KR20010059687A - 내마모성 및 내굽힘성이 향상된 디퍼렌셜 피니언 샤프트및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변속기용 디퍼렌셜 피니언 샤프트 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 탄소 함량 0.2 중량% 이상인 강철 합금을 재료로 사용하여 선삭, 기계 가공, 고탄소 침탄, 뜨임 및 연삭하는 것으로 이루어지는 변속기용 디퍼렌셜 피니언 샤프트를 제조하는 방법 및 상기 방법에 의해 제조되는 변속기용 디퍼렌셜 피니언 샤프트에 관한 것이며, 본 발명의 방법은 종래의 방법에 비해 공정 단계가 줄어든 장점이 있고 본 발명의 방법에 의해 제조된 변속기용 디퍼렌셜 피니언 샤프트는 내마모성 및 굽힘강도가 향상되었다.

Description

내마모성 및 내굽힘성이 향상된 디퍼렌셜 피니언 샤프트 및 그의 제조방법 {Differential pinion shaft having the improved abrasion resistance and bending strength and preparation method thereof}

본 발명은 변속기용 디퍼렌셜 피니언 샤프트 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 탄소 함량 0.2 중량% 이상인 강철 합금을 재료로 사용하여 선삭, 기계 가공, 고탄소 침탄, 뜨임 및 연삭하는 것으로 이루어지는 변속기용 디퍼렌셜 피니언 샤프트를 제조하는 방법 및 상기 방법에 의해 제조되는 변속기용 디퍼렌셜 피니언 샤프트에 관한 것이다.

디퍼렌셜 피니언 샤프트 (Differential Pinion Shaft)는 피니언 기어 (Pinion Gear)의 내경부에 장착되는 것으로서 고도의 내마모성 및 내굽힘성이 요구되는 부품이다.

현재 디퍼렌셜 피니언 샤프트의 내마모성을 향상시키기 위해서는 피니언 샤프트의 표면을 무전해 니켈 도금하는 것이 일반적이다. 따라서 종래 디퍼렌셜 피니언 샤프트의 제조방법은

1) 소재를 선삭하는 단계;

2) 기계 가공하는 단계;

3) 침탄하는 단계;

4) 연삭하는 단계;

5) 세척하는 단계; 및

6) 무전해 니켈 도금하는 단계

로 이루어져 있다. 그러나 무전해 니켈 도금 공정은 처리 비용이 매우 비쌀 뿐만 아니라 심각한 환경 오염을 유발하는 문제점이 있다. 또한 도금층의 두께가 너무 얇고 표면의 경도도 낮기 때문에, 내마모성 및 내굽힘성이 불량하여 이와 관련된 품질 문제가 빈번히 발생하고 있다.

이에 본 발명자는 내마모성 및 내굽힘성이 우수한 변속기용 디퍼렌셜 피니언 샤프트를 개발하기 위해 노력한 결과, 탄소 함량 0.2 중량% 이상인 강철 합금을 재료로 사용하여 고탄소 침탄 공정을 거쳐 디퍼렌셜 피니언 샤프트를 제조하면 내마모성 및 내굽힘성이 매우 향상될 뿐만 아니라 종래의 방법에 비해 공정 단계 및 원가를 줄일 수 있다는 것을 알아내어 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 내마모성 및 내굽힘성이 우수한 변속기용 디퍼렌셜 피니언샤프트 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는

1) 탄소 함량 0.2 중량% 이상인 강철 합금을 사용하여 선삭하는 단계 (단계 1);

2) 기계 가공하는 단계 (단계 2);

3) CP를 일정하게 유지하면서 700∼850℃에서 0.2∼1시간, 800∼950℃에서 3∼9시간 동안 고탄소 침탄하는 단계 (단계 3);

4) 뜨임 (tempering)하는 단계 (단계 4); 및

4) 연삭하는 단계 (단계 5)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 변속기용 디퍼렌셜 피니언 샤프트 (transmission differential pinion shaft)의 제조방법을 제공한다.

이 때, 상기 단계 3의 고탄소 침탄시 CP는 1.1∼1.2인 것이 바람직하다.

또한 상기 단계 4의 뜨임 공정은 100∼250℃에서 0.5∼4시간 동안 처리하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서는 상기 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 변속기용 디퍼렌셜 피니언 샤프트를 제공한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 디퍼렌셜 피니언 샤프트는 탄소 함량 0.2 중량% 이상인 강철 합금을 사용하여 고탄소 침탄 공정을 거쳐 제조되는 것이 특징이다. 즉, 종래 디퍼렌셜 피니언 샤프트의 재료로 사용되던 것에 비해 탄소의 함량을 높힘으로써 내마모성, 특히 내굽힘성을 향상시킬 수 있다. 구체적으로 고탄소 침탄 공정을 통해 표면 조직을 미세한 구상 탄화물과 마르텐사이트 (Martensite)의 복합 형태로 만들게 되는데, 표면 강도가 Hv 850 이상으로 상승된다.

또한 본 발명에서는 탄소 함량 0.2 중량% 이상인 강철 합금을 재료로 사용하여 고탄소 침탄 공정을 통해 디퍼렌셜 피니언 샤프트를 제조함으로써 종래의 방법에 비해 공정 단계를 줄일 수 있다. 즉, 본 발명에 의한 디퍼렌셜 피니언 샤프트의 제조방법은 탄소 함량 0.2 중량% 이상인 강철 합금을 사용하여 선삭, 기계 가공, 고탄소 침탄, 뜨임 및 연삭하는 단계로 이루어지며, 종래의 방법에 비해 세척하는 단계 및 무전해 니켈 도금하는 단계를 생략할 수 있다. 특히 종래 내마모성을 향상시키기 위해 사용하던 무전해 니켈 도금 공정은 처리 비용이 높고 심각한 환경 오염 물질을 배출하는 문제점이 있었으므로, 본 발명의 방법은 원가 절감의 효과가 있으며 환경친화적이다.

본 발명에 의한 디퍼렌셜 피니언 샤프트의 제조방법에서 고탄소 침탄 공정을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

종래 침탄 공정에서는 약 900℃에서 2시간 정도 처리해 주는 것이 일반적이었다. 그러나 본 발명에는 이러한 침탄 공정을 개량하여, 700∼850℃에서 0.2∼1시간 동안 처리하는 단계 및 800∼950℃에서 3∼9시간 동안 처리하는 단계를 거쳐 고탄소 침탄을 실시한다. 상기 700∼850℃로 처리하는 단계에서는 CP을 과포화시켜 탄화물을 석출시키며 상기 800∼950℃로 처리하는 단계에서는 탄화물의 성장 및 탄화물의 생성량을 제어한다. 상기와 같은 고탄소 침탄 공정에서는 강철 합금의 CP는 일정하게 유지하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 CP 1.1∼1.2로 유지하는 것이 바람직하다. 한편, 상기와 같은 고탄소 침탄 공정을 거친 강철 합금은 유효 경화 깊이 0.7∼0.9 mm, 탄화물 크기 5㎛ 이하, 50㎛ 지점에서 탄화물의 양이 20∼25 중량%인 특성을 갖는다.

이하 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다.

단, 하기 실시예들은 본 발명을 예시하는 것으로 본 발명의 내용이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예> 디퍼렌셜 피니언 샤프트의 제조 1

탄소 함량 0.22%인 강철 합금을 사용하여 본 발명의 방법에 따라 하기와 같이 디퍼렌셜 피니언 샤프트를 제조하였다.

탄소 함량 0.22%인 강철 합금 SCM722H₂-VI를 선삭하고 기계 가공하여 시편을 제조하였다. 이것을 780℃에서 0.5 시간 동안 처리하고 다시 온도를 880℃로 올린 후 6시간 동안 처리하여 탄소를 침탄시켰다. 상기 780℃ 및 880℃에서 처리하는과정에서 CP 1.15로 일정하게 유지되도록 하였다. 이후 온도를 상온으로 낮춘 후 다시 170℃로 올리고 2시간 동안 처리하여 뜨임 공정을 실시하였다.

상기와 같은 고탄소 침탄 과정을 거친 시편은 연삭 과정을 거쳐 완성품 형태의 디퍼렌셜 피니언 샤프트를 제조하였다.

<비교예> 디퍼렌셜 피니언 샤프트의 제조 2

탄소 함량 0.17%인 강철 합금을 사용하여 종래의 방법에 따라 하기와 같이 디퍼렌셜 피니언 샤프트를 제조하였다.

탄소 함량 0.17%인 강철 합금 ASCM17H1 를 선삭하고 기계 가공하여 시편을 제조하였다. 이것을 900℃에서 2시간 동안 처리하여 탄소를 침탄시켰다. 이 때 CP는 0.85로 유지되었다. 이후 온도를 상온으로 낮춘 후 다시 170℃로 올리고 2시간 동안 처리하여 뜨임 공정을 실시하였다. 이 과정에 의해 얻어진 시편은 표면 경도가 Hv 650 이었다.

상기와 같은 침탄 과정을 거친 시편을 연삭하고 세척한 후, 최종적으로 무전해 니켈 도금하여 완성품 형태의 디퍼렌셜 피니언 샤프트를 제조하였다. 이 때 무전해 니켈 도금에 의해 15 ㎛의 니켈이 도금되었으며, 도금층의 경도는 Hv 700∼850으로 측정되었다.

<실험예 1> 표면 경도 측정

본 발명에 의한 디퍼렌셜 피니언 샤프트의 표면 경도를 측정하였으며 그 결과 얻어진 비커스 경도 (Vickers hardness, Hv)를 하기표 1에 나타내었다.

표면 경도

디퍼렌셜 피니언 샤프트	실시예	비교예
표면 경도 (Hv)	870	700

상기표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 방법에 의해 제조된 디퍼렌셜 피니언 샤프트는 종래의 방법에 의해 제조된 것에 비하여 표면 경도가 약 25% 증가하였다.

<실험예 2> 내마모성 측정

내마모성 실험 결과 본 발명의 방법에 의해 제조된 디퍼렌셜 피니언 샤프트는 종래의 방법에 의해 제조된 것에 비하여 내마모성이 향상되었음을 알 수 있었다.

<실험예 3> 굽힘 강도 측정

본 발명에 의한 디퍼렌셜 피니언 샤프트의 굽힘 강도를 측정하기 위해 단품굽힘 피로 시험을 실시하였으며, 그 결과를 하기표 2에 나타내었다.

굽힘 강도

디퍼렌셜 피니언 샤프트	실시예	비교예
피로 한계 (kgf/mm2)	92	83

상기표 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 방법에 의해 제조된 디퍼렌셜 피니언 샤프트는 종래의 방법에 의해 제조된 것에 비하여 피로 한계가 약 10% 증가하였다. 따라서 본 발명에 의한 디퍼렌셜 피니언 샤프트는 굽힘에 대한 저항성이 향상되었음을 알 수 있었다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 방법에 의해 제조되는 변속기용 디퍼렌셜 피니언 샤프트는 종래의 것에 비하여 내마모성 및 굽힘 강도가 향상되었다. 또한 본 발명에 의한 디퍼렌셜 피니언 샤프트의 제조방법은 종래의 방법에 비해 공정 단계가 줄어들고 원가를 20% 이상 줄일 수 있는 장점이 있다. 더욱이 본 발명에 의한 디퍼렌셜 피니언 샤프트의 제조방법에서는 고비용을 필요로 하고 심각한 환경 오염 문제를 일으키던 무전해 니켈 도금 공정을 생략할 수 있으므로, 보다 환경친화적이다.

Claims (4)

1) 탄소 함량 0.2 중량% 이상인 강철 합금을 사용하여 선삭하는 단계 (단계 1);

2) 기계 가공하는 단계 (단계 2);

3) CP를 일정하게 유지하면서 700∼850℃에서 0.2∼1시간, 800∼950℃에서 3∼9시간 동안 고탄소 침탄하는 단계 (단계 3);

4) 뜨임 (tempering)하는 단계 (단계 4); 및

4) 연삭하는 단계 (단계 5)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 변속기용 디퍼렌셜 피니언 샤프트 (transmission differential pinion shaft)의 제조방법.

제 1 항에 있어서, 단계 3의 고탄소 침탄시 CP는 1.1∼1.2인 것을 특징으로 하는 변속기용 디퍼렌셜 피니언 샤프트의 제조방법.

제 1 항에 있어서, 단계 4의 뜨임 공정은 100∼250℃에서 0.5∼4시간 동안 처리하는 것을 특징으로 하는 변속기용 디퍼렌셜 피니언 샤프트의 제조방법.

제 1 항의 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 변속기용 디퍼렌셜 피니언 샤프트.