KR20120023074A

KR20120023074A - 질화용 강 및 질화 처리 부품

Info

Publication number: KR20120023074A
Application number: KR1020117029477A
Authority: KR
Inventors: 데쯔시 찌다; 도시미 다루이; 다이스께 히라까미
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2012-03-12
Also published as: KR20140026641A; US20120080122A1; TW201114925A; TWI464281B; EP2444511B1; CN102803542A; WO2010147224A1; KR101401130B1; JP4729135B2; JPWO2010147224A1; EP2444511A4; EP2444511A1

Abstract

본 발명은, 질화 전의 강도를 저하시켜서 절삭성을 개선하는 한편, 피로 강도 향상을 위해 질화층의 유효 경화층을 깊게 하는 것이며, 질량％로, C : 0.05 내지 0.30％, Si : 0.003 내지 0.50％, Mn : 0.4 내지 3.0％, Cr : 0.2 내지 0.9％, Al: 0.19 내지 0.70％, V: 0.05 내지 1.0％ 및 Mo : 0.05 내지 0.50％를 함유하여, Al 및 Cr의 함유량이, 0.5％≤1.9Al+Cr≤1.8％를 만족하고, 잔량부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화용 강이다.

Description

질화용 강 및 질화 처리 부품{STEEL FOR NITRIDING AND NITRIDED STEEL COMPONENTS}

본 발명은, 가공성 및 강도를 확보하고, 또한 가스 질화, 플라즈마 질화, 가스 연질화, 염욕 연질화 등의 질화 처리에 의해 경질의 질화층이 얻어지는 질화용 강 및, 그 질화용 강에 질화 처리를 실시한, 표층에 경질의 질화층을 갖는 질화 처리 부품에 관한 것이다.

자동차나 각종 산업 기계에는, 피로 강도 개선을 목적으로 하고, 표면 경화 처리를 실시한 부품이 많이 사용되고 있다. 대표적인 표면 경화 처리 방법으로서, 침탄, 질화, 고주파 켄칭 등을 들 수 있다. 가스 질화, 플라즈마 질화, 가스 연질화, 염욕 연질화 등의 질화 처리는, 다른 방법과 달리 변태점 이하의 저온에서 처리되기 때문에, 열처리 변형을 작게 할 수 있다는 이점을 갖는다.

질화 처리 중 암모니아 분위기에서 행해지는 가스 질화는, 높은 표면 경도가 얻어지지만, 질소의 확산이 늦어, 일반적으로 20시간 이상의 처리 시간이 필요하다.

또한, 가스 연질화, 염욕 연질화 등, 질소와 함께 탄소를 포함하는 욕 또는 분위기에서 처리되는 연질화 처리는, 질소의 확산 속도를 증가시킬 수 있다. 그 결과, 연질화 처리에 따르면, 수시간으로 100㎛ 이상의 유효 경화층 깊이를 얻을 수 있다. 따라서, 연질화 처리는, 피로 강도 개선에 적합한 방법이다.

그러나, 피로 강도가 높은 부품을 얻기 위해서는, 유효 경화층을, 한층 더, 깊게 할 필요가 있다. 이러한 문제에 대하여, 유효 경화층 경도 및 깊이를 증가시키기 위해서 질화물 형성 합금을 적절하게 첨가한 강이 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 1, 2, 6, 9).

또한, 강의 성분뿐만 아니라 강 조직을 제어함으로써, 가공성, 질화 특성을 향상시킨 기술이 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 3 내지 5, 7, 8).

일본 특허 출원 공개 소 제58-71357호 공보 일본 특허 출원 공개 평 제4-83849호 공보 일본 특허 출원 공개 평 제7-157842호 공보 일본 특허 출원 공개 제2007-146232호 공보 일본 특허 출원 공개 제2006-249504호 공보 일본 특허 출원 공개 평05-025538호 공보 일본 특허 출원 공개 제2006-022350호 공보 일본 특허 출원 공개 제8-176732호 공보 일본 특허 출원 공개 평7-286256호 공보

그러나, 현재 주류의 피로 강도 개선 기술인 침탄 처리를 강재에 실시하는 경우와 비교하여, 특허 문헌 1 내지 4에 기재되는 강에 질화 처리를 실시한 경우에는, 유효 경화층 깊이가 부족하였다. 또한, 탄소를 많이 포함하는 강종은, 질화 전에, 부품의 경도가 높아진다. 그로 인해, 고탄소 강은 절삭 가공성이 저하되어, 단조나 절삭 가공시의 비용이 높아진다고 하는 문제가 있었다.

특허 문헌 5에 기재되는 강은, 가공성(브로치 가공성)이 향상되는 반면, 표층 경도의 저하를 초래하고 있었다.

특허 문헌 6에 기재되는 강은, 질화 처리에 의해 내마모성과 피로 강도를 향상시키는 것이지만, 강 내부의 강도를 향상시킴으로써 피로 강도를 향상시킬 수 있기 때문에, 절삭 가공성이 떨어지는 문제가 있었다.

특허 문헌 7 내지 9에 기재되는 강은, 성분 조성과 강 조직을 규정함으로써 질화 처리를 실시하였을 때의 유효 경화층 깊이를 확보하는 것이지만, 그 유효 경화층 깊이는 충분하지 않았다.

본 발명은, 상기의 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 질화 전의 강도를 저하시켜서 절삭 가공성을 개선하여 제조 비용을 삭감하는 한편, 피로 강도 향상을 위해 유효 경화층을 깊게 하는 것이 가능한 질화용 강 및 그 질화용 강에 질화 처리를 실시해서 표층의 질화층 경도와 깊이를 증가시킨 질화 처리 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 가스 질화, 플라즈마 질화, 가스 연질화, 염욕 연질화 등의 질화 처리에 의해, 종래 기술보다도 깊은 유효 경화층이 얻어지는 조성과 조직을 검토하고, 또한 질화용 강으로부터 질화 처리 부품을 제조할 때의 절삭 가공성 및 최종 부품의 경도 등을 검토하였다.

그 결과, Cr 및 Al이 질화 처리시에 석출물을 발생시키고, 표층 경도의 향상에 기여하는 것, 특히 Al의 첨가가 표층 경도를 향상시키는 것, 한편, Cr 및 Al을 과잉으로 함유시키면 유효 경화층 깊이가 저하되기 시작하는 것, 유효 경화층의 깊이를 크게 하기 위해서는, Cr 및 Al의 함유량을 적정한 관계로 제어할 필요가 있는 것, 등을 발견하였다.

본 발명은, 이들의 지식에 기초해서 이루어진 것이며, 그 요지는, 이하와 같다.

(1) 질량％로,

C:0.05 내지 0.30％,

Si:0.003 내지 0.50％,

Mn:0.4 내지 3.0％,

Cr:0.2 내지 0.9％,

Al:0.19 내지 0.70％,

V:0.05 내지 1.0％ 및

Mo:0.05 내지 0.50％

를 함유하고, Al 및 Cr의 함유량이,

0.5％≤1.9Al+Cr≤1.8％

를 만족하고, 잔량부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화용 강.

(2) 또한 질량％로,

Ti:0.01 내지 0.3％ 및

Nb:0.01 내지 0.3％

의 한쪽 또는 양쪽을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 질화용 강.

(3) 또한 질량％로,

B:0.0005 내지 0.005％

를 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 질화용 강.

(4) 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽, 또는 양쪽 합계의 면적률이 50％ 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 질화용 강.

(5) 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽, 또는 양쪽 합계의 면적률이 50％ 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (3)에 기재된 질화용 강.

(6) 질량％로,

C:0.05 내지 0.30％,

Si:0.003 내지 0.50％

Mn:0.4 내지 3.0％,

Cr:0.2 내지 0.9％,

Al:0.19 내지 0.70％,

V:0.05 내지 1.0％ 및

Mo:0.05 내지 0.50％

를 함유하고, Al 및 Cr의 함유량이,

0.5％≤1.9Al+Cr≤1.8％

를 만족하고, 잔량부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 표면에 질화층을 갖고, 표층 경도가 700HV 이상인 것을 특징으로 하는 질화 처리 부품.

(7) 또한 질량％로,

Ti:0.01 내지 0.3％ 및

Nb:0.01 내지 0.3％

의 한쪽 또는 양쪽을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (6)에 기재된 질화 처리 부품.

(8) 또한 질량％로,

B:0.0005 내지 0.005％

를 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (6) 또는 (7)에 기재된 질화 처리 부품.

(9) 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽, 또는 양쪽 합계의 면적률이 50％ 이상인 것을 특징으로 하는 상기(6) 또는 (7)에 기재된 질화 처리 부품.

(10) 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽, 또는 양쪽 합계의 면적률이 50％ 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (8)에 기재된 질화 처리 부품.

(11) 상기 질화층의 유효 경화층 깊이가 300 내지 450㎛인 것을 특징으로 하는 상기 (6), (7), (10) 중 어느 하나에 기재된 질화 처리 부품.

(12) 상기 질화층의 유효 경화층 깊이가 300 내지 450㎛인 것을 특징으로 하는 상기 (8)에 기재된 질화 처리 부품.

(13) 상기 질화층의 유효 경화층 깊이가 300 내지 450㎛인 것을 특징으로 하는 상기 (9)에 기재된 질화 처리 부품.

본 발명에 따르면, 질화 처리를 행함으로써 깊은 유효 경화층이 얻어지는 질화용 강을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 경화 처리 전의 절삭 가공에 많은 공정수를 필요로 하는 일이 없으며, 또한, 경화 처리에 수반하는 열처리 변형이 작은 질화 처리 부품을 얻을 수 있다.

그리고, 본 발명의 질화 처리 부품의 질화층은, 충분한 경도를 갖고, 유효 질화층이 깊기 때문에, 질화 처리 부품의 피로 강도를 높일 수 있다.

도 1은 1.9Al+Cr과 유효 질화층 깊이의 관계를 도시하는 도면이다.
도 2는 1.9Al+Cr과 표층(질화층) 경도의 관계를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태인 기어 부품의 하나의 이(齒)의 1/2 단면을 도시하는 도면이다.

본 발명에 있어서, 질화용 강이란, 질화 처리 부품이 소재로서 사용되는 강인 것을 말한다.

본 발명의 질화용 강은, 강편을 열간 가공하여 제조된다. 본 발명의 질화 처리 부품은, 본 발명의 질화용 강을 열간 가공한 후, 질화 처리 하거나, 혹은, 본 발명의 질화용 강과 동일한 범위 내의 성분을 갖는 강편을 열간 가공한 후, 질화 처리 하여 얻을 수 있다.

본 발명의 질화용 강을 냉간 가공하고, 필요에 따라 절삭 가공 등을 행하여 최종 제품 형상으로 하거나, 혹은 강편을, 직접, 최종 제품 형상으로 열간 가공하고, 또는, 최종 제품에 가까운 형상으로 열간 가공하고, 절삭 가공을 행하여 최종 제품 형상으로 하고, 그 후 질화 처리를 행함으로써, 질화 처리 부품이 된다.

본 발명에 있어서, 「질화 처리」란, 철강 재료의 표면층에 질소를 확산시켜, 표면층을 경화하는 처리를 의미하고, 「연질화 처리」도 포함되는 것으로 한다.

「연질화 처리」는, 철강 재료의 표면층에 질소와 탄소를 확산시켜, 표면층을 경화하는 처리이다.

질화 처리로서 대표적인 것으로, 가스 질화, 플라즈마 질화, 가스 연질화, 염욕 연질화 등을 들 수 있고, 이 중 가스 연질화, 염욕 연질화는 연질화 처리이다.

또한, 제품이 질화 처리 부품인 것은, 표층이 경화되어 있는 것, 표층의 질소 농도가 상승하고 있는 것으로 확인할 수 있다. 특히, 연질화 처리 부품은, 경화된 표층이 100㎛ 이상이며, 깊은 유효 경화층을 갖는다.

우선, 본 발명에 있어서, 강재의 화학 성분을 한정시킨 이유에 대해서 설명한다. 화학 성분의 한정에 관해서는, 본 발명의 질화용 강과 질화 처리 부품의 어느 쪽에도 적용된다.

C는, 켄칭성을 높여, 강도의 향상에 유효한 원소이며, 또한 질화 처리 중에 합금탄화물을 석출시켜, 질화층의 석출 강화에도 기여하는 원소이다. C가, 0.05％ 미만에서는 필요한 강도가 얻어지지 않고, 0.30％를 초과하면 강도가 과도하게 높아져 가공성을 손상시킨다. 따라서, C의 함유량은, 하한을 0.05％, 상한을 0.30％로 한다. 단, 절삭 가공성의 관점으로부터, C의 함유량의 상한은 0.25％가 바람직하고, 0.20％가 더욱 바람직하다. 또한, 냉간 가공에 의해 부품을 용이하게 단조하기 위해서는, C의 함유량의 상한을 0.1％로 하는 것이 바람직하다.

Mn은, 켄칭성을 높여, 강도를 확보하기 위해 유용한 원소이다. Mn이 0.4％ 미만에서는 충분한 강도를 확보할 수 없으며, 3.0％를 초과하면 강도가 과잉으로 상승해서 가공성이 저하된다. 따라서, Mn의 함유량은, 하한을 0.4％, 상한을 3.0％로 한다. 또한, 과잉의 Mn의 함유에 의해, 유효 경화층 깊이가 감소하는 경우가 있기 때문에, Mn의 함유량의 상한은 2.5％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 더욱바람직한 Mn의 함유량의 상한은 2.0％이다.

Cr은, 질화 처리시에 침입하는 N 및 강 중의 C와 탄질화물을 형성하고, 그 석출 강화에 의해 표면의 질화층 경도를 현저하게 상승시키는 매우 유효한 원소이다. 그러나, Cr을 과잉으로 함유시키면 유효 경화층 깊이가 얕아지는 경우가 있다. Cr의 함유량이 0.2％ 미만에서는 충분한 유효 경화층을 얻을 수 없다. 한편, Cr의 함유량이 0.9％를 초과하면 석출 강화의 효과가 포화되고, 유효 경화층 깊이가 감소한다. 따라서, Cr의 함유량은, 하한을 0.2％, 상한을 0.9％로 한다. 또한, Cr의 함유량은, 하한은 0.3％, 상한을 0.8％로 하는 것이 바람직하다.

Al은, 질화 시에 침입하는 N과 질화물을 형성하고, 질화층의 경도를 높이고, 보다 깊은 유효 경화층 깊이를 얻는데에 유효하며, 특히 표층 경도의 향상에 효과적인 원소이다. 그러나, Al을 과잉으로 첨가하면 유효 경화층 깊이가 얕아지는 경우가 있다. Al의 함유량이 0.19％ 미만이면 충분한 표층 경도가 얻어지지 않으며, 0.70％를 초과해서 함유시켜도 첨가의 효과는 포화되고, 유효 경화층 깊이가 감소한다. 따라서, Al의 함유량은, 하한을 0.19％, 상한을 0.70％로 한다. 또한, Al 함유량의 상한은 0.50％로 하는 것이 바람직하고, 0.30％로 하는 것이 보다 바람직하다.

본 발명자들은, Al 및 Cr이 질화층의 경화에 유효하는 동시에, 한편으로는, 과잉으로 첨가하면 유효 경화층 깊이를 감소시킨다고 하는 지식에 기초하여, 다시 검토를 행하였다.

본 발명자들은, Al의 함유량 및 Cr의 함유량을 변화시킨 강재를 소재로 하여, 냉간 단조 부품을 제조하고, 질화 처리를 실시하여, 표층 경도 및 유효 경화층 깊이를 측정하였다.

질화 처리는, 체적 분율로 NH₃:N₂:CO₂=50:45:5의 혼합 가스의 분위기 중에서, 온도를 570℃, 유지 시간을 10시간으로 행하였다.

표층 경도는, 강 단면에 있어서의 표면으로부터 50㎛ 내부의 위치에 있어서의 HV0.3(2.9N)이고, JIS Z 2244에 따라서 측정하였다. 또한, 유효 경화층 깊이는, JIS G 0557을 참고로, 표층으로부터 HV가 550이 되는 위치까지의 거리로 하였다.

검토의 결과, Al의 함유량과 Cr의 함유량의 관계를 제어할 필요가 있는 것을 발견하였다. 구체적으로는, 질화층의 유효 경화층 깊이는, Al 및 Cr의 원자 농도의 합계와 상관을 갖고 있는 것을 알았다.

Cr의 원자량은 52, Al의 원자량은 27이므로, 질량％로는, 1.9Al+Cr에 의해, 질화층의 유효 경화층 깊이 및 표층 경도의 관계를 정리할 수 있다. 또한, 「1.9Al+Cr」의 식 중, Al 및 Cr는 강재 중의 Al의 함유량(질량％) 및 Cr의 함유량(질량％)으로 한다.

도 1은, 1.9Al+Cr과 유효 경화층 깊이의 관계를 도시한다. 또한, 도 2는, 1.9Al+Cr과 표층 경도의 관계를 도시한다. 여기서, 표층 경도는, 강 단면에 있어서의 표면으로부터 50㎛ 위치의 경도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 1.9Al+Cr이 0.5％ 미만, 1.8％ 초과에서는, 충분한 유효 경화층 깊이가 얻어지지 않는다.

1.9Al+Cr이 0.5％ 미만에서, 유효 경화층 깊이가 감소하는 것은, Cr의 탄질화물 및 Al의 질화물에 의한 석출 강화를 충분히 얻을 수 없기 때문이라고 생각된다. 그 때문에, 도 2에 도시한 바와 같이, 1.9Al+Cr이 0.5％ 미만이면, 표층 경도도 저하하고 있다.

한편, 1.9Al+Cr이 1.8％를 초과하면 유효 경화층이 얕아지는 것은, 질화 처리에 있어서 강 중의 질소의 확산이 저해되기 때문이라고 생각된다.

따라서, 1.9Al+Cr의 범위는, 하한을 0.5％, 상한을 1.8％로 한다.

V는, 켄칭성을 높여, 탄질화물을 생성하고, 강의 강도에 기여하는 원소이다. 특히, 본 발명에서는, Mo와 마찬가지로, Cr이나 Al과 복합 탄질화물을 형성하고, 질화층의 경화에 매우 유효하다. V의 함유량이 0.05％ 이상이 되면, 표층 경도 및 유효 경화층 깊이가 현저하게 향상된다. 한편, V의 함유량이 1.0％ 초과에서는, 표층 경도 및 유효 경화층 깊이를 증가시키는 효과가 포화된다. 따라서, V의 함유량은, 하한을 0.05％, 상한을 1.0％로 한다. 또한, V의 함유량의 상한은, 0.75％로 하는 것이 바람직하며, 0.50％로 하는 것이 보다 바람직하다.

Mo는 켄칭성을 높이고, 주로, 탄화물을 생성하여, 강의 강도에 기여하는 원소이다. 특히, 본 발명에서는, Cr이나 Al과 복합 탄질화물을 형성하고, 질화층의 경화에 매우 유효하다. Mo의 함유량을 0.05％ 이상으로 하면, 표층 경도 및 유효 경화층 깊이가 현저하게 향상된다. 한편, Mo의 함유량이 0.50％ 초과에서는, 표층 경도 및 유효 경화층 깊이를 증가시키는 효과가 제조 비용에 적당하지 않다. 따라서, Mo의 함유량은, 하한을 0.05％, 상한을 0.50％로 한다. 또한, Mo의 함유량은, 상한을 0.25％로 하는 것이 바람직하다.

Si는, 탈산제로서 유용한 원소인 반면, 질화 처리에 있어서는 표층 경도의 향상에 기여하지 않고, 유효 경화층 깊이를 얕게 한다. 그 때문에, Si의 함유량을 0.50％ 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 또한 깊은 유효 경화층을 얻기 위해서는, Si의 함유량의 상한은 0.1％로 하는 것이 바람직하다. 한편, Si의 함유량을 현저하게 저감시키기 위해서는 제조 비용의 상승을 초래하기 때문에, Si의 함유량의 하한은 0.003％로 한다.

Ti 및 Nb는, 질화 시에 침입하는 N 및 강 중의 C와 탄질화물을 형성하는 원소이며, 한쪽 또는 양쪽을 첨가하는 것이 바람직하다. 질화층의 경도를 높이고, 유효 경화층 깊이를 증가시키기 위해서는, Ti, Nb를, 각각, 0.01％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 한편, 0.3％ 초과의 Ti, Nb를, 각각 함유시켜도, 질화층의 경도를 높이고, 유효 경화층 깊이를 증가시키는 효과는 포화되기 때문에, Ti, Nb의 상한은, 0.3％로 하는 것이 바람직하다.

B는, 켄칭성을 향상시키는 원소이며, 강도를 높이기 위해서, 0.0005％ 이상을 함유시키는 것이 바람직하다. 한편, B의 함유량이 0.005％를 초과해도, 켄칭성 향상의 효과는 포화되기 때문에, B의 함유량의 상한은 0.005％로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 질화 처리 부품의 강도를 전체적으로 상승시키기 위해서, 질화용 강의 강 조직은, 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽, 또는 양쪽인 것이 바람직하다.

베이나이트, 마르텐사이트는, 질화 처리 시의 석출 강화에 필요한 합금 원소의 고용량이 많다. 따라서, 질화 처리 전 소재의 강 조직을, 베이나이트 및 마르텐사이트를 많이 포함하는 것으로 해 둠으로써, 질화 처리 시의 석출 강화에 의해, 질화 처리 후의 강재의 질화층의 경도를 효과적으로 높일 수 있다.

석출 강화의 효과를 충분히 얻기 위해서는, 질화용 강의 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽, 또는 양쪽 합계의 면적률을 50％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 보다 효과적으로 석출 강화시키기 위해서는, 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽, 또는 양쪽 합계의 면적률을 70％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 질화 처리 부품의 강 조직도, 질화용 강과 마찬가지로, 질화층의 경도를 높이기 위해서, 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽, 또는 양쪽 합계의 면적률을 50％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 보다 효과적으로 석출 강화시키기 위해서는, 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽, 또는 양쪽 합계의 면적률을 70％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.

여기서, 베이나이트, 마르텐사이트 이외의 조직은, 페라이트, 펄라이트로 하는 것이 바람직하다.

강 조직의 베이나이트 평가는, 경면 연마 후, 나이탈 액으로 에칭을 행하고, 광학 현미경 관찰로 평가할 수 있다. 관찰은 냉간 단조 전 또는 열간 단조 후에 행하고, 관찰 부위는, 봉강이면 직경의 1/4의 위치로 하는 것이 좋다. 예를 들어, 기어의 경우이면, 도 3의 부호 2의 위치가 좋다.

강 조직의 면적률은, 광학 현미경으로 5 시야를, 각각 500배로 관찰하여 사진을 촬영하고, 육안으로 베이나이트 부분을 결정하여, 사진 전체에 차지하는 베이나이트 부분의 면적률을 화상 해석을 이용해서 구하면 된다. 마르텐사이트의 면적률도 마찬가지이다.

또한, 본 발명의 질화용 강에 열간 가공을 행하지 않고, 냉간 가공이나 절삭 가공 등으로 최종 제품 형상으로 한 후에 질화 처리를 행하여 질화 처리 부품으로 해도 된다. 이 경우에는, 질화용 강의 단계에서, 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽, 또는 양쪽 합계의 면적률이 50％ 이상인 것이 바람직하다.

또한, 질화용 강에 열간 단조 등의 열간 가공을 행하고, 또한 필요에 따라서 절삭 가공 등을 행하여 최종 제품 형상으로 하는 경우에 있어서도, 질화용 강의 단계에서 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽, 또는 양쪽 합계의 면적률이 50％ 이상인 쪽이 바람직하다.

이것은, 최종적인 열간 가공에 의해, 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽, 또는 양쪽 합계의 면적률을 50％ 이상으로 하는 것이 용이해지기 때문이다.

본 발명에 규정하는 질화용 강을 열간 가공 또는 냉간 가공한 후, 또한 필요에 따라서 절삭 가공 등을 행하고, 질화 처리를 실시해서 얻은 질화 처리 부품은, 마찬가지로 본 발명의 효과를 발휘하는 것이다.

또한, 상술한 질화용 강과 마찬가지로 성분 조성을 갖는 강편에 열간 단조 등의 열간 가공을 행하고, 또한 필요에 따라 절삭 가공 등을 행해서 최종 제품 형상으로 하고, 그 후 질화 처리를 행하여 질화 처리 부품으로 해도 된다. 이 경우에는, 강편의 단계에서는 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽, 또는 양쪽 합계의 면적률이 50％ 이상일 필요는 없다. 또한, 강편은, 주조 그대로도 좋고, 주조 후, 열간 단조나 열간 압연 등의 열간 가공을 실시해도 좋다.

본 발명의 질화 처리 부품은, 가스 질화, 플라즈마 질화, 가스 연질화, 염욕 연질화 등의 질화 처리가 행해짐으로써 유효 경화층 깊이가 300㎛ 이상이 되고, 표층 경도가 700HV 이상이라고 하는, 우수한 특성을 갖는다.

또한, 본 발명의 질화 처리 부품의 유효 경화층 깊이는 450㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 유효 효과층 깊이를 450㎛ 초과로 해도, 질화 처리 시간이 길어지는 지는 것만으로, 질화 처리 부품의 피로 강도 향상은 포화되기 때문이다.

그리고, 본 발명의 질화 처리 부품의 표층 경도의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 1000HV로 하는 것이 바람직하다. 표층 경도를 1000HV 초과로 해도, 질화 처리 부품의 피로 강도 향상은 포화되기 때문이다.

또한, 표층 경도는, 비커스 경도이며, JIS Z 2244에 준거하여 측정한다.

연질화 처리에 따르면, 통상 크기의 부품이면, 10시간 이내의 처리 시간에 의해, 유효 경화층 깊이가 300㎛ 이상, 표층 경도가 700HV 이상이라고 하는, 우수한 특성을 얻을 수 있다.

또한, 종래, 질화 처리에서는 몇 주일의 처리 시간을 필요로 하고 있었던 대형의 부품이더라도, 연질화 처리를 이용함으로써, 1주일 정도로 유효 경화층 깊이가 300㎛ 이상, 표층 경도가 700HV 이상이라고 하는, 우수한 특성을 얻을 수 있다.

다음에, 본 발명의 질화용 강 및 질화 처리 부품의 제조 방법에 대해서 설명한다.

질화용 강은, 주로, 열간 압연에 의해 제조된다. 또한, 질화 처리 부품은, 주로, 열간 단조에 의해 제조된다. 그리고, 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽, 또는 양쪽 합계의 면적률을 50％ 이상으로 하는 경우에는, 열간 압연 또는 열간 단조의 가열 온도 및 냉각 속도를 제어한다.

열간 압연 또는 열간 단조 전의 가열 온도는 1000℃ 미만이면, 변형 저항이 커지고, 비용이 높아질 가능성이 있다. 또한, 첨가한 합금 원소가 충분히 용체화되지 않으면, 켄칭성이 낮아져, 베이나이트 분율의 저하도 염려된다. 따라서, 압연전 또는 단조 전의 가열 온도를 1000℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

한편, 가열 온도가 1300℃를 초과하면 오스테나이트 입계가 조대화하기 때문에, 가열 온도는 1300℃ 이하가 바람직하다.

또한, 베이나이트 및 마르텐사이트의 분율의 저하를 방지하고, 페라이트?펄라이트 조직의 생성을 억제하기 위해서는, 열간 압연 또는 열간 단조 후, 500℃ 이하까지의 냉각 속도를 제어하는 것이 바람직하다.

500℃ 이하까지의 냉각 속도의 하한이 0.1℃/s 미만이 되면, 베이나이트, 마르텐사이트의 면적률이 저하되고, 페라이트?펄라이트 조직이 될 가능성이 있다.

또한, 500℃ 이하까지의 냉각 속도의 상한은, 마르텐사이트의 면적률을 높이기 위해서는 빠른 쪽이 바람직하다. 단, 가공성의 관점으로부터, 마르텐사이트의 생성을 억제하는 경우에는, 냉각 속도의 상한을 10℃/s 이하로 하는 것이 바람직하다.

따라서, 열간 압연 또는 열간 단조 후, 500℃ 이하로 냉각될 때까지의 냉각 속도는, 0.1 내지 10℃의 범위로 하는 것이 바람직하다.

또한, 열간 압연에 의해 제조한 본 발명의 질화용 강을 사용하여, 소정 형상의 부품에 냉간 가공(예를 들어 냉간 단조, 절삭 가공)하여 질화 처리 부품을 제조할 수 있다.

본 발명의 질화용 강을 사용한, 예를 들어, 기어와 같은 부품에 질화 처리를 행함으로써, 열처리 변형을 억제하면서, 유효 경화층 깊이가 300㎛ 이상, 표층 경도가 700HV 이상의 우수한 특성의 표면 경화층을 구비한 질화 처리 부품을 얻을 수 있다.

이러한 우수한 특성의 표면 경화층을 구비한 질화 처리 부품은, 피로 강도에도 우수한 것이다.

질화 처리로서, 가스 질화, 플라즈마 질화, 가스 연질화, 염욕 연질화를 들 수 있다.

표층 경도가 700HV 이상, 유효 경화층 깊이가 300㎛ 이상이라고 하는 질화층을 얻기 위해서는, 가스 질화를 행하는 경우에는, 예를 들어, 540℃의 암모니아 분위기에서, 20시간 이상 유지한다.

특히, 질화 처리로서, 예를 들어, 570℃의 N₂+NH₃+CO₂ 혼합 가스에 의한 일반적인 가스 연질화 처리를 사용하는 경우에는, 10시간 정도의 처리 시간으로 전술한 질화층을 얻을 수 있다.

즉, 본 발명의 질화용 강을 소재로 하는 부품이나, 본 발명의 질화용 강과 동일한 범위 내의 성분을 갖는 강편을 열간 가공한 부품은, 공업상, 실용적인 시간으로 연질화 처리를 실시함으로써, 종래의 질화용 강재에 연질화 처리를 동일한 시간 실시한 경우와 비교하여, 충분한 표층 경도와, 보다 깊은 유효 경화층을 얻을 수 있다.

[실시예]

다음에, 본 발명을 실시예에서 다시 설명하지만, 실시예에서의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해서 채용한 하나의 조건예이며, 본 발명은, 이 하나의 조건예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은, 본 발명의 요지를 일탈하지 않아, 본 발명의 목적을 달성하는 한에 있어서, 다양한 조건을 채용할 수 있는 것이다.

우선, 표 1에 나타내는 화학 성분을 갖는 강을 용제하였다. 표 1에 있어서 하선을 그은 수치는 본 발명의 범위 이외의 것을 나타낸다.

이들의 강의 일부를 열간 압연하여 직경 10㎜의 환봉을 얻었다. 또한, 일부의 강은, 직경 25㎜의 강편을, 1200 내지 1250℃로 가열하고, 열간 단조한 후, 1 내지 10℃/s의 냉속으로 냉각하여, 두께 10㎜, 직경 35㎜의 기어 형상을 갖는 열간 단조품을 제조하였다.

열간 압연에 의해 제조한 환봉 및 열간 단조품의 경도는, JIS Z 2244에 따라서 측정하였다. 측정 개소는, 그 시험편의 L 단면이 드러나도록 절단, 연마하여, 직경 1/4의 위치에서, HV0.3(2.9N)을 측정하였다.

또한, 열간 단조 후 경도는, 도 3의 부호 2의 위치에 대해서 HV0.3을 측정하였다.

열간 압연에 의해 제조한 환봉 및 열간 단조품의 베이나이트와 마르텐사이트의 면적률은, 경면 연마 후, 나이탈 액으로 에칭을 행하고, 광학 현미경으로 상기 경도를 측정한 위치에 상당하는 영역의 5 시야를 500배로 관찰하여 사진을 촬영하고, 육안으로 베이나이트 부분과 마르텐사이트부를 결정하고, 그들 부분을 화상 해석하여 면적률을 구하였다.

또한, 열간 압연 후의 환봉을 소재로 하여, 직경 14㎜, 두께 10㎜의 냉간 단조 부품을 제조하고, 가스 연질화 처리를 실시하였다.

열간 단조품은, 기어 형상의 표면을 깨끗하게 하기 위한 절삭을 행하고, 가스 질화 처리를 실시하였다. 가스 연질화 처리의 조건은, 분위기를 체적 분율로 NH₃:N₂:CO₂=50:45:5의 혼합 가스, 온도를 570℃, 유지 시간을 10시간으로 하였다.

연질화 처리 후, 표층 경도를 측정하였다. 표층 경도는, 표면으로부터 50㎛ 내부의 위치에 있어서의 HV0.3(2.9N)에서, JIS Z 2244에 준거하여 측정하였다.

또한, 유효 경화층 깊이는, JIS G 0557에 준거하고, 표층으로부터 HV가 550이 되는 위치까지의 거리를 측정하였다.

결과를 표 2에 나타낸다. 여기서, 표 2의 열간 가공 후 경도는, 열간 압연 후의 경도 및 열간 단조 후의 경도의 평균값이다. 또한, 표층 경도 및 유효 경화층 깊이는, 연질화 처리 후에 측정한 결과이다.

표 2 중, No.1 내지 15의 본 발명예는, 모두 표층 경도가 700HV 이상, 유효 경화층 깊이가 300㎛ 이상인 것을 확인하였다.

이에 대해, 비교예인 No.16, 18은, 각각 C의 함유량, Mn의 함유량이 본 발명의 하한보다 적기 때문에, 열간 가공 후의 경도가 200HV를 하회하고 있어, 충분한 강도가 얻어지지 않고 있다.

No.17, 19는 각각 C의 함유량, Mn의 함유량이 본 발명의 상한을 초과하고 있기 때문에, 열간 가공 후의 경도가 500HV를 초과하고 있어, 가공성에 문제가 있다.

No.20, 22는 Cr의 함유량이, No.21, 25는 Al의 함유량이, 본 발명의 범위 외이기 때문에, 유효 경화층이 얕아, 300㎛ 미만이다.

No.26은, 1.9Al+Cr이 1.8을 초과하고 있기 때문에, 유효 경화층이 얕게 되어 있다.

No.23은, V와 Mo의 함유량이 본 발명의 하한보다 적고, No.24는 Si의 함유량이 본 발명의 상한을 초과하고 있기 때문에, 각각 유효 경화층 깊이가 얕아져 있다.

또한, 상술한 바는, 본 발명의 실시 형태를 예시한 것에 지나지 않으며, 본 발명은, 청구의 범위의 기재 범위 내에 있어서 다양한 변경을 추가할 수 있다.

본 발명에 따르면, 질화 처리에 의해 깊은 유효 경화층이 얻어지는 질화용 강을 제공할 수 있어, 공업상, 현저한 효과를 발휘할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 경도가 충분하여 유효 질화층이 깊은 질화층을 갖는 질화 처리 부품을 제조할 때, 질화 처리 전의 절삭 가공 공정수의 저감 및 경화 처리시의 열처리 변형의 저감을 가능하게 하고, 높은 피로 강도를 갖는 질화 처리 부품의 제조 비용을 저감할 수 있다. 본 발명은, 공업상의 이용 가치가 높은 것이다.

1 : 기어 부품에 있어서의 하나의 이
2 : 열간 단조 후의 경도 측정 위치

Claims

질량％로,
C:0.05 내지 0.30％,
Si:0.003 내지 0.50％,
Mn:0.4 내지 3.0％,
Cr:0.2 내지 0.9％,
Al:0.19 내지 0.70％,
V:0.05 내지 1.0％ 및
Mo:0.05 내지 0.50％,
를 함유하고, Al 및 Cr의 함유량이,
0.5％≤1.9Al+Cr≤1.8％
를 만족하고, 잔량부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
제1항에 있어서, 질량％로 Ti: 0.01 내지 0.3％ 및 Nb:0.01 내지 0.3％의 한쪽 또는 양쪽을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로 B:0.0005 내지 0.005％를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
제1항 또는 제2항에 있어서, 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽, 또는 양쪽 합계의 면적률이 50％ 이상인 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
제3항에 있어서, 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽, 또는 양쪽 합계의 면적률이 50％ 이상인 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
질량％로,
C:0.05 내지 0.30％,
Si:0.003 내지 0.50％
Mn:0.4 내지 3.0％,
Cr:0.2 내지 0.9％,
Al:0.19 내지 0.70％,
V:0.05 내지 1.0％ 및
Mo:0.05 내지 0.50％,
를 함유하고, Al 및 Cr의 함유량이,
0.5％≤1.9Al+Cr≤1.8％
를 만족하고, 잔량부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 표층에 질화층을 갖고, 표층 경도가 700HV 이상인 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
제6항에 있어서, 질량％로, Ti:0.01 내지 0.3％ 및 Nb:0.01 내지 0.3％의 한쪽 또는 양쪽을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
제6항 또는 제7항에 있어서, 질량％로, B:0.0005 내지 0.005％를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
제6항 또는 제7항에 있어서, 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽, 또는 양쪽 합계의 면적률이 50％ 이상인 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
제8항에 있어서, 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽, 또는 양쪽 합계의 면적률이 50％ 이상인 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
제6항, 제7항 또는 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질화층의 유효 경화층 깊이가 300 내지 450㎛인 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
제8항에 있어서, 상기 질화층의 유효 경화층 깊이가 300 내지 450㎛인 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
제9항에 있어서, 상기 질화층의 유효 경화층 깊이가 300 내지 450㎛인 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.