KR100499753B1 - 내마모성 및 피로강도가 우수한 질화강 및 습동부재 - Google Patents

내마모성 및 피로강도가 우수한 질화강 및 습동부재 Download PDF

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Abstract

0.5 내지 1.0 % 의 C, 1.0 % 또는 그 미만의 Si, 0.3 내지 1.0 % 의 Mn, 5.0 내지 12.0 % 의 Cr, 0.5 내지 2.0 % 의 Mo, 0.1 내지 0.3 % 의 V, 잔부 Fe 및, 불가피적인 불순물로 이루어진 질화강으로서, 개선된 내마모성 및 피로 강도를 나타낸다.

Description

내마모성 및 피로강도가 우수한 질화강 및 습동부재{STEEL FOR NITRIDING AND SLIDING MEMBER HAVING IMPROVED WEAR RESISTANCE AND FATIGUE STRENGTH}
본 발명은 질화강 및 질화강으로 만들어진 습동(sliding) 부재에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 질화 또는 연질화(soft-nitriding)가 표면에서 행해지는 강에 관한 것이다. 높은 내마모성 및 피로강도를 나타내는 질화 또는 연질화된 강은 습동 부재에 적합하다.
습동특성 및 내피로특성을 동시에 만족시켜야 하는 스프링, 피스톤 링 및 기어와 같은 많은 부품들이 있다. 내마모성 및 내스커프성(scuff resistance)은 습동특성으로 통칭된다. 일반적으로, 습동특성 및 내피로특성은 이하에서와 같이 상호 모순되는 것이다. 경도 증가는 습동특성을 개선시키지만, 재료의 취성을 크게 하고 강도를 감소시킨다. 피로강도는 일반적으로 인장강도의 중간 정도로 인식되므로, 강도 감소는 피로강도의 감소를 초래한다. 최근에, 질화처리는 전술한 모순점을 해결하기 위해 사용된다. 즉, 질화강으로 만들어진 제품은 습동 표면에서 질화가 행해진다. 질화된 강의 표면 경도는 강 내부의 경도에 비해 커지게 된다. 결과적으로, 내마모성 및 내스커프성과 같은 습동특성이 크게 개선된다.
경도 증가에 더하여, 질화된 강의 표면에는 큰 잔류 압축 응력이 발생된다. 따라서, 피로 강도는 질화되지 않은 강의 피로 강도에 비해 크게 개선된다. 질화된 강 표면에 쇼트-피닝(shot-peening) 또는 침탄을 추가로 행하면, 추가적인 큰 압축 응력이 부가되어 부품들이 큰 피로 강도를 가지게 된다.
질화강으로서, 말텐사이트 13 Cr 스텐레스 강과 Al 및 Cr 을 첨가한 저합금 강을 이용하는 것이 공지되어 있다.
지금까지, 소정 정도까지 피로강도를 증대시키기 위한 질화 구조에 관해서는 거의 논의 또는 고려가 없었다. 다시 말해, 질화에 의한 피로강도가 만족스럽지 못한 경우, 일반적으로 질화강에 대해 쇼트-피닝 또는 침탄과 같은 질화후 처리를 실시하였다. 그러나, 질화후 처리 공정은 공정 단계 및 비용을 증대시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 쇼트-피닝 및 침탄과 같은 질화후 처리 없이 소정 정도의 피로 강도를 질화에 의해 얻을 수 있는 질화강을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 쇼트-피닝 및 침탄과 같은 질화후 처리 없이 만족할 만한 피로 강도를 가지는 습동부재를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적에 따라, 0.5 내지 1.0 % 의 C, 1.0 % 이하의 Si, 0.3 내지 1.0 % 의 Mn, 5.0 내지 12.0 % 의 Cr, 0.5 내지 2.0 % 의 Mo, 0.1 내지 0.3 % 의 V, 잔부 Fe 및, 불가피적인 불순물로 이루어진, 질화강이 제공된다.
또한, 전술한 질화 또는 연질화된 강으로 만들어진 습동부재가 제공된다.
본 발명의 습동부재의 실시예에 따라, 질화층은 결정화된 입자, 결정 입계를 따라 석출된 (철) 화합물층 및, 크기가 10 ㎛ 이하이고 결정립내에 분산된 질화탄소로 실질적으로 이루어지며 1 내지 10 ㎛ 크기의 면적율이 5 % 또는 그 이하인 석출물을 포함한다.
본 발명에 따른 강의 질화층의 파단 인성(靭性)은 크다. 따라서, 질화된 습동부재는 질화후 처리가 없는 경우에도 높은 내피로특성을 가진다. 이하에서, 성분을 참조하여 본 발명을 설명한다.
합금된 Cr의 일부가 철 격자의 Fe 를 치환하고, Fe 및 Cr 은 치환형 고용체를 형성한다. 치환형 고용체의 용매 Cr 는 질화를 촉진한다. Cr 의 나머지 부분들은 C 와 반응하여 강내에 크롬 탄화물을 형성한다. 미세한 탄질화물(炭窒化物)이 질화 또는 연질화 후에 질화층내에 형성된다. 결과적으로, 질화층내의 기지(基地)는 미세한 탄질화물에 의해 적절하게 강화된다. 이하에서 상술하는 바와 같이, 질화층내의 기지는 재료내에서 발생한 균열의 전파에 대한 저항을 제공한다. 이러한 균열 전파에 대한 저항 및 본 발명에 의해 얻어진 피로강도는 5 % 미만의 Cr 을 포함하는 강 부재 또는 질화하지 않은 강 부재의 것들 보다 크다. Cr 함량이 12.0 % 또는 그 이상일 때, 질화 후에 거의 모든 Cr 탄화물이 탄질화물로 전환되기 때문에, 조대(粗大)한 탄질화물 또는 미세한 탄질화물의 응집조직(凝集組織)이 용이하게 형성된다. 결과적으로, 피로강도가 작아진다. 따라서, Cr 함량 은 12 % 또는 그 이하이다. 바람직한 Cr 함량은 7 내지 11 % 이다. 질화층이 형성될, 강의 인접 표면(질화층으로 예정)은, 이하의 구조가 바람직하다. 즉, 표면층(질화층으로 예정)내의 Cr 탄화물의 크기는 10 ㎛ 또는 그 이하이고, 크기가 1 내지 10 ㎛ 인 Cr 탄화물의 면적율은 5 % 또는 그 이하이다. 그러한 미세한 탄화물 구조를 가지는 질화강은 예를 들어 주조시의 냉각속도를 크게하여 얻을 수 있다.
C 의 일부는 질화강의 기지내로 용해되고 침입형 고용 강화에 의해 경도를 상승시키며, C 의 나머지 일부는 Cr 및 다른 탄화물 형성 원소와 반응하여 탄화물을 형성한다. 따라서, 내마모성이 증대된다. 따라서, C 함량은 0.5 % 또는 그 이상이어야 한다. 한편, C 함량이 1.0 % 또는 그 이상일 때, 탄화물은 현저하게 조대화되어 질화를 방해한다. 보다 중요한 사실은 C 함량이 1.0 % 또는 그 이상일 때 냉간 가공성이 극도로 나빠진다는 것이다. C 함량은 0.5 % 이상 및 1.0 % 이하이다. 바람직한 C 함량은 0.7 내지 0.8 % 이다.
Si 는 탈산제로서 첨가되고 역시 Fe 기지내에 용해된다. 이 Si 용매는 열적 세팅(thermal setting)에 대한 저항성을 개선한다. 따라서, Si 는 어느 정도 포함된다. 그러나, Si 함량이 1.0 % 를 초과하면, 취성에 의해 냉간가공성이 나빠진다. 따라서, Si 함량은 1.0 % 또는 그 미만이다.
Mn 또한 Si 와 같이 탈산제로서 첨가된다. 탈산을 위해서는 0.3 % 또는 그 이상의 Mn 함량이 필요하다. Mn 함량이 1.0 % 또는 그 이상인 경우, 열간가공 및 냉간가공 뿐만 아니라 내산화성이 나빠진다. 따라서, Mn 함량은 0.3 % 이상 및 1.0 % 이하이다.
질화중에 뜨임 연화(temper softening)를 억제하기 위해 0.5 % 또는 그 이상의 Mo 가 필요하다. Mo 는 작은 크기의 탄화물을 형성하고, 경도를 크게 한다. 따라서, Mo 는 내마모성을 증대시키는데 효과적이다. 그러나, 강력한 탄화물 형성제인 Mo 가 2.0 % 또는 그 이상의 양으로 첨가되는 경우 조대한 탄화물이 형성된다. 결과적으로, 큰 피로 내성을 가지는 구조는 얻어지지 않는다. 따라서, Mo 함량은 0.5 % 이상 및 2.0 % 이하이다.
미량의 V 는 질화속도 및 질화층의 경도를 크게 높인다. 이러한 효과는 V 의 함량이 0.1 % 미만일 때 실현되지 않는다. 한편, V 의 함량이 0.3 % 또는 그 이상일 때, 바나듐 탄화물이 입계에 형성되어 인성을 감소시킨다. 따라서, V 의 함량은 0.1 % 이상 및 0.3 % 이하이다.
본 발명에 따른 습동부재는 적어도 강의 외측 둘레의 습동면상에 5 내지 200 ㎛ 두께의 질화층을 포함한다. 또한, 질화층이 5㎛ 이하이면, 내마모성이 충분하지 않고, 200㎛ 를 초과하면 파괴인성이 낮은 질화층부분이 상대적으로 증가하기 때문에 피로강도를 저하시키게 되어 바람직하지 못하다. 석출물은 주로 탄질화물로 구성되고, 질화층 기지의 결정립내에 분산된다. 기지상(基地相)은, 용매 Cr 를 포함한 말텐사이트 및 유사 상(相)이다. 기타는 탄화물 등이 있다. 본 발명에서, 질화층 자체의 습동특성을 강화하기 위해, 석출물의 크기는 10 ㎛ 또는 그 이하이다. 또한, 탄질화물의 상호 응집을 억제하기 위해, 크기가 1 ㎛ 이상 및 10 ㎛ 이하인 석출물의 면적율을 5 % 미만으로 조절한다.
상대적으로 큰 철 화합물이 입계를 따라 석출된다. 질화중에, 미세구조의 Cr 탄화물이 Cr 탄질화물로 변환된다. 탄화물의 탄소의 일부는 과도한 상태가 된다. 그러한 과도한 탄소는 탄화물로부터 입계로 방출되고, 그 입계에서 Fe 및 N 과 반응한다. 결과적인 화합물은 매우 경성(hard) 화합물이다. 전술한 이유로 인해, 입계 화합물은 3 차원적으로 연속된다. 비(非)-금속간 화합물에서 발생된 균열이 질화층을 통해 전파되려면, 그 균열은 입계 화합물을 통과하여야 한다. 다시 말해, 이러한 화합물이 질화층의 입계를 따라 석출하기 때문에, 화합물은 균열의 전파를 방해하는데 효과적이다. 특히, 균일하게 석출된 화합물은 네트워크 구조를 나타낸다. 결과적으로, 내피로성이 보다 증대된다.
본 발명에 따라 강에 적용되는 질화법은 가스질화, 연질화 및 염욕(鹽浴) 질화와 같은 방법으로 변형될 수 있다.
이하에서는 도 1 을 참조하여 본 발명에 따라 질화된 강에서 어떻게 피로 파단이 잘 일어나지 않는지에 대해 설명한다. 잔류 압축 응력이 질화층의 표면에서 발생한다. 외부 응력이 질화된 강에 가해질 때, 그 외부 응력은 표면에서 최대가 되며 표면으로부터 떨어진 내부에서는 약화된다. 따라서, 강에서의 실제적인 응력은 잔류 압축 응력 및 외부 인장 응력의 벡터 합이다. 최대 응력은 표면에서 발생하지 않고 재료(강)의 약간의 내부에서 발생한다. 이것은 피로 파단이 표면에서 시작하는 것이 아니라 재료(강)의 약간의 내부에서 시작한다는 것을 의미한다. 파단이 비금속 개재물로부터 발생된다는 것은 일반적으로 공지되어 있다.
재료(강)의 약간의 내부의 비금속 개재물로부터 균열이 발생되었을 때, 그 균열은 두 방향으로 전파된다. 즉, 그 균열은 내부 및 표면을 향해서 전파된다. 강의 내부는 질화되지 않았고, 그에 따라 충분히 큰 파단 인성을 가진다. 다른 한편으로, 질화된 표면부는 취약하고 극히 작은 파단 인성을 갖는다. 따라서, 그 균열은 질화층내에서 쉽게 전파된다. 그에 따라, 균열의 전파 에너지는 질화층 자체의 파단-인성 값에 의해 결정된다. 균열이 질화된 강의 표면에 도달하였을 때, 질화층의 압축 응력은 균열의 전파를 막는데 더 이상 효과적이지 못하다. 그러한 균열은 질화층을 가로질러 신장되기 때문에, 그 균열은 노치 효과로 인해 내부를 향해 전파된다. 이어지는 균열의 전파속도는 가속적으로 커지며, 그에 따라 최종적으로 피로파단에 이르게 된다.
도 1 과 관련하여 설명한 바와 같이, 피로 강도가 우수한 질화강을 개발하기 위해서는, 강의 질화 구조가 강의 내부에서 발생된 균열의 전파를 억제하여야 한다. 이상과 같이 조절된 강의 Cr 및 C 함량은 질화 구조를 제공하는데 중요하다.
이하에서는, 실시예를 참조하여 본 발명을 설명한다.
표 1 에 나타낸 조성을 가지는 말텐사이트 스텐레스 강을 전기로에서 용융한 후 잉곳(ingot)으로 주조하였다. 잉곳을 빌렛(billets)으로 조압연하였다. 그 빌렛을 고온 압연하여 15 mm 직경의 둥근 바아(bar)로 감소시켰다. 둥근 바아를 도 2 에 도시한 바와 같은 오노-타입 회전형 벤딩 시편으로 성형하였다. 비교 제품 A 및 B 는 본 발명 보다 낮은 Cr 함량 및 높은 Cr 함량을 각각 갖는다.
시편의 화학적 조성
C Si Mn Cr Mo V Fe
본 발명 제품 A 0.79 0.32 0.42 8.04 0.79 0.15 잔부
본 발명 제품 B 0.78 0.32 0.44 9.93 0.76 0.15 잔부
비교 제품 A 0.78 0.32 0.77 4.80 0.99 0.16 잔부
비교 제품 B 0.82 0.42 0.42 17.4 0.12 0.10 잔부
이어서, 570 ℃ 에서 360 분 동안 좁은 의미의 가스 질화를 실시하였다. 질화 후, 시편의 표면에 형성된 표면 화합물층(소위 백색층)을 에머리 페이퍼(Emery paper)로 제거하였다. ＃180, ＃320, ＃360 및 ＃1200 에머리 페이퍼를 연속적으로 사용하여 표면 마무리를 실시하였다. 오노-타입 회전형 벤딩 시험기를 이용하여, 이렇게 준비된 피로 시편의 피로 시험을 실시하였다. 107 싸이클에서 피로 파단되지 않는 피로 한계(MPa)를 응력으로 나타냈다. 본 발명 및 비교 제품의 피로 한계를 표 2 에 나타냈다. 또한, 파단원의 위치 및, 크기가 1 ㎛ 또는 그 이상인 탄질화 석출물의 면적율을 표 2 에 기재하였다.
피로 한계(MPa) 파단원의 위치 1-5 ㎛ 탄질화물의 면적율
본 발명 제품 A 842 내부 2.4
본 발명 제품 B 853 내부 3.5
비교 제품 A 742 내부 2.5
비교 제품 B 617 내부 11.9
본 발명 제품은 비교예와 Cr 함량만이 다르나, 본 발명의 피로 한계는 비교예 보다 약 100 내지 230 MPa 정도 크다. 이는 질화층의 미세구조 변화에 기인한 것이다.
도 3 에는 본 발명 재료 A 의 파단면의 SEM 사진이 도시되어 있다. 균열은 질화층(즉, 질소 확산층)의 경계선 약간 안쪽에 위치한 비금속 개재물로 부터 발생되었다. 이러한 사실은 도 1 에 도시한 파단 모델을 증명할 수 있다.
질화층의 단면 미세구조를, 본 발명 제품 A 에 대하여는 도 4 에, 본 발명 제품 B 에 대하여는 도 5 에, 비교 제품 A 에 대하여는 도 6 에 그리고, 비교 제품 B 에 대하여는 도 7 에 도시하였다. 도 4 및 도 5 에 도시된 바와 같이, 많은 수의 화합물 층들이 입계에 존재하며, 결정립에 존재하는 조대한 탄질화물의 크기는 10 ㎛ 또는 그 이하이다. 또한, 표 2 에 기재된 바와 같이, 본 발명 제품 A 및 B 에서, 크기가 1 ㎛ 이상 및 10 ㎛ 이하인 탄질화물의 면적율은 5 % 또는 그 이하이다.
도 6 에 관해 설명하면, 비교 제품 A 는 이하와 같은 본 발명의 요건을 만족시킨다 : 즉, 화합물층은 입계에 존재하며; 결정립내에 조대한 석출물이 존재하지 않으며; 크기가 1 내지 10 ㎛ 인 석출물의 면적율은 5 % 또는 그 이하이다. 그러나, 비교 제품 A 의 Cr 함량이 5 % 미만이기 때문에, 질화층의 기지(基地)는 강도가 낮고 그에 따라 피로강도가 낮아 진다. 도 7 에 도시된 비교 제품 B 에서는, 매우 큰 탄질화물이 존재하고, 석출물의 면적율이 5 % 이상인, 11.9 % 이다. 이러한 이유로 피로강도는 극히 낮아진다.
습동특성의 실험
(내스커프성 실험)
도 8 에 도시한 바와 같은 내스커프성 실험용 시편을, 본 발명 제품 A 및 B 그리고 비교 제품 A 및 B 로 부터 마련하였다. 그 시편들을 적절히 예비처리하고, 그 후에 570 ℃ 에서 360 분 동안 가스 질화하였다. 그 후, 표면 화합물층(백색층)을 표면으로부터 제거하고, 습동 표면을 20 mm R 및 거칠기 Rz 0.4 ㎛ 또는 그 이하로 마무리 작업하였다. 그렇게 처리된 시편의 내스커프성을 도 9 및 도 10 에 도시된 시험기계로 평가하였다. 도 9 및 도 10 에서, 참조 부호들은 다음과 같은 부재를 나타낸다: 즉, 5 - 시험시편; 11 - 고정자(stator); 12 - 대향 재료; 13- 주유공; 14 - 회전자(rotor); 15 - 시편 지지부; 16 - 토크 전달 샤프트; 17 - 하중계; 18 - 증폭기; 19 - 기록계. 접촉 하중을 단계적으로 증가시키고, 마찰력의 급격한 증가 시간을 측정하였다. 이때의 접촉하중을 스커핑 하중으로 평가하였다. 동시에, 현미경을 이용하여 접촉 면적을 측정하였다. 표 3 에 기재된 스커핑 하중은 스커핑 하중/접촉 면적으로 정의 된다. 실험 조건 및 결과(표 3 참조)는 다음과 같다.
실험 조건
습동 속도 : 8m/s
접촉 하중 : 1.0 Pa 로부터 0.2 Pa 씩 증가
윤활 오일 : 모터 오일 # 20
오일 온도 : 80 ℃
오일량 : 5 cc/분
대향 재료 : FC250 에 상당하는 재료(표면 조도 Rz 1-2 ㎛)
시 편 스커핑 하중(MPa)
본 발명 제품 A 354
본 발명 제품 B 353
비교 재료 A 352
비교 재료 B 360
본 발명 제품 A 및 B 의 스커핑 하중은 비교 제품 A 및 B 와 동등하다. 이러한 스커핑 하중은 습동부재로서 만족할 만 하다.
(내마모성 실험)
도 11 에 도시한 시험 기구를 이용하여 마모성 실험을 행하였다. 시편(25)의 크기는 5 mm ×5 mm ×20 mm 이다. 습동표면은 내스커프성 실험용 시편과 같이 마무리 하였다. 즉, 질화, 백색층 제거 및, 20 R 곡면으로의 마무리 작업을 실시하였다. 도 11 에서, 참조 부호는 이하와 같은 부재를 나타낸다: 즉, 21 - 대향 재료(FC250 상당 재료); 22 - 전기 히터; 23 - 윤활유; 24 - 시편 지지부. 실험 조건은 다음과 같다.
실험 기구 : 핀-드럼(pin-drum) 마모 시험기
마찰 속도 : 0.5 m/s
시간 : 4 시간
하중 :490 N
드럼의 표면 온도 : 180 ℃
윤활유 : 모터 오일 # 30, 0.15 cc/분
시 편 마모량(㎛)
본 발명 제품 A 4
본 발명 제품 B 3
비교 제품 A 15
비교 제품 B 3
본 발명 제품 A 및 B 의 내마모성은 비교예 A 및 B 의 내마모성과 동등하여 만족스러울 만큼 높다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 질화강은 높은 습동특성 및 내피로특성을 동시에 나타내며 따라서, 그러한 두가지 특성을 모두 요구하는 자동차용 스프링, 피스톤 링 및, 내마모성 부품등과 같은 부품에 특히 유용하다.
도 1 은 질화층의 표면부에 인접한 곳에서의 응력 분포를 나타내는 그래프.
도 2 는 오노(Ono)-타입 회전형 벤딩 시편을 나타낸 도면.
도 3 은 재료 내부에 위치한 파단원(fracture origin)을 나타내는, 본 발명 제품 A 의 파단면의 확대사진(400 배율).
도 4 는 본 발명 제품 A 의 질화층의 단면 및 표면의 확대사진(400 배율).
도 5 는 본 발명 제품 B 의 질화층의 단면 및 표면의 확대사진(400 배율).
도 6 은 비교 제품 A 의 질화층의 단면 및 표면의 확대사진(400 배율).
도 7 은 비교 제품 B 의 질화층의 단면 및 표면의 확대사진(400 배율).
도 8 은 스커프 실험 시편을 나타낸 도면.
도 9 는 초고압 마모 시험기의 단면의 일부를 나타낸 도면.
도 10 은 도 9 의 선 A-A'에서 본 도면.
도 11 은 또 다른 마모 시험기의 일부를 나타낸 도면.
"도면의 주요부분에 대한 부호의 설명"
16 : 토크 전달 샤프트 17 : 하중계
18 : 증폭기 19 : 기록계
21 : 대향 재료 22 : 전기 히터
23 : 윤활유 24 : 시편 지지부

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 질량% 로서, 0.5 내지 0.8 % 의 C, 1.0 % 이하의 Si, 0.3 내지 1.0 % 의 Mn, 5.0 내지 12.0 % 의 Cr, 0.5 내지 2.0 % 의 Mo, 0.1 내지 0.3 % 의 V, 잔부 Fe 및, 불가피적인 불순물을 포함하는 강으로 되어 있으며, 상기 강의 적어도 외측 둘레 활주면상에 질화층이 형성된 습동부재 (sliding member) 로서, 상기 질화층은 결정 입자, 결정립계를 따라 석출한 화합물층 및, 결정 입자내에 분산되고, 크기가 10 ㎛ 미만인 탄질화물-석출물로서 그 크기가 1 내지 10 ㎛ 인 탄질화물-석출물의 면적율이 5 % 이하인 탄질화물-석출물을 포함하는 것을 특징으로 하는 습동부재.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 질화층의 두께는 5 내지 200 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 습동부재.
  7. 삭제
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 질화층은 쇼트-피닝 및 침탄처리의 질화후처리 없이 질화에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 습동부재.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 탄소는 0.7 ∼ 0.8 % 인 것을 특징으로 하는 습동부재.
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