KR101717390B1

KR101717390B1 - 비조질형 연질화 부품

Info

Publication number: KR101717390B1
Application number: KR1020157022587A
Authority: KR
Inventors: 시게후미 니시타니; 모토키 다카스가; 히토시 마츠모토; 다츠야 하세가와; 마사토 유야
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2017-03-16
Also published as: WO2014136348A1; US20150376763A1; JP5811303B2; CN105026591B; CN105026591A; US9956950B2; JPWO2014136348A1; KR20150107876A

Abstract

베이스 강재의 화학 조성이, 질량%로, C：0.25~0.40%, Si：0.10~0.35%, Mn：2.0%를 초과 2.8% 이하, N：0.0030~0.0250%, Cu：0~1.0%, Mo：0~0.3%, Ni：0~0.5%, Ti：0~0.020%, 잔부：Fe 및 불순물이며, 불순물 중의 P, S, Al 및 Cr이, P：0.08% 이하, S：0.10% 이하, Al：0.05% 이하 및 Cr：0.20% 미만인 비조질형 연질화 부품으로서, 표면으로부터 0.05mm 위치의 비커스 경도가 400~480이고, 표면으로부터 1.0mm 위치의 비커스 경도가 200 이상이며, 또한 응력 집중부의 화합물층 깊이가 5μm 이하인 비조질형 연질화 부품. 이 비조질형 연질화 부품은, 뛰어난 굽힘 교정성과 높은 피로 강도를 가진다.

Description

비조질형 연질화 부품{UNTEMPERED SOFT-NITRIDED COMPONENT}

본 발명은, 비조질형 연질화 부품에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 자동차, 산업 기계 및 건설 기계 등에 이용되는 크랭크 샤프트, 커넥팅 로드 등과 같이, 필요한 형상으로 단조 및 기계 가공한 후에, 담금질-뜨임의 조질 처리를 행하는 일 없이, 연질화 처리를 실시하여 제조되는, 높은 굽힘 피로 강도와 뛰어난 굽힘 교정성을 가지는 비조질형 연질화 부품에 관한 것이다. 더 상세하게는, 뛰어난 굽힘 교정성과 굽힘 피로 시험에 있어서 750MPa 이상의 높은 굽힘 피로 강도를 가지는 비조질형 연질화 부품에 관한 것이다.

또한, 「비조질형 연질화 부품」이란, 기계 가공 후에, 이른바 「조질 처리」인 「담금질-뜨임 처리」를 받는 일 없이 연질화 처리가 실시된 부품을 가리킨다. 이하의 설명에 있어서는, 상기의 「연질화 처리가 실시된 부품」을 간단히 「연질화 부품」이라고 칭한다.

높은 피로 강도, 내마모성 등이 요구되는 자동차 부품의 제조에서는, 단조와 기계 가공 후에 표면 경화 처리인 고주파 담금질 처리, 연질화 처리 등의 처리가 행해지는 경우가 많다.

상기의 「연질화 처리」는, A₁변태점 이하의 온도에서 질소와 탄소를 확산 침투 처리하는 것이며, 열처리 온도가 낮아, 「고주파 담금질 처리」에 비해 열처리 변형이 작은 것을 큰 특징으로 하고 있다. 연질화 처리를 실시한 부품의 표층에는, 나이탈로 부식하면 희게 관찰되는 「화합물층」(Fe₃N 등의 질화물이 석출한 층)이 형성된다. 상기의 화합물층과 베이스(모재)의 사이에는 「확산층」이 형성된다.

연질화 처리는, 그 열처리 변형은, 작기는 하지만, 전무하지는 않아, 적지 않게 치수 정밀도에 악영향을 미친다. 특히, 회전축 부품인 크랭크 샤프트 등에 있어서는, 치수 정밀도의 저하는 경미하더라도 문제가 된다. 따라서, 연질화 처리 후에 굽힘 교정을 행하여 치수 정밀도를 높일 필요가 있다.

그러나, 연질화 부품에 굽힘 교정을 행하면 표층으로부터 균열이 발생하는 경우가 있다. 이로 인해, 크랭크 샤프트와 같은 연질화 부품에는, 굽힘 피로 강도가 높은 것에 추가하여, 굽힘 교정을 행한 경우에도 균열이 발생하지 않는 것, 즉, 굽힘 교정성이 뛰어난 것도 요구된다.

또한, 이하의 설명에 있어서는, 상기의 연질화 부품을 「크랭크 샤프트」를 대표로 하여 설명하는 경우가 있다.

근년, 환경에 대한 배려가 요구되게 되어, 엔진의 주요 부품인 크랭크 샤프트도 예외없이 경량 소형화가 지향되고, 예를 들어, 750MPa 이상이라고 하는 매우 높은 굽힘 피로 강도가 요구되게 되고 있다.

또한, 저비용화, 자원 절약화 등의 이유로부터도, 제조시에 「담금질-뜨임 처리」(조질 처리)를 실시하지 않는 비조질형 크랭크 샤프트에 대한 요망도 커지고 있다.

또한, 비조질형의 크랭크 샤프트에 상기의 750MPa 이상이라고 하는 굽힘 피로 강도를 확보시키기 위해서는, 부품 표면으로부터 0.05mm 위치의 경도(이하, 「표층 경도」라고 하는 경우가 있다)를 연질화 처리 후에 적어도 비커스 경도(이하, 「HV 경도」라고 한다)로 400 이상으로 할 필요가 있다.

그러나, 크랭크 샤프트의 표면으로부터 0.05mm 위치의 HV 경도를 400 이상으로 한 경우에는, 굽힘 교정을 행하면 표층에 균열이 발생한다. 이러한 크랭크 샤프트에 굽힘 피로 시험을 실시하면, 그 균열을 기점으로 하여 피로 파괴가 발생한다.

게다가, 상기 서술한 대로, 크랭크 샤프트에도 새로운 경량화에 대한 요구가 커지고 있으며, 크랭크 샤프트 형상의 설계에도 지금까지 이상의 자유도가 요구되고 있다. 그로 인해, 크랭크 샤프트용 강재에는, 연질화시에 종래보다 큰 굽힘이 발생하기 쉬운 형상의 크랭크 샤프트에 대해서도 굽힘 교정하는 것이 가능한 것, 즉, 높은 굽힘 교정성이 요구되고 있다.

이로 인해, 750MPa 이상이라고 하는 굽힘 피로 강도에 추가하여 충분한 굽힘 교정성을 가지는 크랭크 샤프트에 대한 요망이 매우 커지고 있다.

상기한 요망에 답할 수 있도록, 예를 들어, 특허 문헌 1에, 질량%로, C：0.2~0.6%, Si：0.05~1.0%, Mn：0.25~1.0%, S：0.03~0.2%, Cr：0.2% 이하, s-Al：0.045% 이하, Ti：0.002~0.010%, N：0.005~0.025% 및 O：0.001~0.005%를 함유하고, 필요에 따라 또한, Pb：0.01~0.40%, Ca：0.0005~0.0050% 및 Bi：0.005~0.40% 중 1종 또는 2종 이상을 함유하며, 또한 0.12×Ti%＜O%＜2.5×Ti% 및 0.04×N%＜O%＜0.7×N%의 조건을 만족하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지며, 열간 단조 후의 조직이 페라이트와 펄라이트의 혼합 조직인 것을 특징으로 하는 「연질화용 비조질강」이 개시되어 있다.

특허 문헌 2에는, 표면에 질화 처리 또는 연질화 처리가 실시된 강으로 이루어지는, 핀부 및 저널부를 가지는 크랭크 샤프트로서, 상기 강이 합금 성분으로서, C：0.07질량% 이상 0.12질량% 이하, Si：0.05질량% 이상 0.25질량% 이하, Mn：0.1질량% 이상 0.5질량% 이하, Cu：0.8질량% 이상 1.5질량% 이하, Ni：2.4질량% 이상 4.5질량% 이하, Al：0.8질량% 이상 1.5질량% 이하, Ti：0.5질량% 이상 1.5질량% 이하를 함유하고, 필요에 따라 또한, S：0.01질량% 이상 0.10질량% 이하, Ca：0.0010질량% 이상 0.0050질량% 이하 중 1종 또는 2종을 함유하며, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 또한, 질화 처리의 영향을 받지 않은 중심부로부터 채편한 강 시료를 1200℃에서 1시간 용체화한 후, 900℃ 이상 300℃ 이하까지의 온도 범위를 0.3℃/초 이상 1.5℃/초 이하로 설정되는 적당한 냉각 속도로 냉각함으로써, 강 조직에 차지하는 베이나이트의 비율을 80% 이상, HV 경도를 200 이상 300 이하로 할 수 있으며, 상기 질화 처리 또는 연질화 처리가 실시된 상기 핀부 및 상기 저널부의 내부 경도가 HV 경도로 350 이상 500 이하이며, 또한 표면으로부터 0.05mm의 위치에 있어서의 HV 경도가 650 이상 950 이하인 것을 특징으로 하는 「크랭크 샤프트」가 개시되어 있다.

본 발명자들은, 특허 문헌 3에 있어서, 베이스 강재가, 질량%로, C：0.25~0.60%, Si：0.10~1.0%, Mn：0.60~2.0%, P：0.08% 이하, S：0.10% 이하, Al：0.05% 이하, Cr：0.20~1.0% 및 N：0.0030~0.0250%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지며, 40－C＋2Mn＋5.5Cr≥43.0을 만족하는 비조질형 질화 크랭크 샤프트로서, 표면으로부터 깊이 0.05mm 위치의 HV 경도가 380~600이고, 또한, 적어도 핀 필렛부, 저널 필렛부 및 핀부의 화합물층 깊이가 5μm 이하인 것을 특징으로 하는 「비조질형 질화 크랭크 샤프트」를 제안하고 있다.

또한, 이 비조질형 질화 크랭크 샤프트는, Cu, Ni, Mo, V, Ti 및 Ca로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함해도 되는데, 그 경우는,〔40－C＋2Mn＋5.5Cr＋26Mo≥43.0〕을 만족할 필요가 있다.

본 발명자들은, 또한, 특허 문헌 4에 있어서, 베이스 강재가, 질량%로, C：0.25~0.40%, Si：0.10~0.35%, Mn：0.60~1.0%, P：0.08% 이하, S：0.10% 이하, Al：0.05% 이하, Cr：0.30~1.10% 및 N：0.0030~0.0250%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 조질형 연질화 부품으로서, 표면으로부터 0.05mm 위치의 HV 경도가 400~600이고, 또한 응력 집중부의 화합물층 깊이가 5μm 이하인 것을 특징으로 하는 「조질형 연질화 부품」을 제안하고 있다.

또한, 이 조질형 연질화 부품은, Cu, Mo, V, Ni 및 Ti로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함해도 된다.

일본국 특허 공개 2002-226939호 공보 일본국 특허 공개 2007-177309호 공보 일본국 특허 공개 2012-26005호 공보 일본국 특허 공개 2011-42846호 공보

특허 문헌 1의 발명의 성분에서는, 충분한 표층 경도가 얻어지지 않는다. 이로 인해, 특허 문헌 1의 실시예에 개시되어 있는 바와 같이, 굽힘 피로 강도가 낮아, 750MPa에 도달하지 않았다.

특허 문헌 2의 발명의 성분에서는, 그 실시예에 개시되어 있는 바와 같이 연질화 처리 후의 표층 경도가 너무 높아진다. 이로 인해, 굽힘 교정 처리를 실시했을 때에 충분한 굽힘 교정성을 가지고 있다고는 말할 수 없다.

특허 문헌 3의 발명의 성분에서는, 그 실시예에 개시되는 바와 같이 높은 피로 강도 및 굽힘 교정성이 얻어진다. 그러나, 크랭크 샤프트도 경량 소형화가 지향되어, 보다 엄격한 피로 강도 및 굽힘 교정성이 요구되어 오고 있다.

특허 문헌 4에서 개시된 조질형 연질화 부품은, 연질화 처리 후의 굽힘 교정성이 뛰어나고, 게다가, 굽힘 피로 시험에 있어서 800MPa 이상의 높은 굽힘 피로 강도를 가진다. 이로 인해, 자동차, 산업 기계 및 건설 기계 등의 부품, 예를 들어 크랭크 샤프트로서 이용할 수 있으며, 경량 소형화에 대처하는 것이 가능하다. 그러나, 특허 문헌 4의 발명은, 기계 가공한 후, 연질화 처리 전에, 담금질-뜨임의 조질 처리를 행할 필요가 있다.

본 발명은, 상기의 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 뛰어난 굽힘 교정성을 가지고, 또한 굽힘 피로 시험에 있어서 750MPa 이상의 높은 굽힘 피로 강도를 가지는 비조질형 연질화 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기한 과제를 해결하기 위해, 여러 가지의 검토를 행했다. 그 결과, 하기의 1)~7)의 사항이 밝혀졌다.

1) 연질화 처리한 강재의 표층으로부터 박판 시험편을 채취하여 인장 시험을 행한 결과, 화합물층을 제거한 시험편에서는 화합물층을 제거하지 않은 시험편에 비해, 인장 시험의 인장이 큰 폭으로 향상한다.

2) 상기 인장 시험 후의 박판 시험편의 파면을 관찰한 결과, 화합물층을 제거하고 있지 않은 시험편의 파면은 화합물층이 취성 파괴되어 균열의 기점으로 되어 있는 것에 비해, 화합물층을 제거한 시험편의 경우에는 연성 파면으로 되어 있다.

3) 연질화 처리한 강재의 표층의 화합물층을 제거하면, 굽힘 교정시의 파괴 형태가 화합물층을 기점으로 한 취성 파괴로부터 연성 파괴로 변화한다. 이로 인해 연질화 부품의 굽힘 교정성을 개선할 수 있다.

4) 한편, 굽힘 피로 강도에 관해서는, 화합물층 제거 전후로 거의 변화가 없다. 비조질형 연질화 부품의 경우에는, 부품 표면으로부터 0.05mm 위치의 경도가, HV 경도로 400 이상이며, 또한 부품 표면으로부터 1.0mm 위치의 경도(이하, 「내부 경도」라고 하는 경우 있다)가, HV 경도로 200 이상이면, 750MPa 이상의 높은 굽힘 피로 강도를 안정적으로 얻을 수 있다.

5) 비조질형 부품은, 조질형 부품에 비해 모재의 내구비(피로 강도/인장 강도)가 낮다. 그로 인해 비조질형 부품은, 조질형 부품과 동등의 내부 경도를 가지고 있더라도, 모재의 피로 강도는 조질형 부품에 비해 낮아진다. 특히, 비조질형 연질화 부품의 내부 경도가 HV 경도로 200 미만으로 낮은 경우에는, HV 경도로 400이상의 높은 표층 경도를 가지고 있더라도, 피로 시험시에 내부를 기점으로 한 파괴가 일어나, 750MPa 이상이라고 하는 높은 피로 강도를 얻는 것이 어려워지는 경우가 있다.

6) 연질화 처리 후의 표층 경도를 HV 경도로 400 이상으로 하더라도, 연질화 부품의 표층의 화합물층을 제거하면, 실용상 충분한 굽힘 교정성을 얻을 수 있다.

7) 단, 높은 굽힘 교정성이 요구되는 크랭크 샤프트의 경우에는, 연질화 부품의 표층 경도가 HV 경도로 480을 초과하면, 비록 화합물층을 제거하더라도 충분한 굽힘 교정성을 얻을 수 없는 경우가 있다.

본 발명은, 상기의 지견에 의거하여 완성된 것이며, 그 요지는, 하기에 개시하는 비조질형 연질화 부품에 있다.

(1) 베이스 강재의 표층에 화합물층을 가지는 비조질형 연질화 부품으로서, 베이스 강재의 화학 조성이, 질량%로, C：0.25~0.40%, Si：0.10~0.35%, Mn：2.0%를 초과 2.8% 이하, N：0.0030~0.0250%, Cu：0~1.0%, Mo：0~0.3%, Ni：0~0.5%, Ti：0~0.020%, 잔부：Fe 및 불순물이고, 불순물 중의 P, S, Al 및 Cr이, P：0.08% 이하, S：0.10% 이하, Al：0.05% 이하 및 Cr：0.20% 미만이며, 표면으로부터 0.05mm위치의 HV 경도가 400~480이고, 표면으로부터 1.0mm 위치의 HV 경도가 200 이상이며, 또한 응력 집중부의 화합물층 깊이가 5μm 이하인, 비조질형 연질화 부품.

(2) 베이스 강재가, 질량%로, Cu：0.05~1.0% 및 Mo：0.05~0.3%로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 상기 (1)에 기재된 비조질형 연질화 부품.

(3) 베이스 강재가, 질량%로, Ni：0.05~0.5% 및 Ti：0.005~0.020%로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 비조질형 연질화 부품.

「불순물」이란, 철강 재료를 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것을 가리킨다.

또한, 「응력 집중부」란, 굽힘에 의한 피로 파괴 및 굽힘 교정을 행했을 때에 균열이 발생하는 부위를 가리킨다. 그 구체적인 예를 들면, 「비조질형 연질화 부품」이 도 1에 도시하는 형상의 크랭크 샤프트인 경우, 「응력 집중부」란 「핀필렛부」 또는 「저널 필렛부」를 가리킨다.

본 발명의 비조질형 연질화 부품은, 연질화 처리 후의 굽힘 교정성이 뛰어나고, 게다가, 굽힘 피로 시험에 있어서 750MPa 이상의 높은 굽힘 피로 강도를 가지므로, 자동차, 산업 기계 및 건설 기계 등의 부품, 예를 들어, 크랭크 샤프트로서 이용할 수 있으며, 이들 부품의 경량 소형화를 실현하는 것이 가능하다.

도 1은 비조질형 연질화 부품으로서 크랭크 샤프트의 일부를 예시하고, 그 「응력 집중부」가 되는 「핀 필렛부」 및 「저널 필렛부」를 설명하는 도이다.
도 2는 실시예에서 이용한 홈이 난 오노식 회전 굽힘 피로 시험편의 형상을 도시하는 도이다. 도에 있어서의 치수의 단위는 「mm」이다.
도 3은 실시예에서 이용한 4점 굽힘 시험편의 형상을 도시하는 도이다. 도에 있어서의 치수의 단위는 「mm」이다.

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

(A) 베이스 강재의 화학 조성에 대해：

C：0.25~0.40%

C는, 내부 경도 및 표층 경도를 높이고, 굽힘 피로 강도를 높이는 작용을 가진다. 원하는 굽힘 피로 강도를 얻기 위해서는, 0.25% 이상의 C를 함유할 필요가 있다. 그러나, C의 함유량이 너무 많아지면, 표층 경도가 너무 커져, 응력 집중부의 화합물층 깊이가 5μm 이하여도 충분한 굽힘 교정성을 얻을 수 없다. 이로 인해, C의 함유량을 0.25~0.40%로 했다. 또한, C의 함유량은, 0.28% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 또, 0.38% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Si：0.10~0.35%

Si는, 용제시의 탈산용으로서 필요한 원소이며, 이러한 효과를 얻기 위해서는 적어도 0.10%의 함유량으로 할 필요가 있다. 그러나, Si의 함유량이 너무 많아지면, 응력 집중부의 화합물층 깊이가 5μm 이하여도 굽힘 교정성의 과도한 저하를 초래한다. 이로 인해, Si의 함유량을 0.10~0.35%로 했다. 또한, Si의 함유량은, 0.15% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 또, 0.30% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Mn： 2.0%를 초과 2.8% 이하

Mn은, Si와 마찬가지로 탈산 작용을 가지는 원소이다. Mn에는, 내부 경도를 높이고, 또한 연질화시에 표층의 고용 질소량을 증가시켜 표층 경도를 향상시킴으로써, 굽힘 피로 강도를 높이는 작용도 있다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, 2.0%를 초과하는 양의 Mn을 함유시킬 필요가 있다. 한편, Mn의 함유량이 2.8%를 초과하면, 표층 경도가 과잉으로 높아져, 응력 집중부의 화합물층 깊이가 5μm 이하여도 굽힘 교정성이 과도하게 저하한다. 따라서, Mn의 함유량은 2.0%를 초과 2.8% 이하로 했다. 또한, Mn의 함유량은, 2.2% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 또, 2.7% 이하로 하는 것이 바람직하다.

N： 0.0030~0.0250%

N은, 굽힘 피로 강도 및 굽힘 교정성을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.0030% 이상의 양의 n을 함유시킬 필요가 있다. 한편, 0.0250%를 초과하는 n을 함유시켜도 그 효과는 포화한다. 따라서, N의 함유량은 0.0030~0.0250%로 했다. 또한, N의 함유량은, 0.0080% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 또, 0.0220% 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 비조질형 연질화 부품의 베이스 강재 중 하나는, 상기 서술한 C부터 N까지의 원소와, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물 중의 P, S, Al 및 Cr이, P：0.08% 이하, S：0.10% 이하, Al：0.05% 이하 및 Cr：0.20% 미만인 것이다.

P：0.08% 이하

P는, 강에 함유되는 불순물이며, 굽힘 피로 강도를 저하시켜 버린다. 특히, 그 함유량이 0.08%를 초과하면, 굽힘 피로 강도의 저하가 현저해진다. 따라서, P의 함유량을 0.08% 이하로 했다. 또한, P의 함유량은, 0.04% 이하로 하는 것이 바람직하다.

S：0.10% 이하

S는, 강에 함유되는 불순물이다. 또, S를 적극적으로 함유시키면, 피삭성을 향상시키는 효과를 가진다. 그러나, S의 함유량이 0.10%를 초과하면, 굽힘 피로 강도와 굽힘 교정성의 현저한 저하를 초래한다. 따라서, S의 함유량을 0.10% 이하로 했다. S의 함유량은 0.08% 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 피삭성의 향상 효과를 얻는 경우에는, S의 함유량은, 0.04% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Al：0.05% 이하

Al은, 강에 함유되는 불순물이다. Al의 함유량이 많아지면, 굽힘 교정성의 저하를 초래한다. 특히, 그 함유량이 0.05%를 초과하면, 응력 집중부의 화합물층 깊이가 5μm 이하여도 굽힘 교정성의 저하가 현저해진다. 따라서, Al의 함유량을 0.05% 이하로 했다. 또한, Al의 함유량은, 0.03% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Cr：0.20% 미만

Cr은, 강에 함유되는 불순물이다. Cr을, 함유하면 표층 경도가 과도하게 높아져, 굽힘 교정성을 저하시키기 때문에, Cr의 함유량은 가능한 한 낮게 하는 것이 바람직하다. 따라서, Cr의 함유량을 0.20% 미만으로 했다. Cr의 함유량은, 0.10% 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 비조질형 연질화 부품의 베이스 강재 중 다른 하나는, Fe의 일부를 대신하여, Cu, Mo, Ni 및 Ti로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하는 것이다.

이하, 임의 원소인 상기 Cu, Mo, Ni 및 Ti의 작용 효과와, 함유량의 한정 이유에 대해 설명한다.

Cu 및 Mo는, 굽힘 피로 강도를 높이는 목적으로 함유시켜도 된다. 이하, 이것에 대해 상세하게 설명한다.

Cu：0~1.0%

Cu는, 내부 경도를 높이고, 굽힘 피로 강도를 향상시키는 원소이다. 따라서, Cu를 함유시켜도 된다. 그러나, Cu의 함유량이 1.0%를 초과하면, 열간 가공성의 저하를 초래한다. 따라서, 함유시키는 경우의 Cu의 양을 1.0% 이하로 했다. 또한, Cu의 양은, 0.4% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.3% 이하로 하면 한층 바람직하다.

한편, 상기의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Cu의 양은, 0.05% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.1% 이상으로 하면 한층 바람직하다.

Mo：0~0.3%

Mo는, 페라이트를 강화하고, 내부 경도를 높이며, 굽힘 피로 강도를 향상시키는 작용을 가진다. 따라서, Mo를 함유시켜도 된다. 그러나, 0.3%를 초과하는 양의 Mo를 함유시키더라도 상기의 효과가 포화하여, 경제성이 손상될 뿐이다. 따라서, 함유시키는 경우의 Mo의 양을 0.3% 이하로 했다. 또한, Mo의 양은, 0.2% 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Mo의 양은, 0.05% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.1% 이상으로 하면 한층 바람직하다.

또한, 상기의 Cu 및 Mo는, 그 중의 어느 1종만, 또는 2종의 복합으로 함유시킬 수 있다. 또한, 이들 원소의 합계 함유량은, 1.30%여도 상관없는데, 0.30% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Ni 및 Ti는, 굽힘 교정성을 향상시키는 목적으로 함유시켜도 된다. 이하, 이것에 대해 상세하게 설명한다.

Ni：0~0.5%

Ni는, 인성을 향상시키고, 굽힘 교정성을 향상시키는 원소이다. 따라서, Ni를 함유시켜도 된다. 그러나, 0.5%를 초과하는 양의 Ni를 함유시키더라도 상기의 효과가 포화하여, 경제성이 손상될 뿐이다. 따라서, 함유시키는 경우의 Ni의 양을 0.5% 이하로 했다. 또한, Ni의 양은, 0.3% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.2% 이하로 하면 한층 바람직하다.

한편, 상기의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Ni의 양은, 0.05% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.08% 이상으로 하면 한층 바람직하다.

또한, Cu를 함유시키는 경우에는, 「Cu체킹」이라고 칭해지는 열간 균열이 발생하기 쉬우므로, 이것을 방지하기 위해, Ni/Cu≥0.5를 만족하도록 Ni를 복합으로 함유시키는 것이 바람직하다.

Ti：0~0.020%

Ti는, 질화물을 형성하고, 결정 입자를 미세화하여 굽힘 교정시에 균열을 진전시키기 어렵게 함으로써 굽힘 교정성을 향상시키는 원소이다. 따라서, Ti를 함유시켜도 된다. 그러나, Ti의 함유량이 0.020%를 초과하면, 질화물이 조대해져, 반대로, 응력 집중부의 화합물층 깊이가 5μm 이하여도 굽힘 교정성이 현저하게 저하한다. 따라서, 함유시키는 경우의 Ti의 양을 0.020% 이하로 했다. 또한, Ti의 양은, 0.015% 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Ti의 양은, 0.005% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기의 Ni 및 Ti는, 그 중의 어느 1종만, 또는 2종의 복합으로 함유시킬 수 있다. 또한, 이들 원소의 합계 함유량은, 0.520%여도 상관없는데, 0.30% 이하로 하는 것이 바람직하다.

(B) 표면으로부터 0.05mm 위치의 경도(표층 경도)에 대해：

본 발명에 따른 비조질형 연질화 부품은, 표면으로부터 0.05mm 위치의 HV 경도가 400~480이어야만 한다.

상기 비조질형 연질화 부품의 표면으로부터 0.05mm 위치, 즉 표층의 HV 경도가 400 이상으로, 상기 부품의 표면으로부터 1.0mm 위치, 즉 내부의 HV 경도가 200 이상으로, 응력 집중부의 화합물층 깊이가 5μm 이하이면, 750MPa 이상의 높은 굽힘 피로 강도를 확보할 수 있다. 그러나, 표층의 HV 경도가 480을 초과하는 경우에는, 연질화시에 종래보다 큰 굽힘이 발생하기 쉬운 크랭크 샤프트 형상에 대해서는, 비록 응력 집중부의 화합물층 깊이가 5μm 이하여도, 실용상 충분한 굽힘 교정성을 얻을 수 없는 경우가 있다.

따라서, 본 발명에 따른 비조질형 연질화 부품은, 표면으로부터 0.05mm 위치의 HV 경도가 400~480인 것으로 했다. 또한, 표면으로부터 0.05mm 위치의 HV 경도는, 410 이상인 것이 바람직하고, 또, 470 이하인 것이 바람직하다.

(C) 표면으로부터 1.0mm 위치의 경도(내부 경도)에 대해：

본 발명에 따른 비조질형 연질화 부품은, 상기 부품의 표면으로부터 1.0mm 위치의 HV 경도가 200 이상이어야만 한다.

비조질형 연질화 부품의 경우, 조질형 연질화 부품에 비해 모재의 내구비가 낮으므로, 조질형 연질화 부품과 동등의 내부 경도를 가지고 있더라도, 모재의 피로 강도는 조질형 연질화 부품에 비해 낮아진다. 이로 인해, 비조질형 연질화 부품에서는, 내부의 HV 경도가 200을 밑도는 경우에는, 비록 내부 경도가 조질형 부품과 동등하고, 게다가, HV 경도로 400 이상의 높은 표층 경도를 가지고 있더라도, 내부를 기점으로 한 피로 파괴가 일어나, 750MPa 이상이라고 하는 높은 피로 강도를 얻는 것이 어려워지는 경우가 있다.

따라서, 본 발명에 따른 비조질형 연질화 부품은, 표면으로부터 1.0mm 위치의 HV 경도가 200 이상인 것으로 했다. 상기의 표면으로부터 1.0mm 위치의 HV 경도는, 210 이상인 것이 바람직하고, 또, 피삭성의 점으로부터 320 이하인 것이 바람직하다.

(D) 응력 집중부의 화합물층 깊이에 대해：

본 발명에 따른 비조질형 연질화 부품은, 또한, 그 응력 집중부의 화합물층 깊이가 5μm 이하여야만 한다.

응력 집중부에 있어서의 화합물층을 얇게 함으로써, 굽힘 피로 강도를 저하시키는 일 없이, 굽힘 교정성을 개선할 수 있는데, 깊이 5μm를 초과하는 화합물층이 남아 있으면 굽힘 교정성의 큰 개선을 기대할 수 없다.

따라서, 본 발명에 따른 비조질형 연질화 부품은, 응력 집중부의 화합물층 깊이가 5μm 이하인 것으로 했다. 또한, 응력 집중부의 화합물층 깊이는, 3μm 이하인 것이 바람직하고, 화합물층이 전혀 없는 것, 즉, 화합물층 깊이가 0μm인 것이 가장 바람직하다.

또한, 상기 (B)~(D)를 만족하는 부품은, 예를 들어, 본 발명에서 규정되는 화학 조성을 만족하는 열간 단조품에 기계 가공을 행한 후, RX 가스와 암모니아 가스를 1：1로 혼합한 온도가 600℃인 분위기 중에서 2시간 유지하여 연질화 처리하고, 90℃의 유중에 냉각하며, 그 후, 응력 집중부를 래핑 등의 기계 가공에 의해 연마함으로써 얻어진다.

또한, 상기의 「RX 가스」는 변성 가스의 1종으로, 가스의 상표명이다.

보다 구체적으로, 비조질형 연질화 부품의 일례로서 「크랭크 샤프트」를 들면, 예를 들어, 본 발명에서 규정되는 화학 조성 조건을 만족하는 소재를 열간 단조하여 제작된 크랭크 샤프트에 기계 가공을 실시한 후, RX 가스와 암모니아 가스를 1：1로 혼합한 온도가 600℃인 분위기 중에서 2시간 유지하여 연질화 처리하고, 90℃의 유중에 냉각하며, 그 후, 핀 필렛부 및 저널 필렛부를 래핑 등의 기계 가공에 의해 연마함으로써 얻어진다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더 상세하게 설명한다.

실시예

표 1에 기재하는 화학 조성을 가지는 강 A~K를 70톤 전로에서 용제하고, 연속 주조를 행하며, 또한 단면의 치수가 180mm×180mm인 강편으로 분괴 압연했다.

이어서, 각 강편을 가열 온도 1200℃, 마무리 온도 1000~1050℃의 조건으로 열간 단조하여 직경 90mm의 봉강으로 가공했다. 열간 단조 후의 봉강은 대기 중에서 방랭하여 실온까지 냉각했다.

또한, 표 1 중의 강 A~G는, 화학 조성이 본 발명에서 규정되는 범위 내의 예이며, 강 H~K는, 화학 조성이 본 발명에서 규정되는 범위 외의 예이다.

[표 1]

이와 같이 하여 얻은 직경 90mm의 봉강을, 1200℃로 가열하고, 1000~1050℃의 마무리 온도로 열간 단조하여, 직경 50mm의 봉강을 제작했다. 마무리 후의 봉강은 모두 대기 중에서 방랭하여 실온까지 냉각했다.

또한, 강 A의 상기 직경 50mm의 봉강의 일부에 대해서는, 또한, 가열 온도：880℃, 유지 시간：60분의 조건으로 오스테나이트화 후, 대기 중에서 방랭하여, 불림 처리를 행했다.

강 A~K에 대해 열간 단조한 상태의 직경 50mm의 봉강의 R/2부(「R」은 봉강의 반경을 나타낸다)로부터, 단련축에 평행하게 도 2에 도시하는 형상의 홈이 난 오노식 회전 굽힘 피로 시험편 및 도 3에 도시하는 형상의 4점 굽힘 시험편을 잘랐다.

또, 마찬가지로, 강 A에 대해 불림도 행한 직경 50mm의 봉강의 R/2부로부터도, 단련축에 평행하게 도 2에 도시하는 형상의 홈이 난 오노식 회전 굽힘 피로 시험편 및 도 3에 도시하는 형상의 4점 굽힘 시험편을 잘랐다.

도 2의 시험편에 있어서는 R3의 홈 바닥이 응력 집중부가 된다. 마찬가지로, 도 3의 시험편에 있어서는 R3의 노치 바닥이 응력 집중부가 된다.

상기와 같이 하여 얻은 홈이 난 오노식 회전 굽힘 피로 시험편 및 4점 굽힘 시험편을 RX 가스와 암모니아 가스를 1：1로 혼합한 온도가 600℃인 분위기 중에서 2시간 유지하여 연질화 처리하고, 그 후 90℃의 유중에 냉각했다.

시험 번호 1~12에 대해서는, 상기의 연질화 처리 후 또한, 홈이 난 오노식 회전 굽힘 피로 시험편의 홈 바닥 및 4점 굽힘 시험편의 노치 바닥에 대해, 목표 연마 깊이를 0.03mm로 하고, 하기의 조건으로 전해 연마했다.

·전해액：과염소산(HClO₄)：아세트산(CH₃COOH)=1：9,

·전류값：0.14A,

·연마 면적：오노식 회전 굽힘 피로 시험편의 경우：160mm², 4점 굽힘 시험편의 경우：96mm²,

·연마 시간：오노식 회전 굽힘 피로 시험편의 경우：970초, 4점 굽힘 시험편의 경우：590초.

시험 번호 14~16에 대해서는, 상기의 연질화 처리 후 또한, 홈이 난 오노식 회전 굽힘 피로 시험편의 홈 바닥 및 4점 굽힘 시험편의 노치 바닥에 대해, 목표 연마 깊이를 0.015mm로 하고, 하기의 조건으로 전해 연마했다.

·전해액：과염소산(HClO₄)：아세트산(CH₃COOH)=1：9,

·전류값：0.14A,

·연마 시간：오노식 회전 굽힘 피로 시험편의 경우：490초, 4점 굽힘 시험편의 경우：300초.

상기와 같이 하여 얻은 연질화 처리 상태의 시험편(시험 번호 13) 및 연질화 처리 후 또한 전해 연마한 시험편(시험 번호 1~12 및 시험 번호 14~16)을 이용하여, 오노식 회전 굽힘 피로 시험에 의한 굽힘 피로 강도의 조사 및 4점 굽힘 시험에 의한 굽힘 교정성의 조사를 행했다.

또, 연질화 처리 상태(시험 번호 13) 혹은 연질화 처리 후 또한 전해 연마한 오노식 회전 굽힘 피로 시험편 및 4점 굽힘 시험편(시험 번호 1~12 및 시험 번호 14~16)을 이용하여, 표층 경도(즉, 시험편의 표면으로부터 0.05mm 위치의 경도) 및 내부 경도(즉, 시험편의 표면으로부터 1.0mm 위치의 경도) 및 노치 바닥의 화합물층 깊이를 조사했다.

이하, 상기 각 조사의 내용에 대해 설명한다.

<1> 굽힘 피로 강도의 조사：

오노식 회전 굽힘 피로 시험을, 실온, 대기 중, 회전수 3000rpm의 양 조건으로 행하고, 굽힘 피로 강도(이하, 「σw」라고 한다)를 조사했다.

또한, σw의 목표는, 750MPa 이상인 것으로 했다.

<2> 굽힘 교정성의 조사：

4점 굽힘 시험편의 노치 바닥에 2mm의 변형 게이지를 접착하고, 게이지가 단선할 때까지 굽힘 교정 변형을 부여했다. 게이지가 단선한 시점에서의 게이지의 판독을 굽힘 교정성으로서 평가했다.

또한, 굽힘 교정성의 목표는, 게이지의 판독이 22000μ(굽힘 교정 변형 2.2%에 상당) 이상인 것으로 했다.

<3> 표층 경도 및 내부 경도：

오노식 회전 굽힘 피로 시험편의 R3의 홈 바닥 종단 부위 및 4점 굽힘 시험편의 R3의 노치 바닥 종단 부위가 피검면이 되도록 하여 수지에 박아 넣은 후, 상기의 면이 경면 마무리가 되도록 연마하여, 비커스 경도계를 사용해 표면 경도 및 내부 경도를 조사했다.

구체적으로는, JIS Z 2244에 기재된 「비커스 경도 시험-시험 방법」에 준거하여, 3R의 홈 바닥 및 3R의 노치 바닥으로부터 0.05mm의 위치 및 1.0mm의 위치에 있어서의 각각 임의의 6점에서의 HV 경도를, 시험력을 2.94N으로서 비커스 경도계로 측정하며, 그 값을 산술 평균하여 표층 경도 및 내부 경도를 평가했다.

<4> 화합물층 깊이：

상기 <3>에서 이용한 수지에 묻은 시험편을 사용하여, 화합물층 깊이의 조사를 행했다.

구체적으로는, 상기의 수지에 묻은 시험편을 재차 연마하고, 나이탈로 부식하며, 400배의 배율로 광학 현미경에 의해 R3의 홈 바닥 및 R3의 노치 바닥을 각각 임의로 5시야 관찰하여, 희게 관찰되는 부분을 「화합물층」으로 하고, 그들의 깊이를 측정하여, 산술 평균해 화합물층 깊이로 했다.

표 2에, 상기의 각 조사 결과를 정리하여 기재한다.

[표 2]

표 2에 기재하는 바와 같이, 베이스 강재의 화학 조성, 표층 경도, 내부 경도 및 응력 집중부의 화합물층 깊이가 본 발명에서 규정하는 조건을 만족하는 시험 번호 1~8의 경우, σw 및 굽힘 교정성의 목표를 만족하고 있어, 굽힘 피로 특성 및 굽힘 교정성이 뛰어난 것이 명백하다.

한편, 시험 번호 9~12의 경우는, 강 H~K의 화학 조성이 본 발명에서 규정하는 조건으로부터 벗어나 있으므로, 굽힘 피로 특성 혹은 굽힘 교정성이 뒤떨어져 있다.

즉, 시험 번호 9의 경우는, 베이스 강재인 강 H의 C 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 밑돌고 있다. 이로 인해, 오노식 회전 굽힘 피로 시험편의 내부 경도가 HV 경도로 187로 낮고, σw가 750MPa 이상이라고 하는 목표에 도달되어 있지 않아, 굽힘 피로 특성이 뒤떨어져 있다.

시험 번호 10의 경우는, 베이스 강재인 강 I의 Mn 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 밑돌고 있다. 이로 인해, 오노식 회전 굽힘 피로 시험편의 표층 경도가 HV 경도로 332로 낮고, σw가 750MPa 이상이라고 하는 목표에 도달되어 있지 않아, 굽힘 피로 특성이 뒤떨어져 있다.

시험 번호 11의 경우는, 베이스 강재인 강 J의 Mn 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 웃돌고 있다. 이로 인해, 화합물층 깊이는 1μm로 작음에도 불구하고, 4점 굽힘 시험편의 표층 경도가 HV 경도로 520으로 높고, 굽힘 교정성이 게이지의 판독으로 22000μ 이상이라고 하는 목표에 도달되어 있지 않아, 굽힘 교정성이 뒤떨어져 있다.

시험 번호 12의 경우는, 베이스 강재인 강 K의 Cr 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 웃돌고 있다. 이로 인해, 화합물층 깊이는 2μm로 작음에도 불구하고, 4점 굽힘 시험편의 표층 경도가 HV 경도로 518로 높고, 굽힘 교정성이 게이지의 판독으로 22000μ 이상이라고 하는 목표에 도달되어 있지 않아, 굽힘 교정성이 뒤떨어져 있다.

또, 시험 번호 13~16의 경우는, 4점 굽힘 시험편의 화합물층 깊이가 본 발명에서 규정하는 조건으로부터 벗어나 있으므로, 굽힘 교정성이 뒤떨어져 있다.

시험 번호 13의 경우는, 베이스 강재인 강 B의 화학 조성은 본 발명에서 규정하는 범위 내이지만, 4점 굽힘 시험편의 화합물층의 깊이가 20μm로 높고, 굽힘 교정성이 게이지의 판독으로 22000μ 이상이라고 하는 목표에 도달되어 있지 않아, 굽힘 교정성이 뒤떨어져 있다.

시험 번호 14의 경우는, 베이스 강재인 강 C의 화학 조성은 본 발명에서 규정하는 범위 내이지만, 4점 굽힘 시험편의 화합물층의 깊이가 11μm로 높고, 굽힘 교정성이 게이지의 판독으로 22000μ 이상이라고 하는 목표에 도달되어 있지 않아, 굽힘 교정성이 뒤떨어져 있다.

시험 번호 15의 경우는, 베이스 강재인 강 F의 화학 조성은 본 발명에서 규정하는 범위 내이지만, 4점 굽힘 시험편의 화합물층의 깊이가 8μm로 높고, 굽힘 교정성이 게이지의 판독으로 22000μ 이상이라고 하는 목표에 도달되어 있지 않아, 굽힘 교정성이 뒤떨어져 있다.

시험 번호 16의 경우는, 베이스 강재인 강 G의 화학 조성은 본 발명에서 규정하는 범위 내이지만, 4점 굽힘 시험편의 화합물층의 깊이가 8μm로 높고, 굽힘 교정성이 게이지의 판독으로 22000μ 이상이라고 하는 목표에 도달되어 있지 않아, 굽힘 교정성이 뒤떨어져 있다.

산업상의 이용 가능성

본 발명의 비조질형 연질화 부품은, 연질화 처리 후의 굽힘 교정성이 뛰어나고, 게다가, 굽힘 피로 시험에 있어서 750MPa 이상의 높은 굽힘 피로 강도를 가지므로, 자동차, 산업 기계 및 건설 기계 등의 부품, 예를 들어, 크랭크 샤프트로서 이용할 수 있어, 경량 소형화에 대처하는 것이 가능하다.

Claims

베이스 강재의 표층에 화합물층을 가지는 비조질형(非調質型) 연질화(軟窒化) 부품으로서,
베이스 강재의 화학 조성이, 질량%로,
C：0.25~0.40%,
Si：0.10~0.35%,
Mn：2.0%를 초과 2.8% 이하,
N：0.0030~0.0250%,
Cu：0~1.0%,
Mo：0~0.3%,
Ni：0~0.5%,
Ti：0~0.020%,
잔부：Fe 및 불순물이고,
불순물 중의 P, S, Al 및 Cr이,
P：0.08% 이하,
S：0.10% 이하,
Al：0.05% 이하 및
Cr：0.20% 미만이며,
표면으로부터 0.05mm 위치의 HV 경도가 400~480이고,
표면으로부터 1.0mm 위치의 HV 경도가 200 이상이며, 또한
응력 집중부의 화합물층 깊이가 5μm 이하인, 비조질형 연질화 부품.
청구항 1에 있어서,
베이스 강재가, 질량%로, Cu：0.05~1.0% 및 Mo：0.05~0.3%로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 비조질형 연질화 부품.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
베이스 강재가, 질량%로, Ni：0.05~0.5% 및 Ti：0.005~0.020%로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 비조질형 연질화 부품.