KR20120123589A

KR20120123589A - 고주파 켄칭용 강, 고주파 켄칭용 조형재, 그 제조 방법 및 고주파 켄칭 강 부품

Info

Publication number: KR20120123589A
Application number: KR1020127025509A
Authority: KR
Inventors: 마나부 구보타; 도시하루 아이소; 게이 미야니시
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2012-11-08
Also published as: US20130025747A1; WO2011122134A1; KR101474627B1; JP5135558B2; US20150240335A1; JPWO2011122134A1; US9890446B2; CN102859023A; CN102859023B; US9039962B2

Abstract

본 고주파 켄칭용 강은, 질량％로, C:0.75％ 초과 내지 1.20％, Si:0.002 내지 3.00％, Mn:0.20 내지 2.00％, S:0.002 내지 0.100％, Al:0.050％ 초과 내지 3.00％를 함유하고, P:0.050％ 이하, N:0.0200％ 이하, O:0.0030％ 이하로 제한하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물을 포함하고, 강 중의 Al 및 N의 질량％의 함유량이, Al－(27/14)×N＞0.050％를 만족한다.

Description

고주파 켄칭용 강, 고주파 켄칭용 조형재, 그 제조 방법 및 고주파 켄칭 강 부품{STEEL FOR HIGH FREQUENCY HARDENING, ROUGHLY MOLDED MATERIAL FOR HIGH FREQUENCY HARDENING AND PROCESS FOR PRODUCTION THEREOF, AND HIGH-FREQUENCY-HARDENED STEEL MEMBER}

본 발명은, 고주파 켄칭용 강, 고주파 켄칭용 조형재, 그 제조 방법 및 고주파 켄칭 강 부품에 관한 것이다.

본원은, 2010년 3월 30일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2010-078232호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

자동차, 건설 기계?농기, 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. 복수의 표면 경화 처리가 알려져 있는 중에서도, 침탄 처리는 표면의 경도, 경화층의 깊이, 생산성 등의 점에서 다른 표면 경화 처리보다도 우수하므로, 적용 부품이 매우 많다. 예를 들어, 기어, 베어링 부품의 제조 공정에서는, 통상은 JIS의 SCM420, SCR420, SNCM220 등의 중탄소 합금 강을 사용하여 열간 단조, 냉간 단조, 절삭, 또는 이들의 조합에 의해 소정의 형상을 얻도록 기계 가공을 실시하고, 그 후 침탄 처리나 침탄 질화 처리를 행한다. 기어의 피로 파괴는 굽힘 피로(이뿌리 피로)와, 치면(齒面) 피로(피칭 등)로 크게 구별된다. 기어 부품의 고강도화를 도모하기 위해서는, 이 2종의 피로 강도를 양쪽 모두 향상시키는 것이 필요하다. 침탄 처리에 의해 제조되는 기어는 경화층의 경도가 극히 높으므로, 굽힘 피로 강도, 피로 강도 모두 우수한 성능을 갖는다고 하는 특징이 있다.

그러나 침탄 처리는 가스 분위기 중에서의 뱃치 처리이며, 예를 들어 930℃ 근방에서 수 시간 이상의 가열 유지를 필요로 하므로, 막대한 설비비 및 처리 에너지와 비용이 소비된다. 또한, 침탄 처리는 CO₂의 배출량이 많아, 환경면에서도 문제가 있다. 또한, 뱃치 처리이므로, 침탄 처리 시에 있어서의 부품의 적재 위치의 차에 의해 열처리 변형에 의한 부품 정밀도의 편차를 발생시킬 여지가 커, 부품 정밀도의 관리가 어렵다고 하는 결점이 있다. 이 열처리 변형에 관한 결점을 극복하기 위해, 재료면, 조업면에서 막대한 노력이 치러지고 있어, 일정한 개선 효과가 얻어져 왔다. 그러나 아직 발본적인 해결 방법은 발견되어 있지 않아, 충분한 레벨에 도달하고 있다고는 말할 수 없다.

이들 문제를 해결하기 위해, 침탄 처리의 대체를 목적으로 한 고주파 켄칭(전자기 유도 켄칭) 처리의 적용에 관한 연구가 이루어져 왔다. 고주파 켄칭 처리는 침탄 처리에 비해 처리 시간의 대폭적인 단축이나 처리에 필요로 하는 에너지를 저감할 수 있으므로, 생산성이나 저비용화의 면에서 유리하다. 나아가서는 CO₂의 배출도 적고, 또한 켄칭 오일의 환경으로의 배출도 없으므로, 환경면에서도 유리하다. 또한, 고주파 켄칭 처리는 침탄 처리와 달리, 열처리의 영향을 받는 부위가 표면 부근에 한정되므로, 본질적으로 열처리 변형이 작다. 또한 처리 시간이 짧으므로 연속 처리화가 용이하고, 열처리 변형에 의한 부품 정밀도의 편차의 관리가 용이해진다고 하는 장점도 있다.

한편, 상기와 같은 장점이 있음에도 불구하고, 침탄 처리의 대체로서 고주파 켄칭 처리가 보급되어 있지 않은 최대의 이유는, 부품의 치면 피로 강도(피칭 강도 등)의 확보와, 부품 성형 시의 가공성(피삭성, 냉간 단조성)의 양립이 극히 곤란하기 때문이다. 기어뿐만 아니라, CVT 시브, 베어링류는 치면 피로나 구름 이동 피로 등의 면 피로를 확보할 필요가 있다. 이러한 부품은, 부품의 사용 중에 부품의 접촉면의 표면 온도가 300℃ 정도까지 상승하므로, 300℃에서의 경도(또는 300℃ 템퍼링 후의 경도, 이하 300℃ 템퍼링 경도라 함)가 면 피로 강도와 강하게 상관하고 있는 것이 보고되어 있다. 침탄 켄칭 처리나 고주파 켄칭 처리에서 얻어지는 마르텐사이트 조직의 300℃ 템퍼링 경도는, 표층의 탄소량이 많을수록 향상된다. 300℃ 템퍼링 경도는 합금 원소의 첨가에 의해서도 영향을 받지만, 탄소량의 영향 쪽이 크다. 또한 합금 원소의 첨가에 의한 300℃ 템퍼링 경도의 개선의 효과는, 탄소량이 많을수록 커진다. 따라서, 침탄 처리 부품과 동등한 면 피로 강도를 얻으려고 하는 경우, 침탄 처리된 부품의 표층부와 동등한 정도의 탄소량(0.80％ 근방)으로 할 필요가 있다. 그러나 부품의 탄소량의 증가는 강 소재 경도의 상승을 초래하므로, 부품의 가공성(피삭성, 냉간 단조성)이 현저하게 저하되어, 공업 생산에는 적합하지 않다. 즉, 강 소재의 고탄소화와 가공성의 확보의 양립이 불가결하다.

예를 들어, 특허문헌 1 내지 6에는, 중탄소 강(C:?0.65％)에 대하여 고주파 켄칭을 실시함으로써 부품을 제조하는 기술이 기재되어 있다. 그러나 탄소량이 침탄 처리된 부품의 표층부보다도 대폭으로 적으므로, 가공성은 그다지 열화되지 않지만, 침탄 부품에 비해 치면 피로 강도가 저하된다. 이로 인해, 이 기술로 침탄을 대체할 수는 없다. 예를 들어, 특허문헌 7 내지 13에는, 비교적 고탄소의 강(C:?0.75％)에 대하여 고주파 켄칭을 실시함으로써 치면 피로 강도를 개선한 부품을 얻는 기술이 기재되어 있다. 그러나 여전히 탄소량이 침탄 처리된 부품의 표층부보다도 적으므로, 침탄 부품에 필적하는 치면 피로 강도에는 도달하지 않는다. 또한, 이들 강에서는 탄소량의 증가에 수반하여 가공성이 현저하게 저하되지만, 이에 대한 개선 기술이 불충분하므로, 결국 치면 피로 강도, 가공성 모두 불충분하여, 침탄을 대체할 수는 없다.

예를 들어, 특허문헌 14 내지 17에는, 비교적 고탄소의 강(C:?0.75％)에 대하여 적절한 압연 조건, 단조 조건, 냉각 조건을 규정함으로써 가공성 등을 개선하는 것을 의도한 기술이 기재되어 있다. 그러나 상기와 마찬가지로, 여전히 탄소량이 침탄 처리 부품보다도 적으므로, 침탄 부품에 필적하는 치면 피로 강도에는 도달하지 않아, 침탄을 대체할 수는 없다.

예를 들어, 특허문헌 18 내지 23에 기재된 기술에서는, 침탄 처리된 부품의 표층부에 필적하는 고탄소 성분을 포함하는 강에 대하여 필요에 따라 열처리를 실시하고, 그 후 고주파 켄칭을 실시한다. 이에 의해 마르텐사이트 조직 중에 합금 탄화물이 분산된 조직을 갖는 경화층을 형성하고, 이에 의해 높은 치면 피로 강도를 갖는 부품을 얻는다. 그러나 이들 기술에서는, 합금 탄화물을 분산시키므로, Cr이나 V, Ti, Nb 등의 합금 첨가량이 많다. 따라서, 치면 피로 강도는 침탄 부품 이상의 성능이 얻어지지만, 탄소량의 증가와 합금 첨가량의 증가가 맞물려 가공성이 현저하게 저하된다. 따라서, 일부의 특수한 부품으로의 적용을 제외하고, 비용?생산성 등의 관점에서 대량 생산품으로의 적용?실용화는 어려우므로, 침탄을 대체하는 실용적인 기술이라고는 말할 수 없다.

예를 들어, 특허문헌 24 내지 26에는, 침탄 처리된 부품의 표층부에 필적하는 고탄소 성분을 포함하는 강에 대하여 필요에 따라 열처리를 실시하고, 그 후 고주파 켄칭을 실시함으로써 치면 피로 강도를 개선한 부품을 얻는 기술이 기재되어 있다. 그러나 가공성에 대한 개선 기술이 불충분하므로, 역시 침탄을 대체할 수는 없다.

예를 들어, 특허문헌 27에는, 고탄소의 강(C:0.80 내지 1.50％)을 사용하여, 일정량 이상의 흑연을 석출시켜, 피삭성을 개선하는 것을 의도한 기술이 기재되어 있다. 특허문헌 27에는 고주파 켄칭 강 부품으로의 적용예도 개시되어 있지만, 이러한 흑연이 많이 분산되어 있는 강 소재는, 흑연이 매트릭스에 고용하기 어렵고, 또한 흑연이 존재하고 있었던 장소에 보이드가 생성된다고 하는 문제가 있다. 이로 인해, 이 방법에서는, 신뢰성을 필요로 하는 동력 전달 부품으로서의 여러 특성을 손상시킨다. 흑연의 용입이나 보이드의 해소를 행하는 경우에는 고주파 켄칭 조건을 고온?장시간의 특수한 조건에서 행해야 한다. 이로 인해, 경화층 깊이의 제어가 불가능, 혹은 생산성의 저해라고 하는 문제를 발생시킨다. 이 경우, 상기와 같은 고주파 켄칭의 유리한 특징을 전혀 향수할 수 없다. 따라서, 많은 흑연을 분산시키는 기술은, 동력 전달 부품의 고주파 켄칭 처리에 적용하는 경우에는 실용적인 기술이라고는 말할 수 없다.

일본 특허 출원 공개 소62-112727호 일본 특허 제3239432호 일본 특허 출원 공개 평9-291337호 일본 특허 출원 공개 제2000-319725호 일본 특허 출원 공개 평11-269601호 일본 특허 출원 공개 제2000-144307호 일본 특허 출원 공개 평7-118791호 일본 특허 출원 공개 평11-1749호 일본 특허 제3208960호 일본 특허 제3503289호 일본 특허 제3428282호 일본 특허 제3562192호 일본 특허 제3823413호 일본 특허 제3458604호 일본 특허 제3550886호 일본 특허 제3644217호 일본 특허 제3606024호 일본 특허 제3607583호 일본 특허 출원 공개 제2002-53930호 일본 특허 출원 공개 제2005-163173호 일본 특허 제4390526호 일본 특허 제4390576호 일본 특허 출원 공개 제2009-102733호 일본 특허 출원 공개 평8-73929호 일본 특허 출원 공개 제2004-300551호 일본 특허 출원 공개 제2008-248282호 일본 특허 출원 공개 평11-350066호

본 발명은 상기한 실상에 감안하여, 고주파 켄칭 처리하였을 때의 강 부품의 피로 강도(치면 피로 강도, 이뿌리 피로 강도 등)가 침탄 처리재와 동등 이상이며, 또한 강 부품의 피로 강도의 확보와, 부품 성형 시의 가공성을 양립할 수 있는 고주파 켄칭용 강, 고주파 켄칭용 조형재, 그 제조 방법 및 고주파 켄칭 강 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이하의 기재 중, 고주파 켄칭 강 부품을 제조하는 목적에서 주조되고, 필요에 따라 균열 확산, 분괴 압연 등의 처리가 실시된 강을 고주파 켄칭용 강이라 기재한다. 이 고주파 켄칭용 강에 대하여, 예를 들어 온간 단조, 열간 단조, 열간 압연, 서냉, 어닐링 등의 공정 중 어느 하나 또는 복수를 실시함으로써 조(粗)성형된 중간 소재를 고주파 켄칭용 조형재(강 소재라고도 함;이하 단순히 조형재라고도 기재함)라 기재한다. 또한, 이 조형재에 절삭 가공 및/또는 냉간 단조 등의 가공을 실시하고, 고주파 켄칭과 필요에 따라 그 밖의 공정을 실시함으로써 고주파 켄칭 강 부품이 제조된다.

본 발명자들은, 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 검토를 행하고, 이하의 결과를 발견하였다. (a) 탄소량이 0.75％를 초과하는 고탄소 강 소재의 강도의 지배 인자는 펄라이트의 강도이다. 따라서, 절삭 가공이나 냉간 단조 전의 조형재를 제조할 때에, 적정한 조건에서 어닐링을 행함으로써 펄라이트의 강도가 저하되어 연질화를 도모할 수 있고, 피삭성 및 냉간 단조성을 향상시킬 수 있다. (b) 혹은, 조형재를 열간 가공에 의해 제조하는 경우, 열간 가공 후의 냉각 과정에 있어서 적절한 냉각을 행함으로써 펄라이트의 강도가 저하되어 연질화를 실현할 수 있다. (c) 또한, 강 성분으로서는, 합금 원소를 과잉으로 첨가하지 않고, 또한 종래 강에 비해 Al량을 대폭으로 증가시킴으로써, 탄소량을 증가시켜 절삭 가공 전의 조형재 강도가 증가해도 피삭성의 저하를 억제할 수 있다.

본 발명자들은, 상기한 기술을 적절하게 활용함으로써 본 발명을 완성한 것이며, 그 요지는 하기와 같다.

(1) 본 발명의 일 형태에 관한 고주파 켄칭용 강은, 질량％로, C:0.75％ 초과 내지 1.20％, Si:0.002 내지 3.00％, Mn:0.20 내지 2.00％, S:0.002 내지 0.100％, Al:0.050％ 초과 내지 3.00％를 함유하고, P:0.050％ 이하, N:0.0200％ 이하, O:0.0030％ 이하로 제한하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, Al 및 N의 질량％의 함유량이, Al－(27/14)×N＞0.050％를 만족한다.

(2) 상기 (1)에 기재된 고주파 켄칭용 강은, 질량％로, B:0.0005 내지 0.0050％를 더 함유해도 된다.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 고주파 켄칭용 강은, 질량％로, Cr:0.05 내지 0.30％ 미만, Mo:0.01 내지 1.00％, Cu:0.05 내지 1.00％, Ni:0.05 내지 2.00％ 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유해도 된다.

(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 고주파 켄칭용 강은, 질량％로, V:0.005 내지 0.20％ 미만, Nb:0.005 내지 0.10％, Ti:0.005 내지 0.10％ 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유해도 된다.

(5) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 고주파 켄칭용 강은, 질량％로, Ca:0.0005 내지 0.0030％, Zr:0.0005 내지 0.0030％, Mg:0.0005 내지 0.0030％ 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유해도 된다.

(6) 본 발명의 일 형태에 관한 고주파 켄칭용 조형재는, 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 고주파 켄칭용 강의 조성을 갖고, 상기 고주파 켄칭용 조형재에 포함되는 평균 입경 0.5㎛ 이상의 흑연립의 개수가 40개/㎟ 이하이다.

(7) 본 발명의 일 형태에 관한 고주파 켄칭용 조형재의 제조 방법은, 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 고주파 켄칭용 강을 사용하여, 온간 가공 또는 열간 가공, 냉각, 어닐링의 공정을 순차적으로 행하고, 상기 어닐링에서 어닐링 온도를 680 내지 800℃, 어닐링 시간을 10 내지 360분의 조건에서 행한다.

(8) 상기 (7)에 기재된 고주파 켄칭 강 부품의 제조 방법에서, 상기 냉각 중의, 750 내지 650℃의 온도 범위의 평균 냉각 속도가 300℃/시 이하여도 된다.

(9) 본 발명의 일 형태에 관한 고주파 켄칭용 조형재의 제조 방법은, 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 고주파 켄칭용 강을 사용하여, 열간 가공, 냉각의 공정을 순차적으로 행하고, 상기 냉각 중의, 750 내지 650℃의 온도 범위의 평균 냉각 속도가 300℃/시 이하이다.

(10) 본 발명의 일 형태에 관한 고주파 켄칭 강 부품은, 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 고주파 켄칭용 강을 사용하여 제조되고, 상기 고주파 켄칭 강 부품의 최표면으로부터 50㎛ 깊이의 표층 경화부의 경도가 HV650 이상이며, 비고주파 켄칭부의 경도가 HV180 이상이며, 상기 비고주파 켄칭부에 존재하고 있는 평균 입경 0.5㎛ 이상의 흑연립의 개수가 40개/㎟ 이하이다.

본 발명의 각 형태에 관한 고주파 켄칭용 강, 고주파 켄칭용 조형재, 그 제조 방법 및 고주파 켄칭 강 부품에 따르면, 고주파 켄칭 처리한 강 부품의 피로 강도(치면 피로 강도, 이뿌리 피로 강도 등)가 침탄 처리재와 동등 이상이며, 동시에 부품 성형 시의 가공성도 높다. 이로 인해, 침탄 처리를 고주파 처리에 의해 대체하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 표면 경화 처리를 연속화할 수 있고, 환경으로의 부담을 저하할 수 있고, 부품 정밀도를 향상시킬 수 있다. 이로 인해, 자동차 등의 동력 전달 부품(예를 들어, 기어, 베어링, 샤프트, CVT 시브 등)의 생산 방법의 개량을 통해, 자동차 등의 저비용화, 환경 부하 저감, 고성능화에 크게 공헌할 수 있다.

본 발명자들은, 고탄소 침탄 처리에 있어서의 침탄층의 탄화물의 분산 형태에 미치는 각종 인자에 대해 예의 검토하고, 고주파 켄칭 강으로 침탄 강에 필적하는 피로 강도를 실현하는 방법을 고찰한 결과, 이하의 지식을 얻었다.

(a) 고주파 켄칭 처리를 행하는 조형재의 탄소량을 증가시킬수록 300℃ 템퍼링 경도가 상승하고, 0.75％를 초과하여 C를 첨가하면 침탄 부품에 필적하는 300℃ 템퍼링 경도가 얻어진다. 이에 의해, 고주파 켄칭 처리된 부품에 있어서도 침탄 처리 부품에 필적하는 치면 피로 강도를 확보할 수 있다.

(b) 강의 탄소량이 0.75％를 초과하는 경우, 부품 성형 가공(절삭, 냉간 단조) 전의 조형재의 조직은 대부분이 펄라이트 조직으로 된다. 이로 인해, 조형재의 경도에 대하여, 펄라이트 조직의 강도(펄라이트 라멜라 간격에 관계됨)가 지배적인 영향을 갖는다.

(c) 부품 성형 가공 전의 조형재의 제조 과정에서 적절한 어닐링을 실시함으로써, 미세한 펄라이트 라멜라를 무너뜨려 연질화할 수 있어, 가공성을 개선할 수 있다.

(d) 한편, 부품 성형 가공 전의 조형재를 열간 가공에 의해 제조하는 경우, 열간 가공 후의 냉각을 적절하게 행함으로써, 펄라이트 라멜라 간격을 크게 하고, 연질화할 수 있어, 가공성을 개선할 수 있다.

(e) 상기 (c), (d)의 조합에 의해, 조형재를 더욱 연질화할 수 있고, 가일층의 가공성의 개선, 혹은 어닐링 시간의 단축이 가능해진다.

(f) 종래 강보다도 Al 첨가량을 대폭으로 증가시키고, 동시에 N량을 억제하여, 고용 Al량을 확보함으로써, 절삭 가공 시의 공구 수명을 대폭으로 증가시키고, 조형재의 피삭성을 개선할 수 있다. 종래의 기술에서는 강의 탄소량을 증가시키면 조형재의 경도가 상승하여 절삭 가공을 할 수 없게 되어 있었다. 한편, 본 발명에 따르면, 충분한 고용 Al량을 확보함으로써, 조형재의 경도가 상승해도 절삭 가공이 가능해지고, 강의 탄소량을 증가시키는 것이 가능해진다.

(g) Cr은 θ탄화물(시멘타이트) 중에 농화되어 θ탄화물을 안정화함으로써, 고주파 켄칭 시에 탄화물의 오스테나이트로의 용입을 저해하고, 경화층의 경도 불균일의 원인으로 된다. 이로 인해, Cr을 첨가하는 경우에는, 그 첨가량을 제한한다. V, Nb, Ti를 첨가하는 경우, 과잉의 첨가는 Cr과 마찬가지로 경화층의 경도 불균일의 원인으로 될 뿐만 아니라, 조형재 경도도 상승하고, 가공성이 저하되므로 첨가량을 제한한다.

(h) 고주파 켄칭용 강으로부터 조형재를 제조할 때의 어닐링의 조건에 따라서는, 조형재 내에 흑연립이 발생하는 경우가 있다. 상기 조형재에 대하여 절삭 가공 및/또는 냉간 가공을 행할 때에, 조형재 내에 일정 이상의 사이즈의 흑연립이 일정량 이상 존재하고 있으면, 고주파 켄칭의 단시간 가열에서는 흑연립이 오스테나이트 중에 충분히 용입하지 않으므로, 경화층의 경도 불균일의 원인으로 된다. 또한, 흑연립이 오스테나이트에 용입한 경우라도, 흑연립이 존재하고 있었던 위치에 보이드가 남아, 부품의 특성을 저하시키는 경우가 있다. 이들 이유에 의해, 조형재 내의 흑연의 석출량을 제한할 필요가 있다.

이하, 본 발명에 대해 상세하게 설명한다. 우선, 본 발명의 일 형태에 관한 고주파 켄칭용 강의 각 성분의 한정 이유에 대해 설명한다. 또한, 성분의 함유량％는 질량％를 의미한다.

C:0.75％ 초과 내지 1.20％

C는 고주파 켄칭 후의 표면 경도를 확보하는 작용과, 부품의 코어부의 경도를 확보하기 위해 첨가한다. 통상, 침탄 처리된 부품의 표면 탄소량은 0.80％ 정도이다. 고주파 켄칭 강 부품에 있어서 침탄 부품과 동등한 치면 피로 강도(300℃ 템퍼링 경도)를 얻기 위해서는, 고주파 켄칭용 강의 탄소량을 종래의 경우보다도 증가시킬 필요가 있다. 첨가량이 적으면 침탄 부품에 필적하는 치면 피로 강도가 얻어지지 않으므로, 탄소량은 0.75％를 초과하여 첨가할 필요가 있다. C를 1.20％를 초과하여 첨가하면 조형재의 경도의 상승을 통해 부품의 절삭?단조 등의 가공을 행할 때의 가공성이 현저하게 열화된다. 따라서, 0.75％ 초과 내지 1.20％의 범위로 할 필요가 있다. C량의 적합한 범위는 0.76 내지 0.90％이다.

Si:0.002 내지 3.00％

Si는 고탄소 강에 첨가된 경우, 템퍼링 시에 석출되는 ε탄화물로부터 비교적 조대한 θ탄화물로의 천이를 억제하고, 저온 템퍼링 마르텐사이트 강의 템퍼링 연화 저항을 현저하게 증가시킨다. 이에 의해 강의 치면 피로 강도가 향상된다. 이 효과를 얻기 위해, 본 발명의 고주파 켄칭용 강에는, Si를 0.002％ 이상 첨가할 필요가 있다. 이 효과는 Si의 첨가량이 많을수록 크지만, 3.00％를 초과하여 첨가하면 조형재의 경도의 상승을 통해 부품의 절삭?단조 등의 가공을 행할 때의 가공성이 현저하게 열화된다. 또한, Si는 페라이트를 안정화하기 위해, 3.00％를 초과하여 첨가하면 고주파 켄칭 시에 페라이트가 잔류하고, 균일한 오스테나이트 상이 얻어지지 않게 되고, 이 결과로서, 켄칭 후에 균일한 마르텐사이트 조직이 얻어지지 않게 된다. 따라서, Si량을 0.002 내지 3.00％의 범위로 할 필요가 있다. Si량의 적합한 범위는 0.20 내지 1.50％이다. 특히 흑연량을 규제할 필요가 있는 경우에는, Si량을 0.50％ 미만으로 해도 된다.

Mn:0.20 내지 2.00％

Mn은 강의 켄칭성을 높이는 효과가 있으므로 침탄 켄칭 시에 마르텐사이트 조직을 얻기 위해 유효하다. 이 효과를 얻기 위해, 본 발명의 고주파 켄칭용 강에는 Mn을 0.20％ 이상 첨가할 필요가 있다. 한편, 2.00％를 초과하여 첨가하면 조형재의 경도의 상승을 통해 부품의 절삭?단조 등의 가공을 행할 때의 가공성이 현저하게 열화된다. 따라서, Mn량을 0.20 내지 2.00％의 범위로 할 필요가 있다. Mn량의 적합한 범위는 0.30 내지 1.00％이다.

S:0.002 내지 0.100％

S는 Mn과 결합하여 MnS를 형성하고, 첨가량을 증가시킬수록 피삭성을 향상시키는 효과를 갖는다. 이 효과를 얻기 위해, 본 발명의 고주파 켄칭용 강에는 S를 0.002％ 이상 첨가할 필요가 있다. 한편, 0.100％를 초과하여 첨가하면 MnS가 피로 균열의 전파 경로로 됨으로써 기어 등의 제품의 굽힘 피로 강도가 저하된다. 따라서, S량을 0.002 내지 0.100％의 범위로 할 필요가 있다. S량의 적합한 범위는 0.010 내지 0.050％이다.

Al:0.050％ 초과 내지 3.00％

Al이 조형재 중에 있어서 고용 상태에 있는 경우, 조형재의 절삭 가공에 있어서 공구 수명을 현저하게 개선하는 효과를 갖는다. 이것은, 조형재의 고용 Al이 절삭 중에 산소와 반응하여 경질의 Al₂O₃의 피막을 형성하고, 이 피막이 공구의 마모를 억제하기 때문이다. 이 공구를 보호하는 Al₂O₃의 피막은, 조형재의 고용 Al이 대기 중의 산소, 또는 절삭 오일 중의 산소, 또는 공구 표면의 호모 처리막(Fe₃O₄) 중의 산소와 반응하여 형성된다. 호모 처리막이라 함은 수증기 처리라고도 하고, 공구에 내식성 등을 부여하기 위해, 수증기 중에서 열처리를 행함으로써 생성된, 두께 수㎛의 철 산화막이다(참고:일본 열처리 기술 협회 편저:「열처리 기술 편람」일간 공업 신문사, 도꾜, 2000년 발행, P569 기재). 공구를 보호하는 이 피막이 존재함으로써, 피절삭물(조형재)과 공구의 직접 접촉이 방해되어, 공구의 응착 마모가 억제된다. 종래 기술에 있어서는, 조형재의 경도가 상승하면 공구 마모가 현저하게 증가하므로, 조형재의 탄소량의 증가는 실용상 불가능하였다. 한편, 본 발명에서는, Al을 다량으로 첨가함으로써 조형재의 경도의 상승에 대한 공구 마모의 증가량이 억제되므로, 종래 기술보다도 고주파 켄칭용 강의 탄소량을 증가시켜도 공업 생산이 가능해진다. 또한, Al은 저온 템퍼링 마르텐사이트 강의 템퍼링 거동에 대하여 Si와 마찬가지의 효과를 갖고, 템퍼링 연화 저항을 현저하게 증가시킴으로써 치면 피로 강도를 향상하는 데 유효하다. 이 효과를 얻기 위해, 본 발명의 고주파 켄칭용 강에는, Al을 0.050％ 초과 첨가할 필요가 있다. 한편, Al은 페라이트를 안정화하기 위해, 3.00％를 초과하여 첨가하면 고주파 켄칭 시에 페라이트가 잔류하고, 균일한 오스테나이트 상이 얻어지지 않게 된다. 이 결과로서, 켄칭 후에 균일한 마르텐사이트 조직이 얻어지지 않게 된다. 따라서, Al량을 0.050％ 초과 내지 3.00％의 범위로 할 필요가 있다. Al량의 적합한 범위는 0.100 내지 1.00％이다.

P:0.050％ 이하

P는, 불가피적 불순물이며, 오스테나이트 입계에 편석하여, 구 오스테나이트 입계를 취화시킴으로써 입계 균열의 원인으로 되므로, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 본 발명에서는, 고주파 켄칭용 강의 P량을 0.050％ 이하의 범위로 할 필요가 있다. 본 발명의 과제에 관해 특별히 P량의 하한은 없지만, P량을 0.001％ 이하로 제한하기 위해서는 과잉의 비용이 든다. 따라서, P량의 적합한 범위는 0.001 내지 0.015％이다.

N:0.0200％ 이하

N은 강 중에서 Al과 결합하여 AlN을 형성하고, AlN이 오스테나이트 결정립계를 피닝함으로써 입성장을 억제하고, 조직의 조대화를 방지하는 작용이 있다. 일반적으로, 고주파 가열은 가열 시간이 극히 단시간이므로, 적극적으로 AlN을 이용하지 않는 경우라도 결정립은 조대화되기 어렵다. 그러나 결정립의 미세화를 적극적으로 도모하고자 하는 경우에는 N을 적극적으로 첨가해도 된다. 한편, 과잉으로 첨가하면 1000℃ 이상의 고온 영역에 있어서의 연성이 저하되고, 연속 주조, 압연 시의 수율 저하의 원인으로 된다. 이로 인해, 본 발명에서는, 고주파 켄칭용 강의 N량을 0.0200％ 이하로 제한할 필요가 있다. N량의 적합한 범위는 0.0050 내지 0.0120％이다.

O:0.0030％ 이하

O는 산화물계 개재물을 형성하고, 함유량이 많은 경우에는 피로 파괴의 기점으로 되는 큰 개재물이 증가하고, 피로 특성의 저하의 원인으로 되므로, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 이로 인해 본 발명에서는, 고주파 켄칭용 강의 O량을 0.0030％ 이하로 제한할 필요가 있다. 본 발명의 과제에 관해 특별히 O량의 하한은 없지만, O량을 0.0001％ 이하로 제한하기 위해서는 과잉의 비용이 든다. 따라서, O량의 적합한 범위는 0.0001 내지 0.0015％ 이하이다.

B:0.0005 내지 0.0050％

B는 필요에 따라 본 발명의 고주파 켄칭용 강에 첨가 가능한 임의 성분이다. B는 오스테나이트 중에 고용하고 있는 상태에 있어서, 미량으로 강의 켄칭성을 크게 높이는 효과가 있으므로, 침탄 켄칭 시에 마르텐사이트 조직을 얻기 위해 유효한 원소이다. 이 효과를 얻기 위해, 본 발명에서는, 고주파 켄칭용 강에 0.0005％ 이상의 B를 첨가해도 된다. 한편, 0.0050％를 초과하여 첨가해도 효과가 포화된다. 따라서 B를 첨가하는 경우, B량을 0.0005 내지 0.0050％의 범위로 한다. B량의 적합한 범위는 0.0010 내지 0.0025％이다. 또한, 강 중에 일정량 이상의 N이 존재하고 있는 경우, B가 N과 결합하여 BN을 형성하고, 고용 B량이 감소함으로써 켄칭성을 높이는 효과가 얻어지지 않는 경우가 있으므로, B를 첨가하는 경우에는 N을 고정하는 Ti나 Al을 동시에 적당량 첨가하는 것이 바람직하다.

Cr:0.05％ 내지 0.30％ 미만

Cr은 필요에 따라 본 발명의 고주파 켄칭용 강에 첨가 가능한 임의 성분이다. Cr은 펄라이트 변태에 있어서, 라멜라 간격을 현저하게 미세화시키는 효과가 있으므로, 조형재의 경도가 크게 증가하고, 가공성을 열화시킨다. 또한, θ탄화물 중에 농화되어 안정화함으로써, 고주파 켄칭 시의 탄화물의 오스테나이트로의 용입을 저해하고, 경화층의 경도 불균일의 원인으로 된다. 따라서, Cr을 첨가하는 경우에는, Cr 첨가량을 0.30％ 미만으로 제한한다. 한편, Si, Al 첨가량이 많고, 또한 어닐링 시간이 긴 경우에는 θ탄화물이 흑연화되고, 고주파 켄칭성이 저하되는 경우가 있다. 이로 인해, 이것을 방지하는 목적에서, 본 발명에서는, 고주파 켄칭용 강에 Cr을 소량 첨가해도 된다. 흑연화의 방지에 필요한 Cr량의 하한값은 0.05％이다. 따라서, Cr을 첨가하는 경우에는, Cr 첨가량을 0.05％ 내지 0.30％ 미만의 범위로 한다. Cr량의 적합한 범위는 0.10 내지 0.20％이다.

Mo:0.01 내지 1.00％

Mo는 필요에 따라 본 발명의 고주파 켄칭용 강에 첨가 가능한 임의 성분이다. Mo는 강의 켄칭성을 높이는 효과가 있으므로, 침탄 켄칭 시에 마르텐사이트 조직을 얻기 위해 유효한 원소이다. 이 효과를 얻기 위해, Mo를 0.01％ 이상 첨가해도 된다. 한편, 1.00％를 초과하여 첨가하면 첨가 비용이 과대해지는 동시에, 조형재의 경도의 상승을 통해 부품의 절삭?단조 등의 가공을 행할 때의 가공성이 현저하게 열화되므로, 공업 생산상 바람직하지 않다. 따라서, Mo를 첨가하는 경우, Mo량을 0.01 내지 1.00％의 범위로 한다. Mo량의 적합한 범위는 0.10 내지 0.60％이다. 또한, 특히 절삭?단조 시의 가공성을 조금이라도 열화시키지 않고, 가능한 한 켄칭성을 높이고자 하는 경우에는, Mo를 미량으로 첨가하는 것이 바람직하다. 즉, 첨가량을 0.01 내지 0.05％ 미만의 범위로 하면, 조형재의 경도의 상승에 의한 가공성의 저하는 실질상 무시할 수 있을 만큼 작은 것으로 되고, 또한 명확한 켄칭성 향상 효과도 얻어진다. 이 이유는, Mo는 소량의 첨가에서도 비교적 큰 켄칭성 향상 효과를 나타내는 원소이기 때문이다. 특히 B를 복합 첨가하면, 미량의 첨가에서도 켄칭성 향상 효과에 대하여 큰 복합 첨가 효과가 얻어진다.

Cu:0.05 내지 1.00％

Cu는 필요에 따라 본 발명의 고주파 켄칭용 강에 첨가 가능한 임의 성분이다. Cu는 강의 켄칭성을 높이는 효과가 있으므로, 침탄 켄칭 시에 마르텐사이트 조직을 얻기 위해 유효하다. 이 효과를 얻기 위해, Cu를 0.05％ 이상 첨가해도 된다. 그러나 1.00％를 초과하여 첨가하면 1000℃ 이상의 고온 영역에 있어서의 연성이 저하되고, 연속 주조, 압연 시의 수율 저하의 원인으로 된다. 따라서, Cu를 첨가하는 경우, 첨가량을 0.05 내지 1.00％의 범위로 한다. 첨가 Cu량의 적합한 범위는 0.010 내지 0.50％이다. 또한, 고온 영역의 연성을 개선하기 위해, Cu를 첨가하는 경우에는 Cu 첨가량의 1/2 이상의 양의 Ni를 동시에 첨가하는 것이 바람직하다.

Ni:0.05 내지 2.00％

Ni는 필요에 따라 본 발명의 고주파 켄칭용 강에 첨가 가능한 임의 성분이다. Ni는 강의 켄칭성을 높이는 효과가 있으므로 침탄 켄칭 시에 마르텐사이트 조직을 얻기 위해 유효한 원소이다. 이 효과를 얻기 위해, Ni를 0.05％ 이상 첨가해도 된다. 한편, 2.00％를 초과하여 첨가하면 첨가 비용이 과대해져, 공업 생산상 바람직하지 않다. 따라서, Ni를 첨가하는 경우, 첨가량을 0.05 내지 2.00％의 범위로 한다. Ni량의 적합한 범위는 0.40 내지 1.60％이다.

V:0.005 내지 0.20％ 미만

V는 필요에 따라 본 발명의 고주파 켄칭용 강에 첨가 가능한 임의 성분이다. V는 강 중에서 N, C와 결합하여 V(C, N)을 형성하고, V(C, N)이 오스테나이트 결정립계를 피닝함으로써 입성장을 억제함으로써 조직의 조대화를 방지하는 작용이 있다. 이 효과를 얻기 위해, V를 0.005％ 이상 첨가해도 된다. 한편, 0.20％ 이상 첨가하면 조형재의 경도의 상승을 통해 부품의 절삭?단조 등의 가공을 행할 때의 가공성이 현저하게 열화된다. 또한, V(C, N)의 생성량이 과대해져, 고주파 켄칭 시에 경화층의 경도 불균일의 원인으로 된다. 따라서, V를 첨가하는 경우, 첨가량을 0.005 내지 0.20％ 미만의 범위로 한다. V량의 적합한 범위는 0.05 내지 0.10％이다.

Nb:0.005 내지 0.10％

Nb는 필요에 따라 본 발명의 고주파 켄칭용 강에 첨가 가능한 임의 성분이다. Nb는 강 중에서 N, C와 결합하여 Nb(C, N)을 형성하고, Nb(C, N)이 오스테나이트 결정립계를 피닝함으로써 입성장을 억제함으로써 조직의 조대화를 방지하는 작용이 있다. 이 효과를 얻기 위해, Nb를 0.005％ 이상 첨가해도 된다. 한편, 0.10％를 초과하여 첨가하면 조형재의 경도의 상승을 통해 부품의 절삭?단조 등의 가공을 행할 때의 가공성이 현저하게 열화된다. 또한, Nb(C, N)의 생성량이 과대해져, 고주파 켄칭 시에 경화층의 경도 불균일의 원인으로 된다. 따라서, Nb를 첨가하는 경우, 첨가량을 0.005 내지 0.10％의 범위로 한다. Nb량의 적합한 범위는 0.010 내지 0.050％이다.

Ti:0.005 내지 0.10％

Ti는 필요에 따라 본 발명의 고주파 켄칭용 강에 첨가 가능한 임의 성분이다. Ti는 강 중에서 N, C와 결합하여 Ti(C, N)을 형성하고, Ti(C, N)이 오스테나이트 결정립계를 피닝함으로써 입성장을 억제함으로써 조직의 조대화를 방지하는 작용이 있다. 이 효과를 얻기 위해, Ti를 0.005％ 이상 첨가해도 된다. 한편, 0.10％를 초과하여 첨가하면 조형재의 경도의 상승을 통해 부품의 절삭?단조 등의 가공을 행할 때의 가공성이 현저하게 열화된다. 또한, Ti(C, N)의 생성량이 과대해져, 고주파 켄칭 시에 경화층의 경도 불균일의 원인으로 된다. 따라서, Ti를 첨가하는 경우, 첨가량을 0.005 내지 0.50％의 범위로 한다. Ti량의 적합한 범위는 0.015 내지 0.050％이다.

Ca, Zr, Mg:0.0005 내지 0.0030％

Ca, Zr, Mg는 필요에 따라 본 발명의 고주파 켄칭용 강에 첨가 가능한 임의 성분이다. Ca, Zr, Mg는, 모두, MnS의 형태 제어 및 절삭 시의 절삭 공구 표면에 있어서의 보호 피막 형성을 통해 강의 피삭성을 향상시키는 작용이 있다. 이 효과를 얻기 위해, Ca, Zr, Mg 중 어느 1종 또는 2종 이상을 각각 0.0005％ 이상 첨가해도 된다. 한편, 0.0030％를 초과하여 첨가하면, 조대한 산화물이나 황화물을 형성하여 부품의 피로 강도에 악영향을 주는 경우가 있다. 따라서, Ca, Zr, Mg를 첨가하는 경우, 첨가량은 0.0005 내지 0.0030％의 범위로 한다. Ca, Zr, Mg 합계 첨가량의 적합한 범위는 0.0008 내지 0.0020％이다.

본 발명에서는, 상기 성분 외에, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에서, Pb, Te, Zn, Sn 등을 첨가할 수 있다. Pb, Te, Zn, Sn은 필요에 따라 본 발명의 고주파 켄칭용 강에 첨가 가능한 임의 성분이다. 본 발명의 효과를 손상시키지 않기 위해서는, 이들 첨가 성분의 첨가량의 상한을 각각, Pb:0.50％ 이하, Te:0.0030％ 이하, Zn:0.50％ 이하, Sn:0.50％ 이하로 하면 된다.

Al－(27/14)×N＞0.050％

전술한 바와 같이, Al은 강 중에 있어서 고용 상태에 있는 경우, 강 부품의 절삭 가공에 있어서 공구 수명을 현저하게 개선하는 효과를 가지므로, 0.050％ 초과 내지 3.00％의 범위에서 첨가한다. 한편, Al은 강 중의 N과 결부되어 AlN을 형성하고, 석출물의 형태를 취하는 경우가 있다. 그러나 석출물로서 존재하고 있는 Al은 공구 수명의 개선에 유효하지는 않다. 특히 본 발명과 같이, 열간 단조 후에 서냉을 행하는 경우나, 절삭 가공 전에 어닐링을 실시하는 경우에는, 열간 단조 후에 방냉하는 공정에 비해 AlN이 석출되기 쉽다. 따라서, 고용 상태의 Al량을 확실하게 확보하기 위해서는, Al을 AlN을 형성한다고 예측되는 양보다도 과잉으로 첨가할 필요가 있고, 이를 위해서는 Al과 N의 관계식을 규정할 필요가 있다. 즉, 고용 Al량의 지표의 식인 「Al－(27/14)×N」의 값이 0.050％를 초과하고 있으면, 확실하게 공구 수명의 개선 효과를 얻을 수 있다. 본 발명의 고주파 켄칭용 강에 대해 「Al－(27/14)×N」의 이론적인 상한값은 3.00％이며, 적합 범위는 0.100 내지 1.00％이다.

본 발명의 일 형태에 관한 고주파 켄칭용 조형재에서는, 강 성분 및 어닐링 조건의 조정에 의해, 충분한 치면 피로 강도와 가공성을 양립한다. 또한, 조대한 흑연립의 발생을 억제하고, 평균 입경 0.5㎛ 이상의 흑연립의 개수를 40개/㎟ 이하로 한다. 조형재 중의 흑연립의 양이 이 범위이면, 이 조형재에 고주파 켄칭을 행한 후, 경화층의 경도가 균일해지고, 흑연립에 기인하는 보이드의 발생을 억제할 수 있다. 본 발명에 관한 고주파 켄칭용 강을 사용하여 조형재를 제조할 때에, 적절한 조건에서 어닐링을 행하면, 평균 입경 0.5㎛ 이상의 흑연립의 개수를 0개/㎟로 하는 것도 가능하다. 즉, 강 조성에 따라서는, 주조 후, 과도한 제냉을 행하거나, 어닐링 온도 600℃ 내지 720℃의 온도 영역에서, 300분 이상의 어닐링을 행하면 흑연이 생성될 가능성이 있으므로, 이러한 온도 영역에서 과도하게 장시간의 어닐링을 행하는 것을 피하면, 흑연의 생성을 억제할 수 있다.

고온, 장시간의 어닐링을 행하는 경우, 고주파 켄칭용 강의 조성을 조정하고, 하기의 수학식 1로 규정되는 흑연화 상수 CE를 1.8 이하로 하는 것이 바람직하다. 특히 고온의 어닐링을 행하는 경우에는, CE를 1.28 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

[수학식 1]

또한, 수학식 1에서, C, Si, Mn, Al, Cu, Ni, Cr, Mo, B는, 고주파 켄칭용 강에 포함되는 각 원소의 질량％를 나타낸다.

본 발명의 일 형태에 관한 고주파 켄칭 조형재의 제조 방법에서는, 상기한 조성을 갖는 고주파 켄칭용 강에 대하여, 온간 가공 또는 열간 가공, 냉각, 어닐링의 공정을 순차적으로 행한다. 상기 어닐링의 가열 온도는 680 내지 800℃, 가열 시간은 10 내지 360분의 조건에서 행한다. 이들 조건을 이용하는 이유를 이하에 설명한다.

온간 가공의 예로서는 온간 단조, 열간 가공의 예로서는 열간 단조, 혹은 열간 압연을 들 수 있다. 종래 기술에 관한 탄소량이 비교적 적은 강에 온간 가공 또는 열간 가공을 실시하여 조형재를 제조하면, 이 조형재의 조직은 주로(95％ 이상) 페라이트 또는 펄라이트 조직으로 된다. 이 경우, 조형재의 경도는 연질의 페라이트의 양이나, 페라이트 자체의 경도에 크게 영향을 받는다. 이러한 조형재를 연질화시키는 대책으로서는, 가공과 열처리를 조합하여 페라이트 분율을 크게 하는 방법이나, 페라이트를 고용 강화하는 원소의 첨가량을 억제하는 방법 등이 있다.

이에 대해, 본 발명의 고주파 켄칭용 강에서는 탄소량이 0.75％를 초과한다. 이로 인해, 이 강을 사용하여, 조형재를 온간 단조, 열간 단조, 또는 열간 압연 중 어느 하나에 의해 제조해도, 조형재의 조직은 대부분이 펄라이트에서 극히 소량의 페라이트 조직을 포함하거나, 또는 실질적으로 모두(95％ 이상)가 펄라이트 조직으로 된다. 따라서, 이러한 조형재의 강도에는 펄라이트 조직의 강도가 지배적인 영향을 갖는다. 펄라이트 조직의 강도는 펄라이트의 라멜라 간격에 관계된다. 펄라이트를 주로 포함하는 강의 연질화를 위해서는 어닐링에 의해 미세한 펄라이트 라멜라의 형태를 변화시키고, θ탄화물이 조(粗)분산된 조직으로 하는 것이 극히 유효하다. 즉, 어닐링에 의한 연질화의 효과는, 저?중탄소 강의 페라이트 및 펄라이트 조직의 경우보다도, 고탄소 강의 펄라이트 조직의 경우 쪽이 크다. 또한, 어닐링의 가열 온도가 낮으면 펄라이트 라멜라의 형태가 거의 변화되지 않으므로 충분한 연질화 효과가 얻어지지 않는다. 이로 인해, 680℃ 이상의 온도에서 어닐링을 행할 필요가 있다. 일반적으로, 가열 온도가 높을수록 미세한 펄라이트 라멜라가 무너지는 동시에 θ탄화물이 조분산된다. 그러나 어닐링 온도가 800℃를 초과하는 경우에는, 오스테나이트의 생성량이 많아지고, 어닐링 온도로부터 냉각될 때에 다시 미세한 라멜라를 갖는 펄라이트로 변태하므로, 연질화 효과가 얻어지지 않게 된다. 따라서, 어닐링 온도를 680 내지 800℃의 범위로 할 필요가 있다. 적합한 어닐링 온도의 범위는 700 내지 770℃이다. 어닐링의 가열 시간이 지나치게 짧으면 펄라이트 라멜라의 형태가 거의 변화되지 않으므로 충분한 연질화 효과가 얻어지지 않기 때문에, 어닐링의 가열을 10분 이상 행할 필요가 있다. 한편, 어닐링의 가열을 360분을 초과하여 행하는 경우에는 생산성이 저하되므로, 공업 생산상 바람직하지 않다. 따라서, 어닐링의 가열 시간은 10 내지 360분의 범위로 할 필요가 있다. 어닐링의 가열 시간의 적합한 범위는 30 내지 300분이다. 또한, 어닐링 후의 냉각 조건에 대해서는 특별히 규정하지 않지만, 작은 냉각 속도로 냉각(서냉)한 쪽이 강이 보다 연질화되므로, 필요에 따라 서냉을 행하는 것이 바람직하다. 750 내지 650℃의 온도 범위의 평균 냉각 속도의 적합한 범위는 300℃/시 이하이다.

본 발명의 다른 일 형태에 관한 고주파 켄칭용 조형재의 제조 방법에서는, 상기한 조성을 갖는 고주파 켄칭용 강에 대하여, 열간 가공, 냉각의 공정을 순차적으로 행한다. 상기 열간 가공에 계속되는 냉각 공정에 있어서, 750 내지 650℃의 온도 범위의 평균 냉각 속도를 300℃/시 이하로 한다. 이 형태에서는, 반드시 어닐링은 행하지 않는다. 이 냉각 조건을 이용하는 이유를, 이하에 서술한다.

상술한 바와 같이, 조형재의 경도는 펄라이트 조직의 강도의 영향(펄라이트 라멜라 간격)이 지배적이며, 그 연질화를 위해서는 어닐링이 극히 유효하다. 그러나 부품의 제조 비용이나 생산성의 개선을 위해서는, 어닐링을 생략한 쪽이 유리하다. 이로 인해, 열간 단조, 혹은 열간 압연의 열간 가공에 계속되는 냉각 속도를 조정하고, 펄라이트 변태 온도 영역을 서냉하고, 고온에서 펄라이트 변태를 시킴으로써 펄라이트 라멜라 간격을 증가시켜, 강 조직을 연질화할 수도 있다. 또한, 이러한 서냉을 행함으로써, 펄라이트 변태가 완료된 후에도 계속해서 고온 영역에 체류하게 되므로, 어닐링과 마찬가지의 효과도 얻을 수 있다. 서냉을 행하는 온도 범위가 750℃를 초과하는 경우에는 펄라이트 변태가 일어날 수 없는 온도 영역을 서냉하게 되므로 연질화의 효과가 얻어지지 않는다. 또한 서냉을 행하는 온도 범위가 650℃ 미만인 경우에는, 펄라이트 변태가 저온에서 개시하게 된다. 이로 인해, 펄라이트 라멜라 간격의 증가가 불충분해져, 연질화도 불충분해질 뿐만 아니라, 서냉에 의한 펄라이트 변태 후의 어닐링 효과도 작아진다. 따라서, 서냉을 행하는 온도 범위를 750 내지 650℃의 범위로 할 필요가 있다. 서냉을 행하는 온도 범위의 적합한 범위는 740 내지 680℃의 범위이다. 또한, 평균 냉각 속도가 300℃/시를 초과하는 경우에는 펄라이트 변태가 완료된 후에 계속해서 고온 영역에 체류시키는 시간이 부족하여 어닐링 효과가 작아진다. 따라서, 서냉을 행하는 온도 범위에서의 평균 냉각 속도를 300℃/시 이하로 할 필요가 있다. 서냉을 행하는 온도 범위에서의 평균 냉각 속도의 적합한 범위는 200℃/시 이하이다. 상기에서 한정한 냉각 속도는 750 내지 650℃의 사이의 평균 냉각 속도이며, 반드시 연속적으로 냉각을 행할 필요는 없고, 상기한 여러 조건을 만족하는 조건이면 냉각의 과정에서 일정 온도로 유지 기간이 있어도 된다. 생산성을 확보하기 위해, 평균 냉각 속도의 하한은 80℃/시 이상이 바람직하다.

상기와 같이 서냉을 행하는 경우, 냉각 후의 어닐링을 행하지 않아도 되지만, 서냉에 전술한 조건의 어닐링을 조합하여 행해도 된다. 이 경우, 서냉이나 어닐링을 단독으로 행하는 경우보다도 더욱 큰 연질화의 효과가 얻어진다.

본 발명의 일 형태에 관한 고주파 켄칭 강 부품은, 상기한 어느 하나의 제조 방법으로 제조한 고주파 켄칭용 조형재에 대하여, 절삭 가공 및/또는 냉간 가공, 고주파 켄칭을 실시하고, 필요에 따라 저온 템퍼링 처리를 더 실시하여 제조한다. 이 강 부품은, 최표면으로부터 50㎛ 깊이의 표층 경화부의 경도가 HV650 이상, 또한 비고주파 켄칭부의 경도가 HV180 이상으로 되도록 제조한다. 이들의 한정의 이유를 이하에 설명한다. 본 발명의 강 부품의 예로서는, 자동차, 건설 기계?농기, 발전용 풍차, 그 밖의 산업 기계 등에 사용되고 있는 동력 전달 부품(예를 들어, 기어, 베어링, CVT 시브, 샤프트) 등을 들 수 있다.

CVT 시브, 베어링류 등의 부품에는, 피로 특성이나 내마모성을 부여하기 위해, 표면 경화 처리가 실시된다. 본 발명에 관한 강 부품에서는, 고주파 켄칭 처리가 이 표면 경화 처리에 상당한다. 이 처리에 의해 침탄 부품에 필적하는 피로 특성이나 내마모성을 확보하기 위해서는, 표층의 경도를 침탄 부품의 정도로 높일 필요가 있다. 표층의 경도의 대표값으로서 최표면으로부터 50㎛의 깊이의 경도를 선택하였다. 이 부위의 경도가 HV650 이상이면 통상의 침탄 부품에 필적하는 경도라고 판단할 수 있고, 이 경우, 침탄 부품에 필적하는 피로 특성이나 내마모성을 얻을 수 있다. 본 발명에 관한 강 조성 및 제조 방법으로 얻어지는 부품의 고주파 켄칭부의 경도의 적합한 상한은 HV950 정도이다. 상기 부위의 경도의 적합한 범위는 HV700 이상이다.

고주파 켄칭(전자기 유도 켄칭)의 처리 조건의 상세한 것은 부품 형상 등에 따라 다르고, 공지의 일반적 방법을 이용할 수 있다. 본 발명에 적합한 고주파 켄칭의 예로서, 예를 들어, 링 형상의 코일을 사용하여 주파수 10 내지 500㎑, 처리 시간 0.1 내지 20초의 조건에서 전자기 유도에 의한 켄칭을 행하고, 그 후 수냉에 의한 켄칭을 행하고, 경화 깊이를 0.2 내지 2.5㎜로 하는 조건을 이용할 수 있다. 전자기 유도에 의한 가열을 행할 때에는, 경화층 깊이의 균질화나 기어의 윤곽 켄칭을 위해 피처리 부품을 100 내지 2000rpm으로 회전시켜도 된다. 또한, 급속?단시간의 가열을 행하기 위해, 미리 저주파 전자기 유도에 의해 A1점 이하 온도 영역에 예열을 행해도 된다.

고주파 켄칭에 의한 경화는, 처리 조건에 의해, 고주파 켄칭 강 부품의 표면으로부터 깊이 0.1㎜ 내지 3㎜ 정도의 범위까지 미칠 수 있고, 이 이상의 깊이의 강 내부(코어부)에서는 의미 있는 경화는 일어나지 않는다. 이러한 비경화 부분을 비고주파 켄칭부로 한다. 따라서, 비고주파 켄칭부의 경도는, 고주파 켄칭 전의 조형재의 경도와 실질적으로 동등하다. 이 비고주파 켄칭부의 경도는, 내부 기점의 피로 강도나, 기어의 저(低)사이클 피로 강도에 관계되므로, 과도하게 낮은 것은 바람직하지 않다. 한편, 고주파 켄칭 강 부품 전체의 강도는, 고주파 켄칭 깊이를 조정함으로써도 향상시킬 수 있으므로, 통상 침탄 부품과 비교하면, 내부의 경도가 어느 정도 낮아도 된다. 특히 저사이클 피로 강도를 담보하기 위해, 비고주파 켄칭부의 경도를 HV180 이상으로 할 필요가 있고, 그 적합 범위는 HV200 이상이다. 본 발명에 관한 조형재는, 경도가 높아도, 고용 Al의 효과에 의해 충분한 가공성을 유지할 수 있으므로, 비고주파 켄칭부의 경도를 충분히 확보하는 것이 가능해진다. 켄칭 전의 가공성을 담보하기 위해, 본 발명에 관한 강 부품의 비고주파 켄칭부의 경도의 적합한 상한은 HV240이다.

본 발명의 상기 형태에 관한 고주파 켄칭 강 부품에 대하여, 고주파 켄칭 처리 후, 또는 고주파 켄칭 및 저온 템퍼링(300℃ 이하) 후에, 숏피닝 처리를 행해도 된다. 숏피닝 처리에 의해 도입되는 부품 표층의 압축 잔류 응력의 증가는 피로 균열의 발생, 진전을 억제하므로, 본 발명의 강에 의해 제조된 부품의 이뿌리 및 치면 피로 강도를 더욱 향상시킬 수 있다. 숏피닝 처리는, 직경이 0.7㎜ 이하인 숏 립을 사용하고, 아크 하이트가 0.4㎜ 이상인 조건에서 행하는 것이 바람직하다.

실시예

이하에, 실시예에 의해 본 발명을 더 설명한다.

표 1에 나타내는 조성을 갖는 전로 용제 강을 연속 주조에 의해 제조하고, 필요에 따라, 균열 확산 처리, 분괴 압연 공정을 거쳐 한 변이 162㎜인 압연 소재로 하였다. 다음으로 열간 압연에 의해 직경이 45㎜인 막대 강 형상의 고주파 켄칭용 강으로 하였다. 표 1의 비교 강의 해칭, 밑줄 부분은 본 발명의 범위 밖인 것을 나타낸다.

표 1에서, 각 원소의 「-」는 무첨가를 의미한다. 표 중의 밑줄은, 수치가 본 발명의 범위 밖인 것을 나타낸다.

다음으로, 기어의 제조 공정(열이력)을 시뮬레이트하기 위해, 열간 압연 강(고주파 켄칭용 강)에 대하여 표 2의 조건에서 열간 가공 또는 온간 가공 시뮬레이트를 행하였다. 열간 가공 시뮬레이트에 있어서의 가열 온도는 1250℃, 온간 가공 시뮬레이트에 있어서의 가열 온도는 750℃로 하였다. 또한, 열간 가공 또는 온간 가공 시뮬레이트 후, 필요에 따라 표 2의 조건에서 어닐링 처리를 행하였다. 이와 같이 하여 작성한 조형재의 샘플로부터, 45φ×15㎜의 원반 형상의 피삭성 평가용 시험편, 대경부(시험부) 26φ의 롤러 피칭 시험편을 작성하였다.

각 시험 수준의 원반 시험편 중, 1개씩에 대해, 직경 방향 단면에 있어서의 직경의 1/4부의 위치의 비커스 경도 측정하였다. 조형재의 경도가 HV240 초과인 것은 가공성(냉간 단조성, 피삭성)이 떨어진다고 판정하였다.

표 2의 「열간 가공 또는 온간 가공 후의 냉각 속도」는, 750 내지 650℃의 온도 범위에서의 평균 냉각 속도를 나타낸다. 표 2의, 강 No., 열간 단조 후의 냉각 속도, 열간 단조 후 서냉의 종료 온도, 어닐링 조건, 경화층의 경도, 비고주파 켄칭부의 경도의 밑줄은 본 발명의 범위 밖인 것을 의미한다. 조형재의 경도, 조형재를 절삭, 가공할 때의 공구 수명, 고주파 켄칭 강 부품의 경화층의 300℃ 템퍼링 경도, 롤러 피칭 피로 강도의 밑줄은 목표 미달성인 것을 의미한다.

상기한 원반 시험편에 대하여, 표 3에 나타내는 조건에서 피삭성의 평가 시험(공구 수명의 측정)을 행하였다. 피삭성 평가 시험의 조건은, 드릴에 의한 구멍의 총 깊이가 1000㎜에 도달하는 최대의 절삭 속도(m/min)를 구함으로써, 공구 수명의 지표로 하였다. 이 지표가 70m/min에 도달하지 않는 것은 피삭성이 떨어진다고 판정하였다.

상기한 롤러 피칭 시험편에 대하여, 대경부(시험부)에 경화층 깊이가 2㎜로 되는 조건에서 고주파 켄칭 처리를 행하고, 계속해서 150℃×90분의 조건에서 템퍼링 처리를 행한 후, 피로 시험의 시험 정밀도를 향상시키기 위해, 손잡이부에 마무리 가공을 실시하였다. 롤러 피칭 시험은, 대 롤러:SCM420 침탄품?크라우닝 150R, 회전수:2000rpm, 윤활유:트랜스미션 오일, 유온(油溫) 80℃, 미끄럼률:40％, 최대 1000만회의 조건에서 행하고, S?N선도를 작성하여 피로한을 구하고, 롤러 피칭 피로 강도로 하였다. 롤러 피칭 피로 강도가 2600㎫에 도달하지 않는 것은 치면 피로 강도가 떨어진다고 판정하였다.

각 제조 No.에 대해, 상기한 고주파 켄칭?템퍼링 처리를 행한 각 시험 수준의 롤러 피칭 시험편의 1개의 대경부를 절단하고, 단면에 있어서 표층으로부터 50㎛의 부위의 비커스 경도 측정을 행하였다. 이 측정 결과를 켄칭 경화층의 경도로 하였다. 각 제조 No.에 대해, 다른 1개씩의 시험편에 대해 300℃×90분의 조건에서 템퍼링을 더 행하고, 대경부를 절단하고, 단면에 있어서 표층으로부터 50㎛의 부위의 비커스 경도 측정을 행함으로써 300℃ 템퍼링 경도를 구하였다. 300℃ 템퍼링 경도가 HV630에 도달하지 않는 것은 300℃ 템퍼링 경도가 떨어지고, 나아가서는 치면 피로 강도가 떨어진다고 판정하였다.

이들의 평가 결과를 표 2에 나타낸다. 제조 No.1 내지 25의 본 발명예는 모두 목표를 달성하고 있고, 우수한 가공성을 갖고, 또한 치면 피로 강도도 충분하였다. 한편, 제조 No.26은, 강 성분에 관해서는 본 발명의 범위 내였지만, 열간 단조 후의 서냉도 어닐링도 행하고 있지 않으므로 조형재의 경도가 높아, 가공성이 떨어져 있었다. 제조 No.27은 어닐링 온도가 지나치게 낮고, 제조 No.28은 어닐링 온도가 지나치게 높으므로 조형재의 경도가 높아, 가공성이 떨어져 있었다. 제조 No.29는 열간 단조 후의 냉각 속도가 지나치게 크고, 또한 어닐링 온도도 지나치게 낮으므로 조형재의 경도가 높아, 가공성이 떨어져 있었다. 제조 No.30, 31은 탄소량이 적으므로 조형재의 경도가 낮아, 가공성은 우수하지만, 300℃ 템퍼링 경도가 낮고, 롤러 피칭 피로 강도도 낮았다. 제조 No.32는 Cr의 첨가량이 지나치게 많으므로 서냉이나 어닐링에 의한 연질화 효과가 충분히 얻어지지 않아, 가공성이 떨어진다. 또한, 고주파 켄칭 시의 탄화물의 오스테나이트로의 용입이 불충분하므로, 충분한 경화층의 경도가 얻어지지 않고, 그 영향으로 300℃ 템퍼링 경도도 낮고, 롤러 피칭 피로 강도도 낮았다. 제조 No.33은 V의 첨가량이 지나치게 많으므로 서냉이나 어닐링에 의한 연질화 효과가 충분히 얻어지지 않아, 가공성이 떨어진다. 또한, 고주파 켄칭 시의 탄화물의 오스테나이트로의 용입이 불충분하므로, 충분한 경화층의 경도가 얻어지지 않고, 그 영향으로 300℃ 템퍼링 경도도 낮고, 롤러 피칭 피로 강도도 낮았다. 제조 No.34, 35, 36은 Al의 첨가량이 지나치게 적으므로, 고용 Al에 의한 공구 수명의 개선 효과를 얻을 수 없었다. 이로 인해, 조형재의 경도가 낮았음에도 불구하고 절삭 가공 시의 공구 수명이 떨어져 있었다. 제조 No.37은 C의 첨가량이 지나치게 많았으므로 서냉이나 어닐링을 실시해도 목표의 값까지 연질화시킬 수 없어, 가공성이 떨어져 있었다. 제조 No.38에 대해, 강 V의 개개의 강 성분에 관해서는 본 발명의 범위였지만, CE값이 본 발명의 권장값을 초과하고 있었다. 이로 인해, 조형재의 단계에서 본 발명의 범위를 초과하는 수의 흑연이 석출하고 있었다. 이에 의해, 고주파 켄칭 후의 경화층의 경도 및 경화층의 300℃ 경도가 부족하였다. 또한, 경화층에 있어서, 원래 흑연립이 있었던 위치에 보이드가 생성되므로, 롤러 피칭 피로 강도도 낮았다. 제조 No.39는 강 성분계에 관해서는 본 발명의 범위였지만, 조형재를 작성할 때의 어닐링 시간이 매우 길었으므로, 본 발명의 범위를 초과하는 수의 흑연이 석출하고 있었다. 이에 의해, 고주파 켄칭 후 경화층의 경도 및 경화층의 300℃ 경도가 부족하였다. 또한, 흑연의 석출에 의해 조형재의 경도가 저하됨으로써, 고주파 켄칭 후의 비고주파 켄칭부의 경도도 필연적으로 낮고, 또한 경화층에 보이드가 존재하고 있음으로써, 롤러 피칭 피로 강도도 낮았다.

본 발명의 각 형태에 관한 고주파 켄칭용 강, 고주파 켄칭용 조형재, 그 제조 방법 및 고주파 켄칭 강 부품은, 자동차, 건설 기계?농기, 발전용 풍차, 그 밖의 산업 기계 등에 사용되고 있는 동력 전달 부품(예를 들어, 기어, 베어링, CVT 시브, 샤프트) 등에 적용할 수 있고, 부품 성형 시의 가공성과 고주파 켄칭 처리한 강 부품의 피로 강도의 양립을 실현할 수 있다. 이로 인해, 침탄 처리를 고주파 처리에 의해 대체하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 표면 경화 처리를 연속화할 수 있고, 환경으로의 부담을 저하할 수 있고, 부품 정밀도를 향상시킬 수 있다.

Claims

질량％로,
C:0.75％ 초과 내지 1.20％,
Si:0.002 내지 3.00％,
Mn:0.20 내지 2.00％,
S:0.002 내지 0.100％,
Al:0.050％ 초과 내지 3.00％를 함유하고,
P:0.050％ 이하,
N:0.0200％ 이하,
O:0.0030％ 이하로 제한하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
Al 및 N의 질량％의 함유량이, Al－(27/14)×N＞0.050％를 만족하는 것을 특징으로 하는, 고주파 켄칭용 강.
제1항에 있어서, 질량％로, B:0.0005 내지 0.0050％를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 고주파 켄칭용 강.
제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로, Cr:0.05 내지 0.30％ 미만, Mo:0.01 내지 1.00％, Cu:0.05 내지 1.00％, Ni:0.05 내지 2.00％ 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 고주파 켄칭용 강.
제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로, V:0.005 내지 0.20％ 미만, Nb:0.005 내지 0.10％, Ti:0.005 내지 0.10％ 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 고주파 켄칭용 강.
제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로, Ca:0.0005 내지 0.0030％, Zr:0.0005 내지 0.0030％, Mg:0.0005 내지 0.0030％ 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 고주파 켄칭용 강.
제1항 또는 제2항에 기재된 고주파 켄칭용 강의 조성을 갖는 고주파 켄칭용 조형재이며,
상기 고주파 켄칭용 조형재에 포함되는 평균 입경 0.5㎛ 이상의 흑연립의 개수가 40개/㎟ 이하인 것을 특징으로 하는, 고주파 켄칭용 조형재.
제1항 또는 제2항에 기재된 고주파 켄칭용 강을 사용하여, 온간 가공 또는 열간 가공, 냉각, 어닐링의 공정을 순차적으로 행하고,
상기 어닐링에서 어닐링 온도를 680 내지 800℃, 어닐링 시간을 10 내지 360분의 조건에서 행하는 것을 특징으로 하는, 고주파 켄칭용 조형재의 제조 방법.
제7항에 있어서, 상기 냉각 중의, 750 내지 650℃의 온도 범위의 평균 냉각 속도가 300℃/시 이하인 것을 특징으로 하는, 고주파 켄칭용 조형재의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 기재된 고주파 켄칭용 강을 사용하여, 열간 가공, 냉각의 공정을 순차적으로 행하고,
상기 냉각 중의, 750 내지 650℃의 온도 범위의 평균 냉각 속도가 300℃/시 이하인 것을 특징으로 하는, 고주파 켄칭용 조형재의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 기재된 고주파 켄칭용 강을 사용하여 제조한 고주파 켄칭 강 부품이며,
상기 고주파 켄칭 강 부품의 최표면으로부터 50㎛ 깊이의 표층 경화부의 경도가 HV650 이상이며,
비고주파 켄칭부의 경도가 HV180 이상이며,
상기 비고주파 켄칭부에 존재하고 있는 평균 입경 0.5㎛ 이상의 흑연립의 개수가 40개/㎟ 이하인 것을 특징으로 하는, 고주파 켄칭 강 부품.