KR101631521B1

KR101631521B1 - 냉간 단조성이 우수한 침탄용 강 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101631521B1
Application number: KR1020137010303A
Authority: KR
Inventors: 카츠유키 이치미야; 신지 미타오
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2016-06-24
Also published as: CN104630634A; KR20130058069A; JP2013082988A; CN103154293B; US20130186522A1; WO2012073485A1; CN104630634B; CN103154293A; JP5927868B2

Abstract

본 발명은, 질량％로, C: 0.1∼0.35％, Si: 0.01∼0.22％, Mn: 0.3∼1.5％, Cr: 1.35∼3.0％, P: 0.018％ 이하, S: 0.02％ 이하, Al: 0.015∼0.05％, N: 0.008∼0.015％ 및 O: 0.0015％ 이하를, 다음 식 (1), (2) 및 (3)을 만족하는 범위로 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물의 조성으로 하고, 또한 강(steel) 조직(microstructure)에 있어서의 페라이트와 펄라이트와의 합계의 조직 분율을 85％ 이상, 그리고 페라이트의 평균 입경을 25㎛ 이하로 한 침탄용 강을 제공하는 것이다.
3.1≥{([％Si]/2)＋[％Mn]＋[％Cr]}≥2.2 ---(1)
[％C]－([％Si]/2)＋([％Mn]/5)＋2[％Cr]≥3.0 ---(2)
2.5≥[％Al]/[％N]≥1.7 ---(3)
단, [％M]은, 원소 M의 함유량(질량％)

Description

냉간 단조성이 우수한 침탄용 강 및 그 제조 방법{CARBURIZING STEEL HAVING EXCELLENT COLD FORGEABILITY AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은, 자동차나 각종 산업 기기 등에 제공되기 적합한, 냉간 단조(cold forgeability)성이 우수한 침탄용 강(carburizing steel) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

자동차 등에 이용되고 있는 톱니기어에는, 최근, 에너지 절약화에 의한 차체 중량의 경량화에 수반하여, 사이즈의 소형화가 요구되고, 톱니기어에 걸리는 부하가 증대하고 있다. 또한, 엔진의 고출력화에도 수반하여 톱니기어에 걸리는 부하가 증대하고 있다. 톱니기어의 내구성은, 주로 치원(tooth root)의 굽힘 피로 파괴 그리고 치면(tooth surface)의 면압 피로 파괴에 의해 결정된다.

종래, 톱니기어는, JIS G 4053(2003)에 있어서 SCM420H, SCM822H 등으로서 규정된 기소강(case hardening steel)을 이용하여 톱니기어재(材)를 조제하고, 이 톱니기어재에 침탄 등의 표면 처리를 시행하여 제조되고 있었다. 그러나, 이러한 톱니기어는, 고응력하에서의 사용에 견딜 수 있는 것이 아닌 점에서, 강재의 변경이나 열처리 방법의 변경, 나아가서는 표면의 가공 경화 처리 등에 의해, 치원 굽힘 피로 강도 및 내피칭성(pitching resistance)의 향상을 도모하고 있었다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, 강 중의 Si를 저감함과 함께, Mn, Cr, Mo 및 Ni를 컨트롤함으로써, 침탄 열처리 후의 표면의 입계 산화층을 저감하여 균열의 발생을 적게 하고, 또한 불완전 퀀칭층(quenched-layer)의 생성을 억제함으로써, 표면 경도의 저감을 억제하여 피로 강도를 높이고, 추가로 Ca를 첨가하여, 균열의 발생·전파를 조장하는 MnS의 연신(stretching)을 제어하는 방법이 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 소재로서 Si를 0.25∼1.50％ 첨가한 강재를 이용하여 템퍼링 연화 저항을 높이는 방법이 개시되어 있다.

또한, 봉재(bar material)를 냉간 성형하여 제조되는 자동차 등의 부품 소재에는, 높은 냉간 단조성이 요구된다. 그 때문에, 구상화(spheroidizing) 열처리를 시행하여 탄화물을 구상화하고, 냉간 단조성을 높이는 것이 행해지고 있다.

예를 들면, 특허문헌 3에는, 압연(rolling) 그대로의 조직(microstructure) 제어를 행하고, 그리고 감면율 28％ 이상의 신선 인발 가공(wire drawing and drawing process)을 시행한 후에 구상화 어닐링을 행함으로써, 구상화 어닐링 후의 경도가 낮고, 그리고 균질인 경도의 강재를 얻는 방법이 개시되어 있다.

일본특허공보 평7-122118호 일본특허 제2945714호 공보 일본특허 제4392324호 공보

그러나, 전술한 특허문헌 1, 2 및 3에 기재된 기술은 모두, 이하에 서술하는 바와 같은 문제가 있었다.

즉, 특허문헌 1에 의하면, Si를 저감함으로써, 입계 산화층 및 불완전 퀀칭층이 저감하기 때문에, 치원에서의 굽힘 피로 균열 발생을 억제할 수 있다. 그러나, 단순한 Si의 저감만으로는, 템퍼링 연화 저항이 저하된다. 그 결과, 치면에서의 마찰열에 의한 템퍼링 연화를 억제할 수 없게 되어 표면이 연화하기 때문에, 피칭이 발생하기 쉬워져, 파괴의 발생이 치원으로부터 치면측으로 이행한다는 문제가 있었다.

특허문헌 2에서는, 템퍼링 연화 저항성을 높이기 위해, Si량을 증가시키고 있지만, 이것으로는, 냉간 가공시의 변형 저항이 증대해 버려, 냉간 단조의 용도로서는 부적합해진다.

또한, 특허문헌 3에서는, 구상화 어닐링 전에 신선 가공을 시행한다는 여분의 공정이 필요하여, 비용 증가를 초래하게 된다.

또한, 구상화 열처리 후의 조직이나 경도에는, 압연 그대로의 미크로 조직의 형태가 영향을 미친다. 특히, 비교적 성긴 페라이트＋펄라이트 조직의 경우, 적정한 구상화 조직을 얻기 위한 제어 범위가 좁기 때문에, 안정된 조직을 얻는 것이 어려운 것도 문제였다.

본 발명은, 전술의 실상을 감안하여 개발된 것으로, 치원의 굽힘 피로 강도가 종래의 톱니기어보다도 높고, 또한 면압 피로 특성도 우수한 고강도 톱니기어 등의 소재로서 적합하고, 게다가 구상화 어닐링 조직을 저비용으로 비교적 용이하게 얻을 수 있으며, 또한 냉간 단조성이 우수하고, 그리고 양산화가 가능한 침탄용 강과, 그 유리한 제조 방법에 대해서 제안하는 것을 목적으로 한다.

그런데, 발명자들은, 전술의 과제를 해결하기 위해 예의 연구를 거듭한 결과, 이하에 서술하는 지견을 얻었다.

a) 강재 중의 Si, Mn 및 Cr량을 적정화함으로써, 템퍼링 연화 저항을 높임과 함께, 이 적정화에 의해 톱니기어 접촉면에서의 발열에 의한 연화를 억제하면, 톱니기어 구동시에 발생하는 치면의 균열 발생을 억제할 수 있다.

b) 굽힘 피로 및 피로 균열의 기점이 될 수 있는 입계 산화층에 대해서는, Si, Mn 및 Cr을 어느 양 이상 첨가함으로써, 입계 산화층의 성장 방향이 깊이 방향으로부터 표면의 밀도 증가 방향으로 바뀐다. 따라서, 기점이 되는 바와 같은 깊이 방향으로 성장한 산화층이 없어지기 때문에, 굽힘 피로 및 피로 균열의 기점이 되기 어려워진다.

c) 전술된 a 및 b에서와 같이, Si, Mn 및 Cr은, 템퍼링 연화 저항의 향상과 입계 산화층의 컨트롤에 유효하지만, 이들 효과를 양립시키기 위해서는, Si, Mn 및 Cr에 대해서, 그 함유량을 엄밀하게 제어할 필요가 있다.

d) 탄화물의 구상화를 촉진하고, 냉간 단조성을 향상시키기 위해서는, C, Si, Mn 및 Cr의 함유량을 엄밀하게 제어할 필요가 있다. 특히, Cr의 다량 첨가가 유효하다.

e) 탄화물의 구상화를 안정되게 얻기 위해서는, 압연 그대로 조직을 미세한 페라이트-펄라이트 조직으로 하는 것이 중요하다. 그래서, 도 1에 나타내는 구상화 열처리 조건을 고온 가열 압연재(1140℃, 조대(coarse) 페라이트-펄라이트 조직) 및 저온 가열 압연재(950℃ 가열, 미세 페라이트-펄라이트 조직)에 적용하여, 당해 열처리 후의 경도를 평가해 보았다. 이 평가 결과에 대해서, 도 2에, 구상화 어닐링 후의 경도에 미치는 어닐링 보존유지 온도의 영향을 나타낸다. 가열 온도가 높고, 조직이 조대한 페라이트-펄라이트 조직의 경우는, 가열 온도가 낮은 미세 페라이트-펄라이트 조직에 비해, 전체적으로 경도가 높고, 그리고 비커스 경도 HV130 이하의 영역은, 매우 좁은 온도 범위에서만 실현할 수 있는 것을 알 수 있었다. 특히 어닐링 보존유지 온도가 저온인 경우, 저온 가열 압연재가 유리해진다.

또한, 실험에 제공한 강은 후술의 요건 및 적합 조건을 충족하는 기본 성분을 함유하는 것이다.

f) 또한, 냉간 단조성에는 미크로 조직이 영향을 미치지만, 이 미크로 조직은 전술의 구상화 어닐링 조건에 더하여 어닐링 전의 조직의 영향을 강하게 받는다. 즉, 이 어닐링 전의 조직에 대해서, 페라이트-펄라이트 조직의 분율과 페라이트 입경에 관한 조사를 행했다.

도 3에, 구상화 처리(765℃-8시간) 후의 냉간 단조성에 미치는 구상화 어닐링 전의 조직의 영향을 나타내는 바와 같이, 구상화 어닐링 전의 조직을 제어, 구체적으로는, 페라이트와 펄라이트와의 합계의 조직 분율을 85％ 이상으로, 그리고 페라이트의 평균 입경을 25㎛ 이하로 함으로써, 우수한 냉간 단조성을 갖는 강재가 얻어지는 것을 알 수 있었다.

또한, 도 3에 나타낸 실험에 있어서, 한계 업셋비(limit upset ratio)란, 원통을 프레스기에 의해 업셋하여, 단부에 균열이 들어갔을 때의 업셋비이다. 또한, 강의 조성은 전술된 도 2의 실험의 경우와 동일하다.

본 발명은 전술의 지견에 입각하는 것이다.

즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

1. 질량％로,

C: 0.1∼0.35％,

Si: 0.01∼0.22％,

Mn: 0.3∼1.5％,

Cr: 1.35∼3.0％,

P: 0.018％ 이하,

S: 0.02％ 이하,

Al: 0.015∼0.05％,

N: 0.008∼0.015％ 및

O: 0.0015％ 이하

를, 하기식 (1), (2) 및 (3)을 만족하는 범위로 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물의 조성이고, 또한 강 조직에 있어서의 페라이트와 펄라이트와의 합계의 조직 분율이 85％ 이상이고, 그리고 페라이트의 평균 입경이 25㎛ 이하인 침탄용 강.

기

3.1≥{([％Si]/2)＋[％Mn]＋[％Cr]}≥2.2 ---(1)

[％C]－([％Si]/2)＋([％Mn]/5)＋2[％Cr]≥3.0 ---(2)

2.5≥[％Al]/[％N]≥1.7 ---(3)

단, [％M]은, 원소 M의 함유량(질량％)

또한, 상기의 침탄용 강은, 침탄 처리 후에 각종 부품 형상으로 가공하는 냉간 단조에 제공된다. 이 냉간 단조에 앞서 구상화 어닐링을 행하는 것이 바람직하지만, 필요시되는 가공량 등에 따라서, 구상화 어닐링을 행하는 일 없이 냉간 단조에 제공해도 좋다.

2. 상기 1에 있어서, 상기 강은, 추가로, 질량％로,

Cu: 1.0％ 이하,

Ni: 0.5％ 이하,

Mo: 0.5％ 이하,

V: 0.5％ 이하 및

Nb: 0.06％ 이하

중으로부터 선택한 1종 또는 2종 이상을 함유하는 침탄용 강.

3. 질량％로,

C: 0.1∼0.35％,

Si: 0.01∼0.22％,

Mn: 0.3∼1.5％,

Cr: 1.35∼3.0％,

P: 0.018％ 이하,

S: 0.02％ 이하,

Al: 0.015∼0.05％,

N: 0.008∼0.015％ 및

O: 0.0015％ 이하

를, 하기식 (1), (2) 및 (3)을 만족하는 범위로 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물의 조성이 되는 강 소재를, 1160℃ 이상 1220℃ 미만으로 가열하여 열간 가공을 시행하고, Ar₃점 이상의 온도영역에서 열간 가공을 일단 종료하고, 450℃ 이하까지 냉각하고, 이어서 900℃ 초과 970℃ 이하의 온도로 재가열하여 열간 가공을 재개하고, 재가열 후에 있어서의 총압하율 70％ 이상의 조건으로 열간 가공을 종료한 후, 800∼500℃의 온도영역을 0.1∼1.0℃/s의 속도로 냉각하는 침탄용 강의 제조 방법.

기

3.1≥{([％Si]/2)＋[％Mn]＋[％Cr]}≥2.2 ---(1)

[％C]－([％Si]/2)＋([％Mn]/5)＋2[％Cr]≥3.0 ---(2)

2.5≥[％Al]/[％N]≥1.7 ---(3)

단, [％M]은, 원소 M의 함유량(질량％)

4. 상기 3에 있어서, 상기 강 소재는, 추가로, 질량％로,

Cu: 1.0％ 이하,

Ni: 0.5％ 이하,

Mo: 0.5％ 이하,

V: 0.5％ 이하 및

Nb: 0.06％ 이하

중으로부터 선택한 1종 또는 2종 이상을 함유하는 침탄용 강의 제조 방법.

본 발명에 의하면, 예를 들면 톱니기어로 가공한 경우에, 치원의 굽힘 피로 특성뿐만 아니라, 치면의 면압 피로 특성이 우수한 침탄용 강을, 냉간 단조를 수반하는 공정에 있어서 양산화의 하에서 얻을 수 있다.

도 1은 구상화 열처리에 있어서의 열처리 조건을 나타내는 도면이다.
도 2는 구상화 열처리 후의 경도에 미치는 어닐링 보존유지 온도의 영향을 나타내는 도면이다.
도 3은 구상화 처리 후의 냉간 단조성에 미치는 구상화 어닐링 전의 조직의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 4는 구상화 열처리에 있어서의 열처리 조건을 나타내는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

우선, 본 발명에 있어서, 강 소재의 성분 조성을 전술된 범위로 한정한 이유에 대해서 설명한다. 또한, 성분에 관한 「％」표시는 특별히 언급하지 않는 한 질량％를 의미하는 것으로 한다.

C: 0.1∼0.35％

침탄 처리 후의 퀀칭에 의해 중심(center)부의 경도를 높이기 위해서는 0.1％ 이상의 C를 필요로 하지만, 함유량이 0.35％를 초과하면 심부의 인성(toughness)이 저하되는 점에서, C량은 0.1∼0.35％의 범위로 한정했다. 바람직하게는 0.1∼0.3％의 범위이다.

Si: 0.01∼0.22％

Si는, 톱니기어 등이 전동(rotating) 중에 도달한다고 생각되는 200∼300℃의 온도영역에 있어서의 연화 저항을 높이는 원소이고, 그 효과를 발휘하기 위해서는 적어도 0.01％의 첨가가 불가결하다. 바람직하게는 0.03％ 이상을 첨가한다. 그러나, 한편으로 Si는 페라이트 안정화 원소이기 때문에, 과잉한 첨가는 Ac₃ 변태점을 상승시켜, 통상의 퀀칭 온도 범위로 탄소의 함유량이 낮은 심부에서 페라이트가 출현하기 쉬워지고, 그 결과, 강도의 저하를 초래한다. 또한, 과잉한 첨가는 침탄 전의 강재를 경화시켜, 냉간 단조성을 열화시키는 불리한 점도 있다. 이러한 점에서, Si량이 0.22％ 이하이면, 전술과 같은 폐해는 발생하지 않기 때문에, Si량은 0.01∼0.22％의 범위로 한정했다. 바람직하게는 0.03∼0.22％의 범위이다.

Mn: 0.3∼1.5％

Mn은, 퀀칭성이 유효한 원소이고, 적어도 0.3％의 첨가를 필요로 한다. 그러나, Mn은, 침탄 이상(異常)층을 형성하기 쉽고, 또한 과잉한 첨가는 잔류 오스테나이트량이 과다하게 되어 경도의 저하를 초래하기 때문에, 상한을 1.5％로 했다. 바람직하게는 0.4∼1.2％의 범위이다. 보다 바람직하게는 0.6∼1.2％의 범위이다.

Cr: 1.35∼3.0％

Cr은, 퀀칭성뿐만 아니라 템퍼링 연화 저항의 향상에도 유효한 원소이지만, 함유량이 1.35％에 미치지 못하면 그 첨가 효과가 부족하다. 한편 3.0％를 초과하면 연화 저항을 높이는 효과는 포화하고, 오히려 침탄 이상층을 형성하기 쉬워지기 때문에, Cr량은 1.35∼3.0％의 범위로 한정했다. 바람직하게는 1.35∼2.6％의 범위이다.

P: 0.018％ 이하

P는, 결정 입계에 편석하여, 침탄층 및 심부의 인성을 저하시키기 때문에, 그 혼입은 낮을수록 바람직하지만, 0.018％까지는 허용된다. 바람직하게는 0.016％ 이하이다. 통상, 함유량을 0％로 하는 것은 어렵지만, 가능하면 0％로 하면 좋다.

S: 0.02％ 이하

S는, 황화물계 개재물로서 존재하고, 피삭성(machinability)의 향상에 유효한 원소이다. 그러나, 과잉한 첨가는 피로 강도의 저하를 초래하는 요인이 되기 때문에, 상한을 0.02％로 했다. 피삭성의 관점에서는 0.004％ 이상 함유시켜도 좋다.

Al: 0.015∼0.05％

Al은, N과 결합하여 AlN을 형성하고, 오스테나이트 결정립의 미세화에 기여하는 원소이며, 이 효과를 얻기 위해서는 0.015％ 이상, 바람직하게는 0.018％ 이상의 첨가를 필요로 한다. 한편, 함유량이 0.05％를 초과하면, 피로 강도에 대하여 유해한 Al₂O₃ 개재물의 생성을 조장하기 때문에, Al량은 0.015∼0.05％의 범위로 한정했다. 바람직하게는 0.015∼0.037％의 범위이다.

N: 0.008∼0.015％

N은, Al과 결합하여 AlN을 형성하고, 오스테나이트 결정립의 미세화에 기여하는 원소이다. 따라서, 적정 첨가량은 Al과의 양적 밸런스로 결정되지만, 그 효과를 발휘하기 위해서는 0.008％ 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, 과잉으로 첨가하면 응고시의 강괴에 기포가 발생하거나, 단조성의 열화를 초래하기 때문에, 상한을 0.015％로 한다. 바람직하게는 0.010∼0.015％의 범위이다.

O: 0.0015％ 이하

O는, 강 중에 있어서 산화물계 개재물로서 존재하고, 피로 강도를 손상시키는 원소이기 때문에, 낮을수록 바람직하지만, 0.0015％까지는 허용된다. 통상, 함유량을 0％로 하는 것은 어렵지만, 가능하면 0％로 하면 좋다.

이상, 본 발명의 기본 성분의 적정 조성 범위에 대해서 설명했지만, 본 발명에서는, 각각의 원소가 단순히 전술의 범위를 만족하는 것만으로는 불충분하고, C, Si, Mn, Cr, Al 및 N에 대해서는, 다음 식 (1), (2) 및 (3)의 관계를 만족시키는 것이 중요하다.

3.1≥{([％Si]/2)＋[％Mn]＋[％Cr]}≥2.2 ---(1)

[％C]－([％Si]/2)＋([％Mn]/5)＋2[％Cr]≥3.0 ---(2)

2.5≥[％Al]/[％N]≥1.7 ---(3)

단, [％M]은, 원소 M의 함유량(질량％)

전술의 (1) 식은, 퀀칭성 및 템퍼링 연화 저항성에 영향을 주는 인자이고, (1) 식이 2.2 미만에서는 퀀칭성 및 템퍼링 연화 저항성의 개선 효과가 충분하지 않고, 피로 강도가 불충분해진다. 한편 3.1을 초과하면 전술된 개선 효과가 포화될 뿐만 아니라, 냉간 가공성의 열화를 초래한다.

또한, 전술의 (2) 식은, 탄화물의 구상화의 용이함에 영향을 주는 인자이고, (2) 식이 3.0 이상을 충족시킴으로써 구상화가 용이해진다. 이 조성과 전술된 e, f의 지견을 조합함으로써, 구상화 어닐링 후에 매우 우수한 냉간 단조성을 얻을 수 있다.

또한, 전술의 (3) 식은, 오스테나이트 결정립의 미세화에 영향을 주는 인자이고, (3) 식의 값이 1.7에 미치지 못하면 미세화 효과가 부족하고, 피로 강도가 불충분해진다. 한편 2.5를 초과하면 결정립이 용이하게 조대화하여 피로 강도가 불충분해질 뿐만 아니라, 고용 Al, 고용 N에 기인하여 가공성의 저하를 초래한다.

이상, 본 발명의 기본 성분에 대해서 설명했지만, 본 발명에서는, 그 외에도 필요에 따라서, 이하에 서술하는 성분을 적절하게 함유시킬 수 있다.

Cu: 1.0％ 이하

Cu는, 모재(base material)의 강도 향상에 유효하지만, 함유량이 1.0％를 초과하면 열간 취성(hot shortness)을 발생하여, 강재의 표면 성상이 열화되기 때문에, 1.0％ 이하로 한다. 적합한 첨가량은 0.01％ 이상이다.

Ni: 0.5％ 이하

Ni는, 모재의 강도 및 인성의 향상에 유효하지만, 고가인 점에서 0.5％ 이하로 함유시키는 것으로 했다. 적합한 첨가량은 0.01％ 이상이다.

Mo: 0.5％ 이하

Mo는, Ni와 동일하게, 모재의 강도 및 인성의 향상에 유효하지만, 고가인 점에서 0.5％ 이하로 함유시키는 것으로 했다. 함유량은 0.2％ 이하로 해도 좋다. 적합한 첨가량은 0.05％ 이상이다.

V: 0.5％ 이하

V는, Si와 동일하게, 템퍼링 연화 저항을 높이는 데에 유용한 원소이지만, 함유량이 0.5％를 초과하면 효과가 포화하기 때문에, 0.5％ 이하로 함유시키는 것으로 했다. 적합한 첨가량은 0.01％ 이상이다.

Nb: 0.06％ 이하

Nb는, V나 Si와 동일하게, 템퍼링 연화 저항을 높이는 데에 유용한 원소이지만, 함유량이 0.06％를 초과하면 효과가 포화하는 점에서, 0.06％ 이하로 한다. 적합한 첨가량은 0.007％ 이상이다.

강 소재의 잔부 조성은 Fe 및 불가피적 불순물이다. 예를 들면 B는 특별히 첨가하지 않지만, 0.0003％ 미만 정도이면, 불순물로서 함유해도 좋다.

또한, 이상 설명한 성분 조성의 조정에 더하여, 소재의 구상화 어닐링 전의 강 조직에 대해서도 제어할 필요가 있다.

페라이트와 펄라이트와의 합계의 조직 분율: 85％ 이상

구상화 어닐링 전의 조직에 있어서의 베이나이트(bainite) 분율이 높아지면, 변형 저항이 높아져 냉간 단조성이 악화되기 때문에, 페라이트와 펄라이트와의 합계의 조직 분율을 85％ 이상으로 하여 베이나이트 분율을 낮출 필요가 있다. 또한, 상한은 100％로 해도 좋다.

본 발명에서는, 전술된 (1) 식 등을 충족시키는, 퀀칭성이 높은 강을 이용하기 때문에, 통상의 제조 방법에서는 전술된 페라이트＋펄라이트의 양을 확보하기 어렵지만, 압연시의 가열 온도, 총압하율 및 냉각 속도를 조정함으로써, 페라이트＋펄라이트: 85％ 이상을 실현할 수 있다.

페라이트 평균 입경: 25㎛ 이하

구상화 어닐링 전의 조직은, 구상화 어닐링 후의 특성에 크게 영향을 미친다. 즉, 구상화 어닐링 전의 조직에 있어서의 페라이트 입경이 25㎛ 초과에서는 구상화 처리 후의 냉단성(cold forgeability)이 악화된다. 특히, 한계 업셋비로의 영향이 큰 점에서, 페라이트의 평균 입경은 25㎛ 이하로 한다. 기술 사상상, 특별히 하한을 규정할 필요는 없지만, 현실적인 하한으로서는 5㎛ 정도이다.

다음으로, 본 발명의 제조 조건에 대해서 설명한다.

본 발명에서는, 전술한 적합 성분 조성이 되는 강 소재를, 1160℃ 이상 1220℃ 미만으로 가열 후, Ar₃점 이상의 온도영역에서 압연을 종료하여 일단 450℃ 이하까지 공냉(air cooling)하고, 이어서 900℃ 초과 970℃ 이하의 온도로 재가열하여, 재가열 후에 있어서의 총압하율 70％ 이상의 조건으로 열간 압연을 종료한 후, 800∼500℃의 온도영역을 0.1∼1.0℃/s의 속도로 냉각하는 것이 필요하다.

이하, 각 처리 조건을 전술된 바와 같이 한정한 이유에 대해서 설명한다.

[강 소재 가열 온도(제1단): 1160℃ 이상 1220℃ 미만]

본 발명에서는, 응고 그대로의 상태로부터 한 번 AlN을 충분히 고용시켜 둘 필요가 있기 때문에, 강 소재를 1160℃ 이상의 온도로 가열하는 것으로 했다. 그러나, 가열 온도가 지나치게 높으면 스케일 로스나 표면 성상의 악화, 연료 비용의 증가 등이 있는 점에서 제1단 가열 온도는 1220℃ 미만으로 했다.

[Ar₃점 이상의 온도영역에서 열간 가공 종료 후 일단 450℃ 이하까지 냉각]

이 열간 가공 공정, 바람직하게는 열간 압연 공정에 있어서는, 주조 조직을 부수고 페라이트-펄라이트 조직을 얻기 위해, Ar₃점 이상에서 가공을 종료하고, 450℃ 이하까지 냉각한다. 또한, 열간 가공은, 50％ 이상의 압하율로 행하는 것이, 페라이트-펄라이트 조직을 얻는 관점에서 유리하다. 냉각 종료 온도에 대해서는 특별히 하한을 형성할 필요는 없고, 재가열 비용 등을 고려하여 현실적인 값을 선정하면 좋다. 열간 가공의 압하율의 상한도 특별히 형성할 필요는 없고, 설비 부하 등을 고려하여 현실적인 값을 선정하면 좋다.

[강 소재 재가열 온도(제2단): 900℃ 초과 970℃ 이하]

구상화 어닐링 조직과 낮은 경도를 얻으려면, 압연 그대로 조직을 미세한 페라이트-펄라이트 조직으로 할 필요가 있기 때문에, 970℃ 이하의 온도로 재가열하는 것으로 했다. 970℃를 초과하면 AlN이 조대 석출하는 것에 대하여, 970℃ 이하이면, 미세 석출함으로써, 침탄시의 조립화 억제에도 유효하다. 그러나, 900℃ 이하의 가열에서는 AlN의 석출이 충분히 이루어지지 않는 점에서, 제2단 가열 온도는 900℃ 초과로 한다. 바람직하게는 920℃ 이상이다.

[열간 가공에 있어서의 총압하율: 70％ 이상]

재가열 후의 열간 가공에 있어서의 총압하율, 즉 재가열 후의 가공 공정에 있어서의 압하율의 합계가 적으면, 결정립이 조대해져 냉각 후의 페라이트 분율이 감소하고, 침탄시에 조대립(coarse grain)이 발생하기 쉬워질 뿐만 아니라, 가공재의 경도가 상승하기 때문에, 70％ 이상으로 한다. 압하율의 상한은 특별히 형성할 필요는 없고, 설비 부하 등을 고려하여 현실적인 값을 선정하면 좋다.

또한, 이 압하율은, 열간 가공에 의해 얻는 강재가 판인 경우에는 두께의 감소율을, 한편 봉강(steel bar)이나 선재(wire rod)인 경우에는 감면율을 말한다.

[500∼800℃의 온도영역의 냉각 속도: 0.1∼1.0℃/s]

열간 가공 후의 냉각 과정에 있어서, 800∼500℃의 온도영역에 있어서의 냉각 속도가 0.1℃/s에 미치지 못하면, 페라이트 입경이 커져, 조대한 페라이트-펄라이트 조직이 된다. 한편, 1.0℃/s를 초과하면, 냉각 후의 페라이트 분율이 감소하여, 베이나이트와 페라이트-펄라이트의 혼합 조직이 된다. 따라서, 이 온도영역에 있어서의 냉각 속도는 0.1∼1.0℃/s의 범위로 한정했다.

전술된 제법에 의해 얻어진 침탄용 강은, 바람직하게는 구상화 어닐링이 시행되고, 그 후 냉간 단조에 제공된다. 구상화 어닐링은 760∼820℃에서 2∼15시간 정도 시행하는 것이 바람직하지만, 본 발명은 특히 740∼760℃ 정도의 비교적 저온의 구상화 어닐링으로도, 우수한 냉간 단조성을 얻을 수 있다. 또한, 구상화 어닐링 후의 조직은, 전 조직의 층 형상 펄라이트 중의 판 형상 세멘타이트(cementite)를 분단·구상화시킨 조직이다. 지(base)조직은 페라이트이지만, 가열 단계에서 오스테나이트와 페라이트의 2상(dual phase) 영역으로 보존유지하기 위해, 전 조직을 대체로 계승한다.

소정의 부품 형상으로 냉간 단조된 강은, 상법(conventional manner)에 의해 침탄 열처리가 시행된다. 침탄 열처리 후의 부재는 표면이 마르텐사이트(템퍼링 처리한 경우는 템퍼링 마르텐사이트) 주체의 조직이 된다.

실시예

표 1에 나타내는 여러 가지의 성분 조성이 되는 강을, 100㎏ 진공 용해로에서 녹여 만들고, 만들어진 편(片)을 표 2에 나타내는 열간 가공 조건 및 냉각 조건으로 압연을 실시하여, 봉강으로 했다. 즉, 표 2에 나타낸 가열 온도에서 가열하여 제1단 열간 가공을 행하고, 450℃ 이하까지 냉각한 후, 표 2에 나타낸 가열 온도, 총압하율 및 냉각 속도 조건으로, 가열, 압연 및 냉각의 제2단 열간 가공을 행하여, 봉강을 얻었다. 얻어진 봉강에 대해서, 조직 분율 및 페라이트 평균 입경, 냉간 가공성, 구상화 열처리성, 침탄부 특성 및 피로 특성의 평가를, 이하의 조건으로 행했다.

(1) 조직 분율 및 페라이트 평균 입경

봉강의 L방향 단면의 1/4D 위치를 경면 연마한 후, 나이탈로 부식하고, 400배로 촬영한 사진을 화상 해석함으로써, 페라이트＋펄라이트의 조직 분율(면적 분율) 및 페라이트의 평균 입경을 구했다.

(2) 냉간 가공성(냉간 단조성)의 평가 방법

냉간 가공성은, 변형 저항값 및 한계 업셋비의 2항목으로 평가했다.

즉, 변형 저항값은, 압연 그대로의 봉강(직경 D)의 표면으로부터 1/4D의 위치로부터, 직경: 10㎜ 및 높이: 15㎜의 시험편을 채취하고, 300t(3000kN) 프레스기를 이용하여, 70％ 업셋시의 압축 하중을 측정하고, 일본 소성 가공 학회가 제창하고 있는 단면 구속 압축에 의한 변형 저항 측정 방법을 이용하여 구했다.

한계 업셋비는, 변형 저항을 측정한 방법으로 압축 가공을 행하고, 단부에 균열이 들어갔을 때의 업셋비를 한계 업셋비로 했다.

변형 저항값이 918㎫ 이하, 한계 업셋비가 76％ 이상이면 냉간 가공성은 양호하다고 할 수 있다.

(3) 구상화 열처리성의 평가 방법

구상화 열처리성은, 구상화 열처리 후의 경도, 변형 저항값 및 한계 업셋비의 3항목으로 평가했다.

즉, 전술된 (2)의 냉간 가공성의 평가와 동일하게 하여, 압연 그대로의 봉강(직경 D)의 표면으로부터 1/4D의 위치로부터, 직경: 10㎜ 및 높이: 15㎜의 시험편을 채취하고, 이 시험편에 구상화 열처리를 시행한 후, 변형 저항값 및 한계 업셋비를 구했다. 구상화 열처리는, 도 4에 나타내는 2조건 (A) 및 (B)로 행하고, 비커스 경도 시험〔하중: 98N(10kgf)〕로 9점(points) 측정하여, 평균값 및 최대값을 구했다. 구상화 열처리 후의 경도의 평균값이 HV130 미만 및 최대값이 HV135 이하이면, 냉간 단조성이 매우 우수하고, 그리고 그 안정성도 우수하다고 할 수 있다.

또한, 구상화 열처리(조건(A)) 후의 변형 저항값이 890㎫ 이하 및 한계 업셋비가 80％ 이상이면, 냉간 가공성은 양호하다고 할 수 있다.

(4) 침탄부 특성의 평가 방법

침탄부 특성은, 930℃, 7시간, 카본 포텐셜: 0.8％의 조건으로 침탄을 실시 후, 침탄부에서의 조대립 발생의 유무와 입계 산화 깊이의 2항목으로 평가했다.

즉, 침탄부에 있어서, 조대립의 발생이 없었던 경우를 ○, 조대립의 발생이 있었던 경우를 ×로 했다.

입계 산화 거동은, 침탄 처리 후의 시험편의 표면을 광학 현미경으로 관찰하고, 입계 산화 깊이를 측정함으로써 평가했다. 즉, 배율: 400배로 광학 현미경 관찰하고, 각 시야에서의 최대 입계 산화 깊이를 구하여, 10 시야의 평균값을 입계 산화 깊이로 했다.

침탄부에서의 조대립의 발생이 없고, 입계 산화 깊이가 10㎛ 이하이면, 침탄부 특성이 우수하다고 할 수 있다.

(5) 피로 특성의 평가 방법

피로 특성은, 회전 굽힘 피로 시험편과 면압 피로 강도의 2항목으로 평가했다.

즉, 압연 그대로의 봉강으로부터 회전 굽힘 피로 시험편과 면압 피로 강도를 평가하기 위한 롤러 피팅(pitting) 시험편을 가공하여, 시험에 제공했다. 이들 시험편에 930℃, 7시간, 카본 포텐셜: 0.8％의 조건으로 침탄을 실시 후, 180℃, 1시간의 가열 템퍼링 처리를 시행했다.

회전 굽힘 피로 시험은, 회전수: 1800rpm으로 실시하고, 10⁷회 시간 강도로 평가했다.

롤러 피팅 시험은, 미끄럼률: 40％, 유온(oil temperature): 80℃의 조건으로 10⁷회 시간 강도로 평가했다.

회전 굽힘 피로 강도가 806㎫ 이상이고, 면압 피로 강도가 3250㎫ 이상이면, 피로 강도는 양호하다고 할 수 있다.

얻어진 결과를 표 3에 나타낸다.

표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 얻어진 발명예는 모두, 압연 그대로 및 구상화 열처리 후의 냉간 가공성이 우수하고, 또한 입계 산화 깊이가 얕고, 그리고 침탄부에 조대립의 발생도 없고, 또한 비교예에 비해 회전 굽힘 피로 강도 및 면압피로 강도가 우수한 것을 알 수 있다.

본 발명에 의해, 냉간 가공성이 우수하고, 또한 회전 굽힘 피로 강도 및 면압 피로 강도가 우수한 침탄용 강의 제공이 가능해진다. 따라서, 예를 들면 톱니기어로 가공한 경우에, 치원의 굽힘 피로 특성뿐만 아니라, 치면의 면압 피로 특성이 우수한 침탄용 강을, 냉간 단조를 수반하는 공정에 있어서 양산화의 하에서 얻을 수 있다.

Claims

질량％로,
C: 0.1∼0.35％,
Si: 0.01∼0.22％,
Mn: 0.3∼1.5％,
Cr: 1.35∼3.0％,
P: 0.018％ 이하,
S: 0.004% 이상 0.02％ 이하,
Al: 0.015∼0.05％,
N: 0.008∼0.015％ 및
O: 0.0015％ 이하
를, 하기식 (1), (2) 및 (3)을 만족하는 범위로 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물의 조성이고, 또한 강(steel) 조직(microstructures)에 있어서의 페라이트와 펄라이트와의 합계의 조직 분율이 85％ 이상이고, 그리고 페라이트의 평균 입경이 25㎛ 이하이며, 또한 하기의 조건에서의 침탄 열처리 후의 10⁷ 회전 굽힘 피로 강도가 806MPa 이상이고, 또한 상기 침탄 열처리 후의 미끄럼률: 40%, 유온(oil temperature): 80℃의 조건에서의 10⁷회 면압 피로 강도가 3250MPa 이상인 침탄용 강.
기
3.1≥{([％Si]/2)＋[％Mn]＋[％Cr]}≥2.2 ---(1)
[％C]－([％Si]/2)＋([％Mn]/5)＋2[％Cr]≥3.0 ---(2)
2.5≥[％Al]/[％N]≥1.7 ---(3)
단, [％M]은, 원소 M의 함유량(질량％)
·침탄 열처리 조건
침탄: 930℃, 7시간, 카본 포텐셜: 0.8%
템퍼링: 180℃, 1시간
제1항에 있어서,
상기 강은, 추가로, 질량％로,
Cu: 1.0％ 이하,
Ni: 0.5％ 이하,
Mo: 0.5％ 이하,
V: 0.5％ 이하 및
Nb: 0.06％ 이하
중으로부터 선택한 1종 또는 2종 이상을 함유하는 침탄용 강.
질량％로,
C: 0.1∼0.35％,
Si: 0.01∼0.22％,
Mn: 0.3∼1.5％,
Cr: 1.35∼3.0％,
P: 0.018％ 이하,
S: 0.004% 이상 0.02％ 이하,
Al: 0.015∼0.05％,
N: 0.008∼0.015％ 및
O: 0.0015％ 이하
를, 하기식 (1), (2) 및 (3)을 만족하는 범위로 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물의 조성이 되는 강 소재를, 1160℃ 이상 1220℃ 미만으로 가열하여 열간 가공을 시행하고, Ar₃점 이상의 온도영역에서 열간 가공을 일단 종료하여, 450℃ 이하까지 냉각하고, 이어서 900℃ 초과 970℃ 이하의 온도로 재가열하여 열간 가공을 재개하고, 재가열 후에 있어서의 총압하율 70％ 이상의 조건으로 열간 가공을 종료한 후, 800∼500℃의 온도영역을 0.1∼1.0℃/s의 속도로 냉각하고,
강 조직에 있어서의 페라이트와 펄라이트와의 합계의 조직 분율을 85％ 이상으로, 또한 페라이트의 평균 입경을 25㎛ 이하로 하고, 또한 하기의 조건에서의 침탄 열처리 후의 10⁷ 회전 굽힘 피로 강도를 806MPa 이상으로, 또한 상기 침탄 열처리 후의 미끄럼률: 40%, 유온: 80℃의 조건에서의 10⁷회 면압 피로 강도를 3250MPa 이상으로 하는 침탄용 강의 제조 방법.
기
3.1≥{([％Si]/2)＋[％Mn]＋[％Cr]}≥2.2 ---(1)
[％C]－([％Si]/2)＋([％Mn]/5)＋2[％Cr]≥3.0 ---(2)
2.5≥[％Al]/[％N]≥1.7 ---(3)
단, [％M]은, 원소 M의 함유량(질량％)
·침탄 열처리 조건
침탄: 930℃, 7시간, 카본 포텐셜: 0.8%
템퍼링: 180℃, 1시간
제3항에 있어서,
상기 강 소재는, 추가로, 질량％로,
Cu: 1.0％ 이하,
Ni: 0.5％ 이하,
Mo: 0.5％ 이하,
V: 0.5％ 이하 및
Nb: 0.06％ 이하
중으로부터 선택한 1종 또는 2종 이상을 함유하는 침탄용 강의 제조 방법.