KR20150047524A

KR20150047524A - 열처리 변형이 작은 기계 구조용 강재

Info

Publication number: KR20150047524A
Application number: KR1020157006758A
Authority: KR
Inventors: 다케시 후지마쓰; 모리히코 나카사키
Original assignee: 산요오도꾸슈세이꼬 가부시키가이샤
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2015-05-04
Also published as: JP2014047419A; WO2014038548A1; JP6057626B2; US20150218682A1

Abstract

자동차나 산업기계 등에 사용되는 기어나 샤프트 등의 동력 전달용의 부품으로서 사용되는 기계 구조용 강으로 이루어지는 열처리 변형이 작은 강재가 제공된다. 이러한 강재는, 질량%로, C: 0.20~0.30%, Si: 0.10~1.50%, Mn: 0.10~1.20%, P: 0.030% 이하, S: 0.030% 이하, Cr: 1.30~2.50%, Cu: 0.30% 이하, Al: 0.008~0.300%, O: 0.0030% 이하, N: 0.0020~0.0300%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 기계 구조용 강으로 이루어지는 강재의 Ms점이 460℃ 이하이며, 조미니식 일단 담금질법에 의해 측정될 때의 강재의 담금질단으로부터의 거리 1.5 mm에서의 경도 J1.5에 대한, 강재의 담금질단으로부터의 거리 9 mm에서의 경도 J9의 비 (J9/J1.5)이 0.70~0.85의 범위에 있고, 또한 경도 J1.5에 대한, 강재의 담금질단으로부터의 거리 11 mm에서의 경도 J11의 비 (J11/J1.5)의 값이 0.67~0.78의 범위에 있다.

Description

열처리 변형이 작은 기계 구조용 강재{MACHINE STRUCTURE STEEL MATERIAL HAVING LOW HEAT-TREATMENT DEFORMATION}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 2012년 9월 4일에 출원된 일본특허출원 제2012-193763호에 기초하여 우선권을 주장하며, 상기 일본특허출원의 전체 개시 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

본 발명은, 예컨대 자동차나 산업기계 등에 사용되는 기어나 샤프트 등의 동력 전달 부품으로서 사용되는 기계 구조용 강(steel)에 관한 것으로서, 특히 열처리 변형이 작은 기계 구조용 강에 관한 것이다.

담금질 등의 열처리에 의해 강재의 변형(이하, "열처리 변형"이라고 함)이 발생하는 것이 알려져 있다. 이러한 열처리 변형이 있으면, 이 변형을 교정하기 위해 제조 공정수가 증가하거나, 완전히 교정을 할 수 없는 경우에는 부품 불량률이 증가하거나, 또는 구동계 부품으로서 포함된 경우에는 변형에 기인하여 소음이나 진동을 발생시킨다는 악영향이 있다. 따라서, 열처리 변형을 가능한 한 작게 억제하는 것이 실용적으로 매우 중요한 과제로 되어 있다.

종래에는 이러한 열처리 변형이 강재 이외의 요인으로서, 부품 형상, 열처리전 공정의 영향, 담금질유 등의 냉매의 물성치, 냉각의 불균일성이라는 다수의 요인에도 영향을 받는 것으로 생각되어 왔다. 그래서, 이러한 것들을 여러 가지로 적정화함으로써 열처리 변형의 경감이 시도되고 있다. 예컨대, 재료 대책으로서, 담금질 강재의 심부에 연질의 페라이트(ferrite) 상을 석출시켜서 열처리 변형을 경감하는 방법이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).

또한, 냉각 방법으로부터의 접근법으로서, 종래의 오일 담금질이 아니라, 가압 가스 냉각을 이용하는 방법이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 2 참조). 또한, 열전달률을 촉진 또는 저감시키는 수단을 사용하여 피냉각물의 균일 냉각화를 도모하는 방법이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 3 참조).

또한, 특허문헌 3에서, 열전달률을 촉진하는 수단은, 냉각이 지연되는 부위에 설치된 냉각을 촉진하는 피막재 또는 냉각이 지연되는 부위의 주위에 형성된 냉각제의 대류에 의하는 것이며, 열전달률을 저감하는 수단은, 냉각이 진행되기 쉬운 부위를 덮는 유리솜(glass wool) 또는 단열 피막재에 의하도록 되어 있다.

특허문헌 1: 일본공개특허공보 제1997-111408호 특허문헌 2: 일본공개특허공보 제2008-121064호 특허문헌 3: 일본공개특허공보 제2010-174289호

그러나, 상기 제안되어 있는 종래의 방법이 반드시 범용적인 수단이라고 할 수는 없다. 왜냐하면, 예컨대 특허문헌 1의 기술에서는 부품 내부에 강도가 낮은 연질상이 도입되어 버리고, 특허문헌 2의 기술에서는 열처리로(heat treating furnace) 그 자체를 변경하지 않으면 안 된다. 또한, 특허문헌 3의 기술에서는 각각의 열처리 부품에 대한 처리가 필요하게 되는 등, 반드시 범용적인 수단이라고 말하기 어려웠기 때문이다.

한편, 본 발명자들은 연질이고 부품 강도를 저하할지도 모르는 페라이트 조직의 생성에 의존하지 않고서도 충분한 강재의 강도를 확보했을 뿐만 아니라, 오일 담금질 등의 일반적인 담금질 방법에 기초하여, 비록 부품의 냉각이 불균일하게 되는 경우라도, 열처리 변형이 작게 억제되는 강에 관하여 광범위하게 연구를 수행하였다. 그 결과, 본 발명자들은 강의 화학 성분, 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms점), 조미니(Jominy) 방식의 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질성을 적절한 범위로 제어함으로써 열처리 변형이 작게 억제되는 것을 알아내었다.

따라서, 본 발명의 목적은 자동차나 산업기계 등에 사용되는 기어나 샤프트 등의 동력 전달용의 부품으로서 사용되는 기계 구조용 강으로 이루어지는 열처리 변형이 작은 강재를 제공하는 것이다.

본 발명의 일태양에 따르면, 열처리 변형이 작은 기계 구조용 강재에 있어서, 상기 강재는, 질량%로,

C: 0.20~0.30%,

Si: 0.10~1.50%,

Mn: 0.10~1.20%,

P: 0.030% 이하,

S: 0.030% 이하,

Cr: 1.30~2.50%,

Cu: 0.30% 이하,

Al: 0.008~0.300%,

O: 0.0030% 이하,

N: 0.0020~0.0300%

를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 기계 구조용 강으로서,

상기 강으로 이루어지는 강재의 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms점)는 460℃ 이하이며,

상기 강재에 대한 조미니(Jominy)식 일단 담금질법에 의해 측정되는 강재의 담금질단으로부터 거리 1.5 mm에서의 경도인 J1.5 및 거리 9 mm에서의 경도인 J9를 사용하여, 하기의 식(1)에 의해 산출된 (J9/J1.5)의 값이 0.70~0.85의 범위에 있고,

또한 거리 1.5 mm에서의 경도인 J1.5 및 거리 11 mm에서의 경도인 J11를 사용하여, 하기의 식(2)에 의해 산출된 (J11/J1.5)의 값이 0.67~0.78의 범위에 있는,

열처리 변형이 작은 기계 구조용 강재가 제공된다.

- 식(1): (J9/J1.5) = (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터 거리 9 mm에서의 경도) ÷ (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터 거리 1.5 mm에서의 경도)

- 식(2): (J11/J1.5) = (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터 거리 11 mm에서의 경도) ÷ (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터 거리 1.5 mm에서의 경도)

본 발명의 바람직한 일태양에 따르면, 열처리 변형이 작은 기계 구조용 강재에 있어서, 상기 강재는, 질량%로,

C: 0.20~0.30%,

Si: 0.10~1.50%,

Mn: 0.10~1.20%,

P: 0.030% 이하,

S: 0.030% 이하,

Cr: 1.30~2.50%,

Cu: 0.30% 이하,

Al: 0.008~0.300%,

O: 0.0030% 이하,

N: 0.0020~0.0300%

를 함유하고,

또한 Ni: 0.20~3.00% 및 Mo: 0.05~0.50% 중 1종 또는 2종을 함유하고,

잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 기계 구조용 강재로서,

또한, 상기 강재의 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms점)는 460℃ 이하이며,

상기 강재에 대한 조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 강재의 담금질단으로부터 거리 1.5 mm에서의 경도인 J1.5 및 거리 9 mm에서의 경도인 J9를 사용하여, 상기의 식(1)에 의해 산출된 (J9/J1.5)의 값이 0.70~0.85의 범위에 있고,

또한 거리 1.5 mm에서의 경도인 J1.5 및 거리 11 mm에서의 경도인 J11를 사용하여, 상기의 식(2) 에 의해 산출된 (J11/J1.5)의 값이 0.67~0.78의 범위에 있는,

열처리 변형이 작은 기계 구조용 강재가 제공된다.

본 발명의 다른 일태양에 따르면, 열처리 변형이 작은 기계 구조용 강재로서, 상기 강재는, 질량%로,

C: 0.20~0.30%,

Si: 0.10~1.50%,

Mn: 0.10~1.20%,

P: 0.030% 이하,

S: 0.030% 이하,

Cr: 1.30~2.50%,

Cu: 0.30% 이하,

Al: 0.008~0.300%,

O: 0.0030% 이하,

N: 0.0020~0.0300%

를 함유하고,

또한 Ti: 0.020~0.200% 및 Nb: 0.02~0.20% 중 1종 또는 2종을 함유하고,

또한 거리 1.5 mm에서의 경도인 J1.5 및 거리 11 mm에서의 경도인 J11를 사용하여, 상기의 식(2)에 의해 산출된 (J11/J1.5)의 값이 0.67~0.78의 범위에 있는,

열처리 변형이 작은 기계 구조용 강재가 제공된다.

본 발명의 다른 일태양에 따르면, 열처리 변형이 작은 기계 구조용 강재에 있어서, 상기 강재는, 질량%로,

C: 0.20~0.30%,

Si: 0.10~1.50%,

Mn: 0.10~1.20%,

P: 0.030% 이하,

S: 0.030% 이하,

Cr: 1.30~2.50%,

Cu: 0.30% 이하,

Al: 0.008~0.300%,

O: 0.0030% 이하,

N: 0.0020~0.0300%

를 함유하고,

또한 Ni: 0.20~3.00% 및 Mo: 0.05~0.50% 중 1종 또는 2종을 함유하고,

열처리 변형이 작은 기계 구조용 강재가 제공된다.

C: 0.20~0.30%,

Si: 0.10~1.50%,

Mn: 0.10~1.20%,

P: 0.030% 이하,

S: 0.030% 이하,

Cr: 1.30~2.50%,

Cu: 0.30% 이하,

Al: 0.008~0.300%,

O: 0.0030% 이하,

N: 0.0020~0.0300%,

Ni: 0~3.00%,

Mo: 0~0.50%

Ti: 0~0.200%,

Nb: 0~0.20%

를 포함하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고,

상기 강재는 460℃ 이하의 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms점)를 가지고,

조미니식 일단 담금질법에 의해 측정될 때, 상기 강재의 담금질단으로부터 거리 1.5 mm에서의 경도 J1.5에 대한, 상기 강재의 담금질단으로부터 거리 9 mm에서의 경도 J9의 비(J9/J1.5)가 0.70~0.85의 범위에 있고, 또한 상기 강재의 담금질단으로부터 거리 1.5 mm에서의 경도 J1.5에 대한, 상기 강재의 담금질단으로부터 거리 11 mm에서의 경도 J11의 비(J11/J1.5)가 0.67~0.78의 범위에 있는, 기계 구조용 강재가 제공된다.

본 발명의 바람직한 일태양에 따르면, 상기 강재는 Ni, Mo, Ti 및 Nb를 실질적으로 포함하지 않든가 또는 불가피한 불순물의 수준으로 포함한다.

본 발명의 바람직한 일태양에 따르면, 상기 강재는, 질량%로, Ni: 0.20~3.00%, 및 Mo: 0.05~0.50% 중 1종 또는 2종을 포함한다.

본 발명의 바람직한 일태양에 따르면, 상기 강재는, 질량%로, Ti: 0.020~0.200%, 및 Nb: 0.02~0.20% 중 1종 또는 2종을 포함한다.

본 발명의 바람직한 일태양에 따르면, 상기 강재는, 질량%로, Ni: 0.20~3.00% 및 Mo: 0.05~0.50% 중 1종 또는 2종; 및 Ti: 0.020~0.200% 및 Nb: 0.02~0.20% 중 1종 또는 2종을 포함한다.

이하 본 발명을 구체적으로 설명한다. 또한, 각 성분의 "%"는 질량%를 나타낸다.

본 발명에 따른 열처리 변형이 작은 기계 구조용 강재는, 질량%로, C: 0.20~0.30%, Si: 0.10~1.50%, Mn: 0.10~1.20%, P: 0.030% 이하, S: 0.030% 이하, Cr: 1.30~2.50%, Cu: 0.30% 이하, Al: 0.008~0.300%, O: 0.0030% 이하, N: 0.0020~0.0300%, Ni: 0~3.00%, Mo: 0~0.50%, Ti: 0~0.200%, Nb: 0~0.20%를 포함하고(comprising), 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 바람직하게는 이들 원소 및 불가피한 불순물로 실질적으로 이루어지고(consisting essentially of), 더 바람직하게는 이들 원소 및 불가피한 불순물만으로 이루어진다(consisting of).

C: 0.20~0.30%

C는, 기계 구조용 부품으로서 강재의 담금질/템퍼링 후의 강도 또는 침탄/담금질/템퍼링 후의 심부 강도를 확보하기 위해 필요한 원소이며, 열처리 변형을 작게 하기 위해 소정 범위로 조정할 필요가 있다. C의 함유량이 0.20% 미만에서는 강도를 확보하지 못하고, 0.30%를 초과하면 열처리에 의한 변형이 지나치게 커지게 된다. 그래서 C의 함유량은 0.20~0.30%로 하고, 바람직하게는 0.22~0.27%로 한다.

Si : 0.10~1.50%

Si는, 탈산에 필요한 원소인 동시에, 강철에 필요한 강도 및 담금질성을 부여하기 위해 유효한 원소이다. 그러나, Si의 함유량이 0.10% 미만에서는 그러한 효과를 얻을 수 없고, 1.50%를 초과하면 기계 가공성을 저하한다. 그래서 Si의 함유량은 0.10~1.50%로 하고, 바람직하게는 0.20~1.00%로 한다.

Mn : 0.10~1.20%

Mn는, 담금질성을 확보하기 위해 필요한 원소이다. 그러나, Mn의 함유량이 0.10% 미만에서는 담금질성에 대한 효과를 충분히 얻을 수 없고, 1.20%를 초과하면 기계 가공성을 저하한다. 그래서 Mn의 함유량은 0.10~1.20%로 하고, 바람직하게는 0.20~0.80%, 더 바람직하게는 0.20~0.55%로 한다.

P: 0.030% 이하

P는, 스크랩(scrap)으로부터 함유되는 불가피한 원소이지만, 입계 편석(grain boundary segregation)하여 충격 강도나 굽힘 강도 등의 특성을 저하한다. 그래서 P의 함유량은 0.030% 이하(0%를 포함)로 하고, 전형적으로는 0% 초과 및 0.030%이하로 한다.

S: 0.030% 이하

S는, 피삭성(machinability)을 향상시키는 원소이지만, 비금속 개재물인 MnS를 생성하여 횡방향 인성 및 피로 강도를 저하한다. 그래서, S의 함유량은 0.030% 이하(0%를 포함)로 하고, 전형적으로는 0% 초과 및 0.030% 이하로 한다.

Cr : 1.30~2.50%

Cr는, 담금질성을 확보하기 위해 필요한 원소이다. 그러나, Cr의 함유량이 1.30% 미만에서는 담금질성에 대한 효과를 충분히 얻을 수 없고, 2.50%를 넘으면 침탄을 저해하고, 또한 기계 가공성도 저하한다. 그래서 Cr의 함유량은 1.30~2.50%로 하고, 바람직하게는 1.50~2.25%로 한다.

Ni : 0.20~3.00%

Ni는, 담금질성 및 인성을 향상시키는 임의 원소이며, 그러한 효과를 얻기 위해서는 0.20% 이상의 첨가가 바람직하다. 그러나, Ni의 함유량이 3.00%를 초과하면 가공성이 현저하게 저하되고, 또한 비용이 상승되기 때문에, 3.00% 이하로 한다. 그래서 Ni의 함유량은 0.20~3.00%로 한다.

Mo : 0.05~0.50%

Mo는, 담금질성 및 인성을 향상시키는 임의 원소이며, 그러한 효과를 얻는데에는 0.05% 이상의 첨가가 바람직하다. 그러나, Mo의 함유량이 0.50%를 초과하면 가공성이 저하된다. 그래서, Mo의 함유량은 0.05~0.50%로 한다.

Cu: 0.30% 이하

Cu는, 스크랩으로부터 함유되는 불가피한 원소이지만, 시효성(aging property)을 가지며, 강도를 상승시키는 효과가 있다. 그러나, Cu의 함유량은 0.30%를 초과하면 열간 가공성을 저하한다. 그래서, Cu의 함유량은 0.30% 이하(0%를 포함)로 하고, 전형적으로는 0% 초과 및 0.30% 이하로 한다.

Al: 0.008~0.300%

Al는, 탈산재로서 사용되는 원소이며, 또한 후술하는 바와 같이 N와 결합하여 AlN로서 석출되어, 결정입자의 조대화(coarsening) 억제 효과를 가져온다. 이러한 효과를 얻기 위해, Al를 0.008% 이상 첨가할 필요가 있다. 한편, Al를 0.300%를 초과하여 첨가하면 대형의 알루미나계 개재물을 형성하여, 피로 특성 및 가공성이 저하된다. 그래서, Al의 함유량은 0.008~0.300%로 하고, 바람직하게는 0.014~0.200%로 한다.

O: 0.0030% 이하

O는, 강 내에 불가피하게 함유되는 원소이다. 그러나, O가 0.0030%를 초과하여 함유되면 산화물의 증가에 의한 가공성이나 피로 강도의 저하를 초래한다. 그래서 O의 함유량은 0.0030% 이하(0%를 포함)로 하고, 바람직하게는 0.0020% 이하(0%를 포함)로 한다. 또한, 전형적으로는 0% 초과 및 0.0030% 이하, 바람직하게는 0% 초과 및 0.0020% 이하로 한다.

N: 0.0020~0.0300%

N는, 강 내에서 AlN이나 Nb 질화물로서 미세 석출되고, 결정입자의 조대화를 방지하는 효과를 가져오는 원소이며, 그러한 효과를 얻기 위해서는 Ni를 0.0020% 이상 첨가할 필요가 있다. 그러나, Ni의 함유량이 0.0300%를 초과하면 질화물이 증가하고, 피로 강도나 가공성이 저하된다. 그래서, N의 함유량은 0.0020~0.0300%로 하고, 바람직하게는 0.0020~0.0200%로 한다. 단, 특히 Ti를 0.020% 이상 함유하는 강철에 있어서는, TiN의 과잉 생성에 의한 피로 강도의 저하를 피하기 위해, N의 함유량은 0.0020~0.0100%로 한다.

Ti : 0.020~0.200%

Ti는, 강 내의 C와 결합하여 탄화물을 미세 형성하고, 결정입자의 조대화를 방지하는 효과를 가져오는 임의 원소이지만, 그러한 효과를 얻기 위해서는, Ti를 0.020% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 한편, Ti의 함유량이 0.200%를 초과하면 기계 가공성을 손상시킬 수 있다. 그래서, Ti의 함유량은 0.020~0.200%로 한다.

Nb : 0.02~0.20%

Nb는, 탄화물 또는 질화물을 형성하고, 결정입자의 조대화 방지 효과를 가져오는 임의 원소이다. 특히 강 내에 미세하게 분산된 나노-오더 사이즈(nanometer-order size)의 NbC 또는 Nb(C, N)가 결정입자의 성장을 억제한다. Nb의 함유량이 0.02% 미만에서는, 그러한 효과는 얻어지지 않고, 0.20%를 초과하면 석출물의 양이 과잉되어 가공성이 저하된다. 그래서, Nb의 함유량은 0.02~0.20%, 바람직하게는 0.02~0.12%로 한다.

또한, 상기 성분의 한정 이유 이외의 Ms점 및 조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질성의 한정 이유에 대하여 설명한다.

Ms점: 460℃ 이하

본 발명에 따른 강재에서는, 강재의 열처리 변형을 작게 하기 위해, 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms점)를 460℃ 이하로 규제할 필요가 있다. Ms점을 460℃ 이하로 규제함으로써 열처리 변형을 작게 할 수 있는 이유는, 담금질했을 때에 부품의 냉각이 설사 불균일하더라도, 냉매의 냉각 성능이 높은 온도 영역에서, 마르텐사이트 변태가 발생하는 것을 회피할 수 있어서, 그 결과, 마르텐사이트 변태의 시기가 부품의 부위에 따라 크게 어긋나는 것이 억제될 수 있기 때문이다. 그래서 Ms점을 460℃ 이하로 규제하고, 바람직하게는 Ms점을 450℃ 이하로 규제한다. 그리고, 이 경우 열처리 변형이란 축 모양 부품의 휨이나 기어의 톱니가 무너지거나 비틀리는 것이다.

( J9 / J1 .5)의 값: 0.70~0.85

( J11 / J1 .5)의 값: 0.67~0.78

조미니식 일단 담금질법에 의해 측정했을 때, 강재의 담금질단으로부터의 거리 1.5 mm에서의 경도 J1.5에 대한, 상기 강재의 담금질단으로부터의 거리 9 mm에서의 경도 J9의 비(J9/J1.5)가 0.70~0.85의 범위 내에 있고, 강재의 담금질단으로부터의 거리 1.5 mm에서의 경도 J1.5에 대한, 상기 강재의 담금질단으로부터의 거리 11 mm에서의 경도 J11의 비(J11/J1.5)가 0.67~0.78의 범위 내에 있으면, 강재의 열처리 변형을 작게 억제할 수 있다. 여기에서 말하는 열처리 변형이란, 담금질 후의 축 모양 부품의 휨이나 기어의 톱니가 무너지거나 비틀리고, 또한, 담금질 전후에서의 부품의 치수(길이, 직경, 두께 등)의 변화이다. 그리고, 조미니 담금질성을 적절한 범위로 제어함으로써 열처리 변형이 억제되는 메커니즘에 대해서는, 아직도 충분히 해명할 수 없지만, 조미니 담금질성이 너무 낮거나 너무 높아도 열처리 변형이 증대되는 것이 본 발명자들에 의해 실험적으로 확인되어 있다. 이론에 구속되는 것은 아니지만, 이 범위의 조미니 담금질성을 가지는 강에서는, 담금질의 냉각 과정에서 마르텐사이트 변태에 앞서 베이나이트 변태가 적당히 일어나서, 강재 강도가 높아지고, 어느 정도 변형이 어렵게 된 상태로부터 마르텐사이트 변태가 개시되기 위해 열처리 변형이 억제되는 것으로 생각된다. 한편, 담금질성이 너무 낮은 경우에는, 베이나이트 변태가 과잉으로 발생되기 때문에, 베이나이트 변태 자체의 영향에 의해 열처리 변형이 증대되고, 또한 담금질성이 너무 높은 경우에는, 열처리 변형을 완화하는 베이나이트 조직이 적기 때문에 역시 열처리 변형이 증대된다고 생각된다.

전술한 바와 같은 강 성분의 한정, Ms점의 한정, 및 조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질성의 한정에 의해, 강재를 부품으로 가공한 후, 부품을 경화시키기 위한 담금질이나 침탄/담금질을 수행한 경우의 열처리 변형을 작게 하는 것이 가능하다. 그 결과, 본 발명은 부품 수율의 향상, 부품 교정 공정의 간략화나 폐지, 또는 소음 및 진동 대책을 위한 기어의 톱니면 연삭의 생략이 기대되는 유익한 효과를 얻을 수 있다.

실시예

본 발명에 따른 강재를 이하의 예를 참조하여 구체적으로 설명한다.

자동차나 산업기계 등에 사용되는 기어나 샤프트 등의 동력 전달용 부품으로서 사용되는 기계 구조용 강을 얻기 위해, 표 1에 나타낸 발명예 No. 1~23의 성분 조성과, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 강을 진공 유도 용해로에 의해 용제하여, 100 kg의 강괴(steel ingot)를 얻었다.

[표 1]

상기 본 발명예와 마찬가지로, 자동차나 산업기계 등에 사용되는 기어나 샤프트 등의 동력 전달용의 부품으로서 사용되는 기계 구조용 강으로서, 표 2에 나타낸 비교예 No. 1~16의 성분 조성과, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 강을 진공 유도 용해로에 의해 용제하여, 100 kg의 강괴를 얻었다.

[표 2]

우선, 이러한 본 발명예 및 비교예의 용제된 강괴를, 1250℃에서 5시간 가열한 후, 직경 32 mm의 봉강으로 단조 신장하였다. 그런 다음, 900℃에서 1.5시간 가열 유지한 후에 공냉하는 노말라이징(normalizing)을 수행하였다. 이어서, 직경 32 mm의 봉강으로부터 직경 20 mm, 길이 80 mm의 시험편을 제작하여, 그 시험편의 측면에 깊이 5 mm, 폭 8 mm, 길이 80 mm의 홈을 가공하였다. 이러한 홈 가공에 의해 담금질했을 때 시험편 내의 부위에 따라 냉각 속도에 크게 차이가 나도록 했다. 또한, 홈 가공 후에 시험편의 길이를 측정했다. 또한 시험편 단부로부터 2 mm, 20 mm, 및 시험편 길이의 중앙인 40 mm의 각 위치에서의 반경 및 홈 폭을 측정했다. 이어서, 이러한 시험편을 930℃에서 침탄한 후, 노 내에서 850℃까지 온도를 떨어뜨려서 1시간 유지한 다음 60℃의 담금질유 내로 담금질하였다. 담금질 후, 충분히 차가워진 시험편에 대하여, 시험편의 휨, 길이, 및 시험편 단부로부터 2 mm, 20 mm, 및 시험편 길이의 중앙인 40 mm의 각 위치에서의 반경 및 홈 폭을 측정했다.

또한, 열처리 후의 휨에 대해서는, 시험편의 양단을 V 블록에서 유지하고, 시험편을 한바퀴 회전시켰을 때의 시험편의 중앙부의 원주 상의 최대 변위와 최소 변위를 다이얼 게이지로 측정하고, 최대 변위와 최소 변위의 차를 2로 나누어서 구했다. 이렇게 측정했을 때, 시험편의 원주 상에 존재하는 홈의 바닥 부분의 변위는 무시하는 것으로 했다. 또한, 열처리 변형의 지표로서, 열처리 전후의 시험편의 길이의 차이를 구하여, 그 절대값을 평가했다. 또한, 시험편 단부로부터 2 mm, 20 mm, 및 시험편 길이의 중앙인 40 mm의 합계 3개소의 각 위치에서 열처리 전후의 반경, 및 홈 폭의 치수 측정 결과로부터, 각 개소의 열처리 전후의 반경, 및 홈 폭의 치수 변화량을 구한 다음, 그 3개소에서의 치수 변화량 중 최대값에서 최소값을 뺀 값을, 각각 반경 변화량 및 홈 폭 변화량으로 정의하여, 이것을 열처리 변형의 지표로서 평가했다.

또한, 상기 노말라이징 후의 직경 32 mm의 봉강으로부터, 직경 3 mm, 길이 10 mm인 시험편을 분할해 내어, 강재의 마르텐사이트 변태 개시 온도인 Ms점을, 전자동 변태 기록 측정 장치를 사용하여 측정했다. 본 실시예에서 Ms점은, 부품의 냉각 과정을 가정한 조건 하에서 실측 측정되는 것이며, 본 실시예에서는, 상기 직경 20 mm의 홈을 가진 시험편의 오일 온도 60℃의 경우의 오일 담금질을 가정하여, 담금질 시의 냉각 속도를 30℃/s로 측정했다. 강재의 조미니식 일단 담금질법에 의한 담금질성의 측정에 대해서는, 상기 단조 신장한 직경 32 mm의 봉강으로부터 시험편을 제작하고, JIS G 0561에 규정되는 "강철의 담금질성 시험 방법(일단 담금질 방법)"에 준한 조건 하에서 시험을 수행하여 평가했다.

표 3에 본 발명예의 강에 대하여 측정된 Ms점, 조미니식 일단 담금질법으로 측정한 담금질단으로부터의 거리 1.5 mm에서의 경도인 J1.5, 거리 9 mm에서의 경도인 J9 및 거리 11 mm에서의 경도인 J11의 각각의 값, 또한, 구해진 (J9/J1.5)의 값 및 (J11/J1.5)의 값을 나타낸다. 또한, 상기 시험편의 담금질 후에 평가한 휨(단위 mm), 열처리 전후의 시험편의 길이 차이의 절대값(단위 mm), 및 상기 방법에 의해 구한 열처리 전후의 시험편의 반경 변화량(단위 mm) 및 홈 폭 변화량(단위 mm)을 나타낸다. 발명예 No. 1~23의 강재에서는, 표 3에 나타낸 바와 같이, 마르텐사이트 변태 개시 온도, 즉 Ms점이 388~444℃의 범위에 있고, 이 강재의 (J9/J1.5)인 아래에 나타낸 식(1)의 값이 0.72~0.85의 범위에 있고, (J11/J1.5)인 아래에 나타낸 식(2)의 값이 0.67~0.78의 범위에 있고, 열처리 후의 휨은 0.005~0.030 mm이며, 열처리 전후의 시험편의 길이 차이의 절대값은 0.003~0.023 mm이며, 열처리 전후의 반경 변화량은 0.002~0.008 mm이며, 열처리 전후의 홈 폭 변화량은 0.011~0.024 mm였다.

식(1): (J9/J1.5) = (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터의 거리 9 mm에서의 경도) ÷ (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터의 거리 1.5 mm에서의 경도)

식(2): (J11/J1.5) = (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터의 거리 11 mm에서의 경도) ÷ (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터의 거리 1.5 mm에서의 경도)

[표 3]

마찬가지로, 표 4에 비교예의 강의 측정된 Ms점, 조미니식 일단 담금질법에 의해 측정한 담금질단으로부터의 거리 1.5 mm에서의 경도(HRC)인 J1.5, 거리 9 mm에서의 경도(HRC)인 J9, 및 거리 11 mm에서의 경도(HRC)인 J11인 조미니 담금질성, 또한 구해진 (J9/J1.5)의 값 및 (J11/J1.5)의 값을 나타낸다. 또한, 상기 시험편의 담금질 후의 휨(단위 mm), 및 열처리 전후의 시험편의 길이 차이의 절대값(단위 mm), 및 상기 방법에 의해 구해진 열처리 전후의 시험편의 반경 변화량(단위 mm), 및 홈 폭 변화량(단위 mm)을 나타낸다.

[표 4]

상기 발명예 No. 1~23에서는, 강재의 Fe 및 Ni, Mo 이외의 불가피한 불순물을 제외한 조성 범위는 표 1에 나타나 있고, Ms점을 460℃ 이하의 388~444℃로 하고, 조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질성을 적절히 제어하여, 식(1)으로부터 계산되는 (J9/J1.5)의 값을 0.72~0.85의 범위로, 식(2)으로부터 계산되는 (J11/J1.5)의 값을 0.67~0.78의 범위로 함으로써, 열처리 후의 시험편의 휨을 0.005~0.030 mm의 작은 범위로, 또한 열처리 전후의 시험편의 길이 차이의 절대값을 0.003~0.023 mm의 작은 범위로, 또한 열처리 전후의 반경 변화량을 0.002~0.008 mm의 작은 범위로, 또한 열처리 전후의 홈 폭 변화량을 0.011~0.024 mm의 작은 범위로 억제할 수 있었다.

이에 대하여, 상기 비교예 No. 1~16에서는, 강재의 Fe 및 Ni, Mo 이외의 불가피한 불순물을 제외한 조성 범위는 표 2에 나타나 있고, No.2, No.16의 2개 예를 제외하고, 나머지의 14개 예는 본 발명의 조성 범위로부터 벗어나는 것이었다. 이러한 No. 1~16 비교예의 강은, 조미니식 일단 담금질법에 의해 측정한 경도로부터 식(1) 및 식(2)에 의해 구해진 (J9/J1.5)의 값이 0.70~0.85의 범위 밖에 있고, 또한 (J11/J1.5)의 값이 0.67~0.78의 범위 밖에 있다. 또한, 이러한 No. 1~16 비교예의 강 중에, 9개 예는 측정된 Ms점이 460℃를 초과하는 것이다. 비교예 1~16는, 열처리 후의 시험편의 휨이 0.050~0.090 mm이며, 모두 발명예의 강에 비해 크다. 또한, 이들 No. 1~16 비교예의 강은, 열처리 전후의 시험편의 길이 차이의 절대값, 또는 열처리 전후의 반경 변화량 및 홈 폭 변화량 중, 어느 하나 이상의 값이 본 발명의 강에 비해 크다. 따라서, 비교예 중에서 열처리 후의 시험편의 휨, 열처리 전후의 시험편의 길이 차이의 절대값, 및 열처리 전후의 반경 변화량 및 홈 폭 변화량의 모두가 본 발명예의 강철과 동등한 것은 1개의 예도 없었다.

Ms점이 본 발명의 청구범위를 만족시키고, (J9/J1.5)의 값 및 (J11/J1.5)의 값이 본 발명의 청구범위를 만족시키는, 본 발명예 No. 1~23은, 열처리 후의 시험편의 휨, 열처리 전후의 시험편의 길이 차이의 절대값, 및 열처리 전후의 반경 변화량 및 홈 폭 변화량이 비교예에 비하여 대체적으로 작고, 열처리 변형이 억제되어 있다. 그리고, 본 발명예의 강재는 침탄, 담금질 등의 부품을 경화시키기 위한 담금질을 수반하는 열처리를 수행한 후, 템퍼링을 수행한 다음 사용된다.

이상으로부터, 본 발명에서의 강 성분의 한정 및 마르텐사이트 변태 개시 온도인 Ms점의 한정 및 조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질성의 한정에 의해, 강재를 부품에 가공한 후, 침탄, 담금질 등 부품을 경화시키기 위한 담금질을 수반하는 열처리를 수행한 경우의 열처리 변형을 작게 할 수 있다. 이 결과, 본 발명에 따른 강재는, 자동차나 산업기계 등에 사용되는 기어나 샤프트 등의 동력 전달용의 부품에 적용할 수 있는 강재이다.

Claims

질량%로,
C: 0.20~0.30%,
Si: 0.10~1.50%,
Mn: 0.10~1.20%,
P: 0.030% 이하,
S: 0.030% 이하,
Cr: 1.30~2.50%,
Cu: 0.30% 이하,
Al: 0.008~0.300%,
O: 0.0030% 이하,
N: 0.0020~0.0300%
를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 구성된 기계 구조용 강으로 이루어진 강재로서,
상기 강재의 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms점)는 460℃ 이하이며,
상기 강재에 대한 조미니(Jominy)식 일단 담금질법에 의해 측정되는 강재의 담금질단으로부터 거리 1.5 mm에서의 경도인 J1.5 및 거리 9 mm에서의 경도인 J9를 사용하여, 하기의 식(1)에 의해 산출된 (J9/J1.5)의 값이 0.70~0.85의 범위에 있고,
또한 거리 1.5 mm에서의 경도인 J1.5 및 거리 11 mm에서의 경도의 J11를 사용하여, 하기의 식(2)에 의해 산출된 (J11/J1.5)의 값이 0.67~0.78의 범위에 있는,
열처리 변형이 작은 기계 구조용 강재:
- 식(1): (J9/J1.5) = (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터 거리 9 mm에서의 경도) ÷ (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터 거리 1.5 mm에서의 경도);
- 식(2): (J11/J1.5) = (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터 거리 11 mm에서의 경도) ÷ (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터 거리 1.5 mm에서의 경도).
질량%로,
C: 0.20~0.30%,
Si: 0.10~1.50%,
Mn: 0.10~1.20%,
P: 0.030% 이하,
S: 0.030% 이하,
Cr: 1.30~2.50%,
Cu: 0.30% 이하,
Al: 0.008~0.300%,
O: 0.0030% 이하,
N: 0.0020~0.0300%
를 함유하고,
또한 Ni: 0.20~3.00% 및 Mo: 0.05~0.50% 중 1종 또는 2종을 함유하고,
잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 구성된 기계 구조용 강으로 이루어진 강재로서,
상기 강재의 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms점)는 460℃ 이하이며,
상기 강재에 대한 조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 강재의 담금질단으로부터 거리 1.5 mm에서의 경도인 J1.5 및 거리 9 mm에서의 경도인 J9를 사용하여, 하기의 식(1)에 의해 산출된 (J9/J1.5)의 값이 0.70~0.85의 범위에 있고,
또한 거리 1.5 mm에서의 경도인 J1.5 및 거리 11 mm에서의 경도인 J11를 사용하여, 하기의 식(2) 에 의해 산출된 (J11/J1.5)의 값이 0.67~0.78의 범위에 있는,
열처리 변형이 작은 기계 구조용 강재:
- 식(1): (J9/J1.5) = (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터 거리 9 mm에서의 경도) ÷ (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터 거리 1.5 mm에서의 경도);
- 식 (2): (J11/J1.5) = (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터 거리 11 mm에서의 경도) ÷ (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터 거리 1.5 mm에서의 경도).
질량%로,
C: 0.20~0.30%,
Si: 0.10~1.50%,
Mn: 0.10~1.20%,
P: 0.030% 이하,
S: 0.030% 이하,
Cr: 1.30~2.50%,
Cu: 0.30% 이하,
Al: 0.008~0.300%,
O: 0.0030% 이하,
N: 0.0020~0.0300%
를 함유하고,
또한 Ti: 0.020~0.200% 및 Nb: 0.02~0.20% 중 1종 또는 2종을 함유하고,
잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 구성된 기계 구조용 강으로 이루어진 강재로서,
상기 강재의 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms점)는 460℃ 이하이며,
상기 강재에 대한 조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 강재의 담금질단으로부터 거리 1.5 mm에서의 경도인 J1.5 및 거리 9 mm에서의 경도인 J9를 사용하여, 하기의 식(1)에 의해 산출된 (J9/J1.5)의 값이 0.70~0.85의 범위에 있고,
또한 거리 1.5 mm에서의 경도인 J1.5 및 거리 11 mm에서의 경도인 J11를 사용하여, 하기의 식(2)에 의해 산출된 (J11/J1.5)의 값이 0.67~0.78의 범위에 있는,
열처리 변형이 작은 기계 구조용 강재:
- 식(1): (J9/J1.5) = (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터 거리 9 mm에서의 경도) ÷ (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터의 거리 1.5 mm에서의 경도);
- 식(2): (J11/J1.5) = (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터 거리 11 mm에서의 경도) ÷ (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터 거리 1.5 mm에서의 경도).
질량%로,
C: 0.20~0.30%,
Si: 0.10~1.50%,
Mn: 0.10~1.20%,
P: 0.030% 이하,
S: 0.030% 이하,
Cr: 1.30~2.50%,
Cu: 0.30% 이하,
Al: 0.008~0.300%,
O: 0.0030% 이하,
N: 0.0020~0.0300%
를 함유하고,
또한 Ni: 0.20~3.00% 및 Mo: 0.05~0.50% 중 1종 또는 2종을 함유하고,
또한 Ti: 0.020~0.200% 및 Nb: 0.02~0.20% 중 1종 또는 2종을 함유하고,
잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 구성된 기계 구조용 강으로 이루어진 강재로서,
상기 강재의 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms점)는 460℃ 이하이며,
상기 강재에 대한 조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 강재의 담금질단으로부터 거리 1.5 mm에서의 경도인 J1.5 및 거리 9 mm에서의 경도인 J9를 사용하여, 하기의 식(1)에 의해 산출된 (J9/J1.5)의 값이 0.70~0.85의 범위에 있고,
또한 거리 1.5 mm에서의 경도인 J1.5 및 거리 11 mm에서의 경도인 J11를 사용하여, 하기의 식(2)에 의해 산출된 (J11/J1.5)의 값이 0.67~0.78의 범위에 있는,
열처리 변형이 작은 기계 구조용 강재:
- 식(1): (J9/J1.5) = (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터 거리 9 mm에서의 경도) ÷ (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터 거리 1.5 mm에서의 경도);
- 식(2): (J11/J1.5) = (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터 거리 11 mm에서의 경도) ÷ (조미니식 일단 담금질법에 의해 측정되는 담금질단으로부터 거리 1.5 mm에서의 경도).