KR100756077B1

KR100756077B1 - 초미세결정층 생성방법, 그 초미세결정층 생성방법에 의해생성된 초미세결정층을 구비한 기계부품 및 그 기계부품을제조하는 기계부품 제조방법, 나노결정층 생성방법, 그나노결정층 생성방법에 의해 생성된 나노결정층을 구비한기계부품 및 그 기계부품을 제조하는 기계부품 제조방법

Info

Publication number: KR100756077B1
Application number: KR1020067013386A
Authority: KR
Inventors: 미노루 우메모또; 요시가쯔 도다까; 다다시 스즈끼; 도시이찌 오다; 아키히로 아마시타; 슈지 다나까
Original assignee: 고꾸리쯔 다이가꾸 호우징 도요하시 기쥬쯔 가가꾸 다이가꾸; 가부시키가이샤 유니밴스
Priority date: 2004-01-21
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2007-09-07
Also published as: EP1707306A1; WO2005070614A1; US8382919B2; EP1707306A4; CN1905986A; CN100463769C; US20100151270A1; US20080286597A1; EP1707306B1; KR20060115912A

Abstract

금속제품의 표면에 초미세결정층 등을 저비용으로 안정적으로 생성하는 것이 가능한 초미세결정층 생성방법 등을 제공한다. 피가공물 W에 대하여 드릴 D에 의한 구멍부(1)의 천공가공을 행하는 것에 의해서 그 구멍부(1)의 내주면에 큰 변형을 부여하여 초미세결정층 C1을 생성한다. 이 경우에는 구멍부(1)의 내주면에 적어도 진변형율 1이상의 소성가공을 부여함과 아울러 구성부(1)의 가공면 재료온도를 Ac1 변태점 이상 융점 미만의 온도범위로 유지한다. 또는, Ac1 변태점을 초과하지 않는 온도로 유지한다. 이에 따라 구멍부(1)의 내주면에 초미세결정층 C1을 저비용으로 안정적으로 생성할 수가 있다.

Description

초미세결정층 생성방법, 그 초미세결정층 생성방법에 의해 생성된 초미세결정층을 구비한 기계부품 및 그 기계부품을 제조하는 기계부품 제조방법, 나노결정층 생성방법, 그 나노결정층 생성방법에 의해 생성된 나노결정층을 구비한 기계부품 및 그 기계부품을 제조하는 기계부품 제조방법{PROCESS FOR FORMING ULTRAFINE CRYSTAL LAYER, MACHINE COMPONENT HAVING ULTRAFINE CRYSTAL LAYER FORMED BY THE ULTRAFINE CRYSTAL LAYER FORMING PROCESS, PROCESS FOR PRODUCING THE MACHINE COMPONENT, PROCESS FOR FORMING NANO-CRYSTAL LAYER, MACHINE COMPONENT HAVING NANO-CRYSTAL LAYER FORMED BY NANO-CRYSTAL LAYER FORMING PROCESS, AND PROCESS OF PRODUCING THE MACHINECOMPONENT}

본 발명은 초미세결정층 생성방법, 그 초미세결정층 생성방법에 의해 생성된 초미세결정층을 구비한 기계부품 및 그 기계부품을 제조하는 기계부품 제조방법, 나노결정층 생성방법, 그 나노결정층 생성방법에 의해 생성된 나노결정층을 구비한 기계부품 및 그 기계부품을 제조하는 기계부품 제조방법에 관한 것이다.

최근에 이르러, 금속재료의 표층부에 초미세결정층이나 나노결정층을 생성함으로써 종전에 비해서 우수한 특성을 갖는 재료를 얻을 수 있다는 사실이 밝혀졌다.

초미세결정층이란, 결정립의 크기가 100nm ∼ 1㎛ 인 것을 이르며, 나노결정층이란 결정립의 크키가 100nm 이하의 것을 일컫는다. 초미세결정층은 모재의 경도에 비해서 높은 경도를 구비함과 아울러 높은 압축잔류응력을 갖는 등의 기계부품에서 요구되는 우수한 특성을 지니고 있다. 이와 마찬가지로, 나노결정층은 모재의 경도에 비해서 매우 높은 경도를 구비하고 고온에서도 결정립 성장이 잘 이루어지지 않으며 또한 높은 압축잔류응력을 나타내는 등의 기계부품에 부합하는 우수한 특성을 갖고 있다.

이러한 초미세결정층 및 나노결정층을 공업적으로 이용하는 것이 가능한 바, 금속재료로 구성되는 제품의 강도나 성능의 향상을 도모하는 것이 가능한 것으로 기대되고 있다.

이에, 초미세결정층이나 나노결정층(이하, 「나노결정층 등」이라 칭한다.)를 금속재료의 표면부에 생성하는 기술이 다양하게 제안되고 있다. 예를 들면, 특개2003-39398호 공보에는 금속제 중량추의 선단면에 형성된 돌기를 금속제품의 표면에 충돌시켜서 돌기가 충돌한 금속제품의 해당 표면에 나노결정층 등을 생성시키는 기술이 기재되어 있다.(특허문헌 1)

또한, 종래의 다른 기술로서, 쇼트피닝(shot peening)을 이용하는 기술이 있다. 도16은 쇼트피닝을 보인 모식도이다. 상기 쇼트피닝은, 도16에서와 같이 분사장치(100)로부터 분사되는 압축공기의 분사압력을 이용하여 강이나 세라믹 등의 경질입자(G)를 금속재료(101)의 가공면(101a)에 고속으로 충돌시키는 것으로서, 이와 같은 충돌에 의해서 가공면(101a)의 표면에 소성변형이 일어나도록 함으로서 나노결정층 등을 생성한다.

특허문헌 1: 특개2003-39398호 공보(단락 [0010], 도2 등)

[발명의 개시]

[발명의 해결과제]

그러나 상기의 금속제 중량추의 돌기를 충돌시키는 기술에서는, 예를 들면 나노결정층등 을 생성하려는 면이 코너부나 구멍의 내주면 등을 포함하고 있는 경우에 그 면으로 금속제 중량추의 돌기를 충돌시키는 것이 불가능하기 때문에 나노결정층등을 생성할 수가 없어서 복잡한 형상을 띠는 실제 공업제품에 적용하기가 곤란하다는 문제점이 있다.

또한 상술한 종래의 기술에서는, 금속성 중량추의 충돌장치나 경질입자(G) 의 분사장치(100) 등과 같은 특수한 설비가 별도로 필요하게 되어 장치비용이 높아진다는 문제점과 아울러 그러한 장치를 사용한 공정을 별도로 추가할 필요가 있어서 가공비용(나노결정층등의 생성코스트)이 증가되는 문제점도 있다.

그리고 상기 종래 기술에 의하면, 제품의 표면에 돌기나 경질입자(G)를 충돌시켜서 그 충돌면을 소성변형시킴으로서 나노결정층등 을 생성하는 방식을 취함에 기인하여 나노결정층 등의 생성면이 조대해져서 평활한 마감면을 얻을 수 없을 뿐 아니라 균일한 나노결정층 등을 얻을 수 없다고 하는 문제점이 있다.

예를 들면, 돌기를 충돌시키는 기술에서는 돌기의 중심부와 가장자리부에서 제품표면으로의 충돌압력이 다르기 때문에 제품의 충돌면에 형성된 나노결정층의 두께나 특성이 돌기의 반경방향으로 불균일하게 된다. 또한 쇼트피닝을 이용하는 기술의 경우에는 구멍의 내주면 등으로는 경질입자(G)를 균일하게 충돌시킬 수가 없기 때문에 구멍의 바닥 부근에 비해서 구멍의 입구 근방에 나노결정층이 집중적으로 형성되는 결과가 초래된다.

한편, 최근에는 압연이나 신선가공 등의 강가공(强加工)에 의해서 나노결정층등을 얻는 기술이 제안되고 있다. 그러나 이와 같은 기술은 소재상태로 강화되기 때문에 압연 등의 가공 후의 열처리에 의해 고경도화 등의 효과가 소실된다고 하는 문제점과 특수한 설비나 가공공정을 필요로 하게 되어 코스트가 증가된다고 하는 문제점이 있어서 실제의 공업제품에 이용하는 것이 곤란하다.

이와 관련하여 본 발명자는 상기의 문제점에 대해 예의 검토한 결과, 드릴가공 등에 의해서 나노결정층 등을 제품형상에 생성하는 기술을 제안하여(특원2004-300354호 및 특원2004-13487호, 모두 미공지) 나노결정층 등의 공업적 이용을 가능하게 하였다. 그러나 상기 기술은 가공면의 재료 온도를 저온으로 유지한 채 높은 스트레인(변형)을 부여하는 것이기 때문에 고경도 재료의 피가공물을 가공하는 경우에는 공구에 가해지는 부하가 높아져서 공구파손을 초래하게 된다는 문제점이나 가공이 불가능하게 된다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 금속제품의 표면에 나노결정층을 저렴한 비용으로 그리고 안정적으로 생성하는 것이 가능한 초미세결정층 생성방법, 그 초미세결정층 생성방법에 의해 생성된 초미세결정층을 구비한 기계부품 및 그 기계부품을 제조하는 기계부품 제조방법, 나노결정층 생성방법, 그 나노결정층 생성방법에 의해 생성된 나노결정층을 구비한 기계부품 및 그 기계부품을 제조하는 기계부품 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

상기 목적을 달성하기 위하여, 청구항1 기재의 초미세결정층 생성방법은, 금속재료로 구성되는 피가공물에 가공공구를 사용한 기계가공을 행하고, 그 가공면에 국부적인 높은 변형을 부여하는 것에 의해 상기 가공면의 표면부에 초미세결정층을 생성하는 것으로서, 상기 가공공구를 사용한 기계가공은 피가공물의 가공면에 적어도 진변형율(true strain) 1 이상의 소성가공을 부여하는 것이다.

청구항2 기재의 초미세결정층 생성방법은, 청구항1 기재의 초미세결정층 생성방법에 있어서, 상기 가공공구를 사용한 기계가공은 상기 피가공물의 가공면에서의 재료온도를 소정의 상한온도 미만으로 유지하여 행하는 것으로서 그러한 소정의 상한온도는 상기 피가공물이 철강재료로 이루어지는 경우에는 그 철강재료의 Ac1 변태점이고, 상기 피가공물이 철강재료를 제외한 여타의 금속재료로 구성되는 경우에는 금속재료의 절대온도로 환산한 융점의 약 1/2온도이다.

청구항3 기재의 초미세결정층 생성방법은, 청구항1 기재의 초미세결정층 생성방법에 있어서, 상기 가공공구를 사용한 기계가공은 상기 피가공물의 가공면에서의 재료온도를 소정의 온도범위로 유지하여 행하는 것으로서, 그 소정의 온도범위는 상기 피가공물이 철강재료로 이루어진 경우에는 그 철강재료의 Ac1 변태점 이상 융점 미만의 온도범위이고, 상기 피가공물이 철강재료를 제외한 다른 금속재료로 구성되는 경우에는 그 금속재료의 절대온도로 환산한 융점의 약 1/2 온도 이상 융점 미만의 온도범위이다.

청구항4 기재의 초미세결정층 생성방법은 청구항3 기재의 초미세결정층 생성방법에 있어서, 상기 피가공물이 철강재료로 구성되는 경우에는 상기 가공공구를 사용한 기계가공을 행한 후, 피가공물의 소입에 필요로 하는 냉각속도보다도 빠른 속도로 가공면을 냉각하는 것이다.

청구항5 기재의 초미세결정층 생성방법은 청구항2 내지 4 중 어느 한 항 기재의 초미세결정층 생성방법에 있어서, 상기 가공공구를 사용한 기계가공은 상기 피가공물의 가공면에서의 재료온도를 상기 소정의 상한온도 미만으로 또는 상기 소정의 온도범위로 유지함과 아울러 피가공물의 가공면 하층부 또는 가공면 근방의 표층부의 비초미세결정층에서의 재료온도가 약 500℃ 이상으로 되는 시간을 약 1초 이내로 하고 모재 경도의 약 80% 경도를 확보한다.

청구항6 기재의 기계부품은 금속재료로 구성되어 그 표층부의 적어도 일부에 상기 청구항1 내지 5 중 어느 한 항 기재의 초미세결정층 생성방법에 의해 생성되는 초미세결정층을 구비하고 있다.

청구항7 기재의 기계부품 제조방법은 금속재료로 구성되어 그 표층부의 적어도 일부에 초미세결정층이 생성된 기계부품을 제조하는 것으로서, 상기 청구항1 내지 7 중 어느 한 항 기재의 초미세결정층 생성방법에 의해 상기 기계부품에 초미세결정층을 생성하는 초미세결정층 생성공정을 구비하고 있다.

청구항8 기재의 나노결정층 생성방법은, 금속재료로 구성되는 피가공물에 가공공구를 사용한 기계가공을 행하고, 그 가공면에 큰 국부적인 변형(large local strain)을 부여하는 것에 의해 상기 가공면의 표층부에 나노결정층을 생성하는 것으로서, 가공공구를 사용한 기계가공은 피가공물의 가공면에 적어도 진변형율 7 이상의 소성가공을 부여함과 아울러 피가공물의 가공면에서의 재료온도를 소정의 온도범위로 유지하여 행하는 것으로, 그 소정의 온도범위는 피가공물이 철강재료로 구성되는 경우에는 그 철강재료의 Ac1 변태점 이상 융점 미만의 온도범위이고, 피가공물이 철을 제외한 다른 금속재료로 구성되는 경우에는 그 금속재료의 절대온도로 환산한 융점의 약 1/2 온도 이상 융점 미만의 온도범위이다.

청구항9 기재의 나노결정층 생성방법은, 청구항8 기재의 나노결정층 생성방법에 있어서, 상기 가공공구를 사용한 기계가공은 피가공물의 가공면에서의 재료온도를 소정의 온도범위로 유지함과 동시에 피가공물의 가공면의 하층부 또는 가공면 근방의 표층부의 비나노결정층에서의 재료온도가 약 500℃ 이상으로 되는 시간을 약 1초 이내로 하고, 모재 경도의 약 80% 이상의 경도를 확보한다.

청구항10 기재의 나노결정층 생성방법은 금속재료로 구성되는 피가공물의 가공면에 나노결정층을 생성하는 것으로서, 상기 피가공물에 가공공구를 사용한 기계가공을 행하여 그 가공면에 큰 국부적인 변형을 부여하는 것에 의해서 가공면의 표층부에 나노결정층을 생성하는 것이다.

청구항11 기재의 나노결정층 생성방법은, 청구항12 기재의 나노결정층 생성방법에 있어서, 상기 가공공구를 사용한 기계가공은 피가공물의 가공면에 적어도 진변형율 7 이상의 소성가공을 부여함과 아울러 피가공물의 가공면에서의 재료온도를 소정의 상한온도 이하로 유지하여 수행하는 것으로, 그 소정의 상한온도는 피가공물이 철강재료로 구성되는 경우에는 그 철강재료의 A1 및 A3 변태점이고, 피가공물이 철강재료를 제외한 다른 금속재료로 구성되는 경우에는 그 금속재료의 절대온도로 환산한 융점의 약 1/2온도이다.

청구항12 기재의 나노결정층 생성방법은, 청구항11 기재의 나노결정층 생성방법에 있어서, 상기 피가공물의 가공면에서의 재료온도는 상기 기계가공이 행해지는 시간 동안의 평균 재료온도 및 가공면 전체에 걸친 열분포의 평균 재료온도가 상기 소정의 상한온도 이하로 되도록 유지시키는 것이다.

청구항13 기재의 나노결정층 생성방법은, 청구항8 내지 12 중 어느 한 항 기재의 나노결정층 생성방법에 있어서, 상기 가공공구를 사용한 기계가공은 가공면의 표층부에 1/㎛ 이상의 변형구배(strain gradient)를 부여하도록 행하는 것이다.

청구항14 기재의 기계부품은 금속재료로 구성되며 그 표면부의 적어도 일부에 상기 청구항8 내지 13 중 어느 한 항 기재의 나노결정층 생성방법에 이해 생성된 나노결정층을 구비하고 있다.

청구항15 기재의 기계부품 제조방법은 금속재료로 구성되며 그 표면부의 적어도 일부에 나노결정층이 생성된 기계부품을 제조하는 것으로, 상기 청구항8 내지 13 중 어느 한 항 기재의 나노결정층 생성방법에 의해 기계부품에 나노결정층을 생성하는 나노결정층 생성공정을 적어도 구비하고 있다.

[발명의 효과]

청구항1 기재의 초미세결정층 생성방법에 의하면, 피가공물에 가공공구를 사용한 기계가공을 행하는 것에 의해서 그 가공면의 표층부에 초미세결정층을 생성하는 것으로, 종래기술에서의 피가공물의 형상에 따른 초미세결정층의 생성가능한 부위가 한정되거나 초미세결정층의 두께나 특성이 불균일하게 되거나 하는 것을 억제하는 것이 가능하게 됨으로써 초미세결정층을 기계부품 등에 안정적으로 생성하는 것이 가능해지는 효과가 있다.

또한, 종래기술에서와 같은 금속제 중량추의 충돌장치나 쇼트피닝 분사장치 등의 특별한 장치를 별도로 설치할 필요가 없기 때문에 장치비용을 억제할 수가 있다는 효과가 있다. 그리고 제품의 제조공정에 있어서, 초미세결정층을 생성하기 위한 공정변경을 최소한으로 할 수가 있기 때문에 초미세결정층의 생성코스트를 저감시켜 그만큼 제품코스트를 억제하는 것이 가능해지는 효과가 있다.

이에 더하여 종래기술에서는 넓은 범위에 초미세결정층을 생성하는 경우에 돌기나 경질입자의 충돌을 수회에 걸쳐 반복할 필요가 있기 때문에 가공시간이 증대되어 비효율적이었음에 비해서, 청구항1 기재의 초미세결정층 생성방법은 가공공구를 사용한 기계가공을 통해서 초미세결정층을 생성하기 때문에 초미세결정층을 효율적으로 생성할 수가 있고, 그에 따라 초미세결정층의 생성비용을 낮출 수 있다는 효과가 있다.

여기서 가공공구를 사용한 기계가공은, 피가공물의 가공면에 진변형율 1 이상의 소성가공을 부여하는 것이기 때문에 공구나 가공기계의 부담을 억제하는 것이 가능하다는 효과가 있다. 그 결과로, 고경도 재료의 피가공물을 가공하는 경우에 있어서도 공구의 파손 등을 억제하는 것이 가능하여 피가공물의 가공표면부에 초미세결정층을 안정적으로 생성하는 것이 가능하다는 효과가 있다.

청구항2 기재의 초미세결정층 생성방법에 의하면, 청구항1 기재의 초미세결정층 생성방법에 따른 효과에 부가하여 가공공구를 사용한 기계가공은 피가공물의 가공면에서의 재료온도를 소정의 상한온도 미만으로 유지해서 행하는 것으로, 그 소정의 상한온도는 피가공물이 철강재료로 구성되는 경우에는 그 철강온도의 Ac1 변태점이고, 피가공물이 철강재료를 제외한 다른 금속재료로 구성되는 경우에는 그 금속재료의 절대온도로 환산한 융점의 약 1/2의 온도이다. 그 결과, 경도가 비교적 낮은 재료로 이루어진 피가공물의 가공면 표층부에 초미세결정층을 안정적으로 생성할 수 있는 효과가 있다.

청구항3 기재의 초미세결정층 생성방법에 의하면, 청구항1 기재의 초미세 결정층 생성방법에 따른 효과에 부가하여 가공공구를 사용한 기계가공은 피가공물의 가공면에서의 재료온도를 소정의 온도범위로 유지하여 행하는 것으로서, 그 소정의 온도범위는 피가공물이 철강재료로 구성되는 경우에는 그 철강재료의 Ac1 변태점 이상 융점 미만의 온도범위이고, 피가공물이 철강재료를 제외한 다른 금속재료로 구성되는 경우에는 그 금속재료의 절대온도로 환산한 융점의 약 1/2온도 이상 융점 미만의 온도범위이다.

이와 같이 피가공물의 가공면의 재료온도를 소정의 온도 이상으로 상승시키는 것으로 피가공물의 가공면을 연화시키는 것이 가능하기 때문에 공구나 기계의 부담을 억제한 채 피가공물의 가공면에 진변형율 1 이상의 변형을 확실하게 부여하는 것이 가능하다는 효과가 있다. 그 결과로 경도가 비교적 높은 재료로 이루어진 피가공물을 가공하는 경우라도 공구의 파손 등을 억제할 수가 있어서 피가공물의 가공면 표층부에 초미세결정층을 안정적으로 생성할 수 있는 효과가 있다.

청구항4 기재의 초미세결정층 생성방법에 의하면, 청구항 3 기재의 초미세결정층 생성방법에 따른 효과에 부가하여, 피가공물이 철강재료로 구성되는 경우에는 가공공구를 사용한 기계가공을 행한 후 피가공물의 소입에 필요한 냉각속도 보다도 빠른 속도로 가공면을 냉각하는 것으로 초미세결정층의 경도를 높게 유지할 수 있다는 효과가 있다.

청구항5 기재의 초미세결정층 생성방법에 의하면, 청구항2 내지 4 중 어느 한 항 기재의 초미세결정층 생성방법에 따른 효과에 부가하여 가공공구를 사용한 기계가공은 피가공물의 가공면에서의 재료온도를 상술한 소정의 상한온도 미만으로 또는 소정의 온도범위로 유지함과 아울러 피가공물의 가공면 하층부 또는 가공면 근방의 표층부의 비초미세결정층에서의 재료온도가 약 500℃ 이상으로 되는 시간을 약 1초 이내로 하여 모재 경도의 약 80%의 경도를 확보한다.

그 결과, 피가공물의 가공면 하층부 또는 가공면 근방의 표층부의 비초미세결정층이 템퍼링이나 어닐링 등의 열영향을 받는 것을 억제하여 가공면의 하층부나 가공면 근방의 표층부의 비초미세결정층의 경도 및 강도를 확보할 수가 있다.

청구항6 기재의 기계부품에 의하면, 청구항1 내지 5중 어느 한 항 기재의 초미세결정층 생성방법에 의해 생성된 초미세결정층을 그 표층부의 적어도 일부에 구비하고 있다. 따라서 기계부품의 표면경도를 향상시키는 것이 가능함과 아울러 압축잔류응력이 부가되어서 피로강도를 향상시킬 수 있고, 또한 고온에서도 재결정이 일어나기 어렵게 되기 때문에 내마모성을 향상시킬 수가 있어서 관련 기계부품의 특성을 향상시킬 수 있다고 하는 효과가 있다.

또한 청구항1 내지 5 중 어느 한 항 기재의 초미세결정층 생성방법에 의해 초미세결정층을 생성하는 것으로, 그와 같은 초미세결정층을 낮은 제조비용으로 생성하는 것이 가능하기 때문에 기계부품 전체로서의 제품코스트를 억제하는 것이 가능하다는 효과가 있다.

청구항7 기재의 기계부품 제조방법에 의하면, 청구항1 내지 5 중 어느 한 항 기재의 초미세결정층 생성방법에 의해 기계부품에 초미세결정층을 생성하는 초미세결정층 생성공정을 적어도 구비하고 있기 때문에 초미세결정층을 안정적으로 생성함과 아울러 그 생성코스트를 억제하여 기계부품을 제조하는 것이 가능하다는 효과가 있다.

청구항8 기재의 나노결정층 생성방법에 의하면, 피가공물에 가공공구를 사용한 기계가공을 행하는 것에 의해, 그 가공면의 표층부에 나노결정층을 생성하기 때문에 종래 기술에서와 같은 피가공물의 형상에 따라 나노결정층의 생성가능한 부위가 한정되거나 나노결정층의 두께나 특성이 불균일화하거나 하는 것을 억제할 수 있어서 나노결정층을 기계부품 등에 안정적으로 생성하는 것이 가능하다는 효과가 있다.

또한 종래기술에서와 같이 금속제 중량추의 충돌장치나 쇼트피닝의 분사장치 등의 특별한 장치를 별도로 설치할 필요가 없기 때문에 장치코스트를 억제하는 것이 가능하다는 효과가 있다. 그리고 제품의 제조공정 면에서, 나노결정층을 생성하기 위한 공정변경을 최소한으로 하는 것이 가능하여 나노결정층의 생성코스트를 낮출 수가 있어서 제품코스트를 억제할 수 있다는 효과가 있다.

한편, 종래의 기술에서는 넓은 범위에 나노결정층을 생성할 경우 돌기나 경질입자의 충돌을 복수 회 반복 수행할 필요가 있기 때문에 가공시간이 길어져서 비효율적이었음에 비하여, 청구항1 기재의 나노결정층 생성방법은 가공공구를 사용한 기계가공에 의해서 나노결정층을 생성하기 때문에 나노결정층을 효율적으로 생성할 수가 있어서 나노결정층의 생성코스트를 저감하는 것이 가능하다는 효과가 있다.

이때, 가공공구를 사용한 기계가공은, 피가공물의 가공면에 진변형율 7 이상의 소성가공을 부여함과 아울러 피가공물의 가공면 재료온도를 소정의 온도범위로 유지하여 행하는 것으로, 그 소정의 온도범위는 피가공물이 철강재료로 이루어진 경우에는 그 철강재료의 Ac1 변태점 이상 융점 미만의 온도범위이고, 피가공물이 철강재료 이외의 다른 금속재료로 구성되는 경우에는 그 금속재료의 절대온도로 환산한 융점의 약 1/2 온도 이상 융점 미만의 온도범위이다.

이와 같이, 피가공물의 가공면의 재료온도를 소정의 온도 이상으로 상승시키는 것으로, 피가공물의 가공면을 연화시키는 것이 가능하기 때문에 공구나 가공기계의 부담을 억제한 가운데 피가공물의 가공면에 진변형율 7 이상의 큰 변형을 부여하는 것이 가능하다는 효과가 있다. 그 결과, 경도가 비교적 높은 재료로 이루어진 피가공물을 가공하는 경우에도 공구의 파손 등을 억제하는 것이 가능하여 피가공물의 가공면 표층부에 나노결정층을 안정적으로 생성할 수 있다는 효과가 있다.

청구항9 기재의 나노결정층 생성방법에 의하면, 청구항8 기재의 나노결정층 생성방법에 따른 효과에 부가하여, 가공공구를 사용한 기계가공은 피가공물의 가공면에서의 재료온도를 소정의 온도범위로 유지하고, 또한 피가공물의 가공면 하층부 또는 가공면 근방의 표층부의 비나노결정층에서의 재료온도가 약 500℃ 이상으로 되는 시간을 약 1초 이내로 하여 모재 경도의 약 80% 이상의 경도를 확보한다.

그 결과, 피가공물의 가공면의 하층부 도는 가공면 근방의 표층부의 비나노결정층이 템퍼링이나 어닐링 등의 열영향을 받는 것을 억제하여 가공면의 하층부나 가공면 근방의 표층부의 비나노결정층의 경도가 저하하는 것을 억제할 수 있는 효과가 있다. 즉, 가공면에 나노결정층을 생성한 가운데 가공면 하층부나 가공면 근방의 표층부의 비나노결정층의 경도 및 강도를 확보하는 것이 가능하다.

청구항10 기재의 나노결정층 생성방법에 의하면, 피가공물에 가공공구를 사용한 기계가공을 행하는 것에 의해서, 그 가공면의 표층부에 나노결정층을 생성하기 때문에 종래의 나노결정층 생성방법에 의해 피가공물의 형상에 따라 나노결정층 생성가능한 부위가 한정되거나 나노결정층의 두께나 특성이 불균일화하는 것을 억제할 수가 있어서 나노결정층을 안정적으로 생성하는 것이 가능하다는 효과가 있다.

또한 종래의 나노결정층 생성방법에서와 같은 금속제 중량추의 충돌장치나 쇼트피닝의 분사장치 등과 같은 특별한 장치를 별도로 설치할 필요가 없게 되어 장치코스트를 억제하는 것이 가능하다는 효과가 있다. 그리고 제품의 제조공정면에 있어서는 나노결정층을 생성하기 위한 공정변경을 최소화하는 것이 가능하여 나노결정층의 생성코스트를 저감해서 그만큼 제품의 제조비용을 억제하는 것이 가능하다는 효과가 있다.

그리고 종래의 나노결정층 생성성방법에서는 넓은 범위의 나노결정층을 생성하는 경우, 돌기나 경질입자의 충돌을 수회에 걸쳐 행할 필요가 있었기 때문에 가공시간이 길어져서 비효율적이었음에 반해서, 청구항1 기재의 나노결정층 생성방법은 가공공구를 사용한 기계가공에 의해서 나노결정층을 생성하기 때문에 나노결정층을 효율적으로 생성할 수가 있어서 나노결정층의 생성코스트를 억제하는 것이 가능한 효과가 있다.

청구항11 기재의 나노결정층 생성방법에 의하면, 청구항10 기재의 나노 결정층 생성방법에 따른 효과에 부가하여, 가공공구를 사용한 기계가공은 피가공물의 가공면에 진변형율 7 이상의 소성가공을 부여하고, 또한 그 가공면의 재료온도를 소정의 상한온도 이하로 유지하여 수행함으로서 피가공물의 가공표면부에 나노결정층을 확실하게 생성할 수가 있다는 효과가 있다.

청구항12 기재의 나노결정층 생성방법에 의하면, 청구항11 기재의 나노결정층 생성방법에 따른 효과에 부가하여, 피가공물의 가공면에서의 재료온도는 기계가공이 행해지는 시간 동안의 평균적인 재료온도 및 가공면 전체에서의 열분포의 평균재료온도가 소정의 상한온도 이하로 되도록 유지되어 진다. 즉 재료온도가 순간적 또는 국부적으로 소정의 상한온도보다도 상승한 경우에 있어서도 평균 재료온도가 소정의 상한온도 이하로 유지되는 것이 바람직한 바, 당해 재료온도의 관리코스트를 저감시켜 나노결정층의 생성비용을 절감하는 것이 가능하다는 효과가 있다.

청구항13 기재의 나노결정층 생성방법에 의하면, 청구항8 내지 12 중 어느 한 항 기재의 나노결정층 생성방법에 따른 효과에 부가하여 가공공구를 사용한 기계가공은 가공면의 표층부에 1/㎛ 이상의 변형구배를 부여하도록 수행되기 때문에 피가공물의 가공면 표층부에 나노결정층을 확실하게 생성하는 것이 가능하다는 효과가 있다.

청구항14 기재의 기계부품에 의하면, 청구항8 내지 13 중 어느 한 항 기재의 나노결정층 생성방법에 의해 생성된 나노결정층을 그 표층부의 적어도 일부에 구비하고 있다. 이에 따라 기계부품의 표면경도를 향상시키는 것이 가능함과 동시에 압축잔류응력이 부가되기 때문에 피로강도를 향상시킬 수가 있고, 그 결과 당해 기계부품의 특성을 향상시키는 것이 가능하다는 효과가 있다.

또한 청구항8 내지 13 중 어느 한 항 기재의 나노결정층 생성방법에 의해 나노결정층을 생성하는 것으로, 당해 나노결정층을 낮은 비용으로 생성하는 것이 가능하여 기계부품 전체로서의 제품코스트를 억제하는 것이 가능하다는 효과가 있다.

청구항15 기재의 기계부품 제조방법에 의하면, 청구항8 내지 13 중 어느 한 항 기재의 나노결정층 생성방법에 의해 기계부품에 나노결정층을 생성하는 나노결정층 생성공정을 구비하고 있기 때문에, 나노결정층을 안정적으로 생성함과 아울러 그 생성코스트를 억제하여 기계부품을 제조하는 것이 가능하다는 효과가 있다.

도1은 본 발명의 제1 실시예의 초미세결정층 생성방법을 설명하는 도면으로서, (a)는 드릴을 이용한 천공가공 중의 피가공물에 대한 단면도이고, (b)는 드릴을 이용한 천공가공 후의 피가공물에 대한 단면도이다.

도2는 제1 가공조건으로서의 절삭조건에 대하여 도시한 것이다.

도3은 구멍부의 단면조직을 보인 것이다.

도4는 제2 실시예의 초미세결정층 생성방법을 설명하는 것으로, 엔드밀을 이용한 절삭가공 중의 피가공물에 대한 사시도이다.

도5는 제3 실시예의 초미세결정층 생성방법을 설명하는 것으로, (a)는 압착공구(pressing tool)를 이용한 슬라이딩 가공 중의 피가공물에 대한 사시도이고, (b)는 (a)의 Vb-Vb 선에 따른 피가공물의 횡단면도이다.

도6은 제4 실시예의 나노결정층 생성방법을 설명하는 것으로, (a)는 드릴을 이용한 천공가공 중의 피가공물에 대한 단면도이고, (b)는 드릴을 이용한 천공가공 후의 피가공물에 대한 단면도이다.

도7은 제4 가공조건으로서의 절삭조건에 대하여 도시한 것이다.

도8은 구멍부의 단면조직을 보인 것이다.

도9는 구멍부의 단면조직을 보인 사진이다.

도10은 도9의 단면조직을 모식적으로 보인 모식도이다.

도11(a)는 구멍부의 표면으로부터의 깊이와 결정의 변위와의 상관관계를 보인 것이고, (b)는 깊이와 전단변형(shearing strain)과의 관계를 보인 것이며, (c)는 깊이와 변형구배와의 관계를 보인 것이다.

도12는 제5 실시예의 나노결정층 생성방법을 설명하는 것으로, 엔드밀을 이용한 절삭가공 중의 피가공물에 대한 사시도이다.

도13은 제6 실시예의 나노결정층 생성방법을 설명하는 것으로, (a)는 드릴을 이용한 천공가공 중의 피가공물의 단면도이고, (b)는 드릴을 이용한 천공가공 후의 피가공물의 단면도이다.

도14는 종래의 절삭조건과 제6 가공조건으로서의 절삭조건을 비교하여 도시한 것이다.

도15는 제7 실시예의 나노결정층 생성방법을 설명하는 것으로, (a)는 압착공구를 이용한 슬라이딩 가공 중의 피가공물에 대한 사시도이고, (b)는 (a)의 XIVb-XIVb선에 따른 피가공물의 횡단면도이다.

도16은 종래의 나노결정층 등의 생성방법(쇼트피닝)을 보인 모식도이다.

[부호의 설명]

W 피가공물

C1 초미세결정층

11 표층(초미세결정층)

C2 나노결정층

31 표층(나노결정층)

C3 나노결정층

D 드릴(가공공구)

E 엔드밀(가공공구)

P 압착공구(가공공구)

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 설명한다. 먼저, 제1 실시예에서는 초미세결정층 생성방법으로 드릴 D(가공공구)을 사용하여 천공가공(기계가공)으로 피가공물의 가공면 표층부에 초미세결정층을 생성하는 방법에 대하여 설명한다.

여기서, 초미세결정이란 그 결정립의 크기(길이)가 100㎚∼1㎛인 결정을 이르며, 초미세결정층이란 그 결정조직의 적어도 50% 이상에 상기의 초미세결정이 포함되어 있는 것을 말한다. 청구항1 내지 7 중 어느 한 항 기재의 「초미세결정층」이란 용어도 동일한 취지이다.

즉, 초미세결정은 그 결정립의 크기(길이)가 어떠한 방향에 있어서도 100㎚∼1㎛로 될 필요는 없는 것으로, 적어도 한 방향으로 100㎚∼1㎛의 범위이면 족하다는 취지이다. 다시 말하면, 초미세결정은 반드시 단면이 원형일 필요는 없고, 편평 형상의 단면으로 이루어진 결정이어도 무방하다.

또한, 초미세결정층은 상기한 초미세결정을 적어도 50% 이상 포함하는 것이라면 혼립조직으로 이루어진 것도 당연히 가능하며, 초미세결정의 잔부가 어떠한 종류의 결정으로 구성되어 있어도 무방하다.

도1은 본발명의 제1 실시예에 따른 초미세결정층 생성방법을 설명하는 것으로, 도1(a)는 드릴 D을 이용한 천공가공 중의 피가공물 W의 단면도이고, 도1(b)는 드릴 D을 이용한 천공가공 후의 피가공물 W의 단면도이다. 도1에서는 드릴 D 및 피가공물 W의 일부가 생략된 채 도시되고 있다.

제1 실시예의 초미세결정층 생성방법에 의하면, 피가공물 W에 대하여 아래에서와 같이 제1 및 제2의 두 가지 가공조건을 각각 만족한 상태로, 드릴 D을 이용해서 구멍부(1)의 천공가공을 행하는 것에 의해서[도1(a)참조] 그 구멍부(1)의 내주면(가공면의 표층부)에 초미세결정층 C1을 생성하는 것이 가능하다.[도1(b)참조]

먼저, 제1 가공조건으로는, 구멍부(1)의 내주면에 적어도 진변형률 1 이상의 소성가공을 부여하는 조건으로 되고, 이는 도2에 도시된 절삭조건을 따르는 것에 의해서 달성된다. 여기서 도2를 참조하여 절삭조건에 대하여 설명한다.

도2는 본 발명의 제1 가공조건으로서의 절삭조건(초미세결정층 생성 절삭조건)에 대하여 도시한 것으로, 횡축은 피가공물 W의 경도(Hv)를 종축은 드릴 D의 주속(m/min, peripheral velocity)을 각각 나타내고 있다.

도2에 도시된 바와 같이, 제1 가공조건은, 드릴 D의 주속 V(m/min)을 피가공물 W의 경도 H(Hv)에 대응하여 규정하는 것으로서, 이와 같은 제1 가공조건에 따라 드릴 D을 이용한 구멍부(1)의 천공가공을 행하는 것으로 구멍부(1)의 내주면에 적어도 진변형율 1 이상의 소성가공을 부여할 수가 있다.

구체적으로는, 도2에 도시된 바와 같이 피가공물 W의 경도 H가 500[Hv] 미만인 경우에는 드릴 D의 주속 V는 V≥175-H/4[m/min]으로 규정되고, 피가공물 W의 경도 H가 500[Hv] 이상인 경우에는 드릴 D의 주속 V는 V≥50[m/min]으로 규정된다.

즉, 드릴 D의 이송송도는 1 회전당 0.3mm 이하로 하는 것이 바람직하다. 드릴 D의 부하를 억제한 채 구멍부(1)의 내주면에 진변형율 1 이상이 소성가공을 확실하게 부여하기 위함이다.

여기서, 제1 가공조건으로서의 절삭조건은 피가공물 W의 경도 H가 500[Hv] 미만인 경우에는 드릴 D의 주속 V를 V≥175-H/4[m/min]로 하고, 그릴 D의 이송속도를 1회전당 0.05mm로 하며, 피가공물 W의 경도 H가 500[Hv] 이상인 경우에는 드릴 D의 주속 V를 75[m/min] 이상으로 함과 아울러 드릴 D의 이송속도를 1회전당 0.05mm 이하로 하는 것이 바람직하다. 드릴 D의 부하를 억제한 가운데 구멍부(1)의 내주면에 진변형율 1 이상의 소성가공을 보다 확실하게 부여하는 것이 가능하게 된다.

즉, 드릴 D에 의한 구멍부(1)의 천공가공은 도1에서와 같이 피가공물 W에 아래로 향하는 구멍을 미리 천공하지 않고 행하는 경우를 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 미리 구멍을 천공한 후에 행해도 무방하다.

구체적으로는 구멍부(1)의 천공가공시에 먼저 규정치보다도 소경의 드릴로 구멍(2)[도1(a)에서는 1점 쇄선으로 도시)을 미리 천공한 다음에 규정된 바의 외경을 갖는 드릴 D 또는 리머에 의해 구멍부(1)를 규정된 경으로 마감하여도 된다. 이 경우 구멍(2)의 천공가공은 통상의 절삭조건(예를 들면, 주속 분당 20m 이하)에 따르는 한편, 드릴 D 또는 리머를 이용한 구멍부(1)의 마감가공은 도2에 도시된 제1 가공조건(초미세결정층 생성 절삭조건)에 따른다.

다음, 제2의 가공조건은 드릴 D에 의한 천공가공 동안에 구멍부(1)의 가공면 재료온도를 소정의 온도범위(이하, 「온도범위」라 칭함.)로 유지하는 것이 조건으로 된다. 즉, 가공부로의 절삭유 등의 공급량이나 드릴 D에 의한 절삭조건(주속 V 혹은 이송속도 등)을 조정하여 구멍부(1)의 가공면 재료온도를 온도범위 내로 유지하는 것이다.

여기서, 온도범위는 피가공물 W이 철강재료로 구성되는 경우에는 재료의 Ac1 변태점 이하 융점 미만으로 되고, 피가공물 W이 철강재료 이외의 다른 금속재료(예를 들면 알루미늄 합금이나 티타늄 합금 등)로 구성되는 경우에는 그 금속재료 융점의 약 1/2 온도 이상 융점 미만으로 된다.

한편, 융점은 절대온도로 계산된 것으로서, 예를 들면 융점이 1500℃ 이면 그 융점의 약 1/2의 온도는 약 886.5K(=1773/2)로 된다.

여기서 제2 가공조건에서의 「온도범위로 유지한다」란, 드릴 D에 의한 구멍부(1)의 천공가공이 개시된 후의 시간적인 평균 재료온도와 구멍부(1)의 가공면 전체에 걸친 열분포의 평균 재료온도가 각각 온도범위로 유지되어 지면 족하다는 취지이다.

따라서, 드릴 D에 의한 구멍부(1)의 천공가공을 개시한 직후의 가공면의 재료온도가 온도범위의 최저온도에 도달하지 않더라도 그 후에 상술한 바의 평균온도가 온도범위로 유지되는 경우라면 제2 가공조건을 만족하는 것으로 된다.

즉, 드릴 D에 의한 구멍부(1)의 천공작업을 개시하기 전에 피가공물 W을 가열수단(예를 들면, 가스로나 전기로 등)으로 가열하여 놓는 것도 당연히 가능하다. 이에 따라, 초미세결정층 C1의 생성을 촉진하는 것이 가능함과 아울러 피가공물 W을 연화시키는 것이 가능하기 때문에 드릴 D(가공공구)이나 가공기계의 부담을 경감시켜서 그 파손 등을 억제할 수가 있다.

다음, 상술한 초미세결정층 생성방법을 적용하여 수행한 천공가공의 결과에 대하여 설명한다. 천공가공에 사용한 피가공물 W은 탄소강(JIS-S55C)로 구성된 것으로서 소입처리에 의해서 그 경도가 약 7.8GPa(800Hv)인 것이다.

이와 같은 피가공물 W에 대하여 상기 제1 및 제2 가공조건에 따라서 드릴 D을 사용하여 구멍부(1)를 천공한 결과, 구멍부(1)의 내주면에는 도1b에 도시된 바와 같이 초미세결정층 C1이 생성되었다. 여기서 도3을 참조하여 구멍부(1)의 내주면을 상세하게 관찰한 결과를 설명한다.

도3은 구멍부(1)의 단면조직을 보인 것이다. 구멍부(1)의 내주면에는 도3에서와 같이 표면측(도3 상측)으로부터 차례로 표면층(11), 제2층(12)이 관찰되었다. 제2층(12) 하층측(도3의 하측)은 무가공영역(드릴 D에 의한 가공의 영향을 받지 않은 영역)(13)이다.

구멍부(1)의 표층(11)에는 입경이 약 600nm 크기의 초미세결정층 C1이 관찰되었다. 이 초미세결정층 C1에서는 경도가 1000Hv까지 향상되어 있음이 확인되었다. 표층(11)은 드릴 D에 의한 가공시의 가열에 의해 α(페라이트)영역(phase)에서 재결정된 후, 다시 (α+γ) 2상 영역으로 가열된 영역에서 잔류 α가 분산상으로 되고, 탄소를 고용한 γ(오스테나이트)가 냉각 중에 ( α+ 마르텐사이트)로 변태하는 것으로 고려되어 진다. 즉, 표층(11)에는 진변형율 1 이상의 소성변형이 부여되어 진다.

이때, 제2 실시예의 표층(11)의 두께[표면으로부터 표층(11) 하면까지의 깊이]는 약 10㎛였다. 단, 해당층의 두께(깊이)는 드릴 D의 주속 V을 빠르게 하는 만큼 증가하는 것으로 관찰되고 있다. 또한, 해당층의 두께(깊이)는 드릴 D의 주속 V이 일정한 경우, 드릴 D의 직경을 크게 할수록 증가하는 것이 관찰되었다.

제2층(12)은 드릴 D의 천공가공에 의해 약 700℃ 까지 가열되어 정적 재결정에 의해 생성된 영역(즉, 천공가공시의 열영향에 의해서 템퍼링된 영역)으로 고려되어 진다. 즉, 상기 제2층(12)이 청구항 5에 기재된 「피가공물의 가공면 하층부의 비초미세결정층」에 대응한다.

여기서, 드릴 D에 의한 천공가공(기계가공)은, 절삭유 등의 공급량이나 절삭조건(주속 V 또는 이송속도 등)을 조정함으로써 가공면에서의 재료온도가 상술한 제2의 가공조건을 만족하도록 제어한 가운데 제2층(12)의 재료온도가 약 500℃ 이상으로 되는 시간을 약 1초 이내로 하는 것이 가능하도록 제어하는 것이 바람직하다. 이와 같이 제2층(12)이 템퍼링되는 것을 억제하여 그 경도 및 강도를 확보하는 것이 가능해지게 된다.

또한, 드릴 D에 의한 천공가공을 완료한 후에는 피가공물 W의 소입에 필요한 냉각속도보다도 빠른 속도로 표층(11)(초미세결정층 C1)을 냉각하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 드릴 D에 의한 소성변형과 열처리 변태를 이용해서 조직을 미세화하는 것이 가능해지기 때문에 초미세결정층 C1의 경도를 보다 확실하게 확보할 수가 있다.

이어서, 초미세결정층 C1이 생성된 피가공물 W에 어닐링 처리를 수행한 결과에 대하여 설명한다. 어닐링 처리는 피가공물 W을 600℃의 분위기 온도 중에 1시간 동안 유지하는 것으로 수행하였다.

어닐링 처리 후의 피가공물 W은 표층(11)에서의 초미세결정층 C1의 입경이 약 600nm로 유지되도록 하였다. 이와 같이, 초미세결정층 C1은 어닐링 처리 의해서 결정립이 재결정되기 어렵고, 온도둔감성이 우수한 것으로 확인되었다.

이어서, 상술한 제1 실시예에 따른 초미세결정층 생성방법을 오토매틱 트랜스미션용의 인풋 샤프트(input shaft)의 제조에 적용해서 그 토션피로강도시험(test for torsion fatigue strength)을 행한 결과에 대하여 설명한다. 인풋 샤프트는 상기의 피가공물 W와 동일한 재료로 구성된 것으로, 축방향으로 연장된 윤활유 도입용의 횡공을 내부에 구비하는 장공이 구비된 샤프트로 형성되어 있다.

상기 인풋 샤프트의 외주면에는 상기의 횡공과 연통하는 윤활유 공급용의 분기공이 복수개 천공되는바, 그 분기공의 천공가공에 있어서 상기의 초미세결정층 생성방법이 적용되고 있다. 따라서, 각 분기공의 내주면에는 초미립결정층 C1이 생성되어서 그 경도가 향상되어 진다.

분기공 형성부에서의 인풋 샤프트의 토션피로강도는, 392Nm의 토크 적용시에 평균 378653회, 451Nm에서는 평균 95727회로 되어 분기공 내주면에 초미세결정층 C1을 갖지 않는 종래의 제품에 비교해서 그 강도(9만회 상당시의 토크 비)가 약 20% 향상되어 있음이 확인되었다.

다음, 도4를 참조하여 제2 실시예에 대하여 설명한다. 제1 실시예의 초미세결정층 생성방법에서는 드릴 D을 사용한 천공가공에 의해 초미세결정층 C1을 생성하였는 바, 제2 실시예의 초미세결정층 생성방법은 엔드밀 E을 사용한 절삭가공에 의해 초미세결정층 C1을 생성한다. 상기의 제1 실시예와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하고, 그에 대한 설명은 생략한다.

도4는 제2 실시예에 따른 초미세결정층 생성방법을 설명하는 것으로, 엔드밀 E에 의한 절삭가공 중에 있는 피가공물 W에 대한 사시도이다. 한편, 도4에서는 엔드밀 E을 지지한 상태로 가공기계로부터의 회전력을 전달하는 홀더의 도시가 생략되어 있다.

제2 실시예의 초미세결정층 생성방법에 의하면, 도4에서와 같이 피가공물 W에 대하여 상술한 제1 및 제2의 2개의 가공조건을 만족한 채, 엔드밀 E(가공공구)에 의한 절삭가공(기계가공)을 행함으로써 그 가공면의 표층부에 초미세결정층 C1을 생성하는 것이 가능하다.

먼저, 피가공물 W 및 엔드밀 E의 상세한 제원에 대하여 설명한다. 피가공물 W는 재질: 탄소강(JIS-SUJ2), 열처리: 소입, 경도: 790[Hv]이고, 엔드밀 E은 재질: 초경합급, 코팅: TiAlN코팅, 공구경: Φ10mm이다. 그리고, 절삭조건은, 주속: 150m/min, 이송속도: 0.18mm/rev, 축방향 절입깊이: 2mm, 직경방향 절입깊이: 0.1mm, 절삭유: 미사용이다.

이와 같은 조건에 의해 피가공물 W의 절삭가공을 수행한 결과, 피가공물 W의 가공면에는 진변형율 1 이상의 소성변형이 부여됨과 아울러(상술한 제1이 가공조건), 그 가공면의 재료온도가 Ac1 변태점 이상으로 상승되어(상술한 제2의 가공조건) 초미세결정층 C1이 가공면에 형성되었다.

이와 같은 절삭가공 후의 피기공물 W을 상세하게 관찰한 결과, 피가공물 W에는 2.5㎛ 정도의 두께를 갖는 초미세결정층 C1이 생성되어 있는 것으로 확인되었다.

다음, 도5를 참조하여 제3 실시예에 대하여 설명한다. 제1 실시예의 초미세결정층 생성방법에서는 드릴 D을 사용한 천공가공에 의해서 초미세결정층 C1을 생성하였는 바, 제3 실시예의 초미세결정층 생성방법은 압착공구 P를 사용한 슬라이딩 가공에 의해 초미세결정층 C1을 생성한다. 한편, 상기 제1 실시예와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하고 그 설명은 생략한다.

도5는 제3 실시예에 따른 초미세결정층 생성방법을 설명하는 것으로, 도5(a)에는 압착공구 P에 의한 슬라이딩 가공 중인 피가공물 W에 대한 사시도이고, 도5(b)는 도5(a)의 Vb-Vb선에 따른 피가공물 W의 횡단면도이다.

도5(a)에서는 피가공물 W를 지지한 상태에서 선반으로부터의 회전력을 전달하는 홀더의 도시가 생략되어 있다. 또한 도5(b)는 압착공구 P에 의한 슬라이딩 가공 후의 피가공물 W의 횡단면도를 보여주고 있다.

제3 실시예에 따른 초미세결정층 생성방법은 경도가 비교적 낮은 재료로 이루어진 피가공물 W의 가공면 표층부에 미세결정층 C1을 안정적으로 생성하기 위한 방법이다. 구체적으로는 피가공물 W에 대하여 상술한 제1의 가공조건을 만족한 가운데 압착공구 P(가공공구)에 의한 외주가공면(21)의 슬라이딩 가공(기계가공)을 행하는 것에 의해[도5(a) 참조] 그 외주가공면(21)의 표층부(가공면의 표층부)에 초미세결정층 C1을 생성한다([도5(b)].

이때, 제3 실시예에 따른 초미세결정층 생성방법에서는 상술한 제1 가공조건과는 다른 조건(이하, 「제3의 가공조건」이라 칭함)이 적용된다.

여기서, 제3의 가공조건으로는 드릴 D에 의한 천공가공의 동안에 외주가공면(21)의 재료온도를 소정의 온도(이하,「상한온도」라 칭함)보다도 저온으로 유지하는 것이 조건으로 된다. 즉, 가공부로의 냉각액의 공급량이나 피가공물 W의 회전속도, 압착공구 P의 압착력 등을 조정하여 외주가공면(21)에서의 재료온도가 상승하는 것을 억제하는 것이다.

상한온도는 피가공물 W이 철강재료로 구성되는 경우에는 그 철강재료의 Ac1 변태점이고, 피가공물 W이 철강재료 이외의 금속재료(예를 들면, 알루미늄 합금이나 티타늄 합금 등)으로 구성되는 경우에는 그 금속재료 융점의 약 1/2 온도이다. 이때, 융점은 상술한 경우와 같이 절대온도로 계산된다.

한편, 제3의 가공조건에서 「상한온도보다도 저온으로 유지한다」라 함은 압착공구 P에 의한 외주가공면(21) 전체에 걸친 열분포의 평균 재료온도가 각각 상한온도보다도 저온으로 유지되면 족하다는 취지이다. 따라서, 가공면의 재료온도가 순간적 또는 국부적으로 상한온도보다도 고온으로 된 경우에도 상술한 평균온도가 상한온도보다도 저온으로 유지되는 경우라면 제3의 가공조건은 만족된 것이다.

슬라이딩 가공이란, 피가공물 W에 회전[도5(a) 화살표 R방향]을 부여함과 동시에 피가공물 W의 외주가공면(21)에 압착공구 P를 소정의 압력으로 압착하여 미끄럼이동시키는 것에 의해 피가공물 W의 외주가공면(21)에 소성가공을 부여하는 가공을 말한다.

피가공물 W 및 압착공구 P의 상세한 제원에 대하여 설명한다. 피가공물 W은 재질: 탄소강(JIS-S10C), 경도: 3.9GPa(400Hv), 가공외주면(21)의 외경:Φ10mm이고, 압착공구 P는 재질: 공구강(JIS-SKD61), 경도: 8.3GPa(850Hv), 공구폭[도5(a)의 좌우방향 폭]: 5mm이다.

이때, 초미세결정층을 생성하기 위해서는 상술한 제1의 가공조건(진변형율 1이상이 소성가공을 부여하는 조건) 및 제3의 가공조건(온도조건)을 모두 만족한 가운데, 압착공구 P의 표면압력(예를 들면, 100MPa), 슬라이딩 가공시간(예를 들면, 3분), 피가공물 W의 회전속도, 냉각액의 공급량 등을 적절하게 조정한다.

다음, 제3 실시예의 초미세결정층 생성방법을 적용하여 수행한 슬라이딩 가공의 결과에 대하여 설명한다. 도5(a)에 도시한 바와 같이, 피가공물 W에 대하여 상술한 제1 및 제3의 가공조건을 만족한 가운데, 압착공구 P를 사용하여 가공외주면(21)에 슬라이딩 가공을 행한 결과 그 가공외주면(21)에는 도5(b)에 도시된 바와 같이 초미세결정층 C1이 생성되었다.

이같은 슬라이딩 가공 후의 피가공물 W을 상세하게 관찰한 결과, 피가공물 W은 초미세결정층 C1이 생성되지 않은 내부의 경도가 3.9GPa(400Hv)이었음에 반해서 초미세결정층 C1의 경도가 1.5배 이상의 경도까지 향상되는 것으로 확인되었다.

그리고, 이와 같이 초미세결정층 C1이 생성된 피가공물 W에 어닐링 처리를 행한 결과에 대하여 설명한다. 이때, 어닐링 처리는 피가공물 W을 600℃의 분위기 온도중에서 1시간 유지하는 것으로 행하였다.

어닐링 처리 후의 피가공물 W은 초미세결정층 C1이 생성되지 않은 내부의 경도가 1.5GPa(150Hv)이었음에 비해서 초미세결정층 C1에서의 경도가 2배 이상의 경도로 되어 높은 경도가 유지되었다. 이와 같이 초미세결정층 C1은 어닐링 처리에 의해서도 결정립의 재결정이 잘 일어나지 않으며 온도둔감성이 우수하기 때문에 제3 실시예에 따른 초미세결정층 생성방법을 일예로 회전축의 미끄럼면에 적용하는 것에 의해 해당 미끄럼면의 내마찰성을 향상시켜서 회전축의 수명향상을 도모할 수가 있다.

이상, 제1 내지 제3 실시예에 따른 본발명을 설명하였는 바, 본 발명은 상기 각 실시예의 어느 것에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 개량변형이 가능한 것임은 용이하게 고려되어 질 수 있는 것이다.

예를 들면, 상기 제1 내지 제3 실시에에서는 초미세결정층 C1을 생성하기 위한 기계가공으로서 드릴 D을 사용한 천공가공, 엔드밀 E을 사용한 절삭가공 또는 압착공구 P를 사용한 슬라이딩 가공을 예로 들어 설명하고 있으나, 반드시 이와 같은 기계가공에 한정되는 것은 아니며, 상술한 제1 및 제2(또는 제3)의 가공조건을 함께 만족하는 기계가공인 경우라면 다른 종류의 기계가공을 본 발명에 적용하는 것이 가능함은 당연하다.

관련된 기계가공으로서는, 예를 들면 바이트 공구를 사용한 선반가공, 밀링공구를 사용한 밀링가공, 바이트 공구를 사용한 평삭가공, 호브(hob) 공구를 사용한 기어치차 가공 등으로 대표되는 절삭가공이나 연마공구를 사용한 연마가공 등으로 대표되는 연삭가공이나, 바니싱 공구(burnishing tool)를 사용한 바니싱 가공 등을 들 수가 있다.

또한 상기 제1 실시예에서는 초미세결정층 C1을 구비하는 기계부품으로서 오포매틱 트랜스미션용 인풋 샤프트를 예로 들어 설명이 이루어졌으나, 반드시 이에 한정되는 것이 아니라 금속재료로 구성되는 것이라면 어떠한 기계부품이라도 가능하며, 자동차용 구조부품일 필요도 없다. 다른 기계부품으로는 예를 들자면 건축용의 구조부품 등을 들 수가 있다.

한편, 상기 제1 내지 제3 실시예에서는 피가공물 W이 철강재료로 구성되는 경우를 설명하였는바, 반드시 이에 한정되는 것은 아니라 피가공물 W을 철강재료 이외의 다른 금속재료로 구성하는 것은 가능함은 당연하다 할 것이다. 철강재료를 제외한 다른 금속재료로는 예를 들면 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 동 등의 금속재료와 그 합금을 들 수가 있다. 즉, 청구항1 내지 7 중 어느 한 항 기재의 금속재료는 철강재료나 여기서 예시된 금속재료로 한정되지 않고 다양한 금속재료가 포함된다는 취지이다.

이어서, 도6 내지 도10을 참조하여 제4 실시예에 대하여 설명한다. 제4 실시예에서는 나노결정층 생성방법으로서 드릴 D(가공공구)를 사용한 천공가공(기계가공)에 의한 피가공물의 가공면의 표층부에 나노결정층을 생성하는 방법에 대하여 설명한다.

여기서, 나노결정층이란 그 결정립의 크기(길이)가 100nm 이하의 결정을 이르며, 나노결정층이란 그 결정조직의 적어도 50% 이상으로 상기의 나노결정이 포함되어 있는 조직을 말한다. 청구항8 내지 15 중 어느 한 항 기재의 「나노결정층」이란 문언도 동일한 취지이다.

한편, 나노결정은 그 결정립의 크기(길이)가 어떠한 방향으로도 100nm 히아로 될 필요는 없고, 적어도 한 방향으로 100nm 이하이면 족하다는 취지이다. 즉, 나노결정은 반드시 단면이 원형인 결정으로 될 필요는 없고 단면이 편평 형상의 결정이어도 무방하다.

또한 나노결정층은 상기한 나노결정을 적어도 50% 이상 포함하는 것이면 혼립조직으로 된 것도 당연히 가능하며, 나노결정의 잔부가 어떠한 형태의 결정으로 구성되어 있더라도 무방하다.

도6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 나노결정층 생성방법을 설명하는 것으로서, 도6(a)는 드릴 D에 의한 천공가공 중의 피가공물 W에 대한 단면도이고, 도6(b)는 드릴 D을 이용한 천공가공 후의 피가공물 W에 대한 단면도이다. 도6에서는 드릴 D 및 피가공물 W의 일부가 생략된 상태로 도시되어 있다.

제4 실시예에 따른 나노결정층 생성방법에 의하면, 피가공물 W에 대하여 이하의 W 및 제5의 두 개의 가공조건을 각각 만족한 가운데 드릴 D을 이용한 구멍부(1)의 천공가공을 행하는 것에 의해[도6(a) 참조] 그 구멍부(1)의 내주면(가공면의 표층부)에 나노결정층 C2를 생성하는 것이 가능하다[도6(b) 참조].

먼저, 제4 가공조건이란, 구멍부(10의 내주면에 적어도 진변형율 7 이상의 소성가공을 부여하는 것이 조건으로 되며, 이는 도7에 도시된 바의 절삭조건을 따름으로서 달성된다. 여기서 도7을 참조하여 절삭조건에 대해 설명한다.

도7은 본 발명의 제4의 가공조건으로서의 절삭조건(나노결정층생성 절삭조건)을 보여주고 있는 것으로서, 횡축은 피가공물 W의 경도(Hv)를 종축은 드릴 D의 주속(m/min)을 각각 나타내고 있다.

도7에 도시된 바와 같이, 제4의 가공조건은 드릴 D의 주속 V[m/min]을 피가공물 W의 경도 H[Hv]에 대응시켜서 규정하는 것으로서 제4의 가공조건에 따라서 드릴 D를 이용한 구멍부(1)의 천공가공을 행하는 것으로 구멍부(1)의 내주면에 적어도 진변형율 7 이상의 소성가공을 부여할 수가 있게 된다.

구체적으로는 도7에서와 같이 피가공물 W의 경도 H가 500[Hv] 미만으로 되는 경우에는 드릴 D의 주속 V은 V≥175-H/4[m/min]으로 규정되고, 피가공물 W의 경도 H가 5OO[Hv] 이상으로 되는 경우에는 드릴 D의 주속 V는 V≥50[m/min]으로 규정된다.

한편, 드릴 D의 이송속도는 1회전당 0.2mm 이하로 되는 것이 바람직하다. 드릴 D의 부하를 억제한 가운데 구멍부(1)의 내주면에 진변형율 7 이상의 소성가공을 확실하게 부여하기 위함이다.

여기서 제4의 가공조건으로서의 바람직한 절삭조건(나노결정층 C2을 생성하기 위한 바람직한 조건)으로는 피가공물 W의 경도 H를 500[Hv] 이상, 드릴 D의 주속 V를 50[m/min] 이상, 그리고 드릴 D의 이송속도를 1회전당 0.2mm 이하로 규정하는 것이다.

보다 바람직한 절삭조건으로는, 피가공물 W의 경도 H를 500[Hv] 이상, 드릴 D의 주속 V를 75[m/min] 이상, 그리고 드릴 D의 이송속도를 1회전당 0.05mm 이하로 규정하는 것이다. 드릴 D의 부하를 억제한 채 구멍부(1)의 내주면에 진변형율 7 이상의 소성가공을 보다 확실하게 부여하는 것이 가능하게 된다.

한편, 드릴 D에 의한 구멍부(1)의 천공가공은 도6에서와 같이 피가공물 W에 구멍을 미리 천공하지 않고 행하는 경우를 설명하였는바, 반드시 이에 한정되지는 않으며 구멍을 미리 천공한 후에 행하는 것도 바람직하다.

구체적으로는, 구멍부(1)의 천공가공시에는 우선 규정에 비해 적은 직경의 드릴로 구멍(2)[도6(a)에서는 일점쇄선으로 표시]을 미리 천공한 다음에 규정된 외경을 갖는 상술한 바의 드릴 D 또는 리머를 이용하여 구멍부(1)를 규정된 경으로 마무리하여도 된다. 이같은 경우에는 구멍(2)의 천공가공은 통상의 절삭조건(예를 들면, 분당 주속 20m 이하)에 따르는 한편 드릴 D 또는 리머에 의한 구멍부(1)의 마무리 가공은 도7에 도시된 바의 제4의 가공조건(나노결정층생성 절삭조건)에 따른다.

다음, 제5의 가공조건은, 드릴 D에 의한 천공가공의 동안에 구멍부(1)의 가공면 재료온도를 소정의 온도범위(이하, 「온도범위」라 칭함)로 유지하는 것을 조건으로 한다. 즉, 가공부로의 절삭유 등의 공급량이나 드릴 D에 의한 절삭조건(주속 V 또는 이송속도 등)을 조정하여 구멍부(1)의 가공면 재료온도를 온도범위 내로 유지한다.

이때, 온도범위는 피가공물 W이 철강재료로 구성되는 경우에는 그 철강재료의 Ac1 변태점 이상 융점 미만으로 되고, 피가공물 W이 철강재료 이외의 다른 금속재료(예를 들면, 알루미늄 합금이나 티타늄 합금 등)으로 구성되는 경우에는 그 금속재료 융점의 약 1/2 온도 이상 융점 미만으로 된다.

한편, 융점은 절대온도로 계산되는 것으로, 예를 들면 융점이 1500℃이면, 그 융점의 약 1/2의 온도는 약 886.5K(=1773/2)로 된다.

여기서, 제5의 가공조건으로서의 「온도범위로 유지한다」라 함은 드릴 D에 의한 구멍부(1)의 천공가공이 개시된 후의 시간적인 평균 재료온도와 구멍부(1)의 가공면 전체에 걸친 열분포의 평균적인 재료온도가 각각 온도범위로 유지되면 족하다는 취지이다.

따라서, 드릴 D에 의한 구멍부(1)의 천공가공을 개시한 직후의 가공면의 재료온도가 온도범위의 최저온도에 도달하지 못하더라도 그 후에 상술한 평균온도가 온도범위로 유지되는 경우라면 제5의 가공조건을 만족하는 것으로 된다.

한편, 드릴 D에 의한 구멍부(1)의 천공가공을 개시하기 전에 피가공물 W을 가열수단(예를 들면, 가스로나 전기로 등)에 의해 가열하여 놓는 것도 당연히 가능하다. 이렇게 함으로서 나노결정층 C2의 생성을 촉진할 수가 있음과 아울러 피가공물 W을 연화시키는 것이 가능하기 때문에 드릴 D(가공공구)이나 가공기계의 부담을 경감시켜서 그 파손 등을 억제할 수가 있다.

이어서, 상술한 나노결정층 생성방법을 적용하여 수행한 천공가공의 결과에 대해서 설명한다. 상기 천공가공에 사용한 피가공물 W은 탄소강(JIS-S55C)로 구성된 것으로서 소입처리에 의해서 그 경도가 약 7.8GPa(800Hv)로 되어 있다.

이와 같은 피가공물 W에 대하여 상술한 제4 및 제5의 가공조건에 따라서 드릴 D을 사용하여 구멍부(1)를 천공한 결과, 구멍부(1)의 내주면에는 도6(b)에 도시된 바와 같이 나노결정층 C2가 생성되었다. 여기서 도8을 참조하여 구멍부(1)의 내주면을 상세하게 관찰한 결과를 설명한다.

도8은 구멍부(1)의 단면조직을 보인 것이다. 구멍부(1)의 내주면에는 도8에 도시된 바와 같이 표면측(도8의 윗쪽)으로부터 순차적으로 표층(31), 제2층(32) 및 제3층(33)이 관찰되었다. 한편, 제3층(33)의 하층측(도8의 아랫쪽)은 무가공영역(드릴 D에 의한 가공의 영향을 받지않은 영역)(14)이다.

구멍부(1)의 표층(31)에는 입경이 약 20nm의 크기를 갖는 나노결정층 C2가 관찰되었다. 이 나노 결정층 C2에는 경도가 1150Hv까지 향상되어 있는 것이 확인되었다. 표층(31)은 드릴 D에 의한 천공가공에 의해 γ영역으로 가열됨과 아울러 큰 변형(진변형율 7 이상)을 받아서 미세한 γ립으로 되고, 그 후의 냉각중에 확산변태로 나노결정층 C2가 생성된 것으로 고려된다.

제2층(32)에서는 입경이 100nm 크기의 초미세결정층이 관찰되었다. 이 미세결정층은 경도가 1000Hv까지 향상되어 있는 것이 관찰되었다. 제2층(32)은 가공 후의 가열에 의해서 α영역에서 재결정된 후, 다시 (α+γ) 2상영역으로 가열된 영역에서 잔류 α가 분산상으로 되고, 탄소를 고용한 γ가 냉각 중에 (α+마르텐사이트)로 변태된 것으로 고려되어 진다. 한편, 제2층(32)에는 진변형율 1 이상(그리고, 진변형율 7 미만)의 소성변형이 부여된다

여기서, 제4 실시예의 표층(31) 및 제2층(32)을 합한 두께[표면으로부터 제2층(32) 저면까지의 깊이)는 약 10㎛ 이었다. 단 해당 층의 두께(깊이)는 드릴 D의 주속 V을 빠르게 할수록 증가하는 것이 관찰되고 있다. 또한 해당 층의 두께(깊이)는 드릴 D의 주속 V이 일정한 경우, 드릴 D의 직경을 크게 할수록 증가하는 것이 관찰되고 있다.

제3층(33)은 드릴 D의 천공가공에 의해서 약 700℃까지 가열되어 정적 재결정에 의해서 생성된 영역(즉, 천공가공시의 열영향에 의해 템퍼링된 영역)으로 고려되어 진다. 한편, 상기 제3층(33)은 청구항9에 기재된 「피가공물의 가공면 하층부의 비나노결정층」에 대응된다.

이때, 드릴 D에 의한 천공가공(기계가공)은 절삭유 등의 공급량이나 절삭조건(주속 V 혹은 이송속도 등)을 조정함으로써 가공면에서의 재료온도가 상술한 제5의 가공조건을 만족하도록 제어한 가운데 제3층(33)에서의 재료온도가 약 500℃ 이상으로 되는 시간을 약 1초 이내로 하는 것이 가능하도록 제어하는 것이 바람직하다. 이와 같이 해서 제3층(33)이 템퍼링되는 것을 억제하여 그 경도 및 강도를 확보할 수가 있게 된다.

또한 드릴 D에 의한 천공가공(기계가공)은 가공면의 표면부에 1/㎛ 이상의 변형구배를 부여하도록 수행하는 것이 바람직하다. 이에 따라 나노결정층 C2를 보다 확실하게 생성하는 것이 가능해 진다.

즉, 1/㎛의 변형구배를 부여하게 되면, 전위밀도가 1평방미터당 약 10의 16승 정도에 이르는바, 이 정도까지 전위밀도가 높아지게 되면 전위를 생성시키는 것 보다도 결정을 미세화하는 편이 에너지가 적어지게 된다. 그에 따라 이 상태에서 기계가공에 의해서 재차 변형을 부여한 경우에는 피가공물 W의 상태를 전위의 생성으로부터 결정의 미세화측으로 천이시키는 것이 가능하다. 그 결과, 1/㎛ 이상의 변형구배를 부여하는 것으로 나노결정층 C2의 생성을 보다 확실하게 하는 것이 가능하게 된다.

또한 상술한 바와 같이 변형구배의 필요치가 미리 판명되면, 나노결정층 C2의 생성에 있어서는 그 필요치에 근거하여 각 가공조건(예를 들면, 냉각방법, 가공속도 또는 재료경도 등)을 조정하면 된다. 따라서 각 가공조건을 설정할 때에는 변형구배값을 가늠하는 것이 가능하기 때문에 각 가공조건의 설정을 용이하고도 고효율로 행하는 것이 가능하고, 그 결과로 작업효율의 향상을 도모할 수가 있다.

한편, 드릴 D에 의한 천공가공(기계가공)을 행할 때에는, 피가공물 W을 미리 액체질소 등의 극저온의 액화가스에 침적시켜 냉각시키는 것도 바람직하다. 이렇게 함으로써 가공시에는 그 가공면의 표층부에 큰 온도구배를 부여하는 것이 가능하기 때문에 일정치 이상의 변형구배의 부여를 용이하게 하여 나노결정층 C2의 생성을 확실하게 할 수 있다. 특히, 변형구배의 부여가 곤란한 정도로 경도가 낮은 재료(예를 들면, 알루미늄 합금 등)에 대해서도 유효하다.

이때, 제4 실시예에서의 기계가공은, 드릴 D을 이용한 천공가공이기 때문에 가공면의 표층부에는 주로 전단변형(shearing strain)이 발생한다. 따라서, 상기의 변형구배의 변형은 전단변형을 의미한다.

한편, 청구항13 기재의 변형구배는 반드시 전단변형에 한정되는 것은 아니고, 전단변형에 부가하여 압축변형과 인장변형을 포함하는 취지이다. 즉, 드릴 D에 의한 천공가공 이외의 다른 가공방법에서는 가공면 표층부의 변형 형태가 상이하여 압축변형 또는 인장변형이 지배적으로 되는 경우도 있다. 이러한 경우에 청구항13 기재의 「변형구배가 1/㎛ 이상」이란 압축변형 또는 인장변형의 변형구배가 1/㎛ 이상으로 되는 것을 의미한다.

즉, 드릴 D에 의한 천공가공(기계가공)이 1/㎛ 이상의 변형구배를 가공면의 표층부에 부여하는 것이라면 가공면의 재료온도는 특별하게 한정되지는 않는다. 다시 말하면, 상기한 바의 제5의 가공조건(가공면의 재료온도를 소정의 온도범위로 유지하는 것)을 만족하지 않는 경우라도 1/㎛ 이상의 변형구배를 가공면의 표층부에 부여하는 것이 가능하다면 나노결정층 C2를 생성하는 것이 가능하게 된다.

따라서, 이 경우의 나노결정층 생성방법은 「금속재료로 이루어진 피가공물에 가공공구를 사용한 기계가공을 행하여 그 가공면에 국부적인 큰 변형을 부여하는 것에 의해서 가공면의 표층부에 나노결정층을 생성하는 나노결정층 생성방법에 있어서, 상기 가공공구를 사용한 기계가공은 피가공물의 가공면에 적어도 진변형율 7 이상의 소성변형을 부여함과 아울러 가공면의 표층부에 1/㎛ 이상의 변형구배를 부여하는 것에 의해서 행해지는 것을 특징으로 하는 나노결정층 생성방법」으로 된다.

다음, 도9 내지 도11도를 참조하여 변형구배의 산출방법에 대하여 설명한다. 도9는 구멍부(1)의 단면조직을 보인 사진이고, 도10은 도시를 간략화하여 이해를 용이하게 하기 위하여 도9의 단면조직을 모식적으로 보인 모식도이다. 그리고, 도11(a)는 구멍부(1) 표면으로부터의 깊이 z와 결정의 변위 x와의 관계를 보인 것이고, 도11(b)는 깊이 z와 전단변형 γ와의 관계를 보인 것이고, (c)는 깊이 z와 변형구배 g와의 관계를 보인 것이다.

한편, 도9 및 도10은 드릴 D의 이송방향에 수직한 단면이고, 가상선 Lz은 절삭방향에 수직한 가상선이다. 또한 깊이 z는 구멍부(1)의 표면을 원점으로 하여 가상선 Lz을 따라 계측되고, 변위 x는 가상선 Lz에 수직한 방향을 따라 계측된다.

드릴 D에 의한 천공가공 전에, 피가공물 W에는 층상결정이 가상선 Lz을 따라서 정열된 상태를 유지하는 바(도면 미도시), 드릴 D에 의한 천공가공을 행하게 되면 각 층상결정은 도9 및 도10에서 도시된 바와 같이 활주방향을 향해서 상당하게 굴곡되어 진다. 이때, 층상결정의 커브(변위 x)는 깊이 z의 지수관계 x(z)로 표시하는 것이 실질적으로 가능하게 된다.

여기서, 하나의 층상결정에 착안하여, 도9 및 도10 도시된 바와 같이 드릴 D에 의한 천공가공 전의 초기위치(즉, 가상선 Lz)로부터의 변위 x를 복수개소(도10에서는 z=5.81㎛ 내지 z=13.2㎛ 까지의 10개소)에서 계측하여 도11(a)에서와 같이 각 계측치(변위 x)를 깊이 z의 함수로 플로팅(plotting) 한다. 이에 따라, 근사식 x(z)=71.3exp(-0.341z)를 얻을 수가 있다.

그 결과, 상기 근사식 x(z)를 깊이 z로 미분하는 것에 의해, γ(z)=24.3exp(-0.341z)를 통해서 전단변형 γ을 깊이 z의 함수 γ(z)로 해서 얻을 수 있다. 함수 γ(z)에 의하면, 전단변형 γ은 구멍부(1)의 표면에서 최대로 되고, 깊이 z가 증가함에 따라 급격하게 감소한다. 또한 진변형율 ε(z)은 전단변형 γ(z)을 평방근(square root) 3으로 나눈 값으로 얻어진다.

그리고, 전단변형 γ(z)를 다시 깊이 z로 미분하는 것에 의해, g(z)=8.29exp(-0.341)를 통해서 변형구배 g를 깊이 z의 함수로서 얻을 수 있다. 즉, 도9 내지 도11에서와 같이, 깊이 z와 변위 x의 관계를 계측해서 양자의 관계를 지수함수로서 근사치를 구하는 것에 의해 소정 깊이의 위치에 있어서의 변형구배를 구할 수가 있다.

한편, 함수 g(z)에 의하면, 구멍부(1) 표면에서의 변형구배 g(0)=8.29이다. 그리고, 나노 결정층 C2의 생성깊이를 평균 z=6.0 정도로 가정하면(도9 참조) 해당 깊이(z=6.0)에서의 변형구배 g(6.0)=1.07이므로, 나노결정층 C2의 생성에는 1/㎛ 이상의 변형구배 g를 부여하는 것이 유효하다는 것이 확인되었다.

다음, 나노결정층 C2이 생성된 피가공물 W에 어닐링처리를 행한 결과에 대하여 설명한다. 이때 어닐링 처리는 피가공물 W을 600℃의 분위기 온도 중에 1시간 유지하는 것으로 하였다.

어닐링 처리 후의 피가공물 W은 표층(31)에서의 나노결정층 C2의 입경이 약 200nm로 유지되었다. 이와 같이 나노결정층 C2는 어닐링 처리에 의해서도 결정립 성장이 어렵고, 소둔둔감성이 우수한 것으로 확인되었다.

상기 제4 실시예에 따른 나노결정층 생성방법을 오토매틱 트랜스미션용 인풋 샤프트 제조에 적용하여 그 토션 피로강도 시험을 행한 결과에 대하여 설명한다. 인풋 샤프트는 상기 피가공물 W과 동일한 재료로 구성된 것으로서, 측방향을 따라서 윤활유 유입용 수평구멍을 내부에 구비한 장공이 구비된 샤프트로 형성되어 있다.

상기 인풋 샤프트의 외주면에는 상기 수평구멍과 연통하는 윤활유 공급용 분기공 복수개가 천공되어 있는바, 이러한 분기공의 천공가공에 상기의 나노결정층 생성방법이 적용되고 있다. 따라서 각 분기공의 내주면에는 나노결정층 C2가 생성되어서 그 경도의 향상이 이루어지고 있다.

분기공 형성부에서의 인풋 샤프트의 토션 피로강도는 392Nm이 토크(torque) 적용시에 약 378653회이고, 451Nm 토크 적용시 95727회로 되어, 분기공의 내주면에 나노결정층 C2을 갖지 않는 종래의 제품에 비해서 그 강도(9만회 상당시의 토크 비)가 약 20% 가량 향상되고 있음이 확인되었다.]

다음, 도12를 참조하여, 제5 실시예에 대하여 설명한다. 제4 실시예의 나노결정층 생성방법에서는 드릴 D을 사용한 천공가공에 의해서 나노결정층 C2를 생성하였는 바, 제5 실시예의 나노결정층 생성방법은 엔드밀 E을 사용한 절삭가공에 의해 나노결정층 C2을 생성하는 것이다. 상기 제4 실시예와 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여하고 그에 대한 설명은 생략한다.

도12는 제5 실시예의 나노결정층 생성방법을 설명하는 것으로, 엔드밀 E에 의한 절삭가공 중의 피가공물 W에 대한 사시도이다. 이에 더하여, 도12에서는 엔드밀 E을 지지한 상태로 가공기계로부터의 회전력을 전달하는 홀더의 도시가 생략되어 있다.

제5 실시예에 따른 나노결정층 생성방법에 의하면, 도12에서와 같이 피가공물 W에 대하여 상기 제4 및 제5의 2개의 가공조건을 만족한 가운데 엔드밀 E(가공공구)에 의한 절삭가공(기계가공)을 수행함으로써 그 가공면의 표층부에 나노결정층 C2를 생성하는 것이 가능하다.

먼저, 피가공물 W 및 엔드밀 E의 상세한 제원에 대하여 설명한다. 피가공물 W은 재질: 탄소강(JIS-SUJ2), 열처리: 소입, 경도: 790[Hv]이고, 엔드밀 E은 재질: 초경합금, 코팅:TiAlN 코팅, 공구직경: Φ10mm 이다. 그리고, 절삭조건은 주속: 150m/min, 이송속도: 0.18mm/rev, 축방향 절입깊이: 2mm, 직경방향 절입깊이: 0.1mm, 절삭유: 미사용이다.

이상과 같은 조건에 의해서 피가공물 W의 절삭가공을 수행한 결과, 피가공물 W의 가공면에는 진변형율 7 이상의 소성가공이 부여됨과 아울러( 상기한 제4의 가공조건), 그 가공면의 재료온도가 Ac1 변태점 이상으로 상승되어(상기한 제5의 가공조건) 나노결정층 C2가 가공면에 생성되었다.

이같은 절삭가공 후의 피가공물 W을 상세하게 관찰한 결과, 피가공물 W에는 2.5㎛ 정도 두께의 나노결정층 C2가 생성되어 있는 것이 확인되었다.

이상, 제4 및 제5 실시예에 의거하여 본 발명을 설명하였다. 본 발명은 상기 각 실시예에 하등 한정됨이 없이 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 개량변형이 가능한 것임에 대해서는 용이하게 상정할 수 있을 것이다.

예를 들면, 상기 제4 실시예에서, 변형구배를 확실하게 부여하기 위한 수단으로, 가공면의 표층부에 온도구배를 부여하는, 즉 피가공물 W을 극저온의 액화가스에 침적하여 냉각시킨 후에 가공을 행하는 방법을 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 다른 수단을 이용하는 것도 당연히 가능하다.

예를 들면, 회전가공(turning operation)의 경우에는 가공면에 레이져광을 조사하여 표면만을 미리 예열한 후에 가공(기계가공)을 행하는 수단을 예로 들 수 있다. 이 경우에도 상술한 경우와 마찬가지로 가공면의 표층부보다도 큰 온도구배를 부여할 수가 있기 때문에 변형구배를 보다 용이하게 할 수 있어서 나노결정층 C2의 생성을 확실하게 할 수가 있다.

한편, 피가공물 W에 일예로 탈탄처리를 행하여 가공면의 표층부에 경도구배를 부여하는 것도 바람직하다. 이와 같이 경도구배를 부여하는 것에 의해서 상술한 온도구배를 부여하는 경우와 마찬가지로 변형구배의 부여를 용이하게 해서 나노결정층 C2의 생성을 확실하게 할 수가 있게 된다.

또한, 상기 제4 및 제5 실시예에서는, 나노결정층 C2을 생성하기 위한 기계가공으로서 드릴 D을 사용한 천공가공과 엔드밀 E을 사용한 절삭가공을 예로 들어 설명하였으나, 반드시 이러한 기계가공에 한정되는 것은 아니며, 상술한 제4 및 제5의 가공조건을 함께 만족하는 기계가공이라면 다른 종류의 기계가공을 본 발명에 적용하는 것은 당연히 가능하다.

관련된 기계가공으로서는, 예를 들어 바이트 공구를 사용한 선반가공, 밀링공구를 사용한 밀링가공, 바이트 공구를 사용한 평삭가공, 호브(hob)를 이용한 기어치차 가공 등으로 대표되는 절삭가공이나, 연삭공구를 사용한 마무리가공 등으로 대표되는 연삭가공 또는 바니싱 공구를 사용한 바니싱 가공 등을 예로 들 수 있다.

그리고, 상기 제4 실시예에서는 나노결정층 C2을 갖는 기계부품으로서 오토매틱 트랜스미션용 인풋 샤프트를 예로 들어 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 금속재료로 구성되는 것이라면 어떠한 기계부품이라도 무방하고, 자동차용 구조부품일 필요는 없다. 다른 기계부품으로서는 예를 들면 건축용의 구조부품 등을 들 수가 있다.

한편, 상기 제4 및 제5 실시예에서는 피가공물 W이 철강재료로 구성되는 경우를 설명하였으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 피가공물 W을 철강재료를 제외한 다른 금속재료로 구성하는 것은 당연히 가능하다. 철강재료 이외의 금속재료로는 예를 들면 알루미늄, 마그네슘, 티탄, 동 등의 금속재료와 그 합금을 들 수 있다. 즉, 청구항1 내지 4 중 어느 한 항 기재의 금속재료는 철강재료나 여기서 예시된 금속재료에 한정되는 것이 아니라, 다양한 종류의 금속재료가 포함된다는 취지이다.

다음, 제6 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 설명한다. 제6 실시예에서 나노결정층 생성방법으로는, 드릴 D(가공공구)을 사용한 천공가공(기계가공)에 의한 피가공물의 가공면 표층부에 나노결정층을 생성하는 방법에 대하여 설명한다.

도13은 본 발명의 제6 실시예에 따른 나노결정층 생성방법을 설명하는 것으로서, 도13(a)는 드릴 D에 의한 천공가공 중인 피가공물 W의 단면도이고, 도13(b)은 드릴 D에 의한 천공가공 후의 피가공물 W에 대한 단면도이다. 이때, 도13에서는 드릴 D 및 피가공물 W의 일부가 생략되어 도시되고 있다.

제6 실시예에 따른 나노결정층 생성방법에 의하면, 피가공물 W에 대하여 이하에서 설명하는 제6 및 제7의 두 가지 가공조건을 각각 만족한 가운데 드릴 D에 의한 구멍부(1)의 천공가공을 행하는 것에 의해[도13(a) 참조] 그 구멍부(1)의 내주면(가공면으 표층부)에 나노결정층 C3을 생성할 수 있다[도13(a)].

먼저, 제6의 가공조건으로는, 구멍부(1)의 내주면에 적어도 진변형율 7 이상의 소성가공을 부여하는 것이 조건으로 되는데, 이는 도14에 보인 절삭조건에 따르는 것에 의해서 달성된다. 도14는 종래의 절삭조건과 본 발명의 제6의 가공조건에 따른 절삭조건(나노결정층 생성조건)을 비교하여 보인 것으로, 횡축은 드릴 D의 이송속도(m/rev)를, 종축은 드릴 D의 주속(m/min)을 각각 나타내고 있다.

도14에 도시된 바와 같이, 제6의 가공조건은 드릴 D의 주속을 분당 50m 이상으로 함과 아울러 드릴 D의 이송속도를 1회전당 0.2mm 이하로 규정한 것으로서, 이같은 제6의 가공조건에 따라서 드릴 D에 의한 구멍부(1)의 천공가공을 행하는 것에 의해서 그 구멍부(1)의 내주면에 적어도 진변형율 7 이상의 소성가공을 부여할 수가 있다.

이때, 제6의 가공조건은 드릴 D의 주속을 분당 75m 이상으로 함과 아울러 드릴 D의 이송속도를 1회전당 0.05mm 이하로 하는 것이 바람직하다. 구멍부(1)의 내주면에 진변형율 7 이상의 소성가공을 보다 확실하게 부여하는 것이 가능하게 된다.

한편, 구멍부(1)의 천공가공시에는, 우선 규정된 것보다도 적은 직경의 드릴로 구멍(2)(도13에서 1점쇄선으로 표시)을 미리 천공하고 난 다음에 규정된 외경을 갖는 상기의 드릴 D 또는 리머를 이용하여 구멍부(1)를 규정된 직경으로 마무리하여도 무방하다. 이때, 구멍(2)의 천공가공은 도14에 도시된 종래의 절삭조건에 따르는 한편, 드릴 D이나 리머를 이용한 구멍부(1)의 마무리가공은 도14에 도시된 제6의 가공조건(나노결정층 생성 절삭조건)에 따른다.

다음, 제7의 가공조건은, 드릴 D에 의한 천공가공의 동안에 구멍부(1)의 가공면 재료온도를 소정의 온도(이하, 「상한온도」라 칭함)보다도 저온으로 유지하는 것이 조건으로 된다. 즉, 가공부에 절삭유 등을 공급하여 그 가공면의 재료온도가 상승하는 것을 억제하는 것이다.

여기서, 상한온도는 피가공물 W이 철강재료로 구성되는 경우에는 그 철강재료의 A1 및 A3 변태점으로 되고, 피가공물 W이 철강재료를 제외한 여타의 금속재료로 구성되는 경우에는 그 금속재료 융점의 약 1/2 온도로 된다. 한편, 융점은 절대온도로 계산되는 것으로, 예를 들면 융점이 1500℃ 라면 상한온도는 약 886.5K(=1773K/2)로 된다.

제7의 가공조건에서 「상한온도보다도 저온으로 유지한다」란, 드릴 D에 의한 구멍부(1)의 천공가공을 수행하는 동안의 시간적인 평균재료 온도와 그 구멍부(1)의 가공 전체면에서의 열분포의 평균재료온도가 각각 상한온도보다도 저온으로 유지되는 것이면 족하다는 취지이다. 따라서, 가공면의 재료온도가 순간적 또는 국부적으로 상한온도보다도 고온으로 된 경우라도 상기의 평균온도가 상한온도보다도 저온으로 유지되는 경우라면 제7의 가공조건은 만족하는 것이다.

다음, 상술한 나노결정층 생성방법을 적용하여 행한 천공가공의 결과에 대하여 설명한다. 상기 천공가공에 사용한 피가공물 W은 합금강(JIS-SCM420H)로 구성된 것으로서 침탄소입 등의 열처리에 의해서 표면의 경화처리가 되어 있다. 한편, 피가공물 W의 경도는 표면의 경도가 6.8GPa(700Hv)이고, 내부의 경도는 3.4GPa(350Hv)를 나타낸다.

상기 피가공물 W에 대하여 상술한 제6 및 제7의 가공조건에 따라서 드릴 D을 사용하여 구멍부(1)를 천설한 결과, 구멍부(1)의 내주면에는 도13(b)에 도시된 바와 같이, 나노결정층 C3이 생성되었다. 생성된 나노결정층 C3을 상세하게 관찰해 본 결과, 나노결정층 C3은 입경이 약 100nm(0.1㎛)이고, 경도가 9.8GPa(980Hv)까지 향상되어 있는 것이 확인되었다. 그리고 나노결정층 C3의 면조도(면거칠기)는 Ra0.7 이었다.

이어서, 상술한 제6 실시예에 따른 나노결정층 생성방법을 오토매틱 트랜스미션용 인풋 샤프트 제조에 적용하여 그 토션 피로강도 시험을 행한 결과에 대하여 설명한다. 인풋 샤프트는 상기의 피가공물 W과 동일한 재료로 구성되어 있는 것으로서, 축방향을 따라서 윤활유 도입용 횡공을 내부에 갖는 장공이 부설된 샤프트로 형성되어 있다.

상기 인풋 샤프트의 외주면에는 상기의 횡공과 연통하는 윤활유 공급용 분기공 복수개가 형성되어 있는 바, 이 분기공의 천공가공에 상기의 나노결정층 생성방법이 적용되고 있다. 따라서, 각 분기공의 내주면에는 나노결정층이 생성되어 그 경도의 향상이 이루어지고 있다.

분기공 형성부에서의 인풋 샤프트 토션 피로강도는 392Nm의 토크 부가시 평균 378653회이고, 451Nm의 토크 부가시 95727회로 되어, 분기공의 내주면에 나노결정층을 갖지 않는 종래 제품에 비교하여 그 강도(9만회 상당시의 토크 비)가 약 20% 향상되고 있음이 확인되었다.

다음, 도15도를 참조하여 실시예7에 대하여 설명한다. 제6실시예의 나노결정층 생성방법에서는 드릴을 사용한 천공가공에 의해서 나노결정층을 생성하였으나, 제7실시예의 나노결정층 생성방법은 압착공구 P를 사용한 슬라이딩 가공에 의해 나노결정층을 생성한다. 여기서 상기 제6 실시예와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하고 그 설명은 생략한다.

도15는 제7 실시예의 나노결정층 생성방법을 설명하는 것으로, 도15(a)는 압착공구 P에 의한 슬라이딩 가공 중의 피가공물 W에 대한 사시도이고, 도15(b)는 도15(a)의 XIVb-XIVb선에 따른 피가공물 W의 횡단면도이다. 이때, 도15(a)에서는 피가공물 W을 지지한 상태로 선반으로부터의 회전력을 전달하는 홀더의 도시가 생략되어 있다. 그리고 도15(b)는 압착공구 P에 의한 슬라이딩 가공 후의 피가공물 W에 대한 횡단면도를 도시하고 있다.

제7 실시예에서의 나노결정층 생성방법에 의하면, 피가공물 W에 대하여 상술한 제6 및 제7의 2개의 가공조건을 만족한 가운데, 압착공구 P(가공공구)에 의한 외주가공면(41)의 슬라이딩 가공(기계가공)을 행하는 것에 의해서[도15(a) 참조] 그 외주가공면(41)의 표층부(가공면의 표층부)에 나노결정층 C3을 생성하는 것이 가능하다.[도15(b)].

한편, 슬라이딩 가공은, 피가공물 W에 회전[도15(a) 화살표 R방향]을 부여함과 동시에 피가공물 W의 외주가공면(41)에 압착공구 P를 소정의 압력으로 압착하여 미끄럼 이동시킴에 의해 피가공물 W의 외주가공면(41)에 소성가공을 부여하는 가공이다.

먼저, 피가공물 W 및 압착공구 P의 상세한 제원에 대하여 설명한다. 피가공물 W은 재질: 탄소강 (JIS-S10C), 가공외주면(41)의 외경: Φ10mm 이고, 압착공구 P는 재질: 공구강(JIS-SKD61), 경도: 8.3GPa(850Hv), 공구폭[도15(a) 좌우방향폭]: 5mm 이다.

여기서, 나노결정층을 생성하기 위해서는, 상술한 제6의 가공조건(진변형율 7 이상의 소성가공을 부여하는 조건)을 만족하도록 압착공구 P의 압착면압을 100MPa이상으로 유지함과 아울러 슬라이딩 가공시간을 3분 이상으로 할 필요가 있다. 이때, 피가공물 W의 회전속도는 특별히 제한되지 않는다.

한편, 피가공물의 회전속도를 분당 25회전 이상으로 하고, 압착공구 P의 압착면압을 400MPa 이상으로 함과 아울러 슬라이딩 가공시간을 5분 이상으로 함과 동시에 냉각액(예를 들면, 메탄올)의 공급량을 분당 50ml 정도로 하는 것이 보다 바람직하다.

다음, 제7 실시예의 나노결정층 생성방법을 적용하여 수행한 슬라이딩 가공의 결과에 대하여 설명한다. 도15(a)에서와 같이, 피가공물 W에 대하여 상술한 제6 및 제2의 가공조건을 만족한 가운데 압착공구 P를 사용하여 가공외주면(41)에 슬라이딩 가공을 행한 결과 그 가공외주면(41)에는 도15(b)에 도시되 바와 같이 나노결정층 C3이 생성되었다.

이러한 슬라이딩 가공 후의 피가공물 W을 상세하게 관찰한 결과, 피가공물 W은 나노결정층 C3이 생성되지 않은 내부의 경도가 3.9GPa(400Hv)였음에 반하여, 나노결정층 C3에서의 경도는 7.0GPa(720Hv)까지 향상되어 있는 것으로 확인되었다.

또한, 이같은 나노결정층 C3이 생성된 피가공물 W에 어닐링 처리를 행한 결과에 대하여 설명한다. 이때, 어닐링 처리는 피가공물 W을 600℃ 의 분위기 온도 중에 1시간 유지하는 것으로 행하였다.

어닐링 처리 후의 피가공물 W은 나노결정층 C3이 생성되지 않은 내부의 경도가 1.5GPa(155Hv) 이었음에 대하여, 나노결정층 C3에서의 경도는 3.9GPa(400Hv)이고, 높은 경도가 유지되었다. 이와 같이 나노결정층 C3은 어닐링 처리에 의해서도 결정립의 재결정이 이루어지지 않고 온도둔감성이 우수하기 때문에 제7 실시예에 따른 나노결정층 생성방법을 일예로 회전축의 마찰면에 적용하는 것에 그 마찰면이 내마모성을 향상시켜서 회전축의 수명을 향상시킬 수가 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 나노결정층 생성방법은 피가공물 W에 드릴 D이나 압착공구 P를 사용한 기계가공(천공가공, 슬라이딩 가공)을 행하여, 그 가공면[구멍부(1)의 내주면, 가공외주면(41)의 표층부에 나노결정층 C3를 생성하기 때문에 종래의 쇼트피닝 등을 사용하는 나노결정층 생성방법에서 나노결정층 C3을 생성하는 것이 불가능한 부위에도 나노결정층 C3을 생성할 수가 있음과 아울러 균일한 나노결정층 C3을 안정적으로 생성할 수 있다.

또한, 본 발명의 나노결정층 생성방법에 의하면, 종래의 나노결정층 생성방법에서와 같은 쇼트피닝의 분사장치(100)(도4 참조) 등의 특별한 장치를 별도로 설치할 필요가 없기 때문에 장치비용을 절감할 수 있다. 그리고 제품의 제조공정에 있어서는 나노결정층 C3을 생성하기 위하여 수반되는 공정변경을 최소한으로 하여 나노결정층의 생성코스트를 저감할 수가 있어서 그만큼 제품의 제조비용을 낮출 수 있다.

예를 들면, 제6 실시예에서는 드릴 D을 사용하여 구멍부(1)의 천공가공과 동시에 나노결정층 C3을 생성하는 것이 가능하기 때문에 나노결정층 C3을 생성하기 위한 공정의 추가를 필요로 하지 않을 수 있다. 또한 제7 실시예에서는 가공외주면(41)을 바이트에 의해 외경절삭한 후, 그 바이트를 압착공구 P로 변경하는 것만으로, 즉 피가공물 W을 홀더에 지지한 상태에서 나노결정층 C3을 생성하는 것이 가능하기 때문에 공정변경을 최소한으로 억제하는 것이 가능하다.

이에 더하여, 종래의 나노결정층 생성방법에서는 넓은 범위에 나노결정층 C3을 생성하는 경우, 돌기나 경질입자 G(도4 참조)의 충돌을 다수 회에 걸쳐 반복할 필요가 있기 때문에 가공시간이 증대되는 비효율적인 면이 있었음에 반해서, 본 발명의 나노결정층 생성방법에 의하면, 드릴 D이나 압착공구 P를 사용한 기계가공(천공가공, 슬라이딩 가공)에 의해 나노결정층 C3을 생성하기 때문에 나노결정층 C3을 효율적으로 생성할 수가 있어서 그만큼 나노결정층 C3의 생성비용을 절감할 수가 있다.

이상, 제6 및 제7 실시예에 기초하여 본 발명을 설명하였다. 본 발명은 상기 각 실시예의 어느 것에 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 개량변형이 가능하다는 점에 대하여는 용이하게 이해될 것이다.

예를 들면, 제6 및 제7 실시예에서, 나노결정층을 생성하기 위한 기계가공으로서 드릴 D을 사용한 천공가공이나 압착가공 P을 사용한 슬라이딩 가공을 예로 들어 설명하였으나, 반드시 이 같은 기계가공에 한정되는 것은 아니고, 상술한 제6 및 제7의 가공조건을 함께 만족하는 기계가공이라면 다른 종류의 기계가공을 본 발명에 적용하는 것도 당연히 가능하다.

관련된 기계가공으로는, 예를 들면 바이트공구를 사용한 선반가공, 밀링공구를 이용한 밀링가공, 바이트공구를 사용한 평삭가공, 호브공구를 사용한 기어치차가공 등으로 대표되는 절삭가공이나, 연마공구를 사용한 마무리가공 등으로 대표되는 연삭가공이나, 바니싱공구를 사용한 바니싱가공(광택가공) 등으로 대표되는 연마가공 등을 예로 들 수 있다.

또한, 상기 제6 실시예에서는 나노결정층 C3을 갖는 기계부품으로서, 오토매틱 트랜스미션용의 인풋 샤프트를 예로들어 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 금속재료로 구성되는 것이라면 어떠한 기계부품이라도 무방하고, 자동차용 구조부품일 필요는 없다. 다른 기계부품으로서는 건축용 구조부품을 예로 들 수가 있다.

한편, 상기 제6 및 제7 실시예에서, 피가공물 W은 철강재료로 구성되는 경우를 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 피가공물 W을 철강재료 이외의 다른 금속재료로 구성하는 것도 당연히 가능하다. 철강재료를 제외한 다른 금속재료로는, 예를 들면 알루미늄, 마그네슘, 티탄, 동 등의 금속재료와 그 합금을 들 수가 있다. 즉, 청구항1 내지 5 중 어느 한 항 기재의 금속재료는 철강재료나 여기서 예시된 금속재료에 한정되는 것이 아니라 여러 종류의 금속재료가 포함된다는 취지이다.

Claims

금속재료로 구성되는 피가공물에 가공공구를 사용한 기계가공을 행하여, 그 가공면에 국부적으로 큰 변형을 부여하는 것에 의해서 상기 가공면의 표층부에 초미세결정층을 생성하는 초미세결정층 생성방법에 있어서,

상기 가공공구를 사용한 기계가공은 상기 피가공물의 가공면에 진변형율 1 이상의 소성가공을 부여하는 것을 특징으로 하는 초미세결정층 생성방법.
제1항에 있어서, 상기 가공공구를 사용한 기계가공은, 상기 피가공물의 가공면에서의 재료온도를 소정의 상한온도 미만으로 유지하여 행하는 것으로서,

그 소정의 상한온도는,

상기 피가공물이 철강재료로 구성되는 경우에는 그 철강재료의 Ac1 변태점이고,

상기 피가공물이 철강재료를 제외한 다른 금속재료로 구성되는 경우에는 그 금속재료의 절대온도로 환산한 융점의 1/2 온도인 것을 특징으로 하는 초미세결정층 생성방법.
제1항에 있어서, 상기 가공공구를 사용한 기계가공은 상기 피가공물의 가공면에서의 재료온도를 소정의 온도범위로 유지하여 행하는 것으로서,

그 소정의 온도범위는,

상기 피가공물이 철강재료로 구성되는 경우에는 그 철강재료의 Ac1 변태점 이상 융점 미만의 온도범위이고,

상기 피가공물이 철강재료를 제외한 다른 금속재료로 구성되는 경우에는 그 금속재료의 절대온도로 환산한 융점의 1/2의 온도 이상 융점 미만의 온도범위인 것을 특징으로 하는 초미세결정층 생성방법.
제3항에 있어서, 상기 피가공물이 철강재료로 구성되는 경우에는 상기 가공공구를 사용한 기계가공을 행한 후, 상기 피가공물의 소입에 필요한 냉각속도보다도 빠른 속도로 상기 가공면을 냉각하는 것을 특징으로 하는 초미세결정층 생성방법.
제2항에 있어서, 상기 가공공구를 사용한 기계가공은,

상기 피가공물의 가공면에서의 재료온도를 상기 소정의 상한온도 미만으로 유지하고,

또한, 상기 피가공물의 가공면 하층부 또는 가공면 근방의 표층부의 비초미세결정층에서의 재료온도가 500℃ 이상으로 되는 시간을 1초 이내로 하고, 피가공물 경도의 80% 경도를 확보하는 것을 특징으로 하는 초미세결정층 생성방법.
금속재료로 구성되고 그 표층부의 적어도 일부에 상기 청구항1 내지 5 중 어느 한 항 기재의 초미세결정층 생성방법에 의해 생성된 초미세결정층을 구비하는 것을 특징으로 하는 기계부품.
금속재료로 구성되고, 그 표층부의 적어도 일부에 초미세결정층이 생성된 기계부품을 제조하는 기계부품 제조방법으로서,

상기 청구항1 내지 5 중 어느 한 항 기재의 초미세결정층 생성방법에 의해 상기 기계부품에 초미세결정층을 생성하는 초미세결정층 생성공정을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 기계부품 제조방법.
금속재료로 구성되는 피가공물에 가공공구를 사용한 기계가공을 행하여 그 가공면에 국부적으로 큰 변형을 부여하는 것에 의해서 가공면의 표층부에 나노결정층을 생성하는 나노결정층 생성방법으로서,

상기 가공공구를 사용한 기계가공은 상기 피가공물의 가공면에 진변형율 7 이상의 소성가공을 부여함과 아울러 상기 피가공물의 가공면에서의 재료온도를 소정의 온도범위로 유지시켜 수행하는 것으로서,

그 소정의 온도범위는,

상기 피가공물이 철강재료로 구성되는 경우에는 그 철강재료의 Ac1 변태점 이상 융점 미만의 온도범위이고,

상기 피가공물이 철강재료를 제외한 다른 금속재료로 구성되는 경우에는 그 금속재료의 절대온도로 환산한 융점의 1/2 온도 이상 융점 미만의 온도범위인 것을 특징으로 하는 나노결정층 생성방법.
제8항에 있어서, 상기 가공공구를 사용한 기계가공은,

상기 피가공물의 가공면에서의 재료온도를 상기 소정의 온도범위로 유지하고,

또한, 상기 피가공물의 가공면 하층부 또는 가공면 근방의 표층부의 비나노결정층에서의 재료온도가 500℃ 이상으로 되는 시간을 1초 이내로 하고, 피가공물 경도의 80% 이상의 경도를 확보하는 것을 특징으로 하는 나노결정층 생성방법.
금속재료로 구성되는 피가공물의 가공면에 나노결정층을 생성하는 나노결정층 생성방법으로서,

상기 피가공물에 가공공구를 사용한 기계가공을 행하여 그 가공면에 국부적으로 큰 변형을 부여하는 것에 의해서 가공면이 표층부에 나노결정층을 생성하는 것을 특징으로 하는 나노결정층 생성방법.
제10항에 있어서, 상기 가공공구를 사용한 기계가공은, 피가공물의 가공면에 진변형율 7 이상의 소성가공을 부여함과 아울러 피가공물의 가공면에서의 재료온도를 소정의 상한온도 이하로 유지시켜 행하는 것으로서,

그 소정의 상한온도는 상기 피가공물이 철강재료로 구성되는 경우에는 그 철강재료의 A1 및 A3 변태점이고, 피가공물이 철강재료를 제외한 다른 금속재료로 구성되는 경우에는 그 금속재료의 절대온도로 환산한 융점의 1/2 온도인 것을 특징으로 하는 나노결정층 생성방법.
제11항에 있어서, 상기 피가공물의 가공면에서의 재료온도는 기계가공이 행해지는 동안의 시간적인 평균 재료온도 및 가공면 전체에 걸친 열분포의 평균 재료온도가 소정의 상한온도 이하로 되도록 유지되는 것을 특징으로 하는 나노결정층 생성방법.
제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가공공구를 사용한 기계가공은 가공면의 표층부에 1/㎛ 이상의 변형구배를 부여하도록 행하는 것을 특징으로 하는 나노결정층 생성방법.
금속재료로 구성되고, 그 표층부의 적어도 일부에 상기 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항 기재의 나노결정층 생성방법에 의해 생성된 나노결정층을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 기계부품.
금속재료로 구성되고, 그 표층부의 적어도 일부에 나노결정층이 생성된 기계부품을 제조하는 기계부품 제조방법으로서,

상기 청구항8 내지 12 항 중 어느 한 항 기재의 나노결정층 생성방법에 의해서 기계부품에 나노결정층을 생성하는 나노결정층 생성공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 기계부품 제조방법.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 가공공구를 사용한 기계가공은,

상기 피가공물의 가공면에서의 재료온도를 상기 소정의 온도범위로 유지하고,

또한, 상기 피가공물의 가공면 하층부 또는 가공면 근방의 표층부의 비초미세결정층에서의 재료온도가 500℃ 이상으로 되는 시간을 1초 이내로 하고, 피가공물 경도의 80% 경도를 확보하는 것을 특징으로 하는 초미세결정층 생성방법.
금속재료로 구성되고 그 표층부의 적어도 일부에 상기 청구항 16 기재의 초미세결정층 생성방법에 의해 생성된 초미세결정층을 구비하는 것을 특징으로 하는 기계부품.
금속재료로 구성되고, 그 표층부의 적어도 일부에 초미세결정층이 생성된 기계부품을 제조하는 기계부품 제조방법으로서,

상기 청구항 16 기재의 초미세결정층 생성방법에 의해 상기 기계부품에 초미세결정층을 생성하는 초미세결정층 생성공정을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 기계부품 제조방법.
금속재료로 구성되고, 그 표층부의 적어도 일부에 상기 제13항 기재의 나노결정층 생성방법에 의해 생성된 나노결정층을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 기계부품.
금속재료로 구성되고, 그 표층부의 적어도 일부에 나노결정층이 생성된 기계부품을 제조하는 기계부품 제조방법으로서,

상기 청구항 13항 기재의 나노결정층 생성방법에 의해서 기계부품에 나노결정층을 생성하는 나노결정층 생성공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 기계부품 제조방법.