KR20120012837A

KR20120012837A - 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품

Info

Publication number: KR20120012837A
Application number: KR1020117030663A
Authority: KR
Inventors: 슈우지 고자와; 마나부 구보따; 오사무 가다; 모또히로 니시까와; 다까시 다나까; 노리마사 쯔네까게
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤; 산요오도꾸슈세이꼬 가부시키가이샤
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2012-02-10
Also published as: CN103382538A; CN102471842A; WO2011111269A1

Abstract

질량％로, C:0.1 내지 0.6％, Si:0.01 내지 1.5％, Mn:0.3 내지 2.0, P:0.02％ 이하, S:0.001 내지 0.15％, N:0.001 내지 0.03％, Al:0.001 내지 0.06％, O:0.005％ 이하를 함유하고, 잔량부가 실질적으로 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강재에, 침탄 켄칭하고, 계속해서, 템퍼링을 실시한 강 부품이며, 표면 경도가 HV550 내지 HV800이고, 코어부 경도가 HV400 내지 HV500인 것을 특징으로 하는 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품이다.

Description

저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품 {CARBURIZED STEEL COMPONENT HAVING EXCELLENT LOW-CYCLE BENDING FATIGUE STRENGTH}

본 발명은 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품에 관한 것이다.

기계 구조용 부품, 차동 기어, 트랜스미션 기어, 기어가 구비된 침탄 샤프트 등의 기어는 차량의 급발진, 급정차 시의 부하에 의해, 이 뿌리가, 저사이클 피로(수백 내지 수천 사이클 영역의 피로)에 의해 파손되는 경우가 있다. 특히, 차동 기어나, 트랜스미션 기어에는 저사이클 피로 강도의 향상이 보다 한층 요망되고 있다.

종래, 상기 강 부품에는 강재로서, JIS SCr420, SCM420 등의 C:0.2％ 전후의 기소강을 사용함으로써, 코어부의 인성을 확보하고, 침탄 켄칭과, 150℃ 전후의 저온 템퍼링에 의해, 표면을, C:0.8％ 전후의 템퍼링 마르텐사이트 조직으로 하여, 사이클 굽힘 피로 강도나, 내마모성을 높이고 있다.

저사이클 굽힘 피로 강도를 높게 한 강 부품으로서, 특허 문헌 1에는 C:0.1 내지 0.3％, B:0.005％ 이하를 함유하고, Si:0.3％ 이하로, P:0.03％ 이하로 제한하고, 코어부 경도:HV350 이상의 침탄 부품이 개시되어 있다.

특허 문헌 2에는 C:0.15 내지 0.3％, Si:0.5％ 이하, P:0.01％ 이하로 제한하고, 성분 조성으로부터 계산한 소성 변형 저항 및 입계 강도의 합을 일정값 이상으로 함으로써, 저사이클 피로 강도를 높인 기소강이 개시되어 있다.

특허 문헌 3에는 C:0.1 내지 0.3％, B:0.001 내지 0.005％, Si:0.5％ 이하, P:0.03％ 이하로 제한하고, 이 뿌리부의 코어부 경도:HV300 이상의 저사이클 피로 강도가 우수한 침탄 기어가 개시되어 있다.

특허 문헌 4에는 C:0.15 내지 0.3％이고, B:0.0003 내지 0.005％이고, Si:0.03 내지 0.25％, P:0.02％ 이하로 제한하고, 성분 조성으로부터 계산한 코어부 경도에 관련되는 값을 일정값 이상으로 함으로써, 저사이클 충격 피로 특성을 높인 침탄 부품이 개시되어 있다.

특허 문헌 5에는 C:0.1 내지 0.4％, Si:1.0％ 이하, Mn:1.5 초과 내지 3％, P:0.03％ 이하, S:0.03％ 이하, Cr:0.3 내지 2.5％, Al:0.005 내지 0.050％, Ti:0.003％ 이하, O:0.0015％ 이하, N:0.025％ 이하, 잔량부가 불가피적 불순물 및 Fe로 이루어지고, 침탄 질화 처리, 또는 그 후의 2차 켄칭 템퍼링 처리 후의 표면 경도가 58HRC 이상이고, 또한 표면 잔류 오스테나이트량이 20 내지 50％인 침탄 질화 베어링 강이 개시되어 있다.

특허 문헌 6에는 C:0.1 내지 0.4％, Si:0.02 내지 1.3％, Mn:0.3 내지 1.8％, S:0.001 내지 0.15％, Al:0.001 내지 0.05％, N:0.003 내지 0.020％, P:0.025％ 이하, O:0.0025％ 이하를 함유하고, 또한 Cr:1.8％ 이하, Mo:1.5％ 이하, Ni:3.5％ 이하, B:0.006％ 이하, V:0.5％ 이하, Nb:0.04％ 이하, Ti:0.2％ 이하의 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강재에 있어서, 하기 수학식 1에서 정의되는 투영 코어부 경도 Hp－core{＝Hcore/(1－t/r)[Hcore;코어부 경도, t;유효 경화층 깊이, r;파손 부위의 반경 또는 파손 부위의 두께의 절반]}가 HV390 이상인 저사이클 피로 특성이 우수한 침탄 켄칭 강재가 개시되어 있다.

특허 문헌 7에는 C:0.1 내지 0.4％, Si:0.5％ 이하, Mn:1.5％ 이하, P:0.03％ 이하, S:0.03％ 이하, Cr:0.3 내지 2.5％, Mo:0.1 내지 2.0％, V:0.1 내지 2.0％, Al:0.050％ 이하, O:0.0015％ 이하, N:0.025％ 이하, V＋Mo:0.4 내지 3.0％, 잔량부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 침탄 켄칭 템퍼링 처리를 실시한 강이며, 템퍼링 처리 후의 표층 C 농도가 0.6 내지 1.2％이고, 표면 경도가 HRC58 이상 64 미만이고, 또한 표층에 분산 석출되는 V계 탄화물 중 입경 100㎚ 미만의 미세한 V계 탄화물의 개수 비율이 80％ 이상인 수소 취성형의 면 피로 강도가 우수한 기소강이 개시되어 있다.

그러나, 어느 침탄강 부품에 있어서도, 저사이클 굽힘 피로 강도는 현재 요구되고 있는 저사이클 굽힘 피로 강도의 수준에 도달하고 있지 않다.

일본 특허 출원 공개 평8-92690호 공보 일본 특허 출원 공개 평10-259450호 공보 국제 공개 WO 02/44435호 공보 일본 특허 출원 공개 제2004-238702호 공보 일본 특허 출원 공개 제2005-042188호 공보 일본 특허 출원 공개 제2007-332438호 공보 일본 특허 출원 공개 제2008-280583호 공보

특허 문헌 1 내지 7에 개시된 기술은 현재 요구되고 있는 저사이클 굽힘 피로 강도의 향상에 답하는 것이라고는 할 수 없다. 따라서, 본 발명은 종래의 저사이클 굽힘 피로 강도에 비해, 저사이클 굽힘 피로 강도가 현저하게 향상된 침탄강 부품을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해, 강재의 성분 조성 및 침탄 특성을, 광범위하고 또한 계통적으로 바꾸어, 저사이클 굽힘 피로 시험을 예의 실시하였다. 그 결과, 다음 (a) 내지 (d)의 지식을 얻는 데 이르렀다.

(a) 저사이클 굽힘 피로 강도를 높게 하기 위해서는, 표면 경도를 HV550 내지 HV800으로 하는 것이 최적이고, 그 범위 내에서는 표면 경도를 낮게 하는 것이 유효하다.

(b) (b1) 저사이클 굽힘 피로 강도를 높게 하기 위해서는, 코어부 경도를 HV400 내지 HV500으로 하는 것이 최적이고, 그 범위 내에서는 코어부 경도를 높게 하는 것이 유효하고, 또한 (b2) C:0.6％ 이하에서는 코어부 경도를 높게 할수록 바람직하다.

종래, C가 0.3％를 초과하면, 인성이 저하되고, 저사이클 굽힘 피로 강도가 저하된다고 되어 있지만, 본 발명자들은, (b3) 인성이 저하되는 것은, C량에 따르는 것이 아니라, 코어부 경도가 HV500을 초과했을 때이고, 코어부 경도가 HV500을 초과하는 0.6％가, C의 상한인 것을 발견하였다.

(c) (c1) 저사이클 굽힘 피로 강도를 높게 하기 위해서는, Si를 0.01 내지 1.5％의 범위 내에서 증가시키는 것이 유효하다.

종래, Si는 침탄 시, 입계 산화층을 형성하여, 강도의 저하를 초래한다고 하는 이유로, 0.5％ 이하가 장려되어 왔다.

그러나, 본 발명자들은, (c2) 저사이클 굽힘 피로 강도에 미치는 입계 산화층의 영향은 있었다고 해도, 극히 작고, Si의 증가가, 표면 경도의 저하 및/또는 코어부 경도의 상승에 유효한 것을 발견하였다.

(d) P를 최대한 저감시키고, 또한 B를 첨가하면, 상기 (a) 내지 (c)의 효과가 더욱 향상된다.

본 발명은 상기 지식에 기초하여 이루어진 것으로, 그 요지는 이하와 같다.

(1) 질량％로,

C:0.1 내지 0.6％,

Si:0.01 내지 1.5％,

Mn:0.3 내지 2.0％,

P:0.02％ 이하,

S:0.001 내지 0.15％,

N:0.001 내지 0.03％,

Al:0.001 내지 0.06％ 및,

O:0.005％ 이하를 함유하고,

잔량부가 실질적으로 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강재에, 침탄 켄칭하고, 계속해서, 템퍼링을 실시한 강 부품이며,

표면 경도가 HV550 내지 HV800이고, 코어부 경도가 HV400 내지 HV500인 것을 특징으로 하는 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품.

(2) 상기 저사이클 굽힘 피로 강도가 20kN 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품.

(3) 상기 강재가, 질량％로, B:0.0002 내지 0.005％를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품.

(4) 상기 강이, 질량％로, Cr:1.20 내지 3.0％를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품.

(5) 상기 강재가, 질량％로, Ti:0.01 내지 0.2％를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품.

(6) 상기 강재가, 질량％로, Mo:0.1％ 미만, Cu:0.1％ 미만 및 Ni:0.1％ 미만의 1종 또는 2종 이상을, 불가피 성분으로서 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품.

(7) 상기 강재가, 질량％로, Mo:0.1 내지 1.5％, Cu:0.1 내지 2.0％ 및 Ni:0.1 내지 5.0％의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품.

(8) 상기 강재가, 질량％로, Nb:0.01 내지 0.2％ 및 V:0.03 내지 0.2％의 1종 또는 2종을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품.

(9) 상기 강재가, 질량％로, Ca:0.0002 내지 0.005％, Zr:0.0003 내지 0.005％ 및 Mg:0.0003 내지 0.005％의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품.

(10) 상기 침탄강 부품이 차동 기어 또는 트랜스미션 기어인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (9) 중 어느 하나에 기재된 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품.

본 발명의 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품을 사용하면, 자동차용 차동 기어 등의 기어를 대폭으로 소형화, 경량화할 수 있고, 그 결과, 자동차의 연비를 높이고, 또한 CO₂ 배출량을 삭감하는 것이 가능해진다.

도 1은 저사이클 굽힘 피로 시험편과 저사이클 굽힘 피로 시험 방법을 도시하는 도면이다.
도 2는 500 사이클 굽힘 피로 강도(kN)에 미치는 압축 잔류 응력(㎫)의 영향을 나타내는 도면이다.
도 3은 500 사이클 굽힘 피로 강도(kN)에 미치는 입계 산화층 깊이(㎛)의 영향을 나타내는 도면이다.
도 4는 500 사이클 굽힘 피로 강도(kN)에 미치는 표면 경도(HV)의 영향을 나타내는 도면이다.
도 5는 500 사이클 굽힘 피로 강도(kN)에 미치는 코어부 경도(HV)의 영향을 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품에 대해 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명에서 사용하는 강재(본 발명 강재)의 성분 조성을 한정하는 이유에 대해 설명한다. 이하, 성분 조성에 관한 ％는 질량％를 의미한다.

C:0.1 내지 0.6％

C는 침탄 켄칭을 실시한 강 부품의 코어부에 경도를 부여하여, 저사이클 굽힘 피로 강도를 높이는 원소이다. 코어부의 조직은 마르텐사이트가 주체의 켄칭 조직이고, 켄칭 후의 마르텐사이트는 C량이 많을수록 단단해진다.

또한, 코어부 경도가 동일한 경우, C량이 많으면, 미세탄화물의 분산 강화에 의해 항복비가 상승한다. 첨가 효과를 얻기 위해, C는 0.1 내지 0.6％로 한다.

저사이클 굽힘 피로 강도를 높이기 위해, 코어부 경도를 HV450 이상으로 하기 위해, C는 0.2％ 이상이 바람직하고, 또한 0.3％ 초과가 보다 바람직하다. 또한, 피삭성의 관점으로부터, C는 0.4％ 이하가 바람직하다.

기소강의 피로 강도를 높이기 위해서는, 압축 잔류 응력의 부여가 유효하다. 기소강의 침탄 켄칭에서는 C:0.2％ 전후의 코어부가, 먼저, 마르텐사이트 변태에 의해 팽창되고, 그 후, C:0.8％ 전후의 침탄층이, 마르텐사이트 변태에 의해 팽창되고, 강 부품의 표면 근방에 압축 응력이 잔류한다.

통상, 기소강에 있어서, 본 발명과 같이 C량을 많게 하면, 코어부와 침탄층의 C량의 차가 감소하고, 마르텐사이트 변태의 팽창차가 작아져, 잔류하는 압축 응력이 감소하고, 그 결과, 강 부품의 피로 강도가 저하된다고 추측되고 있다.

따라서, 본 발명자들은 500 사이클 굽힘 피로 강도(kN)에 미치는 압축 잔류 응력(㎫)의 영향을 조사하였다. 그 결과를 도 2에 나타낸다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 500 사이클 굽힘 피로 강도에 미치는 압축 잔류 응력의 영향은 있다고 할 수 없는 것이 판명되었다.

Si:0.01 내지 1.5％

Si는 강재의 탈산에 유효한 원소로, 또한 템퍼링 연화 저항을 높이는 데 유효한 원소이다. 또한, Si는 켄칭성을 높이고, 침탄 켄칭 후의 강 부품의 코어부 경도를 높여, 저사이클 굽힘 피로 강도의 향상에 기여하는 원소이다.

0.01％ 미만에서는 첨가 효과가 불충분하고, 한편, 1.5％를 초과하면, 침탄성을 저해하므로, Si는 0.01 내지 1.5％로 한다.

침탄 처리에, 일반적인 카본 포텐셜 0.7 내지 1.0의 가스 침탄법을 채용한 경우, Si는 0.5 내지 1.5％의 범위에서, 강재 중의 C의 활동도를 증대시켜, 표면 경도를 억제하는 작용을 이루기 때문에, 저사이클 굽힘 피로 강도의 가일층의 향상에 유효한 원소이다. 그로 인해, Si는 0.5 내지 1.5％가 바람직하다.

종래, Si는 침탄 시, 입계 산화층을 형성하여, 강도 저하를 일으키므로, 0.5％ 이하로 제한하는 것이 장려되어 왔다. 이는, Si량을 제한하면, 입계 산화층 깊이를 작게 할 수 있고, 고사이클 영역에서의 굽힘 피로 강도를 높일 수 있다는 종래 지식에 기초하는 유추이다.

따라서, 본 발명자들은 500 사이클 굽힘 피로 강도(kN)에 미치는 입계 산화층 깊이(㎛)의 영향을 조사하였다. 그 결과를 도 3에 나타낸다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 입계 산화층 깊이의 대소는 500 사이클 굽힘 피로 강도에 영향을 미치지 않는 것이 판명되었다.

Mn:0.3 내지 2.0％

Mn은 강재의 탈산에 유효한 원소인 동시에, 강재의 켄칭성을 높이고, 침탄 켄칭 후의 강 부품의 코어부 경도를 높여, 저사이클 굽힘 피로 강도의 향상에 기여하는 원소이다.

0.3％ 미만에서는 첨가 효과가 불충분하고, 한편, 2.0％를 초과하면, 첨가 효과가 포화되므로, Mn은 0.3 내지 2.0％로 한다. 바람직하게는 0.8 내지 1.5％이다.

P:0.02％ 이하

P은 불순물이고, 침탄 시, 오스테나이트 입계에 편석하여, 입계 파괴의 원인이 되어, 저사이클 굽힘 피로 강도를 저하시킨다. 그로 인해, P은 0.02％ 이하로 제한한다. 바람직하게는 0.01％ 이하이다.

S:0.001 내지 0.15％

S는 강재 중에서 MnS를 형성하여, 피삭성의 향상에 기여하는 원소이다. 0.001％ 미만에서는 첨가 효과가 불충분하고, 한편 0.15％를 초과하면, 첨가 효과가 포화되고, 또한 입계에 편석하여 입계 취화를 일으키므로, S는 0.001 내지 0.15％로 한다. 바람직하게는 0.01 내지 0.1％이다.

N:0.001 내지 0.03％

N는 강재 중에서 Al, Ti, Nb, V 등과 결합하여, 결정립의 조대화를 억제하는 작용을 이루는 질화물 또는 탄질화물을 형성하는 원소이다.

0.001％ 미만에서는 첨가 효과가 불충분하고, 한편 0.03％를 초과하면, 첨가 효과가 포화되므로, N는 0.001 내지 0.03％로 한다. 바람직하게는 0.003 내지 0.008％이다.

Al:0.001 내지 0.06％

Al은 강재의 탈산을 목적으로 하여 첨가하는 원소이다. 0.001％ 미만에서는 첨가 효과가 불충분하고, 한편 0.06％를 초과하면, 첨가 효과가 포화되므로, Al은 0.001 내지 0.06％로 한다. 바람직하게는 0.01 내지 0.04％이다.

O:0.005％ 이하

O는 불가피하게 함유되어, 입계에 편석하여 입계 취화를 일으키기 쉽게 하는 동시에, 강재 중에서, 취성 파괴의 원인이 되는 단단한 산화물계 개재물을 형성하기 쉬운 원소이다. 입계 취화나, 취성 파괴를 방지하기 위해, O는 0.005％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.002％ 이하이다.

본 발명 강재는 저사이클 굽힘 피로 강도의 가일층의 향상(20kN 이상)을 위해, B를 함유한다.

B:0.0002 내지 0.005％

B는 P의 입계 편석을 억제하는 동시에, 입계 강도와 입내 강도 및 켄칭성을 높여, 저사이클 굽힘 피로 강도의 향상(20kN 이상)에 기여하는 원소이다.

0.0002％ 미만에서는 첨가 효과가 불충분하고, 한편 0.005％를 초과하면, 첨가 효과가 포화되므로, B는 0.0002 내지 0.005％로 한다. 바람직하게는 0.0005 내지 0.003％이다.

본 발명 강재는, 켄칭성을 더욱 높이고, 저사이클 굽힘 피로 강도를 보다 향상시키기 위해, Cr을 함유한다.

Cr:1.20 내지 3.0％

Cr은 강재의 켄칭성을 높이고, 침탄 켄칭 후의 강 부품의 코어부 경도를 높여, 저사이클 굽힘 피로 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 1.20％ 미만에서는, 첨가 효과가 불충분하고, 한편 3.0％를 초과하면, 첨가 효과가 포화되므로, Cr은 1.20 내지 3.0％로 한다. 바람직하게는 1.50 내지 2.5％이다.

본 발명 강재는 고온 침탄 시, 결정립이 조대화되어, 저사이클 피로 강도가 열화되는 것을 방지하기 위해, Ti를 함유한다.

Ti:0.005 내지 0.2％

Ti는 강재 중에서 미세한 TiC 및/또는 TiS를 생성하는 원소이다.

TiC 및/또는 TiS의 존재에 의해, 침탄 온도가 980℃ 이상인 고온 침탄이나, 침탄 시간이 10시간 이상인 장시간 침탄에 있어서, 오스테나이트립의 미립화를 안정적으로 행할 수 있으므로, 저사이클 피로 강도의 열화를 방지할 수 있다.

또한, Ti는 강재 중에서 N과 결합하여 TiN을 생성하고, BN의 석출을 방지하여, 고용 B의 확보에 기여하는 원소이다.

0.005％ 미만에서는 첨가 효과가 불충분하고, 한편 0.2％를 초과하면, TiN 주체의 석출물이 많이 석출되고, 구름 이동 피로 특성이 저하되므로, Ti는 0.005 내지 0.2％로 한다. 바람직하게는 0.01 내지 0.1％이다.

본 발명 강재에 있어서, 불가피하게 혼입되는 Mo, Cu 및 Ni은 0.1％ 미만으로 제한한다. 바람직하게는, 0.05％ 이하로, 보다 바람직하게는 0.01％ 이하로 제한한다.

Mo, Cu 및 Ni은 켄칭성을 높이고, 저사이클 굽힘 피로 강도를 높이는 작용을 이루는 원소로, 소요량의 Mo, Cu 및 Ni의 1종 또는 2종 이상을 함유해도 좋다.

Mo:0.1 내지 1.5％

Mo은 강재의 켄칭성을 높이고, 침탄 켄칭 후의 강 부품의 코어부 경도를 높게 하여, 저사이클 굽힘 피로 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 0.1％ 미만에서는 효과가 없고, 한편 1.5％를 초과하면, 첨가 효과가 포화되므로, Mo은 0.1 내지 1.5％로 한다. 바람직하게는 0.3 내지 1.2％이다.

Cu:0.1 내지 2.0％

Cu는 강재의 켄칭성을 높이고, 침탄 켄칭 후의 강 부품의 코어부 경도를 높게 하여, 저사이클 굽힘 피로 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 0.1％ 미만에서는 첨가 효과가 불충분하고, 한편 2.0％를 초과하면, 첨가 효과가 포화되므로, Cu는 0.1 내지 2.0％로 한다. 바람직하게는 0.3 내지 1.5％이다.

Ni:0.1 내지 5.0％

Ni은 강재의 켄칭성을 높이고, 침탄 켄칭 후의 강 부품의 코어부 경도를 높게 하여, 저사이클 굽힘 피로 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 0.1％ 미만에서는 효과가 없고, 한편 5.0％를 초과하면, 첨가 효과가 포화되므로, Ni은 0.1 내지 5.0％로 한다. 바람직하게는 0.5 내지 3.5％이다.

본 발명 강재는 고온 침탄 시, 결정립이 조대화되고, 저사이클 피로 강도가 열화되는 것을 방지하기 위해, Nb 및 V의 1종 또는 2종을 더 함유해도 좋다.

Nb:0.01 내지 0.2％

Nb은 강재 중에서 Nb 탄질화물을 생성하는 원소이다. Nb 탄질화물의 존재에 의해, 침탄 온도가 980℃ 이상인 고온 침탄이나, 침탄 시간이 10시간 이상인 장시간 침탄에 있어서, 오스테나이트립의 미립화를 안정적으로 행할 수 있으므로, 저사이클 피로 강도의 열화를 방지할 수 있다.

0.01％ 미만에서는 첨가 효과가 불충분하고, 한편 0.2％를 초과하면, 피삭성이 열화되므로 Ti는 0.01 내지 0.2％로 한다. 바람직하게는 0.02 내지 0.1％이다.

V:0.03 내지 0.2％

V은 강재 중에서 V 탄질화물을 생성하는 원소이다. V 탄질화물의 존재에 의해, 침탄 온도가 980℃ 이상인 고온 침탄이나, 침탄 시간이 10시간 이상인 장시간 침탄에 있어서, 오스테나이트립의 미립화를 안정적으로 행할 수 있으므로, 저사이클 피로 강도의 열화를 방지할 수 있다.

0.03％ 미만에서는 첨가 효과가 불충분하고, 한편 0.2％를 초과하면, 피삭성이 열화되므로, V은 0.03 내지 0.2％로 한다. 바람직하게는 0.05 내지 0.1％이다.

본 발명 강재는 피삭성의 개선을 위해, 소요량의 Ca, Zr 및 Mg의 1종 또는 2종 이상을 함유해도 좋다.

Ca:0.0002 내지 0.005％

Ca은 강재 중의 산화물을 저융점화하는 원소이다. 저융점 산화물은 절삭 가공 환경 하의 온도 상승에서 연질화되어, 강재의 피삭성을 개선한다.

0.0002％ 미만에서는 첨가 효과가 없고, 한편 0.005％를 초과하면, CaS가 다량으로 생성되어, 강재의 피삭성이 저하되므로, Ca은 0.0002 내지 0.005％로 한다. 바람직하게는 0.0008 내지 0.003％이다.

Zr:0.0003 내지 0.005％

Zr은 강재를 탈산하여, 산화물을 생성하는 원소이고, 또한 황화물도 생성하는 원소이다. 황화물은 MnS와 협동하여, 피삭성의 개선에 기여한다. Zr계 산화물은 MnS의 정출/석출의 핵이 되므로, Zr은 MnS의 분산 제어에 유효한 원소이기도 하다.

Zr은 MnS의 구상화를 위해, 0.003％를 초과하여 첨가하지만, 반대로, MnS를 미세 분산시키기 위해서는, 0.0003 내지 0.005％ 첨가한다.

제조상, 품질의 안정성(성분 수율 등)의 관점으로부터, MnS를 미세 분산시키는 0.0003 내지 0.005％의 Zr 첨가가, 현실적으로는 바람직하다. 또한, 0.0003％ 미만에서는 Zr의 첨가 효과는 거의 없다.

Mg:0.0003 내지 0.005％

Mg은 강재를 탈산하여, 산화물을 생성하는 원소이고, 또한 황화물도 생성하는 원소이다. 황화물은 MnS와 협동하여, 피삭성의 개선에 기여한다.

Mg계 산화물은 MnS의 정출/석출의 핵이 되고, 또한 황화물은 Mn과 Mg의 복합 황화물이 됨으로써, 복합 황화물의 변형을 억제하여, 구상화되므로, Mg은 MnS의 분산 제어에 유효한 원소이다.

0.0003％ 미만에서는 첨가 효과가 없고, 한편 0.005％를 초과하면, MgS가 대량으로 생성되어, 강재의 피삭성이 저하되므로, Mg은 0.0003 내지 0.005％로 한다. 바람직하게는 0.0008 내지 0.003％이다.

다음에, 본 발명 강재에 침탄 켄칭하고, 계속해서, 템퍼링을 실시한 강 부품에 있어서, 표면 경도와 코어부 경도를, 각각 규정하는 이유에 대해 설명한다.

표면 경도:HV550 내지 HV800

본 발명자들은 표면 경도 HV500 내지 HV800의 범위에서, 500 사이클 굽힘 피로 강도(kN)에 미치는 표면 경도(HV)의 영향을 조사하였다. 그 결과를 도 4에 나타낸다.

도 4로부터, 표면 경도 HV500 내지 HV800의 범위에서, 표면 경도가 낮을수록 저사이클 굽힘 피로 강도가 향상되는 것을 알 수 있다.

파손품의 파면을 검증한 결과, (i) 표면 경도가 높으면, 표면으로부터 취성 파면의 균열이 발생하여, 급속히 전파되지만, (ii) 표면 경도가 낮으면, 균열이 표면으로부터 발생해도, 취성 파면의 발생률이 낮으므로, 균열의 전파 속도는 늦고, 그 결과, (iii) 저사이클 굽힘 피로 강도가 향상되는 것이 판명되었다.

그러나, 표면 경도가 HV550 미만이면, 내마모성이 손상되므로, 표면 경도는 HV550 내지 HV800으로 한다(도면 중「←→」 참조). 바람직하게는 HV600 내지 HV750, 보다 바람직하게는 HV620 내지 HV720이다.

또한, 표면 경도가 HV800을 초과하면, 표면의 인성이 현저하게 저하되어, 균열의 전파 속도가 빨라지고, 저사이클 굽힘 피로 강도가 저하된다.

표면 경도는 침탄층을 형성하는 침탄 조직의 경도이므로, 침탄 시의 카본 포텐셜이나, 침탄 켄칭 후의 템퍼링 온도를 조정하여, 표면 경도를 조정할 수 있다.

예를 들어, 강 부품을 카본 포텐셜 0.8에서 침탄 켄칭하고, 계속해서, 150℃에서 템퍼링을 행하고, 그 후, 저사이클 굽힘 피로 시험을 실시하여, 저사이클 굽힘 피로 강도가, 소요의 값보다 낮은 경우에는 카본 포텐셜을 0.7로 내리거나, 또는 템퍼링 온도를 180℃로 올리고, 표면 경도를 저하시켜, 저사이클 굽힘 피로 강도의 향상을 도모한다.

코어부 경도:HV400 내지 HV500

본 발명자들은 코어부 경도 HV270 내지 HV650의 범위에서, 500 사이클 굽힘 피로 강도(kN)에 미치는 코어부 경도(HV)의 영향을 조사하였다. 그 결과를 도 5에 나타낸다.

도 5로부터, 코어부 경도가 HV400 내지 HV500의 범위에서, 코어부 경도가 높을수록, 저사이클 굽힘 피로 강도가 향상되는 것을 알 수 있다.

파손품의 파면을 검증한 결과, 코어부 경도가 낮으면, 침탄층 바로 아래의 코어부(켄칭 조직)가 항복하여, 항복했을 때의 응력 이상의 응력을 담당할 수 없어, 침탄층인 강 부품의 표면에 가하는 응력이 높아지는 것이 판명되었다.

저사이클 굽힘 피로 강도를, 종래의 JIS SCr420, SCM420 등의 저사이클 굽힘 피로 강도보다도 현저하게 높게 하기 위해, 코어부 경도는 HV400 이상 필요하므로, 코어부 경도는 HV400 내지 HV500으로 한다(도면 중「←→」 참조). 바람직하게는 HV430 내지 HV500, 더욱 바람직하게는 HV450 내지 HV500이다.

또한, 코어부 경도가 HV500을 초과하면, 코어부의 인성이 현저하게 저하되어, 코어부의 균열 전파 속도가 빨라지고, 저사이클 굽힘 피로 강도가 저하된다.

코어부라 함은, 침탄 처리에서, 강 부품의 표면으로부터 침입하는 C가 도달하는 개소이다. 예를 들어, 소재의 C의 10％ 증가(소재의 C가 0.20％인 경우에는 0.22％)의 개소로부터, 소재의 C로 될 때까지의 개소이다. 코어부는 EPMA-C선 분석 등에 의해 식별하는 것이 가능하다.

또한, 침탄 방법은 특별한 방법을 사용할 필요는 없고, 일반적인 침탄 방법인 가스 침탄법, 진공 침탄법, 가스 침탄 질화법 등을 사용해도, 본 발명의 효과는 발현된다.

침탄 후에, 오스테나이트 영역까지 가열(850℃ 전후)하여 켄칭하면(2차 켄칭), 결정립이 미립화되어, 저사이클 굽힘 피로 강도는 더욱 향상된다.

본 발명에 있어서는, 표면 경도는 침탄 조직이 담당하고, 코어부 경도는 켄칭 조직이 담당하므로, 성분 조성을 조정하고, 강재에, 소요의 침탄성 및 켄칭성을 부여하여, 표면 경도와 코어부 경도를 따로따로 조정할 수 있다. 이 점도, 본 발명의 특징이다.

[실시예]

다음에, 본 발명의 실시예에 대해 설명하지만, 실시예에서의 조건은 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 일 조건예이고, 본 발명은 이 일 조건예로 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한에 있어서, 다양한 조건을 채용할 수 있는 것이다.

(실시예)

표 1 및 표 2에 나타내는 성분 조성의 강재를 두드려 연신하고, 계속해서, 균열 처리와 노멀라이징을 실시하여, 저사이클 굽힘 피로 시험용 초벌 가공 시험편과, 마모 시험용 초벌 가공 시험편을 제작하였다.

시험 No.1 내지 21(발명예), 시험 No.23 내지 25(비교예) 및 시험 No.28 내지 44(발명예)의 초벌 가공 시험편에 대해서는, 변성식 가스 침탄로에서, 930℃×5시간의 침탄 처리를 실시하고, 계속해서 130℃의 오일 켄칭을 실시하였다.

시험 No.22(발명예)의 초벌 가공 시험편에 대해서는, 변성식 가스 침탄로에서, 930℃×5시간의 침탄 처리를 실시하고, 계속해서 130℃의 오일 켄칭을 실시하고, 이어서 850℃×0.5시간의 가열을 실시하고, 계속해서 130℃의 오일 켄칭을 실시하였다.

시험편 No.26(비교예)의 초벌 가공 시험편에 대해서는, 변성식 가스 침탄로에서, 930℃×5시간의 침탄 처리를 실시하고, 계속해서 220℃의 오일 켄칭을 실시하였다.

시험 No.27(비교예)의 초벌 가공 시험편에 대해서는, 변성식 가스 침탄로에서, 930℃×5시간의 침탄 처리를 실시하고, 계속해서 20℃의 오일 켄칭을 실시하고, 이어서 1.5시간의 템퍼링을 실시하였다.

또한, 침탄 처리 시의 카본 포텐셜은 0.5 내지 0.8의 범위에서 조정하고, 템퍼링 온도는 150℃ 내지 300℃의 범위에서 조정하고, 표면 경도와 코어부 경도를 조정하였다.

열처리 후, 저사이클 굽힘 피로 시험용 초벌 가공 시험편에 대해서는, 측면의 침탄층만을 기계 가공에 의해 제거하고, 도 1에 도시하는 한 변이 13㎜인 노치가 구비된 시험편 1(저사이클 굽힘 피로 시험편)을 제작하였다.

마모 시험용 초벌 가공 시험편에 대해서는, 손잡이부만을 기계 가공에 의해 제거하고, 직경 26㎜, 폭 28㎜의 원통부를 갖는 시험편(마모 시험편)을 제작하였다.

저사이클 굽힘 피로 시험편의 표면 경도(HV)와 코어부 경도(HV)를 측정하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다. 또한, 마모 시험편의 표면 경도는 저사이클 굽힘 피로 시험편의 표면 경도와 동등했다.

저사이클 굽힘 피로 시험은, 도 1에 도시한 바와 같이 절결(X)을 갖는 한 변이 13㎜인 저사이클 굽힘 피로 시험편(1)에, 주파수 1㎐인 정현파에서, 응력비 0.1의 하중(2)를 부여하는 4점 굽힘 피로 시험으로 행하였다.

주파수 1㎐(변형 속도로 0.01s^－1 정도)는, 실제로 자동차용 기어에 가하는 변형 속도보다 작지만, 일반적으로 반복 속도가 피로 시험값에 영향을 미치는 것은, 변형 속도가 10s^－1 이상의 영역이고, 또한 10s^－1은 실제로 자동차용 기어에 가하는 변형 속도보다 훨씬 크기 때문에, 주파수 1㎐에 의한 평가에 지장은 없다.

또한, 주파수 1㎐에서의 시험 시에, 시험편이 발열되지 않는 것은, 별도로 시험편의 온도를 실측하여 확인하였다.

실제의 자동차용 기어의 응력비는 0이지만, 본 시험에 있어서 응력비를 0.1로 한 이유는, 시험 중의 부하 제거 시에, 시험편이 옆으로 미끄러지지 않도록 하기 위해서이다.

본 시험은 10² 내지 10⁴ 사이클로, 시험편이 파단되는 하중으로 실시하고, 시험 결과를 내삽하여 구하는 500 사이클 굽힘 피로 강도(kN)를, 저사이클 굽힘 피로 강도로 하였다. 저사이클 굽힘 피로 강도를 표 3에 더불어 나타낸다.

마모 시험은 직경 130㎜, 폭 18㎜이고, 외주에 R＝150㎜의 크라우닝을 갖는 베어링강제(SUJ2)의 롤러를, 마모 시험편에, 면압으로, 헤르츠 응력 1500㎫로 압박하고, 접촉부에서의 양 롤러의 주속 방향을 동일하게 하고, 미끄럼률을 －100％(마모 시험편보다도 롤러의 쪽이, 접촉부의 주속이 100％ 큼)로서 회전시켜, 회전수가 100만회에 도달한 후의 마모 시험편의 마모 깊이를 측정하였다. 마모 깊이를 표 3에 더불어 나타낸다.

표 3에 나타낸 바와 같이, 발명예의 시험 No.1 내지 22, 28 내지 44에 있어서는, 저사이클 굽힘 피로 강도가 20kN 이상으로 우수하고, 또한 마모 깊이도 20㎛ 이하로 우수하다.

이에 대해, 비교예의 시험 No.23에 있어서는, 저사이클 굽힘 피로 강도가 낮다. 이는, 강재의 C가 0.6％를 초과하고 있는 것에 기인하여, 코어부 경도가 높아졌기 때문이다.

비교예의 시험 No.24에 있어서는, 마모 깊이가 크다. 이는 강재의 Si가 1.5％를 초과하고 있는 것에 기인하여, 침탄성이 저해되고, 표면 경도가 낮아졌기 때문이다.

비교예의 시험 No.25에 있어서는, 저사이클 굽힘 피로 강도가 낮다. 이는 강재의 P이 0.02％를 초과하고 있는 것에 기인하여, P이 입계에 편석하여 입계 파괴가 발생했기 때문이다.

비교예의 시험 No.26에 있어서는, 저사이클 굽힘 피로 강도가 낮다. 이는, 강재의 성분 조성은 본 발명의 범위 내에 있지만, 코어부 경도가 HV400을 하회한 것에 의한다.

코어부 경도가 HV400을 하회한 이유는 켄칭 오일의 온도가 220℃로 높아, 켄칭 부족으로 되었기 때문이다.

비교예의 시험 No.27에 있어서는, 저사이클 굽힘 피로 강도가 낮다. 이는, 강재의 성분 조성은 본 발명의 범위 내에 있지만, 코어부 경도가 HV550을 상회한 것에 의한다.

코어부 경도가 HV550을 상회한 이유는 C량이 0.6％로 비교적 높은 것에 추가하여, 켄칭 오일의 온도가 20℃로 낮기 때문이다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품을 사용하면, 자동차용 차동 기어 등의 기어를 대폭으로 소형화, 경량화할 수 있고, 그 결과, 자동차의 연비를 높이고, 또한 CO₂ 배출량을 삭감하는 것이 가능해진다. 따라서, 본 발명의 효과는 극히 현저하고, 본 발명은 산업상의 이용 가능성이 큰 것이다.

1 : 시험편
2 : 하중
X : 절결

Claims

질량％로,
C:0.1 내지 0.6％,
Si:0.01 내지 1.5％,
Mn:0.3 내지 2.0％,
P:0.02％ 이하,
S:0.001 내지 0.15％,
N:0.001 내지 0.03％,
Al:0.001 내지 0.06％ 및,
O:0.005％ 이하를 함유하고,
잔량부가 실질적으로 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강재에, 침탄 켄칭하고, 계속해서, 템퍼링을 실시한 강 부품이며,
표면 경도가 HV550 내지 HV800이고, 코어부 경도가 HV400 내지 HV500인 것을 특징으로 하는, 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품.
제1항에 있어서, 상기 저사이클 굽힘 피로 강도가 20kN 이상인 것을 특징으로 하는, 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 강재가, 질량％로, B:0.0002 내지 0.005％를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강이, 질량％로, Cr:1.20 내지 3.0％를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강재가, 질량％로, Ti:0.01 내지 0.2％를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강재가, 질량％로, Mo:0.1％ 미만, Cu:0.1％ 미만 및 Ni:0.1％ 미만의 1종 또는 2종 이상을, 불가피 성분으로서 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강재가, 질량％로, Mo:0.1 내지 1.5％, Cu:0.1 내지 2.0％ 및 Ni:0.1 내지 5.0％의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강재가, 질량％로, Nb:0.01 내지 0.2％ 및 V:0.03 내지 0.2％의 1종 또는 2종을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강재가, 질량％로, Ca:0.0002 내지 0.005％, Zr:0.0003 내지 0.005％ 및 Mg:0.0003 내지 0.005％의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 침탄강 부품이 차동 기어 또는 트랜스미션 기어인 것을 특징으로 하는, 저사이클 굽힘 피로 강도가 우수한 침탄강 부품.