자동차 변속기 기어용 고강도 합금강의 열처리 방법 |
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| 申请号 | KR1020070030437 | 申请日 | 2007-03-28 | 公开(公告)号 | KR100848784B1 | 公开(公告)日 | 2008-07-28 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 申请人 | 현대다이모스(주); | 发明人 | 최병호; 박희찬; | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 摘要 | A heat treatment method of high strength alloy steels for automobile transmission gears is provided to improve fatigue resistance of alloy steels substantially, reduce manufacturing costs of the alloy steels, improve cuttability and reduce thermal strain during heat treatment by securing an ideal structure state in which a volume fraction ratio of ferrite to pearlite is 50:50, and reduce a heat treatment cycle time by maximizing a grain refinement effect, thereby enabling carburizing at high temperatures. In a method for manufacturing a gear by cutting a workpiece, hot or cold forging the cut workpiece, air-cooling the forged workpiece to room temperature, subjecting the air-cooled workpiece to a heat treatment process(normalizing or isothermal annealing) prior to the processing process, subjecting the heat-treated workpiece to a processing process including shaving and hobbing, subjecting the processed workpiece to a carburizing heat treatment process, and performing a post-processing process of the carburized workpiece, the workpiece being manufactured by adding 15 ppm or less of dissoved oxygen into an alloy composition comprising iron(Fe) as a principal component, 0.17 to 0.23 wt.% of carbon(C), 0.52 to 0.73 wt.% of silicon(Si), 0.45 to 0.75 wt.% of manganese(Mn), 0.10 to 0.25 wt.% of nickel(Ni), 1.96 to 2.27 wt.% of chromium(Cr), 0.35 to 0.45 wt.% of molybdenum(Mo), and 0.013 to 0.038 wt.% of niobium(Nb), a heat treatment method of a high strength alloy steel for an automobile transmission gear is characterized in that the heat treatment process prior to the processing process comprises a first step of maintaining the workpiece at 940 deg.C for 135 minutes and a second step of maintaining the workpiece at 700 deg.C for 180 minutes, and the processing process further comprises a step of performing an isothermal controlled cooling process, between the first and second steps, in which the workpiece is maintained at a temperature of 600 to 660 deg.C for 3 to 10 minutes. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 权利要求 | 삭제 삭제 철(Fe)을 주성분으로 하고, 탄소(C) 0.17-0.23 중량%, 규소(Si) 0.52-0.73 중량%, 망간(Mn) 0.45-0.75 중량%, 니켈(Ni) 0.10-0.25 중량%, 크롬(Cr) 1.96-2.27 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.35-0.45 중량%, 니오븀(Nb) 0.013-0.038 중량%가 함유된 합금계 성분에 용존산소량을 15ppm 이하로 첨가하여 이루어진 원소재의 소재절단→ 열간(냉간)단조→ 상온까지 공냉→ 가공전 열처리(노멀라이징(Normalizing) 또는 ISO어닐링 (Annealing))→ 가공(셰이빙(Shaving)과 호빙(Hobbing)→ 침탄열처리→ 후가공 공정으로 진행되는 기어제조에 있어서, 상기 가공전 열처리는 940℃ 온도로 135분간 유지하는 제1단계와 700℃ 온도로 180분간 유지하는 제2단계로 이루어지고, 상기 제1단계와 제2단계 열처리의 중간에 600 ~ 660℃의 온도로 3 ~ 10분간 유지하는 등온제어냉각공정이 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 변속기 기어용 고강도 합금강의 열처리 방법. 삭제 제 3 항에 있어서, 상기 소재 절단 전단계에 로우 어닐링 처리가 포함되고, 상기 로우 어닐링 처리는 850℃에서 20분간 유지하고, 710℃에서 20분간 유지하는 2단 어닐링 후에 냉각하는 것을 포함하여 이루어지는 자동차 변속기 기어용 고강도 합금강의 열처리 방법. 삭제 제 3 항에 있어서, 상기 침탄 열처리는 970-1040℃에서 2시간 침탄처리하는 것을 특징으로 하는 자동차 변속기 기어용 고강도 합금강의 열처리 방법. |
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| 说明书全文 |
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| 구분 | C | Si | Mn | Ni | Cr | Mo | Nb | O 2 | Fe |
| 발명강 | 0.17- 0.23 | 0.52- 0.73 | 0.45- 0.75 | 00- 0.25 | 1.96- 2.27 | 0.35- 0.45 | 0.013- 0.038 | 15ppm 이하 | 잔량 |
| SCM920 HVSI | 0.17- 0.21 | 0.15 이하 | 0.60- 0.80 | - | 1.25- 1.45 | 0.55- 0.65 | 0.015- 0.035 | 15ppm 이하 | 잔량 |
상기 표에서 중량% 표시는 전체 합금강 100 중량부에 대한 각 첨가원소의 중량 퍼센트를 나타낸 것이다.
먼저, 실리콘은 제강시 탈산작용을 하며, 적정량 첨가될 경우 기지 금속 고용 강화 효과가 발생하여 피로수명을 현저히 향상시키는 역할을 한다. 통상적으로 실리콘이 0.20 중량% 미만으로 함유될 경우, 침탄처리 중에 산소와 결합하여 40㎛ 이상의 입계산화층을 생성시켜 내피로수명이 저하된다. 그러나, 실리콘은 소입성 향상원소로서 일정량 이상 첨가시 강 내부의 심부경도를 향상시킨다.
본 발명의 합금계에서 실리콘(Si)은 합금강 100 중량부에 대하여, 0.52 내지 0.73중량%를 함유한다. 이는 실리콘(Si) 함유량을 통상의 성분비보다 높은 0.52 중량% 이상 함유하도록 함으로써, 표면부에 10㎛ 이내의 양호한 입계 산화층이 생성되도록 하여 피로강도 향상 및 연화 저항성을 확보하기 위함이며, 0.73 중량% 초과의 경우 고용강화 효과가 너무 커져 성형성을 떨어뜨린다는 단점을 고려한 것이다.
망간(Mn)은 합금강 100 중량부에 대하여, 0.45 내지 0.75중량%를 함유한다. 이는 강의 담금질성 보장을 위해 0.45 중량% 이상 첨가되어야 하지만, 망간(Mn)은 제강시 황(S)과 결합하여 황화물계 개재물인 취약한 MnS를 생성시켜 피로수명을 저하시킬 우려가 있으므로, 이를 방지하기 위하여 0.75중량% 이하로 한정한 것이다.
니켈(Ni)은 합금강 100 중량부에 대하여, 0.10 내지 0.25중량%를 함유한다. 이는 강의 필요한 인성을 확보하려면 0.10 중량% 이상 첨가되어야 하고, 만일 0.25중량%를 초과하여 함유하면 가공성이 저하되기 때문이다.
크롬(Cr)은 합금강 100 중량부에 대하여, 1.96 내지 2.27 중량%를 함유한다. 통상적으로 크롬(Cr)은 강의 소입성 향상에 매우 유효한 원소로서 심부경도를 높여 굽힘 피로강도 향상에 유용하고, 안정된 미세탄화물을 만들어 침탄을 촉진시킨다. 게다가 크롬(Cr)성분은 템퍼링(Tempering)시 내피팅성을 향상시킨다. 또한, 본 발명의 합금계에서는 원가절감을 위하여 소입성 향상에 필요한 몰리브덴(Mo) 함량을 최소화시켰기 때문에 소입성을 보상하는 측면에서 종래 크롬-몰리브덴 합금강보다 높은 함유량의 크롬(Cr)을 첨가할 필요가 있다.
즉, 크롬(Cr)을 1.96 중량% 미만으로 첨가할 경우, 몰리브덴(Mo) 함량 저감에 따른 소입성 개선효과가 부족하여 심부 경도값 저하에 따른 피로수명 저하현상이 발생하며, 2.27 중량%를 초과하여 첨가할 경우 다량의 미세 탄화물이 석출되어 단조 성형성 및 가공 절삭성이 저하되는 단점이 있으므로, 크롬(Cr) 함유량을 1.96 내지 2.27 중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
몰리브덴(Mo)은 합금강 100 중량부에 대하여, 0.35 내지 0.45 중량%를 함유한다. 일반적으로 몰리브덴(Mo)의 첨가는 인성증대, 적절한 소입성을 보유하도록 하여 침탄처리후 심부경도 향상에 따른 피로수명의 향상이 목적이나, 국제 원자재 값 상승에 따라 원가절감을 목적으로 본 발명에서는 통상적인 첨가량보다 다소 적은 양을 함유하도록 하였다. 다만, 앞서 설명한 바와 같이 부족한 소입성 확보는 크롬(Cr) 첨가량을 증대시켜 해결하였다.
니오븀(Nb)은 합금강 100 중량부에 대하여, 0.013 내지 0.038 중량%를 함유한다. 니오븀(Nb)은 합금강 내에서 미세한 니오븀 질탄화물을 만들어 결정립 조대화를 막아주는 원소로서, 그 함량이 0.013 중량% 미만일 경우에는 그 효과가 크지 않으며, 0.038 중량%를 초과할 경우에는 탄화물이 결정입계에 과다 석출되어 취성이 커지는 문제점이 있다.
또한, 강의 청정성 향상을 위하여, 즉 불순물의 함량을 줄이기 위하여, 용존 산소량을 15ppm 이하로 제한하였다.
한편, 본 발명의 열처리 공정을 설명하면 다음과 같다.
일반적으로 자동차용 변속기 기어의 제조공정은 도 1에 도시된 바와 같이, 원소재→ 소재절단→ 열간(냉간)단조→ 상온까지 공냉→ 가공전 열처리(노멀라이징(Normalizing) 또는 ISO어닐링 (Annealing))→ 가공(셰이빙(Shaving)과 호빙(Hobbing)→ 침탄열처리→ 후가공 공정으로 진행된다.
하지만, 초고강도 소재의 경우 합금원소 첨가량 증대로 인한 경도상승은 단조전 단계에서 소재 절단을 어렵게 하고 단조공정 단계에서 단조성을 나쁘게 한다.
따라서 본 발명에서는 적정 수준으로 강의 경도를 유지하기 위해 소재 절단전단계에서 로우 어닐링(LA: Low Annealing) 처리를 추가하였다. 로우 어닐링(LA: Low Annealing)처리는 도 2에 도시된 바와 같이, 850℃에서 20분간 유지하고, 710 ℃에서 20분간 유지하는 2단 어닐링 후에 냉각하는 열처리이다. 이에 따라 HB 260 이상이었던 원소재의 경도가 HB 200 근처로 낮아지므로 절단성 및 단조성이 용이해진다.
통상적으로, 단조후 가공전 실시하는 열처리(노멀라이징(Normalizing) 또는 ISO어닐링 (Annealing))처리는, 미세조직의 균질화를 통해 가공성 향상과 침탄시 열변형을 감소시키려는 목적으로 실시하는 열처리로서, 통상적으로 940℃에서 135분간 유지하는 제1단계와 그 후 온도를 낮춰 700℃에서 180분간 유지하는 제2단계를 거쳐 공냉하는 열처리공정이다.
그러나 본발명과 같은 고합금강의 경우, 기존 노멀라이징(Normalizing) 또는 ISO어닐링 (Annealing)의 조건과 동일한 조건에서 열처리를 수행한다면, 냉각속도가 조금만 빨라도 베이나이트 조직이 생성되고, 냉각속도가 조금 느리면 밴드조직이 과도하게 생성되는 결과를 초래하여 품질문제가 제기되었다.
즉, 냉각속도가 빠를 경우 베이나이트 조직이 과다 생성되어, 절삭성이 저하되고, 냉각속도가 느릴 경우 펄라이트 밴드조직이 뭉쳐 있어서 선삭 공정시 공구팁의 조기 마모현상이 발생할 뿐 아니라 가공시에 발생한 응력이 내포되어 열처리시 심각한 열변형을 야기한다. 그 결과 절삭성 및 침탄 열변형을 저감시키려면 페라이트와 펄라이트의 부피분율이 50:50인 이상적인 조직상태를 확보해야 한다.
따라서, 본 발명은 앞서 설명한 종래의 단조후 가공전 단계에서 실시하는 열처리(노멀라이징(Normalizing) 또는 ISO어닐링 (Annealing))에 있어서, 940℃ 온도로 135분간 유지하는 제1단계와 700℃ 온도로 180분간 유지하는 제2단계의 중간에, 600 ~ 660℃의 온도로 3 ~ 10분간 유지하는 등온제어냉각공정을 추가하는 것이다.
다만, 제조하고자 하는 기어의 사이즈에 따라 등온제어냉각공정의 온도 및 유지시간이 변동될 수 있다.
본 발명의 등온제어냉각공정은 본 발명의 합금조성에서 펄라이트 핵생성을 얻는 동시에 제품의 심부까지 조직이 충분히 풀리도록 처리하려는 목적에서 행하는 것이므로, 상기에서 언급한 바와 같이 600 ~ 660℃의 온도로 3 ~ 10분간 유지하는 것이 바람직하다.
즉, 등온제어냉각공정의 유지시간은 펄라이트 핵생성에 필요한 시간만큼만 유지하는 것이 바람직하다. 따라서 너무 짧게하는 경우, 펄라이트 핵생성에 필요한 충분한 확산시간을 갖지 못하고, 그 반대로 유지시간을 너무 길게 하면 공정시간이 길어져 원가상승의 요인이 된다.
본 발명의 등온제어냉각공정 추가에 의한 조직개선 현상을 상세히 설명하면 다음과 같다. 종래와 같은 공정으로 노멀라이징(Normalizing) 또는 ISO어닐링 (Annealing)처리를 하는 경우, 즉 940℃ 에서 700℃ 로 바로 냉각시키는 경우, 입계를 중심으로 초석 페라이트가 생성되어 조직변태의 방해물로 작용할 뿐 아니라 국부적 응력집중영역으로 작용하는 단점이 있다.
그러나 본 발명과 같이, 940℃에서 일정시간 유지하여 균질화 처리를 행한 후 600-660℃ 로 냉각시켜 일정시간 유지(등온제어냉각)하고, 다시 700℃로 온도를 올려 열처리를 행한다면, 종래의 초석 페라이트 대신 펄라이트 핵생성을 얻을 수 있다. 즉 600-660℃의 등온제어냉각단계에서 펄라이트 조직이 먼저 핵생성되고, 이 어서 700℃로 온도를 올려 열처리를 계속하여 페라이트 조직이 생성되므로, 도 6에 도시된 현미경 조직사진에서와 같이 이상적인 조직분포를 얻을 수 있다.
한편, 종래의 크롬-몰리브덴 합금강의 침탄 열처리공정의 경우, 920℃에서 6시간 침탄처리 후, 오일퀘칭 처리하였으나, 본 발명의 개선된 합금강에서는, 970-1040℃에서 2시간 침탄처리 후, 오일퀘칭 처리할 수 있다.
즉, 본 발명의 합금강은 종래 합금강의 침탄처리온도 보다 50℃ 이상의 고온에서 침탄처리하는 것이 가능할 뿐아니라 침탄처리 시간을 대폭 단축하였다. 이는 본 발명의 경우 이상적인 펄라이트-페라이트 조직분포와 니오븀(Nb) 첨가에 의해, 1100℃까지 비정상적인 입자성장이 억제되고, 균일하고 미세한 금속조직 입자의 형성으로 탄소의 확산속도가 증가되기 때문이다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본발명에 따른 합금강의 경우 1040℃까지 결정립의 조대화 현상이 억제되는 것을 알 수 있다. 다만, 1000℃ 이상에서도 결정립조대화 없이 침탄처리가 가능하지만 열처리 장비의 내구수명 및 적절한 생산원가를 유지하기 위해 1000℃ 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
이하, 다음의 실시예에 의거 본 발명을 더욱 상세히 설명하는 바, 본 발명은 다음의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예
상기 표 1의 각 합금성분에 기초하여 여러 합금강을 제조하였다.
본 발명의 실시예로서 제조한 합금강과 비교예의 합금성분의 구성은 다음의 표 2와 같으며, 표 2에 나타낸 합금성분의 구성과 함량을 사용하여 통상의 방법으로 실시예 및 비교예의 합금강을 제조하였다. 표 2에서 실시예 1,2는 본 발명의 합금강이고, 비교예 1,2는 기존 크롬-몰리브덴 합금강으로서, 본 발명강에 비해 실리콘(Si)의 함유량이 적고, 크롬(Cr)과 몰리브덴(Mo)의 함유량이 약간 적다.
또한, 본 발명강의 합금강에서는 약간의 니켈(Ni)을 첨가하였다.
[표 2] (단위 :중량%)
| 구분 | C | Si | Mn | Ni | Cr | Mo | Nb | O 2 (ppm) | Fe |
| 실시예 1 | 0.21 | 0.59 | 0.60 | 0.05 | 2.07 | 0.38 | 0.027 | 14.1 | 잔량 |
| 실시예 2 | 0.21 | 0.60 | 0.60 | 0.05 | 2.05 | 0.38 | 0.029 | 14.3 | 잔량 |
| 비교예 1 | 0.19 | 0.11 | 0.70 | - | 1.31 | 0.62 | 0.021 | 15.0 | 잔량 |
| 비교예 2 | 0.18 | 0.09 | 0.69 | - | 1.27 | 0.59 | 0.020 | 15.2 | 잔량 |
시험예
상기 표 2의 실시예와 비교예에 대하여 변속기용 기어에 필요한 기본 물성을 실험후 비교하여 보았다. 다음의 표 3은 그 결과로서, 침탄 열처리 후 표면 및 심부경도, 유효경화깊이, 결정립도, 피로특성, 충격특성의 시험결과를 나타낸 것이다.
시험조건으로, 회전굽힘 피로강도측정은 JIS Z 2274 기준에 따라 행하였고, 충격시험은 통상적인 시험방법에 따라 시행하였으며, 충격치를 시험편 파단에 소요되는 최대힘으로 표시하였다. 접촉 피로시험은 면압 400kgf/mm 2 , 슬립율 40%, 오일온도 80℃ 에서 피팅 발생시까지의 수명을 측정하였다.
[표 3]
| 구분 | 실시예 1 | 실시예 2 | 비교예 1 | 비교예 2 |
| 표면경도(Hv) | 752 | 750 | 725 | 720 |
| 심부경도(HRc) | 44 | 44.5 | 34 | 35 |
| 유효경화깊이(mm) | 1.02 | 1.03 | 0.97 | 0.98 |
| 결정립도(ASTM No.) | 12 | 12.5 | 9.3 | 9.8 |
| 회전굽힘피로강도 (MPa) | 960.4 | 950.6 | 921 | 940 |
| 충격치(kN) | 52 | 55.4 | 58 | 57.4 |
| 접촉피로회수 (사이클x1,000) | 4154 | 3222 | 1708 | 2307 |
상기 시험결과를 보면 알수 있는 바와 같이, 본 발명강이 기존의 크롬-몰리브덴 합금강에 비해 심부경도가 높아지고, 피로특성이 현저히 향상된 것으로 나타났다.
내구성 평가시험의 경우, 실제 차량에서의 조건과 유사한 조건에서 1000시간동안 내구시험한 결과, 종래의 SCM920HVSi 합금강을 종래의 열처리방법에 의해 제조한 변속기용 기어는 10개의 샘플중 70% 이상이 파손되었으나, 본발명에 따른 합금강과 열처리 방법에 의해 제조된 자동차 변속기용 기어는 10개의 샘플 모두 전혀 파손없이 양호한 상태를 유지하였다.
상기 설명은 본 발명에 따른 자동차 변속기 기어용 고강도 합금강 및 그 열처리 방법에 대하여 매우 상세히 제시하였지만, 이는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있을 정도로만 제시한 것으로서 본 발명의 진정한 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 자동차 변속기 기어용 고강도 합금강 및 그 열처리 방법에 의하면, 종래의 크롬-몰리브덴 합금강 및 니켈-크롬-몰리브덴 합금강의 단점이 개선되고 양자의 장점만을 취할 수 있도록 합금설계되었다. 즉, 심부경도 향상과 가공성 향상이 동시에 만족되고, 굽힘피로강도, 접촉피로강도 등내피로특성이 현저히 향상되는 한편, 우수한 물성을 가지면서도 원가절감이 가능해졌다.
한편, 소재 절단 전단계에 로우 어닐링(LA: Low Annealing) 처리를 추가하여, 적절한 경도를 확보함으로써 소재 절단성 및 단조 성형성이 우수해졌다.
또한, 페라이트와 펄라이트의 부피분율이 50:50인 이상적인 조직상태를 확보함으로써, 절삭성이 향상되고 열처리시 열변형이 감소되는 효과가 있다. 그리고, 결정립 미세화 효과의 극대화로 고온 침탄이 가능하여 열처리 사이클 시간을 줄일 수 있는 효과가 있다.
