KR20080014394A

KR20080014394A - 고온 진공침탄용 크롬 합금강

Info

Publication number: KR20080014394A
Application number: KR1020060076038A
Authority: KR
Inventors: 노현우; 조봉래
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-08-11
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2008-02-14

Abstract

본 발명은 고온 진공침탄용 크롬 합금강에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 접촉 피로강도가 우수하고 환경친화적 침탄열처리법인 진공침탄법에 적합한 전용 합금강의 개발에 관한 것으로서, 진공 침탄의 특성을 활용하여 기존 가스 침탄에서 표면이상층 생성으로 인해 제한되었던 원소인 Cr, Si 의 함량을 확대하고, 고온 침탄이 가능하도록 일부 미량첨가 원소들(미세석출물 생성원소)의 함량을 조절한 고온 진공침탄용 크롬 합금강에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 C 0.22∼0.24 중량%, Si 0.70~0.90 중량%, Mn 0.50∼0.80 중량%, P 0.030 중량% 이하, S 0.020 중량% 이하, Cr 1.25∼1.55 중량%, Ti 0.008∼0.012 중량%, Nb 20∼40 ppm, 질소 70∼120ppm, Fe 나머지 중량%을 포함하는 합금계 성분에 합금의 청정도를 위해 용존산소량을 12ppm 이하로 함유하게 한 것을 특징으로 하는 고온 진공침탄용 크롬 합금강을 제공한다.

진공침탄, 크롬 합금강, 변속기, 기어

Description

고온 진공침탄용 크롬 합금강{Cr alloy steel for the high temperature vacuum carburizing}

도 1은 본 발명의 크롬 합금강이 적용될 수 있는 무단변속기용 쉬브(Sheave)를 보여주는 사진.

통상적으로, 변속기 기어류는 엔진동력을 직접 차동계로 전달시키는 부품으로, 고강도 및 고피로강도가 요구되는 부품이다.

따라서, 기어 표면을 경화시켜 강도 및 피로강도를 높여 사용하게 되는데, 이때 흔히 사용되는 열처리 방법이 침탄열처리이며, 현재 많이 사용되고 있는 열처리는 일반 가스 침탄열처리인데, 표면에 내구성을 저하시키는 표면이상층 및 비소입층이 15~25㎛ 생성되고, 고온침탄이 불가함으로 인해 열처리 시간과 비용의 증가를 초래하며, 제조공정상에서도 이산화탄소의 발생, 염욕 또는 오일 사용 등으로 후처리 비용을 발생시키는 등의 여러 문제점들이 대두되고 있다.

이러한 가스 침탄의 문제에 대응할 새로운 열처리방법 중 가장 주목을 받고 있는 방법이 진공침탄법이다.

상기 진공침탄법은 진공분위기에서 침탄을 실시하고, 고압의 가스로 소입을 시키는 새로운 열처리 방법으로, 표면이상층이 생성되지 않아 내구성(내피로성 및 내마모성)이 획기적으로 향상되며, 침탄시 이산화탄소 발생이 거의 없고, 폐유/폐수처리 등이 없으며, 이물질 제거를 위한 쇼트 등 후공정이 필요 없어 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

이러한 이유로, 현재 유럽 및 미국의 일부 자동차 회사에서 적용하고 있으며, 일본의 자동차 회사를 중심으로 활발한 개발이 진행되고 있다.

상용되는 변속기 기어용 합금강을 일반 가스 침탄 대신 진공침탄으로 대체시, 소입시 예측가능한 열변형특성 등으로 NVH 성능의 향상도 꾀할 수 있고, 공정 자체가 환경친화적이므로 향후 환경 법규에의 대응도 가능하다.

일반적으로 높은 강도를 요구하는 부품의 경우에는 크롬-몰리브덴 합금강을 침탄해서 사용하는 것이 일반적이나, 고가의 몰리브덴이 첨가됨에 따라 원가의 부 담이 높은 것이 사실이다.

따라서, 도 1의 사진에 나타낸 무단변속기용 쉬브(Sheave)와 같이 큰 부하를 받지 않고, 강도 보다는 높은 접촉 피로특성을 요구하는 부품에 적합하고, 또한 진공침탄의 장점을 최대로 살릴 수 있는 진공침탄용 전용소재가 필요한 실정에 있다.

이러한 진공침탄에 적합한 전용소재를 개발할 경우, 위에서 언급된 진공침탄의 장점을 살리고, 또한 접촉 피로강도도 획기적으로 높일 수 있을 것으로 확신된다.

또한, 현재 개발된 진공침탄로가 모두 고온침탄이 가능하기 때문에 진공침탄 전용소재가 고온에서 처리될 수 있도록 개발되면 침탄시간 단축에 의한 생산성 향상도 가능해 그 파급효과는 배가될 것으로 판단된다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구된 결과물로서, 큰 부하를 받지 않는 자동차 변속기 기어 및 샤프트에 많이 사용되는 기존 Cr 합금강의 구성 원소들을 기초로 진공침탄에 적합하도록 합금설계를 하고, 또한 1050℃의 고온에서도 결정립 조대화없이 침탄 가능한 진공침탄 전용소재로서 고온 진공침탄용 크롬 합금강을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 C 0.22∼0.24 중량%, Si 0.70~0.90 중량%, Mn 0.50∼0.80 중량%, P 0.030 중량% 이하, S 0.020 중량% 이하, Cr 1.25∼1.55 중량%, Ti 0.008∼0.012 중량%, Nb 20∼40 ppm, 질소 70∼120ppm, Fe 나머지 중량%을 포함하는 합금계 성분에 합금의 청정도를 위해 용존산소량을 12ppm 이하로 함유하게 한 것을 특징으로 하는 고온 진공침탄용 크롬 합금강을 제공한다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 기존 침탄과 달리 진공 침탄에서 얻을 수 있는 장점을 최대화시킬 목적으로 진공침탄에 적합한 진공침탄 전용 크롬 합금강을 제공하고자 한 것이다.

본 발명에 따른 크롬-몰리브덴 합금강의 합금계 성분은 하기의 표 1에 비교강1 및 비교강 2와 함께 기재된 바와 같다.

위의 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 크롬 합금강은 기존의 크롬 합금강(SCr420HB) 및 크롬-몰리브덴 합금강(SCM920HVSi)과 달리, C 0.22∼0.24 중량%, Si 0.70~0.90 중량%, Mn 0.50∼0.80 중량%, P 0.030 중량% 이하, S 0.020 중량% 이하, Cr 1.25∼1.55 중량%, Ti 0.008∼0.012 중량%, Nb 20∼40 ppm, 질소 70∼120ppm, Fe 나머지 중량%을 포함하는 합금계 성분에 합금의 청정도를 위해(불순물 함량을 줄이기 위해) 용존산소량을 12ppm 이하로 함유하게 한 것을 특징으로 한다.

진공침탄은 진공의 무산화분위기에서 침탄이 일어나므로, 합금원소 설계시 물성향상에 유익한 원소임에도 불구하고, 기존 침탄에서는 사용이 제한되었던 원소들을 이용할 수 있으며, 그 원소가 주로 크롬과 실리콘이다.

상기 크롬은 강의 소입성 향상에 매우 유효한 원소로서, 심부 경도를 높여 굽힘피로강도 향상에 매우 유용하며, 안정된 미세탄화물을 잘 만들어 침탄을 촉진시키며 침탄을 적합하도록 만들고, 또한 템퍼링(tempering)시 연화저항성을 크게 향상시켜 특히 접촉피로특성(내피팅성)을 현저히 높인다.

따라서 본 발명에서는 기존의 상용 크롬강 대비 많은 량의 크롬을 첨가하였다.

상기 실리콘은 기지에 고용되어 피로강도향상에 도움이 되고, 템퍼링(tempering)시 연화저항성을 크게 향상시켜 접촉피로특성(내피팅성)을 현저히 높인다.

상술한 바와 같이 크롬과 실리콘은 연화 저항성을 매우 향상시키기 때문에 장시간 사용후 발생되는 기어 표면손상형태인 치면피팅 발생을 최소화해 자동차 보증연한을 늘릴 수 있는 큰 장점도 있다.

상기 크롬과 실리콘이 자동차 기어의 물성 향상에 매우 유효한 원소들임에도 불구하고 사용이 제한되었던 이유는 기존 가스 침탄시 입계산화층을 매우 잘 만드는 원소였기 때문이며, 그러나 본 발명에서는 무산화분위기 침탄공정인 진공침탄법을 사용함으로써 입계산화층에 대한 우려없이 피로강도와 연화저항성에 최적합한 함량을 투입하였다.

따라서, 본 발명에서는 크롬과 실리콘 함량을 적극적으로 채용하였고, 또한 1050℃ 고온침탄을 가능하도록 Ti와 Nb도 복합 첨가하였다.

본 발명의 크롬 합금강은 피로강도, 비틀림 피로 강도, 접촉피로특성(내피팅성) 등이 기존 합금강 대비 획기적으로 향상되게끔 화학성분을 조절함과 함께 고온침탄 안정화를 위해 미세석출물 원소를 복합 첨가하였으며, 또한 소입성 조정 및 원가절감 측면에서 비싼 원소인 Mo를 첨가하지 않았다.

본 발명의 주요 구성원소 및 그 함량의 한정 이유에 대해 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

1) 탄소(C): 0.22∼0.24 중량%

원하는 심부경도를 HV 420 내지 453 정도로 얻기 위하여 적어도 0.22% 이상의 첨가가 필요하며, 0.24중량% 이상이면 심부경도가 너무 증가하여 담금질후에 표면의 압축잔류응력을 충분히 도입을 할 수 없으므로, 탄소의 함량은 0.22∼0.24 중량%로 한정한다.

2) 실리콘(Si): 0.70∼0.90 중량%

실리콘은 기지에 고용되어 피로강도향상에 도움이 되고, 템퍼링(tempering)시 연화 저항성을 크게 향상시켜 접촉피로특성(내피팅성)을 현저히 높일 수 있는 성분으로서, 함유량이 0.70 중량% 미만일 경우 연화 저항성이 커지지 않으며, 반면에 0.90 중량%를 넘어서는 경우 기지의 고용강화효과가 너무 커서 성형성을 극히 떨어뜨려 단조 및 가공을 어렵게 하므로, 0.70∼0.90 중량%로 한정하는 것이 좋다.

3) 망간(Mn): 0.50∼0.80 중량%

강의 담금질성을 보장하기 위하여 적어도 0.50중량%의 양이 첨가되어야 한다. 그러나, Mn은 입자계 산화발생을 일으키기 쉬우므로, 이를 감소시키기 위하여 0.80중량% 이하로 한정해야 한다.

4) 인(P): 0.030 중량% 이하

인의 불순물로서, 통상 유해하지 않는 범위 내에서 그 함량을 0.03 중량% 이하로 관리하는 것이 좋다.

5) 황(S): 0.020 중량% 이하

황은 불순물로서, 통상 유해하지 않는 범위 내에서 0.02 중량% 이하로 관리하는 것이 좋다.

6) 크롬(Cr): 1.25∼1.55 중량%

크롬(Cr)은 진공침탄 전용 목적 및 피로강도 개선목적의 합금설계를 위한 성분으로서, 크롬은 강의 소입성 향상에 매우 유효한 원소로서, 심부 경도를 높여 굽힘 피로강도 향상에 매우 유용하고, 안정된 미세탄화물을 잘 만들어 침탄을 촉진시키며 침탄을 적합하게끔 만들며, 또한 템퍼링(tempering)시 연화저항성을 크게 향상시켜 특히 접촉피로특성(내피팅성)을 현저히 높이는 성분으로서, 1.25 중량% 미만일 경우 통상 고강도 크롬 합금강의 소입성 대비 현저한 차이가 나지 않아 피로강도 물성향상이 크지 않으며, 또한 템퍼링(Tempering) 연화저항성이 현저히 커지지 않아 접촉피로특성 개선이 미흡하며, 1.55 중량% 이상일 경우 다량의 미세 탄화물 석출로 가공 및 단조성형성이 급격히 떨어지는 문제가 발생하게 되므로, 그 함량을 1.25∼1.55 중량%로 한정하는 것이 좋다.

7) 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 질소

본 발명의 크롬-몰리브덴 합금강은 고온침탄시 결정립 조대화를 방지하기 위해(GCT를 높이기 위해) 결정립 미세화를 촉진시킬 수 있는 원소인 Ti 및 Nb를 복합 첨가하였다.

고온에서 결정립 성장을 막기 위해서는 고온에서 안정한 미세 석출물이 많이 그리고 고르게 분포해 있어야 하는데, 티타늄(Ti)은 TiN 석출물을 만들어 결정립 미세화를 효과적으로 만드는 원소로서 그 효과는 매우 탁월하고, 니오븀(Nb)의 경우도 NbN이나, 다량의 Nb(CN) 등을 만들어 결정립 미세화를 효과적으로 만드는 원소이며, 티타늄(Ti) 함량이 적절히 관리되면 기타 니오븀(Nb) 등의 원소 첨가가 불필요하나, 본 발명에서 니오븀(Nb)를 복합 첨가한 이유는 적절한 티타늄(Ti)함량을 찾기가 매우 어려워, 안정적으로 고온 안정 미세석출물을 얻기 위함이다.

따라서, 본 발명의 크롬-몰리브덴 합금강에는 티타늄(Ti) 0.008∼0.012 중량%, 니오븀(Nb) 20∼40 ppm, 그리고 적정량의 TiN 석출을 위해 질소 함량은 20∼120ppm 첨가하였다.

이때, 티타늄(Ti)은 합금강내에서 미세한 탄화물(주로 TiN)을 만들어 결정립을 미세화시키는 원소로서, 그 함량이 0.008 중량% 이하인 경우는 그 효과가 크지 않으며, 0.012 중량%를 넘어서는 경우는 탄화물이 결정입계에 과다 석출 또는 크게 석출해 취성이 커질 뿐만 아니라 결정립 미세화 효과가 떨어지는 문제가 발생하므로, 0.008∼0.012 중량%로 한정한다.

니오븀(Nb)도 티타늄(Ti)과 마찬가지로 합금강내에서 미세한 니오비윰 탄, 질화물을 만들어 결정립 조대화를 막아주는 원소로서 그 함량이 20ppm 이하인 경우는 그 효과가 크지 않으며, 40ppm 을 넘어서는 경우는 탄화물이 결정입계에 과다 석출해 취성이 커지는 문제가 발생하므로, 20∼40 ppm으로 한정한다.

상기의 고온안정 미세 석출물들은 1200°C 이상의 고온에서도 안정한 원소로서 원소재 제조공정에서 그 크기나 분포들이 결정되므로, 2차 공정인 침탄열처리 등에서는 크게 바뀌지 않는다.

따라서, 제강후 원소재 제작시(연속주조시) 600°C 까지의 냉각속도에 의해 그 크기나 분포들이 결정될 가능성이 높은데, 일반적으로 20℃/분 이상의 냉각속도를 가질 때 최적 크기 및 최적 분포의 미세석출물을 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 비교예와 함께 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예

C 0.22∼0.24 중량%, Si 0.70~0.90 중량%, Mn 0.50∼0.80 중량%, P 0.030 중량% 이하, S 0.020 중량% 이하, Cr 1.25∼1.55 중량%, Ti 0.008∼0.012 중량%, Nb 20∼40 ppm, 질소 70∼120ppm, Fe 나머지 중량%을 포함하는 합금계 성분에 합금의 청정도를 위해 용존산소량 12ppm 이하가 함유된 크롬 합금강 소재를 1050℃에서 40분 동안 침탄하고, 20분 동안 가스 소입시킨 다음, 170℃에서 2시간 동안 템퍼링을 실시하여 시편으로 제작하였다.

비교예1

비교예1에 따른 크롬 합금강(SCr420HB)은 본원 출원인의 대표적 고강도 변속기 기어 및 샤프트용강으로서, C 0.17∼0.23 중량%, Si 0.15∼0.35 중량%, Mn 0.55∼0.95 중량%, P 0.020 중량% 이하, S 0.020 중량% 이하, Cr 0.85∼1.25 중량%, Nb 15∼35 ppm, Fe 나머지 중량%을 포함하는 합금계 성분에 합금의 청정도를 위해 용존산소량 15ppm 이하가 함유된 크롬 합금강 소재를 900℃에서 2시간 동안 침탄하고, 염욕에서 220℃로 솔트(salt) 소입시킨 다음, 170℃에서 2시간 동안 템퍼링을 실시하여 시편으로 제작하였다.

비교예2

비교예2에 따른 크롬-몰리브덴 합금강(SCr920HVSi)은 본원 출원인의 대표적 고강도 변속기 기어용 강으로서, C 0.17∼0.21 중량%, Si 0.15 중량% 이하, Mn 0.60∼0.85 중량%, P 0.020 중량% 이하, S 0.030 중량% 이하, Cr 1.25∼1.45 중량%, No 0.55∼0.65 중량%, Nb 15∼35 ppm, Fe 나머지 중량%을 포함하는 크롬-몰리브덴 합금강 소재를 900℃에서 2시간 동안 침탄하고, 염욕에서 220℃로 솔트(salt) 소입시킨 다음, 170℃에서 2시간 동안 템퍼링을 실시하여 시편으로 제작하였다.

시험예1

실시예 및 비교예1-2에 대한 경도 측정 및 피로시험, 충격시험, 접촉피로시험, 비틀림 피로시험을 하기의 표 2에 기재된 각주에 설명된 바와 같이 실시하였는 바, 그 물성치 결과는 표 2에 기재된 바와 같다.

위의, 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명강은 기존 크롬계 합금강보다 현저하게 물성 향상이 있는 것을 알 수 있으며, 1050°C 고온에서 침탄열처리를 실시했음에도 불구하고, 미세한 결정립 분포를 나타났으며, 피로특성 또한 현저한 상승이 나타남을 알 수 있었다.

특히, 접촉피로한 및 비틀림피로한은 합금설계에 부응해 획기적인 상승을 나타냄을 알 수 있었다.

시험예2

실시예 및 비교예1,2에 따른 합금강에 대하여, 1050℃ 고온 침탄 가능성을 재확인하기 위해 결정립 조대화가 일어나는 온도(GCT)를 비교 평가해 보았는 바, 그 결과는 다음의 표 3에 도시된 바와 같다.

위의 표 3에서 보는 바와 같이, 본 발명강이 기존 고강도 크롬계 합금강에 비해, 고온 결정립 조대화 온도가 현저히 높아짐을 확인할 수 있었다.

즉, 기존 고강도 크롬계 합금강은 GCT가 1000°C 이하로 1050°C 침탄이 불가한데 비해, 본 발명강은 GCT가 1100°C 이상으로 1050°C 이상의 침탄이 가능함을 알 수 있었다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 고온 진공침탄용 고강도 크롬 합금강에 의하면, 진공침탄시 기존 고강도 크롬-몰리브덴 합금강 및 크롬강 대비 매우 우수한 피로물성(내구성)을 나타내며, 또한 1050℃ 이상의 고온 침탄도 가능해 열처리 시간 단축 등에 따른 수익성 개선을 얻을 수 있는 장점이 있다.

Claims

C 0.22∼0.24 중량%, Si 0.70~0.90 중량%, Mn 0.50∼0.80 중량%, P 0.030 중량% 이하, S 0.020 중량% 이하, Cr 1.25∼1.55 중량%, Ti 0.008∼0.012 중량%, Nb 20∼40 ppm, 질소 70∼120ppm, Fe 나머지 중량%을 포함하는 합금계 성분에 합금의 청정도를 위해 용존산소량을 12ppm 이하로 함유하게 한 것을 특징으로 하는 고온 진공침탄용 크롬 합금강.