KR101609970B1

KR101609970B1 - 표면 경화강 강재

Info

Publication number: KR101609970B1
Application number: KR1020147028343A
Authority: KR
Inventors: 히데키 이마타카; 마사유키 호리모토; 겐 가토; 미츠루 후지모토
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤; 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2016-04-06
Also published as: KR20140138892A; MX2014012933A; CN104302799A; US20150125339A1; IN2014DN08683A; US9777354B2; MX360385B; WO2013161623A1; JP5886119B2; JP2013227606A; CN104302799B

Abstract

질량%로, C:0.15∼0.23%, Si:0.01∼0.15%, Mn:0.65∼0.90%, S:0.010∼0.030%, Cr:1.65∼1.80%, Al:0.015∼0.060% 및 N:0.0100∼0.0250%과, 필요에 따라 또한, 특정량의 Cu 및 Ni에서 선택되는 1종이상과, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 〔25≤Mn/S≤85〕, 〔0.90≤Cr/ (Si+2Mn)≤1.20〕 및 〔1.16Si+0.70Mn+Cr≥2.20〕이고, 불순물 중의 P, Ti 및 O가, P≤ 0.020%, Ti≤ 0.005%, O≤ 0.0015%인 화학 조성을 가지고, 면적 비율로 조직의 20∼70%가 페라이트이고, 상기 페라이트 이외의 부분이, 펄라이트 및 베이나이트 중의 1종 이상으로 이루어지는 조직인 표면 경화강 강재는, 성분 비용이 낮고, 양호한 열간 가공성을 가짐과 더불어 피삭성도 뛰어나고, 또한, 침탄 부품에 양호한 굽힘 피로 강도와 내마모성을 확보시킬 수 있으므로, CVT 풀리 샤프트 등 침탄 부품의 소재로서 이용하는데 적합하다.

Description

표면 경화강 강재{CASE HARDENING STEEL MATERIAL}

본 발명은 표면 경화강 강재에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은, 성분 비용이 낮고, 또한, 굽힘 피로 강도 및 내마모성이 뛰어나, 자동차용 벨트식 무단 변속기용 풀리 샤프트(이하, 「CVT 풀리 샤프트」라고 한다) 등 침탄 부품의 소재로서 이용하는데 적합한 표면 경화강 강재에 관한 것이다.

자동차 부품, 그 중에서도 트랜스미션에 이용되는 CVT 풀리 샤프트 등의 부품은, 굽힘 피로 강도 향상 및 내마모성 향상의 관점에서, 일반적으로, 침탄 담금질 등의 표면 경화 처리를 행한 후, 뜨임을 실시하여 제조되어 있다.

또한, 상기의 「침탄 담금질」은, 일반적으로, 소재강(본연의 강)으로서 저탄소의 「표면 경화강」을 사용하여, Ac₃점 이상의 고온의 오스테나이트역에서 C를 침입·확산시킨 후, 담금질하는 처리이다.

최근에는, 자동차에, 경량화·고토크화가 요구되고 있다. 이 때문에, 상기 CVT 풀리 샤프트 등 침탄 부품에는, 종래보다 한층 더 높은 굽힘 피로 강도와 높은 내마모성이 필요해진다. 또한, 본 명세서에 있어서는, 이하 「침탄 부품」을 「CVT 풀리 샤프트」로 대표시켜 설명하기도 한다.

표면 경화강에 Ni, Cr 및 Mo 등의 합금 원소를 다량으로 첨가하면, CVT 풀리 샤프트에 높은 굽힘 피로 강도와 높은 내마모성을 확보시킬 수 있지만, 합금 원소 증량에 의한 성분 비용의 상승을 초래해 버린다.

그러나, Ni와 Mo는 모두, 침탄층의 깊이 및 코어부(본연의 것)의 경도를 크게 하는 중요한 원소이며, 뜨임 연화 저항을 향상시키는 원소이다. 또한, Ni와 Mo는 모두 비산화성의 원소이기 때문에, 가스 침탄 시에 표면에 생성되는 입계 산화층의 깊이를 증대시키지 않고 침탄층의 담금질성을 향상시키는 효과도 가지고 있다.

이 때문에, CVT 풀리 샤프트의 소재가 되는 「표면 경화강」에는, JlS G 4052(2008)에 규정된 SCM420H 등의 「크롬몰리브덴강」이 사용되는 경우가 많다. 그러나, 특히 최근 Mo의 가격 폭등의 상황에 의거하여, Mo의 첨가량을 최대한 억제하여 성분 비용이 낮고, 또한, CVT 풀리 샤프트에 높은 굽힘 피로 강도와 높은 내마모성을 구비시킬 수 있는 표면 경화강 강재에 대한 요망이 매우 커지고 있다.

여기서, 상기한 요망에 응할 수 있도록, 예를 들면, 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에 각각, 「침탄 및 침탄 질화 처리용 고크롬강」 및 「고피로 강도 표면 경화품의 제조 방법」이 제안되어 있다.

구체적으로, 특허 문헌 1에, 질량 퍼센트로, C：0.10~0.30%, Si：0.15% 이하, Mn：0.90~1.40%, P : 0.015% 이하, Cr : 1.25~1.70%, Al：0.010~0.050%, Nb：0.001~0.050%, O : 0.0015% 이하 및 N : 0.0100~0.0200%와, 필요에 따라서 또한 (a) Ni：0.15% 이하 및 Mo : 0.10% 이하, (b) Ti :0.005~0.015%, 및, (c) S：0.005~0.035%, Pb : 0.01~0.09%, Bi : 0.04~0.20%, Te：0.002~0.050% , Zr：0.01~0.20% 및 Ca：0.0001~0.0100%로 나타내는 원소에서 선택되는 1종 이상과, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물 원소로 이루어지는 강을 1200℃ 이상으로 가열하고, 마무리 온도 800℃ 이상에서 열간 압연 등의 열간 성형을 종료 후, 30℃/분 이상의 평균 냉각 속도로 600℃ 이하까지 냉각하여 얻은 것을 특징으로 하는 「침탄 및 침탄 질화 처리용 크롬강」이 개시되어 있다.

또한, 특허 문헌 2에, 질량비로, Si : 0.10% 이하, P：0.010% 이하 및 O：0.005% 이하로 제한하고, C : 0.10~0.30%, Mn : 0.50~2.0%, S : 0.01~0.20%, Cr：0.50~1.50%, Al：0.02~0.10% 및 N : 0.010~0.025%와, 필요에 따라서 또한 (a) Nb：0.020~0.120% 및 Ti : 0.005~0.10%, 및, (b) Ni : 4.0% 이하, Mo : 1.0% 이하, V : 1.0% 이하 및 Cu : 3.0% 이하로 나타내는 원소에서 선택되는 1종 이상과, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강재를, 필요한 제품 형상으로 가공하여, 표층 0.02mm에서의 잔류 오스테나이트량이 면적율로 20~60%의 범위가 되는 조건으로 침탄 처리를 행한 후, 응력 집중부에, 최표면에서의 정미(正味)의 최대 응력으로 70~120kg f/㎟(686~1176MPa)의 범위의 반복 굽힘 응력을, 10³회 이하 부여하는 것을 특징으로 하는 「고피로 강도 표면 경화품의 제조 방법」이 개시되어 있다.

일본국 특허공개 2001－152284호 공보 일본국 특허공개 평 2－259012호 공보

전술의 특허 문헌 1에 개시된 기술은, Si의 함유량을 낮게 억제하여 입계 산화를 저감시키는 기술적 사상을 가지지만, 굽힘 피로 강도 및 내마모성의 저하를 초래하는 입계 산화층 및 불완전 담금질층(이하, 총칭하여 「침탄 이상층」이라고 하기도 한다)의 깊이를 억제하는 것에 대한 배려가 이루어져 있지 않다. 이 때문에, 특허 문헌 1의 기술은, 반드시, CVT 풀리 샤프트 등의 부품에 높은 굽힘 피로 강도와 높은 내마모성을 확보시킬 수 있는 것은 아니다.

특허 문헌 2에 개시된 기술도, Si의 함유량을 0.1% 이하로 제한하여 입계 산화를 저감시키는 기술적 사상을 가지지만, 굽힘 피로 강도를 저하시키는 침탄 이상층의 깊이를 억제하는 것에 대한 배려가 이루어져 있지 않다. 또한, 특허 문헌 2에서는, 표면 경화강의 고온 강도 즉, 고온 하에 노출되는 강재 표면부의 뜨임 연화 저항에 대한 배려도 이루어져 있지 않다. 이 때문에, 특허 문헌 2의 기술도, 반드시, CVT 풀리 샤프트 등의 부품에 높은 굽힘 피로 강도와 높은 내마모성을 확보시킬 수 있는 것은 아니다.

또한, 이 특허 문헌 2에 개시된 기술의 경우, 소재강을 원하는 제품 형상으로 열간 단조할 때에 균열의 기점이 되는 조대(粗大)한 MnS의 생성을 억제하는 것에 대한 배려가 이루어져 있지 않기 때문에, 열간 가공성이 충분하지 않다. 또한, 상기의 조대한 MnS 그 자체가, 굽힘 피로 강도를 저하시키므로, 원하는 높은 굽힘 피로 강도를 확보할 수 없는 경우도 있다.

본 발명은, 상기 현상을 감안하여 이루어진 것으로, 고가의 원소인 Mo를 첨가하지 않아도, CVT 풀리 샤프트에 대하여, JlS G 4052(2008)로 규정된 「크롬 몰리브덴강」의 SCM420H를 소재강으로 하는 경우를 기준으로 평가한 양호한 굽힘 피로 강도와 내마모성을 확보시킬 수 있음과 더불어, 성분 비용이 낮고, 또한, 양호한 열간 가공성도 구비하는 피삭성이 뛰어난 표면 경화강 강재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자 등은, 상기한 과제를 해결하기 위해서, 다양한 검토를 행했다. 그 결과, 먼저, 하기 (a)~(d)의 지견을 얻었다.

(a) Mo를 첨가하지 않고, 높은 굽힘 피로 강도와 높은 내마모성을 확보하기 위해서는, 강의 성분 조성을, Mo 함유량 저감때문에 발생하는 담금질성의 저하를 억제할 수 있는 것으로 할 필요가 있다.

(b) 조대한 MnS의 생성에 의해, 굽힘 피로 강도의 저하가 발생하므로, 높은 굽힘 피로 강도의 확보를 위해서는, 조대한 MnS의 생성을 억제하는 것이 필요하다.

(c) 조대한 MnS는 열간 가공 시의 균열의 기점이 된다. 이 때문에, 열간 가공시의 균열을 억제하기 위해서도 조대한 MnS를 최대한 줄일 필요가 있다.

(d) 조대한 MnS를 최대한 줄이기 위해서는, Mn과 S의 개개의 함유량의 제어뿐만 아니라, Mn와 S의 함유량 밸런스를 적정화하는 것이 필요하다. 구체적으로는, 식 중의 원소 기호를, 그 원소의 질량%로의 함유량으로서, 〔Fn1=Mn/S〕의 식으로 표시되는 Fn1에 대하여,〔25≤Fn1≤85〕로 제어함으로써, 조대한 MnS의 생성을 억제할 수 있다. 이 때문에, 양호한 열간 가공성을 확보하여 열간 가공시의 균열을 억제함과 더불어, 높은 굽힘 피로 강도를 확보하기 위해서는, Mn 및 S의 개개의 함유량을 제어함과 더불어, 그들이 상기의 관계식을 만족하는 것이 아니면 안된다.

여기서 또한 본 발명자 등은, Mo의 함유량 저감에 알맞는 만큼의 담금질성을 확보하고, 또한, Mn과 S의 함유량과 그 밸런스를 적정화하여 조대한 MnS의 생성을 억제한 강에 대하여, 다양한 검토를 행했다. 그 결과, 하기 (e)~(j)의 지견을 얻었다.

(e) Mo 함유량 저감때문에 발생하는 담금질성 저하, 및 조대한 MnS의 생성을 억제하는 것만으로는, 높은 굽힘 피로 강도를 확보할 수 없다. 담금질성의 확보와 조대한 MnS의 생성의 억제에 더하여, 침탄 이상층의 깊이, 즉, 입계 산화층 및 불완전 담금질층의 깊이를 작게 하는 것도 필요하다.

(f) 산화성의 원소, 그 중에서도, Cr, Si 및 Mn의 함유량 밸런스를 적정화함으로써 침탄 이상층인 입계 산화층 및 불완전 담금질층의 깊이를 작게 할 수 있다. 구체적으로는, 식 중의 원소 기호를, 그 원소의 질량%로의 함유량으로서,〔Fn2=Cr/(Si＋2Mn)〕의 식으로 표시되는 Fn2에 대하여,〔0.90≤Fn2≤1.20〕으로 제어함으로써, 침탄 이상층의 깊이를 작게 하는 것이 가능해져, 높은 굽힘 피로 강도를 확보할 수 있다.

(g) 높은 굽힘 피로 강도를 확보하기 위해서는, ASTM－E45－11의 A법에 준거하여 측정한 타입 B 및 타입 D의 대형의 경질 개재물, 즉, 주로 Al₂0₃계 개재물인 타입 B의 개재물 및 주로 TiN계 개재물인 타입 D의 개재물 중에서 두께가 큰 것을 억제할 필요가 있다. 이는, 상술한 타입 B 및 타입 D의 대형의 경질 개재물이 피로 파괴의 기점이 되기 때문이다.

(h) 상기의 타입 B 및 타입 D의 대형의 경질 개재물을 억제하기 위해서는, 불순물 중에서도 특히 Ti 및 O(산소)의 함유량을 각각, 0.005% 이하 및 0.0015% 이하로 제어할 필요가 있다. 또한, 타입 B 및 타입 D의 대형의 경질 개재물을 억제하기 위해서는, 진공 용해로에서 용제하거나, 전로에서 용제하는 경우에는, 2차 정련을 반복하거나, 연속 주조 시에 전자(電磁) 교반을 행하는 것이 바람직하다.

(i) 안정되게 양호한 피삭성을 확보하기 위해서는, 면적 비율로 조직의 20~70%를 페라이트로 할 필요가 있다.

(j) 높은 내마모성을 확보하기 위해서는, 슬라이드 이동 표면의 뜨임 연화를 억제하는 것이 유효하다. 구체적으로는, 식 중의 원소 기호를, 그 원소의 질량%로의 함유량으로서, 〔Fn3=1.16Si＋0.70Mn＋Cr〕의 식으로 표시되는 Fn3에 대하여,〔Fn3≥2.20〕으로 제어함으로써, 뜨임 연화 저항이 커져, 높은 내마모성을 확보할 수 있다.

본 발명은, 상기의 지견에 의거하여 완성된 것이며, 그 요지는, 하기에 나타내는 표면 경화강 강재에 있다.

(1) 질량%로, C: 0.15~0.23%, Si：0.01~0.15%, Mn : 0.65~0.90%, S :0.010~0.030%, Cr：1.65~1.80%, Al : 0.015~0.060% 및 N : 0.0100~0.0250%와,

잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,

하기의 <1>식, <2>식 및 <3>식으로 표시되는 Fn1, Fn2 및 Fn3가, 각각, 25≤Fn1≤85, 0.90≤Fn2≤1.20 및 Fn3≥2.20이며,

불순물 중의 P, Ti 및 0가, P : 0.020% 이하, Ti：0.005% 이하 및 O：0.0015% 이하인 화학 조성을 가지고,

면적 비율로 조직의 20~70%가 페라이트이며,

상기 페라이트 이외의 부분이, 펄라이트 및 베이나이트 중 1종 이상으로 이루어지는 조직인 것을 특징으로 하는 표면 경화강 강재.

Fn1＝Mn/S… <1>

Fn2＝Cr/(Si＋2Mn)… <2>

Fn3＝1.16Si＋0.70Mn＋Cr… <3>

단, <1>식, <2>식 및 <3>식 중의 원소 기호는, 그 원소의 질량%로의 함유량을 나타낸다.

(2) Fe의 일부를 대신하여, 질량%로, Cu：0.20% 이하 및 Ni : 0.20% 이하에서 선택되는 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 표면 경화강 강재.

본 발명의 표면 경화강 강재는 성분 비용이 낮고, 양호한 열간 가공성을 가짐과 더불어 피삭성도 뛰어나다. 또한, 이 표면 경화강 강재를 소재로 하는 침탄 부품은, JlS G 4052(2008)로 규정된 「크롬 몰리브덴강」의 SCM420H를 소재로 하는 침탄 부품을 기준으로 평가한 양호한 굽힘 피로 강도와 내마모성을 구비하고 있다. 이 때문에, 본 발명의 표면 경화강 강재는, 경량화·고토크화를 위해서 높은 굽힘 피로 강도와 높은 내마모성이 요구되는 CVT 풀리 샤프트 등 침탄 부품의 소재로서 이용하는데 매우 적합하다.

도 1은 실시예에서 이용한 절결이 있는 오노식 회전 굽힘 피로 시험편의 봉강으로부터 잘라낸 채로의 조(粗)형상을 나타내는 도면이다. 도면 중의 치수의 단위는 「mm」이다.
도 2는 실시예의 블록 온 링 시험에 이용한 블록 시험편의 봉강으로부터 잘라낸 채로의 조형상을 나타내는 도면이다. 도면 중의 치수의 단위는 「mm」이다.
도 3은 실시예의 블록 온 링 시험에 이용한 링 시험편의 봉강으로부터 잘라낸 채로의 조형상을 나타내는 도면이다. 도면 중의 치수의 단위는 「mm」이다.
도 4는 실시예에 있어서, 도 1~3에 나타내는 시험편에 실시한 「침탄 담금질-뜨임」의 히트 패턴을 나타내는 도면이다.
도 5는 실시예에서 이용한 절결이 있는 오노식 회전 굽힘 피로 시험편의 마무리 형상을 나타내는 도면이다. 도면 중의 치수의 단위는 「mm」이다.
도 6은 실시예의 블록 온 링 시험에 이용한 블록 시험편의 마무리 형상을 나타내는 도면이다. 도면 중의 치수의 단위는, 「시험면 : Rq=0.10~0.20」으로 기재한 개소만 「㎛」이고, 그 외는 「mm」이다.
도 7은 실시예의 블록 온 링 시험에 이용한 링 시험편의 마무리 형상을 나타내는 도면이다. 도면 중의 치수의 단위는, 「시험면 : Rq=0.15~0.30」으로 기재한 개소만 「㎛」이고, 그 외는 「mm」이다.
도 8은 실시예에서 행한 열간 압축 시험에 대하여 설명하는 도면이며, 도면 중의 (a) 및 (b)는 각각, 열간에서의 압축 시험전 및 압축 시험후의 시험편의 치수와 형상을 모식적으로 나타내는 도면이다. 도면 중의 치수의 단위는 「mm」이다.
도 9는 실시예의 NC 선반을 이용한 선삭 가공으로 생긴 쇳밥의 길이에 대하여 설명하는 도면이다.

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

(A) 화학 조성에 대하여：

C : 0.15~0.23%

C는 CVT 풀리 샤프트 등 침탄 부품의 강도 확보를 위해서 필수 원소이며, 0.15% 이상의 함유량이 필요하다. 그러나, C의 함유량이 너무 많으면 경도가 높아져 피삭성의 저하를 초래하고, 특히, 그 함유량이 0.23%를 초과하면, 경도 상승에 따르는 피삭성의 저하가 현저해진다. 따라서, C의 함유량을 0.15~0.23%로 했다.

또한, 한층 더 양호한 피삭성이 요구되는 경우에는, C의 함유량을 0.22% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Si：0.01~0.15%

Si는, 담금질성을 향상시키는 작용 및 탈산 작용을 가진다. 또한, Si는 뜨임 연화에 대한 저항을 가지고, CVT 풀리 샤프트 등의 슬라이드 이동 표면이 고온에 노출된 상황 하에 있어서, 표면의 연화를 막는 효과가 있다. 이들 효과를 얻기 위해서는, 0.01% 이상의 Si를 함유할 필요가 있다. 그러나, Si는 산화성의 원소이기 때문에, 그 함유량이 많아지면, 침탄 가스 중에 포함되는 미량의 H₂0 또는 CO₂에 의해서 Si가 선택 산화되어, 강 표면에 Si 산화물이 생성되므로, 침탄 이상층인 입계 산화층 및 불완전 담금질층의 깊이가 커진다. 그리고, 침탄 이상층의 깊이가 커지면, 굽힘 피로 강도의 저하를 초래한다. 또한, Si의 함유량이 많아지면, 뜨임 연화에 대한 저항 효과가 포화할뿐만 아니라, 침탄성을 저해하고, 또한 피삭성이 저하한다. 특히, Si의 함유량이 0.15%를 초과하면, 침탄 이상층의 깊이 증대 및 침탄성의 저해에 의한 표면 경도 저하에 의해서, 굽힘 피로 강도의 저하가 현저해져, 피삭성의 저하도 현저해진다. 따라서, Si의 함유량을 0.01~0.15%로 했다.

한층 더 높은 굽힘 피로 강도가 요구되는 경우에는, Si의 함유량을 0.10% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Mn : 0.65~0.90%

Mn은, 담금질성을 향상시키는 작용 및 탈산 작용을 가진다. 또한, Mn은 뜨임 연화를 억제하는 효과도 가진다. 이들 효과를 얻기 위해서는, 0.65% 이상의 Mn 함유량이 필요하다. 그러나, Mn의 함유량이 많아지면, 경도가 높아져 피삭성의 저하를 초래하고, 특히, 그 함유량이 0.90%를 초과하면, 경도의 상승에 따르는 피삭성의 저하가 현저해진다. 또한, Si와 마찬가지로, Mn은 산화성의 원소이기 때문에, 그 함유량이 많아지면, 강 표면에 Mn 산화물이 생성되므로, 침탄 이상층인 입계 산화층 및 불완전 담금질층의 깊이가 커진다. 그리고, 침탄 이상층의 깊이가 커지면, 굽힘 피로 강도의 저하를 초래하고, 특히, Mn의 함유량이 0.90%를 초과하면, 침탄 이상층의 깊이 증대에 의한 굽힘 피로 강도의 저하가 현저해진다. 따라서, Mn의 함유량을 0.65~0.90%로 했다. 또한, Mn의 함유량은 0.70% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

S：0.010~0.030%

S는, Mn과 결합하여 MnS를 형성하여, 피삭성을 향상시키는 작용이 있다.

이 피삭성 향상의 효과를 얻기 위해서는, 0.010% 이상의 S 함유량이 필요하다. 한편, S의 함유량이 0.030%를 초과하면, 조대한 MnS를 형성하여, 열간 가공성 및 굽힘 피로 강도가 저하한다. 따라서, S의 함유량을 0.010~0.030%로 했다.

또한, 상기한 S의 피삭성 향상 효과를 안정되게 얻기 위해서는, S의 함유량을 0.015% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

한층 더 양호한 열간 가공성, 굽힘 피로 강도가 요구되는 경우에는, S의 함유량은 0.025% 이하인 것이 바람직하다.

Cr : 1.65~1.80%

Cr은, 담금질성을 향상시키는 효과를 가진다. Cr은, 담금질 연화에 대한 저항을 가지고, CVT 풀리 샤프트 등의 슬라이드 이동 표면이 고온에 노출된 상황 하에 있어서, 표면의 연화를 막는 효과도 있다. 이들 효과를 얻기 위해서는, 1.65% 이상의 Cr 함유량이 필요하다. 그러나, Cr의 함유량이 많아지면, 경도가 높아져 피삭성의 저하를 초래하고, 특히, 그 함유량이 1.80%를 초과하면, 경도 상승에 따르는 피삭성의 저하가 현저해진다. 또한, Si 및 Mn과 마찬가지로, Cr은 산화성의 원소이므로, 그 함유량이 많아지면, 강 표면에 Cr 산화물이 생성되므로, 침탄 이상층인 입계 산화층 및 불완전 담금질층의 깊이가 커진다. 그리고, 침탄 이상층의 깊이가 커지면, 굽힘 피로 강도 및 내마모성의 저하를 초래하고, 특히, Cr의 함유량이 1.80%를 초과하면, 침탄 이상층의 깊이 증대에 의한 굽힘 피로 강도의 저하가 현저해진다. 따라서, Cr의 함유량을 1.65~1.80%로 했다.

한층 더 양호한 피삭성이 요구되는 경우에는, Cr의 함유량을 1.80% 미만으로 하는 것이 바람직하다.

Al：0.015~0.060%

Al은 탈산 작용을 가진다. 또한, Al에는, N과 결합하여 AlN을 형성하고, 결정 입자를 미세화하여 강을 강화하는 작용도 있다. 그러나, Al의 함유량이 0.015% 미만에서는, 상기의 효과를 얻기 어렵다. 한편, Al의 함유량이 과잉이 되면, 경질이고 조대한 Al₂0₃ 형성에 의한 피삭성의 저하를 초래하고, 또한, 굽힘 피로 강도와 내마모성도 저하한다. 특히, Al의 함유량이 0.060%를 초과하면, 피삭성, 굽힘 피로 강도 및 내마모성의 저하가 현저해진다. 따라서, Al의 함유량을 0.015~0.060%로 했다. 또한, Al의 함유량은, 0.020% 이상인 것이 바람직하고, 또한, 0.055% 이하인 것이 바람직하다.

N : 0.0100~0.0250%

N은, 질화물을 형성함으로써 결정 입자를 미세화시켜, 굽힘 피로 강도를 향상시키는 효과를 가진다. 이 효과를 얻기 위해서는, N을 0.0100% 이상 함유할 필요가 있다. 그러나, N의 함유량이 과잉이 되면, 조대한 질화물을 형성하여 인성의 저하를 초래하고, 특히, 그 함유량이 0.0250%를 초과하면, 인성의 저하가 현저해진다. 따라서, N의 함유량을 0.0100~0.0250%로 했다. 또한, N의 함유량은, 0.0130% 이상인 것이 바람직하고, 또한, 0.0200% 이하인 것이 바람직하다.

본 발명에 관련된 표면 경화강 강재는, 상술의 C부터 N까지의 원소와, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 또한 후술하는 Fn1, Fn2 및 Fn3에 대한 조건을 만족하며, 불순물 중의 P, Ti 및 O(산소)의 함유량을 후술하는 범위로 제한한 화학 조성을 가지는 것이다.

또한, 잔부로서의 「Fe 및 불순물」에 있어서의 「불순물」이란, 강재를 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것을 가리킨다.

Fn1 : 25~85

Mn 및 S의 함유량이, 상술한 범위에 있어도, 조대한 MnS가 생성되면, 굽힘 피로 강도의 저하가 발생한다. 높은 굽힘 피로 강도를 확보하기 위해서는, 조대한 MnS의 생성을 억제하는 것이 필요하다. 또한, 상기의 조대한 MnS는, 열간 가공시의 균열의 기점이 되기 때문에, 열간 가공시의 균열을 억제하기 위해서는 조대한 MnS를 최대한 줄이는 것이 필요하다. 이를 위해서는, Mn 및 S의 함유량의 밸런스가 중요하고, 상기 <1>식으로 표시되는 Fn1를 일정 범위 내로 할 필요가 있다.

Fn1가 25보다 작은 경우에는, S의 함유량이 과잉이 되어 조대한 MnS의 생성을 피할 수 없다. 한편, Fn1가 85보다 큰 경우에는, Mn의 함유량이 과잉이 되어 중심 편석부에 있어서 조대한 MnS가 생성된다. 이 때문에, 어느 경우에나, 굽힘 피로 강도의 저하를 초래하고, 또한, 열간 가공시의 균열이 발생하기 쉬워진다. 따라서, Fn1에 대하여, 25≤Fn1≤85인 것으로 했다.

Fn2：0.90~1.20

Mo를 첨가하지 않고, 높은 굽힘 피로 강도를 구비시키기 위해서는, 담금질성을 확보하면서, 침탄 이상층인 입계 산화층 및 불완전 담금질층의 깊이를 작게 할 필요가 있다. 이를 위해서는 산화성의 원소 중에서, 특히, Cr, Si 및 Mn의 함유량을 상기의 범위로 한 위에, 이들 원소의 함유량 밸런스로서의 상기 <2>식으로 표시되는 Fn2가 0.90~1.20의 범위 내이지 아니면 안된다.

Fn2가 0.90보다 작은 경우 및 1.20보다 큰 경우에는 어느것이나 모두, 침탄 이상층의 깊이가 커지므로, 굽힘 피로 강도가 저하되어 버린다. 따라서, Fn2에 대하여, 0.90≤Fn2≤1.20인 것으로 했다.

Fn3：2.20 이상

높은 내마모성을 확보시키기 위해서는, 고온에 노출되는 슬라이드 이동 표면의 뜨임 연화 저항을 크게 하는 것이 유효하다. 이를 위해서는, 뜨임 연화를 억제하는 효과를 가지는 원소인 Si, Mn 및 Cr의 함유량을 상기의 범위로 한 위에, 이들 원소의 함유량 밸런스로서의 상기 <3>식으로 표시되는 Fn3가 2.20 이상이지 않으면 안된다. Fn3가 2.20보다 작은 경우는, 내마모성이 저하해 버린다. 또한, Fn3는 2.60 이하인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서는, 불순물 중의 P, Ti 및 O는, 특히 엄격하게 제한할 필요가 있고, 그 함유량을 각각, P：0.020% 이하, Ti : 0.005% 이하 및 0：0.0015% 이하로 할 필요가 있다.

이하, 이에 대하여 설명한다.

P：0.020% 이하

P는, 강에 함유되는 불순물이며, 결정 입계에 편석하여 강을 취화시킨다. 특히, 그 함유량이 0.020%를 초과하면, 취화의 정도가 현저해진다. 따라서, 불순물 중의 P의 함유량을 0.020% 이하로 했다. 또한, 불순물 중의 P의 함유량은 0.015% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Ti : 0.005% 이하

Ti는, N과의 친화성이 높기 때문에, 강 중의 N과 결합하여 경질이고 조대한 비금속 개재물인 D계 개재물의 TiN를 형성하고, 굽힘 피로 강도와 내마모성을 저하시키고, 또한 피삭성도 저하시킨다. 따라서, 불순물 중의 Ti의 함유량을 0.005% 이하로 했다.

O : 0.0015% 이하

O는, 강 중의 Si, Al 등과 결합하여, 산화물을 생성한다. 산화물 중에서도, 특히, B계 개재물의 Al₂0₃는 경질이기 때문에, 피삭성을 저하시키고, 또한, 굽힘 피로 강도 및 내마모성의 저하도 초래한다. 따라서, 불순물 중의 O의 함유량을 0.0015% 이하로 했다. 또한, 불순물 중의 O의 함유량은 0.0013% 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 관련된 표면 경화강 강재는, 그 Fe의 일부를 대신하여, 필요에 따라서, Cu 및 Ni에서 선택되는 1종 이상의 원소를 함유해도 된다.

이하, 임의 원소인 상기 Cu 및 Ni의 작용 효과와, 함유량의 한정 이유에 대하여 설명한다.

Cu : 0.20% 이하

Cu는, 담금질성을 높이는 작용을 가지므로, 담금질성을 더욱 향상시키기 위해서 Cu를 함유시켜도 된다. 그러나, Cu는 고가의 원소임과 더불어, 함유량이 많아지면 열간 가공성의 저하를 초래하고, 특히, 0.20%를 초과하면, 열간 가공성의 저하가 현저해진다. 따라서, 함유시키는 경우의 Cu의 양을 0.20% 이하로 했다. 또한, 함유시키는 경우의 Cu의 양은 0.15% 이하인 것이 바람직하다.

한편, 상기한 Cu의 담금질성 향상 효과를 안정되게 얻기 위해서는, 함유시키는 경우의 Cu의 양은 0.05% 이상인 것이 바람직하다.

Ni : 0.20% 이하

Ni는, 담금질성을 높이는 작용을 가진다. Ni에는, 인성을 향상시키는 작용이 있는 것에 추가하여, 비산화성의 원소이기 때문에, 침탄 시에 입계 산화층의 깊이를 증대시키지 않고 강 표면을 강인화할 수도 있다. 이 때문에, 이들 효과를 얻기 위해서 Ni를 함유시켜도 된다. 그러나, Ni는 고가의 원소이며, 과도한 첨가는 성분 비용의 상승으로 이어지며, 특히, Ni의 함유량이 0.20%를 초과하면, 비용 상승이 커진다. 따라서, 함유시키는 경우의 Ni의 양을 0.20% 이하로 했다. 또한, 함유시키는 경우의 Ni의 양은 0.15% 이하인 것이 바람직하다.

한편, 상기한 Ni의 특성 향상 효과를 안정되게 얻기 위해서는, 함유시키는 경우의 Ni의 양은 0.05% 이상인 것이 바람직하다.

또한, 상기의 Cu 및 Ni는, 그 중의 어느 하나의 1종만, 또는 2종의 복합으로 함유시킬 수 있다. 이들 원소의 합계 함유량은 0.40%여도 되지만, 0.30% 이하인 것이 바람직하다.

(B) 조직에 대하여：

본 발명의 표면 경화강 강재는, 상기 (A) 항에 기재된 화학 조성을 가지는 것에 추가하여, 면적 비율로 조직의 20~70%가 페라이트이며, 상기 페라이트 이외의 부분이, 펄라이트 및 베이나이트 중의 1종 이상으로 이루어지는 조직이지 않으면 안된다. 이는 다음의 이유에 의한다.

강재 조직 중의 페라이트의 면적 비율은, 피삭성에 영향을 미친다. 면적 비율로 조직 중의 페라이트가 20% 미만인 경우, 절삭 시의 공구 마모를 촉진시켜, 피삭성을 저하시킨다. 한편, 페라이트의 면적 비율이 70%를 초과하면, 선삭시의 절분(切粉)이 연결되어, 쇳밥 처리성이 나빠지고, 이 경우도, 피삭성을 저하시킨다. 이 때문에, 면적 비율로 조직의 20~70%가 페라이트인 것으로 했다. 또한, 페라이트의 면적 비율은 30% 이상인 것이 바람직하다.

상기 페라이트 이외의 부분에, 마텐자이트가 혼재하면, 경도가 상승하여, 피삭성이 저하한다. 따라서, 상기 페라이트 이외의 부분은, 펄라이트 및 베이나이트 중의 1종 이상으로 이루어지는 조직으로 했다.

상기 (A)항에 기재된 화학 조성을 가지는 표면 경화강은, 예를 들면 열간 압연 또는 열간 단조의 후에, 870~950℃에서 소준(燒準)하고, 800~500℃ 사이의 평균 냉각 속도가 0.1~3℃/s가 되도록, 대기 중에서 방냉 혹은 팬으로 풍냉함으로써, 상술한 면적 비율로 조직의 20~70%가 페라이트이며, 상기 페라이트 이외의 부분이, 펄라이트 및 베이나이트 중 1종 이상으로 이루어지는 조직으로 할 수 있다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 한층 더 상세하게 설명한다.

실시예

표 1에 나타내는 화학 조성을 가지는 강 1~21을 전로 또는 진공 용해로에 의해서 용해하여, 주조편 또는 잉곳을 제작했다.

구체적으로는, 강 1에 대해서는, 70톤 전로에 의해서 용제 후, 2차 정련을 2회 실시하여 성분 조정을 행한 후, 연속 주조하여 주조편을 제작했다. 또한, 연속 주조 시, 전자 교반의 제어를 행하여 개재물을 부상시켜, 충분히 제거했다.

강 2~16 및 강 18~21에 대해서는, 150kg 진공 용해로에 의해서 용제 후, 조괴하여 잉곳을 제작했다.

강 17에 대해서는, 150kg 대기 용해로에 의해서 용제 후, 조괴하여 잉곳을 제작했다.

또한, 표 1 중의 강 1~12는, 화학 조성이 본 발명에서 규정하는 범위 내에 있는 본 발명예의 강이다.

한편, 강 13 및 강 19는 모두, 각 성분 원소의 함유량이 본 발명에서 규정하는 조건을 만족하는 것의 Fn2가 본 발명에서 규정하는 조건으로부터 벗어난 비교예의 강이며, 강 15는, 각 성분 원소의 함유량이 본 발명에서 규정하는 조건을 만족하는 것의 Fn3가 본 발명에서 규정하는 조건으로부터 벗어난 비교예의 강이다. 또한, 강 20 및 강 21은 모두, 각 성분 원소의 함유량이 본 발명에서 규정하는 조건을 만족하는 것의 Fn1가 본 발명에서 규정하는 조건으로부터 벗어난 비교예의 강이다. 또한, 강 14 및 강 16~18은, 적어도 성분 원소의 함유량이 본 발명에서 규정하는 조건으로부터 벗어난 비교예의 강이다.

상기의 비교예의 강 중에서 강 14는 JlS G 4052(2008)에 규정된 SCM420H에 상당하는 강이다.

[표 1]

상기의 주조편 및 각 잉곳으로부터, 다음의〔1〕및〔2〕에 나타내는 공정에 의해서 직경이 각각, 25mm 및 45mm의 봉강을 제작했다.

〔1〕분괴 압연：

주조편은, 1250℃에서 2시간 유지한 후, 분괴 압연하여 180mm각의 빌릿을 제조했다.

〔2〕열간 가공 :

상기 분괴 압연하여 제조한 180mm각의 빌릿의 표면 상처를 그라인더로 제거하고, 1250℃에서 50분 유지한 후, 열간 압연하여 직경이 각각 25mm 및 45mm의 봉강을 제작했다.

또한, 각 잉곳은, 1250℃에서 2시간 유지한 후, 열간 단조하여 직경이 각각, 25mm 및 45mm의 봉강을 제작했다.

이와 같이 하여 얻은 직경이 각각 25mm 및 45mm의 봉강으로부터 , 다음의〔3〕~〔6〕에 나타내는 공정에 의해서, 각종 시험편을 제작했다.

〔3〕소준 :

직경이 25mm의 각 봉강은, 900℃에서 1시간 유지한 후에 대기 중에서 방냉하여 소준했다.

직경이 45mm의 각 봉강은, 강 1~5 및 강 13~15에 대해서는, 900℃에서 1시간 유지한 후에 대기 중에서 방냉하여 소준하고, 강 6~12 및 강 16~21에 대해서는, 900℃에서 1시간 유지한 후에, 팬으로 풍냉하여 소준했다.

직경이 25mm의 봉강을 대기 중에서 방냉한 경우의 800℃부터 500℃ 사이의 평균 냉각 속도는 0.89℃/s였다.

직경이 45mm의 봉강을 대기 중에서 방냉한 경우의 800℃부터 500℃ 사이의 평균 냉각 속도는 0.46℃／s였다. 또한, 직경이 45mm의 봉강을 팬으로 풍냉한 경우의 800℃부터 500℃ 사이의 평균 냉각 속도는 0.85℃／s였다.

〔4〕기계 가공(조(粗)가공 또는 마무리 가공) :

상기 소준 후의 직경이 25mm인 각 봉강의 중심부로부터, 압연 방향 또는 단련축에 평행으로 도 1에 나타내는 조형상의 절결 오노식 회전 굽힘 피로 시험편 및 도 2에 나타내는 조형상의 블록 온 링 시험용 블록 시험편, 및 직경이 20mm이고 길이가 30mm인 마무리 형상을 가지는 열간 압축 시험용의 시험편을 잘라냈다.

또한, 상기 소준 후의 직경이 45mm인 봉강의 중심부로부터 단련축에 평행하게, 도 3에 나타내는 조형상의 블록 온 링 시험용 링 시험편 및 직경이 40mm, 길이가 450mm인 피삭성 시험용의 시험편을 잘라냈다.

또한, 도 1~3 중에 나타낸 상기의 각 잘라냄 시험편에 있어서의 치수 단위는 전체 「mm」이며, 도면 중 역삼각형의 3종류의 다듬질 기호는, JlS B 0601(1982)의 해설표 1에 기재되어 있던 표면 거칠기를 나타내는 「삼각 기호」이다.

상기 소준 후의 직경이 25mm인 각 봉강의 각각의 나머지 일부는, 물 담금질한 후, 비금속 개재물 조사에 제공했다. 또한, 조사 방법의 상세에 대해서는 후술한다.

〔5〕침탄 담금질-뜨임 :

상기〔4〕에서 잘라낸 절결이 있는 오노식 회전 굽힘 피로 시험편, 블록 온 링 시험용의 블록 시험편 및 링 시험편 전체에 대하여, 도 4에 나타내는 히트 패턴에 의한 「침탄 담금질-뜨임」을 실시했다. 또한, 도 4중의 「Cp」는 카본 포텐셜을 나타낸다. 또한, 「130℃유(油) 담금질」은 유온 130℃의 유 중에 담금질한 것을, 또한 「AC」는 공냉한 것을 나타낸다.

또한, 절결이 있는 오노식 회전 굽힘 피로 시험편은, 매달음용으로 가공한 구멍에 철사를 통하여, 매단 상태로 상기의 처리를 실시했다. 한편, 블록 온 링 시험용의 블록 시험편 및 링 시험편은, 철망 상의 지그 상에 평평하게 둔 상태에서 상기의 처리를 실시했다.

유 담금질에 대해서는, 균일하게 담금질 처리되도록, 교반하고 있는 담금질유 중에 시험편을 투입하여 행했다.

〔6〕기계 가공(침탄 담금질-뜨임재의 마무리 가공) :

침탄 담금질-뜨임 처리를 실시한 상기의 각 시험편을 마무리 가공하여, 도 5에 나타내는 절결이 있는 오노식 회전 굽힘 피로 시험편, 도 6에 도시하는 블록 온 링 시험용의 블록 시험편 및 도 7에 도시하는 블록 온 링 시험용의 링 시험편을 제작했다.

또한, 도 5~7에 나타낸 전술의 각 시험편에 있어서의 치수의 단위는, 도 6의 「시험면：Rq=0.10~0.20」 및 도 7의 「시험면：Rq=0.15~0.30」으로 기재된 개소를 제외하고, 「mm」이다. 또한, 도 5~7 중의 역삼각형의 3종류의 다듬질 기호는, 앞의 도 1~3에 있어서와 마찬가지로, 각각, JlS B 0601(1982)의 해설표 1에 기재되어 있던 표면 거칠기를 나타내는 「삼각 기호」이다.

또한, 도 5 중, 다듬질 기호에 붙인 「G」는 JlS B 0122(1978)에 규정된 「연삭」을 나타내는 가공 방법의 약호인 것을 의미한다.

또한, 도 5 중의 「~(물결 데쉬)」는 「파형 기호」이며, 본연의 것, 즉, 상기〔5〕의 침탄 담금질-뜨임 처리한 표면 그대로인 것을 의미한다.

상술한 도 6 중의 「Rq=0.10~0.20」 및 도 7 중의 「Rq=0.15~0.30」은, JlS B 0601(2001)에 규정되는 제곱 평균 평방근 거칠기 「Rq」가 각각, 0.10~0.20㎛ 및 0.15~0.30㎛인 것을 의미한다.

강 1~21의 각각에 대하여, 마이크로 조직의 조사, 열간 압축 시험에 의한 열간 가공성의 조사, 비금속 개재물의 조사, 표면 경도의 조사, 코어부 경도의 조사, 유효 경화층 깊이의 조사, 입계 산화층 깊이의 조사, 불완전 담금질층 깊이의 조사, 오노식 회전 굽힘 피로 시험에 의한 피로 특성의 조사, 블록 온 링 시험에 의한 내마모성의 조사 및 선삭 가공에 의한 피삭성의 조사를 행했다.

이하, 상기 각 조사의 내용에 대하여 상세하게 설명한다.

《1》마이크로 조직의 조사 :

상기〔3〕에서 제작한 직경이 45mm인 소준 후의 봉강의 횡단면(압연 방향 또는 단련축에 대하여 수직으로 절단한 면)의 R/2부(「R」는 봉강의 반경을 가리킨다.)로부터 시료를 잘라냈다.

상기 절단면이 피검면이 되도록 수지에 메워 넣은 후, 상기 면이 경면 마무리가 되도록 연마하고, 나이탈로 부식한 후, 광학 현미경에 의해, 배율 400배로 마이크로 조직을 관찰했다. 임의의 5시야를 관찰하여, 「상」을 동정(同定)함과 더불어, 화상 해석에 의해, 페라이트의 면적 비율을 측정했다.

《2》열간 가공성의 조사：

상기〔4〕와 같이 하여 제작한 직경이 20mm이고 길이가 30mm인 열간 압축용의 시험편을 1200℃에서 30분 유지하고 나서, 도 8의 (a) 및 (b)에 나타내는 바와 같이, 길이 방향을 높이로 하여 크랭크 프레스에 의해서 압축하여, 높이 3.75mm로 했다.

도 8의 (a) 및 (b)는 각각, 열간에서의 압축 시험전 및 압축 시험후의 시험편의 치수와 형상을 모식적으로 나타내는 도면이다.

또한, 각 강에 대하여 상기 크랭크 프레스를 이용한 압축 시험을 5개씩 행하고, 외주 표면에 있어서의 균열을 눈으로 관찰하여, 개구 폭 2mm 이상의 균열이 5개의 모든 시험편에 1개도 인식되지 않는 경우에, 열간 가공성이 뛰어나다고 평가했다.

《3》비금속 개재물의 조사：

상기〔3〕과 같이 하여 소준 처리한 직경이 25mm인 봉강에 대하여, 도 2에 도시하는 조형상의 블록 온 링 시험용의 블록 시험편을 잘라낸 나머지를, 900℃에서 30분 유지한 후, 물 담금질했다.

물 담금질 후는 봉강의 종단면(압연 방향 또는 단련축에 평행하게, 그 중심선을 통과하여 절단한 면)이 피검면이 되도록 하여 수지에 메워넣고, 상기의 면이 경면 마무리가 되도록 연마했다.

다음에, ASTM－E45－11의 A법에 준거하여, 타입 B 및 타입 D의 비금속 개재물 중에서 두께가 큰 것, 구체적으로는, 두께가 각각, 4㎛를 초과하고 12㎛ 이하, 및 8㎛를 초과하고 13㎛ 이하인 것을 측정하여, 각각의 등급 판정을 행했다.

또한, 이하의 설명에 있어서는, 상기의 두께가 큰 타입 B 및 타입 D의 비금속 개재물을 각각, 「BH」 및 「DH」라고 한다.

《4》 표면 경도 및 코어부 경도의 조사 :

상기〔5〕와 같이 하여 침탄 담금질-뜨임 처리한 절결이 있는 오노식 회전 굽힘 피로 시험편을 이용하여, 그 직경 8mm의 절결부를 횡단하고, 절단면이 피검면이 되도록 수지에 메워넣은 후, 상기 면이 경면 마무리가 되도록 연마하고, 마이크로 비커스 경도계를 사용하여 표면 경도 및 코어부 경도를 조사했다.

구체적으로는, JlS Z 2244(2009)에 기재된 「비커스 경도 시험-시험 방법」에 준거하여, 시험편의 표면으로부터 0.03mm의 깊이 위치에 있어서의 임의의 10점에서의 비커스 경도(이하, 「HV」라고 한다)를, 시험력을 0.98N으로 하여 마이크로 비커스 경도계, 구체적으로는 FUTURE－TECH제 미소 경도계 FM－700로 측정하고, 그 값을 산술 평균하여 표면 경도를 평가했다.

마찬가지로 상기 JIS의 규정에 준거하여, 침탄의 영향을 받지 않은 본연의 부분인 코어부에 있어서의 임의의 10점에서의 HV를, 시험력을 2.94N으로 하여 마이크로 비커스 경도계로 측정하고, 그 값을 산술 평균하여 코어부 경도를 평가했다.

상기〔5〕와 같이 하여 침탄 담금질-뜨임 처리한 블록 온 링 시험용의 블록 시험편에 대해서도, 그 길이 15.75mm의 중앙부를 횡단하고, 절단면이 피검면이 되도록 수지에 메워넣은 후, 상기 면이 경면 마무리가 되도록 연마하고, 마이크로 비커스 경도계를 사용하여, 상술의 절결이 있는 오노식 회전 굽힘 피로 시험편을 이용한 경우와 동일한 방법으로, 표면 경도 및 심부 경도를 조사했다.

또한, 상기 〔5〕와 같이 하여 침탄 담금질-뜨임 처리한 블록 온 링 시험용의 블록 시험편은, 또한, 진공로를 이용하여 300℃에서 1시간의 뜨임 후에 수냉하는 처리를 행한 경우에 대해서도, 상기와 동일한 방법으로 표면 경도를 측정했다.

《5》 유효 경화층 깊이의 조사：

상기〔5〕의, 침탄 담금질-뜨임 처리한 것만으로 상기 《4》의 표면 경도 및 코어부 경도의 조사에 이용한, 절결이 있는 오노식 회전 굽힘 피로 시험편과 블록 온 링 시험용의 블록 시험편의 수지를 메워넣은 시험편을 사용하여, 유효 경화층 깊이의 조사를 행했다.

구체적으로는, 상기 《4》의 표면 경도의 조사의 경우와 마찬가지로, JlS Z 2244(2009)에 기재된 「비커스 경도 시험-시험 방법」에 준거하여, 경면 마무리한 시험편의 표면으로부터 중심을 향하는 방향에 대하여, 시험력을 2.94N으로 하여 마이크로 비커스 경도계로 측정하여, HV가 550이 되는 경우의 표면으로부터의 깊이를 측정하고, 임의의 10개소를 측정한 최소치를 유효 경화층 깊이로 했다.

《6》 입계 산화층 깊이 및 불완전 담금질층 깊이의 조사 :

상기 《4》 및 《5》에서 이용한 수지를 메워넣은 오노식 회전 굽힘 피로 시험편을 사용하여, 입계 산화층 깊이 및 불완전 담금질층 깊이의 조사를 행했다.

구체적으로는, 상기의 수지를 메워넣은 시험편을 다시 연마하고, 경면 마무리한 채로 부식하지 않은 상태에서, 1000배의 배율로 광학 현미경에 의해서 시험편의 표면부를 임의로 10시야 관찰하고, 표면부에 있어서 입계를 따라서 관찰되는 산화층을 입계 산화층으로 하고, 이들 깊이를 산술 평균하여 입계 산화층 깊이를 평가했다.

또한, 동일한 시험편을, 나이탈로 0.2~2초 부식하여, 1000배의 배율로 광학 현미경에 의해서 시험편의 표면부를 임의로 10시야 관찰하고, 표면부에 있어서 주위보다 부식의 정도가 현저한 부분을 불완전 담금질층으로 하고, 이들 깊이를 산술 평균하여 불완전 담금질층 깊이를 평가했다.

《7》오노식 회전 굽힘 피로 시험에 의한 피로 특성의 조사：

상기〔6〕의 마무리 가공한 오노식 회전 굽힘 피로 시험편을 이용하여, 하기의 시험 조건에 의해서 오노식 회전 굽힘 피로 시험을 실시하고, 반복수가 10⁷회에 있어서 파단하지 않은 최대의 강도로 굽힘 피로 강도를 평가했다.

·온도： 실온

·분위기：대기 중

·회전수：3000rpm

또한, JIS G 4052(2008)에 규정된 SCM420H에 상당하는 강인 강 14에 있어서의 값을 참고로, 굽힘 피로 강도가 510MPa 이상인 경우에, 굽힘 피로 특성이 뛰어난 것으로 하여, 이를 목표로 했다.

《8》블록 온 링 시험에 의한 내마모성 조사 :

상기 〔6〕의 마무리 가공한 블록 온 링 시험용의 블록 시험편 및 링 시험편을 이용하여, 하기의 시험 조건으로 블록 온 링 시험을 실시하여, 내마모성을 조사했다.

·하중：1000N

·슬라이드 속도：0.1m/초

·윤활 : 유온 90℃의 CVT용 윤활유

·총 슬라이드 거리：8000m

즉, CVT용의 윤활유 중에서 회전하는 링 시험편에, 블록 시험편을 가압하고, 총 슬라이드 거리 8000m에 이르기까지 블록 온 링 시험을 행하여, 시험 후의 블록 시험편의 마모량을 평가했다. 또한, 촉침 선단의 반경이 2㎛, 선단의 원추의 테이퍼 각도가 60인 접촉식 표면 거칠기 측정기를 이용하여, 그 거칠기계의 촉침을 블록 시험편의 링 시험편과의 비접촉부, 동 접촉부, 동 비접촉부로 이동함으로써 얻어진 최대 깊이를 마모량으로 했다.

JlS G 4052(2008)에 규정된 SCM420H에 상당하는 강인 강 14에 있어서의 값을 참고로, 상기의 마모량이 7.0㎛ 이하인 경우에, 내마모성이 뛰어난 것으로 하여, 이를 목표로 했다.

《9》 피삭성 시험：

상기〔4〕에서 제작한 직경이 40mm, 길이가 450mm인 시험편의 외주부를, NC 선반을 이용하여 선삭 가공하여 피삭성을 평가했다.

선삭 가공은, 절삭 속도 : 200m/분 , 절입 : 1.5mm, 이송：0.3mm/rev로 하여, 윤활제를 사용하지 않는 상태에서 실시했다. 절삭 동력계를 이용하여, 선삭 가공시의 절삭 저항과 쇳밥 처리성에 의해서 피삭성을 평가했다.

절삭 저항은, 주분력, 이송 분력 및 배분력의 합력을,

절삭 저항=(주분력²＋이송 분력²＋배분력²)^0.5

의 식에 의해서 구하여 평가했다. 또한, 절삭 저항이 900N 이하이면, 절삭 저항이 작은 것으로 했다.

쇳밥 처리성은, 각 강에 대하여, 선삭 후의 임의 10개의 쇳밥 중에서, 도 9에 나타내는 쇳밥 길이가 최대가 되는 쇳밥을 선택하여, 그 길이를 측정함으로써 평가했다. 쇳밥 처리성은, 쇳밥 길이가, 5mm 이하인 경우, 5mm를 초과하고 10mm 이하인 경우 및 10 mm를 초과하는 경우에 대하여, 각각, 「특히 양호(○○)」, 「양호(○)」 및 「불량(×)」으로 평가했다.

절삭 저항이 900N 이하로 작고, 또한, 쇳밥 처리성이 양호 이상의 평가(「○○」또는 「○」)인 경우에, 피삭성이 뛰어난 것으로 하여, 이를 목표로 했다.

표 2~4에, 상기의 각 조사 결과를 정리하여 나타낸다. 또한, 표 2에는, 직경이 45mm인 봉강을 900℃에서 1시간 유지한 후의 냉각 조건을, 「대기 중에서 방냉」또는 「팬으로 풍냉」으로서 병기했다.

[표 2]

[표 3]

[표 4]

표 2∼4로부터, 본 발명에서 규정하는 조건을 만족하는 시험 번호 1∼12의 경우, 양호한 열간 가공성을 가짐과 더불어 피삭성도 뛰어나고, 또한, 강 1∼12는 Mo를 첨가하지 않음에도 불구하고, 굽힘 피로 강도 및 마모량은 각각, 「크롬몰리브덴강」의 SCM420H에 상당하는 강 14를 이용한 시험 번호 14의 경우를 기준으로 평가한, 510MPa 이상 및 7.0㎛ 이하라고 하는 목표를 충분히 달성하고 있고, 높은 굽힘 피로 강도와 높은 내마모성의 확보가 가능한 것이 명확하다.

이에 대하여, 본 발명에서 규정하는 조건으로부터 벗어난 비교예의 시험 번호 13 및 시험 번호 15∼21의 경우, 굽힘 피로 강도와 내마모성의 어느 한쪽 또는 양쪽에 대하여, 상기 강 14를 이용한 시험 번호 14의 경우를 참고로 정한 상기의 목표(즉, 굽힘 피로 강도: 510MPa 이상, 마모량:7.0㎛ 이하)를 달성할 수 없었다. 또한, 시험 번호 16 및 시험 번호 17의 경우에는, 열간 가공성도 낮고, 피삭성도 떨어진다. 또한, 시험 번호 18의 경우는, 피삭성도 떨어진다.

즉, 시험 번호 13의 경우, 강 13의 Fn2, 즉, 〔Cr/(Si＋2Mn)〕가 본 발명에서 규정하는 범위를 웃돌기 때문에, 굽힘 피로 강도가 490MPa로 낮아, 목표를 달성할 수 없었다.

시험 번호 15의 경우, 강 15의 Fn3, 즉 〔1.16Si＋0.70Mn＋Cr〕가 본 발명에서 규정하는 범위를 밑돈다. 이 때문에, 마모량이 7.8㎛로 크고, 내마모성도 떨어진다.

시험 번호 16의 경우, 강 16의 Si 및 Mn 함유량이 본 발명에서 규정하는 값보다 높고, Cr 함유량이 본 발명에서 규정하는 값보다 낮다. 또한, Fn1, 즉 〔Mn/S〕가 본 발명에서 규정하는 범위를 웃돌고, 또한, Fn2, 즉, 〔Cr/(Si＋2Mn)〕가 본 발명에서 규정하는 범위를 밑돈다. 이 때문에, 굽힘 피로 강도가 460MPa로 낮고, 굽힘 피로 강도가 떨어진다. 또한, 크랭크 프레스를 이용한 압축 시험에 의해서 개구폭 2mm 이상의 균열이 발생하고, 열간 가공성도 떨어진다. 또한 조직이 페라이트를 전혀 포함하지 않는 베이나이트 단상 조직이기 때문에, 절삭 저항이 크고 피삭성도 떨어진다.

시험 번호 17의 경우, 강 17의 S, Ti 및 O의 함유량이 모두 본 발명에서 규정하는 값보다도 높고, Mn 및 Cr의 함유량이 본 발명에서 규정하는 값보다 낮다. 또한, Fn1, 즉〔Mn/S〕가 본 발명에서 규정하는 범위를 밑돌고, 또한, Fn2, 즉 〔Cr/(Si+2Mn)〕이 본 발명에서 규정하는 범위를 밑돌고, 또한 Fn3, 즉 〔1.16Si＋0.70Mn＋Cr〕가 본 발명에서 규정하는 값을 밑돈다. 이 때문에, 굽힘 피로 강도는 420MPa로 낮고, 마모량은 15.4㎛로 크고, 굽힘 피로 강도 및 내마모성이 떨어진다. 또한, 등급 2.5의 타입 B의 비금속 개재물 및 등급 1.0의 타입 D의 비금속 개재물이 관찰되었다. 또한, 크랭크 프레스를 이용한 압축 시험에 의해서 개구 폭 2mm 이상의 균열이 발생하고, 열간 가공성도 떨어진다. 또한, 페라이트의 면적 비율이 본 발명에서 규정하는 범위보다 높기 때문에, 쇳밥 처리성이 나쁘고 피삭성도 떨어진다.

시험 번호 18의 경우, 강 18의 Si의 함유량, Cr의 함유량 및 Ti의 함유량이 본 발명에서 규정하는 값보다 높고, 또한, Fn2, 즉 〔Cr/(Si+2Mn)〕도 본 발명에서 규정하는 범위를 웃돌기 때문에, 굽힘 피로 강도는 450MPa로 낮아, 목표를 달성할 수 없었다. 또한, 페라이트의 면적 비율이 본 발명에서 규정하는 범위보다 낮기 때문에, 절삭 저항이 크고 피삭성도 떨어진다.

시험 번호 19의 경우, 강 19의 Fn2, 즉 〔Cr/(Sr＋2Mn)〕가 본 발명에서 규정하는 범위를 밑돌기 때문에, 굽힘 피로 강도가 490MPa로 낮아, 목표를 달성할 수 없었다.

시험 번호 20의 경우, 강 20의 Fn1, 즉 〔Mn/S〕가 본 발명에서 규정하는 범위를 밑돈다. 이 때문에, 굽힘 피로 강도가 490MPa로 낮아, 목표를 달성할 수 없었다.

시험 번호 21의 경우, 강 21의 Fn1, 즉〔Mn/S〕가 본 발명에서 규정하는 값보다 높다. 이 때문에, 굽힘 피로 강도가 490MPa로 낮아, 목표를 달성할 수 없었다.

<산업상의 이용 가능성>

본 발명의 표면 경화강 강재는 성분 비용이 낮고, 양호한 열간 가공성을 가짐과 더불어 피삭성도 뛰어나다. 또한, 이 표면 경화강 강재를 소재로 하는 침탄 부품은, JIS G 4052(2008)에 규정된 「크롬몰리브덴강」의 SCM420H를 소재로 하는 침탄 부품을 기준으로 평가한 양호한 굽힘 피로 강도와 내마모성을 구비하고 있다. 이 때문에, 본 발명의 표면 경화강 강재는, 경량화·고토크화를 위해서 높은 굽힘 피로 강도와 높은 내마모성이 요구되는 CVT 풀리 샤프트 등 침탄 부품의 소재로서 이용하는데 매우 적합하다.

Claims

질량%로, C：0.15~0.23%, Si：0.01~0.10%, Mn：0.65~0.90%, S : 0.010~0.030%, Cr：1.65~1.80%, Al : 0.015~0.060% 및 N : 0.0100~0.0250%와,
잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
하기의 <1>식, <2>식 및 <3>식으로 표시되는 Fn1, Fn2 및 Fn3가, 각각, 25≤Fn1≤85, 0.90≤Fn2≤1.20 및 Fn3≥2.20이며,
불순물 중의 P, Ti 및 O가, P：0.020% 이하, Ti：0.005% 이하 및 O : 0.0015% 이하인 화학 조성을 가지고,
면적 비율로 조직의 20~70%가 페라이트이며,
상기 페라이트 이외의 부분이, 펄라이트 및 베이나이트 중 1종 이상으로 이루어지는 조직인 것을 특징으로 하는 표면 경화강 강재.
Fn1＝Mn/S… <1>
Fn2＝Cr/(Si＋2Mn)… <2>
Fn3＝1.16Si＋0.70Mn＋Cr… <3>
단, <1>식, <2>식 및 <3>식 중의 원소 기호는, 그 원소의 질량%로의 함유량을 나타낸다.
청구항 1에 있어서,
Fe의 일부를 대신하여, 질량%로, Cu : 0.20% 이하 및 Ni :0.20% 이하에서 선택되는 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 표면 경화강 강재.