KR20220164059A

KR20220164059A - 강 및 강 부품

Info

Publication number: KR20220164059A
Application number: KR1020227039645A
Authority: KR
Inventors: 나오야 이하라; 다카시 이와모토; 기미히로 니시무라
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2020-05-15
Filing date: 2021-05-17
Publication date: 2022-12-12
Also published as: JPWO2021230383A1; JP7306581B2; MX2022014335A; JPWO2021230384A1; MX2022014194A; CN115605629A; KR20220165778A; WO2021230384A1; EP4151761A1; US20230193414A1; EP4151761A4; US20230212731A1; EP4151760A1; WO2021230383A1; EP4151760A4; CN115605628A; JP7306580B2

Abstract

면피로 강도가 우수한 연질화용 강을 제공한다. 그 때문에, 표면으로부터 내측으로 순서대로, 두께가 5.0 ㎛ ∼ 30.0 ㎛ 인 질화 화합물층 및 경화층을 갖고, 상기 질화 화합물층의 최표층에 있어서의 포러스층의 두께가 3.0 ㎛ 이하 또한 상기 질화 화합물층의 두께의 40.0 ％ 이하이고, 상기 경화층은, 상기 표면으로부터 내측으로 50 ㎛ 의 위치에서의 경도가 HV600 이상, 상기 표면으로부터 내측으로 400 ㎛ 까지의 경도가 HV400 이상, 및 상기 표면으로부터 내측으로 600 ㎛ 까지의 경도가 HV250 이상이고, 상기 질화 화합물층 및 상기 경화층을 제외한 비경화 부분은, 소정의 성분 조성을 갖고, 상기 경화층은, 상기 비경화 부분에 대해 N 의 함유량이 높은 성분 조성을 갖는 것으로 한다.

Description

강 및 강 부품

본 발명은, 강 및 강 부품에 관한 것으로, 특히 연질화 처리에 의한 화합물층을 표층에 갖는 피로 특성이 우수하고, 또한, 연질화 처리 전에는 일정한 피삭성을 갖고, 부품으로의 가공성도 양호한, 자동차나 건설 기계용 부품에 사용하기에 바람직한 강 및 강 부품에 관한 것이다.

자동차의 기어 등의 기계 구조 부품에는 우수한 피로 특성이 요구되기 때문에, 표면 경화 처리가 실시되는 것이 통례이다. 표면 경화 처리로는, 침탄 처리나 고주파 ??칭 처리, 질화 처리 등이 잘 알려져 있다.

이들 중, 침탄 처리는, 고온의 오스테나이트역에 있어서 C 를 침입·확산시키므로, 깊은 경화 깊이가 얻어져, 피로 특성의 향상에 유효하다. 그러나, 침탄 처리에 의해 열처리 변형이 발생하기 때문에, 정숙성 등의 관점에서 엄격한 치수 정밀도가 요구되는 부품에 대해서는, 그 적용이 곤란하였다.

또, 고주파 ??칭 처리는, 고주파 유도 가열에 의해 표층부를 ??칭하는 처리이기 때문에, 역시 열처리 변형이 발생하여, 침탄 처리와 동일하게 치수 정밀도의 면에서 문제가 있었다.

한편, 질화 처리는, Ac₁ 변태점 이하의 비교적 저온도역에서 질소를 침입·확산시켜 표면 경도를 높이는 처리이기 때문에, 상기한 바와 같은 열처리 변형은 작다. 그러나, 처리 시간이 50 ∼ 100 시간으로 길고, 또 처리 후에 표층의 무른 화합물층을 제거할 필요가 있다는 문제가 있었다.

그 때문에, 질화 처리와 동일한 정도의 처리 온도에서 처리 시간을 짧게 한, 이른바 연질화 처리가 개발되어, 최근에는 기계 구조용 부품 등을 대상으로 널리 보급되어 있다. 이 연질화 처리는, 500 ∼ 600 ℃ 의 온도역에서, N 과 C 를 동시에 침입시켜, 최표층에 C 가 고용된 질화물층을 형성시킴과 함께, 또한 N 을 지철 중에 확산시켜 경화층을 형성시켜, 표면을 경화시키는 것으로, 종래의 질화 처리에 비해 처리 시간을 반 이하로 하는 것이 가능하다.

그러나, 전술한 침탄 처리에서는, ??칭 경화에 의해 심부 경도를 상승시키는 것이 가능한 것에 반해, 연질화 처리는 강의 변태점 이하의 온도에서 처리를 실시하는 것이기 때문에, 심부 경도가 상승하지 않아, 연질화 처리재는 침탄 처리재와 비교하면, 피로 특성이 떨어진다는 문제가 있었다.

그래서, 연질화 처리재의 피로 특성을 높이기 위해, 통상, 연질화 처리 전에 ??칭·템퍼링 처리를 실시하여, 심부 경도를 상승시키고 있다. 그러나, 얻어지는 피로 특성은 충분하다고는 말하기 어렵고, 또, 제조 비용이 상승하고, 또한 기계 가공성의 저하도 피할 수 없었다.

이와 같은 문제를 해결하는 것으로서, 특허문헌 1 에는, 강 중에, Ni 나 Cu, Al, Cr, Ti 등을 함유시킴으로써, 연질화 처리 후에 높은 굽힘 피로 특성을 얻는 것을 가능하게 한 연질화용 강이 제안되어 있다. 즉, 이 강은, 연질화 처리에 의해, 심부에 대해서는 Ni-Al, Ni-Ti 계의 금속간 화합물 혹은 Cu 화합물로 시효 경화시키는 한편, 표층부에 대해서는 질화층 중에 Cr, Al, Ti 등의 질화물이나 탄화물을 석출 경화시킴으로써, 굽힘 피로 특성을 향상시키고 있다.

또, 특허문헌 2 에는, Cu 를 0.5 ∼ 2 ％ 함유시킨 강을, 열간 단조로 단신 후, 공랭하여, Cu 가 고용된 페라이트 주체의 조직으로 하고, 580 ℃, 120 분의 연질화 처리 중에 Cu 를 석출 경화시키고, 또한 Ti, V 및 Nb 탄질화물의 석출 경화도 병용함으로써, 연질화 처리 후에 있어서 우수한 굽힘 피로 특성이 얻어지는 연질화용 강이 제안되어 있다.

또한, 특허문헌 3 에는, Ti-Mo 탄화물, 또 그것들에 추가로 Nb, V, W 의 1 종 또는 2 종 이상을 포함하는 탄화물을 분산시킨 연질화용 강이 제안되어 있다.

특허문헌 4 에는, 표면의 화합물층의 공극률을 감소시킴으로써, 면피로 강도를 향상시키는 것이 제안되어 있다.

일본 공개특허공보 평5-59488호 일본 공개특허공보 2002-69572호 일본 공개특허공보 2010-163671호 일본 특허공보 6388075호

그러나, 특허문헌 1 ∼ 3 에 기재된 연질화 강은 굽힘 피로 특성이 우수하지만, 면피로 특성에 대해서는 고려되어 있지 않다. 또, 특허문헌 4 에 기재된 기술은, 최표층의 화합물층을 개선함으로써 면피로 특성을 개선하고 있지만, 경화층 깊이에 대해서는 고려되어 있지 않다.

본 발명은 상기의 문제를 유리하게 해결하는 것으로, 화합물층과 경화층 깊이를 적절히 조정함으로써, 우수한 면피로 특성을 갖는 강 그리고 이것을 사용하는 강 부품에 대해 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명자들은 상기의 과제를 해결하기 위해서, 최적인 화합물층과 경화층 깊이에 대해 예의 검토를 실시하였다. 그 결과, 경화층 깊이의 증가와, 화합물층의 취화의 억제를 양립시키는 것이 면피로 특성의 향상에 유효하다는 것을 알 수 있었다.

본 발명은 상기의 지견에 기초하여, 더욱 검토를 더한 끝에 완성된 것으로, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

1. 표면으로부터 내측으로 순서대로, 두께가 5.0 ㎛ ∼ 30.0 ㎛ 인 질화 화합물층 및 경화층을 갖고,

상기 질화 화합물층의 최표층에 있어서의 포러스층의 두께가 3.0 ㎛ 이하 또한 상기 질화 화합물층의 두께의 40.0 ％ 이하이고,

상기 경화층은, 상기 표면으로부터 내측으로 50 ㎛ 의 위치에서의 경도가 HV600 이상, 상기 표면으로부터 내측으로 400 ㎛ 까지의 경도가 HV400 이상, 및 상기 표면으로부터 내측으로 600 ㎛ 까지의 경도가 HV250 이상이고,

상기 질화 화합물층 및 상기 경화층을 제외한 비경화 부분은, 질량％ 로,

C : 0.010 ％ 이상 0.200 ％ 이하,

Si : 1.00 ％ 이하,

Mn : 0.50 ％ 이상 3.00 ％ 이하,

P : 0.020 ％ 이하,

S : 0.020 ％ 이상 0.060 ％ 이하 및

Cr : 0.30 ％ 이상 3.00 ％ 이하

를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖고,

상기 경화층은, 상기 비경화 부분에 대해 N 의 함유량이 높은 성분 조성을 갖는 강.

2. 상기 비경화 부분의 성분 조성은, 추가로, 질량％ 로,

Mo : 0.400 ％ 이하,

V : 0.50 ％ 이하,

Nb : 0.150 ％ 이하,

Al : 0.200 ％ 이하,

W : 0.3 ％ 이하,

Co : 0.3 ％ 이하,

Hf : 0.2 ％ 이하,

Zr : 0.2 ％ 이하,

B : 0.0100 ％ 이하,

Cu : 0.3 ％ 이하,

Ni : 0.3 ％ 이하,

Pb : 0.2 ％ 이하,

Bi : 0.2 ％ 이하,

Zn : 0.2 ％ 이하,

Sn : 0.2 ％ 이하,

Sb : 0.0200 ％ 이하 및

N : 0.0200 ％ 이하

중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 상기 1 에 기재된 강.

3. 상기 1 또는 2 에 기재된 강이 소재인 강 부품.

4. 상기 강 부품은 톱니 부착 부품으로서, 상기 화합물층을 적어도 톱니 부분의 표층부에 가지고 있는 상기 3 에 기재된 강 부품.

본 발명에 의하면, 저렴한 성분계에 있어서, 연질화 처리 전은 기계 가공성이 우수하고, 또한 연질화 처리에 의해 면피로 강도를 향상시킨, 강 그리고 강 부품을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 강은, 자동차 등의 기계 구조 부품의 소재로서 매우 유용하다. 또, 본 발명의 강 부품은, 자동차 등의 기계 구조 부품에 적용하여 매우 유용하다.

도 1 은, 롤러 피칭 시험편을 나타내는 도면이다.
도 2 는, 연질화 부품의 대표적인 제조 공정을 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명의 강은, 표면으로부터 내측으로 순서대로, 두께가 5.0 ㎛ ∼ 30.0 ㎛ 인 질화 화합물층 및 경화층을 갖고, 상기 질화 화합물층의 최표층에 있어서의 포러스층의 두께가, 3.0 ㎛ 이하, 또한 상기 질화 화합물층의 두께의 40.0 ％ 이하이고, 상기 경화층은, 상기 표면으로부터 내측으로 50 ㎛ 의 위치에서의 경도가 HV600 이상, 상기 표면으로부터 내측으로 400 ㎛ 까지의 경도가 HV400 이상, 및 상기 표면으로부터 내측으로 600 ㎛ 까지의 경도가 HV250 이상이다.

먼저, 본 발명에 있어서의 강의 질화 화합물층 및 포러스층의 두께와 경화층의 경도 분포를 상기의 범위로 한정한 이유를 설명한다.

질화 화합물로 이루어지는 질화 화합물층의 두께 : 5.0 ㎛ ∼ 30.0 ㎛

질화 화합물층 (이하, 화합물층이라고도 한다) 은 매우 경도가 높고, 강 부품의 면피로 특성의 향상에 기여한다. 이 질화 화합물층의 두께가 지나치게 얇으면, 마모에 의해 조기에 강 부품의 지철 부분이 노출되어 버려, 피로 강도 향상 효과가 저해된다. 그 때문에, 질화 화합물층의 두께는 5.0 ㎛ 이상으로 한다. 바람직하게는 6.0 ㎛ 이상이고, 보다 바람직하게는 10.0 ㎛ 이상이다. 한편, 질화 화합물층의 두께가 지나치게 두꺼운 경우에는, 후술하는 포러스층의 발생을 억제하는 것이 어려워진다. 그 때문에, 질화 화합물층의 두께는 30.0 ㎛ 이하로 한다. 바람직하게는 25.0 ㎛ 이하이다.

포러스층 두께 : 질화 화합물층의 두께의 40.0 ％ 이하 또한 3.0 ㎛ 이하

포러스층이란 연질화에 의해 화합물층의 최표층에 불가피적으로 발생하는 미소한 공공 (空孔) 의 집합체이다. 이 포러스층의 존재는 피로 강도에 악영향을 미치기 때문에, 가능한 한 얇게 하는 것이 바람직하다. 즉, 포러스층의 두께가 3.0 ㎛ 를 초과하거나, 질화 화합물층의 두께의 40.0 ％ 를 초과하면, 질화 화합물층의 형성에 의해 기대하는 피로 특성 향상의 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 따라서, 포러스층의 두께는, 질화 화합물층의 두께의 40.0 ％ 이하 또한 3.0 ㎛ 이하인 것을 필요로 한다. 물론, 0 이어도 된다.

또한, 본 발명에 있어서의 포러스층의 두께는 후술하는 실시예에서 설명하는 수법으로 측정하는 것으로 한다.

경화층 깊이 : 표면으로부터 내측으로 50 ㎛ 위치의 경도가 HV600 이상, 표면으로부터 내측으로 400 ㎛ 까지의 경도가 HV400 이상이고, 표면으로부터 내측으로 600 ㎛ 까지의 경도가 HV250 이상

재료의 경도와 피로 강도에는 상관 관계가 있는 것이 알려져 있다 (예를 들어, 「NIMS 물질·재료 데이터베이스, JIS 기계 구조용 강, 크롬강 및 크롬몰리브덴강의 기계적 성질과 피로 특성」 참조). 즉, 성분에 상관없이, 경도가 충분하면, 원하는 피로 강도를 얻을 수 있다.

여기서, 강 부품에, 미끄럼을 수반하는 접촉이 있는 경우, 그 강 부품에는 2 종류의 힘이 가해진다. 하나는 접선력에 의한 전단 응력이고, 이것은 표면에서 최대가 된다. 또 하나는 수직 항력에 의한 전단 응력이고, 이것은 보다 깊은 위치에서 최대가 된다. 이들 2 종류의 힘에 대해 우수한 피로 특성을 발휘시키기 위해서, 상기 경도 분포를 설정하였다.

특히, 수직 항력에 의한 전단 응력은, 경화층이 얕은 연질화 강에 있어서 문제가 되기 쉽다. 기어의 톱니나 원통, 구체끼리를 접촉시켰을 경우에 수직 항력에 의해 발생하는 전단 응력 분포는 다음 식으로 나타낼 수 있다. 여기서, z 는 깊이, P(z) 는 깊이 z 에서의 전단 응력, Pmax 는 최대 접촉 응력, b 는 접촉 타원 단경이다.

강 부품의 형상이나 부하 하중에 따라 다르기도 하지만, 대부분의 경우, 전단 응력은 깊이 400 ㎛ 위치에서 최대값을 취하여, 파괴의 기점이 될 수 있다. 그 때문에, 상기와 같이 경도 분포를 설정하였다.

또한, 상기한 질화 화합물층은, 강에 연질화 처리를 실시한 후에 형성되지만, 이 연질화 처리에 의해, N 이 화합물층보다 내측을 향하여 확산되는 결과, 이 N 확산층이 경화층이 된다. 확산에 의한 N 농도의 조정에 의해, 경화층 경도를 상기와 같이 조정할 수 있다.

이상, 화합물층 및 포러스층의 두께와 경화층의 경도 분포에 대해 설명하였다. 또한, 본 발명에 있어서는, 상기한 화합물층 및 경화층 이외의 부분인, 비경화 부분은, 질량％ 로, C : 0.010 ％ 이상 0.200 ％ 이하, Si : 1.00 ％ 이하, Mn : 0.50 ％ 이상 3.00 ％ 이하, P : 0.020 ％ 이하, S : 0.020 ％ 이상 0.060 ％ 이하, Cr : 0.30 ％ 이상 3.00 ％ 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 성분 조성, 혹은, 추가로, 임의로 함유할 수 있는 성분으로서, Mo : 0.400 ％ 이하, V : 0.50 ％ 이하, Nb : 0.150 ％ 이하, Al : 0.200 ％ 이하, W : 0.3 ％ 이하, Co : 0.3 ％ 이하, Hf : 0.2 ％ 이하, Zr : 0.2 ％ 이하, B : 0.0100 ％ 이하, Cu : 0.3 ％ 이하, Ni : 0.3 ％ 이하, Pb : 0.2 ％ 이하, Bi : 0.2 ％ 이하, Zn : 0.2 ％ 이하, Sn : 0.2 ％ 이하, Sb : 0.0200 ％ 이하 및 N : 0.0200 ％ 이하 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 성분 조성을 갖는다.

다음으로, 본 발명에 있어서, 비경화 부분의 성분 조성을 상기의 범위로 한정한 이유에 대해 설명한다. 또한, 이하의 성분 조성을 나타내는 「％」 는, 특별히 언급하지 않는 한 「질량％」 를 의미하는 것으로 한다.

C : 0.010 ％ 이상 0.200 ％ 이하

C 는, 비경화 부분, 나아가서는, 경화층의 강도 확보를 위해서 필요하다. C 량이 0.010 ％ 미만인 경우, 비경화 부분의 강도나, 경화층의 경도가 저하된다. 경화층은 후술하는 바와 같이 연질화 처리를 실시함으로써 형성할 수 있지만, 연질화 처리 전의 소재의 성분 조성에 대해 N 농도가 높아짐으로써 경화층이 된다. 경화층 이외의 부분인 비경화 부분은, N 을 제외하고는 연질화 전의 소재의 성분 조성이 유지된다. 따라서, 비경화 부분이나 경화층을 강화시킬 목적으로, C 함유량은 0.010 ％ 이상으로 한다. 보다 바람직하게는, C 함유량은 0.050 ％ 이상이다. 한편, C 함유량이 0.200 ％ 초과가 되면, 기계 가공성이 저하되기 때문에, C 함유량은 0.200 ％ 이하의 범위로 한다. 보다 바람직하게는, C 함유량은 0.100 ％ 이하의 범위이다.

Si : 1.00 ％ 이하

Si 는, 강도 확보에 유효하다. 그러나, Si 함유량이 1.00 ％ 를 초과하면 고용 강화에 의해, 기계 가공성을 열화시키기 때문에, Si 량은 1.00 ％ 이하로 한다. 보다 바람직한 Si 함유량은 0.50 ％ 이하이다. 강의 강도를 확보하는 관점에서는, Si 함유량은 0.005 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Mn : 0.50 ％ 이상 3.00 ％ 이하

Mn 은, S 와 MnS 를 형성함으로써 피삭성을 높인다. Mn 량이 0.50 ％ 미만인 경우, MnS 의 생성량이 충분하지 않기 때문에, 피삭성이 저하된다. 따라서, Mn 량은 0.50 ％ 이상으로 한다. 바람직하게는 1.50 ％ 이상이다. 한편, 3.00 ％ 를 초과하면 고경도화되어 기계 가공성을 열화시키므로, Mn 량은 3.00 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 2.50 ％ 이하, 보다 바람직하게는 2.00 ％ 이하의 범위이다.

P : 0.020 ％ 이하

P 는, 불순물로서 강 중에 혼입되는 원소이고, 주편의 표면 균열의 원인으로서 알려져 있다. 따라서, P 의 함유는 최대한 억제하는 것이 바람직하지만, 0.020 ％ 까지는 허용된다. 또한, P 를 0.001 ％ 미만으로 하기 위해서는 높은 비용을 필요로 하므로, 공업적으로는 0.001 ％ 까지 저감시키면 된다.

S : 0.020 ％ 이상 0.060 ％ 이하

S 는, 불순물로서 강 중에 혼입되는 원소이지만, 한편으로 절삭성을 높이는 데에 기여한다. 즉, S 량이 0.020 ％ 미만인 경우에는, 강 중에서 생성되는 MnS 량이 저하되어, 절삭성이 저하된다. 한편, S 량이 0.060 ％ 를 초과하면, 효과가 포화될 뿐만 아니라, MnS 로서 과잉으로 석출된 만큼, 고용 Mn 량을 저하시키기 때문에, 함유량을 0.060 ％ 이하로 제한한다. 바람직하게는 0.040 ％ 이하이다.

Cr : 0.30 ％ 이상 3.00 ％ 이하

Cr 은, 질화 중에 표면으로부터 확산된 N 과 CrN 을 형성하고, 이에 의해 경화층을 석출 강화하는 작용을 갖는다. 경화층은 후술하는 바와 같이 연질화 처리를 실시함으로써 형성할 수 있지만, 연질화 처리 전의 소재의 성분 조성에 대해 N 농도가 높아짐으로써 경화층이 된다. 경화층 이외의 부분인 비경화 부분은, N 을 제외하고 연질화 전의 소재의 성분 조성이 유지된다. 따라서, 경화층을 석출 강화시킬 목적이기는 하지만, 비경화층에 대해서도 Cr 함유량은 0.30 ％ 이상으로 한다. Cr 함유량이 0.30 ％ 미만인 경우, 질화 처리 중에 경화층 중에서 석출되는 CrN 량이 부족하여 강도 확보가 곤란해진다. 따라서, Cr 량은 0.30 ％ 이상으로 한다. 한편, 3.00 ％ 를 초과하면 고경도화되어 피삭성을 저해하기 때문에, Cr 량은 3.00 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.50 ％ 이상이다. 또, 바람직하게는 1.50 ％ 이하이다.

이상 설명한 원소 외에, 이하에 나타내는 원소 중 1 종 또는 2 종 이상을 임의로 함유할 수 있다. 임의 함유 가능한 원소와, 그 함유량의 상한을 이하에 설명한다.

Mo : 0.400 ％ 이하

Mo 는, 연질화 중에 표층으로부터 확산된 질소와 질화물을 형성하여, 표층의 경도 상승에 기여한다. 또, Mo 는, 베이나이트를 생성하고, 피삭성과 심부 경도의 상승에도 기여한다. 한편, Mo 는 고가의 원소이기 때문에, 과잉으로 첨가하면, 성분 비용의 상승을 초래한다. 그 때문에, Mo 함유량은 0.400 ％ 이하, 바람직하게는 0.150 ％ 이하로 한다.

V : 0.50 ％ 이하

V 는, 연질화 중에 표층으로부터 확산된 질소와 질화물을 형성하여, 표층의 경도 상승에 기여한다. 또, V 는, 연질화시의 온도 상승에 의해 미세 석출물을 형성하여, 심부 경도를 증가시킨다. 한편, 과잉으로 첨가하면, 석출물이 조대화 (粗大化) 되어, 강도 향상 효과가 포화된다. 또한, 열간 단조 후에 있어서의 경도가 상승하여, 절삭성이 저하된다. 그 때문에, V 함유량은 0.50 ％ 이하, 바람직하게는 0.40 ％ 이하로 한다.

Nb : 0.150 ％ 이하

Nb 는, 연질화 중에 표층으로부터 확산된 질소와 질화물을 형성하여, 표층의 경도 상승에 기여한다. 또, Nb 는, 연질화시의 온도 상승에 의해 미세 석출물을 형성하여, 심부 경도를 증가시킨다. 한편, 과잉으로 첨가하면, 석출물이 조대화되어, 강도 향상 효과가 포화된다. 또한, 열간 단조 후의 경도가 상승하여, 절삭성이 저하된다. 그 때문에, NB 함유량은 0.150 ％ 이하, 바람직하게는 0.120 ％ 이하로 한다.

Al : 0.200 ％ 이하

Al 은, 연질화 처리 후의 표층 경도의 향상에 유용한 원소이다. 한편, Al 함유량이 0.200 ％ 를 초과하면, 경화층 깊이가 감소한다. 그 때문에, Al 함유량은 0.200 ％ 이하, 바람직하게는 0.100 ％ 이하, 보다 바람직하게는 0.040 ％ 이하로 한다.

W : 0.3 ％ 이하

W 는, 강의 추가적인 강도 향상에 유효한 원소이다. 그러나, W 함유량이 0.3 ％ 를 초과하면, 강의 인성이 저하된다. 그 때문에, W 를 첨가하는 경우, W 함유량은 0.3 ％ 이하, 바람직하게는 0.25 ％ 이하로 한다. 한편, W 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, W 함유량을 0.01 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Co : 0.3 ％ 이하

Co 는, 강의 추가적인 강도 향상에 유효한 원소이다. 그러나, Co 함유량이 0.3 ％ 를 초과하면, 강의 인성이 저하된다. 그 때문에, Co 를 첨가하는 경우, Co 함유량은 0.3 ％ 이하, 바람직하게는 0.25 ％ 이하로 한다. 한편, Co 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, Co 함유량을 0.01 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Hf : 0.2 ％ 이하

Hf 는, 강의 추가적인 강도 향상에 유효한 원소이다. 그러나, Hf 함유량이 0.2 ％ 를 초과하면, 강의 인성이 저하된다. 그 때문에, Hf 를 첨가하는 경우, Hf 함유량은 0.2 ％ 이하, 바람직하게는 0.15 ％ 이하로 한다. 한편, Hf 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, Hf 함유량을 0.01 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Zr : 0.2 ％ 이하

Zr 은, 강의 추가적인 강도 향상에 유효한 원소이다. 그러나, Zr 함유량이 0.2 ％ 를 초과하면, 강의 인성이 저하된다. 그 때문에, Zr 을 첨가하는 경우, Zr 함유량은 0.2 ％ 이하, 바람직하게는 0.15 ％ 이하로 한다. 한편, Zr 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, Zr 함유량을 0.01 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

B : 0.0100 ％ 이하

B 는, ??칭성을 향상시켜, 베이나이트 조직의 생성을 촉진하는 효과를 갖는 원소이다. 그러나, B 함유량이 0.0100 ％ 를 초과하면, B 가 BN 으로서 석출되어, ??칭성 향상 효과가 포화될 뿐만 아니라, 성분 비용의 상승을 초래한다. 그 때문에, B 를 첨가하는 경우, B 함유량을 0.0100 ％ 이하, 보다 바람직하게는 0.0080 ％ 이하로 한다. 한편, B 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, B 함유량을 0.0003 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.0005 ％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.

Cu : 0.3 ％ 이하

Cu 는, 연질화 처리 중에 Fe 나 Ni 와 금속간 화합물을 형성하고, 석출 경화에 의해 연질화 처리재의 강도를 향상시키는 효과를 갖는 원소이다. 또, Cu 는, 베이나이트의 생성에도 기여한다. 그러나, Cu 함유량이 0.3 ％ 를 초과하면 열간 가공성이 저하되기 때문에, Cu 를 첨가하는 경우, Cu 함유량을 0.3 ％ 이하, 바람직하게는 0.25 ％ 이하로 한다. 한편, Cu 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, Cu 함유량을 0.05 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Ni : 0.3 ％ 이하

Ni 는, ??칭성을 증대시켜, 저온 취성을 억제하는 효과를 갖는 원소이다. 그러나, Ni 함유량이, 0.3 ％ 를 초과하면 경도가 상승하여, 피삭성에 악영향을 미칠 뿐만 아니라, 비용적으로도 불리해진다. 그 때문에, Ni 를 첨가하는 경우, Ni 함유량을 0.3 ％ 이하, 바람직하게는 0.25 ％ 이하로 한다. 한편, Ni 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, Ni 함유량을 0.05 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Pb : 0.2 ％ 이하

Pb 는, 강의 피삭성을 향상시키는 효과를 갖는 원소이다. 그러나, Pb 함유량이 0.2 ％ 를 초과하면, 인성이 저하된다. 그 때문에, Pb 를 첨가하는 경우, Pb 함유량은 0.2 ％ 이하, 바람직하게는 0.1 ％ 이하로 한다. 한편, Pb 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 0.02 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Bi : 0.2 ％ 이하

Bi 는, 강의 피삭성을 향상시키는 효과를 갖는 원소이다. 그러나, Bi 함유량이 0.2 ％ 를 초과하면, 인성이 저하된다. 그 때문에, Bi 를 첨가하는 경우, Bi 함유량은 0.2 ％ 이하, 바람직하게는 0.1 ％ 이하로 한다. 한편, Bi 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 0.02 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Zn : 0.2 ％ 이하

Zn 은, 강의 피삭성을 향상시키는 효과를 갖는 원소이다. 그러나, Zn 함유량이 0.2 ％ 를 초과하면, 인성이 저하된다. 그 때문에, Zn 을 첨가하는 경우, Zn 함유량은 0.2 ％ 이하, 바람직하게는 0.1 ％ 이하로 한다. 한편, Zn 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 0.02 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Sn : 0.2 ％ 이하

Sn 은, 강의 피삭성을 향상시키는 효과를 갖는 원소이다. 그러나, Sn 함유량이 0.2 ％ 를 초과하면, 인성이 저하된다. 그 때문에, Sn 을 첨가하는 경우, Sn 함유량은 0.2 ％ 이하, 바람직하게는 0.1 ％ 이하로 한다. 한편, Sn 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 0.02 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Sb : 0.0200 ％ 이하

Sb 는, 베이나이트의 생성을 촉진하여, 경도를 상승시키는 효과를 갖는 원소이다. 본 효과를 얻기 위해서는, Sb 함유량을 0.0005 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 0.0010 ％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 그러나, Sb 함유량이 0.0200 ％ 를 초과하면, 효과가 포화되어 성분 비용의 상승을 초래할 뿐만 아니라, 편석에 의해 모재 인성의 저하도 발생한다. 그 때문에, Sb 를 첨가하는 경우, Sb 함유량은 0.0200 ％ 이하, 바람직하게는 0.0100 ％ 이하로 한다.

N : 0.0200 ％ 이하

N 은, 강 중에서 탄질화물을 형성하여, 강도를 향상시키는 효과를 갖는 원소이다. 그러나, N 함유량이 0.0200 ％ 를 초과하면, 열간 단조 후의 경도가 증가하여, 피삭성이 저하된다. 그 때문에, N 함유량은 0.0200 ％ 이하로 한다. 한편, N 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 강도 향상이라는 관점에서는, N 함유량을 0.0020 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 강의 비경화 부분의 성분 조성은, 이상 설명한 원소 이외의 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물이다.

다음으로, 본 발명의 강의 경화층의 성분 조성에 대해 설명한다.

경화층은, 연질화 처리에 수반하여 형성되는 것이고, 연질화 처리 분위기 중의 질소가 강 중에 확산됨으로써 형성된다. 강의 최표층에는, 연질화 처리에 제공하는 강의 주성분인 Fe 나, 그 밖의 함유 성분이 질소와 결합하여 질화물이 되고, 이 질화물로 구성되는, 상기한 화합물층이 형성된다. 화합물층에는, 연질화 처리 분위기 중의 C 도 확산되어 있다. 경화층은, 강 중에 질소가 확산되어 질소 농도가 연질화 처리 전보다도 높아지는 층이고, 화합물층의 내측에 인접하여 형성된다. 상기의 비경화 부분은, 질소의 확산이 발생하고 있지 않은 부분이기 때문에, 상기 서술한 바와 같은 비경화 부분의 성분 조성이 되는 데에 반해, 경화층은, 비경화 부분의 성분 조성에 대해, N 의 함유량이 높은 성분 조성이 된다.

이상, 본 발명에 관련된 강에 대해 설명하였다. 다음으로, 본 발명에 관련된 강 부품은, 상기의 본 발명의 강이 각종 부품, 바람직하게는 기계 구조용 부품의 형상으로 되어 있는 것이다. 여기서, 본 발명의 강 부품은, 기어 등의 톱니 부착 부품인 것이 특히 바람직하고, 이 경우, 상기 서술한 화합물층은, 적어도 톱니 부분의 표층부에 형성되어 있는 것이 바람직하다. 기어와 같은 톱니 부착 부품의 톱니는, 미끄럼을 수반하는 접촉이 있는 부위이고, 우수한 면피로 강도가 요구되는 부위이다. 이 톱니의 부분에 전술한 질화 화합물층 및 경화층이 형성되어 있으면, 톱니 부착 부품으로서의 내구성의 확보로 이어진다.

또한, 톱니 부착 부품이 아니어도, 미끄럼을 수반하는 접촉이 있는 부위가 존재하는 강 부품에 대해서는, 이 부위의 면피로가 부품 내구성의 확보에는 중요해지기 때문에, 이와 같은 부위에 대해 전술한 질화 화합물층 및 경화상을 형성시킴으로써, 내구성의 향상 효과는 얻어진다. 따라서, 본 발명의 강 부품은 톱니 부착 부품에 한정되는 것은 아니다.

다음으로, 본 발명의 강, 나아가서는 강 부품의 제조 방법에 대해 설명한다.

도 2 에, 연질화용 강 (봉강) 을 사용하여 연질화 부품을 제조하는 대표적인 제조 공정을 나타낸다. 여기서, S1 은 소재가 되는 봉강 (연질화용 강) 제조 공정, S2 는 반송 공정, S3 은 부품 (연질화 부품이고, 연질화된 강을 포함한다) 의 제조 공정이다.

먼저, 봉강 제조 공정 (S1) 에서 강괴를 열간 압연 및/또는 열간 단조하여 봉강으로 하고, 품질 검사 후, 출하한다. 그리고, 반송 (S2) 후, 연질화 부품 마무리 공정 (S3) 에서, 봉강을 소정의 치수로 절단하고, 열간 단조 혹은 냉간 단조를 실시하고, 필요에 따라 드릴 천공이나 선삭 등의 절삭 가공으로 원하는 형상 (예를 들어, 기어 제품이나 샤프트 제품) 으로 한 후, 연질화 처리를 실시하여, 제품으로 한다.

또, 열간 압연재를 그대로 선삭이나 드릴 천공 등의 절삭 가공으로 원하는 형상으로 마무리하고 그 후, 연질화 처리를 실시하여 제품으로 하는 경우도 있다. 또한, 열간 단조의 경우, 열간 단조 후에 냉간 교정이 실시되는 경우가 있다. 또, 최종 제품에 페인트나 도금 등의 피막 처리가 이루어지는 경우도 있다.

이어서, 얻어진 압연재 또는 단조재에 대해 절삭 가공을 실시하여 부품 형상으로 하고, 그 후, 연질화 처리를 실시한다. 이 연질화 처리를 실시함으로써, 표층에 분위기 중의 질소와 강의 성분 원소가 결합하여 형성한 화합물로 이루어지는 화합물층이 생기고, 화합물층의 내측에는, 질소 (N) 의 확산층으로 이루어지는 경화층이 생긴다.

이 일련의 제조 공정에 있어서, 본 발명의 강 혹은 강 부품을 얻기 위해서는, 상기의 S1 의 봉강 제조 공정에 있어서 열간 압연 및/또는 열간 단조에 제공하는 소재가 되는 강으로서, 상기 서술한 비경화 부분에 대한 성분 조성의 강을 사용한다. 그리고, 경화층에 대해 전술한 경화층 깊이를 얻기 위해서는, 연질화 처리를 실시하는 공정에 있어서, 연질화 온도를 550 ∼ 590 ℃ 로 하고, 연질화 시간은 10 시간 이상으로 할 필요가 있다. 한편, 연질화 시간이 이 정도로 장시간이 되는 경우에는, 화합물층 및 포러스층이 과잉으로 성장하여, 피로 강도의 저하를 초래해 버리는 것을 억제할 필요가 있다. 연질화 중의 분위기의 질화 포텐셜을 낮게 하면, 포러스층의 두께가 작아진다. 따라서, 질화 포텐셜과 포러스층 두께의 관계를 소재가 되는 강의 규격 혹은 성분마다 미리 구해 두고, 본 발명에서 규정하는 포러스층 두께를 달성 가능한 질화 포텐셜을 채용할 필요가 있다.

또한, 연질화 처리에서는, N 과 C 를 동시에 강 중에 침입시켜, C 가 고용된 질화 화합물층을 형성시키고, 또한 N 을 지철 중에 확산시키기 때문에, NH₃ 이나 N₂ 와 같은 질소성 가스와, CO₂ 나 CO 와 같은 침탄성 가스의 혼합 분위기, 예를 들어 NH₃ : N₂ : CO₂ = 50 : 45 : 5 의 분위기에서 연질화 처리를 실시하면 된다.

이상의 제조 공정에 의해 본 발명의 강 혹은 이 강이 소재로 되어 있는 강 부품이 얻어진다.

실시예

이하, 본 발명의 실시예에 대해 구체적으로 설명한다.

표 1 에 나타내는 조성의 강을 연속 주조기로 단면 300 ㎜ × 400 ㎜ 의 주편으로 하였다. 이 주편을 1250 ℃ 에서 30 분의 균열 후에 열간 압연으로 한 변이 140 ㎜ 인 직사각형 단면의 강편으로 하였다. 또한, 이 강편을 열간 압연하여, 80 ㎜φ 의 봉강 (열간 압연 상태의 소재) 으로 하였다. 이 봉강을 1200 ℃ 에서 1 시간 유지한 후에 열간 단조를 실시하여, 보다 소경의 35 ㎜φ 의 봉강으로 하였다.

이렇게 하여 얻어진 열간 단조재에 대해, 피삭성 (공구 수명) 을 외주 선삭 시험에 의해 평가하였다. 시험재에는, 열간 압연 상태의 소재 혹은 열간 단조재를 200 ㎜ 길이로 절단한 것을 사용하였다. 절삭 공구로는, 폴더가 미츠비시 머티리얼사 제조 CSBNR 2020, 또, 칩은 미츠비시 머티리얼사 제조 SNGN 120408 UTi20 고속도 공구강을 사용하였다. 외주 선삭 시험의 조건은, 절입량 1.0 ㎜, 이송 속도 0.25 ㎜/rev, 절삭 속도 200 m/min 이고, 윤활제는 유시로켄을 사용하였다. 평가 항목으로는, 공구 마모량 (여유면 마모량) 이 0.2 ㎜ 가 될 때까지의 시간을 공구 수명으로 하였다.

또, 상기한 열간 압연 상태의 소재 또는 열간 단조재에 대해, 경도 측정을 실시하였다. 평가용의 시험편은, 얻어진, 열간 압연 상태의 소재 혹은 열간 단조재의 중심부 (심부) 로부터 채취하였다. 경도 측정에서는, 비커스 경도계를 사용하고, JIS Z2244 에 준거하여 직경 방향 1/4 위치의 경도를 2.94 N (300 gf) 의 시험 하중으로 5 점 측정하고, 그 평균값을 경도 HV 로 하였다.

이상의 측정 결과를 표 2 에 나타낸다.

또한, 상기한 열간 단조재에 대해, 길이 방향과 평행하게, 도 1 에 나타내는 롤러 피칭 시험편을 채취하고, 이 시험편에 대해 연질화 처리를 실시하였다. 원하는 화합물층, 경도 분포를 얻기 위해, 연질화에 있어서의 온도, 시간 및 질화 포텐셜은 적절히 조정하였다. 여기서, 강 No.30 의 열간 단조재에 대해서는, 비교를 위해, 930 ℃ 에서 3 시간 침탄하고, 850 ℃ 로 40 분 유지 후, 유랭 (油冷) 하고, 또한 170 ℃ 에서 1 시간 템퍼링하는 침탄 ??칭·템퍼링을 실시하였다 (No.47).

이렇게 하여 얻어진 연질화 처리재 및 침탄 ??칭·템퍼링재에 대해, 경도 측정, 화합물층·포러스층 두께의 측정 및 피로 특성 평가를 실시하였다. 이들 측정 결과 및 평가 결과를 표 3 에 나타낸다.

또한, 경도 측정은, 상기의 연질화 처리재 및 침탄 ??칭·템퍼링재의 단면에 대해, 표면으로부터 50 ㎛, 400 ㎛, 1250 ㎛ 의 각 위치에서 각각 측정하였다. 또, 경도의 측정은, 모두 비커스 경도계를 사용하고, JIS Z2244 에 준거하여, 2.94 N (300 gf) 의 시험 하중으로 6 점 측정하고, 그 평균값을 구하였다.

화합물층과 포러스층 두께의 측정은, 연질화 처리재의 단면에 대해 실시하였다. 3 ％ 나이탈액으로 강을 부식시키고, 광학 현미경을 사용하여 표층 부분을 1000 배로 3 시야의 관찰을 실시하여, 부식되지 않은 화합물층을 특정하였다. 화합물층의 두께는, 3 시야에 있어서의 최대의 화합물층 두께의 값을 측정하였다. 포러스층에 대해서는, 상기의 3 시야에 대해, 표면으로부터 깊이 방향으로 연속해서 존재하는 미소한 공공의 집합체 중, 가장 두께가 두꺼운 지점의 두께를 각각 측정하고, 그들 중 최대의 값을 포러스층 두께로 하였다.

피로 특성 평가는, 연질화 처리 혹은 침탄 ??칭·템퍼링을 실시한 후의 롤러 피칭 시험편 (도 1 참조) 중, 조직 관찰, 경도 측정 및 석출물 관찰 모두 실시되어 있지 않은 것을 사용하여, 닛코 크리에이트 제조 RPT-201 로, S-N 선도를 작성함으로써 피로 한도 강도를 구하였다. 피로 한도 강도는 N = 2 이상에서 10⁷ 회를 초과하여 시험이 계속된 최대의 응력으로 하였다. 롤러 피칭 시험 조건은, 미끄럼률 40 ％ 이고, 윤활유로서 오토매틱 트랜스미션 오일 (미츠비시 ATF SP-III) 을 사용하여, 유온 80 ℃ 에서 실시하였다. 시험시의 회전수는 2000 rpm 이다. 전송면에 접촉시키는 대롤러에는 크라우닝 R300 ㎜ 의 SCM420H 의 침탄 ??칭품을 사용하였다.

Claims

표면으로부터 내측으로 순서대로, 두께가 5.0 ㎛ ∼ 30.0 ㎛ 인 질화 화합물층 및 경화층을 갖고,
상기 질화 화합물층의 최표층에 있어서의 포러스층의 두께가 3.0 ㎛ 이하 또한 상기 질화 화합물층의 두께의 40.0 ％ 이하이고,
상기 경화층은, 상기 표면으로부터 내측으로 50 ㎛ 의 위치에서의 경도가 HV600 이상, 상기 표면으로부터 내측으로 400 ㎛ 까지의 경도가 HV400 이상, 및 상기 표면으로부터 내측으로 600 ㎛ 까지의 경도가 HV250 이상이고,
상기 질화 화합물층 및 상기 경화층을 제외한 비경화 부분은, 질량％ 로,
C : 0.010 ％ 이상 0.200 ％ 이하,
Si : 1.00 ％ 이하,
Mn : 0.50 ％ 이상 3.00 ％ 이하,
P : 0.020 ％ 이하,
S : 0.020 ％ 이상 0.060 ％ 이하 및
Cr : 0.30 ％ 이상 3.00 ％ 이하
를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖고,
상기 경화층은, 상기 비경화 부분에 대해 N 의 함유량이 높은 성분 조성을 갖는 강.
제 1 항에 있어서,
상기 비경화 부분의 성분 조성은, 추가로, 질량％ 로,
Mo : 0.400 ％ 이하,
V : 0.50 ％ 이하,
Nb : 0.150 ％ 이하,
Al : 0.200 ％ 이하,
W : 0.3 ％ 이하,
Co : 0.3 ％ 이하,
Hf : 0.2 ％ 이하,
Zr : 0.2 ％ 이하,
B : 0.0100 ％ 이하,
Cu : 0.3 ％ 이하,
Ni : 0.3 ％ 이하,
Pb : 0.2 ％ 이하,
Bi : 0.2 ％ 이하,
Zn : 0.2 ％ 이하,
Sn : 0.2 ％ 이하,
Sb : 0.0200 ％ 이하 및
N : 0.0200 ％ 이하
중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 강.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 강이 소재인 강 부품.
제 3 항에 있어서,
상기 강 부품은 톱니 부착 부품으로서, 상기 화합물층을 적어도 상기 톱니 부분의 표층부에 갖고 있는 강 부품.