KR20130031454A - 싱크로나이저 슬리브 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

철(Fe)을 주성분으로 하고, 탄소(C) : 0.2~0.3wt%, 니켈(Ni) : 0.5~4.0wt%, 몰리브덴(Mo) : 0.2~2.0wt% 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 성분의 혼합분말로 분말야금 공법에 의하여 성형된 것을 특징으로 하는 싱크로나이저 슬리브 및 그 제조방법이 소개된다.

Description

싱크로나이저 슬리브 및 그 제조방법 {SYNCHRONIZER SLEEVE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 변속시 쉬프트 포크에 의해 클러치 기어에 치합되어, 엔진의 동력을 기어에 전달하는 싱크로나이저 슬리브 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량에는 엔진으로부터 발생된 동력을 감속하여 타이어에 전달하기 위한 동력전달장치가 마련된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 동력전달장치 중 수동변속기의 싱크로메시 기구는, 샤프트(미도시)에 스플라인 결합되는 싱크로나이저 허브(20)와, 클러치 허브의 외주에 스플라인 결합되는 슬리브(10)와 샤프트에 회전가능하게 설치되는 변속기어 및 변속기어의 콘부에 형성되어 슬리브와 치합되는 클러치 기어(40)와, 변속기어의 콘부에 결합되고 슬리브의 이동에 따라 콘부에 접촉되는 순간 클러치 작용하는 싱크로나이저 링과, 클러치 허브의 홈에 끼워지고 싱크로나이저 스프링(미도시)의 확장력에 의해 슬리브의 안쪽면에 밀어 붙여져 있으면서 슬리브의 이동에 따라 싱크로나이저 링의 홈부에 삽입되는 키로 구성된다. 이러한 동기장치는 슬리브가 이동되어 주속으로 회전되고 있는 변속기어의 클러치 기어에 치합됨으로써 변속기의 회전력을 샤프트에 전달한다.
여기서, 싱크로나이저 슬리브(10)는 변속시 쉬프트 포크에 의해 클러치 기어에 치합되어, 엔진의 동력을 기어에 전달하는 역할을 담당한다. 싱크로나이저 슬리브(10)는 주로 단조/선삭/황삭브로우칭/역테이퍼부 가공/스플라인 끝단 챔퍼링/정삭브로우칭/침탄 및 고주파 열처리등의 복잡한 제조공정을 통해 생산된다. 이 공법은 복잡한 공정으로 인해 가격이 비싸며 특히 브로우칭 공정 시에 가공부하로 인해 침탄 열처리 시 열변형이 심한 단점을 가지고 있다. 이에 본 발명에서는 싱크로나이저 슬리브(10)를 분말야금 공법을 통해 단순한 제조공정으로 원가절감을 달성하는데 그 목적이 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 분말야금 공법을 통해 단순한 제조공정으로 제조함으로써 원가절감을 달성할 수 있는 싱크로나이저 슬리브 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 싱크로나이저 슬리브는, 철(Fe)을 주성분으로 하고, 탄소(C) : 0.2~0.3wt%, 니켈(Ni) : 0.5~4.0wt%, 몰리브덴(Mo) : 0.2~2.0wt% 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 성분의 혼합분말로 분말야금 공법에 의하여 성형된다.
상기 싱크로나이저 슬리브는 밀도가 7.3g/cc 이상일 수 있다.
상기 싱크로나이저 슬리브는 외측면 또는 내측면의 둘레를 따라 스플라인이 형성되며, 스플라인의 상단 또는 하단에는 챔퍼가 형성되고, 챔퍼는 분말야금 공법에 의해 모재와 함께 성형될 수 있다.
상기 챔퍼는 반경이 0.2~0.5mm일 수 있다.
한편, 상기 싱크로나이저 슬리브를 제조하기 위한 제조방법은, 철(Fe)을 주성분으로 하고, 탄소(C) : 0.2~0.3wt%, 니켈(Ni) : 0.5~4.0wt%, 몰리브덴(Mo) : 0.2~2.0wt% 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 성분이 되도록 금속분말을 혼합하는 혼합단계; 상기 혼합분말을 분말야금 공법으로 성형하는 성형단계; 및 상기 성형체를 소결 및 열처리하는 마무리단계;를 포함한다.
상기 마무리단계에서는 성형체를 1100~1300℃의 환원분위기에서 30분~2시간 소결할 수 있다.
상기 성형단계에서는 싱크로나이저 슬리브의 외측면 또는 내측면의 둘레를 따라 스플라인을 성형하되, 스플라인의 상단 또는 하단에 챔퍼를 함께 성형할 수 있다.
상기 성형단계에서는 싱크로나이저 슬리브의 외측면을 따라 스플라인을 성형하되, 성형된 스플라인은 전조공법에 의해 다듬어질 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 싱크로나이저 슬리브 및 그 제조방법에 따르면, 분말야금 공법을 통해 단순한 제조공정으로 제조함으로써 원가절감을 달성할 수 있다.
또한, 복잡한 공정이 생략됨에 따라 제조시간이 단축되고, 그와 동시에 요구되는 싱크로나이저 슬리브의 성능을 만족시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 의하면 니켈, 몰리브데늄, 철 분말을 재료로 하여 성형, 소결, 정형 및 열처리를 함으로서, 완성품에서 밀도는 7.3g/cc 이상의 밀도수준을 유지하게 되며 저가이면서, 기존 합금강 단조/기계가공 공법과 유사한 기계적 성질을 보유하게 된다. 기존 공법 대비 브로우칭 가공 2회, 스플라인 끝단 챔퍼 가공이 삭제되어 원가절감의 효과가 있다.
도 1은 종래의 싱크로나이저 슬리브를 포함한 동력전달장치의 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 싱크로나이저 슬리브를 나타낸 도면.
도 3은 도 2에 도시된 싱크로나이저 슬리브의 부분 확대도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 싱크로나이저 슬리브 및 그 제조방법에 대하여 살펴본다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 싱크로나이저 슬리브를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 싱크로나이저 슬리브의 부분 확대도이다.
본 발명에 따른 싱크로나이저 슬리브는, 철(Fe)을 주성분으로 하고, 탄소(C) : 0.2~0.3wt%, 니켈(Ni) : 0.5~4.0wt%, 몰리브덴(Mo) : 0.2~2.0wt% 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 성분의 혼합분말로 분말야금 공법에 의하여 성형된다.
그리고, 상기 싱크로나이저 슬리브는 밀도가 7.3g/cc 이상일 수 있다. 또한, 상기 싱크로나이저 슬리브는 외측면 또는 내측면의 둘레를 따라 스플라인이 형성되며, 스플라인의 상단 또는 하단에는 챔퍼가 형성되고, 챔퍼는 분말야금 공법에 의해 모재와 함께 성형될 수 있으며, 챔퍼는 반경이 0.2~0.5mm일 수 있다.
또한, 이러한 싱크로나이저 슬리브를 제조하기 위한 제조방법은, 한편, 상기 싱크로나이저 슬리브를 제조하기 위한 제조방법은, 철(Fe)을 주성분으로 하고, 탄소(C) : 0.2~0.3wt%, 니켈(Ni) : 0.5~4.0wt%, 몰리브덴(Mo) : 0.2~2.0wt% 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 성분이 되도록 금속분말을 혼합하는 혼합단계; 상기 혼합분말을 분말야금 공법으로 성형하는 성형단계; 및 상기 성형체를 소결 및 열처리하는 마무리단계;를 포함한다. 상기 마무리단계에서는 성형체를 1100~1300℃의 환원분위기에서 30분~2시간 소결할 수 있다.
한편, 상기 성형단계에서는 싱크로나이저 슬리브의 외측면 또는 내측면의 둘레를 따라 스플라인을 성형하되, 스플라인의 상단 또는 하단에 챔퍼를 함께 성형할 수 있다. 추가로, 상기 성형단계에서는 싱크로나이저 슬리브의 외측면을 따라 스플라인을 성형하되, 성형된 스플라인은 전조공법에 의해 다듬어질 수 있다.
본 발명의 싱크로나이저 슬리브의 제조방법은, 분말합금을 혼합하는 단계와, 혼합된 분말을 성형하는 단계와, 성형된 성형체를 소결하는 단계와, 소결체를 정형하는 단계, 소결된 성형체를 가공하는 단계 및 열처리하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 혼합단계에서는 니켈(Ni) 0.5~4.0wt%, 몰리브덴(Mo) 0.2~2.0wt%, 그리고 잔부는 철(Fe)로 이루어진 합금분과 탄소 0.2~0.3wt%를 준비하여 혼합 분말합금을 만든다.
니켈이 0.5wt% 이하일 경우에는 소재의 기계적 성질의 저하가 우려되고, 4.0wt% 이상일 경우에는 소재비의 상승이 우려된다.
몰리브덴(Mo)이 0.2wt% 이하일 경우에는 열처리 경화능의 저하가 우려되고, 2.0wt% 이상일 경우에는 소재비의 상승 및 성형성의 저하가 우려된다.
또한, 탄소가 0.2wt%이하일 경우에는 열처리시 심부밀도의 저하가 우려되고, 0.3wt%이상일 경우에는 열처리후 취성에 의한 내충격성 저하가 우려된다.
이와 같이 혼합된 분말합금은 성형공정에서 내측 스플라인(120)의 형상을 갖는 성형체로 성형된다. 이때 스플라인 끝단부(122)의 형상은 도 3과 같이 챔퍼형상을 부여하여 후가공을 삭제할 수 있다. 챔퍼부의 끝단부는 반경이 0.2 ~ 0.5 mm 수준의 라운드 형상을 부여한다. 반경이 0.2 mm 이하일 경우 금형파손의 우려가 있고, 0.5 mm 이상일 경우 작동시 동기 치합에 불리하다.
외측에 스퍼기어부(140)가 요구될 경우에는, 성형시 금형에서 치형을 부여할 수 있고 치정밀도 및 강도 향상을 위해서는 전조공법이 사용될 수 있다.
한편, 성형체는 7.3 g/cc 이상의 고밀도로 성형되어야 본 발명의 목표치를 구현할 수 있다. 성형된 성형체는 1100~1300℃, 환원분위기로 30분 ~ 2시간 소결하는 과정을 거친다. 소결온도가 1100℃이하일 경우에는 분말간 물질확산 및 목부형성(necking)이 원활하지 않고 1300℃이상일 경우에는 양산성이 현저하게 저하된다.
소결시간이 30분 이하일 경우에도 분말간 물질확산 및 목부형성(necking)이 원활하지 않고, 2시간 이상일 경우에는 양산성이 저하된다.
소결 중의 열변형을 교정하기 위해 정형(Sizing)공정이 별도로 실시되고, 소결 후에 내측 스플라인의 역테이퍼부, 챔퍼부, 밀링등의 공정이 실시되고, 이후 침탄 열처리를 통해 제조된다.
실시예로서, 본 기술에 적용된 소재의 강도 평가가 실시되었다. 실시예와의 비교를 위한 비교예로 기존의 단조 및 가공공법의 소재로 사용되는 Cr계 합금강 (SCR420H)을 인장시편으로 제작하여 평가하였다.
실시예의 경우 Ni : 0.5wt%, Mo : 0.5wt%, C : 0.2wt%, 잔부는 Fe로 분말을 혼합하여 7.35g/cc의 밀도로 성형하고, N2 90% : H2 10%의 환원분위기에서 30분간 소결하였다. 침탄열처리는 Cp(카본 포텐셜)은 0.8%, 900℃ x 60분 + 850℃ x 30분 침탄 후 90℃ 유냉, 150℃에서 2시간 동안 풀림(Tempering)을 실시하였다. 하기 표 1의 평가 결과에서는 실시예의 항복강도가 1,006MPa로서, 비교예의 1,051MPa의 유사한 고강도 물성을 구현하였다.
Figure pat00001
싱크로나이저 슬리브로서의 내구성 평가를 위하여 비틀림 파단/피로 평가 및 변속기 내구평가를 하였다. 실시예의 성형시에는 챔퍼 끝단의 반경을 0.3 mm로 금형에서 부여하여 성형하였다.
실시예의 싱크로나이저 슬리브로 비틀림 파단/피로 평가를 실시하여 비교예인 단조/가공재와 비교하였다. 평가 방법 및 결과는 하기의 표 2에 나타내었다.
비틀림 평가시에는 양쪽 지그에서 슬리브의 내측 스플라인을 50%씩 고정 비틀림 토크를 인가할 수 있도록 하였으며, 비틀림 파단 평가 시는 0.5°/분의 속도로 토크를 인가하여 파단시의 강도를 측정하였다. 비틀림 피로 평가시는 작동 토크 조건인 156 Nm를 기준으로 하여, 13.6 ~ 136 Nm의 하중을 정현파의 형태로 10Hz의 속도로 인가하였다.
Figure pat00002
상기 평가 결과에서, 비틀림 파단토크는 실시예가 418 Nm, 비교예가 468 Nm로 열세하였으나, 변속기의 내구 토크 조건인 136 Nm에서 100만회의 응력 부여 시에도 비교예와 동일하게 양호한 내구성을 나타내었다. 따라서, 기존 합금강 단조/기계가공 공법과 유사한 기계적 성질을 보유하게 된다. 오히려, 본 발명에 의할 경우, 기존 공법 대비 브로우칭 가공 2회, 스플라인 끝단 챔퍼 가공이 삭제되어 원가절감의 효과가 있다고 볼 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 싱크로나이저 슬리브 120 : 내측 스플라인
122 : 챔퍼 140 : 외측 스플라인

Claims (8)

  1. 철(Fe)을 주성분으로 하고, 탄소(C) : 0.2~0.3wt%, 니켈(Ni) : 0.5~4.0wt%, 몰리브덴(Mo) : 0.2~2.0wt% 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 성분의 혼합분말로 분말야금 공법에 의하여 성형된 것을 특징으로 하는 싱크로나이저 슬리브.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 싱크로나이저 슬리브는 밀도가 7.3g/cc 이상인 것을 특징으로 하는 싱크로나이저 슬리브.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 싱크로나이저 슬리브는 외측면 또는 내측면의 둘레를 따라 스플라인이 형성되며, 스플라인의 상단 또는 하단에는 챔퍼가 형성되고, 챔퍼는 분말야금 공법에 의해 모재와 함께 성형된 것을 특징으로 하는 싱크로나이저 슬리브.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 챔퍼는 반경이 0.2~0.5mm인 것을 특징으로 하는 싱크로나이저 슬리브.
  5. 철(Fe)을 주성분으로 하고, 탄소(C) : 0.2~0.3wt%, 니켈(Ni) : 0.5~4.0wt%, 몰리브덴(Mo) : 0.2~2.0wt% 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 성분이 되도록 금속분말을 혼합하는 혼합단계;
    상기 혼합분말을 분말야금 공법으로 성형하는 성형단계; 및
    상기 성형체를 소결 및 열처리하는 마무리단계;를 포함하는 싱크로나이저 슬리브 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 마무리단계에서는 성형체를 1100~1300℃의 환원분위기에서 30분~2시간 소결하는 것을 특징으로 하는 싱크로나이저 슬리브 제조방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 성형단계에서는 싱크로나이저 슬리브의 외측면 또는 내측면의 둘레를 따라 스플라인을 성형하되, 스플라인의 상단 또는 하단에 챔퍼를 함께 성형하는 것을 특징으로 하는 싱크로나이저 슬리브 제조방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 성형단계에서는 싱크로나이저 슬리브의 외측면을 따라 스플라인을 성형하되, 성형된 스플라인은 전조공법에 의해 다듬어지는 것을 특징으로 하는 싱크로나이저 슬리브 제조방법.
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