KR0141048B1 - 침탄기어용강 - Google Patents

Abstract

중량%로 C 0.18∼0.25%, Si 0.45∼1.00%, Mn 0.40∼0.70%, Ni 0.30∼0.70%, Cr 1.00∼1.50%, Mo 0.30∼0.70%, Cu 0.50% 이하, Al 0.015∼0.030%, V 0.03∼0.30%, Nb 0.010)0.030%, O 0.0015% 이하, N 0.0100∼0.0200%이고, 나머지가 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되며, 침탄후의 820℃ 이상에서 담금질하여도, 침탄강 중심부의 경화된 조직에 페라이트를 형성하는 일이 없으며, 담금질 후 160∼180℃의 온도로 뜨임을 행하고, 이 뜨임온도를 포함하여 300℃까지의 온도중 어느 하나의 온도로 재가열하여서, 침탄, 담금질 및 뜨임 후 침탄강의 침탄층의 경도가 HV 50이상까지 감소되지 않는 것을 특징으로 하는 연화저항을 갖는 침탄기어용강.

Description

침탄기어용강

제1도는 침탄, 담금질 및 뜨임조건의 설명도

제2도는 재가열 시험에 적용되는 열처리 조건의 설명도

제3도는 재가열후의 경도감소 및 Si 함유량의 관계를 나타내는 그래프

제4도는 표1 및 표2의 각 시험재의 중심부에서 침탄 및 담금질을 모사하는 실험에 적용되는 열처리 조건의 설명도

제5도는 시험편의 침탄 및 담금질 조건의 설명도

제6도는 입자계산화층 깊이와 Si 함유량의 관계를 나타내는 그래프

제7(a)도는 로울러 피팅피로시험기의 개략도

제7(b)도는 로울러 피팅피로시험용 시험편의 개략도

제7(c)도는 로울러 피팅피로시험용 부하로울러의 개략도

제8도는 본 발명의 강과 현재 사용강의 피팅피로수명을 나타내는 그래프

제9도는 본 발명의 강과 현재 사용강에 있어서의 시간과, 전동중의 표면경도저하의 변화를 나타내는 그래프

제10도는 제4도에서 나타낸 조건으로 침탄된 금속시험편의 마이크로조직을 나타내는 현미경사진

제11도는 제4도에서 나타낸 조건으로 처리된 현재 사용강의 중심부의 침탄된 마이크로조직을 나타내는 현미경사진

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1:시험편 2:부하로울러

3, 4:맞물림기어 5:베어링

6:커플링 7:전달벨트

8:모터

본 발명은 가스침탄, 담금질 및 뜨임(tempering)공정으로 구성되는 종래의 열처리에 의하여 높은 피로강도 및 내구수명을 실현하는 침탄기어 용강에 관한 것이다.

그 산업상의 이용분야는 기어류를 사용하는 자동차, 건설차량 및 산업기계분야를 포함하여 광범위한 산업을 포함한다.

가스침탄, 담금질 및 뜨임에 의하여 처리된 기어류의 피로강도 및 내구수명을 개선하기 위해서는, 일본국 공개특허 제83848/1922호에 개시된 바와같이 피로균열을 야기시키는 입자계 산화나 불완전담금질층을 감소시키기 위하여 Fe보다 산화하기 쉬운 원소인 Si, Mn 및 Cr등을 강내에서 감소시키고 Fe보다 산화하기 어려운 원소인 Ni, Mo등의 혼합으로 담금질성 및 기계적성질을 조정한다.

또한 이러한 여러 가지 기술들은 고농도침탄, 플라즈마 침탄 또는 과잉 침탄으로 통상 알려져 있는데, 이 침탄시의 포텐셜 기술은 침탄시의 카본 포텐셜(potential)을 증가시킴으로써 강의 표면 일부에 미세한 구형상 탄화물을 석출시켜서 표면의 경도를 증가시키는 기술을 포함한다.

상기 여러 가지 기술들에는 쇼트 피닝(shot peening)에 의하여 잔류표면압축응력을 강에 주어 피로균열의 진행을 지연하는 기술 또한 포함한다.

그러나, 개선하기 위한 상기 모든 기술들은 실제로 사용하기 전의 기어류의 특성에 관계가 되며, 실제 사용, 소위 부과된 부하에서 맞물림사태의 기어를 생각하지 않는다.

특히, 기어의 구동면이 높은 접촉면 압력으로 서로 접촉하면, 사용하기 전의 기어의 특성을 고려함에 의해서만 처리될 수 없는 표면피로현상이 일어난다.

부가적으로 최근의 기어고장에서 기어 소형화의 진행 및 기어소형화의 진행에 따라 접촉면피로가 가장 눈에 뛴다.

보다 구체적으로는 기어의 맞물림 상태 및 실제 사용에 있어서, 기어의 접촉면의 온도가 미끄러짐을 포함하여 접촉면의 압력하에서의 마찰에 의하여 200∼300℃까지 상승하는 것을 생각할 수 있다.

통상 허용되는 바와같이 이러한 고온에 노출되면 사용하기 전의 그것과 비교하여 침탄층의 경도가 감소된다. 침탄층의 경도를 유지하는 것은 표면피로에 대해 가장 중요한 인자이다.

비록 사용전의 침탄층의 경도가 상기 개선을 하기 위한 기술들에 의하여 개선될지라도, 사용중의 마찰열로 인한 침탄층의 경도감소로 표면피로를 가져온다는 아직 해결되지 않은 문제점이 있었다.

본 발명은, 저렴한 비용으로 용이하게 상기 문제점을 해결하기 위하여, 침탄되는 소재로서 강의 화학조성을 조절함으로써, 독특한 열처리에 의하지 않고 종래의 가스침탄, 담금질 및 뜨임공정을 통해서 기어에 연화저항을 제공할 수 있는 침탄기어용강을 개발하였다.

본 발명의 요지는 유효한 연화저항을 갖는 원소인 Si를 이용하는데에 있다.

Si는 C에 대한 화학적 반발력으로 인한 카본의 확산을 지연하는 작용을 하며, 강의 연화의 원인인 탄화물의 응집 및 형성을 억제한다고 생각된다.

그러나, Si는 강한 페라이트안정화원소이며, 강의 γ→α상변태개시온도를 상승시켜서 침탄후의 통상의 담금질 온도에서 탄소함유량이 낮은 중심부 조직에 페라이트의 형성을 일으킨다는 문제점이 있다.

페라이트의 형성은 강의 마이크로조직을 불균일하게 하여 균열을 우선적으로 진전시키기 때문에, 강의 관점에서 매우 바람직하지 않다.

또한 Si는 침탄시에 입자계 산화가 매우 발생되기 쉬운 원소라는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 Si에 관한 상기 문제점을 해결하고, 강의 연화저항에 기여하는 효과가 현저하게 나타나는 강을 제공하기 위한 것이다.

상기 문제를 해결하기 위한 본 발명은, 중량 %로 C 0.18∼0.25%, Si 0.45∼1.00%, Mn 0.40∼0.70%, Ni 0.30∼0.70%, Cr 1.00∼1.50%, Mo 0.30∼0.70%, Cu 0.50% 이하, Al 0.015∼0.030%, V 0.03∼0.30%, Nb 0.010)0.030%, O 0.0015% 이하, N 0.0100∼0.0200%이고, 나머지가 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되며, 침탄후의 820℃ 이상에서 담금질하여도, 침탄강 중심부의 경화된 조직에 페라이트를 형성하는 일이 없으며, 담금질 후 160∼180℃의 온도로 뜨임을 행하고, 이 뜨임온도를 포함하여 300℃까지의 온도중 어느 하나의 온도로 재가열하여서, 침탄, 담금질 및 뜨임 후 침탄강의 침탄층의 경도가 HV 50이상까지 감소되지 않는 것을 특징으로 하는 연화저항을 갖는 침탄기어용강으로 구성된다.

또한 바람직하게는 소재중에 그 피로특성을 현저하게 손상시키지 않고 강의 절삭성을 개선할 수 있는 원소로서, 중량%로 S 0.005∼0.020%, Pb 0.03%∼0.09% 및 Te 0.003%∼0.030%로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 침탄기어용강을 제공한다.

본 명세서에서 모든 퍼센트(%)는 특별히 언급하지 않는 한 중량%이다.

먼저, 본 발명의 출발점은 침탄기어강의 피로강도를 개선하기 위한 기술을 개발하는 것이다.

이러한 개발중 하나의 성과는 상기 일본국 특허공개 제83848/1992호에 개시되어 있다. 그런데, 최근에는 기어에 인가된 접촉면 압력이 증가되어 접촉면피로에 의해 야기되는 손상의 발생이 빈번하였다.

그러므로, 이 발명 이외에도 기어용강의 표면 피로강도를 개선할 목적으로, 기어의 표면접촉에 의하여 발생되는 열향상에 대하여, 침탄층의 경도저하에 대한 저항, 즉 침탄층의 연화저항에 대한 합금원소의 영향을 조사하기 위하여 연구를 실시하였다.

시험재를 준비하기 위하여 표1, 표2에 나타낸 화학성분(중량%)을 갖는 시험강잉고트를 고주파용해로를 이용하여 제조하고 각각 30mm의 지름을 가지도록 열간단조후 920℃에서 1시간동안 노멀라이징 하였다.

이들 각 강을 기계가공하여 25mm의 지름을 갖는 시험편을 얻고, 제1도에 나타낸 조건으로 담금질 및 뜨임을 행하였다. 침탄된 각 시험편에 대하여 제2도에 나타낸 조건으로 재가열처리를 실시하고 시험편의 표면으로부터 50㎛ 깊이의 침탄층의 경도를 측정하였다.

여기서, 시험편의 표면으로부터 50㎛ 깊이의 침탄층의 경도는 간단히 재가열후의 경도라 한다.

220∼300℃에서 재가열후의 경도와 침탄 및 담금질후의 통상의 뜨임온도인 180℃에서의 경도의 차, 즉 연화정도를, 재가열에 의한 경도저하라고 나타낸다.

연화정도의 크기를 기초로하여 연화저항을 평가하였으며, 재가열에 의하여 경도저하가 작으면 작을수록 연화저항이 커진다고 하였다. 제3도는 재가열후의 경도저하와 강의 Si 함유량과의 관계를 나타낸다.

Si 함유량이 낮은 영역에서는 재가열온도가 높으면 높을수록 경도저하거보다 커짐을 알 수 있다. 보다 구체적으로는 재가열온도가 220℃이면, 경도저하가 최대로 HV 50이며 강의 Si 함유량과의 상관 관계는 거의 없다. 재 가열온도가 260℃이면, 경도저하는 Si 함유량이 0.25wt%인 영역에서는 HV 50을 초과한다. 재가열 온도가 300℃이면 경도저하는 더욱 현저하다. 재가열에 의한 경도저하가 HV 50 이하인 소재를 연화저항을 갖는다고 하면, Si 함유량이 적어도 0.45w%이면, 300e 정도의 높은 재가열 온도에서도 연화저항이 나타나는 영역이 존재함을 발견하였다.

한편, 앞서 언급한 바와같이, Si의 첨가는 강의 γ→α상변태개시온도를 상승시켜 주며 침탄후의 담금질시에 페라이트상을 발생시킨다는 문제점이 있다. 이들 문제점을 극복하기 위한 방법으로서, 본 발명에서는 강의 상변태개시온도의 저하에 대하여 오스테나이트안정화원소의 첨가에 의한 확실한 효과를 이용하였다. 특히 합금원소인 Ni에 대하여 페라이트 형성을 억제할 뿐아니라 기어용강에 중요한 특성인 인성의 개선을 기대할 수 있음에 주목하고 Ni의 적용을 시도하였다.

먼저, 표1 및 표2에 나타낸 시험재로부터 제작된 상기 시험편을 제4도에서 나타낸 조건으로 침탄, 담금질 및 뜨임을 실시하였다.

이들 침탄된 각 시험편에 대하여 그 표면으로부터 3mm의 깊이에서 담금질한 후의 미세한 조직을 페라이트 형성을 조사하기 위하여 광학현미경으로 관찰하였다.

조사된 깊이에서 탄소농도는 만족스러울만큼 낮았다. 현미경 조사에 의하여 얻어진 결과는 제10도에 나타낸다. Ni 함유량이 약 0.10w% 정도만큼 낮으면, 약 1.00wt%에 대한 Si 함유량의 증가는 침탄된 마이크로조직에 페라이트형성을 야기시킴을 알 수 있다.(강종류 No. d와 강종류 f의 비교)

그 형성 정도는 820℃의 낮은 담금질 온도에서보다 현저하다.

한편, Si 함유량이 약 1.00w%정도만큼 높을지라도, 약 1.00wt%에 대하여 Ni 함유량이 증가하면, 페라이트형성이 발생하지 않음을 알 수 있다.(강종류 No. f와 강종류 g의 비교)

다음에, 보다 상세하게 Ni의 페라이트형성억제효과를 확인하기 위하여, Si의 함유량 및 Ni의 함유량을 바꾼 실험을 실시하였다. 시험재의 화학성분과 시험편을 기계가공하는 공차는 상기 정한 바와같이 행하고, 시험편의 열처리는 제5동 나타낸 조건으로 행하였다.

열처리후의 각 시험편에 대하여 그 마이크로조직을 광학현미경으로 관찰하여 페라이트의 형성을 조사하였다.

그 결과는 표3에 나타내었다.

여기서, ○는 페라이트 형성이 관찰되지 않았음을 나타내며, △는 소량의 페라이트의 형성이 관찰되었음을 나타내며, X는 많은 양의 페라이트 형성이 관찰되었음을 나타낸다.

이 표는, 비교강 a 및 f, h 및 l과 같이 Ni 함유량을 조정하지 않고 오로지 Si 함유량을 높인 각 강은 HV 이하의 300℃까지의 재가열한 후의 경도저하를 나타내며, 따라서 연화저항을 가지지만, 820∼840℃에서 담금질시에 페라이트가 형성된다는 것을 나타낸다.

본 발명 m 내지 w의 강과 비교강 g의 각각은 Ni 함유량을 조정하고 Si 함유량을 높인 강은 연화저항을 가질 뿐 아니라 담금질온도중 어느 온도에서도 페라이트가 형성되지 않음을 알 수 있었다.

또한 이 표는, 낮은 Si 함유량을 갖는 비교강 c 및 d 및 현재 사용되는 강 x 및 z 각각은 담금질온도중 어느 온도에서도 페라이트가 형성되지 않으며, 비록 HV보다 큰 300℃에서의 재가열후의 경도저하를 나타내고 있지만, 연화저항은 없음을 나타낸다.

상기 결과로부터, 강의 Ni 함유량을 조정함으로써 820℃ 이상의 담금질 온도에서도 페라이트를 형성하지 않고 Si에 의한 연화저항의 개선이 달성될 수 있는 조성범위가 존재함을 알 수 있었다.

○ : 페라이트 형성이 관찰되지 않았음.

△ : 소량의 페라이트의 형성이 관찰되었음.

X : 현저한 페라이트 형성이 관찰되었음.

No.m - 1 : 비교강

No.m - w : 본 발명의 강

No.x - z : 현재 사용하는 강

마지막으로, Si의 첨가에 의한 입자계 산화발생을 연구하였다.

전술한 바와같이 Si는 입자계 산화를 촉진한다고 믿지만, 종래보다도 더 넓은 범위에서 그 거동을 조사한 결과, 입자계 산화발생을 억제하는 조성범위를 확인하였다. 표4는 조사된 시험편의 화학조성(중량%)을 나타낸다. 시험편을 기계가공하는 절차는 상기와 같이 하였으며 제작된 시험편을 제1도에 나타낸 조건으로 침탄 및 담금질하였다. 침탄된 각 시험편에 대하여 그 침탄된 표면을 광학현미경으로 관찰하여 입자계 산화층 깊이를 측정하였다.

제6도는 강의 Si 함유량과 입자계 산화층 깊이의 관계를 나타낸다. 이로부터, Si 함유량이 0.25wt%까지 종래 지적된 바와같이 입자계 산화층 깊이는 비례적으로 깊어지지만, Si 함유량이 상기 그 값을 초과하면 그 깊이는 반대로 얕아지며, Si 함유량이 0.45wt% 이상이면 대략 10㎛로 한정됨을 알 수 있다.

따라서, 연화저항을 가지는 Si 함유량이 0.45wt% 이상의 영역에서는 입자계 산화층 깊이는 문제되지 않음을 알 수 있었다.

이상의 기초연구에 의거하여 Si에 의한 입자계 산화발생의 증가 및 페라이트형성의 문제점을 해결하고 동시에 연화 저항을 개선하여 피로저항이나 내구수명을 개선하는 구체적인 수단을 발견하였다.

따라서, 본 발명은, 중량%로 C 0.18∼0.25%, Si 0.45∼1.00%, Mn 0.40∼0.70%, Ni 0.30∼0.70%, Cr 1.00∼1.50%, Mo 0.30∼0.70%, Cu 0.50% 이하, Al 0.015∼0.030%, V 0.03∼0.30%, Nb 0.010)0.030%, O 0.0015% 이하, N 0.0100∼0.0200%이고, 나머지가 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되며, 침탄후의 820℃ 이상에서 담금질하여도, 침탄강의 중심부의 경화된 조직에 페라이트를 형성하는 일이 없으며, 담금질 후 160∼180℃의 온도로 통상 뜨임을 행하고, 이 뜨임온도를 포함하여 300℃까지의 온도중 어느 하나의 온도로 재가열하여서, 침탄, 담금질 및 뜨임 후 침탄강의 침탄층의 경도가 HV 50이상까지 감소되지 않는 것을 특징으로 하는 연화저항을 갖는 침탄기어용강을 제공하는 것이다.

또한 필요에 따라서, 기어용침탄강은, 소재중에 강의 절삭성을 개선할 수 있는 원소로서, 중량%로 S 0.005∼0.020%, Pb 0.03%∼0.09% 및 Te 0.003%∼0.030%로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 침탄기어용강을 제공한다.

본 발명에 의한 상기 조성에 대하여 그 한정 이유를 하게에서 설명한다.

C : 0.18∼0.25%

기어에 의하여 처리되는 충심부경도 HRC 35 내지 45를 얻기 위하여 적어도 0.18% 이상의 C 첨가가 필요하다. C의 양이 너무 적으면, γ→α상변태개시온도가 현저하게 높고 오스테나이트안정화원소의 첨가에 의한 그 제어가 어렵게 된다.

한편, 과잉의 C 첨가는 중심부경도가 너무 증가하여 담금질후에 표면의 압축잔류응력을 충분히 도입을 할 수 없을 뿐아니라 중심부의 인성을 떨어뜨린다. 이것을 피하기 위해서 상한을 0.25wt%로 한정해야 한다.

따라서, C의 첨가량은 0.18∼0.25%의 범위로 정하였다.

Si : 0.45∼1.00%

본 발명의 강에 첨가되는 가장 중요한 원소이다. 즉, Si는 기어의 전동중에 도달된다고 믿는 200∼300℃의 온도범위에서 연화저항을 가장 효과적으로 높일 수 있는 원소이다. 상기 능력을 효과적으로 발휘하기 위해서 적어도 Si 0.45%가 첨가되는 것이 필요하다. 그러나, Si는 보통 인식하는 바와같이 페라이트안정화원소이며, 과잉의 Si 첨가는 Ac3변태점을 상승하고, 820∼860℃의 범위인 종래의 담금질 온도에서는 탄소함유량이 적은 중심부에서의 페라이트 형성이 현저하게 되며, 강도의 저하를 초래한다.

또한, 과잉의 Si는 침탄성을 감소시키며, 침탄전의 강이 너무 경화됨으로써, 강의 냉각 단조성 및 절삭성을 떨어뜨린다.

따라서, Si의 첨가량은 0.45∼1.00%의 범위로 하였다.

Mn : 0.40∼0.70%

Mn은 강의 담금질성을 보장하기 위하여 적어도 0.40%의 양이 첨가되어야 한다. 그러나, Mn은 입자계 산화발생을 일으키기 쉽다. 이것을 감소시키기 위하여 Mn 양의 상한을 0.70%로 한정해야 한다.

따라서, Mn의 첨가량은 0.40∼0.70%의 범위로 하였다.

Ni : 0.30∼0.70%

본 발명의 강에서 Ni은 Si와 같이 중요한 원소이다. 즉, Ni는 Si와 반대로 오스테나이트 안정화원소이기 때문에, Si의 첨가에 의하여 상승되는 γ→α상변태개시온도를 저하시킨다.

또한 동시에 Ni는 강의 담금질성 뿐만 아니라 중심부 및 침탄층의 인성을 개선하는 원소이다.

이들 효과를 발휘하기 위해서는 Ni는 적어도 0.30%의 양을 첨가해야 한다. 그러나, Ni는 고가의 원소이기 때문에, 과잉의 Ni 첨가는 경제적인 관점에서 바람직하지 않다. 또한 남은 오스테나이트의 형성을 오히려 촉진시킴으로써 강 표면의 경도 저하를 초래한다. 이것을 피하기 위해 Ni양의 상한을 0.70%로 한정해야 한다.

따라서, Ni의 첨가량은 0.30∼0.70%의 범위로 하였다.

Cr : 1.00∼1.50%

Cr은 강의 담금질성을 보장하는데 필요한 원소이다. 또한, 미세한 탄화물의 석출을 기대할 수 있는 원소이다. 이들 원하는 효과를 달성하기 위하여 Cr은 적어도 1.00%의 양이 첨가되어야 한다. 그러나, Cr은 Mn과 같이 입자계 산화발생을 일으키기 쉬운 원소이므로, 과잉의 Cr의 첨가는 중심부가 너무 경화되어, 그 인성을 떨어뜨린다.

이것을 피하기 위하여 Cr양의 상한을 1.50%로 한정해야 한다.

따라서, Cr의 첨가량은 1.00∼1.50%의 범위로 정하였다.

Mo : 0.30∼0.70%

Mo는 Ni와 같이 강의 담금질성 뿐만이 아니라 중심부 및 침탄층의 인성을 개선하는 원소이다. 이들 효과를 발휘하기 위해서는 Mo는 적어도 0.30%의 양이 첨가되어야 한다. 그러나, 과잉의 Mo 첨가는 침탄전의 강의 연화처리가 어렵기 때문에 강의 절삭성을 떨어뜨릴 뿐만이 아니라 중심부가 현저하게 경화되어 그 인성을 떨어뜨린다. 이를 피하기 위하여 Mo양의 상한을 0.70%로 한정해야 한다.

따라서, Mo의 첨가량은 0.30∼0.70%의 범위로 하였다.

Cu : 0.50% 이하

Cu는 400∼500℃ 범위의 비교적 높은 온도에서 석출경화를 기대할 수 있는 원소이다. 심한 온도상승을 일으키는 기어이(齒)면 및 전동접촉면과 같이, 과혹한 조건에서 사용하는 강이나, 제트추진기나 터빈근방에 배치되는 고온 환경, 예를들면 항공기 재료에 사용되는 강에 첨가되는 것이 바람직하다. 그러나, 과잉의 Cu 첨가는 강의 열간 취약성을 증대시키고 강의 침탄성을 떨어뜨린다. 이를 피하기위해서는 Cu 양의 상한을 0.50%로 한정해야 한다.

따라서, Cu의 첨가량은 0.50%이하로 한정한다.

Al : 0.015∼0.030%

Al은 N와 결합하여 AIN을 형성하고 오스테나이트결정의 입자크기를 미세화하는 작용을 하는 원소이며, 미세화 작용을 통하여 침탄층 및 중심부의 인성을 개선하는데 기여한다. 이러한 목적을 위하여 적어도 0.015%의 양의 Al를 첨가할 필요가 있다.

그러나, 과잉의 Al 첨가는 강의 피로강도에 대하여 유해한 함유물인 AlO의 형성을 증가시킨다. 이를 피하기 위하여 Al양의 상한을 0.030%로 한정해야 한다. 따라서, Al의 첨가량은 0.015∼0.030%의 범위로 하였다.

V : 0.03∼0.30%

V는 침탄온도에 가까운 비교적 저온에서도 탄화물을 형성하며 경도개선을 기대할 수 있다. 경도 개선을 달성하기 위하여 적어도 0.03%의 양의 V를 첨가할 필요가 있다. 그러나, 과잉의 V 첨가는 강의 침탄층의 인성을 떨어뜨린다. 이를 피하기 위하여 V양의 상한을 0.30%로 한정해야 한다.

따라서, V의 첨가량은 0.03∼0.30%로 하였다.

Nb : 0.010∼0.030%

Nb은 강내 C 및 N와 결합하여 탄질화물을 형성하고 AIN과 같이 오스테나이트결정의 입자크기를 미세화하는 작용을 하는 원소이다. 미세화 작용을 통하여 침탄층 및 중심부의 인성 개선에 기여한다. 따라서, 첨가되는 Nb의 양은 공존하는 Al 및 N 사이의 양적조절에 따라서 결정된다. 그 양이 너무 적으면, 원하는 효과를 발휘할 수 없다. 따라서, 적어도 0.010%의 양의 Nb이 첨가되는 것이 필요하다. 그러나, 과잉의 Nb 첨가는 입자가 거친 탄질화물을 석출시키고 강의 침탄층의 인성을 떨어뜨린다. 이를 피하기 위하여 Nb양의 상한을 0.030%로 한정해야 한다.

따라서, Nb의 양은 0.010∼0.030%의 범위로 정하였다.

O : 0.0015% 이하

O은 산화물계 함유물로서 강내에 존재하며 강의 피로강도를 떨어뜨리는 원소이다. 따라서, O양의 상한을 0.0015% 이하로 정하였다.

N : 0.0100∼0.0200%

N은 Al 및 Nb과 결합하여 AIN 및 NbCN을 형성하고 오스테나이트 결정의 입자크기를 미세화하는 작용을 하는 원소이다. 미세화 작용을 통하여 침탄층 및 중심부의 인성 개선에 기여한다. 따라서, 첨가되는 N의 양은 공존하는 Al 및 Nb 사이의 양적 조절에 따라서 결정된다. 그 양이 너무 적으면, 원하는 효과를 발휘할 수 없다. 따라서, 적어도 0.0100%의 양의 N이 첨가되는 것이 필요하다. 그러나, 과잉의 N 첨가는 응고시의 강이고트의 표면내 구멍의 발생 뿐만 아니라 강의 단조성의 열화를 초래한다.

이를 피하기 위하여 N 양의 상한을 0.0200%로 한정해야 한다.

따라서, N의 첨가량은 0.0100∼0.0200%의 범위로 하였다.

S : 0.005∼0.020%

S는 강내의 황화물계 함유물의 형태로 대부분 존재하며, 강의 절삭성 개선에 유효한 원소이다. 절삭성은 절삭가공에 의하여 성형되는 기어용 및 다른 부품에 중요하다. 상기효과를 보장하기 위하여 적어도 0.005/5의 양의 S을 첨가하는 것이 필요하다. 그러나, 과잉의 S 첨가는 강의 피로강도의 열화를 초래한다. 이들을 피하기 위하여 S양의 상한을 0.020%로 한정해야 한다.

따라서, S의 첨가량은 0.005∼0.020%로 하였다.

Pb : 0.03%∼0.09%

Pb는 강의 절삭성 개선에 유효한 원소이며, 절삭성은 절삭가옹에 의하여 성형되는 기어용 및 다른 부품에 중요하다. 상기 효과를 보장하기 위하여 적어도 0.03%의 양의 Pb를 첨가하는 것이 필요하다. 그러나, 과잉의 Pb 첨가는 강의 피로강도의 열화를 초래한다. 그 양이 0.10% 이상이면, Pb의 사용으로 대기 오염에 관한 법적인 규제를 받는다. 이들을 피하기 위하여 Pb양의 상한을 0.09%로 한정해야 한다.

따라서, Pb의 첨가량은 0.03∼0.09%의 범위로 하였다.

Te : 0.003%∼0.030%

Te는 강의 절삭성을 개선하는 원소이다. 이 효과를 달성하기 위하여 적어도 0.003%의 양의 Te를 첨가하는 것이 필요하다. 그러나, 과잉의 Te 첨가는 강이 열간 취약성을 일으킨다. 이를 피하기 위하여 Te양의 상한을 0.030%로 한정해야 한다.

따라서, Te의 첨가량은 0.003%∼0.030%로 하였다.

이하, 본 발명은 하기 실시예를 참조하여 보다 상세히 한다.

[실시예]

상기 결과를 기초로하여 본 발명의 주된 목적인 피팅피로강도의 개선이 달성되는 것을 확인하기 위하여, 고주파진공용해로를 사용하여 본 발명에 의한 강으로서 표5에 나타낸 화학조성(중량%∼으로 구성되는 시험강잉고트를 제조하고, 로울러피팅피로시험으로 그 피팅피로를 평가하였다.

제7(a)도는 로울러피팅피로시험기의 개요를 나타낸다.

여기에서, 부호1은 시험편, 부호2는 부하로울러, 부호3, 4는 맞물림기어, 부호5는 베어링, 부호6은 커플링, 부호7은 전달벨트 및 부호8은 모터를 나타낸다. 제(b)도는 부하로울러의 형상을 나타낸다. 제7(b)도 및 제7(c)도에 나타낸 치수는 모두 밀리미터(mm)이다.

최대헤르쯔의 접촉면 압력이 3430MPa인 조건으로 시험을 행하였으며 슬립비율은 40%이었다.

시험강이고트는 시험편으로 열간단조, 노멀라이징 및 기계가공되었다. 시험편은 제1도에 나타낸 조건으로 침탄, 담금질 및 뜨임하였다.

시험편의 일부를 절단하고 그 일부에 대하여 침탄층의 경도분포를 결정하고 그 마이크로조직을 표6에 나타낸다.

먼저, 그 결과로서 본 발명의 강에서는 중심부에 페라이트형성이 없고 입자계 산화층의 깊이는 8, 5㎛ 정도로 작음을 확인하였다. 제8도는 로울러피팅피로시험의 결과를 나타낸다. 여기에서, 본 발명의 강의 피팅피로수명은 현재 사용하는 강의 것들과 함께 누적파손확률로 나타낸다.

본 발명이 강의 피팅피로는 현재 사용하는 강의 그들 범위를 넘어 길다. 제9도는 피로시험에서 전동중의 경도의 시간경과에 따른 저하를 파악하기 위하여 피로시험을 각 일정한 반복수로 중단하고, 표면경도를 측정함으로써 얻은 결과를 나타낸다.

본 발명의 강의 결과는 현재 사용하는 강의 것들과 함께 나타낸다. 본 발명 강의 전동중의 표면경도저하가 현재 사용하는 강의 그들 범위보다 적음을 알 수 있다.

따라서, 합금설계개념에 따라서 Si 함유량의 증가효과로서 연화저항이 개선되고; 슬립을 포함하여 고접촉면압력의 전동중의 마찰열의 영향하에서 피팅피로강도에 가장 중요한 인자인 표면경도의 저하가 억제되며; 중심부에서 페라이트가 형성되지 않으며; 입자계 산화층깊이가 얕아서 피로수명이 길어진다.

상기로부터 명백한 바와같이 본 발명의 강은 연장된 피팅피로수명을 나타내며 현재 사용하는 강의 것들과 비교하여 우수한 특성을 가진다.

이상의 결과에 의하여 입증된 바와같이 본 발명의 강은 현재 사용하는 강과 비교하여 기어에 가장 중요한 필수요건인 피팅피로 강도에서 매우 우수하다. 따라서, 본 발명 강의 사용으로, 통상의 침탄 담금질 조건 및 설계 품목을 이용하고 동시에 강기어의 경량화 및 소형하가 가능할 뿐만 아니라 형상 및 크기로도 고출력을 실행하는 것이 가능하다.

따라서, 본 발명의 효과는 과혹한 조건으로 기어류를 이용하는 산업계에서 비용절감 및 신뢰성 향상에 널리 기여할 수 있다.

Claims (2)

1. 중량 %로 0.18∼0.25%의 C, 0.45∼1.00%의 Si, 0.40∼0.70%의 Mn, 0.30∼0.70%의 Ni, 1.00∼1.50%의 Cr, 0.30∼0.70%의 Mo, 0.50% 이하의 Cu, 0.015∼0.030%의 Al, 0.03∼0.30%의 V, 0.010∼0.030%의 Nb, 0.0015%이하의 O, 0.0100∼0.0200%의 N를 포함하며, 나머지 부분이 Fe 및 불가피한 불순물원소로 형성되고, 침탄층의 경도가 300℃ 이하의 가열에 의하여 Hv 50이상 저하하지 않으며, 심부에 페라이트가 발생하지 않는 것을 특징으로 하는 침탄기어용강.
2. 중량 %로 0.18∼0.25%의 C, 0.45∼1.00%의 Si, 0.40∼0.70%의 Mn, 0.30∼0.70%의 Ni, 1.00∼1.50%의 Cr, 0.30∼0.70%의 Mo, 0.50% 이하의 Cu, 0.015∼0.030%의 Al, 0.03∼0.30%의 V, 0.010∼0.030%의 Nb, 0.0015%이하의 O, 0.0100∼0.0200%의 N 및 0.005 - 0.020%의 S. 0.03 - 0.09%의 Pb. 0.003 - 0.030%의 Te중에서 1종 혹은 2종 이상을 포함하며, 나머지 부분이 Fe alc 불가피적 불순물 원소로 형성되고, 침탄층의 경도가 300℃ 이하의 가열에 의하여 Hv 50이상 저하하지 않으며, 심부에 페라이트가 발생하지 않는 것을 특징으로 하는 침탄기어용강.