KR102240150B1

KR102240150B1 - 연질화용 강 및 부품

Info

Publication number: KR102240150B1
Application number: KR1020197015288A
Authority: KR
Inventors: 나오야 이하라; 마사유키 가사이; 타카시 이와모토; 키미히로 니시무라
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2021-04-13
Also published as: KR20190077033A; EP3550048B1; JPWO2018101451A1; US11242593B2; MX2019006232A; US20200149148A1; JP6610808B2; EP3550048A4; CN110036129B; EP3550048A1; JP2019218633A; JP6737387B2; CN110036129A; WO2018101451A1

Abstract

C: 0.01％ 이상 0.10％ 이하, Si: 1.0％ 이하, Mn: 0.5％ 이상 3.0％ 이하, P: 0.02％ 이하, S: 0.06％ 이하, Cr: 0.30％ 이상 0.9％ 이하, Mo: 0.005％ 이상 0.200％ 이하, V: 0.02％ 이상 0.50％ 이하, Nb: 0.003％ 이상 0.150％ 이하, Al: 0.005％ 이상 0.200％ 이하, N: 0.0200％ 이하, Sb: 0.0005％ 이상 0.0200％ 이하, W: 0.3％ 이하(0％를 포함함), Co: 0.3％ 이하(0％를 포함함), Hf: 0.2％ 이하(0％를 포함함), Zr: 0.2％ 이하(0％를 포함함) 및 Ti: 0.1％ 이하(0％를 포함함)를, 식 9.5≤([Cr]/52＋[V]/50.9＋[Nb]/92.9＋M)×10³≤18.5를 만족하는 범위에서 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물의 성분 조성을 갖고, 베이나이트상(相)의 조직 전체에 대한 면적률이 50％ 초과인 강 조직으로 함으로써, 극표층의 Cr, V, Nb의 석출을 억제함으로써 경화층 깊이가 확보된 연질화용 강을 제공한다.

Description

연질화용 강 및 부품{STEEL FOR NITROCARBURIZING, AND COMPONENT}

본 발명은, 연질화용 강에 관한 것으로, 연질화 처리 전에는 일정한 피삭성을 가지면서, 연질화 처리 후에는 피로 특성이 우수한 것이 되는, 자동차나 건설 기계용 부품에 이용하여 적합한 연질화용 강을 제공하고자 하는 것이다. 또한 본 발명은, 이 연질화용 강을 연질화 처리하여 얻어지는 부품에 관한 것이다.

자동차의 기어 등의 기계 구조 부품에는 우수한 피로 특성이 요구되기 때문에, 표면 경화 처리가 실시되는 것이 통례이다. 표면 경화 처리로서는, 침탄(carburizing) 처리나 고주파 퀀칭 처리, 질화 처리 등이 잘 알려져 있다.

이들 중, 침탄 처리는, 고온의 오스테나이트역에 있어서 C를 침입·확산시키는 점에서, 깊은 경화 깊이가 얻어져, 피로 특성의 향상에 유효하다. 그러나, 침탄 처리에 의해 열처리 변형이 발생하기 때문에, 정숙성 등의 관점에서 엄격한 치수 정밀도가 요구되는 부품에 대해서는, 그의 적용이 곤란했다.

또한, 고주파 퀀칭 처리는, 고주파 유도 가열에 의해 표층부를 퀀칭하는 처리이기 때문에, 역시 열처리 변형이 발생하여, 침탄 처리와 마찬가지로 치수 정밀도의 면에서 문제가 있었다.

한편, 질화 처리는, Ac₁ 변태점 이하의 비교적 저온도역에서 질소를 침입·확산시켜 표면 경도를 높이는 처리이기 때문에, 상기한 바와 같은 열처리 변형이 발생할 우려는 없다. 그러나, 처리 시간이 50∼100시간으로 길고, 또한 처리 후에 표층의 취약한 화합물층을 제거할 필요가 있다는 문제가 있었다.

그 때문에, 질화 처리와 동일 정도의 처리 온도에서 처리 시간을 짧게 한, 소위 연질화 처리가 개발되어, 최근에는 기계 구조용 부품 등을 대상으로 널리 보급되어 있다. 이 연질화 처리는, 500∼600℃의 온도역에서 N과 C를 동시에 침입·확산시켜, 표면을 경화하는 것이며, 종래의 질화 처리에 비해 처리 시간을 절반 이하로 하는 것이 가능하다.

그러나, 전술한 침탄 처리로는, 퀀칭 경화에 의해 심부(芯部) 경도를 상승시키는 것이 가능함에 대하여, 연질화 처리는 강의 변태점 이하의 온도에서 처리를 행하는 것이기 때문에, 심부 경도가 상승하지 않고, 연질화 처리재는 침탄 처리재와 비교하면, 피로 특성이 뒤떨어진다는 문제가 있었다.

그래서, 연질화 처리재의 피로 특성을 높이기 위해, 통상, 연질화 처리 전에 퀀칭·템퍼링 처리를 행하여, 심부 경도를 상승시키고 있지만, 얻어지는 피로 특성은 충분하다고는 하기 어렵고, 또한, 제조 비용이 상승하고, 또한 기계 가공성의 저하도 피할 수 없었다.

이러한 문제를 해결하는 것으로서, 특허문헌 1에는, 강 중에, Ni나 Cu, Al, Cr, Ti 등을 함유시킴으로써, 연질화 처리 후에 높은 굽힘 피로 특성을 얻는 것을 가능하게 한 연질화용 강이 제안되어 있다. 즉, 이 강은, 연질화 처리에 의해, 심부에 대해서는 Ni-Al, Ni-Ti계의 금속간 화합물 혹은 Cu 화합물로 시효 경화(age-hardening)시키는 한편, 표층부에 대해서는 질화층 중에 Cr, Al, Ti 등의 질화물이나 탄화물을 석출 경화시킴으로써, 굽힘 피로 특성을 향상시키고 있다.

또한, 특허문헌 2에는, Cu를 0.5∼2％ 함유시킨 강을, 열간 단조(hot forging)로 단신(extend-forging) 후, 공냉하고, Cu가 고용된 페라이트 주체의 조직으로 하고, 580℃, 120분의 연질화 처리 중에 Cu를 석출 경화시키고, 추가로 Ti, V 및 Nb 탄질화물의 석출 경화도 병용함으로써, 연질화 처리 후에 있어서 우수한 굽힘 피로 특성이 얻어지는 연질화용 강이 제안되어 있다.

또한, 특허문헌 3에는, Ti-Mo 탄화물, 또한 그들에 추가로 Nb, V, W의 1종 또는 2종 이상을 포함하는 탄화물을 분산시킨 연질화용 강이 제안되어 있다.

또한 추가로, 특허문헌 4에는, V, Nb를 함유하는 강에 있어서, 질화 전의 조직을 베이나이트 주체의 조직으로 하고, 질화 전의 단계에 있어서의 V, Nb 탄질화물의 석출을 억제하는 한편, 질화 시에 이들 탄질화물을 석출시킴으로써, 심부 경도를 향상시킨 피로 특성이 우수한 질화용 강재가 제안되어 있다.

일본공개특허공보 평5-59488호 일본공개특허공보 2002-69572호 일본공개특허공보 2010-163671호 일본특허공보 제5567747호

그러나, 특허문헌 1에 기재된 연질화강은, Ni-Al, Ni-Ti계의 금속간 화합물이나 Cu 등의 석출 경화에 의해 굽힘 피로 특성은 향상하기는 하지만, 가공성의 확보가 충분하다고는 하기 어려웠다. 또한, 특허문헌 2에 기재된 연질화용 강은, Cu, Ti, V, Nb를 비교적 다량으로 첨가할 필요가 있기 때문에, 생산 비용이 높다는 문제가 있었다. 추가로, 특허문헌 3에 기재된 연질화용 강에서는, 미세 석출물을 충분히 석출시키기 위해서는 Ti, Mo를 다량으로 함유시킬 필요가 있어, 역시 고비용이라는 문제가 있었다.

한편, 특허문헌 4에 기재된 질화용 강재는, 질화층의 석출 경화를 위해, Cr, V, Nb를 포함하고 있다. 이들 원소는 질화층의 경화에 유효한 원소이지만 과잉으로 첨가한 경우에는 표층의 극히 근방에서만 석출 경화하여, 경화층이 표층의 얕은 부분에만 형성된다는 과제가 있었다.

본 발명은, 상기의 문제를 유리하게 해결하는 것으로, 극표층의 Cr, V, Nb의 석출을 억제함으로써 경화층 깊이가 확보된 연질화용 강을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은, 기계 가공 후의 연질화 처리에 의해 심부 경도를 높이고, 그로써 피로 특성을 향상시킨 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명자들은, 상기의 과제를 해결하기 위해, 강의 성분 조성 및 조직의 영향에 대해서 예의 검토를 행했다. 그의 결과, 강의 성분 조성으로서, 염가인 C를 비교적 다량으로 함유시킴과 함께 Cr, V 및 Nb를 적정량 함유시켜, 강 조직을 면적률로 50％ 초과의 베이나이트상(相)으로 함으로써, Cr, V, Nb의 석출이 억제되는 결과, 우수한 기계 가공성을 확보할 수 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 연질화 처리 후에는, 연질화 처리 부품의 심부에 Cr, V 및 Nb를 포함하는 미세한 석출물을 분산 석출하도록 되어, 심부 경도가 상승하여, 우수한 피로 특성이 얻어진다는 인식을 얻었다. 또한, Cr, V, Nb, W, Co, Hf, Zr 및 Ti의 함유량의 적정화에 의해, 연질화 처리 시에, N 및 C가 표면에서 내부로의 확산을 방해하는, 탄질화물 형성 원소가 감소하고, 연질화 처리에 의해 형성할 수 있는 경화층의 두께가 증대하고, 이 점이 면 피로 강도의 향상으로 연결된다는 인식을 얻었다.

본 발명은, 상기의 인식에 기초하여, 추가로 검토를 더한 끝에 완성된 것이며, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

1. 질량％로,

C: 0.010％ 이상 0.100％ 이하,

Si: 1.00％ 이하,

Mn: 0.50％ 이상 3.00％ 이하,

P: 0.020％ 이하,

S: 0.060％ 이하,

Cr: 0.30％ 이상 0.90％ 이하,

Mo: 0.005％ 이상 0.200％ 이하,

V: 0.02％ 이상 0.50％ 이하,

Nb: 0.003％ 이상 0.150％ 이하,

Al: 0.005％ 이상 0.200％ 이하,

N: 0.0200％ 이하,

Sb: 0.0005％ 이상 0.0200％ 이하,

W: 0.3％ 이하(0％를 포함함),

Co: 0.3％ 이하(0％를 포함함),

Hf: 0.2％ 이하(0％를 포함함),

Zr: 0.2％ 이하(0％를 포함함) 및

Ti: 0.1％ 이하(0％를 포함함)

를, 하기식 (1)을 만족하는 범위에서 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물의 성분 조성을 갖고, 또한 베이나이트상의 조직 전체에 대한 면적률이 50％ 초과인 강 조직을 갖는 연질화용 강.

　　　　　　　　　　　　　　　　기

9.5≤([Cr]/52＋[V]/50.9＋[Nb]/92.9＋M)×10³≤18.5 ---(1)

단, M: [W]/183.8, [Co]/58.9, [Hf]/178.5, [Zr]/91.2 및 [Ti]/47.9의 총합

여기에서, [ ]는 당해 괄호 내의 원소의 함유량(질량％)

2. 상기 성분 조성이, 추가로 질량％로,

B: 0.0100％ 이하,

Cu: 0.3％ 이하 및

Ni: 0.3％ 이하

중 어느 1종 또는 2종 이상을 함유하는 상기 1에 기재된 연질화용 강.

3. 상기 성분 조성이, 추가로 질량％로,

Pb: 0.2％ 이하,

Bi: 0.2％ 이하,

Zn: 0.2％ 이하 및

Sn: 0.2％ 이하

중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 상기 1 또는 2에 기재된 연질화용 강.

4. 상기 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 성분 조성 및 강 조직을 갖는 심부와, 당해 심부의 성분 조성에 대하여, 질소 및 탄소의 함유량이 높은 성분 조성인 표층부를 갖고, 상기 베이나이트상 중에, Cr을 포함하는 석출물, V를 포함하는 석출물 및 Nb를 포함하는 석출물이 분산 석출되어 이루어지는 부품.

본 발명에 의하면, 염가인 성분계에 있어서, 기계 가공성이 우수한 연질화용 강을 제공할 수 있다. 이 연질화용 강에 연질화 처리를 행함으로써, 침탄 처리를 실시한 JIS SCr420재와 동등 이상의 피로 특성을 갖는, 본 발명의 부품을 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 연질화용 강은, 자동차 등의 기계 구조 부품을 제조하기 위한 소재로서 매우 유용하다. 또한, 본 발명의 부품은, 자동차 등의 기계 구조 부품에 적용하기에 매우 유용하다.

도 1은 롤러 피칭 시험편을 나타내는 도면이다.
도 2는 ([Cr]/52＋[V]/50.9＋[Nb]/92.9＋M)×10³의 값이 면 피로 강도에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.
도 3은 연질화 부품의 대표적인 제조 공정을 나타내는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

우선, 본 발명에 있어서, 성분 조성을 상기의 범위로 한정한 이유에 대해서 설명한다. 또한, 이하의 성분 조성을 나타내는 「％」는, 특별히 언급하지 않는 한 「질량％」를 의미하는 것으로 한다.

C: 0.010％ 이상 0.100％ 이하

C는, 후술하는 베이나이트상의 생성 및, 강도 확보를 위해 필요하다. C량이 0.010％ 미만인 경우, 충분한 양의 베이나이트상이 얻어지지 않을 뿐만 아니라, 연질화 처리 후에 V 및 Nb의 석출물량이 부족하여, 강도 확보가 곤란해지기 때문에, 0.010％ 이상으로 한다. 한편, C 함유량이 0.100％ 초과가 되면, 생성된 베이나이트상의 경도가 증가하여, 기계 가공성이 저하하기 때문에, C량은 0.010％ 이상 0.100％ 이하의 범위로 한다. 보다 바람직하게는 0.060％ 이상 0.090％ 이하의 범위이다.

Si: 1.00％ 이하

Si는, 탈산 뿐만 아니라, 베이나이트상의 생성에 유효하지만, 1.00％를 초과하면 페라이트 및 베이나이트상에 고용되고, 그의 고용 경화에 의해, 기계 가공성 및 냉간 가공성을 열화시키기 때문에, Si량은 1.00％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.50％ 이하, 보다 바람직하게는 0.30％ 이하이다. 또한, Si를 탈산에 유효하게 기여시키기 위해서는, 함유량을 0.010％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Mn: 0.50％ 이상 3.00％ 이하

Mn은, 강의 퀀칭성을 높여, 베이나이트상을 안정적으로 생성시키는 작용이 있다. 또한, Mn은 자동차 부품으로서 중요한, 굽힘 충격성을 향상시킨다. 일반적으로, 피로 특성을 올리기 위해서는 C량을 올려, 부품에 있어서의 심부 경도(이하, 심부 경도라고 함)를 높이는 것이 유효하다. 그러나, 단순히 C량을 올리면, 굽힘 충격 특성이 저하한다. 그러나, Mn량이 0.50％ 이상이면, C량의 상승에 수반하는 굽힘 충격 특성의 저하를 억제할 수 있다. Mn량이 0.50％ 미만인 경우, 상기 효과는 부족하고, 또한, MnS의 생성량이 충분하지 않기 때문에, 피삭성이 저하한다. 따라서, Mn량은 0.50％ 이상으로 한다. 한편, 3.00％를 초과하면 기계 가공성 및 냉간 가공성을 열화시키기 때문에, Mn량은 3.00％ 이하로 한다. 바람직하게는 1.50％ 이상 2.50％ 이하, 보다 바람직하게는 1.50％ 이상 2.00％ 이하의 범위이다.

P: 0.020％ 이하

P는, 불순물로서 강 중에 혼입하는 원소이지만, 오스테나이트 입계에 편석하고, 입계 강도를 저하시킴으로써, 강도, 인성을 저하시킨다. 따라서, P의 함유는 최대한 억제하는 것이 바람직하지만, 0.020％까지는 허용된다. 또한, P를 0.001％ 미만으로 하려면 높은 비용을 필요로 하는 점에서, 공업적으로는 0.001％까지 저감하면 좋다.

S: 0.060％ 이하

S는, 불순물로서 강 중의 혼입하는 원소이지만, 그의 함유량이 0.060％를 초과하면, 강의 인성이 저하하기 때문에, 함유량을 0.060％ 이하로 제한한다. 바람직하게는 0.040％ 이하이다. 한편, S는, 강 중에서 MnS를 형성하고, 피삭성을 향상시킨다는 의미에서 유용하기도 하여, S에 의한 피삭성 향상 효과를 발현시키기 위해서는, S량을 0.002％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Cr: 0.30％ 이상 0.90％ 이하

Cr은, 베이나이트상의 생성에 유효하기 때문에 첨가한다. 그러나, 함유량이 0.30％ 미만인 경우, 베이나이트상의 생성량이 적어져, 연질화 처리 전에 V 및 Nb의 석출물이 생성되기 때문에, 연질화 전의 경도가 증가한다. 덧붙여, 연질화 처리 후에 있어서의 V 및 Nb의 석출물의 절대량이 감소하기 때문에, 연질화 처리 후의 경도가 저하하여 강도 확보가 곤란해진다. 따라서, Cr량은 0.30％ 이상으로 한다. 한편, 후술하는 바와 같이 0.90％를 초과하면 유효 경화층 깊이의 감소를 초래하기 때문에, Cr량은 0.90％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.50∼0.90％의 범위이다.

Mo: 0.005％ 이상 0.200％ 이하

Mo는, V 및 Nb 석출물을 미세하게 석출시켜, 연질화 처리재의 강도를 향상시키는 효과가 있어, 본 발명에 있어서 중요한 원소이다. 또한 베이나이트상의 생성에도 유효하다. 여기서, 강도 향상을 위해서는 0.005％ 이상의 첨가를 필요로 하지만, 고가의 원소이기 때문에 0.200％를 초과하여 첨가하면, 성분 비용의 상승을 초래한다. 이 때문에, Mo량은 0.005∼0.200％의 범위로 한다. 바람직하게는 0.010∼0.200％, 보다 바람직하게는 0.040∼0.200％의 범위이다.

V: 0.02％ 이상 0.50％ 이하

V는, 연질화 시의 온도 상승에 의해, Nb와 함께 미세 석출물을 형성하여 심부 경도를 증가시켜, 강도를 향상시키는 중요한 원소이다. 그러나, V량이 0.02％ 미만에서는 소망하는 효과를 얻기 어렵고, 한편 0.50％ 초과에서는 석출물이 조대화하여, 강도 향상량이 포화한다. 또한, 연속 주조 중에 초석 페라이트가 석출되어, 균열이 발생하기 쉬워지기 때문에, V량은 0.02∼0.50％의 범위로 한다. 바람직하게는 0.03∼0.30％, 보다 바람직하게는 0.03∼0.25％의 범위이다.

Nb: 0.003％ 이상 0.150％ 이하

Nb는, 연질화 시의 온도 상승에 의해, V와 함께 미세 석출물을 형성하여 심부 경도를 증가시키기 때문에, 피로 특성 향상에 매우 유효하다. 그러나, Nb량이 0.003％ 미만에서는 소망하는 효과를 얻기 어렵고, 한편 0.150％를 초과하면 석출물이 조대화하여, 강도 향상량이 포화한다. 또한, 연속 주조 중에 초석 페라이트가 석출되어, 균열이 발생하기 쉬워지기 때문에, Nb량은 0.003∼0.150％의 범위로 한다. 바람직하게는 0.020∼0.120％의 범위이다.

Al: 0.005％ 이상 0.200％ 이하

Al은, 연질화 처리 후의 표면 경도 및 유효 경화층 깊이의 향상에 유용한 원소이기 때문에, 적극적으로 첨가한다. 또한, 열간 단조시에 있어서의 오스테나이트 입성장을 억제함으로써, 조직을 미세화하여 인성을 향상시키는 데에 있어서도 유용한 원소이다. 이러한 관점에서, Al은 0.005％ 이상으로 함유시킨다. 한편, 0.200％를 초과하여 함유시켜도 그의 효과는 포화하고, 오히려 성분 비용의 상승을 초래하는 불리(不利)가 발생하기 때문에, Al량은 0.200％ 이하로 한정한다. 바람직하게는 0.020％ 이상 0.100％ 이하의 범위, 보다 바람직하게는 0.020％ 이상 0.040％ 이하의 범위이다.

N: 0.0200％ 이하

N은, 강 중에서 탄질화물을 형성하고, 연질화 처리재의 강도를 향상시키는 유용 원소이다. 따라서, 0.0020％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, 함유량이 0.0200％를 초과하면, 형성하는 탄질화물이 조대화하여 강재의 인성을 저하시킨다. 또한, 주편(cast steel)의 표면 균열이 발생하여, 주편 품질이 저하한다. 이 때문에, N은 0.0200％ 이하로 한정한다.

Sb: 0.0005％ 이상 0.0200％ 이하

Sb는, 베이나이트상의 생성을 촉진하는 효과를 갖는다. 그의 첨가량이 0.0005％를 충족하지 않으면 첨가 효과가 부족하고, 한편 0.0200％를 초과하여 첨가해도 효과가 포화하여, 성분 비용의 상승을 초래할 뿐만 아니라, 편석에 의해 모재 인성의 저하도 발생하기 때문에, Sb는 0.0005∼0.0200％의 범위로 한정한다. 바람직하게는 0.0010∼0.0100％의 범위이다.

W: 0.3％ 이하(0％를 포함함), Co: 0.3％ 이하(0％를 포함함), Hf: 0.2％ 이하(0％를 포함함), Zr: 0.2％ 이하(0％를 포함함), Ti: 0.1％ 이하(0％를 포함함)

W, Co, Hf, Zr 및 Ti는 모두 강의 강도 향상에 유효한 원소로서, 함유되어 있어도 좋지만, 반드시 함유가 필요시 되는 원소는 아니다(함유량이 0％라도 좋음). 이들 원소를 강의 강도 향상에 기여시키기 위해서는, 각각, W이면 0.01％ 이상, Co이면 0.01％ 이상, Hf이면 0.01％ 이상, Zr이면 0.01％ 이상, Ti이면 0.001％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 이들 원소를 복합하여 함유하고 있어도 좋다. 한편, W는 0.3％, Co는 0.3％, Hf는 0.2％, Zr은 0.2％, Ti는 0.1％를 초과하여 함유되면, 강의 인성이 저하하기 때문에, 상기의 범위로 규정한다. 또한, 바람직하게는 W: 0.01∼0.25％, Co: 0.01∼0.25％, Hf: 0.01∼0.15％, Zr: 0.01∼0.15％, Ti: 0.001∼0.01％이다.

이상 설명한 원소 중, Cr, V, Nb, W, Co, Hf, Zr 및 Ti와 같은 탄질화물을 형성하는 원소는, 그들 첨가량이 증가하면, 극표층에서 N이나 C가 과잉으로 석출되어, 경화층 깊이가 감소한다. 이러한 사태를 회피하려면, 하기식 (1)을 만족시키는 것이 중요하다.

　　　　　　　　　　　　　　　　기

9.5≤([Cr]/52＋[V]/50.9＋[Nb]/92.9＋M)×10³≤18.5---(1)

단, M: [W]/183.8, [Co]/58.9, [Hf]/178.5, [Zr]/91.2 및 [Ti]/47.9의 총합

여기에서, [ ]는 당해 괄호 내의 원소의 함유량(질량％)

이하에, 상기한 식 (1)을 특정하기에 이른 실험에 대해서 설명한다.

즉, C: 0.05％, Si: 0.1％, Mn: 1.5％, Cr: (0∼1.5)％, V: (0∼0.3)％, Nb: (0∼0.3)％, Mo: 0.1％ 및 N: 0.0100％를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물의 성분 조성을 갖는, 100㎏ 강괴를 용제했다. 이 강괴를 33㎜φ의 봉강(steel bar)에 열간 단조 했다. 얻어진 봉강을 1200℃에서 1시간 보존유지한 후, 방냉하여, 열간 단조 상당재로 했다. 이 열간 단조 상당재로부터, 도 1에 나타내는 26㎜φ×130㎜의 롤러 피칭 시험편을 채취했다. 이 시험편에 대하여, 570℃에서 3시간의 연질화 처리를 실시하여, 롤러 피칭 시험에 제공했다. 롤러 피칭 시험은, 후술하는 실시예에 있어서의 피로 특성 평가와 동일한 조건으로 행했다.

롤러 피칭 시험의 결과를, 도 2에 나타낸다. 도 2로부터, ([Cr]/52＋[V]/50.9＋[Nb]/92.9＋M)×10³으로 산출되는 값이 9.5 이상 18.5 이하인 경우, 특히 면 피로 특성이 우수한 것을 알 수 있다. 또한, 상기와 동일하게 하여 제작한 롤러 피칭 시험편에 대해서, 연질화 처리 후의 경화층 깊이를 후술하는 실시예에 있어서의 피로 특성 평가와 동일한 조건으로 측정했다. 그 결과, ([Cr]/52＋[V]/50.9＋[Nb]/92.9＋M)×10³으로 산출되는 값이, 18.5를 초과하는 경우에는, 이 값이 18.5 이하인 경우에 비교하여 경화층 깊이가 얕은 것을 알 수 있었다. 이 점이, 이 값이 18.5를 초과하는 경우에 면 피로 특성이 저하하고 있는 원인이라고 생각된다. 한편, 이 값이 9.5 미만인 경우에는, 이 값이 9.5 이상인 경우에 비해, 표면 경도가 낮아져 있었다. 이 점이, 이 값이 9.5 미만인 경우에, 면 피로 특성이 저하하고 있는 원인이라고 생각된다.

따라서, 경화층 깊이를 증가시키기 위해서는, Cr, V, Nb, W, Co, Hf, Zr 및 Ti와 같은 탄질화물을 형성하는 원소의 첨가량을 억제할 필요가 있다. 연질화 처리 후의 경화층 깊이를 증가시키기 위해서는, 이들 탄질화물의 형성 원소의 함유량(질량％)이, 상기의 식 (1)을 만족할 필요가 있다.

이상이 본 발명의 기본 성분 조성이지만, 필요에 따라서 이하의 원소의 1종 또는 2종 이상을 함유하고 있어도 좋다.

B: 0.0100％ 이하

B는, 퀀칭성을 향상시켜, 베이나이트 조직의 생성을 촉진하는 효과를 갖기 때문에, 바람직하게는, 0.0003％ 이상으로 첨가한다. 한편, 0.0100％를 초과하여 첨가하면, B가 BN으로서 석출되어, 퀀칭성 향상 효과가 포화할 뿐만 아니라, 성분 비용의 상승을 초래하기 때문에, 첨가하는 경우는 0.0100％ 이하의 범위로 한정한다. 보다 바람직하게는, 0.0005％ 이상 0.0080％ 이하로 한다.

Cu: 0.3％ 이하

Cu는, 연질화 처리 중에 Fe나 Ni와 금속간 화합물을 형성하고, 석출 경화에 의해 연질화 처리재의 강도를 향상시키는 유용 원소이고, 베이나이트상의 생성에도 유효하다. Cu 함유량이 0.3％를 초과하면 열간 가공성이 저하하기 때문에, Cu 함유량은 0.3％ 이하의 범위로 한다. 바람직하게는 0.05∼0.25％의 범위이다.

Ni: 0.3％ 이하

Ni는, 퀀칭성을 증대하고, 저온 취성을 억제하는 효과를 갖는다. 그러나, Ni 함유량이, 0.3％를 초과하면 경도가 상승하여, 피삭성에 악영향을 미칠 뿐만 아니라, 비용적으로도 불리해지기 때문에, Ni 함유량은 0.3％ 이하의 범위로 한정한다. 바람직하게는 0.05∼0.25％의 범위이다.

Pb: 0.2％ 이하, Bi: 0.2％ 이하, Zn: 0.2％ 이하, Sn: 0.2％ 이하

Pb, Bi, Zn 및 Sn은, 강의 피삭성을 향상시키는 효과를 갖는 원소이고, 첨가하는 경우는, 각각 0.02％ 이상의 함유량으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 0.2％를 초과하는 첨가는 강도나 인성을 저하시키기 때문에, 상기의 범위로 규정한다. 또한, 바람직하게는, Pb: 0.02∼0.1％, Bi: 0.02∼0.1％, Zn: 0.02∼0.1％, Sn: 0.02∼0.1％이다.

또한, 강 조성에 있어서, 이상 설명한 원소 이외의 잔부에 Fe 및 불가피적 불순물을 갖는다. 이 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명에 있어서의 연질화용 강의 강 조직을 상기의 범위로 한정한 이유를 설명한다.

베이나이트상: 조직 전체에 대한 면적률이 50％ 초과

본 발명은, 연질화 처리 후에 표층 질화부 이외의 심부에는 V 및 Nb의 석출물을 분산 석출시키고, 이에 따라 심부 경도를 상승시켜, 연질화 처리 후의 피로 특성을 향상시키고자 하는 것이다. 여기에서, 연질화 처리 전에 Cr, V 및 Nb의 석출물이 존재하고 있으면, 통상, 연질화 처리 전에 행해지는 절삭 가공시의 피삭성의 관점에서는 불리하다. 이 점, 베이나이트 변태 과정에서는, 페라이트-펄라이트 변태 과정에 비해, 모상(母相) 중에 Cr, V 및 Nb의 석출물이 생성되기 어렵다. 따라서, 본 발명의 연질화용 강의 강 조직, 즉 연질화 처리 전의 강 조직은 베이나이트상을 주체로 한다. 구체적으로는, 베이나이트상을 조직 전체에 대한 면적률로 50％ 초과로 한다. 바람직하게는 60％ 초과, 보다 바람직하게는 80％ 초과이다. 또한 100％라도 좋다. 또한, 베이나이트상 이외의 조직으로서는, 페라이트상이나 펄라이트상 등이 생각되지만, 이들 조직은 적을수록 바람직한 것은 말할 필요도 없다.

여기서, 각 상의 면적률은, 다음과 같이 하여 구할 수 있다. 즉, 얻어진 연질화용 강으로부터 시험편을 채취하고, 압연 방향으로 평행한 단면(L 단면)에 대해서, 표면을 연마 후에 나이탈로 부식하고, 광학 현미경을 이용하여, 단면 조직 관찰(200배의 광학 현미경 조직 관찰)에 의해 상의 종류를 동정(同定)하고, 각 상의 면적률을 구한다.

또한, 강 중에 고용되는 Cr량, V량 및 Nb량이 각각 0.27％ 이상, 0.05％ 이상, 0.02％ 이상이고, 또한 원래의 함유량에 차지하는 고용량의 비율이, Cr은 90％ 이상, V는 75％ 이상, Nb는 50％ 이상인 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 있어서는, Cr, V 및 Nb를 연질화 처리에 있어서 미세 석출시켜 연질화 처리 후의 피로 특성을 향상시키고자 하는 것이다. 그리고, 피삭성의 확보의 관점에서도, Cr, V 및 Nb의 석출물의 생성을 회피해야 하는 것이다. 그래서, 고용되는 Cr량, V량 및 Nb량을 상기한 대로 하는 것이 바람직하다.

이상 설명한 본 발명의 연질화용 강에서는 통상의 연질화 처리를 행하는 것에 의해서도, 종래의 연질화용 강에 대하여 경화층 깊이가 큰 부품을 얻을 수 있다. 구체적으로는, NH₃:N₂:CO₂＝50:45:5의 분위기 중에서, 560℃에서 3.5시간의 연질화 처리를 행함으로써, 후술의 유효 경화층 깊이가 0.2㎜ 이상이 되는 연질화용 강이 얻어진다.

다음으로, 연질화용 강으로부터 연질화 부품에 이르는 제조 방법에 대해서 설명한다.

도 3에, 본 발명에 따른 연질화용 강(봉강)을 이용하여 연질화 부품을 제조하는 대표적인 제조 공정을 나타낸다. 여기에서, S1은 소재가 되는 봉강(연질화용 강) 제조 공정, S2는 반송 공정, S3은 부품(연질화 부품)의 제조 공정이다.

우선, 봉강 제조 공정(S1)으로 강괴를 열간 압연 및/또는 열간 단조하여 봉강으로 하고, 품질 검사 후, 출하한다. 그리고, 반송(S2) 후, 연질화 부품 마무리 공정(S3)으로, 봉강을 소정의 치수로 절단하고, 열간 단조 혹은 냉간 단조를 행하고, 필요에 따라서 드릴 천공이나 선삭(lathe turning) 등의 절삭 가공으로 소망하는 형상(예를 들면, 기어 제품이나 샤프트 제품)으로 한 후, 연질화 처리를 행하여, 제품으로 한다.

또한, 열간 압연재를 그대로 선삭이나 드릴 천공 등의 절삭 가공으로 소망하는 형상으로 마무리하고, 그 후, 연질화 처리를 행하여 제품으로 하는 경우도 있다. 또한, 열간 단조의 경우, 열간 단조 후에 냉간 교정이 행해지는 경우가 있다. 또한, 최종 제품에 페인트나 도금 등의 피막 처리가 이루어지는 경우도 있다.

본 발명의 연질화용 강의 제조 방법에서는, 연질화 처리 전의 열간 가공 공정에 있어서, 열간 가공시의 가열 온도, 가공 온도를 특정의 조건으로 함으로써, 전술한 바와 같은 베이나이트상 주체의 조직으로 하고, Cr, V 및 Nb의 고용량을 확보한다. 여기서, 열간 가공이란, 주로 열간 압연, 열간 단조를 의미하지만, 열간 압연 후 추가로 열간 단조를 행하여도 좋다. 또한, 열간 압연 후, 냉간 단조를 행하여도 좋은 것은 말할 필요도 없다. 여기에서, 연질화 처리 직전의 열간 가공 공정이 열간 압연 공정인 경우, 즉, 열간 압연 후에 열간 단조를 행하지 않는 경우는, 열간 압연 공정에 있어서 이하에 나타내는 조건을 만족시킨다.

열간 압연 가열 온도: 950∼1250℃

열간 압연 공정에서는, 압연재(냉간 단조 및/또는 절삭 가공에 의한 부품의 소재가 되는 봉강)에 미세 석출물이 석출되어 단조성을 해치지 않도록, 용해시부터 잔존하는 탄화물을 고용시킨다.

여기에서, 압연 가열 온도가 950℃를 충족하지 않으면 용해시부터 잔존하는 탄화물이 고용되기 어려워진다. 한편, 1250℃를 초과하면, 결정립이 조대화하여 단조성이 악화되기 쉬워진다. 이 때문에, 압연 가열 온도는 950∼1250℃의 범위로 한다.

압연 마무리 온도: 800℃ 이상

압연 마무리 온도가 800℃ 미만인 경우, 페라이트상이 생성되기 때문에, 연질화용 강의 조직 전체에 대하여 면적률로 50％ 초과를 만족하는 베이나이트상을 생성시키는 데에 있어서 불리해진다. 또한, 압연 부하도 높아진다. 따라서, 압연 마무리 온도는 800℃ 이상으로 한다. 또한, 상한값에 대해서는, 1100℃ 정도로 하는 것이 바람직하다.

압연 후의 적어도 700∼550℃의 온도역에 있어서의 냉각 속도: 0.4℃/s 초과

소망 형상으로의 마무리 가공 전에 미세 석출물이 석출되어, 가공성을 해치지 않도록 하기 위해, 즉, Cr, Nb 및 V의 고용량을 전술한 바와 같이 확보하기 위해, 미세 석출물의 석출 온도 범위인 적어도 700∼550℃의 온도역에 있어서는, 압연 후의 냉각 속도를 상기 고용량을 확보할 수 있는 임계 냉각 속도인 0.4℃/s를 초과하는 속도로 한다. 또한 상한값에 대해서는, 200℃/s 정도로 하는 것이 바람직하다.

또한, 연질화 처리 전의 열간 가공 공정이 열간 단조 공정인 경우, 즉, 열간 단조만을 행하는 경우 또는 열간 압연 후에 열간 단조를 행하는 경우는, 열간 단조 공정에 있어서 이하에 나타내는 조건을 만족시킨다. 또한, 열간 단조 전에 열간 압연을 행하는 경우에는, 열간 압연 조건으로서 반드시 상기한 조건을 만족하지 않아도 좋다.

열간 단조 조건

이 열간 단조에서는, 베이나이트상을 조직 전체에 대한 면적률로 50％ 초과로 하기 위해 및, 열간 단조 후의 냉간 교정이나 피삭성의 관점에서 미세 석출물이 석출되어 고용 Cr, V 및 Nb를 확보할 수 없게 되는 것을 회피하기 위해, 열간 단조시의 가열 온도를 950∼1250℃, 단조 마무리 온도를 800℃ 이상, 단조 후의 냉각 속도를 적어도 700∼550℃의 온도역에 있어서 0.4℃/s초로 한다. 또한, 상한값에 대해서는 200℃/s 정도로 하는 것이 바람직하다.

이어서, 얻어진 압연재 또는 단조재에 대하여 절삭 가공을 실시하여 부품 형상으로 하고, 그 후, 연질화 처리를 행한다. 연질화 처리는 통상의 조건으로 좋고, 구체적으로는 처리 온도를 550∼700℃로 하고, 처리 시간을 10분 이상으로 하면 좋다. 이 처리 온도, 처리 시간의 연질화 처리에 의해, 고용 상태에 있었던 Cr, V 및 Nb가 미세하게 석출되어, 심부의 강도가 상승한다. 또한, 이 통상의 연질화 처리 조건에 의해 얻어지는 경화층은, 종래 알려져 있는 연질화용 강에 대해서도 경화층 두께가 큰 것이 된다. 또한, 처리 온도가 550℃를 충족하지 않으면 충분한 양의 석출물이 얻어지지 않고, 또한, 700℃를 초과하면 오스테나이트역이 되어, 상 변태를 수반하지 않는 표면 경화 처리가 곤란해져, 변태 팽창이 발생하고, 표면 경화 처리에 수반하는 변형이 커지기 때문에, 이미 연질화 처리라고 부를 수는 없게 되어, 연질화 처리에 의한 이점을 확보하는 것이 곤란해진다. 연질화 처리 온도의 적합 범위는, 550∼630℃의 범위이다.

또한 연질화 처리에서는, N과 C를 동시에 강 중에 침입·확산시키기 때문에, NH₃이나 N₂와 같은 질소성 가스와, CO₂나 CO와 같은 침탄성 가스의 혼합 분위기, 예를 들면 NH₃:N₂:CO₂＝50:45:5의 분위기로 연질화 처리를 행하면 좋다.

이상의 제조 공정에 의해 본 발명의 부품이 얻어진다. 이렇게 하여 얻어지는 부품은, 상기한 연질화용 강과 동일한 성분 조성 및 강 조직을 갖는 심부와, 당해 심부의 성분 조성에 대하여, 질소 및 탄소의 함유량이 높은 성분 조성인 표층부를 갖고, 상기 베이나이트상 중에, Cr, V 및 Nb를 포함하는 석출물이 분산 석출되어 이루어지는 것이 된다.

심부의 성분 조성, 표층부의 성분 조성

전술의 성분 조성으로 이루어지는 연질화용 강에 대하여 연질화 처리를 행하면, 표층부에는 표면으로부터의 질소 및 탄소가 침입·확산한다. 한편, 심부에까지는 질소 및 탄소의 확산이 진행하지 않는다. 즉, C 및 N이 확산하고 있지 않는 부분이 심부이다. 그 결과, 얻어지는 부품의 성분 조성은, 심부는 전술한 연질화용 강의 성분 조성 그 자체가 되고, 한편, 부품의 표층부는 심부에 대하여 질소 및 탄소의 함유량이 높은 성분 조성이 된다. 부품의 표층부에 질소 및 탄소가 침입 확산하고 있지 않으면, 즉, 심부보다도 표층부의 질소 및 탄소의 함유량이 많아져 있지 않으면, 표층에 경질층이 형성되지 않기 때문에, 충분한 피로 강도의 향상을 기대할 수 없다.

심부의 강 조직

전술의 본 발명의 연질화용 강에 대하여 연질화 처리를 실시하여 부품으로 하면, 심부에는 전술의 연질화용 강의 강 조직이 그대로 남는다. 즉, 연질화 처리 후의 부품의 심부의 강 조직은, 베이나이트의 조직 전체에 대한 면적률이 50％ 초과가 된다. 부품의 심부의 강 조직은, 연질화용 강의 강 조직과 동일하기 때문에, 전술한 바와 같이, 베이나이트상을 조직 전체에 대한 면적률로 바람직하게는 60％ 초과, 보다 바람직하게는 80％ 초과이다. 또한 100％라도 좋다. 추가로, 베이나이트상 이외의 조직으로서는, 페라이트상이나 펄라이트상 등이 생각되지만, 이들 조직은 적을수록 바람직한 것은 말할 필요도 없다.

베이나이트상 중에, Cr을 포함하는 석출물, V를 포함하는 석출물 및, Nb를 포함하는 석출물이 분산 석출

심부의 베이나이트상 중에, Cr을 포함하는 석출물, V를 포함하는 석출물 및, Nb를 포함하는 석출물이 분산 석출되고 있으면, 심부 경도가 상승하여, 연질화 처리 후의 부품의 피로 특성이 현저하게 향상한다. 여기에서, Cr을 포함하는 석출물, V를 포함하는 석출물 및, Nb를 포함하는 석출물이 분산 석출되고 있다는 것은, 이들의 합계의 분산 석출 상태가, (바람직하게는) 입경이 10㎚ 미만의 석출물이 단위 면적 1㎛²당 500개 이상 분산 석출되고 있는 것이다. 이와 같이 분산 석출되고 있는 것이, 연질화 처리 후의 부품의 석출 강화에 기여시키는 데에 있어서 바람직하다. 또한, 석출물의 입경의 측정 한계, 즉 측정할 수 있는 최소의 입경은 1㎚이다.

이상의 구성을 갖는 부품은, 후술의 유효 경화층 깊이가 깊고, 표면 경도 및 심부 경도가 높은 것이 된다. 구체적으로는, 유효 경화층 깊이가 0.2㎜ 이상, 표면 경도가 700HV 이상 및 심부 경도가 200HV 이상의 부품이 된다.

유효 경화층 깊이가 0.2㎜ 이상

여기에서, 유효 경화층 깊이란, 특정의 값 이상의 경도를 갖는 영역을 유효 경화층으로 했을 때의 유효 경화층의 깊이이다. 구체적으로는, HV550이 되는 표면으로부터의 깊이(㎜)를, 유효 경화층 깊이로 한다. 이 유효 경화층 깊이가 0.2㎜ 이상이 아니면, 높은 피로 강도를 얻는 것이 어려워진다. 따라서, 유효 경화층 깊이는, 0.2㎜ 이상은 얻는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 0.25㎜ 이상이다.

또한, 본 발명의 부품에서는, 표면 경도가 700HV 이상 및 심부 경도가 200HV 이상인 것이 바람직하다. 이들 경도 조건을 만족시킴으로써, 피로 특성이 양호한 부품으로 할 수 있다.

실시예

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 구체적으로 설명한다.

표 1에 나타내는 조성의 강(강종 1∼42)을 연속 주조기로 단면 300㎜×400㎜의 주편으로 했다. 그때, 표면에 있어서의 균열의 유무를 조사했다. 이 주편을 1250℃에서 30분의 균열 후에 열간 압연으로 한변이 140㎜인 직사각형 단면의 강편으로 했다. 열간 압연하여, 60㎜φ의 봉강(열간 압연 그대로의 소재)으로 했다. 열간 압연 시의 강편의 가열 온도, 압연 마무리 온도, 열간 압연 후의 700∼550℃의 범위의 냉각 속도는 표 2에 나타내는 바와 같이 했다.

또한, 상기한 열간 압연 그대로의 소재 중 일부에 대해서는, 표 2에 나타내는 바와 같이 가열 온도, 단조 마무리 온도에서 열간 단조를 실시하여, 30㎜φ의 봉강으로 하고, 그 후, 700∼550℃의 범위를 표 2에 나타내는 냉각 속도로서, 실온까지 냉각하여 열간 단조재로 했다.

이렇게 하여 얻어진 열간 압연 그대로의 소재 및 열간 단조재에 대해서, 피삭성(공구 수명)을 외주 선삭 시험에 의해 평가했다. 시험재에는, 열간 압연 그대로의 소재 혹은 열간 단조재를 200㎜ 길이로 절단한 것을 이용했다. 절삭 공구로서는, 폴더가 미츠비시머티리얼사 제조 CSBNR 2020, 또한, 칩은 미츠비시머티리얼사 제조 SNGN 120408 UTi20 고속도 공구강을 이용했다. 외주 선삭 시험의 조건은, 절입량 1.0㎜, 이송 속도 0.25㎜/rev, 절삭 속도 200m/min로, 윤활제는 이용하지 않았다. 평가 항목으로서는, 공구 마모량(플랭크면 마모량(flank wear))이 0.2㎜가 되기까지의 시간을 공구 수명으로 했다.

또한, 상기한 열간 압연 그대로의 소재 또는 열간 단조재에 대해서, 조직 관찰 및 경도 측정을 행했다. 평가용의 시험편은, 얻어진, 열간 압연 그대로의 소재 혹은 열간 단조재의 중심부로부터 채취했다. 조직 관찰에서는, 전술한 방법에 의해, 상의 종류를 동정함과 함께, 각 상의 면적률을 구했다. 경도 측정에서는, 비커스 경도계를 이용하고, JIS Z2244에 준거하여 지름 방향 1/4위치의 경도를 2.94N(300gf)의 시험 하중으로 5점 측정하여, 그의 평균값을 경도 HV로 했다. 이상의 측정 결과 및 평가 결과를 표 3에 병기한다.

또한, 상기한 열간 압연 그대로의 소재 또는 열간 단조재에 대해서, 길이 방향과 평행으로, 도 1에 나타내는 평행부 26㎜φ×28㎜ 길이 및 그의 양측의 그립부 24.3㎜φ×51㎜의 롤러 피칭 시험편을 채취하고, 이 시험편에 대하여 표 4에 나타내는 처리 온도에서 3.5시간 및 560℃에서 3.5시간의 2종의 조건으로 연질화 처리를 행했다. 연질화 처리는, NH₃:N₂:CO₂＝50:45:5의 분위기로 했다. 여기에서, 강종 35의 열간 단조재에 대해서는, 비교를 위해, 930℃에서 3시간 침탄하고, 850℃로 40분 보존유지 후, 유냉(油冷)하고, 추가로 170℃에서 1시간 템퍼링하는 침탄 퀀칭·템퍼링을 실시했다.

이렇게 하여 얻어진, 표 4에 나타내는 연질화 처리 온도에서 연질화 처리를 행한 연질화 처리재 및, 침탄 퀀칭·템퍼링재에 대해서, 조직 관찰, 경도 측정, 석출물의 관찰, Cr, V 및 Nb 고용량의 측정 및 피로 특성 평가를 행했다.

여기에서, 조직 관찰은, 연질화 처리 전과 동일하게, 전술한 방법에 의해 상의 종류를 동정함과 함께, 각 상의 면적률을 구했다.

경도 측정은, 표 4에 나타내는 연질화 처리 온도에서 연질화 처리를 행한 연질화 처리재 및, 침탄 퀀칭·템퍼링재의 표층의 경도를 평행부의 표면으로부터 0.05㎜ 깊이의 위치에서, 평행부의 심부 경도를 지름 방향 1/4위치에서 각각 측정했다. 또한, 표층 경도 및 심부 경도의 측정은, 모두 비커스 경도계를 이용하고, JIS Z2244에 준거하여, 2.94N(300gf)의 시험 하중으로 6점 측정하여, 그의 평균값을 각각 표층 경도 HV, 심부 경도 HV로 했다. 또한, 경화층 깊이는, HV550이 되는 표면으로부터의 깊이(유효 경화층 깊이)에 대해서 측정했다. 또한, 경화층 깊이는, 560℃에서 3.5시간의 연질화 처리를 행한 것에 대해서도 측정했다.

석출물의 관찰은, 표 4의 연질화 온도의 연질화재 및 침탄 퀀칭·템퍼링재의 평행부의 지름 방향 1/4위치로부터, 투과형 전자 현미경 관찰용의 자료를, 트윈 제트법을 이용한 전해 연마법에 의해 제작하고, 얻어진 시료에 대해서, 가속 전압을 200V로 한 투과형 전자 현미경을 이용하여 행했다. 추가로, 관찰되는 석출물의 조성을 에너지 분산형 X선 분광 장치(EDX)에 의해 구했다.

Cr, V 및 Nb 고용량의 측정은, 다음의 방법으로 행했다. 우선, 전술의 열간 단조한 30㎜φ의 봉강의 지름 방향 1/4위치로부터, 10㎜×10㎜×40㎜의 시험편을 채취하고, 10％ 아세틸아세톤-1％ 염화테트라메틸암모늄-메탄올 전해액을 사용하여, 정전류 전해를 행했다. 추출한 석출물을 공경 0.2㎜의 필터를 이용하여 포집했다. 얻어진 석출물에 대해서, 혼산(混酸)을 이용하여 분해·용액화한 후, ICP 발광 분광 분석법에 의해 분석하여, 석출량을 측정했다. 그 후, 원래의 함유량으로부터, 구한 석출량을 빼서 고용량을 구했다.

피로 특성 평가는, 표 4의 연질화 온도의 연질화 처리 혹은 침탄 퀀칭·템퍼링을 행한 후의 롤러 피칭 시험편(도 1 참조) 중, 조직 관찰, 경도 측정 및 석출물 관찰의 어느 것도 행하고 있지 않은 것을 이용하여, 롤러 피칭 시험으로, 부하 면압 2600㎫에 있어서의 손상까지의 반복수를 구함으로써 평가했다. 롤러 피칭 시험편의 26㎜φ의 평행부는 전송면이 되는 부분이고, 연질화 그대로(연마 없음) 혹은 침탄 퀀칭·템퍼링 그대로(연마 없음)로 했다. 롤러 피칭 시험 조건은, 슬라이딩률 40％로, 윤활유로서 오토매틱 트랜스미션 오일(미츠비시 ATF SP-Ⅲ)을 이용하여, 유온(油溫) 80℃에서 행했다. 전송면에 접촉시키는 대(大)롤러에는 크라우닝 R 150㎜의 SCM420H의 침탄 퀀칭품을 사용했다.

표 4에 시험 결과를 아울러 나타낸다. 발명예 1∼26이 본 발명에 따르는 사례, No.27∼54가 비교예, No.55가 JIS SCR420 상당 강에 침탄 퀀칭·템퍼링을 실시한 종래예이다.

표 4로부터 분명한 바와 같이, 발명예 No.1∼26은 모두, 연질화 처리 전의 단계(연질화 처리용 강의 단계)에 있어서는 공구 수명이 우수하다. 또한, 이들 발명예 No.1∼26은 모두, 연질화 처리 후의 단계(연질화 처리된 부품에 상당)에서는, 침탄 퀀칭·템퍼링을 실시한 종래예 No.55에 비해 피로 특성이 약간 뒤떨어지기는 하지만, 연질화 처리재로서는 우수한 피로 강도를 나타냈다. 또한, 측정 결과의 상세는 생략하지만, 발명예 No.1∼26에 있어서, 연질화 처리 온도를 560℃로 한 것은 모두, 유효 경화층 깊이가 0.2㎜ 이상이었다. 또한, 전술에 따라 석출물의 조성을 에너지 분산형 X선 분광 장치(EDX)에 의해 구한 결과, 발명예 1∼26은 모두, 입경이 10㎛ 미만의 Cr계 석출물, V계 석출물 및 Nb계의 석출물이 단위 면적 1㎛²당 500개 이상 분산 석출되고 있는 것을 확인할 수 있었다.

한편, 비교예 No.27∼54는, 성분 조성 혹은 얻어진 강 조직이 본 발명의 범위 외였기 때문에, 연속 주조시에 균열이 발생하고 있거나, 피로 특성 혹은 피삭성이 뒤떨어져 있다.

No.27은, 열간 압연 시의 가열 온도가 낮기 때문에, 연속 주조시에 생성된 석출물이 충분히 고용되지 않아, 연질화 처리 후의 피로 특성이 뒤떨어져 있다. 또한, 페라이트와 펄라이트의 합계의 조직 분율이 높기 때문에, 열간 압연 후에 피삭성도 저위이다.

No.28은, 열간 압연의 마무리 온도가 지나치게 낮기 때문에, 조직의 베이나이트 분율이 낮고, 피삭성이 뒤떨어져 있다. 또한, 페라이트와 펄라이트의 합계의 조직 분율이 높기 때문에, 연질화 처리 전의 단계에 있어서 고용 Cr, Nb, V량이 적고, 그 결과, 연질화 처리 후의 미세 석출물이 생성되지 않고, 피로 특성이 저위가 되었다.

No.29 및 30은, 열간 압연 후의 냉각 속도가 느리기 때문에, 적정량의 베이나이트가 얻어지지 않고, 또한, 연질화 처리 전의 단계에 있어서 고용 Cr, Nb, V량이 적고, 그 결과, 연질화 처리 후의 미세 석출물이 생성량이 적기 때문에 석출 강화가 부족하여, 발명예에 비해 피로 특성이 저위이다. 또한, 피삭성도 저위이다.

No.31은, 열간 단조시의 가열 온도가 낮기 때문에, 석출물이 충분히 고용되지 않고, 피로 특성도 뒤떨어져 있다. 또한, 페라이트와 펄라이트의 합계 조직 분율이 높기 때문에, 열간 압연 후에 피삭성도 저위이다.

No.32는, 열간 단조의 마무리 온도가 지나치게 낮기 때문에, 조직의 베이나이트 분율이 낮고, 피삭성이 뒤떨어져 있다. 또한, 페라이트와 펄라이트의 합계의 조직 분율이 높기 때문에, 연질화 처리 전의 단계에 있어서 고용 Cr, Nb, V량이 적고, 그 결과, 연질화 처리 후의 미세 석출물이 생성되지 않고, 피로 특성이 저위가 되었다.

No.33 및 34는, 열간 단조 후의 냉각 속도가 느리기 때문에, 적정량의 베이나이트상이 얻어지지 않고, 연질화 처리 전의 단계에 있어서 고용 Cr, Nb, V량이 적고, 또한, 연질화 처리에 의한 미세 석출물의 생성량이 적기 때문에 석출 강화가 부족하여, 발명예에 비해 피로 특성이 저위이다. 또한, 피삭성도 저위이다. No.35는, C 함유량이 적정 범위를 충족하지 않기 때문에, 연질화 처리 후의 심부 경도가 낮고, 발명예에 비해 피로 특성이 저위이다.

No.36은, C 함유량이 적정 범위를 초과하고 있기 때문에, 연질화 처리 전의 열간 단조재의 경도가 증가하여, 피삭성이 저하하고 있다.

No.37은, Si 함유량이 적정 범위를 초과하고 있기 때문에, 질화 처리 전의 열간 단조재의 경도가 증가하여, 피삭성이 저하하고 있다.

No.38은, Mn 함유량이 적정 범위를 충족하지 않기 때문에, 연질화 처리 전의 열간 단조재의 강 조직이 페라이트상-펄라이트상 주체로 되어 있다. 이 때문에, 조직 중에 V 및 Nb 석출물이 석출되고, 연질화 처리 전의 경도가 증가하여, 피삭성이 저하하고 있다.

No.39는, Mn 함유량이 적정 범위를 초과하고 있기 때문에, 연속 주조시에 균열이 발생하고 있다. 또한, 연질화 처리 전에 마르텐사이트상이 생성되어, 피삭성이 낮아져 있다.

No.40은, P 함유량이 적정 범위를 초과하고 있기 때문에, 연속 주조시에 균열이 발생하고 있다. 또한, 피로 특성도 낮아져 있다.

No.41은, S 함유량이 적정 범위를 초과하고 있어, 연속 주조시에 균열이 발생하고 있다. 또한, 피로 특성도 낮아져 있다.

No.42는, Cr 함유량이 적정 범위를 충족하지 않기 때문에, 연질화 처리 전의 열간 단조재의 강 조직이 페라이트상-펄라이트상 주체로 되어 있다. 이 때문에, 조직 중에 조대한 V 및 Nb 석출물이 석출되고, 연질화 처리 전의 경도가 증가하여, 피삭성이 저위이다. 또한, 연질화 처리 전의 단계에 있어서 고용 Cr, Nb 및 V량이 적고, 또한, 연질화 처리에 의한 미세 석출물의 생성량이 적기 때문에 석출 강화가 부족하여, 발명예에 비해 피로 특성이 저위이다.

No.43은, Cr 함유량이 적정 범위를 초과하고 있어, 연속 주조시에 균열이 발생하고 있다. 또한, 열간 단조 후의 경도도 높기 때문에, 피삭성이 뒤떨어져 있다.

한편, No.44는, Mo 함유량이 적정 범위를 충족하지 않기 때문에, 퀀칭성이 저하하여, 베이나이트상의 생성이 불충분하다. 그 결과, 연질화 처리 전의 단계에 있어서 Cr, Nb 및 V량이 적고, 또한, 연질화 처리에 의한 미세 석출물의 생성량이 적기 때문에 석출 강화가 부족하여, 피로 특성이 저위이다.

No.45는, V 함유량이 적정 범위를 충족하지 않기 때문에, 연질화 처리 전의 고용 V량이 적고, 연질화 처리 후의 미세 석출의 생성량이 적기 때문에, 충분한 심부 경도가 얻어지고 있지 않다. 이 때문에, 피로 특성이 저위이다.

No.46은, V 함유량이 적정 범위를 초과하고 있어, 연속 주조시에 균열이 발생하고 있다.

No.47은, Nb 함유량이 적정 범위를 충족하지 않기 때문에, 연질화 처리 전의 고용 Nb량이 적고, 연질화 처리 후의 미세 석출의 생성량이 적기 때문에, 충분한 심부 경도가 얻어지고 있지 않다. 이 때문에, 피로 특성이 저위이다.

No.48은, Nb 함유량이 적정 범위를 초과하고 있어, 연속 주조시에 균열이 발생하고 있다.

No.49는, Al 함유량이 적정 범위를 충족하지 않기 때문에, 연질화 처리 후의 표면 경도가 낮고, 피로 특성이 저위이다.

No.50은, Al 함유량이 적정 범위를 초과하고 있기 때문에, 연속 주조시에 균열이 발생하고 있다.

No.51은, N 함유량이 적정 범위를 초과하고 있어, 연속 주조시에 균열이 발생하고 있다.

No.52는, 식 (1)을 만족하고 있지 않기 때문에, 연질화 처리 후의 경화층 깊이가 얕고, 피로 특성이 저위이다.

No.53은, 식 (1)을 만족하고 있지 않기 때문에, 연질화 처리 후의 표면 경도가 낮고, 피로 특성이 저위이다.

No.54는, Sb 함유량이 적정 범위를 충족하지 않기 때문에, 연속 주조시에 균열이 발생하고 있다.

Claims

질량％로,
C: 0.010％ 이상 0.100％ 이하,
Si: 1.00％ 이하,
Mn: 0.50％ 이상 3.00％ 이하,
P: 0.020％ 이하,
S: 0.060％ 이하,
Cr: 0.30％ 이상 0.90％ 이하,
Mo: 0.005％ 이상 0.200％ 이하,
V: 0.02％ 이상 0.50％ 이하,
Nb: 0.003％ 이상 0.150％ 이하,
Al: 0.005％ 이상 0.200％ 이하,
N: 0.0200％ 이하,
Sb: 0.0005％ 이상 0.0200％ 이하,
W: 0.3％ 이하(0％를 포함함),
Co: 0.3％ 이하(0％를 포함함),
Hf: 0.2％ 이하(0％를 포함함),
Zr: 0.2％ 이하(0％를 포함함) 및
Ti: 0.1％ 이하(0％를 포함함)
를, 하기식 (1)을 만족하는 범위에서 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물의 성분 조성을 갖고, 또한 베이나이트상(相)의 조직 전체에 대한 면적률이 50％ 초과인 강 조직을 갖는 연질화용 강.
　　　　　　　　　　　　　　　- 하 기 -
9.5≤([Cr]/52＋[V]/50.9＋[Nb]/92.9＋M)×10³≤18.5 ---(1)
단, M: [W]/183.8, [Co]/58.9, [Hf]/178.5, [Zr]/91.2 및 [Ti]/47.9의 총합
여기에서, [ ]는 당해 괄호 내의 원소의 함유량(질량％)
제1항에 있어서,
상기 성분 조성이, 추가로 질량％로,
B: 0.0100％ 이하,
Cu: 0.3％ 이하 및
Ni: 0.3％ 이하
중 어느 1종 또는 2종 이상을 함유하는 연질화용 강.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 성분 조성이, 추가로 질량％로,
Pb: 0.2％ 이하,
Bi: 0.2％ 이하,
Zn: 0.2％ 이하 및
Sn: 0.2％ 이하
중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 연질화용 강.
제1항 또는 제2항에 기재된 성분 조성 및 강 조직을 갖는 심부와, 당해 심부의 성분 조성에 대하여, 질소 및 탄소의 함유량이 높은 성분 조성인 표층부를 갖고, 상기 베이나이트상 중에, Cr을 포함하는 석출물, V를 포함하는 석출물 및, Nb를 포함하는 석출물이 분산 석출되어 이루어지는 부품.
제3항에 기재된 성분 조성 및 강 조직을 갖는 심부와, 당해 심부의 성분 조성에 대하여, 질소 및 탄소의 함유량이 높은 성분 조성인 표층부를 갖고, 상기 베이나이트상 중에, Cr을 포함하는 석출물, V를 포함하는 석출물 및, Nb를 포함하는 석출물이 분산 석출되어 이루어지는 부품.