KR20070095935A - 철계 구성요소의 성질을 향상시키기 위한 합성물 및 방법 - Google Patents

철계 구성요소의 성질을 향상시키기 위한 합성물 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고강도, 고인성 철 금속 합금을 니어 넷 단조하고, 경화된 표면 구역(28)을 형성하도록 금속 합금의 표면을 처리하고, 도9에 도시된 바와 같은 윤활성 코팅으로 표면 구역을 코팅함으로써 형성되는 기어 및 다른 동력 전달 구성요소와 같은 구성요소에 관한 것이다.
준정형, 고인성 철 금속 합금, 고 전류 밀도 이온 주입, 동력 전달 구성요소, 윤활성 코팅

Description

철계 구성요소의 성질을 향상시키기 위한 합성물 및 방법 {COMPOSITION AND PROCESS FOR ENHANCED PROPERTIES OF FERROUS COMPONENTS}
본 발명은 전체적으로 준정형 (near-net-shape; NNS) 단조와, 고강도 고인성 (HSHT) 철 합금 부류와, 합금 부류 단조물의 표면 성질을 향상시키기 위한 열화학적 가공의 적용 분야의 조합에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 NNS 단조와, 합금 선택과, 동력 전달 시스템 내의 기어 및 다른 구성요소에 대한 열화학적 처리에 관한 것이다.
예컨대, 기어를 제조하는 종래의 방법은 많은 순차적인 가공 단계를 포함한다. 통상, 단조된 빌릿 스톡은 거칠고 최종 크기보다 큰 마무리 형상으로 호빙되고, 예컨대 침탄에 의해 열화학적으로 가공된 후, 천천히 냉각된다. 그 후, 재오스테나이트화, 담금질, 극저온 처리에 의한 냉각, 템퍼링(시효), 마무리 연삭, 부식 검사, 숏 피닝, 호닝 및 최종 검사의 단계가 뒤따른다. 이들 방법은 제조 프로세스 시간을 증가시키고 비용을 증가시킨다.
종래의 철 합금 블랭크의 호빙(hobbing)은 임의의 주연부 구조적 조직 또는 임의의 사전 형성 작업으로부터 블랭크 내에 존재할 수 있는 바람직한 그레인 배향을 통한 절단에 의해 기어 치 형상부를 제조함으로써, 성형 작업으로부터 발생할 수 있는 성능 이익을 감소시킨다.
예컨대, 기어 적용예용으로 사용되는 합금은 전단 변형과, 굽힘 피로 하중과, 피팅 및 접촉 마모에 의한 표면 열화를 견디는 능력이 필요하다. 종래의 기어 합금은 매우 높은 성능의 적용예에 필요한 강도 및 인성에 있어서 여전히 한계가 있다.
종래 합금의 성능을 향상시키기 위해 열화학적 처리를 포함하는 표면 공학 프로세스가 통상적으로 필요하다. 동력 전달 구성요소와 같은 철 계열 금속 합금 구성요소를 위해서는, 구성요소 성능을 향상시키도록 코어 주위에 경화된 표면 케이스를 형성하는 것이 바람직하다. 경화되거나 화학적으로 변경된 표면 케이스가 내마모성 및 내식성을 제공하면서, 코어가 인성, 내충격성 및 굽힘 피로 강도를 제공한다.
강철 합금으로 제조되는 동력 전달 구성요소에 경화된 표면 케이스를 형성하면서, 합금의 원래의 경도, 강도 및 인성 특성을 유지하는 다양한 종래의 방법이 존재한다. 이러한 성질을 달성하도록 사용되는 종래의 방법은 침탄 및 질화 처리를 포함하지만, 대안으로서, 고 전류 밀도 이온 주입과 같은 종래에 없던 신규한 열화학적 프로세스가 소정의 케이스 및 코어 성질을 달성하거나 유지시키도록 적용될 수 있다.
예컨대, 기어에 경화된 표면 케이스를 형성하는 방법은 제조 시간 및 비용을 증가시키는 많은 연속적인 가공 단계도 또한 포함한다.
따라서, 기어를 제조하는 시간 및 비용을 감소시키고, 기어 절단에 비해 성 질 및 성능 특성을 향상시키고, 열화학적 처리의 적용예에 적절한 향상된 강도 및 인성을 갖는 합금 부류를 검증할 필요가 있다.
상술한 배경기술의 단점과 한계는 본 발명에 의해 극복된다. 본 발명에 따르면, 기어를 제조하는 준정형 단조 프로세스는 예컨대, 기어를 호빙하고 기계적 성질을 증대시킬 필요가 없으며, 기계적 성질은 향상된 고강도 및 고인성을 갖는 HSHT 철 합금 부류를 사용함으로써 더 향상된다. 이러한 합금 부류는 제조 시간과 비용도 또한 감소시키는 방법에 의한 열화학적 표면 가공을 통해 향상될 수 있는 표면 성질을 가지며, 이렇게 가공된 제품의 표면 거칠기는 피팅 피로 및 내마모성을 포함하는 표면 성질을 더 향상시키기 위해 열화학적 수단에 의해 등방성으로 초정밀 마무리되어 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 합금의 빌릿이 마무리된 기어 형상으로 준정형 단조되지만, 작은 스톡은 기계 가공과 초정밀 마무리를 끝마치기 전에 임의의 후속적인 열처리 및 열화학적 표면 가공될 수 있는 방법이다.
본 발명의 다른 실시예는 기어 합금이 고강도, 고인성 합금의 부류로부터 선택되는 방법이다.
본 발명의 또 다른 실시예는 선택된 표면 기술과 벌크 합금 열처리 단계를 상승 작용하게 조합하도록, 준정형 단조된 고강도, 고인성 합금이 열처리되고 열화학적으로 가공되어, 가공 시간, 비용 및 운반에 있어서 상당한 절감을 달성하는 동시에, 원하는 성능 능력의 향상은 유지시키는 방법이다.
본 발명의 또 다른 실시예는 선택된 표면 기술과 벌크 합금 열처리 단계를 상승 작용하게 조합하도록 열처리되고 열화학적으로 가공되는 고강도, 고인성 합금을 포함하는 준정형 단조물이 후속적인 화학 기계적 가공 단계를 더 거쳐, 표면 거칠기를 감소시켜 완성된 표면 성질을 더 향상시키는 동시에, 원하는 벌크 및 표면 성능 능력의 향상은 유지하는 방법이다.
따라서, 본 발명은 준정형 (NNS) 단조와, 고강도, 고인성 (HSHT) 철 합금 부류와, 합금 계열 단조물의 표면 성질을 향상시키기 위한 열화학적 가공의 적용예의 조합을 교시하고 있다.
예컨대, 이러한 조합은 동력 전달 시스템 내의 기어와 다른 구성요소에 대해 허용가능한 굽힘 및 표면 피로 설계를 향상시키기 위한 구성요소 또는 시스템 성질의 개선책에 대한 신규한 접근 방법을 포함한다.
도1은 금속 합금의 개략도이다.
도2는 결정 구조의 개략도이다.
도3은 표면 가공 동안의 금속 합금의 개략도이다.
도4는 금속 합금과 경화된 표면 구역의 개략도이다.
도5는 플라즈마 (이온) 질화 처리 챔버의 개략도이다.
도6은 경화된 표면 구역의 깊이 걸친 질소 농도 프로파일이다.
도7은 금속 합금의 표면 구역 상의 질화 화합물의 개략도이다.
도8은 금속 합금의 경화된 표면 구역 상의 코팅의 개략도이다.
도9는 금속 합금의 표면 구역 상의 중간 코팅 상의 코팅의 개략도이다.
도1은 코어(12)와, 코어(12)상의 표면 구역(14)을 포함하는 금속 합금(10)의 개략도이다. 금속 합금(10)은, 일반적으로 질소가 없는 철 계열 합급이며, 관련된 조성과, 템퍼링 또는 시효 온도를 포함하는 경화 열처리를 갖는다. 템퍼링 또는 시효 온도는 금속 합금(10) 조성에 따르며, 경도, 강도 및 인성과 같은 금속 합금(10)의 특성을 변경하기 위해 금속 합금(10)이 열 가공되는 온도이다.
기본적으로, 금속 합금(10)의 조성은 고강도와 고인성을 제공하는 Ni-Co 2차 경화 마르텐사이트 강(martensitic steel)이다. 즉, 금속 합금(10)의 최대 인장 강도는 약 170 ksi보다 크고 항복 응력은 약 140 ksi보다 크며, 몇몇 예에서는 최대 인장 응력은 약 285 ksi이고 항복 응력은 약 250 ksi이다. 고강도와 고인성은 동력 전달 구성요소와 같은 적용예에서 원하는 성능을 제공한다. 종래의 진공 용융 및 재용융 방법은 금속 합금(10)으로부터 불순물 요소를 제거하여 고강도 및 고인성을 달성하도록 사용되거나, 예컨대, 희토류금속, Mg, Ca, Si, Mn 및 이들의 조합을 포함하는 요소를 게터링하는데 사용될 수 있다. 미량으로 존재하는 S, P, O 및 N과 같은 불순물 요소는 강도와 인성을 떨어뜨릴 수 있다.
바람직하게는, 금속 합금(10)의 합금 함유량과 템퍼링(시효) 온도는 합금 탄화물, M이 금속 탄화물 형성 요소인 M2C는 Fe3C(비교적 정련되지 않은 전구체 탄화물)보다 안정적이어서, Fe3C가 용해되고 M2C 합금 탄화물은 침전하는 열역학적 조건 을 만족한다. M2C 합금 탄화물 형성 요소는 임의의 표면 가공 이전의 종래의 침전 열 프로세스 동안 2차 경화를 유발하는 M2C 침전물의 미세 분산물을 형성함으로써 금속 합금(10)의 고강도 및 고인성에 도움이 된다. 바람직한 합금 탄화물 형성 요소는 금속 합금(10)의 탄소와 결합되어 M2C를 형성하는 Mo 및 Cr을 포함한다. 바람직하게는, 금속 합금(10)은 1.5 중량% 내지 15 중량% Ni와, 5 중량% 내지 30 중량% Co와, 최대 약 0.5 중량% C와 반응하여 M2C 형태의 금속 탄화물 침전물을 형성할 수 있는 Mo, Cr, W, V 또는 이들의 조합체와 같은 최대 5 중량%의 탄화물 형성 요소를 포함한다. 금속 합금(10)은 하나 이상의 바람직한 합금 탄화물 형성 요소를 포함할 수도 있다.
탄화물 형성 요소는 M2C의 미세 분산물을 형성하기 때문에 강도와 인성 이익을 제공한다. Al, V, W, Si, Cr과 같은 임의의 다른 가능한 합금 원소도 질화 화합물과 같은 다른 화합물을 형성할 수 있다. 이들 합금 원소와 탄화물 형성 요소는 금속 합금(10)의 강도, 인성 및 표면 경화능에 영향을 미친다.
통상, 금속 합금(10)은 탄화물 등을 재용해시키기 위해 오스테나이트 상 구역(오스테나이트화)에서 -1500℉ 이상으로 열처리됨으로써 경화된다. 그 후, 금속 합금(10)은 오스테나이트 구조를 마르텐사이트로 변환시키도록 담금질되고 약 -(마이너스) 100℉에서 냉각된다. 마르텐사이트는 갇힌 탄소 원자 때문에 체심 정방 (BCT) 결정 구조를 갖는 매우 경질이고, 취성인 준안정 상이다. 그러므로, 이 단 계에서, 금속 합금(10)의 코어(12)와 표면 구역(14)은 대체로 등가인 정방 결정 구조체(16)를 갖는다(도2 참조).
도2에 도시된 바와 같이, 정방 결정 구조체(16)는 길이(20)를 갖는 측에 기본적으로 수직인 길이(18)를 갖는 측을 형성하는 원자 격자 위치(17)를 포함한다. 정방 결정 구조체(16)에서, 길이(18)는 길이(20)와 같지 않다. 마르텐사이트 구조를 연화시키고 구조를 강화시키는 M2C 상으로 Fe3C 상을 변환시키도록 후속적인 시효 열처리가 사용된다. M2C 상으로 Fe3C 상을 변환시키는 반응이 우세하여, 2차 경화로 이어지는 경향이 있다. 이러한 반응들은 노출 온도와 시간에 따른 오스테나이트 및/또는 페라이트와 같은 다른 상으로의 준안정 마르텐사이트 BCT 구조의 전이와 같은 부수적인 결정 구조의 변화를 야기할 수 있다. 면심 입방(예컨대, 오스테나이트) 및 체심 입방(예컨대, 페라이트)과 같은, 그러나 이에 한정되지 않는 다른 결정 구조를 갖는 철 계열 합금이 대신 형성될 수 있다. 이러한 상 변환은 치수적 변화를 야기할 수 있다.
도3은 표면 구역(14)이 도4에 도시된 바와 같은 경화된 표면 구역(28)으로 변환되는 중의 금속 합금(10)의 개략적인 단면도이다. 고 전류 밀도 이온 주입(높은 세기의 플라즈마 이온 처리) 질화 프로세스가 경화된 표면 구역을 형성하도록 사용되지만, 침질 탄화, 침탄, 침붕 및 크로마이징과 같은, 그러나 이에 한정되지 않는 다른 표면 경화 프로세스가 사용될 수 있다.
고 전류 밀도 이온 주입(높은 세기의 플라즈마 이온 처리) 질화 프로세스는 도5에 그 예가 개략적으로 도시되어 있는 적절한 반응기에서 수행된다. 금속 합금(10)은 반응기(34) 내에 위치된다. 금속 합금(10)은 캐소드(38)에 대한 고 전류 밀도 이온 주입(높은 세기의 플라즈마 이온 처리) 챔버(36) 내에 위치된다. 캐소드(38)는 금속 합금(10)에 전압 바이어스를 제공함으로써, 금속 합금(10)의 시효 또는 템퍼링 온도와 같은 열처리 온도 아래인 소정의 온도로 금속 합금(10)을 가열한다.
열처리 온도 이상의 온도로 금속 합금(10)을 가열하는 것은 현 결정 구조를 변경시켜, 금속 합금(10)의 잔류 응력을 경감시키거나 코어의 미세 구조 및 성질을 바람직하지 않게 변경시키고, 금속 합금(10)의 치수를 바람직하지 않게 변경시킬 수 있다. 통상 금속 합금(10)의 열처리 온도 이하인 온도를 이용함으로써, 금속 합금(10)의 강도, 인성, 현 결정 구조(16) 및 치수가 고 전류 밀도 이온 주입(높은 세기의 플라즈마 이온 처리) 질화 프로세스 동안 유지된다. 금속 합금(10) 또는 금속 합금(10)으로부터 형성된 동력 전달 구성요소를 치수화하는 후속 프로세스가 제거된다. 바람직한 금속 합금(10) 조성에 대하여, 열처리 온도는 700℉ 내지 약 1000℉이다. 다른 조성에 대하여, 열처리 온도는 달라질 수 있다.
챔버(36)는 반응기(34)의 챔버(36) 내의 진공을 유지하는 진공 펌프(40)를 포함한다. 샘플 바이어스 장치(42)는 100V 내지 1500V의 바이어스 전압을 캐소드(38)에 제공한다. 바람직하게는, 바이어스 전압은 150V 내지 700V이다. 캐소드(38)에 부착된 열전대(44)는 캐소드(38) 온도를 검출하고, 냉각 시스템(46)은 챔버(36) 온도를 제어하기 위한 냉각 능력을 제공한다. 챔버(36)는 저장 탱크(48) 내의 전구체 가스와 유체 연통한다. 전구체 가스 저장 탱크(48)는 질소, 수소 및 메탄과 같은 가스를 포함할 수 있지만, 이들 가스는 고 전류 밀도 이온 주입(높은 세기의 플라즈마 이온 처리) 질화 프로세스 동안 반드시 모두가 이용될 필요는 없다. 도관(50)은 내부 챔버(40)에 전구체 가스 저장 탱크(48)를 연결시키고, 가스 저장 탱크(48)로부터의 가스 유동을 제어하기 위한 가스 계량 장치(52)를 포함한다. 필라멘트(54)에서 플라즈마 방출 전압 장치는 도관(50)으로부터의 진입 가스를 이온화하는 이온화 전압을 필라멘트(56)에 제공한다. 플라멘트(54)에서의 플라즈마 방출 전압은 바람직하게는 30V 내지 150V이고, 더 바람직하게는 약 100V이다. 반응기(34)의 구조는 한정적인 것이 아니며, 고 전류 밀도 이온 주입(높은 세기의 플라즈마 이온 처리) 반응기뿐만 아니라 다른 표면 처리 프로세스를 이용하는 반응기의 다른 구조가 사용될 수 있다.
온도, 챔버(36) 내의 진공압, 전구체 가스 유동 및 비율, 처리 시간, 필라멘트 바이어스 전압 및 샘플 바이어스 전압은 금속 합금(10)에 경화된 표면 구역(28)(도4 참조)을 제공하도록 고 전류 밀도 이온 주입(높은 세기의 플라즈마 이온 처리) 질화 프로세스 동안 제어된다. 바람직한 조건은 700℉ 내지 약 1000℉의 온도와, 약 0.5 밀리토르 내지 5.0 밀리토르의 챔버 내 압력과, 10% 내지 100% 범위의 질소, 바람직하게는 80% 내지 100% 범위의 질소를 갖는 질소와 수고의 전구체 가스 혼합물과, 5시간 내지 200시간, 바람직하게는 10시간 내지 100시간 범위의 시간을 포함한다. 더 바람직하게는, 이러한 조건은 요구되는 케이스 깊이에 따라 약 800℉ 내지 약 875℉의 온도와, 0.75 밀리토르의 챔버(36)(도5 참조) 내 압력과, 약 12시간의 시간으로 제어된다.
바람직한 조건하에서, 챔버(36) 내의 질소 분위기(26)(도3 참조)로부터의 질소는 합금(10)의 표면 구역(14)으로 확산된다. 질소는 표면 구역(14) 간극으로 확산되어, 표면 구역(14)을 경화시켜 경화된 표면 구역(28)으로 표면 구역(14)을 변환시킨다. 이러한 프로세스 동안, 챔버(36)로부터의 이온도 표면 구역(14)으로 확산되지 않으면서 표면 구역(14)에 충격을 가한다. 즉, 이온은 표면 구역(14)을 스퍼터링함으로써, 표면 구역(14) 상에 존재할 수 있는 산화물과 다른 불순물을 제거한다. 또한, 샘플 바이어스용으로 이용되는 바이어스 전압 및 필라멘트 전압은 플라즈마(이온) 질화와 같이 낮은 작동 전압을 이용하는 다른 질화 프로세스에 비해 더 유리한 가공 동역학의 이익을 제공한다.
바람직하게는, 경화된 표면 구역(28)은 경화된 표면 구역(28)의 외부면(30)과 경화된 표면 구역(28)의 내부면(32) 사이에서 깊이(D)에 대한 질소 농도의 점진적인 변화를 갖는다.
도6의 선(62)은 깊이(D)에 대한 점진적인 질소 농도 프로파일을 도시한다. 비교를 위해, 선(64)은 대체로 급변하는 질소 농도의 질소 농도 프로파일을 표시한다. 선(62)에 관하여, 외부면(30) 근방과 같이 경화된 표면 구역(28) 내의 깊이가 얕은 곳에서, 질소 농도는 코어(12) 내의 질소 농도에 비해 비교적 높다. 내부 부분(32)과 같이 더 깊은 깊이에서, 질소 농도는 비교적 낮으며 코어(12)의 질소 농도에 근접한다. 다양한 질소 농도 프로파일이 바람직한 조건을 변경함으로써 생길 수 있다.
도7은 다른 고 전류 밀도 이온 주입(높은 세기의 플라즈마 이온 처리) 질화 프로세스 후의 금속 합금(10)의 개략도이다. 700℉ 내지 약 1000℉의 바람직한 범위의 한도에 가까운 온도를 이용하거나 메탄과 같은 추가적인 가스를 이용함으로써, 표면 구역(14) 상에 γ' 또는 ε 화합물과 같은 철과 질소의 화합물(68)이 생성된다. 일반적으로, 화합물(68)의 형성은 코팅이 화합물(68) 위에 후속적으로 적층되는 경우 바람직하지 않지만, 화합물(68)은 금속 합금(10)에 대하여 내식성을 제공할 수도 있다.
또한, Al, V, W, Si 및 Cr과 같은 합금 원소는 금속 합금(10)에 존재할 수 있다. 이러한 합금 원소를 포함하는 질화 화합물은 고 전류 밀도 이온 주입(높은 세기의 플라즈마 이온 처리) 질화 프로세스 동안 형성될 수 있다. 일반적으로, 질화 화합물의 존재는 금속 합금(10)의 기계적 성질에 유해하고, 임의의 질화 처리 조건하에서 형성될 수 있는 철 질화 화합물과의 복합물에 특히 유해하지만, 이들 합금 원소의 존재는 금속 합금(10)의 다른 특성을 얻기 위해 필요할 수 있다.
도9는 고 전류 밀도 이온 주입(높은 세기의 플라즈마 이온 처리) 질화 프로세스 후의 금속 합금(10)의 개략도이다. 금속 합금(10)은 경화된 표면 구역(28) 상에 코팅(84)을 포함하는데, 이 코팅(84)은 바람직하게는 점진적인 질소 농도 프로파일을 가지며, 기본적으로 γ' 또는 ε 화합물과 같은 철과 질소의 화합물을 포함하지 않는다. 코팅(84)은 증착 또는 마그네트론 스퍼터링 프로세스에 의해 0.5 마이크로미터 내지 10 마이크로미터 두께로 경화된 표면 구역(28) 상에 적층되지만, 다른 두께도 바람직할 수 있다. 공지된 화학 증착법, 물리 증착법 및 플라즈 마 보조 화학 증착법이 바람직한 증착 프로세스이지만, 다른 증착 프로세스 또는 하이브리드 증착 프로세스가 이용될 수 있다.
적층된 코팅(84)은 비정질 수첨 탄소와 같은 고체 윤활성 코팅이지만, 다른 코팅이 사용될 수 있다. 비정질 수첨 탄소 코팅은 실온에서 압축시 800 Mpa보다 작은 2축 잔류 응력을 가지며, 400℉보다 높은 온도에서 열적으로 안정적이고, Al2O3 슬러리에서 3×10-15m3m-1N-1보다 작은 연마 마모율을 갖는다. 비정질 수첨 탄소 코팅은 코팅(84)의 윤활 특성을 변경시키기 위해 티탄, 크롬, 텅스텐과 같은 금속 또는 전이 금속이나 다른 전이 금속을 포함할 수 있다. 상기 설명은 임의의 성능 특성을 향상시키도록 합금 또는 구성요소의 표면에 도포될 수 있는 많은 형식의 고체 윤활성 코팅의 비제한적인 예를 기술하고 있다.
도9를 참조하면, 경화된 표면 구역(28)에 코팅(84)을 견고하게 접합시키기 위해 중간 코팅(86)이 코팅(84)과 경화된 표면 구역(28) 사이에 적층될 수 있다. 중간 코팅(86)은 경화된 표면 구역(28)과 코팅(84) 양쪽 모두를 견고하게 접합시킨다. 바람직하게는, 중간 코팅(86)은 금속이며, 더 바람직하게는 중간 코팅(86)은 비정질 수첨 탄소 코팅에 포함된 것과 동일한 전이 금속이다. 일반적으로, 2개의 금속과 같이 유사한 재료는 금속과 비금속과 같은 상이한 재료보다 더 강한 접합부를 형성한다. 따라서, 중간 코팅(86)의 금속은 경화된 표면 구역(28) 및 비정질 수첨 탄소 코팅의 전이 금속에 견고하게 접합된다.
예컨대, 기어를 제조하는 방법은 많은 후속 가공 단계를 포함한다. 통상, 단조된 빌릿 스톡은 거칠고 최종 크기보다 큰 마무리 형상으로 호빙되고, 예컨대 침탄에 의해 열화학적으로 가공된 후, 천천히 냉각된다. 그 후, 재오스테나이트화, 담금질, 극저온 처리에 의한 냉각, 템퍼링(시효), 마무리 연삭, 부식 검사, 숏 피닝, 호닝 및 최종 검사의 단계가 뒤따른다. 이러한 방법은 제조 프로세스 시간을 증가시키고 비용을 증가시킨다.
예컨대, 기어를 제조하는 준정형 단조 프로세스는 기어를 호빙해야 하는 필요성을 제거한다. 니어 넷 단조 프로세스는 재료 유동이 기어의 윤곽을 따르도록 촉진시킴으로써 기계적 성질에 도움을 준다. 또한, 이러한 텍스쳐링(texturing)은 치부 굽힘 피로를 포함하는 기계적 성질의 향상을 촉진하는 미세 구조적 정렬을 야기한다.
기어 재료가 고강도, 고인성 철 합금의 부류로부터 선택되는 경우, 기어의 성능은 더 향상된다.
이러한 합금 부류는 제조 시간 및 비용도 또한 감소시키는 방법에 의한 열화학적 표면 가공을 통해 향상될 수 있는 표면 성질을 갖는다.
또한, 동력 전달 시스템 내의 기어, 베어링 및 다른 구성요소는 초정밀 마무리를 통해 이러한 구성요소의 표면 거칠기를 다듬음으로써 향상될 수 있다. 적절한 초정밀 마무리 기술의 일 예가 미국 특허 제4,491,500호에 개시되어 있는데, 상기 문헌에는 화학 제품을 사용한 후, 연마 액체를 사용하는 2단계 프로세스로 금속 표면을 마무리하는 프로세스가 개시되어 있다. 비교적 연성인 코팅이 형성되는데, 이 코팅은 후속적으로 처리되고 물리적으로 제거된다. 이 기술에서, 약 15 마이크 로인치를 초과하는 산술 평균 거칠기 값의 경질 금속 표면을 갖는 다량의 물체를 포함하는 요소들의 집합체가 집합체 마무리 장치의 용기로 주입된다. 이러한 요소들의 집합체는 물체 표면의 금속을 실질적으로 감소된 경도를 갖는 안정적인 필름으로 화학적으로 변환시키기 위해 산화 조건하에서 신속하게 반응할 수 있는 액체 물질로 적셔지고, 액체 물질을 사용하여 금속 표면을 적셔진 상태로 유지하면서, 집합체의 요소들 사이에 상대 운동과 연마 접촉이 일어나고 액체 물질의 연속적인 산소화가 일어나도록 집합체가 신속하게 교반된다. 액체 물질의 반응성과 집합체의 교반 세기는 금속 표면상의 안정적인 필름이 적어도 시각적으로 인지할 수 있는(visual perceptibility) 레벨로 유지되도록 제어된다. 약 14 마이크로인치 미만, 바람직하게는 약 10 마이크로인치 미만의 산술 평균 거칠기를 갖는 마무리 제품을 제조하는데 충분한 기간 동안 교반이 계속된 후, 통상 물체는 금속 표면으로부터 안정적인 필름을 용해하기 위해 처리된다. 이 기술의 양호한 실시예에서, 집합체 마무리 장치로 주입되는 요소의 집합체는 다량의 연마 마무리 매체를 포함하며, 교반 단계는 6시간 미만의 기간 동안 수행된다. 통상, 표면은 철, 구리, 아연, 알루미늄, 티탄 및 이들의 합금으로부터 선택되는 금속으로 이루어지며, 안정적인 필름은 기질 금속의 산화물, 인산염, 옥살산염, 황산염 및/또는 크론산염을 포함한다. 따라서, 물체 표면의 금속을 화학적으로 변환시키도록 이용되는 액체 물질은 일반적으로 하나 이상의 라디칼: 인산염, 옥살산염, 황산염, 크론산염 및 이들의 혼합물을 포함하는 용액이며, 어떤 경우에는, 산화제를 추가로 포함하는 물질인 것이 바람직하며, 통상, 액체 물질은 산성 pH값을 갖는다. 과산화물 화합물 과 결합된 인산염 및 옥살산염 라디칼을 포함하는 용액은 종종 철 금속 표면을 다듬는데 특히 효과적이며, 트리폴리인삼염 염, 옥살산 및 과산화수소로부터 제조될 수 있다.
따라서, 본 발명의 양호한 실시예에 대한 상기의 상세한 설명으로부터, 고강도, 고인성 (HSHT) 철 합금 부류의 부재의 선택과, 준정형 (NNS) 단조, 열화학적 가공, 합금 계열 단조물의 표면 성질을 향상시키기 위한 초정밀 마무리와 같은 진동식 화학 기계적 프로세스(화학적으로 가속화된 진동식 연마)를 포함하는 부재의 가공과, 표면 코팅의 조합은 구성요소 또는 시스템 성질을 향상시키는 것에 대한 신규한 방법을 의미한다. 예컨대, 이러한 조합은 동력 전달 시스템 내의 기어와 다른 구성요소에 대해 허용가능한 굽힘 및 표면 피로 설계를 향상시킨다.
따라서, 본 발명의 주요 이점은 축방향 및 굽힘 피로 강도를 포함하는 향상된 강도를 부여하면서 호빙하는 것을 제거하는 준정형 단조 프로세서에 대한 검증과, 종래의 기어 합금에 비해 향상된 고강도 및 고인성을 갖는 신규한 부류의 철 합금을 사용하는 것과, 표면 성질을 향상시키기 위한 종래의 수단 및/또는 신규한 수단에 의해 이러한 철 합금을 열화학적으로 가공하는 것과, 이렇게 열화학적으로 가공된 제품의 표면 거칠기를 감소시키는 것과, 표면 성질 및 성능을 향상시키는 것과, 표면과 벌크 성질 및 성능이 향상되어 제조 시간과 비용이 감소되는 방식으로 이들 요소들을 조합하는 것을 포함한다.
본 발명의 예시적인 실시예는 본 발명에 대한 특정 실시예와 적용예를 참조하여 도시되고 기술되었지만, 본 명세서에 기술된 본 발명에 대한 다양한 변형예, 변경예 및 대체예가 본 발명의 범주와 기술 사상을 벗어나지 않고 이루어질 수 있음을 당업자는 알 것이다. 따라서, 이러한 변형예, 변경예 및 대체예는 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 간주하여야 한다.
본 발명에 대한 상기 설명은 본 발명에 대한 특정 실시예와 적용예를 참조하여 도시되고 기술되었지만, 이는 예시와 설명을 목적으로 제시된 것이며, 본 발명에 대한 총괄적인 것이 아니며, 개시된 특정 실시예와 적용예에 본 발명을 한정하려는 것이 아니다. 본 명세서에 개시된 바와 같은 본 발명에 대한 다양한 변형예, 변경예 및 대체예가 본 발명으 범주와 기술 사상을 벗어나지 않고 이루어질 수 있음을 당업자는 알 것이다. 본 발명의 원리와 본 발명의 실제 적용예에 대한 최선의 예시를 제공하기 위해 특정 실시예 및 적용예가 선택되어 기술되었기 때문에, 당업자는 의도한 특정 용도에 적합하게 된 다양한 변경예와 함께 본 발명의 다양한 실시예를 이용할 수 있을 것이다. 따라서, 이러한 모든 변형예, 변경예, 변화예 및 대체예는 이들이 법률상으로 적절히 정당하게 권리가 주어지는 범위에 따라 해석될 때 첨부된 청구의 범위에 의해 결정된 본 발명의 범주 내에 있는 것이다.

Claims (23)

  1. 고강도, 고인성 철 금속 합금을 기본적으로 마무리된 형상의 구성요소로 준정형 단조하는 단계와,
    경화된 표면 구역을 형성하도록 고 전류 밀도 이온 주입으로 구성요소를 표면 처리하는 단계와,
    진동식 화학 기계적 초정밀 다듬질 방법으로 구성요소의 표면 거칠기를 감소시키는 단계를 포함하는 구성요소 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 구성요소는 동력 전달 구성요소인 구성요소 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 동력 전달 구성요소는 기어인 구성요소 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 표면 처리는 질화 처리, 침질 탄화, 침탄, 침붕 및 크로마이징 중 적어도 하나를 포함하는 구성요소 제조 방법.
  5. (삭제)
  6. 제1항에 있어서, 구성요소를 열처리하는 단계와,
    구성요소를 담금질하는 단계와,
    구성요소를 냉각시키는 단계와,
    구성요소를 템퍼링하는 단계를 더 포함하는 구성요소 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, 표면 구역 위에 고체 윤활성 코팅을 형성하는 단계를 더 포함하는 구성요소 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 고체 윤활성 코팅은 비정질 수첨 탄소를 포함하는 구성요소 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 고체 윤활성 코팅은 전이 금속을 포함하는 구성요소 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서, 고체 윤활성 코팅을 형성하기 전에 표면 구역 위에 중간 코팅을 형성하는 단계를 더 포함하는 구성요소 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 중간 코팅은 금속을 포함하는 구성요소 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 고체 윤활성 코팅은 비정질 수첨 탄소 및 중간 코팅에 포함된 금속을 포함하는 구성요소 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서, 철 합금은 적어도 5 중량% 코발트와, 적어도 1.5 중량% 니켈과, 최대 1.0 중량% 탄소와, 최대 15 중량%의 몰리브덴, 크롬, 텅스텐 또는 바나듐 및 이들의 조합을 포함하는 구성요소 제조 방법.
  14. (삭제)
  15. (삭제)
  16. 철 금속 합금을 기본적으로 마무리된 형상의 구성요소로 준정형 단조하는 단계와,
    고 전류 밀도 이온 주입 방법으로 금속 합금의 표면 구역을 경화된 표면 구역으로 변환시키는 단계와,
    경화된 표면 구역 위에 코팅을 형성하는 단계와,
    진동식 화학 기계적 초정밀 다듬질 방법으로 표면 거칠기를 감소시키는 단계를 포함하고,
    상기 진동식 화학 기계적 방법은 상기 코팅 이전 및/또는 이후에 제공되는 구성요소 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 금속 합금은 적어도 5 중량% 코발트와 적어도 1.5 중량% 니켈을 포함하는 조성을 갖는 구성요소 제조 방법.
  18. 제16항에 있어서, 금속 합금은 최대 1.0 중량% 탄소와, 최대 15 중량% 최대 15 중량%의 몰리브덴, 크롬, 텅스텐 또는 바나듐 및 이들의 조합을 포함하는 조성을 갖는 구성요소 제조 방법.
  19. 제16항에 있어서, 코팅은 비정질 수첨 탄소 코팅을 포함하는 구성요소 제조 방법.
  20. 제16항에 있어서, 코팅과 경화된 표면 구역 사이에 중간 코팅을 형성하는 단계를 더 포함하는 구성요소 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서, 중간 코팅은 전이 금속을 포함하는 구성요소 제조 방법.
  22. (삭제)
  23. (삭제)
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