KR20060016788A

KR20060016788A - 고주파 담금질용 강재, 그것을 이용한 고주파 담금질부재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20060016788A
Application number: KR1020057022552A
Authority: KR
Inventors: 아키히로 마츠자키; 야스히로 오모리; 노부타카 쿠로사와; 토루 하야시; 타카아키 토요오카; 카츠미 야마다
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2006-02-22
Also published as: TW200512302A; EP1669468A1; US20070000582A1; KR100726251B1; TWI276690B; EP1669468A4; EP1669468B1; WO2005031020A1; DE602004032363D1

Abstract

본 발명은 질량%로, C: 0.3-0.7%, Si: 1.1% 이하, Mn: 0.2-1.1%, Mo: 0.05-0.6%, S: 0.06% 이하, P: 0.025% 이하, Al: 0.25% 이하 및 Cr: 0.3% 이하를 함유하고, 나머지가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 페라이트 조직 및 펄라이트 조직을 갖고, 또한 페라이트 조직과 펄라이트 조직과의 합계의 체적분률이 90% 이상이고, 페라이트 조직의 두께가 30㎛ 이하이며, 또한 고주파 담금질후의 경화층의 평균 구오스테나이트 입경이 12㎛ 이하로 되는 고주파 담금질용 강재를 제공한다. 이 강재는 피절삭성이 양호하고, 고주파 담금질후에 우수한 피로강도를 가지므로, 자동차의 구동축이나 등속 조인트 등에 적합하다.

고주파 담금질, 페라이트, 펄라이트, 오스테나이트, 피절삭성, 피로강도, 자동차, 구동축, 등속 조인트

Description

고주파 담금질용 강재, 그것을 이용한 고주파 담금질부재 및 그 제조방법{STEEL PRODUCT FOR INDUCTION HARDENING, INDUCTION-HARDENED MEMBER USING THE SAME, AND METHODS FOR PRODUCTION THEM}

본 발명은 고주파 담금질에 의해 표층에 경화층이 형성되는 자동차의 구동축(drive shaft) 및 등속 조인트 등에 적합한 고주파 담금질용 강재(鋼材), 그것을 이용한 고주파 담금질부재 및 그 제조방법에 관한다.

종래, 자동차의 구동축, 등속 조인트, 크랭크축(crank shaft), 입력축(input shaft), 출력축(output shaft), 톱니바퀴, 허브(hub) 등의 기계구조용 부재에서는, 열간압연 봉강(棒鋼)에, 열간단조, 나아가서는 절삭, 냉간단조 등을 실시하여 소정의 형상으로 가공한 뒤, 고주파 담금질-템퍼링(tempering)을 행함으로써 기계구조용 부재로서의 중요한 특성인 비틀림 피로강도, 굽힘 피로강도, 전동 피로강도 및 슬라이딩 전동 피로강도 등의 피로강도를 부여시키는 것이 일반적이다.

최근, 환경문제로부터 자동차용 부재에 대한 경량화의 요구가 강해짐에 따라, 이러한 기계구조용 부재의 피로강도에 대하여 더 높은 향상이 요구되고 있다.

피로강도를 향상시키기 위해서는, 예컨대 고주파 담금질에 의한 담금질 깊이를 증가시키는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 어떤 담금질 깊이에서 피로강도는 포 화하여, 그 이상의 향상을 도모할 수 없다.

피로강도의 향상을 위해서는 입계강도(粒界强度)의 향상도 유효하고, 예컨대 일본 특개2000-154819호 공보에는, 고주파 담금질의 가열시에 미세한 TiC를 다량으로 석출시킴으로써 오스테나이트(austenite) 입자를 미세화하는 기술이 제안되어 있다. 그러나, 이 기술에서는 어느 정도 입계강도의 향상을 도모할 수 있지만, 최근의 피로강도에 대한 요구에 충분히 대응할 수 없다.

일본 특개평8-53714호 공보에는, 횡단면이 원형인 기계구조용 부재의 고주파 담금질에 의해 형성되는 경화층의 두께(담금질 깊이) CD와 단면 원의 반경 R과의 비(比) CD/R을 0.3-0.7로 제한한 뒤, 이 CD/R, 고주파 담금질후의 표면에서 1㎜까지의 두께의 구(臼)오스테나이트 입경 af, 고주파 담금질대로의 CD/R = 0.1까지의 평균 비커스 경도(Vickers hardness) Hf, 및 고주파 담금질후의 축중심부의 평균비커스 경도 Hc로부터 구해지는 값 A를, C양에 따라 소정의 범위로 제어함으로써 피로강도를 향상시킨 기계구조용 부재가 제안되어 있다. 그러나, 이 부재에서는 역시 최근의 피로강도에 대한 요구에 충분히 대응할 수 없다.

또한, 전술한 바와 같이, 자동차의 구동축이나 등속 조인트 등의 기계구조용 부재는 고주파 담금질전에 절삭에 의해 소정의 형상으로 가공될 경우가 많다. 따라서, 이러한 부재에 사용할 수 있는 강재에는 뛰어난 피절삭성이 필요하다. 그러나, 일본 특개2000-154819호 공보나 특개평8-53714호 공보에서는, 피절삭성에 대하여 아무것도 고려되지 않고 있다. 실제로, 이들 공보에 기재되어 있는 강(鋼)을 절삭가공하면, 절삭공구의 수명이 짧아져, 피절삭성에 문제가 있었다.

발명의 개시

본 발명은 피절삭성이 양호하고, 고주파 담금질에 의해 종래보다 높은 피로강도를 얻을 수 있는 고주파 담금질용 강재, 그것을 이용한 고주파 담금질부재, 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적은 질량%로, C: 0.3-0.7%, Si: 1.1% 이하, Mn: 0.2-1.1%, Mo: 0.05-0.6%, S: 0.06% 이하, P: 0.025% 이하, Al: 0.25% 이하 및 Cr: 0.3% 이하를 함유하고, 나머지가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 페라이트(ferrite) 조직 및 펄라이트(perlite) 조직을 갖고, 또한 페라이트 조직과 펄라이트 조직과의 합계의 체적분률이 90% 이상이고, 페라이트 조직의 두께가 30㎛ 이하이며, 또한 고주파 담금질후의 경화층의 평균 구오스테나이트 입경이 12㎛ 이하로 되는 고주파 담금질용 강재, 및 이 고주파 담금질용 강재를 사용하여, 고주파 담금질후의 경화층의 평균 구오스테나이트 입경이 12㎛ 이하인 고주파 담금질부재에 의해 달성된다.

이 고주파 담금질용 강재는 상기 조성을 갖는 강을, 850℃를 초과하고 950℃ 이하인 온도영역에 있어서, 80% 이상의 총 가공율로 열간가공하는 공정과, 열간가공후의 강을 0.6 ℃／s 미만의 냉각속도로 600℃ 이하에 냉각하는 공정을 갖는 고주파 담금질용 강재의 제조방법에 의해 제조할 수 있다.

또한, 이 고주파 담금질부재는 소정의 형상으로 가공된 이 고주파 담금질용 강재를, 800-1000℃의 온도영역에서 5초 이하의 가열조건으로 고주파 담금질하는 공정을 갖는 고주파 담금질부재의 제조방법에 의해 제조할 수 있다.

도 1은 페라이트 조직의 두께를 설명하기 위한 모식도이다.

도 2는 고주파 담금질시의 가열온도와 경화층의 평균 구오스테나이트 입경과의 관계를 나타내는 도면이다.

발명을 실시하기 위한 형태

본 발명자 등은 피절삭성이 양호하여, 고주파 담금질에 의해 종래보다 높은 피로강도를 얻을 수 있는 고주파 담금질용 강재에 대하여 예의 검토를 하였던 바, 이하의 식견을 얻었다.

(1) 강재의 화학성분을 최적화하고, 또한 그 조직을 페라이트 조직과 펄라이트 조직과의 합계의 체적분률이 90% 이상으로 되도록 하고, 또한 페라이트 조직의 두께를 30㎛ 이하로 하면, 피절삭성을 향상시킬 수 있다.

(2) (1)의 화학성분과 조직을 갖는 강재에 고주파 담금질을 행하면, 표층(表層)에 형성되는 경화층의 구오스테나이트 입경을 12㎛ 이하로 미세하게 행할 수 있어, 높은 피로강도를 얻을 수 있다.

(3) (1)의 화학성분과 조직을 갖는 강재에, 800-1000℃의 온도영역에서 5초 이하의 가열조건으로 고주파 담금질을 행함으로써, 경화층 전체 두께에 걸쳐 평균 구오스테나이트 입경을 12㎛ 이하로 할 수 있어, 높은 피로강도를 안정되게 얻을 수 있다.

본 발명은 이러한 식견에 입각하고 있고, 이하에 그 상세내용을 설명한다.

1. 고주파 담금질용 강재

1-1.성분

C: C는 담금질성에 가장 큰 영향을 주고, 담금질후의 경화층을 더욱 경화시키며, 또한 그 두께를 더욱 크게 하여 피로강도를 향상시킨다. 그러나, 그 양이 0.3질량%에 이르지 않으면, 필요한 피로강도를 확보하기 위해서는 경화층의 두께를 비약적으로 크게 하지 않으면 안되고, 그 결과, 담금질 균열의 발생이 현저하게 나타나게 된다. 한편, 0.7질량%를 초과하면, 입계강도의 저하에 의해 피로강도를 저하시킴과 아울러, 피절삭성, 냉간단조성 및 내담금질 균열성도 저하시킨다. 따라서, C양은 0.3-0.7질량%, 바람직하게는 0.4-0.6질량%로 한정한다.

Si: Si는 담금질 가열시에 오스테나이트의 핵생성 사이트(sites)를 증가시킴과 아울러, 오스테나이트의 입자성장을 억제하여 경화층을 세립화한다. 또한, 탄화물생성을 억제하여 입계강도의 저하를 방지한다. 이 때문에 Si는 피로강도의 향상에 유효한 원소이다. 그러나, 그 양이 1.1질량%를 초과하면 페라이트를 고용(固溶) 경화시켜서 피절삭성이나 냉간단조성의 저하를 초래한다. 따라서, Si양은 1.1질량% 이하로 한정한다. 한편, 피로강도를 향상시키기 위해서는 Si양을 0.3질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, Si양의 증가는 피절삭성에는 불리하게 되기 때문에, 피절삭성을 향상시키기 위해서는 Si양을 0.3질량% 미만으로 하는 것이 바람직하다

Mn: Mn은 담금질성을 향상시키고, 경화층의 두께를 확보하는 데에 불가결한 원소이다. 그러나, 그 양이 0.2질량% 미만에서는 그 효과가 부족하다. 한편, 2.0질 량%를 초과하면, 담금질후에 잔류 오스테나이트가 증가하고, 표면경도가 저하하여 피로강도의 저하를 초래한다. 따라서, Mn양은 0.2질량% 이상, 바람직하게는 0.3질량% 이상, 더 바람직하게는 0.5질량% 이상, 2.0질량% 이하로 한정한다. 한편, Mn양이 많으면 모재(母材)의 경질화를 초래하여, 피절삭성에 불리하게 되는 경향이 있어, 1.2질량% 이하로 하는 것이 바람직하고, 1.0질량% 이하로 하는 것이 더 바람직하다.

Mo: Mo는 담금질 가열시에 오스테나이트 입경을 미세화하고, 담금질 경화층을 세립화하여 피로강도를 향상시킨다. 특히, 담금질시의 가열온도를 800-1000℃, 더 바람직하게는 800-950℃로 하면, 이 효과는 더욱 현저하게 된다. 또한, 담금질성을 향상시키는 원소이기 때문에, 담금질성의 조정에 사용할 수 있다. 더불어, Mo는 탄화물의 생성을 억제하여 입계강도의 저하를 저지한다. 이와 같이, Mo는 본 발명에 있어서 대단히 중요한 원소이지만, 그 양이 0.05질량%에 이르지 않으면, 경화층 전체 두께에 걸쳐 구오스테나이트 입경을 12㎛ 이하로 하는 것이 어렵다. 한편, 0.6질량%를 초과하면, 피절삭성이 열화한다. 따라서, Mo양은 0.05-0.6질량%, 바람직하게는 0.2-0.4질량%로 한정한다.

S: S는 강 중에서 MnS를 형성하여 피절삭성을 향상시킨다. 그러나, 그 양이 0.06질량%를 초과하면, 입자계에 편석하여 입계강도를 저하시킨다. 따라서, S양은 0.06질량% 이하, 바람직하게는 0.Ol-0.06질량%로 한정한다.

P: P는 오스테나이트 입계(粒界)에 편석하여, 입계강도를 저하시켜 피로강도를 저하시킴과 아울러, 담금질 균열을 조장한다. 따라서, P양은 O.02질량% 이하로 한정하지만, 적을수록 바람직하다.

Al: Al은 강의 탈산(脫酸)에 유효한 원소이다. 또한, 담금질 가열시에 오스테나이트 입자의 성장을 억제하여 경화층을 미세화한다. 그러나, 그 양이 0.25질량%를 초과하면 그 효과는 포화하여, 오히려 제조비용의 상승을 초래한다. 따라서, Al양은 0.25질량% 이하, 바람직하게는 0.01-0.05질량%로 한정한다.

Cr: Cr은 담금질성에 유효한 원소이며, 경화층의 두께를 크게 하여 피로강도를 향상시킨다. 그러나, 그 양이 과잉으로 되면, 탄화물을 안정화시켜 잔류 탄화물의 생성을 조장하고, 입계강도를 저하시켜 피로강도의 저하를 일으킨다. 따라서, Cr양은 0.3질량% 이하로 한정한다. 한편, 담금질성의 향상의 관점에서 0.1질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

이러한 원소 이외의 나머지는 Fe 및 불가피적 불순물이다.불가피적 불순물은 O, N, B 등이지만, 각각 O: 0.008질량% 이하, N: 0.02질량% 이하, B: 0.0003질량% 이하의 범위로 함유되어도 본 발명의 효과를 저해하는 일은 없다. 특히, B양이 0.OOO3질량%를 초과하면, 고주파 담금질전의 강 중에 (Fe, Mo, Mn)₂₃(C, B)₆이 안정하여 석출하는 경향이 인식되고, 그 때문에 담금질후의 경화층에 크고 작은 구오스테나이트 입자가 혼재하게 되어 높은 피로강도를 달성할 수 없게 된다.

이상의 기본원소에 더하여, 또한, 질량%로, Cu: 1.0% 이하, Ni: 3.5% 이하, Co: 1.5% 이하, Nb: 0.1% 이하, Ti: 0.1% 이하 및 V: 0.5% 이하 중에서 선택된 적어도 일 종의 원소를 함유시키면, 이하의 이유로 피로강도의 향상에 더욱 효과적이 다.

Cu: Cu는 담금질성에 유효한 원소이다. 또한, 페라이트 중에 고용하여, 고용 강화에 의해 피로강도를 향상시킨다. 또한, 탄화물의 생성을 억제하여 입계강도의 저하를 방지하여, 피로강도를 향상시킨다. 그러나, 그 양이 1.0질량%를 초과하면, 열간가공시에 균열이 발생한다. 따라서, Cu양은 1.0질량% 이하, 바람직하게는 0.03-0.2질량%로 한정한다.

Ni: Ni는 담금질성을 향상시키므로, 담금질성의 조정에 사용할 수 있다. 또한, 탄화물의 생성을 억제하여 입계강도의 저하를 방지하고, 피로강도를 향상시킨다. 그러나, Ni는 극히 고가여서, 그 양이 3.5질량%를 초과하면 제조비용이 상승한다. 따라서, Ni양은 3.5질량% 이하로 한정한다. 한편, Ni양이 0.05질량% 미만에서는 담금질성을 향상시키는 효과나 입계강도의 저하를 억제하는 효과가 작으므로, 0.05질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 0.1-1.O질량%로 하는 것이 더 바람직하다.

Co: Co는 탄화물의 생성을 억제하여 입계강도의 저하를 방지하고, 강도 및 피로강도를 향상시킨다. 그러나, Co는 지극히 고가여서, 그 양이 1.0질량%를 초과하면, 제조비용이 상승한다. 따라서, Co양은 1.0질량% 이하로 한정한다. 한편, Co양이 0.01질량% 미만에서는 입계강도의 저하를 억제하는 효과가 작으므로, 0.01질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 0.02-0.5질량%로 하는 것이 더 바람직하다.

Nb: Nb는 담금질성을 향상시키거나, C, N과 결합하여 강을 석출 강화하거 나, 템퍼링 연화 저항성을 향상시켜서 피로강도를 향상시킨다. 그러나, 그 양이 0.1질량%를 초과하면 그 효과는 포화한다. 따라서, Nb양은 0.1질량% 이하로 한정한다. 한편, Nb양이 0.005질량% 미만에서는 석출 강화나 템퍼링 연화 저항성을 향상시키는 효과가 작으므로, 0.005질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 0.01-0.05질량%로 하는 것이 더 바람직하다.

Ti: Ti는 C, N과 결합하여 강을 석출 강화하거나, 템퍼링 연화 저항성을 향상시켜 피로강도를 향상시킨다. 그러나, 그 양이 0.1질량%를 초과하면, TiN이 다량으로 형성되고, 이것이 피로파괴의 기점으로 되어 피로강도의 현저한 저하를 초래한다. 따라서, Ti양은 0.1질량% 이하로 한정한다. 한편, Ti양이 0.01질량% 미만에서는 피로강도를 향상시키는 효과가 작으므로, 0.Ol질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

V: V는 C, N과 결합하여 강을 석출 강화하거나, 템퍼링 연화 저항성을 향상시켜 피로강도를 향상시킨다. 그러나, 그 양이 0.5질량%를 초과하면, 그 효과는 포화한다. 따라서, V양은 0.5질량% 이하로 한정한다. 한편, V양이 0.Ol질량% 미만에서는 피로강도를 향상시키는 효과가 작으므로, 0.01질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 0.03-0.3질량%로 하는 것이 더 바람직하다.

전술한 기본성분에, 또는 상기 피로강도의 향상에 더욱 효과적인 성분을 더한 기본성분에, 질량%로, Ca: 0.005% 이하, Mg: 0.005% 이하, Te: 0.005% 이하, Bi: 0.5% 이하, Pb: 0.5% 이하 및 Zr: 0.01% 이하 중에서 선택된 적어도 일 종의 원소를 더 함유시키면, 이하의 이유로 피절삭성의 향상에 더욱 효과적이다.

Ca: Ca는 MnS와 함께 황화물을 형성하고, 이것이 칩 브레이커(chip breaker)로 되어 피절삭성을 개선하므로 필요에 따라 첨가할 수 있다. 그러나, 그 양이 0.005질량%를 초과하면 그 효과가 포화할 뿐만 아니라, 제조비용의 상승을 초래한다. 따라서, 0.005질량% 이하로 한정한다. 한편, Ca양이 0.0001질량% 미만에서는 피절삭성을 개선하는 효과가 작으므로, 0.0001질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Mg: Mg는 탈산원소일 뿐만 아니라, 응력집중원(應力集中源)으로 되어 피절삭성을 개선하므로 필요에 따라 첨가할 수 있다. 그러나, 그 양이 과잉으로 되면, 그 효과가 포화할 뿐만 아니라, 제조비용의 상승을 초래한다. 따라서, Mg양은 0.005질량% 이하로 한정한다. 한편, Mg양이 0.0001질량% 미만에서는 피절삭성을 개선하는 효과가 작으므로, 0.0001질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Te: Te는 Mn과 결합하여 MnTe를 형성하고, 이것이 칩 브레이커로 되어 피절삭성을 개선한다. 그러나, 그 양이 0.005질량%를 초과하면, 그 효과가 포화할 뿐만 아니라, 제조비용의 상승을 초래한다. 따라서, Te양은 0.OO5질량% 이하로 한정한다. 한편, Te양이 0.003질량% 미만에서는 피절삭성을 개선하는 효과가 작으므로, 0.003질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Bi: Bi는 절삭시에 용융, 윤활 및 취화(脆化)의 작용을 미쳐서 피절삭성을향상시킨다. 그러나, 그 양이 0.5질량%를 초과하면, 그 효과가 포화할 뿐만 아니라, 제조비용의 상승을 초래한다. 따라서, Bi양은 0.5질량% 이하로 한정한다. 한편, Bi양이 0.01질량% 미만에서는 피절삭성을 개선하는 효과가 작으므로, 0.Ol질량 % 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Pb: Pb는 절삭시에 용융, 윤활 및 취화의 작용을 미쳐서 피절삭성을 향상시킨다. 그러나, 그 양이 0.5질량%를 초과하면, 그 효과가 포화할 뿐만 아니라, 제조비용의 상승을 초래한다. 따라서, Pb양은 0.5질량% 이하로 한정한다. 한편, Pb양이 0.01질량% 미만에서는 피절삭성을 개선하는 효과가 작으므로, 0.01질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Zr: Zr은 MnS와 함께 황화물을 형성하고, 이것이 칩 브레이커로 되어 피절삭성을 개선한다. 그러나, 그 양이 0.01질량%를 초과하면, 그 효과가 포화할 뿐만 아니라, 제조비용의 상승을 초래한다. 따라서, Zr양은 0.O1질량% 이하로 한정한다. 한편, Zr양이 0.003질량% 미만에서는 피절삭성을 개선하는 효과가 작으므로, 0.003질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

1-2. 조직

피절삭성이나 고주파 담금질후의 피로강도의 향상에는, 상기한 성분 한정에 더하여, 강의 조직을, 페라이트 조직 및 펄라이트 조직으로 하고, 또한 페라이트 조직과 펄라이트 조직과의 합계의 체적분률을 90% 이상으로 하고, 또한, 페라이트 조직의 두께를 30㎛ 이하로 할 필요가 있다.

여기에서, 페라이트 조직의 두께는 아래와 같이 정의된다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 강재에서는 페라이트 조직이 펄라이트 조직의 주변을 염주모양으로 둘러싼 조직을 갖고 있다. 이 페라이트 조직의 원주방향과는 직교하는 방향의 폭을 페라이트 조직의 두께로 부른다. 한편, 그 측정 은 광학현미경의 상(像)을 추적(trace)하여 행하였다.

페라이트 조직과 펄라이트 조직과의 합계의 체적분률이 90% 미만으로 되고, 베이나이트 조직이나 마르텐사이트 조직의 체적분률이 커지면, 피절삭성이 현저하게 저하한다. 또한, 페라이트 조직의 두께가 30㎛를 초과하면, 경질상(硬質相) 및 연질상(軟質相)이 거칠게 분산되기 때문에, 절삭가공시에 칩 브레이커로 되는 경질상이 감소하여 피절삭성을 충분히 확보할 수 없다.

페라이트 조직의 두께를 30㎛ 이하로 하는 것은, 피절삭성 뿐만 아니라, 고주파 담금질후의 경화층의 평균 구오스테나이트 입경을 12㎛ 이하로 하기 위해서도 유리하게 된다. 이는 담금질 가열시의 오스테나이트 입자가 페라이트/펄라이트 계면 및 시멘타이트(cementite) 계면으로부터 핵 생성하므로, 페라이트 조직의 두께가 작을수록 이 핵 생성 사이트(sites)가 증가하고, 생성하는 오스테나이트 입자가 미세하게 되기 때문이다.

2. 고주파 담금질부재

상술한 성분과 조직을 갖는 고주파 담금질용 강재를 이용하여 고주파 담금질을 행하여 피로강도가 높은 고주파 담금질부재를 제조하기 위해서는, 고주파 담금질에 의해 부재 표층(表層)에 형성되는 경화층의 평균 구오스테나이트 입경을 12㎛ 이하, 바람직하게는 10㎛ 이하, 더 바람직하게는 5㎛ 이하로 할 필요가 있다. 경화층의 평균 구오스테나이트 입경이 12㎛를 초과하면, 충분한 입계강도를 얻을 수 없어, 피로강도의 향상을 바랄 수 없다.

여기에서, 경화층의 구오스테나이트 입경은 다음과 같이 하여 측정하였다.

고주파 담금질후의 부재 최표면은 면적율로 100%의 마르텐사이트 조직을 갖는다. 그리고, 표면으로부터 내부로 감에 따라 어떤 두께까지는 100% 마르텐사이트 조직의 영역이 계속되지만, 그 후는 급격하게 마르텐사이트 조직의 면적율이 감소한다. 본 발명에서는 고주파 담금질후의 부재 표면으로부터 마르텐사이트 조직의 면적율이 98%로 감소할 때까지의 영역을 경화층으로 하였다.

그리고, 이 경화층에 대하여, 표면으로부터 두께 전체의 1/5인 위치, 1/2인 위치 및 4/5인 위치에서의 평균의 구오스테나이트 입경을 측정하여, 어느 것의 위치에서도 평균의 구오스테나이트 입경이 12㎛ 이하인 경우에, 경화층 전체 두께에 걸치는 구오스테나이트 입경이 12㎛ 이하로 하였다.

평균의 구오스테나이트 입경은 경화층의 단면을, 물 500g에 피크린산(picric acid) 50g을 용해시킨 피크린산 수용액에, 도데실벤젠술폰산 나트륨(sodium dodecylbenzen sulfonate) 11g, 염화 제1일철(ferrous chloride) 1g, 및 옥살산(oxalic acid) 1.5g을 첨가한 부식액으로 부식한 후, 광학현미경에 의해, 400배(1시야의 면적 : 0.25 ㎜ × O.225 ㎜)에서 1000배(1시야의 면적 : 0.10㎜ × 0.09㎜)의 배율로 각 위치마다 5시야 관찰하여, 화상해석장치에 의해 측정하였다.

한편, 전동 피로와 같이 극표층(極表層) 부근의 조직만에 의존하도록 하는 경우에는, 경화층의 두께가 1㎜ 정도로도 그 나름의 효과는 얻을 수 있지만, 굽힘피로나 비틀림 피로강도의 경우는, 경화층의 두께가 클수록 바람직하므로, 경화층의 두께를 2㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 2.5㎜ 이상, 더욱 더 바람직하게는 3㎜ 이상이다.

3. 고주파 담금질용 강재의 제조방법

상기 본 발명 범위내의 성분을 갖는 강에, 850℃을 초과하고 950℃ 이하인 온도영역에 있어서, 80% 이상의 총 가공율로, 압연이나 단조 등으로 열간가공을 행하고, 열간가공후의 강을, 0.6℃／s 미만의 냉각속도로 600℃ 이하로 냉각하면, 페라이트 조직 및 펄라이트 조직을 갖고, 또한 페라이트 조직과 펄라이트 조직과의 합계의 체적분률이 90% 이상이며, 페라이트 조직의 두께가 30㎛ 이하인 본 발명의 고주파 담금질용 강재를 얻을 수 있다.

이 때, 열간가공의 총 가공율이 80% 미만이면, 오스테나이트의 재결정이 충분하게 진행되지 않아 오스테나이트 입자가 미세화되지 않기 때문에, 거기에서 생성하는 페라이트가 커지게 되어, 펄라이트 조직을 둘러싸는 페라이트 조직의 두께를 30㎛ 이하로 할 수 없게 된다.

또한, 열간가공후의 냉각속도를 0.6℃／s 이상으로 하면, 마르텐사이트 조직이나 베이나이트 조직이 생겨서 페라이트 조직과 펄라이트 조직과의 합계의 체적분률을 90% 이상으로 하는 것이 곤란하게 된다.

4. 고주파 담금질부재의 제조방법

상기 본 발명의 고주파 담금질용 강재를 절삭 등으로 소정의 형상으로 가공한 후, 800-1000℃의 온도영역에서 5초 이하의 가열조건으로 고주파 담금질을 행하면, 경화층 전체 두께에 걸쳐 평균 구오스테나이트 입경을 12㎛ 이하로 할 수 있어 피로강도가 높은 고주파 담금질부재를 얻을 수 있다.

이 때, 가열온도가 800℃ 미만이면, 오스테나이트 조직의 생성이 불충분하게 되어, 경화층의 생성이 불충분하게 되는 결과, 높은 피로강도가 얻을 수 없고, 또한, 1000℃를 초과하면 오스테나이트 입자의 성장이 촉진되어서 조대(粗大)로 되고, 경화층이 조립화하여 피로강도의 저하를 초래한다. 더 바람직한 가열온도의 범위는 800-950℃이다.

이러한 담금질시의 가열온도의 영향은 본 발명과 같은 Mo함유강에 있어서, 더욱 현저하게 발현된다.

도 2에, Mo첨가강(Mo: 0.05-0.6질량%)과 Mo무첨가강에서의 고주파 담금질시의 가열온도와 경화층의 평균 구오스테나이트 입경과의 관계를 나타낸다. Mo첨가강 및 Mo무첨가강 어느 것에 있어서도, 고주파 담금질시의 가열온도를 저하하면, 경화층의 구오스테나이트 입경은 작아진다. 특히, Mo첨가강에 있어서는 가열온도를 1000℃ 이하, 바람직하게는 950℃ 이하에서 현저한 경화층의 세립화가 달성된다.

고주파 담금질시의 가열시간은 오스테나이트의 입자성장을 억제하고, 담금질후에 입경 12㎛ 이하의 매우 미세한 구오스테나이트 입경을 얻기 위하여 5초 이하, 바람직하게는 3초 이하로 할 필요가 있다.

한편, 고주파 담금질시의 가열속도는, 크게 하면 오스테나이트의 입자성장이 억제되기 쉬워지므로, 200℃／s 이상으로 하는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 500℃／s이상이다.

실시예1

표 1에 나타내는 성분의 강 No.1-31을 전로(轉爐)에 의해 용제(溶製)하여, 연속주조에 의해 단면 크기 300×400㎜인 주편(鑄片)편으로 하였다. 이 주편을, 브레이크다운(breakdown)공정을 거쳐 150㎜ 각(角)의 빌렛(billet)으로 압연한 뒤, 표 2에 나타내는 열간가공 조건에 따라 24-60㎜φ의 봉강(棒鋼)으로 압연하였다.

이 봉강으로부터, 평행부 직경이 8㎜φ인 회전 굽힘 피로시험편을 채취하여, 이 시험편에, 주파수가 15KHZ인 고주파 담금질 장치를 사용하여, 표 2-1 및 표 2-2에 나타내는 고주파 담금질 조건으로 담금질을 한 후, 170℃×30m의 템퍼링 처리를 행하여, 강재 No.1-43의 시료를 제작하였다. 그리고, 이들의 시료에 대하여, 오노(Ono)식 회전 굽힘시험기를 이용하여 3000rpm의 회전속도로 응력조건을 바꾸어 회전 굽힘 피로시험을 행하고, 1×10⁸회의 수명으로 되는 응력을 측정하여, 피로강도로 하였다.

또한, 상기 봉강으로부터, 피절삭용 시험편을 채취하여, SKH 4.4㎜φ의 드릴(drill)을 이용하여 1500rpm의 조건으로 12㎜길이의 구멍내기를 반복하고, 절삭이 불가능하게 될 때까지의 총 구멍내기 깊이(㎜)를 구하여, 피절삭성을 평가하였다. 총 구멍내기 깊이가 깊을수록 피절삭성은 양호하다고 할 수 있다.

그 이외, 고주파 담금질전의 강재의 조직, 탄화물(Fe, Mo, Mn)₂₃(C, B)₆의 유무, 고주파 담금질후의 조직을 전자현미경이나 광학현미경에 의해 관찰하였다.

페라이트 조직의 두께, 경화층 두께, 평균 구오스테나이트 입경은 상술한 방법에 의해 구하였다. 또한, 경화층의 오스테나이트 입자 중 평균입경보다 3배 이상의 입경을 갖는 오스테나이트 입자가 면적율로 30% 이상 존재하는 경우, 경화층 을 혼합입자(混粒)으로 정의하였다.

결과를 표 2-1 및 표 2-2에 나타낸다.

본 발명 범위내의 성분을 갖고, 또한 고주파 담금질전의 조직이 페라이트 조직 및 펄라이트 조직을 갖고, 또한 페라이트 조직과 펄라이트 조직과의 합계의 체적분률이 90% 이상이며, 페라이트 조직의 두께가 30㎛ 이하인 본 발명 예의 강재는 고주파 담금질후의 경화층의 평균 구오스테나이트 입경이 12㎛ 이하로 되어, 어느 것도 높은 굽힘 피로강도를 나타낸다. 또한, 이들의 강재는 피절삭성에도 뛰어나다.

특히, 강재 No.1 과 No.16, 강재 No.5 와 No.20, 강재 No.6 과 No.21, 강재 No.7 과 No.22, 강재 No.9 와 No.24, 강재 No.10 과 No.25, 강재 No.11 과 No.26 을 비교하면 알 수 있는 바와 같이, Si양을 많게 하면 경화층의 평균 구오스테나이트 입경을 더욱 작게 할 수 있어, 더욱 높은 굽힘 피로강도를 얻을 수 있다. 그러나, Si양을 많게 하면, 총 구멍내기 깊이는 저하하여 피절삭성에는 불리하게 된다.

강재 No.38-40은 고주파 담금질시의 가열속도의 영향을 조사한 예이다. 가열속도가 빠를수록 굽힘 피로강도가 높아짐을 알 수 있다. 한편, 비교예의 강재 No.2 및 No.17은 고주파 담금질시의 가열온도가 높기 때문에 경화층의 평균 구오스테나이트 입경이 조대(粗大)로 되어, 굽힘 피로강도가 낮다.

또한, 강재 No.3 및 No.18은 고주파 담금질의 가열시의 유지시간이 길기 때문에, 평균 구오스테나이트 입경이 조대로 되어 굽힘 피로강도가 낮다.

강재 No.4 및 No.19는 850℃ 초과 950℃ 이하의 온도영역에서의 총 가공율이 작기 때문에, 페라이트 조직의 두께가 커져 피절삭성이 뒤떨어진다.

강재 No.8, No.12, No.27은 Mo양이 적기 때문에, 경화층의 평균 구오스테나이트 입경이 조대로 되어 굽힘 피로강도가 낮다.

강재 No.13, No.28은 Mo양이 지나치게 많기 때문에, 어느 것도 피절삭성이 뒤떨어진다.

강재 No.14, No.29는 C양이 적기 때문에, 굽힘 피로강도가 낮고, 반대로 강재 No.15, No.30은 C양이 지나치게 많기 때문에, 피절삭성이 뒤떨어진다.

강재 No.34, No.35는 B첨가한 비교예이지만, B첨가에 의해 고주파 담금질전의 페라이트와 펄라이트의 합계의 체적분률이 낮아져 피절삭성이 뒤떨어진다. 또한, B무첨가의 강재 No.36, No.37에 비교하면, 경화층의 구오스테나이트 입경이 동등함에도 불구하고, 경화층은 혼합입자로 되어 피로강도가 낮다. B첨가강에서는 고주파 담금질전에 (Fe, Mo, Mn)₂₃(C, B)₆이 안정하여 석출되기 때문에, 고주파 담금질 가열시의 역변태(逆變態)가 불균일하게 일어나서 경화층이 혼합입자로 되어, 피로강도가 저하된 것으로 추측된다.

강재 No.41, No.42는 고주파 담금질시의 가열온도가 지나치게 높아, 평균 구오스테나이트 입경이 조대로 되어 굽힘 피로강도가 낮다.

Claims

질량%로, C: 0.3-0.7%, Si: 1.1% 이하, Mn: 0.2-1.1%, Mo: 0.05-0.6%, S: 0.06% 이하, P: 0.025% 이하, Al: 0.25% 이하 및 Cr: 0.3% 이하를 함유하고, 나머지가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 페라이트 조직 및 펄라이트 조직을 갖고, 또한 상기 페라이트 조직과 상기 펄라이트 조직과의 합계의 체적분률이 90% 이상이고, 상기 페라이트 조직의 두께가 30㎛ 이하이며, 또한 고주파 담금질후의 경화층의 평균 구오스테나이트 입경이 12㎛ 이하로 되는 것을 특징으로 하는 고주파 담금질용 강재.
제1항에 있어서,

질량%로, Cu: 1.0% 이하, Ni: 3.5% 이하, Co: 1.0% 이하, Nb: 0.1% 이하, Ti: 0.1% 이하 및 V: 0.5% 이하 중에서 선택된 적어도 일 종의 원소를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 고주파 담금질용 강재.
제1항에 있어서,

질량%로, Ca: 0.005% 이하, Mg: 0.OO5% 이하, Te: 0.OO5% 이하, Bi: 0.5% 이하, Pb: 0.5% 이하 및 Zr: 0.01% 이하 중에서 선택된 적어도 일 종의 원소를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 고주파 담금질용 강재.
제2항에 있어서,

질량%로, Ca: 0.005% 이하, Mg: 0.OO5% 이하, Te: 0.OO5% 이하, Bi: 0.5% 이하, Pb: 0.5% 이하 및 Zr: 0.01% 이하 중에서 선택된 적어도 일 종의 원소를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 고주파 담금질용 강재.
제1항의 고주파 담금질용 강재를 이용하여, 고주파 담금질후의 경화층의 평균 구오스테나이트 입경이 12㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 고주파 담금질부재.
제2항의 고주파 담금질용 강재를 이용하여, 고주파 담금질후의 경화층의 평균 구오스테나이트 입경이 12㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 고주파 담금질부재.
제3항의 고주파 담금질용 강재를 이용하여, 고주파 담금질후의 경화층의 평균 구오스테나이트 입경이 12㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 고주파 담금질부재.
제4항의 고주파 담금질용 강재를 이용하여, 고주파 담금질후의 경화층의 평균 구오스테나이트 입경이 12㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 고주파 담금질부재.
질량%로, C: 0.3-0.7%, Si: 1.1% 이하, Mn: 0.2 -1.1%, Mo: 0.05-0.6%, S: 0.06% 이하, P: 0.025% 이하, Al: 0.25% 이하 및 Cr: 0.3% 이하를 함유하고, 나머지가 Fe 및 불가피적 불순물로 되는 강을, 850℃ 초과 950℃ 이하의 온도영역에서, 80% 이상의 총 가공율로 열간가공하는 공정과,

상기 열간가공후의 강을, 0.6 ℃／s 미만의 냉각속도로 600℃ 이하로 냉각하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 고주파 담금질용 강재의 제조방법.
제9항에 있어서,

질량%로, Cu: 1.0% 이하, Ni: 3.5% 이하, Co: 1.0% 이하, Nb: 0.1% 이하, Ti: 0.1% 이하 및 V: 0.5% 이하 중에서 선택된 적어도 일 종의 원소를 더 함유하는 강을 이용하는 것을 특징으로 하는 고주파 담금질용 강재의 제조방법.
제9항에 있어서,

질량%로, Ca: 0.005% 이하, Mg: 0.OO5% 이하, Te: 0.OO5% 이하, Bi: 0.5% 이하, Pb: 0.5% 이하 및 Zr: 0.01% 이하 중에서 선택된 적어도 일 종의 원소를 더 함유하는 강을 이용하는 것을 특징으로 하는 고주파 담금질용 강재의 제조방법.
제10항에 있어서,

질량%로, Ca: 0.005% 이하, Mg: 0.OO5% 이하, Te: 0.OO5% 이하, Bi: 0.5% 이하, Pb: 0.5% 이하 및 Zr: 0.01% 이하 중에서 선택된 적어도 일 종의 원소를 더 함유하는 강을 이용하는 것을 특징으로 하는 고주파 담금질용 강재의 제조방법.
소정의 형상으로 가공된 제1항의 고주파 담금질용 강재를, 800-1000℃의 온 도영역에서 5초 이하의 가열조건으로 고주파 담금질하는 공정을 갖는 고주파 담금질부재의 제조방법.
소정의 형상으로 가공된 제2항의 고주파 담금질용 강재를, 800-1000℃의 온도영역에서 5초 이하의 가열조건으로 고주파 담금질하는 공정을 갖는 고주파 담금질부재의 제조방법.
소정의 형상으로 가공된 제3항의 고주파 담금질용 강재를, 800-1000℃의 온도영역에서 5초 이하의 가열조건으로 고주파 담금질하는 공정을 갖는 고주파 담금질부재의 제조방법.
소정의 형상으로 가공된 제4항의 고주파 담금질용 강재를, 800-1000℃의 온도영역에서 5초 이하의 가열조건으로 고주파 담금질하는 공정을 갖는 고주파 담금질부재의 제조방법.