KR20130035281A

KR20130035281A - 고주파 켄칭용 강

Info

Publication number: KR20130035281A
Application number: KR1020137006621A
Authority: KR
Inventors: 하지메 사이또오; 도시하루 아이소; 마사유끼 하시무라; 아쯔시 미즈노; 마나부 구보따
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2010-01-05
Publication date: 2013-04-08
Also published as: TWI502076B; TWI412606B; US20110002807A1; TW201350590A; BRPI1001251B1; CN104726798A; WO2010082454A1; EP2381003A4; BRPI1001251A2; RU2010138630A; KR101340729B1; TW201037089A; JP4659139B2; EP2381003A1; CN101960035A; EP2381003B1; KR20100105796A; JPWO2010082454A1; RU2455382C2

Abstract

이 고주파 켄칭용 강은, 질량％로, C : 0.40％ 이상 0.75％ 이하, Si : 0.002％ 이상 3.0％ 이하, Mn : 0.20 이상 2.0％ 이하, S : 0.002％ 이상 0.1％ 이하, Al : 0.10％ 초과 3.0％ 이하, P : 0.030％ 이하 및 N : 0.035％ 이하를 함유하고, 잔량부로서 Fe 및 불가피 불순물을 포함한다.

Description

고주파 켄칭용 강 {STEEL FOR HIGH-FREQUENCY HARDENING}

본 발명은 피삭성이 우수한 고주파 켄칭용 강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기어나 자동차용의 CVT(Continuously Variable Transmission)나 CVJ(Constant Velocity Joint)의 부품 등에 사용되는 고주파 켄칭용 강에 관한 것이다.

본원은 2009년 1월 16일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2009-007757호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

종래, 자동차용 기어는 표면 경화 처리를 실시하여 사용되는 경우가 많고, 표면 경화법으로서는, 침탄, 질화 및 고주파 켄칭이 채용되어 있다. 이 중에서, 「침탄」은, 매트릭스가 고인성이고 재료의 표층을 고탄소화함으로써 경화하는 것을 목표로 하는 것으로, 피로 강도의 향상을 목적으로 한 기어나 자동차용의 CVT나 CVJ의 부품 등의 재료에 주로 적용된다. 그러나, 침탄 처리는 가스 분위기 중에서의 뱃치 처리가 주류를 이루고 있고, 예를 들어 930℃ 근방에서 몇 시간 이상의 가열 유지를 갖는 것 등과 같이 많은 에너지와 비용이 소비된다. 또한, 실조업에 있어서는, 침탄재의 처리 등으로 인해 환경의 악화를 수반하는 경향이 있는 등의 문제 외에, 인라인화가 곤란한 것 등의 문제도 있었다.

따라서, 이들 문제의 해결을 위해, 고주파 켄칭 처리만으로 원하는 강도 특성을 선택하기 위한 연구가 이루어지게 되었다. 왜냐하면, 고주파 켄칭은 표면 경화 처리 시간의 단축이나 에너지의 저감, 또는 환경의 클린화에 매우 유리하기 때문이다.

상기 과제를 해결하는 고주파 켄칭 처리에 관한 발명으로서는, 예를 들어 특허 문헌 1에는 고주파 켄칭용 강에 관한 제안이 게재되어 있다. 이는, Si를 0.50％ 이하, Al을 0.10％ 이하로 제한하여, 고주파 켄칭 전의 금속 조직에 있어서 마르텐사이트의 면적분율을 70％ 이상으로 제어하는 강재를 제공하는 것이다. 이 방법에 따르면, 확실히, 강도는 현저하게 향상되지만, 가공성, 특히 피삭성은 극히 열악해진다. 지금까지 침탄하여 부품을 제조하는 경우의 강재로서는, JIS SCr420이나 SCM420 등의 C량이 0.2％ 전후인, 소위 기소강(肌燒鋼)이 사용되고 있지만, C가 낮은 강재를 사용하는 최대 이유는 피삭성의 확보이다. 이들 강재는 부품으로 가공된 후, 침탄 켄칭되므로, 표면 경도가 높아져 부품의 강도가 얻어진다. 그러나, 고주파 켄칭되는 부품에 대해 적절한 표면 경도를 얻기 위해서는, 강재 자체의 C량을 0.4％ 이상으로 높여야만 한다. 이 경우, 절삭 전의 강재의 경도가 단단해져, 절삭성이 열화되어 버린다. C량이 증가하여 강재가 단단해져도 절삭성이 좋은 강재가 필요하다. 즉, 지금까지 침탄하여 제조한 부품을 고주파 켄칭으로 제조한다고 하는 기술 분야에 있어서, 최대의 과제는 강재의 피삭성이라고 할 수 있다.

피삭성을 올리기 위한 과거의 발명에 주목하면, 특허 문헌 2는 피삭성을 개선한 발명이 제안되어 있다. 이는 B를 0.0050％ 이상 또한 N을 0.007％ 이상으로 대량으로 첨가하는 BN 쾌삭강이다. 강도를 필요로 하지 않고 면 거칠기 등의 피삭성만을 향상시키는 JIS SUM11 등의 저C강(C를 저농도 포함하는 강)에는, 이 기술은 적용할 수 있지만, 본 발명의 주목적으로 하는 중ㆍ고C강(C를 중, 고농도 포함하는 강)에 이와 같은 대량의 B와 N을 첨가하면 열간 취성이 현저해져, 강재의 제조가 곤란해진다. 또한, 강재의 특성으로 해도, 인성이나 피로 강도의 점에서 현저하게 떨어져 버린다. 이로 인해, 적절한 강이 아니다.

따라서, 피삭성과 피로 강도를 겸비한 발명으로서는, 특허 문헌 3 및 특허 문헌 4가 있다. 특허 문헌 3은 성분을 조정하여, 페라이트 조직과 펄라이트 조직의 합계의 조직분율을 90％ 이상으로 하고, 또한 페라이트 조직의 최대 두께가 30㎛로 되도록 제어함으로써, 피삭성과 피로 강도가 겸비된다고 하는 발명이다. 그러나, 페라이트 조직과 펄라이트 조직의 합계의 조직분율이 90％ 이상인 강은 다수 있지만, 그것만으로는 피삭성의 향상은 불충분하고, 합금 원소에 의한 새로운 개량이 필요하다. 특허 문헌 4는 MnS의 어스펙트비를 10 이하로 작게 하고, 또한 강재의 중심부까지 고주파 가열한다고 하는 조건을 추가함으로써, 피삭성과 피로 강도를 향상시킨다고 하는 발명이다. 이와 같은 MnS의 어스펙트비를 내리고 피삭성이나 피로 강도를 올린다고 하는 방법은 종래부터 잘 알려진 방법이다. 그러나, 이 방법으로는 불충분하고, 합금 원소에 의한 새로운 개량이 필요하다. 또한, 고주파 켄칭법에도 제한을 추가하는 것이면, 실용적인 이용은 한정되어 버린다고 하는 결점이 있다.

특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공개 제2007-131871호 공보 특허 문헌 2 : 일본 특허 출원 공개 제2007-107020호 공보 특허 문헌 3 : 일본 특허 출원 공개 제2006-28598호 공보 특허 문헌 4 : 일본 특허 출원 공개 제2007-16271호 공보

본 발명은 상기에 기재한 종래의 발명의 결점을 개선하여, 피삭성이 우수한 고주파 켄칭강을 제공하는 것을 목적으로 한다. 특히, 기어나 자동차용의 CVT나 CVJ 등에 사용되는 부품의 제조 공정을 침탄 처리로부터 고주파 켄칭 처리로 전환하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은 이와 같은 과제를 해결하기 위해 상세한 검토를 행한 결과, 종래 강에 비해 Al량을 대폭으로 늘리고, 또한 Al량, N량을 적절하게 제어함으로써, 강도를 유지하면서 피삭성을 향상시킬 수 있는 것을 발견하여, 본 발명의 완성에 이르렀다. 즉, 본 발명이 그 요지로 하는 점은 이하와 같다.

본 발명의 고주파 켄칭용 강은, 질량％로, C : 0.40％ 이상 0.75％ 이하, Si : 0.002％ 이상 3.0％ 이하, Mn : 0.20 이상 2.0％ 이하, S : 0.002％ 이상 0.1％ 이하, Al : 0.10％ 초과 3.0％ 이하, P : 0.030％ 이하 및 N : 0.035％ 이하를 함유하고, 잔량부로서 Fe 및 불가피 불순물을 포함한다.

본 발명의 고주파 켄칭용 강에서는, 질량％로, B : 0.0004％ 이상 0.005％ 이하를 더 함유해도 좋다.

질량％로, Ti : 0.004％ 이상 0.10％ 이하를 더 함유해도 좋다.

질량％로, Cr : 0.05％ 이상 1.50％ 이하 및 Mo : 0.05％ 이상 0.6％ 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종의 원소를 더 함유해도 좋다.

질량％로, Nb : 0.005％ 이상 0.2％ 이하 및 V : 0.01％ 이상 1.0％ 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종의 원소를 더 함유해도 좋다.

질량％로, Sb : 0.0005％ 이상 0.0150％ 이하, Sn : 0.005％ 이상 2.0％ 이하, Zn : 0.0005％ 이상 0.5％ 이하, Te : 0.0003％ 이상 0.2％ 이하, Bi : 0.005％ 이상 0.5％ 이하 및 Pb : 0.005％ 이상 0.5％ 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 원소를 더 함유해도 좋다.

질량％로, Mg : 0.0002％ 이상 0.003％ 이하, Ca : 0.0003％ 이상 0.003％ 이하, Zr : 0.0003％ 이상 0.005％ 이하 및 REM : 0.0003％ 이상 0.005％ 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 원소를 더 함유해도 좋다.

질량％로, Ni : 0.05％ 이상 2.0％ 이하 및 Cu : 0.01％ 이상 2.0％ 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종의 원소를 더 함유해도 좋다.

본 발명의 고주파 켄칭용 강에 따르면, C 함유량이 0.40％ 이상 0.75％ 이하이고, 또한 Al 함유량이 0.10 초과 내지 3.0％이므로, 고주파 켄칭용 강의 강도를 유지하면서 피삭성을 개선할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는, 특히 기어나 자동차용의 CVT나 CVJ 등에 사용되는 부품의 제조 공정을 침탄 처리로부터 고주파 켄칭 처리로 전환할 수 있는 강을 제공할 수 있다.

도 1은 강재의 Al량과 공구 수명의 관계를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다.

본 발명의 강 성분을 한정한 이유를 설명한다. 여기서 성분의 함유 단위의 ％는, 질량％를 의미한다.

C : 0.40％ 이상 0.75％ 이하

C에는, 고주파 켄칭 후의 표면 경도를 확보하는 작용과 강(코어부)에 원하는 강도를 확보하는 작용이 있다. C의 함유량이 0.40％를 하회하면, 상기 작용에 의한 원하는 효과가 얻어지지 않는다. 한편, 0.75％를 초과하여 C를 함유시키면, 인성이 열화되게 되어, 압연재가 자연 균열되는 등의 제조상의 문제가 발생한다. 따라서, C 함유량은 0.40％ 내지 0.75％로 정하지만, 상기 효과를 보다 안정적으로 확보하기 위해서는 0.50％ 내지 0.65％로 조정하는 것이 바람직하다.

Al : 0.10 초과 내지 3.0％

Al은, 본 발명의 강에 있어서 가장 중요한 원소이므로, 상세하게 설명한다.

C : 0.50％ 이상 0.60％ 이하, Si : 0.002％ 이상 0.80％ 이하, Mn : 0.50％ 이상 0.9％ 이하, S : 0.005％ 이상 0.1％ 이하, Al : 0.010％ 이상 3.5％ 이하, N : 0.001％ 이상 0.035％ 이하 및 P : 0.030％ 이하를 함유하고, 잔량부로서 Fe 및 불가피 불순물을 포함하도록 성분을 조정한 다수의 잉곳을 제조하여 50φ의 압연 소재를 제조하였다. 이와 같이 성분 조정하여 압연 소재의 경도를 200 내지 220HV 정도의 범위 내로 하였다. 이들 소재로부터 45φ × 15㎜의 원반 시료를 제작하였다.

이들 시료에 대해, 표 1에 나타내는 조건으로 피삭성 시험[카타야마 쇼 저 「실패하지 않는 피삭재ㆍ공구재의 견해ㆍ선택 방법」 닛칸고교(日刊工業) 신문사, 도쿄, 2007년 발행 P.27에 기재된 시험 방법]을 행하였다. 일정한 드릴의 회전 속도(m/min)로, 총 깊이 1000㎜의 구멍을 원반 시료에 형성하였다. 절삭 중에 드릴이 파손되지 않았던 경우, 새로운 드릴을 사용하여, 더욱 빠른 드릴의 회전 속도로 총 깊이 1000㎜의 구멍을 형성하였다. 이 작업을, 절삭 중에 드릴이 파손될 때까지 행하였다. 그리고, 절삭 중에 드릴이 파손되지 않았던 회전 속도 중, 최대의 회전 속도[드릴에 의한 구멍의 총 깊이가 1000㎜에 달하는 최대의 절삭 속도(m/min)]를 피삭성의 평가에 사용하였다. 이는 공구 수명을 평가하는 시험이고, 최대의 절삭 속도가 빠를수록, 공구가 파손되기 어렵고, 강이 피삭성이 우수한 것을 알 수 있다.

시험 결과를 도 1에 나타낸다. 도 1로부터, Al량이 0.10％ 초과 3.0％ 이하일 때에 우수한 공구 수명이 얻어지는 것을 알 수 있었다.

상기한 실험 결과로부터, 공구 수명을 향상시키기 위한 Al량은, 0.10％ 초과 3.0％ 이하로 한다.

이와 같은 흥미로운 결과가 얻어진 원인의 상세는 불분명하지만, 본 발명자들은 절삭 시험 후의 공구 표면을 EPMA나 오제 전자 분광법에 의해 조사한 바, 신품의 공구 표면에는 관찰되지 않았는데도, 절삭 후의 공구 표면에 Al₂O₃가 생성되어 있는 것을 알 수 있었다. 이 점에서, 강 중의 Al이, 절삭 중에 공구 표면에 부착되어, 공기 중의 산소 혹은 절삭유 중에 함유하는 산소 혹은 하이스(고속도 공구강) 드릴 표면의 호모 처리막(Fe₃O₄)(호모 처리는, 수증기 처리라고도 칭하고, 공구에 내식성 등을 부여하기 위해, 수증기 중에서 열처리하여, 두께 수㎛의 철 산화막을 생성시키는 처리이다. 참고 : 일본 열처리 기술 협회 편저 : 「열처리 기술 편람」 닛칸고교 신문사, 도쿄, 2000년 발행 P.569 기재) 중의 산소와 반응하여, 공구 표면에 경질의 Al₂O₃막이 생성되었다고 생각된다.

Al₂O₃는 경도가 약 3000HV로, 하이스 드릴 공구강(경도 약 700HV)보다도 단단해 마모되기 어렵다. 또한, 통상, 강재와 공구가 동일한 재질(철)인 경우, 접촉 부분에서 응착이 발생하여, 공구가 마모되기 쉬워진다(응착 마모). 이에 대해 Al₂O₃가 개재되면, 동일한 재질(철)끼리의 접촉을 저감시킬 수 있어, 공구의 마모를 억제할 수 있다. 따라서, 이 Al₂O₃막이 응착 마모를 억제함으로써 공구 수명이 향상되었다고 추찰하였다.

종래의 Pb를 포함하는 쾌삭강에서는, Pb의 융점은 약 330℃로 낮기 때문에, 절삭 가공 중의 승온에 의해 용이하게 용융되어, 공구와 절삭 칩의 계면에서 윤활 작용을 일으켜 응착을 억제한다. 또한, Pb의 용융에 의한 연성 저하를 위해, 날 끝 부근에서의 연성 파괴를 일으키기 쉽게 하여, 절삭에 필요한 소성 가공 에너지를 작게 함으로써 피삭성이 향상된다. 그러나, 건강에는 바람직하지 않아 Pb를 사용하지 않은 쾌삭 원소가 요구된다. 종래의 S를 포함하는 쾌삭강에서는, MnS가 고온에서 크게 변형되어 공구와 절삭 칩의 계면으로 부착되는 것에 의한 윤활 작용과, 공구 날 끝에 있어서 MnS가 파괴의 기점으로 되어 연성 파괴를 촉진하는 것의 2개의 효과로 피삭성이 향상된다. 그러나, MnS는 열간 단조 시에 전신(展伸)되므로, 단조 방향에 대해 수직 방향의 연성 인성 등의 기계 특성을 저하시키는 문제가 있다.

이에 대해, 본 발명의 강에서는 공구 표면에 Al₂O₃막이 형성되어, 공구의 마모가 억제된다고 생각된다.

일반적으로, 강재의 경도가 단단한 경우, 공구 수명이 저하되지만, 동일한 정도의 경도의 강재를 비교하면, 본 발명의 강에서는 공구 수명을 연장시키는 효과가 있다.

Al량의 바람직한 범위는 0.11％ 이상 3.0％ 이하이다. 보다 바람직하게는, Al량은 0.15％ 이상 2.9％ 이하이고, 더욱 바람직하게는, Al량은 0.2％ 이상 1.1％ 이하이다.

본 실시 형태는, 고주파 켄칭용 강이지만, 고주파 켄칭에서는, 통상, 강의 표면 2 내지 3㎜의 두께를 A₁점[페라이트상(α상)으로부터 오스테나이트상(γ상)으로의 변태점] 이상의 온도로 가열하여, 계속해서 수냉한다. 이에 의해, 표면층을 마르텐사이트(경도 약 600HV 이상)로 한다.

Al 함유량이 많아지면, A₁점이 높아지지만, Al 함유량이 3.0％ 초과인 경우, 고주파 켄칭에서는 상변태가 발생하지 않게 되어 버린다. 따라서, 고주파 켄칭의 점에서도, Al 함유량을 3.0％ 이하로 할 필요가 있다.

또한, Al은, 통상, 탈산재로서 기능하고, 그 결과, 약 0.001 내지 0.002％의 Al₂O₃이 강 중에 잔류한다. 여기서, Al₂O₃으로 되는 Al은 27 × 2/(27 × 2 ＋ 16 × 3)이다. 남은 Al의 일부는 N과 결합하여, AlN으로 된다. AlN으로 된 Al은 고용하기 어렵고, 공기 중의 산소, 절삭유 중에 함유하는 산소, 혹은 하이스 드릴 표면의 호모 처리막(Fe₃O₄) 중의 산소와 반응하기 어렵다고 생각된다.

따라서, 고용 Al의 함유량(AlN을 제외한 Al량)이 0.1％ 초과인 것이 바람직하다. 이로 인해, 이하의 관계식을 만족시키는 것이 바람직하다.

[％Al] － (27/14) × [％N] － 0.001 ＞ 0.10％

여기서, 식 중, []는 원소의 함유량(질량％)을 의미한다. 또한, 상기 식은 강을 제조할 때에 열처리 등을 행하여, 강 중의 N이 모두 Al과 결합되어 있다고 가정하고 얻어지는 식이다.

Si : 0.002％ 이상 3.0％ 이하

Si는, 제강 시의 탈산재로서 함유시키는 동시에 강재의 강도 향상 원소이고, 요구 강도에 따라서 그 함유량이 조절된다. 단, Si 함유량은 탈산 작용을 유효하게 하기 위해서는 0.002％ 이상의 함유량이 필요하다. 한편, 3.0％ 초과에서는 강재의 인성, 연성이 낮아지는 동시에, 강 중에 경질 개재물이 다수 생성되어, 강재의 피삭성도 저하된다. 그로 인해, Si 함유량은 0.002％ 이상 3.0％ 이하로 정한다. Si량의 바람직한 범위는 0.3％ 이상 3.0％ 이하이다. 보다 바람직하게는, Si량은 0.4％ 이상 2.5％ 이하이고, 더욱 바람직하게는, Si량은 0.5％ 이상 2.2％ 이하이다. Si량은 0.6％ 이상 2.1％ 이하로 하면, 강도가 우수하다. Si량은 0.8％ 이상 2.0％ 이하로 하면, 강도가 더욱 우수하다.

*Mn : 0.20 내지 2.0％

Mn은, Si와 마찬가지로 강재의 강도 향상 원소이며, 요구 강도에 따라서 그 함유량이 조절된다. 따라서, 이 작용을 유효하게 하기 위해 0.20％ 이상의 함유량을 확보할 필요가 있다. 단, Mn 함유량이 2.0％ 초과에서는, 켄칭성이 지나치게 향상되어, 소재 제조 시에 베이나이트 조직 혹은 섬 형상 마르텐사이트 조직의 생성이 촉진되어, 가공성이 저하되게 된다. 따라서, Mn의 범위는 0.20％ 이상 2.0％ 이하이다.

본 실시 형태의 강을 절삭하여 부품 형상을 제조하고, 그 후, 고주파 켄칭하는 경우, 절삭 공정까지는 강이 비교적 연하고, 고주파 켄칭에 의해, 원하는 경도로 되는 것이 바람직하다. 이와 같은 우수한 가공성을 실현하기 위해서는, Mn의 함유량을 0.40 내지 1.5％로 하는 것이 바람직하고, 0.45 내지 1.0％로 하는 것이 더욱 바람직하다.

S : 0.002％ 이상 0.1％ 이하

S는, 최저한의 피삭성을 확보하기 위해 0.002％ 이상은 필요하다. 한편, S가 0.1％ 초과로 함유하는 경우, 인성이나 피로 강도의 열화를 초래한다. 따라서, S는 0.002％ 이상 0.1％ 이하로 한다. 기어의 용도로 사용하는 경우, S 함유량은, 바람직하게는 0.005 내지 0.06％이고, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.05％이다.

P : 0.030％ 이하

P는, 경화층의 인성을 열화시킨다. 특히 P 함유량이 0.030％ 초과에서는, 현저한 인성의 열화를 초래하게 되므로, P 함유량은 0.030％ 이하로 정한다. P 함유량은, 바람직하게는 0.0001％ 내지 0.030％이고, 더욱 바람직하게는 0.0001％ 내지 0.020％로 조정하는 것이 좋다.

N : 0.035％ 이하

0.035％ 초과의 N의 첨가는 열간 취성을 현저하게 열화시켜, 압연 강재의 제조가 극히 곤란해진다. 따라서, N은 0.035％ 이하로 제한한다.

또한, N은, Al과 반응하여 AlN을 생성하여, 결정립의 조대화를 억제하는 효과가 있다. 일반적으로, 고주파 가열은 통상의 열처리노에서의 가열과는 달리, 가열 시간이 극히 단시간이므로, 그만큼 큰 결정립은 생성하기 어렵다. 그러나, 결정립의 미세화를 적극적으로 도모하고 싶은 경우에는, N 함유량을 0.0001％ 내지 0.035％로 하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.001％ 내지 0.015％ 정도의 양의 N을 첨가하는 것이 좋다. 0.002％ 내지 0.007％ 정도의 양으로 하면, 더욱 바람직하다.

본 발명의 강에서는, 필요에 따라서, 이하에 나타내는 원소를 더 포함하는 것이 바람직하다.

B : 0.0004％ 이상 0.005％ 이하

B는 두가지의 점에서 중요한 원소이다. 하나는, 강에 켄칭성을 부여하는 작용이다. B는 0.0004％ 이상 있으면, 오스테나이트 입계에 충분히 편석하여, 켄칭성이 발현된다. 미량으로 켄칭성이 얻어지고, 또한 저렴하다는 점에서 유용하다. 또 하나는, 결정립계의 강도를 높이는 작용이다. 표층을 고주파 켄칭에 의해 경화하면, 취화되어, 결정립계에서 파괴된다. B는 이것을 억제하는 작용이 있다. 이 경우에도 오스테나이트 입계에 충분히 편석하는 것이 필요하므로, 0.0004％ 이상의 첨가가 필요해진다. 0.005％ 초과의 첨가는 오히려 강재를 무르게 한다. 따라서, B는 0.0004％ 이상 0.005％ 이하로 한다.

특히, 본 발명의 강에서는, Al 함유량이 0.1％ 초과이므로, BN이 생성되기 어렵고, 상기한 B의 작용 효과가 얻어지기 쉽다.

B 함유량은, 바람직하게는 0.0005 내지 0.004％이고, 더욱 바람직하게는 0.001 내지 0.0035％이다. 이 경우, 켄칭성도 우수하고, 기계 특성도 우수한 강이 생긴다.

Ti : 0.004％ 이상 0.10％ 이하

Ti는, 두가지의 점에서 중요한 원소이다. 하나는, 고주파 가열 후의 결정립 직경을 미세화하는 작용이다. 또 하나는, N을 TiN으로서 석출시킴으로써 BN 생성에 의한 고용 B량의 감소를 억제하는 작용이다. 통상, 후자의 목적에서는, Ti의 첨가량은 N량의 3.43배를 필요로 하지만, 본 발명의 강에서는, Al을 많이 함유하고 있으므로, 그만큼의 Ti량은 필요가 없다. Ti 함유량이 0.004％ 미만에서는 양자의 효과가 작다. 한편, Ti 함유량이 0.10％ 초과에서는, 조대한 Ti 개재물이 생성되어, 피로 파괴의 기점이 된다. 따라서, Ti 함유량은 0.004％ 이상 0.10％ 이하로 한다.

Ti 함유량은, 바람직하게는 0.005 내지 0.08％이고, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.03％이다. 이 경우, 고용 B의 켄칭성을 유효하게 활용할 수 있고, 결정립 미세화도 가능하다.

Cr : 0.05％ 이상 1.50％ 이하 및 Mo : 0.05％ 이상 0.6％ 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종

Cr과 Mo는, 강재의 강도 향상 원소이며, 요구 강도 및 부품의 크기에 따라서 소정량 함유해도 좋다.

단, Cr 함유량이 0.05％ 미만에서는, 상기 작용에 의한 원하는 효과를 얻을 수 없다. 한편, Cr 함유량이 1.50％ 초과에서는, 켄칭성이 지나치게 향상되어, 소재(강)의 제조 시에 베이나이트 조직 혹은 섬 형상 마르텐사이트 조직의 생성이 촉진되어, 가공성이 저하되게 된다. 따라서, 첨가할 때에는 0.05％ 이상 1.50％ 이하로 한다. 단, 고주파 가열 시에 시멘타이트를 용이하게 용해시켜, 고용 C를 균일하게 할 필요가 있는 경우에는, Cr 함유량을 0.05％ 이상 0.2％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Mo는, 0.05％ 미만에서는 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Mo 함유량이 0.6％ 초과에서는, 켄칭성이 지나치게 향상되어, 소재(강)의 제조 시에 베이나이트 조직 혹은 섬 형상 마르텐사이트 조직의 생성이 촉진되어, 가공성이 저하되게 된다. 따라서, 첨가할 때에는 0.05％ 이상 0.6％ 이하로 한다.

강재의 강도를 향상시킨다고 하는 목적의 경우, Cr과 Mo는 공통의 작용이 있으므로, 어느 1종 또는 2종을 첨가하면 좋다.

Nb : 0.005％ 이상 0.2％ 이하 및 V : 0.01％ 이상 1.0％ 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종

Nb와 V는, 강 중에서 탄질화물을 석출함으로써 결정립계를 피닝하여, 결정립을 미세화시킨다. 그 결과, 결정립계의 강도를 높인다.

Nb가 0.005％ 미만에서는, 석출량이 적기 때문에 입성장의 억제력이 부족한 한편, Nb가 0.2％ 초과에서는, 강의 열간 취성이 늘어나, 제조가 곤란해진다. 따라서, Nb는 0.005％ 이상 0.2％ 이하로 한다.

V가 0.01％ 미만에서는, 석출량이 적기 때문에 입성장의 억제력이 부족하다. 한편, V가 1.0％ 초과에서는, 강의 열간 취성이 늘어나, 제조가 곤란해진다. 따라서, V는 0.01％ 이상 1.0％ 이하로 한다.

Nb와 V는, 동일한 작용을 하는 원소이므로, 어느 1종 또는 2종을 첨가하면 좋다.

Ni : 0.05％ 이상 2.0％ 이하 및 Cu : 0.01％ 이상 2.0％ 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종

Ni도, Cu도 강의 강재의 강도 향상 원소이며, 요구 강도 및 부품의 크기에 따라서 소정량 첨가해도 좋다.

단, Ni 함유량이 0.05％ 미만에서는, 상기 작용에 의한 원하는 효과를 얻을 수 없다. 한편, Ni 함유량이 2.0％ 초과에서는, 켄칭성이 지나치게 향상되어, 소재(강)의 제조 시에 베이나이트 조직 혹은 섬 형상 마르텐사이트 조직의 생성이 촉진되어, 가공성이 저하되게 된다. 따라서, Ni는 0.05％ 이상 2.0％ 이하로 한다.

Cu 함유량이 0.01％ 미만에서는, 상기 작용에 의한 원하는 효과를 얻을 수 없다. 한편, Cu 함유량이 2.0％ 초과에서는, 켄칭성이 지나치게 향상되어, 소재(강)의 제조 시에 베이나이트 조직 혹은 섬 형상 마르텐사이트 조직의 생성이 촉진되어, 가공성이 저하되게 된다. 따라서, Cu는 0.01％ 이상 2.0％ 이하로 한다. 또한, Cu는 열간 취성을 일으키는 폐해도 있으므로, Cu를 첨가하는 경우에는, Cu의 1/2 정도의 양의 Ni를 동시에 첨가하는 것이 바람직하다.

더욱 피삭성을 향상시키는 경우에는, 상기 각 성분에 추가하여, Sb : 0.0005％ 내지 0.0150％, Sn : 0.005％ 내지 2.0％, Zn : 0.0005％ 내지 0.5％, Te : 0.0003％ 내지 0.2％, Bi : 0.005％ 내지 0.5％ 및 Pb : 0.005％ 내지 0.5％로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 원소를 첨가할 수 있다.

Sb : 0.0005％ 이상 0.0150％ 이하

Sb는, 페라이트를 적절하게 취화하여 피삭성을 향상시킨다. Sb 함유량이 0.0005％ 미만에서는, 효과는 인정되지 않는다. 또한, Sb 함유량이 0.0150％를 초과하면, Sb의 매크로 편석이 과다로 되어, 강의 제조가 곤란해진다. 따라서 Sb를 첨가하는 경우에는, 그 함유량을 0.0005％ 이상 0.0150％ 이하로 한다.

Sn : 0.005％ 이상 2.0％ 이하

Sn은, 페라이트를 취화시켜 공구 수명을 연장시키는 동시에, 표면 거칠기를 향상시키는 효과가 있다. 그러나, Sn 함유량이 0.005％ 미만인 경우, 그 효과는 인정되지 않는다. 또한, Sn 함유량이 2.0％ 초과인 경우, 강의 제조가 곤란해진다. 따라서, Sn을 첨가하는 경우에는, 그 함유량을 0.005％ 이상 2.0％ 이하로 한다.

Zn : 0.0005 이상 0.5％ 이하

Zn은, 페라이트를 취화시켜 공구 수명을 연장시키는 동시에, 표면 거칠기를 향상시키는 효과가 있다. 그러나, Zn 함유량이 0.0005％ 미만인 경우, 그 효과는 인정되지 않는다. 또한, Zn 함유량이 0.5％ 초과인 경우, 강의 제조가 곤란해진다. 따라서, Zn을 첨가하는 경우에는, 그 함유량을 0.0005％ 이상 0.5％ 이하로 한다.

Te : 0.0003 이상 0.2％ 이하

Te는 피삭성 향상 원소이다. 또한, MnTe를 생성하거나, MnS와 공존함으로써 MnS의 변형능을 저하시켜, MnS 형상의 연신을 억제하는 작용이 있다. 이와 같이, Te는 이방성의 저감에 유효한 원소이다. 그러나, Te 함유량이 0.0003％ 미만인 경우, 이들의 효과는 인정되지 않는다. 또한, Te 함유량이 0.2％를 초과하면, 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 열간 연성이 저하되어 손상의 원인이 된다. 따라서, Te를 첨가하는 경우에는, 그 함유량을 0.0003％ 이상 0.2％ 이하로 한다.

Bi : 0.005 이상 0.5％ 이하

Bi는, 피삭성 향상 원소이다. 그러나, Bi 함유량이 0.005％ 미만인 경우, 그 효과가 얻어지지 않는다. 또한, Bi 함유량이 0.5％ 초과인 경우, 피삭성 향상 효과가 포화될 뿐만 아니라, 열간 연성이 저하되어 손상의 원인이 된다. 따라서, Bi를 첨가하는 경우에는, 그 함유량을 0.005％ 이상 0.5％ 이하로 한다.

Pb : 0.005 이상 0.5％ 이하

Pb는, 피삭성 향상 원소이다. 그러나, Pb 함유량이 0.005％ 미만인 경우, 그 효과가 인정되지 않는다. 또한, Pb 함유량이 0.5％ 초과인 경우, 피삭성 향상 효과가 포화될 뿐만 아니라, 열간 연성이 저하되어 손상의 원인이 된다. 따라서, Pb를 첨가하는 경우에는, 그 함유량을 0.005％ 이상 0.5％ 이하로 한다.

또한 MnS를 형태 제어하는 경우에는, Mg : 0.0002％ 이상 0.003％ 이하, Ca : 0.0003％ 이상 0.003％ 이하, Zr : 0.0003％ 이상 0.005％ 이하 및 REM : 0.0003％ 이상 0.005％ 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 첨가할 수 있다.

Mg : 0.0002 내지 0.003％

강 부품 중에 존재하는 신장된 MnS는, 강 부품의 기계 특성에 이방성을 부여하거나, 금속 피로의 파괴 기점으로 된다고 하는 결점이 있다. 부품에 따라서는, 피로 강도가 극도로 요구되는 경우가 있고, 이 경우에는, MnS의 형태를 제어하기 위해, Mg의 첨가가 유효하다. Mg은, 강 중에서 (Mg, Mn)S를 생성하여, 경질로 되므로, 압연 중에 연신되지 않으므로 형태 제어할 수 있다. MnS를 형태 제어하기 위해서는, Mg은 적어도 0.0002％ 함유할 필요가 있다. 한편, Mg 함유량이 0.003％ 초과에서는, 산화물을 조대화시켜, 오히려 피로 강도를 열화시킨다. 따라서, Mg을 첨가하는 경우에는, 그 함유량을 0.0002 내지 0.003％로 한다.

Ca : 0.0003 내지 0.003％

Ca도 MnS를 형태 제어하는 데 도움이 되는 원소이다. Ca는, 강 중에서 (Ca, Mn)S를 생성하여, 경질로 되므로, 압연 중에 연신되지 않으므로 형태 제어할 수 있다. MnS를 형태 제어하기 위해서는, Ca는 적어도 0.0003％ 함유할 필요가 있다. 한편, Ca 함유량이 0.003％ 초과에서는, 산화물을 조대화시켜, 오히려 피로 강도를 열화시킨다. 따라서, Ca를 첨가하는 경우에는, 그 함유량을 0.0003 내지 0.003％로 한다.

Zr : 0.0003 내지 0.005％

Zr도 MnS를 형태 제어하는 데 유효한 원소이다. Zr은, 강 중에서 (Zr, Mn)S를 생성하여, 경질로 되므로, 압연 중에 연신되지 않으므로 형태 제어할 수 있다. MnS를 형태 제어하기 위해서는, Zr은 적어도 0.0003％ 함유할 필요가 있다. 한편, Zr 함유량이 0.005％ 초과에서는, 산화물을 조대화시켜, 오히려 피로 강도를 열화시킨다. 따라서, Zr을 첨가하는 경우에는, 그 함유량을 0.0003 내지 0.005％로 한다.

REM : 0.0003 내지 0.005％

REM도 또한 MnS를 형태 제어하는 데 효과적인 원소이다. REM은, 강 중에서 (REM, Mn)S를 생성하여, 경질로 되므로, 압연 중에 연신되지 않으므로 형태 제어할 수 있다. MnS를 형태 제어하기 위해서는, REM은 적어도 0.0003％ 함유할 필요가 있다. 한편, REM 함유량이 0.005％ 초과에서는, 산화물을 조대화시켜, 오히려 피로 강도를 열화시킨다. 따라서, REM을 첨가하는 경우에는, 그 함유량을 0.0003 내지 0.005％로 한다.

또한, REM은 희토류 금속 원소를 나타내고, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu로부터 선택되는 1종 이상이다.

*본 발명의 강은, 상술한 성분을 갖고 있으면, 상술한 작용 효과를 달성할 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 강은, 제조 조건은 특별히 한정되지 않고, 통상의 방법에 의해 제조된다. 통상, 본 발명의 강은, 성분 조정된 슬래브를 열간 압연 또는 냉간 압연하여 얻어진 압연재이다.

본 발명의 강은, 피삭성이 극히 우수한 강이지만, 실시에 있어서의 공정(이 강을 사용하여 부품 등의 제품을 제작하는 공정)은, 압연재(본 발명의 강)를 절삭하여 부품 형상을 제작하고, 계속해서 고주파 켄칭하는 경우, 압연재를 단조한 후, 절삭하여 부품 형상을 제작하고, 계속해서 고주파 켄칭하는 경우, 절삭 전에 어닐링을 더 행하는 경우 등에도 물론 가능하다. 또한, 고주파 켄칭하기 전에 연질화됨으로써 고주파 켄칭 후의 표층 경도를 더욱 높이는 것도 가능하고, 그와 같은 공정에도 본 발명의 강을 적용할 수 있다. 또한, 상기한 복수의 공정과 조합하여 부품을 제조할 수 있는 강이기도 하다.

(실시예)

이하에 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하지만, 이들 실시예는 본 발명을 한정하는 성질의 것은 아니고, 상기, 후기의 취지에 비추어 보아 설계 변경하는 것은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것이다.

이하, 실시예에 기초하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

표 2 내지 표 4에 나타내는 강을 용해, 압연하여, 50φ의 봉강을 제작하였다.

압연 후의 강재를 절단하여, 횡단면을 연마한 후, 표면으로부터 12.5㎜ 깊이의 위치에 있어서 하중 10㎏으로 비커스 경도를 3점 측정하여 평균 경도를 구하였다.

한편, 이들 소재(압연 후의 강재)로부터 45φ × 15㎜의 원반 시료를 제작하였다. 이들 원반 시료에 대해, 표 1에 나타내는 조건으로 피삭성 시험을 행하였다. 전술한 바와 같이, 드릴에 의한 구멍의 총 깊이가 1000㎜에 달하는 최대의 절삭 속도(m/min)를 구하여, 피삭성을 평가하였다. 이는 공구 수명을 평가하는 시험이다.

한편, 이들 소재로부터 17.5φ × 52.5㎜의 원기둥 시료를 제작하였다. 이들 원기둥 시료에 대해, 경화층 깊이가 2㎜로 되는 조건으로 고주파 켄칭을 행하였다. 그 후, 횡단면을 절단, 연마하여, 표층으로부터 0.5㎜ 부위에 300g의 하중으로 비커스 경도를 10점 측정하여, 표층 경도의 평균치를 구하였다. 이는, 특히 기어 등의 각종 부품에 사용되는 경우에, 고주파 켄칭용 강의 강도를 평가하는 지표이다.

시험에 의해 얻어진 압연 강재의 평균 경도, 공구 수명 및 고주파 켄칭 후의 표층 평균 경도의 결과를 표 5, 표 6에 나타낸다.

본 발명예와 비교예의 시험 결과를 압연 강재의 경도 수준마다 비교한다. 이는 피삭성이 경도의 영향을 받으므로, 대략 동일한 경도의 강재로 비교하지 않으면 의미가 없기 때문이다. 시료 번호의 숫자가 동일한 것은, 압연 강재의 경도 수준이 동일한 것인 것을 의미한다.

시료 번호 1A, 1B는 본 발명예이다. 공구 수명이 우수하고, 또한 표층 경도도 HV600 이상 있어, 충분한 강도 특성을 초래하는 강재이다. 시료 번호 1C, 1D는 비교예이다. 시료 번호 1C는 Al량이 본 발명 범위를 하회하였으므로, 공구 수명이 저하된 예이다. 시료 번호 1D는 Al량이 본 발명 범위 내이므로 공구 수명은 우수하지만, C량이 본 발명 범위를 하회하였으므로, 고주파 켄칭 후의 표층 경도가 낮아진 예이다.

시료 번호 2A는 본 발명예이다. Al량이 본 발명 범위 내이고, 또한 Pb도 함유하므로, 공구 수명이 우수하다. 또한, 표층 경도도 HV600 이상 있어, 충분한 강도 특성을 초래하는 강재이다. 시료 번호 2B는 비교예이다. Al량이 본 발명 범위를 하회하였으므로, 공구 수명이 열화된 예이다.

시료 번호 3A, 3B, 3C, 3D는 본 발명예이다. 공구 수명이 우수하고, 또한 표층 경도도 HV600 이상 있어, 충분한 강도 특성을 초래하는 강재이다. 시료 번호 3E는 비교예이다. Al량이 본 발명 범위를 하회하였으므로, 공구 수명이 열화된 예이다.

시료 번호 4A는 본 발명예이다. Al량이 본 발명 범위 내이고, 또한 Sb도 함유하므로, 공구 수명이 우수하다. 또한, 표층 경도도 HV600 이상 있어, 충분한 강도 특성을 초래하는 강재이다. 시료 번호 4B는 비교예이다. Al량이 본 발명 범위를 하회하였으므로, 공구 수명이 열화된 예이다.

시료 번호 5A는 본 발명예이다. Al량이 본 발명 범위 내이고, 또한 Bi도 함유하므로, 공구 수명이 우수하다. 또한, 표층 경도도 HV600 이상 있어, 충분한 강도 특성을 초래하는 강재이다. 시료 번호 5B는 비교예이다. Al량이 본 발명 범위를 하회하였으므로, 공구 수명이 열화된 예이다.

시료 번호 6A는 본 발명예이다. 공구 수명이 우수하고, 또한 표층 경도도 HV600 이상 있어, 충분한 강도 특성을 초래하는 강재이다. 시료 번호 6B 비교예이다. Al량이 본 발명 범위를 하회하였으므로, 공구 수명이 열화된 예이다.

시료 번호 7A는 본 발명예이다. Al량이 본 발명 범위 내이고, 또한 Sn도 함유하므로, 공구 수명이 우수하다. 또한, 표층 경도도 HV600 이상 있어, 충분한 강도 특성을 초래하는 강재이다. 시료 번호 7B는 비교예이다. Al량이 본 발명 범위를 하회하였으므로, 공구 수명이 열화된 예이다.

시료 번호 8A, 8B, 8C, 8D, 8E, 8F, 8G, 8H는 본 발명예이다. 공구 수명이 우수하고, 또한 표층 경도도 HV600 이상 있어, 충분한 강도 특성을 초래하는 강재이다. 시료 번호 8i는 비교예이다. Al량이 본 발명을 하회하였으므로, 공구 수명이 열화된 예이다. 시료 번호 8J는 비교예이다. Al량이 본 발명을 상회하였으므로, 공구 수명이 열화된 예이다.

시료 번호 9A는 본 발명예이다. Al량이 본 발명 범위 내이고, 또한 Zn도 함유하므로, 공구 수명이 우수하다. 또한, 표층 경도도 HV600 이상 있어, 충분한 강도 특성을 초래하는 강재이다. 시료 번호 9B는 비교예이다. Al량이 본 발명 범위를 하회하였으므로, 공구 수명이 열화된 예이다.

시료 번호 10A, 10B, 10C는 본 발명예이다. 공구 수명이 우수하고, 또한 표층 경도도 HV600 이상 있어, 충분한 강도 특성을 초래하는 강재이다. 시료 번호 10D는 비교예이다. Al량이 본 발명을 하회하였으므로, 공구 수명이 열화된 예이다.

시료 번호 11A, 11B, 11C, 11D, 11E, 11F, 11G는 본 발명예이다. Al량이 본 발명 범위 내이므로, 공구 수명이 우수하다. 또한, 표층 경도도 HV600 이상 있어, 충분한 강도 특성을 초래하는 강재이다. 시료 번호 11H는 비교예이다. Al량이 본 발명 범위를 하회하였으므로, 공구 수명이 열화된 예이다.

시료 번호 12A는 본 발명예이다. Al량이 본 발명 범위 내이고, 또한 Te도 함유하므로, 공구 수명이 우수하다. 또한, 표층 경도도 HV600 이상 있어, 충분한 강도 특성을 초래하는 강재이다. 시료 번호 12B는 비교예이다. Al량이 본 발명을 하회하였으므로, 공구 수명이 열화된 예이다.

시료 번호 13A, 13B, 13C는 본 발명예이다. 공구 수명이 우수하고, 또한 표층 경도도 HV600 이상 있어, 충분한 강도 특성을 초래하는 강재이다. 시료 번호 13D는 비교예이다. Al량이 본 발명 범위를 하회하였으므로, 공구 수명이 열화된 예이다. 시료 번호 13E는 비교예이다. Si가 본 발명 범위를 초과하여 포함되므로, 경질 개재물이 증가하여, 공구 수명이 열화된 예이다.

시료 번호 14는 비교예이다. C가 본 발명 범위를 초과하여 함유되었으므로, 인성이 열화되어, 압연 후 자연 균열이 발생한 예이다.

본 발명의 고주파 켄칭용 강은, 강에 절삭 등의 가공 처리를 실시하고, 계속해서 고주파 켄칭하는 부품 등의 제품의 제조 공정에 소재로서 적용되는 강으로서, 적절하게 이용할 수 있다. 특히, 기어나 자동차용의 CVT나 CVJ 등에 사용되는 부품을 고주파 켄칭하여 제조하기 위한 강으로서 적절하게 적용할 수 있다.

Claims

질량％로,
C : 0.40％ 이상 0.75％ 이하,
Si : 0.002％ 이상 3.0％ 이하,
Mn : 0.20 이상 2.0％ 이하,
S : 0.002％ 이상 0.1％ 이하,
Al : 0.10％ 초과 3.0％ 이하,
P : 0.030％ 이하, 및
N : 0.015％ 이하를 함유하고,
또한,
B : 0.0004％ 이상 0.005％ 이하,
Ti : 0.004％ 이상 0.10％ 이하,
Cr : 0.05％ 이상 1.50％ 이하,
Mo : 0.05％ 이상 0.6％ 이하,
Nb : 0.005％ 이상 0.2％ 이하,
V : 0.01％ 이상 1.0％ 이하,
Sb : 0.0005％ 이상 0.0150％,
Sn : 0.005％ 이상 2.0％ 이하,
Zn : 0.0005％ 이상 0.5％ 이하,
Te : 0.0003％ 이상 0.2％ 이하,
Bi : 0.005％ 이상 0.5％ 이하,
Pb : 0.005％ 이상 0.5％ 이하,
Mg : 0.0002％ 이상 0.003％ 이하,
Ca : 0.0003％ 이상 0.003％ 이하,
Zr : 0.0003％ 이상 0.005％ 이하,
REM : 0.0003％ 이상 0.005％ 이하,
Ni : 0.05％ 이상 2.0％ 이하, 및
Cu : 0.01％ 이상 2.0％ 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 함유하고,
잔량부로서 Fe 및 불가피 불순물을 포함하고,
이하의 관계식 (1)을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 고주파 켄칭용 강.
[％Al] － (27/14) × [％N] － 0.001 ＞ 0.10％ (1)
(위 식에서, [％Al] 및 [％N]는 각각 Al 및 N의 함유량(질량%)을 의미한다.)