KR20170020559A - 고피로강도 소결체용 프리알로이형 강 분말 및 침탄 담금질재 - Google Patents

고피로강도 소결체용 프리알로이형 강 분말 및 침탄 담금질재 Download PDF

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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

Mo: 0.8∼1.5질량%와, Ni: 0.5∼1.4질량% 및 Cr: 0.5∼1.1질량% 중 적어도 1종을 합금 성분으로서 함유하고, 또한 Mo의 함유량 [Mo], Ni의 함유량 [Ni] 및 Cr의 함유량 [Cr]이 하기 (1)식으로 나타내는 Mo·Ni·Cr 밸런스의 관계를 만족하는 것으로 하는 것에 의해서, 작은 응력으로 소성 변형이 가능해지는 정도로 전조 가공성이 양호한 소결체가 얻어지고, 더욱이 침탄 담금질 등의 열처리 후에 있어서 양호한 피로 강도를 발휘할 수 있는 침탄 담금질재가 얻어지는, 고피로강도 소결체용 프리알로이형 강 분말, 및 이러한 프리알로이형 강 분말을 이용하여, 침탄 담금질 템퍼링 후이더라도 양호한 피로 강도를 발휘할 수 있는 침탄 담금질재를 제공한다.
8.10[Ni]+3.71[Mo]+10.25[Cr]≤14.45 …(1)

Description

고피로강도 소결체용 프리알로이형 강 분말 및 침탄 담금질재{PRE-ALLOYED STEEL POWDER FOR HIGHLY FATIGUE-RESISTANT SINTERED BODY AND CARBURIZED AND QUENCHED MATERIAL}
본 발명은, 분말 야금(冶金)에 의해서 소결체를 얻기 위한 프리알로이형 강 분말, 및 이러한 프리알로이형 강 분말로부터 얻어지는 침탄 담금질재에 관한 것이다. 특히, 소결 후의 소결체의 경도를 작게 해서 소성 변형되기 쉽게 하고, 침탄 담금질 처리 후에 고피로강도를 발휘하는 침탄 담금질재를 얻기 위한 프리알로이형 강 분말, 및 그와 같은 침탄 담금질재에 관한 것이다.
철 분말을 주원료로서 이용하여 소결체를 제조하는 분말 야금에 있어서는, 통상, 상기 주원료인 철 분말과, 소결체의 물성을 향상시키기 위한 부원료 분말(흑연 분말, 합금 성분 분말 등)과, 윤활제 등을 포함하는 혼합 분말이 이용된다. 이러한 분말 야금에 의한 소결체는, 니어 네트 쉐이프(Near Net Shape)가 가능하여 재료 수율이 좋고, 저비용으로 부품을 제조할 수 있기 때문에 널리 이용되고 있다. 또한, 소결체 중에는 공공(空孔)이 존재하기 때문에, 부품의 경량화가 가능하다는 이점도 있다. 그러나, 소결체에는, 통상의 강재와 비교하여 강도(특히 피로 강도)가 낮다는 문제가 있다.
예컨대, 분말 야금법으로 제작된 기어에서는, 재료 수율이 좋고, 니어 네트 쉐이프화에 적합한 형상을 하고 있지만, 피로 강도가 통상의 강재와 비교하여 낮아진다는 문제가 있다. 이러한 현상은, 소결체 중에는 부품의 경량화에 유효한 공공이 존재하고, 이러한 공공의 존재가 피로 강도를 낮게 하는 것이라고 생각된다. 분말 야금법으로 제작된 기어는, 부하 응력이 큰 자동차의 트랜스미션 기어에는 적용되어 있지 않는 것이 실상이다. 이러한 것 때문에 분말 야금법으로 제작된 기어에도, 대표적인 용제 합금강인 SCM415로 제작된 기어와 동등 이상의 피로 강도가 요구되고 있다.
소결체의 인장 강도나 피로 강도를 향상시키기 위해서는, (1) 소결체의 밀도를 높게 하는 것, (2) 소결 시의 온도를 높게 하는 것, (3) 소결체를 합금화시키는 것, (4) 광휘(光揮) 담금질 처리나, 침탄 담금질 템퍼링 등의 열처리를 실시하는 것 등의 수단이 유효하다는 것이 알려져 있다. 또한 소결체의 밀도를 높게 하는 방법의 하나로서, 분말 성형과 열간 단조를 조합한 분말 단조법이 알려져 있다. 소결체의 밀도를 높게 하는 것은, 공공이 적어지는 방향으로 작용하기 때문에, 인장 강도나 피로 강도가 향상되는 것을 기대할 수 있다.
최근, 소결체에 의해서 제작되는 기어의 잇면(齒面)을 치밀화하는 방법으로서, 기어 전조(轉造) 방법이 알려져 있다. 이 방법은, 분말 야금에 의해서 제품 형상에 가까운 형상(니어 네트 쉐이프)으로 한 소결체에 대하여, 응력이 부하되는 부분(잇면)의 밀도를 올려서 치밀화함으로써 그 부분의 피로 강도를 높이는 방법이다. 이 기어 전조 방법은, 상기 분말 단조법의 일종이며(회전 단조법), 소결체 소재의 기어 부분을, 기어 형상을 갖는 복수(통상 2개)의 성형체(롤 성형체)에 의해서 협지하고, 서로 회전시키면서 기어 부분의 표면에 압입 가공 처리를 실시하여, 기어 표면의 치밀화를 도모하는 것이다. 이 방법은, 종래의 분말 단조법과 비교하여, 치밀화하는 부분은 한정적이기 때문에, 소결재 본래의 특징인 경량화가 가능하다. 또한, 가열할 필요도 없어, 제조 비용이 저렴한 것을 특징으로서 들 수 있다. 그 때문에, 기어의 고강도화에 관하여, 유효한 수법으로 기대받고 있다.
이러한 기어 전조 방법(이 방법은 간단히 「전조」라고 불리는 경우가 있음)을 적용한 기술로서, 지금까지도 여러 가지 제안되고 있다(예컨대 특허문헌 1∼4). 지금까지 제안되어 있는 기술에서는, 종래부터 행해지고 있는 고강도화법[상기 (1)∼(4)]의 방법에 더하여, 피로 강도를 높이는 합금화 방법이나 철 분말의 화학 성분 조성을 규정하거나, 전조 가공하기 쉽게 하기 위한 철 분말의 합금 설계에 대해서 여러 가지의 제안이 이루어져 있다.
그러나, 전조 가공을 하기 쉬운 특성을 발휘하는 것과, 기어 성형 및 침탄 담금질한 후에 양호한 피로 강도를 발휘하는 것은, 상반되는 것이다. 지금까지, 전조 가공성과 피로 강도의 양 특성이 양호해지는 것과 같은 기술은 확립되어 있지 않다. 특히, 전조 가공을 할 때에는, 최대 전단 응력이 발생하는 깊이(0.08∼0.2mm)까지 치밀화할 필요가 있다. 압입량이 적으면 치밀화할 수 없고, 압입량이 크면 소성 변형되는 영역이 커져, 버(burr)의 발생이나 균열이 생긴다. 압입량으로서는, 0.9∼1.3mm가 필요하고, 1.0∼1.2mm가 적합하다. 1mm 정도의 압입량을 확보할 필요가 있지만, 588MPa 정도의 전조 압력으로, 압입이 가능하게 되지 않으면 양호한 전조용 재료로는 적합하지 않다는 것이 실상이다.
일본 특허공개 2002-129295호 공보 일본 특허공개 2004-502028호 공보 일본 특허공개 2007-262536호 공보 일본 특허공개 2005-42612호 공보
본 발명은 이러한 상황 하에서 이루어진 것으로서, 그 목적은, 작은 응력으로 소성 변형이 가능해지는 정도로 전조 가공성이 양호한 소결체가 얻어지고, 더욱이 침탄 담금질 등의 열처리 후에 있어서 양호한 피로 강도를 발휘할 수 있는 침탄 담금질재가 얻어지는, 고피로강도 소결체용 프리알로이형 강 분말, 및 이러한 프리알로이형 강 분말을 이용하여, 침탄 담금질 템퍼링 후이더라도 양호한 피로 강도를 발휘할 수 있는 침탄 담금질재를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결한 본 발명의 고피로강도 소결체용 프리알로이형 강 분말은, Mo: 0.8∼1.5질량%와, Ni: 0.5∼1.4질량% 및 Cr: 0.5∼1.1질량% 중 적어도 1종을 합금 성분으로서 함유하고, 또한 Mo의 함유량 [Mo], Ni의 함유량 [Ni] 및 Cr의 함유량 [Cr]이 하기 (1)식으로 나타내는 Mo·Ni·Cr 밸런스의 관계를 만족하는 것을 특징으로 한다.
8.10[Ni]+3.71[Mo]+10.25[Cr]≤14.45 …(1)
본 발명의 고피로강도 소결체용 프리알로이형 강 분말은 전조 가공용으로서 유용한 것이다. 이 프리알로이형 강 분말은, 해당 강 분말 100질량부에 대하여 0.3질량부의 흑연 분말과 함께 원주 형상의 형에 넣고, 성형체 밀도를 7.5g/cm3로 하여, 온도 1120℃에서 소결했을 때, 표면 경도가 로크웰 B 스케일로 85HRB 이하가 되는 소결체가 얻어진다.
상기와 같은 고피로강도 소결체용 프리알로이형 강 분말과, 이 프리알로이형 강 분말 100질량부에 대하여 0.1∼0.5질량부의 흑연 분말을 혼합하고, 소결하고, 전조하고, 침탄 담금질하는 것에 의해서 얻어지는 침탄 담금질재에서는, 양호한 피로 강도를 발휘할 수 있는 것이 된다. 이 침탄 담금질재는 기어에 적용하는 것으로서 극히 유용하다.
본 발명에 의하면, Mo와 함께, Ni나 Cr을, 그의 함유량 밸런스를 확보하면서 프리알로이형으로 해서 철 분말에 함유시켜 소결체용 프리알로이형 강 분말로 하는 것에 의해서, 작은 응력으로 소성 변형이 가능해지는 정도로 전조 가공성이 양호한 소결체가 얻어지고, 더욱이 침탄 담금질 등의 열처리 후에 있어서 양호한 피로 강도를 발휘할 수 있는 침탄 담금질재가 얻어지는 소결체용 강 분말을 실현할 수 있으며, 이러한 소결체용 강 분말을 이용하여 소결체를 제조하는 것에 의해서, 침탄 담금질 후에 양호한 피로 강도를 발휘할 수 있는 침탄 담금질재가 얻어진다.
도 1은 부하 응력 588MPa로 했을 때에 소결체의 경도와 가공 변화량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 각종 침탄 담금질재에 있어서의 이뿌리 굽힘 피로 시험에 의한 S-N 곡선이다.
도 3은 각종 침탄 담금질재에 있어서의 기어 면압 피로 시험에 의한 S-N 곡선이다.
본 발명자들은, 상기 목적을 달성할 수 있는 원료 분말(소결체용 강 분말)에 대하여, 다양한 각도로부터 검토했다. 그 결과, Mo와 함께, Ni나 Cr을 그의 함유량 밸런스를 확보하면서 철 분말에 미리 합금화시켜 프리알로이형 강 분말로 한 것에서는, 원하는 특성을 발휘하는 소결체를 얻을 수 있는 소결체용 강 분말이 될 수 있다는 것을 발견하여, 본 발명을 완성시켰다. 이하, 본 발명을 완성시킨 경위 및 본 발명에서 규정하는 각 요건에 대하여 설명한다.
소결체를 합금화시키는 방법은 원료 분말의 형태에 의해서 2종류로 대별된다. 그 중 하나는, 철 분말의 제조 단계(용제 공정)에서 강화 원소를 합금화시키는 방법(프리알로이형 강 분말)이다. 또한 다른 방법으로서는, 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu) 등의 금속 분말을 철 분말에 혼합하고, 이 혼합 분말을 소결하는 것에 의해서, 소결체를 합금화시키는 방법(프리믹스법)이다. 후자의 방법에 있어서, 혼합하는 금속 분말은 순(純)철 분말에 혼합되는 것이 일반적이지만, 미리 합금화한 프리알로이형 강 분말에 대해 금속 분말을 첨가하여 원료 분말이 되도록 되어 있다. 또는, 이들 금속 분말의 편석을 방지한다고 하는 관점에서, 금속 분말에 열을 가하는 것이나, 유기 바인더에 의해서 철 분말 표면에 금속 분말을 부착시킨 철 분말도 제안되어 있다.
프리알로이형 강 분말을 이용하여 소결체를 제조한 경우에는, 소결체의 강도는 기본적으로 향상되는 경향을 나타낸다. 단, 프리알로이형 강 분말에서는 소결체의 강도를 향상시키지만, 분말의 압축성이 뒤떨어져 높은 밀도가 얻어지지 않는다. 또한, 단단한 소결 재료가 얻어진다. 니켈, 몰리브덴, 구리 등의 금속 분말을 철 분말에 혼합한 혼합 분말을 이용한 경우에는, 소결 시에 이들 합금 원소가 철 분말로 확산되고, 합금 강화되어 소결체의 강도는 향상되게 된다. 이 경우는, 원료 철 분말로서 순철 분말을 사용하고 있기 때문에, 합금화되어 있지 않은 부분은 경도가 낮아, 소성 가공하기 쉽다고 생각하기 쉽다. 그러나, 합금 원소량에 따라서는, 소결체에서 마텐자이트 등의 경질인 금속 조직이 석출되는 재료도 있어, 배합할 수 있는 합금 원소량이 한정된다. 더욱이, 이와 같은 혼합 분말을 소결하여 얻어진 소결체를 침탄 담금질한 침탄 담금질재는, 불균질한 금속 조직이나 화학 조성 때문에, 피로 강도가 낮다고 여겨지고 있다.
이러한 관점에서, 지금까지 제안되어 온 전조 가공용 원료 분말의 형태를 검토한 바, 모두 기본적으로, 적어도 일부에 프리믹스 분말의 형태를 채용하고 있어, 이것이 소결체의 피로 강도를 향상시킬 수 없는 이유라고 생각된다. 이러한 원료 분말의 형태를 채용하는 이유로서는, 다음과 같이 생각되었다. 즉, 프리알로이형 강 분말에서는, 철 분말을 미리 합금화하고 있기 때문에, 프리믹스형의 분말에 비하여 단단해지는 경향을 나타내고, 이와 같은 분말을 이용한 경우에는, 소결체의 전조 가공성이 나빠질 것으로 생각되며, 소결체의 피로 강도를 오히려 저하시킬 것으로 생각되고 있었다.
본 발명자들은, 프리알로이형 강 분말이더라도, 전조 가공성이 양호한 것으로 하면, 소결체의 피로 강도를 한층 더 높일 수 있다는 착상 하에서, 그의 합금 설계를 다양한 각도로부터 검토했다. 그 결과, 소정량의 Mo를 포함하고, 이것에 Ni나 Cr(Ni 및 Cr 중 적어도 1종)을 적절량 함유시키고, 또한 이들 원소의 함유량 밸런스를 적절히 한 프리알로이형 강 분말에서는, 상기 목적에 적합한 원료 분말(전조 가공용 원료 분말)이 될 수 있다는 것을 발견했다. 본 발명의 프리알로이형 강 분말은, Mo를 기본적으로 포함하고, 이것에 Ni나 Cr을 함유시킨 것인데, 이들 성분의 범위 한정 이유는 하기와 같다.
본 발명자들이 Mo에 대하여 그 효과를 확인한 바, 프리알로이형 강 분말에 Mo를 0.8질량% 이상의 함유량으로 합금화한 것에서는, 우수한 인장 강도나 피로 강도를 나타내는 소결체가 얻어진다는 것을 발견했다. 단, Mo의 함유량이 1.5질량%를 초과해도, 소결체의 인장 강도나 피로 강도의 향상 효과는 작고, 비용 상승도 된다. 한편, Mo 함유량의 바람직한 하한은 0.9질량% 이상이고, 바람직한 상한은 1.3질량% 이하이다.
Mo는 강화 원소 중에서, 철 분말의 압축성을 비교적 악화시키지 않는 원소이고, 높은 밀도의 소결체가 얻어지기 때문에, 프리알로이형 강 분말의 강화 원소로서 적합하다. 이러한 Mo는 소결체의 강도 향상에 효과가 있다. 또한, 본 발명에 있어서, Mo는 소결체를 단단하게 하는 효과가 Ni, Cr 등의 강화 원소와 비교하여 작아, 소성 가공성이 우수하다는 것이 판명되었다. 게다가, 침탄 담금질 템퍼링 등의 열처리를 실시하는 경우에는, 소결 재료의 강도 향상의 효과가 현저해진다.
본 발명의 프리알로이형 강 분말은, Mo 외에, Ni나 Cr을 포함하는 것이다. Ni 및 Cr은, 소결체의 전조 가공성을 저하시키는 일 없이 인장 강도 및 충격값을 향상시키는 작용을 발휘한다. 그를 위해서는, Ni 또는 Cr 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 소정량 함유시킬 필요가 있다. 상기의 효과는 Ni, Cr 모두 그의 함유량이 0.5질량% 이상에서 유효하게 발휘된다. 바람직하게는, 모두 0.7질량% 이상이다. 그러나, 이들의 함유량이 과잉이 되면, 소결체의 경도가 지나치게 높아져, 전조 가공성이 나빠질 뿐만 아니라, 침탄 담금질 템퍼링 후의 소결체의 피로 강도가 오히려 나빠진다. 이러한 관점에서, Ni의 함유량은 1.4질량% 이하, Cr의 함유량은 1.1질량% 이하로 할 필요가 있다. 바람직하게는 Ni로 1.3질량% 이하, Cr로 0.9질량% 이하이다.
본 발명의 프리알로이형 강 분말은, 상기 합금 성분 외(잔부)에는, 기본적으로 철 및 불가피 불순물(예컨대 0.3질량% 이하의 Mn, Cu 등)이다. 이 프리알로이형 강 분말은, Mo와, Ni나 Cr을 합금 성분으로서 함유하는 용강을 아토마이즈 처리하는 것에 의해서 제조된다.
본 발명의 프리알로이형 강 분말에서는, Mo, Ni 및 Cr의 함유량 밸런스를 적절하게 할 필요가 있다. 즉, Mo의 함유량 [Mo], Ni의 함유량 [Ni] 및 Cr의 함유량 [Cr]이, 하기 (1)식으로 나타내는 Mo·Ni·Cr 밸런스의 관계를 만족하는 것도 중요하다. 이 (1)식의 관계를 만족하지 않는 경우에는, 소결체의 경도가 지나치게 높아져, 양호한 전조 가공성을 확보할 수 없게 된다. 한편, 하기 (1)식은, 후기 [실험 1]에 기재되는 가공 변화량 측정에 있어서 부하 응력 588MPa의 조건에서 소성 변형이 가능한지를, Ni·Mo·Cr 양으로 다변량 해석한 결과에 기초해서 구해진 것이다.
8.10[Ni]+3.71[Mo]+10.25[Cr]≤14.45 …(1)
본 발명의 프리알로이형 강 분말을 이용하여 소결체를 제조하면, 가공성을 열화시키는 일 없이, 전조 가공할 수 있게 된다. 그에 의해서, 표면 치밀화에 의해서 피로 강도를 향상시킬 수 있는 것이 된다. 더욱이, 내부(표면보다도 내부)도 프리알로이의 효과에 의해서 피로 강도를 개선할 수 있는 것이 된다. 즉, 표면(잇면)과 내부의 양쪽을 개선할 수 있어, 전체로서의 피로 강도를 크게 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명의 프리알로이형 강 분말은, 해당 강 분말 100질량부에 대하여 0.3질량부의 흑연 분말과 함께 원주 형상의 형에 넣고, 성형체 밀도를 7.5g/cm3로 하여, 온도 1120℃에서 소결했을 때, 표면 경도가 로크웰 B 스케일로 85HRB 이하가 된다. 이러한 특성을 만족하는 것에 의해서, 양호한 전조 가공성을 확보할 수 있다. 즉, 본 발명의 프리알로이형 강 분말은 전조 가공용으로서 유용한 것이다.
본 발명의 프리알로이형 강 분말과, 이 프리알로이형 강 분말 100질량부에 대하여 0.1∼0.5질량부의 흑연 분말을 혼합하고, 소결하고, 전조하고, 침탄 담금질하는 것에 의해서 희망하는 피로 강도를 발휘하는 침탄 담금질재가 얻어지며, 이와 같은 침탄 담금질재는 기어의 소재로서 극히 유용하다.
상기 흑연 분말은 강 분말(모 분말) 중으로 확산되어, 탄소가 된다. 이 탄소는 소결체의 강도를 높이는 작용을 발휘하지만, 충격값을 저하시키는 경향을 나타낸다. 침탄 담금질 처리를 실시한 소결체에서는, 재료 표면의 탄소량이 높아, 재료 중심부와는 상이하며, 농도 구배를 갖게 된다.
소결체에 있어서 소정의 충격값을 확보하기 위해서는, 흑연 분말의 비율은, 프리알로이형 강 분말 100질량부에 대하여 0.5질량부 이하로 하는 것이 바람직하다. 단, 흑연 분말의 비율이 지나치게 낮아지면, 강도 향상 효과가 발휘되지 않게 되기 때문에(인장 강도로 1400MPa 이상이 바람직함), 0.1질량부 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 흑연 분말은, 소결체 중의 탄소 성분이 되지만, 소결 시에 철 분말 중의 산소와 반응하여 CO 가스가 되는 등 철 분말 중으로 전부가 확산되지 않아, 상기 범위보다도 약간 낮은 값을 나타낸다.
본 발명의 프리알로이형 강 분말에는, 필요에 따라 윤활제도 배합된다. 이 윤활제는 압분체와 금형의 마찰 계수를 저감하는 것에 의해서, 형 갉음이나 금형의 손상의 발생을 억제하는 작용을 발휘한다. 그러나, 다량으로 윤활제를 이용하면, 성형체의 밀도가 저하된다. 이 때문에, 형 윤활 성형법과 같이 분말에 윤활제를 혼합하지 않는 것도 포함하며, 윤활제의 종류, 배합량은, 필요한 성형체 밀도로부터 선택된다. 이러한 윤활제로서는, 예컨대 에틸렌비스스테아릴아마이드, 스테아르산아마이드, 스테아르산아연, 스테아르산리튬 등을 들 수 있다. 윤활제를 함유시킬 때의 배합량은, 혼합 분말 전체에 대하여 0.2∼2.0질량% 정도가 바람직하다. 그 배합량이 0.2질량% 미만이면, 윤활제에 의한 효과가 발휘되지 않게 되고, 2.0질량%를 초과하면, 성형체의 밀도가 저하될 우려가 있다.
상기와 같은 프리알로이형 강 분말을 이용하여 성형(압분체 성형), 소결 및 침탄 담금질 템퍼링해서 소결체(침탄 담금질재)가 되지만, 각 공정에서의 조건에 대해서는, 현재 행해지고 있는 통상의 조건에 따르면 되고, 특별한 장치를 필요로 하지 않는다.
예컨대, 성형체 밀도는 바람직하게는 7.3g/cm3 이상, 보다 바람직하게는 7.5g/cm3 이상이 좋다. 밀도가 높은 편이 인장 강도, 피로 강도가 높아진다. 또한, 전조에 의한 소성 가공되는 부분도 적어도 되기 때문에, 전조가 용이해진다. 이 밀도에 도달하기 위한 압분체 성형에 있어서의 압력에 대해서는, 686∼1078MPa 정도이다. 온간(溫間) 성형법이나 형 윤활 성형법을 이용함으로써, 성형 압력은 저감할 수 있고, 588∼980MPa 정도가 된다. 소결 온도에 대해서는, 1100℃ 이상이면 된다. 나아가, 소결·침탄 시에서의 노(爐) 내 분위기에 대해서는, Cr의 산화에 의한 강도 저하의 문제가 없으면 진공 분위기나 특수한 가스 분위기로 제어할 필요는 없고, 통상 사용되는 소결 가스나 침탄용 가스(예컨대 RX 가스)를 선택할 수 있다.
본 발명의 소결체는, 기본적으로 침탄 담금질 템퍼링되어 제품화되며, 이러한 열처리를 실시하는 것에 의해서, 금속 조직은 마텐자이트가 되어, 인장 강도는 향상되게 되지만, 이러한 열처리가 실시되기 전의 소결체의 금속 조직은 페라이트와 펄라이트의 혼합 조직이 된다.
본원은 2012년 12월 28일에 출원된 일본 특허출원 제2012-289086호에 기초하는 우선권의 이익을 주장하는 것이다. 2012년 12월 28일에 출원된 일본 특허출원 제2012-289086호의 명세서의 전체 내용이 본원에 참고를 위해 원용된다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예에 의해서 더욱 상세히 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 한정하는 성질의 것은 아니며, 전·후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경하여 실시하는 것도 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
[실험 1]
하기 표 1의 화학 성분 조성이 되도록, 원료 분말(프리알로이형 강 분말 및 흑연 분말)을 믹서로 혼합하여(30분) 조제한 혼합 분말에 대해, 하기의 조건에서 성형(압분체 성형), 소결을 행하여, 소결체로 했다. 얻어진 소결체의 기계적 특성(밀도, 경도, 금속 조직)을 평가함과 더불어, 하기의 방법에 의해서 가공 변화량을 측정했다. 이때 소결체의 표면 경도는 로크웰 B 스케일(HRB)로 측정했다. 한편, 하기 표 1에서 프리알로이형 강 분말 중의 합금 성분(Mo, Ni, Cr)의 함유량은 강 분말 중의 함유량이고, 첨가재(흑연 분말)의 비율은 프리알로이형 강 분말 100질량부에 대한 비율이다. 한편, 이때 이용한 흑연 분말의 입경(평균 입경)은 5μm이다. 그 결과를 하기 표 2에 나타낸다.
Figure pat00001
(성형 공정)
금형 온도: 120℃
분말 온도: 120℃
성형 방법: 형 윤활 성형(윤활제를 알코올에 풀고, 금형 벽면에 바름)
성형 압력: 성형체 밀도가 7.5g/cm3가 되도록 압력을 조정(약 820∼980MPa)
형상: φ11.28×10(mm)
(소결체 밀도 측정)
질량/체적(치수 측정)으로 계산했다.
(소결 공정)
1120℃×30분(10%의 수소를 포함하는 질소 분위기 중)
(가공 변화량 측정)
소결체(원주체)의 상면과 저면과 평판으로 협지하여 압입하고(상면과 저면에 기름을 도포), 이때 높이(10mm)가 작아지는데, 원래의 높이에 대한 비율{(변형 전 높이-변형 후 높이)/변형 전 높이(%)}을 가공 변화량으로서 구했다. 이때의 부하 응력은 588MPa과 784MPa로 했다. 이 가공 변형량이 큰 쪽이 소성 변형되기 쉽다는 것(전조 가공성이 양호함)을 나타내고 있고, 합격 기준은, 부하 응력이 588MPa일 때에 0.5% 이상, 부하 응력이 784MPa일 때에 8.66% 이상으로 했다.
Figure pat00002
표 2로부터 분명한 바와 같이, 소정량의 Mo와 함께, Ni나 Cr을 합금 성분으로서 밸런스 좋게 함유시킨 프리알로이형 강 분말을 이용한 예에서는(시험 No. 2, 3, 6∼8), 가공 변화량을 크게 할 수 있다는 것(즉, 작은 응력으로 소성 변형이 가능해짐. 즉, 전조 가공성이 양호함)을 알 수 있다.
이에 비하여, 본 발명에서 규정하는 요건을 벗어나는 예에서는(시험 No. 4, 9∼11), 소결체의 경도가 높아져 가공 변화량이 작아지는(즉, 전조 가공성이 저하되는) 경향을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 한편, 시험 No. 1은 Ni 및 Cr 중 어느 것도 포함하고 있지 않은 프리알로이 강 분말, 시험 No. 5는 Mo의 함유량이 부족한 프리알로이 강 분말을 이용한 예로, 가공 변화량은 크게 할 수 있지만, 침탄재의 기계적 특성이 열화된다(후기 표 3 참조).
이 결과에 기초하여, 부하 응력을 588MPa로 했을 때의 소결체의 경도와 가공 변화량의 관계를 도 1에 나타낸다.
[실험 2]
상기 표 1의 화학 성분 조성이 되도록, 원료 분말(프리알로이형 강 분말 및 흑연 분말)을 믹서로 혼합하여(30분) 조제한 혼합 분말에 대해, 하기의 조건에서 성형(압분체 성형) 및 소결한 것에, 하기의 조건에서 가공, 침탄 담금질 템퍼링 처리를 행하여, 소결체(침탄재)로 했다. 얻어진 소결체의 기계적 특성(밀도, 인장 강도, 경도)을 평가했다.
(성형 공정)
금형 온도: 120℃
분말 온도: 120℃
성형 방법: 형 윤활 성형(윤활제를 알코올에 풀고, 금형 벽면에 바름)
성형 압력: 성형체 밀도가 7.5g/cm3가 되도록 압력을 조정(약 820∼980MPa)
형상: 10×10×60(mm) 및 12.5×12.5×90(mm)
(소결 공정)
소결 온도: 1120℃(60분)
소결 분위기: (10질량%의 수소를 포함하는 질소 분위기)
(가공)
인장 시험편: 기계 가공하여 JIS14호 A(φ5mm)의 인장 시험편을 제작
피로 시험편: 기계 가공하여 JIS1호(φ8mm)의 인장 시험편을 제작
(침탄 담금질 템퍼링)
침탄 담금질: 920℃×180분(RX 가스 분위기: 카본 포텐셜 0.8%)
→ 850℃×60분(기름 담금질)
템퍼링 처리: 200℃×60분(대기 중)
상기한 바와 같이 하여 얻어진 소결체(침탄 담금질재)에 대하여, 상온에서 인장 속도: 0.5mm/분의 조건에서 인장 강도를 측정함(시험편 형상으로 가공한 것)과 더불어, 하기의 조건에서 회전 굽힘 피로 시험을 행하여 S-N 곡선으로부터 사이클수 1×105회와 1×107회(피로 한도)의 피로 강도를 측정했다. 또한, 형상이 10×10×60(mm)인 것(피로 시험편으로 가공하기 전의 것)의 표면의 경도를 로크웰 C 스케일(HRC)로 측정했다. 이 시험은 소결체 내부의 피로 강도를 측정한 것이다. 그 결과를 하기 표 3에 나타낸다.
(회전 굽힘 피로 강도의 측정)
시험편의 피로 강도를 회전 굽힘 시험기를 이용하여 회전 굽힘 피로 강도의 평가를 행했다. 구체적으로는, 3000(회전/분)의 회전수로, 105회 수명(저사이클) 또는 107회 수명(고사이클)에 상당하는 응력(MPa)을 구하여, 그 값을 피로 강도로 했다. 본 발명에서는, 고사이클 피로 강도가 520MPa 이상을 합격(○), 520MPa 미만을 불합격(×)으로 했다.
Figure pat00003
표 3으로부터 분명한 바와 같이, 소정량의 Mo와 함께, Ni나 Cr을 합금 성분으로서 밸런스 좋게 함유시킨 프리알로이형 강 분말을 이용한 예에서는(시험 No. 2, 3, 6∼8), 회전 굽힘 피로 강도를 양호하게 할 수 있다는 것을 알 수 있다.
이에 비하여, 본 발명에서 규정하는 요건을 벗어나는 예에서는(시험 No. 1, 5, 11), 회전 굽힘 피로 강도가 열화되어 있다는 것을 알 수 있다. 한편, 시험 No. 4, 9, 10의 것은, 회전 굽힘 피로 강도는 양호해지지만, Cr 함유량이 과잉이 되거나(시험 No. 4, 10), 또는 (1)식의 좌변의 값이 커져(시험 No. 9), 모두 가공 변화량이 작아진다(상기 표 2).
[실험 3]
상기 표 1의 시험 No. 3, 6, 10에 나타낸 화학 성분 조성이 되도록, 원료 분말(프리알로이형 강 분말 및 흑연 분말)을 믹서로 혼합하여(30분) 조제한 혼합 분말에 대해, 하기의 조건에서 성형(압분체 성형), 소결, 가공(하기 제원(諸元)의 기어 형상으로 가공), 침탄 담금질 템퍼링 처리를 행하여, 소결체(침탄재)로 했다. 얻어진 소결체(기어 형상으로 가공한 침탄재)의 기어 피로 시험을 평가했다. 이때의 기어 피로 시험은, 기어 형상으로 가공한 후에 하기의 기어 전조를 행한 예, 및 기어 형상으로 가공한 후에 기어 전조를 행하지 않은 예의 각각에 대하여, 하기의 조건에서 이뿌리 굽힘 피로 시험을 행했다. 또한, 기어용으로서 사용되는 대표적인 용제 합금강 SCM415로 제작된 기어에 대해서도, 마찬가지의 기어 피로 시험을 행했다(시험 No. 12).
또한, 시험 No. 6, 10, 12에 대해서는, 하기의 조건에서 면압 피로 시험을 행했다.
(성형 공정)
금형 온도: 실온(상온)
분말 온도: 120℃
성형 방법: 형 윤활 성형(윤활제를 알코올에 풀고, 금형 벽면에 바름)
성형 압력: 성형체 밀도가 7.5g/cm3가 되도록 압력을 조정(약 850∼1020MPa)
형상: φ90×25(mm)
(소결 공정)
시험 No. 3, 10에 대해서는,
소결 온도: 1250℃(30분)
소결 분위기: (10질량%의 수소를 포함하는 질소 분위기)
No. 6에 대해서는,
소결 온도: 1120℃(30분)
소결 분위기: (10질량%의 수소를 포함하는 질소 분위기)
의 조건에서 소결했다.
(가공)
소결체는 하기에 나타내는 기어(평기어)가 되도록, 호브(hob) 가공했다. 그 후, 일부의 기어는 전조 가공을 행했다. 전조하기 위한 기어는, 전조 가공에 의한 소성 변형을 고려하여 여육(余肉)을 마련하고 있다.
(시험 기어의 사양)
모듈: 이뿌리 굽힘 피로 시험편 3mm, 면압 피로 시험편 3mm
압력각: 이뿌리 굽힘 피로 시험편 20°, 면압 피로 시험편 20°
잇수: 이뿌리 굽힘 피로 시험편 20, 면압 피로 시험편 26
피치원 직경: 이뿌리 굽힘 피로 시험편 60mm, 면압 피로 시험편 78mm
이끝원 직경: 이뿌리 굽힘 피로 시험편 66mm, 면압 피로 시험편 84mm
이폭: 이뿌리 굽힘 피로 시험편 10mm, 면압 피로 시험편 10mm
(전조 조건)
기어 전조는, 공구(공구 재질: SKH51)의 회전수 60rpm, 공구(공구 재질: SKH51)의 반경 방향 압입 속도 0.167mm/초라는 일정 조건에서 행하고, 공구 압입량(최대값)은 1.2mm(편측 이두께 감소량 0.15mm)로 했다.
(침탄 담금질 템퍼링)
침탄: 930℃×120분(RX 가스 분위기: 카본 포텐셜 0.8%)
확산: 930℃×150분
담금질: 860℃×60분(기름 담금질)
템퍼링 처리: 160℃×120분(대기 중)
(연삭)
열처리 변형의 영향을 제거하기 위해, 그라인딩 가공을 실시했다.
(이뿌리 굽힘 피로 시험)
펄세이터(pulsator) 피로 시험으로, 1장의 이(이끝부)에 굽힘 하중(헤르츠 응력)을 부하했다(단일 이뿌리 굽힘 피로 시험). 기어가 파손될 때의 사이클수를 가지고 굽힘 피로 수명으로 해서, S-N 곡선을 구했다.
부하 위치: 이끝
부하 사이클: 12Hz
시험 부하 최대 사이클수: 5×106
(면압 피로 시험)
동력 순환식 기어 운전 시험기를 이용하여, 면압 피로 강도(헤르츠 응력)를 측정했다. 상대재가 되는 기어는 SCM420으로 제작했다. 상대재의 기어(소기어)의 사양은 하기와 같다. 소결재(대기어)의 회전수는 900rpm, SCM420(소기어)의 회전수는 1800rpm으로 일정하게 했다. 우선, 가벼운 하중(면압 피로 한도 40%) 하에서 500만회 길들임 운전한 후, 피로 시험을 행한다. 소결재(대기어)가 파손되어 진동 센서로 검지해서 자동 정지시키거나, 그의 잇면 손상 면적률이 2%가 되었을 때의 사이클수를 가지고 면압 피로 수명으로 해서, S-N 곡선을 구했다. 또한, 사이클수가 1.5×107회에 도달했을 때를 피로 한도로 했다. 부하 토크는 축에 접착된 토크 검출용 변형 게이지에 의해 측정했다.
(상대재 기어)
모듈: 3mm
재질: SCM420(침탄 담금질재)
압력각: 20°
잇수: 13
피치원 직경: 39mm
이끝원 직경: 46.4mm
이폭: 6mm
이뿌리 굽힘 피로 시험의 결과를, 전조의 유무와 함께, 하기 표 4에 나타낸다. 이 결과에 기초하여, 각 소결체에 있어서의 이뿌리 굽힘 피로 시험에서의 S-N 곡선(S: 이뿌리 굽힘 응력, N: 사이클수)을 도 2에 나타낸다. 또한 면압 피로 시험의 결과를, 전조의 유무와 함께, 하기 표 5에 나타낸다. 이 결과에 기초하여, 각 소결체에 있어서의 면압 피로 시험에서의 S-N 곡선(S: 헤르츠 응력, N:사이클수)을 도 3에 나타낸다. 한편, 도 2, 3에 있어서, 「1.0E+0.6」, 「1.0E+0.7」은 각각 「1.0×106」, 「1.0×107」의 의미이다.
Figure pat00004
Figure pat00005
이들 결과로부터, 다음과 같이 고찰할 수 있다. 즉, 소정량의 Mo와 함께, Ni나 Cr을 밸런스 좋게 함유시킨 프리알로이형 강 분말로 기어를 제조하는 것에 의해서, SCM415로 제작된 기어와 동등 이상의 피로 강도를 발휘할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 프리알로이형 강 분말을 이용하여, 전조 가공에 의해서 기어를 제작한 것에서는, 보다 양호한 피로 특성이 얻어진다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 프리알로이형 강 분말에서는, Mo: 0.8∼1.5질량%와, Ni: 0.5∼1.4질량% 및 Cr: 0.5∼1.1질량% 중 적어도 1종을 합금 성분으로서 함유하고, 또한 Mo의 함유량 [Mo], Ni의 함유량 [Ni] 및 Cr의 함유량 [Cr]이 하기 (1)식으로 나타내는 Mo·Ni·Cr 밸런스의 관계를 만족하는 것으로 하는 것에 의해서, 작은 응력으로 소성 변형이 가능해지는 정도로 전조 가공성이 양호한 소결체가 얻어지고, 더욱이 침탄 담금질 등의 열처리 후에 있어서 양호한 피로 강도를 발휘할 수 있는 침탄 담금질재가 얻어진다.
8.10[Ni]+3.71[Mo]+10.25[Cr]≤14.45 …(1)

Claims (3)

  1. 프리알로이형 강 분말과, 이 프리알로이형 강 분말 100질량부에 대하여 0.1∼0.5질량부의 흑연 분말을 혼합하고, 소결하고, 전조하고, 침탄 담금질하는 침탄 담금질재의 제조 방법으로서,
    상기 프리알로이형 강 분말이,
    Mo: 0.8∼1.5질량%와,
    Ni: 0.5∼1.4질량% 및/또는 Cr: 0.5∼1.1질량%를 합금 성분으로서 함유하고, 또한 Mo의 함유량 [Mo], Ni의 함유량 [Ni] 및 Cr의 함유량 [Cr]이 하기 (1)식으로 나타내는 Mo·Ni·Cr 밸런스의 관계를 만족하는 것인 것을 특징으로 하는 침탄 담금질재의 제조 방법.
    8.10[Ni]+3.71[Mo]+10.25[Cr]≤14.45 …(1)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 침탄 담금질재가 기어인 침탄 담금질재의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 프리알로이형 강 분말은, 해당 강 분말 100질량부에 대하여 0.3질량부의 흑연 분말과 함께 원주 형상의 형에 넣고, 성형체 밀도를 7.5g/cm3로 하여, 온도 1120℃에서 소결했을 때, 표면 경도가 로크웰 B 스케일로 85HRB 이하가 되는 것인 침탄 담금질재의 제조 방법.
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