KR20170083653A - 기계적 성질이 우수한 액슬 샤프트 - Google Patents

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Abstract

C 0.45~0.60중량%, Si 0.15~0.35중량%, Mn 0.60~0.85중량%, Cr 0.80~1.05중량%, V 0.004~0.01중량%, Al 0.015~0.070중량%, N 0.001~0.004중량% 및 B 0.0020~0.0030중량%, 잔부 Fe 및 불가피하게 혼입되는 불순물을 함유하는 것을 특징으로 하는 기계적 성질이 우수한 액슬 샤프트용 합금강 및 이를 이용한 차량용 액슬 샤프트의 제조방법에 관한 것이다.

Description

기계적 성질이 우수한 액슬 샤프트{AXLE SHAFT HAVING GOOD MECHANICAL PROPERTIES}
본 발명은 우수한 기계적 성질 및 양호한 소입성을 갖는 액슬 샤프트용 합금강 및 이를 이용한 차량용 액슬 샤프트의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 저가의 합금 원소인, V, Al, N 및 B을 첨가함으로서 고가의 합금 원소인 Mo를 첨가하지 않고도 기계적 성질 및 소입성이 우수한 액슬 샤프트용 합금강을 제공하고, 또한 이러한 합금강을 이용하여 자동차용 액슬 샤프트를 제조함으로써 제조 공정에서 노멀라이징 및 조질 처리 공정을 생략할 수 있는 우수한 기계적 성질 및 양호한 소입성을 갖는 액슬 샤프트용 합금강 및 이를 이용한 차량용 액슬 샤프트의 제조방법에 관한 것이다.
자동차용 부품인 액슬 샤프트에 적용되는 소재로서 종래에는 주로 내구성 및 소입성(harednability)을 확보하기 위하여 Cr(크롬), Mo(몰리브덴) 등의 고가의 합금원소가 첨가되어 사용되고 있다((US 4820357, KR 2003-0097233). 기존 액슬 샤프트에 주로 이용되는 Cr 또는 Mo이 첨가된 강재 소재의 경우, 고가의 합금 원소의 다량 함유로 인하여 제조원가를 증가시키는 문제점이 있다.
종래 기술의 소재에 대한 제조방법에는 소재의 내부 조직을 균질화시키기 위한 노멀라이징(Normalizing) 공정과 소재의 내부 경도를 확보하기 위한 조질 처리(Quenching and Tempering) 공정을 필수적으로 포함해야 한다. 그러나 상기 노멀라이징 공정 및 조질 처리 공정으로 인해 액슬 샤프트의 제조 시간 및 비용이 증가되는 문제가 발생한다.
또한, 고합금 원소 첨가에 따른 업세트 단조 공정 후 조질 처리 시 제조 로트(LOT)별로 품질 편차가 발생할 수 있고, 또한 소재의 소입성 부족으로 인해 수용성 오일을 사용하여 조질 처리 과정을 수행하게 되는데, 이러한 수용성 오일의 사용은 소재의 냉각 속도를 급격하게 증가시켜서 마르텐사이트 변태 속도를 증가시킴으로써, 소재의 표면과 내부의 냉각 속도 차이가 크게 발생하게 되고, 그로 인해 소재에 열변형이 발생하면서 내구성이 저하되는 문제도 발생하고 있다.
이에 따라, 종래 기술의 문제점을 개선하기 위하여 본 발명자들은 탄화물 분말, 질화물 분말, 붕소화물 분말을 고온에서 가압 성형하여 펠릿 형태의 결정립 미세화제로서 첨가하여 원소재 상태에서 기계적인 성질을 향상시켜 조질 처리 생략이 가능하며 로트별 품질 편차 발생이 없는 액슬 샤프트를 제조할 수 있는 최적 공법을 확립하고자 하였다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 저가의 합금 원소를 사용하여 제조 원가를 크게 절감하면서도 우수한 기계적인 성질을 가지는 액슬 샤프트용 합금강을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 액슬 샤프트 제조 공정에서 노멀라이징 및 조질 처리 공정을 생략함으로서, 제조 이에 따른 고주파 열변형을 감축시킬 수 있도록 하는 액슬 샤프트의 제조방법을 제공하는 것을 본 발명의 다른 목적으로 한다.
또한 본 발명은 저가의 합금 원소를 사용하면서도, 양호한 소입성을 보유할 수 있는 결정립 미세화제가 적용된 로트별 품질 편차 발생이 없는 액슬 샤프트용 합금강을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 기계적 성질 및 소입성이 우수한 액슬 샤프트용 합금강은 C 0.45~0.60중량%, Si 0.15~0.35중량%, Mn 0.60~0.85중량%, Cr 0.80~1.05중량%, V 0.004~0.01중량%, Al 0.015~0.070중량%, N 0.001~0.004중량% 및 B 0.0020~0.0030중량%, 잔부 Fe 및 불가피하게 혼입되는 불순물을 함유하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 차량용 액슬 샤프트의 제조방법은 C 0.45~0.60중량%, Si 0.15~0.35중량%, Mn 0.60~0.85중량%, Cr 0.80~1.05중량%, V 0.004~0.01중량%, Al 0.015~0.070중량%, N 0.001~0.004중량% 및 B 0.0020~0.0030중량%, 잔부 Fe 및 불가피하게 혼입되는 불순물을 함유하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 액슬 샤프트용 합금강 소재를 제조하는 단계; 상기 액슬 샤프트용 합금강 소재를 열간단조하는 단계; 및 열간단조된 액슬 샤프트용 합금강 소재의 표면 경도를 높이기 위해 고주파 열처리하는 단계를 포함하는 액슬 샤프트의 제조방법으로서, 상기 액슬 샤프트용 합금강 소재를 제조하는 단계에서 탄화물 분말, 질화물 분말 및 붕소화물 분말을 펠릿 형태 또는 와이어 형태의 결정립 미세화제로 제조하여 투입하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 액슬 샤프트용 합금강을 적용할 경우, 고가의 합금 원소인 Mo를 생략하고 Cr의 양을 줄이면서, 저가의 합금 원소인 V, Al, N 및 B를 첨가함으로서, 제조 원가를 절감하면서 우수한 기계적 성질 및 양호한 소입성을 확보할 수 있다.
본 발명의 차량용 액슬 샤프트의 제조방법을 적용할 경우, 노멀라이징 공정을 필요에 따라 생략할 수도 있고, 조질 처리 과정을 생략함으로서, 제조 공정 시간을 단축시킬 수 있고 제조원가 최적화를 통한 제품 가격 경쟁력을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 제품의 열변형도 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 액슬 샤프트용 합금강 및 종래의 SCM44OH 소재를 이용하여 차량용 액슬 샤프트를 제조하는 공정을 비교하여 나타낸 순서도이다.
이하, 본 발명에 따른 우수한 기계적 성질 및 양호한 소입성을 갖는 액슬 샤프트용 합금강 및 이를 이용한 차량용 액슬 샤프트의 제조방법에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 기계적 성질 및 소입성이 우수한 액슬 샤프트용 합금강은 C 0.45~0.60중량%, Si 0.15~0.35중량%, Mn 0.60~0.85중량%, Cr 0.80~1.05중량%, V 0.004~0.01중량%, Al 0.015~0.070중량%, N 0.001~0.004중량% 및 B 0.0020~0.0030중량%, 잔부 Fe 및 불가피하게 혼입되는 불순물을 함유하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 액슬 샤프트용 합금강에는 소재 대비 고주파 열처리로 마르텐사이트(Martensite) 조직을 얻을 수 있도록 종래의 액슬 샤프트용 소재로 널리 사용되는 SCM440H와 비교하여 C의 함량을 높였으며, 제조단계에서 결정립 미세화를 통한 강도를 증가시키기 위해 탄화물 분말, 질화물 분말, 붕화물 분말을 고온에서 가압 성형하여 하나의 단일 제품인 펠릿 형태 또는 와이어 형태의 결정립 미세화제로 제조하여 첨가하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명에 따른 액슬 샤프트용 합금강에는 종래에 첨가되던 고가의 합금원소인 Mo이 생략되고 Cr의 양도 줄어들게 구성된다. 상기 Mo 및 Cr의 기능을 대체하기 위해, 본 발명에 따른 액슬 샤프트용 합금강에 저가 금속인 Al 및 B이 첨가되고, 또한 함께 첨가되는 V와 N도 Al과 B를 보완하여 Mo 및 Cr의 기능을 대체하게 된다. 따라서 본 발명에 따른 액슬 샤프트용 합금강를 이용하여 차량용 액슬 샤프트를 제조하면, 액슬 샤프트 제품의 제조 원가를 크게 낮출 수 있고, 또한 종래에 비해 내구 수명도 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 액슬 샤프트용 합금강의 주요 구성원소 및 그 함량의 한정 이유에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 구체예에서, C는 조질 처리 생략 및 내구력 향상을 위해 0.45~0.60중량%로 한정되는 것이 바람직하다. 만일 C의 함량이 0.45중량% 이하가 되면 원소재의 경도가 낮아지며 이로 인해 강도를 충분히 확보할 수 없으며, C의 함량이 0.60% 이상이 되면 경도가 증가하게 되어 인성이 저하되며 절삭성이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, Si은 소입성 향상 효과 및 제강시 충분한 탈산 효과 발휘를 위해 0.15~0.35중량%로 한정되는 것이 바람직하다. 만일 Si의 함량이 0.35중량% 이상 첨가되면 고주파 열처리시 샤프트 표면에 탈탄층을 생성하여 내구성을 저하시킬 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, Mn은 소입성 증대 및 강도 향상을 위해 0.60~0.85중량%로 한정되는 것이 바람직하다. 만일 Mn의 함량이 0.60중량% 이하가 되면 열간단조 공정 후에 균일한 베이나이트(Bainite) 조직을 얻을 수 없기 때문에 조질 처리를 실시하여야 하며. Mn의 함량이 0.85중량% 이상이 되면 가공성이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, Cr은 원소재의 경도 증대 및 소입성 향상 효과를 증대시키기 위하여 0.80~1.05중량%로 한정되는 것이 바람직하다. 만일 Cr의 함량이 0.80중량% 이하가 되면 경도 및 소입성이 현저하게 저하되고, Cr의 함량이 1.05중량% 이상이 되면 소재의 결정립계에 과대한 Cr 탄화물을 형성하여 강도가 급격하게 저하될 수 있다.
상기 Cr이 고가의 금속 원소이기 때문에, 종래 기술 소재인 SCM44OH에 비해 그 양을 줄여서 첨가되도록 구성되고, 또한, 고가의 금속 원소인 MO은 전혀 첨가되지 않도록 구성되었으며, 이러한 MO 및 Cr의 기능을 대체하기 위해 새로이 저가의 합금 원소인 V, Al, N 및 B이 첨가되었다.
본 발명의 일 구체예에서, V은 소재의 결정립 미세화와 경도 증대를 위해 0.004~0.01중량%로 한정되는 것이 바람직하며 열간단조 작업에 의해 베이나이트 조직으로 쉽게 변태될 수 있다. 만일 V이 0.004중량% 이하로 첨가되면 결정립 미세화 및 경도 증대의 효과를 얻을 수 없어서 조질 처리를 실시해야 하며, V의 함량이 0.01중량% 이상 첨가될 경우 탄화물 형성에 따라 가공성이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, Al은 표면부 결함이 없는 청정강을 생산하기 위한 강탈산제 역할을 수행하고 결정립 미세화를 통한 내구력 증대를 위해 0.015~0.070중량%로 한정되는 것이 바람직하다. 만일 Al이 0.015중량% 이하로 첨가되면 결정립 미세화 효과를 얻을 수 없으며, Al이 0.070중량% 이상 첨가될 경우, 비금속 개재물 생성에 따른 피로 강도가 급격하게 저하될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, N은 펠릿 형태로의 첨가 전 필요한 소결 과정의 증대를 위해 0.001~0.004중량%로 한정되는 것이 바람직하다. 만일 N이 0.001중량% 이하로 첨가되면 소결성이 저하되고, N이 0.004중량% 이상 첨가될 경우, 가공성이 저하될 수 있다.
이러한 질화물의 투입으로 인해, 종래 기술에서 Ti를 투여한 경우와 비교할 때, 입자 미세화를 통한 기계적 물성의 향상을 도출할 수 있으며, Ti 첨가시 합금 원소 제어가 어려워 균일한 입자미세화가 어려웠던 문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, B은 미량 첨가에 의해서도 소입성이 급격하게 증대할 수 있으므로 Mo 미첨가에 따른 소입성 확보를 위해 첨가되고, 그 조성 범위는 0.002~0.003중량%로 한정되는 것이 바람직하다. 만일 B의 함량이 0.002중량% 이하로 첨가되면 소입성이 확보되지 못하고, B의 함량이 0.003중량% 이상 첨가될 경우, Fe2B 생성에 따른 적열취성이 발생하고 또한, 소입성 편차에 따른 고주파 물성 변화가 발생할 수 있다.
본 발명의 액슬 샤프트용 합금강을 이용하여 차량용 액슬 샤프트를 제조하는 과정은 다음과 같다.
상기에서 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 액슬 샤프트의 제조방법은 C 0.45~0.60중량%, Si 0.15~0.35중량%, Mn 0.60~0.85중량%, Cr 0.80~1.05중량%, V 0.004~0.01중량%, Al 0.015~0.070중량%, N 0.001~0.004중량% 및 B 0.0020~0.0030중량%, 잔부 Fe 및 불가피하게 혼입되는 불순물을 함유하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 액슬 샤프트용 합금강 소재를 제조하는 단계; 상기 액슬 샤프트용 합금강 소재를 열간단조하는 단계; 및 열간단조된 액슬 샤프트용 합금강 소재의 표면 경도를 높이기 위해 고주파 열처리하는 단계를 포함하는 액슬 샤프트의 제조방법으로서, 상기 액슬 샤프트용 합금강 소재를 제조하는 단계에서 탄화물 분말, 질화물 분말 및 붕소화물 분말을 펠릿 형태 또는 와이어 형태의 결정립 미세화제로 제조하여 투입하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 차량용 액슬 샤프트의 제조방법에는, 종래 기술과는 달리 액슬 샤프트용 합금강을 열간단조하기 전에 소재의 내부 조직을 균질화시키기 위한 노멀라이징 과정을 생략할 수 있다. 노멀라이징 과정을 거치지 않더라고, 합금강에 추가적으로 첨가된 저가의 합금 원소인 V, Al, N 및 B로 인해 내부 결정립이 미세화됨으로서, 소재의 내부 조직이 이미 균질화되어 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 차량용 액슬 샤프트의 제조방법에는, 열간단조 과정을 거진 소재에 대해 조질 처리 과정을 거치지 않고 곧바로 소재의 표면 경도를 높이기 위한 고주파 열처리 과정을 거치게 된다. 상기 고주파 열처리 과정은 소재의 표면 경도를 높여서 결과적으로 소재의 내구성을 향상시키기 위한 열처리 과정으로서, 종래 기술과 동일한 방식으로 진행되므로 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 액슬 샤프트용 합금강은 종래의 액슬 샤프트용 소재인 SCM440H와는 달리, 액슬 샤프트 제조 공정에서 조직을 균질화시키기 위한 노멀라이징 공정을 생략할 수 있고, 또한 소재의 내부 경도를 강화하기 위한 조질 처리 과정도 생략할 수 있다.
조질 처리 과정을 생략하기 위해, 본 발명에 따른 액슬 샤프트용 합금강에는 V, Al, N, B이 첨가되고, 상기 첨가된 원소들은 기계적인 물성뿐만 아니라 소재의 안정적인 소입성 확보를 가능하게 함으로서, 별도로 소재의 내부 경도를 강화하기 위하여 기존 열간단조 후 필수적으로 실시하던 조질 처리 과정을 생략할 수 있게 한다. 또한, 소재 내부의 결정립을 미세화시켜 조직을 균질화시키게 되고, 이에 따라 별도로 조직을 균질화시키기 위하여 열간단조 전 실시하던 열처리 공정인 노멀라이징 공정 역시 생략할 수 있게 한다.
본 발명은 종래에 단일 조성의 결정립 미세화제 및 소입성 향상 원소를 첨가했던 것과는 달리, 반응성이 상이한 미세화 효과를 나타내는 다종의 합금 성분을 파쇄하여 밀도와 혼합비를 조절하여 펠릿 형태 또는 와이어 형태로 제조하여 투입함으로써, 균일한 핵생성을 유도할 뿐만 아니라 용탕과의 반응성을 조절하여 합금의 미세와 효과를 극대화할 수 있고 균일한 용탕/교반 효과를 발휘하도록 하여 균일한 합금 특성을 나타내도록 하였다.
이하, 본 발명에 따른 기계적 성질이 우수한 액슬 샤프트의 제조방법에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것을 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 기계적 성질이 우수한 액슬 샤프트용 합금강의 구성 성분은 하기의 표 1에 기재된 바와 같다. 하기의 표 1에는 종래의 액슬 샤프트용 소재로 널리 사용되는 SCM44OH의 구성 성분이 본 발명의 액슬 샤프트용 합금강에 대한 구성 성분과 함께 기재되어 있다.
화학 성분 규격
구분
 함유랑(중량%)
C Si Mn Cr Mo V Al N B
본원발명 최소 0.45 0.15 0.60 0.80 - 0.004 0.015 0.001 0.0020
최대 0.60 0.35 0.85 1.05 - 0.01 0.070 0.004 0.0030
SCM440H 최소 0.37 0.15 0.55 0.85 0.15 - - - -
최대 0.44 0.35 0.90 1.25 0.35 - - - -
표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 기계적 성질이 우수한 액슬 샤프트용 합금강은 C 0.45~0.60중량%, Si 0.15~0.35중량%, Mn 0.60~0.85중량%, Cr 0.80~1.05중량%, V 0.004~0.01중량%, Al 0.015~0.070중량%, N 0.001~0.004중량%, B 0.0020~0.0030중량%, 잔부 Fe 및 불가피하게 혼입되는 불순물을 함유하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 액슬 샤프트용 소재와 종래의 SCM44OH에 대한 소입성 및 내구성 시험에 대한 결과를 하기 표 2 및 표 3에 각각 정리하였다.
하기의 표 2에는 조미니 시험 방식에 따른 본 발명의 액슬 샤프트용 소재와 종래의 SCM44OH에 대한 소입성 시험을 실시하고, 그에 따른 결과를 나타내었다. 하기 표 2에서 거리(mm)은 소재의 표면에서 경도 측정 위치까지의 거리를 나타내며, 상한 및 하한의 경도값은 SCM44OH에 대한 규정을 나타낸다.
소입성
거리(mm)
 1.5 3 5 7 9 11 13 15 20 30 40 50
경도(HRc)
 상한 60 60 60 59 58 58 57 56 55 51 47 44
하한 53 53 52 51 50 48 46 43 38 33 32 30
본원발명
 56 56 56 56 56 55 54 54 50 40 35 31
SCM44OH 56 56 56 55 55 54 52 50 45 39 36 35
내부경도 및 조직 사진
항목 본원발명 SCM44OH
경도값 HB260 HB290
조직사진
Figure pat00001
Figure pat00002
설명 균일한 베이나이트 조직 생성 소르바이트 조직상태
상기 내부 경도 시험에 사용된 본 발명의 액슬 샤프트용 합금강과 종래의 SCM4OH는 모두 고주파 열처리 전 단계까지 거친 소재를 사용하였다. 즉, 본 발명의 액슬 샤프트용 합금강은 열간단조 과정만을 거친 소재이고, 종래의 SCM44OH는 노멀라이징, 업세트 단조 및 조질 처리 과정까지 모두 거친 소재이다. 종래의 SCM44OH에 대한 조질 열처리 조건은 870℃에서 3시간 가열 후, 17% 수용성 오일에 담금질하고, 다시 590℃에서 225분간 가열을 유지되는 조건에서 이루어졌다.
상기 표 2 및 표 3에 정리된 소입성과 내부 경도 시험 결과를 살펴보면, 본 발명의 액슬 샤프트용 소재와 종래의 SCM440H이 경도에서 상호 간에 큰 차이를 보이지 않고 있고, 내구성도 확보되어 있음을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 액슬 샤프트용 소재가 고가의 합금 원소인 Mo을 첨가되지 않고, 또한 노멀라이징 및 조질 처리 과정을 생략하였음에도, 종래의 SCM44OH와 유사한 수준의 소입성과 내부 경도를 가진다는 것을 확인할 수 있다.

Claims (2)

  1. C 0.45~0.60중량%, Si 0.15~0.35중량%, Mn 0.60~0.85중량%, Cr 0.80~1.05중량%, V 0.004~0.01중량%, Al 0.015~0.070중량%, N 0.001~0.004중량% 및 B 0.0020~0.0030중량%, 잔부 Fe 및 불가피하게 혼입되는 불순물을 함유하는 것을 특징으로 하는 기계적 성질이 우수한 액슬 샤프트용 합금강.
  2. C 0.45~0.60중량%, Si 0.15~0.35중량%, Mn 0.60~0.85중량%, Cr 0.80~1.05중량%, V 0.004~0.01중량%, Al 0.015~0.070중량%, N 0.001~0.004중량% 및 B 0.0020~0.0030중량%, 잔부 Fe 및 불가피하게 혼입되는 불순물을 함유하는 것을 특징으로 하는 기계적 성질이 우수한 액슬 샤프트용 합금강 소재를 제조하는 단계;
    상기 액슬 샤프트용 합금강 소재를 열간단조하는 단계; 및
    열간단조된 액슬 샤프트용 합금강 소재의 표면 경도를 높이기 위해 고주파 열처리하는 단계를 포함하는 차량용 액슬 샤프트의 제조방법으로서,
    상기 액슬 샤프트용 합금강 소재를 제조하는 단계에서 탄화물 분말, 질화물 분말 및 붕소화물 분말을 펠릿 형태 또는 와이어 형태의 결정립 미세화제로 제조하여 투입하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 액슬 샤프트의 제조방법.
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