KR102360964B1 - 기어용 강의 복합 열처리 방법 - Google Patents

기어용 강의 복합 열처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기어용 강의 복합 열처리 방법에 관한 것으로, 소재가 장입된 열처리로에 암모니아(NH3)와 질소(N2) 및 수소(H2) 가스를 주입시키고 질소포텐셜(KN)을 제어하여 소재의 표면에 Fe3N(ε상)과 Fe4N(γ`상)의 결정구조가 혼합된 화합물층을 형성시키는 질화열처리단계 및 상기 질화열처리단계를 거친 소재를 고주파가열하여 소재의 표면에 형성된 상기 화합물층의 질소를 소재 내부로 고용시키는 고주파열처리단계를 포함하여 상 제어를 통한 질화열처리 및 고주파열처리에 의하여 저변형성 및 내구성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

기어용 강의 복합 열처리 방법 {COMPLEX HEAT TREATMENT METHOD OF STEEL FOR GEAR}
본 발명은 기어용 강의 복합 열처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차 변속기용 유성기어를 제조하는 강의 내구성을 증가시키는 기어용 강의 복합 열처리 방법에 관한 것이다.
자동변속기는 자동차 엔진에서 발생하는 회전력을 적당한 차속으로 변환하기 위하여 사용되는 장치로, 인풋 샤프트, 유성기어세트 및 아웃풋 샤프트 등이 내장되며 클러치 및 브레이크와 조합하여 변속을 하는 구조로 되어 있다.
엔진에서의 구동력을 여러 유성기어와 축을 사용하여 적당한 차속으로 변환하는 역할을 수행하는 자동변속기는, 충분한 내구성을 갖추고 마모, 파손이 발생하지 않기 위하여 구동 부품 제조시 고강도 재료와 특수열처리를 실시하여 제작되고 있다. 특히, 최근에는 연비향상, 배기가스 감소 등의 목표를 달성하기 위하여 부품의 크기를 작게 하면서 내구성은 향상시키는 추세이다.
이러한 자동변속기의 유성기어는 엔진의 동력을 전달하기 때문에 표면부에서 과다한 접촉응력과 굴곡응력을 반복적으로 받게 되므로 접촉부의 피로손상 및 기어치 절손 등이 발생할 우려가 있다. 따라서 이러한 손상을 방지하기 위하여 일반적으로 유성기어 등 자동변속기용 기어류는 침탄열처리 또는 질화열처리 등 이에 준하는 열처리를 실시하고 있는 실정이다.
기계부품용 강의 내구성을 향상시키기 위해서 강에 탄소를 침투시킨 후 담금질을 통하여 높은 경도를 얻는 침탄열처리 공법이 널리 이용되고 있다. 그러나 침탄열처리는 870~950℃의 높은 온도에서 공정이 이루어지고, 마르텐사이트 변태를 위한 담금질을 위해 급냉을 해야 하므로 침탄열처리에 의한 기계부품의 변형이 크다는 문제가 있다.
반면에 질화열처리는 강에 질소를 침투시켜 표면에 질소화합물인 ε상(Fe3N)과 γ′상(Fe4N)을 생성시켜 높은 경도를 얻는 열처리 방법이다. 질화열처리는 500~600℃의 낮은 온도에서 공정이 이루어지고, 마르텐사이트 변태를 위한 담금질이 없기 때문에 열처리에 의한 기계부품의 변형이 적다는 장점이 있지만, 경화깊이가 낮으므로 내구성이 떨어지는 단점이 있다.
따라서, 열처리에 의한 변형의 정도가 낮으면서도 경화 깊이가 높아 충분한 내구성을 지닌 기계부품용 열처리공정을 개발할 필요가 있다.
대한민국등록특허공보 제10-0595000호(2006.06.22.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기어용 강의 열처리 방법이 가지는 문제점들을 개선하기 위해 창출된 것으로, 내구성이 높으면서 변형이 적은 기어용 강의 복합 열처리 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 기어용 강의 복합 열처리 방법은 소재가 장입된 열처리로에 암모니아(NH3)와 질소(N2) 및 수소(H2) 가스를 주입시키고 질소포텐셜(KN)을 제어하여 소재의 표면에 Fe3N(ε상)과 Fe4N(γ`상)의 결정구조가 혼합된 화합물층을 형성시키는 질화열처리단계, 및 상기 질화열처리단계를 거친 소재를 고주파가열하여 소재의 표면에 형성된 상기 화합물층의 질소를 소재 내부로 고용시키는 고주파열처리단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 질화열처리단계는 소재를 열처리로에 장입하고 공기분위기에서 열처리로를 섭씨 300도 이상 400도 이하의 온도까지 승온시키는 1차승온단계, 상기 1차승온단계를 거친 열처리로의 온도를 섭씨 300도 이상 400도 이하로 유지하여 상기 소재의 표면을 산화시키는 활성화단계, 상기 활성화단계를 거친 열처리로의 온도를 유지시키면서 질소(N2) 가스를 주입하여 열처리로 내의 분위기를 치환시키는 1차퍼지단계, 및 상기 제1퍼지단계를 거친 열처리로의 온도를 유지시키면서 암모니아(NH3) 가스를 주입하여 열처리로를 암모니아(NH3) 분위기로 형성시키는 2차퍼지단계, 암모니아(NH3) 분위기에서 상기 2차퍼지단계를 거친 열처리로의 온도를 섭씨 490도 이상 600도 이하의 온도로 승온시키는 2차승온단계, 상기 2차승온단계를 거친 열처리로의 온도를 섭씨 490도 이상 600도 이하로 유지하여 상기 활성화된 소재의 표면에 Fe3N(ε상)의 화합물층을 형성시키는 제1질화단계, 상기 제1질화단계를 거친 열처리로에 암모니아(NH3), 질소(N2) 및 수소(H2) 가스를 동시에 주입시켜 소재의 표면에 형성된 Fe3N(ε상)의 화합물층을 Fe3N(ε상)과 Fe4N(γ`상)이 혼합된 화합물층으로 변형시키는 제2질화단계, 및 상기 제2질화단계를 거쳐 질화된 소재를 질소(N2) 가스 분위기에서 섭씨 20도 이상, 150도 이하의 온도로 냉각시키는 냉각단계를 포함하는 것도 가능하다.
이때, 상기 제2질화단계에서는 질소포텐셜(KN)을 0.4 이상, 1.0 이하로 제어하는 것도 가능하다.
또한, 암모니아(NH3) 가스를 질소(N2) 가스와 수소(H2) 가스로 분해시켜 분해암모니아(DNH3)를 만드는 분해암모니아생성단계를 더 포함하는 것도 가능하다.
또한, 상기 제2질화단계에서는 상기 분해암모니아생성단계를 거쳐 생성된 상기 분해암모니아(DNH3) 및 암모니아(NH3) 가스를 상기 제1질화단계를 거친 열처리로에 주입하여 열처리로 내의 가스 비율을 상기 분해암모니아의 부피가 55% 이상 75% 이하, 암모니아(NH3) 가스의 부피가 25% 이상 45% 이하가 되도록 제어하는 것도 가능하다.
한편, 상기 제2질화단계에서는 상기 화합물층은 Fe3N(ε상) 결정구조의 비율이 60% 이하인 것도 가능하다.
한편, 상기 고주파가열단계를 거친 소재를 담금질하여 질소기반의 마르텐사이트를 형성하는 담금질단계를 더 포함하는 것도 가능하다.
한편, 상기 고주파가열단계에서는 상기 화합물층의 Fe3N(ε상)과 Fe4N(γ`상)의 비율에 따라 가열 시간을 설정하는 것도 가능하다.
이때, 상기 고주파가열단계에서는 Fe3N(ε상)의 비율에 80초를 곱한 시간과 Fe4N(γ`상)의 비율에 10초를 곱한 시간을 더하여 가열 시간을 설정하는 것도 가능하다
한편, 상기 고주파가열단계에서는 상기 질화열처리단계를 거친 소재를 섭씨 850도 이상 950도 이하의 온도로 고주파 유도 가열하는 것도 가능하다.
한편, 상기 질화열처리단계를 거친전에 소재에 대하여 담금질 및 뜨임 처리하여 소재에 적절한 경도를 부여하는 전처리단계를 더 포함하는 것도 가능하다.
상기 소재는, 탄소(C)가 0.17질량% 이상, 0.23질량% 이하일 수 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 다른 실시예에 따른 기어용 강의 복합 열처리 방법은 소재가 장입된 열처리로에 암모니아(NH3)와 질소(N2) 및 수소(H2) 가스를 주입시키고, 질소포텐셜(KN)을 제어하여 소재의 표면에 Fe4N(γ`상)의 화합물층을 형성시키는 질화열처리단계, 및 상기 질화열처리단계를 거친 소재를 고주파가열하여 소재의 표면에 형성된 상기 화합물층의 질소를 소재 내부로 고용시키는 고주파열처리단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 기어용 강의 복합 열처리 방법에 의하면, 상 제어를 통한 질화열처리 및 고주파열처리에 의하여 저변형성 및 내구성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기어용 강의 복합 열처리 방법에 대한 흐름도,
도 2는 도 1에서 질화열처리단계에 대한 흐름도,
도 3은 본 실시예에 의한 기어용 강의 복합 열처리 방법의 온도-시간 그래프,
도 4은 본 실시예에 의한 시간 흐름에 따른 질소포텐셜의 변화 그래프,
도 5는 본 실시예에 의한 상 변화에 대하여 설명하기 위한 상 변화 다이아그램,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 복합 열처리된 강의 진원도를 침탄 열처리 또는 질화 열처리된 강과 비교한 그래프,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 복합 열처리된 강의 테이퍼를 침탄 열처리 또는 질화 열처리된 강과 비교한 그래프,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 질화 열처리된 강의 표면으로부터의 거리별 경도값을 측정한 결과 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기어용 강의 복합 열처리 방법은, 전처리단계(S100), 질화열처리단계(S200), 고주파열처리단계(S300) 및 담금질단계(S400)를 포함하고, 질화열처리단계(S200)는 1차승온단계(S210), 활성화단계(S220), 1차퍼지단계(S230), 2차퍼지단계(S240), 2차승온단계(S250), 제1질화단계(S260), 제2질화단계(S270), 냉각단계(S280) 및 분해암모니아생성단계(S290)를 포함한다.
상기 1차승온단계(S210)에서는 소재를 열처리로에 장입하고, 공기분위기에서 열처리로를 섭씨 300도 이상 400도 이하의 온도(T1)까지 승온시킨다. 한편 본 실시예에서는 대기압 + 5mbar(1018mbar)의 열처리로 압력하에서 상기 1차승온단계(S210)를 수행하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 활성화단계(S220)에서는 공기분위기에서 상기 1차승온단계(S210)를 거친 열처리로의 온도를 섭씨 300도 이상 400도 이하(T1)로 유지하여 상기 소재의 표면을 산화시킨다. 이때, 소재의 표면에서는 하기 화학식 1과 같이 불안정한 산화물을 만들어 표면을 활성화하며, 이 단계에서는 질소화합물의 핵발생이 빠르게 진행되어 화합물층 두께와 경도를 상승시키는 효과가 있다.
Figure 112021084153761-pat00001
상기 1차퍼지단계(S230)에서는 상기 활성화단계(S220)를 거친 열처리로의 온도를 섭씨 300도 이상 400도 이하(T1)로 유지시키면서 질소(N2) 가스를 주입하여 열처리로 내 분위기를 치환시킨다. 한편, 본 발명에서는 열처리로 내부의 공기를 진공 배기한 후 질소(N2) 가스를 주입하여 분위기를 치환하는 것도 가능하다.
상기 2차퍼지단계(S240)에서는 상기 제1퍼지단계(S230)를 거친 열처리로의 온도를 유지시키면서 암모니아(NH3) 가스를 주입하여 열처리로를 암모니아(NH3) 분위기로 형성시킨다. 이때, 질소(N2) 가스를 배기시키고 암모니아(NH3) 가스를 주입하여 열처리로 내부의 암모니아(NH3) 가스의 부피비를 100%에 가깝도록 형성시킨다.
상기 2차승온단계(S250)에서는 암모니아(NH3) 분위기에서 열처리로의 온도를 섭씨 490도 이상 600도 이하의 온도(T2)로 승온시킨다.
상기 제1질화단계(S260)에서는 상기 2차승온단계(S250)를 거친 열처리로의 온도를 섭씨 490도 이상 600도 이하(T2)로 유지하여 상기 활성화된 소재의 표면에 질소화합물층을 생성시킨다. 한편, 본 실시예에서는 열처리로의 압력을 대기압 + 5mbar 이상, 대기압 + 12mbar 이하(1018mbar 이상, 1025mbar 이하)로 가압하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1질화단계(S260)에서는 암모니아(NH3)만으로 질소포텐셜(KN)을 최대로 만들게 된다. 질소포텐셜의 계산은 아래의 화학식 2에 의하여 수행된다.
Figure 112021084153761-pat00002
상기 화학식 2에서 NH3는 열처리로 내에 투입되는 암모니아 가스량이고, [NH3]Rest는 열처리로 내에 투입된 암모니아 가스 중 미분해 암모니아이며, KN은 질소 포텐셜을 의미한다. p[NH3]Rest는 열처리로 내에 투입된 암모니아 가스 중 미분해 암모니아의 분압을 의미하고, pH2는 분해 후 생성된 수소의 분압을 의미한다. 본 발명에서 상기 제1질화단계(S260)에서의 질소포텐셜(KN1)은 1 초과, 10 이하가 되도록 제어한다.
도 4에는 본 발명에 의한 시간-질소포텐셜(KN)의 변화에 대한 그래프가 도시되어 있다. 즉 상기 2차승온단계(S250)에서 온도가 상승하면서 암모니아(NH3)가 점차 질소(N2)와 수소(H2)로 분해되고, 또한 암모니아(NH3)가 소재의 표면과 반응하여 질소화합물층을 형성하면서 수소(H2) 가스를 발생시키므로(화학식 2 참조) 질소포텐셜(KN)이 감소된다. 이때, 상기 제1질화단계(S260)에서 질소포텐셜(KN1)을 1 초과, 10 이하의 범위 내로 유지시키면, Fe3N(ε상)의 질소화합물층이 형성된다(도 5 참조).
한편, 본 발명에서는 상기 소재의 표면에 최소 10μm두께의 질소화합물층이 형성될 때까지 상기 제1질화단계(S260)를 수행한다.
한편, 본 발명에서는 2차승온단계(S250) 및 제1질화단계(S260)와 별도로 상기 분해암모니아생성단계(S290)를 수행한다. 상기 분해암모니아생성단계(S290)에서는 분해로를 사용하여 암모니아(NH3) 가스를 질소(N2) 가스와 수소(H2) 가스로 분해시켜 분해암모니아(DNH3)를 생성한다. 즉, 상기 분해암모니아(DNH3)는 암모니아(NH3) 가스가 분해되어 질소(N2) 가스 25%, 수소(H2) 가스 75%의 부피비로 혼합되어 있는 혼합가스를 의미한다.
상기 제2질화단계(S270)에서는 상기 분해암모니아생성단계(S290)를 거쳐 생성된 상기 분해암모니아(DNH3) 및 암모니아(NH3) 가스를 상기 제1질화단계(S260)를 거친 열처리로에 주입하여 상기 제1질화단계(S260)를 거친 소재의 질소화합물층의 결정구조를 변형시킨다.
이때, 본 발명의 상기 제2질화단계(S270)에서는 열처리로 내의 가스 비율을 상기 분해암모니아(DNH3)의 부피가 55% 이상 75% 이하, 암모니아(NH3) 가스의 부피가 25% 이상 45%이하가 되도록 제어한다.
이와 같이 열처리로 내의 가스 비율을 제어할 경우, 질소포텐셜(KN)은 0.4 이상, 1.0 이하로 제어되고, 상기 제1질화단계(S260)에서 소재의 표면에 형성된 Fe3N(ε상)의 질소화합물층이 Fe4N(γ`상)으로 결정구조가 변형된다.
따라서, 소재의 표면에 형성된 Fe3N(ε상)의 화합물층은 Fe4N(γ`상)의 화합물층 또는 Fe3N(ε상)과 Fe4N(γ`상)이 혼합된 화합물층으로 변형된다.
이때, 본 실시예에서는 Fe3N(ε상)과 Fe4N(γ`상)이 혼합된 화합물층에서는 Fe3N(ε상) 결정구조의 비율이 0.01% 이상, 60% 이하인 것이 바람직하다. Fe3N(ε상)과 Fe4N(γ`상)이 혼합된 화합물층에서 Fe3N(ε상) 결정구조의 비율이 60%를 초과한 경우에는 상기 고주파열처리단계(S300) 및 상기 담금질단계(S400)를 수행한 후에 Fe3N(ε상) 결정구조가 소재 표면에 잔존하여 내구성이 저하된다. 한편, Fe3N(ε상)과 Fe4N(γ`상)이 혼합된 화합물층에서 Fe3N(ε상) 결정구조의 비율이 0.01% 미만인 경우에는 결정구조의 변형에 많은 시간과 에너지가 요구되므로 효율성이 떨어진다.
도 5에는 온도와 질소포텐셜(KN)에 따른 결정구조의 분포에 대한 다이아그램이 도시되어 있다. 도 5를 참고하면, 질소포텐셜(KN1)을 1 초과, 10 이하의 범위 내로 유지시키는 상기 제1질화단계(S260)에서는 소재의 표면에는 Fe3N(ε상)의 결정구조가 형성되고, 상기 제2질화단계(S270)에서 열처리로 내의 온도는 섭씨 490도 이상 600도 이하로 유지시키고 질소포텐셜(KN)은 0.4 이상, 1.0 이하로 제어하면 소재의 표면에 형성된 질소화합물층의 결정구조가 Fe3N(ε상)에서 Fe4N(γ`상)으로 변형된다.
상기 냉각단계(S280)에서는 상기 제2질화단계(S270)를 거쳐 질화된 소재를 질소(N2) 가스 분위기에서 섭씨 20도 이상, 150도 이하의 온도로 냉각시킨다.
한편, 본 발명에서는 상기 질화열처리단계(S200)전에 소재에 대하여 담금질 및 뜨임 처리하여 소재에 적절한 경도를 부여하는 전처리단계(S100)를 더 포함하는 것도 가능하다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 고주파열처리단계(S300)에서는 상기 질화열처리단계(S200)를 거친 소재를 섭씨 850도 이상 950도 이하의 온도(T3)로 고주파 유도 가열하여 소재의 표면에 형성된 화합물층의 질소를 소재 내부로 고용시킨다.
고주파 가열은 고주파수의 전류가 흐르는 코일 안으로 소재를 배치하고 전자기유도현상에 의하여 코일로부터 발생하는 자계를 상쇄하는 방향으로 소재에 자계를 유도하는 와전류(I1)가 발생하고, 이 전류에 의하여 소재 자체의 저항(R)과의 관계에서 전력량(단위 시간에 따른 에너지 소모량) P1=I1 2R의 전기 에너지가 열로 전환되면서 소재의 온도가 상승하는 원리를 이용한다.
이러한 고주파 가열에서는 전원 주파수가 높을 수록 유도 전류가 표면에 집중(표피효과)되는 효과가 있다.
따라서, 상기 고주파열처리단계(S300)에서는 3KHz이상, 400KHz 이하의 범위에서 소재(제품)의 크기와 원하는 경화층의 깊이에 따라 주파수를 제어한다. 이때, 3KHz 미만의 주파수의 경우에는 전자기유도현상 세기가 약하여 충분한 온도 상승에 어려움이 있고, 400KHz 초과의 주파수의 경우에는 유도 전류가 소재의 표면에 지나치게 집중되어 충분한 경화층을 얻을 수 없다.
한편, 본 실시예에서 경화층의 깊이와 기어용 강의 외경 크기에 따른 주파수는 하기 표 1과 같다.
경화층(mm) 외경(ø) (mm) 주파수(KHz)
0.5 ~ 2.5 6 ~ 25 200 ~ 400
1.2 ~ 2.5 11 ~ 16 30 ~ 400
16 ~ 25 10 ~ 400
25 ~ 50 10 ~ 200
50 이상 10 ~ 30
2.5 ~ 5.0 19 ~ 25 10 ~ 30
25 ~ 100 3 ~ 30
100 이상 3 ~ 10
또한, 상기 고주파열처리단계(S300)에서는 소재의 표면에 형성된 화합물층의 질소 성분을 고주파 열처리하여 소재 내부에 고용시키기 위하여 충분한 가열시간이 요구된다. 다만, 고주파 열처리 공정의 가열시간이 길어질수록 열처리에 의한 변형량이 커지게 된다.
일반적으로 고주파 열처리의 경우 5초 이상 100초 이하의 시간동안 가열하며, 본 발명에서는 소재의 표면에 Fe3N(ε상)과 Fe4N(γ`상)이 혼합된 화합물층이 형성된 경우에는, 형성된 화합물층의 Fe3N(ε상)과 Fe4N(γ`상)의 비율에 따라 열처리 가열 시간을 설정한다. 열처리 시간이 5초 미만인 경우에는 질소 성분의 고용 효과가 충분하지 않고, 100초 초과인 경우에는 고주파 가열에 의한 변형이 커지는 문제가 있다.
한편, 본 실시예에서는 Fe3N(ε상)의 비율에 80초를 곱한 시간과 Fe4N(γ`상)의 비율에 10초를 곱한 시간을 더하여 가열 시간을 설정한다. 이를 통하여 소재의 표면에 형성된 화합물층의 질소 성분을 소재 내부에 고용시키되 열처리에 의한 변형을 최소화할 수 있다.
상기 담금질단계(또한, 상기 고주파열처리단계(S300)에서는 소재의 표면에 형성된 화합물층의 질소 성분을 고주파 열처리하여 소재 내부에 고용시키기 위하여 충분한 가열시간이 요구된다. 다만, 고주파 열처리 공정의 가열시간이 길어질수록 열처리에 의한 변형량이 커지게 된다.
상기 담금질단계(S400)에서는 상기 고주파가열단계(S300)를 거친 소재를 담금질하여 질소기반의 마르텐사이트를 형성한다. 이때, 상기 담금질단계(S400)에서는 물을 주원료로 하는 냉각재를 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니고 담금질용 오일을 사용하는 것도 가능하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
또한, 본 발명의 단순한 변형 내지 변형은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
[ 실시예 ]
하기 실시예의 실시를 위하여, 기어의 소재로 표 2와 같이 SCr420H 또는 SCM420H를 사용하였다. SCr420H 또는 SCM420H 소재는, 탄소(C) 성분이 0.17질량% 이상, 0.23질량% 이하일 수 있다.
강종 화학성분(질량%)
기호 C Si Mn P S Ni Cr Mo 기타
SCr420H 0.17~
0.23		 0.15~
0.35		 0.55~
0.90		 0.03
이하		 0.03
이하		 - 0.85~
1.25		 - V, Ti, Al
SCM420H 0.17~
0.23		 0.15~
0.35		 055~
0.99		 0.03
이하		 0.03
이하		 - 0.85~
1.25		 0.15~
0.35		 -
본 발명의 실시에 따른 γ´상을 갖는 10㎛ 이상의 화합물층을 얻기 위하여 하기 표 3의 조건 범위에서 열처리를 수행하였다.
상기 SCr420H 소재를 열처리로에 장입하고, 열처리로 내부의 온도를 공기 분위기의 대기압+5mbar(1018mbar)에서 195분 동안 350℃로 승온시키고, 공기 분위기의 대기압+5mbar(1018mbar)에서 90분 동안 350℃로 유지하여 소재의 표면을 활성화하였다.
이후 본 발명의 질화 열처리를 위하여 대기압+5mbar(1018mbar), 350℃를 유지하면 상기 활성화된 SCr420H 소재가 장입된 열처리로 내부에 질소(N2)가스를 30분간 투입하여 환기시킨 후, 다시 30분간 암모니아(NH3) 가스를 투입하여 암모니아 분위기를 생성한다.
이후 열처리로의 온도를 암모니아(NH3) 분위기의 대기압+5mbar(1018mbar)에서 60분 동안 570℃로 승온시킨다. 이후 대기압+5mbar(1018mbar)에서 570℃의 반응조건에서 5시간 유지하고, 질소포텐셜(KN1)을 1 초과, 10 이하가 되도록 조절하여 소재의 표면에 Fe3N(ε상)을 생성시킨다.
이후, 질소화합물층의 결정구조를 Fe4N(γ`상)으로 변형하기 위하여 열처리로의 온도를 대기압+5mbar(1018mbar)에서 570℃를 유지한 상태에서, 열처리로의 내부에 암모니아 및 상기 분해암모니아를 투입하여, 열처리로 내부의 가스 부피비를 암모니아 30% 이하, 상기 분해암모니아 70% 이상으로 유지하도록 3시간동안 제어한다.
이후 결정구조가 변형된 소재를 80분 동안 질소(N2)가스 분위기의 대기압+5mbar(1018mbar)에서 120℃로 냉각시켰다.
이후 고주파열처리 및 담금질을 통하여 질소기반의 마르텐사이트를 형성하였다.
이때, 50KHz의 주파수로 8초 동안 900℃로 고주파 가열하고, 냉각재를 사용하여 30℃로 담금질하였다.
[비교예 1 및 비교예 2]
비교예 1은 기어의 소재로 표 2와 같이 SCr420H 또는 SCM420H를 사용하고, 표 3과 같이 침탄열처리 공정을 수행하였다.
비교예 2는 기어의 소재로 표 2와 같이 SCr420H 또는 SCM420H를 사용하고, 표 3과 같이 질화 열처리 공정을 수행하였다.
단계 S210 S220 S230 S240 S250 S260 S270 S280 S300 S400
분위기 공기 공기 N2 NH3 NH3 NH3 NH3 N2 Air Air
실시예 온도(℃) 350 350 350 350 570 570 570 120 900 30
시간 195분 90분 30분 30분 60분 5시간 3시간 80분 8초 10초
로압(mbar) 1018 1018 1018 1018 1018 1018 1018 1018 - -
KN - - - 10이상 1초과 1초과,10이하 0.4이상,
1이하		 - - -
가스비
(%)		 N2 - - 100 - - - - 100 - -
NH3 - - - 100 100 70 30 - - -
DNH3 - - - - - 30 70 - - -
비교예
1		 온도(℃) 450 450 780 780 920 920 920 870 120
시간 20분 30분 20분 30분 30분 40분 30분 30분 30분
로압(mbar) 1023 1023 1023 1023 1023 1023 1023 1023 1023
비교예
2		 온도(℃) 350 350 350 350 560 560 560 120
시간 195분 90분 30분 30분 60분 2시간 1시간 80분
로압(mbar) 1018 1018 1018 1018 1018 1018 1018 1018
KN - - - 10이상 1초과 1초과,10이하 1초과,
10이하		 -
가스비
(%)		 N2 - - 100 - - - - 100 - -
NH3 - - - 100 100 100 70 - - -
DNH3 - - - - - - 30 - - -
[기어용 강의 성능 측정]
본 발명의 복합 열처리 방법을 통한 기어용 강의 성능을 측정하기 위하여 다음과 같이 측정 실험을 실시하였다.
(1) 진원도 측정
본 발명에 의한 복합 열처리 방법을 통한 기어용 강의 변형 정도를 파악하기 위하여, 진원도 측정 시험을 수행하였다. 진원도는 가공된 원의 형상에 대하여 여러 방향에서 직경을 측정하여 이상적인 원에 얼마나 가까운지를 측정하는 시험을 의미한다.
(2) 테이퍼 측정
본 발명에 의한 복합 열처리 방법을 통한 기어용 강의 변형 정도를 파악하기 위하여, 테이퍼 측정 시험을 수행하였다. 테이퍼는 양 측면이 대칭적으로 경사져 있는 것을 의미하며 이상적인 대칭에 얼마나 가까운지를 측정하는 시험을 의미한다.
(3) 경화 깊이 측정
본 발명에 의한 복합 열처리 방법을 통한 기어용 강의 경도 파악을 위하여, 표면으로부터의 거리별 경도 측정 시험을 수행하였다.
[성능측정 실험결과]
(1) 진원도 측정 결과
도 6를 참조하면, 본 발명에 의한 기어용 강의 복합 열처리 방법을 통한 기어용 강은 침탄 열처리에 비하여 진원도가 낮아지는 것을 알 수 있다. 이는 복합 열처리의 경우 침탄 열처리에 비하여 열처리 시 변형이 감소되는 것을 의미한다.
(2) 테이퍼 측정 결과
도 7을 참조하면, 본 발명에 의한 기어용 강의 복합 열처리 방법을 통한 기어용 강은 침탄 열처리에 비하여 테이퍼 정도가 낮아져 질화 열처리에 가까운 수치를 보임을 알 수 있다. 이는 복합 열처리의 경우 침탄 열처리에 비하여 열처리 시 변형이 감소되는 것을 의미한다.
(3) 경화 깊이 측정 결과
도 8을 참조하면, 비커스 경도계를 이용하여 표면으로부터의 거리별 경도 측정 실험을 수행한 결과, 표면 부근의 경도는 우수하나 깊이가 깊어짐에 따라 급격하게 경도가 감소하는 질화 열처리와는 달리 본 발명에 의한 기어용 강의 복합 열처리 방법에 의한 경우 깊이가 깊어지더라도 침탄 열처리 수준의 경도를 유지할 수 있음을 알 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
S100 : 전처리단계
S200 : 질화열처리단계
S210 : 1차승온단계
S220 : 활성화단계
S230 : 1차퍼지단계
S240 : 2차퍼지단계
S250 : 2차승온단계
S260 : 제1질화단계
S270 : 제2질화단계
S280 : 냉각단계
S290 : 분해암모니아생성단계
S300 : 고주파열처리단계
S400 : 담금질단계

Claims (11)

  1. 소재가 장입된 열처리로에 암모니아(NH3)와 질소(N2) 및 수소(H2) 가스를 주입시키고, 질소포텐셜(KN)을 제어하여 소재의 표면에 Fe3N(ε상)과 Fe4N(γ`상)의 결정구조가 혼합되되 Fe3N(ε상) 결정구조의 비율이 0.01% 이상, 60% 이하인 화합물층을 형성시키는 질화열처리단계; 및
    상기 질화열처리단계를 거친 소재를 고주파가열하여 소재의 표면에 형성된 상기 화합물층의 질소를 소재 내부로 고용시키는 고주파열처리단계;
    를 포함하고,
    상기 고주파열처리단계에서는,
    섭씨 850도 이상 950도 이하의 온도로 5초 이상 100초 이하의 시간동안 고주파 가열하되, 상기 화합물층의 Fe3N(ε상)의 비율에 80초를 곱한 시간과 Fe4N(γ`상)의 비율에 10초를 곱한 시간을 더하여 가열 시간을 설정하는 것을 특징으로 하는 기어용 강의 복합 열처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 질화열처리단계는,
    소재를 열처리로에 장입하고, 공기분위기에서 열처리로를 섭씨 300도 이상 400도 이하의 온도까지 승온시키는 1차승온단계;
    상기 1차승온단계를 거친 열처리로의 온도를 섭씨 300도 이상 400도 이하로 유지하여 상기 소재의 표면을 산화시키는 활성화단계;
    상기 활성화단계를 거친 열처리로의 온도를 유지시키면서 질소(N2) 가스를 주입하여 열처리로 내의 분위기를 치환시키는 1차퍼지단계; 및
    상기 1차퍼지단계를 거친 열처리로의 온도를 유지시키면서 암모니아(NH3) 가스를 주입하여 열처리로를 암모니아(NH3) 분위기로 형성시키는 2차퍼지단계;
    암모니아(NH3) 분위기에서 상기 2차퍼지단계를 거친 열처리로의 온도를 섭씨 490도 이상 600도 이하의 온도로 승온시키는 2차승온단계;
    상기 2차승온단계를 거친 열처리로의 온도를 섭씨 490도 이상 600도 이하로 유지하여 상기 활성화된 소재의 표면에 Fe3N(ε상)의 화합물층을 형성시키는 제1질화단계;
    상기 제1질화단계를 거친 열처리로에 암모니아(NH3), 질소(N2) 및 수소(H2) 가스를 동시에 주입시켜 소재의 표면에 형성된 Fe3N(ε상)의 화합물층을 Fe3N(ε상)과 Fe4N(γ`상)이 혼합된 화합물층으로 변형시키는 제2질화단계; 및
    상기 제2질화단계를 거쳐 질화된 소재를 질소(N2) 가스 분위기에서 섭씨 20도 이상, 150도 이하의 온도로 냉각시키는 냉각단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어용 강의 복합 열처리 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2질화단계에서는,
    질소포텐셜(KN)을 0.4 이상, 1.0 이하로 제어하는 것을 특징으로 하는 기어용 강의 복합 열처리 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2질화단계 전에 암모니아(NH3) 가스를 질소(N2) 가스와 수소(H2) 가스로 분해시켜 분해암모니아(DNH3)를 만드는 분해암모니아생성단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기어용 강의 복합 열처리 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2질화단계에서는,
    상기 분해암모니아생성단계를 거쳐 생성된 상기 분해암모니아(DNH3) 및 암모니아(NH3) 가스를 상기 제1질화단계를 거친 열처리로에 주입하여 열처리로 내의 가스 비율을 상기 분해암모니아의 부피가 55% 이상 75% 이하, 암모니아(NH3) 가스의 부피가 25% 이상 45% 이하가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 기어용 강의 복합 열처리 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고주파열처리단계를 거친 소재를 담금질하여 질소기반의 마르텐사이트를 형성하는 담금질단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기어용 강의 복합 열처리 방법.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 질화열처리단계 전에 소재에 대하여 담금질 및 뜨임 처리하여 소재에 경도를 부여하는 전처리단계;
    를 더 포함하는 기어용 강의 복합 열처리 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
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