KR100766773B1 - 자동변속기용 기어의 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동변속기용 기어의 열처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 개선된 열처리 방법에 의해 미세한 오스테나이트 결정립 조직을 형성시켜 기어의 피로수명 및 내구강도를 증대시키는 자동변속기용 기어의 열처리 방법에 관한 것이며, 자동변속기에 사용하는 기어의 열처리 방법에 있어서, 890℃로 20분간 예열하는 단계와, RX 가스 및 암모니아 가스를 로 내에 도입하여 RX 및 암모니아 분위기에서 910 ~ 940℃ 온도 범위로 200분간 가열하는 침탄 확산 단계와, 850℃로 200분간 균일 가열하는 단계, 230℃로 20분간 급냉시키는 퀀칭단계와, RX 가스 및 프로판 가스를 로 내에 도입하여 RX 및 프로판 분위기에서 850℃로 120분간 가열하는 2차열처리단계와, 230℃로 20분간 급냉시키는 퀀칭단계를 순차적으로 포함하는 것을 특징한다.

열처리, 자동변속기, 기어, 침탄질화

Description

자동변속기용 기어의 열처리 방법 {A method of heat treatment for gears in an automatic transmission}

도 1은 종래의 자동변속기 구조를 도시한 개략도.

도 2는 종래의 열처리 방법에 의하여 제조된 자동변속기용 기어의 현미경조직을 도시한 조직도.

도 3은 본 발명의 자동변속기용 기어의 열처리 방법에 의하여 제조된 자동변속기용 기어의 현미경 조직을 도시한 조직도.

도 4는 본 발명의 자동변속기용 기어의 열처리 방법을 도시한 공정 그래프.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 >

1 : 유성기어세트 2 : 아웃풋

3 : 차동기어

본 발명은 자동변속기용 기어의 열처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하 게는 개선된 열처리 방법에 의해 미세한 오스테나이트 결정립 조직을 형성시켜 기어의 피로수명 및 내구강도를 증대시키는 자동변속기용 기어의 열처리 방법에 관한 것이다.

자동변속기는 자동차 엔진에서 발생하는 회전력을 적당한 차속으로 변환하기 위하여 도 1에 도시되어 있듯이, 보통 2 ~ 3개의 유성기어세트(1)와 아웃풋기어(2) 및 차동기어(3) 등이 내장되며 클러치 및 브레이크와 조합하여 변속을 하는 구조로 되어 있다.

이러한 기어류는 엔진의 동력을 전달하기 때문에 기어의 치면은 과다한 접촉응력과 굴곡응력을 반복적으로 받게 되므로 접촉면의 피로손상 및 기어 치의 절손 등이 발생할 우려가 있다.

따라서 이러한 손상을 방지하기 위하여 일반적으로 자동변속기용 기어류는 크롬과 망간이 다량 첨가된 표면경화합금강을 침탄열처리 또는 침탄질화열처리를 실시하여 제조한다.

강도와 경도를 향상시키기 위하여 탄소 질소 화합물을 형성하는데, 이때 탄소 질소 분위기에서 가열하게 된다. 탄소는 강의 강도를 향상시키는데에 가장 효과적이고 중요한 원소로서, 오스테나이트에 고용하여 퀀칭(quenching) 열처리시 마르텐사이트 조직을 형성시키게 한다. 탄소량의 증가와 함께 퀀칭경도를 향상시키지만 퀀칭시 변형유발가능성을 크게 한다. Fe, Cr, Mo, V 등의 원소와 화합하여 탄화물을 형성하므로써 강도 및 경도를 향상시킨다.

같이 첨가하는 망간(Mn)은 통상적으로 탄소강에는 0.35∼1.0% 정도의 Mn이 함유되어 있다. 이 Mn의 일부는 강 속에 고용되며, 나머지는 강 속에 함유되어 있는 S와 결합하여 비금속개재물(nonmetallic inclusion)인 MnS를 결정립내에 형성하는데, 이 MnS는 연성이 있어서 소성가공시에 가공방향으로 길게 연신된다. 그러나 이 MnS의 형성으로써 강 속의 S의 양이 감소되므로 결정립계에 형성되는 취약하고 저융점화합물인 FeS의 형성을 억제시킨다.

한편 Mn에 의해서 펄라이트가 미세해지고, 페라이트를 고용강화시키므로써 탄소강의 항복강도를 향상시킨다. 또 퀀칭시 경화깊이를 증가시키지만, 많은 양이 함유되어 있을 때에는 퀀칭균열이나 변형을 유발시킨다. 그리고 Mn은 강에 점성을 부여하므로 1.0∼1.5%Mn이 첨가된 강을 강인강(强靭鋼)이라고 부르며, 특히 1.3%C, 13%Mn이 함유된 오스테나이트강을 Hadfield 강(鋼)이라고 부르며 옛날로부터 유명한 강이다. 단 Mn은 강의 내산성(耐酸性) 및 내산화성(耐酸化性)을 저해하는 원소이다.

크롬은 13%까지 첨가로서 오스테나이트 영역을 확장시킨다. 염가이고, 다량 첨가해도 취화를 일으키지 않는 탄화물을 형성시킨다. 10%이상 첨가하면 스테인리스강으로 되고, 내산화성을 향상시키고 내유화성을 개선하므로 구조용강, 공구강, 스테인리스강 및 내열강의 거의 전부에 함유되어 있는 가장 중요하고 보편적인 합금원소이다. 단 Cr 첨가량이 많게 되면 σ상이라고 하는 비자성의 취약한 상이 나타난다. Cr은 또한 저온취성과 수소취성을 방지하는 효과가 있지만 템퍼링 취성은 조장한다.

이러한 기어류 제조시 실시하는 종래의 침탄열처리 또는 침탄질화열처리 방 법은 열처리 대상품을 910 ~ 950의 온도 범위로 승온하여 탄소 및 질소 화합물이 생성되도록 3 ~ 6시간 동안 탄소 질소 분위기에서 가열한 후, 약 850℃ 정도로 냉각하여 유냉 또는 염욕에 의한 담금질 처리를 실시한다.

이러한 침탄열처리 침탄질화열처리를 실시함으로써 표면은 충분한 경도를 가지며, 내부는 인성이 높은 기어를 제작할 수 있다.

그러나 종래의 열처리 방법은 비교적 고온(910 ~ 950℃)에서 장시간 가열을 함으로써 열처리 제품은 도 2와 같이 조대한 오스테나이트 결정 조직을 갖게 되며, 이는 기어 접촉면의 피로 수명저하 및 강도저하의 문제를 야기하게 된다.

상온에서 오스테나이트 조직을 갖는 일부의 강과는 달리 통상 오스테나이 트는 A1 변태점이상의 고온에서 단정하고 상온에서는 페라이트, 퍼얼라이트, 마르텐사이트 등의 전혀 다른 조직으로 변하며 안정한 상으로 존재하지 않는다. 그럼에도 고온상인 오스테나이트의 결정립 크기가 상온에서 강의 충격치에 큰 영향을 미친다. 공석 탄소강의 담금질, 템퍼링후 상온 충격치는 고온상인 오스테나이트의 결정입이 클 때 저하된다. 이것은 담금질, 템퍼링 만이 아니라 풀림, 노말라이징 등의 열처리상태에서도 성립되며 흔히 사용중의 파손 사고 원인이 되므로 최종 열처리시 오스테나이트 결정립의 조대화에 특히 주의가 필요하다.

그외 오스테나이트 결정립의 조대화는 담금질균열의 원인이되므로 담금질 시 이점에 극히 유의하여야 한다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 엔진의 동력을 전달하여 과다한 접촉응력과 굴곡응력을 반복적으로 받는 기어류의 상온 충격치를 증대시키기 위해 오스테나이트 결정립을 미세하게 형성시켜 피로수명 및 내구강도를 향상시키는 열처리 방법을 제공하고, 이에 의해 자동변속기의 수명 향상 및 부품의 축소 설계를 가능하게 하여 생산원가 절감 및 변속기 중량 감소를 이루고자 하는 목적이 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 자동변속기에 사용하는 기어의 열처리 방법에 있어서, 890℃로 20분간 예열하는 단계와, RX 가스 및 암모니아 가스를 로 내에 도입하여 RX 및 암모니아 분위기에서 910 ~ 940℃ 온도 범위로 200분간 가열하는 침탄 확산 단계와, 850℃로 200분간 균일 가열하는 단계, 230℃로 20분간 급냉시키는 퀀칭단계와, RX 가스 및 프로판 가스를 로 내에 도입하여 RX 및 프로판 분위기에서 850℃로 120분간 가열하는 2차열처리단계와, 230℃로 20분간 급냉시키는 퀀칭단계를 순차적으로 포함하는 것을 특징하는 자동변속기용 기어의 열처리 방법을 제공한다

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석하여서는 되지 않고, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방 법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명은 기어류에 사용하는 침탄열처리 또는 침탄질화열처리 방법을 개선하여 조대한 오스테나이트 결정 조직이 발생하지 않게 하여 미세한 결정립 조직을 가지도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 열처리 방법은 도 4에 도시되어 있듯이, 890에서 20분간 예열한다. 오스테나이트화의 전단계인 예열(豫熱, preheating)을 하는 목적은 부품의 전단면을 가능한한 균일하게 승온시켜서 열처리변형을 경감시키기 위한 것이다. 특히 염욕가열과 같이 급속가열되는 경우에는 예열이 필수적이다.

다음 단계로 침탄과 확산을 위하여 탄소와 질소 분위기에서 가열을 하게 되는데, 본 발명에서는 910 ~ 940의 온도로 200분간 가열한다. 이때 장시간의 가열이 아니라 200분 이내의 시간동안 가열하여 강의 표면만 침탄되어 표면강화되도록 한다. 이를 위하여 RX 가스, 프로판 가스, 암모니아 가스를 로 내에 도입하여 RX, 프로판, 암모니아 분위기에서 가열한다.
여기서, RX 가스는 흡열형 변성가스로서 변성로에서 발생하는 캐리어(carrier) 가스를 의미한다.
즉, 가스 침탄에 사용되는 가스는 프로판 등을 원료로 공기와 적정량을 혼합합 후 고온으로 가열하여 얻어지며, 이때 얻어지는 가스를 일반적으로 흡열형 변성가스 또는 RX 가스라 한다.
이때, RX 가스, 프로판 가스, 암모니아 가스는 탄소농도조절가스로서, 탄소농도유지를 위하여 미량 투입되는 것이 보통이다.

탄소가 침탄되면 강도가 증가하지만 인성이 저하되므로 강의 내부는 인성이 있고, 외부는 강도가 증대하는 표면경화 처리를 하게 되는데, 너무 오래 가열하면 강의 오스테나이트 조대화가 일어나므로 200분 내의 시간으로 가열한다.

그 다음에 850℃로 20분간 균일 가열하는 단계를 거친다. 이 단계에서 표면층으로 탄소의 침탄이 더욱 잘 일어나게 하고, 안정화 시킨다.

다음 단계로 퀀칭(quenching)단계를 거치는데, 230℃로 20분간 급냉시킨다.

일반적으로 사용하는 "열처리"란 말은 주로 이 「퀀칭」을 의미한다고 해도 과언이 아닐 정도로 퀀칭은 열처리의 대명사처럼 여겨져 왔다. 즉 강을 연(軟)한 상태로부터 가장 경(硬)한 상태로 급격하게 변화시킴으로써 열처리하는 방법이다.

강의 퀀칭(quenching)은 오스테나이트화 온도로부터 급랭하여 마르텐사이트 조직으로 변태시켜서 강을 경화하는 열처리방법을 말하는데, 그 목적은 강의 종류에 의해 2가지로 대별된다. 그 하나는 공구강의 경우인데, 이것은 다른 금속재료를 절삭가공하기 위해 되도록 단단하거나 내마모성이 커야 하므로 고탄소 마르텐사이트의 특징인 큰 경도를 그대로 이용한다. 따라서 많은 공구강에서는 템퍼링온도를 150∼200℃의 비교적 낮은 온도로 하거나, 고합금강에서처럼 500∼600℃로 템퍼링을 하더라도 퀀칭 상태와 거의 같든지 혹은 그 이상의 경도가 얻어지도록 하여야 한다.

본 발명에서는 230℃ 온도로 20분간 퀀칭하여 결정립이 미세하게 마르텐사이트 변태를 시키게 한다.

그리고 심부조직의 조립화를 막고 표면층의 경화를 위해 2차 열처리를 하여준다.

이때, RX 가스 및 프로판 가스를 로 내에 도입하여 RX 및 프로판 분위기에서 830 ~ 860℃로 120분간 가열한 뒤에 230℃로 20분간 퀀칭한다. 2차 열처리는 급냉에 의한 내부응력을 해소하고 강 내부에서 충분히 확산되도록 한다.

이와 같은 방법으로 열처리한 결과 도 3에 도시된 바와 같이 미세한 결정립 조직을 가진 자동변속기 기어를 얻을 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 열처리에 의하여 제조된 자동변속기 기어는 미세한 결정립 조직을 가지게 되므로 피로수명과 내구강도를 향상시켜 변속기의 수명이 향상되는 효과가 있다.

또한 본 발명의 열처리방법으로 부품의 강도가 증가하는 효과가 있으므로 부품의 축소 설계가 가능하여 원가절감 및 변속기 중량감소를 통한 연비 증가의 효과가 있다.

Claims (1)

1. 자동변속기에 사용하는 기어의 열처리 방법에 있어서,

   890℃로 20분간 예열하는 단계;

   RX 가스 및 암모니아 가스를 로 내에 도입하여 RX 및 암모니아 분위기에서 910 ~ 940℃ 온도 범위로 200분간 가열하는 침탄 확산 단계;

   850℃로 200분간 균일 가열하는 단계;

   230℃로 20분간 급냉시키는 퀀칭단계;

   RX 가스 및 프로판 가스를 로 내에 도입하여 RX 및 프로판 분위기에서 850℃로 120분간 가열하는 2차열처리단계;

   230℃로 20분간 급냉시키는 퀀칭단계;를 순차적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 자동변속기용 기어의 열처리 방법.

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