KR101446134B1 - 내피팅성이 우수한 기계구조용 고탄소 침탄용 강 및 고탄소 침탄 열처리방법 - Google Patents

내피팅성이 우수한 기계구조용 고탄소 침탄용 강 및 고탄소 침탄 열처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 내피팅성이 우수하고, 화학 성분이 C : 0.15 ~ 0.25 중량%, Si : 0.90 ~ 1.20 중량%, Mn : 0.45 ~ 0.65 중량%, P : 0.020 중량%이하, S : 0.015 중량%이하, Ni : 0.20 중량%이하, Cr : 2.10 ~ 2.80 중량%, Mo : 0.15 중량% 이하(0 미포함), V : 0.002 ~ 0.08 중량%, Nb : 0.020 ~ 0.040 중량%, Al : 0.020 ~ 0.035 중량%, N : 0.010 ~ 0.015 중량% 를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 고탄소 침탄용 강을 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 고탄소 침탄용 강을 절삭 가공 처리 및 고탄소 침탄 열처리를 실시한 기계구조용 부품을 제공한다.
또한, 본 발명은 (a) 강재를 1,000℃에서 42분 동안 침탄을 수행하는 단계; (b) 860℃에서 159분 동안 침탄/확산을 수행하는 단계; (c) 860℃에서 159분 동안 침탄/확산을 수행하는 단계; 및 (d) 860℃에서 30분 동안 가열 후, He가스로 템퍼링을 수행하는 단계;를 포함하는 고탄소 침탄 열처리방법을 제공한다.

Description

내피팅성이 우수한 기계구조용 고탄소 침탄용 강 및 고탄소 침탄 열처리방법{SUPERCARBURIZING STEEL FOR MACHINE STRUCTURE WITH HIGH ANTI-PITTING FATIGUE STRENGTH AND SUPERCARBURIZING HEAT TREATMENT METHOD}
본 발명은 고탄소 침탄(Supercarburizing; SC)용 강, 고탄소 침탄 열처리된 기계구조용 부품 및 고탄소 침탄 열처리방법에 관한 것으로서, 고탄소 침탄에 적합한 조성으로 내피팅성이 우수한 고탄소 침탄용 강, 고탄소 침탄 열처리된 기계구조용 부품 및 고탄소 침탄 열처리 방법에 관한 것이다.
최근 들어 변속기 기어에 있어서, 쇼트 피닝(Shot Peening)을 적용하여 기어 치원의 피로절손이나 충격파괴에 대한 강도를 비약적으로 향상시킨 결과, 기어의 파손형태가 치원 파손형에서 치면 파손형으로 변화되고 있다. 따라서 기어 치면의 내면압강도를 향상시키기 위한 변속기 기어용 강이 요구됨에 따라 종래의 침탄법보다 우수한 침탄열처리 방법 및 그에 적합한 전용강의 개발이 요구되고 있다.
이에 따라 고농도의 탄소를 강에 침탄시키고, 이때 탄화물을 내부로 고용 확산시키는 침탄법이 개발되었다. 한국특허 제10-0898679호 및 한국특허 제10-0854569호 등에서 고농도 침탄과 관련된 기술이 개시되어 있다. 상기 문헌들은 양산 적용되고 있는 SCM415/420, SCR415/420 등의 침탄용강을 이용하여 탄소함량을 종래의 침탄법에 비해 더 많이 침투시켜 강도를 향상시키는 고탄소 침탄방법을 개시하고 있다.
종래의 고탄소 침탄강으로는 DAIDO 제강의 RK706 및 MMC 제강의 MAC14의 두 강종이 있다. 상기 두 강종은 탄화물 형성에 필요한 원소인 Cr을 2.0 중량% 이상 함유하고, Mo를 기본으로 한 합금이다. 가스침탄에 의한 과잉 침탄 시, 표면 하에 입계산화층 및 망상탄화물이 석출되어 내피팅성이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 입계산화층과 망상탄화물의 석출을 방지하여, 내면압 피로강도와 내피팅성을 향상시킨 고탄소 침탄용 강, 고탄소 침탄 열처리된 기계구조용 부품 및 고탄소 침탄 열처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 종래의 침탄법에 비해 탄소함량을 높게하고, 미세 구상탄화물을 석출/분산시켜 내피팅성이 우수한 고탄소 침탄(Supercarburizing; SC) 열처리 방법을 제공하며, 이에 적합한 조성을 갖는 내피팅성이 우수한 고탄소 침탄용 강 및 이를 이용한 기계구조용 부품을 제공한다. 구체적으로, C : 0.15 ~ 0.25 중량%, Si : 0.90 ~ 1.20 중량%, Mn : 0.45 ~ 0.65 중량%, P : 0.020 중량%이하(0 미포함), S : 0.015 중량%이하(0 미포함), Ni : 0.20 중량%이하(0 미포함), Cr : 2.10 ~ 2.80 중량%, Mo : 0.15 중량% 이하(0 미포함), V : 0.002 ~ 0.08 중량%, Nb : 0.020 ~ 0.040 중량%, Al : 0.020 ~ 0.035 중량%, N : 0.010 ~ 0.015 중량% 를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 고탄소 침탄용 강을 제공한다.
바람직하게는, 상기 Cr은 2.35 ~ 2.55 중량%이고, 상기 V은 0.02 ~ 0.08 중량%일 수 있다.
바람직하게는, 상기 강은 고탄소 침탄 열처리 후, 표면경도가 800 Hv이상이고, 탄화물 형성깊이가 500 ㎛ 이상일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 침탄용 강을 절삭 가공 처리 및 고탄소 침탄 열처리를 실시한, 기계구조용 부품을 제공한다.
바람직하게는, 상기 기계구조용 부품은 표면경도가 800 Hv이상이고, 탄화물 형성깊이가 500 ㎛ 이상일 수 있다.
바람직하게는, 상기 기계구조용 부품은 접촉피로수명이 800만 cycle 이상일 수 있다.
또한, 본 발명은
(a) C : 0.15 ~ 0.25 중량%, Si : 0.90 ~ 1.20 중량%, Mn : 0.45 ~ 0.65 중량%, P : 0.020 중량%이하(0 미포함), S : 0.015 중량%이하(0 미포함), Ni : 0.20 중량%이하(0 미포함), Cr : 2.10 ~ 2.80 중량%, Mo : 0.15 중량% 이하(0 미포함), V : 0.002 ~ 0.08 중량%, Nb : 0.020 ~ 0.040 중량%, Al : 0.020 ~ 0.035 중량%, N : 0.010 ~ 0.015 중량% 를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 900 ~ 1,000℃에서 30 ~ 50분 동안 침탄을 수행하는 단계;
(b) 800 ~ 900℃에서 130 ~ 180분 동안 침탄/확산을 수행하는 제1 침탄/확산 단계;
(c) 800 ~ 900℃에서 130 ~ 180분 동안 침탄/확산을 수행하는 제2 침탄/확산 단계; 및
(d) 800 ~ 900℃에서 20 ~ 40분 동안 가열 후, 불활성 가스로 ?칭을 수행하는 단계;를 포함하는 고탄소 침탄 열처리방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 침탄은 진공분위기에서 수행되며, 8 내지 10 mbar의 압력하에서 탄소 0.9 내지 1.4 중량%로 수행할 수 있다.
본 발명의 고탄소 침탄용 강은, 일반 진공침탄재 대비 표면부에 탄화물이 분산된 침탄조직을 갖게 하여 내피팅성이 향상된다. 또한, 기계구조용 부품, 예를 들어, 자동차 변속기 기어 치부의 고강도화 및 고면압화를 할 수 있어 접촉피로강도가 향상되고, 자동차 변속기 부품의 고강도화, 고성능화 및 경량화 등의 요구를 만족할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 침탄 열처리의 과정을 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 고탄소 침탄 열처리 방법에 의하여 열처리된 실시예와 비교예의 침탄경도를 도시한 그래프이다.
도 3a 내지 3d, 도 4a 및 4b는 본 발명의 고탄소 침탄 열처리 방법에 의하여 열처리된 실시예와 비교예의 미세 탄화물 분포 SEM 관찰 사진이다.
도 5는 본 발명의 고탄소 침탄 열처리 방법에 의하여 열처리된 실시예와 비교예의 접촉피로수명을 도시한 그래프이다.
도 6는 본 발명의 고탄소 침탄 열처리 방법에 의하여 열처리된 실시예와 비교예의 템퍼연화저항성을 도시한 그래프이다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다. 용어 약이라는 것은 참조 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 25, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이를 의미한다.
본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, 포함하다 및 포함하는 이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.
본 발명의 고탄소 침탄용 강은 C : 0.15 ~ 0.25 중량%, Si : 0.90 ~ 1.20 중량%, Mn : 0.45 ~ 0.65 중량%, P : 0.020 중량%이하, S : 0.015 중량%이하, Ni : 0.20 중량%이하, Cr : 2.10 ~ 2.80 중량%, Mo : 0.15 중량% 이하, V : 0.002 ~ 0.08 중량%, Nb : 0.020 ~ 0.040 중량%, Al : 0.020 ~ 0.035 중량%, N : 0.010 ~ 0.015 중량% 를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 Cr은 2.35 ~ 2.55 중량%이고, 상기 V은 0.02 ~ 0.08 중량%일 수 있다
본 발명의 기계구조용 부품은 C : 0.15 ~ 0.25 중량%, Si : 0.90 ~ 1.20 중량%, Mn : 0.45 ~ 0.65 중량%, P : 0.020 중량%이하, S : 0.015 중량%이하, Ni : 0.20 중량%이하, Cr : 2.10 ~ 2.80 중량%, Mo : 0.15 중량% 이하, V : 0.002 ~ 0.08 중량%, Nb : 0.020 ~ 0.040 중량%, Al : 0.020 ~ 0.035 중량%, N : 0.010 ~ 0.015 중량% 를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 절삭 가공 처리 및 고탄소 침탄 열처리를 실시한 기계구조용 부품이다.
바람직하게는, 상기 기계구조용 부품은 변속기용 부품일 수 있다.
이하 본 발명의 고탄소 침탄 열처리된 기계구조용 부품의 성분을 상세히 설명한다.
C : 0.15 중량% ~ 0.25 중량%
C는 특수강에서 강도, 경도를 결정하는 주 원소중 하나로 심부 강도를 확보하기 위하여 첨가한다. C의 첨가량이 0.15 중량% 미만이면 침탄 처리에 필요로 하는 시간이 너무 길어지고, 0.25 중량%를 초과하면 소재의 경도 상승으로 인해 인성 및 가공성이 저하된다. 따라서 C의 함량은 0.15 중량% ~ 0.25 중량%인 것이 바람직하다.
Si : 0.90 중량% ~ 1.20 중량%
Si는 제강시 유효한 탈산제로 사용되며 경화능을 증가시킨다. 또한 200 ~ 300℃ 온도범위에서 연화저항성을 증가시켜 치면피로강도를 향상시키는데 매우 유효한 원소이다. 연화저항성을 향상시키기 위해서는 0.90 중량%이상 함유시켜야 한다. 그러나 페라이트안정화 원소인 Si를 과잉으로 첨가하면 Ac3변태점이 상승하고, ?칭 시에 탄소 함유량이 적은 중심부에서의 페라이트 형성이 증가하여 강도의 저하를 초래한다. 반대로 침탄전의 강은 경도가 상승하여 인성 및 가공성이 저하된다. 따라서 Si의 함량은 0.90 중량% ~ 1.10 중량%인 것이 바람직하다.
Mn : 0.45 중량% ~ 0.65 중량%
Mn은 탈산제로 소입성과 강도를 향상시키며, 강 중에 존재하는 S의 유해함을 방지하기 위하여 첨가된다. MnS를 형성함으로써 적열 취성을 방지하고 절삭 가공성을 향상시킨다. 그러나 과잉으로 첨가하게 되면 인성이 저하되므로 인성 저하 없이 충분한 소입성 및 필요 가공성을 얻고자 Mn 함량은 0.45 중량% ~ 0.65 중량%인 것이 바람직하다.
P : 0.020 중량% 이하 (0 미포함)
P는 오스테나이트 결정립 입계에 편석되어 인성을 저하시키므로, P의 함량은 0.020 중량% 이하인 것이 바람직하다.
S : 0.015 중량% 이하 (0 미포함)
S는 강중에서 Mn과 결합하여 MnS를 형성한다. MnS를 형성하여 피삭성을 향상시키나, 저탄소합금강으로 MnS에 의한 피삭성 향상효과 없이도 가공성이 확보되며 과도한 S 첨가량은 피로강도의 열화 및 충격인성을 저하시키므로, S함량은 0.015 중량% 이하 인 것이 바람직하다.
Cr : 2.10 중량% ~ 2.80 중량%
Cr은 소입성을 증대시키고 강도를 향상시키는 원소이며 첨가량에 따라 SC열처리 시에 침탄층에 생성되는 탄화물 양을 증가시킨다. Cr은 본 발명의 침탄용 강재에서 가장 중요한 성분으로, 침탄 초기에 침탄층에서 Cr탄화물을 형성하고 이러한 미세 석출물을 핵으로 하여 시멘타이트가 석출되기 때문에 탄화물의 미세 분산화와 오스테나이트 입계를 따라 형성되는 조대한 망상시멘타이트의 억제에 대하여 매우 유효한 원소이다. 충분한 탄화물 형성을 위해서는 2.10 중량% 이상 첨가할 필요가 있다. 그러나 과잉으로 첨가 시엔 소재의 경도 상승을 통해 부품의 가공성을 저하시키고 탄화물이 과잉으로 형성된다. 따라서 Cr의 함량은 2.10 중량% ~ 2.80 중량%인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, Cr의 함량은 2.35 중량% ~ 2.55 중량%일 수 있다.
Ni : 0.20 중량% 이하 (0 미포함)
Ni은 강의 조직을 미세화시키고 소입성, 인성을 향상시키는 원소이나, 피삭성이 저하되고 부품의 제조 원가를 높여 경제적이지 못하기 때문에 Ni의 함량은 0.20 중량% 이하인 것이 바람직하다.
Mo : 0.15 중량% 이하 (0 미포함)
Mo은 소입성 향상, Mo탄화물에 형성에 의한 결정립 미세화 효과 및 탄화물 미세분포 효과가 있는 원소이다. 그러나 첨가에 따른 제조원가 상승 요인이 되어 경제적인 효과가 저하되기 때문에, Mo의 ?량은 0.15 중량% 이하인 것이 바람직하다.
V : 0.002 중량% ~ 0.08 중량%
V은 탄화물을 미세화 시키고, 미세 탄화물 형성에 의해 결정립을 미세화시켜 강도 및 인성을 향상시킨다. 이러한 목표를 달성하기 위해서는 적어도 0.002 중량% 이상의 V를 첨가할 필요가 있다. 그러나 과잉으로 첨가하면 강도는 증가하나 인성이 저하될 뿐만 아니라 제조원가 상승에 의한 경제적인 효과가 없기 때문에 바람직하지 않다. 따라서 V의 함량은 0.002 중량% ~ 0.08 중량%인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, V의 함량은 0.02 중량% ~ 0.08 중량%일 수 있다.
Nb : 0.020 중량% ~ 0.040 중량%
Nb은 열간압연 및 열간단조 중 Nb(C, N)의 탄질화물을 입계에 석출하여 피닝(Pinning) 효과가 나타나 결정립을 미세화하고 강도 및 인성을 동시에 향상시키는 원소이다. 특히, 고온진공침탄 시에 피닝 효과에 입계조대화를 억제시키는 가장 효과적인 원소이다. 0.020 중량% 미만의 경우 탄질화물로 인한 피닝 효과를 얻기 힘들며 0.040 중량% 초과에서는 조대한 탄질화물이 형성되어 인성을 저하시킨다. 따라서 Nb의 함량은 0.020 중량% ~ 0.040 중량%인 것이 바람직하다.
Al : 0.020 중량% ~ 0.035 중량%
Al은 강력한 탈산제로서 작용하는 것과 동시에 N와 결합하여 결정립을 미세화시키는 역할을 한다. 0.020 중량% 보다 적게 첨가하게 되면 탈산이나 결정립 미세화 작용이 충분하지 않기 때문에 바람직하지 않다. 또한 과잉으로 첨가하게 되더라도 이러한 효과는 포화되고 오히려 Al2O3와 같은 비금속 개재물 양의 증가로 오히려 인성저하 등의 해로운 영향을 미칠 수 있다. 따라서, Al의 함량은 0.020 중량% ~ 0.035 중량%인 것이 바람직하다.
N : 0.010 중량% ~ 0.015 중량%
N는 비조질강 중에서 V, Ti, Al 등의 합금 원소들과 결합하여 질화물을 형성하여, 오스테나이트 결정립 미세화에 의한 강도 및 인성 향상에 기여한다. 그러나 0.015 중량%를 초과하여 첨가하면 효과가 포화되므로 N의 함량은 0.010 중량% ~ 0.015 중량%인 것이 바람직하다.
이하에서 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 침탄 열처리의 과정을 도시한 그래프이다.
일 실시예에 따르면, 고탄소 침탄 열처리 방법은 강재를 900 ~ 1,000℃, 바람직하게는 1,000℃에서 30 ~ 50분, 바람직하게는 42분 동안 침탄을 수행하는 단계(S11); 2 ~ 10 ℃/s, 바람직하게는 6 ℃/s의 냉각속도로 상온으로 냉각하는 단계(S12); 800 ~ 900℃, 바람직하게는 860℃에서 130 ~ 180분, 바람직하게는 159분 동안 침탄/확산을 수행하는 단계(S13); 1 ~ 5 ℃/s, 바람직하게는 3 ℃/s의 냉각속도로 상온으로 냉각하는 단계(S14); 800 ~ 900℃, 바람직하게는 860℃에서 130 ~ 180분, 바람직하게는 159분 동안 동안 침탄/확산을 수행하는 단계(S15); 1 ~ 5 ℃/s, 바람직하게는 3 ℃/s의 냉각속도로 상온으로 냉각하는 단계(S16); 및 800 ~ 900℃, 바람직하게는 860℃에서 20 ~ 40분, 바람직하게는 30분 동안 가열 후, 불활성 가스로 ?칭을 수행하는 단계(S17);를 거친다.
추가적으로, 180 ~ 200℃에서 45 ~ 75분, 바람직하게는 60분 동안 가열 후, 공냉하여 템퍼링을 수행하는 단계(S18)를 거칠 수 있다.
상기 불활성 가스는 He, CO2, N2 또는 Ar일 수 있다.
상기 침탄은 진공분위기에서 수행되며, 8 내지 10 mbar의 압력하에서 탄소 0.9 내지 1.4 중량%로 수행될 수 있다.
이하에서는 구체적인 실시예를 들어서 본 발명을 상세하게 설명하지만, 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.
표 1은 본 발명의 조성을 갖는 실시예 1 내지 4와 종래강의 조성을 갖는 비교예 1 및 2의 화학 성분을 나타내며, 잔부는 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진다.
구분 C Si Mn P S Ni Cr Mo V Al Nb N
실시예1 0.18 1.07 0.56 0.002 0.004 0.003 2.52 0.002 0.004 0.016 0.038 0.011
실시예2 0.18 1.06 0.57 0.002 0.004 0.003 2.44 0.085 0.004 0.022 0.040 0.011
실시예3 0.18 1.04 0.56 0.002 0.004 0.006 2.42 0.001 0.048 0.022 0.038 0.011
실시예4 0.18 1.05 0.57 0.002 0.005 0.005 2.75 0.003 0.005 0.034 0.039 0.011
비교예1 0.19 0.60 0.56 0.012 0.007 0.09 2.02 0.34 0.009 0.031 0.025 0.012
비교예2 0.18 0.11 0.70 0.009 0.007 0.09 1.29 0.59 0.006 0.021 0.020 0.012
(단위 : 중량%)
시편의 제조
표 1에 따른 실시예 1 내지 4, 비교예 1 및 2를 각각 전기로 용해, 블룸(Bloom) 연주한 다음 1200 ~ 1250℃의 온도에서 가열한 후, 압연을 하여 180각 압연 빌렛(Billet)으로 제조한 후, 냉각대에서 냉각하였다. 압연 빌렛을 1150 ~ 1200℃의 온도에서 가열한 후, 압연을 하여 Φ35mm 환봉으로 제작하였다. 제작된 환봉을 925℃에서 노멀라이징(30분/inch 유지 후 공냉)을 실시하고 Φ25mm 의 공시재 시편 및 접촉피로평가 소롤러로 정삭 가공하였다.
고탄소 침탄 및 열처리
본 발명에 따른 고탄소 침탄 열처리(Cycle Ⅱ), 미세 탄화물 석출/분산 구간을 1회만 실시한 침탄 열처리(Cycle I) 및 종래의 침탄 열처리(일반침탄)를 각각 실시하였다.
- Cycle Ⅱ
시편으로 준비된 실시예 1 내지 4, 비교예 1 및 2를 진공분위기에서 1,000℃의 온도, 1.1% Carbon Potential(이하 CP) 분위기로 42분 동안 침탄을 하였다. 침탄된 시편을 미세 탄화물 석출/분산을 위해 860℃의 온도, 0.9% CP 분위기에서 159분 유지 후, 6℃/s의 냉각속도로 상온으로 냉각하는 공정을 2회 반복 실시하였다. 마지막으로 860℃ 온도, 0.9% CP 분위기에서 30분 유지 후 He가스로 ?칭을 시켰다. 이후 180℃ 온도에서 60분 유지 후 공냉하여 템퍼링을 시켰다.
- Cycle I
시편으로 준비된 비교예 1, 2를 진공분위기에서 1,000℃의 온도, 1.1% Carbon Potential(이하 CP) 분위기로 42분 동안 침탄을 하였다. 침탄된 시편을 미세 탄화물 석출/분산을 위해 860℃의 온도, 0.9% CP 분위기에서 159분 유지 후, 6℃/s의 냉각속도로 상온으로 냉각하는 공정을 1회 실시하였다. 마지막으로 860℃ 온도, 0.9% CP 분위기에서 30분 유지 후 He가스로 ?칭을 시켰다. 이후 180℃ 온도에서 60분 유지 후 공냉하여 템퍼링을 시켰다.
- 일반침탄
시편으로 준비된 비교예 1, 2를 가스분위기에서 920℃의 온도, 0.95% CP 분위기로 270분 동안 침탄을 하였다. 침탄된 시편을 탄소의 확산을 위해 860℃ 온도, 0.80% CP 분위기에서 150분 유지 후 유냉(860℃의 온도에서 140℃의 온도로 10분 동안)을 시켰다. 마지막으로 180℃ 온도에서 60분 유지 후 공냉하여 템퍼링을 시켰다.
표 2는 일반침탄, Cycle I 및 Cycle Ⅱ를 실시한 비교예 1, 2의 특성을 평가한 결과를 나타낸다.
표면경도는 침탄 열처리된 시편을 광학현미경 및 SEM을 이용하여 탄화물, 미세조직 관찰을 하였고, 비커스경도기(500 gf)를 이용하여 측정하였다. 접촉피로수명은 소롤러 시편을 KOMATSU사의 RPT(Roller Pitting Tester)-201형으로 평가하였다. 접촉피로시험 조건은 최대면압 332 kgf/mm2, Slip율 40%, 1000rpm, 진동폭 14 ~ 19 Hz이며 윤활조건은 승용 자동변속기 오일, 온도 50℃, 유량 1.2 L/min에서 평가하였다. 유효경화층 깊이(E.C.D)는 비커스경도기를 이용하여 표면하 100 ㎛ 간격으로 측정하여 550 Hv가 되는 지점을 기준으로 평가하였고, 표면탄화물 면적률은 광학현미경을 이용하여 이미지를 측정하고 Image analyze 프로그램을 이용하여 평가하였다.
비교예 1 접촉피로수명(x1,000) 300℃ 4시간 유지
후 감소된경도(HRc)		 표면경도
(HV)		 E.C.D
(mm)		 표면탄화물
면적률
일반침탄 4,534 3.5(5.7%) - - -
S.C (CycleⅠ) - - 804 0.8 20%
S.C (CycleⅡ) 6,146 1.0(1.6%) 830 1.0 40%
비교예 2 접촉피로수명(x10,000) 300℃ 4시간 유지
후 감소된경도(HRc)		 표면경도
(HV)		 E.C.D
(mm)		 표면탄화물
면적률
일반침탄 2,332 5.9(9.6%) - - -
S.C (CycleⅠ) - - 800 0.8 10%
S.C (CycleⅡ) 3,489 2.3(3.7%) 829 1.0 30%
일반침탄과 고탄소 침탄(Cycle I 및 Cycle Ⅱ)의 특성을 비교하면 미세 탄화물 석출/분산에 의해 비교예 1, 2 모두 고탄소 침탄 후에 접촉피로수명이 36 ~ 48% 향상되었고, 300℃ 템퍼연화저항성 또한 향상되었다. 비교예 1의 접촉피로수명은 일반침탄의 경우 4,534만 cycle, SC침탄의 경우 6,126만 cycle 인 반면, 비교예 2의 접촉피로수명은 일반침탄의 경우 2,332만 cycle이고, SC침탄의 경우 3,489만 cycle로, 상대적으로 높은 Cr함량에 의해 다수의 미세탄화물이 분포하고 그에 따라 우수한 접촉피로수명을 나타냄을 알 수 있다. 또한, 비교예 1의 상대적으로 높은 Si함량에 따라 비교예 2와 비교하여 템퍼연화저항성이 우수한 것을 확인할 수 있다.
고탄소 침탄 중, Cycle Ⅰ과 Cycle Ⅱ의 특성을 비교하면 미세 탄화물 석출/분산을 1회 반복한 Cycle Ⅰ에 비해 2회 반복한 Cycle Ⅱ의 표면경도가 높고, 침탄 깊이도 깊으며 미세 탄화물이 증가한 것을 확인할 수 있다.
표 3은 고탄소 침탄 열처리(Cycle Ⅱ)를 한 실시예 1 내지 4, 비교예 1 및 2의 특성을 나타낸다.
표면경도(HV) 유효경화층깊이(mm) 탄화물형성깊이(㎛) 표면망상탄화물
실시예 1 822 0.85 600 無
실시예 2 825 0.85 600 無
실시예 3 818 0.85 600 無
실시예 4 817 0.85 600 無
비교예 1 830 0.95 300 無
비교예 2 829 0.95 200 無
상기 표 3과 같이, 실시예 1 내지 4는 비교예 1 및 2와 동등 수준의 표면경도를 나타내고, 비교예 1 및 2 대비 낮은 Mo성분의 영향으로 실시예 1 내지 4의 유효경화층 깊이는 얕게 형성되어 있다. 또한, 실시예 1 내지 4는, 비교예 1 및 2 대비 높은 Cr함량 및 미세 탄화물 석출원소의 첨가로 인해 2배 이상의 깊은 탄화물 형성 깊이를 나타낸다.
도 2는 고탄소 침탄 열처리 방법에 의하여 열처리된 실시예와 비교예의 침탄경도를 도시한 그래프이다. 상기와 같이, 실시예 1 내지 4와 비교예 1 및 2는 유사한 표면경도를 나타내나 실시예 1 내지 4의 낮은 Mo함량으로 인해 심부에서의 경도 저하폭이 큰 것을 확인할 수 있다.
도 3a 내지 3d는 각각 고탄소 침탄 열처리 방법에 의하여 열처리된 실시예 1 내지 4의 미세 탄화물 분포 SEM 관찰 사진이고, 도 4a 및 4b는 각각 고탄소 침탄 열처리 방법에 의하여 열처리된 비교예 1 및 2의 미세 탄화물 분포 SEM 관찰 사진이다. 높은 Cr함량에 따라 비교예 대비 실시예에서 다량의 미세탄화물이 분포하고 있는 것을 확인할 수 있다. 특히 미세탄화물 형성 원소인 V이 첨가된 실시예 3에서 다수의 미세 탄화물이 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 고탄소 침탄 열처리 방법에 의하여 열처리된 실시예와 비교예의 접촉피로수명과 일반 침탄된 비교예의 접촉피로수명을 도시한 그래프이고, 도 6은 고탄소 침탄 열처리 방법에 의하여 열처리된 실시예와 비교예의 템퍼연화저항성과 일반 침탄된 비교예의 템퍼연화저항성을 도시한 그래프이다. 실시예 1 내지 4는 비교예 1 및 2 대비 40%이상 향상된 접촉피로수명을 나타내며, 실시예 3의 경우 무한수명인 1,000만cycle까지 피팅이 일어나지 않은 것을 확인할 수 있다. 이러한 이유는 탄화물의 미세 석출/분포에 따라 발열로 인한 마크로(Macro)적 응착 마모를 최소화시켜 마모 저항성을 향상시키기 때문이다. 또한, 실시예 1 내지 4가 비교예 1 및 2 대비 약 30% 향상된 템퍼연화저항성을 나타내는 것을 확인할 수 있으며 특히, 미세탄화물 형성원소이자 연화저항성을 향상시키는 V이 상대적으로 다량 첨가된 실시예 3의 템퍼연화저항성이 가장 우수한 것을 확인할 수 있다. 이러한 이유는 다수의 미세 탄화물이 고르게 분포 시에 연화 저항성이 향상되고, Si함량이 증가함에 따라 C의 확산을 지연하여 연화의 원인인 탄화물의 응집 및 형성을 억제하기 때문이다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. C : 0.15 ~ 0.25 중량%, Si : 0.90 ~ 1.20 중량%, Mn : 0.45 ~ 0.65 중량%, P : 0.020 중량%이하(0 미포함), S : 0.015 중량%이하(0 미포함), Ni : 0.20 중량%이하(0 미포함), Cr : 2.10 ~ 2.80 중량%, Mo : 0.15 중량% 이하(0 미포함), V : 0.002 ~ 0.08 중량%, Nb : 0.020 ~ 0.040 중량%, Al : 0.020 ~ 0.035 중량%, N : 0.010 ~ 0.015 중량% 를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며,
    고탄소 침탄 처리후 표면경도가 800 Hv이상이고, 탄화물 형성깊이가 500 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는, 내피팅성이 우수한 고탄소 침탄용 강.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Cr은 2.35 ~ 2.55 중량%이고, 상기 V은 0.02 ~ 0.08 중량%인 것을 특징으로 하는, 내피팅성이 우수한 고탄소 침탄용 강.
  3. 삭제
  4. C : 0.15 ~ 0.25 중량%, Si : 0.90 ~ 1.20 중량%, Mn : 0.45 ~ 0.65 중량%, P : 0.020 중량%이하(0 미포함), S : 0.015 중량%이하(0 미포함), Ni : 0.20 중량%이하(0 미포함), Cr : 2.10 ~ 2.80 중량%, Mo : 0.15 중량% 이하(0 미포함), V : 0.002 ~ 0.08 중량%, Nb : 0.020 ~ 0.040 중량%, Al : 0.020 ~ 0.035 중량%, N : 0.010 ~ 0.015 중량% 를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 절삭 가공 처리 및 고탄소 침탄 처리를 실시하며,
    고탄소 침탄 처리후 표면경도가 800 Hv이상이고, 탄화물 형성깊이가 500 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는, 기계구조용 부품.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 기계구조용 부품은 접촉피로수명이 800만 cycle이상인 것을 특징으로 하는, 기계구조용 부품.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 Cr은 2.35 ~ 2.55 중량%이고, 상기 V은 0.02 ~ 0.08 중량%인 것을 특징으로 하는, 기계구조용 부품.
  8. 고탄소 침탄 열처리 방법으로서,
    (a) C : 0.15 ~ 0.25 중량%, Si : 0.90 ~ 1.20 중량%, Mn : 0.45 ~ 0.65 중량%, P : 0.020 중량%이하(0 미포함), S : 0.015 중량%이하(0 미포함), Ni : 0.20 중량%이하(0 미포함), Cr : 2.10 ~ 2.80 중량%, Mo : 0.15 중량% 이하(0 미포함), V : 0.002 ~ 0.08 중량%, Nb : 0.020 ~ 0.040 중량%, Al : 0.020 ~ 0.035 중량%, N : 0.010 ~ 0.015 중량% 를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 900 ~ 1,000℃에서 30 ~ 50분 동안 침탄을 수행하는 단계;
    (b) 800 ~ 900℃에서 130 ~ 180분 동안 침탄/확산을 수행하는 제1 침탄/확산 단계;
    (c) 800 ~ 900℃에서 130 ~ 180분 동안 침탄/확산을 수행하는 제2 침탄/확산 단계; 및
    (d) 800 ~ 900℃에서 20 ~ 40분 동안 가열 후, 불활성 가스로 ?칭을 수행하는 단계; 를 포함하고,
    상기 제1 침탄/확산 단계 이후, 1 ~ 5 ℃/s의 냉각속도로 상온으로 냉각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고탄소 침탄 열처리방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 Cr은 2.35 ~ 2.55 중량%이고, 상기 V은 0.02 ~ 0.08 중량%인 것을 특징으로 하는, 고탄소 침탄 열처리방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 침탄은 진공분위기에서 수행되며, 8 내지 10 mbar의 압력하에서 탄소 0.9 내지 1.4 중량%로 수행하는 것을 특징으로 하는, 고탄소 침탄 열처리 방법.
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