KR20010040446A

KR20010040446A - 표면 침탄 2차 경화강

Info

Publication number: KR20010040446A
Application number: KR1020007008264A
Authority: KR
Inventors: 찰스 제이. 구에만; 그레고리 비. 올슨; 존 피. 와이스; 캐어린 캠프벨
Original assignee: 인드래니 머캐르지; 노쓰웨스턴 유니버시티
Priority date: 1998-01-28
Filing date: 1999-01-28
Publication date: 2001-05-15
Also published as: DE69926115T2; US20030094216A1; JP3487825B2; MXPA00007445A; ES2245821T3; US6464801B2; US6176946B1; US20020029825A1; AU2475199A; KR100422416B1; US6635126B2; AU742183B2; EP1051530A1; EP1051530B1; US6485582B1; WO1999039017A1; EP1051530A4; DE69926115D1; JP2002501984A; ATE299535T1

Abstract

약 0.05 내지 0.24 중량% 탄소, 약 15 내지 28 중량% 코발트와, 약 1.5 내지 9.5 중량% 니켈과, 크롬, 몰리브덴 및 바나듐으로 구성된 그룹으로선 선택된 하나 이상의 소량 %의 첨가물과, 나머지 철을 포함하는 표면 및 코어 경화에 민감한 강 합금.

Description

표면 침탄 2차 경화강{ADVANCED CASE CARBURIZING SECONDARY HARDENING STEELS}

현재, 시장에는 수많은 고성능 기어 및 베어링 강이 있다. 이들 재료의 대부분은 고표면강도를 얻을 수 있도록 1차 탄화물(primary carbide)을 사용하고 다른 것은 엡실론 탄화물(epsilon carbide) 또는 세멘타이트 강화의 스테이지 1(stage one) 또는 스테이지 3 뜨임(tempered) 조건을 사용한다. 1차 탄화물은 탄소 성분이 고용화 열처리동안 고용도를 초과하고 큰 합금 탄화물이 석출할 때 형성된다. 이것은 특히 스코링 내성(scoring resistance)과 같은 특성을 개선시킬 수 있는 더 큰 열적 안정성에 적합한 합금 탄화물 강도를 사용하는 2차 강화강에 적합한 경우이다. 그러나, 자료조사에 의하면, 1차 탄화물 형성은 휨과 접점 피로 내성에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 1차 탄화물의 형성은 네트워크(network)와 같은 불필요한 탄화물 분포의 회피를 위한 프로세스 제어를 어렵게 할 수도 있다. 부가적으로, 현재의 기어 및 베어링강에서 1차 탄화물 형성은 표면에 유익한 잔류 압축 응력에 반전(reversal)을 유도할 수 있다. 이것은 1차 탄화물에 의한 오스테나이트 안정화 원소의 소모에 기인한 마르텐사이트 개시온도의 넓은 분포의 반전에 기인한다. 따라서, 1차 탄화물 형성에 의존하지 않지만, 우월한 열적 안정성에 적합한 2차 경화 행동을 제공하는 표면 경화 합금강에 대한 요구가 있었다. 본 발명은 이러한 요구를 만족시키는 반면, 피로 내성과 내마모성에서 조차 더 큰 개선에 적합한 고표면경화 수준을 제공하도록 더욱 효율적인 2차 경화 행동을 나타내는 신규 분류의 강을 제공한다.

슬라이딩 마모의 적용시, 1차 탄화물의 형성이 유익할 수 있지만, 이것은 현재 기어 및 베어링강에서 1차 탄화물에 의한 경화를 개선시키는 원소의 소모에 기인한 표면에서 유익한 잔류 압축 응력에 반전을 유도할 수 있다.

따라서, 1차 탄화물 형성에 의존하지 않는 표면경화 합금강에 대한 요구가 있었다.

본 발명은 표면 침탄된 합금강으로 제작된 표면 경화된 기어 및 다른 부품의 제작에 유용한 신규 분류의 합금강에 관한 것이다.

하기 상세한 설명은 다음 도면들을 참조할 것이다.

도 1은 실험적으로 예측가능한 결과에 적합한 강도에 대한 석출 구동력의 상호관계를 나타내는 그래프이다.

도 2는 실험적으로 예측가능한 결과에 적합한 석출 반 완성시기와 반 완성 응집속도 상수의 상호관계를 나타내는 그래프이다.

도 3은 산출된 편석 자유에너지 차와 실험적인 취성 잠재력의 상호관계를 나타내는 그래프이다.

도 4는 본 발명의 합금의 전체 시스템 구조의 블록 흐름도이다.

도 5는 본 발명의 합금에 적합한 200℃ Ms 온도에서 코발트와 니켈 성분 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 6은 1000℃에서 본 발명의 합금에 대한 0.55 중량% 탄소에서 크롬, 몰리브덴 및 바나듐의 함수로서 의사 삼상 다이어그램이다.

도 7은 본 발명의 합금강과 종래 침탄합금의 강도를 비교하는 그래프이다.

도 8은 종래 8620강과 비교한 본 발명의 합금강에 적합한 Falex 마모 테스트 데이타를 포함하는 그래프이다.

도 9는 종래 M50 베어링 강과 비교한 본 발명의 합금에 적합한 NTN 3 볼-온-로드 롤링 접점 피로 데이타의 그래프이다.

간단하게, 본 발명은 약 15 내지 28 중량%의 코발트, 1.5 내지 9.5 중량%의 니켈, 3.5 내지 9.0 중량%의 크롬, 최대 3.5 중량%의 몰리브덴 및 최대 0.2 중량%의 바나듐의 혼합물로 이루어지고 약 0.05 중량% 내지 약 0.24 중량%의 범위의 탄소성분을 갖는 표면경화 합금강의 분류로 구성된다.

미세구조 특성은 Cr, Mo 및 V을 전형적으로 포함하는 M₂C 탄화물에 의해 강화된 Ni-Co 라스 마르텐사이트(lath martensite) 매트릭스 강이다. 이 분류의 강의 전형적인 공정은 표면침탄, 용해도 열처리, 퀀칭 및 뜨임으로 이루어지지만, 고 합금 성분에 때문에 퀀칭은 요구되지 않을 수 있다. 표면침탄은 M₂C 탄화물의 부피분율에 경사도를 형성하고 강도에서 동반상승을 파생시키고 표면 잔류 압축 응력을 향상시킨다. M₂C 강화 응답의 효율은 이러한 분류의 강이 제한된 용해 탄소 성분으로 매우 높은 표면경화를 달성하도록 한다. 따라서, 이러한 분류의 강은 1차 탄화물의 형성없이 매우 높은 표면경화를 달성하는 능력을 가질 수 있다.

이러한 분류의 강의 전형적인 잇점은 탁월한 내마모성 및 피로 내성과, 탁월한 코어 강도 및 인성 특성과, 보다 작은 비틀림을 야기시키는 임의의 공기 경화와, 더 높은 열적 내성을 야기시키는 최고의 표면 경화를 포함한다.

이러한 신규 분류의 2차 경화 기어 및 베어링강은 효율적인 M₂C 석출강화 분산을 이용하는 매트릭스 강이다. 이러한 강화 분산의 효율때문에, 특성들의 우세한 조합은 제시된 응용에 적합하게 채택될 수 있다. 예를 들어, 소정의 표면 특성이 현재 재료와 유사한 경우에, 코어 강도 및 인성은 탁월할 수 있다. 탁월한 표면 특성이 요구되는 분야에서, 발표된 강은 전형적인 재료보다 성능이 우수할 수 있는 반면 공칭 코어 특성을 유지하고, 내식성을 요구하는 분야에서, 이들 신규 강은 전형적인 비스테인레스(non-stainless) 정도에 유사한 표면 기계적 특성을 갖는 스테인레스 특성을 제공할 수 있다.

본 발명의 이들 및 기타 목적, 장점 및 특징은 하기 상세한 설명에 개시될 것이다.

본 발명의 합금강은 실험적 확신 또는 테스팅에 의해 수반된 다양한 모델링 기술을 사용하여 개발되었다. 모델링의 중요한 인자는 열화학 데이타 뱅크 및 소프트웨어 시스템의 응용이다. 사용된 시스템 또는 프로그램은 더 높은 차수의 다중 성분 시스템에 추종할 수 있도록 이상(binary), 삼상(ternary) 및 사상(quaternary) 시스템으로부터 열역학적 평가를 사용한다. 평형, 속박 평형(constrained equilibria) 및 구동력은 조성, 화학 포텐셜의 기능 뿐만 아니라 다른 사용자 정의 기능으로서 산출될 수 있다. 이러한 정보를 실제 합금에서 관심있는 극도의 비평형 프로세스의 모델링에 적용하는 것은, 열역학적 스칼링 인자의 관점에서 상변태의 동적 특성이 설명된 후 열화학 소프트웨어에 의해 평가된다. 따라서, 가설의 강 성분이 최고 강도의 강에서 2차 강도 응답을 유도하는 MC 탄화물의 석출을 포함하는 초기 컴퓨터 모델의 주제이다. 두번째 노력은 마르텐사이트 개시 온도의 비선형 조성 의존에 적합한 공지의 열역학적 기본 모델을 사용한다. 세번째 모델링 노력은 수소 취성 및 입계파괴에 개선된 저항을 성취하는 목표를 갖는 가상 조성의 산물에 대한 양자역학적 계산의 적용이다. 모델링 기술은 따라서 최적 합금의 테스팅에 의해 수행된다. 하기는 모델링 기술 고려의 의견이다.

2차 경화

최고-강도(UHS) 2차 경화강은 뜨임 동안 정합 M₂C 탄화물의 석출에 의해 강화된다. 전위(dislocation) 회복이 느려지는 고 Co 강에서, M₂C 탄화물은 전위 상에 정합하여 석출하고 뜨임 동안 2차 경화 피크 특성을 제공한다. 광범위한 기술들이 관심있는 크기의 시간 범주의 전체 범위에 걸쳐 실험 정보를 수집하도록 사용되었다. 원자-탐침 필드-이온 현미경(atom-probe field-ion microscope; APFIM), 트랜스미션 전자 현미경(TEM), 중성자 작은각 산란(small angle neutron scattering; SANS) 및 X선 회절(XRD) 기법은 M₂C 석출물의 크기, 형상, 조성 및 격자 매개변수의 정보 뿐만 아니라 1시간 미만 내지 수천 시간 이상의 뜨임 시간 동안 발생하는 강도값 범위를 제공한다. 이 연구는 석출이 성장 구역이 지배하는 높은 과포화에서의 석출에 적합하게 랭거(Langer)와 쉬왈쯔(Schwartz)에 의해 개발된 이론에 의해 잘 설명되고 석출이 임계 크기에 근접한 입자 크기를 핵생성시키고, 응집하고 유지하는 과정에 의해 발생한다는 것을 확인한다.

이러한 관찰에 근거하여, 두개의 중요한 스칼링 인자가 확인된다. 초기 임계 핵(nucleus)은 석출 반응을 통한 석출물의 크기 범위를 결정하고 응집 속도 상수는 석출 시간 범위를 결정한다. 최고 강도 강에서 피크 강도는 보통 입자 전단으로부터 오로완 바이패스(Orowan bypass)까지 전이에 대응하는 입자 크기에서 발생한다. 또한, 다른 방식으로 인성 및 피로 주기를 제한하는 모든 일시적 세멘타이트를 분해하기 위하여 M₂C 석출물이 완성되는 것이 유익하다. 그러므로, 초기 임계 입자 크기가 작을수록, 더욱 조밀한 석출물 형성은 강도를 피크화시키고 더욱 효과적인 강도가 얻어진다. 석출 시간 범주도 또한 2차 강도 반응과 입계 취성을 유도하는 선행 오스테나이트 결정입계(grain boundary)에 불순물의 응집 사이의 운동역학적 경쟁에 기인하여 중요하다.

초기 임계 핵 크기는 석출에 적합한 열역학적 구동력과 반대로 비례한다. M₂C 탄화물 경우에, 이러한 미지수(quantity)에 선행 세멘타이트 형성과 정합의 영향을 포함하는 것이 중요하다. 정합 탄성 자체 에너지는 등가 아이겐스트레인(equivalent Eigenstrain) 방식을 사용하는 이방성 타원형 개재물의 산술에 의해 계산될 수 있고, 발생하는 응력 분포에 용질 재분포의 영향은 개방 시스템 탄성계수를 사용함으로써 전달된다. 정합 변형을 입자와 매트릭스 격자 매개변수의 성분 의존성을 통해 조성에 관련시킴으로써, 탄성 자체 에너지의 조성 의존성은 열역학 소프트웨어와 적합한 형태로 결정된다. 선형 탄성 자체 에너지 계산은 상한치를 나타내고 보정 인자는 큰 세트의 실험 합금의 석출물 조성 궤적(trajectories)에 맞추도록 사용된다.

선행 세멘타이트 석출물의 영향은 파라 평형(para equilibrium) 세멘타이트에 기인한 탄소 포텐셜의 존재에 정합 구동력의 계산에 의해 설명된다. 이 파라 평형 탄소 포텐셜은 치환형 종류가 일정하게 유지되고 단지 침입형 탄소가 분할하는 매트릭스와 세멘타이트 사이에서 평형에 의해 정의된다. 이러한 접근에서, 세멘타이트는 일정한 화학 포텐셜에서 탄소 공급원으로 작용한다.

도 1은 상기 모델과 모델 합금의 강도 응답의 일치 수준을 나타낸다. 모델 합금은 탄화물 형성자 Cr, Mo 및 드문 경우에 V의 양이 변하는 상태에서 16 중량% Co, 5 중량% Ni 및 0.24 중량% C를 함유한다. 니켈 조성은 강도 응답을 복잡하게 하는 뜨임 동안 오스테나이트 석출물을 제거하도록 선택된다. 도 1에서, 510℃에서의 뜨임동안 피크 강도는 파라 평형 세멘타이트의 존재 속에 정합 MC 탄화물의 석출에 적합한 구동력에 대항하여 결정된다. 둥근 원은 V을 함유하는 합금을 의미한다. 관계는 이러한 분류의 합금에서 약 +/- 25VHN 내에 피크 강도값을 나타내는 능력을 증명한다.

랑거-쉬왈쯔 처리에 따르면, 높은 과포화상태에서 석출의 시간 범위는 석출물 분포의 응집 속도와 비례한다. 이 작업에서 추구하는 모델링은 이상 시스템(binary system)에서 구형 입자의 응집을 설명하는 리프쉬쯔-슬리오조브 및 와거(Lifshitz-Slyozov and Wager; LSW) 이론 이상으로 확장하고, LSW 이롱의 이상 제한을 제거하는 내용을 갖고 소프트웨어 와 데이타 뱅크 시스템의 다중 성분 열역학과 양립하는 방식으로 재편성한다.

이 분석의 결과는 다중 성분 확산 계수, 평형 분리 계수 및 평형상태에서 산술된 깁스 자유에너지의 제2유도의 기능으로서 평균 크기 입자의 응집 속도를 특징화시킨다. 표면 에너지와 몰부피는 독자적 성질로 취해지고 일정하다고 고려된다. 이 형태에서, 응집 속도 상수는 점근적 분석(asymptotic analysis)의 결과이고 매우 긴 시간 범위에서만 대표적이고 평형에 매우 근접한다. 이것은 높은 고포화상태에서 M₂C 탄화물의 석출에 적합한 경우는 분명 아니다. 합금의 매트릭스 성분은 대부분의 석출 과정 동안 평형과는 거리가 멀고 단지 완성에 가까운 평형에 근접한다. 이러한 영향은 석출 동안 그리고 평형상태에서 매트릭스 합금 성분에서 상대적인 차이에 의해 측정된 바와 같이 탄화물 형성자의 화학양론을 함유하는 합금의 경우에 더욱 심각하다.

화학양론 합금에서 석출동안, 합금 매트릭스 성분은 전체 합금 성분과 동일 차수인 반면, 평형상태에서, 매트릭스 합금 성분은 매우 작다. 석출 과정 동안 제공하는 조건의 더욱 대표적인 응집 속도 상수를 정의하기 위하여, 응집 속도는 석출물의 부피분율이 평균치의 반으로 되는 시점에서 산술된다. 이것은 M₂C 탄화물에 적합한 정합 평형을 산술하고, 결정상(phase)의 양이 평균치의 반으로 될 때까지 모세관현상을 고려하도록 MC 결정상에 에너지를 부가함으로써 수행된다. 이 후에, 응집 속도는 이러한 상태의 열역학적 특성으로부터 산술된다. 도 2는 이 데이타가 입수가능한 모델 합금의 석출 반완성 시기와 반완성 응집 속도 상수 사이의 상호관계를 나타낸다.

Ms 온도

제어된 잔류 응력 분포를 갖는 완전한 마르텐사이트 구조를 달성하도록 침탄강에서 마르텐사이트 개시(Ms) 온도의 광범위한 분포를 예측하여 제어하기 위해, 공개된 모델이 사용되었다. 열역학적-기본 핵생성-운동 모델(thermodynamics-based nucleation-kinetic model)은 논문 데이타와 실험상 다중 성분 합금의 평가를 사용하는 측정된 Ms 온도의 조성-의존성으로 산술되었다.

계면 응집(Interfacial Cohesion)

수소 취성과 같은 입계 취성 현상은 의도된 합금에서 불필요하다. 최고 강도강의 취성은 P와 S와 같은 불순물의 결정입계에 대한 선행 편석과 관련된다. 라이스(Rice)와 왕(Wang)에 의한 이러한 현상의 열역학적 처리는 입계를 따르는 취성 파괴에 요구되는 작업을 감소시킬 때 편석 용질의 잠재력은 입계와 자유표면에서 용질에 적합한 편석 에너지에서의 차이에 직선적으로 관련된다는 것을 증명한다. 특히, 자유표면에서 더 높은 편석 에너지를 갖는 용질은 취약해지는 반면에, 결정입계에서 더 높은 편석 에너지를 갖는 용질은 입계 응집을 강화시킬 것이다. Fe 기저 합금에서 보고된 편석 에너지와 취성 잠재력(결정입계에서 원자 퍼센트 용질당 연성-대-취성 천이온도에서 변위로 보고됨)의 조사는 이러한 일반적인 경향들을 증명하지만; 표면 열역학적 측정의 실험상 차이는 몇몇 용질의 경우 불분명한 값을 나타낸다.

첫번째 중요한 계산이 불순물 용질 존재의 단층을 갖는 Fe Σ3[110](111) 결정입계 및 (111) 자유표면을 나타내는 원자 셀(cell)의 전체 에너지를 결정하도록 사용되었다. 계산은 풀-포텐셜 선형 평면파(full-potential linearized plane wave; FLAPW) 전체 에너지 기법으로 수행되었다. 각 경우에서 원자 구조는 최소 에너지 상태를 확보하도록 완화되었다. 이러한 계산의 결과는 편석 용질의 취성 또는 응집 증가 영향에 원인이 되는 편석 에너지 뿐만 아니라 입계 및 표면 환경에서 용질의 하부 전자구조를 포함한다. 붕소(B)(강한 응집 형성자; enhancer)와 인(P)(강한 취성자; embrittler) 사이의 방향성 공유 전자구조의 비교는 Fe d 밴드를 갖는 B 2p 전자의 혼성과 관련된 경계면을 가로지르는 B 원자의 강한 결합을 나타낸다. 이러한 방향성 결합은 Fe와 의미있는 혼성화를 하지 않는 P 원자의 경우에 볼 수 없다.

첫번째 중요 계산의 결과는 도 3에서 실험상 취성 잠재력과 관련된다. 전자 구조 계산에 의해 계산된 결정입계와 자유표면 사이의 편석 에너지 차이와, 연성-대-취성 천이온도에서 실험적으로 관찰된 변위는 C, B, P 및 S 용질에 적합하게 도표화된다. C와 B는 응집 형성자로 나타나고, P와 S는 취성자로 나타난다. 계산된 에너지 차이는 계면 응징 상에서 관찰된 효과와 탁월하게 일치한다.

재료 설계

배경

우주공간, 자동차 및 다른 응용에서 고성능 기어에 적합한 설계 고려사항은 작은 공간차지 및 작은 중량으로 더 많은 동력을 전송하도록 요구하는 것이다. 현재 고성능 기어 강은 전형적으로 스테이지 I 퀀칭 및 뜨임 마르텐사이트이고, 기어 이로서 전형적으로 35 Rc의 표면 경화를 갖는 표면 상에 60 Rc까지 침탄에 의한 표면 경화강은 전형적으로 휨 및 접점 응력을 받는다. 기어에서 실패 모드는 일반적으로 세가지 분류, 즉 이 파손(tooth breakage), 표면 피팅(pitting) 및 하부표면 스폴링(spalling)으로 나누어진다. 높은 표면 경화는 휨 피로에 기인한 이 파손 뿐만 아니라 피팅 파괴를 제한하도록 사용된다. 접점 피로 강도가 표면 아래의 어떤 부위에서 인가된 응력 아래로 떨어진다면, 하부표면 스폴링이 발생할 수 있다. 전형적으로, 1 mm 표면경화 깊이는 하부표면 스폴링을 회피하기 위하여 적당한 피로 강도를 제공하도록 요구된다.

스테이지 II 뜨임 2차 경화강은 종래 기어강 이상의 다양한 장점을 제공한다. 2차 경화강에서 달성된 효과적인 강도 및 탁월한 인성은 더 큰 코어 및 표면경화가 소정의 동력을 전송하는 데 요구되는 기어의 크기 및 중량을 감소시키도록 허용한다. 2차 경화강의 더 큰 온도 저항은 성능이 스코링(scoring)과 같은 기구를 통해 저하하기 전에 더 높은 온도 및 더 긴 시간으로 작동을 허용한다. 부가적으로 상업용 2차 경화 합금의 최근 결과는 이들 합금의 주조가 가능하다는 것을 나타낸다.

분석

표면-코어 2차 경화강 시스템의 시스템 분석은 설계 과정에서 제1단계이다. 도 4는 다른 세가지 대체 공정 경로, 즉 종래의 단조 인곳(ingot) 공정, 거의 순수 형상 주조 및 분말 공정에 의해 제작된 높은 동력전달-밀도 기어에 적합한 전체 공정/구조/특성/성능 시스템 구조를 나타낸다. 표면 경화가능한 2차 경화 기어강은 이러한 흐름-블럭도의 부시스템이고 이 개시의 촛점이다. 연속 공정 단계는 시스템의 전체 수행에 요구되는 특성의 조합을 결정하는 표면 및 코어 미세구조의 전개를 나타낸다. 표면 및 코어는 효과적인 2차 경화에 필수적인 전위 회복 내성에 적합한 고 Co와, 벽계 저항용 Ni를 갖는 마르텐사이트의 미세구조로 이루어진다. 강도는 전위 상에서 미세 M₂C 탄화물의 정합 석출에 의해 제공된다. 이러한 2차 경화 반응은 일시적인 세멘타이트를 분해시키고 석출 반응이 높은 인성 및 피로 내성에 적합한 세멘타이트를 제거하기 위하여 수행되도록 한다. 그레인 미세화 분산(grain refining dispersion)은 인성에 이중으로 영향을 미친다. 고용화 열처리 동안 공온에서 입자 성장을 제한함으로써, 파괴의 입간 취성 모드가 억제된다.

그레인 미세 입자는 연성 미세공동 핵생성과 합체 분쇄 거동에 중요한 작용을 한다. 따라서, 결정입계를 고정시키도록 적절한 부피분율 및 크기를 유지하는 반면 가장 큰 계면 응집을 갖는 결정상을 선택하는 것이 요구된다. 또한, 취성 불순물의 선행 편석과 관련된 (수소 취성에 의함과 같은) 입계 취성을 피하도록 결정입계 화학의 제어가 요구된다. 뜨임동안, 불순물은 결정입계에 편석하고 P와 S의 경우에 경계 촉진 입계 취성의 계면 부식을 감소시킨다. 이러한 문제를 회피하도록 많은 방법이 사용되었다. 게더링 화합물(gettering compound)은 결정입계에 대한 편석을 감소시키는 안정적인 화합물에 불순물을 고정시키도록 사용될 수 있다. 그러나, 가장 안정한 화합물을 생산하기 위하여, 급속 응고 공정이 요구된다. 용해도 내에서, B와 같은 추가 편석은 입계 부식을 조장하는 데 부가될 수 있고, 2차 경화 반응에 적합한 석출 속도는 해로운 결정입계 편석에 적합한 온도에 시간을 제한하도록 증가될 수 있다.

설계

첫번째 설계 단계로서, 소정의 경화에 요구되는 코어 및 표면 탄소 수준이 산정된다. 이것은 현존하는 2차 경화 Ni-Co 강에 적합한 데이타를 오로완(Orowan) 강도 모델에 결합시키고 소정 강도로 추정함으로써 수행된다. 이것은 0.25 중량%의 코어 탄소 성분과 0.55 중량%의 표면 탄소 성분이 이러한 Ni-Co 강에서 소정의 코어 및 표면 경화를 제공하는 데 필요시된다는 것으로 산정된다.

다음 단계는 Fe, Ni 및 Co의 매트릭스 조성을 결정하는 것이다. 소정의 라스 마르텐사이트 결정형상을 생성하기 위하여, 200℃ 이상의 Ms 온도가 요구된다. Ms 온도의 조성 의존성에 적합한 핵생성 운동 모델을 사용하면, Ni 및 Co 성분의 변화가 결정된다. 이러한 결과는 5 중량%의 Cr, 0.5 중량%의 Mo 및 0.0 중량%의 V에 등가인 탄소 형성자의 예비 조성물을 사용하는 표면 탄소 성분에 적합한 도 5에 도시되어 있다. 표면은 코어보다 더 높은 탄소 함량을 가지므로, 코어는 표면보다 더 높은 Ms 온도를 가질 것이다. 도 5에서, Ms 온도를 200℃에 고정하도록 요구된 Co 및 Ni 함량이 표시되어 있다. 높은 Ni 함량은 벽계 파괴를 회피하도록 요구되므로, 25 중량% Co를 함유하는 조성물이 선택된다. 이것은 가능한 가장 많은 Ni 함량, 거의 3.5 중량%가 사용되도록 한다. 이러한 계산들은 후에 탄화물 형성자의 화합물이 더욱 미세화될 때 일관성있게 반복된다.

탄화물 형성자의 최적 화합물을 정의하기 위하여 수많은 설계 제한요소가 적용된다. 합금에서 탄화물 형성자의 전체양은 표면에 존재하는 탄소를 소모하는 데 요구되는 것보다 더 많아야 한다. 이러한 하한치는, 고갈시에, 취성 세멘타이트가 완전하게 M₂C 탄화물로 변환되도록 한다. 결정입계 편석을 감소시키기 위하여, 석출 속도는 최대화된다. 이것은 가능한 가장 짧은 뜨임 시간을 허용한다. 정합 석출 구동력은 M₂C에 적합한 작은 임계 입자 크기와 더욱 효과적인 강도를 제공하도록 최대화된다. 최종적으로, 용해 온도는 1000℃로 제한된다. 이것은 M₂₃C₆, M₇C₃, MC 및 M₆C와 같은 탄화물을 함유하는 Cr, Mo 및 V이 적당한 공정 온도에서 용해되는 반면에 그레인 미세화 분산으로서 작용하도록 TiC 탄화물을 매우 미세한 규모로 유지시킨다.

석출 속도 상수에 적합한 계산은 낮은 Mo 조성물이 양호하다는 것을 나타내는 반면에, 구동력 계산은 더 많은 V 함량의 상당히 유익한 효과를 증명하였다. 가용성 제한요소는 도 6의 다이어그램에 의해 표시된다. 이때, 1000℃에서 평형 결정상 필드는 Cr 및 V 함량의 함수로서 제공된다. Mo 함량은 화학양론적 요구에 의해 결정되고, 매트릭스 화합물은 선행 계산으로부터 취해지고, 탄소 함량은 표면 화합물을 나타낸다. V 함량을 최대화시키고 Mo 함량을 최소화시키는 단일상 FCC 필드 내에서 다이어그램 상의 포인트는 설계 기준을 달성하는 조건을 나타낸다. 이 화합물은 4.8 중량% Cr, 0.03 중량% Mo, 0.06 중량% V이다. 최종 탄화물 형성자를 사용하는 매트릭스 화합물의 재계산은 Fe - 25 Co - 3.8 Ni - 4.8 Cr - 0.03 Mo - 0.06 V - 0.55 (표면) / 0.25 (코어) C(중량%)의 합금 화합물을 발생시킨다. 도 3의 모델 예측가 일치하여, 15 내지 20 ppm의 가용성 붕소가 첨가되어 입계 취성 내성을 향상시킨다.

예

상기 조성물의 17 파운드(lb.) 진공 유도열이 고순도 재료로부터 준비되었다. 인곳은 1150℃에서 1.25 인치 사각형 X 38 인치 길이의 바로 단조되었다. 합금의 Ms 온도는 팽창계(dilatometery)로부터 결정되었고 모델 예측과 일치하도록 해결되었다. 합금의 고용화 처리 응답은 스테이지 I 뜨임 조건에서 경도 측정으로부터 결정되었다. 코어 재료에 적합한 최적 공정 조건은 1050℃ 1시간 고용화 처리 후 오일 퀀칭과 액체 질소 딥 냉각으로 결정되었다. 최적 고용화 처리 후, 482℃에서 12시간 뜨임은 코어 재료의 경우 55 Rc의 소정 과시효된 경도를 나타내었다. 이 후, 재료는 플라즈마 침탄되고 이들 매개변수를 사용하여 처리되었다. 침탄 처리에 사용된 C 포텐셜, 온도 및 시간은 0.55 중량%의 대상 표면 탄소 함량과 1mm 표면 깊이를 제공하도록 다중 성분 확산 소프트웨어로 시뮬레이션에 의해 결정되었다. 도 7에서 C2로 표시된 곡선은 침탄 샘플에 달성된 경도 프로파일을 나타낸다. 67 HRc의 표면 경도와 1mm의 표면 깊이가 얻어졌다.

이러한 특성의 기술과 공정을 사용하여, 표 1에 개시된 다음 합금이 개발되고 시험처리되었다.

〈 표 1 〉

합 금	Fe	Co	Ni	Cr	Mo	V	C(코어)
A1	Bal.	18	9.5	3.5	1.1	0.08	0.20
C2	Bal.	25	3.8	4.8	0.03	0.06	0.237
C3	Bal.	28	3.25~3.15	5.0	1.75~2.50	0.025	0.05~0.18
CS1	Bal.	15	1.5	9.0	0.0	0.2	0.05~0.20

첫번째 A1은 화합물 재설계가 필수적인 것은 아니지만 더 높은 코어 강도와 인성이 필요한 분야에서 현재 기어 재료의 대체용으로서 대상이다. 이와 같이, A1은 현재 상업적인 특성과 유사한 표면 마모 특성을 갖지만, 탁월한 코어 인성과, 54 HRC 강도와, 75 K_si/in이상의 K_1c를 갖는다. 두번째 합금 C2는 지금 설명된 모형 합금에 대응한다. 세번째 합금 C3는 가능한 한 표면 특성을 촉구하는 반면에 적당한 코어 강도와 인성을 유지한다. 도 7의 경화 프로파일에 의해 나타난 바와 같이, 합금은 HRC 69에 대응하는 표면 경화에 도달한다. 표준 파렉스 기어(standard Falex gear)에서 침탄재료용 마모 시험은 도 8에서 표준 침탄처리된 8620 강에 비교하여 상당히 감소된 중량 손실을 나타낸다. 786 ksi 헤르찌안(Hertzian) 접점 응력에서 수행된 볼-온-로드 롤링 접점 피로 테스트(NTN 식)은 도 9에 표시된 바와 같이 M50 베어링강에 비유되는 L₁₀피로 생명에서 크기 증가를 나타낸다. 표 1에서 네번째 합금, CS1은 이러한 분류 합금의 스테인레스 변형을 나타낸다. 충분한 코어 강도와 인성을 갖는 표준 비스테인레스 기어 및 베어링 재료의 표면 특성을 정합시키도록 목표화되면, 합금은 중성 페하(ph)를 갖는 증류수[전기 전도용으로 첨가된 수크로오스(sucrose)]에 전도된 양극 극성에 의해 440C보다 양호한 내식성을 달성한다. 유사한 상대적 거동은 3.5% NaCl 용액에서 증명되었다. 염 포그 테스트(salt fog test)에서, CS1은 440C 및 상업용 침탄 스테인레스 강보다 우수하게 수행되었고, 테스트가 침탄 조건에 샘플에 수행되었을 때 성능 갭은 제거되었다. 침탄 합금이 A1에 등가인 표면 기계적 특성을 달성한 반면 내식성을 유지하였다. 도 9에 나타낸 형태의 RFC 테스트에서, A1과 CS1 모두 M50 베어링강과 동일하거나 또는 이보다 우월한 L₁₀피로 주기를 나타내었다. 하기 표(표 2)는 네가지 합금에서 수행된 성능을 요약한다.

〈 표 2 〉

합 금	코어 강도¹	코어 인성²	표면 경화³	휨 피로⁴	롤링 접점 피로⁵L₁₀	내식성⁶
A1	54 Rc	〉75ksi/in	〉61 Rc	≥EN36C	≥M50	NA
C2	≤58 Rc	조정가능	67 Rc	NA	진행중	NA
C3	≤59 Rc	조정가능	69 Rc	NA	10 ×M50	NA
CS1	≤53 Rc	≥25 ksi/in조정가능	63 Rc	NA	≥M50	〉440C

ASTM E18에 의해 결정된 경도¹

ASTM E813에 의해 결정된 코어 인성²

E384에 의해 결정된 표면 경화³

4 포인트 휨 테스팅을 사용하여 결정된 휨 피로⁴

NTN 3 볼-온-로드 기술에 의해 결정된 롤링 접점 피로⁵

양극 극성과 테스팅용 염에 의해 결정된 내식성⁶

각각의 합금은 저렴한 비용으로 수행된 종래 기술의 화합물을 능가하는 표면 경화 및 코어 경화를 갖는다. 본 발명의 합금은 개시된 것과 일치하여 계산되고 제작되었지만, 본 발명의 기술 내에서 변경이 가능하다. 본 발명은, 그러므로, 하기 청구범위에 의해서만 한정되고 동등하다.

Claims

약 15 내지 28 중량% 코발트와, 약 1.5 내지 9.5 중량% 니켈과, 약 3.5 내지 9.0 중량% 크롬, 최대 약 2.5 중량% 몰리브덴 및 최대 0.2 중량% 바나듐으로 구성된 그룹으로선 선택된 하나 이상의 첨가물과, 나머지 철과 합체한 약 0.05 내지 0.24 중량% 탄소의 표면 경화 혼합물로 이루어진 강 합금.
제 1 항에 있어서, 상기 혼합물은 약 60 로크웰 C보다 큰 표면 경화의 범위에서 표면 경화된 강 합금.
제 1 항에 있어서, 상기 혼합물은 약 50 로크웰 C보다 큰 범위에서 코어 경화된 강 합금.
청구항 1의 합금으로 이루어진 기어.