KR100380441B1

KR100380441B1 - 트랜스미션 기어용 합금 조성물

Info

Publication number: KR100380441B1
Application number: KR10-2000-0062383A
Authority: KR
Inventors: 조봉래
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2000-10-23
Filing date: 2000-10-23
Publication date: 2003-04-26
Also published as: KR20020031710A

Abstract

본 발명은 트랜스미션 기어용 합금 조성물에 관한 것으로서, 구체적으로 기존에 사용되는 니켈-크롬-몰리브덴 합금강에 비하여 크롬과 규소를 무첨가하여 표면 이상층의 생성을 억제하고, 몰리브덴의 함량을 증가시켜 인성 개선 및 2차 강화효과를 향상시킬 뿐 아니라 니오븀, 바나듐, 티타늄 및 알루미늄을 미량 첨가하여 결정립을 미세화하고 인의 함량을 저감하여 입계취성을 방지한 트랜스미션 기어용 합금강 조성물에 관한 것이다.

Description

트랜스미션 기어용 합금 조성물{Alloy composition for transmission gear}

본 발명은 트랜스미션 기어용 합금 조성물에 관한 것으로서, 구체적으로 기존에 사용되는 니켈-크롬-몰리브덴 합금강에 비하여 크롬과 규소를 무첨가하여 표면 이상층의 생성을 억제하고, 몰리브덴의 함량을 증가시켜 인성 개선 및 2차 강화효과를 향상시킬 뿐 아니라 니오븀, 바나듐, 티타늄, 알루미늄 등을 미량 첨가하여 결정립을 미세화하고 인의 함량을 저감하여 입계취성을 방지한 트랜스미션 기어용 합금 조성물에 관한 것이다.

트랜스미션 기어류는 엔진동력을 직접 차동계로 전달하는 부품으로서 고강도 및 고피로강도가 요구되는 부품이다. 따라서, 강도 및 피로강도를 향상시키기 위한 표면 경화법으로 주로 침탄 경화 열처리 방법을 이용한다.

침탄 경화 열처리시 경화층의 유효경화 깊이를 확보하기 위하여 크롬, 몰리브덴 등의 소입성 확보 원소를 사용하고, 특히 고급강일 경우에는 인성을 확보하기 위하여 니켈이 첨가된 합금강을 사용하고 있다. 현재 니켈-크롬-몰리브덴 합금강이 주된 재료로 사용되고 있는데, 특히 고강도 및 내구성이 요구되는 기어류에 사용되고 있다.

트랜스미션 기어용 합금은 일반적으로 우수한 내마모, 내피로, 내충격강도 특성이 요구된다. 따라서, 트랜스미션 기어용 합금에 이러한 특성을 부여하기 위하여 종래에는 철을 주성분으로 하고 탄소 0.17 ~ 0.23 중량%, 규소 0.15 ~ 0.35 중량%, 크롬 0.8 ~ 1.3 중량%, 망간 0.5 ~ 1.0 중량%, 인 0.020 중량% 이하, 몰리브덴 0.15 ~ 0.4 중량%, 니켈 0.25 ~ 2.00 중량% 등을 이용하여 제강, 고온단조 (hot-forging), 머쉬닝 (machining), 냉각단조 (cold-forging), 소둔열처리 (annealing), 고온침탄처리 (carburizing) 과정을 거친 후 마무리하여 제조하여 왔다.

여기서, 소둔 열처리는 균일하고 미세한 결정립을 형성하도록 하여 양호한 균질성과 가공성을 확보하기 위한 공정으로서 원칙적으로는 적용하지 않는 것이 바람직하나, 이 공정을 생략하는 경우 추후 공정인 침탄공정시 비정상적인 조대입자가 형성되고, 이로 인하여 열변형이 유발되며 내피로 특성과 인성이 저하되는 문제가 있어 지금까지는 소둔열처리를 거쳐야만 했다.

또한, 종래의 침탄처리는 고피로강도, 내마모성 및 적절한 인성을 부여하기 위한 공정인데, 이 침탄처리 공정 중에 합금 원소 중의 크롬, 규소, 망간이 산소와 결합하여 산화크롬, 이산화규소, 산화망간이 입계에 집중적으로 발생하게 된다. 이로 인해 생성된 산화물은 입계산화층을 형성하여 피로강도를 저하시킬 뿐 아니라 이러한 산화물 주의의 합금원소가 고갈되어 비소입층이 형성되게 된다. 따라서, 합금강의 전체적인 강도를 저하시키는 문제점이 제기되어 왔다.

아울러, 기존재의 침탄시 표면에 생성되는 표면 이상층은 피로강도를 저하시키는 주요 원인중의 하나이다. 왜냐하면 대부분의 피로 파괴는 표면을 파손기점으로 진행하는데, 표면 이상층이 피로 파괴의 주요 기점으로 작용하기 때문이다. 표면 이상층은 표면 연질층과 입계 산화층이 있는데, 표면 연질층은 이와 같은 경화능 원소들이 산화와 친화력이 강한 규소, 크롬, 몰리브덴 등이 입계로 확산되어 생성된 산화층이다. 따라서, 이들 표면 이상층의 저감은 바로 피로강도의 상승과 직결된다. 참고적으로 기존재의 침탄시 표면 이상층 길이는 10 ~ 20 ㎛ 수준이다.

따라서, 본 발명자들은 상기의 문제점을 개선하기 위하여 종래의 크롬-규소-몰리브덴 합금강 대비 크롬과 규소를 무첨가하여 표면 이상층의 생성을 억제하고, 몰리브덴의 함량을 높여 소입성을 보전하고 인성 및 2차 강화효과를 증가시키며, 니오븀, 바나듐을 미량 첨가하여 결정립 미세화를 향상시키고, 인의 함량을 저감하여 입계취성을 방지한 트맨스미션 기어용 합금 조성물을 개발하였다.

본 발명의 목적은 합금설계를 통해 고강도용 트랜스미션 기어류의 열처리 후 피로강도 저하요인을 제거하기 위하여, 종래의 크롬-규소-몰리브덴 합금강 대비 크롬과 규소를 무첨가하여 표면 이상층의 생성을 억제하고, 몰리브덴의 함량을 높여 소입성을 보전하고 인성 및 2차 강화 효과를 증가시키며, 니오븀, 바나듐, 티타늄, 알루미늄을 미량 첨가하여 결정립 미세화를 향상시키고, 인의 함량을 저감하여 입계취성을 방지한 트랜스미션 기어용 합금 조성물을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 탄소 0.17 ~ 0.23 중량%, 망간 0.30 ~ 0.5 중량%, 인 0.01 중량% 이하, 황 0.015 중량% 이하, 니켈 1.55 ~ 2.0 중량%, 몰리브덴 0.9 ~ 1.1 중량%, 니오븀 0.015 ~ 0.1 중량%, 바나듐 0.01 ~ 0.05 중량%, 티타늄 0.025 ~ 0.03 중량%, 알루미늄 0.019 ~ 0.023 중량% 및 나머지는 철과 제조과정에서 포함된 미량의 불순물들로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 종래의 트랜스미션 기어용 합금강의 조성에서 규소 및 크롬을 무첨가하고 몰리브덴의 함량을 증가시키며 인의 함량을 저감하고 니오븀 및 바나듐을 미량 첨가하여 입계산화층을 제거하고 강도를 보강할 뿐 아니라 결정립을 미세화하여 침탄시 비정상적인 결정립 성장 및 물성저하를 방지하여 내구성 및 기계적 특성이 크게 향상된 트랜스미션 기어용 합금 조성물을 제공한다.

본 발명에서 우선 탄소의 함량은 기존의 합금강과 동일하며, 종래 소입성 보충의 목적으로 사용되어 왔던 규소와 크롬은 이들로 인해 발생하는 부작용인 입계산화층의 형성을 방지하기 위하여 첨가하지 않는다.

몰리브덴은 침탄후의 인성 증대, 피로강도 향상, 2차 강화특성 등의 작용 뿐 아니라 소입성을 보전하기 위하여 그 함량을 증가시켜 전체 조성물 함량 중 0.9 ~ 1.1 중량% 범위로 함유시키게 되는데, 그 함량이 0.9 중량% 이하이면 상기 크롬과 규소를 첨가하지 않음으로써 발생한 소입성 손실분을 보충할 수 없게 되며, 1.1 중량 % 이상이 되면 이미 만족할 만한 정도의 인성 및 강도가 확보되었음과 더불어 그 이상의 함유량에서는 인성 및 강도의 성능향상 정도에 비하여 비용의 증가분이 과도하게 되므로 이 범위로 상한을 정한다.

인은 합금강의 기본 원료이나, 뜨임 등의 2차 열처리 후에 재료에 취성을 강하게 발생시키므로 그 함량을 0.01 중량% 이하로 낮추어서 취성증대를 최소화시킨다. 만일, 인의 함량이 0.01 중량%를 초과하는 경우 Fe₃P 석출물의 입계편석에 의한 취성증대의 문제가 발생한다.

황은 가공성 향상을 위해 첨가되는 것으로서 그 함량은 0.015 중량% 이하이며, 만일 황의 함량이 0.015 중량%를 초과하는 경우 고온취성 증대의 문제가 발생한다.

이밖에도, 니켈과 망간은 통상의 함량에서와 같이 각각 1.55 ~ 2.0 중량%, 0.30 ~ 0.5 중량%를 함유시킨다.

한편, 본 발명에서는 결정립을 미세화하여 합금강 제조시 소둔열처리 공정을 생략할 수 있고(공정 감소), 합금강의 강도를 증가시키기 위하여 니오븀 0.015 ~ 0.1 중량%, 바나듐 0.01 ~ 0.05 중량%을 함유시킨다.

이때, 니오븀은 미세한 니오븀 탄질화물을 석출시켜 입계에 대한 피닝작용을 하여 결정을 미세화시키는데, 니오븀의 함량이 0.015 중량% 미만이면 피닝효과가 상쇄되는 문제가 있고, 0.1 중량%를 초과하여 첨가되는 경우에는 과포화상태 및 조대석출물에 의한 효과 감쇄문제가 있게 된다.

상기 바나듐 또한, 탄질화물의 석출작용을 통해 결정립을 미세화 시키게 되는데, 그 함량이 0.01 중량% 미만이면 탄질화물 석출효과가 미미해지고,반면 0.5 중량%를 초과하면 취성이 증대하는 문제가 있어 바람직하지 않다.

한편, 상기 니오븀이나 바나듐과 같이 탄질화물의 석출작용을 통하여 결정립을 미세화시키는 물질로서 티타늄을 0.025 ~ 0.03 중량% 함유시킬 수 있으며, 또한 산화알루미늄 석출작용에 의해 결정립을 미세화시키도록 알루미늄을 0.019 ~ 0.023 중량% 함유시킬 수도 있다. 이때, 상기 함량보다 함유량이 낮으면 탄질화물이나 산화알루미늄의 석출양이 미미하여 결정립 미세화효과가 떨어지고, 상기 함량보다 함유량이 높으면 상기와 마찬가지로 재료의 취성이 증가하게 되는 문제점이 발생하게 된다.

이와같이 결정립 미세화 원소를 첨가함으로써 냉각단조 후 소둔열처리 없이 침탄시 Nb-C, Nb-N, Ti-C, Ti-N 등의 피닝효과에 의하여 결정립의 이상 조대화현상이 방지될 수 있다.

반면, 종래의 소재를 사용하여 침탄처리 후 소둔열처리를 생략하면 결정립의 이상 조대화가 발생하여 물성이 저하되고 열처리 변형 등의 현상이 발생한다. 뿐만 아니라 1000℃ 정도의 고온에서 침탄시에도 상기와 같은 탄화물 및 질화물의 작용으로 결정립의 이상 변화 현상이 발생할 수 있다.

이와 같은 조성의 강을 우선, 제강(melting)하고 목적한 사이즈로 고온단조한 후 냉각단조를 위하여 머쉬닝(machining)하고 냉간단조한다. 그리고, 소둔열처리 없이 머쉬닝하고 고피로강도, 내마모성 및 인성을 부여하기 위하여 900 - 940℃에서 침탄처리한다.

이와 같은 조성으로 이루어진 본 발명의 트랜스미션 기어용 강은 소둔열처리 공정을 생략하고 냉간단조만의 공정을 거침으로써 결정립의 이상 조대화현상이나 물성의 저하가 발생하지 않은 뿐 아니라 표면 이상층이 제거되었으며 결정립 미세화에 의하여 내구성과 관련된 기계적 특성, 피로강도 및 충격강도가 향상되었다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1 ~ 3>

하기의 표 1에 나타낸 바와 같은 함량과 조성으로 진공용해로에서 3 charge 용해하고 단조를 통하여 30Φ환봉으로 제작하여 시험편 가공 후 기존재와 동일한 조건에서 침탄 열처리를 실시하여 자동차 트랜스미션 기어용 합금강을 제조하였다.

<비교예 1>

하기의 표 2에 나타낸 바와 같은 함량과 조성을 가진 기존 강인 SNCM420H 및 SNCM522H를 통상의 제강, 압연공정을 거쳐 트랜스미션 기어용 합금강을 제조하였다.

상기 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 2에서 제조한 트랜스미션 기어용 합금강에 대하여 굽힘피로강도는 회전굽힘 피로시험에 따라, 접촉피로강도는 롤러 피팅시험에 따라, 그리고 충격강도는 샤피 충격시험방법에 따라 측정한 후 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

<표 1>

단위 : 중량 %
구분	실시예 1	실시예 2	실시예 3
조성물	탄소	0.17	0.22	0.23
	규소	0.009	0.008	0.009
	망간	0.37	0.42	0.42
	인	0.002	0.004	0.002
	황	0.01	0.008	0.009
	니켈	1.76	1.82	1.60
	크롬	0.01	0.008	0.007
	몰리브덴	0.97	1.08	1.01
	니오븀	0.017	0.052	0.034
	바나듐	0.02	0.04	0.02
	티타늄	0.03	0.025	0.027
	알루미늄	0.02	0.023	0.019
	철	총 합계량이 100 중량%가 되도록 한다.

<표 2>

단위 : 중량 %
구분	비교예 1	비교예 2
조성물	탄소	0.17~0.23	0.21~0.24
	규소	0.15~0.35	0.05~0.15
	망간	0.40~0.70	0.57~0.67
	인	0.03 이하	0.025 이하
	황	0.03 이하	0.01~0.02
	니켈	1.55~2.0	1.00~1.10
	크롬	0.35~0.30	0.45~0.60
	몰리브덴	0.15~0.30	0.70~0.80
	구리	0.3 이하	-
	철	총 합계량이 100 중량%가 되도록 한다.

<표 3>

구분	실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1	비교예 2
굽힘피로강도(kgf/㎜²)	107	108	106	93	95
접촉피로강도(kgf/㎜²)	319	324	318	270	290
충격강도(kgf/㎝²)	1.97	1.90	1.98	1.26	1.75

표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 트랜스미션 기어용 합금은 표면 이상층이 제거되었으며 내구성과 관련된 기계적 특성이 크게 향상되었는데, 굽힘피로강도는 기존 강인 SNCM420H 및 SNCM522H 대비 각각 15% 및 13% 씩 향상되었으며 접촉피로강도는 각각 19% 및 11% 씩 향상되었고 충격강도는 각각 약 55% 및 11% 씩 항상되는 결과를 나타내었다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 트랜스미션 기어용 합금강 조성물은 입계산화층을 구성하는 크롬 및 규소를 무첨가하여 피로강도를 향상시키고 고온에서의 강도유지를 위해 2차 강화특성을 부여할 수 있으며, 결정립을 초미세화함으로써 소둔열처리 공정을 생략하여 보다 단시간내에 경제적으로 트랜스미션 기어용 합금을 제조할 수 있으며, 상기와 같이 제조된 본 발명의 트랜스미션 기어용 합금은 굽힘피로강도 및 접촉피로강도 등의 기계적 특성이 크게 향상되어 직접 기어류에 적용시 내구성 및 내마모성을 크게 향상시킬 수 있다.

Claims

탄소 0.17 ~ 0.23 중량%, 망간 0.30 ~ 0.5 중량%, 인 0.01 중량% 이하, 황 0.015 중량% 이하, 니켈 1.55 ~ 2.0 중량%, 몰리브덴 0.9 ~ 1.1 중량%, 니오븀 0.015 ~ 0.1 중량%, 바나듐 0.01 ~ 0.05 중량%, 티타늄 0.025 ~ 0.03 중량%, 알루미늄 0.019 ~ 0.023 중량% 및 나머지는 철과 제조과정에서 포함된 미량의 불순물들로 이루어진 트랜스미션 기어용 합금 조성물.