KR101559616B1 - 기어 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

화학 성분이 C : 0.1 내지 0.40％(질량％), Si : 0.35 내지 3.0％, Mn : 0.1 내지 3.0％, Cr : 0.2％ 미만, Mo : 0.1％ 이하, P : 0.03％ 이하, S : 0.15％ 이하, Al : 0.05％ 이하, N : 0.03％ 이하, Fe 및 불가피 불순물 : 잔량부인 소재 강을 사용한다. 저산소 농도 하에서 표층에 침탄층을 형성하는 침탄 공정과, 침탄 공정 후에 마르텐사이트 변태하지 않는 느린 냉각 속도로 조직 변태가 완료되는 온도 이하까지 냉각하는 냉각 공정과, 냉각 공정 후에 고밀도 에너지 가열에 의해 가열하여, 코어부를 오스테나이트화시키는 일 없이, 코어부보다 얕은 영역과 이부를 오스테나이트화시키고, 그 상태로부터 급랭하는 켄칭 공정을 행한다. 이에 의해, 이부 및 이 뿌리부의 표층부를 침탄층으로 하고, 이부의 잔량부와, 원판부 중 침탄층의 아랫부분을 켄칭 경화층으로 하고, 원판부에서의 켄칭 경화층보다 깊은 영역을 비 켄칭층으로 한다.

Description

기어 및 그 제조 방법 {GEAR AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은, 예를 들어 자동차의 구동계에서의 디퍼렌셜 링 기어와 같은, 표층부뿐만 아니라 코어부까지 응력이 걸릴 정도로 높은 토크의 전달에 사용되는 기어 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 강을 소재로 하고, 침탄이나 켄칭 등의 공정을 거쳐 경화된 기어 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

기어 등의 강 부재는, 인성을 유지하면서 표면 경도를 높이기 위한 처리로서 침탄 켄칭 처리가 실시되는 경우가 많다. 이하, 적절하게 침탄 처리를 한 강 부재를 침탄강 부재라고 한다. 침탄 켄칭 처리는 강 부재를 오스테나이트화 온도 이상으로 가열한 상태에서 표면의 탄소 농도를 증대시키는 침탄 처리를 행한 후에, 켄칭 처리를 행하여 코어부의 인성을 확보하는 동시에, 표면 경도를 높이기 위한 처리이다. 침탄 켄칭 처리를 적용해서 강 부재를 제조하는 방법으로서는, 지금까지 여러 가지 방법이 제안되어 있다. 예를 들어 특허문헌 1에서는, Cr이나 Mo를 함유하는 강 소재에 침탄, 서랭, 고주파 가열에 의한 켄칭 등의 공정을 실시하고 있다.

WO2006/118242호 공보

상기 종래 기술과 같이 Cr의 함유율이 높은(예를 들어 0.2 질량％ 이상) 강 소재의 경우에는, 침탄 후의 서랭 시에, 침탄층 내의 펄라이트, 페라이트 중에 Cr 탄화물이 생성된다. 그리고 서랭 후의 고주파 가열을 비교적 고온(예를 들어 950℃ 이상)에서 행하면, 이 Cr 탄화물은 매트릭스 중에 용해한다. 이로 인해, 고주파 가열 시의 오스테나이트 변태가 균일하게 일어나, 균일한 켄칭 조직을 얻을 수 있다. 이에 의해 경도도 균일해진다. 한편, 서랭 후의 고주파 가열을 비교적 저온(예를 들어 950℃ 미만)에서 행하면, Cr 탄화물의 매트릭스 중으로의 용해가 그다지 일어나지 않는다. 이로 인해 오스테나이트 변태가 불균일해져, 켄칭 조직도 불균일해진다. 이것이 경도 불균일의 발생 요인이 된다.

또한, Mo의 함유율이 높은 경우(예를 들어 0.1 질량％ 이상)라도, Cr의 경우만큼은 아니지만, 같은 이유로 경도 불균일의 발생 요인이 된다. Mo도 침탄 후의 서랭 시에 탄화물을 형성하기 때문이다. 즉, Cr이나 Mo의 함유율이 높은 강 소재의 경우에 균일한 켄칭 조직을 얻기 위해서는, 서랭 후의 고주파 가열을 비교적 고온에서 행할 필요가 있게 된다.

여기서, 강 부재를 기어에 사용할 경우에는, 표층부가 고경도인 것이 요구되는 한편, 내층부에 대해서는 경도보다도 고인성인 것이 요구된다. 또한, 높은 형상 정밀도도 요구된다. 표층부의 고경도와 내층부의 고인성을 양립하기 위해서는, 고주파 켄칭 시, 기어의 표층부만을 윤곽 형상으로 가열해서 켄칭할 필요가 있다. 이것을 실현하기 위해서는, 고주파 켄칭을 고출력 단시간에 행할 필요가 있다. 가열 시간을 짧게 억제함으로써, 내층부로의 열 전도를 억제해서 윤곽 형상의 가열로 하는 것이다. 그만큼 가열의 출력이 높으므로, 표층부는 비교적 고온이 된다. 특히 이 끝 부분은, 용융 기미가 보이는 경우도 있다.

이와 같은 가열 방법을 이용하면, 이 끝을 포함하는 표층부에서는, 상술한 바와 같이 Cr 탄화물이나 Mo 탄화물이 매트릭스 중에 용해되므로 균일한 켄칭 조직을 얻을 수 있다. 또, 표층부라도 이 뿌리 부분은, 이 끝부에 비하면 약간 저온(예를 들어 950℃ 정도)이 되지만, 경도 불균일이 발생할 정도는 아니다. 고주파 가열 자체를 고출력으로 행하기 때문이다.

그런데 기어에는, 자동차의 구동계, 특히 디퍼렌셜 링 기어 등, 매우 높은 토크를 전달하는 용도로 사용되는 것이 있다. 그러한 용도로는, 기어의 표층부뿐만 아니라, 이부의 내부까지 응력이 걸린다. 그로 인해 표층부뿐만 아니라, 그것보다 깊은 심층부에 있어서도 경도가 요구된다. 따라서, 표층부뿐만 아니라 심층부, 특히 이부의 내부도 켄칭 시에 오스테나이트 변태 온도 이상까지 승온시킬 필요가 있다. 그러나 기어 전체를 오스테나이트 변태 온도 이상까지 승온시켜 버리는 것은 타당하지 않다. 기어 전체를 오스테나이트 변태시켜 버리면, 그 후의 급랭 시의 마르텐사이트 변태에 수반하는 체적 팽창에 의해, 형상 정밀도가 저하되기 때문이다. 그로 인해, 기어의 사용 시에서의 노이즈의 발생 등의 원인이 된다.

따라서, 기어의 내층부를 오스테나이트 변태 온도 이상까지 승온시키는 일 없이, 표층과 그 아래의 심층부와의 약간 두꺼운 범위의 부분을 오스테나이트 변태 온도 이상까지 승온시키게 된다. 이 경우에는, 표층으로부터 심층부로의 열 전도를 적극적으로 이용하게 된다. 이로 인해, 전술한 것과는 반대로 가열 시간을 어느 정도 길게 취할 필요가 있으며, 가열 출력은 그만큼 낮추게 된다. 이에 의해 이 끝부의 과열이 억제되므로, 비교적 온도 분포가 좋은 가열이 된다.

그러나 이 경우에, 이하의 두 가지 과제가 발생한다. 첫 번째로, 켄칭 시에 비교적 낮은 온도에서 오스테나이트 변태시키는 것이다. 이로 인해, Cr이나 Mo의 함유율이 높은 경우에, 켄칭 시의 가열에 의해서도 Cr 탄화물이나 Mo 탄화물이 매트릭스 중에 전혀 녹지 않고 잔류하는 경우가 있다. 이 탄화물의 잔류는, 경도 저하나 경도 불균일의 원인이 된다.

두 번째로, 표층부보다 약간 깊은 부위의 문제가 있다. 고주파 가열의 경우, 깊은 부위에서는 표층부보다 온도가 낮다. 이로 인해, 침탄층의 범위 내에서도, 표층부보다 깊은 부위는 표층부와 비교하여, 상기 탄화물의 잔류 문제가 일어나기 쉽다. 이러한 부위에서는 표층부와 비교하여, 경도 불균일이 발생할 가능성이 높다.

본 발명은, 이러한 문제에 비추어 이루어진 것으로, 경도 불균일이 없어, 표층부뿐만 아니라 심층부도 고경도이며, 형상 정밀도도 높은 기어 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이 과제의 해결을 목적으로 하여 이루어진 본 발명의 일 형태는, 기어의 소재 강으로서,

C : 0.1 내지 0.40 질량％,

Si : 0.35 내지 3.0 질량％,

Mn : 0.1 내지 3.0 질량％,

Cr : 0.2 질량％ 미만,

Mo : 0.1 질량％ 이하,

P : 0.03 질량％ 이하,

S : 0.15 질량％ 이하,

Al : 0.05 질량％ 이하,

N : 0.03 질량％ 이하,

Fe 및 불가피 불순물 : 잔량부라고 하는 화학 성분인 것을 사용한다.

이리하여 본 발명의 기어는 원판부와, 상기 원판부에 원주 형상으로 이산적으로 형성된 복수의 이부를 갖고, 성형 후에 침탄 처리와 그 후의 고밀도 에너지 가열에 의한 켄칭 처리를 거치고 있는 것으로, 소재 강의 화학 성분이 상기인 것이며,

상기 이부의 표층부, 및 상기 원판부에서의 상기 이부끼리 사이의 부위인 이 뿌리부의 표층부가, 침탄 처리에 의해 C 농도가 상기 소재 강의 C 농도보다 높아지는 동시에, 마르텐사이트 조직을 포함하는 제1 켄칭 경화층으로 되어 있으며,

상기 이부 중 상기 제1 켄칭 경화층으로 되어 있는 부분 이외의 부분과, 상기 원판부 중 상기 이 뿌리부의 상기 제1 켄칭 경화층의 아랫부분과, 상기 원판부 중 상기 이부의 아랫부분에 걸쳐, C 농도가 상기 소재 강의 C 농도가 되는 동시에, 마르텐사이트 조직을 포함하는 제2 켄칭 경화층이 형성되어 있고,

상기 원판부에서의 상기 제2 켄칭 경화층보다 깊은 영역이, C 농도가 상기 소재 강의 C 농도가 되는 동시에, 마르텐사이트 조직을 포함하지 않는 비 켄칭층으로 되어 있는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 형태는 원판부와, 상기 원판부에 원주 형상으로 이산적으로 형성된 복수의 이부를 갖는 기어를 제조하는 방법이며,

소재 강으로서, 상기 화학 성분의 것을 사용하고,

상기 소재 강으로 성형된 기어를, 대기의 산소 농도보다 낮은 산소 농도의 침탄 분위기 중에서, 상기 소재 강의 오스테나이트화 온도 이상의 온도로 가열해서 표면에 침탄층을 형성하는 침탄 공정과,

상기 침탄 공정 후의 상기 기어를, 상기 소재 강이 마르텐사이트 변태하는 냉각 속도보다 느린 냉각 속도로, 냉각에 의한 조직 변태가 완료되는 온도 이하의 온도까지 냉각하는 냉각 공정과,

상기 냉각 공정 후의 상기 기어를 고밀도 에너지 가열에 의해 가열함으로써, 상기 원판부에서의 코어부를 상기 소재 강의 오스테나이트화 온도 이상의 온도까지 승온시키는 일 없이, 상기 원판부에서의 상기 코어부보다 얕은 영역과 상기 이부를 상기 소재 강의 오스테나이트화 온도 이상의 온도까지 승온시켜, 그 상태로부터 상기 소재 강이 마르텐사이트 변태하는 냉각 속도 이상의 냉각 속도로 냉각함으로써, 상기 원판부에서의 상기 코어부보다 얕은 영역과 상기 이부에 마르텐사이트 조직을 형성하는 켄칭 공정을 행함으로써 기어를 제조하는 방법이다.

본 발명은 상기와 같이, 감압 하에서 행하는 침탄 공정과, 상기 특정 조건으로 서랭하는 냉각 공정과, 상기 고밀도 에너지에서의 가열을 채용한 켄칭 공정을 거쳐 작성되는 침탄강 부재의 기어 및 그 제조 방법에 특화한 것이다. 그리고 본 발명에서는, 이 제조 방법에 의해 기어를 작성하는 경우에 가장 적절한 화학 성분으로서, 상기 범위의 화학 성분을 채용했다. 상기 화학 성분에 있어서 주목해야 할 점은, Cr 및 Mo에 대해서 불순물로서의 함유 레벨에 머무르거나, 첨가한다고 해도 그 함유량을 각각 0.2％ 미만 및 0.1％ 이하로 제한한 점이다.

Cr은 0.2％ 미만의 첨가량에서는 켄칭성을 향상시키는 동시에 템퍼링 연화 저항을 올리는데 유효한 원소이다. 한편, Cr이 0.2％ 이상 첨가되었을 경우에는 침탄 처리 후의 서랭 시에, 침탄층 내의 펄라이트, 페라이트 중에 Cr 탄화물이 생성되어버린다. 이 Cr 탄화물은, 그 후의 켄칭 공정 시에 매트릭스 중에 용해시키지 않으면, 불균일한 켄칭 조직을 발생시켜 경도 불균일의 발생 원인이 된다. 그러나 본 발명과 같은 고밀도 에너지를 이용한 매우 단시간에서의 가열을 행할 경우에는, Cr 탄화물을 매트릭스 중에 고용시키는 것이 곤란해진다.

따라서, 본 발명에서는 상기와 같이, 적극적으로 Cr을 임의 성분으로 하고, 가령 함유시킨다고 해도 그 함유량을 0.2％ 미만으로 제한한다. 이에 의해, 상기한 서랭 시에서의 Cr 탄화물의 생성이 억제된다. 그로 인해, 상기 켄칭 공정의 가열 수단이 고밀도 에너지를 이용한 가열이라도, 또한 가열 전에 가령 Cr 탄화물이 존재하고 있었다고 해도 이것을 매트릭스 중에 확실하게 고용시킬 수 있어, 조직 불균일을 줄일 수 있다. 또한, 고가인 Cr의 첨가량을 줄임으로써, 소재 비용을 내리는 것도 가능해진다.

또한, Mo는 켄칭성 향상 및 템퍼링 연화 저항을 올리는데 유효한 원소이다. 그러나 본 발명에서는, Si나 Mn(특히 Si)의 적당량 첨가에 의해 필요한 켄칭성을 확보하고 있으므로, Mo에 의한 켄칭성 향상 효과에 의지하는 일 없이 균일한 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있다. 따라서, 상술한 바와 같이, 켄칭 공정의 가열 수단을 고밀도 에너지를 이용한 가열에 한정함으로써, 침탄 처리의 생산성 향상을 가능하게 하면서, 소재 비용의 저감을 도모할 수 있다. 또한, Mo 함유량이 많을 경우에는 Mo 탄화물이 생성되고, 이것이 상기 Cr에 의한 조직 불균일과 더불어, 조직 불균일을 더욱 악화시키는 경우가 있다. 그로 인해, Mo의 첨가를 0.1％ 이하라고 하는 소량으로 억제해, 그에 의해 조직 불균일 저감 효과를 도모하고 있다.

본 발명의 기어에서는, 상기의 소재 강 및 제조 방법에 의해, 이하와 같은 효과를 얻고 있다. 우선, 대기보다 산소 농도가 낮은 침탄 분위기 중에서 침탄을 행함으로써, 입계 산화를 억제하고 있는 것을 들 수 있다. 또한, 표층(제1 켄칭 경화층)뿐만 아니라 그 아랫부분(제2 켄칭 경화층)에도 켄칭의 효과가 미치도록 하고 있다. 이에 의해, 이부 전체가 고강도인 기어를 실현하고 있다. 그리고 제2 켄칭 경화층보다 더 깊은 영역이 비 켄칭층이 되도록 켄칭의 가열 자체는 비교적 저온 또한 비교적 좀 길게 함으로써, 변형을 억제하고, 피로 강도를 향상시키고 있다.

따라서, 본 발명에 의해 얻게 된 기어는, 조직 불균일의 저감에 의해 경도 불균일을 줄이고, 또한 비용 대비 효과가 우수한 것이 된다.

도 1은 실시 형태에 관한 기어의 전체 형태를 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 기어의 일부의 확대도이다.
도 3은 실시 형태에 관한 기어의 사용 시에서의 응력 분포를 도시하는 단면도이다.
도 4는 실시 형태에 관한 기어에서의 침탄층 및 켄칭 경화층의 분포를 도시하는 단면도이다.
도 5는 실시예에서 사용한 열 처리 설비의 구성을 도시하는 설명도이다.
도 6은 감압 침탄 처리 및 감압 서랭 처리의 히트 패턴이다.
도 7은 켄칭 공정의 히트 패턴이다.
도 8은 켄칭 공정의 승온 기간에서의 승온챠트이다.
도 9는 켄칭 공정의 히트 패턴의 다른 예이다.
도 10은 켄칭 공정 후에서의, 경도와 깊이와의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 11은 본 발명을 적용할 수 있는 기어의 다른 예인 도면이다.

우선, 본 발명에서 사용하는 강 소재의 화학 성분의 한정 이유에 대해서 설명한다. 이하, 조성에서의 질량％는, 단순히 ％라 기재한다.

C : 0.1 내지 0.40％,

C는 강 소재의 강도, 특히 심층부의 강도를 확보하기 위해서 첨가하는 원소이다. 따라서, 본 발명에서는 C의 첨가량의 하한을 0.1％로서 내부의 강도를 확보하고 있다. 그러나 C의 첨가량이 0.40％를 초과하면, 다음 2점의 불리가 있다. 1개는, 경도가 증가하는 한편 인성이 저하되는 것이다. 다른 하나는, 강 소재의 절삭성이 악화되는 것이다. 이로 인해, C 첨가량의 상한을 0.40％로 했다. 보다 바람직한 첨가량의 범위는 0.15 내지 0.3％이다.

Si : 0.35 내지 3.0％,

Si는 강 제조 과정에서의 탈산에 유효한 원소인 동시에, 강 소재에 필요한 강도, 켄칭성을 부여하고, 템퍼링 연화 저항을 향상시키는데 유효한 원소이다. 본 발명은 고가인 Cr이나 Mo를 대폭으로 삭감할 수 있는 것을 특징으로 하고 있지만, 기어의 피칭 강도와 같이 템퍼링 연화 저항이 필요해지는 부품에 대해서는, 종래 강인 CrMo강에 대하여, Cr이나 Mo의 삭감은 불리해지는 경우가 있다. 따라서, Cr이나 Mo를 삭감해도 필요로 하는 템퍼링 연화 저항을 얻기 위해, Si를 0.35％ 이상 함유시키는 것으로 했다. 그러나 Si의 함유에 의한 이 효과는 3.0％ 정도로 포화하므로, 그 이상 Si를 함유시킬 적극적인 의미는 없다. Si 함유율이 3.0％를 초과하고 있으면, 오히려 경도의 상승을 초래해 소재의 절삭성이 악화된다. 따라서 Si 함유량을 0.35％ 내지 3.0％의 범위 내로 할 필요가 있다. 보다 바람직한 범위는 0.45％ 초과 내지 1.5％이다.

또한, Si를 많이 첨가한 강 소재를 사용하면, 가스 침탄 처리에서 산화성의 분위기 가스를 사용할 경우, 당해 침탄 공정에서 표층에 입계 산화와 침탄 이상층이 발생한다. Si가 산화물을 형성하기 쉽기 때문이다. 이로 인해, 침탄층의 강도가 저하되어, 굽힘 피로 강도나 면압 피로 강도의 저하를 초래한다. 이에 반해, 본 발명에서는 감압해서 산소 농도를 낮춘 침탄 분위기 중에 있어서 침탄 처리를 행하는 공정을 채용한다. 이에 의해, 후술하는 바와 같이 입계 산화의 문제를 없앨 수 있다. 이로 인해, 적극적으로 Si 함유량을 높인 강 소재를 사용할 수 있게 되어 있다.

Mn : 0.1 내지 3.0％,

Mn은 강 제조 과정에서의 탈산에 유효한 원소인 동시에, 켄칭성을 향상시키는데 유효한 원소이다. 단, 함유량이 0.1％ 미만에서는 그 효과는 불충분하다. 그러나 Mn의 함유에 의한 이 효과는 3.0％ 정도로 포화하므로, 그 이상 Mn을 함유시킬 적극적인 의미는 없다. Mn 함유율이 3.0％를 초과하면, 오히려 경도의 상승을 초래해 소재의 절삭성이 악화된다. 따라서 Mn 함유량을 0.1％ 내지 3.0％의 범위 내로 할 필요가 있다. 보다 바람직한 범위는 0.5％ 내지 1.5％이다.

P : 0.03％ 이하,

P는 강 중에서 입계에 편석해서 인성을 저하시키는 작용을 갖는다. 이로 인해 최대한 줄일 필요가 있다. O로 하는 것은 곤란하지만, 0.03％ 이하로 제한할 필요가 있다.

S : 0.15％ 이하,

S는 강 중에서 MnS를 형성하므로, 이에 의한 소재의 절삭성의 향상을 목적으로 해서 첨가되는 원소이다. 단, S의 함유에 의한 이 효과는, 0.15％ 정도로 포화하므로, 그 이상 S를 함유시킬 적극적인 의미는 없다. S 함유율이 0.15％를 초과하면, 오히려 입계 편석을 일으켜 입계 취화를 초래한다. 이로 인해, S의 함유량을 0.15％ 이하로 할 필요가 있다. 또, S량이 0.001％ 미만이면 절삭성 향상 효과가 현저하지 않다. 이로 인해, 하한을 규정하는 것이면 0.001％ 이상으로 한다. 보다 바람직한 범위는 0.005 내지 0.06％의 범위 내다.

Al : 0.05％ 이하,

Al은 질화물로서 강 중에 석출 분산한다. 이에 의해 Al은, 침탄 처리 시의 오스테나이트 조직의 조대화를 방지하는데 유효한 원소가 되고 있다. 단, 0.05％를 초과하면, 석출물이 조대화되어 강을 취화시킨다. 이로 인해 0.05％를 상한으로 한다. 또, 고밀도 에너지 켄칭 처리가 행해진 부위에서는 재결정이 일어나, 조대화한 오스테나이트 조직이 미세화된다. 이로 인해, 고밀도 에너지 켄칭 처리가 행해지는 부위만 높은 강도가 필요해지고, 고밀도 에너지로 가열하지 않는 영역에서는 높은 강도가 필요하지 않을 경우에는, Al을 반드시 함유시킬 필요는 없다. 그러나 고밀도 에너지로 가열하지 않는 영역에도 높은 강도가 필요해질 경우에는, Al을 함유시킬 필요성이 있다. 그 경우에는, Al량이 0.005％ 미만이면 오스테나이트 조직의 조대화 방지 효과가 불충분하다. 이로 인해, 하한을 규정하는 것이면 0.005％ 이상으로 한다. 보다 바람직한 범위는 0.02 내지 0.04％이다.

N : 0.03％ 이하,

N은 각종 질화물을 형성해서 침탄 처리 시 및 고밀도 에너지 켄칭 처리 시의 오스테나이트 조직의 조대화를 방지하는 효과가 있다. 그러나 0.03％를 초과하면 단조성이 현저하게 나빠진다. 이로 인해 0.03％를 상한으로 한다. 또, Al인 곳에서 서술한 것과 같은 이유에 의해, 고밀도 에너지로 가열하지 않는 영역에도 높은 강도가 필요해질 경우에만, N을 함유할 필요가 있다. 그 경우에는, N량이 0.003％ 미만이면 오스테나이트 조직의 조대화 방지 효과가 불충분하다. 이로 인해, 하한을 규정하는 것이면 0.003％ 이상이 필요하다. 보다 바람직한 범위는 0.005 내지 0.02％이다.

Cr : 0.2％ 미만,

Cr은 0.2％ 미만의 첨가량에서는 켄칭성, 및 템퍼링 연화 저항을 향상시키는데 유효한 원소이다. 그러나 0.2％ 이상의 첨가량에서는 침탄 후의 서랭 시에, 침탄층 내의 펄라이트, 페라이트 중에 Cr 탄화물이 생성되어 버린다. 특히 침탄 시의 C 농도가 0.5 내지 0.8％ 미만의 아공석 조성의 경우에 이것이 현저하다. 서랭 후의 고밀도 에너지에 의한 가열을 비교적 고온(예를 들어 950℃ 이상)에서 행하면, 이 Cr 탄화물은 매트릭스 중에 용해된다. 이로 인해, 고주파 가열 시의 오스테나이트 변태가 균일하게 일어나, 균일한 켄칭 조직을 얻을 수 있다. 이에 의해 경도도 균일해진다. 한편, 서랭 후의 고밀도 에너지에 의한 가열을 비교적 저온(예를 들어 950℃ 미만)에서 행하면, Cr 탄화물의 매트릭스 중에의 용해가 그다지 일어나지 않는다. 이로 인해 오스테나이트 변태가 불균일해져, 켄칭 조직도 불균일해진다. 이것이 경도 불균일의 발생 요인이 된다. 그로 인해 침탄 시의 C 농도가 0.5 내지 0.8％ 미만일 때는 Cr량을 필요 최소한으로 억제해, Cr 탄화물의 생성 자체를 억제하는 것이 바람직하다.

또한, Cr량을 필요 최소한으로 함으로써, 켄칭 공정에서 고밀도 에너지에 의해 원하는 부분을 오스테나이트 영역까지 가열할 때에, Cr 탄화물의 매트릭스 중에의 용해가 쉬워진다. 이로 인해, 고밀도 에너지 가열 시의 투입 에너지(온도가 변태점 이상인 기간에서의 가열 온도의 적분 값)를 적게 할 수 있다. 이로 인해 동일 공정을 에너지 절약화·저비용화할 수 있다.

Cr의 함유량이 0.2％ 이상인 경우라도,

[Si％] ＋ [Ni％] ＋ [Cu％] － [Cr％] ＞ 0.5의 조건을 충족시키는 화학 성분으로 함으로써, Cr 탄화물의 생성을 꽤 억제할 수 있는 것이 알려져 있다. 그러나 그것이라도, 상기 경도 불균일을 억제하는데 충분하다고 할 수 없다. Cr 함유량의 보다 바람직한 범위는 0.1％ 이하다. 또, Cr의 함유량의 저감은, 켄칭성 및 템퍼링 연화 저항을 저하시켜 버리는 요인이 되지만, 본 발명에서는 상술한 바와 같이, Si, Mn의 적당량의 함유에 의해, 켄칭성 및 템퍼링 연화 저항을 확보하고 있다.

Mo : 0.1％ 이하,

본 발명은 레어 메탈이며 그 중에서도 비교적 고가인 Mo를 삭감시키는 것을 하나의 목적으로 하고 있다. 단, 매우 소량이면 Mo를 첨가해도 상관없다. Mo는 켄칭성 및 템퍼링 연화 저항을 향상시키는데 유효한 원소이다. 그러나 Mo의 다량 함유는 비용이 상승할 뿐만 아니라, Cr의 경우만큼 현저하지는 않지만, Cr과 동일한 이유로 경도 불균일의 발생 요인이 된다. Mo도 침탄 후의 서랭 시에 탄화물을 형성하기 때문이다. 이로 인해, 상한을 0.1％로 할 필요가 있다. 다른 원소에 의해 필요한 켄칭성이나 템퍼링 연화 저항을 확보할 수 있는 것이면, Mo를 첨가하지 않는 것이 바람직하다. 그 경우에는, 적극적으로는 첨가하지 않다고 할 수 있는 조건인 0.01％ 미만으로 하는 것이 좋다. 또, Mo의 함유량의 저감도, Cr의 경우와 마찬가지로, 켄칭성 및 템퍼링 연화 저항을 저하시켜 버리는 요인이 되지만, 본 발명에서는 상술한 바와 같이, Si, Mn의 함유에 의해 이에 대처하고 있다.

또한, 본 발명에서 사용하는 강 소재는, Ti : 0.005 내지 0.2％, B : 0.0006 내지 0.005％를 더 함유하고 있어도 된다.

Ti : 0.005 내지 0.2％,

Ti는 N과 결합하기 쉬운 원소이다. 이로 인해, B가 BN이 되어 B의 켄칭성 향상 효과가 소실되는 것을 방지하는 효과가 있다. 또한, 탄질화물로서 강 중에 석출 분산하므로, 침탄 처리 시 및 고주파 켄칭 처리 시의 오스테나이트 조직의 조대화를 방지하는데 유효한 원소이다. 단, 0.005％ 미만에서는 그 효과는 현저하지 않다. 그러나 0.2％를 초과하면 석출물이 조대화되어 강을 취화시킨다. 이로 인해 상한을 0.2％로 했다. Ti의 첨가량의 가장 바람직한 범위는 0.01 내지 0.03％이다.

B : 0.0006 내지 0.005％,

B는 첨가함으로써 켄칭성을 부여해, 입계 강도를 강화하는데 유효한 원소이다. 단, 0.0006％ 미만에서는 그 효과는 현저하지 않다. 그러나 0.005％ 정도에서 이 효과는 포화하므로, 그 이상 첨가하는 것에 적극적인 의미는 없다. 따라서, 0.0006％ 내지 0.005％가 바람직한 범위다. 가장 바람직한 범위는 0.001％ 내지 0.003％이다.

또한, 본 발명에서 사용하는 강 소재는, Nb : 0.01 내지 0.3％, V : 0.01 내지 0.2％ 중 1종류 또는 2종류를 더 함유하고 있어도 된다.

Nb : 0.01 내지 0.3％, V : 0.01 내지 0.2％,

Nb, V는 탄질화물로서 강 중에 석출 분산하는 원소이다. 이로 인해, 침탄 처리 시 및 고주파 켄칭 처리 시의 오스테나이트 조직의 조대화를 방지하는데 유효하다. 단, Nb, V 모두 0.01％ 미만에서는 그 효과는 현저하지 않다. 그러나 첨가량이 지나치게 많으면 석출물이 조대화되어 강을 취화시킨다. 이로 인해 상한을, Nb는 0.3％, V는 0.2％로 했다. 가장 바람직하게는, Nb는 0.01 내지 0.02％의 범위 내에서, V는 0.01 내지 0.05％의 범위 내에서 첨가하는 것이 좋다.

또한, 본 발명에서 사용하는 강 소재는, Ni : 0.1 내지 3.0％를 더 함유할 수도 있다.

Ni : 0.1 내지 3.0％

Ni는 인성을 향상시키는데 유효한 원소이다. 단, 0.1％ 미만에서는 그 효과는 현저하지 않다. 그러나 3.0％ 정도에서 이 효과는 포화하므로, 그 이상 첨가하는 것에 적극적인 의미는 없다. 3.0％를 초과하는 Ni를 포함하면 오히려, 경도의 상승을 초래해 소재의 절삭성이 악화된다. 이로 인해, 0.1％ 내지 3.0％의 범위 내로 할 필요가 있다. 가장 바람직한 범위는 0.5％ 내지 1.5％이다.

본 형태에 관한 기어(8)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 원형인 원판부(82)의 주연에 등간격으로 이부(81)를 설치한 것이다. 또, 도 1에 도시되는 원판부(82)는 원판 형상이라고 하는 것보다는 링 형상인 것이지만, 이러한 것이라도「원판」에 포함되는 것으로 한다. 도 2에 도시한 바와 같이 이부(81)는 이 벽면(811)과, 이 정상면(812)을 갖는다. 이 벽면(811)과 이 정상면(812)과의 사이의 각이진 형상의 변을, 이 끝 코너부(813)라고 한다. 또한, 이부(81)와 이부(81) 사이에는 이 뿌리부(815)가 존재한다.

본 형태의 기어(8)의 용도로서는 예를 들어, 자동차의 구동계에서의 다양한 기어를 들 수 있다. 자동차의 구동계의 기어에는, 저비용화에 더해 강도면 및 형상 정밀도면에서 엄격한 요구가 있지만, 본 발명은 그 요구를 충족시키는 면에서 매우 유효하다. 상기 구동계의 기어로서는 예를 들어, 자동 변속기나 차동 장치 등에서의 기어를 들 수 있다.

이러한 종류의 용도에 사용되는 기어(8)에서는, 사용 시에는 이부에 매우 강한 응력이 걸린다. 이것을 도 3에 의해 설명한다. 도 3은, 기어(8)의 단면에서의 사용 시의 응력 분포의 시뮬레이션 결과를 도시한다. 도 3에서는, 이부(81)의 우측 이 벽면(811)에 구동력이 걸리고 있는 상황을 도시하고 있다. 도 3에서는, 영역(71)이, 가장 강한 응력이 걸리고 있는 영역이다. 이하의 순서로, 영역(72, 73, 74)과 응력이 약해진다.

도 3에 도시한 바와 같이, 구동 시에 응력이 집중되는 부위는 2군데인 것을 알 수 있다. 한 군데는 이 벽면(811)과 이 뿌리부(815)와의 경계선 부근이다. 여기에는 주로 굽힘 응력이 걸린다. 다른 한 군데는, 이 벽면(811) 중, 이 뿌리부(815)로부터의 거리보다도 이 끝 코너부(813)로부터의 거리 쪽이 약간 짧은 부근의 위치다. 여기에는 주로 전단 응력이 걸린다. 이들 2군데 중 어느 쪽에 있어서도, 기어(8)의 표층 부근뿐만 아니라 상당히 깊은 부위까지, 강한 응력이 걸린다. 영역(71)만이, 일반적인 침탄층의 깊이보다 깊다. 따라서, 이러한 종류의 용도에 사용되는 기어(8)에서는, 이부(81)의 표면 경도가 높을 뿐만 아니라, 이부(81) 내부의 인성도 요구되는 것이다.

본 형태의 기어(8)의 원소재는, 상기 범위 내의 화학 성분의 열간 압연 강재다. 이 소재 강을 출발재로서, 열간 단조에 의한 조(粗) 성형을 행하고, 그 후에 어닐링 처리를 하고, 다시 절삭 가공에 의해 이부(81)를 형성한다. 이에 의해, 외형적으로는 기어(8)가 완성된다. 그러나 본 형태의 기어(8)는, 이에 대해 다시, 다음 공정의 처리를 한 것이다.

1. 침탄 공정

침탄 분위기 중에서 기어(8)를 가열함으로써, 기어(8)의 표층부에 침탄층을 형성하는 처리를 행하는 공정이다.

2. 냉각 공정

침탄 공정 후의 기어(8)를 냉각하는 공정이다. 이 냉각은, 적어도 침탄 후의 온도 강하에 의한 조직 변태가 완료될 때까지 행할 필요가 있다.

3. 켄칭 공정

냉각 공정 후의 기어(8)를, 고밀도 에너지에 의해 오스테나이트 영역까지 국소적으로 가열하고, 가열한 후에 급랭해서 경화하는 공정이다.

「1.」의 침탄 공정에 대해서 더 설명한다. 우선, 침탄 공정에 대해서는, 대기압보다도 낮게 감압한 감압 하의 침탄 가스 중에 있어서 행하는 것, 즉 감압 침탄 공정으로 한다. 감압 침탄 공정에서는, 고온의 침탄로의 내부를 감압 상태로 유지하면서 비교적 소량의 침탄 가스에 의해 침탄 처리를 행할 수 있다. 이로 인해, 종래보다도 효율적으로 침탄 처리를 행할 수 있다. 또한, 종래의 대형 열 처리로를 사용한 경우와 같은 장시간의 가열 처리가 불필요하다. 이로 인해, 처리 시간의 단축 및 소비 에너지의 저감, 나아가서는 침탄 켄칭 설비 그 자체의 소형화를 도모할 수 있다.

그리고 상기의 감압 침탄 공정을 적용한 경우에는, 본 발명에서 Cr을 적극적으로는 첨가하지 않는 임의 성분으로 하고, 그 상한값을 제한한 것에 따른 효과가 특히 유효하게 발휘된다. 즉, 통상의 가스 침탄의 경우에는 평형 반응에 의해 침탄을 행하므로, 미리 카본 포텐셜을 계산해서 조건 설정할 수 있다. 그러나 감압 침탄 처리는 비평형 반응이므로, 그러한 계산에 의한 조건 설정이 어렵다. 또한, 기어와 같이 요철 부분을 갖는 강 부재를 감압 침탄 처리한 경우에는, 침입한 탄소의 확산 속도에 부위에 따라 차이가 있다. 이로 인해, 얻을 수 있는 표면의 탄소 농도가 부위에 따라 변동된다. 즉 침탄 불균일이 발생한다. 따라서, 침탄 처리에 의해 표면 개질해야 할 부위에 원하는 개질 효과를 얻을 수 없는 경우가 발생한다.

소재 강의 Cr 함유량이 많으면, 이와 같이 통상의 가스 침탄의 경우보다도 큰 침탄 정도의 편차가 발생한 경우에, 상술한 Cr 탄화물의 생성이 보다 현저하게 진행될 가능성이 있다. 본 발명에서는 Cr 함유율을 낮게 억제하고 있으므로, 이러한 Cr 탄화물의 생성이 억제된다. 이 점에서, Cr을 제한하는 것의 효과는, 감압 침탄 공정을 채용하고 있는 것에 의해 특히 유효하다.

또한 감압 침탄을 채용함으로써, 침탄 공정에 있어서, 침탄 분위기를 대기압에 대하여 감압하게 된다. 이로 인해, 분위기 중의 산소 농도를 낮게 억제할 수 있다. 이에 의해 침탄층의 입계 산화를 방지할 수 있다. 또, 감압하는 일 없이, 질소 가스나 불활성 가스를 충전함으로써, 분위기 중의 산소량을 낮게 억제하는 방법도 있다. 이러한 방법에 의해서도, 침탄층의 입계 산화를 방지할 수 있다.

또, 침탄이란 일반적으로, 탄화수소계의 가스(침탄 가스, 예를 들어 메탄, 프로판, 에틸렌, 아세틸렌 등)를 직접 노 내로 도입하여, 그 분위기 내에 대상 강재[여기서는 기어(8)]를 두고 가열함으로써, 대상 강재의 표층에 탄소를 침입시켜서 침탄층을 형성하는 처리인 것이다. 이 침탄 처리에서는, 우선 확산기에 침탄 가스의 분자가 강의 표면에 접촉해서 분해되어 활성인 탄소가 발생한다. 이 활성인 탄소가 강의 표면에 공급됨으로써 탄화물이 형성된다. 이에 의해 강의 표면에 탄소가 축적된다.

계속되는 확산기에는 탄화물이 분해되고, 축적되어 있던 탄소가 매트릭스에 용해된다. 이에 의해, 탄소가 내부를 향해 확산되어 가 침탄층이 형성된다. 탄소의 진입 루트는, 탄화물 경유의 루트에 한정되지 않고, 활성인 탄소의 매트릭스에의 직접 용해라고 하는 루트도 존재한다.

또한, 상기 감압 침탄 공정에서의 분위기 압력은, 1 내지 100hPa의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 감압 침탄 공정에서의 분위기 압력을 1hPa 미만까지 낮추는 것으로 하면, 진공도의 실현 및 유지를 위해 고가인 설비가 필요해진다. 한편, 100hPa를 초과하는 고압일 경우에는 침탄 중에 매연이 발생한다. 이에 의해, 침탄 불균일이 발생한다고 하는 문제가 발생할 가능성이 있다. 또한, 상기 침탄 가스로서는, 예를 들어 아세틸렌, 프로판, 부탄, 메탄, 에틸렌, 에탄 등의 탄화수소계의 가스를 적용할 수 있다.

또한, 상기 침탄 공정은 확산기 후의 강재 표면의 탄소 농도가 0.85％ 이하가 되는 조건에서 행하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 침탄층을 공석강 이하의 탄소량으로 하게 된다. 이로 인해, 이후의 담금질 시의 가열에 의해 오스테나이트 변태시키고 그 후에 급랭함으로써, 시멘타이트를 석출시키지 않고, 마르텐사이트 조직으로 할 수 있다.

또 본 형태의 기어는, 그 형상에 기인하여 침탄 처리 시에 침입한 탄소의 확산 속도가 다른 제1 부위와 제2 부위를 갖고, 상기 제1 부위(탄소 용이 확산 부위)보다도 상기 제2 부위[탄소 난(難) 확산 부위]의 쪽이 침입한 탄소의 확산 속도가 느리다고 하는 형상을 나타내고 있는 것이다. 상기 침탄 공정은, 상기 제1 부위의 표면의 탄소 농도가 0.65±0.1％의 범위 내가 되는 조건에서 행하는 것이 바람직하다. 여기서 도 3에 있어서, 이 벽면(811), 이 뿌리부(815), 및 이 정상면(812)[이 끝 코너부(813)를 포함하지 않음]이 제1 부위에 상당하고, 이 끝 코너부(813)가 제2 부위에 상당한다.

상술한 바와 같이, 감압 침탄 처리는 비평형 반응이다. 이로 인해, 기어(8)와 같이 요철 부분을 갖는 강 부재를 감압 침탄 처리한 경우에는, 부위에 따라 침입한 탄소의 확산 속도에 차이가 발생한다. 이로 인해, 얻을 수 있는 표면의 탄소 농도가 부위에 따라 변동되어, 침탄 처리에 의해 표면 개질해야 할 부위에 원하는 개질 효과를 얻을 수 없는 경우가 생기는 것을 알 수 있었다.

또, 감압 침탄 처리가 비평형 반응이므로, 얻을 수 있는 표면의 탄소 농도는 침탄을 진행시키는 침탄기 직후와 그 후에 내부로 침입하고 있는 탄소의 확산을 진행시키는 확산기를 거친 후가 다르다. 상기 침탄층의 탄소 농도는, 어디까지나 확산기를 거친 후의 값을 이용해서 표현하고 있다. 따라서, 본 출원 명세서에서의 침탄층의 탄소 농도는, 모두 침탄기 직후가 아닌 확산기를 거친 후의 탄소 농도의 값이다(이하, 같음).

이와 같은 사정에 비추어, 형상에 기인해서 제1 부위(탄소 용이 확산 부위)와 제2 부위(탄소 난 확산 부위)를 갖는 기어(8)에 대한 감압 침탄 공정을 행하는 경우의 조건을, 상기와 같이, 제1 부위의 표면의 탄소 농도가 0.65±0.1％인 범위 내가 되는 조건으로 하는 것이 최적이며 유효하다는 것을 발견하였다.

본 발명의 발명자는, 이러한 조건으로 감압 침탄 처리를 행함으로써, 얻을 수 있는 기어(8)의 제2 부위, 즉 확산 속도가 제1 부위보다도 느려 침탄 처리 후의 표면의 탄소 농도가 제1 부위보다도 높아지는 부위의 표면의 탄소 농도를, 0.85％ 이하의 범위로 억제할 수 있다고 하는 것을, 많은 실험 결과 비로소 발견한 것이다.

그리고 이에 의해, 기어(8)의 침탄 처리에 의해 표면 개질하려고 하는 부위의 대략 전체면 표면의 탄소 농도를 0.60 내지 0.85％의 범위 내로 억제할 수 있다. 이 범위 내로 표면의 탄소 농도를 억제하고, 다시 그 후의 고주파 에너지를 이용한 가열 후에 급랭한다고 하는 특수한 켄칭 공정을 행함으로써, 표면의 탄소 농도가 하한에 가까운 부분(제1 부위)에 있어서도 켄칭 효과를 충분히 얻을 수 있고, 또한 표면의 탄소 농도가 상한에 가까운 부분(제2 부위)에 있어서는 과잉 탄소에 의한 문제점을 억제할 수 있다. 이와 같이 해서, 켄칭 후에 우수한 개질면을 얻을 수 있는 것이다.

상기 침탄 조건의 실시에 있어서, 감압 침탄 처리 공정에서의 온도, 침탄 가스의 종류, 압력, 처리 시간 등의 조건은, 상기 제1 부위의 표면의 탄소 농도가 상기 특정 범위가 되도록 조정될 필요가 있다. 그를 위해서는, 이들의 조건을 다양하게 변경해서 복수회의 예비 실험을 행하여 적정한 조건을 찾고, 그 조건으로 실시하는 것이 바람직하다. 또, 피처리재인 기어(8)가 동일한 형상의 것이면, 데이터의 축적에 의해, 예비 실험의 횟수를 감소시키는 것도 가능하다. 또한, 기어(8)에서의 상기 제1 부위와 제2 부위의 결정은, 상기 예비 실험에서 실제로 복수 부위의 탄소 농도를 측정해서 판단할 수 있다. 또한, 형상으로부터 비교적 쉽게 판단할 수 있으므로, 형상의 관찰에 의해 결정해도 좋다.

이러한 침탄 공정에 의해, 도 4의 단면도에 도시한, 강의 탄소 농도보다도 탄소 농도가 높은 침탄층(91)이 형성된다. 즉, 강의 표면에 공급된 탄소가 확산에 의해 표면으로부터 내부로 침입하여, 표층부에 침탄층(91)이 형성된다. 침탄층의 탄소 농도는, 표면에서는 상술한 바와 같이 0.60 내지 0.85％의 범위 내가 되지만, 내부로 감에 따라서 소재 강의 탄소 농도까지 서서히 저하되어 간다. 침탄층(91)은 이부(81) 및 이 뿌리부(815)의 표층에 형성되어 있다. 침탄층(91)의 두께는 0.7 내지 1.3㎜ 정도이다. 또 도 4에서는, 침탄층(91) 밑에 켄칭 경화층(92)이 존재하는 것처럼 그려져 있다. 단 켄칭 경화층(92)은, 후술하는 켄칭 공정을 거쳐 형성되는 것이다. 따라서 이 단계에서는 켄칭 경화층(92)은 아직 형성되어 있지 않다.

다음에,「2.」의 냉각 공정에 대해서 설명한다. 냉각 공정은 서랭 조건으로 행한다. 보다 구체적으로는 적어도, 기어(8)의 강재가 냉각 중에 마르텐사이트 변태하는 냉각 속도보다도 느린 냉각 속도로, 냉각에 의한 조직 변태가 완료되는 온도 이하의 온도까지 냉각한다. 이에 의해, 마르텐사이트 변태에 수반하는 변형의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 형상 정밀도가 우수한 상태에서 침탄 처리를 종료할 수 있다.

더욱 구체적으로는, 적어도 기어(8)의 온도가 그 소재 강의 A1 변태점 온도 이상에 있는 동안에 대해서는, 0.1℃/초 내지 3.0℃/초 범위 내의 냉각 속도로 서랭하는 것이 바람직하다. A1 변태점 온도를 하회하지 않는 중에 3.0℃/초를 초과하는 냉각 속도로 할 경우에는, 냉각 시의 변형 발생 억제 효과를 충분히 얻을 수 없을 우려가 있다. 한편, 냉각 공정의 냉각 속도가 강 부재의 A1 변태점 온도 이상의 기간에 0.1℃/초 미만으로 하는 것은, 온도가 A1 변태점까지 내려갈 때까지 장시간을 요하는 결과가 된다. 이것은, 침탄에 의해 침탄층으로 진입한 탄소가, 그 사이에 강재 전체를 향해 확산되어 버리는 것을 의미한다. 또한, 냉각 중의 온도는 기어(8) 중의 부위에 따라서도 다르기 때문에, 확산의 정도에도 부위에 따른 편차가 발생한다. 그 결과, 탄소 농도에 부위에 따른 편차가 발생한다.

또한, 냉각 공정은 대기압보다도 낮게 감압한 냉각 분위기 중에서 행하는 것이 바람직하다. 즉 감압 냉각 공정으로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 냉각 시의 변형 발생을 한층 더 억제할 수 있다. 그 이유는, 강재와 분위기와의 사이의 열교환 속도를 줄일 수 있는 데 있다. 강재와 분위기와의 사이의 열교환을 위해, 분위기 중의 바람의 흐름의 상류와 하류에서는 분위기 온도에 차이가 있어, 하류 위치에서의 분위기 온도 쪽이 높다. 분위기의 압력이 대기압 정도로 있다면, 열교환 속도가 빠르기 때문에, 이 온도차가 현저하다. 이로 인해 기어(8) 중의 부위에 따라 온도차가 발생하여, 열 변형을 발생시키는 것이다.

이에 반해 감압 냉각 공정으로 함으로써, 대개 열교환 속도가 느려진다. 이로 인해, 상류와 하류에서의 온도차도 작아, 비교적 균일하게 냉각이 진행하게 된다. 따라서 열 변형이 억제되는 것이다. 또한, 무풍 상태에서 냉각하는 경우라도, 대기압에서의 냉각보다도 감압 냉각 쪽이 열 변형은 적다. 온도가 다른 냉각 분위기의 체류에 의한 냉각 속도의 차가 작기 때문이다.

이와 같은 감압 냉각 공정의 효과에 의해, 침탄 후의 냉각 시의 변형을 억제할 수 있다. 이에 의해, 높은 치수 정밀도를 유지한 채 다음 공정, 즉 켄칭 공정으로 진행할 수 있다. 이 효과는, 냉각 공정을 감압 또한 서랭으로 행함으로써 가장 높게 얻을 수 있다. 그리고 다음의 켄칭 공정을 고밀도 에너지 가열로 행하는 것에 따른 장점과 맞추어, 켄칭 후의 기어(8)를, 변형이 적은 높은 형상 정밀도의 것으로 할 수 있다.

또한, 침탄 공정과 냉각 공정을 모두 감압 하에서 행할 경우에는, 양 공정 사이에서의 압력차가 작다. 이로 인해 실제 설비에 있어서, 침탄실과 서랭실을 직접 연결하여, 양 공정을 연속해서 행할 수 있다. 즉 양 실 사이에 압력 조정을 위한 예비실 등을 설치할 필요가 없다. 즉, 감압 침탄 처리를 끝낸 제품을 대기압 상태에 노출시키는 일 없이 감압 서랭 처리에 제공할 수 있다. 이것도 변형 저감에 공헌하고 있다.

또한, 냉각 공정에서의 분위기 압력은, 구체적으로는 100hPa 내지 650hPa의 범위 내가 바람직하다. 냉각 시의 압력이 650hPa보다 높을 경우에는, 감압에 의한 효과가 불충분하다. 한편, 100hPa 미만까지 감압하는 것에는, 설비 구성상의 난점이 있다. 냉각 시 압력의 보다 바람직한 범위는 100hPa 내지 300hPa다.

계속해서,「3.」의 켄칭 공정에 대해서 설명한다. 켄칭 공정에서 중요한 것은, 기어(8)의 원하는 부분을 부분적으로 오스테나이트화 온도 이상까지 가열하고, 그 후의 급랭에 의해 적어도 침탄층의 부분을 마르텐사이트 변태시키는 것이다. 이로 인해 가열을, 고밀도 에너지 가열로 행할 필요가 있다. 또한 급랭을, 마르텐사이트 변태를 위한 임계 냉각 속도 이상의 냉각 속도로 행할 필요가 있다. 고밀도 에너지 가열로서는, 예를 들어 전자 빔이나 레이저 빔 등의 고밀도 에너지의 빔을 조사하는 것에 의한 가열을 들 수 있다. 혹은 빔 조사 이외의 것으로서는, 고주파 가열도 고밀도 에너지 가열에 포함된다. 고밀도 에너지 가열을 이용함으로써, 가열 시간이 단축된다. 또한, 본 형태에서는 오스테나이트화하기 쉬운 저Cr의 강종을 사용하고 있는 경우도 있어, 확실하게 충분히 기어(8)를 경화할 수 있다.

또한, 고밀도 에너지 가열 중에서도 가장 바람직한 것은 고주파 가열이다. 고주파 가열에서는, 비접촉으로 유도 가열에 의해 원하는 부분을 고정밀도로 가열할 수 있다. 또한, 고효율이다. 고주파 가열 자체의 방법으로서는, 공지의 방법을 이용할 수 있다.

또한, 켄칭 공정에서의 급랭은, 수랭에 의해 행하는 것이 바람직하다. 즉, 급랭 전의 가열을, 가스 가열 등이 아닌 고밀도 에너지 가열로 행하고 있으므로, 그 후에 매우 냉각 속도가 빠른 수랭을 행해도, 켄칭 변형의 발생이 적은 것이다. 고밀도 에너지 가열에서는 기어(8) 전체가 아닌 부분적인 가열을 고정밀도로 할 수 있기 때문이다. 그리고 수랭에 의한 우수한 급랭에 의해, 높은 켄칭 효과를 얻을 수 있다. 즉, 켄칭 부분의 고강도화가 한층 더 달성된다. 또한, 이 높은 켄칭 효과에 의해, 침탄 처리의 간소화, 즉 침탄 시간의 단축, 즉 침탄층의 박층화를 해도, 필요한 강도를 확보할 수 있는 경우가 있다. 이 경우에는 열 처리 공정 전체의 시간 단축을 한층 더 도모할 수 있다.

또한, 고주파 가열에 의한 가열 시에 있어서는 기어(8)를 1개 개수대에서 처리하는 동시에, 가열 후의 수랭 시에는 기어(8)를 회전시키면서 주위로부터 냉각수를 기어(8)를 향해 분사해서 냉각하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 균일하게 급랭할 수 있다. 이로 인해, 급랭 시에서의 변형 발생이 억제된다.

또한, 켄칭 공정에서의 고밀도 에너지 가열은, 기어(8)의 표면을 용융시키는 일 없이, 또한 표면으로부터 비교적 깊은 부분까지를 오스테나이트화시키는 조건으로 행한다. 그를 위해서는, 고밀도 에너지 가열의 투입 에너지를 조금 작게 하고 그 대신에 가열 시간을 조금 길게(예를 들어 15 내지 25초 정도) 하면 좋다. 즉, 가열 목표 온도를, 당해 강 소재의 오스테나이트 영역으로서는 비교적 낮은 범위 내의 온도(예를 들어 750℃ 내지 960℃)로 설정해서 그만큼 조금 길게 가열하는 것이다. 이와 같이 함으로써, 표면으로부터의 열 전도에 의해, 깊이 2 내지 5㎜를 초과하는 약간 두꺼운 영역 전체를 가열할 수 있다. 이에 의해, 침탄층의 영역뿐만 아니라, 그것보다 깊은 영역에서도 켄칭 효과를 얻을 수 있다. 또한, 고밀도 에너지 가열에서의 오스테나이트화를 비교적 낮은 온도에서 멈춤으로써, 그 후의 수랭 시의 변형이 억제되는 효과도 있다.

또, 이러한 비교적 저온에서 비교적 장시간의 가열을 행할 경우에는, Cr 함유량을 본 발명의 범위 내로 한정하지 않으면, 전술한 바와 같이 경도 불균일이 발생할 우려가 있다. 이로 인해, 본 발명에서 Cr 함유량을 낮게 한정하고 있는 것은, 이 경도 불균일을 방지하는 관점으로부터도 유익한 것이다.

또한, 본 형태에서는 기어(8)를 대상물로 하고 있다. 기어(8)와 같이 돌출한 이부(81)를 갖는 것이 대상물인 경우에는, 상기 고밀도 에너지 가열을, 이부(81)의 표면 및 내부의 전체가 오스테나이트화하는 조건으로 행하는 것이 바람직하다. 기어(8)에 있어서는, 이부(81)의 표면 경도가 높은 것과, 내부의 인성이 높은 것의 양립이 요구되기 때문이다. 기어(8)에서는 게다가, 이부(81)의 형상 정밀도도 높은 것이 요구된다. 그로 인해 상기와 같이, 켄칭 공정에서의 가열을, 비교적 저온 또한 비교적 길게 하는 것이 유효하다. 침탄층의 부분뿐만 아니라 이부(81) 전체에 켄칭 효과가 미치는 동시에, 변형 억제에 의한 높은 형상 정밀도를 얻을 수 있기 때문이다.

이리하여, 도 4에 도시한 바와 같은 켄칭 경화층(92)이 형성된다. 도 4에서는, 기어(8)의 표층 침탄층(91) 밑에 켄칭 경화층(92)이 존재하고 있다. 특히, 이부(81)의 내부는 그 전체가 켄칭 경화층(92)으로 되어 있다. 또한, 원판부(82)에 있어서도, 이 뿌리부(815)의 표층 침탄층(91)의 아랫부분이나 이부(81)의 아랫부분은 켄칭 경화층(92)으로 되어 있다. 이 뿌리부(815)의 위치 부위에서는, 침탄층(91)과 켄칭 경화층(92)과의 합계 두께가 2 내지 5㎜ 정도이다. 켄칭 경화층(92)은 전술한 것으로부터, 마르텐사이트 조직을 포함하고 있다. 물론, 침탄층(91)도 켄칭 효과를 받은 층이며, 마르텐사이트 조직을 포함하고 있다. 기어에 관한 청구항에 있어서는, 침탄층(91)을「제1 켄칭 경화층」이라 부르고, 켄칭 경화층(92)을「제2 켄칭 경화층」이라 부르고 있다.

도 3에 영역(71, 72, 73)으로서 도시한 영역은 모두, 도 4에서는 침탄층(91) 또는 켄칭 경화층(92)으로 되어 있다. 즉 구동 시에 응력이 집중하는 영역 모두에 켄칭 효과가 미쳐 경도가 올라가게 된다. 이리하여, 이부(81)의 표면 경도가 높은 것과, 내부의 인성이 높은 것의 양립이 실현되어 있다.

또한, 켄칭 경화층(92) 밑에는 비 켄칭층(93)이 존재한다. 비 켄칭층(93)은 마르텐사이트 조직을 포함하지 않는다. 켄칭 공정에서의 가열 시에 오스테나이트화 온도까지 승온하지 않은 부분이기 때문이다. 또, 침탄층(91)에서의 표면의 C 농도는 전술한 바와 같이 침탄에 의해 0.60 내지 0.85％의 범위 내에 있다. 그리고 내부로 감에 따라, C 농도는 원래 강 소재의 C 농도까지 서서히 저하되어 간다. 이에 반해 켄칭 경화층(92) 및 비 켄칭층(93)의 C 농도는, 원래 강 소재의 C 농도이며, 0.1 내지 0.40％의 범위 내에 있다. 기어의 제조 방법에 관한 청구항에서는, 비 켄칭층(93)이 되어야 할 부위를「코어부」라고 부르고 있다.

또한, 상술한 바와 같이 본 발명에서의 침탄 공정, 냉각 공정, 켄칭 공정을 포함하는 열 처리는, 변형 발생을 억제하는 처리 방법이다. 즉, 침탄 후의 냉각 공정에서는, 마르텐사이트 변태가 일어나는 냉각 속도보다 낮은 냉각 속도로 냉각한다. 이에 의해, 침탄층뿐만 아니라, 침탄층보다 깊은 코어부에 있어서도, 마르텐사이트 조직이 생성되지 않아 페라이트, 펄라이트, 베이나이트 중 어느 한쪽, 또는 그들의 혼합 조직이 된다. 따라서, 냉각 공정에서의 냉각에서는 마르텐사이트 변태 변형이 발생하지 않아, 기어(8)의 형상 정밀도가 저하되지 않는다.

또한, 냉각 공정 후의 켄칭 공정에서의 가열에는 고밀도 에너지 가열을 사용하고 있다. 이에 의해 기어(8)의 원하는 부분, 또한 표면으로부터 원하는 깊이의 영역만을 가열할 수 있다. 즉, 기어(8) 전체의 볼륨에 대하여 매우 작은 영역만을 가열할 수 있다. 이로 인해, 그 후의 급랭 시에 마르텐사이트 변태하는 범위도, 기어(8)의 전체가 아닌 일부분이다. 이에 의해, 마르텐사이트 변태 변형이 저감되고 있어, 켄칭 후에서의 형상 정밀도가 높다.

<실시예>

이하, 본 발명 및 그 비교예에 관한 실시예의 기어 및 그 제조 방법에 대해서, 구체적으로 설명한다. 이들의 발명예는, 본 발명을 설명하기 위한 것이고, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

본 실시예에서는, 표 1(발명예, 시험 No.1 내지 23) 및 표 2(비교예, 시험 No.24 내지 33)에 나타내는 화학 성분의 열간 압연 강재를 소재로서 사용하고, 기계 가공에 의해 기어(8)(디퍼렌셜 링 기어)를 제작했다. 이 기계 가공을, 강 소재의 절삭성을 판정하는 시험(절삭 시험)으로서 이용했다. 표 2의 비교예의 각 소재의 화학 성분은, 표 중에 굵은 이탤릭자로 나타낸 점에서, 다음과 같이 본 발명의 범위에서 벗어나 있다.

시험 No.24에서는 Si가 부족하다.

시험 No.25에서는 C가 과잉이다.

시험 No.26 내지 28에서는 Cr이 과잉이다.

시험 No.29에서는 P가 과잉이다.

시험 No.30에서는 S가 과잉이다.

시험 No.31에서는 Si가 부족하고, Cr과 Mo가 과잉이다.

시험 No.32에서는 Cr과 Mo가 과잉이다.

이 중의 시험 No.32, 33은, 종래 강인 JIS-SCM420(크로모리 강)을 소재로서 사용한 예다.

계속해서, 이들의 기계 가공 후의 기어(8)에, 전술한 침탄 공정과, 그 후의 냉각 공정과, 그 후의 켄칭 공정을 실시했다. 이들 공정 후의 기어(8)에 대해서, 재질 조사와 피로 시험을 행했다.

여기서, 본 실시예에 있어서, 상기 침탄 공정으로부터 켄칭 공정까지를 실시하는데 사용한 열 처리 설비에 대해서 간단하게 설명한다. 도 5에 도시한 바와 같이, 본 실시예에서 사용한 열 처리 설비(5)는 전방 세척조(51)와, 감압 침탄 서랭 장치(52)와, 고주파 켄칭기(53)와, 자기 탐상 장치(54)를 갖는다. 전방 세척조(51)는 열 처리 개시 전에 기어(8)를 세정하는 부분이다. 감압 침탄 서랭 장치(52)는 가열실(521)과, 감압 침탄실(522)과, 감압 서랭실(523)을 구비하고 있다. 가열실(521)에서 기어(8)를 승온시키고, 계속해서 감압 침탄실(522)에서의 감압 침탄과, 감압 서랭실(523)에서의 감압 서랭이 행해지도록 되어 있다. 감압 침탄실(522)과 감압 서랭실(523) 사이에 예비실은 없다. 고주파 켄칭기(53)는 감압 서랭 후의 기어(8)에 대하여, 고주파 가열과 그 후의 수랭을 행하는 부분이다. 자기 탐상 장치(54)는 켄칭 후의 기어(8)의 결함 검사를 행하는 부분이다.

계속해서, 도 5의 열 처리 설비(5)에 의해 행한 각 공정에 대해서 설명한다. 우선, 감압 침탄 서랭 장치(52)의 감압 침탄실(522)에서의 감압 침탄 공정에 대해서 설명한다. 본 실시예에서의 침탄 처리는 전술한 바와 같이, 대기압보다 낮은 압력으로 감압한 침탄 가스 중에서 행하는 감압 침탄 처리다. 이 감압 침탄 처리, 및 그 후의 감압 서랭 처리에서의 히트 패턴을 도 6에 도시한다. 도 6에서는, 횡축에 시간을, 종축에 온도를 취하고 있다.

도 6 중,「a」가 나타내는 것은, 가열실(521)에서의 가열 기간이다. 「b1」 및「b2」가 나타내는 것이, 감압 침탄실(522)에서의 보유 지지 기간이다. 보유 지지 기간의 전기「b1」은 침탄 처리에서의 침탄기이며, 그에 이어 후기「b2」는 침탄 처리에서의 확산기다. 본 실시예에서는 침탄 온도, 즉 보유 지지 기간「b1」및「b2」에서의 보유 지지 온도를, 강 소재의 오스테나이트화 온도 이상의 온도인 950℃로 했다. 그리고 가열 기간「a」에서 기어(8)를 이 보유 지지 온도까지 승온시켰다. 또한, 보유 지지 기간「b1」 및「b2」에서는, 기어(8)의 온도를 일정 온도, 즉 전술한 보유 지지 온도로 유지했다.

본 실시예에서는, 감압 침탄 처리에서의 침탄 가스의 압력을, 1 내지 3.5hPa의 범위 내로 했다. 또한, 침탄기「b1」에서의 침탄 가스로서, 아세틸렌을 사용했다. 또한, 침탄 조건에 대해서는, 미리 행한 예비 실험을 통해서 다음과 같이 정했다. 즉, 본 실시예의 기어(8)는 디퍼렌셜 링 기어이며, 그 형상에 기인하여, 제1 부위(탄소 용이 확산 부위)와 제2 부위(탄소 난 확산 부위)를 갖는다. 기어(8)에 있어서는, 도 2에 도시한 이 뿌리부(815) 및 이 벽면(811)이 제1 부위이며, 이 끝 코너부(813)가 제2 부위다. 본 실시예에서는, 제1 부위인 이 뿌리부(815)의 표층 탄소 농도가 0.65±0.05％의 범위 내가 되는 조건을 채용했다.

계속해서, 감압 침탄 처리에 이어 행해지는, 감압 서랭실(523)에서의 감압 서랭 공정에 대해서 설명한다. 본 실시예에서의 서랭 처리는 전술한 바와 같이, 대기압보다 낮은 압력으로 감압한 분위기 중에서 행하는 감압 서랭 처리다. 도 6에서는,「c」가 나타내는 기간이 서랭 기간이다. 본 실시예에서는, 감압 서랭 처리에서의 분위기 압력을, 600hPa로 했다. 분위기의 가스 종류는 N₂ 가스로 했다. 감압 서랭 처리에서의 냉각 속도는 0.1 내지 3.0℃/초의 범위 내의 속도로 했다. 이 냉각 속도로, 침탄 처리 직후의 오스테나이트화 온도 이상의 온도로부터, A1 변태점보다 낮은 온도인 150℃가 될 때까지 냉각했다. 또, 도 6에 도시한 히트 패턴은 1개인 예이며, 적절하게 예비 시험을 행함으로써, 사용하는 강 소재의 종류에 대하여 최적인 조건으로 변경 가능하다.

계속해서, 고주파 켄칭기(53)에서의 켄칭 공정에 대해서 설명한다. 본 실시예의 켄칭 공정에서는, 고밀도 에너지 가열의 수단으로서 고주파 가열을 사용했다. 또한, 급랭 수단으로서 수랭을 사용했다. 본 실시예의 켄칭 공정의 히트 패턴을 도 7에 도시한다. 도 7에서도 도 6과 마찬가지로, 횡축에 시간을, 종축에 온도를 취하고 있다. 도 7 중,「d1」이 나타내는 것이 승온 기간이며,「d2」가 나타내는 것이 급랭 기간이다. 승온 기간「d1」에서는 고주파 가열에 의해, 기어(8)의 외주측 이부(81)를, 오스테나이트화 온도 이상의 온도로 가열한다. 그 후의 급랭 기간「d2」에서는 물의 분사에 의해, 기어(8)를, 그 침탄층에 있어서 임계 냉각 속도 이상의 냉각 속도로 급랭한다. 임계 냉각 속도라 함은 전술한 바와 같이, 오스테나이트화하고 있는 강 소재, 특히 그 침탄층 부분이 마르텐사이트 변태하기 위해서 필요한 냉각 속도이다.

승온 기간「d1」에서의 고주파 가열은, 통상의 고주파 가열에 있어서 행해지는 조건보다도, 에너지 투입량을 조금 작게 하고, 그만큼 가열 시간을 비교적 긴 15 내지 25초로 하여 행했다. 이에 의해, 이부(81)의 표면 부근뿐만 아니라 그 내부도 포함시킨 전체가 750℃ 내지 960℃의 범위 내의 온도가 되도록 했다. 또한, 이 뿌리부(815)의 표면에서의 도달 온도는 920℃ 내지 940℃의 범위 내였다. 도 8은 승온 기간「d1」에서의, 이 뿌리부(815)의 표면에서의 실제 승온챠트다. 도 8은 기어(8)의 폭 방향에 대해서 제1 단부 Rr, 중앙부 Mid, 제2 단부 Fr의 3군데에서의 측정 결과를 나타내고 있다. 3군데 모두, 승온 개시 후 15 내지 25초에서도 920℃ 내지 940℃의 범위 내까지 온도가 상승하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 승온 도중에, 폭 방향 위치에 의한 승온 속도의 편차가 보이지만, 이것은 가열 시의 가열 코일과의 위치 관계에 따른 것이라 생각된다. 그래도, 승온 종료까지의 시간과 도달 온도에는 큰 차이가 없다.

이 고주파 가열은 기어(8)를 1개 단위로 흘리면서(운반하면서), 1개씩 개별로 행했다. 급랭 기간「d2」에서의 수랭은, 13초 정도로 하고, 그 사이의 냉각 속도는 50 내지 65℃/초로 했다. 이 수랭 시에는 기어(8)를 회전시켜, 주위로부터 냉각수를 기어(8)를 향해 분사함으로써, 1개씩 냉각했다. 이리하여, 변형 발생을 가장 억제할 수 있는 방법으로 켄칭 공정을 행했다. 도 7의 히트 패턴도 또한, 1개인 예이며, 적절하게 예비 시험을 행함으로써, 사용하는 강 소재의 종류에 대하여 최적인 조건으로 변경 가능하다. 예를 들어 도 9에 도시한 바와 같이, 승온 후의 냉각을 2단계로 나누어 행하도록 해도 좋다.

다음에, 기어(8)에 대해서 행한 각 시험에 대해서 설명한다. 본 실시예에서는 기어(8)에 대해서, 절삭성 시험과, 재질 조사와, 피로 시험과의 3종류의 시험을 행했다.

<절삭성 시험>

절삭성 시험은 상술한 바와 같이, 기계 가공에 의해 열연 강재로부터 기어(8)를 제작했을 때에 행했다. 절삭성 시험의 조건은, 초경 공구를 사용하여 주속 250m/분, 이송량 0.3㎜/rev, 절입 1.5㎜의 드라이 환경에 의한 선삭을 행하는 조건으로 했다. 이 조건으로 기어(8)를 10개 제작하고, 초경 공구에 결함이 발생하지 않은 경우를「양호」라 하고, 결함이 발생한 경우를「불량」으로 했다.

<재질 조사>

재질 조사는 열 처리 완료 후의 기어(8)이며 후술하는 피로 시험에 제공하고 있지 않지만 이 벽면(811)으로부터 채취한 샘플에 대해서 행하였다. 조사한 항목은 경도와 결정 입도인 2개다. 경도에 대해서는, 샘플 표면으로부터 0.05㎜ 간격으로 각 깊이에 의해, 하중 2.9N에서의 비커스 경도를 측정하고, JIS G 0557로 규정하는 유효 경화층 깊이를 측정했다. 결정 입도에 대해서는, 샘플 표면으로부터 0.4㎜의 깊이 부위에 있어서, JIS G 0551로 규정하는 오스테나이트 결정 입도 번호를 구해 평가했다.

재질의 평가 판정은, 다음 기준에 의해 행했다.

(양호)

다음 3개의 조건을 모두 만족하고 있는 것을「양호」라고 판정했다.

·유효 경화층 깊이가 0.8㎜ 이상 확보되어 있는 것.

·비커스 경도에 불균일이 없는 것. 구체적으로는 모든 인접하는 측정점 사이에서의 차가 HV50 미만인 것.

·오스테나이트 입도 번호가「6」이상의 미립인 것.

(불량)

상기 3개의 조건 중 어느 하나라도 만족하고 있지 않은 것은「불량」이라 판정하고, 어떤 조건에서 불량이 되었는지를 특정했다. 또, 후술하는 피로 시험에서 현저하게 저강도였던 것에 대해서는, 파면을 SEM(주사형 전자 현미경)으로 관찰하여, 입계 취성 파면으로 되어 있는지의 여부를 확인했다.

<피로 시험>

피로 시험으로서는, 동력 순환식 기어 시험기로, 이 뿌리 굽힘 피로 강도(Nm)와 피칭 강도(Nm)를 측정했다. 시험에 제공한 기어(8)의 제원은, 모듈 2.03, 압력각 18°, 비틀림각 27°이다. 이 뿌리 굽힘 피로 강도는 윤활유 온도 80℃, 회전수 2000rpm의 조건 하에서 1000만회 내구하는 입력 토크에 의해 평가했다. 피칭 강도는 윤활유 온도 120℃, 회전수 4000rpm의 조건 하에서 5000만회 시험 제공 후에, 피칭 면적률이 전체 이당 면적의 3％ 이하가 되는 입력 토크에 의해 평가했다. 어느 쪽에 있어서도, 윤활유로서는 ATF(자동 변속기용 오일)를 사용했다.

상기 각 시험의 결과를 표 3(발명예) 및 표 4(비교예)에 나타낸다. 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명예의 기어(8)(시험 No.1 내지 23) 모두가 절삭성, 재질 모두 양호했다. 또한, 피로 시험에서도 우수한 결과를 나타냈다. 특히, 비교예 중 종래 강 SCM420을 사용한 시험 No.31, 32와 비교하여, 모든 발명예가 이 뿌리 피로 강도에서 능가하고 있으며, 피칭 강도에서는 거의 동등 또는 능가하고 있었다.

도 10에, 본 발명예의 1개인 시험 No.3에 대한 비커스 경도의 측정 결과의 상세를 도시한다. 도 10에서는, 종축에 비커스 경도를 취하고, 횡축에 표면[이 뿌리부(815)]으로부터의 깊이를 취하고 있다. 도 10에 따르면, 표면에서 800 정도의 비커스 경도가 있으며, 깊이가 증가하는 동시에 비커스 경도가 감소하고 있다. 그리고 깊이 2.6㎜ 이상에서는, 비커스 경도가 거의 일정해지고 있다. 이에 의해 본 예에서는, 표면으로부터 깊이 2.6㎜까지의 부분에 켄칭 효과가 미치고 있어, 깊이 약 2.6㎜ 이상의 부분이 비 켄칭층(93)인 것을 알 수 있다. 또한, 표면으로부터 깊이 2.6㎜까지의 범위 내라도, 깊이 약 0.9㎜인 곳에서 비커스 경도에 단차가 있다. 이로써 본 예에서는, 표면으로부터 깊이 0.9㎜까지의 범위 내가 침탄층(91)이며, 깊이 0.9㎜로부터 깊이 2.6㎜까지의 범위가 켄칭 경화층(92)인 것을 알 수 있다. 이와 같이 본 발명의 예에서는, 침탄층(91)뿐만 아니라 그 밑의 켄칭 경화층(92)에 있어서도, 켄칭에 의해 경도가 상승하고 있는 것이다.

이에 반해 비교예에서는, 시험 No.24 내지 32 중 어느 쪽에 있어서도, 결과가 좋지 않은 사항이 있었다. 표 4에서는, 결과가 좋지 않은 것을 굵은 이탤릭자로 나타내고 있다. 개별적으로는 이하와 같다.

시험 No.24에서는, 피칭 강도가 낮았다. 강 소재 중의 Si량이 0.35％에 미치지 않는 것에 기인하여, 템퍼링 연화 저항의 향상이 불충분했기 때문이라 생각된다.

시험 No.25에서는, 소재의 절삭성이 나빠, 시험편인 기어(8)를 제작할 수 없었다. 강 소재 중의 C량이 0.40％를 초과하는 것에 기인하여, 소재가 지나치게 단단했기 때문이라 생각된다.

시험 No.26 내지 28에서는, 경도 불균일이 보여, 피로 강도가 낮았다(이 뿌리, 피칭 모두). 강 소재 중의 Cr량이 0.2％를 초과함으로써 시멘타이트의 용해 불량이 발생했기 때문이라 생각된다.

시험 No.29에서는, 피로 강도가 현저히 낮았다(이 뿌리, 피칭 모두). 이로 인해 파면의 SEM 관찰을 행한 바, 입계 취성 파면으로 되어 있는 것이 확인되었다. 강 소재 중의 P량이 0.03％를 초과함으로써, P의 입계 편석이 발생해서 입계 취성을 일으켰기 때문이라 생각된다.

시험 No.30에서는, 피로 강도가 현저하게 낮았다(이 뿌리, 피칭 모두). 이로 인해 파면의 SEM 관찰을 행한 바, 입계 취성 파면으로 되어 있는 것이 확인되었다. 강 소재 중의 S량이 0.15％를 초과함으로써, S의 입계 편석이 발생해서 입계 취성을 일으켰기 때문이라 생각된다.

시험 No.31, 32에서는, 경도 불균일이 보이고, 이 뿌리 피로 강도가 낮았다. 이들의 비교예는 종래 강 SCM420(크로모리 강)을 사용한 것이며, Cr량과 Mo량이 모두 과잉이기 때문에 시멘타이트의 용해 불량이 발생했기 때문이라 생각된다. 특히 시험 No.33에서는 피칭 강도도 약간 낮았다. 이것은, 강 소재 중의 Si량이 부족한 것에 따른다고 생각된다.

본 발명예와 이들 비교예와의 비교로부터, 본 발명의 기어(8) 및 그 제조 방법에서는, 종래의 쿠로모리 강에 비해 Cr량, Mo량을 줄여 소재 비용을 저감시키고 있지만 그럼에도, 이 뿌리 피로 강도가 우수하고, 그 밖의 여러 특성에서도 동등 이상이 되는 것이 명확해졌다.

또, 본 실시 형태 및 실시예는 단순한 예시에 지나지 않으며, 본 발명을 전혀 한정하는 것은 아니다. 따라서 본 발명은 당연히, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 개량, 변형이 가능하다. 예를 들어, 상기 실시예에서는 기어(8)로서, 이부(81)가 외부 방향에 형성되어 있는 외부 기어의 예를 설명했다. 그러나 본 발명은 외부 기어에 한정되지 않는다. 도 11에 도시한 바와 같은 내부 기어(예를 들어 유성 기어 장치의 링 기어 등)에도 적용할 수 있다. 혹은, 베벨 기어 등에도 적용할 수 있다. 단, 내부 기어의 경우에는, 켄칭 경화층 등의 위치 관계에 관해서, 반경 방향의 외측일수록,「하부」혹은「깊은」에 상당하게 된다. 또, 도 11은 일부를 생략해서 그리고 있는 도면이지만, 실제로는 물론, 이 형태가 전체 둘레에 걸쳐 형성되어 있다.

81 : 이부
815 : 이 뿌리부
82 : 원판부
91 : 침탄층
92 : 켄칭 경화층
93 : 비 켄칭층

Claims (11)

1. 원판부와, 상기 원판부에 원주 형상으로 이산적으로 형성된 복수의 이부를 갖고, 성형 후에 침탄 처리와 그 후의 고밀도 에너지 가열에 의한 켄칭 처리를 거치고 있는 기어에 있어서, 소재 강의 화학 성분이
   C : 0.1 내지 0.40 질량％,
   Si : 0.35 내지 3.0 질량％,
   Mn : 0.1 내지 3.0 질량％,
   Cr : 0.2 질량％ 미만(0% 포함),
   Mo : 0.1 질량％ 이하(0% 포함),
   P : 0.03 질량％ 이하(0% 포함),
   S : 0.15 질량％ 이하(0% 포함),
   Al : 0.05 질량％ 이하(0% 포함),
   N : 0.03 질량％ 이하(0% 포함),
   Fe 및 불가피 불순물 : 잔량부이며,
   상기 이부의 표층부, 및 상기 원판부에서의 상기 이부끼리의 사이의 부위인 이 뿌리부의 표층부가, 침탄 처리에 의해 C 농도가 상기 소재 강의 C 농도보다 높아지는 동시에, 마르텐사이트 조직을 포함하는 제1 켄칭 경화층으로 되어 있으며,
   상기 이부 중 상기 제1 켄칭 경화층으로 되어 있는 부분 이외의 내부의 전체와, 상기 원판부 중 상기 이 뿌리부의 상기 제1 켄칭 경화층의 아랫부분과, 상기 원판부 중 상기 이부의 아랫부분에 걸쳐, C 농도가 상기 소재 강의 C 농도가 되는 동시에, 마르텐사이트 조직을 포함하는 제2 켄칭 경화층이 형성되어 있고,
   상기 원판부에서의 상기 제2 켄칭 경화층보다 깊은 영역이, C 농도가 상기 소재 강의 C 농도가 되는 동시에, 마르텐사이트 조직을 포함하지 않는 비 켄칭층으로 되어 있는 것을 특징으로 하는, 기어.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 켄칭 경화층의 C 농도가,
   표면에서 0.60 내지 0.85 질량％인 동시에,
   내부에서는 상기 제2 켄칭 경화층과의 경계를 향해 서서히 저하되고 있는 것을 특징으로 하는, 기어.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 소재 강의 화학 성분에,
   Ti : 0.005 내지 0.2 질량％,
   B : 0.0006 내지 0.005 질량％가 더 포함되는 것을 특징으로 하는, 기어.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 소재 강의 화학 성분 중의 Mo 함유량이 0.01％ 미만(0% 포함)인 것을 특징으로 하는, 기어.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 소재 강의 화학 성분에,
   Nb : 0.01 내지 0.3 질량％,
   V : 0.01 내지 0.2 질량％
   중 1종류 또는 2종류가 더 포함되는 것을 특징으로 하는, 기어.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 소재 강의 화학 성분에,
   Ni : 0.1 내지 3.0 질량％가 더 포함되는 것을 특징으로 하는, 기어.
7. 원판부와, 상기 원판부에 원주 형상으로 이산적으로 형성된 복수의 이부를 갖는 기어의 제조 방법에 있어서,
   소재 강으로서, 화학 성분이
   C : 0.1 내지 0.40 질량％,
   Si : 0.35 내지 3.0 질량％,
   Mn : 0.1 내지 3.0 질량％,
   Cr : 0.2 질량％ 미만(0% 포함),
   Mo : 0.1 질량％ 이하(0% 포함),
   P : 0.03 질량％ 이하(0% 포함),
   S : 0.15 질량％ 이하(0% 포함),
   Al : 0.05 질량％ 이하(0% 포함),
   N : 0.03 질량％ 이하(0% 포함),
   Fe 및 불가피 불순물 : 잔량부인 것을 사용하고,
   상기 소재 강으로 성형된 기어를, 대기의 산소 농도보다 낮은 산소 농도의 침탄 분위기 중에서, 상기 소재 강의 오스테나이트화 온도 이상의 온도로 가열해서 표면에 침탄층을 형성하는 침탄 공정과,
   상기 침탄 공정 후의 상기 기어를, 상기 소재 강이 마르텐사이트 변태하는 냉각 속도보다 느린 냉각 속도로, 냉각에 의한 조직 변태가 완료되는 온도 이하의 온도까지 냉각하는 냉각 공정과,
   상기 냉각 공정 후의 상기 기어를 고밀도 에너지 가열에 의해 가열함으로써, 상기 원판부에서의 코어부를 상기 소재 강의 오스테나이트화 온도 이상의 온도까지 승온시키는 일 없이, 상기 원판부에서의 상기 코어부보다 얕은 영역과 상기 이부를 상기 소재 강의 오스테나이트화 온도 이상의 온도까지 승온시켜, 그 상태로부터, 상기 소재 강이 마르텐사이트 변태하는 냉각 속도 이상의 냉각 속도로 냉각함으로써, 상기 원판부에서의 상기 코어부보다 얕은 영역과 상기 이부의 표층 및 내부의 전체에 마르텐사이트 조직을 형성하는 켄칭 공정을 행하는 것을 특징으로 하는, 기어의 제조 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 침탄 공정을, 그 침탄 공정의 확산기 후에서의 침탄층 내의 탄소 농도가 상기 소재 강의 탄소(C) 농도보다 높아지는 동시에 0.85 질량％ 이하가 되는 조건으로 행하는 것을 특징으로 하는, 기어의 제조 방법.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 침탄 공정에 제공하는 기어가,
   그 형상에 기인하여, 침탄 처리 시에 침입한 탄소의 확산 속도가 다른 제1 부위와 제2 부위를 갖고,
   상기 제1 부위보다도 상기 제2 부위 쪽이 침입한 탄소의 확산 속도가 느리다고 하는 형상을 나타내고 있는 것이며,
   상기 침탄 공정을, 그 침탄 공정에서의 확산기 후에서의 상기 제1 부위의 침탄층 내의 탄소 농도가 0.65±0.1 질량％의 범위 내가 되는 조건으로 행하는 것을 특징으로 하는, 기어의 제조 방법.
   
10. 제3항에 있어서, 소재 강의 화학 성분 중의 Mo 함유량이 0.01％ 미만(0% 포함)인 것을 특징으로 하는, 기어.
11. 제3항에 있어서, 소재 강의 화학 성분에,
    Ni : 0.1 내지 3.0 질량％가 더 포함되는 것을 특징으로 하는, 기어.
    
    

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