KR20120011039A

KR20120011039A - 연질화용 강 및 연질화 강 부품 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20120011039A
Application number: KR1020117026842A
Authority: KR
Inventors: 마나부 구보따
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2012-02-06
Also published as: EP2548986A1; JP4819201B2; US10196720B2; EP2548986A4; KR101294900B1; US9284632B2; JPWO2011114775A1; EP2548986B1; US20160160327A1; US20120048427A1; WO2011114775A1; CN102421927A; CN102421927B

Abstract

이 연질화용 강은, 질량％로, C:0％ 이상 또한 0.15％ 미만, Si:0.01 내지 1.00％, Mn:0.01 내지 1.00％, S:0.0001 내지 0.050％, Al:0.0001 내지 0.050％, Ti:0.50％ 초과 또한 1.50％ 이하, N:0.0005 내지 0.0100％를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, P:0.050％ 이하, O:0.0060％ 이하로 제한하고, 또한 Ti량 [Ti％]와, C량 [C％]와, N량 [N％]와, S량 [S％]가, 0.48＜[Ti％]-47.9×([C％]/12＋[N％]/14＋[S％]/32)≤1.20을 만족시킨다.

Description

연질화용 강 및 연질화 강 부품 및 그 제조 방법 {STEEL FOR NITROCARBURIZATION, NITROCARBURIZED COMPONENTS, AND PRODUCTION METHOD FOR SAME}

본 발명은, 연질화 처리를 행하여 사용하는 강 부품에 사용되는, 연질화용 강 및 연질화 강 부품 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본원은, 2010년 3월 16일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2010-59230호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

자동차, 건설 기계, 농기계, 발전용 풍차, 그 밖의 산업 기계 등에 사용되고 있는 동력 전달 부품(예를 들어, 기어, 베어링, CVT 시브, 샤프트 등)은, 부품의 피로 특성의 향상, 내마모성의 향상 등의 목적으로부터 표면 경화 처리가 실시되어 사용되는 것이 대부분이다. 그 각종 표면 경화 처리 중에서도 침탄 처리는, 부품 표면의 경도, 경화층의 깊이, 생산성 등의 점에서 다른 표면 경화 처리보다도 우수하므로, 매우 많은 부품에 적용할 수 있다. 예를 들어, 기어 및 베어링 부품의 경우, 통상은 JIS의 SCM420, SCR420, SNCM220 등의 중탄소 합금강에 대해 열간 단조, 냉간 단조, 절삭, 또는 이들의 조합에 의해 소정의 형상으로 되도록 기계 가공을 실시하고, 그 후 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리를 행하고 있다. 그러나 침탄 처리에서는, 930℃ 정도로 부품을 장시간 가열 유지한 후 켄칭을 행하므로, 고온에 있어서의 가열 유지시에 부품이 변형된다. 또한, 승온시의 오스테나이트 변태나 켄칭시의 마르텐사이트 변태 등의 상(相) 변태에 수반되는 체적 변화도 발생한다. 이와 같이, 침탄 처리 후의 부품에는 열처리 변형이 발생하므로, 기계 가공시의 부품에 비해 침탄 처리 후의 부품의 정밀도가 불가피하게 열화된다고 하는 결점이 있다.

연질화 처리에서는, 침탄 처리의 가열 온도보다도 낮은 A₁ 온도 이하의 페라이트 영역으로 가열하므로, 침탄 처리에 비해 열처리 변형이 극히 작다. 또한, 최근에는, 자동차의 성능을 향상시키기 위해, 치면(齒面) 피로 강도의 향상이 요구되고 있다. 특히, 기어의 사용 중에는, 치면의 표면 온도가 300℃ 정도까지 상승하므로, 300℃에서의 경도(또는 300℃ 템퍼링 후의 경도, 이하 300℃ 템퍼링 경도라 함)를 향상시키는 것이 치면 피로 강도의 개선에 유효하다. 침탄 기어(침탄 부품)는, 템퍼링 온도(통상 150℃ 정도)보다도 높은 온도에 노출되면, 마르텐사이트가 템퍼링을 받아 경도가 저하된다. 그러나 통상의 연질화 처리를 실시한 부품은, 연질화 처리시에 400℃ 이상의 온도에 이미 노출되어 있으므로, 사용 중에 300℃ 근방까지 온도가 상승해도, 경도가 거의 저하되지 않는다. 따라서, 연질화 처리가 실시된 부품은, 치면 피로 강도의 관점에서도 유리하다.

그러나 일반적으로, 연질화 처리가 실시된 부품에서는, 침탄 처리가 실시된 부품보다도 경화층 깊이가 얕다고 하는 결점이 있다. 여기서, 「경화층(석출 경화층)」은, 최표면의 화합물층이 아니라, 이 화합물층보다도 내측에 존재하고, 또한 질화 처리에 의해 질소가 확산된「확산층」이다. 따라서, 침탄 처리가 실시된 부품과 동일한 경화층 깊이를 얻기 위해서는, 연질화 처리 시간을 극히 길게 할 필요가 있다. 그로 인해, 연질화 처리는, 생산성 및 비용의 점에서 떨어져, 그다지 보급되어 있지 않았다.

피로 특성이 우수한 연질화용 강으로서, 예를 들어 특허 문헌 1 내지 5에는, 경화층을 얻기 위해, 연질화시에 Cr, Ti, V, Mo 등의 원소와 질화물을 형성시키는 기술이 개시되어 있다. 그러나 이들 기술에서는, 소재의 탄소량이 많으므로, 질화물을 형성해야 할 합금 원소가 탄화물의 형태로 고정되어, 경화층의 경화량 및 경화층 깊이가 충분하지 않다. 특허 문헌 6, 7에는, 비교적 탄소량이 적은 연질화용 강이 개시되어 있고, 경화층을 얻기 위해, 비교적 Al의 첨가량을 많게 하고, 연질화에 의해 Al의 질화물을 형성시키고 있다. 이와 같이, Al의 첨가량이 많으면, 경화층(확산층)의 경도가 증가하지만, 경화층 깊이가 현저하게 감소한다. 그로 인해, 이들 기술로는, 침탄을 대체할 수 있는 경화층 깊이를 얻는 것이 곤란하다. 특허 문헌 8에는, 비교적 탄소량을 저감하고, 석출물로서 Mo, Ti 등의 원소의 탄화물을 형성시킴으로써 부품의 피로 강도를 높이는 것이 개시되어 있다. 그러나 Ti의 첨가량이 적기 때문에, 경화층의 경화량 및 경화층 깊이가 충분하지 않다. 특허 문헌 9 내지 11에는, 질화물의 석출에 더하여 Cu의 석출도 이용함으로써 부품의 피로 강도를 높이는 것이 개시되어 있다. 그러나 Ti의 첨가량이 적기 때문에, 경화층의 경화량 및 경화층 깊이가 충분하지 않다. 특허 문헌 12에는, 강 중에 Cu, Ni, Al 등의 원소를 극히 다량으로 첨가하고, 표층부의 질화물에 더하여 코어부에 금속간 화합물을 석출시켜, 피로 강도를 높이는 것이 개시되어 있다. 그러나 질화물 형성 원소의 첨가량이 극히 다량이므로, 경화층 깊이가 얕아진다고 하는 문제가 있다.

일본 특허 제3849296호 일본 특허 제3353698호 일본 특허 출원 공개 평11-229032호 공보 일본 특허 제3855418호 일본 특허 출원 공개 제2005-281857호 공보 일본 특허 출원 공개 평9-279295호 공보 일본 특허 출원 공개 평5-59488호 공보 일본 특허 출원 공개 제2004-3010호 공보 일본 특허 제4291941호 일본 특허 출원 공개 제2002-69571호 공보 일본 특허 출원 공개 평10-306343호 공보 일본 특허 출원 공개 제2000-345292호 공보

본 발명은 상기한 실상에 비추어, 연질화 처리 후에 침탄 부품에 필적하는 경화층 경도 및 경화층 깊이가 얻어지고, 침탄 부품에 비해 열처리 변형이 극히 적어, 침탄 부품을 대체 가능한 표면 경화 강 부품을 얻을 수 있는 연질화용 강을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 침탄 부품을 대체할 수 있고, 또한 가공 정밀도가 높은 연질화 강 부품 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는, 질량％로, C의 양이 0.15％ 미만으로 제한되고, 고용(固溶) Ti가 0.50％ 초과 포함되는 강재에 550 내지 650℃의 온도 영역에서 연질화 처리를 행함으로써, 고용 Ti가 N과 용이하게 결합하여 질화물이 석출되고, 석출 경화층(확산층)을 효율적으로 경화시킬 수 있는 것을 발견하였다. 또한, 본 발명자는, 연질화 처리를 고온에서 행할수록 그 효과가 보다 현저해지는 것 및 연질화 처리 후에 확산 처리를 추가함으로써 고온에서의 연질화 처리와 마찬가지의 효과가 얻어지는 것을 발견하였다. 본 발명자는, 상기 지식에 기초하여 본 발명을 완성하고, 그 요지는 하기와 같다.

(1) 본 발명의 일 형태에 관한 연질화용 강은, 질량％로, C:0％ 이상 또한 0.15％ 미만, Si:0.01 내지 1.00％, Mn:0.01 내지 1.00％, S:0.0001 내지 0.050％, Al:0.0001 내지 0.050％, Ti:0.50％ 초과 또한 1.50％ 이하, N:0.0005 내지 0.0100％를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, P:0.050％ 이하, O:0.0060％ 이하로 제한하고, 또한 Ti량 [Ti％]와, C량 [C％]와, N량 [N％]와, S량 [S％]가, 0.48＜[Ti％]-47.9×([C％]/12＋[N％]/14＋[S％]/32)≤1.20을 만족시킨다.

(2) 상기 (1)에 기재된 연질화용 강은, 질량％로, Cr:0.01％ 이상 또한 0.30％ 미만, Mo:0.01 내지 1.00％, V:0.005 내지 0.50％, Nb:0.005 내지 0.10％, Cu:0.05 내지 2.00％, Ni:0.05％ 이상 또한 2.00％ 미만, B:0.0005 내지 0.0050％ 중 1종 이상을 더 함유해도 된다.

(3) 본 발명의 일 형태에 관한 연질화 강 부품은, 연질화 처리가 실시된 강 부품이며, 표면에 존재하는 연질화부와, 이 연질화부에 둘러싸이는 비연질화부를 포함하고, 상기 비연질화부가, 질량％로, C:0％ 이상 또한 0.15％ 미만, Si:0.01 내지 1.00％, Mn:0.01 내지 1.00％, S:0.0001 내지 0.050％, Al:0.0001 내지 0.050％, Ti:0.50％ 초과 또한 1.50％ 이하, N:0.0005 내지 0.0100％를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, P:0.050％ 이하, O:0.0060％ 이하로 제한하고, 또한 Ti량 [Ti％]와, C량 [C％]와, N량 [N％]와, S량 [S％]가, 0.48＜[Ti％]-47.9×([C％]/12＋[N％]/14＋[S％]/32)≤1.20을 만족시키고, 상기 연질화부에서는, 표면으로부터 50㎛ 이격된 깊이 위치의 경도가 HV600 내지 1050이고, 경도가 HV550으로 되는 깊이 위치가 0.4㎜ 이상이고, 또한 침상 화합물층의 두께가 30㎛ 이하이다.

(4) 상기 (3)에 기재된 연질화 강 부품에서는, 상기 비연질화부가, 질량％로, Cr:0.01％ 이상 또한 0.30％ 미만, Mo:0.01 내지 1.00％, V:0.005 내지 0.50％, Nb:0.005 내지 0.10％, Cu:0.05 내지 2.00％, Ni:0.05％ 이상 또한 2.00％ 미만, B:0.0005 내지 0.0050％ 중 1종 이상을 더 함유해도 된다.

(5) 본 발명의 일 형태에 관한 연질화 강 부품의 제조 방법에서는, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 강 성분을 갖는 강을, 원하는 부품 형상으로 가공한 후, 550 내지 650℃로 60분 이상 유지하면서 연질화 처리를 행한다.

(6) 상기 (5)에 기재된 연질화 강 부품의 제조 방법에서는, 상기 연질화 처리 후에, 질화 분위기 이외의 분위기 중에서 580 내지 700℃로 5분 이상 더 유지해도 된다.

본 발명에 따르면, 연질화 처리 후에 침탄 부품에 필적하는 경화층 경도 및 경화층 깊이가 얻어져 침탄 부품을 대체할 수 있고, 침탄 부품에 비해 열처리 변형이 극히 적은 표면 경화 강 부품을 얻을 수 있는 연질화용 강을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 침탄 부품을 대체할 수 있고, 또한 가공 정밀도가 높은 연질화 강 부품 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1a는 실시예에 있어서의 연질화 처리의 조건을 나타내는 도면이다.
도 1b는 실시예에 있어서의 연질화 처리의 조건을 나타내는 도면이다.
도 1c는 실시예에 있어서의 연질화 처리의 조건을 나타내는 도면이다.
도 1d는 실시예에 있어서의 연질화 처리 및 연질화 처리 후의 가열 유지의 조건을 나타내는 도면이다.
도 1e는 실시예에 있어서의 연질화 처리 및 연질화 처리 후의 가열 유지의 조건을 나타내는 도면이다.
도 1f는 실시예에 있어서의 연질화 처리 및 연질화 처리 후의 가열 유지의 조건을 나타내는 도면이다.
도 1g는 비교예에 있어서의 연질화 처리의 조건을 나타내는 도면이다.
도 1h는 비교예에 있어서의 연질화 처리의 조건을 나타내는 도면이다.
도 1i는 비교예에 있어서의 연질화 처리의 조건을 나타내는 도면이다.
도 2a는 통상의 연질화 처리 후의 강 부품의 표층부에 있어서의 단면 조직의 일례를 나타내는 현미경 사진이다.
도 2b는 침상의 화합물이 생성된 강 부품의 표층부에 있어서의 단면 조직의 일례를 나타내는 현미경 사진이다.
도 2c는 연질화 처리 후, 질화 분위기 이외의 분위기 중에서 가열 유지한 경우에 있어서의 강 부품의 표층부에 있어서의 단면 조직의 일례를 나타내는 현미경 사진이다.
도 3은 도 1b의 처리를 행하였을 때의 고용 Ti량과 표층 경도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1b의 처리를 행하였을 때의 고용 Ti량과 유효 경화층 깊이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1b의 처리를 행하였을 때의 유효 경화층 깊이와 표층 경도의 관계를 나타내는 도면이다.

본 발명자는, 연질화 처리에 있어서의 경화층의 경화 거동에 미치는 각종 인자에 대해 예의 검토하여, 이하의 지식을 얻었다.

(a) 종래, 연질화 처리용 강에 주성분으로서 첨가되어 온 Al, Cr은 모두 경화층의 경도를 향상시키지만, 경화층의 깊이를 크게 감소시킨다. 그로 인해, 필요량 이상의 Al, Cr의 첨가는, 경화층 깊이의 관점에서 불리하다.

(b) 강 중에 고용 상태의 Ti(고용 Ti)가 소정량 이상 존재하고 있는 경우, 연질화 처리시에 Ti가 N과 용이하게 결합하여 Ti와 N의 클러스터를 형성하거나, TiN으로서 석출되므로, 석출 경화층(확산층)을 단단하고 또한 깊게 할 수 있어, 효율적으로 연질화 처리를 행할 수 있다. 강 중의 Ti는, 고용 상태에 있어서 이러한 효과를 갖는다. 그로 인해, 연질화 처리 전에 미리 Ti가 Ti₄C₂S₂, TiC, TiN, 또는 Ti(CN)의 형태로 탄소, 유황, 질소와 결합되어 있거나, Ti와 결합할 가능성이 있는 고용 탄소 및 고용 질소가 강 중에 다량으로 존재하고 있으면, 이러한 효과를 얻을 수 없다.

(c) 연질화 처리 온도가 높을수록, 확산층의 질소의 확산이 촉진되고, 또한 TiN 클러스터의 생성 및 TiN의 석출이 촉진된다. 또한, TiN은, 고온에서도 조대화되기 어렵기 때문에, 연질화 처리 온도를 높게 해도 경화층이 연화되기 어렵다. 이에 의해, 경화층 경도와 경화층 깊이의 양립이 가능하다. 이에 대해, AlN 및 CrN은, 연질화 처리 온도를 높게 하면 용이하게 조대화되므로, 경화층 경도가 저하되어, 경화층 경도와 경화층 깊이를 양립하는 데 있어서는 불리하다.

(d) 연질화 처리에 이어서 가열 유지를 행하거나, 연질화 처리 후에 연질화 처리 온도보다도 낮은 온도까지 냉각하고 나서 재가열을 행하면, 질소가 부품의 내부로 확산되므로, 경화층의 깊이를 더욱 증가시킬 수 있다.

본 발명자는, 상기 지식에 기초하여 본 발명을 완성시켰다.

이하, 본 발명의 일 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다. 우선, 성분의 한정 이유에 대해 설명한다. 또한, 성분의 함유량에 대해, ％는 질량％를 의미한다.

C:0％ 이상 0.15％ 미만

강 중에 고용 상태의 Ti를 확보하기 위해서는, C량을 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 특히, C량이 많은 경우에는, 고용 Ti가 TiC로서 고정되므로, Ti량을 증가시킬 필요가 있다. 따라서, 첨가한 Ti를 연질화 처리에서 유효하게 이용하기 위해서는, C량을 0.15％ 미만으로 할 필요가 있다. 또한, C량을 소정값 이하로 저감하면, Ti량에 따라서 고용 Ti의 고정화의 영향을 실질적으로 무시할 수 있으므로, C량을 0.12％ 미만으로 하는 것이 바람직하고, 0.10％ 미만으로 하는 것이 보다 바람직하다. C량의 하한은, 0％이다. 그러나 C량을 저감하기 위해서는, 비용이 현저하게 상승하므로, 0.001％ 이상인 것이 바람직하고, 0.005％ 이상인 것이 보다 바람직하다.

Si:0.01 내지 1.00％

Si는, 고용 강화에 의해 페라이트의 경도를 증가시키는 원소이다. Si량이 0.01％ 이상이면, 고용 강화의 효과를 충분히 발휘시킬 수 있다. 그러나 강 중에 1.00％ 초과의 Si를 첨가하면, 연질화 처리시에 확산층에 있어서 질화물을 형성하여, 경화층 깊이가 얕아진다. 그로 인해, Si량을 0.01％ 이상 1.00％ 이하로 할 필요가 있다. 다른 고용 강화 원소의 양을 고려하면서 페라이트의 경도를 더욱 증가시키기 위해, Si량은, 0.015％ 이상인 것이 바람직하고, 0.02％ 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 연질화 처리시의 질화물의 형성을 무시할 수 있는 양까지 저하시키기 위해, Si량은, 0.80％ 이하인 것이 바람직하고, 0.50％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

Mn:0.01 내지 1.00％

Mn은, 고용 강화에 의해 페라이트의 경도를 증가시키는 원소이다. Mn량이 0.01％ 이상이면, 고용 강화의 효과를 충분히 발휘시킬 수 있다. 그러나 강 중에1.00％ 초과의 Mn을 첨가하면, 연질화 처리시에 확산층에 있어서 질화물을 형성하여, 경화층 깊이가 얕아진다. 그로 인해, Mn량을 0.01％ 이상 1.00％ 이하로 할 필요가 있다. 다른 고용 강화 원소의 양을 고려하면서 페라이트의 경도를 더욱 증가시키기 위해, Mn량은, 0.05％ 이상인 것이 바람직하고, 0.10％ 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 연질화 처리시의 질화물의 형성을 무시할 수 있는 양까지 저하시키기 위해, Mn량은, 0.80％ 이하인 것이 바람직하고, 0.50％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

S:0.0001 내지 0.050％

S는, Mn과 결합하여 MnS를 형성하고, 첨가량의 증가에 따라서 피삭성을 향상시키는 효과를 갖는다. 그로 인해, 강 중에 S를 0.0001％ 이상 함유시킨다. 그러나 강 중에 0.050％ 초과의 S를 첨가하면, Ti₄C₂S₂ 등의 피삭성에 기여하지 않는 조대 석출물을 형성하여, 가공성이 열화되는 경우가 있다. 또한, 일부의 Ti가 Ti₄C₂S₂의 형태로 고정되어 버리므로, 연질화시에 석출 강화에 기여하는 고용 Ti량이 감소한다. 그로 인해, S량을 0.0001 내지 0.050％의 범위로 할 필요가 있다. 피삭성을 충분히 확보할 필요가 있는 경우에는, S량은, 0.0002％ 이상인 것이 바람직하고, 0.0005％ 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 조대 석출물의 형성을 충분히 억제하여, 가공성을 충분히 확보하기 위해, S량은, 0.040％ 이하인 것이 바람직하고, 0.030％ 이하인 것이 보다 바람직하다. 덧붙여, S량을 소정값 이하로 저감하면, Ti량에 따라서 고용 Ti의 고정화의 영향을 실질적으로 무시할 수 있으므로, S량은 0.015％ 이하인 것이 가장 바람직하다.

Al:0.0001 내지 0.050％

Al은, 강의 탈산을 위해 유효한 원소이다. 그로 인해, Al량은 0.0001％ 이상 필요하다. 그러나 강 중에 0.050％ 초과의 Al을 첨가하면, 연질화 처리시에 확산층에 있어서 질화물을 형성하여, 경화층의 경도를 현저하게 증가시키는 한편, 경화층의 깊이를 현저하게 감소시킨다. 따라서, Al량을 0.0001 내지 0.050％의 범위로 할 필요가 있다. 또한, 연질화 처리시의 질화물의 형성을 무시할 수 있는 양까지 저하시키기 위해, Al량은, 0.040％ 이하인 것이 바람직하고, 0.030％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

Ti:0.50％ 초과 1.50％ 이하

강 중에 고용 상태의 Ti가 0.50％를 초과하여 존재하고 있는 경우, 연질화 처리시에 Ti가 N과 용이하게 결합하여 Ti와 N의 클러스터를 형성하거나, TiN으로서 석출되므로, 석출 경화층(확산층)을 단단하고 또한 깊게 할 수 있어, 효율적으로 연질화 처리를 행할 수 있다. 강 중의 Ti는, 고용 상태에 있어서 이러한 효과를 갖는다. 연질화 처리 전에 미리 Ti가 Ti₄C₂S₂, TiC, TiN, 또는 Ti(CN)의 형태로 탄소, 유황, 질소와 결합하고 있는 경우에는, 이러한 효과를 얻을 수 없으므로, 강 중에 비교적 다량의 Ti를 첨가할 필요가 있다. 그러나 강 중에 1.50％ 초과의 Ti를 첨가하면, 경화층의 경도가 필요 이상으로 증가하고, 경화층 깊이가 얕아진다. 그로 인해, Ti량을 0.50％ 초과 1.50％ 이하의 범위로 할 필요가 있다. 석출 경화층(확산층)을 보다 단단하고 또한 보다 깊게 하기 위해서는, Ti량은, 0.60％ 이상인 것이 바람직하고, 0.70％ 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 소정의 연질화 처리의 조건에 있어서, 경화층의 깊이를 충분히 확보하기 위해서는, Ti량은, 1.20％ 이하인 것이 바람직하고, 1.00％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

N:0.0005 내지 0.0100％

N은, 강 중에서 Al, Ti 등의 질화물 형성 원소와 결합하여 질화물을 형성한다. 그러나 강 중에 고용 상태의 Ti를 확보하기 위해서는, N량을 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 특히, N량이 많은 경우에는, 고용 Ti가 TiN으로서 고정되므로, Ti량을 증가시킬 필요가 있다. 따라서, 첨가한 Ti를 연질화 처리에서 유효하게 이용하기 위해서는, N량을 0.0100％ 이하로 할 필요가 있다. 또한, 불가피적으로 포함되는 N량을 저감하기 위해서는, 비용이 현저하게 상승하므로, N량을 0.0005％ 이상으로 할 필요가 있다. N량을 소정값 이하로 저감하면, Ti량에 따라서 고용 Ti의 고정화의 영향을 실질적으로 무시할 수 있으므로, N량은, 0.008％ 이하인 것이 바람직하고, 0.0060％ 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, N량을 저감하기 위해서는, 비용이 현저하게 상승하므로, N량은, 0.0010％ 이상인 것이 바람직하고, 0.0015％ 이상인 것이 보다 바람직하다.

P:0.050％ 이하

P는, 불순물로서 강 중에 함유되고, 입계에 편석되어 입계를 취화시켜, 입계 균열의 원인으로 된다. 그로 인해, P량을 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 따라서, P량을 0.050％ 이하로 할 필요가 있다. 입계 균열을 보다 확실하게 방지하기 위해서는, P량은, 0.030％ 이하인 것이 바람직하고, 0.015％ 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, P량의 하한은 0％이다.

O:0.0060％ 이하

O는, 강 중에 불가피하게 함유되어, 산화물계 개재물을 형성한다. O의 함유량이 많은 경우에는, 피로 파괴의 기점으로서 작용하는 큰 개재물이 증가하고, 이 개재물이 피로 특성의 저하의 원인으로 되므로, O량을 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 그로 인해, O량을 0.0060％ 이하로 제한할 필요가 있다. 보다 피로 특성을 개선하기 위해서는, O량을 0.0050％ 이하로 제한하는 것이 바람직하고, 0.0040％ 이하로 제한하는 것이 보다 바람직하다. 또한, O량의 하한은, 0％이다.

또한, 상기한 성분에 더하여, 선택적으로 첨가하는 성분의 한정 이유에 대해 설명한다.

Cr:0.01％ 이상 0.30％ 미만

Cr은, 연질화 처리시에 질화물을 생성시킴으로써 경화층을 단단하게 하는 원소이다. 그로 인해, 경화층의 경도를 보다 증가시키는 경우에는, 0.01％ 이상의 Cr량이 필요하다. 그러나 강 중에 0.30％ 이상의 Cr을 첨가하면, 질화물의 생성량이 과대해져, 경화층의 깊이가 현저하게 감소한다. 따라서, Cr량을 0.01％ 이상 0.30％ 미만의 범위로 할 필요가 있다. 또한, 경화층의 경도를 높이기 위해서는 질화물을 형성하는 Al, Cr, Ti 등의 합금 원소의 첨가량을 증가시킬 필요가 있다. 그러나 이들 합금 원소의 첨가량의 증가에 수반하여 경화층의 깊이가 감소한다. Cr의 첨가 효과와 Ti의 첨가 효과를 비교하기 위해, Cr이 첨가된 강과 Ti가 첨가된 강을 사용하여 동일한 경화층의 경도를 갖는 연질화 강을 얻은 경우에는, Ti가 첨가된 연질화 강에 비해, Cr이 첨가된 연질화 강의 경화층의 깊이가 얕아진다. 그로 인해, Cr의 첨가량을 제한하여, Ti의 첨가 효과를 높이는 것이 경화층의 경도와 깊이를 양립하기 위해 유리하다. 따라서, Cr량은, 0.15％ 미만인 것이 바람직하다. 특히, 경화층의 깊이의 저하를 무시할 수 있는 Cr량을 고려하면, Cr량은 0.10％ 미만인 것이 보다 바람직하다.

Mo:0.01 내지 1.00％

Mo는, 연질화 처리시에 질화물을 생성시킴으로써 경화층을 단단하게 하기 위해 유효한 원소이다. 그로 인해, 경화층의 경도를 보다 증가시키는 경우에는, 0.01％ 이상의 Mo량이 필요하다. 그러나 강 중에 1.00％ 초과의 Mo를 첨가하면, 질화물의 생성량이 과대해져, 경화층의 깊이가 현저하게 감소한다. 따라서, Mo량을 0.01 내지 1.00％의 범위로 할 필요가 있다. 경화층의 경도를 더욱 증가시키는 경우에는, Mo량은, 0.05％ 이상인 것이 바람직하고, 0.10％ 이상인 것이 보다 바람직하고, 0.15％ 이상인 것이 가장 바람직하다. 또한, 경화층의 깊이를 보다 확실하게 확보하기 위해서는, Mo량은, 0.80％ 이하인 것이 바람직하고, 0.60％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

V:0.005 내지 0.50％

V는, 연질화 처리시에 질화물을 생성시킴으로써 경화층을 단단하게 하는 원소이다. 그로 인해, 경화층의 경도를 보다 증가시키는 경우에는, 0.005％ 이상의 V량이 필요하다. 그러나 강 중에 0.50％ 초과의 V를 첨가하면, 질화물의 생성량이 과대해져, 경화층의 깊이가 현저하게 감소한다. 따라서, V량을 0.005 내지 0.50％의 범위로 할 필요가 있다. 경화층의 경도를 더욱 증가시키는 경우에는, V량은, 0.01％ 이상인 것이 바람직하고, 0.05％ 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 경화층의 깊이를 보다 확실하게 확보하기 위해서는, V량은, 0.40％ 이하인 것이 바람직하고, 0.30％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

Nb:0.005 내지 0.10％

Nb는, 연질화 처리시에 질화물을 생성시킴으로써 경화층을 단단하게 하는 원소이다. 그로 인해, 경화층의 경도를 보다 증가시키는 경우에는, 0.005％ 이상의 Nb량이 필요하다. 그러나 강 중에 0.10％ 초과의 Nb를 첨가하면, 질화물의 생성량이 과대해져, 경화층의 깊이가 현저하게 감소한다. 따라서, Nb량을 0.005 내지 0.10％의 범위로 할 필요가 있다. 경화층의 경도를 더욱 증가시키는 경우에는, Nb량은, 0.008％ 이상인 것이 바람직하고, 0.010％ 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 경화층의 깊이를 보다 확실하게 확보하기 위해서는, Nb량은, 0.080％ 이하인 것이 바람직하고, 0.050％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

Cu:0.05 내지 2.00％

Cu는, 연질화 처리시에 석출되고, 부품의 코어부 경도를 높이는 효과가 있다. Cu량이 0.05％ 이상이면, 그 효과가 발휘된다. 그러나 강 중에 2.00％ 초과의 Si를 첨가하면, 1000℃ 이상의 고온 영역에 있어서의 연성이 저하되어, 연속 주조 및 열간 압연시의 수율이 저하된다. 그로 인해, Cu량을 0.05 내지 2.00％의 범위로 할 필요가 있다. 부품의 코어부 경도를 보다 높이기 위해, Cu량은, 0.08％ 이상인 것이 바람직하고, 0.10％ 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 연속 주조 및 열간 압연시의 수율의 저하를 억제하기 위해, Cu량은, 1.50％ 이하인 것이 바람직하고, 1.00％ 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, Cu를 첨가하는 경우에는, 고온 영역에 있어서의 연성을 개선하기 위해, Ni량이 Cu량의 1/2 이상으로 되도록 Ni를 첨가하는 것이 바람직하다.

Ni:0.05％ 이상 2.00％ 미만

Ni는, 강의 인성을 개선하는 효과가 있으므로, 부품의 인성을 개선할 필요가 있는 경우에 강 중에 Ni를 첨가한다. 그로 인해, 강의 인성을 개선하는 경우에는, 0.05％ 이상의 Ni량이 필요하다. 또한, Cu를 첨가하는 경우에는, Cu에 기인하는 열간 취화를 경감하는 작용이 있으므로, Ni량이 Cu량의 1/2 이상으로 되도록 Ni를 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나 강 중에 Ni를 과잉으로 첨가하면, 강의 비용이 상승하므로, Ni량을 2.00％ 미만으로 할 필요가 있다. 보다 확실하게 강의 인성을 개선하기 위해서는, Ni량은, 0.20％ 이상인 것이 바람직하고, 0.40％ 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 연질화 강 부품으로서의 강의 비용을 고려하면, Ni량은, 1.50％ 이하인 것이 바람직하고, 1.00％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

B:0.0005 내지 0.0050％

B는, 입계에 편석됨으로써 입계 강화에 기여하는 원소이다. B량이 0.0005％ 이상이면, 그 효과가 발휘된다. 그러나 강 중에 0.0050％ 초과의 B를 첨가해도, 0.0050％의 B량으로 그 효과가 포화된다. 그로 인해, B량을 0.0005 내지 0.0050％의 범위로 할 필요가 있다. 입계를 보다 강화할 필요가 있는 경우에는, B량은, 0.0008％ 이상인 것이 바람직하고, 0.0010％ 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 입계 강화를 위해 첨가되는 B의 단위량당의 효과를 충분히 발휘시키기 위해, B량은, 0.0040％ 이하인 것이 바람직하고, 0.0025％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

본 실시 형태에서는, 상기 성분에 더하여, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에서, Ca, Zr, Mg, Te, Zn, Sn 등의 원소를 함유시킬 수 있다. 예를 들어, 강 중에 Ca, Zr, Mg, Te, Zn, Sn이, 각각 0.0002％ 이상 0.0050％ 이하 포함되어도 된다.

또한, 본 실시 형태에서는, Ti량 [Ti％], C량 [C％], N량 [N％] 및 S량 [S％]가 하기 수학식 1을 만족시키도록, 강 중에 Ti를 첨가하고, 강 중의 C량, N량 및 S량을 제한한다.

상술한 바와 같이, 강 중에 고용 상태의 Ti가 소정량 이상 존재하고 있는 경우, 연질화 처리시에 Ti가 N과 용이하게 결합하여 Ti와 N의 클러스터를 형성하거나, TiN으로서 석출되므로, 석출 경화층(확산층)을 단단하고 또한 깊게 할 수 있어, 효율적으로 연질화 처리를 행할 수 있다. 고용 상태에 있는 Ti의 양(고용 Ti량)은, 총 Ti량으로부터 화합물로서 생성되는 Ti₄C₂S₂, TiC, TiN에 대응하는 Ti량을 뺀 양에 상당하므로, Ti, C, N 및 S의 원자량을 고려하여 [Ti％]-47.9×([C％]/12＋[N％]/14＋[S％]/32)의 형태로 표현할 수 있다. 이 고용 Ti량이 적은 경우에는, 경화층의 경도가 부족하다. 그러나 강 중에 Ti를 과잉으로 첨가하면, 질화물의 생성량이 과대해져, 경화층의 깊이가 감소하는 경향을 나타낸다. 따라서, 고용 Ti량([Ti％]-47.9×([C％]/12＋[N％]/14＋[S％]/32))를 0.48％ 초과 1.20％ 이하의 범위로 할 필요가 있다. 경화층의 깊이를 보다 확실하게 증가시키기 위해, 이 고용 Ti량은, 1.00％ 이하인 것이 바람직하고, 0.80％ 이하인 것이 보다 바람직하다. 경화층의 경도를 보다 증가시키기 위해, 이 고용 Ti량은, 0.50％ 초과인 것이 바람직하고, 0.55％ 초과인 것이 보다 바람직하고, 0.60％ 초과인 것이 가장 바람직하다. 또한, 상기 수학식 1 중의 [Ti％], [C％], [N％] 및 [S％]는, 강 중에 함유되는 각 원소(Ti, C, N 및 S)의 질량 백분율(질량％)이다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 연질화 강 부품은, 상기 실시 형태의 연질화용 강을 연질화 처리하여 제조되고, 부품의 표면에 존재하는 연질화부와, 이 연질화부의 내부에 존재하는 비연질화부를 갖고 있다. 그로 인해, 이 비연질화부는, 연질화부에 둘러싸여 있고, 비연질화부의 강 성분은, 상기 실시 형태의 연질화용 강의 강 성분의 범위 내이다. 덧붙여, 연질화부는, 경화층(확산층)을 갖고 있다. 또한, 본 실시 형태의 연질화 강 부품은, 연질화부에 대해, 표면으로부터 50㎛ 이격된 깊이 위치(연질화 강 부품의 표면으로부터 이 표면에 대해 수직한 방향 또한 연질화 강 부품의 코어부를 향하는 방향의 거리)의 경도(50㎛ 깊이 위치 경도)가 HV600 내지 1050이고, 경도가 HV550으로 되는 깊이 위치가 0.4㎜ 이상일 필요가 있다.

이들 조건은, 모두 침탄 부품에 필적하는 피로 강도를 얻기 위해 필요한 조건이다. 부품의 표면으로부터 50㎛ 이격된 깊이 위치의 경도가 HV600 미만이면, 원하는 치면 피로 강도 및 이뿌리 피로 강도가 얻어지지 않는다. 또한, 경도가 HV550으로 되는 깊이 위치가 0.4㎜ 미만이면, 원하는 이뿌리 피로 강도가 얻어지지 않아, 스폴링(spalling) 등의 내부 기점 파괴가 발생하기 쉬워진다. 한편, 부품의 표면으로부터 50㎛ 이격된 깊이 위치의 경도가 HV1050을 초과하면, 경화층의 인성 및 연성이 저하되어, 연질화에 의해 발생하는 잔류 응력에 의해 경화층에 크랙이 발생하는 경우가 있다. 그로 인해, 부품의 표면으로부터 50㎛ 이격된 깊이 위치의 경도를 HV1050으로 억제할 필요가 있다. 치면 피로 강도를 보다 높이기 위해, 50㎛ 깊이 위치 경도는, HV650 이상인 것이 바람직하다. 덧붙여, 보다 엄격한 조건에 있어서의 연질화 처리에 있어서도 경화층 중의 크랙의 발생을 확실하게 방지하기 위해, 50㎛ 깊이 위치 경도는, HV1000 이하인 것이 바람직하고, HV900 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 보다 엄격한 사용 조건이라도 내부 기점 파괴의 발생을 확실하게 방지하기 위해, 경도가 HV550으로 되는 깊이 위치는, 0.42㎜ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 소정의 이뿌리 피로 강도를 얻는 효과가 포화되므로, 경도가 HV550으로 되는 깊이 위치는, 1.5㎜ 이하인 것이 바람직하다.

본 실시 형태의 연질화 강 부품은, 연질화부에 있어서의 표층부(부품 표면과 확산층 사이의 부분)에 생성되는 침상 화합물층의 길이(두께)가 30㎛ 이하인 것이 필요하다. 여기서, 침상 화합물층은, 연질화 강 부품의 표면의 화합물층으로부터 침상의 화합물이 확산층을 향해 돌출되는 형태를 나타내고 있고, 화합물층으로부터 연속적으로 생성되어 있는 조대한 침상의 화합물층에 상당한다. 이러한 조대한 침상의 화합물층이 존재하면, 피로 특성이 현저하게 저하되므로, 이 침상 화합물층의 생성을 방지하거나, 생성된 침상 화합물층을 열처리 등의 방법에 의해 분해시키거나 해야 한다. 도 2a는 통상의 연질화 처리 후의 강 부품의 조직의 일례를 나타내는 현미경 사진이고, 도 2b는 침상의 화합물이 생성된 강 부품의 조직의 일례를 나타내는 현미경 사진이다. 도 2a 중의 확산층(표면의 화합물층보다 내부의 매트릭스)에 생성되어 있는 침상의 석출물은 Fe₄N이며, 이러한 Fe₄N은 층상이 아니고, 피로 특성에 대해 영향을 미치지 않으므로 침상 화합물층에 포함하지 않는다. 피로 특성에 대해 유해한 침상 화합물의 층은, 도 2b에 나타내는 바와 같이, 화합물층으로부터 연속적으로 생성되어 있는 조대한 침상의 화합물층이다. 이 조대한 침상의 화합물층의 두께(깊이 방향의 길이)가 30㎛를 초과하면, 피로 특성이 현저하게 저하된다. 그로 인해, 침상 화합물층이 존재하는 경우에는, 침상 화합물층의 두께가 30㎛ 이하일 필요가 있다. 이 침상 화합물층은, 가능한 한 작을수록 바람직하다. 특히, 피로 특성을 개선하기 위해, 침상 화합물층의 두께는 15㎛ 이하인 것이 바람직하다. 덧붙여, 이 침상 화합물층은, 광학 현미경으로 확인할 수 없을 만큼 작은 것이 바람직하고, 존재할 필요가 없다. 따라서, 침상 화합물층의 두께의 하한은 0㎛이다.

다음에, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 연질화 강 부품의 제조 방법의 한정 이유에 대해 설명한다.

〔원하는 부품 형상으로 가공한 후, 550 내지 650℃로 60분 이상 유지하면서 연질화 처리〕

본 실시 형태에서는, 상기 실시 형태의 연질화용 강을, 예를 들어 열간 가공, 냉간 가공, 절삭 가공, 또는 이들을 조합한 가공을 이용하여 원하는 부품 형상으로 가공한 후, 연질화 처리를 실시한다. 통상의 연질화 처리는, 400 내지 580℃ 정도의 처리 온도에서 실시된다. 처리 온도를 높게 설정하면, 확산층에 있어서의 질소의 확산을 촉진하여, 깊은 경화층이 얻어지는 동시에, Ti와 N의 클러스터 또는 TiN의 생성을 촉진하여, 단단한 경화층이 얻어진다. 그로 인해, 본 실시 형태에서는, 연질화의 처리 온도를 550℃ 이상으로 할 필요가 있다. 또한, 처리 시간이 60분이 되지 않는 경우에는, 충분한 경화층 깊이를 얻을 수 없다. 연질화의 처리 온도가 650℃를 초과하면, 통상의 강종의 경우, 표층부의 질소 농도가 높기 때문에, 조직이 오스테나이트화되어, 경도가 오히려 감소한다. 그러나 상기 실시 형태와 같이 고용 Ti량이 많은 강종의 경우에는, Ti가 질소(고용 질소)를 고정하므로, 통상보다도 높은 온도에서의 처리가 가능하다. 처리 온도가 지나치게 높은 경우에는, 조직이 오스테나이트화될 뿐만 아니라, 최표층에 생성되는 화합물층의 두께가 과대해지거나, 전술한 바와 같이 침상의 화합물이 화합물층으로부터 확산층을 향해 돌출되어, 이 침상 화합물층이 피로 특성에 대해 유해한 작용을 한다. 그로 인해, 처리 온도를 550 내지 650℃의 범위로 할 필요가 있다. 보다 단단하고 또한 보다 깊은 경화층을 얻기 위해, 처리 온도는 560℃ 이상인 것이 바람직하고, 570℃ 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 치수 정밀도 및 피로 특성을 더욱 개선하기 위해, 처리 온도는 640℃ 이하인 것이 바람직하고, 630℃ 이하인 것이 보다 바람직하다. 덧붙여, 경화층 깊이를 더욱 확보하기 위해, 처리 시간은 120분 이상인 것이 바람직하고, 180분 이상인 것이 보다 바람직하다. 경화층 깊이를 확보하는 효과는 360분에서 포화되므로, 이 처리 시간은 360분 이하인 것이 바람직하다.

또한, 연질화 처리의 방법은, 암모니아 가스와, CO₂ 또는 RX 가스 등의 탄화수소의 변성 가스를 주체로 하는 분위기를 사용하는 가스 연질화법이라도 좋고, 염욕 연질화법, 플라즈마(이온) 질화법이라도 좋다. 혹은, 이들의 배리에이션인 침류 질화법 또는 산 질화법을 연질화 처리에 조합해도 된다.

〔연질화 처리 후, 질화 분위기 이외의 분위기 중에 있어서 580 내지 700℃로 5분 이상 유지〕

경화층의 깊이를 더욱 증가시키거나, 연질화부의 조직을 개선할 필요가 있는 경우에는, 상기 연질화 처리 후, 질화 분위기 이외의 분위기 중에서 580 내지 700℃로 5분 이상 유지(가열 유지)하는 것이 바람직하다.

즉, 연질화 처리 후에 가열을 행함으로써 질소가 내부로 확산되므로, 경화층의 깊이를 더욱 증가시킬 수 있다. 그것에 더하여, 질화 분위기 이외의 분위기에서 가열하므로, 연질화 처리시에 최표층에 생성된 화합물층이 질소의 공급원으로 되어, 질소가 화합물층으로부터 강 중을 향해 계속 침입하여 확산층의 형성에 기여한다. 또한, 동시에, 고온의 연질화 처리에 의해 생성되는 두꺼운 화합물층 및 침상 화합물층이 분해되므로, 부품의 표층의 성상을 개선할 수 있어, 피로 강도를 향상시킬 수 있다. 그로 인해, 가열 온도를 580℃ 이상으로 할 필요가 있다. 또한, 가열 시간이 5분이 되지 않는 경우에는, 상기한 효과를 충분히 얻을 수 없다. 또한, 가열 온도가 700℃를 초과하면, 표면의 조직이 오스테나이트화되어, 경도가 오히려 감소하는 경우가 있다. 따라서, 가열 온도를 580 내지 700℃의 범위로 하고, 가열 시간을 5분 이상으로 할 필요가 있다. 이 가열 후의 조직의 예를 도 2c에 나타낸다. 이 도 2c 중의 조직을 도 2a 중의 조직과 비교하면, 질화 분위기 이외의 분위기에서의 가열에 의해 화합물층 및 확산층 중의 Fe₄N이 분해되어 있는 것을 알 수 있다. 부품의 표층의 성상을 보다 개선하기 위해, 가열 온도는 590℃ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 치수 정밀도 및 경도를 보다 확실하게 확보하기 위해, 이 가열 온도는, 680℃ 이하인 것이 바람직하고, 650℃ 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 가열에 의한 효과를 보다 확실하게 얻기 위해서는, 가열 시간은 10분 이상인 것이 바람직하다. 가열에 의한 효과는, 150분에서 포화되므로, 가열 시간은 150분 이하인 것이 바람직하다.

또한, 가열의 방법에 대해서는, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 연질화 처리에 이어서, 냉각하는 일 없이 가열(또는, 유지)을 행해도 되고, 어느 정도 냉각한 후 재가열을 행해도 된다. 물론, 일단 실온까지 냉각한 후, 재가열을 행해도 된다. 또한, 상기 결과가 마찬가지로 얻어지므로, 가열을 몇 회나 반복해도 된다. 「연질화 분위기 이외의 분위기」의 예로서, 대기 분위기, 질소 분위기, 아르곤 분위기, 변성 가스(RX 가스, DX 가스 등) 분위기, 또는 이들의 혼합 가스의 분위기 등의 가스 분위기를 사용해도 되고, 오일, 솔트, 납 등의 액체 중의 분위기를 사용해도 된다. 또한, 가스 연질화 처리에 이어서, 동일한 노(爐) 내에서 이 가열을 행하는 경우에는, 가스 중에 소량의 암모니아가 혼입되는 경우가 있다. 그러나 노 중의 암모니아의 농도(또는 질화 포텐셜)가 연질화 분위기까지 도달되어 있지 않은 경우에는, 노 내의 분위기를 연질화 분위기 이외의 분위기로서 평가한다. 연질화 처리 직후의 냉각에 대해서는, 유냉, 수냉, 공냉, 노냉, 가스냉 중 어느 것을 채용해도 된다. 또한, 연질화 처리 후, 질화 분위기 이외의 분위기 중에 있어서 580 내지 700℃로 5분 이상 가열하는 처리 후에 행하는 냉각에 대해서도, 유냉, 수냉, 공냉, 노냉, 가스냉 중 어느 것을 채용해도 된다.

상기 실시 형태의 연질화용 강 및 연질화 강 부품에서는, 강 조직을 규정하고 있지 않다. 그러나 상기 실시 형태의 성분을 사용하여 가공 및 열처리(예를 들어, 열간 단조, 노멀라이징, 어닐링)를 실시하면, 연질화용 강 및 연질화 강 부품의 비연질화부에서는, 페라이트가 주체인 조직(예를 들어, 90％ 이상 100％ 이하의 페라이트)을 갖고 있다. 이 페라이트 중에는, 입상 시멘타이트 혹은 소량의 펄라이트가 포함되는 경우가 있어, TiN, TiC, Ti(CN), MnS, Ti 탄황화물 등의 석출물이 분산되어 있다.

실시예

이하에, 실시예에 의해 본 발명을 더 설명한다.

표 1에 나타내는 조성을 갖는 전로 용제 강을 연속 주조하고, 필요에 따라서 균열(均熱) 확산 처리, 분괴 압연을 행하여, 한 변이 162㎜인 압연 소재를 제조하였다. 또한, 이 압연 소재를 열간 압연하여, 직경이 35㎜인 봉강(열간 압연 강재)을 제조하였다. 표 1의 밑줄 부분의 값은, 본 발명의 성분 범위를 충족시키지 않는 것을 나타낸다.

다음에, 기어의 제조 공정(열이력)을 시뮬레이트하기 위해, 열간 압연 강재에 대해 1250℃로 30분간의 가열 후 공냉을 행하는 조건에서 열간 단조 시뮬레이트를 행하고, 계속해서 925℃로 60분간의 가열 후 서냉을 행하는 조건에서 노멀라이징 처리를 행하였다. 이와 같이 하여 제작한 소재로부터, 대경부(시험부)가 26Φ인 롤러 피칭 시험편 및 평활부가 8Φ인 평활 오노식(小野式) 회전 굽힘 피로 시험편을 기계 가공에 의해 각각 20개 제작하였다.

제작한 시험편에 대해, 도 1a 내지 도 1i의 패턴의 가스 연질화 처리를 포함하는 열처리를 행하였다. 특히, 도 1d 내지 도 1f에서는, 가스 연질화 처리 후에, 질화 분위기 이외의 분위기 중에서 가열 유지를 행하고 있다. 또한, 가스 연질화 처리의 분위기에는, NH₃:N₂:CO₂＝50:45:5의 조성의 혼합 가스를 사용하였다. 여기서, 도 1a 내지 도 1f는 상술한 가스 연질화 처리의 조건을 만족시키는 처리 패턴이고, 도 1g 내지 도 1i는 상술한 가스 연질화 처리의 조건을 만족시키지 않는 처리 패턴이다. 계속해서, 피로 시험의 시험 정밀도를 향상시키기 위해, 롤러 피칭 시험편 및 평활 오노식 회전 굽힘 피로 시험편의 손잡이부에 마무리 가공을 실시하였다.

각 시험 수준의 롤러 피칭 시험편 중, 하나의 대경부를 절단하여, 단면의 조직 관찰을 행하였다. 조직 관찰에서는, 단면을 경면 연마한 후에 나이탈 부식을 행하고, 400 내지 1000배의 배율의 광학 현미경 사진을 촬영하여, 화합물층의 형태를 관찰하였다. 침상의 화합물이 표면으로부터 내부로 돌출된 형태로 생성되어 있는 침상 화합물층에 대해, 시야 내에서 가장 두꺼운 침상 화합물층의 두께를 측정하였다. 침상 화합물층의 두께가 30㎛를 초과하는 경우에는, 침상 화합물층을 「있음」이라고 판정하였다. 또한, 침상 화합물층의 두께가 30㎛ 이하인 경우에는, 침상 화합물층을 「없음」이라고 판정하였다. 침상 화합물층의 관찰예를 도 2a 내지 도 2c에 나타낸다. 또한, 표면으로부터의 거리가 50㎛인 위치(50㎛ 깊이 위치)로부터 깊이 방향으로 50㎛ 피치로 비커스 경도의 분포를 측정하였다. 또한, 경화층(확산층)과 비경화층(비연질화부)의 경계 부근에 있어서, 경도가 HV550으로 되는 위치(즉, 경화층에 있어서 HV550 이상의 경도가 얻어지는 깊이)를 구하였다. 이하에서는, 50㎛ 깊이 위치의 경도를 「표층 경도」라고 나타내고, 경도가 HV550으로 되는 위치를 「유효 경화층 깊이」라고 나타냈다. 여기서, 표층 경도가 HV600에 도달하지 않는 경우 및 유효 경화층 깊이가 0.40㎜에 도달하지 않는 경우에는, 표층 경도 및 유효 경화층 깊이가 각각 목표를 달성하고 있지 않다고 판단하였다.

롤러 피칭 시험에서는, 대(大)롤러로서 크라우닝 150R의 SCM420 침탄품을, 윤활유로서 유온(油溫) 80℃의 트랜스미션 오일을 사용하였다. 또한, 슬립률을 -40％로 설정하고, 대롤러를 2000rpm의 회전수로 최대 1000만회 회전시켰다. 이들 조건으로 롤러 피칭 시험을 행하고, S-N선도를 작성하여 피로한을 구하여, 롤러 피칭 피로 강도를 평가하였다. 롤러 피칭 피로 강도가 2600㎫에 도달하지 않는 경우에는, 치면 피로 강도가 떨어진다고 판정하였다. 또한, 평활 오노식 회전 굽힘 피로 시험을, 3000rpm의 회전수로 행하고, S-N선도를 작성하여 피로한을 구하여, 회전 굽힘 피로 강도를 평가하였다. 이 회전 굽힘 피로 강도가 550㎫에 도달하지 않는 경우에는, 이뿌리 굽힘 피로 강도가 떨어진다고 판정하였다.

이들 평가 결과를 표 2에 나타낸다. 제조 No.1 내지 19의 실시예에서는, 모두 표층 경도 및 유효 경화층 깊이가 충분하므로, 파면 피로 강도 및 회전 굽힘 피로 강도도 충분하였다.

한편, 제조 No.20에서는, 연질화 처리 온도가 낮으므로, 유효 경화층 깊이가 얕아, 회전 굽힘 피로 강도가 불충분하였다. 제조 No.21에서는, 연질화 처리 시간이 지나치게 짧으므로, 유효 경화층 깊이가 얕아, 회전 굽힘 피로 강도가 불충분하였다. 제조 No.22에서는, 연질화 처리 온도가 지나치게 높으므로, 큰 유효 경화층 깊이가 얻어졌지만, 표층부에 침상 화합물층이 생성되므로, 롤러 피칭 피로 강도, 회전 굽힘 피로 강도 모두 현저하게 저하되어 있었다. 제조 No.23에서는, C의 첨가량이 지나치게 많으므로, 강 중에 다량의 Ti를 첨가해도 소정의 고용 Ti량([Ti％]-47.9×([C％]/12＋[N％]/14＋[S％]/32))를 확보할 수 없었다. 그로 인해, 이 제조 No.23에서는, 표층 경도가 낮아, 롤러 피칭 피로 강도가 불충분하였다. 제조 No.24에서는, Al의 첨가량이 지나치게 많으므로, 표층에 AlN이 다량으로 생성되어 표층 경도가 높아지지만, 경화층 깊이가 얕아져, 회전 굽힘 피로 강도가 불충분하였다. 제조 No.25에서는, Ti의 첨가량이 지나치게 적으므로, 소정의 고용 Ti량을 확보할 수 없고, 표층 경도가 낮아져, 롤러 피칭 피로 강도가 불충분하였다. 제조 No.26에서는, Ti의 첨가량이 지나치게 많으므로, 표층 경도가 매우 높지만, 유효 경화층 깊이가 얕아져, 회전 굽힘 피로 강도가 불충분하였다. 제조 No.27에서는, 고용 Ti량이 1.2％ 이상이므로, 표층 경도가 매우 높지만, 유효 경화층 깊이가 얕아져, 회전 굽힘 피로 강도가 불충분하였다. 제조 No.28에서는, Cr의 첨가량이 지나치게 많으므로, 표층에 CrN이 다량으로 생성되어 표층 경도가 높아지지만, 경화층 깊이가 얕아져, 회전 굽힘 피로 강도가 불충분하였다.

도 3에, 도 1b의 처리를 행하였을 때의 고용 Ti량과 표층 경도의 관계를 나타낸다. 도 3으로부터, 고용 Ti량이 많을수록 높은 표층 경도가 얻어지는 것을 알 수 있다.

도 4에, 고용 Ti량과 유효 경화층 깊이의 관계를 나타낸다. 도 4로부터, 기본적으로는 고용 Ti량이 많을수록 유효 경화층 깊이가 얕아지는 것을 알 수 있다. 그러나 고용 Ti 이외의 성분(특히, Al, Cr)의 영향도 크기 때문에, 고용 Ti만으로 정리하는 것은 어렵다. 그로 인해, 유효 경화층 깊이를 충분히 확보하기 위해서는, Al, Cr량의 상한도 중요하다. 예를 들어, 제조 No.2와 제조 No.12를 비교하면, 고용 Ti가 적은 경우라도, Cr량을 제한함으로써 유효 경화층 깊이를 보다 개선할 수 있다. 특히, 고용 Ti의 양이 적은 경우에는, Al, Cr량의 첨가량을 제한하는 것이 바람직하다.

도 5에 유효 경화층 깊이와 표층 경도의 관계를 나타낸다. 실시예는, 모두 상기 목표를 충족시키고 있는 것을 알 수 있다.

연질화 처리 후에 침탄 부품에 필적하는 경화층 경도 및 경화층 깊이가 얻어져 침탄 부품을 대체할 수 있고, 침탄 부품에 비해 열처리 변형이 극히 적은 표면 경화 강 부품을 얻을 수 있는 연질화용 강 및 연질화 강 부품 및 그 제조 방법을 제공한다.

Claims

질량％로,
C:0％ 이상 또한 0.15％ 미만,
Si:0.01 내지 1.00％,
Mn:0.01 내지 1.00％,
S:0.0001 내지 0.050％,
Al:0.0001 내지 0.050％,
Ti:0.50％ 초과 또한 1.50％ 이하,
N:0.0005 내지 0.0100％
를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
P:0.050％ 이하,
O:0.0060％ 이하
로 제한하고,
또한 Ti량 [Ti％]와, C량 [C％]와, N량 [N％]와, S량 [S％]가, 0.48＜[Ti％]-47.9×([C％]/12＋[N％]/14＋[S％]/32)≤1.20을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 연질화용 강.
제1항에 있어서, 질량％로,
Cr:0.01％ 이상 또한 0.30％ 미만,
Mo:0.01 내지 1.00％,
V:0.005 내지 0.50％,
Nb:0.005 내지 0.10％,
Cu:0.05 내지 2.00％,
Ni:0.05％ 이상 또한 2.00％ 미만,
B:0.0005 내지 0.0050％
중 1종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 연질화용 강.
연질화 처리가 실시된 강 부품이며,
표면에 존재하는 연질화부와,
이 연질화부에 둘러싸이는 비연질화부를 포함하고,
상기 비연질화부가, 질량％로,
C:0％ 이상 또한 0.15％ 미만,
Si:0.01 내지 1.00％,
Mn:0.01 내지 1.00％,
S:0.0001 내지 0.050％,
Al:0.0001 내지 0.050％,
Ti:0.50％ 초과 또한 1.50％ 이하,
N:0.0005 내지 0.0100％
를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
P:0.050％ 이하,
O:0.0060％ 이하
로 제한하고,
또한 Ti량 [Ti％]와, C량 [C％]와, N량 [N％]와, S량 [S％]가, 0.48＜[Ti％]-47.9×([C％]/12＋[N％]/14＋[S％]/32)≤1.20을 만족시키고,
상기 연질화부에서는, 표면으로부터 50㎛ 이격된 깊이 위치의 경도가 HV600 내지 1050이고, 경도가 HV550으로 되는 깊이 위치가 0.4㎜ 이상이고, 또한 침상 화합물층의 두께가 30㎛ 이하인 것을 특징으로 하는, 연질화 강 부품.
제3항에 있어서, 상기 비연질화부가, 질량％로,
Cr:0.01％ 이상 또한 0.30％ 미만,
Mo:0.01 내지 1.00％,
V:0.005 내지 0.50％,
Nb:0.005 내지 0.10％,
Cu:0.05 내지 2.00％,
Ni:0.05％ 이상 또한 2.00％ 미만,
B:0.0005 내지 0.0050％
중 1종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 연질화 강 부품.
제1항 또는 제2항에 기재된 강 성분을 갖는 강을, 원하는 부품 형상으로 가공한 후, 550 내지 650℃로 60분 이상 유지하면서 연질화 처리를 행하는 것을 특징으로 하는, 연질화 강 부품의 제조 방법.
제5항에 있어서, 상기 연질화 처리 후에, 질화 분위기 이외의 분위기 중에서 580 내지 700℃로 5분 이상 더 유지하는 것을 특징으로 하는, 연질화 강 부품의 제조 방법.