KR101957084B1 - 내마모성과 내피팅성이 우수한 질화, 연질화 처리 부품 및 질화, 연질화 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

내마모성 및 내피팅성이 우수한 질화, 연질화 처리 부품 및 질화, 연질화 처리 방법을 제공한다. 질량％로, C: 0.05 내지 0.3％, Si: 0.05 내지 1.5％, Mn: 0.2 내지 1.5％, P: 0.025％ 이하, S: 0.003 내지 0.05％, Cr: 0.5 내지 2.0％, Al: 0.01 내지 0.05％ 및 N: 0.003 내지 0.025％를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 강재를 포함하는 질화 처리 부품 또는 연질화 처리 부품이며, 표층이, 철, 질소 및 탄소를 포함하는 화합물층 및 그의 아래에 위치하는 질소 확산층을 포함하고, 상기 화합물층이 ε단상을 포함하고, 상기 ε단상의 두께가 8 내지 30㎛, 비커스 경도가 680HV 이상이며, 상기 ε단상 중의 공공의 체적률이 10％ 미만인 것을 특징으로 하는 질화 처리 부품 또는 연질화 처리 부품.

Description

내마모성과 내피팅성이 우수한 질화, 연질화 처리 부품 및 질화, 연질화 처리 방법
본 발명은 가스 질화, 가스 연질화 처리에 의해 제조되는 부품, 특히 내마모성이나 내피팅성이 요구되는 CVT 풀리나 기어 등의 부품, 및 그 부품들의 제조에서 사용되는 가스 질화, 가스 연질화 처리의 방법에 관한 것이다.
자동차나 각종 산업 기계 등에 사용되는 강 부품에는, 표면의 피로 강도가 요구되는 경우가 있다. 예를 들어 트랜스미션 중의 CVT 풀리에서는 내마모성, 기어에서는 내피팅성의 피로 특성이 요구된다. 이러한 특성의 개선에는, 표면 경도의 향상이 유효한 것으로 되어 있으며, 질화 및 연질화 처리의 적용이 진행되고 있다. 질화 처리 및 연질화 처리는, 높은 표면 경도를 얻을 수 있고, 또한 열처리 변형이 작다는 이점이 있다.
질화 처리는 강재 표면에 질소를 침입시키는 처리 방법이며, 연질화 처리는 강재 표면에 질소와 탄소를 침입시키는 처리이다. 질화 처리 및 연질화 처리에 사용하는 매체에는, 가스, 염욕, 플라스마 등이 있다. 자동차의 트랜스미션 부품에는, 주로, 생산성이 우수한 가스 질화 및 가스 연질화 처리가 적용되어 있다.
가스 질화 및 가스 연질화 처리에 의해 생성되는 경화층은, 질소 확산층과, 질소 확산층보다도 표면측에 생성하는 두께 수 내지 수십㎛의 화합물층으로 구성된다. 질소 확산층은, 침입 질소, 탄소의 고용 강화, 질화물의 입자 분산 강화 기구에 의해 경화된 층이다. 질소 확산층의 경도 및 깊이의 향상은, 내피팅성의 향상을 가져오는 것이 알려져 있고, 종래부터, 확산층의 경도나 깊이의 향상에 대해서는 많은 연구가 이루어져 왔다. 화합물층은, Fe2 ~3N을 주체로서, 탄소도 함유하는 ε상이나, Fe4N을 주체로 하는 γ'상으로 구성되어 있고, 강재에 비하여 경도가 매우 높고, 형성된 경우에는, 내마모성을 향상시킨다.
화합물층과 내마모성에 관한 종래 지견으로서는, 이하를 들 수 있다.
특허문헌 1에서는, 질화 내지 침탄 질화 처리가 실시되고 있고, 적어도 표면으로부터 150㎛까지의 깊이에 있어서의 질소 함유량이 0.2 내지 0.8％이며, ?칭 경화층이 마르텐사이트 및 10 내지 40％의 잔류 오스테나이트의 혼합 조직이며, 내피팅성 및 내마모성이 우수한 기어 부품이 제안되고 있다. 특허문헌 1에서는, 강 표면의 질소 함유량에 관한 기재는 있지만, 질화 처리로 생성된 화합물층의 성분, 조성 및 성상에 관한 기재는 없다.
또한, 특허문헌 2에서는, NH3 잔류 농도 45 내지 65용적％ 농도를 포함하는 혼합 가스에서, 가스 온도 530 내지 565℃, 2시간 연질화 처리를 행함으로써, 2 내지 12㎛의, 공공을 포함하는 화합물층을 생성시킴으로써, 내피팅성이나 내마모성 등을 향상시키는 처리 방법이 제안되어 있다. 특허문헌 2에 기재되어 있는 화합물층은, Fe3N(ε), Fe4N(γ') 등으로 이루어져 있다.
일본 특허 공개 (평)7-190173호 공보 일본 특허 공개 (평)11-72159호 공보
상술한 특허문헌 1에서는, 내피팅성 및 내마모성이 우수한 부품이 제안되어 있으나, ?칭에 의한 표면 경화를 이용하고 있기 때문에, 통상의 질화 및 연질화 처리 부품과 비교하여, 열처리 변형이 크고, 후 공정에서의 연삭 비용이 늘어난다.
특허문헌 2에서는, 화합물층의 두께는 고려되고 있지만, 공공에 관해서는 최적화되어 있지 않고, 그로 인하여, 높은 피팅 강도가 필요한 부품에는 적용할 수 없는 경우가 있다.
상술한 특허문헌 1 및 2에서 개시된 기술은, 각 실시예에 나타내고 있는 대로, 내마모성이나 내피팅성 등의 피로 특성을 향상시킬 수 있는 기술이다. 그러나, 화합물층의 성분, 조성, 성상이 내마모성, 내피팅성에 미치는 영향은 검토되어 있지 않다.
본 발명의 목적은, 부품의 소형 경량화 혹은 높은 부하 용량의 요구에 부응할 수 있는, 내마모성 및 내피팅성이 우수한 부품을 제공하는 데 있고, 또한, 그 수단으로서, 화합물층의 성분, 조성을 최적으로 제어하는 가스 질화, 가스 연질화 처리 방법도 제공한다.
화합물층의 성분, 조성, 두께는, 처리 온도와 이하의 식에 의해 정의되는 질화 포텐셜(KN)에 의해 제어할 수 있다.
KN=(NH3 분압)/[(H2 분압)3/2]…(식 1)
그러나, 생산 규모의 질화로에 있어서 NH3, N2 분위기를 제어하는 기술은, 최근이 되어 확립되어 왔기 때문에, 실제 생산된 부품의 화합물층의 성분, 조성, 성상에 관한 지견은 아직 적다.
그래서 본 발명자들은, KN을 제어하여 화합물층을 다양하게 변화시키고, 화합물층과 내마모성의 관계를 조사했다. 그 결과, 내마모성의 향상에는, 화합물층의 성분, 조성, 두께, 경도, 또한, 질화 처리 중에 강에 침입한 원자상 질소가 N2 분자가 되고, 강 중으로부터 빠져 나간 공극(이하, 공공이라고 호칭함)의 체적률이 영향을 미치는 것을 알아내었다.
얻어진 지견의 상세를 하기 (a) 내지 (e)에 정리했다.
(a) 가스 질화, 가스 연질화 처리에 의해 생성하는 화합물층은, γ' 단상, ε 단상 및 γ'+ε상 중 어느 것이다. ε상은 γ'상에 비해 경도가 높기 때문에, 내마모성을 높이기 위해서는 생성하는 화합물층을 ε상 단상으로 하는 것이 효과적이다. ε상은, γ'상보다 높은 KN 영역에서 생성하므로, KN의 하한을 설정할 필요가 있다. 또한, 강 중의 탄소량을 높이거나, 연질화 처리를 실시함으로써, ε단상이 얻어지기 쉽다.
(b) ε상은 함유 탄소 및 질소량이 많을수록 단단해진다. 그 때문에, ε상의 내마모성을 높이기 위해서는, ε상 중의 탄소, 질소량을 높이는 것이 유효하다. 그러기 위해서는, 탄소의 공급원이 되는 강의 탄소량을 높이는 것, 및 탄소를 침입시키는 연질화 처리를 채용하는 것, 또한 고KN 영역에서 질화/연질화 처리를 행하고, ε상중의 질소량을 높일 필요가 있다.
(c) 화합물층 두께가 증대하면, 공공이 생기고, 내마모성이나 내피팅 강도가 저하된다. 그로 인하여, 화합물층 두께를 적절하게 제어할 필요가 있다. 구체적으로는, 화합물층 두께는 KN이 높을수록 두꺼워지기 때문에, KN의 상한을 설정할 필요가 있다.
(d) 실제의 가스 질화 처리는, 로 내 가스 분위기를 계속 일정하게 유지하는기는 곤란하다. 그로 인하여, 상기 (a) 내지 (c)를 만족시키는 화합물층이 얻어지는 KN값의 범위를 설정할 필요가 있다. 한편, 처리 개시 직후에는 특히 분위기가 교란되어, 안정화될 때까지는 약 50분 걸리는 경향이 보였다. 그로 인하여, 처리 개시 0 내지 50분에서는, 상기 (a) 내지 (c)를 만족시키고, 또한 분위기의 교란을 고려하여, KN값의 제어 범위를 넓게 설정하는 것이 필요하다.
또한, 내피팅성과 내마모성에 미치는 질소 확산층의 영향에 대해서는, 이하의 지견을 얻었다.
(e) 강재에, Mn이나 Cr 등의 질화물 형성 원소가 존재하면, 질소 확산층의 경도나 확산층 깊이가 변화한다. 내피팅성은, 확산층 경도가 높을수록, 또한 확산층이 깊을수록 향상되기 때문에, 강재 성분의 최적 범위를 설정하는 것이 필요해진다.
(f) 질소 확산층은 화합물층보다 내마모성이 낮기 때문에, 화합물층이 마모에 의해 소실되면, 마모의 진행은 가속된다.
따라서, 가스 질화 및 가스 연질화 처리를 이용한 부품의 내마모성 및 내피팅성을 향상시키기 위해서는, KN과 강 중 C량의 제어에 의해, 화합물층 중의 탄소 및 질소량을 제어하고, 공공이 적어서, 적절한 두께 및 경도의 ε단상을 갖는 화합물층을 생성시킴과 함께, 강 성분을 조정하여 질소 확산층 두께를 크게 할 필요가 있다.
또한, 공공을 정량 평가하기 위하여, 화합물층의 SEM 관찰상을 사용하고, 최표면으로부터 최하면까지 2㎛마다, 표면과 평행한 50㎛의 선분을 그리고, 선분 중의 공공 부분의 길이 비율의 평균값을 산출하고, 이것을 「공공 체적률(％)」이라고 정의했다. 또한, 화합물층 경도의 평가값은, 마이크로 비커스 경도계를 사용하고, 하중 9.8×10-2N에서 화합물층을 랜덤하게 10점 계측한 평균값으로 했다.
본 발명은 상기의 지견에 기초하여 완성된 것이며, 그의 요지는, 하기 (1) 내지 (4)에 나타내는 가스 질화 및 가스 연질화 처리 부품이다.
(1) 질량％로,
C: 0.05 내지 0.3％,
Si: 0.05 내지 1.5％,
Mn: 0.2 내지 1.5％,
P: 0.025％ 이하,
S: 0.003 내지 0.05％,
Cr: 0.5 내지 2.0％,
Al: 0.01 내지 0.05％ 및
N: 0.003 내지 0.025％를 함유하고,
잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 강재를 포함하는 질화 처리 부품 또는 연질화 처리 부품이며,
표층이, 철, 질소 및 탄소를 포함하는 화합물층 및 그 아래에 위치하는 질소 확산층을 포함하고,
상기 화합물층이 ε단상을 포함하고,
상기 ε단상의 두께가 8 내지 30㎛, 비커스 경도가 680HV 이상이며,
상기 ε단상 중의 공공의 체적률이 10％ 미만
인 것을 특징으로 하는 질화 처리 부품 또는 연질화 처리 부품.
(2) 또한, 질량％로,
Mo: 0.01 내지 0.50％ 미만, V: 0.01 내지 0.50％ 미만 중 1종 혹은 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 질화 처리 부품 또는 연질화 처리 부품.
(3) 또한, 질량％로,
Cu: 0.01 내지 0.50％ 미만, Ni: 0.01 내지 0.50％ 미만 중 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 질화 처리 부품 또는 연질화 처리 부품.
(4) 상기 화합물층이, 원자％로, (C+N)=22％ 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 질화 처리 부품 또는 연질화 처리 부품.
(5) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 성분을 갖는 강재를 포함하는 부품을, NH3, H2, N2를 포함하는 가스 분위기 중에서 550 내지 620℃로 가열하여, 1.0 내지 10시간의 질화 처리를 행하는 방법이며,
하기 (식 1)에 의해 구해지는 질화 포텐셜 KN이, 상기 질화 처리 시간 중의 0 내지 50분에서는 0.3 내지 2.0이며, 50분 이후에서 0.70 내지 1.50인 것을 특징으로 하는 질화 처리 방법.
KN=(NH3 분압)/[(H2 분압)3/2]…(식 1)
(6) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 성분을 갖는 강재를 포함하는 부품을, NH3, H2, N2, CO2를 포함하는 가스 분위기 중에서 550 내지 620℃로 가열하여, 1.0 내지 10시간의 연질화 처리를 행하는 방법이며,
하기 (식 1)에 의해 구해지는 질화 포텐셜 KN이, 상기 연질화 처리 시간 중의 0 내지 50분에서는 0.3 내지 2.0이며, 50분 이후에서 0.70 내지 1.50인 것을 특징으로 하는 연질화 처리 방법.
KN=(NH3 분압)/[(H2 분압)3/2]…(식 1)
본 발명의 질화, 연질화 처리 부품은, 내마모성 및 내피팅성이 우수하므로, 자동차나 산업 기계의 기어, CVT 풀리, 트랜스미션 부품 등에 이용할 수 있다.
도 1은 롤러 피팅 시험용 소 롤러의 형상을 나타내는 도면이다. 또한, 도면 중의 치수 φ 26, 28, 130의 단위는 「㎜」이다.
도 2는 롤러 피팅 시험용 대 롤러의 형상을 나타내는 도면이다. 또한, 도면 중의 치수 φ 130, R150의 단위는 「㎜」이다.
이하, 본 발명의 각 요건에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 소재가 되는 강재에 있어서의 각 성분 원소의 함유량 및 부품 표면에 있어서의 원소 농도를 나타내는 「％」는 「질량％」를 의미한다.
(A) 소재가 되는 강재의 화학 조성에 대해 :
C: 0.05 내지 0.3％
C는, 부품의 코어부 강도 및 화합물층 경도를 확보하기 위하여 필요한 원소이다. C의 함유량이 0.05％ 미만이면, γ'상보다도 단단하고, 내마모성이 우수한 ε상 단상이 되지 않는다. 또한, C의 함유량이 0.3％를 초과하면, 소재가 되는 봉강, 선재나, 열간 단조 후의 봉강, 선재의 강도가 너무 높아지기 때문에, 절삭 가공성이 크게 저하된다. C 함유량의 바람직한 범위는 0.08 내지 0.25％이다.
Si: 0.05 내지 1.5％
Si는, 고용 강화에 의해, 부품의 코어부 경도를 높인다. 또한, 템퍼링 연화 저항을 높이고, 마모 조건 하에서 고온이 되는 부품 표면의 피팅 강도를 높인다. 이러한 효과를 발휘시키기 위하여, 0.05％ 이상을 함유시킨다. 한편, Si의 함유량이 1.5％를 초과하면, 소재가 되는 봉강, 선재나, 열간 단조 후의 봉강, 선재의 강도가 너무 높아지기 때문에, 절삭 가공성이 크게 저하된다. Si 함유량의 바람직한 범위는 0.08 내지 1.2％이다.
Mn: 0.2 내지 1.5％
Mn은, 고용 강화에 의해, 부품의 코어부 경도를 높인다. 또한, Mn은, 질화 처리 시에는, 미세한 질화물(Mn3N2)을 형성하고, 석출 강화에 의해 내마모성 및 내피팅성을 향상시킨다. 이러한 효과를 얻기 위하여, Mn은 0.2％ 이상이 필요하다. 한편, Mn의 함유량이 1.5％를 초과하면, 피팅 강도를 높이는 효과가 포화할 뿐만 아니라, 소재가 되는 봉강, 선재나, 열간 단조 후의 봉강, 선재의 경도가 너무 높아지기 때문에, 절삭 가공성이 크게 저하된다. Mn 함유량의 바람직한 범위는 0.4 내지 1.2％이다.
P: 0.025％ 이하
불순물로서의 P는, 입계 편석하여 부품을 취화시킨다. 그로 인하여, P의 함유량이 0.025％를 초과하면, 굽힘 피로 강도가 저하되는 경우가 있다. 굽힘 피로 강도의 저하를 방지하기 위한 P 함유량의 바람직한 상한은 0.018％이다.
S: 0.003 내지 0.05％
S는, Mn과 결합하여 MnS를 형성하고, 절삭 가공성을 향상시킨다. 그러나, 그의 함유량이 0.003％ 미만이면, 절삭 가공성 향상의 효과가 얻기 어렵다. 한편, S의 함유량이 많아지면, 조대한 MnS를 생성하기 쉬워진다. 특히, 그의 함유량이 0.05％를 초과하면, 면피로 강도의 저하가 현저해진다. S 함유량의 바람직한 범위는 0.01 내지 0.03％이다.
Cr: 0.5 내지 2.0％
Cr은, 질화 처리 시에, 미세한 질화물(CrN)을 형성하고, 석출 강화에 의해 내마모성 및 내피팅성을 향상시킨다. 이러한 효과를 얻기 위하여, Cr은 0.5％ 이상이 필요하다. 한편, Cr의 함유량이 2.0％를 초과하면, 피팅 강도를 높이는 효과가 포화할 뿐만 아니라, 소재가 되는 봉강, 선재나, 열간 단조 후의 봉강, 선재의 경도가 너무 높아지기 때문에, 절삭 가공성이 현저하게 저하된다. Cr 함유량의 바람직한 범위는 0.7 내지 1.8％이다.
Al: 0.01 내지 0.05％
Al은, 탈산 원소이며, 충분한 탈산을 위하여 0.01％ 이상이 필요하다. 한편, Al은 경질인 산화물계 개재물을 형성하기 쉽고, Al의 함유량이 0.05％를 초과하면, 굽힘 피로 강도의 저하가 현저해져, 다른 요건을 충족시키고 있어도 원하는 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않게 된다. Al 함유량의 바람직한 범위는 0.02 내지 0.04％이다.
N: 0.003 내지 0.025％
N은, AlV와 결합하여 AlN, VN을 형성한다. AlN, VN은 피닝 작용에 의해 조대 입자의 생성을 억제하고, 기계적 특성의 변동을 저감시키는 효과를 갖는다. N의 함유량이 0.003％ 미만이면 이 효과는 얻기 어렵다. 한편, N의 함유량이 0.025％를 초과하면, 조대한 AlN이 형성하기 쉬워지기 때문에, 상기의 효과는 얻기 어려워진다. N 함유량의 바람직한 범위는 0.005 내지 0.020％이다.
이하는 임의 원소이다.
Mo: 0.01 내지 0.50％ 미만
Mo는, 질화 및 연질화 시에 미세한 질화물(Mo2N)을 형성하고, 석출 강화에 의해 내마모성 및 내피팅성을 향상시킨다. 또한, Mo는, 질화 시에 시효 경화 작용을 발휘하여 부품의 코어부 경도를 향상시킨다. 이러한 효과를 얻기 위한 Mo 함유량은 0.01％ 이상인 것이 바람직하다. 한편, Mo의 함유량이 0.50％ 이상이면, 소재가 되는 봉강, 선재나, 열간 단조 후의 봉강, 선재의 경도가 너무 높아지기 때문에, 절삭 가공성이 현저하게 저하되는 외에도, 합금 비용이 증가한다. 절삭 가공성 확보를 위한 Mo 함유량의 바람직한 상한은 0.40％ 미만이다.
V: 0.01 내지 0.50％ 미만
V는, 질화 및 연질화 시에 미세한 질화물(VN)을 형성하고, 석출 강화에 의해 내마모성 및 내피팅성을 향상시킨다. 또한, V는, 질화 시에, 시효 경화 작용을 발휘하여, 부품의 코어부 경도를 향상시킨다. 이들 작용을 얻기 위하여, V는 0.01％ 이상인 것이 바람직하다. 한편, V의 함유량이 0.50％ 이상이면, 소재가 되는 봉강, 선재나, 열간 단조 후의 봉강, 선재의 경도가 너무 높아지기 때문에, 절삭 가공성이 현저하게 저하되는 외에도, 합금 비용이 증가한다. 절삭 가공성 확보를 위한 V 함유량의 바람직한 범위는 0.40％ 미만이다.
Cu: 0.01 내지 0.50％
Cu는, 고용 강화 원소로서 부품의 코어부 경도 및 질소 확산층의 경도를 향상시킨다. Cu의 고용 강화의 작용을 발휘시키기 위해서는 0.01％ 이상의 함유량이 바람직하다. 한편, Cu의 함유량이 0.50％를 초과하면, 소재가 되는 봉강, 선재나, 열간 단조 후의 봉강, 선재의 경도가 너무 높아지기 때문에, 절삭 가공성이 현저하게 저하되는 외에도, 열간 연성이 저하되기 때문에, 열간 압연 시, 열간 단조 시에 표면 흠집 발생의 원인이 된다. 열간 연성 유지를 위한 Cu 함유량의 바람직한 범위는 0.40％ 미만이다.
Ni: 0.01 내지 0.50％
Ni는, 고용 강화에 의해 부품의 코어부 경도 및 표층 경도를 향상시킨다. Ni의 고용 강화의 작용을 발휘시키기 위해서는 0.01％ 이상의 함유량이 바람직하다. 한편, Ni의 함유량이 0.50％를 초과하면, 소재가 되는 봉강, 선재나, 열간 단조 후의 봉강, 선재의 경도가 너무 높아지기 때문에, 절삭 가공성이 현저하게 저하되는 외에도, 합금 비용이 증가한다. 충분한 절삭 가공성을 얻기 위한 Ni 함유량의 바람직한 범위는 0.40％ 미만이다.
(B) 가스 질화 처리 및 가스 연질화 처리 온도
가스 질화 처리의 온도(질화 처리 온도)를 550℃ 미만으로 한 경우, 강 중의 질소 확산 속도가 작아지기 때문에, 충분한 경화층(질소 확산층, 화합물층) 두께가 얻어지지 않는다. 또한, 620℃를 초과하는 온도에서 가스 질화 처리를 행하면, 페라이트상(α상)보다도 질소의 확산 속도가 작은 오스테나이트상(γ상)으로 변태하기 때문에, 질소 확산층 두께가 얻기 어려워진다. 그 때문에 본 발명에서는, 가스 질화 처리의 처리 온도를 550 내지 620℃로 한다.
(C) 가스 질화 처리 및 가스 연질화 처리 시간
질화 처리의 개시부터 종료까지의 시간(질화 처리 시간)은, 화합물층 두께 및 질소 확산층 깊이에 영향을 미친다. 처리 시간이 1.0시간보다 짧으면, 확산층 깊이가 작아지고, 내피팅성이 저하된다. 10시간을 초과하면 공공 비율이 증가하고, 내마모성이 저하할 뿐만 아니라, 제조 비용의 증가를 초래한다. 그로 인하여, 처리 시간은 1.0 내지 10시간으로 한다.
(D) 가스 질화 처리 및 가스 연질화 처리 중의 KN 제어
본 발명에 있어서, 가스 질화 처리는, NH3, H2, N2를 포함하는 분위기를 사용하며, 또한 가스 연질화 처리는, NH3, H2, N2, CO2를 포함하는 분위기를 사용한다. 질화 포텐셜 KN은, NH3 유량 및 N2 유량의 제어에서 조정한다. ε상만으로 이루어지는 화합물층을 생성시키기 위해서는, 처리 중의 KN의 범위는, 처리 시간 0 내지 50분에서 0.3 내지 2.0, 50분 이후에서는 0.70 내지 1.50이 되도록 조정한다. KN이, 처리 시간 0 내지 50분에서 0.3보다 작거나, 50분 이후에서는 0.70보다 작으면, 화합물층 두께가 8㎛ 미만이 되거나, 화합물층 중의 (C+N) 농도가 22atm％ 미만이 되거나, γ'상이 혼재되어, 그 결과, 내마모성이 저하된다. 한편, KN이 규정하는 상한값 1.50을 초과하면, ε상의 두께가 30㎛보다 커지고, 또한, 공공률이 10％ 이상이 되는 경우가 있다.
KN을 제어하여 질화 처리하기 위해서는, 예를 들어 질화 처리 전에 고NH3 분위기로 로 내를 유지하는 시즈닝 처리를 행한 후, 목표 KN이 되도록 NH3, H2, N2 유량을 조정하고, 가스 연질화 처리의 경우에는 또한 CO2 유량을 조정하고, 계속하여 부품을 로 내에 도입하는 방법이 있다. 단, 본 발명의 KN 제어 방법은, 이에 한정하는 것은 아니다.
또한, 가스 질화 및 가스 연질화 처리를 행하는 분위기는, 불가피하게 산소와 같은 불순물을 포함하는 것이 있고, 가스 질화 처리에 있어서는 NH3, H2 및 N2, 가스 연질화 처리에 있어서는 NH3, H2, N2, CO2의 합계를 99.5％(체적％) 이상으로 하는 것이 바람직하다.
(E) 화합물층의 동정
본 발명에 관한 가스 질화 부품 및 가스 연질화 처리 부품의 화합물층은 ε단상이다. 상의 판별에는, 예를 들어 SEM(주사형 전자 현미경)에 부속된 EBSD(Electron BackScatter Diffraction)를 사용할 수 있다. 본 발명에서는, EBSD에 의한 결정 방위 측정을 행하고, 화합물층 중의 Fe2 ~3N의 신뢰성 지수(Confidence Index: CI값)가 0.05 미만인 영역이 10％ 미만인 경우를 ε단상으로 간주했다.
(F) 화합물층의 경도
본 발명에 관한 가스 질화 처리 및 가스 연질화 처리 부품은, 화합물층의 평균 경도가 680HV 이상이다.
내마모성은, 부품의 표면 내지 수십㎛의 경도에 크게 의존하는 것이 알려져 있다. 본 발명자들은, 화합물층의 비커스 경도를, JISZ2244(2003)에 기재된 「비커스 경도 시험-시험 방법」에 준거하여 측정했다.
롤러 피팅 시험기를 사용한 마모 시험 결과를 비교 검토한 결과, 면압 1600MPa, 반복수 2×106회에서의 마모 깊이를 15㎛ 이하로 하기 위해서는, 화합물층의 경도가 680HV 이상 필요한 것이 명백해졌다.
(G) 화합물층 중의 공공의 체적률
본 발명에 관한 가스 질화 처리 및 가스 연질화 처리 부품은, 화합물층 중의 공공의 체적률이 10％ 미만이다.
다양한 화합물층을 형성시킨 시험편의 내마모 특성을, 롤러 피팅 시험으로 평가한 결과, 공공의 체적률이 10％ 이상이면, 마모량이 목표값으로 하는 15㎛를 상회했다.
(H) 화합물층 중의 성분 비율
본 발명에 관한 가스 질화 처리 및 가스 연질화 처리 부품은, 화합물층 중의 (C+N) 농도가 22atm％ 이상이다.
다양한 화합물층을 형성시킨 시험편의 내마모 특성을, 롤러 피팅 시험으로 평가한 결과, (C+N) 농도가 22atm％ 미만이면, 마모량이 목표값으로 하는 15㎛ 이하를 만족하지 않았다.
실시예 1
표 1에 나타내는 화학 성분을 갖는 강 a 내지 z를 50kg 진공 용해로로 용해한 후, 주조하여 잉곳으로 했다. 또한, 표 1 중의 a 내지 q는, 본 발명에서 규정하는 화학 성분을 갖는 강이다. 한편, 강 s 내지 z는, 적어도 1 원소 이상, 본 발명에서 규정하는 화학 성분으로부터 제외된 비교예의 강이다.
Figure 112017090376579-pct00001
이 잉곳을 열간 단조하여 직경 35㎜의 환봉으로 했다. 계속해서, 각 환봉을 어닐링한 후 절삭 가공을 실시하고, 화합물층의 종류, 두께, 경도 및 공공의 체적률을 평가하기 위한 판상 시험편을 제작했다. 판상 시험편은, 세로 20㎜, 가로 20㎜, 두께 2㎜로 했다. 또한, 마모 깊이 및 피팅 강도를 평가하기 위한 롤러 피팅 시험용 소 롤러를 제작했다. 소 롤러는, 직경 26㎜, 길이 130㎜로 했다.
계속하여 가스 질화로의 로 내에 NH3, H2, N2, (가스 연질화 처리의 경우, CO2)의 각 가스를 도입함으로써, 표 2에 나타내는 조건의 가스 질화 처리 및 가스 연질화 처리를 실시한 후, 80℃의 오일을 사용하여 유랭을 행했다.
가스 질화 처리 및 가스 연질화 처리에 있어서, 분위기 중의 H2 분압은, 가스 질화로체에 직접 장착한 열전도식 H2 센서를 이용하여 측정했다. 표준 가스와 측정 가스의 열전도도의 차이를 가스 농도로 환산하여 측정했다. H2 분압은, 가스 질화 처리의 사이, 계속해서 측정했다. 또한, NH3 분압은, 로 외에 수동 유리관식NH3 분석계를 장착하여 측정했다. 10분 마다 잔류 NH3의 분압을 측정함과 동시에, 질화 포텐셜 KN을 산출하고, 목표값에 수렴하도록, NH3 유량 및 N2 유량을 조정했다. NH3 분압을 측정하는 10분 마다 질화 포텐셜 KN을 산출하고, 목표값에 수렴하도록, NH3 유량 및 N2 유량을 조정했다.
Figure 112017090376579-pct00002
시험 번호 1 내지 25는, 본 발명의 질화 처리 및 연질화 처리의 예이다. 질화 처리 및 연질화 처리 후, 판상 시험편의 C 단면(신선 방향)을 경면 연마하여, 3％ 나이탈 용액으로 20 내지 30초간 에칭하고, SEM에 의해, 화합물층 두께 및 공공의 체적률 측정을 행했다.
화합물층은, 2000배로 촬영한 조직 사진의 5 시야(시야 면적: 2.4×102㎛2)로부터, 각각 10㎛ 간격으로 5점의 화합물층의 두께를 측정하고, 합계 25점의 평균값을 화합물 두께로 하여 구했다. 또한, 화합물층의 최표면으로부터 최하면까지 2㎛마다, 표면과 평행한 50㎛의 선분을 그리고, 선분 중의 공공을 포함하는 길이의 비율을 이하의 식 (2)를 이용하여 산출하고, 5 시야의 평균값을 공공의 체적률로서 구했다.
공공의 체적률(％)=공공을 포함하는 길이(㎛)/50(㎛)×100… 식 (2)
또한, 크로스 섹션 폴리셔로 C 단면을 연마하여, SEM(주사형 전자 현미경)으로 조직을 촬영함과 함께, SEM 부속의 EBSD에 의해, 화합물층 내의 생성 상의 판별을 행했다. 화합물층은, 2000배로 촬영된 조직 사진 5 시야(시야 면적: 2.4×102㎛2)를 사용하고, 화합물층의 최표면으로부터 최하면까지 2㎛마다, 표면과 평행한 50㎛의 선분을 그리고, 선분 중의 Fe2 ~3N의 CI값이 0.05 이하인 길이의 비율을 이하의 식 (3)을 이용하여 산출하고, 5 시야의 평균값이 10％ 미만인 경우를 ε단상이라고 판정했다.
Fe2 ~3N의 CI값이 0.05 이하인 길이(㎛)/50(㎛)×100… 식 (3)
이어서, 비커스 경도를, JISZ2244(2003)에서의 「비커스 경도 시험-시험 방법」에 준거하여, 다음의 방법으로 측정했다. 즉, 화합물층의 두께 방향 중앙 근방 위치에서의 비커스 경도 10점의 평균값을, 화합물층의 경도라 정의하고, 시험 하중을 9.8×10-2N으로 하여, 화합물층의 경도를 측정했다. 비커스 경도(HV)는, 각 시야 10점씩 측정하고, 합계 50점의 평균값으로 했다.
다음으로, 롤러 피팅 시험용 소 롤러를, 열처리 변형을 제거할 목적으로 붙잡음부의 마무리 가공을 행한 후, 각각 롤러 피팅 시험편에 제공했다. 마무리 가공 후의 형상을 도 1에 나타낸다. 롤러 피팅 시험은, 상기의 롤러 피팅 시험용 소 롤러와 도 2에 나타내는 형상의 롤러 피팅 시험용 대 롤러의 조합으로 표 3에 나타내는 조건으로 행했다. 또한, 도 1, 2에서의 치수의 단위는 「㎜」이다. 상기 롤러 피팅 시험용 대 롤러는, JIS의 SCM420의 규격을 만족시키는 강을 이용하여, 일반적인 제조 공정, 즉 「소준→시험편 가공→가스 침탄로에 의한 공석 침탄→저온 템퍼링→연마」의 공정에 의해 제작된 것이며, 표면으로부터 0.05㎜의 위치, 즉 깊이 0.05㎜의 위치에서의 비커스 경도 Hv는 740 내지 760이고, 또한, 비커스 경도 Hv가 550 이상의 깊이는, 0.8 내지 1.0㎜의 범위에 있었다.
표 3에, 마모 깊이의 평가를 행한 시험 조건을 나타낸다. 시험은 반복수 2×106회로 제공하고, 조도계를 사용하여, 소 롤러의 마모부를 주축 방향에 따라 주사하고, 최대 마모 깊이를 측정하여, N수를 5로 하여 마모 깊이의 평균값을 산출하였다. 본 발명 부품에 있어서는, 마모 깊이가 15㎛ 이하인 것을 목표로 했다.
Figure 112017090376579-pct00003
또한, 표 4에, 피팅 강도의 평가를 행한 시험 조건을 나타낸다. 시험 중단 횟수는, 일반적인 강의 피로원을 나타내는 107회로 하고, 소 롤러 시험편에서 피팅이 발생되지 않고 107회에 도달한 최대 면압을 소 롤러 시험편의 피로 한도로 했다. 피팅 발생의 검출은, 시험기에 비치할 수 있던 진동계에 의해 행하고, 진동 발생 후에, 소 롤러 시험편과 대 롤러 시험편의 양쪽 회전을 정지시켜, 피팅 발생과 회전수를 확인했다.
본 발명 부품에서는, 피로 한도에 있어서의 최대 면압이 1800MPa 이상인 것을 목표로 했다.
Figure 112017090376579-pct00004
결과를 표 2에 나타낸다. 표 2로부터, 본 발명에서 규정하는 조건을 모두 만족시키는 시험 번호 1 내지 25에서는, 마모량 및 피팅 강도가 모두 목표를 달성하고 있어, 양호한 내마모성 및 내피팅성이 얻어지고 있는 것이 명백하다. 또한, Mo, V, Cu, Ni 중 어느 것을 적어도 1종류 이상 함유하는 강을 이용한 시험 번호에 대해서도, 마모량 및 피팅 강도가 모두 목표를 달성하고 있어, 우수한 내마모성 및 내피팅성을 갖는 것이 명백하다. 한편, 본 발명에서 규정하는 조건으로부터 벗어난 시험 번호 26 내지 40은 비교예이며, 내마모성 및 내피팅성 중 어느 것 또는 양쪽이 목표에 도달되지 않은 것이 명백하다. 시험 번호 26, 27, 30, 36 및 40은, ε단상으로 되지 않는 예이지만, 이것은 강 중의 C량이 부족하거나, 혹은 KN값이 낮았던, 혹은 양쪽을 만족시키지 못했기 때문이다. 시험 번호 28, 29는, 처리 중의 KN값의 상한이 너무 높아졌기 때문에, ε상의 두께나 공극 체적률이 너무 커진 예이다. 시험 번호 31은, 두께 및 공극 체적률을 충족한 ε단상재이지만, 처리 중의 KN값이 너무 낮았기 때문에, ε상 중의 (C+N)량이 낮고, 경도가 부족한 예이다. 시험 번호 32 내지 39는, 강의 성분이 최적화되지 않은 예이다.
<산업상 이용 가능성>
본 발명의 가스 질화 및 가스 연질화 처리 부품은, 내마모성 및 내피팅성이 우수하므로, 자동차나 산업 기계의 트랜스미션 부품 등에 이용할 수 있다.

Claims (9)

  1. 질량％로,
    C: 0.05 내지 0.3％,
    Si: 0.05 내지 1.5％,
    Mn: 0.2 내지 1.5％,
    P: 0.025％ 이하,
    S: 0.003 내지 0.05％,
    Cr: 0.5 내지 2.0％,
    Al: 0.01 내지 0.05％ 및
    N: 0.003 내지 0.025％를 함유하고,
    임의 원소에 대해서는,
    Mo: 0.50％ 미만,
    V: 0.50％ 미만,
    Cu: 0.50％ 미만,
    Ni: 0.50％ 미만으로 한정되어 있고,
    잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 강재를 포함하는 질화 처리 부품 또는 연질화 처리 부품이며,
    표층이, 철, 질소 및 탄소를 포함하는 화합물층 및 그 아래에 위치하는 질소 확산층을 포함하고,
    상기 화합물층 중의 Fe2~3N의 신뢰성 지수인 CI값이 0.05미만인 영역이 10%미만이고,
    상기 화합물층의 두께가 8 내지 30㎛, 비커스 경도가 680HV 이상이며,
    상기 화합물층의 공공의 체적률이 10％ 미만
    인 것을 특징으로 하는 질화 처리 부품 또는 연질화 처리 부품.
  2. 제1항에 있어서, 또한, 질량％로,
    Mo: 0.01 내지 0.50％ 미만, V: 0.01 내지 0.50％ 미만 중 1종 혹은 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 질화 처리 부품 또는 연질화 처리 부품.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 또한, 질량％로,
    Cu: 0.01 내지 0.50％ 미만, Ni: 0.01 내지 0.50％ 미만 중 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 질화 처리 부품 또는 연질화 처리 부품.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 화합물층이, 원자％로, (C+N)=22％ 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화 처리 부품 또는 연질화 처리 부품.
  5. 제1항 또는 제2항에 기재된 성분을 갖는 강재를 포함하는 부품을, NH3, H2, N2를 포함하는 가스 분위기 중에서 550 내지 620℃로 가열하고, 1.0 내지 10시간의 질화 처리를 행하는 방법이며,
    하기 (식 1)에 의해 구해지는 질화 포텐셜 KN이, 상기 질화 처리 시간 중의 0 내지 50분에서는 0.3 내지 2.0이며, 50분 이후에서 0.70 내지 1.50인 것을 특징으로 하는 질화 처리 방법.
    KN=(NH3 분압)/[(H2 분압)3/2]…(식 1)
  6. 제1항 또는 제2항에 기재된 성분을 갖는 강재를 포함하는 부품을, NH3, H2, N2, CO2를 포함하는 가스 분위기 중에서 550 내지 620℃로 가열하여, 1.0 내지 10시간의 연질화 처리를 행하는 방법이며,
    하기 (식 1)에 의해 구해지는 질화 포텐셜 KN이, 상기 연질화 처리 시간 중의 0 내지 50분에서는 0.3 내지 2.0이며, 50분 이후에서 0.70 내지 1.50인 것을 특징으로 하는 연질화 처리 방법.
    KN=(NH3 분압)/[(H2 분압)3/2]…(식 1)
  7. 제3항에 있어서, 상기 화합물층이, 원자％로, (C+N)=22％ 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화 처리 부품 또는 연질화 처리 부품.
  8. 제3항에 기재된 성분을 갖는 강재를 포함하는 부품을, NH3, H2, N2를 포함하는 가스 분위기 중에서 550 내지 620℃로 가열하고, 1.0 내지 10시간의 질화 처리를 행하는 방법이며,
    하기 (식 1)에 의해 구해지는 질화 포텐셜 KN이, 상기 질화 처리 시간 중의 0 내지 50분에서는 0.3 내지 2.0이며, 50분 이후에서 0.70 내지 1.50인 것을 특징으로 하는 질화 처리 방법.
    KN=(NH3 분압)/[(H2 분압)3/2]…(식 1)
  9. 제3항에 기재된 성분을 갖는 강재를 포함하는 부품을, NH3, H2, N2, CO2를 포함하는 가스 분위기 중에서 550 내지 620℃로 가열하여, 1.0 내지 10시간의 연질화 처리를 행하는 방법이며,
    하기 (식 1)에 의해 구해지는 질화 포텐셜 KN이, 상기 연질화 처리 시간 중의 0 내지 50분에서는 0.3 내지 2.0이며, 50분 이후에서 0.70 내지 1.50인 것을 특징으로 하는 연질화 처리 방법.
    KN=(NH3 분압)/[(H2 분압)3/2]…(식 1)
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