KR20160089746A - 고강도 강 및 기어 제조 방법 - Google Patents

고강도 강 및 기어 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 고강도 강은, C: 0.47 중량% 이상 및 0.53중량% 이하, Si: 0.55 중량% 이상 및 0.65중량% 이하, Mn: 0.85중량% 이상 및 1.15중량% 이하, S: 0.020 중량% 이상 및 0.040 중량% 이하, V : 0.08 중량% 이상 및 0.12 중량% 이하, Al: 0.025 중량% 이상 및 0.045 중량% 이하, B: 0.0010 중량% 이상 및 0.0050 중량% 이하, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

고강도 강 및 기어 제조 방법{HIGH STRENGTH STEEL AND METHOD FOR MANUFACTURING GEAR}
고강도 강 및 기어 제조 방법에 관한 것이다.
최근 자동차, 산업기계 등의 부품 소재에서 소재의 고강도화가 요구되고 있다. 자동차용 기어는 침탄 열처리 방법을 사용하여 제조하여 왔으나 침탄 열처리 방법에 의하여 기어를 제조하는 경우, 열변형에 취약하다는 단점이 있다.
열변형을 줄이기 위해 윤곽 고주파 열처리에 의하여 기어를 제조하는 방법이 있다. 그러나 기존 중 탄소강 및 중 탄소계 합금강에 윤곽고주파 열처리 시 기어 치 끝에 용손이 발생하여 기어 치 변형이 일어나 추가적인 가공이 필요하고 내구성 저하가 발생되는 문제점이 생긴다.
본 발명의 일 실시예는 고강도 강을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 실시예는 기어 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 고강도 강은, C: 0.47 중량% 이상 및 0.53중량% 이하, Si: 0.55 중량% 이상 및 0.65중량% 이하, Mn: 0.85중량% 이상 및 1.15중량% 이하, S: 0.020 중량% 이상 및 0.040 중량% 이하, V : 0.08 중량% 이상 및 0.12 중량% 이하, Al: 0.025 중량% 이상 및 0.045 중량% 이하, 및 B: 0.0010 중량% 이상 및 0.0050 중량% 이하, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
또한, 하기 [식1] - [식2] 의 값이 70 이상 및 90이하일 수 있다.
[식1] = 910 - 203√[C] - 15.2[Ni] + 44.7[Si] + 104[V] + 31.5[Mo] + 13.1[W]
[식2] = 723 - 10.7[Mn] - 16.9[Ni] + 29.1[Si] + 16.9[Cr] + 290[As] + 6.38[W]
(단, 여기서, [C], [Ni], [Si], [V], [Mo], [W], [Mn], [Cr], [As] 는 각각 C, Ni, Si, V, Mo, W, Mn, Cr, As 의 중량%를 의미한다.
여기서 Ni: 0.08 중량%이하, Mo: 0.03 중량%이하, 및, Cr: 1.10 이하 포함된다. W 및 As 의 함량은 제강 공정에 의하여 강재에 혼입되어 있는 성분 범위를 따른다.)
본 발명의 일 실시예에 의한 기어 제조 방법은, C: 0.47 중량% 이상 및 0.53중량% 이하, Si: 0.55 중량% 이상 및 0.65중량% 이하, Mn: 0.85중량% 이상 및 1.15중량% 이하, S: 0.020 중량% 이상 및 0.040 중량% 이하, V : 0.08 중량% 이상 및 0.12 중량% 이하, Al: 0.025 중량% 이상 및 0.045 중량% 이하, 및 B: 0.0010 중량% 이상 및 0.0050 중량% 이하, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 1차 가공한 후 냉각 하는 단계; 상기 냉각 중 또는 냉각이 완료된 이후 강재를 2차 가공하는 단계; 상기 2차 가공이 완료된 강재를 담금질하는 단계;를 포함한다.
상기 담금질하는 단계는, 800℃ 이상 및 850℃ 이하의 온도에서 고주파 열처리를 이용하는 것일 수 있다.
상기 2차 가공하는 단계는, 냉각 중 2차 가공하는 경우, 800℃ 이상 및 850℃ 이하의 온도에서 실시하며, 냉각이 완료된 이후 강재를 2차 가공하는 경우, Ar1 변태점 이하의 온도에서 실시하는 것 일 수 있다.
상기 2차 가공하는 단계는 단조, 압연, 또는, 전조를 실시하는 것 일 수 있다.
상기 1차 가공하는 단계는 1000℃ 이상 및 1250℃ 이하의 온도에서 단조를 실시하는 것 일 수 있다.
상기 강재는, 하기 [식1] - [식2] 의 값이 70 이상 및 90이하일 수 있다.
[식1] = 910 - 203√[C] - 15.2[Ni] + 44.7[Si] + 104[V] + 31.5[Mo] + 13.1[W]
[식2] = 723 - 10.7[Mn] - 16.9[Ni] + 29.1[Si] + 16.9[Cr] + 290[As] + 6.38[W]
(단, 여기서, [C], [Ni], [Si], [V], [Mo], [W], [Mn], [Cr], [As] 는 각각 C, Ni, Si, V, Mo, W, Mn, Cr, As 의 중량%를 의미한다.
여기서 Ni: 0.08 중량%이하, Mo: 0.03 중량%이하, 및, Cr: 1.10 이하 포함된다. W 및 As 의 함량은 제강 공정에 의하여 강재에 혼입되어 있는 성분 범위를 따른다.)
상기 담금질하는 단계 이후, 템퍼링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 고강도 강은 가공성이 우수하고강도가 우수하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 기어의 제조 방법은 고강도의 기어의 제조가 가능하고, 내구성이 우수하다. 또한, 낮은 온도에서 열처리를 실시할 수 있어 경제적이다.
도1 은 본 발명의 일 실시예에 의하여 제작된 링 기어 및 피니언 기어를 나타낸 사진이다.
도 2 는 비교예 1 의 성분계를 사용하여 제작된 링 기어 및 피니언 기어를 나타낸 사진이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 의하여 1차 가공이 완료된 링 기어 및 피니언 기어를 나타낸 사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 고강도 강은, C: 0.47 중량% 이상 및 0.53중량% 이하, Si: 0.55 중량% 이상 및 0.65중량% 이하, Mn: 0.85중량% 이상 및 1.15중량% 이하, S: 0.020 중량% 이상 및 0.040 중량% 이하, V : 0.08 중량% 이상 및 0.12 중량% 이하, Al: 0.025 중량% 이상 및 0.045 중량% 이하, B: 0.0010 중량% 이상 및 0.0050 중량% 이하, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 고강도 강은 기어용으로 사용될 수 있다. 보다 구체적으로는 자동차용 기어로 사용될 수 있다.
C는 강도 및 경도를 결정하는 원소로써, 0.47 중량% 미만이면 강도 및 표면 경도가 열화될 수 있으며, 0.53중량%를 초과할 경우 단조 가공성, 피삭성이 저하된다.
Si 는 기지에 고용되어 피로강도 및 고온연화저항성을 높여주는 원소이다. 0.55 중량% 미만이면 피로강도가 열위하여 표면손상에 취약하게 되고, 0.65 중량% 초과인 경우 열간단조 및 가공성을 저하시킨다.
Mn 은 오스테나이트 안정화 원소의 역할을 한다. 따라서 본 발명의 일 실시에에 의한 강을 사용하여 기어를 제작시 낮은 온도에서 고주파 열처리를 가능하게 한다. 또한, 펄라이트를 미세하게 하고 페라이트를 고용강화시킴으로써 항복강도를 향상시킨다. 강의 담금질성과 강도를 향상시키며, 고온에서는 소성을 증가시켜 주조성을 좋게 한다. 또한, S와 결합하여 MnS를 형성함으로써 적열 취성을 방지하고 절삭 가공성을 향상시킨다. Mn 이 0.85 중량% 미만이면, 강도가 열위되고, 1.15 중량% 초과이면, MnS계 개재물이 과다 형성되어 피로강도를 저하시킬 수 있다.
S는 Mn과 결합하여 MnS를 형성함으로써 절삭가공성을 향상시킨다. 0.020 중량% 미만이면 절삭성이 부족하게 되고, 0.040 중량% 초과인 경우 Fe와 결합하여 FeS를 형성하는 문제점이 발생할 수 있다.
V은 미세 탄질화물 형성에 의한 결정립을 미세화시켜 강도 및 인성을 향상시킨다. 0.08 중량% 미만이면 강도증가 효과가 작고, 0.12 중량% 초과인 경우 인성이 저하될 수 있다.
B는 베이나이트 조직의 형성을 촉진하고 소입성을 향상시켜 내구성을 높인다. 또한, TTT(Time-tempeature transformation diagram)에서 초석 페라이트 석출을 지연시킬 수 있다.
B의 함량이 0.001 중량% 미만이면 첨가 효과가 나타나지 않으며, 0.005 중량% 초과이면, 용해 작업시 산화물 및 질화물을 형성하며, 이러한 조성의 강을 열처리할 경우 보로카바이드가 형성되어 초석페라이트 형성억제에 기여하지 못할 수 있다.
Al은 탈산제로서 작용하는 것과 동시에 N와 결합하여 결정립 미세화시키나, 0.025중량% 미만이면 탈산이나 결정립 미세화 작용이 작아질 수 있고, 0.045 중량% 초과이면 Al2O3 등과 같은 개재물의 증가로 해로운 영향을 미칠 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 강은 하기 [식1] - [식2] 의 값이 70 이상 및 90이하일 수 있다.
[식1] = 910 - 203√[C] - 15.2[Ni] + 44.7[Si] + 104[V] + 31.5[Mo] + 13.1[W]
[식2] = 723 - 10.7[Mn] - 16.9[Ni] + 29.1[Si] + 16.9[Cr] + 290[As] + 6.38[W]
(단, 여기서, [C], [Ni], [Si], [V], [Mo], [W], [Mn], [Cr], [As] 는 각각 C, Ni, Si, V, Mo, W, Mn, Cr, As 의 중량%를 의미한다)
[식1] - [식2]의 값이 70 미만이면, 본 발명의 일 실시예에 의한 강을 사용하여 기어로 제작하였을 때, 치 끝에서 용손이 발생하거나, 내구성이 떨어질 수 있다. 또한, 90 초과이면, 고주파 열처리 담금질 처리시 열처리 온도가 높아진다.
또한, 여기서 상기 강재는 Ni: 0.08 중량%이하, Mo: 0.03 중량%이하, 및, Cr: 1.10 이하 포함될 수 있다. W 및 As 의 함량은 제강 공정에 의하여 강재에 혼입되어 있는 성분 범위를 따른다.
이하 본 발명의 일 실시예에 의한 강을 사용하여 기어를 제작하는 방법에 대하여 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 기어는 자동차용 기어일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 기어 제조 방법은, 먼저, C: 0.47 중량% 이상 및 0.53중량% 이하, Si: 0.55 중량% 이상 및 0.65중량% 이하, Mn: 0.85중량% 이상 및 1.15중량% 이하, S: 0.020 중량% 이상 및 0.040 중량% 이하, V : 0.08 중량% 이상 및 0.12 중량% 이하, Al: 0.025 중량% 이상 및 0.045 중량% 이하, B: 0.0010 중량% 이상 및 0.0050 중량% 이하, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 마련한다.
상기 강재는 상기 강재는, 하기 [식1] - [식2] 의 값이 70 이상 및 90이하일 수 있다.
[식1] = 910 - 203√[C] - 15.2[Ni] + 44.7[Si] + 104[V] + 31.5[Mo] + 13.1[W]
[식2] = 723 - 10.7[Mn] - 16.9[Ni] + 29.1[Si] + 16.9[Cr] + 290[As] + 6.38[W]
(단, 여기서, [C], [Ni], [Si], [V], [Mo], [W], [Mn], [Cr], [As] 는 각각 C, Ni, Si, V, Mo, W, Mn, Cr, As 의 중량%를 의미한다.
또한, 여기서 Ni: 0.08 중량%이하, Mo: 0.03 중량%이하, 및, Cr: 1.10 이하 포함될 수 있다. W 및 As 의 함량은 제강 공정에 의하여 강재에 혼입되어 있는 성분 범위를 따른다)
상기 강재를 1차 가공한다. 상기 1차 가공은, 1000℃ 이상 및 1250℃ 이하의 온도에서 단조를 실시하는 것일 수 있다. 1차 가공하여 소정의 부품형상으로 제조한다. 1차 가공이 완료된 소재는 냉각 시킨다. 상기 냉각 중 또는 냉각이 완료된 이후 소재를 2차 가공한다.
냉각 중 2차 가공하는 경우, 800℃ 이상 및 850℃ 이하의 온도에서 단조, 압연, 또는, 전조를 실시할 수 있다. 냉각이 완료된 이후 강재를 2차 가공하는 경우, Ar1 변태점 이하의 온도에서 단조, 압연, 또는, 전조를 실시할 수 있다. 상기 기재의 온도 범위에서 2차 가공을 실시할 경우 베이나이트 조직이나, 마르텐사이트 조직을 미세화 시킬 수 있다.
2차 가공이 완료된 소재는 담금질을 실시한다. 상기 담금질하는 단계는, 800℃ 이상 및 850℃ 이하의 온도에서 고주파 열처리를 이용하는 것일 수 있다.
일반적으로 고주파 열처리의 실시는 900℃ 내지 950℃에서 실시되나, 본 발명의 일 실시예에 의한 강재의 성분계에서는 오스테나이트 영역이 넓어 800℃ 이상 및 850℃ 이하의 온도에서 고주파 열처리를 실시할 수 있다.
또한, 저온에서 고주파 열처리를 실시함으로써, 과열에 의한 용손을 방지할 수 있고, 열변형을 줄일 수 있다.
담금질이 완료된 이후 상기 소재를 템퍼링 열처리할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 상세히 설명한다. 단 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
100 ton 전기로에서 용해한 다음 정련 및 진공탈가스 공정 및 연속주조 공정을 거쳐 최종 Φ60, 100 의 환봉을 제조하였다. 이러한 환봉의 성분은 표1에 나타내었다.
이 환봉을 1130 ℃ 에서 열간단조를 실시하여 도 3과 같은 형상으로 제작한 후 냉각중 825℃ 에서 2차 가공하여 링 기어, 피니언 기어를 제작하였다.
이후, 830℃ 에서 고주파 열처리를 실시하고, 150℃ 가열로에서 90분간 템퍼링 처리를 실시하였다.
비교예1 및 비교예2 의 경우 실시예와 동일한 고주파 열처리를 실시하였고, 비교예3의 경우 2차 가공 이 후 침탄 열처리를 실시하였다.
구분 C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo Al V B
(ppm)		 용손 [식1] - [식2]
 액슬내구
시험 합/불
발명강 0.5 0.60 0.95 0.015 0.030 0.10 0.07 - 0.02 0.035 0.1 20 없음 74 합
비교예1 0.5 0.30 0.70 0.015 0.032 0.10 0.07 - 0.02 0.038 0.1 20 발생 66 -
비교예2 0.5 0.50 0.95 0.015 0.025 0.10 0.07 - 0.02 0.035 - 20 없음 62 불
비교예3 0.2 0.25 0.85 0.020 0.020 0.15 0.07 1.00 - - - - - 92 -
표1에서,
[식1] = 910 - 203√[C] - 15.2[Ni] + 44.7[Si] + 104[V] + 31.5[Mo] + 13.1[W] 이며,
[식2] = 723 - 10.7[Mn] - 16.9[Ni] + 29.1[Si] + 16.9[Cr] + 290[As] + 6.38[W] 이다.
또한, 액슬내구시험은 액슬기어 어셈블리 상태에서 행해지며, 25만 싸이클 합격기준으로, 시험 중 표면 손상 혹은 기어 파손에 의해 시험이 중단되거나, 시험 후 표면 손상이 있을시 불합격으로 판단한다.
또한, 실시예 및 비교예3의 변형량을 측정하여 표 2 에 나타내었다.
구분 링기어 변형량(mm) 피니언 기어 변형량(mm)
치편심 배면 Runout 흔들림 비틀림 직각도 치편심
비교예3 발명강 비교예3 발명강 비교예3 발명강 비교예3 발명강 비교예3 발명강 비교예3 발명강
5개
평균값		 0.04 0.024 0.038 0.01 0.04 0.022 0.048 0.024 0.004 0.004 0.05 0.031
도1 은 본 발명의 일 실시예에 의하여 제작된 링 기어 및 피니언 기어를 나타낸 사진이고, 도 2 는 비교예 1 의 성분계를 사용하여 제작된 링 기어 및 피니언 기어를 나타낸 사진이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 기어는 용손이 발생하지 않았으나, 비교예1의 경우 용손이 발생되어 있음을 알 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

  1. C: 0.47 중량% 이상 및 0.53중량% 이하, Si: 0.55 중량% 이상 및 0.65중량% 이하, Mn: 0.85중량% 이상 및 1.15중량% 이하, S: 0.020 중량% 이상 및 0.040 중량% 이하, V: 0.08 중량% 이상 및 0.12 중량% 이하, Al: 0.025 중량% 이상 및 0.045 중량% 이하, 및 B: 0.0010 중량% 이상 및 0.0050 중량% 이하를 포함하고 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 고강도 강.
  2. 제 1 항에 있어서,
    하기 [식1] - [식2] 의 값이 70 이상 및 90이하인 고강도 강.
    [식1] = 910 - 203√[C] - 15.2[Ni] + 44.7[Si] + 104[V] + 31.5[Mo] + 13.1[W]
    [식2] = 723 - 10.7[Mn] - 16.9[Ni] + 29.1[Si] + 16.9[Cr] + 290[As] + 6.38[W]
    (단, 여기서, [C], [Ni], [Si], [V], [Mo], [W], [Mn], [Cr], 및 [As] 는 각각 C, Ni, Si, V, Mo, W, Mn, Cr, 및 As 의 중량%를 의미한다.
    여기서 Ni: 0.08 중량%이하, Mo: 0.03 중량%이하, 및 Cr: 1.10 이하 포함된다. W 및 As 의 함량은 제강 공정에 의하여 강재에 혼입되어 있는 성분 범위를 따른다.)
  3. C: 0.47 중량% 이상 및 0.53중량% 이하, Si: 0.55 중량% 이상 및 0.65중량% 이하, Mn: 0.85중량% 이상 및 1.15중량% 이하, S: 0.020 중량% 이상 및 0.040 중량% 이하, V: 0.08 중량% 이상 및 0.12 중량% 이하, Al: 0.025 중량% 이상 및 0.045 중량% 이하, 및 B: 0.0010 중량% 이상 및 0.0050 중량% 이하를 포함하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 1차 가공한 후 냉각 하는 단계;
    상기 냉각 중 또는 냉각이 완료된 이후 강재를 2차 가공하는 단계; 및
    상기 2차 가공이 완료된 강재를 담금질하는 단계;를 포함하는 기어 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 담금질하는 단계는, 800℃ 이상 및 850℃ 이하의 온도에서 고주파 열처리를 이용하는 것인 기어 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 2차 가공하는 단계는, 냉각 중 강재를 2차 가공하는 경우, 800℃ 이상 및 850℃ 이하의 온도에서 실시하며,
    냉각이 완료된 이후 강재를 2차 가공하는 경우, Ar1 변태점 이하의 온도에서 실시하는 기어 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 2차 가공하는 단계는 단조, 압연, 또는 전조를 실시하는 것인 기어 제조 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 1차 가공하는 단계는 1000℃ 이상 및 1250℃ 이하의 온도에서 단조를 실시하는 것인 기어 제조 방법.
  8. 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강재는, 하기 [식1] - [식2] 의 값이 70 이상 및 90이하인 기어 제조 방법.
    [식1] = 910 - 203√[C] - 15.2[Ni] + 44.7[Si] + 104[V] + 31.5[Mo] + 13.1[W]
    [식2] = 723 - 10.7[Mn] - 16.9[Ni] + 29.1[Si] + 16.9[Cr] + 290[As] + 6.38[W]
    (단, 여기서, [C], [Ni], [Si], [V], [Mo], [W], [Mn], [Cr], 및 [As] 는 각각 C, Ni, Si, V, Mo, W, Mn, Cr, 및 As 의 중량%를 의미한다.
    여기서 Ni: 0.08 중량%이하, Mo: 0.03 중량%이하, 및 Cr: 1.10 이하 포함된다. W 및 As 의 함량은 제강 공정에 의하여 강재에 혼입되어 있는 성분 범위를 따른다.)
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 담금질하는 단계 이후, 템퍼링하는 단계를 더 포함하는 기어 제조 방법.
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