KR20070046103A - Method of manufacturing a hardened forged steel component - Google Patents

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케니스 브라이언 톰슨 폴라드
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Abstract

본 발명은 완성품 형상 단조 기어 톱니를 갖는 스티어링 래크와 같은 부품에 특히 적합한 강 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 강 블랭크의 적어도 일부를 적어도 600℃의 제1 온도로 가열하는 단계, 상기 일부를 성형하기 위하여 단조하는 단계, 상기 일부를 200℃ 이상의 제2 온도까지 제어된 방식으로 냉각하는 단계, 상기 일부의 표면의 적어도 일부분을 적어도 오스테나이트화 온도로 가열하는 단계, 상기 일부를 소입하여 상기 표면을 경화시키는 단계를 포함하고 있다.

Figure 112007011027103-PCT00001

강 블랭크, 스티어링 래크, 단조, 유도 가열, 미세조직

The present invention relates to a method for manufacturing steel parts which are particularly suitable for parts such as steering racks with finished part forged gear teeth. The method includes heating at least a portion of the steel blank to a first temperature of at least 600 ° C., forging to form the portion, cooling the portion to a second temperature of at least 200 ° C. in a controlled manner, the Heating at least a portion of the portion of the portion to at least austenitization temperature; quenching the portion to cure the surface.

Figure 112007011027103-PCT00001

Steel Blanks, Steering Racks, Forging, Induction Heating, Microstructure

Description

단조 경화된 강 부품을 제조하는 방법{METHOD OF MANUFACTURING A HARDENED FORGED STEEL COMPONENT}METHOD OF MANUFACTURING A HARDENED FORGED STEEL COMPONENT}

본 발명은 표면이 단조 경화된 강 부품을 제조하는 방법에 관한 것이며, 구체적으로 본 발명은 스티어링 래크와 같은 단조된 기어 톱니를 갖는 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a forged hardened steel part, and in particular, the present invention relates to a method of manufacturing a part having a forged gear tooth, such as a steering rack.

유도 경화에 의해 표면 경화된 강 부품을 제조하는 것은 공지되어 있다. 이러한 프로세스는 경질의 내마모성 외부층을 제공하는 한편 상대적으로 연질의 인성을 갖는 코어를 유지하며 대량 생산에 매우 적합하다. 일반적으로 유도 경화는 0.3% 내지 0.8%의 탄소, 더 일반적으로 약 0.4% 탄소를 함유하는 중탄소강에 적용된다. 강을 유도 경화시키는 이론 및 프로세스는 공지되어 있다. 간략히 설명하면 유도 경화는, 적어도 한번 감겨진 코일의 형태이며, 경화되는 표면 구역에 가까이 위치되고, 적절한 주파수의 전기가 공급되는 전기적인 전도체를 이용한다. 이것은 오스테나이트화 온도 이상으로 강 부품의 표면층을 가열하고, 그 다음에 강 부품을 경화시키기 위하여 일반적으로 물과 같은 냉각제를 이용하여 소입함으로써 급냉된다. 뒤틀림을 최소화하기 위하여 특별히 개발된 소입 시스템이 사용될 수 있다. 경화된 후에, 부품은 인성을 향상시키기 위하여 템퍼링될 수 있다. It is known to produce surface hardened steel parts by induction hardening. This process provides a hard, wear resistant outer layer while maintaining a relatively soft tough core and is well suited for mass production. Induction hardening generally applies to medium carbon steels containing 0.3% to 0.8% carbon, more generally about 0.4% carbon. Theories and processes for induction hardening steels are known. In brief, induction hardening utilizes an electrical conductor in the form of a coil wound at least once, located close to the surface area to be cured, and supplied with electricity of the appropriate frequency. This is quenched by heating the surface layer of the steel part above the austenitization temperature and then quenching with a coolant, generally water, to cure the steel part. Specially developed hardening systems can be used to minimize warpage. After hardening, the part can be tempered to improve toughness.

기어 톱니, 특히 자동차 래크 및 피니언 스티어링을 위한 스티어링 래크의 톱니는 보편적으로 유도 경화된다. 기어 톱니를 유도 경화하는 것에 대한 문제점은 톱니(teeth)의 팁(tip)과 루트(root) 사이의 균일한 경화 깊이를 얻는 것이 어렵다는 것이다. 톱니의 루트에서 충분한 경화 깊이를 얻기 위하여 종종 톱니의 팁은 거의 완전히 경화된다. 또 다른 문제점은 차가운 부품의 표면을 가열 및 소입하는 것이 균열 또는 과도한 뒤틀림을 초래한다는 것이다. 유도 경화하기 전에 오스테나이트화 온도 이하의 온도로 부품을 예열하는 것이 상술한 문제점을 감소시키는 것으로 알려져 있다. 또한, 오스테나이트화 온도에 도달하기 위해 요구되는 온도의 증가가 작기 때문에,예열된 부품을 유도 경화하기 위하여 사용되는 에너지는 차가운 부품을 유도 경화하는 것보다 현저히 작다. 또한, 부품의 표면과 코어 사이의 감소된 온도차 때문에 표면에서 떨어진 곳에 대한 전기 전도가 낮다. 예열하는 하나의 방법은 유도 가열을 위하여 두개의 주파수를 이용한다. 이 방법은 단조된 베벨 기어의 톱니에 적용된 것으로서 미국특허 제6,315,841에 설명되어 있다. 경화하기 위한 표면층을 더욱 가열하기 위하여 높은 주파수로 변경하기 전에 부품을 낮은 주파수로 예열한다. 이 방법의 단점은 유도 경화 장비가 복잡하고 추가적인 비용이 소요된다는 것이다. Gear teeth, in particular steering teeth for automotive racks and pinion steering, are commonly induction hardened. A problem with induction hardening of gear teeth is that it is difficult to obtain a uniform hardening depth between the tip and root of the tooth. Often the tip of the tooth hardens almost completely in order to obtain sufficient hardening depth at the root of the tooth. Another problem is that heating and quenching the surface of cold components results in cracks or excessive warping. Preheating the part to a temperature below the austenitization temperature prior to induction hardening is known to reduce the aforementioned problems. Also, because the increase in temperature required to reach the austenitization temperature is small, the energy used to induction harden the preheated part is significantly less than induction hardening cold parts. In addition, the electrical conduction away from the surface is low due to the reduced temperature difference between the surface of the part and the core. One method of preheating uses two frequencies for induction heating. This method is described in US Pat. No. 6,315,841 as applied to the teeth of a forged bevel gear. The parts are preheated to low frequencies before changing to high frequencies to further heat the surface layer for curing. The disadvantage of this method is that the induction hardening equipment is complex and at an additional cost.

전도 가열은 비록 덜 보편적으로 사용되지만 유도 가열의 한가지 대안이다. 경화시킬 표면의 각각의 단부에서 하나씩, 두개의 전기적인 접촉이 부품에 대하여 이루어지며, 고주파 전류가 부품을 통과하게 된다. 표면에 근접하여 위치된 전도체가 부품의 표면 부근에 흐르는 전류를 유도하고 따라서 유도 경화와 유사한 방식 으로 표면층을 국부적으로 가열한다. 가열 후에, 부품은 경화되도록 소입된다. 유도 경화와 유사하게 전도 가열은 주로 표면층만을 가열하기 때문에, 유도 경화와 동일한 문제를 갖고 있으며 또한 예열에 따른 장점을 갖는다. Conduction heating, although less commonly used, is one alternative to induction heating. Two electrical contacts are made to the part, one at each end of the surface to be cured, and a high frequency current is passed through the part. Conductors located close to the surface induce currents flowing near the surface of the part and thus locally heat the surface layer in a manner similar to induction hardening. After heating, the part is quenched to cure. Similar to induction hardening, conduction heating mainly heats only the surface layer, and thus has the same problem as induction hardening and also has the advantage of preheating.

강을 온간 단조하는 것은 공지되어 있다. 온간 단조를 위해 사용되는 실제 온도는 적용 목적에 따라 약 600℃ 에서 1000℃ 까지 변한다. 열간 단조와 비교되는 온간 단조의 장점은 스케일의 최소화 및 증가된 단조 성형 정밀도이다. 온간 단조는 특히 완성품 형상 기어 톱니를 단조하는 것에 적용가능하다. 완성품 형상은 단조후에 톱니의 마무리 가공이 전혀 필요하지 않다는 것을 의미한다. 환봉으로부터 완성품 형태로 스티어링 래크의 톱니를 온간 단조하는 것이 공지되어 있으며, 이러한 적용에 있어서 온간 단조 온도에는 일반적으로 650℃와 850℃ 사이의 온도이다. 스티어링 래크를 온간 단조하기 위한 장치가 미국특허 제5,862,701에 개시되어 있다. It is known to forge a steel warmly. The actual temperature used for warm forging varies from about 600 ° C to 1000 ° C depending on the application. Advantages of warm forging compared to hot forging are minimization of scale and increased forging molding precision. Warm forging is particularly applicable to forging finished product gear teeth. The finished product shape means that finishing of the teeth after forging is not necessary at all. It is known to forge the teeth of the steering rack in the form of finished products from round bars, and in this application the warm forging temperature is generally between 650 ° C and 850 ° C. An apparatus for warm forging a steering rack is disclosed in US Pat. No. 5,862,701.

스티어링 래크는 온간 단조 후에, 일반적으로 실온까지 제어된 방식으로 냉각되며 그 후에 유도 경화된다. 따라서, 부품은 일단 단조 온도에 도달하도록 그리고 다시 유도 경화를 위해 두번 가열되는데, 이것은 에너지를 낭비한다.The steering rack is cooled in a controlled manner, usually to room temperature after warm forging, and then induction hardened. Thus, the part is heated twice to reach the forging temperature and again for induction hardening, which wastes energy.

단조 및 유도 경화된 부품, 특히 스티어링 래크를 제조하기 위해 일반적으로 사용되는 중탄소강은 SAE 1040 및 DIN 37CrS4 를 포함한다. 또한 베이나이트의 조직(베이나이트)를 갖고 있는 중탄소강이 사용될 수 있다. 베이나이트의 조직을 갖고 있는 강의 장점은 펄라이트의 조직을 갖고 있는 것보다 강한 반면에 여전히 양호한 수준의 연성을 유지한다는 것이다. 미국특허 제5,667,605호에 설명된 바와 같이, 베이나이트의 조직을 갖고 있는 강의 또 다른 장점은 재가열후에도 강도를 유지하며, 열처리 온도에서 장시간 유지하지 않아도 된다는 것이다. 왜냐하면, 베이나이트의 조직을 갖고 있는 강은 다른 조직보다 오스테나이트로 변태하는 것이 더 느리기 때문이다. 0.35%C, 1.8%Mn, 0.12%V 및 다른 원소를 포함하는 조성을 갖고 있는 미국특허 제5,667,605에 개시된 강의 종류는 DIN 35MnV7과 상응하며, 단조 적용 목적을 위한 베이나이트의 조직을 만들기 위해 특히 적합하다. Heavy carbon steels commonly used for producing forged and induction hardened parts, especially steering racks, include SAE 1040 and DIN 37CrS4. Also, medium carbon steel having bainite structure (bainite) can be used. An advantage of steels with bainite is that they are stronger than those with pearlite but still maintain a good level of ductility. As described in US Pat. No. 5,667,605, another advantage of steel having bainite structure is that it maintains strength even after reheating and does not have to be maintained for a long time at the heat treatment temperature. This is because rivers with bainite texture are slower to austenite than other structures. The type of steel disclosed in US Pat. No. 5,667,605, having a composition comprising 0.35% C, 1.8% Mn, 0.12% V and other elements, corresponds to DIN 35MnV7 and is particularly suitable for making bainite structures for forging applications. .

미세한 펄라이트와 페라이트의 혼합 또는 베이나이트와 같은 미세한 미세조직은 SAE 1040 또는 DIN 37CrS4과 같은 탄소강에서 오스테나이트화 온도로부터 마르텐사이트로 변태가 시작되는 온도 위의 온도까지 우선 급냉하고 그 다음에 조직이 미세한 펄라이트와 페라이트의 혼합 또는 베이나이트로 변태할 때까지 이 온도를 유지함으로써 얻어질 수 있다. 마르텐사이트로 변태 개시하는 온도는 강의 종류에 따라 변화되며 일반적으로 230℃와 350℃ 사이의 온도이다. 실제로 나타내는 미세한 미세조직의 종류는 강이 급냉되는 온도 및 냉각 속도에 의존한다. 미세한 펄라이트와 페라이트의 혼합, 베이나이트와 같은 조직은 강도를 향상시키는 한편 양호한 수준의 연성을 유지한다. Fine microstructures, such as a mixture of fine pearlite and ferrite or bainite, are first quenched from the austenitization temperature to the temperature at which the transformation starts from martensite in carbon steels such as SAE 1040 or DIN 37CrS4 and then the microstructures are fine. It can be obtained by maintaining this temperature until the mixture of pearlite and ferrite or transformation into bainite. The temperature at which transformation starts with martensite changes depending on the type of steel and is generally between 230 ° C and 350 ° C. The kind of fine microstructure actually shown depends on the temperature and cooling rate at which the steel is quenched. Fine pearlite and ferrite mixtures, such as bainite, improve strength while maintaining good levels of ductility.

본 발명의 목적은 종래기술의 문제점의 적어도 일부를 개선하는 것이다.It is an object of the present invention to improve at least some of the problems of the prior art.

본 발명에 따라 강 부품을 제조하기 위한 방법은,The method for producing a steel part according to the invention,

(a) 강 블랭크의 적어도 일부를 적어도 600℃의 제1 온도로 가열하는 단계;(a) heating at least a portion of the steel blank to a first temperature of at least 600 ° C .;

(b) 상기 일부를 성형하기 위하여 단조하는 단계;(b) forging to form the portion;

(c) 상기 일부를 200℃ 이상의 제2 온도까지 제어된 방식으로 냉각하는 단계;(c) cooling the portion in a controlled manner to a second temperature of at least 200 ° C .;

(d) 상기 일부의 표면의 적어도 일부분을 적어도 오스테나이트화 온도로 가열하는 단계; 및(d) heating at least a portion of the surface of the portion to at least austenitization temperature; And

(e) 상기 일부를 소입함으로써 상기 표면을 경화시키는 단계;를 포함하고 있다.(e) hardening the surface by quenching the portion.

바람직하게 상기 제1 온도는 1000℃ 미만이며, 더욱 바람직하게 상기 제1 온도는 750℃ 내지 850℃ 이다. Preferably the first temperature is less than 1000 ° C, more preferably the first temperature is 750 ° C to 850 ° C.

바람직하게 상기 제2 온도는 500℃ 미만이며, 더욱 바람직하게 상기 제1 온도는 300℃ 이상이다. Preferably the second temperature is less than 500 ° C, more preferably the first temperature is at least 300 ° C.

바람직하게 상기 강 블랭크는 유도 경화에 적합한 중탄소강으로 만들어진다. Preferably the steel blank is made of medium carbon steel suitable for induction hardening.

바람직한 일 실시예에서, 상기 강 블랭크는 베이나이트의 조직을 갖고 있는 강으로 만들어지고, 상기 제2 온도는 600℃ 이상이며 더 바람직하게 상기 제2 온도는 650℃ 내지 700℃ 이다. In a preferred embodiment, the steel blank is made of steel having a bainite texture, the second temperature is at least 600 ° C and more preferably the second temperature is between 650 ° C and 700 ° C.

바람직한 또 다른 실시예에서, 상기 (c) 단계는 상기 일부를 제2 온도까지 급냉하고 상기 일부가 미세한 미세조직을 형성할 때까지 상기 일부를 상기 제2 온도에서 유지하는 것으로 이루어지며, 더 바람직하게 상기 급냉은 20초 미만으로 실행되고 상기 제2 온도는 400℃ 내지 550℃ 이다.In another preferred embodiment, step (c) consists of quenching the portion to a second temperature and maintaining the portion at the second temperature until the portion forms a fine microstructure, more preferably The quench is carried out in less than 20 seconds and the second temperature is from 400 ° C. to 550 ° C.

바람직하게 상기 (d) 단계에서 표면은 유도 가열에 의해서 가열된다. 바람직하게 상기 유도 가열의 주파수는 1㎑ 내지 600㎑ 이다. 바람직하게 상기 표면은 그 표면을 함께 가로지르는 유도 코일과 소입 링에 의해서 점진적이며 국부적으로 가열되고 냉각된다. 대안으로, 상기 (d) 단계에서 상기 표면은 전도 가열에 의해서 가열된다. Preferably in step (d) the surface is heated by induction heating. Preferably the frequency of the induction heating is 1 kHz to 600 kHz. Preferably the surface is gradually heated locally and cooled by induction coils and sintering rings that traverse the surface together. Alternatively, in step (d) the surface is heated by conduction heating.

바람직하게 상기 (b) 단계에서 상기 일부는 완성품 형상 기어 톱니를 포함하는 형상으로 단조된다. 바람직하게 상기 부품은 스티어링 래크이며 상기 블랭크는 환봉이다. Preferably, in the step (b), the portion is forged into a shape including a finished gear tooth. Preferably the component is a steering rack and the blank is a round bar.

바람직하게 상기 방법은 (e) 단계 후에 상기 일부를 템퍼링하는 단계를 더 포함한다. Preferably the method further comprises tempering said portion after step (e).

바람직한 실시예에서, 본 발명에 따라 환봉 강으로부터 스티어링 래크를 제조하기 위한 방법은,In a preferred embodiment, the method for manufacturing the steering rack from the round bar steel according to the invention,

(a) 상기 환봉의 적어도 일부를 750℃ 내지 850℃의 제1 온도로 가열하는 단계;(a) heating at least a portion of the round bar to a first temperature of 750 ° C. to 850 ° C .;

(b) 상기 일부에 완성품 형상 기어 톱니를 단조하는 단계;(b) forging a finished gear tooth in said portion;

(c) 상기 일부를 20초 안에 400℃ 내지 550℃의 제2 온도까지 냉각하는 단계;(c) cooling the portion to a second temperature of 400 ° C. to 550 ° C. in 20 seconds;

(d) 상기 일부가 미세한 미세조직을 형성할 때까지 상기 일부를 대략 상기 제2 온도에서 유지하는 단계;(d) maintaining the portion at approximately the second temperature until the portion forms a fine microstructure;

(e) 적어도 상기 톱니의 표면을 적어도 오스테나이트화 온도로 가열하는 단계; (e) heating at least the surface of the tooth to at least austenitization temperature;

(f) 상기 일부를 소입함으로써 상기 표면을 경화시키는 단계; 및(f) hardening the surface by quenching the portion; And

(g) 상기 일부를 템퍼링하는 단계;를 포함하고 있다.(g) tempering said portion.

도 1 은 본 발명에 따라 표면이 단조 경화된 강 스티어링 래크를 제조하기 위한 방법을 개략적으로 설명하는 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a schematic illustration of a method for producing a steel steering rack forged hardened according to the invention.

도 2 는 본 발명에 따라 제조된 스티어링 래크를 나타내는 도면.2 shows a steering rack made in accordance with the present invention.

도 3 은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 도시한 스티어링 래크의 단면도.3 is a cross-sectional view of the steering rack taken along line III-III of FIG.

도 4 는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 도시한 스티어링 래크 톱니의 단면도.4 is a cross-sectional view of the steering rack teeth shown along line IV-IV of FIG.

도 5 는 도 2에 도시된 스티어링 래크의 톱니 부분을 유도 경화하는 방법을 도시한 도면.FIG. 5 shows a method of induction hardening the toothed portion of the steering rack shown in FIG. 2. FIG.

본 발명은 스티어링 래크에 적용된 것으로서 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 표면 경화를 필요로 하는 다른 단조강 부품에 동일하게 적용될 수 있으며, 구체적으로 베벨 기어, 링 기어, 크라운 휠, 하이포이드 기어, 스티어링 피니언 또는 차동 피니언과 같은 완성품 형상의 단조된 기어 톱니를 갖는 부품으로 만들어질 수 있는 다른 부품에도 동일하게 적용될 수 있다. The invention will be described as applied to a steering rack. However, the present invention is equally applicable to other forged steel parts that require surface hardening, specifically forged gears in the shape of finished products such as bevel gears, ring gears, crown wheels, hypoid gears, steering pinions or differential pinions. The same applies to other parts that may be made of parts with teeth.

도 1은 단계 1 내지 5로 구성되는 본 발명에 따라 표면이 단조 경화된 강 스티어링 래크를 제조하는 방법을 개략적으로 나타내고 있다. 1 schematically shows a method for producing a steel steering rack forged hardened according to the invention consisting of steps 1 to 5.

단계 1은 환봉 형태의 강 블랭크를 600℃ 이상의 온도로 가열하는 것을 포함한다. 바람직하게 상기 환봉은 온간 단조하기 적합한 600℃ 내지 1000℃, 더 바람직하게는 750℃ 내지 850℃의 온도로 가열된다. 바람직하게 가열은 유도 가열에 의해서 실행되며 단조할 상기 환봉의 일부만이 가열된다. 환봉은 SAE 1040 또는 DIN 37CrS4와 같은 유도 경화하기 위해서 적합한 중탄소강으로 만들어진다. 중탄소강은 베이나이트의 조직을 갖고 있을 수 있으며, 이 경우 바람직하게 강의 종류는 DIN 35MnV7 이다. Step 1 includes heating the steel blank in the form of a round rod to a temperature of at least 600 ° C. Preferably the round bar is heated to a temperature of 600 ° C. to 1000 ° C., more preferably 750 ° C. to 850 ° C., suitable for warm forging. Preferably the heating is carried out by induction heating and only part of the round bar to be forged is heated. Round bars are made of medium carbon steel suitable for induction hardening, such as SAE 1040 or DIN 37CrS4. The medium carbon steel may have a structure of bainite, in which case the type of steel is preferably DIN 35MnV7.

단계 2는 환봉의 가열된 부분으로부터 톱니 부분을 단조하는 것을 포함한다. 도 2는 미국특허 제5,862,701에 기재되어 있는 다이 장치에서 가열된 환봉으로부터 단조된 스티어링 래크(10)를 도시하고 있다. 단조된 톱니 부분(11)은 미국특허 제5,862,701에 기재되어 있는 장치에서 단조함에 따라 "Y" 섹션을 갖는다. 그러나, 만약 다른 종류의 단조 다이가 사용되면, 단조된 톱니 부분(11)의 섹션은 "D" 형태와 같은 다른 형상을 가질 수 있다. 단조된 톱니(12)는 완성품 형상이며 따라서 마무리 가공은 필요하지 않다.Step 2 includes forging the toothed portion from the heated portion of the round bar. FIG. 2 shows a steering rack 10 forged from a round bar heated in a die apparatus described in US Pat. No. 5,862,701. The forged tooth portion 11 has a “Y” section as it is forged in the apparatus described in US Pat. No. 5,862,701. However, if other types of forging dies are used, the sections of the forged tooth portion 11 may have other shapes, such as the "D" shape. The forged tooth 12 is in the shape of a finished product and therefore no finishing is required.

단계 3은 단조된 톱니 부분(11)을 200℃ 이상의 온도까지 제어된 방식으로 냉각하는 것을 포함하고 있으며, SAE 1040 또는 DIN 37CrS4와 같은 중탄소강에 대해 바람직한 온도 범위는 300℃ 내지 500℃이다. 그러나, 만약 래크(10)가 베이나이트 조직을 갖는 DIN 35MnV7과 같은 강으로부터 단조되면 600℃ 이상의 온도까지만 그리고 더욱 바람직하게는 650℃ 내지 700℃ 온도까지만 냉각하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 베이나이트의 조직을 갖는 강은 조직을 변태시키지 않고 일반적인 강보다 더 오랫동안 고온에서 유지하는 것이 가능하기 때문이다. 적합한 냉각 방법은 래크(10)가 고정구에 유지되는 동안에 단조된 톱니 부분(11)에 공기를 송풍하는 것이다. 냉각은 래크(10)의 뒤틀림 및 굽힘을 최소화하는 방식으로 제어된다. Step 3 includes cooling the forged tooth portion 11 in a controlled manner to a temperature above 200 ° C., with a preferred temperature range of 300 ° C. to 500 ° C. for medium carbon steels such as SAE 1040 or DIN 37CrS 4. However, if the rack 10 is forged from a steel such as DIN 35MnV7 with bainite structure, it is desirable to cool only to temperatures above 600 ° C and more preferably to temperatures between 650 ° C and 700 ° C. This is because a steel having a bainite structure can be kept at a high temperature for longer than a general steel without transforming the structure. A suitable cooling method is to blow air into the forged tooth portion 11 while the rack 10 is held in the fixture. Cooling is controlled in a manner that minimizes warping and bending of the rack 10.

만약 래크(10)가 SAE 1040과 같은 탄소강으로부터 단조되면 대안적인 냉각 방법이 채용될 수 있으며, 미세한 펄라이트와 페라이트의 혼합 또는 베이나이트와 같은 미세한 미세조직을 형성하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 단조된 톱니 부분(11)은 마르텐사이트 변태가 개시되는 온도 이상의 온도로 우선 급냉된다. 냉각은 물안개 유동식 베드 또는 공기 진동식 물안개 스프레이에 의해서 실행될 수 있다. 그 다음에, 단조된 부분(11)은 조직이 미세한 미세조직으로 변태할 때까지 그 온도에서 유지된다. 바람직하게, SAE 1040에서 미세한 펄라이트와 페라이트의 혼합 조직을 형성하기 위하여, 단조된 부분(11)은 단조 온도로부터 20초 이내에 400℃ 내지 550℃의 온도로 우선 냉각된다. 그 다음에, 단조된 부분(11)은 조직이 미세한 펄라이트와 페라이트의 혼합 조직 또는 베이나이트로 변태할 때까지 그 온도에서 유지되는데, 이것은 대략 60초를 필요로 한다. If the rack 10 is forged from carbon steel, such as SAE 1040, alternative cooling methods may be employed, and it is desirable to form a fine microstructure, such as a mixture of fine pearlite and ferrite or bainite. In this case, the forged tooth portion 11 is first quenched to a temperature above the temperature at which the martensite transformation starts. Cooling may be effected by water fog flow bed or air vibrating water fog spray. The forged portion 11 is then maintained at that temperature until the tissue transforms into fine microstructure. Preferably, in SAE 1040, the forged portion 11 is first cooled to a temperature of 400 ° C. to 550 ° C. within 20 seconds from the forging temperature to form a mixed structure of fine pearlite and ferrite. The forged portion 11 is then maintained at that temperature until the tissue has transformed into a mixed structure or bainite of fine pearlite and ferrite, which requires approximately 60 seconds.

단계 4는 단조된 부분(11)에 대하여 단계 3에서 냉각된 온도에서 시작한다. 그러므로, 이하에 설명되는 표면 경화 프로세스는 배경 기술에서 설명한 것과 같은 예열의 장점을 갖는다. 단계 4는 단조된 톱니(12)의 표면을 포함하는 단조된 톱니 부분(11)의 표면을 오스테나이트화 온도 이상의 온도로 가열하는 것을 포함하고 있다. 표면은 신속하게 가열되므로 단조된 톱니 부분(11)의 코어는 대략 단계 3에서 냉각된 온도에서 유지된다. 스티어링 기어에 조립되었을 때 단조된 톱니 부분(11)은 래크 패드에서 이동하기 때문에, 스티어링 래크는 단조된 톱니(12)보다는 오히려 단조된 톱니 부분(11)의 표면을 경화시키는 것을 필요로 한다. 표면 가열은 바람직하게 유도 가열에 의해서 실행된다. 유도 가열은 단조된 톱니 부분(11)을 둘 러싸고 길이 방향을 따라 뻗어 있는 유도 코일에 의해서 실행될 수 있다. 유도 가열을 위해 사용된 주파수는 적용 목적에 의존하게 된다. 스티어링 래크에 대한 적합한 주파수 범위는 1㎑ 내지 600㎑ 이다. 대안으로, 가열은 배경 기술에서 설명한 바와 같이 전도 가열에 의해 실행될 수 있다. 단조된 톱니 부분(11)은 실제적으로 예열되어 있으므로, 표면층을 충분한 깊이까지 가열하기 위해 요구되는 에너지 및 시간은 차가운 부품을 표면 가열하는 것과 비교하여 현저하게 감소된다.Step 4 begins at the temperature cooled in step 3 for the forged part 11. Therefore, the surface curing process described below has the advantages of preheating as described in the background art. Step 4 includes heating the surface of the forged tooth portion 11 including the surface of the forged tooth 12 to a temperature above the austenitization temperature. The surface is heated rapidly so that the core of the forged tooth portion 11 is maintained at a cooled temperature in approximately step 3. Since the forged tooth portion 11 moves on the rack pad when assembled to the steering gear, the steering rack requires hardening the surface of the forged tooth portion 11 rather than the forged tooth 12. Surface heating is preferably carried out by induction heating. Induction heating can be effected by an induction coil that surrounds the forged tooth portion 11 and extends in the longitudinal direction. The frequency used for induction heating will depend on the application purpose. Suitable frequency ranges for the steering rack are 1 Hz to 600 Hz. Alternatively, the heating can be performed by conduction heating as described in the background art. Since the forged tooth portion 11 is actually preheated, the energy and time required to heat the surface layer to a sufficient depth is significantly reduced compared to surface heating cold components.

단계 5는 오스테나이트화 온도 이상으로 가열된 후에 즉시, 단조된 톱니 부분(11)의 표면을 소입하는 것을 포함한다. 이것은 마르텐사이트를 형성함으로써 표면을 경화시킨다. 바람직하게, 소입은 래크의 뒤틀림을 제어하는 방식으로 실행된다. 경화된 후에, 단조된 톱니 부분(11)은 경화된 표면층의 인성을 증가시키기 위해 템퍼링될 수 있다. 만약 래크(10)가 베이나이트의 조직을 갖는 DIN 35MnV7과 같은 강으로부터 단조되고 단계 3에서 600℃ 이상의 온도로 냉각되었다면, 그 후에 뒤틀림을 최소화하기 위하여 단조된 톱니 부분(11)을 프레스 소입하는 것이 필요할 수 있다. 프레스 소입은 소입하는 동안에 톱니 부분(11)을 상응하게 형성된 형태의 고정구에 대하여 프레싱하는 것을 포함한다. Step 5 involves quenching the surface of the forged tooth portion 11 immediately after heating above the austenitization temperature. This hardens the surface by forming martensite. Preferably, hardening is carried out in a manner that controls the warping of the rack. After hardening, the forged tooth portion 11 can be tempered to increase the toughness of the hardened surface layer. If the rack 10 is forged from a steel such as DIN 35MnV7 with a bainite structure and cooled to a temperature above 600 ° C. in step 3, then press hardening the forged tooth portion 11 to minimize warping It may be necessary. Press hardening involves pressing the tooth portion 11 against a fixture of a correspondingly shaped form during hardening.

도 3은 단계 1 내지 5의 완료 후에 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 도시한 단조된 톱니 부분(11)의 단면도이다. 경화된 표면층은 도면부호 13으로 표시되어 있다. 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 도시한 단조된 톱니(12)의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 톱니(12)의 루트(14)는 피로 파괴에 대항하도록 충분한 경화 깊이(16)를 갖고 있으며, 한편 톱니(12) 자체는 완전히 경화되지 않는다. 이와 같이 톱니의 루트에서의 충분한 경화 깊이와 톱니 자체에서의 과도하지 않는 경화 깊이의 바람직한 조화는 단계 3에서의 냉각후에 남아 있는 열에 부분적으로 기인한다. 3 is a cross-sectional view of the forged tooth portion 11 along the III-III line of FIG. 2 after completion of steps 1 to 5. FIG. The cured surface layer is indicated with reference 13. 4 is a cross-sectional view of the forged tooth 12 shown along the line IV-IV of FIG. As shown, the root 14 of the tooth 12 has a sufficient depth of cure 16 to counter fatigue failure, while the tooth 12 itself does not fully cure. Thus the desired combination of sufficient hardening depth at the root of the tooth and not excessive hardening depth at the tooth itself is due in part to the heat remaining after cooling in step 3.

표면 가열의 단계 4 및 소입의 단계 5는 대안으로서 도 5에 도시된 바와 같이 단조된 톱니 부분(11)을 따라 점진적으로 실행될 수 있다. 유도 가열 코일(17)은 단조된 톱니 부분(11)의 길이와 비교하여 좁으며 코일에 인접한 것은 소입 링(18)이다(코일과 링은 단면으로 도시되어 있음). 코일(17)과 소입 링(18)은 단조된 톱니 부분(11)을 둘러싸며 화살표(21)로 도시된 바와 같이 단조된 톱니 부분을 따라 함께 이동한다. 코일(17)은 구역(19)에서 단조된 톱니 부분(11)을 국부적으로 가열하고, 코일(17)을 뒤따르는 소입 링(18)으로부터 분사되는 냉각제(20)가 즉시 국부적으로 가열된 구역(19)을 소입하여 경화시킨다. 그러므로, 단조된 톱니 부분(11)은 길이를 따라 점진적으로 경화된다. 소입 링(18)은 소입하는 동안 톱니 부분(11)의 직진도를 제어하기 위하여 분사 구멍이 축선방향 위치에서 변화되는 방식으로 분할되어 있을 수 있다. 예를 들면, 냉각제를 톱니로 보내는 분사 구멍은 래크의 후방에서 냉각제를 보내는 분사 구멍보다 코일 더욱더 근접되어 있을 수 있다. Step 4 of surface heating and step 5 of quenching may alternatively be carried out gradually along the forged tooth portion 11 as shown in FIG. 5. The induction heating coil 17 is narrow compared to the length of the forged tooth portion 11 and adjacent to the coil is a hardened ring 18 (coil and ring are shown in cross section). The coil 17 and the quench ring 18 surround the forged tooth portion 11 and move together along the forged tooth portion as shown by arrow 21. The coil 17 locally heats the forged tooth portion 11 in zone 19 and immediately cools the zone 20 where the coolant 20 injected from the hardening ring 18 following the coil 17 is immediately heated. Harden by quenching 19). Therefore, the forged tooth portion 11 is gradually hardened along its length. The hardening ring 18 may be divided in such a way that the injection hole is changed in the axial position to control the straightness of the tooth portion 11 during hardening. For example, the injection hole for sending coolant to the tooth may be closer to the coil than the injection hole for sending the coolant behind the rack.

Claims (18)

강 부품을 제조하기 위한 방법으로서,As a method for manufacturing steel parts, (a) 강 블랭크의 적어도 일부를 적어도 600℃의 제1 온도로 가열하는 단계;(a) heating at least a portion of the steel blank to a first temperature of at least 600 ° C .; (b) 상기 일부를 성형하기 위하여 단조하는 단계;(b) forging to form the portion; (c) 상기 일부를 200℃ 이상의 제2 온도까지 제어된 방식으로 냉각하는 단계;(c) cooling the portion in a controlled manner to a second temperature of at least 200 ° C .; (d) 상기 일부의 표면의 적어도 일부분을 적어도 오스테나이트화 온도로 가열하는 단계; 및(d) heating at least a portion of the surface of the portion to at least austenitization temperature; And (e) 상기 일부를 소입함으로써 상기 표면을 경화시키는 단계;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 강 부품의 제조 방법.(e) hardening the surface by hardening the part. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 온도는 1000℃ 미만인 것을 특징으로 하는 강 부품의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the first temperature is less than 1000 ° C. 제 2 항에 있어서, 상기 제1 온도는 750℃ 내지 850℃인 것을 특징으로 하는 강 부품의 제조 방법.3. The method of claim 2, wherein the first temperature is between 750 ° C and 850 ° C. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 온도는 500℃ 미만인 것을 특징으로 하는 강 부품의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the second temperature is less than 500 ° C. 제 4 항에 있어서, 상기 제2 온도는 300℃ 이상인 것을 특징으로 하는 강 부품의 제조 방법.The method of manufacturing a steel part according to claim 4, wherein the second temperature is 300 ° C or higher. 제 1 항에 있어서, 상기 강 블랭크는 유도 경화에 적합한 중탄소강으로 만들어진 것을 특징으로 하는 강 부품의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the steel blank is made of medium carbon steel suitable for induction hardening. 제 1 항에 있어서, 상기 강 블랭크는 베이나이트의 조직을 갖는 강으로 만들어지고 상기 제2 온도는 600℃ 이상인 것을 특징으로 하는 강 부품의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the steel blank is made of steel having a bainite structure and the second temperature is at least 600 ° C. 제 7 항에 있어서, 상기 제2 온도는 650℃ 내지 700℃인 것을 특징으로 하는 강 부품의 제조 방법.8. The method of claim 7, wherein the second temperature is between 650 ° C and 700 ° C. 제 1 항에 있어서, (c) 단계는 상기 일부를 상기 제2 온도까지 급냉하고, 상기 일부가 미세한 미세조직을 형성할 때까지 상기 일부를 상기 제2 온도에서 유지하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 강 부품의 제조 방법.The method of claim 1, wherein step (c) comprises quenching the portion to the second temperature and maintaining the portion at the second temperature until the portion forms a fine microstructure. Method of manufacturing steel parts. 제 9 항에 있어서, 상기 급냉은 20초 이내에 이루어지고 상기 제2 온도는 400℃ 내지 550℃인 것을 특징으로 하는 강 부품의 제조 방법.10. The method of claim 9, wherein the quenching takes place within 20 seconds and the second temperature is 400 ° C to 550 ° C. 제 1 항에 있어서, (d) 단계에서 상기 표면은 유도 가열에 의해서 가열되는 것을 특징으로 하는 강 부품의 제조 방법.The method of claim 1, wherein in step (d) the surface is heated by induction heating. 제 11 항에 있어서, 상기 유도 가열의 주파수는 1㎑ 내지 600㎑인 것을 특징으로 하는 강 부품의 제조 방법.The method of manufacturing a steel part according to claim 11, wherein the frequency of the induction heating is 1 Hz to 600 Hz. 제 11 항에 있어서, 상기 표면은 상기 표면을 따라 함께 이동하는 유도 코일과 소입 링에 의해서 점진적이며 국부적으로 가열되고 소입되는 것을 특징으로 하는 강 부품의 제조 방법.12. The method of claim 11, wherein the surface is gradually heated locally and quenched by induction coils and sintering rings that move together along the surface. 제 1 항에 있어서, (d) 단계에서 상기 표면은 전도 가열에 의해서 가열되는 것을 특징으로 하는 강 부품의 제조 방법.The method of claim 1, wherein in step (d) the surface is heated by conduction heating. 제 1 항에 있어서, (b) 단계에서 상기 일부는 완성품 형상 기어 톱니를 포함하는 형상으로 단조되는 것을 특징으로 하는 강 부품의 제조 방법.2. A method as claimed in claim 1, wherein in step (b) said portion is forged into a shape comprising a finished product gear tooth. 제 15 항에 있어서, 상기 부품은 스티어링 래크이며 상기 블랭크는 환봉 인 것을 특징으로 하는 강 부품의 제조 방법.16. The method of claim 15, wherein the part is a steering rack and the blank is a round bar. 제 1 항에 있어서, (e) 단계 후에 상기 일부를 템퍼링하는 단계를 더 포함하 는 것을 특징으로 하는 강 부품의 제조 방법.The method of claim 1, further comprising tempering said portion after step (e). 환봉 강으로부터 스티어링 래크를 제조하기 위한 방법으로서,As a method for manufacturing a steering rack from round bars, (a) 상기 환봉의 적어도 일부를 750℃ 내지 850℃의 제1 온도로 가열하는 단계;(a) heating at least a portion of the round bar to a first temperature of 750 ° C. to 850 ° C .; (b) 상기 일부에 완성품 형상 기어 톱니를 단조하는 단계;(b) forging a finished gear tooth in said portion; (c) 상기 일부를 20초 이내에 400℃ 내지 550℃의 제2 온도까지 냉각하는 단계;(c) cooling the portion to a second temperature of 400 ° C. to 550 ° C. within 20 seconds; (d) 상기 일부가 미세한 미세조직을 형성할 때까지 상기 일부를 대략 상기 제2 온도에서 유지하는 단계;(d) maintaining the portion at approximately the second temperature until the portion forms a fine microstructure; (e) 적어도 상기 톱니의 표면을 적어도 오스테나이트화 온도로 가열하는 단계; (e) heating at least the surface of the tooth to at least austenitization temperature; (f) 상기 일부를 소입함으로써 상기 표면을 경화시키는 단계; 및(f) hardening the surface by quenching the portion; And (g) 상기 일부를 템퍼링하는 단계;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 환봉 강으로부터 스티어링 래크를 제조하기 위한 방법.(g) tempering said portion; a method for manufacturing a steering rack from a round bar steel.
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