KR102099768B1

KR102099768B1 - 강, 침탄강 부품 및 침탄강 부품의 제조 방법

Info

Publication number: KR102099768B1
Application number: KR1020187016250A
Authority: KR
Inventors: 아키라 시가; 마나부 구보타; 하지메 하세가와; 히데오 미즈카미
Original assignee: 닛폰세이테츠 가부시키가이샤
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2016-11-25
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2036-11-25
Also published as: EP3382050A1; US20180371603A1; JPWO2017090731A1; US10597765B2; KR20180082518A; WO2017090731A1; CN108291285B; JP6468365B2; EP3382050A4; CN108291285A

Abstract

본 발명의 일 형태에 관한 강은, 소정 범위 내의 화학 성분을 가지고, ?칭성 지표 Ceq가 7.5 초과 44.0 미만이고, 금속 조직이 85 내지 100면적％의 페라이트를 포함하고, 강의 압연 방향과 평행인 단면에서 관찰되는 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 미만인 황화물간의 평균 거리가 30.0㎛ 미만이고, 상기 강의 상기 압연 방향과 평행인 상기 단면에서 관찰되는 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 미만인 상기 황화물의 존재 밀도가 300개/mm² 이상이다.

Description

강, 침탄강 부품 및 침탄강 부품의 제조 방법

본 발명은 강, 침탄강 부품 및 침탄강 부품의 제조 방법에 관한 것이다.

본원은 2015년 11월 27일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2015-232117호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

기계 구조용 부품에 사용되는 강에는, 일반적으로 Mn, Cr, Mo 및 Ni 등이 조합하여 첨가된다. 이러한 화학 성분을 가지고, 주조, 단조 및 압연 등의 공정을 거쳐서 제조된 침탄용 강에, 단조 및 절삭 등의 기계 가공을 실시하고, 그리고 침탄 등의 열처리를 실시함으로써, 표층부의 경화층인 침탄층과, 침탄 처리의 영향이 미치지 않는 모재인 강부를 구비하는 침탄강 부품이 얻어진다.

이 침탄강 부품을 제조하는 비용 중, 절삭 가공에 관계되는 비용이 매우 크다. 절삭의 공구가 고가일뿐만 아니라, 절삭칩을 다량으로 생성하므로, 절삭 가공은 수율의 관점에서도 불리하다. 이 때문에, 절삭 가공을 단조로 치환하는 것이 시도되고 있다.

단조는 열간 단조, 온간 단조 및 냉간 단조로 크게 구별할 수 있다. 온간 단조는, 스케일의 발생이 적고, 열간 단조보다도 높은 치수 정밀도로 부품의 제조를 행할 수 있다는 특징이 있다. 또한 냉간 단조는, 스케일의 발생이 없고, 치수 정밀도가 더욱 높아 절삭 가공에 가까운 수준이라는 특징이 있다. 따라서, 열간 단조로 대략적인 가공을 행한 후에 냉간 단조로 마무리 가공을 행하는 부품 제조 방법, 온간 단조를 행한 후에 마무리로서 경도의 절삭을 행하는 부품 제조 방법 또는, 냉간 단조만으로 성형을 행하는 부품 제조 방법 등이 검토되어 왔다.

그러나, 절삭 가공을 온간 단조 또는 냉간 단조로 치환할 때에, 침탄용 강의 변형 저항이 크면, 금형에 걸리는 면압이 증가하여, 금형 수명이 저하된다. 이 경우, 금형에서 기인하는 비용이 증대되므로, 절삭에 대한 비용 관련 장점이 작아진다. 또는, 강을 복잡한 형상으로 성형하는 경우, 큰 가공이 가해지는 부위에 깨짐이 발생하는 등의 문제가 발생한다. 이 때문에, 침탄용 강의 연질화 및 한계 압축률의 향상을 위해 각종 기술이 검토되어 왔다.

예를 들어, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는, C, Si 및 Mn 함유량을 저감시킴으로써 침탄용 강의 연질화를 도모하고, 냉간 단조성을 향상시킨 침탄용 강이 기재되어 있다. 특허문헌 3에는, C 함유량을 저감시킴으로써 미세한 Ti계 석출물의 밀도를 제어하고, 소재의 경도 상승을 억제함으로써 냉간 단조성과 결정 조대화 방지 특성이 우수한 침탄용 강이 기재되어 있다. 모두 C 함유량을 저감시킴으로써 냉간 단조성이 향상된다고 되어 있다. 또한, 본 명세서에 있어서, 냉간 단조성은 냉간 단조 시의 변형 저항 및 한계 압축률로 평가된다.

냉간 단조는, 치수 정밀도가 절삭에 가깝다는 특징이 있지만, 냉간 단조되는 부품에 따라서는, 적지 않게 절삭 공정이 포함된다. 즉, 냉간 단조되는 강은, 냉간 단조성뿐만 아니라 피삭성 향상도 요구되고 있다.

특허문헌 1 및 특허문헌 3에서는, 냉간 단조 후의 피삭성에 대하여 언급하고 있지 않아, 피삭성 향상 효과는 불명확하다. 특허문헌 2에서는, Al 함유량을 다량으로 함유함으로써, Al을 강 중에 고용하고, Al₂O₃이 공구의 보호 피막이 되어 공구 수명이 향상된다고 되어 있다. 그러나, 이 기술은 절삭칩 처리성을 향상시키는 것은 아니다. 따라서 특허문헌 2에 기재된 강을 절삭한 경우, 절삭칩이 길어짐으로써, 절삭칩이 가공품 또는 공구에 감겨 가공 장치가 정지될 우려가 있다.

공구 마모량 억제 및 절삭칩 처리성을 높이기 위해서는, S 함유량을 많게 할 필요가 있다. 그러나, S 함유량을 높이면, 조대한 황화물이 다량으로 생성되어, 냉간 단조성이 저하된다. 즉, 피삭성을 높이기 위해서 S 함유량을 증량해버리면, 침탄용 강의 연질화에 의한 한계 압축률의 개선 효과를 없애버린다.

일본 특허 제5135562호 공보 일본 특허 제5135563호 공보 일본 특허 제5458048호 공보

「Fundamentals of Solidification」, W. Kurz and D. J. Fisher 저, Trans Tech Publications Ltd., (Switzerland), 1998년, p.256

상술한 바와 같이, 고강도 기계 구조용 부품의 제조 비용에서 차지하는 절삭 가공의 비용은 크다. 절삭 가공의 비용을 저감시키기 위해서, 고강도 기계 구조용 부품의 재료인 강의 절삭 가공성 및 냉간 단조성의 양쪽을 향상시킬 것이 요망되고 있다. 강의 절삭 가공성의 향상에 의해 절삭 가공 공정이 효율화된다. 강의 냉간 단조성의 향상에 의해, 절삭 가공 공정의 일부를, 비교적 저비용으로 실시 가능한 냉간 단조로 치환할 수 있다. 그러나, 종래 기술에 의하면 절삭 가공성의 향상을 위해서는 쾌삭제로서 작용하는 황화물을 강에 첨가할 필요가 있어, 이 황화물은 강의 변형 저항을 높이며, 또한 강의 한계 압축률을 저하시킴으로써, 강의 냉간 단조성을 손상시킨다. 강의 화학 성분에 있어서 C, Si 및 Mn 등의 합금 원소의 양을 저하시킨 경우, 강의 피삭성을 유지하면서 강의 냉간 단조성을 향상시킬 수 있지만, 강의 ?칭성이 저하되므로 기계 구조용 부품에 필요한 강도를 확보할 수 없다.

본 발명은 상기 실정을 감안하여, 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리 전의 단계에서, 종래 강보다도 변형 저항이 작고 또한 한계 압축률이 크므로 냉간 단조성이 우수하고, 변형 저항을 손상시키지 않으며 피삭성을 향상시키고, 또한 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리에 의해 고강도를 부여 가능한 강과, 이 강을 사용하여 얻어지는 고강도 침탄강 부품 및 침탄강 부품의 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명의 요지는 다음과 같다.

(1) 본 발명의 일 형태에 관한 강은, 화학 성분이 단위 질량％로 C: 0.07 내지 0.13％, Si: 0.0001 내지 0.50％, Mn: 0.0001 내지 0.80％, S: 0.0050 내지 0.0800％, Cr: 1.30％ 초과 5.00％ 이하, B: 0.0005 내지 0.0100％, Ti: 0.020％ 이상 0.100％ 미만, Al: 0.010 내지 0.100％, Bi: 0.0001％ 초과 0.0100％ 이하, N: 0.0080％ 이하, P: 0.050％ 이하, O: 0.0030％ 이하, Nb: 0 내지 0.100％, V: 0 내지 0.20％, Mo: 0 내지 0.500％, Ni: 0 내지 1.000％, Cu: 0 내지 0.500％, Ca: 0 내지 0.0030％, Mg: 0 내지 0.0030％, Te: 0 내지 0.0030％, Zr: 0 내지 0.0050％, Rare Earth Metal: 0 내지 0.0050％ 및 Sb: 0 내지 0.0500％를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물을 포함하고, 상기 화학 성분 중의 각 원소의 단위 질량％로 나타낸 함유량을 식 1에 대입하여 얻어지는 ?칭성 지표 Ceq가 7.5 초과 44.0 미만이고, 금속 조직이 85 내지 100면적％의 페라이트를 포함하고, 강의 압연 방향과 평행인 단면에서 관찰되는 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 미만인 황화물간의 평균 거리가 30.0㎛ 미만이고, 상기 강의 상기 압연 방향과 평행인 상기 단면에서 관찰되는 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 미만인 상기 황화물의 존재 밀도가 300개/mm² 이상이다.

Ceq=(0.7×Si+1)×(5.1×Mn+1)×(2.16×Cr+1)×(3×Mo+1)×(0.3633×Ni+1)…(식 1)

(2) 상기 (1)에 기재된 강은, 상기 화학 성분이 단위 질량％로 Nb: 0.002 내지 0.100％, V: 0.002 내지 0.20％, Mo: 0.005 내지 0.500％, Ni: 0.005 내지 1.000％, Cu: 0.005 내지 0.500％, Ca: 0.0002 내지 0.0030％, Mg: 0.0002 내지 0.0030％, Te: 0.0002 내지 0.0030％, Zr: 0.0002 내지 0.0050％, Rare Earth Metal: 0.0002 내지 0.0050％ 및 Sb: 0.0020 내지 0.0500％ 중 적어도 1종 또는 2종 이상의 원소를 함유해도 된다.

(3) 본 발명의 다른 형태에 관한 침탄강 부품은, 강부와, 상기 강부의 외면에 있는, 비커스 경도가 HV550 이상의 영역인 침탄층을 구비하고, 상기 침탄층의 두께가 0.40mm 초과 2.00mm 미만이고, 상기 침탄강 부품의 표면으로부터 깊이 50㎛의 위치에서의 평균 비커스 경도가 HV650 이상 HV1000 이하이고, 상기 침탄강 부품의 상기 표면으로부터 깊이 2.0mm의 위치에서의 평균 비커스 경도가 HV250 이상 HV500 이하이고, 상기 강부의 화학 성분은 단위 질량％로 C: 0.07 내지 0.13％, Si: 0.0001 내지 0.50％, Mn: 0.0001 내지 0.80％, S: 0.0050 내지 0.0800％, Cr: 1.30％ 초과 5.00％ 이하, B: 0.0005 내지 0.0100％, Ti: 0.020％ 이상 0.100％ 미만, Al: 0.010 내지 0.100％, Bi: 0.0001％ 초과 0.0100％ 이하, N: 0.0080％ 이하, P: 0.050％ 이하, O: 0.0030％ 이하, Nb: 0 내지 0.100％, V: 0 내지 0.20％, Mo: 0 내지 0.500％, Ni: 0 내지 1.000％, Cu: 0 내지 0.500％, Ca: 0 내지 0.0030％, Mg: 0 내지 0.0030％, Te: 0 내지 0.0030％, Zr: 0 내지 0.0050％, Rare Earth Metal: 0 내지 0.0050％ 및 Sb: 0 내지 0.0500％를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물을 포함하고, 상기 강부의 상기 화학 성분 중의 각 원소의 단위 질량％로 나타낸 함유량을 식 2에 대입하여 얻어지는 ?칭성 지표 Ceq가 7.5 초과 44.0 미만이고, 상기 침탄강 부품의 압연 방향과 평행인 단면에서 관찰되는, 상기 강부 중의 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 미만인 황화물간의 평균 거리가 30.0㎛ 미만이고, 상기 침탄강 부품의 상기 압연 방향과 평행인 상기 단면에서 관찰되는, 상기 강부 중의 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 미만인 상기 황화물의 존재 밀도가 300개/mm² 이상이다.

Ceq=(0.7×Si+1)×(5.1×Mn+1)×(2.16×Cr+1)×(3×Mo+1)×(0.3633×Ni+1)…(식 2)

(4) 상기 (3)에 기재된 침탄강 부품은, 상기 강부의 화학 성분이 단위 질량％로 Nb: 0.002 내지 0.100％, V: 0.002 내지 0.20％, Mo: 0.005 내지 0.500％, Ni: 0.005 내지 1.000％, Cu: 0.005 내지 0.500％, Ca: 0.0002 내지 0.0030％, Mg: 0.0002 내지 0.0030％, Te: 0.0002 내지 0.0030％, Zr: 0.0002 내지 0.0050％, Rare Earth Metal: 0.0002 내지 0.0050％ 및 Sb: 0.0020 내지 0.0500％ 중 적어도 1종 또는 2종 이상의 원소를 함유해도 된다.

(5) 본 발명의 다른 형태에 관한 침탄강 부품의 제조 방법은, 상기 (3) 또는 (4)에 기재된 침탄강 부품의 제조 방법이며, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 강을 냉간 소성 가공하는 공정과, 상기 냉간 소성 가공 후의 상기 강을 절삭 가공하는 공정과, 상기 절삭 가공 후의 상기 강에 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리를 실시하는 공정을 갖는다.

(6) 상기 (5)에 기재된 침탄강 부품의 제조 방법은, 상기 침탄 처리 또는 상기 침탄 질화 처리 후에, ?칭 처리 또는 ?칭ㆍ템퍼링 처리를 실시하는 공정을 더 가져도 된다.

본 발명에 따른 강은, 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리 전의 단계에서, 종래 강보다도 냉간 단조 시의 변형 저항이 작으며 또한 한계 압축률이 크므로 냉간 단조성이 우수하고, 또한 피삭성이 우수하다. 또한, 본 발명에 따르면, 저렴하게 제조할 수 있고, 또한 고강도를 갖는 침탄강 부품, 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 형태에 관한 침탄강 부품의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 형태에 관한 침탄강 부품의 제조 방법의 흐름도이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. 우선, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 강(침탄용 강)에 대하여 설명한다.

본 발명자들은, 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리 전의 단계에서, 변형 저항이 작고, 한계 압축률이 크고, 피삭성이 높으며, 또한 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리에 의해 종래 강과 동등한 강도를 발휘하는 경화층 및 강부를 생성 가능한 침탄용 강에 대하여 예의 검토하였다. 그 결과, 이하의 지견을 얻었다.

종래 기술에 의하면, 공구 마모량 억제 및 절삭칩 처리성의 향상을 위해, S를 침탄용 강에 다량으로 첨가할 필요가 있다. S는 침탄용 강 중에서 황화물이 되고, 이 황화물이 쾌삭제로서 작용한다. 그러나, 다량의 S는, 조대한 황화물을 침탄용 강에 다량으로 생성시키고, 이에 의해 침탄용 강의 냉간 단조성을 저하시킨다. 본 발명자들은, 미량의 S에 의해 높은 피삭성을 달성하는 방법에 대하여 검토하였다. 그 결과, 미량의 Bi를 사용하여 황화물의 사이즈를 작게 하고, 또한 황화물의 밀도를 높이는 것이, 냉간 단조성 및 피삭성 향상을 위해 유효하다는 취지를 지견하였다.

본 발명자들은, 황화물의 원 상당 직경 및 밀도와, 공구 마모량 및 절삭칩 처리성의 관계에 대하여 다양한 실험을 행하였다. 그 결과, 본 발명자들은, 침탄용 강의 압연 방향과 평행인 단면에서 관찰되는 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 미만인 황화물의 존재 밀도가 300개/mm² 이상인 경우에, 공구의 마모가 억제된다는 것을 지견하였다. 황화물은 절삭 공구와 강 사이에서 윤활제로서 작용하므로, 절삭 공구의 마모를 억제하는 효과를 갖는다. 그러나, 황화물의 양이 적고 또한 황화물의 직경이 조대한 경우, 황화물의 분포가 균일하지는 않게 되어, 절삭 공구 표면에 있어서 윤활 효과가 부족한 영역이 발생한다고 추정된다. 한편, 압연 방향과 평행인 단면에서 관찰되는 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 미만인 황화물의 존재 밀도가 300개/mm² 이상인 경우, 원 상당 직경이 2㎛ 초과인 조대 황화물의 생성이 억제되어, 강 중의 황화물이 절삭 가공 시에 절삭 공구 표면 전체에 걸쳐 균일하게 분배되므로, 황화물의 양이 적어도 높은 윤활 효과가 얻어진다고 추정된다.

또한 본 발명자들은, 침탄용 강의 압연 방향과 평행인 단면에서 관찰되는 원 상당 직경이 1㎛ 이상인 황화물간의 평균 거리가 30.0㎛ 미만인 경우에, 절삭칩 처리성이 향상된다는 것을 지견하였다. 황화물은 절삭 시에 발생하는 절삭칩의 파단 기점으로서 작용하므로, 절삭칩의 길이를 짧게 하여, 절삭칩 처리성을 향상시키는 효과를 갖는다. 그러나, 황화물의 양이 적고 또한 분포가 균일하지 않은 경우, 황화물의 분포가 성긴 영역에서 긴 절삭칩이 발생하기 쉬워진다고 추정된다. 한편, 압연 방향과 평행인 단면에서 관찰되는 원 상당 직경이 1㎛ 이상인 황화물간의 평균 거리가 30.0㎛ 미만인 경우, 종래 강과 비교하여 적은 양의 황화물로, 긴 절삭칩의 생성을 억제할 수 있다고 추정된다.

한편, 황화물을 상술한 바와 같이 미세 분산시킨 경우, 침탄용 강의 냉간 단조성도 향상된다. 황화물은, 조대한 경우, 침탄용 강의 냉간 단조 시에 깨짐의 기점으로서 작용하여, 깨짐을 발생시킨다. 그러나, 황화물을 상술한 바와 같이 미세화하면, 황화물은 깨짐의 기점으로서 작용하지 않게 된다.

또한 본 발명자들은, 강에 미량의 Bi를 함유시킨 경우, 강 중의 황화물을 상술한 바와 같이 미세 분산시킬 수 있고, 냉간 단조 시의 변형 저항을 작게 한 채 그대로, 냉간 단조 후의 강의 피삭성을 향상시킨다는 것을 알아내었다. 미량의 Bi에 의해 황화물이 미세 분산되는 이유는, 이하와 같다고 생각된다.

황화물은 용강의 응고 전 또는 용강의 응고 시에 정출되는 일이 많아, 황화물의 크기는 용강의 응고 시의 냉각 속도에 크게 영향을 받는다. 또한, 연속 주조 주편의 응고 조직은, 통상은 덴드라이트 형태를 나타내고 있으며, 이 덴드라이트는 응고 과정에 있어서의 용질 원소의 확산에서 기인하여 형성되고, 용질 원소는 덴드라이트의 수간부에 있어서 농화된다. Mn이 수간부에 농화되는 경향이 있으므로, 황화물은 주로 덴드라이트의 수간부에 정출된다.

황화물을 미세하게 분산시키기 위해서는, 덴드라이트의 수간 간격을 짧게 할 필요가 있다. 덴드라이트의 1차 암 간격에 관한 연구는 종래부터 행해지고 있으며(예를 들어 비특허문헌 1), 하기 식 A로 나타낼 수 있다.

λ∝(D×σ×ΔT)^0.25…(식 A)

여기서, λ: 덴드라이트의 1차 암 간격(㎛), D: 확산 계수(m²/s), σ: 고액 계면 에너지(J/ m²), ΔT: 응고 온도 범위(℃)이다.

이 식 A로부터, 덴드라이트의 1차 암 간격 λ는, 고액 계면 에너지 σ에 의존하고, 이 σ를 저감시킬 수 있으면 λ가 감소된다는 것을 알 수 있다. λ를 감소시킬 수 있으면, 덴드라이트 수간에 정출되는 황화물 사이즈를 저감시킬 수 있다. 본 발명자들은, Bi가 고액 계면 에너지 σ를 저감시키고, 이에 의해 덴드라이트 1차 암 간격의 감소 및 황화물의 미세화를 실현하였다고 추정하고 있다.

여기서, Bi에 의한 상술한 황화물 미세화 효과는, Bi 함유량이 0.0001질량％ 초과 0.0100질량％ 이하인 경우에 얻어진다. 이러한 미량의 Bi와, 황화물의 분산 정도의 관계에 대하여 검토된 예는 없다. 또한, 약 0.1질량％ 이상의 Bi를 쾌삭제로서 사용하는 경우가 있지만, 0.1질량％ 미만의 Bi는 피삭성 향상 효과를 충분히 갖지 못하고, 게다가 강의 열간 가공성을 손상시키므로, 통상은 기피된다. 한편, 본 실시 형태에 따른 침탄용 강에 있어서, 쾌삭제로서 작용하는 것은 황화물이며, Bi는 황화물의 피삭성 향상 효과를 강화하기 위해 사용된다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 침탄용 강에서는, 미량의 Bi와 황화물의 상승 효과에 의해, 냉간 단조성과 피삭성의 양쪽을 높일 수 있다.

이상의 본 발명자들의 지견에 기초하여 얻어진, 본 실시 형태의 침탄용 강의 구성에 대해서 이하에 구체적으로 설명한다.

[침탄용 강의 화학 성분]

먼저, 본 실시 형태의 침탄용 강의 화학 성분을 구성하는 각 성분 원소의 함유량에 대하여 설명한다. 각 성분 원소의 함유량 단위 「％」는 「질량％」를 의미한다. 또한, 본 실시 형태의 침탄용 강은, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 침탄강 부품의 강부(침탄의 영향을 받지 않는 부분)와 공통된 구성을 가지므로, 강부에 대해서도 함께 설명하는 경우가 있다.

C: 0.07 내지 0.13％

탄소(C)는 침탄층과 강부를 구비하는 침탄강 부품의 강부의 경도를 확보하기 위해 함유된다. 상기한 바와 같이, 종래의 침탄용 강의 C 함유량은 0.2％ 정도이지만, 본 실시 형태에 따른 침탄용 강 및 침탄강 부품에 있어서의 강부에서는, C 함유량을 이 양보다도 적은 0.13％ 이하로 제한하고 있다. 이 이유는, C 함유량이 0.13％ 초과이면, 단조 전의 침탄용 강의 경도가 현저하게 증가함과 함께 한계 압축률도 저하하므로, 침탄용 강의 냉간 단조성이 손상되기 때문이다. 그러나, C 함유량이 0.07％ 미만이면, ?칭성을 높이는 후술하는 합금 원소를 다량으로 함유시켜, 가능한 한 ?칭성의 증가를 도모하였다고 해도, 침탄강 부품의 강부의 경도를 종래의 침탄용 강의 레벨로 하는 것이 불가능하다. 따라서, C 함유량을 0.07 내지 0.13％의 범위로 제어할 필요가 있다. C 함유량의 하한값은 바람직하게는 0.08％이다. C 함유량의 바람직한 상한값은 0.12％, 0.11％ 또는 0.10％이다.

Si: 0.0001 내지 0.50％

실리콘(Si)은, 침탄강 부품과 같은 저온 템퍼링 마르텐사이트 강의 템퍼링 연화 저항을 현저하게 증가시킴으로써, 피로 강도를 향상시키는 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는, Si 함유량이 0.0001％ 이상일 필요가 있다. 그러나, Si 함유량이 0.50％를 초과하면, 단조 전의 침탄용 강의 경도가 상승하여, 변형 저항이 상승하며, 그리고 한계 압축률이 저하되므로, 침탄용 강의 냉간 단조성이 손상된다. 따라서, Si 함유량을 0.0001 내지 0.50％의 범위로 제어할 필요가 있다. 침탄강 부품의 치면 피로 강도를 중시하는 경우에는, 이 범위 내에서 Si 함유량을 증대시킨다. 침탄용 강의 냉간 단조성의 확보, 즉, 변형 저항의 저감이나 한계 가공성의 향상을 중시하는 경우에는, 이 범위 내에서 Si 함유량을 감소시킨다. 침탄강 부품의 치면 피로 강도를 중시하는 경우에는, Si 함유량을 바람직하게는 0.10％ 이상으로 한다. 침탄용 강의 냉간 단조성의 확보를 중시하는 경우, Si 함유량을 바람직하게는 0.20％ 이하로 한다. Si 함유량의 하한값을 0.01％, 0.05％ 또는 0.15％로 해도 된다. Si 함유량의 상한값을 0.37％, 0.35％ 또는 0.30％로 해도 된다.

Mn: 0.0001 내지 0.80％

망간(Mn)은 강의 ?칭성을 높이는 원소이다. 이 효과에 의해 침탄 열처리 후의 침탄강 부품의 강도를 높이기 위해서는, Mn 함유량이 0.0001％ 이상일 필요가 있다. 그러나, Mn 함유량이 0.80％를 초과하면, 단조 전의 침탄용 강의 경도가 상승하여, 변형 저항이 상승하며, 그리고 한계 압축률이 저하되므로, 침탄용 강의 냉간 단조성이 손상된다. 따라서, Mn 함유량을 0.0001 내지 0.80％의 범위로 제어할 필요가 있다. Mn 함유량의 하한값을 0.04％, 0.10％ 또는 0.25％로 해도 된다. Mn 함유량의 상한값을 0.60％, 0.50％ 또는 0.45％로 해도 된다.

S: 0.0050 내지 0.0800％

황(S)은, 강 중의 Mn 등과 결합하여 MnS 등의 황화물을 형성하고, 강의 피삭성을 향상시키는 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서, S 함유량을 0.0050％ 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, S 함유량이 0.0800％를 초과하면, 단조 시에 황화물이 기점이 되어 깨짐을 발생시키므로, 강의 한계 압축률을 저하시키는 경우가 있다. 따라서, S 함유량을 0.0050 내지 0.0800％의 범위로 제어할 필요가 있다. S 함유량의 바람직한 하한값은 0.0080％, 0.0090％ 또는 0.0100％이다. S 함유량의 바람직한 상한값은 0.0700％, 0.0500％ 또는 0.0200％이다.

Cr: 1.30％ 초과 5.00％ 이하

크롬(Cr)은 강의 ?칭성을 높이는 원소이다. 이 효과에 의해 침탄 열처리 후의 침탄강 부품의 강도를 높이기 위해서는, Cr 함유량이 1.30％ 초과일 필요가 있다. 그러나, Cr 함유량이 5.00％를 초과하면, 단조 전의 침탄용 강의 경도가 상승하여, 변형 저항이 상승하며, 그리고 한계 압축률이 저하되므로, 침탄용 강의 냉간 단조성이 손상된다. 따라서, Cr 함유량을 1.30％ 초과 5.00％ 이하의 범위로 제어할 필요가 있다. 또한, Cr은, ?칭성 향상 효과를 갖는 Mn, Mo 및 Ni 등의 다른 원소와 비교하여, 침탄용 강(침탄 열처리 전의 강)의 경도를 상승시키는 정도가 적으며, 또한 ?칭성(침탄 열처리의 ?칭에 의해 상승하는 경도)을 향상시키는 효과가 비교적 크다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 침탄용 강 및 침탄강 부품에 있어서의 강부에서는, 종래의 침탄용 강보다도 Cr 함유량을 많게 한다. Cr 함유량의 바람직한 하한값은 1.35％, 1.50％, 1.60％ 또는 1.80％이다. Cr 함유량의 바람직한 상한값은 4.50％, 3.50％, 2.50％ 또는 2.20％이다.

B: 0.0005 내지 0.0100％

붕소(B)는 오스테나이트 중에 고용하는 경우, 미량이라도 강의 ?칭성을 크게 높이는 원소이다. 이 효과에 의해 침탄 열처리 후의 침탄강 부품의 강도를 높일 수 있다. 또한, B는 상기 효과를 얻기 위해 다량으로 첨가할 필요가 없으므로, 단조 전의 침탄용 강의 경도를 대부분 상승시키지 않는다는 특징이 있다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 침탄용 강 및 침탄강 부품에 있어서의 강부에서는, B를 적극적으로 이용한다. B 함유량이 0.0005％ 미만이면, 상기 ?칭성 향상 효과를 얻지 못하다. 한편, B 함유량이 0.0100％를 초과하면, 상기 효과가 포화된다. 따라서, B 함유량을 0.0005 내지 0.0100％의 범위로 제어할 필요가 있다. B 함유량의 하한값은 바람직하게는 0.0010％ 또는 0.0015％이다. B 함유량의 상한값은 바람직하게는 0.0045％, 0.0025％ 또는 0.0020％이다. 또한, 강 중에 일정량 이상의 N이 존재하고 있는 경우, B가 N과 결합하여 BN을 형성하여, 고용 B양이 감소한다. 그 결과, ?칭성을 높이는 효과를 얻지 못하는 경우가 있다. 따라서, 본 실시 형태의 침탄용 강에서는, N을 고정하는 Ti의 함유량을 소정값 이상으로 할 필요가 있다.

Al: 0.010 내지 0.100％

Al은 탈산 작용을 가짐과 동시에, N과 결합하여 AlN을 형성하기 쉽고, 침탄 가열 시의 오스테나이트 입자 조대화 방지에 유효한 원소이다. 그러나, Al의 함유량이 0.010％ 미만이면, 안정되게 오스테나이트 입자의 조대화를 방지할 수 없고, 조대화된 경우에는, 침탄강 부품의 굽힘 피로 강도가 저하된다. 한편, Al의 함유량이 0.100％를 초과하면, 조대한 산화물을 형성하기 쉬워져, 침탄강 부품의 굽힘 피로 강도가 저하된다. 따라서, Al의 함유량을 0.010 내지 0.100％로 하였다. Al 함유량의 바람직한 하한값은 0.015％, 0.030％ 또는 0.035％이다. Al 함유량의 바람직한 상한값은 0.090％, 0.060％ 또는 0.055％이다.

Ti: 0.020％ 이상 0.100％ 미만

티타늄(Ti)은 강 중의 N을 TiN으로서 고정하는 효과를 갖는 원소이다. Ti를 첨가함으로써, BN의 형성이 방지되어, ?칭성에 기여하는 고용 B양이 확보된다. 또한, N에 대하여 화학량론적으로 과잉의 Ti는 TiC를 형성한다. 이 TiC는 침탄 시의 결정립의 조대화를 방지하는 핀 고정 효과를 갖는다. Ti 함유량이 0.020％ 미만이면, B에 의한 ?칭성 향상 효과가 얻어지지 않고, 또한 침탄 시의 결정립의 조대화를 방지하지 못한다. 한편, Ti 함유량이 0.100％ 이상이 되면, TiC의 석출량이 너무 많아져, 단조 전의 침탄용 강의 경도가 상승하여, 변형 저항이 상승하고, 그리고 한계 압축률이 저하되므로 침탄용 강의 냉간 단조성이 손상된다. 따라서, Ti 함유량을 0.020％ 이상 0.100％ 미만의 범위로 제어할 필요가 있다. Ti 함유량의 하한값은 바람직하게는 0.025％, 0.030％ 또는 0.040％이다. Ti 함유량의 상한값은 바람직하게는 0.090％, 0.080％, 0.070％, 0.060％ 또는 0.050％이다.

Bi: 0.0001％ 초과 0.0100％ 이하

Bi는 본 실시 형태에 따른 침탄용 강에 있어서 중요한 원소이다. 미량의 Bi에 의해, 용강의 응고 시에 덴드라이트 조직이 미세화되므로, 황화물이 미세 분산된다. 황화물 미세화 효과를 얻기 위해서는, Bi의 함유량을 0.0001％ 초과로 할 필요가 있다. 그러나, Bi의 함유량이 0.0100％를 초과하면, 강의 열간 가공성이 열화되어, 열간 압연이 곤란해진다. 이러한 점에서, 본 실시 형태에 따른 침탄용 강에서는, Bi 함유량을 0.0001％ 초과 0.0100％ 이하로 한다. 피삭성 향상 및 황화물 미세 분산화 효과를 확실하게 얻기 위해서는, Bi 함유량을 0.0010％ 이상 또는 0.0015％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Bi 함유량의 바람직한 상한값은 0.0095％, 0.0090％ 또는 0.0050％이다.

상기한 기본 성분 이외에도, 본 실시 형태에 따른 침탄용 강 및 침탄강 부품에 있어서의 강부는 불순물을 함유한다. 여기서 불순물이란, 스크랩 등의 부원료나, 제조 공정으로부터 혼입되는 N, P 및 O 등의 원소를 의미한다. N, P 및 O는, 본 실시 형태의 침탄용 강의 효과를 충분히 발휘시키기 위해서 이하와 같이 제한할 필요가 있다. 상술한 불순물은 본 실시 형태의 침탄용 강의 과제 해결을 위해 필요하지 않으므로, 상술한 불순물의 함유량의 하한값은 0％이다.

N: 0.0080％ 이하

질소(N)는 불순물이며, BN을 형성하여, 고용 B양을 저감시키는 원소이다. N 함유량이 0.0080％ 초과인 경우, Ti를 첨가하였다고 해도, Ti에 의해 고정되지 않은 N이 강 중에 발생하고, ?칭성에 기여하는 고용 B를 확보하지 못하게 된다. 또한, N 함유량이 0.0080％ 초과인 경우, 조대한 TiN이 형성되어, 단조 시에 깨짐의 기점이 되어, 단조 전의 침탄용 강의 한계 압축률이 저하된다. 따라서, N 함유량을 0.0080％ 이하로 제한할 필요가 있다. N 함유량은 적을수록 바람직하므로, N 함유량의 하한값은 0％이다. 그러나, 제조 비용을 고려하여, N 함유량의 하한값을 0.0030％로 해도 된다. 또한, N 함유량의 상한값을 0.0075％, 0.0060％, 0.0055％ 또는 0.0050％로 해도 된다. 또한, 통상의 조업 조건에서는, N이 0.0060％ 정도 함유된다.

P: 0.050％ 이하

인(P)은 불순물이다. P는 강의 피로 강도나 열간 가공성을 저하시킨다. 따라서, P 함유량은 적은 쪽이 바람직하고, 그 함유량의 하한값은 0％이다. 그러나, 제조 비용을 고려하여, P 함유량의 하한값을 0.0002％ 또는 0.0005％로 해도 된다. 한편, P 함유량은 0.050％ 이하이면 허용된다. 바람직한 P 함유량은 0.045％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.035％ 이하, 0.020％ 이하 또는 0.015％ 이하이다.

O: 0.0030％ 이하

산소(O)는 불순물이며, 산화물계 개재물을 형성하는 원소이다. O 함유량이 0.0030％ 초과이면, 피로 파괴의 기점이 되는 큰 개재물이 증가하고, 피로 특성의 저하의 원인이 된다. 따라서, O 함유량을 0.0030％ 이하로 제한할 필요가 있다. 바람직하게는, O 함유량은 0.0015％ 이하이다. O 함유량은 적을수록 바람직하므로, O 함유량의 하한값은 0％이다. 그러나, 제조 비용을 고려하여, O 함유량의 하한값을 0.0007％ 또는 0.0010％로 해도 된다. 한편, O 함유량의 상한값을 0.0025％, 0.0020％ 또는 0.0015％로 해도 된다. 또한, 통상의 조업 조건에서는, O가0.0020％ 정도 함유된다.

상기한 기본 성분 및 불순물 원소 이외에도, 본 실시 형태에 따른 침탄용 강 및 침탄강 부품에 있어서의 강부는, 추가로, 선택 원소로서, Nb, V, Mo, Ni, Cu, Ca, Mg, Te, Zr, REM 및 Sb 중 적어도 1종 또는 2종 이상을, 화학 성분의 잔부 Fe 대신에 함유해도 된다. 단, 이들 선택 원소는 본 실시 형태의 침탄용 강의 과제 해결을 위해 필수는 아니므로, 이들 선택 원소의 함유량의 하한값은 0％이다. 본 출원의 명세서에 있어서 선택 원소의 함유량의 하한값으로서 기재되는 값은, 모두 바람직한 값으로서 들 수 있는 것이다. 이하에, 선택 원소의 수치 한정 범위와 그 한정 이유를 설명한다.

상기한 선택 원소 중, Nb와 V는 조직의 조대화를 방지하는 효과를 갖는다.

Nb: 0.002 내지 0.100％

니오븀(Nb)은 강 중에서 N 및 C와 결합하여, Nb(C, N)를 형성하는 원소이다. 이 Nb(C, N)는 오스테나이트 결정립계를 핀 고정함으로써, 입자 성장을 억제하고, 그리고 조직의 조대화를 방지한다. Nb 함유량을 0.002％ 이상으로 하면, 상기 효과가 얻어지므로 바람직하다. Nb 함유량이 0.100％를 초과하면, 상기 효과가 포화된다. 따라서, Nb 함유량을 0.002 내지 0.100％로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, Nb 함유량의 하한값은 0.010％이다. 또한, 더욱 바람직하게는, Nb 함유량의 상한값은 0.050％, 0.010％, 0.005％ 또는 0.004％이다.

V: 0.002 내지 0.20％

바나듐(V)은, 강 중에서 N 및 C와 결합하여 V(C, N)을 형성하는 원소이다. 이 V(C, N)은 오스테나이트 결정립계를 핀 고정함으로써, 입자 성장을 억제하고, 그리고 조직의 조대화를 방지한다. V 함유량을 0.002％ 이상으로 하면, 상기 효과가 얻어지므로 바람직하다. V 함유량이 0.20％를 초과하면, 상기 효과가 포화된다. 따라서, V 함유량을 0.002 내지 0.20％로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, V 함유량의 하한값은 0.05％이다. 더욱 바람직하게는, V 함유량의 상한값은 0.10％이다.

상기한 선택 원소 중, Mo, Ni 및 Cu는 강의 ?칭성을 높이고, 이에 의해 침탄 열처리 후의 침탄강 부품의 강도를 높이는 효과를 갖는다.

Mo: 0.005 내지 0.500％

몰리브덴(Mo)은 강의 ?칭성을 높이는 원소이다. Mo 함유량을 0.005％ 이상으로 하면, 이 효과에 의해 침탄 열처리 후의 침탄강 부품의 강도가 높아지므로 바람직하다. 또한, Mo는, 가스 침탄의 분위기에서 산화물을 형성하지 않고, 질화물을 형성하기 어려운 원소이다. 침탄용 강에 Mo가 함유되는 경우, 침탄층 표면의 산화물층 및 질화물층, 또는 그들에서 기인하는 침탄 이상층이 형성되기 어려워진다. 그러나, Mo는 고가이다. 또한, Mo 함유량이 0.500％를 초과하면, 단조 전의 침탄용 강의 경도가 상승하여, 변형 저항이 상승하며, 그리고 한계 압축률이 저하되므로, 침탄용 강의 냉간 단조성이 손상된다. 따라서, Mo 함유량을 0.005 내지 0.500％로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, Mo 함유량의 상한값을 0.200％, 0.100％, 0.010％ 또는 0.006％로 해도 된다.

Ni: 0.005 내지 1.000％

니켈(Ni)은 강의 ?칭성을 높이는 원소이다. Ni 함유량을 0.005％ 이상으로 하면, 이 효과에 의해 침탄 열처리 후의 침탄강 부품의 강도가 높아지므로 바람직하다. 또한, Ni는, 가스 침탄의 분위기 가스 분위기에서 산화물이나 질화물을 형성하지 않는 원소이다. 침탄용 강에 Ni가 함유되는 경우, 침탄층 표면의 산화물층 및 질화물층, 또는 그들에서 기인하는 침탄 이상층이 형성되기 어려워진다. 그러나, Ni는 고가이다. 또한, Ni 함유량이 1.000％를 초과하면, 단조 전의 침탄용 강의 경도가 상승하여, 변형 저항이 상승하며, 그리고 한계 압축률이 저하되므로, 침탄용 강의 냉간 단조성이 손상된다. 따라서, Ni 함유량을 0.005 내지 1.000％로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, Ni 함유량의 하한값을 0.050％로 해도 된다. 또한, Ni 함유량의 상한값을 0.700％, 0.600％ 또는 0.500％로 해도 된다.

Cu: 0.005 내지 0.500％

구리(Cu)는 강의 ?칭성을 높이는 원소이다. Cu 함유량을 0.005％ 이상으로 하면, 이 효과에 의해 침탄 열처리 후의 침탄강 부품의 강도가 높아지므로 바람직하다. 또한, Cu는, 가스 침탄의 분위기 가스 분위기에서 산화물이나 질화물을 형성하지 않는 원소이다. 침탄용 강에 Cu가 함유되는 경우, 침탄층 표면의 산화물층 및 질화물층, 또는 그들에서 기인하는 침탄 이상층이 형성되기 어려워진다. 그러나, Cu 함유량이 0.500％를 초과하면, 1000℃ 이상의 고온 영역에 있어서의 강의 연성이 저하되어, 연속 주조 및 압연 시의 수율이 저하된다. 또한, Cu 함유량이 0.500％를 초과하면, 단조 전의 침탄용 강의 경도가 상승하여, 변형 저항이 상승하며, 그리고 한계 압축률이 저하되므로, 침탄용 강의 냉간 단조성이 손상된다. 따라서, Cu 함유량을 0.005 내지 0.500％로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, Cu 함유량의 하한값을 0.050％로 해도 된다. 한편, Cu 함유량의 상한값을 0.300％ 또는 0.006％로 해도 된다. 또한, Cu를 함유시키는 경우, 상기한 고온 영역의 연성을 개선하기 위해서, 단위 질량％로 Ni 함유량을 Cu 함유량의 1/2 이상으로 하는 것이 바람직하다.

상기한 선택 원소 중, Ca, Mg, Te, Zr, REM 및 Sb는 피삭성을 개선하는 효과를 갖는다.

Ca: 0.0002 내지 0.0030％

칼슘(Ca)은, 황화물의 형상을 신장시키지 않고 구형으로 한다는 황화물 형태 제어의 효과를 갖는 원소이다. Ca이 함유되는 경우, 황화물 형상의 이방성이 개선되어, 황화물에서 기인하는 기계적 성질의 저하가 한층 억제된다. 또한, Ca는 절삭 시에 절삭 공구 표면에 보호 피막을 형성하여, 피삭성을 향상시키는 원소이다. Ca 함유량을 0.0002％ 이상으로 하면, 이들 효과가 얻어지므로 바람직하다. 한편, Ca 함유량이 0.0030％를 초과하면, 조대한 산화물 및 황화물 등이 형성되어, 침탄강 부품의 피로 강도에 악영향을 주는 경우가 있다. 따라서, Ca 함유량을 0.0002 내지 0.0030％로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, Ca 함유량의 하한값을 0.0008％로 해도 된다. Ca 함유량의 상한값을 0.0020％ 또는 0.0003％로 해도 된다.

Mg: 0.0002 내지 0.0030％

마그네슘(Mg)은 Ca과 동일하게 황화물의 형태를 제어하고, 또한 절삭 시에 절삭 공구 표면에 보호 피막을 형성하여 피삭성을 향상시키는 원소이다. Mg 함유량을 0.0002％ 이상으로 하면, 이들 효과가 얻어지므로 바람직하다. 한편, Mg 함유량이 0.0030％를 초과하면, 조대한 산화물이 형성되어, 침탄강 부품의 피로 강도에 악영향을 주는 경우가 있다. 따라서, Mg 함유량을 0.0002 내지 0.0030％로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, Mg 함유량의 하한값을 0.0008％로 해도 된다. Mg 함유량의 상한값을 0.0020％ 또는 0.0012％로 해도 된다.

Te: 0.0002 내지 0.0030％

텔루륨(Te)은 황화물의 형태를 제어하는 원소이다. Te 함유량을 0.0002％ 이상으로 하면, 이 효과가 얻어지므로 바람직하다. 한편, Te 함유량이 0.0030％를 초과하면, 강의 열간에 있어서의 취화가 현저해진다. 따라서, Te 함유량을 0.0002 내지 0.0030％로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, Te 함유량의 하한값을 0.0008％로 해도 된다. Te 함유량의 상한값을 0.0020％ 또는 0.0015％로 해도 된다.

Zr: 0.0002 내지 0.0050％

지르코늄(Zr)은 황화물의 형태를 제어하는 원소이다. Zr 함유량을 0.0002％ 이상으로 하면, 이 효과가 얻어지므로 바람직하다. 한편, Zr 함유량이 0.0050％를 초과하면, 조대한 산화물이 형성되어, 침탄강 부품의 피로 강도에 악영향을 주는 경우가 있다. 따라서, Zr 함유량을 0.0002 내지 0.0050％로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, Zr 함유량의 하한값을 0.0008％로 해도 된다. Zr 함유량의 상한값을 0.0030％ 또는 0.0011％로 해도 된다.

REM: 0.0002 내지 0.0050％

REM(Rare Earth Metal)은 황화물의 형태를 제어하는 원소이다. REM 함유량을 0.0002％ 이상으로 하면, 이 효과가 얻어지므로 바람직하다. REM 함유량이 0.0050％를 초과하면, 조대한 산화물이 형성되어, 침탄강 부품의 피로 강도에 악영향을 주는 경우가 있다. 따라서, REM 함유량을 0.0002 내지 0.0050％로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, REM 함유량의 하한값을 0.0008％로 해도 된다. REM 함유량의 상한값을 0.0030％ 또는 0.0010％로 해도 된다.

또한, REM이란 원자 번호가 57인 란탄으로부터 71인 루테튬까지의 15 원소에, 원자 번호가 21인 스칸듐과 원자 번호가 39인 이트륨을 더한 합계 17 원소의 총칭이다. 통상은, 이들 원소의 혼합물인 미슈메탈의 형태로 공급되고, 강 중에 첨가된다. 본 실시 형태에 있어서, REM의 함유량이란, 이들 원소의 함유량의 합계값이다.

Sb: 0.0020 내지 0.0500％

안티몬(Sb)은 침탄용 강의 제조 공정(열간 압연, 열간 단조, 어닐링 등)에 있어서의 탈탄이나 침탄 현상을 방지하는 원소이다. Sb 함유량을 0.0020％ 이상으로 하면, 이들 효과가 얻어지므로 바람직하다. Sb 함유량이 0.0500％를 초과하면, 침탄 처리 시에 침탄성을 손상시키고, 필요한 침탄층이 얻어지지 않는 경우가 있다. 따라서, Sb 함유량을 0.0020 내지 0.0500％로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, Sb 함유량의 하한값을 0.0050％로 해도 된다. Sb 함유량의 상한값을 0.0300％ 또는 0.0030％로 해도 된다.

이상과 같이, 본 실시 형태의 침탄용 강은 상술한 기본 원소를 포함하고, 잔부가 철(Fe) 및 불순물을 포함하는 화학 조성, 또는 상술한 기본 원소와, 상술한 선택 원소로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하며, 잔부가 Fe 및 불순물을 포함하는 화학 조성을 갖는다.

[덴드라이트 조직]

본 실시 형태의 침탄용 강의 제조에 사용하는 연속 주조 주편의 응고 조직은, 통상은 덴드라이트 형태를 나타내고 있다. 침탄용 강 중의 황화물은, 응고 전(용강 중) 또는 응고 시에 정출되는 일이 많아, 덴드라이트 1차 암 간격에 크게 영향을 받는다. 즉, 덴드라이트 1차 암 간격이 작으면, 수간에 정출되는 황화물은 작아진다. 본 실시 형태의 침탄용 강은, 주편의 단계에 있어서의 덴드라이트 1차 암 간격이 600㎛ 미만인 것이 바람직하다. 또한, 본 실시 형태에 따른 침탄용 강에 있어서, 황화물은 예를 들어 MnS 등이다. 단, 주편을 열간 가공하면, 덴드라이트의 형상이 변화되거나, 덴드라이트의 형상을 판별하지 못하게 되거나 하는 경우가 있다. 따라서, 주편을 열간 가공하여 얻어지는 본 실시 형태의 침탄용 강의 덴드라이트 형상은, 상술한 범위에 한정되지 않는다.

황화물을 안정적이면서 효과적으로 미세 분산시키기 위해서는, 미량의 Bi를 첨가하고, 용강 중의 고액 계면 에너지를 저감시킨다. 고액 계면 에너지가 저감됨으로써, 덴드라이트 조직이 미세해진다. 덴드라이트 조직이 미세화됨으로써, 덴드라이트 1차 암으로부터 정출되는 황화물이 미세화된다.

[황화물]

침탄용 강에 포함되는 황화물(예를 들어 MnS 등)은, 침탄용 강의 피삭성의 향상에 유용하기 때문에, 적절한 사이즈의 황화물의 존재 밀도를 가능한 한 증대시킬 필요가 있다. 한편, S 함유량을 증가시키면 피삭성은 향상되지만, 조대한 황화물이 증가된다. 열간 압연 등에 의해 연신된 조대한 황화물은, 냉간 단조성을 손상시킨다. 따라서, S 함유량을 종래의 수준보다도 저감시켜, 황화물 사이즈 및 형상을 제어할 필요가 있다. 또한, 피삭 시의 절삭칩 처리성을 향상시키기 위해서는, 황화물을 미세하게 분산시킬 필요가 있다. 즉, 황화물끼리의 간격을 작게 하는 것이 중요하다.

강(침탄용 강)의 압연 방향과 평행인 단면에서 관찰되는 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 미만인 황화물의 존재 밀도: 300개/mm² 이상

본 발명자들이 지견한 바로는, 침탄용 강의 압연 방향과 평행인 단면(L 단면)에 있어서 관찰되는 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 미만인 황화물(이하 「미세 황화물」이라고 약칭하는 경우가 있음)이 300개/mm² 이상의 존재 밀도로 강 중에 존재하면, 공구의 마모가 억제된다. 미세 황화물의 존재 밀도의 하한값을 320개/mm², 350개/mm² 또는 400개/mm²로 해도 된다. 미세 황화물의 존재 밀도의 상한값을 규정할 필요는 없지만, 화학 성분의 규정 범위 및 실험 결과에 감안하여, 600개/mm²가 실질적인 상한값으로 된다고 추정된다. 미세 황화물의 존재 밀도의 상한값을 550개/mm² 또는 500개/mm²로 해도 된다.

또한, L 단면에 있어서 관찰되는 원 상당 직경이 1㎛ 미만인 황화물(이하 「초미세 황화물」이라고 약칭하는 경우가 있음), 및 L 단면에 있어서 관찰되는 원 상당 직경이 2㎛ 이상인 황화물(이하 「조대 황화물」이라고 약칭하는 경우가 있음)은, 피삭성 향상에 기여하지 않고, 또한 냉간 단조성을 손상시킬 우려가 있으므로, 그 존재 밀도는 작은 편이 좋다. 그러나, 합금 성분(특히 S 함유량)을 상술한 범위 내로 하고, 또한 미세 황화물의 존재 밀도를 상술한 범위 내로 한 경우, 조대 황화물 및 초미세 황화물의 존재 밀도는 충분히 저감되므로, 이들 존재 밀도를 한정할 필요는 없다.

강의 압연 방향과 평행인 단면에서 관찰되는 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 미만인 황화물(미세 황화물)간의 평균 거리: 30.0㎛ 미만

또한, 미세 황화물끼리의 사이의 거리의 평균값(미세 황화물간의 평균 거리)과, 절삭칩 처리성의 관계에 대하여 본 발명자들이 각종 실험을 행한 결과, 이들 미세 황화물간의 평균 거리가 30.0㎛ 미만이면, 양호한 절삭칩 처리성이 얻어짐을 확인하였다. 따라서, 미세 황화물간의 평균 거리는 30.0㎛ 미만으로 규정된다. 미세 황화물간의 평균 거리의 상한값을 27.0㎛, 26.0㎛ 또는 25.0㎛로 해도 된다. 미세 황화물간의 평균 거리의 하한값은 특별히 한정되지 않지만, 화학 성분의 규정 범위 및 실험 결과에 감안하여, 12.0㎛가 실질적인 하한값으로 추정된다. 미세 황화물간의 평균 거리의 하한값을 13.0㎛ 또는 14.0㎛로 해도 된다.

조대 황화물 및 초미세 황화물은, 평균 거리를 측정할 때에는 고려되지 않는다. 조대 황화물은, 본 실시 형태에 따른 침탄용 강에 있어서는 개수가 적으므로, 측정 대상으로 할 필요가 없다. 초미세 황화물은, 절삭칩 처리성의 향상에 공헌하지 않으므로, 측정 대상이 되지 않는다.

미세 황화물의 존재 밀도는, 침탄용 강을 압연 방향과 평행으로 절단하고, 황화물이 관찰 가능하게 되도록 통상의 방법으로 절단면을 조제하고, 절단면의 전자 현미경 사진을 복수의 측정 개소에서 촬영하여, 각 전자 현미경 사진에 포함되는 황화물 각각의 원 상당 직경을 산출함으로써 미세 황화물을 특정하고, 각 전자 현미경 사진에 포함되는 미세 황화물의 개수를 각 전자 현미경 사진의 시야의 면적으로 나눔으로써, 각 측정 개소에 있어서의 미세 황화물의 존재 밀도를 구하고, 이들 존재 밀도를 평균함으로써 구해진다.

미세 황화물간의 평균 거리는, 상술한 각 전자 현미경 사진에 포함되는 임의의 2의 미세 황화물의 무게 중심을 그 양단으로 하고 또한 이들 임의의 2의 미세 황화물 이외의 미세 황화물을 통과하지 않는 선분을 각 전자 현미경 사진에 묘화하고, 각 전자 현미경 사진의 이들 선분의 길이의 평균값을 구함으로써 각 측정 개소에 있어서의 미세 황화물간의 평균 거리를 구하고, 이들 각 측정 개소에 있어서의 평균 거리를 추가로 평균함으로써 구해진다.

강 중에는 황화물이 아닌 개재물이 포함되는 경우도 있지만, 개재물이 황화물인 것은, 주사형 전자 현미경에 부속되는 에너지 분산형 X선 해석 장치에 의해 확인하면 된다. 또한, 황화물의 원 상당 직경은 황화물의 면적과 동등한 면적을 갖는 원의 직경이며, 화상 해석에 의해 구할 수 있다. 동일하게, 각 측정 개소에 있어서의 황화물의 존재 밀도 및 황화물간의 평균 거리는, 상술한 각 방법을 실행하는 화상 해석에 의해 구해진다. 충분한 측정 정밀도를 확보하기 위해서, 측정 개소의 수 및 측정 시야의 총 면적(전자 현미경 사진의 총 면적)을 크게 하는 것이 바람직하다. 본 발명자들은, 본 발명을 얻기 위한 실험에서는, 측정 개소의 수를 25로 하고, 전자 현미경 사진의 배율을 500배로 하여 측정 시야의 총 면적을 약 1.1 mm²로 하였다. 측정을 행하는 개소는 특별히 한정되지 않지만, 침탄용 강의 표면과 중심의 중간 영역(침탄용 강이 환봉인 경우, D/4 위치)으로 하는 것이 바람직하다. 침탄용 강의 표면과 중심의 중간 영역은, 침탄용 강에 있어서의 평균적인 구성을 갖기 때문이다. 본 발명자들은, 환봉의 D/4 위치를 환봉의 축방향에 대하여 평행으로 절단하여 얻어지는 절단면에 있어서 황화물을 관찰하였다.

또한, 통상의 침탄 처리에 의해 침탄용 강의 내부(침탄강 부품의 강부가 되는 영역)의 황화물의 상태가 변화되는 일은 없으므로, 침탄강 부품의 강부의 황화물의 상태는, 침탄용 강의 황화물 상태와 대략 동일한 상태가 된다. 침탄강 부품의 강부의 황화물의 상태는, 침탄용 강과 동일한 방법으로 특정할 수 있다.

[?칭성 지표]

?칭성 지표 Ceq: 7.5 초과 44.0 미만

본 실시 형태의 침탄용 강의, 화학 성분 중의 각 원소의 단위 질량％로 나타낸 함유량을 하기 식 B에 대입하여 얻어지는 ?칭성 지표 Ceq가, 7.5 초과 44.0 미만이 될 필요가 있다. 식 B에 포함되는 원소 기호는, 그 원소 기호에 관한 원소의 단위 질량％에 의한 함유량을 나타낸다. 선택 원소인 Mo 및 Ni가 포함되지 않는 경우에는, 그 함유량을 0질량％로 간주하여 ?칭성 지표 Ceq를 산출하면 된다.

Ceq=(0.7×Si+1)×(5.1×Mn+1)×(2.16×Cr+1)×(3×Mo+1)×(0.3633×Ni+1)…(식 B)

본 발명자들은, 화학 성분이 상술한 범위 내이며, ?칭성 지표 Ceq가 다른 각종 침탄용 강에, 동일한 침탄 열처리 조건에서 침탄 ?칭을 행하고, 이에 의해 얻어진 각종 침탄된 강의 침탄층의 경도 및 유효 경화층 깊이(비커스 경도가 HV550 이상인 영역의 깊이)를 측정하였다. 그리고 본 발명자들은, 상기한 종래의 침탄용 강(C 함유량이 0.2％ 정도)과 비교하여, 동등 이상의 침탄층의 경도 및 유효 경화층 깊이(비커스 경도가 HV550 이상이 되는 깊이)를 얻을 수 있는 ?칭성 지표 Ceq의 역치를 얻었다. 즉, 본 발명자들의 지견에 의하면, ?칭성 지표 Ceq가 7.5 이하이면, 상기한 종래 강(C 함유량이 0.2％ 정도)과 동등한 특성을 얻지 못한다. 따라서, ?칭성 지표 Ceq는 7.5 초과가 될 필요가 있다. 또한, 본 발명자들의 지견에 의하면, ?칭성 지표 Ceq가 44.0 이상이면, 단조 전의 침탄용 강의 경도가 상승하여, 변형 저항이 상승하며, 그리고 한계 압축률이 저하되므로, 침탄용 강의 냉간 단조성이 손상된다. 따라서, ?칭성 지표 Ceq가 7.5 초과 44.0 미만일 필요가 있다. 이 ?칭성 지표 Ceq는, 상술한 범위 내에서 가능한 한 크게 하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, ?칭성 지표 Ceq의 하한값을 8.0, 12.1 또는 20.1로 해도 된다. 또한, ?칭성 지표 Ceq의 상한값을 43.0, 42.0 또는 36.0으로 해도 된다.

[금속 조직]

페라이트: 85 내지 100면적％

본 실시 형태의 침탄용 강의 금속 조직은 85 면적％ 이상의 페라이트를 포함한다. 그 금속 조직이 연질의 상인 페라이트를 주체로 하는 것이므로, 본 실시 형태의 침탄용 강은 충분히 연질이며, 우수한 냉간 단조성을 갖는다. 또한, 페라이트는 많으면 많을수록 바람직하므로, 페라이트양의 상한값은 100면적％이다. 페라이트양이 상술한 범위 내인 한, 본 실시 형태의 침탄용 강은 페라이트 이외의 임의의 조직을 포함해도 된다. 본 실시 형태의 침탄용 강에 포함될 수 있는 조직으로서, 베이나이트 및 마르텐사이트가 예시된다.

페라이트양의 측정 방법은 특별히 한정되지 않고, 통상법에 따르면 된다. 예를 들어, 침탄용 강을 압연 방향으로 수직으로 절단하고, 이에 의해 얻어지는 단면을 연마 및 에칭하여 조직을 현출시키고, 적어도 5군데의 조직 사진을 촬영하여, 각 조직 사진에 있어서의 페라이트가 차지하는 비율을 화상 해석으로 구하고, 각 조직 사진의 페라이트 면적률을 평균함으로써, 침탄용 강의 페라이트 면적률을 고정밀도로 구할 수 있다. 조직 사진의 촬영 개소는, 침탄용 강의 표면과 중심의 중간 영역(침탄용 강이 환봉인 경우, D/4부)으로 하는 것이 바람직하다. 침탄용 강의 표면과 중심의 중간 영역은, 침탄용 강에 있어서의 평균적인 구성을 갖기 때문이다.

본 실시 형태의 침탄용 강의 경도는 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 본 실시 형태의 침탄용 강의 비커스 경도가 125HV 이하인 것이 바람직하고, 110HV 이하인 것이 한층 바람직하다. 이 경우, 본 실시 형태의 침탄용 강의 한계 압축률이 68％ 이상이 되어, 한층 우수한 냉간 단조성을 나타내게 된다. 본 실시 형태의 침탄용 강의 비커스 경도는, 열처리를 행함으로써 제어 가능하고, 낮은 편이 바람직하다. 화학 성분 및 실험 결과 등을 고려하면, 본 실시 형태의 침탄용 강의 비커스 경도 하한값은 75HV 정도가 된다고 생각된다. 본 실시 형태의 침탄용 강의 비커스 경도 하한값을 80HV 또는 95HV로 해도 된다.

[침탄강 부품]

이어서, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 침탄강 부품에 대하여 설명한다.

본 실시 형태의 침탄강 부품(2)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 상술한 본 실시 형태에 따른 침탄용 강(1)에 대하여 냉간 소성 가공 S1, 절삭 가공 S2 및 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리 S3이 실시됨으로써 제조된다. 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리 S3 후에, 필요에 따라서 마무리 열처리로서 ?칭 처리 또는 ?칭ㆍ템퍼링 처리 S4를 행해도 된다. 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리 S3에 의해, 침탄강 부품(2)의 강부(20)의 외면에 침탄층(21)이 형성된다. 본 실시 형태에 따른 침탄강 부품(2)의 침탄층(21)은, 비커스 경도가 HV550 이상인 영역으로 정의된다. 침탄층(2)의 두께는, JIS G 0557에 규정되는 유효 경화층 깊이와 동등하다. 또한, 강부(20)와 침탄층(21) 사이에, 어느 곳에도 해당하지 않는 영역, 즉, 강부(20)보다도 C 함유량이 높지만 경도가 HV550 미만인 천이 영역이 있어도 된다. 또한 「침탄층」이라는 용어는, 통상의 기술 상식에 의하면, 침탄층 및 침탄 질화층의 양쪽을 포함하는 개념으로 해석된다. 침탄강 부품(2)의 제조 방법에 대해서는 후술한다.

침탄층의 두께: 0.40mm 초과 2.00mm 미만

본 실시 형태의 침탄강 부품(2)은 보다 상세하게는, 도 1에 도시된 바와 같이 강부(20)와, 강부(20)의 외면에 생성된 두께 0.40mm 초과 2.00mm 미만의 침탄층(21)을 구비한다. 침탄층의 두께가 0.40mm 이하인 경우, 침탄강 부품의 강도, 특히 피로 강도 등이 부족하다. 한편, 침탄층의 두께가 2.00mm 이상인 경우, 침탄강 부품의 표면 인성이 손상된다. 침탄층의 두께의 하한값을 0.45mm, 0.50mm 또는 0.55mm로 해도 된다. 또한, 침탄층의 두께의 상한값을 1.70mm, 1.50mm, 1.00mm, 0.90mm, 0.70mm, 0.65mm 또는 0.60mm로 해도 된다.

침탄강 부품의 표면으로부터 깊이 50㎛의 위치에서의 평균 비커스 경도: HV650 이상 HV1000 이하

덧붙여, 본 실시 형태에 따른 침탄강 부품(2)의 표면으로부터 깊이 50㎛의 위치(도 1에 있어서, 기호 A가 붙여진 파선)에서의 평균 비커스 경도는, HV650 이상 HV1000 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 침탄층의 경도가 적절하게 제어되고 있다. 침탄강 부품(2)의 표면으로부터 깊이 50㎛의 위치에서의 평균 비커스 경도가 HV650 미만인 경우, 침탄강 부품의 강도, 특히 피로 강도 등이 부족하다. 침탄강 부품(2)의 표면으로부터 깊이 50㎛의 위치에서의 평균 비커스 경도가 HV1000 초과인 경우, 침탄강 부품의 표면 인성이 손상된다. 침탄강 부품(2)의 표면으로부터 깊이 50㎛의 위치에서의 평균 비커스 경도의 하한값을 HV750, HV770 또는 HV800으로 해도 된다. 침탄강 부품(2)의 표면으로부터 깊이 50㎛의 위치에서의 평균 비커스 경도의 상한값을 HV900, HV870 또는 HV850으로 해도 된다.

침탄강 부품의 표면으로부터 깊이 2.0mm의 위치에서의 평균 비커스 경도: HV250 이상 HV500 이하

또한, 본 실시 형태에 따른 침탄강 부품(2)의 표면으로부터 깊이 2.0mm의 위치(도 1에 있어서, 기호 B가 붙여진 파선)에서의 평균 비커스 경도는 HV250 이상 HV500 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 강부(20)(또는 천이부)의 경도가 적절하게 제어되고 있다. 침탄강 부품(2)의 표면으로부터 깊이 2.0mm의 위치에서의 평균 비커스 경도가 HV250 미만인 경우, 침탄강 부품의 강도가 부족하다. 침탄강 부품(2)의 표면으로부터 깊이 2.0mm의 위치에서의 평균 비커스 경도가 HV500 초과인 경우, 침탄강 부품의 인성이 손상되어, 깨짐 등의 파손이 발생하기 쉬워진다. 침탄강 부품(2)의 표면으로부터 깊이 2.0mm의 위치에서의 평균 비커스 경도의 하한값을 HV270, HV280 또는 HV300으로 해도 된다. 침탄강 부품(2)의 표면으로부터 깊이 2.0mm의 위치에서의 평균 비커스 경도의 상한값을 HV400, HV380 또는 HV320으로 해도 된다.

침탄층(21)의 비커스 경도는, 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리 S3에 의해, 소재인 침탄용 강(1)보다도 단단해진다. 또한, 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리 S3 후의 강부(20)의 비커스 경도가 부족한 경우에는, 마무리 열처리로서 ?칭 처리 또는 ?칭ㆍ템퍼링 처리 S4를 행하여, 강부(20)의 비커스 경도를 HV250 이상으로 하면 된다.

침탄강 부품(2)의 침탄층(21)의 두께는, 침탄층(21)의 표면으로부터의 수직 거리와 경도의 관계를 나타내는 경도 추이 곡선을 얻음으로써 구해진다. 경도 추이 곡선은 침탄강 부품(2)을 그 표면과 수직으로 절단하고, 절단면을 연마하며, 예를 들어 JIS G 0557 「강의 침탄 경화층 깊이 측정 시험」에 준한 경도 측정을 행함으로써 얻어진다. 침탄층(21)의 두께, 즉, 비커스 경도가 HV550 이상인 영역의 두께를, 경도 추이 곡선으로부터 판독할 수 있다. 2군데 이상에서 침탄층(21)의 두께의 측정을 행하고, 측정값의 평균값을 침탄강 부품(2)의 침탄층(21)의 두께로 간주해도 된다.

침탄강 부품(2)의 표면으로부터 깊이 50㎛의 위치, 및 침탄강 부품(2)의 표면으로부터 깊이 2.0mm의 위치에서의 평균 비커스 경도는, 침탄강 부품(2)을 그 표면과 수직으로 절단하여, 절단면을 연마하고, 깊이 50㎛의 위치 및 2.0mm의 위치에서 비커스 경도 측정 시험을 복수회(바람직하게는 5회 이상) 행하여, 그 결과의 평균값을 산출함으로써 얻어진다.

침탄강 부품(2)의 강부(20)의 화학 성분, ?칭성 지표 Ceq, 미세 황화물간의 평균 거리 및 미세 황화물의 존재 밀도는, 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리에 의해 실질적으로 변화하지 않으므로, 침탄강 부품(2)의 소재인 침탄용 강(1)과 실질적으로 동일하다. 침탄강 부품(2)의 압연 방향은, 침탄강 부품(2)의 황화물 연신 방향과 일치하므로, 침탄강 부품(2)의 황화물의 형상을 관찰함으로써 특정할 수 있다. 한편, 강부(20)의 경도는, 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리 S3 시에 ?칭ㆍ템퍼링이 발생하므로, 침탄강 부품(2)의 소재인 침탄용 강(1)의 경도보다도 크다.

상술한 바와 같이 침탄층 두께 및 경도가 제어되고 있는 한, 본 실시 형태에 따른 침탄강 부품은 고강도 부품으로서 사용할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 침탄강 부품의 조직은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 침탄강 부품의 표면으로부터 0.4mm의 깊이에 있어서의 조직을, 0 내지 10면적％의 페라이트와, 마르텐사이트, 베이나이트, 템퍼링 마르텐사이트, 템퍼링 베이나이트 및 시멘타이트로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 잔부로 구성되는 것으로 해도 된다. 성분, 그리고 침탄강 부품의 표면으로부터 2.0mm의 깊이의 위치 및 50㎛의 깊이의 위치에 있어서의 경도가 상술된 범위 내가 되도록 침탄강 부품의 제조를 행한 경우, 침탄강 부품의 표면으로부터 0.4mm의 깊이에 있어서의 조직은 상술한 범위 내가 되는 것이 통상이다.

[제조 방법]

이어서, 본 실시 형태의 침탄용 강의 제조 방법과, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 침탄강 부품의 제조 방법을 설명한다. 침탄강 부품의 제조 방법에 있어서는, 일례로서 침탄용 강을 포함하는 냉간 단조품을 제조하는 공정을 설명한다. 냉간 단조품은 예를 들어, 자동차 및 건설 기계 등에 이용되는 기계 부품이며, 예를 들어 기어, 샤프트, 풀리 등의 강제 부품이다.

본 실시 형태의 침탄용 강의 제조 방법은, 본 실시 형태의 침탄용 강과 동일한 화학 성분을 가지고, 또한 표면으로부터 15mm의 범위 내에 있어서의 덴드라이트 1차 암 간격이 600㎛ 미만인 주편을 연속 주조하여, 이 주편을 열간 가공하고, 또한 어닐링함으로써 제조된다. 열간 가공은 열간 압연을 포함해도 된다.

[연속 주조 공정]

본 실시 형태의 침탄용 강과 동일한 화학 성분을 갖는 주편을, 연속 주조법에 의해 제조한다. 조괴법에 의해, 주편을 잉곳(강괴)으로 해도 된다. 주조는 예를 들어, 220×220mm각(角)의 주형을 사용하여, 턴디쉬 내의 용강의 슈퍼 히트를 10 내지 50℃로 하고, 주입 속도를 1.0 내지 1.5m/분으로 하는 조건에서 행해진다.

또한, 주편의 표면으로부터 15mm의 범위 내에 있어서의 덴드라이트 1차 암 간격을 600㎛ 미만으로 하기 위해서, 용강을 주조할 때에 주편 표면으로부터 15mm의 깊이에 있어서의 액상선 온도로부터 고상선 온도까지의 온도 영역 내의 평균 냉각 속도(이하, 간단히 「평균 냉각 속도」라고 칭하는 경우가 있음)를 100℃/min 이상 500℃/min 이하로 할 필요가 있다. 평균 냉각 속도가 100℃/min 미만이면, 주편 표면으로부터 15mm 깊이의 위치에 있어서의 덴드라이트 1차 암 간격을 600㎛ 미만으로 하는 것이 곤란해져, 황화물을 미세 분산시지 못할 우려가 있다. 한편, 평균 냉각 속도가 500℃/min 초과이면, 덴드라이트 수간으로부터 정출되는 황화물이 너무 미세해져서, 원 상당 직경 1㎛ 이상 2㎛ 미만의 황화물의 존재 밀도 및 당해 황화물간의 평균 거리가 상술한 범위 밖이 되어, 침탄용 강의 피삭성이 저하되어버릴 우려가 있다.

액상선 온도로부터 고상선 온도까지의 온도 영역이란, 용강의 응고 개시 온도로부터 응고 종료 온도까지의 온도 영역이다. 따라서, 이 온도 영역에서의 평균 냉각 속도이란, 주편의 평균 응고 속도(즉, 응고 시의 평균 냉각 속도)를 의미한다. 상기의 평균 냉각 속도는, 예를 들어 주형 단면의 크기 및 주입 속도 등을 적정한 값으로 제어하는 것, 또는 주입 직후에 있어서 수랭에 사용하는 냉각수량을 증대시키는 것 등의 수단에 의해 달성할 수 있다. 이들 수단은 연속 주조법 및 조괴법 모두에 적용 가능하다.

주편 표면으로부터 15mm의 깊이에 있어서의 액상선 온도로부터 고상선 온도까지의 온도 영역 내의 평균 냉각 속도는, 주편의 덴드라이트 2차 암 간격을 관찰함으로써 추정 가능하다. 예를 들어, 주편의 단면을 피크르산으로 에칭하고, 주편 표면으로부터 15mm의 깊이의 위치에서 주입 방향으로 5mm 피치로 덴드라이트 2차 암 간격 λ₂(㎛)를 100점 측정하고, 하기 식 C에 기초하여, 그 값으로부터 슬래브의 액상선 온도로부터 고상선 온도까지의 온도 영역 내의 냉각 속도 A(℃/초)를 산출하고, 이 냉각 속도 A를 산술 평균한 값은, 주편 표면으로부터 15mm의 깊이에 있어서의 액상선 온도로부터 고상선 온도까지의 온도 영역 내의 평균 냉각 속도와 거의 일치한다고 생각된다. 단, 주편을 열간 가공하면, 덴드라이트의 형상이 변화되거나, 덴드라이트의 형상을 판별하지 못하게 되거나 하는 경우가 있다. 따라서, 주편을 열간 가공하여 얻어지는 본 실시 형태의 침탄용 강의 덴드라이트 형상에 기초하여, 평균 냉각 속도를 고정밀도로 추정한다는 것은 어렵다.

λ₂=710×A^-0.39……(식 C)

예를 들어, 주조 조건을 변경한 복수의 주편을 제조하고, 각 주편에 있어서의 평균 냉각 속도를 상기 식 C에 의해 구하여, 얻어진 냉각 속도로부터 최적인 주조 조건을 결정하면 된다.

주편 또는 잉곳을 열간 가공하여, 빌렛(강편)을 제조하고, 또한 빌렛을 열간 가공하여, 봉강 및 선재 등으로 한다.

열간 가공 공정으로서, 주조 공정 후의 주편을, 열간 압연, 열간 단조 등을 실시하여 열간 가공 강재를 얻는다. 이 열간 가공 공정에서의, 가공 온도, 가공율, 변형 속도 등의 소성 가공 조건은 특별히 한정되는 것은 아니고, 적절히 적합한 조건을 선택하면 된다.

서냉 공정으로서, 이 열간 가공 공정 직후의(즉, 실질적으로 냉각되지 않음) 상기 열간 가공 강재에, 이 열간 가공 강재의 표면 온도가 800℃ 내지 500℃로 되는 온도 범위에 있어서의 냉각 속도가 0℃/초 초과 1℃/초 이하로 되도록 서냉을 실시함으로써, 본 실시 형태의 침탄용 강을 얻는다.

오스테나이트가 페라이트 및 펄라이트로 변태되는 온도 영역인 800℃ 내지 500℃에서의 냉각 속도가 1℃/초를 초과하면, 침탄용 강의 베이나이트 및 마르텐사이트의 조직 분율이 커지고, 침탄용 강의 페라이트양이 부족하다. 그 결과, 침탄용 강의 경도가 상승하여, 변형 저항이 상승하며, 그리고 한계 압축률이 저하된다. 따라서, 상기 온도 범위에서의 냉각 속도를, 0℃/초 초과 1℃/초 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 상기 온도 범위에서의 냉각 속도를 0℃/초 초과 0.7℃/초 이하로 한다. 또한, 서냉 공정으로서, 열간 가공 공정 후의 열간 가공 강재의 냉각 속도를 작게 하기 위해서는, 압연 라인이나 열간 단조 라인 후에, 보온 커버, 열원 부착 보온 커버, 또는 유지로(保定爐) 등을 설치하면 된다.

또한, 서냉 후에 추가로 구상화 어닐링을 행하여 본 실시 형태의 침탄용 강으로 해도 된다. 구상화 어닐링 처리를 행함으로써, 침탄용 강의 경도가 한층 저하되고, 변형 저항이 한층 저하되며, 그리고 한계 압축률이 한층 향상된다. 구상화 어닐링 조건은 특별히 한정되는 것은 아니고, 적절히 적합한 조건을 선택하면 된다.

이어서, 본 실시 형태에 따른 침탄강 부품의 제조 방법에 대하여 설명한다.

화학 성분이 상기한 기본 원소, 선택 원소, 그리고 Fe 및 불순물을 포함하는 잔부를 포함하고, 또한 상술한 제조 공정을 거쳐서 제조된 침탄용 강에 냉간 소성 가공 S1을 실시하여 형상을 부여한다. 이 냉간 소성 가공에서의, 가공율, 변형 속도 등의 소성 가공 조건은, 특별히 한정되는 것은 아니고, 적절히 적합한 조건을 선택하면 된다.

이어서, 냉간 소성 가공 후의 침탄용 강에 절삭 가공 S2를 실시하여, 기계 구조용 부품의 형상을 부여한다. 절삭 가공에 의해, 냉간 소성 가공만으로는 형성이 곤란한 정밀한 형상을, 침탄용 강에 부여할 수 있다. 본 실시 형태의 침탄용 강은 피삭성이 우수하므로, 이 절삭 가공 공정에 있어서 종래 강에 비해 절삭칩 처리성이 높고, 또한 공구 수명을 손상시키지 않는다. 또한, 절삭 가공은 냉간 소성 가공 전에 실시되어도 후에 실시되어도 된다. 그러나, 침탄강 부품의 치수 정밀도를 향상시키기 위해서는, 절삭 가공을 냉간 소성 가공 후에 실시하는 것이 바람직하다.

이어서, 냉간 소성 가공 및 절삭 가공에 의해 형상이 부여된 침탄용 강에, 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리 S3을 실시함으로써, 본 실시 형태에 따른 침탄강 부품이 얻어진다. 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리의 조건은 특별히 한정되지 않고, 침탄강 부품에 소망하는 강도에 따라서 적절히 선택하면 된다. 상기한 침탄층과 강부를 구비하고, 경도가 상기된 범위 내인 침탄강 부품을 얻기 위해서는, 본 실시 형태에 따른 침탄용 강을, 침탄 온도가 830 내지 1100℃, 카본 포텐셜이 0.5 내지 1.2％, 침탄 시간이 1시간 이상이라는 조건에서 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리하는 것이 바람직하다.

침탄 처리 또는 침탄 질화 처리 후, 필요에 따라서 ?칭 처리 또는 ?칭ㆍ템퍼링 처리 S4를 실시해도 된다. 특히 ?칭 처리 또는 ?칭ㆍ템퍼링 처리는, 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리 후의 침탄강 부품의 강부의 비커스 경도가 부족한 경우에 행하면 된다. ?칭ㆍ템퍼링 처리의 조건은 특별히 한정되지 않고, 침탄강 부품에 소망하는 강도에 따라서 적절히 선택하면 된다. 상기한 침탄층과 강부를 구비하고, 경도가 상기된 범위 내인 침탄강 부품을 얻기 위해서, ?칭 매체의 온도가 실온 내지 250℃의 범위인 조건에서 ?칭 처리 또는 ?칭ㆍ템퍼링 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 필요에 따라서 ?칭 후에 침탄강 부품에 서브제로 처리를 행해도 된다.

또한, 필요에 따라서, ?칭 처리 또는 ?칭ㆍ템퍼링 처리 후의 침탄강 부품에, 추가로 연삭 가공 또는 숏 피닝 처리를 행해도 된다. 연삭 가공을 행함으로써, 냉간 소성 가공만으로 형성하는 것이 곤란한 정밀 형상을, 침탄용 강에 부여할 수 있다. 숏 피닝 처리를 행함으로써, 침탄강 부품 표층부에 압축 잔류 응력이 도입된다. 압축 잔류 응력은 피로 균열의 발생 및 진전을 억제하므로, 침탄강 부품의 피로 강도(특히 침탄강 부품이 기어인 경우에는, 이 뿌리 및 치면의 피로 강도)를 더욱 향상시킬 수 있다. 숏 피닝 처리의 조건은 특별히 한정되지 않지만, 직경이 0.7mm 이하인 숏 입자를 사용하고, 아크 하이트가 0.4mm 이상인 조건에서 숏 피닝 처리를 행하는 것이 바람직하다.

본 실시 형태에 따른 침탄강 부품의 제조 방법에 의하면, 냉간 단조성 및 피삭성이 우수한 침탄용 강을 제공할 수 있다. 본 실시 형태에 따른 침탄용 강은, 소정의 화학 성분을 갖는 주편을, 소정의 조건 하에서 주조함으로써 얻어지는 것이며, 황화물의 정출핵이 되는 덴드라이트 조직이 미세화되어, 강 중의 황화물이 미세 분산되어 있다. 이에 의해, 본 실시 형태에 따른 침탄용 강은, 냉간 단조 후의 피삭성(즉, 침탄 전의 피삭성)이 높으므로, 기어, 샤프트 및 풀리 등의 강제 부품의 소재로서 적합하다.

이상과 같이, 본 실시 형태의 침탄용 강은, 어닐링 후의 냉간 단조에 의해 얻어지는 조(粗)성형품으로 절삭 가공을 실시할 때의 피삭성이 우수하였다. 이 때문에, 본 실시 형태의 침탄용 강은, 자동차, 산업 기계용 기어, 샤프트, 풀리 등의 강제 부품의 제조 비용에서 차지하는 절삭 가공 비용의 비율을 저감시킬 수 있고, 또한 부품의 품질을 향상시킬 수 있다.

본 실시 형태의 침탄용 강은, 탄소량이 비교적 적고, 미량의 Bi를 포함하며, 또한 ?칭성 지표 Ceq가 바람직한 범위로 제어된 성분 조성을 가지고, 또한 황화물이 미세 분산되어 있으므로, 냉간 단조 시의 변형 저항이 작고, 냉간 단조 후의 피삭성이 높으며, 또한 침탄 처리 후의 강도가 높다. 특히 본 실시 형태의 침탄용 강은, 비커스 경도를 예를 들어 HV125 이하로 할 수 있으므로, 냉간 단조 시의 변형 저항이 작고, 또한 한계 압축률도 68％ 이상으로 할 수 있어, 냉간 단조성이 양호하다. 그리고, 본 실시 형태의 침탄용 강에, 본 실시 형태에 따른 침탄강 부품의 제조 공정을 적용함으로써, 강부의 비커스 경도가 HV250 이상이고, 또한 침탄층의 비커스 경도가 HV650 이상인 침탄강 부품이 얻어지므로, 침탄강 부품의 소재로서 적합하다.

또한, 본 실시 형태의 침탄강 부품에 의하면, 강부와, 강부의 외면에 생성된 침탄층을 구비하고, 침탄강 부품의 표면으로부터 깊이 50㎛의 위치에서의 침탄층의 비커스 경도가 HV650 이상 HV1000 이하이고, 침탄강 부품의 표면으로부터 깊이 2.0mm의 위치에서의 강부의 비커스 경도가 HV250 이상 HV500 이하이므로, 기어, 샤프트, 풀리 등의 기계 부품으로서 적합하게 사용할 수 있다.

이상과 같이, 본 실시 형태에 따르면, 냉간 단조성 및 피삭성이 우수한 침탄용 강, 그리고 그의 제조 방법을 제공할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시 형태를 설명하였지만, 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 변형하여 실시하는 것이 가능하다.

실시예

(실시예 1)

표 1A 및 표 1B에 나타내는 화학 조성을 갖는 강 a 내지 z를 270ton 전로에서 용제하고, 연속 주조기를 사용하여 연속 주조를 실시하여, 220×220mm각의 주편을 제조하였다. 여기서, 턴디쉬 내의 용강의 슈퍼 히트를 30℃로 하고, 주입 속도를 1.0m/분으로 하였다.

주편의 연속 주조에 있어서, 주편의 표면으로부터 15mm 깊이의 위치에 있어서의 액상선 온도로부터 고상선 온도까지의 온도 영역 내의 평균 냉각 속도는, 주형의 냉각수량을 변경함으로써 제어하였다. 이와 같이 하여, 표 1A 및 표 1B에 나타내는 화학 성분을 가지며, 또한 표층으로부터 15mm의 범위 내에 있어서의 덴드라이트 1차 암 간격이 600㎛ 미만인 주편 a 내지 z를 연속 주조하였다.

표 1A 및 표 1B에 나타내는 강 a 내지 o는, 본 발명에서 규정하는 화학 조성을 갖는 강이다. 강 p 내지 z는, 화학 조성이 본 발명에서 규정하는 조건으로부터 벗어난 비교예의 강이다. 표 1A 및 표 1B 중의 밑줄이 그어진 수치는, 본 발명에서 규정하는 범위 밖임을 나타낸다. 또한, 표 1A 및 표 1B에 있어서, 포함되지 않거나 또는 그 함유량이 불순물로 간주되는 수준 이하인 원소의 함유량은, 공백으로 되어 있다.

덴드라이트 조직 관찰용 시험편을 채취하기 위해서, 열간 단조 전에 주편을 일단 실온까지 냉각시켜 시험편을 채취하였다. 그 후, 각 주편을 1250℃에서 2시간 가열하고, 가열 후의 주편을 열간 단조하여, 직경 30mm의 복수의 환봉을 제조하였다. 열간 단조 후, 환봉을 대기 중에서 방냉시켰다. 방냉은, 800℃ 내지 500℃의 온도 범위에서의 냉각 속도가 1℃/초 이하로 되도록, 환봉에 보온 커버를 씌워 방치함으로써 행하였다. 또한, 방냉 후의 환봉의 일부를 구상화 어닐링(SA: Spherodizing Annealing)에 제공하였다. 이와 같이 하여, 시험 번호 1 내지 27의 침탄용 강을 포함하는 강재를 제조하였다.

[응고 조직 관찰 방법]

주편의 응고 조직의 덴드라이트 1차 암 간격 및 덴드라이트 2차 암 간격은, 상기 주편의 단면을 피크르산으로 에칭하고, 주편 표면으로부터 15mm 깊이의 위치에 있어서 주입 방향으로 5mm 피치로 덴드라이트 1차 암 간격 및 2차 암 간격을 100점 측정하여, 각 측정점에 있어서의 덴드라이트 1차 암 간격 및 2차 암 간격의 평균값을 산출하고, 또한 이들을 평균함으로써 구하였다. 실시예의 주편 덴드라이트 2차 암 간격에 기초하여 추정되는, 실시예의 주편의 평균 냉각 속도는 100℃/min 이상 500℃/min 이하였다.

[마이크로 조직 시험]

각 강 번호의 환봉(침탄용 강)의 마이크로 조직을 관찰하였다. 환봉의 D/4 위치를 축방향에 대하여 평행으로 절단하고, 마이크로 조직 관찰용 시험편을 채취하였다. 시험편의 절단면을 연마하여, 광학 현미경에 의해 강의 금속 조직을 관찰하고, 조직 중의 콘트라스트로부터 석출물의 종류를 판별하였다. 또한, 주사형 전자 현미경과 에너지 분산형 X선 분광 분석 장치(EDS)를 사용하여 석출물을 동정하였다. 후술하는 시험편의 길이 방향을 포함하는 단면으로부터, 세로 10mm×가로 10mm의 연마 시험편을 10개 제작하여, 절단면의 전자 현미경 사진을 복수의 측정 개소에서 촬영하고, 각 전자 현미경 사진에 포함되는 황화물 각각의 원 상당 직경을 산출함으로써, 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 미만인 황화물(미세 황화물)을 특정하고, 각 전자 현미경 사진에 포함되는 미세 황화물의 개수를 각 전자 현미경 사진의 시야의 면적으로 나눔으로써, 각 측정 개소에 있어서의 미세 황화물의 존재 밀도를 구하고, 이들 존재 밀도를 평균함으로써, 강의 압연 방향과 평행인 단면에서 관찰되는 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 미만인 황화물의 존재 밀도(미세 황화물의 존재 밀도)를 구하였다. 또한, 상술한 각 전자 현미경 사진에 포함되는 임의의 2의 미세 황화물의 무게 중심을 그 양단으로 하고 또한 이들 임의의 2의 미세 황화물 이외의 미세 황화물을 통과하지 않는 선분을 각 전자 현미경 사진에 묘화하고, 각 전자 현미경 사진의 이들 선분의 길이의 평균값을 구함으로써 각 측정 개소에 있어서의 미세 황화물간의 평균 거리를 구하고, 이들 각 측정 개소에 있어서의 평균 거리를 추가로 평균함으로써, 강의 압연 방향과 평행인 단면에서 관찰되는 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 미만인 황화물간의 평균 거리(황화물간 거리)를 구하였다. 또한, 측정 개소의 수를 25로 하고, 전자 현미경 사진의 배율을 500배로 하며, 측정 시야의 총 면적을 약 1.1 mm²로 하였다.

또한, 침탄용 강을 압연 방향으로 수직으로 절단하고, 이에 의해 얻어지는 단면을 연마 및 에칭하여 조직을 현출시키고, 5군데의 조직 사진을 촬영하여, 각 조직 사진에 있어서의 페라이트가 차지하는 비율을 화상 해석으로 구하고, 각 조직 사진의 페라이트 면적률을 평균함으로써, 침탄용 강의 페라이트 면적률을 구하였다. 조직 사진의 촬영 개소는 D/4부로 하였다. 이 결과, 모든 실시예의 페라이트 면적률이 본 발명의 규정 범위 내인 것이 확인되었다. C 함유량이 비교적 많은 실시예 강 k는, 페라이트 이외의 조직인 마르텐사이트 및 베이나이트를 포함하고 있었지만, 그 페라이트 면적률이 85％였으므로 본 발명의 규정을 만족시켰다.

[경도 측정 시험]

환봉(침탄용 강)의 경도는, 비커스 경도계를 사용하여, 환봉의 압연 방향에 수직인 단면의 10점의 측정점에서 경도 측정을 행하고, 각 측정점에 있어서의 경도의 평균값을 산출함으로써 구하였다. 측정점의 위치는 환봉의 D/4 위치(환봉의 직경 D의 1/4의 깊이의 위치)로 하였다. 서냉 공정 후 또한 구상화 어닐링 전(SA 공정 전)의 침탄용 강의 경도가 HV125 이하인 경우, 또는 구상화 어닐링 후(SA 공정 후)의 침탄용 강의 경도가 HV110 이하인 경우를, 연질화가 충분하여 합격이라고 판정하였다.

[냉간 단조성 시험]

직경 30mm의 환봉의 R/2 위치(환봉의 반경 R의 1/2의 깊이의 위치)로부터 환봉 시험편을 제작하였다. 환봉 시험편은 직경 30mm의 환봉의 R/2 위치를 중심으로 한 직경 10mm, 길이 15mm의 시험편이며, 환봉 시험편의 길이 방향은 직경 30mm의 환봉의 단신(鍛伸)축과 평행하였다. 또한, 환봉 시험편의 단부면의 중심에는 절결을 마련하였다. 절결의 깊이는 0.8mm로 하고, 절결 각도는 30도로 하며, 절결의 저부는 반경 R=0.15mm로 되도록 둥글게 하였다. 이 절결 형상은 「냉간 업셋 시험 방법」 냉간 단조 분과회 재료 연구반, 소성과 가공, vol.22, no.241, p139에 기재된 2호 시험편의 절결에 준한 것이다.

각 강에 대해서, 10개의 환봉 시험편을 제작하였다. 냉간 압축 시험에는, 500ton 유압 프레스를 사용하였다. 구속 다이스를 사용하여 10mm/분의 스피드로 냉간 압축을 행하고, 절결 근방에 0.5mm 이상의 미소 깨짐이 발생하였을 때에 압축을 정지하고, 그 때의 압축률을 산출하였다. 이 측정을 합계 10회 행하여, 누적 파손 확률이 50％가 되는 압축률을 구하고, 그 압축률을 한계 압축률로 하였다. 종래의 구상화 어닐링 후의 침탄용 강의 한계 압축률이 약 65％이므로, 이 값보다도 명백하게 높은 값으로 간주할 수 있는 68％ 이상의 한계 압축률을 서냉 공정 후 또한 구상화 어닐링 전(SA 공정 전) 또는 구상화 어닐링 후(SA 공정 후)에 갖는 시험편을, 한계 압축률이 우수한 시험편이라고 판단하였다.

[피삭성 시험]

각 강에 대해서, 냉간 압축 시험에 제공한 시험편에, 냉간에서의 인발에 의해 변형을 부여하고, 이에 의해 통상의 냉간 단조와 동일한 영향을 각 시험편에 부여하였다. 그 인발 후의 시험편의 피삭성을 평가함으로써, 각 강의 냉간 단조 후의 피삭성을 평가하였다.

구체적으로는, 냉간 압축 시험에 제공한 직경 30mm의 환봉을, 감면율 30.6％로 냉간 인발하여, 직경 25mm의 봉강으로 하였다. 이 냉간 인발한 봉강을 길이 500mm로 절단하여, 선삭 가공용 시험재를 얻었다.

이와 같이 하여 얻은 직경 25mm이며 길이 500mm인 시험재의 외주부를, NC 선반을 사용하여, 하기 조건에서 선삭 가공하여, 피삭성을 조사하였다. 선삭 가공을 개시하고 나서 10분 경과 후, 초경 공구의 릴리프면 마모량(mm)을 측정하였다. 측정한 릴리프면의 마모량이 0.2mm 이하이면, 공구 수명이 우수하다고 판정하였다.

<사용 칩>

모재 재질: 초경 P 20종 그레이드.

코팅: 없음.

<선삭 가공 조건>

주속: 150m/분.

이송: 0.2mm/rev.

절입: 0.4mm.

윤활: 수용성 절삭유를 사용.

절삭칩 처리성은 이하의 방법으로 평가하였다. 피삭성 시험 중의 10초간 배출된 절삭칩을 회수하였다. 회수된 절삭칩의 길이를 조사하고, 긴 것으로부터 순서대로 10개의 절삭칩을 선택하였다. 선택된 10개의 절삭칩의 총 중량을 「절삭칩 중량」이라 정의하였다. 절삭칩이 길게 연결된 결과, 절삭칩의 총 수가 10개 미만인 경우, 회수된 절삭칩의 평균 중량을 측정하고, 이것을 10배 한 값을 「절삭칩 중량」이라 정의하였다. 예를 들어, 절삭칩의 총 수가 7개이며, 그 총 중량이 12g인 경우, 절삭칩 중량은 (12g/7개)×10개로 계산하였다. 절삭칩 중량이 15g 이하인 시료는, 절삭칩 처리성이 높다고 판단되었다.

[침탄 특성 평가 시험]

상기 방법으로 제조한 침탄용 강의, 둘레면으로부터 상기 절단면의 직경 1/4 깊이의 위치로부터, 시험편의 길이 방향이 침탄용 강의 길이 방향과 일치하도록, 침탄용 시험편(20mmφ×30mm)을 채취하였다. 침탄 공정으로서, 변성로 가스 방식에 의한 가스 침탄을 행하였다. 이 가스 침탄은, 카본 포텐셜을 0.8％로 하여, 950℃에서 5시간의 유지를 행하고, 계속해서 850℃에서 0.5시간의 유지를 행하였다. 침탄 공정 후에, 마무리 열처리 공정으로서, 130℃로 침탄 처리 후의 강을 냉각시키는 오일 ?칭을 행하고, 그리고 150℃에서 90분의 템퍼링을 행하여 침탄강 부품을 얻었다.

상기 조건에서 제조한 침탄강 부품의 침탄층 및 강부에 대하여, 특성을 평가하였다. 표 2A 및 표 2B에 그 측정 결과를 나타낸다.

상기 침탄강 부품의 침탄층에 대해서, 표면으로부터 깊이 50㎛의 위치에서의 경도와, 표면으로부터 깊이 2.0mm의 위치에서의 경도를, 비커스 경도계를 사용하여 합계 10회의 측정을 행하고, 평균값을 산출하였다. 표면으로부터 깊이 50㎛의 위치에서의 경도의 평균값이 HV650 이상 HV1000 이하, 또한 표면으로부터 깊이 2.0mm의 위치에서의 경도의 평균값이 HV250 이상 HV500 이하인 시료를, 경도가 충분히 확보된 시료라고 판정하였다.

또한, 상기 침탄강 부품의 침탄층의 두께를 측정하기 위해서, 침탄강 부품의 표면으로부터 침탄강 부품의 깊이 5mm 위치까지의 경도 분포를, 비커스 경도계를 사용하여 3군데에서 측정하고, 각 개소에 있어서의 경도가 HV550 이상인 영역의 깊이를 측정하였다. 이어서, 이 깊이의 평균값을 산출하고, 이것을 침탄강 부품의 침탄층의 두께로 간주하였다. 침탄층의 두께가 0.4mm 초과 2.0mm 미만인 시료를, 침탄층 두께에 대하여 합격이라고 판정하였다.

강 a 내지 o의 화학 조성은, 본 발명의 침탄용 강의 화학 조성의 범위 내이며, ?칭성 지표, 황화물의 개수 분율, 황화물간의 평균 거리의 모두가 목표를 만족시켰다. 그 결과, 강 a 내지 o 및 시험 번호 1 내지 15는 침탄용 강 및 침탄강 부품으로서 필요한 성능을 만족시켰다.

시험 번호 16(강 p)은, 범용 강종으로서 일반적인, JIS 규격 SCr420H의 규격을 만족시키는 강과 동일한 성분이다. 강 p는, C, Cr, Ti, B, Bi 및 N의 함유량이 본 발명에서 규정되는 범위 밖이므로, 황화물의 개수 분율 및 황화물간의 평균 거리가 본 발명의 범위를 만족시키지 못하였다. 이 때문에, 강 p의 침탄용 강의 한계 압축률 및 피삭성은 불충분해졌다.

시험 번호 17(강 q) 및 시험 번호 18(강 r)은 Bi를 함유하지 않았다. 그 때문에, 이들의 황화물 개수 분율 및 황화물간의 평균 거리가 본 발명의 범위를 만족시키지 못하였다. 그 결과, 이들 비교예의 릴리프면 마모량은 0.20mm를 초과하고, 절삭칩 중량은 15g을 초과하였다.

시험 번호 19(강 s)는 B를 함유하지 않았다. 그 때문에, 시험 번호 19의 침탄강 부품의 깊이 2.0mm 위치에서의 경도가 불충분해졌다.

시험 번호 20(강 t)은, 화학 성분의 N 함유량이 본 발명의 범위를 만족시키지 못하기 때문에, 침탄용 강의 한계 압축률과, 침탄강 부품의 강부의 경도가 불충분해진 예이다. 시험 번호 20의 침탄용 강의 한계 압축률이 불충분해진 것은, N 함유량이 많기 때문에, 조대한 TiN이 생성되고, 이것이 냉간 가공 시의 파괴의 기점이 되었기 때문이다. 시험 번호 20의 침탄강 부품의 깊이 2.0mm 위치에서의 경도가 불충분해진 것은, 과잉량의 N에 의해 고용 B양이 감소하여, 고용 B에 의한 ?칭성 향상 효과를 충분히 얻지 못한 것에 기인한다.

시험 번호 21(강 u)은, 화학 성분의 S 함유량이 본 발명의 범위를 만족시키지 못하기 때문에, 침탄용 강의 한계 압축률이 불충분해진 예이다. 시험 번호 21의 침탄용 강의 한계 압축률이 불충분해진 것은, S 함유량이 많기 때문에, 조대한 황화물이 생성되고, 이것이 냉간 가공 시의 파괴의 기점이 되었기 때문이다.

시험 번호 22(강 v)는, 화학 성분의 S 함유량이 본 발명의 범위를 만족시키지 못하기 때문에, 침탄용 강의 피삭성이 불충분해진 예이다. 또한, 시험 번호 22(강 V)는 Bi가 과잉이므로 열간 가공성이 나쁘고, 열간 압연의 정상적인 실시가 곤란하였다.

시험 번호 23(강 w)은 ?칭성 지표가 본 발명의 범위를 만족시키지 못하기 때문에, 침탄강 부품의 깊이 2.0mm 위치에서의 경도가 불충분해진 예이다.

시험 번호 24(강 x)는, 화학 성분의 C 함유량이 본 발명의 범위를 만족시키지 못하기 때문에, 침탄용 강의 경도가 불충분해진 예이다.

시험 번호 25(강 y)는, 화학 성분의 C 함유량이 본 발명의 범위를 만족시키지 못하기 때문에, 침탄용 강의 한계 압축률이 불충분해지고, 또한 경도가 과잉이 된 예이다.

시험 번호 26(강 z)은, 화학 성분의 Ti 함유량이 본 발명의 범위를 만족시키지 못하기 때문에, 침탄강 부품의 강부 및 침탄층의 경도, 및 침탄층의 두께가 부족한 예이다.

[표 1A]

[표 1B]

[표 2A]

[표 2B]

(실시예 2)

주편의 표면으로부터 15mm의 깊이의 위치에 있어서의 액상선 온도로부터 고상선 온도까지의 온도 영역 내의 평균 냉각 속도(이하 「평균 냉각 속도」라고 칭함)를 제외하고 강 a 및 강 h와 동일한 제조 조건에서, 강 a 또는 강 h와 동일한 화학 성분을 갖는 침탄용 강을 제조하고, 이들 침탄용 강에, 강 a 및 강 h와 동일한 방법으로 각종 평가를 행하였다. 평균 냉각 속도는 표 3에 나타내는 값으로 하였다.

[표 3]

표 3에 도시된 바와 같이, 평균 냉각 속도가 100 내지 500℃의 범위 내였던 시험 번호 1 및 8에서는, 황화물이 적절하게 미세 분산되었으므로, 침탄 전의 경도, 한계 압축률, 릴리프면 마모량 및 절삭칩 중량이 합격 범위 내가 되고, 또한 침탄 후의 침탄층 두께, 침탄층 경도(깊이 50㎛의 위치의 경도) 및 강부 경도(깊이 2mm의 위치의 경도)도 합격 범위 내가 되었다.

한편, 평균 냉각 속도가 100℃ 미만이었던 시험 번호 1-3 및 8-3에서는, 황화물이 미세 분산되지 않았으므로, 조대한 황화물에 의해 한계 압축률이 나빠지고, 또한 피삭성도 나빠졌다. 또한, 평균 냉각 속도가 500℃ 초과였던 시험 번호 1-2 및 8-2에서는, 황화물이 과잉으로 미세화되었으므로, 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 미만인 황화물의 개수가 부족하고, 피삭성이 나빠졌다.

본 발명에 따른 강은, 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리 전에, 변형 저항이 작으며 또한 한계 압축률이 크므로 냉간 단조성이 우수하고, 또한 피삭성이 우수하다. 따라서 본 발명에 따른 강은, 기어, 샤프트 및 풀리 등의 고강도 기계 구조용 부품의 제조 비용에서 차지하는 절삭 가공의 비용을 대폭 삭감시킬 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 강은 높은 ?칭성을 가지므로, 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리에 의해 충분한 경도 및 두께의 침탄층과, 충분한 경도의 강부를 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 강은 고강도 기계 구조용 부품의 재료로서 이용 가능하다. 본 발명에 따른 침탄강 부품은 저렴하게 제조할 수 있고, 또한 고강도를 갖는다. 본 발명에 따른 침탄강 부품의 제조 방법은 저렴하게 실시할 수 있고, 또한 고강도를 갖는 침탄강 부품을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 강, 침탄강 부품 및 침탄강 부품의 제조 방법은, 산업상 이용 가능성을 갖는다.

1 강(침탄용 강)
2 침탄강 부품
20 강부
21 침탄층
S1 냉간 소성 가공
S2 절삭
S3 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리
S4 ?칭 처리 또는 ?칭ㆍ템퍼링 처리

Claims

화학 성분이 단위 질량％로
C: 0.07 내지 0.13％,
Si: 0.0001 내지 0.50％,
Mn: 0.0001 내지 0.80％,
S: 0.0050 내지 0.0800％,
Cr: 1.30％ 초과 5.00％ 이하,
B: 0.0005 내지 0.0100％,
Ti: 0.020％ 이상 0.100％ 미만,
Al: 0.010 내지 0.100％,
Bi: 0.0001％ 초과 0.0100％ 이하,
N: 0.0080％ 이하,
P: 0.050％ 이하,
O: 0.0030％ 이하,
Nb: 0 내지 0.100％,
V: 0 내지 0.20％,
Mo: 0 내지 0.500％,
Ni: 0 내지 1.000％,
Cu: 0 내지 0.500％,
Ca: 0 내지 0.0030％,
Mg: 0 내지 0.0030％,
Te: 0 내지 0.0030％,
Zr: 0 내지 0.0050％,
Rare Earth Metal: 0 내지 0.0050％ 및
Sb: 0 내지 0.0500％
를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물을 포함하고,
상기 화학 성분 중의 각 원소의 단위 질량％로 나타낸 함유량을 식 1에 대입하여 얻어지는 ?칭성 지표 Ceq가 7.5 초과 44.0 미만이고,
금속 조직이 85 내지 100면적％의 페라이트를 포함하고,
강의 압연 방향과 평행인 단면에서 관찰되는 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 미만인 황화물간의 평균 거리가 30.0㎛ 미만이고,
상기 강의 상기 압연 방향과 평행인 상기 단면에서 관찰되는 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 미만인 상기 황화물의 존재 밀도가 300개/mm² 이상인
것을 특징으로 하는 강.
Ceq=(0.7×Si+1)×(5.1×Mn+1)×(2.16×Cr+1)×(3×Mo+1)×(0.3633×Ni+1)…(식 1)
제1항에 있어서, 상기 화학 성분이 단위 질량％로
Nb: 0.002 내지 0.100％,
V: 0.002 내지 0.20％,
Mo: 0.005 내지 0.500％,
Ni: 0.005 내지 1.000％,
Cu: 0.005 내지 0.500％,
Ca: 0.0002 내지 0.0030％,
Mg: 0.0002 내지 0.0030％,
Te: 0.0002 내지 0.0030％,
Zr: 0.0002 내지 0.0050％,
Rare Earth Metal: 0.0002 내지 0.0050％ 및
Sb: 0.0020 내지 0.0500％
중 적어도 1종 또는 2종 이상의 원소를 함유하는
것을 특징으로 하는 강.
강부와,
상기 강부의 외면에 있는, 비커스 경도가 HV550 이상의 영역인 침탄층
을 구비하는 침탄강 부품이며,
상기 침탄층의 두께가 0.40mm 초과 2.00mm 미만이고,
상기 침탄강 부품의 표면으로부터 깊이 50㎛의 위치에서의 평균 비커스 경도가 HV650 이상 HV1000 이하이고,
상기 침탄강 부품의 상기 표면으로부터 깊이 2.0mm의 위치에서의 평균 비커스 경도가 HV250 이상 HV500 이하이고,
상기 강부의 화학 성분은 단위 질량％로
C: 0.07 내지 0.13％,
Si: 0.0001 내지 0.50％,
Mn: 0.0001 내지 0.80％,
S: 0.0050 내지 0.0800％,
Cr: 1.30％ 초과 5.00％ 이하,
B: 0.0005 내지 0.0100％,
Ti: 0.020％ 이상 0.100％ 미만,
Al: 0.010 내지 0.100％,
Bi: 0.0001％ 초과 0.0100％ 이하,
N: 0.0080％ 이하,
P: 0.050％ 이하,
O: 0.0030％ 이하,
Nb: 0 내지 0.100％,
V: 0 내지 0.20％,
Mo: 0 내지 0.500％,
Ni: 0 내지 1.000％,
Cu: 0 내지 0.500％,
Ca: 0 내지 0.0030％,
Mg: 0 내지 0.0030％,
Te: 0 내지 0.0030％,
Zr: 0 내지 0.0050％,
Rare Earth Metal: 0 내지 0.0050％ 및
Sb: 0 내지 0.0500％
를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물을 포함하고,
상기 강부의 상기 화학 성분 중의 각 원소의 단위 질량％로 나타낸 함유량을 식 2에 대입하여 얻어지는 ?칭성 지표 Ceq가 7.5 초과 44.0 미만이고,
상기 침탄강 부품의 압연 방향과 평행인 단면에서 관찰되는, 상기 강부 중의 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 미만인 황화물간의 평균 거리가 30.0㎛ 미만이고,
상기 침탄강 부품의 상기 압연 방향과 평행인 상기 단면에서 관찰되는, 상기 강부 중의 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 미만인 상기 황화물의 존재 밀도가 300개/mm² 이상인
것을 특징으로 하는 침탄강 부품.
Ceq=(0.7×Si+1)×(5.1×Mn+1)×(2.16×Cr+1)×(3×Mo+1)×(0.3633×Ni+1)…(식 2)
제3항에 있어서, 상기 강부의 화학 성분이 단위 질량％로
Nb: 0.002 내지 0.100％,
V: 0.002 내지 0.20％,
Mo: 0.005 내지 0.500％,
Ni: 0.005 내지 1.000％,
Cu: 0.005 내지 0.500％,
Ca: 0.0002 내지 0.0030％,
Mg: 0.0002 내지 0.0030％,
Te: 0.0002 내지 0.0030％,
Zr: 0.0002 내지 0.0050％,
Rare Earth Metal: 0.0002 내지 0.0050％ 및
Sb: 0.0020 내지 0.0500％
중 적어도 1종 또는 2종 이상의 원소를 함유하는
것을 특징으로 하는 침탄강 부품.
화학 성분이 단위 질량％로
C: 0.07 내지 0.13％,
Si: 0.0001 내지 0.50％,
Mn: 0.0001 내지 0.80％,
S: 0.0050 내지 0.0800％,
Cr: 1.30％ 초과 5.00％ 이하,
B: 0.0005 내지 0.0100％,
Ti: 0.020％ 이상 0.100％ 미만,
Al: 0.010 내지 0.100％,
Bi: 0.0001％ 초과 0.0100％ 이하,
N: 0.0080％ 이하,
P: 0.050％ 이하,
O: 0.0030％ 이하,
Nb: 0 내지 0.100％,
V: 0 내지 0.20％,
Mo: 0 내지 0.500％,
Ni: 0 내지 1.000％,
Cu: 0 내지 0.500％,
Ca: 0 내지 0.0030％,
Mg: 0 내지 0.0030％,
Te: 0 내지 0.0030％,
Zr: 0 내지 0.0050％,
Rare Earth Metal: 0 내지 0.0050％ 및
Sb: 0 내지 0.0500％
를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물을 포함하고,
상기 화학 성분 중의 각 원소의 단위 질량％로 나타낸 함유량을 식 1에 대입하여 얻어지는 ?칭성 지표 Ceq가 7.5 초과 44.0 미만이고,
금속 조직이 85 내지 100면적％의 페라이트를 포함하고,
강의 압연 방향과 평행인 단면에서 관찰되는 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 미만인 황화물간의 평균 거리가 30.0㎛ 미만이고,
상기 강의 상기 압연 방향과 평행인 상기 단면에서 관찰되는 원 상당 직경이 1㎛ 이상 2㎛ 미만인 상기 황화물의 존재 밀도가 300개/mm² 이상인 강을 냉간 소성 가공하는 공정과,
상기 냉간 소성 가공 후의 상기 강을 절삭 가공하는 공정과,
상기 절삭 가공 후의 상기 강에 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리를 실시하는 공정
을 갖는
것을 특징으로 하는, 제3항에 기재된 침탄강 부품의 제조 방법.
Ceq=(0.7×Si+1)×(5.1×Mn+1)×(2.16×Cr+1)×(3×Mo+1)×(0.3633×Ni+1)…(식 1)
제5항에 있어서, 상기 침탄 처리 또는 상기 침탄 질화 처리 후에, ?칭 처리 또는 ?칭ㆍ템퍼링 처리를 실시하는 공정
을 더 갖는 것을 특징으로 하는 침탄강 부품의 제조 방법.
제5항에 있어서, 상기 화학 성분이 단위 질량％로
Nb: 0.002 내지 0.100％,
V: 0.002 내지 0.20％,
Mo: 0.005 내지 0.500％,
Ni: 0.005 내지 1.000％,
Cu: 0.005 내지 0.500％,
Ca: 0.0002 내지 0.0030％,
Mg: 0.0002 내지 0.0030％,
Te: 0.0002 내지 0.0030％,
Zr: 0.0002 내지 0.0050％,
Rare Earth Metal: 0.0002 내지 0.0050％ 및
Sb: 0.0020 내지 0.0500％
중 적어도 1종 또는 2종 이상의 원소를 함유하는
것을 특징으로 하는 침탄강 부품의 제조 방법.