KR100738121B1

KR100738121B1 - 자동차용 킥다운드럼의 제조방법

Info

Publication number: KR100738121B1
Application number: KR1020050077900A
Authority: KR
Inventors: 유지홍
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2005-08-24
Filing date: 2005-08-24
Publication date: 2007-07-10
Anticipated expiration: 2025-08-24
Also published as: KR20070023375A

Abstract

본 발명은 자동차용 킥다운드럼의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 킥다운드럼의 소재 조성물을 달리하는 한편, 코일 중앙 부위에 최적의 단차를 설계하는 동시에, 강자성체 형상의 설계를 통한 전자기 간섭 제어 및 자속밀도 증대를 통해 짧은 가열시간으로 킥다운드럼의 스플라인부의 변형을 최소화시키는 고주파 코일을 최적으로 설계하여 고주파 열처리를 실시함으로써, 상기 킥다운드럼의 경화능이 우수하면서 성형성이 가능하도록 하여 궁극적으로 내구성을 향상시킬 수 있는 자동차용 킥다운드럼의 제조방법에 관한 것이다.

자동차, 킥다운드럼, 조성물, 제조방법, 고주파 열처리

Description

자동차용 킥다운드럼의 제조방법{Preparing method of kickdown drum for automobile}

도 1은 본 발명에 따른 고주파 열처리시의 고주파 코일의 형상을 나타내는 도면,

도 2는 본 발명에 따른 자동차용 킥다운드럼의 경도를 나타내는 그래프,

도 3은 본 발명에 따른 자동차용 킥다운드럼 면의 현미경 조직을 나타내는 사진,

도 4는 종래의 자동차용 킥다운드럼 면의 현미경 조직을 나타내는 사진이다.
도 5는 자동차용 킥다운드럼을 나타내는 사진
도 6은 자동차용 킥다운드럼의 열처리부위를 나타내는 사진

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 킥다운드럼 11 : 스플라인부

20 : 고주파 코일 21 : 단차부

22 : 강자성체

본 발명은 자동차용 킥다운드럼의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 킥다운드럼의 소재 조성물을 달리하는 한편, 고주파 코일을 최적으로 설계하여 고주파 열처리를 실시함으로써, 상기 킥다운드럼의 경화능이 우수하면서 성형성이 가능하도록 하여 궁극적으로 내구성을 향상시킬 수 있는 자동차용 킥다운드럼의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차 변속기의 클러치와 같은 구동계 부품은 가공의 용이성을 도모하기 위하여 신율이 우수한 강판으로 제조된다.

그러나, 자동차 변속기의 클러치를 구성하고 있는 부품중에서도 부품과 부품이 서로 맞닿는 스플라인부(spline part)의 경우에는 상기와 같이 신율만을 고려한 강판을 그대로 사용하여 제조하는 경우, 클러치 작동시 반복되는 마찰로 인하여 마모 및 변형의 발생이 불가피하다.

도 5에 도시한 바와 같이, 킥다운드럼(Kick Down Drum)은 2단, 4단 변속시 리버스 선기어를 구속시킴으로써, 변속이 이루어질 수 있도록 작용하는 부품이다.

그런데, 수출용 차량의 보증기간 확대에 따라 기존 보증기간에는 발생하지 않았던 문제가 7 ~ 8만 마일 주행 차량에서 스플라인부(도 6에서 열처리부위) 전치 마모에 의한 변속 불능 현상이 많이 발생하고 있다.

이는 도 4에 도시된 바와 같이, 대부분이 페라이트 조직으로 이루어진 현재 사용되고 있는 킥다운드럼의 소재에 대한 경도가 190Hv 정도인 SPHD이고, 상대 부품인 리버스 선기어의 표면 강도가 650HV 정도의 열처리 된 고경도 부품이기 때문에 상기와 같은 문제가 발생하는 것으로서, 이에 대한 조속한 개선방안이 필요한 실정이다.

그런데, 상기 문제점을 해결하기 위해서는 킥다운드럼의 소재 조성물에 있어서, 경도 향상을 위한 탄소 함량의 조성비가 일정 비율을 이루어야 하나, 표 1에 나타나 있는 바와 같이, 현 양산품에 사용하고 있는 SPHD는 탄소 함량이 극저량이므로 열처리를 통해서는 원하는 강도 및 경도를 얻을 수 없다.

이에 상기 킥다운드럼의 스플라인부를 고주파 열처리하는 바, 오랜 가열시간으로 인하여 스플라인부의 과다한 치수 변형이 발생하며, 끝단부 형상에서 테이퍼(taper)가 발생함에 따라 상대 부품과의 조립성이 저하되는 문제점이 있다.

또 다른 한편으로, 보스(boss)부만 표 2의 소재 조성물을 갖는 SCr420H1을 이용하여 절삭 가공에 의해 형성된 스플라인부를 침탄 열처리로 경화시킨 후, 기존의 드럼부와 용접하는 공정이 실시되고 있다.

그런데, 이러한 열처리를 통한 경도 향상 공정에 있어서, 침탄 열처리에 의한 표면 경도의 향상은 오히려 상대부품에 마모 현상을 일으킬 소지가 있다.

침탄 열처리시 용접 등의 공정이 추가되어 투자비용이 과다 지출될 뿐만 아니라, 전경화로 과다한 부하가 작용한 경우, 스플라인부에 균열이 발생할 수 있으며, 최악의 경우, 보스부가 파손될 우려가 있을 뿐만 아니라, 용접 부위에 품질 관리가 필요하다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 킥다운드럼의 소재 조성물을 달리하는 한편, 코일 중앙 부위에 최적의 단차를 설계하는 동시에, 강자성체 형상의 설계를 통한 전자기 간섭 제어 및 자속밀도 증대를 통해 짧은 가열시간으로 킥다운드럼의 스플라인부의 변형을 최소화시키는 고주파 코일을 최적으로 설계하여 고주파 열처리를 실시함으로써, 상기 킥다운드럼의 경화능이 우수하면서 성형성이 가능하도록 하여 궁극적으로 내구성을 향상시킬 수 있는 자동차용 킥다운드럼의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 자동차용 킥다운드럼의 제조방법은, 탄소(C) 0.32 ~ 0.38 중 량%, 규소(Si) 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) 0.60 ~ 0.90 중량%, 인(P) 0.03 중량% 이하, 황(S) 0.03중량% 이하, 크롬(Cr) 0.20 중량% 이하와 잔량의 철(F) 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 탄소강을 150 ~ 200℃/s의 냉각속도에 의한 제어를 통해 얻은 미세한 페라이트와 미세분산구상화 시멘타이트로 구성된 소재를 이용하여 제품 형상으로 주조한 후, 상기 제품을 회전 가능한 상태로 한 다음, 고주파 열처리 과정을 거쳐 제조하는 것을 특징으로 하는 한다.

특히, 상기 고주파 열처리 과정은, 주파수 : 150kHz, 출력 : 203kW, 가열시간 : 1.0 ~ 1.5초, 냉각시간 : 5.0초, 냉각유량 : 15.5l/min, 지그 회전속도 : 100 ~ 200RPM, 가열온도 : 900 ~ 950℃, 발진장치 사양 : 진공관 발진형식인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고주파 열처리 과정시 사용되는 고주파 코일은 그 중앙부위 코일에 외측 방향으로 돌출된 단차부를 형성하는 동시에, 고주파 코일의 상하부에 강자성체를 적용한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 고주파 열처리시의 고주파 코일의 형상을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 자동차용 킥다운드럼의 경도를 나타내는 그래프이며, 도 3은 본 발명에 따른 자동차용 킥다운드럼 면의 현미경 조직을 나타내는 사진이다.

본 발명에서 제공하는 자동차용 킥다운드럼의 소재 조성물의 경우, 각각의 성분에 대한 함유량은 다음과 같으며, 표 2에 더욱 바람직한 실시예를 나타내고 있다.

탄소(C) 0.32 ~ 0.38 중량%, 규소(Si) 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) 0.60 ~ 0.90 중량%, 인(P) 0.03 중량% 이하, 황(S) 0.03중량% 이하, 크롬(Cr) 0.20 중량% 이하와 잔량의 철(F) 및 기타 불가피한 불순물.

여기서, 탄소(C)의 경우, 그 함유량은 0.32 ~ 0.38 중량%, 바람직하게는 0.34 중량%를 사용한다.

이때, 탄소(C)는 적정한 경화능 및 성형성을 확보하기 위한 것으로서, 그 사용함량이 0.32 중량% 미만이면 상대 부품의 표면 경도 650Hv에 미치지 못하므로 마모 문제가 발생할 수 있고, 반면에 0.38 중량%를 초과하여 과량으로 사용하면 신율이 낮아 성형에 문제가 발생할 소지가 있어 바람직하지 않다.

규소(Si)의 경우, 함유량은 0.15 ~ 0.35 중량%, 바람직하게는 0.16 중량%를 사용한다.

이때, 규소(Si)는 탈산제로서, 전체의 함량 중, 그 사용함량이 0.15 중량% 미만이면 탈산효과가 미비하고, 반면에 0.35 중량%를 초과하여 과량으로 사용하면 경제적 측면을 고려할 때 바람직하지 않다.

망간(Mn)의 경우, 함유량은 0.60 ~ 0.90 중량%, 바람직하게는 0.77 중량%를 사용한다.

망간(Mn)은 고용강화 원소로 일정한 강도 확보 및 인성 향상을 위하여 첨가되는 것이며, 그 사용함량이 0.60 중량% 미만이면 기지조직 중, 강도 향상에 기여하는 펄라이트(Pearlite)의 형성이 부족해지는 문제가 있고, 반면에 0.90 중량%를 초과하여 과량으로 사용하면 카바이드(Carbide)의 생성에 의해 취성이 증가하는 문제가 있어 바람직하지 않다.

인(P)은 함량 과다시 입계산화 증대의 문제가 발생하므로 본 발명에서는 0.03중량% 이하, 바람직하게는 0.012 중량%로 규정하였다.

황(S)의 경우, 함유량은 0.035 중량% 이하를 사용한다.

황(S)은 함량 과다시 비금속개재물 증대 문제가 발생하고 소량 첨가시 가공성이 불리한 문제가 발생하므로 본 발명에서는 0.035중량% 이하, 바람직하게는 0.00 중량%로 규정하였다.

그리고, 크롬(Cr)의 경우, 함유량은 0.20 중량% 이하, 바람직하게는 0.10 중량%를 사용한다.

크롬(Cr)은 내산화성 및 내유화성 개선 원소로서, 그 사용함량이 0.20 중량% 이하를 벗어날 경우, 템퍼링 취성 문제가 있어 바람직하지 않다.

상기와 같은 소재 조성물로 이루어진 탄소강을 정확한 냉각속도에 의한 제어를 통해서 미세한 페라이트와 미세분산구상화 시멘타이트로 구성된 성형성이 우수한 소재를 얻게 된다.

이때, 상기 냉각속도는 150 ~ 200℃/s로서, 냉각속도가 150℃/s 미만의 속도로 냉각되는 경우, 초석 페라이트의 생성을 억제함과 동시에 층상 조직을 억제하여 페라이트를 미세화하는 효과가 미흡해지는 문제가 있어 본 발명에서 얻고자 하는 만족할 만한 신율을 얻기가 어렵고, 200℃/s을 초과하는 속도로 냉각되는 경우, 경제적, 기술적 측면 등을 고려할시에 바람직하지 않다.

한편, 상기와 같은 소재 조성물로 이루어진 자동차용 킥다운드럼은 고주파 열처리를 통해 고경도화를 도모할 수 있는 바, 기존의 고주파 열처리시 오랜 가열시간으로 인해 발생하는 스플라인부의 치수 변형 발생 문제를 해결하기 위해서, 고주파 열처리시에 이용하는 고주파 코일을 최적으로 설계하는 동시에, 하기의 열처리 조건을 통해 균일한 경도 및 최소한의 균일 변형의 효과를 얻을 수 있도록 한다.

이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 고주파 코일의 중앙부위 코일에 외측 방향으로 돌출된 단차부를 주게 되는 바, 이는 고주파 열처리시 코일과 상기 스플라인과의 접촉면이 줄게 되어 스플라인의 양끝단 변형(21㎛)이 최소화된다.

또한, 고주파 코일의 상하부에 강자성체가 적용되어 전자기 간섭 제어 및 자속밀도 증대를 도모하게 됨으로써, 짧은 가열시간(1.3초)만으로도 상기 스플라인부의 열처리 온도에 적합한 적정 온도가 되도록 할 수 있다.

한편, 고주파 열처리 조건은,

주파수 : 150kHz, 출력 : 203kW, 가열시간 : 1.0 ~ 1.5초, 냉각시간 : 5.0초, 냉각유량 : 15.5l/min, 지그 회전속도 : 100 ~ 200RPM, 가열온도 : 900 ~ 950℃, 발진장치 사양 : 진공관 발진형식으로서, 특히 회전 지그를 제작하여 상기 킥다운드럼 전체가 균일하게 열처리될 수 있도록 한다.
예를 들면, 도 1에 도시한 바와 같이, 킥다운드럼의 스플라인 부위 중심축선상에 고주파장치의 가열코일을 고정 배치하고, 공지의 회전지그상에 장착한 킥다운드럼을 회전시키는 방식으로 킥다운드럼의 스플라인 부위 전체를 균일하게 열처리할 수 있다.

부품의 특성상 상기 스플라인부의 단면 두께는 약 2.9mm 정도로서, 일반적으로 400kHz 이상의 장비를 요하지만, 코일 형상의 최적화를 통해 150kHz 장비로 고주파 열처리가 가능하게 이루어진다.

여기서, 상기 지그의 회전속도가 100RPM 미만이거나 정지상태에서 열처리를 할 경우, 고주파 코일의 자장에 의해 가열되는 킥다운드럼의 온도가 균일하지 않게 되어 균일 경화되는 효과가 미흡한 점이 있으며, 200RPM을 초과하여 실시하는 경우, 경제적 측면을 고려할 때 바람직하지 않다.

또한, 가열 온도가 900℃ 미만일 경우, 고주파 열처리 특성상 아주 빠른 속도로 가열되므로 조직 전체가 오스테나이트 변태가 이루어지지 않아 급랭시 완전 마르텐사이트 조직을 이룰 수 없게 된다.

반면에, 950℃를 초과할 경우, 경도 향상 효과가 미비해지고, 오스테나이트의 결정립이 크게 성장될 수 있으므로 바람직하지 않다.

이와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 킥다운드럼의 소재 조성물을 달리하는 한편, 고주파 코일을 최적으로 설계하여 고주파 열처리를 실시함으로써, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 킥다운드럼의 스플라인부의 내면 전체가 600Hv 정도의 경도를 지니게 되어 상기 킥다운드럼 전체가 균일하게 열처리되었음을 알 수 있으며, 또한 스플라인부 외면은 250Hv 이하이므로 스플라인 내면에 과다한 부하가 작용했을 경우에도 균열이 발생하는 것을 방지하였음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 킥다운드럼의 제조방법에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

1) 고주파 열처리를 실시하여 내구성이 증대된 킥다운드럼을 제조함에 따라 수출용 차량의 보증기간 확대에 따른 품질보증을 달성하고, 당사 차량의 상품성 이미지 향상을 기대할 수 있다.

2) 종래의 침탄 열처리후 기존 부품에 용접하여 사용하는 킥다운드럼에 비해, 고주파 열처리 공정만 추가하고, 기존 공정을 그대로 사용한다는 점에서 비용 절감의 효과를 기대할 수 있다.

Claims

탄소(C) 0.32 ~ 0.38 중량%, 규소(Si) 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) 0.60 ~ 0.90 중량%, 인(P) 0.03 중량% 이하, 황(S) 0.03중량% 이하, 크롬(Cr) 0.20 중량% 이하와 잔량의 철(F) 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 탄소강을 150 ~ 200℃/s의 냉각속도에 의한 제어를 통해 얻은 미세한 페라이트와 미세분산구상화 시멘타이트로 구성된 소재를 이용하여 제품 형상으로 주조한 후, 상기 제품을 회전 가능한 상태로 한 다음, 고주파 열처리 과정을 거쳐 제조하는 것을 특징으로 하는 자동차용 킥다운드럼의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 고주파 열처리 과정은, 주파수 : 150kHz, 출력 : 203kW, 가열시간 : 1.0 ~ 1.5초, 냉각시간 : 5.0초, 냉각유량 : 15.5l/min, 지그 회전속도 : 100 ~ 200RPM, 가열온도 : 900 ~ 950℃, 발진장치 사양 : 진공관 발진형식인 것을 특징으로 하는 자동차용 킥다운드럼의 제조방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 고주파 열처리 과정시 사용되는 고주파 코일은 그 중앙부위 코일에 외 측 방향으로 돌출된 단차부를 형성하는 동시에, 고주파 코일의 상하부에 강자성체를 적용한 것을 특징으로 하는 자동차용 킥다운드럼의 제조방법.