KR20070074378A - 철강재료의 침탄 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기어(Gear), 피니언(Pinion), 휠(Wheel), 롤(Roll), 피스톤(Piston)등의 철강재료제작 시 내구성 및 내마모성을 향상시키는 침탄 열처리 방법에 관한 것으로,

기존 침탄 기술로는 얻을 수 없었던 표면강도를 철강재료에 부여하는 기술로서, 더욱 자세히는 제작 공정 중 침탄 열처리 시 침탄 깊이를 6mm까지 가능한 침탄 열처리 방법으로, 침탄 할 소재를 선정하고 상기 소재에 침탄을 방지할 부위에 방지 처리를 한 후 200시간의 침탄 싸이클을 갖는 1차 침탄을 행한 후 10시간의 침탄 싸이클을 갖는 2차 침탄을 행한 후, 1,2차 템파링을 통하여 완성하는 침탄 열처리 방법으로, 침탄 깊이를 6mm까지 가능토록 함으로 내구성 및 내마모성 등의 기계적인 성질을 향상시킬 뿐만 아니라 변형이 적어 기어제작 공정 시 후 공정 연마시간이 짧아지는 등 그 효과가 다대한 침탄 열처리 방법이다.

침탄 열처리, 내구성, 내마모성, 연마, 기어

Description

철강재료의 침탄 열처리 방법{The method of Carburizing}

도 1은 본 발명에 따른 침탄 열처리 공정을 순차적으로 나타내는 도면

도 2는 본 발명에 따른 침탄 열처리 후 표면깊이에 따른 경도를 나타내는 그래프

도 3은 선택된 소재의 조직 및 입도를 확대한 사진

도 4는 침탄담금질 이후의 철강재료의 조직 및 입도를 확대한 사진

도 5는 본 발명의 공정을 완전히 거친 철강재료의 조직 및 입도를 확대한 사진

본 발명은 철강재료의 제작 시 내구성 및 내마모성을 향상시키는 침탄 열처리 방법에 관한 것으로,

여러 열처리 방법 중 침탄법이 사용되는 재료는 다양하며 국내 열처리 업계는 규모가 대부분 영세하고 기술력 저하로 대형 제철소나 중공업에 침탄법에 이한 경도강화 필요 시 대응을 하지 못하여 많은 문제가 야기 되고 있다. 침탄을 통해 표면경화 강도를 향상시키는 방법으로 알려진 기술에는 당사와 같은 침탄깊이를 깊게 하는 기술 외에 고농도 침탄법이 있다. 고농도 침탄법은 침탄깊이에는 변화를 주지 않고, 탄소량을 종래의 0.8%~1.0%에서 2~3%로 하여 침탄부품의 고강도화를 얻게 하는 기술인데, 탄화물의 형상이나 양의 제어가 용이하지 못하고, 처리 시 높은 C.P(Carbon Potential)로 인해 다량의 그을음(Soot)이 발생하여 장치의 유지관리를 어렵게 함은 물론 품질을 저하시키는 등의 여러 가지 문제점을 가지고 있다. 물론 이러한 단점을 개선하기 위한 연구개발이 시도되고 있는 실정이다.

통상 높은 내마모성이 요구될 뿐만 아니라 계속적인 운동에 의한 충격에도 견딜 수 있는 내구성, 내마멸성 등 큰 기계적 성질을 만족하기 위해서는 비커 경도값 HV 513 까지의 매우 높은 수준까지 요구하게 됨으로, 이러한 요구에 맞추어 철강재료를 제작하기 위해서 행해지는 표면 경화법은 대단히 어려운 기술을 요구하며, 일반적으로 기어를 제작함에 표면 경화법으로 침탄 열처리를 수행함으로 상기의 기계적 성질의 요구를 충족시키고 있다.

상기 표면 경화법인 침탄 열처리는 강의 표면에 탄소(카본)를 침투시켜 표면을 경화하는 것으로, 탄소량이 비교적 저탄소의 강이나 저탄소 합금강을 침탄제 속에 파묻고 오스테나이트 범위로 가열한 다음, 그 표면에 탄소를 침입, 확산시켜서 표면층만을 고탄소 조직으로 만드는 방법으로 탄소가 침입, 확산되는 표면층의 깊 이에 따라 기계적인 성질에 미차가 있는바, 그 기술적 구성이 어려워 기계적 성질을 만족하는 비커 경도값 HV 760~513 까지의 수준을 가지도록 표면 깊이 침탄 시키는 것이 어려워 깊은 표면까지 강도를 높여 구성된 철강재료의 제공이 어려웠다.

이에 본 발명은 철강재료(Gear, Pinion Wheel, Roll, Piston등)를 제작함에 더욱 기계적 성질이 우수한 철강재료를 제작함에 있어서,

기존 침탄기술로는 얻을 수 없었던 표면강도를 높이기 위하여, 표면에서 6mm 내부까지 비커 경도값 HV 760~513 까지의 매우 높은 수준까지 만족하도록 침탄이 가능한 침탄 열처리 방법으로, 침탄 할 소재를 선정하고 상기 소재에 침탄을 방지할 부위에 방지 처리를 한 후 200시간의 침탄 싸이클을 갖는 1차 침탄을 행한 후 10시간의 침탄 싸이클을 갖는 2차 침탄 및 1,2차 템파링을 행하는 본 발명의 침탄 열처리 방법을 통하여 침탄 깊이를 6mm까지 가능토록 함으로 내구성 및 내마모성 등의 기계적인 성질을 향상시킬 뿐만 아니라 변형이 적어 기어제작 공정 시 후공정 연마시간이 짧아지는 등 기존의 침탄방법과 다른 본 발명의 과정으로서 강의 표면 HV 613에 6mm까지 경도값이 HV 513 이상 되도록 침탄 열처리가 이루어질 수 있는 침탄 열처리 방법을 제공하여 사용자의 목적에 부합하는 기어의 제공에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 침탄 열처리에 의해 철강재료(Gear, Pinion Wheel, Roll, Piston등)를 제조하는 작업공정에 대해 자세히 설명을 하면,

일반적으로 철강재료(Gear, Pinion Wheel, Roll, Piston등)를 제작함에 기어 사용 목적에 맞는 강을 선정하고, 선정한 강을 단조 - 황삭 - 불림 - 정삭 - 침탄 열처리 - 연삭 - 조립함으로 기어의 제조공정을 완성하게 된다. 통상 대형 기어 등에서는 경도값 HV 613~513 이상 되어야지만 경제적 효율성을 가지므로 이상의 경도를 이루며 침탄할 수 있도록 하는 방법에 관한 것으로,

이에 침탄 열처리 시에는 침탄에 의해 형성된 경화층 깊이에 따라 강의 기계적 성질이 달라지는 바, 본 발명에 따른 경화층 깊이가 표면에 HV 613에서 6mm까지 경도값 HV 513 이상 가능토록 하는 침탄 열처리를 하기 위해서는,

도 1은 본 발명에 따른 침탄 열처리 공정을 순차적으로 나타내는 도면으로 도 1을 참조하여, 철강재료 제조를 위해 침탄 시 경화층 깊이 들어가도 사용상 문제가 없으면서, 장시간 침탄 시에도 조직이 파계되지 않으며, 입자가 커지거나 조직이 비대화되지 않는 6mm까지 침탄이 가능한 강(본 발명에서는 UT, MT검사를 합격한 알루미늄합금을 첨가 재료로 사용하여 제강한 SNCM420과 SNC815를 사용함)을 선택하는 단계와;

상기 선택된 강을 5S이상의 단조비로 단조 후 950℃에서 불림 열처리를 하고, 황삭 치절가공한 후 침탄 열처리 시 변형량을 줄이기 위해 QT열처리를 하며, 다시 정삭가공을 한 후 마지막으로 치면 연마를 하여 기어 등 부품으로 가공하여 침탄 열처리 시 경화층 형성에 방해가 되지 않게 하는 선가공 단계와;

침탄 열처리에 들어가기 전 침탄 할 부위가 아닌 곳에 1차적으로 침탄 방지함에 제품이 입고하면 이를 세척하고 2~3시간 건조 후 침탄 하지 않을 부위에 1차로 침탄 방지제를 도포하고 4~5시간 건조 후 2차로 침탄 방지제로 도포하고 6~7시간 건조 후 3차로 침탄 방지제를 도포하고 10시간 정도 건조하는 1차 침탄방지단계;

침탄 싸이클을 200시간으로 하여 C.P값을 침탄 1.0%, 확산0.8%로 하여 실재 침탄 깊이가 6.0mm로 되며 잔류 오스테나이트가 10%이하가 되게 하는 1차 침탄 단계와 침탄 싸이클을 10시간으로 하여 CP값을 침탄 0.85%, 확산 0.77%로 하는 2차 침탄 단계와 출고 전 이를 검사하는 검사단계로 이루어진 기어 제조 공정 중 침탄 열처리 시 경화층 깊이가 6mm까지 이루어지는 1차 침탄 단계와 2차 침탄 단계의 침탄 열처리 방법이 그 특징인바,

상기와 같이 1차 침탄방지가 이루어지면 침탄 싸이클이 200시간이 되도록 하고, cp값을 침탄 1.0%, 확산 0.8%로 하여 침탄로에 장입시키고 승온시킨다. 이때 침탄 싸이클을 200시간으로 하는 것은 침탄 깊이 공식 L =k(k는 상수로서 0.5)에 의하면 L=0.5*=0.7(mm)로서, 200시간일 때 계산상으로 0.7mm가 되지만 실제로는 경험상 침탄 깊이가 0.7mm보다 적게 됨으로 200시간으로 함이 바람직하며, 장시간에 걸친 침탄과 확산으로 인해 망상 시멘타이트 발생으로 인한 불량이 발생함으로 1시간 10분은 침탄을 행하고, 40분은 확산을 수행하도록 하고, 이를 반복적으로 수행 하게 함으로 망상 시멘타이트의 발생을 억제하고 강의 조직 또한 안전하게 관리할 수 있을 뿐만 아니라, 잔류 오스테나이트도 10%이하로 유지되게 한다. 이렇게 반복적으로 침탄, 확산이 이루어져 1차 침탄 열처리가 완료되면, 정삭등 사전 가공된 부위가 줄어짐을 방지하기 위해 침탄로의 온도를 600℃ 까지 침탄로 내에서 질소로 서냉하며, 600℃ 이하가 되면 침탄로 문을 개방하고 제품이 균일하게 공기에 의해 냉각될 수 있게 24시간 정도 냉각하게 된다. 이렇게 냉각이 끝나게 되면 사전 가공면에 변형의 발생 여부를 확인하기 위해 디지털 버어니어 등으로 변형 여부를 검사하고, 또한 200시간 이상을 침탄 열처리를 수행하게 되면 상기 기어(gear)에 스트레스 나 망상 시멘타이트가 발생할 수 있음으로 이것을 제거하기 위해 구상화 소둔(燒鈍)을 행하여 구상화 조직으로 바꾸어 주는 1차침탄열처리 단계;

이렇게 1차 침탄이 완료되면 2차 침탄을 수행하기 전에 1차 침탄 방지 한 부위를 벗겨 내고 다시 그 부위에 2차로 침탄이 되지 않도록 방지하는 2차 침탄방지 단계;

상기 2차 침탄 방지단계 후, 침탄 싸이클이 13시간이 되도록 하고, CP값을 침탄 0.85% 1시간 10분, 확산 0.77% 40분으로 하여, 승온 시 스케일 및 탈탄을 방 지하기 위해 침탄로 내에 공기가 유입되지 못하도록 질소를 계속적으로 주입하고, 침탄로 내의 승온이 완료되면 질소 투입을 중단하고 메탄올 가스를 투입하는 2차 침탄열처리단계; 2차 침탄 열처리 후 가스 투입을 중단하고 침탄로 문을 개방하여 소재를 오일에 60~80℃로 냉각 하여 경도를 높이는 소입단계;

경도가 너무 높으면 취성이 생기므로 인성을 부여하여 취성에 강해지도록 하여, 냉각이 60~80℃ 가 되면 유냉에서 꺼내어 완전히 식힌 다음 경도가 저하되지 않도록 230~280℃ 사이에서 13~16시간 1차적으로 뜨임(Tempering)을 하는 1차 템파링단계;

더욱 큰 하중과 충격에서 견딜 수 있도록 하기 위해 1차 온도보다 다소 낮은 180~200℃에서 13~16시간 2차 뜨임(Tempering)을 하는 2차 템파링단계로 진행을 한다.

상기 과정을 거치는 동안의 소재의 조직 및 입도사진을 도 3,4,5를 통하여 살펴보면 도 3은 선택된 소재의 조직 및 입도사진을 확대한 사진이고, 도 4는 침탄단계를 거친 후의 철강재료의 조직 및 입도사진을 확대한 사진이며, 도 5는 템파링 과정까지 모두 마친 철강재료의 조직 및 입도사진을 확대한 사진으로 조직이 보다 내구성 및 내마모성을 가질 수 있는 모습으로 변하고 있음을 식별할 수 있다.

따라서 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명을 통한 내구성 테스트의 그래프를 통하여 기어 등의 내구성 및 내마모성을 충족하는 비커(vicker) 경도값 Hv 613이 경화층 표면으로부터 침탄 시 6mm의 깊이 HV 513까지 될 수 있도록 완만한 침탄층 구배가 이루어짐으로 우수한 기계적인 성질을 가지게 되는 철강재료의 제공이 가능한 것이다.

상술한 바와 같이, 기어(Gear), 피니언(Pinion), 휠(Wheel), 롤(Roll), 피스톤(Piston)등의 철강재료의 제작공정 중 본 발명에 따른 침탄 시 6mm의 경화층 깊이까지 비커(vicker) 경도값 Hv 513이 되도록 침탄 열처리를 함으로 잔류 오스테나이트의 발생을 방지하여 소재의 기계적인 성질인 내마모성 및 내구성을 향상시켜, 고품질의 소재를 제작하여 철강재료을 제공하며 기계에 유용하게 적용함으로 경제적으로 그 효과가 아주 큰 발명이라 하겠다.

Claims (5)

1. 선정한 강을 선가공후 침탄 및 뜨임을 진행하여 침탄열처리하여 철강재료을 생산하는 과정에 있어서,

   선정한 강을 가공단계를 거친 후,

   침탄 방지를 하는 1차 침탄방지 단계;

   침탄 싸이클을 200시간으로 하여 C.P값을 침탄 1.0%, 확산 0.8% 로 반복하는 1차 침탄 열처리 단계와;

   다시금 침탄 방지를 하는 2차 침탄방지 단계;

   침탄 싸이클을 10~13시간으로 하여 cp값을 침탄 0.85%, 확산 0.77%로 하는 2차 침탄 열철리 단계로 이루어져 기어 표면에 6mm 깊이의 경도값 HV 513 이상의 경화층을 형성하는 2차 침탄 열처리 단계;

   2차 침탄 열처리 후 가스 투입을 중단하고 침탄로 문을 개방하여 소재를 오일에 60~80℃로 냉각 시키켜 경도를 높이는 소입단계;

   경도가 너무 높으면 취성이 생기므로 인성을 부여하도록 하는 템파링단계로 이루어지는 것을 포함하는 철강재료의 침탄 열처리 방법
2. 제 1항에 있어서,

   1차 침탄 열처리 단계는 장시간에 걸친 침탄시 망상 시멘타이트의 발생을 억 제하기 위해 1시간 10분은 침탄을 수행하고, 40분은 확산을 수행하며, 이를 반복적으로 수행하여 기어 표면에 HV 613에서 6mm 깊이의 비커 경도값 HV 513 이상의 경화층을 형성하는 것을 포함하는 철강재료의 침탄 열처리 방법
3. 제 1항에 있어서,

   상기 2차 침탄 단계는 침탄 싸이클이 cp값 0.85% 10시간이 되도록 하고, 확산 0.77%로 하여 13시간 하여, 승온 시 스케일 및 탈탄을 방지하기 위해 침탄로 내에 공기가 유입되지 못하도록 질소를 계속적으로 주입하고, 침탄로 내의 승온이 완료되면 엔렌치 가스를 투입하면서 질소 투입을 중단하여 기어 표면에 6mm 깊이의 비커 경도값 HV 513 이상 경화층을 형성하는 것을 포함하는 철강재료의 침탄 열처리 방법
4. 제 1항에 있어서,

   1차 침탄 방지 단계는 침탄 열처리에 들어가기 전 침탄 할 부위가 아닌 곳에 1차적으로 침탄 방지함에 제품이 입고하면 이를 세척하고 2~3시간 건조 후 침탄 하지 않을 부위에 1차로 침탄 방지제를 도포하고 4~5시간 건조 후 2차로 침탄 방지제로 도포하고 6~7시간 건조 후 3차로 침탄 방지제를 도포하고 10시간 정도 건조하는 것을 포함하는 철강재료의 침탄 열처리 방법
5. 제 1항에 있어서,

   템파링 단계는 경도가 너무 높으면 취성이 생기므로 인성을 부여하여 취성에 강해지도록 하며 냉각이 60~80℃가 되면 유냉에서 꺼내어 완전히 식힌 다음 경도가 저하되지 않도록 230~280℃ 사이에서 13~16시간 1차적으로 뜨임(Tempering)을 하는 1차 템파링단계와,

   1차템파링단계 억지끼워맞춤에 조직이 강제로 늘리는 것에 충분한 압축응력을 부여하기 위해서 더욱 큰 하중과 충격에서 견딜 수 있도록 하기 위해 1차 온도보다 다소 낮은 180~200℃에서 13~16시간 2차 뜨임(Tempering)을 하는 2차 템파링단계로 이루어지는 것을 포함하는 철강재료의 침탄 열처리 방법

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