KR20140129081A

KR20140129081A - 연질화용 강 및 이 강을 소재로 하는 연질화 부품

Info

Publication number: KR20140129081A
Application number: KR1020147024603A
Authority: KR
Inventors: 타카시 이와모토; 케이스케 안도; 쿠니카즈 도미타; 야스히로 오모리; 키요시 우와이; 신지 미타오
Original assignee: Jfe 죠코 가부시키가이샤; 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2014-11-06
Also published as: EP2816128A4; EP2816128B1; WO2013121794A8; MY177826A; US20150020926A1; JPWO2013121794A1; EP2816128A1; WO2013121794A1; JP5449626B1; CN104114733A

Abstract

본 발명에 따라, 소정의 성분 조성으로 이루어지고, 연질화(軟窒化) 전에 있어서, 베이나이트 면적률이 50％ 초과의 조직을 가짐으로써, 연질화 전은, 피삭성이 우수한 한편, 연질화 후는, 종래 강, 예를 들면, SCr420 강의 침탄재와 동등한 강도·인성을 구비하고, 또한 보다 우수한 피로 특성을 구비한 연질화용 강을 얻을 수 있다.

Description

연질화용 강 및 이 강을 소재로 하는 연질화 부품{STEEL FOR NITROCARBURIZING AND NITROCARBURIZED COMPONENT USING THE STEEL AS MATERIAL}

본 발명은, 연질화(軟窒化)용 강 및 이 강을 소재로 하는 연질화 부품, 특히 연질화 후에 있어서 피로 특성이 우수하고, 자동차, 건설 기계용으로서 바람직한 연질화용 강 및 이 강을 소재로 하는 연질화 부품에 관한 것이다.

자동차의 톱니바퀴 등의 기계 구조 부품에는, 우수한 피로 특성이 요구되어, 표면 경화 처리가 행해지는 것이 통례이다. 표면 경화 처리로서 침탄 처리, 고주파 퀀칭 처리 및 질화 처리가 잘 알려져 있다.

침탄 처리는, 고온의 오스테나이트역(域)에 있어서 C를 침입·확산시키기 때문에, 깊은 경화 깊이가 얻어져, 피로 강도의 향상에 유효하다.

그러나, 열처리 변형이 발생하는 점으로부터, 정숙성 등의 관점에서 엄격한 치수 정밀도가 요구되는 부품에는, 그 적용이 곤란했다.

고주파 퀀칭 처리는, 고주파 유도 가열에 의해 표층부를 퀀칭하는 처리로, 침탄 처리와 동일하게 치수 정밀도가 뒤떨어진다.

질화 처리는, Ac₁ 변태점 이하의 온도역에서 질소를 침입·확산시켜 표면 경도를 높이는 처리이지만, 처리 시간이 50∼100시간으로 길고, 또한 처리 후에 표층의 무른 화합물층을 제거할 필요가 있었다.

그 때문에, 질화 처리와 동(同) 정도의 처리 온도에서, 질화를 단시간에 처리하는 연질화 처리가 개발되어, 최근에는 기계 구조용 부품 등을 대상으로 널리 보급되고 있다. 연질화 처리는, 500∼600℃의 범위 내의 온도역에서, N과 C를 동시에 침입·확산시켜, 표면을 경화하는 것으로, 종래의 질화 처리와 비교하여 절반 이하의 처리 시간으로 하는 것이 가능하다.

그러나, 침탄 처리에서는, 퀀칭 경화에 의해 심부 경도(core hardness)를 상승시키는 것이 가능한 것에 대하여, 연질화 처리에서는, 강의 변태점 이하의 온도에서 처리를 행하기 때문에, 심부 경도가 상승하지 않고, 연질화 처리재는, 침탄 처리재와 비교하면, 피로 강도가 뒤떨어진다.

연질화 처리재의 피로 강도를 높이기 위해, 통상, 연질화 전에 퀀칭·템퍼링 처리에 의해, 심부 경도를 상승시키는 것이 행해지지만, 얻어지는 피로 강도는, 충분하다고는 하기 어렵고, 또한, 제조 비용이 상승하며, 기계 가공성도 저하된다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 강의 성분 조성을, Ni, Al, Cr, Ti를 함유하는 성분 조성으로 하고, 연질화시에 심부는, Ni-Al, Ni-Ti계의 금속 간 화합물 혹은 Cu 화합물에 의해 시효 경화시키고, 표면은, 질화층 중에 Cr, Al, Ti 등의 질화물이나 탄화물을 석출 경화시키는 것이 제안되고 있다(특허문헌 1, 특허문헌 2).

특허문헌 3에는, Cu를 0.5∼2％ 함유한 강을, 열간 단조로 단신(鍛伸) 후, 공랭(空冷)하여 Cu를 고용(固溶)한 페라이트 주체 조직으로 하여, 580℃×120분의 연질화 처리 중에 Cu를 석출시키고, 추가로 Ti, V, Nb 탄질화물의 석출 경화도 병용하여, 연질화 처리 후에 있어서 우수한 굽힘 피로 특성을 구비한 강으로 하는 것이 기재되어 있다. 특허문헌 4에는, Ti-Mo 탄화물, 또한 그들에 추가로 Nb, V, W의 1종 또는 2종 이상을 포함하는 탄화물을 분산한 연질화용 강이 개시되어 있다.

일본공개특허공보 평5-59488호 일본공개특허공보 평7-138701호 일본공개특허공보 2002-69572호 일본공개특허공보 2010-163671호

그러나, 특허문헌 1, 2에 기재된 연질화 강은, Cu 등의 석출 경화에 의해, 굽힘 피로 강도는 향상하기는 하지만, 가공성의 확보가 충분하다고는 하기 어렵고, 특허문헌 3에 기재된 연질화 강은, Cu, Ti, V, Nb를 비교적 다량으로 첨가하는 것이 필요하여, 생산 비용이 높다. 특허문헌 4에 기재된 연질화용 강은, Ti, Mo를 비교적 다량으로 포함하기 때문에 생산 비용이 높다는 문제가 있다.

그래서, 본 발명은, 연질화 전은, 경도가 낮고 기계 가공성이 우수한 성질을 가지면서, 연질화 처리에 의해 심부 경도를 높이는 것이 가능하고, 또한 피로 특성이 우수한 연질화 부품의 제조가 비교적 염가로 가능한 연질화용 강 및 이 강을 소재로 하는 연질화 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해, 강의 연질화 후의 피로 특성에 미치는 조직, 조성의 영향에 대해서 예의 검토를 행했다. 이 결과, 강 조성으로서 V, Nb를 특정량 함유시켜, 베이나이트 주체 조직을 연질화 전(前) 조직으로 한 강재에 대하여 연질화 처리를 행하고, 그때의 온도 상승을 이용하여, 연질화되는 표층부 이외의 심부 조직 중에 미세한 석출물을 시효 석출시킴으로써 심부 경도를 상승시키면, 연질화 후에, 우수한 피로 특성이 얻어진다는 인식을 얻었다.

본 발명은, 상기 인식을 기초로, 추가로 검토를 더하여 이루어진 것으로, 하기를 특징으로 한다.

1. 질량％로, C: 0.01％ 이상 0.10％ 미만, Si: 1.0％ 이하, Mn: 0.5∼3.0％, Cr: 0.30∼3.0％, Mo: 0.005∼0.4％, V: 0.02∼0.5％, Nb: 0.003∼0.15％, Al: 0.005∼0.2％, S: 0.06％ 이하, P: 0.02％ 이하 및 B: 0.0003∼0.01％를 포함하고, 잔부: Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 연질화 전에 있어서, 베이나이트 면적률 50％ 초과의 조직을 갖는 연질화용 강.

2. 연질화 후에 있어서, 베이나이트상(相) 중에 V, Nb를 포함하는 석출물이 분산 석출되어 있는 상기 1에 기재된 연질화용 강.

3. 상기 1 또는 2에 기재된 연질화용 강을 소재로 하는 연질화 부품.

본 발명에 의하면, 연질화 전은, 피삭성이 우수하고, 연질화 후는, 종래 강, 예를 들면, SCr420 강의 침탄재와 동등한 강도·인성을 갖고, 더욱 우수한 피로 특성을 구비한 연질화용 강과, 이 강을 소재로 하는 연질화 부품을 얻을 수 있어, 산업상 매우 유용하다.

도 1은 본 발명의 연질화용 강을 이용하여 연질화 부품을 제조하기 위한 제조 공정을 나타내는 개략도이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

본 발명에 따른 연질화용 강의 마이크로 조직, 성분 조성 및 제조 조건에 대해서, 이하에 설명한다.

1. 마이크로 조직

연질화 전의 마이크로 조직을 베이나이트 면적률 50％ 초과로 하고, 또한 연질화 후에 베이나이트상 중에 V, Nb 석출물을 분산 석출시킨 조직으로 한다. 연질화 전의 모상(母相)을, 베이나이트 면적률 50％ 초과의 베이나이트 주체 조직으로 한 경우, 페라이트-펄라이트 조직의 경우에 비해 모상 중으로의 V, Nb 석출물의 생성이 현저하게 억제된다. 그 결과, 연질화 전에 V, Nb 석출물이 석출되고, 강의 경도가 상승하는 것을 억제할 수 있어, 통상 연질화 전에 행해지는 절삭 가공성이 개선된다. 또한, 이것에 연질화 처리를 행하면, 표층부가 질화됨과 동시에, 표층 질화부 이외의 심부 베이나이트 조직 중에는, V, Nb 석출물이 시효 석출되어, 심부 경도가 상승한다. 이 결과, 연질화 후의 피로 강도 그리고 강도가 현저하게 향상한다.

또한, 본 발명에 있어서, 베이나이트 면적률 50％ 초과의 조직이란, 단면 조직 관찰(200배의 광학 현미경 조직 관찰)에서 베이나이트 조직(상)의 면적률이 50％를 초과하는 것이다. 바람직하게는, 베이나이트 조직의 면적률이 60％ 초과, 더욱 바람직하게는, 80％ 초과로 한다. 또한, 베이나이트 조직 중에 석출되는 V, Nb 석출물로서, 입경: 10㎚ 미만의 미세한 석출물이 분산되어 있는 것이 바람직하다. 또한 이 입경: 10㎚ 미만의 V, Nb 석출물은, 1㎛²당 500개 이상 존재하는 것이, 충분히 석출 강화시키는 데에 있어서 바람직하다.

2. 성분 조성

본 발명의 연질화용 강에 있어서의 성분 조성의 한정 이유에 대해서 설명한다. 이하, 강 성분의 ％는, 모두 질량％이다.

C: 0.01％ 이상, 0.10％ 미만

C는, 베이나이트 조직 생성 및 강도 확보를 위해 첨가한다. C 첨가량이 0.01％ 미만인 경우, 베이나이트 생성량이 감소함과 함께, V, Nb 석출물량이 감소하여, 강도 확보가 곤란해진다. 한편, C를 0.10％ 이상 첨가하면, 베이나이트 조직의 경도가 증가하여, 기계 가공성이 저하된다. 따라서, C 첨가량은, 0.01％ 이상, 0.10％ 미만의 범위 내로 한다. 보다 바람직하게는, 0.03％ 이상, 0.10％ 미만이다.

Si: 1.0％ 이하

Si는, 탈산 그리고 베이나이트 조직 생성에 유효하기 때문에 첨가하지만, Si 첨가량이 1.0％를 초과하면, 페라이트 및 베이나이트 조직의 고용 경화에 의해, 기계 가공성 및 냉간 가공성을 열화시킨다. 따라서, Si 첨가량은, 1.0％ 이하로 한다. 보다 바람직하게는, 0.5％ 이하이다. 더욱 바람직하게는, 0.3％ 이하이다. 또한, Si를, 탈산에 유효하게 기여시키기 위해서는, Si 첨가량을 0.01％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Mn: 0.5∼3.0％

Mn은, 베이나이트 조직 생성 그리고 강도 향상에 유효하기 때문에 첨가한다. Mn 첨가량이 0.5％ 미만인 경우, 베이나이트 조직 생성량이 감소하여, V, Nb 석출물이 생성되기 때문에, 연질화 전 경도가 증가함과 함께, 연질화 처리 후의 V, Nb 석출물 생성량이 감소하게 되고, 연질화 후 경도가 저하되어 강도 확보가 곤란해진다. 한편, Mn 첨가량이 3.0％를 초과하면, 기계 가공성 및 냉간 가공성을 열화시킨다. 따라서, Mn 첨가량은, 0.5∼3.0％의 범위 내로 한다. 보다 바람직하게는, 0.5％ 이상, 2.5％ 이하이다. 더욱 바람직하게는, 0.6％ 이상, 2.0％ 이하이다.

Cr: 0.30∼3.0％

Cr은, 베이나이트 조직의 생성에 유효하기 때문에 첨가한다. Cr 첨가량이 0.30％ 미만에서는 베이나이트 조직 생성량이 감소하고, V, Nb 석출물이 생성되기 때문에, 연질화 전 경도가 증가함과 함께, 연질화 처리 후의 V, Nb 석출물 생성량이 감소하게 되고, 연질화 후 경도가 저하되어 강도 확보가 곤란해진다. 한편, Cr 첨가량이 3.0％를 초과하면, 기계 가공성 및 냉간 가공성을 열화시킨다. 따라서, Cr 첨가량은, 0.30∼3.0％의 범위 내로 한다. 보다 바람직하게는, 0.5％ 이상, 2.0％ 이하이다. 더욱 바람직하게는, 0.5％ 이상, 1.5％ 이하이다.

V: 0.02∼0.5％

V는, 연질화시의 온도 상승에 의해 Nb와 함께 미세 석출물을 형성하여, 심부 경도를 증가시키고, 강도를 향상시키는 중요한 원소이다. V 첨가량이 0.02％ 미만에서는, 첨가 효과가 결여된다. 한편, V 첨가량이 0.5％를 초과하면, 석출물이 조대화(coarse)하게 된다. 따라서, V 첨가량은, 0.02∼0.5％의 범위 내로 한다. 보다 바람직하게는, 0.03％ 이상, 0.3％ 이하이다. 더욱 바람직하게는, 0.03％ 이상, 0.25％ 이하이다.

Nb: 0.003∼0.15％

Nb는, 연질화시의 온도 상승에 의해 V와 함께 미세 석출물을 형성하여, 심부 경도를 증가시키고, 피로 강도를 향상시키는 매우 유효한 원소이다. Nb 첨가량이 0.003％ 미만에서는, 첨가 효과가 결여된다. 한편, Nb 첨가량이 0.15％를 초과하면, 석출물이 조대화한다. 따라서, Nb 첨가량은, 0.003∼0.15％의 범위 내로 한다. 보다 바람직하게는, 0.02％ 이상, 0.12％ 이하이다.

Mo: 0.005∼0.4％

Mo는, V, Nb 석출물을 미세하게 석출시켜, 연질화 처리재의 강도를 향상시키는 효과가 있어, 본 발명에 있어서 중요한 원소이다. 또한, Mo는, 베이나이트 조직 생성에도 유효하다. 강도 향상을 위해 0.005％ 이상 첨가하지만, 고가의 원소이기 때문에, 0.4％를 초과하여 첨가하면, 성분 비용의 상승을 초래한다. 따라서, Mo 첨가량은, 0.005∼0.4％의 범위 내로 한다. 보다 바람직하게는, 0.01∼0.3％이다. 더욱 바람직하게는, 0.04∼0.2％이다.

Al: 0.005∼0.2％

Al은, 연질화 후의 표면 경도 및 유효 경화층 깊이 향상에 유효한 원소로서, 적극적으로 첨가한다. 또한, 열간 단조시에 있어서의 오스테나이트 입(粒)성장을 억제함으로써 조직을 미세화하여, 인성을 향상시키는 데에 있어서도 유용한 원소이기 때문에, 0.005％ 이상 첨가한다. 한편, 0.2％를 초과하여 함유시켜도 그 효과는 포화하여, 오히려 성분 비용의 상승을 초래하는 불리함을 발생시킨다. 따라서, Al 첨가량은, 0.005∼0.2％의 범위 내로 한다. 바람직하게는, 0.020％ 초과, 0.1％ 이하이다. 더욱 바람직하게는, 0.020％ 초과, 0.040％ 이하이다.

S: 0.06％ 이하

S는, 강 중에서 MnS를 형성하여, 피삭성(machinability)을 향상시키는 유용 원소이지만, 0.06％를 초과하여 함유시키면 인성을 손상시킨다. 따라서, S 첨가량은, 0.06％ 이하로 한다. 바람직하게는, 0.04％ 이하이다. 또한, S에 의한 피삭성 향상의 효과를 발현시키기 위해서는, S 첨가량을 0.002％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

P: 0.02％ 이하

P는, 오스테나이트 입계에 편석하여, 입계 강도를 저하시킴으로써 강도, 인성을 저하시킨다. 따라서, P 함유량은, 최대한 저하하는 것이 바람직하지만, 0.02％까지는 허용된다. 따라서, P 함유량은, 0.02％ 이하로 한다. 또한 P를 0.001％ 미만으로 하는 것은 높은 비용을 필요로 하는 점에서, 공업적으로는 0.001％까지 저감하면 좋다.

B: 0.0003∼0.01％

B는, 베이나이트 조직의 생성을 촉진하는 효과를 갖는다. B 첨가량이 0.0003％에 미치지 못하면 첨가 효과가 결여된다. 한편, B를, 0.01％를 초과하여 첨가해도 효과가 포화하여, 성분 비용의 상승을 초래한다. 따라서, B 첨가량은, 0.0003∼0.01％의 범위 내로 한다. 보다 바람직하게는, 0.0010％ 이상, 0.01％ 이하로 한다.

또한, 베이나이트 조직 생성 촉진 효과를 얻기 위해서는, B가 강 중에 고용되어 있는 것이 바람직하다. 그러나, 강 중에 고용 N이 존재하는 경우에는, 강 중의 B는, BN의 형성에 소비되고, B가 BN으로서 강 중에 존재하는 경우에는, 퀀칭성의 향상에 기여하지 않는다. 따라서, 강 중에 고용 N이 존재하는 경우에는, B는, BN의 형성에 소비되는 이상의 양을 첨가하는 것이 바람직하고, 강 중의 B량(％B)과 N량(％N)과의 사이에 하기 (1)식으로 나타나는 관계가 성립되는 것이 바람직하다.

기

％B≥％N/14×10.8＋0.0003 --- (1)

본 발명의 연질화용 강에서는, 단조 후나 연질화 처리재의 피삭성을 향상시키는 경우, Pb≤0.2％, Bi≤0.02％ 중으로부터 선택한 1종 이상을 첨가할 수 있다. 또한, 이들 원소의 함유량이나 첨가의 유무에 의해, 본 발명의 효과가 손상되는 일은 없다.

또한, 본 발명의 연질화용 강에서는, 상기 첨가 원소 이외의 잔부는, Fe 및 불가피 불순물이지만, 특히 Ti는, V, Nb의 석출 강화에 악영향을 미칠 뿐만 아니라, 심부 경도를 저하시키기 때문에, 최대한 함유시키지 않도록 한다. 바람직하게는, 0.010％ 미만, 더욱 바람직하게는, 0.005％ 미만으로 한다.

3. 제조 조건

도 1은, 본 발명의 연질화용 강을 이용하여, 연질화 부품을 제조하는 제조 공정을 나타내는 개략도이다.

도 1에 있어서, S1은, 소재가 되는 봉강 제조 공정, S2는, 반송 공정, S3은, 제품(연질화 부품) 마무리 공정을 나타낸다.

즉, 봉강 제조 공정 (S1)에서, 강괴를 열간 압연하여 봉강으로 하고, 품질 검사 후, 출하된다. 그리고, 출하 후, 반송(S2)된 봉강은, 제품(연질화 부품) 마무리 공정 (S3)에서, 상기 봉강을 소정의 치수로 절단하여, 열간 단조 혹은 냉간 단조를 행하고, 필요에 따라서 드릴 천공이나 선삭(lathe turning) 등의 절삭 가공에서 소망하는 형상으로 한 후, 연질화 처리를 행하여 제품으로 한다.

또한, 열간 압연재를 그대로 선삭이나 드릴 천공 등의 절삭 가공에서 소망하는 형상으로 마무리하고, 그 후, 연질화 처리를 행하여 제품으로 하는 경우도 있다. 또한, 열간 단조의 경우, 열간 단조 후에 냉간 교정을 행해도 좋다. 또한, 최종 제품에 페인트나 도금 등의 피막 처리가 이루어지는 경우도 있다. 이하에, 바람직한 제조 조건에 대해서 설명한다.

압연 가열 온도

압연 가열 온도는, 950∼1250℃의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 본 발명의 연질화용 강은, 압연재(열간 단조 부품의 소재가 되는 봉강)에 미세 석출물이 석출됨으로써 단조성이 손상되는 일이 없도록, 용해시부터 잔존하는 탄화물을 열간 압연시에 고용시키기 때문이다.

즉, 압연 가열 온도를 950℃ 미만으로 한 경우, 용해시부터 잔존하는 탄화물이 고용하기 어려워진다. 한편, 1250℃를 초과하면, 결정립이 조대화하여 단조성이 악화되기 쉬워진다. 따라서, 압연 가열 온도는, 950℃∼1250℃의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

압연 마무리 온도

압연 마무리 온도는, 800℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 압연 마무리 온도가 800℃ 미만에서는, 페라이트 조직이 생성되기 때문에, 다음 공정으로서, 특히, 냉간 단조 혹은 절삭 가공 후에 연질화를 행하는 경우, 연질화 후에 모상을 면적률로 50％ 초과의 베이나이트 조직을 얻는 데에 불리하기 때문이다. 또한, 압연 마무리 온도가 800℃ 미만에서는, 압연 하중이 높아, 압연재의 진원도(out-of-roundness)가 열화 하기 때문이다. 따라서, 압연 마무리 온도는, 800℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

냉각 속도

단조 전에 미세 석출물이 석출되어, 단조성을 손상시키지 않도록, 압연 후의 냉각 속도를 규정하는 것이 바람직하다. 미세 석출물의 석출 온도 범위인 700∼550℃를, 미세 석출물이 얻어지는 한계 냉각 속도(0.5℃/sec) 초과로 냉각하는 것이 바람직하다.

연질화 처리(석출 처리)

얻어진 봉강을 소재로 하여, 단조 후, 절삭 가공 등에 의해 부품 형상으로 한다. 그 후, 연질화 처리를 행한다. 연질화 처리는, V, Nb를 포함하는 미세 석출물을 석출시키도록, 연질화 처리 온도를 550∼700℃의 범위 내로 하고, 처리 시간을 10분 이상으로 하는 것이 바람직하다. 550℃ 미만에서는, 충분한 양의 석출물이 얻어지지 않고, 한편, 700℃ 초과에서는, 오스테나이트역이 되어 연질화가 곤란해지기 때문이다. 또한, 보다 바람직하게는 550∼630℃의 범위이다. 또한, 처리 시간을 10분 이상으로 하는 것은, 충분한 양의 V, Nb 석출물이 얻어지기 때문이다.

또한, 열간 단조를 이용한 경우, 연질화 후, 모상을 면적률로 50％ 초과의 베이나이트 조직으로 하기 위해, 그리고, 열간 단조 후의 냉간 교정이나 절삭 가공성의 관점에서, 미세 석출물이 석출되지 않도록, 열간 단조시의 가열 온도를 950∼1250℃의 범위 내, 단조 마무리 온도를 800℃ 이상 및 단조 후의 냉각 속도를 0.5℃/sec 초과로 행하는 것이 바람직하다.

실시예

다음으로, 본 발명을 실시예에 의해, 추가로 설명한다.

표 1에 나타내는 조성의 강(강 No.1∼17)을 150㎏ 진공 용해로에서 용제하여, 압연을 1150℃ 가열, 970℃ 마무리로 행하고, 그 후, 냉각 속도를 0.9℃/sec로 하여 실온까지 냉각하여, 50㎜φ의 봉강을 조제했다. No.17은, 종래재 JIS SCr420이다. 또한, 표 1 중의 전(全)강에 대해서, P는 적극적으로 첨가하고 있지는 않다. 따라서, 표 1 중의 P 함유량은, 불가피 불순물로서 혼입되어 있는 값을 나타내고 있다. 또한, Ti에 대해서는, 표 1 중의 강 No.14 및 강 No.15에 대해서는 첨가한 것이지만, 강 No.1∼13 및 강 No.16∼17에 대해서는 적극적으로 첨가하고 있는 것은 아니다. 따라서, 표 1 중, 강 No.1∼13 및 강 No.16∼17의 Ti 함유량은, 모두 불가피 불순물로서 혼입되어 있는 값을 나타내고 있다.

이들 소재를 추가로, 1200℃로 가열 후, 1100℃에서 열간 단조를 행하고, 30㎜φ로 하여, 냉각 속도: 0.8℃/sec 및 일부, 비교를 위해 냉각 속도: 0.1℃/sec로 실온까지 냉각했다.

상기 소재에 대해서, 조직 관찰, 경도 측정 및 피삭성을 조사했다. 조직 관찰은, 단면을 광학 현미경으로 관찰하고, 심부 조직을 분류함과 함께, 심부에 베이나이트상이 존재한 것에 대해서는, 심부의 베이나이트상의 면적분율을 구했다. 또한, 피삭성은, 드릴 절삭 시험에 의해 평가했다. 구체적으로는, 열간 단조재를 20㎜ 두께로 절단한 것을 시험재로 하고, JIS 고속도 공구강 SKH51의 6㎜φ의 스트레이트 드릴로, 이송: 0.15㎜/rev, 회전수: 795rpm의 조건으로 하여, 1단면당 5개소의 관통구멍을 뚫어, 드릴이 절삭 불능이 될 때까지의 총 구멍수로 평가했다.

또한, 경도 측정은, 심부의 경도를, 비커스 경도계를 이용하여, 시험 하중: 100g으로 하여 조사했다.

강 No.1∼16은, 열간 단조재에 추가로 가스 연질화 처리를 행하고, 강 No.17은, 열간 단조재에 가스 침탄 처리를 행했다. 가스 연질화 처리는, NH₃:N₂:CO₂＝50:45:5의 분위기에서 570∼620℃로 가열하고, 3.5시간 유지하여 행했다. 가스 침탄 처리는, 930℃×3h 침탄 후, 850℃×40min 유지한 후 유냉(油冷)을 행한다는 조건으로 실시하고, 추가로 170℃×1h의 템퍼링을 행했다.

이들 열처리재에 대해서, 조직 관찰, 경도 측정, 석출물의 관찰, 충격 특성 조사 및 피로 특성 조사를 행했다.

조직 관찰은, 단면을 광학 현미경으로 관찰하고, 심부 조직을 분류함과 함께, 심부에 베이나이트상이 존재한 것에 대해서는, 베이나이트상의 면적분율을 구했다.

연질화재 그리고 침탄재의 경도 측정은, 심부 경도 및 표면 경도에 대한 측정을 행했다. 표면 경도는, 표면으로부터 0.02㎜의 위치에서 측정을 행하고, 유효 경화층 깊이는, HV400이 되는 표면으로부터의 깊이로 정의하여 측정했다. 또한, 연질화재 그리고 침탄재의 심부로부터, 투과형 전자현미경 관찰용의 시료를, 트윈 젯(Twin-jet)법을 이용한 전해 연마법에 의해 작성하고, 얻어진 시료에 대해서, 가속 전압을 200kV로 한 투과형 전자현미경을 이용하여 석출물의 관찰을 행했다. 또한, 관찰되는 석출물의 조성을 에너지 분산형 X선 분광 장치(EDX)에 의해 구했다.

충격 특성의 평가는, 샤르피 충격 시험에 의해 행하고, 충격값(J/㎠)을 구했다. 시험편은 절결을 갖는 시험편(R: 10㎜, 깊이: 2㎜)을 이용했다. 또한, 이 절결을 갖는 시험편은, 열간 단조재로부터 채취하고, 채취한 시험편에 대하여 전술한 연질화 처리 혹은 침탄 처리를 행한 후, 샤르피 충격 시험에 제공했다.

또한, 피로 특성 평가는, 오노식(Ono-type) 회전 굽힘 피로 시험에 의해 행하고, 피로한도를 구했다. 시험편으로서는, 절결을 갖는 시험편(노치 R: 1.0㎜, 노치 지름: 8㎜, 응력 집중 계수: 1.8)을 이용했다. 이 시험편을 열간 단조재로부터 채취하여, 전술한 연질화 처리 혹은 침탄 처리를 행한 후, 시험에 제공했다.

표 2에 시험 결과를 나타낸다. No.1∼6이 본 발명예, No.7∼17이 비교예, No.18이 JIS SCr420 강에 의한 종래예이다.

표 2로부터 분명한 바와 같이, No.1∼6의 연질화 처리재는, 종래예(No.18)를 침탄 퀀칭·템퍼링 처리한 것보다, 피로 강도가 우수하다. No.1∼6의 연질화 처리 전 소재(열간 단조재)의 드릴 절삭 가공성에 대해서는, 종래재와 실용상 동등한 레벨 이상이다. 또한, 투과형 전자현미경 관찰 및 EDX에 의한 석출물 조성의 조사의 결과, No.1∼6의 연질화 처리재에는, 베이나이트상 중에 V, Nb를 포함하는 입경: 10㎚ 미만의 미세한 석출물이 1㎛²당 500개 이상으로 분산 석출되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과로부터, 본 발명에 따른 연질화 처리재는, 상기 미세한 석출물에 의한 석출 강화에 의해, 높은 피로 강도를 나타낸 것이라고 생각할 수 있다.

이에 대하여, 비교예 No.7∼17은, 화학 조성 혹은 얻어진 마이크로 조직이 본 발명 범위 외이기 때문에, 피로 강도 혹은 드릴 가공성이 뒤떨어진다.

특히, No.7은, 열간 단조 후의 냉각 속도가 느리기 때문에, 발명예에 비해 피로 강도가 낮다. 여기에, No.7에서는, 투과형 전자현미경 관찰의 결과, 입경: 10㎚ 미만의 미세한 석출물의 분산 석출이 관찰되지 않고, 입경: 10㎚를 크게 초과하는 조대한 석출물이 관찰되었다. 이 결과로부터, 이와 같이 생성된 석출물이 조대한 것이 피로 강도가 낮아진 원인이라고 생각할 수 있다. 즉, 열간 단조 후의 냉각 속도가 느리고, 기대한 베이나이트 조직이 얻어지지 않으면, 조대한 석출물이 연질화 전에 생성되어 버려, 연질화 처리 후의 미세 석출물의 생성량이 적어지기 때문에, 결과적으로 석출 강화가 부족하게 되어버린다고 생각할 수 있다.

No.8은, C량이 본 발명 범위 외에서 높기 때문에, 베이나이트 조직의 경도가 증가하여, 드릴 가공성이 저하되어 있다.

No.9는, Si, Mn량이 본 발명 범위 외에서 높기 때문에 열간 단조재의 경도가 높아, 드릴 가공성이 종래재의 약 1/5까지 저하되어 있다.

No.10은, Mn량이 본 발명 범위 외에서 낮고, 연질화 전(열간 단조 후)에 페라이트-펄라이트 조직이 생성되어 베이나이트 조직의 면적률이 낮아지고, 조직 중에 V, Nb 석출물이 석출되었기 때문에, 연질화 전의 경도가 증가하여, 드릴 가공성이 저하되어 있다.

No.11은, Cr량이 본 발명 범위 외에서 낮기 때문에, 연질화 전(열간 단조 후)에 페라이트-펄라이트 조직이 생성되어 베이나이트 조직의 면적률이 낮아지고, 조직 중에 V, Nb 석출물이 석출되었기 때문에, 연질화 전의 경도가 증가하여, 드릴 가공성이 저하되어 있다.

No.12는, Mo량이 본 발명 범위 외에서 낮기 때문에, 연질화 처리 후의 미세 석출물량이 적어, 충분한 심부 경도가 얻어지지 않았기 때문에, 종래예보다 피로 강도가 낮아져 있다.

No.13은 V, Nb가 본 발명 범위 외에서 낮기 때문에, 연질화 처리 후의 석출물량이 적어, 충분한 심부 경도가 얻어지지 않았기 때문에, 종래재보다 피로 강도가 낮아져 있다.

No.14는, Nb가 본 발명 범위 외에서 낮기 때문에, 연질화 처리 후의 석출물량이 적고, 그 때문에, 충분한 심부 경도가 얻어지지 않아, 종래재보다 피로 강도가 낮아져 있다.

No.15 및 No.16은, Ti를 첨가했기 때문에, 연질화 처리 후의 V, Nb를 포함하는 석출물의 석출량이 적고, 그 때문에, 충분한 심부 경도가 얻어지지 않아, 종래재보다 피로 강도가 낮다. 또한, 충격값도 낮은 값을 나타내고 있다.

No.17은 Al이 본 발명 범위 외에서 낮기 때문에, 연질화 처리 후의 표면 경도 및 유효 경화층 깊이가 낮았기 때문에, 종래재보다 피로 강도가 낮아져 있다.

Claims

질량％로,
C: 0.01％ 이상 0.10％ 미만,
Si: 1.0％ 이하,
Mn: 0.5∼3.0％,
Cr: 0.30∼3.0％,
Mo: 0.005∼0.4％,
V: 0.02∼0.5％,
Nb: 0.003∼0.15％,
Al: 0.005∼0.2％,
S: 0.06％ 이하,
P: 0.02％ 이하 및
B: 0.0003∼0.01％를 포함하고,
잔부: Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 연질화(軟窒化) 전에 있어서, 베이나이트 면적률 50％ 초과의 조직을 갖는 연질화용 강.
제1항에 있어서,
연질화 후에 있어서, 베이나이트상(相) 중에 V, Nb를 포함하는 석출물이 분산 석출되어 있는 연질화용 강.
제1항 또는 제2항에 기재된 연질화용 강을 소재로 하는 연질화 부품.