KR101247478B1 - 표층 경화강 부품 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 800 내지 900℃의 온도 영역에서 침탄 처리되는 이 표층 경화 처리용 강은, 화학 성분이 질량％로 C: 0.10 내지 0.60％, Si: 0.01 내지 2.50％, Mn: 0.20 내지 2.00％, S: 0.0001 내지 0.10％, Cr: 2.00 내지 5.00％, Al: 0.001 내지 0.50％, N: 0.0020 내지 0.020％, P: 0.001 내지 0.050％ 및 O: 0.0001 내지 0.0030％를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, Cr, Si, Mn의 합계 함유량이 질량％로 2.0≤Cr+Si+Mn≤8.0을 만족시킨다.

Description

표층 경화강 부품 및 그의 제조 방법 {SURFACE LAYER-HARDENED STEEL PART AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 표층 경화 처리용 강 및 표층 경화강 부품과 그의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은 2010년 3월 19일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2010-064880호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그의 내용을 여기에 원용한다.
자동차, 건설 기기, 농업 기기, 발전용 풍차, 그 밖의 산업 기계 등에 사용되고 있는 동력 전달 부품(예를 들어, 기어, 베어링, CVT 시브, 샤프트 등)은 부품의 피로 특성의 향상, 내마모성의 향상 등의 목적에서 표면 경화 처리가 실시되어 사용되는 것이 대부분이다. 기지된 복수의 표면 경화 처리 중에서 침탄 처리는 표면의 경도, 경화층의 깊이, 생산성 등의 면에서 다른 표면 경화 처리보다 우수하기 때문에, 적용 부품이 매우 많다.
예를 들어, 기어, 베어링 부품의 통상의 제조 공정에서는 JISG4053에 규정되는 SCM420, SCR420, SNCM220 등의 중탄소합금강을 사용하여 열간 단조, 냉간 단조, 절삭, 또는 이들의 조합에 의해 소정의 형상을 얻도록 기계 가공을 실시하고, 그 후 침탄 처리나 침탄 질화 처리를 실시한다.
침탄 기어의 피로 파괴는 굽힘 피로(치원 피로)와 치면 피로(피칭 등)로 크게 구별된다. 기어 부품의 고강도화를 도모하기 위해서는 이 2종의 피로 강도를 둘 다 향상시키는 것이 필요하다. 이 중, 굽힘 피로 강도는 표층의 조직 개선(입계 산화층, 불완전 켄칭층의 경감)으로 개선할 수 있고, 또한 숏피닝을 실시함으로써, 대폭 개선할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 치면 피로 강도는 숏피닝을 실시하더라도 거의 개선할 수 없기 때문에, 치면 피로 강도의 향상이 과제로 되어 있었다. 또한, 기어뿐만 아니라 CVT 시브, 베어링류에는 추가로 고면압화가 요구되기 때문에, 치면 피로나 구름이동 피로와 같은 면 피로 향상에 대한 요구가 강하다.
이에 대하여, 기어의 사용 중에 치면의 표면 온도가 300℃ 정도까지 상승하는 점에서, 300℃에서의 경도(또는 300℃ 템퍼링 후의 경도, 이하, 300℃ 템퍼링 경도라 함)를 높이는 것이 치면 피로 강도의 개선에 유효하다고 최근 보고되어 있다.
이에 따라, Si나 Cr의 첨가량을 증가시켜 300℃ 템퍼링 경도를 향상시키는 강재가 제안되어 있다. 그러나, 강재 성분만으로 300℃ 템퍼링 경도를 향상시키는 데에는 한계가 있고, 또한 대폭 향상시키는 것은 어려우므로, 추가적인 개선 기술이 요구되고 있다.
최근 들어 300℃ 템퍼링 경도를 대폭 개선하는 기술로서, 침탄 부품의 표면에 적극적으로 시멘타이트를 석출시키는 "고탄소 침탄(고농도 침탄이라고도 함) 기술"이 제안되어 있다. 통상의 침탄 처리는 분위기의 카본 포텐셜(이하, C.P.라고도 함)을 0.70 내지 0.90％ 정도로 설정하고, 부품의 표층부의 탄소량을 0.80％ 정도로 제어하고, 그 후, 켄칭을 행함으로써, 부품 표층부의 조직을 탄소량 0.80％ 정도의 마르텐사이트 조직으로 하는 처리이다.
이에 반해, 다른 고탄소 침탄 기술에서는 C.P.를 통상보다 높게 설정(공석 탄소량에 상당하는 값 이상)함으로써, 표면의 탄소량이 Acm 조성을 초과하는 바와 같은 침탄을 행한다. 이에 따라, 표층부에 시멘타이트를 석출·분산시키고, 최종적으로 마르텐사이트 중에 시멘타이트가 분산된 조직을 얻는다. 이러한 기술은 CD 침탄(carbide dispersion carburizing)이라고도 불린다.
"카본 포텐셜"이란 강을 가열하는 분위기의 침탄 능력을 나타내는 용어이다. 카본 포텐셜의 기본적인 정의는 "어느 가스 분위기 중에서 강을 특정 온도로 가열 침탄하고, 그 가스 분위기와 평형에 도달했을 때의 강의 표면의 탄소 농도"이다. 단, 카본 포텐셜의 값이 침탄 처리를 행하는 강의 Acm 조성을 초과하는 바와 같은 조건으로 침탄을 행하는 경우에는, 카본 포텐셜은 시멘타이트 석출이 일어나지 않는 바와 같은 가상적인 강의 표면의 탄소 농도라는 의미가 된다. 이 경우에는, 카본 포텐셜이 실제의 강의 표면의 탄소 고용 농도와 일치한다고는 할 수 없다.
마르텐사이트는 부품의 사용 중에 고온에 노출되면, 템퍼링을 받아서 연화되어 간다. 한편, 시멘타이트 등의 탄화물은 마르텐사이트보다 대폭 단단하고, 온도가 높아지더라도 쉽게 연화되지 않는다. 이로 인해, 다량의 탄화물을 강 중에 분산시킬 수 있으면, 상술한 300℃ 템퍼링 경도를 대폭 향상시킬 수 있다. 이 방법은 치면 피로 강도, 구름이동 피로 강도 등의 면 피로 강도를 향상시키는 유력한 수단이다.
그러나, JISG4053에 규정되는 SCM420, SCR420, SNCM220 등의 중탄소합금강에 대하여 고탄소 침탄을 행한 경우, 조대한 시멘타이트가 반드시 오스테나이트 입계를 따라 석출되어(소위, 초석 시멘타이트), 피로 균열의 발생 장소나 전파 경로가 된다. 이로 인해, 굽힘 피로 강도가 저하되고, 또한 치면 피로 강도에도 편차가 발생하여, 기대한 피로 강도가 얻어지지 않는다는 문제가 있다.
이로 인해, 통상의 고탄소 침탄의 경우에는, 우선 비교적 고온에서 고탄소 침탄을 행하고(1차 침탄), 그 후, 초석 시멘타이트가 생성되지 않도록 충분히 큰 냉각 속도로 일단 실온 부근까지 냉각한다. 그 후, 다시 가열하고, 오스테나이트+시멘타이트의 2상 영역에서 탄화물의 석출 처리를 행하고, 그 후에 켄칭을 행한다. 이 처리는 일반적으로 "2차 켄칭"이라 불리고 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에는 고주파 켄칭에 의해 2차 켄칭을 행하는 방법이 제안되어 있다. 특허문헌 2에는 2차 켄칭의 가열 패턴을 규정함으로써, 탄화물을 미세 분산시키는 방법이 제안되어 있다. 그러나, 2차 켄칭을 행하면, 열처리 비용의 증가를 초래할 뿐만 아니라 부품 성능도 열화된다. 즉, 열처리를 반복함으로써, 열처리에 기인하는 변형이 축적되어, 부품의 변형이 불가피하게 증가하고, 치수 정밀도가 열화된다.
예를 들어, 기어, 베어링의 경우, 부품의 치수 정밀도가 열화되면, 부품을 트랜스미션 등의 유닛에 조립하여 유닛을 운전할 때 소음, 진동 증가의 원인이 된다. 부품의 치수 정밀도를 회복하기 위해 2차 켄칭 후에 다시 절삭 가공을 행하는 경우가 있다(마무리 가공).
그러나, 고탄소 침탄에 의해 표층부를 매우 단단하게 한 부품에 대하여 절삭 가공을 실시하기 때문에, 절삭 가공이 매우 곤란하면서 비효율이 되고, 비용이 증대한다. 또한, 마무리 가공으로 표층부의 일부를 제거하기 때문에, 그만큼 여분으로 깊은 경화층을 형성해 둘 필요가 있고, 그로 인해 침탄 처리도 장시간이 되어 침탄 처리의 생산성이 저하된다.
즉, 현행의 기술에서는 원하는 성능을 얻기 위해서는 2차 켄칭을 행하는 것이 필수적이지만, 2차 켄칭을 행함으로써 다양한 문제가 발생하고, 그 결과, 엄청난 비용 증대를 초래하게 된다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 고탄소 침탄용 재료나 고탄소 침탄 처리 방법이 제안되어 있다.
특허문헌 3 및 특허문헌 4에는 침탄 처리 시의 표면 탄소 농도를 규정하고, 화학 성분으로부터 규정되는 식에 의해 산출되는 온도 범위에서 침탄 처리를 행하고, 침탄 처리에 계속해서, 침탄 처리 온도와 필요한 관계를 갖는 고온에서의 확산 처리를 실시하는 내고면압 부재의 제조 방법이 제안되어 있다.
그러나, 확산 처리를 침탄 온도보다 고온에서 행함으로써 탄화물의 조대화를 초래하므로, 2차 켄칭의 대체 처리로서는 불충분하다. 또한, 이들 문헌의 실시예의 발명예로서 개시되어 있는 처리 패턴은 침탄 처리 동안에 강을 A1점 이하로 급냉하고 있다. 이것은 실질적으로 2차 켄칭과 동일한 처리로서, 이 방법에서는 부품의 치수 정밀도의 열화는 면할 수 없다.
일본 특허 공개 2005-48270호 공보 일본 특허 공개 2002-356738호 공보 일본 특허 공개 2001-98343호 공보 일본 특허 제4022607호 공보
본 발명은 높은 치면 피로 강도를 가지면서, 2차 켄칭에 기인하는 열처리 변형의 증가(부품의 치수 정밀도의 열화)를 회피한 부품을 얻을 수 있는 표층 경화 처리용 강 및 표면 경화강 부품과 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 침탄 시의 C.P.를 통상보다 높게 설정하고, 2차 켄칭을 행하지 않고 침탄층에 탄화물을 미세하게 분산시킴으로써, 상기 과제를 달성한다.
고탄소 침탄 처리와 통상적인 침탄 처리와의 구별은 애매하며, 엄밀한 구별이나 일반적인 정의는 존재하지 않는다. 본 발명에서는 고탄소 침탄 처리를 "전체 침탄 처리 시간의 50％ 이상의 시간에 있어서 C.P.가 0.90％ 이상인 침탄 처리"라 정의한다.
또한, 본 발명에서는 고탄소 가스 침탄 질화 처리를 "전체 침탄 처리 시간의 50％ 이상의 시간에 있어서 C.P.가 0.90％ 이상인 침탄 처리 공정의 어딘가에, 표면에 적극적으로 질소를 함유시키는 공정을 가한 처리"라 정의한다.
본 발명에서는 질량％로 2.00 내지 5.00％의 Cr을 함유한 강재에 800 내지 900℃의 온도 영역에서 고탄소 가스 침탄 또는 고탄소 가스 침탄 질화 처리를 실시한다. 이에 따라, 침탄 처리 시의 표층부에 (Cr,Fe)23C6 및/또는 (Cr,Fe)3C를 석출시키고, 이들 석출물을 시멘타이트의 석출핵으로서 이용한다. 그 결과, 1회의 열처리로 부품 표면에 탄화물(시멘타이트와, (Cr,Fe)23C6 및/또는 (Cr,Fe)3C)이 미세하게 분산된 조직이 얻어진다.
종래에는 조대한 탄화물을 미세 분산화하기 위해 복수회의 가열·켄칭의 열 처리를 필요로 하였지만, 본 발명에서는 1회의 침탄·켄칭 처리면 된다. 이에 따라, 열처리 횟수의 증가에 따라 발생하는 여러 문제, 예를 들어 부품의 열처리 변형의 증대, 열처리 비용의 증대 등을 억제할 수 있다. 본 발명의 요지는 하기와 같다.
(1) 본 발명의 일 형태에 따른 표층 경화 처리용 강은, 800 내지 900℃의 온도 영역에서 침탄 처리되는 표층 경화 처리용 강이며, 화학 성분이 질량％로 C: 0.10 내지 0.60％, Si: 0.01 내지 2.50％, Mn: 0.20 내지 2.00％, S: 0.0001 내지 0.10％, Cr: 2.00 내지 5.00％, Al: 0.001 내지 0.50％, N: 0.0020 내지 0.020％, P: 0.001 내지 0.050％ 및 O: 0.0001 내지 0.0030％를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, Cr, Si, Mn의 합계 함유량이 질량％로 2.0≤Cr+Si+Mn≤8.0을 만족시킨다.
(2) 상기 (1)의 표층 경화 처리용 강으로, 상기 화학 성분이 질량％로 Ca: 0.0005 내지 0.0030％, Mg: 0.0005 내지 0.0030％, Zr: 0.0005 내지 0.0030％ 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유할 수 있다.
(3) 상기 (1) 또는 (2)의 표층 경화 처리용 강으로, 상기 화학 성분이 질량％로 Mo: 0.01 내지 1.00％, B: 0.0005 내지 0.0050％, Cu: 0.05 내지 1.00％ 및 Ni: 0.05 내지 2.00％의 1종 또는 2종 이상을 더 함유할 수 있다.
(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 표층 경화 처리용 강으로, 상기 화학 성분이 질량％로 V: 0.005 내지 0.50％, Nb: 0.005 내지 0.10％ 및 Ti: 0.005 내지 0.50％의 1종 또는 2종 이상을 더 함유할 수 있다.
(5) 본 발명의 다른 일 형태에 따른 강 부품은, 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리가 실시된 강 부품이며, 상기 강 부품의 비침탄부의 강의 성분이 질량％로 C: 0.10 내지 0.60％, Si: 0.01 내지 2.50％, Mn: 0.20 내지 2.00％, S: 0.0001 내지 0.100％, Cr: 2.00 내지 5.00％, Al: 0.001 내지 0.50％, N: 0.0020 내지 0.0200％, P: 0.001 내지 0.050％ 및 O: 0.0001 내지 0.0030％를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 상기 비침탄부의 강의 Cr, Si, Mn의 합계 함유량이 질량％로 2.0≤Cr+Si+Mn≤8.0을 만족하고, 침탄층의 최표면으로부터 50μm 깊이까지의 부분인 표층부에서, 탄소 농도의 평균값이 질량％로 1.00 내지 6.7％이며, 상기 표층부의 탄화물의 면적률이 15％ 이상이며, 상기 표층부가 (Cr,Fe)23C6 및 (Cr,Fe)3C 중 1종 또는 2종의 석출물을 갖고, 상기 표층부에서 구 γ 입계를 따른 10μｍ 이상의 망상 탄화물이 2.5개/mm2 이하이다.
(6) 상기 (5)의 강 부품에서는 상기 비침탄부의 상기 강의 성분이 질량％로 Ca: 0.0005 내지 0.0030％, Mg: 0.0005 내지 0.0030％, Zr: 0.0005 내지 0.0030％ 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유할 수 있다.
(7) 상기 (5) 또는 (6)의 강 부품에서, 상기 비침탄부의 상기 강의 성분이 질량％로 Mo: 0.01 내지 1.00％, B: 0.0005 내지 0.0050％, Cu: 0.05 내지 1.00％ 및 Ni: 0.05 내지 2.00％ 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유할 수 있다.
(8) 상기 (5) 내지 (7) 중 어느 하나의 강 부품에서, 상기 비침탄부의 상기 강의 성분이 질량％로 V: 0.005 내지 0.50％, Nb: 0.005 내지 0.10％ 및 Ti: 0.005 내지 0.50％ 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유할 수 있다.
(9) 본 발명의 다른 일 형태에 따른 표층 경화강 부품의 제조 방법은, 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나의 표층 경화 처리용 강을 가공하여 강 부품을 성형하는 성형 공정과; 처리 시간의 50％ 이상의 시간에 있어서, 침탄 분위기의 카본 포텐셜이 0.90％ 이상인 가스 침탄 처리 또는 가스 침탄 질화 처리를 800 내지 900℃의 온도 영역에서 상기 강 부품에 실시하고, 침탄층에 (Cr,Fe)23C6 및 (Cr,Fe)3C 중 1종 또는 2종을 석출시키는 침탄 공정과; 상기 침탄 공정에 계속해서, 상기 침탄 처리 또는 가스 침탄 질화 처리를 행한 온도인 채로 또는 침탄 처리 온도 이하의 온도 영역으로 냉각한 후에 켄칭 처리를 실시하는 켄칭 공정을 갖는다.
(10) 상기 (9)의 표층 경화강 부품의 제조 방법은, 상기 침탄 공정 전에, 800 내지 1100℃의 온도 영역에서 침탄 분위기의 카본 포텐셜이 0.40 내지 1.20％인 조건으로 가스 침탄 처리 또는 가스 침탄 질화 처리를 상기 강 부품에 실시하는 예비 침탄 공정을 더 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 2차 켄칭을 폐지하더라도 부품의 침탄층에 탄화물을 미세하게 분산시키는 것이 가능해진다. 이에 따라, 높은 치면 피로 강도를 가지면서, 2차 켄칭에 기인하는 열처리 변형의 증가(부품의 치수 정밀도의 열화)를 회피한 부품을 저비용으로 얻을 수 있다. 이로 인해, 자동차 등의 동력 전달 부품(예를 들어, 기어, 베어링, 샤프트, CVT 시브 등)의 회전수나 전달 토크의 증가, 또는 소형·경량화에 매우 유효하다.
도 1a는 본 발명의 일 형태에 따른 침탄 조건을 도시한 도면.
도 1b는 본 발명의 일 형태에 따른 침탄 조건을 도시한 도면.
도 1c는 본 발명의 일 형태에 따른 침탄 조건을 도시한 도면.
도 1d는 본 발명의 일 형태에 따른 침탄 조건을 도시한 도면.
도 1e는 본 발명의 일 형태에 따른 침탄 조건을 도시한 도면.
도 1f는 본 발명의 일 형태에 따른 침탄 조건을 도시한 도면.
도 1g는 본 발명의 일 형태에 따른 침탄 조건을 도시한 도면.
도 1h는 본 발명의 일 형태에 따른 침탄 조건을 도시한 도면.
도 1i는 본 발명의 일 형태에 따른 침탄 조건을 도시한 도면.
도 1k는 본 발명의 비교예에 따른 침탄 조건을 도시한 도면.
도 1l은 본 발명의 비교예에 따른 침탄 조건을 도시한 도면.
도 1m은 본 발명의 비교예에 따른 침탄 조건을 도시한 도면.
도 1n은 본 발명의 일 형태에 따른 침탄 조건을 도시한 도면.
도 1o는 본 발명의 일 형태에 따른 침탄 조건을 도시한 도면.
도 2a는 종래 기술에 따른 고탄소 침탄에 있어서의 침탄층의 조직의 예를 도시한 도면으로서, 망상의 시멘타이트가 존재하고 있는 조직을 나타내며, 도 2b는 본 발명의 일 형태에 따른 고탄소 침탄에 있어서의 침탄층의 조직의 예를 도시한 도면으로서, 망상의 시멘타이트가 존재하지 않고 미세한 탄화물이 다량으로 분산되어 있는 양호한 고탄소 침탄 조직을 도시한 도면.
도 3은 (Cr,Fe)23C6과 (Cr,Fe)3C가 석출된 조직을 도시한 도면.
본 발명자들은 고탄소 침탄 처리에 있어서의 침탄층의 탄화물의 분산 형태에 미치는 각종 인자에 대하여 예의 검토하여 이하의 지식을 발견하였다.
(a) 고탄소 침탄 처리 시에 침탄층에 생성하는 탄화물은 강 중의 Cr량이 많을수록 석출량이 많아진다.
(b) 고탄소 침탄 처리 시에 침탄층에 생성하는 탄화물은, 강 중의 Cr량이 2.00％ 미만인 경우, 주로 오스테나이트 입계를 따라 조대한 망상의 시멘타이트로서 석출된다. 이에 반해, 강 중의 Cr량이 2.00％ 이상인 경우, 탄화물은 오스테나이트 입자 내에 입상 또는 침상의 미세한 탄화물이 분산되는 형태를 취한다.
(c) 고탄소 침탄 처리 시에 침탄층에 생성하는 탄화물은 침탄 처리 온도가 낮을수록 석출량이 많아진다.
(d) 고탄소 침탄 처리 시에 침탄층에 생성하는 탄화물은 침탄 처리 온도가 낮을수록 석출물이 미세해지고, 또한 오스테나이트 입자 내에 입상 또는 침상의 미세한 탄화물로서 분산된다. 특히 침탄 처리 온도가 900℃ 이하인 경우에, 탄화물이 충분히 미세 분산된 조직을 얻을 수 있다. 그 이유는 이하와 같다.
(e) Cr량 첨가량이 많을수록, 또한 침탄 처리 온도가 낮을수록, 침탄 처리 초기에 침탄층에 있어서 미세한 (Cr,Fe)23C6 및/또는 (Cr,Fe)3C가 오스테나이트 입자 내에 석출되기 쉬워지고, 또한 석출량도 증가한다. 또한, 침탄 처리 후기에는 이들 미세 석출물을 핵으로 하여 시멘타이트가 석출된다. 또한, 이것에 의해, 오스테나이트 입계를 따른 조대한 망상의 시멘타이트의 생성량도 억제된다.
(f) 가스 침탄 방식에 의해 고탄소 침탄 처리를 행할 때, Cr 첨가량, 또는 Cr, Si, Mn의 첨가량이 비교적 많고, 또한 침탄 처리 온도가 높은 경우, Cr 산화물 및 Cr, Si, Mn의 복합 산화물이 강재 표면에 생성되어, 침탄 분위기로부터 강재 중으로의 탄소의 이행을 저해한다. 이로 인해, 침탄층의 탄소량이 목표로 하는 값보다 저하되어, 실질적으로 고탄소 침탄 처리를 행할 수 없는 경우가 있다. 이 현상은 침탄 처리 온도가 900℃를 초과한 경우에 발생하기 쉽다.
(g) 가스 고탄소 침탄 처리에 이어서, 열처리 분위기에 암모니아를 가하는 처리인 침질 공정(소위, 침탄 질화 처리)을 추가로 행함으로써, 치면 피로 강도를 더욱 향상시킬 수 있다.
이상으로부터, Cr 첨가량을 증가시키고, 또한 고탄소 침탄 처리의 온도를 종래 기술의 온도(930 내지 950℃ 근방)보다 낮은 온도로 하여 행하는 것은 침탄층의 탄화물의 미세 분산에 대하여 매우 효과적이다. 이에 따라, 탄화물의 미세 분산을 위한 2차 켄칭을 행하지 않고(부품의 치수 정밀도를 열화시키지 않고) 부품의 치면 피로 강도를 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 우선, 성분 조성의 한정 이유에 대하여 설명한다. 또한, 성분의 함유량％는 질량％를 의미한다.
C: 0.10 내지 0.60％
C는 부품의 심부의 경도를 확보하기 위해 첨가한다. C 첨가량이 적으면, 침탄 처리에 필요로 하는 시간이 너무 길어지고, 한편, 과잉으로 첨가하면, 소재의 경도의 상승을 통해 부품의 절삭·단조 등의 가공을 행할 때의 가공성이 현저히 열화된다. 본 발명에서는 C량을 0.10 내지 0.60％의 범위로 할 필요가 있다. 적합한 C량의 범위는 0.15 내지 0.30％이다.
Si: 0.01 내지 2.50％
Si는 침탄 부품과 같은 저온 템퍼링 마르텐사이트강의 템퍼링 연화 저항을 현저히 증가시킴으로써, 치면 피로 강도를 향상시키는 데에 유효한 원소이다. 본 발명에서는 Si를 0.01％ 이상 첨가한다. 그러나, Si를 과잉으로 첨가하면, 가스 침탄 시에 Cr, Si, Mn의 복합 산화물이 강재 표면에 생성되어, 침탄 분위기로부터 강재 중으로의 탄소의 이행을 저해한다. 그로 인해, 침탄층의 탄소량이 목표로 하는 값보다 저하되는 경우가 있다. 또한, Si를 과잉으로 첨가하면, 소재의 경도의 상승을 통해 부품의 절삭·단조 등의 가공을 행할 때의 가공성이 현저히 열화된다. 본 발명에서는 Si량을 0.01 내지 2.50％의 범위로 할 필요가 있다. 적합한 Si량의 범위는 0.03％ 내지 1.50％, 더욱 바람직하게는 0.10％ 내지 1.00％이다.
Mn: 0.20 내지 2.00％
Mn은 강의 켄칭성을 높이는 효과가 있으므로, 침탄 켄칭 시에 마르텐사이트 조직을 얻기 위해 0.20％ 이상 첨가한다. 한편, 과잉으로 첨가하면, 가스 침탄 시에 Cr, Si, Mn의 복합 산화물이 강재 표면에 생성되어, 침탄 분위기로부터 강재 중으로의 탄소의 이행을 저해한다. 그로 인해, 침탄층의 탄소량이 목표로 하는 값보다 저하되는 경우가 있다. 또한, 과잉으로 첨가하면, 소재의 경도의 상승을 통해 부품의 절삭·단조 등의 가공을 행할 때의 가공성이 현저히 열화된다. 본 발명에서는 Mn량을 0.20 내지 2.00％의 범위로 할 필요가 있다. 바람직한 Mn량의 범위는 0.40 내지 1.00％이다.
S: 0.0001 내지 0.10％
S는 Mn과 결합하여 MnS를 형성하고, 첨가량이 증가할수록 피삭성을 향상시키는 효과를 갖지만, 과잉으로 첨가하면, MnS가 피로 균열의 전파 경로가 되어 기어의 굽힘 피로 강도가 저하된다. 또한, S량을 0.0001％ 미만으로 제한하기 위해서는 과잉의 비용이 든다. 따라서, 본 발명에서는 S량을 0.0001 내지 0.10％의 범위로 할 필요가 있다. S량의 적합 범위는 0.010 내지 0.02％이다.
Cr: 2.00 내지 5.00％
Cr은 첨가량이 많을수록 고탄소 침탄 처리 시에 침탄층에 생성하는 탄화물의 석출량이 증가한다. 또한, Cr의 첨가량이 소정량 이상인 경우에, 침탄 처리 초기에 침탄층에 있어서 미세한 (Cr,Fe)23C6 및/또는 (Cr,Fe)3C가 오스테나이트 입자 내에 석출되기 쉬워지고, 또한 석출량도 증가한다. 침탄 처리 후기에는 이들 미세 석출물을 핵으로 하여 시멘타이트가 석출되기 때문에, 탄화물의 미세 분산화와, 오스테나이트 입계를 따른 조대한 망상의 시멘타이트의 억제에 대하여 매우 유효한 원소이므로, 비교적 다량으로 첨가한다.
이들 효과는 다른 첨가 원소로는 대체하기가 어려우므로, 본 발명에 있어서는 Cr이 가장 중요한 첨가 원소이다. 한편, 과잉으로 첨가하면, 가스 침탄 시에 Cr, Si, Mn의 복합 산화물이 강재 표면에 생성되어, 침탄 분위기로부터 강재 중으로의 탄소의 이행을 저해한다. 그로 인해, 침탄층의 탄소량이 목표로 하는 값보다 저하된다. 또한, 과잉으로 첨가하면, 소재의 경도의 상승을 통해 부품의 절삭·단조 등의 가공을 행할 때의 가공성이 현저히 열화된다. 따라서, 본 발명에서는 Cr량을 2.00 내지 5.00％의 범위로 할 필요가 있다. 적합한 Cr량의 범위는 2.00 내지 3.50％이다. 더욱 바람직한 범위는 2.25 내지 3.00％이다. 또한, Cr량이 상기 범위인 경우, 침탄층에 충분한 탄소량을 확보하기 위해서는, 특히 침탄 처리 온도를 900℃ 이하로 규제하는 것이 중요해진다.
Al: 0.001 내지 0.50％
Al은 강의 탈산을 위해 유효한 원소임과 동시에, 강 중에서 N과 결합하여 AlN을 형성한다. AlN은 오스테나이트 결정립계를 핀 고정하여 입자 성장을 억제하여, 조직의 조대화를 방지하는 작용을 한다. Al의 첨가량이 적으면, 상기 효과가 얻어지지 않고, 과잉으로 첨가하더라도 효과가 포화한다. 따라서, 본 발명에서는 Al량을 0.001 내지 0.50％의 범위로 할 필요가 있다. Al량의 적합 범위는 0.020 내지 0.15％이다. 또한, Ti가 0.08％ 이상 첨가되는 경우에는, TiC의 양이 증가하고, 핀 고정 효과가 충분해지므로, Al 첨가량은 0.020％보다 적어도 좋다.
N: 0.0020 내지 0.020％
N은 강 중에서 Al과 결합하여 AlN을 형성한다. AlN은 오스테나이트 결정립계를 핀 고정하여 입자 성장을 억제하여 조직의 조대화를 방지하는 작용을 한다. N의 첨가량이 적으면, 상기 효과가 얻어지지 않고, 과잉으로 첨가하면, 1000℃ 이상의 고온 영역에 있어서의 연성이 저하되어, 연속 주조, 압연 시의 수율 저하의 원인이 된다. 따라서, 본 발명에서는 N량을 0.0020 내지 0.020％의 범위로 할 필요가 있다. N량의 적합 범위는 0.0050 내지 0.018％이다.
P: 0.050％ 이하
P는, 오스테나이트 입계에 편석하여, 구 오스테나이트 입계를 취화시켜서 입계 균열의 원인이 되므로, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 그로 인해, 본 발명에서는 P량을 0.050％ 이하의 범위로 할 필요가 있다. P량의 적합 범위는 0.015％ 이하이다. P량을 0.001％ 미만으로 제한하기 위해서는 과잉의 비용이 든다. 따라서, P량의 적합한 하한은 0.001％이다.
O: 0.0030％ 이하
O는 산화물계 개재물을 형성한다. O 함유량이 많은 경우에는 피로 파괴의 기점이 되는 큰 개재물이 증가하여, 피로 특성 저하의 원인이 되므로, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 그로 인해, 본 발명에서는 O량을 0.0030％ 이하로 제한할 필요가 있다. O량의 적합 범위는 0.0015％ 이하이다. O량을 0.0001％ 미만으로 제한하기 위해서는 과잉의 비용이 든다. 그로 인해, 적합한 O량의 하한은 0.0001％이다.
Ca, Mg, Zr: 0.0005 내지 0.0030％
Ca, Mg, Zr은 필요에 따라 본 발명의 표층 경화 처리용 강에 첨가 가능한 임의 성분이다. Ca, Mg, Zr은 MnS의 형태 제어 및 절삭 시의 절삭 공구 표면에 있어서의 보호 피막 형성을 통해 강의 피삭성을 향상시키는 작용이 있다. 이 효과를 얻기 위해, Ca, Mg, Zr 중 1종 또는 2종 이상을 각 0.0005％ 이상 첨가할 수 있다. 한편, 0.0030％를 초과하여 첨가하면, 조대한 산화물이나 황화물을 형성하여 부품의 피로 강도에 악영향을 주는 경우가 있다. 따라서, 본 발명에서는 Ca, Mg, Zr 중 1종 또는 2종 이상을 각각 0.0005 내지 0.0030％의 범위로 첨가할 수 있다. 적합한 범위는 0.0008 내지 0.0020％이다. 본원 발명과 같은 비교적 Cr 첨가량이 많은 강종의 경우, 통상의 침탄용 강(JISG4053의 SCR420, SCM420 등)보다 소재의 경도가 높아진다. 따라서, 부품을 절삭 가공으로 성형하는 경우에, 절삭 공구의 수명이 짧아짐으로써, 절삭에 관련된 비용이 높아지는 경우가 있다. 즉, Ca, Mg, Zr을 첨가함으로써 절삭 공구의 수명을 연장할 수 있기 때문에, 본원 발명의 고탄소 침탄용에 Ca, Mg, Zr를 첨가하는 것은 실제 생산상의 효과가 크다.
Mo: 0.01 내지 1.00％
Mo는 필요에 따라 본 발명의 표층 경화 처리용 강에 첨가 가능한 임의 성분이다. Mo는 강의 켄칭성을 높이는 효과가 있기 때문에, 침탄 켄칭 시에 마르텐사이트 조직을 얻기 위해 첨가할 수 있다. Mo는 가스 침탄의 분위기 가스 분위기에서는 산화물을 형성하지 않고, 질화물을 형성하기 어려우므로, Mo 첨가 강은 침탄층 표면의 산화물층이나 질화물, 이에 기인하는 침탄 이상층을 생성하기 어렵다는 우수한 특징이 있다. 그러나, 첨가 비용이 고가이므로, 과잉의 첨가는 바람직하지 않다. 그로 인해, 본 발명에서는 Mo량을 0.01 내지 1.00％의 범위로 할 수도 있다. 바람직한 Mo량의 범위는 0.10 내지 0.60％이다.
B: 0.0005 내지 0.0050％
B는 필요에 따라 본 발명의 표층 경화 처리용 강에 첨가 가능한 임의 성분이다. B는 오스테나이트 중에 고용되어 있는 상태에 있어서 미량으로 강의 켄칭성을 크게 높이는 효과가 있기 때문에, 침탄 켄칭 시에 마르텐사이트 조직을 얻기 위해 첨가할 수 있다. 첨가량이 너무 적으면, 상기 효과가 얻어지지 않고, 한편 과잉으로 첨가하더라도 효과가 포화한다. 따라서, 본 발명에서는 B량을 0.0005 내지 0.0050％의 범위로 할 수 있다. 적합한 B량의 범위는 0.0010 내지 0.0025％이다.
또한, 강 중에 일정량 이상의 N이 존재하고 있는 경우, B가 N과 결합하여 BN이 생성되고, 고용 B량이 감소하여 켄칭성 향상 효과가 얻어지지 않는 경우가 있다. B를 첨가하는 경우에는 N을 고정하는 Ti나 Al을 동시에 적당량 첨가하는 것이 바람직하다.
Cu: 0.05 내지 1.00％
Cu는 필요에 따라 본 발명의 표층 경화 처리용 강에 첨가 가능한 임의 성분이다. Cu는 강의 켄칭성을 높이는 효과가 있기 때문에, 침탄 켄칭 시에 마르텐사이트 조직을 얻기 위해 첨가할 수 있다. Cu는 가스 침탄의 분위기 가스 분위기에서는 산화물이나 질화물을 형성하지 않는 원소이므로, Cu 첨가 강은 침탄층 표면의 산화물층이나 질화물, 이에 기인하는 침탄 이상층을 생성하기 어렵다는 특징이 있다.
그러나, 과잉으로 Cu를 첨가하면, 1000℃ 이상의 고온 영역에 있어서의 연성이 저하되어, 연속 주조, 압연 시의 수율 저하의 원인이 된다. 따라서, 본 발명에서는 Cu를 0.05 내지 1.00％의 범위로 첨가할 수 있다. Cu량의 적합 범위는 0.010 내지 0.50％이다. 또한, 고온 영역의 연성을 개선하기 위해 Cu를 첨가하는 경우에는, Cu 첨가량의 1/2 이상의 양의 Ni를 동시에 첨가하는 것이 바람직하다.
Ni: 0.05 내지 2.00％
Ni는 필요에 따라 본 발명의 표층 경화 처리용 강에 첨가 가능한 임의 성분이다. Ni는 강의 켄칭성을 높이는 효과가 있기 때문에, 침탄 켄칭 시에 마르텐사이트 조직을 얻기 위해 첨가할 수 있다. Ni는 가스 침탄의 분위기 가스 분위기에서는 산화물이나 질화물을 형성하지 않는 원소이므로, Ni 첨가 강은 침탄층 표면의 산화물층이나 질화물, 이에 기인하는 침탄 이상층을 생성하기 어렵다는 특징이 있다.
그러나, 첨가 비용이 고가이므로, 과잉의 Ni 첨가는 바람직하지 않다. 그로 인해, 본 발명에서는 Ni를 0.05 내지 2.00％의 범위로 첨가할 수 있다. 적합한 Ni량의 범위는 0.40 내지 1.60％이다.
V: 0.005 내지 0.50％
V는 필요에 따라 본 발명의 표층 경화 처리용 강에 첨가 가능한 임의 성분이다. V는 강 중에서 N, C와 결합하여 V(C, N)을 형성한다. V(C, N)은 오스테나이트 결정립계를 핀 고정하여 입자 성장을 억제하여, 조직의 조대화를 방지하는 작용을 한다. 첨가량이 적으면, 상기 효과가 얻어지지 않고, 한편, 과잉으로 첨가하더라도 효과가 포화한다. 본 발명에서는 V를 0.005 내지 0.50％의 범위로 첨가할 수 있다. V량의 적합한 범위는 0.05 내지 0.20％이다.
Nb: 0.005 내지 0.10％
Nb는 필요에 따라 본 발명의 표층 경화 처리용 강에 첨가 가능한 임의 성분이다. Nb는 강 중에서 N, C와 결합하여 Nb(C, N)을 형성한다. Nb(C, N)은 오스테나이트 결정립계를 핀 고정하여 입자 성장을 억제하여, 조직의 조대화를 방지하는 작용을 한다. 첨가량이 적으면, 상기 효과가 얻어지지 않고, 한편, 과잉으로 첨가하더라도 효과가 포화한다. 본 발명에서는 Nb를 0.005 내지 0.10％의 범위로 첨가할 수 있다. Nb의 적합한 범위는 0.010 내지 0.050％이다.
Ti: 0.005 내지 0.50％
Ti는 필요에 따라 본 발명의 표층 경화 처리용 강에 첨가 가능한 임의 성분이다. Ti는 강 중에서 N, C와 결합하여 Ti(C, N)을 형성한다. Ti(C, N)은 오스테나이트 결정립계를 핀 고정하여 입자 성장을 억제하여, 조직의 조대화를 방지하는 작용을 한다. 첨가량이 적으면, 상기 효과가 얻어지지 않고, 한편, 과잉으로 첨가하더라도 효과가 포화한다. 본 발명에서는 Ti를 0.005 내지 0.50％의 범위로 첨가할 수 있다. Ti량의 적합한 범위는 0.015 내지 0.15％이다.
2.0％≤Cr+Si+Mn≤8.0％
강 중의 Cr, Si, Mn의 각 원소량에 따라 가스 침탄 시에 Cr, Si, Mn의 복합 산화물이 강재 표면에 생성되어, 침탄 분위기로부터 강재 중으로의 탄소의 이행이 저해된다. 따라서, 고탄소 침탄에 있어서 부품의 표층부의 탄소량을 확보하고, (Cr,Fe)23C6이나 (Cr,Fe)3C를 석출시키기 위해서는 이들 3 성분의 합계량을 일정 범위로 규제하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 상기 3 성분의 합계 함유량을 2.0％ 내지 8.0％로 한다. 보다 바람직한 상기 3 성분의 합계 함유량은 3.0％ 내지 4.5％이다.
본 발명에서는 상기 성분 외에, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에서 Pb, Te, Zn, Sn 등을 첨가할 수 있다. Pb, Te, Zn, Sn은 필요에 따라 본 발명의 표면 경화 처리용 강에 첨가 가능한 임의 성분이다. 이들 원소를 첨가함으로써 절삭 가공성 등을 개선할 수 있다. 본 발명의 효과를 손상시키지 않기 위해서는, 이들 첨가 성분의 첨가량의 상한을 각각 Pb: 0.50％ 이하, Te: 0.0030％ 이하, Zn: 0.50％ 이하, Sn: 0.50％ 이하로 하면 좋다.
본 발명의 표층 경화 처리강 부품은 상기 본 발명의 표면 경화 처리용 강을 사용하여 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리가 실시되어 있다. 강 부품 중에서 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리의 영향을 받지 않는, 부품의 중앙부(코어부)를 여기에서는 비침탄부라 칭한다. 이 비침탄부의 화학 조성은 부품의 재료가 되는 표층 경화 처리강 부품의 화학 조성과 실질적으로 동일하다.
강 부품의 침탄층 중, 표면으로부터 50μm 깊이의 영역을 여기에서는 표층부라 칭한다. 본 발명의 표층 경화 처리강 부품에서 침탄층의 표층부의 탄소 농도의 평균값은 질량％로 1.00 내지 6.7％이다. 표층부의 탄소 농도가 1.00％ 미만이면 치면 피로 강도의 향상이 불충분하고, 6.7％에서 표층부 모두가 시멘타이트가 되기 때문에, 더 이상의 탄소 농도는 되지 않는다. 또한, 상기 표층부(표면으로부터 50μm 깊이의 영역)의 탄화물의 면적률은 15％ 이상이다. 탄화물의 면적률이 15％ 미만인 경우에는 치면 피로 강도의 향상이 불충분하다. 탄화물의 면적률의 적합 범위는 20 내지 80％이다. 표층부는 (Cr,Fe)23C6 및 (Cr,Fe)3C 중 1종 또는 2종의 석출물을 100μm2당 100개 이상 갖는다.
본 발명의 고탄소 가스 침탄 또는 고탄소 가스 침탄 질화 조건은 앞서 설명한 "본 발명에서의 고탄소 가스 침탄 또는 고탄소 가스 침탄 질화의 정의"에 따르는 것이면 좋다.
예를 들어, 전체 침탄 시간을 통해 C.P.를 0.90％ 이상으로 침탄할 수 있다. 전반의 시간의 C.P.를 0.80％로 하고, 후반의 C.P.를 고탄소 침탄 분위기인 0.90％ 이상으로 침탄할 수 있다. 반대로, 전반의 시간의 C.P.를 0.90％ 이상의 고탄소 침탄 분위기로 하고, 후반의 C.P.를 0.80％ 정도로 행할 수 있다.
이와 같이, C.P.를 다양하게 변경함으로써, 부품의 침탄층의 탄화물 분율이나 잔류 오스테나이트량을 임의로 제어할 수 있다. 고탄소 침탄 분위기의 C.P.가 높은 편이, 침탄층에 있어서 미세한 (Cr,Fe)23C6 및/또는 (Cr,Fe)3C가 석출되기 쉬워지므로, 1.0％ 이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 적합한 범위는 1.1 내지 1.6％이다.
또한, 침탄에 계속해서 행하는 켄칭 처리는, 일반적으로 오일 냉각, 염욕 냉각, 가스 냉각 등이 실시되고 있지만, 어느 방법이든 좋다. 예를 들어, 오일 냉각의 경우, 켄칭 오일의 온도의 적합 범위는 50 내지 180℃이다. 켄칭 처리에 따른 열처리 변형을 최소한으로 하고 싶은 경우에는, 냉각 속도가 작은(켄칭 오일의 온도가 높은) 편이 바람직하고, 표면의 불완전 켄칭층을 최소한으로 하여 피로 강도를 높이고 싶은 경우에는 냉각 속도가 큰(켄칭 오일의 온도가 낮은) 편이 바람직하다.
침탄 처리에 의해 제조되는 표층 경화강 부품에는 통상적으로 침탄 켄칭 후에 저온 템퍼링(300℃ 이하)이 실시된다. 저온 템퍼링은 부품의 심부의 인성의 회복이나, 치수 정밀도·재질의 안정화를 목적으로 행해진다.
통상, 템퍼링의 온도가 100℃ 미만이면 상기 효과가 얻어지지 않고, 300℃를 초과하면, 경화층의 연화가 현저해져, 피로 강도가 저하될 우려가 있기 때문에, 저온 템퍼링은 100 내지 300℃의 범위에서 행하는 경우가 많다. 본 발명의 표층 경화강 부품에 있어서도, 물론 통상대로 침탄 켄칭 후에 저온 템퍼링을 실시할 수 있다.
본 발명에서의 템퍼링의 적합 온도는 120 내지 200℃이고, 적합 시간은 30 내지 180분이다.
본 발명에 따른 방법에서는 고탄소 가스 침탄 또는 고탄소 가스 침탄 질화 처리의 온도 영역을 800 내지 900℃로 한다. 고탄소 가스 침탄 또는 고탄소 가스 침탄 질화 처리에 이어서, 침탄 처리를 행한 온도인 채로 또는 침탄 처리 온도 이하의 온도 영역으로 냉각한 후에 켄칭 처리를 행한다. 그 이유를 설명한다.
본 발명에서는 탄화물의 미세 분산을 위한 2차 켄칭을 행하지 않고(부품의 치수 정밀도를 열화시키지 않고) 부품의 치면 피로 강도를 향상시킬 수 있다. 이를 위해서는, 고온 침탄 처리 시에, 침탄층에 생성하는 탄화물을 다량·미세하게 분산한 형태로 제어할 필요가 있다. 고탄소 침탄 처리 시에 침탄층에 생성하는 탄화물은 침탄 처리 온도가 낮을수록 석출물이 미세해지고, 또한 오스테나이트 입자 내에 입상 또는 침상의 미세한 탄화물이 분산되는 형태를 취한다.
본 발명에 따른 성분 조성의 강에 대하여 고탄소 침탄 처리를 행한 경우, 침탄 처리 온도가 낮을수록 침탄 처리 초기에 침탄층에 있어서 미세한 (Cr,Fe)23C6 및/또는 (Cr,Fe)3C가 오스테나이트 입자 내에 석출되기 쉬워지고, 또한 석출량도 증가한다. 침탄 처리 후기에는 이들 미세 석출물을 핵으로 하여 시멘타이트가 석출된다.
또한, 상기 처리에 의해, 오스테나이트 입계를 따른 조대한 망상의 시멘타이트의 생성량도 억제된다. 특히 침탄 처리 온도가 900℃ 이하인 경우에, 탄화물이 충분히 미세 분산된 조직을 얻을 수 있다. 또한, 전체 탄화물의 석출량도 침탄 처리 온도가 낮을수록 많아지기 때문에, 치면 피로 강도를 향상시킴에 있어서 유리하다.
한편, 침탄 처리 온도가 너무 낮으면, 원하는 침탄 경화층 깊이를 얻기 위해 필요로 하는 시간이 너무 길어져 생산성이 크게 저하된다. 따라서, 본 발명에서는 침탄 처리를 행하는 온도는 800 내지 900℃의 범위로 할 필요가 있다. 침탄 처리를 행하는 온도의 적합 범위는 820 내지 880℃이다.
일반적인 기술에서, 침탄 후에 켄칭 처리를 행하는 경우에는, 켄칭 전에 부품의 열처리 변형을 저감할 목적으로, 침탄 온도로부터 어느 정도 낮은 온도까지 강온한 후에 켄칭 처리를 행한다. 본 발명에 따른 침탄 처리에서는 애당초 침탄 처리 온도가 낮기 때문에 강온할 필요는 없고, 침탄 처리를 행한 온도로부터 켄칭을 행하더라도 문제는 없다.
또한, 열처리 변형을 저감할 필요가 있는 경우에는, 침탄 처리 온도보다 낮은 온도로 강온하고 나서 켄칭을 행할 수 있지만, 그 온도가 너무 낮은 경우에는 C.P.의 제어나 분위기의 안전성에 문제가 발생한다. 켄칭 개시 온도의 적합 범위는 760 내지 850℃이다.
본 발명에 따른 표층 경화강 부품의 제조 방법은 상기와 같은 800 내지 900℃의 고탄소 침탄 처리 전에 800 내지 1100℃의 온도 영역에서 침탄 분위기의 카본 포텐셜이 0.40 내지 1.20％인 조건으로 가스 침탄 처리 또는 가스 침탄 질화 처리를 상기 강 부품에 실시하는 예비침탄 공정을 더 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 고탄소 침탄 처리를 행한 경우, 침탄 처리 온도가 낮을수록 침탄 처리 초기에 침탄층에 있어서 미세한 (Cr,Fe)23C6 또는/및 (Cr,Fe)3C가 오스테나이트 입자 내에 석출되기 쉬워지고, 또한 석출량도 증가한다. 그리고, 침탄 처리 후기에는 이들 미세 석출물을 핵으로 하여 시멘타이트가 석출된다.
한편, 침탄 처리 온도가 낮은 경우에는 탄소의 확산 거리가 짧기 때문에, 유효 경화층 깊이가 얕아지고, 원하는 유효 경화층 깊이를 얻기 위한 침탄 시간이 길어진다는 결점이 있다. 그러나, 이 저온·고탄소 침탄 처리 전에 예비 침탄 공정을 행할 수 있다. 이 예비 침탄 공정은 조대한 망상의 시멘타이트가 석출되지 않는 침탄 조건이면, 어떤 조건으로 침탄을 행하더라도, 계속해서 행하는 저온·고농도 침탄 처리에 악영향은 주지 않는다. 따라서, 탄소를 보다 깊은 위치까지 확산시키기 위해, 우선 통상의 조건으로 침탄 또는 침탄 질화를 행하고, 계속해서 800 내지 900℃의 범위로 강온하여 고농도 침탄 또는 고농도 침탄 질화 처리를 실시할 수 있다. 이 경우, 유효 경화층 깊이의 향상과 고농도 침탄에 의한 치면 피로 강도의 향상을 양립할 수 있으므로, 침탄 시간의 단축으로 이어져, 생산성 향상을 도모할 수 있다. 통상적으로 침탄의 조건은 800 내지 1100℃의 온도 범위로 행할 필요가 있다. 800℃ 미만이면 경화층 깊이 향상의 효과가 얻어지지 않아 의미가 없다. 1100℃를 초과하면 결정립이 현저하게 조대화되어 침탄 부품으로서의 특성을 손상시킨다. 적합한 온도 범위는 900 내지 1000℃이다. 침탄 분위기의 카본 포텐셜은 0.40 내지 1.20％의 조건으로 행할 필요가 있다. 0.40％ 미만이면 경화층 깊이 향상의 효과가 작고, 1.20％를 초과하면 저온·고농도 침탄 처리를 실시하기 전에 조대한 망상 시멘타이트가 석출되고, 그 후 사라지는 일은 없기 때문에, 침탄 부품으로서의 특성을 손상시킨다. 적합한 카본 포텐셜의 범위는 0.60 내지 1.00％이다.
본 발명에 따른 표층 경화강 부품의 제조 방법에서는 고탄소·저온 침탄 처리 시의 침탄층에 (Cr,Fe)23C6 및/또는 (Cr,Fe)3C를 석출시킨다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 강에 대하여 고탄소 침탄 처리를 실시한 경우, 침탄 처리 초기에 침탄층에 있어서 미세한 (Cr,Fe)23C6 및/또는 (Cr,Fe)3C가 오스테나이트 입자 내에 석출된다. 침탄 처리 후기에는 이들 미세 석출물을 핵으로 하여 시멘타이트가 석출되고, 그 결과, 침탄층에 생성하는 탄화물이 다량·미세하게 분산된 형태로 제어할 수 있다.
또한, 이것에 의해, 오스테나이트 입계를 따른 조대한 망상의 시멘타이트의 생성량도 억제된다. 따라서, 침탄 처리 시의 침탄층에 (Cr,Fe)23C6 및/또는 (Cr,Fe)3C를 석출시킬 필요가 있다. 또한, 여기에서 말하는 (Cr,Fe)23C6은 Cr과 Fe가 주요한 구성 원소인 탄화물이지만, 순수하게 Cr과 Fe와 C만을 포함하는 것으로 한정되는 것은 아니며, Mo나 Mn과 같은 다른 합금 원소를 포함할 수도 있다.
본 발명의 강에 의해 제조된 표면 경화 처리 부품에 대하여 침탄 처리 후에 숏피닝 처리를 실시할 수도 있다. 숏피닝 처리에 의해 도입되는 부품 표층의 압축 잔류 응력의 증가는 피로 균열의 발생 및 진전을 억제하므로, 본 발명의 강에 의해 제조된 부품의 치원 및 치면 피로 강도를 더욱 향상시킬 수 있다. 숏피닝 처리는 직경이 0.7mm 이하인 숏 입자를 이용하여 아크 하이트가 0.4mm 이상인 조건으로 행하는 것이 바람직하다.
<실시예>
이어서, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하지만, 실시예에서의 조건은 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 일 조건예이며, 본 발명은 이 일 조건예로 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 범위에 있어서 다양한 조건을 채용할 수 있다.
(실시예)
표 1, 2에 나타낸 성분 조성을 갖는 전로 용제강을 연속 주조에 의해 제조하고, 필요에 따라 균열 확산 처리를 실시하고, 분괴 압연 공정을 거쳐 한 변이 162mm인 압연 소재로 하였다. 이어서, 열간 압연에 의해 직경이 35mm인 강봉 형상으로 하였다.
Figure 112011068630593-pct00001
Figure 112011068630593-pct00002
표 1, 표 2 중에서 각 원소의 "-"는 무첨가를 의미한다. 표 중의 밑줄은 그의 수치가 본 발명의 범위 외임을 나타낸다.
이어서, 기어의 제조 공정(열 이력)을 시뮬레이션하기 위해, 열간 압연 강재에 대하여 1250℃×30분의 가열을 실시하고, 그 후, 공냉하는 조건으로 열간 단조 시뮬레이션을 행하였다. 계속해서, 925℃×60분 가열하고, 그 후, 서냉하는 조건으로 노멀라이징 처리를 행하였다. 이렇게 해서 제작한 소재로부터 대경부(시험부) 26φ의 롤러 피칭 시험편 및 평활부 8φ의 평활 오노식 회전 굽힘 피로 시험편을 기계 가공에 의해 각각 20개 제작하였다.
제작한 시험편에 대하여 도 1a 내지 도 1o에 나타낸 패턴의 가스 침탄 처리 또는 가스 침탄 질화 처리를 실시하였다. 도 1a 내지 도 1i 및 도 1n과 도 1o는 본원 발명의 조건에 합치하는 침탄 패턴이며, 도 1k, 도 1l 및 도 1m은 비교를 위한 침탄 패턴이다. 침탄에 계속해서, 모든 시험편에 대하여 150℃×90분 가열하고, 그 후, 공냉하는 조건으로 템퍼링을 행하였다. 그 후, 피로 시험의 시험 정밀도를 향상시키기 위해 롤러 피칭 시험편, 평활 오노식 회전 굽힘 피로 시험편의 손잡이부에 마무리 가공을 실시하였다.
각 시험 수준의 롤러 피칭 시험편 중 1개의 대경부를 절단하여 단면의 조직 관찰을 행하였다. 조직 관찰은 단면을 경면 연마한 후에 나이탈 부식을 행하고, 400 내지 1000배의 배율로 광학 현미경 사진을 촬영하고, 그 후, 화상 해석 장치를 이용하여 표면으로부터 50μm 깊이의 위치에 있어서의 탄화물의 면적률을 측정하였다.
또한, 최표면 내지 200μm 깊이에 걸쳐 조직 관찰을 행하고, 구 γ 입계를 따라 망상의 시멘타이트가 존재하고 있는 경우에는 "망상 탄화물 있음"이라 판정하였다. 판정에서는 상기 관찰 위치에 있어서 400배의 배율로 0.5mm2 상당의 시야를 각 샘플 5 시야 검사하였다. 판정의 기준은 구 γ 입계에 길이 10μｍ 이상의 탄화물이 5개 이상 존재하고 있는 시야가 1개라도 있는 경우 "망상 탄화물 있음"이라 판정하였다. 이 방법에서 "망상 탄화물 있음"이라 판정되는 경우, 망상 탄화물의 평균 밀도는 2.5개/mm2 이상이 된다.
망상의 시멘타이트가 존재하고 있는 조직의 예를 도 2a에 나타내고, 망상 시멘타이트가 존재하지 않고, 미세한 탄화물이 다량으로 분산되어 있는 양호한 고탄소 침탄 조직의 예를 도 2b에 나타내었다.
또한, 조직 관찰용 시험편에 대하여 SEM에 의한 관찰을 행하고, 표면으로부터 50μm 깊이의 위치에 있어서의 미세 석출물의 관찰 및 EDS에 의한 조성 분석을 하였다. 또한, 추가로 이 미세 석출물에 대하여 추출 레플리카법에 의한 TEM 관찰을 행하고, 전자선 회절에 의해 석출물을 동정하였다. 동정 결과, (Cr,Fe)23C6 및/또는 (Cr,Fe)3C가 100μm2당 100개 이상 확인된 경우에는 "(Cr,Fe)23C6 또는 (Cr,Fe)3C의 석출 있음"이라 판정하였다. (Cr,Fe)23C6과 (Cr,Fe)3C이 침탄층에 석출된 예를 도 3에 나타내었다.
롤러 피칭 시험은 대롤러: SCM420 침탄품·크라우닝 150R, 회전수: 2000rpm, 윤활유: 트랜스미션 오일, 유온 80℃, 미끄럼율 -40％, 최대 1000만회의 조건으로 행하였고, S-N 선도를 작성하여 피로 한도를 구하고, 롤러 피칭 피로 강도로 하였다. 롤러 피칭 피로 강도가 3000MPa에 도달하지 않은 것은 치면 피로 강도가 떨어지는 것으로 판정하였다.
또한, 평활 오노식 회전 굽힘 피로 시험은 회전수: 3000rpm의 조건으로 행하고, S-N 선도를 작성하여 피로 한도를 구하고, 회전 굽힘 피로 강도로 하였다. 평활 오노식 회전 굽힘 피로 강도가 600MPa에 도달하지 않은 것은 치원 굽힘 피로 강도가 떨어지는 것으로 판정하였다.
이들 평가 결과를 표 3에 나타내었다. 제조 No.1 내지 21 및 제조 No.31 내지 45의 발명예는 모두 목표를 달성하였고, 우수한 치면 피로 강도를 가지면서, 회전 굽힘 피로 강도도 충분하다. 제조 No.9는 고탄소 침탄에 더하여 침탄 질화 처리도 실시하고 있으므로, 롤러 피칭 피로 강도가 특히 높다.
Figure 112011068630593-pct00003
표 3 중, 강 No., 침탄 패턴, 탄화물 면적률, (Cr,Fe)23C6과 (Cr,Fe)3C의 석출 유무란에서의 밑줄은 그 수치가 본 발명의 범위 외임을 의미한다. 또한, 망상 탄화물의 유무, 롤러 피칭 피로 강도, 회전 굽힘 피로 강도의 밑줄은 그 수치가 목표 미달성임을 의미한다.
한편, 제조 No.22에서는 통상의 침탄 패턴을 사용했기 때문에, 처리 온도가 높고, 또한 C.P.도 낮다. 그 결과, 표층부에 탄화물의 석출이 없고, 롤러 피칭 피로 강도가 불충분하였다.
제조 No.23에서는 C.P.가 높기 때문에, 부품의 표층부에 탄화물이 석출되었다. 그러나, 처리 온도가 높기 때문에, 구 γ 입계를 따른 망상의 시멘타이트가 존재하고 있다. 이 망상 시멘타이트가 피로 강도를 저하시키기 때문에, 롤러 피칭 강도, 회전 굽힘 피로 강도 모두 불충분하였다.
제조 No.24에서는 처리 온도는 적정하지만, C.P.가 낮다. 그 결과, 부품의 표층부에 탄화물의 석출이 없고, 롤러 피칭 피로 강도가 불충분하였다.
제조 No.25와 26에서는 Cr 첨가량이 본 발명의 범위보다 적다. 그 결과, 부품 중의 탄화물의 분율이 적고, 또한 망상 시멘타이트도 억제할 수 없었다. 이로 인해, 롤러 피칭 강도, 회전 굽힘 피로 강도 모두 불충분하였다.
제조 No.27에서는 표층부에 충분한 탄화물이 석출되고, 또한 망상 시멘타이트도 억제할 수 있었다. 그 결과, 롤러 피칭 피로 강도는 우수하였다. 한편, 소재의 C량이 너무 적기 때문에, 심부의 경도가 낮고, 회전 굽힘 피로 강도가 불충분하였다.
제조 No.28, 29 및 30에서는 각각 Si 첨가량, Mn 첨가량 및 Cr 첨가량이 본 발명의 범위보다 많다. 그 결과, 가스 침탄 중에 Cr, Si, Mn의 복합 산화물이 강재 표면에 생성되고, 침탄층의 탄소량이 현저하게 저하되었고, 그 결과 탄화물의 석출량이 불충분하였다. 또한, 침탄 부품으로서의 표층의 경도 자체도 부족하여, 롤러 피칭 강도, 회전 굽힘 피로 강도 모두 불충분하였다.
제조 No.46은 강 중의 Cr, Si, Mn의 합계 첨가량이 너무 많기 때문에, 가스 침탄 시에 Cr, Si, Mn의 복합 산화물이 강재 표면에 생성되어, 침탄 처리 후에도 표면의 탄소 농도가 전혀 증가하지 않았다. 이로 인해 탄화물도 전혀 석출되지 않고, 침탄 부품으로서의 표층의 경도 자체도 부족하여, 롤러 피칭 강도, 회전 굽힘 피로 강도 모두 불충분하였다.
<산업상 이용가능성>
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 2차 켄칭을 폐지하더라도 부품의 침탄층에 탄화물을 미세에 분산시키는 것이 가능해져, 높은 치면 피로 강도를 가지면서 2차 켄칭에 기인하는 열처리 변형의 증가(부품 정밀도의 열화)를 회피한 부품을 저비용으로 얻을 수 있다. 이로 인해, 자동차 등의 동력 전달 부품(예를 들어, 기어, 베어링, 샤프트, CVT 시브 등)의 회전수나 전달 토크의 증가, 또는 소형·경량화에 매우 유효하다.
따라서, 본 발명은 이러한 효과를 통해, 종래의 자동차의 성능 향상뿐만 아니라, 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 성능 개선이나 보급에 크게 공헌할 수 있으므로, 산업상 이용 가능성이 크다.

Claims (14)

  1. 침탄 처리, 또는 침탄 기간의 적어도 일부의 기간에 질화를 수반하는 침탄 질화 처리가 실시된 강 부품이며,
    상기 강 부품의 비침탄부의 강의 성분이 질량％로
    C: 0.10 내지 0.60％,
    Si: 0.01 내지 2.50％,
    Mn: 0.20 내지 2.00％,
    S: 0.0001 내지 0.100％,
    Cr: 2.00 내지 5.00％,
    Al: 0.001 내지 0.50％,
    N: 0.0020 내지 0.0200％,
    P: 0.001 내지 0.050％ 및
    O: 0.0001 내지 0.0030％를 함유하고,
    잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
    상기 비침탄부의 강의 Cr, Si, Mn의 합계 함유량이 질량％로 2.0≤Cr+Si+Mn≤8.0을 만족시키고,
    침탄층의 최표면으로부터 50μm 깊이까지의 부분인 표층부의 탄화물의 면적률이 15％ 이상이고,
    상기 표층부가 (Cr,Fe)23C6 및 (Cr,Fe)3C 중 1종 또는 2종의 석출물을, 100μm2 당 100개 이상 갖고,
    상기 표층부에서, 구 γ 입계를 따른 10μｍ 이상의 망상 탄화물이 2.5개/mm2 이하인 것을 특징으로 하는, 표층 경화강 부품.
  2. 제1항에 있어서, 비침탄부의 상기 강의 성분이 질량％로
    Ca: 0.0005 내지 0.0030％,
    Mg: 0.0005 내지 0.0030％,
    Zr: 0.0005 내지 0.0030％
    중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 표층 경화강 부품.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 비침탄부의 상기 강의 성분이 질량％로
    Mo: 0.01 내지 1.00％,
    B: 0.0005 내지 0.0050％,
    Cu: 0.05 내지 1.00％ 및
    Ni: 0.05 내지 2.00％
    중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 표층 경화강 부품.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 비침탄부의 상기 강의 성분이 질량％로
    V: 0.005 내지 0.50％,
    Nb: 0.005 내지 0.10％ 및
    Ti: 0.005 내지 0.50％
    중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 표층 경화강 부품.
  5. 화학 성분이 질량％로
    C: 0.10 내지 0.60％,
    Si: 0.01 내지 2.50％,
    Mn: 0.20 내지 2.00％,
    S: 0.0001 내지 0.10％,
    Cr: 2.00 내지 5.00％,
    Al: 0.001 내지 0.50％,
    N: 0.0020 내지 0.020％,
    P: 0.001 내지 0.050％ 및
    O: 0.0001 내지 0.0030％
    를 함유하고,
    잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
    Cr, Si, Mn의 합계 함유량이 질량％로 2.0≤Cr+Si+Mn≤8.0을 만족시키는 표층 경화 처리용 강을 가공하여 강 부품을 성형하는 성형 공정과;
    처리 시간의 50％ 이상의 시간에 있어서, 침탄 분위기의 카본 포텐셜이 0.90％ 이상인 가스 침탄 처리, 또는 당해 가스 침탄 처리에 있어서의 침탄 기간의 적어도 일부의 기간에 질화를 수반하는 가스 침탄 질화 처리를 800 내지 850℃의 온도 영역에서 상기 강 부품에 실시하고, 침탄층에 (Cr,Fe)23C6 및 (Cr,Fe)3C의 1종 또는 2종을, 100μm2 당 100개 이상 석출시키는 침탄 공정과;
    상기 침탄 공정에 계속해서, 상기 가스 침탄 처리 또는 가스 침탄 질화 처리를 행한 온도인 채로 또는 침탄 처리 온도 이하의 온도 영역에서 유지한 후 계속해서 켄칭 처리를 실시하는 켄칭 공정을 갖는 것을 특징으로 하는, 표층 경화강 부품의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 표층 경화 처리용 강이 질량％로
    Ca: 0.0005 내지 0.0030％,
    Mg: 0.0005 내지 0.0030％,
    Zr: 0.0005 내지 0.0030％
    중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 표층 경화강 부품의 제조 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 표층 경화 처리용 강이 질량％로
    Mo: 0.01 내지 1.00％,
    B: 0.0005 내지 0.0050％,
    Cu: 0.05 내지 1.00％ 및
    Ni: 0.05 내지 2.00％ 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 표층 경화강 부품의 제조 방법.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 표층 경화 처리용 강이 질량％로
    V: 0.005 내지 0.50％,
    Nb: 0.005 내지 0.10％ 및
    Ti: 0.005 내지 0.50％ 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 표층 경화강 부품의 제조 방법.
  9. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 침탄 공정 전에, 800 내지 1100℃의 온도 영역에서 침탄 분위기의 카본 포텐셜이 0.40 내지 1.20％인 조건으로 가스 침탄 처리 또는 가스 침탄 질화 처리를 상기 강 부품에 실시하는 예비 침탄 공정을 더 갖는 것을 특징으로 하는, 표층 경화강 부품의 제조 방법.
  10. 제3항에 있어서, 비침탄부의 상기 강의 성분이 질량％로
    V: 0.005 내지 0.50％,
    Nb: 0.005 내지 0.10％ 및
    Ti: 0.005 내지 0.50％
    중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 표층 경화강 부품.
  11. 제7항에 있어서, 상기 표층 경화 처리용 강이 질량％로
    V: 0.005 내지 0.50％,
    Nb: 0.005 내지 0.10％ 및
    Ti: 0.005 내지 0.50％ 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 표층 경화강 부품의 제조 방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 침탄 공정 전에, 800 내지 1100℃의 온도 영역에서 침탄 분위기의 카본 포텐셜이 0.40 내지 1.20％인 조건으로 가스 침탄 처리 또는 가스 침탄 질화 처리를 상기 강 부품에 실시하는 예비 침탄 공정을 더 갖는 것을 특징으로 하는, 표층 경화강 부품의 제조 방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 침탄 공정 전에, 800 내지 1100℃의 온도 영역에서 침탄 분위기의 카본 포텐셜이 0.40 내지 1.20％인 조건으로 가스 침탄 처리 또는 가스 침탄 질화 처리를 상기 강 부품에 실시하는 예비 침탄 공정을 더 갖는 것을 특징으로 하는, 표층 경화강 부품의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 침탄 공정 전에, 800 내지 1100℃의 온도 영역에서 침탄 분위기의 카본 포텐셜이 0.40 내지 1.20％인 조건으로 가스 침탄 처리 또는 가스 침탄 질화 처리를 상기 강 부품에 실시하는 예비 침탄 공정을 더 갖는 것을 특징으로 하는, 표층 경화강 부품의 제조 방법.
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