KR101413866B1

KR101413866B1 - 풍력발전용 증속기어 침탄열처리 방법

Info

Publication number: KR101413866B1
Application number: KR1020110119373A
Authority: KR
Inventors: 김상진
Original assignee: 김상진
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2014-07-09
Also published as: KR20130053753A

Abstract

본 발명은 풍력발전용 증속기어의 침탄열처리 방법에 관한 것으로,
더욱 상세하게는 풍력발전기로 사용되는 증속기는 발전에 필요한 정속을 내거나 바람의 에너지를 발전에 적합한 속도로 변환하는 장치로서 발전 계통에 적합한 에너지형태로 변화하는 장치로 사용되는 것으로 장기간의 수명을 요구하는데 이러한 풍력발전용 증속기어의 수명을 결정하는 증속기용 기어의 내구성 및 특성을 향상시키기 위한 것으로 증속기어의 침탄열처리 기술을 개발함으로서 기어와 같은 정밀 제품에 적용하여 마모가 되지 않도록 하여 오랫동안 사용이 가능하도록 하는 풍력발전용 증속기어의 침탄열처리 방법에 관한 것이다.

Description

풍력발전용 증속기어 침탄열처리 방법{A multiplying gear cementation heat treatment way for velocity of the wind development}

본 발명은 풍력발전용 증속기어의 침탄열처리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍력발전기는 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생되는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 기술로서 풍력이 가진 에너지를 흡수, 변환하는 운동량변환장치, 동력전달장치, 동력변환장치, 제어장치 등으로 구성된다. 풍력발전기로 사용되는 증속기는 발전에 필요한 정속을 내거나 바람의 에너지를 발전에 적합한 속도로 변환하는 장치로서 발전 계통에 적합한 에너지형태로 변화하는 장치로 사용되는 것으로 20년 이상의 수명을 요구하는데 이러한 풍력발전용 증속기어의 수명을 결정하는 증속기용 기어의 내구성 및 특성을 향상시키기 위한 것으로 증속기어의 침탄열처리 기술을 개발함으로서 기어와 같은 정밀 제품에 적용하여 마모가 되지 않도록 하여 오랫동안 사용이 가능하도록 하는 풍력발전용 증속기어의 침탄열처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 침탄열처리 방법은 국내 자동차 부품 위주로 많이 발전된 것으로 대형기어류에 대한 열처리 기술 개발 및 설비도입 시도는 거의 없는 것으로 종래기술을 살펴보면, 풍력발전용 증속기어의 열처리 방법은 고주파열처리에 의한 방식을 많이 사용하는 것으로 기어 이빨(齒)은 피치원을 기준으로 상부(어덴덤)와, 하부(디덴덤)로 구분되며, 위치에 따른 경화 정도에 따라 경도차가 발생할 수 있으며, 경도가 약한 쪽과 맞물리는 상대기어는 어덴덤의 높은 경도와 맞물리고, 디덴덤은 경도가 약하여 일정시간이 지나면 마모가 발생하게 되며, 회전 시 소음발생 및 진동이 일어나게 되어 기어 수명이 단축되는 단점이 있는 것으로 이러한 고주파열처리 방식은 기어 이빨의 상하부에 균일한 경화층 형성이 어려운 것으로 오래 사용되지는 못하는 실정이다.

이에 종래에는 등록번호 10-0957319(특)와, 등록번호 10-0848784(특)의 기술들이 개발되어 사용되고 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는 풍력발전용 증속기어의 수명을 결정하는 증속기용 기어의 내구성 및 특성을 향상시키기 위한 중요한 기술요소로서 증속기어의 열처리기술을 개발하고자 한다.

이에 기술개발을 달성하기 위한 내용을 상세히 설명하면, 풍력발전용 증속기어 내마모성 향상을 위한 침탄열처리 기술개발에 있어서, 기존 고주파열처리 방식의 증속기어의 경우 수명이 짧아 관리에 따른 비용이 많이 발생하고, 불균일한 경화층의 두께에 의하여 위치별로 마모되는 점의 차이가 큰 것으로 이러한 문제점을 최소화 하기 위하여 침탄열처리를 적용하고자 한다.

또한 기어정밀도 유지를 위한 변형방지 및 인성 확보를 위한 열처리 기술 개발에 있어서, 침탄 열처리 시 주요 결함, 변형 및 경화층과 비경화층의 경도차에 의해 쇼프트존으로 심부크랙을 방지하고, 잔류오스테나이트를 최소화 하고 피팅현상을 방지하며, 인성 확보를 위한 최적의 열처리 조건을 개발, 염욕에 소입 하므로 염의 온도가 높아서 치형의 변형을 줄일 수 있는 방법과 높은 온도에 냉각 시 경도 저하를 방지하고 높은 경도를 얻기 위한 냉각방법의 기술개발로서 국내에서 타워, 프로펠라, 기어림등 국내에서 제작이 가능하나 증속기어는 수입에 의존 하고 있으므로 개발이 시급한 실정이다.

그리고 개발원가 절감 및 기간 단축을 위한 오스템파 냉각 모델 확립에 있어서, 열처리 기술 개발 시 최적 조건 도출을 위한 반복된 실험이 필수이며, 이 경우 개발비용이 증가되고 개발기간이 길어짐으로 이를 극복하기 위한 효과적인 방법으로 냉각방법 기법을 이용하여 열처리 시 기어 형상에 따른 열처리 변형에 대한 오스템파 냉각을 수립함으로서 이를 반영하여 개발기간 및 개발비용을 감소할 수 있도록 하기 위한 것으로 침탄열처리 방식을 사용함으로서 대상물의 형상에 관계없이 균일한 경화층을 얻을 수 있도록 하기 위한 것이다.

상기 목표를 달성하기 위하여 본 발명은 Gear 변형량 모듈 4.80.3~0.5mm, 잔류오스테나이트 분율 15%, 침탄 경화층 깊이 3mm이하, 경도 검사 51HRc, 결정립 크기 No. 6 finer, UT검사 5%, MT검사 5%, 충격인성 55J, 항복강도 750MPa, 인장강도 950MPa등으로 개발 목표치를 설정하여 실험을 통하여 목표치 이상의 결과를 낼 수 있도록 하였다.

본 발명은 기존의 고주파열처리를 침탄열처리로 대체함으로서 풍력발전용 증속기어의 내마모성을 향상시켜 제품 수명을 연장할 수 있으며, 침탄열처리 시 발생할 수 있는 주 결함을 억제하는 최적의 열처리 조건을 개발함으로서 한분야만으로 국한 되는 것이 아니라 다른 분야에도 적용할 수 있는 기술분야를 확대할 수 있다.

또한 국내 증속기 개발의 걸림돌인 열처리 기술을 개발함으로서 세계 풍력발전용 증속기 시장 진출 및 점유율을 확대하고, 침탄열처리를 통하여 기어의 강도를 높여 교체에 따른 비용을 절감하여 생산성을 제고하여 국내 증속기 제작업체의 경쟁력을 향상시킬 수 있는 그 효과가 큰 발명이라 하겠다.

도 1은 본 발명의 침탄확산공정을 나타낸 공정도
도 2는 본 발명의 열처리된 Gear와 Pinion의 시편을 도시한 사진
도 3은 본 발명의 시멘타이트, 마르텐사이트, 황화합물의 미세조직을 관찰한 사진
도 4는 본 발명의 열처리된 제품의 미세조직을 관찰한 사진
도 5는 본 발명의 열처리에 의한 침탄 경화층 깊이를 측정한 사진
도 6은 본 발명의 침탄깊이 경도를 나타낸 그래프
도 7은 본 발명의 결정립 크기의 조직을 관찰한 사진
도 8은 본 발명의 Pinion 변형량 측정 위치를 나타낸 측면도
도 9는 본 발명의 침탄 경화층 깊이 측정을 나타낸 사진
도 10은 본 발명의 Gear와 Pinion의 결정립 크기를 측정한 사진
도 11은 본 발명의 초음파탐상과 자기탐상 결과를 나타낸 시험보고서

이에 본 발명에서는 침탄열처리 방법을 통하여 내마모성 향상을 위한 침탄열처리 및 변형 방지된 인성부여열처리와 개발기간 단축 및 개발비용 감소를 위한 오스템파냉각 방안 모델 확립, 기어 정밀도 유지를 위해 변형 방지된 인성부여열처리 기술을 적용한 시제품을 제작하여 시험함으로서 신뢰성을 확보하고 강도가 높은 증속기어를 개발하고자 한다.

풍력발전용 증속기어 침탄열처리의 공정도를 살펴보면, 제품입고(증속기어)육안검사작업준비탈지(세척),방지처리침탄확산공정냉각(Austemper quenching)템퍼링(요구 경도치에 따라)세척, MT최종검사순으로 이루어진다.

이에 본 발명인 침탄열처리 방법을 살펴보면,
선정한 강을 가공 후, 가열, 침탄열처리, 소입 및 응력을 제거하는 템파링 단계로 이루어지는 열처리 방법에 있어서, 침탄열처리 시, 830°C로 유지하여 1시간동안 강의 표면에 탄소를 침투시키되, 930°C에서 상기 강의 중량대비 탄소(C)를 0.95%로 포함시켜 1시간 동안 침탄시키고, 확산은 930°C에서 상기 강의 중량대비 탄소(C)를 0.85%로 포함시켜 1시간 동안 탄소를 침탄 시킨다.

상기 강으로 이루어진 기어(GEAR)는 염욕(소금물)의 온도가 200°C로 하여 오스템파링로에서 냉각한다.

상기 강은 침탄열처리 전에 0.1~0.6% 범위의 탄소성분이 포함된 합금강을 사용하며, 단조온도를 900~1250℃로 하고, 불림(Normalizing) 시 승온은 시간당 최고 100℃로 하고, 880℃의 온도에서 6시간 이상 열처리 후, 공랭하며, 터닝황삭은 면당 2 ~ 3mm 가공한 후, 예비 초음파탐상검사(Ultrasonic Testing : UT)를 실시하고, 담금질(Quenching) 시, 승온은 시간당 최고 100℃로 하고, 850~880℃의 온도에서 6시간 이상 열처리 후, 유냉하고, 템파링(Temperring:뜨임) 시, 승온은 시간당 최고 100℃로 하고, 550~650℃의 온도에서 6시간 이상 열처리 후, 공랭하여 제작한다.

상기 강 표면에 탄소를 확산시켜 강 표면의 탄소함량을 중량대비 0.8~1.0%가 되도록 한다.

상기한 본 발명에 대해 보다 상세히 설명하면,
내마모성을 향상시키기 위해 기존의 고주파 열처리를 침탄열처리로 적용하고, 저탄소강의 표면에 탄소(C)를 확산시켜 탄소 함량을 0.8~1.0%로 처리하고, 기어의 사용목적에 따라 경도가 크고 내부는 인성이 큰 최적 열처리 조건을 확립하도록 하였다.

삭제

침탄열처리 전 공정에 대하여 살펴보면, 소재 SNCM420을 단조로 GEAR·PINION 제작 후 단조응력제거하여 불림(Normalizing)을 실시하고, 소재의 건정성검사인 초음파탐상검사(UT : Ultrasonic Testing), MT검사 완료하여 황삭 가공 후, 침탄 전 Q·T(Quenching, Tempering)열처리를 실시한다.

이에 따라 2차 중삭 후 GEAR 치절부위는 정삭 후 GEAR·PINION은 연마여유 0.3mm로 잇빨가공을 실시한다.

상기 가공 후 침탄열처리 시 GEAR는 잇빨이 가늘어서 냉각 시 변형이 많으므로 염욕(소금물)의 온도가 200℃인 오스템파링로에서 냉각하여 변형량을 줄여줌으로서 잇빨의 변형을 줄일수 있었으며, 침탄경화깊이가 일정하여 연마후에 전체 잇빨 침탄깊이가 균일하게 이루어짐으로 고속회전 시 원심력에 의한 소음이 줄어들고, GEAR 잇빨 전체가 일정하게 같이 마모되므로 수명이 길어지고 한쪽이 닳는 편마모 현상이 생기지 않아서 고속회전하거나 장기간사용에도 기어파손이 생기지 않는다.

이에 침탄깊이는 HV550 지점까지는 경화층으로 JIS G 0557규정에 의하여 제작되었으며 급격히 경도가 떨어지지 않아서 가동 중 피팅현상이 발생하지 않으며, 잔류오스테나이트가 10~15%미만으로 아주 양호하고, 경화층 깊이에 따라서 탄소농도가 균일하게 줄어들고 있기 때문에 기어의 고속회전에 진동이 심부로 일정하게 전달되므로 쇼프트존에 의한 잇빨이 떨어져 나가는 현상을 방지할 수 있다.

표 1. 정량적 항목 평가

상기 개발 목표를 달성하기 위한 본 발명의 기술 개발에 따른 실적을 살펴보면 다음과 같다.

표 2. SNCM420 소재 선택

기어제작에 탄소강과 0.1~0.6% 범위의 탄소성분이 포함된 합금강을 사용하고, 강의 재료는 전달되는 토크, 제조기술, 유용성 등에 의해 결정되며, 기어의 표면은 사용목적에 따라 경도가 크고 내부는 인성이 큰 것을 요구하며, 기어의 표면만을 경화하여 내마모성을 증대시키고 기어의 내부는 충격에 잘 견딜 수 있도록 인성을 높이기 위해 열처리 기술을 적용하였다.

이에 증속기용 기어를 제작하되, 프리단조의 온도는 900~1250℃로 하고, 단조치수는 외경 1253mm, 내경 207mm, 두께 172mm로 하며, 불림(Normalizing)으로 열처리 시 승온은 시간당 최고 100℃로 하고, 880℃의 온도에서 6시간 이상 열처리 후, 공랭하며, 터닝황삭은 면당 2 ~ 3mm 가공한 후, 예비 초음파탐상검사(UT: Ultrasonic testing)를 실시하고, 담금질(Q, :Quenching)로 열처리 시 승온은 시간당 최고 100℃로 하고, 850~880℃의 온도에서 6시간 이상 열처리 후, 유냉하고, 뜨임(T : Tempering)으로 열처리 시 승온은 최고 시간당 100℃로 하고, 550~650℃의 온도에서 6시간 이상 열처리 후, 공랭하는 것으로 표면경도 겸사, 시편채취, 치가공 등을 시행하였다.

이에 본 발명의 기술을 적용한 시제품을 제작하여 살펴 보기로 한다.

본 발명의 침탄열처리 시제품 제작 공정은 원소재 → 단조 → 노말 → 황삭 → 터닝가공 → Q & T 열처리 → UT → 2차 중삭가공 → Drill & Tap → Austempering 침탄열처리 → 치절가공 → 정삭 및 연마 → 시제품 제작완료로 이루어 진다.

상기 시제품의 공정에서와 같이 열처리 후 제작된 열처리 시편의 성분 분석을 살펴보기로 한다. 도 2는 열처리된 Gear와 Pinion의 사진을 도시한 것으로 표면, 심부와 각부분을 나누어 성분분석을 시행한 결과 다음과 같이 나타났다.

표 3. Gear 시편 성분분석

표 4. Pinion 시편 성분분석

따라서 열처리 시편의 미제조직을 관찰한 결과 도 3에서와 같이 시멘타이트는 침탄열처리 후 치(Tooth)고 부위 표면 조직 괴상, 망상 시멘타이트(Cementite)는 관찰되지 않았으며, 마르텐사이트도 치(Tooth) 1/2 부위 표면 조직으로 마르텐사이트와 일부 베이나이트, 잔류 오스테나이트 존재하지 않았다.

또한 황화합물 관찰에서도 살펴보면, 연속적인 개재물은 관찰되지 않으며 MnS(망간 황화물)은 존재하지 않았다.

열처리 시편의 조직에 대한 관찰을 살펴보면,

(1) 미세조직 관찰

도 4에서와 같이 a, b는 침탄 깊이 1.5mm 의 표면층 및 심부이고, c, d는 침탄 깊이 3.0mm 의 표면층 및 심부이다.

조직 베이나이트(Bainite) + 잔류 오스테나이트(Austenite)의 이 열처리는 가공성이 좋은 저합금강을 기계 가공한 후 그 표면층에 탄소를 침투 확산시켜 고탄소강으로 하고, 그 후에 담금질하여 표면을 경화시키는 처리법으로서 강의 내부는 유연한 조직인 베이나이트 조직을 얻어 인성이 높은 기계적 성질을 얻을 수 있으며, 표면층은 염욕 처리에 의해 마르텐사이트 조직을 얻어 내마모성을 향상시킨다.

(2) 잔류 오스테나이트 분율

오래 전부터 잔류오스테나이트 생성량(γ_R)을 계산식으로 나타내려는 시도가 행해져왔으며, 그 식들은 냉각정지온도에서의 잔류오스테나이트가 마르텐사이트 생성개시온도(Ms)와 밀접하게 관계가 있는 것으로 보고되고 있다. 우선, 표면 탄소농도와 재료성분으로부터 Ms점을 계산한다.

다음에 퀸칭(Quenching)냉각제의 온도로부터 냉각 정지온도를 설정한다. 그러면 다음 식으로부터 잔류오스테나이트량(γ_R)을 구할 수 있다.

따라서 이 열처리에 따른 냉각정지온도를 200℃로 하면, 이때의 표면에 존재하는 잔류 오스테나이트량은 14.8%일 것으로 예측할 수 있다.

(3) 침탄 경화층 깊이

도 6은 열처리에 의한 침탄깊이 측정에 관한 것으로 증속기어의 단점을 보완하기 위해 기계적 마모에 대한 저항성, 새로운 강재의 개발, 마모성을 높일 수 있는 새로운 열처리 기술 개발 등의 여러 가지 방법이 모색되고 있다.

기존의 열처리 방식인 고주파 열처리의 문제점을 보완하기 위하여 고온에서 강 표면에 탄소를 확산 침투하여 침탄층 깊이 3.0mm 균일하게 분포될 수 있는 침탄열처리를 개발하였다. 따라서 기존 방식으로 기어를 열처리하는 고주파 열처리와 본 발명의 침탄열처리를 비교한 결과 기존 고주파열처리 기술은 경화층 깊이가 일정하지 않아 위치별 마모의 차이가 발생하여 증속기어의 수명단축으로 인하여 교체에 따른 유지관리 비용이 많이 발생하였다.

그러나 본 발명의 침탄열처리 기술은 확산에 의해 경화층이 형성되어 위치별 일정한 경화층 형성이 가능하고 최대 6mm까지 침탄 기술의 적용이 가능하며, 기계적 마모의 저항성이 및 내마모성이 향상되었다.

(4) 경도 검사

도 7은 침탄깊이에 따른 경도를 나타낸 것으로 a는　침탄 깊이 1.5mm이며, b는 침탄 깊이 3.0mm로 하였다. 일반적으로 사용되는 증속기어의 문제인 기어 이빨의 상부(어덴덤)과 하부(어덴덤) 내마모성을 향상시켰다.

표 5. Gear 경도 측정

표 6. Pinion 경도 측정

(5) 결정립 크기

도 8은 열처리 제품의 조직 사진으로서 a는 침탄깊이 1.5mm의 조직이고, b는 침탄깊이 3.0mm의 조직을 나타낸 것이다.

결정립 크기는 500mm인 4개의 직선으로 수직선 및 수평선으로 되어 있으며, 다른 방향에서의 결정 입도를 100배율에서 최소한 50개의 교차점 선택하는 것으로 측정 결과 입도번호 6으로 나타났다. 열처리 시 200℃에서 염욕냉각에 의해 결정입도번호가 낮아질 것으로 예상했으나, 열처리 전 입도번호를 유지한 것으로 가스 침탄열처리와 오스템퍼링 처리에 의하여 실행되었다.

시제품을 제작하여 침탄 열처리 후 기계적 성질 테스트를 시행하여 침탄 전?후 변형량을 체크하였다.

표 7. Gear 변형량 측정 위치 및 측정값

표 8. Pinion 변형량 측정 위치 및 측정값

표 9. 잔류오스테나이트 관찰

시험방법을 X-Ray Stress Analysis(X Stress-3000, Findland)으로 하여 잔류오스테나이트를 관찰한 것으로 잔류오스테나이트(FCC)는 불안정 상으로서 후가공이나 제품 사용 시 안정된 상(BCC) 으로 변태하게 되었으며, 잔류오스테나이트는 측정결과 11.1%로 목표치인 15%미만의 결과를 얻을 수 있었다.

표 10. 침탄 경화층 깊이 측정

도 10의 경화층 측정방법은 JIS G 0557로 하여 Gear는 침탄 경화층 깊이가 평균 1.92mm, Pinion은 평균 2.4로서 3mm이하로 목표치를 만족하였다.

표 11. 경도 측정

경도 측정의 시험방법은 ASTM E92로 하여 경도는 비이커스 경도기로 측정 결과 Gear는 평균 HV 713.80(HRC 60.6)이며, Pinion은 평균 HV683.20(HRC 59.3)으로 목표치인 HRC51이상을 만족하였다.

표 12. 결정립 크기 측정

결정립 크기 측정의 시험방법은 ASTM E112로 하여 결정립 크기를 5회 측정결과 Gear는 평균 No 7.5, Pinion은 No 6.5로 목표치 No. 6이상으로 도 11에서와 같은 결과가 나타났다.

표 13. Gear 와 Pinion의 인상시험

시험방법은 KS B 0802, 항복강도 0.2% offset로 시행하여 항복강도는 평균 968.25MPa(N/㎡)이며, 인장강도는 1078.25MPa(N/㎡)로서 목표치인 항복강도 750MPa, 인장강도 950MPa을 상회하여 목표치 만족하였다.

표 14. Gear 와 Pinion의 충격시험

시험방법은 ASTM E23로 시행하여 시험편의 크기는 10.0^w×10.0^T×55^L×(2mm V Notch)이며, 시험온도는 R.T로 하여 평균 101.775 J로 목표치인 55 J이상을 만족하였다.

또한 도 12의 Gear 와 Pinion의 초음파탐상과 자기탐상을 시험결과 초음파 탐상은 JIS G 0587 Gr l을 적용한 시험결과 아무 이상이 없었으며, 자기 탐상 JIS G 0565 Gr l 적용한 시험결과와 자분 탐상 KS-D-0213 적용 시험결과 모두 이상이 없는 것으로 나타났다.

Claims

선정한 강을 가공 후, 가열, 침탄열처리, 소입 및 응력을 제거하는 템파링 단계로 이루어지는 열처리 방법에 있어서,
침탄열처리 시, 830°C로 유지하여 1시간동안 강의 표면에 탄소를 침투시키되, 930°C에서 상기 강의 중량대비 탄소(C)를 0.95%로 포함시켜 1시간 동안 침탄시키고, 확산은 930°C에서 상기 강의 중량대비 탄소(C)를 0.85%로 포함시켜 1시간 동안 탄소를 침탄 시키는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 증속기어 침탄열처리 방법.
제 1항에 있어서,
상기 강으로 이루어진 기어(GEAR)는 염욕(소금물)의 온도가 200°C로 하여 오스템파링로에서 냉각하는 것을 포함 하는 풍력발전용 증속기어 침탄열처리 방법.
제 1항에 있어서,
상기 강은 침탄열처리 전에 0.1~0.6% 범위의 탄소성분이 포함된 합금강을 사용하며, 단조온도를 900~1250℃로 하고, 불림(Nor : Normalizing)으로 열처리 시 승온은 시간당 최고 100℃로 하고, 880℃의 온도에서 6시간 이상 열처리 후, 공랭하며, 터닝황삭은 면당 2 ~ 3mm 가공한 후, 예비 초음파탐상검사(UT : Ultrasonic Testing)를 실시하고, 담금질(Q : Quenching)로 열처리 시 승온은 시간당 최고 100℃로 하고, 850~880℃의 온도에서 6시간 이상 열처리 후, 유냉하고, 뜨임(T : Temperring)dmfh 열처리 시 승온은 시간당 최고 100℃로 하고, 550~650℃의 온도에서 6시간 이상 열처리 후, 공랭하여 제작하는 것을 포함하는 풍력발전용 증속기어 침탄열처리 방법.
제 1항에 있어서,
상기 강 표면에 탄소를 확산시켜 강 표면의 탄소함량을 강의 중량대비 0.8~1.0%가 되도록 하는 것을 포함하는 풍력발전용 증속기어 침탄열처리 방법.