KR20180085787A - 침탄질화용 강재 및 침탄질화 부품 - Google Patents

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Abstract

침탄질화 처리함으로써 피팅 손상의 발생을 억제한 뒤에, 스폴링 손상의 발생도 억제하는 것에 의해, 면 피로 수명을 개선한 침탄질화 부품, 및 해당 침탄질화 부품을 제조하는 소재가 되는 침탄질화용 강재와, 해당 침탄질화 부품의 제조 방법을 제공한다. 질량%로, C: 0.15∼0.3%, Si: 0.5∼1.5%, Mn: 0.2∼0.5%, P: 0% 초과 0.03% 이하, S: 0% 초과 0.03% 이하, Cr: 0.2∼0.8%, Mo: 0.25∼1%, Al: 0.01∼0.08%, Ti: 0.01∼0.1%, B: 0.0005∼0.005%, 및 N: 0% 초과 0.01% 이하를 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지는 침탄질화용 강재.

Description

침탄질화용 강재 및 침탄질화 부품
본 개시는 침탄질화용 강재, 및 해당 강재를 이용한 침탄질화 부품에 관한 것이다. 본 개시의 침탄질화 부품은, 예를 들면, 기어, 샤프트 등의 등속 조인트 부품, 베어링, 무단 변속기 트랜스미션(Continuously Variable Transmission; CVT) 풀리 등의 동력 전달 부품에 적합하게 이용된다.
동력 전달 부품에는, 면(面) 피로 손상에 대한 내구 수명(이하, 면 피로 수명이라고 함)이 일반적으로 요구된다. 면 피로 손상이란, 부품끼리의 접동면에서 발생한 균열이 진전하여 박리에 이르는 손상(피팅(pitting) 손상) 및 부품 표층에서 발생한 균열이 진전하여 박리에 이르는 손상(스폴링(spalling) 손상)의 총칭이다.
근년, 동력원의 고출력화 및 동력 전달 유닛의 소형화가 진행되고 있고, 이에 수반하여 각 부품에 대한 부하 하중은 증대하고 있다. 또한, 자동차의 하이브리드차화 또는 전기 자동차화에 의해, 기어끼리의 미끄럼 속도가 증대하고 있다. 또한, 전달 효율을 향상시키기 위해, 작동유는 저점도화가 지향되고 있다. 이러한 점에서, 접동 환경은 더욱더 가혹해지고 있어, 피팅 수명이 우수한 강재가 요망되고 있다.
피팅 손상의 발생을 방지하기 위해서는, 부품 표면을 경화시키는 것이 고려되고, 표면 경화 처리로서는, 침탄 처리가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1). 그러나, 침탄 부품이 이용되는 접동 환경이 가혹해지면, 접동 시의 마찰열에 의해 마텐자이트가 회복되어, 부품 표면이 연화되기 때문에, 피팅이 발생하는 경우가 있었다.
그래서, 가혹한 접동 환경하에 있어서의 피팅 수명을 개선하기 위해서는, 연화 저항을 향상시킬 필요가 있다. 연화 저항을 향상시키는 방법으로서는, 침탄질화 처리가 알려져 있다. 침탄질화 처리는, A3점의 온도 이상으로 가열 유지한 상태에서, 부품 표면에 탄소 및 질소를 확산시킨 후, 급랭함으로써, 부품 표면을 경질화하는 처리이다. 부품 표층에는 탄질화물이 형성되고, 이 탄질화물에 의해 연화 저항이 향상된다. 그 결과, 피팅 수명이 개선되어, 면 피로 수명이 향상된다.
일본 특허공개 2010-53429호 공보 일본 특허공개 2015-127434호 공보 일본 특허공개 2006-097066호 공보 일본 특허공개 2006-307270호 공보 일본 특허공개 2005-163148호 공보
침탄질화 처리함으로써 부품의 피팅 수명이 향상되지만, 가혹한 접동 환경하에서는, 높은 부하를 받기 때문에 내부 전단 응력이 커져, 스폴링 손상이 발생하여 면 피로 수명이 저하되는 경우가 있었다.
침탄질화 처리하기 위한 기소강은 특허문헌 2∼5에 개시되어 있다. 그러나, 특허문헌 2∼5에 개시되어 있는 기소강은, 침탄질화 처리함으로써 부품의 피팅 수명을 향상시키는 것을 목적으로 하고 있지 않고, 스폴링 손상에 대해서도 전혀 고려되어 있지 않다.
본 개시는 상기와 같은 사정에 주목하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 침탄질화 처리함으로써 피팅 손상의 발생을 억제한 뒤에, 스폴링 손상의 발생도 억제하는 것에 의해, 면 피로 수명을 개선한 침탄질화 부품, 및 해당 침탄질화 부품을 제조하는 소재가 되는 침탄질화용 강재와, 해당 침탄질화 부품의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결할 수 있었던 본 개시에 따른 침탄질화용 강재란, 질량%로, C: 0.15∼0.3%, Si: 0.5∼1.5%, Mn: 0.2∼0.5%, P: 0% 초과 0.03% 이하, S: 0% 초과 0.03% 이하, Cr: 0.2∼0.8%, Mo: 0.25∼1%, Al: 0.01∼0.08%, Ti: 0.01∼0.1%, B: 0.0005∼0.005%, 및 N: 0% 초과 0.01% 이하를 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지는 점에 요지를 갖는다.
상기 침탄질화용 강재는, 추가로, 다른 원소로서, 질량%로,
(a) Nb: 0% 초과 0.1% 이하, V: 0% 초과 0.5% 이하, 및 Hf: 0% 초과 0.1% 이하로부터 선택되는 적어도 1종,
(b) Cu: 0% 초과 1% 이하, 및 Ni: 0% 초과 2% 이하로부터 선택되는 적어도 1종,
(c) Ca: 0% 초과 0.005% 이하, Mg: 0% 초과 0.005% 이하, Zr: 0% 초과 0.005% 이하, Te: 0% 초과 0.10% 이하, 및 REM: 0% 초과 0.02% 이하로부터 선택되는 적어도 1종,
(d) Pb: 0% 초과 0.10% 이하, Bi: 0% 초과 0.10% 이하, 및 Sb: 0% 초과 0.1% 이하로부터 선택되는 적어도 1종
등을 함유해도 된다.
본 개시에는, 상기 침탄질화용 강재를 이용한 침탄질화 부품도 포함되고, 해당 침탄질화 부품은, 부품 표면으로부터의 깊이가 25∼50μm인 영역에 있어서의 탄질화물의 합계 면적률이 0% 이상 5% 이하인 점에 요지를 갖는다.
상기 침탄질화 부품은, 상기 성분 조성을 만족하는 침탄질화용 강재에, 침탄질화 처리함으로써 제조할 수 있다.
본 개시에 의하면, 성분 조성 중, 특히, Mn, Cr, 및 Al량에 주목하여 제어하고 있기 때문에, 침탄질화 처리 시에 부품 표층에 탄질화물이 생성되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 피팅 손상뿐만 아니라, 스폴링 손상의 발생도 억제할 수 있는 침탄질화용 강재를 제공할 수 있다. 이 강재를 이용한 침탄질화 부품은 면 피로 수명이 우수하다.
도 1은 시험편의 형상을 나타내는 모식도이다.
도 2a는 시험편의 절단 방향을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2b는 시험편의 절단면을 관찰하는 순서를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 시험편의 절단면을 촬영한 도면 대용 사진이다.
도 4는 도 3에 화살표로 나타낸 위치에 있어서의 석출물의 성분 조성을 에너지 분산형 X선 분광법에 의해 측정한 결과를 나타내는 스펙트럼이다.
도 5는 면 피로 수명을 측정했을 때의 모습을 나타낸 모식도이다.
발명자는, 침탄질화 부품에 대하여, 스폴링의 발생을 억제하는 것에 의해 면 피로 수명을 한층 개선하기 위해서, 예의 검토를 거듭했다. 그 결과, 침탄질화 처리 시에 부품 표층에 형성되는 탄질화물이 스폴링 손상의 원인이 된다는 것, 및 침탄질화 부품을 제조하는 소재로서 이용하는 침탄질화용 강재의 성분 조성 중, 특히, Mn, Cr, 및 Al량을 적절히 조정하면, 침탄질화 처리 시에 탄질화물이 생성되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 침탄질화 부품의 내부에서 스폴링이 발생하는 것을 억제할 수 있어, 면 피로 수명을 개선할 수 있다는 것을 발견하여, 본 개시의 침탄질화용 강재 및 침탄질화 부품을 완성했다.
즉, 침탄질화 처리를 실시함으로써 부품 표층에 C와 N이 확산한다. 그리고, 침탄질화 처리한 부품은, 접동 시의 마찰열에 의해 부품 표층에 고용되어 있던 N이 Fe4N으로서 미세 석출되기 때문에, 연화 저항이 향상되어, 피팅 수명이 향상된다. 한편, 부품 표층에 확산한 C와 N은, 강 중의 합금 원소와 결합하는 것에 의해 경질인 탄질화물을 형성한다. 그리고, 가혹한 접동 환경하에 있어서 높은 부하를 받으면, 스폴링이 발생하고 있고, 그 원인에 대하여 조사한바, 탄질화물에 기인하고 있음이 판명되었다. 탄질화물의 영률은, 모재인 강과 비교하면 매우 높기 때문에, 탄질화물이 분산되어 있는 영역을 석출물층으로 하면, 석출물층의 영률은 탄질화물의 생성량에 수반하여 증대한다. 따라서, 탄질화물이 석출되어 있는 석출물층과 탄질화물이 석출되어 있지 않는 비석출물층(즉, 모재)의 계면에서는 영률에 차가 생긴다. 이 때문에, 가혹한 접동 환경하에 있어서 높은 부하를 받으면, 영률의 차에 기인한 전단 응력이 발생하고, 결과로서 층의 계면에 내부 균열이 발생한다. 이 균열이 진전하여, 스폴링 손상에 이르는 것을 알 수 있었다.
이와 같은 관점에서, 높은 부하를 받는 가혹한 접동 환경하에 있어서의 면 피로 수명을 향상시키기 위해서, 본 발명의 실시형태에서는, 침탄질화 처리 시에 부품 표층에 확산시킨 C와 N이 탄질화물이 되는 것을 억제하고, 고용 C 및 고용 N으로서 존재시키는 것이 중요하다. 그리고, 탄질화물의 생성량은, 합금 원소 중, 특히, Mn, Cr, 및 Al량에 영향을 주는 것을 알고, 강재의 성분 조성을 설계했다. 이하, 본 발명의 실시형태에 따른 침탄질화용 강재의 성분 조성에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시형태의 강재는, 기본 성분으로서, C: 0.15∼0.3%, Si: 0.5∼1.5%, Mn: 0.2∼0.5%, P: 0% 초과 0.03% 이하, S: 0% 초과 0.03% 이하, Cr: 0.2∼0.8%, Mo: 0.25∼1%, Al: 0.01∼0.08%, Ti: 0.01∼0.1%, B: 0.0005∼0.005%, 및 N: 0% 초과 0.01% 이하를 함유한다.
C는 침탄질화 부품의 심(芯)부 경도를 확보하기 위해서 필요한 원소이고, C량이 0.15%를 하회하면 심부 경도를 확보할 수 없어, 면 피로 수명이 저하된다. 따라서 본 발명의 실시형태에서는, C량은 0.15% 이상으로 한다. C량은 바람직하게는 0.17% 이상, 보다 바람직하게는 0.18% 이상이다. 그러나, C를 과잉으로 함유하면, 부품 형상으로 가공하기 전에 펄라이트 분율이 증가하여, 부품 형상으로의 가공성이 악화된다. 따라서 본 발명의 실시형태에서는, C량은 0.3% 이하로 한다. C량은 바람직하게는 0.27% 이하, 보다 바람직하게는 0.25% 이하이다.
Si는 접동 발열에 대한 연화 저항을 높이는 원소이다. Si량이 0.5%를 하회하면 접동 발열에 대한 연화 저항이 저하되어, 면 피로 수명을 개선할 수 없다. 따라서 본 발명의 실시형태에서는, Si량은 0.5% 이상으로 한다. Si량은 바람직하게는 0.6% 이상, 보다 바람직하게는 0.65% 이상이다. 그러나, Si를 과잉으로 함유하면, 부품 형상으로의 가공성이 악화된다. 또한, 강재의 탄소 원자의 활량을 낮춰 침탄 불량을 야기한다. 따라서 본 발명의 실시형태에서는, Si량은 1.5% 이하로 한다. Si량은 바람직하게는 1.3% 이하, 보다 바람직하게는 1.2% 이하이다.
Mn은 S와 결합하여 MnS를 생성하고, 부품 형상으로의 가공성을 악화시키는 FeS의 생성을 억제하는 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서, Mn량은 0.2% 이상으로 한다. Mn량은 바람직하게는 0.3% 이상, 보다 바람직하게는 0.35% 이상이다. 그러나, Mn을 과잉으로 함유하면, 침탄질화 처리 시에 탄질화물을 형성하여, 면 피로 수명을 저하시킨다. 따라서 본 발명의 실시형태에서는, Mn량은 0.5% 이하로 하는 것이 중요하다. Mn량은 바람직하게는 0.47% 이하, 보다 바람직하게는 0.45% 이하이다.
P는 불가피적으로 포함되는 원소이고, 결정 입계에 편석하여 면 피로 수명을 저하시키기 때문에, 가능한 한 저감할 필요가 있다. 이러한 관점에서 P량은 0.03% 이하로 한다. P량은 바람직하게는 0.025% 이하, 보다 바람직하게는 0.020% 이하이다. P량은 가능한 한 저감하는 것이 바람직하지만, 순도를 높이기 위해서는 제조 비용이 증가한다. 이러한 관점에서 P량은 바람직하게는 0.003% 이상, 보다 바람직하게는 0.005% 이상이다.
S는 불가피적으로 포함되는 원소이고, Mn과 결합하여 형성한 MnS계 개재물은 면 피로 수명을 저하시킨다. 따라서 본 발명의 실시형태에서는, S량은 0.03% 이하로 한다. S량은 바람직하게는 0.025% 이하, 보다 바람직하게는 0.020% 이하이다. 그러나, 소량의 S는 피삭성을 향상시키는 작용을 갖는다. 또한, 순도를 높이기 위해서는 제조 비용이 증가한다. 이러한 관점에서 S량은 바람직하게는 0.003% 이상, 보다 바람직하게는 0.005% 이상이다.
Cr은 침탄질화 처리 시에 탄질화물을 형성하여, 면 피로 수명을 저하시키는 원소이다. 따라서 본 발명의 실시형태에서는, Cr량은 0.8% 이하로 하는 것이 중요하다. Cr량은 바람직하게는 0.75% 이하, 보다 바람직하게는 0.60% 이하이다. 그러나, Cr량이 0.2%를 하회하면 담금질성이 저하되어, 면 피로 수명이 저하되기 때문에, Cr량은 0.2% 이상으로 한다. Cr량은 바람직하게는 0.3% 이상, 보다 바람직하게는 0.35% 이상이다.
Mo는 침탄질화 처리 시에 연질인 불완전 담금질 조직이 형성되는 것을 억제하고, 연화 저항을 높여, 면 피로 수명을 개선하는 원소이다. 따라서 본 발명의 실시형태에서는, Mo량은 0.25% 이상으로 한다. Mo량은 바람직하게는 0.30% 이상, 보다 바람직하게는 0.35% 이상이다. 그러나, Mo를 과잉으로 함유하면, 부품 형상으로의 가공성이 악화된다. 또한, 고비용이 된다. 이러한 관점에서 Mo량은 1% 이하로 한다. Mo량은 바람직하게는 0.9% 이하, 보다 바람직하게는 0.8% 이하이다.
Al은 불가피적으로 포함되는 원소이지만, 탈산제로서 작용함과 더불어, AlN을 형성하여 침탄질화 처리 시에 결정립이 조대화되는 것을 억제하는 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서, Al량은 0.01% 이상으로 하는 것이 중요하다. Al량은 바람직하게는 0.015% 이상, 보다 바람직하게는 0.020% 이상이다. 그러나, Al을 과잉으로 함유하면, 열간 가공성이 악화된다. 또한, 침탄질화 처리 시에 탄질화물을 형성하여, 면 피로 수명을 저하시킨다. 따라서 본 발명의 실시형태에서는, Al량은 0.08% 이하로 하는 것이 중요하다. Al량은 바람직하게는 0.06% 이하, 보다 바람직하게는 0.05% 이하이다.
Ti는 강 중의 N과 결합하여 TiN을 형성함으로써 B를 고용시키고, 강의 담금질성을 높여 강도를 향상시키는 원소이다. 이러한 관점에서 본 발명의 실시형태에서는, Ti량은 0.01% 이상으로 한다. Ti량은 바람직하게는 0.02% 이상, 보다 바람직하게는 0.03% 이상이다. 그러나, Ti를 과잉으로 함유하면 고비용이 되기 때문에, Ti량은 0.1% 이하로 한다. Ti량은 바람직하게는 0.09% 이하, 보다 바람직하게는 0.08% 이하이다.
B는 담금질성을 높여 강도를 향상시킴과 더불어, 입계 강도를 높여 면 피로 수명을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서 본 발명의 실시형태에서는, B량은 0.0005% 이상으로 한다. B량은 바람직하게는 0.0010% 이상, 보다 바람직하게는 0.0012% 이상이다. 그러나, B를 과잉으로 함유해도 효과는 포화되고, BN이 생성되어 오히려 열간 가공성이 악화된다. 따라서 본 발명의 실시형태에서는, B량은 0.005% 이하로 한다. B량은 바람직하게는 0.004% 이하, 보다 바람직하게는 0.003% 이하이다.
N은 강 중의 Al, Ti 및 Nb와 결합하여 미세한 탄질화물을 형성하고, 피닝(pinning) 효과에 의해 침탄질화 처리 시에 결정립이 조대화되는 것을 억제하는 원소이다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, N량은 바람직하게는 0.001% 이상, 보다 바람직하게는 0.003% 이상이다. 그러나, N을 과잉으로 함유하면, BN을 형성하여 강의 담금질성을 저하시키기 때문에, 면 피로 수명을 개선할 수 없다. 따라서 본 발명의 실시형태에서는, N량은 0.01% 이하로 한다. N량은 바람직하게는 0.009% 이하, 보다 바람직하게는 0.008% 이하이다.
상기 강재의 기본 성분은 전술한 대로이고, 잔부는 실질적으로 철이다. 단, 원재료, 자재, 제조 설비 등으로부터 반입되는 불가피 불순물이 강 중에 포함되는 것은 당연히 허용된다.
본 발명의 실시형태에 따른 침탄질화용 강재는, 상기 원소에 더하여, 추가로, 다른 원소로서, 질량%로,
(a) Nb: 0% 초과 0.1% 이하, V: 0% 초과 0.5% 이하, 및 Hf: 0% 초과 0.1% 이하로부터 선택되는 적어도 1종,
(b) Cu: 0% 초과 1% 이하, 및 Ni: 0% 초과 2% 이하로부터 선택되는 적어도 1종,
(c) Ca: 0% 초과 0.005% 이하, Mg: 0% 초과 0.005% 이하, Zr: 0% 초과 0.005% 이하, Te: 0% 초과 0.10% 이하, 및 REM: 0% 초과 0.02% 이하로부터 선택되는 적어도 1종,
(d) Pb: 0% 초과 0.10% 이하, Bi: 0% 초과 0.10% 이하, 및 Sb: 0% 초과 0.1% 이하로부터 선택되는 적어도 1종
등을 함유해도 된다.
(a) Nb, V, 및 Hf는 모두 강 중의 C 및 N과 결합하여 탄질화물을 형성하는 원소이다. 침탄질화 처리 시에 생성되는 조대한 탄질화물은 면 피로 수명에 대해서 악영향을 미치지만, 침탄질화 처리 전에 생성되는 미세한 탄질화물은 피닝 효과에 의해 침탄질화 처리 시에 결정립이 조대화되는 것을 방지하는 작용을 갖는다. 그래서, Nb, V, 및 Hf를 단독으로, 또는 2종 이상을 함유해도 된다.
이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, Nb량은 바람직하게는 0.01% 이상, 보다 바람직하게는 0.015% 이상, 더 바람직하게는 0.020% 이상이다. V량은 바람직하게는 0.01% 이상, 보다 바람직하게는 0.05% 이상, 더 바람직하게는 0.10% 이상이다. Hf량은 바람직하게는 0.01% 이상, 보다 바람직하게는 0.02% 이상, 더 바람직하게는 0.03% 이상이다.
그러나, Nb, V, 및 Hf를 과잉으로 함유해도 결정립 조대화 방지 효과는 포화됨과 더불어, 오히려 면 피로 수명을 악화시킨다. 또한, 고비용이 된다. 따라서 본 발명의 실시형태에서는, Nb량은 바람직하게는 0.1% 이하, 보다 바람직하게는 0.09% 이하, 더 바람직하게는 0.08% 이하이다. V량은 바람직하게는 0.5% 이하, 보다 바람직하게는 0.45% 이하, 더 바람직하게는 0.40% 이하이다. Hf량은 바람직하게는 0.1% 이하, 보다 바람직하게는 0.09% 이하, 더 바람직하게는 0.08% 이하이다.
(b) Cu, 및 Ni는 담금질성을 높여 면 피로 수명을 향상시키는 원소이다. Cu, 및 Ni는 단독으로, 또는 2종을 병용할 수 있다.
이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, Cu량은 바람직하게는 0.01% 이상, 보다 바람직하게는 0.05% 이상, 더 바람직하게는 0.10% 이상이다. Ni량은 바람직하게는 0.01% 이상, 보다 바람직하게는 0.1% 이상, 더 바람직하게는 0.5% 이상이다. 그러나, Cu 및 Ni를 과잉으로 함유하면 고비용이 된다. 이러한 관점에서, Cu량은 바람직하게는 1% 이하, 보다 바람직하게는 0.7% 이하, 더 바람직하게는 0.5% 이하이다. Ni량은 바람직하게는 2% 이하, 보다 바람직하게는 1.9% 이하, 더 바람직하게는 1.8% 이하이다.
(c) Ca, Mg, Zr, Te, 및 REM(Rare Earth Metal; 희토류 원소)은 모두 피삭성을 향상시키는 원소이다. 특히, Te와 REM은 MnS의 신장을 억제함으로써 피삭성을 향상시키는 데 기여하는 원소이다. Ca, Mg, Zr, Te, 및 REM은 단독으로, 또는 2종 이상을 병용할 수 있다.
이러한 관점에서, Ca량은 바람직하게는 0.0001% 이상, 보다 바람직하게는 0.0005% 이상, 더 바람직하게는 0.0010% 이상이다. Mg량은 바람직하게는 0.0001% 이상, 보다 바람직하게는 0.0005% 이상, 더 바람직하게는 0.0010% 이상이다. Zr량은 바람직하게는 0.0001% 이상, 보다 바람직하게는 0.0005% 이상, 더 바람직하게는 0.0010% 이상이다. Te량은 바람직하게는 0.001% 이상, 보다 바람직하게는 0.01% 이상, 더 바람직하게는 0.03% 이상이다. REM량은 바람직하게는 0.0001% 이상, 보다 바람직하게는 0.001% 이상, 더 바람직하게는 0.005% 이상이다.
그러나, 과잉으로 함유하면, 면 피로 수명이 저하된다. 따라서 본 발명의 실시형태에서는, Ca량은 바람직하게는 0.005% 이하, 보다 바람직하게는 0.004% 이하, 더 바람직하게는 0.003% 이하이다. Mg량은 바람직하게는 0.005% 이하, 보다 바람직하게는 0.0045% 이하, 더 바람직하게는 0.0040% 이하이다. Zr량은 바람직하게는 0.005% 이하, 보다 바람직하게는 0.004% 이하, 더 바람직하게는 0.003% 이하이다. Te량은 바람직하게는 0.10% 이하, 보다 바람직하게는 0.07% 이하, 더 바람직하게는 0.05% 이하이다. REM량은 바람직하게는 0.02% 이하, 보다 바람직하게는 0.019% 이하, 더 바람직하게는 0.018% 이하이다.
한편, 본 발명의 실시형태에 있어서, REM이란, 란타노이드 원소(La부터 Lu까지의 15 원소) 및 Sc(스칸듐)와 Y(이트륨)를 포함하는 의미이다.
(d) Pb, Bi 및 Sb는 모두 피삭성을 향상시키는 원소이다. Pb, Bi, Sb는 단독으로, 또는 2종 이상을 병용할 수 있다.
이러한 관점에서, Pb량은 바람직하게는 0.001% 이상, 보다 바람직하게는 0.002% 이상, 더 바람직하게는 0.003% 이상이다. Bi량은 바람직하게는 0.001% 이상, 보다 바람직하게는 0.002% 이상, 더 바람직하게는 0.003% 이상이다. Sb량은 바람직하게는 0.001% 이상, 보다 바람직하게는 0.0015% 이상, 더 바람직하게는 0.0020% 이상이다. 그러나, 과잉으로 함유하면, 면 피로 수명이 저하된다. 따라서 본 발명의 실시형태에서는, Pb량은 바람직하게는 0.10% 이하, 보다 바람직하게는 0.08% 이하, 더 바람직하게는 0.06% 이하이다. Bi량은 바람직하게는 0.10% 이하, 보다 바람직하게는 0.08% 이하, 더 바람직하게는 0.05% 이하이다. Sb량은 바람직하게는 0.1% 이하, 보다 바람직하게는 0.08% 이하, 더 바람직하게는 0.05% 이하이다.
이상, 본 발명의 실시형태에 따른 침탄질화용 강재의 성분 조성에 대하여 설명했다.
본 발명의 실시형태에는, 상기 침탄질화용 강재를 이용한 침탄질화 부품도 포함된다. 상기 침탄질화 부품은, 부품 표층에 존재하는 탄질화물의 합계 면적률이 0% 이상 5% 이하이다. 부품 표층에 탄질화물이 다량으로 존재하면, 가혹한 접동 환경하에서 높은 부하를 받아 내부 전단 응력이 커졌을 때에, 탄질화물이 균열 발생의 기점이 되어 스폴링 손상이 촉진되어, 면 피로 수명이 저하된다. 따라서 본 발명의 실시형태에서는, 부품 표층에 존재하는 탄질화물의 합계 면적률을 5% 이하로 한다. 탄질화물의 합계 면적률은 바람직하게는 4% 이하, 보다 바람직하게는 3% 이하이다. 탄질화물의 합계 면적률은 가장 바람직하게는 0%이다.
상기 부품 표층이란, 부품 표면을 기준으로 했을 때, 깊이 25μm 위치로부터 깊이 50μm 위치까지의 영역을 의미한다.
상기 탄질화물의 합계 면적률은, 주사형 전자 현미경을 이용하여, 부품 표면으로부터의 깊이가 25∼50μm인 영역을 관찰하여, 관찰 시야 내에 존재하는 탄질화물의 면적을 측정하고, 이것을 합계하여, 관찰 시야에 대한 탄질화물의 합계 면적률을 산출하면 된다. 관찰 시야수는, 예를 들면, 5시야 이상으로 하면 된다.
본 발명의 실시형태에서는, 현미경 관찰에 있어서 입상으로 관찰되는 석출물을 탄질화물이라고 판단하고 있다. 이와 같은 형상의 석출물을 에너지 분산형 X선 분광법(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy; EDX) 등으로 분석하면, 통상, Mn, Cr, 및 Al로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종이 검출된다. 즉, 본 발명의 실시형태의 탄질화물은, 통상, Mn, Cr, 및 Al로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하고 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 침탄질화 부품은, 전자선 마이크로 애널라이저(Electron Probe Micro Analyser; EPMA)에 의해, 부품 표면으로부터 깊이 25μm 위치까지의 영역을, 표면으로부터 깊이 방향으로 5μm 간격으로 C량 및 N량을 측정하여, 평균치를 구했을 때에, 평균 C량이 0.4∼1%, 평균 N량이 0.2∼0.6%인 것이 바람직하다. 침탄질화 처리에 의해 부품 표면에 C 원자 및 N 원자가 도입되는 것에 의해, 부품 표면의 경도가 향상됨과 더불어, 연화 저항이 향상된다. 그 결과, 면 피로 수명이 높아진다. 상기 평균 C량이 0.4%를 하회하면, 마텐자이트의 경도가 충분히 높아지지 않아, 면 피로 수명의 개선이 충분하지 않다. 따라서 본 발명의 실시형태에서는, 부품 표면에 있어서의 평균 C량은 0.4% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 평균 C량은 보다 바람직하게는 0.45% 이상, 더 바람직하게는 0.50% 이상이다. 그러나, C를 과잉으로 함유하면, 잔류 오스테나이트의 생성량이 증가하거나 조대한 탄화물이 석출되어, 면 피로 수명이 저하된다. 따라서 본 발명의 실시형태에서는, 평균 C량은 1% 이하가 바람직하다. 평균 C량은 보다 바람직하게는 0.9% 이하, 더 바람직하게는 0.8% 이하이다.
상기 평균 N량이 0.2%를 하회하면, 고용 N량이 적어져, 접동 시에 Fe4N이 석출되지 않기 때문에, 면 피로 수명의 개선이 충분하지 않다. 따라서 본 발명의 실시형태에서는, 부품 표면에 있어서의 평균 N량은 0.2% 이상이 바람직하다. 평균 N량은 보다 바람직하게는 0.25% 이상, 더 바람직하게는 0.30% 이상이다. 그러나, N을 과잉으로 함유하면, 합금 성분의 질화물이 석출되어, 면 피로 수명의 개선이 충분하지 않다. 따라서 본 발명의 실시형태에서는, 평균 N량은 0.6% 이하가 바람직하다. 평균 N량은 보다 바람직하게는 0.55% 이하, 더 바람직하게는 0.50% 이하이다.
상기 C량, 및 N량은 침탄질화 처리의 조건을 제어함으로써 조정할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 실시형태에 따른 침탄질화용 강재의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시형태의 침탄질화용 강재는, 통상적 방법에 따라 용제한 강을, 통상적 방법에 따라 주조, 분괴 압연, 및 마무리 압연하여 제조할 수 있다. 구체적으로는, 주조하여 얻어진 주편을, 1100∼1300℃에서 30분간∼5시간 가열 유지한 후, 분괴 압연하면 된다. 분괴 압연 후의 강편은, 예를 들면, 평균 냉각 속도를 0.01∼5℃/초로 하여 A1점 이하의 온도로 냉각하고, 추가로 800∼1100℃로 가열 유지한 상태에서 마무리 압연을 행하고, 추가로 평균 냉각 속도를 0.01∼5℃/초로 하여 실온까지 냉각하는 것에 의해 본 발명의 실시형태의 강재가 얻어진다.
본 발명의 실시형태의 강재의 형상은, 예를 들면, 봉강이고, 직경은, 예를 들면, 20∼50mm이다.
상기 강재를, 통상적 방법에 따라 절삭, 냉간 단조, 및 열간 단조로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 방법으로 가공하여 중간품으로 하고, 이 중간품에 침탄질화 처리를 실시하는 것에 의해 본 발명의 실시형태의 침탄질화 부품을 제조할 수 있다.
상기 침탄질화 처리하기 전에, 필요에 따라서 통상적 방법에 따라 소둔 처리, 용체화 처리 및 소준 처리를 실시해도 된다.
상기 침탄질화 처리의 조건은 특별히 한정되지 않고, 공지의 조건을 적용할 수 있다. 구체적으로는, 카본 퍼텐셜 CP가 0.5∼1.0질량%이고, NH3을 체적 분율로 2∼15% 포함하는 프로페인 가스 분위기에서, 800∼1000℃에서 30분∼6시간 유지하여 행하면 된다. 침탄질화 처리 후에는, 통상적 방법에 따라 담금질하고, 추가로 100∼300℃로 가열하여 30분∼3시간 유지해서 템퍼링을 행하면 된다.
상기 침탄질화 처리는, 침탄 처리하고 나서 침탄질화 처리해도 된다. 예를 들면, 침탄 처리로서, 카본 퍼텐셜 CP를 0.5∼1.0질량%로 하여 850∼1000℃에서, 30분∼3시간 유지하고 나서, 침탄질화 처리로서, 카본 퍼텐셜 CP를 0.5∼1.0질량%, NH3을 체적 분율로 2∼15% 포함하는 프로페인 가스 분위기에서, 800∼900℃에서, 30분∼3시간 유지해도 된다. 한편, 상기 침탄 처리는 2회 이상으로 나누어 행해도 된다. 상기 침탄질화 처리의 온도로 가열할 때의 분위기는 침탄질화 분위기로 하면 된다.
침탄질화 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 가스 침탄질화, 진공 침탄질화 등 공지의 방법을 채용할 수 있다. 진공 침탄질화할 때의 진공도는, 예를 들면, 0.01MPa 정도 이하로 하면 된다.
상기 침탄질화 처리 후에는, 필요에 따라서 통상적 방법에 따라 연마, 윤활 피막 처리, 또는 숏 피닝(shot peening) 처리 등을 실시해도 된다.
침탄질화 처리하여 얻어진 침탄질화 부품은, 예를 들면, 기어, 베어링, 샤프트, CVT 풀리 등의 동력 전달 부품 등에 적합하게 이용할 수 있다.
실시예
이하, 실시예를 들어 본 발명의 일례를 보다 구체적으로 설명하지만, 본 개시는 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니고, 전기 및 후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 변경을 가하여 실시하는 것도 물론 가능하며, 그들은 모두 본 개시의 기술적 범위에 포함된다.
하기 표 1 및 표 2에 나타내는 성분 조성의 강(잔부는 철 및 불가피 불순물)을 소형 용해로에서 용제하여, 잉곳을 제조했다. 하기 표 1 및 표 2에 있어서, 「-」은 검출되지 않았던 것을 의미한다.
얻어진 잉곳을, 1100∼1300℃에서 30∼120분간 가열 유지한 후, 열간 단조 하여 φ32mm의 봉강으로 하고, 추가로 용체화 처리로서 1250℃에서 60분간 가열 유지하고, 방랭 후, 추가로 소준 처리로서 900℃에서 60분간 가열 유지했다. 용체화 처리는 실기에 있어서의 분괴 압연을 모의하고, 소준 처리는 실기에 있어서의 마무리 압연을 모의하고 있다.
소준 처리하여 얻어진 φ32mm의 강재를 도 1에 나타내는 형상의 시험편으로 가공했다. 한편, 시험편은 원통상이다.
다음으로, 얻어진 시험편을 가스 침탄로에서 침탄질화 처리했다. 구체적으로는, 우선, 침탄 처리로서, 카본 퍼텐셜 CP를 0.9질량%로 하여 930℃에서 90분간 유지한 후, 계속해서 카본 퍼텐셜 CP를 0.75질량%로 하여 930℃에서 60분간 유지했다. 다음으로, 60분간 유지 후, 850℃로 강온하고, 침탄질화 처리로서, 카본 퍼텐셜 CP가 0.75질량%이고, NH3 가스를 체적 분율로 12% 포함하는 RX 가스 분위기에서 2시간 유지한 직후에 기름 담금질을 행했다. 기름 담금질 후, 추가로 170℃로 가열하여 2시간 유지하고 나서 방랭하는 것에 의해 템퍼링을 행했다. 침탄질화 처리 후의 담금질 템퍼링에 있어서의 열처리 변형을 제거하기 위해, φ24mm의 척부를 연마했다.
침탄질화 처리 후에 담금질 템퍼링하여 얻어진 시험편에 대하여, 부품 표층에 존재하는 탄질화물의 합계 면적률을 측정했다. 측정 순서를, 도 2a 및 도 2b를 이용하여 설명한다.
우선, 상기 도 1에 나타낸 시험편의 φ26mm 부분을, 도 2a에 점선으로 나타내는 바와 같이, 축 방향에 대해서 수직인 방향으로 절단했다. 그 후, 도 2b에 나타내는 바와 같이, 절단면(D)을 관찰할 수 있도록 수지(R)에 묻고, 절단면(D)을 연마한 후, 피크르산으로 부식시키고, Au 증착을 실시했다. 도 2b에 나타내는 화살표는 관찰 방향을 나타내고 있다.
상기 절단면(D)에 있어서의, 상기 시험편의 표면(S)(즉, 시험편의 원주면)에 대해서, 깊이 25μm 위치로부터 깊이 50μm 위치까지의 영역을, 주사형 전자 현미경으로, 관찰 배율 4000배로, 관찰 시야는 200μm×150μm로, 임의의 5시야에 대하여 관찰했다. 촬영한 사진을 화상 해석하여, 각 시야에서 관찰되는 탄질화물의 합계 면적률을 산출하고, 평균치를 구했다. 결과를 하기 표 1 및 표 2에 나타낸다. 한편, 본 발명의 일례에서는, 관찰 시야 내에 확인되는 입상의 석출물을 탄질화물이라고 판단했다.
참고로서, 관찰 시야 내에 확인되는 입상의 석출물의 성분 조성을, 에너지 분산형 X선 분광법(EDX)에 의해 측정했다. 하기 표 2에 나타낸 No. 31에 대하여, 상기 절단면을 촬영한 도면 대용 사진을 도 3에 나타낸다.
도 3에 화살표로 나타낸 입상의 석출물에 대하여, EDX로 측정한 스펙트럼을 도 4에 나타낸다.
도 4로부터 분명한 바와 같이, 입상의 석출물은 Cr을 함유하는 탄질화물이었다. 한편, 도 4에 나타낸 EDX 스펙트럼에는, Au도 검출되고 있지만, 이 Au는, 석출물을 관찰하기 쉽게 하도록 절단면에 증착시킨 Au에 기인하고 있다.
다음으로, 침탄질화 처리 후에 담금질 템퍼링하여 얻어진 시험편에 대하여, 부품 표면으로부터 깊이 25μm 위치까지의 영역(부품 표면)에 있어서의 C량과 N량을 측정했다.
C량 및 N량의 측정은, 석출물을 관찰한 후의 시험편 표면(즉, 절단면)을 연마한 후, 전자선 마이크로 애널라이저(EPMA)를 이용하여 시험편의 표면(즉, 시험편의 원주면)으로부터 깊이 방향(즉, 축의 중심 방향)을 향해 깊이 25μm 위치까지를, 5μm 간격으로 행했다. 측정 결과의 평균치를 산출하여, 평균 C량 및 평균 N량을 산출했다. 결과를 하기 표 1 및 표 2에 나타낸다.
다음으로, 침탄질화 처리 후에 담금질 템퍼링하여 얻어진 시험편에 대하여, 고마쓰엔지니어링 주식회사제의 「RP-201형 롤러 피팅 시험기」를 이용해서 면 피로 수명을 측정했다.
도 5에, 시험 시의 외관으로서, 시험편(1)에 하중 롤러(2)가 접촉하여, 미끄러지면서 전동하는 모습을 나타낸다. 도 5의 3은 접동부를 나타내고 있다.
하중 롤러(2)로는 JIS G4805에서 규정되는 고탄소 크로뮴강 SUJ2를, 시험유로는 시판 오토매틱유를 이용했다. 측정 조건은 시험면압: 3.5GPa, 미끄럼률: -40% 및 회전수: 1000rpm으로 했다. 시험면압이 3.5GPa은, 가혹한 접동 환경을 모의하고 있다.
박리 손상에 의해 시험기가 정지할 때까지의 회전수를 측정하여, 이 회전수를 면 피로 수명으로 했다. 회전수가 2000만회에 도달한 경우는 그 시점에서 시험을 중지했다. 각 강종 2개씩 시험을 행하여, 평균치를 구했다. 결과를 하기 표 1 및 표 2에 나타낸다. 하기 표 1 및 표 2에 있어서, αE+β는 α×10β을 의미한다.
본 발명의 일례에서는, 상기 회전수가 1000만회 이상인 경우를 합격으로 하고, 면 피로 수명이 우수하다고 평가했다.
하기 표 1 및 표 2에 의거하여, 다음과 같이 고찰할 수 있다.
No. 1∼23은 본 개시에서 규정하는 요건을 만족하는 예이고, 면 피로 수명 평가 시험에 있어서의 회전수가 1000만회 이상이 되어, 면 피로 수명이 우수한 것을 알 수 있다.
No. 24∼45는 본 개시에서 규정하는 어느 하나의 요건을 만족하지 않는 예이고, 면 피로 수명을 개선하지 못했다. 상세는 다음과 같다.
No. 24는 C량이 지나치게 적은 예이고, 면 피로 수명을 개선할 수 없었다.
No. 25는 Si량이 지나치게 적은 예이고, 면 피로 수명을 개선할 수 없었다.
No. 26 및 27은 Mn량이 지나치게 많은 예이고, 침탄질화 처리 시에 탄질화물이 과잉으로 생성되었기 때문에, 면 피로 수명을 개선할 수 없었다.
No. 28은 P량이 지나치게 많은 예이고, 면 피로 수명을 개선할 수 없었다.
No. 29는 S량이 지나치게 많은 예이고, 면 피로 수명을 개선할 수 없었다.
No. 30 및 31은 Cr량이 지나치게 많은 예이고, 침탄질화 처리 시에 탄질화물이 과잉으로 생성되었기 때문에, 면 피로 수명을 개선할 수 없었다.
No. 32는 Mo량이 지나치게 적은 예이고, 면 피로 수명을 개선할 수 없었다.
No. 33 및 34는 Al량이 지나치게 많은 예이고, 침탄질화 처리 시에 탄질화물이 과잉으로 생성되었기 때문에, 면 피로 수명을 개선할 수 없었다.
No. 35는 Ti를 함유하지 않는 예이고, 면 피로 수명을 개선할 수 없었다.
No. 36은 B를 함유하지 않는 예이고, 면 피로 수명을 개선할 수 없었다.
No. 37은 N량이 지나치게 많은 예이고, 면 피로 수명을 개선할 수 없었다.
No. 38은 Ca량이 지나치게 많은 예이고, 면 피로 수명을 개선할 수 없었다.
No. 39는 Mg량이 지나치게 많은 예이고, 면 피로 수명을 개선할 수 없었다.
No. 40은 Zr량이 지나치게 많은 예이고, 면 피로 수명을 개선할 수 없었다.
No. 41은 Te량이 지나치게 많은 예이고, 면 피로 수명을 개선할 수 없었다.
No. 42는 REM량이 지나치게 많은 예이고, 면 피로 수명을 개선할 수 없었다.
No. 43은 Pb량이 지나치게 많은 예이고, 면 피로 수명을 개선할 수 없었다.
No. 44는 Bi량이 지나치게 많은 예이고, 면 피로 수명을 개선할 수 없었다.
No. 45는 Sb량이 지나치게 많은 예이고, 면 피로 수명을 개선할 수 없었다.
Figure pct00001
Figure pct00002
본 명세서의 개시 내용은 이하의 태양을 포함한다.
태양 1:
질량%로,
C : 0.15∼0.3%,
Si: 0.5∼1.5%,
Mn: 0.2∼0.5%,
P : 0% 초과 0.03% 이하,
S : 0% 초과 0.03% 이하,
Cr: 0.2∼0.8%,
Mo: 0.25∼1%,
Al: 0.01∼0.08%,
Ti: 0.01∼0.1%,
B : 0.0005∼0.005%, 및
N : 0% 초과 0.01% 이하를 함유하고,
잔부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 침탄질화용 강재.
태양 2:
추가로, 다른 원소로서, 질량%로,
Nb: 0% 초과 0.1% 이하,
V : 0% 초과 0.5% 이하, 및
Hf: 0% 초과 0.1% 이하로부터 선택되는 적어도 1종을 함유하는 태양 1에 기재된 침탄질화용 강재.
태양 3:
추가로, 다른 원소로서, 질량%로,
Cu: 0% 초과 1% 이하, 및
Ni: 0% 초과 2% 이하로부터 선택되는 적어도 1종을 함유하는 태양 1 또는 2에 기재된 침탄질화용 강재.
태양 4:
추가로, 다른 원소로서, 질량%로,
Ca: 0% 초과 0.005% 이하,
Mg: 0% 초과 0.005% 이하,
Zr: 0% 초과 0.005% 이하,
Te: 0% 초과 0.10% 이하, 및
REM: 0% 초과 0.02% 이하로부터 선택되는 적어도 1종을 함유하는 태양 1∼3 중 어느 하나에 기재된 침탄질화용 강재.
태양 5:
추가로, 다른 원소로서, 질량%로,
Pb: 0% 초과 0.10% 이하,
Bi: 0% 초과 0.10% 이하, 및
Sb: 0% 초과 0.1% 이하로부터 선택되는 적어도 1종을 함유하는 태양 1∼4 중 어느 하나에 기재된 침탄질화용 강재.
태양 6:
태양 1∼5 중 어느 하나에 기재된 침탄질화용 강재를 이용한 침탄질화 부품으로서,
부품 표면으로부터의 깊이가 25∼50μm인 영역에 있어서의 탄질화물의 합계 면적률이 0% 이상 5% 이하인 것을 특징으로 하는 침탄질화 부품.
태양 7:
태양 1∼5 중 어느 하나에 기재된 침탄질화용 강재에, 침탄질화 처리하는 것을 특징으로 하는 침탄질화 부품의 제조 방법.
본 출원은 출원일이 2016년 1월 13일인 일본 특허출원, 특원 제2016-004567호를 기초 출원으로 하는 우선권 주장을 수반한다. 특원 제2016-004567호는 참조하는 것에 의해 본 명세서에 원용된다.
1: 시험편
2: 하중 롤러
3: 접동부
D: 절단면
R: 수지
S: 시험편의 표면

Claims (7)

  1. 질량%로,
    C : 0.15∼0.3%,
    Si: 0.5∼1.5%,
    Mn: 0.2∼0.5%,
    P : 0% 초과 0.03% 이하,
    S : 0% 초과 0.03% 이하,
    Cr: 0.2∼0.8%,
    Mo: 0.25∼1%,
    Al: 0.01∼0.08%,
    Ti: 0.01∼0.1%,
    B : 0.0005∼0.005%, 및
    N : 0% 초과 0.01% 이하를 함유하고,
    잔부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 침탄질화용 강재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    추가로, 다른 원소로서, 질량%로,
    Nb: 0% 초과 0.1% 이하,
    V : 0% 초과 0.5% 이하, 및
    Hf: 0% 초과 0.1% 이하로부터 선택되는 적어도 1종을 함유하는 침탄질화용 강재.
  3. 제 1 항에 있어서,
    추가로, 다른 원소로서, 질량%로,
    Cu: 0% 초과 1% 이하, 및
    Ni: 0% 초과 2% 이하로부터 선택되는 적어도 1종을 함유하는 침탄질화용 강재.
  4. 제 1 항에 있어서,
    추가로, 다른 원소로서, 질량%로,
    Ca: 0% 초과 0.005% 이하,
    Mg: 0% 초과 0.005% 이하,
    Zr: 0% 초과 0.005% 이하,
    Te: 0% 초과 0.10% 이하, 및
    REM: 0% 초과 0.02% 이하로부터 선택되는 적어도 1종을 함유하는 침탄질화용 강재.
  5. 제 1 항에 있어서,
    추가로, 다른 원소로서, 질량%로,
    Pb: 0% 초과 0.10% 이하,
    Bi: 0% 초과 0.10% 이하, 및
    Sb: 0% 초과 0.1% 이하로부터 선택되는 적어도 1종을 함유하는 침탄질화용 강재.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 침탄질화용 강재를 이용한 침탄질화 부품으로서,
    부품 표면으로부터의 깊이가 25∼50μm인 영역에 있어서의 탄질화물의 합계 면적률이 0% 이상 5% 이하인 것을 특징으로 하는 침탄질화 부품.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 침탄질화용 강재에, 침탄질화 처리하는 것을 특징으로 하는 침탄질화 부품의 제조 방법.
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