KR101453237B1

KR101453237B1 - 복합 강 부품 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101453237B1
Application number: KR1020137024711A
Authority: KR
Inventors: 고오지 오오바야시; 다이스케 가사이; 게이타 다구치; 다카아키 오기소; 츠토무 사토오
Original assignee: 아이신에이더블류 가부시키가이샤
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2014-10-22
Also published as: EP2650073A1; CN103442837B; JP5505364B2; US20150020924A1; JP2012223815A; US20120267010A1; CN103442837A; WO2012144297A1; KR20130133849A; EP2650073A4; US9034116B2; EP2650073B1

Abstract

제1 강 부품을 제조하는 데 있어서, 그 후의 침탄 공정에 있어서 형성되는 침탄층의 두께 이상의 잉여부(826)를 용접 예정부(825)에 부가한 중간품(800)을 준비하고, 그 표면에 침탄층(88)을 형성하는 침탄 공정과, 마르텐사이트 변태되는 냉각 속도보다도 느린 냉각 속도에 의해 냉각하는 냉각 공정과, 고밀도 에너지에 의해 침탄 켄칭부로 해야 할 부분을 오스테나이트 영역까지 가열한 후에 마르텐사이트 변태되는 냉각 속도 이상의 냉각 속도에 의해 냉각하는 켄칭 공정과, 용접 예정부(825)를 최종 원하는 형상으로 되도록 절삭하는 절삭 공정을 행한다.

Description

복합 강 부품 및 그 제조 방법 {COMPLEX STEEL COMPONENT AND PRODUCTION METHOD THEREFOR}

본 발명은, 침탄 켄칭부와 용접부의 양쪽을 구비한 복합 강 부품 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

예를 들어, 자동차용 자동 변속기에 조립되는 부품으로서, 원웨이 클러치용의 아우터레이스 부품 및 이너레이스 부품(특허문헌 1 참조)이 있다. 이들 레이스 부품은, 외주면 또는 내주면에 미끄럼 이동면을 갖는 원통 형상의 레이스부를 갖는다. 또한, 레이스 부품은, 다른 강 부품과 용접하기 위한 용접 예정부를 구비한 연결부를 갖고 있고, 당해 연결부와 상기 레이스부가 1 부품에 의해 형성되어 있다.

상기 레이스부는, 미끄럼 이동면의 내마모성을 향상시키기 위해, 표면 경도를 높이는 침탄 켄칭 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 용접 예정부는, 용접성 저하를 피하기 위해, 침탄 켄칭 처리를 실시하지 않는 쪽이 바람직하다. 이들을 실현하기 위해, 종래에는, 이하와 같은 복잡한 제조 방법을 채용하고 있다.

즉, 소재로서 비교적 탄소 함유량이 낮은 강재를 사용하여, 단조 및 절삭 공정을 거쳐, 최종 제품에 가까운 형상의 강 부품을 얻는다. 이어서, 그 강 부품의 용접 예정부를 방탄제(防炭劑)에 의해 덮는 방탄 처리를 행한다. 이어서, 가스 침탄로에 있어서 침탄 처리한 직후에 오일 켄칭한 후, 템퍼링 처리를 실시한다. 그 후, 방탄 처리한 부분에 숏 블라스트를 행하여, 방탄제를 제거한다. 그 후, 가장 내마모성이 필요한 상기 레이스부에 대해, 다시 고주파 켄칭 처리를 실시한다. 마지막으로, 용접 예정부에 대해, 가벼운 절삭 가공을 실시하여 최종 형상으로 조정한다.

또한, 일반적인 방탄 처리 방법 등에 대해서는, 예를 들어 이하의 특허문헌 2 등에 기재되어 있다.

일본 특허 출원 공개 제2005-61451호 공보 일본 특허 출원 공개 제2005-76866호 공보

상기 레이스 부품을 제1 강 부품으로 하고, 적어도 제2 강 부품과 용접 접합하여 복합 강 부품을 제조할 때의 종래의 제조 방법은, 상술한 바와 같이, 용접 예정부에 대해 방탄제를 도포하는 방탄 처리를 실시한 후에 침탄 처리하고, 그 후, 방탄제를 제거하고 나서 마무리의 가벼운 절삭 가공을 행할 필요가 있다. 이 중, 방탄 처리 및 방탄제를 제거하는 처리는, 매우 공정수가 많아, 비용 상승으로 연결되고 있다. 한편, 방탄 처리를 단순하게 생략하는 것은, 용접 예정부의 소재 탄소량이 증가하여, 용접시에 용접 균열을 일으키는 등의 폐해가 있다. 따라서 단순하게 방탄 처리를 생략할 수는 없다.

또한, 종래의 침탄 처리 직후의 오일 켄칭 처리만으로는, 상기 레이스부의 미끄럼 이동면의 경도가 충분히 높여지지 않는 경우가 있으므로, 다시 고주파 가열 후에 물 켄칭하는 고주파 켄칭을 실시하여 경도 향상 효과를 높이고 있다. 이러한 이중의 켄칭 처리는, 에너지 절약의 면으로부터 보아도 바람직하지 않다. 한편, 켄칭성의 향상을 위해 침탄 처리 직후의 켄칭을 오일로부터 물 등의 냉각능이 높은 매체를 사용한 방법 대신에, 그 후의 고주파 켄칭을 생략하는 것도 생각되지만, 이 경우에는, 레이스 부품 전체의 켄칭 변형이 커져, 그 교정 공정의 추가 등의 새로운 문제가 발생한다.

또한, 침탄 처리를 완전하게 없애기 위해, 비교적 탄소 함유량이 높은 강재를 사용하여, 최종의 고주파 켄칭만을 행하는 방법도 생각된다. 그러나, 가공성의 점으로부터 보아 탄소 함유량의 대폭 상승은 어려워, 침탄의 경우 정도로는 표면의 탄소 농도를 높일 수 없다. 그로 인해, 켄칭에 의한 경도 향상 효과가 낮아, 요구하는 내마모성이 얻어지지 않는다.

본 발명은, 이러한 배경에 기초하여 이루어진 것이며, 내마모성이 필요한 부분의 충분한 표면 경도 향상 효과가 얻어지는 동시에, 용접부의 특성을 지금까지 이상으로 향상시킬 수 있고, 또한 제조시의 방탄 처리를 완전하게 폐지할 수 있는 복합 강 부품의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 제1 형태는, 복수의 강 부품을 용접에 의해 연결하여 이루어지는 복합 강 부품을 제조하는 방법에 있어서,

침탄 켄칭 경화 처리를 실시한 침탄 켄칭부와, 적어도 제2 강 부품과의 용접이 예정되어 있는 용접 예정부를 갖는 제1 강 부품을 제조하는 데 있어서, 그 후의 침탄 공정에 있어서 형성되는 침탄층의 두께 이상의 잉여부를 상기 용접 예정부에 부가한 중간품을 준비하고,

상기 중간품을 침탄 분위기 중에 있어서 오스테나이트화 온도 이상으로 가열하여 표면에 침탄층을 형성하는 침탄 공정과,

상기 침탄 공정에 이어서, 마르텐사이트 변태되는 냉각 속도보다도 느린 냉각 속도에 의해 상기 중간품을 냉각하고, 또한 냉각에 의한 조직 변태가 완료되는 온도 이하까지 상기 중간품을 냉각하는 냉각 공정과,

고밀도 에너지에 의해 상기 중간품의 원하는 부분을 오스테나이트 영역까지 가열한 후에 마르텐사이트 변태되는 냉각 속도 이상의 냉각 속도에 의해 냉각하여, 상기 원하는 부분에 침탄 켄칭부를 형성하는 켄칭 공정과,

상기 중간품의 상기 잉여부를 절삭하는 절삭 공정을 행하고,

이어서, 얻어진 상기 제1 강 부품의 상기 용접 예정부에 적어도 제2 강 부품을 접촉시켜 용접함으로써 양자를 연결하는 용접 공정을 행하는 것을 특징으로 하는 복합 강 부품의 제조 방법에 있다.

본 발명의 제2 형태는, 복수의 강 부품을 용접에 의해 연결하여 이루어지는 복합 강 부품이며,

제1 강 부품이, 원통 형상을 나타내는 동시에 그 외주면 또는 내주면에 미끄럼 이동면을 갖는 레이스부와, 상기 레이스부로부터 연장되어 적어도 제2 강 부품과 연결되는 연결부를 갖고,

상기 레이스부는, 그 표층부가 마르텐사이트 조직으로 이루어지는 동시에 내부가 베이나이트 조직으로 이루어지는 침탄 켄칭부로 이루어지고,

상기 연결부는, 적어도 제2 강 부품과 용접된 용접부를 갖고,

상기 용접부는, 용융 재응고부와, 상기 용융 재응고부에 인접하는 열영향부를 구비하고,

상기 용융 재응고부는 마르텐사이트ㆍ베이나이트ㆍ펄라이트 조직으로 이루어지고, 상기 열영향부는 베이나이트ㆍ페라이트ㆍ펄라이트 조직으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 강 부품에 있다.

상기 제1 형태의 제조 방법에서는, 제1 강 부품을 제조할 때에, 상기 잉여부를 갖는 중간품을 사용하여 상기 침탄 공정, 냉각 공정을 실시한다. 그 후, 침탄 켄칭부로 해야 할 부분에 대해 국부적으로 상기 켄칭 공정을 실시하는 동시에, 상기 잉여부를 제거하는 절삭 공정을 행한다. 또한, 켄칭 공정과 절삭 공정의 순서는 어느 쪽이 먼저여도 된다.

이러한 제조 공정을 채용함으로써, 상기 용접 예정부에 대해서는, 켄칭 처리를 실시할 필요가 없고, 또한 침탄 공정에 의해 탄소 농도가 높아진 부분에 대해서는 상기 잉여부와 함께 상기 절삭 공정에 있어서 제거할 수 있다. 그로 인해, 용접 예정부를 설치하는 경우에 있어서의 종래와 같은 방탄 처리 및 방탄제 제거 처리를 완전하게 생략할 수 있어, 이들에 영향을 미치는 공정수와 사용 에너지의 삭감을 실현할 수 있다.

또한, 상기 침탄 켄칭부는, 고밀도 에너지를 사용한 상기 켄칭 공정을 국부적으로 실시함으로써, 변형 발생을 억제하면서, 내마모성이 우수한 고경도의 표면 상태를 갖는 동시에 인성이 우수한 내부를 갖는 침탄 켄칭부를 얻을 수 있다.

또한, 상기 제1 강 부품의 전체 형상은, 상기 침탄 공정 후에 급냉하는 일 없이 냉각 속도를 제한한 상기 냉각 공정을 실시함으로써, 냉각 변형이 억제되어, 치수 정밀도를 양호하게 유지할 수 있다.

이와 같이, 상기 제조 방법에 따르면, 상기 제1 강 부품을 얻을 때에, 내마모성이 필요한 부분의 충분한 표면 경도 향상 효과가 얻어지는 동시에, 용접 예정부의 용접성을 지금까지 이상으로 향상시킬 수 있고, 또한 제조시의 방탄 처리를 완전하게 폐지할 수 있다.

또한, 그 후의 용접 공정에 있어서는, 상기한 바와 같이, 용접성이 좋은 용접 예정부에 있어서 용접을 행하므로, 우수한 용접 강도를 갖는 복합 강 부품을 얻을 수 있다.

상기 제2 형태의 복합 강 부품은, 예를 들어 상기 제조 방법을 적용함으로써 용이하게 제조할 수 있다. 그리고, 상기 특정 조직의 침탄 켄칭부로 이루어지는 레이스부가 우수한 내마모성을 발휘하여, 상기 특정 조직으로 이루어지는 용접부가 우수한 특성을 갖는 것으로 된다.

도 1은 제1 실시예에 있어서의 제1 강 부품의 사시도.
도 2는 제1 실시예에 있어서의 제1 강 부품의 단면도.
도 3은 제1 실시예에 있어서의 중간 부재의 단면도.
도 4는 제1 실시예에 있어서의 중간 부품의 용접 예정부 근방의 확대 단면도.
도 5는 제1 실시예에 있어서의 침탄 공정 직후의 조직 상태를 도시하는 설명도.
도 6은 제1 실시예에 있어서의 켄칭 공정 직후의 조직 상태를 도시하는 설명도.
도 7은 제1 실시예에 있어서의 절삭 공정 후의 조직 상태를 도시하는 설명도.
도 8은 제1 실시예에 있어서의 제1 강 부품의 단면의 사진.
도 9는 도 8에 있어서의 (a) 부분의 금속 조직의 도면 대용 사진.
도 10은 도 8에 있어서의 (b) 부분의 금속 조직의 도면 대용 사진.
도 11은 도 8에 있어서의 (c) 부분의 금속 조직의 도면 대용 사진.
도 12는 도 8에 있어서의 (d) 부분의 금속 조직의 도면 대용 사진.
도 13은 제1 실시예에 있어서의 열처리 설비의 구성을 도시하는 설명도.
도 14는 제1 실시예에 있어서의 침탄 공정 및 냉각 공정의 히트 패턴을 나타내는 설명도.
도 15는 제1 실시예에 있어서의 켄칭 공정의 히트 패턴을 나타내는 설명도.
도 16은 비교 부품의 조직 상태를 도시하는 설명도.
도 17은 제1 실시예에 있어서의 제1 강 부품과 제2, 제3 강 부품의 용접 위치를 도시하는 설명도.
도 18은 제1 실시예에 있어서의 제1 강 부품과 제2, 제3 강 부품의 용접부의 조직 상태를 도시하는 설명도.
도 19는 제1 실시예에 있어서의 제1 강 부품과 제2, 제3 강 부품을 용접하여 이루어지는 복합 강 부품을 조립한 조립 부품의 구성을 도시하는 설명도.

상기 복합 강 부품의 제조 방법에 있어서, 상기 침탄 공정은, 대기보다 산소 농도가 낮은 저산소 침탄 분위기 중에 있어서 행하는 것이 바람직하다. 구체적인 방법으로서는, 예를 들어, 대기압보다도 낮게 감압한 감압하의 침탄 가스 중에 있어서 행하는 방법이 있다. 즉, 감압 침탄 공정을 채용하는 것이 유효하다. 감압 침탄 공정에서는, 고온의 침탄로의 내부를 감압 상태로 유지하면서 비교적 소량의 침탄 가스에 의해 침탄 처리를 행할 수 있으므로, 종래보다도 효율적으로 침탄 처리를 행할 수 있다. 또한, 종래의 대형의 열처리로를 사용한 장시간의 가열 처리가 불필요해지므로, 처리 시간의 단축 및 소비 에너지의 저감, 나아가서는, 침탄 켄칭 설비 자체의 소형화를 도모할 수 있다.

또한 감압 침탄을 채용하므로, 침탄 공정에 있어서, 침탄 분위기를 대기압에 대해 감압함으로써, 분위기 중의 산소량을 낮게 억제할 수 있다. 이에 의해 침탄층의 입계 산화를 방지할 수 있다.

또한, 대기보다 산소 농도가 낮은 침탄 분위기에 있어서 행하는 침탄 방법으로서는, 상기한 감압 침탄 방법에 한정되지 않으며, 예를 들어, 분위기를 감압하는 일 없이, 질소 가스나 불활성 가스를 충전함으로써, 분위기 중의 산소량을 낮게 억제하는 것에 의해, 침탄층의 입계 산화를 방지하는 방법도 채용 가능하다.

상기 감압 침탄은, 진공 침탄이라고도 하며, 노 내의 분위기를 감압하여, 침탄 가스로서 탄화수소계의 가스(예를 들어 메탄, 프로판, 에틸렌, 아세틸렌 등)를 직접 노 내에 삽입하여 행하는 침탄 처리이다. 감압 침탄 처리는, 일반적으로, 침탄 가스가 강의 표면에 접촉하였을 때에 분해되어 발생하는 활성 탄소가 강의 표면에 있어서 탄화물로 되어 강 중에 축적되는 침탄기와, 탄화물이 분해되어, 축적되어 있었던 탄소가 매트릭스에 용해되어 내부를 향해 확산되어 가는 확산기에 의해 구성된다. 또한, 탄소의 공급 루트는, 탄화물 경유의 루트에 의한 것에 한정되지 않으며, 직접 매트릭스에 용해되는 루트를 통과하는 것도 존재한다고 일컬어지고 있다.

또한, 상기 침탄 공정은, 1 내지 100hPa의 감압 조건하에서 행하는 것이 바람직하다. 감압 침탄 공정에 있어서의 침탄시의 감압이 1hPa 미만인 경우에는, 진공도 유지를 위해 고가의 설비가 필요해진다고 하는 문제가 발생할 가능성이 있다. 한편, 100hPa를 초과하는 경우에는 침탄 중에 그을음이 발생하여, 침탄 농도 불균일이 발생한다고 하는 문제가 발생할 우려가 있다.

또한, 상기 침탄 가스로서는, 예를 들어, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 메탄, 에틸렌, 에탄 등의 탄화수소계의 가스를 적용할 수 있다.

또한, 상기 켄칭 공정에 있어서 열원으로서 사용하는 상기 고밀도 에너지로서는, 예를 들어 전자 빔, 레이저 빔 등의 고밀도 에너지 빔, 또한 빔은 아니지만 고주파 가열 등의 고밀도 에너지가 있다. 고밀도 에너지를 이용함으로써, 단시간 가열이 가능해지는 동시에, 국부적인 가열이 가능해진다.

또한, 상기 복합 강 부품용 강 소재로서는, 탄소 함유량이 0.3질량％ 이하 정도의 저탄소강 혹은 저탄소 합금강을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 합금 첨가 원소가 적은 저탄소강을 사용하는 것이, 비용상, 혹은 희소 원소의 소비량 저감의 면으로부터 바람직하다. 그리고, 이러한 저탄소강을 소재로서 사용해도, 상기 제조 방법을 채용함으로써, 상기한 바와 같이 우수한 특성의 복합 강 부품을 얻는 것이 가능하다.

또한, 상기 복합 강 부품은, 원통 형상을 나타내는 동시에 그 외주면 또는 내주면에 미끄럼 이동면을 갖는 레이스부와, 상기 레이스부로부터 연장되어 적어도 제2 강 부품과 연결되는 연결부를 갖고, 상기 레이스부가 상기 침탄 켄칭부로 이루어지고, 상기 연결부에 상기 용접 예정부가 형성되는 부품으로 할 수 있다.

또한, 상기 연결부는, 상기 레이스부로부터 연장된 스플라인부와, 상기 스플라인부로부터 연장된 상기 용접 예정부를 갖고 있고, 상기 스플라인부에는 상기 켄칭 공정을 실시하지 않는 것으로 할 수 있다. 이 경우에는, 상기 스플라인부를 페라이트ㆍ펄라이트 조직으로 이루어지는 구성으로 할 수 있다.

실시예

(제1 실시예)

복합 강 부품 및 그 제조 방법에 관한 실시예에 대해, 도면을 사용하여 설명한다.

본 예에 있어서 제조하는 제1 강 부품(8)은, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 자동차용 자동 변속기에 조립되는 강 부품이며, 원웨이 클러치용의 이너레이스 부품이다. 이 제1 강 부품(8)은, 원통 형상을 나타내는 동시에 그 외주면에 미끄럼 이동면을 갖는 레이스부(81)와, 레이스부(81)로부터 연장되어 다른 강 부품과 연결되는 연결부(82)를 갖는다.

제1 강 부품(8)의 연결부(82)는, 레이스부(81)로부터 연장된 스플라인부(821)와, 이 스플라인부(821)로부터 직경 방향 내측을 향해 연장된 용접 예정부(825)를 갖고 있다. 용접 예정부(825)는, 엄밀하게는 2개소로 나뉘어 있고, 다른 2종류의 제2, 제3 강 부품(71, 72)과의 용접이 각각 예정되어 있는 부위이다. 또한, 레이스부(81)는, 침탄 켄칭 경화 처리를 실시한 침탄 켄칭부이다.

이러한 제1 강 부품(8)을 제조하는 데 있어서, 도 3, 도 4에 도시하는 바와 같이, 우선, 탄소 함유량이 0.15질량％인 저탄소강을 소재로 하여, 열간 단조 공정 및 절삭 공정을 거쳐 제작한 중간품(800)을 준비한다. 이 중간품(800)은, 용접 예정부(825)의 형상을, 그 후의 침탄 공정에 있어서 형성되는 침탄층의 두께 이상의 잉여부(826)를 파선(K)에 의해 나타낸 최종 원하는 형상에 부가한 형상으로 한 것이다.

다음에, 중간품(800)을 침탄 분위기 중에 있어서 오스테나이트화 온도 이상으로 가열하여 표면에 침탄층을 형성하는 침탄 공정을 실시한다.

다음에, 이 침탄 공정에 이어서, 마르텐사이트 변태되는 냉각 속도보다도 느린 냉각 속도에 의해 중간품(800)을 냉각하고, 또한 냉각에 의한 조직 변태가 완료되는 온도 이하까지 중간품(800)을 냉각하는 냉각 공정을 실시한다.

다음에, 고밀도 에너지에 의해 중간품(800)의 침탄 켄칭부로 해야 할 부분인 레이스부(81) 전체를 오스테나이트 영역까지 가열한 후에 마르텐사이트 변태되는 냉각 속도 이상의 냉각 속도에 의해 냉각하는 켄칭 공정을 실시한다.

그 후, 중간품(800)의 용접 예정부(825)를 최종 원하는 형상으로 되도록 절삭하는 절삭 공정을 실시한다. 또한, 이 절삭 공정과 상기 켄칭 공정은 순서를 바꾸는 것도 가능하다.

이하, 더 상세하게 설명한다.

우선, 상기 중간품(800)에 대해 침탄 공정으로부터 켄칭 공정까지를 행하기 위한 열처리 설비(5) 및 구체적인 열처리 조건 등에 대해 간단하게 설명한다.

도 13에 도시하는 바와 같이, 열처리 설비(5)는, 침탄 켄칭 처리 전에 강 부품을 세정하기 위한 전세정조(51)와, 가열실(521), 감압 침탄실(522), 및 감압 서랭실(523)을 구비한 감압 침탄 서랭 장치(52)와, 고주파 켄칭기(53)와, 결함을 검사하기 위한 자기 탐상 장치(54)를 구비한 것이다.

열처리 설비(5)를 사용하여 행하는 본 예의 침탄 공정은, 대기압보다도 낮게 감압한 감압하의 침탄 가스 중에 있어서 행하는 감압 침탄 공정이다. 이 공정에 있어서의 히트 패턴 A를 도 14에 나타낸다. 도 14는 횡축에 시간을, 종축에 온도를 취한 것이다.

도 14로부터 알 수 있는 바와 같이, 침탄 공정의 히트 패턴 A는, 승온 영역 a에 있어서 침탄 온도까지 승온하고, 다음에, 유지 영역 b1, b2에 있어서 온도를 일정하게 유지하였다. 유지 온도는 오스테나이트화 온도 이상의 온도인 950℃ 일정으로 하였다. 이 유지 영역의 최초 영역 b1은, 침탄 처리에 있어서의 침탄기의 영역이고, 그 후의 영역 b2는 침탄 처리에 있어서의 확산기의 영역이다. 감압 침탄 처리의 감압 조건은, 1 내지 3.5hPa로 하고, 상기 침탄기 영역 b1에서의 침탄 가스로서 아세틸렌을 사용하였다.

감압 침탄 처리의 확산기를 종료한 후, 냉각 공정으로서의 냉각 영역 c를 행한다. 본 예에서는 감압 서랭 공정을 채용하고, 그 감압 조건은 600hPa로 하였다. 또한, 냉각 분위기 가스는 질소(N₂)로 하였다. 또한, 감압 서랭 공정의 냉각 속도는, 침탄 처리 직후의 오스테나이트화 온도 이상의 온도로부터 A1 변태점보다도 낮은 150℃의 온도로 될 때까지, 냉각 속도는 0.1 내지 3.0℃/초의 범위 내로 되는 조건으로 하였다. 또한, 여기서 나타내는 히트 패턴 A 및 다른 조건은 일례이며, 적절하게 예비 시험 등에 의해 처리하는 강 부품에 있어서 최적의 조건으로 변경 가능하다.

냉각 공정 후에 행하는 본 예의 켄칭 공정은, 그 가열 수단으로서 고주파 가열을 채용하고, 급냉 수단으로서 수냉을 채용하였다. 이 히트 패턴 B를 도 15에 나타낸다. 도 15는 횡축에 시간을, 종축에 온도를 취한 것이다. 도 15에 나타내는 바와 같이, 본 예의 켄칭 공정은, 고주파 가열에 의해 레이스부(81) 전체를, 오스테나이트화 온도 이상의 온도로 가열하는 승온 영역 d1과, 그 후, 침탄층에 있어서 마르텐사이트 변태되는 급냉 임계 냉각 속도 이상의 냉각 속도가 용이하게 얻어지도록, 물이나 켄칭 균열 방지제를 포함한 냉각수를 분사하여 물 켄칭하는 급냉 영역 d2로 이루어진다. 히트 패턴 B는, 적절하게 예비 시험 등에 의해 처리하는 강 부품에 있어서 최적의 조건으로 변경 가능하다.

다음에, 상기 각 공정을 거치는 것에 의한 중간품(800) 및 제1 강 부품(8)에 있어서의 각 부의 조직 상태의 변화에 대해 설명한다.

우선, 중간품(800)은, 도 3, 도 4에 도시하는 바와 같이, 용접 예정부(825)의 형상이, 잉여부(826)를 부가한 형상을 나타내고 있다. 상기 침탄 공정 전의 내부 조직은, 열간 단조를 종료한 통상의 강 부품과 마찬가지로, 소성 가공이 실시된 조직 상태로 되어 있다. 상기 침탄 공정을 행함으로써, 중간품(800)의 전체가 오스테나이트 조직으로 된다. 또한, 이때, 중간품(800)의 표층부는, 탄소 농도가 모재보다도 높아진 고 탄소 농도의 침탄층(88)(도 5 참조)으로 된다.

이어서, 도 5에 도시하는 바와 같이, 오스테나이트 조직 상태의 중간품(800)은, 그 후의 감압 서랭 공정을 행함으로써, 침탄층(88) 이외에는 페라이트ㆍ펄라이트 조직(FP)으로 되고, 표층의 침탄층(88)은 펄라이트 조직(P)으로 된다.

다음에, 중간품(800)의 레이스부(81)는, 켄칭 공정의 고주파 가열에 의해 국부적으로 가열되어 오스테나이트 조직 상태로 된다. 그 후의 수냉에 의해, 도 6에 도시하는 바와 같이, 침탄층(88)은 마르텐사이트 조직(M)으로 되고, 그 내측은 베이나이트 조직(B)으로 된다. 한편, 켄칭 공정을 실시하지 않는 연결부(82)는, 표층의 침탄층(88)이 펄라이트 조직(P)인 동시에 내부가 페라이트ㆍ펄라이트 조직(FP) 그대로의 상태를 유지한다.

그 후, 도 7에 도시하는 바와 같이, 중간품(800)의 연결부(82)에 있어서의 용접 예정부(825)는, 절삭 공정을 실시함으로써, 침탄층(88)을 포함하는 잉여부(826)가 제거된다. 이에 의해, 제1 강 부품(8)이 얻어진다. 그리고, 강 부품(8)의 용접 예정부(825)는, 페라이트ㆍ펄라이트 조직(FP)이 노출된 상태로 된다.

도 8에는, 얻어진 제1 강 부품(8)의 단면을 관찰한 사진을, 도 9 내지 도 12에는, 각 부의 금속 조직을 관찰한 사진을 나타내고 있다. 도 8의 강 부품(8)의 단면 사진에 있어서의 명도의 차이에 의해, 매크로적인 조직의 차이를 알 수 있다. 또한, 도 9의 금속 조직 사진으로부터, 켄칭 공정을 실시하고 있지 않은 연결부(82)에 있어서의 표층[도 8의 (a) 부분]의 침탄층(88)이 펄라이트 조직(P)으로 이루어지는 것이 관찰되었다. 도 10의 금속 조직 사진으로부터, 켄칭 공정을 실시하고 있지 않은 연결부(82)에 있어서의 내부[도 8의 (b) 부분] 및 용접 예정부(825)가 페라이트ㆍ펄라이트 조직(FP)으로 이루어지는 것이 관찰되었다. 도 11의 금속 조직 사진으로부터, 켄칭 공정을 실시한 침탄 켄칭부인 레이스부(81)에 있어서의 표층[도 8의 (c) 부분]의 침탄층(88)이 마르텐사이트 조직(M)으로 이루어지는 것이 관찰되었다. 또한, 도 12의 금속 조직 사진으로부터, 켄칭 공정을 실시한 침탄 켄칭부인 레이스부(81)에 있어서의 내부[도 8의 (d) 부분]가 베이나이트 조직(B)으로 이루어지는 것이 관찰되었다.

또한, 절삭 공정 처리시에는, 그 전 또는 후에 연마 처리 혹은 연삭 처리 등을 실시하여, 전체의 치수 정밀도를 더욱 향상시키는 것 및 마지막에 세정을 행하는 것이 제품 품질의 향상에 유효하다.

다음에, 얻어진 제1 강 부품(8)의 각 부의 경도 특성 및 용접성을 평가하였다. 또한, 비교를 위해, 종래의 제조 방법에 의해 얻어진 비교 부품(9)을 준비하였다.

비교 부품(9)은, 연결부(92) 중 용접 예정부(925)를 포함하는 부분의 표면을 방탄제로 덮는 방탄 처리를 실시한 후, 침탄 켄칭 처리를 실시하고, 그 후 숏 블라스트에 의해 방탄제를 제거하고, 다시 연마 등의 마무리 처리를 실시한 것이다. 도 16에 도시하는 바와 같이, 비교 부품(9)은, 방탄 처리를 실시하고 있지 않은 레이스부(91)의 표면층이 침탄층(98)으로 되어 있는 동시에 마르텐사이트 조직으로 되어 있고, 그 내부 및 연결부(92) 전체가 베이나이트 조직으로 되어 있다.

강 부품(8) 및 비교 부품(9)의 각 부의 경도는, 단면에 있어서 측정하였다.

강 부품(8)의 레이스부(81)의 침탄층(88)(도 7)에 있어서의 마르텐사이트 조직(M)의 부분의 경도는, 비커스 경도에 있어서 HV768 내지 801의 범위에 있어, 매우 고경도인 것을 알 수 있었다. 또한, 강 부품(8)의 레이스부(81)의 내부의 베이나이트 조직(B)의 부위는, 비커스 경도에 있어서 HV317 내지 452의 범위에 있어, 적당한 경도를 갖고, 인성도 우수한 범위에 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 강 부품(8)의 연결부(82)에 있어서의 용접 예정부(825)를 포함하는 페라이트ㆍ펄라이트 조직(FP)의 부분은, 비커스 경도에 있어서 HV154 내지 168의 범위에 있어, 비교적 저경도이고, 한편, 연결부(82)의 표층의 침탄층(88)의 펄라이트 조직(P)으로 이루어지는 부분은 약간 경도가 높고, 비커스 경도에 있어서 HV265 내지 283의 범위에 있었다.

이에 대해, 비교 부품(9)은, 레이스부(91)의 침탄층(98)(도 16)에 있어서의 마르텐사이트 조직(M)의 부분의 경도는, 비커스 경도에 있어서 HV768 내지 796의 범위에 있어, 매우 고경도였다. 또한, 비교 부품(9)의 레이스부(91)의 내부 및 연결부(92) 전체의 베이나이트 조직(B)의 부위는, 비커스 경도에 있어서 HV298 내지 448의 범위에 있었다.

이러한 종래의 제조 방법에 의해 제작한 비교 부품(9)과 본 예의 강 부품(8)의 비교에 의해, 강 부품(8)의 레이스부(81)는, 비교 부품(9)에 비해, 레이스부(81)의 표면 경도가 동등한 정도로, 매우 우수한 내마모성 특성을 유지하고 있는 것을 알 수 있었다.

또한, 본 예의 제1 강 부품(8)의 스플라인부(821)는, 상기 연결부(82)의 일부로, 표층의 침탄층(88)이 펄라이트 조직(P)으로 이루어지고, 내부가 페라이트ㆍ펄라이트 조직(FP)으로 이루어진다. 한편, 비교 부품(9)의 스플라인부(921)는, 레이스부(91)와 마찬가지로 표층의 침탄층(98)이 마르텐사이트 조직(M)인 동시에, 내부가 베이나이트 조직(B)이다. 이 차이에 의해, 스플라인부(821)와 스플라인부(921)의 경도 특성 등이 다르고, 비교 부품(9)보다도 강 부품(8)의 쪽이 적어도 표면 경도가 낮다. 본 예의 강 부품(8)인 원웨이 클러치용의 이너레이스 부품에 있어서는, 제2, 제3 강 부품(71, 72)의 결합 상태를 고려하면, 상기한 바와 같이, 표층의 침탄층(88)이 펄라이트 조직(P)으로 이루어지고, 내부가 페라이트ㆍ펄라이트 조직(FP)으로 이루어지고, 종래보다도 저경도로 한 쪽이 진동 그 밖의 다양한 성능면에 있어서 바람직한 것이 판명되었다. 또한, 이 스플라인부(821)에 대해서는, 필요에 따라서, 상기 레이스부(81)와 마찬가지로, 켄칭 처리 공정을 적용하여 침탄 켄칭부로 하는 것도 가능하다.

다음에, 강 부품(8) 및 비교 부품(9)의 용접성을 평가하였다. 구체적으로는, 도 17에 도시하는 바와 같이, 용접 예정부(825)에 용접해야 할 제2, 제3 강 부품(71, 72)을 준비하고, 용접 부위(W1, W2)에 대해 실제로 전자 빔 용접을 실시하였다. 그리고, 용접부에 대해, 비틀림 시험을 행하였다.

시험 결과, 강 부품(8)의 용접성은 비교 부품(9)과 동등 이상인 것을 알 수 있었다.

제1 강 부품(8)과 제2 강 부품(71) 및 제3 강 부품(72)으로 제작한 복합 강 부품(75)의 2개소의 용접부(750a, 750b)는, 도 18에 도시하는 바와 같이, 용융 재응고부(751)와, 이것에 인접하는 열영향부(752)를 구비한다. 용융 재응고부(751)는 마르텐사이트ㆍ베이나이트ㆍ펄라이트 조직(MBP), 즉, 마르텐사이트 조직과 베이나이트 조직과 펄라이트 조직이 혼합된 조직으로 되어 있다. 또한, 열영향부(752)는 베이나이트ㆍ페라이트ㆍ펄라이트 조직(BFP), 즉, 베이나이트 조직과 페라이트 조직과 펄라이트 조직이 혼합된 조직으로 되어 있다. 열영향부(752)의 주위는, 본래의 용접 예정부(825)의 페라이트ㆍ펄라이트 조직(FP)으로 이루어진다. 강 부품(8)의 그 밖의 부분의 조직은, 용접 공정 전과 다름없다. 또한, 제2 강 부품(71) 및 제3 강 부품(72)에 있어서의 용접부(750a, 750b)의 주위의 조직은 페라이트ㆍ펄라이트 조직(FP)으로 이루어진다.

다음에, 도 18에는, 제2, 제3 강 부품(71, 72)과 제1 강 부품(8)을 용접부(750a, 750b)를 통해 연결하여 이루어지는 복합 강 부품(75)을 조립한 조립 부품(7)을 도시한다. 조립 부품(7)은, 자동차용 자동 변속기이다. 제1 강 부품(8)은, 조립 부품(7)에 있어서의 원웨이 클러치용의 이너레이스 부품으로, 레이스부(81)에 우수한 내마모성이 필요한 동시에, 용접 예정부(825)에는 제2, 제3 강 부품(71, 72)과의 우수한 용접성이 요구된다. 여기서, 제2, 제3 강 부품(71, 72)은, 조립 부품(7)에 있어서의 유성 기어 기구의 캐리어로, 유성 기어 기구의 선 기어 및 링 기어와 맞물리는 피니언 기어를 지지하는 것이다. 이러한 용도에 있어서, 상기 실시예의 제1 강 부품(8) 및 이것을 제2, 제3 강 부품(71, 72)에 용접하여 이루어지는 복합 강 부품(75)은, 요구 품질을 충분히 구비하여, 우수한 성능을 발휘한다.

Claims

복수의 강 부품을 용접에 의해 연결하여 이루어지는 복합 강 부품을 제조하는 방법에 있어서,
침탄 켄칭 경화 처리를 실시한 침탄 켄칭부와, 적어도 제2 강 부품과의 용접이 예정되어 있는 용접 예정부를 갖는 제1 강 부품을 제조하는 데 있어서, 그 후의 침탄 공정에 있어서 형성되는 침탄층의 두께 이상의 잉여부를 상기 용접 예정부에 부가한 중간품을 준비하고,
상기 중간품을 침탄 분위기 중에 있어서 오스테나이트화 온도 이상으로 가열하여 표면에 침탄층을 형성하는 침탄 공정과,
상기 침탄 공정에 이어서, 마르텐사이트 변태되는 냉각 속도보다도 느린 냉각 속도에 의해 상기 중간품을 냉각하고, 또한 냉각에 의한 조직 변태가 완료되는 온도 이하까지 상기 중간품을 냉각하는 냉각 공정과,
고밀도 에너지에 의해 상기 중간품의 원하는 부분을 오스테나이트 영역까지 가열한 후에 마르텐사이트 변태되는 냉각 속도 이상의 냉각 속도에 의해 냉각하여, 상기 원하는 부분에 침탄 켄칭부를 형성하는 켄칭 공정과,
상기 중간품의 상기 잉여부를 절삭하는 절삭 공정을 행하고,
이어서, 얻어진 상기 제1 강 부품의 상기 용접 예정부에 적어도 제2 강 부품을 접촉시켜 용접함으로써 양자를 연결하는 용접 공정을 행하는 것을 특징으로 하는, 복합 강 부품의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 침탄 공정은, 대기보다 산소 농도가 낮은 저산소 침탄 분위기 중에 있어서 행하는 것을 특징으로 하는, 복합 강 부품의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 강 부품은, 원통 형상을 나타내는 동시에 그 외주면 또는 내주면에 미끄럼 이동면을 갖는 레이스부와, 상기 레이스부로부터 연장되어 적어도 제2 강 부품과 연결되는 연결부를 갖고, 상기 레이스부가 상기 침탄 켄칭부로 이루어지고, 상기 연결부에 상기 용접 예정부가 형성되는 것을 특징으로 하는, 복합 강 부품의 제조 방법.
제3항에 있어서, 상기 연결부는, 상기 레이스부로부터 연장된 스플라인부와, 상기 스플라인부로부터 연장된 상기 용접 예정부를 갖고 있고, 상기 스플라인부에는 상기 켄칭 공정을 실시하지 않는 것을 특징으로 하는, 복합 강 부품의 제조 방법.
복수의 강 부품을 용접에 의해 연결하여 이루어지는 복합 강 부품이며,
제1 강 부품이, 원통 형상을 나타내는 동시에 그 외주면 또는 내주면에 미끄럼 이동면을 갖는 레이스부와, 상기 레이스부로부터 연장되어 적어도 제2 강 부품과 연결되는 연결부를 갖고,
상기 레이스부는, 그 표층부가 마르텐사이트 조직으로 이루어지는 동시에 내부가 베이나이트 조직으로 이루어지는 침탄 켄칭부로 이루어지고,
상기 연결부는, 적어도 제2 강 부품과 용접된 용접부를 갖고,
상기 용접부는, 용융 재응고부와, 상기 용융 재응고부에 인접하는 열영향부를 구비하고,
상기 용융 재응고부는 마르텐사이트ㆍ베이나이트ㆍ펄라이트 조직으로 이루어지고, 상기 열영향부는 베이나이트ㆍ페라이트ㆍ펄라이트 조직으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 복합 강 부품.
제5항에 있어서, 상기 제1 강 부품의 상기 연결부는, 상기 레이스부로부터 연장된 스플라인부와, 상기 스플라인부로부터 연장된 상기 용접부를 갖고 있고, 상기 스플라인부는 페라이트ㆍ펄라이트 조직으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 복합 강 부품.