KR100737602B1 - 자동차용 등속조인트 케이지 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 변속기의 구동력을 구동바퀴에 전달하는 등속조인트(Constant Velocity Joint)에 있어서 내륜과 외륜의 축방향 및 반경방향의 위치를 규제하는 케이지(Cage) 및 제조방법에 관한 것으로, 종래의 침탄 열처리방법를 통해 제조된 등속조인트 케이지는 표면강도 및 내마모성이 비교적 좋기는 하지만 인성이 나쁘게 되어 사용과정에 파손이 빈번하게 되는 등 내구성이 약하게 되는 문제가 있었던 바, 침탄 후 서냉하여 탄소확산시간을 충분히 부여함으로써 급냉에 의한 변형을 억제하는 침탄 후 서냉 공정과, 변태점 직상의 온도까지 재가열후 높은 온도의 염욕에 담구어 일정시간 유지함으로써 변태응력을 저하시키는 오스템퍼링 공정을 거치도록 하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 의하면 종래의 침탄 열처리방법에 의한 것에 비교하여 충격인성, 열변형량, 굽힘피로강도 등을 월등하게 향상시킬 수 있게 되어 자동차용 등속조인트의 내구성 및 상품성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

등속조인트, 케이지, 침탄, 서냉, 오스템퍼링

Description

자동차용 등속조인트 케이지 및 그 제조방법 { a constant velocity join cage of a vehicle and the method thereof }

도 1은 본 발명이 관계하는 등속조인트의 사시도

도 2는 동 등속조인트의 요부 분해사시도

도 3은 종래 방법의 공정도

도 4는 본 발명의 공정도

도 5는 종래 방법으로 제작한 케이지 및 본 발명의 방법으로 제작한 케이지의 표면조직사진

도 6은 종래 방법으로 제작한 케이지 및 본 발명의 방법으로 제작한 케이지의 심부조직사진

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

10 : 등속조인트 11 : 샤프트

12 : 외륜 13 : 내륜

14 : 볼 15 : 케이지

본 발명은 자동차 변속기의 구동력을 구동바퀴에 전달하는 등속조인트(Constant Velocity Joint)에 있어서 내륜과 외륜의 축방향 및 반경방향의 위치를 규제하는 케이지(Cage) 및 제조방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 침탄 후 서냉 공정과 오스템퍼링 공정을 통해 표면경도를 저하시키지 않으면서도 인성을 증대시킬 수 있도록 한 것에 관한 것이다.

도 1에는 일반적인 자동차 등속조인트의 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 동 등속조인트의 요부 분해 사시도가 도시되어 있다.

일반적으로 자동차의 등속조인트(Constant Velocity Joint ASS'Y)는 변속기의 구동력을 구동바퀴에 전달해주는 역할을 하는 중요 부품으로, 샤프트(11)와 외륜(12), 내륜(13), 볼(14), 그리고 케이지(15)를 구비한다.

상기 등속조인트(10)에서 외륜(12)은 변속기에서 받은 구동력을 볼(14)에 전달해주고, 내륜(13)은 볼(14)에 의해서 받은 전달력을 샤프트(11)에 전달하며, 케이지(15)는 내륜(13)과 외륜(12)의 축방향 및 반경방향의 위치를 규제하는 역할을 각각 담당한다.

상기 등속조인트에 있어서 케이지는 침탄처리를 하는 고경도의 내륜 및 볼베어링과 변속기 토크(torque)의 구동력에 의해서 마찰되기 때문에 침탄처리를 실시할 수밖에 없는 부품이지만 다른 부품에 비해 상대적으로 얇은 두께를 보유한 관계 로 자동차의 급선회시 등에 과도한 충격 응력이 부하되면 파손될 우려가 많으며, 실제 사용과정에서도 그의 품질문제가 빈번하게 발생되고 있는 실정이다.

종래에 있어서 상기 케이지를 제조할 때는 도 3과 같이 장입단계; 900~930℃로 가열하는 가열단계; 그리고 가열상태를 300분 정도 유지시키는 가열유지단계; 850~870℃로 노냉하는 노냉단계; 노냉온도를 30분 정도 유지시키는 온도유지단계; 60~120℃의 오일을 통해 냉각하는 유냉단계;로 이루어지는 침탄 공정과,

장입단계; 150~180℃로 가열하는 가열단계; 가열상태를 120분 정도 유지시키는 가열유지단계; 그리고 공냉단계;로 이루어지는 템퍼링 공정을 거치도록 하였다.

이와 같은 종래의 침탄 열처리방법(Carburizing)은 제품의 표면 내마모성 및 강도 향상을 위하여 실시하는 일반적인 표면경화 열처리방법으로, 변속기기어 및 차축(Axle) 부품 등에 보편적으로 적용되는 열처리방법이나 QT처리보다 충격인성이 불리하므로 얇은 두께의 부품이나 충격하중을 많이 받는 부품은 취성문제 때문에 실시가 제한되는 열처리방법이다.

또한 침탄 급냉시 오일을 이용하기 때문에 전용 세제로 세척해야 하며, 세척 후 인성향상을 위해 템퍼링을 실시해야만 한다.

등속조인트 케이지의 경우 두께가 접촉부품보다 얇고 충격인성이 요구되는 부품이기 때문에 침탄열처리를 실시하기는 위험한 부품이지만 표면 내마모성 및 강도확보를 위해 어쩔 수 없이 침탄 열처리를 실시하고 있는 실정이다.

상기 종래의 침탄 열처리방법를 통해 제조된 등속조인트 케이지는 표면강도 및 내마모성이 비교적 좋기는 하지만 인성이 나쁘게 되어 전술한 바와 같이 사용과 정에 파손이 빈번하게 되는 등 내구성이 약하게 되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 실정을 감안하여 안출한 것이며, 그 목적이 표면강도와 내마모성이 우수하고 인성 및 내구력이 뛰어난 자동차용 등속조인트 케이지 및 그 제조방법을 제공하는 데에 있는 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 침탄 후 서냉하여 탄소확산시간을 충분히 부여함으로써 급냉에 의한 변형을 억제하는 침탄 후 서냉 공정과; 변태점 직상의 온도까지 재가열후 높은 온도의 염욕에 담구어 일정시간 유지함으로써 변태응력을 저하시키는 오스템퍼링 공정;을 거치도록 하는 것을 특징으로 하며, 이하 그 구체적인 기술내용을 첨부도면에 의거하여 더욱 자세히 설명하면 다음과 같다.

즉, 본 발명의 자동차용 등속조인트 케이지는 일정 형태로 성형한 후 열처리한 것에 있어서, 열처리를 행할 때에 침탄 후 서냉하여 탄소확산시간을 충분히 부여하고, 변태점 직상의 온도까지 재가열후 높은 온도의 염욕에 담구어 일정시간 유지함으로써 인성을 향상시킨 것을 특징으로 하는 것이다.

도 3에는 본 발명의 공정도가 도시되어 있는 바, 본 발명의 자동차용 등속조인트 케이지의 제조방법은

장입단계, 가열단계, 가열유지단계, 공냉단계, 그리고 온도유지단계로 이루 어지는 침탄 후 서냉 공정과;

재가열단계, 온도유지단계, 그리고 염욕 및 물냉각단계로 이루어지는 오스템퍼링 공정;을 통해 케이지를 열처리하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 침탄 후 서냉 공정에 있어서 장입단계 후에 시행하는 가열단계에서 가열온도는 침탄이 원활히 진행될 수 있는 온도인 900~930℃로 하는 것이 바람직하고, 가열유지단계에서는 가열상태를 250~300분 정도 유지시켜 탄소확산시간을 충분히 부여하는 것이 좋다.

그리고 공냉단계에서의 온도는 400~450℃로 하고, 공냉단계 후의 온도유지단계에서는 상기 공냉온도를 30분 정도 유지시켜 급냉에 의한 변형을 방지할 수 있도록 하는 것이 좋다.

또한 본 발명의 오스템퍼링 공정에 있어서 재가열단계에서 재가열온도는 변태점 직상의 850~870℃로 하고, 온도유지단계에서 이 재가열온도를 90분 정도 유지시킴으로써 변태응력을 저하시킬 수 있도록 하는 것이 좋다.

그리고 염욕 및 물냉각 단계에서는 230~250℃의 온도로 15~30 분 정도 냉각시킴으로써 향상된 강도를 유지할 수 있도록 하는 동시에 인성 향상을 도모할 수 있도록 하는 것이 좋다.

본 발명은 종래의 침탄 열처리의 단점을 최소화시킬 수 있는 열처리 방법으로, 탄소확산에 의한 강도향상을 유지하는 동시에 인성을 향상시키는 열처리 방법이다.

본 발명에 있어서 침탄가열공정은 기존공정과 같지만 침탄 후 약 400℃ 까지 서냉하여 탄소확산시간을 충분히 부여하면서 급냉에 의한 변형을 억제하고 변태점 직상의 온도까지 재 가열후 높은 온도의 염욕에 담구어 일정시간을 유지하는 단계를 통해 인성을 향상시킨다.

침탄 후 부품의 미세조직이 취약한 템퍼드 마르텐사이트 조직인데 반해 이 경우는 표면은 인성이 뛰어난 하부 베이나이트 조직이 형성되고 심부는 강도가 뛰어난 템퍼드 마르텐사이트 조직이 형성되어 등속조인트 케이지에서 요구하는 강도와 인성을 확보할 수 있다.

본 발명의 침탄오스템퍼링과정을 통해 제조한 등속조인트 케이지(실시예)와 기존 침탄 열처리과정을 통해 제조한 등속조인트 케이지(비교예)에 대한 충격 및 강도 등의 실험결과를 표1에 나타내었다.

* 표1

구분	본 발명에 의한 케이지 (실시예)	기존방법에 의한 케이지 (비교예)
재질	저탄소 Cr-Mo 합금강	저탄소 Cr-Mo 합금강
표면경도(HRC)	58	60
경화깊이(mm)	0.6-0.7	0.6-0.7
심부경도(HV)	400	370
충격시험	10회 무파손	3회 파손
내경변형량(mm)	0.1-0.2	0.2-0.6
굽힘피로강도(Mpa)	87	83

상기 표1과 같이 케이지 완제품의 열처리상태(표면경도, 경화깊이, 심부경도)는 동등 수준이었다.

본 발명에 의한 케이지의 열 후 변형량이 기존방법에 의한 케이지보다 작은 이유는 염욕냉각 및 유지에 의한 변태응력 저하가 주원인이다.

본 발명에 의한 케이지와 기존방법에 의한 케이지의 재질 및 열처리상태가 동등함에도 불구하고 굽힘피로강도가 현격히 차이를 보이는 이유는 미세조직변화에 의한 인성차이 때문이며, 이러한 미세조직의 차이에 의하여 충격시험에서 실시예의 것이 비교예의 것보다 월등히 향상된 결과를 나타내었다.

도 6에는 비교예와 실시예의 표면조직사진을 나타내었고, 도 7에는 비교예와 실시예의 심부조직사진이 나타내었다.

도 6과 같이 표면미세조직의 경우 비교예는 템퍼드 마르텐사이트, 실시예는 베이나이트와 잔류 오스테나이트의 혼재조직이 관찰되고, 도 7과 같이 심부미세조직의 경우 비교예는 저탄소 템퍼드 마르텐사이트, 실시예는 저탄소 마르텐사이트와 베이나이트의 혼재조직이 관찰되며, 이러한 실시예의 조직은 충격 인성 향상의 요인으로 작용한다.

이상에서와 같이 본 발명은 침탄 후 서냉하여 탄소확산시간을 충분히 부여하는 침탄 후 서냉 공정과, 변태점 직상의 온도까지 재가열후 높은 온도의 염욕에 담구어 일정시간 유지하는 오스템퍼링 공정를 통해 자동차용 등속조인트 케이지를 제조하는 것으로, 본 발명에 의하면 종래의 침탄 열처리방법에 의한 것에 비교하여 충격인성, 열변형량, 굽힘피로강도 등을 월등하게 향상시킬 수 있게 되어 자동차용 등속조인트의 내구성 및 상품성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 장입단계, 가열단계, 가열유지단계, 공냉단계, 그리고 온도유지단계로 이루어지는 침탄 후 서냉 공정과;

   재가열단계, 온도유지단계, 그리고 염욕 및 물냉각단계로 이루어지는 오스템퍼링 공정;으로 이루어지는 열처리과정으로 제조되는 것을 특징으로 하는 자동차용 등속조인트 케이지 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 침탄 후 서냉 공정 가열단계에서 가열온도는 침탄이 원활히 진행될 수 있는 온도인 900~930℃로 하는 것을 특징으로 하는 자동차용 등속조인트 케이지 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 침탄 후 서냉 공정 가열유지단계에서 가열상태를 250~300분 정도 유지시켜 탄소확산시간을 충분히 부여하는 것을 특징으로 하는 자동차용 등속조인트 케이지 제조방법.
5. 제2항에 있어서, 침탄 후 서냉 공정 공냉단계에서 공냉온도는 400~450℃의 온도로 하고, 공냉단계 후의 온도유지단계에서 상기 공냉온도를 30분 정도 유지시켜 급냉에 의한 변형을 방지할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 자동차용 등속조인트 케이지 제조방법.
6. 제2항에 있어서, 오스템퍼링 공정 재가열단계에서 재가열온도는 변태점 직상의 850~870℃로 하고, 온도유지단계에서 이 재가열온도를 90분 정도 유지시킴으로써 변태응력을 저하시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 자동차용 등속조인트 케이지 제조방법.
7. 제2항에 있어서, 오스템퍼링 공정 염욕 및 물냉각 단계에서 230~250℃의 온도로 15~30 분 정도 냉각시킴으로써 향상된 강도를 유지할 수 있도록 하는 동시에 인성 향상을 도모할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 자동차용 등속조인트 케이지 제조방법.

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