KR20110002762A - 탄소강 소재 부품의 국부 표면 침탄 질화 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 외륜 부품등과 (S53C, S55C 탄소강) 같은 높은 기계적 특성과 신뢰도가 요구되는 복잡한 형상의 단조품의 일부 표면에만 침탄질화 열처리하여 강도가 높은 표면 조직을 형성하는 방법이다. 시편전체를 침탄질화 열처리 할 경우 시편 가공이 어려워 특정부위만의 열처리가 요구된다. 전체 부품 중, 차축부위 베어링과 맞물리어 고속 회전하여 높은 내마모성과 충격강도, 면피로 강도가 요구되는 부위만 열처리 한다. 따라서 복잡한 형상의 부품 중 일부분에만 침탄질화 열처리가 가능하도록 한 방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 복잡한 형상의 부품 중 고온에서 진행되는 침탄질화 열처리가 발생되는 부위만 에나멜 코팅에 의하여 도포하는 단계, 노출된 시편전체를 양극산화 방법으로 산화물 보호피막을 형성시키는 단계, 이후 에나멜 코팅된 부분을 제거하여 침탄질화 열처리 될 부분을 노출시키는 단계, 산화물 보호피막이 형성된 부분을 제외한 부분을 850℃에서 270분 침탄질화 열처리 하고 180℃에서 2시간 템퍼링 하여 높은 내마모성과, 면피로 강도를 갖는 침탄 질화막을 형성하도록 하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

탄소강 부품, 양극산화, 침탄 질화 열처리, 에나멜 코팅, 산화물 보호피막.

Description

탄소강 소재 부품의 국부 표면 침탄 질화 열처리 방법 {The method of partial carbonitriding process for carbon steel parts}

본 발명은 자동차 외륜 부품등과 (S53C, S55C 탄소강) 같은 높은 기계적 특성과 신뢰도가 요구되는 복잡한 형상의 단조품의 일부 표면에만 침탄질화 열처리하여 강도가 높은 표면 조직을 형성하는 방법이다. 시편전체를 침탄질화 열처리 할 경우 열처리후 시편 가공이 어려워 특정부위만의 열처리가 요구된다. 전체 부품 중, 차축부위 베어링과 맞물리어 베어링이 고속 회전 하는 특정 부위만 높은 내마모성과 충격강도, 면피로 강도를 갖도록 가스 침탄 질화 열처리 한다. 따라서 복잡한 형상의 부품 중 일부분에만 열처리가 가능하도록 한 방법에 관한 것이다.

자동차 구동 트랜스미션 측으로 부터 입력된 구동력은 드라이브 샤프트로부터 스플라인을 거쳐 내륜, 볼, 외륜으로 전해지고 최종적으로는 차륜(바퀴)에 전해진다(도 1). 기본적으로는 외륜과 내륜 사이를 전동하고 있는 6개의 볼을 이용하여 구동축으로부터 휠 허브에 토크를 전달한다. 6개의 볼은 외륜과 내면접촉하게 된다. 도 1에 보이는 바와 같이 차륜 측 등속조인트는 주로 외륜, 내륜, 케이지, 베어링 볼로 구성되어 있다. 외륜의 재료에는 일부의 차종에서 담금질성이 높은 Cr강 SCr420과 Cr-Mo 강 SCM4420 등이 사용되지만 주로 내마모성이 우수하고 저렴한 합금강인 기계구조용 탄소강 S53C 와 S55C를 이용하고 있다. (S55C의 조성: C; 0.52∼0.58, Si; 0.15∼0.35, Mn; 0.60∼0.90)

볼에서부터 구동력을 받는 트랙홈에는 볼의 전동에 의해 심한 마모에 견디도록 고주파열처리(담금질)을 실시하여 표면층만을 가열 후 공기 중 급냉하여 내마모성이 높은 구조로 상변태 시킨다. 표면의 경도는 비커스경도로 처리전의 약 Hv = 200∼250 에서 Hv = 750∼800 까지 향상한다. 열처리 하여 내마모성이 높아짐과 동시에 최대전단응력도 685MPa에서 1370MPa로 상승하고 비틀림 강도가 향상 한다.

그러나 강도의 증가를 얻기 위한 고주파 열처리는 그 특성상 열처리 시 시편 표면 부위와 내부의 심한 온도차이가 발생한다. 표면부위의 온도가 내부보다 빠른 속도로 상승하고 표면금속조직 및 구조의 변화를 수반하는 반면 내부 조직은 변화하지 않는다. 표면 금속구조의 변화는 금속이 열처리전과 후에 강도의 증가를 수반하지만 내부조직과의 부피 및 밀도 차이에 의한 팽창과 수축을 수반하며 이는 외륜 부품의 전체 치수에 변형을 야기 한다. 따라서 이와 같은 공정에 의해 제조되는 외륜은 고주파 열처리 후 변형량이 커서 시편의 1차, 2차 재가공이 요구되고 이는 공정비용을 증가시키는 문제점이 발생하게 된다. 도 2는 기존의 고주파 열처리 공정을 사용할 때 공정의 흐름도를 보여주고 공정순서는 다음과 같다. (1)원소재, (2)열처리 전 1차 선삭, (3)열처리 전 2차 선삭, (4)고주파 열처리, (5)열처리 후 1차 선삭, (6)열처리 후 2차 선삭, (7) Tapping 순으로 진행된다.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 고주파 열처리를 하지 않고 가스 침탄 질화 열처리를 이용한다. 베어링과 접촉하는 시편의 표면부위에만 가스 침탄 질화 열처리를 행하여 높은 내마모성과 충격강도, 면피로 강도를 갖는 층을 형성 하도록 한다. 가스 침탄 질화 열처리 시 시편전체의 온도가 상승하고 이후 서서히 냉각하여 시편의 변형이 발생하지 않는다. 시편의 변형이 발생하지 않아 추가의 시편가공이 필요하지 않아 가공 공정비용이 감소하고 여러 개의 시편을 동시에 열처리하여 열처리에 의한 공정비용도 감소한다.

본 발명은 복잡한 형상의 부품 중 베어링과 접촉하는 시편의 표면부위에만 침탄질화 열처리가 진행되도록 노출시킨다. 이를 제외한 다른 부위는 산화물 보호피막을 형성하여 침탄질화가 진행되지 않도록 한다. 이를 위하여 베어링과 접촉하는 부위만 에나멜 코팅에 의하여 도포하는 단계, 이외의 노출된 시편 전체를 양극산화 방법으로 산화물 보호피막을 형성시키는 단계, 이후 에나멜 코팅된 부분을 제거하여 침탄질화 열처리 될 부분을 노출시키는 단계, 산화물 보호피막이 형성된 부분을 제외한 부분을 850℃에서 270분 침탄질화 열처리 하고 180℃에서 2시간 템퍼링 하여 높은 내마모성과, 면피로 강도를 갖는 침탄 질화막을 형성하도록 하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명은 기존의 고주파 열처리 방법 대신에 베어링과 접촉하는 시편의 특 정 표면 부위에만 가스 침탄 질화 열처리를 행하여 높은 내마모성과 충격강도, 면피로 강도를 갖는 층을 형성 하도록 한다. 가스 침탄 질화 열처리 시 시편전체의 온도가 상승하고 이후 서서히 냉각하여 시편의 변형이 발생하지 않는다. 따라서 추가의 시편가공이 필요하지 않아 가공 공정비용이 감소하고, 여러 개의 시편을 동시에 열처리하는 것이 가능하여 공정비용도 감소한다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명과 관련된 자동차용 외륜 부품의 단면을 보여주는 개략도이다. 외륜 부품의 내경(1) 부위가 베어링과 접촉하는 부위가 되며 따라서 최종 침탄질화 열처리를 후 경화층이 형성될 부위이다.

도 4는 상기 도 1에서 보이는 부위(1)에 에나멜 코팅된 상태의 부위(2)를 보여준다. 에나멜 코팅을 하는 이유는 코팅 된 부위 이외의 시편을 양극산화 하여 산화물 보호피막을 형성하기 위함이다. 산화물 보호피막을 형성함으로서 시편전체가 최종 침탄질화 열처리에 의하여 경화층을 형성함을 방지하기 위한 방법이다.

도 5는 부분 에나멜 코팅된 자동차용 외륜 부품을 양극산화 하여 산화물 보호피막을 형성한 개략도이다. 시편 표면 전반(3)에 산화물 보호피막이 형성되었으며, 에나멜 이 코팅되었던 부위(4)는 양극산화 후 코팅을 벗겨내어 산화물 피막이 존재하지 않는 상태이다. 양극산화방법으로는 0.1M NH₄F 와 3 vol.％ H₂O가 첨가된 ethylene glycol 용액을 사용 한다 [문헌1]. 도 7은 부품 표면에 형성된 철산화물 의 구조를 보여주는 주사전자현미경사진이다.

도 6은 에나멜 층을 제거한 후 산화물 층이 형성되지 않은 부위를 침탄질화 열처리 한다. 열처리 후에 경화층이 형성된 부위를 보여준다(5). 산화물층은 가스 침탄 질화 열처리 시 질소의 침투를 억제하여 질화층의 형성을 방지한다. 가스 침탄 질화열처리는 암모니아 가스와 변성가스 (프로판 + 공기 = 3:1)의 혼합으로 이루어진 가스 분위기하에서 850℃에서 270분 침탄질화 열처리하고 이후 180℃에서 2시간 템퍼링 하여 높은 내마모성과, 면피로 강도를 갖는 침탄 질화막을 형성하였다.

[문헌1] R R Rangaraju et. al, "Nanostructured anodic iron oxide film as photoanode for water oxidation" J. Phys. D: Appl. Phys. 42 135303 (2009).

도 1은 자동차 구동 차륜 부위의 내륜, 볼, 외륜의 개략도.

도 2는 기존 고주파열처리 기술의 적용 시 기술의 순서도.

도 3은 자동차 차륜 부위의 열처리 전 외륜의 단면도.

도 4은 도 3에서 보이는 표면 부위(1)에 에나멜 코팅된 상태의 부위(2)를 보여준다.

도 5는 부분 에나멜 코팅된 자동차용 외륜 부품을 양극산화 하여 시편 전반에 산화물 보호피막을 형성한 개략도이다.

도 6은 에나멜 층을 제거한 후 가스침탄 질화 열처리 한다. 열처리 후에 경화층이 형성된 부위를 보여준다(5).

도 7은 부품 표면을 양극산화 하여 형성된 철산화물의 구조를 보여주는 주사전자현미경 사진.

*도면의 주요 부위에 대한 설명

1 : 외륜 내부에 베어링과 접촉부위 (열처리 후 침탄질화 층 형성)

2 : 베어링과 접촉부위에 에나멜 도포한 상태.

3 : 양극산화 후 시편 표면에 산화물 보호 피막형성.

4 : 에나멜 제거후 노출된 부위.

5 : 침탄질화 열처리후 경화층 형성 부위.

Claims (1)

1. 본 발명은 복잡한 형상의 부품 중 침탄질화 열처리가 공정에 있어서,

   정확한 치수로 가공된 시편의 특정부위의 표면에만 열처리가 진행되도록 에나멜 코팅을 하는 단계,

   에나멜 코팅을 하지 않은 나머지 부분을 양극산화방법을 이용 산화물 보호피막을 형성하는 단계,

   산화물 보호피막이 형성된 부위를 제외한 에나멜 코팅된 부위의 코팅을 벗겨내고 침탄질화 열처리 하여 (850℃에서 270분 열처리, 180℃에서 2시간 템퍼링) 높은 내마모성과, 면피로 강도를 갖는 침탄 질화막을 형성하도록 하는 단계로 이루어지 것을 특징으로 하는 탄소강 기계부품의 부분 가스 침탄 열처리 방법.

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