냉간 압출 기어의 고온 침탄 과정에서 오스테나이트 결정립이 굵어지는 문제를 해결하기 위해 결정립 굵어짐 방지 고온 침탄 기어강을 개발하였다. 기어의 고온 침탄 후 오스테나이트 결정립은 굵어지지 않으며, 잔열을 이용한 직접 담금질로 중간 냉각 공정을 생략할 수 있다. 성분 설계 및 2차 상 석출물 크기 제어를 통해 B, Ti, Nb, Al, N 등의 원소가 결정립 크기, 담금질성 및 석출상 거동에 미치는 영향을 체계적으로 연구하였다. 결과에 따르면, B가 함유된 강에서는 B가 우선 N과 결합하여 BN을 형성하여 AlN 석출 양을 줄이고 AlN이 결정립계에 핀닝하는 효과를 약화시켜 결정립이 굵어진다. 반면, B가 없고 N 함량이 높은 강에서는 AlN, Nb(C,N) 등의 나노급 석출물이 충분히 형성되어 강한 결정립계 핀닝 효과를 발휘하여 결정립 입자 성장을 현저히 억제한다. 추가 연구 결과, 연속 주조 블룸 가열 공정을 최적화(1,220 ℃에서 200분 유지)하면 큰 입자 석출물이 완전히 고용되어 이후 냉각 과정에서 미세하고 분산된 2차 상이 형성되어 핀닝력을 크게 향상시키고 침탄 후 굵은 결정립을 방지할 수 있다. 개발된 강은 B를 포함하지 않는 최적 조성(질량분율/%로 0.16~0.25C, 0.10~0.30Si, 0.90Mn, 1.80Cr, 0.05Nb, 0.05Al, 0.016N)을 사용하며, AlN과 Nb(C,N)의 복합 석출을 통해 미세 결정립을 형성하고, 합리적인 가열 공정 제어(가열 온도 ≥1,220 ℃, 유지 시간 ≥200분)를 통해 0.2μm 이하의 AlN, Nb(C,N) 석출물을 얻는다. 담금질성 J9(38HRC), J15(33HRC)가 목표 요구를 충족하는 동시에(J9는 34~40HRC, J15는 28~35HRC), 침탄 후 직접 담금질이 가능하여 중간 냉각 공정을 생략하고 고효율 에너지 절약형 기어 제조를 위한 재료 기반을 제공한다.

고온 침탄; 냉간 압출; 기어강; 결정립 굵어짐; AlN; Nb(C,N); 중간 냉각 공정 생략; 직접 담금질