KR940002139B1

KR940002139B1 - 침탄 기어 제조용 보론 처리강

Info

Publication number: KR940002139B1
Application number: KR1019910021879A
Authority: KR
Inventors: 유인석; 지용권; 김강형
Original assignee: 삼성중공업 주식회사; 김연수
Priority date: 1991-11-30
Filing date: 1991-11-30
Publication date: 1994-03-18
Also published as: US5178688A; GB9127271D0; GB2261879A; IT1252862B; DE4143270A1; JPH0693375A; KR930010205A; FR2684392B1; ITMI913487A1; GB2261879B; FR2684392A1; ITMI913487A0

Abstract

내용 없음.

Description

침탄 기어 제조용 보론 처리강

제1도는 종래의 SCM420강의 죠미니(Jominy) 곡선을 도시한 것이다.

제2도는 종래의 SNCM420강의 죠미니(Jominy) 곡선을 도시한 것이다.

제3도는 대한민국 특허원 90-1945강의 죠미니(Jominy) 곡선을 도시한 것이다.

제4도는 본원 발명의 실시예 A의 강의 죠미니(Jominy) 곡선을 도시한 것이다.

제5도는 본원 발명의 또 다른 실시예 B강의 죠미니(Jominy) 곡선을 도시한 것이다.

제6도는 종래의 SCM420강의 입계산화 상태를 도시하는 확대사진(x400)이다.

제7도는 종래의 SNCM420강의 입계산화 상태를 도시하는 확대사진(x400)이다.

제8도는 대한민국 특허원 90-1945강의 입계산화 상태를 도시하는 확대사진(x400)이다.

제9도는 본원 발명의 실시예 A강의 입계산화 상태를 도시하는 확대사진(x400)이다.

제10도는 본원 발명의 또 다른 실시예 B강의 입계산화 상태를 도시하는 확대사진(x400)이다.

제11도는 본원 발명의 또 다른 실시예 B강의 연속냉각 변태 곡선을 도시한 것이다.

본 발명은 침탄기어 제조용 보론 처리강(이하 보론강)에 관한 것으로서, 좀더 상세하기로는 종래에 사용된 기어제조용 저합금강이나 보론 처리강에 비해 제조원가와 침탄시의 열처리변형외에 입계산화량을 저감시키는 효과가 크고, 경화능(Hardenability)과 기계적 강도 및 피로강도가 우수한 침탄기어 제조용 보론강에 관한 것이다.

종래 침탄기어 제조용 저합금강은 열처리변형량이나, 표면경도, 내부경도, 인성(TOUGHNESS) 및 피로 강도등을 고려하여 탄소(C) 함유량 0.20중량%(이하 "%"라함) 정도의 크롬(Cr)-몰리브덴(Mo)강이나 니켈(Ni)-크롬(Cr)-몰리브덴(Mo)강을 사용해 왔으나, 상기 Cr이나 Ni 또는 Mo원소들은 하기 표 1에서 나탄나 바와 같이 지구상에 존재하는 부존양이 적은 희귀원소이기 때문에 상대적으로 부가가치가 높아 침탄기어 제조용 합금강의 제조시에 제조원가를 상승시키는 문제점이 있었다.

[표 1]

[지각을 구성하는 각 원소의 비율]

상기 문제점을 해결하기 위해서 종래에 기계구조용 저급부품에 사용되던 보론강을 침탄기어 제조용으로 사용가능하도록 개량한 새로운 보론강을 본 발명자들이 대한민국 특원 제90-19454호(출원일자 1990년 11월 29일)에서 제안한 바 있었다.

그런데 상기 대한민국 특허원 제90-19454호(이하 특허원 제90-19454호라 한다)에서는 고가인 니켈이나 크롬, 몰리브덴을 보론으로 대체함으로써 제조원가를 절감함과 동시에, 침탄시의 열처리변형이나 경화능, 강도 및 피로한도 등의 기계적 특성도 우수한 침탄기어용 강이지만, 기존 강재들에서 야기되는 침탄시의 입계산화는 해결하지 못하였다.

그런데 상기 입계산화형상은 침탄가스중에 있는 CO₂, H₂O가 강중의 규소, 망간, 크롬을 산화시키기 때문이다. 이들 합금원소의 산화로 최표층에서는 경화능을 저하시키므로, 담금질 때 표면의 약 20㎛정도가 베이나이트조직으로 되어 경도불량과 함께 표면에 인장응력을 발생시킨다. 이같은 현상은 이미 널리 공지된 사실이어서 입계산화층을 연마로써 제거하거나, 사용초기에 마모가 촉진되는 윤활유를 사용하는 길들이기 운전(running-in)등의 방법으로 해소하였다. 그러나, 이런 방법은 기어의 접촉면을 중심으로 행해지므로 이 뿌리(tooth root) 부분에 잔류하는 입계산화층까지 제거하지는 못하였다.

특히 최근에는 이 뿌리에 잔류하는 입계산화층이 이 뿌리 파손의 원인임이 밝혀지면서 입계산화층의 저감을 위한 근본적인 대책이 요구되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 침탄기어용 보론강을 제공하는데 있다. 그리하여 본 발명에서는 종래의 기술에서 문제되었던 입계산화층을 저감시키면서, 보론의 효과를 최대로 활용하기 위해 산화하기 쉬운 규소, 망간, 크롬의 양을 낮추고, 보론으로써 니켈, 크롬, 모리브덴을 대체하였다.

상기 목적을 달성하고자 본원 발명의 보론강은 중량%로 C 0.18∼0.35%, Si 0.06∼0.15%, Mn 0.50∼1.00%, Cr 0.40∼0.09%, Al 0.01∼0.05%, Ti 0.01∼0.04%, N₂0.012% 이하, O₂0.003%이하, B 0.0005∼0.0030%, Ti/N₂=3.4∼6.0 및 나머지는 철과 제조시 불가피하게 함유되는 불순물로 구성된다.

상기 본 발명의 강의 성분을 한정한 이유는 다음과 같다.

상기 C는 강도와 경도를 확보하기 위해 필수적인 원소이므로 첨가해야 하는데, 내부의 경도를 HRC20이상 유지하려면 최소 0.18%가 함유되어야 하며 0.35% 이상에서는 지나치게 경도가 상승하여 도리어 인성을 해치므로 기어용 소재로써 사용하기 어려워 제한한다. 좀 더 바람직한 C의 함량은 0.21∼0.23%이다.

상기 Si은 제강중 탈산제로서 작용하므로 침탄용 강재에서는 최소 0.06% 이상 함유되어야 하나 산화하기 쉬우므로 함량을 본 발명에서는 입계산화량을 줄이기 위해 0.15% 이하로 한정하였다. 좀 더 바람직한 Si의 함량은 0.09∼0.13%이다.

상기 Mn은 강도향상과 경화능 향상에 기여하는 값싼 합금원소이며 제강중 탈황제로서 중요한 원소이다.

그러나 Si에 이어 산화하기 쉬운 원소중 하나이므로 1.0% 이하로 하고 경화능을 위해 0.5%이상 첨가한다. 좀 더 바람직한 Mn 함량은 0.51∼0.74%이다.

상기 Cr은 페라이트에 고용되어 기지조직 강화에 기여하므로, 저탄소인 경우 효과적인 강화원소이므로 0.4%이상 첨가한다. 그러나 Si, Mn과 같이 입계산화를 일으키는 문제가 있어 0.9%이하로 제한한다. 좀 더 바람직한 Cr 함량은 0.51∼0.75%이다.

상기 Al은 탄산작용이 강해 진정강(KIILED STEEL)제조에서 사용되는 원소이며, 본 발명에서는 강중에 잔존하여 결정립의 미세화와 인성향상에 기여한다. 0.01% 이하에서는 탈산이 충분히 되기 어렵고 0.05%이상에서는 SiO₂에 소량함유되어 소성변형을 쉽게 일으키므로 제품의 청정도를 해치는 선상개재물을 형성하여 한정한다. 좀 더 바람직한 Al 함량은 0.02∼0.023%이다.

상기 Ti은 N₂와 결합력이 강하여 본 발명에서 요구되는 보론효과를 얻는데 필수적이다. 0.01%이상일 때부터 안정된 보론효과를 기대할 수 있으며, 0.04%이상에서는 효과가 더 이상 증가하지 않아 제한한다. 좀더 바람직한 Ti 함량은 0.02∼0.03%이다.

상기 N₂은 제강시 공기중에서 용해되어 함유되는 원소인데 보론과 결합하여 BN을 형성하면 기대하는 효과를 얻을 수 없으므로 0.012%이하로 조절해야 한다. 바람직한 N₂함량은 0.007∼0.009%이다.

상기 O₂는 본 발명에서 해결하려는 입계산화의 근본원인이며, 제강시 공기중에서 용해되어 함유되므로 탈산작업으로 제거하며 0.003%이상일때는 입계산화 저감을 기대하기 어려우므로 제한한다. 바람직한 O의 함량은 0.0020∼0.0025%이다.

상기 B는 고가의 합금원소 없이도 효과적으로 경화능을 향상시키는 값싼 원소이며, 0.0005%의 미량만 함유되어도 효과를 기대할 수 있다. 0.0030%이상에서는 더 이상 경화능이 증가하지 않고 인성을 해칠 수가 있으므로 제한한다. 좀 더 바람직한 B의 함량은 0.002∼0.0025%이다.

또한, Ti/N₂의 비율이 3.4이하일 때 자유 N₂으로 인한 BN 형성을 방지할 수 있으며, 6이상에서는 효과가 기대하지 않으므로 제한한다.

이하, 본원 발명의 보론 처리강의 구체적인 예와 종래강을 도면을 예시하면서 좀 더 상술하고자 한다. 본 발명에서 사용된 제조방법은 본 발명의 출원전 본 발명의 속하는 기술분야에서 공지된 방법을 사용하였는데, 하기 표 2에는 본 발명의 보론강(A 및 B)과 종래의 강의 실질적인 조성을 표시하였다.

[표 2]

* : 측정하지 않음

** : 대한민국 특허원 90-19454호

이들 각각 강들에 대해서 죠미니(Jominy) 시험곡선을 제1도 내지 제5도에 도시하였는바, 수냉끝으로부터 13㎜거리의 정도값으로 비교해볼 때 본원 발명의 강(A 및 B)이 종래의 강종과 동등 수준의 경도와 강도를 가짐을 알 수 있었다. 또한 제6도 내지 제10도에는 상기 각각의 침탄기어용 강들의 입계산화 정도를 비교한 확대사진(확대율 400배)으로서 입계산화층의 깊이가 제6도는 17.5㎛, 제7도는 30㎛, 제8도는 15㎛, 제9도는 8.7㎛ 그리고 제10도는 7.5㎛로, 본 발명의 강(A 및 B)이 종래 강에 비해 50%이하임을 알 수 있었다.

상기 시험시 열처리조건은 925℃에서 4시간 침탄후, 850℃에서 60℃의 기름에 담금질한 것을 180℃에서 2시간 뜨임한 것이다.

제11도는 본 발명에 따른 실시예 B의 강에 대한 열처리 특성을 나타내는 연속냉각 변태곡선(CCT Diagram)이다. 열처리시에는 상기 도면을 활용하여 원하는 성질의 강을 얻을 수 있게 된다.

이상과 상술한 바와 같이 본 발명의 침탄기어 제조용 보론처리강은 합금강 제조시에소량의 보론을 첨가하여 종래의 크롬-몰리브덴강이나 니켈-크롬-몰리브덴강에 비해 상대적으로 제조원가가 절감되며, 아울러 경화능과 입계산화에 대한 내식성이 우수하므로 침탄기어 제조용강으로서 종래 저합금강이나 보론처리강에 비해 우수한 성질을 가지고 있다.

Claims

중량%로 C 0.18∼0.35%, Si 0.06∼0.15%, Mn 0.50∼1.00%, Cr 0.40∼0.09%, Al 0.01∼0.05%, Ti 0.01∼0.04%, N₂0.012% 이하, O₂0.003%이하, B 0.0005∼0.0030%, 단, 상기 Ti대 N₂의 비는 Ti/N₂=3.4∼6.0 및 나머지는 철과 제조시 불가피하게 함유되는 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 침탄기어 제조용 보론 처리강.
제1항에 있어서, C 0.21∼0.23%, Si 0.09∼0.13%, Mn 0.51∼0.74%, Cr 0.51∼0.75%, Al 0.02∼0.023%, Ti 0.02∼0.03%, N₂0.007∼0.009%, O₂0.0020∼0.0025%, B 0.002∼0.0025%, Ti/N₂=3.4∼6.0 및 나머지는 철과 제조시 불가피하게 함유되는 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 침탄기어 제조용 보론 처리강.