KR102309003B1 - 대형 철강재의 침탄 열처리 방법과 이 방법으로 제조된 대형 철강재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대형 철강재의 침탄 열처리 방법과 이 방법으로 제조된 대형 철강재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제철공정 중 압연 공정에서 감속기 등에 사용되는 대형 기어형태의 철강재에 침탄 열처리를 수행하여 표면 8mm의 깊이까지 경도값을 향상시킬 수 있는 대형 철강재의 침탄 열처리 방법과 이 방법으로 제조된 대형 철강재에 관한 것이다. 본 발명에 따른 대형 철강재의 침탄 열처리 방법은 대형 철강재의 표면으로부터 8mm 깊이까지 높은 경도를 얻을 수 있으므로 압연 공정 등에 사용되는 기어(Gear) 등 대형 철강재의 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 압연 공정 등에 사용되는 대형 기어의 내구성 및 내마모성을 향상시켜 제품의 교체주기를 길게 하여 전반적인 생산비용을 절감하고 생산성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

대형 철강재의 침탄 열처리 방법과 이 방법으로 제조된 대형 철강재{Cementation heat treatment method for steel and manufactured steel by the same}

본 발명은 대형 철강재의 침탄 열처리 방법과 이 방법으로 제조된 대형 철강재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제철공정 중 압연 공정에서 감속기 등에 사용되는 대형 기어형태의 철강재에 침탄 열처리를 수행하여 표면 8mm의 깊이까지 경도값을 향상시킬 수 있는 대형 철강재의 침탄 열처리 방법과 이 방법으로 제조된 대형 철강재에 관한 것이다.

침탄 열처리 기술은 철강 표면에 탄소를 침투시킨 후에 담금질하는 열처리입니다. 탄소를 침투시킴으로 철강 부품의 내마모성, 내구성, 인성 등을 현저히 개선할 수 있다. 침탄 열처리 방법으로는 근래에는 가스 침탄법이 주로 사용되며, 거기에 진공 침탄, 플라스마 침탄 등의 응용기술도 개발되었으며 지금도 계속 발전하고 있다. 침탄 열처리는 철강 부품의 내마모성, 내구성, 인성 등의 개선으로 자동차부품, 공작기계부품, 건설기계부품 등의 톱니바퀴, 샤프트류, 슬라이딩 부품 등 많은 부품에 사용되고 있다.

국내 철강산업은 자동차산업, 조선산업 등에 원소재를 공급하는 핵심산업으로서 조강생산능력 7,000만톤으로 세계 6위의 철강 생산 국가이다. 하지만 국내 부품소재기술 및 열처리 기술의 취약성으로 인해 상당량의 제철설비를 수입에 의존하고 있다. 이중 국내 열처리 업계의 영세성과 낮은 기술력으로 인해 국산화에 큰 걸림돌로 작용하고 있다. 일례로, 2015년 국내 기어회사에서 대만 포모사(Formosa)로부터 대형 M50 double-helical gear(중량 28ton, 침탄깊이 7mm)를 수주를 진행하였으나 국내 열처리 기술의 부재로 일본 열처리 업체를 통해 처리한 사례가 있다. 기어로 동력을 전달하기 위해서는 기어 면이 상대 기어면과 맞물려 동력을 전달하게 되며, 대형 기어의 경우 큰 동력을 전달하는 과정에서 기어 면에 작용하는 부하로 인해 파손되는 경우가 발생한다. 이를 해결하기 위해 기어이빨(齒)의 크기를 증가(module 20~35 → module 50)시키고 유효 경화층 깊이를 증가할 필요가 있다. 그리고 기어의 수명을 연장하기 위한 방법 중 하나인 침탄열처리가 필요하게 되었다.

이와 관련하여 국내특허등록 제10-0780504호(이하 '선행문헌'이라 함)에 ' 철강재료의 침탄 열처리 방법'이 개시되어 있다. 선행문헌은 철강재료의 표면 6mm까지 경도값을 비커 경도값 HV760~513으로 향상시키는 침탄 열처리법에 관한 것으로 산업시설에 사용되는 기어 등의 표면 내구성 향상을 위한 방법을 개시하고 있다. 그러나 압연 공정 등에 사용되는 기어-피니언(Gear-pinion)은 일반적인 생산 현장에서 사용되는 기어보다 큰 직경을 가진 대형 기어를 사용하며 계속하여 공정 중에 중량의 철강제품을 압연하여야 하므로 표면 마모가 심하다. 이러한 대형 기어는 교체주기가 짧으면 이에 따른 생산비용 상승이 매우 높기 때문에 생산효율의 저하를 야기할 수 있다. 따라서 표면 6mm의 침탄으로는 원하는 표면 내구성 및 내마모성을 얻을 수 없으며 보다 깊은 표면까지 경도를 향상시킬 필요가 있다.

본 발명의 목적은 대형 철강재의 표면으로부터 8mm 깊이까지 높은 경도를 얻을 수 있는 대형 철강재의 침탄 열처리 방법을 제공하는데 있다.

또한, 압연 공정 등에 사용되는 대형 기어의 내구성 및 내마모성을 향상시켜 이의 교체주기를 길게 하여 철강 공정의 생산비용을 절감하고 생산성을 향상시키는 대형 철강재의 침탄 열처리 방법 및 이 방법으로 제조된 대형 철강재를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 선정된 철강재에 톱니 형상을 가공한 후, 상기 철강재에서 침탄하지 않는 부위에 침탄 방지제를 도포하는 1차 침탄 방지 단계, 상기 철강재를 1차 침탄하는 단계, 상기 철강재를 공냉하는 단계, 상기 공냉된 철강재에서 침탄하지 않는 부위에 침탄 방지제를 도포하는 2차 침탄 방지 단계, 상기 철강재를 2차 침탄하는 단계, 상기 철강재를 2회에 걸쳐 템퍼링하는 단계 및 상기 철강재를 유냉조에서 냉각하는 유냉단계를 포함하는 대형 철강재의 침탄 열처리 방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 1차 침탄하는 단계는, 상기 철강재가 균일하게 가열되는 균질화 온도인 850℃까지 시간당 70℃의 속도로 승온하는 하는 제1단계, 상기 1단계이후 850℃에서 상기 철강재의 표면과 심부의 온도차에 의해 발생하는 열응력에 대한 변형을 방지하고 침탄로 내의 분위기를 형성하기 위하여 10시간동안 항온열처리 하는 제2단계, 상기 제2단계 이후, 상기 침탄로 내의 온도를 3시간에 걸쳐 910~950℃의 범위까지 승온시켜 평형 탄소 농도를 0.88~0.95%로 유지하여 2시간동안 침탄하는 제3단계, 상기 제3단계 이후, 상기 철강재 내의 잔류오스테나이트 발생을 최소화하기 위하여 상기 침탄로 내 평형 탄소 농도를 0.70~075%로 유지하면서 2시간~3시간동안 퍼지하는 제4단계 및 상기 제4단계 이후, 상기 침탄로 내의 온도를 850℃까지 3시간에 걸쳐 내린 후, 침탄된 상기 철강재의 표면과 심부의 온도차에 의한 열응력에 의한 변형을 최소화하기 위해 850℃를 유지하면서 평형 탄소 농도 0.70%를 10시간동안 항온열처리를 다시 수행하는 제5단계를 포함하는 대형 철강재의 침탄 열처리 방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 철강재를 2차 침탄하는 단계는, 상기 1차 침탄하는 단계에서 상기 철강재 내부에 조대해진 그레인 사이즈에 의한 상기 철강재에 형성된 톱니의 경도 저하를 방지하기 위하여, 시간당 70℃의 속도로 상기 침탄로 내의 온도를 830~870℃의 범위로 승온한 후, 평형 탄소 농도 0.80%에서 20~25시간동안 침탄하고, 평형 탄소 농도를 0.70%로 낮추어 20~25시간동안 확산하는, 대형 철강재의 침탄 열처리 방법을 제공한다.

마지막으로 본 발명은, 2회에 걸쳐 템퍼링하는 단계에서 로내를 1차로 시간당 70℃의 속도로 180~220℃의 온도 범위로 승온하여 35시간 이상 상기 철강재를 1차 템퍼링한 후, 공냉하고 다시 로내를 2차로 시간당 70℃의 속도로 160~200℃의 온도 범위로 승온하여 35시간 이상 상기 철강재를 2차 템퍼링하는 대형 철강재의 침탄 열처리 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 대형 철강재의 침탄 열처리 방법은 대형 철강재의 표면으로부터 8mm 깊이까지 높은 경도를 얻을 수 있으므로 압연 공정 등에 사용되는 기어(Gear) 등 대형 철강재의 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한, 압연 공정 등에 사용되는 대형 기어의 내구성 및 내마모성을 향상시켜 제품의 교체주기를 길게 하여 전반적인 생산비용을 절감하고 생산성을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 대형 철강재의 침탄 열처리 방법을 순서에 따라 나타낸 순서도이다.
도 2는 1차 침탄방지단계를 수행하는 사진이다.
도 3은 1차 침탄 단계를 수행하는 방법을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 4는 2차 침탄 단계를 수행하는 방법을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 5는 1차 템퍼링 단계를 수행하는 방법을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 6은 2차 템퍼링 단계를 수행하는 방법을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 의해 제조된 철강재의 표면 경도 측정을 위한 시편 사진이다.
도 8은 본 발명에 의해 제조된 철강재의 입도 검사를 위한 시편 사진이다.
도 9는 본 발명에 의해 제조된 철강재의 입도 검사를 실시하여 촬영한 샘플의 조직사진이다.
도 10은 본 발명에 의해 제조된 철강재의 유효경화층 깊이 검사를 위한 시편 사진이다.

본 발명의 대형 철강재의 침탄 열처리 방법은 대형 철강재의 표면으로부터 8mm 깊이까지 높은 경도를 얻을 수 있는 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 대상인 대형 철강재는 철강공정에서 열간 압연과 냉간압연 공정에 사용되는 대형 기어 등을 말한다. 일반적으로, 연속 주조 공정에서 생산된 slab, bloom(Ingot),billet 등을 회전하는 롤(roll) 사이를 통과시켜 연속적인 힘을 가하는 공정에 사용되는 것이다. 열간압연은 강의 재결정 온도(1100~1200℃) 까지 가열한 후 사용자가 원하는 두께와 폭으로 압연하는 공정으로서, 주요 사용처는 자동차, 건설, 조선, 파이프, 산업기계 등 다양한 분야에 사용되며, 냉간압연의 경우는 재결정 온도 이하로 회전하는 2개의 롤 사이에 재료를 통과시켜 성형(成形) 하는 방법으로서 이와 같은 압연 공정에는 롤을 구동하고 롤의 회전을 감속시키기 위하여 대형 기어가 사용된다.

일반적으로 이와 같은 철강재료(Gear, Pinion Wheel, Roll, Piston등)를 제작함에 기어 사용 목적에 맞는 강을 선정하고, 선정한 강을 단조-열처리-1차 황삭-열처리-2차 황삭-황삭 치절-열처리-중삭 치절- 침탄 열처리하는 순서로 기어를 제조한다.

통상 대형 기어의 외부에는 톱니가 형성되는데 이러한 톱니를 형성하는 과정이 치절이다. 두 번의 치절 공정을 거쳐 형성된 톱니는 다른 기어와 맞물려 돌아가면서 구동되는데 이러한 구동에 의해 기어에서 마모와 손상이 집중되는 부분이 톱니이다. 따라서, 치절 과정을 거쳐 톱니는 형성한 후 침탄 열처리를 수행하여 톱니 부분의 표면부의 경도를 확보하게 된다.

본 발명에서 요구되는 기어 톱니 표면의 경도값이 HRC53(비커스 경도 HV560)이상이 되어야 내구성이 있어 경제적으로 효율성을 향상시킬 수 있는 것으로 인정되므로, 본 발명은 톱니 표면 8mm 깊이까지의 유효 경도값이 HRC53(비커스 경도 HV560)이상의 경도를 갖도록 침탄할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.

이러한 대형 금속재에서 침탄에 의하여 표면 경화를 수행하는 경우 표면 내부로 들어갈수록 경도값이 떨어지게 되는데 기어가 대형화될수록 공정 중 기어에 가해지는 힘에 의하여 마모도가 상승하므로 표면에서 조금 더 깊은 위치까지 경도를 증가시키는 것이 매우 중요하게 된다. 즉, 본 발명에 사용되는 압연 공정의 감속기용 대형기어의 경우에는 표면 6mm까지 유효 경도값을 얻을 수 있는 기술이 존재하고 있으나 표면 6mm 깊이의 침탄으로는 기어의 수명이 짧아 교체주기가 짧기 때문에 관리비용이 상승하는 문제점이 있다. 따라서 본 발명에서는 표면 8mm 깊이까지 침탄하여 유효 경도값을 확보하는 철강재를 제조하고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 침탄 열처리 공정을 나타내는 순서도로서, 도 1을 참조하면 본 발명은 선정된 철강재에 톱니 형상을 가공한 후, 상기 철강재에서 침탄하지 않는 부위에 침탄 방지제를 도포하는 1차 침탄 방지 단계와, 철강재를 1차 침탄하는 단계와, 철강재를 공냉하는 단계와, 공냉된 철강재에서 침탄하지 않는 부위에 침탄 방지제를 도포하는 2차 침탄 방지 단계와, 철강재를 2차 침탄하는 단계와, 철강재를 2회에 걸쳐 템퍼링하는 단계 및 철강재를 유냉조에서 냉각하는 유냉단계를 포함하여 구성된다.

먼저 선정된 강은 상술한 바와 같이, 일련의 가공 공정을 거치게 되며 이때 기어의 맞물림을 위해 치절 공정을 통해 표면에 톱니 형태를 가공하게 된다.

1차 침탄 방지 단계는, 이와 같이 가공된 기어 형태의 철강재에서 침탄하지 않는 부위 즉, 비침탄 부위에 침탄방지제를 3회 이상 도포하는 과정이다. 이러한 공정 사진을 도2에 도시하였다. 도2와 같이 침탄방지제를 도포한 후 건조하고 다시 도포하고 건조하는 공정을 3회 반복하게 된다. 1차 침탄 방지 단계에서 사용되는 침탄방지제와 도포 두께 및 건조시간 등은 공지된 기술에 의하여 수행될 수 있다.

이와 같이 침탄방지제로 도포처리가 완료 된 철강재를 전용치구를 사용하여 침탄로 내에 장입하여 1차 침탄한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 1차 침탄하는 단계를 다시 단계별로 나누어 상세히 설명한다. 먼저 철강재가 균일하게 가열되는 균질화 온도인 850℃까지 시간당 70℃의 속도로 승온하는 하는 제1단계를 수행한다. 제1단계에서는 승온속도를 규제하여 열응력에 의한 변형을 줄이고 제품이 균일하게 가열 되도록 균질화 온도인 균질화 온도인 850℃까지 가열하는 것이다.

제1단계를 수행한 이후 850℃에서 10시간동안 항온열처리 하는 제2단계를 수행한다. 850℃에서 1차 항온열처리를 하는데 이는 제1단계에서 승온속도를 규제하여도 가열된 철강재의 표면과 심부의 온도차가 나기 때문에 이때 열응력에 의한 변형을 잡고 침탄로 내의 분위기를 잡기 위해서 바로 승온하지 않고 항온을 유지하는 것이다. 10시간이하로 항온 열처리하는 경우에는 철강재의 표면과 심부의 온도차가 충분히 균일화되지 않아 열응력에 의한 변형 등이 발생할 수 있는 위험이 있다.

제2단계 이후, 침탄로 내의 온도를 3시간에 걸쳐 910~950℃의 범위까지 승온시켜 평형 탄소 농도(CP,carbon potential)를 0.88~0.95%로 유지하여 2시간동안 침탄하는 제3단계를 수행한다. 8mm 대형 기어형태의 철강재에 대한 침탄공정은 장시간에 걸쳐 침탄이 이루어지므로 침탄시간이 확산시간보다 길 때는 몇 가지 문제가 발생할 가능성이 높다. 대표적인 문제로 철강재 내부에 다량의 잔류오스테나이트 발생(20%이상) 우려가 높고, CP값을 잘못 설정하게 되면 시멘타이트 발생 가능성이 매우 높다는 문제점이 있다. 따라서, 이를 해결하기 위해 침탄시 CP값의 조정이 중요하며 확산시간을 침탄시간 대비 30~50% 길게 함으로써 상기의 문제를 해결하고자 하였고 침탄싸이클에 반영하였다.

제3단계 이후, 철강재 내의 잔류오스테나이트 발생을 최소화하기 위하여 침탄로 내 평형 탄소 농도를 0.70~075%로 유지하면서 2시간~3시간동안 퍼지하는 제4단계를 수행한다.

마지막으로, 제4단계 이후, 침탄로 내의 온도를 850℃까지 3시간에 걸쳐 내린 후, 침탄된 철강재의 표면과 심부의 온도차에 의한 열응력에 의한 변형을 최소화하기 위해 850℃를 유지하면서 평형 탄소 농도 0.70%를 10시간동안 항온열처리를 다시 수행하는 제5단계를 수행하게 된다.

이와 같이 5단계에 걸쳐 수행되는 1차 침탄 공정이 완료되면, 공냉을 하는데 이는 변형을 최소화하고 장시간 가열로 인해 그레인 사이즈 최소화 및 크랙이나 변형을 줄이고 탄소 침투에 의한 격자변형을 일으키는 조직들의 응력을 고려하였으며 조대한 심부조직을 미세화 하려는 목적이 있다. 따라서 이때 공냉은 블로워 등을 이용하여 강제 공냉하는 것이 바람직하다.

이와 같이 공냉된 철강재에서 침탄하지 않는 부위에 침탄 방지제를 도포하는 2차 침탄 방지 단계를 한 번 더 거치게 된다. 2차 침탄 방지 단계는 1차 침탄 방지 때와 마찬가지로 가공된 기어 형태의 철강재에서 침탄하지 않는 부위 즉, 비침탄 부위에 침탄방지제를 3회 이상 도포하는 과정이다. 2차 침탄 방지 단계에서 사용되는 침탄방지제와 도포 두께 및 건조시간 등은 공지된 기술에 의하여 수행될 수 있다.

2차 침탄하는 단계를 거치게 되는데 2차 침탄은 도 4에 도시한 그래프와 같이, 1차 침탄하는 단계에서 상기 철강재 내부에 조대해진 그레인 사이즈에 의한 상기 철강재에 형성된 톱니의 경도 저하를 방지하기 위하여, 시간당 70℃의 속도로 상기 침탄로 내의 온도를 830~870℃의 범위로 승온한 후, 평형 탄소 농도 0.80%에서 20~25시간동안 침탄하고, 평형 탄소 농도를 0.70%로 낮추어 20~25시간동안 확산하여 총 공정 시간이 40~50시간에 걸쳐 수행되는 것이 바람직하다. 2차 침탄 공정에 의하여 1차 침탄 때 장시간침탄에 의한 조대해진 그레인 사이즈에 의한 치면 경도 저하를 막기 위해 침탄공정을 2회에 걸쳐 진행하였다. 이를 통하여 1차에 확보하지 못한 표면의 경도를 본 발명에서 목표하는 HRC53이상 확보하기 위한 공정이다.

2차 침탄이 완료된 철강재는 2회에 걸쳐 템퍼링하는 단계를 거치게 된다. 먼저, 도 5에 도시한 바와 같이, 로내를 1차로 시간당 70℃의 속도로 180~220℃의 온도 범위로 승온하여 35시간 이상 상기 철강재를 1차 템퍼링한 후, 템퍼링한 철강재를 공냉하여 식힌다. 공냉한 철강재를 도6에 도시한 바와 같이, 다시 로내에 장입하여 철강재를 2차로 시간당 70℃의 속도로 160~200℃의 온도 범위로 승온하여 35시간 이상 상기 철강재를 2차 템퍼링하게 된다.

2차 템퍼링이 완료된 후, 철강재를 로에서 꺼내어 준비된 유냉조에 넣어 유냉한다. 이때 유냉은 철강재를 70~90℃의 온도를 유지하는 냉각유가 담긴 유냉조에서 실시하는데 철강재 내부의 크랙과 열응력에 의한 변형을 저감하기 위하여 7~10시간 실시하는 것이 바람직하다.

유냉이 완료된 철강재는 도 7에 도시한 바와 같이, 표면 경도 측정을 위해 톱니 부분의 돌출부 즉, 치끝과 톱니 부분의 오목부 즉, 치저부에서 각각 샘플을 채취한다. 도 7에 의해 채취한 치끝 부분의 샘플을 측정 전문 기관에 의뢰하여 로크웰 경도기를 사용하여 측정한 경도값(HRC값)을 아래 표1에 나타냈다.

	치끝1	치끝2	치끝3	치끝4	치끝5
HRC 값	61.1	60.9	60.9	61.0	61.2

표1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 방법에 의하여 제조된 철강재의 치끝 부분의 경도값은 압연 감속기용 대형 기어에서 요구되는 HRC 값인 53보다 높은 평균 61.02로 측정되었다. 따라서 본 발명에 의해 제조된 철강재는 압연 공정에 사용되는데 있어 적합한 표면 경도 이상의 값을 가지는 것을 알 수 있다.

또한, 도 7에 의해 채취한 치저 부분의 샘플을 측정 전문 기관에 의뢰하여 로크웰 경도기를 사용하여 측정한 경도값(HRC값)을 아래 표2에 나타냈다.

	치저1	치저2	치저3	치저4	치저5
HRC값	61.3	62.2	61.8	61.8	61.1

표2와 같이 본 발명에 따른 방법에 의하여 제조된 철강재의 치저 부분의 경도값은 압연 감속기용 대형 기어에서 요구되는 HRC 값인 53보다 높은 평균 61.64로 측정되었다. 따라서 본 발명에 의해 제조된 철강재는 압연 공정에 사용되는데 있어 적합한 표면 경도 이상의 값을 가지는 것을 알 수 있다.

또한, 도 8에는 본 발명에 의해 제조된 철강재의 입도 검사를 위한 시편을 나타냈다. 이 시편을 전문기관에 의뢰하여 그 입도를 측정한 결과는 표3에 나타냈으며 도 9에 시편의 결정 사진을 나타내었다. 일반적으로 압연공정에 사용하고자 하는 대형 기어의 경우 요구되는 입도는 결정립 크기 5이상으로 본 발명에서는 모든 시편에서 결정립도 7로 측정되어 매우 미세한 입도가 측정되었다. 이러한 미세입자가 형성되었으므로 기계적 강도가 우수한 철강재가 제조되었음을 알 수 있다.

시편	시험부위	입도번호
D1	표면에서부터 0.1mm 깊이	7
D2	표면에서부터 0.1mm 깊이	7
D3	표면에서부터 0.1mm 깊이	7
D4	표면에서부터 0.1mm 깊이	7
D5	표면에서부터 0.1mm 깊이	7
D6	표면에서부터 0.1mm 깊이	7

또한, 도 10에는 본 발명에 의해 제조된 철강재의 유효경화층 깊이 검사를 위한 시편을 나타냈다. 본 발명의 핵심은 침탄 열처리 후 철강재의 표면으로부터 8mm 깊이까지 유효한 경도값을 가지는 것이므로 유효경화층 깊이 측정을 실시하였다. 표4에 유효경화층 깊이 측정 결과를 나타냈다.

시편명	경도 측정 깊이(mm)
	0.3	2	4	6	8
D1	755	732	683	638	568
D2	753	738	689	623	573
D3	751	734	690	637	578
D4	752	735	682	623	568
D5	763	732	687	642	578

표4에서 확인 할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 철강재의 시편에서는 표면으로부터 깊이 8mm이상까지 유효 경도값인 HRC53(비커스 경도값 560Hv) 이상의 경도값이 측정되었음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 대형 철강재의 침탄 열처리 방법과 이 방법으로 제조된 대형 철강재에 의하여 대형 기어와 같은 철강재를 침탄 열처리한 경우, 표면 8mm 깊이까지 HRC53(비커스 경도값 560Hv) 이상의 경도값을 가져 압연 공정에 사용되는 감속기 기어 등에 사용하였을 경우 기존 기술에 의한 제품보다 사용연한을 향상시켜 교체주기를 줄일 수 있다. 이에 따라 생산 공정에 있어 비용 절감 뿐 아니라, 공정 시간을 절감할 수 있어 생산 효율을 향상시키는 효과가 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

S10: 1차침탄방지단계 S20: 1차 침탄 단계
S30: 공냉단계 S40: 2차침탄방지단계
S50: 2차침탄단계 S60: 템퍼링단계
S70: 유냉단계

Claims (10)

1. 선정된 철강재에 톱니 형상을 가공한 후, 상기 철강재에서 침탄하지 않는 부위에 침탄 방지제를 도포하는 1차 침탄 방지 단계;
   상기 철강재를 1차 침탄하는 단계;
   상기 철강재를 공냉하는 단계;
   상기 공냉된 철강재에서 침탄하지 않는 부위에 침탄 방지제를 도포하는 2차 침탄 방지 단계;
   상기 철강재를 2차 침탄하는 단계;
   상기 철강재를 2회에 걸쳐 템퍼링하는 단계; 및
   상기 철강재를 유냉조에서 냉각하는 유냉단계;를 포함하며,
   
   상기 철강재를 1차 침탄하는 단계는, 상기 철강재가 균일하게 가열되는 균질화 온도인 850℃까지 시간당 70℃의 속도로 승온하는 제1단계;
   상기 제1단계 이후 850℃에서 상기 철강재의 표면과 심부의 온도차에 의해 발생하는 열응력에 대한 변형을 방지하고 침탄로 내의 분위기를 형성하기 위하여 10시간동안 항온열처리 하는 제2단계;
   상기 제2단계 이후, 상기 침탄로 내의 온도를 3시간에 걸쳐 910~950℃의 범위까지 승온시켜 평형 탄소 농도를 0.88~0.95%로 유지하여 2시간동안 침탄하는 제3단계;
   상기 제3단계 이후, 상기 철강재 내의 잔류오스테나이트 발생을 최소화하기 위하여 상기 침탄로 내 평형 탄소 농도를 0.70~075%로 유지하면서 2시간 내지 3시간동안 퍼지하는 제4단계; 및
   상기 제4단계 이후, 상기 침탄로 내의 온도를 850℃까지 3시간에 걸쳐 내린 후, 침탄된 상기 철강재의 표면과 심부의 온도차에 의한 열응력에 의한 변형을 최소화하기 위해 850℃를 유지하면서 평형 탄소 농도 0.70%를 10시간동안 항온열처리를 다시 수행하는 제5단계;를 포함하는, 대형 철강재의 침탄 열처리 방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 1차 침탄 방지 단계는, 상기 철강재에서 침탄하지 않는 부위에 침탄방지제를 3회 이상 도포하는, 대형 철강재의 침탄 열처리 방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 2차 침탄 방지 단계는, 상기 공냉된 철강재에서 침탄하지 않는 부위에 침탄방지제를 3회 이상 도포하는, 대형 철강재의 침탄 열처리 방법.
   
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5. 제 1항에 있어서,
   상기 철강재를 공냉하는 단계는, 상기 철강재를 장시간 가열하여 그레인 사이즈를 최소화하고 크랙이나 변형을 감소시키기 위하여 조대한 심부 조직을 미세화하기 위하여 블로워를 이용하여 강제 공냉하는, 대형 철강재의 침탄 열처리 방법.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 철강재를 2차 침탄하는 단계는, 상기 1차 침탄하는 단계에서 상기 철강재 내부에 조대해진 그레인 사이즈에 의한 상기 철강재에 형성된 톱니의 경도 저하를 방지하기 위하여,
   시간당 70℃의 속도로 상기 침탄로 내의 온도를 830~870℃의 범위로 승온한 후, 평형 탄소 농도 0.80%에서 20~25시간동안 침탄하고, 평형 탄소 농도를 0.70%로 낮추어 20 내지 25시간동안 확산하는, 대형 철강재의 침탄 열처리 방법.
   
7. 제 1항에 있어서,
   2회에 걸쳐 템퍼링하는 단계는, 로내를 1차로 시간당 70℃의 속도로 180~220℃의 온도 범위로 승온하여 35시간 이상 상기 철강재를 1차 템퍼링한 후, 공냉하고 다시 로내를 2차로 시간당 70℃의 속도로 160~200℃의 온도 범위로 승온하여 35시간 이상 상기 철강재를 2차 템퍼링하는, 대형 철강재의 침탄 열처리 방법.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 유냉단계는, 상기 철강재를 70~90℃의 온도를 유지하는 냉각유가 담긴 유냉조에서 실시하는, 대형 철강재의 침탄 열처리 방법.
   
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