KR101681435B1

KR101681435B1 - 고주파 담금질용 강재

Info

Publication number: KR101681435B1
Application number: KR1020157002784A
Authority: KR
Inventors: 준야 야마모토; 유타카 네이시; 히데타카 암바이; 마사시 히가시다; 히토시 마츠모토; 나오키 마츠이
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2012-08-16
Filing date: 2013-08-14
Publication date: 2016-11-30
Also published as: WO2014027463A1; JP5700174B2; KR20150028341A; CN104520459A; JPWO2014027463A1; CN104520459B

Abstract

고주파 담금질 후에 뛰어난 전동 피로 수명을 나타내는 고주파 담금질용 강재를 제공한다. 본 실시 형태의 고주파 담금질용 강재는, 질량%로, C：0.4~0.6%, Si：0.03~1.0%, Mn：0.2~2.0%, P：0.05% 이하, S：0.010% 미만, Cr：0.05~0.50%, Al：0.01~0.10%, Ca：0.0003~0.0030%, O：0.0030% 이하, N：0.003~0.030%, Cu：0~1.0%, Ni：0~3.0%, Mo：0~0.15%, V：0~0.30%, Nb：0~0.10%, B：0~0.0030%, 및, Ti：0~0.10%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지며, 식(1) 및 식(2)를 만족하는 화학 조성을 가진다. 0.7≤Ca/O≤2.0…(1) Ca/O≥1250S－5.8…(2) 여기서, 식(1) 및 식(2) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.

Description

고주파 담금질용 강재{STEEL MATERIAL FOR HIGH FREQUENCY INDUCTION HARDENING}

본 발명은, 강재에 관한 것이고, 더 상세하게는, 고주파 담금질용 강재에 관한 것이다.

자동차용 부품 중에서도, 등속 조인트나 허브 유닛이라고 하는 부품에는, 높은 면압이 반복적으로 작용한다. 따라서, 이들 부품에서는, 뛰어난 전동 피로 특성이 요구된다. 이들 부품의 소재에는, 주로 JIS G 4051(2009)에 기재된 「기계 구조용 탄소강 강재」가 이용된다. 이들 부품 중, 전동 피로 특성이 요구되는 부위는, 고주파 담금질 처리에 의해 경화된다.

고주파 담금질은, 필요한 부위만을 경화할 수 있다. 또, 고주파 담금질 장치가 제조 라인 위에 배치되는 경우, 이른바 인 라인으로 고주파 담금질을 실시할 수 있다. 그로 인해, 배치식으로의 표면 처리를 이용하는 경우에 비해, 고주파 담금질을 이용하는 경우, 제조 공정의 자유도가 높아진다.

전동 피로 특성은 강 중의 비금속 개재물(이하, 간단히 「개재물」이라고 한다), 특히, 산화물과 황화물에 의해, 저하하는 것이 알려져 있다. 그로 인해, 종래는, 제강 프로세스에 의해 강 중의 O(산소) 및 S(유황)의 함유량을 줄여, 전동 피로 수명을 높이고 있었다.

근래, 예를 들어, 엔진의 고출력화나 부품의 경량화의 요구에 따라, 상기 부품의 사용 환경이 점점 더 고면압화, 고온화되고 있다. 그로 인해, 부품의 소재가 되는 고주파 담금질용 강재는, 한층 더한 전동 피로 수명의 향상이 요구되고 있다.

그러나 단순히 강 중의 산소(O) 및 유황(S)의 함유량을 저감시키는 것만으로는 양호한 전동 피로 수명이 얻어지기 어렵다. 그래서, 강 중의 산화물 및 황화물의 사이즈를 작게 함으로써, 전동 피로 수명을 개선하는 것을 목적으로 한 고주파 담금질용 강이 일본국 특허 공개 평11－1749호 공보(특허 문헌 1)에 제안되어 있다.

특허 문헌 1에 개시된 고주파 담금질용 강은, 선형상 또는 봉형상의 압연 강재이다. 그리고 압연 강재의 축심을 통과하는 종단면에 있어서, 축심과 평행하고 또한 축심으로부터 (1/4)×D(「D」는 압연 강재의 직경을 나타낸다) 떨어진 가상선을 중심선으로서 포함하는 피검면적 100mm² 중에 존재하는, 산화물계와 황화물계로 이루어지는 평균 입경 10㎛ 이상의 복합 개재물의 개수가 20개 이하이다. 특허 문헌 1의 고주파 담금질강의 화학 조성은, 질량%로, C：0.3%를 초과하고 0.7% 이하, Mn：0.3~2.5%, Si：2% 이하(0%를 포함한다), P：0.03% 이하(0%를 포함한다), S：0.1% 이하(0%를 포함한다), Al：0.015~0.05% 및 O：0.002% 이하(0%를 포함한다)를 함유하고, 필요에 따라 또한, (a) 특정량의 Cu, Ni, Cr 및 Mo로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종, (b) 특정량의 V, Nb 및 Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종, (c) 특정량의 Ca, Pb, Te, Bi 및 Zr로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종, (d) 특정량의 B와 N의 4원소군 중 적어도 하나의 원소군으로부터 선택되는 원소를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어진다.

특허 문헌 1에서는, 다음의 사항이 기재되어 있다. 평균 입경이 10㎛ 이상인 산화물계 및 황화물계의 조대(粗大) 복합 개재물을 극력 적게 억제하면, 굽힘 피로 특성과 전동 피로 특성이 향상한다. 그리고 조대 복합 개재물을 저감시키기 위해, Al, S 및 O의 함유량을 적정 범위로 제어하고, 또한 주편의 냉각 속도, 압연시의 가열 조건 및 압연 조건을 제어한다.

또, 고주파 담금질용 강은 아니지만, Ca계 개재물의 형태를 제어함으로써 피로 특성을 개선하는 것을 목적으로 한 전봉 강관이 국제 공개 제2010/110490호(특허 문헌 2)에 개시되어 있다.

특허 문헌 2에 개시된 전봉 강관은, 질량%로, C：0.15~0.55%, Si：0.01~0.30%, Mn：0.5~1.5%, Ca：0.0010~0.0030%, S：0.0005~0.0050%, O：0.0005~0.0050%를 함유한다. 또한, 강 중의 Ca, O 및 S의 함유량이, 0.10≤[Ca](1－124[O])/1.25[S]≤2.50을 만족한다. 또한, 모재 및 전봉 용접부에 존재하는 Ca계 개재물의 평균 입경이 1.0~10㎛이며, Ca계 개재물의 밀도가 3~300개/mm²이다. 또한, 전봉 용접부의 최고 경도와 모재부의 평균 경도의 차(ΔHv)가 100~500이다.

특허 문헌 2에서는, 상기 서술한 식을 만족함으로써, 칼슘계의 산화물(CaO) 및 황화물(CaS)의 평균 입경 및 분포 밀도가 적정한 범위가 되어, 피로 특성이 높아진다고 기재되어 있다.

그러나 특허 문헌 1에서는, 산화물 및 황화물의 조성 제어에 대해서는 전혀 고려되어 있지 않다. 그로 인해, Al이나 O의 함유량이 적은 경우에서도, 조대한 산화물이 출현하여, 뛰어난 전동 피로 수명이 얻어지지 않는 경우가 있다.

특허 문헌 2는 원래, 전봉 강관에 관한 것이며, 전동 피로 수명을 고려한 것은 아니다. 또, 전봉 강관은, 열간 단조 및 고주파 담금질을 실시하는 것을 전제로 하지 않는다. 또한, 특허 문헌 2에서도, 산화물 및 황화물의 조성 제어에 대해서는 고려되어 있지 않다.

일본국 특허 공개 평11-1749호 공보 국제 공개 제2010/110490호

본 발명의 목적은, 고주파 담금질 후에 뛰어난 전동 피로 수명을 나타내는 고주파 담금질용 강재를 제공하는 것이다.

본 실시 형태에 의한 고주파 담금질용 강재는, 질량%로, C：0.4~0.6%, Si：0.03~1.0%, Mn：0.2~2.0%, P：0.05% 이하, S：0.010% 미만, Cr：0.05~0.50%, Al：0.01~0.10%, Ca：0.0003~0.0030%, O：0.0030% 이하, N：0.003~0.030%, Cu：0~1.0%, Ni：0~3.0%, Mo：0~0.15%, V：0~0.30%, Nb：0~0.10%, B：0~0.0030%, 및, Ti：0~0.10%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지며, 식(1) 및 식(2)를 만족하는 화학 조성을 가진다.

0.7≤Ca/O≤2.0 …(1)

Ca/O≥1250S－5.8 …(2)

여기서, 식(1) 및 식(2) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.

본 실시 형태에 의한 고주파 담금질용 강재는, 뛰어난 전동 피로 수명을 가진다.

도 1은, 강 중의 Ca/O 및 S량이, 조대한 산화물 및 점열형상의 산화물의 형성에 미치는 영향을 설명하기 위한 도이다.
도 2a는, 실시예에서 이용한 드러스트형 전동 피로 시험편의 평면도이다.
도 2b는, 도 2a에 도시하는 시험편에 대한 고주파 담금질 처리를 설명하기 위한 모식도이다.

일반적으로, 전동 피로의 메커니즘은, 다음과 같이 이해되고 있다. 강재 중에 존재하는 개재물에 반복 하중이 더해져, 응력 집중에 의해 강재에 균열이 발생한다. 그 후, 반복 하중에 의해 균열이 서서히 진전해, 최종적으로 강재의 일부가 박리된다.

본 발명자들은, 강 중의 개재물의 조성과 형태에 착목하여 검토를 행했다. 그 결과, 본 발명자들은, (A)~(D)의 지견을 얻었다.

(A) 황화물의 조성을 제어할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들어, 용강 중에 Ca를 첨가하여, (Mn, Ca)S 및 CaS를 생성시킨다. (Mn, Ca)S 및 CaS의 생성에 의해, 황화물의 직경이 작아지고, 또한 분산한다. 그로 인해, 전동 피로의 응력 집중원이 되는 조대한 황화물이 저감한다.

(B) 강 중의 산소(O)의 함유량을 저감시킨 경우에서도, 산화물이 Al₂O₃를 주체로 하는 화학 조성인 경우, Al₂O₃ 주체 산화물이 응집 및 합체되어 조대한 개재물로서 존재하는 경우가 있다. 조대한 Al₂O₃ 주체 산화물이 형성되면, 양호한 전동 피로 수명이 얻어지지 않을 가능성이 있다.

(C) 알루미늄킬드강(이하, 「Al킬드강」이라고 한다)의 용강에 Ca를 첨가하면, 탈산 생성물인 Al₂O₃는 Ca와 반응하여, 저융점 조성 산화물인 (Al, Ca)O로 변화한다. 이 변화에 의해, 용강 중의 산화물은 구상화한다. 그로 인해, 산화물의 응집 및 조대화가 억제된다.

(D) 상기 (C)항의 용강 중의 Ca는, 용강 중의 S, 및, Al킬드강의 탈산 생성물인 Al₂O₃와 반응한다. 이 두 가지 반응은 경합한다. 그로 인해, 용강 중의 S함유량에 의해, Al₂O₃와 반응 가능한 Ca량은 변화한다. 따라서, 용강 중에서 산화물의 조성을 적절히 변화시켜 산화물의 조대화를 억제하기 위해서는, 강 중의 Ca, O 및 S의 함유량을 적정한 관계로 제어할 필요가 있다.

본 발명자들은, Ca함유량이 강 중의 산화물 및 황화물의 조성 및 형태에 미치는 영향을 조사했다. 그 결과, 본 발명자는 또한, (E) 및 (F)의 지견을 얻었다.

(E) 강 중의 산화물의 조성(강 중에서 생성되는 산화물의 종류)은, 강 중의 O함유량에 대한 Ca함유량의 비(Ca/O)에 의존한다. Ca/O가 식(1)을 만족하는 경우, 강 중에 있어서 (Al, Ca)O가 다수 생성되어, 조대한 산화물(Al₂O₃ 및/또는 CaO를 주체로 하는 산화물)의 형성이 억제된다.

0.7≤Ca/O≤2.0 …(1)

(F) 강 중의 S함유량이 너무 높으면, Ca는 O뿐만 아니라, S와도 반응한다. 이로 인해, 강 중의 S함유량이 높으면, 강 중의 Ca함유량 및 O함유량이 식(1)을 만족하더라도, 조대한 산화물이 발생하는 경우가 있다. 강 중의 Ca함유량, O함유량 및 S함유량이, 식(1) 및 다음의 식(2)를 만족하면, 조대한 산화물 및/또는 점열형상의 산화물의 생성이 억제된다.

Ca/O≥1250S－5.8 …(2)

이상의 지견에 의거하여 완성된 본 실시 형태의 고주파 담금질용 강재는, 다음과 같다.

0.7≤Ca/O≤2.0 …(1)

Ca/O≥1250S－5.8 …(2)

상기 고주파 담금질용 강재의 화학 조성은, C：0.48~0.6%를 함유해도 된다. 상기 고주파 담금질용 강재의 화학 조성은, C：0.50~0.6%를 함유해도 된다.

상기 고주파 담금질용 강재의 화학 조성은, N：0.0050% 초과~0.030%를 함유해도 된다.

상기 고주파 담금질용 강재의 화학 조성은, Cu：0.05~1.0%, Ni：0.05~3.0%, 및, Mo：0.02~0.15%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다.

상기 고주파 담금질용 강재의 화학 조성은, V：0.01~0.30%, 및, Nb：0.01~0.10%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유해도 된다.

상기 고주파 담금질용 강재의 화학 조성은, B：0.0005~0.0030%, 및, Ti：0.01~0.10%를 함유해도 된다.

본 실시 형태의 고주파 담금질용 강재는, 근래의 전동 부재의 가혹한 사용 환경 아래에 있어서도, 전동 피로에 의한 파손에 대해 양호한 내구성을 가진다. 그로 인해, 고주파 담금질 후의 전동 피로 수명이 뛰어나다. 본 실시 형태의 고주파 담금질용 강재는, 자동차 부품으로서 사용되는 「등속 조인트」나 「허브 유닛」이라고 하는 고주파 담금질이 실시되는 부품의 소재로서 적절하게 이용할 수 있다.

이하, 상기 서술한 고주파 담금질용 강재에 대해 상세하게 설명한다. 각 원소의 함유량의 「%」는 「질량%」를 의미한다.

본 실시 형태에 의한 고주파 담금질용 강재의 화학 조성은, 이하의 원소를 함유한다.

C：0.4~0.6%

탄소(C)는, 고주파 담금질 후에 부품의 전동부의 경도를 높인다. C함유량이 너무 낮으면, 상기 효과가 얻어지지 않는다. 한편, C함유량이 너무 높으면, 강재의 경도가 너무 높아져, 강재의 단조성이 저하한다. 또한, 강재를 절삭하는 공구의 수명이 저하한다. C함유량이 너무 높으면 또한, 고주파 담금질부의 인성이 저하하여, 전동 피로 수명이 저하하는 경우가 있다. 따라서, C함유량은 0.4~0.6%이다. C함유량의 바람직한 하한은 0.42%이고, 더 바람직하게는 0.48%이며, 더욱 바람직하게는 0.50%이다. C함유량의 바람직한 상한은 0.58%이다.

Si：0.03~1.0%

실리콘(Si)은, 강재의 담금질성을 높이고, 고주파 담금질 후에 전동부에 경화층을 형성한다. Si함유량이 너무 낮으면, 충분한 깊이의 경화층이 형성되지 않는다. 한편, Si함유량이 너무 높으면, 강재의 경도가 너무 높아져, 강재의 단조성이 저하한다. 또한, 강재를 절삭하는 공구의 수명이 저하한다. 따라서, Si함유량은 0.03~1.0%이다. Si함유량의 바람직한 하한은 0.1%이고, 더 바람직하게는 0.12%이다. Si함유량의 바람직한 상한은 0.8%이다.

Mn：0.2~2.0%

망간(Mn)은, 강재의 담금질성을 높이고, 고주파 담금질 후에 전동부의 경도를 높인다. Mn함유량이 너무 낮으면, 상기 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Mn함유량이 너무 높으면, 강재의 경도가 너무 높아져, 강재의 단조성이 저하한다. 또한, 강재를 절삭하는 공구의 수명이 저하한다. 따라서, Mn함유량은 0.2~2.0%이다. Mn함유량의 바람직한 하한은 0.3%이고, 더 바람직하게는 0.5%이다. Mn함유량의 바람직한 상한은 1.5%이고, 더 바람직하게는 1.0%이다.

P：0.05% 이하

인(P)은, 불순물이다. P는, 결정 입계에 편석하여 강재의 전동 피로 수명을 저하시킨다. 따라서, P함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 따라서, P함유량은 0.05% 이하이다. 바람직한 P함유량은 0.03% 이하이며, 더 바람직하게는 0.02% 이하이다.

S：0.010% 미만

유황(S)은, 불순물이다. S는, 조대한 황화물을 형성하여 강재의 전동 피로 수명을 저하시킨다. 따라서, S함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 따라서, S의 함유량은 0.010% 미만이다. 바람직한 S함유량은 0.006% 이하이며, 더 바람직하게는 0.002% 이하이다. S함유량은 또한, 식(2)를 만족한다.

Cr：0.05~0.50%

크롬(Cr)은, 강재의 담금질성을 높이고, 고주파 담금질 후에 전동부에 경화층을 형성한다. Cr함유량이 너무 낮으면, 충분한 깊이의 경화층이 형성되지 않는다. 한편, Cr함유량이 너무 높으면, 고주파 열처리의 경우, 강재의 담금질성이 저하한다. 또한, 강재를 절삭하는 공구의 수명도 저하한다. 따라서, Cr함유량은 0.05~0.50%이다. Cr함유량의 바람직한 하한은 0.10%이다. Cr함유량의 바람직한 상한은 0.40%이며, 더 바람직하게는 0.30%이다.

Al：0.01~0.10%

알루미늄(Al)은, 강을 탈산한다. Al은 또한, N과 결합하여 AlN을 형성하고, 강재의 담금질 부분의 결정 입자의 조대화를 억제한다. Al함유량이 너무 낮으면, 이 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Al함유량이 너무 높으면, 강재의 고주파 담금질성이 저하한다. 따라서, Al함유량은 0.01~0.10%이다. Al함유량의 바람직한 하한은 0.015%이다. Al함유량의 바람직한 상한은 0.08%이며, 더 바람직하게는 0.050%이다.

본 실시 형태에 있어서 Al함유량은, 전체 Al의 함유량을 의미한다.

Ca：0.0003~0.0030%

칼슘(Ca)은, 산화물로서, 적정량의 (Al, Ca)O를 형성한다. (Al, Ca)O가 형성되면, 매트릭스와 개재물 사이의 계면 에너지가 저하하여 산화물의 응집력이 저하한다. 그로 인해, 강 중의 산화물의 조대화가 억제되어, 전동 피로 수명이 높아진다. Ca는 또한, 황화물 중에 고용하여 (Mn, Ca)S 및 CaS를 형성한다. (Mn, Ca)S 및 CaS는 연신되기 어렵고, 조대화하기 어렵다. (Mn, Ca)S 및 CaS는 또한, MnS와는 상이한 창출 형태이기 때문에, 이들 황화물계 개재물은 MnS보다 강 중에 균일하게 분산한다. 그로 인해, 전동 피로 수명이 높아진다. Ca함유량이 너무 낮으면 상기 효과는 얻어지지 않는다. 한편, Ca함유량이 너무 높으면, 산화물이 조대화하여 전동 피로 수명이 저하한다. 따라서, Ca함유량은 0.0003~0.0030%이다. Ca함유량의 바람직한 하한은 0.0005%이다. Ca함유량의 바람직한 상한은 0.0025%이다. Ca함유량은 또한, 식(1) 및 식(2)를 만족한다.

O：0.0030% 이하

산소(O)는 불순물이다. O는, 강 중에 조대한 산화물을 형성하고, 강재의 전동 피로 수명을 저하시킨다. 따라서, O함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. O함유량은, 0.0030% 이하이다. 바람직한 O함유량은 0.0025% 이하이며, 더 바람직하게는 0.0020% 이하이다. O함유량은 또한 식(1) 및 식(2)를 만족한다.

N：0.003~0.030%

질소(N)는, 강 중의 Al과 결합하여 AlN을 형성하고, 강재의 담금질 부분의 결정 입자의 조대화를 억제한다. N함유량이 너무 낮으면, 상기 효과가 얻어지지 않는다. 한편, N함유량이 너무 높으면, 조대한 질화물이 생성되어, 강재의 전동 피로 수명이 저하한다. 따라서, N의 함유량은 0.003~0.030%이다. N함유량의 바람직한 하한은 0.0040%이며, 더 바람직하게는, 0.0050%를 초과한다.

담금질부의 결정 입자의 조대화를 더 억제하기 위해 임의 원소인 V 및/또는 Nb를 함유하는 경우, N함유량의 바람직한 하한은 0.005%이다.

고주파 담금질시의 담금질성을 더 높이기 위해 B 및 Ti를 함유하는 경우, B가 N과 결합하는 것을 억제할 수 있는 것이 바람직하다. 따라서, B 및 Ti를 함유하는 경우, N함유량의 바람직한 상한은 0.030% 미만이고, 더 바람직하게는 0.010% 미만이며, 더욱 바람직하게는 0.008%이다.

[식(1)에 대해]

본 실시 형태의 고주파 담금질용 강재의 화학 조성은 또한, O함유량에 대한 Ca함유량의 비(Ca/O)가 식(1)을 만족한다.

0.7≤Ca/O≤2.0 …(1)

여기서, 식(1) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.

Ca/O는, Ca를 첨가한 후의 강 중의 산화물 조성의 지표이다. Ca/O가 0.7 미만인 경우, Al₂O₃는 (Al, Ca)O로 완전하게 변화되지 않고, 특정 Al산화물(Al₂O₃를 주체로 한 조대한 스피넬형상 및/또는 점열형상의 Al₂O₃의 산화물군)을 형성한다. 특정 Al산화물은, 전동 피로 수명을 저하시킨다.

한편, Ca/O가 2.0을 웃돌 때는, 특정 Ca산화물(CaO를 주체로 하는 고융점의 조대한 산화물 및/또는 점열형상의 CaO의 산화물)이 형성된다. 특정 Ca산화물은, 전동 피로 수명을 저하시킨다.

Ca/O가 식(1)을 만족하고, 또한, 식(2)를 만족하는 경우, 강 중에 있어서 (Al, Ca)O가 적당량 생성되고, 특정 Al산화물 및 특정 Ca산화물의 생성이 저감된다.

［식(2)에 대해］

본 실시 형태의 고주파 담금질용 강재의 화학 조성은 또한, Ca/O가 식(2)를 만족한다.

Ca/O≥1250S－5.8 …(2)

여기서, 식(2) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.

Ca는 강 중의 O 뿐만 아니라, 강 중의 S와도 반응한다. 그로 인해, Ca/O가 식(1)을 만족하더라도, 특정 Al산화물의 생성이 억제되지 않는 경우가 있다.

보다 구체적으로는, Ca/O가 1250S－5.8보다 작은 경우, S와 결합하는 Ca량이 많아져, (Al, Ca)O에 사용되는 Ca량이 부족하다. 그로 인해, 특정 Al산화물이 생성되어, 전동 피로 수명이 저하한다.

Ca/O가 식(1)을 만족하고, 또한, 1250S－5.8 이상이면, S와 결합하는 Ca량이 억제되어, 적절한 양의 Ca를 (Al, Ca)O의 생성에 이용할 수 있다. 그로 인해, 특정 Al산화물 및 특정 Ca산화물의 생성이 억제되어, 전동 피로 수명이 높아진다.

도 1은, 상기 서술한 Ca/O와 S함유량과, 식(1) 및 식(2)를 만족하는 범위의 관계를 모식적으로 도시하는 도이다. 도면 중의 세로축은, Ca함유량의 O함유량에 대한 비(Ca/O)이다. 가로축은, 강재 중의 S함유량(질량%)이다. 직선 L100은, Ca/O=2.0을 나타낸다. 직선 L200은, Ca/O=0.7을 나타낸다. L300은, 일차 함수 Ca/O=1250S－5.8을 나타낸다.

도 1 중에서 해칭된 영역(A1)은, 직선 L100, L200 및 L300으로 둘러싸인다. Ca/O 및 S함유량이 영역(A1) 내인 경우, (Al, Ca)O가 생성되고, 특정 Al산화물 및 특정 Ca산화물의 생성이 억제된다. 그로 인해, 강재의 전동 피로 수명이 높아진다.

본 실시 형태의 고주파 담금질용 강재의 잔부는, Fe 및 불순물로 이루어진다. 여기서, 불순물이란, 강재를 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것으로서, 본 실시 형태의 고주파 담금질용 강재에 악영향을 미치지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.

［임의 원소에 대해］

본 실시 형태의 고주파 담금질용 강재는, Cu, Ni, 및, Mo로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다. Cu, Ni 및 Mo는 모두, 고주파 담금질 후의 부품의 전동부의 경도를 더 높인다.

Cu：0~1.0%

구리(Cu)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Cu는, C 및 Mn과 마찬가지로, 고주파 담금질 후의 부품의 전동부의 경도를 높인다. 그러나 Cu함유량이 너무 높으면, 강재의 피로 강도가 저하하고, 열간 가공성도 저하한다. 따라서, Cu함유량은, 0~1.0%이다. 상기 효과를 더욱 안정적으로 얻기 위한 Cu함유량의 바람직한 하한은 0.05%이며, 더 바람직하게는 0.07%이다. Cu함유량의 바람직한 상한은 0.5%이다.

Ni：0~3.0%

니켈(Ni)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Ni는 C나 Mn과 마찬가지로, 고주파 담금질 후의 부품의 전동부의 경도를 높인다. 그러나 Ni함유량이 너무 높으면, 강재의 피로 강도의 저하가 저하한다. 따라서, Ni함유량은, 0~3.0%이다. 상기 효과를 더욱 안정적으로 얻기 위한 Ni함유량의 바람직한 하한은 0.05%이며, 더 바람직하게는 0.07%이다. Ni함유량의 바람직한 상한은 2.0%이다.

Mo：0~0.15%

몰리브덴(Mo)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Mo는, C나 Mn과 마찬가지로, 고주파 담금질 후의 부품의 전동부의 경도를 높인다. 그러나 Mo함유량이 너무 높으면, 이 효과는 포화하여, 제조 코스트가 높아진다. 따라서, Mo함유량은 0~0.15%이다. 상기 효과를 더욱 안정적으로 얻게 하기 위한 Mo함유량의 바람직한 하한은 0.02%이며, 더 바람직하게는 0.03%이다. Mo함유량의 바람직한 상한은 0.12%이다.

상기한 대로, 본 실시 형태의 고주파 담금질용 강재는, Cu, Ni 및 Mo로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유할 수 있다. 이들 원소가 복합적으로 함유되는 경우, 그 합계량의 상한은, 4.15%이다.

본 실시 형태의 고주파 담금질용 강재는 또한, V 및 Nb로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유해도 된다. V 및 Nb는 임의 원소이다. 고주파 가열 처리에 있어서, 강재는 단시간일지라도 고온까지 가열된다. V 및 Nb는 모두, 강재의 담금질 부분의 결정 입자의 조대화를 억제한다.

V：0~0.30%

바나듐(V)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, V는, N과 결합하여 질화물을 형성한다. 형성된 질화물은, 강재의 담금질 부분의 결정 입자의 조대화를 억제한다. V는 또한, C와 결합하여 강재의 강도를 높인다. 그러나 V함유량이 너무 높으면, 담금질 부분의 결정 입자의 조대화를 억제하는 효과가 포화한다. 또한, 강재의 강도가 너무 높아져 피삭성이 저하한다. 따라서, V함유량은 0~0.30%이다. 상기 효과를 더욱 안정적으로 얻기 위한 V함유량의 바람직한 하한은, 0.01%이며, 더 바람직하게는 0.015%이다. V함유량의 바람직한 상한은 0.20%이다.

Nb：0~0.10%

니오브(Nb)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Nb는, N과 결합하여 질화물을 형성한다. 형성된 질화물은, 강재의 담금질 부분의 결정 입자의 조대화를 억제한다. Nb는 또한, C와 결합하여 강재의 강도를 높인다. 그러나 Nb함유량이 너무 높으면, 담금질 부분의 결정 입자의 조대화를 억제하는 효과가 포화한다. 또한, 강재의 강도가 너무 높아져 피삭성이 저하한다. 따라서, Nb함유량은 0~0.10%이다. 상기 효과를 더욱 안정적으로 얻기 위한 Nb함유량의 바람직한 하한은 0.01%이며, 더 바람직하게는 0.012%이다. Nb함유량의 바람직한 상한은 0.08%이다.

상기 서술한 대로, 본 실시 형태의 고주파 담금질용 강재는, V 및 Nb로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유할 수 있다. 이들 원소를 복합적으로 함유시키는 경우의 합계량의 상한은, 0.40%이다.

본 실시 형태의 고주파 담금질용 강재는 또한, B 및 Ti를 함유해도 된다. B 및 Ti는 임의 원소이다.

B：0~0.0030%

붕소(B)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, B는, 강의 담금질성을 높인다. 그로 인해, 고주파 담금질 후의 부품의 전동부의 경화층의 깊이를 더 크게 할 수 있다. 그러나 B함유량이 너무 높으면, 그 효과는 포화한다. 그로 인해, B함유량은 0~0.0030%이다. 상기 효과를 더욱 안정적으로 얻기 위한 B함유량의 바람직한 하한은 0.0005%이며, 더 바람직하게는 0.0007%이다. B함유량의 바람직한 상한은 0.0020%이다.

Ti：0~0.10%

티탄(Ti)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 고용된 B는 강재의 담금질성을 높인다. 그러나 B가 N과 결합한 BN은, 강재의 담금질성을 높이지 않는다. 따라서, B를 함유하는 경우, B보다 N과의 친화력이 크고 질화물을 형성하기 쉬운 Ti도 함유한다. 그러나 Ti함유량이 너무 높으면, 조대한 TiN이 다수 생성되어, 강재의 전동 피로 수명이 저하한다. 따라서, Ti함유량은 0~0.10%이다. 상기 효과를 더욱 안정적으로 얻기 위한 Ti함유량의 바람직한 하한은, 0.01%이며, 더 바람직하게는 0.015%이다. Ti함유량의 바람직한 상한은 0.05%이다.

[제조 방법]

상기 서술한 고주파 담금질용 강재의 제조 방법을 설명한다. 본 실시 형태에서는, 일례로서, 고주파 담금질용 강재인 봉강의 제조 방법과, 고주파 담금질용 강재(봉강)를 이용한 열간 단조품의 제조 공정을 설명한다. 열간 단조품은 예를 들어, 자동차 및 산업 기계 등에 이용되는 부품이며, 더욱 구체적으로는, 예를 들어, 등속 조인트나 허브 유닛이라고 하는 부품이다.

상기 서술한 화학 조성과, 식(1) 및 식(2)를 만족하는 용강을 제조한다. 용강을 제조할 때, 용강에 대해 Al로 탈산 처리를 실시한다. 그 후, Ca－Si합금을 용강에 함유시켜, 강재의 Ca함유량을 조정한다.

제조된 용강을 이용하여, 주조법에 의해 주편으로 한다. 용강을 조괴법에 의해 잉곳(강괴)으로 해도 된다. 주편 또는 잉곳을 열간 가공하여, 빌릿(강편)을 제조한다. 빌릿을 열간 가공하여, 봉강을 제조한다. 열간 가공은, 열간 압연이어도 되고, 열간 단조여도 된다. 이상의 제조 공정에 의해, 고주파 담금질용 강재가 제조된다.

제조된 고주파 담금질용 강재는, 열간 단조된다. 열간 단조된 고주파 담금질용 강재에 대해, 필요에 따라 불림 처리를 실시한다. 또한, 필요에 따라, 열간 단조된 고주파 담금질용 강재에 대해 기계 가공을 실시하여, 소정의 형상으로 한다. 기계 가공된 고주파 담금질용 강재에 대해 조질 처리를 실시해도 된다.

이상의 공정을 거친 고주파 담금질용 강재에 대해, 고주파 담금질이 실시된다. 본 실시 형태의 고주파 담금질용 강재는, 고주파 담금질이 실시된 후, 뛰어난 전동 피로 수명을 가진다.

[실시예]

진공 용해로를 이용하여, 표 1에 기재하는 화학 조성을 가지는 강 1~30의 용강을 제조했다. 용강을 제조할 때, 용강에 대해 Al로 탈산 처리를 실시했다. 그 후, Ca－Si합금을 용강에 함유시켜 강재의 Ca함유량을 조정했다. 제조된 용강을 이용하여, 150kg 강괴를 제조했다.

[표 1]

표 1 중의 「Ca/O」란에는, 각 강 1~30의 Ca함유량의 O함유량에 대한 비가 기재되어 있다. 「1250S－5.8」란에는, 식(2)의 우변이 개시되어 있다.

표 1 중의 강 1~18의 화학 조성은, 본 실시 형태의 고주파 담금질용 강재의 화학 조성의 범위 내였다. 강 19~강 30의 화학 조성은, 본 실시 형태의 고주파 담금질용 강재의 화학 조성의 범위로부터 벗어나 있었다.

각 강괴를 일단 실온까지 냉각한 후, 각 강괴를 화학 조성에 따라 1200~1300℃의 온도역의 온도로 가열했다. 그리고 가열된 강괴에 대해 열간 단조를 실시하여, 직경 80mm의 환봉을 제조했다. 열간 단조시의 마무리 온도는 모두 1000℃ 이상이었다. 열간 단조 후의 환봉은, 대기 중에서 상온까지 방랭했다.

제조된 각 환봉에 대해, 불림 처리를 실시했다. 구체적으로는, 각 환봉을, 850℃에서 30분 가열하고, 그 후, 대기 중에서 상온까지 방랭했다.

［전동 피로 시험］

이상의 공정으로 얻어진 강 1~30의 환봉을 이용하여, 다음에 개시하는 전동 피로 시험을 실시했다.

도 2a는 전동 피로 시험에 이용한 시험편의 소재(시험 소재)(1)의 평면도이다. 도 2a에 도시하는 대로, 각 환봉의 중심부로부터, 직경(D1)이 60mm, 두께 10mm의 원반형상의 시험 소재(1)를 제작했다. 시험 소재(1)의 중심축은, 환봉의 중심축과 일치했다. 시험 소재(1)의 표면 중, 환상 영역(10)의 내경(D2)은 35mm이며, 외경(D3)은 45mm였다.

시험 소재(1)의 표면의 중심으로부터의 반경이 17.5~22.5mm의 환상 영역(10)에 대해, 고주파 담금질을 실시했다. 도 2b에 도시하는 바와 같이, 환상 영역(10)의 형상에 맞추어 형성된 원환상의 코일(2)을 환상 영역(10)의 바로 위에 배치했다. 시험 소재(1)를 도 2b의 화살표의 방향으로 회전시키면서, 고주파 가열을 실시했다. 고주파 가열시의 주파수는 30kHz, 출력은 100kW, 가열 시간은 1.7초였다. 가열 후의 시험 소재(1)를 물 담금질했다. 담금질 후의 시험 소재(1)에 대해, 뜨임을 실시했다. 구체적으로는, 시험 소재(1)를 150℃에서 1시간 가열하고, 그 후, 대기 중에서 방랭했다.

또한, 뜨임 후의 시험 소재(1)에 있어서, 고주파 담금질이 실시된 표면과 반대측의 표면을 연삭했다. 또한, 고주파 담금질이 실시된 표면을 경면 가공하여, 두께 5.0mm의 전동 피로 시험편을 제작했다.

전동 피로 시험편의 표면 중, 경면 가공한 표면이 시험면이 되도록 하여, 전동 피로 시험을 실시했다.

전동 피로 시험은, 모리식 드러스트형 전동 피로 시험기를 이용했다. 최대 접촉면압 5230MPa, 반복 속도 1800cpm(cycle per minute)의 조건에서 시험을 실시했다. 시험부는, 시험면의 중심으로부터 반경 19.25mm의 환상 영역으로 했다. 강구(상대 구슬)로서, JIS G 4805(2008)에 규정된 SUJ2 조질재를 이용했다. 전동 피로 시험에서는, 박리까지의 응력 반복수를 측정했다. 표 2에, 전동 피로 시험의 상세 조건을 기재한다.

[표 2]

전동 피로 시험 결과를 와이불 분포 확률지 위에 플롯하여, 10% 파손 확률을 나타내는 L₁₀ 수명을 「전동 피로 수명」으로서 평가했다. L₁₀ 수명이 5.0×10⁶ 이상을 만족한 경우, 전동 피로 수명이 뛰어나다고 평가했다.

[시험 결과]

표 3에, 상기 시험으로 얻어진 L₁₀ 수명을 기재한다.

[표 3]

표 3 중의 「L₁₀ 수명」란의 수치는, 각 시험 번호의 L₁₀ 수명(×10⁶)이 기재되어 있다. 표 1 및 표 3을 참조하며, 시험 번호 1~18의 강 1~18의 화학 조성은 적절하고, Ca/O가 식(1) 및 식(2)를 만족했다. 그로 인해, L₁₀ 수명은 5.34×10⁶이상이며, 뛰어난 전동 피로 수명이 얻어졌다.

한편, 시험 번호 19에서는, 강 19의 Ca/O가 2.25로 높고, 식(1)의 상한을 초과했다. 그로 인해, 조대한 산화물 또는 점열형상의 산화물이 형성되기 쉬워지고, L₁₀ 수명이 5.0×10⁶ 미만(2.93×10⁶)이었다.

시험 번호 20에서는, 강 20의 Ca/O가 0.52로 낮고, 식(1)의 하한 미만이었다. 그로 인해, 특정 Al산화물이 생성되기 쉬워지고, L₁₀ 수명이 5.0×10⁶ 미만(1.20×10⁶)이었다.

시험 번호 21에서는, 강 21의 Ca/O가 0.73으로서, 1250S－5.8이 0.83이기 때문에, Ca/O가 1250S－5.8보다 작아, 식(2)를 만족하지 못했다. 그로 인해, 강 중의 산화물이 조대화하기 쉬워지고, L₁₀ 수명은 5.0×10⁶ 미만(3.36×10⁶)이었다.

시험 번호 22에서는, 강 22의 Ca함유량이 0.0038%로 너무 높았다. 그로 인해, 조대한 산화물 및/또는 점열형상의 산화물이 형성되기 쉬워져, L₁₀ 수명은 5.0×10⁶ 미만(1.46×10⁶)이었다.

시험 번호 23에서는, 강 23의 Ca함유량이 0.0001%로 너무 낮았다. 그로 인해, 산화물은 고융점이 응집하기 쉬운 것이 되고, 그 결과 조대화하여, L₁₀ 수명은 5.0×10⁶ 미만(1.31×10⁶)이었다.

시험 번호 24에서는, 강 24의 O함유량이 0.0041%로 너무 높았다. 그로 인해, 조대한 산화물이 많이 생성되기 쉬워지고, L₁₀ 수명은 5.0×10⁶ 미만(0.920×10⁶)이었다.

시험 번호 25에서는, 강 25의 S함유량이 0.0220%로 너무 높았다. 그로 인해, 조대한 황화물이 많이 생성되기 쉽고, 또, 많은 Ca 및 S가 CaS를 형성하기 쉽기 때문에, Al₂O₃와 반응하는 Ca는 적어지기 쉬웠다. 그로 인해, L₁₀ 수명은 5.0×10⁶ 미만(0.765×10⁶)이었다.

시험 번호 26에서는, 강 26의 Cr함유량이 1.03%로 너무 높았다. 그로 인해, 고주파 담금질부가 균일하게 경화하지 않고, L₁₀ 수명은 5.0×10⁶ 미만(3.25×10⁶)이었다.

시험 번호 27에서는, 강 27의 C함유량이 0.71%로 너무 높았다. 그로 인해, 고주파 담금질부의 인성이 저하하고, L₁₀ 수명은 5.0×10⁶ 미만(2.02×10⁶)이었다.

시험 번호 28에서는, 강 28의 C함유량이 0.27%로 너무 낮았다. 그로 인해, 고주파 담금질부에서 충분한 경도가 얻어지지 않고, L₁₀ 수명은 5.0×10⁶ 미만(1.14×10⁶)이었다.

시험 번호 29에서는, 고주파 담금질 후의 전동부의 경도를 높이기 위해 강 29가 Cu 및 Ni를 함유했지만, Ca/O가 2.71로 높아, 식(1)의 상한을 초과했다. 그로 인해, 조대한 산화물 또는 점열형상의 산화물이 형성되기 쉬워지고, L₁₀ 수명은 5.0×10⁶ 미만(2.21×10⁶)이었다.

시험 번호 30에서는, 담금질부의 결정 입자의 조대화를 억제하는 목적으로 강 30이 Nb를 함유했지만, Ca/O가 0.46으로 낮아, 식(1)의 하한 미만이었다. 그로 인해, 산화물이 조대화하기 쉽고, L₁₀ 수명은 5.0×10⁶ 미만(1.36×10⁶)이었다.

이상, 본 발명의 실시 형태를 설명했다. 상기 서술한 실시 형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 상기 서술한 실시 형태에 한정되는 일 없이, 그 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 상기 서술한 실시 형태를 적당히 변형하여 실시하는 것이 가능하다.

[산업상의 이용 가능성]

본 실시 형태의 고주파 담금질용 강재는, 근래의 전동 부재의 가혹한 사용 환경 아래에 있어서도, 전동 피로에 의한 파손에 대해 양호한 내구성을 가지고, 뛰어난 전동 피로 수명을 가진다. 그로 인해, 본 실시 형태의 고주파 담금질용 강재는, 뛰어난 전동 피로 수명이 요구되는 용도에 널리 적용 가능하고, 특히, 자동차 부품으로서 사용되는 「등속 조인트」나 「허브 유닛」이라는 고주파 담금질이 실시되는 전동 부재의 소재로서 적절하게 이용할 수 있다.

Claims

질량%로,
C：0.4~0.6%,
Si：0.03~0.71%,
Mn：0.2~2.0%,
P：0.05% 이하,
S：0.010% 미만,
Cr：0.05~0.50%,
Al：0.01~0.10%,
Ca：0.0003~0.0030%,
O：0.0030% 이하,
N：0.0050 초과~0.030%,
Cu：0~1.0%,
Ni：0~3.0%,
Mo：0~0.15%,
V：0~0.30%,
Nb：0~0.10%,
B：0~0.0030%, 및,
Ti：0~0.10%를 함유하고,
잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지며,
식(1) 및 식(2)를 만족하는 화학 조성을 가지는, 고주파 담금질용 강재.
0.7≤Ca/O≤2.0 …(1)
Ca/O≥1250S－5.8 …(2)
여기서, 식(1) 및 식(2) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
청구항 1에 있어서,
상기 화학 조성은,
C：0.50~0.6%를 함유하는, 고주파 담금질용 강재.
청구항 1에 있어서,
상기 화학 조성은,
Cu：0.05~1.0%,
Ni：0.05~3.0%, 및,
Mo：0.02~0.15%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는, 고주파 담금질용 강재.
청구항 1에 있어서,
상기 화학 조성은,
V：0.01~0.30%, 및,
Nb：0.01~0.10%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유하는, 고주파 담금질용 강재.
청구항 3에 있어서,
상기 화학 조성은,
V：0.01~0.30%, 및,
Nb：0.01~0.10%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유하는, 고주파 담금질용 강재.
청구항 1 및 청구항 3 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 화학 조성은,
B：0.0005~0.0030%, 및,
Ti：0.01~0.10%를 함유하는, 고주파 담금질용 강재.
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