KR101699651B1

KR101699651B1 - 연질화 고주파 켄칭 강 부품

Info

Publication number: KR101699651B1
Application number: KR1020157023170A
Authority: KR
Inventors: 다츠야 고야마; 스구루 요시다
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2017-01-24
Also published as: CN104981556A; US20160122841A1; CN104981556B; EP3006584A4; WO2014192117A1; EP3006584A1; US10151010B2; JP5958652B2; KR20150109480A; JPWO2014192117A1

Abstract

소정의 화학 조성을 갖고, 표면으로부터 0.2㎜ 깊이까지의 고용 N 농도가 0.05∼1.5％, 300℃에서 템퍼링한 후의 표면으로부터 0.2㎜ 깊이까지의 비커스 경도가 Hv 600 이상, 유효 경화층 깊이 t가 0.5㎜ 이상, 또한 파손 위험 부위의 반경 또는 두께의 절반을 r(㎜)로 할 때, t/r≤0.35인 것을 특징으로 하는 면 피로 강도가 우수한 연질화 고주파 켄칭 강 부품.

Description

연질화 고주파 켄칭 강 부품 {SOFT-NITRIDED INDUCTION-QUENCHED STEEL COMPONENT}

본 발명은, 연질화 고주파 켄칭 강 부품에 관한 것으로, 특히 자동차 등의 동력 전달 부품용에 적용되는 높은 면 피로 강도를 갖는 기어, 무단 변속기, 등속 조인트, 허브 등에 사용되는 연질화 고주파 켄칭 강 부품에 관한 것이다.

예를 들어, 자동 변속기의 기어나 무단 변속기의 시브, 등속 조인트, 허브 등의 동력 전달 부품 등의 강 부품은, 높은 면 피로 강도가 요구된다. 일반적으로 상기한 부품에는 소재에 JIS SCr420, SCM420 등의 C가 0.2％ 전후인 기소강을 사용하여, 기소강에 침탄 켄칭 처리를 실시하여 부품의 표층에 C가 0.8％ 전후인 마르텐사이트 조직의 경화층을 형성하여 면 피로 강도를 높여 사용된다.

그러나, 침탄 켄칭 처리는 950℃ 전후의 고온에서의 오스테나이트 영역에 있어서, 5∼10시간, 경우에 따라서는 10시간 이상의 처리로 되므로, 결정립 조대화에 의한 열처리 변형(켄칭 변형)이 커지는 경우가 있다. 이로 인해, 높은 정밀도가 요구되는 부품의 경우에는, 침탄 켄칭 후, 연삭이나 호닝 등의 마무리 가공을 실시해야 한다.

최근, 자동차 엔진 등의 저소음화의 요구가 높아지고 있으므로, 침탄 켄칭 처리에 비해 열변형이 작은 표면 경화 처리인 고주파 켄칭이나 연질화가 주목받고 있다.

고주파 켄칭은, 표층부의 필요한 부분만 단시간 가열로 오스테나이트화하여 켄칭하므로 켄칭 변형이 작아, 고주파 켄칭에 의하면, 고정밀도로 표면 경화 부품을 얻을 수 있다. 그러나, 고주파 켄칭만으로 침탄 켄칭재와 동등한 강도를 얻는다고 하면, 0.8％를 초과하는 C 함유량을 갖는 강재가 필요해진다. 그 결과, 모재의 경도가 상승하여, 피삭성의 현저한 열화가 발생한다. 따라서, 무모하게 강 중의 C 함유량을 증가시킬 수는 없어, 고주파 켄칭만으로 면 피로 강도를 향상시키는 것에는 한계가 있다.

연질화 처리는 A1 변태점 이하의 온도 영역에서 표면 경화층을 얻는 처리이고, 또한 침탄 켄칭 처리에 비해, 처리 시간이 2∼4시간 정도로 짧다. 그로 인해, 저변형이 요구되는 강 부품에의 연질화의 적용은 많다. 그러나, 연질화 처리만으로 얻어지는 경화층 깊이는 작으므로, 높은 면압이 가해지는 트랜스미션 기어 등에는 적용하는 것이 곤란하다.

최근에는, 고주파 켄칭과 연질화 처리의 결점을 보완하여, 보다 우수한 기계적 성질, 특히 면 피로 강도를 얻는 방법으로서, 연질화 후에 고주파 켄칭을 실시하는 것이 시도되고 있다.

특허문헌 1∼3에는, 연질화 처리와 고주파 켄칭을 조합함으로써, 면 피로 강도를 향상시킨 기계 구조용 강이 개시되어 있다. 특허문헌 1∼3에 기재된 기술은, 고주파 켄칭 온도가 950℃ 미만이므로, 연질화 처리에서 표층에 석출된 질화물이 충분히 고용되지 않고, 질소(N)의 대부분이 질화물로서 존재하여, 표층의 고용 N 농도가 낮다. 그 결과, 압축 잔류 응력이 낮으므로, 충분히 높은 면 피로 강도를 얻을 수 없다.

특허문헌 4에서는, 고주파 켄칭과 질화 처리를 조합하는 것에 의한 기계적 강도가 우수한 강 부품의 제조 방법이 제안되어 있다. 특허문헌 4의 제조 방법에서 얻어진 강 부품의 표층 경도는 높다. 그러나, 표층의 전체 N 농도, 즉 질화물의 N 농도와 고용 N 농도의 합계는 낮고, 또한 V 등의 질화물 형성 원소가 다량으로 존재하고, 또한 표층의 전체 N 농도 중 고용 N 농도는 낮으므로, 표층의 고온 경도는 낮다. 그로 인해, 가동 중에 고온으로 되는 기어 등의 표층에 있어서 충분한 템퍼링 연화 저항을 발휘할 수 없어, 높은 면 피로 강도를 얻을 수 없다.

특허문헌 5에서도, 고주파 켄칭과 질화 처리를 조합함으로써 우수한 기계적 성질을 얻는 기술이 제안되어 있다. 특허문헌 5에 기재된 기술은, 표면으로부터 0.05㎜ 깊이의 질소 농도가 높은 것을 특징으로 하고 있다. 그러나, 면 피로 파괴는 표면 기점 파괴이지만, 파괴의 깊이는 0.05㎜의 수배의 깊이까지 달한다. 따라서, 표면으로부터 0.05㎜ 깊이의 경도가 높은 것만으로는 높은 면 피로 강도를 얻을 수는 없다.

특허문헌 6에서도, 고주파 켄칭과 질화 처리를 조합하는 것에 의한 기계적 강도가 우수한 강 부품의 제조 방법이 제안되어 있다. 특허문헌 6에 기재된 기술은, 부품의 크기에 대한 유효 경화층이 깊어, 고주파 가열에 의해 오스테나이트화하는 영역이 차지하는 깊이가 깊다. 그로 인해, 표면 근방의 압축 잔류 응력이 작고, 또한 켄칭 변형이 커져, 부품 특성으로서 바람직하지 않다.

국제 공개 제2010/082685호 일본 특허 공개 제2011-208250호 공보 국제 공개 제2010/070958호 일본 특허 공개 평6-172961호 공보 일본 특허 공개 제2007-77411호 공보 일본 특허 공개 평7-90364호 공보

본 발명은, 상기한 실정을 감안하여, 종래의 연질화 고주파 켄칭 강 부품에서는 얻어지지 않는, 템퍼링 연화 저항이 우수하고, 높은 표면 근방의 압축 잔류 응력을 나타내어 면 피로 강도가 우수한 연질화 고주파 켄칭 강 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

동력 전달 부품은, 사용시의 발열에 의해 300℃ 전후까지 가동면의 온도가 상승한다. 따라서, 강 부품의 면 피로 강도 향상에는, 가동면의 고온 강도 유지를 위해 템퍼링 연화 저항을 향상시키는 것이 유효하다. 또한, 강 부품의 면 피로 강도 향상에는, 표면 근방의 압축 잔류 응력을 높게 하는 것이 유효하다. 또한, 강 부품의 정밀도 향상에는, 켄칭 변형의 저감이 유효하다.

본 발명자들은, 연질화 처리와 고주파 켄칭의 조합에 의한 강 부품의 표면 경화 처리에 대해 다양한 검토를 행하여, 이하의 지견을 얻었다.

a) 강 부품의 가동면의 템퍼링 연화 저항을 향상시키기 위해서는, 강 부품의 표층 고용 N 농도를 높이는 것이 유효하다. 통상 측정되는 N 농도는, 마르텐사이트 중에 고용되어 있는 N과, 강 중의 질화물 N의 합계량이다. 본 발명자들은, 고주파 가열시의 최고 온도를 변화시켜 표층의 고용 N과 질화물의 비율을 변화시킴으로써, 300℃에서 템퍼링하였을 때의 표층 고용 N 농도가 경도에 미치는 영향을 조사한 결과, 마르텐사이트 중의 고용 N 농도를 증가시키는 것이 템퍼링 연화 저항의 향상에 유효한 것을 확인하였다.

b) 표면 근방의 압축 잔류 응력을 높게 하기 위해서는, 표층의 고용 N 농도를 높이고, 또한 유효 경화층 깊이를 비교적 얕게 하는 것이 유효하다. 즉, 표층의 고용 N 농도를 높게 하면, 고주파 켄칭시의 마르텐사이트 변태에 의한 팽창량이 커지므로, 표면 근방의 압축 잔류 응력을 높게 할 수 있다. 또한, 부품의 크기에 대해 유효 경화층 깊이를 얕게 함으로써도 표면 근방의 압축 잔류 응력을 높게 할 수 있다. 이들을 조합함으로써, 표면 근방의 압축 잔류 응력을 높게 할 수 있다. 또한, 부품의 크기에 대해 유효 경화층 깊이를 얕게 하는 것은, 켄칭 변형의 저감에도 기여한다. 이것은, 켄칭 변형이 오스테나이트의 마르텐사이트 변태에 기인하여 나타나기 때문이다.

표층의 고용 N 농도를 높게 하기 위해서는, 고주파 가열시의 도달 온도를 높게 할 필요가 있다. 그러나, 단순히 고주파 가열시의 도달 온도를 높이면, 유효 경화층 깊이가 지나치게 깊어져, 표면 근방의 압축 잔류 응력이 낮아진다. 종래 기술에서도 900℃ 이상의 고주파 가열을 행한 예가 있지만, 유효 경화층 깊이가 깊어져, 압축 잔류 응력을 충분히 높게 할 수 없었다.

본 발명자들은, 상기한 문제를 해결하기 위해, 고주파 가열의 조건을 예의 검토하여, 본 발명을 완성하였다. 그 요지는 하기와 같다.

(1) 모재의 화학 조성이, 질량％로, C: 0.30∼0.80％, Si: 0.02∼2.5％, Mn: 0.35∼2.0％, Al: 0.001∼2.0％, Cr: 0.01∼3.0％, S: 0.040％ 이하, N: 0.0030∼0.02％를 함유하고, O: 0.005％ 이하, P: 0.025％ 이하로 각각 제한하고, 잔부가 Fe 및 불순물이고, 표면으로부터 0.2㎜ 깊이까지의, 강 중에 포함되는 전체 N량으로부터 질화물에 포함되는 N량을 뺀 값에 기초하여 산출되는 고용 N 농도가 0.05∼1.5％이고, 300℃에서 템퍼링한 후의 표면으로부터 0.2㎜ 깊이까지의 비커스 경도가 Hv 600 이상이고, 유효 경화층 깊이 t가 0.5㎜ 이상이고, 또한 파손 위험 부위의 반경 또는 두께의 절반을 r(㎜)로 할 때, t/r≤0.35인 것을 특징으로 하는 연질화 고주파 켄칭 강 부품.

(2) 모재의 화학 조성의 Fe의 일부 대신에, 질량％로, Nb: 0.3％ 이하, Ti: 0.3％ 이하, V: 1.0％ 이하, Ni: 3.0％ 이하, Cu: 3.0％ 이하, Co: 3.0％ 이하, Mo: 1.0％ 이하, W: 0.5％ 이하, B: 0.005％ 이하, Ca: 0.01％ 이하, Mg: 0.01％ 이하, Zr: 0.05％ 이하, Te: 0.1％ 이하, Pb: 0.5％ 이하, REM: 0.005％ 이하 중 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 연질화 고주파 켄칭 강 부품.

본 발명에 따르면, 종래의 연질화 고주파 켄칭 강 부품에서는 얻을 수 없는, 높은 표면 근방의 압축 잔류 응력을 나타내어, 면 피로 강도가 우수한, 기어, 무단 변속기, 등속 조인트, 허브 등의 동력 전달 부품을 제공할 수 있다.

도 1은 파손 위험 부위를 설명하는 개략도이다.

본 발명자들이 표층의 템퍼링 연화 저항 및 표면 근방의 압축 잔류 응력에 미치는 영향을 조사한 결과, 표층의 고용 N 농도를 높여, 유효 경화층 깊이를 얕게 제어함으로써, 면 피로 강도가 우수한 것이 판명되었다.

우선, 본 발명의 모재의 화학 조성의 규정 이유를 설명한다. 여기서, 화학 조성의 ％는 질량％를 나타낸다.

C: 0.30∼0.80％

C는, 강의 강도를 얻기 위해 중요한 원소이다. 특히, 고주파 켄칭의 전조직으로서의 페라이트 분율을 저감시켜, 고주파 가열한 경우에 신속하게 강의 표층을 오스테나이트 단상으로 함으로써, 고주파 켄칭시의 경화능을 향상시키기 위해 필요하다. C의 함유량이 0.30％ 미만에서는, 페라이트 분율이 높아, 고주파 켄칭에 의해 충분히 경화시킬 수 없다. C의 함유량이 0.80％를 초과하면, 강 부품 제작시의 피삭성이나 단조성을 현저하게 저해시켜, 고주파 켄칭시에 켄칭 크랙이 발생할 가능성이 더욱 커진다. 따라서, C의 함유량은, 0.30∼0.80％로 하였다. C의 함유량은, 0.40∼0.60％가 바람직하다.

Si: 0.02∼2.5％

Si는 표층의 템퍼링 연화 저항을 향상시킴으로써, 면 피로 강도를 향상시키는 효과가 있다. 그 효과를 얻기 위해서는, Si의 함유량을 0.02％ 이상으로 할 필요가 있다. Si의 함유량이 2.5％를 초과하면, 단조시의 탈탄이 현저해진다. 따라서, Si 함유량은, 0.02∼2.5％로 하였다. Si 함유량은, 0.20∼0.80％가 바람직하다.

Mn: 0.35∼2.0％

Mn은, 켄칭성을 향상시키고, 표층의 템퍼링 연화 저항을 높임으로써 면 피로를 향상시키는 데 유효한 원소이다. 또한, 고주파 켄칭의 전조직으로서의 페라이트 분율을 저하시켜, 고주파 켄칭시의 경화능을 향상시키는 데도 유효하다. 그 효과를 얻기 위해서는, Mn의 함유량을 0.35％ 이상으로 할 필요가 있다. Mn의 함유량이 2.0％를 초과하면, 강재 제조시에 지나치게 단단해져 봉강을 절단하는 경우에 지장이 발생한다. 또한, Mn은 제강시의 응고 단계에서 덴드라이트 수지 사이에 편석되기 쉽고, 국부적으로 경화되어 강재를 취화시키는 경우가 있다. 따라서, Mn 함유량은, 0.35∼2.0％로 하였다. Mn 함유량은, 0.50∼1.5％가 바람직하다.

Al: 0.001∼2.0％

Al은, 연질화시에 질화물을 형성하여, 표층의 전체 N 농도를 증가시키고, 고주파 켄칭시에 일부 또는 모든 질화물이 용체화됨으로써 표층의 고용 N 농도를 증가시키는 원소이다. 또한, 고주파 켄칭시에 용체화되지 않는 질화물이 존재해도, 강 중에 분산되므로, 고주파 켄칭 처리시의 오스테나이트 조직의 세립화에 유효하게 작용하는 효과가 있다. 또한, 피삭성 향상에도 유효한 원소이다. 그로 인해, Al의 함유량은 0.001％ 이상으로 할 필요가 있다. Al의 함유량이 2.0％를 초과하면, 석출물이 조대화되어 강을 취화시킨다. 따라서, Al 함유량은, 0.001∼2.0％로 하였다. Al 함유량은, 0.020∼0.10％가 바람직하다.

Cr: 0.01∼3.0％

Cr은, Al과 마찬가지의 효과를 갖는 원소이다. 즉, Cr은, 연질화시에 질화물을 형성하여, 표층의 전체 N 농도를 증가시키고, 고주파 켄칭시에 일부 또는 모든 질화물이 용체화됨으로써 표층의 고용 N 농도를 증가시키는 원소이다. 또한, 고주파 켄칭시에 용체화되지 않는 질화물이 존재해도, 강 중에 분산되므로, 고주파 켄칭 처리시의 오스테나이트 조직의 세립화에 유효하게 작용하는 효과가 있다. 그 효과를 얻기 위해서는, Cr의 함유량을 0.01％ 이상으로 할 필요가 있다. Cr의 함유량이 3.0％를 초과하면, 피삭성이 악화된다. 따라서, Cr 함유량은, 0.01∼3.0％로 하였다. Cr 함유량은, 0.05％ 이상, 1.0％ 미만이 바람직하다.

S: 0.040％ 이하

S는, 불순물 원소이다. 또한 적극적으로 함유시키면, 피삭성의 향상에 유효한 원소이다. S의 함유량이 0.040％를 초과하면, 단조성이 현저하게 저하된다. 따라서, S 함유량은, 0.040％ 이하로 하였다. S 함유량은, 0.001∼0.015％가 바람직하다.

N: 0.003∼0.02％

N은, 각종 질화물을 형성하여 코어부의 오스테나이트 조직의 조립화 방지에 유효하게 작용한다. 그 효과를 얻기 위해서는, N의 함유량을 0.003％ 이상으로 할 필요가 있다. N의 함유량이 0.02％를 초과하면, 본래, 연질화시에 전체 N 농도를 증가시키는 작용을 갖는 Al이나 Cr 등의 합금 원소가 응고시에 조대한 질화물을 형성하고, 조대한 질화물은 고주파 켄칭시에 용체화되지 않으므로, 실질 고주파 켄칭 후의 고용 N 농도가 낮아진다. 따라서, N 함유량은, 0.003∼0.02％로 하였다. N 함유량은, 0.004∼0.012％ 미만이 바람직하다.

O(산소)와 P는, 불순물이지만, 본 발명에 있어서는 특별히 제한할 필요가 있다.

O: 0.005％ 이하

O는, Al₂O₃이나 SiO₂ 등의 산화물계 개재물로서 강 중에 존재하지만, O가 많으면 상기 산화물이 대형화되고, 이것을 기점으로 하여 동력 전달 부품의 파손에 이른다. 그로 인해, O의 함유량은 0.005％ 이하로 제한할 필요가 있다. O의 함유량은 적을수록 바람직하므로, 0.002％ 이하가 바람직하고, 또한 고수명을 지향하는 경우는 0.0015％ 이하가 바람직하다.

P: 0.025％ 이하

P는, 입계에 편석되어 인성을 저하시키므로 최대한 저감시킬 필요가 있어, 0.025％ 이하로 제한한다.

모재의 잔부는, Fe 및 불순물이다. 불순물이라 함은, 강의 원재료 및 제조 환경으로부터 혼입되는 것을 말한다.

다음으로, 임의로 함유하는 것이 가능한 화학 조성의 규정 이유에 대해 설명한다.

[강재 강화 원소]

Nb: 0.3％ 이하

Nb는, Al과 마찬가지의 효과를 갖는 원소이다. 즉, Nb는, 연질화시에 질화물을 형성하여, 표층의 전체 N 농도를 증가시키고, 고주파 켄칭시에 일부 또는 모든 질화물이 용체화됨으로써 표층의 고용 N 농도를 증가시키는 원소이다. 또한, 고주파 켄칭시에 용체화되지 않는 질화물이 존재해도, 강 중에 분산되므로, 고주파 켄칭 처리시의 오스테나이트 조직의 세립화에 유효하게 작용하는 효과가 있다. 또한, 피삭성 향상에도 유효한 원소이다. 그러나, 0.3％를 초과하여 함유해도 그 효과는 포화되어 경제성을 손상시킨다. 따라서, 함유하는 경우의 Nb의 함유량을 0.3％ 이하로 하였다. 상기 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Nb의 함유량을 0.005％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Ti: 0.3％ 이하

Ti는, Al과 마찬가지의 효과를 갖는 원소이다. 즉, Ti는, 연질화시에 질화물을 형성하여, 표층의 전체 N 농도를 증가시키고, 고주파 켄칭시에 일부 또는 모든 질화물이 용체화됨으로써 표층의 고용 N 농도를 증가시키는 원소이다. 또한, 고주파 켄칭시에 용체화되지 않는 질화물이 존재해도, 강 중에 분산되므로, 고주파 켄칭 처리시의 오스테나이트 조직의 세립화에 유효하게 작용하는 효과가 있다. 그러나, Ti의 함유량이 0.3％를 초과하면 석출물이 조대화되어 강을 취화시킨다. 따라서, 함유하는 경우의 Ti의 함유량을 0.3％ 이하로 하였다. 상기 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Ti의 함유량을 0.005％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

V: 1.0％ 이하

V는, Al과 마찬가지의 효과를 갖는 원소이다. 즉, V는, 연질화시에 질화물을 형성하여, 표층의 전체 N 농도를 증가시키고, 고주파 켄칭시에 일부 또는 모든 질화물이 용체화됨으로써 표층의 고용 N 농도를 증가시키는 원소이다. 또한, 고주파 켄칭시에 용체화되지 않는 질화물이 존재해도, 강 중에 분산되므로, 고주파 켄칭 처리시의 오스테나이트 조직의 세립화에 유효하게 작용하는 효과가 있다. 그러나, 1.0％를 초과하여 함유해도 그 효과는 포화되어 경제성을 손상시킨다. 따라서, 함유하는 경우의 V의 함유량을 1.0％ 이하로 하였다. 상기 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, V의 함유량을 0.01％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

W: 0.5％ 이하

W는, Al과 마찬가지의 효과를 갖는 원소이다. 즉, W는, 연질화시에 질화물을 형성하여, 표층의 전체 N 농도를 증가시키고, 고주파 켄칭시에 일부 또는 모든 질화물이 용체화됨으로써 표층의 고용 N 농도를 증가시키는 원소이다. 또한, 고주파 켄칭시에 용체화되지 않는 질화물이 존재해도, 강 중에 분산되므로, 고주파 켄칭 처리시의 오스테나이트 조직의 세립화에 유효하게 작용하는 효과가 있다. 또한, 고주파 켄칭의 전조직으로서의 페라이트 분율을 저하시켜, 고주파 켄칭시의 경화능을 향상시킨다. W의 함유량이 0.5％를 초과하면 절삭성이 악화되고, 게다가 효과가 포화되어 경제성이 손상된다. 따라서, 함유하는 경우의 W의 함유량을 0.5％ 이하로 하였다. 상기 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, W의 함유량을 0.03％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

[켄칭성 향상 원소]

Ni: 3.0％ 이하

Ni는, 켄칭성을 높여, 인성을 더욱 향상시킨다. Ni의 함유량이 3.0％를 초과하면, 절삭성이 악화된다. 따라서, 함유하는 경우의 Ni의 함유량을 3.0％ 이하로 하였다. 상기 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Ni의 함유량을 0.01％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Cu: 3.0％ 이하

Cu는, 페라이트를 강화하여, 켄칭성 향상, 내식성 향상에도 유효하다. 3.0％를 초과하여 함유해도, 기계적 성질의 점에서는 효과가 포화된다. 따라서, 함유하는 경우의 Cu의 함유량을 3.0％ 이하로 하였다. 상기 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Cu의 함유량을 0.01％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. Cu는, 열간 연성을 저하시켜, 압연시의 흠집의 원인으로 되기 쉬우므로, Ni와 동시에 함유하는 것이 바람직하다.

Co: 3.0％ 이하

Co는, 켄칭성의 향상에 기여한다. 3.0％를 초과해도 그 효과는 포화된다. 따라서, 함유하는 경우의 Co의 함유량을 3.0％ 이하로 하였다. 상기 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Co의 함유량을 0.01％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Mo: 1.0％ 이하

Mo는, 표층의 템퍼링 연화 저항을 향상시킴으로써, 면압 피로 강도를 향상시키는 효과에 부가하여, 경화층을 강인화하여 굽힘 피로 강도를 향상시키는 효과도 있다. 1.0％를 초과하여 함유해도 그 효과는 포화되어 경제성을 손상시킨다. 따라서, 함유하는 경우의 Mo의 함유량을 1.0％ 이하로 하였다. 상기 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Mo의 함유량을 0.01％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

B: 0.005％ 이하

B는, 켄칭성의 향상에 기여한다. 0.005％를 초과해도 그 효과는 포화된다. 따라서, 함유하는 경우의 B의 함유량을 0.005％ 이하로 하였다. 상기 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, B의 함유량을 0.0006％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

[절삭성 향상 원소]

부품 제작시에 절삭성도 요구되는 경우에는, Ca, Mg, Zr, Te, Pb, REM으로부터 선택되는 1종 이상을 함유한다.

Ca: 0.01％ 이하, Mg: 0.01％ 이하, Zr: 0.05％ 이하, Te: 0.1％ 이하, Pb: 0.5％ 이하, REM: 0.005％ 이하

이들 원소는, MnS의 연신을 억제함으로써, 또는 취화 상으로서 존재함으로써, 절삭성을 향상시킨다. 이들 효과를 부여하기 위해서는, Ca: 0.01％ 이하, Mg: 0.01％ 이하, Zr: 0.05％ 이하, Te: 0.1％ 이하, Pb: 0.5％ 이하 및 REM: 0.005％ 이하로부터 선택되는 적어도 1종 이상을 함유시킨다. REM이라 함은, 희토류 원소이다. 각 원소에서 상한값을 초과하여 함유시켜도 그 효과는 포화되어 경제성을 손상시킨다. 따라서, 함유하는 경우의 Ca, Mg, Zr, Te, Pb 및 REM의 함유량을, 각각, 0.01％ 이하, 0.01％ 이하, 0.05％ 이하, 0.1％ 이하, 0.5％ 이하 및 0.005％ 이하로 하였다. 상기 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 함유하는 경우의 Ca, Mg, Zr, Te, Pb 및 REM의 함유량을, 0.0005％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 표면으로부터 0.2㎜ 깊이까지의 고용 N 농도와, 300℃에서 템퍼링한 후의 표면으로부터 0.2㎜ 깊이까지의 비커스 경도에 대해 설명한다. 이하, 표면으로부터 0.2㎜ 깊이까지의 고용 N 농도를, 「표층의 고용 N 농도」라고 한다. 또한, 300℃에서 템퍼링한 후의 표면으로부터 0.2㎜ 깊이까지의 비커스 경도를 「표층의 300℃ 템퍼링 경도」라고 한다.

표층의 고용 N 농도라 함은, 강 중의 전체 N량으로부터, AlN, NbN, TiN 및 VN 등의 질화물에 포함되는 N량을 뺀 값이다. 표층의 고용 N량은, 불활성 가스 융해―열전도도법에 의해 전체 N량을 측정함과 함께, 비수 용매 전해액에 의한 정전위 전해 부식법의 SPEED법 및 0.1㎛의 필터에 의해 전해 추출한 잔사를 인도페놀 흡광도법에 의해 질화물 중 N량을 측정하고, 하기 수식 (2)에 의해 산출한다.

표면으로부터 0.2㎜ 깊이까지의 영역을 측정하기 위해서는, 측정 시료로서 0.2㎜까지 절삭 가공한 때의 절삭 칩을 사용한다. 단, 절삭 가공시의 발열에 의한 온도 상승의 영향을 억제하기 위해, 절삭 칩은 템퍼 컬러가 보이지 않을 필요가 있다.

본 발명자들은, 연질화 조건, 고주파 켄칭 조건 및 강재의 화학 조성을 변화시키고, 고주파 켄칭 후의 표층의 고용 N 농도를 변화시키고, 300℃에서 60분 템퍼링한 후의 표층의 300℃ 템퍼링 경도를 조사하였다. 그 결과, 표층의 고용 N 농도가 0.05％ 이상 1.5％ 이하의 범위에 있어서, 표층의 고용 N 농도가 높을수록 표층의 300℃ 템퍼링 경도가 향상되는 것이 확인되었다.

마르텐사이트 중에 고용되는 N은, C와 마찬가지로, 치환형 고용 원자로서 결정 내에 존재함으로써, 고용 강화, 전위 강화에 기여하여, 강도를 향상시킨다. 300℃에서 템퍼링을 행하면, 고용 C는 탄화물을 석출시켜, 마르텐사이트 중의 고용 C 농도가 저하됨으로써 강의 강도가 저하된다. 한편, N은 고용 상태를 유지하므로, 300℃에서 템퍼링을 행해도 강은 높은 강도를 유지한다. 그로 인해, 침탄 켄칭만, 고주파 켄칭만을 실시한 부품에 비해, 연질화와 고주파 켄칭을 실시한 부품의 쪽이, 300℃ 템퍼링 경도가 높다.

표층의 고용 N 농도가 0.05％ 미만인 경우, 표층의 300℃ 템퍼링 경도의 향상은 작고, 면 피로 강도는 낮다. 충분히 높은 표층의 300℃ 템퍼링 경도를 얻기 위해서는, 0.10％ 이상이 바람직하다. 표층의 고용 N 농도가 1.5％를 초과하면, 냉각시의 마르텐사이트 변태 개시 온도가 저하되어, 고주파 켄칭 후의 잔류 오스테나이트가 높아진다. 그 결과, 표층의 고용 N 농도의 증가에 의해, 켄칭 후의 표층의 경도 및 표층의 300℃ 템퍼링 경도가 향상되는 것 이상으로 경도가 저하된다. 그로 인해, 반대로 면 피로 강도가 저하된다.

표층의 300℃ 템퍼링 경도를 600 이상으로 하는 것은, 표층의 300℃ 템퍼링 경도가 600 이상으로 되는 깊이가 표면으로부터 0.2㎜보다 얕은 경우, 부하되는 면압에 강 부품이 견딜 수 없어, 피로 파괴되기 때문이다.

다음으로, 유효 경화층 깊이에 대해 설명한다.

유효 경화층 깊이 t는, JIS G0559로 규정된다. 본 발명의 강 부품에 있어서는, 유효 경화층 깊이 t는 0.5㎜ 이상이고, 또한 하기 [1]식을 만족시킨다.

단, t: 유효 경화층 깊이(㎜), r: 파손 위험 부위의 반경 또는 두께의 절반(㎜)

파손 위험 부위의 반경 또는 두께의 절반인 r은, 유효 경화층 깊이와 부품의 크기를 상대화하기 위해 사용한 지표이다. 파손 위험 부위라 함은 설계상의 위험 단면을 말하며, 샤프트와 같은 축상 부품에서는 최소 직경부나 응력 집중이 최대로 되는 단면부의 반경(단면이 원형인 경우) 또는 두께의 절반(단면이 사각형인 경우)이다. 기어 부품에서는, 도 1에 화살표로 나타낸 부분이 파손 위험 부위(피로 파손부)(1)이고, 2r이 두께(2)이다.

고주파 가열시의 오스테나이트화하는 영역의 비율, 즉 부품의 크기에 대한 유효 경화층 깊이의 비를 작게 함으로써, 표면 근방의 압축 잔류 응력을 증가시키고, 또한 켄칭 변형을 저감시킬 수 있다.

유효 경화층이 깊어지면, 표면 근방의 압축 잔류 응력이 저하될 뿐만 아니라, 켄칭 크랙이 발생하는 원인으로 되므로, [1]식의 상한을 0.35로 한다. 예를 들어, 롤러 피칭 피로 시험에서 사용하는 대 롤러 시험편에서는, 반경 65㎜에 대해, 유효 경화층 깊이를 40㎜로 한 경우, 고주파 켄칭시에 표면에 켄칭 크랙이 발생한다. 표면 근방의 압축 잔류 응력을 보다 높게 하기 위해서는, 0.3 이하가 바람직하다.

[1]식의 하한을 정해야 하는 이유는, 부품의 크기에 의존하지 않는다. 따라서, 하한은 [1]식의 하한으로서가 아니라, 유효 경화층 깊이를 0.5㎜ 이상으로 함으로써 정한다. 유효 경화층 깊이가 얕아지면, 코어부에 있어서도 높은 전단 응력이 발생하고, 경화층과 코어부 사이에 균열이 발생, 진전함으로써 스폴링이 발생한다. 유효 경화층 깊이는, 안전을 고려하여, 0.75㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

연질화 처리 온도는, 온도가 낮을수록 처리 시간이 길어지므로, 500℃ 이상으로 한다. 한편, 연질화 처리 온도가 A₁점을 초과하면 열처리 변형이 커지므로, 강재의 A₁점 미만으로 한다.

연질화 처리 후의 냉각은, 방냉, 공냉, 가스 냉각, 유냉 등 어느 방법으로 행해도 된다.

연질화 처리로서는, 가스 분위기, 염욕, 전장 중 어느 분위기 하에서의 N 침입 방법도 적용할 수 있다. 또한, 연질화 처리뿐만 아니라, 질화 처리(C의 침입을 수반하지 않고 N을 침입시키는 처리), 산질화 처리(질화 처리＋산화 처리)를 적용해도 된다.

고주파 켄칭을 실시할 때의 가열 방법은, 표층의 고용 N 농도를 고려하여 결정할 필요가 있다. 표층의 고용 N 농도가 0.05∼1.5％를 실현할 수 있는 고주파 가열 온도는, 950℃ 이상이다. 고주파 가열 온도가 높을수록 표층의 고용 N 농도가 증가하지만, 지나치게 고온으로 하면 결정립이 조대화되고, 변형에 의해 부품 정밀도가 저하되므로, 고주파 가열 온도는 1200℃ 이하로 한다. 보다 바람직한 고주파 가열 온도는 950∼1050℃이고, 더욱 바람직하게는, 960∼980℃이다.

고주파 가열의 주파수가 지나치게 낮으면, 원하는 가열 온도와 경화층 깊이와 유효 경화층 깊이를 양립시킬 수 없다. 주파수가 지나치게 높으면, 장치의 성능상 공업적으로 실현이 곤란해진다. 고주파 가열의 주파수는, 100∼300㎑로 한다.

유효 경화층 깊이는, 부품의 크기에 의존한다. 유효 경화층 깊이가 0.5㎜ 이상이고, 또한 [1]식을 만족시키도록 적절하게 조정하기 위해서는, 주로 가열 시간을 조정한다. 예를 들어, 롤러 피칭 피로 시험에 사용하는 소 롤러의 반경 13㎜의 경우, 주파수를 200KHz로 고주파 가열 온도를 950℃로 하면 가열 시간이 25초일 때 유효 경화층 깊이가 4.55㎜를 초과하여, [1]식으로부터 벗어나므로, 20초 이하로 한다. 한편, 동일 조건에서 가열 시간이 0.7초를 하회하면 유효 경화층 깊이가 0.5㎜ 이하로 되므로, 0.7초 이상으로 한다.

고주파 켄칭 후에, 숏피닝 등의 기계적인 표면 경화 처리를 실시해도 된다.

연질화, 고주파 가열 및 켄칭은 복수회 실시해도 된다.

실시예

다음으로, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 실시예의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 일례이며, 본 발명은, 이 일례에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은, 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한에 있어서, 다양한 조건을 채용할 수 있는 것이다.

표 1에 나타내는 화학 조성을 갖는 각 강재에, 1250℃로 가열 후, 열간에서 단조를 행하여 실온까지 방냉한 후에 재가열하고, 850℃에서 1시간 노멀라이징을 실시하였다. 그 후, 기계 가공에 의해, 롤러 피칭 피로 시험편용으로 직경이 26㎜, 폭 28㎜의 원통부를 갖는 소 롤러 시험편과, 직경 130㎜, 폭 18㎜의 대 롤러 시험편을 제작하였다. 또한, 직경이 26㎜, 길이 100㎜의 경도, 잔류 응력 측정 시험편을 제작하였다.

소 롤러 및 대 롤러에는, 실시예 30, 31을 제외하고, 연질화 처리 및 고주파 켄칭을 실시하였다. 연질화 처리는, 연질화 분위기에 600℃에서 소정 시간 유지한 후, N₂ 가스로 냉각하였다. 연질화 처리에 사용한 가스의 조성은, N₂(0.45Nm³/h)＋NH₃(0.5Nm³/h)＋CO₂(0.05Nm³/h), 연질화 시간은, 실시예 1∼25, 28, 29, 32∼34는 2시간, 실시예 26은 0.5시간, 실시예 27은 5시간으로 하였다. 연질화 처리에 이어서, 표 2에 나타내는 조건에서 고주파 켄칭을 실시하였다. 고주파 켄칭시의 냉매는 수돗물 또는 폴리머 켄칭제를 사용하였다. 그 후, 150℃에서 60분의 템퍼링 처리를 행하여, 피로 시험에 제공하였다.

실시예 30은 연질화 처리는 행하지 않고, 고주파 켄칭만 실시하였다. 또한, 실시예 31은, 상기한 조건에서 연질화 처리(연질화 시간은 2시간)만을 실시하고, 고주파 켄칭은 행하지 않았다.

제작한 대 롤러와 소 롤러를 사용하여, 표준적인 면 피로 시험인 롤러 피칭 피로 시험을 행하였다. 롤러 피칭 피로 시험은, 소 롤러에 면압을 헤르츠 응력 3500㎫로 하여 대 롤러를 압박하여, 접촉부에서의 양 롤러의 주속 방향을 동일 방향으로 하고, 슬립률을 -40％(소 롤러보다도 대 롤러의 쪽이 접촉부의 주속이 40％ 큼)로 하여 회전시켜 행하였다. 접촉부에 공급하는 기어유의 유온은 80℃로 하였다. 수명은, 소 롤러에 있어서 피칭이 발생할 때까지의 소 롤러의 회전수로 하였다. 피칭 발생의 검출은, 시험기에 비치되어 있는 진동계가 진동을 검출한 때에 양 롤러의 회전을 정지시켜 눈으로 확인을 행하여 피칭 유무를 확인함으로써 행하였다. 또한 시험 중단 횟수를, 1000만회(10⁷회)로 하였다.

잔류 응력 측정 시험편에 대해서는, 소 롤러 및 대 롤러와 동일 조건에서, 연질화 처리 및 고주파 켄칭, 템퍼링을 실시하였다. N 농도의 측정에는, 상술한 방법을 사용하였다. 0.01㎜ 깊이까지는 전해 연마를 행하고, X선을 사용하여 0.01㎜ 깊이의 잔류 응력을 측정하였다. 또한, 잔류 응력 측정 시험편을 사용하여, 300℃에서 60분의 템퍼링 처리를 실시하고, 단면을 절단한 후, 표면으로부터 코어부로의 경도 분포를, 비커스 경도계에 의해, 0.1㎜ 피치로 측정하였다.

표 2에 나타내는 바와 같이, 실시예 1∼25는, 모두 롤러 피칭 피로 시험에서 수명이 1000만회(10⁷회) 이상으로, 우수한 면 피로 강도(높은 피로 시험 수명)를 갖는 양호한 결과였다.

예를 들어, 실시예 1은, 표층의 고용 N 농도가 0.20％이고, 표면 근방의 압축 잔류 응력이 433㎫이므로, 표층의 300℃ 템퍼링 경도가 우수하고, 높은 표면 근방의 압축 잔류 응력을 나타내므로, 롤러 피칭 피로 시험에서 수명이 1000만회 이상으로, 양호한 면 피로 강도가 얻어지고 있다.

실시예 26, 27은, 고주파 켄칭 후의 표층의 고용 N 농도가 본 발명으로부터 벗어난 실례이다. 실시예 26은, 강재는 실시예 1과 동일하지만, 연질화 처리의 시간이 짧다. 그로 인해, 표층의 고용 N 농도가 0.05％에 도달되어 있지 않고, 표층의 300℃ 템퍼링 경도는 Hv 600 미만의 낮은 값을 나타내고 있어, 수명이 짧다. 실시예 27은, 강재는 실시예 4와 동일하지만, 연질화 처리의 시간이 길다. 그로 인해, 표층의 고용 N 농도가 1.5％를 초과하여, 잔류 오스테나이트가 다량으로 존재하므로, 표층의 300℃ 템퍼링 경도가 낮고, 또한 켄칭시의 체적 변화가 작음으로써 표면 근방의 압축 잔류 응력이 저하되므로, 수명이 짧다.

실시예 28, 29는, 각각, 고주파 켄칭 후의 t/r, 유효 경화층 깊이 t가 본 발명의 범위 밖이다. 모두 피로 시험 수명이 1000만회에 미치지 않았다. 실시예 28은, 고주파 가열의 주파수가 낮아, 가열 시간이 길었다. 그로 인해, 강재는 실시예 1과 동일하지만, 시험편 형상에 대해 유효 경화층 깊이가 깊고, 표면 근방의 압축 잔류 응력이 저하되어 있어, 수명이 짧다. 실시예 29는, 고주파 가열 시간이 짧았다. 그로 인해, 강재는 실시예 3과 동일하지만, 유효 경화층 깊이가 얕고, 스폴링이 발생되어 있어, 수명이 짧다.

실시예 30은, 실시예 5와 동일한 화학 조성의 강재에 고주파 켄칭만을 실시한 예이다. 표층의 고용 N 농도가 거의 존재하고 있지 않고, 표층의 300℃ 템퍼링 경도 및 표면 근방의 압축 잔류 응력이 저하되어 있어, 수명이 짧다.

실시예 31은, 실시예 5와 동일한 화학 조성의 강재에 연질화 처리만을 실시하고, 고주파 켄칭을 실시하지 않은 예이다. 표층의 300℃ 템퍼링 경도가 낮아, 수명이 짧다.

실시예 32는, C의 농도가 본 발명의 범위를 하회하고 있어, 고주파 켄칭 후에 충분한 경도가 얻어지지 않았다. 그로 인해, 표층의 고용 N 농도, t/r은 본 발명의 범위 내이지만, 수명이 짧다.

실시예 33은, 실시예 3과 동일한 화학 조성의 강재에서 고주파 켄칭의 조건을 변경하여 열처리를 실시한 예이다. 고주파 가열 온도가 낮아, 고용 N 농도가 낮아졌으므로, 표층의 300℃ 템퍼링 경도가 낮아, 수명이 짧다.

1 : 파손 위험 부위(피로 파손부)
2 : 두께(2r)

Claims

모재의 화학 조성이, 질량％로,
C: 0.30∼0.80％,
Si: 0.02∼2.5％,
Mn: 0.35∼2.0％,
Al: 0.001∼2.0％,
Cr: 0.01∼3.0％,
S: 0.040％ 이하,
N: 0.0030∼0.02％
를 함유하고,
O: 0.005％ 이하,
P: 0.025％ 이하
로 각각 제한하고, 잔부가 Fe 및 불순물이고,
표면으로부터 0.2㎜ 깊이까지의, 강 중에 포함되는 전체 N량으로부터 질화물에 포함되는 N량을 뺀 값에 기초하여 산출되는 고용 N 농도가 0.05∼1.50％이고,
300℃에서 템퍼링한 후의 표면으로부터 0.2㎜ 깊이까지의 비커스 경도가 Hv 600 이상이고,
유효 경화층 깊이 t가 0.5㎜ 이상이고, 또한 파손 위험 부위의 반경 또는 두께의 절반을 r(㎜)로 할 때, t/r≤0.35인 것을 특징으로 하는, 면 피로 강도가 우수한, 연질화 고주파 켄칭 강 부품.
제1항에 있어서,
모재의 화학 조성의 Fe의 일부 대신에, 질량％로, Nb: 0.3％ 이하, Ti: 0.3％ 이하, V: 1.0％ 이하, Ni: 3.0％ 이하, Cu: 3.0％ 이하, Co: 3.0％ 이하, Mo: 1.0％ 이하, W: 0.5％ 이하, B: 0.005％ 이하, Ca: 0.01％ 이하, Mg: 0.01％ 이하, Zr: 0.05％ 이하, Te: 0.1％ 이하, Pb: 0.5％ 이하, REM: 0.005％ 이하 중 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는, 연질화 고주파 켄칭 강 부품.