KR20190028492A - 고주파 담금질용 강 - Google Patents

고주파 담금질용 강 Download PDF

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아키라 시가
유타카 네이시
게이 미야니시
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신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
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Abstract

고주파 담금질 후에 있어서, 뛰어난 면피로 강도 및 뛰어난 굽힘 피로 강도가 얻어지는 고주파 담금질용 강을 제공한다. 본 발명에 의한 고주파 담금질용 강은, 화학 조성이, 질량%로, C：0.58~0.68%, Si：0.70~1.40%, Mn：0.20~1.40%, P：0.020% 미만, S：0.020% 미만, Al：0.005~0.060%, N：0.0020~0.0080%, O：0.0015% 이하, V：0.01~0.25%, B：0.0003~0.0040%, Ti：0.010~0.050%, 및, Ca：0.0005~0.005%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1)~식 (3)을 만족한다. 강 조직은, 페라이트 및 펄라이트로 이루어진다. 복합 개재물의 개수의 비율은, 20% 이상이다.
C+Si/7+Mn/5+Cr/9+Mo/2.5≤1.05 (1)
C+Si/10+Mn/20+Cr/25≥0.70 (2)
Cr/Si≤0.20 (3)

Description

고주파 담금질용 강
본 발명은, 강에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 고주파 담금질용 강에 관한 것이다.
기어로 대표되는 기계 부품은 통상, 뛰어난 면피로 강도가 요구된다. 표면의 경도가 높으면, 뛰어난 면피로 강도가 얻어진다. 그 때문에, 면피로 강도가 요구되는 기계 부품은, 고주파 담금질을 실시하여 제조되는 경우가 있다.
이러한 기계 부품의 제조 방법의 일례는 다음과 같다. 고주파 담금질용 강재를 열간 단조하여, 중간품을 제조한다. 중간품에 대해 고주파 담금질을 실시한다. 고주파 담금질된 중간품에 대해 연삭 가공을 실시하여, 기어로 대표되는 기계 부품을 제조한다.
상술한 기계 부품의 피로 강도를 개선하는 기술이, 일본국 특허 제4014042호(특허문헌 1) 및 일본국 특허 제5742801호(특허문헌 2)에 제안되어 있다.
특허문헌 1에 개시된 고주파 담금질용 봉강은, 질량%로, C：0.5~0.7%, Si：0.1~1.5%, Mn：0.2~1.5%, Cr：0~1.5%, V：0~0.10%, S：0.002~0.05%, Al：0.01~0.04% 및 N：0.005~0.012%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물 중의 Ti가 0.003% 이하, O가 0.0015% 이하, P가 0.02% 이하이며, (1)식으로 표시되는 X값이 0.62~0.90이다. 이 봉강의 표층 영역에 있어서, (2)식으로 표시되는 A값이 0.80 이상이며, 애스펙트비가 3 이하이고, 또한 단경이 10μm 이상인 MnS 이외의 개재물의 개수가 2개/mm2 이하이다. 여기서, 식 (1)은 X=C(%)+0.11×Si(%)+0.07×Mn(%)+0.08×Cr(%)이다. 식 (2)는 A=(MnMIN/MnAVE)이다. (1)식 중의 C(%), Si(%), Mn(%), Cr(%)은, 각 원소의 함유량(질량%)을 의미한다. (2)식 중의 MnMIN은, 표층 영역에 있어서의 Mn 농도의 하한값(질량%)을 의미하고, MnAVE는 Mn 농도의 평균값(질량%)을 의미한다.
특허문헌 2에 개시된 열간 압연 봉강 또는 선재는, 질량%로, C：0.55~0.75%, Si：0.1~1.0%, Mn：0.3~1.5%, Cr：0.1~2.0%, S：0.002~0.05%, Al：0.01~0.2% 및 N：0.002~0.01%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물 중의 P 및 O가 각각, P：0.025% 이하 및 O：0.002% 이하이고, 또한 하기의 식 (1)로 표시되는 Fn1이 2.5~4.5인 화학 조성을 갖는다. 조직에 있어서, 펄라이트 분율이 90% 이상, 펄라이트 라멜라의 평균 간격이 150~300nm이고, 또한 펄라이트 라멜라 간격의 표준 편차가 25nm 이하이다. 식 (1)은, Fn1=3Si+Mn+1.5Cr이며, 식 (1) 중의 원소 기호는, 각 원소의 함유량(질량%)을 의미한다.
일본국 특허 제4014042호 일본국 특허 제5742801호
특허문헌 1 및 2에서 제안된 강재에서도, 뛰어난 면피로 강도가 얻어진다. 그러나, 다른 방법에 의해서도, 고주파 담금질 후의 강재에 있어서, 뛰어난 면피로 강도가 얻어지는 것이 바람직하다. 또, 강재를 이용하여 기어를 제조하는 경우, 이뿌리부에서의 뛰어난 굽힘 피로 강도도 요구된다.
본 발명의 목적은, 고주파 담금질 후에 있어서, 뛰어난 면피로 강도 및 뛰어난 굽힘 피로 강도가 얻어지는 고주파 담금질용 강을 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 고주파 담금질용 강은, 화학 조성이, 질량%로, C：0.58~0.68%, Si：0.70~1.40%, Mn：0.20~1.40%, P：0.020% 미만, S：0.020% 미만, Al：0.005~0.060%, N：0.0020~0.0080%, O：0.0015% 이하, V：0.01~0.25%, B：0.0003~0.0040%, Ti：0.010~0.050%, Ca：0.0005~0.005%, Cr：0~0.15%, Cu：0~0.50%, Ni：0~0.30%, Mo：0~0.20%, 및, Nb：0~0.05%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1)~식 (3)을 만족한다. 강 조직이, 페라이트 및 펄라이트로 이루어지고, 펄라이트의 면적률이 85% 이상이다. 강 중에 있어서, Al2O3 개재물 및 복합 개재물의 총 개수에 대한, 복합 개재물의 개수의 비율은, 20% 이상이다. 복합 개재물은, 질량%로, 2.0% 이상의 SiO2 및 2.0% 이상의 CaO를 함유하고, 잔부의 99% 이상이 Al2O3인 개재물이다.
C+Si/7+Mn/5+Cr/9+Mo/2.5≤1.05 (1)
C+Si/10+Mn/20+Cr/25≥0.70 (2)
Cr/Si≤0.20 (3)
여기서, 식 (1)~식 (3)의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
본 발명에 의한 고주파 담금질용 강은, 고주파 담금질 후에 있어서, 뛰어난 면피로 강도 및 뛰어난 굽힘 피로 강도가 얻어진다.
도 1은, 실시예 중의 롤러 피칭 시험에서 사용한, 소(小)롤러 시험편의 측면도이다.
도 2는, 실시예 중의 굽힘 피로 시험에서 사용한, 오노식 회전 굽힘 피로 시험편의 측면도이다.
도 3은, 실시예 중의 롤러 피칭 시험에서 사용한, 대(大)롤러 시험편의 정면도이다.
본 발명자들은, 고주파 담금질 후의 강재(기계 부품)의 면피로 강도, 및, 굽힘 피로 강도에 대해서 조사, 검토를 행했다. 그 결과, 본 발명자들은 다음의 지견을 얻었다.
(1) 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도를 높이기 위해서는, 고주파 담금질 후의 강재의 표면 경도를 높이는 것이 유효하다. 표면 경도를 높이려면, 고주파 담금질에 의해, 강재 표층의 미크로 조직을 균일한 담금질 조직(마텐자이트)으로 하는 것이 바람직하다. 강재의 표층 조직에 페라이트 등이 잔존하는 등, 표층 조직이 불균일 조직이 되면, 표면 경도가 낮아져, 면피로 강도가 저하한다.
고주파 담금질에 의해 균일한 담금질 조직을 얻기 위해서는, 고주파 담금질용 강의 미크로 조직이 페라이트 및 펄라이트로 이루어지고, 조직 중의 펄라이트의 면적률(이하, 펄라이트 분율이라 함)이 높은 것이 바람직하다.
Fn1=C+Si/7+Mn/5+Cr/9+Mo/2.5로 정의한다. Fn1은 담금질성의 지표이다. Fn1이 1.05를 넘으면, 담금질성이 너무 높아진다. 이 경우, 고주파 담금질용 강의 미크로 조직에 베이나이트가 생성되고, 펄라이트 분율이 저하한다. 그 결과, 고주파 담금질을 실시해도, 표층에 불균일 조직이 생성되기 쉽다. 그 결과, 강재의 면피로 강도가 저하한다. Fn1이 1.05 이하이면, 고주파 담금질용 강의 미크로 조직이 페라이트(초석 페라이트) 및 펄라이트로 이루어지고, 펄라이트 분율이 85% 이상이 된다. 「미크로 조직이 페라이트 및 펄라이트로 이루어진다」라는 것은, 미크로 조직 중에 있어서의 페라이트(초석 페라이트) 및 펄라이트의 총 면적률이 97% 이상인 것을 의미한다.
(2) 고주파 담금질에 의해 균일한 담금질 조직을 얻기 위해서는, 상술한 바와 같이, 고주파 담금질용 강의 미크로 조직을 페라이트·펄라이트 조직으로 하고, 또한, 펄라이트 분율을 85% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
Fn2=C+Si/10+Mn/20+Cr/25로 정의한다. Fn2는, 강의 미크로 조직이 페라이트·펄라이트 조직인 경우의 펄라이트 분율의 지표이다. Fn2가 높을수록, 미크로 조직 중의 펄라이트 분율이 높아진다. Fn2가 0.70 미만이면, 미크로 조직 중의 펄라이트 분율이 85% 미만이 되어, 고주파 담금질 후의 강재의 표층에, 불균일 조직이 생성되기 쉽다. 그 결과, 강재의 면피로 강도가 저하한다. Fn2가 0.70 이상이면, 미크로 조직 중의 펄라이트 분율이 85% 이상이 된다.
(3) 고주파 담금질에 의해서 균일한 담금질 조직을 얻기 위해서는 또한, 고주파 담금질 시에, 펄라이트 중의 시멘타이트가 용이하게 고용되는 것이 바람직하다. 고주파 담금질 후의 강재에 미고용 시멘타이트가 잔존하면, 불균일 조직이 형성되어, 고주파 담금질 후의 강재 표면의 경도가 저하한다. 그 결과, 강재의 면피로 강도가 저하한다.
Si 및 Cr은 모두, 펄라이트의 라멜라 간격을 좁게 하여, 고주파 담금질 시에 시멘타이트가 고용되기 쉽게 한다. Si 및 Cr은 또한, 강의 뜨임 연화 저항을 높인다. 그로 인해, Si 및 Cr은 모두, 뜨임 시의 시멘타이트의 생성을 억제해, 강재의 면피로 강도를 높인다. 그러나, Cr은 시멘타이트에 농화되어, 시멘타이트를 안정화시킨다. 그 때문에, Cr 함유량이 너무 많으면, 고주파 가열 시에 시멘타이트가 고용되기 어려워, 고주파 담금질 후의 강재에 미고용의 시멘타이트가 잔존하기 쉽다. Si 함유량에 대해 Cr 함유량을 저감하면, 펄라이트의 라멜라 간격을 좁게 하면서, Cr에 의한 시멘타이트의 안정화를 억제할 수 있다. 이 경우, 고주파 가열 시에 시멘타이트가 고용되기 쉬워지고, 또한, 고주파 담금질 후에 시멘타이트가 잔존하기 어렵다.
Fn3=Cr/Si라고 정의한다. Fn3은 고주파 담금질 시의 시멘타이트의 고용 용이성을 나타내는 지표이다. Fn3이 낮을수록, 고주파 가열 시에 강 중의 시멘타이트가 고용되기 쉽다. 한편, Fn3이 높으면, Si 함유량에 대해 Cr 함유량이 너무 많다. 이 경우, 고주파 가열 시에 시멘타이트가 고용되기 어렵다. 그 결과, 담금질 후의 강재에 있어서, 충분한 경도가 얻어지지 않는다. Fn3이 0.20 이하이면, 고주파 담금질 시에 시멘타이트가 충분히 고용된다. 그로 인해, 고주파 담금질 후의 강재에 있어서, 충분한 표면 경도가 얻어져, 뛰어난 면피로 강도가 얻어진다.
(4) 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도에는 또한, 강 중의 개재물의 형태가 영향을 미친다. 고주파 담금질되어 제조되는 기계 부품(예를 들어 기어)용 강은, Al 탈산으로 제조된다. 따라서, 강 중에는 Al2O3 개재물이 존재한다. Al2O3 개재물은 응고 과정에서 서로 응집되기 쉬워, 조대한 Al2O3 개재물군(클러스터)을 형성하기 쉽다. 이러한 클러스터는, 고주파 담금질 후의 기계 부품의 면피로 강도를 저하시킨다. 또한, 본 명세서에 있어서, Al2O3 개재물이란, 질량%로, Al2O3를 99% 이상 함유하는 개재물을 의미한다.
Al2O3 개재물은 또한, 강의 매트릭스(모재) 계면과의 밀착성이 낮다. 그 때문에, 열간 단조 등의 소성 가공 시에 있어서, Al2O3 개재물과 매트릭스의 계면에 간극이 발생하기 쉽다. 이러한 간극은, 기계 부품의 면피로 강도를 저하시킨다.
이상의 지견에 의거해, 본 발명자들은, 개재물의 응집을 억제해, 매트릭스 계면과의 밀착성을 높이는 방법에 대해서 조사, 검토를 행했다. 그 결과, 본 발명자들은, 다음의 새로운 지견을 얻었다.
본 명세서에 있어서, 질량%로, 2.0% 이상의 SiO2와, 2.0% 이상의 CaO를 함유하고, 잔부의 99질량% 이상이 Al2O3인 개재물을, 「복합 개재물」이라고 정의한다. 복합 개재물은, 응집되기 어려워, 클러스터를 형성하기 어렵다. 또한, 복합 개재물의 매트릭스 계면과의 밀착성은 Al2O3 개재물보다 높다. 따라서, 강 중의 개재물 중, 복합 개재물의 비율을 높이면, 면피로 강도를 높일 수 있다.
본 명세서에 있어서, 강 중의 Al2O3 개재물 및 복합 개재물의 총 개수에 대한, 복합 개재물의 개수의 비율을 복합 개재물 비율 Ra(%)라고 정의한다.
복합 개재물 비율 Ra가 높으면, 강 중의 Al2O3 개재물의 비율이 적어진다. 이 경우, 개재물이 응집되기 어려워져, 클러스터의 생성이 억제된다. 또한 상술한 바와 같이, 복합 개재물의 매트릭스 계면에 대한 밀착성은 높다. 그 때문에, 복합 개재물의 생성에 의해 Al2O3 개재물이 적어지면, 강 중의 매트릭스와 개재물의 밀착성의 저하에 기인한 면피로 강도의 저하도 억제된다.
복합 개재물 비율 Ra가 20% 이상이면, Al2O3 개재물의 클러스터의 생성을 충분히 억제할 수 있다. 또한, 강 중의 매트릭스의 개재물과의 밀착성도 개선된다. 그 결과, 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도를 높일 수 있다.
(5) 고주파 담금질 후의 강재의 굽힘 피로 강도를 높이기 위해서는, 상술한 조건에 추가해, 고주파 담금질 후의 강재의 입계 강도를 높이는 것이 유효하다. B를 함유하면 P의 입계 편석이 억제된다. 그 때문에, 고주파 담금질 후의 강재의 입계 강도가 높아진다. 본 실시형태에 의한 고주파 담금질용 강은 또한, 결정립을 미세화하기 위해서, V를 함유한다. B 및 V를 함유함으로써, 고주파 담금질 후의 강재의 결정립이 미세화되어 입계 강도가 높아진다. 그 결과, 굽힘 피로 강도가 높아진다.
이상의 지견에 의거해 완성한 본 실시형태에 의한 고주파 담금질용 강은, 화학 조성이, 질량%로, C：0.58~0.68%, Si：0.70~1.40%, Mn：0.20~1.40%, P：0.020% 미만, S：0.020% 미만, Al：0.005~0.060%, N：0.0020~0.0080%, O：0.0015% 이하, V：0.01~0.25%, B：0.0003~0.0040%, Ti：0.010~0.050%, Ca：0.0005~0.005%, Cr：0~0.15%, Cu：0~0.50%, Ni：0~0.30%, Mo：0~0.20%, 및, Nb：0~0.05%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1)~식 (3)을 만족한다. 강 조직이, 페라이트 및 펄라이트로 이루어지고, 펄라이트의 면적률이 85% 이상이다. 강 중에 있어서, Al2O3 개재물 및 복합 개재물의 총 개수에 대한, 복합 개재물의 개수의 비율은, 20% 이상이다. 복합 개재물은, 질량%로, 2.0% 이상의 SiO2 및 2.0% 이상의 CaO를 함유하고, 잔부의 99% 이상이 Al2O3인 개재물이다.
C+Si/7+Mn/5+Cr/9+Mo/2.5≤1.05 (1)
C+Si/10+Mn/20+Cr/25≥0.70 (2)
Cr/Si≤0.20 (3)
여기서, 식 (1)~식 (3)의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
상기 화학 조성은, Cr：0.05~0.15%, Cu：0.03~0.50%, Ni：0.03~0.30%, 및, Mo：0.01~0.20%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다.
상기 화학 조성은, Nb：0.01~0.05%를 함유해도 된다.
이하, 본 실시형태에 의한 고주파 담금질용 강에 대해서 상세하게 기술한다. 원소에 관한 「%」는, 특별히 기술하지 않는 한, 질량%를 의미한다.
[화학 조성]
본 실시형태에 의한 고주파 담금질용 강의 화학 조성은, 다음의 원소를 함유한다.
C：0.58~0.68%
탄소(C)는, 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도를 높인다. C 함유량이 너무 적으면, 이 효과가 얻어지지 않는다. 한편, C 함유량이 너무 많으면, 강의 냉간 가공성이 저하한다. 따라서, C 함유량은 0.58~0.68%이다. C 함유량의 바람직한 하한은 0.59%이며, 더욱 바람직하게는 0.60%이다. C 함유량의 바람직한 상한은 0.67%이며, 더욱 바람직하게는 0.66%이다.
Si：0.70~1.40%
실리콘(Si)은 강을 탈산한다. Si는 또한, 뜨임 연화 저항을 높여, 고주파 담금질 후에 행해지는 뜨임 처리에 있어서, 시멘타이트의 석출을 억제한다. Si는 또한, Al2O3 개재물을 개질하여, 응집되기 어려운 복합 개재물(Al2O3-CaO-SiO2)을 형성한다. 복합 개재물이 형성되면, 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도가 높아진다. Si 함유량이 너무 적으면, 이들 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Si 함유량이 너무 많으면, 강의 냉간 가공성이 저하한다. 따라서, Si 함유량은 0.70~1.40%이다. Si 함유량의 바람직한 하한은 0.72%이며, 더욱 바람직하게는 0.75%이다. Si 함유량의 바람직한 상한은 1.38%이며, 더욱 바람직하게는 1.36%이다.
Mn：0.20~1.40%
망간(Mn)은 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도를 높인다. Mn 함유량이 너무 적으면, 이 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Mn 함유량이 너무 많으면, 강의 냉간 가공성이 저하한다. Mn 함유량이 너무 많으면 또한, 편석이 발생한다. 그 결과, 입계 강도가 저하해, 강재의 면피로 강도 및 굽힘 피로 강도가 저하한다. 따라서, Mn 함유량은 0.20~1.40%이다. Mn 함유량의 바람직한 하한은 0.30%이며, 더욱 바람직하게는 0.35%이다. Mn 함유량의 바람직한 상한은 1.30%이며, 더욱 바람직하게는 1.25%이다.
P：0.020% 미만
인(P)은 불순물이다. P는 입계에 편석하여 입계를 취화한다. 그 때문에, P는 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도를 저하시킨다. 따라서, P 함유량은 0.020% 미만이다. P 함유량의 바람직한 상한은 0.015%이며, 더욱 바람직하게는 0.012%이다. P 함유량은 가능한 한 적은 것이 바람직하다.
S：0.020% 미만
유황(S)은 불순물이다. S는 조대한 개재물(MnS)을 형성하고, 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도를 저하시킨다. 따라서, S 함유량은 0.020% 미만이다. S 함유량의 바람직한 상한은 0.018%이며, 더욱 바람직하게는 0.016%이다. S 함유량은 가능한 한 적은 것이 바람직하다.
Al：0.005~0.060%
알루미늄(Al)은 강을 탈산한다. Al은 또한, 강 중의 N과 결합하여 AlN을 형성하고, 고주파 담금질 시의 결정립의 조대화를 억제한다. Al 함유량이 너무 적으면, 이들 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Al 함유량이 너무 많으면, 조대한 Al2O3 개재물이나, 복수의 Al2O3 개재물이 응집된 Al2O3 클러스터가 다수 생성되어, 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도가 저하한다. 따라서, Al 함유량은 0.005~0.060%이다. Al 함유량의 바람직한 하한은 0.008%이며, 더욱 바람직하게는 0.010%이다. Al 함유량의 바람직한 상한은 0.058%이며, 더욱 바람직하게는 0.056%이다. 본 명세서에 말하는 Al 함유량은, 전체 Al의 함유량을 의미한다.
N：0.0020~0.0080%
질소(N)는 Al과 결합하여 AlN을 형성하고, 고주파 담금질 시의 결정립의 조대화를 억제한다. 그 결과, 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도를 높인다. N 함유량이 너무 적으면, 이 효과가 얻어지지 않는다. 한편, N 함유량이 너무 많으면, N이 과잉으로 페라이트에 고용되어 변형 시효가 발생해, 강의 냉간 가공성이 저하한다. N 함유량이 너무 많으면 또한, 조대한 질화물이 생성되고, 강재의 면피로 강도가 저하한다. 따라서, N 함유량은 0.0020~0.0080%이다. N 함유량의 바람직한 하한은 0.0025%이며, 더욱 바람직하게는 0.0030%이다. N 함유량의 바람직한 상한은 0.0075%이며, 더욱 바람직하게는 0.0070%이다.
O：0.0015% 이하
산소(O)는 불순물이다. O는 Al, Si 및 Ca와 결합하여 산화물(또는 산화물계 개재물)을 형성하고, 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도를 저하시킨다. 따라서, O 함유량은 0.0015% 이하이다. O 함유량의 바람직한 상한은 0.0014%이며, 더욱 바람직하게는 0.0013%이다. O 함유량은 가능한 한 적은 것이 바람직하다.
V：0.01~0.25%
바나듐(V)은 V 질화물, V 탄화물, 또는, V 탄질화물을 형성하고, 고주파 담금질 시의 결정립의 조대화를 억제한다. 그 결과, 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도 및 굽힘 피로 강도가 높아진다. V 함유량이 너무 적으면, 이들 효과가 얻어지지 않는다. 한편, V 함유량이 너무 많으면, 조대한 V 석출물이 생성되어, 강의 냉간 가공성이 저하한다. 따라서, V 함유량은 0.01~0.25%이다. V 함유량의 바람직한 하한은 0.03%이며, 보다 바람직하게는 0.035%이며, 더욱 바람직하게는 0.04%이다. V 함유량의 바람직한 상한은 0.24%이며, 더욱 바람직하게는 0.23%이다.
B：0.0003~0.0040%
붕소(B)는 강에 고용되어 강의 담금질성을 높인다. 그 결과, 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도를 높인다. B는 또한, 입계 강도를 높여, 고주파 담금질 후의 강재의 굽힘 피로 강도를 높인다. B 함유량이 적으면, 상기 효과가 유효하게 얻어지지 않는다. 한편, B 함유량이 너무 많으면, 상기 효과가 포화한다. 따라서, B 함유량은 0.0003~0.0040%이다. B 함유량의 바람직한 하한은 0.0005%이며, 더욱 바람직하게는 0.0008%이다. B 함유량의 바람직한 상한은 0.0038%이며, 더욱 바람직하게는 0.0036%이다.
Ti：0.010~0.050%
티탄(Ti)은, Ti 질화물 또는 Ti 탄화물을 형성하여, 고주파 담금질 시의 결정립의 조대화를 억제한다. 그 결과, 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도 및 굽힘 피로 강도가 높아진다. Ti는 또한, N과 결합함으로써, B가 N과 결합하는 것을 억제해, 고용 B량을 확보한다. Ti 함유량이 너무 적으면, 상기 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Ti 함유량이 너무 많으면, 조대한 Ti 질화물, Ti 탄화물이 생성되어, 강의 냉간 가공성이 저하한다. 따라서, Ti 함유량은 0.010~0.050%이다. Ti 함유량의 하한은 0.012%이며, 더욱 바람직하게는 0.013%이다. Ti 함유량의 바람직한 상한은 0.048%이며, 더욱 바람직하게는 0.046%이다.
Ca：0.0005~0.005%
칼슘(Ca)은, Al2O3 개재물을 개질하여, 복합 개재물(Al2O3-CaO-SiO2)을 형성한다. Al2O3 개재물을 개질하여 복합 개재물을 생성함으로써, 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도를 높인다. Ca 함유량이 너무 적으면, 이 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Ca 함유량이 너무 많으면, 조대한 개재물이 증가하여, 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도가 오히려 저하한다. 따라서, Ca 함유량은 0.0005~0.005%이다. Ca 함유량의 바람직한 하한은 0.0008%이며, 더욱 바람직하게는 0.0010%이다. Ca 함유량의 바람직한 상한은 0.0048%이며, 더욱 바람직하게는 0.0046%이다.
본 실시형태에 의한 고주파 담금질용 강의 화학 조성의 잔부는, Fe 및 불순물로 이루어진다. 여기서, 불순물이란, 고주파 담금질용 강을 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것이며, 본 실시형태의 고주파 담금질용 강에 악영향을 끼치지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.
본 실시형태에 의한 고주파 담금질용 강은 또한, Cr, Cu, Ni, 및, Mo로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 모두, 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도를 높인다.
Cr：0~0.15%
크롬(Cr)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Cr은 강에 고용되어, 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도를 높인다. Cr은 또한, 강의 뜨임 연화 저항을 높여, 뜨임 시의 시멘타이트의 생성을 억제한다. 그 결과, 강재의 면피로 강도가 높아진다. Cr이 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 한편, Cr은 시멘타이트에 농화되기 쉬워, 시멘타이트를 안정화시킨다. 시멘타이트가 안정화되면, 고주파 담금질 시에 시멘타이트가 고용되기 어려워, 시멘타이트가 잔존하는 경우가 있다. 그 때문에, 고용 C를 충분히 얻을 수 없어, 충분한 강재의 경도가 얻어지지 않는다. 그 결과, 강재의 면피로 강도가 저하한다. 따라서, Cr 함유량은 0~0.15%이다. 상기 효과를 더욱 유효하게 얻기 위한 Cr 함유량의 바람직한 하한은 0.01%이며, 보다 바람직하게는 0.05%이며, 더욱 바람직하게는 0.06%이며, 더욱 바람직하게는 0.07%이다. Cr 함유량의 바람직한 상한은 0.14%이며, 더욱 바람직하게는 0.13%이다.
Cu：0~0.50%
구리(Cu)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Cu는 강에 고용되어, 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도를 높인다. Cu가 조금이라도 함유되면, 이 효과가 어느 정도 얻어진다. 한편, Cu 함유량이 너무 많으면, 상기 효과가 포화한다. 따라서, Cu 함유량은 0~0.50%이다. 상기 효과를 더욱 유효하게 얻기 위한 Cu 함유량의 바람직한 하한은 0.03%이며, 더욱 바람직하게는 0.04%이다. Cu 함유량의 바람직한 상한은 0.45%이며, 더욱 바람직하게는 0.40%이다.
Ni：0~0.30%
니켈(Ni)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Ni는 강에 고용되어, 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도를 높인다. Ni가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 한편, Ni 함유량이 너무 많으면, 상기 효과가 포화한다. 따라서, Ni 함유량은 0~0.30%이다. 상기 효과를 더욱 유효하게 얻기 위한 Ni 함유량의 바람직한 하한은 0.03%이며, 더욱 바람직하게는 0.04%이다. Ni 함유량의 바람직한 상한은 0.25%이며, 더욱 바람직하게는 0.20%이다.
Mo：0~0.20%
몰리브덴(Mo)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Mo는 강에 고용되어, 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도를 높인다. Mo가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 한편, Mo 함유량이 너무 많으면, 고주파 담금질용 강재 중의 펄라이트 비율이 85% 미만이 되어, 냉간 가공성이 저하한다. 따라서, Mo 함유량은 0~0.20%이다. 상기 효과를 더욱 유효하게 얻기 위한 Mo 함유량의 바람직한 하한은 0.01%이며, 더욱 바람직하게는 0.02%이다. Mo 함유량의 바람직한 상한은 0.18%이며, 더욱 바람직하게는 0.16%이다.
본 실시형태에 의한 고주파 담금질용 강은 또한, Fe의 일부 대신에, Nb를 함유해도 된다.
Nb：0~0.05%
니오브(Nb)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Nb는 Nb 질화물, Nb 탄화물, 또는, Nb 탄질화물을 형성하여, 고주파 담금질 시의 결정립의 조대화를 억제한다. 그 결과, 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도 및 굽힘 피로 강도가 높아진다. Nb가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 한편, Nb 함유량이 너무 많으면, 조대한 Nb 석출물이 생성되어, 강의 냉간 가공성이 저하한다. 따라서, Nb 함유량은 0~0.05%이다. 상기 효과를 더욱 유효하게 얻기 위한 Nb 함유량의 바람직한 하한은 0.01%이며, 더욱 바람직하게는 0.012%이다. Nb 함유량의 바람직한 상한은 0.048%이며, 더욱 바람직하게는 0.046%이다.
[식 (1)에 대해서]
상기 화학 조성은 또한, 식 (1)을 만족한다.
C+Si/7+Mn/5+Cr/9+Mo/2.5≤1.05 (1)
여기서, 식 (1) 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
Fn1=C+Si/7+Mn/5+Cr/9+Mo/2.5로 정의한다. Fn1은 담금질성의 지표이다. Fn1이 1.05를 넘으면, 담금질성이 너무 높아진다. 이 경우, 압연 후의 고주파 담금질용 강의 미크로 조직의 일부에, 경질의 베이나이트가 생성된다. 그 때문에, 페라이트·펄라이트 조직이 얻어지지 않는다. Fn1이 1.05 이하이면, 고주파 담금질용 강의 미크로 조직이 페라이트·펄라이트 조직이 된다. 따라서, Fn1을 1.05 이하로 한다. Fn1의 바람직한 상한은 1.04이다. 담금질성을 얻기 위한 Fn1의 바람직한 하한은 0.72이다.
[식 (2)에 대해서]
상기 화학 조성은 또한, 식 (2)를 만족한다.
C+Si/10+Mn/20+Cr/25≥0.70 (2)
여기서, 식 (2) 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
Fn2=C+Si/10+Mn/20+Cr/25로 정의한다. Fn2는, 강의 미크로 조직이 페라이트·펄라이트 조직인 경우의 펄라이트 분율의 지표이다. Fn2가 높을수록, 미크로 조직 중의 펄라이트 분율이 높아진다. Fn2가 0.70 미만이면, 미크로 조직 중의 펄라이트 분율이 85% 미만이 된다. Fn2가 0.70 이상이면, 미크로 조직 중의 펄라이트 분율이 85% 이상이 된다. Fn2의 바람직한 하한은 0.72이다.
[식 (3)에 대해서]
상기 화학 조성은 또한, 식 (3)을 만족한다.
Cr/Si≤0.20 (3)
여기서, 식 (3)의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
상술한 바와 같이, Si 및 Cr은 모두, 펄라이트의 라멜라 간격을 좁게 한다. 펄라이트의 라멜라 간격이 좁으면, 고주파 담금질 시에 시멘타이트가 고용되기 쉬워진다. 그러나, Cr은 시멘타이트에 농화되어 시멘타이트를 안정화시킨다. Cr 함유량에 대해 Si 함유량을 높이면, 펄라이트의 라멜라 간격을 좁게 하면서, Cr에 의한 시멘타이트의 안정화를 억제할 수 있다. 그 때문에, 고주파 가열 시에 시멘타이트가 고용되기 쉬워져, 고주파 담금질 후에 시멘타이트가 잔존하기 어렵다.
Fn3=Cr/Si로 정의한다. Fn3은 고주파 담금질 후의 시멘타이트의 고용 정도를 나타내는 지표이다. Fn3이 낮을수록, 고주파 가열 시에 강 중의 시멘타이트가 고용되기 쉽다. 한편, Fn3이 높으면, Si 함유량에 대해 Cr 함유량이 너무 많다. 이 경우, 고주파 가열 시에 시멘타이트가 고용되기 어렵다. 그 결과, 담금질 후의 강재에 시멘타이트가 잔존해, 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도가 저하한다. Fn3이 0.20 이하이면, 고주파 담금질 후에 시멘타이트가 충분히 고용된다. 그 때문에, 고주파 담금질 후의 강재에 있어서, 충분한 경도가 얻어져, 뛰어난 면피로 강도가 얻어진다. Fn3의 바람직한 하한은 0.18이다.
[강의 미크로 조직]
고주파 담금질용 강이 상기 화학 조성을 갖고, 식 (1)~식 (3)을 만족하는 경우, 미크로 조직은, 페라이트(초석 페라이트) 및 펄라이트로 이루어진다. 즉, 본 실시형태에 의한 고주파 담금질용 강의 미크로 조직은, 페라이트·펄라이트 조직이다. 본 명세서에 있어서, 「미크로 조직이 페라이트 및 펄라이트로 이루어진다」라는 것은, 미크로 조직에 있어서의 페라이트 및 펄라이트의 총 면적률이 97% 이상인 것을 의미한다. 바람직하게는, 고주파 담금질용 강의 미크로 조직에 있어서, 페라이트 및 펄라이트의 총 면적률이 100%이다. 페라이트 및 펄라이트의 총 면적률이 100%가 아닌 경우, 미크로 조직 중의 페라이트 및 펄라이트 이외의 잔부는 예를 들어 베이나이트이다. 미크로 조직 중의 펄라이트의 면적률을 펄라이트 분율(%)로 정의한다. 본 실시형태에 의한 고주파 담금질용 강의 미크로 조직에 있어서, 펄라이트 분율은 85% 이상이다.
미크로 조직 중의 페라이트 및 펄라이트의 합계 면적률과, 펄라이트 분율은 다음의 방법으로 측정된다. 고주파 담금질용 강으로부터 샘플을 채취한다. 고주파 담금질용 강이 봉강 또는 선재인 경우, 봉강 또는 선재의 횡단면(축방향에 수직인 면) 중, 표면과 중심축을 연결하는 반경 R의 중앙부(이하, R/2부라 함)로부터 샘플을 채취한다. 채취된 샘플 표면 중, 강재의 압연 방향에 수직인 면을 관찰면으로 한다. 관찰면을 연마한 후, 3% 질산알코올(나이탈 부식액)로 에칭한다. 에칭된 관찰면을 500배의 광학 현미경으로 관찰하여, 임의의 5시야의 사진 화상을 생성한다. 각 시야의 사이즈는 200μm×200μm로 한다.
각 시야에 있어서, 페라이트, 펄라이트 등의 각 상은, 상마다 콘트라스트가 상이하다. 따라서, 콘트라스트에 의거해, 각 상을 특정한다. 특정된 상 중, 각 시야에서의 페라이트의 총 면적(μm2), 및, 펄라이트의 총 면적(μm2)을 구한다. 모든 시야의 총 면적에 대한, 모든 시야에 있어서의 페라이트의 총 면적과 펄라이트의 총 면적의 합의 비율을, 페라이트 및 펄라이트의 총 면적률(%)로 정의한다. 또한, 모든 시야에 있어서의 펄라이트 총 면적의, 모든 시야의 총 면적에 대한 비율을, 펄라이트 분율(%)로 정의한다.
[복합 개재물 비율 Ra]
본 실시형태의 고주파 담금질용 강은, Al2O3 개재물과, 복합 개재물을 함유한다. 본 명세서에 있어서, 상술한 바와 같이, 2.0% 이상의 SiO2와, 2.0% 이상의 CaO를 함유하고, 잔부의 99% 이상이 Al2O3인 개재물을, 복합 개재물이라고 정의한다. 또한, 복합 개재물 중에 함유되는 SiO2의 상한은 예를 들어 15%이며, CaO의 상한은 예를 들어 25%이다.
본 명세서에 있어서, Al2O3 개재물 및 복합 개재물의 총 개수에 대한, 복합 개재물의 개수의 비율을 복합 개재물 비율 Ra(%)라고 정의한다. 복합 개재물 비율 Ra가 높으면, 강 중의 Al2O3 개재물이 적어진다. 이 경우, Al2O3 개재물이 응집되기 어려워져, 클러스터의 생성이 억제된다. 또한 상술한 바와 같이, Al2O3 개재물의 매트릭스 계면에 대한 밀착성이 낮은 반면, 복합 개재물의 매트릭스 계면에 대한 밀착성은 높다. 그 때문에, 복합 개재물의 생성에 의해 Al2O3 개재물의 수가 적어지면, 강 중의 매트릭스와 개재물의 밀착성의 저하에 기인한 면피로 강도의 저하도 억제된다.
복합 개재물 비율 Ra가 20% 이상이면, Al2O3 개재물의 클러스터의 생성을 충분히 억제할 수 있다. 또한, 강 중의 매트릭스의 개재물과의 밀착성도 개선된다. 그 결과, 고주파 담금질 후의 강재의 면피로 강도를 높일 수 있다.
강 중의 Al2O3 개재물 및 복합 개재물의 특정, 및, 복합 개재물 비율 Ra의 측정은, 다음의 방법으로 실시할 수 있다. 고주파 담금질용 강의 임의의 위치로부터 샘플을 채취한다. 고주파 담금질용 강이 봉강 또는 선재인 경우, 봉강 또는 선재의 R/2부로부터 샘플을 채취한다. R/2부의 샘플의 횡단면(표면)에 대해, 주사형 전자현미경(SEM)을 이용하여 1000배의 배율로 랜덤으로 20시야(1시야당 평가 면적 100μm×100μm)를 관찰한다.
각 시야(관찰면이라 함) 중, 개재물을 특정한다. 특정한 각 개재물에 대해, 에너지 분산형 X선 분광법(EDX)을 이용하여, Al2O3 개재물과 복합 개재물을 특정한다. 구체적으로는, 특정된 개재물의 원소 분석 결과에 있어서, Al 함유량 및 O 함유량이 질량%로 99% 이상인 경우, 그 개재물을 Al2O3 개재물로 특정한다. 원소 분석의 결과, 2.0% 이상의 SiO2와, 2.0% 이상의 CaO를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Al2O3 및 불순물로 이루어지는(구체적으로는, 잔부의 99% 이상이 Al2O3인) 경우, 그 개재물을 복합 개재물이라고 정의한다.
상기 특정의 대상으로 하는 개재물은, 원상당 직경이 10μm 이상인 개재물로 한다. 여기서, 원상당 직경이란, 각 개재물의 면적을, 동일한 면적을 갖는 원으로 환산한 경우의 원의 직경을 의미한다.
원상당 직경이 EDX의 빔 직경의 2배 이상의 개재물이면, 원소 분석의 정밀도가 높아진다. 본 실시형태에 있어서, 개재물의 특정에 사용하는 EDX의 빔 직경은 5μm로 한다. 이 경우, 원상당 직경이 10μm 미만인 개재물은, EDX에 의한 원소 분석의 정밀도를 높일 수 없다. 원상당 직경 10μm 미만의 개재물은 또한, 피로 강도에 대한 영향이 매우 작다. 따라서, 본 실시형태에 있어서, 원상당 직경이 10μm 이상인 Al2O3 개재물 및 복합 개재물을 측정 대상으로 한다. 또한, Al2O3 개재물 및 복합 개재물의 원상당 직경의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 200μm이다.
20시야 전부에 있어서, 특정된 원상당 직경 10μm 이상의 Al2O3 개재물의 총 개수 TN1을 구한다. 마찬가지로, 특정된 원상당 직경 10μm 이상의 복합 개재물의 총 개수 TN2를 구한다. 구한 총 개수에 의거해, 다음의 식에 의해 복합 개재물 비율 Ra(%)를 구한다.
Ra=TN2/(TN1+TN2)×100
또한, 동일 조성의 개재물이 이웃하고 있으며, 이웃하는 개재물 사이의 최단 거리가 1μm 미만인 경우, 이들 개재물은 1개체로 간주한다.
[제조 방법]
본 실시형태에 의한 고주파 담금질용 강의 제조 방법의 일례를 설명한다. 본 실시형태에서는, 고주파 담금질용 강의 일례로서, 봉강 또는 선재의 제조 방법을 설명한다. 그러나, 본 실시형태의 고주파 담금질용 강은, 봉강 또는 선재로 한정되지 않는다.
제조 방법의 일례는, 용강을 정련하고, 주조하여 소재(주편 또는 잉곳)를 제조하는 제강 공정과, 소재를 열간 가공하여 고주파 담금질용 강을 제조하는 열간 가공 공정을 구비한다. 이하, 각각의 공정에 대해서 설명한다.
[제강 공정]
제강 공정은, 정련 공정과 주조 공정을 포함한다.
[정련 공정]
정련 공정에서는 처음에, 주지의 방법으로 제조된 용선에 대해 전로에서의 정련(1차 정련)을 실시한다. 전로로부터 출강한 용강에 대해, 2차 정련을 실시한다. 2차 정련에 있어서, 성분 조정의 합금 원소의 첨가를 실시하여, 상기 화학 조성을 만족하는 용강을 제조한다.
구체적으로는, 전로로부터 출강한 용강에 대해 Al을 첨가하여 탈산 처리를 실시한다. 탈산 처리 후, 제재(除滓) 처리를 실시한다. 제재 처리 후, 2차 정련을 실시한다. 2차 정련은 예를 들어, 복합 정련을 실시한다. 예를 들어, 처음에, LF(Ladle Furnace) 또는 VAD(Vacuum Arc Degassing)를 이용한 정련 처리를 실시한다. 또한, RH(Ruhrstahl-Hausen) 진공 탈가스 처리를 실시한다. 그 후, Si 및 Ca를 제외한 다른 합금 성분의 최종 조정을 행한다.
2차 정련을 실시하여, Si 및 Ca 이외의 용강의 성분 조정을 실시한 후, 용강에 대해 다음의 처리(가열 유지 공정 및 최종 성분 조정 공정)를 실시한다.
[가열 유지 공정]
2차 정련(최종 성분 조정) 후의 레이들 내의 용강에 대해, 1500~1600℃의 온도에서 하기 식에 의해서 산정되는 균일 혼합 시간 τ(s)의 2배 이상의 유지 시간 ts로 가열한다.
τ=800×ε-0.4
ε=((6.18×Vg×Tｌ)/Ml)ln(1+(h0/(1.46×10-5×P0)))
여기서, Vg：가스 유량(Nm3/min), Ml：레이들 내 용강 질량(ton), Tl：용강 온도(K), h0：가스 취입 깊이(m), P0：용강 표면 압력(Pa), ε：교반 동력값(W/ton),τ：균일 혼합 시간(s)이다.
유지 시간 ts가 균일 혼합 시간 τ의 2배 미만이면, Al2O3 개재물이 복합 개재물로 충분히 개질되지 않는다. 즉, 복합 개재물 비율 Ra가 20% 미만으로 낮아진다. 유지 시간 ts가 균일 혼합 시간 τ의 2배 이상이면, 다른 조건을 만족하는 것을 조건으로 하여, 복합 개재물 비율 Ra가 20% 이상이 된다.
[최종 성분 조정 공정]
가열 유지 공정 후의 용강에 Si 및 Ca를 첨가하여, 상술한 화학 조성 및 식 (1)~식 (3)을 만족하는 용강을 제조한다. Si 및 Ca는 각각 단독의 원료로서 용강에 첨가해도 된다. Si-Ca 합금을 원료로서, 용강에 첨가해도 된다.
가열 유지 공정에서 충분히 균일하게 가열된 용강에 Si 및 Ca를 첨가하면, Al2O3 개재물이 복합 개재물로 개질되기 쉽다. 상기 가열 유지 공정 후에 최종 성분 조정 공정을 실시함으로써, 고주파 담금질용 강 중의 복합 개재물 비율 Ra를 20% 이상으로 할 수 있다.
만일, 용강에 Al을 첨가하기 전에, Si를 첨가하면, 복합 개재물이 형성되기 어렵다. Al2O3 개재물이 존재하는 용강에 Si 및 Ca를 첨가함으로써, Al2O3 개재물이 복합 개재물로 개질되고, 복합 개재물이 생성된다. 따라서, 본 실시형태에서는, 용강에 Al을 첨가하고, 그 후, Si 및 Ca를 첨가한다. Si 및 Ca의 첨가 순서는 특별히 한정되지 않는다. Si 및 Ca를 동시에 첨가해도 된다. Si 및 Ca 중 어느 한쪽을 먼저 첨가해도 된다.
[주조 공정]
상기 정련 공정에 의해 제조된 용강을 이용하여, 소재(주편 또는 잉곳)를 제조한다. 구체적으로는, 용강을 이용하여 연속 주조법에 의해 주편을 제조한다. 또는, 용강을 이용하여 조괴법에 의해 잉곳해도 된다.
[열간 가공 공정]
제조된 소재를 열간 가공하여, 고주파 담금질용 강재(봉강 또는 선재)를 제조한다. 열간 가공 공정에서는 통상, 1 또는 복수회의 열간 가공을 실시한다. 복수회 열간 가공을 실시하는 경우, 최초의 열간 가공은 예를 들어, 분괴 압연 또는 열간 단조이며, 다음의 열간 가공은, 연속 압연기를 이용한 마무리 압연이다. 연속 압연기에서는, 한 쌍의 수평 롤을 갖는 수평 스탠드와, 한 쌍의 수직 롤을 갖는 수직 스탠드가 번갈아 일렬로 배열된다. 마무리 압연 후의 고주파 담금질용 강재를, 실온이 될 때까지 냉각한다. 이 때, 고주파 담금질용 강재의 표면 온도가 800~500℃가 될 때까지의 평균 냉각 속도를 1℃/초 이하로 한다. 평균 냉각 속도가 1℃/초를 넘으면, 냉각 후의 고주파 담금질용 강재의 미크로 조직에 있어서, 베이나이트가 면적률로 3% 이상 생성된다. 평균 냉각 속도가 1℃/초 이하이면, 냉각 후의 고주파 담금질용 강재의 미크로 조직은, 페라이트 및 펄라이트로 이루어진다. 평균 냉각 속도의 바람직한 하한은 0.1℃/초이다. 평균 냉각 속도의 바람직한 상한은 0.7℃/초이다.
이상의 공정에 의해, 본 실시형태에 의한 고주파 담금질용 강을 제조할 수 있다.
[기계 부품의 제조 방법]
상술한 고주파 담금질용 강은, 기어로 대표되는 기계 부품으로 제조된다. 기계 부품의 제조 방법의 일례는 다음과 같다.
처음에, 준비된 고주파 담금질용 강재에 대해 열간 단조를 실시하여, 중간품을 제조한다. 중간품에 대해, 필요에 따라서, 응력 제거 풀림 처리를 실시한다. 열간 단조 후 또는 응력 제거 풀림 처리 후의 중간품에 대해 절삭 가공을 실시하여, 조(粗)제품을 제조한다. 기계 부품이 기어인 경우, 조제품은 기어 조(粗)형상을 갖는다. 조제품에 대해, 고주파 담금질을 실시한다. 고주파 담금질 후, 연삭 가공을 실시하여, 기어로 대표되는 기계 부품을 제조한다.
본 실시형태의 고주파 담금질용 강에서는, 상기 식 (1)~식 (3)을 만족하고, 또한 복합 개재물 비율 Ra가 20% 이상이다. 그 때문에, 고주파 담금질 후의 기계 부품의 면피로 강도 및 굽힘 피로 강도를 높일 수 있다.
[실시예]
표 1의 화학 조성을 갖는 용강을 제조했다.
Figure pct00001
표 1 중의 「-」는 대응하는 원소의 함유량이 불순물 레벨인 것을 의미한다. 구체적으로는, V 함유량에 있어서의 「-」는, V 함유량이 0.01% 미만인 것을 의미한다. B 함유량에 있어서의 「-」는, B 함유량이 0.0001% 미만인 것을 의미한다. Ti 함유량에 있어서의 「-」는, Ti 함유량이 0.001% 미만인 것을 의미한다. Ca 함유량에 있어서의 「-」는, Ca 함유량이 0.0001% 미만인 것을 의미한다. Cr, Cu, Ni, Mo 함유량에 있어서의 「-」는, 각 원소의 함유량이 0.01% 미만인 것을 의미한다. Nb 함유량에 있어서의 「-」는, Nb 함유량은 0.001% 미만인 것을 의미한다.
표 1 중의 「Fn1」란에는, 대응하는 시험 번호의 강의 Fn1값이 기재되어 있다. 「Fn2」란에는, 대응하는 시험 번호의 강의 Fn2값이 기재되어 있다. 「Fn3」란에는, 대응하는 시험 번호의 강의 Fn3값이 기재되어 있다.
각 시험 번호의 용강은 다음의 방법으로 제조했다. 주지의 방법으로 제조된 용선에 대해 전로에서의 1차 정련을 동일한 조건으로 실시했다.
시험 번호 40 이외의 용강에 대해서는, 전로로부터 출강 후, Al을 첨가하여 탈산 처리를 실시하고, 그 후, 제재 처리를 실시했다. 제재 처리 후, VAD를 이용한 정련 처리를 실시하고, 그 후, RH 진공 탈가스 처리를 실시했다. 이상의 공정에 의해, Si 및 Ca 이외의 합금 원소의 조성 성분의 조정을 행했다.
계속해서, 가열 유지 공정을 실시했다. 각 시험 번호에 있어서의 유지 시간 ts의 균일 혼합 시간 τ에 대한 비(ts/)는, 표 1에 나타낸 바와 같았다. 가열 유지 공정 후, 시험 번호 40 이외의 용강에 대해, Si-Ca 합금을 첨가하여, Si 함유량, Ca 함유량을 조정하고, 표 1의 화학 조성의 용강을 제조했다.
한편, 시험 번호 40의 용강에 대해서는, 전로로부터 출강 후, Si를 첨가한 탈산 처리를 실시했다. 그 후의 가열 유지 공정까지의 처리는, 시험 번호 1~39 및 41과 동일하게 했다. 가열 유지 공정 후, Al 및 Ca를 첨가하여, 표 1에 나타낸 화학 조성의 용강을 제조했다.
시험 번호 1~41의 용강을 이용하여, 연속 주조법에 의해, 400mm×300mm의 횡단면을 갖는 주편을 제조했다.
제조된 주편을 1250℃로 가열했다. 가열된 주편을 이용하여, 분괴 압연으로 162mm×162mm의 횡단면을 갖는 강편을 제조했다. 제조된 강편을 상온(25℃)까지 공랭했다. 강편을 다시 1200℃로 가열했다. 가열된 강편에 대해 연속 압연기를 이용하여 열간 압연(마무리 압연)을 행하고, 그 후 냉각해, 직경 70mm의 고주파 담금질용 봉강을 제조했다.
각 시험 번호에 있어서의, 마무리 압연 후의 봉강의 표면 온도가 800~500℃가 될 때까지의 평균 냉각 속도를 표 1에 나타낸다. 표 1 중의 「냉각 속도」란에 있어서 「S」(Slow)는, 대응하는 시험 번호에 대해서, 마무리 압연 후의 봉강의 표면 온도가 800~500℃가 될 때까지의 평균 냉각 속도가 1℃/초 이하인 것을 나타낸다. 표 1 중의 「냉각 속도」란에 있어서 「F」(Fast)는, 대응하는 시험 번호에 대해서, 마무리 압연 후의 봉강의 표면 온도가 800~500℃가 될 때까지의 평균 냉각 속도가 1℃/초를 넘고 있었던 것을 나타낸다. 제조된 각 시험 번호의 봉강의 화학 조성을 측정했다. 그 결과, 각 시험 번호의 봉강의 화학 조성은, 표 1과 같았다.
[미크로 조직 관찰]
각 시험 번호의 봉강의 R/2부로부터, 조직 관찰용 시험편을 채취했다. 시험편의 표면 중, 봉강의 길이 방향(즉, 압연 방향 또는 연신 방향)과 평행한 단면을 관찰면이라고 정의했다. 상술한 방법에 의거해, 페라이트 및 펄라이트의 총 면적률(%)을 구했다. 총 면적률이 97% 이상인 미크로 조직에 대해서, 「F+P」로서 표 2에 나타낸다. 한편, 총 면적률이 97% 미만이고, 잔부에 베이나이트가 관찰된 미크로 조직에 대해서, 「F+P+B」로서 표 2에 나타낸다.
Figure pct00002
또한, 상술한 관찰면에 대해서, 상술한 방법으로 펄라이트 분율(%)을 구했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
[복합 개재물 비율 Ra]
고주파 담금질용 봉강에 대해, 상술한 방법으로, 복합 개재물 비율 Ra(%)를 측정했다. 원상당 직경으로 10μm 이상의 Al2O3 개재물 및 복합 개재물을 특정하고, 상술한 방법으로 복합 개재물 비율 Ra(%)를 구했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
[평가 시험]
[면피로 강도 시험편 및 평활 오노식 회전 굽힘 피로 강도 시험편의 제작]
기계 부품을 모의한 면피로 강도 시험편 및 평활 오노식 회전 굽힘 피로 강도 시험편(이하, 단순히 굽힘 피로 강도 시험편이라 함)을 다음의 방법으로 제작했다. 각 시험 번호의 봉강을, 1200℃에서 30분 가열했다. 다음에, 마무리 온도를 950℃ 이상으로 하여 열간 단조하고, 직경 35mm의 환봉을 제조했다. 직경 35mm의 환봉을 기계 가공하여, 면피로 강도 시험편으로서, 소롤러 시험편을 제작했다. 구체적으로, 도 1에 나타낸 롤러 피칭 시험용 소롤러 시험편을 복수 제작했다(도 1 중의 치수의 단위는 mm).
또한, 직경 35mm의 환봉을 기계 가공하여, 도 2에 나타낸 굽힘 피로 강도 시험편을 시험 번호마다 복수 제작했다(도 2 중의 치수의 단위는 mm). 굽힘 피로 강도 시험편은, 직경 6mm, 및 길이 25mm의 평행부를 가졌다.
제작된 각 시험편에 대해, 고주파 담금질을 실시했다. 구체적으로는, 소롤러 시험편의 둘레면 FP(직경 26mm의 부분)에 대해, 출력 20kW, 주파수 50kHz의 고주파 가열 장치를 이용하여 경화층 깊이가 1.5mm가 되도록, 가열 시간을 5~10초의 범위 내에서 조정하여 고주파 담금질 처리를 실시했다. 그 때, 소롤러 시험편 표면의 가열 온도는 900~1100℃였다. 그 후, 통상의 열처리노를 이용하여 160℃에서 1시간의 뜨임을 행했다. 또한, 굽힘 피로 강도 시험편의 평행부에 대해, 소롤러 시험편과 동일한 조건으로 고주파 담금질을 실시하고, 그 후, 통상의 열처리노를 이용하여, 소롤러 시험편과 동일한 조건으로 뜨임을 행했다.
[비커스 경도 시험]
고주파 담금질 후의 각 시험 번호의 소롤러 시험편의 둘레면 FP(직경 26mm의 부분), 및, 굽힘 피로 강도 시험편의 평행부의 비커스 경도를 측정했다. 구체적으로는, 소롤러 시험편의 둘레면 FP 및 굽힘 피로 강도 시험편의 평행부의 표면의 임의의 3점에 대해, JIS Z 2244(2009)에 준거한 비커스 경도 시험을 실시했다. 이 때의 시험력은 9.8N으로 했다. 얻어진 비커스 경도의 평균값을, 그 시험 번호의 비커스 경도(HV)라고 정의했다. 굽힘 피로 강도 시험편에서 얻어진 비커스 경도의 평균값은, 소롤러 시험편에서 얻어진 비커스 경도의 평균값과 동일했다. 그 때문에, 고주파 담금질 후의 비커스 경도는, 소롤러 시험편에서의 측정 결과의 평균값으로 했다. 측정 결과를 표 2에 나타낸다.
[면피로 강도 시험]
롤러 피칭 시험에 의해, 면피로 강도를 구했다. 롤러 피칭 시험은, 상기 소롤러 시험편과 대롤러 시험편을 조합해 실시했다. 도 3은 대롤러 시험편의 정면도이다(도 3 중의 치수의 단위는 mm). 대롤러 시험편은, JIS 규격 SCM420H의 규격을 만족하는 강으로 이루어지고, 일반적인 제조 공정, 즉, 불림, 시험편 가공, 가스 침탄노에 의한 공석 침탄, 저온 뜨임 및 연마의 공정에 의해서 제작되었다. 롤러 피칭 시험의 조건은 다음과 같다.
시험기：롤러 피칭 시험기
시험편：소롤러 시험편(직경 26mm),
대롤러 시험편(직경 130mm), 접촉부 150mmR
최대 면압：3600MPa
시험수：6개
미끄럼률：-40%
소롤러 회전수：2000rpm
주속：소롤러：2.72m/s, 대롤러：3.81m/s
윤활유 온도：90℃
사용 오일：오토매틱용 오일
각 시험 번호에 대해서, 롤러 피칭 시험에 있어서의 시험수는 6으로 했다. 시험 후, 세로축에 면압, 가로축에 피칭 발생까지의 반복수를 취한 S-N선도를 작성했다. 반복수 2.0×107회까지 피칭이 발생하지 않은 것 중, 가장 높은 면압을 면피로 강도로 했다. 또한, 소롤러 시험편의 표면이 손상되어 있는 개소 중, 최대의 것의 면적이 1mm2 이상이 된 경우를 피칭 발생이라고 정의했다.
표 2에, 시험에 의해 얻어진 면피로 강도를 나타낸다. 표 2 중의 면피로 강도에서는, 시험 번호 20의 면피로 강도를 기준값(100%)으로 했다. 그리고, 각 시험 번호의 면피로 강도를, 기준치에 대한 비(%)로 나타냈다. 면피로 강도가 115% 이상이면, 뛰어난 면피로 강도가 얻어졌다고 판단했다.
[굽힘 피로 강도 시험]
상술한 굽힘 피로 시험편을 이용하여 오노식 회전 굽힘 피로 강도 시험을 실시해, 굽힘 피로 강도를 구했다.
각 시험 번호에 대해서, 오노식 회전 굽힘 피로 강도 시험에 있어서의 시험수는 7로 했다. 실온 대기 분위기 중에서 피로 시험을 실시하고, 세로축에 부하 응력, 파손까지의 반복수를 취한 S-N선도를 작성했다. 반복수 1.0×107회까지 파손되지 않은 것 중, 가장 높은 부하 응력을 굽힘 피로 강도로 했다.
표 2에, 시험에 의해 얻어진 굽힘 피로 강도를 나타낸다. 표 2 중의 굽힘 피로 강도에서는, 시험 번호 20의 굽힘 피로 강도를 기준값(100%)으로 했다. 그리고, 각 시험 번호의 굽힘 피로 강도를, 기준값에 대한 비(%)로 나타냈다. 굽힘 피로 강도가 115% 이상이면, 뛰어난 굽힘 피로 강도가 얻어졌다고 판단했다.
[평가 결과]
표 1 및 표 2를 참조하여, 시험 번호 1~19의 강에서는, 화학 조성이 적절하고, 식 (1)~식 (3)을 만족했다. 또한, 정련 공정에 있어서의 제조 조건은 적절했다. 그 때문에, 미크로 조직은 페라이트·펄라이트 조직이며, 펄라이트 분율은 85% 이상이었다. 또한, 복합 개재물 비율 Ra는 20% 이상이었다. 또한, 비커스 경도는 750HV 이상이었다. 그 결과, 면피로 강도는 115% 이상이며, 뛰어난 면피로 강도가 얻어졌다. 또한, 굽힘 피로 강도는 115% 이상이며, 뛰어난 굽힘 피로 강도가 얻어졌다.
한편, 시험 번호 21에서는, Si 함유량이 너무 적었다. 그 때문에, Al2O3 개재물을 복합 개재물로 충분히 개질할 수 없어, 복합 개재물 비율 Ra가 20% 미만이었다. 그 결과, 면피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 면피로 강도가 얻어지지 않았다.
시험 번호 22에서는, Mn 함유량이 너무 많았다. 그 때문에, 압연 후의 조직에 베이나이트가 생성되고, 펄라이트 분율이 85% 미만이었다. 그 때문에, 고주파 담금질 후의 강재의 비커스 경도가 750HV 미만이었다. 그 결과, 면피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 면피로 강도가 얻어지지 않았다. 또한, 굽힘 피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않았다.
시험 번호 23에서는, Mn 함유량이 너무 적었다. 그 때문에, 고주파 담금질 후의 강재의 강도가 낮고, 고주파 담금질 후의 강재의 비커스 경도가 750HV 미만이었다. 그 결과, 면피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 면피로 강도가 얻어지지 않았다. 또한, 굽힘 피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않았다.
시험 번호 24에서는, Cr 함유량이 너무 많았다. 그 때문에, 고주파 담금질 후의 강재의 강도가 낮고, 고주파 담금질 후의 강재의 비커스 경도가 750HV 미만이었다. 그 결과, 면피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 면피로 강도가 얻어지지 않았다. 또한, 굽힘 피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않았다. 고주파 담금질 시에 시멘타이트가 충분히 고용되지 않고, 담금질에 의한 마텐자이트가 균일하게 생성되지 않았기 때문이라고 생각된다.
시험 번호 25에서는, Al 함유량이 너무 많았다. 그 결과, 면피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 면피로 강도가 얻어지지 않았다. 또한, 굽힘 피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않았다. 조대한 Al2O3 개재물이 다량으로 생성되었기 때문이라고 생각된다.
시험 번호 26에서는, Al 함유량이 너무 적었다. 그 결과, 면피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 면피로 강도가 얻어지지 않았다. 또한, 굽힘 피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않았다. 고주파 담금질 시에 결정립이 조대화했기 때문이라고 생각된다.
시험 번호 27에서는, V 함유량이 너무 적었다. 그 결과, 굽힘 피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않았다.
시험 번호 28에서는, B 함유량이 너무 적었다. 그 결과, 굽힘 피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않았다.
시험 번호 29에서는, Ti 함유량이 너무 적었다. 그 결과, 굽힘 피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않았다.
시험 번호 30에서는, Ca 함유량이 너무 많았다. 그 결과, 면피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 면피로 강도가 얻어지지 않았다. 또한, 굽힘 피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않았다. 조대한 산화물계 개재물이 생성되었기 때문이라고 생각된다.
시험 번호 31에서는, Ca 함유량이 너무 적었다. 그 때문에, 복합 개재물 비율 Ra가 20% 미만이었다. 그 결과, 면피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 면피로 강도가 얻어지지 않았다. 또한, 굽힘 피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않았다.
시험 번호 32 및 33에서는, Fn1이 식 (1)을 만족하지 않았다. 그 때문에, 미크로 조직에 베이나이트가 생성되고, 펄라이트 분율이 85% 미만이었다. 그 때문에, 불완전 담금질이 발생하고, 비커스 경도가 750HV 미만이었다. 그 결과, 면피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 면피로 강도가 얻어지지 않았다. 또한, 굽힘 피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않았다.
시험 번호 34 및 35에서는, Fn2가 식 (2)를 만족하지 않았다. 그 때문에, 펄라이트 분율이 85% 미만이었다. 그 때문에, 불완전 담금질이 발생하고, 비커스 경도가 750HV 미만이었다. 그 결과, 면피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 면피로 강도가 얻어지지 않았다. 또한, 굽힘 피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않았다.
시험 번호 36 및 37에서는, Fn3이 식 (3)을 만족하지 않았다. 그 때문에, 비커스 경도가 750HV 미만이었다. 그 결과, 면피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 면피로 강도가 얻어지지 않았다. 또한, 굽힘 피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않았다. 고주파 담금질 시에 미고용의 시멘타이트가 잔존했기 때문이라고 생각된다.
시험 번호 38 및 39에서는, 화학 조성이 적절하고, 식 (1)~식 (3)을 만족했다. 그러나, 정련 공정 중의 가열 유지 공정에 있어서, ts/τ(유지 시간/균일 혼합 시간)가 낮았다. 그 때문에, 복합 개재물 비율 Ra가 20% 미만이었다. 그 결과, 면피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 면피로 강도가 얻어지지 않았다.
시험 번호 40에서는, 화학 조성이 적절하고, 식 (1)~식 (3)을 만족했다. 그러나, Al, Si, Ca의 첨가 순서가 적절하지 않았다. 그 때문에, 복합 개재물 비율 Ra가 20% 미만이 되었다. 그 결과, 면피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 면피로 강도가 얻어지지 않았다.
시험 번호 41에서는, 화학 조성이 적절하고, 식 (1)~식 (3)을 만족했다. 그러나, 마무리 압연 후의 평균 냉각 속도가 너무 빨랐다. 그 때문에, 미크로 조직에 베이나이트가 생성되었다. 또한, 펄라이트 분율이 85% 미만이었다. 그 때문에, 불완전 담금질이 발생하고, 비커스 경도가 750HV 미만이 되었다. 그 결과, 면피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 면피로 강도가 얻어지지 않았다. 또한, 굽힘 피로 강도가 115% 미만이며, 뛰어난 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않았다.
이상, 본 발명의 실시형태를 설명했다. 그러나, 상술한 실시형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시형태로 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 상술한 실시형태를 적절히 변경하여 실시할 수 있다.

Claims (3)

  1. 화학 조성이, 질량%로,
    C：0.58~0.68%,
    Si：0.70~1.40%,
    Mn：0.20~1.40%,
    P：0.020% 미만,
    S：0.020% 미만,
    Al：0.005~0.060%,
    N：0.0020~0.0080%,
    O：0.0015% 이하,
    V：0.01~0.25%,
    B：0.0003~0.0040%,
    Ti：0.010~0.050%,
    Ca：0.0005~0.005%,
    Cr：0~0.15%,
    Cu：0~0.50%,
    Ni：0~0.30%,
    Mo：0~0.20%, 및,
    Nb：0~0.05%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1)~식 (3)을 만족하고,
    강 조직이, 페라이트 및 펄라이트로 이루어지고, 상기 펄라이트의 면적률이 85% 이상이고,
    강 중에 있어서, Al2O3 개재물 및 복합 개재물의 총 개수에 대한, 상기 복합 개재물의 개수의 비율은, 20% 이상이며, 상기 복합 개재물은, 질량%로, 2.0% 이상의 SiO2 및 2.0% 이상의 CaO를 함유하고, 잔부의 99% 이상이 Al2O3인, 고주파 담금질용 강.
    C+Si/7+Mn/5+Cr/9+Mo/2.5≤1.05 (1)
    C+Si/10+Mn/20+Cr/25≥0.70 (2)
    Cr/Si≤0.20 (3)
    여기서, 식 (1)~식 (3)의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학 조성은,
    Cr：0.05~0.15%,
    Cu：0.03~0.50%,
    Ni：0.03~0.30%, 및,
    Mo：0.01~0.20%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는, 고주파 담금질용 강.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 화학 조성은,
    Nb：0.01~0.05%를 함유하는, 고주파 담금질용 강.
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