KR101830017B1 - 침탄 강 부품의 제조 방법 및 침탄 강 부품 - Google Patents

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Abstract

Si함유량이 높은 강 부품에 대한 가스 침탄성을 높이고, 또한, 생산성의 저하를 억제할 수 있는 침탄 강 부품의 제조 방법을 제공한다.
본 제조 방법은, 예비 가스 침탄 공정과, 본 가스 침탄 공정을 구비한다. 예비 가스 침탄 공정은, 질량%로, C, Si, Mn, Cr을 함유하고, 식 (1)을 만족하는 화학 조성을 가지는 강 부품에 대해, 식 (A)를 만족하는 침탄 온도 Tp℃에서 10분~20시간 미만 가스 침탄 처리를 실시한다.
본 가스 침탄 공정에서는, 식 (B)를 만족하는 침탄 온도 Tr℃ 및 침탄 시간 tr분으로 가스 침탄 처리를 실시하는 가스 침탄 처리를 실시한다.
6.5＜3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]≤18 (1)
800≤Tp＜163×ln(CP+0.6)-41×ln(3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%])+950 (A)
4＜13340/(Tr+273.15)-ln(tr)＜7 (B)
여기서, 식 중의 CP에는, 예비 가스 침탄 공정에 있어서의 침탄 시의 카본 포텐셜이 대입된다.

Description

침탄 강 부품의 제조 방법 및 침탄 강 부품{CARBURIZED-STEEL-COMPONENT PRODUCTION METHOD, AND CARBURIZED STEEL COMPONENT}
본 발명은, 강 부품의 제조 방법 및 강 부품에 관한 것이며, 더 상세하게는, 침탄 처리를 실시하여 제조되는 침탄 강 부품의 제조 방법 및 침탄 강 부품에 관한 것이다.
톱니바퀴나 베어링으로 대표되는 강 부품은, 가혹한 환경에서 사용되어, 토크의 전달 등으로 큰 부하를 받는다. 따라서, 이와 같은 강 부품에는, 높은 면피로 강도가 요구된다.
강 부품은 통상, 다음과 같이 제조된다. 처음에, 소재를 목적의 형상으로 성형하여 중간품을 제조한다. 중간품에 대해 표면 경화 처리를 실시하여 강 부품으로 한다. 표면 경화 처리가 실시된 강 부품은, 높은 면피로 강도를 가진다.
면피로 강도를 높이는 방법으로서, 일본국 특허공개 2013-204645호 공보(특허 문헌 1)에서는, 산세정 처리에 의해, 강 부품의 표면에 요철을 형성한다. 그러나, 본 방법은, 통상의 강 부품의 제조 방법과 비교하여, 산세정 처리를 추가하기 때문에, 공정수가 증가한다. 공정수의 증가는, 제조 비용을 높아지게 한다.
면피로 강도를 높이는 다른 방법으로서, 강 부품 중의 Si함유량을 높이는 방법이 있다. Si는, 강 부품의 담금질성을 높이고, 또한, 마르텐사이트에 있어서 뜨임 연화 저항을 높인다. 그 때문에, Si는, 강 부품의 심부의 강도를 높여, 면피로 강도를 높인다.
면피로 강도를 높이는 또 다른 방법으로서, 표면 경화 처리로서 침탄 처리를 실시하는 방법이 있다. 침탄 처리는, 강 부품의 표면에 침탄층을 형성하여, 강 부품의 면피로 강도를 높인다.
일본국 특허공개 2008-280610호 공보(특허 문헌 2)는, Si함유량을 높인 강 부품의 제조 방법을 개시한다. 특허 문헌 2에서는, 0.5~3.0%의 Si를 함유하는 강에 대해, 진공 침탄 처리를 실시한다. 그러나, 진공 침탄 처리에서는, 연속 처리가 곤란하다. 또, 진공 침탄 처리에서는 타르가 발생하기 쉽다. 또, 강 부품의 특성의 제어가 곤란하다. 따라서, 진공 침탄 처리에서는, 강 부품을 양산하기 어려워, 생산성이 낮다.
진공 침탄 처리와 상이한 다른 침탄 처리로서, 가스 침탄 처리가 있다. 가스 침탄 처리는, 상술한 진공 침탄 처리의 단점을 갖지 않는다. 그 때문에, 가스 침탄 처리는, 강 부품의 양산화에 적합하다.
그러나, 강 중의 Si는, 가스 침탄 처리에서의 침탄성을 저하시킨다. 예를 들어, JIS G4052에 규정된 SCr420에 상당하는 화학 조성을 가지는 기소강(이하, 통상 기소강이라고 한다)과, SCr420과 비교해 Si함유량이 높은 기소강(이하, 고Si함유강이라고 한다)을 준비한다. 통상 기소강 및 고Si함유강에 대해, 동일한 조건으로 가스 침탄 처리를 실시한다. 이 경우, 고Si함유강의 유효 경화층 깊이는, 통상 기소강보다 얕아진다.
「철과 강」 제58년(1972) 제7호(쇼와 47년 6월 1일, (재) 일본 철강 협회 발행), 제926페이지(비특허 문헌 1)는, Si함유량이 증대하면, 가스 침탄 깊이가 저하된다고 보고한다. 따라서, 고Si함유강에 대해 가스 침탄 처리를 실시해도, 충분한 유효 경화층 깊이가 얻어지는 제조 방법의 개발이 요망되고 있다.
강 부품의 피로 강도를 높이는 가스 침탄 방법이, 일본국 특허공개 평 2-156063호 공보(특허 문헌 3) 및 국제공개 제12/077705호(특허 문헌 4)에 개시되어 있다.
특허 문헌 3에서는, 표면 탄소 농도가 1.0% 이상이 되도록, 강재에 대해 A1변태 온도보다 높은 침탄 온도로 예비 침탄을 실시한다. 다음에, 강재를 A1변태 온도 바로 위까지 서냉하여, 균일 가열한다. 다음에, 예비 침탄 시의 침탄 온도 미만의 온도까지 재가열하고, 담금질한다.
그러나, 특허 문헌 3의 대상이 되는 강재는, JIS 규격으로 규정된 SCr강, SCM강, SNCM강, 기소강이다. 이들 강의 Si함유량은 낮다. 그 때문에, Si함유량의 많은 강에 대해 특허 문헌 3의 가스 침탄 처리를 실시한 경우, 충분한 면피로 강도를 얻을 수 없는 경우가 있다.
특허 문헌 4는, 고Si함유강의 가스 침탄 처리를 포함한 제조 방법에 관해서, 다음 사항을 개시한다. 고Si함유강에 대해 통상의 가스 침탄 처리를 실시한 경우, 침탄 초기에, 표면에 산화 피막이 형성된다. 산화 피막은, 가스 침탄성을 저하시킨다. 그래서, 특허 문헌 4에서는, 다음의 가스 침탄 처리를 실시한다. 처음에, 산화 피막이 생성되는 분위기 하에서, 강재에 대해 1차 침탄을 실시한다. 다음에, 강재에 형성된 산화 피막을, 쇼트피닝이나 화학 연마 등에 의해 제거한다. 다음에, 산화 피막이 제거된 강재에 대해 2차 침탄을 실시한다.
그러나, 특허 문헌 4의 방법은, 통상의 침탄 처리와 비교하여, 산화 피막을 제거하는 공정이 추가된다. 공정수의 증가는, 생산성을 저하시키고, 제조 비용을 높인다.
일본국 특허공개 2013-204645호 공보 일본국 특허공개 2008-280610호 공보 일본국 특허공개 평 2-156063호 공보 국제공개 제12/077705호
「철과 강」 제58년(1972) 제7호(쇼와 47년 6월 1일, (재) 일본 철강 협회 발행), 제926페이지
본 발명의 목적은, Si함유량이 높은 강 부품에 대한 가스 침탄성을 높이고, 또한, 생산성의 저하를 억제할 수 있는, 침탄 강 부품의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 실시 형태에 의한 침탄 강 부품의 제조 방법은, 예비 가스 침탄 공정과, 본 가스 침탄 공정을 구비한다. 예비 가스 침탄 공정은, 질량%로, C：0.1~0.4%, Si：0.7~4.0%, Mn：0.2~3.0%, Cr：0.5~5.0%, Al：0.005~0.15%, S：0.3% 이하, N：0.003~0.03%, O：0.0050% 이하, P：0.025% 이하, Nb：0~0.3%, Ti：0~0.3%, V：0~0.3%, Ni：0~3.0%, Cu：0~3.0%, Co：0~3.0%, Mo：0~1.0%, W：0~1.0%, B：0~0.005%, Ca：0~0.01%, Mg：0~0.01%, Zr：0~0.05%, Te：0~0.1%, 및, 희토류 원소：0~0.005%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지며, 식 (1)을 만족하는 화학 조성을 가지는 강 부품에 대해, 식 (A)를 만족하는 침탄 온도 Tp℃에서 10분~20시간 미만 가스 침탄 처리를 실시한다. 본 가스 침탄 공정은, 예비 가스 침탄 공정에 이어서 실시된다. 본 가스 침탄 공정에서는, 식 (B)를 만족하는 침탄 온도 Tr℃ 및 침탄 시간 tr분으로 가스 침탄 처리를 실시한다.
6.5＜3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]≤18 (1)
800≤Tp＜163×ln(CP+0.6)-41×ln(3.5×[Si%]+[Mn%]+3×[Cr%])+950 (A)
4＜13340/(Tr+273.15)-ln(tr)＜7 (B)
여기서, 식 중의 [Si%], [Mn%], 및, [Cr%]에는, 강 부품 중의 Si함유량, Mn함유량, 및, Cr의 함유량(질량%)이 대입된다. ln()는 자연로그이다. CP에는, 예비 침탄 공정에 있어서의 침탄 시의 카본 포텐셜이 대입된다.
본 실시 형태의 제조 방법에서는, Si함유량이 높은 강 부품에 대한 가스 침탄성을 높이고, 또한, 생산성의 저하를 억제할 수 있다.
도 1은, 본 실시 형태의 침탄 강 부품의 표층의 단면 사진이다.
본 발명자들은, 강 부품 중의 Si함유량을 높여도, 가스 침탄성의 저하를 억제할 수 있는 방법으로 대해서, 조사 및 검토했다.
상술한 대로, 강 부품 중의 Si함유량이 높아지면, 뜨임 연화 저항이 높아지지만, 가스 침탄 시에 강 부품의 표면에 산화 피막이 형성되어 가스 침탄성이 저하된다. 산화 피막의 형성에는, 산화물을 형성하기 쉬운 합금 원소와, 합금 원소 및 산소의 확산 계수에 영향을 주는 침탄 온도와, 산소 분압에 영향을 주는 카본 포텐셜이 관계한다고 생각할 수 있다.
질량%로, C：0.1~0.4%, Si：0.7~4.0%, Mn：0.2~3.0%, Cr：0.5~5.0%, Al：0.005~0.15%, S：0.3% 이하, N：0.003~0.03%, O：0.0050% 이하, P：0.025% 이하, Nb：0~0.3%, Ti：0~0.3%, V：0~0.3%, Ni：0~3.0%, Cu：0~3.0%, Co：0~3.0%, Mo：0~1.0%, W：0~1.0%, B：0~0.005%, Ca：0~0.01%, Mg：0~0.01%, Zr：0~0.05%, Te：0~0.1%, 및, 희토류 원소：0~0.005%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 강 부품에 대해, 통상의 침탄 처리를 실시한 결과, 강 부품의 표면에 산화 피막이 형성되었다. 특정 X선을 이용하여 산화 피막의 원소 분석을 한 결과, 산화 피막이 함유하는 주된 원소는, Si, Mn, Cr, 및 O(산소)였다.
Si, Mn 및 Cr은, 산소와의 친화력이 높아, 산화되기 쉽다. 구체적으로는, 상기 화학 조성 중, Si, Mn 및 Cr보다 산소와의 친화력이 약한 원소(예를 들어, Ni, Cu 등)는, 산화되지 않기 때문에, 산화 피막의 형성에 영향을 주지 않는다. 한편, Si, Mn 및 Cr보다 산소와의 친화력이 높은 원소(예를 들어 Ti, V 등)의 함유량은, Si, Mn 및 Cr함유량과 비교하여, 미량이기 때문에, 산화 피막의 형성에 실질적으로 영향을 주지 않는다. 따라서, 상기 화학 조성의 강 부품에 있어서, 산화 피막의 형성에 영향을 주는 원소는, Si, Mn 및 Cr이다. 이하, Si, Mn 및 Cr을 「특정 원소」라고 칭한다.
특정 원소는 모두, 강의 강도 및 담금질성을 높이고, 뜨임 연화 저항을 높인다. 그 때문에, 이들 특정 원소의 함유량이 너무 낮으면, 침탄 강 부품의 면피로 강도가 저하된다.
F1을 다음과 같이 정의한다.
F1=3.5×[Si%]+[Mn%]+3×[Cr%]
여기서, [Si%], [Mn%] 및 [Cr%]에는, 강 부품 중의 Si함유량, Mn함유량 및 Cr함유량이 각각 대입된다.
F1이 6.5보다 높으면, 톱니바퀴나 베어링 등의 침탄 강 부품에 필요한 강도 및 뜨임 연화 저항을 얻을 수 있어, 우수한 면피로 강도를 얻을 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 있어서의 침탄 강 부품에서는, F1을 6.5보다 높게 할 필요가 있다.
한편, 상술한 대로, 특정 원소는 산화 피막을 형성하여 가스 침탄성을 저하시킨다. 그래서, 본 발명자들은 또한, 통상의 가스 침탄 처리에 있어서의 특정 원소의 함유량과 가스 침탄성의 관계에 대해서, 다음의 시험 방법에 의해 조사했다.
C：0.1~0.4%, Al：0.005~0.15%, S：0.3% 이하, N：0.003~0.03%, O：0.0050% 이하, P：0.025% 이하를 함유하고, Si를 0.1~4.0%, Mn을 0.1~3.0%, Cr을 0.1~5.0% 함유하는 다양한 강재를 준비했다. 각 강재에 대해 열간 단조 및 열처리를 실시했다. 그 후, 기계 가공을 실시하여, 20mm×20mm의 각기둥 형상의 강 부품을 제작했다.
각 강부품에 대해, 동일한 가스 침탄 조건(950℃-카본 포텐셜 0.8)으로, 통상의 가스 침탄 처리를 실시하여 침탄 강 부품을 제작했다. 침탄 강 부품의 표층의 C함유량을 EPMA에 의해 측정했다. 관찰 대상이 된 표층의 C함유량이 0.5% 이상이 되는 특정 원소 함유량의 조건을, 중회귀 분석에 의해 구했다.
시험의 결과, 통상의 가스 침탄 처리의 경우, F1이 6.5 이하가 아니면, 표층의 C함유량이 0.5% 이상이 되는 침탄 강 부품을 얻을 수 없었다. F1이 6.5보다 높은 경우, 강 부품의 표면에 산화 피막이 형성되기 때문에, 침탄성이 낮아, 침탄층이 형성되기 어려웠다.
그러나, 침탄 강 부품에 있어서 충분한 면피로 강도를 얻기 위해서는, F1이 6.5보다 높지 않으면 안 된다. 그래서, 본 발명자들은, F1이 6.5보다 높아도, 산화 피막의 형성을 억제하고, 충분한 가스 침탄성을 얻을 수 있는 가스 침탄 처리 방법에 대해서 검토했다. 그 결과, 본 발명자들은 다음의 지견을 얻었다.
침탄 온도의 저하는, 산화 피막의 형성을 억제한다. 침탄 온도가 낮은 경우, 산화물은, 강 부품의 표면이 아니라, 강 부품의 표층의 내부에 형성되기 쉬워진다. 즉 이 경우, 산화 피막이 형성되기 어렵고, 대신에, 표층의 내부에 산화물이 형성된다. 이하, 강 부품의 표층의 내부의 립계 및 립 내에 형성되는 산화물을, 「내부 산화물」이라고 칭한다.
도 1은 본 실시 형태에 의한 침탄 강 부품의 표층의 단면 사진이다. 도 1에서는, 강 부품의 표층의 내부에, 다수의 산화물(도 1 중의 검은 점)이 형성되어 있다. 이러한 내부 산화물이, 가스 침탄 처리 중에 형성되면, 강 부품의 표층에 있어서, 확산에 의한 특정 원소 농도의 증대는 억제된다. 그 때문에, 내부 산화물이 어느 정도 형성되면, 그 이후의 가스 침탄 처리에 있어서, 표면에 산화 피막이 형성되기 어려워져, 가스 침탄성이 높아진다.
그래서, F1이 6.5보다 높아도, 산화 피막의 형성을 억제하기 위한 방법으로서, 다음의 2단계의 가스 침탄 공정을 실시한다. 본 실시 형태의 가스 침탄 공정은, 예비 가스 침탄 공정과, 예비 가스 침탄 처리에 이어서 실시되는 본 가스 침탄 공정을 포함한다.
예비 가스 침탄 공정은, 내부 산화물의 형성을 주목적으로 한다. 예비 가스 침탄 공정에서는, 특정 원소 함유량 및 카본 포텐셜에 따라 침탄 온도를 조정하여, 내부 산화물의 생성을 촉진한다.
구체적으로는, 예비 가스 침탄 공정에서는, 다음의 식 (1)을 만족하는 화학 조성을 가지는 강 부품을 이용하여, 식 (A)를 만족하는 침탄 온도 Tp(℃)에서, 가스 침탄 처리를 실시한다.
6.5＜3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]≤18 (1)
800≤Tp＜163×ln(CP+0.6)-41×ln(3.5×[Si%]+[Mn%]+3×[Cr%])+950 (A)
여기서, 식 중의 [Si%], [Mn%], 및, [Cr%]에는, 강 부품 중의 Si함유량, Mn함유량, 및, Cr의 함유량(질량%)이 대입된다. 식 중의 ln()는 자연로그이며, CP에는 예비 가스 침탄 공정에 있어서의 침탄 시의 카본 포텐셜이 대입된다.
식 (1)에 나타내는 대로, F1이 6.5보다 높아도, 18 이하이면, 식 (A)를 만족하는 침탄 온도 T에서 예비 가스 침탄 처리를 10분~20시간 미만 실시하는 것을 조건으로, 산화 피막의 형성을 억제할 수 있다.
예비 가스 침탄 공정 후, 이어서, 본 가스 침탄 공정을 실시한다. 본 가스 침탄 공정에서는, 강 부품의 모재의 표면 상에 침탄층을 형성한다.
본 가스 침탄 공정에서는, 침탄 강 부품의 면피로 강도를 높이기 위해, 다음의 식 (B)를 만족하는 침탄 온도 Tr(℃)에서 침탄 시간 tr(분) 가스 침탄 처리를 실시한다.
4＜13340/(Tr+273.15)-ln(tr)＜7 (B)
침탄 온도 Tr(℃) 및 침탄 시간 tr(분)이 식 (B)를 만족하면, 침탄 강 부품의 유효 경화층이 적절한 깊이가 되어, 침탄 강 부품의 면피로 강도가 높아진다.
바람직하게는, 본 가스 침탄 공정의 침탄 온도 Tr(℃)를, 예비 가스 침탄 공정의 침탄 온도 Tp(℃)보다 높게 한다. 본 실시 형태에서는, 식 (A)를 만족하는 예비 가스 침탄 공정에 의해 내부 산화물을 생성한다. 그 때문에, 본 가스 침탄 공정 시에 있어서의 강 부품의 표층에서는, 특정 원소 농도가 낮게 억제되어 있다. 따라서, 본 가스 침탄 공정에 있어서 침탄 온도 Tr(℃)를 침탄 온도 Tp(℃)보다 높게 해도, 본 가스 침탄 공정이 식 (B)를 만족하면, 산화 피막이 형성되기 어려워, 가스 침탄성을 유지할 수 있다. 그 결과, Si함유량이 높은 강 부품이어도, 단시간에 충분한 두께의 침탄층을 형성할 수 있어, 생산성의 저하를 억제하면서, 우수한 면피로 강도를 가지는 침탄 강 부품을 제조할 수 있다.
이상의 지견에 의거하여 완성한 본 실시 형태의 침탄 강 부품의 제조 방법은, 예비 가스 침탄 공정과, 본 가스 침탄 공정을 구비한다. 예비 가스 침탄 공정에서는, 질량%로, C：0.1~0.4%, Si：0.7~4.0%, Mn：0.2~3.0%, Cr：0.5~5.0%, Al：0.005~0.15%, S：0.3% 이하, N：0.003~0.03%, O：0.0050% 이하, P：0.025% 이하, Nb：0~0.3%, Ti：0~0.3%, V：0~0.3%, Ni：0~3.0%, Cu：0~3.0%, Co：0~3.0%, Mo：0~1.0%, W：0~1.0%, B：0~0.005%, Ca：0~0.01%, Mg：0~0.01%, Zr：0~0.05%, Te：0~0.1%, 및, 희토류 원소：0~0.005%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지며, 식 (1)을 만족하는 화학 조성을 가지는 강 부품에 대해, 식 (A)를 만족하는 침탄 온도 Tp℃에서 10분~20시간 미만 가스 침탄 처리를 실시한다. 본 가스 침탄 공정은, 예비 가스 침탄 공정에 이어서 실시된다. 본 가스 침탄 공정에서는, 식 (B)를 만족하는 침탄 온도 Tr℃ 및 침탄 시간 tr분으로 가스 침탄 처리를 실시한다.
6.5＜3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]≤18 (1)
800≤Tp＜163×ln(CP+0.6)-41×ln(3.5×[Si%]+[Mn%]+3×[Cr%])+950 (A)
4＜13340/(Tr+273.15)-ln(tr)＜7 (B)
여기서, 식 중의 [Si%], [Mn%], 및, [Cr%]에는, 강 부품 중의 Si함유량, Mn함유량, 및, Cr의 함유량(질량%)이 대입된다. ln()는 자연로그이다. CP에는 예비 가스 침탄 공정에 있어서의 침탄 시의 카본 포텐셜이 대입된다.
본 실시 형태에 의한 침탄 강 부품은, 질량%로, C：0.1~0.4%, Si：0.7~4.0%, Mn：0.2~3.0%, Cr：0.5~5.0%, Al：0.005~0.15%, S：0.3% 이하, N：0.003~0.03%, O：0.0050% 이하, P：0.025% 이하, Nb：0~0.3%, Ti：0~0.3%, V：0~0.3%, Ni：0~3.0%, Cu：0~3.0%, Co：0~3.0%, Mo：0~1.0%, W：0~1.0%, B：0~0.005%, Ca：0~0.01%, Mg：0~0.01%, Zr：0~0.05%, Te：0~0.1%, 및, 희토류 원소：0~0.005%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지며, 식 (1)을 만족하는 화학 조성을 가지는 모재와, 모재의 표면 상에 형성되는 침탄층을 구비한다. 침탄층의 표층의 C함유량은 0.5% 이상이며, 침탄층의 표층의 Si함유량, Mn함유량 및 Cr함유량은 식 (2)를 만족한다. 유효 경화층 깊이는 0.3~1.5mm 미만이며, 침탄층의 표면으로부터 10μm 깊이±3μm의 범위에 있어서의 산화물의 면적율은 7~50%이다.
6.5＜3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]≤18 (1)
3.5[Sis%]+[Mns%]+3[Crs%]≤9 (2)
여기서, 식 (1) 중의 [Si%], [Mn%], 및, [Cr%]에는, 모재 중의 Si함유량, Mn함유량, 및, Cr함유량(질량%)이 각각 대입되고, 식 (2) 중의 [Sis%], [Mns%], 및, [Crs%]에는, 침탄층의 표층의 Si함유량, Mn함유량, 및 Cr함유량(질량%)이 각각 대입된다.
상기 화학 조성은, Nb：0.02~0.3%, Ti：0.02~0.3%, 및, V：0.02~0.3%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다.
상기 화학 조성은, Ni：0.2~3.0%, Cu：0.2~3.0%, Co：0.2~3.0%, Mo：0.05~1.0%, W：0.05~1.0%, 및, B：0.0006~0.005%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다.
상기 화학 조성은, Ca：0.0005~0.01%, Mg：0.0005~0.01%, Zr：0.0005~0.05%, Te：0.0005~0.1%, 및, 희토류 원소：0.0001~0.005%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다.
이하, 본 실시의 형태에 의한 침탄 강 부품의 제조 방법을 설명한다. 본 제조 방법은, 예비 가스 침탄 공정과, 본 가스 침탄 공정을 포함한다. 예비 가스 침탄 공정에서는, Si함유량이 높은 강 부품의 표층의 내부에 산화물(내부 산화물)을 형성하여, 표면에 산화 피막이 형성되는 것을 억제한다. 본 가스 침탄 공정에서는, 산화 피막의 형성이 억제된 강 부품에 대해, 예비 가스 침탄 공정에서의 침탄 온도보다 높은 침탄 온도로 가스 침탄 처리를 실시하여, 생산성을 높인다. 이하, 예비 가스 침탄 공정 및 본 가스 침탄 공정에 대해서 상세히 서술한다.
[예비 가스 침탄 공정]
예비 가스 침탄 공정에서는, 다음에 나타내는 화학 조성을 가지는 강 부품을 준비한다. 준비된 강 부품에 대해 예비 가스 침탄을 실시하여, 강 중에 내부 산화물을 생성하고, 표층의 특정 원소 농도를 억제한다.
[강 부품의 화학 조성]
강 부품의 화학 조성은, 다음의 원소를 함유한다. 이하, 원소에 관한 「%」는, 질량%를 의미한다.
C：0.1~0.4%
탄소(C)는, 강의 강도를 높인다. 보다 구체적으로는, C는, 강 부품의 심부의 강도를 높인다. C함유량이 너무 낮으면, 상기 효과가 유효하게 얻어지지 않는다. C함유량은 또한, 유효 경화층의 깊이에도 영향을 준다. 한편, C함유량이 너무 높으면, 강의 인성이 저하된다. 따라서, C함유량은 0.1~0.4%이다. C함유량의 바람직한 하한은 0.16%이며, 더 바람직하게는 0.18%이다. C함유량의 바람직한 상한은 0.30%이며, 더 바람직하게는 0.28%이다.
Si：0.7~4.0%
실리콘(Si)는 강을 탈산한다. Si는 또한, 강의 강도 및 담금질성을 높이고, 뜨임 연화 저항을 높인다. 따라서, Si는 강 부품의 심부의 강도를 높여, 면피로 강도를 높인다. Si는 또한, 하기 제조 조건을 만족시킴으로써 내부 산화물을 형성한다. 내부 산화물은, 강의 면피로 강도를 높인다. Si함유량이 너무 낮으면, 상기 효과가 유효하게 얻어지지 않는다. 한편, Si함유량이 너무 높으면, 열간 단조 등의 열간 가공 시에 강이 탈탄하기 쉬워진다. 따라서, Si함유량은 0.7~4.0%이다. Si함유량의 바람직한 하한은 0.8%이며, 더 바람직하게는 1.0%이다. Si함유량의 바람직한 상한은 3.0%이며, 더 바람직하게는 2.5%이다.
Mn：0.2~3.0%
망간(Mn)은 강을 탈산한다. Mn은 또한, 강의 강도 및 담금질성을 높이고, 뜨임 연화 저항을 높인다. 따라서, Mn은, 강 부품의 심부의 강도를 높여, 면피로 강도를 높인다. Mn은 또한, 강 중의 S와 결합하여 MnS를 형성하여, S를 무해화한다. Mn은 또한, 하기 제조 조건을 만족시킴으로써 내부 산화물을 형성한다. 내부 산화물은, 강의 면피로 강도를 높인다. Mn함유량이 너무 낮으면, 상기 효과가 유효하게 얻어지지 않는다. 한편, Mn함유량이 너무 높으면, 서브 제로 처리를 실시해도, 잔류 오스테나이트가 강 중에 남아, 강도가 저하된다. 따라서, Mn함유량은 0.2~3.0%이다. Mn함유량의 바람직한 하한은 0.4%이며, 더 바람직하게는 0.5%이다. Mn함유량의 바람직한 상한은 2.0%이며, 더 바람직하게는 1.5%이다.
Cr：0.5~5.0%
크롬(Cr)은, 강의 강도 및 담금질성을 높이고, 뜨임 연화 저항을 높인다. 따라서, Cr은, 강 부품의 심부의 강도를 높여, 면피로 강도를 높인다. Cr은 또한, 하기 제조 조건을 만족시킴으로써 내부 산화물을 형성한다. 내부 산화물은, 강의 면피로 강도를 높인다. Cr함유량이 너무 낮으면, 상기 효과가 유효하게 얻어지지 않는다. 한편, Cr함유량이 너무 높으면, 강의 경도가 높아져, 냉간 가공성이 저하된다. 따라서, Cr함유량은 0.5~5.0%이다. Cr함유량의 바람직한 하한은 0.6%이며, 더 바람직하게는 0.8%이다. Cr함유량의 바람직한 상한은 3.0%이며, 더 바람직하게는 2.5%이다.
Al：0.005~0.15%
알루미늄(Al)은 강을 탈산한다. Al은 또한, 질소와 결합하여 질화물을 형성하고, 결정립을 미세화한다. Al함유량이 너무 낮으면, 상기 효과가 유효하게 얻어지지 않는다. 한편, Al함유량이 너무 높으면, 질화물이 조대화하여 강이 취화된다. 따라서, Al함유량은 0.005~0.15%이다. Al함유량의 바람직한 하한은 0.01%이며, 더 바람직하게는 0.02%이다. Al함유량의 바람직한 상한은 0.10%이며, 더 바람직하게는 0.05%이다. 또한, 상기 Al함유량은, 전체 Al함유량을 의미한다.
S：0.3% 이하
유황(S)는 불가피적으로 함유된다. S는 강의 피삭성을 높이는 효과를 가지므로 적극적으로 함유시켜도 된다. S함유량이 너무 높으면, 강의 단조성이 저하된다. 따라서, S함유량은 0.3% 이하이다. 강의 피삭성을 높이는 효과를 얻기 위해서는, S함유량의 바람직한 하한은 0.005%이며, 더 바람직하게는 0.01%이다. S함유량의 바람직한 상한은 0.15%이며, 더 바람직하게는 0.1%이다.
N：0.003~0.03%
질소(N)은, Al과 결합하여 질화물을 형성하고, 결정립을 미세화한다. N함유량이 너무 낮으면, 이 효과가 유효하게 얻어지지 않는다. 한편, N함유량이 너무 높으면, 강의 단조성이 저하된다. 따라서, N함유량은 0.003~0.03%이다. N함유량의 바람직한 하한은 0.004%이며, 더 바람직하게는 0.005%이다. N함유량의 바람직한 상한은 0.025%이며, 더 바람직하게는 0.02%이다.
O：0.0050% 이하
산소(O)는 불순물이다. 산소는, 알루미나나 티타니아 등의 산화물계 개재물로서 강 중에 존재한다. O함유량이 너무 높으면, 산화물계 개재물이 조대화한다. 조대한 산화물계 개재물은 깨짐의 기점이 된다. 그 때문에, 강 부품이 동력 전달 부품인 경우, 깨짐이 진전하여 파손되는 경우가 있다. 따라서, O함유량은 0.0050% 이하이다. O함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 바람직한 O함유량은 0.0020% 이하이며, 강 부품의 고수명화를 도모하는 경우, 더 바람직하게는 0.0015% 이하이다.
P：0.025% 이하
인(P)는 불순물이다. P는 립계에 편석하여 강의 인성을 저하시킨다. 따라서, P함유량은 0.025% 이하이다. P함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 바람직한 P함유량은 0.020% 이하이며, 강 부품의 고수명화를 도모하는 경우, 더 바람직하게는 0.015% 이하이다.
본 실시의 형태에 의한 강 부품의 화학 조성의 잔부는, Fe 및 불순물로 이루어진다. 여기서, 불순물이란, 강을 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등에서 혼입되는 것이며, 본 실시 형태의 강 부품에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.
본 실시 형태에 의한 강 부품의 화학 조성은 또한, Fe의 일부 대신에, Nb, Ti 및 V로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다.
Nb：0~0.3%
Ti：0~0.3%
V：0~0.3%
니오브(Nb), 티탄(Ti) 및 바나듐(V)은, 모두 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, 이들 원소는 C 및 /N과 결합하여 탄화물, 질화물, 및, 탄질화물을 형성하고, 결정립을 미세화한다. 그러나, 이들 원소 함유량이 너무 높으면, 상기 효과는 포화된다. 또한, 강의 열간 가공성 및 피삭성이 저하된다. 따라서, Nb함유량은 0~0.3%이며, Ti함유량은 0~0.3%이며, V함유량은 0~0.3%이다.
상기 효과를 보다 유효하게 얻기 위해, Nb함유량의 바람직한 하한은 0.02%, Ti함유량의 바람직한 하한은 0.02%, V함유량의 바람직한 하한은 0.02%이다. Nb함유량의 바람직한 상한은 0.1%, Ti함유량의 바람직한 상한은 0.1%, V함유량의 바람직한 상한은 0.1%이다.
본 실시 형태에 의한 강 부품의 화학 조성은 또한, Fe의 일부 대신에, Ni, Cu, Co, Mo, W, 및, B로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다.
Ni：0~3.0%
Cu：0~3.0%
Co：0~3.0%
Mo：0~1.0%
W：0~1.0%
B：0~0.005%
니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 및 붕소(B)는 모두 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, 이들 원소는 모두, 강의 담금질성을 높인다. 그러나, 이들 원소 함유량이 너무 높으면, 상기 효과가 포화되어, 제조 비용이 높아진다. 따라서, Ni함유량은 0~3.0%, Cu함유량은 0~3.0%, Co함유량은 0~3.0%, Mo함유량은 0~1.0%, W함유량은 0~1.0%, B함유량은 0~0.005%이다.
상기 효과를 보다 유효하게 얻기 위해, Ni함유량의 바람직한 하한은 0.2%, Cu함유량의 바람직한 하한은 0.2%, Co함유량의 바람직한 하한은 0.2%, Mo함유량의 바람직한 하한은 0.05%, W함유량의 바람직한 하한은 0.05%, B함유량의 바람직한 하한은 0.0006%이다. Ni함유량의 바람직한 상한은 2.0%, Cu함유량의 바람직한 상한은 2.0%, Co함유량의 바람직한 상한은 2.0%, Mo함유량의 바람직한 상한은 0.3%, W함유량의 바람직한 상한은 0.3%, B함유량의 바람직한 상한은 0.001%이다.
본 실시 형태에 의한 강 부품의 화학 조성은 또한, Fe의 일부 대신에, Ca, Mg, Zr, Te 및 희토류 원소(REM)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다.
Ca：0~0.01%
Mg：0~0.01%
Zr：0~0.05%
Te：0~0.1%
희토류 원소(REM)：0~0.005%
칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 지르코늄(Zr), 텔루륨(Te) 및 희토류 원소(REM)은 모두 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, 이들 원소는 강의 피삭성을 높인다.
구체적으로는, Ca는 산화물의 융점을 낮춘다. 이 경우, 절삭 가공 시의 강재의 발열에 의해, 산화물이 연질화하여 강의 피삭성이 높아진다. 그러나, Ca함유량이 너무 높으면, 경질의 CaS가 다량으로 생성되어, 강의 피삭성이 오히려 저하된다. 따라서, Ca함유량은 0~0.01%이다. 상기 효과를 보다 유효하게 얻기 위해, Ca함유량의 바람직한 하한은 0.0005%이다.
Mg, Zr, Te 및 REM은, MnS의 형태를 제어하여, 강의 피삭성을 높인다. 그러나, Mg함유량이 너무 높으면, MgS가 생성되어 강의 피삭성이 저하된다. 따라서, Mg함유량은 0~0.01%이다. Zr함유량이 너무 높으면, 상기 효과는 포화된다. 따라서, Zr함유량은 0~0.05%이다. Te함유량이 너무 높으면, 상기 효과는 포화된다. 따라서, Te함유량은 0~0.1%이다. REM 함유량이 너무 높으면, 조대한 황화물이 생성되어 강의 피삭성이 저하된다. 따라서, REM 함유량은 0~0.005%이다.
상기 효과를 보다 유효하게 얻기 위해, Mg함유량의 바람직한 하한은 0.0005%, Zr함유량의 바람직한 하한은 0.0005%, Te함유량의 바람직한 하한은 0.0005%, REM 함유량의 바람직한 하한은 0.0001%이다.
본 명세서에서 말하는 REM은, 주기율표 중 원자 번호 57의 란탄(La)부터 원자 번호 71의 루테튬(Lu)에, 이트륨(Y) 및 스칸듐(Sc)을 더한 17원소의 총칭이다. REM의 함유량은, 이들 1종 또는 2종 이상의 원소의 총함유량을 의미한다.
[식 (1)에 대해서]
본 실시 형태의 강 부품의 화학 조성은 또한, 식 (1)을 만족한다.
6.5＜3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]≤18 (1)
여기서, 식 (1) 중의 [Si%], [Mn%], 및, [Cr%]에는, 강 부품 중의 Si함유량, Mn함유량, 및, Cr함유량(질량%)이 대입된다.
상술한 대로, 식 (1)은 특정 원소(Si, Mn 및 Cr)의 함유량에 관한 지표이다. 특정 원소는 강의 면피로 강도를 높이는 반면, 가스 침탄 처리에 있어서 산화 피막을 형성하기 쉽다.
F1(=3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%])가 너무 낮으면, 강 부품 중의 특정 원소 함유량이 부족된다. 그 때문에, 침탄 강 부품의 뜨임 연화 저항이 저하되고, 면피로 강도가 저하된다. 한편, F1이 너무 높으면, 후술한 제조 조건으로 가스 침탄 처리를 실시해도, 강 부품의 표면에 산화 피막이 형성되어 버려, 가스 침탄성이 저하된다. F1이 6.5 초과~18이면, 면피로 강도가 충분히 높아지고, 또한, 후술한 가스 침탄 처리를 실시해도, 산화 피막이 형성되기 어렵다. 그 때문에, 가스 침탄성도 유지할 수 있다.
상술한 강 부품은, 예를 들어, 다음의 방법으로 제조된다. 상술한 화학 조성을 가지는 용강을 제조한다. 용강을 연속 주조법에 의해 주물편으로 한다. 용강을 조괴법에 의해 잉곳(강괴)으로 해도 된다. 주물편 또는 잉곳을 열간 가공하여, 빌릿(강편)이나 봉강으로 해도 된다.
주물편, 잉곳, 빌릿 또는 봉강을 가열로에서 가열한다. 가열한 주물편, 잉곳, 빌릿 또는 봉강을 열간 가공하여 강 부품을 제조한다. 열간 가공은 예를 들어, 열간 압연 또는 열간 단조이다. 열간 가공을 복수회 실시하여, 강 부품을 제조해도 된다. 열간 압연과 열간 단조를 실시하여 강 부품을 제조해도 된다.
열간 단조 후의 중간품에 대해, 냉간 단조로 대표되는 냉간 가공을 실시하여 강 부품을 제조해도 된다. 열간 가공 및/또는 냉간 가공된 중간품에 대해 절삭 가공을 실시하여 강 부품을 제조해도 된다. 냉간 가공을 실시하여 강 부품을 제조하는 경우, 냉간 가공 전의 중간품에 대해 700~800℃에서 구상화 소둔을 실시하는 것이 바람직하다. 이 경우, 성형성이 높아진다.
[예비 가스 침탄 처리]
제조된 강 부품에 대해, 예비 가스 침탄 처리를 실시한다. 예비 가스 침탄 처리는 가스 침탄노를 이용하여 실시된다. 강 부품을 가스 침탄노에 장입한 후, 다음의 조건으로 가스 침탄 처리를 실시한다.
[예비 가스 침탄 온도 Tp]
침탄 온도 Tp는, 다음의 식 (A)를 만족한다.
800≤Tp＜163×ln(CP+0.6)-41×ln(3.5×[Si%]+[Mn%]+3×[Cr%])+950 (A)
FA=163×ln(CP+0.6)-41×ln(3.5×[Si%]+[Mn%]+3×[Cr%])+950으로 정의한다. 침탄 온도 Tp가 FA보다 너무 높으면, 가스 침탄노 내의 산소 분압이 너무 높아진다. 또한, 특정 원소 및 산소의 확산 계수도 높아진다. 그 때문에, 식 (1)을 만족하는 화학 조성을 가지는 강 부품이어도, 예비 가스 침탄 처리 시에, 표면에 산화 피막이 형성된다. 이 경우, 가스 침탄성이 저하되기 때문에, 다음 공정의 본 가스 침탄 공정을 실시해도, 충분한 침탄층을 얻을 수 없다. 그 결과, 침탄 강 부품의 면피로 강도가 낮아진다.
한편, 침탄 온도 Tp가 800℃ 미만이면, 예비 가스 침탄 처리에서의 침탄 능률이 저하된다. 이 경우, 생산성이 저하된다. 따라서, 침탄 온도 T의 하한은 800℃이다.
침탄 온도 Tp가 식 (A)를 만족하면, 예비 가스 침탄 처리에 있어서 강 부품의 표층의 내부의 립계 및 립 내에 Si, Mn 및 Cr을 포함하는 내부 산화물이 형성된다. 그 결과, 표층의 내부의 특정 원소의 농도가 억제된다. 그 때문에, 다음 공정인 본 가스 침탄 공정에 있어서, 산화 피막이 형성되는 것을 억제할 수 있다.
[카본 포텐셜 CP]
예비 가스 침탄 처리에 있어서의 카본 포텐셜 CP는, 침탄 온도 Tp가 식 (A)를 만족하면, 특별히 제한되지 않는다. 카본 포텐셜의 바람직한 하한은 0.6이며, 바람직한 상한은 1.2이다.
[예비 가스 침탄 시간]
상기 침탄 온도 T에서의 침탄 시간(예비 가스 침탄 시간)을 10분~20시간 미만으로 한다. 침탄 시간이 10분 미만이면, 내부 산화물이 충분히 생성되지 않아, 표층의 내부의 특정 원소의 농도가 여전히 높다. 이 경우, 본 가스 침탄 처리에서 산화 피막이 형성되기 쉬워진다. 한편, 침탄 시간이 20시간 이상이 되면, 생산성이 저하된다. 따라서, 침탄 시간은 10분~20시간 미만이다.
[본 가스 침탄 공정]
상기 예비 가스 침탄 공정을 실시한 후, 이어서, 본 가스 침탄 공정을 실시한다. 본 가스 침탄 공정은, 예비 가스 침탄 공정과 동일한 가스 침탄노에서 실시한다. 구체적으로는, 예비 가스 침탄 공정 후, 가스 침탄노의 온도를 상승시킨다. 높은 면피로 강도를 얻으려면, 침탄 공정에 의해 얻어지는 유효 경화층 깊이를 적정하게 관리할 필요가 있다. 그 때문에, 본 가스 침탄 공정에 있어서의 침탄 온도 Tr(℃) 및 침탄 시간 tr(분)은 하기의 식 (B)를 만족한다.
4＜13340/(Tr+273.15)-ln(tr)＜7 (B)
FB=13340/(Tr+273.15)-ln(tr)라고 정의한다. FB가 7보다 너무 높으면 유효 경화층 깊이가 너무 얕아져, 침탄 강 부품의 면피로 강도가 낮아진다. 한편, FB가 4보다 너무 낮으면, 유효 경화층 깊이가 너무 깊어져, 침탄 강 부품의 면피로 강도가 낮아진다.
바람직하게는, 본 가스 침탄 공정의 침탄 온도 Tr은, 예비 가스 침탄 공정의 침탄 온도 Tp보다 높게 한다. 이 경우, 가스 침탄 처리의 시간을 단축할 수 있어, 생산성이 높아진다. 본 실시 형태에서는, 먼저 식 (A)를 만족하는 조건으로 예비 가스 침탄 공정을 실시하여, 내부 산화물을 생성하기 때문에, 강 부품의 표층의 내부의 특정 원소 농도가 억제되어 있다. 이러한 예비 가스 침탄 공정을 실시하기 때문에, 식 (B)를 만족하는 본 가스 침탄 공정에 있어서 침탄 온도 Tr을 올려 단시간에 가스 침탄 처리를 실시해도, 충분한 유효 경화층 깊이가 얻을 수 있어, 높은 면피로 강도를 얻을 수 있다.
본 가스 침탄 공정에 있어서의 카본 포텐셜은 특별히 제한되지 않는다. 주지의 카본 포텐셜의 범위에서 침탄 처리를 실시하면 된다.
본 가스 침탄 공정에서의 침탄 온도 Tr의 바람직한 하한은 820℃이며, 더 바람직하게는 850℃이다. 침탄 온도 Tr의 바람직한 상한은 1050℃이다. 또, 본 가스 침탄 공정에서의 침탄 시간 tr의 바람직한 하한은 20분이다.
[본 가스 침탄 공정 이후의 공정에 대해서]
상술한 예비 가스 침탄 공정 및 본 가스 침탄 공정을 실시한 후, 담금질 및 뜨임을 실시한다.
본 침탄 가스 공정을 실시한 후, 주지의 방법으로 담금질 처리를 실시한다. 담금질 처리는 예를 들어, 물 담금질, 또는, 기름 담금질이다. 담금질 처리를 실시한 후, 뜨임 처리를 실시한다. 뜨임 처리를 실시하면, 제품 부재의 인성이 높아진다. 뜨임 처리는 주지의 조건으로 실시된다.
이상의 제조 공정에 의해, 침탄 강 부품을 제조한다. 제조된 침탄 강 부품은, Si함유량이 많아도, 충분한 깊이의 유효 경화층 깊이를 가진다. 그 때문에, 본 침탄 강 부품은 우수한 면피로 강도를 가진다. 이하, 침탄 강 부품에 대해서 상세히 서술한다.
[침탄 강 부품]
상술한 제조 방법으로 제조된 침탄 강 부품은, 모재와 침탄층을 구비한다.
[모재]
모재는 상술한 강 부품의 화학 조성을 가진다. 즉, 모재의 화학 조성은, 상술한 강 부품과 동일한 원소를 함유하고, 또한, 식 (1)을 만족한다.
[침탄층]
침탄층은, 모재의 표면 상에 형성된다. 침탄층의 표층의 C함유량은 0.5% 이상이다. 침탄층의 표층의 C함유량은, 다음의 방법으로 측정된다. 침탄 강 부품의 표면에 수직인 단면을 가지는 샘플을 채취한다. 샘플 중, 침탄 강 부품의 표면을 포함한 단면(이하, 관찰면이라고 한다)의 표면으로부터 30μm 깊이까지의 영역에 있어서, EPMA(전자선 마이크로 애널라이저)를 이용하여, 깊이 방향으로 5μm피치로 C농도를 측정한다. 얻어진 C농도의 평균을, 침탄 강 부품의 표층의 C함유량이라고 정의한다.
표층의 C함유량이 0.5% 미만이면, 표층부의 경도가 낮아져 우수한 면피로 강도를 얻을 수 없다. 표층의 C함유량의 바람직한 하한은 0.6%이며, 바람직한 상한은 1.0%이다.
또한, 침탄 강 부품의 유효 경화층 깊이는 0.3~1.5mm 미만이다. 유효 경화층이란, 빅커스 경도 550Hv가 얻어지는 표면으로부터의 깊이(mm)로 정의된다. 유효 경화층 깊이는, 다음의 방법으로 측정된다. 침탄 강 부품의 단면에 있어서, 표면으로부터 중심에 이르는 영역에서, JIS Z2244(2009)에 의거하여, 빅커스 경도계를 이용하여 경도 분포를 작성한다. 이 때, 시험력 F는 1.96N으로 한다. 얻어진 경도 분포 중, 빅커스 경도가 550Hv가 되는 깊이를 구하고, 유효 경화 깊이(mm)라고 정의한다.
유효 경화층 깊이가 0.3mm 미만이면, 우수한 면피로 강도를 얻을 수 없다. 한편, 유효 경화층 깊이가 1.5mm 이상이면, 압축 잔류 응력이 저하되기 때문에, 면피로 강도가 저하된다. 따라서, 유효 경화층 깊이는 0.3~1.5mm 미만이다.
또한, 침탄층의 표층의 Si함유량, Mn함유량 및 Cr함유량은 식 (2)를 만족한다.
3.5[Sis%]+[Mns%]+3[Crs%]≤9 (2)
여기서, 식 (2) 중의 [Sis%], [Mns%], 및, [Crs%]에는, 침탄층의 표층의 Si함유량, Mn함유량, 및 Cr함유량(질량%)이 각각 대입된다.
침탄층의 표층의 Si함유량, Mn함유량 및 Cr함유량은, 상술한 표층의 C함유량과 동일한 방법으로 정의된다. 즉, 샘플의 관찰면의 표면으로부터 30μm 깊이까지의 영역에 있어서, EPMA를 이용하여, 깊이 방향으로 5μm피치로 Si농도, Mn농도 및 Cr농도를 측정한다. 얻어진 각 원소 농도의 평균을, 침탄층의 표층의 Si함유량, Mn함유량 및 Cr함유량(%)라고 정의한다.
F2=3.5[Sis%]+[Mns%]+3[Crs%]라고 정의한다. 상술한 조건으로 예비 가스 침탄 공정을 실시함으로써, 내부 산화물이 형성된다. 이 경우, 강 부품 내에 고용하는 특정 원소가 소비된다. 그 때문에, 본 가스 침탄 공정 개시 시의 강 부품의 표층의 특정 원소의 함유량은, F2가 식 (2)를 만족하는 레벨까지 저하된다고 생각할 수 있다. 표층의 특정 원소의 함유량이 억제되기 때문에, 본 가스 침탄 공정에서의 가스 침탄성이 유지되어, 충분한 깊이의 침탄층을 얻을 수 있다. 상기 제조 방법을 실시하면, 결과적으로, 침탄 강 부품의 표층(침탄층의 표층)에 있어서, F2는 식 (2)를 만족한다.
[내부 산화물의 면적율]
침탄 강 부품에서는 또한, 침탄층의 표면으로부터 10μm 깊이±3μm의 범위에 있어서의 산화물(내부 산화물)의 면적율이 7~50%이다. 이하, 침탄층의 표면으로부터 10μm 깊이±3μm의 범위에 있어서의 산화물의 면적율을 「내부 산화물율」이라고 한다.
내부 산화물율은 다음의 방법으로 측정된다. 상술한 샘플의 관찰면(400μm×400μm)에 있어서, 0.3μm×0.3μm의 간격으로, EPMA를 이용하여 산소의 원소 맵핑을 취득한다. 그 중에서 표면으로부터 200μm 깊이의 O농도 프로파일을 추출하여, 개재물 등의 제2상을 제외한 금속철 중에서 최대 산소 농도가 되는 수치를 역치로 하여 2치화한다. 그 후, 침탄층의 표면으로부터 10μm 깊이±3μm의 범위를 트리밍하고, 트리밍된 범위 중, 역치보다 고산소 농도의 영역의 면적율을 구한다. 구한 면적율을 내부 산화물율(%)로 정의한다.
상술한 조건으로 예비 가스 침탄 공정 및 본 가스 침탄 공정을 실시하면, 내부 산화물율이 7~50%가 된다. 예비 가스 침탄 공정에 있어서, 침탄 온도 T가 FA를 넘으면, 산화물의 면적율은 7% 미만이 된다. 한편, 본 실시 형태의 가스 침탄 처리(예비 가스 침탄 공정 및 본 가스 침탄 공정)를 실시한 경우, 내부 산화물율이 50%를 넘는 일은 없다.
또한, Si함유량이 0.7% 이상인 강 부품에 대해, 종래의 가스 침탄 처리를 실시한 경우, 내부 산화물은 립 내에는 형성되지 않고, 립계에 미소하게 형성될 뿐이다. 따라서, 종래의 가스 침탄 처리를 실시한 경우, 내부 산화물율은 7% 미만이 된다.
<실시예>
[침탄 강 부품의 유효 경화층 깊이 측정 및 내부 산화물율의 측정]
표 1에 나타내는 화학 조성을 가지는 강번호 1~34의 강재를 준비했다. 각 강재에 대해 열간 단조 및 열처리를 실시하여 중간품을 제조했다. 중간품에 대해 절삭 가공(기계 가공)을 실시하여, 20mm×20mm의 각기둥 형상의 강 부품을 제조했다.
Figure 112016072038988-pct00001
표 2에 나타내는 대로, 각 시험 번호의 강 부품에 대해, 표 2에 나타내는 조건으로 예비 가스 침탄 및 본 가스 침탄을 실시했다.
Figure 112016072038988-pct00002
시험 번호 1~30, 33~36에서는, 표 2에 나타내는 조건(침탄 온도, 침탄 시간, 카본 포텐셜 CP)으로 예비 가스 침탄 공정을 실시했다. 또한, 예비 가스 침탄 공정에 이어서, 표 2에 나타내는 조건(침탄 온도, 침탄 시간 및 CP)으로 본 가스 침탄 공정을 실시했다. 본 가스 침탄 공정 후의 강 부품에 대해, 130℃의 기름으로 담금질을 실시하고, 150℃에서 뜨임을 실시하여, 침탄 강 부품을 제조했다.
시험 번호 31 및 32에서는, 예비 가스 침탄 공정을 실시하지 않고, 표 2의 조건으로 본 가스 침탄 공정을 실시했다. 본 가스 침탄 공정 후, 강 부품에 대해 130℃의 기름 담금질을 실시하고, 150℃의 뜨임을 실시했다. 이상의 공정에 의해, 시험 번호 1~36의 침탄 강 부품(시험편)을 제조했다.
[평가 시험]
[침탄층의 표층의 C함유량 및 특정 원소 함유량의 측정]
상술한 방법에 의해, EPMA를 이용하여, 각 시험 번호의 침탄 강 부품의 침탄층의 표층에 있어서의 C함유량, Si함유량, Mn함유량 및 Cr함유량을 구했다. 얻어진 Si함유량, Mn함유량 및 Cr함유량에 의거하여, 상술한 방법에 의해, F2를 구했다. EPMA 장치에는, 일본 전자 주식회사제의 상품명 JXA-8200을 사용했다.
[유효 경화층 깊이 및 내부 산화물율의 측정]
상술한 방법에 의해, 침탄 강 부품의 유효 경화층 깊이(mm)를 구했다. 또한, 상술한 방법에 의해, 침탄 강 부품의 침탄층의 표면으로부터 10μm 깊이±3μm의 범위에 있어서의 산화물의 면적율(내부 산화물율)을 구했다.
[롤러 피팅 피로 시험]
제조된 침탄 강 부품의 면피로 강도를 평가하기 위해, 대롤러 시험편과 소롤러 시험편을 이용하여, 롤러 피팅 피로 시험을 행했다. 구체적으로는, 표 1의 강번호 1~34의 강재에 대해 열간 단조 및 열처리를 실시하여 중간품을 제조했다. 중간품에 대해 기계 가공을 실시하여, 소롤러 시험편 및 대롤러 시험편을 제작했다. 소롤러 시험편의 직경은 26mm이며, 폭은 28mm였다. 대롤러 시험편의 직경은 130mm이며, 폭은 18mm였다. 대롤러 시험편은 또한, 외주에 150mm의 크라우닝을 가졌다.
제작한 소롤러 시험편 및 대롤러 시험편에 대해, 시험 번호 1~30, 33~36에서는, 표 2에 나타내는 조건으로 예비 가스 침탄 공정 및 본 가스 침탄 공정을 실시하고, 또한, 130℃에서의 기름 담금질, 및, 150℃에서의 뜨임을 실시했다. 시험 번호 31 및 32에서는, 소롤러 시험편 및 대롤러 시험편에 대해 예비 가스 침탄 공정을 실시하지 않고, 표 2에서 나타내는 조건으로 본 가스 침탄 공정을 실시하여, 130℃에서의 기름 담금질, 및, 150℃에서의 뜨임을 실시했다.
뜨임 후의 소롤러 시험편 및 대롤러 시험편을 이용하여, 다음과 같이 롤러 피팅 시험을 실시했다. 소롤러 시험편에, 대롤러 시험편을 눌렀다. 이 때, 면압을 헤르츠 응력 3000MPa로 했다. 소롤러 시험편과 대롤러 시험편의 접촉부에서의 양롤러의 주속 방향을 동일 방향으로 하여, 미끄러짐율을 -40%로 하여, 각 롤러를 회전시켰다. 구체적으로는, 접촉부에 있어서의 대롤러 시험편의 주속을, 소롤러 시험편의 주속보다 40% 크게 했다. 소롤러 시험편에 피팅이 발생할 때까지의 회전수를 구하고, 얻어진 회전수를 면피로 강도의 평가 지표로 했다.
롤러 피팅 시험 중에 있어서, 접촉부에 공급하는 기어 기름의 기름온도는 80℃로 했다. 피팅 발생을, 비치된 진동계에 의해 검출했다. 진동 검출 후에, 양롤러 시험편의 회전을 정지시키고, 피팅의 발생과 회전수를 확인했다. 회전수가 1000만회에 이르러도 피팅이 발생하지 않는 경우는, 우수한 면피로 강도를 가지고 있다고 판단하고, 1000만회에서 시험을 정지했다.
[시험 결과]
시험 결과를 표 3에 나타낸다.
Figure 112016072038988-pct00003
시험 번호 1~26에서는, 강재의 화학 조성은 적정하며, F1이 식 (1)을 만족했다. 또한, 제조 조건도 적절하고, 예비 가스 침탄 공정의 침탄 온도가 FA 미만이며, FB가 식 (2)를 만족했다. 그 때문에, 침탄 강 부품의 침탄층 표층의 C함유량은 0.5% 이상이며, F2는 식 (2)를 만족했다. 또한, 유효 경화층은 0.3~1.5mm 미만이며, 내부 산화물율은 7~50%였다. 그 때문에, 이들 시험 번호에서는, 롤러 피팅 시험에서 1000만회 내구하여, 우수한 면피로 강도를 나타냈다. 또한, 가스 침탄 공정(예비 가스 침탄 공정 및 본 가스 침탄 공정)의 침탄 시간은 50시간 미만이며, 통상의 가스 침탄 처리로 손색이 없었다.
한편, 시험 번호 27에서는, 강재의 C함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 롤러 피팅 피로 시험에 있어서, 1000만회에 도달하기 전에 손상이 발생하여, 면피로 강도가 낮았다. C함유량이 너무 낮았기 때문에, 침탄 강 부품의 비침탄층인 심부의 강도가 낮았다고 생각할 수 있다.
시험 번호 28에서는, Si함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 롤러 피팅 피로 시험에 있어서, 1000만회에 도달하기 전에 손상이 발생하여, 면피로 강도가 낮았다. Si함유량이 너무 낮았기 때문에, 뜨임 연화 저항이 낮아, 그 결과, 면피로 강도가 저하되었다고 생각할 수 있다.
시험 번호 29에서는, 강재 중의 각 원소의 함유량은 적절했지만, F1이 식 (1)의 상한을 넘었다. 그 때문에, 내부 산화물율이 7% 미만이며, 유효 경화층이 0mm, 표층의 C함유량이 5% 미만이었다. 그 결과, 면피로 강도가 낮았다. F1이 식 (1)의 상한을 넘었기 때문에, 특정 원소의 함유량이 너무 많아, 본 가스 침탄 처리에 있어서, 강재 표면에 산화 피막이 형성되었다고 생각할 수 있다.
시험 번호 30에서는, 강재 중의 각 원소의 함유량은 적절했지만, F1이 식 (1)의 하한 미만이었다. 그 때문에, 면피로 강도가 낮았다. 뜨임 연화 저항이 낮았기 때문에, 면피로 강도가 저하되었다고 생각할 수 있다.
시험 번호 31에서는, F1이 식 (1)의 하한 미만이었다. 또한, 예비 가스 침탄 공정을 실시하지 않았다. 그 때문에, 면피로 강도가 낮았다.
시험 번호 32에서는, 화학 조성은 적절하고, F1이 식 (1)을 만족했지만, 예비 가스 침탄 공정을 실시하지 않았다. 그 때문에, 유효 경화층 깊이가 0mm이며, 내부 산화물율도 낮았다. 그 결과, 면피로 강도가 낮았다. 본 침탄 처리 시에 산화 피막이 형성되어, 침탄이 되지 않았다고 생각할 수 있다.
시험 번호 33에서는, 화학 조성은 적절하고, F1이 식 (1)을 만족했지만, 예비 가스 침탄 공정에서의 침탄 시간이 너무 짧았다. 그 때문에, F2가 식 (2)를 만족하지 않고, 유효 경화층이 0mm였다. 그 결과, 면피로 강도가 낮았다.
시험 번호 34에서는, 화학 조성은 적절하고, F1이 식 (1)을 만족하지만, 예비 가스 침탄 처리에서의 침탄 온도 Tp가 FA 이상이 되었다. 그 때문에, F2가 식 (2)를 만족하지 않고, 유효 경화층이 0mm였다. 그 결과, 면피로 강도가 낮았다.
시험 번호 35에서는, FB가 식 (B)의 상한을 넘었다. 그 때문에, 유효 경화층 깊이가 너무 낮아, 면피로 강도가 저하되었다.
시험 번호 36에서는, FB가 식 (B)의 하한 미만이었다. 그 때문에, 유효 경화층 깊이가 1.5mm를 넘어, 면피로 강도가 낮았다.
이상, 본 발명의 실시의 형태를 설명했다. 그러나, 상술한 실시의 형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시의 형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 상술한 실시의 형태를 적당히 변형하여 실시하는 것이 가능하다.
<산업상의 이용 가능성>
본 실시 형태에 의한 침탄 강 부품의 제조 방법은, 침탄 강 부품의 제조에 널리 적용할 수 있다. 특히, 본 제조 방법으로 제조된 침탄 강 부품은, 자동차, 건설 차량, 산업 기계 등을 고출력화하여, 연비를 향상시킬 수 있다. 그 때문에, 본 제조 방법은 상기 분야에서 이용되는 침탄 강 부재의 제조에 적합하다.

Claims (6)

  1. 질량%로,
    C：0.1~0.4%, Si：0.7~4.0%, Mn：0.2~3.0%, Cr：0.5~5.0%, Al：0.005~0.15%, S：0.3% 이하, N：0.003~0.03%, O：0.0050% 이하, P：0.025% 이하, Nb：0~0.3%, Ti：0~0.3%, V：0~0.3%, Ni：0~3.0%, Cu：0~3.0%, Co：0~3.0%, Mo：0~1.0%, W：0~1.0%, B：0~0.005%, Ca：0~0.01%, Mg：0~0.01%, Zr：0~0.05%, Te：0~0.1%, 및, 희토류 원소：0~0.005%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지며, 식 (1)을 만족하는 화학 조성을 가지는 강 부품에 대해, 식 (A)를 만족하는 침탄 온도 Tp℃에서 10분~20시간 미만 가스 침탄 처리를 실시하는 예비 가스 침탄 공정과,
    예비 가스 침탄 공정에 이어서, 식 (B)를 만족하는 침탄 온도 Tr℃ 및 침탄 시간 tr분으로 가스 침탄 처리를 실시하는 본 가스 침탄 공정을 구비하고, 상기 침탄 온도 Tr은 상기 침탄 온도 Tp보다 높은, 침탄 강 부품의 제조 방법.
    6.5＜3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]≤18 (1)
    800≤Tp＜163×ln(CP+0.6)-41×ln(3.5×[Si%]+[Mn%]+3×[Cr%])+950 (A)
    4＜13340/(Tr+273.15)-ln(tr)＜7 (B)
    여기서, 식 중의 [Si%], [Mn%], 및, [Cr%]에는, 상기 강 부품 중의 Si함유량, Mn함유량, 및, Cr의 함유량(질량%)이 각각 대입되고, ln()는 자연로그이며, CP에는 예비 가스 침탄 공정에 있어서의 침탄 시의 카본 포텐셜이 대입된다.
  2. 질량%로,
    C：0.1~0.4%,
    Si：0.7~4.0%,
    Mn：0.2~3.0%,
    Cr：0.5~5.0%,
    Al：0.005~0.15%,
    S：0.3% 이하,
    N：0.003~0.03%,
    O：0.0050% 이하,
    P：0.025% 이하,
    Nb：0~0.3%,
    Ti：0~0.3%,
    V：0~0.3%,
    Ni：0~3.0%,
    Cu：0~3.0%,
    Co：0~3.0%,
    Mo：0~1.0%,
    W：0~1.0%,
    B：0~0.005%,
    Ca：0~0.01%,
    Mg：0~0.01%,
    Zr：0~0.05%,
    Te：0~0.1%, 및,
    희토류 원소：0~0.005%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지며, 식 (1)을 만족하는 화학 조성을 가지는 모재와,
    상기 모재의 표면 상에 형성되는 침탄층을 구비하고,
    상기 침탄층의 표층의 C함유량은 0.5% 이상이며,
    상기 침탄층의 표층의 Si함유량, Mn함유량 및 Cr함유량은 식 (2)를 만족하고,
    유효 경화층 깊이는 0.3~1.5mm 미만이며,
    상기 침탄층의 표면으로부터 10μm 깊이±3μm의 범위에 있어서의 산화물의 면적율은 7~50%인, 침탄 강 부품.
    6.5＜3.5[Si%]+[Mn%]+3[Cr%]≤18 (1)
    3.5[Sis%]+[Mns%]+3[Crs%]≤9 (2)
    여기서, 식 (1) 중의 [Si%], [Mn%], 및, [Cr%]에는, 상기 모재 중의 Si함유량, Mn함유량, 및, Cr함유량(질량%)이 각각 대입되고, 식 (2) 중의 [Sis%], [Mns%], 및, [Crs%]에는, 상기 침탄층의 표층의 Si함유량, Mn함유량, 및 Cr함유량(질량%)이 각각 대입된다.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 화학 조성은,
    Nb：0.02~0.3%,
    Ti：0.02~0.3%, 및,
    V：0.02~0.3%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는, 침탄 강 부품.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 화학 조성은,
    Ni：0.2~3.0%,
    Cu：0.2~3.0%,
    Co：0.2~3.0%,
    Mo：0.05~1.0%,
    W：0.05~1.0%, 및,
    B：0.0006~0.005%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는, 침탄 강 부품.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 화학 조성은,
    Ni：0.2~3.0%,
    Cu：0.2~3.0%,
    Co：0.2~3.0%,
    Mo：0.05~1.0%,
    W：0.05~1.0%, 및,
    B：0.0006~0.005%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는, 침탄 강 부품.
  6. 청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 화학 조성은,
    Ca：0.0005~0.01%,
    Mg：0.0005~0.01%,
    Zr：0.0005~0.05%,
    Te：0.0005~0.1%, 및,
    희토류 원소：0.0001~0.005%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는, 침탄 강 부품.
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