KR102040048B1 - 질화 처리 강 부품 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
부품의 소형 경량화 혹은 높은 부하 용량의 요구에 따를 수 있는, 내피팅성 및 굽힘 피로 특성이 우수한 질화 처리 강 부품이며, 질량%로, C:0.05 내지 0.25%, Si:0.05 내지 1.5%, Mn:0.2 내지 2.5%, P:0.025% 이하, S:0.003 내지 0.05%, Cr:0.5 초과 내지 2.0%, Al:0.01 내지 0.05% 및 N:0.003 내지 0.025%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물인 강재를 소재로 하고, 강 표면에 형성된, 철, 질소 및 탄소를 함유하는 두께 3㎛ 이하의 화합물층과, 화합물층의 아래에 형성된 경화층을 갖고, 유효 경화층 깊이가 160 내지 410㎛인 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 가스 질화 처리가 실시된 강 부품, 특히 내피팅성 및 굽힘 피로 특성이 우수한 기어, CVT 시브 등의 질화 처리 강 부품 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
자동차나 각종 산업 기계 등에 사용되는 강 부품에는 피로 강도, 내마모성 및 내시징성등의 기계적 성질을 향상시키기 위해, 침탄 ?칭, 고주파 ?칭, 질화 및 연질화 등의 표면 경화 열처리가 실시된다.
질화 처리 및 연질화 처리는 A1점 이하의 페라이트 영역에서 행해지고, 처리 중에 상변태가 없기 때문에, 열처리 변형을 작게 할 수 있다. 그로 인해, 질화 처리 및 연질화 처리는 높은 치수 정밀도를 갖는 부품이나 대형의 부품에 사용되는 경우가 많고, 예를 들어 자동차의 트랜스미션 부품에 사용되는 기어나, 엔진에 사용되는 크랭크축에 적용되어 있다.
질화 처리는 강재 표면에 질소를 침입시키는 처리 방법이다. 질화 처리에 사용하는 매체에는 가스, 염욕, 플라스마 등이 있다. 자동차의 트랜스미션 부품에는 주로, 생산성이 우수한 가스 질화 처리가 적용되어 있다. 가스 질화 처리에 의해, 강재 표면에는 두께가 10㎛ 이상인 화합물층이 형성되고, 또한 화합물층의 하측의 강재 표층에는 질소 확산층인 경화층이 형성된다. 화합물층은 주로 Fe2 ∼3N과 Fe4N로 구성되고, 화합물층의 경도는 모재가 되는 강과 비교하여 극히 높다. 그로 인해, 화합물층은 사용의 초기에 있어서, 강 부품의 내마모성 및 내피팅성을 향상시킨다.
그러나, 화합물층은 저인성이고, 또한 변형능이 낮기 때문에, 사용 중에 화합물층과 모층의 계면이 박리되고, 부품의 강도가 저하되는 경우가 있다. 그로 인해, 가스 질화 부품을, 충격적인 응력이나 큰 굽힘 응력이 부하되는 부품으로서 사용하는 것은 어렵다.
따라서, 충격적인 응력이나 큰 굽힘 응력이 부하되는 부품으로서 사용하기 위해서는, 화합물층의 두께를 얇게 하고, 나아가, 화합물층을 없애는 것이 요구되어 있다. 그런데, 화합물층의 두께는 질화 처리의 처리 온도와, NH3 분압 및 H2 분압으로부터 다음 식으로 구해지는 질화 포텐셜 KN에 의해 제어할 수 있는 것이 알려져 있다.
KN=(NH3 분압)/[(H2 분압)3/2]
질화 포텐셜 KN을 낮게 하면, 화합물층을 얇게 하고, 나아가 화합물층을 없애는 것도 가능하다. 그러나, 질화 포텐셜 KN을 낮게 하면, 강 중에 질소가 침입하기 어려워진다. 이 경우, 경화층의 경도가 낮아지고, 또한 그의 깊이가 얕아진다. 그 결과, 질화 부품의 피로 강도, 내마모성 및 내시징성이 저하된다. 이 성능 저하에 대처하기 위해, 가스 질화 처리 후의 질화 부품에 대하여 기계 연마 또는 쇼트 블라스트 등을 실시하여, 화합물층을 제거하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법에서는 제조 비용이 높아진다.
특허문헌 1에는 이와 같은 문제에 대하여, 가스 질화 처리의 분위기를, 상기 질화 포텐셜과는 다른 질화 파라미터 KN'=(NH3 분압)/[(H2 분압)1/2]에 의해 제어하고, 경화층 깊이의 변동을 작게 하는 방법이 제안되어 있다.
특허문헌 2에는 화합물층을 형성시키지 않고, 경화층(질화층)을 형성시킬 수 있는 가스 질화 방법이 제안되어 있다. 특허문헌 2의 방법은 최초에 불화 처리에 의해 부품의 산화 피막을 제거하고, 그 후에 질화 처리를 행하는 것이고, 처리로 내에 피처리물을 배치하기 위한 지그로서 비질화성 재료가 필요하다.
그러나, 특허문헌 1에 의해 제안된 질화 파라미터가 경화층 깊이의 제어에 유용하다고 해도, 부품으로서의 기능을 향상시키는 것은 아니다.
특허문헌 2에 제안되어 있는 바와 같이, 비질화성의 지그를 준비하고, 처음에 불화 처리를 행하는 방법의 경우, 지그의 선택 및 작업 공정수의 증가라는 문제가 발생한다.
본 발명의 목적은 저인성이고 또한 저변형능의 화합물층을 박층화하고, 또한 경화층 깊이를 크게 한다는, 양립이 어려운 과제를 해결하고, 부품의 소형 경량화 혹은 높은 부하 용량의 요구에 따를 수 있는, 내피팅성 및 굽힘 피로 특성이 우수한 질화 처리 강 부품 및 그의 질화 처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 질화 처리에 의해 강재의 표면에 형성되는 화합물층을 얇게 하고, 또한 깊은 경화층을 얻는 방법에 대하여 검토를 행하였다. 또한, 질화 처리 시(특히 높은 KN값에서의 처리 시)에 있어서, 강재의 표면 근방에, 질소가 가스화되어 공극이 형성되는 것을 억제하는 방법도 더불어 검토했다. 또한, 질화 처리 조건과 내피팅성 및 굽힘 피로 특성의 관계를 조사했다. 그 결과, 본 발명자들은 하기 (a) 내지 (d)의 지견을 얻었다.
(a) 가스 질화 처리에 있어서의 KN값에 대하여
일반적으로, KN값은 가스 질화 처리를 행하는 노 내의 분위기(이하, 「질화 처리 분위기」, 또는 간단히 「분위기」라고 함)의 NH3 분압 및 H2 분압을 사용하여, 하기 식으로 정의된다.
KN=(NH3 분압)/[(H2 분압)3/2]
KN값은 가스 유량에 의해 제어할 수 있다. 그러나, 가스 유량을 설정한 후, 질화 처리 분위기가 평형 상태에 도달할 때까지는, 일정한 시간이 필요하다. 그로 인해, KN값이 평형 상태에 도달할 때까지의 사이에도 KN값은 시시각각 변화되고 있다. 또한, 가스 질화 처리의 도중에 KN값을 변경하는 경우도, 평형 상태에 도달할 때까지의 사이에 KN값은 변동된다.
상술한 바와 같은 KN값의 변동은 화합물층, 표면 경도 및 경화층 깊이에 영향을 미친다. 그로 인해, KN값의 목표값뿐만 아니라, 가스 질화 처리 중의 KN값의 변동의 범위도 소정 범위 내로 제어할 필요가 있다.
(b) 화합물층 생성의 억제와 표면 경도 및 경화층 깊이의 확보의 양립에 대하여
본 발명자들의 다양한 실험에서는, 질화 부품의 내피팅성 및 굽힘 피로 특성에는 화합물층의 두께, 화합물층 중의 공극, 표면 경도 및 경화층 깊이가 관계되어 있었다. 화합물층이 두껍고, 또한 화합물층 중의 공극이 많으면, 화합물층을 기점으로 하여 크랙이 발생하기 쉽고, 피팅 강도 및 굽힘 피로 강도가 저하되었다.
또한, 표면 경도가 낮고, 경화층 깊이가 얕을 수록, 확산층을 기점으로 하여 균열이나 크랙이 발생하고, 피팅 강도 및 굽힘 피로 강도가 저하되었다. 즉, 본 발명자들은 화합물층이 얇고, 화합물층 중의 공극이 적고, 표면 경도가 높고, 그리고 경화층 깊이가 깊을수록 내피팅성이 우수한 것을 지견했다.
이상의 점에서, 내피팅성 및 굽힘 피로 특성을 양립하기 위해서는, 화합물층을 최대한 생성시키지 않고, 또한 표면 경도 및 경화층 깊이를 크게 하는 것이 중요하다.
화합물층의 생성을 억제하고, 경화층 깊이를 확보하기 위해서는, 한번 화합물층을 생성시킨 후, 생성한 화합물층을 분해하여 경화층으로의 질소 공급원으로서 이용하는 것이 효율적이다. 구체적으로는, 가스 질화 처리 전반에서는, 질화 포텐셜을 높게 한 가스 질화 처리(고KN값 처리)를 실시하여 화합물층을 형성시킨다. 그리고, 가스 질화 처리의 후반에서는, 고KN값 처리보다도 질화 포텐셜을 낮게 한 가스 질화 처리(저KN값 처리)를 실시한다. 이 결과, 고KN값 처리에서 형성된 화합물층은 Fe과 N로 분해되고, N가 확산됨으로써 질소 확산층(경화층)의 형성을 촉진한다. 최종적으로, 질화 부품에 있어서 화합물층을 얇게 하고, 또한 표면 경도를 높이고, 경화층 깊이를 깊게 할 수 있다.
(c) 공극의 생성의 억제에 대하여
가스 질화 처리의 전반에 고KN값으로 질화 처리할 때에, 화합물층 중에 공극을 포함하는 층(다공성층)이 생성되는 경우가 있다(도 1의 (a)). 이 경우, 질화물이 분해되어 질소 확산층(경화층)이 형성된 후에도, 질소 확산층 내에 공극이 그대로 잔존한다. 질소 확산층 내에 공극이 잔존하면, 질화 부품의 피로 강도가 저하된다. 고KN값 처리에 있어서 화합물층을 생성시킬 때에 KN값의 상한을 제한하면, 다공성층 및 공극의 생성을 억제할 수 있다(도 1의 (b)).
(d) 강재 성분과 화합물층 및 질소 확산층의 관계에 대하여
강재에 C가 존재하면, 화합물층의 내굽힘 특성이 악화된다. 또한, Mn이나 Cr 등의 질화물 형성 원소가 존재하면, 질소 확산층의 경도나 확산층 깊이가 변화된다. 내피팅성 및 굽힘 피로 특성은 확산층 경도가 높을수록, 또한 확산층이 깊을수록 향상되기 때문에, 강재 성분의 최적 범위를 설정하는 것이 필요해진다.
본 발명은 상기 지견에 기초하여 완성된 것이고, 그 요지는 이하와 같다.
[1] 질량%로, C:0.05 내지 0.25%, Si:0.05 내지 1.5%, Mn:0.2 내지 2.5%, P:0.025% 이하, S:0.003 내지 0.05%, Cr:0.5 초과 내지 2.0%, Al:0.01 내지 0.05% 및 N:0.003 내지 0.025%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물인 강재를 소재로 하고, 강 표면에 형성된, 철, 질소 및 탄소를 함유하는 두께 3㎛ 이하의 화합물층과, 화합물층의 아래에 형성된 경화층을 갖고, 유효 경화층 깊이가 160 내지 410㎛인 것을 특징으로 하는 질화 처리 강 부품.
[2] 상기 강재가 Fe의 일부 대신에, Mo:0.01 내지 0.50% 미만, V:0.01 내지 0.50% 미만 중 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 [1]의 질화 처리 강 부품.
[3] 상기 강재가 Fe의 일부 대신에, Cu:0.01 내지 0.50% 미만, Ni:0.01 내지 0.50% 미만 중 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 질화 처리 강 부품.
[4] 상기 강재가 Fe의 일부 대신에, Ti:0.005 내지 0.05% 미만을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 [1] 내지 [3]의 어느 하나의 질화 처리 부품.
[5] 질량%로, C:0.05 내지 0.25%, Si:0.05 내지 1.5%, Mn:0.2 내지 2.5%, P:0.025% 이하, S:0.003 내지 0.05% 이하, Cr:0.5 초과 내지 2.0%, Al:0.01 내지 0.05% 및 N:0.003 내지 0.025%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물인 강재를 소재로 하고, NH3, H2 및 N2를 포함하는 가스 분위기에서 상기 강재를 550 내지 620℃로 가열하고, 전체의 처리 시간 A를 1.5 내지 10시간으로 하는 가스 질화 처리를 실시하는 공정을 구비하고, 상기 가스 질화 처리는, 처리 시간을 X시간으로 하는 고KN값 처리와, 고KN값 처리에 이어지는 처리 시간을 Y시간으로 하는 저KN값 처리로 이루어지고, 상기 고KN값 처리는, 식 (1)에 의해 구해지는 질화 포텐셜 KNX가 0.15 내지 1.50이고, 식 (2)에 의해 구해지는 상기 질화 포텐셜 KNX의 평균값 KNXave가 0.30 내지 0.80이고, 상기 저KN값 처리는, 식 (3)에 의해 구해지는 질화 포텐셜 KNY가 0.02 내지 0.25이고, 식 (4)에 의해 구해지는 상기 질화 포텐셜 KNY의 평균값 KNYave가 0.03 내지 0.20이고, 식 (5)에 의해 구해지는 질화 포텐셜의 평균값 KNave가 0.07 내지 0.30인 것을 특징으로 하는 질화 처리 강 부품의 제조 방법.
여기서, 식 (2) 및 식 (4)에 있어서, 첨자 i는 일정 시간 간격마다의 측정회를 나타내는 수이고, X0은 질화 포텐셜 KNX의 측정 간격(시간), Y0은 질화 포텐셜 KNY의 측정 간격(시간), KNXi는 고KN값 처리 중의 i회째의 측정에 있어서의 질화 포텐셜, KNYi는 저KN값 처리 중의 i회째의 측정에 있어서의 질화 포텐셜이다.
[6] 상기 가스 분위기는 NH3, H2 및 N2를 합계로 99.5 체적% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 [5]의 질화 처리 강 부품의 제조 방법.
[7] 상기 강재가 Fe의 일부 대신에, Mo:0.01 내지 0.50% 미만, V:0.01 내지 0.50% 미만 중 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 [5] 또는 [6]의 질화 처리 강 부품의 제조 방법.
[8] 상기 강재가 Fe의 일부 대신에, Cu:0.01 내지 0.50% 미만, Ni:0.01 내지 0.50% 미만 중 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 [5] 내지 [7]의 어느 하나의 질화 처리 강 부품의 제조 방법.
[9] 상기 강재가 Fe의 일부 대신에, Ti:0.005 내지 0.05% 미만을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 [5] 내지 [8]의 어느 하나의 질화 처리 부품의 제조 방법.
본 발명에 따르면, 화합물층이 얇고, 공극(다공성층)의 생성이 억제되고, 또한 높은 표면 경도 및 깊은 경화층을 갖고, 내피팅성 및 굽힘 피로 특성이 우수한 질화 처리 강 부품을 얻을 수 있다.
도 1은 질화 처리 후의 화합물층을 도시하는 도면이고, (a)는 화합물층 중에 공극을 포함하는 다공성층이 생성된 예, (b)는 다공성층 및 공극의 생성이 억제된 예이다.
도 2는 고KN값 처리의 질화 포텐셜의 평균값 KNXave와, 표면 경도 및 화합물층 두께의 관계를 도시하는 도면이다.
도 3은 저KN값 처리의 질화 포텐셜의 평균값 KNYave와, 표면 경도 및 화합물층 두께의 관계를 도시하는 도면이다.
도 4는 질화 포텐셜의 평균값 KNave와, 표면 경도 및 화합물층 두께의 관계를 도시하는 도면이다.
도 5는 내피팅성을 평가하기 위해 사용한 롤러 피팅 시험용의 소롤러의 형상이다.
도 6은 내피팅성을 평가하기 위해 사용한 롤러 피팅 시험용의 대롤러의 형상이다.
도 7은 내굽힘 피로 특성을 평가하기 위한 원기둥 시험편이다.
도 2는 고KN값 처리의 질화 포텐셜의 평균값 KNXave와, 표면 경도 및 화합물층 두께의 관계를 도시하는 도면이다.
도 3은 저KN값 처리의 질화 포텐셜의 평균값 KNYave와, 표면 경도 및 화합물층 두께의 관계를 도시하는 도면이다.
도 4는 질화 포텐셜의 평균값 KNave와, 표면 경도 및 화합물층 두께의 관계를 도시하는 도면이다.
도 5는 내피팅성을 평가하기 위해 사용한 롤러 피팅 시험용의 소롤러의 형상이다.
도 6은 내피팅성을 평가하기 위해 사용한 롤러 피팅 시험용의 대롤러의 형상이다.
도 7은 내굽힘 피로 특성을 평가하기 위한 원기둥 시험편이다.
이하, 본 발명의 각 요건에 대하여 상세하게 설명한다. 처음에, 소재가 되는 강재의 화학 조성에 대하여 설명한다. 이하, 각 성분 원소의 함유량 및 부품 표면에 있어서의 원소 농도를 나타내는 「%」는 「질량%」를 의미하는 것으로 한다.
[C:0.05 내지 0.25%]
C는 부품의 코어부 경도를 확보하기 위해 필요한 원소이다. C의 함유량이 0.05% 미만에서는 코어부 강도가 지나치게 낮아지기 때문에, 피팅 강도나 굽힘 피로 강도가 크게 저하된다. 또한, C의 함유량이 0.25%를 초과하면, 고KN값 처리 중에 화합물층 두께가 커지기 쉽고, 또한 저KN값 처리 중에 화합물층이 분해되기 어려워진다. 그로 인해, 질화 처리 후의 화합물층 두께를 작게 하는 것이 어려워져, 피팅 강도나 굽힘 피로 강도가 저하되는 경우가 있다. 또한, 열간 단조 후의 강도가 지나치게 높아지기 때문에, 절삭 가공성이 크게 저하된다. C 함유량의 바람직한 범위는 0.08 내지 0.20%이다.
[Si:0.05 내지 1.5%]
Si는 고용 강화에 의해, 코어부 경도를 높인다. 또한, 탈산 원소이기도 하다. 이들 효과를 발휘시키기 위해, 0.05% 이상을 함유시킨다. 한편, Si의 함유량이 1.5%를 초과하면, 봉강, 선재나 열간 단조 후의 강도가 지나치게 높아지기 때문에, 절삭 가공성이 크게 저하된다. Si 함유량의 바람직한 범위는 0.08 내지 1.3%이다.
[Mn:0.2 내지 2.5%]
Mn은 고용 강화에 의해, 코어부 경도를 높인다. 또한, Mn은 질화 처리 시에는 경화층 중에 미세한 질화물(Mn3N2)을 형성하고, 석출 강화에 의해 피팅 강도 및 굽힘 피로 강도를 향상시킨다. 이들 효과를 얻기 위해, Mn은 0.2% 이상이 필요하다. 한편, Mn의 함유량이 2.5%를 초과하면, 석출 강화능이 포화된다. 또한, 유효 경화층 깊이가 얕아지기 때문에, 피팅 강도 및 굽힘 피로 강도가 저하된다. 또한, 소재가 되는 봉강, 선재나 열간 단조 후의 경도가 지나치게 높아지기 때문에, 절삭 가공성이 크게 저하된다. Mn 함유량의 바람직한 범위는 0.4 내지 2.3%이다.
[P:0.025% 이하]
P은 불순물이며, 입계 편석하여 부품을 취화시키므로, 함유량은 적은 편이 바람직하다. P의 함유량이 0.025%를 초과하면, 굽힘 교정성이나 굽힘 피로 강도가 저하되는 경우가 있다. 굽힘 피로 강도의 저하를 방지하기 위한 P 함유량의 바람직한 상한은 0.018%이다. 함유량을 완전히 0으로 하는 것은 어렵고, 현실적인 하한은 0.001%이다.
[S:0.003 내지 0.05%]
S은 Mn과 결합하여 MnS을 형성하여, 절삭 가공성을 향상시킨다. 이 효과를 얻기 위해, S은 0.003% 이상이 필요하다. 그러나, S의 함유량이 0.05%를 초과하면, 조대한 MnS을 생성하기 쉬워져, 피팅 강도나 굽힘 피로 강도가 크게 저하된다. S 함유량의 바람직한 범위는 0.005 내지 0.03%이다.
[Cr:0.5 초과 내지 2.0%]
Cr은 질화 처리 시에, 미세한 질화물(Cr2N)을 경화층 중에 형성하고, 석출 강화에 의해 피팅 강도 및 굽힘 피로 강도를 향상시킨다. 이들 효과를 얻기 위해, Cr은 0.5% 초과가 필요하다. 한편, Cr의 함유량이 2.0%를 초과하면, 석출 강화능이 포화된다. 또한, 유효 경화층 깊이가 얕아지기 때문에, 피팅 강도 및 굽힘 피로 강도가 저하된다. 또한, 소재가 되는 봉강, 선재나 열간 단조 후의 경도가 지나치게 높아지기 때문에, 절삭 가공성이 현저하게 저하된다. Cr 함유량의 바람직한 범위는 0.6 내지 1.8%이다.
[Al:0.01 내지 0.05%]
Al은 탈산 원소이고, 충분한 탈산을 위해 0.01% 이상이 필요하다. 한편, Al은 경질의 산화물계 개재물을 형성하기 쉽고, Al의 함유량이 0.05%를 초과하면, 굽힘 피로 강도의 저하가 현저해져, 다른 요건을 만족시키고 있어도 원하는 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않게 된다. Al 함유량의 바람직한 범위는 0.02 내지 0.04%이다.
[N:0.003 내지 0.025%]
N는 Al, V, Ti과 결합하여 AlN, VN, TiN을 형성한다. AlN, VN, TiN은 오스테나이트 입자의 피닝 작용에 의해, 질화 처리 전의 강재의 조직을 미세화하고, 질화 처리 강 부품의 기계적 특성의 변동을 저감시키는 효과를 갖는다. N의 함유량이 0.003% 미만에서는 이 효과는 얻기 어렵다. 한편, N의 함유량이 0.025%를 초과하면, 조대한 AlN이 형성되기 쉬워지기 때문에, 상기 효과는 얻기 어려워진다. N 함유량의 바람직한 범위는 0.005 내지 0.020%이다.
본 발명의 질화 처리 강 부품의 소재가 되는 강은, 상기 원소 외에, 이하에 나타내는 원소를 함유해도 된다.
[Mo:0.01 내지 0.50% 미만]
Mo은 질화 시에 미세한 질화물(Mo2N)을 경화층 중에 형성하고, 석출 강화에 의해 피팅 강도 및 굽힘 피로 강도를 향상시킨다. 또한, Mo은 질화 시에 시효 경화 작용을 발휘하여 코어부 경도를 향상시킨다. 이들 효과를 얻기 위한 Mo 함유량은 0.01% 이상이 필요하다. 한편, Mo의 함유량이 0.50% 이상에서는, 소재가 되는 봉강, 선재나 열간 단조 후의 경도가 지나치게 높아지기 때문에, 절삭 가공성이 현저하게 저하되는 것 외에, 합금 비용이 증대된다. 절삭 가공성 확보를 위한 Mo 함유량의 바람직한 상한은 0.40% 미만이다.
[V:0.01 내지 0.50% 미만]
V은 질화 및 연질화 시에 미세한 질화물(VN)을 형성하고, 석출 강화에 의해 피팅 강도 및 굽힘 피로 강도를 향상시킨다. 또한, V은 질화 시에 시효 경화 작용을 발휘하여 코어부 경도를 향상시킨다. 또한, 오스테나이트 입자의 피닝 작용에 의해, 질화 처리 전의 강재의 조직을 미세화시키는 효과도 갖는다. 이들 작용을 얻기 위해, V은 0.01% 이상이 필요하다. 한편, V의 함유량이 0.50% 이상에서는, 소재가 되는 봉강, 선재나 열간 단조 후의 경도가 지나치게 높아지기 때문에, 절삭 가공성이 현저하게 저하되는 것 외에, 합금 비용이 증대된다. 절삭 가공성 확보를 위한 V 함유량의 바람직한 범위는 0.40% 미만이다.
[Cu:0.01 내지 0.50%]
Cu는 고용 강화 원소로서 부품의 코어부 경도, 그리고 질소 확산층의 경도를 향상시킨다. Cu의 고용 강화의 작용을 발휘시키기 위해서는 0.01% 이상의 함유가 필요하다. 한편, Cu의 함유량이 0.50%를 초과하면, 소재가 되는 봉강, 선재나 열간 단조 후의 경도가 지나치게 높아지기 때문에, 절삭 가공성이 현저하게 저하되는 것 외에, 열간 연성이 저하되기 때문에, 열간 압연 시, 열간 단조 시에 표면 흠집 발생의 원인이 된다. 열간 연성 유지를 위한 Cu 함유량의 바람직한 범위는 0.40% 미만이다.
[Ni:0.01 내지 0.50%]
Ni은 고용 강화에 의해 코어부 경도 및 표층 경도를 향상시킨다. Ni의 고용 강화의 작용을 발휘시키기 위해서는 0.01% 이상의 함유가 필요하다. 한편, Ni의 함유량이 0.50%를 초과하면, 봉강, 선재나 열간 단조 후의 경도가 지나치게 높아지기 때문에, 절삭 가공성이 현저하게 저하되는 것 외에, 합금 비용이 증대된다. 충분한 절삭 가공성을 얻기 위한 Ni 함유량의 바람직한 범위는 0.40% 미만이다.
[Ti:0.005 내지 0.05%]
Ti은 N와 결합하여 TiN을 형성하고, 코어부 경도 및 표층 경도를 향상시킨다. 이 작용을 얻기 위해, Ti은 0.005% 이상이 필요하다. 한편, Ti의 함유량이 0.05% 이상에서는, 코어부 경도 및 표층 경도를 향상시키는 효과가 포화되는 것 외에, 합금 비용이 증대된다. Ti 함유량의 바람직한 범위는 0.007 내지 0.04% 미만이다.
강의 잔부는 Fe 및 불순물이다. 불순물이란, 원재료에 포함되거나, 혹은 제조의 과정에서 혼입되는 성분이고, 의도적으로 강에 함유시킨 것이 아닌 성분을 말한다. 상기 임의의 첨가 원소, Mo, V, Cu, Ni 및 Ti이 상술한 하한 미만의 양으로 혼입되는 경우도 있지만, 이 경우, 상술한 각 원소의 효과가 충분히 얻어지지 않는 것만으로, 본 발명의 내피팅성 및 굽힘 피로 특성 향상의 효과는 얻어지므로, 문제는 없다.
이하, 본 발명의 질화 처리 강 부품의 제조 방법의 일례를 설명한다. 이하에 설명하는 제조 방법은 일례이며, 본 발명의 질화 처리 강 부품은 화합물층의 두께가 3㎛ 이하, 유효 경화층 깊이가 160 내지 410㎛이면 되고, 이하의 제조 방법에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 질화 처리 강 부품의 제조 방법에서는, 상술한 성분을 갖는 강에 대하여 가스 질화 처리를 실시한다. 가스 질화 처리의 처리 온도는 550 내지 620℃이고, 가스 질화 처리 전체의 처리 시간 A는 1.5 내지 10시간이다.
[처리 온도: 550 내지 620℃]
가스 질화 처리의 온도(질화 처리 온도)는 주로, 질소의 확산 속도와 상관이 있고, 표면 경도 및 경화층 깊이에 영향을 미친다. 질화 처리 온도가 지나치게 낮으면, 질소의 확산 속도가 느리고, 표면 경도가 낮아지고, 경화층 깊이가 얕아진다. 한편, 질화 처리 온도가 AC1점을 초과하면, 페라이트상(α상)보다도 질소의 확산 속도가 작은 오스테나이트상(γ상)이 강 중에 생성되고, 표면 경도가 낮아지고, 경화층 깊이가 얕아진다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 질화 처리 온도는 페라이트 온도 영역 주위인 550 내지 620℃이다. 이 경우, 표면 경도가 낮아지는 것을 억제할 수 있고, 또한 경화층 깊이가 얕아지는 것을 억제할 수 있다.
[가스 질화 처리 전체의 처리 시간 A: 1.5 내지 10시간]
가스 질화 처리는 NH3, H2, N2를 포함하는 분위기에서 실시한다. 질화 처리 전체의 시간, 즉 질화 처리의 개시부터 종료까지의 시간(처리 시간 A)은 화합물층의 형성 및 분해와 질소의 침투와 상관이 있고, 표면 경도 및 경화층 깊이에 영향을 미친다. 처리 시간 A가 지나치게 짧으면 표면 경도가 낮아지고, 경화층 깊이가 얕아진다. 한편, 처리 시간 A가 지나치게 길면, 탈질소가 발생하여 강의 표면 경도가 저하된다. 처리 시간 A가 지나치게 길면, 제조 비용이 더 높아진다. 따라서, 질화 처리 전체의 처리 시간 A는 1.5 내지 10시간이다.
또한, 본 실시 형태의 가스 질화 처리의 분위기는 NH3, H2 및 N2 외에, 불가피적으로 산소, 이산화탄소 등의 불순물을 포함한다. 바람직한 분위기는 NH3, H2 및 N2를 합계로 99.5%(체적%) 이상이다. 후술하는 KN값은 분위기 중의 NH3 및 H2 분압의 비율로부터 산출되기 때문에, N2 분압의 대소에 영향을 받지 않는다. 그러나, KN 제어의 안정성을 높이기 위해, N2 분압은 0.2 내지 0.5atm인 것이 바람직하다.
[고KN값 처리 및 저KN값 처리]
상술한 가스 질화 처리는 고KN값 처리를 실시하는 공정과, 저KN값 처리를 실시하는 공정을 포함한다. 고KN값 처리에서는 저KN값 처리보다도 높은 질화 포텐셜 KNX로 가스 질화 처리를 실시한다. 또한 고KN값 처리 후에 저KN값 처리를 실시한다. 저KN값 처리에서는 고KN값 처리보다도 낮은 질화 포텐셜 KNY로 가스 질화 처리를 실시한다.
이와 같이, 본 질화 처리 방법에서는, 2단계의 가스 질화 처리(고KN값 처리, 저KN값 처리)를 실시한다. 가스 질화 처리의 전반(고KN값 처리)에서 질화 포텐셜 KN값을 높게 함으로써, 강의 표면에 화합물층을 생성시킨다. 그 후, 가스 질화 처리의 후반(저KN값 처리)에서 질화 포텐셜 KN값을 낮춤으로써, 강의 표면에 형성된 화합물층을 Fe과 N로 분해하고, 강 중에 질소(N)를 침투 확산시킨다. 2단계의 가스 질화 처리로 함으로써, 고KN값 처리에서 생성한 화합물층의 두께를 저감시키면서, 화합물층의 분해에 의해 얻어진 질소를 사용하여 충분한 경화층 깊이를 얻는다.
고KN값 처리의 질화 포텐셜을 KNX로 하고, 저KN값 처리의 질화 포텐셜을 KNY로 한다. 이때, 질화 포텐셜 KNX 및 KNY는 하기 식으로 정의된다.
KNX=(NH3 분압)X/[(H2 분압)3/2]X
KNY=(NH3 분압)Y/[(H2 분압)3/2]Y
가스 질화 처리의 분위기의 NH3 및 H2의 분압은 가스의 유량을 조정함으로써 제어할 수 있다.
고KN값 처리로부터 저KN값 처리로 이행할 때, KN값을 저하시키기 위해 가스 유량을 조정하면, 노 내의 NH3 및 H2의 분압이 안정화될 때까지, 어느 정도의 시간을 요한다. KN값을 변경하기 위한 가스 유량 조정은 1회여도 되고, 필요에 따라 복수회여도 된다. KN값의 저하량을 더 크게 하기 위해, NH3 유량을 낮추고, H2 유량을 높이는 방법이 효과적이다. 고KN값 처리 후의 KN값이 최후에 0.25 이하가 된 시점을 저KN값 처리의 개시 시기라고 정의한다.
고KN값 처리의 처리 시간을 「X」(시간)로 하고, 저KN값 처리의 처리 시간을 「Y」(시간)로 한다. 처리 시간 X와 처리 시간 Y의 합계는 질화 처리 전체의 처리 시간 A 이내이고, 바람직하게는 처리 시간 A이다.
[고KN값 처리 및 저KN값 처리에서의 제조건]
상술한 바와 같이, 고KN값 처리 중의 질화 포텐셜을 KNX, 저KN값 처리 중의 질화 포텐셜을 KNY로 한다. 또한, 고KN값 처리 중의 질화 포텐셜의 평균값을 「KNXave」로 하고, 저KN값 처리 중의 질화 포텐셜의 평균값을 「KNYave」로 한다. KNXave와 KNYave는 하기 식으로 정의한다.
여기서, 첨자 i는 일정 시간 간격마다의 측정회를 나타내는 수이고, X0은 질화 포텐셜 KNX의 측정 간격(시간), Y0은 질화 포텐셜 KNY의 측정 간격(시간), KNXi는 고KN값 처리 중의 i회째의 측정에 있어서의 질화 포텐셜, KNYi는 저KN값 처리 중의 i회째의 측정에 있어서의 질화 포텐셜이다.
예를 들어, X0을 15분으로 하고, 처리 개시부터 15분 후를 1회째(i=1)로 하고, 이후 15분 간격으로 2회째(i=2), 3회째(i=3)로 측정하고, 처리 시간까지 측정 가능한 n회를 측정하여 KNXave를 계산한다. KNYave도 마찬가지로 계산한다.
또한, 질화 처리 전체의 질화 포텐셜의 평균값을 「KNave」로 한다. 평균값 KNave는 하기 식으로 정의된다.
KNave=(X×KNXave+Y×KNYave)/A
본 발명의 질화 처리 방법에서는, 고KN값 처리의 질화 포텐셜 KNX, 평균값 KNXave, 처리 시간 X, 저KN값 처리의 질화 포텐셜 KNX, 평균값 KNYave, 처리 시간 Y 및 평균값 KNave가 다음의 조건 (I) 내지 (IV)를 만족시킨다.
(I) 평균값 KNXave:0.30 내지 0.80
(II) 평균값 KNYave:0.03 내지 0.20
(III) KNX:0.15 내지 1.50 및 KNY:0.02 내지 0.25
(IV) 평균값 KNave:0.07 내지 0.30
이하, 조건 (I) 내지 (IV)에 대하여 설명한다.
[(I) 고KN 처리에서의 질화 포텐셜의 평균값 KNXave]
고KN값 처리에 있어서, 질화 포텐셜의 평균값 KNXave는 충분한 두께의 화합물층을 형성시키기 위해, 0.30 내지 0.80이 필요하다.
도 2는 평균값 KNXave와, 표면 경도 및 화합물층 두께의 관계를 도시하는 도면이다. 도 2는 다음의 실험에 의해 얻어졌다.
본 발명에서 규정하는 화학 성분을 갖는 강 a(표 1 참조. 이하, 「공시재」라고 함)를 사용하여, NH3, H2 및 N2를 포함하는 가스 분위기에서 가스 질화 처리를 실시했다. 가스 질화 처리에서는 소정의 온도로 가열한 분위기의 제어가 가능한 열처리로 내에 공시재를 삽입하고, NH3, N2 및 H2의 가스를 유입시켰다. 이때, 가스 질화 처리의 분위기의 NH3 및 H2의 분압을 측정하면서 가스의 유량을 조정하여, 질화 포텐셜 KN값을 제어했다. KN값은 상기한 식에 따라, NH3 분압 및 H2 분압에 의해 구했다.
가스 질화 처리 중의 H2 분압은 가스 질화 노체에 직접 장착한 열전도식 H2 센서를 사용하여, 표준 가스와 측정 가스의 열전도도의 차이를 가스 농도로 환산하여 측정했다. H2 분압은 가스 질화 처리의 동안, 계속해서 측정했다. 가스 질화 처리 중의 NH3 분압은 노 외에 수동 유리관식 NH3 분석계를 설치하여 측정하고, 15분마다 잔류 NH3의 분압을 산출하여 구했다. NH3 분압을 측정하는 15분마다 질화 포텐셜 KN값을 산출하고, 목표값에 수렴되도록, NH3 유량 및 N2 유량을 조정했다.
가스 질화 처리에서는 분위기의 온도를 590℃, 처리 시간 X를 1.0시간, 처리 시간 Y를 2.0시간, KNYave를 0.05로 일정하게 하고, KNXave를 0.10 내지 1.00까지 변화시켜 행하였다. 전체의 처리 시간 A는 3.0시간으로 했다.
다양한 평균값 KNXave으로 가스 질화 처리된 공시재에 대하여, 다음의 측정 시험을 실시했다.
[화합물층의 두께 측정]
가스 질화 처리 후, 공시재의 단면을 연마하고, 에칭하여 광학 현미경으로 관찰했다. 에칭은 3% 나이탈 용액으로 20 내지 30초간 행하였다. 화합물층은 강의 표층에 존재하고, 백색 미부식의 층으로서 관찰된다. 광학 현미경에 의해 500배로 촬영한 조직 사진 5시야(시야 면적: 2.2×104㎛2)로부터, 각각 30㎛마다 4점의 화합물층의 두께를 측정했다. 측정된 20점의 값의 평균값을, 화합물 두께(㎛)라고 정의했다. 화합물층 두께가 3㎛ 이하일 때, 박리나 크랙의 발생이 크게 억제된다. 따라서, 본 발명에 있어서는, 화합물층 두께를 3㎛ 이하로 하는 것이 필요하다. 화합물층 두께는 0이어도 된다.
[화합물층의 상 구조]
화합물층의 상 구조는 면적률로 γ'(Fe4N)이 50% 이상이 되는 것이 바람직하다. 잔부는 ε(Fe2∼3N)이다. 일반적인 연질화 처리에 의하면 화합물층은 ε(Fe2 ∼3N)이 주체가 되지만, 본 발명의 질화 처리에 의하면, γ'(Fe4N)의 비율이 커진다. 화합물층의 상 구조는 SEM-EBSD법으로 조사할 수 있다.
[공극 면적률의 측정]
또한, 광학 현미경 관찰에 의해, 공시재의 단면에 있어서의 표층 조직의 공극의 면적률을 측정했다. 배율 1000배로 5시야 측정(시야 면적: 5.6×103㎛2)하고, 각 시야에 대하여 최표면으로부터 5㎛ 깊이의 범위의 면적 25㎛2 중에 차지하는 공극의 비율(이하, 공극 면적률이라고 함)을 산출했다. 공극 면적률이 10% 이상인 경우, 가스 질화 처리 후의 질화 부품의 표면 조도가 거칠어지고, 또한 화합물층이 취화되기 때문에, 질화 부품의 피로 강도가 저하된다. 따라서, 본 발명에 있어서는, 공극 면적률이 10% 미만인 것이 필요하다. 공극 면적률은 바람직하게는 8% 미만, 보다 바람직하게는 6% 미만이다.
[표면 경도의 측정]
또한, 가스 질화 처리 후의 공시재의 표면 경도 및 유효 경화층 깊이를 다음의 방법에 의해 구했다. 시료 표면으로부터 깊이 방향의 비커스 경도를, JIS Z 2244에 준거하여, 시험력 1.96N으로 측정했다. 그리고, 표면으로부터 50㎛ 깊이 위치에 있어서의 비커스 경도의 3점의 평균값을, 표면 경도(HV)라고 정의했다. 본 발명에서는, 3㎛ 초과의 화합물층이 잔존하는 일반적인 가스 질화 처리의 경우와 동등한 표면 경도로서 570HV 이상을 목표로 한다.
[유효 경화층 깊이의 측정]
본 발명에 있어서, 유효 경화층 깊이(㎛)는 상기 비커스 경도 시험에서 얻어진 깊이 방향의 경도 분포를 사용하여, 공시재 표면으로부터 깊이 방향으로 측정된 비커스 경도의 분포 중 300HV 이상이 되는 범위의 깊이라고 정의한다.
처리 온도 570 내지 590℃에 있어서, 화합물층이 10㎛ 이상 생성되는 일반적인 가스 질화 처리의 경우, 가스 질화 처리 전체의 처리 시간을 A(시간)로 하면, 유효 경화층 깊이는 하기 식 (A)로 구해지는 값±20㎛가 된다.
유효 경화층 깊이(㎛)=130×{처리 시간 A(시간)}1/2 …(A)
본 발명의 질화 처리 강 부품에서는, 유효 경화층 깊이는 130×{처리 시간 A(시간)}1/2로 한다. 본 실시 형태에 있어서는, 가스 질화 처리 전체의 처리 시간 A는 상술한 바와 같이 1.5 내지 10시간이므로, 유효 경화층 깊이는 160 내지 410㎛가 되는 것을 목표로 한다.
상술한 측정 시험의 결과, 평균값 KNYave가 0.20 이상이면, 유효 경화층 깊이가 160 내지 410㎛를 만족시켰다(A=3일 때, 유효 경화층 깊이 225㎛). 또한, 측정 시험 결과 중, 각 평균값 KNXave에서의 가스 질화 처리에 의해 얻어진 공시재의 표면 경도 및 화합물층의 두께에 기초하여, 도 2를 작성했다.
도 2 중의 실선은 평균값 KNXave와 표면 경도(HV)의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 2 중의 파선은 평균값 KNXave와 화합물층의 두께(㎛)의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 2의 실선의 그래프를 참조하여, 저KN값 처리에서의 평균값 KNYave가 일정한 경우, 고KN값 처리에서의 평균값 KNXave가 높아짐에 따라, 질화 부품의 표면 경도가 현저하게 증대된다. 그리고, 평균값 KNXave가 0.30 이상이 되었을 때, 표면 경도는 목표로 한 570HV 이상이 된다. 한편, 평균값 KNXave가 0.30보다도 높은 경우, 평균값 KNXave가 더욱 높아져도, 표면 경도는 거의 일정한 그대로이다. 즉, 평균값 KNXave와 표면 경도의 그래프(도 2 중의 실선)에서는 KNXave=0.30 부근에 변곡점이 존재한다.
또한, 도 2의 파선의 그래프를 참조하여, 평균값 KNXave가 1.00으로부터 저하됨에 따라, 화합물 두께가 현저하게 감소한다. 그리고, 평균값 KNXave가 0.80이 되었을 때, 화합물층의 두께는 3㎛ 이하가 된다. 한편, 평균값 KNXave가 0.80 이하에서는 평균값 KNXave가 저하됨에 따라, 화합물층의 두께가 감소하기는 하지만, 평균값 KNXave가 0.80보다도 높은 경우와 비교하여, 화합물층의 두께의 감소분은 작다. 즉, 평균값 KNXave와 표면 경도의 그래프(도 2 중의 실선)에서는, KNXave=0.80 부근에 변곡점이 존재한다.
이상의 결과로부터, 본 발명에서는 고KN값 처리의 질화 포텐셜의 평균값 KNXave는 0.30 내지 0.80으로 한다. 이 범위로 제어함으로써, 질화 처리된 강의 표면 경도를 높이고, 또한 화합물층의 두께를 억제할 수 있다. 또한, 충분한 유효 경화층 깊이를 얻을 수 있다. 평균값 KNXave가 0.30 미만이면, 화합물의 생성이 불충분하고, 표면 경도가 저하되고, 충분한 유효 효과층 깊이가 얻어지지 않는다. 평균값 KNXave가 0.80을 초과하면, 화합물층의 두께가 3㎛를 초과하고, 또한 공극 면적률이 10% 이상이 되는 경우가 있다. 평균값 KNXave의 바람직한 하한은 0.35이다. 또한, 평균값 KNXave의 바람직한 상한은 0.70이다.
[(II) 저KN값 처리에서의 질화 포텐셜의 평균값 KNYave]
저KN값 처리의 질화 포텐셜의 평균값 KNYave는 0.03 내지 0.20이다.
도 3은 평균값 KNYave와, 표면 경도 및 화합물층 두께의 관계를 도시하는 도면이다. 도 3은 다음의 시험에 의해 얻어졌다.
질화 처리 분위기의 온도를 590℃, 처리 시간 X를 1.0시간, 처리 시간 Y를 2.0시간, 평균값 KNXave를 0.40으로 일정하게 하고, 평균값 KNYave를 0.01 내지 0.30까지 변화시키고, 본 발명에서 규정하는 화학 성분을 갖는 강 a에 대하여 가스 질화 처리를 행하였다. 전체의 처리 시간 A는 3.0시간이었다.
질화 처리 후, 상술한 방법에 의해, 각 평균값 KNYave에 있어서의 표면 경도(HV), 유효 경화층 깊이(㎛) 및 화합물층 두께(㎛)를 측정했다. 유효 경화층 깊이를 측정한 결과, 평균값 KNYave가 0.02 이상이면, 유효 경화층 깊이가 225㎛ 이상이 되었다. 또한, 측정 시험에 의해 얻어진 표면 경도 및 화합물 두께를 플롯하여, 도 3을 작성했다.
도 3 중의 실선은 평균값 KNYave와 표면 경도의 관계를 도시하는 그래프이고, 파선은 평균값 KNYave와 화합물층의 깊이의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 3의 실선의 그래프를 참조하여, 평균값 KNYave가 0으로부터 높아짐에 따라, 표면 경도는 현저하게 증대된다. 그리고, KNYave가 0.03이 되었을 때, 표면 경도는 570HV 이상이 된다. 또한, KNYave가 0.03 이상인 경우, KNYave가 높아져도, 표면 경도는 거의 일정하다. 이상으로부터, 평균값 KNYave와 표면 경도의 그래프에서는, 평균값 KNYave=0.03 부근에 변곡점이 존재한다.
한편, 도 3 중의 파선의 그래프를 참조하여, 평균값 KNYave가 0.30으로부터 0.25로 저하될 때까지의 동안은, 화합물층의 두께는 거의 일정하다. 그러나, 평균값 KNYave가 0.25로부터 저하됨에 따라, 화합물층의 두께는 현저하게 감소한다. 그리고, 평균값 KNYave가 0.20이 되었을 때, 화합물층의 두께는 3㎛ 이하가 된다. 또한, 평균값 KNYave가 0.20 이하인 경우, 평균값 KNYave의 저하에 수반하여, 화합물층의 두께는 감소하기는 하지만, 평균값 KNYave가 0.20보다도 높은 경우와 비교하여, 화합물층의 두께의 감소분은 적다. 이상으로부터, 평균값 KNYave와 화합물층의 두께의 그래프에서는, 평균값 KNYave=0.20 부근에 변곡점이 존재한다.
이상의 결과로부터, 본 발명에 있어서, 저KN값 처리의 평균값 KNYave는 0.03 내지 0.20에 한정한다. 이 경우, 가스 질화 처리된 강의 표면 경도가 높아지고, 또한 화합물층의 두께를 억제할 수 있다. 또한, 충분한 유효 경화층 깊이를 얻을 수 있다. 평균값 KNYave가 0.03 미만이면, 표면으로부터 탈질소가 발생하여 표면 경도가 저하된다. 한편, 평균값 KNYave가 0.20을 초과하면, 화합물의 분해가 불충분하고, 유효 경화층 깊이가 얕고, 표면 경도가 저하된다. 평균값 KNYave의 바람직한 하한은 0.05이다. 평균값 KNYave의 바람직한 상한은 0.18이다.
[(III) 질화 처리 중의 질화 포텐셜 KNX 및 KNY의 범위]
가스 질화 처리에 있어서, 분위기 중의 KN값이 평형 상태에 도달할 때까지는, 가스 유량을 설정하고 나서 일정한 시간이 필요하다. 그로 인해, KN값이 평행 상태에 도달할 때까지의 동안에도 KN값은 시시각각 변화되고 있다. 또한, 고KN값 처치로부터 저KN값 처리로 이행할 때, 가스 질화 처리의 도중에 KN값의 설정을 변경하게 된다. 이 경우도, 평형 상태에 도달할 때까지의 동안에 KN값은 변동된다.
이와 같은 KN값의 변동은 화합물층이나 경화층 깊이에 영향을 미친다. 따라서, 고KN값 처리 및 저KN값 처치에 있어서, 상술한 평균값 KNXave 및 평균값 KNYave를 상기 범위로 할 뿐만 아니라, 고KN값 처리 중의 질화 포텐셜 KNx 및 저KN값 처리 중의 질화 포텐셜 KNY도 소정 범위 내로 제어한다.
구체적으로는, 본 발명에서는 충분한 화합물층을 형성하기 위해, 고KN값 처리 중에 있어서의 질화 포텐셜 KNX를 0.15 내지 1.50으로 하고, 화합물층을 얇고, 또한 경화층 깊이를 크게 하기 위해, 저KN값 처리 중에 있어서의 질화 포텐셜 KNY를 0.02 내지 0.25로 한다.
표 1은 C:0.15%, Si:0.51%, Mn:1.10%, P:0.015%, S:0.015%, Cr:1.20%, Al:0.028%, N:0.008%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물인 강(이하, 「강 a」라고 함)을, 다양한 질화 포텐셜 KNX 및 KNY로 질화 처리를 실시한 경우의, 질화 부품의 화합물층 두께(㎛), 공극 면적률(%), 유효 경화층 깊이(㎛) 및 표면 경도(HV)를 나타낸다. 표 1은 다음의 시험에 의해 얻어졌다.
강 a를 공시재로 하고, 표 1에 나타내는 가스 질화 처리(고KN값 처리 및 저KN값 처리)를 실시하여 질화 부품을 제조했다. 구체적으로는, 각 시험 번호에서의 가스 질화 처리의 분위기 온도를 590℃, 처리 시간 X를 1.0시간, 처리 시간 Y를 2.0시간, KNXave를 0.40, KNYave를 0.10으로 일정하게 했다. 그리고, 가스 질화 처리 중에 있어서, KNX, KNY의 최솟값 KNXmin, KNYmin, 최댓값 KNXmax, KNYmax를 변화시키고, 고KN값 처리 및 저KN값 처리를 실시했다. 질화 처리 전체의 처리 시간 A는 3.0시간으로 했다.
처리 온도 570 내지 590℃에 있어서, 화합물층이 10㎛ 이상 생성되는 일반적인 가스 질화 처리의 경우, 가스 질화 처리 전체의 처리 시간을 3.0시간으로 하면, 유효 경화층 깊이는 225㎛±20㎛가 된다. 가스 질화 처리 후의 질화 부품에 대하여, 상술한 측정 방법에 의해, 화합물층 두께, 공극 면적률, 유효 경화층 깊이 및 표면 경도를 측정하여, 표 1을 얻었다.
표 1을 참조하여, 시험 번호 3 내지 6, 10 내지 15에서는 최솟값 KNXmin 및 최댓값 KNXmax가 0.15 내지 1.50이고, 또한 최솟값 KNYmin 및 최댓값 KNYmax가 0.02 내지 0.25였다. 그 결과, 화합물 두께가 3㎛ 이하로 얇고, 공극은 10% 미만으로 억제되었다. 또한, 유효 경화층 깊이는 225㎛ 이상이고, 표면 경도는 570HV 이상이었다.
한편, 시험 번호 1 및 2에서는 KNXmin이 0.15 미만이기 때문에, 표면 경도가 570HV 미만이었다. 시험 번호 1에서는 또한, KNXmin이 0.14 미만이기 때문에, 유효 경화층 깊이가 225㎛ 미만이었다.
시험 번호 7 및 8에서는 KNXmax가 1.5를 초과했기 때문에, 화합물층 중의 공극이 10% 이상이 되었다. 시험 번호 8에서는 또한, KNXmax가 1.55를 초과했기 때문에, 화합물층의 두께가 3㎛를 초과했다.
시험 번호 9에서는 KNYmin이 0.02 미만이었기 때문에, 표면 경도가 570HV 미만이었다. 이것은, 저KN값 처리에 의해 화합물층이 소실될 뿐만 아니라, 표층으로부터 탈질소가 발생했기 때문이라고 생각된다. 또한, 시험 번호 16에서는 KNYmax가 0.25를 초과했다. 그로 인해, 화합물층의 두께가 3㎛를 초과했다. KNYmax가 0.25를 초과했기 때문에, 충분히 화합물층의 분해가 일어나지 않았다고 생각된다.
이상의 결과로부터, 고KN값 처리에서의 질화 포텐셜 KNX를 0.15 내지 1.50으로 하고, 또한 저KN값 처리 중에 있어서의 질화 포텐셜 KNY를 0.02 내지 0.25로 한다. 이 경우, 질화 처리 후의 부품에 있어서, 화합물층의 두께를 충분히 얇게 할 수 있고, 공극도 억제할 수 있다. 또한, 유효 경화층 깊이를 충분히 깊이 할 수 있고, 또한 높은 표면 경도가 얻어진다.
질화 포텐셜 KNX가 0.15 미만이면, 유효 경화층이 지나치게 얕거나, 표면 경도가 지나치게 낮거나 한다. 질화 포텐셜 KNX가 1.50을 초과하면, 화합물층이 지나치게 두꺼워지거나, 공극이 과잉으로 잔존하거나 한다.
또한, 질화 포텐셜 KNY가 0.02 미만이면, 탈질소가 발생하여 표면 경도가 저하된다. 한편, 질화 포텐셜 KNY가 0.20을 초과하면, 화합물층이 지나치게 두꺼워진다. 따라서, 본 실시 형태에서는 고KN값 처리 중에 있어서의 질화 포텐셜 KNX가 0.15 내지 1.50이고, 또한 저KN값 처리 중에 있어서의 질화 포텐셜 KNY가 0.02 내지 0.25이다.
질화 포텐셜 KNX의 바람직한 하한은 0.25이다. KNX의 바람직한 상한은 1.40이다. KNY의 바람직한 하한은 0.03이다. KNY의 바람직한 상한은 0.22이다.
[(IV) 질화 처리 중의 질화 포텐셜의 평균값 KNave]
본 실시 형태의 가스 질화 처리에서는 또한, 식 (2)로 정의되는 질화 포텐셜의 평균값 KNave가 0.07 내지 0.30이다.
도 4는 평균값 KNave와, 표면 경도(HV)와, 화합물층 깊이(㎛)의 관계를 도시하는 도면이다. 도 4는 다음의 시험을 실시하여 얻어졌다. 강 a를 공시재로 하고, 가스 질화 처리를 실시했다. 가스 질화 처리에서의 분위기 온도는 590℃로 했다. 그리고, 처리 시간 X, 처리 시간 Y, 질화 포텐셜의 범위 및 평균값(KNX, KNY, KNXave, KNYave)을 변화시켜 가스 질화 처리(고KN값 처리 및 저KN값 처리)를 실시했다.
각 시험 조건의 가스 질화 처리 후의 공시재에 대하여, 상술한 방법에 의해, 화합물층 두께와, 표면 경도를 측정했다. 얻어진 화합물층 두께 및 표면 경도를 측정하여, 도 4를 작성했다.
도 4 중의 실선은 질화 포텐셜의 평균값 KNave와 표면 경도(HV)의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 4 중의 파선은 평균값 KNave와 화합물층의 두께(㎛)의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 4의 실선의 그래프를 참조하여, 평균값 KNave가 0으로부터 높아지는 것에 따라, 표면 경도는 현저하게 높아지고, 평균값 KNave가 0.07이 되었을 때에, 570HV 이상이 된다. 그리고, 평균값 KNave가 0.07 이상이 된 경우, 평균값 KNave가 높아져도, 표면 경도는 거의 일정하다. 즉, 평균값 KNave와 표면 경도(HV)의 그래프에서는, 평균값 KNave=0.07 부근에 변곡점이 존재한다.
또한, 도 4의 파선의 그래프를 참조하여, 평균값 KNave가 0.35로부터 저하되는 것에 따라, 화합물 두께는 현저하게 얇아지고, 평균값 KNave가 0.30이 되었을 때에, 3㎛ 이하가 된다. 그리고, 평균값 KNave가 0.30 미만이 된 경우, 평균값 KNave가 낮아지는 것에 따라, 화합물 두께는 조금씩 얇아지기는 하지만, 평균값 KNave가 0.30보다도 높은 경우와 비교하여, 화합물층의 두께의 감소분은 적다. 이상으로부터, 평균값 KNave와 화합물층의 두께의 그래프에서는, 평균값 KNave=0.30 부근에 변곡점이 존재한다.
이상의 결과로부터, 본 실시 형태의 가스 질화 처리에서는 식 (2)로 정의되는 평균값 KNave를 0.07 내지 0.30으로 한다. 이 경우, 가스 질화 처리 후의 부품에서는, 화합물층을 충분히 얇게 할 수 있다. 또한, 높은 표면 경도가 얻어진다. 평균값 KNave가 0.07 미만이면, 표면 경도가 낮다. 한편, 평균값 KNave가 0.30을 초과하면, 화합물층이 3㎛를 초과한다. 평균값 KNave의 바람직한 하한은 0.08이다. 평균값 KNave의 바람직한 상한은 0.27이다.
[고KN값 처리 및 저KN값 처리의 처리 시간]
고KN값 처리의 처리 시간 X 및 저KN값 처리의 처리 시간 Y는 식 (2)로 정의되는 평균값 KNave가 0.07 내지 0.30이라면, 특별히 제한되지 않는다. 바람직하게는, 처리 시간 X는 0.50시간 이상이고, 처리 시간 Y는 0.50시간 이상이다.
이상의 제조건에 의해, 가스 질화 처리를 실시한다. 구체적으로는, 상기 조건에서 고KN값 처리를 실시하고, 그 후, 상기 조건에서 저KN값 처리를 실시한다. 저KN값 처리 후, 질화 포텐셜을 상승시키지 않고 가스 질화 처리를 종료한다.
본 발명에서 규정한 성분을 갖는 강에 대하여, 상기 가스 질화 처리를 실시함으로써, 질화 부품을 제조한다. 제조된 질화 부품에서는 표면 경도가 충분히 깊고, 화합물층이 충분히 얇다. 또한, 유효 경화층 깊이가 충분히 깊어, 화합물층 중의 공극도 억제할 수 있다. 바람직하게는, 본 실시 형태의 질화 처리를 실시하여 제조된 질화 부품에서는 표면 경도가 비커스 경도로 570HV 이상, 화합물층 깊이가 3㎛ 이하가 된다. 또한, 공극 면적률이 10% 미만이 된다. 또한, 유효 경화층 깊이는 160 내지 410㎛가 된다.
실시예
표 2에 나타내는 화학 성분을 갖는 강 a 내지 z를, 50㎏ 진공 용해로에서 용해하여 용강을 제조했다. 용강을 주조하여 잉곳을 제조했다. 또한, 표 2 중의 a 내지 q는 본 발명에서 규정하는 화학 성분을 갖는 강이다. 한편, 강 r 내지 z는 적어도 1 원소 이상, 본 발명에서 규정하는 화학 성분으로부터 벗어난 비교예의 강이다.
이 잉곳을 열간 단조하여 직경 35㎜의 환봉으로 했다. 계속해서, 각 환봉을 어닐링한 후, 절삭 가공을 실시하고, 화합물층의 두께, 공극의 체적률, 유효 경화층 깊이 및 표면 경도를 평가하기 위한 판상 시험편을 제작했다. 판상 시험편은 세로 20㎜, 가로 20㎜, 두께 2㎜로 했다. 또한, 도 5에 도시하는 내피팅성을 평가하기 위한 롤러 피팅 시험용의 소롤러, 도 6에 도시하는 대롤러를 제작했다. 또한, 도 7에 도시하는 내굽힘 피로 특성을 평가하기 위한 원기둥 시험편을 제작했다.
채취된 시험편에 대하여, 다음의 조건에서 가스 질화 처리를 실시했다. 시험편을 가스 질화로에 장입하고, 노 내에 NH3, H2, N2의 각 가스를 도입했다. 그 후, 표 3, 4에 나타내는 조건에서 고KN값 처리를 실시하고, 그 후, 저KN값 처리를 실시했다. 가스 질화 처리 후의 시험편에 대하여, 80℃의 오일을 사용하여 유랭을 실시했다.
[화합물층의 두께 및 공극 면적률의 측정 시험]
가스 질화 처리 후의 시험편의, 길이 방향에 수직인 방향의 단면을 경면 연마하고, 에칭했다. 광학 현미경을 사용하여 에칭된 단면을 관찰하고, 화합물층 두께의 측정 및 표층부의 공극의 유무의 확인을 행하였다. 에칭은 3% 나이탈 용액으로 20 내지 30초간 행하였다.
화합물층은 표층에 존재하는 백색 미부식의 층으로서 확인 가능하다. 500배로 촬영한 조직 사진 5시야(시야 면적: 2.2×104㎛2)로부터, 화합물층을 관찰하고, 각각 30㎛마다 4점의 화합물층의 두께를 측정했다. 그리고, 측정된 20점의 평균값을, 화합물 두께(㎛)라고 정의했다.
또한, 에칭된 단면에 대하여 1000배로 5시야 관찰하고, 최표면으로부터 5㎛ 깊이의 범위의 면적 25㎛2 중에 차지하는 공극의 총 면적의 비(공극 면적률, 단위는 %)를 구했다.
[표면 경도 및 유효 경화층 측정 시험]
가스 질화 처리 후의 각 시험 번호의 봉강에 대하여, JIS Z 2244에 준거하여, 시험력 1.96N으로, 표면으로부터 50㎛, 100㎛, 이후 50㎛마다 깊이 1000㎛까지 비커스 경도를 측정했다. 비커스 경도(HV)는 각 5점씩 측정하고, 평균값을 구했다. 표면 경도는 표면으로부터 50㎛ 위치의 5점의 평균값으로 했다.
표면으로부터 깊이 방향으로 측정된 비커스 경도의 분포 중, 300HV 이상이 되는 범위의 깊이를, 유효 경화층 깊이(㎛)라고 정의했다.
화합물층의 두께는 3㎛ 이하, 공극의 비율은 10% 미만, 표면 경도는 570HV 이상이라면 양호라고 판정했다. 또한, 유효 경화층 깊이가 160 내지 410㎛를 만족시키면, 양호라고 판정했다.
이하, 양호 및 불량의 시험편을 사용하여, 내피팅성, 내굽힘 특성, 내회전 굽힘 피로 특성의 평가를 행하였다.
[내피팅성 평가 시험]
가스 질화 처리 후의 각 시험 번호의 롤러 피팅 시험용 소롤러를, 열처리 변형을 없앨 목적으로 파지부의 마무리 가공을 행한 후, 각각 롤러 피팅 시험편에 제공했다. 마무리 가공 후의 형상을 도 5에 도시한다. 피팅 피로 시험은 상기 롤러 피팅 시험용 소롤러와 도 6에 도시하는 형상의 롤러 피팅 시험용 대롤러를 조합함으로써 실시했다. 또한, 도 5, 6에 있어서의 치수의 단위는 「㎜」이다.
상기 롤러 피팅 시험용 대롤러는 JIS의 SCM420의 규격을 만족시키는 강을 사용하여, 일반적인 제조 공정, 즉 「노멀라이징→시험편 가공→가스 침탄로에 의한 공석 침탄→저온 템퍼링→연마」의 공정에 의해 제작한 것이고, 표면으로부터 0.05㎜의 위치, 즉 깊이 0.05㎜의 위치에 있어서의 비커스 경도 Hv는 740 내지 760이고, 또한 비커스 경도 Hv가 550 이상인 깊이는 0.8 내지 1.0㎜의 범위에 있었다.
표 5에 피팅 피로 시험의 조건을 나타낸다. 시험 중단 횟수는 일반적인 강의 피로 한도를 나타내는 107회로 하고, 소롤러 시험편에 있어서 피팅이 발생하지 않고 107회에 도달한 최대 면압을 소롤러 시험편의 피로 한도로 했다. 피팅 발생의 검출은 시험기에 비치된 진동계에 의해 행하고, 진동 발생 후에, 소롤러 시험편과 대롤러 시험편의 양쪽의 회전을 정지시켜, 피팅 발생과 회전수를 확인했다. 본 발명 부품에 있어서는, 피로 한도에 있어서의 최대 면압이 1800㎫ 이상인 것을 목표로 했다.
[내굽힘 피로 특성 평가 시험]
가스 질화 처리에 제공한 원기둥 시험편에 대하여, 오노식 회전 굽힘 피로 시험을 실시했다. 회전수는 3000rpm, 시험 중단 횟수는 일반적인 강의 피로 한도를 나타내는 107회로 하고, 회전 굽힘 피로 시험편에 있어서, 파단이 발생하지 않고 107회에 도달했을 때의 최대의 응력 진폭을 회전 굽힘 피로 시험편의 피로 한도로 했다. 시험편의 형상을 도 7에 도시한다. 본 발명 부품에 있어서는, 피로 한도에 있어서의 최대 응력이 550㎫ 이상인 것을 목표로 했다.
[시험 결과]
결과를 표 3에 나타낸다. 표 3, 4 중의 「유효 경화층 깊이(목표)」란에는 식 (A)로 산출된 값(목표값)이 기재되어 있고, 「유효 경화층 깊이(실적)」에는 유효 경화층의 측정값(㎛)이 기재되어 있다.
표 3, 4를 참조하여, 시험 번호 17 내지 41에서는 가스 질화 처리에서의 처리 온도가 550 내지 620℃이고, 처리 시간 A가 1.5 내지 10시간이었다. 또한, 고KN값 처리에 있어서의 KNX가 0.15 내지 1.50이고, 평균값 KNXave가 0.30 내지 0.80이었다. 또한, 저KN값 처리에 있어서의 KNY가 0.02 내지 0.25이고, 평균값 KNYave가 0.03 내지 0.20이었다. 또한, (식 2)로 구해지는 평균값 KNave가 0.07 내지 0.30이었다. 그로 인해, 어느 시험 번호에 있어서도, 질화 처리 후의 화합물층의 두께는 3㎛ 이하이고, 공극 면적률은 10% 미만이었다.
또한, 유효 경화층은 160 내지 410㎛를 만족시키고, 표면 경도가 570HV 이상이었다. 피팅 강도 및 굽힘 피로 강도도 각각 목표인 1800㎫, 550㎫ 이상을 만족시키고 있었다. 또한, 화합물층이 존재하는 시험편의 표층 단면에 대하여, SEM-EBSD법에 의해 화합물층의 상 구조를 조사한바, 면적 비율로 γ'(Fe4N)이 50% 이상, 잔부가 ε(Fe2∼3N)이었다.
한편, 시험 번호 42에서는 고KN값 처리에 있어서의 KNX의 최솟값이 0.15 미만이었다. 그로 인해, 고KN값 처리 중에 화합물층이 안정적으로 형성되지 않았기 때문에, 유효 경화층 깊이가 160㎛ 미만이 되고, 피팅 강도는 1800㎫ 미만이고, 굽힘 피로 강도가 550㎫ 미만이었다.
시험 번호 43에서는 고KN값 처리에 있어서의 KNX의 최댓값이 1.50을 초과했다. 그로 인해, 공극 면적률이 10% 이상이 되고, 피팅 강도는 1800㎫ 미만이고, 굽힘 피로 강도가 550㎫ 미만이었다.
시험 번호 44에서는 고KN값 처리에 있어서의 평균값 KNXave가 0.30 미만이었다. 그로 인해, 고KN값 처리 중에 충분한 두께의 화합물층이 형성되지 않고, 저KN값 처리 중 조기에 화합물층이 분해되어 버렸기 때문에, 유효 경화층 깊이가 160㎛ 미만이 되고, 표면 경도도 570HV 미만이었기 때문에, 피팅 강도는 1800㎫ 미만이고, 굽힘 피로 강도가 550㎫ 미만이었다.
시험 번호 45에서는 고KN값 처리에 있어서의 평균값 KNXave가 0.80을 초과했다. 그로 인해, 화합물층 두께가 3㎛를 초과하고, 또한 공극 면적률이 10% 이상이 되고, 피팅 강도는 1800㎫ 미만이고, 굽힘 피로 강도가 550㎫ 미만이었다.
시험 번호 46에서는 저KN값 처리에 있어서의 KNY의 최솟값이 0.02 미만이었다. 그로 인해, 저KN값 처리 중 조기에 화합물층이 분해되어 버렸기 때문에, 유효 경화층 깊이가 160㎛ 미만이 되고, 표면 경도도 570HV 미만이었기 때문에, 피팅 강도는 1800㎫ 미만이고, 굽힘 피로 강도가 550㎫ 미만이었다.
시험 번호 47에서는 저KN값 처리에 있어서의 KNY의 최솟값이 0.02 미만이고, 또한 저KN값 처리에 있어서의 평균값 KYave가 0.03 미만이었다. 그로 인해, 유효 경화층 깊이가 160㎛ 미만이 되고, 표면 경도도 570HV 미만이었기 때문에, 피팅 강도는 1800㎫ 미만이고, 굽힘 피로 강도가 550㎫ 미만이었다.
시험 번호 48에서는 평균값 KNave가 0.07 미만이었다. 그로 인해, 표면 경도가 570HV 미만이었기 때문에, 피팅 강도는 1800㎫ 미만이고, 굽힘 피로 강도가 550㎫ 미만이었다.
시험 번호 49에서는 저KN값 처리에 있어서의 평균값 KYave가 0.20을 초과했다. 그로 인해, 화합물층 두께가 3㎛를 초과했기 때문에, 피팅 강도는 1800㎫ 미만이고, 굽힘 피로 강도가 550㎫ 미만이었다.
시험 번호 50에서는 평균값 KNave가 0.30을 초과했다. 그로 인해, 화합물층 두께가 3㎛를 초과했기 때문에, 피팅 강도는 1800㎫ 미만이고, 굽힘 피로 강도가 550㎫ 미만이었다.
시험 번호 51에서는 고KN저KN값 처리를 행하지 않고, 평균값 KNave가 0.07 내지 0.30이 되는 제어를 행하였다. 그 결과, 화합물층 두께가 3㎛를 초과했기 때문에, 피팅 강도는 1800㎫ 미만이고, 굽힘 피로 강도가 550㎫ 미만이 되었다.
시험 번호 52 내지 60에서는 본 발명에서 규정하는 범위 외의 성분을 갖는 강 r 내지 z를 사용하여, 본 발명에서 규정한 질화 처리를 행하였다. 그 결과, 피팅 강도, 굽힘 피로 강도 중 적어도 한쪽이 목표값을 만족시키지 않았다.
이상, 본 발명의 실시 형태를 설명했다. 그러나, 상술한 실시 형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 상술한 실시 형태를 적절히 변경하여 실시할 수 있다.
1 : 다공성층
2 : 화합물층
3 : 질소 확산층
2 : 화합물층
3 : 질소 확산층
Claims (10)
- 질량%로,
C:0.05 내지 0.25%,
Si:0.05 내지 1.5%,
Mn:0.2 내지 2.5%,
P:0.025% 이하,
S:0.003 내지 0.05%,
Cr:0.5 초과 내지 2.0%,
Al:0.01 내지 0.05% 및
N:0.003 내지 0.025%
를 함유하고,
임의의 첨가 원소로서,
Mo:0.01 내지 0.50% 미만, V:0.01 내지 0.50% 미만, Cu:0.01 내지 0.50% 미만, Ni:0.01 내지 0.50% 미만, Ti:0.005 내지 0.05% 미만 중 1종 또는 2종 이상을 함유하고,
잔부가 Fe 및 불순물인 강재를 소재로 하고,
강 표면에 형성된, 철, 질소 및 탄소를 함유하는 두께 3㎛ 이하의 화합물층과, 화합물층의 아래에 형성된 경화층을 갖고,
강 표면으로부터 깊이 방향으로 측정된 비커스 경도 분포 중 300HV 이상이 되는 범위의 깊이라고 정의되는 유효 경화층 깊이가 160 내지 410㎛인
것을 특징으로 하는 질화 처리 강 부품. - 제1항에 있어서, 상기 강재의 최표면으로부터 5㎛ 깊이의 범위의 면적 25㎛2 중에 차지하는 공극의 비율이 10% 미만인 것을 특징으로 하는 질화 처리 강 부품.
- 질량%로,
C:0.05 내지 0.25%,
Si:0.05 내지 1.5%,
Mn:0.2 내지 2.5%,
P:0.025% 이하,
S:0.003 내지 0.05%,
Cr:0.5 초과 내지 2.0%,
Al:0.01 내지 0.05% 및
N:0.003 내지 0.025%
를 함유하고,
임의의 첨가 원소로서,
Mo:0.01 내지 0.50% 미만, V:0.01 내지 0.50% 미만, Cu:0.01 내지 0.50% 미만, Ni:0.01 내지 0.50% 미만, Ti:0.005 내지 0.05% 미만 중 1종 또는 2종 이상을 함유하고,
잔부는 Fe 및 불순물인 강재를 소재로 하고,
NH3, H2 및 N2를 포함하는 가스 분위기에서 상기 강재를 550 내지 620℃로 가열하고, 전체의 처리 시간 A를 1.5 내지 10시간으로 하는 가스 질화 처리를 실시하는 공정을 구비하고,
상기 가스 질화 처리는, 처리 시간을 X시간으로 하는 고KN값 처리와, 고KN값 처리에 이어지는 처리 시간을 Y시간으로 하는 저KN값 처리로 이루어지고,
상기 고KN값 처리는, 식 (1)에 의해 구해지는 질화 포텐셜 KNX가 0.15 내지 1.50이고, 식 (2)에 의해 구해지는 상기 질화 포텐셜 KNX의 평균값 KNXave가 0.30 내지 0.80이고,
상기 저KN값 처리는, 식 (3)에 의해 구해지는 질화 포텐셜 KNY가 0.02 내지 0.25이고, 식 (4)에 의해 구해지는 상기 질화 포텐셜 KNY의 평균값 KNYave가 0.03 내지 0.20이고, 식 (5)에 의해 구해지는 질화 포텐셜의 평균값 KNave가 0.07 내지 0.30인
것을 특징으로 하는 질화 처리 강 부품의 제조 방법.
여기서, 식 (2) 및 식 (4)에 있어서, 첨자 i는 일정 시간 간격마다의 측정회를 나타내는 수이고, X0은 질화 포텐셜 KNX의 측정 간격(시간), Y0은 질화 포텐셜 KNY의 측정 간격(시간), KNXi는 고KN값 처리 중의 i회째의 측정에 있어서의 질화 포텐셜, KNYi는 저KN값 처리 중의 i회째의 측정에 있어서의 질화 포텐셜이다. - 제3항에 있어서, 상기 가스 분위기는 NH3, H2 및 N2를 합계로 99.5 체적% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 질화 처리 강 부품의 제조 방법.
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