KR101425737B1 - 고주파 켄칭용 강 및 고주파 켄칭 강 부품 및 그들의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

고주파 켄칭시에 강 부품의 돌기부에서 발생하는 1100℃ 초과의 고온 하에서도, 오스테나이트 결정립의 조대화의 발생을 방지할 수 있는 고주파 켄칭용 강이며, 질량％로, C:0.35 내지 0.6％, Si:0.01 내지 1％, Mn:0.2 내지 1.8％, S:0.001 내지 0.15％, Al:0.001 내지 1％, Ti:0.05 내지 0.2％, Nb:0.001 내지 0.04％를 함유하고, N:0.0060％ 이하, P:0.025％ 이하, O:0.0025％ 이하로 제한하고, 또한 Nb/Ti≥0.015를 만족시키고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고주파 켄칭용 강.

Description

고주파 켄칭용 강 및 고주파 켄칭 강 부품 및 그들의 제조 방법{STEEL FOR INDUCTION HARDENING, INDUCTION-HARDENED STEEL PARTS, AND PROCESS FOR PRODUCTION OF SAME}

본 발명은, 고주파에 의한 고온 가열에서도 오스테나이트 결정립의 조대화가 억제되는 고주파 켄칭용 강 및 강 부품 및 그들의 제조 방법에 관한 것이다.

드라이브 샤프트, 등속 조인트 외륜, 등속 조인트 내륜 등의 자동차의 동력 전달계를 구성하는 축 부품은, 통상은 중탄소강을 절삭, 전조, 단조 등에 의해 소정의 부품 형상으로 성형 가공하고, 고주파 켄칭, 템퍼링을 실시하여 제조된다.

고주파 켄칭이라 함은, 고주파 전원에 접속된 가열 코일 중에 피가열 부품을 두고, 고주파 전류를 흘려 교번 자속을 발생시키고, 부품에 와전류손과 히스테리시스손을 발생시켜 발열시켜, 켄칭을 행하는 방법이다. 통상은, 표면을 경화시키는 것을 목적으로 하여 행한다.

고주파에 의한 가열은 원리상, 부품의 단차부나 홈부가 다른 부위에 비해 승온 부족으로 되기 쉽고, 돌기부가 다른 부위에 비해 과열되기 쉽다. 따라서, 부품 전체에서 온도가 균일해지지는 않는다.

그로 인해, 고주파 켄칭하기 위해서는, 고주파 켄칭 처리하는 개소의 전체가 승온 부족으로 되지 않도록 가열할 필요가 있다.

그러나 고주파 켄칭 처리하는 개소의 전체가 승온 부족으로 되지 않도록 가열하면, 돌기부는 최대 1100 내지 1200℃ 정도의 과열 상태로 된다. 그로 인해, 오스테나이트 결정립이 조대화되어, 그것에 의해 부품에 변형이 발생한다. 여기서, 조대화라 함은, 구체적으로는 결정 입도로 6번 미만으로 되는 것을 말한다.

그 대책으로서, 현상은, 부품마다 전용 가열 코일을 사용하여 부품과의 거리를 엄밀하게 조정하거나, 또는 온도 차를 경감시키기 위한 예열을 실시하여 돌기부가 과열 상태로 되는 것을 최대한 억제하거나 하고 있다. 그러나 이들의 대책은, 반드시 만전은 아니다.

특허 문헌 1에서는, 소정량의 C, Si 등에 더하여, 질량％로 Ti:0.05 내지 0.20％, N:0.01％ 미만을 함유하고, Ti 탄화물 및 Ti 탄질화물을 강 중에 미세 분산시킨 것을 특징으로 하는 조대립을 방지하는 고주파 켄칭 강이 개시되어 있다.

특허 문헌 2에서는, 소정량의 C, Si 등에 더하여, 질량％로 Mo:0.05 내지 2.0％를 함유하고, 소재의 가공 조건을 규정함으로써, Mo 석출물을 미세화시켜, 결정립을 미세화시키는 고주파 켄칭용 부품이 개시되어 있다.

그러나 특허 문헌1 및 특허 문헌 2에서 개시된 강이나 가공 조건을 사용해도, 돌기부를 갖는 부품을 고주파 켄칭하였을 때와 같이, 국소적으로 1100℃ 초과의 과열 상태로 되는 경우에는, 그 부위에서의 오스테나이트 결정립의 조대화의 발생을 막을 수 없었다.

일본 특허 출원 공개 평11-71630호 공보 일본 특허 출원 공개 제2007-204796호 공보

본 발명은, 상기한 문제를 해결하기 위한, 고주파 켄칭에 의한 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지하여, 고주파 켄칭 강 부품의 변형을 저감시킬 수 있는 고주파 켄칭용 강 및 고주파 켄칭용 강 부품 및 그들의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 상기한 목적을 달성하기 위해, 고주파 켄칭시에 있어서의 오스테나이트 결정립의 조대화의 지배 인자에 대해 예의 조사하고, 다음의 점을 밝혔다.

(1) 고주파 켄칭시에 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지하기 위해서는, 강 중의 N의 함유량을 낮게 제한함으로써, TiN의 생성을 억제하고, 또한 TiC, TiCS를 주체로 하는 Ti계 석출물을 고주파 켄칭시에 미세 석출시키는 동시에, NbC를 주체로 하는 Nb의 탄질화물을 고주파 켄칭시에 미세 석출시킬 필요가 있다. 그것을 위해서는, 강 성분으로서, 적당량의 Ti, Nb를 함께 첨가시킬 필요가 있다.

(2) 상기한 Ti계 석출물 및 Nb의 탄질화물을, 고주파 켄칭시에 미세 석출시키는 방법으로서, Ti계 석출물 및 NbC의 석출물의 피닝 효과를 이용하는 방법이 있다. 이 효과를 안정적으로 발휘시키기 위해서는, 열간 압연 후의 매트릭스 중에, Ti계 석출물 및 NbC의 석출물을 미세 석출시켜 두는 것이 필요하다. 그것을 위해서는, 열간 압연시의 냉각 과정에서, 오스테나이트로부터의 확산 변태시에, Ti계 석출물 및 NbC의 석출물을 상(相) 계면 석출시킬 필요가 있다.

열간 압연 상태의 조직에 베이나이트가 생성되면, Ti계 석출물 및 NbC의 석출물의 상 계면 석출이 곤란해지므로, 베이나이트를 최대한 포함하지 않는 조직으로 하는 것이 필요하다.

(3) 열간 압연 후의 선재 또는 봉강에, Ti계 석출물 및 NbC의 석출물을 미리 미세 석출시키기 위해서는, 열간 압연시의 가열 온도 및 열간 압연 후의 냉각 조건을 최적화하면 좋다.

즉, 열간 압연시의 가열 온도를 고온으로 함으로써, Ti계 석출물 및 NbC의 석출물을, 일단 매트릭스 중에 고용(固溶)시킨다. 그리고 열간 압연 후에, Ti계 석출물 및 NbC의 석출물의 석출 온도 영역에서 서랭함으로써, 이들의 탄질화물을 다량, 미세하게 분산시킬 수 있다.

Ti계 석출물은 경질이고, 또한 각져 있으므로, 조대한 Ti계 석출물은 피로 파괴의 기점으로 된다. 그로 인해, 종래는 Ti량을 최대한 제한하는 것이 지향되어 왔다.

그러나 상기한 바와 같이 Ti계 석출물을 미세화시킴으로써 Ti를 유효 활용할 수 있게 되었다.

(4) 열간 압연 후의 강재의 페라이트립이 과도하게 미세하면, 고주파 켄칭시에 조대립이 발생되기 쉬워진다. 그로 인해, 압연 마무리 온도를 적정하게 하는 것도 중요하다.

(5) 열간 압연 후의 강재에 냉간 가공을 실시하고, 그 후, 노멀라이징을 행하는 일 없이, 단시간의 고주파 켄칭을 행함으로써, 오스테나이트 결정립의 조대립의 방지뿐만 아니라, 미립화도 도모되어, 종래 이상으로 피로 특성의 향상도 가능해진다.

본 발명은, 이상의 새로운 지식에 기초하여 이루어진 것이며, 본 발명의 요지는 이하와 같다.

(1) 질량％로,

C:0.35 내지 0.6％,

Si:0.01 내지 1％,

Mn:0.2 내지 1.8％,

S:0.001 내지 0.15％,

Al:0.001 내지 1％,

Ti:0.05 내지 0.2％,

Nb:0.001 내지 0.04％

를 함유하고,

N:0.0060％ 이하,

P:0.025％ 이하,

O:0.0025％ 이하

로 제한하고, 또한

Nb/Ti≥0.015

를 만족시키고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고주파 켄칭용 강.

(2) 질량％로,

Cr:0.05 내지 0.2％,

Mo:0.02 내지 1.5％,

Ni:0.1 내지 3.5％,

V:0.02 내지 0.5％,

B:0.0002 내지 0.005％

중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 고주파 켄칭용 강.

(3) 상기 (1) 또는 (2)의 성분 조성을 갖는 강을 열간 압연하여 선재 또는 봉강으로 한, 베이나이트의 조직 분율이 30％ 이하(0％를 포함함), JIS G 0551에서 규정하는 페라이트 결정 입도 번호가 8 내지 11번인 것을 특징으로 하는 고주파 켄칭용 강.

(4) 상기 (3)에 기재된 고주파 켄칭용 강의 일부 또는 전부에, 냉간 가공을 실시한 후, 고주파 켄칭을 실시한 강 부품이며, 상기 강 부품의 일부 또는 전부의 JIS G 0551에서 규정하는 오스테나이트 결정 입도 번호가 11번 이상인 것을 특징으로 하는 고주파 켄칭 강 부품.

(5) 질량％로,

C:0.35 내지 0.6％,

Si:0.01 내지 1％,

Mn:0.2 내지 1.8％,

S:0.001 내지 0.15％,

Al:0.001 내지 1％,

Ti:0.05 내지 0.2％,

Nb:0.001 내지 0.04％

를 함유하고,

N:0.0060％ 이하,

P:0.025％ 이하,

O:0.0025％ 이하

로 제한하고, 또한

Nb/Ti≥0.015

를 만족시키고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강을,

가열 온도:1150 내지 1300℃, 보열 시간:10 내지 180분, 마무리 온도:840 내지 1000℃에서 열간 압연하여 선재 또는 봉강으로 하고,

그 후, 800 내지 500℃의 온도 범위를 1℃/초 이하의 냉각 속도로 제한하여 서랭하는 것을 특징으로 하는 고주파 켄칭용 강의 제조 방법.

(6) 상기 강이, 질량％로,

Cr:0.05 내지 0.2％,

Mo:0.02 내지 1.5％,

Ni:0.1 내지 3.5％,

V:0.02 내지 0.5％,

B:0.0002 내지 0.005％

중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (6)의 고주파 켄칭용 강의 제조 방법.

상기 (5) 또는 (6)의 방법으로 제조한 강의 일부 또는 전부에, 가공률이 50 내지 90％인 냉간 가공을 실시하고, 그 후, 가열 시간을 3초 이하로 하여 고주파 켄칭을 실시하는 것을 특징으로 하는 고주파 켄칭 강 부품의 제조 방법.

본 발명의 고주파 켄칭용 강을 사용하면, 드라이브 샤프트, 등속 조인트 외륜, 등속 조인트 내륜 등의, 돌기부를 갖는 자동차의 동력 전달계를 구성하는 축 부품에 제조에 있어서, 고주파 켄칭시에, 돌기부에서의 조대립의 생성을 방지할 수 있다. 그 결과, 변형이 경감된 고주파 켄칭 강 부품을 제조할 수 있으므로, 변형에 기인하는 소음을 경감시킬 수 있다. 또한, 종래 이상으로 피로 특성이 향상된 고주파 켄칭 강 부품을 제조할 수 있다.

도 1은 Ti+Nb 복합 첨가에 의한 조대립 방지능의 개선 효과를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태로서, 고주파 켄칭용 강 및 고주파 켄칭 강 부품 및 그 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명의 강의 성분 조성의 한정 이유에 대해 설명한다. 이하,「％」는 「질량％」를 의미하는 것으로 한다.

C:0.35 내지 0.6％

C는, 강에 필요한 강도를 부여하는데 유효한 원소이다. C의 함유량이 0.35％ 미만에서는, 강에 필요한 강도가 얻어지지 않고, C의 함유량이 0.6％를 초과하면, 강이 단단해져 냉간 가공성이 열화되고, 또한 고주파 켄칭 후의 인성이 열화된다. 따라서, C의 함유량은 0.35 내지 0.6％의 범위 내로 할 필요가 있다. 보다 바람직한 C의 함유량은 0.4 내지 0.56％이다.

Si:0.01 내지 1％

Si는 강의 탈산에 유효한 원소이고, 또한 강에 필요한 강도, 켄칭성을 부여하여, 템퍼링 연화 저항을 향상시키는데 유효한 원소이다. Si의 함유량이 0.01％ 미만에서는 그 효과가 충분히 얻어지지 않는다. Si의 함유량이 1％를 초과하면, 강의 경도가 상승하여, 냉간 가공성이 열화된다. 따라서, Si의 함유량은 0.01 내지 1％의 범위 내로 할 필요가 있다. Si는 냉간에서의 변형 저항을 높게 하므로, 냉단 부품 용도의 강재인 경우, 보다 바람직한 Si 함유량은 0.01 내지 0.15％이다.

Mn:0.2 내지 1.8％

Mn은 강의 탈산에 유효한 원소이고, 또한 강에 필요한 강도, 켄칭성을 부여하는데 유효한 원소이다. Mn의 함유량이 0.2％ 미만에서는, 그 효과가 충분히 얻어지지 않는다. Mn의 함유량이 1.8％를 초과하면, 그 효과는 포화되고, 또한 강의 경도가 상승하여, 냉간 가공성이 열화된다. 따라서, Mn의 함유량은 0.2 내지 1.8％의 범위 내로 할 필요가 있다. 보다 바람직한 Mn의 함유량은, 0.5 내지 1.2％이다. 냉간 가공성을 중시하는 경우는, Mn의 함유량은 0.5 내지 0.75％의 범위로 하는 것이 더욱 바람직하다.

S:0.001 내지 0.15％

S는 강 중에서 MnS를 형성하고, 이것에 의한 피삭성이 향상된다. S의 함유량이 0.001％ 미만에서는, 그 효과가 충분히 얻어지지 않는다. S의 함유량이 0.15％를 초과하면, 그 효과는 포화되고, 또한 입계 편석을 일으켜 입계 취화를 초래한다. 따라서, S의 함유량은, 0.001 내지 0.15％의 범위 내로 할 필요가 있다. 강의 피삭성을 중시하는 경우에는, S의 함유량은, 0.005 내지 0.15％의 범위로 하는 것이 바람직하다. 입계 강도를 중시하는 경우는, S의 함유량은, 0.001 내지 0.030％의 범위로 하는 것이 바람직하다. 피삭성과 입계 강도의 양쪽을 중시하는 경우는, S의 함유량은 0.005 내지 0.070％의 범위로 하는 것이 바람직하다.

Al:0.001 내지 1％

Al은 강의 탈산 및 피삭성 향상에 유효한 원소이다. Al의 함유량이 0.001％ 미만에서는, 탈산의 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 강 중의 Al은, 일부는 N과 결부되어 AlN으로서 석출되고, 또한 일부는 O와 결부되어 알루미나로서 존재하고, 나머지는 고용 Al로서 존재한다. 고용 Al은, 피삭성 향상에 유효하게 작용한다. 따라서, 피삭성을 중시하는 경우는, Al의 함유량을 0.05％ 초과로 할 필요가 있다. Al의 함유량이 1％를 초과하면, 강의 변태 특성에 크게 영향을 주므로, 상한은 1％로 한다. 강의 피삭성을 중시하는 경우는, Al의 함유량은 0.05 내지 1％의 범위로 하는 것이 바람직하다. 피삭성을 그다지 중시하지 않는 경우, Al의 함유량은 0.02 내지 0.05％의 범위로 하는 것이 바람직하다.

Ti:0.05 내지 0.2％

Ti는 강 중에서 미세한 TiC, TiCS를 생성시켜, 이에 의해 고주파 켄칭시에 오스테나이트 결정립이 미세화된다. Ti의 함유량이 0.05％ 미만에서는, 그 효과가 충분히 얻어지지 않는다. Ti의 함유량이 0.1％ 초과로 되면, 현저하게 오스테나이트 결정립의 미세화가 도모된다. Ti의 함유량이 0.2％를 초과하면, TiC에 의한 석출 경화에 의해, 냉간 가공성이 현저하게 열화되고, 또한 TiN 주체의 석출물에 의해 구름 이동 피로 특성이 열화된다. 따라서, Ti의 함유량의 상한은 0.2％로 한다. 보다 바람직한 Ti의 함유량은 0.1 초과 내지 0.2％이다.

Nb:0.001 내지 0.04％, Nb/Ti≥0.015

Nb는, 고주파 켄칭시에 강 중의 C, N과 결부되어 Nb(CN)를 형성하고, 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제한다.

도 1에, Ti, Nb의 첨가량을 바꾸었을 때의, 고주파 켄칭 온도와 오스테나이트 결정 입도 번호의 관계를 나타낸다. Ti와 Nb의 각각의 첨가량은, Ti의 단독 첨가시에는 Ti:0.13％, Ti와 Nb의 복합 첨가시에는 Ti:0.13％, Nb:0.005％이다. 그 밖의 성분 조성은, C:0.53 내지 0.54％, Si:0.01 내지 0.02％, Mn:0.61 내지 0.63％, S:0.009 내지 0.010％, Al:0.025 내지 0.026％, N:0.0048 내지 0.0050％, P:0.013 내지 0.014％, O:0.0008 내지 0.0009％이며, 잔량부는 철 및 불가피적 불순물이다.

도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, Ti와 Nb를 복합 첨가함으로써, Ti계 석출물에 의한 조대립 방지 효과가 보다 효과적으로 된다. 이것은, Ti계 석출물에 Nb가 고용되어, Ti계 석출물의 조대화를 억제하기 위함이다. 이 효과를 얻기 위해서는 Nb/Ti≥0.015를 만족시킬 필요가 있다.

본 발명은, Ti와 Nb의 양쪽을 첨가하는 것이 특징이다. Ti와 Nb의 양쪽을 첨가하는 것에 의한 조대립 방지 효과의 향상은, 1100℃ 미만에서도 보여진다. 본 발명의 중요한 점은, 보다 고온에 있어서, 구체적으로는 고주파 켄칭시의 돌기부의 온도인 1100 내지 1200℃에 있어서, 한층 더 조대립 방지 효과가 향상되는 점에 있다.

단, Nb를 첨가하면, 강의 절삭성이나 냉간 가공성이 열화된다. 특히, Nb의 첨가량이 0.04％ 이상으로 되면, 강의 경도가 단단해져 절삭성, 냉간 가공성이 열화되고, 또한 열간 압연의 가열시의 용체화가 곤란해진다. 따라서, Nb의 함유량은 0.04％ 이하로 할 필요가 있다. 절삭성, 냉간 가공성 등의 가공성을 중시하는 경우는, Nb의 함유량은 0.03％ 미만으로 하는 것이 바람직하다. Nb의 함유량이 0.001％ 미만으로 되면, 안정적으로 Nb/Ti≥0.015를 만족시킬 수는 없으므로, Nb의 함유량의 하한은 0.001％로 한다.

N:0.0060％ 이하로 제한

N은 불가피하게 강 중에 함유되어, 강 중의 Ti와 결부되면, 결정립의 제어에 거의 기여하지 않는 조대한 TiN을 생성한다. 이것이, TiC, TiCS 주체의 Ti계 석출물 및 NbC, NbC 주체의 Nb(CN)의 석출 사이트로 되어, 이들의 Ti계 석출물, Nb의 탄질화물의 미세 석출을 저해하여, 조대립의 생성을 촉진시킨다. N의 함유량이 0.0060％를 초과하면, 특히 현저하게 이 영향이 나타난다. 따라서, N의 함유량은0.0060％ 이하, 보다 바람직하게는 0.0050％ 미만으로 제한한다.

P:0.025％ 이하로 제한

P는 불가피하게 강 중에 함유되어, 냉간 가공 시의 변형 저항을 높여, 인성을 열화시키는 원소이므로, 그 결과, 강의 냉간 가공성이 열화된다. 또한, 켄칭, 템퍼링 후의 부품의 결정립계를 취화시킴으로써 피로 강도를 열화시키므로, P의 함유량은 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하다. 따라서, P의 함유량을 0.025％ 이하, 보다 바람직하게는 0.015％ 이하로 제한한다.

O:0.0025％ 이하로 제한

O는 불가피하게 강 중에 함유된다. 본 발명과 같은 고Ti강에 있어서는, O는, 강 중에서 Ti계의 산화물계 개재물을 형성한다. 산화물계 개재물이 강 중에 다량으로 존재하면, TiC의 석출 사이트로 되어, 열간 압연시에 TiC가 조대하게 석출되어, 그 결과, 고주파 켄칭시에 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제할 수 없게 된다. 따라서, O의 함유량은, 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하다. 따라서, O의 함유량은 0.0025％ 이하로 제한한다. 보다 바람직한 범위는 0.0020％ 이하이다. 베어링 부품, 구름 이동 부품에 있어서는, 산화물계 개재물이 구름 이동 피로 파괴의 기점으로 되므로, O의 함유량이 낮을수록 구름 이동 수명은 향상된다. 그로 인해, 베어링 부품, 구름 이동 부품에 있어서는, O의 함유량을 0.0012％ 이하로 제한하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 강은 강도, 켄칭성의 향상을 목적으로 하고, 또한 Cr, Mo, Ni, V, B 중 1종 또는 2종 이상을 선택 성분으로 하여 함유할 수 있다.

Cr:0.05 내지 0.2％

Cr은 첨가함으로써 강에 강도, 켄칭성을 부여하는데 유효한 원소이다. Cr의 함유량이 0.05％ 미만에서는, 그 효과가 충분히 얻어지지 않는다. Cr은 시멘타이트 중에 고용되어 시멘타이트를 안정화하므로, 고주파 켄칭의 단시간 가열시에 시멘타이트의 용입 불량을 일으키기 쉬워져, 경도 불균일의 원인으로도 된다. 따라서, Cr의 함유량의 상한은 0.2％로 한다. 보다 바람직한 Cr의 함유량은 0.07 내지 0.15％이다.

Mo:0.02 내지 1.5％

Mo는 첨가함으로써 강에 강도, 켄칭성을 부여하는 효과가 있다. Mo의 함유량이 0.02％ 미만에서는, 그 효과가 충분히 얻어지지 않는다. Mo의 함유량이 1.5％를 초과하면, 강의 경도가 상승하여 절삭성, 냉간 가공성이 열화된다. 따라서, Mo의 함유량은 1.5％ 이하, 보다 바람직하게는 0.5％ 이하로 한다.

Ni:0.1 내지 3.5％

Ni는 첨가함으로써 강에 강도, 켄칭성을 부여하는 효과가 있다. Ni의 함유량이 0.1％ 미만에서는, 그 효과가 충분히 얻어지지 않는다. Ni의 함유량이 3.5％를 초과하면, 강의 경도가 상승하여 절삭성, 냉간 가공성이 열화된다. 따라서, Ni의 함유량은 3.5％ 이하, 보다 바람직하게는 2.0％ 이하로 한다.

V:0.02 내지 0.5％

V는 첨가함으로써 강에 강도, 켄칭성을 부여하는 효과가 있다. V의 함유량이 0.02％ 미만에서는, 그 효과가 충분히 얻어지지 않는다. V의 함유량이 0.5％를 초과하면, 강의 경도가 상승하여 절삭성, 냉간 가공성이 열화된다. 따라서, V의 함유량은 0.5％ 이하, 보다 바람직하게는 0.2％ 이하로 한다.

B:0.0002 내지 0.005％

B는 첨가함으로써 강에 강도, 켄칭성을 부여하는데 유효한 원소이다. 또한, B는 이하의 효과도 갖는다.

(1) 열간 압연에 의해 선재 또는 봉강을 얻을 때에, 압연 후의 냉각 과정에서 붕소 철탄화물을 생성함으로써, 페라이트의 성장 속도를 증가시켜, 압연 상태로 연질화를 촉진시키는 효과.

(2) 고주파 켄칭재의 입계 강도를 향상시킴으로써, 고주파 켄칭 강 부품으로서의 피로 강도·충격 강도를 향상시키는 효과.

B의 함유량이 0.0002％ 미만에서는, 이상의 효과는 얻어지지 않는다. B의 함유량이 0.005％를 초과하면, 그 효과는 포화되고, 또한 충격 강도가 열화되는 등의 악영향이 우려된다. 따라서, B의 함유량을 0.005％ 이하, 보다 바람직하게는 0.003％ 이하로 한다.

본 발명의 강은, 피삭성의 개선을 위해, 상기한 각 성분에 더하여, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에서 Ca, Zr, Mg, Sb, Sn, Zn, Te, Bi, Pb 중 1종 또는 2종 이상을 함유할 수 있다.

다음에, 본 발명의 강의 조직에 대해 설명한다.

본 발명의 고주파 켄칭용 강은, 열간 압연 후의 베이나이트의 조직 분율을 30％ 이하(0％를 포함함)로 제한한다. 이것은 열간 압연 후의 강재에 베이나이트 조직이 혼입되면, 고주파 켄칭시의 조대립 발생의 원인으로 되기 때문이다. 또한, 베이나이트의 혼입을 억제하는 것은 냉간 가공성 개선의 시점에서도 바람직하다.

이들의 악영향은, 베이나이트의 조직 분율이 30％를 초과하면 특히 현저해져, 적은 쪽이 바람직하다. 이상의 이유로부터, 열간 압연 후의 베이나이트의 조직 분율을 30％ 이하(0％를 포함함)로 제한할 필요가 있다.

또한, 본 발명의 고주파 켄칭용 강에서는, 열간 압연 후의 페라이트 결정 입도 번호를 JIS G 0551(2005년 판)에서 규정되어 있는 8 내지 11번으로 한다.

열간 압연 후의 페라이트립이 과도하게 미세하면, 고주파 켄칭시에 오스테나이트립이 과도하게 미세화되고, 오스테나이트립이 과도하게 미세해지면, 조대립이 생성되기 쉬워진다. 특히, 페라이트 결정 입도 번호가 JIS G 0551에서 규정되어 있는 11번을 초과하면, 그 경향이 현저해진다. 또한, 오스테나이트립이 과도하게 미세해지면, 켄칭성의 열화에 의한 강도 부족 등의 폐해를 발생시킨다.

한편, 열간 압연 후의 페라이트 결정 입도 번호가 8번 미만의 조립으로 되면, 열간 압연재의 연성이 열화되어, 냉간 가공성이 열화된다.

따라서, 열간 압연 후의 페라이트 결정 입도 번호를 JIS G 0551에서 규정되어 있는 8 내지 11번의 범위 내로 할 필요가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 고주파 켄칭용 강의 일부 또는 전부에, 냉간 가공을 실시한 후, 고주파 켄칭을 실시하여, 일부 또는 전부가 JIS G 0551에서 규정하는 오스테나이트 결정 입도 번호가 11번 이상인 고주파 켄칭 강 부품을 제조할 수 있다.

이하, 본 발명의 고주파 켄칭용 강 및, 고주파 켄칭 강 부품의 제조 방법에 대해 설명한다.

상기한 성분 조성으로 이루어지는 강은, 전로, 전기로 등을 사용하여 통상의 방법에 의해, 성분 조정을 행하여 용제하여 얻을 수 있다. 그 후, 주조 공정, 필요에 따라서 분괴 압연 공정을 거쳐 선재 또는 봉강으로 열간 압연하기 위한 압연 소재로 한다.

다음에, 압연 소재를 1150℃ 이상, 1300℃ 이하의 온도로 가열하여, 10분 이상, 180분 이하의 시간 보열한다. 가열 온도가 1150℃ 미만, 또는 보열 시간이 10분 미만인 경우는, Ti계 석출물, Nb의 석출물을 일단 매트릭스 중에 고용시킬 수 없으므로, 열간 압연 후의 강재에, 필요한 양의 Ti계 석출물 및 Nb의 석출물을 미리 미세 석출시킬 수 없다. 그 결과, 열간 압연 후에 조대한 Ti계 석출물, Nb의 석출물이 발생하여, 고주파 켄칭시에 조대립의 발생을 억제할 수 없게 된다.

따라서, 열간 압연에서는, 1150℃ 이상의 온도로 가열하여, 10분 이상 보열하는 것이 필요하다. 보다 바람직한 조건은, 가열 온도 1180℃ 이상, 보열 시간 10분 이상이다.

가열 온도가 1300℃ 초과, 또는 보열 시간이 180분 초과인 경우, 강재에 탈탄되거나 스케일이 생성되어, 수율이 현저하게 저하된다. 따라서, 가열 온도는 1300℃ 이하, 보열 시간은 180분 이하로 하였다.

열간 압연의 마무리 온도는 840℃ 이상, 1000℃ 이하로 한다. 마무리 온도가 840℃ 미만에서는, 페라이트 결정 입도가 과도하게 미세해져, 고주파 켄칭시에 조대립이 발생되기 쉬워진다. 마무리 온도가 1000℃를 초과하면, 압연재의 경도가 단단해져 냉간 가공성이 열화된다.

다음에, 열간 압연 후의 선재 또는 봉강을, 800 내지 500℃의 온도 범위를 1℃/초 이하의 냉각 속도로 제한하여 서랭한다. 냉각 속도가 1℃/s를 초과하면, Ti계 석출물의 석출 온도 영역을 단시간밖에 통과시킬 수 없으므로, 미세한 TiC계 석출물, NbC의 석출량이 불충분해지고, 또한 베이나이트의 조직 분율이 커진다. 그 결과, 고주파 켄칭시에, 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제할 수 없게 된다.

또한, 냉각 속도가 크면 압연재의 경도가 상승되어, 냉간 가공성이 열화되므로, 냉각 속도는 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 냉각 속도는 0.7℃/s 이하이다.

냉각 속도를 작게 하는 방법으로서는, 압연 라인의 후방에 보온 커버 또는 열원이 구비된 보온 커버를 설치하고, 이에 의해, 서랭하는 방법을 들 수 있다. 냉각 속도는 1℃/초 이하로 제한하면 좋고, 하한은 설비 조건이나 조업 조건을 감안하여 설정하면 좋다.

주조편의 사이즈, 응고시의 냉각 속도, 분괴 압연 조건에 대해서는 특별히 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요건을 만족하면 어느 조건이라도 좋다.

본 발명의 고주파 켄칭 강 부품은, 상기한 방법으로 제조한 고주파 켄칭용 강에, 필요에 따라서 가공률이 50 내지 90％로 되는 냉간 가공을 실시한 후, 그 일부 또는 전부에, 가열 시간을 3초 이하로 제한한 고주파 켄칭을 실시함으로써 얻을 수 있다.

가공률을 50 내지 90％로 하는 것은, 재결정 온도(약 500℃) 이하의 냉간에서 가공률이 50 내지 90％인 강재를 고주파 켄칭을 실시하면, 냉간 가공에 의해 도입된 전위가 오스테나이트립의 생성 핵으로 되어, 도처에서 오스테나이트립이 생기기 때문이다.

가공률이 50％ 미만인 경우는, 오스테나이트립의 생성 핵으로 되는 전위의 도입이 불충분해진다. 가공률이 90％ 이상인 경우는, 고주파 켄칭시에 오스테나이트립이 과도하게 미세화되어, 그 결과, 이상(異常) 입성장이 발생되기 쉬워진다.

그것에 의해, 또한 고주파 켄칭시간을 3초 이하로 제한함으로써, 돌기부와 같이 최대 1100 내지 1200℃ 정도로 과열되는 부위에 있어서도, 오스테나이트 결정 입도 번호가 11번 이상인 고주파 켄칭 강 부품을 안정적으로 얻을 수 있다.

고주파 켄칭시간은, 3초 이하의 시간 내에서, 켄칭을 위해 필요한 온도가 얻어지는 가열 시간을, 적절하게 설정하면 좋다.

이상의 방법에 의해, 종래, 고주파 켄칭 강 부품에 있어서, 돌기부에서 오스테나이트 결정립이 조대화되어 결정 입도가 6번 미만으로 되고, 그것에 의해 변형이 발생되는 문제를 해결하여, 돌기부도 포함시켜 오스테나이트 결정 입도 번호가 11번 이상인 고주파 켄칭 강 부품을 얻을 수 있다. 이에 의해, 변형의 발생을 방지할 수 있고, 또한 종래의 고주파 켄칭 강 부품과 비교하여, 구름 이동 피로, 비틀림 피로 강도 등의 피로 강도에 우수한 고주파 켄칭 강 부품을 얻을 수 있다.

오스테나이트 결정 입도 번호는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 켄칭에 의한 마텐자이트 변태를 촉진시키기 위해서는, 14번 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 냉간 가공 후, 고주파 켄칭 전에 노멀라이징을 실시하면, 냉간 가공에 의해 도입된 전위가 소멸되어 미립화 효과가 얻어지지 않게 되므로, 냉간 가공 후, 고주파 켄칭 전에는 노멀라이징은 실시하지 않는다.

실시예

이하에, 본 발명의 효과를 실시예에 의해 더욱 구체적으로 나타낸다.

표 1 내지 2에 나타나는 성분 조성을 갖는 전로 용제 강을 연속 주조하고, 필요에 따라서 분괴 압연 공정을 거쳐 1변이 162㎜인 압연 소재로 하였다. 계속해서, 열간 압연에 의해 직경 24 내지 30㎜의 봉강을 제조하였다.

여기서, 표 1 내지 2 중의 고용 Al이라 함은, Al의 분석 과정에서 발생하는, 여과지상의 불용해 잔사를 공제하여 측정한 Al을 의미한다. Al의 분석 방법은, Al이 0.1％ 미만인 경우는 JIS G 1258에 의한 분석 방법, Al이 0.1％ 이상인 경우는 JIS G 1224에 의한 분석 방법으로 하였다.

열간 압연 후의 봉강에 대해, 마이크로 관찰을 행하여 베이나이트 분율을 측정하고, 또한 JIS G 0551(2005년)의 규정에 따라서 페라이트 결정 입도의 측정을 행하였다.

베이나이트 분율은, 샘플을 제작하고, 샘플을 나이탈에 의해 부식시킨 후에, 광학 현미경으로 조직을 관찰하였을 때의 관찰면 전체에서 차지하는 베이나이트 조직의 면적률로 하였다.

이어서, 상기한 공정에서 제조한 봉강으로부터, 또는 봉강에 가공률이 50 내지 92％인 냉간 가공을 행한 후, φ3㎜×10㎜L인 원통 시험편을 제작하여, 고주파 켄칭 강 부품의 돌기부를 시뮬레이트한 고주파 켄칭을 행하였다.

고주파 켄칭의 조건은, 후지덴파고오끼(富士電波工機)(주)제의, Thermecmastor_Z(주파수 400㎑)를 사용하여, 140℃/초로 1150℃까지 승온시켜, 0.2초 유지하고, 그 후, 헬륨 가스 분위기에서 켄칭으로 하였다.

그 후, 절단면을 연마하여 부식시켜, 구 오스테나이트 입경을 관찰하여, 오스테나이트 입도를 구하였다. 오스테나이트 입도의 측정은 JIS G 0551(2005년)에 준하여 행하고, 400배로 10시야 정도 관찰하여 평균을 구하였다. 오스테나이트 입도가 6번 미만인 것을 조대립으로서 판정하였다.

이들의 측정 결과를 표 3 내지 표 4에 나타낸다.

본 발명예의 봉강의 고주파 켄칭 후의 구 오스테나이트 입도 번호는 6번 이상으로, 양호하였다. 본 발명예의 봉강에 냉간 가공을 실시한 시험편의 고주파 켄칭 후의 구 오스테나이트 입도 번호는 11번 이상으로, 양호하였다.

이 결과로부터, 본 발명의 고주파 켄칭 강을 사용하면, 봉강 그대로 고주파 켄칭을 실시한 경우라도, 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.

또한, 냉간 가공을 실시함으로써 돌기부도 포함시켜 오스테나이트 결정 입도 번호가 11번 이상인 고주파 켄칭 강 부품을 얻을 수 있어, 한층 더 본 발명의 효과가 얻어지는 것을 알 수 있다. 이에 의해, 고주파 켄칭 강 부품의 변형의 발생을 방지할 수 있다.

비교예 29는 Ti의 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위보다도 하회한 것이다. 비교예 29는 고주파 켄칭 후의 구 오스테나이트 입도 번호가 5번으로 조대립으로 되었다.

비교예 30은 N의 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위보다도 상회한 것이다. 비교예 30은 고주파 켄칭 후의 구 오스테나이트 입도 번호가 4번으로 조대립으로 되었다.

비교예 31은 Nb/Ti≥0.015를 만족시키지 않았던 것이다. 비교예 31은 고주파 켄칭 후의 구 오스테나이트 입도 번호가 5번으로 조대립으로 되었다.

비교예 32는 Nb의 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위보다도 상회한 것이다. 비교예 32는 고주파 켄칭 후의 구 오스테나이트 입도 번호가 4번으로 조대립으로 되었다.

비교예 33은 Ti의 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위보다도 하회하고, 또한 냉간 가공의 가공률이 본 발명에서 규정하는 범위를 상회한 것이다. 비교예 33은 고주파 켄칭 후의 구 오스테나이트 입도 번호가 3번으로 조대립으로 되었다.

비교예 34는 열간 압연시의 보열 시간이 본 발명에서 규정하는 범위보다도 하회한 것이다. 비교예 34는 고주파 켄칭 후의 구 오스테나이트 입도 번호가 4번으로 조대립으로 되었다.

비교예 35는 열간 압연 후의 냉각 속도가 본 발명에서 규정하는 범위보다도 상회한 것이다. 비교예 35는 열간 압연 후의 베이나이트의 조직 분율이 본 발명에서 규정하는 범위보다도 상회하고, 또한 고주파 켄칭 후의 구 오스테나이트 입도 번호가 4번으로 조대립으로 되었다.

비교예 36은 열간 압연 후의 마무리 온도가 본 발명에서 규정하는 범위보다도 하회한 것이다. 비교예 36은 열간 압연 후의 페라이트 결정 입도 번호가 본 발명에서 규정하는 범위보다도 상회하고, 또한 고주파 켄칭 후의 구 오스테나이트 입도 번호가 4번으로 조대립으로 되었다.

비교예 37은 열간 압연시의 가열 온도가 본 발명에서 규정하는 범위보다도 하회한 것이다. 비교예 37은 고주파 켄칭 후의 구 오스테나이트 입도 번호가 5번으로 조대립으로 되었다.

비교예 38 및 39는 가공률이 본 발명에서 규정하는 범위보다도 하회한 것이다. 비교예 38 및 39는 고주파 켄칭 후의 구 오스테나이트 입도 번호가 각각 7번, 9번으로 되어, 냉간 가공에 의해 오스테나이트립을 미세화시키는 효과가 충분히 얻어지지 않았다.

본 발명의 고주파 켄칭용 강을 사용하면, 드라이브 샤프트, 등속 조인트 외륜, 등속 조인트 내륜 등의, 자동차의 동력 전달계를 구성하는 축 부품의 돌기부의 조대립을 방지할 수 있어, 변형이 경감되고, 또한 종래 이상으로 피로 특성이 향상된 고주파 켄칭 강 부품을 제조할 수 있으므로, 변형에 기인하는 소음을 경감시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 산업상의 효과는 지극히 현저한 것이다.

Claims (7)

1. 질량％로,
   C:0.35 내지 0.6％,
   Si:0.01 내지 1％,
   Mn:0.2 내지 0.75％,
   S:0.001 내지 0.15％,
   Al:0.001 내지 1％,
   Ti:0.1 초과 내지 0.2％,
   Nb:0.001 내지 0.04％
   를 함유하고,
   N:0.0060％ 이하,
   P:0.025％ 이하,
   O:0.0025％ 이하
   로 제한하고, 또한
   Nb/Ti≥0.015
   를 만족시키고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 고주파 켄칭용 강.
2. 제1항에 있어서, 질량％로,
   Cr:0.05 내지 0.2％,
   Mo:0.02 내지 1.5％,
   Ni:0.1 내지 3.5％,
   V:0.02 내지 0.5％,
   B:0.0002 내지 0.005％
   중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 고주파 켄칭용 강.
3. 제1항 또는 제2항에 기재된 성분 조성을 갖는 강을 열간 압연하여 선재 또는 봉강으로 한, 베이나이트의 조직 분율이 30％ 이하(0％를 포함함), JIS G 0551에서 규정하는 페라이트 결정 입도 번호가 8 내지 11번인 것을 특징으로 하는, 고주파 켄칭용 강.
4. 제3항에 기재된 고주파 켄칭용 강의 일부 또는 전부에, 냉간 가공을 실시한 후, 고주파 켄칭을 실시한 강 부품이며, 상기 강 부품의 일부 또는 전부의 JIS G 0551에서 규정하는 오스테나이트 결정 입도 번호가 11번 이상인 것을 특징으로 하는, 고주파 켄칭 강 부품.
5. 질량％로,
   C:0.35 내지 0.6％,
   Si:0.01 내지 1％,
   Mn:0.2 내지 0.75％,
   S:0.001 내지 0.15％,
   Al:0.001 내지 1％,
   Ti:0.1 초과 내지 0.2％,
   Nb:0.001 내지 0.04％
   를 함유하고,
   N:0.0060％ 이하,
   P:0.025％ 이하,
   O:0.0025％ 이하
   로 제한하고, 또한
   Nb/Ti≥0.015
   를 만족시키고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강을,
   가열 온도:1150 내지 1300℃, 보열 시간:10 내지 180분, 마무리 온도:840 내지 1000℃에서 열간 압연하여 선재 또는 봉강으로 하고,
   그 후, 800 내지 500℃의 온도 범위를 1℃/초 이하의 냉각 속도로 제한하여 서랭하는 것을 특징으로 하는, 고주파 켄칭용 강의 제조 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 강이, 질량％로,
   Cr:0.05 내지 0.2％,
   Mo:0.02 내지 1.5％,
   Ni:0.1 내지 3.5％,
   V:0.02 내지 0.5％,
   B:0.0002 내지 0.005％
   중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 고주파 켄칭용 강의 제조 방법.
7. 제5항 또는 제6항에 기재된 방법으로 제조한 강의 일부 또는 전부에, 가공률이 50 내지 90％인 냉간 가공을 실시하고, 그 후, 가열 시간을 3초 이하로 하여 고주파 켄칭을 실시하는 것을 특징으로 하는, 고주파 켄칭 강 부품의 제조 방법.

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