KR20170135498A

KR20170135498A - 애뉼러스기어용 강재 및 강의 가스 질화처리 방법

Info

Publication number: KR20170135498A
Application number: KR1020160067509A
Authority: KR
Inventors: 강창원; 윤나래; 심용보; 박재홍; 강민우
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2017-12-08

Abstract

본 발명은 자동변속기 유성기어 셋트의 애뉼러스기어(링기어)에 최적화된 쾌삭형 고강도 질화강 및 열처리 공법에 대한 것으로서, 보다 구체적으로는 합금 성분을 최적화하고 열처리 조건을 개선하여 가공성이 개선되고 내구성이 향상된 애뉼러스기어용 강재 및 강의 가스 질화처리 방법에 관한 것이다.
보다 더 상세하게는 본 발명의 애뉼러스기어용 강재, 상기 강재를 이용하여 제조된 애뉼러스기어 및 상기 강재의 가스 질화처리 방법에 의하면 철(Fe)을 베이스로 하여 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 크롬(Cr), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 바나듐(V) 등을 첨가하여 기존의 애뉼러스기어용 강재 대비 절삭성, 가공성 및 화합물층의 내구성을 현저히 향상시킬 수 있고, 또한 상기 강재를 이용하여 애뉼러스기어를 제조할 수 있는 최적의 열처리 방법을 제공함으로써 이에 따라 효율적으로 차량용 애뉼러스 기어를 제조할 수 있다는 장점이 있다.

Description

애뉼러스기어용 강재 및 강의 가스 질화처리 방법{Steel for Annulus Gear and Method for Gas Nitriding of Steel Using The Same}

본 발명은 차량용 자동변속기 유성기어 세트의 애뉼러스기어, 즉 링기어에 최적화된 쾌삭형 고강도 질화강 및 열처리 공법에 대한 것으로서, 보다 구체적으로는 합금 성분을 최적화하고 열처리 조건을 개선하여 가공성이 개선되고 내구성이 향상된 애뉼러스기어용 강재 및 강의 가스 질화처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 유성기어 장치(10)는 선기어(11), 피니언기어(12), 캐리어(13) 및 애뉼러스기어(14)로 구성되어 있으며, 이 중 애뉼러스기어는 도 1 (b)에 도시된 바와 같은 링 형태의 부품으로, 직경이 크고 두께가 얇아 열처리 시 변형이 쉽게 일어나게 되고, 그로 인한 치접촉 악화에 의해 소음을 유발하게 된다.

애뉼러스기어용 강재 가공 시 종래에는 침탄열처리를 적용하여 왔으나, 최근에는 열처리로 인한 변형 저감을 위하여 질화열처리가 확대 적용되고 있는 추세이다. 질화열처리는 약 500~590 영역에서 질소원자를 철강재 표면에 침투시켜 질소화합물을 형성킴으로써 강재 표면을 경화시키는 공법으로서, 침탄열처리 대비 처리 온도가 낮고, 상변태가 일어나지 않기 때문에 열처리 변형이 줄어들게 되어, 변속기의 NVH(Noise,Vibration,Harshness) 특성을 개선할 수 있는 장점이 있다.

한편, 질화열처리를 성공적으로 적용하기 위해서는 강재의 가공성 개선 및 화합물층의 내구성 향상이 필수적인 바, 우선 가공성 개선 관련해서는, 질화열처리시에는 강재 심부의 경화가 일어나지 않기 때문에 미리 ??칭(quenching) 및 템퍼링(tempering) 처리를 통해 심부 경도를 증가시킬 필요가 있다. 그러나 다른 한편으로 강재의 심부 경도가 높아지게 되면 강재의 가공성이 나빠지게 되므로 합금성분의 최적화를 통한 절삭성 즉 가공성 개선이 필요하다.

그리고, 화합물층의 내구성 향상을 위해서는, 합금성분을 최적화하고 열처리 조건을 개선하여 화합물층의 상, 두께 및 표면경도를 최적화해야 하는 과제가 있다.

이에, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하여 절삭성 및 내구성이 개선된 애뉼러스용 고강도 질화강을 개발하고, 이에 수반되는 질화열처리 조건을 최적화한 것이다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 철(Fe)을 베이스로 하여 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 크롬(Cr), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 바나듐(V) 등을 첨가하여 기존 소재 대비 절삭성 및 가공성이 개선되고 화합물층의 내구성이 향상된 애뉼러스기어용 강재 및 이를 이용하여 제조된 애뉼러스 기어를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 절삭성 및 가공성이 개선되고 화합물층의 내구성이 향상된 애뉼러스기어를 제조할 수 있는 최적의 질화열처리 방법을 제공함으로써 감마프라임(γ’) 단상을 유지하면서 화합물층 두께를 증대시킬 수 있는 열처리 방법을 제공하는 데 또 다른 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 애뉼러스기어용 강재에 있어서, 탄소(C) 0.17 내지 0.24 중량%, 규소(Si) 0.15 내지 0.30 중량%, 망간(Mn) 0.60 내지 1.00 중량%, 인(P) 0.020 중량% 이하, 황(S) 0.020 내지 0.050중량%, 크롬(Cr) 1.30 내지 1.70 중량%, 구리(Cu) 0.30 중량% 이하, 알루미늄(Al) 0.025 중량% 이하, 바나듐(V) 0.1 내지 0.3 중량% 및 잔부의 철(Fe)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 애뉼러스기어용 강재에 있어서 티타늄(Ti) 0.05 내지 0.15 중량%를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 타 측면에 의하면, 상기의 실시예 중 어느 하나의 애뉼러스기어용 강재를 이용하여 제조된 차량용 애뉼러스기어를 제공하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 타 측면에 의하면, 강을 노에 장입하는 단계, 열처리하는 단계 및 냉각하는 단계를 포함하는 강의 가스 질화처리방법에 있어서, 열처리온도(T) 및 질화처리상수(KN)를 제어하되, 상기 질화처리상수는 상한값과 하한값 사이에서 순차적으로 변동하는 것을 특징으로 하는 강의 가스 질화처리방법을 제공하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 질화처리상수의 상한값은 3.5 내지 4.5 atm^-1/2 의 범위 내에 존재하고, 상기 질화처리상수의 하한값은 0.55 내지 0.65 atm^-1/2 의 범위 내에 존재하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 질화처리상수 변동의 1회 패턴의 주기는 1.5 내지 2.5 시간인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 질화처리상수의 최종 제어방식은, 질화처리상수의 하한값 영역에서 2.5 내지 3.5 시간을 유지시키는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 열처리 온도(T)는 510℃내지 550℃ 범위 내인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 노 내부에 수소 센서를 장착하여 수소 분압을 측정하고, 상기 측정된 수소 분압에 대응되는 암모니아 분압을 조절함으로써 질화처리상수를 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 열처리하는 단계는 12시간 이상 열처리하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 강의 가스 질화처리방법을 통하여 감마프라임상 화합물층의 두께를 10 내지 20㎛로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 강은 변속기용 링기어인 것이 바람직하다.

본 발명의 애뉼러스기어용 강재에 의하면, 철(Fe)을 베이스로 하여 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 크롬(Cr), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 바나듐(V) 등을 첨가함으로써 기존 소재 대비 절삭성 및 가공성이 개선되고 화합물층의 내구성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 강의 가스 질화처리방법에 의하면, 열처리온도(T) 및 질화처리상수(KN)를 제어하되 상기 질화처리상수는 상한값과 하한값 사이에서 순차적으로 변동하도록 하는 방식을 통하여 보다 효율적으로 가공성 및 내구성이 현저히 향상된 애뉼러스기어용 강재를 제조할 수 있으며, 감마프라임 단상을 유지하면서 화합물층 두께를 증가시킬 수 있는 열처리 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 일반적인 유성기어 장치 및 애뉼러스 기어의 사시도.
도 2는 기어제조공정을 나타낸 순서도.
도 3은 본 발명의 일실시예 및 비교예에 따른 강재의 물성 평가에 사용된 브로치 모사 툴을 나타낸 사진도.
도 4는 본 발명의 일실시예 및 비교예에 따른 강재의 툴 마모량 평가 규격을 나타낸 사진도.
도 5는 본 발명의 일실시예 및 비교예에 따른 강재의 피삭재 조도 평가를 나타낸 그래프.
도 6은 질화열처리 후 강재의 화합물층 및 확산층을 나타낸 모식도.
도 7은 레러 다이어그램(Lehrer Diagram)을 나타낸 그래프.
도 8은 종래기술에 따른 질화열처리 공법의 시간에 따른 질화포텐셜값 변화를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 질화열처리 공법의 시간에 따른 질화포텐셜값 변화를 나타낸 그래프.
도 10은 비교예 및 본 발명의 일실시예에 따른 강재의 툴 마모량을 비교하여 나타낸 그래프.
도 11은 비교예 및 본 발명의 일실시예에 따른 강재의 피삭재 표면 형상을 비교하여 나타낸 확대사진도.
도 12는 비교예 및 본 발명의 일실시예에 따른 강재의 단면 미세조직을 나타낸 확대사진도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

현재 차량용 애뉼러스기어에 사용되는 강재는 크롬(Cr) 합금강인 SCr420H1이며, 여기에 가스 질화열처리를 실시하여 사용되고 있다. 하기 표 1은 종래 애뉼러스기어용 강재로 사용되고 있는 SCr420H1의 합금 성분을 나타낸 표이다.

이러한 합금의 구성 성분 중 소재의 절삭성에 가장큰 영향은 미치는 합금원소는 망간(Mn) 및 황(S)으로서, 상기의 두 원소가 결합하게 되면 MnS 화합물을 형성하며, MnS 화합물은 녹는점이 낮고 무른 특성을 가지고 있어서 절삭 가공시 강재의 부하를 줄여주게 된다.

한편, 상기 SCr420H1 소재의 경우 망간은 약 0.59wt%, 황은 약 0.006wt%를 함유하고 있는데, 침탄열처리를 실시하는 경우에는 기어 절삭가공시의 경도가 약 HV180 으로 절삭이 용이한 수준인 반면, 질화열처리를 실시하는 경우에는 부품의 전체적인 경도 확보를 위해 기어 가공 전에 미리 ??칭 및 템퍼링 처리를 하게 되어, 경도가 HV230 수준까지 증가하게 된다.

따라서, 이러한 경도 증가에 따른 툴 수명 저하 및 기어 치면의 뜯김 현상 발생으로 인하여 강재의 조도가 나빠지게 되는 문제가 발생하게 되는 바, 높은 경도 수준에서도 기어 절삭성이 좋은 강재의 개발이 요구되어 왔다.

한편, 질화열처리 시 강재의 내구성 증가는 최표면에 형성되는 화합물층 및 질화물이 형성되는 확산층에 의해 얻어지므로, 합금성분 및 열처리 조건을 조정하여 화합물층 두께, 표면부 경도 및 유효경화깊이 등을 최적화하는 것이 필요하다.

질화열처리 시 질화물을 형성하는 주요 원소는 크롬(Cr), 몰리브데늄(Mo), 바나듐(V), 실리콘(Si), 알루미늄(Al) 등이 있으며, 이중 가장 큰 영향을 미치는 원소는 크롬, 바나듐, 알루미늄으로 각각 CrN, VN, AlN을 형성하거나 또는 복합 질화물(Al_xV_yAl_1-x-yN)을 형성하게 된다.

SCr420H1은 크롬이 약 1.03 wt% 첨가되어 있는 강종으로, 질화열처리 시 주로 CrN만이 형성되므로 강도 향상에 제약이 있다. 따라서, 질화열처리 후 강재의 내구성을 극대화시키기 위해서는 크롬 외에 바나듐 및 알루미늄 함량을 최적화해 주어야 한다.

또한, 강재의 화합물층은 감마프라임상(γ’)과 입실론상(ε) 으로 이루어져 있는데, 화합물층의 내구성을 증대시키기 위해서는 감마프라임(γ’) 상 위주로 형성되도록 강재를 열처리하여야 한다. 종래 사용되고 있는 질화열처리는 감마프라임 단상을 형성하기 위하여 550℃ 온도 및 질화처리상수(K_N) 0.4~0.7 수준에서 열처리를 하게 되는데, 이러한 조건 하에서는 최대 2~7 ㎛ 수준의 화합물층 두께를 얻을 수 있다.

이에, 변속기의 토크가 증가함에 따라 감마프라임 단상을 유지하면서 동시에 화합물층 두께를 증대시킬수 있는 질화열처리 공정의 개발이 요구되고 있는 바, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결한 애뉼러스기어용 쾌삭형 고강도 질화강 및 고강도 질화열처리 공법에 대한 것이다.

도 2는 차량용 기어제조 공정을 나타낸 순서도이다. 기어제조 공정은 우선 봉강 소재를 열간단조한 후 소재의 강도 향상 및 미세조직 균질화를 위해 ??칭 및 템퍼링 열처리를 실시한다. ??칭처리를 통해 단조품의 표면 및 심부가 균일하게 마르텐사이트로 변태하게 되며, 템퍼링 열처리를 함으로써 균일한 템퍼드 마르텐사이트를 형성하게 되는데, 소재의 경도는 HV210~250, 평균 HV 230 이 확보되도록 템퍼링 온도 및 시간을 결정하게 되며 이 때 ??칭 온도는 약 890~900℃, 템퍼링 온도는 약 660~670℃ 인 것이 바람직하다.

다음으로, ??칭 및 템퍼링 열처리를 실시한 소재를 선삭 공정을 통해 원통형상으로 제작하고, 그 후 치형을 만드는 공정인 브로치 가공을 실시하게 된다. 브로치 가공 후에는 질화열처리를 하여 기어의 표면 경도를 확보하게 된다.

본 발명은 상기 질화열처리를 거친 후 강재의 고강도 확보가 가능하고, 또한 높은 경도 수준에서도 절삭성이 개선되도록 합금설계를 한 것인 바, 하기의 표 2는 비교예 및 본 발명의 실시예에 따른 합금 구성성분 및 그 함량을 나타낸 것이다.

그리고, 이에 따른 절삭성 개선 효과를 확인하기 위하여, 망간(Mn)과 황(S) 함유량에 따른 절삭성 개선 효과를 평가하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

상기 표 3은 비교예 및 실시예에 따른 강재의 절삭성 평가 결과를 나타낸 것이다. 평가 방법은 비교예 및 실시예의 합금 구성성분 및 함량에 따른 각 소재를 진공유도로를 이용하여 제강한 후 ??칭 및 템퍼링 처리를 하여 경도를 HV230 수준으로 제작하고 블럭 모양의 시험편으로 가공한 후, 도 3에 나타난 바와 같은 브로치 모사 툴을 활용하여 총 90m 상당 길이로 가공하고, 도 4에 나타난 바와 같은 규격으로 툴 마모량을 평가하였다. 또한 상기 각 소재의 절삭부하 평가를 실시하였고, 도 5에 나타난 바와 같은 방법으로 피삭재의 표면 조도를 평가하였다.

평가 결과를 종합해본 결과, 상기 표 3에 나타난 바와 같이 망간 및 황 함량이 각각 0.80wt% 및 0.040wt% 인 경우 절삭성 개선 효과가 가장 현저한 것으로 확인되었다.

한편, 본 발명은 상기 실험에 따른 망간 및 황 함유량을 최적화한 소재를 기본으로 하여, 질화처리 시 고강도의 물성을 얻을 수 있도록 합금 설계를 한 것으로서, 질화물을 형성하는 주요 원소인 크롬(Cr), 바나듐(V), 알루미늄(Al) 함유량에 따라 여러 소재를 제작하여 질화열처리 후 표면경도 및 경화깊이를 비교하여 물성이 가장 우수한 합금성분 및 조성을 얻고자 하였다. 하기 표 4는 비교예 및 실시예에 따른 합금 구성성분 및 그 함량을 나타낸 것이다.

상기 질화열처리는 550℃온도 및 질화처리상수(K_N) 0.6 조건에서 20시간 열처리하였으며, 표면경도 및 경화깊이는 5회 측정후 평균값을 나타내었다. 열처리 시간이 20 시간 이상인 경우에는 원가 상승이 과다하게 되는 문제가 있어서 열처리 시간은 20시간 수준으로 유지되도록 하였다. 하기 표 5는 비교예 및 실시예의 크롬, 바나듐 및 알루미늄 함유량에 따른 물성 평가 결과를 나타낸 것이다.

상기 표 5에 나타난 바와 같이, 질화물 형성 원소인 크롬, 바나듐 및 알루미늄의 함량이 증가하는 경우 표면경도는 증가하나, 유효경화깊이는 반비례하여 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한 화합물층의 두께는 합금성분의 양이 증가함에 따라 감소하는 것을 확인할 수 있다.

상기 평가 결과를 종합해 본 결과, 굽힘피로강도에 큰 영향을 미치는 주요 물성인 유효경화깊이를 최대화 하기 위해서는 크롬 및 바나듐 함량을 적정수준에서 유지할 필요가 있으며, 알루미늄의 경우 소량 첨가로도 표면경도 증대 효과는 있었으나, 반면에 경화깊이가 감소하는 것이 확인되었다.

이에, 본 발명에서는 상기의 실험들을 바탕으로 질화열처리를 실시하는 애뉼러스기어에 대한 쾌삭형 고강도 질화강을 개발하였는 바, 본 발명에 따른 애뉼러스기어용 강재의 최적의 구성성분 및 함량을 하기 표 6에 나타내었다.

탄소(C)는 강재의 ??칭 및 템퍼링 후 HV210~250 정도의 심부 경도를 확보할 수 있도록 0.17~0.24 wt% 포함할 수 있다. 탄소의 함량이 0.17 wt% 미만인 경우에는 열처리 후 심부 경도 저하가 발생하여 전체적인 강성이 감소하는 문제가 있으며, 또한 탄소의 함량이 0.24 wt% 이상인 경우에는 ??칭 및 템퍼링 후 경도값이 HV250 이상이 되어 가공성이 악화되는 문제가 있다.

실리콘(Si)은 페라이트 강화원소로서 소재의 경도 및 강도를 높이는 역할을 하며, 본 발명에서는 0.15~0.30wt.%를 포함할 수 있다. 실리콘의 함량이 0.15 wt% 미만인 경우 소재의 전체적인 강도 확보에 문제가 발생할 수 있으며, 또한 실리콘의 함량이 0.30 wt%를 초과하는 경우에는 실리콘 탄화물을 형성하여 절삭성이 감소하는 문제가 발생하는데, 즉 기지 조직의 강화효과 증가로 인하여 강재의 가공성을 떨어뜨리게 된다.

망간(Mn)은 황(S)과 결합하여 MnS를 형성함으로써 강재의 절삭성을 높이는 원소이다. 본 발명에서는 적정한 수준의 MnS 개재물이 형성되도록 하기 위해서 망간을 0.60~1.00wt.% 포함할 수 있다. 망간 함량이 0.60wt.% 미만인 경우에는 절삭성 향상을 위한 MnS 개재물의 양이 충분하지 않을 수 있고, 또한 1.0wt% 를 초과하는 경우에는 원소재의 밴드 조직이 과다하게 형성되어 열처리시 변형을 유발하고, 소재의 경도 편차를 유발하여 절삭성을 떨어뜨리게 된다.

인(P)은 Fe₃P 화합물을 형성하는 원소로서, Fe₃P 화합물은 극히 취약하고 편석되어 있어, 풀림처리를 하여도 균질화되지 않고, 단조 압연시 길게 늘어나는 특성이 있다. 이로 인하여 강재의 충격 강도를 저하시키고 템퍼링 취성을 촉진시키는 효과가 있는 바, 인 함량을 0.020중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

황(S)은 망간과 결합하여 MnS를 형성하고 절삭성을 향상시키는 원소로서, 본 발명에서는 황을 0.02~0.05wt.% 포함할 수 있다. 황 함량이 0.02wt.% 미만인 경우에는 절삭성 향상을 위한 MnS 개재물의 양이 충분하지 않을 수 있고, 또한 0.05wt%를 초과하는 경우에는 원소재 제강 및 연속주조시 클로깅(clogging) 현상 즉 용강 출탕부의 노즐 막힘 현상을 유발하며, 또한 FeS화합물의 양을 증가시켜 입계 취성을 유발하기 때문에 0.05wt.% 이하로 제한하였다.

크롬(Cr)은 질화열처리 시 질화물(CrN)을 형성하는 주요 원소로서, 본 발명에서는 질화열처리 강재의 강도 확보를 위해 크롬을 1.30~1.70wt.% 포함할 수 있다. 최근 변속기의 고토크화 및 다운사이징에 따라 기어의 부하가 급격하게 증가하고 있는 바, 애뉼러스기어의 경우 내구 강도 및 내마모성을 확보하기 위해서는 HV 650 이상의 표면경도 확보가 필요하므로, 크롬을 1.30wt.% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 한편, 크롬을 다량으로 첨가하게 되면 표면경도값이 증가하게 되어 내마모성은 올라가게 되지만, 유효경화깊이 저하가 발생하게 되어 전체적인 강도를 떨어뜨리게 되므로 1.70wt.% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

구리(Cu)는 0.3 wt%를 초과하여 포함하는 경우 열간가공성이 문제될 수 있으며, 적열취성(red brittleness)의 원인이 되므로 본 발명에서는 0.3wt %이하를 포함할 수 있다.

알루미늄(Al)은 소재 제강시 탈산제로 첨가되는 원소로서, 다량 첨가시에는 제강 및 연속주조시 클로깅 현상을 유발하게 되므로 본 발명에서는 0.025wt.% 이하를 포함할 수 있다.

바나듐(V)은 질소와 결합하여 바나듐질화물(VN)을 형성하게 되므로 표면경도를 향상시키는 효과가 있다. 본 발명에서는 바나듐을 0.1~0.3wt.% 포함할 수 있다. 바나듐 질화물은 기타 질화물 대비 나노 사이즈의 미세한 형태로 석출되므로 경도 및 인성 개선의 효과가 뛰어난 반면, 바나듐을 0.3wt% 초과하여 포함하는 경우에는 효과 상승율이 감소하고 또한 원가상승의 문제가 있는 바, 본 발명에서는 그 함유량을 0.3wt.%이하로 제한하였다.

티타늄(Ti)은 소재내의 질소와 반응하여 TiN 화합물을 형성하게 되며 주변으로 MnS 형성을 유도하는 효과가 있다. 본 발명에서는 티타늄을 0.05~0.15 wt% 포함할 수 있다. 티타늄 함량이 0.05 wt% 미만인 경우에는 적정량의 TiN이 형성되지 못하는 문제가 생길 수 있고, 또한 0.15 wt%를 초과하는 경우에는 TiN 과다 형성에 따라 피로 파손기점으로 작용하게 되는 문제가 발생할 수 있다.

한편, 본 발명은 상기 애뉼러스기어용 쾌삭형 고강도 질화강을 자동변속기 애뉼러스기어에 적용하기 위한 질화 열처리 공법에 관한 것이다.

도 6은 질화열처리 후 강재의 화합물층 및 확산층의 모식도를 나타낸 것이다. 합금강에 질화열처리를 하는경우 통상적으로 도 6과 같은 미세조직이 형성된다. 즉 강재의 최표면부에는 화합물층이 생기고, 화합물층 밑으로는 미세한 CrN 등의 질화물이 형성되어 경도가 증가하는 확산층이 생기며, 화합물층은 감마프라임상(γ’상)과 엡실론(ε상)으로 구분된다.

차량용 변속기 기어는 기본적으로 높은 굽힘 응력 및 면압하에서 작동되기 때문에 강재의 화합물층을 인성이 좋은 감마프라임 상 위주로 형성시켜야 하고, 이와 동시에 표면경도 및 경화깊이를 일정수준 이상으로 확보하여야 한다. 즉 변속기의 고토크화에 대응하기 위해서는 감마프라임 단상인 10 ㎛ 이상의 화합물층, 유효경화깊이는 0.3mm (HV300 기준), 그리고 표면경도는 HV650 이상인 것이 바람직하다.

종래 적용중인 질화열처리의 경우 감마프라임 단상을 형성시키기 위해 통상적으로 i) 열처리 온도는 530℃, ii) 열처리 시간은 약 20 시간(승온, 냉각 시간 제외), iii) 질화처리상수는 약 0.6 atm^-1/2 고정값의 조건으로 열처리를 실시하게 된다. 도 8은 상기 기존 열처리 공법의 시간에 따른 질화포센셜 값을 그래프로 나타낸 것이다.

그런데 본 발명에 의한 애뉼러스기어용 강재의 경우, 종래 적용중인 강재 대비 크롬, 바나듐 등의 합금원소가 증가함에 따라, 종래의 질화열처리를 그대로 실시하는 경우 강재의 화합물층 두께 및 경화깊이가 감소하게 되어, 화합물층의 두께가 최대 4.2㎛ 수준으로 형성되는데 그치는 문제점이 있었다. 또한 화합물층 두께를 증대시키기 위해 열처리 시간을 40시간 이상으로 실시하는 경우에는 약 10 ㎛ 이상의 화합물층 두께를 얻을 수 있지만 원가 상승이 과다하기 때문에 실제 적용이 어려운 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 개발강 즉 상기 애뉼러스기어용 강재에 대해 기존과 동등하거나 혹은 그 이하의 열처리 시간에서도 10 ㎛ 이상의 감마프라임상 화합물층 및 0.3mm 이상의 유효경화깊이를 확보할수 있는 열처리 공정에 관한 것이다.

본 발명에 의한 열처리 공법은 강을 노에 장입하는 단계, 열처리하는 단계 및 냉각하는 단계를 포함하는 강의 가스 질화처리방법에 있어서, i) 열처리 온도는 510~550 ℃, ii) 열처리 시간은 18~22시간 (승온, 냉각 시간 제외), iii) 질화 포텐셜(K_N)은 3.5~4.5 atm^-1/2, 0.55~0.65 atm^-1/2 영역에서 순차적으로 변동하되, 1회 패턴의 주기는 1.5~2.5시간이며, 최종 K_N 0.55~0.65 atm^-1/2 구간에서는 2.5~3.5시간을 유지시키는 것을 특징으로 한다.

도 9는 본 발명에 의한 강의 가스 질화처리방법의 시간에 따른 질화처리상수(K_N) 변화값을 그래프로 나타낸 것이다. 본 발명에 의한 강의 가스 질화열처리 공법은 질화처리상수 값을 4.0 및 0.6 수준에서 반복적으로 열처리를 실시하는 것으로서, 이를 통해 감마프라임상의 화합물층을 10㎛ 이상으로 제작할수 있다.

이를 보다 상세히 설명하면, K_N = 4.0 atm^-1/2 영역에서는 소재 내부로의 질소 원자 침투량을 증대시키며, 이때에는 감마프라임상과 입실론상의 복합 화합물층이 형성되는데, 다음 단계로 K_N = 0.6 atm^-1/2 영역을 유지함으로써 입실론상을 분해시켜 감마프라임상으로 변태되도록 한다. 또한 이러한 공정을 반복적으로 수행함으로써 동일 시간동안에 질소 침투량을 급속히 증가시킬수 있고 이를 통해 기존 공법과 동등 열처리 시간에서도 10 ㎛ 이상의 감마프라임상 화합물층 및 0.3 mm 이상의 유효경화깊이를 확보할 수 있다.

한편, 최종 K_N = 0.6 구간에서는 3시간의 충분한 확산처리를 통해 감마프라임 상이 안정적으로 형성되도록 한다. 이러한 열처리 조건에 따른 미세조직 및 경도 규제 조건은 i) 화합물층 상은 감마프라임 단상이 되도록 한다. 입실론상은 인성이 낮은 조직으로서 피로 수명 저하를 유발하므로 형성시키지 않도록 한다. ii) 화합물층 두께는 10 ~ 20 ㎛가 되도록 한다. 화합물층 두께가 10 ㎛ 미만인 경우 접촉피로 수명 및 내마모수명의 저하가 발생하게 되며, 화합물층 두께가 20 ㎛를 초과하는 경우에는 모재와의 잔류응력 차이가 과도하게 되어 모재와의 계면에서 박리를 유발하게 된다. iii) 표면경도는 HV650 이상이 되도록 한다. 표면경도가 HV 650 미만인 경우에는 기어의 굽힘강도 저하 및 화합물층의 지지력 저하에 따라 기어 피로수명이 감소하는 문제가 발생할 수 있다.

또한, 상기 질화열처리 단계는 총 12시간 이상 열처리하는 것이 바람직하며, 질화처리상수의 제어는 노 내부에 수소 센서를 장착하여 수소 분압을 측정하고, 상기 측정된 수소 분압에 대응되는 암모니아 분압을 조절함으로써 질화처리상수를 제어할 수 있다.

본 발명에 의한 애뉼러스기어용 강재의 물성 검증을 위하여 비교예 및 실시예에 따른 강재의 절삭성 평가 및 본 발명에 의한 강의 가스 질화처리방법 적용 후 열처리 평가를 실시하였다. 하기 표 7은 비교예 및 실시예의 주요 합금성분과 함유량, 절삭성 평가 결과 및 툴 수명 평가 결과를 나타낸 것이다.

상기 표 7은 비교예와 실시예에 따른 강재를 각각 블럭형태로 가공한 후 소재경도가 HV 230 이 되도록 ??칭 및 템퍼링 열처리를 실시하였고, 각 강재에 대해 총 90m 상당의 거리를 가공한 후에 툴 마모량, 절삭부하 및 피삭재의 조도를 평가한 결과를 나타낸 것이다.

평가 결과 도 10에 나타난 바와 같이 실시예의 강재에 본 발명에 의한 강의 가스 질화처리방법을 실시한 경우의 툴 마모량은 12㎛로서, 비교예의 44㎛ 대비 27 % 수준으로 감소하였고, 절삭부하값은 비교예의 31.8kgf 에 비하여 27.6kgf로 감소하였으며, 도 11에 나타난 바와 같이 비교예에 비하여 피삭재 조도의 개선이 확인되었으며, 툴 마모량 저감 및 피삭재 뜯김 개선을 통해 툴 수명이 비교예의 3000개에 비하여 14000개로 증가한 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 강재 및 가스 질화처리 방법을 통하여 툴 비용 저감 및 싸이클 타임 단축 등의 생산성 개선이 가능하다.

한편, 본 발명의 애뉼러스기어용 강재에 대해 기존 열처리 공법 및 본 발명에 의한 강의 가스질화처리 방법을 적용 후 열처리 평가를 실시하였다. 하기 표 8은 각각의 열처리 후 물성 평가한 결과를 나타낸 것이다.

개발재에 개발 열처리를 적용한 경우, 즉 본 발명에 의한 애뉼러스기어용 강재에 본 발명의 가스 질화처리를 적용한 경우, 화합물층 두께 12.5㎛, 표면경도 HV 684 및 유효경화깊이 0.37 mm 를 얻을 수 있었다. 또한 열처리 물성 개선에 따른 피로수명의 개선 효과도 확인되었는 바, 기존 공법 대비 굽힘피로한은 36 %, 접촉피로 수명은 267% 개선되는 것이 확인되었다. 따라서, 이를 통해 애뉼러스기어의 변형 저감, 절삭성 개선 및 피로강도 확보가 가능하다.

도 12의 (a)는 비교예에 따른 강재에 기존 열처리를 실시한 후 화합물층을 나타낸 확대사진도이고, 도 12의 (b)는 실시예에 따른 강재에 본 발명에 의한 열처리를 실시한 후 화합물층을 나타낸 확대사진도이다. (a)의 경우 화합물층의 두께가 6.3㎛로 형성된 반면, (b)의 경우 화합물층의 두께가 12.5㎛로 형성되어 애뉼러스기어용 강재로서 보다 더 우수한 성질을 보유함을 확인할 수 있다.

위와 같이 본 발명의 애뉼러스기어용 강재 및 강의 가스 질화처리 방법에 의하면 철(Fe)을 베이스로 하여 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 크롬(Cr), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 바나듐(V) 등을 첨가하여 기존의 애뉼러스기어용 강재 대비 절삭성, 가공성 및 화합물층의 내구성을 현저히 향상시킬 수 있고, 또한 상기 강재를 이용하여 애뉼러스기어를 제조할 수 있는 최적의 열처리 방법을 제공함으로써 이에 따라 효율적으로 차량용 애뉼러스 기어를 제조할 수 있다는 장점이 있다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

10 : 유성기어 장치
11 : 선기어
12 : 피니언기어
13 : 캐리어
14 : 애뉼러스기어

Claims

탄소(C) 0.17 내지 0.24 중량%, 규소(Si) 0.15 내지 0.30 중량%, 망간(Mn) 0.60 내지 1.00 중량%, 인(P) 0.020 중량% 이하, 황(S) 0.020 내지 0.050중량%, 크롬(Cr) 1.30 내지 1.70 중량%, 구리(Cu) 0.30 중량% 이하, 알루미늄(Al) 0.025 중량% 이하, 바나듐(V) 0.1 내지 0.3 중량% 및 잔부의 철(Fe)을 포함하는 애뉼러스기어(Annulus Gear)용 강재.
제1항에 있어서,
티타늄(Ti) 0.05 내지 0.15 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 애뉼러스기어용 강재.
제1항 내지 제2항 중 어느 한 항의 애뉼러스기어용 강재를 이용하여 제조된 애뉼러스기어.
강을 노에 장입하는 단계, 열처리하는 단계 및 냉각하는 단계를 포함하는 강의 가스 질화처리방법에 있어서,
열처리온도(T) 및 질화처리상수(KN)를 제어하되, 상기 질화처리상수는 상한값과 하한값 사이에서 순차적으로 변동하는 것을 특징으로 하는 강의 가스 질화처리방법.
제4항에 있어서,
상기 질화처리상수의 상한값은 3.5 내지 4.5 atm^- ^1/2 의 범위 내에 존재하고, 상기 질화처리상수의 하한값은 0.55 내지 0.65 atm^- ^1/2 의 범위 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 강의 가스 질화처리방법.
제4항에 있어서,
상기 질화처리상수 변동의 1회 패턴의 주기는 1.5 내지 2.5 시간인 것을 특징으로 하는 강의 가스 질화처리방법
제4항에 있어서,
상기 질화처리상수의 최종 제어방식은, 질화처리상수의 하한값 영역에서 2.5 내지 3.5 시간을 유지시키는 것을 특징으로 하는 강의 가스 질화처리방법.
제4항에 있어서,
상기 열처리 온도(T)는 510℃내지 550℃ 범위 내인 것을 특징으로 하는 강의 가스 질화처리방법.
제4항에 있어서,
상기 노 내부에 수소 센서를 장착하여 수소 분압을 측정하고, 상기 측정된 수소 분압에 대응되는 암모니아 분압을 조절함으로써 질화처리상수를 제어하는 것을 특징으로 하는 강의 가스 질화처리방법.
제4항에 있어서,
상기 열처리하는 단계는 12시간 이상 열처리하는 것을 특징으로 하는 강의 가스 질화처리방법.
제 4항에 있어서,
상기 강의 가스 질화처리방법을 통하여 감마프라임상 화합물층의 두께를 10 내지 20㎛로 형성하는 것을 특징으로 하는 강의 가스 질화처리방법.
제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강은 변속기용 링기어인 것을 특징으로 하는 강의 질화처리방법.