KR20090121308A - 고온에서의 면압 피로 강도가 우수한 침탄 질화 고주파 담금질 강 부품 및 그 제조 방법 - Google Patents

고온에서의 면압 피로 강도가 우수한 침탄 질화 고주파 담금질 강 부품 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래보다 면압 피로 특성이 우수한 기어, 무단 변속기, 등속 조인트, 허브 등의 강 부품과 그 제조 방법을 제공하는 것으로, 특정의 화학 성분 조성으로 이루어지는 강으로 이루어지고, 침탄 질화 처리 후에 고주파 담금질 처리를 한 강 부품으로서, 표면의 N 농도가 0.1 내지 0.8 질량%이고, N 농도와 C 농도의 합이 1.0 내지 2.0 질량%이며, 표면의 잔류 오스테나이트 양이 15 체적% 미만이고, 표면으로부터의 불완전 담금질 층의 깊이가 5 ㎛ 미만이며, 또한 표면의 X선 회절 반값폭이 6.0도 이상인 것을 특징으로 하는 침탄 질화 고주파 담금질 강 부품 및 그 제조 방법.
침탄 질화, 고주파 담금질, 면압 피로 특성

Description

고온에서의 면압 피로 강도가 우수한 침탄 질화 고주파 담금질 강 부품 및 그 제조 방법 {CARBONITRIDED INDUCTION-HARDENED STEEL PART WITH EXCELLENT ROLLING CONTACT FATIGUE STRENGTH AT HIGH TEMPERATURE AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 침탄 질화 고주파 담금질 강 부품에 관한 것으로, 구체적으로는, 기계 구조용 부품, 특히 자동차 등의 동력 전달 부품에 적용되는 높은 면압 피로 강도를 가진 기어, 무단 변속기, 등속 조인트, 허브 등의 강 부품에 관한 것이다.
기계 구조용 부품, 예를 들면, 자동 변속기의 기어나 무단 변속기의 시브, 등속 조인트, 허브 등의 동력 전달 부품은 면압 피로 강도가 요구된다. 종래, 일반적으로 상기한 부품에는 소재에 JIS SCr420, SCM420 등의 C가 0.2% 전후인 표면 열처리 강을 사용하고, 침탄 담금질 처리를 실시하여 부품의 표면을 C가 0.8% 전후인 마르텐사이트 조직으로 만들어, 면압 피로 강도를 높여서 사용하였다.
최근에는 사용 조건의 가혹화에 따라, 면압 피로 강도의 향상이 요구되고 있는데, 종래의 침탄 담금질을 대신하여 연화 저항이 더 우수한 침탄 질화가 주목을 받고 있다.
예를 들면, 일본 공개 특허 공보 평7-190173호에서는 질화 내지 침탄 질화 처리에 의하여 질소 함유량을 0.2% 이상, 0.8% 이하로 하고, 이어지는 염 침지에 의한 담금질 처리에 의하여 고강도로 하며, 그리고 이 처리에 이어서 쇼트 피닝 처리를 함으로써 한층 더 고강도로 하는 것이 제안되어 있다.
또한, 일본 공개 특허 공보 2006-292139호에서는 침탄 질화 처리 및 소둔 처리에 이어서 고주파 담금질 처리를 하여, 잔류 오스테나이트 양이 15 체적% 이상인 표층부를 구비하는 것에 의해 피니온 샤프트의 박리 수명을 향상시키는 것이 제안되어 있다.
그러나, 최근에는 사용 조건이 한층 더 가혹하게 되었고, 사용 조건 하에서는 가동면이 300℃ 초과(强) 내지 400℃ 미만(弱)으로 한층 더 고온화하고 있어, 더욱 향상된 면압 피로 강도가 요구되고 있다.
이에, 본 발명은 종래보다 면압 피로 강도가 우수한 침탄 질화 고주파 담금질 강 부품, 특히 기어, 무단 변속기, 등속 조인트, 허브 등의 강 부품을 제공하는 것을 과제로 한다.
전술한 바와 같이, 침탄 질화 담금질 처리에 의한 연화 저항의 향상을 통해 면압 피로 강도를 향상시킬 수 있는 것은 알려져 있지만, 본 발명자들은 최근의 가동면이 한층 더 고온(300℃ 초과 내지 4O0℃ 미만)으로 한 경우에 면압 피로 강도를 향상시키기 위하여, 이하의 (a) 내지 (e) 사항이 적어도 필요한 것을 밝혀내어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
(a) 침탄 질화 처리 후에 고주파 담금질 처리를 실시할 것.
(b) 침탄 질화 처리에 의해 표면의 N 농도가 0.1 내지 0.8 질량%인 동시에, N 농도와 C 농도와의 합이 1.0 내지 2.0 질량%일 것.
(c) 고주파 담금질 후의 조직으로 잔류 오스테나이트 양이 15 체적% 미만으로 제한되어 있을 것.
(d) 표면의 불완전 담금질 층의 깊이가 5 ㎛ 미만으로 제한되어 있을 것.
(e) 표면의 X선 회절 반값 폭이 6.0도 이상일 것(또한, 본 발명에서 말하는 표면이란 최표면을 의미한다).
본 발명의 요지는 다음과 같다.
(1) 화학 성분이 질량%로 C: 0.005 내지 0.8%, Si: 2.0% 이하, Mn: 0.2 내지 3.0%, P: 0.03% 이하, S: 0.005 내지 0.10%, Ni: 3.0% 이하(0%를 포함), Cr: 5.0% 이하(0%를 포함), Mo: 2.0% 이하(0%를 포함), W: 1.0% 이하(0%를 포함), B: 0.0050% 이하(0%를 포함), O: 0.0050% 이하, N: 0.003 내지 0.03%를 함유하고, 또한, Al: 0.005 내지 0.2%, Ti: 0.005 내지 0.2% 중에서 1종 또는 2종, 및 V: 0.3% 이하(0%를 포함), Nb: 0.3% 이하(0%를 포함) 중에서 1종 또는 2종을 함유하고, 잔부가 실질적으로 철과 불가피한 불순물로 이루어지는 강으로 이루어지고, 침탄 질화 처리 후에 고주파 담금질 처리한 강 부품으로서, 표면의 N 농도가 0.1 내지 0.8 질량%인 동시에, N 농도와 C 농도와의 합이 1.0 내지 2.0 질량%이고, 표면의 잔류 오스테나이트 양이 15 체적% 미만이며, 표면으로부터의 불완전 담금질 층의 깊이가 5 ㎛ 미만이고, 또한 표면의 X선 회절 반값 폭이 6.0도 이상인 것을 특징으로 하는 고온에서의 면압 피로 강도가 우수한 침탄 질화 고주파 담금질 강 부품.
(2) 강의 화학 성분이 질량%로 Ca: 0.0005 내지 0.01%, Mg: 0.0005 내지 0.01%, Zr: 0.0005 내지 0.05%, Te: 0.0005 내지 0.1%로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 고온에서의 면압 피로 강도가 우수한 침탄 질화 고주파 담금질 강 부품.
(3) 강 부품이 기어, 무단 변속기, 등속 조인트, 또는 허브 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 고온에서의 면압 피로 강도가 우수한 침탄 질화 고주파 담금질 강 부품.
(4) 화학 성분이 질량%로 C: 0.005 내지 0.8%, Si: 2.0% 이하, Mn: 0.2 내지 3.0%, P: 0.03% 이하, S: 0.005 내지 0.10%, Ni: 3.0% 이하(0%를 포함), Cr: 5.0% 이하(0%를 포함), Mo: 2.0% 이하(0%를 포함), W: 1.0% 이하(0%를 포함), B: 0.0050% 이하(0%를 포함), O: 0.0050% 이하, N: 0.003 내지 0.03%를 함유하고, 또한 Al: 0.005 내지 0.2%, Ti: 0.005 내지 0.2% 중에서 1종 또는 2종, 및 V: 0.3% 이하(0%를 포함), Nb: 0.3% 이하(0%를 포함) 중에서 1종 또는 2종을 함유하며, 잔부가 실질적으로 철과 불가피한 불순물로 이루어지는 강을 사용하여 부품을 성형하고, 침탄 질화 처리를 한 후에 오일 또는 염 담금질을 하며, 이어서 고주파 가열을 실시한 온도가 4O℃ 미만인 물 또는 폴리머 담금질제에 의한 담금질을 하고, 이 부품의 최표면의 N 농도가 0.1 내지 0.8 질량%인 동시에 N 농도와 C 농도와의 합을 1.0 내지 2.0 질량%로 하며, 표면의 잔류 오스테나이트 양을 15 체적% 미만으로 하고, 표면으로부터의 불완전 담금질 층의 깊이를 5 ㎛ 미만으로 하며, 또한 표면의 X선 회절 반값 폭을 6.0도 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 고온에서의 면압 피로 강도가 우수한 침탄 질화 고주파 담금질 강 부품의 제조 방법.
(5) 강의 화학 성분이 질량%로, Ca: 0.0005 내지 0.01%, Mg: 0.0005 내지 0.01%, Zr: 0.0005 내지 0.05%, Te: 0.0005 내지 0.1%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 (4)에 기재된 고온에서의 면압 피로 강도가 우수한 침탄 질화 고주파 담금질 강 부품의 제조 방법.
(6) 강 부품이 기어, 무단 변속기, 등속 조인트, 또는 허브 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 (4) 또는 (5)에 기재된 고온에서의 면압 피로 강도가 우수한 침탄 질화 고주파 담금질 강 부품의 제조 방법.
발명을 실시하기 위한 최선의 상태
침탄 질화 담금질 처리를 하여 면압 피로 강도를 한층 향상시키기 위해서는, 침탄 질화 처리에 이어서 고주파 담금질 처리도 실시하는 것이 효과적이다. 그 이유는 아래의 (a) 내지 (c) 때문이다.
(a) 종래의 침탄 질화 담금질만으로는 표면의 오스테나이트 결정립도가 8번 전후에 그치는 데 대하여, 침탄 질화에 이어서 가열 온도가 800℃ 내지 900℃인 고주파 담금질을 함으로써 오스테나이트 결정립도가 10번 이상인 미세한 결정립을 얻을 수 있다.
(b) 종래의 침탄 질화 담금질은 부품 전체를 담금질하기 때문에, 담금질 시에 냉매는 담금질 변형 억제의 관점에서 냉각 능력이 비교적 작은 오일이나 염을 사용하지 않을 수 없다. 이에 비해, 고주파 담금질은 부품 표층부만의 가열이며, 심부까지는 담금질이 되지 않는 이유에 의하여 담금질 변형 억제에는 유리하기 때문에, 냉각 능력이 큰 수냉이 가능하게 되고, 표면에 불가피하게 생성되는 불완전 담금질 층을 경감할 수 있다.
또한, 고주파 담금질에 앞서 실시되는 침탄 질화 후의 냉각 방법은 변형 억제의 관점에서 물 담금질 이외의 방법, 예를 들면, 오일 담금질이나 염 담금질이 좋다.
(c) 마찬가지로, 고주파 담금질은 냉각 능력이 크고 표면의 잔류 오스테나이트 양을 더 억제할 수 있기 때문에, 침탄 질화로 C량과 N량을 증량할 수 있어서 연화 저항이 증가할 수 있다.
또한, 본 발명자들은 종래에는 유효하다고 알려져 있던 쇼트 피닝 처리가, 종래보다 한층 더 고온(300℃ 초과 내지 400℃ 미만)인 경우의 면압 피로 강도의 향상에는 오히려 유해한 것을 밝혀내었다. 종래에는 쇼트 피닝 처리의 효과의 하나로서 가공 경화에 의한 경도 향상을 통해 피로 강도가 향상되는 것으로 생각하였다. 그런데, 쇼트 피닝 처리하였을 경우, 고온(300℃ 초과 내지 400℃ 미만)의 환경 하에 사용할 경우 쇼트 피닝 처리를 하지 않은 경우보다, 오히려 면압 피로 강도가 저하되는 것이 확인되었다. 본 발명자는 그 원인을 다음과 같이 생각한다.
쇼트 피닝 처리에 의하여 경도는 가공 변형에 의한 가공 경화, 압축 잔류 응력의 증가에 의한 경화 및 가공 유기 마르텐사이트 변태에 의한 경화에 의하여 증가한다. 그러나, 이 중에서 가공 변형에 의한 가공 경화 및 압축 잔류 응력의 증가에 의한 경도의 증가분은 고온(300℃ 초과 내지 400℃ 미만)에서의 면압 피로 강도 향상에는 기여하고 있지 않은 것으로 추측된다. 그 이유는 300℃ 초과 내지 40O℃ 미만은 비교적 경미한 전위의 이동에 의해 대부분의 가공 경화 및 압축 잔류 응력이 개방되는 온도 영역이기 때문이다.
이에 고온(300℃ 초과 내지 400℃ 미만)에서의 면압 피로 강도 향상에는 가공 경화 및 압축 잔류 응력의 영향을 배제한 조직 자체, 즉, 마르텐사이트 조직 자체의 경도 향상이 중요하다고 본 발명자들은 생각하였다.
마르텐사이트 조직의 경도는 전위 밀도에 대응하고, 전위 밀도의 대소(大小)는 X선 회절 반값 폭에 대응하기 때문에, X선 회절 반값 폭을 측정함으로써 마르텐사이트 조직의 경도를 측정할 수 있으나, 본 발명자의 조사에서는 쇼트 피닝 처리의 적용에 의하여 X선 회절 반값 폭은 감소하는 것을 확인하였다. 이 메커니즘은 확실하지는 않지만, 쇼트 피닝에 의하여, 가공 유기 마르텐사이트 변태가 발생하지만, 이 이상으로 담금질에 의하여 생성된 마르텐사이트 조직의 일부가 재결정된 것이 아닌가 추측한다.
이상의 이유로, 쇼트 피닝 처리에 의한 경도 향상은 고온(300℃ 초과 내지 400℃ 미만)에서는 면압 피로 강도 향상에는 기여하지 않고, 오히려 면압 피로 강도를 저하시키는 것으로 생각하였다. 그 때문에, 경도는 면압 피로 강도 향상의 지침으로서는 불충분하고, 바람직한 지침은 표면의 X선 회절 반값 폭이라고 생각하였다.
또한, 본 발명자들은 300℃ 초과 내지 400℃ 미만의 사용 환경 하에서의 면압 피로 강도에는 표면 성상, 특히 표면의 불완전 담금질 층의 정도(程度)가 크게 영향을 미치는 것을 확인하였다.
종래, 피로 강도에 미치는 표면 성상의 영향은, 예를 들면, "열처리"(VOL. 30, No. 5, 240-246쪽, 1990년)에 개시되어 있는 바와 같이, 입계 산화 깊이로 정리되어 있지만, 본 발명자가 조사한 바에 따르면, 중요한 것은 불완전 담금질 층의 정도이고, 표면의 X선 회절 반값 폭을 측정하는 것에 의하여도 불완전 담금질 층의 정도를 추측할 수 있다. 따라서, 표면 성상의 시점으로부터도, 표면의 X선 반값 폭을 면압 피로 강도 향상의 지침으로서 사용하는 것이 좋다고 생각하였다. 또한, 이 불완전 담금질 층의 깊이는 5 ㎛ 미만인 것도 중요하다는 것을 밝혀내었다. 상술한 바를 근거로 하여 예의 연구한 결과, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
먼저, 본 발명의 강 부품에 있어서 중요한 제조 공정과 조직의 규정 이유에 대하여 설명한다.
〔침탄 질화 처리 후에 고주파 담금질 처리를 한 강 부품〕
전술한 바와 같이, 침탄 질화 처리 후에 고주파 담금질 처리하는 것에 의하여 면압 피로 강도를 한층 더 향상시킬 수 있다. 고주파 담금질로 부품 표면을 경화시키기 때문에, 그에 앞서 실시되는 침탄 질화 처리 후의 냉각은 변형 억제의 관점에서 비교적 냉각 속도가 낮은 오일 또는 염 담금질이 좋다. 물 등의 냉각 능력이 높은 담금질에서는 담금질 시에 열 처리 변형이 커지기 때문에 좋지 않고, 반대로 냉각 속도가 낮은 로냉의 경우에는 냉각 중에 Cr, Mo 등이 탄화물로서 석출되어 손실(loss)되어 버리기 때문에 바람직하지 않다. 침탄 질화 처리 시의 전체 침탄 깊이는 부품의 크기에 따라 다르지만, 작은 부품에서는 0.3 ㎜ 이상을 기준으로 하고, 큰 부품에서는 0.8 ㎜ 이상을 기준으로 하면 좋다.
고주파 담금질 시의 가열 방법에 대하여는, 특히 각별한 수법을 채용할 필요는 없고, 일반적인 방법으로 충분하다. 예를 들면, 주파수는 작은 부품이면 400 ㎑ 전후, 큰 부품이면 5 ㎑ 전후가 기준이 되고, 가열 온도는 800℃ 내지 900℃가 기준이 된다.
담금질에 사용하는 냉매는 물, 폴리머 담금질제 등 수계에서 냉각 능력이 큰 것을 사용 온도 4O℃를 넘지 않도록 엄밀하게 관리한 상태에서 사용할 필요가 있다. 이와 같이 함으로써 표면의 잔류 오스테나이트 양을 15 체적% 미만으로 제한할 수 있는 동시에, 불완전 담금질 층의 깊이를 5 ㎛ 미만으로 제한할 수 있다.
고주파 담금질 후에는 일반적인 침탄 담금질 품이나 침탄 질화 담금질 품에 준하여, 150℃ 전후의 저온 템퍼링을 실시하여 부품의 인성을 확보하는 것이 좋다.
또한, 실제의 강 부품에 있어서, 침탄 질화 처리 후에 고주파 담금질 처리를 한 강 부품인 것은 강 부품으로부터 마이크로 샘플을 채취하여 나이탈 부식한 후에 광학 현미경으로 관찰되는 조직 분포와 표면으로부터 심부에의 경도 분포와, EPMA로 측정되는 표면으로부터 C 분포 및 N 분포에 의하여 판별할 수 있다.
〔표면의 N 농도가 0.1 내지 0.8 질량%인 동시에 N 농도와 C 농도와의 합이 질량%로 1.0 내지 2.0 질량%〕
부품의 면압 피로 강도는 표면 또는 극히 얕은 표면 바로 아래에서 정해지기 때문에, 표면의 N 농도와 C 농도가 중요하고, 연화 저항 부여의 관점에서 N 농도를 0.1 내지 0.8 질량%로 한다. N 농도가 0.1 질량% 미만에서는 연화 저항의 부여가 불충분하고, 0.8 질량%를 초과하면 Ms점의 저하에 의하여 표면의 잔류 오스테나이트 양을 15 체적% 미만으로 제한할 수 없기 때문이다. 이 N 농도의 바람직한 범위는 0.5 내지 0.8%이다. 또한, 일반적인 침탄 질화 처리에 의한 표면의 N 농도는 담금질성의 부여를 목적으로 하고 있기 때문에, 통상 0.1 질량% 정도, 높아도 0.4% 정도이며, 본 발명과는 목적이 다르다.
또한, 표면의 N 농도와 C 농도와의 합을 1.0 내지 2.0 질량%로 한다. N 농도와 C 농도의 합이 1.0 질량% 미만이면 부품의 경도가 부족하고, 1.4%를 초과하는 것이 바람직하지만, 2.0 질량%를 초과하면 Ms점의 저하에 의하여 표면의 잔류 오스테나이트 양이 15 체적% 미만으로 제한하는 것이 극히 곤란해지기 때문에, 본 발명에서는 1.0 내지 2.0 질량%로 하였다. 바람직한 범위는 1.4 내지 2.0 질량%이다.
〔표면의 잔류 오스테나이트 양이 15 체적% 미만〕
표면의 잔류 오스테나이트는 사용 조건에서의 면압에 의해 가공 유기(誘起)되어 마르텐사이트 변태하거나 저탄소 마르텐사이트와 탄화물로 변화하는 것에 의하여 부품의 형상 변화를 초래한다. 표면의 잔류 오스테나이트 양이 15 체적% 이상이 되면 그 형상 변화에 의하여 면압 피로 강도의 열화를 초래하기 때문에, 15 체적% 미만으로 제한할 필요가 있다. 좋기로는, 10 체적% 미만이다. 오스테나이트 양을 15 체적% 미만으로 제한하려면 N 농도를 0.8 질량% 이하로, 그리고 N 농도와 C 농도의 합을 2.0 질량% 이하로 한 침탄 질화 처리를 적용하는 것이 적어도 필요하다. 다만, 부품이 작거나, 후술하는 사용 온도 40℃를 넘지 않는 물 또는 폴리머 담금질제를 사용하는 담금질 냉매의 분사량이 부품에 대하여 크고 담금질 시의 냉각 속도가 큰 경우에는 오스테나이트 양이 15 체적%를 초과하는 경우가 발생할 수 있으므로, 그 경우에는 담금질 냉매의 사용 온도를 4O℃를 넘지 않는 범위에서 약간 높이고, 분사량을 줄이거나, 또는 고주파 담금질 후에 서브 제로 처리를 실시하는 등의 조정을 실시할 필요가 있다. 예비 테스트를 실시함으로써, 오스테나이트 양을 15 체적% 미만으로 제한하는 조건을 확립하여 둘 필요가 있다.
〔표면으로부터의 불완전 담금질 층의 깊이가 5 ㎛ 미만〕
강재에 침탄 담금질 처리나 침탄 질화 담금질 처리를 한 경우, 침탄 시에 표면으로부터 침입한 산소와 강재 중의 합금 원소(Si, Mn, Cr 등)가 결합하는 것에 의한 합금 원소의 손실에 기인하여, 표층 아래 10 ㎛ 정도 이상의 영역이 담금질 부족이 되고, 그 담금질 부족 영역은 불완전 담금질 층으로 널리 불리고 있다. 침탄 질화 처리와 고주파 담금질 처리를 두 가지 모두 실시하는 동시에, 전술한 담금질에 이용하는 냉매는 물, 폴리머 담금질제 등 수계에서 냉각 능력이 큰 것을 사용 온도 4O℃를 넘지 않도록 엄밀하게 관리한 상태에서 담금질을 행함으로써 담금질 시의 냉각 속도의 증가를 통하여, 표면으로부터의 불완전 담금질 층의 깊이를 5 ㎛ 미만으로 제한할 수 있다.
본 발명자들의 조사에서는 도 1에 나타내는 바와 같이, 불완전 담금질 층의 깊이 5 ㎛를 경계로 하여, 5 ㎛ 미만 이하에서는 면압 피로 강도가 큰 폭으로 향상되는 것을 밝혀내었다. 피로 강도 시험 후의 부품을 상세하게 관찰한바, 불완전 담금질 층의 깊이가 5 ㎛ 이상에서는 표면에 접하는 결정입자의 개개의 둘레의 약 반 이상이 불완전 담금질 층에 둘러싸이기 때문에, 사용시에 이 결정입자가 박리되기 쉬운 것을 알 수 있었다. 또한, 입계 산화 깊이는 5 ㎛ 초과이어도 면압 피로 강도에 있어서 지장이 없다.
〔표면의 X선 회절 반값 폭이 6.0도 이상〕
X선 회절 반값 폭이 6.0도 미만이면 충분한 면압 피로 강도를 얻지 못하고, 6.0도 이상으로 함으로써, 종래보다 우수한 면압 피로 강도를 얻을 수 있으므로, 6.0도 이상으로 하였다. X선 회절 반값 폭 6.0도는 쇼트 피닝 처리에 의한 가공 경화와 압축 잔류 응력의 부여가 없는 경우에 있어서의 상온 경도 55 HRC 정도에 상당하여, 면압 피로 강도를 얻기 위한 하한으로 하였다. 6.2도 이상인 것이 바람직하다.
이를 실현하려면, 적어도 표면의 N 농도와 C 농도와의 합을 1.0 내지 2.0 질량%로 한 침탄 질화 처리에 이어서, 냉매에 사용 온도 40℃를 넘지 않는 물 또는 폴리머 담금질제를 사용한 고주파 담금질 처리를 할 필요가 있다. 다만, 부품이 크거나, 담금질 냉매의 분사량이 부품에 대하여 작은 경우에는 담금질 시에 냉각 속도가 부족하여 X선 반값 폭이 6.0도 미만이 되는 경우가 발생할 수 있기 때문에, 그 경우에는 냉매의 사용 온도를 낮추거나, 분사량을 많게 하는 등의 조정을 하면 좋다. 예비 테스트를 함으로써, 6.0도 이상, 좋기로는, 6.2도 이상이 되는 조건을 확립해 둘 필요가 있다. 또한, 이 담금질 냉매의 조건은 상기 표면의 잔류 오스테나이트 양이 15 체적% 미만을 동시에 달성하는 조건으로 할 필요가 있다.
이 때, X선 회절 반값 폭이란, 미소부(微小部) X선 잔류 응력 측정 장치(Cr 진공관)를 사용하여α-Fe의 (211)면을 60 초에 걸쳐서 측정한 피크의 반값 폭을 의미한다.
또한, 부품에 요구되는 굽힘 피로 강도가 높은 등, 쇼트 피닝 처리가 필요한 경우에는 아크 하이트 0.3 ㎜A 정도의 경미한 쇼트 피닝 처리에 그치고 X선 회절 반값폭을 6.0도 이상 확보할 필요가 있다.
또한, 본 발명에 관한 침탄 질화 고주파 담금질 부품은 고주파 담금질 처리한 후, 다시 서브 제로 처리, 템퍼링 처리, WPC 처리, 바렐 연마 처리, 기어 연마 처리, 호닝 마무리 가공 등의 추가 처리를 하더라도, 표면의 잔류 오스테나이트 양과 X선 회절 반값 폭이 발명의 범위 내인 한 어떠한 효과도 방해하지 않는다.
다음으로, 본 발명의 강의 화학 성분의 규정 이유에 대하여 설명한다. 여기에 기재된 %는 질량%를 의미한다.
C: 0.005 내지 0.8%
C는 강의 강도를 얻기 위해서는 중요한 원소이지만, Mn이나 Cr 등의 담금질성 향상 원소를 첨가하는 것에 의하여 대체 가능하기 때문에, 0.005% 이상이면 좋다. 이에, 본 발명에서는 C량의 하한을 0.005%로 하였다. 그러나, 그 함유량이 0.8%를 초과하면 부품 제작 시에 절삭성과 단조성을 현저하게 해치기 때문에, 상한을 0.8% 미만으로 하였다. 가장 바람직한 첨가량은 0.1 내지 0.6%이다.
Si: 2.0% 이하
Si은 첨가하지 않아도 좋고, 불가피한 불순물 레벨이어도 좋다. 첨가하면 담금질층의 연화 저항을 향상시킴으로써, 면압 피로 강도가 향상되는 효과가 있다. 그 효과를 얻으려면 0.2% 이상으로 하는 것이 좋다. 그러나, 2.0%를 초과하면 단조 시에 탈탄이 현저해지기 때문에, 2.0%를 상한으로 한다. 가장 바람직한 첨가량은 0.2 내지 2.0%이다.
Mn: 0.2 내지 3.0%
Mn은 담금질성을 향상시키는데 유효한 원소이고, 또한 연화 저항을 향상시키는데도 유효한 원소이다. 그 효과를 얻으려면 0.2% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, 3.0%를 넘으면 강재 제조 시에 너무 경(硬)해져서 봉강 절단성 등에 지장이 있기 때문에, 3.0%를 상한으로 하였다. 가장 바람직한 첨가량은 0.2 내지 2.0%이다.
P: 0.03% 이하
P는 불가피한 불순물로서 함유되고, 입계에 편석하여 인성을 저하시키기 때문에 극도로 저감할 필요가 있는데, 0.03% 이하로 제한할 필요가 있다.
S: 0.005 내지 0.10%
S은 피삭성의 관점에서 0.005% 이상은 필요하다. 이에 본 발명에서는 S량의 하한을 0.005%로 하였다. 그러나, 0.10%를 초과하면 단조성이 저해되기 때문에 0.10%를 상한으로 하였다. 가장 바람직한 첨가량은 0.01 내지 0.03%이다.
Ni: 3.0% 이하(0%를 포함)
Ni은 첨가하지 않아도 좋다. 첨가하면 인성을 더욱 향상시키는 효과가 있다. 그 효과를 얻으려면 0.2% 이상으로 하는 것이 좋다. 그러나, 3.0%를 넘으면 절삭성이 악화되기 때문에 3.0%를 상한으로 하였다. 가장 바람직한 첨가량은 0.2 내지 2.0%이다.
Cr: 5.0% 이하(0%를 포함)
Cr은 첨가하지 않아도 좋다. 첨가하면 담금질 층의 연화 저항을 향상시켜, 면압 피로 강도가 향상되는 효과가 있다. 그 효과를 얻으려면 0.2% 이상으로 하는 것이 좋다. 다만, 5.0%를 초과하면 절삭성이 악화하기 때문에 5.0%를 상한으로 하였다. 가장 바람직한 첨가량은 0.2 내지 2.0%이다.
Mo: 2.0% 이하(0%를 포함)
Mo은 첨가하지 않아도 좋다. 첨가하면 담금질 층의 연화 저항을 향상시켜, 면압 피로 강도가 향상시키는 효과에 추가하여, 담금질 층을 강인화하여 굽힘 피로 강도를 향상시키는 효과도 있다. 그 효과를 얻으려면 0.01% 이상으로 하는 것이 좋다. 다만, 2.0%를 초과하여 첨가하여도 그 효과는 포화하고 경제성을 해치기 때문에, 2.0%를 상한으로 하였다. 가장 바람직한 상한은 0.7%이다.
W: 1.0% 이하(0%를 포함)
W은 첨가하지 않아도 좋다. 첨가하면 담금질 층의 연화 저항을 향상시킴으로써, 면압 피로 강도가 향상되는 효과가 있다. 그 효과를 얻으려면 0.1% 이상으로 하는 것이 좋다. 다만, 1.0%를 넘으면 절삭성이 악화되기 때문에 1.0%를 상한으로 하였다. 가장 바람직한 첨가량은 0.1 내지 0.4%이다.
B: 0.0050% 이하(0%를 포함)
B은 첨가하지 않아도 좋다. 첨가하면 담금질성의 향상에 기여한다. 그 효과를 얻으려면 0.0006% 이상으로 하는 것이 좋다. 다만, 0.0050%를 초과하여도 그 효과는 포화하기 때문에, 0.0050%를 상한으로 하였다. 가장 바람직한 첨가량은 0.0006 내지 0.0040%이다.
O: 0.0050% 이하,
O는 알루미나와 티타니아 등의 산화물계 개재물로서 강 중에 존재하지만, O가 많으면 그 산화물이 대형화하여, 이것을 기점으로 하여 동력 전달 부품의 파손에 이르기 때문에, 0.0050% 이하로 제한할 필요가 있다. 적을수록 좋기 때문에 0.0020% 이하가 좋고, 또한, 고수명을 지향하는 경우는 0.0015% 이하가 바람직하다.
N: 0.003 내지 0.03%
N는 각종 질화물을 형성하여 고주파 담금질 처리 시에 오스테나이트 조직의 세립화에 유효하게 작용하기 때문에 0.003% 이상은 필요하다. 그러나, 0.03%를 넘으면 단조성을 현저하게 저해하기 때문에 0.03%를 상한으로 하였다. 가장 바람직한 첨가량은 0.003 내지 0.02%이다.
Al: 0.005 내지 0.2%, Ti: 0.005 내지 0.2% 중 1종 또는 2종
Al, Ti은 질화물로서 강 중에 석출 분산함으로써, 고주파 담금질 처리 시에 오스테나이트 조직의 세립화에 유효하게 작용하기 때문에, Al, Ti 중에서 1종 또는 2종으로 각각 0.005% 이상은 필요하다. 그러나, 각각 0.2%를 넘으면 석출물이 조대화하여 강을 취화시키기 때문에 상한을 각각 0.2%로 하였다. 가장 바람직한 것은 Al을 0.005 내지 0.05%첨가하는 것이다.
V: 0.3% 이하(0%를 포함), Nb: 0.3% 이하(0%를 포함) 중에서 1종 또는 2종
V, Nb은 첨가하지 않아도 좋지만, 첨가함으로써 V, Nb은 질화물로 강 중에 석출 분산함으로써, 고주파 담금질 처리 시에 오스테나이트 조직의 세립화에 유효하다. 이러한 효과를 발휘시키기 위하여는 V, Nb 중에서 1종 또는 2종으로 각각 0.01% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, 각각 0.3%를 넘어 첨가하여도 그 효과는 포화하여 경제성을 저해하기 때문에 각각의 상한을 0.3%로 하였다. 가장 바람직한 것은 V을 0.1 내지 0.2% 첨가하는 것이다.
Ca: 0.0005 내지 0.01%, Mg: 0.0005 내지 0.01%, Zr: 0.0005 내지 0.05%, Te: 0.0005 내지 0.1%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상
또한, 부품에서 굽힘 피로 강도의 향상도 요구되는 경우에는, 다음의 함유량의 Ca, Mg, Zr, Te으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 첨가할 수 있고, 이들 성분은 기어의 굽힘 피로 파괴나 축 부품의 스플라인의 바닥의 피로 파괴에 대하여, MnS의 연신을 억제하여, 굽힘 피로 강도를 한층 향상시키는 원소이다. 즉, MnS의 연신 억제 효과를 부여하기 위하여, Ca: 0.0005 내지 0.01%, Mg: 0.0005 내지 0.01%, Zr: 0.0005 내지 0.05% 및 Te: 0.0005 내지 0.1%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상을 함유시킨다. 그러나, 각 원소에서 상기 양을 초과하여 함유하여도 그 효과는 포화하여 경제성을 해치기 때문에 상기 양을 상한으로 한다.
또한, 상기에서 규정한 화학 성분 외에, 본 발명의 효과를 해치지 않는 범위에서, Sn, Zn, Rem, Pb, Sb 등을 함유시킬 수 있다.
도 1은 불완전 담금질 층 깊이와 피로 시험 수명과의 관계를 나타내는 도면이다.
이하에서, 본 발명을 실시예에 의하여 구체적으로 설명한다.
표 1에 나타내는 화학 조성을 가진 각 강재에 단조와 소둔을 실시한 후, 기계 가공에 의하여 롤러 피칭 피로 시험편용으로 직경 26 ㎜, 폭 28 ㎜인 원통부를 가진 소 롤러 시험편을 2개, 직경 130 ㎜, 폭 18 ㎜의 대 롤러 시험편을 1개 제작하였다. 그 후, 상기 소 롤러 시험편과 상기 대 롤러 시험편에 표 2에 나타내는 이하의 처리를 실시하였다.
No. 1 내지 No. 17에 대하여는 침탄 질화 처리(950℃×5 시간의 RX 가스 침탄→850℃×4 시간의 암모니아와 RX 가스에 의한 침탄 질화→오일 담금질)와, 이어서 고주파 담금질(주파수 100 ㎑, 가열 온도 850℃)을 실시하였다. 고주파 담금질 시의 냉매는 표 2의 고주파 담금질 시의 냉각 방법에서 나타내는 바와 같이 담수 또는 폴리비닐피로리돈계 폴리머 담금질제를 사용하였다. 그 후, 180℃에서 90 분의 템퍼링 처리를 행하고 피로 시험에 제공하였다.
No. 18에 대하여서는 침탄 질화 처리(950℃×5 시간의 RX 가스 침탄→ 850℃×4 시간의 암모니아와 RX 가스에 의한 침탄 질화→오일 담금질)를 실시한 후, 180℃에서 90 분의 템퍼링 처리를 행하여 피로 시험에 제공하였다.
No. 19에 대하여서는 침탄 처리(950℃×5 시간의 RX 가스 침탄→오일 담금질)와 이어서 고주파 담금질(주파수 100 ㎑, 가열 온도 850℃)를 실시하였다. 고주파 담금질 시의 냉매는 표 2의 고주파 담금질 시의 냉각 방법에 나타내는 바와 같이 담수를 이용하였다. 그 후, 180℃에서 90 분의 템퍼링 처리를 행하여 피로 시험에 제공하였다.
No. 20에 대하여는 침탄 질화 처리(950℃×5 시간의 RX 가스 침탄→ 850℃×4 시간의 암모니아와 RX 가스에 의한 침탄 질화→ 오일 담금질)와 이어서 고주파 담금질(주파수 100 ㎑, 가열 온도 850℃)을 행하였다. 고주파 담금질 시의 냉매는 표 2의 고주파 담금질 시의 냉각 방법에서 나타내는 바와 같이 담수 또는 폴리비닐피로리돈계 폴리머 담금질제를 사용하였다. 그 후, 180℃에서 90 분의 템퍼링 처리에 이어서, 아크하이트 1.0 ㎜A(φ0.8 ㎜ 강구를 사용)의 쇼트 피닝 처리를 하고 피로 시험에 제공하였다.
전술한 방법으로 제작한 대 롤러 시험편 1개와 소 롤러 시험편 1개를 사용하여 롤러 피칭 피로 시험을 실시하였다. 롤러 피칭 피로 시험은 소 롤러 시험편에 면압을 헤르츠 응력 4000 ㎫로 하여 대 롤러 시험편을 누르고, 접촉부에서의 양 롤러 시험편의 주속 방향을 동일 방향으로 하고, 미끄러짐 속도를 -40%(소 롤러 시험편보다 대 롤러 시험편의 접촉부 주속이 40% 크다)로 하여 회전시키고, 소 롤러 시험편에 있어서 피칭이 발생하기까지의 소 롤러 시험편의 회전수를 수명으로 하였다. 시험 시의 마찰 열에 의하여 소 롤러 시험편의 표면 온도가 350℃가 되도록 상기 접촉부에 공급하는 기어 오일의 오일 온도는 90℃이고 유량은 매분 2 리터로 하였다. 피칭 발생의 검출은 시험기에 비치되어 있는 진동계에 의하여 실시하고, 진동 검출 후에 양 롤러 시험편의 회전을 정지시켜 피칭의 발생과 회전수를 확인하였다. 롤러 시험편의 재질 조사는 상기 롤러 피칭 피로 시험을 실시하지 않은 나머지의 소 롤러 시험편을 사용하여 이하의 요령으로 하였다. 표면의 N 농도 및 C 농도는 시험편의 둘레면을 수직 방향으로 절단하고, 절단면을 경면 연마한 후에 EPMA에 서 최표면을 분석하였다. 잔류 오스테나이트 양과 X선 회절 반값 폭은 X선법에 의하여 둘레면을 직접 측정하였다. 불완전 담금질 층의 표면으로부터의 깊이는 시험편의 둘레면을 수직 방향으로 절단하고, 절단면을 경면 연마한 후에 에칭을 실시하며, 불완전 담금질 조직을 식별하여 측정하였다. 오스테나이트 결정립도 번호는 시험편의 둘레면을 수직으로 절단하고, 절단면을 경면 연마한 후에, 절단면의 둘레면에 극히 가까운 부분을 JIS G 0551에 준하여 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
표 2에 나타내는 바와 같이, 본 발명예의 No. 1 내지 No. 14의 롤러 시험편은 수명이 1000만 회 이상이고, 우수한 피칭 피로 강도(면압 피로 강도)를 가지고 있는 것으로 밝혀졌다.
이에 비해, 고주파 담금질 시에 수도물의 온도를 권장하는 4O℃ 미만으로부터 일탈시킨 비교예 No. 15는 피로 시험 수명이 8,152,00O 회로 짧았다. 이것은 수온이 높기 때문에 담금질 시에 냉각 속도가 저하한 것에 기인하여, 표면의 잔류 오스테나이트가 15 체적% 미만으로 제한될 수 없어서, 표면의 X선 회절 반값 폭이 6.0도에 이르지 않았기 때문이라고 생각된다.
표면의 N 농도를 본 발명에서 규정한 성분 범위로부터 일탈시킨 비교예 No. 16은 피로 시험 수명이 8,068,000 회로 짧았다. N 농도가 높은 것에 의하여 Ms점이 저하한 것에 기인하여, 표면의 잔류 오스테나이트가 15 체적% 미만으로 제한될 수 없었기 때문이라고 생각된다.
표면의 N 농도와 C 농도의 합을 본 발명에 있어서 규정한 성분 범위로부터 일탈시킨 비교예 No. 17은 피로 시험 수명이 5,663,000 회로 짧았다. N 농도와 C 농도의 합이 높은 것에 의하여 Ms점이 저하한 것에 기인하여, 표면의 잔류 오스테나이트가 15 체적% 미만으로 제한되지 못하고, 또한, 표면의 X선 회절 반값 폭이 6.O도에 이르지 않았기 때문이라고 생각된다.
침탄 질화 후에 고주파 담금질을 하지 않은 비교예 No. 18은 피로 시험 수명이 612,000 회로 극히 짧았다. 고주파 담금질을 하지 않았기 때문에 담금질 시에 냉각 속도가 작았던 것에 기인하여, 불완전 담금질 층의 깊이가 5 ㎛ 이상이 되었기 때문이라고 생각된다.
질화를 실시하지 않았던 No. 19는 피로 시험 수명이 773,000 회로 극히 짧았다. 질화를 실시하지 않았기 때문에 템퍼링 연화 저항이 부족하게 된 것이 저수명의 원인이라고 생각된다.
쇼트 피닝을 실시한 No. 20은 피로 시험 수명이 7,655,000 회로 낮았다. 쇼트 피닝 처리에 의하여 X선 회절 반값 폭이 낮아졌기 때문이라고 생각된다.
Figure 112009054664312-PCT00001
Figure 112009054664312-PCT00002
본 발명에서는 높은 면압 피로 강도를 가진 침탄 질화 고주파 담금질 강 부 품, 특히 자동차 등의 동력 전달 부품용으로 적용할 수 있는 높은 면압 피로 강도를 가진 기어, 무단 변속기, 등속 조인트, 허브 등의 부품을 제공할 수 있고, 이에 의하여 자동차의 고출력화 및 저비용화 등에 크게 기여한다.

Claims (6)

  1. 화학 성분이 질량%로, C: 0.005 내지 0.8%, Si: 2.0% 이하, Mn: 0.2 내지 3.0%, P: 0.03% 이하, S: 0.005 내지 0.10%, Ni: 3.0% 이하(0%를 포함), Cr: 5.0% 이하(0%를 포함), Mo: 2.0% 이하(0%를 포함), W: 1.0% 이하(0%를 포함), B: 0.0050% 이하(0%를 포함), O: 0.0050% 이하, N: 0.003 내지 0.03%를 함유하고, 또한 Al: 0.005 내지 0.2%, Ti: 0.005 내지 0.2% 중에서 1종 또는 2종, 및 V: 0.3% 이하(0%를 포함), Nb: 0.3% 이하(0%를 포함) 중에서 1종 또는 2종을 함유하고, 잔부가 실질적으로 철과 불가피한 불순물로 이루어지는 강으로 이루어지고, 침탄 질화 처리한 후에 고주파 담금질 처리한 강 부품으로서, 표면의 N 농도가 0.1 내지 0.8 질량%인 동시에, N 농도와 C 농도와의 합이 1.0 내지 2.0 질량%이고, 표면의 잔류 오스테나이트 양이 15 체적% 미만이며, 표면으로부터의 불완전 담금질 층의 깊이가 5 ㎛ 미만이고, 또한 표면의 X선 회절 반값 폭이 6.0도 이상인 것을 특징으로 하는 고온에서의 면압 피로 강도가 우수한 침탄 질화 고주파 담금질 강 부품.
  2. 제1항에 있어서, 강의 화학 성분이 질량%로, Ca: 0.0005 내지 0.01%, Mg: 0.0005 내지 0.01%, Zr: 0.0005 내지 0.05%, Te: 0.0005 내지 0.1%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 고온에서의 면압 피로 강도가 우수한 침탄 질화 고주파 담금질 강 부품.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 강 부품이 기어, 무단 변속기, 등속 조인트 또는 허브 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고온에서의 면압 피로 강도가 우수한 침탄 질화 고주파 담금질 강 부품.
  4. 화학 성분이 질량%로,
    C: 0.005 내지 0.8%,
    Si: 2.0% 이하,
    Mn: 0.2 내지 3.0%,
    P: 0.03% 이하,
    S: 0.005 내지 0.10%,
    Ni: 3.0% 이하(0%를 포함),
    Cr: 5.0% 이하(0%를 포함),
    Mo: 2.0% 이하(0%를 포함),
    W: 1.0% 이하(0%를 포함),
    B: 0.0050% 이하(0%를 포함),
    O: 0.0050% 이하,
    N: 0.003 내지 0.03%를 함유하고, 또한
    Al: 0.005 내지 0.2%,
    Ti: 0.005 내지 0.2% 중에서 1종 또는 2종 및
    V: 0.3% 이하(0%를 포함),
    Nb: 0.3% 이하(0%를 포함) 중에서 1종 또는 2종을 함유하며, 잔부가 실질적으로 철과 불가피한 불순물로 이루어지는 강을 사용하여 부품을 성형하고, 침탄 질화 처리한 후에 오일 또는 염 담금질을 하며, 이어서 고주파 가열하고, 온도가 4O℃ 미만인 물 또는 폴리머 담금질제에 의한 담금질을 하고, 이 부품의 최표면의 N 농도가 0.1 내지 0.8 질량%인 동시에 N 농도와 C 농도와의 합을 1.0 내지 2.0 질량%로 하며, 표면의 잔류 오스테나이트 양을 15 체적% 미만으로 하고, 표면으로부터의 불완전 담금질 층의 깊이를 5㎛ 미만으로 하며, 또한 표면의 X선 회절 반값 폭을 6.0도 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 고온에서의 면압 피로 강도가 우수한 침탄 질화 고주파 담금질 강 부품의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 강의 화학 성분이 질량%로
    Ca: 0.0005 내지 0.01%,
    Mg: 0.0005 내지 0.01%,
    Zr: 0.0005 내지 0.05%,
    Te: 0.0005 내지 0.1%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 고온에서의 면압 피로 강도가 우수한 침탄 질화 고주파 담금질 강 부품의 제조 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 강 부품이 기어, 무단 변속기, 등속 조인트 또는 허브 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고온에서의 면압 피로 강도가 우수한 침탄 질화 고주파 담금질 강 부품의 제조 방법.
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