KR20060010828A

KR20060010828A - 스티어링 랙용 봉강, 그 제조방법, 및 그것을 사용한스티어링 랙

Info

Publication number: KR20060010828A
Application number: KR1020057022634A
Authority: KR
Inventors: 아츠히코 오오타; 마코토 카메이; 카즈히로 와타나베; 유키노리 카나이케; 오사무 츠카모토; 마사카즈 이케다; 고로우 아난; 히로시 이토지리
Original assignee: 고요 세이코 가부시키가이샤
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2006-02-02
Also published as: US7662245B2; US20070113698A1; CA2527119A1; WO2004106574A1; AU2004243752A1; EP1640467A4; EP1640467A1; EP1640467B1

Abstract

C:0.50∼0.60질량%, Si:0.05∼0.5질량%, Mn:0.2∼1.5질량%, B:0.0005∼0.003질량%, Ti:0.005∼0.05질량%, Al:0.0005∼0.1질량%, 및 N:0.002∼0.02질량%를 함유하는 스티어링 랙용 봉강을 제공한다. 봉강의 지름을 D로 하고, 봉강의 표면으로부터 깊이 D/4의 부분의 담금질·뜨임질 조직이, 하기 Ⅰ), Ⅱ) 및 Ⅲ)의 조건을 만족한다.

Ⅰ) 뜨임질 베이나이트 조직 및 뜨임질 마르텐사이트 조직의 합계의 면적 백분률이 30∼100%이다.

Ⅱ) 재생 펄라이트 조직의 면적 백분률이 0∼50%이다.

Ⅲ) 뜨임질 베이나이트 조직, 뜨임질 마르텐사이트 조직, 및 재생 펄라이트 조직의 합계의 면적 백분률이 50∼100%이다.

Description

스티어링 랙용 봉강, 그 제조방법, 및 그것을 사용한 스티어링 랙{STEEL BAR FOR STEERING RACK, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND STEERING RACK USING THE SAME}

본 발명은, 자동차의 스티어링 기어에 사용하는 스티어링 랙용 봉강, 그 제조방법, 및 그것을 사용한 스티어링 랙에 관한 것이다.

자동차의 스티어링은 유압에 의해 파워 어시스트되는 타입(유압식 파워스티어링)과, 전기에 의해 파워 어시스트되는 타입(전동식 파워스티어링)으로 분류된다.

유압식 파워스티어링은 종래의 주류를 이루고 있고, 엔진 출력을 이용해서 가동하는 오일펌프로부터 토출되는 압유에 의해 조타력을 어시스트하는 것이다. 그러나 유압식 파워스티어링에서는, 엔진 출력의 일부를 동력원으로서 사용하기 때문에 자동차의 연비가 저하한다고 하는 문제가 있었다.

이것에 대하여 전동식 파워스티어링은 배터리로부터의 전기 에너지에 의해 가동되는 전동 모터에 의해 조타력을 어시스트한다. 전동 파워스티어링 장치는, 상기 유압식 파워스티어링과 비교하면 자동차의 연비를 향상시킬 수 있기 때문에 최근 그 보급이 진행되고 있다.

자동차에 있어서, 좌우방향으로 연장되는 스티어링 랙에는,

1) 자동차가 연석(curbstone) 등에 올라 앉아서 충격을 받아도 파손되지 않을 정도의 우수한 내충격 특성,

2) 굴곡응력이 작용해도 파단되지 않는 특성(내균열성), 및

3) 랙 톱니의 내마모성

이 요구된다.

이러한 스티어링 랙에는, 종래 S45C강(예를 들면 일본 특허공개 소62-178472호 공보 및 일본 특허공개 소62-180018호 공보 참조), 중탄소강(예를 들면 일본 특허공개2000-153336호 공보 및 일본 특허공개2001-79639호 공보 참조) 등이 사용되고 있다. 또한 고주파 담금질에 의해 표면 경화층을 형성함으로써 내마모성을 높임과 아울러, 굴곡응력에 대한 강도(내균열성)도 높이고 있다.

예를 들면 고주파 담금질에 의해 스티어링 랙의 굴곡강도를 높였다고 해도, 과대한 부하가 작용해서 고주파 담금질층에서 일단 균열이 발생하면, 이 균열이 내부에까지 진전되어 파단에 이르는 우려가 있다.

또한 최근 보급이 진행되고 있는 전동식 파워스티어링에서는, 스티어링 랙과 피니언 기어의 접촉면압이 유압식 파워스티어링에 비해서 높아지는 경향이 있고, S45C강에서는 내마모성이 부족하다. 또 중탄소강에 있어서, 가령 C를 넉넉하게 사용해서 내마모성을 높였다고 해도 내충격 특성이 저하된다.

예를 들면 일본 특허공개 평10-8189호 공보에는, B를 첨가해서 고주파 담금질했을 경우, 과대부하가 작용해도 취성(脆性) 파괴를 발생시키지 않고 굴곡변형되 는 스티어링 랙용 강이 기재되어 있다. 이 스티어링 랙용 강은, 담금질 뜨임질 처리 생략 강이며, 조직은 실질적으로 페라이트·펄라이트이다.

본 발명의 목적은, 내마모성이 개선되면서도 내충격 특성에도 뛰어나고, 또한 균열의 진전을 방지할 수 있는 스티어링 랙용 봉강, 그 제조방법 및 그것을 사용한 스티어링 랙을 제공하는 것에 있다.

본 발명자들은, C량을 증량해도 B를 첨가하면 내충격 특성의 저하를 방지할 수 있는 것, 또한 뜨임질 베이나이트 조직, 뜨임질 마르텐사이트 조직 및 재생 펄라이트 조직을 소정의 범위로 제어하면 굴곡 변형능이 높아져서 일단 균열이 발생해도 균열의 진전·관통을 방지할 수 있는 것을 찾아내고, 본 발명을 완성하였다.

즉, 본 발명은, C:0.50∼0.60질량%, Si:0.05∼0.5질량%, Mn:0.2∼1.5질량%, B:0.0005∼0.003질량%, Ti:0.005∼0.05질량%, Al:0.0005∼0.1질량%, 및 N:0.002∼0.02질량%를 함유하는 스티어링 랙용 봉강을 제공한다. 상기 스티어링 랙용 봉강의 지름을 D로 하고, 봉강의 표면으로부터 깊이 D/4의 부분의 담금질·뜨임질 조직이, 하기 Ⅰ), Ⅱ) 및 Ⅲ)의 조건을 만족시키도록 조정되어 있다.

Ⅱ) 재생 펄라이트 조직의 면적 백분률이 0∼50%이다.

또 상기 스티어링 랙용 봉강은, 또한 Cr을 함유해도 좋다. 또한 쾌삭성 원소(S, Pb, Bi, Te, Mg, Ca, 희토류원소, Zr 등)를 함유하고 있어도 좋다.

본 발명의 스티어링 랙용 봉강은, 강편을 압연해서 얻어지는 봉강을 온도 780℃이상에서부터 담금질해서 깊이 D/4의 부분의 베이나이트 조직 및 마르텐사이트 조직을 합계로 30∼100%(면적 백분률)로 한 후, 온도 660∼720℃의 분위기 온도로 가열한 로(爐)에 넣어서 20분이하의 단시간 뜨임질 처리를 행하고, 실온까지 냉각함으로써 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 스티어링 랙용 봉강을 제조할 때의 열처리시의 시간과 온도의 관계를 나타내는 그래프도이다.

도 2는 실험예에서 사용하는 시험 디스크의 형상을 나타내는 개략 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일실시형태의 스티어링 랙을 포함하는 전동 파워스티어링 장치의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.

도 4의 A부분은 스티어링 랙의 일부 파단 측면도이며, 도 4의 B부분은 도 4의 A부분의 4B-4B선을 따르는 단면도이다.

도 5는 정입력 정적 파괴시험의 시험장치의 개략도이다.

도 6은 역입력 정적 파괴시험의 시험장치의 개략도이다.

도 7은 역입력 충격시험의 시험장치의 개략도이다.

도 8은 굴곡강도시험의 시험장치의 개략도이다.

도 9은 정입력 내구시험의 시험장치의 개략도이다.

도 10은 역입력 내구시험의 시험장치의 개략도이다.

도 11의 A부분은 시험편의 개략 측면도이고, 도 11의 B부분은 굴곡피로시험의 시험장치의 개략도이다.

본 발명의 스티어링 랙용 봉강은, C:0.50∼0.60질량%, Si:0.05∼0.5질량%, Mn:0.2∼1.5질량%, B:0.0005∼0.003질량%, Ti:0.005∼0.05질량%, Al:0.0005∼0.1질량%, 및 N:0.002∼0.02질량%를 함유한다. 또, 바람직하게는 1.5질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다)의 Cr을 함유한다. 또한 잔부에 Fe 및 불가피적 불순물이 함유된다.

상기 성분의 한정이유는 이하와 같다.

C의 함유량을 0.50질량%이상으로 하는 것은, 스티어링 랙(예를 들면 전동식 파워스티어링용 스티어링 랙)으로 하였을 때의 내마모성을 충분히 높이기 위함이다. 바람직한 C의 함유량은 0.52질량%이상이다. 단, C의 함유량이 지나치게 많으면 스티어링 랙의 내충격 특성이 저하된다. 그 때문에, C의 함유량은 0.60질량%이하, 바람직하게는 0.58질량%이하, 더욱 바람직하게는 0.56질량%이하로 한다.

Si의 함유량을 0.05질량%이상으로 하는 것은, 강재의 탈산을 행하기 위함이다. 바람직한 Si의 함유량은 0.10질량%이상, 특히 0.15질량%이상이다. 단 Si의 함유량이 지나치게 많으면 랙 톱니를 형성할 때의 피삭성이 저하된다. 그 때문에 Si의 함유량은 0.5질량%이하, 바람직하게는 0.35질량%이하, 더욱 바람직하게는 0.30 질량%이하로 한다.

Mn의 함유량을 0.2질량%이상으로 하는 것은, 강재의 강도를 높이기 위해서가 아니라, 담금질성을 높여서 베이나이트 조직을 도입하기 쉽게 함으로써 강재를 스티어링 랙으로 가공하였을 때의 굴곡 변형능을 높이기 위해서이다. 바람직한 Mn의 함유량은 0.5질량%이상, 특히 0.7질량%이상이다. 단, Mn의 함유량이 지나치게 많으면 고주파 담금질에 의한 경화층이 지나치게 깊어져서, 굽힙 변형능이 저하된다. 그 때문에 Mn의 함유량은 1.5질량%이하, 바람직하게는 1.3질량%이하, 더욱 바람직하게는 1.2질량%이하로 한다.

B의 함유량을 0.0005질량%이상으로 하는 것은, C량을 많게 한 본 발명 강이라도 내충격 특성을 확보하기 위해서이다. 바람직한 B의 함유량은 0.0007질량%이상이다. 단 B의 함유량을 지나치게 많게 하면, 유해한 B계 화합물을 생성하여 내충격 특성이 오히려 저하된다. 그 때문에 B의 함유량은 0.003질량%이하, 바람직하게는 0.0025질량%이하, 더욱 바람직하게는 0.0020질량%이하로 한다.

Ti는 강중의 N과 결부되어서 TiN을 형성함으로써 BN의 생성을 억제하여, B에 의한 상기 효과를 확보하는 것에 유효하다. 따라서 Ti의 함유량은 0.005질량%이상, 바람직하게는 0.010질량%이상, 더욱 바람직하게는 0.012질량%이상이다. 단 Ti의 함유량을 지나치게 많게 하면 스티어링 랙의 내충격 특성이 오히려 저하된다. 그 때문에 Ti의 함유량은 0.05질량%이하, 바람직하게는 0.04질량%이하, 더욱 바람직하게는 0.035질량%이하로 한다.

Al 및 N을 함유시키는 것은, AlN을 형성시킴으로써 고주파 담금질시의 오스 테나이트 입자를 미세화할 수 있기 때문이다. Al의 함유량은 0.0005질량%이상, 바람직하게는 0.010질량%이상, 더욱 바람직하게는 0.020질량%이상이다. 또 N의 함유량은 0.002질량%이상, 바람직하게는 0.003질량%이상, 더욱 바람직하게는 0.004질량%이상이다. 단 Al, N의 함유량을 지나치게 많게 하면 내충격 특성이 저하된다. 그 때문에 Al의 함유량은 0.1질량%이하, 바람직하게는 0.08질량%이하, 더욱 바람직하게는 0.05질량%이하로 한다. N의 함유량은 0.02질량%이하, 바람직하게는 0.01질량%이하, 더욱 바람직하게는 0.007질량%이하로 한다.

Cr을 함유시키는 것은 담금질성을 향상시키기 위해서이다. Cr의 함유량의 하한은 특별하게 한정되지 않지만, 예를 들면 0.05질량%정도, 바람직하게는 0.08질량%정도, 더욱 바람직하게는 0.10질량%정도이다. 다만 Cr의 함유량이 지나치게 많으면 고주파 담금질에 의한 경화층이 지나치게 깊어져 굴곡 변형능이 부족하게 된다. 그 때문에 Cr의 함유량은, 예를 들면 1.5질량%이하, 바람직하게는 1.0질량%이하, 더욱 바람직하게는 0.50질량%이하로 한다.

또 본 발명의 스티어링 랙용 봉강은, 필요에 따라 쾌삭성 원소(S, Pb, Bi, Te, Mg, Ca, 희토류원소, Zr 등)를 함유하고 있어도 좋다. 이들 쾌삭성 원소의 양은, 예를 들면 S:0.06질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), Pb:0.3질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), Bi:0.2질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), Te:0.1질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), Mg:0.01질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), Ca:0.01질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), 희토류원소(REM):0.01질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), Zr:0.3질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다)정도이다. 이 들 쾌삭성 원소는, 단독으로 또는 2종이상을 조합시켜서 첨가할 수 있다.

희토류 원소로서는, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu를 예시할 수 있다.

그리고 본 발명의 스티어링 랙용 봉강은, 봉강의 표면으로부터 깊이 D/4(D는 봉강의 지름을 나타낸다)의 부분의 담금질·뜨임질 조직이, 하기 1), 2) 및 3)과 같이 조정되어 있다.

1) 뜨임질 베이나이트 조직과 뜨임질 마르텐사이트 조직의 합계[이하,「TB+TM」이라고 표기하는 경우가 있다]가 30∼100%(면적 백분률)

2) 재생 펄라이트 조직이 0∼50%(면적 백분률)

3) 뜨임질 베이나이트 조직, 뜨임질 마르텐사이트 조직, 및 재생 펄라이트 조직의 합계[이하,「TB+TM+RP」라고 표기하는 경우가 있다]가 50∼100%(면적 백분률)

상기 봉강의 표면으로부터 깊이 D/4의 부분을 이하에서는 단지 D/4부라고도 한다.

이하, 이들 조직제어를 행하는 이유에 대해서 설명한다.

뜨임질 베이나이트 조직 및 뜨임질 마르텐사이트 조직은, 압연 후의 봉강을 담금질·뜨임질함으로써 도입되는 조직이며, 스티어링 랙으로 했을 때에 고주파 담금질층에서 발생한 균열의 진전·관통을 방지하는데 유효하다.

즉 스티어링 랙은 고주파 담금질부(표층부)가 매우 단단하기 때문에 큰 굴곡을 실시하면, 스티어링 톱니의 근원부근(통상, D/4부 부근)의 고주파 담금질층에 균열이 발생하기 쉽지만, 고주파 담금질부와 고주파 담금질되지 않았던 부분의 경계에 뜨임질 베이나이트 조직이나 뜨임질 마르텐사이트 조직이 잔존하고 있으면, 고주파 담금질층에서 발생한 균열이 내부에 진전되는 것을 방지할 수 있어, 스티어링 랙 자체의 균열을 방지할 수 있다. 그 때문에 D/4부분의 베이나이트 조직 및 뜨임질 마르텐사이트 조직의 합계(TB+TM)를 30%이상으로 했다. 바람직하게는 40%이상이며, 더욱 바람직하게는 50%이상이다.

재생 펄라이트 조직은 뜨임질 공정에서 도입되는 조직이며, 압연상태 강의 펄라이트 조직과는 구별되는 펄라이트 조직이다. 재생 펄라이트 조직은, 상기 뜨임질 베이나이트 조직 및 뜨임질 마르텐사이트 조직과는 달라서 균열의 진전·관통을 방지하는 것에 도움이 되지 않을 뿐만 아니라, 재생 펄라이트 조직만이 많아지면 오히려 굴곡 변형능이 저하한다. 따라서 재생 펄라이트 조직은 50%이하로 한다. 바람직하게는 40%이하, 더욱 바람직하게는 30%이하이다. 또 재생 펄라이트 조직이 적어지면 내충격 특성이 더욱 좋아지는 경향도 있다.

또 담금질·뜨임질에 의해 뜨임질 베이나이트 조직 및 뜨임질 마르텐사이트 조직을 도입해도, 압연상태 재(材)로부터의 페라이트·펄라이트 조직이나 연질의 페라이트 조직이 남아 있으면, 역시 균열의 진전·관통을 방지할 수 없다.

따라서, 이들 압연상태 재로부터의 조직은 저감할 필요가 있고, 바꾸어 말하면 뜨임질 베이나이트 조직 및 뜨임질 마르텐사이트 조직을 많게 할 필요가 있다. 이들 담금질·뜨임질 공정에 의해 도입되는 3조직의 합계(TB+TM+RP)는, 50%이상, 바람직하게는 60%이상, 더욱 바람직하게는 70%이상이다.

본 발명의 스티어링 랙용 봉강의 지름은 특별히 한정되지 않지만, 스티어링 랙으로 가공하는 것을 고려하면, 통상 10∼40㎜정도, 바람직하게는 15∼38㎜정도, 더욱 바람직하게는 20∼36㎜정도이다.

상기와 같은 스티어링 랙용 봉강은, 예를 들면 상기 성분조성의 강편을 압연하여, 얻어진 봉강을 담금질해서 베이나이트 조직 및 마르텐사이트 조직을 도입한 후, 고온·단시간의 뜨임질 처리를 행함으로써 제조할 수 있다.

이러한 제조방법에 있어서 담금질의 가열온도는 780℃이상, 바람직하게는 800℃이상으로 한다. 담금질의 가열온도가 지나치게 낮으면 뜨임질 후의 TB+TM+RP가 작아지는 경향이 있다. 또 부드러운 페라이트층을 생성해 버려 스티어링 랙의 강도가 부족하다. 가열온도의 상한은, 예를 들면 860℃정도, 바람직하게는 850℃정도이다. 가열온도가 지나치게 높으면 담금질시에 봉강의 구부러짐이 커지는 경향이 있다.

담금질의 냉각 조건은, 상기 담금질에 의해 도입되는 상기 D/4부에서의 베이나이트 조직 및 마르텐사이트 조직의 합계가 30%(면적 백분률)이상, 바람직하게는 40%(면적 백분률)이상, 더욱 바람직하게는 50%(면적 백분률)이상으로 되도록 행할 필요가 있다. 이러한 제어냉각의 조건은, 강의 조성 등에 따라 적당하게 설정할 수 있지만, 예를 들면 온도 800∼300℃(바람직하게는 750∼350℃)정도의 영역을, 냉각속도 30∼80℃/초(바람직하게는 40∼70℃/초)로 냉각하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하여 얻어진 베이나이트 조직이나 마르텐사이트 조직이 도입된 중간체는, 도 1을 참조하여 온도상승 과정을 포함해서 20분이하, 바람직하게는 15분 이하의 처리시간(t)으로 뜨임질 처리를 실시하고, 실온까지 공냉한다. 뜨임질 처리에 사용하는 로의 분위기 온도(T2)는 660∼720℃정도, 바람직하게는 680∼700℃정도로 된다.

로의 분위기 온도(T2)를 660℃이상으로 하면, 20분 이하의 단시간의 뜨임질이라도 뜨임질되었을 때의 비커스 경도를 저감할 수 있어(예를 들면 320HV이하로 할 수 있어), 뒤에 스티어링 랙의 랙 톱니를 가공할 때의 절삭가공성을 향상시킬 수 있다. 또, 로의 분위기 온도(T2)는 바람직하게는 680∼700℃이다.

상기 D/4부(27)에서, 뜨임질 베이나이트 조직과 뜨임질 마르텐사이트 조직의 합계의 면적 백분률이 30∼100%이며, 재생 펄라이트 조직이 면적 백분률로 0∼50%이며, 또한 뜨임질 베이나이트 조직, 뜨임질 마르텐사이트 조직 및 재생 펄라이트 조직의 합계의 면적 백분률이 50∼100%가 되도록 뜨임질 후의 조직을 제어하기 위해서는, 상기 뜨임질 조건(660℃이상, 20분 이내)의 범위 내에서 뜨임질 온도가 지나치게 높거나 뜨임질 시간이 너무 길거나 하지 않는 것이 바람직하다.

뜨임질 온도가 지나치게 높거나 뜨임질 시간이 너무 길거나 하면, 제어냉각에 의해 도입된 베이나이트 조직 및 마르텐사이트 조직의 면적 백분률이 저감하기 쉬워지고, 또한 펄라이트 조직이 재생되기 쉬워져, 굴곡 특성이 저하해 버리기 때문이다.

이와 같이 하여 얻어진 본 발명의 스티어링 랙용 봉강은, 내마모성이 개선되면서도 내충격 특성에도 뛰어나고 있고, 또한 굴곡 변형능에도 뛰어나기 때문에, 스티어링 랙(특히 전동식 파워스티어링용의 스티어링 랙)에 매우 유용하다.

실시예 1∼36

하기의 표 1 및 표 2에 나타내는 성분의 강재를 용융제조하여, 지름 30㎜의 봉강으로 압연했다. 이어서 표 1 및 표 2에 나타내는 온도로 가열한 후, 실온까지 제어 냉각함으로써 담금질했다. 또 상기 제어냉각에서는 물의 양이나 수냉시간을 바꾸어서 봉강의 조직을 제어했다. 냉각한 봉강은, 표 1 및 표 2에 나타내는 분위기 온도로 가열한 로에 표 1 및 표 2에 나타내는 시간동안 체류시킴으로써 뜨임질했다. 뜨임질 후의 봉강은 방냉하였다.

담금질 후의 봉강의 D/4부의 조직 및 뜨임질 후의 봉강의 D/4부의 조직을 전자현미경으로 관찰하여(배율 5000배), 마르텐사이트 조직 및 베이나이트 조직, 그리고 뜨임질 마르텐사이트 조직, 뜨임질 베이사이트 조직, 및 재생 펄라이트 조직의 면적율을 구했다.

실험예 1∼19는 성분 및 조직의 쌍방이 적절하며 본 발명의 기술적 범위에 포함되고, 실험예 20∼36은 성분 및 조직 중 적어도 한쪽이 부적절하며 본 발명의 기술적 범위로부터 벗어난다.

또 뜨임질 후의 봉강을 스티어링 랙으로 했을 때의 내균열성(굴곡 변형능), 내충격 특성, 내마모 특성을 조사하기 위하여 이하의 시험을 행하였다.

굴곡시험

뜨임질 후의 봉강을 인발 가공해서 지름 27.5㎜로 한 후, 절삭해서 랙 톱니를 형성했다. 랙 톱니의 깊이는 약 D/4정도이다. 이어서 하기의 조건으로 톱니부를 고주파 담금질함으로써 스티어링 랙을 조제했다.

고주파 담금질 조건

사용 코일: 면담금질용(지름 40㎜, 두께 2㎜)

전압: 4.0kV

전류: 4.5A

주파수: 40kHz

가열 방식: 이동 담금질(이동속도 3.0㎜/초)

냉각: 수용성 오일과 물의 혼합용매

얻어진 스티어링 랙을 사용하고, 지점간 거리를 400㎜, 압압 장소를 스티어링 랙의 톱니의 반대측으로 하는 3점 굴곡시험을 행하여, 하기 기준에 따라서 평가했다.

×: 고주파 담금질층에서 발생한 균열이 내부에까지 진전·관통하여, 스티어링 랙이 2개로 파단되었다.

○: 균열이 도중에 멈추어, 파단에 이르지 않았다.

충격시험

뜨임질 후의 봉강을 인발 가공해서 지름 27.5㎜로 한 후, D/4부로부터 JIS 3호 U노치 시험편을 잘라내어, 노치 형성측의 표층을 고주파 담금질했다. 고주파 담금질 조건은 이동속도를 3.5㎜/초로 하는 이외는, 상기 굴곡시험의 경우와 같게 하였다. 얻어진 시험편을 JIS-Z2242에 따라서 샤르피 충격시험(charpy impact test)(시험온도:실온)을 행하고, 충격값을 구했다.

마모시험

실험예에서 얻어진 뜨임질 봉강과 같은 특징을 갖는 원판을 조제했다. 즉 실험예의 봉강과 동일한 성분의 강재를 용융제조하고, 열간단조에 의해 지름 53㎜로 단신(extend forging)하여, 두께 15㎜의 원판으로 절단한 후, 각 실험예와 같은 조건으로 담금질, 뜨임질을 행하였다.

이어서 도 2에 나타내는 바와 같은 2단형상의 반원판(상단의 지름 44㎜, 상단의 두께 3㎜; 하단의 지름 50㎜, 하단의 두께 5㎜)으로 기계 가공하고, 상단부의 표층을 고주파 담금질했다. 고주파 담금질 조건은 이동속도를 2.5㎜/초로 하는 이외는 상기 굴곡시험의 경우와 같게 하였다. 얻어진 시험 디스크에 대하여 핀온디스크(pin-on-disk) 마모시험을 행하고, 시험편의 마모 감량을 측정했다. 또 마모시험의 상세조건은 하기와 같다.

윤활: 건식

시험편 표면조도: Ra 0.25㎛

주속: 0.05m/초

면압: 0.05GPa

핀: SUJ2[지름 5㎜, 로크웰 경도(rockwell hardness)(HRC) 64]

결과를 표 1 및 표 2에 나타낸다.

표 2 중 실험예 20∼28은 성분설계가 부적절한 예이다. 즉 실험예 20에서는 C량이 부족하기 때문에 내마모성이 불충분하다. 실험예 21은 반대로 C량이 많기 때문에 내충격 특성이 불충분하다.

실험예 22에서는 Mn량이 적어 담금질성이 떨어지기 때문에 뜨임질 베이나이트 조직 및 뜨임질 마르텐사이트 조직의 합계량이 부족하고, 굴곡 변형능이 불충분하다.

실험예 23은 Mn량이 과잉으로 되어 있기 때문에 고주파 담금질시에 경화층이 깊어져버려, 굴곡 변형능이 불충분하게 된다.

실험예 24∼27에서는, B 또는 Ti량이 부적절하기 때문에 내충격성이 불충분하다.

실험예 28은 Cr량이 과잉하기 때문에 고주파 담금질시에 경화층이 깊어져버려 굴곡 변형능이 불충분하게 된다.

또 실험예 29∼36으로부터 명백한 바와 같이, 성분설계가 적절하여도 조직이 부적절하면 여러가지 특성이 불충분하게 된다. 즉 실험예 29∼31에서는 뜨임질 베이나이트 조직 및 뜨임질 마르텐사이트 조직의 합계량이 부족하고, 굴곡 변형능이 불충분하게 된다.

실험예 32∼34에서는 재생 펄라이트 조직이 지나치게 많기 때문에 굴곡 변형능이 불충분하게 된다. 실험예 35∼36에서는, 뜨임질 베이나이트 조직, 뜨임질 마르텐사이트 조직 및 재생 펄라이트 조직의 합계량이 부족하기 때문에, 굴곡 변형능이 불충분하게 된다.

이들에 대하여 실험예 1∼19는, 성분설계 및 조직의 양쪽이 적절하기 때문에 내충격 특성 및 내마모 특성의 양쪽이 우수하고, 또한 균열의 진전·관통을 방지할 수 있다.

본 발명의 스티어링 랙용 봉강에 의하면, 성분 및 조직의 양쪽이 적절하게 제어되어 있기 때문에, 내마모성이 개선되면서도 내충격 특성에도 뛰어나고, 또한 균열의 진전·관통을 방지할 수 있다.

이어서, 도 3은 상술한 본 발명의 스티어링 랙용 봉강을 사용한 스티어링 랙을 포함하는 전동 파워스티어링장치의 대략 구성을 나타내는 모식도이다.

도 3을 참조하여, 전동 파워스티어링장치(EPS: Electric Power Steering System)(1)는, 스티어링 휠과 같은 조타부재(2)에 연결되어 있는 스티어링 샤프트(3)와, 스티어링 샤프트(3)에 유니버설 조인트(4)를 통해서 연결되는 중간축(5)과, 중간축(5)에 유니버설 조인트(6)를 통해서 연결되는 피니언축(7)과, 피니언축(7)의 선단부에 설치된 피니언(7a)에 맞물리는 랙 톱니(8a)를 가지고 자동차의 좌우방향으로 연장되는 키회전축으로서의 스티어링 랙(8)을 구비한다.

스티어링 랙(8)은 차체에 고정되는 하우징(17) 내에 도면에 나타나 있지 않은 복수의 베어링을 통해서 직선 왕복동 가능하게 지지되어 있다. 스티어링 랙(8)의 한쌍의 끝부는 하우징(17)의 양측으로 돌출되고, 각 끝부에는 각각 타이로드(tie rod;9)가 결합되어 있다. 각 타이로드(9)는 대응하는 너클암(Knuckle Arm)(도시생략)을 통해서 대응하는 조향용의 차륜(10)에 연결되어 있다.

조타부재(2)가 조작되어서 스티어링 샤프트(3)가 회전되면, 이 회전이 피니언(7a) 및 랙 톱니(8a)에 의해 자동차의 좌우방향을 따른 스티어링 랙(8)의 직선운동으로 변환된다. 이것에 의해 조향용의 차륜(10)의 키회전이 달성된다.

스티어링 샤프트(3)는 조타부재(2)에 연결되는 입력축(3a)과 피니언축(7)에 연결되는 출력축(3b)으로 분할되어 있고, 이들 입/출력축(3a, 3b)은 토션바(11)를 통해서 동일한 축선상에서 상대회전 가능하게 연결되어 있다.

토션바(11)를 통한 입/출력축(3a, 3b) 사이의 상대회전 변위량에 의해 조타 토크를 검출하는 토크 센서(12)가 설치되어 있고, 이 토크 센서(12)의 토크 검출결과는, ECU(Electric Contro1 Unit : 전자제어 유닛)(13)에 주어진다. ECU(13)에서는 토크 검출결과나 도면에 나타나 있지 않은 차속 센서로부터 주어지는 차속 검출결과 등에 의거하여 구동회로(14)를 통해서 조타 보조용의 전동모터(15)의 구동을 제어한다.

전동모터(15)의 출력 회전이 감속기구(16)를 통해서 감속되어서, 출력축(3b), 중간축(5)을 통해서 피니언축(7)에 전달되어 스티어링 랙(8)의 직선운동으로 변환되어서 조타가 보조된다.

감속기구로서는, 전동모터(15)의 도면에 나타나 있지 않은 회전축에 일체회전 가능하게 연결되는 웜축 등의 피니언(16a)과, 이 피니언(16a)에 맞물림과 아울러 출력축(3b)에 일체회전 가능하게 연결되는 웜휠 등의 기어휠(16b)을 구비하는 기어기구를 예시할 수 있다.

도 4의 A부분은 스티어링 랙(8)의 부분단면 측면도이며, 도 4의 B부분은 도 4의 A부분의 4B-4B선에 따른 단면도이다. 스티어링 랙(8)은 지름 D의 둥근 막대형의 본체(20)와, 이 본체(20)의 둘레면(20a)의 일부에 형성된 평탄부(21)와, 이 평탄부(21)에 형성된 랙 톱니 형성부(22)를 구비한다.

평탄부(21)는 본체(20)의 축선(23)에 평행하게 소정 길이로 연장되어 소정 폭을 갖고 있다. 랙 톱니 형성부(22)는 복수 형성되는 상기 랙 톱니(8a)와, 인접하는 랙 톱니(8a) 사이에 형성되는 톱니 저부(24)를 포함한다.

스티어링 랙(8)은 상술한 본 발명의 스티어링 랙용 봉강을 이용하여 형성된다. 즉, 스티어링 랙(8)에 사용되는 스티어링 랙용 봉강은, C:0.50∼0.60질량%, Si:0.05∼0.5질량%, Mn:0.2∼1.5질량%, B:0.0005∼0.003질량%, Ti:0.005∼0.05질량%, Al:0.0005∼0.1질량%, 및 N:0.002∼0.02질량%를 함유한다.

또한 봉강의 지름을 D로 하고, 봉강의 표면으로부터 깊이 D/4의 부분의 담금질·뜨임질 조직이 하기 Ⅰ), Ⅱ) 및 Ⅲ)의 조건을 만족한다.

Ⅱ) 재생 펄라이트 조직의 면적 백분률이 0∼50%이다.

스티어링 랙(8)을 형성하기 위한 상기 스티어링 랙용 봉강에 있어서, 바람직하게는 1.5질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다)의 Cr이 함유된다.

또한 스티어링 랙(8)을 형성하기 위한 스티어링 랙용 봉강에는, 또한 S:0. 06질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), Pb:0.3질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), Bi:0.2질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), Te:0.1질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), Mg:0.01질량%이하(0%을 포함하지 않는다), Ca:0.01질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), 희토류원소:0.01질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), Zr:0.3질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다)로부터 선택되는 적어도 1종이 함유된다.

상기한 바와 같이, 스티어링 랙(8)을 형성하는 강의 탄소함유량은 0.50∼0.60질량%이다. 탄소함유량을 0.50질량%로 하는 것은, 강재에 후술하는 고주파 담금질을 실시함으로써 랙 톱니(8a)의 내마모성을 높이기 위해서이다. 단, 탄소함유량이 0.60질량%를 넘으면 스티어링 랙(8)의 내충격 특성이 저하하고, 또한 고주파 열처리시에 담금질 균열(quenching crack)을 발생하기 쉬워진다. 그 때문에, 탄소함유량은 0.60질량%이하, 바람직하게는 0.58질량%이하, 더욱 바람직하게는 0.58질량%이하로 한다.

또한 스티어링 랙(8)을 형성하는 강에는, B가 5∼30ppm 함유되어 있다. 5ppm 이상의 B의 첨가에 의해 고주파 담금질된 부분의 입계를 강화하고, 인성(靭性)을 증가시켜서 굴곡 변형능(내균열성)을 매우 향상시킬 수 있는 한편, 30ppm을 넘는 B를 함유시켜도 그 효과가 포화되므로, 5∼30ppm의 범위로 설정되는 것이 바람직하다.

스티어링 랙(8)의 적어도 랙 톱니 형성부(22)에는, 랙 톱니(8a) 형성 후에 실시된 고주파 담금질 및 뜨임질에 의해 경화층(25)이 형성되어 있다. 랙 톱니 형성부(22)의 표면경도가 비커스 경도로 680∼800HV로 설정되어 있다.

680HV미만이면 랙 톱니 형성부(22)의 표면경도가 충분하지 않게 되어, 굴곡피로에 대한 피로한계가 낮아지는 한편, 800HV를 넘으면 표층부의 인성이 저하하여, 정적부하 혹은 준정적부하에 대한 굴곡강도가 부족되기 때문이다.

그래서, 랙 톱니 형성부의 표면경도를 680∼800HV로 함으로써 굴곡피로에 대한 피로한계를 높임과 아울러 정적 또는 준정적 부하에 대한 충분한 굴곡강도를 확보하도록 했다.

또한 랙 톱니 형성부(22)에 있어서, 랙 톱니(8a) 사이의 톱니 저부(24)에서의 경화층(25)의 유효 경화층 깊이(d)는, 톱니 저부(24)의 표면으로부터 0.1∼1.5㎜의 범위에 있는 것이 바람직하다. 여기에서, 경화층(25)의 유효 경화층 깊이(d)는, 표면으로부터 450HV의 경도의 위치까지의 거리로 정의되고, 유효 경화층 깊이에 상당한다.

톱니 저부(24)에 있어서의 경화층(25)의 유효 경화층 깊이(d)가 1.5㎜를 넘을 경우에는, 높은 충격을 받았을 때에 스티어링 랙(8)의 길이방향의 중간부의 1개소에서 국부적으로 굴곡되어 산형상으로 구부러지는 경향이 있고, 그 결과, 스티어링 랙(8) 위를 피니언(7a)을 이동시킬 수 없게 될 우려가 있다. 한편, 경화층(25)의 유효 경화층 깊이(d)가 0.1㎜미만에서는, 랙 톱니(8a)의 치원 부근의 굴곡강도가 부족하게 될 우려가 있다.

그래서, 톱니 저부(24)에서의 경화층(25)의 유효 경화층 깊이(d)를 0.1∼1.5㎜의 범위로 함으로써 랙 톱니(8a)의 치원 굴곡강도를 확보하면서 대하중 부하시에 스티어링 랙(8) 전체가 완만하게 구부러지도록 하여, 비상시의 스티어링 성능을 확보하도록 하고 있다. 톱니 저부(24)에서의 경화층(25)의 유효 경화층 깊이(d)는, 보다 바람직하게는 0.3∼1.2㎜이다.

일반적으로, 랙 톱니(8a)는 D/4정도의 깊이에 톱니 저부가 위치하도록 형성되어 있다. 따라서, 본체(21)의 둘레면(20a)에 있어서, 랙 톱니 형성부(22)와 지름방향에 대향하는 부분(26)의 표면으로부터의 깊이가 (3/4)D의 부분(27)[(3/4)D부(27)라고도 함)은, 담금질된 부분과 담금질되지 않은 부분의 대략 경계에 상당한다.

상기 (3/4)D부(27)에서는, 뜨임질 베이나이트 조직과 뜨임질 마르텐사이트 조직의 합계의 면적 백분률이 30∼100%이며, 재생 펄라이트 조직이 면적 백분률로 0∼50%이며, 또한 뜨임질 베이나이트 조직, 뜨임질 마르텐사이트 조직 및 재생 펄라이트 조직의 합계의 면적 백분률이 50∼100%이도록 설정되어 있다. 이것은, 스티어링 랙(8)의 절단면의 전자현미경 사진에 의해 관찰할 수 있다.

만일, 대하중을 받은 랙 바가 과대한 굴곡변형을 일으켜서 그 일부에 크랙이 생겼다고 해도, 상기 (3/4)D부에 적어도 30%의 면적 백분률로 잔존하고 있는 뜨임질 베이나이트 조직과 뜨임질 마르텐사이트 조직이 크랙의 전파를 방지함으로써 랙 바가 깨져서 2분할되는 파손을 방지할 수 있다. 또한 상기의 (3/4)D부에서 재생 펄라이트 조직의 면적 백분률을 50%이하로 하는 것은, 인성을 저하시키지 않기 위해서이다.

또한, 상기 톱니 저부(24)의 표면으로부터 0.1㎜깊이까지 잔류 페라이트가 발생하고 있지 않는 것이 바람직하다. 잔류 페라이트가 발생하고 있으면 국부적으로 강도를 저하시킬 우려가 있으므로, 이것을 배제하기 위해서이다.

이어서, 본 스티어링 랙(8)의 제조방법에 관하여 설명한다. 상술한 성분조성 및 조직(예를 들면 실험예 1∼19의 성분조성 및 조직)을 갖는 본 발명의 스티어링 랙용 봉강의 둘레면의 일부에 밀링(milling)을 행함으로써 평탄부(21)를 형성하고, 이 평탄부(21)에 브로치가공을 행함으로써 복수의 랙 톱니(8a)를 포함하는 랙 톱니 형성부(22)를 형성한다. 이어서, 랙 톱니 형성부(22)에, 예를 들면 가열시간 5.5초, 수냉에 의한 냉각시간 10초의 고주파 담금질을 실시한 후, 예를 들면 170℃에서 1.5시간의 조건으로 뜨임질 처리를 실시하여, 랙 톱니 형성부(22)의 표면에서 비커스 경도로 680∼800HV를 달성하고, 스티어링 랙(8)을 형성한다.

이와 같이 하여 얻어진 스티어링 랙(8)에서는, 상기와 같이 랙 톱니(8a)로서 필요한 내마모성과 필요한 굴곡강도를 확보할 수 있다. 또한 (3/4)D부(27)에 잔존하는 뜨임질 베이나이트 조직과 뜨임질 마르텐사이트 조직이 크랙의 내부로의 전파를 방지함으로써 스티어링 랙(8)이 2분할되어 깨지는 것 같은 파손을 방지할 수 있다.

또한, 톱니 저부(24)의 경화층(25)의 유효 경화층 깊이(d)를 톱니 저부(24)의 표면으로부터 0.1∼1.5㎜로 함으로써 치원 굴곡강도를 확보하면서 대하중 부하시에 스티어링 랙(8) 전체가 완만하게 구부러지도록 하여, 비상시의 스티어링 성능을 확보하는 것이 가능해진다. 유효 경화층 깊이(d)는 톱니 저부(24)의 표면으로부터 바람직하게는 0.3∼1.2㎜이다.

이하, 실시예를 들어서 본 발명의 스티어링 랙을 보다 구체적으로 설명한다.

실시예

C함유량 0.53질량%, Si함유량 0.23질량%, Mn함유량 0.8질량%, S함유량 0.018질량%, Cr함유량 0.30%, B함유량 0.015%인 강재를 이용하여, 압연에 의해 지름 30㎜의 봉강으로 한 후, 가열온도 780℃로 가열하고, 이어서 실온까지 제어냉각했다. 냉각한 봉강은, 분위기 온도 660℃로 가열한 로에 15분 체류시킴으로써 뜨임질했다. 뜨임질 후의 봉강은 방냉하였다. 보다 바람직하게는, 상기 가열온도는 820℃이며, 뜨임질시의 분위기 온도는 690℃이다.

이와 같이 하여 얻어진 봉강을 인발 가공해서 지름 27.5㎜로 한 후, 절삭가공에 의해 평탄부(21)를 형성하고, 상기 평탄부(21)에 랙 톱니(8a)를 형성해서 랙 톱니 형성부(22)로 했다. 이어서, 랙 톱니 형성부(22)에 가열시간 5.5초, 수냉에 의한 냉각시간 10초의 고주파 담금질을 실시한 후, 170℃에서 1.5시간의 조건으로 뜨임질 처리를 실시하고, 랙 톱니 형성부(22)에 경화층(25)을 형성하여, 실시예의 랙 바를 제조했다.

실시예에서는, 랙 톱니 형성부(22)의 표면경도가 710HV이다. 랙 톱니 형성부(22)의 배면부(26)의 표면으로부터의 깊이 (3/4)D부(27)에서, 뜨임질 베이나이트 조직과 뜨임질 마르텐사이트 조직의 합계의 면적 백분률이 90%이며 또한 재생 펄라이트 조직이 면적 백분률로 0%이다. 랙 톱니 형성부(22)의 톱니 저부(24)의 경화층(25)의 유효깊이(d)가 톱니 저부(24)의 표면으로부터 0.7㎜이다.

비교예

C함유량 0.46질량%, Si함유량 0.19질량%, Mn함유량 0.86질량%, S함유량 0.053질량%, Cr함유량 0.13질량%이며, B를 함유하지 않는 강재를 이용하여 압연에 의해 봉강으로 형성한 후, 가열온도 850℃로 가열하고, 이어서 실온까지 냉각했다. 냉각한 봉강은 분위기 온도 610℃로 가열한 로에 30분이상 체류시킴으로써 뜨임질했다. 뜨임질 후의 봉강은 방냉하였다. 이와 같이 하여 얻어진 봉강을 사용하고, 이후는 실시예와 같은 방법으로 비교예의 스티어링 랙을 제조했다.

비교예에서는, 랙 톱니 형성부에 통상의 고주파 담금질, 뜨임질이 실시된다. 랙 톱니의 표면경도가 650HV이다. (3/4)D부에서 뜨임질 베이나이트 조직과 뜨임질 마르텐사이트 조직의 합계의 면적 백분률이 70%이며 또한 재생 펄라이트 조직이 면적 백분률로 20%이다. 톱니 저부의 경화층의 유효깊이가 톱니 저부의 표면으로부터 0.3㎜이다.

이들 실시예 및 비교예를 각각 2개 사용하여 이하의 시험을 실시하였다.

정입력 정적 파괴시험

도 5에 나타내는 바와 같은 시험장치를 사용했다. 실시예의 스티어링 랙(8) 내지 비교예의 스티어링 랙을 하우징(17)에 장착하고 하우징(17)의 양단을 각각 고정지주(31)에 고정했다. 중립위치에서 스티어링 랙(8)을 고정하고, 피니언축(7)에 연결한 로터리 액츄에이터(32)로부터 피니언축(7)에 구동토크를 주었다. 구동토크를 증대시켜 가서 파괴에 이르게 했다.

스티어링 랙에 균열이 발생할 때의 하중은 실시예가 305J인 것에 대해서, 비교예가 188J이며, 실시예의 파괴강도가 비교예의 파괴강도와 비교하여 약 62%증가된 것이 밝혀졌다.

역입력 정적 파괴시험

도 6에 나타내는 바와 같은 시험장치를 사용했다. 실시예의 스티어링 랙(8) 내지 비교예의 스티어링 랙을 하우징(17)에 장착하고, 하우징(17)의 양단을 각각 고정지주(31)에 마운트러버(33)를 통해서 고정했다. 피니언축(7)을 조인트(34)를 통해서 중립위치에 고정하고, 스티어링 랙(8)의 끝부를 부하 실린더(35)에 의해 로드셀(36)을 통해서 누르고, 균열발생음을 확인할 때까지 하중을 부하했다. 로드셀(36)에 접속된 동적 변형 측정기(37)의 출력을 리코더(38)에 기록했다.

그 결과, 실시예의 균열발생 하중이 평균으로 92N·m인 것에 대하여, 비교예의 균열발생 하중이 평균으로 51N·m이며, 실시예의 파괴강도가 비교예의 파괴강도와 비교하여 약 80%증가한 것이 밝혀졌다.

역입력 충격 파괴시험

도 7에 나타내는 바와 같은 시험장치를 사용했다. 실시예의 스티어링 랙(8) 내지 비교예의 스티어링 랙을 하우징(17)에 장착하고, 하우징(17)의 양단을 고정지주(39)에 고정된 한쌍의 고정 암(40)에 고정했다. 하우징(17)은 피니언축(7)에 가까운 측의 끝부가 위로 되도록 세워서 배치한다. 피니언축(7)은 중립위치에서 고정지주(41)에 고정한다. 피니언축(7)에 가까운 측의 스티어링 랙(8)의 끝부에 받이부재(42)를 고정했다.

받이부재(42)의 상방에는 가이드 바(43)에 의해 상하로 이동가능하도록 지지된 중추(44)가 설치되고, 이 중추(44)의 하부에는 로드셀(45)이 고정되어 있다. 로드셀(45)을 고정한 중추(44)의 무게는 100Kg이며, 로드셀(45)과 받이부재(42)의 거리를 20cm로 하고, 중추(44) 및 로드셀(45)을 낙하시켜서 받이부재(42)에 충돌시켜, 파손에 이르기까지의 낙하 회수를 조사했다.

로드셀(45)에 동적 변형 측정기(46)를 접속하고, 동적 변형 측정기(46)의 출력을 전자 오실로스코프(47)에 기록했다.

시험의 결과, 비교예가 평균으로 3회에서 파괴에 이른 것에 대해서, 실시예는 평균으로 15회에서 파괴에 이르렀다. 실시예의 역입력 충격강도가 비교예보다 현격히 우수한 것이 실증되었다.

굴곡강도시험

도 8에 나타내는 바와 같은 시험장치를 사용했다. 실시예의 스티어링 랙(8) 내지 비교예의 스티어링 랙을 하우징(17)에 장착하여 하우징(17)의 양단을 각각 고정지주(48)에 고정했다. 스티어링 랙(8)을 피니언축에 가까운 측의 하우징(17)의 끝부로부터 최대한 돌출시킨 상태에서, 스티어링 랙(8)의 선단에 고정한 받이부재(49)를 부하 실린더(50)에 의해 로드셀(51)을 통해서 누르고, 스티어링 랙(8)에 최대부하가 얻어질 때까지 굴곡하중을 부하했다.

로드셀(51)에 접속된 동적 변형 측정기(52)의 출력을 하중계(53)에 안내하여 하중을 측정했다. 그 결과, 최대부하 하중은, 실시예가 8.6KN이며, 비교예는 7.4KN이었다. 이것에 의해 실시예는 비교예와 비교해서 약 16%증가의 굴곡강도를 가지는 것이 확인되었다. 또한 쌍방 모두 파단되는 일없이「구부러진다」는 것이 확인되었다.

정입력 내구시험

도 9에 나타내는 바와 같은 시험장치를 사용했다. 실시예의 스티어링 랙(8) 내지 비교예의 스티어링 랙을 하우징(17)에 장착하고 하우징(17)의 양단을 각각 고정지주(54)에 고정했다. 스티어링 랙(8)의 양단에 각각 서보 액츄에이터(55)를 연결했다. 피니언축(7)에 조인트(56) 및 토크 미터(57)를 통해서 로터리 액츄에이터(58)를 접속하고, 상기 로터리 액츄에이터(58)에 의해 피니언축(7)에 구동토크를 준다. 구동토크는 50N·m으로 하고, 주파수 0.1∼0.2Hz로 반복회수를 3만회로 했다.

시험종료 후, 피니언에의 맞물림 부분의 마모량을 측정한 결과, 실시예가 평균 8.7㎛인 것에 대해서, 비교예가 평균 27.8㎛이며, 실시예는 비교예보다 약 70% 마모량이 감소하는 것이 실증되었다.

역입력 내구시험

도 10에 나타내는 바와 같은 시험장치를 사용했다. 실시예의 스티어링 랙(8) 내지 비교예의 스티어링 랙을 하우징(17)에 장착하고, 하우징(17)의 양단을 각각 고정지주(59)에 고정했다. 피니언축(7)을 조인트(60)를 통해서 중립위치에 고정하고, 피니언축(7)에 가까운 측의 스티어링 랙(8)의 끝부에 연결되는 타이로드(9)를 통해서, 서보 액츄에이터(61)로부터의 스티어링 랙(8)에 축력을 부하했다. 스티어링 랙(8)에 부하되는 축력을 9.8kN으로 하고, 주파수 5Hz에서 파손에 이르기까지 실시했다. 그 결과, 비교예는 35만회에서 파손에 이른 것에 대해서, 실시예는 70만회에서도 파손에 이르지 않았다.

굴곡피로시험

실시예와 같은 소재로 도 11의 A부분에 나타내는 시험편(62)을 작성했다. 시험편(62)은 전체 길이(L)가 90㎜인 거의 환형의 축이다. 시험편(62)의 일단(62a)으로부터 거리(N)가 40㎜의 위치를 중심으로 하여, 축소부(65)를 R5의 단면 만곡을 가지고 형성한다. 축소부(65)의 최소지름(R)은 8㎜이다. 축소부(65)를 사이에 두고 일단(62a)측이 지름(P)이 12㎜인 원기둥부(63)로 되어 있다. 또한 축소부(65)를 사이에 두고 타단(62b)측이 타단(62b)측으로 감에 따라서 차츰 확경하는 1/20테이퍼의 테이퍼부(64)로 되어 있다. 테이퍼부(64)의 최대지름(Q)은 14㎜이다. 비교예에 대해서도 같은 비교편을 작성했다.

시험편(62) 내지 비교편의 굴곡피로시험을, 도 11의 B부분에 나타내는 시험장치를 이용하여 실시했다. 시험편(62)의 일단(62a)으로부터 거리(M)가 50㎜까지의 부분을 캔틸레버 형상으로 돌출시키는 상태에서, 나머지의 테이퍼부(64)를 고정지주(66)의 테이퍼형상의 지지구멍(67)에 고정했다. 고정된 시험편(62)의 일단(62a) 부근에 구름이동롤러(68)를 통해서 부하 실린더(69)에 의해 주파수 20Hz로 굴곡하중을 반복 부하하고, 응력과 반복회수를 측정하여, S-N곡선을 구했다.

시험의 결과, S-N곡선의 평활화 부분(응력이 수속되는 부분)에 있어서, 비교편의 응력이 1270MPa인 것에 대해서 시험편(62)의 응력이 1450MPa이며, 피로강도가 약 15% 향상되는 것이 실증되었다.

Claims

C:0.50∼0.60질량%, Si:0.05∼0.5질량%, Mn:0.2∼1.5질량%, B:0.0005∼0.003질량%, Ti:0.005∼0.05질량%, Al:0.0005∼0.1질량%, 및 N:0.002∼0.02질량%를 함유하고,

봉강의 지름을 D로 하고, 봉강의 표면으로부터 깊이 D/4의 부분의 담금질·뜨임질 조직이, 하기 Ⅰ), Ⅱ) 및 Ⅲ)의 조건을 만족시키도록 조정되어 있는 것을 특징으로 하는 스티어링 랙용 봉강.

Ⅰ) 뜨임질 베이나이트 조직 및 뜨임질 마르텐사이트 조직의 합계의 면적 백분률이 30∼100%이다.

Ⅱ) 재생 펄라이트 조직의 면적 백분률이 0∼50%이다.

Ⅲ) 뜨임질 베이나이트 조직, 뜨임질 마르텐사이트 조직, 및 재생 펄라이트 조직의 합계의 면적 백분률이 50∼100%이다.
제1항에 있어서, 1.5질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다)의 Cr을 함유하는 것을 특징으로 하는 스티어링 랙용 봉강.
제1항에 있어서, S:0.06질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), Pb:0.3질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), Bi:0.2질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), Te:0.1질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), Mg:0.01질량%이하(0%을 포함하지 않 는다), Ca:0.01 질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), 희토류원소:0.01질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), Zr:0.3질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다)로부터 선택되는 1종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 스티어링 랙용 봉강.
C:0.50∼0.60질량%, Si:0.05∼0.5질량%, Mn:0.2∼1.5질량%, B:0.0005∼0.003질량%, Ti:0.005∼0.05질량%, Al:0.0005∼0.1질량%, 및 N:0.002∼0.02질량%를 함유하는 강편을 압연하고,

압연에 의해 얻어진 봉강을 온도 780℃이상에서 담금질하여, 봉강의 표면으로부터 깊이 D/4(D는 봉강의 지름을 나타낸다)의 부분의 베이나이트 조직 및 마르텐사이트 조직의 합계를 면적 백분률로 30∼100%로 한 후,

온도 660∼720℃의 분위기 온도로 가열한 로에 넣어서 20분이하의 단시간 뜨임질 처리를 행하고 실온까지 냉각함으로써, 상기 봉강의 표면으로부터 깊이 D/4의 부분의 재생 펄라이트 조직을 면적 백분률로 0∼50%로 함과 아울러, 상기 봉강의 표면으로부터 깊이 D/4의 부분의 뜨임질 베이나이트 조직, 뜨임질 마르텐사이트 조직 및 재생 펄라이트 조직의 합계를 면적 백분률로 50∼100%로 하는 것을 특징으로 하는 스티어링 랙용 봉강의 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 강편이 1.5질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다)의 Cr를 함유하는 것을 특징으로 하는 스티어링 랙용 봉강의 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 강편이, S:0.06질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), Pb:0.3질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), Bi:0.2질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), Te:0.1질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), Mg:0.01질량%이하 (0%을 포함하지 않는다), Ca:0.01질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), 희토류원소:0.01질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다), Zr:0.3질량%이하(0질량%를 포함하지 않는다)로부터 선택되는 1종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 스티어링 랙용 봉강의 제조방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 스티어링 랙용 봉강을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 스티어링 랙.
제7항에 있어서, 본체와 상기 본체의 둘레면의 일부에 형성되어 복수의 랙 톱니를 포함하는 랙 톱니 형성부를 구비하고,

적어도 랙 톱니 형성부에 고주파 담금질 처리 및 뜨임질 처리가 실시된 경화층이 형성되고,

상기 랙 톱니 형성부의 표면경도가 비커스 경도로 680∼800HV인 것을 특징으로 하는 스티어링 랙.
제8항에 있어서, 상기 본체는 랙 톱니 형성부와 지름방향에 대향하는 부분, 및 상기 랙 톱니 형성부와 지름방향에 대향하는 부분의 표면으로부터 깊이 (3/4)D(D는 봉강의 지름을 나타낸다)의 부분을 포함하고,

상기 깊이 (3/4)D의 부분의 담금질·뜨임질 조직이 하기 Ⅰ), Ⅱ) 및 Ⅲ)의 조건을 만족시키도록 조정되어 있는 것을 특징으로 하는 스티어링 랙.

Ⅰ) 뜨임질 베이나이트 조직 및 뜨임질 마르텐사이트 조직의 합계의 면적 백분률이 30∼100%이다.

Ⅱ) 재생 펄라이트 조직의 면적 백분률이 0∼50%이다.

Ⅲ) 뜨임질 베이나이트 조직, 뜨임질 마르텐사이트 조직, 및 재생 펄라이트 조직의 합계의 면적 백분률이 50∼100%이다.
제8항에 있어서, 상기 랙 톱니 형성부는 톱니 저부를 포함하고,

상기 톱니 저부에 있어서의 유효 경화층 깊이가 톱니 저부의 표면으로부터 0.1∼1.5㎜인 것을 특징으로 하는 스티어링 랙.
제8항에 있어서, 상기 랙 톱니 형성부는 톱니 저부를 포함하고,

상기 톱니 저부에 있어서의 유효 경화층 깊이가 톱니 저부의 표면으로부터 0.3∼1.2㎜인 것을 특징으로 하는 스티어링 랙.
제8항에 있어서, 상기 랙 톱니 형성부는 톱니 저부를 포함하고,

상기 톱니 저부의 표면으로부터 0.1㎜의 깊이까지의 영역에 잔류 페라이트가 함유되지 않는 것을 특징으로 하는 스티어링 랙.