KR20070095390A - 고농도 침탄·저변형 담금질부재 및 그 제조방법 - Google Patents

고농도 침탄·저변형 담금질부재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 고강도·고면압 등의 특징을 갖는 고농도 침탄 담금질분야에 있어서, 고성능화와 열처리 변형의 극소화를 양립시킨 고농도 침탄·저변형 담금질부재 및 그 제조방법을 제공할 수 있는, 진공침탄(저압침탄)방법에 의해, 기계구조용 강철부재를 오스테나이트 영역의 온도로 가열하여, 상기 부재의 표층부에, 공석 탄소탄도 이상의 탄소를 고용시킨 후, 상기 부재를 오스테나이트 영역의 온도로부터, A1 변태점 이하의 온도로 3∼15℃/초의 냉각속도로 담금질을 실시하여, 상기 부재의 표층부에 미세 탄화물 및/또는 상기 탄화물의 핵을 생성시키는 1차 처리와, 계속하여 상기 부재를 오스테나이트 영역의 온도까지 승온 및 균열(均熱)시킨 후, 급속 담금질을 실시하여 최표층부에 유효경화 깊이비로 10∼30%의 범위에, 미세 탄화물을 석출시키는 2차 처리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고농도 침탄·저변형 담금질부재의 제조방법이다.

Description

고농도 침탄·저변형 담금질부재 및 그 제조방법{HIGH-CONCENTRATION CARBURIZED/LOW-STRAIN QUENCHED MEMBER AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은, 기계구조부재의 강화수단으로서 많이 이용되고 있는 침탄 담금질처리 중, 담금질 연화저항이 높고 고강도·고면압 등의 특징을 갖는 고농도 침탄 담금질부재에 관한 것으로, 고성능화와 열처리 변형의 상반되는 특성을 양립시킨, 고농도 침탄·저변형 담금질부재(이하 단순히 '부재'라고 하는 경우가 있다) 및 그 제조방법에 관한 것이다.
침탄 담금질부재는, 내구강도 및 내마모성 등이 우수한 특징에 의해, 수송기기나 산업기계 등의 각종 부재 등으로 폭넓게 사용되고 있고, 상기 부재의 더 나은 성능 향상에 의한 소형화·경량화 등의 관점으로부터, 침탄 담금질부재에 관한 많은 개발이 이루어지고 있다. 또한, 최근에, 진공침탄(저압침탄) 프로세스가 개발되었으며, 상기 프로세스는, 종래의 가스침탄 프로세스와 비교하여 친환경적이고, 침탄층의 입계 산화가 방지되어, 고온 침탄처리가 가능하고, 나아가서는 침탄 및 탄소의 확산의 제어가 용이한 것 등, 우수한 특징이 있으며, 부재의 더 나은 성능, 품질 향상이나 부재의 더 나은 생산성 향상 등의 측면으로부터 보다 많은 보급이 예상된다.
톱니바퀴나 축물(軸物)부재 등의 기계구조부재의 침탄 담금질을 실시하고, 상기 부재의 피팅(pitting) 저항성을 향상시키는 방법으로서는 침탄질화처리가 있다. 이것은 기반(매트릭스)에 탄소와 질소를 동시에 확산하여, 부재의 담금질 연화저항을 향상시키는 것이다. 또한, 부재의 표층부에 탄화물을 석출시켜, 부재의 담금질 연화저항을 향상시키는 고농도 침탄처리도 개발되고 있고, 최근에, 저압 침탄설비의 개발과 더불어 많은 연구가 행해지고 있다.
고농도 침탄방법의 대표예로서 특허문헌 1에 개시된 부재의 침탄처리 방법이 있다. 상기 특허문헌 1에 의하면, 강재의 표층부에 구상 탄화물을 석출시켜, 상기 표층부의 탄소농도가 A㎝ 이하이고, 강철과 탄소와의 공석농도 이상이 되는 탄소량의 예비침탄을 실시하여, 그 후, 처리 부재를 서랭 또는 급랭시켜서, 그 표층부를 베이나이트, 펄라이트 또는 마텐자이트 조직으로 한 후, Ac1점으로부터 750∼950℃의 온도 범위까지, 20℃/분 이하의 가열속도로 승온하여, 침탄 담금질을 실시하여, 깊이 0.4㎜의 범위에 부피율 30% 이상의 준(準)구상 또는 구상 탄화물을 생성시키는 방법이 제안되고 있다.
그러나, 상기 방법에서는, 부재의 표층부에 탄화물을 석출시키는 것에 의해, 상기 부재의 피팅 저항성 등의 특성은 개선되지만, 이 방법은 표층부에 30%의 탄화물을 석출시키는 고농도 침탄이기 때문에, 얻을 수 있는 부재는, 열처리 변형이나 뒤틀림 등의 과제가 있다.
고농도 침탄법에 의해 부재의 표층부에 탄화물을 미세하게 석출시키는 방법에 대해서는, 많은 가열 및 냉각방법이 검토되고 있고, 특허문헌 1에서는 예비침탄 후, 공랭(베이나이트 또는 펄라이트 조직이 생성) 또는 담금질(마텐자이트 조직이 생성)하고, 다음 공정의 탄화물 생성처리에서는 Ac1 변태온도로부터 750∼950℃까지 20℃/분 이하의 느린 속도로 가열하여, 직접 담금질 또는 공랭 후, 재가열 담금질방법이 좋다고 말해지고 있다.
또한, 특허문헌 2 및 특허문헌 3에서는, 예비침탄 또는 1차 침탄 후, 서랭(또는 30℃/시간 이하)이 최적이라는 제안도 이루어지고 있다.
그러나, 특허문헌 1, 2, 3에 나타내는 방법에서, 예비침탄 또는 1차 침탄 후의 담금질이 공랭이나 서랭에 의한 경우에는, 부재의 표층부 내에서, 결정입계를 따라서 망상 탄화물이 석출되기 쉽고, 다음 공정의 탄화물 생성처리에서 상기 망상 탄화물을 단시간에 분해하여, 표층 내에서 분산 석출시키는 것은 곤란하고, 그 때문에 여러 차례의 가열 냉각을 하는 예가 있다.
한편, 특허문헌 1에 있어서, 부재를 예비 침탄 후, 냉각속도를 빨리하여, 마텐자이트 조직을 얻기 위한 담금질이 있지만, 표층내의 탄화물의 핵이 고용(固溶)하여 소실할 우려가 있고, 게다가 탄소가 과포화상태의 담금질이 되어, 고탄소 마텐자이트 변태를 위해서, 부재의 팽창이나 수축 등의 변형 혹은 뒤틀림이 증대하는 문제가 있다.
특허문헌 4에는, 저압 침탄법에 의한 고농도 침탄부재의 제조방법이 기재되어 있고, 1차 침탄의 탄소농도를 0.5∼0.7질량%로 2차 침탄의 탄소농도를 0.7∼1질량%로 하고, 게다가 1차 냉각을 1∼10℃/분으로 상당히 늦게 하는 등, 탄화물의 미세화에 관한 기술은 있지만, 변형 뒤틀림에 대해서는 전술의 인용 문헌 1, 2 및 3 과 같이 바람직하지 않은 것이 예상된다.
이하에서는 참고를 위해 최근에 시장이 확대되고 있는 저압 침탄법이 통상의 가스침탄법과 비교하여 우수한 점을 이하에 나타낸다.
a) 노(爐)내 분위기 조건의 변경이 용이하고 신속히 할 수 있고, 침탄 분위기로부터 탄소의 확산 분위기로의 전환이 용이하다.
b) 고온 처리가 가능하고, 침탄을 신속히 할 수 있다.
c) 부재의 표층부에 있어서 입계 산화가 없기 때문에, 이것들을 기점으로 하는 처리부재의 균열의 발생이 억제된다.
d) 그을음이 없고, 그을음에 수반하는 침탄 얼룩짐의 발생이 없다.
특허문헌 1 : 일본 특허공개공보 소화 62-24499호
특허문헌 2 : 일본 특허공보 제2787455호
특허문헌 3 : 일본 특허공보 제2808621호
특허문헌 4 : 일본 특허공개공보 2002-348615호
그러나, 종래의 저압 침탄법에 의한 고농도 침탄처리에 있어서도, 피처리 부재의 표층내에 있어서 탄화물의 생성과정과 표층부의 미세조직과의 최적 밸런스를 얻지 못하고, 처리부재의 변형이나 뒤틀림의 문제가 여전히 남아 있다. 그 때문에 침탄공정 후에 부재의 연마가공이나 뒤틀림 수정을 위한 부재의 마무리 가공 등이 필수가 되어, 본래 얻을 수 있는 고농도 침탄의 고면압화 성능의 저하나, 또한 생산성의 저하 또는 비용상승이 고농도 침탄처리 보급의 방해가 되고 있다.
본 발명에서는, 부재의 탄소농도, 침탄처리/확산처리의 반복, 부재의 승온, 균열(均熱), 침탄, 담금질 등의 각종 온도조건, 가열조건 및 냉각속도(담금질) 조건 등의 각종 제어를 신속하고 고정밀도로 대응할 수 있는 저압 침탄설비를 이용하고, 부재의 고면압화와 저변형이 양립할 수 있는 최적인 프로세스 개발을 실시하여 상기 과제를 해결하였다.
상기 과제는 이하의 본 발명에 의해서 달성된다.
1. 진공침탄(저압침탄) 방법에 의해, 기계 구조용 강철부재를 오스테나이트 영역의 온도로 가열하여, 상기 부재의 표층부에, 공석(共析)탄소농도 이상의 탄소를 고용시킨 후, 상기 부재를 오스테나이트 영역의 온도로부터, A1 변태점 이하의 온도로 3∼15℃/초의 냉각속도로 담금질을 실시하고, 상기 부재의 표층부에 미세 탄화물 및/또는 상기 탄화물의 핵을 생성시키는 1차 처리와, 계속하여 상기 부재를 오스테나이트 영역의 온도까지, 승온 및 균열(均熱)시킨 후, 급속 담금질을 실시하여 최표층부에 유효경화 깊이비로 10∼30%의 범위에, 미세 탄화물을 석출시키는 2차 처리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고농도 침탄·저변형 담금질부재의 제조방법.
2. 상기 2차 처리에 있어서, 부재의 표층부에 추가 침탄처리를 실시하는 상기 부재의 제조방법.
3. 상기 2차 처리에 있어서, 상기 부재의 표층부에 미세 탄화물을 석출시키고, 상기 표층부에, 트루스타이트(troostite) 및 잔류 오스테나이트 등의 혼합조직을 일부 포함하는 마텐자이트를 주체로 하는 조직을 형성시키고, 상기 층의 최표층부(A부)와 A부보다 안쪽의 층부(B부)와 B부보다 안쪽의 층부(C부)의 각각의 오스테나이트 결정입도의 미세함의 서열을 A≥C≥B로 하는 상기 부재의 제조방법.
표층부가 트루스타이트 및 잔류 오스테나이트 등의 혼합조직을 일부 포함한 마텐자이트를 주체로 하는 조직이며, 상기 층의 오스테나이트 결정입도의 미세함의 서열이, 최표층부(A부)와 A부보다 내부의 층(B부)과 B부보다 내부의 층(C부)에 있어서, A≥C≥B가 되는 것을 특징으로 하는 고농도 침탄·저변형 담금질부재.
본 발명의 방법은, 부재의 처리를 저압 침탄설비를 이용하여, 적절한 고농도 침탄과 최적인 냉각속도로 부재의 담금질을 실시하는 1차 처리와, 계속하여 실시하는 단순하고 효율적으로 미세 탄화물을 석출시키는 2차 처리를 조합하여, 처리 부재의 열처리 변형 및 뒤틀림이 최소로 억제되는 방법이다. 이 방법에 의해, 종래의 고농도 침탄에서 최대의 현안이었던, 예를 들면, 축의 구부러짐이나 톱니형의 변형 및 뒤틀림 등, 처리 후의 부재의 번잡한 연마가공이나 뒤틀림 수정 가공 등이 대폭으로 삭감되어, 고농도 침탄부재의 생산성, 품질, 비용 등에서 큰 개선을 도모할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 방법에서는, 또한 2차 처리에 있어서, 부재의 표층부에 추가 침탄처리를 실시하는 것에 의해, 매트릭스(기반)의 고경도화를 도모할 수 있는 것과 함께, 부재의 최표층부의 결정입도를 초미세입자로 할 수 있고, 부재의 고강도화 및 고인성화(高靭性化)에도 극히 유효하다. 상기 본 발명의 방법에 의해서, 종래는 고농도 침탄의 적용이 곤란하였던 축물이나 톱니바퀴 등의 부재의 고강도화, 고인성화 및 고면압화 등이 용이하게 달성된다. 따라서 본 발명의 방법은, 이러한 요구가 높은 분야 등에서 광범위하게 응용이 가능해져, 부재의 고성능화 및 소형 경량화에 대해서 크게 공헌할 수 있다고 하는 효과가 있다.
이하에서는 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 들어 본 발명을 보다 더 자세하게 설명한다. 본 발명에 이른 기술적 경위 및 지견은 이하와 같다.
본 발명자들은, 저압 침탄설비를 이용하여 부재의 표층부에 미세 탄화물을 석출시키는 고농도 침탄 프로세스의 개발을 목적으로, 상기 표층부의 탄소농도나, 각종 가열 및 냉각조건과 표층부에 있어서의 미세 탄화물의 석출형태, 및 부재의 미세조직과의 관계를 철저하게 조사하였다. 또한, 기어나 차축 등의 부재를 상정한 열처리 뒤틀림의 개선 등에 대해서, 다방면으로 연구 개발을 실시하여, 고농도 침탄에 의한 부재의 고성능화와 부재의 변형, 뒤틀림 등과의 상반되는 특성을 고차원으로 균형을 맞추어, 이것들을 양립할 수 있는 새로운 고농도 침탄·저변형 담금질방법의 확립을 목표로 하였다.
강재(부재)의 표층부에 고농도 침탄을 행하는데 있어서 중요한 점은, 1차 처리와 2차 처리와의 최적 조합에 있어서, 부재의 표층부에 얼마나 많은 미세 탄화물을 분산 석출시킬 것인가 하는 점이고, 미세 탄화물의 생성을 제어하기 위해서는, 사용하는 침탄 담금질 설비에도 크게 관계된다. 본 발명에서는, 종래의 침탄 설비에 비해 탄소농도, 침탄/확산의 반복, 승온, 균열(均熱), 침탄, 담금질 등의 각종 온도조건, 가열조건 및 냉각속도조건 등의 각종 제어가 신속하고 고정밀도로 이루어질 수 있는 저압 침탄설비를 이용하여, 여러 가지의 개발을 실시하였다.
구체적으로는 1차 처리시의 부재의 승온, 균열(均熱), 고농도 침탄, 확산 및 냉각(담금질) 조건 등, 여러 가지 검토를 실시하여, 우선은 1차 처리단계에서의 부재의 변형이나 뒤틀림의 저감을 꾀하고, 게다가 다음 공정인 2차 처리에서는 미세 탄화물의 석출이나 침탄층의 오스테나이트 결정입도의 조정 등을 할 수 있는 침탄 및 담금질(냉각)조건이 중요하다. 즉, 2차 처리에서는 부재의 표층부의 미세 탄화물의 석출 범위를, 침탄층의 유효경화 깊이비로 10∼30%로 하고, 나아가서는 최표층부를 초미세 결정구조로 하는 것에 의해, 부재의 열처리 변형이나 뒤틀림을 극소로 할 수 있다는 것을 발견하였다.
여기서 유효경화 깊이비란, 부재의 2차 처리 완료 후(180℃ 뜨임(燒戾)처리도 포함한다)의 침탄 유효경화 깊이(T)와 상기 부재의 최표면층부에 존재하는 미세 탄화물의 석출 깊이(t)와의 비(t/T)를 의미한다. 한편, 침탄 유효경화 깊이란, JIS G0557 강철의 침탄 경화층 깊이 측정방법에 의한, 담금질된 상태로, 또는 200℃를 넘지 않는 온도에서 어닐링한 경화층의, 표면으로부터 비커스경도(Vickers硬度) (HV) 550의 한계 깊이의 위치까지의 거리이다.
다음으로 미세 탄화물의 석출 깊이란, 광학 현미경 또는 전자현미경에서 해석을 실시하여, 상기 부재의 최표층부에서 미세 탄화물이 존재하는 최대 깊이를 말한다. 여기서 미세 탄화물을 판별하기 쉽게 하기 위해, 상기 부재를 5% 질산 알코올 등의 부식액을 이용하여 에칭상태로 해석한다.
본 발명에서 이용하는 진공침탄(저압침탄) 설비란, 침탄 가열실이 200∼2,000Pa에서 분압 제어할 수 있는 처리로를 갖는 설비이며, 상기 설비는 시판되고 있고, 시판되는 설비는 모두 본 발명에서 사용할 수 있다. 본 발명에서는, 1차 처리로서, 상기 설비의 노(爐) 내에서 부재를 소정의 온도로 승온 및 균열(均熱) 후, 부재의 표층부의 탄소농도를, 공석탄소농도 이상의 탄소농도로 하기 위해, 침탄과 확산을 교대로 반복한 후, 적절한 냉각속도로 부재의 담금질을 실시한다. 또한, 이어서 실시하는 2차 처리에서는 부재의 표층부에 탄화물을 미세하게 석출시키고, 나아가서는 필요에 따라서 추가 침탄처리를 실시한다.
본 발명의 방법에 있어서의 1차 처리에서는, 피처리강재(부재)를 900∼1,100℃의 오스테나이트 영역으로 승온하여 균열(均熱) 후, 표층부의 탄소농도가 바람직하게는 0.8질량% 이상이 되도록 침탄을 실시하고, 계속하여 그 상태로부터 최적인 냉각속도로 담금질을 실시한다. 여기서 최적 냉각조건은, 침탄온도(오스테나이트 영역의 온도)로부터 A1변태점 이하, 바람직하게는 400℃ 이하에 이르는 온도 범위를 3∼15℃/초의 냉각속도로 부재를 균일하게 냉각하는 것이다. 이 냉각에 의해서 부재의 표층부에 미세 탄화물을 석출시켜, 표층부에 마텐자이트를 주로 하는 조직을 형성시킨다. 여기서 미세 탄화물이란, Fe3C(시멘타이트)나 강재중의 Cr, Mo 등의 탄화물 형성원소가, 과포화로 고용되어 있는 탄소와 결합하여 생성된 M23C6형 탄화물을 의미한다.
다음으로 2차 처리에서는, 부재의 비침탄부분(내부)을 오스테나이트화 온도+80℃ 이내, 바람직하게는 오스테나이트화 온도+10∼70℃의 범위로 승온 및 균열(均熱)하여, 그 후에 급속 냉각하여 표층부의 탄소농도가 바람직하게는 0.8질량% 이상, 보다 바람직하게는 1.0∼2.0질량%가 되도록 미세 탄화물의 석출을 실시한다. 또한, 2차 처리에 있어서의 미세 탄화물의 석출과 병행하여, 표층부에 추가 침탄처리를 실시하는 것에 의해, 표층부에 있어서의 미세 탄화물의 석출을 조장시켜, 한층 더 매트릭스(기반)의 탄소농도를 적정하게 조정한 상태로부터 급속 담금질을 실시하는 것이 바람직하다.
한편, 2차 처리 후의 최종 담금질온도에 대해서는 전처리 조건이 승온·균열 (均熱) 후, 또는 승온·균열(均熱)·추가 침탄 후의 각각의 경우가 있지만, 전처리 후의 온도로 급속 담금질을 실시하거나, 나아가서는 그러한 온도보다 높이거나 낮춘 온도로 실시해도 좋다. 즉, 2차 처리 후의 최종 담금질온도는 상기 부재에 요구되는 경도나 미세조직 등의 열처리 품질에 맞추어 온도 설정될 수 있다.
본 발명자들은, 고농도 침탄의 최적조건을 구축하기 위해, 저압 침탄설비를 이용하여 부재의 표층부에 고농도 침탄을 실시하는 1차 처리와, 탄화물의 미세입자를 표층부 내에 석출시키는 2차 처리에 대해서, 승온, 균열(均熱), 침탄시의 탄소농도 및, 확산, 및 각종 냉각(담금질)조건에 이르는 상세한 검토를 실시하였다. 그 결과, 최표층부에 유효경화 깊이비(t/T)로 10∼30%의 범위에서 탄소농도가 바람직하게는 0.8질량% 이상, 보다 바람직하게는 1.0∼2.0질량%이고, 또한 최표층으로부터 오스테나이트 결정입도가 10번 이상인 초미세립층, 계속하여 세립층, 게다가 미세립층의 3층 구조를 갖는 고농도 침탄 담금질부재를 얻는 것을 성공하였다. 이 고농도 침탄 담금질부재는, 처리 후에 변형 및 뒤틀림이 극소가 되어, 종래의 고농도 침탄으로는 불가피하였던 뒤틀림의 교정이 불필요하거나 또는 종래 방법에 비해 용이하게 대응할 수 있다는 것을 발견하였다.
도 1은 1차 처리의 열 사이클을 나타내는 도면,
도 2는 2차 처리의 열 사이클을 나타내는 도면,
도 3은 실시예의 열 사이클을 나타내는 도면, 및
도 4는 표 3의 시험편 No.2-2의 광학현미경 사진(배율:×100)을 나타내는 도면이다.
이하에서는 실시예를 들어 본 발명을 보다 더 자세하게 설명한다.
하기 표 1에 나타내는 기계구조용 강재(소재)를 이용하여 미리 900℃에서 소재의 노멀라이징(燒準) 처리 후, 기계 가공으로 φ30/φ25/φ20×L300㎜의 스텝형 (stepped) 둥근막대 시험편을 제작하였다. 상기 시험편의 침탄 담금질은, 저압하에서 가열 및 침탄이 가능하고, 또한 기름 담금질 및 가압 가스냉각이 가능한 설비를 이용하여, 본 발명의 고농도 침탄공정의 1차 처리를 실시하였다.
여기서 강종(鋼種)기호 1 및 2는, JIS의 침탄 담금질용 강재이며, 기호 1은 크롬-몰리브덴강의 SCM420이고, 기호 2는 크롬강의 SCr415이다. 강종기호 3의 MAC14는 강재 메이커 개발의 상품 기호이며, 상기의 두 강종에 비해 Cr함유량을 많게 하고, 게다가 Mo원소를 첨가하여, 고농도 침탄시(1차 및 2차 처리)에, M23C6형의 미세 탄화물의 석출을 목적으로 개발된 강재이다.
[표 1]
표 1 : 사용 강재와 화학성분 (질량%)
Figure 112007056970604-PCT00001
표 2는, 본 발명의 1차 처리에 있어서, 시험편의 표층부에서의 탄화물의 석출상태, 및 시험편의 열처리 변형에 미치는 냉각속도의 영향을 여러 가지로 실험하여 정리한 것이다. 여기서 1차 처리 조건으로서는 도 1에 도시한 열 사이클에서, 승온·균열(均熱) 후, 유효경화 깊이 0.5㎜를 목표로 시험편의 고농도 침탄을 실시하였다. 구체적으로는 최종상태의 시험편의 표층부의 탄소농도가 약 1.5질량%가 되도록, 950℃의 온도에서 고농도 침탄 및 확산처리를 교대로 약 70분간 실시하여, 시험편의 표층부의 탄소농도가 과포화 상태로부터, 표 2에 나타내는 각 냉각속도 조건으로 시험편의 담금질을 실시하여, 시험편의 표층부에 있어서의 탄화물의 형상, 크기, 표층부의 미세조직을 조사하였다.
또한, 1차 처리에 의한 시험편의 열처리 변형 및 뒤틀림을 조사하기 위해, 시험편으로서 스텝형(stepped) 둥근막대 시험편(φ30/φ25/φ20×L300㎜)을 이용하여, 양단 지지상태에서 시험편의 축중앙부에서의 흔들림량을 해석하여, 시험편의 담금질시의 냉각속도와 시험편의 축 흔들림량과의 관계를 조사하였다.
[표 2]
표 2 : 1차 처리의 냉각조건과 탄화물의 석출형태 및 축 흔들림량의 관계
Figure 112007056970604-PCT00002
상기 표에 기재된 기호와 해석방법을 이하에서 설명한다.
1) 냉각속도는, 시험편의 침탄·확산종료 후의 담금질온도 950℃로부터, 400℃에 이르기까지의 시험편의 축중앙부에 있어서의 평균 냉각속도를 나타낸다.
2) 탄화물의 형상 및 크기는, 주사형 전자현미경으로 관찰하였다.
3) 미세조직의 약칭한 기호
F : 페라이트, P : 펄라이트, B : 베이나이트, T : 트루스타이트, M : 마텐자이트, γ : 잔류 오스테나이트
4) 축 흔들림량은, 시험편을 양단 지지의 흔들림 측정기에 부착하고, 다이얼게이지로 측정한 축중앙부의 흔들림량을 나타낸다.
여기서 표 2의 시험편 No.1, 4, 6에 나타내는 비교예는, 냉각시의 냉각속도가 1℃/초로 늦기 때문에, 표층부에서의 탄화물의 석출은 편상 탄화물이 연속한 망상 탄화물이 주로 석출되고, 매트릭스는 페라이트, 펄라이트 및 베이나이트의 불완전 담금질조직이 되어, 그 결과, 축흔들림량 및 변형이 크게 된다. 또한, 시험편 No.3에 나타내는 비교예는 일반적인 기름 담금질 상당(20℃/초)의 급속 냉각을 행한 것으로, 탄화물의 석출량은 매우 적고, 또한 탄소가 과포화의 고탄소 상태로부터의 담금질조직이 되어, 축흔들림량 및 변형이 크다.
다음으로 시험편 2, 5 및 7에 나타내는 실시예의 냉각속도가 4∼12℃/초인 경우(본 발명), 미세 탄화물이 다량으로 석출되고, 게다가 그 핵이 되는 미세조직이 출현하여, 고농도 침탄의 큰 현안 과제이었던 시험편의 변형 및 뒤틀림(축흔들림량)이 개선되었다. 즉, 냉각이 늦은 서랭이라든지, 반대로 빠른 급속 담금질에 비해, 본 발명에서는 시험편의 축흔들림량이, 다른 예의 대략 1/2 수준이 되어, 축흔들림량의 대폭적인 저감을 실현할 수 있었다. 이러한 결과로부터, 1차 처리의 담금질시에 있어서의 냉각속도는 3∼15℃/초가 최적이다.
표 3에는, 표 2에 나타내는 1차 처리의 대표적인 시험편을 이용하여, 표층부에 미세 탄화물을 최종적으로 석출시키는 것을 목적으로 한 2차 처리를 실시하여, 표층부의 탄소농도, 탄화물 석출상태 및 미세조직, 결정입도, 나아가서는 시험편의 축 흔들림량 등의 여러 가지를 조사한 결과를 나타낸다. 2차 처리의 조건으로서는 도 2에 도시한 열 사이클로, 균열(均熱)온도를 A1변태 이상의 800℃, 850℃, 900℃의 세 가지 수준에서, 또한, 2차 처리로 표층부의 탄소농도를 보다 높여, 게다가 미세 탄화물의 석출을 증량시키는 수법으로서 승온·균열(均熱) 후, 공석탄소농도 이상이 되는 추가 침탄도 동시에 실시하였다.
도 1∼3에 있어서의(침탄/확산)n 및 (추가침탄/확산)n의 'n'은, 각각의 공정 에 있어서의 침탄 및 확산의 반복 회수를 의미하고, 그 'n'수는 부재마다 요구되는 품질에 맞추어 설정한다. 예를 들면, 표 2에 나타내는 실시예 No.2의 경우에서는 n=8이며, 또한, 표 3에 나타내는 실시예 No.2-2의 경우에서는 n=5로 하였다.
[표 3]
표 3 : 2차 처리의 처리조건과 탄화물의 석출형태 및 축흔들림의 관계
Figure 112007056970604-PCT00003
'표층부의 탄소농도의 분석방법'
시험편(φ30/φ25/φ20×L300㎜)을 이용하여, φ25㎜부의 표층부에서 0.05㎜ 깊이까지 잘라낸 입자를 시삭가공으로 채취하여, 습식 분석법으로 표층부의 탄소농도를 구한다.
표 3으로부터, 시험편 No.2 시리즈는, 2차 처리 온도를 변화시킨 경우의 탄 화물의 석출형태 및 그 외의 영향을, 또한, No.5 및 7 시리즈는, 2차 처리로 행한 추가 침탄의 유무에 의한, 미세 탄화물의 석출 및 표층부의 최종 탄소농도 등에 미치는 영향을 나타낸다.
여기서 2차 처리온도(여기에서는 추가 침탄온도를 말한다)에 대해서는 시험편 No.2-1을 이용한 900℃의 온도에서는, 표층부의 탄화물이 고용하여 전체적으로 탄화물 입자의 석출이 적고, 또한, 시험편의 축 흔들림량도 커진다고 하는 문제가 있다. 또한, 시험편 No.2-3에 이용한 800℃의 2차 처리온도에서는 표층부의 결정입계에 편상 탄화물이 석출되고, 또한 부재의 내부(비경화부)가 불완전 담금질이 되어, 시험편의 축흔들림량에 불균형이 나타난다. 이러한 결과로부터, 2차 처리에서 표층부에 미세 탄화물을 석출시키는 최적 처리온도는 상기 부재의 조성(침탄처리 전)에 의해서 정해지는, A3변태점 온도+10∼70℃ 상당의 온도가 바람직하다.
다음으로 2차 처리에 있어서의, 추가 침탄처리의 유무에 대해서는, 시험편 5-1 및 7-1의 결과로부터 명백하듯이, 추가 침탄처리를 실시하는 것에 의해, 표층부에 있어서의 탄소농도의 향상은 물론, 탄화물이 미세하게 석출된다고 하는 효과가 인정된다. 이 이유로서 표층부의 탄소가 탄화물로서 석출되어, 매트릭스(기반)의 탄소농도가 희박하게 되기 때문에, 추가 침탄을 실시하여 표층부에 탄소를 보급하는 것에 의해, 표층부에는 새롭게 Fe3C 및 M23C6 등의 미세 탄화물이나 그 핵의 생성이 조장되는 것을 생각할 수 있다.
또한, 추가 침탄처리된 부재는 도 4에 나타내는 바와 같이, 최표층부의 오스 테나이트 결정입도가 초미세입도가 되는 것이 판명되었다. 여기서 초미세입도란 JIS-G0551강의 오스테나이트 입도 시험방법에 있어서의 침탄 입도시험 방법에서, 오스테나이트 결정입도가 10번 이상에 상당하고, 게다가 내부방향을 향하여 세립 및 미세립으로 이루어지는 3층 구조가 형성되는 큰 특징을 발견하였다. 또한, 이러한 오스테나이트 결정입도와 침탄층과의 관계를 살펴보면, 미세 탄화물의 석출량이 많은 최표층부를 A부로 하고, 그 내부의 침탄층부(세립부)를 B부로 하고, 게다가 그 내부(비경화부)의 미세립부를 C부로 하면, 이 3층의 결정입도는 A≥C≥B의 관계에 있다. 덧붙여서 통상 침탄에 있어서의 표층부의 오스테나이트 결정입도는, 대개 7∼8번 상당이 일반적이고, 본 발명에서는 종래의 침탄처리에서는 출현하지 않는 특징적인 3층 구조의 결정립 구성이 되고 있다.
여기서, 이러한 초미세 입도층의 효과로서는, 종래의 침탄처리 부재에서 현안인, 표면 경화층의 인성 개선이 가능해져, 본 발명의 특징인 고면압화와 함께, 침탄층 자체의 고인성도 맞추어 부여할 수 있는 큰 특징을 갖고, 향후의 침탄부재의 더 나은 고강도화에 극히 유효하다.
표 4에는 본 발명의 고농도 침탄에 있어서의 탄화물 석출층의 유효경화 깊이 비가 각종 특성에 미치는 영향을 나타내었다. 여기서 각종 시험편은, JIS 기계구조용 강철 SCM420을 소재로서 이용하여, 소재를 미리 900℃에서 노멀라이징 처리한 후, 기계가공으로 제조하였다. 시험편의 고농도 침탄처리는, 도 3에 나타내는 1차 처리와, 2차 처리의 열 사이클로 실시하였다. 처리된 시험편의 피팅(pitting) 수명, 충격강도 및 열처리변형률 등을 해석 조사하였다. 또한, 표 5에 나타낸 시험편 의 최표층부의 탄소농도가 시험편의 강도 내구성 및 열처리 변형에 미치는 영향에 대해서도, 표 4의 각종 시험편과 같이 도 3에 나타내는 열 사이클로 처리를 실시하여, 처리 시험편의 탄소농도 등을 조사하였다.
여기서 표 4의 탄화물의 석출 깊이의 조정은, 주로 침탄시간과 탄소농도의 제어 등으로, 또한, 표 5의 최표층부의 탄소농도의 조정은, 1차 처리나 2차 처리의 침탄·확산의 반복시의 프로세스 가스량, 시간 등을 미리 계산한 프로그램으로 제어하여 실행하였다. 저압 침탄용 프로세스 가스로서는 프로판, 아세틸렌, 에틸렌 등이 있지만, 가장 대중적이고 저렴한 프로판 가스를, 또한, 확산시의 불활성 가스로서 질소가스를 이용하였다. 게다가 2차 처리에서의 급속 담금질은 기름 냉각으로 실시했지만, 이것들 이외에 N2, He, H2 등의 가스를 단독 혹은 복합시킨 가압 가스 냉각으로도 실시 가능하다.
[표 4]
표 4 : 유효경화 깊이비의 강도, 내구성 및 열처리 변형에 미치는 영향
Figure 112007056970604-PCT00004
[표 5]
표 5 : 최표층부 탄소농도의 강도, 내구성 및 열처리 변형에 미치는 영향
Figure 112007056970604-PCT00005
1) 유효경화 깊이비는, 마이크로 빅커스(Micro-Vickers)경도로 550HMV 이상을 갖는 경화 깊이(T)에 대한 미세 탄화물층 깊이(t)의 비율(t/T)을 나타낸다.
2) 전동피로수명은, 하기 조건에서의 피팅 발생까지의 반복수를 나타낸다.
면압 : 3GPa, 회전수 : 1500rpm, 미끄럼율 : -40%, 유온(油溫) : 80℃
3) 충격 강도는 샤르피(Charpy) 시험편에 의한 파괴 에너지를 나타낸다.
4) 진원도(roundness)는 테스트 피스 형상 : φ100(φ80)×15t의 링을 이용하여 형상 측정기로 링 안지름의 X-Y 방향의 변형량을 나타낸다.
유효경화 깊이비의 전동 피로수명에 미치는 영향에 대해서는, 기호 A의 비교예에서 유효경화 깊이비가 5%로 얕은 경우, 미세 탄화물 자체의 석출량이 적고, 고농도 침탄의 특징인 담금질 연화저항이 부족하고, 피팅 인성(pitting toughness)이 낮다고 할 수 있다. 한편, 유효경화 깊이비가 40%의 기호 E의 비교예의 경우, 고경도의 범위가 넓어지기 때문에 충격강도가 저하하는 문제가 있고, 또한, 진원도에서 본 열처리 변형에 대해서도 뒤틀림이 증가하는 경향이 있다. 이러한 결과로부터 탄화물 석출층의 유효경화 깊이에 대한 깊이비는 10∼30%의 범위가 최적이다.
다음으로, 표 5에 나타내는 최표층부의 탄소농도의 피팅 수명에 미치는 영향에 대해서는, 최표층부의 탄소농도가 높은 기호 H, J, K가 우수하고, 전자에 비해 탄소농도가 1%로 낮은, 기호 G, I의 경우 피팅 수명이 다소 뒤떨어진다고 말할 수 있다. 참고예로서 나타낸 기호 F와 같이 최표층부 탄소농도가 0.8질량% 미만의 경우에는, 시험편의 피팅 인성이 대폭으로 뒤떨어진다. 즉, 최표층부에는 미세 탄화물이 많이 석출되어 탄소농도가 높을수록 양호하다. 따라서 본 발명에서는 고농도 침탄의 탄소농도는 0.8질량% 이상으로 설정하였다.
침탄되는 탄소농도의 상한에 대해서는 2.0질량%까지는 특별히 문제는 되지 않았다. 한편, 탄소농도를 한층 더 2.0질량%를 넘는 고농도로 한 경우, 편상 탄화물이 석출되기 쉬워져, 시험편의 충격강도 및 열처리 변형이 불리한 방향으로 향한다고 하는 염려가 있다. 이 때문에 부재(시험편)의 요구 특성에 맞춘 최표층부의 탄소농도를 설정하는 것이 필요하다.
다음으로, 기호 I, J, K의 2차 처리로, 추가 침탄처리를 적용한 경우의 피팅수명, 충격강도, 열처리변형(뒤틀림)에 미치는 영향에 대해서는, 탄소농도가 비슷하고 추가 침탄 "무(無)"의 기호 G, H에 비하여, 어느 특성이나 불균형이 적고 양호하다. 그 이유로서는 추가 침탄처리에 의해 매트릭스의 탄소농도의 안정화, 나아가서는 최표층부의 미세 탄화물의 생성이 조장되어, 침탄층 자체가 치밀하고 밸런스가 잡힌 조직이 되어, 열처리 품질이 전체적으로 안정화되기 때문이라고 생각된 다.
이상의 각종 해석 결과로부터, 본 발명의 방법에 있어서의 최적인 처리 조건은, 부재로서 기계구조용 강철을 이용하여 저압 침탄에서 1차 처리 및 2차 처리를 조합한 고농도 침탄을 실시하여, 최적인 가열 및 냉각 조건을 거친 후, 최종 공정에 있어서의 탄화물의 석출 깊이를 유효경화 깊이비 10∼30%의 범위로, 또한, 표층부의 탄소농도를 0.8질량% 이상이 되도록 제어하는 것이 바람직하다.
상기의 일련의 결과로부터, 본 발명에 의하면, 기계구조부재인 톱니바퀴나 차축 부재 등을 고강도화 및 고면압화 할 수 있고, 또한 저변형이 요구되는 부재나, 베어링 구조를 갖는 회전 미끄럼운동이나 왕복 미끄럼운동부재, 나아가서는 고면압하에서의 접촉 피로나, 내마모성이 요구되는 부재 등, 각종 부재의 고강도화 및 고성능화 및 경량 컴팩트화 등의 요구를 변형이 적게하여 구현할 수 있는, 전혀 새로운 고농도 침탄·저변형 담금질부재 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

Claims (4)

  1. 진공침탄(저압침탄) 방법에 의해, 기계 구조용 강철부재를 오스테나이트 영역의 온도로 가열하여, 상기 부재의 표층부에, 공석(共析)탄소농도 이상의 탄소를 고용시킨 후, 상기 부재를 오스테나이트 영역의 온도로부터, A1 변태점 이하의 온도로 3∼15℃/초의 냉각속도로 담금질을 실시하여, 상기 부재의 표층부에 미세 탄화물 및/또는 상기 탄화물의 핵을 생성시키는 1차 처리와, 계속하여 상기 부재를 오스테나이트 영역의 온도까지 승온 및 균열(均熱)시킨 후, 급속 담금질을 실시하여 최표층부에 유효경화 깊이비로 10∼30%의 범위에, 미세 탄화물을 석출시키는 2차 처리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고농도 침탄·저변형 담금질부재의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 2차 처리에 있어서, 부재의 표층부에 추가 침탄처리를 실시하는 상기 부재의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 2차 처리에 있어서, 상기 부재의 표층부에 미세 탄화물을 석출시키고, 상기 표층부에, 트루스타이트 및 잔류 오스테나이트 등의 혼합조직을 일부 포함한 마텐자이트를 주체로 하는 조직을 형성시키고, 상기 층의 최표층부(A부)와 A부보다 안쪽의 층부(B부)와 B부보다 안쪽의 층부(C부)의 각각의 오스 테나이트 결정입도의 미세함의 서열을 A≥C≥B로 하는 상기 부재의 제조방법.
  4. 표층부가 트루스타이트 및 잔류 오스테나이트 등의 혼합조직을 일부 포함한 마텐자이트를 주체로 하는 조직이며, 상기 층의 오스테나이트 결정입도의 미세함의 서열이, 최표층부(A부)와 A부보다 내부의 층(B부)과 B부보다 내부의 층(C부)에 있어서, A≥C≥B가 되는 것을 특징으로 하는 고농도 침탄·저변형 담금질 부재.
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