KR20220040153A - 내구성을 개선한 고강도 침탄강 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전체 중량%에 대하여, C(탄소) 0.1 중량% 이상 0.3 중량% 이하, Cr(크롬) 2.0 중량% 이상 2.7 중량% 이하, Si(규소) 0.4 중량% 이상 0.7 중량% 이하, Mo(몰리브덴) 0.3 중량% 이상 0.7 중량% 이하 , Mn(망간) 0.7 중량% 미만, Ni(니켈) 0.6 중량% 이상 1.5 중량% 이하를 포함하는 침탄강으로서, 본 발명에 의하면, 굽힙강도 및 내피팅 강도를 동시에 확보할 수 있다.
Description
본 발명은 침탄강에 관한 것으로서, 특히 내구성이 보다 향상된 자동차 부품용 침탄강에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차의 변속기의 기어류는 엔진 동력을 직접 차동계로 전달시키는 것은 물론, 엔진의 동력을 자동차의 주행 상태에 맞게 2개 또는 그 이상의 축 사이에서 회전이나 동력을 효율적으로 전달하는 역할을 하는 부품으로, 굽힘응력과 접촉응력 등을 동시에 받는다. 상기 기어류에서는 소재의 내구성이 부족한 경우, 굽힘피로강도의 부족으로 인한 피로파손(치절손)과 접촉피로강도 부족으로 인한 피로손상(피팅)이 많이 발생한다. 따라서, 상기 기어류에서는 높은 경도, 강도, 인성, 피로강도 및 피로수명 등의 물성이 요구된다.
이의 대안으로 사용되는 자동차 부품용 침탄강의 내구성은 1) Cr 증가를 통한 고경도 탄화물 분율 증대, 2) Si 증가를 통한 기지조직 강도 및 연화저항성 증가를 통해 개선되어 왔다.
하지만 Cr/Si의 함량이 증가하면 탄화물 및 경도 증가 효과에 의해 표면 손상을 일으키는 피팅(pitting) 시작 시점은 개선되지만, Cr/Si에 의한 기지조직 인성 감소 효과로 인해 균열진전 및 굽힘강도는 오히려 감소하는 경향이 뚜렷하다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 굽힘강도 및 내피팅 강도를 동시에 확보할 수 있는 침탄강을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 관점에 의한 고강도 침탄강은, 전체 중량%에 대하여, C(탄소) 0.1 중량% 이상 0.3 중량% 이하, Cr(크롬) 2.0 중량% 이상 2.7 중량% 이하, Si(규소) 0.4 중량% 이상 0.7 중량% 이하, Mo(몰리브덴) 0.3 중량% 이상 0.7 중량% 이하 , Mn(망간) 0.7 중량% 미만, Ni(니켈) 0.6 중량% 이상 1.5 중량% 이하를 포함한다.
나아가, 상기 Si(규소)는 0.6 중량% 이상 0.7 중량% 이하인 것이 보다 바람직하다.
그리고, 상기 Ni(니켈)은 0.6 중량% 이상 1.0 중량% 이하인 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 Mn(망간)은 0.1 중량% 이상 0.5 중량% 이하인 것이 보다 바람직하다.
나아가, Ti(티타늄), V(바나듐), Nb(나이오븀) 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 Ti(티타늄), 상기 V(바나듐), 상기 Nb(나이오븀)의 합은 전체 중량%에 대하여 1.0 중량% 이하일 수 있다.
또한, B(보론) 1~30 ppm을 더 포함할 수 있다.
나아가, 본 발명의 침탄강은 하기 식의 값이 0.2 이상인 것을 특징으로 한다.
([Ni]+0.3[Mn])/([Cr]+3[Si])
(여기서, [Ni], [Mn], [Cr], [Si]은 각각 Ni, Mn, Cr, Si의 중량%를 의미함)
다음으로, 본 발명의 다른 일 관점에 의한 침탄강은, 전체 중량%에 대하여, C(탄소) 0.1 중량% 이상 0.3 중량% 이하, Cr(크롬) 2.0 중량% 이상 2.7 중량% 이하, Si(규소) 0.4 중량% 이상 0.7 중량% 이하, Mo(몰리브덴) 0.3 중량% 이상 0.7 중량% 이하 , Mn(망간) 0.7 중량% 미만, Ni(니켈) 0.6 중량% 이상 1.5 중량% 이하, Ti(티타늄), V(바나듐) 및 Nb(나이오븀)의 합이 1.0 중량% 이하, B(보론) 1~30 ppm 를 포함하고, 하기 식의 값이 0.2 이상을 만족하는 것을 특징으로 한다.
([Ni]+0.3[Mn])/([Cr]+3[Si])
(여기서, [Ni], [Mn], [Cr], [Si]은 각각 Ni, Mn, Cr, Si의 중량%를 의미함)
나아가, 상기 Si(규소)는 0.6 중량% 이상 0.7 중량% 이하인 것이 보다 바람직하다.
그리고, 상기 Ni(니켈)은 0.6 중량% 이상 1.0 중량% 이하인 것이 보다 보람직하다.
또한, 상기 Mn(망간)은 0.1 중량% 이상 0.5 중량% 이하인 것이 보다 바람직하다.
그리고, 침탄경도가 780 Hv 이상, 굽힘 강도 3,000 MPa 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고강도 침탄강에 의하면, 기존 강 대비 굽힘강도 10% 이상, 침탄층 경도 Hv 20 이상 증가하여 내구성을 개선할 수 있다.
기존 고내구 침탄강에서는 강도 및 내구성 개선을 위하여 일반적으로 Cr-Si의 함량을 증가시키는데, 이 경우 Si의 인성 저하 효과와 취성이 강한 (Cr,Fe)7C3 계열 탄화물이 만들어지면서 전체적으로 소재가 취화되는 경향이 있었다. 본 발명에서는 상대적으로 낮은 Cr/Si 범위에서도 Ni/Mn 함량을 (Ni+0.3Mn)/(Cr+3Si) 비율 기준으로 최적화하여 기지조직의 인성을 확보함으로써 피로 균열의 진전을 억제하여 강도 및 인성을 동시에 확보하였다.
또한, Cr, Si 함량을 낮춤으로써 침탄성이 대폭 개선되어 사전 열처리 적용하지 않고 가스침탄으로도 침탄 열처리 가능하므로, 열처리비 등의 원가 절감 효과가 있다.
그리고, 기존 강종들처럼 고경도 Cr 탄화물로 달성한 것이 아니라 낮은 Cr 함량으로 Ni 및 Mn 함량을 제어하여 기지조직의 인성을 확보하며 강도 및 경도 향상을 이룬 것으로 특히 피로 균열의 진전을 억제하여 내구성을 대폭 개선할 수 있다.
따라서, 피로 수명의 향상으로 피로 파손으로 발생하는 표면 피팅이 저감되어 변속기 소음 증가 현상을 한다.
도 1은 Cr 함량에 따른 경도, Fe3C, 고온(Cr, Fe)7C3 탄화물 분포를 나타낸 것이다.
도 2는 Si 함량에 따른 충격인성, Fe3C, 고온 (Cr, Fe)7C3 탄화물 분포를 나타낸 것이다.
도 3은 Ni 함량에 따른 괴상 잔류 오스테나이트 분포를 나타낸 것이며, 도 4a 및 도 4b는 괴상 잔류 오스테나이트 분포를 나타낸 조직 사진이다.
도 5는 Mo 함량에 따른 Fe3C 및 고온 (Mo, Ni, Fe) 복합탄화물 분포를 나타낸 것이다.
도 6a 내지 도 6f는 가혹 조건 하에서의 피팅 발생량 평가 결과 이미지이다.
도 7a 내지 도 7c는 실차 조건 하에서의 피팅 발생량 평가 결과 이미지이다.
도 8a는 비교예 8에 의한 미세 조직, 도 8b는 실시예 1에 의한 미세 조직, 도 8c는 실시예 8에 의한 미세 조직이다.
도 2는 Si 함량에 따른 충격인성, Fe3C, 고온 (Cr, Fe)7C3 탄화물 분포를 나타낸 것이다.
도 3은 Ni 함량에 따른 괴상 잔류 오스테나이트 분포를 나타낸 것이며, 도 4a 및 도 4b는 괴상 잔류 오스테나이트 분포를 나타낸 조직 사진이다.
도 5는 Mo 함량에 따른 Fe3C 및 고온 (Mo, Ni, Fe) 복합탄화물 분포를 나타낸 것이다.
도 6a 내지 도 6f는 가혹 조건 하에서의 피팅 발생량 평가 결과 이미지이다.
도 7a 내지 도 7c는 실차 조건 하에서의 피팅 발생량 평가 결과 이미지이다.
도 8a는 비교예 8에 의한 미세 조직, 도 8b는 실시예 1에 의한 미세 조직, 도 8c는 실시예 8에 의한 미세 조직이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.
본 발명은 강재를 침탄 열처리, ??칭, 템퍼링 등을 거쳐 제조하는 자동차 부품용 침탄강으로서, 기존의 한계를 벗어나 굽힘강도 및 내피팅 강도를 동시에 확보할 수 있는 침탄강을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이를 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 침탄강은 전체 조성 100 중량%를 기준으로 중량비 C(탄소) 0.1 이상 0.3 이하의 중량%, Cr(크롬) 2.0 이상 2.7 이하의 중량%, Si(규소) 0.4 이상 중량%, Mo(몰리브덴) 0.3 이상 0.7 이하의 중량%, Mn(망간) 0.7 미만 중량%, Ni(니켈) 0.6 이상 1.5 이하의 중량%, Ti(티타늄)+V(바나듐)+Nb(나이오븀) 1.0 중량% 이하, B(보론) 1~30 ppm을 함유하고 잔부는 Fe(철) 및 불순물을 포함할 수 있고, 나아가 ([Ni]+0.3[Mn])/([Cr]+3[Si]) 값이 0.2이상을 만족함에 의해 침탄층에 망상탄화물이 생성되지 않으며, 침탄경도(Hv) 780 Hv 이상, 굽힘 강도 3,000 MPa 이상을 가진다.
여기서, [Ni], [Mn], [Cr], [Si]은 각각 Ni, Mn, Cr, Si의 중량%를 의미한다.
즉, 기존 고내구 고Cr-Si 침탄강 대비 인성 증가를 통해 내피팅성 및 굽힘강도 개선이 가능한 새로운 Cr-Si-Ni 침탄강 성분계에 대한 것이다.
선행기술 중에는 Mn으로 기초 인성을 확보하고 탄화물 제어에 유리한 Cr-Si 함량을 증가시켜 기존 소재보다 내구성이 개선된 침탄강 성분계가 존재한다.
하지만 이러한 선행기술은 최대 2% Si 함량에 의해 인성이 과다하게 저하될 가능성이 높기 때문에, 본 발명에서는 소재 인성을 저하시키는 Si의 함량은 낮은 범위에서 최적화 하는 대신, Mn보다 효과가 좋은 Ni를 증가시켜 기지조직의 인성을 개선하는 방법을 활용했기 때문에, Cr-Si의 탄화물 형성을 제어 효과를 활용해 내구성을 확보하는 방법을 구현하였다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 각 조성 및 함량에 대해 보다 구체적으로 살펴본다.
도 1은 Cr 함량에 따른 경도, Fe3C, 고온(Cr, Fe)7C3 복합탄화물 분포를 나타낸 것이다. Cr은 일반적으로 소재의 경화능을 확보하기 위해 첨가하는 합금원소이지만, 본 발명에서는 경화능 뿐만 아니라 석출 탄화물의 종류 및 형성 온도를 결정하기 위해 범위를 최적화 하였다. 본 발명에서 Cr 함량의 영향을 받는 탄화물은 Fe3C / (Fe,Cr)3C / (Fe,Cr)7C3의 3가지가 있다.
1) Fe3C : 해당 탄화물은 Cr의 함량과 무관하게 A1 온도(~730도) 이하에서 형성되는 Fe-C 성분계의 가장 기본적인 탄화물이다. 마르텐사이트(martensite)의 경우 높은 강도의 구현을 위해 열처리, 특히 템퍼링 조건을 최적화 하여 Fe3C 석출을 의도적으로 억제하고 C를 과포화 시키는데, 많은 부품에서 사용 중 발열에 의해 과포화된 C가 Fe와 결합하여 Fe3C를 형성, 기지조직 강도를 저하시키기 때문에 일반적으로 Fe3C의 석출을 지연시키는 Si를 첨가하는 경우가 많다.
2) (Fe,Cr)3C : Fe 대비 C 친화도가 높은 Cr 함량이 늘어나면 (Fe,Cr)3C 탄화물이 형성된다. (Fe,Cr)3C는 A1 온도보다 높은 800도 이상 영역에서도 석출되기 때문에 침탄 열처리 중에도 안정화를 시킬 수 있고, 기지조직에 포함된 가용 탄소를 줄여 사용 중 Fe3C의 추가 형성을 억제하는 효과도 기대할 수 있다.
3) (Fe,Cr)7C3 : Cr이 더욱 증가하게 되면 (Fe,Cr)3C 대신 (Fe,Cr)7C3이 형성된다. (Fe,Cr)7C3 은 고온에서 형성되지만 불안정한 전이금속 카바이드(transition carbide)로 분류되고, 석출 시 C를 과다하게 사용하기 때문에 오히려 강도를 떨어뜨리게 된다.
본 발명에서는 Cr이 2.0% 미만으로 첨가된 경우 침탄 중 고온에서 안정적인 (Fe,Cr)3C 계열 탄화물을 충분하게 형성하지 못한다.
결과적으로 사용 중 Fe3C이 형성되면서 총량이 1%를 초과하며 급격한 연화현상이 발생하게 되므로 본 발명에서 Cr의 하한은 2.0%로 한다.
반대로 2.7%을 초과하여 첨가되는 경우, Cr에 의한 탄화물 형성이 너무 활성화되어 900도 이상의 고온이지만 불안정하고 취성이 강한 (Cr,Fe)7C3을 형성하여 가용 탄소량을 줄여 표면 경도 강화효과를 떨어뜨리게 된다. 따라서 본 발명의 Cr 상한은 2.7%로 한다.
다음, 도 2는 Si 함량에 따른 충격인성, Fe3C, 고온 (Cr, Fe)7C3 탄화물 분포를 나타낸 것이다.
Si는 Fe3C 세멘타이트(cementite)와의 상호 고용도가 0인 원소로 알려져 있다. 즉 Si 원소 부근에는 Fe3C가 형성될 수 없는데, 이러한 효과 덕분에 Si를 포함하고 있는 대부분의 마르텐사이트에서는 사용 중 Fe3C 형성에 의한 경도 감소를 매우 효과적으로 억제하게 된다. 하지만 0.4% 미만 첨가 시 Fe3C 함량을 1% 미만으로 효과적으로 억제하지 못하기 때문에 경도 확보에 불리하므로 본 발명에서 Si의 하한은 0.4%로 한다.
Si의 또 다른 효과는 첨가 시 C의 반응성(액티비티)를 높이는 것인데, 이로 인해 Fe3C는 형성이 억제되지만 다른 형태의 탄화물 형성 반응을 촉진하게 된다. 본 발명에서 제안한 성분계에서는 Fe3C의 형성을 억제하기 위해 Si를 첨가했지만, Si 0.7% 초과 시 Cr과 복합적인 효과로 인해 불안정한 고온 (Cr,Fe)7C3을 형성하여 가용탄소량을 줄여 오히려 경도확보에 불리하고 Ni를 첨가해도 인성이 충분히 확보되지 않는 경향을 확인하였다.
따라서 본 발명의 Si 상한은 0.7%로 하고, 0.6wt% 이상 0.7wt% 이하인 것이 보다 바람직하다.
다음, 도 3은 Ni 함량에 따른 괴상 잔류 오스테나이트(austenite) 분포를 나타낸 것이며, 도 4a 및 도 4b는 괴상 잔류 오스테나이트 분포를 나타낸 조직 사진이다.
Ni는 본 발명에서 의도한 소재 인성강화에 의한 피로균열 전진속도 저하를 구현하기 위해 가장 중요한 원소이다. 특히 Ni가 소재 인성을 개선하는 반면 Cr/Si는 기지조직의 인성을 저하시키는 효과가 크기 때문에 Ni에 의한 인성강화 효과를 구현하기 위해서는 Cr/Si 함량을 기준으로 Ni와 상대효과 및 함량은 적지만 동일한 역할을 하는 Mn과의 시너지 효과를 함께 고려하여 Ni/Mn의 함량을 최적화 할 필요가 있다.
인성 저하 효과의 경우 Cr과 Si의 영향을 함께 고려해야 하는데 일반적인 상대효과 (Ni=3*Mn, Si=3*Cr)를 고려하면, 본 발명에서는 (Ni+0.3Mn)/(Cr+3Si)를 기준으로 평가한 결과 0.2 이상을 만족해야 충분한 인성 강화 효과를 확보할 수 있는 것으로 확인됐다.
따라서 본 발명의 Ni 하한은 0.6%로 한다. ((1.8Cr+ 3*0.4Si)*0.2=0.6%, Mn 0% 기준)
또한 Cr/Si 함량의 상한(2.7/0.7)을 고려하면 Ni의 상한은 최소 0.96% 이상이 되어야 한다. Ni가 0.96%를 초과하게 되면 인성 강화효과는 충분히 확보되지만, 1.5%를 초과하게 되면 Ni의 강한 오스테나이트 안정화 효과로 인해 상온에서 괴상 오스테나이트가 존재하기 시작해 열처리 시 형성되는 마르텐사이트의 분율이 감소하여 인성은 개선되지만 강도는 떨어지는 역효과가 발생한다. 따라서 본 발명에서 Ni의 상한은 1.5%로 한다.
그리고, Ni은 인성 강화 향상 원소이면서 경화능 향상 원소인데, 0.6% 미만의 경우 인성이 저하되므로 결과적으로 피로 균열 전진 속도가 빨라져 피로 수명이 낮아지게 된다.
따라서 Ni의 함량은 0.6wt% 이상 1.5wt% 이하, 더 바람직하게는 0.6 wt% 이상 1.0wt% 이하이어야 한다.
다음, 도 5는 Mo 함량에 따른 Fe3C 및 고온 (Mo, Ni, Fe) 복합탄화물 분포를 나타낸 것이다. (Mo, Ni, Fe) 복합탄화물은 (Mo, Ni, Fe)2C또는 (Mo, Ni, Fe)6C탄화물일 수 있다.
Mo는 C와 친화도가 높아 템퍼링 시 Fe3C의 형성 억제+미세화를 일으켜 결과적으로 균질성을 강화시키는 주요 원소이다. 또한 전위의 이동을 지연시켜 소재의 강도 및 인성을 강화하는 역할을 하기도 한다. 하지만 Mo를 0.3% 미만으로 첨가하게 되면 Fe3C 억제 및 미세화 효과가 거의 나타나지 않아 경도 강화 효과가 구현되지 않기 때문에 본 발명에서 Mo의 하한은 0.3%로 한다.
반면 0.7%를 초과하게 되면 Ni와 반응하여 고온에서 (Mo,Ni,Fe) 계열 복합탄화물을 형성하면서 가용 탄소량을 줄이기 때문에 표면경도가 다시 저하되는 현상이 발생한다.
따라서 본 발명에서 Mo의 상한은 0.7%로 한다.
Mn은 효과가 약 1/3 수준이긴 하지만 Ni와 유사하게 인성을 강화할 수 있는 오스테나이트 안정화 원소로 알려져 있다. 첨가시 Ni와 유사하게 소재의 경화능 및 인성을 강화하는 효과가 있지만, 이미 충분히 포함된 Ni에 의한 오스테나이트 안정화 효과 때문에 Mn 0.6% 초과 시 상온에서 괴상 오스테나이트가 안정화 되면서 마르텐사이트 분율 감소에 의한 경도 저하 현상이 발생한다.
따라서 본 발명의 Mn 상한은 0.6%로 하며, 0.1wt% 이상 0.5wt% 이하인 것이 보다 바람직하다.
Nb/Ti/V는 고온에서 MC계열 탄화물을 형성해 입계 미세화 및 석출강화를 통한 강도 개선효과가 큰 합금원소이다. 다만 Cr 탄화물보다도 높은 온도에서 형성되기 때문에 과량 첨가 시 본 발명에서 의도하는 내구성 개선에 필수적인 Cr 탄화물량이 오히려 줄어드는 경향이 있다. 따라서 Nb/Ti/V의 총 합을 1% 이하로 제한한다.
B 보론은 적은 양으로도 냉각 중 페라이트 형성을 효과적으로 억제해 경화능을 개선하는 원소로 알려져 있다. 다만 입계에 우선적으로 위치하는 특성 때문에 과량 첨가 시 오히려 입계를 약화시키기도 하기 때문에, 본 발명에서는 1~30ppm으로 함량을 제한한다.
이하, 본 발명의 조성 범위에 의한 실시예와 비교예를 통한 시험예 및 실험 결과를 살펴본다.
시험예는 다음 표 1과 같다.
| 조성 | 물성 | ||||||||||
| C | Mn | Ni | Cr | Si | Mo | Ti+Nb+V | B (ppm) |
(Ni+0.3Mn)/ (Cr+3Si) |
침탄경도(Hv 780↑) | 굽힘강도(3000MPa↑) | |
| 실시예1 | 0.2 | 0.5 | 0.7 | 2.0 | 0.6 | 0.3 | 0.200 | 15 | 0.22 | 811 | 3120 |
| 실시예2 | 0.2 | 0.5 | 0.6 | 2.0 | 0.6 | 0.3 | 0.200 | 15 | 0.20 | 813 | 3030 |
| 실시예3 | 0.2 | 0.5 | 0.7 | 2.4 | 0.6 | 0.3 | 0.200 | 15 | 0.20 | 821 | 3060 |
| 실시예4 | 0.2 | 0.5 | 0.7 | 2.0 | 0.7 | 0.3 | 0.200 | 15 | 0.20 | 817 | 3030 |
| 실시예5 | 0.2 | 0.5 | 0.8 | 2.7 | 0.7 | 0.3 | 0.200 | 15 | 0.20 | 825 | 3120 |
| 실시예6 | 0.2 | 0.5 | 0.7 | 2.0 | 0.6 | 0.6 | 0.200 | 15 | 0.22 | 809 | 3210 |
| 실시예7 | 0.2 | 0.1 | 0.7 | 2.0 | 0.6 | 0.3 | 0.200 | 15 | 0.22 | 805 | 3090 |
| 실시예8 | 0.2 | 0.1 | 1.0 | 2.7 | 0.7 | 0.3 | 0.200 | 15 | 0.23 | 803 | 3270 |
| 실시예9 | 0.2 | 0.1 | 1.5 | 2.7 | 0.7 | 0.3 | 0.200 | 15 | 0.31 | 796 | 3240 |
| 실시예10 | 0.2 | 0.5 | 1.5 | 2.7 | 0.7 | 0.7 | 0.200 | 15 | 0.34 | 791 | 3300 |
| 비교예1 | 0.2 | 0.5 | 0.6 | 2.0 | 0.6 | 0.2 | 0.200 | 15 | 0.20 | 762 | 3000 |
| 비교예2 | 0.2 | 0.5 | 0.7 | 2.0 | 0.6 | 0.8 | 0.200 | 15 | 0.22 | 774 | 3270 |
| 비교예3 | 0.2 | 0.7 | 0.7 | 2.0 | 0.6 | 0.3 | 0.200 | 15 | 0.24 | 754 | 2970 |
| 비교예4 | 0.2 | 0.5 | 0.5 | 2.0 | 0.6 | 0.3 | 0.200 | 15 | 0.17 | 803 | 2910 |
| 비교예5 | 0.2 | 0.5 | 1.6 | 2.0 | 0.6 | 0.3 | 0.200 | 15 | 0.46 | 753 | 3030 |
| 비교예6 | 0.2 | 0.5 | 0.7 | 2.8 | 0.6 | 0.3 | 0.200 | 15 | 0.18 | 817 | 2940 |
| 비교예7 | 0.2 | 0.5 | 0.7 | 2.0 | 0.8 | 0.3 | 0.200 | 15 | 0.19 | 803 | 2850 |
| 비교예8 | 0.2 | 0.25 | 0.08 | 2.4 | 0.7 | 0.5 | 0.25 | 15 | 0.03 | 809 | 2910 |
| 비교예9 | 0.2 | 0.4 | 0.6 | 1.6 | 0.4 | 0.3 | 0.100 | 10 | 0.27 | 771 | 2820 |
| 비교예10 | 0.2 | 0.5 | 1.6 | 2.7 | 0.7 | 0.7 | 0.200 | 15 | 0.36 | 766 | 3150 |
실시예 1 내지 실시예 10 모두 (Ni+0.3Mn)/(Cr+3Si) 값이 0.2 이상으로 침탄경도 및 굽힘강도 모두 목표값을 만족함을 알 수 있으며, 실시예 1과 실시예8은 침탄경도 및 굽힘강도를 종합적으로 판단할 때 최적의 실시예라 할 수 있다.
실시예 2는 실시예 1에 Ni 하한값을 적용한 실시예이며, 실시예 3은 실시예 1에 Cr이 증가된 실시예, 실시예 4는 실시예 1에 Si가 증가된 실시예이며, 실시예 5는 실시예 1에 Si/Cr 값이 최대인 경우에 해당한다.
그리고, 실시예 6은 실시예 1에 Mo이 증가된 실시예이며, 실시예 7은 실시예 1에서 Mn이 감소된 실시예이다.
다음, 실시예 9는 실시예 8을 기준으로 Ni 상한값을 적용한 실시예이며, 실시예 10은 대부분의 성분의 상한값이 적용된 실시예이다.
반면, 비교예 1은 실시예 1을 기준으로 Mo이 미달하여 침탄경도가 낮은 결과가 나왔으며, 비교예 2는 실시예 1을 기준으로 Mo이 초과하여 침탄경도가 낮은 결과가 나왔다.
비교예 3은 실시예 1을 기준으로 Mn이 초과하여 침탄경도 및 굽힘강도가 낮으며, 비교예 4는 실시예 1을 기준으로 Ni이 미달하여 (Ni+0.3Mn)/(Cr+3Si) 값이 0.2보다 낮아 굽힘강도가 낮음을 알 수 있다.
다음, 비교예 5는 Ni이 초과하여 침탄경도가 낮게 나왔으며, 비교예 6은 Cr이 초과하여 (Ni+0.3Mn)/(Cr+3Si) 값이 0.2보다 낮아 굽힘강도가 낮고, 비교예 7은 실시예 1을 기준으로 Si가 초과하여 (Ni+0.3Mn)/(Cr+3Si) 값이 0.2보다 낮아 굽힘강도가 낮음을 알 수 있다.
그리고, 비교예 8은 Ni이 미달이므로, (Ni+0.3Mn)/(Cr+3Si) 값이 0.2보다 낮고 굽힘강도가 낮은 결과를 나타내며, 비교예 9는 Cr이 미달로서, 침탄경도 및 굽힘강도가 낮음을 알 수 있고, 비교예 10은 대부분의 성분의 상한값에 Ni의 초과 적용시 침탄경도가 낮은 결과가 나타났다.
도 6a 내지 도 6f는 가혹 조건 하에서의 피팅 발생량 평가 결과 이미지로서, 도 6a는 실시예 1, 도 6b는 실시예 2, 도 6c는 비교예 4, 도 6d는 비교예 5, 도 6e는 비교예 6, 도 6f는 비교예 8의 결과이다.
시험 방법은 선기어, 피니언기어, 캐리어를 시험하기 위한 유성기어 어셈블리 평가 장치를 이용할 수 있으며, 본 발명의 침탄강으로 제조된 유성기어를 대상으로 캐리어에 가해지는 토크 400Nm를 부과하여 선기어 기준 4,000 RPM 속도로 24시간 구동시킨 후 분해하여 기어 표면의 피팅 발생 양상을 확인할 수 있다.
결과에서 알 수 있듯이, 실시예 1, 2에 비해 비교예 4, 5, 6, 8의 경우 피팅 발생량이 큰 것을 육안으로 확인할 수 있다.
그리고, 도 7a 내지 도 7c는 평탄 조건 하에서의 피팅 발생량 평가 결과 이미지로서, 도 7a는 실시예 1, 도 7b는 실시예 2, 도 7c는 비교예 8의 결과이다.
여기서 평탄 조건은 도 6a 내지 도 6f의 가혹 조건에 대비하여 낮은 수준을 의미하는 것으로서, 가혹 조건과 동일한 시험 방법으로 캐리어에 가해지는 토크 300Nm를 부과하여 선기어 기준 3,000 RPM 속도로 24시간 구동시킨 후 분해하여 기어 표면의 피팅 발생 양상을 확인할 수 있다.
결과에서 알 수 있듯이, 실시예 1, 2에 비해 비교예 8의 경우 피팅 발생량이 큰 것을 육안으로 확인할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 구현예에 따르면 기존 강 대비 굽힘강도 10% 이상, 침탄층 경도 Hv 20 이상 증가하여 내구성을 개선할 수가 있다.
도 8a는 비교예 8에 의한 미세 조직, 도 8b는 실시예 1에 의한 미세 조직, 도 8c는 실시예 8에 의한 미세 조직을 나타낸 것이다.
도 8a는 비교예 8의 2.4Cr-0.7Si-0.08Ni 강으로서, 괴상 잔류 오스테나이트를 확인할 수 있으며, 도 8b는 실시예 1의 2.0Cr-0.6Si-0.7Ni 강으로서, Ni 증가로 인해 Fe3C의 크기, 분율이 감소한 것을 알 수 있다.
그리고, 도 8c는 실시예 8의 2.7Cr-0.7Si-1.0Ni 강으로서, Cr+Ni 증가로 인해 입계 Fe3C가 억제되고, 일부 입내 (Cr,Fe)7C3이 형성됨을 알 수가 있다.
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
Claims (11)
- 전체 중량%에 대하여,
C(탄소) 0.1 중량% 이상 0.3 중량% 이하, Cr(크롬) 2.0 중량% 이상 2.7 중량% 이하, Si(규소) 0.4 중량% 이상 0.7 중량% 이하, Mo(몰리브덴) 0.3 중량% 이상 0.7 중량% 이하, Mn(망간) 0.7 중량% 미만, Ni(니켈) 0.6 중량% 이상 1.5 중량% 이하를 포함하는 침탄강. - 청구항 1에 있어서,
Ti(티타늄), V(바나듐), Nb(나이오븀) 중 어느 하나 이상을 더 포함하는 침탄강. - 청구항 2에 있어서,
상기 Ti(티타늄), 상기 V(바나듐), 상기 Nb(나이오븀)의 합은 전체 중량%에 대하여 1.0 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 침탄강. - 청구항 1에 있어서,
B(보론) 1~30 ppm을 더 포함하는 침탄강. - 청구항 1에 있어서,
하기 식의 값이 0.2 이상인 것을 특징으로 하는 침탄강.
([Ni]+0.3[Mn])/([Cr]+3[Si])
(여기서, [Ni], [Mn], [Cr], [Si]은 각각 Ni, Mn, Cr, Si의 중량%를 의미함) - 전체 중량%에 대하여,
C(탄소) 0.1 중량% 이상 0.3 중량% 이하, Cr(크롬) 2.0 중량% 이상 2.7 중량% 이하, Si(규소) 0.4 중량% 이상 0.7 중량% 이하, Mo(몰리브덴) 0.3 중량% 이상 0.7 중량% 이하, Mn(망간) 0.7 중량% 미만, Ni(니켈) 0.6 중량% 이상 1.5 중량% 이하, Ti(티타늄), V(바나듐) 및 Nb(나이오븀)의 합이 1.0 중량% 이하, B(보론) 1~30 ppm 를 포함하고, 하기 식의 값이 0.2 이상을 만족하는 침탄강.
([Ni]+0.3[Mn])/([Cr]+3[Si])
(여기서, [Ni], [Mn], [Cr], [Si]은 각각 Ni, Mn, Cr, Si의 중량%를 의미함) - 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
상기 Si(규소)는 0.6 중량% 이상 0.7 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 침탄강. - 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
상기 Ni(니켈)은 0.6 중량% 이상 1.0 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 침탄강. - 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
상기 Mn(망간)은 0.1 중량% 이상 0.5 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 침탄강. - 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
침탄경도가 780 Hv 이상인 것을 특징으로 하는 침탄강. - 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
굽힘 강도가 3,000 MPa 이상인 것을 특징으로 하는 침탄강.
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Patent Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR20160069595A (ko) | 2014-12-08 | 2016-06-17 | 현대자동차주식회사 | 내구성이 우수한 침탄 합금강 및 이의 제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20220090253A1 (en) | 2022-03-24 |
| CN114250412A (zh) | 2022-03-29 |
| CN114250412B (zh) | 2024-03-29 |
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