KR100501680B1 - 기어용 보론 합금강의 열처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기어용 보론 합금강의 열처리 방법에 관한 것으로서, 최종 침탄 기어에서의 물성을 극대화하기 위해 보론의 유효성을 극대화시킬 수 있고, 기존의 제품에 비하여 균질성을 향상시킬 수 있으며, 보다 우수한 피로강도 및 충격성능을 제공할 수 있도록 한 열처리 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 C(탄소) 0.20중량%, Si(규소) 0.10중량%, 망간(Mn) 0.70중량%, P(인) 0.01중량%, S(황) 0.01중량%, 크롬(Cr) 1.05중량%, Nb(니오븀) 0.025중량%, B(보론) 20ppm, Fe(철) 나머지 중량%로 이루어진 합금강 소재를 열간단조하는 공정과, 상온까지 자연 냉각하는 공정과, 가공전 열처리 공정과, 가공 공정과, 침탄열처리 공정을 거치게 하여 이루어지는 기어 제조 공정에 있어서, 상기 가공전 열처리 공정은 냉각이 이루어진 합금강소재를 920℃에서 2시간∼4시간 동안 가열하는 단계와; 2℃/초의 속도로 650∼750℃까지 공냉시킨 후, 650∼750℃ 의 온도로 2∼3시간 동안 재가열 유지시키는 단계와; 2℃/초로 상온까지 공냉시키는 단계로 진행되는 것을 특징으로 하는 기어용 보론 합금강의 열처리 방법을 제공한다.

Description

기어용 보론 합금강의 열처리 방법{Heat treatment method of boron alloys for gear}
본 발명은 기어용 보론 합금강의 열처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 침탄열처리를 적용하는 기어에 사용되는 보론 합금강의 물성을 극대화 및 안정화시키기 위해 실시하는 기어 제조 공정상의 열처리 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 보론(B)은 극미량으로도 강재의 소입성을 현저히 높일 뿐만 아니라, 결정립계 강화 작용을 일으키기 때문에 합금강의 합금원소를 줄이는데 유효하나, 강재내에서의 활동성이 매우 높아 제어하기가 매우 힘든 원소이다.
따라서, 기계적 물성(소입성, 인성 등)의 최적치를 보이는 보론의 함유량은 극미량으로 한정되어 있으며, 일정범위 이상의 보론의 첨가는 오히려 결정입계에 보론탄화물을 석출시켜 기계적 물성의 저하를 초래하게 되는 문제를 일으킨다.
이에, 보론의 유효성(소입성 향상 및 결정입계 강화효과)을 극대화하기 위해서는 강재내의 총 보론 함유량이 적절해야 하며, 또한 총보론 함유량에서 결정입계 주위로의 고용(편석)되는 함유량이 많아야 하며, 또한 표면이나 심부 등 강재에 고르게 편석되어야 한다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 보론이 갖는 특성을 감안하여, 최종 침탄 기어에서의 물성을 극대화하기 위해 보론의 유효성을 극대화시킬 수 있는 기어용 보론 합금강의 열처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은:
C(탄소) 0.20중량%, Si(규소) 0.10중량%, 망간(Mn) 0.70중량%, P(인) 0.01중량%, S(황) 0.01중량%, 크롬(Cr) 1.05중량%, Nb(니오븀) 0.025중량%, B(보론) 20ppm, Fe(철) 나머지 중량%로 이루어진 합금강 소재를 열간단조하는 공정과, 열간단조를 마친 합금강 소재를 공기 중에 그대로 방치하여 상온까지 냉각하는 공정과, 가공전 열처리 공정과, 가공 공정과, 침탄열처리 공정을 거치게 하여 이루어지는 기어 제조 공정에 있어서,
상기 가공전 열처리 공정은 냉각이 이루어진 합금강소재를 920℃에서 2시간∼4시간 동안 가열하는 단계와; 2℃/초의 속도로 650∼750℃까지 공냉시킨 후, 650∼750℃ 의 온도로 2∼3시간 동안 재가열 유지시키는 단계와; 2℃/초로 상온까지 공냉시키는 단계로 진행되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 총 보론 함유량 중에서 유효보론 함유량을 최대화시키고, 고르게 고용될 수 있도록 가공전 열처리 공정을 개선한 것이다.
일반적인 변속기 기어 제조공정은 소재→열간단조→상온까지 자연 냉각→가공전 열처리[ISO 어닐링(annealing) 또는 노멀라이징(Normalizing)]→가공[셰이빙(Shaving)과 호빙(Hobbing)]→침탄열처리 공정으로 진행되어진다.
이와 같은 변속기 기어 제조 공정에서 열적 이력이 가해지는 공정은 다음과 같다.
소재 (봉강)제조 공정 : 압연공정시 온도
열간단조 공정 : 열간단조시 온도
가공전 열처리 공정 : ISO 어닐링(annealing) 또는 노멀라이징(Normalizing)
침탄열처리 공정 : 침탄 온도
여기서 가공전 열처리 공정을 제외한 나머지 공정은 제강 메이커 또는 자동차 메이커의 생산성 향상을 위한 자동화 공정과 밀접한 관계가 있으므로, 본 발명은 열간단조후 조직균질화를 위해 실시하는 가공전 열처리 조건를 개선하고자 한다.
일반적으로 Cr강이나, Cr-Mo강은 열간단조후 조직균질화를 위해 노멀라이진(Normalizing)을 실시하고, 그 이상의 고합금강(High Cr-Mo강, Ni-Cr-Mo강)은 ISO 어닐링(annealing)을 실시하고 있다.
본 발명에 해당되는 합금강은 B가 미량 첨가된 Cr강으로 개략적인 화학성분은 다음 표 1과 같다.
위의 표에서 보는 바와 같이, 스틸 A는 통상 Cr강에 B가 미량 첨가되어 있어 노멀라이징(Normalizing)처리를 할 경우, 침탄열처리를 한 후 물성의 편차가 큰 단점이 있다. 이는 전술한 바와 같이 B의 활동성 때문에 노멀라이진(Normalizing)처리만으로는 물성의 균질화가 극대화되지 않기 때문이다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 B첨가강의 물성 균질화를 위해 조직균질화 열처리를 제안한 것이다.
상술한 바와 같이, 변속기 기어 제조 공정은 표 1에 나타낸 C(탄소) 0.20중량%, Si(규소) 0.10중량%, 망간(Mn) 0.70중량%, P(인) 0.01중량%, S(황) 0.01중량%, 크롬(Cr) 1.05중량%, Nb(니오븀) 0.025중량%, B(보론) 20ppm, Fe(철) 나머지 중량%로 이루어진 합금강 소재를 열간단조하는 공정과, 열간단조를 마친 합금강 소재를 공기 중에 그대로 방치하여 상온까지 냉각하는 공정과, 가공전 열처리 공정과, 가공 공정과, 침탄열처리 공정을 거치게 하여 이루어진다.
이러한 기어 제조 공정에 있어서, 본 발명에 따른 가공전 열처리 공정은 냉각이 이루어진 합금강소재를 920℃에서 2시간∼4시간 동안 가열하는 단계와; 2℃/초의 속도로 650∼750℃까지 공냉시킨 후, 650∼750℃ 의 온도로 2∼3시간 동안 재가열 유지시키는 단계와; 2℃/초로 상온까지 공냉시키는 단계로 진행하게 된다.
이때, 본 발명에 따른 가공전 열처리 공정에서 냉각공정의 냉각속도는 2℃/초가 적당한데, 이는 냉각중 보론화합물의 석출과 같은 보론의 비평형 편석을 일어나지 않기 위함이다. 냉각속도가 느린 경우 보론화합물이 입계에 석출하는 문제가 발생되어 좋지 않은 결과가 나올 수도 있기 때문이다.
또한, 상기 중간온도영역에서의 유지온도는 650~750℃가 적당한데, 그 이상의 경우 보론의 평형고용량(편석량)이 감소되고, 또한 그 이하에서는 확산이 어려워 편석량이 낮아 보론의 효과가 떨어지게 된다. 즉, 이온도 영역에서 유효한 보론량이 가장 많아진다.
여기서 본 발명의 바람직한 실시예를 비교예와 함께 설명하면 다음과 같다.
위의 표 1에 나타낸 합금강 소재를 압연공정과 열간단조로 Φ60의 환봉 시험편을 제작하고, 이를 가공전 열처리(실시예/비교예)를 실시하며, 다음으로 시험편 을 가공(균질화효과를 확인하기 위해 환봉의 표면부와 심부(2/R부) 두곳에서 채취해 가공함)하여 침탄 열처리한 다음, 시험(굽힘피로, 충격)을 하였다.
이때, 가공전 열처리 조건외 다른 시험조건은 기존과 동일하며, 침탄 열처리는 900℃, 2시간 침탄, 오일 소입(오일온도: 150℃), tempering(170℃, 2시간)의 순서로 시행했다.
굽힘피로시험은 Simadzu H-7 Ono Type 로타리 벤딩 시험기를 이용 Φ8 피로시험편을 사용하여 상온에서 시험하였으며, 피로한은 파손없이 1.1 × 107 Cycles을 통과한 경우의 S-N Curve상의 응력이다. 충격시험은 Charpy U-notch 시험편(JIS No3 시험편)을 이용해 시험하였다.
본 발명의 실시예에 따른 가공전 열처리 공정은 냉각이 이루어진 합금강소재를 920℃에서 2시간∼4시간 동안 가열하는 단계와; 2℃/초의 속도로 650∼750℃까지 공냉시킨 후, 650∼750℃ 의 온도로 2∼3시간 동안 재가열 유지시키는 단계와; 2℃/초로 상온까지 공냉시키는 단계로 진행하고, 비교예는 기존의 노멀라이진 공정(920℃에서 2시간동안 가열한 후, 공냉시키는 공정)으로 진행하였다.
시험 결과, 도 4에 도시한 바와 같이 비교예의 경우 동일부의 물성도 편차가 클 뿐만 아니라 채취부에 따라 물성차가 큰 단점이 있으나, 실시예의 경우 채취부 뿐만 아니라 모든 부위에서의 물성이 균일한 장점을 갖고 있다. 즉, 본 발명에 따른 가공전 열처리로 제작된 합금강이 기존의 합금강에 비하여 물성의 편차가 적은 균일성을 나타냄을 알 수 있었다.
이는 정밀도를 요구하는 기어부품, 특히 소음발생과 관련된 기어류나, 대물류 열처리시 열변형 특성이 우수함을 의미한다.
실제 롯트(LOT)성 또는 계절적 요인에 기어의 열변형 상태가 달라지는 문제가 발생될 수 있는데, 본 발명에 따른 가공전 열처리 공정으로 인하여 이러한 문제는 크게 개선될 수 있다.
또한, 이러한 장점뿐만 아니라 피로 및 충격특성 시험결과를 나타내는 다음의 표 2에서 보는 바와 같이 피로강도나 충격치도 기존의 합금강에 비하여 우수하게 나타났다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 기어용 보론 합금강의 열처리 방법에 의하면 B(보론)이 미량 함유된 Cr강에 열간 단조공정후 실시하는 가공전 열처리(조직균질화를 위해 실시하는 노멀라이징(Normalizing)처리)를 기존과 달리 개선하여 줌으로써, 최종 합금강 제품의 피로강도 및 충격치가 우수하고, 품질 균질성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 기어용 보론 합금강의 가공전 열처리 공정을 설명하는 그래프,
도 2는 본 발명에 따른 기어용 보론 합금강의 가공전 열처리 공정을 통하여 제작된 실시예와, 기존의 열처리 공정을 통하여 제작된 비교예간의 비교 그래프.
도 3은 기존의 기어용 보론 합금강의 가공전 열처리 공정을 설명하는 그래프.

Claims (1)

  1. C(탄소) 0.20중량%, Si(규소) 0.10중량%, 망간(Mn) 0.70중량%, P(인) 0.01중량%, S(황) 0.01중량%, 크롬(Cr) 1.05중량%, Nb(니오븀) 0.025중량%, B(보론) 20ppm, Fe(철) 나머지 중량%로 이루어진 합금강 소재를 열간단조하는 공정과, 상온까지 자연 냉각하는 공정과, 가공전 열처리 공정과, 가공 공정과, 침탄열처리 공정을 거치게 하여 이루어지는 기어 제조 공정에 있어서,
    상기 가공전 열처리 공정은 냉각이 이루어진 합금강소재를 920℃에서 2시간∼4시간 동안 가열하는 단계와; 2℃/초의 속도로 650∼750℃까지 공냉시킨 후, 650∼750℃ 의 온도로 2∼3시간 동안 재가열 유지시키는 단계와; 2℃/초로 상온까지 공냉시키는 단계로 진행되는 것을 특징으로 하는 기어용 보론 합금강의 열처리 방법.
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