KR102166595B1 - 드라이브 샤프트용 강재 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

드라이브 샤프트용 강재 및 이의 제조방법에 관한 발명이 개시된다. 한 구체예에서 상기 드라이브 샤프트용 강재는 탄소(C): 0.36~0.39 중량%, 실리콘(Si): 0.1~0.4 중량%, 망간(Mn): 0.7~1.1 중량%, 인(P): 0 초과 0.035 중량% 이하, 황(S): 0.01~0.03 중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.25 중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.02~0.07 중량%, 티타늄(Ti): 0.03~0.06 중량%, 몰리브덴(Mo): 0.02~0.03 중량%, 보론(B): 8~50ppm, 질소(N): 60~150ppm 및 잔량의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 미세조직이 마르텐사이트 및 페라이트를 포함한다.

Description

드라이브 샤프트용 강재 및 이의 제조방법 {STEEL FOR DRIVE SHAFT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 드라이브 샤프트용 강재 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 대구경의 드라이브 샤프트를 제조시 강도 저하 및 제품 수명의 저하를 방지할 수 있는 드라이브 샤프트용 강재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
드라이브 샤프트(drive shaft)는 차량의 엔진에서 발생하는 구동력을 변속기 및 바퀴에 전달해 주는 역할을 하는 부품이다. 상기 드라이브 샤프트는그 형태적인 특성으로 인해 쾌삭 가공을 거쳐 제조되며, 일정한 속도와 토크를 전달할 수 있도록 고강도 특성이 요구된다.
본 발명과 관련한 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2011-0052967호(2011.05.19 공개, 발명의 명칭: 강재 조성물, 차량의 중공형 드라이브 샤프트 및 이를 제조하는 방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 강도 및 인성이 우수한 드라이브 샤프트용 강재를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 대구경 제품 제조시 인성 저하를 최소화할 수 있는 드라이브 샤프트용 강재를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 드라이브 샤프트용 강재의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 드라이브 샤프트용 강재에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 드라이브 샤프트용 강재는 탄소(C): 0.36~0.39 중량%, 실리콘(Si): 0.1~0.4 중량%, 망간(Mn): 0.7~1.1 중량%, 인(P): 0 초과 0.035 중량% 이하, 황(S): 0.01~0.03 중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.25 중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.02~0.07 중량%, 티타늄(Ti): 0.03~0.06 중량%, 몰리브덴(Mo): 0.02~0.03 중량%, 보론(B): 8~50ppm, 질소(N): 60~150ppm 및 잔량의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 미세조직이 마르텐사이트 및 페라이트를 포함한다.
한 구체예에서 상기 강재는 표면 경도(HB): 180~240, 인장강도(TP): 640MPa 이상, 항복강도(YP): 370MPa 이상 및 신율(El): 15% 이상일 수 있다.
한 구체예에서 상기 강재는 미세조직이 마르텐사이트 60~75 부피% 및 페라이트 25~40 부피%를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 드라이브 샤프트용 강재의 제조방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 드라이브 샤프트용 강재 제조방법은 탄소(C): 0.36~0.39 중량%, 실리콘(Si): 0.1~0.4 중량%, 망간(Mn): 0.7~1.1 중량%, 인(P): 0 초과 0.035 중량% 이하, 황(S): 0.01~0.03 중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.25 중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.02~0.07 중량%, 티타늄(Ti): 0.03~0.06 중량%, 몰리브덴(Mo): 0.02~0.03 중량%, 보론(B): 8~50ppm, 질소(N): 60~150ppm 및 잔량의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 반제품을 열간 단조하여, 중간성형체를 제조하는 단계; 상기 중간성형체의 표면을 950~1000℃까지 고주파 열처리하는 단계; 및 상기 고주파 가열된 중간성형체를 냉각하는 단계;를 포함한다.
한 구체예에서 상기 열간 단조는, 950~1100℃에서 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 드라이브 샤프트용 강재는 강도 및 인성이 우수하며, 대구경 제품 제조시 인성 저하를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 드라이브 샤프트용 강재의 제조방법을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 이때, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
드라이브 샤프트용 강재
본 발명의 하나의 관점은 드라이브 샤프트용 강재에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 드라이브 샤프트용 강재는 탄소(C): 0.36~0.39 중량%, 실리콘(Si): 0.1~0.4 중량%, 망간(Mn): 0.7~1.1 중량%, 인(P): 0 초과 0.035 중량% 이하, 황(S): 0.01~0.03 중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.25 중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.02~0.07 중량%, 티타늄(Ti): 0.03~0.06 중량%, 몰리브덴(Mo): 0.02~0.03 중량%, 보론(B): 8~50ppm, 질소(N): 60~150ppm 및 잔량의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 미세조직이 마르텐사이트 및 페라이트를 포함한다.
이하, 상기 강재에 포함되는 합금성분에 대하여 보다 상세히 설명하도록 한다.
탄소(C)
상기 탄소(C)는 강도 확보를 위해 포함된다. 한 구체예에서 상기 탄소는 상기 강재 전체중량에 대하여 0.36~0.39 중량% 포함된다. 상기 탄소를 0.36 중량% 미만으로 포함시 그 첨가 효과가 미미하며, 0.39 중량%를 초과하여 포함시 인성이 저하될 수 있다.
실리콘( Si )
상기 실리콘(Si)은 고용강화 효과로 강도와 경화능을 향상시키는 역할 및 탈산 효과를 가진다. 한 구체예에서 상기 실리콘은 상기 강재 전체중량에 대하여 0.1~0.4 중량% 포함된다. 상기 실리콘을 0.1 중량% 미만으로 포함시 그 첨가 효과가 미미하며, 0.4 중량%를 초과하여 포함시 강 표면에 산화물을 형성하거나, 가공성 등이 저하될 수 있다.
망간(Mn)
상기 망간(Mn)은 열간단조 후 공냉시 미세조직을 강화하기 위한 목적으로 포함된다. 한 구체예에서 상기 망간은 상기 강재 전체중량에 대하여 0.7~1.1 중량% 포함된다. 상기 망간을 0.7 중량% 미만으로 포함시 그 첨가 효과가 미미하며, 1.1 중량%를 초과하여 포함시 MnS계 개재물의 생성량이 증가하여, 단조시 취성이 증가하거나 인성이 저하될 수 있다.
인(P)
상기 인(P)은 다량 첨가시 2차 가공 취성 발생 및 편석에 의한 표면 결함 우려가 있으므로 상한을 제한한다. 한 구체예에서 상기 인은 상기 강재 전체중량에 대하여 0 초과 0.035 중량% 이하 포함된다. 상기 인을 0.035 중량% 초과하여 포함시 2차 가공 취성 발생 또는 P 편석에 의한 표면 결함이 발생할 수 있다.
황(S)
상기 황(S)은 절삭성을 향상시키기 위하여 첨가하나 적열 취성의 우려가 있으므로 범위를 제한한다. 한 구체예에서 상기 황은 상기 강재 전체중량에 대하여 0.01~0.03 중량% 포함된다. 상기 황을 0.01 중량% 미만 포함시 그 효과가 미미하며, 0.03 중량%를 초과하여 포함시 적열 취성이 발생할 수 있다.
구리(Cu)
상기 구리(Cu)는 강재의 강도 상승 및 인성 개선에 유효한 원소이나, 첨가량이 높을시 입계에 편중되어 표면균열을 유발할 수 있으므로 상한을 제한한다. 한 구체예에서 상기 구리는 상기 강재 전체중량에 대하여 0 초과 0.25 중량% 이하 포함된다. 상기 구리를 0.25 중량% 초과하여 포함시 단조 성형시 표면 균열을 유발할 수 있다.
알루미늄(Al)
상기 알루미늄(Al)은 미세 석출물을 형성시켜 결정립 미세화 및 강도를 향상시키나, 주조시 노즐 막힘을 유발할 수 있으므로 상한을 제한한다. 한 구체예에서 상기 알루미늄은 상기 강재 전체중량에 대하여 0.02~0.07 중량% 포함된다. 상기 알루미늄을 0.02 중량% 미만으로 포함시 그 첨가 효과가 미미하며, 0.07 중량%를 초과하여 포함시 본 발명의 강재의 인성이 저하되거나 주조시 노즐막힘을 유발할 수 있다.
티타늄( Ti )
상기 티타늄(Ti)은 본 발명의 보론(B) 성분을 기지상에 고용시키는 목적으로 포함된다. 한 구체예에서 상기 티타늄은 상기 강재 전체중량에 대하여 0.03~0.06 중량% 포함된다. 상기 티타늄을 0.03 중량% 미만으로 포함시 그 첨가 효과가 미미하며, 0.06 중량%를 초과하여 포함시 탄화계 석출물이 조대해져 결정립 성장 억제효과가 저하되거나, 연성 확보가 어려울 수 있다.
몰리브덴( Mo )
상기 몰리브덴(Mo)은 소입성을 증가시키고, 미세 석출물을 형성시켜 강도를 향상시키는 목적으로 포함된다. 한 구체예에서 상기 몰리브덴은 상기 강재 전체중량에 대하여 0.02~0.03 중량% 포함된다. 상기 몰리브덴을 0.02 중량% 미만으로 포함시 그 첨가 효과가 미미하며, 0.03 중량%를 초과하여 포함시 연성이 저하될 수 있다.
보론(B)
상기 보론(B)은 기지상의 계면에 편석되어 계면에너지를 낮추고, 이에 따라 소입성을 향상시키는 목적으로 포함된다. 한 구체예에서 상기 보론은 상기 강재 전체중량에 대하여 8~50ppm (또는 0.0008~0.005 중량%) 포함된다. 상기 보론을 8 ppm 미만으로 포함시 그 첨가 효과가 미미하며, 50ppm을 초과하여 포함시 입계 편성을 유발하여 취성을 증가시킬 수 있다.
질소(N)
상기 질소(N)는 미세 석출물을 형성시켜 결정립 미세화 및 강도를 향상시키나, 주조시 노즐 막힘을 유발할 수 있으므로 상한을 제한한다. 한 구체예에서 상기 질소는 상기 강재 전체중량에 대하여 60~150ppm 포함된다. 상기 질소를 60ppm 미만으로 포함시 그 첨가 효과가 미미하며, 150ppm을 초과하여 포함시 석출물이 지나치게 조대화 되거나, 주조시 노즐막힘을 유발할 수 있다.
한 구체예에서 상기 강재는 미세조직이 마르텐사이트 및 페라이트를 포함한다. 예를 들면 미세조직이 마르텐사이트 60~75 부피% 및 페라이트 25~40 부피%를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 강재는 표면 경도(HB): 180~240, 인장강도(TP): 640MPa 이상, 항복강도(YP): 370MPa 이상 및 신율(El): 15% 이상일 수 있다. 예를 들면 상기 강재는 표면 경도(HB): 180~240, 인장강도(TP): 640~800MPa, 항복강도(YP): 370~450MPa 및 신율(El): 15~25% 일 수 있다.
드라이브 샤프트용 강재 제조방법
본 발명의 다른 관점은 상기 드라이브 샤프트용 강재의 제조방법에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 드라이브 샤프트용 강재의 제조방법을 나타낸 것이다. 한 구체예에서 상기 드라이브 샤프트용 강재 제조방법은 (S10) 중간성형체 제조단계; (S20) 고주파 열처리단계; 및 (S30) 냉각단계;를 포함한다. 더욱 구체적으로 상기 드라이브 샤프트용 강재 제조방법은 (S10) 탄소(C): 0.36~0.39 중량%, 실리콘(Si): 0.1~0.4 중량%, 망간(Mn): 0.7~1.1 중량%, 인(P): 0 초과 0.035 중량% 이하, 황(S): 0.01~0.03 중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.25 중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.02~0.07 중량%, 티타늄(Ti): 0.03~0.06 중량%, 몰리브덴(Mo): 0.02~0.03 중량%, 보론(B): 8~50ppm, 질소(N): 60~150ppm 및 잔량의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 반제품을 열간 단조하여, 중간성형체를 제조하는 단계; (S20) 상기 중간성형체의 표면을 950~1000℃까지 고주파 열처리하는 단계; 및 (S30) 상기 고주파 가열된 중간성형체를 냉각하는 단계;를 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 드라이브 샤프트 강재 제조방법을 단계별로 상세히 설명하도록 한다.
(S10) 중간성형체 제조단계
상기 단계는 탄소(C): 0.36~0.39 중량%, 실리콘(Si): 0.1~0.4 중량%, 망간(Mn): 0.7~1.1 중량%, 인(P): 0 초과 0.035 중량% 이하, 황(S): 0.01~0.03 중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.25 중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.02~0.07 중량%, 티타늄(Ti): 0.03~0.06 중량%, 몰리브덴(Mo): 0.02~0.03 중량%, 보론(B): 8~50ppm, 질소(N): 60~150ppm 및 잔량의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 반제품을 열간 단조하여, 중간성형체를 제조하는 단계이다.
상기 반제품을 구성하는 성분은, 전술한 바와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
한 구체예에서 상기 열간 단조는, 950~1100℃에서 이루어질 수 있다. 상기 범위에서 중간성형체가 용이하게 형성될 수 있다. 한 구체예에서 봉형의 반제품을 상기 온도 범위로 열간 단조하여, 중공형태의 중간성형체를 제조할 수 있다.
(S20) 고주파 열처리단계
상기 단계는 상기 중간성형체의 표면을 950~1000℃까지 고주파 열처리하는 단계이다. 상기 열처리 온도를 950℃ 미만으로 적용시, 목표로 하는 표면 경도와 미세조직을 확보하기 어려우며, 1000℃를 초과하여 적용시 본 발명의 기계적 물성이 저하될 수 있다.
(S30) 중간성형체 냉각단계
상기 단계는 상기 고주파 가열된 중간성형체를 냉각하는 단계이다. 예를 들면, 상기 고주파 가열된 중간성형체를 열처리유가 희석된 냉각수에 침지하여 급랭할 수 있다. 상기 열처리유는 폴리알킬렌 글리콜계 열처리유를 사용할 수 있다.
예를 들면, 상기 냉각시 냉각속도는 1~100℃/s 일 수 있다. 상기 냉각속도 범위에서, 본 발명이 목표로 하는 경도, 미세조직과 기계적 강도를 달성할 수 있다.
종래 드라이브 샤프트용 강재의 경우 구경이 증가할수록, 열처리 시 경화되는 표면부의 비율이 감소하여 강도를 확보하기 어려우며, 이러한 인성 등의 저하는, 드라이브 샤프트 제품의 수명 저하의 원인으로 작용되었다. 반면, 본 발명에 따른 드라이브 샤프트용 강재는 기지상의 소입성을 증가시키고, 미세 석출물을 형성시켜 강도 및 인성이 우수하며, 대구경 제품 제조시 인성 저하를 최소화할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
실시예 1 및 비교예 1
하기 표 1의 성분 및 함량과, 잔량의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는, 환봉 형태의 반제품을 제조하고, 상기 반제품을 950~1100℃에서 열간 단조하여, 중공형의 중간성형체(드라이브 샤프트 형태)를 제조하였다. 그 다음에 상기 중간성형체의 표면을 950~1000℃까지 고주파 열처리하고, 상기 고주파 가열된 중간성형체를, 6%의 폴리알킬렌 글리콜계 열처리유(유콘)가 희석된 냉각수를 이용하여 1~100℃/s의 냉각속도로 냉각하여 드라이브 샤프트용 강재를 제조하였다.
Figure 112018117638874-pat00001
Figure 112018117638874-pat00002
상기 표 2의 결과를 참조하면, 본 발명의 실시예 1의 강재는 미세조직이 마르텐사이트 65 부피% 및 페라이트 35 부피%를 가지며, 경도와 기계적 강도가, 본 발명의 몰리브덴 함량을 벗어난 비교예 1 강재보다 우수한 것을 알 수 있었다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (5)

  1. 탄소(C): 0.36~0.39 중량%, 실리콘(Si): 0.1~0.4 중량%, 망간(Mn): 0.7~1.1 중량%, 인(P): 0 초과 0.035 중량% 이하, 황(S): 0.01~0.03 중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.25 중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.02~0.07 중량%, 티타늄(Ti): 0.03~0.06 중량%, 몰리브덴(Mo): 0.02~0.03 중량%, 보론(B): 8~60ppm, 질소(N): 60~150ppm 및 잔량의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하며,
    미세조직이 마르텐사이트 60~75 부피% 및 페라이트 25~40 부피%를 포함하며,
    표면 경도(HB): 180~240, 인장강도(TP): 640~800 MPa, 항복강도(YP): 370~450MPa 및 신율(El): 15~25%인 것을 특징으로 하는 드라이브 샤프트용 강재.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 탄소(C): 0.36~0.39 중량%, 실리콘(Si): 0.1~0.4 중량%, 망간(Mn): 0.7~1.1 중량%, 인(P): 0 초과 0.035 중량% 이하, 황(S): 0.01~0.03 중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.25 중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.02~0.07 중량%, 티타늄(Ti): 0.03~0.06 중량%, 몰리브덴(Mo): 0.02~0.03 중량%, 보론(B): 8~50ppm, 질소(N): 60~150ppm 및 잔량의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 반제품을 열간 단조하여, 중간성형체를 제조하는 단계;
    상기 중간성형체의 표면을 950~1000℃까지 고주파 열처리하는 단계; 및
    상기 고주파 가열된 중간성형체를 냉각하는 단계;를 포함하는 드라이브 샤프트용 강재 제조방법이며,
    상기 드라이브 샤프트용 강재는,
    미세조직이 마르텐사이트 60~75 부피% 및 페라이트 25~40 부피%를 포함하며,
    표면 경도(HB): 180~240, 인장강도(TP): 640~800 MPa, 항복강도(YP): 370~450MPa 및 신율(El): 15~25%인 것을 특징으로 하는 드라이브 샤프트용 강재 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열간 단조는, 950~1100℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 드라이브 샤프트용 강재 제조방법.
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