KR950004774B1 - 크롬(Cr)강의 담금질 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

크롬(Cr)강의 담금질 방법

제1도는 본 발명에 의한 강의 담근질 방법에 있어서, 처리 대상인 확산경화품의 재료내 마르텐사이트 변태온도분포 유형 및 담금질 도중 변태단계에서 표면과 중심부에 발생되는 실제 온도구배에 따른 변태진행영역의 변화를 나타낸 그래프.

제2도는 본 발명에 의한 강의 담금질 방법에 따라 냉각시 오일을 교반시키는 고반익의 회전수에 대한 진원도 분포를 나타낸 그래프.

제3도는 본 발명에 의한 강의 담금질 방법에 따른 소재내부의 잔류응력 분포를 종래와 비교 도시한 그래프.

제4도는 본 발명에 의한 강의 담금질 방법에 따른 소재의 진직도를 종래와 비교 도시한 그래프.

본 발명은 크롬(Cr)강의 담금질 방법에 관한 것으로써 특히, 표면경화 열처리시 강의 표면부와 심부와의 변태진행이 동시에 이루어지도록 하여 열처리에 따른 변형 및 잔류응역의 발생을 최소화할 수 있도록 된 크롬(Cr) 강의 담금질 방법에 관한 것이다.

일반적으로는 강(鋼)은 사용목적에 따라 적절한 성질을 갖도록 열처리를 행하게 되며, 그 성질은 강에 포함된 원소의 양 즉, 강재의 종류와 가열 온도 및 냉각조건등에 따라 여러가지로 나타나게 된다.

그런데, 강을 경화시키기 위한 일반적인 열처리 방법으로서는 강을 오스테나이트화 온도 영역으로 가열한 후 냉각제로 급냉시켜 오스테나이트 조직에서 페라이트 또는 퍼얼라이트 조직으로의 평형 상변태를 억제시키고 단단한 마르텐사이트 조직을 얻는 담금질 방법이 널리 이용되고 있다.

그러나, 이와같은 일반적인 담금질을 냉각 중 강의 표면부와 심부의 온도 차이에 따라 마르텐사이트 조직으로 되는 변태개시 시점이 각각 다르게 되므로써 조직변화에 따른 내부응력의 발생이 과다하여 열처리후 강내부 조직의 변형이 심하게 형성될 뿐만 아니라 연삭 가공등의 후가공시에는 체적의 감소에 따른 잔류응력의 재분포가 심하여 베어링등의 정밀한 부품에는 적용하기가 어렵다고 하는 문제점이 있다.

종래에는 이를 해결하기 위하여 마르텐사이트 변태 개시온도(Ms) 근방의 염욕에 담금질하여 강의 표면부와 심부의 온도가 동일온도로 될 때까지 등온을 유지한 후 공냉등의 서냉을 통해 마르텐사이트 변태가 일어나도록 하는 마르템퍼링이 알려져 있으며, 이는 유효경화 깊이가 제품의 두께에 비해 상대적으로 얕은 통상의 침탄 및 질화 등 표면경화품의 경우에는 효과적으로 적용되고 있다.

그러나, 이와같은 종래의 기술은 담금질시 급냉구간을 통과한 후 마르텐사이트 변태개시온도(Ms) 직상 또는 변태온도구간의 일정온도에서 냉각을 지연시킴에 따라 변태단계에서의 강의 표면부 및 심부와의 온도 차이를 줄이는 방법으로, 이는 강의 합금조성에 따라 결정되는 마르텐사이트 변태온도분포가 표면과 심부에 걸쳐 균일한 일반 담금질이나 침탄 또는 질화에 따른 확산층의 깊이가 두께에 비하여 얕은 경우에는 처리물의 단면 전반에 걸쳐 변태가 거의 동시에 유도되어 변태응력의 발생을 줄일 수 있으나, 베어링등과 같이 강재의 표면을 단면두께의 1/4 이상의 유효 경화 깊이를 갖는 유효 경화 깊이가 제품두께에 비해 상대적으로 깊게 설계되는 침탄 및 질화처리품 등의 경우에 있어서는 담금질 전에 실시된 침탄 또는 질화에 의해 마르텐사이트 변태온도를 강하시키는 탄소, 질소 등 확산원소의 농도구배가 단면전반에 걸쳐 형성되어, 이에 따른 강의 표면부 및 심부의 마르텐사이트 변태온도 분포는 제1도의 곡선 1과 같이 처리품의 단면 전반에 걸쳐 심한 경사를 형성하게 된다.

따라서, 담금질시 마르텐사이트 변태과정에서 소재내의 온도 분포가 곡선 2와 같이 비교적 등온상태를 유지하게 되면 변태 진행영역이 3으로 표시한 바와 같이 오히려 극한으로 되고, 따라서, 표면부와 심부와의 변태시점이 큰 차이를 두고 이루어지게 되어 변태응력의 발생이 더욱 증가되며, 이에 따라 변형 및 잔류응력은 여전히 심하게 존재함으로써, 부품의 가공수가 증가되고 생산성이 저하되며 정밀도 확보가 어렵다고 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 제품의 표면부 및 심부의 변태진행이 동일하게 이루어지도록 하여 변태응력에 의한 조직내의 변형 및 잔류응력의 발생을 최소화함과 동시에 가공수를 절감하고 고정밀도의 확보가 유리한 크롬(Cr)강의 담금질 방법을 제공하는데 있다.

이와같은 목적을 실현하기 위하여 이루어진 본 발명에 따른 크롬(Cr)강의 담금질 방법은 침탄 또는 질화 처리된 강재의 표면을 단면두께의 1/4 이상의 유효경화깊이를 갖도록 경화시키는 강의 담금질 방법에 있어서, 830℃로 가열된 강재를 30분간 유지한 후 오일중에서 냉각을 행하면서 강재의 심부가 마르텐사이트화되는 변태시점에 도달하는 350℃부근에서 오일을 교반시키면서 냉각을 가속시켜 강재의 표면부 및 심부의 마르텐사이트 조직의 변태진행이 동시에 이루어지도록 된 것을 특징으로 한다.

또한, 830℃로 가열된 상기 강재를 심부가 마르텐사이트 변태시점에 도달하는 350℃부근에서 200℃ 이상의 염욕에서 1차담금질을 행하고, 이어서 상온의 물에서 2차담금질을 행하는 것을 특징으로 하는 강의 담금질 방법엘 제공한다.

따라서, 강재의 표면부가 중심부에 비해 충분히 낮은 온도를 유지하도록 하여 변태단계에서의 내부온도 분포를 확산된 원소의 농도분포에 따라 결정되는 변태온도 분포경사에 접근시켜 변태진행 영역을 전체 단면에 확장시킴으로써 표면과 심부의 변태시점의 차이를 줄여 변형 및 잔류응력의 발생을 최소화하고 가공후에도 고정밀도를 유지할 수 있게 되는 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.

[실시예 1]

소재는 외경이 65㎜, 내경이 55㎜, 길이가 14㎜인 링형상의 크롬강(SCr 420H-C : 0.17∼0.23%, Si : 0.15∼0.35%, Mn : 0.55∼0.9%, P : 0.03% 이하, S : 0.03% 이하, Cr : 0.85∼1.25%)을 사용하였으며, 그 열처리 조건은 930℃에서 소재의 표면에 6시간 동안 침탄을 행하여 표면을 경화시키고, 830℃에서 30분간 유지한 후 100℃의 오일중에서 담금질을 실시하였다.

이때, 소재의 표면부와 심부와의 마르텐사이트 변태진행시점의 차이를 줄이기 위하여, 최초 오일중에 침지한 후 중심부온도가 변태 영역인 350℃부근에 도달되는 시점인 7∼12초후에 모터의 구동에 따라 회전되는 교반익을 오일중에서 작동시키면서 10∼20분동안 냉각을 실시하였다. 이는 냉각조내에 모터의 구동에 따라 회전되는 교반익을 설치하고, 상기 냉각조내에 적정량의 냉각오일을 공급하고 소재를 침지한 후 모터를 구동시키면 교반익이 오일을 교반시킴으로써 소재의 표면에는 비교적 저온의 오일이 접촉되어 냉각속도를 증가시키는 것이 가능케 된다.

그리고, 상기와 같이 담금질이 완료되면 180℃부근에서 2시간 동안 뜨임을 실시하였다.

본 실시예에서 소재 표면부의 탄소농도는 상기 침탄법에 의한 표면열처리에 의해 다량의 탄소가 침투됨으로써 0.8중량%이고, 심부는 침탄의 영향이 거의 없게 되어 탄소농도가 0.2중량%가 유지됨으로써 소재의 표면부 및 심부의 탄소농도는 각각 다르게 형성됨에 따라 변태진행온도(변태개시 및 종료온도)도 각각 다르게 된다.

즉, 상기 변태개시온도는 심부가 약 390℃ 부근에서 이루어지고 표면부는 약 210℃ 부근에서 이루어지며, 이에따라 양면으로부터 나타나는 유효침탄깊이가 각각 1.2㎜ 정도가 됨으로써 소재의 두께가 5㎜이므로 탄소농도분포에 따른 변태온도분포는 제1도의 유형과 같이 단면 전반에 걸쳐 심한 경사를 지니게 된다.

따라서, 변태단계에서 표면과 십부의 온도경사를 부여하기 위하여 오일을 교반시키게 되면 제2도의 도시와 같이 모터의 구동에 따라 작동되는 교반익의 회전수가 증가됨에 따라 소재의 표면과 심부의 온도차가 변태온도 경사에 더욱 접근됨으로써 열처리후 소재의 진원도가 더욱 양호하게 나타나는 것을 알 수 있다.

[실시예 2]

소재는 길이가 60㎜, 폭이 10㎜, 두께가 3.5㎜인 평판상의 크롬강(SCr420H-화학성분은 실시예 1과 동일함)을 사용하였으며, 열처리 조건은 930℃에서 소재의 표면으로부터 3시간 동안 침탄하고, 830℃에서 30분간 유지한 후 210℃의 염욕에 10초동안 1차 담금질을 하였다.

이때, 1차 담금질이후 중심부 온도가 변태온도 구간내인 350℃에 충분히 도달되는 시점이 7∼12초 이후에 염욕에서 꺼내어 보다 냉각성능이 높은 상온의 물에서 10∼60초동안 2차 담금질을 실시하고, 180℃부근에서 2시간 동안 뜨임을 실시하였다.

본 실시예에서도 소재 표면의 탄소농도는 상기 침탄법에 의한 표면열처리에 의해 0.8중량%이고, 상부는 0.2중량%이며 유효침탄 깊이는 0.9㎜로서, 2단계의 가속 담금질을 통해 냉각중 변태단계에서의 재료내온도 구배를 탄소농도분포에 따른 변태온도 분포에 접근시킴으로써, 표면부와 심부의 변태진행 시점의 차이를 줄여 제3도에 도시한 바와같이 소재의 내재부에 형성되는 잔류응력이 종래의 기술보다 현저히 감소되는 것을 알 수 있다.

또, 소재의 가공후에 나타나는 정밀도에 있어서는 평판상의 소재에서 일측면을 연삭가공하고 다시 반대측면을 연삭가공한 후 먼저 가공된 면의 진직도(眞直度)변화 즉, 연삭가공에 따른 잔류응력의 재분포에 의해 발생되는 변형을 측정하면, 제4도의 도시와 같이 본 발명의 실시예에 따라 담금질된 소재가 종래의 기술에 의해 담근질된 소재보다 진직도가 훨씬 양호하게 유지되는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 크롬(Cr)강의 담금질 방법에 의하면 침탄 , 질화 등 표면 확산경화처리물의 담금질시에 변태단계에서의 소재내 온도구배를 크게하여 마르텐사이트 조직의 변태진행을 소재의 표면부와 심부에서 동시에 이루어지도록 함으로써 담금질 후에 나타나는 조직변화에 따른 내부 응력의 발생을 최소화함과 동시에 이에 따른 담금질변형을 방지하고, 열처리후 소재내의 잔류응력을 감소시켜 기계가공 등에 의한 응력의 분포를 최소화하여 정밀도의 유지가 용이하게 되는 등의 이점을 갖는다.

Claims (2)

1. 침탄 또는 질화처리된 강재의 표면을 단면두께의 1/4 이상의 유효경화깊이를 갖도록 경화시키는 크롬강(SCr420H-C : 0.17∼0.23%, Si : 0.15∼0.35%, Mn : 0.55∼0.9%, P : 0.03% 이하, S : 0.03% 이하, Cr : 0.85∼1.25%)의 담금질 방법에 있어서, 830℃로 가열된 강재를 30분간 유지한 후 오일중에서 냉각을 행하면서 강재의 심부가 마르텐사이트화되는 변태시점에 도달하는 350℃에서 오일을 교반시키면서 냉각을 가속시켜 강재의 표면부 및 심부의 마르텐사이트 조직의 변태진행이 동시에 이루어지도록 된 것을 특징으로 하는 크롬(Cr)강의 담금질 방법.
2. 제1항에 있어서, 830℃로 가열된 강재를 심부가 마르텐사이트화 변태시점에 도달하는 350℃에서 200℃ 이상의 염욕에서 1차담금질을 행하고, 이어서 상온의 물에서 2차담금질을 행하는 것을 특징으로 하는 크롬(Cr)강의 담금질 방법.