KR100317712B1 - 침탄열처리방법및침탄열처리한동력전달부재 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야.

본 발명은 침탄열리방법및 침탄열처리한 동력전달부재에 관한 것이다.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제.

본 발명은 침탄열처리를 주제로 하고 상기한 침탄열처리를 주제로 하는 경우에 있어서 에쥐부분의 파괴강도를 향상시킴과 동시에 치측면의 내스포일링성의 부족을 해결하려는 것이 본 발명이 해결하려고 하는 과제이다.

3. 발명의 해결방법의 요지.

톱니바퀴등의 가공물에 대해 플라즈마침탄등에 따라 침탄처리를 실시한후 냉각하고 이어서 가공물표면에 고추파열처리를 하고 고주파열처리할때의 가열은 치저부쪽의 치측면보다 가열온도가 높다. 단 고온에 유지되는 시간이 길어지게 설정된다. 그러므로 치저부에 있어서 탄소의 고용이 촉진되어 열처리후의 잔류 오스테나이트량이 많아져(눈짐작으로 25∼35%)에쥐부분의 인성(靭性)이 증가한다. 치측면에서는 잔류 오스테나이트가 적어(눈짐작으로는 5∼15%), 내 스포일링성이 좋다.

4. 발명의 중요한 용도.

본 발명은 침탄열처리방법및 침탄열처리한 동력전달부재에 관한 것이며 에쥐부분의 파괴강도를 향상시킴과 동시에 치측면의 내스포일링성을 향상시키는 것에 관한 것이다.

Description

침탄 열처리 방법 및 침탄 열처리한 동력 전달부재

본 발명은 치부가 흠부를 사이에 두고 등간격으로 형성되고, 치 측면(齒 側面)에 높은 면압이 걸려 치 저부(齒 底部)(에지 부분)에 높은 굽힘 응력이 걸리는 동력 전달부재, 예를 들면 톱니바퀴의 침탄 열처리 방법 및 침탄 열처리한 톱니바퀴 등의 동력 전달부재에 관한 것이다.

자동차 차동 기어의 피니언 등의 톱니바퀴로서는 일반적으로 침탄강을 사용하고, 그 표면에 가스 침탄 열처리 또는 플라즈마 침탄 열처리 등을 실시하여, 내피로강도와 내마모성을 향상시켜 사용하고 있다. 그러나, 통상 행해지는 가스 침탄 열처리나 플라즈마 침탄 열처리에서는, 침탄시에 가공물이 장시간 고온으로 가열되기 때문에 결정입계(grain boundary)에 인(P) 또는 황(S) 등의 불순물이 편석되고, 또 탄화물이 망상으로 석출되어 입계의 강도를 저하시킨다.

그러므로 높은 굽힘 응력이 걸리는 치 저부의 에지 부분(제 1 도에 A로 표시)에 결정입계를 기점으로 균열이 발생하기 쉽고 더욱 균열의 전파도 빨라져 파괴강도가 부족하다는 문제가 있었다. 또 높은 면압이 걸리는 치 측면(제 1 도에 B로 표시)에서도 내 스폴링성(spalling)이 부족하다고 하는 문제점이 있었다. 본 발명은 이와같은 종래의 문제점을 감안한 것으로, 에지 부분의 파괴강도를 향상시킴과 동시에 치 측면의 내 스폴링성을 향상시킴을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 침탄 열처리 방법은 치부가 등간격으로 형성된 동력 전달부재에 침탄처리를 실시한 후 냉각하고, 이어서 표면열처리를 실시하는 것으로, 상기 표면 열처리시에 치 저부의 가열온도가 치 측면의 가열 온도보다 높아지도록 동력전달부재를 가열한다. 상기 동력 전달부재로서는 예를 들면 톱니바퀴, 스프로킷(sprocket), 스플라인(spline) 등이 선택되고, 소재로서는 침탄강이 사용된다. 침탄 처리수단으로서는, 가스 침탄이나 플라즈마 침탄 등이 적절히 이용되지만, 침탄 처리능률 및 침탄의 균일성의 관점에서 플라즈마 침탄이 바람직하다.

상기 침탄 열처리 방법에 있어서, 표면 열처리시의 가열은 승온으로부터 균일한 가열(均熱), 본 가열에 걸쳐서 치 저부의 온도가 치 측면의 온도보다 높게 되도록 설정하는 것이 바람직하고, 또 표면 열처리시의 가열에 의해 침탄층, 특히 치 저부에서의 침탄층의 최표면부를 탈탄하여, 그 최표면부의 탄소 농도를 그 하부의 탄소 농도보다 저하시키는 것이 바람직하다. 그리고, 표면 열처리시의 가열은 고주파 유도 가열에 의한 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 동력 전달부재는, 치부가 등간격으로 형성된 동력 전달부재에 상기 침탄 처리 및 표면 열처리를 실시한 것으로, 치 저부에서의 침탄층의 잔류 오스테나이트량이 25% 내지 35%이고, 치 측면에서의 침탄층의 잔류 오스테나이트량이 그 보다 적은 것을 특징으로 한다. 그리고, 치 측면에서의 침탄층의 잔류 오스테나이트량은 바람직하게는 5% 내지 15%이고, 또, 침탄층, 특히 치 저부에서의 침탄층의 최표면부의 탄소 농도가 그 하부의 탄소 농도보다 저하되는 것이 바람직하다.

본 발명에서는, 표면 열처리에 있어 치 저부의 가열 온도가 치 측면의 가열 온도보다 높도록 설정하기 때문에, 치 저부의 침탄층에 있어 입계를 따라 석출되는 탄화물이 보다 많이 모상으로 고용(固溶)되고, 이 부분의 탄소 농도가 높아지기 때문에, 표면 열처리 후의 잔류 오스테나이트량이 치 저부에서 상대적으로 많아진다.

또 치 저부의 가열 온도가 치 측면보다 높게 설정되기 때문에, 치 저부에 있어 그 가열 온도로부터 마텐자이트(martensite) 변태 온도까지 냉각되는데 걸리는 시간이 길어져 이 또한 잔류 오스테나이트량이 많아지는 원인이 된다.

치 저부의 침탄층에서의 적정량의 잔류 오스테나이트는 에지 부분의 내 굽힘 파괴 강도를 향상시키는 효과를 가지며, 면적율로서 약 25% 내지 35% 정도 잔류하는 것이 바람직하다. 잔류 오스테나이트가 이 보다 적을 경우, 조직 자체의 인성이 부족한 것 외에도 모상으로 고용되지 않은 탄화물이 파괴의 기점으로서 많이 존재하게 되고, 역으로 이 보다 많을 경우, 조직 자체의 강도가 떨어져 에지 부분이 변형되기 쉽다는 문제점이 생긴다. 그리고 잔류 오스테나이트량은 표면 열처리시의 가열 온도 및 고온 구역에서의 유지시간에 따라 적당히 조정할 수가 있다(고온 구역에서의 유지 시간이 길어질수록 탄화물의 고용되고, 진행 잔류 오스테나이트량이 많아진다) .

한편, 치 측면에 있어 가열 온도가 치 저부보다 낮게 설정되어 있으므로, 탄화물의 모상으로의 고용량이 적게 되며, 그 부분의 탄소 농도가 치 저부만큼 높아지지 않으므로, 표면 열처리후의 잔류 오스테나이트량이 상대적으로 적다. 또, 동일하게, 치 측면의 가열 온도가 치 저부보다 낮게 설정되기 때문에 치 측면에 있어 그 가열 온도에서 마텐자이트 변태 온도까지 냉각되는데 걸리는 시간이 짧아지며, 이 또한 잔류 오스테나이트량이 적어지는 원인이 된다.

치 측면의 침탄층에 있어서는 내 스폴링성의 관점에서, 잔류 오스테나아트량이 적게 되어 소정량의 탄화물이 입상으로 분산된 조직인 것이 바람직하며, 면적율로서 약 5% 내지 15% 정도의 잔류 오스테나이트량이 되도록 하면 좋다. 잔류 오스테나이트가 이 보다 적으면, 침탄시에 석출된 탄화물이 대부분 고용되지 않고 망상 그대로 존재할 가능성이 크다고 할 수 있다. 역으로 이 보다 많으면, 탄화물의 고용이 많아져 석출 탄화물량이 감소할 것이다. 이들은 모두 내 스폴링성 저하 원인이 된다.

또한, 치 측면과 치 저부를 균일하게 가열하는 통상의 표면 열처리 방법을 적용한 경우, 본 발명과는 반대로 치 저부에서의 잔류 오스테나이트량이 치 측면보다도 일반적으로 저하된다. 즉, 톱니바퀴와 같은 부재에 침탄처리를 실시할 경우, 단순한 평면 형상에 가까운 치 측면에서는 침탄층의 탄소 농도가 상대적으로 높고, 치 저부와 같이 안으로 오목한 형상의 부위에서는 탄소 농도가 상대적으로 적게 되기 때문이다.

표면 열처리시의 가열을 승온으로부터 균일한 가열, 본 가열에 걸쳐서 치 저부의 온도가 치 측면의 온도보다 높아지도록 설정하는 것은, 치 저부의 온도를 상대적으로 긴 시간동안 고온으로 유지하게 되고, 치 저부의 침탄층에서의 탄화물의 고용을 촉진하는 작용을 가진다.

또한 통상, 침탄층의 최표면부는 과잉 침탄되는 경향이 있어, 침탄후의 최표면부의 탄소 농도는 그 하부의 탄소 농도보다 높지만, 표면 열처리시의 고온 구역의 유지가 어느 정도 긴 시간 계속 행해지면 침탄층의 최표면부가 탈탄되어, 그 부분에서는 탄소 농도의 저하에 따라 입계취화가 일어나기 힘들게 된다. 따라서 다시표면부의 탈탄을 진행시킬 경우에는, 고온 구역에서의 유지 시간이 길어지도록 가열 조건을 설정한다.

그리고, 표면 열처리시의 가열을 승온으로부터 균일한 가열, 본 가열에 걸쳐 치 저부의 가열 온도가 치 측면의 가열 온도보다 높게 되도록 설정하는 경우, 치 저부쪽이 고온으로 장시간 유지되고, 특히 치 저부 침탄층의 최표면부에 있어 탄소 농도의 저하가 커지므로 치 저부 에지 부분의 파괴 강도가 향상된다. 탈탄은 예를 들어 표면으로부터 20㎛까지의 최표면부의 탄소 농도가 공석점 미만, 특히 0.6 내지 0.75% 정도이면 좋다.

치 저부의 가열온도를 치 측면보다 높게 하기 위한 구체적인 가열 수단으로는, 표면 열처리 분야에서 알려진 바와 같이 고주파 유도 가열이 좋고, 그 주파수 및 출력 등을 조정함으로써, 1체의 코일로 상기 부위별 가열 온도 설정을 쉽게 할 수 있다. 또한, 고주파 유도 가열에 있어서는, 부재 표면을 비교적 단시간에 소정의 온도로 상승시켜 재결정을 일으키고, 이에 따라 결정입이 미세화됨과 동시에 가열전 결정입계에 편석되어 있던 불순물이 결정립내로 고용되고, 탄화물도 결정립내로 고용되든가 고용되지 않는 부분은 절단되어 결정립상으로 된다.

이하, 본 발명의 실시예를 설명한다. 사용한 가공물(W)은, C : 0.18%, Si : 0.09%, Mn : 0.69%, P : 0.006%, S : 0.021%, Cr : 1.02%, Mo : 0.39%, Al : 0.35%, Nb : 0.035%, 잔부 Fe의 침탄강 소재로 구성되고, 외경 41㎜φ, 높이 17.6㎜, 구경 15㎜의 차동 기어의 피니언 기어(제 1 도)이며, 이것을 가스 침탄 열처리한 것을 종래예로 하고, 플라즈마 침탄 후 고주파 열처리한 것을 실시예로 하여,각각에 대해 정파괴 시험 및 스포일링 시험을 행하였다.

또한, 상기 종래예의 가스 침탄 열처리는, 표면 탄소 농도 0.9%를 목표로 하여 ① 920℃, 5시간의 가스 침탄 처리, ② 이어서 860℃에서 한 시간 유지후 120℃의 오일 담금질 처리, ③ 180℃에서 재가열하고 2시간의 뜨임 처리의 각 공정으로 이루어진다.

한편, 상기 실시예에서는, 플라즈마 침탄은 동일하게 표면 탄소 농도 0.9%를 목표로 하여 ① 진공로내에 가공물을 수용한 후, 진공중에서 1000℃로 10분간의 균일한 가열처리, ② 진공로내에 H2 가스를 도입하여 진공로 내압을 2Torr로 조정하고, 400V, 1.5A의 조건으로 글로우 방전하고, 20분간의 정화처리, ③ H2 가스를 빼고 C3H8 가스를 도입하여 진공로 내압을 3Torr로 조정한 후, 360V, 2A의 조건으로 글로우 방전하고, 50분간 침탄처리, ④ 진공로내를 진공으로 하여 72분간의 확산처리 후, 제냉 등과 같은 순서로 행하고, 냉각후 고주파 표면 열처리를 실시하고 최후로 180℃로 2시간 뜨임 처리한다.

실시예의 고주파 열처리는, 제 2 도에 도시한 바와 같이, 도시안된 모터에 접속되어 회전가능한 기구(1)와 종동 회전하는 기구(2)간에 가공물(W)을 끼우고, 그 외주 위치에 고주파 코일(3)을 배치하여 표 1에 표시한 조건으로 합계 42초간 가열하고, 가열 후 80℃의 오일을 35초간 분사하여 냉각한다. 또한 가공물(W)의 표면 온도를 조사하기 위해 가공물(W)의 표면 각 부위(A 내지 E)(제 3 도 참조)에 열전대(4)를 부착하여 그것의 검출값을 슬립 링(5) 및 고정 지지부(6)을 통해 펜레코드로 기록하도록 하였다. 또한, 가공물(W)의 표면 부위 A는 피니언 기어의 힐측 치저부(제 1 도의 A)에 대응하며, B는 피치면(제 1 도의 B에 대응), C는 치 저부 중앙, D는 토우측 치 저부, E는 치선(齒先)이다.

표 1

온도 측정 결과를 나타낸 제 4 도를 보면, 치 저부의 최고 가열 온도가 높으며, 특히 에지 부분에 높은 굽힘 응력이 걸리는 힐측 치 저부(A)에 있어서는 피치면(B)과 비교하면, 예열, 균일한 가열, 본 가열의 전체에 걸쳐 고온으로 가열되어 있다. 참고적으로, 힐측 치 저부(A)의 온도와 시간과의 관계와, 피치면(B)의 온도와 시간과의 관계를 단순화하여 알기 쉽게 나타내면 제 5도와 같다.

정파괴 시험은 가공물(W)을 차동 기어 유니트(11)에 조립하고(제 6 도 참조) 출력축(12, 13)을 고정하고 기어 케이스(14)를 회전시켜 가공물(W)이 파괴될 때의 토오크를 측정하는 것으로 표 2에 나타낸 바와 같이 실시예에서는 종래예에 비해 높은 정파괴 강도(어느 것이든 3개의 평균치)가 얻어졌다. 이것은 실시예에 있어서, 치 저부 특히 힐측 치저부(A)가 고온으로 장시간 유지됨으로써 탄화물이 고용되고, 그 부분의 잔류 오스테나이트량이 많아져 탄화물이 적어지고 에지 부분의 인성이 커지고 균열의 전파속도가 늦어진다고 생각된다. 또, 후술하는 바와 같이, 최표면부의 탄소 농도가 저하하여 균열의 기점이 적어지는 것도 이유중의 하나라고 생각된다. 또한, 힐측 치 저부(A)에 있어 잔류 오스테나이트의 면적율은 평균적으로 약 30%이고, 피치면에서는 평균적으로 약 10%이었다.

표 2

스폴링 시험은, 동일하게 가공물(W)을 차동 기어 유니트에 조립하고 이를 전동장치를 거쳐 엔진에 연결하고, 유니트의 일 출력축을 고정하고, 전동장치의 입력회전수가 262rpm, 입력 토오크가 117 내지 123N · m, 유니트의 타방 출력축의 회전수가 50rpm, 그 출력축 토오크가 459 내지 471N · m인 조건에서 행하였다. 그리고, 유니트의 진동을 상시 검출하고, 진동이 어느 기준값을 초과할 때까지 걸린 시간으로부터 사이클 수를 산출하고, 이를 스폴링 수명으로 한다. 표 2에 도시한 바와 같이, 실시예에서는 종래예에 비해 큰 스폴링 수명(어느 것이나 2개의 평균치)를 얻게 된다.

또 본 실시예에 있어서, 치 저부(A)의 표면에서의 깊이와 탄소 농도의 관계를 조사해 보면, 제 7a 도에 도시한 바와 같이 표면에서 50㎛ 부근까지의 최표면부의 탄소 농도가 저하된다. 이것은 본 실시예에 있어서는 치 저부에 있어 탄화물의 고용을 촉진하기 위해서 고주파 열처리시의 가열로서는 이례적인 정도로 장시간 고온도으로 유지하여 표면으로부터의 탈탄이 진행되었다.

또한, 비교예로서, 실시예의 고주파 가열 조건에 대하여 주파수 8.2 kHz, 출력 40 ㎾, 가열 시간이 9 sec의 조건(이 종류의 피니언 기어에 통상 적용되는 표면열처리 조건)으로 고주파 가열한 것은, 고온으로 유지되는 시간이 짧기 때문에 표면으로부터의 탈탄이 일어나지 않는다(제 7b 도).

본 발명에 따르면, 톱니바퀴 등의 동력 전달부재를 표면 열처리할 때, 치 저부의 가열 온도가 치 측면의 가열 온도보다 높게 되도록 설정함으로써, 치 저부에 있어서는 그 인성을 높여 에지 부분의 파괴 강도를 향상시킬 수가 있고, 한편 치 측면에 있어서는 내 스폴링성을 향상시킬 수가 있다.

또 표면 열처리시의 고온 가열을 어느 정도 장시간 계속하여 침탄층의 최표면부를 탈탄하는 경우, 특히 고온으로 유지되는 치 저부에서의 탈탄이 진행되기 쉽고 에지 부분의 파괴강도를 향상시킬 수가 있다.

제 1 도는 차동 기어의 피니언 기어 단면도,

제 2 도는 고주파 열처리 시험장치의 설명도,

제 3 도는 차동 기어의 피니언 기어 각 측정 부위를 설명하는 도면,

제 4 도는 고주파 가열에 따른 가열 온도와 시간과의 관계를 나타낸 그래프,

제 5 도는 상기 그래프를 단순화한 설명도,

제 6 도는 정파괴 시험장치의 설명도,

제 7 도는 고주파 열처리후의 표면 탄소 농도를 표시하는 도면.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 2 : 가공물 지지기구 3 : 고주파 코일

4 : 열전대 5 : 슬립 링

11 : 차동 기어 유니트 12, 13 : 출력축

14 : 차동 기어의 기어 케이스

W : 가공물(차동 기어의 피니언 기어)

Claims (9)

1. 치부가 등간격으로 형성된 동력 전달부재에 침탄처리를 한 후에 냉각하고, 이어서 표면 열처리를 하는 침탄 열처리 방법에 있어서,

   상기 표면 열처리시에, 치 저부의 가열 온도가 치 측면의 가열 온도보다 높아지도록 상기 동력 전달부재를 가열하는 것을 특징으로 하는 침탄 열처리 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   표면 열처리시의 가열은, 승온으로부터 균일한 가열(均熱), 본 가열에 걸쳐 치 저부의 온도가 치 측면의 온도보다 높아지도록 설정하는 것을 특징으로 하는 침탄 열처리 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   표면 열처리시의 가열에 의해 침탄층의 최표면부를 탈탄하여, 상기 최표면부의 탄소 농도를 그 하부의 탄소 농도보다 저하시키는 것을 특징으로 하는 침탄 열처리 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   표면 열처리시의 가열에 의해 치 저부에서의 침탄층의 최표면부를 탈탄하고, 상기 최표면부의 탄소 농도를 그 하부의 탄소 농도보다 저하시키는 것을 특징으로하는 침탄 열처리 방법.
5. 제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   표면 열처리가 고주파 열처리인 것을 특징으로 하는 침탄 열처리 방법.
6. 치부가 등간격으로 형성된 동력 전달부재에 침탄후 표면 열처리한 동력전달부재에 있어서,

   치 저부에서의 침탄층의 잔류 오스테나이트량이 25% 내지 35%이고, 치 측면에서의 침탄층의 잔류 오스테나이트량이 그 보다 적은 것을 특징으로 하는 침탄 열처리한 동력 전달부재.
7. 제 6 항에 있어서,

   치 측면에서의 침탄층의 잔류 오스테나이트량이 5% 내지 15%인 것을 특징으로 하는 침탄 열처리한 동력 전달부재.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,

   침탄층의 최표면부의 탄소 농도가 그 하부의 탄소 농도보다 저하되는 것을 특징으로 하는 침탄 열처리한 동력 전달부재.
9. 제 8 항에 있어서,

   치 저부에서의 침탄층의 최표면부 탄소 농도가 그 하부의 탄소 농도보다 더 저하되는 것을 특징으로 하는 침탄 열처리한 동력 전달부재.