KR100999151B1

KR100999151B1 - 침탄 열처리 방법 및 침탄 열처리된 차량 부품

Info

Publication number: KR100999151B1
Application number: KR1020080087666A
Authority: KR
Inventors: 조봉래; 강창원
Original assignee: 기아자동차주식회사; 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2010-12-08
Also published as: KR20100028779A

Abstract

진공 침탄로를 이용하여 부품을 A₁~A₃ 온도 영역 내의 비교적 저온에서 침탄시킨 후 고압 가스로 소입시키는 침탄 열처리 방법이 소개된다. 여기서의 부품은 탄소를 0.10~0.35wt%의 범위 내에서 함유하는 통상적인 침탄용 합금강이다. 이 방법은, 애뉼러스 기어 같이 열변형에 민감한 스틸 부품의 침탄 열처리에, 플러그 소입을 이용한 기존의 가스 침탄법을 대체하여 적용될 수 있다.

애뉼러스 기어, 열변형, 침탄, 열처리

Description

침탄 열처리 방법 및 침탄 열처리된 차량 부품{CARBURIZATION HEAT TREATMENT METHOD AND VEHICLE WORKPIECE CARBURIZED USING THE METHOD}

본 발명은 차량 변속기의 애뉼러스 기어와 같이 열변형에 민감한 형상을 갖는 부품의 침탄 열처리 방법 및 침탄 열처리된 차량 부품에 관한 것이다.

일반적으로 차량 변속기의 기어류는 엔진 동력을 직접 차동계로 전달시키는 부품으로 고피로강도가 요구된다. 이에 변속기 기어류는, 표면 경화를 통한 피로강도의 향상을 위해 침탄 후 소입 열처리 처리되고 있다.

현재 상용되는 일반 가스 침탄 열처리는 그 특성상 표면에 내구성을 저하시키는 표면이상층이 15~25㎛ 생성되며, 또한 소입에 오일이나 염욕을 사용하므로 불균일 냉각에 의한 이상 열변형을 야기시킨다.

한편, 자동변속기의 애뉼러스 기어는 도 1에 도시된 바와 같이 내치(internal teeth)(1)를 갖는 링-타입의 구조를 갖는데, 이러한 구조는 형상적인 측면에서 열변형에 상당히 민감 또는 취약하다. 예로서, 애뉼러스 기어를 상기 가스 침탄 열처리할 경우, 원형의 형상이 뒤틀리거나 및 치형의 변화가 발생된다. 이러한 열변형은 애뉼러스 기어의 변속기에의 조립 이상이나 조립된 상태에서의 이상 소음을 야기한다.

위와 같은 문제점의 개선을 위한 대안으로, 현재 애뉼러스 기어의 침탄 열처리는, 표면에 대한 가스 침탄 후, 서냉 및 고주파 가열한 다음, 플러그 소입(plug quenching)하는 방식으로 실시되고 있다. 플러그 소입은 열변형 방지를 위해 지그를 사용하여 부품을 여러 위치에서 꽉 잡은 다음 소입하는 것을 말한다. 그러나, 이러한 플러그 소입은 여러 부품에 대해 한꺼번에 실시하기 어려워 하나의 부품씩 실시되기 때문에, 생산성이 낮고 그 결과 열처리 비용이 증가한다.

최근 들어, 산업계에서 진공 침탄법의 사용율이 증가하고 있다. 이러한 진공 침탄법은 플러그 소입을 사용하는 가스 침탄법과 비교하여, 생산성이 우수한 것은 당연하고, 나아가 애뉼러스 기어의 경우에 있어 치형의 형태 유지에 상당히 유리하다. 그러나, 기존 진공 침탄법에 따를 경우, 냉각 시 애뉼러스 기어 형상의 뒤틀림이 심하다 단점이 있다.

이상, 설명된 사항들은 별도의 언급이 없는 한 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아 들여져서는 안될 것이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 애뉼러스 기어와 같이 열변형에 민감한 부품에 적합하며 열변형의 감소가 가능한 침탄 열처리 방법을 제공하고자 한다.

또한, 플러그 소입을 이용하는 가스 침탄법을 대체 가능한 침탄 열처리 방법을 제공하고자 한다.

또한, 생산성이 우수한 침탄 열처리 방법을 제공하고자 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 침탄 열처리 방법은, 열변형에 민감한 차량 부품의 침탄 열처리 방법으로서, 펄라이트와 페라이트의 혼합조직을 갖는 침탄용 부품을 A₁~A₃ 온도 영역 내의 침탄 온도로 가열하는 과정과, 침탄 가스를 공급하면서 상기 부품의 표면부를 침탄시키는 과정과, 상기 표면부에 마르텐사이트 상이 형성되고 심부에는 마르텐사이트와 상변화를 겪지 않은 상온의 최초 페라이트가 30~70% 혼합된 상이 형성되도록, 상기 부품을 고압 가스로 소입시키는 과정을 포함하며, 상기 침탄용 부품은 탄소를 0.10~0.35wt%의 범위 내에서 함유하는 통상적인 침탄용 크롬 합금강, 크롬-몰리브덴 합금강 또는 크롬-니켈-몰리브덴 합금강으로 구성되며, 상기된 과정들은 진공 침탄로 내에서 진공 분위기 하에서 수행된다.

삭제

상기 부품은 변속기의 유성기어 세트에 사용되는 애뉼러스 기어일 수 있다.

상기 부품은 탄소를 0.15~0.25wt%의 범위 내에서 함유할 수 있으며, SCr420H, SCM420H, SNCM420H, ASTM4120, ASTM5120, ASTM8620 중에서 선택된 어느 하나의 강재로 구성된 것일 수 있다.

상기 침탄 온도는 30~50% 이내가 되도록 하는 온도 구간 내에서 설정될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 차량 부품은, 펄라이트와 페라이트의 혼합조직을 갖는 침탄용 부품을 표면 경화를 위해 침탄 열처리하여 얻어진 차량 부품으로서, 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트의 혼합상을 갖는 표면부 및, 30~50%의 페라이트와 나머지 마르텐사이트의 혼합상을 갖는 심부, 여기서, 페라이트는 침탄 열처리 과정에서 상변화를 겪지 않은 최초 상온상태에서의 조직임;을 포함하며, 진공 침탄로를 이용하여 A₁~A₃ 온도 영역 내에서 침탄 후 소입되며, 탄소를 0.10~0.35wt%의 범위 내에서 함유하는 통상적인 침탄용 크롬 합금강, 크롬-몰리브덴 합금강 또는 크롬-니켈-몰리브덴 합금강으로 구성된다.

삭제

상기 부품은 SCr420H, SCM420H, SNCM420H, ASTM4120, ASTM5120, ASTM8620 중에서 선택된 어느 하나의 강재로 구성된 변속기용 애뉼러스 기어일 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 오스테나이트화 온도 A₃이상에서 실시되었던 기존의 가스 또는 진공 침탄공정과 비교하여 상당히 낮은 A₁~A₃ 온도 영역 내에서 침탄 처리되므로, 특히 소입 시, 부품의 형상 뒤틀림이 감소된다.

또한, 본 발명에 따라 침탄 열처리된 부품의 심부에는 침탄 열처리 과정 중 상변화를 겪지 않은 최초 페라이트(즉, 침탄 열처리 전의 상온 조직)가 일정량 이상 유지되므로, 부품의 최초 형상 유지에 유리하며 열변형이 적다.

또한, 부품을 진공 침탄로에 다량 투입한 후 연속적으로 침탄 열처리할 수 있으므로, 기존 가스 침탄공정에 비하여 생산성이 우수하다.

또한, 본 발명에 따른 침탄 열처리 방법은 부품의 열변형이 적고 및 생산성이 우수하므로, 기존 가스 침탄법의 대체가 가능하다.

또한, 본 발명에 따라 침탄 열처리된 부품은 강도, 특히 피로강도가 우수할 뿐만 아니라 침탄 열처리 전 형상으로부터의 변형 정도가 상당히 적다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 보다 상세하게 살펴본다.

먼저 본 발명에 따른 침탄 열처리의 대상물에 대하여 살펴본다.

상기 대상물은 탄소를 0.10~0.35wt%의 범위 내에서 함유하는 "통상적인" 침탄용 크롬 합금강, 크롬-몰리브덴 합금강 또는 크롬-니켈-몰리브덴 합금강으로 구성된 차량 부품이다. 여기서, "통상적"이라고 한 것은, 본 발명에서 사용되는 침탄용 합금강이 KS, JS, 또는 ASTM 규격으로 정의된 표준적인 침탄용 합금강이라는 것을 말하고자 한 것이며, 특히, 본 발명에 따른 침탄용 합금강은, A₃ 온도를 높이기 위한 특수 합금 처리되지 않으며 대략 820~830℃ 정도의 A₃ 또는 A_c3온도를 갖는다.

한편, 본 발명에 따른 침탄 열처리 대상물은, 주요하게는, 0.15~0.25wt% 정도의 탄소 함량을 갖는 통상적인 침탄용 합금강으로 구성된 변속기용 기어류 부품, 특히 유성기어를 둘러싸는 애뉼러스 기어이다. 구체적으로, 이러한 기어류 부품의 재료는 KS 규격으로는 SCr420H, SCM420H, SNCM420H 등이며, ASTM 규격으로는 ASTM4120, ASTM5120, ASTM8620 등이다. 참고를 위해 아래의 표 1에 SCr420H, SCM420H, SNCM420H의 조성을 중량%로 기재하였다.

구분	C	Si	Mn	P,S	Ni	Cr	Mo	Fe
SCr420H	0.17 ~0.23	0.15 ~0.35	0.55 ~0.95	0.030 이하	-	0.85 ~1.25	-	나머지
SCM420H	0.17 ~0.23	0.15 ~0.35	0.55 ~0.95	0.030 이하	-	0.85 ~1.25	0.15 ~0.35	나머지
SNCM420H	0.17 ~0.23	0.15 ~0.35	0.40 ~0.70	0.030 이하	1.55 ~2.00	0.35 ~0.65	0.15 ~0.30	나머지

다음으로, 위에서 설명된 바와 같은 조성을 갖는 부품의 침탄 열처리 공정에 대하여 살펴본다.

본 발명에 따른 침탄 열처리는 진공 침탄로를 이용하여 진공 분위기 하에서 실시된다. 진공 분위기는 저압 무산화 분위기, 즉, 침탄 열처리 과정 중 부품 표면의 산화가 방지되도록 산소 분압이 낮고 저압으로 제어된 조건을 지칭하는 것이다. 이러한 침탄 열처리는, 도 2에서 보듯이, 가열 공정, 침탄 공정, 그리고 고압 가스를 이용한 소입 공정을 포함한다. 도 2 내지 도 3을 참조하여 각 공정에 대하여 살펴본다.

(ⅰ) 가열 공정

도 2에서 보듯이, 부품은 진공 침탄로에서 A₁~A₃ 온도 영역 내의 침탄 온도로 승온되어 그 온도에서 유지 또는 소킹(soaking)된다. 통상적으로, 진공 침탄로에는 다량의 부품이 한꺼번에 투입되는데, 이 경우, 로 내 위치에 따라 온도차가 존재하므로, 로 내에 투입된 부품들은 온도가 균일해질 때까지 충분히 소킹될 필요가 있다. 부품의 승온 시간은 열변형뿐만 아니라 생산성을 고려하여 결정되며, 소킹 시간은 대략 30분에서 1시간 정도로 족한 것으로 판단된다.

통상적으로 상기 침탄용 부품은 상온에서 펄라이트와 페라이트의 혼합조직을 갖는다. 이러한 부품을 A₁~A₃ 온도 영역에서 소킹시키면, 상온에서의 펄라이트는 모두 오스테나이트화되며, 상온에서의 페라이트는 일부만이 오스테나이트화 되고 나머지(즉, 최초 페라이트)는 변태되지 않고 그대로 잔류한다. 즉, 가열 공정을 통해 상기 부품은 오스테나이트와 페라이트의 혼합 조직을 갖게 된다. 여기서 중요한 것은 침탄 온도에서 부품 중 페라이트의 상분율이 30~70% 이내가 되어야 한다는 것(자세한 내용은 후술)이며, 이러한 사항을 고려하여 침탄 온도가 결정되어야 한다는 것이다.

(ⅱ) 침탄 공정

기존의 가스 및 진공 침탄 공정은, 특징적으로, A₃ 온도 이상의 오스테나이트 단상 영역에서 실시되었다. 그에 비해 본 발명에 따르면 침탄 공정은 오스테나이트(γ)와 페라이트(α)가 공존하는 이상(dual phase) 영역, 즉, A₁~A₃ 온도 영역 내에서 실시된다. 아는 바와 같이, A₁은 오트테나이트가 페라이트와 세멘타이트로 변태되는 온도이며, A₃는 스테나이트화 온도이다.

부품이 놓여진 진공 침탄로의 챔버 내에 아세틸렌이나 에틸렌 가스와 같은 침탄 가스가 공급시키면, 탄소가 부품에 침탄 및 확산된다. 탄소가 침탄 및 확산된 부품 표면부는 탄소 농도가 높아져 오스테나이트화되며, 탄소의 확산이 미치지 못하는 부품 심부는 앞서 가열 공정 후의 조직인 오스테나이트와 페라이트의 혼합상을 갖는다. 따라서, 심부에서의 페라이트의 상분율은 30~70% 정도라고 말할 수 있다.

(ⅲ) 소입 공정

침탄이 완료된 부품은 고압 가스를 이용하여 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms)까지 급냉되는데, 초기 냉각속도가 적어도 12℃/sec 이상으로 유지되어야 한다. 상기 가스에는 질소, 헬륨, 수소 등이 이용될 수 있으며, 오일이나 염욕을 이용한 소입은 불균일 냉각으로 인한 부품의 변형을 야기하므로 기피된다. 이와 같이 소입된 부품의 표면부에는 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트의 혼합 조직이 형성되며, 내부에는 상기 최초 페라이트와 마르텐사이트의 혼합 조직이 형성된다.

상기 소입 완료된 부품의 심부는 페라이트의 상분율이 30~70% 정도일 필요가 있다. 심부의 페라이트량이 30% 미만으로 적을 경우 상변태로 인한 변형량이 많아 부품의 열변형 저감 효과가 미미하며, 심부의 페라이트량이 70%를 초과할 경우 열변형은 저감 효과는 좋으나 심부의 경도 및 인성이 침탄 열처리되는 차량 부품, 특히 변속기 기어류 부품에서 요구되는 수준에 미치지 못한다. 상기 부품, 특히 애뉼러스 기어인 경우, 심부에서의 페라이트 상분율은, 보다 한정적으로는, 30~50% 정도일 수 있다.

기존과 달리 본 발명에 따를 경우, 소입 전, 침탄 완료된 부품을 별도로 노냉시키지 않아도 된다. 기존의 침탄 열처리 방법에 따라 실시되었던 노냉은 부품의 열변형을 감소시키기 위하여 소입 시작 온도를 낮추는 것을 목적으로 하나, 본 발명에 따를 경우 침탄 온도는 800℃ 부근으로 기존 보다 저온(기존의 경우 920℃ 정도)이므로, 노냉의 필요성이 상당히 저감된다. 당연하게도, 생산성을 일부 고려하지 않는다면, 품질 향상을 위해 소입 전 노냉을 실시할 수 있다.

한편, 종래 가스 또는 진공 침탄공정에 의할 경우에도, 침탄 열처리된 부품의 심부에 페라이트와 마르텐사이트가 공존하도록 할 수 있다. 즉, 대상물을 오스테나이트(γ) 단상 영역에서 침탄을 실시한 다음 노냉을 통해 이상(γ+α) 영역에 유지시킨 후 소입하게 되면, 마르텐사이트와 페라이트의 혼합조직이 발생된다. 그러나, 이 페라이트는, 침탄 과정에서 오스테나이트로 1차 변태된 후 위 노냉 및 소입 과정에서 페라이트로 2차 변태된 것이므로, 대상물의 형상 뒤틀림을 야기한다.

실험 예

본 발명에 따른 침탄 열처리의 유용성 확인을 위해, 아래의 표 1에 기재된 바와 같은 조성을 갖는 SCr420H 소재로 애뉼러스 기어를 제작하여 침탄 열처리한 후, 원통도(원통의 형상으로부터 벗어난 정도로 측정됨) 및 진원도(degree of roundness: 진원의 형상으로부터 벗어난 정도로 측정됨)를 측정하는 실험을 실시하였다.

성분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Fe
함량(wt%)	0.19	0.28	0.71	0.01	0.01	0.95	나머지

구체적인 실험 조건은 아래의 표 2에 기재되어 있다. 표 2에는 별도로 기재되지 않았지만, 소킹은 표 2에 기재된 침탄 온도에서 30분 이상 실시되었다. 실시예 1 내지 3은 SCr420H 소재의 A₁~A₃ 온도 영역 이내인 770~810℃에서 진공 침탄 후 소입된 것이다. 비교예 1은 종래 진공 침탄법에 따라 A₃ 온도 이상의 920℃에서 침탄 후 소입된 것이다. 비교예 2는 종래 가스 침탄법에 따라 A₃ 온도 이상의 920℃에서 가스 침탄 후 냉각시킨 후, 다시 고주파 가열 후 플러그 소입된 것이다.

구분	침탄 열처리 조건	진원도	원통도
실시예 1	진공침탄 및 확산(770℃) → 고압가스냉각(17bar, 질소)	60	76
실시예 2	진공침탄 및 확산(790℃) → 노냉(770℃) →고압가스냉각(17bar,질소)	62	77
실시예 3	진공침탄 및 확산(810℃) → 노냉(770℃) →고압가스냉각(17bar,질소)	64	80
비교예 1	진공침탄 및 확산(920℃) → 노냉(780℃) →고압가스냉각(17bar,질소)	82	89
비교예 2	가스침탄 및 확산(920℃) → 노냉(500℃ 까지) → 취출 →고주파 가열(850℃) → 플러그 소입(유냉)	54	72

실험 결과, 표 2에서 보듯이, 실시예 1 내지 3은, 지그가 사용된 비교예 2와 비교하여 진원도 및 원통도가 동등하다고 말할 수 있는 정도의 수준으로 나타났고, 비교예 1에 비하여는 진원도 및 원통도가 월등하게 우수하게 나타났다. 참고로, 위 진원도 및 원통도의 단위는 ㎛로서, 그 값이 낮을수록 열변형이 적은 것이다.

도 4는 실시예 2의 심부 미세조직 사진으로서, 페라이트와 마르텐사이트가 혼합된 조직이 형성됨을 확인할 수 있었다. 도 4에서 밝은 부분은 페라이트이며 검은 부분은 마르텐사이트이다. 이 페라이트는 소입 과정에서 상변화를 겪지 않은, 침탄 열처리 전의 최초 페라이트이다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음이 이해될 필요가 있다.

도 1은 통상적인 애뉼러스 기어를 도시한 도면,

도 2는 본 발명의 실시에에 따른 침탄 열처리 공정을 도시한 도면,

도 3은 통상적인 Fe-C 평형 상태도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 침탄 열처리된 애뉼러스 기어의 심부 미세조직 사진이다.

Claims

열변형에 민감한 차량 부품의 침탄 열처리 방법으로서,

펄라이트와 페라이트의 혼합조직을 갖는 침탄용 부품을 A₁~A₃ 온도 영역 내의 침탄 온도로 가열하는 과정;

침탄 가스를 공급하면서 상기 부품의 표면부를 침탄시키는 과정; 및

상기 표면부에 마르텐사이트 상이 형성되고 심부에는 마르텐사이트와 상변화를 겪지 않은 상온의 최초 페라이트가 30~70% 혼합된 상이 형성되도록, 상기 부품을 고압 가스로 소입시키는 과정;을 포함하며,

상기 침탄용 부품은 탄소를 0.10~0.35wt%의 범위 내에서 함유하는 통상적인 침탄용 크롬 합금강, 크롬-몰리브덴 합금강 또는 크롬-니켈-몰리브덴 합금강으로 구성되며, 상기된 과정들은 진공 침탄로 내에서 진공 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 침탄 열처리 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 부품의 탄소 함량은 0.15~0.25wt%인 것을 특징으로 하는 침탄 열처리 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 부품은, SCr420H, SCM420H, SNCM420H, ASTM4120, ASTM5120, ASTM8620 중에서 선택된 어느 하나의 강재로 구성된 것을 특징으로 하는 침탄 열처리 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 부품은 차량 변속기용 애뉼러스 기어인 것을 특징으로 하는 침탄 열처리 방법.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 침탄 온도는, 부품 중 페라이트의 상분율이 30~50% 이내가 되도록 하는 온도 구간 내에서 설정되는 것을 특징으로 하는 침탄 열처리 방법.
펄라이트와 페라이트의 혼합조직을 갖는 침탄용 부품을 표면 경화를 위해 침탄 열처리하여 얻어진 차량 부품으로서,

마르텐사이트와 잔류 오스테나이트의 혼합상을 갖는 표면부 및,

30~50%의 페라이트와 나머지 마르텐사이트의 혼합상을 갖는 심부, 여기서, 페라이트는 침탄 열처리 과정에서 상변화를 겪지 않은 최초 상온상태에서의 조직임;을 포함하며,

진공 침탄로를 이용하여 A₁~A₃ 온도 영역 내에서 침탄 후 소입되며, 탄소를 0.10~0.35wt%의 범위 내에서 함유하는 통상적인 침탄용 크롬 합금강, 크롬-몰리브덴 합금강 또는 크롬-니켈-몰리브덴 합금강으로 구성된 것을 특징으로 하는 차량 부품.
청구항 7에 있어서, 상기 부품은 SCr420H, SCM420H, SNCM420H, ASTM4120, ASTM5120, ASTM8620 중에서 선택된 어느 하나의 강재로 구성된 변속기용 애뉼러스 기어인 것을 특징으로 하는 차량 부품.