KR102391538B1

KR102391538B1 - 등속 조인트용 케이지의 제조방법 및 이에 의하여 제작되는 등속 조인트용 케이지

Info

Publication number: KR102391538B1
Application number: KR1020200103477A
Authority: KR
Inventors: 박정률; 반원규; 김효진
Original assignee: 서한산업(주); 한국프랜지공업 주식회사
Priority date: 2020-08-18
Filing date: 2020-08-18
Publication date: 2022-04-27
Also published as: KR20220039684A; US11788162B2; KR102484456B1; KR20220022375A; US20220056546A1

Abstract

본 발명은 심부와 표면의 조직이 균일하면서 경도, 강도, 연신율이 개선된 케이지를 제공하되, 그 소요시간이 줄어들 수 있어서 경제성도 확보할 수 있는 케이지의 제조방법 및 이에 의한 케이지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 원통형의 파이프를 절단하여 케이지의 외관 형상을 갖는 구조물을 구현하는 절단단계와; 절단된 구조물의 외주벽을 곡면지게 포밍하는 단계와; 포밍된 구조물의 표면을 선삭하는 단계와; 선삭된 구조물의 표면에 윈도우를 형성하는 펀칭단계와; 펀칭에 의하여 형성된 윈도우의 테두리를 가공하는 브로칭 단계와;브로칭이 완료된 케이지를 오스템퍼링을 통해서 전체 경화 시키는 열처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 등속조인트용 케이지의 제조 방법 및 이에 의하여 제작된 케이지를 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

등속 조인트용 케이지의 제조방법 및 이에 의하여 제작되는 등속 조인트용 케이지 { A manufacturing method of a cage and the cage manufactured by the method}

본 발명은 등속 조인트용 케이지의 제조방법 및 이에 의하여 제작되는 등속 조인트용 케이지에 관한 것으로서, 상세하게는 케이지의 표면 뿐만 아니라 심부가 균일한 경도 및 연성을 갖도록 하는 등속 조인트용 케이지의 제조방법 및 이에 의하여 제작되는 등속 조인트용 케이지에 관한 것이다.

한국공개특허 10-2007-0055423 및 미국 등록특허 US7758431에서는 케이지를 제작하기 위해서 담금질 및 뜨임(Quenching and tempering) 공정이 사용되는데, 이러한 공정의 경우, 표면은 고탄소 마르텐 사이트 및 잔류 오스테나이트와 입계 산화층이 분포되고, 심부(깊이 1mm 이상)는 저탄소 마르텐 사이트로 구성되어, 표면의 경도는 높지만, 연성이 취약하며, 더 나아가 표면과 심부 간의 경화도의 차이가 심하다는 문제점이 있었으며, 급랭 이후에, 템퍼링을 위한 재가열이 더 필요하였다.

또한, 담금질에 의한 균열이나 변형 발생가능성이 존재한다는 문제도 있었다.

한편, 일본특허공보 4731945호에서는 케이지 표면과 심부의 전경화를 위해서 주조된 저탄소강에 대해서 침탄 공정 및 담금질-뜨임 공정을 수행하는 내용이 개시되어 있으나, 이 또한, 표면은 고탄소 마르텐 사이트 및 잔류 오스테나이트와 입계 산화층이 분포되고, 심부(깊이 1mm 이상)는 저탄소 마르텐 사이트로 구성되어, 표면의 경도는 높지만, 연성이 취약하며, 더 나아가 표면과 심부 간의 경화도의 차이가 심하다는 문제점이 있었으며, 급랭 이후에, 템퍼링을 위한 재가열이 더 필요하였다. 또한, 담금질에 의한 균열이나 변형 발생가능성이 존재한다는 문제도 있었다.

한국등록특허 10-0737602호 및 한국등록특허 10-0727196호에서는 오스템퍼링을 이용하여 케이지를 제조하는 방법이 개시된다. 그러나, 한국등록특허 10-0737602호 및 한국등록특허 10-0727196호의 경우, 전경화(full handening)이 아니라 표면 열처리(case hardening)을 사용하고 있으며, 저탄소강(탄소가 0.18~0.22중량%) 을 사용하기 때문에, 침탄 공정 및 확산 공정이 필요하며, 이에 따른 공정 시간이 길어지는 문제가 있었다. 그리고, 표면의 조직은 하부 베이나이트가 되고, 심부의 조직은 템퍼드 마르텐사이트가 되어 표면과 심부의 조직이 서로 불균일하게되어 심부와 표면의 강도나 경도가 차이가 있다는 문제점이 있었다.

한국등록특허 10-0737602호(2007. 7. 10) 한국등록특허 10-0727196호 (2007. 6. 13) 한국공개특허 10-2007-0055423 (2007. 5. 30) 미국 등록특허 US7758431 (2010. 7. 20) 일본특허공보 JP 4731945호 (2011. 4. 28)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 상세하게는 심부와 표면의 조직이 균일하면서 경도, 강도, 연신율이 개선된 케이지를 제공하되, 그 소요시간이 줄어들 수 있어서 경제성도 확보할 수 있는 케이지의 제조방법 및 이에 의한 케이지를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 원통형의 파이프를 절단하여 케이지의 외관 형상을 갖는 구조물을 구현하는 절단단계와; 절단된 구조물의 외주벽을 곡면지게 포밍하는 단계와; 포밍된 구조물의 표면을 선삭하는 단계와; 선삭된 구조물의 표면에 윈도우를 형성하는 펀칭단계와; 펀칭에 의하여 형성된 윈도우의 테두리를 가공하는 브로칭 단계와; 브로칭이 완료된 케이지를 오스템퍼링을 통해서 전체 경화 시키는 열처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 등속조인트용 케이지의 제조 방법을 제공한다.

상기 절단 단계에서 사용되는 원통형의 파이프 재료는 탄소가 전체 무게대비 0.3~0.5 중량 %가 함유된 중탄소강에 망간 또는 보론이 포함된 것을 특징으로 한다.

상기 열처리 단계를 거침으로써, 케이지의 전체 경도가 HRC 48~59(HV 500~650)의 범위에 속하는 것을 특징으로 원통형의 파이프를 절단하여 케이지의 외관 형상을 갖는 구조물을 구현하는 절단단계와; 절단된 구조물의 외주벽을 곡면지게 포밍하는 단계와; 포밍된 구조물의 표면을 선삭하는 단계와; 선삭된 구조물의 표면에 윈도우를 형성하는 펀칭단계와; 펀칭에 의하여 형성된 윈도우의 테두리를 가공하는 브로칭 단계와; 브로칭이 완료된 케이지를 오스템퍼링을 통해서 전체 경화 시키는 열처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 원통형의 파이프를 절단하여 케이지의 외관 형상을 갖는 구조물을 구현하는 절단단계와; 절단된 구조물의 외주벽을 곡면지게 포밍하는 단계와; 포밍된 구조물의 표면을 선삭하는 단계와; 선삭된 구조물의 표면에 윈도우를 형성하는 펀칭단계와; 펀칭에 의하여 형성된 윈도우의 테두리를 가공하는 브로칭 단계와; 브로칭이 완료된 케이지를 오스템퍼링을 통해서 전체 경화 시키는 열처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 열처리 단계를 거침으로써, 케이지의 전체 경도가 HRC 48~59(HV 500~650)의 범위에 속하는 것을 특징으로 한다.

상기 열처리 단계는; 100분 내지 140분동안 860~900℃ 까지 승온 시키는 단계와; 승온 단계가 완료되면, 80분 내지 120분 동안 860~900℃ 의 온도 범위내에서 균일하게 가열시키는 단계와; 가열 단계가 완료되면, 200~250℃로 냉각시키는 단계와; 서냉이 완료되면, 200~250℃의 온도 범위에서 염욕 처리조에서 오스템퍼링을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

오스템퍼링 공정은 메탄올 가스 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 경우, 기존의 방식(저탄소 강에 대한 침탄 경화 방식을 사용하면서, 담금질과 템퍼링 수행)과 비교하여, 중탄소강을 사용하고 오스템퍼링 공정을 사용함으로써 그 공정에 소요되는 시간을 현저하게 줄일 수 있으면서도, 경도를 높이고, 인장 강도 및 압축강도, 연신율이 현저하게 개선되어 내구성이 우수한 케이지를 제공할 수 있다는 장점이 있다.

게다가 담금질 공정이 생략되므로 담금질에 따른 변형 및 균일이 방지되는 한편, 표면에서의 입계 산화층이 미생성되는 장점이 있다.

또한, 표면과 심부의 입자 형태 및 경화조직이 균일하게 되므로 표면과 심부의 경도가 특정 범위(500~650Hv) 내에서 균일한 범위의 값을 가질 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 경우 분위기 가스를 메탄올 가스를 활용함으로써, 열처리 공정 수행중, 케이지 표면에서 탄소가 없어지는 탈탄 현상을 방지할 수 있다. 따라서 표면 경도의 저하를 방지할 수 있다는 장점이 있다.

도1(a)는 본 발명의 케이지의 제작하는데 사용되는 파이프의 사시도이다.
도1(b)는 종래에 사용되는 저탄소강의 조직을 촬영한 현미경 사진이다.
도1(c)는 본 발명에 사용되는 중탄소강의 조직을 촬영한 현미경 사진이다.
도2(a) 내지 도2(e)는 본 발명의 케이지를 가공하는 과정을 도시한 도면이다
도3(a)는 종래 기술에서의 열처리 과정의 시간과 온도를 도시한 그래프이다.
도3(b)는 종래 기술에 의한 케이지의 표면 조직 현미경 사진이다.
도3(c)는 종래 기술에 의한 케이지의 심부 조직 현미경 사진이다.
도4(a)는 본 발명에서 열처리 과정의 시간과 온도를 도시한 그래프이다.
도4(b)는 본 발명에 의한 케이지의 표면 조직 현미경 사진이다.
도4(c)는 본 발명에 의한 케이지의 심부 조직 현미경 사진이다.
도5는 본 발명에서 열처리 공정 후 표면이 연삭된 케이지의 도면이다.
도6(a)은 케이지의 사진이다
도6(b)는 도6(a)에서 A-A'선을 따라 절단한 경우, 종래 기술에 의하여 제작된 케이지의 웹부의 절단부 사진이다.
도6(b)는 도6(a)에서 A-A'선을 따라 절단한 경우, 본 발명에 의하여 제작된 케이지의 웹부의 절단부 사진이다.
도7(a)는 종래기술인 침탄 경화와 본 발명인 전경화에 따른 경도 비교 그래프이다.
도7(b)는 종래기술인 침탄 경화와 본 발명인 전경화에 따른 인장 강도 및 연신율 비교 그래프이다.
도8(a)는 압축강도 측정을 위한 장비에 케이지가 장착된 상태를 나타낸 사진이다.
도8(b)는 종래기술인 침탄 경화와 본 발명인 전경화에 따른 압축 강도 비교 그래프이다.
도9는 종래기술과 본 발명에 따른 케이지가 조인트 어셈블리에 장착된 경우 최대 준정적 강도 측정 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도10(a)는 종래 기술의 침탄 경화 공정 및 전경화 공정에서 RX가스와 메탄올 가스를 분위기 가스로 활용한 경우의 비연삭된 케이지 경도 비교 그래프이다.
도10(b)는 전경화 공정에서 RX가스와 메탄올 가스를 분위기 가스로 활용한 경우의 비연삭된 케이지 경도 비교 그래프이다.
도11(a)는 종래 기술의 침탄 경화 공정 및 전경화 공정에서 RX가스와 메탄올 가스를 분위기 가스로 활용한 경우의 연삭된 케이지 경도 비교 그래프이다.
도11(b)는 전경화 공정에서 RX가스와 메탄올 가스를 분위기 가스로 활용한 경우의 연삭된 케이지 경도 비교 그래프이다.
도12(a)는 RX가스가 사용된 경우 비연삭 표면, 연삭 표면, 심부의 경도를 나타낸 도표이다.
도12(b)는 메탄올가스가 사용된 경우 비연삭 표면, 연삭 표면, 심부의 경도를 나타낸 도표이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소 들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.

및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도1은 본 발명에 의한 케이지의 원재료가 되는 원통형의 파이프(1)이다. 파이프(1)는 심리스(seamless) 파이프로서 인발 공정을 통해서 제작된다. 종래에 사용되던 파이프는 SCr415H 나 SAE8617H와 같은 저탄소 합금강으로서, 도1(b)에서 나타난 조직의 현미경 사진에서 보는 바와 같이, 페라이트가 다수이고, 펄라이트가 소수인 조직을 보인다. 종래 기술에서 활용되던 저탄소강의 경우, 침탄 확산이 용이하지만, 합금이 다량 첨가되어야 하고, 이로 인하여 경제성이 떨어진다는 문제점이 있었다.

그러나, 본 발명의 경우 중탄소강을 활용함으로써, 가격이 저렴하고, 그 공급을 안정적으로 받을 수 있다는 장점이 있다. 본 발명에 따른 중탄소 보론강의 경우, 탄소의 함유량이 전체 중량에 대해서 0.3~0.5 중량 %가 되고, 바람직하게는 0.45~0.5중량%가 되며, 보론(붕소)의 함유량은 0.0001 내지 0.0005 중량%이 되고, 망간은 0.5~0.6 중량%이 된다.

한편, 선택적으로, 위의 성분비에 규소 최대 0.01~0.1중량%, 인 0.001~0.015중량%, 황 0.01~0.25중량%, 알루미늄 0.02~0.04 중량%, 크롬 0.2~0.3중량%, 몰리브덴 0.001~0.01 중량%, 니켈 0.01~0.025 중량%, 구리 0.01~0.015중량%, 티탸늄 0.003~0.005 중량%, 니트로겐 0.01~0.012 중량% 이 첨가될 수도 있다.

탄소 함유량이 전체 중량에 대해서 0.3~0.5 중량 %가 되고, 바람직하게는 0.45~0.5중량%가 되는 중탄소강을 사용하기 때문에 별도의 침탄 과정 및 확산 과정이 불필요하다.

본 발명에 사용되는 중탄소강의 조직의 경우 도1(c)에서 도시한 바와 같이, 소량의 페라이트와 다수의 펄라이트로 구성된다.

도2(a)에서 도시한 바와 같이, 원통형 파이프를 길이방향으로 절단하여, 케이지의 외형을 구성하는 구조물(10)을 제작한다.

그리고, 도2(b)에서 도시한 바와 같이 외주면에 곡면을 갖는 구조물(20)이 되도록 포밍하는 단계를 수행하고, 도2(c)에서 도시한 바와 같이, 구조물(30)의 테두리 표면에서 날카로운 에지(edge)부를 제거하여 챔퍼를 형성하거나,평면, 또는 곡면이 형성되도록 선삭공정을 수행한다.

선삭 공정이 수행완료 되면, 도2(d)에서 도시한 바와 같이, 구조물(40)의 외주면에 볼이 수용될 수 있는 윈도우(41)를 형성하는 펀칭과정을 수행하고, 펀칭이 완료된 구조물(50)에 대해서 윈도우(51)의 테두리를 가공하는 브로칭 공정을 수행한다.

이와 같이 브로칭 공정이 완료되면 케이지에 대한 열처리 작업을 수행한다.

종래에서는 저탄소강에 대해서 침탄을 위한 담금질(quenching) 및 템퍼링(tempering)을 수행하였다(침탄 경화). 기존의 경우, 930℃까지 약 120분동안 승온을 시키고, 930℃에 도달하면, 그 온도 상태를 5분 정도 유지한 후에, 침탄 공정을 90분, 확산 공정을 40분 정도 수행한다.

이후, 60분 정도 강온(온도를 떨어뜨림) 단계를 수행하여, 온도가 860℃가 되도록 하고, 그 온도에 도달하면, 그 온도가 균일하게 유지될 수 있는 균일가열 공정을 수행한다.

그리고, 균일 가열 공정이 완료되면 오일이 수용되어 있는 담금질조에 케이지를 넣어서,30분 정도 담금질(quenching)공정을 수행하는데, 이때 담금질조 내부의 오일의 온도는 150℃가 된다.

담금질 공정이 끝나면, 오일을 제거하도록 전용 세제를 이용하여 표면을 세정하는 공정을 거친 후, 템퍼링 공정을 수행하되, 템퍼링 공정은 90분 정도 수행한다.

이와 같이 종래 기술에 따라서 열처리를 수행하게 되면, 표면은 도3(b)의 사진에서 나타나는 바와 같이, 고탄소 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트, 그리고 입계 산화층으로 구성되고, 심부는 도3(c)의 사진에서 나타나는 바와 같이, 저탄소 마르텐사이트와 기타 성분(예, (베이나이트 등)으로 구성된다. 이와 같이 표면과 심부의 구성되는 입자 상태의 차이는 표면과 심부 간의 강도 차이, 및 연성 차이를 유발하는 원인이 된다.

이러한 기존의 열처리 방식의 경우 상술한 바와 같이 표면과 심부 간의 강도 및 연성의 차이를 유발하고, 시간도 상대적으로 많이 소요되는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위한 본 발명의 열처리 단계는 전경화(전체 경화)를 목적으로 하며, 이를 위해서 오스템퍼링 공정이 포함된다.

본 발명에 의한 열처리 단계는 100분 내지 140분동안(바람직하게는 120분) 860~900℃(바람직하게는 880℃) 까지 승온 시키고, 그 이후에 승온 단계가 완료되면, 80분 내지 120분(바람직하게는 100분) 동안 860~900℃(바람직하게는 880℃) 의 온도 범위내에서 균일하게 가열시킨다.

이후, 가열 단계가 완료되면, 200~250℃(바람직하게는 230℃)로 냉각시키고, 냉각이 완료되면, 200~250℃(바람직하게는 230℃의 온도 범위에서 염욕 처리조에서 오스템퍼링을 130~170분(바람직하게는 150분)수행하는 단계가 수행된다.

이러한 열처리 공정 이후 냉각까지 완료되면, 도5와 같이, 등속 조인트에서 상대물(볼 및, 내륜, 외륜)과 간섭될 수 있는 미세한 작은 요소들을 제거하고, 표면을 매끈하게 하기 위해서 윈도우(61), 내경면(64), 외경면(63)에 대한 연삭 작업을 실시한다.

이와 같은 열처리를 수행하는 경우, 도4(b)에서 도시한 케이지의 표면 현미경 사진과 , 도4(c)에서 도시한 케이지의 심부의 현미경 사진을 보면, 모두 하부 베이나이트로 구성된 동일한 상태임을 알 수 있으며, 이를 통해서 케이지 전체에 대하서 균일한 전경화가 이루어졌음을 알 수 있다.

도6에서도 전경화가 이루어졌음을 알 수 있는데, 도6(a)에 도시한 바와 같이, 윈도우와 윈도우 사이의 웹부의 중간을 절단(붉은색 점선)하면, 종래의 기술과 같이 저 탄소강에 담금질과 템퍼링(Q/T) 공정을 사용하는 경우, 표면 부분은 상대적으로 짙은 회색으로 침탄이 되어있는 것을 확인할 수 있지만, 심부(중간 부분)은 옅은 회색 또는 흰색으로 표시되어 침탄이 거의 이루어지지 않았음을 확인할 수 있다.

즉, 표면과 심부 간의 침탄정도가 현저하게 차이가 있음을 가시적으로도 확인할 수 있으며, 이로 인하여 표면과 심부 간의 강도나 연신율에서 현저한 차이가 있음을 알 수 있다.

즉, 표면의 경우, 도3(b)의 현미경 사진에서 나타난 고탄소 마르텐 사이트와 잔류 오스테나이트 및 입계 산화층이 배열되어 있고, 심부의 경우 도3(c)의 현미경 사진에서 나타난 저탄소 마르텐 사이트 및 베이나이트 성분이 배열되어 전체적인 색상 및 입자의 배열 상태가 차이가 확연하다.

이에 반하여 중탄소강에 대해서 오스템퍼링을 적용하는 본 발명의 경우, 표면과 심부의 색상 및 입자의 상태가 균일하게 되어 있다. 즉, 도4(b)와 도4(c)와 같이 표면과 심부에는 모두 하부 베이나이트로 구성되어 있어서, 균일한 색상 및 입자 배열상태를 구현할 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 열처리의 장점은 담금질과 템퍼링이 생략되기 때문에, 담금질 과정에서 발생하는 금속 냉각에 의한 변형 및 균열이 방지되며, 공정에 소요되는 시간을 현저하게 줄일 수 있다는 장점이 있고, 입계 산화층이 미생성되어, 종래 기술에 비하여 강도가 개선될 수 있다.

도7(a)에서 도시한 바와 같이 침탄경화 공정을 이용하여 제작한 종래 기술의 케이지의 경도 곡선(파란색) 및 전경화 공정을 이용하여 제작한 본 발명의 케이지의 경도 곡선(빨간색)을 비교한다.

여기서, 케이지의 표준 경도는 500~650HV 범위 내에 있어야 하는데(HRC 48~59), 종래 기술의 경우, 표면의 경도는 700~750Hv가 되나, 심부로 갈수록 급격하게 그 경도가 떨어져서 표면에서 1mm보다 깊게 들어가면, 그 경도가 400~450Hv가 될 정도라 표면과 심부간의 경도의 편차가 현저하다. 즉 심부와 표면 간의 편차가 약 40% 정도 발생한다(표면 경도 725Hv, 1.2mm 깊이 심부 경도 425Hv로 계산한 경우)

이에 반하여, 본 발명의 경우, 표면의 경도는 약 600Hv 정도 이고, 1mm 이상의 심부 경도의 경우 530~550Hv가 되므로, 그 최대 편차가 10% 이하가 된다(표면 경도 590Hv, 1mm 깊이 심부 경도540Hv로 계산한 경우(1mm 깊이 심부 경도가 제일 약한 경도를 나타냄))

따라서, 본 발명의 경우, 표면과 심부 간의 경도 편차가 종래 기술에 비해서 매우 적으며, 표준 경도 기준도 충족함을 알 수 있다.

한편, 인장시험(늘리는 시험)을 하는 경우의 인장 강도(파란색 막대그래프)의 경우, 도7(b)에서 도시한 바와 같이, 종래 기술은 1100kgf인데 반해, 본 발명의 경우, 1600kgf를 약간 상회하는 결과를 유발함으로써, 인장강도의 경우, 본 발명이 종래 기술보다 45% 이상 개선됨을 알 수 있다.

그리고, 인장시험에서 연신율(빨간색 선 그래프)의 경우, 종래 기술의 경우, 연신율이 1% 정도 인데, 본 발명의 경우, 약 4%를 상회하는 결과를 유발함으로써, 300% 이상의 연신율이 개선됨을 알 수 있다.

도8(a)는 케이지의 강도(압축강도)를 측정하기 위한 장치의 사진인데, 케이지의 윈도우에 짧은 봉 형태의 로드를 설치하고, 케이지의 위 아래에 지그를 설치하고, 위 아래의 지그에 로드를 떠 받치는 V자 홈이 마련된 지지대를 설치한다. 그 상태에서 위의 지그에 힘을 아래로 가하여 케이지의 강도를 측정하는 장치이다.

종래 기술의 경우, 약 4800kgf까지 누르는 힘을 제공할 때까지 버티며, 약 2.0mm까지 연신되다가, 4800kgf을 초과하는 시점에서 파단이 발생하나, 본 발명의 경우, 약 7900kgf까지 누르는 힘을 제공할때 까지 버티며, 약 3.8mm까지 연신되다가 7900kgf를 초과하는 시점에서 파단이 발생한다.

이러한 점에서 본 발명은 종래 기술에 비해서 약 1.6배 이상의 압축 강도 개선 및 연신정도의 개선이 이루어짐을 알 수 있다.

또한, 도9에서 도시한 바와 같이, 본 발명(전경화)의 케이지가 적용된 등속 조인트 어셈블리는 43.5°경사각에서 전달될 수 있는 최대 준정적 강도 (Maximun quasi-static torque)가 종래 기술(침탄 경화)에 의하여 제작된 케이지가 적용된 등속 조인트 어셈블리에 비해서 1.2~1.25배 정도까지 개선된다.

종래기술에 의하여 제작된 케이지의 경우, 최대 준정적 강도가 1550~1700Nm 정도 이고, 본 발명의 경우, 2000~2100Nm 의 값을 갖는다.

여기서 최대 준정적 강도는 차량에서 핸들을 최대로 꺾은 상태에서 악셀레이터를 최대한 밟은 상태로 측정한다.

한편, 본 발명의 열처리 공정 수행시, 분위기 가스를 메탄올 가스를 사용한다. 기존에는 탈탄 방지를 위해 Rx 가스 분위기에서 가열하였으나, 그럼에도 불구하고, 일부 탈탄이 발생되어 심부보다 표면의 경도가 저하되었다.

그러나 본 발명의 경우, 메탄올 가스 분위기를 사용하였고, 이에 상대적으로 약하게 침탄이 되어 표면 경도가 심부보다 증가됨으로써, 표면 내마모성이 증대되는 효과를 구현할 수 있다.

도10은 최종 케이지 제품을 비연삭한 경우 경도를 비교한 것인데, 도10(a)는 종래 기술에서 분위기 가스를 사용하지 않은 경우(파란색 곡선), 오스템퍼링 공정을 수행하면서 분위기 가스로 Rx가스를 사용한 경우(주황색 곡선), 오스템퍼링 공정을 수행하면서 메탄올 가스를 분위기 가스로 사용한 경우, 즉 3개의 케이스를 비교한 것이며, 도10(b)는 분위기 가스로 Rx가스를 사용한 경우 및 메탄올 가스를 분위기 가스로 사용한 경우, 즉 2개의 케이스를 비교한 그래프이다.

비연삭의 경우, 분위기 가스를 사용하지 않으면서 종래 기술을 사용하는 경우, 표면에서의 강도는 상술한 바와 같이, 700~750Hv이고, 1mm 이상의 심부에서는 400~450Hv가 된다.

한편, 오스템퍼링 공법을 사용하면서 분위기 가스를 Rx가스로 사용하는 경우, 오히려 표면 경도는 저하되어(표면 경도 510~530Hv), 심부(깊이 1mm 이상)의 경도는 570~590Hv가 된다. 이와 반대로 본 발명과 같이 분위기 가스를 메탄올 가스로 사용하는 경우. 표면 경도는 630~640Hv가 되고, 심부(깊이 1mm 이상)의 경우, 570~590Hv가 되어, 표면 경도가 Rx가스를 사용하는 경우보다 약 20~23% 높다는 것을 알수 있는바 이는 Rx가스를 사용하는 경우에 열처리 과정에서 약간의 탈탄이 발생하기 때문에 표면경도가 약화되는 것이다.

한편, 연삭의 경우에는 표면을 깎아내는 공정이 포함된다. 따라서 연삭된 케이지 표면 경도의 경우, 비연삭된 케이지의 표면 경도와 약간의 차이가 발생한다.

즉, 연삭된 케이지에서 11(a)는 종래 기술에서 분위기 가스를 사용하지 않은 경우(파란색 곡선), 오스템퍼링 공정을 수행하면서 분위기 가스로 Rx가스를 사용한 경우(주황색 곡선), 오스템퍼링 공정을 수행하면서 메탄올 가스를 분위기 가스로 사용한 경우, 즉 3개의 케이스를 비교한 것이며, 도11(b)는 분위기 가스로 Rx가스를 사용한 경우 및 메탄올 가스를 분위기 가스로 사용한 경우, 즉 2개의 케이스를 비교한 그래프이다.

연삭의 경우, 분위기 가스를 사용하지 않으면서 종래 기술을 사용하는 경우, 표면에서의 강도는 상술한 바와 같이, 700Hv이고, 1mm 이상의 심부에서는 400~450Hv가 된다.

한편, 오스템퍼링 공법을 사용하면서 분위기 가스를 Rx가스로 사용하는 경우, 표면 경도는 비연삭의 표면경도보다는 약간 높은 540~560Hv가 되고, 심부(깊이 1mm 이상)의 경도는 570~590Hv가 된다.

이와 반대로 본 발명과 같이 분위기 가스를 메탄올 가스로 사용하는 경우. 표면 경도는 비연삭의 표면 경도보다는 약간 낮은 590~610Hv가 되고, 심부(깊이 1mm 이상)의 경우, 570~590Hv가 되어, 표면 경도가 Rx가스를 사용하는 경우보다 약 8~9% 정도 높다는 것을 알수 있는바 이 또한 비연삭의 경우와 마찬가지로 Rx가스를 사용하는 경우에 열처리 과정에서 약간의 탈탄이 발생하기 때문에 표면경도가 약화되는 것을 의미한다.

도12는 Rx가스와 메탄올 가스를 사용한 경우의 케이지의 경도를 다른 형태로 비교한 도표이다.

도12(a)에서 도시한 바와 같이, RX가스를 사용한 경우에 표면을 비연삭한 케이지의 표면 경도는 약 510~530Hv가 되고, 연삭한 케이지의 표면 경도는 약 540~560Hv가 되며, 심부의 경우, 570~590Hv가 된다.

이에 반하여 메탄올 가스의 경우, 도12(b)에서 표면을 비연삭한 케이지의 표면 경도는 약 630~640Hv가 되고, 연삭한 케이지의 표면 경도는 약 590~610Hv가 되며, 심부의 경우, 570~590Hv가 된다.

이상과 같이 본 발명을 도면에 도시한 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 발명의 상세한 설명으로부터 다양한 변형 또는 균등한 실시예가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 권리범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 결정되어야 한다.

1: 파이프 10;20;30;40;50: 케이지 제작을 위한 중간 구조물
60: 케이지

Claims

원통형의 파이프를 절단하여 케이지의 외관 형상을 갖는 구조물을 구현하는 절단단계와;
절단된 구조물의 외주벽을 곡면지게 포밍하는 단계와;
포밍된 구조물의 표면을 선삭하는 단계와;
선삭된 구조물의 표면에 윈도우를 형성하는 펀칭단계와;
펀칭에 의하여 형성된 윈도우의 테두리를 가공하는 브로칭 단계와;
브로칭이 완료된 케이지를 오스템퍼링을 통해서 전체 경화시키는 열처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 등속조인트용 케이지의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 절단 단계에서 사용되는 원통형의 파이프 재료는 탄소가 전체 무게대비 0.3~0.5 중량 %가 함유된 중탄소강에 망간 또는 보론이 포함된 것을 특징으로 하는 등속 조인트용 케이지의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 열처리 단계를 거침으로써, 케이지의 전체 경도가 HRC 48~59(HV 500~650)의 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 등속 조인트용 케이지의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 열처리 단계는;
100분 내지 140분동안 860~900℃ 까지 승온 시키는 단계와;
승온 단계가 완료되면, 80분 내지 120분 동안 860~900℃ 의 온도 범위내에서 균일하게 가열시키는 단계와;
가열 단계가 완료되면, 200~250℃로 냉각시키는 단계와;
서냉이 완료되면, 200~250℃의 온도 범위에서 염욕 처리조에서 오스템퍼링을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 등속 조인트용 케이지의 제조 방법.
제1항 또는 제4항에 있어서,
오스템퍼링 공정은 메탄올 가스 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 등속 조인트용 케이지의 제조방법.
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