KR20170009205A - 이중 고주파 열처리용 과열 둔감형 미세립 합금강 및 그 제조방법 - Google Patents

이중 고주파 열처리용 과열 둔감형 미세립 합금강 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 드라이브 샤프트에 사용되는 합금강과 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 고주파 과열시에도 오스테나이트 결정립 크기 즉, AGS(austenitegrain size)지수 11 이상을 유지하는 이중 고주파 열처리용 과열 둔감형 미세립 합금강으로 합금원소를 추가하고 그것의 열처리 과정을 최적화함으로써 강도 및 인성을 향상시키는 효과를 내는 합금강 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의하면, Fe(철)를 주성분으로 하고 전체 합금강 중량에 대하여, C(탄소) 0.40 ~ 0.55 중량%, Si(규소) 0.20 ~ 0.40 중량%, Mn(망가니즈) 0.8 ~ 1.0 중량%, Cr(크로미움) 0.8 ~ 1.2중량%, Al(알루미늄) 0.045 중량% 및 불가피한 불순물을 포함하는 미세립 합금강을 제공한다.

Description

이중 고주파 열처리용 과열 둔감형 미세립 합금강 및 그 제조방법 {The Overheating-Insensitive Fine Grained Alloy Steel Which Is Used in The Heat Treatment With Double High Frequency and The Method of The Same}
본 발명은 차량용 드라이브 샤프트에 사용되는 합금강과 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 고주파 과열시에도 오스테나이트 결정립 크기 즉, AGS(Austenite Grain Size)지수11 이상을 유지하는 이중 고주파 열처리용 과열 둔감형 미세립 합금강으로 합금원소를 추가하고 그것의 열처리 과정을 최적화함으로써 강도 및 인성을 향상시키는 효과를 내는 합금강 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
최근 자동차산업의 발전과 수요자들의 다양한 요구에 맞추어 나가기 위하여 다양한 편의사항이 개발되고 있다. 수요자들의 요구에 의하여 수많은 편의사항의 장착으로 인하여 차량의 중량이 크게 증가됨에 따라 차량의 연비가 저하될 뿐만 아니라 차량용 부품이 받는 하중이 더욱 증가하는 문제가 발생하게 되었다. 또한, 세계적으로 환경문제가 대두되고 있는 바, 산업 전 범위에서 이러한 문제에 대응하기 위하여 연료절감을 하는 방법을 찾아 나서고 있다. 연료 절감을 이룩하기 위하여, 자동차 산업분야에서 제시하는 해결책으로 자동차 엔진의 효율을 높이는 방법과 자동차의 경량화를 하는 방법이 있다. 위 방법 중 차량을 경량화하는 방법은 자동차의 연비를 늘릴 수 있는 좋은 대책이 될 수 있다. 그러나 차량을 경량화하는 방법은 차량에서 요구하는 강도와 내구성을 만족시키지 못하는 심각한 문제가 발생하게 된다. 따라서, 이를 해결하는 것이 자동차 산업의 최대 목표가 되고 있다.
따라서, 친환경이라는 트랜드 아래 자동차 업계는 유럽규제 기준, 2021년까지 이산화탄소 배출량을 현재 대비, 27% 수준인 95 g/km으로 저감하는 것을 목표로 다양한 친환경 차량을 개발하고 있다. 또한, 2025년 미국 기업평균연비 규제치 (CAFE, Corporate Average Fuel Economy) 54.5 mpg (23.2 km/l)를 만족하기 위해 자동차 메이커들은 다운사이징, 연비향상 기술 개발에 매진하고 있다.
이와 더불어, 차량의 대량생산으로 인하여 차량의 생산량이 늘어남에 따라 품질관리가 더욱 어려워지고 부품의 품질 저하되어 수요자의 불만이 급증하게 되었다. 그러나 이에 대응하기 위한 경제적인 방법이 없어 전술한 문제를 해결하기 위해 지출하는 비용이 급격히 증가하고 있는 실정이다.
근래 자동차 산업에서는 친환경 및 에너지 절약에 따른 기술개발로 연비가 향상되고 있으며 차량의 중량이 감소되고 있는 추세이다. 이러한 대표적인 기술로 부품을 중공화하는 것을 예로 들을 수 있다. 그러나 이러한 부품의 중공화 기술은 중실 대비 설계적으로 제조공정과정 중 다양한 요인에 의하여 품질이 달라지는 문제가 발생되고 있다.
실제 예로, 중공 드라이브 샤프트를 들을 수 있다. 드라이브 샤프트(drive shaft)란 파이널 드라이브와 휠을 연결하는 막대 모양의 동력 전달기계부품을 말한다. 드라이브 샤프트 제조공정에서 고주파 열처리 과열시 결정립의 성장 및 조대화로 인해 취성이 증가하고 이에 따라 드라이브 샤프트가 균열 또는 파손되는 문제가 발생하였다.
이를 해결하기 위하여 종래에는 드라이브 샤프트의 소재인 합금강을 고강도화 하는 것을 선택하거나 드라이브 샤프트 소재인 합금강의 강도 및 인성을 동시에 확보하기 위한 미세립 소재의 합금강를 개발하는데 치중하였으며 그에 따라 현재 미세립 소재와 관련된 다수의 특허가 존재하고 있는 실정이다. 그 중 본 발명에서는 미세립 합금강을 고주파 열처리하여 결정립을 미세화 시킬 뿐만 아니라 1000℃이상으로 가열 즉, 과열시에도 결정립 크기의 조대화를 막을 수 있는 미세립 합금강의 개발 및 결정립의 미세화를 위한 열처리 방법을 제시한다. 본 발명은 강도와 인성이 우수한 합금강을 사용하여 차량 드라이브 샤프트의 강성을 증가시키고 내구성을 향상시켜 차량의 품질을 향상시키는 것이 목적이다. 또한 차량 부품의 중공화로 인하여 연비를 향상시키며, 더 나아가, 차량부품의 수명을 향상시킴으로 인하여 환경오염을 방지하는 효과를 기대할 수 있을 것이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 Fe(철)를 주 성분으로 하여 C(탄소), Si(실리콘), Mn(망가니즈), Cr(크로뮴), Mo(몰리브데넘), Al(알루미늄), Ti(티타늄), Nb(니오비늄), B(붕소) 및 불가피한 불순물을 포함함으로써, 고주파 열처리한 후에 결정립을 미세화시킬 뿐만 아니라 과열시에도 결정립 크기의 조대화를 막을 수 있는 미세립 합금강의 개발 및 결정립의 미세화를 하기 위한 열처리 방법에 의하여 미세립 합금강의 제조방법을 제공하고자 함에 있다.
나아가, 본 발명의 목적은 상기 미세립 합금강으로 제조된 차량용 드라이브 샤프트를 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의하면, Fe(철)를 주성분으로 하고 전체 합금강 중량에 대하여, C(탄소) 0.40 ~ 0.55 중량%, Si(규소) 0.20 ~ 0.40 중량%, Mn(망가니즈) 0.8 ~ 1.0 중량%, Cr(크로미움) 0.8 ~ 1.2중량%, Al(알루미늄) 0.045 중량% 및 불가피한 불순물을 포함하는 미세립 합금강을 제공한다.
또한, 본 발명에서의 상기 합금강은 Mo(몰리브데넘)을 더 포함하는 것을 특징으로 하며, 이 때, Mo(몰리브데넘)은 0.20 ~ 0.45중량%인 것이 바람직하다.
나아가, 본 발명에서의 상기 합금강은 Ti(티타늄)을 더 포함하는 것을 특징으로 하며, 이 때, Ti(티타늄)은 0.030 중량%인 것이 바람직하다.
더불어, 본 발명에서의 상기 합금강은 Nb(니오비늄)을 더 포함하는 것을 특징으로 하며, 이 때, Nb(니오비늄)은 0.025 ~ 0.05중량%인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서의 상기 합금강은 B(붕소)를 더 포함하는 것을 특징으로 하며, 이 때, B(붕소)는 0.0020 ~0.0040 중량%인 것이 바람직하다.
나아가, 본 발명에서의 상기 합금강은 Mo(몰리브데넘), Ti(티타늄), Nb(니오비늄) 및 B(붕소)를 더 포함하는 것을 특징으로 하며, 이 때, Mo(몰리브데넘)은 0.20 ~ 0.45중량%, 상기 Ti(티타늄)은 0.030 중량%, Nb(니오비늄)은 0.025 ~ 0.05 중량% 및 상기 B(붕소)는 0.0020 ~ 0.0040 중량%인 것이 바람직하며, 보다 구체적으로 C(탄소), Si(실리콘), Mn(망가니즈), Cr(크로뮴), Mo(몰리브데넘), Al(알루미늄), Ti(티타늄), Nb(니오비늄)은 F(미세화 상관 지수)가 8.5 ~ 12 인 것이 바람직하다
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 상기 합금강의 소재를 혼합하여 원재료인 합금강을 만드는 단계(S10); 상기 합금강을 가열하는 단계(S20); 상기 가열된 합금강을 열간단조하는 단계(S30); 상기 열간단조된 합금강을 ??칭(Quenching) 및 템퍼링(Tempering) 열처리하는 단계(S40); 및 상기 ??칭 및 템퍼링 열처리된 함금강을 고주파 열처리하는 단계(S60);를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세립 합금강의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명에서의 상기 미세립 합금강의 제조방법에 의하면, ??칭(Quenching) 및 템퍼링(Tempering) 열처리하는 단계(S40) 후, ??칭 및 템퍼링 열처리된 함금강을 마찰용접하는 단계(S50)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 또한, 본 발명에서의 상기 미세립 합금강의 제조방법에 의하면, 상기 ??칭(Quenching) 및 템퍼링(Tempering) 열처리하는 단계(S40)는 제 1차 고주파로 ??칭(Quenching) 열처리하는 단계(S41); 제2차 고주파로 ??칭(Quenching) 열처리하는 단계(S42); 및 템퍼링(Tempering) 열처리하는 단계(S43);를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 제 1차 고주파로 ??칭(Quenching) 열처리하는 단계(S41)는 전류가 310A이상 410A이하, 전압이 270V이상 370V이하, 주파수는 0 KHz 초과 5KHz 이하에서 수행하는 것을 특징으로 하며, 상기 제2차 고주파로 ??칭(Quenching) 열처리하는 단계(S42)는 전류가 310A이상 410A이하, 전압이 270V이상 370V이하, 주파수는 30 KHz 이상 50KHz 이하에서 수행하는 것이 바람직하고, 보다 구체적으로 상기 템퍼링(Tempering) 열처리하는 단계(S43)는 템퍼링(Tempering) 열처리 유지온도는180℃이고 열처리 시간은 3시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 상기 미세립 합금강의 제조방법을 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 차량용 중공 드라이브 샤프트를 제공한다.
본 발명인 차량의 드라이빙 샤프트의 제작에 이용되는 합금강은 Fe(철)를 주 성분으로 하여 C(탄소), Si(실리콘), Mn(망가니즈), Cr(크로뮴), Mo(몰리브데넘), Al(알루미늄), Ti(티타늄), Nb(니오비늄), B(붕소) 및 불가피한 불순물을 포함한 미세립 합금강 및 이의 제조방법에 의하면, 이중 고주파 ??칭(Quenching) 열처리한 후에 결정립을 미세화시킬 뿐만 아니라 이중 고주파 ??칭(Quenching) 열처리 과정에서 과열시에도 결정립 크기의 조대화를 막아 소입성 증가 및 결정립이 미세화하여 소재의 강도, 인성 및 내부식성 등의 증가로 내구성을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명인 상기 미세립 합금강을 이용하여 제조된 차량용 드라이브 샤프트에 의하면, 차량의 내구성을 향상시키고, 자동차의 수명의 연장시켜 환경오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 차량용 드라이브 샤프트의 단면도.
도 2는 종래기술에 따른 고주파 이후 결정립이 조대화된 합금강의 투과 전자현미경 사진도.
도 3는 종래기술에 따른 고주파 이후 결정립이 미세화된 합금강의 투과 전자현미경 사진도.
도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 온도별 미고용상태의 석출물의 양을 나타낸 그래프도.
도 5은 본 발명의 일실시예에 따른 Mo(몰리브데넘) 함량에 따른 결정립 크기를 나타낸 그래프도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 입계에 분포된 Mo(몰리브데넘)탄화물의 투과 전자현미경 사진도.
도 7는 본 발명의 일실시예에 따른 Cr(크로미움) 함량에 따른 경도를 나타낸 그래프도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 Ti(티타늄) 함량에 따른 경도를 나타낸 그래프도.
도 9은 본 발명에 따른 각 합금성분의 상한치와 하한치를 첨가한 실시예들과 각 성분을 과량 첨가한 함금강의 비틀림 피로 강도를 비교한 그래프도.
도 10는 종래 합금성분으로 제조한 원소재를 본 발명의 열처리 방법에 따라 제조한 합금강의 결정립 투과 전자현미경 사진도.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 미세립 합금강의 투과 전자현미경 사진도.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 드라이브 샤프트에 이용되는 미세립 합금강의 제조공정의 순서도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도1은 종래기술에 따른 드라이브 샤프트(drive shaft)의 단면을 나타낸 단면도이다. 드라이브 샤프트는 파이널 드라이브와 휠을 연결하는 동력을 전달하는 막대모양의 기계부품이다. 독립 현가장치에서 파이널 드라이브는 차체에 고정되어 있으나, 양쪽 바퀴가 독립하여 움직이기 때문에 자유롭게 위아래로 움직이는 샤프트가 필요하다.
도 1에서 나타낸 바와 같이, 중공 드라이브 샤프트는 내부가 합금강으로 채워져 있는(중실) 스터브와 내부가 비어있는(중공) 튜브로 구성되어있다. 드라이브 샤프트는 차량의 연비 향상과 중량 절감을 위해 부품의 중공화 개발이 이루어지고 있으나 중실에 비하여 설계적으로 제조공정 중에서 다양한 요인에 의하여 일정한 품질을 만족하지 못하는 문제가 있다. 또한, 드라이브 샤프트 제조과정에서 고주파 열처리 조건을 과열, 즉 1000℃ 이상으로 하는 경우 합금강의 결정립의 조대화로 취성이 증가하여 드라이브 샤프트의 균열 및 파손 발생하게 되는 문제가 발생되고 있다. 도 2는 종래기술에 따른 합금강을 투과 전자현미경으로 촬영한 것이다. 일반적으로 정상적인 합금강의 경우에는 도 3과 같이 합금강의 결정립이 약 10㎛ 수준을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 고주파 열처리 과정에서 과열할 경우 결정립이 조대화되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 조대화로 인하여 취성이 증가하고 그 결과 드라이브 샤프트의 스터브가 파손되거나 드라이브 샤프트의 튜브가 파손되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 차량의 안전과 내구성을 확보하기 위해서는 상기 드라이브 샤프트에 이용되는 합금강의 결정립이 고주파 열처리를 함에도 불구하고 미세화될 필요성이 있다.
상기에서 제시된 문제점을 해결하기 위해 종래에는 합금강의 고강도화를 통하여 해결하고자 하였으나 현재는 합금강의 강도와 인성을 동시에 확보하기 위한 미세립 합금강을 개발하는데 중점을 두고 있다.
한편, 본 발명은 드라이브 샤프트 등 고주파 열처리용 부품을 대상으로 하며, 그에 이용되는 합금강을 고주파 열처리하여 합금강 결정립을 미세화하는 것뿐만 아니라 과열, 즉 1000℃이상으로 가열하여도 합금강의 결정립이 조대화되는 것을 방지하는 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 이중으로 고주파 ??칭(Quenching) 열처리를 통한 합금강의 결정립을 초미세화한다. 또한 본 발명은 ??칭을 2회 연속으로 실시한다 하더라도 합금강의 결정립이 조대화되는 것을 방지할 수 있는 합금강을 개발하는 것이다.
본 발명은 상술한 요구사항을 만족하기 위한 발명으로, 고주파 열처리용 부품 즉, 드라이브 샤프트에 이용되는 이중 고주파 열처리용 과열 둔감형 미세립 합금강 및 그 제조방법 관한 것으로서, 일 관점에서 본 발명은 이중 고주파 열처리용 과열 둔감형 미세립 합금강에 관한 것이다.
본 발명은 고주파 열처리 단계에서 과열을 하더라도 미고용 상태로 유지할 수 있는 합금성분 즉, Ti(티타늄), Nb(니오비늄)을 첨가하여 석출물의 입계 pinning 효과로 인해 고온에서 합금강의 조대화 방지하며, 소입성 증가 및 결정립 미세화를 위하여 Mo(몰리브데넘) 및 B(붕소)를 첨가하여 강도와 인성을 동시에 확보할 수 있고, B(붕소)의 첨가로 내부식성을 향상시키는 특징이 있다.
따라서, 상기의 문제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 고주파 열처리용 부품의 제조에 이용되는 합금강은 Fe(철)를 주성분으로 하고 전체 합금강 중량에 대하여, C(탄소) 0.40 ~ 0.55 중량%, Si(규소) 0.20 ~ 0.40 중량%, Mn(망가니즈) 0.8 ~ 1.0 중량%, Cr(크로미움) 0.8 ~ 1.2중량%, Al(알루미늄) 0.045 중량% 및 불가피한 불순물을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명은 발명의 필요에 따라 Mo(몰리브데넘)은 0.20 ~ 0.45중량%, 상기 Ti(티타늄)은 0.030 중량%, Nb(니오비늄)은 0.025 ~ 0.05 및 상기 B(붕소)는 0.0020 ~ 0.0040 중량% 중 어느 하나 이상을 선택적으로 추가하여 형성될 수 있다.
본 발명에서 개발된 미세립 합금강은 고주파 열처리에 의하여 미세화할 뿐만 아니라 과열(過熱)시에도 오스테나이트 결정립 조대화 및 이상립 생성을 방지할 수 있도록 합금 성분, 고주파 열처리 온도 및 시간을 최적화하여 오스테나이트 결정립도를 미세화한다. 일반적으로 합금강의 강도를 상승시키면 인성이 저하되지만 합금강의 결정립을 미세화하면 강도와 인성을 모두 향상시켜 부품의 내구성을 극대화할 수 있기 때문이다. (홀패치 효과)
본 발명인 미세립 합금강은 ‘미세화 상관 지수(F)’에 의하여 미세립 합금강의 성분범위를 선정하였다. 상기 미세화 상관 지수(F)는 1000℃ 이상 가열(加熱)시 유효한 값으로 미세화 상관 지수(F)가 8.5 < F < 12 일때 합금강 결정립의 미세화 및 조대화 방지 효과가 있고, 미세화 상관 지수가 클수록 효과는 우수하다. 미세화 상관 지수가 8.5 이하일 경우, 합금강의 결정립도가 30㎛ 수준으로 결정립을 미세화하는 효과가 없다. 반면, 미세화 상관 지수가 12 이상일 경우, 합금강의 개재물 관리가 되지 않으며, 석출물에 의해 피로강도가 현저히 떨어지는 문제 등이 발생된다.
<수학식1>
F=10×[C]+0.33×[Si]+0.2×[Mn]+0.7×([Cr]+[Mo])+0.5×([Ti]+[Al]+[Nb])
상기 수학식1은 미세화 상관 지수를 나타낸 것이다. 상기 수학식1은 ASTM A 255-89의 식에서 파생된 식으로 여러 합금성분의 효과를 수식으로 표현하였다.
보다 구체적으로 상기 수학식1의 값은 다음과 같다.
[C]는 C(탄소)가 0중량% 초과 0.39 중량% 이하일 경우, 0.54×(탄소의 중량%)이고; C(탄소)가 0.39 중량% 초과 0.55 중량% 이하일 경우, 0.171+0.001×(탄소의 중량%)+0.265×(탄소의 중량%)2이며; C(탄소)가 0.55 중량% 초과 0.65 중량% 이하일 경우, 0.115+0.268×(탄소의 중량%)-0.038×(탄소의 중량%)2이고; C(탄소)가 0.65 중량% 초과 0.75 중량% 이하일 경우, 0.143+0.2×(탄소의 중량%)이며; C(탄소)가 0.75 중량% 초과 0.9 중량% 이하일 경우, 0.062+0.409×(탄소의 중량%)-0.135×(탄소의 중량%)2에 해당한다.
또한, [Si]는 Si(실리콘)이 0 중량% 초과 0.4 중량% 이하일 경우, 1+0.7×(실리콘의 중량%) 에 해당한다.
또한, [Mn]은 Mn(망가니즈)가 0 중량% 초과 0.8 중량% 이하일 경우, 1.3333+(망간의 중량%) 이며; Mn(망가니즈)가 0.8 중량% 초과 1.0 중량% 이하일 경우, 3.3333×(망간의 중량%)+1이며; Mn(망가니즈)가 1.0 중량% 초과 1.95 중량% 이하일 경우, 2.1×(망간의 중량%)-1.12 에 해당한다.
또한, [Cr]은 Cr(크롬미윰)이 0 중량% 초과 2.0 중량% 이하일 경우, 1+2.16×(크로미윰의 중량%) 에 해당한다.
또한, [Mo]은 Mo(몰리브데넘)이 0 중량% 초과 0.2 중량% 미만일 경우, 1이고; Mo(몰리브데넘)이 0.2 중량% 이상 1.0 중량% 이하일 경우, 1+3×(몰리브데넘의 중량%) 에 해당한다.
또한, [Ti]는 Ti(티타늄)이 0 중량% 초과 0.03 중량% 이하일 경우, 145× (티타늄의 중량%)이고; Ti(티타늄)이 0.03 중량% 초과일 경우, 4.35 에 해당한다.
또한, [Al]은 Al(알루미늄)이 0 중량% 초과 0.05 중량% 이하일 경우, 1.73×(알루미늄의 중량%) 에 해당한다.
또한, [Nb]은 Nb(니오비늄)이 0 중량% 초과 0.05 중량% 이하일 경우, 1+0.363×(니오비늄의 중량%) 에 해당한다.
보다 상세하게, 본 발명에 따른 합금강을 구성하는 성분의 수치 한정 이유는 다음과 같다.
(1) C(탄소) 0.40 ~ 0.50 중량%
상기 C(탄소)는 화학성분 중에서 가장 강력한 침입형 기지강화 원소로서, Cr(크로뮴) 등의 원소와 결합하여 탄화물을 형성함으로써 강도와 경도 등을 향상시키고, 석출탄화물을 생성시키는 역할을 한다.
고주파 열처리 후 기존 소재와 동일한 표면 경도를 확보하기 위하여, 상기 C(탄소)의 함량은 전체 합금강 중량에 대하여, 약 0.40 ~ 0.50 중량%인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 C(탄소)의 함량이 약 0.40 중량% 미만일 경우, 합금강의 강도가 저하되고, 경도의 확보가 어려울 수 있으며 고주파 열처리는 중탄소강 이상에서 효과를 볼 수 있어 약 0.40중량% 미만에서는 열처리 효과를 볼 수 없다. 반면에 상기 C(탄소)의 함량이 약 0.50 중량% 초과일 경우, 합금강의 심부 경도가 증가하여 전체 합금강의 인성이 저하되고 열처리 후 크랙발생의 요인이 되며 타 부품과의 용접 시 용접품질에 영향을 줄 수 있는 문제가 있다.
(2) Si(실리콘) 0.2 ~0.4 중량%
상기 Si(실리콘)은 과량 첨가시 침탄을 저해하는 역할을 하지만, 탈산제로서 합금강의 핀홀 형성을 억제하고, 기지에 고용되어 고용강화 효과에 의해 합금강의 강도를 높이고, C(탄소)의 활동도 등을 증대시키는 역할을 한다. 또한, 부품이 구동되는 경우 온도 상승에 따른 접촉부의 경도 저하를 방지하기 위해 첨가하여 연화저항성을 높이는 역할을 한다.
이와 같은 역할을 위하여, 상기 Si(실리콘)의 함량은 전체 합금강 중량에 대하여, 약 0.20 ~ 0.40 중량%인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 Si(실리콘)의 함량이 약 0.20 중량% 미만일 경우, 탈산제의 효과가 거의 없고, 온도 상승에 따른 접촉부의 경도 저하가 발생하며, 반면에 상기 Si(실리콘)의 함량이 약 0.35 중량% 초과일 경우, 기지의 고용강화 효과가 지나치게 증가하여 성형성 및 침탄성 등을 저하시키는 문제와 개재물로 작용할 수 있는 문제가 있다.
(3) Mn(망가니즈) 0.8 ~ 1.0 중량%
상기 Mn(망가니즈)는 합금강의 소입성 개선 및 합금강의 경화능 향상을 통한 강도 등을 향상시키는 역할을 하며, 향후 두꺼운 부품을 양산할 경우 내구성 확보하는 역할을 한다. 이와 같은 역할을 위하여, 상기 Mn(망가니즈)의 함량은 약 0.8 ~ 1.0 중량%인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 Mn(망가니즈)의 함량이 약 0.8 중량% 미만일 경우, 충분한 강도 등을 확보할 수 없는 반면, 상기 Mn(망가니즈)의 함량이 약 1.0 중량% 초과일 경우, 입계산화가 발생하고, 합금강의 기계적 물성이 저하되는 문제가 있다.
(4) Cr(크로뮴) 0.8 ~ 1.2 중량%
상기 Cr(크로뮴)은 합금강의 소입성을 개선하고, 경화능을 부여하는 동시에 합금강의 조직을 미세화하고, 열처리에 의한 구상화하는 역할을 한다. 또한, 시멘타이트 내 라멜라를 단화하는 역할을 하며, 담금질성을 향상시키고 탄화물 형성으로 내마모성을 높이는 역할을 한다.
이와 같은 역할을 위하여, 상기 Cr(크로뮴)의 함량은 0.8 ~ 1.2 중량% 인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 Cr(크로뮴)의 함량이 0.8 중량% 미만일 경우, 소입성과 경화능이 제한될 수 있으며, 조직의 충분한 미세화 및 구상화를 얻을 수 없고 담금질이 어려워지는 문제가 있다. 반면, 상기 Cr(크로뮴)의 함량이 1.2 중량% 초과일 경우, 함량 증가에 따라 인성 및 피삭성이 감소하고 강도 증가의 효과가 미미하여 제조원가의 상승을 초래하는 문제가 있다.
도 7는 Cr(크로뮴)의 함량에 따른 경도를 나타낸 그래프도이다. 합금강의 함량이 증가할수록 강도가 증가하는 것을 그래프를 통하여 확인할 수 있다. 다만 Cr(크로뮴)의 함량이 증가할수록 제조원가 상승 등의 문제가 발생하는 바 1.2 중량%이하로 한정한다.
(5) Mo(몰리브데넘) 0.20 ~ 0.45 중량%
상기 Mo(몰리브데넘)은 합금강의 소입성을 증가시켜, 템퍼링 후 합금강의 경화능 및 인성 등을 향상시키고 취성 저항성을 부여하는 역할을 한다. 또한, 탄소의 활동도를 감소시킨다. 또한, Mo탄화물을 오스테나이트 입계에 석출시켜 결정립 성장을 억제시키고 B(붕소)와 같이 베이나이트 전조직을 만들어 결정립을 미세화 시킨다.
이와 같은 역할을 위하여, 상기 Mo(몰리브데넘)의 함량은 약 0.20 ~ 0.45 중량% 인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 Mo(몰리브데넘)의 함량이 약 0.20 중량% 미만일 경우, 합금강의 경화능 및 인성 등을 충분히 확보할 수 없고 미세화 효과가 나타나지 않는 문제가 있다. 반면, 상기 Mo(몰리브데넘)의 함량이 약 0.45 중량% 초과일 경우, 합금강의 인성, 가공성(절삭성) 및 생산성 등이 저하되고, 함량 증가에 대한 효과가 미미하여 제조원가의 상승을 초래하는 문제가 있다.
도5은 합금강에 Mo(몰리브데넘)의 첨가량에 따른 결정립의 크기를 나타낸 그래프도이다. 도5에서 나타난 바와 같이 Mo(몰리브데넘)의 함량은 약 0.20 중량% 이상이어야 효과가 나타는 것을 확인 할 수 있다. 그러나 약 0.20 중량% 이상 첨가시 함량 증가에 대한 효과가 미미한 것을 확인할 수 있다. 또한 도 6은 입계에 분포된 Mo(몰리브데넘)탄화물의 투과 전자현미경 사진도로 합금강에 Mo(몰리브데넘) 첨가할 경우, Mo 탄화물이 생성되는 것을 확인할 수 있다. .
(6) B(붕소) 0.0020 ~ 0.0040 중량%
상기 B(붕소)는 합금강의 경화능, 인장강도, 내충격성 및 강도 등을 향상시키는 역할을 하며, 부식되는 걸 방지하는 역할을 한다. 또한 고주파 열처리 전에 조직을 베이나이트로 형성시키며, 소입성 증대에 의하여 고주파 열처리가 용이해지는 역할을 한다. 베이나이트 조직은 미세한 침상구조로의 페라이트와 시멘타이트 구조를 지니며 이때의 미세한 각각의 경계면이 고주파 열처리 시 핵 생성 사이트로 작용하여 결정립 수를 증대시켜 미세화 시키게 된다. 다만 용접성이 저하되는 문제가 있다.
이를 위하여 상기 B(붕소)의 함량은 약 0.0020 ~ 0.0040 중량%인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 B(붕소)의 함량이 약 0.0020 중량% 미만일 경우, 합금강의 충분한 경화능을 확보하기 어려운 반면, 상기 B(붕소)의 함량이 약 0.004 중량% 초과일 경우, 합금강의 인성 및 연성 등을 저하시켜 내충격성 을 저하시키며 편석에 의해 내구성이 저하되는 문제가 있다.
(7) Al(알루미늅) 0.045 중량%
상기 Al(알루미늄)은 강력한 탈산제의 역할을 하며, 합금강의 청정도를 개선함은 물론, 결정립을 미세화시키는 역할을 하는 원소이다.
이와 같은 역할을 하기 위하여, 상기 Al(알루미늄)의 함량은 약0.045 중량%인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 Al(알루미늄)의 함량이 0.045 중량% 미만일 경우, 탈산제, 청정도 및 결정립의 미세화와 관련된 충분한 효과를 얻기 어려운 문제가 있다. 반면, 상기 Al(알루미늄)의 함량이 0.045 중량% 초과일 경우, 조대 산화 개재물 등이 형성되어 강의 피로수명 등을 저하시킬 수 있는 문제가 있다.
(8) Ti(티타늄) 0.030 중량%
상기 Ti(티타늄)은 결정립의 성장을 억제하고 고온 안정성, 강도 및 인성 등을 향상시키는 역할을 한다.
이와 같은 역할을 위하여, 상기 Ti(티타늄)이 함량은 0.030 중량%인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 Ti(티타늄)의 함량이 약 0.030 중량% 초과일 경우, 조대 석출물이 형성되고 저온충격성의 저하 및 효과의 포화로 인한 제조비용의 상승 등의 문제가 있다. 반면, 상기 Ti(티타늄)의 함량이 약 0.030 중량% 미만일 경우, 고온에서의 안정도 등이 향상되지 않는다.
도8은 Ti(티타늄)의 함량 증가에 따른 경도를 나타낸 그래프도이다. 도8에서는 Ti(티타늄)이 증가할수록 경도가 증가하지만 Ti(티타늄)이 함량은 0.030 중량%일 때 경도가 최대치인 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 미세립 합금강의 함량이 0.03%인 것이 바람직하다.
(9) Nb(니오비늅) 0.025~0.05 중량%
상기 Nb(니오븀)은 결정립을 미세화 시키고, 재결정 온도를 상승, 합금강의 경화능 및 인성 등을 향상시키는 역할을 한다. 이와 같은 역할을 위하여, 상기 Nb(니오븀)의 함량은 약 0.025 ~ 0.05 중량% 인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 Nb(니오븀)의 함량이 약 0.05 중량% 초과일 경우, 상기 Nb(니오븀)의 효과가 포화될 뿐만 아니라, 인성의 저하와 가공성 및 생산성 등이 저하되는 문제가 있다. 반면, 상기 Nb(니오븀) 의 함량이 약 0.025 중량% 초과일 경우, 결정립을 미세화 하는 효과가 없다.
상기Nb(니오비늄), Al(알루미늄) 및 Ti(티타늄)은 합금강의 미세립 조직 조대화를 방지하기 위해 소량 첨가한다. 고온에서 상기 합금강의 성분들은 용해되지 않고 석출물로 남아있는 온도 순서는 Ti(티타늄), Nb(니오비늄), Al(알루미늄) 순인데 Cuddy식에 의하면 Ti(티타늄)은 약 1200℃, Al(알루미늄)은 약 1050℃ 그리고 Nb(니오비늄)은 약 1000℃ 부근에서 용해되지 않고 석출물로 남아 입계 피닝 효과(pinning effect)에 의해 조대화를 방지한다.
상기 표1은 합금 성분의 결정입도 조대화 온도(GCT) 즉, Tc를 나타낸 것으로 Ti(티타늄), Al(알루미늄), Nb(니오비늄) 순으로 1000℃에서 미고용 상태로 유지할 수 있다. 따라서 입계 peening효과로 과열시 조대화 방지할 수 있음을 확인 할 수 있다. 도4은 상기 표1의 결정립도 조대화 온도에 따라 온도별 미고용 상태의 석출물을 나타낸 그래프도이다. 도4에서 온도가 증가할수록 NbC와 AlN의 미고용 상태의 석출물은 감소 되지만 TiN 과 NbN은 일정한 수준을 유지하여 온도가 1000℃에서도 합금강의 미세화가 유지될 정도의 미고용 상태의 석출물이 남아 있음을 확인할 수 있다. 다만, 이 합금강의 성분들은 다량 첨가될 경우 가공성에 불리하고 석출물이 조대화될 경우 개재물 등으로 작용할 수 있으므로 양을 제한한다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 합금강은 항복강도, 인장강도, 충격강도, 내구성 등이 우수하여, 고주파 열처리용 부품 등에 적용되는 것이 바람직하며, 특히 차량의 드라이브 샤프트에 적용되는 것이 바람직하다.
이에 더하여, 본 발명은 또 다른 관점에서 이중 고주파 열처리용 과열 둔감형 미세립 합금강의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이중 고주파 열처리용 과열 둔감형 미세립 합금강은 공지의 기술을 참조하여 당업자가 적절히 제조할 수 있다.
도12는 이중 고주파 열처리용 과열 둔감형 미세립 합금강 제조방법의 순서도이다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 차량용 드라이브 샤프트의 제조에 이용되는 미세립 합금강의 제조방법은 상기 합금강의 소재를 혼합하고 원소재인 합금강을 만드는 단계(S10); 상기 합금강을 가열하는 단계(S20); 가열된 합금강을 열간단조하는 단계(S30); 단조된 합금강을 ??칭(Quenching) 및 템퍼링(Tempering) 열처리하는 단계(S40); ??칭 및 템퍼링 열처리된 합금강을 마찰용접하는 단계(S50);및 마찰용접된 합금강을 고주파 열처리하는 단계(S60); 등을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 합금강의 소재를 혼합하고 원소재인 합금강을 만드는 단계(S10)는 전술한 바대로, C(탄소), Si(규소), Mn(망가니즈), Cr(크로미움), Al(알루미늄), Mo(몰리브데넘), Ti(티타늄), Nb(니오비늄) 및 B(붕소)중에서 선택된 어느 하나 이상의 원소를 추가하여 혼합할 수 있다. 상기 소재에서 합금성분을 첨가하여 합금강의 결정립을 미세화하고 이를 통해 소재의 항복강도, 인장강도, 충격강도, 내구성 및 비틀림 강도를 향상시킬 수 있다.
상기 원소재인 합금강을 가열하는 단계(S20) 및 상기 가열된 합금강을 열간단조하는 단계(S30)는 종래기술을 이용하여 합금강을 가열한 후 단조를 통해 원하는 형태로 드라이브 샤프트를 제조한다.
또한, 상기 ??칭 및 템퍼링 열처리된 합금강을 마찰용접하는 단계(S50) 및 고주파 열처리하는 단계(S60)는 종래기술을 이용하여 열처리 및 각각의 부품을 접합시키킨다.
또한, 상기 단조된 합금강을 ??칭(Quenching) 및 템퍼링(Tempering) 열처리하는 단계(S40)는 종래기술과 다르게 고주파 ??칭(Quenching) 열처리를 특정한 조건으로 하여야 한다. 이를 만족시키기 위하여 상기 수학식1의 미세화 상관 지수(F)라는 파라미터를 이용하여 고주파 ??칭(Quenching) 열처리에 의하여 합금강의 결정립이 미세화 효과가 나타나는 지에 대한 판단기준으로 사용하였다. 이는 합금의 원소의 성분비에 따라 변화하는 값으로 합금강의 품질을 관리하여 불량을 방지하는 효과가 있다. 또한, 상기 미세화 상관 지수(F)를 이용하여 고주파 열처리 공정을 최적화하게 되면 종래기술에 비하여 충격강도, 비틀림 강도 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에서 상기 단조된 합금강을 ??칭(Quenching) 및 템퍼링(Tempering) 열처리하는 단계(S40)는 제1차 고주파로 ??칭(Quenching) 열처리하는 단계(S41), 제2차 고주파 ??칭(Quenching) 열처리하는 단계(S42) 및 템퍼링(Tempering) 열처리하는 단계 (S43)로 이루어져있다. 본 발명에서 제1차 고주파 ??칭(Quenching) 열처리하는 단계(S41)로 합금강의 조직을 균질화, 즉 템퍼링 효과를 확인할 수 있다. 이는 제2차 고주파 ??칭(Quenching) 열처리하는 단계(S42)에서 합금강 결정립의 미세화를 극대화하기 위한 단계이다. 제2차 고주파 ??칭(Quenching) 열처리하는 단계(S42)는 합금강 결정립의 미세립화을 위한 단계로 고온에서 단시간 열처리하여 결정립도를 미세화하는 효과가 있다.
Figure pat00002
상기 표2는 제1차 고주파 ??칭(Quenching) 열처리하는 단계(S41)와 제2차 고주파 ??칭(Quenching) 열처리하는 단계(S42)의 조건을 구체적으로 기재한 표이다. 제1차 고주파 ??칭(Quenching) 열처리하는 단계(S41)와 제2차 고주파 ??칭(Quenching) 열처리하는 단계(S42)의 조건에서 전류는 310 ~ 410A, 전압은 270 ~ 370V으로 동일하다. 다만, 제1차 고주파 열처리하는 단계(S61)는 5Hz이하로 고주파를 가해주는 반면, 제2차 고주파 열처리하는 단계(S62)는 30 ~ 50 Hz로 고주파를 가해준다. 또한, 템퍼링(Temering) 열처리하는 단계 (S43)의 조건은 유지온도 180℃와 유지시간 3시간이다
<실시예>
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Figure pat00003
상기 표3은 본 발명의 실시예와 종래기술의 합금강의 성분을 비교한 표이다. 본 발명의 효과를 확인하기 위해 합금강의 성분이 거의 첨가되지 않은 탄소강인 비교예1, Cr(크로뮴)의 양이 많은 비교예2, Cr(크로미움) 및 Mo(몰리브데넘)의 함량이 많은 비교예3 및 본 발명의 합금강 성분 중 Cr(크로뮴), Mo(몰리브데넘) 및 B(붕소)를 상한값 이상으로 첨가시킨 비교예4와 본 발명인 합금강의 성분을 하한값으로만 구성된 실시예1, 본 발명인 합금강의 성분을 상한값으로만 구성된 실시예2를 비교하였다. 각각의 성분계수 및 미세화 상관 지수는 하기의 표4와 같다.
Figure pat00004
상기 표4에서 AGS(Austenite Grain Size)지수란 결정립도 또는 결정립의 크기를 의미한다. AGS 지수는 결정립도 지수로 그 값이 커질수록 합금강 결정립의 평균 크기는 작아진다.
Figure pat00005
상기 표5는 KS D 0205로 합금강의 페라이트 및 오스테나이트 결정립도 시험법의 자료이다. 표5 의 AGS 지수가 커질수록 결정립도의 평균크기는 감소하는 것을 확인할 수 있다. 표5를 바탕으로 표4의 미세화 상관 지수(F)와 합금강을 고온 과열한 후의 결정립의 크기를 비교해 보면 비교예1 내지 비교예3은 미세 상관지수가 약 4 ~ 7 사이의 값을 가지며, 이에 따라 합금강을 고온 과열한 후의 결정립의 평균크기는 AGS 지수 7을 가져 약 30㎛인 것을 확인할 수 있다. 그러나 비교예4, 실시예1 및 실시예2는 약9~13의 값을 가지며 이에 따라 합금강을 고온 과열한 후의 결정립의 평균크기는 AGS 지수 11 ~ AGS지수 13을 가져 약 3.9 ~ 7.8㎛인 것을 확인할 수 있다. 따라서, 미세화 상관 지수(F)가 증가할수록 결정립이 미세화되는 것을 확인할 수 있다. 즉. 900℃ 이상에서 합금강을 과열한 후 결정립의 평균 크기를 확인해 본 결과, 미세화 상관지수(F)가 8.5 이하인 종래기술인 비교예들은 결정립의 평균 크기가 30㎛ 수준(AGS 지수 7)으로 유사하였고, 미세화 상관지수(F)가 클수록 결정립의 평균 크기가 작아지는 것을 확인할 수 있다. 그러나 전술한 것과 같이 미세화 상관 지수(F)가 12 이상이 되면 조대 석출물들에 의해 비틀림 피로강도가 현저히 낮아진다.
도9은 미세화 상관 지수(F)가 8.5 이상인 비교예4, 실시예1 및 실시예2의 비틀림 피로강도를 비교한 그래프도이다. 도9에 기초하여 비틀림 피로강도를 판단하면 비교예4(203)는 실시예1(202)과 실시예2(201)에 비하여 비틀림 피로강도가 약 25% 감소함을 확인할 수 있다. 이는 합금강의 성분을 과량 첨가하여 미세화 상관 지수(F)가 12 이상이 되면 합금강의 소재는 보다 미세화 되더라도 조대 석출물에 의해 비틀림 피로강도가 낮아져 차량 드라이브 샤프트에 이용될 합금강으로는 적합하지 않다는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 미세화 상관 지수는 8.5 ~ 12의 범위가 가장 적합하다.
따라서, 본 발명인 미세립 합금강 및 그 제조방법을 실시하였을 경우, 합금강 결정립의 미세립화를 통하여 강도 및 인성이 동시에 향상되고, 열처리 과정에서 과열된 경우에도 합금강 결정립의 미세립화가 가능하며, 경도의 증가 없이도 강도가 향상되므로 합금강의 가공성과 내구성을 동시에 확보할 수 있는 효과가 있다. 또한, 홀-피치(Hall-Pitch) 효과에 의해 합금강 결정립이 미세립화가 될수록 소재의 강도와 연신율이 동시에 향상된다는 사실은 해당기술분야에 통상의 지식을 가진 자에게 자명하기 때문에 상술한 비교예3과 실시예2을 비교하여 물성평가를 실시한 결과를 표6에 정리하였다.
Figure pat00006
상기 표6에 확인 할 수 있는 것과 같이, 비교예3에 본 발명의 고주파 열처리 단계(S60)을 처리하였다. 그 결과를 실시예2와 비교하면 항복강도는 거의 유사한 값을 갖지만, 인장강도는 실시예2가 약24.4% 증가하며, 연신율은 약36.7%, 충격은 약78.0% 증가함을 확인 할 수 있다.
더 나아가, 종래기술인 비교예들을 제1차 고주파 ??칭(Quenching) 열처리(S41)와 제2차 ??칭(Quenching) 고주파 열처리(S42)한 경우 비교예들은 결정립도의 조대화, 즉 결정립도의 평균크기가 30㎛(AGS지수 7)수준으로 되는 것을 확인할 수 있다. 도12는 종래기술인 비교예들을 제1차 고주파 ??칭(Quenching) 열처리(S61)와 제2차 고주파 ??칭(Quenching) 열처리(S62)한 결정립 투과 전자현미경 사진도로 결정립도의 크기가 30㎛(AGS지수 7) 본 발명인 실시예2는 5㎛ (AGS지수 12) 수준으로 합금강 결정립이 미세화되어 합금강의 강도 및 연신율, 충격강도가 모두 증가된 것을 확인할 수 있다.
나아가, 본 발명은 또 다른 관점에서 이중 고주파 열처리용 과열 둔감형 미세립 합금강과 그 제조방법을 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 차량용 중공 드라이브 샤프트에 관한 것이다.
Figure pat00007
상기 표7은 본 발명인 이중 고주파 열처리용 과열 둔감형 미세립 합금강과 그 제조방법을 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 차량용 중공 드라이브 샤프트를 시험하기 위한 장치와 실험 내용을 설명한 표이다. 본 발명의 정적 비틀림 파단 강도평가를 위한 정적 비틀림 파단 시험과 비틀림 피로 내구 성능 평가를 위한 비틀림 피로 내구 시험을 MTS社가 제작한 비틀림 내구/정적 강도시험기를 이용한다.
Figure pat00008
상기 표8의 결과를 분석한 결과, 본 발명인 이중 고주파 열처리용 과열 둔감형 미세립 합금강과 그 제조방법을 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 차량용 중공 드라이브 샤프트을 제조한 후, 비틀림 피로 내구 시험 및 정적 비틀림 파단 시험을 실시하여 본 발명인 실시예2가 비교예3과 대비하면, 비틀림 피로 내구 성능은 최소 78.6% 향상되고, 정적 비틀림 파단 강도 역시 45.9% 향상되었음을 확인할 수 있다. 따라서, 종래기술에 비하여 본 발명이 내구성 충격강도 및 파단강도 등이 우수한 것을 확인 할 수 있다.
본 발명인 차량의 드라이빙 샤프트의 제작에 이용되는 미세립 합금강은 Fe(철)를 주 성분으로 하여 C(탄소), Si(실리콘), Mn(망가니즈), Cr(크로뮴), Mo(몰리브데넘), Al(알루미늄), Ti(티타늄), Nb(니오비늄), B(붕소) 및 불가피한 불순물을 포함한 미세립 합금강 및 이의 제조방법에 의하면, 고주파 열처리한 후에 결정립을 미세화시킬 뿐만 아니라 고주파 열처리 과정에서 과열시에도 결정립 크기의 조대화를 막아 소입성 증가 및 결정립이 미세화하여 소재의 강도, 인성 및 내부식성 등의 증가로 내구성을 향상시키는 장점이 있다. 또한 상기 발명을 이용한 중공 드라이브 샤프트에 의하면 비틀림 피로 내구 성능 및 정적 비틀림 파단 강도의 향상으로 내구성과 강도 등이 향상되는 장점이 있다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
100 : 차량용 드라이브 샤프트
101 : 차량용 드라이브 샤프트의 스터브
102 : 차량용 드라이브 샤프트의 튜브
201 : 실시예2의 비틀림 피로 강도
202 : 실시예1의 비틀림 피로 강도
203 : 비교예4의 비틀림 피로 강도

Claims (13)

  1. Fe(철)를 주성분으로 하고 전체 합금강 중량에 대하여, C(탄소) 0.40 ~ 0.55 중량%, Si(규소) 0.20 ~ 0.40 중량%, Mn(망가니즈) 0.8 ~ 1.0 중량%, Cr(크로미움) 0.8 ~ 1.2중량%, Al(알루미늄) 0.045 중량% 및 불가피한 불순물을 포함하는 미세립 합금강.
  2. 제1항에 있어서,
    Mo(몰리브데넘)을 더 포함하며,
    이 때, Mo(몰리브데넘)은 0.20 ~ 0.45중량%인 것을 특징으로 하는 미세립 합금강.
  3. 제1항에 있어서,
    Ti(티타늄)을 더 포함하며,
    이 때, Ti(티타늄)은 0.030 중량%인 것을 특징으로 하는 미세립 합금강.
  4. 제 1항에 있어서,
    Nb(니오비늄)을 더 포함하며,
    이 때, Nb(니오비늄)은 0.025 ~ 0.05중량%인 것을 특징으로 하는 미세립 합금강.
  5. 제1항에 있어서,
    B(붕소)를 더 포함하며,
    이 때, B(붕소)는 0.0020 ~ 0.0040 중량%인 것을 특징으로 하는 미세립 합금강.
  6. 제 1항에 있어서,
    Mo(몰리브데넘), Ti(티타늄), Nb(니오비늄) 및 B(붕소)를 더 포함하며,
    이때, Mo(몰리브데넘)은 0.20 ~ 0.45중량%, Ti(티타늄)은 0.030 중량%, Nb(니오비늄)은 0.025 ~ 0.05 중량% 및 B(붕소)는 0.0020 ~ 0.0040 중량%인 것을 특징으로 하는 미세립 합금강.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 C(탄소), Si(실리콘), Mn(망가니즈), Cr(크로뮴), Mo(몰리브데넘), Al(알루미늄), Ti(티타늄), Nb(니오비늄)은 하기F(미세화 상관 지수)가 8.5 ~ 12 인 것을 특징으로 하는 미세립 합금강.
    F=10×[C]+0.33×[Si]+0.2×[Mn]+0.7×([Cr]+[Mo])+0.5×([Ti]+[Al]+[Nb])

    {여기서 [C]는
    C(탄소)가 0중량% 초과 0.39 중량% 이하일 경우, 0.54×(탄소의 중량%)이고;
    C(탄소)가 0.39 중량% 초과 0.55 중량% 이하일 경우, 0.171+0.001×(탄소의 중량%)+0.265×(탄소의 중량%)2이며;
    C(탄소)가 0.55 중량% 초과 0.65 중량% 이하일 경우, 0.115+0.268×(탄소의 중량%)-0.038×(탄소의 중량%)2이고;
    C(탄소)가 0.65 중량% 초과 0.75 중량% 이하일 경우, 0.143+0.2×(탄소의 중량%)이며;
    C(탄소)가 0.75 중량% 초과 0.9 중량% 이하일 경우, 0.062+0.409×(탄소의 중량%)-0.135×(탄소의 중량%)2이다.

    또한, [Si]는
    Si(실리콘)이 0 중량% 초과 0.4 중량% 이하일 경우, 1+0.7×(실리콘의 중량%)이다.

    또한, [Mn]은
    Mn(망가니즈)가 0 중량% 초과 0.8 중량% 이하일 경우, 1.3333+(망간의 중량%) 이며;
    Mn(망가니즈)가 0.8 중량% 초과 1.0 중량% 이하일 경우, 3.3333×(망간의 중량%)+1이며;
    Mn(망가니즈)가 1.0 중량% 초과 1.95 중량% 이하일 경우, 2.1×(망간의 중량%)-1.12이다.

    또한, [Cr]은
    Cr(크롬미윰)이 0 중량% 초과 2.0 중량% 이하일 경우, 1+2.16×(크로미윰의 중량%)이다.

    또한, [Mo]은
    Mo(몰리브데넘)이 0 중량% 초과 0.2 중량% 미만일 경우, 1이고;
    Mo(몰리브데넘)이 0.2 중량% 이상 1.0 중량% 이하일 경우, 1+3×(몰리브데넘의 중량%)이다.

    또한, [Ti]는
    Ti(티타늄)이 0 중량% 초과 0.03 중량% 이하일 경우, 145× (티타늄의 중량%)이고;
    Ti(티타늄)이 0.03 중량% 초과일 경우, 4.35이다.

    또한, [Al]은
    Al(알루미늄)이 0 중량% 초과 0.05 중량% 이하일 경우, 1.73×(알루미늄의 중량%)이다.

    또한, [Nb]은
    Nb(니오비늄)이 0 중량% 초과 0.05 중량% 이하일 경우, 1+0.363×(니오비늄의 중량%)이다.}
  8. 제 1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 합금강의 소재를 혼합하여 원재료인 합금강을 만드는 단계(S10);
    상기 합금강을 가열하는 단계(S20);
    가열된 합금강을 열간단조하는 단계(S30);
    열간단조된 합금강을 ??칭(Quenching) 및 템퍼링(Tempering) 열처리하는 단계(S40); 및
    ??칭 및 템퍼링 열처리된 함금강을 고주파 열처리하는 단계(S60);를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세립 합금강의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, ??칭(Quenching) 및 템퍼링(Tempering) 열처리하는 단계(S40) 후,
    ??칭 및 템퍼링 열처리된 함금강을 마찰용접하는 단계(S50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세립 합금강의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서
    상기 ??칭(Quenching) 및 템퍼링(Tempering) 열처리하는 단계(S40)는
    제 1차 고주파로 ??칭(Quenching) 열처리하는 단계(S41);
    제2차 고주파로 ??칭(Quenching) 열처리하는 단계(S42); 및
    템퍼링(Tempering) 열처리하는 단계(S43);를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세립 합금강의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서
    상기 제 1차 고주파로 ??칭(Quenching) 열처리하는 단계(S41)는 전류가 310A이상 410A이하, 전압이 270V이상 370V이하, 주파수는 0 KHz 초과 5KHz 이하에서 수행하는 것을 특징으로 하며,
    상기 제2차 고주파로 ??칭(Quenching) 열처리하는 단계(S42)는 전류가 310A이상 410A이하, 전압이 270V이상 370V이하, 주파수는 30 KHz 이상 50KHz 이하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 미세립 합금강의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서
    상기 템퍼링(Tempering) 열처리하는 단계(S43)는 템퍼링(Tempering) 열처리 유지온도는180℃이고 열처리 시간은3시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 미세립 합금강의 제조방법.
  13. 제10항의 미세립 합금강의 제조방법을 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 차량용 중공 드라이브 샤프트.
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