KR20030090974A - 변속기 기어용 고강도 크롬-몰리브덴 합금강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변속기 기어용 고강도 크롬-몰리브덴(Cr-Mo) 합금강에 관한 것으로서, 기어용 침탄강의 제조시 첨가하는 니켈이 고가이면서 강에 첨가시 가공성을 떨어지게 하는 문제점과 니켈-크롬-몰리브덴강을 적용하는 기어들의 가공성 난이에 따른 생산성 저하, 가공 도구의 수명 단축 등의 문제점을 해결할 뿐만 아니라, SCM920H와 같은 고Cr-MO합금강의 고강도에 따른 가공성 저하 및 높은 소입성 문제를 해결하기 위하여 연구 노력한 결과, 시판되는 고Cr-MO합금강의 단점을 합금 설계적으로 보완하여 우수한 물성을 가지고, 원가절감이 가능하며, 또한 결정립 미세화 효과를 극대화시켜 고온침탄을 가능하게 하여 열처리 사이클 시간을 줄일 수 있도록 한 변속기 기어용 고강도 크롬-몰리브덴 합금강을 제공하고자 한 것이다.

Description

변속기 기어용 고강도 크롬-몰리브덴 합금강{Cr-Mo alloy for transmission gear}

본 발명은 변속기 기어용 고강도 크롬-몰리브덴(Cr-Mo) 합금강에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 크롬과 몰리브덴의 함유량을 증가시켜 종래의 크롬-몰리브덴(Cr-Mo) 합금강의 물성을 크게 개선시킨 크롬-몰리브덴(Cr-Mo) 합금강에 관한 것으로서, 종래의 니켈-크롬-몰리브덴 합금강 적용 부품에 대체하여 원가절감 및 가공도구의 수명을 연장하며, 고출력 변속기 기어 및 샤프트에 용이하게 적용할 수 있도록 한 변속기 기어용 고강도 크롬-몰리브덴 합금강에 관한 것이다.

자동차 변속기 기어의 제조공정은 도 1에 나타낸 바와 같이, 소재 → 열간 또는 냉간단조 →냉각(공냉 또는 방냉) →가공전 열처리(ISO annealing orNormalizing) →가공(Shaving & Hobbing) → 침탄열처리 → 후가공(연마, Honing)등의 공정을 통하여 제조되고 있다.

종래의 변속기용 합금강으로 많이 사용되는 소재에는 크롬강, 크롬-몰리브덴강, 니켈-크롬-몰리브덴강 등이 있으며, 주로 침탄 열처리를 하여 사용하는데, 각각의 공정에 적합하고, 가격이 싸며, 열처리 후 물성도 우수한 것이 최적의 합금강 소재로 볼 수 있다. 즉, 단조성, 가공성도 우수하고, 가격도 적합하며, 물성(예를들어, 피로성, 충격특성 등)도 우수해야 한다.

상기 크롬강과 종래 크롬-몰리브덴강은 가격이 저렴하나, 피로성 및 충격성이 우수하지 않아 주로 큰 부하를 받지 않는 기어류에 많이 쓰인다.

반면에, 상기 니켈-크롬-몰리브덴강은 니켈의 함유로 인하여 고가이며, 가공성이 난이하다는 큰 단점이 있으나, 피로성 및 충격성이 우수하여 큰 부하를 받는 기어류에 적용되고 있다.

일반적으로 기어용 침탄강의 경우 소입성 증대 및 강도, 인성을 높이기 위해 합금 원소인 몰리브덴이나 니켈을 첨가하나, 특히, 니켈의 경우 고가이면서 강에 첨가시 가공성을 떨어지게 하는 문제점이 있다.

또한, 니켈이 첨가된 니켈-크롬-몰리브덴강을 적용하는 기어들은 가공시 가공성 난이에 따른 생산성 저하, 가공 도구 수명 단축 등의 문제점이 있다.

따라서 각 제강 메이커에서는 니켈-크롬-몰리브덴강을 대체할 크롬-몰리브덴강 개발에 박차를 가하고 있으며, 일부는 현재 시판되고 있다(예, 미쓰비시제강의 SCM920H).

일본 미쓰비시제강의 SCM920H의 경우 소입성 측면에서 보면, 소입성이 너무 높아 기어치형 개발시 열처리 변형이 심할 뿐 아니라. 고강도에 따른 가공성도 떨어지는 단점(니켈-크롬-몰리브덴 합금보다는 우수)이 있어, 기어와 같이 정도를 요하는 경우엔 개발에 어려움이 따르는 단점이 있다.

따라서, 상술한 소입성,가공성 문제 뿐만 아니라 원가절감 측면에서도 우수하고, 니켈-크롬-몰리브덴강을 대체할 수 있는 크롬-몰리브덴강의 개발이 필연적으로 계속 요구되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명한 것으로서, 기어용 침탄강의 제조시 첨가하는 니켈이 고가이면서 강에 첨가시 가공성을 떨어지게 하는 문제점과 니켈-크롬-몰리브덴강을 적용하는 기어들의 가공성 난이에 따른 생산성 저하, 가공 도구의 수명 단축 등의 문제점을 해결할 뿐만 아니라, SCM920H와 같은 고Cr-MO합금강의 고강도에 따른 가공성 저하 및 높은 소입성 문제를 해결하기 위하여 연구 노력한 결과, 시판되는 고Cr-MO합금강의 단점을 합금 설계적으로 보완하여 우수한 물성을 가지고, 원가절감이 가능하며, 또한 결정립 미세화 효과를 극대화시켜 고온침탄을 가능하게 하여 열처리 사이클 시간을 줄일 수 있도록 한 변속기 기어용 고강도 크롬-몰리브덴 합금강을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 C 0.17∼0.21 중량%, Si 0.15 중량% 이하, Mn 0.65∼0.85 중량%, P 0.015 중량% 이하, S 0.02∼0.03 중량%, Cr1.25∼1.45 중량%, Mo 0.45∼0.65 중량%, Nb 0.015∼0.035 중량%, Ti 0.01∼0.03 중량%, F 나머지 중량%을 포함하는 합금계 성분에 용존산소량 15ppm을 첨가하여서 이루어진 것을 특징으로 하는 변속기 기어용 고강도 크롬-몰리브덴 합금강을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 변속기 기어용 고강도 크롬-몰리브덴 합금강의 제조공정을 나타내는 순서도.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명 크롬-몰리브덴 합금강의 합금계 성분은 하기의 표 1과 같다.

본 발명의 크롬-몰리브덴 합금강은 F를 주성분으로 하고, 여기에 C 0.17∼0.21 중량%, Si 0.15 중량% 이하, Mn 0.65∼0.85 중량%, P 0.015 중량% 이하, S 0.02∼0.03 중량%, Cr 1.25∼1.45 중량%, Mo 0.45∼0.65 중량%, Nb 0.015∼0.035 중량%, Ti 0.01∼0.03 중량%가 함유되며, 용존산소량 15ppm을 첨가하여서 이루어진다.

본 발명의 크롬-몰리브덴 합금강 제조시 가공성을 향상시키기 위하여 니켈을 첨가하지 않았으며, 대신 물성 부족분은 크롬과 몰리브덴의 함유량을 종래의 크롬-몰리브덴 합금강의 함유량보다 증가하여 보완했다.

본 발명의 크롬-몰리브덴 합금강에서, 합금강 100 중량부에 대하여 크롬(Cr)은 1.25 내지 1.45중량부를 함유하며, 이때 함유량이 1.10중량부 미만일 경우 기존 크롬-몰리브덴 합금강의 물성과 상이한 물성이 나타나 물성의 향상 효과가 없고, 1.45중량부를 초과하는 경우 원가상승의 효과가 있다.

몰리브덴(Mo)은 0.45 내지 0.65중량부를 함유하며, 이때 그 함유량이 0.45중량부 미만일 경우도 상기한 크롬의 경우와 같이 기존 크롬-몰리브덴 합금강의 물성과 상이하며, 0.65중량부를 초과하는 경우 몰리브덴계 탄화물이 입계에 석출되어 취성이 커지는 문제가 발생한다.

하기 표 1에서, 비교재인 미쓰비시제강의 SCM920H와의 차별성은 다음과 같다.

SCM920H의 소입성은 측정 결과 너무 높아, 자동차 기어용 치형 개발시 어려움이 예상되어 합금설계적으로 소입성을 낮출 수 있도록 일부 합금원소의 성분을 조절했다. 즉, C, Cr, Mo의 함량을 너무 낮추는 경우 Ni-Cr-Mo합금강 대비 물성이 너무 떨어지므로, 물성 변화가 없는 범위내에서 줄이는 방향으로 설계했다.

C는 합금원소중 소입성에 민감한 영향을 미치는 원소로 극미량 낮추어도 그 효과가 크다. Cr, Mo 및 Mn도 강의 소입성에 큰 영향을 미치는 원소이므로, 그 함량을 물성 변화가 없는 범위내에서 소입성을 SCM920H 대비하여 줄이는 방향으로 설계했다.

Cr과 Mo은 함량을 일부량 낮추어 원가절감에도 기여했으며, 이상의 합금원소를 모두 줄일 때, 소입성이 너무 떨어지는 것으로 예측되어 보다 저렴한 Mn으로 소입성을 보충했다.

Mn은 0.65~0.85중량부로 SCM920H의 0.50~0.70중량부 보다 높여 설계했다.

또한, 물성향상(고강도)에도 불구하고 가공성을 양호하게 하기위해 S량을 유해하지 않는 범위 내에서 함량을 올렸으며(0.02~0.03 중량부), 고온침탄시 결정립 조대화 방지 및 결정립 미세화 효과를 극대화하기 위해 Nb(0.015~0.035중량부)와 Ti(0.01~0.03중량부)를 복합 첨가했다.

규소(Si)는 0.15중량부 이하로 함유량을 감소하였으며, 이때 그 함유량이 0.15중량부를 초과하는 경우 침탄시 표면이상층이 발생된다.

또한, 강의 청정성 향상(비금속개재물 생성 방지)을 위해 용존 산소량은 15ppm 이하로 설계했다.

이하, 본 발명을 실시예를 비교예와 함께 더욱 상세하게 설명하는 바, 본 발명이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예 및 비교예

본 발명의 실시예 및 비교예의 합금 성분의 구성은 다음 표 1과 같고, 소입성수준은 표 2와 같으며, 하기의 표 1 및 2에 나타낸 바와 같이 합금성분의 구성성분과 함량을 사용하여 통상의 방법으로 실시예 및 비교예의 합금강을 제조하였다.

위의 표 2에서 보는 바와 같이, 소입성 결과로서, 본 발명강은 비교예의 SCM920H 대비 고가의 합금 원소량을 일부 줄여 원가가 줄어들고, 소입성도 줄어들어, 자동차 기어용 치형 개발을 보다 용이하게 시행할 수 있게 된다.

시험예

위의 표 1 및 표 2에 따른 실시예의 본 발명강과 비교예의 합금강에 대한 물성치 즉, 피로성 및 충격특성 시험을 시행하였는 바, 그 시험 결과는 다음의 표3과 같다.

위의 표 3에서 보는 바와 같이, SCM920H 대비 고가의 합금 원소량은 줄이는 방향으로 설계되었지만, 동등 이상의 물성 향상이 있는 것으로 나타났다.

특히, 결정립 크기는 Nb와 Ti 복합첨가에 따른 효과로 가장 미세하게 나타났다.

고합금원소의 함량이 줄었음에도 불구하고, 피로 물성이 동등 이상으로 나온 것은 결정립 미세 효과 때문이다.

또한, Nb와 Ti 복합첨가로 고온 침탄이 가능하게 되어, 열처리 사이클 타임도 줄일수 있어 생산성 향상을 가져오게 된다.

가공성 결과 측면에서 보면, Ni-Cr-Mo계 보다는 현저하게 향상(약 33%)되었으며, SCM920H 대비시도 약 7% 개선되었다. 이는 강도향상에 따른 가공성 저하특성을 S함량을 높이므로써 개선된 것이다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 변속기 기어용 고강도 크롬-몰리브덴 합금강에 의하면, 변속기 기어용 크롬-몰리브덴 합금강은 일본 미쯔비시제강의 고 크롬-몰리브덴강 및 니켈-크롬-몰리브덴 합금강 대비 보다 합금설계적으로 보다 저렴하며, 동등이상의 물성을 보유했을 뿐만 아니라, 고출력 변속기 기어 및 샤프트에 적용 가능하여 원가절감 및 가공 도구의 수명을 연장하는 효과를 제공할 수 있다.

특히, 기존 크롬-몰리브덴(Cr-Mo) 합금강을 적용하기에는 부하를 많이 받는 기어류(Output Final Gear, Diff. Drive gear, 고출력 수동변속기의 Input & Output Shaft류)에 적용, 종래 니켈-크롬-몰리브덴 합금강 적용 부품에 대체하여 원가절감 및 가공 도구의 수명을 연장하며 고출력 변속기 기어 및 샤프트에 용이하게 적용 가능한 잇점을 제공한다.

또한, 동일 용도로 개발된 일본 미쓰비시제강의 SCM920H과의 비교시에는, 합금설계적으로 저원가, 저소입성에 따른 기어 치형 개발의 용이, 가공성 향상 및 결정립미세화 효과의 극대화로 고온침탄이 가능하여, 열처리 사이클 시간을 줄일 수 있고, 그에따라 생산성 향상에 기여할 수 있다.

Claims (1)

1. 변속기 기어용 고강도 크롬-몰리브덴 합금강에 있어서,

   C 0.17∼0.21 중량%, Si 0.15 중량% 이하, Mn 0.65∼0.85 중량%, P 0.015 중량% 이하, S 0.02∼0.03 중량%, Cr 1.25∼1.45 중량%, Mo 0.45∼0.65 중량%, Nb 0.015∼0.035 중량%, Ti 0.01∼0.03 중량%, F 나머지 중량%을 포함하는 합금계 성분에 용존산소량 15ppm을 첨가하여서 이루어진 것을 특징으로 하는 변속기 기어용 고강도 크롬-몰리브덴 합금강.