KR20150038649A

KR20150038649A - 표면 경화강 및 침탄재

Info

Publication number: KR20150038649A
Application number: KR1020157006475A
Authority: KR
Inventors: 카츠유키 이치미야; 카즈쿠니 하세; 히데토 키무라
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2015-04-08
Also published as: KR20120099519A; CN104480399A; EP2530178A1; JP5760453B2; EP2530178B1; KR101671133B1; CN104480399B; EP2530178A4; JP2011174176A; CN102770570B; JP2015096657A; CN102770570A; WO2011093070A1

Abstract

C: 0.10∼0.35 질량%, Si: 0.01∼0.50 질량%, Mn: 0.40∼1.50 질량%, P: 0.02 질량% 이하, S: 0.03 질량% 이하, Al: 0.04∼0.10 질량%, Cr: 0.5∼2.5 질량%, B: 0.0005∼0.0050 질량%, Nb: 0.003∼0.080 질량%, Ti: 0.003 질량% 이하 및 N: 0.0080 질량% 미만을 함유하며, 잔부(殘部)는 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성으로 한다.

Description

표면 경화강 및 침탄재{CASE-HARDENED STEEL AND CARBURIZED MATERIAL}

본 발명은, 건설기계와 자동차 분야에서 이용되는 기계구조용 재료에 제공하는, 냉간 단조성이 우수하고 또한 침탄에 의해 높은 피로강도를 갖는 표면 경화강(case-hardened steel) 및 고(高)피로강도 침탄재에 관한 것이다.

봉강(棒鋼)을 냉간 성형하여 제조되는, 예를 들면 자동차 등의 부품 소재에는, 높은 냉간 단조성이 요구된다. 그 때문에, 구상화(球狀化) 열처리를 행하여 탄화물을 구상화해서, 냉간 단조성을 높이는 것이 행해지고 있다. 또, 강의 성분 조성의 관점에서는, 변형 저항에 큰 영향을 주는 Si를 저감하는 등의 제안도 이루어지고 있다. 또한, B의 담금질성(燒入性)을 유효하게 활용한 강의 제안도 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, B의 담금질성 향상의 효과 분만큼 다른 합금원소를 감량함으로써, 불림 공정(normalizing process)으로부터 경도(hardness)를 낮게 하여, 종래 강(鋼)에 대해 기어 절삭성(齒切性)을 비약적으로 향상시킨, 침탄 치차용 강이 제안되어 있다.

또한, 특허문헌 2에서는, 고용강화 원소인 Si 및 Mn를 저감하고 담금질성을 B로 확보하는 성분계와, 제조 조건과의 조합에 의해, 냉간 가공성을 확보하는 표면 경화강이 제안되어 있다.

한편으로, 최근, 자동차 등에 이용되는 치차 등에는, 에너지 절약화에 의한 차체 중량의 경량화에 따라, 사이즈의 소형화가 요구되고, 또 엔진의 고출력화에 따라 치차에 걸리는 부하도 증대되고 있다. 치차의 내구성은, 주로 치원(齒元) 굽힘 피로파괴 및 치면(齒面)의 면압(面壓) 피로파괴에 의해 결정된다. 치원 굽힘 피로강도에 대해서는, 침탄시에 표층(表層)에 생기는 불완전 담금질층의 저감과, 초기 오스테나이트(prior austenite) 입경의 미세화가 유효하다고 되어 있다. 또, 면압 피로강도의 향상에 대해서는, 뜨임(tempering) 연화(軟化) 저항성과의 관련이 지적되어, Si량을 높인 성분이나, Mo를 첨가한 성분, 또는 침탄 표층에 미세한 탄화물을 분산시킨 강이, 각각 제안되어 있다.

예를 들면, 특허문헌 3에는, 초기 오스테나이트 입경을 7㎛ 이하로 함으로써, 피로강도와 인성(靭性)을 개선한 침탄용 강이 제안되어 있다. 또한, 특허문헌 4에는, 표면의 침탄층에 탄화물을 미세하게 분산시키는 것이 제안되어 있다.

특허문헌 1: 일본 특허 제3551573호 특허문헌 2: 일본 특허 제3764586호 특허문헌 3: 일본 특허 제3063399호 특허문헌 4: 일본 특허 제4056709호

그러나 상술한 특허문헌 1 및 2에서는, 냉간 가공성과 충격 특성의 향상은 인정되지만, 피로 특성은 종래 강과 동등한 정도이다.

또, 특허문헌 3 및 4에서는, Nb, Ti 및 V 등의 탄화물 생성 원소를 다량으로 사용하여, 미세하게 석출한 경우에 가공시의 변형 저항을 현저히 상승시키는 등의 문제가 있었다.

본 발명은, 상기의 실정을 감안하여 개발된 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 냉간 단조성이 우수할 뿐만 아니라 침탄 처리 후에 높은 내(耐)피로강도를 갖는 표면 경화강 및 이를 이용한 침탄재를 제공함에 있다.

발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 예의연구를 거듭한 결과, 이하에 기술하는 지견(知見)을 얻었다. 우선, 내피로강도를 향상시키기 위해, 표면 경화강에 C 농도 0.85 질량% 이상의 고(高)C농도 침탄층(이하, 고농도 침탄층이라 한다)을 형성시킨 경우에, 침탄 표층에서, 조대한 탄화물(주로 시멘타이트(cementite))의 생성을 억제하고 탄화물을 미세하게 분산시키기 위한 방도를 예의구명했다.

즉, 도 1에, 표면 경화강의 고농도 침탄층의 표층에 있어서의, 탄화물의 최대 입자 지름에 미치는 Al, B 및 Ti량의 관계를 나타낸다. 동 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 조대(粗大)한 탄화물의 생성을 억제하고, 탄화물을 미세하게 분산시키기 위해서는, Al 및 B량의 제어와 Ti첨가량의 억제가 중요하다. 여기서, 도 1에는, 일부 강에 관하여 면(面) 피로강도를 측정한 결과에 대해서도 나타냈지만, 조대한 탄화물의 생성 억제에 의해 높은 면 피로강도가 얻어지는 것도 알 수 있다.

또한, 표면 경화강에 C농도 0.70∼0.84 질량%의 침탄층(이하, 통상 침탄층이라 한다)을 형성시킨 경우에 대해, 면 피로강도에 미치는 Al, Ti 및 B량의 관계에 대해서도 조사했다. 그 결과를 도 1에 아울러 나타낸다. 통상 침탄층을 형성시킨 경우에 있어서도, Al 및 B량을 특정 범위로 제어하고, 또, Ti를 0.003 질량% 이하로 억제하면 높은 면 피로강도가 얻어지는 것을 알 수 있다.

또한, 도 1에 결과를 나타내는 실험은, 0.2 질량% C-0.1 질량% Si-0.6 질량% Mn-1.5 질량% Cr-0.02 질량% Nb 강을 기본으로 하여, 이 기본 조성에 다양한 함유량의 Al 및 B를 첨가한 강 소재를 준비하고(잔부(殘部)는 철 및 불가피한 불순물), 이들 강 소재에 이하와 같은 조건의 처리를 행한 후의, 탄화물의 최대 입자 지름(㎛) 및 면 피로강도(㎫)를 평가한 것이다.

즉, 고농도 침탄에 대해서는, 강 소재로부터, 25㎜φ환봉(丸棒)을 가공하여, 카본 포텐셜(carbon potential) 2%, 950℃에서 5시간의 고농도 침탄을 행하고, 일단 600℃로 냉각한 후, 다시 한번 850℃에서 30분 유지하며, 60℃에서 유냉(油冷) 후, 170℃에서 2시간 뜨임 처리를 행했다. 이 처리를 행한 샘플을 절단한 후, 절단면을 피크럴액(picral solution)으로 부식시켜, 표면으로부터 30㎛ 깊이까지의 영역을 주사형 전자현미경으로 6000㎛²에 걸쳐 관찰하고, 화상 해석에 의해 탄화물의 최대 입자 지름을 구했다. 또, 상기 환봉으로부터 롤러 피팅(roller pitting) 시험편을 채취하여, 이것에 상술한 고농도 침탄으로부터 뜨임 처리까지의 각 처리를 행한 샘플에 대해, 미끄럼율(slip rate) 40% 및 유온(油溫) 80℃의 조건에서 롤러 피팅 시험을 행해 10⁷회 강도(시험편 표면에 피팅이 발생하는 한계 강도)를 평가했다.

또, 통상 침탄에 대해서는, 강 소재로부터, 25㎜φ환봉을 가공하고, 이 환봉으로부터 롤러 피팅 시험편을 채취하여, 이것에 930℃, 7시간, 카본 포텐셜 1.1 질량%의 조건에서 침탄을 실시 후, 60℃에서 유냉하고, 170℃, 2시간의 뜨임 처리를 행했다. 이렇게 해서 얻어진 샘플에 대해, 미끄럼율 40% 및 유온 80℃의 조건에서 롤러 피팅 시험을 행하여, 10⁷회 강도(시험편 표면에 피팅이 발생하는 한계 강도)를 평가했다.

즉, 본 발명의 요지(要旨) 구성은, 이하와 같다.

(1) C: 0.10∼0.35 질량%,

Si: 0.01∼0.50 질량%,

Mn: 0.40∼1.50 질량%,

P: 0.02 질량% 이하,

S: 0.03 질량% 이하,

Al: 0.04∼0.10 질량%,

Cr: 0.5∼2.5 질량%,

B: 0.0005∼0.0050 질량%,

Nb: 0.003∼0.080 질량%,

Ti: 0.003 질량% 이하, 및

N: 0.0080 질량% 미만

을 함유하며, 잔부(殘部)는 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 냉간 단조성이 우수한 표면 경화강.

(2) 상기 성분 조성은, 또한,

Cu: 1.0 질량% 이하,

Ni: 0.50 질량% 이하,

Mo: 0.50 질량% 이하, 및

V: 0.5 질량% 이하

중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 상기 (1)에 기재된 냉간 단조성이 우수한 표면 경화강.

(3) 상기 성분 조성은, 또한,

Ca: 0.0005∼0.0050 질량% 및

Mg: 0.0002∼0.0020 질량%

의 1종 또는 2종을 함유하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 냉간 단조성이 우수한 표면 경화강.

이상을 정리하면, 본 발명의 표면 경화강은, C: 0.10∼0.35 질량%, Si: 0.01∼0.50 질량%, Mn: 0.40∼1.50 질량%, P: 0.02 질량% 이하, S: 0.03 질량% 이하, Al: 0.04∼0.10 질량%, Cr: 0.5∼2.5 질량%, B: 0.0005∼0.0050 질량%, Nb: 0.003∼0.080 질량%, Ti: 0.003 질량% 이하 및 N: 0.0080 질량% 미만을 함유하며, 혹은 또 Cu: 1.0 질량% 이하, Ni: 0.50 질량% 이하, Mo: 0.50 질량% 이하 및 V: 0.5 질량% 이하 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 혹은 또한 Ca: 0.0005∼0.0050 질량% 및 Mg: 0.0002∼0.0020 질량%의 1종 또는 2종을 함유하며, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 냉간 단조성이 우수한 표면 경화강이다.

(4) 상기 (1) 내지 (3)의 어느 것에 기재된 표면 경화강에 대해 침탄이 행해져 이루어지는, 침탄재(浸炭材)로서, 표면으로부터 0.4㎜까지의 표층 영역에 있어서의 탄소량이 0.70 질량% 이상인 고(高)피로강도 침탄재.

(5) 상기 (1) 내지 (3)의 어느 것에 기재된 표면 경화강에 대해 침탄이 행해져 이루어지는, 침탄재로서, 표면으로부터 0.4㎜까지의 표층 영역에 있어서의 탄소량이 0.85 질량% 이상이며, 이 표층 영역에 있어서의, 탄화물의 최대 지름이 10㎛ 이하이면서, 평균 입자 지름이 4㎛ 이하인 고피로강도 침탄재.

본 발명에 의하면, 냉간 단조성이 우수할 뿐만 아니라, 침탄 처리 후의 내피로강도도 우수한 표면 경화강을 제공할 수 있어, 공업상 매우 유용하다.

도 1은 탄화물의 석출 상태에 미치는 Al, B 및 Ti량의 영향을 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 표면 경화강을 구체적으로 설명한다.

우선, 본 발명에서, 강의 성분 조성을 상기 범위로 한정한 이유에 대해, 성분마다 상세히 설명한다.

C: 0.10∼0.35 질량%

침탄 열처리 후의 담금질에 의해 중심부의 경도를 높이기 위해, 0.10 질량% 이상의 C를 필요로 하지만, 함유량이 0.35 질량%를 초과하면, 심부(core portion)의 인성이 저하하기 때문에, C량은 0.10∼0.35 질량%의 범위로 한정했다. 바람직하게는, 0.3 질량% 이하의 범위이다.

Si: 0.01∼0.50 질량%

Si는, 탈산제(脫酸劑)로서 필요하며, 적어도 0.01 질량% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나 Si는 침탄 표층에서 우선적으로 산화하여, 입계(粒界) 산화를 촉진시키는 원소이다. 또, 페라이트(ferrite)를 고용 강화해서 변형 저항을 높여 냉간 단조성을 열화(劣化)시키기 때문에 상한(上限)을 0.50 질량%로 한다. 바람직한 하한(下限)은 0.03 질량%이다. 바람직한 상한은 0.35 질량%이다.

Mn: 0.40∼1.50 질량%

Mn는, 담금질성의 향상에 유효한 원소이며, 적어도 0.40 질량%의 첨가를 필요로 한다. 그러나 Mn는 입계 산화를 일으키기 쉽고, 또한 과잉 첨가는 잔류(殘留) 오스테나이트를 증가시켜 표면 경도의 저하를 초래하기 때문에, 상한을 1.50 질량%로 했다. 바람직한 하한은 0.60 질량%이다. 바람직한 상한은 1.40 질량%이다.

P: 0.02 질량%이하

P는, 결정립계에 편석(偏析)하여, 인성을 저하시키기 때문에, 그 혼입은 낮을수록 바람직하지만, 0.02 질량%까지는 허용된다. 바람직하게는, 0.018 질량% 이하이다.

S: 0.03 질량% 이하

S는, 황화물계 개재물(介在物)로서 존재하며, 피삭성의 향상에 유효한 원소이다. 그러나 과잉 첨가는 피로강도의 저하를 초래하기 때문에, 상한을 0.03 질량%로 했다.

Al: 0.04∼0.10 질량%

Al는 강 속의 N를 AlN로서 고정함으로써, B의 담금질성 효과를 얻기 위한 중요 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는, 적어도 0.04 질량%의 첨가가 필요하다. 그러나 함유량이 0.10 질량%를 초과하면, 피로강도에 대해 유해한 A1₂0₃ 개재물의 생성을 조장하기 때문에, Al량은 0.04∼0.10 질량%의 범위로 한정했다.

Cr: 0.5∼2.5 질량%

Cr는 담금질성뿐만 아니라, 뜨임 연화 저항의 향상에 기여하며, 심지어 탄화물의 구상화 촉진에도 유용한 원소이지만, 함유량이 0.5 질량%에 미치지 못하면, 그 첨가 효과가 부족하고, 한편, 2.5 질량%를 초과하면, 침탄부(浸炭部)에서의 잔류 오스테나이트의 생성을 촉진하여, 피로강도에 악영향을 주는 경우가 있다. 따라서 Cr량은 0.5∼2.5 질량%의 범위로 한정했다. 바람직한 하한은 0.6 질량%이다. 바람직한 상한은 2.0 질량%이다.

B: 0.0005∼0.0050 질량%

B는 본 발명에서 가장 중요한 원소이다. B는, 담금질 열처리시에 오스테나이트 입계에 편석함으로써 담금질성을 높이며, 소재의 경도 상승에 기여한다. 이 효과에 의해, 다른 강화 원소를 삭감할 수 있으며, 그 결과, 변형 저항의 저하에 의한 냉간 단조성의 향상이 얻어진다. 이 효과를 발휘하기 위해서는, 적어도 0.0005 질량% 이상의 첨가가 필요하다. 한편, 과잉 첨가는, 인성과 단조성 등의 저하를 초래하기 때문에, 상한을 0.0050 질량%로 했다. 바람직한 B함유량의 상한은, 0.0030 질량%이다.

Nb: 0.003∼0.080 질량%

Nb는, 강 속에서 NbC를 형성하여, 침탄 열처리시의 오스테나이트 입경의 조립화(粗粒化)를 핀 고정 효과(pinning effect)에 의해 억제한다. 이 효과를 얻기 위해서는, 적어도 0.003 질량% 이상의 첨가가 필요하다. 한편, 0.080 질량%를 초과해서 첨가하면, 조대한 NbC의 석출에 의한 조립화 억제능의 저하와 피로강도의 열화를 초래할 우려가 있기 때문에 0.080 질량% 이하로 한다. 바람직한 하한은 0.010 질량%이다. 바람직한 상한은 0.060 질량%이다.

Ti: 0.003 질량% 이하

Ti는 강 속으로의 혼입을 극력 회피하는 것이 바람직한 성분이다. Ti는, N과 결합하여, 조대한 TiN를 형성하기 쉽다. 이와 같이, 침탄 표층의 탄화물의 조대화와 피로강도의 저하를 초래하기 때문에, 상한을 0.003 질량%로 한다.

N: 0.008 질량% 미만

N는 강 속으로의 혼입을 극력 회피하는 것이 바람직한 성분이다. 따라서 N는, B의 담금질성을 확보하는 것과, TiN의 형성을 억제하기 위해, 0.008 질량% 미만으로 했다.

또, 본 발명에서는, 담금질성을 높이기 위해 상기 성분에, 또한, Cu: 1.0 질량% 이하, Ni: 0.50 질량% 이하, Mo: 0.5 질량% 이하 및 V: 0.5 질량% 이하 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유할 수 있다.

Cu는 담금질성의 향상에 유효한 원소이며, 바람직하게는 0.1 질량% 이상으로 첨가하지만, 다량의 첨가는 강재의 표면 성상(性狀)의 열화와 합금 비용의 증가를 초래하기 때문에, 상한을 1.0 질량%로 했다.

Ni, Mo 및 V는, 담금질성과 인성의 향상에 유효한 원소이며, 바람직하게는 각각 0.1 질량% 이상, 0.05 질량% 이상 및 0.02 질량% 이상이지만, 고가이기 때문에, 상한을 각각 0.50 질량%로 했다.

또, 본 발명에서는, 황화물의 형태를 제어하여, 피삭성과 냉간 단조성을 높이기 위해, 상기 성분에 또한, Ca: 0.0005∼0.0050 질량% 및 Mg: 0.0002∼0.0020 질량%의 1종 또는 2종을 함유할 수 있다.

즉, Ca 및 Mg에 의한 상기 효과를 얻으려면, 적어도 각각 0.0005 질량%, 0.0002 질량%의 첨가가 필요하다. 한편, 과잉으로 첨가한 경우에는, 조대한 개재물을 형성하여, 피로강도에 악영향을 주기 때문에, Ca 및 Mg에 대해 상한을 각각 0.0050 질량% 및 0.0020 질량%로 했다.

또한, 잔부 조성은, 철 및 불가피한 불순물이다.

이상 설명한 성분 조성의 표면 경화강에 대해, 냉간 가공을 행하여 부품 형상으로 한 후, 침탄 처리를 행한다. 침탄 처리는, 표면 경화강에 일반적으로 행해지고 있는 조건(이하 통상 침탄이라 한다)으로 실시할 수 있다. 즉, 카본 포텐셜 0.8∼1.1 질량%, 900℃ 이상에서 3∼7시간 유지함으로써, 적어도 표층 0.4㎜까지의 C농도가 0.7 질량% 이상이 되는 침탄층을 표층에 형성시킨다. 침탄층을 형성시킨 후에는, 통상 표면 경화강에 대해 행해지는 담금질ㆍ뜨임을 행한다. 즉, 60∼140℃의 기름으로 담금질을 행하여 표층(침탄층)의 조직을 잔류 오스테나이트 10∼40%를 포함하는 마르텐사이트(martensite) 조직으로 하고, 그 후 160∼200℃에서 1∼2시간 뜨임을 행함으로써, 회전 굽힘 피로강도 및 면 피로강도가 우수한 침탄재를 얻을 수 있다. 또한, 침탄층 형성을 위한 온도는, 침탄층 형성을 장시간화(長時間化) 시키지 않기 위해 900℃ 이상으로 하는 것이 바람직하며, 침탄로(浸炭爐)의 내구성의 관점에서는 950℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 담금질 처리시의 기름의 온도는, 담금질시에 재료의 변형을 억제하는 관점에서 60℃ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 필요한 강 조직(잔류 오스테나이트 10∼40%를 포함하는 마르텐사이트 조직)을 얻어서 경도를 확보하는 관점에서는 140℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 통상 침탄에 있어서의 침탄층의 C농도는 0.85 질량% 미만이다.

또한, 본 발명의 표면 경화강재는, 상기한 통상 침탄에 대해, 침탄층의 C농도를 0.85 질량% 이상으로까지 높여, 탄화물을 석출시킴으로써 침탄층의 경도를 더욱더 높여 면 피로강도를 향상시키는 것을 목적으로 한 고농도 침탄에 특히 적합해 있다. 고농도 침탄의 경우, 종래 이용되고 있는 표면 경화강에서는, 조대 탄화물의 양이 많아져, 면 피로강도의 추가 향상은 기대할 수 없다. 그러나 본 발명의 표면 경화강에서는, 침탄층의 C농도를 0.85 질량% 이상으로까지 높여도 조대 탄화물의 석출을 억제할 수 있어, 면 피로강도가 향상한다. 즉, 침탄 처리 후는, 표면 아래 0.4㎜까지의 표층 영역에서, 탄소량은 0.85 질량% 이상이며, 여기에 형성되는 탄화물의 최대 지름은 10㎛ 이하이면서 평균 입자 지름은 4㎛ 이하로 할 수 있다. 이 범위 내이면, 특히 면 피로강도의 향상에 효과가 있다. 반대로, 이 범위를 넘으면, 면 피로강도의 추가 향상은 기대할 수 없다.

표층 영역의 탄소량이 0.85 질량% 미만에서는, 충분한 양의 탄화물이 얻어지지 않아 면 피로강도의 추가 향상이 도모되지 않는다. 또한, 탄화물의 최대 지름이 10㎛ 초과로 되면, 조대한 탄화물이 피로 균열의 기점으로 되는 등에 의해, 피로수명이 저하한다. 평균 입자 지름이 4㎛를 초과하는 경우에 있어서도 마찬가지로, 피로수명의 저하를 초래한다.

또한, 상기 규정에 따르는 탄화물을 얻으려면, 침탄 열처리를 다음과 같은 조건 하에 행하는 것이 바람직하다. 즉, 카본 포텐셜 1.2∼2.5 질량%, 930∼1050℃에서 1∼5시간 정도 유지하여 침탄을 행하고, 일단 550∼650℃로 냉각하고, 그 후에, 다시 한번 830∼880℃에서 30∼60분 유지한 후, 60∼140℃의 기름으로 담금질을 행하며, 그 후 뜨임을 행하는 것이 바람직하고, 뜨임 온도는 170∼200℃의 범위가 바람직하다. 이상과 같은 처리를 행함으로써, 표층에 형성시킨 침탄층의 강 조직은, 상기한 바와 같이 탄화물이 최대 지름 10㎛ 이하, 평균 입자 지름 4㎛ 이하로 미세하게 분산된, 잔류 오스테나이트를 10∼40%를 포함하는 마르텐사이트 조직이 된다.

실시예

다음으로, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.

표 1에 나타내는 성분 조성의 강(잔부는 철 및 불가피한 불순물)을 용제(溶製)하여, 일단 1150℃ 이상으로 가열한 후, 170㎜×170㎜ 각단면(角斷面)의 중간 소재로 하고, 다시 Ac₃＋100℃ 이상으로 가열한 후, 열간 압연에 의해 직경 60㎜ 환봉으로 성형했다. 얻어진 봉강에 대해, 냉간 단조성의 평가를 행했다.

여기서, 냉간 가공성은, 한계 업셋 단조율(limit upset ratio) 및 변형 저항의 2항목으로 평가했다.

즉, 봉강의 표면에서 직경의 1/4 깊이 위치(1/4D 위치)로부터, 직경: 10㎜ 및 높이: 15㎜의 시험편을 채취하고, 300t 프레스기를 이용하여, 60% 업셋 단조시의 압축 하중을 측정해서, 일본 소성가공학회가 제창하고 있는 단면구속압축에 의해 변형 저항 측정방법을 이용하여 구했다.

또한, 한계 업셋 단조율은, 변형 저항을 측정한 방법으로 압축 가공을 행하여, 단부(端部)에 균열이 들어선 때의 업셋 단조율을 한계 업셋 단조율로 했다. 변형 저항치가 899㎫ 이하, 한계 균열률(limit cracking ratio)이 74% 이상이면, 냉간 단조성은 양호하다고 할 수 있다.

다음으로, 피로 특성은, 회전 굽힘 피로(rotating bending fatigue)와 면 피로(pitting fatigue)의 2항목으로 평가했다.

즉, 상기 봉강의 1/4D 위치로부터 회전 굽힘 시험편과 롤러 피팅 시험편을 채취하고, 이들 시험편에 통상 침탄과 탄화물을 많이 생성시키기 위한 고농도 침탄의 2종류의 열처리를 행했다. 통상 침탄은 930℃, 7시간, 카본 포텐셜 1.1 질량%의 조건으로 침탄을 실시 후, 60℃에서 유냉하고, 170℃, 2시간의 뜨임 처리를 행했다. 한편, 고농도 침탄은, 950℃, 5시간, 카본 포텐셜 2 질량%의 조건으로 유지하고, 일단 600℃로 냉각한 후, 다시 한번 850℃에 30분 유지하며, 60℃에서 유냉 후, 170℃, 2시간의 뜨임 처리를 행했다.

여기서, 침탄 후의 탄화물의 측정은, 피크럴액으로 에칭 후에, 표면으로부터 30㎛ 깊이까지의 영역을 주사 전자현미경으로 6000㎛²에 걸쳐 관찰하고, 화상 해석으로 탄화물의 최대 지름 및 평균 지름을 구했다. 즉, 원(圓) 상당(相當) 지름의 최대치를 갖고서 최대 지름으로 하고, 또한 원 상당 지름의 평균치를 갖고서 평균 지름으로 했다. 또한, 표면으로부터 0.4㎜까지의 다른 깊이 영역에 대해서도, 탄화물의 관찰을 행했지만, 표면으로부터 30㎛ 깊이까지가 최대 지름 및 평균 지름 모두 가장 큰 것을 확인했다. 여기서, 탄화물의 관찰에서는, 원 상당 지름이 0.5㎛ 이상의 것이 탄화물로서 식별 가능하다.

또한, 탄소 농도의 측정은, 표면으로부터 깊이 0.4㎜까지를 EPMA 라인 분석함으로써 행했다.

상기 침탄 후의 각 시험편에 대해, 회전 굽힘 시험 및 롤러 피팅 시험을 행했다. 우선, 회전 굽힘 피로시험은, 회전수 3500rpm으로 실시하여, 10⁷회의 내(耐)피로강도로 평가했다. 또한, 롤러 피팅 시험은, 미끄럼율 40%, 유온(油溫) 80℃의 조건에서 10⁷회 강도(시험편 표면에 피팅이 발생하는 한계 강도)로 평가했다.

얻어진 평가 결과를 표 2에 나타낸다.

표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 발명예는 모두, 냉간 가공성이 우수하고 또한 내피로강도도 우수해져 있는 것을 알 수 있다.

Claims

C: 0.10∼0.35 질량%,
Si: 0.01∼0.50 질량%,
Mn: 0.40∼1.50 질량%,
P: 0.02 질량% 이하,
S: 0.03 질량% 이하,
Al: 0.04∼0.10 질량%,
Cr: 0.5∼2.5 질량%,
B: 0.0005∼0.0050 질량%, 및
Nb: 0.003∼0.080 질량%,
를 함유하며, 잔부(殘部)는 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖고,
그 불가피 불순물로서 혼입하는 Ti 및 N의 함유량은,
Ti: 0.003 질량% 이하 및
N: 0.0080 질량% 미만
인 것을 특징으로 하는 표면 경화강.
청구항 1에 있어서,
상기 성분 조성은, 또한,
Cu: 1.0 질량% 이하,
Ni: 0.50 질량% 이하,
Mo: 0.50 질량% 이하 및
V: 0.5 질량% 이하
중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 표면 경화강.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 성분 조성은, 또한,
Ca: 0.0005∼0.0050 질량% 및
Mg: 0.0002∼0.0020 질량%
의 1종 또는 2종을 함유하는 표면 경화강.
청구항 1 또는 2에 기재된 표면 경화강에 대해 침탄이 실시되어 이루어지는, 침탄재(浸炭材)로서, 표면으로부터 0.4㎜까지의 표층 영역에 있어서의 탄소량이 0.70질량% 이상인 침탄재.
청구항 3에 기재된 표면 경화강에 대해 침탄이 실시되어 이루어지는, 침탄재로서, 표면으로부터 0.4㎜까지의 표층 영역에 있어서의 탄소량이 0.70질량% 이상인 침탄재.