KR20080102556A - 기어류 제조용 고주파 열처리 공냉경화강 소재 및 그 제조방법 - Google Patents

기어류 제조용 고주파 열처리 공냉경화강 소재 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20080102556A KR1020070049160A KR20070049160A KR20080102556A KR 20080102556 A KR20080102556 A KR 20080102556A KR 1020070049160 A KR1020070049160 A KR 1020070049160A KR 20070049160 A KR20070049160 A KR 20070049160A KR 20080102556 A KR20080102556 A KR 20080102556A
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Abstract

본 발명은 기어류 제조용 고주파 열처리 공냉경화강 소재 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 합금성분을 조정해 열간단조후 침탄열처리를 고주파열처리로 대체함으로써, 고강도의 기어 제작이 가능한 기어류 제조용 고주파 열처리 공냉경화강 소재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.50∼0.70중량%, 실리콘(Si) 1.00∼2.00중량%, 망간(Mn) 1.00∼2.00중량%, 인(P) 0.025중량% 이하, 황(S) 0.025중량% 이하, 크롬(Cr) 0.80∼1.20중량%, 몰리브덴(Mo) 0.10∼0.40중량%, 알루미늄(Al) 0.010∼0.050중량%, 보론(B) 0.005∼0.050중량%가 함유된 소재 및; 이 소재를 1200℃에서 열간단조하는 단계와, 어닐링 및 가공 단계와, 팬에 의하여 0.25∼5℃/s 로 공기 냉각하는 소입 및 소려 처리 단계와, 860∼930℃에서 10분 동안 고주파 열처리하는 단계와, 정밀 가공 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 기어류 제조용 고주파 열처리 공냉경화강 제조 방법을 제공한다.
기어류, 고주파 열처리, 공냉경화강, 공기 냉각

Description

기어류 제조용 고주파 열처리 공냉경화강 소재 및 그 제조 방법{Hardening steel using high frequency heat treatment and method for manufacturing the same}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소재와 비교예에 따른 소재에 대한 조직을 보여주는 전자 현미경 사진,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소재와 비교예에 따른 소재에 대한 표면경도 및 소입 깊이의 측정 결과를 나타내는 그래프,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 소재와 비교예에 따른 소재를 이용하여 제작된 기어류 시편에 대한 치형 교정 유무를 설명하는 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 기어류 제조용 고주파 열처리 공냉경화강 제조 방법과 기존강의 제조 방법을 설명하는 공정도.
본 발명은 기어류 제조용 고주파 열처리 공냉경화강 소재 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 합금성분을 조정해 열간단조후 침탄열처리를 고주파열처리로 대체함으로써, 고강도의 기어 제작이 가능한 기어류 제조용 고주파 열처리 공냉경화강 소재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
기존에 기어용 소재로서, 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.17∼0.23중량%, 실리콘(Si) 0.15∼0.35중량%, 망간(Mn) 0.75∼1.10중량%, 인(P) 0.030중량% 이하, 황(S) 0.030중량% 이하, 구리(Cu) 0.30중량% 이하, 니켈(Ni) 0.40∼0.80중량%, 크롬(Cr) 0.85∼1.25중량%, 몰리브덴(Mo) 0.25∼1.25중량%, 알루미늄(Al) 0.010∼0.050중량%가 함유된 저탄소 합금 소재을 이용하여 제작되고 있다.
즉, 상기 성분으로 이루어진 기어용 소재를 1200℃에서 열간단조하는 단계와, 어닐링 및 가공 단계와, 5℃/s 이하로 오일냉각하는 소입 및 소려 처리 단계와, 930℃에서 40분 동안 침탄 열처리하는 단계와, 치형 교정 및 정밀 가공 단계를 통하여, 최종적으로 기어의 제품화가 된다.
대개, 기어용 소재로 사용되는 기존 저탄소 합금강의 경우, 상기와 같이 열간단조후 감소된 경도 확보를 위해 소입 및 소려 처리를 하며, 추가적으로 표면경도 확보를 위해 침탄 열처리 단계가 수반된다.
그러나, 상기 침탄 열처리로 인하여 표면경도는 향상되나, 열처리 온도구배로 인해 불가피하게 기어치 변형 문제가 야기되고, 그에 따라 침탄 열처리후 발생되는 치변형 교정 작업이 추가적으로 수행되어야 하는 한계점을 지니고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구된 결과물로서, 기존의 기어류 제조용 저탄소 합금강 소재의 합금 성분을 조정하고, 열간단조후 침탄열처리를 고주파열처리로 대체함으로써, 대상 제작 기어에 균일한 온도분포로 열처리가 수행되어 표면경도의 확보 뿐만아니라 유효경화깊이의 확보에도 유리하며, 기어치 변형을 감소시킬 수 있고, 또한 소입시 팬에 의한 공기냉각 방식을 적용하여 CCT곡선 상에서 펄라이트가 생성되지 않는 최적의 냉각속도로 제어하여 오스테나이트를 마르텐사이트로 변태시킬 수 있어 고강도의 기어 제작이 가능한 기어류 제조용 고주파 열처리 공냉경화강 소재 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.50∼0.70중량%, 실리콘(Si) 1.00∼2.00중량%, 망간(Mn) 1.00∼2.00중량%, 인(P) 0.025중량% 이하, 황(S) 0.025중량% 이하, 크롬(Cr) 0.80∼1.20중량%, 몰리브덴(Mo) 0.10∼0.40중량%, 알루미늄(Al) 0.010∼0.050중량%, 보론(B) 0.005∼0.050중량%가 함유된 것을 특징으로 하는 기어류 제조용 고주파 열처리 공냉경화강 소재를 제공한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.50∼0.70중량%, 실리콘(Si) 1.00∼2.00중량%, 망간(Mn) 1.00∼2.00중량%, 인(P) 0.025중량% 이하, 황(S) 0.025중량% 이하, 크롬(Cr) 0.80∼1.20중량%, 몰리브덴(Mo) 0.10∼0.40중량%, 알루미늄(Al) 0.010∼0.050중량%, 보론(B) 0.005∼0.050중량%가 함유된 소재를 1200℃에서 열간단조하는 단계와; 어닐링 및 가공 단계와; 팬에 의하여 0.25∼5℃/s 로 공기 냉각하는 소입 및 소려 처리 단계와; 860∼930℃에서 10분 동안 고주파 열처리하는 단계와; 정밀 가공 단계; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 기어류 제조용 고주파 열처리 공냉경화강 제조 방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 아래 표 1의 성분 비교표에서 보듯이, 탄소(C)와 실리콘(Si)의 성분을 증가시키는 동시에 미량의 보론(B)을 첨가하고, 고가의 니켈(Ni) 및 구리(Cu)를 배제시킨 기어류 제조용 합금강 소재를 이용하여 공냉경화강을 제조하는데 그 주안점이 있으며, 제조 공정중 소입 및 소려시 냉각방식을 팬에 의한 공기냉각을 적용하고, 열처리시 고주파열처리를 실시하여 궁극적으로는 고강도의 기어를 제작할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
Figure 112007037059319-PAT00001
표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명은 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.50∼0.70중량%, 실리콘(Si) 1.00∼2.00중량%, 망간(Mn) 1.00∼2.00중량%, 인(P) 0.025중량% 이하, 황(S) 0.025중량% 이하, 크롬(Cr) 0.80∼1.20중량%, 몰리브덴(Mo) 0.10∼0.40중량%, 알루미늄(Al) 0.010∼0.050중량%, 보론(B) 0.005∼0.050중량%가 함유된 소재를 사용하는데, 각 성분의 첨가 및 함량 한정 이유는 다음과 같다.
(1) 탄소(C) 0.50∼0.70중량%
탄소는 화학성분중 가장 강력한 침입형 기지강화 원소로 첨가되는 것으로서, 탄소량이 높을수록 강도가 향상되며, 고주파 열처리시 소입성을 증대시켜 표면 경도를 우수하게 한다.
일반적으로 침탄열처리를 실시하는 기존 합금강의 탄소량은 0.10∼0.30중량%로 제한되어 있으나, 이는 고주파 열처리시 소입성이 떨어져 표면경도 확보에 불리하므로, 본 발명에서는 저가의 탄소원소 함량을 0.50∼0.70중량%로 조절한다.
(2) 실리콘(Si) 1.00∼2.00중량%
실리콘은 강도의 상승 뿐만아니라 내산화/내식성을 향상시키며, 유사한 기능을 하는 고가의 구리(Cu)와 니켈(Ni)을 대체할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 저가의 실리콘을 1.00∼2.00중량%로 유지시키며, 기존 소재에 함유된 구리와 니켈은 배제하였다.
(3) 망간(Mn) 1.00∼2.00중량%
망간은 기지안에 고용되어 굽힘피로강도의 향상을 도모하고자 첨가되고, 합금강의 경우 원가절감 목적으로 기타 고가의 합금원소(Ni) 첨가를 최소화할 수 있다.
이에, 본 발명에서는 니켈(Ni)의 첨가량을 낮추는 대신에 망간의 함량을 1.00∼2.00중량%로 상향 조정한 것이다.
(4) 인(P) 0.025중량% 이하
인은 불순물 개념으로서, 즉 없으면 좋지만 제강기술상의 문제점 때문에 일반적으로 상한치만 규제하게 된다.
(5) 황(S) 0.025중량% 이하
황은 일반 합금강에서는 개재물로 인식되어 그 함량을 최소로 억제하고 있으며, 0.025중량% 이상일 경우에는 망간계 비금속개재물(MnS)의 함량이 높아져 강도를 저하시키므로, 0.025중량% 이하로 억제시키는 것이 좋다.
(6) 크롬(Cr) 0.80∼1.20중량%
크롬은 함유량이 많으면 내식성, 내열성 증가 및 탄화물 생성이 용이하여 내마멸성 증가시키는 기능을 하며, 본 발명에서는 유사한 기능을 수행하는 실리콘 첨가량을 고려해 기존 소재에 비하여 0.05중량% 낮춘 0.80∼1.20중량%로 조절하였다.
(7) 몰리브덴(Mo) 0.10∼0.40중량%
몰리브덴은 소입 깊이를 깊게하며, 표면경도를 증대시키는 역할을 하는 바, 본 발명에서는 탄소(C) 및 보론(B) 첨가로 소입성이 증대되므로, 고가의 몰리브덴 첨가량을 기존 소재에 비하여 낮은 0.10∼0.40 중량%로 조절하였다.
(8) 알루미늄(Al) 0.010∼0.050중량%
알루미늄은 탈산을 위해 첨가하고, 또한 알루미늄 질화물(AlN)을 형성시켜 오스테나이트를 미세화하여 강의 충격인성을 개선시키기 위해 첨가하는 바, 그 첨가량이 적으면 필요로 하는 효과를 얻지 못하고, 첨가량이 많으면 효과가 포화되므로, 첨가량은0.010∼0.050%로 제한하는 것이 바람직하다.
(9) 보론(B) 0.005∼0.050중량%
보론은 탄소 및 몰리브덴과 함께 소입성을 증대시키며, 표면경도의 확보에 유리한 원소이며, 또한 0.005∼0.050중량% 범위로 제어하면 표면 경화깊이가 최대로 깊어지며, 표면에 잔류응력의 영향도 배제할 수 있다.
여기서, 상기와 같은 성분으로 이루어진 본 발명의 소재를 이용하여 기어류 제조용 고주파 열처리 공냉경화강을 제조하는 방법을 첨부한 도 4의 공정도를 참조로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 소재 즉, 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.50∼0.70중량%, 실리콘(Si) 1.00∼2.00중량%, 망간(Mn) 1.00∼2.00중량%, 인(P) 0.025중량% 이하, 황(S) 0.025중량% 이하, 크롬(Cr) 0.80∼1.20중량%, 몰리브덴(Mo) 0.10∼0.40중량%, 알루미늄(Al) 0.010∼0.050중량%, 보론(B) 0.005∼0.050중량%가 함유된 소재를 1200℃에서 열간단조하고, 어닐링 및 기어 형상으로 가공하게 된다.
다음으로, 팬에 의하여 0.25∼5℃/s 로 공기 냉각하는 소입 및 소려 처리 단계가 진행되는 바, 팬에 의한 공기 냉각 이유는 최적의 공기 냉각으로 고강도 조직을 생성할 수 있기 때문이다.
이어서, 고주파 열처리로에서 860∼930℃에서 10분 동안 고주파 열처리하게 되는데, 그 이유는 고주파 열처리를 통해 빠른 온도 상승을 유도하면서 대상 기어제품의 내부 및 외부의 온도구배를 낮출 수 있기 때문이다.
최종적으로, 기어 완성 제품을 위한 정밀 가공 단계가 진행되며, 기존 방법에서 적용되었던 치형 교정 공정은 배제된다.
이하, 본 발명의 실시예를 비교예와 함께 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예
본 발명의 소재 즉, 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.60중량%, 실리콘(Si) 1.50중량%, 망간(Mn) 1.50중량%, 인(P) 0.025중량%, 황(S) 0.025중량%, 크롬(Cr) 1.00중량%, 몰리브덴(Mo) 0.30중량%, 알루미늄(Al) 0.030중량%, 보론(B) 0.040중량%가 함유된 소재를 1200℃에서 열간단조하고, 통상의 방법으로 어닐링 및 기어 형상으로 가공하였으며, 다음으로 팬에 의하여 3℃/s 로 공기 냉각하는 소입 및 소려 처리를 하였으며, 이어서 고주파 열처리로에서 900℃에서 10분 동안 고주파 열처리한 후, 정밀 가공으로 변속기용 기어를 완성하였다.
비교예
기존의 기어용 소재, 즉 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.20중량%, 실리콘(Si) 0.20중량%, 망간(Mn) 0.80중량%, 인(P) 0.030중량%, 황(S) 0.030중량%, 구리(Cu) 0.30중량%, 니켈(Ni) 0.70중량%, 크롬(Cr) 1.00중량%, 몰리브덴(Mo) 1.20중량%, 알루미늄(Al) 0.040중량%가 함유된 저탄소 합금 소재을 1200℃에서 열간단조하고, 통상의 방법으로 어닐링 및 기어 형상으로 가공하였으며, 5℃/s 이하로 오일냉각하는 소입 및 소려 처리후, 930℃에서 40분 동안 침탄 열처리하였으며, 이어서 치형 교정 및 정밀 가공 단계를 통하여 변속기용 기어를 완성하였다.
시험예1
실시예에 따른 소재를 고주파 열처리하고, 비교예에 따른 소재를 침탄 열처리한 후, 그 조직을 전자 현미경으로 관찰하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 1의 사진에서 보는 바와 같다.
즉, 실시예 및 비교예에 따른 소재 모두 템퍼드 마르텐사이트 조직을 나타내나, 본 발명의 실시예에 따른 소재는 결정립이 더욱 미세하여 조직학적 관점에서 더 우수함을 확인할 수 있었다.
시험예2
실시예에 따른 소재를 고주파 열처리하고, 비교예에 따른 소재를 침탄 열처리한 후, 통상의 측정장비를 이용하여 강도 및 인성을 비교하는 시험을 실시하였는 바, 그 결과는 아래의 표 1에 나타낸 바와 같다.
Figure 112007037059319-PAT00002
위의 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 소재는 열간단조후, 열처리시 공기제어 냉각방식을 적용하였는 바, 비교예에 따른 기존 소재 대비 동등수준 인성/고강도 특성을 나타냄을 알 수 있었다.
시험예3
실시예에 따른 소재를 고주파 열처리하고, 비교예에 따른 소재를 침탄 열처리한 후, 통상의 측정장비를 이용하여 표면경도 및 소입깊이를 비교하는 시험을 실시하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 2의 그래프에 나타낸 바와 같다.
도 2에서 보듯이, 본 발명의 소재는 기존 소재 대비 표면경도 및 소입 깊이가 증대된 것을 확인할 수 있었다.
시험예4
실시예에 따른 소재를 이용한 변속기용 기어와, 비교예에 따른 소재를 이용한 기어에 대한 시편을 다수 제작한 후, 치형 교정이 필요한 열처리시 변형량을 측정하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 3의 그래프에 나타낸 바와 같다.
도 3의 그래프에서 보듯이, 본 발명의 방법을 적용한 기어는 기존 방법을 적용한 기어 대비 열처리시 변형량이 1/4 수준임을 알 수 있었고, 이는 별도의 교정 작업이 필요없는 수준이므로, 기존 방법에서 실시한 치형 교정 공정을 생략할 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발에 따른 기어류 제조용 고주파 열처리 공냉경화강 소재 및 그 제조 방법에 의하면, 기존의 기어류 제조용 저탄소 합금강 소재의 합금 성분을 조정하고, 열간단조후 침탄열처리를 고주파열처리로 대체함으로써, 대 상 제작 기어에 균일한 온도분포로 열처리가 수행되어 표면경도의 확보 뿐만아니라 유효경화깊이의 확보에도 유리하며, 기어치 변형을 감소시킬 수 있다.
또한, 소입시 팬에 의한 공기냉각 방식을 적용하여 CCT곡선 상에서 펄라이트가 생성되지 않는 최적의 냉각속도로 제어하여 오스테나이트를 마르텐사이트로 변태시킬 수 있어 고강도의 기어 제작이 가능한 장점을 제공한다.

Claims (2)

  1. 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.50∼0.70중량%, 실리콘(Si) 1.00∼2.00중량%, 망간(Mn) 1.00∼2.00중량%, 인(P) 0.025중량% 이하, 황(S) 0.025중량% 이하, 크롬(Cr) 0.80∼1.20중량%, 몰리브덴(Mo) 0.10∼0.40중량%, 알루미늄(Al) 0.010∼0.050중량%, 보론(B) 0.005∼0.050중량%가 함유된 것을 특징으로 하는 기어류 제조용 고주파 열처리 공냉경화강 소재.
  2. 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.50∼0.70중량%, 실리콘(Si) 1.00∼2.00중량%, 망간(Mn) 1.00∼2.00중량%, 인(P) 0.025중량% 이하, 황(S) 0.025중량% 이하, 크롬(Cr) 0.80∼1.20중량%, 몰리브덴(Mo) 0.10∼0.40중량%, 알루미늄(Al) 0.010∼0.050중량%, 보론(B) 0.005∼0.050중량%가 함유된 소재를 1200℃에서 열간단조하는 단계와;
    어닐링 및 가공 단계와;
    팬에 의하여 0.25∼5℃/s 로 공기 냉각하는 소입 및 소려 처리 단계와;
    860∼930℃에서 10분 동안 고주파 열처리하는 단계와;
    정밀 가공 단계;
    를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 기어류 제조용 고주파 열처리 공냉경화강 제조 방법.
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