KR101382828B1

KR101382828B1 - 질화용 강 및 질화 처리 부품

Info

Publication number: KR101382828B1
Application number: KR1020127034009A
Authority: KR
Inventors: 데츠시 치다; 마나부 구보타; 도시미 다루이; 다이스케 히라카미; 마사유키 하시무라
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2010-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2014-04-08
Also published as: CN103003459B; EP2578717B1; EP2578717A1; WO2012067181A1; US20130087250A1; US8876988B2; CN103003459A; JP5135561B2; EP2578717A4; KR20130021417A; JPWO2012067181A1

Abstract

본 발명은, 질량％로, C: 0.10 내지 0.20％, Si: 0.01 내지 0.7％, Mn: 0.2 내지 2.0％, Cr: 0.2 내지 2.5％, Al: 0.01 내지 0.19％ 미만, V: 0.2 초과 내지 1.0％, Mo: 0 내지 0.54％ 및 N: 0.001 내지 0.01％를 함유하고, P가 0.05％ 이하로 제한되고, S가 0.2％ 이하로 제한되고, 잔량부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 상기 V, 상기 C의 질량％에 의한 함유량 [V], [C]가 2≤[V]/[C]≤10을 만족하는 성분 조성을 갖고, 면적률로, 50％ 이상의 베이나이트를 갖는 강 조직으로 이루어지는 질화용 강을 제공한다.

Description

질화용 강 및 질화 처리 부품 {STEEL FOR NITRIDING PURPOSES, AND NITRIDED MEMBER}

본 발명은, 질화 처리 전의 가공성과, 질화 처리 후의 강도를 겸비하는 질화용 강 및 질화용 강을 질화 처리하여 제조한 질화 처리 부품에 관한 것이다.

본원은, 2010년 11월 17일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2010-257210호 및 2010년 11월 17일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2010-257183호에 기초해 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

자동차나 각종 산업 기계에는, 피로 강도의 개선을 목적으로 하여 표면 경화 처리를 실시한 부품이 수많이 사용되고 있다. 대표적인 표면 경화 처리 방법은, 침탄, 질화, 고주파 켄칭 등이다.

질화 처리는, 다른 방법과 달리, 강의 변태점 이하의 저온에서 처리하므로, 열처리 변형을 작게 할 수 있다.

또한, 질화 처리는, 수 시간에, 100㎛ 이상의 유효 경화층 깊이를 얻을 수 있어, 피로 강도를 개선할 수 있다.

피로 강도가 보다 높은 강 부품을 얻기 위해서는, 유효 경화층을, 보다 깊게 할 필요가 있다. 필요한 경도 및 깊이를 갖는 유효 경화층을 얻기 위하여, 질화물 형성 합금을 적절히 첨가한 강이 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 및 2).

특허문헌 2에는, C: 0.35 내지 0.65중량％, Si: 0.35 내지 2.00중량％, Mn: 0.80 내지 2.50중량％, Cr: 0.20중량％ 이하 및 Al: 0.035중량％ 이하를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 질화용 강이 개시되어 있다.

특허문헌 3 내지 7에서는, 강 조직을 제어하고, 가공성이나, 질화 특성을 향상시킨 강이 제안되어 있다.

예를 들어, 특허문헌 5에는, 중량％로, C: 0.01 내지 0.15％, Si: 0.01 내지 1.00％, Mn: 0.1 내지 1.5％, Cr: 0.1 내지 2.0％, Al: 0.10％ 초과 내지 1.00％, V: 0.05 내지 0.40％를 함유하고, 또한, Mo: 0.10 내지 1.00％를 함유하고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 열간 압연 후 또는 열간 단조 후의 코어부 경도가 HV로 200 이하, 그 후의 냉간 단조에 있어서의 한계 압축률이 65％ 이상의 특성을 갖는 냉간 단조성이 우수한 질화용 강이 개시되어 있다.

특허문헌 6에는, 질량％로, C: 0.10 내지 0.40％, Si: 0.50％ 이하, Mn: 0.30 내지 1.50％ 미만, Cr: 0.30 내지 2.00％, Al: 0.02 내지 0.50％를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불순물 원소로 이루어지고, 경도가 HV210 이상인 베이나이트 조직으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 브로치 가공성이 우수한 질화 부품용 소재가 개시되어 있다.

특허문헌 7에는, 질량％로, C: 0.10 내지 0.30％, Si: 0.05 내지 0.3％, Mn: 0.5 내지 1.5％, Mo: 0.8 내지 2.0％, Cr: 0.1 내지 1.0％, V: 0.1 내지 0.5％를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 2.3％≤C+Mo+5V≤3.7％, 2.0％≤Mn+Cr+Mo≤3.0％, 2.7％≤2.16Cr+Mo+2.54V≤4.0％이고, 또한, 질화 처리의 영향을 받지 않고 있는 중심부로부터 채편한 강 시료를, 1200℃에서 1시간, 오스테나이트화한 후, 900 내지 300℃를 통과할 때의 냉각 속도가 0.5℃/초로 되도록 실온까지 냉각했을 때의, 베이나이트의 비율이 80％ 이상이고, 또한, 단면에서 측정한 비커스 경도가 260 내지 330HV 이하이고, 또한, 핀부 및 저널부에 있어서의 질화층의 표면 경도가 650HV 이상, 질화층의 형성 깊이가 0.3㎜ 이상이며, 중심부 경도가 340HV 이상인 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트가 개시되어 있다.

특허문헌 8에는, 질량％로, C≤0.15％, Si≤0.5, Mn≤2.5％, Ti: 0.03 내지 0.35％, Mo: 0.03 내지 0.8％를 포함하고, 연질화 후에 있어서, 베이나이트 면적률 50％ 이상의 조직을 갖고, 베이나이트상 중에 입경이 10㎚ 미만인 미세 석출물이 전체 석출물의 90％ 이상, 분산 석출하고 있는 연질화용 강이 개시되어 있다.

일본 특허 공개소 제58-71357호 공보 일본 특허 공개평 제4-83849호 공보 일본 특허 공개평 제7-157842호 공보 일본 특허 공개평 제5-065592호 공보 일본 특허 공개평 제9-279295호 공보 일본 특허 공개 제2006-249504호 공보 일본 특허 공개 제2006-291310호 공보 일본 특허 공개 제2010-163671호 공보

상기한 종래 기술에 있어서 질화 처리가 실시된 강은, 현재 주류의 피로 강도 개선 기술인 침탄에 의해 처리된 강과 비교하여, 유효 경화층 깊이나 코어부 경도가 부족하여, 큰 충격이나 면압을 받는 환경에서의 사용에 대하여 충분한 특성을 갖고 있지 않다. 그로 인해, 열처리 변형이 작은 이점을 갖는 질화 처리가 충분히 활용되고 있지 않았다. 일부의 종래 기술은 충분한 유효 경화층 깊이가 있어 피로 강도도 충분하기는 하지만, 질화 처리 전의 강재가 단단하기 때문에, 가공성을 얻지 못한다. 즉, 질화 기술의 과제는, 질화 후 부품의 피로 강도와 질화 전 강재의 가공성의 양립이며, 이것이 아직 달성되어 있지 않은 것이 문제로 되고 있다. 질화 전의 강재의 경도와 질화 후의 특히 코어부의 경도의 차가 큰 강재일수록, 우수한 발명이라고 할 수 있다.

또한, 질화 처리는 강의 표층을 경화시키지만, 침탄 처리와 비교하여 코어부 경도를 확보하기 어렵기 때문에, 침탄에 의해 처리된 강과 비교하여, 피로 강도가 떨어진다는 문제가 있다. 단, 질화 처리를 실시하기 전의 강이 지나치게 단단해지면, 자동차 부품 등에의 가공이 곤란해지므로, 질화 처리를 실시하기 전의 강은, 경도가 작을 필요가 있다.

즉, 질화 처리를 실시하는 강은, 상술한 특징, 즉, 질화 전에 있어서는 경도가 작고, 질화 후에 있어서는 깊은 유효 경화층 깊이를 갖고, 강의 코어부도 충분히 단단해진다는, 반대의 특징을 겸비할 필요가 있다. 보다 구체적으로는, 질화 전의 강의 경도가, HV230 이하, 바람직하게는 HV200 이하이고, 질화 후의 유효층 깊이가 200㎛ 이상이며, 질화 후의 강의 표층의 경도가 HV700 이상, 질화 후의 코어부 경도의 상승률이 1.3배 이상인 것이 바람직하다.

가공 특성을 향상시키기 위해서는, 강의 Si량을 저감시키는 것이 생각되어진다. 그러나, Si량을 지나치게 낮게 하면, 질화 처리 전의 경도는 낮아져 가공성은 올라가지만, 입계 및 표면에 백색층이라고 불리는 철 질화물의 취약한 층이 생성되어, 피로 강도, 특히 부품에 홈을 갖는 형상으로 했을 때의 회전 굽힘 피로 강도가 저하하는 경우가 있다.

또한, 특허문헌 8의 경우, 연질화에 의한 충분한 코어부 경도를 얻지 못했다.

본 발명은, 상기한 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 종래 기술보다, 질화 처리 후에 깊은 유효 경화층 및 충분한 코어부 경도가 얻어지고, 질화 처리 전의 가공성이 우수하고, 또한, 입계 및 표면에 있어서의 백색층의 생성을 억제하여, 충분한 피로 강도를 갖는 질화용 강, 및 질화용 강을 질화 처리하여 제조한 질화 처리 부품의 제공을 과제로 한다.

본 발명의 요지는, 이하와 같다.

(1) 본 발명이 제1 형태는, 질량％로, C: 0.10 내지 0.20％, Si: 0.01 내지 0.7％, Mn: 0.2 내지 2.0％, Cr: 0.2 내지 2.5％, Al: 0.01 내지 0.19％ 미만, V: 0.2 초과 내지 1.0％, Mo: 0 내지 0.54％ 및 N: 0.001 내지 0.02％를 함유하고, P가 0.05％ 이하로 제한되고, S가 0.20％ 이하로 제한되고, 잔량부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 상기 V, 상기 C의 질량％에 의한 함유량 [V], [C]가 수학식 1을 만족하는 성분 조성을 갖고, 면적률로, 50％ 이상의 베이나이트를 갖는 강 조직으로 이루어지는 질화용 강이다.

(2) 상기 (1)에 기재된 질화용 강에서는, 상기 성분 조성이 Ti 및 Nb 중 적어도 1종을 더 함유하고, 상기 Ti와 상기 Nb의 합계 함유량이, 질량％로, 0.01 내지 0.4％이어도 좋다.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 질화용 강에서는, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Si, 상기 Cr, 상기 Mo의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Si], [Cr], [Mo]가 수학식 2를 만족해도 좋다.

(4) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 질화용 강에서는, 상기 성분 조성이 질량％로, B: 0.0003 내지 0.005％를 더 함유하고, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Si, 상기 Cr, 상기 Mo의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Si], [Cr], [Mo]가 수학식 3을 만족해도 좋다.

(5) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 기재된 질화용 강에서는, 상기 Mn의 함유량이, 질량％로, 0.2 내지 1.0％이어도 좋다.

(6) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 한 항에 기재된 질화용 강에서는, 상기 Mo의 함유량이, 질량％로, 0.05 내지 0.2％이며, 또한, 상기 V의 함유량이, 질량％로, 0.3 내지 0.6％이어도 좋다.

(7) 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 질화용 강에서는, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 4를 만족해도 좋다.

(8) 본 발명의 제2 형태는, 질량％로, C: 0.10 내지 0.20％, Si: 0.01 내지 0.7％, Mn: 0.2 내지 2.0％, Cr: 0.2 내지 2.5％, Al: 0.01 내지 0.19％ 미만, V: 0.2 초과 내지 1.0％ 및 Mo: 0 내지 0.54％를 함유하고, P가 0.05％ 이하로 제한되고, S가 0.20％ 이하로 제한되고, 잔량부가 Fe, N 및 불가피 불순물로 이루어지고, 상기 V, 상기 C의 질량％에 의한 함유량 [V], [C]가 수학식 5를 만족하는 성분 조성을 갖고, 면적률로, 50％ 이상의 베이나이트를 갖는 강 조직으로 이루어지고, 표면에 질화층을 갖고, 유효 경화층 깊이가 200㎛ 이상이며, 강 중에 석출한 Cr 탄질화물 중에, 상기 V, 또는, 상기 Mo 및 상기 V를 0.5％ 이상 함유하는 질화 처리 부품이다.

(9) 상기 (8)에 기재된 질화 처리 부품에서는, 상기 성분 조성이 Ti 및 Nb 중 적어도 1종을 더 함유하고, 상기 Ti와 상기 Nb의 합계 함유량이, 질량％로, 0.01 내지 0.4％이어도 좋다.

(10) 상기 (8) 또는 (9)에 기재된 질화 처리 부품에서는, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Si, 상기 Cr, 상기 Mo의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Si], [Cr], [Mo]가 수학식 6을 만족해도 좋다.

(11) 상기 (8) 또는 (9)에 기재된 질화 처리 부품에서는, 상기 성분 조성이 질량％로, B: 0.0003 내지 0.005％를 더 함유하고, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Si, 상기 Cr, 상기 Mo의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Si], [Cr], [Mo]가 수학식 7을 만족해도 좋다.

(12) 상기 (8) 내지 (11) 중 어느 한 항에 기재된 질화 처리 부품에서는, 상기 Mn의 함유량이, 질량％로, 0.2 내지 1.0％이어도 좋다.

(13) 상기 (8) 내지 (12) 중 어느 한 항에 기재된 질화 처리 부품에서는, 상기 Mo의 함유량이, 질량％로, 0.05 내지 0.2％이며, 또한, 상기 V의 함유량이, 질량％로, 0.3 내지 0.6％이어도 좋다.

(14) 상기 (8) 내지 (13) 중 어느 한 항에 기재된 질화 처리 부품에서는, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 8을 만족해도 좋다.

본 발명은, 질화 처리 전의 경도가 낮고, 또한, 질화 처리에 있어서, 깊은 유효 경화층과 충분한 코어부 경도가 얻어지는 질화용 강 및 질화용 강을 질화 처리하여 제조한 질화 처리 부품을 제공할 수 있고, 열처리 변형이 작아 고피로 강도의 부품을 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 강재를 질화 처리한 부품의 유효 경화층의 TEM상이다.
도 2는 종래의 강재를 질화 처리한 부품의 유효 경화층의 Cr 탄질화물의 X선 원소 분석 장치에 의한 성분 분석 결과를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 강재를 질화 처리한 부품의 유효 경화층의 TEM상이다.
도 4는 본 발명의 강재를 질화 처리한 부품의 유효 경화층의 Cr 탄질화물의 X선 원소 분석 장치에 의한 성분 분석 결과를 도시하는 도면이다.
도 5a는 실시예에 있어서의 회전 굽힘 피로 시험에서 사용한 시험편 A의 형상을 도시하는 도면이다.
도 5b는 실시예에 있어서의 회전 굽힘 피로 시험에서 사용한 시험편 B의 형상을 도시하는 도면이다.
도 5c는 실시예에 있어서의 회전 굽힘 피로 시험에서 사용한 시험편 C의 형상을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 제작한 기어의 일부를 도시하는 모식도이다.

본 발명자들은, 상기한 과제를 해결하기 위한 강의 성분 조성 및 강 조직에 대하여 예의 검토했다.

그 결과, 강에 Cr 및 V를 복합 첨가하고, 또는, Cr, V 및 Mo를 복합 첨가하고, Cr 탄질화물 중에 Mo나 V를 함유시킴으로써, 효율적으로 강의 강도를 올릴 수 있고, 또한, 질화 시에 질소의 확산의 저해를 최소한으로 억제하고, 깊은 유효 경화층을 얻을 수 있는 것을 발견했다.

또한, C는, 질화 처리 전의 강을 단단하게 하여, 가공성을 저하시키므로, 최대한 낮출 필요가 있지만, 적절한 성분 조성으로 함으로써, C의 함유량이 적어도 충분한 켄칭성 및 질화 후의 강의 코어부 경도를 확보할 수 있는 것을 알았다.

또한, Si는, 질화 처리 전의 강을 단단하게 하여, 가공성을 저하시키나, 입계 및 표면에 백색층이 생성되어 피로 강도가 저하하는 것을 억제하기 위하여, 적절한 양의 첨가가 필요하다. 본 발명자들은, Si를 백색층이 생성되어 피로 강도가 저하하는 것을 방지할 정도로 첨가한 경우라도, 질화 처리 전의 강의 경도를 높게 하지 않는 적절한 성분 조성을 발견했다.

또한, V 탄화물의 석출 경화에 의해, 질화 후의 강의 코어부를 단단하게 하는 것이 가능하고, V를 C에 대하여 충분히 많이 함유시킴으로써, 그 효과가 커져, 그 결과, 침탄에 의한 부품과 동등한 피로 강도가 얻어지는 것을 발견했다.

또한, 강 조직을 베이나이트 주체로 함으로써, 질화 처리 전에 석출 강화에 유효한 원소를 강에 충분히 고용시킬 수 있고, 유효 경화층 깊이 및 질화 후의 강의 코어부 경도가 향상하는 것을 발견했다.

이하, 상술한 지식에 기초하여 이루어진 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다.

「질화용 강」이란, 질화 처리 부품의 소재로서 사용되는 강재를 의미한다. 질화용 강은, 강편이나 강봉 등의 강재에 필요에 따라 열간 가공이나 냉간 가공 등을 실시하여 얻어진다.

「질화 처리 부품」이란, 질화용 강을 질화 처리함으로써 얻어지는 부품을 의미한다.

「질화 처리」란, 질화용 강의 표면층에 질소를 확산시켜, 표면층을 경화하는 처리를 의미한다. 대표적으로는, 가스 질화, 플라즈마 질화, 가스 연질화, 염욕연질화 등을 들 수 있다. 이 중 가스 연질화, 염욕연질화는 질소와 함께 탄소도 동시에 확산시키는 연질화 처리이다. 또한, 제품이 질화 처리 부품인 것은, 표층이 경화되어 있는 것 및 표층의 질소 농도가 코어부에 비하여 상승되어 있는 것을 확인하여 판단할 수 있다.

「열간 가공」이란, 열간 압연 및 열간 단조의 총칭이다. 구체적으로는, 「열간 가공」이란, 강재를 1000℃ 이상으로 가열한 후에 성형하는 가공 처리를 의미한다.

「유효 경화층 깊이」란, JIS G 0557에 기재되어 있는 강의 침탄 유효 경화층 깊이 측정 방법의 정의를 참고로, 표면부터 HV가 550으로 되는 위치까지의 거리를 의미한다.

(제1 실시 형태)

본 발명의 제1 실시 형태는, 소정의 성분 조성과 강 조직을 갖는 질화용 강이다.

이하, 성분 조성에 대하여 설명한다. 또한, 함유량을 나타내는 「％」는, 「질량％」를 의미한다. 또한, [C], [Mn], [Si], [Cr], [Mo], [V]의 표기는, 각 원소의 질량％에 의한 함유량을 의미한다.

C: 0.10 내지 0.20％

C는, 켄칭성을 확보하여, 베이나이트 주체의 강 조직을 얻는 데 필요한 원소이다. 또한, C는, 질화 처리 중에 합금 탄화물을 석출시켜, 석출 강화에도 기여하는 원소이다. C가, 0.10％ 미만에서는 필요한 강도를 얻지 못하고, 0.20％를 초과하면 강재의 가공이 어려워진다.

따라서, C 함유량의 상한은 0.20％, 바람직하게는 0.18％, 보다 바람직하게는 0.15％ 미만이고, 하한은 0.10％, 바람직하게는 0.11％, 보다 바람직하게는 0.12％이다.

Si: 0.01 내지 0.7％

Si는, 0.01％ 이상의 함유량에 의해, 탈산제로서 작용하면 동시에, 질화 후에, 표면 및 입계에 있어서의 백색층의 생성을 억제하여, 피로 강도 저하를 방지하는 작용이 있다. 한편, Si는, 0.7％ 초과의 함유량에서는, 질화 처리에 있어서 표면 경도의 향상에 기여하지 않아, 유효 경화층 깊이를 얕게 한다. 따라서, 「유효 경화층 깊이」 및 「피로 강도」를 함께 높이기 위하여, Si 함유량을 0.01 내지 0.7％로 한다.

따라서, Si 함유량의 상한은 0.7％, 바람직하게는 0.5％, 보다 바람직하게는 0.3％이며, 하한은 0.01％, 바람직하게는 0.05％, 보다 바람직하게는 0.1％이다.

Mn: 0.2 내지 2.0％

Mn은, 켄칭성을 확보하여, 베이나이트 주체의 강 조직을 얻는 데 필요한 원소이다. Mn이 0.2％ 미만에서는 충분한 켄칭성을 확보할 수 없다. Mn이 2.0％를 초과하면, 강 조직이 마르텐사이트를 포함하기 쉬워, 가공이 어려워진다. Mn을 다량으로 첨가하면, 질소와 상호 작용을 나타내고, 질소의 확산을 방해하므로, 효율적으로 질화 처리의 효과를 얻기 위해서는, Mn의 함유량은 1.0％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

따라서, Mn 함유량의 상한은 2.0％, 바람직하게는 1.5％, 보다 바람직하게는 1.0％이며, 하한은 0.2％, 바람직하게는 0.35％, 보다 바람직하게는 0.5％이다.

Cr: 0.2 내지 2.5％

Cr은, 질화 처리 시에 침입하는 N 및 강 중의 C와 탄질화물을 형성하고, 탄질화물의 석출 강화에 의해 표면의 경도를 현저하게 상승시키는 원소이다. Cr량이 0.2％ 미만에서는 충분한 유효 경화층 깊이를 얻을 수 없고, 2.5％를 초과하면 그 효과가 포화된다. Cr을 다량으로 첨가하면, 질소와 상호 작용을 나타내고, 질소의 확산을 방해하므로, 효율적으로 질화 처리의 효과를 얻기 위해서는, Cr의 함유량은 1.3％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

따라서, Cr 함유량의 상한은 2.5％, 바람직하게는 1.8％, 보다 바람직하게는 1.3％이며, 하한은 0.2％, 바람직하게는 0.35％, 보다 바람직하게는 0.5％이다.

Al: 0.01 내지 0.19％ 미만

Al은, 탈산 원소로서 필요한 원소이며, 또한, 질화 처리 시에 침입하는 N과 질화물을 형성하고, 표면의 경도를 현저하게 상승시킨다. Al은, Si와 마찬가지로, 과잉으로 첨가하면 유효 경화층을 얕게 하는 원소이다. Al이 0.01％ 미만이면 제강 시에 충분히 탈산할 수 없고, 또한, 표면의 경도의 상승이 불충분해지는 경우가 있다. 0.19％ 이상 Al을 첨가하면 유효 경화층이 얕아진다. 보다 깊은 유효 경화층을 얻기 위해서는, Al의 함유량은 0.1％ 미만이 바람직하다. 제강 시의 탈산의 용이함의 관점에서는, Al의 함유량은 0.02％ 이상이 바람직하다.

따라서, Al 함유량의 상한은 0.19％ 미만, 바람직하게는 0.15％ 미만, 보다 바람직하게는 0.1％ 미만이고, 하한은 0.01％, 바람직하게는 0.02％, 보다 바람직하게는 0.03％이다.

V: 0.2 초과 내지 1.0％

V는, 질화 시에 침입하는 N 및 강 중에 침입하는 N 및 강 중의 C와 탄화물을 형성하고, 또는, Cr과 복합 탄질화물을 형성함으로써, 높은 표면 경도 및 깊은 유효 경화층 깊이를 부여한다. 또한, V는 C와 V 탄화물을 형성하고, 석출 경화에 의해, 질화 후의 강의 코어부 경도를 높이는 효과가 있다.

따라서, 본 발명의 질화용 강에 있어서, V는 지극히 중요한 원소이다. 상기한 효과를 충분히 얻기 위하여, V의 함유량은 0.2％ 초과로 할 필요가 있다. V를 1.0％ 초과 첨가하면, 압연 시에 흠집이 생기기 쉬워 제조성이 떨어진다.

따라서, V 함유량의 상한은 1.0％, 바람직하게는 0.8％, 보다 바람직하게는 0.6％이며, 하한은 0.2％ 초과, 바람직하게는 0.3％, 보다 바람직하게는 0.4％이다.

[V]/[C]: 2 내지 10

또한, V 탄화물의 석출 경화에 의한 코어부의 경도를 높이는 효과를 충분히 얻기 위해서는, C량에 대하여 충분한 양의 V가 필요하다. V는 C에 비하여 확산이 느리기 때문에, V는 C보다도 많이 첨가할 필요가 있다. V는, V의 함유량과 C의 함유량비 [V]/[C]가 10을 초과하여 첨가해도 첨가에 걸맞는 효과를 얻지 못한다. 또한, [V]/[C]가 2 미만이면 충분한 석출 강화량을 얻지 못한다. 따라서, 2≤[V]/[C]≤10을 만족하도록 C와 V의 함유량을 조정할 필요가 있다.

제조성의 관점에서, [V]/[C]의 상한은 8인 것이 바람직하고 5인 것이 보다 바람직하다. 또한, 석출 강화량의 관점에서는, [V]/[C]의 하한은 3인 것이 바람직하고 4인 것이 보다 바람직하다. 이에 의해, 질화 후의 코어부의 경도가 상승하여, 침탄 부품과 동등한 피로 강도를 얻을 수 있다.

따라서, [V]/[C]의 상한은 10, 바람직하게는 8, 보다 바람직하게는 5이며, 하한은 2, 바람직하게는 3, 보다 바람직하게는 4이다.

Mo: 0 내지 0.54％

Mo는, 켄칭성을 확보하여, 베이나이트 주체의 강 조직을 얻는 데 유효한 원소이다. 또한, 질화 시에 침입하는 N 및 강 중의 C와 탄질화물을 형성하고, 또는, Cr과 복합 탄질화물을 형성함으로써, 높은 표면 경도 및 깊은 유효 경화층 깊이를 부여한다. 단, Mo의 첨가에 의한 효과는, V의 첨가에 의해서도 얻어지므로, Mo는 반드시 첨가할 필요는 없다. Mo를 다량으로 첨가하면, 압연 시에 흠집이 생기기 쉬워, 제조성이 떨어진다. 또한, Mo는, 고용 강화능이 높은 원소이기 때문에, 질화 처리 전의 강의 경도가 지나치게 단단해진다.

따라서, Mo 함유량의 상한은 0.54％, 바람직하게는 0.35％, 보다 바람직하게는 0.2％이며, 하한은 0％, 바람직하게는 0.05％, 보다 바람직하게는 0.1％이다.

상술한 바와 같이 Mo의 첨가에 의한 효과는, V의 첨가에 의해서도 얻어지지만, Mo와 V를 합하여 첨가하는 경우에는, 상승적으로, 높은 표면 경도와 깊은 유효 경화층 깊이를 얻을 수 있다. 구체적으로는, Mo의 함유량이 0.05 내지 0.2％이며, 또한, V의 함유량이 0.3 내지 0.6％인 것이 바람직하다.

N: 0.001 내지 0.02％

N은, 0.02％를 초과하면 고온 영역의 연성이 저하하여, 열간 압연이나 열간 단조 시에 깨짐을 발생시키기 때문에 생산성이 저하한다. 한편, N을 0.001％ 이하로 하는 것은 제강 시의 비용이 높아지기 때문에, 경제적으로 바람직하지 않다.

따라서, N 함유량의 상한은 0.02％, 바람직하게는 0.01％, 보다 바람직하게는 0.008％이며, 하한은 0.001％, 바람직하게는 0.002％, 보다 바람직하게는 0.003％이다.

P: 0.05％ 이하

P는, 불순물이며, 0.05％를 초과하면, 강의 결정립계를 취화시켜 피로 강도를 열화시킨다. 한편, 제강 비용의 관점에서 바람직한 P의 하한값은, 0.0001％이다.

따라서, P 함유량의 상한은 0.05％, 바람직하게는 0.04％, 보다 바람직하게는 0.03％이며, 하한은 0％, 0.0001％, 또는 0.0005％이다.

S: 0.20％ 이하

S는, 강 중에서 MnS를 형성하고, 이에 의해 피삭성의 향상을 초래한다. 단, 0.0001％ 미만에서는 그 효과는 불충분하다. 한편, 0.20％를 초과하면, 입계에 편석하여, 입계 취화를 초래한다.

따라서, S 함유량의 상한은 0.20％, 바람직하게는 0.10％, 보다 바람직하게는 0.05％이며, 하한은 0％, 0.0001％, 또는 0.0005％이다.

C, Mn, Si, Cr 및 Mo의 함유량은 하기의 수학식 A로 나타내는 켄칭성 배수 α가, 켄칭성 확보의 관점에서 65 이상이며, 열간 가공 또는 냉간 가공의 용이함의 관점에서 400 이하인 것이 바람직하다.

<수학식 A>

켄칭성 배수란, 합금 원소가 켄칭성에 영향을 미치는 정도를 나타내는 수치이다. 이 식은, 몬마 가이조 저 「철강 재료학」(지꾜 출판, 도쿄, 2005년 발행)p.250 표 5-11을 참고로 한 것이다.

Ti+Nb: 0.01 내지 0.4％

Ti와 Nb도, 켄칭성을 확보하여, 베이나이트 주체의 강 조직을 얻는 데 유효한 원소이며, 한쪽 또는 양쪽을 첨가할 수 있다. Ti 및 Nb는, Mo나 V와 마찬가지로, 질화 시에 침입하는 N 및 강 중의 C와 탄질화물을 형성하고, 높은 표면 경도 및 깊은 유효 경화층 깊이를 얻는 데 효과적인 원소이다.

Ti 및 Nb의 합계 함유량은, 0.01％ 미만에서는 그 효과를 충분히 얻지 못하고, 0.4％를 초과하면 완전히 용체화할 수 없으므로 그 효과는 포화한다.

따라서, Ti 및 Nb의 합계 함유량의 상한은 0.4％, 바람직하게는 0.35％, 보다 바람직하게는 0.30％이며, 하한은 0％, 바람직하게는 0.01％, 보다 바람직하게는 0.05％이다.

B: 0 내지 0.005％

B는, 0.0003％ 이상의 함유량에 의해 켄칭성을 향상시켜, 베이나이트 주체의 강 조직을 얻는 데 유효한 원소이며, 선택적으로 첨가할 수 있다. B가 0.0003％ 미만이면 첨가의 효과를 충분히 얻지 못하고, 0.005％를 초과하면 그 효과가 포화된다.

따라서, B 함유량의 상한은 0.005％, 바람직하게는 0.004％, 보다 바람직하게는 0.003％이며, 하한은 0％, 바람직하게는 0.0003％, 보다 바람직하게는 0.0008％이다.

B를 첨가한 경우도, 켄칭성 배수가, 켄칭성 확보의 관점에서 65 이상이며, 냉간 가공 및 단조 가공의 용이함의 관점에서 400 이하인 것이 바람직하다. 단, 이 경우의 켄칭성 배수는 켄칭성 배수 β로서 이하의 수학식 B에 의해 구해진다.

<수학식 B>

이 식은, 몬마 가이조 저 「철강 재료학」(지꾜 출판, 도쿄, 2005년 발행)p.250 표 5-11을 참고로 한 것이다.

탄소당량: 0.50 내지 0.80

질화용 강의 성분 조성은, [C]+{[Mn]/6}+{([Cr]+[Mo]+[V])/5}로 구해지는 탄소당량(Ceq.)이 0.50 이상, 0.80 이하인 것이 바람직하다. 탄소당량이 0.50 이상 0.80 이하인 경우, 후술하는 베이나이트 생성에 유리하게 작용하고, 또한 질화 전의 과도한 경도 상승을 피할 수 있다. 이에 의해, 원하는 열간 단조 후 경도가 얻어진다.

잔량부: Fe 및 불가피적 불순물

본 실시 형태에 관한 질화용 강의 성분 조성은, 상술한 원소 이외에도 제조 공정 등에서 불가피하게 혼입되는 불순물을 포함해도 좋지만, 가능한 한 불순물이 혼입되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 질화용 강을 질화하여 얻어지는 질화 처리 부품에 있어서는, 잔량부로서 Fe와 N과 불가피적 불순물을 갖는다.

이어서, 본 실시 형태에 관한 질화용 강의 강 조직에 대하여 설명한다.

본 실시 형태에 관한 질화용 강의 강 조직은, 면적률로 50％ 이상의 베이나이트를 갖는다.

유효 경화층 깊이를 향상시키기 위해서는, 질화용 강을 질화 시에 충분히 석출 강화시켜, 강의 경도를 상승시킬 필요가 있다. 따라서, 질화 처리 전에 석출에 필요한 합금 원소를 질화용 강에 충분히 고용시켜 둘 필요가 있고, 그를 위해서는, 마르텐사이트 또는 베이나이트가 적합하다.

한편, 냉간 단조성이나 절삭성을 고려하면, 마르텐사이트가 주체의 강 조직은 경도가 지나치게 높으므로 적합하지 않다. 이상으로부터, 강 조직은 베이나이트 주체인 것이 최적이며, 충분히 석출 강화시키기 위해서는, 강 조직이 면적률로 50％ 이상의 베이나이트를 갖는 것이 필요하다. 더 효과적으로 석출 강화시키기 위해서는, 강 조직이 면적률로 70％ 이상의 베이나이트를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 베이나이트를 제외한 잔량부의 강 조직은 페라이트, 펄라이트 및 마르텐사이트의 1종 또는 2종 이상이다.

강 조직의 베이나이트는, 경면 연마 후, 나이탈액으로 에칭을 행하고, 광학 현미경으로 관찰할 수 있다. 예를 들어, 경도를 측정한 위치에 상당하는 영역의 5시야를, 광학 현미경에서 500배로 관찰하여 사진을 촬영하고, 그들 사진을 화상 해석하여, 베이나이트의 면적률을 구할 수 있다.

질화용 강은, 주조 상태의 강재이어도 좋고, 주조 후의 강재에 대하여 열간 가공이나 냉간 가공을 필요에 따라 실시한 것이어도 좋다.

강재에 열간 가공이나 열처리를 행하지 않고 질화용 강을 제조하는 경우, 강재의 강 조직이 면적률로 50％ 이상의 베이나이트를 갖는 것이 필요하다.

강재에 열간 가공을 행하여 질화용 강을 제조하는 경우에 있어서도, 강재의 강 조직이 50％ 이상의 베이나이트를 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 최종적인 열간 가공에 있어서, 면적률로 50％ 이상의 베이나이트를 포함하는 강 조직을 갖는 질화용 강을 얻기 쉽기 때문이다.

단, 강재에 열간 가공을 행하고, 면적률로 50％ 이상의 베이나이트를 포함하는 강 조직을 갖는 질화용 강을 제조하는 경우에는, 강재의 강 조직이 50％ 이상의 베이나이트를 포함하지 않아도 좋다. 이것은, 열간 가공 전의 강재의 강 조직이, 예를 들어 페라이트와 펄라이트의 2상 조직이었다고 해도, 열간 가공에 의해, 모든 강 조직이 일단 오스테나이트가 되어, 열간 가공 후의 냉각 중에 베이나이트로 변화하기 때문이다. 즉, 질화용 강의 강 조직이, 50％ 이상의 베이나이트를 갖고 있으면 된다.

50％ 이상의 베이나이트를 갖는 강 조직은, 질화용 강을 제조하기 위한 열간 압연, 또는, 질화 처리 부품을 제조하기 위한 열간 단조를 제어함으로써 얻어진다. 구체적으로는, 열간 압연 또는 열간 단조의 온도나, 열간 압연 또는 열간 단조 후의 냉각 속도를 규정함으로써 얻어진다.

열간 압연 및 열간 단조전의 가열 온도는 1000℃ 미만이면 변형 저항이 올라 비용 상승으로 되는 동시에, 첨가 합금 원소가 충분히 용체화되지 않으므로, 켄칭성이 낮아져, 베이나이트의 면적률이 낮아진다. 따라서, 압연 전 및 단조 전의 가열 온도는 1000℃ 이상이 바람직하다. 가열 온도가 1300℃를 초과하면 오스테나이트 입계가 조대화되므로, 가열 온도는 1300℃ 이하가 바람직하다.

상술한 성분 조성을 갖는 강재의 경우, 열간 압연 또는 열간 단조 후에 500℃로 냉각될 때까지의 냉각 속도가 0.1℃/sec 미만으로 되면, 베이나이트의 면적률이 저하되거나, 또는, 페라이트·펄라이트가 증가하므로, 냉각 속도는 0.1℃/sec 이상인 것이 바람직하다. 냉각 속도가 10℃/sec를 초과하면 마르텐사이트의 증가에 의해, 냉간 단조, 또는 절삭 전의 강도가 높아져 비용 상승으로 되므로, 냉각 속도는 10℃/sec 이하인 것이 바람직하다.

상술한 조건에서 열간 압연하고, 소정의 형상으로 냉간 가공(예를 들어 냉간 단조, 절삭 가공)하여 제조한 질화용 강은, 질화 처리함으로써, 변형을 억제하면서 피로 강도를 향상시킬 수 있다.

(제2 실시 형태)

이어서, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 질화 처리 부품에 대하여 설명한다.

본 실시 형태에 관한 질화 처리 부품은, 제1 실시 형태에서 설명한 질화용 강을 연질화 처리하는 것으로 얻어진다. 그 성분 조성에 관한 설명은, 제1 실시 형태에서 설명한 성분 조성과 마찬가지이기 때문에, 생략한다. 단, N 함유량에 대해서는, 질화 처리의 조건에 의해 함유량이 대폭 변화하기 때문에, 규정하지 않는다.

질화 처리 부품에서는, 면적률로 50％ 이상의 강 조직이 베이나이트인 것이 필요하다. 질화 처리 부품의 베이나이트의 면적률은, 질화 처리용 강의 베이나이트의 면적률과 마찬가지의 방법으로 구할 수 있다.

제1 실시 형태에 관한 질화용 강을 연질화 처리함으로써, 질화 처리 부품에 있어서, 강 중에 석출한 Cr 탄질화물 중에, V, 또는, Mo 및 V를 0.5％ 이상 함유시킬 수 있다. 구체적으로는, Cr 탄질화물 중에 V, 또는, Mo 및 V를 0.5％ 이상 함유시키기 위해서는, Mo: 0 내지 0.54％ 및 V: 0.2 초과 내지 1.0％를 함유하는 동시에, 50％ 이상의 베이나이트를 갖는 강 조직으로 하고, 질화 처리할 필요가 있다. 이에 의해, 우수한 표면 경도 및 유효 경화층 깊이를 얻을 수 있다. 또한, 질화 처리에 의해 표층이 경화되는 메커니즘은, 합금이나 철의 질화물에 의한 석출 강화나 질소의 고용 강화라고 생각되어진다.

Cr 탄질화물 중에 V나 Mo가 함유되어 있는지의 여부는, X선 원소 분석 장치 등을 사용하여 분석할 수 있다. X선 원소 분석 장치 등의 정밀도는, 0.5％ 이상 함유하고 있는 원소를 검출할 수 있으면 된다.

질화 처리는, 예를 들어 10시간의, 580℃의 N₂+NH₃+CO₂ 혼합 가스에 의한 가스 연질화 처리로 한다. 이에 의해, 표면 경도 HV700 이상, 유효 경화층 깊이 200㎛ 이상의 유효 경화층이 얻어진다. 즉, 공업상 실용적인 시간에, 충분한 표면 경도 및 종래의 강재와 비교하여 깊은 유효 경화층을 얻을 수 있고, 또한 충분한 코어부 경도를 얻을 수 있다.

종래 기술에 의한 CrMn강에 가스 연질화 처리를 행할 수 있던 부품의, 유효 경화층의 투과형 전자 현미경에 의한 관찰 결과를 도 1에, X선 원소 분석 장치를 사용한 유효 경화층 부분의 Cr 탄질화물 중의 성분 분석 결과를 도 2에 도시한다.

본 발명에 의한 CrMoV강에 가스 연질화 처리를 행할 수 있던 부품의, 유효 경화층의 투과형 현미경에 의한 관찰 결과를 도 3에 도시한다. 종래 기술에 의한 가스 연질화 처리 부품과 비교하여, 미세한 Cr 탄질화물이 다수 석출되어, 충분히 석출 강화되어 있는 것을 알았다.

도 4에, X선 원소 분석 장치를 사용한, 본 발명에 의한 부품의 유효 경화층 부분의 Cr 탄질화물 중의 성분 분석 결과를 나타낸다. 이 결과로부터, Cr 탄질화물 중에 Mo 및 V를 함유하고 있는 것을 알았다.

실시예 1

실험예 A1 내지 A36에서는, 표 1, 표 2에 나타내는 성분 조성을 갖는 강을 용제했다. 표 2 중의 P는, 불가피적 불순물로서 검출된 P의 함유량을 나타내고, 의도적으로 첨가한 것이 아니다. 또한, 표 1, 표 2 중의 「-」는, 그 원소를 의도적으로 첨가하지 않은 것을 나타낸다. 표 2 중의 「켄칭성 배수」는, B가 함유되어 있지 않은 실험예의 경우에는,

에 의해 산출한 값이며, B가 함유되어 있는 실험예의 경우에는,

에 의해 산출한 값이다.

또한, 「Ceq」는,

에 의해 산출한 값이다.

실험예 A1 내지 A36에서는,

(1) 상술한 바와 같이 용제한 강으로부터 직경 30㎜의 강편을 제조하고,

(2) 강편을 표 3에 나타낸 「열간 단조 조건」(「가열 온도(℃)」 및 「냉각 속도(℃/s)」)에서 열간 단조하여, 두께 10㎜, 직경 35㎜의 원기둥 형상의 열간 단조 부재를 제조하고,

(3) 열간 단조 부재를 절삭하여, 기어 형상 부재를 제조했다.

실험예 A1 내지 A36에 대해서, 「베이나이트 면적률(％)」,「열간 단조 후 경도(HV)」를 측정한 결과를 표 3에 나타낸다.

「베이나이트 면적률(％)」은, 열간 단조 부재의 축방향에 수직한 단면에 있어서, 표면으로부터 직경의 1/4 깊이의 측정 위치에 있어서의 베이나이트의 면적률이다. 구체적으로는, 「베이나이트 면적률(％)」은, 상기한 측정 위치를 경면 연마 후, 나이탈액으로 에칭을 행하고, 광학 현미경에 의해 500배로 5시야를 관찰하여 사진을 촬영하고, 그들 사진을 화상 해석함으로써 구했다.

「열간 단조 후 경도(HV)」는 질화 처리 전의 기어 형상 부재의 경도이며, JI Z 2244에 따라, 도 6에 도시된 경도 측정 위치(52)에 있어서 두께 방향의 중앙부가 나타나도록 기어 형상 부재를 절단, 연마하고, HV0.3(2.9N)을 측정하여 구했다. 또한, 도 6은, 기어 형상 부재에 있어서의 1개의 이(51)의 형상 및 경도 측정 위치(52)를 나타낸다.

이어서, 상술한 기어 형상 부재에 대하여, 가스 연질화 처리를 행하여, 질화 처리 기어를 제조했다. 가스 연질화 처리는, 체적 분율로 NH₃:N₂:H₂:CO₂=50:40:5:5의 혼합 가스 중에서, 580℃×10hr의 조건에서 행했다. 본 시험에서는 백색층의 생성을 억제하기 쉬운 분위기로 하기 위하여 H₂ 가스도 혼합했다.

실험예 A1 내지 A36에 대해서, 「표면 경도(HV)」, 「유효 경화층 깊이(㎛)」, 「가스 연질화 처리 후의 코어부 경도 상승률」, 「시험편 A 회전 굽힘 피로 강도(MPa)」, 「시험편 B 회전 굽힘 피로 강도(MPa)」, 「시험편 C 회전 굽힘 피로 강도(MPa)」, 「Cr 탄질화물 중 V, 또는, Mo 및 V」를 측정한 결과를 표 4에 나타낸다.

「표면 경도(HV)」는, JIS Z 2244에 따라, 질화 처리 기어의 표면으로부터 50㎛ 깊이의 경도 측정 위치에 있어서의 HV0.3(2.9N)을 측정하여 구했다.

「유효 경화층 깊이(㎛)」는, JIS G 0557을 참고로, 표면부터 HV0.3(2.9N)이 550으로 되는 위치까지의 거리를 측정하여 구했다.

「가스 연질화 처리 후의 코어부 경도 상승률」은, 상술한 경도 측정 위치(52)에서, 가스 연질화 처리 후에 HV0.3(2.9N)을 측정하여 구하고, 가스 연질화 처리 전의 경도(즉, 열간 단조 후 경도)와의 비로 나타냈다.

「시험편 A 회전 굽힘 피로 강도(MPa)」, 「시험편 B 회전 굽힘 피로 강도(MPa)」, 「시험편 C 회전 굽힘 피로 강도(MPa)」는,

(1) 상기한 강편을 표 3에 나타낸 열간 단조 조건(가열 온도 및 냉각 속도)에서 열간 단조하여 직경 16㎜의 부재를 제조하고,

(2) 이 부재를 절삭 가공하고 나서 상술한 가스 연질화 처리를 행함으로써, 도 5a, 도 5b, 도 5c에 나타내는 시험편 A, 시험편 B, 시험편 C를 제조하고,

(3) 이들 시험편 A 내지 C에 대하여 회전 굽힘 피로 시험을 행하고, 10⁷회까지 견딜 수 있는 최대의 응력(MPa)을 구함으로써 평가했다.

도 5a는 노치가 새겨져 있지 않은 평활 시험편 A를 나타내고, 도 5b는 곡률 반경 ρ=1.2의 홈(응력 집중율α≒1.8)이 새겨진 홈을 구비한 시험편 B를 나타내고, 도 5c는 곡률 반경 ρ=0.4의 홈(응력 집중율α=2.7)이 새겨진 홈을 구비한 시험편 C를 나타낸다.

또한, 유효 경화층 부분으로부터 박막 시험편을 제작하고, 투과형 전자 현미경을 사용하여 유효 경화층 부분을 관찰했다. 그 결과, 유효 경화층 부분에 있어서 미세한 Cr 탄질화물이 관찰되었다. 또한, X선 원소 분석 장치를 사용하여 Cr 탄질화물의 성분을 분석하여, Cr 탄질화물 중에 Mo 또는 V가 함유되어 있는지의 여부를 조사했다. 본 실시예에서 사용한 X선 원소 분석 장치의 정밀도는, 0.5％ 이상 함유되어 있는 원소를 검출할 수 있는 것이다. V, 또는, Mo 및 V가 0.5％ 이상 함유되어 있는 것을 검출한 경우, 표 4의 「Cr 탄질화물 중 V, 또는 Mo 및 V」의 란에 「함유」라고 기재하고, V, 또는, Mo 및 V가 0.5％ 이상 함유되어 있는 것을 검출하지 못한 경우를 「비함유」라고 기재했다.

실험예 A1 내지 A29에서는, HV700 이상의 표면 경도 및 200㎛ 이상의 유효 경화층 깊이를 갖는 질화 처리 기어가 얻어졌다. 또한, 질화 후의 코어부 경도 상승률이 1.3 이상이며, 질화 전의 가공 용이함과 피로 강도가 양립되어 있는 것을 확인할 수 있었다.

실험예 A30에서는, C량 및 Cr량이 낮은 것에 기인하여, 켄칭성 배수가 낮았다. 이로 인해, 질화 처리 기어의 경도나 굽힘 피로 강도가 불충분했다.

실험예 A31에서는, C량이 높은 것에 기인하여, 열간 단조 후 경도가 과잉으로 높아져 버렸다. 이로 인해, 용이하게 절삭 가공을 실시할 수 없었다. 즉, 절삭 가공을 행하는 것은, 비용의 관점에서 바람직하지 않다.

실험예 A32에서는, Si량이 높은 것에 기인하여, 유효 경화층 깊이가 불충분했다. 또한, 회전 굽힘 피로 강도가 낮았다.

실험예 A33에서는, Mn량이 높은 것에 기인하여, 열간 단조 후 경도가 과잉으로 높아져 버렸다. 이로 인해, 용이하게 절삭 가공을 실시할 수 없었다. 즉, 절삭 가공을 행하는 것은, 비용의 관점에서 바람직하지 않다.

실험예 A34에서는, Al량이 높고, 또한, V를 함유하지 않는 것에 기인하여, 질화 처리 기어의 경도나 굽힘 피로 강도가 불충분했다.

실험예 A35에서는, Mo량이 높은 것에 기인하여, 열간 단조 후 경도가 과잉으로 높아져 버렸다. 이로 인해, 용이하게 절삭 가공을 실시할 수 없었다. 즉, 절삭 가공을 행하는 것은, 비용의 관점에서 바람직하지 않다.

실험예 A36에서는, [V]/[C]가 낮은 것에 기인하여, 충분한 석출 강화를 얻지 못했다. 이로 인해, 가스 연질화 처리 후의 코어부 경도 상승률이 불충분했다.

실시예 2

실험예 B1 내지 B10에서는, 표 5, 표 6에 나타내는 성분 조성을 갖는 강을 용제했다. 표 6 중의 P 및 S는, 불가피적 불순물로서 검출된 P 및 S의 함유량을 나타내고, 의도적으로 첨가한 것이 아니다. 또한, 표 5, 표 6 중의 「-」는, 그 원소를 의도적으로 첨가하지 않은 것을 나타낸다. 표 6 중의 「켄칭성 배수」는, B가 함유되어 있는 실험예의 경우에는,

에 의해 산출한 값이며, B가 함유되어 있지 않은 실험예의 경우에는,

에 의해 산출한 값이다.

또한, 「Ceq」는,

에 의해 산출한 값이다.

실험예 B1 내지 B10에서는,

(1) 상술한 바와 같이 용제한 강으로부터 두께 50㎜의 강편을 제조하고,

(2) 강편을 표 7에 나타낸 「열간 압연 조건」(「가열 온도(℃)」 및 「냉각 속도(℃/s)」)에서 열간 압연하여, 두께 25㎜의 열연 강판을 제조하고,

(3) 열연 강판을 절삭하여 직경 10㎜의 부재를 제조하고,

(4) 이 부재를 냉간 단조하여, 두께 10㎜, 직경 14㎜의 원기둥 형상의 냉간 단조 부재를 제조하고,

(5) 냉간 단조 부재를 절삭하여, 기어 형상 부재를 제조했다.

실험예 B1 내지 B10에 대해서, 「베이나이트 면적률(％)」,「냉간 단조 후 경도(HV)」를 측정한 결과를 표 7에 나타낸다.

「베이나이트 면적률(％)」은, 냉간 단조 부재의 축방향에 수직한 단면에 있어서, 표면으로부터 직경의 1/4 깊이의 측정 위치에 있어서의 베이나이트의 면적률이다. 구체적으로는, 「베이나이트 면적률(％)」은, 상술한 측정 위치를 경면 연마 후, 나이탈액으로 에칭을 행하고, 광학 현미경에 의해 500배로 5시야를 관찰하여 사진을 촬영하고, 그들 사진을 화상 해석함으로써 구했다.

「냉간 단조 후 경도」는 질화 처리 전의 기어 형상 부재의 경도이며, JIS Z 2244에 따라, 도 6에 나타나는 측정 위치 52에 있어서 두께 방향의 중앙부가 나타나게 기어 형상 부재를 절단, 연마하고, HV0.3(2.9N)을 측정하여 구했다.

실험예 B1 내지 B10에 대해서, 「표면 경도(HV)」, 「유효 경화층 깊이(㎛)」, 「가스 연질화 처리 후의 코어부 경도 상승률」, 「시험편 A 회전 굽힘 피로 강도(MPa)」, 「시험편 B 회전 굽힘 피로 강도(MPa)」, 「시험편 C 회전 굽힘 피로 강도(MPa)」, 「Cr 탄질화물 중 V, 또는, Mo 및 V」를 측정한 결과를 표 8에 나타낸다.

각 항목의 측정에 대해서는, 실시예 1과 마찬가지로 행했다.

실험예 B1 내지 B7에서는, HV700 이상의 표면 경도 및 200㎛ 이상의 유효 경화층 깊이의 질화 처리 기어가 얻어졌다. 또한, 질화 후의 코어부 경도 상승률이 1.3 이상이며, 질화 전의 가공 용이함과 피로 강도가 양립되어 있는 것을 확인할 수 있었다.

실험예 B8에서는, V량이 낮은 것 및 켄칭성 배수가 낮은 것에 기인하여 베이나이트의 면적률이 50％ 미만이고, 또한, 질화 후 코어부 경도 상승률이 낮았다.

실험예 B9에서는, C량이 높은 것에 기인하여, 열간 압연 후의 경도가 과잉으로 높아져 버렸다. 이로 인해, 용이하게 절삭 가공을 실시할 수 없었다. 즉, 절삭 가공을 행하는 것은, 비용의 관점에서 바람직하지 않다.

실험예 B10에서는, Mo량이 높은 것에 기인하여, 열간 압연 후의 경도가 과잉으로 높아져 버렸다. 이로 인해, 용이하게 절삭 가공을 실시할 수 없었다. 즉, 절삭 가공을 행하는 것은, 비용의 관점에서 바람직하지 않다.

<산업상 이용가능성>

본 발명에 따르면, 질화 처리 전의 경도가 낮고, 또한, 질화 처리에 있어서, 깊은 유효 경화층과 충분한 코어부 경도가 얻어지는 질화용 강 및 질화용 강을 질화 처리하여 제조한 질화 처리 부품을 제공할 수 있고, 열처리 변형이 작아 고피로 강도의 부품을 제공할 수 있으므로, 자동차 부품이나 각종 산업 기계 부품에 적용할 수 있어, <산업상 이용가능성>은 크다.

11: Cr 탄질화물
31: Mo 및 V를 함유하는 Cr 탄질화물
51: 기어에 있어서의 1개의 이
52: 열간 단조 후의 경도 측정 위치

Claims

질량％로,
C : 0.10 내지 0.20％,
Si: 0.01 내지 0.7％,
Mn: 0.2 내지 2.0％,
Cr: 0.5 내지 2.5％,
Al: 0.01 내지 0.19％ 미만,
V : 0.2 초과 내지 1.0％,
Mo: 0 내지 0.54％ 및
N: 0.0034 내지 0.02％를 함유하고,
P가 0.05％ 이하로 제한되고,
S가 0.20％ 이하로 제한되고,
잔량부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고,
상기 V, 상기 C의 질량％에 의한 함유량 [V], [C]가 수학식 1을 만족하는 성분 조성을 갖고,
면적률로, 50％ 이상의 베이나이트를 갖고, 잔량부가 페라이트, 펄라이트 및 마르텐사이트로부터 선택되는 1종 이상인 강 조직으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
<수학식 1>
제1항에 있어서, 상기 성분 조성이 Ti 및 Nb 중 적어도 1종을 더 함유하고, 상기 Ti와 상기 Nb의 합계 함유량이, 질량％로, 0.01 내지 0.4％인 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Si, 상기 Cr, 상기 Mo의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Si], [Cr], [Mo]가 수학식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
<수학식 2>
질량％로,
C : 0.10 내지 0.20％,
Si: 0.01 내지 0.7％,
Mn: 0.2 내지 2.0％,
Cr: 0.2 내지 2.5％,
Al: 0.01 내지 0.19％ 미만,
V : 0.2 초과 내지 1.0％,
Mo: 0 내지 0.54％ 및
N: 0.0034 내지 0.02％를 함유하고,
P가 0.05％ 이하로 제한되고,
S가 0.20％ 이하로 제한되고,
잔량부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고,
상기 V, 상기 C의 질량％에 의한 함유량 [V], [C]가 수학식 1을 만족하는 성분 조성을 갖고,
면적률로, 50％ 이상의 베이나이트를 갖고, 잔량부가 페라이트, 펄라이트 및 마르텐사이트로부터 선택되는 1종 이상인 강 조직으로 이루어지고,
상기 성분 조성이 질량％로,
B: 0.0003 내지 0.005％를 더 함유하고,
상기 C, 상기 Mn, 상기 Si, 상기 Cr, 상기 Mo의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Si], [Cr], [Mo]가 수학식 3을 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
<수학식 1>

<수학식 3>
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 Mn의 함유량이, 질량％로, 0.2 내지 1.0％인 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
제3항에 있어서, 상기 Mn의 함유량이, 질량％로, 0.2 내지 1.0％인 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
제4항에 있어서, 상기 Mn의 함유량이, 질량％로, 0.2 내지 1.0％인 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 Mo의 함유량이, 질량％로, 0.05 내지 0.2％이며, 또한,
상기 V의 함유량이, 질량％로, 0.3 내지 0.6％인 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
제3항에 있어서, 상기 Mo의 함유량이, 질량％로, 0.05 내지 0.2％이며, 또한,
상기 V의 함유량이, 질량％로, 0.3 내지 0.6％인 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
제4항에 있어서, 상기 Mo의 함유량이, 질량％로, 0.05 내지 0.2％이며, 또한,
상기 V의 함유량이, 질량％로, 0.3 내지 0.6％인 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
제5항에 있어서, 상기 Mo의 함유량이, 질량％로, 0.05 내지 0.2％이며, 또한,
상기 V의 함유량이, 질량％로, 0.3 내지 0.6％인 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
제6항에 있어서, 상기 Mo의 함유량이, 질량％로, 0.05 내지 0.2％이며, 또한,
상기 V의 함유량이, 질량％로, 0.3 내지 0.6％인 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
제7항에 있어서, 상기 Mo의 함유량이, 질량％로, 0.05 내지 0.2％이며, 또한,
상기 V의 함유량이, 질량％로, 0.3 내지 0.6％인 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
<수학식 4>
제3항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
<수학식 4>
제4항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
<수학식 4>
제5항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
<수학식 4>
제6항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
<수학식 4>
제7항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
<수학식 4>
제8항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
<수학식 4>
제9항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
<수학식 4>
제10항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
<수학식 4>
제11항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
<수학식 4>
제12항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
<수학식 4>
제13항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화용 강.
<수학식 4>
질량％로,
C : 0.10 내지 0.20％,
Si: 0.01 내지 0.7％,
Mn: 0.2 내지 2.0％,
Cr: 0.2 내지 2.5％,
Al: 0.01 내지 0.19％ 미만,
V : 0.2 초과 내지 1.0％ 및
Mo: 0 내지 0.54％를 함유하고,
P가 0.05％ 이하로 제한되고,
S가 0.20％ 이하로 제한되고,
잔량부가 Fe, N 및 불가피 불순물로 이루어지고,
상기 V, 상기 C의 질량％에 의한 함유량 [V], [C]가 수학식 5를 만족하는 성분 조성을 갖고,
면적률로, 50％ 이상의 베이나이트를 갖고, 잔량부가 페라이트, 펄라이트 및 마르텐사이트로부터 선택되는 1종 이상인 강 조직으로 이루어지고,
표면에 질화층을 갖고, 유효 경화층 깊이가 200㎛ 이상이며,
강 중에 석출한 Cr 탄질화물 중에, 상기 V, 또는 상기 Mo 및 상기 V를 0.5％ 이상 함유하는 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
<수학식 5>
제26항에 있어서, 상기 성분 조성이 Ti 및 Nb 중 적어도 1종을 더 함유하고, 상기 Ti와 상기 Nb의 합계 함유량이, 질량％로, 0.01 내지 0.4％인 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Si, 상기 Cr, 상기 Mo의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Si], [Cr], [Mo]가 수학식 6을 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
<수학식 6>
제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 성분 조성이 질량％로,
B: 0.0003 내지 0.005％를 더 함유하고,
상기 C, 상기 Mn, 상기 Si, 상기 Cr, 상기 Mo의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Si], [Cr], [Mo]가 수학식 7을 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
<수학식 7>
제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 Mn의 함유량이, 질량％로, 0.2 내지 1.0％인 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
제28항에 있어서, 상기 Mn의 함유량이, 질량％로, 0.2 내지 1.0％인 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
제29항에 있어서, 상기 Mn의 함유량이, 질량％로, 0.2 내지 1.0％인 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 Mo의 함유량이, 질량％로, 0.05 내지 0.2％이며, 또한,
상기 V의 함유량이, 질량％로, 0.3 내지 0.6％인 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
제28항에 있어서, 상기 Mo의 함유량이, 질량％로, 0.05 내지 0.2％이며, 또한,
상기 V의 함유량이, 질량％로, 0.3 내지 0.6％인 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
제29항에 있어서, 상기 Mo의 함유량이, 질량％로, 0.05 내지 0.2％이며, 또한,
상기 V의 함유량이, 질량％로, 0.3 내지 0.6％인 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
제30항에 있어서, 상기 Mo의 함유량이, 질량％로, 0.05 내지 0.2％이며, 또한,
상기 V의 함유량이, 질량％로, 0.3 내지 0.6％인 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
제31항에 있어서, 상기 Mo의 함유량이, 질량％로, 0.05 내지 0.2％이며, 또한,
상기 V의 함유량이, 질량％로, 0.3 내지 0.6％인 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
제32항에 있어서, 상기 Mo의 함유량이, 질량％로, 0.05 내지 0.2％이며, 또한,
상기 V의 함유량이, 질량％로, 0.3 내지 0.6％인 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 8을 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
<수학식 8>
제28항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 8을 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
<수학식 8>
제29항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 8을 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
<수학식 8>
제30항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 8을 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
<수학식 8>
제31항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 8을 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
<수학식 8>
제32항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 8을 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
<수학식 8>
제33항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 8을 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
<수학식 8>
제34항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 8을 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
<수학식 8>
제35항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 8을 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
<수학식 8>
제36항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 8을 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
<수학식 8>
제37항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 8을 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
<수학식 8>
제38항에 있어서, 상기 C, 상기 Mn, 상기 Cr, 상기 Mo, 상기 V의 질량％에 의한 함유량 [C], [Mn], [Cr], [Mo], [V]가 수학식 8을 만족하는 것을 특징으로 하는, 질화 처리 부품.
<수학식 8>