KR20030097233A

KR20030097233A - 기어용 크롬-몰리브덴 합금강

Info

Publication number: KR20030097233A
Application number: KR1020020034514A
Authority: KR
Inventors: 조봉래
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2003-12-31

Abstract

본 발명은 기어용 크롬-몰리브덴(Cr-Mo) 합금강에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 크롬-몰리브덴 합금강 및 니켈-크롬-몰리브덴(Ni-Cr-Mo) 합금강을 대체할 수 있는 새로운 크롬-몰리브덴 합금강으로서, 니켈(Ni)이 함유되지 않은 크롬-몰리브덴 합금강에 보론(B)이 미량 첨가되고 일부 합금 원소의 함유량이 새로이 조정됨으로써, 피로특성 및 충격특성 등의 물성이 우수하면서도 소재 적용시 가공성 및 원가 절감 측면에서 종래의 합금강에 비해 유리한 장점이 있고, 이에 따라 고출력 변속기 기어 및 샤프트에 용이하게 적용할 수 있도록 개선된 기어용 소재의 크롬-몰리브덴 합금강에 관한 것이다.

Description

기어용 크롬-몰리브덴 합금강{Chrome-Molybdenum alloy steel for gear}

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

종래의 자동차 변속기 기어용 합금강으로 많이 사용되는 소재에는 크롬(Cr) 합금강, 크롬-몰리브덴(Cr-Mo) 합금강, 니켈-크롬-몰리브덴(Ni-Cr-Mo) 합금강 등이 있으며, 주로 침탄 열처리를 하여 사용하는데, 각각의 공정에 적합하고 가격이 싸며 열처리 후 물성도 우수한 것이 최적의 합금강 소재라 할 수 있다.

즉, 단조성 및 가공성이 우수하고, 가격도 적합하며, 물성(예를 들어, 피로특성, 충격특성 등)도 우수해야 한다.

상기 크롬 합금강과 크롬-몰리브덴 합금강은 가격이 저렴하나, 피로특성 및 충격특성이 우수하지 않아, 주로 큰 부하를 받지 않는 기어류에 많이 쓰인다.

반면에, 상기 니켈-크롬-몰리브덴 합금강은 니켈(Ni)의 함유로 인하여 고가이며 가공성이 난이하다는 큰 단점이 있으나, 피로특성 및 충격특성이 우수하여, 큰 부하를 받는 기어류에 주로 적용된다.

통상, 기어용 침탄강의 경우 소입성 증대 및 강도, 인성을 높이기 위해 합금 원소인 몰리브덴(Mo)이나 니켈을 첨가하나, 특히 니켈은 고가이면서 강에 첨가시 가공성을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

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

따라서, 각 제강 메이커에서는 니켈-크롬-몰리브덴 합금강을 대체할 크롬-몰리브덴 합금강 개발에 박차를 가하고 있으며, 일부는 현재 시판되고 있기도하다(예, 일본 미쓰비시제강의 SCM920H).

그러나, 상술한 니켈-크롬-몰리브덴 합금강과 이를 대체하기 위한 크롬-몰리브덴 합금강은 일반적으로 물성은 우수하나, 고가의 합금 원소가 다량으로 첨가되어, 제조원가를 상승시키는 문제점이 있었다.

또한, 상기 니켈-크롬-몰리브덴 합금강을 대체하기 위한 크롬-몰리브덴 합금강(예, 일본 미쓰비시제강의 SCM920H)의 경우에도 니켈-크롬-몰리브덴 합금강에 비해 가공성이 우수하지만, 일반 크롬-몰리브덴 합금강에 비해서는 가공성이 좋지 못한 문제점이 있었다.

따라서, 니켈-크롬-몰리브덴 합금강을 대체할 수 있는 새로운 크롬-몰리브덴 합금강으로서, 피로특성 및 충격특성 등의 물성이 우수하면서도 동시에 가공성 및 원가 절감 측면에서도 유리한 크롬-몰리브덴 합금강의 개발이 필연적으로 계속 요구되고 있는 것이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 종래의 크롬-몰리브덴(Cr-Mo) 합금강 및 니켈-크롬-몰리브덴(Ni-Cr-Mo) 합금강을 대체할 수 있는 새로운 크롬-몰리브덴 합금강으로서, 니켈(Ni)이 함유되지 않은 크롬-몰리브덴 합금강에 보론(B)이 미량 첨가되고 일부 합금 원소의 함유량이 새로이 조정됨으로써, 피로특성 및 충격특성 등의 물성이 우수하면서도 소재 적용시 가공성 및 원가 절감 측면에서 종래의 합금강에 비해 유리한 장점이 있고, 이에 따라고출력 변속기 기어 및 샤프트에 용이하게 적용할 수 있도록 개선된 기어용 소재의 크롬-몰리브덴 합금강을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 자동차 변속기 기어의 제조 공정을 나타낸 순서도이다.

이하, 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 기어용 소재로 사용되는 크롬-몰리브덴(Cr-Mo) 합금강에 있어서,

철(Fe)을 주성분으로 하고 여기에 탄소(C) 0.17 ∼ 0.23 중량%, 규소(Si) 0.10 중량% 이하, 망간(Mn) 0.55 ∼ 0.90 중량%, 인(P) 0.015 중량% 이하, 황(S) 0.02 ∼ 0.03 중량%, 크롬(Cr) 0.85 ∼ 1.25 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.15 ∼ 0.35 중량%, 니오븀(Nb) 0.015 ∼ 0.035 중량% 및 보론(B) 10 ∼ 20 ppm이 첨가되어서 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 종래의 크롬-몰리브덴(Cr-Mo) 합금강 또는 니켈-크롬-몰리브덴(Ni-Cr-Mo) 합금강을 대체할 수 있는 새로운 크롬-몰리브덴 합금강에 관한 것으로서, 니켈(Ni)이 함유되지 않은 크롬-몰리브덴 합금강에 보론(B)이 미량 첨가되고 일부 합금 원소의 함유량이 새로이 조정됨으로써, 피로특성 및 충격특성 등의 물성이 우수하면서도 소재 적용시 가공성 및 원가 절감 측면에서 종래의 합금강에 비해 유리한 장점이 있고, 이에 따라 고출력 변속기 기어 및 샤프트에 용이하게 적용할 수 있도록 개선된 기어용 크롬-몰리브덴 합금강에 관한 것이다.

본 발명에 따른 크롬-몰리브덴 합금강은 철(Fe)을 주성분으로 하고 여기에 탄소(C) 0.17 ∼ 0.23 중량%, 규소(Si) 0.10 중량% 이하, 망간(Mn) 0.55 ∼ 0.90 중량%, 인(P) 0.015 중량% 이하, 황(S) 0.02 ∼ 0.03 중량%, 크롬(Cr) 0.85 ∼ 1.25 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.15 ∼ 0.35 중량%, 니오븀(Nb) 0.015 ∼ 0.035 중량% 및 보론(B) 10 ∼ 20 ppm(1 ppm = 0.0001 중량%)이 첨가되어 구성된다.

다음의 표 1에서는 본 발명에 따른 크롬-몰리브덴 합금강(발명강), 종래의 크롬-몰리브덴 합금강(종래강 중 SCM920H, ASCM17H1) 및 니켈-크롬-몰리브덴 합금강(종래강 중 SNCM518H)의 조성 및 함량을 나타내었다.

먼저, 본 발명의 크롬-몰리브덴 합금강에서는 가공성 향상 및 원가 절감을 위하여 니켈(Ni)을 첨가하지 않았다.

또한, 상기 탄소(C)는 물성과 소입성에 영향을 미치는 원소로서 0.17 ∼ 0.23 중량%로 첨가되며, 규소(Si)는 침탄시 표면이상층을 줄이기 위하여 첨가되는 원소로서 0.10 중량% 이하로 첨가된다.

또한, 상기 크롬(Cr)과 몰리브덴(Mo)은 원가 절감을 위하여 일본 미쓰비시제강의 SCM920H에 비해 함유량을 일부량 낮추었으며, 이상의 합금 원소를 모두 줄일 때 소입성이 너무 떨어질 것으로 예측되어 상대적으로 가격이 저렴한 망간(Mn)으로 소입성을 보충했다.

즉, 본 발명의 크롬-몰리브덴 합금강에서, 상기 크롬(Cr)은 0.85 ∼ 1.25 중량%로 함유되며, 이때 함유량이 0.85 중량% 미만일 경우 종래의 크롬-몰리브덴 합금강의 물성과 상이한 물성이 나타나 물성 향상의 효과가 없고, 1.25 중량%를 초과하는 경우 원가 절감의 효과가 미흡해지는 문제가 있다.

상기 몰리브덴(Mo)은 0.15 ∼ 0.35 중량%로 함유되며, 함유량이 0.15 중량% 미만일 경우 크롬(Cr)의 경우와 같이 종래의 크롬-몰리브덴 합금강의 물성과 상이한 물성이 나타나 물성 향상의 효과가 없고, 0.35 중량%를 초과하는 경우 원가 절감의 효과가 미흡해지는 문제가 있다.

상기 망간(Mn)은 0.55 ~ 0.90 중량%로 함유되며, 그 첨가범위를 SCM920H의 첨가범위 0.50 ~ 0.70 중량%에 비해 높게 설정하였다.

한편, 상기 황(S)은 0.02 ∼0.03 중량%로 함유되며, 물성의 향상(고강도)에도 불구하고 가공성을 양호하게 하기 위하여 유해하지 않는 범위 내에서 그 첨가범위를 종래의 합금강에 비해 높게 설정하였다.

상기 니오븀(Nb)은 0.015 ∼ 0.035 중량%로 함유되며, 침탄시 결정립의 조대화를 방지하고 합금강의 고온 침탄(980℃ 이상)이 가능하도록 하기 위하여 첨가된다.

특히, 본 발명의 크롬-몰리브덴 합금강에서는 침탄층의 결정입계 강화 및 소입성 증대를 위하여 보론(B)을 10 ∼ 30 ppm(1 ppm = 0.0001 중량%)의 첨가범위로 새로이 첨가하였으며, 상기 보론(B)의 함유량이 10 ppm 미만일 경우 보론 첨가에 따른 소입성 증대효과가 미약한 문제가 있고, 30 ppm을 초과하는 경우 보론 화합물이 입계에 석출되어 인성이 급격히 감소되는 문제가 있다.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 니켈이 함유되지 않은 크롬-몰리브덴 합금강에 보론이 미량 첨가되고 일부 합금 원소의 함유량이 새로이 조정됨으로써, 피로특성 및 충격특성 등의 물성이 우수하면서도 동시에 가공성 및 원가 절감 측면에서 유리한 기어용 크롬-몰리브덴 합금강을 얻을 수 있다.

이후 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명에 따른 크롬-몰리브덴 합금강으로 제조된 시편을 이용하여 물성평가를 실시해 본 결과, 본 발명에 따른 크롬-몰리브덴 합금강은 표면경도, 심부경도, 결정립도, 회전굽힘피로강도, 충격치, 접촉피로횟수 및 가공성 측면에서 모두 우수한 특성을 가짐을 확인하였다.

따라서, 물성 및 가공성이 우수한 본 발명의 크롬-몰리브덴 합금강은 고출력 변속기 기어 및 샤프트의 소재로 용이하게 적용될 수 있으며, 소재로 적용할 시 기어 및 샤프트의 제조원가를 낮출 수 있는 장점이 있다.

즉, 본 발명의 합금강을 고출력 변속기 기어 및 샤프트의 소재로 적용하게 되면, 종래의 니켈-크롬-몰리브덴 합금강(SNCM518H) 또는 크롬-몰리브덴 합금강(SCM920H)을 소재로 사용할 경우 발생되었던 가공성 난이에 따른 생산성 저하, 가공 도구 수명 단축 등의 문제점을 해소할 수 있게 되는 것이다.

이하, 다음의 실시예에 의거 본 발명을 더욱 상세히 설명하는 바, 본 발명이 다음의 실시예로 한정되는 것은 아니다.

실시예와 비교예

본 발명의 실시예와 그 비교예로서, 상기 표 1에 나타낸 조성과 그 함량범위 중 다음의 표 2에 나타낸 함량을 사용하여 통상적인 합금강 제조방법으로 각각의 합금강을 제조하였다.

시험예

상기 표 2에 따른 실시예의 발명강과 비교예의 종래강을 사용하여 물성치, 즉 피로특성 및 충격특성을 측정하였는 바, 그 결과는 다음의 표 3에 나타내었다.

각 합금강에 대한 시험조건은 모두 동일하며, 열처리(900℃), 침탄(2시간), 오일 소입(오일온도 150℃), 템퍼링(tempering; 170℃에서 2시간)의 순서로 수행하였다.

굽힘피로시험은 Φ8 피로시험편을 사용하여 로타리 벤딩 시험기(Simadzu H-7 Ono Type)로 상온에서 측정하였으며, 피로한은 파손없이 1.1×10⁷사이클(cycles)을 통과한 횟수가 3회 이상인 경우에서의 S-N 곡선상 응력이다.

접촉피로시험은 Komatsu Roller Contact Pitting 시험 장비를 이용하였으며,시험조건으로는 Slip Ratio가 40%, 회전속도가 1000rpm, 오일은 무교환 MTF, 오일온도는 50℃, 오일유속비는 1.5ℓ/min이었다.

접촉피로한은 상기 조건으로 시험했을 때의 시험편 표면에 피팅이 발생한 사이클 수를 나타내며, 데이터는 3회 시험의 평균값이다.

측정의 결과로서, 상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명강은 가공성 측정결과를 제외한 모든 측정결과에서 종래강인 ASCM17H1(크롬-몰리브덴 합금강)에 비해 월등히 우수한 결과를 나타내었다.

특히, 본 발명강은 종래강인 SCM920H(크롬-몰리브덴 합금강) 및 SNCM518H(니켈-크롬-몰리브덴 합금강)에 비해 고가의 합금 원소량을 줄이는 방향으로 설계되었지만, 동등 이상의 물성 향상이 있는 것으로 나타났다.

본 발명강에서 고가인 합금 원소의 함량이 줄었음에도 불구하고, 피로특성이 종래강에 비해 동등 이상으로 나온 것은 결정립 미세 효과 때문이다.

또한, 가공성 측면에서 볼 때, 본 발명강의 측정결과는 종래강인 ASCM17H1에 비해 낮게 나타났으나, 그 차가 미미한 수준이고 가공성 측정의 결과를 제외한 나머지 측정의 결과가 모두 우수함을 감안할 때, 자동차 변속기 기어용 소재로서 본 발명강을 적용하는 것이 매우 유리할 것으로 판단된다.

또한, 가공성 측면에서, 본 발명강은 종래강 SNCM518H(니켈-크롬-몰리브덴 합금강)에 비해서는 월등히 개선된 효과를 나타내었으며(50% 향상됨), 종래강 SCM920H(크롬-몰리브덴 합금강)에 비해서도 20%가 개선된 효과를 나타내었다.

결국, 본 발명의 기어용 크롬-몰리브덴 합금강에서는 니켈이 함유되지 않은크롬-몰리브덴 합금강에 보론이 미량 첨가되고 일부 합금 원소의 함유량이 새로이 조정됨으로써, 피로특성 및 충격특성 등의 물성이 우수하면서도 동시에 가공성 및 원가 절감 측면에서 유리한 장점이 있게 된다.

따라서, 물성 및 가공성이 우수한 본 발명의 크롬-몰리브덴 합금강은 고출력 변속기 기어 및 샤프트의 소재로 용이하게 적용될 수 있으며, 특히 니켈, 크롬, 몰리브덴과 같이 고가인 합금 원소의 함량이 낮아 소재로 적용될 때 SCM920H, SNCM518H 적용시에 비해 제조원가가 절감된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 기어용 크롬-몰리브덴 합금강은 니켈(Ni)이 함유되지 않은 크롬-몰리브덴 합금강에 보론(B)이 미량 첨가되고 일부 합금 원소의 함유량이 새로이 조정됨으로써, 피로특성 및 충격특성 등의 물성이 우수하면서도 소재 적용시 가공성 및 원가 절감 측면에서 종래의 합금강에 비해 유리한 장점이 있고, 이에 따라 고출력 변속기 기어 및 샤프트에 용이하게 적용할 수 있는 효과가 있다.

즉, 고출력 변속기 기어 및 샤프트 제조시 니켈이 함유된 종래의 니켈-크롬-몰리브덴 합금강(SNCM518H) 또는 크롬-몰리브덴 합금강(SCM920H)을 소재로 사용할 경우 발생되었던 가공성 난이에 따른 생산성 저하, 가공 도구 수명 단축 등의 문제점을 해소할 수 있게 되는 것이다.

Claims

기어용 소재로 사용되는 크롬-몰리브덴(Cr-Mo) 합금강에 있어서,

철(Fe)을 주성분으로 하고 여기에 탄소(C) 0.17 ∼ 0.23 중량%, 규소(Si) 0.10 중량% 이하, 망간(Mn) 0.55 ∼ 0.90 중량%, 인(P) 0.015 중량% 이하, 황(S) 0.02 ∼ 0.03 중량%, 크롬(Cr) 0.85 ∼ 1.25 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.15 ∼ 0.35 중량%, 니오븀(Nb) 0.015 ∼ 0.035 중량% 및 보론(B) 10 ∼ 20 ppm이 첨가되어서 구성된 것을 특징으로 하는 기어용 크롬-몰리브덴 합금강.