KR101820255B1

KR101820255B1 - 기계 구조 부품 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101820255B1
Application number: KR1020167004493A
Authority: KR
Inventors: 유타 이마나미; 다카시 이와모토; 기요시 우와이
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2014-07-10
Publication date: 2018-01-18
Also published as: CA2917303A1; JPWO2015029308A1; CA2917303C; EP3040437A4; MX2016002448A; WO2015029308A1; EP3040437B1; EP3040437A1; JP5708901B1; CN105555981B; US10618101B2; CN105555981A; US20160207094A1; KR20160034999A

Abstract

질량％ 로, C : 0.10 ∼ 0.35 ％, Si : 0.01 ∼ 0.13 ％, Mn : 0.30 ∼ 0.80 ％, P : 0.03 ％ 이하, S : 0.03 ％ 이하, Al : 0.01 ∼ 0.045 ％, Cr : 0.5 ∼ 3.0 ％, B : 0.0005 ∼ 0.0040 ％, Nb : 0.003 ∼ 0.080 ％ 및 N : 0.0080 ％ 이하를 함유하고, 불순물로서 혼입되는 Ti 를 0.005 ％ 이하로 억제하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물의 성분 조성으로 이루어지는 강을 소재로 하여, 냉간 단조 및 침탄 처리를 실시하여 얻은 톱니가 형성된 부품으로서, 침탄 처리 후의 오스테나이트 입경에 대해, 50 ㎛ 이하의 결정 입자의 면적률을 80 ％ 이상, 또한 300 ㎛ 초과의 결정 입자의 면적률을 10 ％ 이하로 하며, 침탄 처리 후의 톱니의 전체 톱니줄 오차에 대해 하식 식 (1) 을 만족시킴으로써, 우수한 치수 정밀도를 갖는 톱니가 형성된 기계 구조용 부품으로 한다.
(B_max/L) × 10³ ≤ 5 … (1)
단, B_max 는 모든 톱니에 있어서의 최대의 전체 톱니줄 오차 (㎜)
L 은 톱니 폭 (㎜)

Description

기계 구조 부품 및 그 제조 방법{MECHANICAL STRUCTURAL COMPONENT AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}

본 발명은, 건축 산업 기계나 자동차의 분야에서 사용되는 기어, 스플라인 등의 톱니가 형성된 기계 구조 부품 (표면 경화 강 부재) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

자동차의 동력 전달 부품 (예를 들어 트랜스미션의 파이널 기어나 드라이브 샤프트 등에서 사용되는 기어나 스플라인 등의 톱니가 형성된 부품) 과 같은 반복적인 응력을 받는 부재는, 우수한 동력 전달 효율뿐만 아니라, 고피로 강도나 저소음 등의 특성이 요구되며, 그 때문에 부재 간의 접촉부에 있어서의 치수 정밀도의 향상이 중요시되고 있다.

종래, 고치수 정밀도가 요구되는 부재는 기계 절삭에 의해 성형되었지만, 가공 시간이 장시간이 되고 제조 비용이 늘어난다는 결점이 있다. 이 때문에, 최근에는, 성형 후의 치수 정밀도가 우수한 냉간 단조가 채용되는 경우가 많다. 또, 열간 단조에 의해 성형된 부품과 냉간 단조에 의해 성형된 부품에서는, 최종 부품의 특성이 상이하고, 냉간 단조에 의한 것에서는 단류선 (鍛流線) 이 형성되기 때문에, 우수한 부품 특성을 나타내는 경우가 있다.

예를 들어, 특허문헌 1 에는, 초기 톱니형을 냉간 단조로 인장 성형하고, 그 후, 냉간 단조에 의해 초기 톱니형으로부터 톱니끝의 돌출을 실시하도록 성형하는 톱니형 부품의 제조 방법이 제안되어 있다.

또, 특허문헌 2 에는, 다이 중에 삽입된 소재를, 펀치와 녹아웃에 의해 소정의 가압력을 갖고 샌드위치하고, 샌드위치한 상태에서 상기 펀치를 회전시키면서 그 펀치에 녹아웃 가압력과 성형 가압력의 합보다 큰 축 방향의 가압력을 부여하여 성형함으로써, 비틀림각이 큰 부품이어도 성형 정밀도를 높일 수 있는 제조 방법이 제안되어 있다.

일본 공개특허공보 2006-102821호 일본 공개특허공보 2002-96139호

그러나, 특허문헌 1 에 기재된 톱니형을 성형한 후에 톱니끝을 성형하는 방법에서는, 톱니형 성형의 단계에서 톱니의 표면 부근에 상당한 가공 변형이 도입되어, 강 소재의 가공 경화가 발생하고 소성 변형능이 저하되어, 다음의 톱니끝 성형시에 충분한 금속 유동이 발생하지 않기 때문에, 소정 치수로 양호한 정밀도로 성형되지 않는 경우가 있었다.

또, 특허문헌 2 에 기재된 제조 방법에서는, 냉간 단조 후에 마무리의 기계 가공을 필요로 하여, 그만큼 제조 비용의 상승을 피할 수 없었다.

본 발명은, 상기 실상을 감안하여 개발된 것으로서, 최적의 냉간 단조용 소재와 냉간 단조를 조합함으로써, 우수한 치수 정밀도와 피로 강도를 갖는 기어나 스플라인 등의 톱니가 형성된 기계 구조 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또, 본 발명은, 상기한 톱니가 형성된 기계 구조 부품의 유리한 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그래서, 발명자들은 상기의 목적을 달성하기 위해, 냉간 단조용 소재와 냉간 단조 방법에 관하여 예의 연구를 거듭하였다.

그 결과, 바람직한 냉간 단조용 소재 성분에 대하여, 적절한 냉간 단조 방법을 조합하여 제어함으로써, 냉간 단조로 제조된 톱니가 형성된 부품의 치수 정밀도가 종래에 비해 현격히 향상되는 것을 알아냈다. 그리고, 톱니의 치수 정밀도를 향상시킴으로써, 종래 우려된 소음을 대폭 저감시킬 수 있고, 또한 침탄 처리 후의 오스테나이트 입자의 조대화를 저지함으로써, 피로 강도의 유리한 향상이 달성되는 것의 지견을 얻었다.

본 발명은, 상기의 지견에 입각하는 것이다.

즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

1. 질량％ 로,

C : 0.10 ∼ 0.35 ％,

Si : 0.01 ∼ 0.13 ％,

Mn : 0.30 ∼ 0.80 ％,

P : 0.03 ％ 이하,

S : 0.03 ％ 이하,

Al : 0.01 ∼ 0.045 ％,

Cr : 0.5 ∼ 3.0 ％,

B : 0.0005 ∼ 0.0040 ％,

Nb : 0.003 ∼ 0.080 ％ 및

N : 0.0080 ％ 이하

를 함유하고, 불순물로서 혼입되는 Ti 를 0.005 ％ 이하로 억제하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물의 성분 조성으로 이루어지는 강을 소재로 하여, 냉간 단조 및 침탄 처리에 의해 얻어지는 톱니가 형성된 부품으로서, 침탄 처리 후의 오스테나이트 입경에 대해, 50 ㎛ 이하의 결정 입자의 면적률이 80 ％ 이상이고, 또한 300 ㎛ 초과의 결정 입자의 면적률이 10 ％ 이하이며, 침탄 처리 후의 톱니의 전체 톱니줄 오차가 하기 식 (1) 을 만족시키는 기계 구조 부품.

(B_max/L) × 10³ ≤ 5 … (1)

단, B_max 는 모든 톱니에 있어서의 최대의 전체 톱니줄 오차 (㎜)

L 은 톱니 폭 (㎜)

2. 상기 강 소재가, 질량％ 로 추가로,

Sb : 0.0003 ∼ 0.50 ％ 및

Sn : 0.0003 ∼ 0.50 ％

중에서 선택한 1 종 또는 2 종을 함유하는 상기 1 에 기재된 기계 구조 부품.

3. 상기 1 또는 2 에 기재된 성분 조성으로 이루어지는 강 소재를 어닐링과 냉간 단조에 의해 톱니가 형성된 부품으로 한 후, 침탄 처리를 실시하여 기계 구조 부품을 제조할 때,

톱니 성형시에 있어서의 단면 감소율을 하기 식 (2) 의 범위로 하는 기계 구조 부품의 제조 방법.

19 ％ ≤ {(A － π × (d/2)²)/A} × 100 ≤ 70 ％ … (2)

단, A 는 톱니 성형 전의 단면적 (㎟)

d 는 톱니가 형성된 부품의 피치원 직경 (㎜)

4. 톱니 성형 전의 어닐링을 2 회 이내로 하는 상기 3 에 기재된 기계 구조 부품의 제조 방법.

본 발명에 의하면, 최적의 냉간 단조 소재와 냉간 단조 방법의 조합에 의해, 우수한 치수 정밀도를 갖는 톱니가 형성된 기계 구조 부품을 얻을 수 있고, 그 결과, 저소음화, 나아가서는 고피로 강도화를 도모할 수 있다.

도 1 은 침탄 열처리 조건을 나타내는 도면이다.
도 2 는 어닐링 조건을 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

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

C : 0.10 ∼ 0.35 ％

냉간 단조품에 실시하는 침탄 처리 후의 퀀칭에 의해, 단조품 중심부에 있어서 충분한 경도를 얻기 위해서는, 0.10 ％ 이상의 C 를 필요로 하지만, C 의 함유량이 0.35 ％ 를 초과하면, 중심부의 인성이 열화되기 때문에, C 량은 0.10 ∼ 0.35 ％ 의 범위로 한정하였다. 또한, 인성의 면에서는, 바람직하게는 0.25 ％ 이하, 보다 바람직하게는 0.20 ％ 이하이다.

Si : 0.01 ∼ 0.13 ％

Si 는 탈산제로서 유용하며, 적어도 0.01 ％ 의 첨가가 필요하다. 그러나, Si 는 침탄 표층에서 우선적으로 산화되어, 입계 산화를 촉진시킬 뿐만 아니라, 페라이트를 고용 강화시키고 변형 저항을 높여 냉간 단조성을 열화시키기 때문에, 상한을 0.13 ％ 로 한다. 바람직하게는 0.02 ∼ 0.10 ％, 보다 바람직하게는 0.02 ∼ 0.09 ％ 의 범위이다.

Mn : 0.30 ∼ 0.80 ％

Mn 은 퀀칭성의 향상에 유효한 원소이며, 적어도 0.30 ％ 의 첨가를 필요로 한다. 그러나, Mn 의 과잉 첨가는 고용 강화에 의한 변형 저항의 상승을 초래하기 때문에, 상한을 0.80 ％ 로 하였다. 바람직하게는 0.60 ％ 이하, 보다 바람직하게는 0.55 ％ 이하이다.

P : 0.03 ％ 이하

P 는 결정 입계에 편석되고, 인성을 저하시키기 때문에, 그 혼입은 낮을수록 바람직하지만, 0.03 ％ 까지는 허용된다. 바람직하게는 0.025 ％ 이하이다. 또한, 하한에 대해서는 특별히 한정하지 않아도 문제는 없지만, 불필요한 저 P 화는 정련 시간의 증장 (增長) 이나 정련 비용의 상승을 초래하기 때문에, 0.010 ％ 이상으로 하는 것이 좋다. 바람직하게는 0.013 ％ 이상이다.

S : 0.03 ％ 이하

S 는 황화물계 개재물로서 존재하며, 피삭성의 향상에 유효한 원소이지만, 과잉 첨가는 냉간 단조성의 저하를 초래하기 때문에, 상한을 0.03 ％ 로 하였다. 또, 하한에 대해서는 특별히 한정하지 않지만, 피삭성의 확보를 위해서는 0.010 ％ 이상으로 하는 것이 좋다. 바람직하게는 0.012 ％ 이상이다.

Al : 0.01 ∼ 0.045 ％

과잉의 Al 은, 강 중의 N 을 AlN 으로서 고정시킴으로써, B 의 퀀칭성 효과를 발현시킨다. 침탄 처리 후의 부품 강도를 안정화시키기 위해서는, B 의 퀀칭성 효과를 발현시키지 않는 것이 중요하며, 그 때문에 Al 량의 상한은 0.045 ％ 로 한다. 한편, Al 은 탈산에 유효한 원소이기도 하기 때문에, 하한을 0.01 ％ 로 한다. 바람직하게는 0.01 ∼ 0.040 ％, 보다 바람직하게는 0.015 ∼ 0.035 ％ 의 범위이다.

Cr : 0.5 ∼ 3.0 ％

Cr 은 퀀칭성뿐만 아니라, 템퍼링 연화 저항의 향상에 기여하고, 나아가서는 탄화물의 구상화 촉진에도 유용한 원소이다. 그러나, 함유량이 0.5 ％ 에 미치지 못하면, 그 첨가 효과가 부족하고, 한편 3.0 ％ 를 초과하면, 과잉 침탄이나 잔류 오스테나이트의 생성을 촉진시키고, 피로 강도에 악영향을 준다. 따라서, Cr 량은 0.5 ∼ 3.0 ％ 의 범위로 한정하였다. 바람직하게는 0.7 ∼ 2.5 ％, 보다 바람직하게는 1.0 ∼ 1.8 ％, 더욱 바람직하게는 1.4 ∼ 1.8 ％ 의 범위이다.

B : 0.0005 ∼ 0.0040 ％

B 는 강 중에서 N 과 결합함으로써, 고용 N 을 저감시키는 효과가 있으며, 그 때문에, 고용 N 에 의한 냉간 단조시의 동적 변형 시효를 저감시키는 것이 가능하고, 단조시의 변형 저항을 낮추는 것에 기여한다. 이를 위해서는, 0.0005 ％ 이상의 B 첨가가 필요하지만, 한편으로 B 량이 0.0040 ％ 를 초과하면, 변형 저항 저감 효과는 포화되고, 오히려 인성의 저하를 초래하는 점에서, B 량은 0.0005 ∼ 0.0040 ％ 의 범위로 한정하였다. 바람직하게는 0.0005 ∼ 0.0030 ％, 보다 바람직하게는 0.0005 ∼ 0.0020 ％ 의 범위이다.

Nb : 0.003 ∼ 0.080 ％

Nb 는 강 중에서 NbC 를 형성하고, 침탄 처리시의 오스테나이트 입자의 조립화를 핀 고정 효과에 의해 억제하는 효과가 있다. 이 효과를 얻기 위해서는, 적어도 0.003 ％ 의 Nb 첨가가 필요하지만, 0.080 ％ 를 초과하여 첨가하면, 조대한 NbC 의 석출에 의한 조립화 억제능의 저하나 피로 강도의 열화를 초래할 우려가 있다. 이 때문에 Nb 량은 0.003 ∼ 0.080 ％ 의 범위로 한정하였다. 바람직하게는 0.010 ∼ 0.060 ％, 보다 바람직하게는 0.015 ∼ 0.045 ％ 의 범위이다.

N : 0.0080 ％ 이하

N 은 강 중에 고용되고, 냉간 단조시에 동적 변형 시효를 발생시켜, 변형 저항을 증대시키기 때문에, 혼입을 최대한 회피하는 것이 바람직한 성분이다. 그 때문에, N 량은 0.0080 ％ 이하로 하였다. 바람직하게는 0.0070 ％ 이하, 보다 바람직하게는 0.0065 ％ 이하이다.

Ti : 0.005 ％ 이하

Ti 는 강 중으로의 혼입을 최대한 회피하는 것이 바람직한 성분이다. 즉, Ti 는 N 과 결합하여 조대한 TiN 을 형성하기 쉽고, 또 Nb 와의 동시 첨가는 조대 석출물을 보다 생성되기 쉽게 하여, 피로 강도의 저하를 초래하는 점에서, 그 혼입은 최대한 저감시키는 것이 바람직하지만, 0.005 ％ 이하이면 허용된다. 바람직하게는 0.003 ％ 이하이다. 0 ％ 여도 된다.

이상, 본 발명의 기본 성분에 대해 설명하였지만, 본 발명에서는, 그 밖에도 필요에 따라, 이하의 원소를 적절히 함유시킬 수 있다.

Sb : 0.0003 ∼ 0.50 ％

Sb 는 강재 표면의 탈탄을 억제하고, 표면 경도의 저하를 방지하기 위해 유효한 원소이다. 단, 과잉 첨가는 냉간 단조성을 열화시키는 점에서, Sb 는 0.0003 ∼ 0.50 ％ 의 범위에서 함유시키는 것으로 하였다. 바람직하게는 0.0010 ∼ 0.050 ％, 보다 바람직하게는 0.0015 ∼ 0.035 ％ 의 범위이다.

Sn : 0.0003 ∼ 0.50 ％

Sn 은 강재 표면의 내식성을 향상시키는 데에 있어서 유효한 원소이다. 단, 과잉 첨가는 냉간 단조성을 열화시키는 점에서, Sn 은 0.0003 ∼ 0.50 ％ 의 범위에서 함유시키는 것으로 하였다. 바람직하게는 0.0010 ∼ 0.050 ％, 보다 바람직하게는 0.0015 ∼ 0.035 ％ 의 범위이다.

본 발명에서 얻어지는 톱니가 형성된 부품은, 침탄 열처리에 의한 표면 경화가 실시되는데, 높은 피로 강도를 얻기 위해서는, 침탄 처리 후의 결정 입경이 미세한 것이 중요하다.

즉, 침탄 처리 후의 오스테나이트 입경에 대해, 50 ㎛ 이하의 결정 입자의 면적률이 80 ％ 이상이고, 또한 300 ㎛ 초과의 결정 입자의 면적률이 10 ％ 이하로 할 필요가 있다. 바람직하게는, 50 ㎛ 이하의 결정 입자의 면적률이 90 ％ 이상이고, 또한 300 ㎛ 초과의 결정 입자의 면적률이 5 ％ 이하이다.

이상, 본 발명의 성분 조성 및 조직에 대해 설명하였지만, 본 발명의 부품에서는, 침탄 처리 후의 톱니의 전체 톱니줄 오차가 하기 식 (1) 을 만족시키는 것이 중요하다.

(B_max/L) × 10³ ≤ 5 … (1)

L 은 톱니 폭 (㎜)

상기 게재된 (1) 식의 좌변은, 하나의 부품에 있어서의 톱니의 정밀도 오차의 정도를 나타내고 있으며, 이 값이 5 를 초과하면, 큰 소음의 발생을 피할 수 없게 된다. (1) 식의 좌변의 보다 바람직한 값은 3 이하이고, 더욱 바람직하게는 2 이하이다.

또한, (1) 식을 만족시키는 정밀도 오차, 즉 높은 치수 정밀도와 충분한 부품 강도의 양립은, 종래의 강 소재에서는 달성할 수 없었으며, 본 발명의 강 성분에서 처음으로 달성된 것이다.

다음으로, 본 발명의 제조 방법에 대해 설명한다.

본 발명은, 톱니의 톱니줄 정밀도를 높이고, 이로써 소음의 저감 및 피로 강도의 향상을 도모하는 것인데, 그러기 위해서는 톱니 성형시에 있어서의 단면 감소율이 중요하고, 이 단면 감소율을 하기 식 (2) 를 만족시키는 범위로 하는 것이 중요하다.

19 ％ ≤ {(A － π × (d/2)²)/A} × 100 ≤ 70 ％ … (2)

단, A 는 톱니 성형 전의 단면적 (㎟)

d 는 톱니가 형성된 부품의 피치원 직경 (㎜)

즉, 상기 게재된 (2) 식으로 나타내는 단면 감소율이 70 ％ 를 초과하는 경우에는, 강 소재의 한계 성형능을 초과하고, 단조시에 균열이 발생된다. 따라서, 톱니 성형시에 있어서의 단면 감소율은 70 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 60 ％ 이하이다. 한편, 냉간 단조의 유용한 효과 중 하나인 단류선의 형성에 의한 고피로 강도화를 달성하기 위해서는, 톱니 성형시의 단면 감소율은 19 ％ 이상으로 할 필요가 있다. 바람직하게는 25 ％ 이상이다.

또한, 본 발명에 있어서, 냉간 단조 조건에 대해서는 특별히 제한은 없으며, 종래부터 공지된 조건으로 실시하면 된다.

상기 냉간 단조 처리 후, 침탄 처리를 실시하여 제품으로 하는데, 이 침탄 처리 후에 피로 강도가 열화되는 경우가 산견되었다.

그래서, 발명자들은 이 점에 대해서도 검토를 거듭한 결과, 피로 강도의 열화가 발생한 경우에는, 침탄 처리 후에 결정 입자가 조대화되어 있는 것이 판명되었다.

그래서, 이 원인에 대해 조사한 결과, 이 결정 입자의 조대화는 냉간 단조시에 있어서의 어닐링의 횟수와 강한 상관이 있는 것이 판명되었다.

즉, 냉간 단조의 전 또는 중간에 어닐링을 실시하는 경우, 어닐링 전의 강 조직은 가공에 의해 변형된 페라이트와 펄라이트이지만, 어닐링을 실시하면 재결정된 페라이트 모상에 구상 탄화물이 분산된 조직이 된다. 재결정된 페라이트는 매우 미세하고, 침탄 가열 중의 역변태 오스테나이트의 핵 생성 사이트가 증대되기 때문에, 침탄 초기의 오스테나이트가 미세화된다. 극도로 미세화된 오스테나이트는, 이상 입자 성장을 일으키기 쉽고, 그 때문에 어닐링을 실시함으로써, 결정 입자는 조대화되기 쉬워지는 것이 밝혀졌다. 또, 어닐링에 의해 석출물이 조대화되는 것도 확인되었다. 본래 석출물이 미세하면, 오스테나이트의 이상 입자 성장은 억제할 수 있지만, 어닐링에 의해 석출물이 조대화되면, 입계의 핀 고정력이 저해되기 때문에, 오스테나이트의 이상 입자 성장을 억제하는 것은 곤란해진다. 이들 현상은, 어닐링을 반복할수록 현저해지며, 이러한 어닐링의 횟수가 3 회 이상이 되면 결정 입자가 조대화되고 피로 강도가 열화되는 것이 밝혀진 것이다.

발명자들의 조사에 의하면, 침탄 처리 후의 오스테나이트 입경에 대해, 50 ㎛ 이하의 결정 입자의 면적률이 80 ％ 이상이고, 또한 300 ㎛ 초과의 결정 입자의 면적률이 10 ％ 이하이면, 양호한 피로 강도가 얻어지는 것이지만, 냉간 단조시에 3 회 이상의 어닐링을 실시하면 결정 입자의 조대화를 초래하여, 상기한 세립 조직을 얻기 어려운 것이 판명되었다.

따라서, 저소음화뿐만 아니라, 고피로 강도화도 아울러 달성하려면, 톱니 성형 전의 어닐링을 2 회 이내로 하고, 침탄 처리 후의 오스테나이트 입경에 대해, 50 ㎛ 이하의 결정 입자의 면적률이 80 ％ 이상이고, 또한 300 ㎛ 초과의 결정 입자의 면적률이 10 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

여기에, 냉간 단조시에 있어서의 어닐링 조건에 대해서는 특별히 제한은 없으며, 종래부터 공지된 조건으로 실시하면 된다. 바람직한 어닐링 온도는 760 ∼ 780 ℃ 정도이다.

또, 침탄 처리 조건에 대해서는 특별히 제한은 없으며, 종래부터 공지된 조건으로 실시하면 된다. 일반적인 처리로는, 침탄 가스 분위기 중에서 900 ∼ 960 ℃ 에서 침탄을 실시한 후, 퀀칭하고, 이어서 120 ∼ 250 ℃ 에서 템퍼링을 실시하는 처리를 들 수 있다.

또한, 침탄시의 결정 입자 조대화는, Al 질화물이나 Nb 탄질화물의 미세 분산에 의해 억제할 수도 있지만, 어닐링을 복수 회 실시하면, Al 질화물이나 Nb 탄질화물은 조대화되어, 결과적으로, 침탄시의 결정 입자 조대화 억제능을 소실하기 때문에, 어닐링 횟수는 2 회 이내로 제한하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 1 회 이내이다.

실시예

이하, 실시예에 따라, 본 발명의 구성 및 작용 효과를 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하의 실시예에 의한 제한을 받는 것은 아니며, 본 발명의 취지에 적합할 수 있는 범위 내에 있어서 적절히 변경하는 것도 가능하고, 그것들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

＜실시예 1＞

표 1 에 나타내는 성분 조성의 강을 용제하고, 열간 압연에 의해 39.5 ∼ 90 ㎜ 직경의 환봉으로 성형하였다. 얻어진 환봉을 소재로 하여, 표 2 에 나타내는 인벌류트 기어 형상으로 냉간 단조한 후, 도 1 에 나타내는 조건에서 침탄 열처리를 실시하였다. 또한, 표 1 중의 Ti 함유량이 0.001 ％ 혹은 0.002 ％ 인 강은, Ti 를 적극적으로 첨가하고 있지 않아, 불순물로서 혼입된 Ti 함유량이다.

침탄 열처리 후의 기어는, 오스테나이트 입경 측정용의 것과, 톱니줄 정밀도의 측정 및 피로 시험에 제공하는 것을 각각 준비하여, 오스테나이트 입경 및 톱니줄 정밀도를 측정하고, 나아가서는 피로 시험을 실시하였다.

얻어진 결과를 표 3 에 나타낸다.

또한, 침탄 열처리 후의 오스테나이트 입경의 측정은, 톱니의 피치원 바로 아래의 0.3 ㎜ 내부, 0.5 ㎜ 내부, 0.7 ㎜ 내부, 1.0 ㎜ 내부의 각각의 위치를 광학 현미경으로 배율 : 400 배로 10 시야씩 촬영 후, 합계 40 시야에 대해, 50 ㎛ 이하의 결정 입자의 면적률 및 300 ㎛ 초과의 결정 입자의 면적률을 화상 해석 소프트 (Media Cybernetics 사 제조의 Image-Pro#PLUS) 로 정량화함으로써 실시하였다.

또, 톱니줄 정밀도 측정은, 모든 톱니의 양면측으로부터 JIS B 1702-1 에 준거하여 3 차원 형상 측정기로 전체 톱니줄 오차를 측정하고, 전체 톱니줄 오차의 최대값 B_max 및 톱니 폭 L 로부터 식 (1) 의 좌변을 산출하였다.

또한, 기어의 피로 시험은, 동력 순환식 기어 피로 시험기를 사용하여, 1800 rpm 으로 실시하고, 10⁷ 회의 피로 한계 강도 (부하 토크) 를 구함과 함께, 그 강도에 있어서의 소음을 소음계로 측정하였다. 또한, 본 시험에 있어서의 피로 강도는 200 N·m 이상이면 충분하며, 또 소음은 80 ㏈ 이하이면 양호하다고 할 수 있다.

표 3 에 나타낸 바와 같이, 톱니줄 정밀도를 나타내는 식 (1) 의 좌변이 5 이하이면, 소음을 80 ㏈ 이하까지 저감시킬 수 있고, 또한 본 발명의 성분 조성을 만족시키는 강을 사용하고, 식 (2) 의 값이 19 ∼ 70 ％ 를 만족시키는 경우에는, 오스테나이트 입경이 상기 서술한 조건을 만족시키고, 200 N·m 이상의 높은 피로 강도를 얻을 수 있었다.

＜실시예 2＞

실시예 1 에서 사용한 강 A, B, C, Q, R 을 열간 압연에 의해 50 ㎜ 직경의 환봉으로 성형하였다. 이어서, 얻어진 환봉을 도 2 에 나타내는 조건에서 어닐링하고, 표 2 에 나타내는 인벌류트 기어 형상으로 냉간 단조하였다. 그 후, 도 1 에 나타내는 조건에서 침탄 열처리를 실시하였다.

침탄 열처리 후, 오스테나이트 입경 측정 및 톱니줄 정밀도 측정을 실시하고, 그 후, 피로 시험을 실시하였다.

얻어진 결과를 표 4 에 나타낸다.

또한, 냉간 단조시의 단면 감소율, 침탄 열처리 후의 오스테나이트 입경, 톱니줄 정밀도 측정 및 피로 시험은 실시예 1 과 동일한 방법으로 실시하였다.

표 4 에 나타낸 바와 같이, 성분 조성이 본 발명을 만족시키는 강 A, B, C 에서는, 어닐링 횟수를 1 회로 하고 식 (2) 의 값을 19 ∼ 70 ％ 의 범위로 제어함으로써, 200 N·m 이상이라는 높은 피로 강도가 얻어졌다. 이에 대하여, 성분 조성이 본 발명 범위를 일탈하는 강 Q, R 에서는, 어닐링 횟수를 1 회로 하고 식 (2) 의 값을 19 ∼ 70 ％ 의 범위로 해도, 본 발명에서 원하는 미세 입자를 얻을 수 없었으며, 그 때문에 양호한 피로 강도를 얻을 수 없었다.

＜실시예 3＞

실시예 1 에서 사용한 강 A, B, C, Q, R 을 열간 압연에 의해 45 ㎜ 직경의 환봉으로 성형하였다. 이어서, 얻어진 환봉을 도 2 에 나타내는 조건에서 어닐링하고, 50 ㎜ 직경의 환봉으로 냉간 단조하였다. 그 후, 다시 도 2 에 나타내는 조건에서 어닐링하고, 표 2 에 나타내는 인벌류트 기어 형상으로 냉간 단조하였다. 그 후, 도 1 에 나타내는 조건에서 침탄 열처리를 실시하였다.

얻어진 결과를 표 5 에 나타낸다.

표 5 에 나타낸 바와 같이, 실시예 2 의 경우와 동일하게, 본 발명강인 강 A, B, C 의 경우에는, 어닐링 횟수를 2 회로 하고 식 (2) 의 값을 19 ∼ 70 ％ 의 범위로 제어함으로써, 200 N·m 이상이라는 높은 피로 강도를 얻을 수 있었다. 이에 대하여, 비교강인 강 Q, R 에서는, 어닐링 횟수를 2 회로 하고 식 (2) 의 값을 19 ∼ 70 ％ 의 범위로 해도, 본 발명에서 원하는 미세 입자를 얻을 수 없었으며, 그 때문에 양호한 피로 강도를 얻을 수 없었다.

＜실시예 4＞

실시예 1 에서 사용한 강 A, B, C, Q, R 을 열간 압연에 의해 40 ㎜ 직경의 환봉으로 성형하였다. 이어서, 얻어진 환봉을 도 2 에 나타내는 조건에서 어닐링하고, 45 ㎜ 직경의 환봉으로 냉간 단조한 후, 다시 도 2 에 나타내는 조건에서 어닐링하였다. 그 후, 50 ㎜ 직경의 환봉으로 냉간 단조하고, 다시 도 2 에 나타내는 조건에서 어닐링한 후, 표 2 에 나타내는 인벌류트 기어 형상으로 냉간 단조하였다. 그 후, 도 1 에 나타내는 조건에서 침탄 열처리를 실시하였다.

얻어진 결과를 표 6 에 나타낸다.

표 6 에 나타낸 바와 같이, 톱니 성형 전에 어닐링을 3 회 실시한 경우에는, 성분 조성의 여하에 상관없이 양호한 피로 특성을 얻을 수 없었다.

Claims

질량％ 로,
C : 0.10 ∼ 0.35 ％,
Si : 0.01 ∼ 0.13 ％,
Mn : 0.30 ∼ 0.80 ％,
P : 0.03 ％ 이하,
S : 0.03 ％ 이하,
Al : 0.01 ∼ 0.045 ％,
Cr : 0.5 ∼ 3.0 ％,
B : 0.0005 ∼ 0.0040 ％,
Nb : 0.003 ∼ 0.080 ％ 및
N : 0.0080 ％ 이하
를 함유하고, 불순물로서 혼입되는 Ti 를 0.005 ％ 이하로 억제하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물의 성분 조성으로 이루어지는 강을 소재로 하여, 냉간 단조 및 침탄 처리에 의해 얻어지는 톱니가 형성된 부품으로서, 침탄 처리 후의 오스테나이트 입경에 대해, 50 ㎛ 이하의 결정 입자의 면적률이 80 ％ 이상이고, 또한 300 ㎛ 초과의 결정 입자의 면적률이 10 ％ 이하이며, 침탄 처리 후의 톱니의 전체 톱니줄 오차가 하기 식 (1) 을 만족시키는 기계 구조 부품.
(B_max/L) × 10³ ≤ 5 … (1)
단, B_max 는 모든 톱니에 있어서의 최대의 전체 톱니줄 오차 (㎜)
L 은 톱니 폭 (㎜)
제 1 항에 있어서,
상기 강 소재가, 질량％ 로 추가로,
Sb : 0.0003 ∼ 0.50 ％ 및
Sn : 0.0003 ∼ 0.50 ％
중에서 선택한 1 종 또는 2 종을 함유하는 기계 구조 부품.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 성분 조성으로 이루어지는 환봉을 냉간 단조에 의해 톱니가 형성된 부품으로 한 후, 침탄 처리를 실시하여 기계 구조 부품을 제조할 때,
톱니 성형시에 있어서의 환봉의 단면 감소율을 하기 식 (2) 의 범위로 하는 기계 구조 부품의 제조 방법.
19 ％ ≤ {(A － π × (d/2)²)/A} × 100 ≤ 70 ％ … (2)
단, A 는 톱니 성형 전의 환봉의 단면적 (㎟)
d 는 톱니가 형성된 부품의 피치원 직경 (㎜)
제 3 항에 있어서,
톱니 성형 전에 상기 환봉에 어닐링을 실시하는 경우, 그 어닐링의 횟수를 2 회 이내로 하는 기계 구조 부품의 제조 방법.