KR101575435B1

KR101575435B1 - 고탄소침탄강 소재 및 이를 이용한 기어 제조방법

Info

Publication number: KR101575435B1
Application number: KR1020130162626A
Authority: KR
Inventors: 박재홍; 신정호; 이운재
Original assignee: 현대자동차주식회사; 주식회사 세아베스틸
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2015-12-07
Also published as: US9945004B2; KR20150074645A; US20150176100A1; CN104726777A

Abstract

C 0.13~0.3wt%, Si 0.7~1.3wt%, Mn 0.3~1wt%, P 0.02wt%이하, S 0.03wt%이하, Cr 2.2~3.0wt%, Mo 0.2~0.7wt%, Cu 0.3wt%이하, Nb 0.03~0.06wt%, V 0.1~0.3wt%, Ti 0.001~0.003wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 고탄소침탄강 소재 및 이를 이용한 기어 제조방법이 소개된다.

Description

고탄소침탄강 소재 및 이를 이용한 기어 제조방법 {MATERIAL FOR HIGH CARBURIZING STEEL AND METHOD FOR PRODUCING GEAR USING THE SAME}

본 발명은 기어에 최적화된 고탄소침탄강 소재 및 이를 이용한 기어 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 기어에 최적화된 고탄소 침탄용 소재 및 열처리 공법 기술에 대한 것이다. 일반적인 기어의 경우 기어가 서로 맞물리면서 접촉응력을 받게 되고 이에 따라서, 기어부 표면에 피팅 등이 발생함에 따라 내구수명 저하 및 소음발생의 원인이 된다.

특히, 파워트레인의 다운사이징 및 소형화, 고출력화 영향에 의해 기어에 받는 부하가 증가함에 따라 이러한 문제점의 발생이 늘고 있다.

따라서, 이러한 내구 문제로 인해 내피팅성 향상용강 및 침탄침질 공법, 숏피닝 공정 추가 등의 내구성 개선을 위한 노력을 하고 있지만, 부하가 높은 기어의 경우 내구 test 시 문제가 발생 되고 있는 상황이다.

그러나, 침탄침질공법의 경우 내피팅특성 향상은 가능하나, 굽힘강도가 떨어지며, 숏피닝 공정 추가 시 굽힘강도는 향상되나, 내피팅 특성이 저하된다.

고탄소침탄 공법의 경우 내피팅특성 및 굽힘강도를 동시에 향상시킬 수 있는 획기적인 방법이나, 기존 고탄소침탄 공법의 경우 경화깊이가 깊고, 탄화물 형상이 망상/조대 탄화물이 형성되어 취성의 우려가 있고, 열변형 발생이 심해 적용이 불가능했다.

현재의 변속기 기어의 경우 내피팅성 향상용 강 및 변형침탄침질 열처리 공법을 이용하여 제조한다. 이러한 강종은 Si 및 Mo 함유량이 높아 고온 연화저항성이 높으며, Cr 함유량을 높여 소입성을 향상시킨 강종이다. 변형침탄침질의 경우 잔류오스테나이트량을 증가시켜 내피팅성을 높이는 방식이며, 일반적으로 기어에 많이 사용된다.

종래의 고탄소침탄 공법의 경우 표면에 탄화물을 형성시켜 내마모성을 높이는 방식이나, 탄화물 크기가 크고 경화깊이가 깊어 기어에 적용하기는 어렵다. 또한 기어 치변형 발생이 과다해 적용 시 소음 및 내구문제 발생이 우려된다.

따라서, 본 발명에서는 기어에 적합한 고탄소침탄용 소재 및 열변형이 적은 고탄소 침탄 공법을 개발하여 기어에 적용시킴으로써 향후 변속기 기어의 내구성 문제를 해결하고자 한다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

JP 2009-0299148 A

본 발명은 기어에 최적화된 고탄소침탄강 소재 및 이를 이용한 기어 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고탄소침탄강 소재는, C 0.13~0.3wt%, Si 0.7~1.3wt%, Mn 0.3~1wt%, P 0.02wt%이하, S 0.03wt%이하, Cr 2.2~3.0wt%, Mo 0.2~0.7wt%, Cu 0.3wt%이하, Nb 0.03~0.06wt%, V 0.1~0.3wt%, Ti 0.001~0.003wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성된다.

이를 이용한 기어 제조방법은, 청구항 1 조성의 소재로 기어형상을 제작하는 제작단계; 제작된 기어형상을 900℃ 이상의 온도 및 CP 1.0 이상의 조건에서 탄소를 고용하는 제1고용단계; 기어형상을 강제 냉각하는 제1냉각단계; 기어형상을 ?칭하는 제1?칭단계; 기어형상을 800℃ 이상의 온도 및 CP 1.0 이상의 조건에서 탄소를 고용하는 제2고용단계; 기어형상을 강제 냉각하는 제2냉각단계; 기어형상을 ?칭하는 제2?칭단계;를 포함한다.

제1고용단계는 기어형상을 920~960℃ 이상의 온도 및 CP 1.0~1.3의 조건에서 탄소를 고용할 수 있다.

제1냉각단계는 5~15분 동안 820~850℃까지 강제냉각할 수 있다.

제1?칭단계는 100~150℃ 오일에서 수행할 수 있다.

제2고용단계는 기어형상을 840~880℃ 이상의 온도 및 CP 1.0~1.3의 조건에서 탄소를 고용할 수 있다.

제2냉각단계는 5~15분 동안 800~840℃까지 강제냉각할 수 있다.

제2?칭단계는 100~150℃ 오일에서 수행할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 고탄소침탄강 소재 및 이를 이용한 기어 제조방법에 따르면, 기존 강재 및 열처리공법 대비 기어의 필수요소인 탄화물 형상과 크기 / 경화깊이 / 열변형에서 획기적인 향상을 얻을 수 있으며, 기어에 고탄소침탄 적용이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고탄소침탄강 소재를 이용한 기어 제조방법의 열처리 과정을 나타낸 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.

본 발명에 따른 고탄소침탄강 소재는, C 0.13~0.3wt%, Si 0.7~1.3wt%, Mn 0.3~1wt%, P 0.02wt%이하, S 0.03wt%이하, Cr 2.2~3.0wt%, Mo 0.2~0.7wt%, Cu 0.3wt%이하, Nb 0.03~0.06wt%, V 0.1~0.3wt%, Ti 0.001~0.003wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성된다.

제1고용단계는 기어형상을 920~960℃ 이상의 온도 및 CP 1.0~1.3의 조건에서 탄소를 고용할 수 있다. 제1냉각단계는 5~15분 동안 820~850℃까지 강제냉각할 수 있다. 제1?칭단계는 100~150℃ 오일에서 수행할 수 있다. 제2고용단계는 기어형상을 840~880℃ 이상의 온도 및 CP 1.0~1.3의 조건에서 탄소를 고용할 수 있다. 제2냉각단계는 5~15분 동안 800~840℃까지 강제냉각할 수 있다. 제2?칭단계는 100~150℃ 오일에서 수행할 수 있다.

본 발명은 기어를 위한 고탄소침탄 열처리 소재 및 공법 개발에 관한 내용이다. 기어 제조 방법은 봉강소재를 열단단조(형단조)하고 단조품을 냉각 후 NORMALIZING 또는 ANNEALING을 실시한다. NORMALIZING 또는 ANNEALING의 경우 단조품을 AC3이상의 온도에서 유지 후 공냉 또는 노냉함으로써 조직 균질화 효과를 얻을 수 있다. 이때의 경도는 HV 150~250 수준이다. 열처리의 선택은 부품의 필요 강도에 따라 선택하여 사용하며, 조직의 균질화, 강도 증대 및 가공성 향상에 목적이 있다.

열처리가 완료된 부품은 선삭 가공하여 기어 형상에 맞게 제조 후 기어치 가공을 실시하면 기어 형상이 제작된다. 과거 공법의 경우 이러한 기어형상에 침탄열처리를 실시하며, 내피팅성이 요구되는 부품의 경우 침탄침질공법을 실시하기도 한다. 본 발명은 해당 공법을 고탄소침탄공법으로 변경함으로써 내구성을 향상시키는 데 목적이 있다.

본 발명의 소재는 다음의 조성으로 이루어진다.

(1) 탄소(C)

탄소(C)는 재료의 강도와 경도를 증가시키고, 미세 합금원소가 탄화물을 석출하는데 필수적인 원소로 첨가되며, 0.13wt% 미만일 경우 인장강도는 저하되며, 0.30wt%를 초과할 경우에는 충격 인성이 저하되므로, 그 양을 0.13∼0.30wt%로 제한한다.

(2) 실리콘(Si)

실리콘(Si)은 경도, 탄성계수 등을 증가시키며, 펄라이트(ferrite) 상을 강화하는 요소이다. 그리고 고온 연화저항성을 향상시켜 내구 시 경도 저하 발생확률을 줄인다. 그리고 고탄소 침탄 시 탄화물을 구상화시키고, 입계석출을 방지하는 효과가 있으므로 0.7wt% 이상 함유한다. 그러나, 신율과 충격치를 저하시키는 원소이므로 1.3wt%이하로 제한한다.

(3) 망간(Mn)

망간(Mn)의 경우는 소입성 및 강도 보강을 위해 0.3wt% 이상 첨가하나, 함량 과다 시 가공성 저하문제에 따라 1.00 wt%로 제한한다.

(4) 인(P)

인(P)의 경우는 Fe3P라는 화합물을 형성한다. 이 화합물은 극히 취약하고 편석되어 있어, 풀림처리를 하여도 균질화되지 않고, 단조 압연시 길게 늘어난다. 이에, 충격 저항을 저하시키고, 템퍼링 취성을 촉진시키므로, 0.020wt% 이하로 제한한다.

(5) 황(S)

황은 일반 합금강에서는 개재물로 인식되어 그 함량을 최소로 억제하는 것이 좋으며, Mn과 결합한 MnS가 기계 가공성을 향상시키나, 그 함유량이 증가되면, 강도 저하가 발생되므로, 여기서는 그 함유량을 0.030wt% 이하로 제한한다.

(6) 크롬(Cr)

크롬(Cr)의 경우에는 탄화물 석출을 위한 필수 원소이므로 2.2wt% 이상 함유한다. 그러나, 3.0%를 초과할 경우 조대 탄화물 등의 문제 발생하므로 그 함량을 3.0wt%로 한정한다.

(7) 몰리브덴(Mo)

Mo은 경화능을 향상시키는 효과가 있고 템퍼링 취성을 방지하여 템퍼링 취화 저항성을 부여한다. 또한 탄화물을 형성하는데 필수적인 원소이며, 탄화물을 균일하게 분포하게 하므로, 0.2wt%이상 함유한다. 그러나 가격이 비싸기 때문에 0.7wt%이하로 규제한다.

(8) 구리(Cu)

Cu는 0.3wt%을 초과할 경우 열간가공성이 문제로 되며, 적열취성(赤熱脆性, red brittleness)의 원인이 되므로 0.3wt%이하로 제한한다.

(9) 니오븀(Nb)

강력한 결정립 미세화원소로서 결정립 조대화온도를 상승시키며, 탄화물을 미세화시킨다. 그러나 가격이 비싸므로 그 함량을 0.03~0.06wt%로 제한한다.

(10) 바나듐(V)

탄화물 형성능이 커서 미립탄화물을 만들어 강의 조직을 미세화시키며, 템퍼링연화저항성도 우수하다. 그러나 산화물인 V₂O₅는 증기압이 높아서 고온증발하므로 첨가량에 한계가 있으므로 그 ?량을 0.1~0.3wt%로 제한한다.

(11) 티타늄(Ti)

탄화물형성능이 우수하며, 미립탄화물을 형성시키며, 강의 조직을 미세화시키므로, 0.001wt%이상 첨가하나, 가격이 비싸기 때문에 0.003wt%이하로 첨가를 제한한다.

좀 더 구체적인 대비를 위하여 종래의 소재 조성이 갖는 문제를 정리하면 아래와 같다. 고탄소침탄열처리를 실시하기 위해서는 탄화물 형성에 유리한 합금원소첨가가 필수적이며, 본 발명에 필요한 원소를 Si, Cr, V, Ti, Mo로 정하고, 최적화를 통해 탄화물을 제어하는 test를 하였으며, 아래와 같은 결과를 얻었다.

상기와 같은 결과에 따라, 본 발명에서는 Si과 Cr량 증대를 통해 탄화물량을 늘리고, 망상 탄화물 형성을 억제하였으며, V, Ti 첨가를 통해 조대탄화물 형성을 억제하여 미세분산된 탄화물을 형성시켰다.

본 발명의 고탄소 침탄 열처리 공법의 경우 기어에 적용하기 위해서는 다음과 같은 조건이 필수적이다.

1. 탄화물 형상, 크기 제어

2. 경화깊이 최적화

3. 열변형 발생을 최소화

그러나 기존 고탄소침탄공법 적용 시에는 아래와 같은 문제로 인해 적용이 불가한 문제가 있었다.

1. 탄화물 형상, 크기 : 망상 탄화물 일부 존재, 평균 크기 10㎛

2. 경화깊이 : 1.0~1.5mm

3. 열변형 발생량 : 리드 각도 오차범위 40㎛

따라서, 본 발명의 고탄소 침탄 열처리 공법의 경우 기어에 적용하기 위해서는 도 1과 같은 조건이 필수적이다.

1st CYCLE(제1공정)은 탄소가 과포화된 조직을 형성시키는 과정이며, 제1고용단계에서 오스테나이트化 온도에서 충분히 탄소가 고용될 수 있도록 920℃ 이상 가열하며, 960℃ 이상 가열 시 결정립 성장 가능하므로 상한치를 960℃로 제한한다. CP (탄소농도)는 탄화물석출을 위해 CP를 1.0 이상 제어하며, 1.3이상시 탄화물 성장할 수 있으므로 제한한다.

제1냉각단계에서는 ?칭하기 전 820~850℃까지 강제 냉각시켜 열처리 변형을 최소화한다. 이 구간은 탄화물의 이상 석출을 방지하기 위해 최대한 유지시간을 짧게 10분 이내로 해야한다.

제1?칭단계에서는 오일온도는 열변형을 최소화하기 위해 100℃ 이상으로 제어하며, 균일한 마르텐사이트 형성을 위해 150℃ 이하로 제한한다.

2nd CYCLE(제2공정)에서는 탄화물 석출을 위한 과정이며, 제2고용단계에서는 ACM 곡선 바로 윗부분인 840~880℃ 부근까지 가열한다. 840℃ 이하로 가열 시 조대 탄화물이 석출되며, 880℃ 이상 가열 시 탄화물 석출량이 적어지는 현상이 발생하므로 온도 범위가 중요하다. CP (탄소농도)의 경우 제1고용단계와 동일하게 유지하여 고탄소침탄 분위기를 형성시킨다.

제2냉각단계에서는 ?칭하기 전 800~840℃로 강제 냉각시켜 열처리 변형을 최소화한다. 이 구간은 탄화물의 이상 석출을 방지하기 위해 최대한 유지시간을 짧게 10분 이내로 해야한다.

제2?칭단계에서는 오일온도는 100℃ 이상으로 제어하며 150℃ 이하로 제한한다.

상기 표 1의 기존재와 본 발명의 소재를 이용하여 본 발명의 고탄소 침탄 열처리 공법의 적용시 아래와 같은 물성의 비교를 얻을 수 있었다.

기존재의 경우에도 본 발명의 고탄소 침탄 공법을 적용하면 망상 및 조대탄화물이 개선되었으나, 평균 탄화물 크기가 5~8㎛로서 본 발명재와 고탄소 침탄 공법을 같이 적용할 경우의 1~2㎛ 에 비하면 매우 큰 탄화물 크기이다. 미세탄화물의 경우에는 크랙에 저항하는 특징을 가지고 있고, 탄화물의 크기가 클 경우에는 크랙을 진전시키는 경향이 있기 때문에 탄화물 미세 제어는 매우 중요하다.

따라서, 이러한 미세탄화물 제어는 본 발명의 소재와 공법을 동시에 적용할 경우에만 나타나는 효과라고 할 수 있다.

본 발명기술 (고탄소침탄용소재/열처리공법) 을 적용하여 실제 기어를 제조하여 탄화물 형상 및 크기, 치형 등을 측정하였다.

그리고, 본 발명의 적용 결과 기어의 필수요소인 3가지에서 획기적인 향상을 얻을 수 있었으며, 기어에 고탄소침탄 적용이 가능해졌다.

1. 탄화물 형상, 크기 제어 : 기존 10㎛ → 2㎛ 이하

2. 경화깊이 최적화 : 기존 1~1.5mm → 0.6~1.0mm

3. 열변형 발생을 최소화 : 기존 리드 각도 오차범위 40㎛ → 20㎛

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims

삭제
C 0.13~0.3wt%, Si 0.7~1.3wt%, Mn 0.3~1wt%, P 0.02wt%이하(0은 불포함), S 0.03wt%이하(0은 불포함), Cr 2.2~3.0wt%, Mo 0.2~0.7wt%, Cu 0.3wt%이하(0은 불포함), Nb 0.03~0.06wt%, V 0.1~0.3wt%, Ti 0.001~0.003wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 고탄소침탄강 소재로 기어형상을 제작하는 제작단계;
제작된 기어형상을 900℃ 이상의 온도 및 평형탄소농도인 CP(Carbon Potential) 1.0 이상의 조건에서 탄소를 고용하는 제1고용단계;
기어형상을 강제 냉각하는 제1냉각단계;
열변형을 방지하고 마르텐사이트 조직을 균일하게 분포시키기 위해 기어형상을 100~150℃ 오일에서 ?칭하는 제1?칭단계;
기어형상을 800℃ 이상의 온도 및 평형탄소농도인 CP(Carbon Potential) 1.0 이상의 조건에서 탄소를 고용하는 제2고용단계;
기어형상을 강제 냉각하는 제2냉각단계;
기어형상을 ?칭하는 제2?칭단계;를 포함하여,
석출된 탄화물의 평균크기가 2㎛이하인(0은 불포함) 고탄소침탄강 소재를 이용한 기어 제조방법.
청구항 2에 있어서,
제1고용단계는 기어형상을 920~960℃ 범위의 온도 및 평형탄소농도인 CP(Carbon Potential) 1.0~1.3의 조건에서 탄소를 고용하는 것을 특징으로 하는 고탄소침탄강 소재를 이용한 기어 제조방법.
청구항 2에 있어서,
제1냉각단계는 5~15분 동안 820~850℃까지 강제냉각하는 것을 특징으로 하는 고탄소침탄강 소재를 이용한 기어 제조방법.
삭제
청구항 2에 있어서,
제2고용단계는 기어형상을 840~880℃ 범위의 온도 및 평형탄소농도인 CP(Carbon Potential) 1.0~1.3의 조건에서 탄소를 고용하는 것을 특징으로 하는 고탄소침탄강 소재를 이용한 기어 제조방법.
청구항 2에 있어서,
제2냉각단계는 5~15분 동안 800~840℃까지 강제냉각하는 것을 특징으로 하는 고탄소침탄강 소재를 이용한 기어 제조방법.
청구항 2에 있어서,
제2?칭단계는 100~150℃ 오일에서 수행하는 것을 특징으로 하는 고탄소침탄강 소재를 이용한 기어 제조방법.