KR20130121966A

KR20130121966A - 질화용 강 및 질화 부품

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Publication number: KR20130121966A
Application number: KR1020137022889A
Authority: KR
Inventors: 히데키 이마타카; 마사토 유야; 유야 교토쿠; 아츠시 고바야시; 스스무 마에다
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤; 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2012-01-26
Publication date: 2013-11-06
Also published as: JP5597563B2; US10370747B2; JP2012158812A; WO2012105405A1; US20140034194A1; US20170283922A1; CN103348031A; CN103348031B

Abstract

C：0.07~0.14%, Si：0.10~0.30%, Mn：0.4~1.0%, S：0.005~0.030%, Cr：1.0~1.5%, Mo≤0.05%(0%를 포함한다), Al：0.010~0.10% 미만, V：0.10~0.25%를 포함하고, 필요에 따라 Cu≤0.30%, Ni≤0.25%의 1종 이상을 함유함과 더불어〔0.61Mn＋1.11Cr＋0.35Mo＋0.47V≤2.30〕이고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지며, 불순물 중의 P, N, Ti, O가 각각, P≤0.030%, N≤0.008%, Ti≤0.005%, O≤0.0030%인 화학 조성을 가지는 질화용 강은, 질화 전의 절삭 가공이 용이하고, 자동차용 링 기어 등 질화 부품의 소재로서 이용하는데 적절하다. 또, 상기의 화학 조성을 가지고, 표면 경도가 HV：650~900, 심부 경도가 HV≥150, 유효 경화층 깊이≥0.15mm인 질화 부품은, 고가의 원소인 Mo의 함유량을 질량%로 0.05% 이하로 제한해도, 질화 후에 높은 굽힘 피로 강도와 면 피로 강도를 가지며, 게다가 질화에 의한 팽창도 작다고 하는, 뛰어난 특성을 구비하고 있다.

Description

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

본 발명은, 질화용 강 및 질화를 실시한 부품(이하, 「질화 부품」이라 한다.)에 관한 것이다. 자세하게는, 질화 전의 절삭 가공이 용이하고, 질화 후에 높은 굽힘 피로 강도와 면 피로 강도를 가지며, 또한 질화에 의한 팽창(열처리 변형)도 억제할 수 있는, 자동차용 링 기어 등 질화 부품의 소재로서 이용하는데 적절한 질화용 강 및 그 질화 부품에 관한 것이다.

자동차의 트랜스미션에 사용되는 부품에는, 굽힘 피로 강도 향상 및 면 피로 강도 향상의 점으로부터, 통상, 침탄 담금질, 고주파 담금질, 질화 등의 표면 경화 처리가 실시된다.

상기 중에서, 「침탄 담금질」은, 일반적으로 저탄소강을 사용하여, Ac₃점 이상의 고온의 오스테나이트역으로 C를 침입·확산시킨 후, 담금질하는 처리이다. 높은 표면 경도와 깊은 경화층 깊이가 얻어지는 장점이 있지만, 변태를 수반하는 처리이기 때문에, 열처리 변형이 커진다고 하는 문제가 있다. 따라서, 높은 부품 정도(精度)가 요구되는 경우에는, 침탄 담금질 후에 연삭, 호닝 등의 마무리 가공이 필요해진다. 또, 표층에 생성되는 입계 산화층, 불완전 담금질층 등의 이른바 「침탄 이상(異常)층」이 굽힘 피로 등의 파괴 기점이 되어, 피로 강도를 저하시킨다고 하는 문제도 있다.

「고주파 담금질」은, Ac₃점 이상의 고온의 오스테나이트역에 급속 가열, 냉각하여 담금질하는 처리이다. 경화층 깊이의 조정이 비교적 용이하다고 하는 장점이 있지만, 침탄과 같이 C를 침입·확산시키는 표면 경화 처리는 아니다. 이로 인해, 필요한 표면 경도, 경화층 깊이 및 심부 경도를 얻기 위해, 침탄용 강에 비해 C량이 높은 중탄소강을 사용하는 것이 일반적이다. 그러나, 중탄소강은 소재 경도가 저탄소강에 비해 높기 때문에, 피삭성이 저하하는 문제가 있었다. 또, 부품마다 고주파 가열 코일을 제작할 필요가 있다고 하는 문제도 있다.

「질화」는, Ac₁점 이하의 450~650℃ 전후의 온도에서, N을 침입·확산시켜 높은 표면 경도와 적당한 경화층 깊이를 얻는 처리이다. 침탄 담금질 및 고주파 담금질에 비해 처리 온도가 낮기 때문에, 질화에서는, 예를 들어 유랭(油冷)하여도 열처리 변형이 작다고 하는 장점이 있다.

「질화」 중에서도 「연질화」는, Ac₁점 이하의 500~600℃ 전후의 온도에서, N 및 C를 침입·확산시켜 높은 표면 경도를 얻는 처리이며, 열처리 변형이 작을 뿐만 아니라, N만을 침입·확산시키는 경우에 비해 처리 시간이 수시간으로 단시간이기 때문에, 대량 생산에 적절한 처리이다.

그러나, 종래의 질화용 강에는, 하기의 <1> 내지 <4>에 개시되는 문제가 있었다.

<1> 질화는 고온의 오스테나이트역으로부터의 담금질 처리를 행하지 않는 처리이기 때문에, 마텐자이트 변태를 수반하는 강화를 활용할 수 없다. 따라서, 질화 부품에 원하는 강도를 확보하기 위해서는 질화하기 전의 경도를 높게 할 필요가 있다. 그러나, 다량의 합금 원소를 함유시켜 경도를 높였을 경우에는, 절삭이 어려워져 버린다.

<2> 대표적인 질화용 강인 JIS G 4053(2008)에 규정되어 있는 알루미늄 크롬 몰리브덴강(SACM645)은 Cr, Al 등이 표면 부근에 질화물을 생성하기 때문에 높은 표면 경도를 얻을 수 있다. 그러나, 경화층이 얕으므로, 높은 면 피로 강도를 확보할 수 없다. 또, 표면 경도가 너무 높으면, 상대 기어에 대한 공격성이 높아져 버린다.

<3> Mo는, 질화 온도에서 강 중의 C와 결합하여 탄화물을 형성하고, 질화 후의 심부 경도를 향상시키는 원소이다. 그러나, Mo는 고가의 원소이므로, 다량으로 사용하는 것은 경제적으로 바람직하지 않다.

<4> 또, 질화는 침탄 담금질 및 고주파 담금질에 비해 열처리 변형은 작지만, 질화 부품에 원하는 강도를 확보하기 위해 합금 원소를 함유시켰을 경우에는, 질화에 의해 다량의 합금 질화물을 생성하여 질화 부품의 표면이 팽창한다. 이로 인해, 질화라 할지라도 열처리 변형이 커져 버린다. 특히, 자동차용의 링 기어는 얇은 두께의 최종 형상으로 기계 가공하고, 기어 가공을 행한 후에 질화를 행하기 때문에, 적은 열처리 변형으로도 문제가 된다.

질화 부품용 소재로서는, 예를 들어 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2의 기술이 제안되어 있다.

즉, 특허 문헌 1에, 질량%로, C：0.10~0.40%, Si：0.50% 이하, Mn：0.30~1.50%, Cr：0.30~2.00%, V：0.15 초과~0.50%, Al：0.02~0.50%를 함유하고, 필요에 따라 또한, Ni：2.00% 이하, Mo：0.50% 이하, S：0.20% 이하, Bi：0.30% 이하, Se：0.30% 이하, Ca：0.10% 이하, Te：0.30% 이하, Nb：0.50% 이하 및 Ti：1.00% 이하 중 1종 또는 2종 이상을 함유하며, 잔부가 Fe 및 불순물 원소로 이루어지고 페라이트 경도가 HV190 이상의 페라이트 펄라이트 조직으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 「브로치 가공성이 뛰어난 질화 부품용 소재」 및 그 소재를 이용한 「질화 부품의 제조 방법」이 개시되어 있다.

특허 문헌 2에, 질량%로, C：0.10~0.40%, Si：0.50% 이하, Mn：0.30~1.50% 미만, Cr：0.30~2.00%, Al：0.02~0.50%를 함유하고, 필요에 따라 또한, Ni：2.00% 이하, Mo：0.50% 이하, S：0.20% 이하, Bi：0.30% 이하, Se：0.30% 이하, Ca：0.10% 이하, Te：0.30% 이하, Nb：0.50% 이하, Ti：1.00% 이하 및 V：0.50% 이하 중 1종 또는 2종 이상을 함유하며, 잔부가 Fe 및 불순물 원소로 이루어지고 경도가 HV210 이상인 베이나이트 조직으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 「브로치 가공성이 뛰어난 질화 부품용 소재」 및 그 소재를 이용한 「질화 부품의 제조 방법」이 개시되어 있다.

일본국 특허 공개 2005-281857호 공보 일본국 특허 공개 2006-249504호 공보

상기 서술의 특허 문헌 1에서 제안된 질화 부품용 소재는, 그 실시예에 개시되어 있는 바와 같이, 질화 처리 전의 페라이트 경도가 비커스 경도(이하, 「비커스 경도」를 「HV」라고 하는 경우가 있다.)로 192 이상으로 높고, 절삭 속도가 높은 경우에서의 피삭성이 양호하다고는 말하기 어렵다.

특허 문헌 2에서 제안된 질화 부품용 소재에 대해서도, 그 실시예에 개시되어 있는 바와 같이, 질화 처리 전의 베이나이트 경도가 비커스 경도로 218 이상으로 높고, 절삭 속도가 높은 경우에서의 피삭성이 양호하다고는 말하기 어렵다.

본 발명은, 상기 현상을 감안하여 이루어진 것으로서, 질화 전의 절삭 가공이 용이하고, 게다가, 고가의 원소인 Mo의 함유량을 질량%로, 0.05% 이하로 제한하여도, 질화 후에 높은 굽힘 피로 강도와 면 피로 강도를 가지며, 또한 질화에 의한 팽창(열처리 변형)도 억제할 수 있는, 질화 부품의 소재로서 이용하는데 적절한 질화용 강 및 질화 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기한 과제를 해결하기 위해, 여러 가지 검토를 행했다. 그 결과, 하기 (a)~(d)의 지견을 얻었다.

(a) C함유량을 극력 저감함과 더불어, Mo함유량을 낮게 억제함으로써, 질화 처리 전의 피삭성이 향상한다.

(b) C함유량을 낮게함으로써 저하하는 강도는, Mn함유량 및/또는 Cr함유량을 많게 함과 더불어, V를 함유시킴으로써 보충할 수 있다.

(c) Ti함유량 및 N함유량을 제한함으로써, 굽힘 피로 강도와 면 피로 강도에 악영향을 미치는 경질 개재물(TiN)의 생성을 억제할 수 있다.

(d) 질화로 생성되는 합금 질화물에 의해 결정 격자가 일그러져, 부품 표면이 팽창하고 열처리 변형이 발생한다. 이 질화에 의한 팽창(열처리 변형)은, 질화시에 합금 질화물을 형성하는 Mn, Cr, Mo 및 V의 함유량을 적절히 조정함으로써 억제할 수 있다.

본 발명은, 상기의 지견에 근거하여 완성된 것으로서, 그 요지는, 하기 (1) 및 (2)에 개시하는 질화용 강과, (3)에 개시하는 질화 부품에 있다.

(1) 질량%로, C：0.07~0.14%, Si：0.10~0.30%, Mn：0.4~1.0%, S：0.005~0.030%, Cr：1.0~1.5%, Mo：0.05% 이하(0%를 포함한다), Al：0.010% 이상 0.10% 미만 및 V：0.10~0.25%를 함유함과 더불어, 하기의 (1)식으로 표시되는 Fn1이 2.30 이하이며, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물 중의 P, N, Ti 및 O가 각각, P：0.030% 이하, N：0.008% 이하, Ti：0.005% 이하 및 O：0.0030% 이하인 화학 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 질화용 강.

Fn1=0.61Mn＋1.11Cr＋0.35Mo＋0.47V···(1)

단, (1)식 중의 원소 기호는, 그 원소의 질량%로의 함유량을 나타낸다.

(2) Fe의 일부를 대신하여, 질량%로, Cu：0.30% 이하, Ni：0.25% 이하 중 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 질화용 강.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 화학 조성을 가지고, 표면 경도가 비커스 경도로 650~900, 심부 경도가 비커스 경도로 150 이상, 유효 경화층 깊이가 0.15mm 이상인 것을 특징으로 하는 질화 부품.

본 발명에 있어서 「질화」란 N만을 침입·확산시키는 처리뿐만 아니라, N 및 C를 침입·확산시키는 처리인 「연질화」도 포함한다. 즉, 본 발명에 있어서의 「질화」란, JIS B 6905(1995)에 규정된 「2411 질화」뿐만 아니라, 「2421 연질화」도 포함한다.

또한, 잔부로서의 「Fe 및 불순물」에 있어서의 「불순물」이란, 철강 재료를 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것을 가리킨다.

또, 「표면 경도」란, JIS Z 2244(2009)에 기재된 「비커스 경도 시험-시험 방법」에 준거하여, 시험편의 표면으로부터 0.03mm의 깊이 위치에 있어서의 임의의 10점에서의 비커스 경도를, 시험력을 0.98N으로 하여 비커스 경도 시험기로 측정한 값의 산술 평균값을 가리킨다.

「유효 경화층 깊이」란, 시험력을 1.96N으로 하여 시험편 표면으로부터 소정의 간격으로 측정했을 때의 비커스 경도의 분포도(즉, 비커스 경도의 추이 곡선)를 이용하여 구한, 비커스 경도가 420이 되는 위치까지의 표면으로부터의 거리를 가리킨다.

본 발명의 질화용 강은, 질화 전의 절삭 가공이 용이하고, 또 질화에 의한 팽창량이 작다. 게다가, 이 강을 소재로 하는 질화 부품은, 고가의 원소인 Mo의 함유량이 질량%로, 0.05% 이하로 적음에도 불구하고, 높은 굽힘 피로 강도와 면 피로 강도를 구비하고 있다.

도 1은 실시예에서 이용한 팽창량 측정용 시험편의 형상을 도시하는 도이다. 도 중의 치수의 단위는 「mm」이다.
도 2는 실시예에서 이용한 절결 부착 오노식 회전 굽힘 피로 시험편의 봉강으로부터 자른 상태의 거친 형상을 도시하는 도이다. 도 중의 치수의 단위는 「mm」이다.
도 3은 실시예에서 이용한 롤러 피칭 소롤러 시험편의 봉강으로부터 자른 상태의 거친 형상을 도시하는 도이다. 도 중의 치수의 단위는 「mm」이다.
도 4는 실시예에서 이용한 롤러 피칭 대롤러 시험편의 봉강으로부터 자른 상태의 거친 형상을 도시하는 도이다. 이 도 4에 있어서, (a)는 거친 형상의 롤러 피칭 대롤러 시험편을 중심선으로 반 나눴을 경우의 정면도이고, 또 (b)는 중심선에 있어서의 단면도이다. 도 중의 치수의 단위는 「mm」이다.
도 5는 실시예에 있어서, 강 1~12를 소재로 하는 도 1~3에 도시하는 시험편에 실시한 「가스 연질화」와 그 후의 냉각의 히트 패턴을 도시하는 도이다.
도 6은 실시예에 있어서, 강 13을 소재로 하는 도 1~3에 도시하는 시험편에 실시한 「침탄 담금질-뜨임」의 히트 패턴을 도시하는 도이다.
도 7은 실시예에 있어서, 강 13을 소재로 하는 도 4에 도시하는 시험편에 실시한 「침탄 담금질-뜨임」의 히트 패턴을 도시하는 도이다.
도 8은 실시예에서 이용한 절결 부착 오노식 회전 굽힘 피로 시험편의 마무리 형상을 도시하는 도이다. 도 중의 치수의 단위는 「mm」이다.
도 9는 실시예에서 이용한 롤러 피칭 소롤러 시험편의 마무리 형상을 도시하는 도이다. 도 중의 치수의 단위는 「mm」이다.
도 10은 실시예에서 이용한 롤러 피칭 대롤러 시험편의 마무리 형상을 도시하는 도이다. 이 도 10에 있어서, (a)는 롤러 피칭 대롤러 시험편을 중심선으로 반 나눴을 경우의 정면도이고, 또 (b)는 중심선에 있어서의 단면도이다. 도 중의 치수의 단위는 「mm」이다.
도 11은 실시예에 있어서의 「가스 연질화」 또는 「침탄 담금질-뜨임」에 수반하는, 팽창량 측정을 위해 실시한 조사 방법을 설명하는 도이다. 이 도 11에 있어서, (a)는 「가스 연질화」 또는 「침탄」의 전의 상태를, (b)는 「가스 연질화」하고 나서 유랭한 상태 또는 「침탄 담금질-뜨임」한 후의 상태를 도시한다.

이하, 본 발명의 각 요건에 대해 자세하게 설명한다. 또한, 각 원소의 함유량의 「%」는 「질량%」를 의미한다.

(A) 강의 화학 조성

C：0.07~0.14%

C는, 질화 부품의 강도 확보를 위한 필수 원소이며, 0.07% 이상의 함유량이 필요하다. 그러나, C의 함유량이 많아져 0.14%를 초과하면, 질화 전의 경도가 높아져 피삭성의 저하를 초래한다. 이로 인해, C의 함유량을 0.07~0.14%로 했다. 질화 부품의 강도를 보다 안정적으로 확보하기 위해서는, C의 함유량은 0.09% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또, 피삭성이 보다 중시될 때에는, C의 함유량은 0.12% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Si：0.10~0.30%

Si는, 탈산 작용을 가진다. 이 효과를 얻으려면, 0.10% 이상의 Si함유량이 필요하다. 그러나, Si의 함유량이 많아져 0.30%를 초과하면, 질화 전의 경도가 높아져 피삭성이 저하한다. 따라서, Si의 함유량을 0.10~0.30%로 했다. Si의 함유량은 0.12% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 또 0.25% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Mn：0.4~1.0%

Mn은, 질화 부품의 굽힘 피로 강도 및 면 피로 강도를 확보하는 작용과, 탈산 작용을 가진다. 이러한 효과를 얻으려면, 0.4% 이상의 Mn함유량이 필요하다. 그러나, Mn의 함유량이 많아져 1.0%를 초과하면, 질화 전의 경도가 너무 높아져 피삭성이 저하한다. 이로 인해, Mn의 함유량을 0.4~1.0%로 했다. 질화 부품의 강도를 보다 안정적으로 확보하기 위해서는, Mn의 함유량은 0.5% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또, 피삭성이 보다 중시될 때에는, Mn의 함유량은 0.6% 이하로 하는 것이 바람직하다.

S：0.005~0.030%

S는, Mn과 결합하여 MnS를 형성하고, 피삭성을 향상시키는 작용이 있다. 그러나, S의 함유량이 0.005% 미만에서는, 상기의 효과를 얻기 어렵다. 한편, S의 함유량이 0.030%를 초과하면, 거칠고 엉성한 MnS를 형성하고, 열간 단조성 및 굽힘 피로 강도가 저하한다. 그로 인해, S의 함유량을 0.005~0.030%로 했다. 보다 안정적으로 피삭성을 확보하기 위해서는, S의 함유량은 0.010% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또, 열간 단조성 및 굽힘 피로 강도가 보다 중시되는 경우에는, S의 함유량은 0.025% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Cr：1.0~1.5%

Cr는, 질화에서의 표면 경도 및 심부 경도를 높이고, 부품의 굽힘 피로 강도 및 면 피로 강도를 확보하는 작용을 가진다. 그러나, Cr의 함유량이 1.0% 미만에서는 상기의 효과를 얻을 수 없다. 한편, Cr의 함유량이 많아져 1.5%를 초과하면, 질화 전의 경도가 높아져 피삭성이 저하한다. 따라서, Cr의 함유량을 1.0~1.5%로 했다. 질화에서의 표면 경도 및 심부 경도를 보다 안정적으로 높이기 위해서는, Cr의 함유량은 1.1% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또, 피삭성이 보다 중시될 때에는, Cr의 함유량은 1.4% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Mo：0.05% 이하(0%를 포함한다)

Mo는 함유하고 있지 않아도 된다. Mo를 함유하면, Mo가 질화 온도에서 강 중의 C와 결합하여 탄화물을 형성하므로, 질화 후의 심부 경도가 향상한다. 그러나, Mo의 함유량이 많아져 0.05%를 초과하면, 원료 코스트가 비싸질 뿐만 아니라, 질화 전의 경도가 높아져 피삭성이 저하한다. 그로 인해, Mo의 함유량을 0.05% 이하로 했다. 또한, 피삭성이 중시되는 경우는, Mo의 함유량을 0.03% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Al：0.010% 이상 0.10% 미만

Al은, 탈산 작용을 가진다. 또 Al은, 질화시에 표면으로부터 침입·확산하는 N과 결합하여 AlN을 형성하고, 표면 경도를 향상시키는 작용을 가진다. 이러한 효과를 얻으려면, Al을 0.010% 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, Al의 함유량이 많아져 0.10% 이상이 되면, 경질의 Al₂O₃을 형성하여 피삭성이 저하할 뿐만 아니라, 질화에서의 경화층이 얕아져 굽힘 피로 강도나 면 피로 강도가 저하하는 문제가 발생한다. 그로 인해, Al의 함유량을 0.010% 이상 0.10% 미만으로 했다. Al함유량의 바람직한 하한은 0.020%이며, 또 바람직한 상한은 0.070%이다.

V：0.10~0.25%

V는, Mo와 마찬가지로, 질화 온도에서 강 중의 C와 결합하여 탄화물을 형성하고, 질화 후의 심부 경도를 향상시키는 작용을 가진다. 또 V는, 질화시에 표면으로부터 침입·확산하는 N 및/또는 C와 결합하여 질화물 및/또는 탄질화물을 형성하며, 표면 경도를 향상시키는 작용도 가진다. 이러한 효과를 얻으려면 0.10% 이상의 V를 함유할 필요가 있다. 그러나, V의 함유량이 많아져 0.25%를 초과하면, 질화 전의 경도가 너무 높아져 피삭성이 저하할 뿐만 아니라, 열간 단조 및 그 후의 불림에서 매트릭스 중에 V가 고용(固溶)하지 않게 되기 때문에, 상기 효과가 포화한다. 그로 인해, V의 함유량을 0.10~0.25%로 했다. V의 함유량은 0.15% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 또 0.20% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Fn1：2.30 이하

질소와 친화력이 강한 합금 원소는, 질화시에 질소와 결합하여 표층부에 합금 질화물을 생성한다. 합금 질화물은 결정 격자를 일그러뜨리기 때문에, 부품 표면이 팽창하여 열처리 변형이 발생한다. 특히, Mn, Cr, Mo 및 V는 표층부에 합금 질화물을 석출하기 쉬우므로, 이들 원소의 함유량이 비록 상기 서술한 범위에 있더라도, 질화에 의한 팽창(열처리 변형)을 억제할 수 없는 경우가 있다. 그러나, 식 중의 원소 기호를 그 원소의 질량%로의 함유량으로서,

Fn1=0.61Mn＋1.11Cr＋0.35Mo＋0.47V···(1)의 (1)식으로 표시되는 Fn1이 2.30 이하이면, 질화에서의 과잉인 합금 질화물의 석출이 억제되기 때문에, 질화에서의 팽창량이 작아져 열처리 변형을 억제할 수 있다.

따라서, Mn, Cr, Mo 및 V의 합금량에 대해, 이미 서술한 범위 내로 한 후에, 상기의 Fn1이 2.30 이하인 것으로 했다. Fn1은, 1.50 이상인 것이 바람직하고, 또 2.20 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 질화용 강 중 하나는, 상기 원소 외, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지며, 불순물 중의 P, N, Ti 및 O가 각각, P：0.030% 이하, N：0.008% 이하, Ti：0.005% 이하 및 O：0.0030% 이하의 것이다.

이하, 불순물 중의 P, N, Ti 및 O에 대해 설명한다.

P：0.030% 이하

P는, 강에 함유되는 불순물이며, 결정 입계에 편석하여 강을 취화시켜, 특히, 그 함유량이 0.030%를 초과하면, 취화의 정도가 현저해지는 경우가 있다. 따라서, 본 발명에 있어서는, 불순물 중의 P의 함유량을 0.030% 이하로 했다. 또한, 불순물 중의 P의 함유량은 0.020% 이하로 하는 것이 바람직하다.

N：0.008% 이하

강 중의 N은, C 및 V 등의 원소와 결합하여 탄질화물을 형성하기 쉽고, 질화 전에 VCN 등의 탄질화물을 형성하면 경도가 높아져, 피삭성이 저하하기 때문에, 본 발명에 있어서는 N은 바람직하지 않은 원소이다. 또, 이 탄질화물은 고용 온도가 높기 때문에, 열간 단조 및 그 후의 불림에서의 가열로 V가 매트릭스에 고용하기 어려워져, 강 중의 N함유량이 높으면 질화에 의한 상기 V의 효과를 충분히 얻을 수 없다. 그로 인해, 본 발명에 있어서는, 불순물 중의 N의 함유량을 0.008% 이하로 했다. 또한, 불순물 중의 N의 바람직한 함유량은 0.006% 이하이다.

Ti：0.005% 이하

Ti는, N과의 친화성이 높고, 강 중의 N과 결부되어 경질의 질화물인 TiN을 생성하기 쉽다. Ti의 함유량이 0.005%를 초과하는 경우에는, 생성된 거칠고 엉성한 TiN이 굽힘 피로 강도 및 면 피로 강도를 저하시켜 버린다. 따라서, 본 발명에 있어서는, 불순물 중의 Ti의 함유량을 0.005% 이하로 했다. 또한, 불순물 중의 Ti의 바람직한 함유량은 0.003% 이하이다.

O：0.0030% 이하

O는, 개재물 기점의 피로 파괴의 원인이 되는 산화물계의 개재물을 형성하여, 굽힘 피로 강도 및 면 피로 강도를 저하시켜 버린다. 특히, O의 함유량이 0.0030%를 초과하면, 상기 피로 강도의 저하가 현저해진다. 그로 인해, 본 발명에 있어서는, 불순물 중의 O의 함유량을 0.0030% 이하로 했다. 또한, 불순물 중의 O의 바람직한 함유량은 0.0020% 이하이다.

이미 서술한 바와 같이, 「불순물」이란, 철강 재료를 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것을 가리킨다.

본 발명의 질화용 강의 다른 하나는, Fe의 일부를 대신하여, Cu 및 Ni 중 1종 이상의 원소를 함유하는 것이다.

이하, 임의 원소인 상기 Cu 및 Ni의 작용 효과와, 함유량의 한정 이유에 대해 설명한다.

Cu：0.30% 이하

Cu는, 심부 경도를 향상시키는 작용을 가지므로, 이 효과를 얻기 위해 Cu를 함유시켜도 된다. 그러나, Cu의 함유량이 많아지면, 피삭성이 저하한다. 따라서, 함유시키는 경우의 Cu의 함유량에 상한을 설치하고, 0.30% 이하로 했다. 함유시키는 경우의 Cu의 함유량은 0.20% 이하인 것이 바람직하다.

한편, 상기한 Cu의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 함유시키는 경우의 Cu의 함유량은 0.10% 이상인 것이 바람직하고, 0.15% 이상이면 더욱 바람직하다.

Ni：0.25% 이하

Ni는, 심부 경도를 향상시키는 작용을 가지므로, 이 효과를 얻기 위해 Ni를 함유시켜도 된다. 그러나, Ni의 함유량이 많아지면, 피삭성이 저하한다. 따라서, 함유시키는 경우의 Ni의 함유량에 상한을 설치하고, 0.25% 이하로 했다. 함유시키는 경우의 Ni의 함유량은 0.20% 이하인 것이 바람직하다.

한편, 상기한 Ni의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 함유시키는 경우의 Ni의 함유량은 0.05% 이상인 것이 바람직하고, 0.10% 이상이면 더욱 바람직하다.

상기의 Cu 및 Ni는, 그 중 어느 1종만, 또는, 2종을 복합으로 함유시킬 수 있다. 또한, 이들 원소의 합계 함유량은 0.55% 이하여도 되지만, 0.50% 이하로 하는 것이 바람직하다.

(B) 질화 부품의 표면 경도

질화 부품, 즉, 질화를 실시한 부품은, 그 표면 경도가 낮으면, 굽힘 피로 강도, 면 피로 강도 및 내마모성이 저하해 버리지만, 표면 경도가 HV로 650 이상이면, 질화 부품에 원하는 강도를 구비시킬 수 있다. 한편, 표면 경도가 높아져, 특히, HV로 900을 초과하면, 상대 기어에 대한 공격성이 높아져 버린다. 따라서, 질화 부품은, 표면 경도가 HV로 650~900인 것으로 했다. 또한, 표면 경도의 바람직한 하한은 HV로 700이며, 또, 바람직한 상한은 HV로 800이다.

(C) 질화 부품의 심부 경도

질화 부품의 심부 경도가 낮으면, 부하가 가해졌을 때에 내부에서 소성 변형이 발생하고, 내부에서 발생한 균열에 의해 피칭이 발생하여, 면 피로 강도가 저하해 버린다. 질화 부품에서 내부의 소성 변형을 억제하려면 , HV로 150 이상의 심부 경도가 필요하다. 그로 인해, 본 발명의 질화 부품의 심부 경도는 HV로 150 이상으로 했다. 심부 경도의 바람직한 하한은 HV로 170이다.

또한, 심부 경도의 상한은 특별히 규정할 필요는 없으나, 본 발명의 질화용 강을 담금질을 행하지 않고 질화했을 경우에 도달할 수 있는 심부 경도의 상한은 HV로 250 정도이다.

(D) 질화 부품의 유효 경화층 깊이

질화 부품의 유효 경화층 깊이가 얕으면, 내부 기점의 파괴를 일으켜, 굽힘 피로 강도 및 면 피로 강도를 저하시켜 버린다. 내부 기점의 파괴를 억제하기 위해서는, 유효 경화층 깊이를 0.15mm 이상으로 할 필요가 있다. 그로 인해, 본 발명의 질화 부품의 유효 경화층 깊이는, 0.15mm 이상으로 했다. 유효 경화층 깊이의 바람직한 하한은 0.20mm이다.

또한, 유효 경화층 깊이의 상한은 특별히 규정할 필요는 없지만, 유효 경화층 깊이를 깊게 하려면, 질화 처리 시간을 길게 할 필요가 있기 때문에 코스트가 커져 버린다. 따라서, 유효 경화층 깊이는 0.50mm 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.45mm 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

(E) 질화 부품의 제조 방법

본 발명의 질화 부품은, 상기 (A)항에 기재된 화학 조성을 가지는 강을 이용하여, 예를 들어 다음과 같은 조건으로 가공 및 열처리하여, 질화 처리를 행함으로써 제조할 수 있다.

(E－1) 열간 단조

상기 (A)항에 기재된 화학 조성을 가지는 강의 강편, 봉강 등을 절단한 후, 1000~1270℃로 가열하여 거친 형상으로 열간 단조한다.

(E－2) 불림

본 발명의 질화 부품은, 열간 단조 상태로 절삭 가공하고, 질화 처리를 실시하여 제조해도 되지만, 필요에 따라 불림을 행하면 결정립을 더욱 미세하게 할 수 있다. 이 경우, 불림 처리는 850~970℃의 온도에서 행하는 것이 바람직하다.

불림 후의 냉각으로, 노랭(爐冷) 등의 서랭(徐冷)을 행하면 냉각 과정에서 VCN 등의 탄질화물이 석출하여 경도가 높아져, 피삭성이 저하하는 경우가 있다. 따라서, 불림 후의 냉각에 있어서는, 풍랭 등 적당의 수단을 강구함으로써, 냉각 과정에 있어서의 VCN 등의 석출을 억제하는 것이 바람직하다.

또한, 냉각 과정에 있어서의 VCN 등의 석출을 억제하여 피삭성을 유지하기 위해서는, 냉각 속도의 하한은 0.5℃/초인 것이 바람직하고, 또, 상한은 5℃/초인 것이 바람직하다.

(E－3) 절삭 가공

불림 후의 조형(組形)품을, 선반(旋盤) 등으로 절삭 가공한 후, 브로치반, 기어 쉐이퍼 등의 가공 기계에 의해 질화 부품의 형상으로 가공한다.

(E－4) 질화 처리

본 발명의 질화 부품을 얻기 위한 질화 처리 방법은, 특별히 규정되는 것이 아니라, 가스 질화 처리, 염욕 질화 처리, 이온 질화 처리 등을 이용할 수 있다. 질화 처리의 처리 온도는 500~650℃가 바람직하다. 연질화 처리의 경우에는, 예를 들어 NH₃에 더해 RX가스를 병용하여, NH₃과 RX가스가 1：1의 분위기에 있어서 처리를 행하면 된다.

처리 시간은 처리 온도에 따라 상이하지만, 연질화 처리를 560℃에서 행하는 경우에는 9시간으로, 원하는 표면 경도, 심부 경도 및 유효 경화층 깊이를 얻을 수 있다.

또, 취약한 화합물의 형성을 억제하고 싶은 경우에는, NH₃에서의 질화 처리의 전처리로서 불소 가스를 사용하거나, 질화 처리에 NH₃과 H₂의 혼합 가스를 사용하는 것이 바람직하다.

질화 처리한 후의 냉각은, 노중 냉각, 유랭 등 적당한 방법으로 행하면 된다.

이하, 가스 연질화로 처리한 실시예에 의해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

표 1에 기재하는 화학 조성을 가지는 강 1~13을 진공 용해로, 대기 용해로 또는 전로에 의해 용해하여, 잉곳 또는 주편을 제작했다.

구체적으로는, 강 1~9, 강 11 및 강 12에 대해서는, 180kg 진공 용해로에 의해 용제 후, 조괴하여 잉곳을 제작했다.

강 10에 대해서는, 180kg 대기 용해로에 의해 용제 후, 조괴하여 잉곳을 제작했다.

강 13에 대해서는, 70톤 전로에 의해 용제 후, 연속 주조하여 주편을 제작했다.

또한, 표 1 중의 강 1~5는, 화학 조성이 본 발명에서 규정하는 범위 내에 있는 본 발명예의 강이며, 한편, 강 6~13은, 화학 조성이 본 발명에서 규정하는 조건에서 벗어난 비교예의 강이다.

상기의 비교예의 강 중에서 강 13은, JIS G 4052(2008)에 규정된 SCr420H에 상당하는 강이다.

[표 1]

상기의 강 1~12의 잉곳은, 1250℃에서 5시간 유지하는 균질화 처리를 실시한 후, 1200℃로 가열하고 열간 단조를 행해, 직경이 각각, 25mm, 35mm 및 60 mm이고, 길이가 모두 1000mm의 봉강을 제작했다.

또, 상기의 강 13의 주편은, 1250℃로 3시간 가열하고 분괴 압연해 강편으로 한 후, 1200℃로 가열하고 열간 단조를 행해, 직경이 각각, 25mm, 35mm, 60mm 및 140mm이고, 길이가 모두 1000mm의 봉강을 제작했다.

상기의 각 봉강 중, 강 3~13의 직경 25mm, 직경 35mm 및 직경 60mm의 봉강에 대해서는, 920℃에서 1시간 유지하고 나서 풍랭하는 「불림」을 실시했다.

또, 강 13의 직경 140mm의 봉강에 대해서는, 900℃에서 4시간 유지하고 나서 방랭하는 「불림」을 실시했다.

상기와 같이 하여 제작한, 열간 단조 상태의 강 1 및 강 2의 봉강과, 불림을 실시한 강 3~13의 봉강으로부터, 각종의 시험편을 채취했다. 면 피로 강도는, 롤러 피칭 시험에 의해 평가했다.

구체적으로는, 우선, 직경 25mm의 봉강을, 이른바 「횡단」, 즉, 축 방향(길이 방향)에 대해 수직으로 절단하고, 절단면이 피검면(被檢面)이 되도록 수지에 매입한 후, 절단면이 경면 마무리가 되도록 연마하여, 열간 단조 상태, 또는 불림 후의, 비커스 경도 시험편 및 마이크로 조직 관찰 시료로 했다.

또, 직경 60mm의 봉강으로부터, 직경 50mm이고 길이가 490mm의 선삭 시험편을 채취했다.

또한, 직경 25mm의 봉강의 중심부로부터, 축 방향으로 평행하게 도 1에 도시하는 팽창량 측정용 시험편과 도 2에 도시하는 거친 형상의 절결 부착 오노식 회전 굽힘 피로 시험편을 잘랐다. 마찬가지로, 직경 35mm의 봉강의 중심부로부터, 축 방향으로 평행하게 도 3에 도시하는 거친 형상의 롤러 피칭 소롤러 시험편을 잘랐다.

또, 강 13의 직경 140mm의 봉강의 중심부로부터, 축 방향으로 평행하게 도 4에 도시하는 거친 형상의 롤러 피칭 대롤러 시험편을 잘랐다. 도 4에 있어서, (a)는 거친 형상의 롤러 피칭 대롤러 시험편을 중심선으로 반 나눴을 경우의 정면도이고, 또 (b)는 중심선에 있어서의 단면도이다.

또한, 도 1~4 중에 도시한 상기의 각 잘라낸 시험편에 있어서의 치수의 단위는 모두 「mm」이다. 도 중의 3종류의 마무리 기호는, JIS B 0601(1982)의 해설표 1에 기재되어 있던 표면 거칠기를 나타내는 「삼각 기호」이다.

또, 마무리 기호에 붙인 「G」는, JIS B 0122(1978)에 규정된 「연삭」을 나타내는 가공 방법의 약호인 것을 의미한다.

상기와 같이 하여 제작한 시험편 중, 강 1~12의 거친 형상의 절결 부착 오노식 회전 굽힘 피로 시험편 및 거친 형상의 롤러 피칭 소롤러 시험편에 대해, 도 5에 도시하는 히트 패턴에서 「가스 연질화」와 「유랭」(이하, 「가스 연질화·유랭」이라 한다.)을 실시했다. 또한, 「120℃ 오일 냉각」은 오일 온도 120℃의 오일 중에 투입하여 냉각한 것을 나타낸다.

또, 강 1~12의 팽창량 측정 시험편에 대해서는, 후술하는 바와 같이 총계 32개소에 비커스 경도 시험기로 압흔을 설치한 후, 도 5에 도시하는 히트 패턴에 의한 「가스 연질화·유랭」을 실시했다.

한편, 강 13의 거친 형상의 절결 부착 오노식 회전 굽힘 피로 시험편 및 거친 형상의 롤러 피칭 소롤러 시험편에 대해서는, 도 6에 도시하는 히트 패턴에 의한 「침탄 담금질-뜨임」을 실시했다. 또한, 도 6 중의 「Cp」는 카본 포텐셜을 나타낸다. 또, 「120℃ 오일 담금질」은 오일 온도 120℃의 오일 중에 투입하여 담금질한 것을, 또한 「AC」는 공랭한 것을 나타낸다.

또, 강 13의 팽창량 측정 시험편에 대해서는, 후술하는 바와 같이 총계 32개소에 비커스 경도 시험기로 압흔을 설치한 후, 도 6에 도시하는 히트 패턴에서 「침탄 담금질-뜨임」을 실시했다.

또한, 강 13의 거친 형상의 롤러 피칭 대롤러 시험편에 대해서는, 도 7에 도시하는 패턴에 의한 「침탄 담금질-뜨임」을 실시했다. 또한, 도 7에 있어서도 도 6과 마찬가지로, 「Cp」는 카본 포텐셜을, 또, 「50℃ 오일 담금질」은 오일 온도 50℃의 오일 중에 투입하여 담금질한 것을, 또한 「AC」는 공랭한 것을 나타낸다.

상기의 「가스 연질화·유랭」 또는 「침탄 담금질-뜨임」 한 거친 형상의 각 시험편을 마무리 가공하고, 도 8에 도시하는 절결 부착 오노식 회전 굽힘 피로 시험편, 도 9에 도시하는 롤러 피칭 소롤러 시험편 및 도 10에 도시하는 롤러 피칭 대롤러 시험편을 제작했다. 도 10에 있어서, (a)는 롤러 피칭 대롤러 시험편을 중심선으로 반 나눴을 경우의 정면도이고, 또 (b)는 중심선에 있어서의 단면도이다.

또한, 도 8~10에 도시한 상기 서술의 각 시험편에 있어서의 치수의 단위는 모두 「mm」이다. 상기 각 도에 있어서의 2종류의 마무리 기호는, 앞의 도 1~4에 있어서와 마찬가지로, 각각, JIS B 0601(1982)의 해설표 1에 기재되어 있던 표면 거칠기를 나타내는 「삼각 기호」이다.

또한, 「~」는 「파형 기호」이며, 본 상태 그대로인 것, 즉, 상기의 「가스 연질화·유랭」 혹은 「침탄 담금질-뜨임」한 표면 상태인 것을 의미한다.

상기와 같이 하여 제작한 각 시험편을 이용하여, 하기《1》~《7》에 개시하는 시험을 행했다.

《1》 열간 단조 상태, 또는 불림 후의, 비커스 경도 시험

열간 단조 상태, 또는 불림 후의, 비커스 경도 시험편의 중심부 1점과 R/2부(「R」은 봉강의 반경을 나타낸다.) 4점의 합계 5점의 HV를, JIS Z 2244(2009)에 기재된 「비커스 경도 시험-시험 방법」에 준거하여, 시험력을 9.8N로 하고 비커스 경도 시험기로 측정하여, 5점의 산술 평균값을 열간 단조 상태, 또는 불림 후의, HV로 했다.

《2》 열간 단조 상태, 또는 불림 후의, 마이크로 조직 관찰

열간 단조 상태, 또는 불림 후의, 마이크로 조직 관찰 시료를 나이탈로 부식시켜, 배율을 400배로 하여 광학 현미경으로 R/2부를 관찰했다.

그 결과, 마이크로 조직은 베이나이트, 페라이트와 베이나이트로 이루어지는 2상 혼합 조직, 페라이트와 펄라이트로 이루어지는 2상 혼합 조직, 페라이트, 펄라이트와 베이나이트로 이루어지는 3상 혼합 조직 중 어느 하나였다.

《3》 선삭 시험

선삭 시험편을 이용하여,

·공구：초경공구(재종 기호：CA5525),

·주속(周速)：360m/분,

·이송：0.4mm/rev,

·절입：1mm,

·윤활제：수용성 윤활제,

의 조건으로 선삭 시험을 행했다. 또한, 선삭 가공시의 절삭 저항을 측정하여, 절삭 저항이 750N 이하인 경우에, 피삭성이 양호하다고 평가했다.

또한, 선삭했을 때의 절삭칩에 대해서도 평가하여, 절삭칩이 작고 분단되어 피시험재에 「휘감김」 등의 문제점이 발생하지 않은 경우를 「절삭칩 처리성이 양호」라고 하고, 한편, 절삭칩이 길고 피시험재에 휘감기는 문제점이 발생한 경우를 「절삭칩 처리성이 불량」이라고 했다.

《4》「가스 연질화·유랭」 또는 「침탄 담금질-뜨임」에 수반하는, 팽창량의 측정

우선, 도 11의 (a)에 도시하는 바와 같이, 도 1에 도시하는 팽창량 시험편의 기준 표면으로부터의 깊이가 50μm로 각 간격이 200μm인 위치 번호 1A~16A의 16개소 및, 상기 각 위치 번호로부터 또한 200μm 깊은 위치에서 각 간격이 200μm인 위치 번호 1B~16B의 16개소의 총계 32개소에, 비커스 경도 시험기를 이용하여, 0.98N의 시험력으로 압흔을 설치했다. 또한, 도 11에서는 위치 번호인 「1~16」만을 표시하고, 깊이 위치를 도시하는 「A」와 「B」의 기호는 생략했다.

이어서, 강 1~12의 상기 압흔을 설치한 시험편에는, 도 5에 도시하는 히트 패턴에 의한 「가스 연질화·유랭」을 실시하고, 또, 강 13의 상기 압흔을 설치한 시험편에는, 도 6에 도시하는 히트 패턴에 의한 「침탄 담금질-뜨임」을 실시했다.

상기의 「가스 연질화·유랭」 또는 「침탄 담금질-뜨임」을 행한 후, 각 시험편에 대해, 위치 번호 nA와 위치 번호 nB(단, n은 1~16의 정수를 나타낸다.)에 설치한 16개소의 압흔간의 거리 d(n)를 측정했다. 또한, 「가스 연질화·유랭」 후 또는 「침탄 담금질-뜨임」 후의 압흔이 보이지 않는 경우는, 조사면을 가볍게 버프 연마하고 나서 압흔간의 거리 d(n)를 측정했다.

팽창량은,

［｛(d(1)＋d(2)＋···＋d(16)｝－16×200］/16 에 의해 산출했다.

《5》「가스 연질화·유랭」 또는 「침탄 담금질-뜨임」 후의, 표면 경도, 심부 경도 및 유효 경화층 깊이의 측정

「가스 연질화·유랭」 또는 「침탄 담금질-뜨임」 후에 마무리 가공한 시험 전의 롤러 피칭 소롤러 시험편을 이용하여, 그 직경 26mm의 부분을 횡단하고, 절단면이 피검면이 되도록 수지에 매입한 후, 상기 면이 경면 마무리가 되도록 연마하여, 비커스 경도 시험기를 사용해 표면 경도, 심부 경도 및 유효 경화층 깊이를 조사했다.

구체적으로는, JIS Z 2244(2009)에 기재된 「비커스 경도 시험-시험 방법」에 준거하여, 시험편의 표면으로부터 0.03mm의 깊이 위치에 있어서의 임의의 10점에서의 HV를, 시험력을 0.98N로 하고 비커스 경도 시험기로 측정하여, 그 값을 산술 평균해 「표면 경도」라고 했다.

또, 같은 매입 시료를 이용하여, 상기의 경우와 마찬가지로, 시험편의 표면으로부터 2mm의 깊이 위치에 있어서의 임의의 10점에서의 HV를, 시험력을 1.96N으로 하고 비커스 경도 시험기로 측정하여, 그 값을 산술 평균해 「심부 경도」라고 했다.

또한, 같은 매입 시료를 이용하여, 상기의 경우와 마찬가지로, 시험편의 표면으로부터 중심을 향한 방향에 대해, 비커스 경도 시험기로 시험력을 1.96N으로 하고 소정의 간격으로 HV를 측정하여, HV의 분포도를 작성했다. 그리고, HV로 420이 되는 위치까지의 표면으로부터의 거리를 「유효 경화층 깊이」라고 했다.

《6》 오노식 회전 굽힘 피로 시험

마무리 가공한 오노식 회전 굽힘 피로 시험편을 이용하여, 하기의 시험 조건에 의해 오노식 회전 굽힘 피로 시험을 실시해, 반복수가 10⁷회에 있어서 파단하지 않는 최대의 강도로 「회전 굽힘 피로 강도」를 평가했다.

JIS G 4052(2008)에 규정된 SCr420H에 상당하는 강 13을 이용하여 「침탄 담금질-뜨임」한 시험 번호 13의 경우와 동등 이상의 회전 굽힘 피로 강도를 가지는 경우에, 굽힘 피로 강도가 뛰어나다고 했다.

·온도：실온,

·분위기：대기 중,

·회전수：3000rpm.

《7》롤러 피칭 시험

마무리 가공한 롤러 피칭 소롤러 시험편 및 롤러 피칭 대롤러 시험편을 이용하여, 하기의 시험 조건으로 롤러 피칭 시험을 실시해, 장경(長俓)이 1mm 이상의 크기의 피칭이 발생했을 때의 수명을 측정했다. 상기의 시험을 3회 행하여, 3회의 평균 수명을 「피칭 수명」이라 했다. 또한, 평가한 반복수는 최대로 1×10⁷회로 했다.

JIS G 4052(2008)에 규정된 SCr420H에 상당하는 강 13을 이용하여 「침탄 담금질-뜨임」한 시험 번호 13의 경우와 동등의 1×10⁷회를 초과하는 피칭 수명을 가지는 경우에, 높은 면 피로 강도를 가진다고 했다.

·미끄럼률：40%,

·면압：1600MPa,

·소롤러 시험편의 회전수：1000rpm,

·윤활：오일 온도 100℃의 오토매틱 트랜스미션용 윤활유를, 2리터/분의 비율로, 롤러 피칭 소롤러 시험편과 롤러 피칭 대롤러 시험편의 접촉부에 분출시켜 실시.

단, 상기의 「미끄럼률」은, 「V1」을 롤러 피칭 소롤러 시험편 표면의 접선 속도, 「V2」를 롤러 피칭 대롤러 시험편 표면의 접선 속도로 하여, 하기의 식으로 계산되는 값을 가리킨다.

｛(V2－V1)/V1｝×100

표 2에, 열간 단조 상태로부터 채취한 시험편, 또는 「불림」 후에 채취한 시험편을 이용하여 조사한 각 시험 결과를 정리해 기재한다.

또한, 표 2의 「마이크로 조직」란에 있어서의 「B」, 「F」 및 「P」는 각각, 베이나이트, 페라이트 및 펄라이트를 의미한다. 또, 「절삭칩 처리성」란에 있어서의 「○」 및 「×」는 각각, 절삭칩이 작고 분단되어 피시험재에 「휘감김」 등의 문제점이 발생하지 않는 「절삭칩 처리성이 양호」인 것 및, 절삭칩이 길고 피시험재에 휘감기는 문제점이 발생하여 「절삭칩 처리성이 불량」인 것을 나타낸다.

표 3에, 「가스 연질화·유랭」 또는 「침탄 담금질-뜨임」 후에 마무리 가공한 시험편을 이용하여 시험한 각 시험 결과를 정리해 기재한다.

[표 2]

[표 3]

표 2 및 표 3으로부터, 소재로서 본 발명에서 규정하는 조건을 만족하는 강 1~5를 이용한 시험 번호 1~5의 경우, 연질화 전의 피삭성은 양호하고, JIS G 4052(2008)에 규정된 SCr420H에 상당하는 강 13을 이용하여 「침탄 담금질-뜨임」한 시험 번호 13의 430MPa를 초과하는 회전 굽힘 피로 강도 및 시험 번호 13과 동등의 피칭 수명을 가지고 있으며, 연질화 후에 높은 굽힘 피로 강도를 가짐과 더불어 내피칭성에도 뛰어난 것이 명백하다.

이에 대해, 본 발명에서 규정하는 조건에서 벗어난 비교예의 시험 번호 6~12의 경우, 피삭성의 저하가 발생하거나, 질화에서의 팽창량이 커지거나, 혹은, 회전 굽힘 피로 강도 및 피칭 수명이, 상기 강 13을 이용한 시험 번호 13의 경우에 비해 뒤떨어져 있다.

구체적으로는, 시험 번호 6의 경우, 이용한 강 6의 Fn1이 2.38로 크게 본 발명에서 규정하는 값을 초과하기 때문에, 질화에서의 팽창량이 2.6μm로 크다.

시험 번호 7의 경우, 이용한 강 7의 C 및 Mn함유량이 본 발명에서 규정하는 값보다 많아, 불림 후의 HV가 높다. 이로 인해, 절삭 저항이 825N이며, 피삭성이 뒤떨어져 있다. 또한, 강 7의 Fn1이 2.82로 크게 본 발명에서 규정하는 값을 초과하기 때문에, 질화에서의 팽창량이 3.0μm로 크다.

시험 번호 8의 경우, 이용한 강 8의 C 및 Cr함유량이 본 발명에서 규정하는 값보다 적기 때문에, 회전 굽힘 피로 강도 및 피칭 수명은 각각, 350MPa 및 1.5×10⁵회로서, 강 13을 이용한 시험 번호 13의 경우에 비해 뒤떨어져 있다. 또, 강 8의 S함유량이 본 발명에서 규정하는 범위보다 적기 때문에, 절삭칩 처리성이 뒤떨어진다.

시험 번호 9의 경우, 이용한 강 9의 Cr의 함유량이 본 발명에서 규정하는 값보다 적기 때문에, 회전 굽힘 피로 강도 및 피칭 수명은 각각, 390MPa 및 2.0×10⁶회로서, 강 13을 이용한 시험 번호 13의 경우에 비해 뒤떨어져 있다.

시험 번호 10의 경우, 이용한 강 10의 Ti, N 및 O의 함유량이 본 발명에서 규정하는 값보다 많기 때문에, 굽힘 피로 강도가 420MPa, 피칭 수명이 5.8×10⁶회로서, 강 13을 이용한 시험 번호 13의 경우에 비해 뒤떨어져 있다. 또, N의 함유량이 본 발명에서 규정하는 값보다 높기 때문에, 절삭 저항이 775N이며, 피삭성에도 뒤떨어져 있다.

시험 번호 11의 경우, 이용한 강 11의 V의 함유량이 본 발명에서 규정하는 값보다 적기 때문에, 회전 굽힘 피로 강도 및 피칭 수명은 각각, 400MPa 및 6.1×10⁶회로서, 강 13을 이용한 시험 번호 13의 경우에 비해 뒤떨어져 있다.

시험 번호 12의 경우, 이용한 강 12의 Mn 및 Mo 함유량이 본 발명에서 규정하는 값보다 많아, 불림 후의 HV가 높다. 이로 인해, 절삭 저항이 805N이며, 피삭성이 뒤떨어져 있다.

산업상의 이용 가능성

본 발명의 질화용 강은, 질화 전의 절삭 가공이 용이하고, 게다가, 이 질화용 강을 소재로 하는 질화 부품은, 고가의 원소인 Mo의 함유량이 질량%로, 0.05% 이하로 적음에도 불구하고, 높은 굽힘 피로 강도와 면 피로 강도를 구비하고 있다. 이로 인해, 본 발명의 질화용 강은, 높은 굽힘 피로 강도와 면 피로 강도가 요구되는 질화 부품의 소재로서 이용하는데 적절하다. 또한, 본 발명의 질화용 강은, 질화에 의한 팽창량이 작기 때문에, 자동차용의 링 기어와 같은 얇은 두께의 질화 부품의 소재로서 최적이다.

Claims

질량%로, C：0.07~0.14%, Si：0.10~0.30%, Mn：0.4~1.0%, S：0.005~0.030%, Cr：1.0~1.5%, Mo：0.05% 이하(0%를 포함한다), Al：0.010% 이상 0.10% 미만 및 V：0.10~0.25%를 함유함과 더불어, 하기의 (1)식으로 표시되는 Fn1이 2.30 이하이며, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물 중의 P, N, Ti 및 O가 각각, P：0.030% 이하, N：0.008% 이하, Ti：0.005% 이하 및 O：0.0030% 이하인 화학 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 질화용 강.
Fn1=0.61Mn＋1.11Cr＋0.35Mo＋0.47V···(1)
단, (1)식 중의 원소 기호는, 그 원소의 질량%로의 함유량을 나타낸다.
청구항 1에 있어서,
Fe의 일부를 대신하여, 질량%로, Cu：0.30% 이하, Ni：0.25% 이하 중 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 질화용 강.
청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 화학 조성을 가지고, 표면 경도가 비커스 경도로 650~900, 심부 경도가 비커스 경도로 150 이상, 유효 경화층 깊이가 0.15mm 이상인 것을 특징으로 하는 질화 부품.