KR102194086B1

KR102194086B1 - 합금, 상응 부품 및 제조 방법

Info

Publication number: KR102194086B1
Application number: KR1020130086066A
Authority: KR
Inventors: 장-바티스트 프루니어
Original assignee: 페리 케피탕
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2020-12-22
Also published as: FR2993575B1; AU2013204216B2; EP2690187B1; EP2690187A2; ES2774225T3; CL2013002076A1; CA2831047A1; RU2013134326A; RU2647960C2; CN103572148A; US10266927B2; DK2690187T3; KR20140012898A; PL2690187T3; EP2690187A3; FR2993575A1; CA2821043A1; PE20141290A1; US20140023548A1; AU2013204216A1

Abstract

본 구상 흑연 주철 합금은, 첨가 원소들에 더하여, 중량%로, 다음의 원소들:
- 니켈(Ni) 3.5 % 내지 7 %,
- 구리(Cu) 0.5 % 내지 3 %,
- 몰리브덴 (Mo) 0.15 % 내지 1 %,
철 및 미량의 불순물들(inevitable impurities)인 그 나머지;
를 포함한다.
톱니바퀴들(cogwheels) 및 기어 림들(gear rims)의 제조에 대한 적용.
금형 안에서 냉각되고 열-처리된 캐스트 부품들.

Description

합금, 상응 부품 및 제조 방법{ALLOY, CORRESPONDING PART AND MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 구상 흑연(spheroidal graphite) 주철 합금에 관한 것이다.

본 기술 분야에 있어서, 기어 림들(gear rims)은 예를 들어 밀링(milling) 기계에 구동 토크(drive torque)를 전달하기 위해 사용되는 것으로 알려졌다. 이들 림들은 구상 흑연 주철 또는 강(steel)으로 이루어져 있다.

본 기술 분야에 있어서, 구상 흑연 주철 기어 림들은 AGMA 6014 (6114 각각) 표준 규격에 따라 또는 ISO 6336 표준 규격에 따라 산출된다.

상기 ISO 6336 표준 규격에 따라, 최대 허용 응력들은, σ_Hlim(압력 응력) 및 σ_Flim(기어 치형(gear tooth)의 루트(root) 굴곡 응력) 곡선들 대(versus) 경도(hardnesses)인, 이 동일한 표준 규격의 부품 5의 곡선들에 따라 주어진다. 경도가 높으면 높을수록, 최대 허용 응력들이 더 높고, 따라서 상기 기어 림에 의해 전달될 수 있는 동력이 더 크다.

ISO 6336으로부터의 현행 곡선들에 있어서, 상기 경도 범위는 300 HB까지 확대하고, 산출된 등급들은 EN 1563 표준 규격에 따른다 - 구상 흑연 주철 등급들 템퍼화된(tempered) 페라이트계, 펄라이트계 및 마르텐사이트계 매트릭스의 등급들이 오직 고려된다.

AGMA 6014 (각각 6114)에 따른 산출을 위해, 참조들은 재료 표준 규격들 ASTM A536 및 ISO 1083로 산정된다. 허용 응력들 대 경도로 주어지는 상기 곡선들은 약 340 HB까지 주어진다. 그러나 고경도(high hardnesses)를 위해, 상기 표준 규격들에 상응하는 등급들이 없다.

현행 주철 등급들은 기어 림들 상의 320 HB의 최고 경도에서 획득 가능성을 제공한다. 매우 큰 동력을 위해, 상기 주철들은 그것들의 사용 한계에 도달하고 현재 유일한 해법은 주강(cast steel)으로 통과함으로써 상기 재료를 바꾸는 것이다. 존재하는 주철들의 320 HB 경도는 템퍼링(tempering)에 이어지는 담금질(quenching)에 의해 얻어진다.

EN 1564에 따른 등급들이 또한 존재한다 단계식 담금질(staged quenching)에 의해 얻어진 구상 흑연 주철 등급들, 소위 ADI 주철들 σ_Hlim 및 σ_F _lim의 값들은 또한 경도 차이들(intervals)에 따라 정의된다. 단계식 담금질은 염들의 조(bath)에서 이루어진다. 기어 림들을 생산하기 위해, 큰 치수들의 팬들(pans of large dimensions)을 갖추는 것이 필수적이다.

본 발명의 목적은 전달 동력(transmissible power)이 중요한 주철 부품의 제조 가능성을 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은, 구상 흑연 주철 내, 특히 큰 크기의 기어 림과 같은 주철 부품의 제조 가능성을 제공하는 것이다. 목표는 간단하고 경제적인 열 처리 방법들로 특히 이 기준들에 도달하는 합금 등급을 개발하는 것이다.

이 용도를 위해, 본 발명의 목적은 청구항 1에 나타낸 바와 같이 합금이다.

특정한 구현예들에 따르면, 상기 합금은 청구항 2 내지 8에 나타낸 특성들의 하나 이상을 포함한다.

본 발명의 목적은 청구항 9 및 10에 정의되는 부품, 위의 기술된 것과 같이 합금으로 제조되는 부품이다.

본 발명은 또한 청구항 11 내지 13에 정의된 부품의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명은, 오직 실시예로 주어진, 뒤따르는 설명을 읽음으로써 더 잘 이해될 것이다.

본 발명의 목적은 구상 흑연 주철 합금이다. 이는 특히 큰 크기의 부품에 대해 높은 경도 및 따라서 높은 허용 응력을 얻을 수 있는 가능성을 제공한다.

예를 들어 상기 부품은 톱니바퀴(cogwheel) 또는 기어 림 또는 기어 휠(gear wheel) 또는 기어 크라운(gear crown)이다. 상기 부품은 바람직하게는 즉, 적어도 2,000 mm인 부품의 최대 치수(dimension)를 가지는 큰 치수의 부품이다. 바람직하게는, 상기 부품은 적어도 2,000 mm, 또는 적어도 3,000 mm, 또는 적어도 6,000 mm의 외경(outer diameter)을 가진다. 축 두께, 일반적으로 날(teeth)의 폭, 가장 큰 부품은 예를 들어 적어도 150 mm, 또는 적어도 250 mm, 또는 적어도 550 mm이다. 본 발명에 따른 기어 림은 적어도 80 mm 또는 적어도 120 mm 또는 적어도 150 mm의 림 두께 및 적어도 10 또는 적어도 16 또는 적어도 22 또는 적어도 25의 모듈러스를 가진다.

바람직하게는, 고경도는 템퍼링 열 처리로 얻어진다. 상기 경도는 합금 조성물에 의해 결정되고, 이것이 캐스팅 후 냉각 동안인지 아니면 그 다음의 오브닝 동안인지, 상기 부품이 그것의 제작(elaboration) 동안에 겪는 임의의(optionally) 다양한 열 처리들에 의해 결정된다.

이하 모든 한정은 전체 중량의 중량%로 주어진다.

본 발명의 첫 번째 측면은 상기 합금의 화학 조성물이다.

상기 합금은 구상 흑연을 가진 주철이다.

그것의 기본 조성물은 철, 첨가 원소들 및 미량의 불순물들(inevitable impurities)이다. 상기 첨가 원소들은 탄소 (C), 실리콘 (Si), 및 마그네슘 (Mg)이다. 따라서 상기 합금의 나머지를 형성하는 원소는 철 (Fe)이다.

일반적으로, 상기 합금은, 상기 기본 조성물에 더하여, 니켈 (Ni) 3.5 % 내지 7 %, 구리 (Cu) 0.5 % 내지 3 % 및 몰리브덴 (Mo) 0.15 % 내지 1 %를 포함한다.

추가로, 상기 합금은 망간 (Mn) 1 %까지 또는 0.8 % 까지를 포함할 수 있다.

추가로, 상기 합금은 크롬 (Cr) 0.4 % 까지를 포함할 수 있다.

추가로, 상기 합금은 탄소 (C) 2.5 % 내지 4 % 및 실리콘 (Si) 1.5 % 내지 4.4 %를 포함할 수 있다.

상기 합금의 상기 니켈 (Ni) 함량은 적어도 3.5 %, 4 %, 4.1 %, 4.2 %, 4.3 %, 4.4 %, 4.5 %, 또는 4.8 % 및 최대 7 %, 6.5 %, 6 %, 또는 5.8 %일 수 있다.

상기 몰리브덴 (Mo) 함량은 적어도 0.15 %, 0.25 %, 또는 0.3 % 및 최대 1 %, 0.8 %, 또는 0.5 % 그 사이에 포함될 수 있다.

상기 구리 (Cu) 함량은 적어도 0.5 %, 1 %, 또는 1.5 %, 또는 최대 3 %, 2.5 %, 또는 2.2 % 그 사이에 포함될 수 있다.

상기 함량들의 하한선들(low limits) 및 상한선들(low limits)은 다른 하나로부터 독립적인 것이다. 따라서 예를 들어 상기 니켈 함량은 4.4 % 내지 7 % 에 포함될 수 있다.

상기 탄소 (C) 함량은 3 % 내지 3.6 %에 포함될 수 있다.

상기 실리콘 (Si) 함량은 1.8 % 내지 2.4 %에 포함될 수 있다.

상기 크롬 (Cr) 함량은 0.2 % 보다 작을 수 있다.

상기 망간 (Mn) 함량은 0.2 % 보다 클 수 있다.

본 발명에 따른 상기 합금은 상기 원소들로 구성될 수 있는 것으로, 망간 (Mn), 및/또는 크롬 (Cr) 및/또는 인 (P) 및/또는 황이 선택적인(optional) 원소/들이거나 또는 극미량으로(in traces) 존재한다.

상기 실시예에 따르면, 상기 합금은, 철 (Fe) 및 미량의 불순물들에 더하여, 보여지는 제한들 내에서 다음의 원소들을 포함한다:

실시예로서, 본 발명에 따른 상기 합금으로 얻어질 수 있는 경도는, 상기 기본 조성물 외에 상기 화학 조성물의 기능으로서, 다음의 표에 나타내었다.

본 발명의 두 번째 측면은 본 발명에 따른 합금 내 부품의 제조 방법이다.

우선, 상기 부품은 금형 안으로 캐스트화한다(cast).

상기 부품을 일단 캐스트화 하면, 상기 부품은 특히 주위 온도(<50 ℃)까지, 그것의 금형 내에서 냉각, 특히 천천히 냉각(서냉, slow cooling)시킨다. 그 다음 상기 부품을 열처리한다. 《천천히》의 용어는 100℃/h, 80 ℃/h 또는 50 ℃/h 미만을 의미한다. 상기 서냉은 바람직하게는 전체 냉각 기간 동안 일어난다.

상기 열 처리는 템퍼링으로 이루어진다. 그것은 벌크(bulk) 열 처리이고, 그것은 목표 경도의 획득 가능성을 제공하고 상기 부품의 전체 두께에 적용된다. 따라서 상기 경도는 상기 표면에서 오직 몇 밀리미터에만 확장되는 것은 아니다.

그 후, 상기 부품은 특히 선회(turning)에 의해 기계로 가공되며, 기어 림의 경우에 상기 날은 커팅된다.

본 발명에 따른 상기 합금의 HB 경도 및 특히 구상 흑연 주철은 320 HB 내지 400HB 에 포함된다. 따라서 이 합금 내 상기 부품은 매우 좋은 동력의 전달 가능성을 제공한다.

상기 합금의 얻어진 금속조직학적 구조(metallographic structure)는 90% VI 또는 V 타입 (EN ISO 945-1에 따른)의 노듈들(nodules) 및 잔류 오스테나이트(residual austenite)(10 %까지), 카바이드 (5 %까지), 템퍼화된 마르텐사이트(tempered martensite) (5 %까지) 및 펄라이트(pearlite) (20 %까지)를 포함할 수 있는 베이나이트 매트릭스(bainitic matrix)로 구성된다.

나란히, 캐스트 샘플(cast sample) 상의 얻어진 특성들은 다음과 같다:

최대 피로 강도(ultimate fatigue strength)는 ISO 6336에 따른 산출을 위해 제공된다.

Claims

- 탄소(C) 2.5 % 내지 4 %;
- 규소(Si) 1.5 % 내지 4.4 %; 및
- 마그네슘(Mg) 0.02 % 내지 0.1 %;를 포함하는 첨가 원소들에 더하여, 중량%로 하기 원소들:
- 니켈(Ni) 4.1 % 내지 7 %;
- 구리(Cu) 0.5 % 내지 3 %;
- 몰리브덴(Mo) 0.15 % 내지 0.8 %; 및
- 철(Fe) 및 미량의 불순물들(inevitable impurities)인 나머지;
를 포함하는 구상 흑연(spheroidal graphite) 주철 합금으로서,
상기 구상 흑연 주철 합금의 경도는 320 HB 내지 400 HB이며,
상기 합금은 최대 치수가 적어도 2,000 mm인 큰 치수의 부품 제조에 사용되고,
상기 부품의 가장 큰 두께는 적어도 550 mm이고, 상기 경도는 부품의 두께 전체에서 존재하는 것인, 구상 흑연 주철 합금.
제1항에 있어서,
- 망간(Mn) ≤ 1 % 또는 ≤ 0.8 %;
를 포함하는, 구상 흑연 주철 합금
제1항에 있어서,
크롬(Cr) ≤ 0.4 %, 인(P) ≤ 0.04 %, 및 황(S) 0.015 %로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는, 구상 흑연 주철 합금.
제1항에 있어서,
- 니켈(Ni) 적어도 4.2 %, 4.3 %, 4.4 %, 4.5 %, 또는 4.8 % 및 최대 6.5 %, 6 %, 또는 5.8 %;
를 포함하는, 구상 흑연 주철 합금.
제1항에 있어서,
- 구리(Cu) 적어도 1 %, 또는 1.5 % 및 최대 2.5 %, 또는 2.2 %;
를 포함하는, 구상 흑연 주철 합금.
제1항에 있어서,
- 몰리브덴(Mo) 적어도 0.25 %, 또는 0.3 % 및 최대 0.5 %;
를 포함하는, 구상 흑연 주철 합금.
합금으로 제조된 부품(part)으로서, 상기 합금은 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 합금인 것을 특징으로 하는 것인, 부품.
제7항에 있어서,
상기 부품은 톱니바퀴(cogwheel) 또는 기어 림(gear rim)인 것인, 부품.
제7항에 있어서,
상기 부품은 큰 치수의 부품(a part of large dimension), 즉 부품의 최대 치수가 적어도 2000mm인 것을 특징으로 하는, 부품.
- 금형 안으로 거친 캐스팅 블랭크(rough casting blank)를 캐스팅하는 단계,
- 상기 거친 캐스팅 블랭크를 냉각시켜서, 부품을 수득하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 제7항에 기재된 부품의 제조 방법.
제10항에 있어서,
상기 거친 캐스팅 블랭크를 냉각시키는 것은 상기 금형 안에서 수행되는 것인, 부품의 제조 방법.
제10항에 있어서,
상기 거친 캐스팅 블랭크는 열처리되는 것인, 부품의 제조 방법.
제12항에 있어서,
상기 열처리는 템퍼링(tempering)에 의한 것인, 부품의 제조 방법.
제13항에 있어서,
상기 열처리에 의해 수득되는 경도는 부품의 전체 두께에 걸쳐 존재하는 것인, 부품의 제조 방법.
제10항에 있어서,
상기 캐스팅 블랭크를 냉각하는 단계는, 상기 부품을 100 ℃/h, 80 ℃/h 또는 50 ℃/h 보다 낮게 천천히 냉각하는 단계인 것인, 부품의 제조 방법.
제15항에 있어서,
상기 천천히 냉각하는 단계는 전체 냉각 기간에 걸쳐 주위 온도까지 일어나는 것인, 부품의 제조 방법.