KR100901572B1 - 자동변속기용 애뉼러스 기어의 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동변속기용 애뉼러스 기어의 열처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 가스침탄법과 달리, 진공침탄 및 다이나믹 가스소입을 포함하는 열처리를 실시하여, 애뉼러스 기어의 열변형을 감소시킬 수 있도록 한 자동변속기용 애뉼러스 기어의 열처리 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 애뉼러스 기어를 900℃~980℃에서 1시간 30분 동안 진공침탄 열처리하는 공정과; A1 변태온도의 40~100℃ 위의 온도까지 20℃/분의 냉각속도로 제어 냉각을 실시하는 공정과; 제어 냉각된 제품을 20~40분 동안 상온 유지시키는 공정과; 열변형을 감소시키기 위한 다단계 가스소입을 실시하는 공정; 을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자동변속기용 애뉼러스 기어의 열처리 방법을 제공한다.

애뉼러스 기어, 열처리 방법, 진공 침탄, 다단계 가스 소입

Description

자동변속기용 애뉼러스 기어의 열처리 방법{Heat treatment method for annular gear}

본 발명은 자동변속기용 애뉼러스 기어의 열처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 가스침탄법과 달리, 진공침탄 및 다이나믹 가스소입을 포함하는 열처리를 실시하여, 애뉼러스 기어의 열변형을 감소시킬 수 있도록 한 자동변속기용 애뉼러스 기어의 열처리 방법에 관한 것이다.

유성기어 장치는 자동변속기 내에서 실제로 변속을 일으키는 장치로서, 엔진에서 나오는 토크를 증감시키는 역할을 한다.

상기 유성기어 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 선기어, 유성기어 캐리어, 애뉼러스 기어의 3요소로 구성되어 있고, 중앙에 선기어가 있으며 이 주변을 캐리어로 묶인 유성기어가 회전하며, 도 2에 나타낸 바와 같이 안쪽에 치가 있는 애뉼러스 기어가 바깥쪽에서 유성기어들을 잡아주며 어떤 요소를 고정시키느냐에 따라 다양한 기어비를 얻을 수 있다.

자동변속기는 단수에 따라 사용되는 유성기어 장치의 수가 결정되며, 이들 간의 변속비에 따라 증감속이 이루어지게 되며, 애뉼러스 기어는 동력 발생시 피니언 기어를 매개로 하여 선기어와 캐리어에 동력을 전달해 주는 역할을 한다.

이러한 변속기 기어류는 엔진동력을 직접 차동계로 전달시키는 부품으로, 고강도 및 고피로강도가 요구되는 부품이다.

따라서, 기어 표면을 경화시켜 강도 및 피로강도를 높여 사용하게 되는데, 이때 흔히 사용되는 열처리 방법이 침탄열처리 방법이다.

현재 많이 사용되고 있는 열처리 방법은 일반 가스 침탄열처리로서, 표면에 내구성을 저하시키는 표면이상층 및 비소입층이 15~25㎛ 생성되고, 고온침탄이 불가함으로 인해 열처리 시간과 비용의 증가를 초래한다.

또한, 소입시 주로 오일 또는 염욕소입과 연계함으로써, 불균일 냉각에 의한 열변형 문제를 야기시킨다.

변속기용 기어중, 특히 애뉼러스 기어는 형상적인 측면에서 열변형에 취약한 구조로 기존 가스침탄 처리시 뒤틀림 및 치형 변화 등 많은 문제를 발생시킨다.

이를 개선하기 위해, 현재는 열전후 가공량 조정 및 심금소입법(지그소입 또는 플러그소입이라 함) 등의 특수한 소입법을 사용하고 있는데, 이는 작업 효율저하 및 대량 처리를 어렵게 함으로써 열처리 비용의 증가를 초래하고 있다.

아래의 표 1은 애뉼러스 기어에 사용되고 있는 소재인 SCr420H 강종의 성분표이다.

위의 표 1에 기재된 SCr420H 강종을 가지고 애뉼러스 기어를 제작함에 있어서, 그 열처리 방법은 가스침탄 및 염욕소입 등을 실시하는 것으로 진행된다.

즉, 첨부한 도 3에 도시된 바와 같이 기존 침탄법은 920~950℃ 에서 원하는 침탄깊이에 따라 1~3 시간동안 가스 침탄을 한 뒤, 200~300℃의 염욕에 소입을 하는 것이 일반적이며, 이 경우에 기어 표면에는 마르텐사이트가 생성되고 심부는 템퍼드 마르텐사이트 조직 및 펄라이트가 생성되며 페라이트는 거의 석출되지 않는다.

일반적인 기어의 경우, 기존 침탄법으로도 원하는 물성을 얻을 수 있으나 애뉼러스 기어의 경우 열변형에 취약하기 때문에 기존 침탄법으로 열처리 할 경우 내경 수축 및 치형 변형등의 문제가 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 자동변속기용 애뉼러스 기어에 대한 열처리를 기존의 가스침탄법과 달리, 애뉼러스 기어의 표면강화 를 위한 열변형 감소를 이루고자 진공침탄(vacuum carburizing) 및 다이나믹 가스 소입(Gas Quenching)을 포함하는 열처리 방법을 적용함으로써, 애뉼러스 기어의 열변형을 크게 감소시킬 수 있는 자동변속기용 애뉼러스 기어의 열처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 애뉼러스 기어를 900℃~980℃에서 1시간 30분 동안 진공침탄 열처리하는 공정과; A1 변태온도의 40~100℃ 위의 온도까지 20℃/분의 냉각속도로 제어 냉각을 실시하는 공정과; 제어 냉각된 제품을 20~40분 동안 상온 유지시키는 공정과; 열변형을 감소시키기 위한 다단계 가스소입을 실시하는 공정; 을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자동변속기용 애뉼러스 기어의 열처리 방법을 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 다단계 가스소입을 실시하는 공정은: 냉각가스를 초기 8~12bar로 2~10초간 주입하는 단계와; 15~20bar로 50~80초간 냉각가스로 급냉각하여 마르텐사이트를 생성시키는 단계와; 1~3초간 냉각가스의 주입을 중단하는 단계와; 다시, 15~20bar로 60~100초간 냉각가스로 급냉각하여 마르텐사이트를 추가 생성시키는 단계; 로 진행되는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

기존의 가스침탄법과 달리, 진공침탄 및 다이나믹 가스소입을 포함하는 열처리를 실시하여, 애뉼러스 기어의 열변형을 감소시킬 수 있다.

즉, 기존 공정에는 열변형 문제를 해결하기 위해 가공량을 조정하거나 특수 지그 사용 등을 도입하여 침탄 및 소입함으로써, 많은 시간과 비용의 낭비를 초래하였지만, 본 발명은 진공침탄 및 다단 가스소입을 도입함으로써, 애뉼러스 기어에 대한 열변형 문제를 획기적으로 감소시킬 수 있다.

또한, 애뉼러스 기어의 열변형량이 줄어듬에 따라, 불량율 저감 및 대량 침탄 및 소입이 가능하여, 열처리 비용이 감소되는 효과도 얻을 수 있다.

이하, 본 발명을 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 3 및 4는 본 발명에 따른 애뉼러스 기어에 대한 열처리 방법을 종래의 방법과 비교 설명하는 공정도이다.

본 발명은 전술한 바와 같이 열변형 문제가 심각한 자동변속기용 애뉼러스 기어의 표면강화를 위한 열변형 감소를 유도하고자, 진공침탄(vacuum carburizing) 및 가스 소입(Gas Quenching) 방법을 적용한 점에 주안점이 있다.

즉, 본 발명은 애뉼러스 기어를 900℃~980℃에서 진공침탄 열처리 다음, 소재별 A1 변태온도의 40~100℃ 위의 온도로 제어 냉각을 한 뒤, 20~40분 유지 후 열변형을 감소시키기 위한 다단계 가스소입을 실시함으로써, 기존 가스침탄 및 오일 소입의 불균일 냉각에 의한 열변형 문제점을 획기적으로 개선시킬 수 있는 점에 특징이 있다.

위와 같이, 상기 애뉼러스 기어를 A1 변태온도보다 40~100℃ 위의 온도로 제어 냉각시킬 경우, 기어의 심부에 페라이트가 20~30% 석출되어 열변형에 우수한 효과를 가질 수 있으며, 이때 페라이트의 분율이 30%를 초과할 경우 열변형에 미치는 영향은 적으며 강도저하를 초래할 수 있다.

또한, A1 변태온도보다 40℃ 이상 높은 온도로 제어 냉각하지 않으면 소입성이 떨어져서 원하는 표면강도를 만족시키기 어려우며, 100℃ 이상에서 할 경우에는 페라이트 석출량이 20% 이하로 떨어지는 결과를 초래할 수 있으므로, A1 변태온도의 40~100℃ 위의 온도로 제어 냉각하는 것이 바람직하다.

이러한 제어 냉각후, 상온에서 20~40분 정도 유지시켜 표면과 심부의 온도가 균일해지도록 한다.

이어서, 다단계 가스소입 공정이 진행된다.

다단계 가스소입 공정으로서, 먼저 냉각가스를 초기 8~12bar로 2~10 초간 주입하여, 초기 급냉각에 의한 애뉼러스 기어의 뒤틀어짐을 방지하고, 로 전체에 소입가스를 고르게 충전시킨다.

이후, 15~20bar로 50~80초가 냉각가스로 급냉각하여 마르텐사이트를 생성시키는 동시에 심부의 베이나이트 및 펄라이트 생성을 막는다.

이어서, 1~3sec 간 냉각가스의 주입을 중단함을 통해, 기어 표면과 심부의 온도를 균일하게 하여 치형의 변화를 억제한 후, 다시 15~20bar로 60~100초간 급냉 각하여 마르텐사이트를 추가 생성시킨다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는바, 본 발명이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예

애뉼러스 기어용 소재인 SCM420H로 만들어진 애뉼러스 기어를 930℃에서 90분간 진공침탄한 다음, 740℃까지 20℃/분의 냉각속도로 제어 냉각을 실시하였다.

이어서, 제어 냉각후 30분 유지시킨 다음, 냉각을 위한 로 내에 10bar로 3초간 냉각가스를 주입하고, 17bar로 60초간 냉각가스로 애뉼러스 기어를 급냉각시키며, 2초간 가스주입 중단한 후, 다시 17bar로 80초간 냉각가스 소입하여 급냉각시켰다.

비교예1-2

비교예1로서, 기존의 애뉼러스 기어에 대한 열처리 공정으로서, 930℃ 90분간 가스침탄 후, 300℃의 염욕에 소입하였다.

비교예2로서, 열처리 하지 않은 기존의 애뉼러스 기어를 대상으로 하였다.

시험예1

시험예1로서, 실시예 및 비교예1,2의 치형변화 정도를 첨부한 도 5의 기어 치형 측정 장비를 통해 측정하였으며, 각 30개씩을 시험하였는 바, 그 결과는 아래의 표 2 및 첨부한 도 4에 나타낸 바와 같다.

위의 표 2 및 리드방향 치형오차 평균 ± 3σ 를 표시한 첨부한 도 4에서 보는 바와 같이, 열처리 결과에 대한 치형을 알기 위해 기어의 리드 방향 오차를 측정하였는 바, 기어면을 기준으로 수직방향을 프로파일이라고 하고, 평행방향을 리드 방향이라고 한다.

기어의 리드방향 치형은 구동시 소음에 크게 영향을 미치는 인자로서, 측정 결과 실시예인 본 발명은 비교예인 기존품 대비 평균 열변형 값이 1/2로 감소하였으며, 결과값의 산포는 1/7 정도로 크게 감소하였음을 알 수 있었다.

시험예2

시험예2로서, 실시예 및 비교예에 따른 기어의 상세 치형을 소정의 프로그램을 통하여, 데이타화시켜 그 차이를 알아보았으며, 그 결과는 도 7의 그래프에 나타낸 바와 같다.

도 7은 실시예 및 비교예에 따른 기어의 상세 치형을 그린 그래프로서, 각 그래프의 위쪽 치형은 프로파일 방향 치형이고, 아래쪽은 리드 방향 치형을 나타내고 있다.

비교예에 따른 열처리 기어의 경우, 프로파일과 리드 방향 치형이 모두 고르지 못하며, 원 사양에서 많이 벗어나 있음을 확인할 수 있었고, 반면에 실시예에 따른 본 발명의 열처리 기어의 경우, 양 방향 치형이 모두 고르며 전체 변화량도 우수함을 확인할 수 있었다.

도 1은 자동변속기용 유성기어 장치를 설명하는 개념도,

도 2는 도 1의 유성기어 장치에 사용되는 애뉼러스 기어에 대한 실제 사진,

도 3 및 도 4는 본 발명의 열처리 방법 및 기존의 방법을 비교 설명하는 공정도,

도 5는 기어 치형 측정 장비를 설명하는 개략도,

도 6은 본 발명의 열처리 방법에 의한 애뉼러스 기어와, 기존 열처리 방법에 의한 애뉼러스 기어의 리드 방향 치형 오차를 측정한 결과의 그래프,

도 7은 본 발명의 열처리 방법에 의한 애뉼러스 기어와, 기존 열처리 방법에 의한 애뉼러스 기어의 상세 치형을 설명하는 그래프.

Claims (2)

1. 삭제
2. 애뉼러스 기어를 900℃~980℃에서 1시간 30분 동안 진공침탄 열처리하는 공정과;

   A1 변태온도의 40~100℃ 위의 온도까지 20℃/분의 냉각속도로 제어 냉각을 실시하는 공정과;

   제어 냉각된 제품을 20~40분 동안 상온 유지시키는 공정과;

   상기 제품을 20~40분 동안 상온에서 유지시킨 후, 열변형을 감소시키기 위한 다단계 가스소입을 실시하는 공정;

   을 포함하여 이루어진 자동변속기용 애뉼러스 기어의 열처리 방법에 있어서,

   상기 다단계 가스소입을 실시하는 공정은:

   로 내의 애뉼러스 기어에 냉각가스를 초기 8~12bar로 2~10초간 주입하는 단계와;

   상기 애뉼러스 기어를 15~20bar로 50~80초간 냉각가스로 급냉각하여 마르텐사이트를 생성시키는 단계와;

   1~3초간 냉각가스의 주입을 중단하는 단계와;

   다시, 상기 애뉼러스 기어를 15~20bar로 60~100초간 냉각가스로 급냉각하여 마르텐사이트를 추가 생성시키는 단계;

   로 진행되는 것을 특징으로 하는 자동변속기용 애뉼러스 기어의 열처리 방법.

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