KR0124824B1 - 피로특성이 우수한 침탄강재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 침탄강재의 피로특성을 향상시키기 위해 제안된 것으로, 강종의 성분을 조정하여 침탄처리를 한 다음 열처리 방법을 조정하므로 프로특성이 우수한 침탄강재의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 침탄강재의 제조방법에 있어서, 중량 %로 C : 0.38-0.45%, Cr : 0.5-1.5%, Mo : 0.1-0.3% 잔부 Fe 및 불순물로 조정되는 강재를 통상의 방법으로 침탄처리하여 침탄층표면의 탄소농도가 0.6-0.85%범의가 되도록 한 다음, 500-600℃의 온도범위까지 노냉시키고, 다시 상기 침탄층 표면 탄소농도에서의 Acm온도 ±30℃ 범위로 재가열하며 30분재지 2시간 유지시킨후, 통상의 방법으로 오일급냉 처리하고 뜨임 처리함을 특징으로 하는 피로특성이 우수한 침탄강재의 제조방법을 제공함을 그 요지로 한다.

Description

피로특성이 우수한 침탄강재의 제조방법

제1도는 종래방법으로 적용된 SCM 4강종의 단면조직사진.

제2도는 본 발명의 방법이 적용된 SCM 4강종의 단면조직사진.

제3도 및 제4도는 본 발명의 방법범위를 벗어나 처리된 SCM 4강종의 단면조직사진.

본 발명은 대형부품이나 고하중을 받는 부품에 사용되는 침탄강재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피로특성이 우수한 침탄강재의 제조방법에 관한 것이다.

통상 침탄은 강재의 표면 강화 열처리 방법중의 하나로서, 이와 같은 침탄처리방법에는 고전적인 고체, 액체, 그리고 가스 침탄 방법과 최근에 개발된 이온(Plasma) 그리고 진공 침탄 방법이 있다. 예전에는 침탄이 빠르고 침탄되는 탄소 농도 조절이 용이한 액체 침탄 방법이 널리 사용하였으나, 공해 문제로 인하여 사용이 급격히 감소하는 추세이다. 현재에는 가스 침탄 방법이 상업적으로 가장 널리 사용되고 있다.

일반적으로 침탄 처리에 사용되는 강종은 0.15-0.2% 정도의 탄소량에 경화능을 증가시키기 위하여 Cr, Mo, Ni 등을 첨가한 강종으로서, 그중 KS SNCM21(AISI 8620)이 대표적인 침탄 강종이다. 이와같은 강종을 상기와 같은 여러방법들로 침탄 처리를 하게되면 표면이 침탄으로 인하여 내부보다 고탄소(약 0.8%)가 되므로 급냉을 하게되면 표면침탄층이 고경도(미소 경도 700-800HV)를나타내게되며, 또한 뜨임 마르텐 사이트 조직을 형성하게 된다. 따라서 상기와 같은 침탄처리되고 열처리된 강재들은 내마모성이 증대되고, 다른 한편으로는 강제내부에 잔류 압축 응력이 형성되어 피로특성이 증가하므로 주로 기어류나 사프트류로 사용되는 부품에 침탄 처리하고 있다.

상기와 같은 피로 특성은 경화된 침탄층이 깊을수록, 그리고 입도의 크기가 작을수록 우수항 경향을 나타내므로 침탄층의 깊이와 입도의 크기를 조절하여 피로특성을 향상시킨 여러방법들이 종래 제안되었으며, 그중 대표적인 방법으로는 일본 공개특허공보(소)52-41114호와 일본공개특허공보(평)1-176065호가 있다.

상기 일본공개특허공보(소)52-41114호는 탄소함량이 0.05-0.25%인강을 냉간 가공후 가스 침탄처리시Al,Ti,Nb양을 조절하므로서 입도성장을 역제하는 방법이며,상기 일본공개특허공보(평)1-176065호는 침탄 처리후 급냉하고 나서 다시 재가열하여 급냉하므로서 깊은 침탄층을 얻을 수 있는 방법이다.

그리고 상기한 방법들외에 피로특성을 향상시키기 위한 방법들중 최근에는 탄소 농도조절기의 발전으로 침탄 시간중 처음 반시간중은 약간 고탄소(주로 1.0%)로 침탄시키고, 나머지 반시간은 원하는 탄소량(주로 .08%)으로 침탄 처리하여 동일 시간에 좀더 깊은 침탄층을 얻으려 하는 방법이 널리 사용되고 있다.

그러나 상기와 같은 방법들을 사용하여 침탄처리된 부품이 대형 부품 혹은 고하중을 견뎌내야 하는 부품일 경우에는 강종의 내부 또한 충분한 강도를 가져야 하는데, 일반적으로 사용되는 강재인 저탄소(약 0.2%)침탄 강종은 내부가 충분한 강도를 지니지 못하기 때문에 깊은 침탄층이 요구되며, 그결과 상대적으로 오랜 침탄시간이 필요하게 되어 경제성이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서는 침탄처리된 부품이 내부도 충분한 강도를 지녀야 하므로, 이러한 특성을 만족하는 강조을 조사하였으며, 그 결과 Q.T(Quenching, Tempering)강종으로 널리 사용되는 KS SCM4(AIAI 4140)강종과 같은 중탄소강이 상기 특성을 만족함을 확인하였다. 상기한 중탄소강은 이미 0.4% 정도의 탄소를 함유하고 있으므로 내부도 충분한 강도를 지니게 되고 이에 따라 같은 시간 침탄 처리를 하였을 경우 SNCM21강종과 같은 일반적인 침탄강종(약 0.2% 탄소량)보다 깊은 침탄층 효과를 가져오게 된다.

그러나, 입도 성장 억제 역할을 하는 Ni이 함유되어 있지 않으므로 강재 가격은 저렴한 대신 침탄시 입도 성장으로 말미암아 오히려 SNCM21 강종보다 피로 특성이 저하되는 문제점이 있다.

이에 본 발명자는 상기한 문제점을 해결하기 위해 연구와 실험을 행하고 그 결과 본 발명을 제안하게 된것으로서, 강종의 성분을 조정하여 침탄 처리 한 다음 열처리 방법을 조정하므로서 피로 특성이 우수한 침타강재의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 침탄강재의 제조방법에 있어서, 중량 %로, C : 0.38-0.45%, Cr : 0.5-1.5%, Mo : 0.1-0.3% 잔부 Fe 및 불순물로 조정되는 강재를 통상의 방법으로 침탄처리하여 침탄층표면의 탄소농도가 0.6-0.85%범의가 되도록 한 다음, 500-600℃의 온도범위까지 노냉시키고, 다시 상기 침탄층 표면 탄소농도에서의 Acm온도 ±30℃ 범위로 재가열하며 30분재지 2시간 유지시킨후, 통상의 방법으로 오일급냉 처리하고 뜨임 처리함을 특징으로 하는 피로특성이 우수한 침탄강재의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명에서 침탄 강재중의 탄소 농도는 중량%로, 0.38-0.45% 범위로 제한함이 바람직한데, 그 이유는 상기 탄소농도가 0.38% 미만일 경우에는 내부 충분한 강도를 지니지 못하고 일반적인 저탄소강과 효과가 비슷하게 되며, 상기 탄소농도가 0.45%를 초과할 경우에는 내부의 인성이 줄어들고 침탄시 잔류 압축 응력의 형성이 저하할 우려가 있기 때문이다.

상기 탄소강재중 경화능을 증가시키기 위해 첨가되는 Cr과 Mo의 농도는 중량%로 Cr : 0.5-1.5%, Mo : 0.1-0.3%로 제한함이 바람직한데, 그 이유는 다음과 같다. 상기 Cr 및 Mo의 농도가 하한값 미만일 경우에는 경화능을 얻을 수 없으며, 상한값을 초과할 경우에는 경화능 향상의 효과는 있으나 첨가되는 원소가 고가인 관계로 원가 상승의 문제점이 있기 때문이다.

본 발명에서는 상기와같이 조성되는 강재를 통사의 방법인 약 0.8% 탄소분위기하에서 900-930℃ 온도 범위로 유지하므로서 침탄재 표면으로부터 1mm깊이까지의 경도가 약550Hv가 되도록 침탄처리하여, 침탄층표면의 탄소농도가 0.6-0.85% 범위가 되도록 해야만 한다. 그 이유는 상기 침탄층 표면의 탄소농도가 0.6% 미만을 경우에는 침탄효과가 감소하여, 상기 침탄표면 탄소농도가 0.85%를 초과할 경우에는 강제 표면에 카바이드가 생성될 우려가 크기 때문이다.

이때, 침틴처리는 침탄표면의 탄소농도가 상기 농도범위가 되도록 하기만하면 어떤 방법으로 행하여도 무방하다.

침탄층표면이 상기와 같은 탄소농도범위를 갖도록 침탄처리된 강재는 500-600℃까지 노냉함이 바람직한데, 그 이유는 상기 노냉온도가 500℃이하일 경우에는 급격한 온도변화에 의한 변형이 증대할뿐만 아니라 전체공정시간이 늘어나기 때문이며, 상기 노냉온도가 600℃이상일 경우에는 입도저하 효과가 감소하기 때문이다.

상기와같은 온도범위까지 노냉된 침탄강재는 상기 침탄층 표면 탄소농도(0.6-0.85%)에서의 Acm온도±30℃범위로 재가열되고 30분내지 2시간동안 유지됨이 바람직하다.

그이유는 상기 재가열온도를 Acm온도 -30℃보다 낮게하여 재가열하게되면 침탄층이 와전히 오스테나이트화가 이루어지지않아서 침탄층에서의 입도감소 효과는 증가하지만 잔류페라이트가 형성되게 되는 문제점이 있으며, Acm온도 +30℃보다 높은 온도까지 재가열하게 되면 온도변화에 따른 변형이 증가하며 입도 감소 효과가 떨어지는 문제점이 있기 때문이다.

또한, 이와같이 재가열된 강재는 재가열온도에서 30분 내지 2시간 유지함이 적당한데, 그 이유는 상기 유지시간이 30분이하로 너무짧을 경우에는 입도감소를 기대할 수 없으며, 2시간이상의 장시간은 공정시간이 늘어나서 경제성이 저하되기 때문이다. 이때 유지시간은 제품크기에 좌우된다고 할수 있으나 보통 30분 내지 2시간이면 충분하다.

한편, 상기와같이 재가열되고 그 온도로 소정시간 유지된 강재는 통상의 침탄 강재 열처리 방법인 오일에 침적하여 오일온도까지 급냉시킨 다음 뜨임처리한다. 이때 상기 오일의 온도는 상온 -120℃ 범위가 적당하다.

그 이유는 오일의 온도가 120℃이상으로 너무 높게되면 급냉시 잔류오스테나이트의 형성이 증가하여 피로특성이 저하할 우려가 크며, 상온이하로 낮을 경우에는 조직중에 잔류 오스테나이트가 거의 존재하지 않게 되어 본 발명에서 목적하는 조직을 얻지 못할 우려가 있기 때문이다.

그리고 상기 뜨임처리시 온도는 시편 크기 2cm²당 1시간씩하여 150-180℃가 적당하다. 그 이유는 상기 뜨임온도가 150℃이하일 경우에는 뜨임효과가 없어 재료가 취약(brittle)하며, 180℃ 이상일 경우에는 표면 조직이 침탄조직이 아닌 다른조직으로 변하여 경도가 저하되기 때문이다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

KS SCM4(0.38-0.45% C, 0.5-1.5% Cr, 0.1-0.3% Mo)강종과 KS SNCM21(0.17-0.23% C, Cr-Mo-Ni강) 강종을 870℃에서 소준(normalizing)처리한후, 질소, 메탄올 및 2% 롤루엔으로 조성되는 침탄가스 분위기의 피트(pit)형 침탄로에서 4시간동안 가스침탄 처리하여 침탄층표면의 탄소농도가 하기표 1과 같이 되도록 하였다. 이때, 침탄온도는 925℃였으며, 침탄 분위기 가스의 탄소농도는 0.75-0.8%로 하였다.

상기와같은 침탄 처리된 강종은 하기표 1의 노냉온도 및 재가열온도로 후처리한후, 상온의 오일로 급냉하고 150℃에서 2시간 동안 뜨임처리 하였다.

이때, 종래에는 상기 침탄처리된 강종을 830℃까지 노냉하고 그온도에서 30분가 유지한다음, 바로 상기와같이 오일 급냉하고 뜨임처리한 것이며, 비교예 및 발명예는 하기표 1의 온도까지 노냉하고 재가열하여 그 온도가 30분간 유지한 다음, 상기와같이 오일 급냉하고 뜨임처리 한 것이며, 비교예 및 발명에는 하기표 1의 온도까지 노냉하고 재가열하여 그 온도에서 30분간 유리한 다음, 상기와같이 오일 급냉하고 뜨임처리한 것이다.

그리고 상기 재가열온도는 침탄층 표면 탄소농도가 0.8%인 경우의 Acm온도를 기준으로 하였으며, 이때 SNCM21 강종은 약 840℃이고 SCM4강종은 약 820℃인데 합금원소의 차이에 따라 약간씩 변하게 된다.

상기와같은 방법으로 처리된 강종의 표면경도, 내부경도, 잔류응력, 입도크기 및 피로한계를 측정하고, 그 결과를 하기표 1에 나타내었다.

이때, 표면 경도와 내부경도는 비커서(Viker's)경도계를 잔류응력은 잔류응력 측정기로, 입도크기는 ASTM법으로 피로한계는 피로시험기를 이용하여 측정하였다.

[표 1]

상기 표 1에 나타난 바와 같이 침탄층의 표면경도나 잔류응력은 침탄강종이나 후처리 방법에 무관함을 알수 있다. 그러나 내부경도, 입도크기 및 피로한계특성은 침탄강종이나 후처리 방법과 상당히 밀접한 관련을 가짐을 알수 있다.

즉, 침탄강재를 10mm×10mm×10mm크기로 절편하여 내부경도를 측정한 결과 SNCM21강종은 미소경도가 500Hv가 되는 지점, 즉 침탄층(경화층)이라 볼수있는 층은 불과표면에서 0.8mm에 불과하므로 내부경도가 약 35Hv정도로 나타났으나, SCM 4강종은 침탄층이 충분히 깊어 중심부에서 내부경도 또한 600Hv이상으로 높게 나타났다.

따라서 같은 시간 침탄 처리하였을 경우 중탄소강이 더 깊은 침탄층 효과를 가져오며, 잔류압력 응력도 여전히 존재한다. 또한 내부가 충분한 강도를 지니고 있으므로 대형 부품처리시 적당하다 판단된다.

또한, 침탄처리된 강재를 종래방법으로 후처리할 경우(종래예 1)이면 다른특성은 모두 우수하나 내부경도가 낮으며, 반면에 강종이 SCM4(종래예 2)이면 내부경도는 우수하나, 제1도에서와 같이 입도가 조대해지므로 인해서 프로특성이 저하됨을 알수 있다.

그리고 노냉온도 및 재가열온도를 본 발명의 온도범위로하여 후처리한 경우(비교예 1,2, 발명예 1,2)에는 SNCM21과 SCM4 두강종 모두 종래방법으로 후처리한 경우(비교예 1,2)에 비하여 입도가 감소하는데, 그 종도는 SCM4강종(발명예 1,2)의 입도감소효과가 SNCM21강종(비교예 1,2)보다 현저함을 알수 있다.

그러나 이와같이 입도가 감소되어도 아직은 SNCM21강종(비교예 1,2)보다 조대한 입도를 지니게되어 피로특성이 떨어질것으로 예측되나, 이때에는 깊은 침탄층에 의한 피로특성향상효과에 의해 오히려 재가열 처리한 SNCM21강종보다 우수한 피로특성을 보임을 알수 있다.

제2도는 본 발명예 2의 방법으로 침탄강재를 후처했을 경우의 단면조직사진으로서, 상기 제1도의 종래예 2의 방법으로 후처리한 침탄 강재의 단면조직사진보다 그 입도가 훨씬 감소했음을 보여준다.

한편, 노냉온도를 본 발명의 노냉 온도범위보다 약 100℃이상인 700℃에서 처리한 경우(비교예 3)와 재가열온도를 본 발명의 재강열 온도범위(790-850℃)보다 약 40℃ 이하인 750℃에서 처리한 경우(비교예 4)에는 제3도에서와 같이 내부조직이 전부 뜨임 마르텐 시이트조직이 아닌 군데군데 하얀 페라이트조직을 보이고 있으며, 그 결과 상기표 1에서와 같이 내부경도가 본 발명에 1,2에서의 내부경도보다 200Hv 정도 낮은 값을 보임을 알수 있다.

또한, 노냉온도와 재가열온도도 보다 본 발명의 범위를 벗어난 온도로 후처리한 경우(비교예 5)에는 제4도에서와 같이 페라이트조작이 표면에 모이게되어 상기 표 1에서와 같이 표면경도가 약 500Hv에 불과하여 충분한 표면 경도를 얻을 수 없음을 보여준다.

따라서, 비교예 3,4,5의 침탄 강재들은 표면과 내부에 형성된 페라이트 조직에 의해 표면 및 내부의 경도와 저하됨을 보였으며, 피로 특성 또한 침탄층 전부가 뜨임 마르텐사이트조직을 가지는 발명예 1,2에 비하여 현저하게 낮은 값을 보일 것으로 추정된다.

상술한 바와 같이, SCM4강종을 통상의 방법으로 침탄후 즉시 급냉하지 않고 500-600℃까지 노냉을 시켰다가 침탄층 표면 탄소농도(약 8.0%)에서의 Acm온도 ±30℃ 정도까지 재가열한후 급냉하면 입도가 상당히 감소하므로서 종래 일반적으로 사용되던 침탄강종인 SNCM21 강종보다 우수한 피로특성을 보이게되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 Ni을 포함하지 않은 강종을 사용하므로 경제적일뿐만 아니라 같은 침탄 시간으로 처리할 경우 깊은 침탄층 효과를 가져오며, 내부도 높은 강도를 지니게되므로 대형 부품처리시 더욱 유리한 효과가 있다.

Claims (1)

1. 침탄강재의 제조방법에 있어서, 중량 %로, C : 0.38-0.45%, Cr : 0.5-1.5%, Mo : 0.1-0.3% 잔부 Fe 및 불순물로 조정되는 강재를 통상의 방법으로 침탄처리하여 침탄층표면의 탄소농도가 0.6-0.85%범위가 되도록 한 다음, 500-600℃의 온도범위까지 노냉시키고, 다시 상기 침탄층 표면 탄소농도에서의 Acm온도 ±30℃ 범위로 재가열하며 30분재지 2시간 유지시킨후, 통상의 방법으로 오일급냉 처리하고 뜨임처리함을 특징으로 하는 피로특성이 우수한 침탄강재의 제조방법