KR101446133B1 - 강도 및 인성이 우수한 질화강 및 그 제조방법 - Google Patents

강도 및 인성이 우수한 질화강 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101446133B1
KR101446133B1 KR1020130158612A KR20130158612A KR101446133B1 KR 101446133 B1 KR101446133 B1 KR 101446133B1 KR 1020130158612 A KR1020130158612 A KR 1020130158612A KR 20130158612 A KR20130158612 A KR 20130158612A KR 101446133 B1 KR101446133 B1 KR 101446133B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
steel
less
nitriding
inclusive
weight
Prior art date
Application number
KR1020130158612A
Other languages
English (en)
Inventor
이운재
신정호
Original Assignee
주식회사 세아베스틸
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 세아베스틸 filed Critical 주식회사 세아베스틸
Priority to KR1020130158612A priority Critical patent/KR101446133B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101446133B1 publication Critical patent/KR101446133B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/005—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment of ferrous alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/001—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing N
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24—Nitriding
    • C23C8/26—Nitriding of ferrous surfaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/40—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using liquids, e.g. salt baths, liquid suspensions
    • C23C8/42—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using liquids, e.g. salt baths, liquid suspensions only one element being applied
    • C23C8/48—Nitriding
    • C23C8/50—Nitriding of ferrous surfaces

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)

Abstract

본 발명은 강도 및 인성이 우수한 질화강 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 C : 0.20 ~ 0.30 중량%, Si : 0.20 ~ 0.50 중량%, Mn : 0.40 ～ 0.70 중량%, P : 0.030 중량% 이하(0 미포함), S : 0.010 ~ 0.040 중량%, Ni : 0.25 중량% 이하(0 미포함), Cr : 3.00 ~ 3.50 중량%, Mo : 0.06 중량% 이하(0 미포함), V : 0.05 ~ 0.15 중량%, B : 0.0030 중량% 이하(0 미포함), Al : 0.010 ~ 0.040 중량%, Nb 또는 Ti: 0.050 중량% 이하(0 미포함), 및 N : 0.0120 중량% 이하(0 미포함)를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 질화용 강 및 이를 질화처리한 질화강을 제공한다.

Description

강도 및 인성이 우수한 질화강 및 그 제조방법{Nitrided Steels having High Strength and High Toughness}
본 발명은 강도 및 인성이 우수한 질화강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
자동차나 각종 산업기계의 부품은 강도 및 내마모성 개선을 목적으로 침탄, 고주파 및 질화열처리 등의 표면열처리를 실시하고 있다. 질화 열처리는 가스 질화, 플라즈마 질화, 가스 연질화, 염욕 연질화 등을 포함하는데, 이는 다른 표면경화 열처리 방법과 달리 변태점 이하의 저온에서 처리되기 때문에 열처리 변형을 적게 할 수 있는 장점이 있다. 그러나 질화에 의한 경화층의 깊이는 침탄열처리재와 비교하여 얕고, 침탄열처리재와 비교하여 내 피팅강도나 굽힘강도가 열세인 단점이 있다. 특히 굽힘강도가 낮다. 질화처리재가 침탄열처리재 대비 동등 수준의 강도를 확보하기 위해서 경화층 깊이를 깊게 해야 하는데, 이를 위해서는 처리시간이 길어지게 되어 생산성이나 비용면에서 불리하다.
종래 질화강인 SACM1은 C가 0.45 중량%인 중탄소강에 Al, Cr, Mo 첨가된 합금강으로서, 질화열처리 전 QT 열처리에 의해 강도인성 밸런스가 우수하게 하여 부품의 특성을 만족시킨다. 질화처리시 표면경도에 미치는 합금원소 중 Al의 영향이 가장 큰 원소이지만, 연속주조시 노즐 클로깅이 발생하기 때문에 생산성 면에서 불리하다. Al 다음으로 표면경도에 영향을 미치는 원소는 Cr으로서, 도 1에 나타낸 것과 같이 3 중량% 이상 첨가하게 되면, Al 1중량% 이상 첨가된 것과 유사한 특성을 발휘할 수 있다.
상기의 문제점을 극복하기 위하여 31CrMoV9이 개발되어 양산되고 있다. 그러나 31CrMoV9는 첨가된 Mo의 가격이 높아 비용이 높고 가공성이 떨어지는 단점이 있다.
한국 등록특허 제10-0961040호에서는 Al 첨가강을 대체하기 위한 질화강을 제시하고 있다. 상기 특허에서는 Mn, V 및 Nb 함량을 적정화하여 가공성을 개선하고 Cr, Mo 함량화 하여 고강도를 확보하는 기술을 개시하고 있다. 그러나 고강도를 확보하기 위하여 Mo함량을 0.10~0.70 중량% 범위로 높여야 하기 Mn, Cr 함량의 최적조건에서 제조비용이 높아지는 단점이 있다.
한국 공개특허 제2012-0046789호에서는 침탄 또는 침탄 질화하여 얻어지는, 피로특성이 우수한 기소강 부품 및 그 제조방법을 개시하고 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하고, 연속주조시 노즐 클로깅 발생이 적고 Mo-free에 의해 원가를 절감하면서 Mn, Cr, 및 V 함량을 최적화하여 강도를 높일 수 있는 고강도 및 고인성의 질화강을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명은 가공성이 우수한 최적의 합금설계를 통하여 상기한 고강도 및 고인성 질화강을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제는, C : 0.20 ~ 0.30 중량%, Si : 0.20 ~ 0.50 중량%, Mn : 0.40 ～ 0.70 중량%, P : 0.030 중량% 이하(0 미포함), S : 0.010 ~ 0.040 중량%, Ni : 0.25 중량% 이하(0 미포함), Cr : 3.00 ~ 3.50 중량%, Mo : 0.06 중량% 이하(0 미포함), V : 0.05 ~ 0.15 중량%, B : 0.0030 중량% 이하(0 미포함), Al : 0.010 ~ 0.040 중량%, Nb 또는 Ti : 0.050 중량% 이하(0 미포함) 및 N : 0.0120 중량% 이하(0 미포함)를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 질화용 강에 의해 달성된다.
또한, C : 0.20 ~ 0.30 중량%, Si : 0.20 ~ 0.50 중량%, Mn : 0.40 ～ 0.70 중량%, P : 0.030 중량% 이하(0 미포함), S : 0.010 ~ 0.040 중량%, Ni : 0.25 중량% 이하(0 미포함), Cr : 3.00 ~ 3.50 중량%, Mo : 0.06 중량% 이하(0 미포함), V : 0.05 ~ 0.15 중량%, B : 0.0030 중량% 이하(0 미포함), Al : 0.010 ~ 0.040 중량%, Nb 또는 Ti : 0.050 중량% 이하(0 미포함) 및 N : 0.0120 중량% 이하(0 미포함)를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 템퍼드 마르텐사이트 조직을 갖는 고강도 및 고인성을 갖는 질화강에 의해 달성된다.
바람직하게는 상기 질화강은 100㎛ 경도 800HV 이상, 경화깊이 200㎛이상 및 화합물층 두께 10㎛ 이하일 수 있다.
또한 본 발명의 과제는, C : 0.20 ~ 0.30 중량%, Si : 0.20 ~ 0.50 중량%, Mn : 0.40 ～ 0.70 중량%, P : 0.030 중량% 이하(0 미포함), S : 0.010 ~ 0.040 중량%, Ni : 0.25 중량% 이하(0 미포함), Cr : 3.00 ~ 3.50 중량%, Mo : 0.06 중량% 이하(0 미포함), V : 0.05 ~ 0.15 중량%, B : 0.0030 중량% 이하(0 미포함), Al : 0.010 ~ 0.040 중량%, Nb 또는 Ti : 0.050 중량% 이하(0 미포함) 및 N : 0.0120 중량% 이하(0 미포함)를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 880~925℃에서 강재 2.54cm 당 30분 내지 60분 유지 후 유냉(?칭)을 실시하는 단계; 상기 유냉 후 600~670℃에서 강재 2.54cm 당 60분 내지 90분 유지한 후 템퍼링하는 단계; 및 상기 템퍼링 후 500~600℃ 온도에서 질화 열처리를 실시하는 단계를 포함하는 고강도 및 고인성을 갖는 질화강의 제조방법에 의해 달성된다.
본 발명의 강은 질화열처리 전에 QT 열처리에 의해 요구되는 강도와 인성을 템퍼링온도에 의해 충족시킨 후 각종 질화열처리 방법을 적용하여 화합물층을 최소화하고 유효경화층 깊이를 제어할 수 있다. 그 결과 침탄재 대비 동등 수준의 표면경도를 확보하여 열처리 변형을 최소화할 수 있다.
또한 각종 질화열처리 방법을 적용할 수 있어 표면부의 화합물층을 최소화하고 유효경화층을 제어하여 질화열처리 부품의 피로강도를 높일 수 있다.
또한 가공성을 개선하기 위해서 템퍼링 온도를 제어하여 질화 열처리된 부품의 요구특성을 충족시킬 수 있으며, S 첨가에 의해 가공성을 개선할 수 있다.
도 1은 합금원소의 함량에 따른 질화 후 표면경도에 미치는 영향을 나타낸 것이다.
도 2는 질화열처리된 비교강 및 발명강의 질화경도 프로파일이다.
도 3은 질화열처리 후 비교강 및 발명강의 화합물층 광학현미경 관찰 사진이다.
도 4는 질화열처리 후 비교강 및 발명강의 회전굽힘피로강도를 도시한 것이다.
본 발명은 Mo-free High Cr-V계 연주친화형 질화강에 관한 것으로서, 상기 질화강은 C : 0.20 ~ 0.30 중량%, Si : 0.20 ~ 0.50 중량%, Mn : 0.40 ～ 0.70 중량%, P : 0.030 중량% 이하(0 미포함), S : 0.010 ~ 0.040 중량%, Ni : 0.25 중량% 이하(0 미포함), Cr : 3.00 ~ 3.50 중량%, Mo : 0.06 중량% 이하(0 미포함), V : 0.05 ~ 0.15 중량%, B : 0.0030 중량% 이하(0 미포함), Al : 0.010 ~ 0.040 중량%, Nb 또는 Ti: 0.050 중량% 이하(0 미포함) 및 N : 0.0120 중량% 이하(0 미포함)를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고 템퍼드 마르텐사이트 조직을 갖는다.
상기한 강의 조성은 연속주조시 노즐클로깅 발생을 최소화하여 생산성을 높일 수 있다. 또한 소량의 Mo를 사용하기 때문에 제조원가가 절감되고, S를 첨가하여 가공성을 개선할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 질화용 강을 질화처리하여 제조된 질화강을 제공한다.
이하, 본 발명의 합금성분 첨가 성분범위 한정 이유를 설명한다.
C : 0.20 ~ 0.30 중량%
C는 특수강에서 강도, 경도를 결정하는 주 원소 중 하나로 강도를 확보하기 위하여 0.20 중량%이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나 0.30 중량%를 넘으면 경도 상승으로 인해 인성 및 가공성이 저하된다. 따라서, C함량 범위는 0.20 ~ 0.30 중량%인 것이 바람직하다.
Si : 0.20 ~ 0.50 중량%
Si는 제강시 유효한 탈산제로 사용되므로 0.20 중량%이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나 Si는 질화시 표면경도상승에 미치는 영향은 적으며 경화층 깊이를 감소시키는 원소로서 0.50 중량%이하로 함유량을 제어할 필요가 있다. 따라서, Si함량 범위는 0.20 ~ 0.50 중량%인 것이 바람직하다.
Mn : 0.40 ~ 0.70 중량%
Mn은 강의 소입성과 강도를 향상시키며, 고온에서는 소성을 증가시켜 주조성을 좋게 한다. 특히 S와 결합하여 MnS를 형성함으로써 FeS의 형성을 방지하여 적열취성을 방지하고 절삭 가공성을 향상시킨다. 그러나 과잉으로 첨가하게 되면 인성이 저하되므로 인성 저하 없이 충분한 소입성 및 필요 가공성을 얻기 위하여, Mn 함량은 0.40 ~ 0.70중량%인 것이 바람직하다.
Cr : 3.00 ~ 3.50 중량%
Cr은 강의 소입성, 뜨임 저항을 크게 하고 질화 시 Al 다음으로 표면경도상승 효과가 큰 원소로 강의 소입성을 확보하고 질화 후 충분한 표면경도 확보를 위해 3.00 중량% 이상 첨가하는 것이 필요하다. 3.50 중량% 이상 첨가 시에는 질화에 대한 효과가 포화된다. Cr을 통해 충분한 소입성 증가 및 질화 시 표면경도상승의 효과를 보려면 적어도 3.00중량%이상 첨가하는 것이 바람직하지만 과잉으로 첨가하면 인성을 저하하고 질화 효과도 포화하므로 3.50 중량% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다. 따라서, Cr의 함량범위는 3.00 ~ 3.50 중량%인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 3.30 중량% 이하로 첨가할 수 있다.
Ni : 0.25 중량% 이하 (0 미포함)
Ni은 강의 조직을 미세화시키고 소입성, 인성을 향상시키는 원소이나, 피삭성이 저하되고 부품의 제조 원가를 높여 경제적이지 못하기 때문에 0.25 중량%이하인 것이 바람직하다.
Mo : 0.06 중량% 이하 (0 미포함)
Mo은 소입성 향상, Mo 탄화물에 형성에 의한 결정립 미세화 효과 및 탄화물 미세분포 효과가 있는 원소이다. 그러나 첨가에 따른 제조원가 상승 요인이 되어 경제적인 효과가 저하되기 때문에 0,06 중량% 이하인 것이 바람직하다.
V : 0.05 ~ 0.15 중량%
V은 미세 탄질화물 형성에 의한 결정립을 미세화시켜 강도 및 인성을 향상시킨다. 또한 질화 시 질화물을 형성하여 질화경도 및 경화층 깊이를 증가시키는 원소로 0.05 중량% 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나 경화층 깊이를 증가시키는 효과는 0.30 중량%에서 포화되고 고가의 합금원소로서 과잉 첨가시 경제성이 떨어진다. 따라서, 이러한 특성을 고려하여 V의 적정함량은 0.05 ~ 0.15 중량%인 것이 바람직하다.
Al : 0.010 ~ 0.040 중량%
Al은 제강시 강력한 탈산제로서 작용하는 것과 동시에 N와 결합하여 결정립을 미세화시키는 원소로 0.010 중량%이상 함유시킬 필요가 있다. 또한 질화 시에도 강력한 질화물 형성 원소로 표면경도 상승 효과가 있으나 과잉으로 첨가하게 되면 제강 시 침적노즐 클로깅 현상이 발생할 수 있으며 또한 가공성 및 피로특성을 저하시키는 일부 거대 및 클러스터형태의 Al2O3 비금속 개재물의 증가로 해로운 영향을 미칠 수 있다. 따라서 Al의 적정 함량 범위는 0.010 ~ 0.040 중량%인 것이 바람직하다.
S : 0.010 ~ 0.040 중량%
S는 Mn과 결합하여 MnS를 형성함으로써 강의 피삭성을 개선하는 원소이다. 질화열처리를 실시하는 기계 구조용 부품의 경우 기어 등과 같은 형태의 가공량이 많은 부품이 대부분이므로 가공성 저하 시 생산성에 문제가 발생할 수 있으므로 S를 0.010 중량%이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나 S는 Al과 함께 과잉으로 첨가하게 되면 제강 시 침적노즐 클로깅 현상을 유발할 수 있으며 또한 일부 거대 및 클러스터 형태의 개재물 형성에 의해 결함의 발생 및 경로가 될 수 있다. 따라서 S의 함량 범위는 0.010 ~ 0.040 중량%인 것이 바람직하다.
P : 0.030 중량% 이하 (0 미포함)
P는 오스테나이트 결정립 입계에 편석되어 인성을 저하시키므로, 0.030 중량% 이하인 것이 바람직하다.
N : 0.0120 중량% 이하 (0 미포함)
N는 비조질강 중에서 V, Ti, Al 등의 합금 원소들과 결합하여 질화물을 형성시켜 오스테나이트 결정립 미세화에 의한 강도 및 인성 향상에 기여한다. 그러나 과잉으로 첨가하면 효과가 포화되므로 상기 범위로 제한하였다.
Nb 또는 Ti : 0.050 중량% 이하 (0 미포함)
Nb 및 Ti는 강재를 미세립화시키는 주요 원소이며, 질화 시에 침입하는 N 및 강중의 C와 탄질화물을 형성하는 원소이다. 이들 원소는 단독 또는 두 가지를 함께 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나 과잉으로 첨가하면 인성 및 가공성 저하가 우려되며 고가의 원소이므로 각각을 첨가하는 경우, 또는 이들을 함께 첨가하는 경우 각각 0.050 중량% 이하인 것이 바람직하다.
.B : 0.030 중량% 이하 (0 미포함)
B는 미량 첨가시에도 소입성을 향상시키는 원소로서 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나 다량 첨가 시 포화되어 효과가 없으므로 상기 범위로 제한하였다.
상기한 조성을 갖는 강재는 아래의 방법으로 질화처리할 수 있다.
1200~1250℃에서 열간 압연하는 단계(S11);
상기 열간 압연된 강재를 880~925℃에서 30분/inch ~ 60분/inch 유지한 후 ?칭을 실시하는 단계(S12);
상기 ?칭 후 600~670℃에서 60분/inch ~ 90분/inch 유지한 후 템퍼링하는 단계(S13); 및
상기 템퍼링 후 500~600℃ 온도에서 질화 열처리를 실시하는 단계(S14)를 포함한다.
상기 ?칭 및 템퍼링 단계에서, 강재는 880~925℃에서 강재 2.54cm 당 30분 내지 60분으로 유지한 후 유냉(?칭)을 하고, 600~670℃에서 강재 2.54cm 당 60분 내지 90분 유지한 후 템퍼링하는 것이 바람직하다. 이는 질화강에서 요구되는 강도와 인성을 충족시키기 위한 전처리 공정이다. 바람직하게는 질화온도 이상인 600~670℃에서 템퍼링함으로써 경도 저하를 최소화한 것을 특징으로 한다. 즉, 질화 열처리 온도 이상의 온도에서 사전 열처리를 함으로써 실제 질화열처리 시에 경도가 저하되는 현상을 막을 수 있다. 또한 ?칭/템퍼링 전처리를 실시하여 템퍼드마르텐사이트 조직을 형성할 수 있고, 전처리재(부품)의 강도 및 인성을 조절할 수 있다. 또한, 이러한 사전 열처리는 질화 처리시에 ?칭/템퍼링 전조직에 질화층을 균일하게 형성시킬 수 있다.
상기 질화 열처리는 500~600℃ 온도에서 실시하는 것이 바람직하다. 질화 열처리 온도가 500℃ 미만인 경우 질화 반응속도가 느려질 수 있다.
상기한 방법으로 제조된 본 발명의 침탄대체용 질화강은, 열처리 변형이 적고 강도 및 인성이 우수하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 대해 설명하지만, 이들에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예
본 발명의 조성을 갖는 발명강 A 내지 C와 비교강 D 내지 F의 화학 성분을 표 1에 나타내었다. 아래 발명강 및 비교강의 성분은 합금설계안으로 제강 및 블룸(Bloom) 연주하여 제조된 강종에 대한 화학성분을 나타낸 것이다.
(단위:중량%)
C Si Mn P S Ni Cr Mo V Al Nb 또는 Ti B N
발명강A 0.24 0.25 0.50 0.003 0.020 0.01 3.03 0.001 0.06 0.028 0.0038 0.0002 0.0061
발명강B 0.25 0.26 0.54 0.004 0.026 0.01 3.12 0.001 0.13 0.039 0.0041 0.0003 0.0060
발명강C 0.25 0.28 0.65 0.004 0.033 0.01 3.20 0.001 0.10 0.030 0.0042 0.0003 0.0058
비교강D 0.44 0.30 0.43 0.010 0.001 0.08 1.45 0.15 0.01 0.743 0.0039 0.0002 0.0063
비교강E 0.22 0.26 0.85 0.011 0.003 0.15 1.22 0.07 0.01 0.020 0.0044 0.0015 0.0065
비교강F 0.30 0.25 0.46 0.015 0.007 0.08 2.37 0.16 0.11 0.033 0.0038 0.0005 0.0064
이하, 제조공정을 상세히 설명한다.
우선 발명강 A 내지 C 및 비교강 D 내지 F를 각각 전기로에서 용해하고, 블룸(Bloom) 연주한 다음 1200~1250℃의 온도에서 가열한다. 이어서 이를 압연 하여 180각 압연 빌렛으로 제조하고 냉각대에서 냉각한다. 상기 냉각된 압연 빌렛을 1150~1200℃의 온도에서 가열한 후 압연을 하여 Φ40mm 환봉으로 제작한다. 제작된 환봉을 Φ25mm의 공시재 시편으로 가공한 뒤, 880~925℃에서 강재 2.54cm 당 30분 유지 후 유냉(?칭)을 실시하고 600~670℃(질화 열처리 온도 이상)에서 강재 2.54cm 당 60분 유지 후 템퍼링하는 전처리 과정을 실시한다.
QT 열처리에 의한 전처리 과정을 거쳐 준비된 공시재 시편은 각 평가에 적합한 시편으로 최종 가공한 뒤 500~600℃ 온도에서 질화 열처리를 실시한다. 최종 발명강의 시편은 표면직하 100㎛ 경도 800HV 이상, 경화깊이 200㎛이상 및 화합물층 두께 10㎛ 이하의 특성을 나타내었다.
질화 열처리된 시편은 광학현미경을 이용하여 미세조직 및 화합물층 관찰을 하였고 비커스 경도기(500gf)를 이용하여 질화경도를 측정하였다. 또한 질화 열처리된 회전굽힘시편은 SHIMAZDU사의 ONO'S ROTARY BANDING FATIGUE TESTER로 평가하였다. 회전굽힘피로강도는 각각의 하중에서 3000rpm 조건으로 평가하였다.
아래 표 2는 질화 열처리 후 발명강 및 비교강의 물성을 나타낸 것이다.
조직 표면직하
100㎛
경도(HV)		 평균 경화깊이(㎛) 평균 화합물층
두께(㎛)
발명강A 텀퍼트마르텐사이트 866 250 3
발명강B 텀퍼트마르텐사이트 859 250 3
발명강C 텀퍼트마르텐사이트 862 250 4
비교강D 텀퍼트마르텐사이트 789 250 10
비교강E 텀퍼트마르텐사이트 764 250 10
비교강F 텀퍼트마르텐사이트 620 200 16
도 2는 본 발명에 따라 질화 열처리한 발명강 A 내지 C 및 비교강 D 내지 F의 질화경도 프로파일을 나타낸 것이다. 도 2를 보면, 개발강의 심부경도는 비교강과 동등 수준이나, 표면경도는 일반적인 질화강인 비교강 D,F에 비해 약 100HV이상 높다. 개발 강이 비교강 대비 질화 시 표면경도상승 효과가 있는 Cr, V 등의 합금원소를 다량 함유하고 있는 것에 따른 효과이다.
도 3은 질화열처리 후 발명강 B 및 비교강 D의 표면 미세조직 및 화합물층을 측정한 것이다. 도 3에 따르면 비교강 D와 발명강 B 모두의 내부 조직은 QT조직인 템퍼드마르텐사이트이며, 비교강 D는 화합물층이 10㎛ 두께로 형성되었고 발명강 B는 그보다 낮은 3㎛ 수준으로 형성되었다. 화합물층 형성 두께는 질화조건이 가장 큰 영향을 미치지만, 동일한 질화조건에서는 질화물 형성원소와 탄소함유량이 영향을 미친다. 발명강은 비교강과 대비하여, 질화물 형성 합금원소인 Cr을 다량 함유하고 있으며 탄소함유량을 낮추어 화합물층 형성을 억제시킬 수 있었다.
도 4는 QT상태 및 질화열처리 후 발명강 B와 비교강 F의 회전굽힘피로강도(1,000만 사이클 기준)를 나타낸 것이다. 비교강 F는 QT상태 대비 피로강도가 약 20%의 상승된 것을 볼 수 있고 발명강 B는 비교강 F 보다 피로강도가 약 30% 상승된 것을 나타낸다. 이는 본 발명에 따른 강이 높은 표면경도를 갖고 질화물 형성에 따라 피로강도가 상승했기 때문이다.

Claims (5)

  1. C : 0.20 ~ 0.30 중량%, Si : 0.20 ~ 0.50 중량%, Mn : 0.40 ～ 0.70 중량%, P : 0.030 중량% 이하(0 미포함), S : 0.010 ~ 0.040 중량%, Ni : 0.25 중량% 이하(0 미포함), Cr : 3.00 ~ 3.50 중량%, Mo : 0.06 중량% 이하(0 미포함), V : 0.05 ~ 0.15 중량%, B : 0.0030 중량% 이하(0 미포함), Al : 0.010 ~ 0.040 중량%, Nb, Ti 또는 Nb와 Ti: 0.050 중량% 이하(0 미포함) 및 N : 0.0120 중량% 이하(0 미포함)를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 질화용 강.
  2. C : 0.20 ~ 0.30 중량%, Si : 0.20 ~ 0.50 중량%, Mn : 0.40 ～ 0.70 중량%, P : 0.030 중량% 이하(0 미포함), S : 0.010 ~ 0.040 중량%, Ni : 0.25 중량% 이하(0 미포함), Cr : 3.00 ~ 3.50 중량%, Mo : 0.06 중량% 이하(0 미포함), V : 0.05 ~ 0.15 중량%, B : 0.0030 중량% 이하(0 미포함), Al : 0.010 ~ 0.040 중량%, Nb, Ti 또는 Nb와 Ti : 0.050 중량% 이하(0 미포함) 및 N : 0.0120 중량% 이하(0 미포함)를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 내부조직은 템퍼드 마르텐사이트 조직인 고강도 및 고인성을 갖는 질화강.
  3. 제2항에 있어서, 상기 질화강은 표면직하 100㎛에서의 경도가 800HV 이상이고 경화깊이가 200㎛ 이상인 질화강.
  4. 제2항에 있어서, 상기 질화강은 화합물층의 두께가 10㎛ 이하인 질화강.
  5. C : 0.20 ~ 0.30 중량%, Si : 0.20 ~ 0.50 중량%, Mn : 0.40 ～ 0.70 중량%, P : 0.030 중량% 이하(0 미포함), S : 0.010 ~ 0.040 중량%, Ni : 0.25 중량% 이하(0 미포함), Cr : 3.00 ~ 3.50 중량%, Mo : 0.06 중량% 이하(0 미포함), V : 0.05 ~ 0.15 중량%, B : 0.0030 중량% 이하(0 미포함), Al : 0.010 ~ 0.040 중량%, Nb, Ti 또는 Nb와 Ti: 0.050 중량% 이하(0 미포함) 및 N : 0.0120 중량% 이하(0 미포함)를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 강을 1200~1250℃에서 열간 압연하는 단계;
    상기 열간 압연된 강재를 880~925℃에서 강재 2.54cm 당 30분 내지 60분 유지한 후 ?칭을 실시하는 단계;
    상기 ?칭 후 강재를 600~670℃에서 강재 2.54cm 당 60분 내지 90분 유지한 후 템퍼링하는 단계; 및
    상기 템퍼링 후 500~600℃ 온도에서 질화 열처리를 실시하는 단계를 포함하는 고강도 및 고인성을 갖는 질화강의 제조방법.
KR1020130158612A 2013-12-18 2013-12-18 강도 및 인성이 우수한 질화강 및 그 제조방법 KR101446133B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130158612A KR101446133B1 (ko) 2013-12-18 2013-12-18 강도 및 인성이 우수한 질화강 및 그 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130158612A KR101446133B1 (ko) 2013-12-18 2013-12-18 강도 및 인성이 우수한 질화강 및 그 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101446133B1 true KR101446133B1 (ko) 2014-10-01

Family

ID=51996198

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130158612A KR101446133B1 (ko) 2013-12-18 2013-12-18 강도 및 인성이 우수한 질화강 및 그 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101446133B1 (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009138275A (ja) 2009-01-09 2009-06-25 Sumitomo Metal Ind Ltd 窒化処理鋼材
KR20090113501A (ko) * 2008-04-28 2009-11-02 동아대학교 산학협력단 고강도 질화강
JP2009299180A (ja) 2008-05-13 2009-12-24 Nippon Steel Corp 耐遅れ破壊特性に優れた高強度鋼材、高強度ボルト及びその製造方法
KR20130133036A (ko) * 2011-03-29 2013-12-05 제이에프이 스틸 가부시키가이샤 내응력 부식 균열성이 우수한 내마모 강판 및 그 제조 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090113501A (ko) * 2008-04-28 2009-11-02 동아대학교 산학협력단 고강도 질화강
JP2009299180A (ja) 2008-05-13 2009-12-24 Nippon Steel Corp 耐遅れ破壊特性に優れた高強度鋼材、高強度ボルト及びその製造方法
JP2009138275A (ja) 2009-01-09 2009-06-25 Sumitomo Metal Ind Ltd 窒化処理鋼材
KR20130133036A (ko) * 2011-03-29 2013-12-05 제이에프이 스틸 가부시키가이샤 내응력 부식 균열성이 우수한 내마모 강판 및 그 제조 방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1980630B1 (en) Carburized and high-frequency hardened part having high strength
KR101122840B1 (ko) 침탄 켄칭성이 우수한 탄소 강판 및 그 제조 방법
JP5423806B2 (ja) 高靱性耐摩耗鋼およびその製造方法
JP6737387B2 (ja) 軟窒化用鋼および部品
JP5123335B2 (ja) クランクシャフトおよびその製造方法
WO2012043074A1 (ja) 肌焼鋼およびその製造方法
KR101665783B1 (ko) 상온 가공성 및 저온 충격인성이 우수한 중탄소강 비조질 선재 및 이의 제조방법
KR101726251B1 (ko) 연질화용 강 및 연질화 부품 그리고 이들의 제조 방법
US10655195B2 (en) Martensitic stainless steel
KR20140123111A (ko) 내지연파괴성이 우수한 보론 첨가 고강도 볼트용 강 및 고강도 볼트
WO2013121794A1 (ja) 軟窒化用鋼およびこの鋼を素材とする軟窒化部品
JP4464862B2 (ja) 耐結晶粒粗大化特性と冷間加工性に優れた軟化焼鈍の省略可能な肌焼用鋼
KR20160068120A (ko) 표면 경화 열처리성이 우수한 중탄소강 비조질 선재 및 이의 제조방법
TWI548755B (zh) 氮化處理用鋼板及其製造方法
JP2009068057A (ja) 軟窒化処理用鋼板およびその製造方法
JP4737601B2 (ja) 高温窒化処理用鋼
KR101446133B1 (ko) 강도 및 인성이 우수한 질화강 및 그 제조방법
JP6721141B1 (ja) 軟窒化用鋼および軟窒化部品並びにこれらの製造方法
KR102153196B1 (ko) 고탄소 보론강 강재 및 그 제조방법
JP5151662B2 (ja) 軟窒化用鋼材の製造方法
KR101353551B1 (ko) 성형성이 우수한 고탄소 강판 및 그 제조방법
JP6477614B2 (ja) 軟窒化用鋼および部品ならびにこれらの製造方法
KR101758467B1 (ko) 금형 및 그 제조방법
KR101657799B1 (ko) 연신율이 우수한 아연도금강판 및 그 제조방법
KR101655181B1 (ko) 고강도 강 및 기어 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant