KR19980064122A

KR19980064122A - 고내면압용강부품 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR19980064122A
Application number: KR1019970068571A
Authority: KR
Inventors: 타카야마타케모리; 하마사카나오지
Original assignee: 안자키사토루; 카부시키가이샤고마쓰세사쿠쇼
Priority date: 1996-12-17
Filing date: 1997-12-13
Publication date: 1998-10-07
Also published as: JPH10176219A; US6447619B1; US20010001396A1; KR100504705B1; EP1273672B1; EP0950723B1; EP0950723A1; DE69723302T2; EP0950723A4; JP3909902B2; EP1273672A1; DE69736020D1; DE69723302D1; WO1998027242A1; DE69736020T2; US6413328B2

Abstract

전동이나 미끄럼을 따르는 전동강도 및 내마모성을 필요로 하는 기어, 캠, 베어링부품등의 고강도, 조밀성 등을 위한 금속제부품에 적당한 고내면압용강부품 및 그 제조방법을 제공한다.

접촉하는 표면조직에, 적어도 평균입자지름이 0.3㎛이하의 미세한 질화물 및 /또는 탄질화물을 분산시켜, 이들 질화물 및/또는 탄질화물에 의하여 잘게 분단되어서 극미세화된 불규칙형상인 마르텐사이트 잎으로 이루어지는 복합조직을 보유하고, 3㎛이하의 탄화물을 분산시켜, 표면부의 경도를 보강한다. 침질 혹은 침탄침질처리를 실시하여, 표면부로부터 침투시키는 질소에 의하여 AlN을 극미세하게 석출시키는 공정과 모양상이 오스테나이트인 온도영역으로부터 담금질, 혹은 담금질뜨임을 실시하여 제조한다.

Description

고내면압용강부품 및 그 제조방법

본 발명은, 기어, 베어링의 전동체 및 그 레이스, 캠구성부품 등의 접촉피로강도 및 내마모성을 필요로하는 구동력전달부품에 적용하는 고내면압용강부품 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근의 기어감속장치나 변속장치에는, 고출력화나 경량조밀성에 대응된 높은 동력전달력의 필요성이 점점 더 높아지고 있고, 특히 기어나 베어링 등에 대해서는 보다 조밀도로 면압강도가 높은 특성이 요구되고 있다.

또, 자동차나 건설기계에 사용되는 동력전달장치부품에 있어서도, 기어, 베어링등에서는 높은 접촉피로강도가 요구되고 있고, 이들의 면압강도를 높이는 수단으로서, 기어에서는 침탄처리나 질화처리 등에 의하여 표면을 경화하는 것이 통상적으로 실시되고 있다. 또, 면압강도를 높이는 치침을 통하여 표면의 경도를 보다 높게, 또한 뜨임으로써 연화저항성을 높이게 하는 Mo 등의 적극적인 강철로의 첨가 등의 재료적인 수단도 취해져 있다. 특히, 최근에 있어서는, 침탄이나 침탄침질처리후에 담금질하고, 숏피닝을 실시하며, 적극적으로 표면경도를 높임과 아울러, 현저한 압축잔류응력을 부여하는 방법에 대해서도 대부분 검토되어 있다.

또, 침탄방법에 의하여 강철표면에 고밀도의 시멘타이트양상을 석출시키므로서, 표면의 경도를 높이게 함과 아울러, 뜨임으로 연화저항성을 높이게 하므로서 면압강도를 높이는 방법도 보고되어 있다.

더욱이, 개재물 기점의 접촉피로파괴를 방지하는 관점에서의 강철속에 있어서의 개재물량의 저감을 목표로한 고청정도 강철의 개발에 관해서도 보고되어 있다.

그런데, 종래부터 생각한 방법에 따라서 표면경도를 보다 높게 하고, 또한 미끄럼을 따르는 전동 혹은 단지 전동의 마찰이나 접촉응력(헤르쯔)에 의한 미소한 전단변형에 의거하는 발열에 의한 경도의 저감을 억제하기 위하여, 뜨임으로 연화저항원소인 예컨대 Mo를 종래보다 많이 첨가하는 강철을 침탄하므로서, 면압강도를 높이는 수단이 광범하게 검토되어 있지만, 현실적으로는 뜨임으로 연화저항성을 높여도, 접촉응력이 높아짐에 따라서, 접촉면에 있어서의 유막두께가 보다 얇아지고, 결과로서는 윤활성의 열화에 의한 마모력의 증대가 발생하며, 발열과 보다 큰 접촉응력에 의거하는 파괴전단응력의 발생의 원인이 되고, 크게 또한 충분한 면압강도의 향상을 기대할 수 없다고 하는 문제점이 있다. 또, Mo 등의 뜨임으로 연화저항성을 높이는 원소의 다량의 첨가는 강철재 비용의 현저한 증대를 초래하는 등의 문제점도 있다.

또, 상기한 침탄품 표면에 대하여 강렬한 숏피닝을 실시하고, 가장 표면부로부터 약 200㎛정도로 존재하는 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트로 변태시켜서 보다 높은 표면경도와 큰 압축잔류응력을 발생시킴으로써, 면압강도의 향상을 도모하고 있다는 보고가 있지만, 현실적으로는 침탄시에 발생하는 입계산화층(결합층)에 있어서의 숏에 의한 미시적결함의 발생에 의한 전동초기에 있어서의 마모가루의 발생 및 면의 거칠어짐에 의한 마모계수의 증대에 의한 마이너스 효과, 더욱이 기어에 있어서는 강도의 잔류응력의 발생에 기인한다고 생각되는 톱니끝의 결손트러블이나 압축잔류응력의 존재가 플러스면에 작용하지 않는 스플링강도에 대해서는, 표면에서의 면의 거칠어짐에 의한 마찰계수의 증대가 역으로 면압강도를 결과적으로 저하시키는 마이너스 효과가 있으므로, 반드시 범용적으로는 사용할 수 없다고 하는 문제점이 있다.

더욱이, 수단은 다르지만 침탄법에 의하여 표면층에 시멘타이트양상을 고밀도로 분산석출시키는 고탄소침탄 혹은, 고농도침탄법을 기어에 적용하는 예나 시멘타이트를 미세하게 보올형상화분산시킨 SUJ2 등의 베어링강철과 같이 기본적으로는 시멘타이트의 석출효과에 의하여 전동면의 경도를 높이고, 입자분산효과에 의한 뜨임으로 연화저항성의 향상을 개선하고 있는 예가 있다. 그러나, 예컨대 고탄소침탄에 의한 방법에서 고밀도로 시멘타이트를 석출시키는 경우에는, 석출시키는 시멘타이트의 크기가 5∼10㎛로 크게 되기 쉽고, 또한 시멘타이트 끼리의 응집이 발생하기 쉬우며, 또 입계에 따른 거대한 석출이 발생하므로, 결과적으로 접촉응력에 의한 전단력에 의하여 시멘타이트 응집체가 파괴되고, 표면결손의 기점으로서의 마이너스면이 현재화되고, 더욱이 기어에 적용된 경우에는, 톱니조원의 강도의 저하를 초래하는 등의 문제점이 있다.

또, 이와 같은 시멘타이트의 미세화 및 응집성의 방지를 도모하는 수단으로서 고탄소침탄방법의 개선이나 강철 속의 합금원소의 조정이 실시되고 있다. 예컨대 특개평4-160135호 공보에 있어서는, Cr성분농도를 2∼8중량%로 높이고, 더욱이 0.5∼4중량%Ni, 0.01∼0.5중량%Nb, 0.1∼2중량%V, 0.05∼1중량%Mo의 중의 1종이상을 첨가하고, 침탄후의 표면탄소농도를 2.0중량%이상으로 하므로서 5㎛이하의 V계와 Cr계의 탄화물 및 탄징화물을 표면으로부터 150㎛길이 내부로 석출시키는 방법이 명시되어 있지만, 침탄시의 시멘타이트석출을 쉽게 하기 위한 Cr의 다량의 첨가 및 석출시멘타이트의 응집성장을 억제하기 위한 V의 첨가등 고가의 재료설계로 되어 있고, 더욱이 석출시멘타이트로의 Cr, V, Mo, Mn 등의 농축화에 의하여 모양상이 오스테나이트중에서의 이들 합금원소농도의 저하를 초래하고, 침탄후의 담금질 본성부족에 의한 불완전담금질층이 발생하기 쉬운 것을 방지하기 위하여 탄화물에 농축하기 어려운 Ni을 첨가하므로, 한층 더 고가의 재료로 되어 있는 등의 문제점이 있다.

더욱이, 특개평8-120438호 공보에는 고가의 합금설계를 개선하면서, 또한 담금질할 때의 불완전 담금질층의 발생을 억제하기 위한 재료와 방법에 관한 기술이 명시되어 있다. 특히, 이 공보에서는, 석출하는 탄화물을 5㎛를 초과하여 성장, 응축하는 것을 방지하기 위하여 표면탄소량을 1.5중량%이하로 설정하는 것이 명시되어 있지만, 최적탄소량을 1.5중량%이하로 하고 있는 점에서, 그 탄화물의 석출량은 대략 7체적%이하로 낮게 설정되어 있고, 더욱이 또 침투시킨 질소는 효과적으로 질화물 혹은 탄질화물의 석출에 의한 강화방책으로서 이용되지 않으며, 침투한 질소는 대부분이 모양상인 오스테나이트 중에 고용(固溶)시켜서 담금질할 때의 불완전담금질층이 발생방지 기능으로서 작용하는데 불과하다.

그 때문에, 종래의 고탄소침탄법과 같이 탄화물(시멘타이트)을 다량으로 석출시키지 않는 것인지, 앞의 다량석출을 도모하는데 의한 고경도화 및 뜨임으로 연화저항성의 개선에 의한 면압강도향상에 대하여 마이너스면을 유지함과 아울러 담금질본성을 촉진하는 Cr, Mo 등의 원소가 다량으로 시멘타이트속에 농축하여, 결과로서 모양상인 오스테나이트중의 이들의 원소가 부족한 것에 의한 담금질 불완전층의 발생을 방지하는 것에 의한 시멘타이트의 다량의 석출을 피함으로써, 회전의 굽힘강도의 확보와 면압강도의 균형을 도모하고 있으며, 결과적으로는 면압강도의 충분한 개선이 이루어져 있지 않다고 하는 문제점이 있다. 상기한 공보와 유사한 방법에 대해서는, 특개평8-3720호에도 명시되어 있고, 다량의 시멘타이트를 석출시킴과 아울러, 담금질본성의 확보의 관점에서, 시멘타이트가 배출되기 쉽고, 담금질 본성을 높이는 Ni과 시멘타이트 중에 농축하는 정도가 낮고, 또한 효과적으로 담금질 본성을 높이는 Mo을 고농도로 첨가하는 방법이 명시되어 있다.

또, 베어링 등의 축받이 제품에 있어서는 전동수명의 개선을 목적으로서, 강철 속의 산화물, 질화물, 황화물계의 개재물을 저감하는 목적에서, 강철의 정련단계에 있어서 충분한 탈가스 공정과 특수한 슬래그를 이용한 탈유황, 탈인정련을 몇단계에 실시하여 고청정도의 축받이강철을 사용하는 경우가 많고, 일반적으로는 10∼20㎛사이즈의 산화물계, 황화물계의 개재물을 저감한 이와 같은 고청정도 축받이강철의 사용에 의하여 전동수명이 약10배정도로 개선되는 것이 보고되어 있지만, 보통의 기어 등에 사용하는 저탄소의 기계구조용강철에서는, 충분한 청정도가 얻어지기 어려운 것 및 가령 이와 같은 고청정도의 기계구조용강철이 생산될 때의 제조비용은 대단히 고가인 것으로 되는 문제가 있다. 따라서, 현상기술에 있어서의 기계구조용강철의 개재물레벨이 존재하는 경우에 있어서도 면압강도가 개선될 수 있는 저비용의 기술의 개발이 필요하다.

또, 가령 강철 속의 개재물량을 저감시킬 수 있는 경우에 있어서도, 윤활유속으로 혼입해오는 먼지나 마모분말 등에 의하여 접촉표면에서의 피로손상이 발생하기 쉽고, 고면압강화용부품으로서는 먼지에 견디는 대응의 표면강인화, 강화기술을 포함시킬 필요가 있다.

본 발명은, 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것이고, 전동이나 미끄럼을 따르는 전동강도 및 내마모성을 필요로 하는 기어, 캠, 베어링부품 등의 고강도, 조밀성 등으로 향한 강철제 부품에 적당한 고내면압강부품 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명에 의한 고내면압용 강부품은, 상기한 목적을 달성하기 위하여, 표면조직에 있어서, 평균입경이 3㎛이하의 미세한 질화물, 탄화물 및 탄질화물의 1종이상을 분산시켜, 모양상인 마르텐사이트잎이 이들의 분산물에 의하여 잘게 분단되어서 미세화 되어서 이루어지는 복합조직을 보유하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또, 본 발명에 의한 고내면압용강부품의 제조방법은, 침탄, 침탄 및 침질, 침질법중의 1종이상의 수단에 의하여 탄소와 질소를 표면으로부터 확산침투시키면서 분산물을 석출시키는 공정과, 이 분산물을 석출시키는 공정에 계속하여, 또는 독자적으로 강철의 오스테나이트 온도영역에서 급냉하여 마르텐사이트양상을 형성시키는 공정에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 있어서는, 접촉하는 표면조직에, 적어도 평균입자경이 0.3㎛이하의 미세한 질화물 및/또는 탄질화물을 분산시키는 것을 필수요건으로서, 모양상인 마르텐사이트잎이 종래의 렌즈형상인 마르텐사이트잎에 비교하여 이들 질화물 및/또는 탄질화물에 의하여 잘게 분단되어서 극미세화된 불규칙형상인 마르텐사이트잎으로 이루어진 복합조직을 보유하는 것을 특징으로서, 더욱이, 3㎛이하의 탄화물(시멘타이트)을 분산시켜, 표면부의 경도를 보강하고, 또 잔류오스테나이트량 20∼80체적%를 조직요인으로서 가하여 인성을 향상시켜, 윤활유 속의 먼지나 강철 속의 개재물에 대한 내구성을 향상시키는 것을 특징으로하여 이루어지도록, 재료적으로는 적어도 Al을 0.3∼3.0중량%를 함유하는 강철이 사용된다.

더욱이, 가공제품은 침탄, 침질 혹은 침단침질처리를 실시하여, 표면에서 침투시키는 질소에 의하여 0.5∼4.5중량%(체적%에서는 약2.4배)의 AlN을 극미세하게 석출시키는 공정과, 더욱이는 평균입경이 3㎛이하의 시멘타이트를 30체적%까지 석출시키는 공정을 포함하여, 모양상이 오스테나이트인 온도영역에서 담금질, 혹은 담금질 및 뜨임을 실시함으로써 제조되는 고내면압용부품과 그 제조방법으로 요지를 보유하는 것이다. 또한, 질소의 침투깊이는, 사용하는 전동면부품이 받는 최대접촉면압(최대헤르쯔면압)에 의하여 발생하는 최대전단응력위치의 표면에서의 거리에 의하여 임의로 조정해야 한다는 것이지만, 일반적으로는 1㎜이내이며, 바람직하게는 침탄침질이나 침질처리에 경제성으로부터 0.5㎜이하에서 적용된다.

종래의 기술은, 상기한 바와 같이 고경도이고 또한 뜨임으로 연화저항성의 개선을 위한 검토가 주이고, 기구적으로는 접촉응력에 대한 표면의 균열발생억제형인 대응이고, 일단 발생된 표면의 균열진전에 대해서는 유효한 수단으로 될 수 없다는 점에서 공통된 문제를 가지고 있다.

본 발명에서는, 상기한 종래형인 표면의 균열발생의 억제형의 개선기술에 더욱이, 표면의 균열발생후의 균열진전에 대한 현저한 적제작용을 조직학적인 관점에서 검토하였다. 특히, 균열된 전달경로를 관찰한 경우에는, 재료적인 결함(예컨대 소재로 되어 있는 개재물, 탄화물응집체와 침탄, 침탄 및 침질처리의 단계에서 형성되는 입계산화층, 큰 시멘타이트와 그 응집체나 담금질할 때에 발생하는 불완전담금질층, 편석이나 구워깨진 낡아진 오스테나이트입계등)에 따른 균열진전이외에도 렌즈형상인 렌즈형상인 마르텐사이트나 라아스마르텐사이트에 따른 균열진전이 강화된 기구의 중요한 요인으로 되어 있는 것에 주목하였다. 보통의 침탄담금질조직의 렌즈형상인 마르텐사이트잎이 수㎛∼수10㎛정도로 비교적 크며, 또한 그 주위에는 저강도인 잔류오스테나이트가 존재하고, 응력이 집중하기 쉬운 상황으로 되어 있으므로, 마르텐사이트잎의 미세화가 중요하다고 생각되지만, 보통 실시되는 결정입자의 미세화에 의한 마르텐사이트잎의 미세화를 도모한 경우라도, 수㎛정도가 한계이고, 현저한 강도 개선책으로서는 불충분하다. 그래서, 본 발명에서는 크기의 주체가 0.1㎛이하이고, 입자형상, 로드형상, 바늘형상인 극미세한 질화물 및/또는 탄질화물을 1∼15체적%의 고밀도로 분산시키므로서 마르텐사이트잎속으로 거두어 들이게 하므로서 그 잎의 폭사이즈를 약1㎛이하에 까지 현저하게 감소시킴과 함께 그 장해물 효과에 의하여 마르텐사이트잎을 굴곡만곡시켜, 단순한 렌즈형상인 마르텐사이트잎으로부터 미세한 불규칙형상인 마르텐사이트로 조직변경할 수 있는 것으로서 균열진전성에 대한 항력을 발휘시켰다. 또, 이 결과는, 마르텐사이트잎주변에 존재하는 잔류오스테나이트의 분포에 대해서도 미세한 분산효과를 발휘하게 하고, 더욱이, 잔류오스테나이트가 접촉응력에 의하여 일부가 마르텐사이트로 변태할 때에 있어서도 극미세로 불규칙한 마르텐사이트로 변태함으로써 큰 렌즈형상인 마르텐사이트잎끼리가 충돌할 때의 응력집중을 실질적으로 낮추는 작용이 있다고 생각되며, 또, 렌즈형상인 마르텐사이트주변에 존재하는 잔류오스테나이트에서의 끌어당기는 잔류응력의 집중된 완화분산으로 연관되는 점에서 마르텐사이트잎에 따른 균열의 진전에 대해서도 항역으로서 작용한다고 생각된다.

또한, 분산물로서는 이전에 명시된 시멘타이트보다도 현저하게 미세한 석출체가 필요한 점에서(후술한 사진(1)에 표시되듯이 시멘타이트입자의 석출에 의해서는 마르텐사이트의 미세화가 거의 인정되어 있지 않다). 모양상인 오스테나이트에 대한 고용도가 현저하게 작고, 또한 시멘타이트보다도 모양상으로부터의 분산물의 형성자유에너지가 현저하게 작고, 또한 시멘타이트보다도 모양상으로부터의 분산물의 형성자유에너지가 현저하게 부침에 크고(보다 안정된 석출하기 쉬운 것을 의미함) 또한 강철속에 처음부터 함유되는 탄소와 반응하여 탄화물을 형성하지 않고, 더욱이, 석출과 동시에 발생하는 시멘타이트의 성장속도보다도 현저하게 느리고, 또한 분산물의 석출에 의해서도 실질적으로 강철의 담금질 본성을 저해하는 요인으로 되지 않는 Al질화물을 구체적으로 침질처리에 의해서 미세하게 석출시키는 수단을 강구하였다.

또한, 미끄럼을 따르는 전동 중의 접촉면에서는 상기한 표면 및 표면근방에 있어서의 균열파괴 뿐만아니라 최표면에서의 마모 및 달구어 붙이는 현상도 중요한 품질이다. 본 발명에 있어서는, 상기한 면압강도, 내마모성 개선에 종래부터의 공지된 기술을 짜맞출수도 있고, 예컨대 수㎛의 시멘타이트를 침탄에 의하여 고농도로 분산시켜서 표면경도를 확보하는 것 등이다.

표면이 구워진 강철과 같이 초기의 강철 속의 탄소농도가 낮은 경우에는, 상기한 침탄침질처리를 실시하지만, 베어링 강철의 레벨의 고탄소의 강철에 대해서는 탈탄이 발생하지 않는 분위기에서의 800∼850℃의 침질처리만을 실시함으로써 질화물을 석출시키는 것에 의해서도 충분한 면압강도의 개선이 가능하다. 또한, SUJ2와 같은 베어링강철에서는 평균입경이 0.3∼1.0㎛의 입자형상인 시멘타이트를 체적률에서 약1∼2.5%분산시킨 조직으로 되어 있지만, 담금질조직에 있어서의 마르텐사이트형상은 렌즈형상인 마르텐사이트잎이고, 이 정도의 잎형상인 시켄타이트의 사이즈와 양에서는, 본 발명과 같은 마르텐사이트잎의 형상개선이 달성되지 않는 것을 알 수 있다.

또, 이전에 명시된 기술(특개평8-120488호공보)에 있어서도 석출하는 시멘타이트사이즈 및 양에 있어서 대략 베어링강철, 예컨대 상기한 SUJ2상당의 조직변형과 대응하는 점에서, 대략 모양상인 마르텐사이트는 렌즈형상인 마르텐사이트를 형성하고 있다고 생각된다. 또한, 이 공보에 있어서는, 베어링강철과 비교하여 V의 첨가가 명시되어 있지만, 침탄처리온도인 930℃에서의 침탄표면에 있어서는 V는 약0.28중량%까지 응용이 가능하고, 실질적으로는 VC는 석출되지 않으며, V의 대부분은 시멘타이트에 고용되어 있고, 더욱이, 가령V를 명시범위의 최대량 1중량%를 첨가한 경우에는 그 속의 약0.5중량%는 강철소재의 단계에서 VC특수탄화물로서 이미 석출되고, 0.28중량%의 V가 오스테나이트속에 고용되며, 나머지의 0.22중량%가 침탄시에 미세한 탄화물로서 석출되는 것이 견적하게 되지만, VC탄화물의 석출량으로서는 약 0.25체적%정도이고, 실시예의 시멘타이트석출량과 비교하여 근소한 점에서, 모양상인 마르텐사이트의 형상에 대하여 큰 영향을 주지 않는 다는 것을 알 수 있다.

강철 속의 개재물 및 윤활유 속의 혼입된 먼지를 잘게 부수어 넣었을 때의 응력집중환화대책으로서는, 종래에 공지된 기술인 잔류 오스테나이트량을 조정하는 수단을 상기한 본 발명에 조합시켰다. 더욱이, 후술하듯이 본 발명의 강철에 침탄침질처리후, 담금질된 것에 숏피닝을 실시하여 표면층부의 잔류오스테나이트량을 10∼15체적%로 저감한 경우에, 로울러 피팅수명이 저하되기 시작한 점에서, 잔류오스테나이트량으로서는 20체적%이상으로 하고, 또 잔류된 오스테나이트의 상한치는 80체적%이상에 있어서는, 내마모성이 열화되기 시작하기 때문이다. 또한, 잔류오스테나이트량은 20∼60체적%가 바람직하다.

잔류된 오스테나이트의 양적인 제어는, 침탄 및 침질 또는 침질시의 탄소포텐샬과 질소포텐샬을 제어하므로서 실시되지만, 더욱이 표면을 숏이나 로울 등의 물리적 가압수단이나 서브제로 처리 등에 의한 열적수단에 의하여, 잔류된 오스테나이트양상을 마르텐사이트로 변태시켜서 최종적으로 표면경도의 적정화의 관점에서 조정하는 것으로 하였다.

상기한 복합조직중의 미세한 질화물 및 탄질화물을 실현하기 위하여, Al을 0.3∼3.0중량%함유하고, 표면에 있어서의 질소를 0.4∼2.5중량%함유하지만, 후술하는 Al첨가량의 관계에서 0.7∼1.7중량%를 함유하는 것이 바람직하다.

또한, Al의 첨가량으로서는 0.2중량%이상에 있어서, 상기한 마르텐사이트의 미세효과가 확인되고, 면압강도의 향상효과를 확인할 수 있고, 또 첨가량의 상한에 관해서는 매우 엄격한 범위는 없지만, 4중량%이상의 첨가에 의해서는 면압부품의 강철의 내부조직에 페라이트양상이 석출되기 쉽게 되는 것이나 소재의 가공성이 악화되는 점에서 상한을 3중량%로 하였지만, 보다 바람직하게는 0.5∼2중량%이다.

또, Al의 첨가효과로부터 V에 대해서도 질화물 분산에 의한 마찬가지의 작용을 기대할 수 있지만, 상기하듯이 질화물분산에 작용할 수 있는 유효한 V는 실질적으로 0.2중량%이하이고, Al에 기대되는 만큼의 기능은 없다. 그러나, 본 발명에서는 상기한 Al의 첨가효과에, 내마모성 개선과 뜨임으로 연화저항성의 개선을 도모하기 위하여, 표면에 탄화물(시멘타이트)을 약 30체적%까지 석출분해시킴과 함께, 또한 탄화물의 분산에 의한 피로강도의 저하를 방지하기 위하여, 석출시키는 시멘타이트의 평균입경을 3㎛이하로 조정한다는 목적으로, 0.5∼5.0중량%의 Cr 및/또는 0.2∼1.0중량%의 V를 가하여, 이전의 Al첨가의 효과를 병용하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, V첨가의 상한치에 대해서는 상기하듯이 질화물의 석출이 아니고, 표면의 시멘타이트의 미세화작용시키는 것을 중점목적으로 하는 경우에 있어서는(상식적으로는) 1100℃에서의 고온침탄을 상정하면 수중량%점도까지의 첨가가 유효하지만, 본 발명에서는 비용면에서 2중량%를 상한치로 하였다.

또, 상기한 Al질화물 및/또는 탄질화물은 최표면부에 있어서도 가장 미세하게 석출되고, 깊게 됨에 따라서 거리에 대략 비례하여 입자지름이 커지는 것이 알려져 있지만, 현실적으로는 900℃이하의 온도에 있어서 질소를 침투시키는 경우에, 표면으로부터 0.5㎜이내에 있어서는 0.3㎛이하의 평균입자지름이고, 또, 접촉응력에 의하여 발생하는 전단응력은 대부분의 경우에 있어서 접촉표면으로부터 0.5㎜ 이내로 최대치를 유지하는 것이 일반적인 점에서 문제가 없다. 또, 석출된 Al질화물 및/또는 탄질화물을 보다 미세하게 분산시키는 수법으로서는 질소를 침투시키는 단계의 온도를 낮게 설정하는 것이 중요하고, 바람직하게는 강철의 담금질본성의 확보된 관점에서 800∼850℃에 있어서 실시한다.

또, 이상과 같이 대단히 미세한 Al질화물 및/또는 탄질화물을 고밀도로 분산시킨 마르텐사이트의 뜨임으로 연화정항성을 현저하게 개선하는 것도 면압강도의 개선에 기여하는 것을 알 수 있다.

상기한 미세된 Al질화물 및/또는 탄질화물에서 분단된 마르텐사이트는 최표면부근방에 있어서는 마르텐사이트잎의 길이에서는 대략 1㎛정도로 분단되고, 광학현미경으로는 불명료한 조직으로 될 수록 미세화되고, 표면부의 피로균열의 발생에 대해서도 현저한 효과를 발휘하는 것으로 생각된다.

침탄침질 및/또는 침질처리시의 표면의 탄소농도는 표면의 경도를 얻기 위하여 적어도 0.6중량%이상으로 하였지만, 질소농도는 잔류된 오스테나이트량을 20체적%이상으로하는 조정을 목적으로서 0.4중량5이상으로 하였다. 질소함유량의 상한은 Al농도의 최대첨가량에 의하여 크게 변동시키도록 하고, 또한 잔류된 오스테나이트량을 최대의 80체적%로 조정하기 위하여 2.5중량% 이내로 하였다. 또한, 바람직하게는 이전의 Al첨가량범위로부터하여 0.7∼1.7중량%이다. 또, 탄소량은 대략 1.1중량%를 초과함에 따라서 시멘타이트가 석출되기 시작하지만, 로울러피팅강도나 회전의 구부림강도등에서의 열화를 방지하기 위하여, 시멘타이트평균입경이 3㎛를 초과하지 않도록 시멘타이트의 응집성을 방지하기 위한 조직을 조정하는 상한치로서, 대략 시멘타이트석출량이 약30체적%로 되는 3.0중량%로 하였다.

또한, 3,0중량%이상으로 탄소농도를 높인 경우에는, Cr, V의 첨가조정에 의해서도 시멘타이트끼리의 응집을 방지하는 것이 어렵게 되고, 그 결과 구부림피로강도나 피팅(pitting)강도의 저하가 유효하게 방지될 수 없다.

또한 상기한 시멘타이트의 석출미세화를 위해서는 0.5중량%이상의 Cr의 첨가가 필요하며, 또한 0.2중량%이상의 V의 병용첨가가 효과적이다. 이런 것은, 오스테나이트모양상 중에 석출되는 시멘타이트의 입자지름에 대한 합금원소의 영향이 석출온도에 있어서의 시멘타이트속에 농축하는 경향이 강한 합금원소만큼 미세화되고(시멘타이트 속의 합금원소농도/오스테나이트모양상중의 합금원소농도=분배계수KM과 정의하여, 분배계수가 클수록 시멘타이트에 농축되기 쉬운 합금원소이고, 또한 시멘타이트의 평균입자지름을 작게하는 작용이 강함), 일반의 기계구종용 강철에 사용되는 합금원소중에서는, 특히 Cr, V의 분배계수가 큰 점에서, 미세화작용이 강하게 발현되어 있는 것이다(예컨데, 본 발명에서 조사된 결과에서는 900℃에 있어서의 Cr의 분배계수(KCr)는 6.4, V의 분배계수(KV)는 12.3, Mn의 분배계수(KMn)는 2.1, Mo의 분배계수(KMo)는 3.5, Ni의 분배계수(KNi)는 0.22였다). 또 Al의 첨가는 시멘타이트 중으로의 고용도가 거의 없고, 시멘타이트의 미세화에 효과적으로 작용하지 않지만, 시멘타이트의 입자의 성장중에 Al이 강제적으로 세멘타이트로부터 배출되는 필요가 있다는 점에서 약하면서도 미세화 효과가 발현되고, 본 발명과 같이 다량의 Al을 첨가하는 경우에 있어서는 유효적이다. 더욱이, 시멘타이트를 30체적%도 석출시킨 경우에는, Al이 현저하게 모양상인 오스테나이트중에 농축되도록 되고, 질소의 침투에 의한 Al질화물 및/또는 탄질화물의 석출을 촉진하는 것으로 작용해서 효과적인 공존효과를 발휘한다. Cr의 첨가량의 상한에 관해서는 담금질본성과 비용면의 균형을 고려하여 5중량%이하로 하였다.

본 발명에 사용하는 기계구조용 강철은, 상기한 Al을 필수성분으로서, 더욱이 V, Cr의 1종이상을 첨가하는 것으로 하는 것이지만, 더욱이, 고면압용부품의 등심부의 강도를 부여하기 때문에, 2이외의 성분에 대해서는 하기와 같은 범위에서 첨가되어 있는 것이 필요하다.

C는 원하는 등심부의 경도를 부여하는데 불가결한 원소이고, 보통은 기어재로서는 0.1∼0.5중량%정도의 탄소농도가 강철소재로서 함유되어있는 필요가 있고, 또 베어링강철에서는 제품단계에서 침탄처리를 실시하지 않는 경우에는 보통1.2중량%까지 탄소를 함유시켜서 보올형상화처리를 실시하여 사용되어 있지만, 1.2중량%까지 탄소를 함유시켜서 보올형상화처리를 실시하여 사용되어 있지만, 1.2중량%를 초과하여 사용하는 경우에는 시멘타이트의 보올형상처리에 의하여 시멘타이트의 응집성이 커지며, 전동수명에 훌륭한 효과를 얻지 못하게 되기 때문이고, 본 발명에 있어서도 상기한 이유로부터 강철소재로서 함유되는 탄소량은 0.1∼1.2중양%로 하는 것이 바람직하다.

Si는 통상보통원소로서, 불가피적으로 0.2중량%정도가 함유되는 것이고, 또 뜨임으로 연화저항성을 높이는 원소로서 종래부터 이용되어 있지만 보통은 1중량%이하의 범위내에 있어서 사용되어 있다. 또, Al과 마찬가지로 침질에 의한 마르텐사이트 미세효과를 기대할 수 있지만, 현실적으로는 입계산화성을 높이는 것이나 침탄성에 대한 분산성을 부여한다는 점에서 1중량% 이내로 고정시키는 것이 바람직하다.

Mn, Ni, Mo는 각각 침탄, 침질 및/또는 침질후의 담금질본성에 대하여 중요한 역할을 유지해왔고, 본 발명에 있어서도 기계구조용강철로서 통상적으로 사용되는 범위내에 있어서 사용되는 것이 바람직하다(예컨대, Mn:0.1∼1.5중량%, N:0∼4%, Mo:0∼1.0중량%, 그 외는 보론처리).

No, Ti, Zr은 강철소재의 결정입자미세화를 모적으로서 미량첨가되지만, 보통의 범위에 있어서 사용되는 것이 바람직한 것이다. 또, Al과 마찬가지로 질화물형성원소로서 미세한 질화물 석출에 효과를 발휘하는 것이 기대되지만, 상기한 바와 같이 강철소재에 함유되는 탄소의 반응성이 높고, 첨가량의 대부분이 상기한 침탄침질 및/또는 침질처리전에 탄화물로서 석출되고, 현실적으로 질소의 침투에 의하여, 질화물을 석출시키기 위해서는 많은 첨가량이 필요하게 되어 비용면에서 대단히 고가인 것으로 되므로, 본 발명에 있어서는 강철소재의 결정입자미세화에 대한 사용목적에서 한정적으로 첨가량으로서는 0∼0.1중량%의 범위내로 한정하는 것으로 하였다.

Ca, S, Pb는 보통에 있어서 절삭성의 개선을 목적으로 첨가하는 것이 많다.

이와 같은 목적을 위해서는, 상기한 본 발명의 면압강도개선 고가와 감안하여 필수목적에 따라서 첨가량을 조정하면서 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기한 바와 같이 침탄침질 및/또는 침질에 의하여 표면탄소량과 표면질소량을 조절하면서 담금질 후의 표면층근방중의 잔류된 오스테나이트량을 구체적으로 제어하고 있지만, 상기한 바와 같이 숏피닝이나 서브제로처리와 같은 물리적 혹은 열적인 수단에 의하여 잔류된 오스테나이트량을 조절할 수 있다. 숏피닝에 의하여 잔류된 오스테나이트량이 표층부로서의 X선해석법에 의해서 대략 10체적% 이하로 감소된 경우의 전동수명은 그 분산이 커지는 경향으로 되고, 20체적%이상의 존대에 의하여, 안정된 면압강도가 얻어지도록 되는 경향이 인정된다.

그러나, 80체적%의 잔류응력이 존재하는 경우에는, 전동수명보다도 전동면에서의 마모가 진행되도록 하고, 또한 표면경도도 현저하게 저하되므로, 잔류된 오스테나이트량의 바람직한 체적%로서 최표면 50㎛까지의 영역에 있어서는 20∼60체적%로하고, 또 더욱이 0.5㎜깊이까지는 20∼80체적%로 하였다.

본 발명에 적용되는 침탄, 침탄침질처리 및/또는 침질처리를 실시할 때는, 일반적으로는 900℃이상의 온도에 있어서 일단침탄된 후에 850℃부근의 온도로 냉각된 후에 암모니아가스를 추가첨가하면서 침탄, 침질분위기를 형성시켜서 탈탄하지 않는지, 혹은 가탄(加炭)하는 조건에서 침질하는 방법이 실시되고 있다. 그러나, 본 발명에서는 930℃이상에서 대략 1100℃까지의 고온에서 표면탄소 농도가 1.1중량%이상에서 약 2중량%이하로 되도록 침탄된 후, 일단 A₁점 온도이하로 냉각되고, 베이나이트, 마르텐사이트, 펄라이트 등의 조직상태로 한 후에 A₁점 온도이상으로 재차 가열하여 900℃이하의 온도에서 입자형상인 미세한 시멘타이트를 석출 혹은 분산시키면서, 침탄침질분위기 혹은 침질분위기에서 탄소 및/또는 질소를 확산침투시키므로서 시멘타이트가 30체적%를 초과하지 않는 3.0중량%탄소, 질소농도를 2.5중량%까지 함유시키는 방법을 채용해도 좋다.

본 발명에 적용하는 침탄침질처리 및/또는 침질처리법으로서는, 특히 한정되는 것은 아니고, 보통의 가스침탄침질, 가스침질이나 감압가스분위기에서의 침탄침질, 침질 및 플라스마 분위기 속에서의 침탄침질, 침질법등, 상기한 침탄침질, 침질조건을 만족하듯이 적시에 변경하여 실시할 수 있으면 좋다.

본 발명에 있어서는, Al, V 등의 강력한 질화형성원소를 효과적으로 첨가하므로서, 침탄침질 및/또는 침질처리에 있어서 극미세한 질화물을 기어나 베어링전동면표면층에 치밀하게 분산석출시켜, 그 후의 담금질조작에 의하여 석출질화물 혹은 탄질화물에 의하여 미세하게 분단되어 불규칙한 바늘형상인 마르텐사이트를 모양상으로 형성시킴으로써, 전동중에 표면근방에 발생하는 피로균열의 발생과 그 진전을 강력하게 억제하므로서, 큰 면압이 작용하는 고면압부품의 면압강도를 현저하게 높일 수 있었다.

또, 렌즈형상인 마르텐사이트를 효과적으로 분단, 미세화하는 분산물로서 Al을 주체로하는 질화물 및/또는 탄질화물을 사용하므로서, 석출물의 극미세화가 도모되고, 또한 강철에 처음부터 함유되는 탄소와의 반응성이 없고, 첨가량의 대략 모든량이 침탄질화 및/또는 침질처리반응시에 고효율로 석출물을 이용할 수 있다는 것을 알 수 있다. 더욱이, Al의 질화물 및/또는 탄질화물의 분산효과에 더하여, 강철소재속에 Cr, V를 병용첨가하고, 표면에 3㎛이하의 미세한 시멘타이트를 동시에 다량으로 분산석출시킴으로써, 피로강도의 열화를 방지시키면서, 면압강도를 가산적으로 강화할 수 있다.

상기한 침탄침질, 침질처리 후는, 오일 담금질, 수분 담금질 등에 의하여 침탄침질 및/또는 침질부를 담금질 경화시킴으로써, Al질화물 및·또는 탄질화물을 극미세하게 석출시켜 마르텐사이트잎을 미세화된 경화층이 얻어지며, 내피팅성에 우수한 것으로 된다. 담금질 방법으로서는 강철의 Al점 변태이상의 온도로부터 담금질하든지, 혹은 Al점 이하의 온도로 냉각한 후 Al점 온도이상으로 재가열하여 담금질하는 것이 바람직하다. 특히 Al질화물을 석출시키는 본 발명에 의한 강철에서는, 재차 가열담금질에 의하여 침질층부의 평균결정입자가 5㎛정도 이하로 미세화하는 것이 용이하고, 회전의 구부림피로강도의 개선 등에 효과적으로 작용한다.

도 1은, 본 발명의 일실시예에 관한 고내면압용강부품인 회전굽힘시험편의 측면도.

도 2는, 본 실시예의 로울러피칭시험편의 작은 로울러시험편의 측면도(a) 및 큰 로울러시험편의 측면도(b)이다.

도 3은, 본 실시예의 침탄기에 시멘타이트를 석출시키지 않는 침탄침질처리의 설명도.

도 4는, 본 실시예의 침탄기에도 시멘타이트를 석출시키는 침탄침질처리의 설명도.

도 5는, 본 실시예의 침질처리도.

도 6은, 본 실시예의 침탄기에 시멘타이트를 석출시키지 않는 침탄침질처리된 작은 로울러를 사용하여 조사된 피팅(pitting)수명의 결과도.

도 7은, 본 실시예의 No.6과 No.10 의 표면근방에 있어서의 금속조직을 표시하는 조성비교사진.

도 8은, 본 실시예의 최표면으로부터 100㎛이 위치에서의 금속조직을 표시하는 고배율사진.

도 9는, 본 실시예 EPMA에 의한 표면에서의 금속조직을 표시하는 질소분석결과 사진.

도 10은, 본 실시예의 침탄침질후에 담금질하여 형성된 표면침질부의 로울러피팅수명의 결과도.

도 11은, 본 실시예의 침탄기에도 시멘타이트를 석출시키는 침탄침질처리된 작은 로울러를 사용하여 조사된 피팅(pitting)수명의 결과도.

도 12는, 본 실시예의 침탄기에 시멘타이트를 석출시키지 않는 침탄침질처리의 열처리후의 회전굽힘피로강도의 결과도.

도 13은, 본 실시예의 침탄기에 시멘타이트를 석출시키지 않는 침탄침질처리의 열처리후의 회전굽힘시험편에 숏피닝(shot peening)처리를 실시한 경우의 피로강도의 결과도.

다음에, 본 발명에 의한 고내면압용강부품 및 그 제조방법의 구체적인 실시예에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다.

표 1에는, 본 발명에 사용되는 조성범위내의 강철과 비교재용의 강철의 성분조성이 표시되어 있다. 공시 강철 속의 탄소량은 기어 등의 표면을 굽는 강철의 예로서 잘 사용되는 0.2중량%로부터 중탄소강 및 베어링강의 대표인 SUJ2상당의 탄소량 1.1중량%까지의 것을 사용하였다. 또, No. 1∼8에는, Al과 V의 첨가효과를 검토하기 위한 수준을 준비하고, 상기한 침탄침질에 의한 Al질화물 및/또는 탄질화물의 분산효과와 미세한 시멘타이트의 분산효과의 상호효과에 대하여 검토하였다. 더욱이, No. 9∼12에는 비교재로서 중탄소강, SNCM 420H, 420H, SUJ2를 준비하였다.

공 시 강 의 합 금 성 분 표

	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	V	Al
본발명재	No. 1	0.55	0.24	0.75	0.47				0.52
	No. 2	0.2	0.22	0.75	1.02		0.15	0.42	0.031
	No. 3	0.21	0.07	1.04	2.85			0.2	0.03
	No. 4	0.22	0.08	1.01	2.81			0.2	1.01
	No. 5	0.23	0.21	0.53	1.01		0.2		0.31
	No. 6	0.21	0.22	0.51	1.01		0.21		1.02
	No. 7	0.35	0.09	1.25	1		0.19		2.53
	No. 8	1.04	0.27	0.48	1.51				0.75
비교재	No. 9	0.56	0.25	0.76	0.51				0.031
	No. 10	0.21	0.28	0.52	0.62	1.89	0.22			0.05Nb
	No. 11	0.22	0.26	0.76	1.03		0.19		0.029
	No. 12	1.02	0.28	0.5	1.47

이들의 공시강은 용제 후, 열간단조, 볼링처리한 후에, 도 1, 도 2에 표시하듯이 회전의 구부림 시험편과 로울러피팅시험용 작은 로울러편에 가공된다. 또, 로울러 피팅시험용의 큰 로울러편에는, SUJ2를 담금질 뜨임하고, 경도에서 H_RC64로 조정하여 사용된다. 또, 본 실시예에서의 침탄침질 및 침질처리는 도 3, 도 4, 도 5에 표시되는 방법으로 실시되어 있다.

또한, 침탄침질, 침질처리시의 탄소포텐셜(Cp)은, 침탄가스조성중의 CO₂가스농도를 조정하므로서 실시되고, 질소포텐셜(Np)은, 암모니아 유량을 변경함으로써 조정된다.

또한, 도 3은, Cp를 0.8중량%로 조정하면서 930℃에서 침탄된 후, 850℃에서 침질을 실시하는 침탄침질처리를 실시한 것이고, 이 조건에 있어서는 침탄시에는 시멘타이트의 석출이 발생되지 않도록 하며, 침질시에 Al질화물이 석출하도록 된 조건이지만, 1중량%이상의 Cr을 함유하는 강철에서는 일부시멘타이트가 소량 석출되는 경우가 있다. 이것은, Cp를 제어하는 경우에는 침탄가스의 RX가스 중의 CO₂%(0.25%)를 로울의 어려움을 피한 결과이고, 실질적인 Al첨가효과를 확인하는데 지장이 없다.

또, 도 4는 Cp를 1.4중량%로 설정하고, 침탄기에 있어서도 적극적으로 시멘타이트의 석출을 도모함과 동시에, 950℃에서의 침질에 의하여 Al질화물의 석출을 도모하는 것이다.

그리고, 도 5는 고탄소의 베어링강철 수준의 No. 8, 12에 대하여 830℃에서의 침질을 실시한 것이다. 또한, 모든 수준에 있어서의 뜨임처리는 160℃×2시간의 조건으로 통일하였다.

또, 850℃에 있어서의 침질시간에 의하여, 대략 침투질소 깊이는 0.2㎜정도로 되도록 통일하였다.

열처리 후의 시험편 표면층의 탄소, 질소농도는 시험편 단면을 검량선을 사용한 EPMA(X선 마이크로아나라이저)에 의해서 전기 분석한다. 또, 표면조방층에 석출하는 Al질화물 및/또는 탄질화물의 관찰이나 마르텐사이트조직의 관찰은 광학현미경과 주사형전자현미경이 적시에 사용되어 있다. 더욱이, 표면회전수는 바깥날개(3)의 회전수보다도 다량 설정되어 있다. 더욱이, 표면조근방에서의 각 위치에 있어서의 잔류된 오스테나이트량이나 잔류응력의 측정은 표면으로부터의 전해연마를 가하여 실시하였다.

로울러피팅피로시험의 조건은, 도 2에 표시되는 공시강철의 작은 로울러에 SYJ2로 가공된 큰 로울러핀을 밀어 닿게 하면서, 회전수 1050rpm, 미끄럼율이 40%로 조건을 고정시켜, 면압을 250∼375㎏/㎟의 범위에 있어서 적시에 조정하면서, 면압강도를 평가하였다. 또한, 피팅(pitting)발생의 판정조건은 작은 로울러에 피치결함이 1개 발생할 때까지의 회전수로 평가하였다. 또한, 로울러피팅의 런아우트회수는 20∼30×10⁶회로 하였다.

또, 회전의 구부림 피로강도는 회전속도3600rpm으로 20×10⁶회를 런아우트조건으로서 구부림피로강도를 평가하였다.

도 3에 표시되는 조건에서 침탄침질된 작은 로울러편을 사용하여, 조사된 피팅수명이 도 6에 표시되어 있다. Al을 실질적으로 함유하지 않는 No. 9∼11의 피팅수명을 기준으로 검토하면, 이들의 피팅수명의 분산을 하한으로서 도 5중의 파선으로 표시할 수 있지만, Al을 0.3중량%이상을 함유하는 No. 1, 4, 5, 6, 7, 8의 로울러 피팅수명은 명확하게 Al첨가량의 증가와 아울러 고수명화 하고 있는 것을 알 수 있다. 특히, Al을 대략 1중량%를 함유하는 No. 4, 6은 본 실시예의 최대의 헤르쯔면압 375㎏/㎟에 있어서도, 그 대부분이 런아우트하는 극히 고강도의 내면압강도를 표시하고 있고, 0.31중량%Al을 함유하는 NO. 5에 있어서도 현저한 Al첨가효과가 인정된다. 또한, 2.53중량%Al을 첨가한 No. 7의 피팅수명이 No. 4, 6의 것에 비하여 짧은 수명측으로 위치하는 원인은 No. 4, 6등이 질소침질깊이가 상기한 바와 같이 0.2㎜인 것에 대하여 도 3에 표시된 조건에서는, 시간적으로 충분하지 않고, 침투깊이가 0.05∼0.12㎜정도로 얇고, 흩어져 있기 때문이고, 850℃에서의 침질시간을 기재함으로써 개선할 수 있다. 또, 실질적인 Al이 첨가되어 있지 않지만, 0.42중량%의 V를 함유시킨 No. 2에 있어서도 V질화물에 의한 효과가 약간 인정되지만, Al의 첨가효과와 비교하여 그다지 현저하지 않다는 것을 알 수 있다. 더욱이, Cr을 2.85중량%첨가된 No. 3의 피팅수명이 대부분 개선되어 있지 않다는 점에서, 시멘타이트를 적극적으로 석출시키지 않는 본 침탄침질조건에 있어서는 Cr이 첨가효과는 그다지 중요한 것은 아니고, 침투해오는 질소의 작용이 작은 것을 알 수 있다.

도 7에는, 대표적인 Al첨가재료 No. 6과의 비교재의 No. 10의 표면근방에 있어서의 금속조직을 표시하는 조성비교가 표시되어 있다. 이 도 7에서 명확하듯이, No. 6의 최표면근방에서는 마르텐사이트가 극미세하게 석출되어 있고, 그 마르텐사이트잎의 평균깊이도 1㎛정도 이하로 미세화되고, 더욱이 광학현미경에서는 바늘형상으로 가끔 눈에 띠게 되는 마르텐사이트잎은 이들의 작은 극미세한 마르텐사이트가 연관된 것으로 되고, 비료재료의 마르텐사이트잎의 조직형태에 있어서 명확한 성취를 표시하고 있다. 또, 도 8은 최표면으로부터 100㎛위치에서의 금속조직을 표시하는 고배율사진을 표시한 것이지만, 마르텐사이트잎의 내부에는 균질하게 분산된 평균입자가 0.3㎛이하의 Al질화물이 함유되어 있는 것을 알 수 있고, 이들의 미세한 Al질화물 및/또는 탄질화물의 분산물에 의하여 마르텐사이트잎이 폭으로 약 1㎛이하로 미세하게 분단되고, 결과로서 불규칙형상인 마르텐사이트잎으로 되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 비교재에 있어서도 0.1∼0.2㎛정도의 입경의 시멘타이트가 소량석출되고 있지만, 실질적으로는 마르텐사이트잎의 형상은 대단히 직선성이 Dt는 렌즈형상인 마르텐사이트잎으로 되어 있고, 이 사이즈레벨에서의 분사물에 의한 마르텐사이트잎의 미세효과가 인정되어 있지 않는 것이 명확하다.

또, 표면에 석출하는 Al질화물 및/또는 탄질화물의 형상은 미세한 입자형상이외에는 지름이 0.3㎛이하로 파이버형상(로드형상)인 것이 다량 인정되며, 이 석출형태가 짧은 섬유강화적인 작용을 강하게 하는 것도 본 발명에 있어서의 특징이다.

또, 도 9에는 EPMA에 의한 표면에서의 금속조직을 표기하는 질소분석결과를 표시했지만, No. 6에서는 1.2중량%, No. 10에서는 0.7중량%이다. 또한, 각 시험편의 표면질소농도는 Al농도에 의하여 크게 변화하지만, 그 변화량은 첨가된 Al이 전부 AlN으로 된다고 가정하여, AlN의 화학량론적 조성으로부터 산출되는 질소량에 대략 동등하게 되어 있다.

또, 탄소량은 대략 목적대로 함유되어 있다.

더욱이, No. 6, 10의 표면층의 잔류된 오스테나이트량은 대략 40∼60체적%의 범위로 들어있는 것이 X선해석에 의하여 확인되어 있다. 경향으로서는, 최표면으로부터 20㎛위치에서의 잔류된 오스테나이트량은 Al을 첨가한 No.6의 쪽이 No. 10에 비하여 약12체적%정도 많다. 그러나, 전반적으로 말할 수 있는 것은, 침탄침질처리후의 담금질조직에 있어서는 잔류된 오스테나이트량은 침투시킨 질소량에 의하여 크게 영향을 받고 있고, 본 실시예에서는 전부 30체적%이상을 확인하고 있다.

도 10에는, 침탄침질후에 담금질하여 형성된 표면침질부분의 로울러피팅수명에 대한 영향을 확인하기 위하여, 상기한 침탄침질처리된 No. 6의 침질 0.2㎜부분을 표면으로부터 0.10㎜, 0.15㎜를 제거한 경우의 피팅결과를 표시하였다.

그 결과 침질층의 제거량이 많아짐에 따라서 현저하게 피팅수명은 저하되고, 최종적으로는 Al질화물에 의한 마르텐사이트 미세화 결과가 없는 비교재의 침탄침질처리강도와 대략 동일하게 되는 것을 알 수 있다. 또, 숏피닝에 의한 잔류된 오스테나이트량의 저감도, 특히 실시예의 최고면압 375㎏/㎟에 있어서 피팅수명을 저하시키고 있지만, 침질층의 제거효과만큼 현저하지 않다는 것도 알 수 있다.

단, 숏피닝은 표면부를 현저하게 경화시키는 작용과 높은 압축잔류응력의 발생효과가 있다는 것이 잘 알려져 있고, 피팅강도와 내마모성, 구부림피로강도를 높이는 요인으로서의 프러스면의 작용도 기대할 수 있다는 점에서, 표면부의 잔류된 오스테나이트량을 약20체적%이하로 되지 않는 범위에서 사용하는 것이 바람직하다.

도 4에 표시되는 조건에서 고농도의 탄소를 침투시켜서 적극적으로 시멘타이트를 석출시키면서 침잔침질된 No. 2, 3, 4, 6, 11의 작은 로울러조각을 사용하여, 조사된 피팅수면이 도 11에 표시된다. 또, 강소재가 고탄소농도이고, 이미 시멘타이트를 석출하고 있는 베어링강철수준의 No. 8, 12에 대하여, 도 5에 표시한 침질처리된 피팅결과에 대해서도 도 11에 맞춰서 표시된다. 또, 수명평가기준으로서, 이전의 도 6의 파선으로 표시된 피팅수명 하한치선을 도 11에 표시되어 있다.

일반적으로는 비교재에 있어서도 5㎛이하의 시멘타이트의 석출에 의하여 현저한 피팅수명의 향상을 확인할 수 있지만, Al의 첨가에 의하여 말할나위 없는 피팅수명의 향상이 도모되는 것을 알 수 있다. 특히, 시멘타이트의 석출효과와 Al질화물의 석출에 의한 극미세한 마르텐사이트의 석출효과는 예컨대 No. 3, 4,의 수명비교나 베어링강철수준의 No. 8, 12의 수명비교에서도 명확하게 확인할 수 있고, 본 발명의 양쪽효과의 가산성을 확인할 수 있었다.

또한, No. 2, 6, 11의 표면탄소량은 1.5∼1.7중량%이고 평균입경이 2∼5㎛의 시멘타이트가 석출된 조직이고, No. 3, 4의 표면탄소량은 2.3∼2.6중량%의 범위에 있고, 평균입경이 1.5∼2.5㎛의 시멘타이트가 석출된 조직이다. 또한, No. 11의 SCM420H비교재에서는 5㎛, No. 3에서는 2.5㎛이고, Cr을 다량 함유함에 따라서 석출시멘트는 미세하게 되어 있고, 종래의 보고된 경향과 합치하고 있지만, 더욱이 Al을 첨가한 강철에 있어서는 더욱이 그 시멘타이트의 미세화효과를 확인할 수 있다. 또 이와 같은 탄소량과 시멘타이트 입경의 상위 및 Al질화물의 석출효과의 조직적인 관점에서 상기한 피팅수명의 개선효과가 대략 합리적인 것을 알 수 있다.

도 12는 도 3의 열처리후의 No. 6, 11의 회전의 구부림피로강도를 표시한 것이다. No. 6의 표면층0.2㎜에는, 상기하듯이 침질에 의한 Al질화물의 석출층이 존재하여, 표면부에서의 구부림응력의 노치(motch)효과에 의한 응력집중발생이 염려되지만, 도 12의 결과에서 그러한 걱정이 없다는 것을 알 수 있다. 이것은 석출하는 Al질화물의 사이즈가 0.3㎛이하로 대단히 극미세화하기 때문이다. 또, 동일도면에는 아아크하이트가 0.9에서 숏피닝했을 때의 회전이 구부림 강도에 대해서도 표시했지만, No. 11과 대략 동일효과가 확인되고 있고, 표면부의 강한 가공을 받았을 때에 있어서도 Al질화물의 석출이 응력집중점으로서 작용하지 않는 것을 알 수 있다. 이상과 동일한 효과는, No. 8, 11의 베어링강철수준으로 도 5의 열처리를 실시한 것의 회전의 구부림피로강도의 비교에 있어서도 확인할 수 있는 것이다.

도 13은, 도 4의 열처리를 실시한 No. 3, 4, 6, 11의 회전의 구부림피로강도결과를 비교하여 표시된 것이지만, 상기하듯이 No. 11의 표면에는 평균입경이 약 5㎛의 시멘타이트가 석출하여 있는 것에 대하여, No. 6에서는, 시멘타이트의 평균입경이 약 2㎛로 미세하게 되어 있으므로서, No, 11의 회전의 구부림강도는 시멘타이트를 석출시키지 않는 경우에 비하여, 약 10%정도의 강도 저하가 인정되었다. 그러나, 상기한 Al첨가에 의하여 시멘타이트입경을 약2㎛로 미세하게 된 No. 6에서는, 그 강도저하는 거의 인정되지 않는 점에서, 시멘타이트를 표면에 석출시켜서 사용하는 경우에는, 시멘타이트의 평균입경은 3㎛이하로 되도록 열처리하는 것이 바람직하다고 생각된다. 또, No. 6, 11의 열처리후의 회전의 구부림시험편에 아아크하이트가 0.9의 숏피닝처리를 실시한 경우의 피로강도에 대해서도 도 13에 맞춰서 표시했지만, 시멘타이트입경의 큰 No. 11에 대해서는 큰 개선효과가 달성될 수 없는 것에 대하여, 미세한 시멘타이트를 석출시킨 No. 6의 회전의 구부림피로강도에는 현저한 개선효과가 인정된 점에서 피로 강도적인 관점에서는, 시멘타이트의 평균입경을 3㎛이하로 하는 것도 중요하지만, 시멘타이트의 응집물을 없애는 것도 보다 중요한 것을 알 수 있다. 더욱이, 동 도 13에는 No. 3, 4의 도 4의 열처리후의 회전의 구부림피로강도에 대해서도 합쳐서 표시했지만, 시멘타이트량이 약 25체적%로 되어 있어도, 시멘타이트입자의 평균지름이 각각 2.5㎛, 1.5㎛로 미세화 되어 있으므로서, 피로강도에 현저한 저하가 인정되지 않는 것을 알 수 있고, 이런 점에서, 시멘타이트량은 30체적%정도까지는 시멘타이트의 미세화에 의하여 강도의 열화없이 면압강도의 개선에 기여할 수 있다는 것을 알 수 있다. 단, 30체적%를 초과하는 시멘타이트를 석출시키는 경우에는, 많은 시멘타이트가 응집하며, 거친 정도가 커지는 위험성이 큰 것을 확인하고 있으며, 30체적%이상의 시멘타이트를 석출시키는 경우에 있어서 현저한 면압강도의 개선효과를 기대할 수 없다.

또한, Al질화물의 석출사이즈를 작게 하기 위해서는 도 3 내지 도 5에 표시된 침질처리하는 온도를 낮게 설정하는 것이 효과적으로 생각되며, 더욱이 도 4에 표시한 바와 같이 침탄에 의하여 시멘타이트를 적극적으로 석출시키기 위해서도 침탄온도를 낮게 설정하는 것이 바람직하지만, 현실적인 침탄침질, 침질처리는 800℃이상에서 실시하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, Al질화물등 극미세한 석출물을 침탄침질 및/또는 침질법에 의하여 석출시킨 후에, 담금질로 생성되는 마르텐사이트잎을 극미세화하므로서, 접촉응력에 의하여 발생되는 피로파괴가 현저하게 개선될 수 있다. 특히 그 특징은 회전의 구부린강도에 대한 강도저하도 없고, 또한 값이 싼 Al 등의 합금원소를 첨가하는 강철을 사용하므로서 쉽게 달성할 수 있다는 것은 대단히 경제적이다. 또, 본 발명은 미세한 시멘타이트를 석출시켜서 사용하는 경우에 있어서도, 시멘타이트의 입자중에서 Al이 배출되고, 모양상인 담금질본성을 저해하는 일이 없고, 또한 석출하는 시멘타이트입자를 미세하게 하는 작용이 있고, 더욱이 침질처리에 의한 Al 질화물이 석출에 대해서도 유효하게 작용하여, 전동피로에서의 평균수명의 현저한 향상을 가능하게 하고 있다.

따라서, 본 발명은 전동이나 미끄럼을 따르는 전동강도 및 내마모성을 필요로 하는 기어, 캠, 베어링부품 등의 고강도, 조밀화등을 위한 강철제부품에 적당한 것이다.

Claims

표면조직에 있어서, 평균입경이 3㎛이하의 미세한 질화물, 탄화물 및 탄질화물의 1종이상을 분산시켜, 모 양상인 마르텐사이트 잎이 이들 분산물에 의하여 잘게 분단되어 미세화되어서 이루어지는 복합조직을 보유하고 있는 것을 특징으로 하는 고내면압용강부품.
제1항에 있어서, 상기의 미세한 질화물 및/또는 탄질화물의 분산물은 크기의 주체가 0.3㎛이하이고, 미세한 질화물 및/또는 탄질화물의 1종이상의 분산물의 함유율이 1체적%이상으로 되는 것을 특징으로 하는 고내면압용강부품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기한 모양상인 마르텐사이트잎은, 보통 침탄조직의 렌즈형상인 마르텐사이트에 비교하여 현저하게 바늘형상화되며, 0.3㎛폭 이하의 미세한 질화물 및/또는 탄질화물의 분산물에 의하여 분단되고, 잎의 폭이 1㎛이하로 되는 미세한 마르텐사이트잎이 주체로 되고, 또한 현저하게 불규칙화되어서 이루어지는 것을 특징으로 하는 고내면압용강부품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기한 복합조직에 20∼80체적%의 잔량인 오스테나이트를 함유시키는 것을 특징으로 하는 고내면압용강부품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기한 탄화물은 평균입경의 시멘타이트를 주체로서, 최대 30체적%까지 분산되는 것을 특징으로 하는 고내면압용강부품.
제1항 또는 제2항에 있어서, Al을 0.3∼3.0중량%함유하고, 표면에 있어서 질소를 0.4∼2.5중량%함유하는 강철을 사용하는 것을 특징으로 하는 고내면압용강부품.
제1항 또는 제2항에 있어서, Cr을 0.5∼5,0중량% 및 V를 0.2∼1.0중량%함유하여 표면에 있어서의 탄소함유량이 1.0∼3.0중량%인 강철을 사용하는 것을 특징으로 하는 고내면압용강부품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 탄소함유량이 0.6∼3.0중량%, 질소함유량이 0.4∼2.5중량%인 것을 특징으로 하는 고내면압용강부품.
제6항에 있어서, 더욱이, Si, Mn, Mo, Ni, B, S 및 P 등의 불순물성분이나 합금성분을 보통의 성분범위에 있어서 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고내면압용강부품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 기어, 베어링의 전동체 및 그 레이스, 캠 구성부품 등의 접촉피로강도 및 내마모성을 필요로하는 구동력 전달부품에 적용하는 것을 특징으로 하는 고내면압용강부품.
제1항 내지 제5항 중 어느 1항에 기재된 복합조직 및 미세한 마르텐사이트잎을 얻기 위하여, 상기한 제6항 내지 제9항중 어느 1항 기재의 성분 강철을 사용하는 고내면압용강부품의 제조방법으로서, 침탄, 침탄침질, 침질법중 1종이상의 수단에 의하여 탄소와 질소를 표면으로부터 확산침투시키면서 분산물을 석출시키는 공정과,

이 분산물을 석출시키는 공정에 계속해서 강철의 오스테나이트온도영역으로부터 급냉하여 마르텐사이트양상을 형성시키는 공정으로 이루어지는지, 또는 침탄에 의하여 탄소를 표면으로부터 확산침투시킨 후, 일단 공석변태 온도이하로 냉각시켜, 계속하여 강철의 오스테나이트의 온도영역에 재차 가영하고, 침탄, 침질분위기 하에서 입자형상인 탄화물을 분산시킴과 함께 표면으로부터 확산침투시킨 질소와 탄소에 의하여 진화물 및 탄질화물을 분산시킨 후에 급냉하여 마르텐사이트양상을 형성시키는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고내면압용강부품의 제조방법.
제11항에 있어서, 침탄, 침탄침질, 침질법의 1종이상의 방법에 의하여, 표면부근방층에 침투시킨 탄소 및/또는 질소의 성분량을 억제하고, 강철의 오스테나이트의 온도영역으로부터의 급냉에 의하여 상기한 복합조직으로 함유되는 잔량인 오스테나이트량을 20∼80체적%석출시키는 것을 특징으로 하는 고내면압용강부품의 제조방법.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기한 제6항, 제7항 또는 제9항에 기재된 합금성분을 함유하고, 또한 탄소량이 1.2중량%를 초과하지 않는 강철을 사용하는 것을 특징으로 하는 고내면압용강부품의 제조방법.
제11항 또는 제12항에 있어서, 고내면압용강부품의 표면을 숏 혹은 로울 등의 물리적 수단에 의하여 잔류된 오스테나이트의 양상을 마르텐사이트로 변태시켜서 상기한 잔량의 오스테나이트량을 조정하는 것을 특징으로 하는 고내면압용강부품의 제조방법.