KR20080114119A - 차량용 변속기의 인풋 샤프트 열처리 방법 - Google Patents

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이승현
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Abstract

본 발명은 차량용 변속기의 인풋 샤프트 열처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 오스템퍼링 공정에서 발생할 수 있는 냉각 후 잔류응력 및 열변형량을 상당히 제거하여, 내구성 증가 및 생산성 향상으로 인한 원가 절감을 이룰 수 있는 차량용 변속기의 인풋 샤프트 열처리 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 인풋 샤프트 소재(직경 23φ의 환봉)를 900℃까지 50분 동안 승온시키는 단계와; 900℃에서 3시간 동안 침탄(CO, H2, N2 분위기)시키는 단계와; 870℃에서 10분간 표면부가 오스테나이트 조직이 되도록 열처리하는 단계와; 210℃에서 10분간 염욕 분위기에서 1차 소입하는 단계와; 155℃에서 10분간 염욕 분위기에서 2차 소입하는 단계와; 상온에서 공냉시키는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 변속기의 인풋 샤프트 열처리 방법을 제공한다.
열처리 방법, 변속기, 인풋 샤프트, 소입, 침탄

Description

차량용 변속기의 인풋 샤프트 열처리 방법{Method for heat treatment input shaft of transmission}
도 1은 기존의 인풋 샤프트 열처리 방법을 설명하는 공정도,
도 2는 차량용 변속기의 인풋 샤프트를 제조하는 방법을 설명하는 공정도,
도 3은 기존 인풋 샤프트 열처리 공정을 보다 구체적으로 설명하는 공정도,
도 4 및 도 5는 열처리가 종료된 인풋 샤프트에 대한 휨량 측정 방법 및 동심원 교정 방법을 설명하는 개략도,
도 6은 본 발명에 따른 차량용 변속기의 인풋 샤프트 열처리 방법을 설명하는 공정도,
도 7은 본 발명에 따른 차량용 변속기의 인풋 샤프트 열처리 방법을 보다 구체적으로 설명하는 공정도.
본 발명은 차량용 변속기의 인풋 샤프트 열처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 오스템퍼링 공정에서 발생할 수 있는 냉각 후 잔류응력 및 열변형량을 상당히 제거하여, 내구성 증가 및 생산성 향상으로 인한 원가 절감을 이룰 수 있는 차량용 변속기의 인풋 샤프트 열처리 방법에 관한 것이다.
자동차 변속기용 인풋 샤프트는 내구 시험시 주기적인 반복 피로 및 비틀림 변형으로 인하여 사용특성상 내마모성 및 고강도를 요구하고 있으며, 특히 현재 쓰이고 있는 SCM920HVSI 소재에 대해 표면부 경도가 Hv 780이상이 되도록 요구되고 있는 상황이다.
이러한 요구조건에 부합하기 위하여 통상적으로 고온에서 인풋 샤프트 표면부에 침탄처리(carburizing)를 하고 있다.
상기 침탄 처리는 870℃ 의 고온로에서 3~4시간 동안 탄소 분위기에 시편을 노출시킴으로써, 시편의 표면층에 탄소의 확산이 이루어질 수 있도록 하는 열처리인데, 이 과정을 통하여 강재의 표면 강도 및 경도가 요구조건인 Hv 780 이상으로 상승할 수 있다.
현재 양산되고 있는 인풋 샤프트의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 침탄 처리후, 870℃에서 10분간 고온으로 열처리하면 표면부가 고탄소 상태의 오스테나이트 조직이 되고, 이를 베이나이트 온도로 급냉한 후 냉각시키는 오스템퍼링 처리를 230℃에서 5분간 진행하여 공냉시키면, 표면부에 고강도의 판상 마르텐사이트 조직이 얻어지는데, 이러한 조직으로 인하여 표면부 고경도 상태가 이루어진다.
여기서, 첨부한 도 2를 참조로 종래의 인풋 샤프트를 제조하는 공정을 살펴보면 다음과 같다.
고탄소 침탄강의 일종인 SCM 920HVSI 소재를 이용하여 인풋 샤프트를 제조하게 되는데, 그 성분비는 아래의 표 1에 나타낸 바와 같다.
Figure 112007046628344-PAT00001
이에, 상기 SCM 920HVSI 소재를 80t 용량의 전기로에서 용해하는 공정과; 만곡형 연속 주조를 통해 390m×510m의 괴철(塊鐵)로 만든 다음, 작업온도 1300~1400℃에서 180m×70m의 빌렛으로 만들어주는 공정과; 압연속도 4m/s, 작업온도 1070℃ 조건에서 2단 가역 압연함과 함께 소재를 원하는 크기로 절단하는 공정과; 작업온도 890℃에서 최종 크기의 환봉 형태로 최종 압연한 다음, 압연된 제품을 표면부 스케일을 제거하는 청정 검사 공정; 등을 통하여 직경 23φ의 환봉으로 된 인풋 샤프트용 소재가 준비된다.
이후, 상기 인풋 샤프트 소재는 가공 및 열처리를 통해 인풋 샤프트로 제조된다.
여기서, 상기 인풋 샤프트의 구체적인 열처리 공정을 첨부한 도 3을 참조로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 상기와 같이 구비된 인풋 샤프트 소재(직경 23φ의 환봉)를
① 900℃까지 50분 동안 승온시키는 과정(대기분위기),
② 900℃까지 3시간 동안 침탄시키는 과정(CO, H2, N2 분위기),
③ 온도 하강하여, 870℃에서 10분간 열처리하여, 표면부가 고탄소 상태의 오스테나이트 조직이 되도록 하는 과정,
④ 230℃에서 5분간 소입하여, 표면부에 고강도의 판상 마르텐사이트 조직이 얻어지게 하는 과정(염욕 분위기),
⑤ 상온에서 공냉시키는 과정,
을 거치게 함으로써, 인풋 샤프트의 열처리가 이루어진다.
그러나, 기존의 열처리 방법은 다음과 같은 문제점이 있다.
기존 열처리 공정에서는 오스테나이트 상태의 샘플을 급냉 또는 공냉시킴으로써, 마르텐사이트를 생성시키고 있는데, 냉각과정에서 고온에서 냉각에 따른 열수축에 의해 인장잔류응력 또는 마르텐사이트 변태로 인한 팽창에 의해 압축잔류응력이 시편의 표면부 및 심부에 불균일하게 발생할 수 있다.
이러한 응력으로 인하여 표면부 및 심부에 불균일한 변형이 발생하고, 내구 투입시 이러한 과다 열변형에 의한 내구성 감소에 영향을 끼칠 수 있다.
또한, 이러한 불균형을 해소하기 위하여 열처리후 교정 공정을 통하여 휘어진 부분에 대한 교정을 실시함에 따른 생산 단가 상승 및 공정의 복잡함을 야기하고 있다.
아래의 표 2는 기존 열처리 공정에서 열처리 후, 인풋 샤프트의 변형량(휨량) 및 교정량을 보여주고 있다.
Figure 112007046628344-PAT00002
여기서, 상기 교정 공정을 첨부한 도 4 및 도 5를 참조로 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 4는 교정 공정에 필요한 장비를 나타내는 바, 인풋 샤프트 고정부와, 동심원 측정센서와, 교정지그 등을 포함하여 구성되어 있다.
이에, 인풋 샤프트의 양끝을 고정지그에 고정시킨 상태에서, 인풋 샤프트를 회전시키고, 회전하는 동안 인풋 샤프트 하단부에 위치한 동심도 측정 센서가 동심도를 측정하여, 설정된 인풋 샤프트가 동심으로부터 벗어난 정도를 계산하여, 인풋 샤프트의 휨량을 측정하게 된다.
이때, 휨량이 많을 경우, 첨부한 도 5에 개념도에서 보는 바와 같이 동심도 기준에서 벗어나는 부분에 대해서 상기 교정지그가 인풋 샤프트를 누름으로써, 동심원이 되는 교정이 이루어지며, 대개 양산 단계에서는 통상 30㎛ 이상의 휨량에 대해서 교정을 실시하고 있다.
이와 같이, 열처리후 교정 공정을 통하여 휘어진 부분에 대한 교정을 실시함에 따른 생산 단가 상승 및 공정의 복잡성 등의 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 기존의 인풋 샤프트 열처리 공정에서 발생되는 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 종래 열처리 공정에 비하여, 1차 소입 전 오스테나이트 온도가 낮아(30℃) 냉각시 발생할 수 있는 열응력(또는 잔류응력)을 상당히 줄일 수 있고, 기존 오스템퍼링 공정시 발생할 수 있었던 표면 및 심부의 불균일한 변형을 방지하여 비틀림 내구성 향상에 기여할 수 있고, 불필요한 교정 공정을 줄임으로써 생산성 향상 및 원가절감에 기여할 수 있도록 한 차량용 변속기의 인풋 샤프트 열처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 인풋 샤프트 소재(직경 23φ의 환봉)를 900℃까지 50분 동안 승온시키는 단계와; 900℃에서 3시간 동안 침탄(CO, H2, N2 분위기)시키는 단계와; 870℃에서 10분간 표면부가 오스테나이트 조직이 되도록 열처리하는 단계와; 210℃에서 10분간 염욕 분위기에서 1차 소입하는 단계와; 155℃에서 10분간 염욕 분위기에서 2차 소입하는 단계와; 상온에서 공냉시키는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 변속기의 인풋 샤프트 열처리 방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 6은 본 발명의 열처리 공정을 설명하는 공정도이고, 도 7은 보다 구체적인 열처리 공정을 설명하는 공정도이다.
본 발명은 종래의 인풋 샤프트 열처리 방법을 개선한 것으로서, 1차 소입 전 오스테나이트 처리 온도를 낮추어 냉각시 발생할 수 있는 열응력(또는 잔류응력)을 줄일 수 있는 점, 소입 단계를 1차 및 2차로 나누어 진행함으로써 표면 및 심부의 불균일한 변형을 방지할 수 있는 점, 또한 불균일한 변형 방지를 통해 불필요한 교정 공정을 줄일 수 있는 점 등의 효과를 얻기 위한 것이다.
이러한 효과를 얻기 위한 본 발명의 열처리 방법중 인풋 샤프트 소재(직경 23φ의 환봉)를 900℃까지 50분 동안 승온시키는 단계와, 900℃에서 3시간 동안 침탄(CO, H2, N2 분위기)시키는 선행 단계는 기존과 동일하게 진행된다.
다음으로, 870℃에서 10분간 표면부가 오스테나이트 조직이 되도록 열처리하는 단계가 진행된다.
도 5에서 보는 바와 같이, 기존 열처리 대비 오스테나이트 처리온도를 840 ℃로 낮추고 시간도 5분으로 감소시켰는 바, 이는 A3 변태온도에 최대한 가깝게 설정하여 Ms온도 근방으로 냉각시 온도차에 의한 열충격을 최대한 저감시키기 위함이고, 또한 유지시간이 길어질수록 오스테나이트 결정립 성장이 발생하므로 유지시간 또한 5분으로 감소시킨 것이다.
다음으로, 210℃에서 10분간 염욕 분위기에서 1차 소입하는 단계와, 155℃에서 10분간 염욕 분위기에서 2차 소입하는 단계가 진행된다.
이때, 상기 1차 소입 단계의 온도를 Ms온도에 매우 가깝게 유지하여 열처리 하였으며, 1차 소입은 Ms온도에 최대한 가깝게 설정한 210℃에서 10분 동안 유지하고, 2차 소입은 냉각 매질인 솔트(salt)의 녹는점(약 140℃) 바로 직상인 155℃에서 10분간 유지시킨다.
위와 같이, 기존 오스템퍼링 공정에서 없었던 2차 소입을 실시한 후, 일정시간동안 유지시키면, Ms 변태점을 지날 때 발생하던 표면부 및 심부의 잔류응력을 풀어주어 표면부 및 심부 간의 응력 불균일을 방지할 수 있고, 따라서 불균일한 변형을 방지할 수 있다.
또한, 1차 소입온도를 210℃로 최대한 낮춤으로써, 상변태점(Ms점)을 지날 때의 급격한 변화를 방지할 수 있어, 잔류응력해소에 상당한 기여를 할 수 있다.
마지막으로, 상온에서 공냉하는 단계를 통하여 본 발명의 인풋 샤프트 열처리 공정이 완료된다.
여기서, 시험예로서 본 발명의 열처리 공정후, 인풋 샤프트에 대한 휨량, 교정량, 교정횟수 및 비틀림 내구 등을 평가하였는 바, 그 결과는 아래의 표 3에 나타낸 바와 같다.
Figure 112007046628344-PAT00003
위의 표 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 열처리 공정후 인풋 샤프트는 표 2에 나타낸 기존 열처리 공정후 인풋 샤프트의 휨량, 교정량, 교정횟수 및 비틀림 수명에 비하여, 휨량은 적고 그에 따라 교정횟수도 적으며, 비틀림 수명이 상당히 우수함을 알 수 있었다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 변속기의 인풋 샤프트 열처리 방법에 의하면, 종래 열처리 공정과 비교하여 볼 때, 결정립도 변화나 기지 조직 등은 큰 변화가 없으나, 1차 소입 전 오스테나이트 처리 온도를 30℃ 가량 낮추어줌으로써, 냉각시 발생할수 있는 열응력(또는 잔류응력)을 상당히 줄일 수 있다.
또한, 기존 오스템퍼링 공정시 발생할 수 있었던 표면 및 심부의 불균일한 변형을 방지하여, 비틀림 내구성 향상에 기여할 수 있고, 불필요한 교정공정을 줄임으로써 생산성 향상 및 원가절감에 기여할 수 있다.
또한, 열변형 및 불균일한 변형을 방지함으로써, 인풋 샤프트 뿐만 아니라 침탄 열처리 공정을 거치는 각종 부품들에 적용이 가능하고, 변형에 민감한 부품들에 적용시켜 변형으로 인한 품질 문제 개선에 기여할 수 있다.

Claims (1)

  1. 차량용 변속기의 인풋 샤프트 열처리 방법에 있어서,
    인풋 샤프트 소재(직경 23φ의 환봉)를 900℃까지 50분 동안 승온시키는 단계와;
    900℃까지 3시간 동안 침탄(CO, H2, N2 분위기)시키는 단계와;
    870℃에서 10분간 표면부가 오스테나이트 조직이 되도록 열처리하는 단계와;
    210℃에서 10분간 염욕 분위기에서 1차 소입하는 단계와;
    155℃에서 10분간 염욕 분위기에서 2차 소입하는 단계와;
    상온에서 공냉시키는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 변속기의 인풋 샤프트 열처리 방법.
KR1020070063374A 2007-06-27 2007-06-27 차량용 변속기의 인풋 샤프트 열처리 방법 KR20080114119A (ko)

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