KR20030054284A

KR20030054284A - 표면경화 열처리시 마이크로 크랙 형성을 방지하는표면경화강 및 그 열처리방법

Info

Publication number: KR20030054284A
Application number: KR1020010084425A
Authority: KR
Inventors: 유선준; 박성운
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2001-12-24
Filing date: 2001-12-24
Publication date: 2003-07-02

Abstract

본 발명은 표면경화강 및 그 열처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 침탄질화 열처리후 상온으로 담금질시 표면에 마이크로 크랙이 발생되지 않는 표면경화강 및 그 열처리방법에 관한 것이다.

Description

표면경화 열처리시 마이크로 크랙 형성을 방지하는 표면경화강 및 그 열처리방법{Bearing steel and its heat treatment method for eliminating surface micro crack formation during surface hardening heat treatment}

일반적으로, 표면경화강은 중저 탄소강에 특수원소를 소량 첨가한 후, 표면을 침탄 또는 침탄질화처리한 강이다.

이중 침탄질화용 강은 표면에 탄소, 질소의 함량이 높아 경하고, 잔류 오스테나이트(retained austenite)의 함량이 높아 피로 크랙(crack)의 전파를 완화시키므로, 자동차 엔진의 기어, 베어링 등으로 사용된다.

그러나, 소재를 표면경화 열처리시 높은 온도에서 장시간 가열되기 때문에, 오스테나이트 결정립의 크기가 조대해져, 침탄질화 열처리후 담금질시 오스테나이트 결정입계 주위에 마이크로 크랙(micro crack)이 발생되어, 소재를 더 이상 사용하지 못하게 되는 경우가 발생되곤 하였다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 침탄질화 열처리후 담금질시 마이크로 크랙이 발생되지 않는 표면경화강 및 그 열처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 첨부된 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 표면경화 열처리시 마이크로 크랙 형성을 방지하는 표면경화강은, 중량%로, C:0.15∼0.6%, Mn:0.7∼1.2%, Cr:0.6∼2.0%, Al:0.01∼0.05%, N:0.01∼0.02%, P:0.02%이하, S:0.02%이하, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 표면경화 열처리시 마이크로 크랙 형성을 방지하는 표면경화강의 열처리방법은, 중량%로, C:0.15∼0.6%, Mn:0.7∼1.2%, Cr:0.6∼2.0%, Al:0.01∼0.05%, N:0.01∼0.02%, P:0.02%이하, S:0.02%이하, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe로 이루어지는 표면경화강에 대하여, 상기 표면경화강을 NH₃의 양이 3∼5%인 열처리분위기와 920∼950℃ 온도범위에서 침탄질화 열처리하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 표면경화강은 중량%로, C:0.15∼0.6%, Mn:0.7∼1.2%, Cr:0.6∼2.0%, Al:0.01∼0.05%, N:0.01∼0.02%, P:0.02%이하, S:0.02%이하, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe의 성분조성으로 이루어진다.

이와 같은 성분조성의 표면경화강은 용융되어 용강으로 제조되고, 연속주조를 통해 불룸(bloom) 또는 빌레트(billet)로 주조된 다음, 가열로에서 재가열되어, 압연을 통해 선재로 제조되게 된다.

여기서, 상기 표면경화강에 C는 0.15∼0.6% 범위로 함유되는 것이 바람직하다.

만약, 0.15% 미만으로 함유되면, 침탄질화 열처리후 필요한 강도와 경화능을 확보하기 어렵고, 0.6%를 초과하여 함유될 경우에는 탄소함량이 높아 표면경화의 효과가 없어지기 때문에 바람직하지 않다.

그리고, 강의 침탄질화 열처리후 담금질시 경화능과 표면경도를 확보하기 위해 첨가하는 Mn은 0.7∼1.2% 범위로 첨가되는 것이 바람직하다.

만약, 0.7% 미만으로 첨가되면, 상술한 첨가효과를 확보할 수 없고, 1.2%를 초과하여 첨가되면, 잔류 오스테나이트(retained austenite)가 다량 함유됨으로써 연화되어 피로수명을 저하시켜 바람직하지 않다.

또한, 침탄열처리시 크롬탄화물을 석출시켜 경화능을 향상시키는 원소로 작용하는 Cr은 0.6% 이상 첨가되어야만 경화능 향상 효과를 발휘하며, 2.0%를 초과하여 첨가될 경우에는 결정입계에 크롬탄화물을 석출시켜 베어링의 피로수명을 단축시키므로, 0.6∼2.0% 범위로 함유되는 것이 바람직하다.

나아가, 강중의 질소와 반응하여 AlN 화합물 형태로 석출되어, 장시간 표면경화 열처리시 결정립을 미세화시키는 작용을 하는 Al은 0.01% 이상 첨가되어야 결정립 미세화 효과를 발휘하며, 0.05%를 초과하여 첨가되면, 강중 개재물로 존재하여 피로수명을 현저히 떨어뜨리는 요인으로 작용하므로, 0.01∼0.050% 범위로 첨가하는 것이 좋다.

그리고, 알루미늄과 결합하여 질소화합물을 형성하여 결정립 또는 결정입계에 석출되는 것에 의해, 오스테나이트 결정립의 입자성장을 방해하여 결정립을 미세화시키는 역할을 하는 N는 0.01∼0.02% 범위로 함유되어야 한다.

만약, 함유량이 상한치를 초과하면 초과된 질소가 기지조직내에 고용질소로 존재하여, 연속주조시 열간 가공성을 떨어뜨리므로 바람직하지 않다.

다음으로, 이상과 같은 성분조성의 표면경화강의 침탄질화 열처리는 920∼950℃의 온도범위에서 4∼6시간정도 실시하는 것이 적정하다.

또한, 이때 열처리 분위기는 NH₃의 양이 3∼5%인 분위기에서 실시하는 것이 좋다.

이와 같은 조건으로 침탄질화 열처리를 실시하면, 오스테나이트 결정립 크기가 미세화되어, 열처리후 담금질시 마이크로 크랙의 형성이 방지됨과 동시에, 잔류 오스테나이트의 함량이 증가되어, 피로 저항성이 크게 개선될 수 있다.

만약, 열처리 온도가 920℃ 미만인 경우에는 C, N의 확산속도가 늦어 표면경화의 효과가 없으며, 950℃를 초과하는 경우에는 열처리온도가 너무 높아 오스테나이트 결정립이 성장하여, 그후 담금질시 마이크로 크랙이 발생되기 때문에 바람직하지 않다.

또한, 표면경화 열처리로에 NH₃의 양이 3% 미만인 경우에는 표면에 생성되는 잔류 오스테나이트량이 적어, 피로수명의 향상 효과를 볼 수 없으며, 5%를 초과하는 경우에는 그와 반대로 잔류 오스테나이트량이 너무 많아 내마모성이 저하되어 바람직하지 않다.

실시예

먼저, 아래 표 1의 성분조성을 갖는 강을 진공유도용해로에서 주조하여 8㎜로 압연한 후, 930℃에서 5시간동안 표면경화 열처리후 상온으로 담금질하여, 그 상태에서 오스테나이트 결정립 크기와 표면에 마이크로 크랙이 형성되었는지의 유무를 확인하였다.

구분	성분함유량(중량%)	오스테나이트결정립크기(㎛)	마이크로크랙발생유무
구분	C	오스테나이트결정립크기(㎛)	마이크로크랙발생유무	Mn	Cr	Al	N
비교예1	0.2	0.7	1.20	0.008	0.0075	63	발생
실시예1	0.41	1.1	1.25	0.02	0.012	24	미발생
실시예2	0.4	1.12	1.35	0.022	0.017	22	미발생
실시예3	0.43	1.13	1.4	0.032	0.03	12	미발생
비교예2	0.45	1.1	1.21	0.009	0.02	34	발생

표 1을 참조하면, Al 및 N의 함량이 0.01% 미만인 비교예1과 2의 경우에는 침탄질화 열처리시, 오스테나이트 결정립 크기가 커져, 담금질후 마이크로 크랙이 발생되었다.

따라서, 마이크로 크랙의 생성을 억제하려면, 오스테나이트 결정립을 미세화시키는 역할을 하는 Al 및 N을 0.1%이상 첨가해야 함을 알 수 있다.

나아가, 하기 표 2는 침탄질화 열처리시 분위기중의 NH₃농도를 각기 달리하여 침탄질화 열처리를 실시한 후, 잔류 오스테나이트의 양을 측정하여 나타낸 것으로서, NH₃농도가 2%인 비교예1의 경우에는 표면에 잔류 오스테나이트가 27% 생성되어 충분하지 않음을 알 수 있고, 3% 및 4%인 실시예1과 2의 경우에는 각각 31% 및 34%로써 피로수명을 증가시키는데 충분한 잔류 오스테나이트가 생성되었음을 알 수 있다.

반면, NH₃농도를 6%로 한 비교예2의 경우에는 38%로써 잔류 오스테나이트가 너무 과다하게 생성되어, 피로수명은 증가되나 내마모성이 열악하였다.

구분	NH₃농도(%)	잔류오스테나이트량(%)	특성
비교예1	2	27	피로수명 저하
실시예1	3	31	경도 및 피로수명우수
실시예2	4	34	경도 및 피로수명우수
비교예2	6	38	내마모성 열악

다음으로, 하기 표 3은 본 발명에 따른 표면경화강을 여러 열처리온도에서 침탄질화 처리하고, 상온으로 담금질한 후, 표면경도 등의 결과를 확인하여 나타낸 것이다.

구분	열처리(6hr)온도(℃)	비고
비교예1	920	표면경도 HRc 58
실시예1	930	표면경도 HRc 61
실시예2	940	표면경도 HRc 63
비교예2	960	마이크로 크랙 발생

표 3을 참조하면, 침탄질화 열처리온도가 920℃인 경우(비교예1)에는 충분히 경화되지 않았음을 알 수 있으며, 열처리온도가 960℃인 경우(비교예2)에는 오스테나이트 결정립이 성장하여, 마이크로 크랙이 발생되었음을 알 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 따르면, 표면에 마이크로 크랙이 발생되지 않고, 동시에 피로수명과 내마모성이 우수한 표면경화강이 제조될 수 있어, 제품화되었을 경우 우수한 성능이 발휘되어, 이에 따른 다대한 효과를 볼 수 있다.

Claims

중량%로, C:0.15∼0.6%, Mn:0.7∼1.2%, Cr:0.6∼2.0%, Al:0.01∼0.05%, N:0.01∼0.02%, P:0.02%이하, S:0.02%이하, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면경화 열처리시 마이크로 크랙 형성을 방지하는 표면경화강.
중량%로, C:0.15∼0.6%, Mn:0.7∼1.2%, Cr:0.6∼2.0%, Al:0.01∼0.05%, N:0.01∼0.02%, P:0.02%이하, S:0.02%이하, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe로 이루어지는 표면경화강에 대하여,

상기 표면경화강을 NH₃의 양이 3∼5%인 열처리분위기와 920∼950℃ 온도범위에서 침탄질화 열처리하는 것을 특징으로 하는 표면경화 열처리시 마이크로 크랙 형성을 방지하는 표면경화강의 열처리방법.