KR960005595B1 - 침탄된 저 실리콘강 제품 형성방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

침탄된 저 실리콘강 제품 형성방법

[도면의 간단한 설명]

제 1 도는 본 발명에 따라 0.10% 미만의 실리콘을 함유하는 침탄된 저 실리콘 강 제품의 에칭(etching)되지 않는 단면을 도시하는 750배 확대 현미경 사진이다.

제 2 도는 제 1 도에 도시된 제품의 에칭된 단면의 750배 확대 현미경 사진이다.

제 3 도는 제 1 도의 제품, 그러나 0.26%의 실리콘을 함유하는 통상의 침탄 등급의 저 합금강으로 형성된 제품을 침탄시킨 제품의 에칭되지 않은 단면을 도시한 750배 확대 현미경 사진이다.

제 4 도는 제 3 도에 도시된 제품의 에칭된 단면의 750배 확대 현미경 사진이다.

제 5 도는 0.26%의 실리콘을 함유하는 통상의 침탄 등급의 저 합금강으로 형성되고 재래식 침탄 공정으로 침탄된 제품의 에칭된 단면의 500배 확대 현미경 사진.

제 6 도는 강철 조성물에 함유된 실리콘과, 본 발명에 따라 침탄된 제품의 표면상에 형성된 산화물 및 탄화물의 양과의 관계를 나타내는 그래프이다.

제 7 도는 본 발명을 실시한 침탄 방법의 시간과 온도 관계를 도시한 그래프이다.

[발명의 상세한 설명]

[기술 분야]

본 발명은 금속의 열처리에 관한 것이며, 특히, 탄소 함유 가스로 표면경화(case herdening)시키는 방법에 관한 것이다.

[배경 기술]

침탄은 비합금 저 탄소강 또는 저 합금 저 탄소강의 표면 경도를 증가시키는 효과적인 방법이다. 통상적으로, 강철 제품을 강의 기본 탄소 함량보다 많은 양의 탄소를 함유하는 분위기에 위치시킨 후 강의 오오스테나이트(austenite) 변태 온도보다 높은 온도로 가열한다. 원하는 양의 탄소가 강 제품내로 확산된 후, 담금질에 의해 경화가 이루어진다.

가스 침탄은 효과적이고 제어가능하며, 침탄용의 탄소질의 분위기를 생성하는 방법으로 가장 광범위하게 사용되는 것 중의 하나이다. 그러나, 가장 일반적으로 사용되는 가스 혼합물은 통상적으로, 산소와 강한 친화력을 갖는, 예컨대, 실리콘, 크롬, 망간과 같은 하나 이상의 강철 구성 원소와 함께 표면 산화물을 형성하는 경향이 있는 산소를 소량 함유한다. 결정립계(grain boundary)를 따라, 즉 입자간을 따라서 형성되는 산화물은 표면으로부터 내부로 성장되고 침탄된 제품의 기계적 특성에 악영향을 미치게 된다.

종래의 침탄 방법은 통상적으로 표면 탄화물의 형성을 피하며, 기본적으로 탄화물이 없는 마르텐사이트 조직(martensitic structure)을 생성한다. 표면 탄화물이 어쩔 수 없이 형성되었을 지라도, 특성상 탄화물이 없는 얇은 표면 층이 존재하게 된다. 이는 표면층 내의 탄화물 형성 원소의 산화 때문이다.

가스 침탄중의 산화의 악영향은 오랜 기간 동안 주지되어 왔다. 지금까지, 침탄 제품을 설계할 때, 입자간 표면 산화물에 기인하는 굴곡 피로 강도의 감소를 고려하는 것이 필요하였다. 굴곡 피로 강도의 저하를 피하기 위해, 침탄중에 형성된 입자간 표면 산화물을 기계 가공이나 연마에 의해 물리적으로 제거하거나, 또는 침탄 매질로부터 산소 성분을 제거함으로써 이러한 표면 산화물의 형성을 방지하는 것이 필요하였다. 이와 같은 방법은 경비가 많이 필요하다. 1978년 11월에 미합중국 금속학회 및 AIME의 야금학 학회에 의해 발간된 야금학 회보 A 제 9 A 권의 1553 내지 1560페이지에 기재된 루스 채터지-피셔의 1978년 논문 "팀탄 및 열처리중의 내부 산화"는 재래식 팀탄 공정을 취할 경우에, 모재 금속내의 실리콘이 제품 표면에서의 산화물의 형성에 주요한 영향을 미친다는 사실을 밝히고 있다. 그러나 상기 논문은 실리콘의 감소가 표면산화 문제에 대한 해결책임을 명백히한 반면에, 소량의 실리콘과 비재래식 침탄 방법에 의한 표면 탄화물 형성의 증가와의 상관 관계는 밝히지 못했다.

산소 특수강 회사에 의해 개발된 저 실리콘 침탄강은 일본국 특허 공고(소)57-237141호에 기재되어 있다. 상기 산요 특허에는 예컨대 0.06% 내지 0.12%의 저 실리콘이 상대적으로 다량의 탄소 및 크롬과 결합했을 때 탄소 확산을 가속시킴으로써 침탄 시간을 감소시킨다는 것이 기재되어 있다. 상기 특허에서는 표면 탄화물의 형성을 의도적으로 피하기 위해 강철 성분중에서 크롬의 양을 제한한다. 또한, 상기 특허는 침탄중에 소량의 실리콘 성분이 표면 산화물 및 표면 침탄물의 형성에 미치는 영향을 관련시키지 못하였다. 상기 공보에 기술된 산요 저 실리콘강의 성분은 더 이상 상업용 제품으로 제조되지 않는다.

표면 탄화물의 형성을 의도적으로 피하는 응용 분야에서 사용하기 위한 다른 저 실리콘 침탄강이 코베 철강 회사에 의해 개발되었다. 코베의 조성물은 일본국 특허 공고(소)61-253346호에 기술되어 있으며, 이는 기어 치의 이뿌리 부분의 경를 증진시키기 위해 침탄 후 열처리 되는 기어에 사용하기 위해 개발되었다. 침탄 후에 양호한 표면 경화성을 확실히 하기 위해, 코베 회사는 의도적으로 침탄중 표면 탄화물의 형성을 방지하기 위해 강철 성분에서 탄화물 형성 원소의 양을 제한하였다. 또한, 성분중에서 실리콘, 망간 및 크롬의 양은 침탄된 표면층의 열처리성을 저하시키는 입자간 산화물의 형성을 방지하기 위해 제안되었다. 상기 특허에서는 또한 저 실리콘량과 유익한 표면 탄화물의 형성간의 어떠한 상호 관계도 기재되어 있지 않다.

표면 부근의 탄화물이 형성된 침탄 제품용을 의도된 저 실리콘강 조성은 다이도 특수강 회사의 일본국 특허 공고(소)61-104064호에 기재되었다. 상기 특허에서와 같이 다이도는 강철 조성에서 실리콘 양을 제한하는 것은 입자간 산화물을 감소시키는데 유리함을 인지하고 있다. 그러나 이 특허는 또한 표면에서 또는 표면 근처에서 탄화물을 형성하는데 1.2% 이상의 크롬이 필수적임을 기재하고 있다. 상기 특허는 또한 실리콘이 산화에 영향을 끼친다는 것 이외에 실리콘이 표면 탄화물 형성에 영향을 미친다는 것과, 본 발명에 기재된 것처럼 침탄강에서 실리콘의 양을 제한함으로써 표면 탄화물이 극히 적은 양의 크롬에 의해 쉽게 형성됨을 인식하지는 못하였다.

전술한 바와 같이, 종래의 가스 침탄 공정에서는 일반적으로 표면 탄화물의 형성을 방지하고자 하였다. 표면에 의도적으로 탄화물을 형성하기 위한 비재래식 침탄 공정은 1960년 12월 13일자 오르빌레 이. 쿨렌에게 허여된 카나다 특허 제610,554호의 "제 1 철 합금의 침탄"에 기술되어 있다. 쿨렌의 특허에는 강철 제품을 반복적으로 침탄하고 급속 냉각함으로써 저 합금강을 침탄시키는 방법이 기재되어 있다. 그러나, 쿨렌의 방법은 너무 장시간을 요하는데, 즉 완성에 약 42시간 정도를 필요로 하며, 따라서 매우 고가이다. 또한, 쿨렌의 공정은 표면 산화물 형성의 문제에 대한 해결책을 제시하지는 않는다.

더욱 최근에 1980년 5월 13일자로 다께시 나이또 등에게 허여된 미합중국 특허 제4,202,710호에 2단계 침탄 방법이 기술되어 있다. 상기 방법은 표면 하부로 0.1mm 내지 0.4mm 사이의 구역내에 구성 탄화물을 형성하지만, 침탄된 표면의 외부 표면상에 고밀도의 탄화물을 마련하지는 못한다. 그 결과, 상기 방법에 의해 형성된 제품들은 형성된 내마모성과, 피팅(pitting) 및 스포올링(spalling)에 대한 내성과 같은 탄화물 미세 구조의 접촉 피로 특성을 유용하게 이용하기 위해서는 표면 하부 0.1mm에서 시작되는 탄화물이 많은 구역까지 하방으로 초기에 연마하거나 기계 가공해야 한다. 또한, 쿨렌의 특허와 같이, 상기 방법은 표면 산화물 형성 문제에 대한 해결책을 제시하지 못한다.

본 발명은 상기 문제점을 극복하기 위한 것이다. 기본적으로 표면 입자간 산화물이 존재하지 않으며 표면상에서 높은 비율의 탄화물을 갖는 침탄된 강철 제품을 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 단시간 처리로 상기 제품을 형성할 수 있고 경제적이며 제어 가능한 방법을 마련하는 것이 바람직하다.

[발명의 개시]

본 발명의 일 태양에 따르면, 침탄된 강철 제품을 형성하기 위한 방법은 고밀도의 탄화물이 분포된 오오스테나이트를 제품 표면 상에 형성하기에 충분한 온도에서 0.10% 이하의 실리콘과 1.1% 미만의 크롬을 갖는 강으로 만들어진 제품을 침탄하는 단계를 포함한다. 침탄 후, 제품은 침탄된 표면 미세구조를 마르텐사이트, 잔류 오오스테나이트 및 탄화물로 변태시키기 위해 담금질됨으로써 제품은 입자간 산화물이 없는 침탄된 표면을 갖고, 침탄된 표면의 적어도 20%는 탄화물로 구성된다.

침탄된 강철 제품을 형성하는 방법의 다른 특징은 원하는 표면 깊이의 약 75% 내지 95%를 형성하는 제 1 단계의 침탄을 포함하고, 바람직하게는 고밀도의 표면 탄화물이 형성되는 제 2 단계가 이에 후속될 수 있다는 것이다.

[발명의 최선 실시 형태]

강철 제품을 형성하기 위한 방법은 저 실리콘강을 선택하는 단계와, 강철을 성형하는 단계와, 침탄하는 단계와, 경화 온도로 제어 가능하게 냉각하는 단계와, 담금질하는 단계를 포함한다. 여기에서 사용된 "저 실리콘강"은 강철 재료가 0%의 실리콘으로부터 단지 0.10%까지의 실리콘을 함유하고, 그 성분이 다른 모든 점에서 침탄용으로 적당한 것을 의미한다. 강철에서 실리콘 양을 제한하거나 제거하는 것은 실리콘 산화물의 형성을 억제할 뿐 아니라 침탄된 제품의 표면 상에서의 크롬 및 망간의 산화를 방지한다. 또한, 저 실리콘강 제품이 본 발명에 따라 처리될 때 그 표면 상에는 높은 비율의 탄화물이 확실하게 형성된다. 따라서, 적당한 강철 조성의 선택은 중요한 단계이다.

상업적으로 생산된 저 합금 침탄 등급 강철은 통상적으로 중량 단위로, 다음의 범위내의 조성을 갖는다.

탄소 0.08%-0.35%

망간 0.3%-1.7%

쿠롬, 몰리브덴 또는 바나듐 등의 0.2%-2.5%

탄화물 형성 원소(총량)

부가적 경화 촉진제 0.0%-6%

실리콘 0.15%-0.35%

결정립 정련 원소 0.0%-1.0%

철 및 나머지 원소 잔부

만약 실리콘이 제거되거나 또는 0.10% 또는 그 이하로 제한되면, 상기 강철 조성은 본 발명에 따른 침탄 제품의 형성에 적당하게 된다.

용인되는 철강 산업의 표준에서 강철 조성물의 허용되는 잔류 구리의 양은 0.35%이다. 상기 양의 상한에 이르는 구리를 함유하는 저 실리콘강들은 때때로 침탄된 표면 상에서의 탄화물 형성과 일치하지 않음을 알 수 있다. 구리가 표면 탄화물의 형성을 방해한다는 것은 이론화되어 있다. 따라서 모든 경우에 명백하게 필수적이지는 않지만 조성물에서 구리양을 0.15% 이하로 제한하는 것은 바람직하다.

특히, 실리콘을 0.10% 이하로 제한하도록 수정된 모든 SAE 4110 내지 4130 시리즈 중의 하나와 같은, 저 합금 침탄 등급 강철은 기어, 베어링 및 축과 같은 침탄된 제품의 형성에 특히 적합하다. 따라서, 상대적으로 적은 양이지만 필수량의 크롬, 몰리브덴 또는 바나듐과 같은 탄화물 형성 원소를 함유하는 상업적인 저 합금 침탄 등급 강철은 저 실리콘강 조성물로 수정될 수 있다. 약 6% 미만의 양으로 제한되지만 부가적 경화 촉진제도 포함된다. 총량에서 1% 미만인 결정립 정련 원소는 입자 크기를 미세하게 하기 위해 종종 첨가된다. 상기에서 알 수 있듯이, 표면 탄화물 형성을 더욱 향상시키기 위해 나머지 또는 미량의 구리를 0.15% 이하로 제한시키는 것이 또한 바람직하다. 종종 미량으로 나타나는 인 및 황과 같은 유해 원소는 각각 0.05% 및 0.08% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 조성을 갖는 제품은 압연강 가공, 주조 또는 단조, 강철 분말의 고화, 또는 여러 성형 단계의 조합에 의해서 소정 형상으로 성형된다.

제품이 성형된 뒤, 제품을 침탄로 내에 위치시키고, 제품을 노 분위기로부터 제품속으로 탄소를 확산시키기고 제품 표면 상에 고밀도의 탄화물을 형성시키기에 충분한 온도로 제품을 가열한다. 바람직하게는, 침탄작업은 두 단계로 수행된다. 제 1 침탄 단계에서, 노 내의 가스 분위기의 탄소 보유량은, 오오스테나이트에서 탄소의 포화 한계와 거의 동등한 수준으로 유지된다. 일반적으로 "A_cm"으로 표시되는 오오스테나이트에서 탄소의 포화 수준은 온도에 따른다. 성형된 제품은 약 843℃(1550℉)로부터 약 1010℃(1850℉)의 침탄실내의 온도와, 제품의 특정 강철 조성에 대응하는 A_cm과 겅의 동등한 분위기를 갖는 연속형 노내로 직접 위치되는 것이 좋다.

제 7 도에 그래프로 도시한 바와 같이, 침탄 공정의 제 1 단계는 요구된 최종 표면 깊이의 약 75% 내지 95%를 침탄시키기에 충분한 시간 동안 침탄실에 제품을 유지시키는 단계를 포함한다. 본 명세서에 사용한 "표면 깊이(case depth)"는 표면으로부터 탄소 함유량이 0.40%인 지점까지의 거리이다. 필요한 제품의 표면 깊이를 얻기 위해 필요한 시간은 제품의 화학적 조성과 같은 많은 변수와, 가스 분위기의 조성 및 온도에 의존한다. 따라서, 상기 제 1 단계에서 침탄실에서 제품이 유지되는 시간은 약 2시간 내지 약 25시간으로 가변될 수 있다. 제품이 전술한 저 실리콘 조성을 가지고, 노 분위기가 특정 강철의 A_cm에 가능한 한 근접하게 유지되며, 침탄 온도가 약 927℃(1700℉)로 유지될 때, 초기의 약 1.0mm의 표면 깊이는 약 4 내지 5시간 동안 제품을 노 내에 유지함으로써 얻을 수 있다. 아래에 기술된 침탄 작업의 제 2 단계를 종결한 후, 최종 표면 깊이는 약 1.1mm가 된다.

침탄 작업의 제 1 단계 후에, 베이나이트(bainite) 및 퍼얼라이트(pearlite)가 형성되기 시작하는 온도 이하까지, 양호하게는 가스 담금질에 의해 제품을 냉각시킨다. 이 온도는 통상적으로 "AR1"으로 표시되고 제 7 도 상에 파선으로 표시된 수평선으로 나타난다. 망상 직 탄화물 형성을 억제하기 위한 이 과정에서 제품의 표면을 신속히 냉각시키는 것이 바람직하다. 이 결과로 과포화된, 준안정성의 철 및 탄소의 고용체가 형성된다. 만약 과도하게 느린 냉각율이 사용되었다. 면, 탄화물은 결정립계에서 형성될 것이고 탄화물 형성을 위한 효과적인 입자간 핵을 제공하지 못할 것이다.

베이나이트 또는 퍼얼라이트로 완전히 변태시키기 위해 AR1보다 충분히 낮은 온도로 제품을 냉각시킨후, 제품을 예열된 침탄로 내로 위치시킴으로서 제품을 신속히 재가열한다. 이것은 준안정성 고용체로부터 균질의 탄화물 석출을 일으키고, 결국 표면 미세 구조에서 탄화물을 분산시킨다.

침탄 작업의 제 2 단계중에, 노 분위기의 탄소의 보유량은 A_cm보다 높은 수준에서 유지되는데, 즉, 노 분위기의 탄소 보유량은 제품의 오오스테나이트에서의 탄소의 포화 한계보다 높게 된다. 예를 들어, 약 1.5% 내지 2%의 탄소 보유량을 갖는 분위기는 0.055%의 CO₂, 1%의 CH₄, 20%의 CO, 40%의 H₂및 잔부의 N₂의 조성을 갖는 가스에 의해 제공될 수 있다. 통상적으로, 제 2 단계 침탄실의 온도는 약 843℃(1550℉)와 1010℃(1850℉) 사이에서 유지되고, 약 927℃(1700℉)가 바람직하다. 제 2 단계에서 제품의 표면을 과 포화 가스 환경에서 다시 오오스테나이트화 하는 것만이 필요하며, 이에 의해, 표면 탄소를 약 1.5%보다 높은 수준으로 증가시킨다. 제품은 원하는 표면 탄소 함량을 얻기 위해 927℃(1700℉)에서 약 15분 내지 60분동안 유지될 필요가 있다. 비록 더 낮은 온도가 사용되더라도, 상응하는 만큼의 더 오랜 시간 동안 노 내에 제품을 유지시켜야 한다. 또한, 침탄된 제품에 나타난 표면 탄화물의 크기 및 체적비는 제 2 단계 침탄 온도 및 이후 설정될 후속적인 냉각 단계에서의 냉각율의 선택에 의해서 제어될 수 있음이 밝혀졌다. 예를 들어, 제 2 단계 침탄 온도를 보다 높게 하면 제품의 표면 상에 더 많은 탄화물, 즉 더 큰 탄화물의 더 큰 체적비를 생성하는 경향이 나타난다.

제 2 단계 침탄 작업이 완성되면 고밀도이 표면 탄화물이 적절히 분산된 오오스테나이트 미세 구조가 형성된다. 그리고 나서, 양호하게는 노 내에 있는 동안, 제품을 강철 코어의 경화 온도까지 제어 가능하게 냉각시킨다. 예를 들면, 저 실리콘 조성을 갖는 SAE 4118 강철의 경화 온도는 약 838℃(1540℉)이다. 냉각 조작중, 이전에 형성된 탄화물은 크기 및 체적비가 증가한다. 이것을 얻기 위해, 침탄 온도로부터 경화 온도까지의 제품의 냉각율은 신중히 제어된다. 바람직하게는, 냉각율은 분당 약 0.6℃(1℉) 내지 11℃(20℉)이다.

제품의 표면을 경화 온도까지 냉각시킨 후, 제품 코어 온도가 경화 온도까지 냉각되게 하기에 충분한 시간 동안 경화 온도에서 제품을 유지하는 것이 바람직하다. 평형화로 알려진 이 공정은 제 7 도에서 공정 도표로 나타나 있다. 비록 왜곡을 최소화하는 것이 바람직하지만, 원하는 표면 미세 구조를 얻기 위해 평형화가 필수적인 것은 아니다. 제품의 질량 및 형상에 따라서, 통상적으로 평형화가 완료되는 데는 약 5 내지 60분 정도 걸린다.

제품의 표면에서 탄소, 고갈을 방지하기 위해 선행 냉각 및 평형화 조작 과정중 제품 주위에서 탄소질의 가스 분위기가 유지되는 것이 바람직하다. 냉각 및 평형화는 제 2 단계 침탄로 또는 상호 연결된 격실(chamber)에서 수행되어, 침탄에 사용된 동일한 가스 분위기가 간단하게 냉각되어 제품 주위에서 순환되도록 한다.

평형화 이후, 제품은 표면 미세 구조를, 마르텐사이트, 잔류 오오스테나이트 및 탄화물로 변태시키기 위해 충분히 빠른 속도로 경화 온도로부터 직접 담금질 되도록 하는 것이 바람직하다. 이것을 위해서, 원하는 표면 변태를 보장하기에 충분한 바른 속도의 담금질을 하도록 오일(oil) 매질이 사용된다.

평형화 직후에 제품을 직접 담금질하는 것이 불편한 경우에 대하여, 제 7 도에 파선으로 표시된 다른 단계가 개발되었다. 하나의 다른 예에 있어서, 제품을 냉각시키고 강철의 경화 온도로 재가열하여, 평형화 및 담금질을 수행한다. 또 다른 예에 있어서, 제품의 질량 및 형상이 충분히 작고 제어된 냉각율이 충분히 늦다면, 평형화는 요구되지 않을 수 있다. 만약 이런 조건이 나타나면, 제품의 제어된 저속 냉각 단계 후에 바로 담금질 될 수 있다.

높은 절곡 부하, 표면 마모 및 접촉 피로를 받는 제품의 예가 축과 기어이다. 상기 공정에 따라 이들 제품의 표본이 성공적으로 형성되었다. 최종 담금질을 포함하여 침탄 과정을 완성하기 위해 필요한 총 시간은 통상적으로 단지 약 7시간이었다. 그러므로, 상기 공정은 개선된 금속 표면 특성을 갖는 제품을 형성할 뿐 아니라, 이것은 또한 바람직한 표면 탄화물 구조를 형성하기 위하 종래 기술의 방법보다 훨씬 빠르다.

본 발명을 실시한 대표적인 제품 표본의 현미경 사진을 제 1 도 및 제 2 도에 나타냈다. 본 발명의 장점은 아래에 기술된 것처럼 각각 다르게 형성된 대표적인 제품의 표본의 현미경 사진인 제 3 도 내지 제 5 도와 비교함으로써 강조된다. 제 1 도 및 제 3 도는, 압지간 산화물을 식별할 수 있도록 광택 처리되고 에칭 처리는 되지 않은 표본의 현미경 사진이다. 제 2 도 및 제 4 도는 제 1 도 및 제 3 도와 동일한 표본이나, 미세 구조에서 탄화물이 더 잘 나타나도록 종래의 1% 나이탈(nital) 용액으로 에칭되어 있다. 제 5 도는 종래의 방식으로 열처리 되고, 1% 나이탈 용액으로 광택 처리되고 에칭된 제품의 표본이다. 현미경 사진에서, 입자간 산화물은 에칭되지 않은 표본에서 길이가 긴 검은 지역으로 나타난다. 통상적인 입자간 산화물이 참조 번호 10으로 나타나 있다. 탄화물 구조는 에칭된 표본의 현미경 사진에서 백색 지역으로 나타나고, 대표적인 탄화물 구조가 참조 번호 12로 나타나 있다.

예 1

본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 제품의 대표적인 표본은 제 1 도 및 제 2 도에서 750배 확대한 단면(section)에서 나타난 미세 구조를 가진다. 표본은 다음의 특정 조성을 갖는, 수정 가공된 SAE 4118 강철로부터 절단되었다.

탄소 0.23%

망간 0.99%

인 0.009%

황 0.010%

실리콘 0.04%

크롬 0.40%

몰리브덴 0.13%

알루미늄 0.029%

구리 0.03%

철 및 나머지 원소 잔부

표본은 약 0.07%의 CO₂, 0.6%의 CH₄, 20%의 CO, 40%의 H, 및 잔부의 N₂를 포함하는 종래의 흡열가스 침탄 분위기를 갖는 침탄로에 위치되었다. 노는 약 927℃(1700℉)의 온도까지 예열되었다. 분위기의 탄소 보유량은 노 제어 시스템이 허용하는 한 상기 강철 조성의 오오스테나이트 용해 한계에서의 탄소 A_cm에 근접하게 유지되었다. 노에서 제품은 4시간 반 동안 동일한 온도 및 분위기에서 유지되고, 그리고 나서 93℃(200℃)까지 가스 담금질하였다. 제 1 침탄 과정에 이온 냉각 후, 제품을 침탄로 내에 위치시켜 약 927℃(1700℉)로 예열하고, 그리고 가스 탄소 보유량이 강철 재료의 오오스테나이트 상에서의 탄소의 포화 한계보다 더 크도록 가스 분위기를 제어하였다. 제품을 약 30분 동안 동일한 온도로 탄소가 풍부한 분위기에서 유지하고, 그리고 나서 약 60분 이상 동안 천천히 냉각하였는데, 즉, 약 1.5℃/분(2.7℉/분)의 비율로 강철의 경화 온도인 838℃(1540℉)까지 냉각하였다. 제품의 내부 온도가 경화 온도와 평형을 이루도록 약 40분 동안 838℃(1540℉)에서 제품을 유지하였다. 평형화 이후, 제품을 바로 오일 매질내에서 직접 담금질하였다.

제 2 도에서 제품의 표본의 현미경 사진에서 볼 수 있듯이, 제품의 표면 상에는 높은 체적비의 탄화물(12)이 형성된다. 현미경 사진의 최상부를 따라 관측할 수 있는 검은 성층 물질의 띠에 바로 인접한 표면 상의 탄화물의 직접적인 측정은 탄화물이 제품 표면 지역의 약 50%를 구성함을 보여준다. 게다가, 제 1 도에 나타난 에칭되지 않는 단면에서 가장 잘 나타나 있듯이, 제품의 표면상에 형성된 탄화물이 풍부한 지역은 기본적으로 입자간 산화물이 있다.

예 2

제 3 도 및 제 4 도에 나타난 현미경 사진의 표본인 제 2 제품은, 유사한 물질의 상업적으로 생성되는 열에 대한 통상적인 실리콘의 범위내의 실리콘 함량을 갖는 수정 가공된 SAE 4118 강철로부터 형성되었다. 특히, 본 예에서 제품은 다음의 조성을 갖는다.

탄소 0.22%

망간 0.76%

인 0.009%

황 0.016%

실리콘 0.26%

크롬 0.78%

몰리브덴 0.24%

알루미늄 0.033%

구리 0.12%

철 및 나머지 원소 잔부

상기 예의 물질은 유사한 조성을 갖는 종래의 침탄 등급 강철에서 통상 나타나는 실리콘량을 대표하는 0.26%의 실리콘 함량을 갖는다. 상기 물질로 형성된 제품은 예 1에서 설정된 제품과 함께, 본 발명의 공정에 따라 동시에 열처리되었다.

제 4 도는 표면 탄화물 형성에 대한 실리콘양의 증가의 영향을 나타낸다. 사실상 이 표본의 표면에는 탄화물(12)이 없다. 또한, 탄화물이 없는 표면층은 입자간 산화물(10)의 깊이와 같은 깊이로 된다. 따라서, 표면 산화물을 형성하는 비재래식 침탄 공정을 채용하는 경우에도, 침탄된 제품의 표면 상에서의 중요한 탄화물 구조의 형성을 보상하기 위해 모재 강철에서 실리콘의 양을 제헌하는 것이 필요하다. 또한, 제 3 도에 잘 나타나 있듯이, 입자간 산화물(10)은 제 1 도의 저 실리콘 재료에서 보다 훨씬 더 많은 양이 나타난다. 도면에 나타낸 영역에서의 제품 표면의 길이에 대한 입자간 산화물의 비는 약 0.50 : 1이다. 즉, 주축을 따라서 측정했을 때, 제 3 도에서 볼 수 있는 입자간 산화물의 길이의 총계는 제 3 도의 동일한 영역에서의 표면의 길이의 약 50%이다.

예 3

0.26%의 실리콘을 함유하는 수정된 SAE 4118H 조성을 갖고, 종래의 단일 단계의 침탄 처리를 받은 제품의 표본은 제 5 도에 나타나 있다. 본 제품은 다음의 조성을 갖는다.

탄소 0.21%

망간 0.93%

인 0.011%

황 0.013%

실리콘 0.26%

크롬 0.95%

몰리브덴 0.34%

알루미늄 0.032%

구리 0.06%

철 및 나머지 원소 잔부

상기 예는 재래식으로 처리된 표면 탄화물이 형성된 표본 침탄 등급 강철의 금속 표면 특성을 나타낸다. 특히 제품의 표면의 아래로 약 0.02mm 연장된 전형적인 탄화물 고갈 지역이 존재한다. 이 지역 내에는 상당한 수의 입자간 산화물 및 입자 내부 산화물이 존재한다. 주지된 바와 같이, 입자간 산화물(10)은 절곡피로 특성에 유해한 영향을 기친다. 더구나, 표면 상에 탄화물이 없기 때문에, 탄화물 구조물의 이점이 유용하게 사용되기 위해서는 제품의 외부 표면의 약 0.02mm가 연마되어야만 한다.

상기 예에서 볼 수 있듯이, 기재된 예에는 몇가지 특징이 있다. 첫째, 제품이 형성되는 강철 재료는 0.10% 이하의 실리콘을 함유하여야 한다. 상기 양으로 실리콘 함량을 제한하는 것은 입자간 산화물의 형성을 방해하고, 표면 상에 바람직한 탄화물 구조물의 형성을 증진 및 향상시키기 위한 것이다. 둘째로 고율의 탄화물이 제품 외부 표면 상에 형성되고, 표면 하부의 어느 정도 한정된 깊이, 즉 0.1mm 이상에서는 형성되지 않는다. 이것을 가장 유용하게 성취하기 위해, 제어된 냉각에 의해 성장되기 전에, 오오스테나이트에 잘 분산된 고밀도의 탄화물을 제품 표면 상에 형성하기 위해 전술된 방식으로 제품을 첨탄시킨다. 예 2 및 예 3에서 알 수 있듯이, 만약 이들 두개의 특징중 어느 특징이 없다면, 침탄된 제품은, 입자간 산화물이 없고 높은 체적비의 탄화물이 형성된 외부 표면을 갖지 못할 것이다.

예 4

실리콘의 양과 두 개의 예에서의 크롬을 제외한 유사한 기본 조성을 갖는 많은 표본들이 상기의 예 1에서 기재된 침탄 과정에 의해서 준비되고 열처리되었다. 표본들은 입자간 산화물 및 표면 탄화물의 존재를 확인하기 위해 절단되어 광택 처리되고 분석되었다. 특히, 아래에 표시된 조성을 갖는 9개의 표본들이 시험되었다.

각 표본의 단면에서 3개의 동일한 크기의 대표적인 부분에서 산화물의 주축(axes)을 따라서 측정된 입자간 산화물의 총길이는 평균되어 도면에서 제품의 외부 표면의 길이에 대한 % 비율로서 나타냈다. 마찬가지로 탄화물이 나타난 직선 표면의 % 비율은 각 표본의 단면에서 3개의 동일한 크기의 대표적인 부분에서 측정되어 평균을 구하여 도면의 대표적인 부분에서 제품 표면의 길이에 대한 % 비율로서 나타났다.

상기 특정 결과는 제 6 도에서 그래프로 도시되어 있다. 상기 각 표본의 산화물 % 비율은 그래프 상에 작은 원으로 나타내었다. % 실리콘의 눈금은 그래프의 밑면을 따라서 나타나 있고, 산화물의 % 비율의 눈금은 오른쪽 수직면을 따라서 나타나 있다. 도시된 데이타 점을 적절히 연결하는 실선에 의해 나타나듯이, 입자간 산화물의 양은 표본 내의 실리콘 함량의 증가에 따라 증가한다. 상기 데이타는 이들 특정 표본에 있어서, 실리콘 함량이 0.11% 또는 0.12% 정도로 높을 수 있고, 입간 산화물이 여전히 대표적인 표면 길이에 대하여 약 15% 미만이라는 것을 나타낸다.

유사한 형태에서, 상기 표본 각각의 탄화물의 % 비율은 작은 삼각형 모양으로 그래프 상에 나타내었고, 그래프의 왼쪽 수직면을 따라서 나타낸 눈금에 따라서 기점하였다. 각각의 데이타 점을 적절히 연결하는 선은, 표본에서 실리콘이 증가함에 따라 표면에 대한 탄화물의 % 비율이 일반적으로 감소함을 나타내고 있다. 표본 e는 표본 e의 양측에서 더 적고 많은 실리콘 양을 각각 나타내는 표본 d 또는 f보다 낮은 탄화물 비율을 갖는 것으로 나타나 있다. 이와 같은 이유로, 상기 전체 데이타는 상기 표본의 대표적인 그룹에 대해서는 약 0.11% 또는 0.12%의 실리콘 함량이 약 20%의 바람직한 탄화물 수준을 제공한다는 것을 제안하지만, 양호한 약 0.10% 실리콘의 한계는 침탄된 제품에서 표면에 대한 탄화물의 비율이 20% 이상이 됨을 일관되게 보장할 것이다.

[산업상 이용 가능성]

상기에 따라 형성된 제품은 기어, 커플링(couplings), 즉, 베어링, 및 높은 절곡 부하, 표면 마모 및 접촉 피로를 받기 쉬운 유사한 제품에 특히 유용하다.

제한된 나머지량의 구리를 갖는 저 시리콘강은 재래식 침탄 등급 합금강과 거의 같은 가격이 된다. 따라서, 상기 방법은 대다수의 재래식 방법보다 더 경제적이기 때문에, 상기 방법을 광범위하게 적용할 수 있고 완제품은 침탄된 제품이 요구되는 곳에 또한 광범위하게 사용될 것임을 알 수 있다. 이상에서 입자간 표면 산화물이 없는 제품의 외측 표면 상에 고율의 탄화물을 형성하는 저 실리콘강 재료용 침탄 공정이 본 명세서에서 설명되었다. 입자간 표면 산화물이 제품의 절곡 피로 강도를 감소시킨다는 것은 잘 알려져 있다. 고밀도 탄화물 구조가 높은 경도를 갖고 마모 및 접촉 피로 수명을 증가시킨다는 것은 또한 잘 알려져 있다. 불필요한 표면 산화물 형성을 방지하고 동시에 유익한 표면 탄화물 구조를 마련한 결과로서, 기술한 바와 같이 형성된 제품의 절곡 피로 강도, 마모 특성 및 접촉 피로 특성이 매우 향상된다.

본 발명의 다른 태양, 특징 및 장점은 첨부된 특허 청구 버무이와 함께 본 발명의 상세한 설명으로부터 얻어질 수 있을 것이다.

Claims (1)

1. 침탄된 표면의 적어도 20%를 구성하는 탄화물을 갖고 입자간 산화물이 없는 침탄된 표면을 가지며 다른 추가의 마무리 가공이 요구되지 않는 침탄 강철 제품을 형성하는 방법에 있어서, 상기 침탄 강철 제품 형성 방법은, 중량 퍼센트로, 약 0.08% 내지 약 0.35%의 탄소와, 약 0.3% 내지 약 1.7%의 망간과, 0.10%이하의 실리콘과, 0.15% 이하의 구리와, 1.1% 미만의 크롬과, 상기 크롬을 포함하는 약 0.2% 내지 약 2.5%의 탄화물 형성 원소와, 6% 미만의 부가적 경화 촉진제와, 1% 미만의 결정립 정련 원소와, 잔부의 철 및 미량 불순물을 갖는 강철 재료를 선택하는 단계와, 제품을 형성하도록 강철 재료를 성형하는 단계와, 오오스테나이트 및 상기 오오스테나이트에 분산된 고밀도의 탄화물을 포함하는 표면을 형성하기에 충분한 시간 동안 일정 온도에서 상기 제품을 침탄하는 단계와, 표면을 마르텐사이트, 잔류 오오스테나이트 및 탄화물의 미세 구조로 변태시키기 위해 상기 침탄된 제품을 담금질하는 단계와, 침탄된 표면의 다른 추가의 마무리 가공이 요구되지 않는 침탄 강철 제품을 생산하기 위해, 탄화물이 침탄된 표면의 적어도 20%를 구비하고 침탄된 표면에 입자간 산화물이 없도록 침탄 단계 및 담금질 단계를 제어하는 단계를 포함하며, 상기 제품 침탄 단계는, 약 843℃(1550℉) 내지 약 1010℃(1850℉)의 온도와 탄소 함량이 노 온도에서 탄소로 포화된 오오스테나이트의 평형을 유지하는 분위기를 갖는 예열된 노내에서 제품을 위치시키고, 최종 표면 깊이의 약 75% 내지 약 95%를 형성하기에 충분한 시간 동안 상기 노내에 제품을 유지하는 제 1 단계와, 침탄된 표면에서 탄화물 핵 생성을 억제하기에 충분한 속도로 이루어지고, 표면 온도가 오오스테나이트의 변태가 완성되는 온도 이하로 될 때까지 상기 속도를 유지하는, 제 1 단계 침탄 후의 상기 제품을 가스 담금질하는 단계와, 약 843℃(1550℉) 내지 약 1010℃(1850℉)의 온도와 탄소 함량이 노 온도에서 오오스테나이트내의 탄소의 포화 한계보다 더 높은 수준에서 유지되는 분위기를 갖는 예열된 노내에 제품을 위치시키고, 표면을 상기 오오스테나이트에 분산된 고밀도의 표면 탄화물을 갖는 오오스테나이트 미세 구조로 변태시키기에 충분한 시간 동안 상기 노내에 제품을 유지하는 제 2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 침탄 강철 제품 형성 방법.

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