 18.00㎛, 16.00㎛, 21.00㎛ 및 17.50㎛로 모두 본 발명에서 규정하는 상한값보다 크다. 이 때문에, 어느 경우도 피로 강도의 향상을 볼 수 없었다.

시험 번호 35의 경우, 표면 거칠기 Rz가 16.00㎛로 크고, 또한, 잔류 응력 σ(0)의 값이 -750㎫이며 본 발명에서 규정하는 상한값 -800㎫보다 크다. 이 때문에, 피로 강도의 향상 목표를 달성할 수 없었다.

시험 번호 36의 경우, 잔류 응력 σ(100)의 값이 -720㎫이며 본 발명에서 규정하는 상한값 -800㎫보다 크다. 이 때문에, 목표로 하는 피로 강도에 달하지 않았다.

시험 번호 39의 경우, 강 L의 C 함유량이 0.12%로 본 발명에서 규정하는 하한값의 0.15%를 하회한다. 이 때문에, 중심 경도가 낮아져, 피로 강도의 향상을 볼 수 없었다.

시험 번호 40의 경우, 강 M의 Mn 함유량이 0.30%로 본 발명에서 규정하는 조건을 하회하므로 잔류 응력 σ(100)의 값이 -750㎫로 본 발명에서 규정하는 상한값 -800㎫보다 커져, 깊은 부위에 충분한 압축 잔류 응력을 확보할 수 없다. 이 때문에, 목표로 하는 피로 강도에 달하지 않았다.

시험 번호 41의 경우, 강 N의 Mn 함유량이 1.80%로 본 발명에서 규정하는 조건을 웃돌기 때문에, 표면 거칠기 Rz가 17.00㎛로 본 발명에서 규정하는 상한값보다 크다. 이 때문에, 피로 강도의 향상을 볼 수 없었다.

산업상의 이용 가능성

본 발명의 침탄 부품의 「저∼중 사이클역」에서의 피로 강도는, 종래의 침탄 담금질-뜨임 처리한 부품의 그것에 비교해 큰 폭으로 향상되어 있다. 이 때문에, 본 발명의 침탄 부품은, 충격적이고 또한 비교적 큰 부하가 가해지는 일이 있는 자동차, 건설 기계, 산업 기계 등의 각종 샤프트류 또는 동력 전달용 부품 등으로서 이용하는데 적합하다.

Claims

강제(鋼製)의 침탄 부품으로서,
소지 강(base steel)이, 질량%로,
C : 0.15∼0.25%,
Si : 0.03∼0.50%,
Mn : 0.60% 초과 1.5% 이하,
P : 0.015% 이하,
S : 0.006∼0.030%,
Cr : 0.05∼2.0%,
Al : 0.10% 이하,
N : 0.03% 이하, 및
O : 0.0020% 이하
를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖는 강이며,
표면 경화층부가 하기 (a)∼(c)의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 침탄 부품.
(a) C(aｖe) : 질량%로 0.35∼0.60%,
(b) 표면 거칠기 Rz : 15㎛ 이하, 및
(c) σr(0) : -800㎫ 이하,σr(100) : -800㎫ 이하 및 잔류 응력 강도 지수 Ir : 80000 이상.
단,
C(aｖe) : 최표면으로부터 깊이 0.2㎜의 위치까지의 평균 탄소 농도,
표면 거칠기 Rz : JIS　B　0601(2001)에 규정된 최대 높이 거칠기,
σr(0) : 부품의 최표면에 있어서의 압축 잔류 응력,
σr(100) : 부품의 최표면으로부터 100㎛의 위치에 있어서의 압축 잔류 응력,
잔류 응력 강도 지수 Ir : 부품의 최표면으로부터 100㎛ 깊이까지의 위치에서의 최표면으로부터의 깊이를 y㎛, 그 부위에 있어서의 잔류 응력을 σr(y)로 하여 〔Ir=∫｜σr(y)｜dy〕로 나타내어지는 값을 가리킨다. 여기서, 적분 구간, 즉 「y」의 범위는 0∼100(㎛)이다.
청구항 1에 있어서,
소지 강이, 잔부로서의 Fe의 일부를 대신하여, 질량%로,
Mo : 0.50% 미만,
Cu : 1.0% 이하,
Ni : 3.0% 이하, 및
B : 0.0030% 이하
중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 화학 조성을 갖는 강인 것을 특징으로 하는 침탄 부품.
청구항 1에 있어서,
소지 강이, 잔부로서의 Fe의 일부를 대신하여, 질량%로,
Ti : 0.10% 이하,
Nb : 0.10% 이하, 및
V : 0.30% 이하 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 화학 조성을 갖는 강인 것을 특징으로 하는 침탄 부품.
청구항 2에 있어서,
소지 강이, 잔부로서의 Fe의 일부를 대신하여, 질량%로,
Ti : 0.10% 이하,
Nb : 0.10% 이하, 및
V : 0.30% 이하 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 화학 조성을 갖는 강인 것을 특징으로 하는 침탄 부품.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 화학 조성을 갖는 소지 강을 이용해 원하는 형상으로 성형 가공된 부품에, 하기의 공정 (a) 및 (b)에 기재된 처리를 순서대로 실시하는 것을 특징으로 하는 침탄 부품의 제조 방법.
공정 (a) : 탄소 포텐셜이 0.35∼0.90%인 분위기에서 침탄 처리함으로써, 부품의 최표면으로부터 깊이 0.2㎜의 위치까지의 평균 탄소 농도가 질량%로, 0.35∼0.60%가 되도록 하여 담금질 처리하거나, 또는, 상기 담금질 처리 후, 또한, 200℃ 이하의 온도에서 뜨임 처리한다.
공정 (b) : 하기의 조건을 만족하는 2단계 쇼트피닝 처리를 실시한다.
1단계째의 쇼트피닝 처리 조건 :
·투사재의 HV 경도 : 650∼750,
·투사재의 평균 입경 : 0.6∼1.0㎜,
·커버리지 : 500% 이상,
2단계째의 쇼트피닝 처리 조건 :
·투사재의 HV 경도 : 700∼850,
·투사재의 평균 입경 : 0.05∼0.25㎜,
·커버리지 : 500% 이상.