KR101430859B1

KR101430859B1 - 표면 경화용 기계 구조용 강 및 기계 구조 강 부품

Info

Publication number: KR101430859B1
Application number: KR1020127033773A
Authority: KR
Inventors: 아쯔시 미즈노; 마사유끼 하시무라; 하지메 사이또오; 슈우지 고자와; 게이 미야니시
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2014-08-18
Anticipated expiration: 2029-09-11
Also published as: US9156231B2; BRPI0905624B1; JPWO2010070958A1; EP2383359A1; AU2009311051B2; US20130220489A1; BRPI0905624A2; EP2383359A4; WO2010070958A1; US20110041959A1; KR20100097652A; BRPI0905624B8; KR20130007674A; JP4560141B2; EP2383359B8; CN102851601A; EP2383359B1; CN102851601B; CN101842507A; AU2009311051A1

Abstract

질량％로, C : 0.3 내지 0.6％, Si : 0.02 내지 2.0％, Mn : 1.5％ 내지 3.0％, W : 0.0025 내지 0.5％, Al : 0.001 내지 0.5％, N : 0.003 내지 0.02％, S : 0.0001 내지 0.025％, P : 0.0001 내지 0.03％ 및 O : 0.0001 내지 0.0050％를 함유하고, Mn/S가 70 이상 30000 이하이고, 잔량부가 실질적으로 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면 경화용 기계 구조용 강이다.

Description

표면 경화용 기계 구조용 강 및 기계 구조 강 부품{STEEL FOR MACHINE STRUCTURE FOR SURFACE HARDENING AND MACHINE STRUCTURE STEEL PART}

본 발명은 표면 경화용 기계 구조용 강과, 특히, 기어, 무단 변속기, 등속 조인트, 허브 등의 자동차 등의 동력 전달 부품용에 적용하는 높은 면 피로 강도를 갖는 기계 구조 강 부품에 관한 것이다.

기계 구조 강 부품, 예를 들어 자동 변속기의 기어나, 무단 변속기의 시브, 등속 조인트, 허브 등의 동력 전달 부품에는 높은 면 피로 강도가 요구된다.

종래, 일반적으로, 상기 부품에는 소재로서, JIS의 SCr420이나, SCM420 등의, C가 0.2％ 전후인 표면 경화강을 사용하여, 상기 소재를 부품으로 가공한 후, 침탄 켄칭하고, 부품 표면에, C가 0.8％ 전후인 마르텐사이트 조직의 경화층을 형성하여, 면 피로 강도를 높여 사용하고 있다.

그러나, 침탄 켄칭은 950℃ 전후의 고온에서의 오스테나이트 변태를 수반하여, 5 내지 10시간, 경우에 따라서는, 10시간 이상의 장시간 처리로 되므로, 결정립의 조대화에 의한 열처리 변형(켄칭 변형)이 커지는 것은 피하기 어렵다.

이로 인해, 강 부품에 높은 정밀도가 요구되는 경우에는, 침탄 켄칭한 후, 강 부품에, 연삭이나, 호닝 등의 마무리 가공을 실시해야만 한다.

이에 추가하여, 최근, 자동차 엔진 등의 소음을 저감시키는 요구가 높아지고 있으므로, 침탄 켄칭에 비해 열변형이 작은 표면 경화법인 고주파 켄칭이나, 연질화 처리가 주목되고 있다.

고주파 켄칭은 강재 표층부의 필요한 부분만을, 단시간의 가열로 오스테나이트화하여 켄칭하는 방법이므로, 켄칭 변형이 작아, 고정밀도로 표면 경화 부품을 얻을 수 있다. 그러나, 고주파 켄칭만으로, 침탄 켄칭재와 동등한 경도를 얻으려고 하면, 0.8％ 이상의 C 첨가가 필요해진다.

강 중의 C량이, 0.8％ 이상으로 되면, 면 피로 강도의 향상에는 불필요한 내부 경도도 상승하여, 피삭성이 현저하게 열화되므로, 지나치게 강 중의 C량을 증가시킬 수는 없다. 고주파 켄칭만으로 면 피로 강도를 향상시키는 데에는 한계가 있다.

연질화 처리는 변태점 이하의 500 내지 600℃의 온도 영역에서, 주로 질소와 탄소를, 동시에 강재 표면에 확산ㆍ침투시켜 경화층을 형성하여, 내마모성, 내시징성, 내피로성 등을 향상시키는 표면 경화법이다.

강재 표면에는 확산된 질소에 의해 질화물이 생성된다. 통상, 강재의 최표면에는, 주로 Fe₃N, Fe₄N 등의 Fe 질화물로 이루어지는 화합물층이 형성되고, 그 내부에는 N이 확산된 질화층이 형성된다.

연질화 처리는 저온에서 행할 수 있고, 또한 침탄 처리에 비해, 처리 시간이 2 내지 4시간 정도의 단시간이라도 좋으므로, 저변형이 요구되는 강 부품의 제조에 많이 적용되고 있다. 그러나, 연질화 처리만으로는, 경화층 깊이가 얕기 때문에, 높은 면압이 가해지는 트랜스미션 기어 등에는 적용할 수 없다.

최근, 고주파 켄칭과 연질화 처리의 결점을 보충하여, 보다 우수한 기계적 성질, 특히 보다 우수한 면 피로 강도를 얻는 방법으로서, 연질화 처리 후에 고주파 켄칭을 실시하는 것이 시도되고 있다(특허 문헌 1 내지 7 참조).

예를 들어, 특허 문헌 1에는 고주파 켄칭과 가스 연질화 처리를 조합하여, 각각의 결점을 보충하여, 우수한 기계적 성질, 특히 연화 저항의 향상에 의한 높은 면 피로 강도를 얻는 방법이 개시되어 있다.

그러나, 특허 문헌 1의 방법에서는 표면 경도는 높지만, 질화층 중의 N농도가 낮으므로, 고온 경도가 낮고, 가동 중에 고온으로 되는 기어 등의 표면에서, 충분한 연화 저항이 얻어지지 않아, 결국, 높은 면 피로 강도가 얻어지고 있지 않다.

특허 문헌 2에도 고주파 켄칭과 연질화 처리를 조합하여, 기계적 강도가 우수한 기계 구조용 부품을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 특허 문헌 2의 방법에서는, 질화물의 고용을 위해, 900℃ 이상 1200℃ 이하의 고온에서의 고주파 가열을 필요로 한다.

그러나, 질화물의 분해, 확산을 촉진하는 N과의 친화성이 높은 원소의 첨가량이 부족하므로, 고온 가열로 될 수밖에 없다. 그로 인해, 강재 표면에 있어서의 산화층의 생성이 현저해져, 기계적 성질이 크게 열화되어 버린다.

또한, 특허 문헌 2의 방법에서는, 두꺼운 화합물층을 형성하기 위한 방법이 고려되어 있지 않으므로, 높은 면압 하에서 양호한 면 피로 강도를 얻을 수는 없다.

특허 문헌 3에는, 중량％로, C : 0.35 내지 0.65％, Si : 0.03 내지 1.50％, Mn : 0.3 내지 1.0％, Cr : 0.1 내지 3.0％, 잔량부 Fe 및 불순물로 이루어지는 강에 대해, 질화층 깊이가 150㎛ 이상으로 되는 조건에서 연질화 처리를 행한 후, 질화층이 오스테나이트화되는 조건에서 고주파 켄칭을 행하는 것을 특징으로 하는 기계적 강도가 우수한 기계 구조 부품의 제조 방법이 개시되어 있다.

그러나, 특허 문헌 3의 제조 방법에 있어서는, 면 피로 강도를 높이기 위해, 소요 두께의 질화층을 형성하는 것은 고려되어 있지 않다.

특허 문헌 4에는 부품 형상으로 가공된 철계 재료에 연질화 처리를 행하여 표면층에 질소를 확산 침투시켜 화합물층을 형성시킨 후, 화합물층이 소실되어 새롭게 생성한 표층의 확산층이 탈질되고 최표면에 다공질층이 형성되는 조건에서 고주파 켄칭을 행하는 것을 특징으로 하는 기계 부품의 열처리 방법이 개시되어 있다.

그러나, 특허 문헌 4의 열처리 방법에 있어서는, 면 피로 강도를 높이기 위해, 소요 두께의 질화층을 형성하는 것은 고려되어 있지 않다.

특허 문헌 5에는 캠 팔로워(cam follower) 장치에 사용하는 롤러 지지축이며, Cr, Mo, V 및 W를 합계 1.0 내지 20.0 중량％, C와 N을 합계 0.5 내지 1.2 중량％, 각각 함유하고, 나머지를 불가피 불순물과 Fe로 한 철계 합금제이며, 표면을 질화 처리한 후에, 양단부를 제외한 외주면 부분에 고주파 켄칭을 실시한 롤러 지지축이 개시되어 있다.

그러나, 특허 문헌 5의 롤러 지지축에 있어서는, 면 피로 강도를 높이기 위해, 필요한 두께의 질화층을 형성하는 것은 고려되어 있지 않다.

특허 문헌 6에도 고주파 켄칭과 질화 처리를 조합하여, 우수한 기계적 성질을 얻는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 특허 문헌 6의 방법에 있어서의 질화 처리는 600℃ 이상의 고온에서 행하므로, 화합물층의 층두께는 얇고, 또한 그 중 N농도는 낮기 때문에, 고주파 켄칭 시에 분해하여 확산하는 N량도 적다.

결국, 특허 문헌 6의 질화 처리에서는 화합물층을 형성할 수 있어도, 두껍고 N농도가 높은 질화층을 형성하는 것은 어렵기 때문에, 고주파 켄칭과 조합해도, 연화 저항이 높고 면 피로 강도가 양호한 질화층을 형성할 수는 없다.

특허 문헌 7에는 질량％로, C : 0.30％ 초과, 0.50％ 이하, Si : 1.0％ 이하, Mn : 1.5％ 이하, Mo : 0.3％ 이상, 0.5％ 이하, Ti : 0.1％ 이하, B : 0.0005％ 이상, 0.01％ 이하를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 표면에, 두께 50㎛ 이하이고 또한 비커스 경도 750 이상인 경화층을 갖고, 상기 경화층 이외의 조직이, 구 오스테나이트 입경 10㎛ 이하이고 또한 마르텐사이트 분율이 90％ 이상이고, 비커스 경도가 450 이상 750 미만인 것을 특징으로 하는 강도, 연성, 인성, 내마모성이 우수한 기계 구조용 강이 개시되어 있다.

그러나, 특허 문헌 7의 기계 구조용 강은 소요 두께의 질화층을 형성하여, 면 피로 강도를 높인 것이 아니므로, 무단 변속기의 금속 벨트에 적용할 수 있어도, 자동 변속기의 기어나, 무단 변속기의 시브, 등속 조인트, 허브 등의 높은 면압이 가해지는 동력 전달 부품에 적용하는 것은 어렵다.

결국, 높은 면압이 가해지는 동력 전달 부품에 적용할 수 있는 표면 경화용 구조용 강은 지금까지 제안되어 있지 않다.

일본 특허 출원 공개 평06-172961호 공보 일본 특허 출원 공개 평07-090363호 공보 일본 특허 출원 공개 평07-090364호 공보 일본 특허 출원 공개 평10-259421호 공보 일본 특허 출원 공개 제2004-183589호 공보 일본 특허 출원 공개 제2007-077411호 공보 일본 특허 출원 공개 제2007-177317호 공보

본 발명은 상기 실상을 감안하여, 고주파 켄칭, 또는 연질화 처리만으로는, 표면 경도 및 내부 경도가 낮다고 하는 결점을, 고주파 켄칭과 연질화 처리를 조합함으로써, 서로 보충하여, (i) 종래의 연질화 고주파 켄칭 강 부품에서는 얻어지지 않는, 높은 표면 경도, 내부 경도 및 템퍼링 연화 저항을 구비하고, 또한, (ii) 가동면에서 충분한 윤활막을 형성하여, 면 피로 강도가 우수한 기계 구조용 강 부품과, 상기 강 부품에 사용하는 표면 경화용 기계 구조용 강을 제공하는 것을 과제로 한다.

강 부품의 면 피로 강도을 높이기 위해서는, (i) 표면 경도의 향상, (ii) 경화층 깊이의 증대 및 (iii) 고온화(300℃ 전후)하는 가동면에서 고온 강도를 유지하기 위한 연화 저항의 향상이 유효하다. 또한, 가동면끼리의 시징(seizing)이나, 응착을 방지하기 위해서는, 충분한 윤활막을 형성하는 것이 유효하다.

이들을 고려하여, 본 발명자들은 연질화 처리와 고주파 열처리의 조합에 의한 강 부품의 표면 경화에 대해 예의 연구하여, 이하의 지식을 얻는 데 이르렀다.

(a) 연화 저항을 증대시키기 위해서는, N농도가 높은 질화층을 형성하는 것이 유효하다. 질화 처리만으로는, 화합물층을 형성할 수 있어도, N농도가 높고 두꺼운 질화층을 형성하는 것은 어려워, 연화 저항을 증대시키는 것은 불가능하다.

연화 저항을 증대시키기 위해서는, 연질화 시에 형성되는 화합물층(주로, Fe₃N, Fe₄N 등의 Fe 질화물로 이루어지는 층)을 N의 공급원으로 하여, 그 후에 행하는 고주파 가열로 화합물을 분해하여, 강 중에, 충분한 양의 N을 확산시킬 필요가 있다.

여기서, 도 1에 연질화재와, 연질화＋고주파 켄칭재에 있어서의, 표면으로부터 코어부 방향의 단면 경도 분포의 일례를 도시한다.

연질화재에 있어서는, 질화층의 최표층[도 2의 (a) 참조. 도 2의 (a)에 대해서는 후술한다.]에 화합물층이 형성되어, 도 1에 도시한 바와 같이 매우 높은 경도를 나타내지만, 화합물층의 두께는 얇다.

그리고, 고주파 가열로 최표층의 화합물층이 분해되어, N이 내부로 확산되고, 최표층의 경도는, 약간 낮아지지만, 면 피로 강도의 향상에 유효한 경화층(질화층)이 증가하고 있는 것을 알 수 있다.

또한, 켄칭을 실시한 연질화재의 표층 조직은 마르텐사이트이고, 코어부는 페라이트-펄라이트 조직이다.

고주파 켄칭으로 분해하는 화합물층의 두께를 10㎛ 이상으로 하면, 높은 N농도의 질화층을 두껍게 할 수 있다. 질화 처리로 형성되는 화합물층은, 질화 조건에 따라서는 무른 화합물층으로 되어, 기계적 성질을 열화시키는 경우가 있으므로, 통상은, 화합물층의 두께를 얇게 하는 노력이 이루어져 있다.

이에 대해, 본 발명에서는 화합물층의 두께를 적극적으로 두껍게 하여, 화합물층의 특성을 적극적으로 활용하는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에서는, 화합물층의 두께를 두껍게 함으로써, 고주파 켄칭 시에 N을 많이 포함하는 마르텐사이트를 형성하여, 연화 저항이 높은 조직을 얻는 것이다.

본 발명에 있어서는, 연화 저항이 높은 조직의 형성에 의해, 고온 시의 연화 저항이 비약적으로 증대된다.

(b) 연질화 시에, 두꺼운 화합물층을 형성하기 위해서는, Fe-N 화합물의 생성을 방해하는 S를 저감시키는 것이 필요하다. 강재 중의 S는 단독으로 고용되어 있으면, 강재 표면으로 농화되어, 질화를 저해한다. 이 S의 작용을 억제하기 위해, 일정 이상의 양의 Mn을 첨가하여, MnS로서, S를 고정하여 무해화한다.

Mn은 Mn/S ≥ 70을 만족시키는 양을 첨가하면, S의 작용을 억제하여 화합물층의 형성에 현저한 효과를 발휘한다. 단, Mn/S는 30000 이하가 바람직하다.

(c) 고주파 가열 시에, 화합물층의 분해와, N의 강 중으로의 확산을 촉진하여, 질화층 깊이를 증대시키기 위해서는, N과의 친화성이 높은 W를, 소요량 첨가할 필요가 있다. W의 첨가에 의해, 질화층 중의 N농도가 현저하게 증가하고, 또한 질화층의 깊이가 증대되어, 연화 저항이 향상된다.

W의 첨가로, 900℃ 미만의 저온에서도 충분히 N의 확산을 촉진할 수 있다. 이와 같이, 가열 온도를 낮게 할 수 있으므로, 결정립 직경의 미세화 효과와, 산화층의 저감 효과에 의해, 기계적 성질의 열화를 방지할 수 있다.

(d) 가동면의 시징이나 응착을 방지하기 위해서는, 윤활제의 오일막이 도중에 끊기지 않고 형성되도록, 오일 저장부를 설치하는 것이 유효하다. 본 발명에 있어서는, 강재 표층에 연질화 처리로 화합물층을 형성하고, 그 후의 고주파 가열로 오스테나이트화하여 켄칭을 실시함으로써, 질화층을 형성하는 것을 특징으로 한다.

도 2에, 광학 현미경 및 주사형 전자 현미경으로 관찰한 질화층의 일례를 도시한다. 도 2의 (a)는 광학 현미경 사진에서 관찰한 질화층을 도시하고, 도 2의 (b)는 주사형 전자 현미경으로 관찰한 질화층(층부 확대)을 도시한다.

도 2의 (b)로부터, 질화층은 화합물층의 분해에 의해, 오일 저장부로서 기능하는 다수의 공공(vacancy)이 존재하는 경질의 다공질층으로 되어 있는 것을 알 수 있다. 질화층 중에 공공이 다수 존재함으로써, 윤활 효과가 향상되어, 내마모성 및 내구성이 가일층 향상된다.

연질화 및 고주파 가열 조건을 제어함으로써, 공공을, 원상당 직경으로 0.1㎛ 이상 1㎛ 이하의 치수로, 10000개/㎟ 이상의 밀도로, 표면으로부터 5㎛ 이상의 깊이로 질화층 중에 존재하게 할 수 있다. 질화층 중의 공공은 오일 저장부로서, 유효하게 기능을 발휘한다.

본 발명은 상기 지식에 기초하여 완성한 것으로, 그 요지는 이하와 같다.

(1) 질량％로,

C : 0.36 내지 0.6％,

Si : 0.02 내지 2.0％,

Mn : 1.5％ 내지 3.0％,

W : 0.0025 내지 0.5％,

Al : 0.001 내지 0.5％,

N : 0.003 내지 0.02％,

S : 0.0001 내지 0.025％,

P : 0.0001 내지 0.03％ 및,

O : 0.0001 내지 0.005％를 함유하고,

Mn/S가 70 이상 30000 이하이고,

잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면 경화용 기계 구조용 강.

(2) 또한, 질량％로,

Cr : 0.01 내지 2.0％,

Mo : 0.01 내지 1.0％ 및,

V : 0.01 내지 1.0％의 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 표면 경화용 기계 구조용 강.

(3) 또한, 질량％로,

B : 0.0005 내지 0.005％를 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 표면 경화용 기계 구조용 강.

(4) 또한, 질량％로,

Nb : 0.005 내지 0.3％,

Ti : 0.005 내지 0.2％,

Ni : 0.05 내지 2.0％ 및,

Cu : 0.01 내지 2.0％의 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 표면 경화용 기계 구조용 강.

(5) 또한, 질량％로,

Ca : 0.0005 내지 0.01％,

Mg : 0.0005 내지 0.01％,

Zr : 0.0005 내지 0.05％ 및,

Te : 0.0005 내지 0.1％의 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 표면 경화용 기계 구조용 강.

(6) 상기 기계 구조용 강이, 질화 처리 후, 고주파 켄칭을 실시하는 강인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 표면 경화용 기계 구조용 강.

(7) 상기 질화 처리가 연질화 처리인 것을 특징으로 하는 상기 (6)에 기재된 표면 경화용 기계 구조용 강.

(8) 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 표면 경화용 기계 구조용 강을 가공하여, 질화 처리한 후, 고주파 켄칭을 실시한 강 부품이며, 표면으로부터 깊이 0.4㎜ 이상에 걸치는 표층이 질화층이고, 또한 표면으로부터 깊이 0.2㎜까지의 질화층의 경도가, 300℃에서 템퍼링했을 때의 비커스 경도로 650 이상인 것을 특징으로 하는 기계 구조 강 부품.

(9) 상기 질화 처리가 연질화 처리인 것을 특징으로 하는 상기 (8)에 기재된 기계 구조 강 부품.

(10) 상기 질화층 내의 표면으로부터 깊이 5㎛ 이상에 걸치는 질화층에, 원 상당 직경으로, 0.1 내지 1㎛의 공공이, 10000개/㎟ 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 상기 (8) 또는 (9)에 기재된 기계 구조 강 부품.

본 발명에 따르면, 자동차 등의 동력 전달 부품에 적용할 수 있는 표면 경화용 구조용 강을 제공하는 동시에, 높은 면 피로 강도를 갖는 강 부품, 특히, 기어, 무단 변속기, 등속 조인트, 허브 등의 기계 구조 강 부품을 제공할 수 있다.

도 1은 연질화재와, 연질화＋고주파 켄칭재에 있어서의, 표면으로부터 코어부 방향의 단면 경도 분포의 일례를 도시하는 도면이다.
도 2는 광학 현미경 및 주사형 전자 현미경으로 관찰한 질화층의 일례를 도시하는 도면이다. (a)는 광학 현미경 사진에서 관찰한 질화층을 도시하고, (b)는 주사형 전자 현미경으로 관찰한 질화층(층부 확대)을 도시한다.
도 3은 Mn/S와 화합물층 두께(㎛)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 고주파 켄칭을 실시한 후, 표층으로부터 0.2㎜ 위치에서의 N농도(질량％)와, 300℃ 템퍼링 경도(Hv)의 관계를 나타내는 도면이다.

본 발명은 높은 면 피로 강도가 요구되는 강 부품을 제조하기 위해, Mn과 W를 적정량 첨가한 강에, 질화 또는 연질화 처리를 실시한 후, 고주파 켄칭을 실시하여, N농도가 높은 질화층을 깊게 형성하여, 경도 및 연화 저항을 높이는 것을 기본 사상으로 한다.

우선, 본 발명의 기본이 되는 성분 조성을 규정하는 이유에 대해 설명한다. 여기서, ％는 질량％를 의미한다.

C : 0.3 내지 0.6％

C는 강의 강도를 얻기 위해 중요한 원소이다. 특히, 고주파 켄칭 전의 조직의 페라이트 분율을 저감시키고, 고주파 켄칭 시의 경화능을 향상시켜, 경화층 깊이를 크게 하기 위해 필요한 원소이다.

0.3％ 미만에서는, 페라이트 분율이 높고, 고주파 켄칭 시의 경화가 부족하므로, 하한을 0.3％로 하였다. 바람직한 하한은 0.36％이다.

한편, 지나치게 많으면, 강 부품 제작 시의 절삭성이나 단조성이 현저하게 저하되고, 또한 고주파 켄칭 시에 담금질 균열이 발생할 가능성이 커지므로, 상한을 0.6％로 하였다. 바람직한 상한은 0.53％이다.

Si : 0.02 내지 2.0％

Si는 켄칭층의 연화 저항을 높이고, 면 피로 강도를 높이는 효과를 갖는 원소이다. 그 효과를 얻기 위해서는, 0.02％ 이상의 첨가가 필요하다. 바람직하게는 0.1％ 이상, 보다 바람직하게는 0.25％ 이상 첨가한다.

그러나, 2.0％를 초과하면, 단조 시의 탈탄이 현저해지므로, 2.0％를 상한으로 하였다. 바람직한 상한은 1.44％이다.

Mn : 1.5 내지 3.0％

Mn은 켄칭성의 향상, 연화 저항의 증대에 의해, 면 피로 강도를 높이는데 유효한 원소이다. 또한, Mn은 강 중의 S를 MnS로서 고정하여, S가 강재 표면에 농화되어 N의 침입을 저해하는 작용을 억제하고, 질화 또는 연질화 처리에 의한 두꺼운 화합물층의 형성을 촉진하는 효과를 갖는 원소이다.

S를 MnS로서 고정하여 무해화하기 위해서는, Mn을, Mn/S ≥ 70을 만족시키도록 첨가하는 것이 필요하다.

또한, Mn은 고주파 켄칭 전의 조직의 페라이트 분율을 저하시켜, 고주파 켄칭 시의 경화능을 높이는 효과를 갖는 원소이다. 첨가 효과를 얻기 위해서는, 1.5％ 이상의 첨가가 필요하다. 바람직하게는 1.55％ 이상이고, 더욱 바람직하게는 1.6％ 이상이다.

그러나, 3.0％를 초과하면, 강재 제조 시에 지나치게 단단해져, 막대강 절단성 등에 지장이 생기고, 또한 Mn은 제강 시의 응고 단계에서 덴드라이트 결정 사이에 편석하여, 강재를 국부적으로 경화시켜 깨지기 쉽게 하는 경우가 있으므로, 3.0％를 상한으로 하였다. 바람직한 상한은 2.59％, 더욱 바람직한 상한은 2.29％이다.

S : 0.0001 내지 0.025％

S는 피삭성을 향상시키는 효과가 있는 한편, 강재 표면에 농화되어, 연질화 시에 N의 강재 중으로의 침입을 방해하는 작용을 하는 연질화 저해 원소이다.

0.025％를 초과하면, 연질화를 저해하는 작용이 현저해지고, 또한 단조성도 현저하게 열화되므로, 피삭성 향상을 위해 첨가한다고 해도, 0.025％ 이하로 멈춰야 한다. 바람직하게는 0.019％ 이하, 보다 바람직하게는 0.009％ 이하이다. 하한은 공업적 한계인 0.0001％로 하였다.

강 중의 S를, MnS로서 고정하여 무해화하기 위해, 30000 ≥ Mn/S ≥ 70으로 하는 것이 필요하다.

Mn/S : 70 내지 30000

상술한 바와 같이, S가 강재 표면으로 농화되는 것을 방지하기 위해, S에 대한 일정비 이상의 Mn을 첨가하고, S를 MnS로서 고정하여, S의 무해화를 도모해야만 한다.

Mn과 S의 첨가량의 비 Mn/S가 70 미만이면, S가 강재 표면에 농화되어, 질화 또는 연질화 시의 화합물층의 형성이 방해되므로, Mn/S를 70 이상으로 하였다. Mn/S가 70 이상이면 첨가 효과가 현저하다.

Mn의 상한이 설정되어 있고, S의 하한이 설정되어 있으므로, 특별히 Mn/S의 상한을 설정할 필요는 없지만, Mn/S ≒ 30000에서, Mn의 첨가 효과가 포화되므로, 상한을 30000으로 하였다.

도 3은 강재에 후술하는 조건으로 연질화 처리를 실시하여 얻은, Mn/S와 화합물층의 두께(㎛)의 관계를 나타내는 도면이다. 도 3으로부터, Mn/S를 70 이상으로 하면, 연질화 처리를 실시했을 때, 두께가 10㎛ 이상인 화합물층을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

W : 0.0025 내지 0.5％

W는 N과의 친화성이 좋고, 켄칭성을 높이고, 또한 고주파 가열 시의 N의 확산을 촉진하여 면 피로 강도를 높이는 작용을 하는 원소이다. 또한, W는 고주파 켄칭 전의 조직의 페라이트 분율을 저하시켜, 고주파 켄칭 시의 경화능을 높이는 작용을 하는 원소이다.

또한, W는 강 중에서 편석되기 어렵고, 강의 켄칭성을 균일하게 높이고, Mn의 편석에 의한 켄칭성의 저하를 보충하는 작용을 하는 원소이다. W의 첨가 효과를 얻기 위해서는 0.0025％ 이상의 첨가가 필요하다. 바람직하게는 0.01％ 이상, 보다 바람직하게는 0.05％ 이상이다.

단, 0.5％를 초과하면, 절삭성이 악화되고, 또한 첨가 효과가 포화되어 경제성이 손상되므로, 0.5％를 상한으로 하였다. 바람직한 상한은 0.40％이고, 보다 바람직하게는 0.25％이다.

Al : 0.001 내지 0.5％

Al은 Al 질화물로서 강 중에 석출 분산되어, 고주파 켄칭 시, 오스테나이트 조직의 미립화에 유효하게 작용하고, 또한 켄칭성을 높여, 경화층 깊이를 증대시키는 작용을 하는 원소이다. 또한, Al은 피삭성 향상에도 유효한 원소이다.

첨가 효과를 얻기 위해, 0.001％ 이상의 첨가가 필요하다. 바람직하게는 0.005％ 이상, 보다 바람직하게는 0.010％ 이상이다.

그러나, 0.5％를 초과하여 첨가하면, 석출물이 조대화되어 강을 취화시키므로, 상한을 0.5％로 하였다. 바람직한 상한은 0.31％, 보다 바람직하게는 0.14％이다.

N : 0.003 내지 0.02％

N은 각종 질화물을 형성하여, 고주파 켄칭 시, 오스테나이트 조직의 미립화에 유효하게 작용하는 원소이다. 첨가 효과를 얻기 위해, 0.003％ 이상의 첨가가 필요하다. 바람직하게는 0.005％ 이상이다.

그러나, 0.02％를 초과하여 첨가하면, 단조성이 악화되므로, 0.02％를 상한으로 하였다. 바람직한 상한은 0.01％이다.

P : 0.0001 내지 0.03％

P는 입계에 편석하여 인성을 저하시키는 작용을 하는 원소이다. 그로 인해, 최대한 저감시킬 필요가 있어, 0.03％ 이하로 제한한다. 바람직하게는 0.01％ 이하로 제한한다. 하한은 공업적 한계인 0.0001％로 한다.

O : 0.0001 내지 0.0050％

O는 Al₂O₃나 SiO₂ 등의 산화물계 개재물로서 강 중에 존재하지만, 0가 많으면 상기 산화물이 대형화되어 버려, 이것을 기점으로 하여 동력 전달 부품의 파손에 이르기 때문에, 0.0050％ 이하로 제한할 필요가 있다.

적을수록 바람직하므로, 0.0020％ 이하가 바람직하고, 또한 고수명을 지향하는 경우에는 0.0015％ 이하가 바람직하다. 하한은 공업적 한계인 0.0001％로 한다.

다음에, 본 발명의 선택 원소의 성분 조성에 대해 설명한다.

[면압 피로 강도 향상 원소]

Cr : 0.01 내지 2.0％

Cr은 강의 질화 특성을 높이는 동시에, 켄칭층의 연화 저항을 높여, 면압 피로 강도를 개선하는 효과를 갖는 원소이다. 첨가 효과를 얻기 위해, 0.01％ 이상 첨가한다. 바람직하게는 0.1％ 이상, 보다 바람직하게는 0.52％ 이상이다.

단, 2.0％를 초과하여 첨가하면, 절삭성이 악화되므로, 2.0％를 상한으로 하였다. 바람직한 상한은 1.74％, 보다 바람직한 상한은 1.30％이다.

Mo : 0.01 내지 1.0％

Mo는 켄칭층의 연화 저항을 높이고, 면압 피로 강도를 높이는 효과와, 켄칭층을 강인화하여 굽힘 피로 강도를 높이는 효과를 갖는 원소이다. 첨가 효과를 얻기 위해서는, 0.01％ 이상의 첨가가 필요하다. 바람직하게는 0.05％ 이상, 보다 바람직하게는 0.12％ 이상이다.

단, 1.0％를 초과하여 첨가해도, 첨가 효과는 포화되고, 경제성을 손상시키므로, 1.0％를 상한으로 하였다. 바람직한 상한은 0.80％, 보다 바람직한 상한은 0.69％이다.

V : 0.01 내지 1.0％

V는 질화물로서 강 중에 석출 분산하여, 고주파 켄칭 처리 시, 오스테나이트 조직의 미립화에 유효하게 작용하는 원소이다. 첨가 효과를 얻기 위해서는, 0.01％ 이상의 첨가가 필요하다. 바람직하게는 0.10％ 이상, 보다 바람직하게는 0.25％ 이상이다.

그러나, 1.0％를 초과하여 첨가해도, 첨가 효과는 포화되고, 경제성을 손상시키므로, 상한을 1.0％로 하였다. 바람직한 상한은 0.80％, 보다 바람직한 상한은 0.68％이다.

본 발명에 있어서는, 면압 피로 강도를 높이기 위해, Cr : 0.01 내지 2.0％, Mo : 0.01 내지 1.0％ 및 V : 0.01 내지 1.0％의 1종 또는 2종 이상을 첨가한다.

[켄칭성 향상 원소]

B : 0.0005 내지 0.005％

B는 켄칭성의 향상에 기여하는 원소이다. 첨가 효과를 얻기 위해서는, 0.0005％ 이상의 첨가가 필요하다. 바람직하게는 0.001％ 이상이다. 단, 0.0050％를 초과하여 첨가해도, 첨가 효과는 포화되므로, 0.005％를 상한으로 하였다. 바람직한 상한은 0.003％이다.

[강재 강화 원소]

Nb : 0.005 내지 0.3％

Nb는 질화물로서 강 중에 석출 분산하여, 고주파 켄칭 시, 오스테나이트 조직의 미립화에 유효하게 작용하는 원소이다. 첨가 효과를 얻기 위해서는, 0.005％ 이상의 첨가가 필요하다. 바람직하게는 0.01％ 이상, 보다 바람직하게는 0.04％ 이상이다.

그러나, 0.3％를 초과하여 첨가해도, 첨가 효과는 포화되고, 경제성을 손상시키므로, 상한을 0.3％로 하였다. 바람직한 상한은 0.2％, 보다 바람직한 상한은 0.16％이다.

Ti : 0.005 내지 0.2％

Ti는 질화물로서 강 중에 석출 분산하여, 고주파 켄칭 처리 시, 오스테나이트 조직의 미립화에 유효하게 작용하는 원소이다. 첨가 효과를 얻기 위해서는, 0.005％ 이상의 첨가가 필요하다. 바람직하게는 0.02％ 이상, 보다 바람직하게는 0.05％ 이상이다.

그러나, 0.2％를 초과하여 첨가하면, 석출물이 조대화되어, 강을 취화시키므로, 상한을 0.2％로 하였다. 바람직한 상한은 0.15％, 보다 바람직한 상한은 0.11％이다.

Ni : 0.05 내지 2.0％

Ni는 인성을 더욱 높이는 원소이다. 첨가 효과를 얻기 위해서는, 0.05％ 이상의 첨가가 필요하다. 바람직하게는 0.10％ 이상, 보다 바람직하게는 0.21％ 이상이다.

그러나, 2.0％를 초과하여 첨가하면, 절삭성이 악화되므로, 2.0％를 상한으로 하였다. 바람직한 상한은 1.5％, 보다 바람직한 상한은 0.96％이다.

Cu : 0.01 내지 2.0％

Cu는 페라이트를 강화하여, 켄칭성의 향상, 내식성의 향상에 유효한 원소이다. 첨가 효과를 얻기 위해서는, 0.01％ 이상의 첨가가 필요하다. 바람직하게는 0.09％ 이상, 보다 바람직하게는 0.14％ 이상이다.

그러나, 2.0％를 초과하여 첨가해도, 기계적 성질의 향상 효과가 포화되므로, 2.0％를 상한으로 하였다. 바람직한 상한은 1.5％, 보다 바람직한 상한은 0.95％이다. 또한, Cu는, 특히, 열간 연성을 저하시켜, 압연 시의 손상의 원인으로 되기 쉬우므로, Ni와 동시에 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서는, 강재를 강화하기 위해, Nb : 0.005 내지 0.3％, Ti : 0.005 내지 0.2％, Ni : 0.05 내지 2.0％ 및 Cu : 0.01 내지 2.0％의 1종 또는 2종 이상을 첨가한다.

[굽힘 강도 향상 원소]

강 부품에, 굽힘 피로 강도의 향상이 요구되는 경우, Ca : 0.0005 내지 0.01％, Mg : 0.0005 내지 0.01％, Zr : 0.0005 내지 0.05％ 및 Te : 0.0005 내지 0.1％의 1종 또는 2종 이상을 강재에 첨가한다.

상기 원소는 기어의 굽힘 피로 파괴나, 축부품의 스플라인의 저부의 피로 파괴의 원인으로 되는 MnS의 연신을 억제하여, 굽힘 피로 강도를 가일층 향상시키는 원소이다.

첨가 효과를 얻기 위해서는, Ca : 0.0005％ 이상, Mg : 0.0005％ 이상, Zr : 0.0005％ 이상, Te : 0.0005％ 이상의 첨가가 필요하다. 바람직하게는 Ca : 0.0010％ 이상, Mg : 0.0010％ 이상, Zr : 0.0010％ 이상, Te : 0.0010％ 이상이다.

그러나, Ca : 0.01％ 초과, Mg : 0.01 ％ 초과, Zr : 0.05％ 초과, Te : 0.1％ 초과를 첨가해도, 첨가 효과는 포화되고, 경제성을 손상시키므로, Ca : 0.01％, Mg : 0.01％, Zr : 0.05％, Te : 0.1％를 상한으로 하였다. 바람직한 상한은 Ca : 0.005％, Mg : 0.005％, Zr : 0.005％, Te : 0.07％이다.

즉, MnS의 연신 억제 효과를 얻기 위해, Ca : 0.0005 내지 0.01％, Mg : 0.0005 내지 0.01％, Zr : 0.0005 내지 0.05％ 및 Te : 0.0005 내지 0.1 ％의 1종 또는 2종을 첨가한다.

또한, 본 발명에 있어서는, 상기 원소 외에, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에서, Pb, Bi, Sn, Zn, REM, Sb를 함유할 수 있다.

다음에, 강 부품의 표층에 있어서의 질화층의 두께와 경도에 대해 설명한다.

본 발명의 강 부품은 본 발명의 강을 가공한 부품에, 질화 또는 연질화 처리를 실시한 후, 고주파 켄칭을 실시한 강 부품이며, 표면으로부터 깊이 0.4㎜ 이상에 걸치는 표층이 질화층이고, 또한 표면으로부터 깊이 0.2㎜까지의 질화층의 경도가, 300℃에서 템퍼링했을 때, 비커스 경도로 650 이상인 것을 특징으로 한다.

질화층의 두께가 0.4㎜ 미만이면, 충분한 경도를 갖는 표층의 두께가 얇아져, 표면 기점의 파괴가 일어나기 전에, 내부 파괴인 스폴링이 발생하여, 저수명으로 되므로, 표면으로부터 깊이 0.4㎜ 이상에 걸치는 표층을 질화층으로 한다.

면 피로 파괴는 고온화(300℃ 전후)되는 가동면에 있어서 발생하는 표면 기점의 파괴이므로, 고온 강도의 유지, 즉 템퍼링 연화 저항을 증대시키는 것이, 면 피로 강도의 향상에 유효하다.

표면으로부터 깊이 0.2㎜의 질화층에 있어서, 300℃에서 템퍼링했을 때의 비커스 경도가 650 미만이면, 질화층이 높은 면압에 견딜 수 없으므로, 표면으로부터 깊이 0.2㎜까지의 질화층에 있어서, 300℃에서 템퍼링했을 때의 비커스 경도를 650 이상으로 한다.

실제의 강 부품에 있어서, 연질화 처리를 실시한 후에 고주파 켄칭을 실시한 강 부품인 것은, (a) 강 부품으로부터 마이크로 샘플을 채취하여, 나이탈 부식액으로 부식시킨 후, 광학 현미경으로 관찰한 조직 분포, (b) 표면으로부터 코어부로 걸쳐서 측정한 경도 분포, 또한, (c) EPMA로 측정한 표면으로부터 코어부로의 N농도 분포에 의해 판별할 수 있다.

N농도가 높은 질화층을 형성하여, 높은 면 피로 강도를 얻기 위해서는, 고주파 열처리 시에 분해하여 N을 공급하는 화합물층(주로, Fe₃N, Fe₄N 등의 Fe 질화물로 이루어지는 층)을 강 표면에 형성할 필요가 있다. 이로 인해, 질화 처리 또는 연질화 처리는 필요하고 중요한 처리이다.

강 중에, 충분한 양의 N을 확산시켜, 강의 표층에, 단단하고, 또한 템퍼링 연화 저항이 높은 질화층을 깊게 형성하기 위해서는, 질화 또는 연질화 처리 후의 화합물층의 두께를 10㎛ 이상으로 할 필요가 있다.

600℃를 초과하는 고온에서 연질화 처리를 실시하면, 화합물층이 얇고, 또한 화합물층 중의 N농도가 낮아지므로, 연질화 온도는 600℃ 미만으로 한다. 연질화 온도가 저온이면, 강재의 열처리 변형이나, 입계 산화 등을 방지할 수 있으므로, 이 점으로부터도 연질화 온도를 600℃ 미만으로 한다.

두꺼운 화합물층을 형성하기 위해, 연질화 처리 온도는 500℃ 이상이 바람직하다. 질화층의 깊이는 연질화 처리를 장시간 실시해도, 포화 상태로 되므로, 연질화 처리 시간은 1 내지 3시간이 바람직하다.

연질화 처리 후의 냉각은 공냉, N₂ 가스 냉각, 유냉 등, 어떤 방법으로 행해도 좋다. 연질화 처리로서는, 가스 연질화 처리나, 염욕 연질화 처리를 이용할 수 있다.

강재 표면에 질소를 공급하여, 강재 표층에 10㎛ 이상의 화합물층을 형성하는 방법으로서는, 연질화 처리를 포함하는, 질화 처리를 들 수 있다. 여기서 말하는 연질화 처리라 함은, NH₃와 CO₂(경우에 따라서는, N₂도)의 혼합 분위기에서 처리하는 방법이고, 질화처리라 함은 NH₃만으로 장시간 처리하는 표면 경화 방법으로서, 공업적으로 구별되어 있는 방법이다.

연질화 처리에서 강재 표면에 형성한 화합물층을 분해하고, 또한 N을 강 중으로 확산시켜, N농도가 높은 질화층을, 표면으로부터 깊이 0.4㎜ 이상의 곳까지 깊게 형성하고, 표면으로부터 깊이 0.2㎜까지의 질화층에 있어서, 300℃에서 템퍼링했을 때의 비커스 경도가 650 이상인 높은 경도를 얻기 위해서는, 연질화 처리 후에, 고주파 가열에 의해 오스테나이트 영역에 가열하여, 켄칭을 실시하는 것이 필요하다.

고주파 켄칭 시의 가열 조건은 화합물층의 분해를 고려하여 설정해야만 한다. 가열 온도는 오스테나이트화 온도 이상, 900℃ 미만으로 하고, 유지 시간은 0.05 내지 5초로 할 필요가 있다.

여기서, 도 4에, 고주파 켄칭 후, 표면으로부터 0.2㎜의 위치에 있어서의 N농도와, 300℃에서 템퍼링했을 때의 비커스 경도의 관계를 나타낸다. 도 4로부터, 비커스 경도를 650 이상으로 하기 위해서는, 상기 N농도를 0.35％ 이상으로 할 필요가 있는 것을 알 수 있다.

가열 온도가 900℃ 이상이면, N이 불필요하게 내부까지 확산되어, 면 피로 강도의 향상에 필요한, 표면으로부터 0.2㎜까지의 질화층에 있어서의 N농도가 0.35％ 미만으로 된다.

그 결과, 300℃에서 템퍼링했을 때의 비커스 경도가 650 미만으로 되고, 또한 산화층의 증대에 의해, 기계적 성질이 열화된다. 가열 온도가 오스테나이트화 온도 미만이면, 마르텐사이트 변태가 일어나지 않아, 높은 표면 경도를 얻을 수 없다.

유지 시간이 0.05초 미만이면, 화합물층의 분해나, 생성된 N의 확산이 불충분해지고, 한편, 5초를 초과하면, N이 불필요하게 내부까지 확산되어, 면 피로 강도의 향상에 필요한, 표면으로부터 0.2㎜까지의 질화층에 있어서의 N농도가 0.35％ 미만으로 된다.

그 결과, 300℃에서 템퍼링했을 때의 비커스 경도가 650 미만으로 된다.

고주파의 주파수는 소형의 강 부품이면 400㎑ 전후, 대형의 강 부품이면 5㎑ 전후가 기준으로 된다.

켄칭에 사용하는 냉매는 물, 폴리머 켄칭재 등, 수계에서 냉각능이 큰 것이 바람직하다. 고주파 켄칭 후에는, 통상, 침탄 켄칭품에 준하여, 150℃ 전후에서 저온 템퍼링을 실시하여, 강 부품의 인성을 확보하는 것이 바람직하다.

다음에, 강 부품의 표층 조직에 대해 설명한다.

본 발명의 강 부품은 연질화 처리를 실시한 후, 고주파 켄칭을 실시한 강 부품이며, 표면으로부터 깊이 5㎛ 이상에 걸치는 표층에 있어서, 원상당 직경으로 0.1 내지 1㎛의 공공이, 10000개/㎟ 이상 존재하는 것을 특징으로 한다.

구름에 의한 면 피로가 원인으로 되어 파괴되는, 기어와 같은 강 부재에서는 가동면의 윤활이 중요하다. 윤활이 불충분하면, 강재끼리가 접촉하여 시징이나 응착이 발생하여, 면 피로 강도가 저하된다.

윤활이 충분한 윤활막을 형성하기 위해서는, 가동면에 윤활제 오일막이 도중에 끊기지 않고 형성되도록, 오일 저장부를 설치하는 것이 유효하다. 본 발명에 있어서는, 강재 표층에, 연질화 처리로 Fe₃N, Fe₄N 등의 Fe 질화물을 주체로 하는 화합물층을 형성하고, 그 후, 고주파 가열에 의해 오스테나이트화하여 켄칭 처리를 실시하여, 질화층을 형성하는 것을 특징으로 한다.

질화층은 화합물층의 분해에 의해 생성되지만, 이때, 화합물층 중의 N이 내부로 확산되어, 질화층을 형성하는 동시에, 구 화합물층은 다수의 공공이 분산되는 경질의 다공질층으로 된다. 이 공공이 오일 저장부로서 기능하여, 윤활 효과가 향상되어, 내마모성 및 내구성이 가일층 향상된다. 이는, 본 발명자들이 예의 연구한 결과 알아낸 지식이다.

원상당 직경으로 0.1 내지 1㎛의 공공이, 표면으로부터 5㎛ 이상의 깊이의 질화층에 있어서, 10000개/㎟ 이상 존재하면, 오일 저장부로서 유효하게 기능하는 것을, 본 발명자들은 예의 연구한 결과 알아냈다.

공공의 크기 및 분포를, 소요 범위 내로 억제하기 위해서는, 연질화 조건 및 고주파 가열 조건을 정확하게 제어하는 것이 필요하다. 연질화 처리로 생성된 화합물층 중에도 다소의 공공이 존재하므로, 오일 저장부 효과는 발현되지만, 상기 화합물층은 극히 무르고, 큰 가중에 견딜 수 없으므로, 높은 면 피로 강도를 얻을 수는 없다.

공공이 조대하면, 표면 거칠기가 열화되고, 피팅 등의 면 피로의 기점으로 되어, 면 피로 강도를 저해하므로, 공공의 크기를 원상당 직경으로 1㎛ 이하로 제한하였다. 한편, 공공이 지나치게 작으면, 공공이 오일 저장부로서 충분히 기능하지 않으므로, 공공의 크기는 원상당 직경으로 0.1㎛ 이상 필요하다.

공공의 수가 지나치게 적으면, 공공이 오일 저장부로서 유효하게 기능하지 않으므로, 표면으로부터 5㎛ 이상의 깊이의 질화층에 있어서, 10000개/㎟ 이상 존재할 필요가 있다.

기어의 치면(tooth surface) 등의 미끄럼 이동 부재는 정상 운전에 있어서, 수명에 이르기까지 5㎛ 이상 마모되므로, 표면으로부터 5㎛ 이상의 깊이까지 공공이 10000개/㎟ 이상 존재할 필요가 있다. 공공의 크기와 밀도는 연질화 조건 및 고주파 가열 조건에 의존한다.

질화층을 유효한 다공질층으로 하기 위해서는, 높은 면 피로 강도를 얻을 수 있는 연질화 조건 및 고주파 켄칭 조건에서 열처리하는 것이 필수이다. 바람직하게는 580℃ 이상, 600℃ 미만에서 연질화 처리를 행하고, 그 후, 880℃ 이상 900℃ 미만에서 1초 이상 4초 이하, 고주파 가열을 행하는 것이 바람직하다.

강 부재의 조직은, 표층은 마르텐사이트로, 코어부는 페라이트-펄라이트 조직 상태로 할 필요가 있다. 표층만을 켄칭하여, 마르텐사이트 변태시키고, 표층에 압축 잔류 응력을 부여하면, 면 피로 강도가 향상된다. 코어부까지 마르텐사이트 변태되면, 표층의 압축 잔류 응력이 감소하여, 면 피로 강도가 저하된다.

[실시예]

다음에, 본 발명의 실시예에 대해 설명하지만, 실시예에서의 조건은 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 일 조건예이고, 본 발명은 이 일 조건예로 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 다양한 조건을 채용할 수 있는 것이다.

(실시예)

표 1 및 표 2(표 1의 연속)에 화학 조성을 나타내는 각종 강재를 단조하여, 어닐링을 실시한 후, 기계 가공에 의해, 롤러 피팅(pitting) 피로 시험에 제공하는 시험편, 즉, (a) 직경 26㎜, 폭 28㎜의 원통부를 갖는 소롤러 시험편과, (b) 직경 130㎜, 폭 18㎜의 원통부를 갖는 대롤러 시험편을 제작하였다.

또한, 템퍼링에 의한 연화 저항을 조사하는 경도 시험에 제공하는, 직경 26㎜, 길이 100㎜의 시험편을 제작하였다.

소롤러 시험편 및 대롤러 시험편에 대해서는, 연질화 처리[N₂(0.45N㎥/h)＋NH₃(0.5N㎥/h)＋CO₂(0.05N㎥/h)의 분위기 중, 소정 온도에서 2시간 질화되고, N₂ 가스 중에서 냉각]를 실시하고, 계속해서 고주파 켄칭(주파수 100㎑)을 실시하였다.

고주파 켄칭 시의 냉매는 수돗물 또는 폴리머 켄칭제를 사용하였다. 그 후, 150℃에서 60분의 템퍼링 처리를 실시하여, 피로 시험에 제공하였다.

시험편의 대롤러와 소롤러를 사용하여, 표준적인 면 피로 시험인 롤러 피팅 피로 시험을 행하였다. 롤러 피팅 피로 시험은 소롤러에, 다양한 헤르츠 응력(면압)으로 대롤러를 압박하고, 접촉부에서의 양 시험편의 회전 방향을 동일, 슬립률을 ―40％[접촉부에 있어서, 대롤러의 주속(周速)이 소롤러 시험편의 주속보다 40％ 큼]로 하여 행하였다.

상기 접촉부에 공급하는 기어 오일의 유온은 90℃로 하였다. 시험 중단 횟수는, 통상, 강의 피로한도를 나타내는 1000만회(10⁷회)로 하고, 소롤러에 있어서 피팅이 발생하지 않고, 1000만회의 회전수에 도달한 최대 헤르츠 응력을 소롤러의 피로한도로 하였다.

피팅 발생의 검출은 시험기에 구비한 진동계로 행하여, 진동 검출 후에, 양 롤러의 회전을 정지하여, 피팅의 발생과 회전수를 확인하였다.

경도 측정 시험편에 대해서는, 소롤러 시험편 및 대롤러 시험편의 경우와 동일 조건에서 연질화 처리와 고주파 켄칭을 실시하였다. 그 후, 300℃에서 60분의 템퍼링 처리를 실시하여 절단하고, 절단 단면에 있어서, 표면으로부터 코어부로의 경도 분포를 비커스 경도계로 측정하였다. 또한, 켄칭한 표층 조직은 마르텐사이트이고, 켄칭되어 있지 않은 코어부는 페라이트-펄라이트 조직 그대로였다.

또한, 표면으로부터 0.2㎜의 위치에서의 N농도를 EPMA로 측정하였다.

원상당 직경으로 0.1 내지 1㎛인 공공의 밀도는 소롤러 시험편 및 대롤러 시험편의 경우와 동일 조건에서, 연질화 처리와 고주파 켄칭을 실시한 시험편을, 압연 방향과 직각인 면으로 절단하여, 수지에 매립하고, 경면 연마하여 제작한 표층 조직을 화상 처리에 의해 정량화하여 구하였다.

측정은 3000배로, 1시야 50㎛²를 40 시야 이상에 대해 행하고, 측정치를 1㎟당의 공공 수로 환산하여 밀도를 산출하였다.

시험 결과를 표 3 및 표 4(표 3의 연속)에 나타낸다.

표 3 및 표 4에 나타낸 바와 같이, 제1 실시예 내지 제31 실시예의 발명예는 모두 롤러 피팅 피로 시험에 의한 수명이 1000만회(10⁷회) 이상이고, 우수한 면 피로 강도(높은 피로 시험 수명)를 갖고 있고, 제32 실시예 내지 제53 실시예의 비교예에 대해 양호한 결과로 되어 있다.

Mn과 W를 적정량 첨가한 강재를 사용한 제1 실시예, 제2 실시예 및 제4 실시예 내지 제10 실시예의 발명예에 있어서는, (a) 600℃ 미만의 연질화 처리로, 두께 10㎛ 이상의 화합물층이 형성되고, (b) 오스테나이트화 온도(900℃) 미만에서 0.08 내지 4.9초의 고주파 가열 후의 켄칭에 의해, 두께 0.4㎜ 이상의 질화층이 형성되고, (c) 높은 N농도에 의해, 표면으로부터 0.2㎜의 위치에서, 300℃ 템퍼링에서의 비커스 경도 650 이상이 얻어지고 있다.

그 결과, 제1 실시예, 제2 실시예 및 제4 실시예 내지 제10 실시예의 발명예에 있어서는, 우수한 면 피로 강도가 얻어지고 있다.

임의 첨가 원소를 첨가한 강재를 사용한 제11 실시예, 제13 실시예 내지 제19 실시예 및 제21 실시예 내지 제25 실시예의 발명예에 있어서도, 롤러 피팅 피로 시험에 의한 수명이 1000만회 이상이고, 양호한 면 피로 강도가 얻어지고 있다.

또한, 제3 실시예, 제12 실시예, 제20 실시예 및 제26 실시예 내지 제31 실시예(공공 밀도가 10000개/㎟ 이상)의 발명예에 있어서도, 롤러 피팅 피로 시험에 의한 수명이 1000만회 이상이고, 양호한 면 피로 강도가 얻어지고 있다.

이에 대해, 화학 성분이 본 발명에서 규정하는 범위로부터 벗어난 강종에, 연질화 처리를 실시한 후, 고주파 켄칭을 실시한 제32 실시예 내지 제38 실시예의 비교예에 있어서는, 피로 시험 수명이 모두 1000만회에 도달하고 있지 않다.

특히, 제33 실시예, 제34 실시예 및 제38 실시예의 비교예에서는, Mn/S가 낮아, S의 표면 농화를 방지할 수 없고, 그 결과, 연질화 처리에서 생성되는 화합물층의 두께가 얇고, 고주파 켄칭 후의 강 부품의 질화층의 두께는 0.4㎜ 미만으로 작고, 표면으로부터 깊이 0.2㎜까지에 있어서의 N농도는 낮고, 300℃ 템퍼링에서의 비커스 경도도 650 미만으로 낮은 값을 나타내고 있다.

화학 성분은 본 발명에서 규정하는 범위 내에 있지만, 고주파 가열 조건이, 본 발명이 조건으로부터 벗어난 제39 실시예 내지 제42 실시예의 비교예에 있어서는, 모두 연질화 처리로 충분한 두께의 화합물층이 생성되어 있지만, 고주파 가열 조건이 충분하지 않으므로, 피로 시험 수명이 1000만회에 도달하고 있지 않다.

예를 들어, 제39 실시예의 비교예에서는, 고주파 가열 온도가 지나치게 높아, N이 불필요하게 내부까지 확산되고, 질화층의 두께는 0.65㎜로 본 발명의 범위 내에 있지만, 강 부품의 표면으로부터 깊이 0.2㎜까지에 있어서의 N농도는 0.20％로 낮고, 300℃ 템퍼링 비커스 경도도 575로, 650에 도달하지 않고, 또한 표층에 산화층이 생성되어 피로 수명이 짧다.

또한, 제41 실시예의 비교예에서는, 고주파 가열 시간이 지나치게 길어, N이 불필요하게 내부까지 확산되고, 질화층의 두께는 0.70㎜로 본 발명의 범위 내에 있지만, 강 부품의 표면으로부터 깊이 0.2㎜까지에 있어서의 N농도는 0.27％로 낮고, 300℃ 템퍼링 비커스 경도가 471로 낮고, 피로 수명이 짧다.

연질화 처리 조건이 본 발명의 조건으로부터 벗어난 제43 실시예 내지 제44 실시예의 비교예에 있어서는, 모두 화합물층도 두께가 얇기 때문에, 강 부품의 질화층의 두께는 얇고, 피로 수명이 1000만회에 도달하고 있지 않다.

예를 들어, 제44 실시예의 비교예에서는, 화학 성분은 본 발명에서 규정하는 범위 내에 있고, 표면으로부터 깊이 0.2㎜까지에 있어서의 N농도는 0.36％로 높고, 300℃에서 템퍼링했을 때의 비커스 경도도 651로 높은 값을 나타내지만, 연질화 온도가 지나치게 낮으므로, 화합물층의 두께가 얇고, 강 부품의 질화층의 두께도 0.25㎜로 얇고, 피로 수명이 짧다.

화학 성분과 연질화 처리 조건이 본 발명의 범위로부터 벗어난 제45 실시예의 비교예에 있어서는, Mn/S가 작은 것과, 연질화 온도가 지나치게 높은 것에 의해, 화합물층의 두께가 얇고, 또한 W 무첨가로 인해, 강 부품의 질화층의 두께는 0.15㎜로 얇고, 표면으로부터 깊이 0.2㎜까지에 있어서의 N농도는 0.06％로 낮고, 300℃에서 템퍼링했을 때의 비커스 경도도 388로, 650에 도달하지 않고, 피로 수명이 짧다.

화학 성분과 고주파 가열 조건이 본 발명의 범위로부터 벗어난 제46 실시예 내지 제51 실시예의 비교예에 있어서는, 모두 화합물층의 두께가 얇기 때문에, 강 부품의 질화층의 두께는 얇고, 표면으로부터 깊이 0.2㎜까지에 있어서의 300℃ 템퍼링 경도는 낮고, 피로 수명이 1000만회에 도달하고 있지 않다.

예를 들어, 제48 실시예의 비교예에서는, Mn/S가 작으므로, 화합물층의 두께는 얇고, 또한 W 무첨가이고, 고주파 가열 온도가 높기 때문에, 강 부품의 질화층의 두께는 0.12㎜로 작고, 표면으로부터 깊이 0.2㎜까지에 있어서의 N농도는 0.18％이고, 300℃ 템퍼링 경도는 580으로 낮고, 피로 수명은 짧다.

화학 성분이 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나고, 또한 연질화 처리 조건과 고주파 가열 조건이 본 발명이 범위로부터 벗어난 제52 실시예 내지 제53 실시예의 비교예에 있어서도, 화합물층의 두께가 얇기 때문에, 강 부품의 질화층의 두께는 얇고, 표면으로부터 깊이 0.2㎜까지에 있어서의 300℃ 템퍼링 경도는 낮고, 피로 수명이 1000만회에 도달하고 있지 않다.

예를 들어, 제53 실시예의 비교예에서는, Mn/S는 70 이상이지만, 연질화 온도가 높기 때문에, 화합물층의 두께는 얇고, 또한 W 무첨가이고, 고주파 가열 온도가 높기 때문에, 강 부품의 질화층의 두께는 0.30㎜로 얇고, 표면으로부터 0.2㎜까지에 있어서의 N농도는 0.08％이고, 300℃ 템퍼링 경도는 535로 낮고, 피로 수명은 매우 짧다.

이상의 결과로부터, (a) 적정량의 Mn, W의 첨가 및 (b) 적정한 조건에서의 연질화 처리와 그 후의 고주파 켄칭을 행하여, 적정한 질화층 두께와 경도를 얻고 있는 발명예에서는, 우수한 면 피로 강도가 얻어지고 있는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 자동차 등의 동력 전달 부품에 적용할 수 있는 표면 경화용 구조용 강을 제공하는 동시에, 높은 면압 피로 강도를 갖는 강 부품, 특히 기어, 무단 변속기, 등속 조인트, 허브 등의 기계 구조 강 부품을 제공할 수 있다. 그 결과, 본 발명은 자동차의 고출력화 및 저비용화 등에 크게 공헌하므로, 산업상의 이용 가능성이 큰 것이다.

Claims

질량％로,
C : 0.36 내지 0.6％,
Si : 0.02 내지 2.0％,
Mn : 1.5％ 내지 3.0％,
W : 0.0025 내지 0.5％,
Al : 0.001 내지 0.5％,
N : 0.003 내지 0.02％,
S : 0.0001 내지 0.025％,
P : 0.0001 내지 0.03％ 및,
O : 0.0001 내지 0.005％를 함유하고,
Mn/S가 70 이상 30000 이하이고,
잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 조직이 페라이트 및 펄라이트인 것을 특징으로 하는, 표면 경화용 기계 구조용 강.
제1항에 있어서, 질량％로,
Cr : 0.01 내지 2.0％,
Mo : 0.01 내지 1.0％ 및,
V : 0.01 내지 1.0％의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 표면 경화용 기계 구조용 강.
제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로,
B : 0.0005 내지 0.005％를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 표면 경화용 기계 구조용 강.
제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로,
Nb : 0.005 내지 0.3％,
Ti : 0.005 내지 0.2％,
Ni : 0.05 내지 2.0％ 및,
Cu : 0.01 내지 2.0％의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 표면 경화용 기계 구조용 강.
제3항에 있어서, 질량％로,
Nb : 0.005 내지 0.3％,
Ti : 0.005 내지 0.2％,
Ni : 0.05 내지 2.0％ 및,
Cu : 0.01 내지 2.0％의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 표면 경화용 기계 구조용 강.
제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로,
Ca : 0.0005 내지 0.01％,
Mg : 0.0005 내지 0.01％,
Zr : 0.0005 내지 0.05％ 및,
Te : 0.0005 내지 0.1％의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 표면 경화용 기계 구조용 강.
제3항에 있어서, 질량％로,
Ca : 0.0005 내지 0.01％,
Mg : 0.0005 내지 0.01％,
Zr : 0.0005 내지 0.05％ 및,
Te : 0.0005 내지 0.1％의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 표면 경화용 기계 구조용 강.
제4항에 있어서, 질량％로,
Ca : 0.0005 내지 0.01％,
Mg : 0.0005 내지 0.01％,
Zr : 0.0005 내지 0.05％ 및,
Te : 0.0005 내지 0.1％의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 표면 경화용 기계 구조용 강.
제5항에 있어서, 질량％로,
Ca : 0.0005 내지 0.01％,
Mg : 0.0005 내지 0.01％,
Zr : 0.0005 내지 0.05％ 및,
Te : 0.0005 내지 0.1％의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 표면 경화용 기계 구조용 강.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 표면 경화용 기계 구조용 강이, 질화 처리 또는 연질화 처리 후, 고주파 켄칭을 실시하는 강인 것을 특징으로 하는, 표면 경화용 기계 구조용 강.
제3항에 있어서, 상기 표면 경화용 기계 구조용 강이, 질화 처리 또는 연질화 처리 후, 고주파 켄칭을 실시하는 강인 것을 특징으로 하는, 표면 경화용 기계 구조용 강.
제4항에 있어서, 상기 표면 경화용 기계 구조용 강이, 질화 처리 또는 연질화 처리 후, 고주파 켄칭을 실시하는 강인 것을 특징으로 하는, 표면 경화용 기계 구조용 강.
제5항에 있어서, 상기 표면 경화용 기계 구조용 강이, 질화 처리 또는 연질화 처리 후, 고주파 켄칭을 실시하는 강인 것을 특징으로 하는, 표면 경화용 기계 구조용 강.
제6항에 있어서, 상기 표면 경화용 기계 구조용 강이, 질화 처리 또는 연질화 처리 후, 고주파 켄칭을 실시하는 강인 것을 특징으로 하는, 표면 경화용 기계 구조용 강.
제7항에 있어서, 상기 표면 경화용 기계 구조용 강이, 질화 처리 또는 연질화 처리 후, 고주파 켄칭을 실시하는 강인 것을 특징으로 하는, 표면 경화용 기계 구조용 강.
제8항에 있어서, 상기 표면 경화용 기계 구조용 강이, 질화 처리 또는 연질화 처리 후, 고주파 켄칭을 실시하는 강인 것을 특징으로 하는, 표면 경화용 기계 구조용 강.
제9항에 있어서, 상기 표면 경화용 기계 구조용 강이, 질화 처리 또는 연질화 처리 후, 고주파 켄칭을 실시하는 강인 것을 특징으로 하는, 표면 경화용 기계 구조용 강.
제10항에 기재된 표면 경화용 기계 구조용 강을 가공하여, 질화 처리 또는 연질화 처리 후, 고주파 켄칭을 실시한 강 부품이며, 표면으로부터 깊이 0.4㎜ 이상에 걸치는 표층이 질화층이고, 또한 표면으로부터 깊이 0.2㎜까지의 질화층의 경도가, 300℃에서 템퍼링했을 때의 비커스 경도로 650 이상인 것을 특징으로 하는, 기계 구조 강 부품.
제11항에 기재된 표면 경화용 기계 구조용 강을 가공하여, 질화 처리 또는 연질화 처리 후, 고주파 켄칭을 실시한 강 부품이며, 표면으로부터 깊이 0.4㎜ 이상에 걸치는 표층이 질화층이고, 또한 표면으로부터 깊이 0.2㎜까지의 질화층의 경도가, 300℃에서 템퍼링했을 때의 비커스 경도로 650 이상인 것을 특징으로 하는, 기계 구조 강 부품.
제12항에 기재된 표면 경화용 기계 구조용 강을 가공하여, 질화 처리 또는 연질화 처리 후, 고주파 켄칭을 실시한 강 부품이며, 표면으로부터 깊이 0.4㎜ 이상에 걸치는 표층이 질화층이고, 또한 표면으로부터 깊이 0.2㎜까지의 질화층의 경도가, 300℃에서 템퍼링했을 때의 비커스 경도로 650 이상인 것을 특징으로 하는, 기계 구조 강 부품.
제13항에 기재된 표면 경화용 기계 구조용 강을 가공하여, 질화 처리 또는 연질화 처리 후, 고주파 켄칭을 실시한 강 부품이며, 표면으로부터 깊이 0.4㎜ 이상에 걸치는 표층이 질화층이고, 또한 표면으로부터 깊이 0.2㎜까지의 질화층의 경도가, 300℃에서 템퍼링했을 때의 비커스 경도로 650 이상인 것을 특징으로 하는, 기계 구조 강 부품.
제14항에 기재된 표면 경화용 기계 구조용 강을 가공하여, 질화 처리 또는 연질화 처리 후, 고주파 켄칭을 실시한 강 부품이며, 표면으로부터 깊이 0.4㎜ 이상에 걸치는 표층이 질화층이고, 또한 표면으로부터 깊이 0.2㎜까지의 질화층의 경도가, 300℃에서 템퍼링했을 때의 비커스 경도로 650 이상인 것을 특징으로 하는, 기계 구조 강 부품.
제15항에 기재된 표면 경화용 기계 구조용 강을 가공하여, 질화 처리 또는 연질화 처리 후, 고주파 켄칭을 실시한 강 부품이며, 표면으로부터 깊이 0.4㎜ 이상에 걸치는 표층이 질화층이고, 또한 표면으로부터 깊이 0.2㎜까지의 질화층의 경도가, 300℃에서 템퍼링했을 때의 비커스 경도로 650 이상인 것을 특징으로 하는, 기계 구조 강 부품.
제16항에 기재된 표면 경화용 기계 구조용 강을 가공하여, 질화 처리 또는 연질화 처리 후, 고주파 켄칭을 실시한 강 부품이며, 표면으로부터 깊이 0.4㎜ 이상에 걸치는 표층이 질화층이고, 또한 표면으로부터 깊이 0.2㎜까지의 질화층의 경도가, 300℃에서 템퍼링했을 때의 비커스 경도로 650 이상인 것을 특징으로 하는, 기계 구조 강 부품.
제17항에 기재된 표면 경화용 기계 구조용 강을 가공하여, 질화 처리 또는 연질화 처리 후, 고주파 켄칭을 실시한 강 부품이며, 표면으로부터 깊이 0.4㎜ 이상에 걸치는 표층이 질화층이고, 또한 표면으로부터 깊이 0.2㎜까지의 질화층의 경도가, 300℃에서 템퍼링했을 때의 비커스 경도로 650 이상인 것을 특징으로 하는, 기계 구조 강 부품.
제18항에 있어서, 상기 질화층 내의 표면으로부터 깊이 5㎛ 이상에 걸치는 질화층 중에, 원상당 직경으로, 0.1 내지 1㎛의 공공이 10000개/㎟ 이상 존재하는 것을 특징으로 하는, 기계 구조 강 부품.
제19항에 있어서, 상기 질화층 내의 표면으로부터 깊이 5㎛ 이상에 걸치는 질화층 중에, 원상당 직경으로, 0.1 내지 1㎛의 공공이 10000개/㎟ 이상 존재하는 것을 특징으로 하는, 기계 구조 강 부품.
제20항에 있어서, 상기 질화층 내의 표면으로부터 깊이 5㎛ 이상에 걸치는 질화층 중에, 원상당 직경으로, 0.1 내지 1㎛의 공공이 10000개/㎟ 이상 존재하는 것을 특징으로 하는, 기계 구조 강 부품.
제21항에 있어서, 상기 질화층 내의 표면으로부터 깊이 5㎛ 이상에 걸치는 질화층 중에, 원상당 직경으로, 0.1 내지 1㎛의 공공이 10000개/㎟ 이상 존재하는 것을 특징으로 하는, 기계 구조 강 부품.
제22항에 있어서, 상기 질화층 내의 표면으로부터 깊이 5㎛ 이상에 걸치는 질화층 중에, 원상당 직경으로, 0.1 내지 1㎛의 공공이 10000개/㎟ 이상 존재하는 것을 특징으로 하는, 기계 구조 강 부품.
제23항에 있어서, 상기 질화층 내의 표면으로부터 깊이 5㎛ 이상에 걸치는 질화층 중에, 원상당 직경으로, 0.1 내지 1㎛의 공공이 10000개/㎟ 이상 존재하는 것을 특징으로 하는, 기계 구조 강 부품.
제24항에 있어서, 상기 질화층 내의 표면으로부터 깊이 5㎛ 이상에 걸치는 질화층 중에, 원상당 직경으로, 0.1 내지 1㎛의 공공이 10000개/㎟ 이상 존재하는 것을 특징으로 하는, 기계 구조 강 부품.
제25항에 있어서, 상기 질화층 내의 표면으로부터 깊이 5㎛ 이상에 걸치는 질화층 중에, 원상당 직경으로, 0.1 내지 1㎛의 공공이 10000개/㎟ 이상 존재하는 것을 특징으로 하는, 기계 구조 강 부품.