KR20020094603A - 링기어와 드라이브 피니언의 고강도 침탄 강재 및 그제조방법 - Google Patents

링기어와 드라이브 피니언의 고강도 침탄 강재 및 그제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 링기어(Ring gear)와 드라이브 피니언(Drive pinion)의 고강도 침탄용 강재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 경상용자동차의 링기어(Ring gear)와 드라이브 피니언(Drive pinion)의 침탄용 강재에 있어서, 강재 성분 중의 산화에너지가 가장 큰 규소(Si) 함량을 줄여 입계산화에 의한 강도저하를 방지하고, 몰리브텐(Mo) 함량을 높여 인성을 향상시킴으로써, 종래 침탄 열처리시 기어소재 표면에서 발생하는 산화성원소와 침탄분위기 중의 이산화탄소와 물(H2O)과의 결합을 최소화하여 강도를 향상시키며, 침탄 열처리 전의 단조 및 열처리 공정시 불림(Normalizing) 및 공냉(Air cooling) 공정만 수행하고도 기계적특성 및 가공성이 양호한 고강도 침탄용 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

링기어와 드라이브 피니언의 고강도 침탄 강재 및 그 제조방법{Carburizing steel material of Ring gear and Drive pinion having a high strength and methods for preparing the same}
본 발명은 링기어(Ring gear)와 드라이브 피니언(Drive pinion)의 고강도 침탄용 강재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 경상용자동차의 링기어(Ring gear)와 드라이브 피니언(Drive pinion)의 침탄용 강재에 있어서, 강재 성분 중의 산화에너지가 가장 큰 규소(Si) 함량을 줄여 입계산화에 의한 강도저하를 방지하고, 몰리브텐(Mo) 함량을 높여 인성을 향상시킴으로써, 종래 침탄 열처리시 기어소재 표면에서 발생하는 산화성원소와 침탄분위기 중의 이산화탄소와 물(H2O)과의 결합을 최소화하여 강도를 향상시키며, 침탄 열처리 전의 단조 및 열처리 공정시 불림(Normalizing) 및 공냉(Air cooling) 공정만 수행하고도 기계적특성 및 가공성이 양호한 고강도 침탄용 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근의 국제적인 동향은 선진국의 보호무역 정책 및 대기환경 보존정책 등에 의한 각종 규제가 강화되는 추세이며, 자동차의 대중화에 따른 소비자의 요구사항도 다양화 되고 있다. 이에 따라, 자동차업계에서는 보다 높은 주행성능, 연비효율 및 조종안정성의 연구와 더불어 고출력, 고성능화 및 경량화에 박차를 가하고 있다. 특히, 자동차의 고성능화, 고출력화를 대응키 위해 높은 엔진(E/G) 출력을 압축(compact)된 크기의 부품으로 전달하기 위한 부품의 소형화와 트랜스미션(transmission) 및 차동장치(differential)에 이용되고 있는 침탄치차의 강도 및 신뢰성향상을 요구하고 있다.
이러한 소형경량화에 대한 요구를 만족시키면서 충분한 내구신뢰성을 확보하기 위해서는 내피로성, 내피팅(pitting)성, 내마모성, 내충격성이 높은 고강도 기어 개발 및 적용이 중요하다.
그런데, 지금까지 주로 사용되고 있는 소형차의 링기어(Ring gear)와 드라이브 피니언(Drive pinion)의 침탄치차 소재(SCM420H)의 가장 큰 문제점은 침탄열처리시 기어소재 표면에 침탄분위기 중의 이산화탄소 및 물과 소재의 산화성원소(Si, Mn, Cr 등)가 서로 결합하여 표면 부근에서 결정입계를 따라 입계산화물이 형성되면서, 이로 인하여 경화층의 인성을 현저하게 손상시킬 뿐만 아니라 피로강도도 저하시킨다. 또한, 침탄 열처리 중의 복합적인 요인에 의해 발생되는 열변형으로 최종부품에서 소음을 유발하여 부품의 고급화 및 승객의 쾌적성을 해치는 요인이 되고 있다. 상기 소재의 조직은 페라이트(ferrite)와 펄라이트(pealite)의 혼합 조직으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위하여, 경상용자동차의 링기어(Ring gear)와 드라이브 피니언(Drive pinion)의 침탄용 강재 성분 중 산화에너지가 가장 큰 규소(Si) 함량과 몰리브텐(Mo) 함량을 변형시킴으로써, 입계산화에 의한 강도저하를 방지하고, 인성을 향상시킬 수 있으며, 침탄 열처리전의 단조 및 열처리 공정으로 불림(Normalizing) 및 공냉(Air cooling) 공정만 수행하고도 기계적특성 및 가공성이 양호한 링기어(Ring gear)와 드라이브 피니언(Drive pinion)의 고강도 침탄용 강재 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
도 1은 (a) 본 발명에 따른 고강도강(실시예)과 (b) 종래 사용되는 강재(비교예, SCM420H)을 이용한 단조품의 미세조직의 주사전자현미경(200×) 사진이고,
도 2는 본 발명에 따른 고강도강(실시예)의 (a) 링기어와 (b) 드라이브 피니언에 대한 결정입도의 광학현미경(200×) 사진이고,
도 3은 본 발명에 따른 고강도강(실시예)의 (a) 링기어와 (b) 드라이브 피니언에 대한 표면이상층의 광학현미경(100×) 사진이다.
본 발명은 C 0.13 ∼ 0.20 중량%, Si 0.06 ∼ 0.15 중량%, Mn 0.55 ∼ 0.90 중량%, P 0.03이하 중량%, S 0.01 ∼ 0.03 중량%, Cr 0.85 ∼ 1.25 중량%, Mo 0.35∼ 0.45 중량%, 및 나머지로 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 기지조직이 페라이트(ferrite)와 베이나이트(Bainite)의 혼합조직으로 구성되어 있는 링기어(Ring gear)와 드라이브 피니언(Drive pinion)의 고강도 침탄용 강재를 그 특징으로 한다.
또한, 본 발명은
a) 상기 기재의 고강도 침탄용 강재 조성물을 1220 ± 20 ℃에서 30분 동안 가열하고, 1200 ± 30 ℃에서 50 ∼ 55초 동안 단조하는 단계; 및
b) 상기 단조공정을 거친 강재를 불림(Normalizing), 및 공냉(Air cooling) 공정의 순서로 열처리하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 링기어(Ring gear)와 드라이브 피니언(Drive pinion)의 고강도 침탄용 강재의 제조방법을 포함한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 소형자동차의 링기어(Ring gear)와 드라이브 피니언(Drive pinion)의 침탄용 소재 개발을 위해, 소재 성분 중의 규소(Si) 함량과 몰리브텐(Mo) 함량을 조절하여 강도가 우수하고 인성이 향상되며, 단조 및 열처리시 불림(Normalizing) 및 공냉(Air cooling) 공정만 수행하여 공정시간을 단축시켜 경제적인 고강도 침탄용 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 고강도 강재는 C 성분을 0.13 ∼ 0.20 중량%, Si 0.06 ∼ 0.15 중량%, Mn 0.55 ∼ 0.90 중량%, P 0.03이하 중량%, S 0.01 ∼ 0.03 중량%, Cr 0.85 ∼ 1.25 중량%, Mo 0.35 ∼ 0.45 중량%, 및 나머지로 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어져 있다.
특히, 본 발명에서는 침탄 열처리시 기어소재 표면에서 발생하는 침탄분위기 중의 이산화탄소 및 물(H2O)과 소재 중의 규소(Si), 망간(Mn), 및 크롬(Cr) 등의 산화성 원소와의 결합을 최소화하기 위해, 산화에너지가 가장 큰 규소(Si) 함량을 종래 침탄 강재보다 감소시켜 입계산화에 의한 강도저하를 방지하는 특징이 있다. 이때, 상기 Si의 사용량이 상기 범위를 초과하면 침탄시 표면에 입계산화 발생이 높게되는 문제가 있다.
또한, 본 발명은 몰리브텐(Mo) 함량을 높여 인성을 향상시키는 것에 또 다른 특징이 있다.
본 발명에 따른 링기어(Ring gear)와 드라이브 피니언(Drive pinion)용 강재는 단조후의 기지조직은 종래와 달리 페라이트(ferrite)와 베이나이트(Bainite)의 혼합조직으로 구성되어 경도가 HB 170 ∼ 190 정도로 유지됨으로써, 종래 소재에 비해 절삭가공이 양호하다.
또한, 일반적으로 소재의 결정입도는 경화능에 영향을 미치며, 결정립이 미세할수록 경화능이 떨어지고 결정립이 조대할수록 경화능이 좋아진다. 그러나 소입성을 위해 결정립을 무리하게 조대화시키면 일반적인 기계적성질이 저하되므로 결정입도를 조절해야한다. 따라서, 침탄 기어류의 결정입도는 ASTM No.5 ∼ 8 정도로 관리하고 있으며, 본 발명은 입계부식액을 이용하여 결정입도를 관찰한 결과, 고강도강의 링기어(Ring gear)와 드라이브(Drive pinion)의 경우 결정입도가 ASTM No.6 ∼ 7 수준으로 양호하다.
한편, 본 발명은 상기와 같은 조성성분으로 이루어진 침탄용 고강도 강재를 다음의 조건으로 단조 및 열처리하여 링기어(Ring gear)와 드라이브 피니언(Drive pinion)을 제조할 수 있다.
상기 단조조건은 가열온도 1220 ± 20 ℃에서 30분 동안, 그리고 단조온도 1200 ± 30 ℃에서 50 ∼ 55초 동안 단조설비로 링기어(R/G, Air Drop Hammer(A.D.H) 2 톤)와 드라이브 피니언(D/P, Air Drop Hammer(A.D.H) 1 톤)를 단조를 실시하는 것이 바람직하다.
그런 다음, 단조공정을 거친 고강도 강재에 대하여 열처리 조건으로 불림(Normalizing), 및 공냉 (Air cooling) 공정의 순서로 열처리하여 침탄용 고강도 강재를 제조할 수 있다. 이때, 상기 불림(Normalizing)공정시의 조건은 960℃에서 2 시간 동안 실시하고, 상온까지 공냉 (Air cooling)를 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 조건으로 제조된 고강도 강재로 제작된 링기어(Ring gear)와 드라이브 피니언(Drive pinion)을 통상의 조건으로 침탄 열처리하면, 종래 소재와 비교하여 표면경도가 높고 표면에 표면이상층이 감소되며, 열처리 변형이 규격범위에 만족한다. 더욱이, 상기 링기어(Ring gear)와 드라이브 피니언(Drive pinion)의 침탄 열처리전의 열처리 조건으로 종래 소재와 같이 불림(Normalizing), 소려(Tempering), 공냉(Air cooling)의 순서로 열처리를 실시하는 것이 아니라, 소려 공정을 생략함으로써 공정시간을 단축할 수 있어 보다 경제적인 효과가 있다. 이때, 상기 침탄 열처리 사이클(cycle)의 일례를 들면, 930 ℃에서탄소농도(Carbon Potential, 이하 C.P라 함) 1.1%로 150 분 동안 침탄하고 이어서 C.P 0.85%로 60 분 동안 확산한 후, 830 ℃에서 C.P 0.85%로 30 분 동안 경화(Hardening) 공정을 수행한 다음, 140 ℃에서 20 분 동안 소입(quenching) 공정을 수행하고, 소려(Tempering) 사이클은 140 ℃에서 50 분 동안 실시한다.
이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
Fe와 기타 불가피한 불순물을 제외한 성분으로서 다음 표 1과 같은 조성성분과 함량으로 링기어(R/G)와 드라이브 피니언(D/P)의 침탄용 고강도 강재를 제조하였다. 이때, 실시예의 고강도 침탄용 강재의 단조 조건은 가열온도 1220 ± 20 ℃에서 30분 동안, 단조온도 1200 ± 30℃에서 50 ∼ 55초 동안 단조설비로 링기어(R/G, Air Drop Hammer(A.D.H) 2 톤)와 드라이브 피니언(D/P, Air Drop Hammer(A.D.H) 1 톤)를 단조하였다. 그런 다음, 단조공정을 거친 고강도 강재를 960 ℃에서 2 시간 동안 불림(Normalizing) 공정을 수행한 후, 상온까지 공냉 (Air cooling) 공정을 수행하여 링기어와 드라이브 피니언의 고강도 침탄용 강재를 제조하였다.
비교예
비교예는 종래 사용되는 SCM420H 소재로서 그 성분과 함량은 다음 표 1에 나타내었다. 이때, 상기 SCM420H 소재의 단조 조건은 가열온도 1220 ± 20 ℃에서 30분 동안, 단조온도 1200 ± 30 ℃에서 50 ∼ 55초 동안 단조설비로 링기어(R/G, Air Drop Hammer(A.D.H) 2 톤)와 드라이브 피니언(D/P, Air Drop Hammer(A.D.H) 1 톤)를 단조하였다. 그런 다음, 960 ℃에서 2 시간 동안 불림(Normalizing) 공정을 수행한 후, 620 ℃에서 2시간 동안 소려(Tempering) 공정을 수행하고, 상온까지 공냉(Air cooling) 공정을 수행하여 링기어(Ring gear)와 드라이브 피니언(Drive pinion)의 침탄용 강재를 제조하였다.
시험예:
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 소형차의 링기어(Ring gear)와 드라이브 피니언(Drive pinion)의 침탄열처리 특성을 평가하기 위하여, 원소재 성분 및 조직, 침탄소재의 침탄특성, 열처리변형, 조직, 표면 이상층을 조사하였고, 그 결과를 다음 표 2 및 3에 나타내었다.
[침탄 열처리 사이클(cycle)]
상기 실시예 및 비교예의 강재에 대하여 각각 930 ℃에서 탄소농도(Carbon Potential, 이하 C.P라 함) 1.1%로 150 분 동안 침탄하고 이어서 C.P 0.85%로 60 분 동안 확산한 후, 830 ℃에서 C.P 0.85%로 30 분 동안 경화(Hardening) 공정을 수행하였다. 그런 다음, 140 ℃에서 20 분 동안 소입(quenching) 공정을 수행하였다. 이때, 소려(Tempering) 사이클은 140 ℃에서 50 분 동안 실시하였다.
상기 실시예와 비교예를 이용한 단조품의 미세조직의 광학현미경(200×) 사진을 도 1에 나타내었다.
또한, 실시예의 (a) 링기어와 (b) 드라이브 피니언에 대한 결정입도의 광학현미경(200×) 사진을 도 2에 나타내었다.
그리고, 실시예의 링기어와 드라이브 피니언에 대한 표면이상층의 주사전자현미경(100×)을 도 3에 나타내었다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예의 경우 산화성이 강한 Si의 함량을 저감함으로써, 표면이상층을 저감할 수 있었으며, 특히 표면이상층에 가장 큰 영향을 주는 Si의 함유량을 종래 소재(SCR420H) 대비 절반 정도인 0.1 중량%로 조정함으로써, 침탄후 표면강도가 높아졌다. 또한, Mo 함량을 0.4 중량% 수준으로 유지함으로써 인성이 향상되었다.
상기 표 2에서 보면, 실시예의 경우 표면이상층이 비교예에 비하여 적음을 알 수 있고, 또한 실시예의 링기어와 드라이브 피니언의 표면경도가 상대적으로 높아 표면강도 및 피로강도가 증가되었다.
또한 실시예와 비교예에 대하여 입계부식액을 이용하여 결정입도를 관찰한 결과 결정입도가 모두 ASTM No. 6 ∼ 7 수준으로 양호하였다.
상기 표 3에서 보면, 기어 치홈의 흔들림 정도를 나타내는 런-아웃(RUN-OUT)을 측정한 결과, 비교예의 경우는 침탄처리후 열처리 변형에 따라 규격(0.04 ㎜이하)을 초과하고 있으며, 실시예의 경우는 열처리 전후 변형이 적어 규격을 만족하는 수준을 나타내었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 경상용자동차의 링기어(Ring gear)와 드라이브 피니언(Drive pinion)의 침탄용 강재 및 그 제조방법은 강재 성분 중의 산화에너지가 가장 큰 규소(Si) 함량을 줄여 입계산화에 의한 강도저하를방지하고, 몰리브텐(Mo) 함량을 높여 인성을 향상시킴으로써, 종래 침탄 열처리시 기어소재 표면에서 발생하는 산화성원소와 침탄분위기 중의 이산화탄소와 물(H2O)과의 결합을 최소화하여 강도를 향상시키며, 침탄 열처리전의 단조 및 열처리 공정시 불림(Normalizing) 및 공냉(Air cooling) 공정만 수행하고도 기계적특성 및 가공성이 양호하여 공정시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라, 표면이상층 감소, 표면경도 및 피로강도의 증대와 함께 열처리에 따른 열변형이 감소되어 링기어와 드라이브 피니언 작동시 소음이 감소된다.

Claims (3)

  1. C 0.13 ∼ 0.20 중량%, Si 0.06 ∼ 0.15 중량%, Mn 0.55 ∼ 0.90 중량%, P 0.03이하 중량%, S 0.01 ∼ 0.03 중량%, Cr 0.85 ∼ 1.25 중량%, Mo 0.35 ∼ 0.45 중량%, 및 나머지로 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 기지조직이 페라이트(ferrite)와 베이나이트(Bainite)의 혼합조직으로 구성되어 있는 것임을 특징으로 하는 링기어(Ring gear)와 드라이브 피니언(Drive pinion)의 고강도 침탄용 강재.
  2. a) 제 1 항 기재의 고강도 침탄용 강재 조성물을 1220 ± 20 ℃에서 30분 동안 가열하고, 1200 ± 30 ℃에서 50 ∼ 55초 동안 단조하는 단계; 및
    b) 상기 단조공정을 거친 강재를 불림(Normalizing), 및 공냉(Air cooling) 공정의 순서로 열처리하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 링기어(Ring gear)와 드라이브 피니언(Drive pinion)의 고강도 침탄용 강재의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 불림(Normalizing) 공정은 960℃에서 2시간 동안 실시하고, 상온까지 공냉(Air cooling) 공정을 실시하는 것을 특징으로 하는 링기어(Ring gear)와 드라이브 피니언(Drive pinion)의 고강도 침탄용 강재의 제조방법.
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