KR20070021182A - 피로 특성이 우수한 고강도 기계 부품 및 샤프트 및 이들의피로 특성 향상 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질량%로, C: 0.1 내지 1.2%를 함유하고, 곡률 반경이 25 mm 이하의 노치부가 있는 기계 부품에 있어서, 표면의 HV 경도가 250 이상인 것과 동시에 노치부 표층의 압축 잔류 응력이 -100 내지 -1500 MPa인 피로 강도가 우수한 고강도 기계 부품 및 그 피로 강도 향상 방법. 또한, 질량%로, C: 0.1 내지 1.2%, Si: 0.05 내지 2.5%, Mn: 0.2 내지 3%, Al: 0.005 내지 0.1%, N: 0.001 내지 0.02%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 인장강도가 800 MPa 이상인 강재로 이루어지는 샤프트이며, 상기 샤프트는 기름 구멍이 있고, 상기 기름 구멍의 표층에 있어서의 잔류 압축 응력이 상기 강재의 인장강도의 50% 내지 90%인 것을 특징으로 하는 내피로 특성이 우수한 샤프트 및 그 피로 특성 향상 방법.

고강도 기계 부품, 샤프트, 피로 특성 향상 방법

Description

피로 특성이 우수한 고강도 기계 부품 및 샤프트 및 이들의 피로 특성 향상 방법{HIGH STRENGTH MACHINE PARTS AND SHAFT EXCELLENT IN FATIGUE CHARACTERISTICS, AND METHOD FOR IMPROVING FATIGUE CHARACTERISTICS THEREOF}

본 발명은 자동차나 각종 산업 기계 등에 널리 사용되고 있는 샤프트, 톱니바퀴 등의 피로 특성이 우수한 고강도 기계 부품 및 피로 특성 향상 방법에 관한 것이다.

구체적으로는, 곡률 반경이 25 mm 이하인 노치부가 있고, 또한 표면 HV 경도가 250 이상인 피로 특성이 우수한 고강도 기계 부품 및 피로 특성 향상 방법에 관한 것이다.

자동차나 각종 산업 기계의 경량화, 고성능화로 인하여, 각종 기계 부품의 고강도화에 대한 요구가 높아지고 있고, 이 기계 부품의 고강도화는 강재의 화학 성분의 조정이나 여러 가지 열처리 방법 및 조건으로 달성할 수 있다.

그러나, 기계 부품의 고강도화가 실현되더라도 피로 특성이 기계 부품의 강도의 증가에 따라서 향상되지 않는 경우가 있다. 특히 노치부가 있는 기계 부품에서 있어서는 고강도화를 실현하더라도 피로 강도의 향상 효과는 적다. 이것은 노치부에 응력이 집중되기 때문이다.

일반적으로 피로 강도를 증가시키는 수단으로서「금속재료 피로 설계 편람」(일본 재료 학회 편집, 요켄도, 1981년 8월 20일, 제2판 발행) 95 내지 105쪽에 기재되어 있는 바와 같이, 고주파 퀀칭, 침탄, 질화, 침탄 질화, 연질화(Tafftride) 처리 등의 표면 경화 처리, 쇼트피닝이나 표면 롤 가공처리 등이 있다. 그러나, 곡률 반경이 작은 노치부가 있는 기계 부품에서는 상기와 같은 피로 강도의 증가 수단으로는 한계가 있어, 대폭적인 피로 특성의 향상은 실현될 수 없다고 하는 과제가 있다.

또한, 내연기관의 크랭크샤프트에서는 암과 핀 또는 저널과의 경계부가 단면 R상의 필렛부로 되어 있다. 이 필렛부는 크랭크샤프트 회전시의 비틀림 응력이나 굽힘 응력이 집중되기 쉬운 부분으로 되어 있다. 이 때문에, 필렛부를 강화하고 있는데, 그 방법으로서 롤 가공법, 고주파 퀀칭법 등을 들 수 있다.

롤 가공법은 핀/플랜지, 저널/플랜지의 경계선을 필렛 롤에 의하여 냉간 가공하여 강도를 향상시키는 기술이다. 종래 기술로서, 예를 들면 일본 공개 특허 공보 2002-122126호에서는 인장 응력이 걸리는 부분의 곡률 반경을 크게 하여 응력 집중을 완화시키는 기술이 소개되어 있고, 또한 일본 공개 특허 공보 2002-224920호에서는 필렛부의 축 지름의 감소를 억제하여 결과적으로 응력 집중을 완화하는 기술이 소개되어 있다.

한편, 고주파 퀀칭법은 핀, 저널부 및 핀/플랜지, 저널/플랜지 경계의 필렛부의 표면을 고주파 퀀칭에 의하여 마르텐사이트화하여 강도를 높이는 기술이다. 종래 기술로서, 예를 들면 일본 공개 특허 공보 2002-173711호에서는 퀀칭 균열이 발생하기 어려운 고주파 퀀칭 방법과 장치가 소개되어 있다.

또한, 자동차의 엔진에 사용되고 있는 크랭크샤프트나 기어샤프트에는 엔진의 회전에 따라 큰 변동 부하가 작용하고, 강한 강도가 요구된다. 특히, 샤프트에 설치된 기름 구멍부는 여러 방향으로부터 구멍이 뚫려 있어 강도상 가장 약한 부위이다.

샤프트의 기름 구멍부의 강화 방법에 관하여는 종래부터 여러 가지 제안이 있었는데, 예를 들면, 일본 공개 특허 공보 2002-38220호에는 고주파 퀀칭에 의하여 기름 구멍 주위의 강도를 높이고, 또한 기름 구멍 표층에 압축 잔류 응력을 도입하는 방법이 개시되어 있고, 크랭크샤프트를 회전시키면서 반해방형(半解放型)의 고주파 가열 코일로 가열할 때에, 기름 구멍이 가열 코일에 대면하는 위치에 도달하였을 때에 회전을 느리게 하고, 기름 구멍 개구부 근방의 가열층을 두껍게 하여 퀀칭 경화층을 깊게 하여, 기름 구멍 주위를 강화하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 퀀칭을 실시하는 경계부인 이른 바「퀀칭 경계부」에서는 인장의 잔류 응력이 발생하기 때문에, 퀀칭 균열이 발생하기 쉽고,「퀀칭 경계부」로부터 피로 균열이 발생하기 때문에, 부품으로서 피로 강도의 대폭 향상은 곤란하였다.

또한, 일본 공개 특허 공보 2002-160163호에는 기름 구멍 주위에 특화된 쇼트피닝 장치를 사용하여 기름 구멍 주위를 가공 경화 및 압축 잔류 응력을 도입하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 투사 노즐을 그 중심축 주위로 회전시키고, 투사구멍의 개구 방향을 노즐 중심축에 대하여 어긋나게 배치함으로써, 마스킹하지 않고 기름 구멍 주위에만 쇼트피닝을 실시하는 방법이지만, 이 방법은 쇼트구의 회 수를 위하여 덮개가 필요하기 때문에, 장치가 대규모로 되어 비용이 상승하고, 쇼트구의 크기에 제한이 있기 때문에, 큰 압축 잔류 응력을 부여하는 것이 곤란한 것이 문제였다.

본 발명은 상기와 같은 실상을 감안하여 이루어진 것으로, 곡률 반경이 25 mm 이하인 노치부를 가지고, 또한 표면 HV 경도가 250 이상인 피로 특성이 우수한 고강도 기계 부품 및 그 피로 강도 향상 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

또한, 본 발명은 샤프트의 기름 구멍에 있어서의「퀀칭 경계부」등에 인장 잔류 응력이 발생하지 않는 샤프트 및 큰 압축 잔류 응력을 부가할 수 있는 간편한 피로 강도 향상 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은 퀀칭·템퍼링 처리, 침탄 처리, 고주파 퀀칭 처리 등의 각종 열처리를 실시한 노치가 있는 고강도의 기계 부품의 피로 특성 향상 방법에 대하여 여러 가지 검토를 거듭하였다. 그 결과, 피로 특성을 향상시키기 위하여는 노치부에 압축 잔류 응력을 부여하는 것이 필수인 동시에, 종래의 쇼트피닝 처리로는 곡률 반경이 작은 노치부에 효율적으로 압축 잔류 응력을 부가하는 것이 곤란하다는 것을 명확하게 밝혔다. 이에 쇼트피닝을 대체하는 압축 잔류 응력의 부여 방법으로서 여러 가지 수단을 검토한 결과, 초음파 타격 처리가 압축 잔류 응력의 도입에 대하여 극히 유효하고, 피로 특성이 큰 폭으로 향상되는 것을 알아내고, 또한 최적의 초음파 타격 처리의 제조 기술을 확립하였다. 이상의 검토 결과에 기초하여, 압축 잔류 응력 및 초음파 타격 처리에 의한 압축 잔류 응력의 부여 방법을 최적으로 선택하면, 피로 특성이 우수한 노치부가 있는 고강도 기계 부품을 실현할 수 있다는 결론에 이르게 되어, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

또한, 본 발명은 기름 구멍부에 초음파 타격 처리를 실시하여 강화함으로써 기름 구멍에 있어서의「퀀칭 경계부」등에 인장 잔류 응력이 발생하지 않는 샤프트 및 큰 압축 잔류 응력을 부가할 수 있는 간편한 피로 강도 향상 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 요지는 다음과 같다.

(1) 질량%로, C: 0.1 내지 1.2%를 포함하는 강재로 구성되고, 곡률 반경이 25 mm 이하인 노치부가 있는 기계 부품으로서, 상기 강재 표면의 HV 경도가 250 이상이고, 또한 상기 노치부 표층의 압축 잔류 응력이 -300 내지 -1500 MPa인 것을 특징으로 하는 피로 특성이 우수한 고강도 기계 부품.

(2) 상기 노치부 표층으로부터의 깊이가 적어도 30 ㎛ 이내인 영역에 있어서, 결정립의 장축 방향과 단축 방향의 길이의 비인 종횡비가 1.5 이상인 것을 특징으로 하는 (1) 기재의 피로 특성이 우수한 고강도 기계 부품.

(3) (1) 또는 (2) 기재의 고강도 기계 부품이, 인장강도가 800 MPa 이상인 강재로 이루어지는 샤프트로서, 상기 샤프트는 기름 구멍을 가지고, 또한 상기 기름 구멍의 표층에 있어서의 압축 잔류 응력이 상기 강재의 인장강도의 50 내지 90%이며, 또한 상기 기름 구멍의 내면에 깊이 10 내지 50 ㎛의 타격 자국이 있는 것을 특징으로 하는 피로 특성이 우수한 샤프트.

(4) 질량%로, C: 0.1 내지 1.2%, Si: 0.05 내지 2.5%, Mn: 0.2 내지 3%, Al: 0.005 내지 0.1%, N: 0.001 내지 0.02%, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피로 특성이 우수한 샤프트.

(5) 상기 샤프트가, 또한 질량%로 Cr: 0.1 내지 2%, Ni: 0.1 내지 2%, Mo: 0.1 내지 2%, Cu: 0.1 내지 2%, Ti: 0.003 내지 0.05%, V: 0.05 내지 0.5%, Nb: 0.01 내지 0.1%, B: 0.0003 내지 0.005%의 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 (4) 기재의 피로 특성이 우수한 샤프트.

(6) (1) 또는 (2) 기재의 고강도 기계 부품의 노치부를 초음파 진동자에 의하여 타격하여 압축 잔류 응력을 부여하는 고강도 기계 부품의 피로 특성 향상 방법으로서, 상기 초음파 진동자의 기계 부품에 대한 경도비: 1.1 이상, 초음파 진동자의 진동수: 10 내지 60 kHz, 초음파의 출력: 500 내지 5000 W, 초음파 진동자의 노치부에의 압부력: 10 내지 1000 N의 조건으로, 상기 고강도 기계 부품의 노치부에 초음파 타격 처리를 가하는 것을 특징으로 하는 고강도 기계 부품의 피로 특성 향상 방법.

(7) (3) 기재의 샤프트의 피로 특성 향상 방법으로서, 상기 기름 구멍에 진동수: 10 내지 60 kHz, 진폭: 0.5 내지 50 ㎛로 진동하는 머리부에 팽창부가 있는 핀을 삽입하고, 상기 기름 구멍의 지름 방향으로 진동을 가함으로써 상기 기름 구멍부를 타격하는 것을 특징으로 하는 샤프트의 피로 특성 향상 방법.

(8) (3) 기재의 샤프트의 피로 특성 향상 방법으로서, 상기 기름 구멍의 주위를 진동수: 10 내지 60 kHz, 진폭: 0.5 내지 50 ㎛로 진동하는 단자로 타격하는 것을 특징으로 하는 샤프트의 피로 특성 향상 방법.

도 1은 본 발명의 실시예에서 사용한 노치부가 있는 기계 부품을 예시하는 도면이다.

도 2는 본 발명에 있어서의 샤프트의 기름 구멍의 내면을 타격하는 실시 형태를 예시하는 도면이다.

도 3은 본 발명에 있어서의 샤프트의 기름 구멍의 내면을 타격하는 실시 형태를 예시하는 도면이다.

도 4a, 4b, 4c, 4d는 모두 본 발명에 있어서 샤프트의 기름 구멍의 표층을 타격하는 실시 형태를 예시하는 도면이다.

먼저, 본 발명의 대상으로 하는 강재의 성분의 한정 이유에 대하여 설명한다.

C는 기계 부품의 강도를 확보하는 데 있어서 필수적인 원소이지만, 0.1% 미만으로 첨가하면 본 발명에서 목적으로 하는 HV 경도를 250 이상 얻는 것이 곤란하고, 또한 1.2%를 넘으면 기계 부품의 연성이 저하되기 때문에, 0.1 내지 1.2%의 범위로 제한하였다.

Si, Mn, Cr, Mo, Ni 등의 합금 원소는 각종 기계 부품의 열처리 조건, 용도 등에 따라 첨가하여도 좋다. 바람직한 범위는 Si: 0.05 내지 2.5%, Mn: 0.2 내지 3%, Cr: 0.1 내지 2%, Mo: 0.1 내지 3%, Ni: 0.1 내지 2%, Cu: 0.1 내지 1%, B: 0.0003 내지 0.005%이다. 또한, Al, N, Ti, Nb, V의 바람직한 범위는 Al: 0.005 내지 0.1%, N: 0.001 내지 0.02%, Ti: 0.003 내지 0.05%, V: 0.05 내지 0.5%, Nb: 0.01 내지 0.1%의 범위이다. 또한 P, S의 바람직한 범위는 P: 0.015% 이하, S: 0.05% 이하이다.

Si는 강의 강화 원소로서 유효하지만, 0.05% 미만에서는 그 효과가 나타나지 않는다. 한편, 과다하게 첨가하면 인성 및 피삭성이 저하되기 때문에, 첨가량의 상한을 2.5%로 한다.

Mn는 강의 강화에 유효한 원소이지만, 0.2% 미만에서는 충분한 효과를 얻을 수 없다. 한편, 과다하게 첨가하면 인성 및 피삭성이 저하되기 때문에, 첨가량의 상한을 2%로 한다.

Al는 강의 탈산 및 결정립의 미세화를 위하여 유효한 원소이지만, 0.005% 미만에서는 그 효과가 없다. 한편, 과다하게 첨가하면 피삭성이 저하되기 때문에, 첨가량의 상한을 0.1%로 한다.

N는 V 탄질화물이나 Nb 탄질화물을 생성하고 석출 강화를 위하여 필요한 원소이지만, 0.001% 미만에서는 충분한 효과를 얻을 수 없다. 한편, 과다하게 첨가하면 인성이 열화되기 때문에, 첨가량의 상한을 0.02%로 한다.

Cr, Ni, Mo, Cu는 모두 적당량의 첨가에 있어서는 인성을 해치지 않고 강도를 증대시키는 원소이다. Cr, Ni, Mo, Cu는 모두 0.1% 미만에서는 그 효과는 없고, 2%를 넘으면 인성이 크게 열화되기 때문에, 그 첨가량의 하한을 각각 0.1%, 상한을 2%로 한다.

Ti는 질화물·탄화물을 생성하고, 석출 강화에 의하여 강도가 상승되기 때문에 유효한 원소이다. 또한 Ti의 질화물은 고온까지 고용되지 않고 남기 때문에, 가 열시의 오스테나이트 조대화를 방지하는 데 유효하다. 0.003% 미만에서는 효과는 나타나지 않고, 0.05%를 넘으면 인성이 열화(劣化)되기 때문에, 그 첨가량의 하한을 0.003%, 상한을 0.05%로 한다.

V도, Ti와 마찬가지로 질화물·탄화물을 생성하고, 석출 강화에 의하여 강도가 상승하기 때문에 유효한 원소이지만, 효과를 얻기 위하여는 0.05% 이상의 첨가가 필요하다. 한편, 과다하게 첨가하면 인성이 열화되기 때문에, 첨가량의 상한을 0.5%로 한다.

Nb도, Ti와 마찬가지로 질화물·탄화물을 생성하고, 석출 강화에 의하여 강도가 상승하기 때문에 유효한 원소이지만, 효과를 얻는 데 있어서 0.01% 미만에서는 충분한 효과를 얻을 수 없다. 한편, 과다하게 첨가하면 인성이 열화되기 때문에, 첨가량의 상한을 0.1%로 한다.

또한, 이들 원소 이외에도, 피삭성을 향상시키는 원소로서 Pb, S, Bi 등을 첨가하여도 되고, 이러한 원소를 첨가한 경우도 본 발명에 포함된다.

또한, 본 발명은 고강도 기계 부품에 사용하는 강재의 조직이나 처리 공정을 불문하고, 페라이트-펄라이트강, 베이나이트강, 마르텐사이트강 등, 어떠한 조직의 강재에도 적용할 수 있고, 열간 단조 후에 절삭되고, 침탄 처리, 고주파 퀀칭, 퀀칭 템퍼링 처리 등이 실시되는 경우에 널리 적용할 수 있다.

다음에 기계 부품의 곡률 반경, 표면 HV 경도, 압축 잔류 응력의 한정 이유에 대하여 설명한다. 곡률 반경이 25 mm를 초과하는 큰 노치가 있는 경우는 피로 강도의 저하가 적기 때문에, 본 발명의 대상 외로 하였다. 또한, 25 mm를 초과하는 노치를 가지는 부품에 압축 잔류 응력을 가하는 경우, 종래 기술의 쇼트피닝 처리가 초음파 타격처리보다 경제적이기 때문에, 곡률 반경의 상한을 25 mm로 한정하였다. 본 발명의 기술은 기계 부품의 표면 HV 경도가 250 미만이어도 충분한 효과가 있으나, 일반적으로 저강도 강의 경우에는 높은 피로 강도가 요구되지 않기 때문에, 표면 HV 경도의 하한을 250으로 제한하였다. 노치부 표층의 압축 잔류 응력이 -300 MPa 미만에서는 피로 강도의 향상 효과가 적고, 또한 -1500 MPa를 초과하는 압축 잔류 응력을 부여하여도 피로 특성의 향상 효과가 포화되기 때문에, 노치부의 표층의 압축 잔류 응력의 범위를 -300 내지 -1500 MPa로 한정하였다. 또한, 본 발명의 잔류 응력은 X선법으로 측정한 것이다.

본 발명의 초음파 타격 처리를 실시하지 않는 경우에는 결정립의 장축 방향과 단축 방향의 종횡비가 1.5 미만이 되어, 피로 특성의 향상 효과가 불충분하기 때문에, 종횡비의 하한을 1.5로 제한하였다. 또한, 종횡비가 1.5 이상인 영역이 노치 표층으로부터 30 ㎛ 미만인 경우에는 충분한 피로 강도 향상 효과를 얻는 것이 곤란하기 때문에, 하한을 30 ㎛로 제한하였다. 본 발명에 있어서, 결정립의 종횡비는 500배의 광학 현미경으로 측정한 것이다. 기계 부품의 조직이 페라이트·펄라이트인 경우에는 페라이트 입자 및 펄라이트 입자의 평균값이며, 펄라이트가 주체인 경우에는 펄라이트립의 평균값, 마르텐사이트 또는 템퍼링 마르텐사이트의 경우는 구오스테나이트 입자의 평균값이다.

다음으로, 초음파 타격처리의 조건에 대하여 설명한다. 본 발명에서는 기계 부품의 사양에 따라 열간 단조, 냉간 단조, 각종 기계 가공이나 퀀칭·템퍼링 처 리, 침탄 처리, 고주파 퀀칭 처리 등의 각종 공정을 거쳐 최종의 기계 부품으로 완성한 후, 마지막에 노치부에 초음파 타격 처리를 실시하는 것이다.

초음파 진동자의 경도가 노치 표면의 경도의 1.1배 미만에서는 초음파 타격 처리에 의한 노치부에의 압축 잔류 응력을 효율적으로 부여하는 것이 곤란하기 때문에, 초음파 진동자와 기계 부품의 경도비를 1.1 이상으로 한정하였다. 또한, 초음파 진동자의 선단의 곡률 반경은 특히 한정하지 않지만, 기계 부품의 노치부의 곡률 반경보다 큰 경우에는 효율적으로 압축 잔류 응력을 부여할 수 없기 때문에, 초음파 진동자의 선단 반경은 노치부의 곡률 반경과 동등 이하로 하는 것이 바람직한 조건이다. 초음파 진동자의 진동수가 10 kHz 미만에서는 효율적으로 압축 잔류 응력을 부여할 수 없기 때문에, 하한을 10 kHz로 한정하였다. 한편, 60 kHz를 초과하는 진동수로 초음파 타격 처리를 실시하여도 압축 잔류 응력의 도입 효과가 포화되기 때문에, 진동수의 상한을 60 kHz로 제한하였다. 진동수의 바람직한 범위는 20 내지 40 kHz이다. 초음파의 출력이 500 W 미만이 되면 소정의 압축 잔류 응력을 부여하기 위한 초음파 타격 처리 시간이 길어져 경제적이지 않기 때문에, 하한을 500 W로 한정하였다. 초음파 출력이 5000 W를 넘어도 효과가 포화되기 때문에, 5000 W를 상한으로 하였다. 초음파 진동자의 노치부에의 압부력이 10 N 미만인 경우에는 효율적으로 압축 잔류 응력을 부여하지 못하고 경제적이지 않기 때문에, 하한을 10 N으로 제한하였다. 한편, 압부력이 1000 N를 넘어 초음파 타격 처리를 실시하여도 효과가 포화되기 때문에, 상한을 1000 N으로 제한하였다.

초음파 타격 처리에 의한 압축 잔류 응력 부여는 쇼트피닝에 의한 압축 잔류 응력 부여보다 피로 특성이 우수하다. 그 이유는,

1) 초음파 타격 처리에 의한 압축 잔류 응력은 쇼트피닝보다 높다

2) 초음파 타격 처리에 의한 압축 잔류 응력은 쇼트피닝보다 더 강재 내부까지 부여된다

3) 초음파 타격 처리의 부위는 소성 변형되어 있고, 피로 특성이 향상된다

4) 초음파 타격 처리에 의한 표면 조도가 쇼트피닝보다 작다

는 것에 기인하는 것으로 추정된다.

샤프트 표층에 형성된 기름 구멍은 단면적의 감소 및 응력 집중 형상이기 때문에, 피로 균열의 발생 기점이 된다. 즉, 기름 구멍의 피로 강도가 샤프트 전체의 피로 강도를 결정한다.

기름 구멍 주위의 피로 강도를 향상시키기 위하여는 기름 구멍 주위의 강도를 높이거나, 압축의 잔류 응력을 도입하는 2가지 대책을 생각할 수 있다.

본 발명자들은 초음파 진동하는 진동 단자로 강재를 타격함으로써, 상기 2가지 대책을 모두 만족시키는 것이 가능하다는 것을 밝혀내었다. 즉, 기름 구멍 표면에 큰 압축 잔류 응력을 부여하고, 또한 쇼트피닝과 마찬가지로 표면을 소성 가공함으로써 가공 경화하고, 기름 구멍을 가지는 샤프트의 피로 강도를 대폭 향상시킬 수 있다는 것을 밝혀내었다.

도 2 및 도 3은 본 발명에 있어서의 샤프트의 기름 구멍의 내면을 타격하는 실시 형태를 예시하는 도이며, 1은 기름 구멍, 2는 초음파 진동 단자, 3은 타격부를 나타낸다.

본 발명에 있어서, 타격처리를 행하는 부위를 샤프트의 기름 구멍부를 대상으로 한 것은 샤프트에 있어서 피로 파괴가 주로 문제가 되는 것이 기름 구멍부이기 때문이다. 기름 구멍 주위에 피로 균열이 생기는 위치를 미리 알고 있는 경우에는 그 부위를 집중적으로 처리하면 좋다.

먼저, 기름 구멍 내부로부터 균열이 생기는 경우에는 도 2에 나타내는 선단에 팽창부가 있는 핀(2)을 사용하여 기름 구멍(1)의 지름 방향으로 진동시키면서, 내주를 따라서 타격 처리를 실시한다.

이 타격 처리에 의하여, 도 2의 우측에 나타내는 바와 같이, 기름 구멍(1)의 내면에 타격 자국을 만들 수 있고, 이 소성가공에 의한 가공 경화에 의하여 피로 강도를 현저하게 향상시킬 수 있다. 타격 자국의 깊이는 10 ㎛ 이하에서는 피로 강도의 향상 효과가 충분하지 않고, 또한 50 ㎛를 넘으면 가공 경화가 포화되기 때문에, 10 내지 50 ㎛의 범위가 좋다.

도 3은 초음파 진동 단자(2)가 기름 구멍(1)의 내면을 따라서 진동하는 모습을 모식적으로 설명한 도면이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 초음파 진동 단자(2)는 시간의 경과와 함께, 기름 구멍(1)의 내면을 따라서 선회하면서 진동함으로써, 기름 구멍의 내면을 타격 처리할 수 있다.

본 발명에 있어서는 기름 구멍(1)의 내면의 타격부는 어디라도 무방하지만, 고주파 퀀칭 등에 의하여 인장 잔류 응력이 발생하는「퀀칭 경계부」에 상당하는 기름 구멍(1)의 단부로부터 1 mm 전후의 위치를 타격함으로써 가공 경화시키는 것이 좋다.

도 4는 본 발명에 있어서의 샤프트의 기름 구멍의 표층을 타격하는 실시형태를 예시하는 도이며, 1은 기름 구멍, 2는 초음파 진동 단자, 3은 타격부를 나타낸다.

기름 구멍(1)의 표면 근방으로부터 균열이 들어가는 경우는 도 4a, 4b, 4c, 4d에 나타내는 바와 같이 균열이 생기는 방향 (도 4 중 해칭부)으로 타격 처리를 함으로써 처리 시간을 단축할 수 있다.

예를 들면, 도 4a와 같이 샤프트가 굽힘 피로만을 받는 경우에는 샤프트의 축에 수직 방향으로 타격하는 것이 좋고, 또한 도 4c와 같이, 샤프트가 비틀림 피로만을 받는 경우에는 샤프트의 축 방향에서 45˚ 경사된 방향으로 타격하는 것이 좋다. 또한, 도 4b와 같이, 샤프트가 굽힘+비틀림 피로를 받는 경우에는 양자를 복합한 방향으로 기울여 타격하는 것이 좋다. 샤프트 파단의 형태가 굽힘 피로가 주체인지, 비틀림 피로가 주체인지 불분명한 경우에는 도 4d와 같이, 사방 타격 처리를 실시함으로써 굽힘 피로에도 대처 가능하고 비틀림 피로에도 대처 가능하다.

또한, 기름 구멍 근방의 표면을 처리하는 경우에는 초음파 타격 핀 선단의 형상은 반구상, 옆으로 넓은 반구상, 말 안장 형상 등을 생각할 수 있지만 특히 한정하지 않는다. 다만, 반구상 내지는 옆으로 넓은 반구상에서는 볼록부와 볼록부를 맞대게 되므로 처리가 불안정하게 될 가능성이 있다. 가장 좋은 것은 볼록부와 오목부를 조합하게 되는 말 안장 형상이지만, 초음파 타격 핀의 제조 비용이 비싸질 가능성이 있다.

본 발명에 사용하는 초음파 진동자의 진동수를 10 kHz 내지 60 kHz로 한정한 것은 강재에 가해지는 압축의 잔류 응력이 이 영역에서 커지기 때문이다. 마찬가지로 초음파 진동하는 핀 선단의 진폭을 0.5 내지 50 ㎛로 한정한 것도, 0.5 ㎛ 미만의 진폭에서는 충분한 압축 잔류 응력을 강재에 부여할 수 없기 때문이다. 진폭은 클수록 잔류 응력이 증가하지만, 50 ㎛ 초과에서는 소성 변형이 너무 커지게 되어서 부품의 치수 정밀도가 저하되는 동시에 피로 강도도 저하되기 때문에, 진폭의 상한을 50 ㎛로 한정한다.

<샤프트 기름 구멍의 표층에 있어서의 압축 잔류 응력>

본 발명의 샤프트는 전술한 바와 같은 타격 처리를 기름 구멍부에 실시함으로써, 샤프트의 기름 구멍의 표층에 있어서의 압축 잔류 응력이 샤프트를 구성하는 강재의 인장강도의 50% 내지 90%가 되도록 할 필요가 있다.

<인장 강도>

본 발명의 샤프트를 구성하는 강재의 인장강도에 대하여는 인장강도가 800 MPa 이하인 강재에서는 기름 구멍부의 압축 잔류 응력의 하한 규정인 50%에서는 충분한 피로 강도 향상 효과를 얻을 수 없기 때문에, 그 하한치는 800 MPa로 하였다.

<잔류 응력>

본 발명이 대상으로 하는 800 MPa 이상의 강도를 가지는 강재에 있어서, 인장강도의 50% 이하의 압축 잔류 응력으로는 충분한 피로 강도 향상이 인정되지 않고, 인장 강도 90% 이상의 압축 잔류 응력을 부여하는 것은 본 발명에서는 곤란하므로 그 상한을 90%로 한다.

실시예 1

이하, 실시예에 의하여 본 발명의 효과를 더 구체적으로 설명한다.

표 1에 나타내는 화학 성분의 강재를 사용하여, 열간 단조로 도 1에 나타내는 환봉 형상의 부품 (샤프트)을 제조하였다. 열간 단조 온도는 1200℃이다. 그 후, 기계 가공으로 도 1에 나타내는 노치가 있는 기계 부품으로 완성하였다. 또한, 기계 부품을 사용하여 퀀칭·템퍼링 처리, 고주파 가열 처리, 침탄 처리를 실시하고, 표면의 경도를 측정하였다. 퀀칭·템퍼링 처리는 퀀칭 온도: 850 내지 950℃, 템퍼링 온도: 180 내지 650℃의 조건으로 실시하였다. 고주파 가열 처리는 950℃로 가열한 후, 퀀칭 처리를 실시하고, 그 후 150℃에서 템퍼링 처리를 실시하였다. 침탄 처리는 침탄 온도가 950℃, 템퍼링 온도가 160℃인 조건으로 실시하였다. 또한, 최종적으로 노치부에 초음파 타격처리를 실시하였다. 초음파 타격 처리 후에 노치부의 잔류 응력은 X선법으로 측정하였다. 결정립의 종횡비는 노치부의 표층으로부터 30 ㎛의 영역을 500배의 광학 현미경으로 10 시야 이상을 관찰함으로써 구하였다. 기계 부품의 피로 강도 (10⁷ 사이클)는 회전 굽힘 피로 시험으로 조사하였다. 상기 제조 조건, 측정 결과를 표 2에 나타낸다.

표 2의 시험 No. 3, 5, 7, 8, 9, 12, 16, 18, 20, 21, 23, 25, 28, 32, 34, 37이 본 발명예이고, 이외에는 비교예이다. 표2에 나타내는 바와 같이 본 발명예는 모두 노치부에 높은 압축 잔류 응력이 부여되고 결정립의 종횡비도 1.5 이상이다. 이 결과, 비교예에 비하여 피로 강도가 높고, 피로 특성이 우수한 고강도 부품이 실현되고 있다.

이것에 대해서, 비교예인 시험 No. 1, 4, 6, 8, 11, 14, 17, 19, 22, 24, 27, 30, 33, 35는 모두 기계 부품 제조 후에 노치부의 잔류 응력 제어의 처리를 하지 않은 경우이다. 압축 잔류 응력이 낮거나, 또는 인장 잔류 응력으로 되어 있기 때문에, 모두 피로 강도가 본 발명예보다 낮은 예이다.

비교예인 시험 No. 2, 15, 31, 36은 모두 부품 제조 후에 종래의 쇼트피닝 처리를 가한 것이다. 쇼트피닝 처리를 실시함으로써, 노치부의 잔류 응력은 압축 잔류 응력측으로 이행되지만, 노치부의 곡률 반경이 작기 때문에 큰 압축 잔류 응력을 효율적으로 부여할 수 없다. 이 결과, 어느 예에 있어서도 본 발명예에 비하여 피로 강도가 떨어진다.

비교예인 시험 No. 10, 13, 26, 29, 38은 모두 초음파 타격 처리의 조건이 부적절한 예이다. 즉, No. 10은 초음파 진동자와 기계 부품의 경도비가 낮기 때문에, No. 13은 초음파 진동자의 진동수가 낮기 때문에, No. 26은 초음파 진동자의 노치부에의 압부력이 너무 낮기 때문에, No. 29는 경도비 및 초음파 진동자의 진동수가 낮기 때문에, 그리고 No. 38은 초음파 출력이 낮기 때문에, 모두 노치부의 압축 잔류 응력값이 낮고, 피로 강도의 향상 효과가 적었던 예이다.

실시예 2

표 3에 나타내는 성분의 강으로부터, 기름 구멍을 모방한 관통 구멍을 형성한 둥근 구멍이 있는 오노식 회전 굽힘 시험편을 잘라냈다. 시험편의 크기는 평행부의 지름 d=12 mm (JIS Z-2274, 1호 시험편, 기호 1-12), 관통 구멍의 지름은 2.4 mm로 하였다.

이 시험편에 본 발명의 초음파 처리를 한 것 및 처리하지 않은 것 내지는 범위외로 처리를 한 비교재를 준비하고, 오노식 회전 굽힘 피로 시험을 하고 피로 강도를 구하였다. 결과를 표 4에 나타낸다.

또한, 본 시험편은 단순한 굽힘 피로 시험이기 때문에, 피로 균열은 구멍부 표층으로부터 발생하여 축방향과 수직인 면에서 파단하기 때문에, 초음파 처리는 구멍 주위의 표층 둘레 전체에 대하여 실시하였다.

표 4 중의 잔류 응력 측정값은 피로 시험을 실시하지 않은 시험편을 별도로 준비하여 접합부 표층의 잔류 응력을 측정한 것이다. 또한, 잔류 응력의 측정은 X선을 사용하여 실시하고, 회절 X선의 강도를 측정하고 피크 강도의 반값 폭으로부터 구하였다.

초음파 타격 처리를 하지 않는 시료는 인장 강도의 1/4에 못미치는 피로 강도밖에 얻지 못하고 있다. 이것은 기름 구멍이 피로 강도를 저하시키는 것이 원인이다. 적정한 초음파 타격 처리를 실시함으로써, 기름 구멍 주위의 강도를 증가시키고, 압축의 잔류 응력을 도입함으로써, 피로 강도를 향상하는 것이 가능해지고 있다.

구멍 내부로부터 발생하는 균열을 모방하기 위하여, 관통 구멍을 형성한 오노식 회전 굽기 시험편을 준비하여, 쇼트피닝(아크 하이트 0.35)에 의하여 표면에 장축 잔류 응력을 도입한 후, 구멍의 내부에 초음파 처리를 실시하고, 처리의 유무가 피로 강도에 미치는 영향에 대하여 조사하였다. 결과를 표 5에 나타낸다.

잔류 응력은 구멍의 표면에서 측정하였기 때문에, 처리의 유무에 의한 변화는 적다. 쇼트피닝에 의하여 표층에 압축 잔류 응력이 들어가, 표 2의 결과에 비하여 초음파 처리를 하지 않은 재의 피로 강도도 높은 값을 나타내고 있다. 이것에 초음파 처리를 가함으로써 피로 강도가 더욱 상승한다.

그 결과, 본 발명의 피로 강도 향상 방법을 이용한 본 발명예는 비교예에 비하여, 대폭적인 피로 강도 향상이 인정되었다.

본 발명에 의하면, 노치부에 초음파 타격 처리를 실시하여 압축 잔류 응력을 도입함으로써, 곡률 반경이 25 mm 이하인 노치가 있는 고강도 기계 부품의 피로 특성을 큰 폭으로 향상시킬 수 있고, 이것에 의하여 피로 특성이 우수한 고강도 기계 부품 및 피로 특성 향상 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 기름 구멍에 있어서의「퀀칭 경계부」등에 인장 잔류 응력이 발생하지 않는 샤프트 및 큰 압축 잔류 응력을 부가할 수 있는 간편한 피로 강도 향상 방법을 제공할 수 있고, 그 결과, 기름 구멍으로부터 파괴되는 경우가 없어져 부품의 신뢰성이 증가하고, 강화분에 상응하는 부품의 경량화가 가능하게 되어 연비 향상·비용 삭감에 기여한다.

Claims (8)

1. 질량%로, C: 0.1 내지 1.2%를 포함하는 강재로 구성되고, 곡률 반경이 25 mm 이하인 노치부가 있는 기계 부품으로서, 상기 강재 표면의 HV 경도가 250 이상이고, 또한 상기 노치부 표층의 압축 잔류 응력이 -300 내지 -1500 MPa인 것을 특징으로 하는 피로 특성이 우수한 고강도 기계 부품.
2. 제1항에 있어서, 상기 노치부 표층으로부터의 깊이가 적어도 30 ㎛ 이내인 영역에 있어서, 결정립의 장축 방향과 단축 방향의 길이의 비인 종횡비가 1.5 이상인 것을 특징으로 하는 피로 특성이 우수한 고강도 기계 부품.
3. 제1항 또는 제2항에 기재된 고강도 기계 부품이 인장강도가 800 MPa 이상인 강재로 이루어지는 샤프트이고, 상기 샤프트는 기름 구멍을 가지며, 또한 상기 기름 구멍의 표층에 있어서의 압축 잔류 응력이 상기 강재의 인장강도의 50 내지 90%이고, 또한 상기 기름 구멍의 내면에 깊이 10 내지 50 ㎛의 타격 자국이 있는 것을 특징으로 하는 피로 특성이 우수한 샤프트.
4. 질량%로, C: 0.1 내지 1.2%, Si: 0.05 내지 2.5%, Mn: 0.2 내지 3%, Al: 0.005 내지 0.1%, N: 0.001 내지 0.02%, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피로 특성이 우수한 샤프트.
5. 제4항에 있어서, 상기 샤프트가, 또한 질량%로 Cr: 0.1 내지 2%, Ni: 0.1 내지 2%, Mo: 0.1 내지 2%, Cu: 0.1 내지 2%, Ti: 0.003 내지 0.05%, V: 0.05 내지 0.5%, Nb: 0.01 내지 0.1%, B: 0.0003 내지 0.005%의 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 피로 특성이 우수한 샤프트.
6. 제1항 또는 제2항에 기재된 고강도 기계 부품의 노치부를 초음파 진동자에 의하여 타격하여 압축 잔류 응력을 부여하는 고강도 기계 부품의 피로 특성 향상 방법으로서, 상기 초음파 진동자의 기계 부품에 대한 경도비: 1.1 이상, 초음파 진동자의 진동수: 10 내지 60 kHz, 초음파의 출력: 500 내지 5000 W, 초음파 진동자의 노치부에의 압부력: 10 내지 l000N의 조건으로, 상기 고강도 기계 부품의 노치부에 초음파 타격 처리를 가하는 것을 특징으로 하는 고강도 기계 부품의 피로 특성 향상 방법.
7. 제3항에 기재된 샤프트의 피로 특성 향상 방법으로서, 상기 기름 구멍에 진동수: 10 내지 60 kHz, 진폭: 0.5 내지 50 ㎛로 진동하는 머리부에 팽창부가 있는 핀을 삽입하고, 상기 기름 구멍의 지름 방향으로 진동을 가함으로써 상기 기름 구멍부를 타격하는 것을 특징으로 하는 샤프트의 피로 특성 향상 방법.
8. 제3항에 기재된 샤프트의 피로 특성 향상 방법으로서, 상기 기름 구멍의 주 위를 진동수: 10 내지 60 kHz, 진폭: 0.5 내지 50 ㎛로 진동하는 단자로 타격하는 것을 특징으로 하는 샤프트의 피로 특성 향상 방법.

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