KR20070023568A - 침탄부품 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에지 형상 부분에서 과잉의 탄소 도입으로 야기된 강도의 저하 문제를 일으키지 않는 침탄 부품을 개시한다. 본 발명의 침탄 부품은 함량%로, C:0.1-0.3%, Si:0.5-3.0%, Mn:0.3-3.0%, P:0.03%이하, S:0.03%이하, Cu:0.01-1.00%, Ni:0.01-3.00%, Cr:0.3-1.0%, Al:0.2%이하 및 N:0.05%이하를 함유하고, 잔부가 불가피한 불순물 및 Fe로 이루어지고, [Si%]+[Ni%]+[Cu%]-[Cr%]＞0.5의 조건을 만족하는 합금조성을 가지는 표면 경화강을 부품형상으로 성형하고, 진공침탄에 의해 침탄하여 얻은 것을 특징으로 한다.
침탄부품, 합금조성, 표면경화강, 불순물

Description

침탄부품{CARBURIZED MACHINE PARTS}
도 1은 본 발명의 침탄 부품의 표면에서 탄소 함량의 상태를 개념적으로 나타낸 것으로, 여기서 A는 에지 형상이 아닌 부분(part)를 나타내고 B는 에지 형상(edge-shape) 부분을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 제조한 시편의 현미경 사진을 나타낸 것으로 진공 침탄 및 열 처리 후 에지 형상 부분을 가지는 샘플에서의 탄화물 형성을 보여준다. 여기서 사용된 표면 경화강은 고-Si 스틸이다.
도 3은 상기 도 2와 유사한 현미경 사진으로, 여기서 사용된 표면 경화강은 SCM420(Cr:1.0%)이다.
도 4는 상기 도 2와 유사한 현미경 사진으로, 여기서 사용된 표면 경화강은 고-Cr SCM420(Cr:4.9%)이다.
도 5A 및 5B는 본 발명의 실시예에 따른 진공침탄의 침탄 패턴을 보여주는 개념도이다.
도 6은 본 발명에 따른 실시예의 데이타 그래프로, 식 [Si%]+[Ni%]+[Cu%]-[Cr%]값 및 107회-강도 사이의 관계를 보여준다.
본 발명은 과잉 침탄(carburization)을 억제하여 적절한 탄소 함량을 가지는 침탄부품을 주는 표면 경화강에 관한 것이다. 또한 본 발명은 이러한 표면 경화강을 이용하여 얻은 침탄부품에 관한 것이다.
최근, 기어 및 침탄 형상 부품과 같은 것들을 성형하기 위해 스틸(steel) 공정으로 스틸 부품을 제조하는데 있어서 종래의 가스-침탄법(gas-carburization) 대신에 진공-침탄법(vacuum-carburization)이 종종 사용되고 있다. 이는 진공 침탄법이 가스 침탄법에 비해 하기와 같은 이점을 가지기 때문이다.
1) 진공하에서 침탄이 수행되는 동안 금속의 산화가 일어나지 않기 때문에 결정입계 산화를 피할 수 있으며, 따라서 제품의 강도가 보완되고;
2) 침탄 장치 구조 때문에 높은 온도에서 침탄이 쉽게 일어날 수 있고, 따라서 빠른 침탄이 가능하며; 및
3) 침탄 가스의 양이 적기 때문에 침탄 운전 비용이 저렴하다.
한편, 침탄 부품의 표면 탄소 함량은 부품의 형태에 의해 영향을 받는 경향이 있다. 즉, 에지-형상(edge-shaped) 부분으로 과잉의 탄소가 들어가면, 그 결과 잔류 오스테나이트 양의 감소 및 탄화물의 형성으로 인해 국부적으로 강도가 감소하는 것이 관찰될 수 있다. 상기 단점을 개선하기 위해 침탄 후 탈 탄(decarburization)을 수행하여 과잉의 탄소를 제거하는 것이 제안되었다(일본 특허 제2003-171756호 및 제2004-115893호). 그러나 상기 탈탄은 제조단계의 증가뿐만 아니라 탈탄 과정 동안 결정입계 산화에 의해 일어나는 강도의 감소 때문에 진공 침탄의 장점을 잃을 우려가 있다.
침탄부품은 침탄의 퀘칭(quenching) 단계시 변형이 발생하고, 상기 변형은 부품의 사용중에 파괴(destruction)를 야기할 수 있는 문제가 있다. 이와 같은 문제점을 방지하기 위한 목적으로 구조를 페라이트-마르텐사이트 2원상으로 변환시키기 위해 비-침탄부에 페라이트를 생성할 수 있는 특정 합금 조성을 선택하는 것이 제안되었다(일본 특허 제 09-111408호). 그러나, 상기 기술은 침탄부품의 강도를 증가시키려는 의도에는 도움이 되지 못한다.
고강도를 가지는 표면 경화강에 관해서 강도를 증가시키는 결과를 갖기 위해 미세 TiC를 분산하여 결정 입계에서 산화의 농도를 작게 하는 기술이 개시되었다(일본 특허 제 2004-3000550). 또한, 내핏칭성(pitching resistance) 및 내마모성과 같은 치면(tooth flanks)의 강도를 증가시키기 위해 합금 조성을 선택하여 연화를 조절하여 증가된 저항을 가지는 표면 경화강도 알려져 있다(일본 특허 제 2003-231943호). 그러나, 이러한 기술들은 에지-형상 부분에서의 과잉 침탄에 대한 대응책은 고려하지 않고 있다.
본 발명자들은 진공 침탄법에서 에지-형상 부에서의 과잉 탄소 도입의 문제를 해결하기 위한 방안을 찾기 위해 연구를 해왔다. 진공 침탄에서의 도입되는 탄소의 메커니즘에 관한 연구는 기계 부의 표면으로 제공되는 탄소가 탄소-도입 단 계 동안 탄화물의 형성에 의해 축적되고, 이어 탄화물은 이로인해 분해된 매트릭스로 제공된 탄소를 방출하도록 확산 단계에서 분해된다는 사실을 밝혀냈다. 본 발명자들은 진공 침탄에서 에지-형상 부에서의 과잉 침탄은 평판 표면에서보다 에지-형상 부에서 탄화물의 형성 농도가 더 높은 것에 의해 일어나고, 따라서 더 많은 탄화물이 축적된다는 점을 주시하였다. 그러나 만약 부품 표면 전체에서 탄소 함량이 탄화물의 침전을 피하기 위해 낮아진다면 평판 표면에서 탄소 함량이 극도로 낮아지고, 따라서 침탄부품의 강도 및 경도가 감소하게 된다.
상기 지식을 바탕으로, 어떠한 탄화물도 침전되지 않는 침탄 부품의 표면에서 가장 높은 탄소 함량은 1.1%임을 밝혀냈다. 반면, 충분한 경도 및 강도를 가지는 침탄 부품의 표면에서 가장 낮은 탄소 함량은 0.6%로 나타났다.
또한, 본 발명자들은 침탄부품의 표면에 있는 탄소함량을 컨트롤하기 용이한 합금 조성을 찾아내었다. 즉, 침탄에 의해 도입될 탄소 중에서 탄화물 루트로 오는 부분을 상대적으로 작게 하고 직접 용해 루트로 오는 나머지부분을 상대적으로 높게 하여 만들고, 이를 합금조성의 선택에 따라 나타내는 아이디어를 기초로 한다. 합금 조성의 효과에 대한 본 발명자들의 연구 결과로, Si 및 Ni가 침탄시 탄화물 생성을 억제하는 것과 Cu은 이러한 원소와 같이 행동하고, Cr은 탄화물의 형성을 강화하며, Mn 및 Mo는 그다지 영향이 없다는 것을 발견하였다.
본 발명의 목적은 상기 기술한 발명자들의 지식을 기초로 하여, 진공 침탄으 로 처리한 표면 탄소 함량의 변동이 더 작은 침탄부품을 주는 표면 경화강을 제공하고, 상기 표면 경화강을 이용하여 에지-형성 부에서 과잉 침탄을 억제하고 과잉침탄으로 강도가 감소하는 문제가 없는 침탄부품을 제공하는 것이다.
표면 탄소 함량의 변동이 작은 본 발명의 침탄부품은 함량%로, C:0.1-0.3%, Si:0.5-3.0%, Mn:0.3-3.0%, P:0.03%이하, S:0.03%이하, Cu:0.01-1.00%, Ni:0.01-3.00%, Cr:0.3-1.0%, Al:0.2%이하 및 N:0.05%이하를 함유하고, 잔부가 불가피한 불순물 및 Fe로 이루어지고, [Si%]+[Ni%]+[Cu%]-[Cr%]＞0.5의 조건을 만족하는 합금조성을 가지는 표면 경화강을 부품형상으로 성형하고, 진공침탄에 의해 침탄하여 얻은 침탄부품을 특징으로 한다.
[바람직한 실시형태의 상세한 설명]
본 발명의 침탄부품은 침탄부에서의 표면 탄소 함량이 가장 높은 부분에서 1.1%이하이기 때문에 탄화물의 생성량은 작으며, 따라서 탄화물의 분해로 인한 국부적으로 높은 탄소 함량이 생기는 곳이 없고, 에지-형상 부분(edge-shaped parts)의 탄성이 낮아지지 않을 것이다. 또한, 침탄부품의 표면 탄소 함량이 가장 낮은 부분에서 0.6%이하이기 때문에 불충분한 침탄으로 인한 강도가 낮은 부분도 생기지 않는다.
상기 기술한 표면 경화강을 진공침탄으로 얻은 침탄부품은 부품 표면에서 직경 1mm의 구를 가정할 때, 구에서 스틸의 부피를 표면적으로 나누어 얻은 값이 0.7mm 이상인 부분에서의 표면 탄소 함량은 1.1%이하이며, 상기 값이 0.3mm 이하인 부분에서의 표면 탄소 함량은 0.6%이상인 침탄부품으로 이해될 수 있다. 이러한 개념은 도 1A 및 도 1B를 참조하여 쉽게 이해될 수 있다.
도 1A는 침탄부품의 부분(part)을 나타낸 것으로, 부 표면에서 직경 1mm의 구를 가정할 때 가정한 구에서 스틸의 부피를 표면적으로 나누어 얻은 값이 0.7mm 이상이다. 상기 도 1A는 도면에서 보여진 점에서 코너각이 170°이상인 표면을 나타낸다(즉, 평삭판, 에지-형상 부분이 아닌 것). 반면, 도 1B는 침탄부품의 부분을 나타낸 것으로, 부 표면에서 직경 1mm의 구를 가정할 때 가정한 구에서 스틸의 부피를 표면적으로 나누어 얻은 비율이 0.3mm 이하이다. 상기 도 1B는 도면에서 보여진 점에서 코너각이 60°이하인 표면을 나타낸다(즉, 에지-형상 부분). 전자 부분의 표면 탄소 함량이 1.1%이하이고, 후자 부분의 표면 탄소 함량이 0.6%이상으로 하는 것은 필수적이다.
본 발명의 침탄부품의 제조는 침탄 가스로서 아세틸렌, 에틸렌 및 프로판과 같은 다양한 탄화수소 가스를 사용하여 진공 침탄으로 수행할 수 있다. 침탄 패턴은 제약없이 선택될 수 있다. 당업자가 하기 실시예를 참조하여 진공 침탄에 적절한 조건을 결정할 수 있다.
본 발명의 침탄부품의 재료로서 표면 경화강은 상기 기술한 기본 합금 구성성분에 추가하여 하기의 선택적 합금 원소로 이루어진 그룹으로부터 하나이상을 함유할 수 있다.
1) Mo:2.0%이하,
2) Nb:2.0%이하 및 Ti:0.2%이하 중 하나이상,
3) B:0.01%이하. 및
4) Pb:0.01-0.20%, Bi:0.01-0.10% 및 Ca:0.0003-0.0100% 중 하나이상.
본 발명의 표면 경화강의 기본 합금 조성이 하기에 설명된다. 상기 언급된 탄소 함량 범위 (0.1-0.3%)는 기계 부품에 필요한 강도를 확보하는데 적절한 범위이다. 망간(Mn)은 환원제로서 제강에 첨가되는 것으로 탄화물의 형성에 거의 영향을 주지않고 따라서 함량은 0.3-3.0%의 넓은 범위에서 선택될 수 있다. 인(P) 및 황(S)는 불순물이고 제품의 기계적 조성에 적절하지 않아 따라서 함량은 가능한한 낮게 한다. 상기 값(둘다 0.03%)은 허용가능한 상한이다.
실리콘(Si)(0.5-3.0%), 니켈(Ni)(0.01-3.00%) 및 구리(Cu)(0.01-1.00%)은 탄화물 생성을 억제하는 성분이다. 그들은 상기 하한 이상 및 크롬(Cr)의 마이너스 값이 0.5를 초과하는 총량의 값으로 첨가한다. 그러나, 너무 많은 첨가는 스틸의 핫 가동성을 낮추고 따라서 상기 상한이 설정된다.
Cr:0.3-1.0%
상기 기재한 바와 같이, Cr은 탄화물 생성을 강화하는 성분이며 따라서 본 발명의 표면 경화강에서 많은 양이 존재해서는 안된다. Cr 함량의 상한 1.0%은 탄화물의 형성 억제 성분이 충분한 양으로 함유된 경우에만 가능하다. 그러나, 극 저 Cr-함량은 스틸의 경화능이 감소를 야기하며, 이는 제품의 기계적 특성을 불만족시키고 따라서 상기 하한 0.3%이 설정된다.
Al:0.2% 이하
알루미늄은 환원제로서 제강에 첨가되는 것으로 너무 많이 첨가되면 스틸의 가동성에 피해를 줄 수 있으며 따라서 적절한 첨가량은 0.2%이하의 범위에서 선택되어야 한다. 또한 Al은 결정립(crystal grain) 조대화(coarsening)를 막는 효과를 가지며, 이러한 효과는 바람직하게 0.005% 이상의 Al이 첨가된 경우에 나타난다.
N:0.001-0.050%
질소는 결정립 조대화를 막는 효과를 가진다. 스틸내에 N이 적어도 0.001%의 양으로 존재하는 것이 필요하다. 이는 0.050% 함량에서 포화하기 때문이며 상기 상한을 초과하는 양으로 초과의 N을 첨가하여도 소용이 없기 때문이다.
[Si%]+[Ni%]+[Cu%]-[Cr%]＞0.5
상기 기재한 바와 같이 Cr이 탄화물의 생성을 강화하는데 반해 Si, Ni 및 Cu는 탄화물의 생성을 억제한다. 본 발명에서 목적한 에지 형상(edge-shaped) 부분에서 3개의 전자 및 1개의 후자의 효과를 균형잡히게 함으로써 탄화물 형성을 억제하는 것을 실행하는 것이 가능하다. 상기 식은 하기에 설명한 실시예의 데이타로부터 도입되었다.
본 발명의 표면 경화강에 선택적으로 첨가할 수 있는 합금 원소들은 하기에 설명한다.
Mo:2.0% 이하
몰리브덴은 템퍼-연화(temper-softening)에 대한 저항 및 경화능을 강화하기 위한 목적으로 첨가된다. 너무 많은 첨가는 스틸의 가동성에 피해를 주게 되고 따라서 적절한 첨가량은 2.0% 이하로 선택되어야 한다.
Nb:2.0%이하 및 Ti:0.2%이하 중 하나이상
상기 원소들의 첨가는 전체 입자 구조의 침탄 및 유지시 결정입자의 성장을 억제하는데 유용하다. 너무 많은 양은 가동성에 영향을 미치고 따라서 첨가량은 상기 제한량까지의 양이어야 한다.
B:0.01% 이하
붕소는 스틸의 경화능을 강화하는데 유용하며 원할경우 첨가된다. 많은 붕소는 스틸의 경화능에 해가 되고 따라서 첨가량은 0.01%이하여야 한다.
Pb:0.01-0.20%, Bi:0.01-0.10% 및 Ca:0.0003-0.0100% 중 하나이상
상기 원소들은 생산 기계 부품의 절삭성(machinability)을 향상시키는 목적에 유용하다. 만약 첨가량이 너무 많으면 스틸의 탄성이 영향을 받을 것이다. 첨가량은 상기 한계까지여야 한다.
기본의 하나 또는 선택적 합금 원소와 함께 합금 조성의 합금 조성 또는 침탄부품용 재료로서 표면 경화강의 원소에 있어서, 원료의 선택에 따라 함유되는 경향이 있는 중요한 원소의 양을 컨트롤하는 것이 바람직하다. 이러한 중요한 불순물은 Sn, As 및 Sb이며, 이는 스틸 취성을 만든다. 조건 [Sn%]+[As%]+[Sb%]＜0.3을 만족하도록 함량을 컨트롤하는 것이 주의된다.
[실험예]
표 1에 나타낸 합금 조성(중량%, 잔부 Fe)을 가지는 3종류의 강에 대하여, 에지-형상 부분을 가지는 기계 부품의 샘플을 제작하였다.
C Si Mn Cu Ni Cr Si+Ni+Cu-Cr
고-Si 0.2 1.5 0.8 0.1 0.05 0.7 0.95
SCM420 0.2 0.2 0.8 0.1 0.05 1.0 -0.65
SCM420 고-Cr 0.2 0.2 0.8 0.1 0.05 4.9 -4.55
상기 샘플들은 하기 조건하에서 침탄화 및 열처리하였다.
1) 950℃에서 30분간 균열가열(soaking)
2) 950℃에서 30분간 침탄처리(carburization)
3) 950℃에서 30분간 확산처리
4) 850℃에서 30분간 유지
5) 퀘칭(quenching)
6) 180℃에서 1시간동안 템퍼링(tempering)
침탄조건은 200Pa의 프로판 기압이고, 확산 처리 조건은 진공하(5Pa 이하)이다.
침탄 및 열처리 한 3가지 샘플의 에지-형상 부분을 침식하고 노출한 표면을 나이탈액으로 에칭하였다. 표면은 금속 현미경으로 관찰하였고 이는 도 2 내지 도 4에 보여진다. 상기 사진의 흰 부분은 탄화물의 존재를 보여준다. [Si%]+[Ni%]+[Cu%]-[Cr%]의 높은 값을 가지는 고-Si강의 사진에서(도 2) 탄화물은 명확하게 관찰되지 않는다. 반면, 상기 식의 마이너스 값을 가지는 SCM420의 사진에서(도 3) 탄화물의 존재는 더욱 명확하며, 고-Cr강의 사진에서(도 4) 탄화물의 명확한 형성이 관찰되었다.
[실시예 및 비교예]
표 2에 나타낸 합금조성의 강을 가지는 표면 침탄강을 사용하였다. 각각의 강으로부터 코너각 60°의 에지를 가지는 테스크 조각을 준비하였다. 상기 샘플들은 도 5A(패턴"A")에 나타낸 침탄 가스가 오직 한번만 도입되는 패턴, 또는 도 5B(패턴"B")에 나타낸 침탄 가스가 여러 회로 나누어 펄스-와이즈(pulse-wise) 방식으로 도입되는 패턴의 침탄을 실시하였다. 침탄 조건은 하기와 같다.
대기: 아세틸렌 또는 프로판 가스
압력: 침탄 단계 200Pa, 확산 단계 5Pa 이하
상기 얻은 침탄부품의 표면 탄소 함량을 결정하였다. 결정은 평삭판 부분(직경 1mm의 구에서 스틸의 부피를 표면적으로 나누어 얻은 비율이 0.7mm 이상인 부분에 해당) 및 에지-형상 부분(직경 1mm의 구에서 스틸의 부피를 표면적으로 나누어 얻은 비율이 0.3mm 이하인 부분에 해당)에서 이루어졌다.
그리고 나서, 실험예와 같은 조건하에서 침탄 및 열처리한 테스트 샘플을 기계가공하여 테스트 기어(test gears)를 준비하였다. 테스트 기어를 사용하여 107회-강도(cycle-strength)를 측정하였다. 측정조건은 실험예와 같은 조건이다. 침탄 조건, 평판 및 에지-형상 부분에서 탄소 함량 및 피로강도는 표 3에 나타내었다.
실시예 및 비교예의 식[Si%]+[Ni%]+[Cu%]-[Cr%]의 값 및 107회-강도 사이의 관계를 플롯팅(plotting)하여 도 6의 그래프를 얻었다. 상기 그래프로부터 상기 식의 값이 0.5 정도를 초과하는 곳에서부터 107회-강도가 높고 거의 일정해짐을 알 수 있었다.
Figure 112006060011187-PAT00001
Figure 112006060011187-PAT00002
본 발명에 따른 침탄부품은 과잉 침탄(carburization)을 억제하여 적절한 탄소 함량을 가지는 침탄부품을 주는 표면 경화강 및 상기 표면 경화강을 이용하여 얻은 침탄부품을 제공한다.

Claims (6)

  1. 함량%로, C:0.1-0.3%, Si:0.5-3.0%, Mn:0.3-3.0%, P:0.03%이하, S:0.03%이하, Cu:0.01-1.00%, Ni:0.01-3.00%, Cr:0.3-1.0%, Al:0.2%이하 및 N:0.05%이하를 함유하고,
    잔부가 불가피한 불순물 및 Fe로 이루어지고,
    [Si%]+[Ni%]+[Cu%]-[Cr%]＞0.5의 조건을 만족하는 합금조성을 가지는 표면 경화강을 부품형상으로 성형하고, 진공침탄에 의해 침탄하여 얻은 침탄부품.
  2. 제 1항에 있어서, Mo:2.0%이하를 더 함유하는 합금조성을 가지는 표면 경화강을 사용한 침탄부품.
  3. 제 1항에 있어서, Nb:0.20%이하 및 Ti:0.20%이하 중 하나이상을 더 함유하는 합금조성을 가지는 표면 경화강을 사용한 침탄부품.
  4. 제 1항에 있어서, B:0.01%이하를 더 함유하는 합금조성을 가지는 표면 경화강을 사용한 침탄부품.
  5. 제 1항에 있어서, Pb:0.01~0.20%, Bi:0.01~0.10% 및 Ca:0.0003~0.0100% 중 하나이상을 더 함유하는 합금조성을 가지는 표면 경화강을 사용한 침탄부품.
  6. 제 1항에 있어서, [Sn%]+[As%]+[Sb%]＜0.3의 조건을 만족하는 표면 경화강의 불순물 함량을 사용한 침탄부품.
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