KR20150133759A

KR20150133759A - 향상된 질화 특성을 갖는 베이나이트계 비조질강

Info

Publication number: KR20150133759A
Application number: KR1020157029165A
Authority: KR
Inventors: 케네스 더블유. 뷰리스; 아라쉬 타함탄; 리안 아담 듀세케
Original assignee: 캐타필라 인코포레이티드
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2014-03-21
Publication date: 2015-11-30
Also published as: US20140283954A1; CN105143473A; WO2014153491A1; JP2016519715A; EP2976436A1

Abstract

0.20 ∼ 0.40 중량% C, 0.50 ∼ 1.60 중량% Mn, 0.40 ∼ 1.50 중량% Cr, 0.07 ∼ 0.30 중량% Al, 0.03 ∼ 0.20 중량% V, 0.10 ∼ 0.40 중량% Si, 및 나머지로서 Fe 및 부수적인 불순물을 포함하는 조성을 갖는, 단조되고 질화된 비조질강 부품이 개시된다. 이 부품은, 강 부품을 대략 1100℃ ∼ 1260℃의 오스테나이트화 온도로 가열하고 강 부품을 열간 단조하며 이 열간 단조 후에 강 부품이 대략 900℃에서 대략 500℃로 냉각될 때 대략 1℃/sec ∼ 5℃/sec 범위내의 속도로 강 부품에 대해 제어식 공냉을 행하여, 베이나이트가 우세한, 대략 50% 초과의 베이나이트를 갖는 미세 조직을 생성하여 제조될 수 있다. 그런 다음에 강 부품은 원하는 형상으로 기계 가공될 수 있고, 암모니아를 포함하는 분위기에서의 가열로 질화된다.

Description

향상된 질화 특성을 갖는 베이나이트계 비조질강{BAINITIC MICROALLOY STEEL WITH ENHANCED NITRIDING CHARACTERISTICS}

본 개시는 일반적으로 베이나이트계 비조질강, 보다 구체적으로는, 향상된 질화 특성을 갖는 베이나이트계 비조질강에 관한 것이다.

축, 커플링, 기어, 캠 및 스프로켓과 같은 동력 전달 계통 부품은 높은 압력, 토크 부하, 및 충격 하중을 자주 받게 된다. 질소 표면 경화 처리("질화"라고 함)는 일반적으로, 기계 가공되어 열처리된 부품을 약 510℃(950℉) 내지 538℃(1000℉)의 온도에서 질소 매체(보통, 암모니아 가스)의 작용을 받게 하는 것으로 이루어진다. 질화에 의해, 질화된 부품의 내피로성을 개선하는 표면 경도, 내마모성 및 어떤 종류의 부식과 표면 응력에 대한 내성이 증가된다. 따라서, 질화 합금강 물품은, 내마모성 및 높은 응력 하중에 대한 내성을 필요로 하는 기어, 커플링, 축 및 기타 적용 대상에 종종 사용된다.

열처리 후에 질화된 일 군의 경화가능한 합금강이 AISI/SAE 4100 계열 합금강이다. 특히, AISI/SAE 4140H 합금강은 높은 표면 경도와 심부 경도의 조합을 요하는 다양한 기어를 제작하는데 유용한 것으로 밝혀졌다. AISI/SAE 4140H 합금강은 다음과 같은 특정한 조성을 갖는다: 0.37 ∼ 0.44 중량% 탄소; 0.65 ∼ 1.10 중량% 망간; 0.15 ∼ 0.35 중량% 규소; 0.75 ∼ 1.20 중량% 크롬; 0.15 ∼ 0.25 중량% 몰리브덴; 나머지로서 철 및 허용가능한 미량 원소.

일반적으로, 위와 같은 조성을 갖는 부품은 먼저 빌렛(billet)으로부터 단조되거나 압연되며 그리고 담금질 및 템퍼링되며, 그런 다음 기계 가공되고 질화된다. AISI/SAE 4140H 합금강은 어떤 질화용으로는 유용하지만, 몇몇 단점도 가지고 있다. 예컨대, 이 강은 값비싼 합금 원소인 몰리브덴을 함유하고 있다. 또한, AISI/SAE 4140H 조성을 갖는 물품은 담금질 균열이 생기기 쉽고 그래서 일반적으로 오일 담금질을 필요로 하는 것으로 밝혀졌다. 또한, AISI/SAE 4140H의 질화 표면 경도는 일반적으로 약 록웰(Rockwell) C 경도(HRC) 55 이하로 제한된다.

기어 및 기타 동력 전달 부품과 같은 저왜곡 강 부품을 제조하기 위해, 니템퍼링(nitempering)이라고 하는 처리로 비경화 부품을 제조하기 위한 합금강 조성이 개시되어 있다. 심부 경도는 열처리가 아닌 합금 첨가로 얻어진다. 압연된 그대로의 강 바아(bar)를 기계가공하거나 단조한 후에, 합금강으로 형성된 작업물이 니템퍼링된다. 니템퍼링(일본에서는 "연질화(soft nitriding)"라고도 함)은 종래의 질화 보다 빠르고 강 및 주철에 극히 단단한 표피부를 형성하게 된다. 니템퍼링시에, 부품은 엔도가스(endogas)(일산화탄소 및 수소와 같은 환원 가스 혼합물) 및 암모니아를 동등한 양으로 포함하는 분위기에서 2 ∼ 6 시간 동안 566℃(1050℉)에서 처리된다. 결과적으로 얻어진 단단한 외층부는 복합적인 철-탄소-질소 화합물을 함유한다. 그러나, 생성된 외층부는 질화로 얻어진 것 보다 얇고, 작업물의 예비 질화 열처리로 나타나는 인성의 증가는 얻어지지 않는다. 또한, 담금질되고 템퍼링된 강에 필적하는 심부 경도를 얻기 위한, 비용을 증가시키는 합금 첨가는 경제적으로 바람직하지 않다.

경제적인 전체 경화 질화 등급 합금강을 제조하기 위한 일 시도가 1989년 8월 1일에 발행된 Calvin Loyd의 미국 특허 제 4,853,049 호('049 특허)에 개시되어 있다. 이 '049 특허는, 몰리브덴과 같은 값비싼 합금을 없애므로 경제적인 전체 경화 질화 등급 합금강을 개시하고 있다. '049 특허에 개시되어 있는 강은, 주의 하여 제어되는 소량의 알루미늄(Al)과 바나듐(V)의 사용을 통해, 경화능, 템퍼링 중의 경도 손실에 대한 저항성 및 질화에 대한 크게 향상된 응답성을 포함한 바람직한 특성을 얻는다.

'049 특허에 개시되어 있는 합금강은 합금강의 가격을 줄이고 전술한 유익한 특성을 제공하지만, 가격 면에서의 추가 개선이 가능하다. 특히, '049 특허에는, 개시된 합금강으로 제조된 제품에 대한 초기 열간 단조 후에 행해지는 복수의 열처리 과정이 설명되어 있다. 이들 열처리 과정은, 단조 제품을 약 1 시간 동안 약 870℃(1600℉)의 온도로 가열한 다음에 물 또는 오일에서 담금질하여 페라이트 및 펄라이트 미세 조직의 마르텐사이트로의 변태를 완료하여 상기 단조 제품을 경화하는 것을 포함한다. 템퍼링하여 탄화물 입자를 석출시키고 덩어리지게 하여 개선된 인성을 제공한 후에, 필요하다면 물품은 원하는 최종 치수로 기계 가공되고 그런 다음에 질화된다.

본 개시의 화학 조성 및 과정에 따라 제조되는 베이나이트계 비조질강이 종래 기술의 전술한 문제 및/또는 다른 문제 중의 하나 이상을 해결한다.

일 양태에서, 본 개시는 단조 강 부품에 관한 것으로, 이 단조 강 부품은, 열간 단조 및 제어식 공냉 후에 열처리 없이 질화를 수행하여 형성되는 표면 질화층을 갖고 하기의 조성을 갖는다:

C: 0.20 ∼ 0.40 중량%,

Mn: 0.50 ∼ 1.60 중량%,

Cr: 0.40 ∼ 1.50 중량%,

Al: 0.07 ∼ 0.30 중량%,

V: 0.03 ∼ 0.20 중량%,

Si: 0.10 ∼ 0.40 중량%, 및

나머지로서 Fe 및 부수적인 불순물.

다른 양태에서, 본 개시는,

C: 0.20 ∼ 0.40 중량%,

Mn: 0.50 ∼ 1.60 중량%,

Cr: 0.40 ∼ 1.50 중량%,

Al: 0.07 ∼ 0.30 중량%,

V: 0.03 ∼ 0.20 중량%,

Si: 0.10 ∼ 0.40 중량%, 및

나머지로서 Fe 및 부수적인 불순물

을 포함하는 화학 조성을 갖도록 제조되는 단조 강 부품에 관한 것으로, 이 단조 강 부품은, 열간 단조하고, 단조 강 부품 전체에 걸쳐, 베이나이트가 우세한, 50% 초과의 베이나이트를 갖는 미세 조직이 생성되도록 상기 열간 단조 후에 추가 열처리 없이 제어식 공냉을 행하며 이어서 기계 가공하고 질화하여 제조된다.

또 다른 양태에서, 본 개시는 단조 강 부품 제조 방법에 관한 것이다. 본 방법은, 강 빌렛(billet)을 열간 단조하고 이 열간 단조 후에 열처리 없이 질화시키는 것을 포함할 수 있고, 상기 강은 하기의 조성(중량 기준)을 갖는다:

C: 0.20 ∼ 0.40 중량%,

Mn: 0.50 ∼ 1.60 중량%,

Cr: 0.40 ∼ 1.50 중량%,

Al: 0.07 ∼ 0.30 중량%,

V: 0.03 ∼ 0.20 중량%,

Si: 0.10 ∼ 0.40 중량%, 및

나머지로서 Fe 및 부수적인 불순물

도 1 은 일반적인 열처리 단계를 없애는 예시적인 개시된 과정의 개략도이다.
도 2 는 본 개시의 예시적인 실시 형태의 미세 조직을 만들기 위한 연속 냉각 변태(CCT) 선도이다.
도 3 은 개선된 질화 특성을 갖는 예시적인 비조질강을 제조하는데 사용될 수 있는 예시적인 개시된 방법을 나타내는 흐름도이다.

공기 경화가능하고 향상된 질화 특성을 가지며 베이나이트가 우세한 비조질강이 개시된다. 베이나이트계 비조질강은, 증가된 표면 경도를 위한 질화 전에 원하는 경도, 인성 및 강도 특성을 얻기 위해 이전에는 필요한 것으로 생각되던 많은 열처리 과정이 필요 없이 경제적으로 제조될 수 있다. 도 1 에 나타나 있는 바와 같이, 강 부품의 열간 단조 후의 열처리 과정은 냉각, 오스테나이트화 온도로의 재가열, 담금질 및 템퍼링을 포함할 수 있다. 이들 열처리 단계는, 원하는 강도 및 인성 특성을 얻고 동시에 기계가공에 너무 단단하지 않고 적절한 쾌삭성을 갖는 부품을 최종적으로 얻기 위해 종래의 열간 단조 과정에서 필요할 수 있다. 이들 중간 열처리 과정 중의 적어도 일부를 없앨 수 있다면 큰 비용 절감을 이룰 수 있다. 열처리 성능을 위한 자본 투자 및 노(furnace)와 기타 장비에 대한 유지관리 비용이 줄어들 수 있다.

본 개시의 다양한 실시에 따른, 베이나이트가 우세한 미세 조직은 적어도 50 부피%의 베이나이트 미세 조직으로 이루어진 미세 조직이다. 어떤 실시 형태는 적어도 70 부피%의 베이나이트 미세 조직을 가질 수 있다. 다른 실시 형태는 적어도 85 부피%의 베이나이트 미세 조직을 가질 수 있다. 베이나이트는 대략 250 ∼ 550℃의 온도에서(합금 함량에 따라) 강에 형성되는 미세 조직이다. 베이나이트는, 오스테나이트(철의 면심 입방 결정 조직)이 727℃(1340℉)의 임계 온도를 넘어 냉각될 때 형성될 수 있는 분해 생성물의 하나이다. 베이나이트 미세 조직은 외양 및 경도 특성에 있어서 템퍼링된 마르텐사이트와 유사할 수 있다.

미세하고 비층상(non-lamellar) 구조를 갖는 베이나이트는 보통 시멘타이트 및 전위(dislocation) 풍부 페라이트로 이루어진다. 베이나이트에 존재하는 페라이트에 있는 고농도의 전위로 인해, 그 페라이트는 통상적인 경우 보다 더 단단하게 된다. 도 2 의 연속 냉각 변태(CCT) 선도에 나타나 있는 바와 같이, 베이나이트로의 변태를 위한 온도 범위(250 ∼ 550℃)는 펄라이트를 위한 온도 범위와 마르텐사이트를 위한 온도 범위 사이에 있다. 연속 냉각 중에 형성될 때, 베이나이트를 형성하기 위한 냉각 속도는 펄라이트를 형성하기 위해 필요한 냉각 속도 보다 빠르지만, 마르텐사이트를 형성하기 위해 필요한 냉각 속도 보다는 느리다(동일한 조성의 강에서). 본 개시의 다양한 실시에 따르면, 아래에서 더 자세히 논의되는 화학 조성을 갖는 비조질강은 처음에 대략 1100 ∼ 1250℃ 이상의 오스테나이트화 온도로 가열될 수 있다. 그런 다음, 상기 강은 원하는 형상으로 열간 단조되고, 단조 온도로부터 제어 냉각되어 베이나이트 조직을 얻게 된다. 열간 단조 후의 냉각을 위해, 대기 냉각 또는 송풍기를 사용하는 강제 공냉이 수행될 수 있다. 다양한 대안적인 실시에서, 상기 강은 대략 공석 변태 온도로 급속 냉각될 수 있고, 그런 다음에 약 900 ∼ 500℃의 범위에서 서서히 냉각될 수 있다. 또 다른 대안적인 실시에서, 강은 열간 단조 후에 약 500∼ 300℃로 급속 냉각될 수 있고, 베이나이트 변태를 촉진시키기 위해 약 500∼ 300℃의 범위 내의 어떤 평형 온도에서 유지될 수 있다.

냉각 속도는 CCT 선도를 참조하여 결정될 수 있어, 베이나이트 변태 영역을 통과하는 냉각 속도 범위를 알 수 있고, 그리하여, 결정된 냉각 속도 범위로 제어할 수 있다. 냉각 과정의 제어를 위해 CCT 선도는 미리 준비되어 데이타베이스에 저장될 수 있거나 또는 다른 식으로 이용가능하게 될 수 있다. 단조 제품은, 대략 900℃ 와 500℃ 사이에서 냉각될 때 대략 1 ∼ 5℃/sec 범위 또는 60 ∼ 300℃/min 범위 내의 냉각 속도를 얻기 위해 냉각용 공기를 순환시키는 팬(fan) 또는 다른 수단을 사용하여 공냉될 수 있다. 탄소가 베이나이트의 최대 형성 속도에 필요한 온도를 낮추는데 가장 효과적이지만, 대부분의 합금 원소가 그 온도를 낮출 것이다. 베이나이트는, 일반적으로 펄라이트의 전형적인 경도 보다 크고 마르텐사이트의 경도 보다는 작은 경도를 갖는다. 미세 조직 내의 펄라이트는 인성 감소에 기여할 수 있다. 본 개시의 다양한 실시 형태에 따른 비조질강의 조성 및 처리는 펄라이트의 존재를 피하거나 또는 그 펄라이트의 양을 적어도 최소화하도록 선택된다. 상업적인 관례상, 2 부피% 미만과 같은 소량의 펄라이트가 특히 큰 섹션의 중심에서 불가피하게 존재할 수 있지만, 펄라이트의 존재와 영향을 최소화하기 위해 주의를 해야 한다.

베이나이트 미세 조직은 본질적으로 페라이트와 탄화철로 구성된 2-상(phase) 미세 조직을 갖는다. 열간 단조 과정 중의 오스테나이트의 조성 및 열간 단조 후의 냉각 속도에 따라, 결과적으로 생기는 베이나이트의 형태의 변동이 있게 된다. 결과적으로 얻어지는 미세 조직을 상부 베이나이트 또는 하부 베이나이트라고 한다. 상부 베이나이트는, 보통 평행한 그룹을 이루어 판형 영역을 형성하는 것으로 나타나는 페라이트 라스(lath)의 집합체인 것으로 설명될 수 있다. 상부 베이나이트와 관련된 탄화물 상은 이전 오스테나이트 입계(라스간 영역)에서 석출되며, 탄소 함량에 따라, 이들 탄화물은 라스 경계 사이에서 거의 완전한 탄화물 막을 형성할 수 있다. 하부 베이나이트도 페라이트와 탄화물의 집합체로 이루어진다. 탄화물은 페라이트 판의 내부에서 석출된다. 탄화물은 매우 미세한 스케일로 있으며 일반적으로 로드(rod) 또는 블레이드의 형상을 갖는다. 이러한 이유로, 베이나이트 미세 조직은, 펄라이트계 강의 경도값과 마르텐사이트계 강의 경도값 사이의 경도값을 얻기 위해 초기 냉각 후에 추가적인 열처리가 필요하지 않다는 점에서 유용하다. 단조된 비조질강의 재료 특성은, 조성에 포함되어 있는 합금 원소의 특정한 종류 및 양에 따라 큰 범위에 걸쳐 변할 수 있다. 본 개시의 다양한 실시 형태에 따라 포함되는 합금 원소의 조성에 의해, 이전에는 열간 단조 후에 오스테나이트화 온도로 재가열하고 담금질하며 또한 템퍼링하는 중간 열처리 단계들을 포함함으로써만 얻어지는 강도, 경도 및 인성 특성을 갖는 강 부품이 얻어진다.

위에서 논의된 유리한 재료 특성은, 베이나이트 미세 조직의 부피%가 증가함에 따라 더 큰 정도로 얻어지는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 베이나이트 미세 조직이 70 부피%인 부품이, 베이나이트 미세 조직이 50 부피%인 부품 보다 큰 강도, 경도 및 인성 특성을 가질 수 있다. 추가로, 베이나이트 미세 조직이 85 부피% 이상인 부품은, 베이나이트 미세 조직이 70 부피%인 부품 보다 더욱더 향상된 강도, 경도 및 인성 특성을 가질 수 있다. 도 1 에 나타나 있는 바와 같이, 오스테나이트화 온도로 재가열하고, 담금질하고, 템퍼링하고, 이차 재가열하고, 이차 담금질하며 그리고 이차 템퍼링하는 중간 열처리 단계들은, 본 개시의 다양한 실시에 따라 단조 제품의 최종 기계 가공 및 질화 전에 없애질 수 있다. 본 개시의 다양한 실시 형태에 따른 조성에 첨가되는 합금 원소는, 다른 두께를 갖는 부품의 다른 섹션 또는 부분에서 나타날 수 있는 다른 냉각 속도에 무관하게 부품 전체에 걸쳐 원하는 부피%의 베이나이트 미세 조직이 얻어지도록 선택될 수 있다.

아래에서 더 자세히 논의하는 바와 같이, 본 개시의 다양한 실시에 따른 비조질강 조성에서 2개의 중요한 원소는 알루미늄(Al)과 바나듐(V)이다. Al 및 V는 질화 과정 중에 합금의 질화능을 개선한다. 베이나이트 미세 조직을 얻기 위해 본 개시에서 실시되는 제어식 냉각 과정 중에, 비조질강에 제공되어 있는 소량의 V 및 Al은, 강이 고화될 때 그 강 내로 용해된 소량의(150 ppm(parts per million) 정도) 질소(N)와 반응하여 강의 강화에 기여하게 된다. V 및 Al와 용해된 N 와의 반응에 의해 질화 바나듐(VN)과 질화알루미늄(AlN)의 미세한 입자 또는 석출물이 형성되는데, 이는 비조질강의 격자의 강화에 기여한다. 용해된 N 의 양이 매우 적기 때문에, 미반응 V 및 Al이 냉각 과정 후에 남게 되며, 기계 가공 후에 질화 과정 중에 부품의 표면 내로 확산되는 N과 결합하는데에 이용될 수 있다.

다양한 질화 방법이 사용될 수 있다. 일반적으로 사용되는 일 질화 방법은 가스 질화이다. 대안적인 방법은 염욕(salt bath) 질화와 플라즈마 질화를 포함할 수 있다. 가스 질화에서, 도너(donor)는 질소 풍부 가스(보통 암모니아(NH₃))인데, 그래서 가스 질화는 가끔 암모니아 질화로 알려져 있다. 암모니아가 가열된 작업물과 접촉하면, 그 암모니아는 질소와 수소로 분해된다. 그리고 질소는 재료의 표면 상으로 확산되어 질화물 층을 생성하게 된다. 결과적으로 얻어진 질화 층의 두께 및 상(phase) 구성은 요구되는 특정한 특성이 얻어지도록 선택될 수 있고 또한 과정이 최적화될 수 있다.

열간 단조 다음의 냉각 과정 후에 남는 V 및 Al은 비조질강의 질화 특성을 향상시켜, 내마모성을 개선하고 또한 기계 가공된 부품을 강화시킨다는 것이, 본 개시의 다양한 실시에서 발견되었다. 제어식 공냉 후의 V 및 Al을 갖는 베이나이트 미세 조직은, 이전에 열간 단조 후에 행해지는 담금질, 재가열, 이차 담금질 및 템퍼링으로 얻어지는 것과 동일하거나 유사한 경도 및 강도 특성을 또한 가질 수 있다. 본 개시에 따른 제어식 공냉 비조질강은, 열간 단조 후의 급속 담금질로 얻어지는 마르텐사이트 미세 조직의 체심 정방정계 구조를 갖지 않는다. 비조질강은 오일 또는 물에서의 담금질을 통해 열간 단조 온도로부터 급속 냉각된 후에 마르텐사이트 미세 조직을 가질 수 있다. 마르텐사이트 미세 조직은 담금질 후에 50의 록웰 C 경도(HRC)를 가질 수 있다. 그래서, 이 마르텐사이트 미세 조직을 갖는 강을 처리하는 전형적인 방법은, 대략 870℃의 오스테나이트 온도까지 재가열하고 다시 담금질 하며 그런 다음 강을 대략 HRC 30으로 연화시키기 위해 대략 550℃ ∼ 590℃로 다시 재가열하여 템퍼링하는 것을 포함할 수 있다. 본 개시의 다양한 실시에 따른, 베이나이트가 우세한 미세 조직을 만들기 위한 상기 제어식 공냉 과정에 의해, 이전에 필요하던 담금질, 재가열, 담금질 및 템퍼링 단계 모두가 없이 HRC 30의 동일한 경도를 얻을 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 베이나이트가 우세한 미세 조직은 50 부피% 초과의 베이나이트 미세 조직을 포함할 수 있다. 본 개시에 따른 공냉 후의 경도는 대략 35 ∼ 45 HRC 범위내에 있을 수 있다.

본 개시의 다양한 실시예에 따른 비조질강은 표 1 에 나타나 있는 바와 같은 화학 조성(중량 기준)을 가질 수 있다.

구성 요소	농도(중량%)
탄소 망간 크롬 알루미늄 바나듐 규소 철 및 기타 잔류 요소	0.20 ∼ 0.40 0.50 ∼ 1.60 0.40 ∼ 1.50 0.07 ∼ 0.30 0.03 ∼ 0.20 0.10 ∼ 0.40 나머지

표 1: 비조질강의 조성(중량%)

탄소는 얻을 수 있는 경도 수준 및 경화 깊이에 기여한다. 본 개시의 다양한 실시에 따르면, 템퍼링 후에 충분한 심부 경도를 유지하기 위해 탄소 함량은 적어도 0.20 중량%이고, 담금질 균열에 대한 내성 및 질화에 대한 충분한 응답을 보장하기 위해 약 0.40 중량% 이하이다. 탄소 함량이 약 0.34 중량% 보다 많으면 물 담금질시에 복잡한 형상의 물품에 균열이나 왜곡이 발생할 수 있는 것으로 밝혀졌는데, 이러한 경우에는 오일과 같은 덜 급격한 담금질 매체가 필요할 수 있다. 본 개시의 다양한 실시에 따른 베이나이트계 비조질강은 도 2 의 CCT 선도에 있는 선택된 냉각 곡선에 따라 공냉될 수 있다.

망간은 깊은 경화능에 기여하고 그래서 모든 경화가능한 합금강 등급에 존재한다. 개시된 합금강은 충분한 심부 경도를 보장하기 위해 적어도 0.50 중량%의 양의 망간을 함유하고, 균열을 방지하기 위해 약 1.60% 이하를 함유한다. 0.50 중량% ∼ 1.60 중량%의 허용가능한 넓은 범위에 추가적으로, 열처리에 대한 응답의 균일성을 유지하기 위해서는 1.00% ∼ 1.30%의 더 좁은 범위의 망간이 유리하다.

크롬은 본 강 합금의 경화능에 기여하며 또한 우수한 질화물 형성제이여서 질화 특성을 향상시킨다. 이들 효과를 실현하기 위해서는 최소 0.40%의 크롬이 필요하고, 유리하게는 적어도 0.90%의 크롬이 존재해야 한다. 취화(embrittlement)를 피하기 위해, 크롬의 양은 최대 1.50%로 제한되어야 하고, 바람직하게는 약 1.20% 이하로 제한되어야 한다.

알루미늄은 경화능에 기여하고 좋은 질화물 형성제이다. 알루미늄은 적어도 0.07%, 바람직하게는 적어도 0.10%의 양으로 존재해야 한다. 알루미늄이 약 0.07 % 보다 적은 양으로 존재하면, 경화능 또는 질화물 응답에 있어서의 관찰가능한 개선이 거의 없을 뿐만 아니라, 이익도 일관적이지 않다. 또한, 0.30%를 초과하는 양의 알루미늄이 질화능에 유리하지만, 외층부 취화의 경향이 또한 증가하게 되는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 알루미늄의 상한을 0.30% 이하, 유리하게는 약 0.20% 이하로 유지하는 것이 바람직하다. 지정된 범위의 알루미늄을 갖는 본 합금강은 경화능을 일관적으로 개선시키는 것으로 밝혀졌다.

바나듐도 본 합금강 조성의 성분인데, 외층부 경도 및 심부 경도의 일관적으로 측정가능한 향상을 실현하기 위해 적어도 0.03%의 양으로 존재해야 한다. 0.20% 보다 많은 양의 바나듐은 재료의 질화물 응답 또는 경화능을 크게 향상시키지 못한다. 이러한 이유로, 바나듐의 한계는 적어도 0.03% 이고 0.20% 이하이며, 이 성분의 최선의 경제적 사용을 위해서는 유리하게 0.05% ∼ 0.10 % 이다.

특정한 범위 내에서의 알루미늄과 바나듐의 특유한 조합이 질화물 응답의 개선에 크게 기여하며 그리하여 필요한 질화 시간을 단축시키고 또한 외층부 경도 및 깊이를 증가시키는 것으로 나타났다. 또한, 특정한 범위 내에서의 알루미늄과 바나듐의 특유한 조합은 경화능 및 내템퍼성에 기여한다.

합금강 조성의 나머지는, 소량으로 존재할 수 있는 중요치 않은 또는 잔류 양의 요소를 제외하고는 본질적으로 철이다. 예컨대, 인정된 상업적으로 특정된 양의 규소(Si)는 용강(molten steel)의 탈산에 사용되며, 개선된 인성을 갖는 무탄화물(carbide-free) 베이나이트를 형성하는데 기여할 수 있다. 이러한 목적으로, 규소는 적어도 0.10%의 양으로 존재할 수 있다. 티타늄(Ti)은 단조 전후에 입자의 조대화를 방지하기 위해 대략 0.02 ∼ 0.06%의 양으로 제공될 수 있다. 황(S)(소량으로 존재하면 기계 가공을 촉진하므로 유익할 수 있음)은, 연성의 손실을 피하기 위해 약 0.10% 이하, 바람직하게는 0.04% 이하의 양으로 허용된다. 0.05% 이상의 양의 인(P)은 취화를 유발할 수 있고, 상한은 바람직하게 0.035%를 초과하지 않아야 한다. 일반적으로 부수적인 불순물로 간주되는 다른 요소가 상업적으로 인정된 허용가능한 양 내에서 존재할 수 있다.

상기한 조성을 갖는 축, 커플링, 및 기어와 같은 제조된 물품은 유리하게는 처음에, 비조질강을 대략 1100 ∼ 1250℃의 오스테나이트화 온도로 가열한 후에 단조 또는 압연을 하여 원하는 형상으로 형성된다. 그런 다음, 형성된 물품은, 베이나이트가 우세한 미세 조직이 생성되도록 전술한 바와 같은 제어식 냉각을 받고, 원하는 최종 치수로 기계 가공된 다음에 질화된다.

도 3 은 본 개시의 다양한 실시에 따른, 베이나이트가 우세한 질화된 비조질강 부품을 제조하는데 사용될 수 있는 일 예시적인 방법을 도시한다. 도 3 은 개시된 개념을 더 설명하기 위해 다음 절에서 더 상세히 논의될 것이다.

산업상 이용가능성

본 개시의 다양한 실시에 따른 강 및 이 강을 만드는 방법은, 열간 단조 후에 일반적으로 수행되는 열처리 단계들을 없앰으로써 비용을 줄일 수 있다. 단조되고 공기 경화가능하며 질화되는 개시된 비조질강 부품은, 이전에 열간 단조되고 열처리된 강 부품과 유사한 경도 및 강도를 제공할 수 있다. 바나듐 및 알루미늄의 미량 합금 원소는, 열간 단조 온도로부터의 제어식 공냉 후에 베이나이트가 우세한 미세 조직을 생성하고 또한 기계 가공 후의 질화 열처리 과정을 개선하기 위해 첨가되어 있다.

도 3 에 나타나 있는 바와 같이, 단계 320 에서, 위의 표 1 에 나타나 있는 조성을 갖는 비조질강은 대략 1100℃ ∼ 1260℃의 오스테나이트화 온도로 가열될 수 있다. 본 개시의 다양한 실시에 따라 제조되는 부품의 예시적인 종류는, 변속기 링 기어, 엔진 기어, 허브, 축, 및 다양한 기계의 다른 동력 전달 계통 부품을 포함할 수 있다. 상기 부품의 크기는, 단계 320 에 따라 처음에 오스테나이트화 온도로 가열되는 강 빌렛(billet)의 크기를 결정한다.

단계 322 에서, 가열된 빌렛은 원하는 형상으로 열간 단조될 수 있다. 열간 단조 후에, 단계 324 는, 베이나이트가 우세한 미세 조직이 열간 단조된 부품 전체에 걸쳐 형성되게 해주는 냉각 속도로 열간 단조 제품을 공냉시키는 것을 포함할 수 있다. 도 2 의 CCT 선도에 나타나 있는 바와 같이, 상기 냉각 속도는 마르텐사이트 미세 조직 또는 주로 페라이트와 펄라이트로 이루어진 미세 조직이 형성되는 것을 피하도록 선택될 수 있다. 본 개시의 다양한 실시에서, 열간 단조된 강은 대략 900℃에서 대략 500℃로 냉각될 때 대략 1 ∼ 5 ℃/sec 범위내의 속도로 냉각될 수 있다. 베이나이트가 우세한 미세조직은, 열간 단조된 강 부품 전체에 걸쳐 50% 초과의 베이나이트, 또는 더 유리하게는 70% 초과의 베이나이트, 또는 더더욱 유리하게는 85% 초과의 베이나이트를 갖는 미세 조직일 수 있다.

단계 326 에서, 바나듐(V) 및 알루미늄(Al)의 미량 합금 원소는, 고화 중에 강 내에 용해된 질소와 반응하여, 강 미세 조직의 결정 격자를 강화시키는 미세한 석출물 또는 입자를 형성할 수 있다. 질소(N)의 양은 일반적으로 상당히 적은데, 150 ppm 정도 일 수 있다. 결과적으로, 대부분의 V 와 Al 은 자유로운 상태로 남아, 기계 가공 후 뒷 단계에서 질화 과정 중에 도입될 수 있는 더 많은 N과 결합하게 된다.

단계 328 에서, 강 부품이 공냉된 후에, 그 강 부품은 통상적인 기계 가공 기술을 사용하여 기계 가공될 수 있다. 기계 가공 후에, 단계 330 에서, 기계 가공된 부품은, 암모니아(NH₃)와 같은 질소 풍부 가스가 있는 분위기에서 그 기계 가공된 부품을 가열하는 것을 포함할 수 있는 기술을 사용하여 질화될 수 있다. 질화는 표면 경화된 표면을 생성하기 위해 질소를 부품의 표면 내로 확산시키는 열처리 과정이다. V 와 Al 중의 일부가 고화 중에 강 내에 용해된 N과 반응한 후에 남아 있는 V 와 Al은, 질화 과정 중에 제공되는 N과 반응하여 질화 과정을 향상시킨다.

개시된 비조질강 및 이 강을 최종 부품으로 형성하는 방법에 대한 다양한 수정 및 변화가 본 개시의 범위에서 벗어남이 없이 가능함이 당업자에게 명백할 것이다. 여기에 개시된 상술 내용 및 실시를 고려한 대안적인 실시가 당업자에게 명백할 것이다. 본 상술 내용 및 실시예는 단지 예시적인 것이며, 본 개시의 진정한 범위는 다음의 청구 범위 및 이의 균등물로 정해진다.

Claims

열간 단조 및 제어식 공냉 후에 열처리 없이 질화를 수행하여 형성되는 표면 질화층을 갖고 하기의 조성을 갖는 단조 강 부품:
C: 0.20 ∼ 0.40 중량%,
Mn: 0.50 ∼ 1.60 중량%,
Cr: 0.40 ∼ 1.50 중량%,
Al: 0.07 ∼ 0.30 중량%,
V: 0.03 ∼ 0.20 중량%,
Si: 0.10 ∼ 0.40 중량%, 및
나머지로서 Fe 및 부수적인 불순물
제 1 항에 있어서,
상기 강 부품은 열간 단조 전에 대략 1230℃ ± 30℃로 가열되는 단조 강 부품.
제 1 항에 있어서,
상기 제어식 공냉 후의 상기 단조 강 부품의 미세 조직은 50 부피% 초과의 베이나이트를 갖는 단조 강 부품.
제 1 항에 있어서,
상기 제어식 공냉 후의 상기 단조 강 부품의 미세 조직은 85 부피% 초과의 베이나이트를 갖는 단조 강 부품.
제 1 항에 있어서,
적어도 상기 단조 강 부품의 표면은 상기 제어식 공냉 후에 적어도 25의 록웰(Rockwell) C 경도(HRC)를 갖는 단조 강 부품.
제 1 항에 있어서,
상기 단조 강 부품 전체에서의 경도는 대략 25 HRC ∼ 30 HRC 범위내에 있는 단조 강 부품.
제 1 항에 있어서,
단조 후의 상기 제어식 공냉은 대략 900℃ 와 500℃ 사이에서 대략 1℃/sec ∼ 5℃/sec 범위내의 속도로 수행되는 단조 강 부품.
단조 강 부품 제조 방법으로서, 강 빌렛(billet)을 열간 단조하고 이 열간 단조 후에 열처리 없이 질화시키는 것을 포함하고, 상기 강은 하기의 조성(중량 기준)을 갖는 단조 강 부품 제조 방법:
C: 0.20 ∼ 0.40 중량%,
Mn: 0.50 ∼ 1.60 중량%,
Cr: 0.40 ∼ 1.50 중량%,
Al: 0.07 ∼ 0.30 중량%,
V: 0.03 ∼ 0.20 중량%,
Si: 0.10 ∼ 0.40 중량%, 및
나머지로서 Fe 및 부수적인 불순물
제 8 항에 있어서,
열간 단조 전에 상기 강 빌렛을 대략 1100℃ ∼ 1260℃의 오스테나이트화 온도로 가열하는 것을 더 포함하는, 단조 강 부품 제조 방법.
제 9 항에 있어서,
열간 단조 후에 상기 단조 강 부품을 공냉시키는 것을 더 포함하고, 또한 단조 강 부품이 대략 900℃ 와 500℃ 사이에서 냉각될 때 공냉 속도를 대략 1℃/sec ∼ 5℃/sec 의 범위내에 있도록 제어하는 것을 포함하는, 단조 강 부품 제조방법.