KR101686814B1

KR101686814B1 - 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법

Info

Publication number: KR101686814B1
Application number: KR1020150147924A
Authority: KR
Inventors: 박인석
Original assignee: 박인석
Priority date: 2015-10-23
Filing date: 2015-10-23
Publication date: 2016-12-15

Abstract

본 발명은 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법에 관한 것으로, 유니버셜조인트의 아우터튜브와 이너샤프트로 구성되는 중간축의 이너샤프트가 신축가능하게 결합되는 아우터튜브의 경도의 증가와 중심선도의 오차범위를 최소화하는 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법에 있어서, 아우터튜브를 환원성가스가 공급되어지는 열처리로에 장입한 후 로(爐)의 온도가 740~800℃로 도달되도록 하는 승온단계(S100)와; 상기 승온단계 후, 침탄 또는 침탄질화가스인 프로판, LNG, 벤젠, NH3(암모니아)를 공급하면서 내부 온도를 740~800℃의 온도구간에서 4~10시간 정도 유지하여 아우터튜브 내주연의 초입과 이너샤프트가 삽입되는 아우터튜브의 내주연 위치 이상까지 제품표면에 가스를 침투시켜 처리하는 침탄 또는 침탄질화 열처리단계(S200)와; 상기 침탄 또는 침탄질화열처리단계 후, 적정 소입온도 740~780℃ 온도로 조절하여 제품이 균일한 온도로 될 때까지 유지시킨 후 가스, 오일, 염욕에 적어도 어느 하나 이상에 냉각시키는 소입냉각처리단계(S300);를 통해 아우터튜브의 중심선도로부터의 오차범위인 0~30㎛를 만족하고, 경도 HV 680 이상 HV 710이하를 만족함으로써, 아우터튜브 내에 이너샤프트의 신축결합시 발생되는 볼에 의한 압흔방지와 이너샤프트의 회전 및 신축에 따른 충격이 방지됨은 물론, 중심선도 오차범위가 아우터튜브 내주연 초입에서 이너샤프트가 신축되는 위치까지가 침탄 또는 침탄질화열처리에 따른 열변형이 최소로 이루어져 이너샤프트의 신축결합에 문제없는 양질의 품질을 가진 아우터튜브의 제공이 가능한 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법에 관한 것이다.

Description

조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법{The outer tube strain relief annealing method of universal joints for steering systems}

본 발명은 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차의 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브에 외부충격을 완충하고, 운전자의 안전을 도모하기 위해 이너샤프트가 볼에 의해 신축가능하게 결합이 우수하도록 상기 아우터튜브 내연의 변형 없이 침탄 또는 침탄질화를 통한 열처리가 가능하도록 함으로써, 기계적 강도와 내구성 및 내식성, 내마모성, 내충격성(고강도)을 더욱 향상이 가능하고, 아우터튜브의 내주연의 중심선도 변형의 최소화에 따른 품질향상을 통해 생산성 향상 및 보다 양질의 부품을 대량생산이 가능한 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 열처리방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량에는 조향휠(핸들)의 조향력을 경감하여 조향 상태의 안정성을 보장하기 위한 수단으로서 동력보조 조향장치가 사용되는데, 이와 같은 동력보조 조향장치에는 기존에 유압을 이용한 유압식 조향장치(HPS; Hydraulic Power Steering System)가 차량에 널리 이용되었으나, 최근에는 유압을 사용하던 기존의 방식과는 달리 모터의 회전력을 이용하여 운전자의 조향력을 쉽게 해주며 환경친화적인 전동식 조향장치(EPS; Electronic Power Steering System)가 차량에 보편적으로 설치되고 있다.

이와 같은 전동식 조향장치(EPS)는 차속센서, 조향 앵글 센서 및 조향 토크 센서 등에서 감지한 차량의 운행조건에 따라 전자제어장치(Electronic Control Unit)에서 모터를 구동시켜 저속 운행시에는 가볍고 편안한 조향감을 부여하고, 고속 운행시에는 무거운 조향감과 더불어 양호한 방향 안정성을 부여하며, 조향휠의 회전각에 따른 조속한 조향휠의 복원력을 제공하여 비상 상황에서 급속한 조향이 이루어지도록 하여 운전자에게 최적의 조향 조건을 제공하게 된다.

한편, 상기와 같은 전동식 조향장치는 운전자의 조향휠 회전력을 하측으로 전달할 수 있도록 조향휠과 기어박스의 사이에 배치되는 조향컬럼의 외부에 모터가 설치되어 그 내부의 조향축을 회전시킬 수 있도록 구성되어 조향휠 조타에 따른 운전자의 조향력을 보조하게 된다.

운전자가 조향휠을 원하는 방향으로 회전시키면 조향휠에 연결된 조향축이 회전하며, 조향축은 유니버설 조인트(Universal Joint)와 중간축(Intermediate Shaft)을 통하여 랙과 피니언 기어(Rack and Pinion Gear)로 구성되는 기어 박스에 회전력을 전달한다.

이때 기어 박스는 랙과 피니언 기어에 의해 조향축의 회전 운동을 직선 운동으로 바꾸어 랙바(Rack Bar)로 전달하며, 랙바는 타이어의 너클(Knuckle)과 연결된 타이로드에 힘을 전달하여 자동차의 진행방향을 변경할 수 있도록 한다.

특히, 조향축과 기어박스 사이의 축은 입력축과 출력축이 동축선상으로 일치하지 않고 일정한 각도로 기울어진 구조라는 점에서 일반적인 축의 결합 방식으로는 동력을 전달할 수 없기 때문에 조향축이 일정한 각도로 변경될 수 있는 유니버설 조인트와 중간축의 사용이 필수적이다.

도 1은 일반적인 자동차 조향장치의 개략도로서, 운전자가 조향을 조작하는 조향휠(1)로부터 조향컬럼(2), 조향축(3), 중간축(4), 기어박스(5)에 이르기 까지 일련의 축연결로 이루어져 조향휠(1)의 회전이 기어박스(5)에 전달되어 자동차의 조향을 이루게 되어 있다.

또한, 차속센서(미도시), 조향 앵글 센서 및 조향 토크 센서(미도시) 등이 구비되어 이들에서 감지한 차량의 운행조건에 따라 전자제어장치(미도시)에서 감속기의 모터를 구동시켜 저속 운행시와 고속 운행시에 조향감과 더불어 양호한 방향 안정성을 부여하며, 조속한 조향휠의 복원력을 제공하여 비상 상황에서 급속한 조향이 이루어지도록 하여 운전자에게 최적의 조향 조건을 제공하게 되어 있다.

이러한 자동차 조향장치에서는 조향축(3)의 하단을 기어박스(5)와 연결하되, 조향축(3)은 주변 여건상 임의의 각도로 기울어진 채 기어박스(5)와 연결되도록 되어 있기 때문에 이러한 조건을 만족하기 위해서 유니버설 조인트와 중간축(4)을 사용하게 된다.

도 2는 종래 기술에 의한 자동차 조향장치 중 유니버셜 조인트를 나타내는 사시도이고, 도시된 바와 같이, 종래 기술에 의한 중간축(4)은 소정의 각도로 굴절된 상태에서도 회전력을 전달하는 유니버설 조인트(10) 및 일측에 장착된 유니버설 조인트(10)에서 전달되는 회전력을 타측에 장착된 유니버설 조인트(10)에 전달함과 동시에 축 방향으로 신축이 가능한 아우터튜브(12)와 이너샤프트(14)를 구비하고 있다.

중간축(4)은 축의 회전력을 전달하며 축 방향으로 작용하는 힘에 의해 축이 신축되는 것으로서, 두 개의 요크(Yoke: 20)와 하나의 스파이더(40)로 구성되는 유니버설 조인트(10)와, 요크(20)와 일체로 형성되며 중공 형상을 가지는 아우터튜브(12), 아우터튜브(12)에 삽입되어 길이 방향의 힘을 흡수하는 이너샤프트(14)를 포함하여 구성되며, 경우에 따라서는 아우터튜브(12)와 이너샤프트(14) 사이에 구비되는 볼(50) 또는 부시(미도시) 등을 포함하여 구성될 수도 있다.

이와 같은 구성의 차량의 자동차 조향장치의 중간축(4)의 유니버셜조인트는 조향 토오크를 구동바퀴에 전달하는 기능 부품중 하나로서, 고도의 접촉 피로강도와 내마모성이 요구되는 부품이다.

그러나, 종래 유니버셜조인트는 아우터튜브를 저온에서 질화열처리를 통해 기계적 강도와 접촉 피로강도 및 내마모성을 가지도록 처리한다. 이러한 저온의 열처리과정에서 상기 아우터튜브는 이너샤프트가 볼에 의해 신축되게 결합됨과 함께 외부충격이나 조향장치의 과도한 각도변경으로 인한 상당한 피로강도를 요구하고 있기 대문에 상기 열처리를 통해 아우터튜브 내연의 열처리는 필수이다.

이러한 아우터튜브의 질화열처리는 아우터튜브에서 필수요구사항인 열처리후 변형방지를 위하여 부득이 채택되어 현재까지 적용되고 있는 저온열처리 방법이다. 그러나, 사용중에 이너샤프트와 아우터튜브의 중간에 조립되어지는 볼의 영향으로 압흔이 발생되어 문제가 지속적으로 발생되고 있고, 이러한 이유에서 제품의 특성상 최적의 열처리인 고온에서 이루어지는 침탄열처리 또는 침탄질화열처리를 통한 표면경도 경화깊이를 만족하는 열처리방법이 필요로하다.

하지만 고온에서 이루어지는 열처리공법은 변형률이 높다. 즉, 이너샤프트가 결합되는 아우터튜브의 초입부터 이너샤프트가 이동하는 거리까지의 아우터튜브 내경의 변형이 종래 질화열처리 보다 침타열처리 또는 질화열처리과정에서 쉽게 이루어져 아우터튜브의 불량률이 높게 형성된다. 더욱이, 아우터튜브의 경도를 높이기 위해 열처리시간을 증대하여 침탄깊이를 조정할 경우 아우터튜브의 초입에서 이너샤프트가 이동되는 거리 대략 90mm 까지의 중심선도의 변형이 심하게 이루어져 이너샤프트가 아우터튜브에 결합이 이루어지지 않거나 어려워지는 불량이 발생된다.

통상, 아우터튜브는 볼에 의한 압흔이나 이너샤프트의 회전 및 신축에 따른 충격에 대하여 기계적 강도를 가져야 하는 이유에서 경도 HV가 680이상 되어야 하기 때문에 고온에서 장시간의 침탄 또는 침탄질화 열처리가 필요로하다. 따라서, 앞서 상술한 바와 같이, 중심선도를 유지한 상태의 아우터튜브의 제작은 상당히 어려운 숙제로 현재까지 잔존하고, 이와 같은 이유에서 대량생산의 어려움이 따른다. 또한, 대량생산 및 높은 품질의 제품생산에 어려움이 따라 생산비용 및 생산단가가 상승하고, 이에 따른 생산효율도 현저히 저하되어 결국 차량조향장치의 원가상승의 원인이 되고 있는 실정이다.

더욱이, 이와 같은 고온의 열처리과정에 따른 기술력의 부재로 인해 상당한 량의 해외 수입의존이 발생되어 결국에는 전체적 생산비용의 상승을 초래하는 것은 자명하다.

현재까지도 상기 아우터튜브는 침탄 열처리방법, 질화열처리방법을 통해 개시되고 있고, 앞서 상술한 문제점에 대한 부분이 아래에 보다 상세히 설명된다.

첫째, 침탄 열처리방법은 통상 저탄소강 표면에 탄소를 침투시키는 열처리방법이다. 상기 침탄 열처리방법은 일반적으로 널리 사용되고 있는 방법으로 프로판, LNG, 벤젠 등을 이용하여 탄소를 침투시킨다. 그리고, 계속해서 온도를 상승시켜가며 통상 850~930℃에서 온도변화와 2~5시간을 조절하여 경화층, 변형량을 조절하고, 이후, 온도를 하강시켜 800~860℃, 30분 시간범위 정도 유지후 냉각제로 오일, 가스, 염욕 중 선택하여 냉각을 시킴으로써, 아우터튜브의 내주연의 초입에서 이너샤프트가 삽입되어 이동되는 약 90mm 구간까지의 중심선도에서의 오차범위를 최소화하면서 아우터튜브에 요구되는 HV 680이상 HV 710이하의 침탄 경도를 얻게 된다.

하지만, 이와 같은 침탄 열처리방법은 상당한 고온에서 냉각시 온도편차가 크고, 이에 따른 아우터튜브의 열변형이 쉽게 발생될 수 있어 중심선도로부터 오차범위를 넘어서게 된다. 이에 따라 이너샤프트가 아우터튜브에 신축가능하게 결합되지 못하는 문제로 인해 제품의 불량이 초래되는 것이다.

한편, 둘째, 침탄질화 열처리방법은 침탄열처리 공정진행중 표면경도와 내마모성을 향상시킬 목적으로 제품 표면에 탄소와 질소를 침투시키는 방법으로 프로판, LNG, 벤젠과 더불어 암모니아를 통해 처리하는 방법이다.

셋째, 질화열처리방법은 보통 온도를 계속 상승시켜 530~590℃ 구간에서 2~4시간을 열처리하면서 로의 내부로 암모니아를 투입하여 표면의 경도를 상승시키는 열처리방법이다. 이러한 질화열처리방법은 대한민국 공개특허 제10-2010-0082633호에도 잘 나타나 있다. 하지만, 이러한 질화열처리는 처리온도가 낮아서 열처리 변형은 최소화 할 수 있는 열처리 방법이나 열처리경화층 0.03mm 이내로 열처리층이 너무낮다.

따라서, 침탄열처리 또는 침탄질화열처리는 아우터튜브의 경도를 높이기 위해 열처리온도를 높여야하고, 침탄깊이를 깊게 하기 위하여 열처리시간을 증대하면 아우터튜브의 초입에서 이너샤프트가 이동되는 거리 대략 90mm 까지의 중심선도의 변형이 심하게 이루어져 이너샤프트가 아우터튜브에 결합이 이루어지지 않거나 어려워지는 불량이 발생되는 문제가 있고, 질화열처리는 경화깊이가 낮아서 내구성에 문제가 발생된다.

따라서, 아우터튜브의 내주연의 중심선도 및 경도를 만족할 수 있는 열처리방법이 시급하며, 보다 용이하게 열처리하여 높은 품질의 아우터튜브의 제공이 가능함은 물론, 생산시간 및 생산비용을 절감할 수 있는 기술이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

1) 대한민국 공개특허 제10-2010-0082633호, 공개일자 2010년 07월 19일.

따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출한 것으로, 아우터튜브 내주연의 초입에서 이너샤프트의 이동위치 내측까지의 아우터튜브의 중심선도의 오차범위를 최소화하면서 신축되게 결합되는 이너샤프트에 의한 충격이나 신축과정에서의 볼 구름에 따른 요구 경도에 만족하도록 신뢰성있게 열처리를 함으로써, 아우터튜브의 내주연 경도의 요구경도 처리와 열처리에 따른 제품 변형이 방지를 통한 중심선도 오차 최소화가 가능하고, 이를 통해 아우터튜브의 요구되는 기계적 강도 및 내구성 부여가 가능한 제품 제작이 가능하며, 열처리 제품의 제작공정 단축 및 생산시간, 생산비용이 절감될 수 있는 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 침탄열처리 또는 침탄질화 열처리시 고온열처리로 인한 열처리변형으로 인하여 질화열처리를 하는 자동차 미션부품과 같은 다양한 산업분야의 부품에도 적용이 가능한 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법을 제공하는 데 또 다른 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법은 유니버셜조인트의 아우터튜브와 이너샤프트로 구성되는 중간축의 이너샤프트가 신축가능하게 결합되는 아우터튜브의 경도의 증가와 중심선도의 오차범위를 최소화하는 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법에 있어서, 아우터튜브를 환원성가스가 공급되어지는 열처리로에 장입한 후 로(爐)의 온도가 740~800℃로 도달되도록 하는 승온단계(S100)와; 상기 승온단계 후, 침탄 또는 침탄질화가스인 프로판, LNG, 벤젠, NH3(암모니아)를 공급하면서 내부 온도를 740~800℃의 온도구간에서 4~10시간 정도 유지하여 아우터튜브 내주연의 초입과 이너샤프트가 삽입되는 아우터튜브의 내주연 위치 이상까지 제품표면에 가스를 침투시켜 처리하는 침탄 또는 침탄질화 열처리단계(S200)와; 상기 침탄 또는 침탄질화열처리단계 후, 적정 소입온도 740~780℃ 온도로 조절하여 제품이 균일한 온도로 될 때까지 유지시킨 후 가스, 오일, 염욕 중 적어도 어느 하나이상에 냉각시키는 소입냉각처리단계(S300);를 포함하여 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 아우터튜브 변형방지 열처리방법을 통해 제작된 상기 아우터튜브의 내주연 초입부터 이너샤프트가 볼에 의해 신축되어 이동되게 결합되는 위치의 중심선도로부터의 열처리전후의 오차범위는 0~30㎛ 내이고, 열처리후 아우터튜브의 경도는 이너샤프트의 신축 및 회전에 따른 충격에 대하여 내구성 및 내마모성의 요구되는 기계적강도에 적합하도록 HV 680 이상 HV 710이하로 열처리되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 아우터튜브 내주연의 초입에서 이너샤프트의 이동위치 내측까지의 아우터튜브의 중심선도의 오차범위를 최소화하면서 신축되게 결합되는 이너샤프트에 의한 충격이나 이너샤프트가 아우터튜브에 결합된 상태의 신축과정에서의 볼 구름에 따른 요구 경도에 만족하도록 신뢰성있게 열처리를 함으로써, 아우터튜브의 내주연 경도의 요구경도 처리와 열처리에 따른 제품 변형이 방지를 통한 중심선도 오차 최소화가 가능하고, 이를 통해 아우터튜브의 요구되는 기계적 강도 및 내구성 부여가 가능한 제품 제작이 가능하며, 열처리 제품의 제작공정 단축 및 생산시간, 생산비용이 절감될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 조향장치용 유니버셜조인트가 결합된 조향장치 전체 측면도이다.
도 2는 종래의 조향장치용 유니버셜조인트의 요부 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법을 보인 처리온도 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법을 통해 제작된 아우터튜브의 오차범위가 최소화된 측면단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법을 통해 제작된 아우터튜브의 오차범위가 최소화된 측면단면도 각 구간의 정면단면도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.

본 명세서에서, 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 결코 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법의 실시예에 따른 기술적 특징을 구체적으로 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법을 보인 처리온도 그래프이고, 도 4는 본 발명에 따른 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법을 통해 제작된 아우터튜브의 오차범위가 최소화된 측면단면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법을 통해 제작된 아우터튜브의 오차범위가 최소화된 측면단면도 각 구간의 정면단면도이다.

본 발명에 따른 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법은 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 열처리시 제기되는 문제점인 열변형에 따른 중심선도의 오차로 인해 이너샤프트의 신축결합이 어려워지는 불량을 방지하고, 이너샤프트의 신축결합에 따른 유동과 회전에 따른 충격으로부터 내구성 및 내마모성의 기계적강도를 가질 수 있도록 열처리에 따른 요구 경도로 처리되도록 아우터튜브 변형방지 열처리방법이다.

이와 같은 본 발명에 따른 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법은 도 3에 도시된 처리온도 그래프에 나타난 바와 같이, 종래 침탄열처리와 같은 고온(870~930℃)과 침탄질화열처리와 같은 저온(530~590℃) 사이의 온도에서 열처리되어 아우터튜브의 열처리전 중심선도에서의 내주연값과 열처리후의 중심선도에서의 내주연값의 오차범위가 최소화됨을 확인할 수 있을 뿐만 아니라 아우터튜브의 이너샤프트가 결합되는 초입에서 이너샤프트가 삽입되는 깊이까지의 중심선도의 변형이 최소화될 수 있고, 요구하는 경도인 HV 680 이상 HV 710이하의 경도를 얻을 수 있어 기계적 강도가 우수한 아우터튜브의 제작이 가능하다.

상기 아우터튜브의 열처리에 따른 방법은 승온단계(S100), 침탄, 침탄질화열처리단계(S200), 소입냉각처리단계(S300)를 통해 앞서 상술한 중심선도의 오차범위를 최소화하고, 요구경도를 얻을 수 있다.

상기 승온단계(S100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 최초 온도를 상승하는 구간으로 환원성가스가 공급되고 있는 열처리로에 아우터튜브를 장입한 후 로(爐) 챔버 내부 온도가 740~800℃로 도달되도록 하여 아우터튜브의 표면에 부착된 이물질을 제거한다. 즉, 아우터튜브의 내부에 이물질 등이 잔존하여 경도부여에 불량을 초래하거나 아우터튜브의 내주연의 깊이에 따른 중심선도의 오차범위내에 들어가는 요구되는 값을 이물질로 인해 얻지 못하는 문제를 미연에 방지하기 위한 것이다.

상기 침탄,침탄질화열처리단계(S200)는 아우터튜브의 변형이 최소화되어 중심선도로부터의 오차범위가 요구되는 0~30㎛ 범위내에서의 변형률을 보이도록 하고, 이와 함께 이너샤프트가 아우터튜브 내에서의 회전 및 신축결합에 따른 충격 등으로부터의 기계적 강도를 가질 수 있는 요구경도 HV 680 이상 HV 710이하의 경도를 얻기 위한 열처리단계로서, 상기 전처리단계 후, 침탄 또는 침탄질화가스인 프로판, LNG, 벤젠, NH3(암모니아)를 공급하면서 로(爐) 챔버 내부 온도를 740~800℃의 온도구간에서 4~10시간 정도 유지하여 침탄,침탄질화 열처리한다.

상기 소입냉각처리단계(S300)는 상기 침탄,침탄질화열처리단계 후, 적정소입 온도 740~780℃로 유지시키면서 약 30분간 체류시켜 소입한다. 여기서, 상기 소입냉각처리단계에서는 상기 침탄경도를 높이기 위해 탄소를 0.8~0.9% 공급하여 아우터튜브의 표면 탄소함량을 조절하여 맞추게 된다. 여기서, 소입하여 제품(아우터튜브)이 균일한 온도로 될 때까지 유지시킨 후에는 가스, 오일, 염욕 중 어느 하나로 냉각시켜 완료한다.

한편, 상기와 같은 열처리방법은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 아우터튜브의 내주연 초입부터 이너샤프트가 볼에 의해 신축되어 이동되게 결합되는 위치의 중심선도로부터의 열처리전후의 오차범위는 0~30㎛ 내이고, 열처리후 아우터튜브의 경도는 이너샤프트의 신축 및 회전에 따른 충격에 대하여 내구성 및 내마모성의 요구되는 기계적강도에 적합하도록 HV 680 이상 HV 710이하로 열처리된다.

이와 같은 본 발명에 따른 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법은 종래의 침탄열처리방법의 비교예와 비교하여 도 3에 나타난 그래프와 같은 결과를 나타낼 수 있다.

아래와 같이 비교예와 실시예의 시료로서 아우터튜브를 준비하고, 각각의 시료에 해당되는 열처리전의 아우터튜브의 내경의 초입, 25mm, 60mm, 90mm 지점의 X, Y, Z의 길이를 측정한다. 각각의 시료에 해당되는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같은 X, Y, Z의 길이의 측정값의 평균값을 점선표기하여 그래프로 표기하고, 열처리 후에는 각각의 시료에 대하여 X, Y, Z의 길이의 측정된 값의 평균값을 통해 실선으로 그래프에 표시한 후, 열처리전과 후의 시료의 오차범위를 측정하여 아우터튜브의 중심선도에서의 오차범위값인 0㎛~30㎛ 내의 범위인지 여부를 측정하여 최종 변형이 최소화된 열처리방법을 설정한다.

<비교예 1>

상기 그래프에 나타난 바와 같이, 열처리전의 시료 1, 2 ,3을 준비한다. 이때, 열처리전 시료 1, 2, 3의 내경 초입, 25mm, 60mm, 90mm 지점의 X, Y, Z값을 측정하여 평균값에 따라 점선표기한다. 여기서, 열처리전 시료 1, 2, 3은 표에 나타난 바와 같이 관리상한(Upper Control Limit;UCL) 선에 근접하여 수평에 가깝게 표시되고, 이후, 통상적인 침탄열처리방법을 통해 870℃에서 130분간 침탄처리하고, 830℃에서 20분간 열처리하여 5분간 냉각하였을 때, 상기 시료 1, 2, 3은 관리하한(Lower Control Limit;LCL) 선 이하로 수축하여 시료의 초입부분은 열처리전과 비교하였을 때, 약 60㎛ 오차가 발생되고, 90mm 부분에서는 약 90㎛의 오차가 발생되어 최적의 오차범위인 0㎛~30㎛를 벗어나 적합하지 않았다.

<비교예 2>

상기 그래프에 나타난 바와 같이, 열처리전의 시료 1, 2 ,3을 준비한다. 이때, 열처리전 시료 1, 2, 3의 내경 초입, 25mm, 60mm, 90mm 지점의 X, Y, Z값을 측정하여 비교예 1과 같은 방법으로 평균값에 따라 점선표기한다. 여기서, 열처리전 시료 1, 2, 3은 표에 나타난 바와 같이 관리상한(Upper Control Limit;UCL) 선에 근접하여 수평에 가깝게 표시되고, 이후, 통상적인 침탄열처리방법을 통해 840℃에서 130분간 침탄처리하고, 800℃에서 20분간 열처리하여 5분간 냉각하였을 때, 상기 시료 1은 관리상한(Upper Control Limit;UCL) 선 상측으로부터 관리상한(Upper Control Limit;UCL) 선 하측에 근접한 그래프가 표시되고, 시료 2는 관리상한(Upper Control Limit;UCL) 선 상측에서 관리상한(Upper Control Limit;UCL) 선과 관리하한(Lower Control Limit;LCL) 선 사이에 위치된 그래프로 표시되며, 시료 3은 관리상한(Upper Control Limit;UCL) 선과 관리하한(Lower Control Limit;LCL) 선 사이에서 관리하한(Lower Control Limit;LCL) 선 하측에 근접하게 수축하여 시료의 초입부분은 열처리전과 비교하였을 때, 약 65㎛ 오차가 발생되고, 90mm 부분에서는 약 70㎛의 오차가 발생되어 최적의 오차범위인 0㎛~30㎛를 벗어나 적합하지 않았다.

<비교예 3>

상기 그래프에 나타난 바와 같이, 열처리전의 동일한 소재시료를 복수준비한다. 이때, 열처리전 각각의 동일소재 시료의 내경 초입, 25mm, 60mm, 90mm 지점의 X, Y, Z값을 측정하여 평균값에 따라 점선표기한다. 여기서, 열처리전 동일소재 시료는 표에 나타난 바와 같이 관리상한(Upper Control Limit;UCL) 선의 상하로 근접하여 표시되고, 이후, 통상적인 침탄열처리방법을 통해 840℃에서 100분간 침탄처리하고, 800℃에서 20분간 열처리하여 5분간 냉각하였을 때, 상기 동일소재 시료는 관리상한(Upper Control Limit;UCL) 선 하측과 관리하한(Lower Control Limit;LCL) 선 상하측에 걸쳐 수축하여 그래프가 표시된다. 열처리 후의 동일소재 시료의 초입부분은 열처리전과 비교하였을 때, 약 35㎛ 오차가 발생되고, 90mm 부분에서는 약 40㎛의 오차가 발생되어 최적의 오차범위인 0㎛~30㎛를 벗어나 적합하지 않았다. 즉, 관리상한(Upper Control Limit;UCL) 선과 관리하한(Lower Control Limit;LCL) 선상에 걸쳐는 있으나 오차범위가 초과되어 열처리에 따른 변형으로 적합하지 않다.

<비교예 4>

상기 그래프에 나타난 바와 같이, 열처리전의 동일한 소재시료를 복수준비한다. 이때, 열처리전 각각의 동일소재 시료의 내경 초입, 25mm, 60mm, 90mm 지점의 X, Y, Z값을 측정하여 평균값에 따라 점선표기한다. 여기서, 열처리전 동일소재 시료는 표에 나타난 바와 같이 관리상한(Upper Control Limit;UCL) 선의 상하로 상기 비교예 3과 유사하게 근접하여 표시되고, 이후, 통상적인 침탄질화열처리방법을 통해 840℃에서 130분간(NH3 2ℓ/min 공급) 침탄처리하고, 780℃에서 20분간 열처리하였을 때, 상기 동일소재 시료는 관리상한(Upper Control Limit;UCL) 선 상측과 관리하한(Lower Control Limit;LCL) 선 상측에 걸쳐 그래프가 표시된다. 열처리 후의 동일소재 시료의 초입부분은 열처리전과 비교하였을 때, 약 25㎛ 오차가 발생되어 만족할 수 있으나, 90mm 부분에서는 약 37㎛의 오차가 발생되어 전체적인 구간에서의 최적의 오차범위인 0㎛~30㎛를 벗어나 적합하지 않았다. 즉, 이너샤프트가 초입에서 신축가능하게 끼워는 지나 내측으로 완전히 신축가능하게 결합되지 않는 문제가 발생되는 것이다.

<비교예 5>

상기 그래프에 나타난 바와 같이, 열처리전의 소재시료의 X, Y, Z를 측정하여 평균값을 통해 그래프를 점선표기하였다. 여기서, 열처리전 소재시료의 X, Y, Z는 관리상한(Upper Control Limit;UCL) 선의 상하에 근접하게 그래프가 표시되고, 이후, 소재시료를 침탄질화열처리방법을 통해 840℃에서 130분간(NH3 2ℓ/min 공급) 침탄처리하고, 790℃에서 20분간 열처리하여 5분간 냉각하였을 때, 상기 소재시료의 X, Y, Z의 평균값은 최대 오차범위가 90mm 부분에서 62㎛의 오차가 발생되어 이 역시 최적오차범위 0㎛~30㎛를 벗어나 적합한 열처리 방법이 아님을 확인하였다. 여기서, 소재시료 X, Y, Z의 변형은 관리상한(Upper Control Limit;UCL) 선 상측으로부터 관리상한(Upper Control Limit;UCL) 선 하측으로 상당히 큰 편차가 발생됨을 알수 있다.

따라서, 초입부분에서 아우터튜브에 이너샤프트의 끼움이 가능하다 하더라도 내주연 내측으로 끼움은 되지 않아 사실상 불량 아우터튜브의 생산이 된다.

다음으로, 실시예1, 2, 3은 본 발명에 따른 아우터튜브 변형방지 열처리방법을 통해 서서히 770℃까지 온도를 상승시켜 770℃ 구간에서 암모니아(NH3)를 2ℓ/min으로 공급하면서 6시간을 열처리한다. 그리고, 다시 770℃ 구간에서 소재시료의 온도를 일정하게 유지하면서 탄소를 0.8~0.9% 공급하여 소재시료의 표면 탄소함량을 조절하여 맞추도록 10분간 소입하여 소입냉각처리단계를 거친다. 이렇게 얻어진 그래프는 아래와 같다.

<실시예 1>

<실시예 2>

<실시예 3>

여기서, 위 그래프에 도시된 바와 같이, 소재시료의 구간별 X, Y, Z의 열처리전과 열처리후의 편차가 실시예 1은 약 23㎛, 실시예 2는 29㎛, 실시예 3은 27㎛ 임을 확인할 수 있다. 여기서, 각각의 실시예에 따른 소재시료는 열처리를 통해 팽창하여 관리상한(Upper Control Limit;UCL) 선과 관리하한(Lower Control Limit;LCL) 선 사이에 소재시료가 위치되어 허용오차 0~30㎛ 내에 존재하게 됨을 확인할 수 있어 변형없이 중심선도에서 벗어나지 않은 최적의 품질로 침탄 또는 침탄질화열처리가 가능함을 알 수 있는 것이다.

따라서, 상기와 같은 비교예들과 실시예들을 살펴볼 때, 본 발명에 따른 조향장치용 아우터튜브 변형방지 열처리방법을 통해 아우터튜브의 요구 경도 부여와 파이프형태의 아우터튜브의 초입에서 내주연 내측까지의 변형을 최소화하여 이너샤프트의 신축결합 품질이 우수하게 이루어질 수 있는 것은 자명하다.

더욱이, 이와 같은 아우터튜브 변형방지 열처리방법을 통해 중공을 형성한 아우터튜브와 같은 부품의 기계적강도의 향상과 변형을 최소화하여 생산이 가능함에 따라 다양한 산업분야에 널리 사용될 수 있는 것 역시 자명한 사실이며, 제품 불량률이 현저히 줄어들어 생산효율 증가 및 생산비용, 생산단가의 절감을 통해 보다 양질의 부품생산의 대량생산이 가능하다.

이상에서는 본 발명을 하나의 실시예로서 상세히 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않고, 기술사상 범위 내에서 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 변형 및 수정이 가능함은 명백한 것이며, 본 발명의 실시예와 실질적 균등범위까지 포함된다 할 것이다.

1 : 조향휠 2 : 조향컬럼
3 : 조향축 4 : 중간축
5 : 기어박스 10 : 유니버셜조인트
12 : 외측 샤프트 14 : 내측 샤프트
20 : 요크
S100 : 승온단계 S200 : 침탄,침탄질화열처리단계
S300 : 소입냉각처리단계

Claims

유니버셜조인트의 아우터튜브와 이너샤프트로 구성되는 중간축의 이너샤프트가 신축가능하게 결합되는 아우터튜브의 경도의 증가와 중심선도의 오차범위를 최소화하는 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법에 있어서, 상기 아우터튜브를 환원성가스가 공급되어지는 열처리로에 장입한 후 로(爐)의 온도가 740~800℃로 도달되도록 하는 승온단계(S100)와; 상기 승온단계 후, 침탄 또는 침탄질화가스인 프로판, LNG, 벤젠, NH3(암모니아)를 공급하면서 내부 온도를 740~800℃의 온도구간에서 4~10시간 정도 유지하여 아우터튜브 내주연의 초입과 이너샤프트가 삽입되는 아우터튜브의 내주연 위치 이상까지 제품표면에 가스를 침투시켜 처리하는 침탄,침탄질화 열처리단계(S200)와; 상기 침탄 또는 침탄질화열처리단계 후, 적정 소입온도 740~780℃ 온도로 조절하여 제품이 균일한 온도로 될 때까지 유지시킨 후 가스, 오일, 염욕 중 적어도 어느 하나 이상에 냉각시키는 소입냉각처리단계(S300);를 포함하고, 상기 아우터튜브 변형방지 열처리방법을 통해 제작된 상기 아우터튜브의 내주연 초입부터 이너샤프트가 볼에 의해 신축되어 이동되게 결합되는 위치의 중심선도로부터의 열처리전후의 오차범위는 0~30㎛ 내이고, 열처리후 아우터튜브의 경도는 이너샤프트의 신축 및 회전에 따른 충격에 대하여 내구성 및 내마모성의 요구되는 기계적강도에 적합하도록 HV 680 이상 HV 710이하로 열처리되는 것을 특징으로 하는 조향장치용 유니버셜조인트의 아우터튜브 변형방지 열처리방법.
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