KR102189121B1 - 강 부재의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

강 부재(30)의 제조 방법은, 침탄 공정과, 펄라이트화 공정과, ??칭 공정을 포함하고, 펄라이트화 공정은, 오스테나이트 변태 개시 온도(A1)보다도 낮고 또한 680℃보다도 높은 제1 온도까지 강 부재(30)를 강온하여 유지하여, 침탄 공정에서 형성된 오스테나이트의 일부를 펄라이트화하는 제1 펄라이트 석출 공정과, 680℃ 이하이면서 노즈 온도보다도 높은 제2 온도까지 강 부재(30)를 더 강온하여 유지하여, 제1 펄라이트 석출 공정에서 잔류한 오스테나이트를 펄라이트화하는 제2 펄라이트 석출 공정을 포함한다.

Description

강 부재의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING STEEL MEMBER}
본 발명은 강 부재의 제조 방법에 관한 것이며, 침탄한 후, 재가열하여 ??칭하는 강 부재의 제조 방법에 관한 것이다.
예를 들어 기어나 베어링 등의 강 부재에서는, 내마모성이나 피로 강도가 요구되기 때문에, 강 부재의 표층부에 경화층이 형성되어 있다. 예를 들어, 제품 형상으로 가공한 강 부재를, 침탄한 후, 재가열하여 ??칭함으로써, 강 부재의 표층부에 경화층을 형성한다. 일본 특허 공개 평5-279836호에는, 침탄 후에 오스테나이트 변태 개시 온도(A1)보다도 저온까지 강온하여 유지하고, 그 후, 재가열하여 ??칭하는 강 부재의 제조 방법이 개시되어 있다.
침탄 시에 오스테나이트화된 강 부재를, 오스테나이트 변태 개시 온도(A1)보다도 저온까지 강온하여 유지하면, 강 부재의 마이크로 조직이 오스테나이트로부터 펄라이트로 변화된다. 그리고, ??칭을 위한 재가열에 의해, 마이크로 조직이 펄라이트로부터 오스테나이트로 변화되고, ??칭에 의해, 마이크로 조직이 오스테나이트로부터 마르텐사이트로 변화된다. 여기서, 펄라이트는, 페라이트로 이루어지는 층(이하, 「페라이트층」이라 칭함)과 시멘타이트로 이루어지는 층(이하, 「시멘타이트층」이라 칭함)이 교대로 적층된 라멜라 구조를 갖는다.
침탄한 후, 재가열하여 ??칭하는 강 부재의 제조 방법에 관하여, 이하의 문제점이 있었다. 여기서, 도 9는 885℃에서 오스테나이트화된 공석강(0.77질량％C)의 항온 변태 곡선을 나타내는 TTT(Time Temperature Transformation)도이다. 횡축은 시간(초)을 대수로 나타내고, 종축은 온도(℃)를 나타내고 있다. 일본 특허 공개 평5-279836호에 개시된 침탄 후에 오스테나이트 변태 개시 온도(A1)보다도 저온까지 강온하여 유지하는 공정에 대해서도, 도 9를 참조하여 설명할 수 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 침탄 후에 펄라이트 변태시키기 위해 유지하는 온도(이하, 「펄라이트화 온도」라 칭함)는, 오스테나이트 변태 개시 온도(A1)보다도 저온이며, 항온 변태 곡선의 노즈 온도 Tn보다도 고온이다. 그리고, 펄라이트화 온도에 있어서의 유지 시간이, 펄라이트 변태 개시 곡선 Ps를 초과하면 펄라이트 변태가 개시된다. 또한, 펄라이트화 온도에 있어서의 유지 시간이, 펄라이트 변태 종료 곡선 Pf를 초과하면 펄라이트 변태가 종료된다.
도 9에 도시한 바와 같이, 펄라이트화 온도가 노즈 온도 Tn에 근접하여 낮아지면, 펄라이트의 라멜라 간격이 작아져, 미세한 펄라이트가 형성된다. 한편, 펄라이트화 온도가 오스테나이트 변태 개시 온도(A1)에 근접하여 높아지면, 펄라이트의 라멜라 간격이 커져, 조대한 펄라이트가 형성된다.
일본 특허 공개 평5-279836호에 개시된 펄라이트화 온도는 680℃ 이하이기 때문에, 펄라이트의 라멜라 간격이 작고, 재가열에 의해, 펄라이트를 구성하는 시멘타이트층이 소실되어, ??칭 처리한 후에 충분한 피로 강도가 얻어지지 않는다는 문제가 있었다. 여기서, 단순히 펄라이트화 온도를 높게 하면, 도 9에 도시한 바와 같이, 펄라이트 변태가 종료될 때까지의 시간이 급격하게 길어져, 생산성이 저하된다는 문제가 있었다.
본 발명은, 피로 강도와 생산성을 양립 가능한 강 부재의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 양태는, 강 부재의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 강 부재의 제조 방법은, 오스테나이트 변태 완료 온도보다도 고온으로 강 부재를 가열하여 오스테나이트화하면서, 탄소 농도가 공석 조성보다도 높아질 때까지 침탄하는 침탄 공정과, 오스테나이트 변태 개시 온도보다도 낮고 또한 항온 변태 곡선의 노즈 온도보다도 높은 온도까지 상기 강 부재를 강온하여, 상기 침탄 공정에 있어서 형성된 오스테나이트를 펄라이트화하는 펄라이트화 공정과, 상기 펄라이트화 공정 후, 상기 오스테나이트 변태 완료 온도보다도 고온으로 상기 강 부재를 재가열하여 급랭하는 ??칭 공정을 구비한다. 상기 펄라이트화 공정은, 상기 오스테나이트 변태 개시 온도보다도 낮고 또한 680℃보다도 높은 온도까지 상기 강 부재를 강온하여 유지하여, 상기 침탄 공정에 있어서 형성된 오스테나이트의 일부를 펄라이트화하는 제1 펄라이트 석출 공정과, 680℃ 이하이면서 상기 노즈 온도보다도 높은 온도까지 상기 강 부재를 더 강온하여 유지하여, 상기 제1 펄라이트 석출 공정에 있어서 잔류한 오스테나이트를 펄라이트화하는 제2 펄라이트 석출 공정을 포함한다.
본 발명의 일 양태에 관한 강 부재의 제조 방법에서는, 펄라이트화 공정이, 오스테나이트 변태 개시 온도(A1)보다도 낮고 또한 680℃보다도 높은 온도까지 강 부재를 강온하여 유지하여, 침탄 공정에 있어서 형성된 오스테나이트의 일부를 펄라이트화하는 제1 펄라이트 석출 공정을 포함한다. 680℃ 이하이면서 노즈 온도보다도 높은 온도까지 강 부재를 더 강온하여 유지하여, 제1 펄라이트 석출 공정에 있어서 잔류한 오스테나이트를 펄라이트화하는 제2 펄라이트 석출 공정을 포함한다. 제1 펄라이트 석출 공정에서는, 석출되는 펄라이트의 라멜라 간격이 커지고, ??칭 공정의 재가열에 의해, 펄라이트를 구성하는 시멘타이트층이 분단되어 미세립이 되어 잔류한다. 그 결과, ??칭 후의 강 부재의 피로 강도가 향상된다. 또한, 제2 펄라이트 석출 공정에 의해, 펄라이트 변태가 종료될 때까지의 시간이 길어지는 것을 억제할 수 있다. 즉, 강 부재의 피로 강도와 생산성을 양립시킬 수 있다.
상기 일 양태에 있어서, 상기 제1 펄라이트 석출 공정에서의 유지 온도를 710℃ 이하로 해도 된다. 710℃ 이하로 함으로써, 처리 시간을 단축할 수 있다.
상기 일 양태에 있어서, 상기 제2 펄라이트 석출 공정에서의 유지 온도를 600℃ 이상 650℃ 이하로 해도 된다. 600℃ 이상으로 함으로써, 재가열에 있어서 소비되는 에너지를 억제할 수 있음과 함께, 650℃ 이하로 함으로써, 처리 시간을 단축할 수 있다.
상기 일 양태에 있어서, 상기 침탄 공정에 있어서 상기 강 부재가 수용되는 열 처리실의 외벽을, 적외선을 투과하는 재질로 구성하고, 상기 외벽의 외측에 설치된 적외선 히터에 의해 상기 강 부재를 가열해도 된다. 열 처리실의 내부의 분위기를 가열하지 않고 강 부재만을 가열할 수 있기 때문에, 히터를 껐을 때, 급속하게 강 부재를 냉각할 수 있다.
상기 양태에 있어서, 상기 침탄 공정 후, 상기 열 처리실에 상기 강 부재를 수용한 채로, 상기 펄라이트화 공정 및 상기 ??칭 공정에서의 재가열을 연속하여 행해도 된다. 침탄 공정, 펄라이트화 공정, 및 ??칭 공정의 가열을 하나의 열 처리실에서 행하기 때문에, 강 부재의 제조 장치를 소형화시킬 수 있다.
본 발명의 양태에 의해, 피로 강도와 생산성을 양립 가능한 강 부재의 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 이점 및 기술적 및 산업적 의의는 유사 요소들을 유사 도면 부호로 나타낸 첨부 도면을 참조로 하여 후술될 것이다.
도 1은 제1 실시 형태에 관한 강 부재의 제조 방법을 도시하는 온도 차트.
도 2는 제1 실시 형태에 관한 강 부재의 제조 방법에 사용하는 제조 장치의 모식도.
도 3은 제1 실시 형태에 관한 강 부재의 제조 방법에 사용하는 다른 제조 장치의 모식도.
도 4는 제1 실시 형태의 비교예에 관한 강 부재의 제조 방법을 도시하는 온도 차트.
도 5는 제1 실시 형태의 실시예에 관한 강 부재의 제조 방법을 도시하는 온도 차트.
도 6은 비교예 및 실시예에 관한 강 부재에 있어서의 깊이 방향의 경도 프로파일을 나타내는 그래프.
도 7은 비교예 및 실시예에 관한 강 부재의 마이크로 조직 사진.
도 8은 ??칭 후의 비교예 및 실시예에 관한 강 부재의 롤러 피칭 피로 시험의 결과를 나타내는 그래프.
도 9는 885℃에서 오스테나이트화된 공석 조성(0.77질량％C)을 갖는 탄소강의 TTT(Time-Temperature-Transformation)도.
이하, 본 발명을 적용한 구체적인 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 단, 본 발명이 이하의 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 또한, 설명을 명확하게 하기 위해, 이하의 기재 및 도면은, 적절히, 간략화되어 있다.
제1 실시 형태
강 부재의 제조 방법
먼저, 도 1을 참조하여, 제1 실시 형태에 관한 강 부재의 제조 방법에 대하여 설명한다. 제1 실시 형태에 관한 강 부재의 제조 방법은, 내마모성이나 피로 강도가 요구되는 기어나 베어링 등의 강 부재의 제조 방법으로서 적합하다. 강 부재의 재질은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 탄소 농도가 0.25질량％ 이하인 저탄소강이나 합금강을 사용할 수 있다. 일례로서, JIS 규격의 기계 구조용 크롬몰리브덴강 SCM420을 들 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태에 관한 강 부재의 제조 방법을 도시하는 온도 차트이다. 도 1의 횡축은 시간(s), 종축은 온도(℃)이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 제1 실시 형태에 관한 강 부재의 제조 방법은, 침탄 공정, 펄라이트화 공정, ??칭 공정을 구비하고 있다. 제1 실시 형태에 관한 강 부재의 제조 방법에서는, 침탄 공정 후, 펄라이트화 공정을 행하고, 그 후, ??칭 공정을 행한다. 여기서, 펄라이트화 공정은, 조대 펄라이트 석출 공정(제1 펄라이트 석출 공정)과 미세 펄라이트 석출 공정(제2 펄라이트 석출 공정)을 포함한다.
먼저, 침탄 공정에서는, 오스테나이트 변태 완료 온도 A3보다도 고온인 온도 T1로 강 부재를 가열하여 유지한다. 여기서, 강 부재의 표면의 탄소 농도가 공석 조성(0.77질량％C) 이상이 될 때까지 침탄 공정을 행한다. 온도 T1은, 예를 들어 950 내지 1150℃이다. 침탄 공정에 있어서, 강 부재는, 오스테나이트화되어, 오스테나이트 단상이 된다.
침탄 방법으로서는, 진공 침탄을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 노 내의 분위기를 예를 들어 2㎪ 이하로 감압하면서, 침탄 가스를 노 내에 도입한다. 침탄 가스로서는, 예를 들어 아세틸렌, 메탄, 프로판, 에틸렌 등의 탄화수소 가스를 사용할 수 있다. 강 부재의 표면에 있어서 침탄 가스가 분해되어, 생성된 탄소가 강 부재의 표면으로부터 내부를 향하여 확산됨으로써, 강 부재의 표층부에 침탄층이 형성된다.
다음으로, 조대 펄라이트 석출 공정에서는, 침탄 공정에서의 온도 T1로부터 오스테나이트 변태 개시 온도 A1보다도 저온이면서 680℃보다 고온인 온도 T2까지 강온하여 유지한다. 여기서, 도 9에 도시한 항온 변태 곡선을 참조하여 설명한다. 조대 펄라이트 석출 공정에서는, 온도 T2로 유지하는 시간을, 펄라이트 변태 개시 곡선 Ps보다도 길게, 펄라이트 변태 종료 곡선 Pf보다도 짧게 한다. 온도 T2는, 예를 들어 710℃ 이하이다. 710℃ 이하로 함으로써, 처리 시간을 단축할 수 있다. 일례로서, 온도 T2를 700℃로 한 경우, 유지 시간은 10분 정도로 한다.
즉, 조대 펄라이트 석출 공정에서는, 오스테나이트의 일부를 펄라이트 변태시킨다. 그 때문에, 조대 펄라이트 석출 공정이 종료된 시점에 있어서, 강 부재의 마이크로 조직은 오스테나이트와 펄라이트가 혼재된 조직이 된다. 보다 상세하게는, 탄소 농도가 공석 조성을 초과한 강 부재의 표층부에서는, 오스테나이트와 초석 시멘타이트와 펄라이트가 혼재된 조직이 된다. 탄소 농도가 공석 조성 미만인 강 부재의 내부(즉 벌크)에서는, 오스테나이트와 초석 페라이트와 펄라이트가 혼재된 조직이 된다.
조대 펄라이트 석출 공정에서의 온도 T2는 680℃보다 고온이며, 다음의 미세 펄라이트 석출 공정에서의 온도 T3보다도 고온이다. 그 때문에, 조대 펄라이트 석출 공정에 있어서 형성되는 펄라이트의 라멜라 간격은, 미세 펄라이트 석출 공정에 있어서 형성되는 펄라이트보다도 라멜라 간격이 커진다.
다음으로, 미세 펄라이트 석출 공정에서는, 조대 펄라이트 석출 공정에서의 온도 T2로부터 온도 T3까지 강온하여 유지한다. 온도 T3은, 도 9에 도시한 항온 변태 곡선에 있어서의 노즈 온도 Tn보다 고온이면서 680℃보다 저온이다. 미세 펄라이트 석출 공정에서는, 조대 펄라이트 석출 공정에 있어서 잔류한 오스테나이트를 모두 펄라이트 변태시킨다. 온도 T3은, 예를 들어 600 내지 650℃이다. 650℃ 이하로 함으로써, 처리 시간을 단축할 수 있다. 일례로서, 온도 T3을 650℃로 한 경우, 유지 시간은 30분 정도로 한다. 한편, 온도 T3을 600℃ 이상으로 함으로써, 재가열에 있어서 소비되는 에너지를 억제할 수 있다.
미세 펄라이트 석출 공정이 종료된 시점에 있어서, 강 부재의 마이크로 조직은, 전체가 펄라이트가 된다. 단, 조대 펄라이트 석출 공정에 있어서 형성된 라멜라 간격이 큰 조대 펄라이트와, 미세 펄라이트 석출 공정에 있어서 형성된 라멜라 간격이 작은 미세 펄라이트가 혼재되어 있다. 여기서, 상술한 바와 같이, 펄라이트는, 페라이트층과 시멘타이트층이 교대로 적층된 라멜라 구조를 갖는다.
마지막으로, ??칭 공정에서는, 미세 펄라이트 석출 공정에서의 온도 T3으로부터 오스테나이트 변태 완료 온도 A3보다도 고온인 온도 T4로 강 부재를 가열하여 유지한 후, 급랭한다. ??칭 공정을 위한 온도 T4에서의 가열에 의해, 마이크로 조직이 펄라이트로부터 오스테나이트로 변화되고, 급랭에 의해, 마이크로 조직이 오스테나이트로부터 마르텐사이트로 변화된다. ??칭 공정에 의해, 강 부재의 표층부에 형성된 침탄층이 경화된다.
이상에 설명한 바와 같이, 제1 실시 형태에 관한 강 부재의 제조 방법에서는, 침탄 공정 후, 미세 펄라이트 석출 공정 전에, 조대 펄라이트 석출 공정을 행한다. 즉, 오스테나이트의 일부를 680℃보다도 고온에서 펄라이트 변태시킨다. 그 때문에, 조대 펄라이트 석출 공정에서는, 석출되는 펄라이트의 라멜라 간격이 커지고, ??칭 공정의 재가열에 의해, 펄라이트를 구성하는 시멘타이트층이 분단되어 미세립이 되어 잔류한다. 그 결과, ??칭 후의 강 부재의 피로 강도가 향상된다.
또한, 조대 펄라이트 석출 공정 후, 온도 T2로부터 온도 T3까지 강온하여, 미세 펄라이트 석출 공정에 있어서 펄라이트 변태를 종료시킨다. 그 때문에, 펄라이트 변태가 종료될 때까지의 시간이 길어지는 것을 억제할 수 있다. 즉, 생산성의 저하도 억제할 수 있다. 이와 같이, 제1 실시 형태에 관한 강 부재의 제조 방법에 의해, 강 부재의 피로 강도와 생산성을 양립시킬 수 있다.
강 부재의 제조 장치
다음으로, 도 2를 참조하여, 제1 실시 형태에 관한 강 부재의 제조 방법에 사용하는 제조 장치에 대하여 설명한다. 도 2는 제1 실시 형태에 관한 강 부재의 제조 방법에 사용하는 제조 장치의 모식도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 제조 장치는, 열처리 장치(10) 및 냉각 장치(20)를 구비하고 있다. 도 2에 도시한 제조 장치에서는, 열처리 장치(10)에 있어서, 도 1에 도시한 침탄 공정, 조대 펄라이트 석출 공정, 미세 펄라이트 석출 공정, ??칭 공정의 가열을 연속하여 행한다. 그 후, 강 부재(30)를 냉각 장치(20)로 반송하여, 도 1에 도시한 ??칭 공정의 냉각을 행한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 열처리 장치(10)는, 열 처리실(11), 히터(12), 진공 펌프 P를 구비하고 있다. 밀폐 가능한 상자 형상의 열 처리실(11)의 내부에 강 부재(30)가 수용된다. 도 2의 예에서는, 강 부재(30)는 기어이다. 열 처리실(11)의 외벽의 외측에는, 강 부재(30)를 가열하기 위한 히터(12)가 설치되어 있다. 히터(12)로서는, 예를 들어 적외선 히터를 사용할 수 있다. 그 경우, 히터(12)가 설치된 열 처리실(11)의 외벽은, 적외선을 투과하는 석영 등의 재료로 구성된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 열 처리실(11)의 외벽의 외측에 설치된 히터(12)(적외선 히터)에 의해 가열함으로써, 열 처리실(11)의 내부의 분위기를 가열하지 않고 강 부재(30)만을 가열할 수 있다. 그 때문에, 히터(12)를 껐을 때, 급속하게 강 부재(30)를 냉각할 수 있다. 또한, 열 처리실(11)의 외벽을 이중 구조로 하고, 강 부재(30)를 냉각할 때, 상기 외벽 사이에 냉각수, 냉각 가스, 액체 질소 등의 냉매를 흘려도 된다. 냉각 시간을 더 단축하여, 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 히터(12)로서 적외선 히터를 사용하면, 강 부재(30)의 형상 등이 변화되어도 균일하게 가열할 수 있어, 설정 변경이 불필요하게 된다. 또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 복수의 강 부재(30)를 동시에 가열할 수 있다. 또한, 히터(12)로서 예를 들어 유도 가열 히터를 사용해도 되지만, 강 부재(30)의 형상 등에 따라서 설정 변경이 필요하게 된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 열 처리실(11)의 내부는 진공 펌프 P에 의해 감압할 수 있다. 또한, 열 처리실(11)의 내부에 아세틸렌(C2H2) 등의 침탄 가스를 도입할 수 있다. 침탄 공정에서는, 열 처리실(11)의 내부를 진공 펌프 P에 의해 감압하면서, 아세틸렌(C2H2) 등의 침탄 가스를 도입한다. 침탄 공정이 종료될 때, 침탄 가스의 도입을 정지하고, 열 처리실(11)의 내부를 진공 펌프 P에 의해 감압하면서, 조대 펄라이트 석출 공정, 미세 펄라이트 석출 공정, ??칭 공정에서의 가열을 연속하여 행한다.
냉각 장치(20)는 ??칭실(21), 냉매 분사부(22)를 구비하고 있다. 밀폐 가능한 상자 형상의 ??칭실(21)의 내부에, 열처리 장치(10)에 있어서 ??칭을 위해 가열된 강 부재(30)가 반송된다. ??칭실(21)의 천장부에는 냉매 분사부(22)가 설치되어 있고, 냉매 분사부(22)로부터 강 부재(30)를 향하여 냉매(23)가 분사된다. 냉매로서는, 물, 오일, 불활성 가스 등을 사용할 수 있다.
도 2에 도시한 제조 장치에서는, 침탄 공정, 펄라이트화 공정(조대 펄라이트 석출 공정 및 미세 펄라이트 석출 공정), ??칭 공정의 가열을 하나의 열처리 장치(10)에서 행하기 때문에, 제조 장치를 콤팩트하게 할 수 있다. 또한, 예를 들어 침탄 공정 전에 강 부재(30)를 미리 가열해 두는 예비 가열실(도시하지 않음)을 별도로 마련해도 된다. 열처리 장치(10)에 있어서 강 부재(30)를 처리하고 있는 동안에, 예비 가열실에 있어서 다른 강 부재(30)를 미리 가열해 둘 수 있기 때문에, 생산성이 향상된다.
강 부재의 다른 제조 장치
다음으로, 도 3을 참조하여, 제1 실시 형태에 관한 강 부재의 제조 방법에 사용하는 다른 제조 장치에 대하여 설명한다. 도 3은 제1 실시 형태에 관한 강 부재의 제조 방법에 사용하는 다른 제조 장치의 모식도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 제조 장치는, 침탄 처리 장치(10a), 펄라이트화 처리 장치(10b), ??칭 가열 장치(10c) 및 냉각 장치(20)를 구비하고 있다.
도 3에 도시한 제조 장치에서는, 먼저, 침탄 처리 장치(10a)에 있어서, 도 1에 도시한 침탄 공정을 행한다. 다음으로, 강 부재(30)를 펄라이트화 처리 장치(10b)로 반송하여, 도 1에 도시한 조대 펄라이트 석출 공정 및 미세 펄라이트 석출 공정을 행한다. 다음으로, 강 부재(30)를 ??칭 가열 장치(10c)로 반송하여, 도 1에 도시한 ??칭 공정의 가열을 행한다. 마지막으로, 강 부재(30)를 냉각 장치(20)로 반송하여, 도 1에 도시한 ??칭 공정의 냉각을 행한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 침탄 처리 장치(10a)는, 열 처리실(11a), 히터(12a)를 구비하고 있다. 도 2에 도시한 열처리 장치(10)와 마찬가지로, 침탄 처리 장치(10a)도 진공 펌프 P를 구비하고 있음과 함께 침탄 가스를 도입할 수 있지만, 도 3에서는 생략되어 있다. 침탄 처리 장치(10a)는, 예를 들어 범용의 진공 가열로이며, 열 처리실(11a)의 내벽에, 강 부재(30)를 가열하기 위한 히터(12a)가 설치되어 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 펄라이트화 처리 장치(10b)는 열 처리실(11b), 히터(12b)를 구비하고 있다. 도 2에 도시한 열처리 장치(10)와 마찬가지로, 펄라이트화 처리 장치(10b)도 진공 펌프 P를 구비하고 있지만, 도 3에서는 생략되어 있다. 침탄 처리 장치(10a)와 마찬가지로, 펄라이트화 처리 장치(10b)도, 예를 들어 범용의 진공 가열로이며, 열 처리실(11b)의 내벽에, 강 부재(30)를 가열하기 위한 히터(12b)가 설치되어 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, ??칭 가열 장치(10c)는 열 처리실(11c), 히터(12c)를 구비하고 있다. 도 2에 도시한 열처리 장치(10)와 마찬가지로, ??칭 가열 장치(10c)도 진공 펌프 P를 구비하고 있지만, 도 3에서는 생략되어 있다. 침탄 처리 장치(10a)와 마찬가지로, ??칭 가열 장치(10c)도, 예를 들어 범용의 진공 가열로이며, 열 처리실(11c)의 내벽에, 강 부재(30)를 가열하기 위한 히터(12c)가 설치되어 있다. 또한, 냉각 장치(20)는, 도 2에 도시한 제조 장치의 냉각 장치(20)와 마찬가지이기 때문에, 설명을 생략한다.
도 2에 도시한 제조 장치에서는, 침탄 공정, 펄라이트화 공정(조대 펄라이트 석출 공정 및 미세 펄라이트 석출 공정), ??칭 공정의 가열을 하나의 열처리 장치(10)에서 행한다. 이에 반해, 도 3에 도시한 제조 장치에서는, 침탄 공정, 펄라이트화 공정(조대 펄라이트 석출 공정 및 미세 펄라이트 석출 공정), ??칭 공정의 가열을 각각의 장치에서 행한다. 그 때문에, 각각의 장치에서 상이한 강 부재(30)를 병행하여 처리할 수 있어, 생산성이 우수하다.
실시예
이하에, 제1 실시 형태의 비교예 및 실시예에 대하여 설명한다. 비교예 및 실시예에 관한 강 부재로서는, JIS 규격 SCM420으로 이루어지는 강 부재를 사용하였다. 시험편의 형상은, 롤러 피칭 피로 시험을 행하기 위해, 직경 26㎜, 길이 130㎜의 환봉 형상으로 하였다. 여기서, 도 4는 제1 실시 형태의 비교예에 관한 강 부재의 제조 방법을 도시하는 온도 차트이다. 또한, 도 5는 제1 실시 형태의 실시예에 관한 강 부재의 제조 방법을 도시하는 온도 차트이다.
먼저, 도 4, 도 5에 도시한 바와 같이, 비교예 및 실시예에 관한 강 부재에 대해서는, 모두 1100℃에서 12분간, 침탄을 행하였다. 다음으로, 도 4에 도시한 바와 같이, 비교예에 관한 강 부재에 대해서는, 650℃에서 30분간, 펄라이트화 처리를 행하였다. 한편, 도 5에 도시한 바와 같이, 실시예에 관한 강 부재에 대해서는, 700℃에서 10분간, 조대 펄라이트 석출 처리를 행한 후, 650℃에서 30분간, 미세 펄라이트 석출 처리를 행하였다.
마지막으로, 도 4에 도시한 바와 같이, 비교예에 관한 강 부재에 대해서는, 850℃에서 1분간 가열한 후, 수랭하여 ??칭하였다. 한편, 도 5에 도시한 바와 같이, 실시예에 관한 강 부재에 대해서는, 900℃에서 1분간 가열한 후, 수랭하여 ??칭하였다.
??칭 후의 비교예 및 실시예에 관한 강 부재에 대하여, 비커스 경도 측정, 마이크로 조직 관찰, 롤러 피칭 피로 시험을 실시하였다. 또한, 도 4, 도 5에 파선으로 나타낸 바와 같이, 펄라이트화 처리(미세 펄라이트 석출 처리) 후에 수랭한 비교예 및 실시예에 관한 강 부재에 대하여, 비커스 경도 측정, 마이크로 조직 관찰을 실시하였다. 롤러 피칭 피로 시험 조건에 대해서는, 회전수를 2000rpm, 슬립율을 -40％, 유온을 80℃, 유량을 1.5L/min으로 하였다. 윤활유로는 ATF(Automatic Transmission Fluid)인 JWS3309를 사용하였다.
도 6은 비교예 및 실시예에 관한 강 부재에 있어서의 깊이 방향의 경도 프로파일을 나타내는 그래프이다. 횡축은 표면으로부터의 깊이(㎜), 종축은 비커스 경도(HV)를 나타내고 있다. 도 6에는, 펄라이트화 처리 후의 비교예 및 실시예에 관한 강 부재의 비커스 경도와, ??칭 후의 비교예 및 실시예에 관한 강 부재의 비커스 경도가, 플롯되어 있다. 도 6에 도시한 바와 같이, 비교예 및 실시예에 관한 강 부재 중 어느 것에 대해서도, 표면으로부터 깊이 0.7㎜ 정도까지 침탄층이 형성되어 있었다.
도 6에 도시한 바와 같이, 펄라이트화 처리 후의 강 부재에 대해서는, 침탄층에 있어서, 비교예보다도 실시예쪽이, 비커스 경도가 50 내지 100HV 정도 낮았다. 실시예에 관한 강 부재에서는, 비교예의 펄라이트화 처리보다도 고온의 조대 펄라이트 석출 처리에 있어서 조대 펄라이트를 석출시켰기 때문에, 경도가 낮아진 것으로 추정된다. 한편, 도 6에 도시한 바와 같이, ??칭 후의 강 부재에 대해서는, 침탄층에 있어서, 비교예와 실시예의 비커스 경도는 동등하였다. 단, 깊이 0.4 내지 0.6㎜에서는, 비교예보다도 실시예의 비커스 경도쪽이 높았다.
도 7은 비교예 및 실시예에 관한 강 부재의 마이크로 조직 사진이다. 도 7에는, 펄라이트화 처리 후의 비교예 및 실시예에 관한 강 부재의 마이크로 조직과, ??칭 후의 비교예 및 실시예에 관한 강 부재의 마이크로 조직이, 나란히 도시되어 있다. 도 7에 도시한 바와 같이, 펄라이트화 처리 후의 강 부재에 대해서는, 비교예에 비해 실시예의 마이크로 조직에 있어서 라멜라 간격이 크게 되어 있음을 확인할 수 있었다. 또한, ??칭 후의 강 부재에 대해서는, 비교예의 마이크로 조직에서는 시멘타이트를 확인할 수 없었던 데 반해, 실시예의 마이크로 조직에서는 시멘타이트의 미세립을 확인할 수 있었다.
도 8은 ??칭 후의 비교예 및 실시예에 관한 강 부재의 롤러 피칭 피로 시험의 결과를 나타내는 그래프이다. 횡축은 피칭이 발생한 반복수(회), 종축은 시험편에 부하된 헤르츠 면압(㎫)을 나타내고 있다. 도 8에 도시한 바와 같이, 비교예에 관한 강 부재의 피로 강도에 대해, 실시예에 관한 강 부재의 피로 강도는, 1.3배 정도였다. 이와 같이, 제1 실시 형태에 관한 강 부재의 제조 방법을 적용함으로써, 제조된 강 부재의 피로 강도가 향상됨을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명은 제1 실시 형태에 한정된 것이 아니라, 취지를 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경하는 것이 가능하다.

Claims (5)

  1. 강 부재(30)의 제조 방법에 있어서,
    오스테나이트 변태 완료 온도(A3)보다도 고온으로 강 부재(30)를 가열하여 오스테나이트화하면서, 탄소 농도가 공석 조성보다도 높아질 때까지 침탄하는 침탄 공정과,
    오스테나이트 변태 개시 온도(A1)보다도 낮고 또한 항온 변태 곡선의 노즈 온도보다도 높은 온도까지 상기 강 부재(30)를 강온하여, 상기 침탄 공정에 있어서 형성된 오스테나이트를 펄라이트화하는 펄라이트화 공정과,
    상기 펄라이트화 공정 후, 상기 오스테나이트 변태 완료 온도(A3)보다도 고온으로 상기 강 부재(30)를 재가열하여 급랭하는 ??칭 공정을 구비하고,
    상기 펄라이트화 공정은, 상기 오스테나이트 변태 개시 온도(A1)보다도 낮고 또한 680℃보다도 높은 제1 온도까지 상기 강 부재(30)를 강온하여 유지하여, 상기 침탄 공정에 있어서 형성된 오스테나이트의 일부를 펄라이트화하는 제1 펄라이트 석출 공정과, 680℃ 이하이면서 상기 노즈 온도보다도 높은 제2 온도까지 상기 강 부재(30)를 더 강온하여 유지하여, 상기 제1 펄라이트 석출 공정에 있어서 잔류한 오스테나이트를 펄라이트화하는 제2 펄라이트 석출 공정을 포함하는, 강 부재(30)의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 온도를 680℃ 초과 710℃ 이하로 하는, 강 부재(30)의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 온도를 600℃ 이상 650℃ 이하로 하는, 강 부재(30)의 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 침탄 공정에 있어서 상기 강 부재(30)가 수용되는 열 처리실(11)의 외벽을, 적외선을 투과하는 재질로 구성하고, 상기 외벽의 외측에 설치된 적외선 히터(12)에 의해 상기 강 부재(30)를 가열하는, 강 부재(30)의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 침탄 공정 후, 상기 열 처리실(11)에 상기 강 부재(30)를 수용한 채로, 상기 펄라이트화 공정 및 상기 ??칭 공정에서의 재가열을 연속하여 행하는, 강 부재(30)의 제조 방법.
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