KR100716344B1

KR100716344B1 - 변속기 기어 및 샤프트용 초고강도 크롬-몰리브덴 합금강의 열처리 방법

Info

Publication number: KR100716344B1
Application number: KR1020050107469A
Authority: KR
Inventors: 조봉래
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2007-05-11

Abstract

본 발명은 피로강도, 비틀림 피로강도, 접촉피로특성(내피팅성) 향상 및 고강도화를 위해 크롬과 실리콘을 기존 크롬-몰리브덴강 대비 현저히 증가시켜 물성을 크게 개선시킨 변속기 기어 및 샤프트용 초고강도 크롬-몰리브덴 합금강의 열처리 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.17∼0.21 중량%, 실리콘(Si) 0.50~0.70 중량%, 망간(Mn) 0.45∼0.75 중량%, 인(P) 0.020 중량% 이하, 황(S) 0.030 중량% 이하, 크롬(Cr) 1.95∼2.25 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.33∼0.43 중량%, 니오븀(Nb) 0.015∼0.035 중량%를 함유하는 합금계 성분에 합금의 청정도를 위해 용존산소량 12∼15ppm 이하를 첨가하여 이루어진 크롬-몰리브덴 합금강 및 이 크롬-몰리브덴 합금강을 단조후 미세 조직 균일성 확보 및 단조후 가공성을 확보하기 위해 920∼940℃에서 2∼3시간 동안 오스테나이징을 실시하는 단계와; 150℃/분 이상의 냉각속도로 템퍼링 온도까지 제어냉각하는 단계와; 660∼680℃에서 5∼7시간 동안 템퍼링을 실시한 다음, 공냉 처리하는 단계로 이루어지는 열처리 방법을 제공한다.

변속기 기어 및 샤프트, 초고강도 크롬-몰리브덴 합금강, 열처리 방법

Description

변속기 기어 및 샤프트용 초고강도 크롬-몰리브덴 합금강의 열처리 방법{Heat treatment method of Cr-Mo alloy for transmission gear and shaft}

도 1은 본 발명에 따른 변속기 기어 및 샤프트용 초고강도 크롬-몰리브덴 합금강의 열처리 방법을 설명하는 공정도,

도 2는 본 발명에 따른 실시예 및 비교예의 합금강에 대한 조미니 시험 결과를 나타내는 그래프,

도 3은 본 발명에 따른 실시예 및 비교예의 합금강에 대한 피로한도 시험 결과를 나타내는 그래프,

도 4는 가존의 자동차 변속기용 기어 및 샤프트를 제조하는 과정을 설명하는 공정도.

본 발명은 변속기 기어 및 샤프트용 초고강도 크롬-몰리브덴 합금강의 열처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피로강도, 비틀림 피로강도, 접촉피로특성(내피팅성) 향상 및 고강도화를 위해 크롬과 실리콘을 기존 크롬-몰리브덴강 대비 현저히 증가시켜 물성을 크게 개선시킨 변속기 기어 및 샤프트용 초고강도 크롬-몰리브덴 합금강의 열처리 방법에 관한 것이다.

통상적으로, 자동차 변속기용 기어 및 샤프트는 첨부한 도 4에서 보는 바와 같이, 소재 → 열간 또는 냉간단조 → 냉각(공냉 또는 방냉) → 가공전 열처리(ISO annealing or Normalizing) → 가공(Hobbing & Shaving) → 침탄 열처리 등의 공정을 통하여 제조되고 있다.

최근에는 변속기 기어 소음에 관한 소비자의 불만을 해소시키기 위해 열처리후 가공(연마, Honing)까지 포함하여 제조되는 것이 일반적이다.

대개, 종래의 변속기 기어 및 샤프트용 소재의 경우 소입성 증대, 피로강도, 인성 및 내구성을 높이기 위해 합금 원소인 크롬, 몰리브덴 및 니켈을 첨가해서 사용한다.

즉, 크롬(Cr) 합금강, 크롬(Cr)-몰리브덴(Mo) 합금강 또는 크롬(Cr)-니켈(Ni)-몰리브덴(Mo) 합금강 등을 주로 침탄 열처리를 하여 사용한다.

상기 니켈의 경우 고가(high cost)이면서 강에 첨가시 강의 인성을 너무 높여, 기어 가공시 기어 치면의 조도 악화, 가공 툴의 수명을 단축시켜, 결국 생산성을 떨어뜨리는 문제점이 있어 최근에는 첨가시키지 않는 것이 추세에 있다.

따라서, 최근에는 기존의 Cr-Ni-Mo강 대체용으로 기존 Cr-Mo합금강 대비 Mo함량을 높인 Cr-Mo합금강이 개발되어 사용되고 있는 실정이다.

한편, 상기 몰리브덴은 소입성 및 강도 향상에 매우 유효하며, 또한 결정립 조대화 온도를 상승시키는 좋은 점이 있으나, 최근 합금강의 원소재 가격상승을 불러 일으킨 원소로서, 너무 높은 가격 때문에 많은 사용이 제한되는 단점이 있다.

이에, 본 발명자는 기존의 Cr-Mo합금강의 원소들을 기초로 하여 피로강도, 비틀림 피로강도, 접촉피로특성(내피팅성) 등이 기존 합금강 대비 획기적으로 향상되도록 화학성분을 조절하고, 또한 가공성 개선을 위해 단조후 가공전 열처리 조건을 개선하여 피로강도, 비틀림 피로강도, 접촉피로특성(내피팅성) 향상 및 고강도화를 위해 크롬과 실리콘을 기존 크롬-몰리브덴강 대비 현저히 증가시켜 물성을 크게 개선시킴으로써, 니켈-크롬-몰리브덴강을 적용하는 기어들의 가공성 난이에 따른 생산성 저하, 가공 도구의 수명 단축 등의 문제점 해결 및 물성의 향상을 도모할 수 있고, 그리고 고(High) Mo함유 Cr-Mo강 대비 동등한 가격에 획기적인 물성 향상을 얻을 수 있으며, 또한 최근 자동차 개발추세인 고강도, 고내구성, 컴팩트 설계에 대응할 수 있는 물성을 가지도록 한 변속기 기어 및 샤프트용 초고강도 크롬-몰리브덴 합금강의 열처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.17∼0.21 중량%, 실리콘(Si) 0.50~0.70 중량%, 망간(Mn) 0.45∼0.75 중 량%, 인(P) 0.020 중량% 이하, 황(S) 0.030 중량% 이하, 크롬(Cr) 1.95∼2.25 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.33∼0.43 중량%, 니오븀(Nb) 0.015∼0.035 중량%를 함유하는 합금계 성분에 합금의 청정도를 위해 용존산소량 12∼15ppm 이하를 첨가하여 이루어진 것을 특징으로 하는 변속기 기어 및 샤프트용 고강도 크롬-몰리브덴 합금강을 제공한다.

또한, 본 발명은 위와 같은 조성의 크롬-몰리브덴 합금강을 단조후 미세 조직 균일성 확보 및 단조후 가공성을 확보하기 위해 가공전 열처리함에 있어서, 920∼940℃에서 2∼3시간 동안 오스테나이징을 실시하는 단계와; 150℃/분 이상의 냉각속도로 템퍼링 온도까지 제어냉각하는 단계와; 660∼680℃에서 5∼7시간 동안 템퍼링을 실시한 다음, 공냉 처리하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 변속기 기어 및 샤프트용 고강도 크롬-몰리브덴 합금강의 열처리 방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 크롬-몰리브덴 합금강은 표 1에 기재된 기존의 크롬-몰리브덴 합금강(SCM920HVSi) 및 니켈-크롬-몰리브덴 합금강(SNCM518H)과 달리, 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.17∼0.21 중량%, 실리콘(Si) 0.50∼0.70 중량%, 망간(Mn) 0.45∼0.75 중량%, 인(P) 0.020 중량% 이하, 황(S) 0.030 중량% 이하, 크롬(Cr) 1.95∼2.25 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.33∼0.43 중량%, 니오븀(Nb) 0.015∼0.035 중량% 를 포함하는 합금계 성분에 합금의 청정도를 위해(불순물 함량을 줄이기 위해) 용존 산소량 12∼15ppm 이하를 첨가하여 이루어진 것이다.

특히, 본 발명의 크롬-몰리브덴 합금강은 가공성을 향상시키기 위하여 니켈을 첨가하지 않았으며, 피로강도, 비틀림 피로강도, 접촉피로특성(내피팅성) 등이 기존 합금강 대비 획기적으로 향상되도록 화학 성분을 크게 조절하였다.

또한, 산소와의 친화력이 매우 강해 입계산화층을 조장하는 원소로서 지금까지는 기어용 합금강에 함유량을 제한했던 크롬과 실리콘 함유량을 종래의 크롬-몰리브덴 합금강의 함유량보다 크게 증가시켰으며, 높은 가격의 몰리브덴(Mo)함량은 줄여서 경도 및 피로강도를 향상시킬 수 있도록 하였다.

본 발명에 따라 그 함유량이 증가된 크롬은 강의 소입성 향상에 매우 유효한 원소로서, 심부 경도를 높여 굽힘피로강도 향상에 매우 유용하며, 안정된 미세탄화물을 잘 만들어 침탄을 촉진시키며 침탄을 적합하게 만들고, 템퍼링(tempering)시 연화저항성을 크게 향상시켜 접촉피로특성(내피팅성)을 현저히 높일 수 있게 된다.

본 발명에 따라 함유된 실리콘은 기지에 고용되어 피로강도향상에 도움이 되고, 템퍼링(tempering)시 연화저항성을 크게 향상시켜 접촉피로특성(내피팅성)을 현저히 높이게 된다.

이와 같이, 크롬과 실리콘은 연화저항성을 매우 향상시키기 때문에 장시간 사용후 발생되는 기어 표면손상 형태인 치면 피팅(fitting) 발생을 최소화해 자동차 보증 연한을 늘릴 수 있는 큰 장점을 제공할 수 있게 된다.

상기한 크롬과 실리콘이 자동차 기어의 물성 향상에 매우 유효한 원소들임에도 불구하고 사용이 제한되었던 이유는 침탄시 입계산화층을 매우 잘 만드는 원소였기 때문이다.

그럼에도 불구하고, 크롬 및 실리콘의 함량을 증가시켜 사용한 이유는 무산화분위기 침탄공정인 진공침탄법이 개발되어 사용되고 또한 최근 자동차 기어 소음에 대한 소비자 요구사항을 만족시키기 위해 열처리후 가공 공정의 추가가 대세가 되면서, 그 사용에 대한 제한이 없어졌기 때문이다.

본 발명의 주요 구성원소 및 그 함량의 한정 이유에 대해 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

1) 탄소(C): 0.17∼0.21 중량%

원하는 심부경도를 HV 440 내지 472 정도로 얻기 위하여 적어도 0.17% 이상의 첨가가 필요하며, 0.21중량% 이상이면 심부경도가 너무 증가하여 담금질후에 표면의 압축잔류응력을 충분히 도입을 할 수 없으므로, 탄소의 함량은 0.17∼0.21 중량%로 한정한다.

2) 실리콘(Si): 0.50∼0.70 중량%

본 발명의 크롬-몰리브덴 합금강에 실리콘은 0.50∼0.70 중량%로 한정하는 것이 바람직하며, 0.50중량% 미만일 경우 상술한 연화저항성이 커지지 않으며, 0.70중량%를 넘어서는 경우에는 기지의 고용강화 효과가 너무 커서 성형성을 극히 떨어뜨림과 함께 단조 및 가공을 어렵게 한다.

3) 크롬(Cr): 1.95∼2.25 중량%

크롬(Cr)은 1.95∼2.25 중량%로 그 함량을 한정하는 것이 좋으며, 이때 함유량이 1.95중량% 미만일 경우 통상 고강도 크롬-몰리브덴 합금강의 소입성 대비 현저한 차이가 나지 않아 피로강도 물성 향상이 크지 않게 되고, 또한 템퍼링(Tempering)시 연화저항성이 현저히 커지지 않아 접촉피로특성 개선이 미흡하며, 2.25중량% 이상일 경우에는 다량의 미세 탄화물 석출로 가공성이 가공 및 단조성형성이 급격히 떨어지는 문제가 발생하게 된다.

4) 몰리브덴(Mo): 0.33∼0.43 중량%

통상, 고강도 크롬-몰리브덴 합금강보다는 작은 0.33 내지 0.43 중량%를 첨가하는 것이 바람직하며, 몰리브덴 함유량을 통상 고강도 크롬-몰리브덴 합금강보다 작게 유지한 이유는 크롬 함량이 많아짐에 따른 다량의 유해탄화물 형성을 방지해 취성을 줄이기 위함이다.

5) 황(S): 0.030 중량% 이하

물성향상(고강도)에도 불구하고 가공성을 양호하게 하기 위해 통상 크롬-몰리브덴 합금강 보다 유해하지 않는 범위 내에서 상한 함량을 올렸으며, 0.03 중량%이하로 관리하는 것이 좋다.

6) 인(P): 0.020 중량% 이하

통상 크롬-몰리브덴 합금강과 같이 유해하지 않는 범위 내에서 그 함량을 0.02 중량%이하로 관리하는 것이 좋다.

7) 니오븀(Nb): 0.015∼0.035 중량%

고온침탄시 결정립 조대화 방지 및 결정립 미세화 효과를 극대화하기 위해 니오븀(Nb)을 0.015∼0.035 중량%로 한정하는 것이 바람직하며, 이 니오븀(Nb)은 합금강내에서 미세한 니오비윰 질, 탄화물을 만들어 결정립 조대화를 막아주는 원소로서 그 함량이 0.015중량% 이하인 경우는 그 효과가 크지 않으며, 0.035중량%를 넘어서는 경우는 탄화물이 결정입계에 과다 석출해 취성이 커지는 문제가 발생한다.

여기서, 본 발명에서는 통상 크롬-몰리브덴 합금강의 경우 대비 Nb의 함량 상한을 높였는데, 이는 크롬(Cr) 함량 증가에 따른 크롬탄화물의 입계에 과다석출을 막기 위함이다.

8) 망간(Mn): 0.45∼0.75 중량%

강의 담금질성을 보장하기 위하여 적어도 0.45중량%의 양이 첨가되어야 한다. 그러나, Mn은 입자계 산화발생을 일으키기 쉬우므로, 이를 감소시키기 위하여 0.75중량% 이하로 한정해야 한다.

이러한 조성 및 함량비로 이루어진 본 발명의 크롬-몰리브덴 합금강은 기존의 고강도 크롬-몰리브덴 합금강보다 소입성이 월등히 높아 단조후, 미세 조직 균일성 확보 및 단조후 가공성을 확보하기 위해 특수한 가공전 열처리가 필요하며, 열처리 모사시험을 통한 적합한 열처리는 첨부한 도 1에 설명된 바와 같다.

도 1에서 보는 바와 같이 본 발명의 열처리는 오스테나이진(austenizing) 구간, 제어냉각 구간, 템퍼링(tempering) 구간 및 공냉 구간으로 구성되어 있으며, 상세 유지온도, 유지시간 및 냉각속도를 살펴보면, 위와 같은 본 발명의 크롬-몰리브덴 합금강을 단조후 미세 조직 균일성 확보 및 단조후 가공성을 확보하기 위해 가공전 열처리를 하게 되는 바, 920∼940℃에서 2∼3시간 동안 오스테나이징을 실시하는 단계와, 150℃/분 이상의 냉각속도로 템퍼링 온도까지 냉각하기위해 제어냉각하는 단계와(에어, 수증기분사 등), 660∼680℃에서 5∼7시간 동안 템퍼링을 실시한 다음, 공냉 처리하는 단계로 이루어진다.

이러한 본 발명의 열처리 조건에 있어서, 제어냉각 구간에서의 냉각속도를 규제한 이유는 폴리고날 페라이트(polygonal ferrite) 때문이다. 폴리고날 페라이트(polygonal ferrite)는 100℃/분 이하의 냉각속도에서 안정상으로 국부적으로 석출하며, 후공정에서 성분간의 편석을 크게 발생시켜 미세조직 균질성 확보를 어렵게하는 조직이다.

이에 따라, 100℃/분 이상의 냉각속도로 제어하면 페라이트(polygonal ferrite) 석출을 방지할 수 있지만(실험실적), 양산을 감안한 경우 150℃/분 이상의 냉각속도가 적합하다.

또한, 상기 템퍼링(Tempering) 온도를 660∼680℃로 규제한 것은 700℃부근의 폴리고날 페라이트(polygonal ferrite) 석출구간을 배제하기 위함이다.

또한, 본 발명의 합금강 소재는 내부가 단단하여 가공이 잘 안되는 점을 감안하여 상기와 같이 920∼940℃에서 2∼3시간 동안 오스테나이징을 실시하게 된다.

이하, 본 발명의 실시예를 비교예와 함께 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예1

중량%로서, 탄소(C) 0.18, 실리콘(Si) 0.40, 망간(Mn) 0.69, 인(P) 0.009, (S) 0.020, 니켈(Ni) 0.05, 크롬(Cr) 1.79, 몰리브덴(Mo) 0.25, 니오븀(Nb) 0.025를 함유하는 합금계 성분에 합금의 청정도를 위해 용존산소량 12ppm을 첨가한 크롬-몰리브덴 합금강 소재를 900℃에서 2시간 동안 침탄하고, 오일온도 150℃에 소입시킨 다음, 170℃에서 2시간 동안 템퍼링을 실시하여 시편으로 제작하였다(표 2 참조).

실시예2

중량%로서, 탄소(C) 0.21, 실리콘(Si) 0.59, 망간(Mn) 0.62, 인(P) 0.010, (S) 0.019, 니켈(Ni) 0.05, 크롬(Cr) 2.07, 몰리브덴(Mo) 0.37, 니오븀(Nb) 0.029를 함유하는 합금계 성분에 합금의 청정도를 위해 용존산소량 14ppm을 첨가한 크롬-몰리브덴 합금강 소재를 900℃에서 2시간 동안 침탄하고, 오일온도 150℃에 소입시킨 다음, 170℃에서 2시간 동안 템퍼링을 실시하여 시편으로 제작하였다(표 2 참조).

실시예3

중량%로서, 탄소(C) 0.19, 실리콘(Si) 0.35, 망간(Mn) 0.62, 인(P) 0.010, (S) 0.023, 니켈(Ni) 0.06, 크롬(Cr) 1.42, 몰리브덴(Mo) 0.38, 니오븀(Nb) 0.026를 함유하는 합금계 성분에 합금의 청정도를 위해 용존산소량 13ppm을 첨가한 크롬-몰리브덴 합금강 소재를 900℃에서 2시간 동안 침탄하고, 오일온도 150℃에 소입시킨 다음, 170℃에서 2시간 동안 템퍼링을 실시하여 시편으로 제작하였다(표 2 참조).

비교예1

비교예1에 따른 크롬-몰리브덴 합금강(SCM920HVSi)은 본원 출원인의 대표적 고강도 변속기 기어용강으로서, 중량%로 탄소(C) 0.19, 실리콘(Si) 0.11, 망간(Mn) 0.70, 인(P) 0.012, (S) 0.018, 니켈(Ni) 0.06, 크롬(Cr) 1.31, 몰리브덴(Mo) 0.62, 니오븀(Nb) 0.019를 함유하는 합금계 성분에 합금의 청정도를 위해 용존산소량 15ppm을 첨가한 크롬-몰리브덴 합금강 소재를 900℃에서 2시간 동안 침탄하고, 오일온도 150℃에 소입시킨 다음, 170℃에서 2시간 동안 템퍼링을 실시하여 시편으로 제작하였다(표 2 참조).

비교예2

비교예2에 따른 니켈-크롬-몰리브덴 합금강(SNCM518H)은 일본 미쯔비시제강의 대표적 고강도 변속기 기어용강으로서, 중량%로 탄소(C) 0.18, 실리콘(Si) 0.09, 망간(Mn) 0.55, 인(P) 0.006, (S) 0.015, 니켈(Ni) 1.57, 크롬(Cr) 0.55, 몰리브덴(Mo) 0.61, 니오븀(Nb) 0.022를 함유하는 합금계 성분에 합금의 청정도를 위해 용존산소량 14ppm을 첨가한 크롬-몰리브덴 합금강 소재를 900℃에서 2시간 동안 침탄하고, 오일온도 150℃에 소입시킨 다음, 170℃에서 2시간 동안 템퍼링을 실시하여 시편으로 제작하였다(표 2 참조).

시험예1

위의 실시예1-3 및 비교예1의 합금강에 대한 소입성을 알아보기 위하여 조미니(jominy)법을 이용하여 경도를 측정하였는 바, 첨부한 도 2의 그래프에서 보는 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 합금강이 비교예인 기존의 크롬-몰리브덴 합금강에 비하여 측정 거리에 비례하여 경도가 높아 소입성이 획기적으로 상승됨을 알 수 있었다.

시험예2

실시예1-3 및 비교예1-2에 대한 경도 측정 및 피로시험, 충격시험, 접촉피로시험, 비틀림 피로시험을 표 3의 각주에 설명된 바와 같이 실시하였는 바, 그 결과는 표 3 및 도 3의 그래프에 나타낸 바와 같다.

위의 표3에서 보는 바와 같이 본 발명의 실시예2에 따른 합금강이 기존의 비교예1,2의 합금강에 비하여 표면경도 및 심부경도에서 우수하고, 피로한도 및 접촉피로한도에서도 가장 우수함을 알 수 있었다.

또한, 실시예1,3에 따른 합금강도 기존의 비교예1,2의 합금강에 비하여 우수한 물성을 나타내었지만 기어의 중요한 특성인 접촉피로한도에서는 열등함을 알 수 있었다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 변속기 기어 및 샤프트용 초고강도 크롬-몰리브덴 합금강의 열처리 방법에 의하면, 기존의 고강도 니켈-크롬-몰리브덴 합금강 및 크롬-몰리브덴강 대비 매우 우수한 피로물성(내구성)을 보유하여 컴팩트한 고출력 변속기 기어 및 샤프트에 적용할 수 있는 장점을 제공할 수 있다.

Claims

삭제
청구항 1의 조성 및 함량을 갖는 크롬-몰리브덴 합금강을 단조후 미세 조직 균일성 확보 및 단조후 가공성을 확보하기 위해 가공전 열처리함에 있어서,

920∼940℃에서 2∼3시간 동안 오스테나이징을 실시하는 단계와;

150℃/분 이상의 냉각속도로 템퍼링 온도까지 제어냉각하는 단계와;

660∼680℃에서 5∼7시간 동안 템퍼링을 실시한 다음, 공냉 처리하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 변속기 기어 및 샤프트용 고강도 크롬-몰리브덴 합금강의 열처리 방법.