KR101719560B1

KR101719560B1 - 표면경화 합금강의 열처리 방법

Info

Publication number: KR101719560B1
Application number: KR1020170007162A
Authority: KR
Inventors: 백태식; 이소형
Original assignee: 케이제이에프 주식회사
Priority date: 2017-01-16
Filing date: 2017-01-16
Publication date: 2017-04-05

Abstract

본 발명은 표면경화 합금강(18CrNiMo7-6)으로 이루어지는 모재를 860도 내지 900도에서 항온 처리하는 제1항온 처리 단계, 상기 모재를 30초 내지 1분간 강제 공랭(Forced air cooling)하는 강랭단계, 상기 모재를 자연 공랭(Natural air cooling)하는 자랭단계 및 상기 모재를 600도 내지 650도에서 다시 항온 처리하는 제2항온 처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면경화 합금강의 열처리 방법에 관한 것이다.

Description

표면경화 합금강의 열처리 방법{Heat treatment method for surface hardened alloy steel}

본 발명은 표면경화 합금강의 열처리 방법에 관한 것이다.

표면경화 합금강(18CrNiMo7-6)은 강재 심부에 고압력, 고인성, 고강도, 표면경화가 요구되는 경우에 사용되는 단조용 강재로서, 경화능이 우수하기 때문에 기어링의 모재로 사용될 수 있으며, 기어링의 제조과정은 다음과 같다.

a) 모재(표면경화 합금강)를 열간압연 또는 냉각압연.

b) 모재의 중앙을 피어싱.

c) 모재의 외면을 성형하여 최종 제품 형상을 얻음.

d) 모재 열처리.

e) 모재를 자연냉각 및 디버링하여 최종 제품 완성.

이 때, 상기 d)단계, 즉, 종래의 표면경화 합금강의 열처리 공정에서는 모재를 910도로 항온 처리한 후, 모재의 외경에 5분동안 냉풍을 가하는 방식으로 모재를 강제 공랭 한 후, 모재를 다시 625도 항온 처리 한다.

도 1 내지 도 2는 종래의 표면경화 합금강의 열처리 공정에 의해 제조된 최종 제품의 조직을 전자현미경으로 촬영한 사진이다.

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 표면경화 합금강의 열처리 공정에 의해 제조된 최종제품은 저온변태조직인 베이나이트 및 마르텐사이트가 발생함으로써, 최종제품의 취성이 강해져서 크랙이 발생하는 문제점이 있었다.

이러한 문제점에 대하여, 본 출원인이 면밀히 분석한 결과, (모재의 외경에 5분동안 냉풍을 가하는 방식으로) 모재를 강제 공랭하는 과정에서 모재의 표면에 베이나이트 및 마르텐사이트가 발생하는 것으로 추정하였다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 종래기술 한국공개특허 제2013-0045704호는 페라이트 스테인레스강을 챔버에 투입하여 챔버 내부를 제1설정 온도 범위로 유지한 상태에서 임의의 설정 압력으로 질소가스를 공급하여 페라이트 스테인레스강의 표면을 질화처리하는 담금질단계와, 상기 페라이트 스테인레스강을 제2설정 온도로 냉각시키는 강랭단계와, 상기 페라이트 스테인레스강을 설정 시간 동안 상기 제2설정 온도를 유지하면서 항온 열처리하는 공랭단계를 포함하여, 페라이트계 스테인리스강을 고온 가스 질화 처리 후 항온 열처리를 함으로써 표면의 딱딱한 마르텐사이트 상의 생성을 억제하고 표면에 연한 질소침투 층을 형성하여 열처리 후 가공을 필요로 하는 제품의 소성 가공성을 높일 수 있는 고온 가스 질화 처리된 페라이트계 스테인레스강의 항온 열처리 방법을 제시하였다.

그러나 종래기술은 모재에 마르텐사이트가 생성되는 것을 억제하기 위하여 모재에 대량의 질소가스를 침투시켜 질소침투층을 형성시킴으로써, 제품 제조 공정이 복잡해지고 질소가스 구입 비용이 발생하는 문제점이 있었다.

한국공개특허 제2013-0045704호(2013.05.06)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 모재(표면경화 합금강)의 열처리 과정에서 베이나이트와 마르텐사이트가 생성되는 것을 억제할 수 있는 표면경화 합금강의 열처리 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 표면경화 합금강의 열처리 방법은 표면경화 합금강(18CrNiMo7-6)으로 이루어지는 모재를 860도 내지 900에서 항온 처리하는 제1항온 처리 단계, 상기 모재를 30초 내지 1분간 강제 공랭(Forced air cooling)하는 강랭단계, 상기 모재를 자연 공랭(Natural air cooling)하는 자랭단계 및 상기 모재를 600도 내지 650도에서 다시 항온 처리하는 제2항온 처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 표면경화 합금강은 탄소(C) : 0.15 내지 0.21중량%, 규소(Si) : 0.15 내지 0.4중량%, 망간(Mn) : 0.50 내지 0.90중량%, 인(P) : 0초과 내지 0.015중량%, 황(S) : 0초과 내지 0.010중량%, 니켈(Ni) : 1.40 내지 1.70중량%, 크롬(Cr) : 1.50 내지 1.80중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.25 내지 0.35중량%, 알루미늄(Al) : 0.02 내지 0.05중량%, 구리(Cu) : 0초과 내지 0.30중량%, 칼슘(Ca) : 0초과 내지 0.015, 주석(Sn) : 0초과 내지 0.03중량%, 티타늄(Ti) : 0초과 내지 0.010이며, 산소(O) : 0초과 내지 20PPM, 질소(N) : 70 내지 160 PPM, 수소(H) : 0초과 내지 1.5PPM를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1항온 처리 단계는 상기 모재를 4시간 내지 6시간동안 항온 처리하며, 상기 자랭단계는 상기 모재를 15분 내지 20분간 공랭하며, 상기 제2항온 처리 단계는 상기 모재를 5시간 내지 8시간동안 항온 처리하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1항온 처리 단계 이전에, 상기 모재를 400도 내지 550도의 노에 삽입하여 80 내지 100도/1hr 로 승온하는 예열단계 및 상기 예열단계에서 상기 노가 700도가 되면 적주제를 투입하는 적주제 투입 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 적주제는 메탄올인 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 표면경화 합금강의 열처리 방법은 모재(표면경화 합금강)에 베이나이트와 마르텐사이트가 생성되는 것을 억제할 수 있는 열처리 방법을 제공함으로써, 최종 제품에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.

도 1 내지 도 2는 종래의 표면경화 합금강의 열처리 공정에 의해 제조된 최종 제품의 조직을 전자현미경으로 촬영한 사진.
도 3은 본 발명에 따른 표면경화 합금강의 열처리 방법을 나타낸 순서도.
도 4는 본 발명에 따른 표면경화 합금강의 열처리 방법을 시간과 온도에 따라 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 표면경화 합금강의 열처리 방법에 의해 제조된 최종 제품의 조직을 전자현미경으로 촬영한 사진.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명에 따른 표면경화 합금강의 열처리 방법을 나타낸 순서도, 도 4는 본 발명에 따른 표면경화 합금강의 열처리 방법을 시간과 온도에 따라 나타낸 그래프이다. 이 때, 본 발명에 따른 표면경화 합금강으로 이루어지는 모재는 기어링 형상으로 성형된 것일 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 표면경화 합금강의 열처리 방법은 제1항온 처리 단계(S30), 강랭단계(S40), 자랭단계(S50), 제2항온 처리 단계(S60)를 포함한다.

상기 제1항온 처리 단계(S30)에서는 표면경화 합금강(18CrNiMo7-6)으로 이루어지는 모재를 860도 내지 900도에서 항온 처리한다. 이 때, 상기 제1항온 처리 단계(S30)는 모재의 온도를 900도 초과로 항온 처리 하면 모재에 오스테나이트가 발생하게 되므로, 모재의 온도는 상술한 바와 같은 수치로 한정되는 것이 바람직하다.

상기 강랭단계(S40)에서는 상기 모재를 30초 내지 1분간 강제 공랭(Forced air cooling)한다. 이때, 상기 모재는 30초 내지 1분간 강제 공랭 하여야 상기 모재에 베이나이트 및 오스테나이트가 발생하는 것이 방지되었다.

상기 자랭단계(S50)는 상기 모재의 온도가 650도 미만이 될 때까지 자연 공랭(Natural air cooling)한다.

상기 제2항온 처리 단계(S60)는 상기 모재를 600도 내지 650도에서 다시 항온 처리한다. 상기 제2항온 처리 단계(S60) 이후, 상기 모재가 자연냉각되어 최종 제품이 제조된다.

한편, 본 출원인은 상기 강랭단계(S40)에서 상기 모재를 1분 초과하여 강제 공랭하게 되면 상기 모재에 베이나이트 및 오스테나이트가 발생하는 것을 확인하였다.

도 5는 본 발명에 따른 표면경화 합금강의 열처리 방법에 의해 제조된 최종 제품의 조직을 전자현미경으로 촬영한 사진이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 표면경화 합금강의 열처리 방법은 모재(표면경화 합금강)에 베이나이트와 마르텐사이트가 생성되는 것을 억제할 수 있는 열처리 방법을 제공함으로써, 모재로 이루어진 최종 제품의 취성이 강해져서 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.

한편, 상기 표면경화 합금강은 탄소(C) : 0.15 내지 0.21중량%, 규소(Si) : 0.15 내지 0.4중량%, 망간(Mn) : 0.50 내지 0.90중량%, 인(P) : 0초과 내지 0.015중량%, 황(S) : 0초과 내지 0.010중량%, 니켈(Ni) : 1.40 내지 1.70중량%, 크롬(Cr) : 1.50 내지 1.80중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.25 내지 0.35중량%, 알루미늄(Al) : 0.02 내지 0.05중량%, 구리(Cu) : 0초과 내지 0.30중량%, 칼슘(Ca) : 0초과 내지 0.015, 주석(Sn) : 0초과 내지 0.03중량%, 티타늄(Ti) : 0초과 내지 0.010이며, 산소(O) : 0초과 내지 20PPM, 질소(N) : 70 내지 160 PPM, 수소(H) : 0초과 내지 1.5PPM를 포함할 수 있다.

이 때, 탄소(C)는 경도 및 내마모성을 증대시키는 원소로서, 0.15중량% 미만로 되면 모재의 경화능이 급감하여 강도 특성이 떨어져 내침식성과 부식피로강도를 저하시키고, 0.21중량% 초과면 크롬(Cr) 반응에 의한 잉여 탄소가 형성되어 취성이 강해지기 때문에 상술한 바와 같은 수치로 한정되는 것이 바람직하다.

또한. 규소(Si)는 0.15중량% 미만이면 탈산이 부족해지고 되며, 0.4중량% 초과면 인성이 저하하여 취화되기 쉬우며, 페라이트의 확장원소로서 단조성을 저하시키기 때문에 상술한 바와 같은 수치로 한정되는 것이 바람직하다.

또한. 망간(Mn)은 탈산과 탈황작용뿐만 아니라 오스테나이트 확장원소로서 소입성과 내마모성이 우수해지나, 적어도 0.5중량%초과이 되지 않으면 그 효과를 기대할 수 없고, 0.9중량% 초과가 되면 가열취성을 일으키고, Ac1, Ms온도를 저하시켜 고온강도를 감소시키며, 오스테나이트를 생성시켜 인성을 저해하는 취화가 일어나기 때문에 상술한 바와 같은 수치로 한정되는 것이 바람직하다.

또한, 니켈(Ni)은 인성과 내식성을 증대시키는 것으로서, 1.40중량% 미만으로 첨가되면 모재의 고용강화 효과를 감소시키며, 1.7중량% 초과으로 첨가되면 오스테나이트를 발생시켜 취화하거나 고강도를 얻기 어렵기 때문에 상술한 바와 같은 수치로 한정되는 것이 바람직하다.

또한, 크롬(Cr)은 경화능과 내충격성을 증가시키나, 1.5중량% 미만가 되면 부식저항성과 산화저항성이 감소하고 소입성 증대효과가 급감하며, 몰리브덴과 복합화합물을 형성하여 템퍼링 저항을 증대시키는 효과가 저하되고, 1.8중량% 초과이 되면 내식성이 증대하는 효과는 있으나 비경제적이며 충격특성 및 강도를 저하시키기 때문에 상술한 바와 같은 수치로 한정되는 것이 바람직하다.

또한, 몰리브덴(Mo)은 0.25중량% 미만이 되면 고온경도와 강도를 부여하고 내침식성의 개선 효과가 감소하고, 0.35중량% 초과가 되면 충격특성 및 강도를 저하시키기 때문에 상술한 바와 같은 수치로 한정되는 것이 바람직하다.

또한, 본 출원인은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 칼슘(Ca), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 산소(O), 질소(N)에 중량% 한정 수치에 있어서, 베이나이트 및 오스테나이트가 발생하는 것을 억제할 수 있는 최적의 수치를 실험적 및 산술적으로 도출하였다.

한편, 상기 제1항온 처리 단계(S30)는 상기 모재를 4시간 내지 6시간동안 항온 처리하며, 상기 자랭단계(S50)는 상기 모재를 15분 내지 20분간 공랭하며, 상기 제2항온 처리 단계는 상기 모재를 5시간 내지 8시간동안 항온 처리할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 표면경화 합금강의 열처리 방법은 상기 제1항온 처리 단계(S30) 이전에 상기 모재를 400도 내지 550도의 노에 삽입하여 80 내지 100도/1hr 로 승온하는 예열단계(S10) 및 상기 예열단계(S10)에서 상기 노가 700도가 되면 적주제를 투입하는 적주제 투입 단계(S20)를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 적주제는 메탄올 일 수 있다.

이에 따라, 상기 예열단계(S10)와 적주제 투입 단계(S20)를 거친 모재는 탄소 함유량이 좀 더 증가될 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

Claims

표면경화 합금강(18CrNiMo7-6)으로 이루어지는 모재를 860도 내지 900도에서 항온 처리하는 제1항온 처리 단계;
상기 모재를 30초 내지 1분간 강제 공랭(Forced air cooling)하는 강랭단계;
상기 모재를 자연 공랭(Natural air cooling)하는 자랭단계; 및
상기 모재를 600도 내지 650도에서 다시 항온 처리하는 제2항온 처리 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면경화 합금강의 열처리 방법.
제1항에 있어서, 상기 표면경화 합금강은
탄소(C) : 0.15 내지 0.21중량%, 규소(Si) : 0.15 내지 0.4중량%, 망간(Mn) : 0.50 내지 0.90중량%, 인(P) : 0초과 내지 0.015중량%, 황(S) : 0초과 내지 0.010중량%, 니켈(Ni) : 1.40 내지 1.70중량%, 크롬(Cr) : 1.50 내지 1.80중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.25 내지 0.35중량%, 알루미늄(Al) : 0.02 내지 0.05중량%, 구리(Cu) : 0초과 내지 0.30중량%, 칼슘(Ca) : 0초과 내지 0.015중량%, 주석(Sn) : 0초과 내지 0.03중량%, 티타늄(Ti) : 0초과 내지 0.010중량%이며, 산소(O) : 0초과 내지 20PPM, 질소(N) : 70 내지 160 PPM, 수소(H) : 0초과 내지 1.5PPM를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면경화 합금강의 열처리 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1항온 처리 단계는 상기 모재를 4시간 내지 6시간동안 항온 처리하며,
상기 자랭단계는 상기 모재를 15분 내지 20분간 공랭하며,
상기 제2항온 처리 단계는 상기 모재를 5시간 내지 8시간동안 항온 처리하는 것을 특징으로 하는 표면경화 합금강의 열처리 방법.
제3항에 있어서,
상기 제1항온 처리 단계 이전에,
상기 모재를 400도 내지 550도의 노에 삽입하여 80 내지 100도/1hr 로 승온하는 예열단계; 및
상기 예열단계에서 상기 노가 700도가 되면 적주제를 투입하는 적주제 투입 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면경화 합금강의 열처리 방법.
제4항에 있어서, 상기 적주제는
메탄올인 것을 특징으로 하는 표면경화 합금강의 열처리 방법.