KR100957319B1

KR100957319B1 - 기어용 보론강 및 이를 이용한 기어 제조 방법

Info

Publication number: KR100957319B1
Application number: KR1020070128437A
Authority: KR
Inventors: 이호승
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2010-05-12
Also published as: KR20090061428A

Abstract

본 발명은 기어용 보론강 및 이를 이용한 기어 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원가절감 및 생산시간을 단축시킬 수 있도록 한 기어용 보론강 및 이를 이용한 기어 제조 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 철(Fe)을 기재로 하고, 여기에 탄소(C) 0.17∼0.23중량%, 실리콘(Si) 0.1중량% 이하, 망간(Mn) 0.40∼0.50중량%, 인(P)0.03중량% 이하, 황(S) 0.03중량% 이하, 크롬(Cr) 0.85∼1.25중량%, 티타늄(Ti) 0.01∼0.04중량%, 질소(N) 0.01~0.02중량%, 보론(B) 10∼30ppm, 니오븀(Nb) 0.015∼0.035중량% 가 함유된 소재를 제공하고; 이 소재를 압연 절단하는 단계와, 단조 성형하는 단계와, 970℃에서 60분 동안 노멀라이징하는 단계와, 침탄열처리하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기어용 보론강 제조 방법을 제공한다.

기어, 보론강, 원가절감, 구상화소둔, 침탄열처리

Description

기어용 보론강 및 이를 이용한 기어 제조 방법{Composition for manufacturing gear}

현재 자동차 기어용 소재인 SCR420H, SCM420H을 이용한 기어 제작 공정은 압연- 구상화 소둔 - 단조 성형 - 노멀라이징 - 침탄열처리 - 가공의 과정을 거쳐 그 생산이 이루어지고 있다.

이러한 공정중 구상화 소둔은 제강 상태의 소재와, 압연공정에서 가공경화 발생된 원재료의 강도를 다운(DOWN)시켜, 다음 공정인 냉간성형이 가능하도록 해주는 열처리공정으로서, 일반적으로 A1 변태점 경계부근에서 장시간 실시하여 기지조직을 미세 구상탄화물 + 페라이트(FERRITE)조직으로 만들어 경도와 강도를 다운(DOWN) 시키는데 그 목적이 있다.

위와 같은 이유로 구상화소둔을 실시하면 냉간성형이 원활해지는 장점이 있지만, 장시간(일반적으로 20시간 이상) 처리해야 하므로 열처리 비용이 많이 들고, 생산시간 연장이라는 불리한 측면도 존재한다.

또한, 성형(단조)시 받는 응력으로 인하여 침탄열처리시 결정립 조대화 현상이 발생함으로써, 노멀라이징 열처리를 실시하는데 노멀라이징 열처리 또한 열처리비용과 생산시간 연장이라는 불리한 측면이 존재한다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 기존의 구상화소둔 공정을 배제하고, 노멀라이징 시간을 감소시킴으로써, 기존 소재 대비 동등한 물성을 가지면서, 원가절감 및 생산시간 크게 단축시킬 수 있는 장점을 제공할 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 철(Fe)을 기재로 하고, 여기에 탄소(C) 0.17∼0.23중량%, 실리콘(Si) 0.1중량% 이하, 망간(Mn) 0.40∼0.50중량%, 인(P)0.03중량% 이하, 황(S) 0.03중량% 이하, 크롬(Cr) 0.85∼1.25중량%, 티타늄(Ti) 0.01∼0.04중량%, 질소(N) 0.01~0.02중량%, 보론(B) 10∼30ppm, 니오븀(Nb) 0.015∼0.035중량% 가 함유된 것을 특징으로 하는 기어용 보론강을 제공한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 철(Fe)을 기재로 하고, 여기에 탄소(C) 0.17∼0.23중량%, 실리콘(Si) 0.1중량% 이하, 망간(Mn) 0.40∼0.50중량%, 인(P)0.03중량% 이하, 황(S) 0.03중량% 이하, 크롬(Cr) 0.85∼1.25중량%, 티타늄(Ti) 0.01∼0.04중량%, 질소(N) 0.01~0.02중량%, 보론(B) 10∼30ppm, 니오븀(Nb) 0.015∼0.035중량% 가 함유된 소재를 압연 절단하는 단계와; 단조 성형하는 단계와; 970℃에서 60분 동안 노멀라이징하는 단계와; 침탄열처리하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기어용 보론강 제조 방법을 제공한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

기존의

구상화소둔 생략 및 노멀라이징 시간 감소가 가능한 저탄소 보론 첨가 크롬강을 제공하고자 한 것으로서, 기존 함금강과 달리 원가절감 및 생산시간 크게 단축시킬 수 있는 기어용 보론강을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 구상화소둔 생략 및 노멀라이징 시간 감소가 가능하고, 이에 기존 함금강과 달리 원가절감 및 생산시간 크게 단축시킬 수 있는 기어용 보론강을 제공 하고자 한 것으로서, 아래의 표 1에 기존 재료와 비교하여 나타낸 바와 같이, 철(Fe)을 기재로 하고, 여기에 탄소(C) 0.17∼0.23중량%, 실리콘(Si) 0.1중량% 이하, 망간(Mn) 0.40∼0.50중량%, 인(P)0.03중량% 이하, 황(S) 0.03중량% 이하, 크롬(Cr) 0.85∼1.25중량%, 티타늄(Ti) 0.01∼0.04중량%, 질소(N) 0.01~0.02중량%, 보론(B) 10∼30ppm, 니오븀(Nb) 0.015∼0.035중량% 가 함유된 것을 특징으로 한다.

여기서, 본 발명의 기어용 보론강에 함유된 각 성분의 첨가 이유 및 함량비 한정 이유를 설명하면 다음과 같다.

1) 탄소(C) 0.17∼0.23중량%

탄소는 화학성분중 가장 강력한 침입형 기지강화 원소로 탄소량이 높을수록 강도는 상승하지만 인성이 저하되는 현상이 발생하며, 침탄의 경우는 표면측에는고탄소의 열처리 조직을 얻고, 심부에서는 탄소량이 0.15중량% 이하의 경우는 탄소량의 부족으로 보론만으로의 소입성을 가지지 못하므로(침탄시 HV350 이상의 심부경도를 갖지 못함), 탄소량이 0.25중량% 이상인 경우는 소재상태에서 HRB 80이상의 경도를 갖게 함으로써 구상화 소둔이 생략할 수 없는 고경도로 되고, 또한 심부의 소입성이 너무 높아져 침탄시 HV450 이상의 경도를 갖게 되어 인성이 저하된다.

이러한 이유로 저탄소의 고인성의 열처리 조직을 얻기 위해서 일반적으로 0.17~0.23%의 탄소량을 갖는 저탄소강을 사용한다.

위의 두가지 이유로, 침탄 열처리를 실시하는 합금강의 탄소량을 0.17~0.23중량%로 제한한 것이다.

2) 망간(Mn) 0.40∼0.50중량%

Mn은 기지안에 고용되어 굽힘피로강도 향상에 도움이 되지만 탄소와 동일하게 신선후 가공경화에 큰 역할을 하므로 본 발명재료는 기존재료의 망간량 보다 함량을 대폭 낮추어(0.9 → 0.4) 기어의 냉간성형을 가능하게 하였다.

Mn의 양이 0.4중량% 이하가 되면 회전 굽힘 피로강도가 기존재대비 약 20% 이상 감소하게 되며, 0.5중량% 이상이 되면 HRB 경도가 80이상이 되므로 구상화 소둔 생략이 불가능하게 되므로, 본 발명에서는 0.40∼0.50중량%로 한정한 것이다.

3) 실리콘(Si) 0.1중량% 이하

실리콘은 강력한 페라이트(Ferrite) 강화 원소이므로 열처리전 페라이트 강도를 낮추기 위하여 약 0.2% 에서 0.1중량% 이하로 대폭 함유량을 낮추었다.

만일, Si가 0.1중량% 이상이 되면, 소재강도가 HRB 80 이상으로 상승하게 된다.

4) 티타늄(Ti) 0.01∼0.04중량%, 질소(N) 0.01~0.02중량%

상기와 같이 냉간성형성을 증대 시키기 위해서 탄소 및 망간함량을 저감시키는 본 발명재료는 보론을 미량 첨가하여 소입성증대에 의한 강도를 확보하게 되는데, 보론 효과를 극대화 하기 위해서는 용질(Solute) 보론량이 기지에 많아야 한다 (보론탄화물, 보론질화물 상태는 효과없음).

그런데, 보론은 질소와의 친화력이 좋아서 'BN' 형태의 질화물상태로 기지에 존재하기가 쉬우므로 본 발명재료에서는 적절한 양의 Ti를 첨가하여 'TiN' 을 만들어서 보론과 결합되는 질소의 양을 줄이고, 또한 'TiN'의 디스로케이션 피닝(Dislocation peening) 효과를 이용한 결정립성장 억제 효과도 이루었다.

Ti의 경우 고가의 원소이므로 강중에 있는 질소와 결합하는 최적량인 0.01~0.04%의 범위로 선택하였으며, Ti 가 0.1중량% 이하인 경우는 N 구속효과가 없어지므로 보론에 의한 소입성이 없으며, 0.4 중량% 이상인 경우는 더 이상 아무리 많이 첨가하여도 N 구속효과가 포화되므로 원가상승만이 있게 된다.

5) 보론(B) 10∼30ppm

상기에서와 같이 보론은 소입성향상 효과가 우수하고, 미량첨가로도 소입성에 큰 영향을 미치기 때문에 본 발명재료는 10∼30ppm의 보론을 첨가하였다.

보론이 10ppm 이하인 경우는 소입성효과가 나타나지 않고, 30ppm 이상은 양산 제강시 첨가하기가 어려우므로 원가를 감안하여 그 이상 첨가는 할 수 없다.

6) 니오븀(Nb) 0.015∼0.035중량%

고온에서 결정립 조대화를 방지하여 고온에서도 침탄이 가능하게 하며, 결정립 미세화에 의한 충격 특성을 증가시킨다.

0.015 중량% 이하의 첨가량은 Nb의 고용 효과가 나타나지 않으며, 고가의 원소이므로 기존의 기어강과 동등수준의 강도를 조절하기 위하여 0.035 중량% 까지의 성분량으로 조정한다.

이러한 본 발명의 보론강을 이용한 기어 제작 공정은 압연 - 단조 성형 - 노멀라이징 - 침탄열처리 - 가공의 과정을 거쳐 이루어지며, 기존과 달리 구상화 소둔 공정을 생략한 점, 그리고 노멀라이징 공정을 달리 실시한 점에 주안점이 있고, 나머지 공정은 기존과 동일하게 진행된다.

이하, 본 발명의 실시예를 비교예와 함께 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예

하기의 표 2에 기재된 바와 같이, 탄소(C) 0.2중량%, 실리콘(Si) 0.03중량%, 망간(Mn) 0.47중량%, 인(P)0.01중량%, 황(S) 0.01중량%, 크롬(Cr) 1.15중량%, 티타늄(Ti) 0.02중량%, 질소(N) 0.01중량%, 보론(B) 30ppm, 니오븀(Nb) 0.015∼0.035중량% 가 함유된 보론강 소재를 압연 - 단조 성형 - 노멀라이징 - 침탄열처리 - 가공의 과정을 거쳐 차량용 기어로 제조하였다.

이때, 기존 공정에 포함된 구상화 소둔 공정을 생략하였고, 압연후 소재 상태는 48kgf/㎟이었는 바, 이는 단조 성형이 문제가 없음을 의미한다.

또한, 상기 노멀라이징 공정은 기존 공정(970℃에서 240분 동안 진행됨)과 달리 970℃에서 60분 동안 진행하였다.

또한, 침탄열처리는 기존과 동일하게, 930℃에서 240분 동안 침탄, 930℃에서 120분 동안 확산, 150℃에서 2분 동안 담금질하는 과정으로 진행하였다.

비교예

기존 화학성분으로 표 1과 같이 SCR420H1 소재를 이용하여, 기존 공정순인 압연- 구상화 소둔 - 단조 성형 - 노멀라이징 - 침탄열처리 - 가공의 과정을 거쳐 기어를 제조하였다.

시험예

실시예 및 비교예에 따른 기어에 대하여 다음과 같이 기본 침탄 물성과, 샤르피 충격 시험을 실시하였다.

* 각 물성치 측정방법

1) 인장강도 : 각 소재의 공정별 인장 강도는 KS B 0801 의 표준인장 시험편을 사용하여 KS B0802의 인장시험을 실시하였다(표준SIZE 8pi 시편을 이용하여 20TON 시험기에서 실시함).

2) 표면경도, 심부경도 : 경도값은 KS B 0811의 측정법을 이용하여 경도 측정을 실시하였다(마이크로 비커스 경도계를 이용하여 300gf 에서 측정함).

3) 유효경화깊이 : KS D 0215 측정법을 이용하여 측정하였다(마이크로 비커스 경도계를 이용하였고 HV550 지점에서의 깊이를 유효경화깊이로 하였다.).

4) 그레인 크기(GRAIN SIZE) 측정 : KS D 0205 측정법을 이용하여 측정하였다(PICRIC ACID 포화용액 100ml+5g 계면활성제의 에칭액으로 에칭후 KS에 따라서 측정하고 ASTM NO로 표기하였다.).

5) 충격시험 : KS B0810에 따라 충격 시험을 실시하였다(1mm,10mm U notch 시험편을 제작하여 샤르피 충격시험을 KS 규격대로 실시하였다).

그 결과는 다음의 표 3 및 표 4에 기재된 바와 같다.

위의 표 3 및 4에서 보듯이, 본 발명의 소재는 침탄 열처리전 구상화 소둔 실시한 기존 소재 대비 동등 수준의 소재 물성, 단조성, 및 침탄후에 동등수준 경도 및 강도, 동등수준 이상의 충격강도를 가짐을 알 수 있었고, 인성의 향상과 더물어 원가절감을 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 기어용 보론강을 이용한 기어 제조 방법을 설명하는 공정도.

Claims

탄소(C) 0.17∼0.23중량%, 실리콘(Si) 0.03∼0.1중량%, 망간(Mn) 0.40∼0.50중량%, 인(P) 0.01∼0.03중량%, 황(S) 0.01∼0.03중량%, 크롬(Cr) 0.85∼1.25중량%, 티타늄(Ti) 0.01∼0.04중량%, 질소(N) 0.01~0.02중량%, 보론(B) 10∼30ppm, 니오븀(Nb) 0.015∼0.035중량%를 함유하고, 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 기어용 보론강.
탄소(C) 0.17∼0.23중량%, 실리콘(Si) 0.03∼0.1중량%, 망간(Mn) 0.40∼0.50중량%, 인(P) 0.01∼0.03중량%, 황(S) 0.01∼0.03중량%, 크롬(Cr) 0.85∼1.25중량%, 티타늄(Ti) 0.01∼0.04중량%, 질소(N) 0.01~0.02중량%, 보론(B) 10∼30ppm, 니오븀(Nb) 0.015∼0.035중량%를 함유하고, 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어진 소재를 압연 절단하는 단계와;

단조 성형하는 단계와;

970℃에서 60분 동안 노멀라이징하는 단계와;

침탄열처리하는 단계;

로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기어용 보론강 제조 방법.