KR20200089544A - 더블레이어 타입 변속기 유성 기어 캐리어의 제조방법 및 이로부터 제조된 유성 기어 캐리어 - Google Patents

더블레이어 타입 변속기 유성 기어 캐리어의 제조방법 및 이로부터 제조된 유성 기어 캐리어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 더블레이어 타입 변속기 유성 기어 캐리어의 제조방법 및 이로부터 제조된 유성 기어 캐리어에 관한 것으로, 보다 구체적으로 캐리어의 소재 및 접합방법에 관한 것이다. 본 제조방법은 두 개의 알루미늄 합금을 각각 열간 단조하여 캐리어 플레이트 및 베이스 플레이트로 성형 및 가공하는 단계 및 두 플레이트의 연결부를 용접하는 단계를 포함할 수 있으며 본 더블레이어 캐리어는 캐리어 플레이트 및 캐리어 플레이트의 연결부와 용접되는 베이스 플레이트를 포함하되, 두 플레이트의 소재는 알루미늄 단조 합금일 수 있다. 본 발명은 더블레이어 타입의 유성 기어 캐리어에 알루미늄 소재를 적용하여 중량을 약 60% 경량화할 수 있으며 이를 용이하게 제조할 수도 있다.

Description

더블레이어 타입 변속기 유성 기어 캐리어의 제조방법 및 이로부터 제조된 유성 기어 캐리어{METHOD OF MANUFACTURING A DOUBLE LAYER TYPE TRANSMISSION PLANETARY GEAR CARRIER AND A PLANETARY GEAR CARRIER MANUFACTURED THEREFROM}
본 발명은 더블레이어 타입 변속기 유성 기어 캐리어의 제조방법 및 이로부터 제조된 유성 기어 캐리어에 관한 것으로, 보다 구체적으로 플레이트의 접합방법 및 소재에 관한 것이다.
변속기 유성 기어 캐리어는 자동 변속기의 기어비를 변환시키는 유성 기어 세트가 고정된 구조물을 말한다. 유성 기어 세트를 구성하는 피니언 기어는 선 기어 및 애뉼러스 기어와 맞물려 다양한 기어비를 만드는 반면, 변속기 유성 기어 캐리어는 해당 기어들 간의 구동력 전달에 의한 하중을 지지하고 회전부에 윤활유를 공급한다.
변속기 유성 기어 캐리어는 구조적으로 2가지 타입이 있다. 동일한 길이의 피니언 기어 및 이의 세트가 장착되는 싱글레이어 타입(도 1(a) 참조)과 길이가 서로 다른 피니언 기어 및 이의 세트 즉, 롱(long) 피니언 기어 세트 및 숏(short) 피니언 기어 세트가 장착되는 더블레이어 타입(도 1(b) 참조)이다.
더블레이어 타입의 유성 기어 캐리어는 길이가 서로 다른 두 개의 피니언 기어로부터 크고 복합적인 하중을 받음에도 불구하고 유성 기어 캐리어가 해당 하중을 충분히 지지할 수 있도록 설계되지 않았을 뿐만 아니라 캐리어의 큰 중량은 해당 하중을 지지하는데 상대적으로 유리하기 때문에 캐리어의 소재를 알루미늄으로 변경하여 경량화하는 것은 매우 곤란하다.
이에 따라, 알루미늄 소재를 적용한 경량화는 싱글레이어 타입의 캐리어에 대해서만 이루어질 수 밖에 없었는데 모두 다이캐스팅 주조 재질을 적용한 것이다. 싱글레이어 타입의 캐리어는 축과 수직한 방향에 4개 또는 5개의 슬라이드 코어를 적용하여 금형 구현이 용이하고 구조도 비교적 단순하여 다이캐스팅 공법을 적용하기에 적합하다. 하지만, 더블레이어 타입의 캐리어의 경우 그 구조상 2개의 레이어를 묶어 4~5개의 슬라이드로 구현할 수 없고 숏 피니언 기어를 고정해주는 중간 플레이트의 위치 때문에 런너를 통한 용탕 공급이 곤란하여 품질 확보를 할 수가 없다.
본 발명은 더블레이어 타입의 유성 기어 캐리어에 알루미늄 소재를 적용하여 경량화하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명은 알루미늄 소재를 적용한 유성 기어 캐리어를 용이하게 제조하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 더블레이어 타입 변속기 유성 기어 캐리어의 제조방법으로서 두 개의 알루미늄 합금을 각각 열간 단조하여 캐리어 플레이트 및 베이스 플레이트로 성형 및 가공하는 단계 및 두 플레이트의 연결부를 용접하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, 두 플레이트의 연결부는 레이저 용접될 수 있다.
바람직하게, 두 개의 알루미늄 합금 중 적어도 하나는 10.5~13.5wt%의 규소(Si)를 포함할 수 있다.
바람직하게, 10.5~13.5wt%의 규소(Si)를 포함하는 알루미늄 합금은 3.0~5.0wt%의 구리(Cu) 및 0.2~1.0wt%의 마그네슘(Mg)을 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 두 플레이트를 용접하기 전, 두 플레이트를 T7 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 제조방법에 따라 제조된 더블레이어 타입의 변속기 유성 기어 캐리어는 캐리어 플레이트 및 캐리어 플레이트의 연결부와 용접되는 베이스 플레이트를 포함하되, 두 플레이트의 소재는 알루미늄 단조 합금일 수 있다.
바람직하게, 두 플레이트 중 적어도 하나는 10.5~13.5wt%의 규소(Si)를 포함할 수 있다.
바람직하게, 10.5~13.5wt%의 규소(Si)를 포함하는 플레이트는 초정 Si 및 공정 Si를 포함할 수 있다.
바람직하게, 10.5~13.5wt%의 규소(Si)를 포함하는 플레이트는 3.0~5.0wt%의 구리(Cu) 및 0.2~1.0wt%의 마그네슘(Mg)을 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 플레이트의 피로강도는 99~129MPa일 수 있다.
바람직하게, 플레이트의 신율은 1.7~2.4%일 수 있다.
바람직하게, 연결부의 파단 강도는 플레이트의 파단 강도 대비 65% 이상일 수 있다.
본 발명은 더블레이어 타입의 유성 기어 캐리어에 알루미늄 소재를 적용하여 중량을 약 60% 감소시킬 수 있다.
본 발명은 알루미늄 소재를 적용한 유성 기어 캐리어를 용이하게 제조할 수 있다.
도 1(a)는 싱글레이어 타입의 변속기 유성 기어 캐리어를 나타내며, 도 1(b)는 더블레이어 타입의 변속기 유성 기어 캐리어를 나타낸다.
도 2는 본 발명인 더블레이어 타입 변속기 유성 기어 캐리어의 제조방법의 순서도이다.
도 3(a)는 캐리어 플레이트를 나타내며, 도 3(b)는 베이스 플레이트를 나타내며, 도 3(c)는 두 플레이트를 용접한 캐리어를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 Si 및 초정 Si를 나타낸다.
도 5는 내마모성을 평가할 수 있는 왕복동 마찰 평가의 결과를 정리한 그래프로서 중량 변화량을 통해 내마모성을 비교할 수 있다.
도 6은 D+D 소재의 레이저 용접면 및 용접 부위의 X-ray 사진으로 용접 시 용가재를 사용하지 않았을 때의 비드 단면을 OM(Optical Microscope) 촬영한 것이다.
도 7(a), 7(c) 및 7(d)는 도 6의 D+D 소재의 비드 단면의 OM 사진이며 도 7(b)는 CT 사진이다.
도 8은 C+D 소재의 레이저 용접면 및 용접 부위의 X-ray 사진으로 용접 시 용가재를 사용하지 않았을 때의 비드 단면을 OM 촬영한 것이다.
도 9(a), 9(c) 및 9(d)는 도 8의 C+D 소재의 비드 단면의 OM 사진이며 도 9(b)는 CT 사진이다.
도 10은 B+C 소재의 레이저 용접면 및 용접 부위의 X-ray 사진으로 용접 시 용가재를 사용하지 않았을 때의 비드 단면을 OM 촬영한 것이다.
도 11(a), 11(c), 11(d)는 도 10의 B+C 소재의 비드 단면의 OM 사진이며, 도 11(b)는 CT 사진이다.
도 12(a) 및 12(b) 본 발명의 일 실시예에 따라 열간 단조, 열처리 및 가공이 완료된 캐리어 플레이트 및 베이스 플레이트의 사진이며, 도 12(c)는 도 12(a) 및 12(b)의 플레이트를 용접 완료한 캐리어의 사진이며, 도 12(d)는 선 기어 등 더블캐리어의 조립에 필요한 모든 기어 세트를 조립한 조립완료품의 사진이다.
도 13은 용접 부위의 기포 결함을 CT 촬영한 사진으로 도 13(b)는 캐리어의 측단면 CT 사진이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명인 더블레이어 타입 변속기 유성 기어 캐리어의 제조방법의 순서도이다. 도 3(a)는 캐리어 플레이트를 나타내며, 도 3(b)는 베이스 플레이트를 나타내며, 도 3(c)는 두 플레이트를 용접한 캐리어를 나타낸다. 이하, '더블레이어 타입 변속기 유성 기어 캐리어'를 '더블레이어 캐리어'라 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명은 두 개의 알루미늄 합금을 각각 열간 단조하여 캐리어 플레이트 및 베이스 플레이트로 성형 및 가공하는 단계(S101) 및 두 플레이트의 연결부(10)를 용접하는 단계를 포함한다.
더블레이어 캐리어를 알루미늄 합금을 이용하여 제조하는 경우 캐리어 플레이트 및 베이스 플레이트를 일체형으로 성형하지 않는 것이 바람직하다. 이를 일체형으로 성형할 수 있는 방법으로서 다이캐스팅법과 중력주조법을 고려할 수 있으나, 각각의 방법은 아래의 문제점을 야기하기 때문이다.
다이캐스팅법의 경우, 최소 4개에서 최대 8개의 슬라이드 금형을 사용하여야 하므로 금형 구조가 복잡해지며 이에 따라 내부 품질 확보가 어렵다. 무엇보다도, 각 부위의 빼기 구배에 따른 형상 제약이 심해져 내구 성능을 확보하기가 매우 어렵다. 중력주조법의 경우, 사형코어를 이용함으로써 상기한 문제점을 해결할 수 있으나, 살두께 증가에 따라 경량화에 불리해진다. 또한, 열처리 단계를 추가적으로 실시해야 하므로 원가적으로 불리해진다.
따라서, 내구 성능 확보는 물론, 경량화를 도모하기 위해서는 캐리어 플레이트 및 베이스 플레이트를 별도로 제작한 후 용접하는 것이 바람직하며, 보다 구체적으로 두 개의 알루미늄 합금을 각각 열간 단조하여 각각의 플레이트로 제작한 후 두 플레이트의 연결부를 용접하는 것이 바람직하다. 용접 부위는 용접 비드가 좁고 용접 깊이가 깊은 곳이 내구성 확보 측면에서 바람직한데, 더블레이어의 캐리어의 구조상 두 플레이트의 연결부가 용접 부위로서 적합하다.
두 플레이트의 연결부는 레이저 용접될 수 있다. 용접에 의한 열 변형 및 용접 부위의 물성 변화를 최소화할 필요가 있으며 용접 비드의 폭은 2mm 이하이며 높이는 0.3mm 이하이므로 용접 조건 상 레이저 용접을 실시하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 레이저 용접 시 열 영향부를 비드 폭의 2배 이내로 최소화할 수 있다.
용접 길이는 약 40mm 구간 내에서, 용접 깊이는 최소부위 4mm에서 최대 9mm로 변하되, 캐리어의 회전 시 하중방향을 고려하여 용접은 최소 부위에서 시작하여 레이저 출력을 증가시켜 최대 두께 부위에서 마치는 것이 바람직하다.
두 개의 알루미늄 합금 중 적어도 하나의 합금은 10.5~13.5wt%의 규소(Si)를 포함할 수 있다. 여기서, 적어도 하나의 합금이란 캐리어 플레이트를 제작하기 위한 알루미늄 합금 또는 베이스 플레이트를 제조하기 위한 알루미늄 합금 중 선택된 하나의 알루미늄 합금 또는 두 알루미늄 합금 모두를 의미한다.
레이저 용접 시 용접 부위에 핫크랙(Hot Crack)이 발생할 수 있다. 핫크랙의 발생을 방지하기 위해 알루미늄 합금은 4wt% 이상의 규소(Si)를 포함하는 것이 바람직하다. 한편, 알루미늄 합금이 10.5wt% 이상의 규소(Si)를 포함하는 경우 더블레이어 캐리어의 내마모성을 개선할 수 있으므로 알루미늄 합금의 규소(Si) 함유량을 10.5wt% 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다.
내마모성은 알루미늄 합금에 포함된 10.5wt% 이상의 규소(Si)가 공정 및 초정 Si화 되면서 개선된다. 알루미늄-실리콘 이원계 상태의 공정점은 약 12.7wt%로 알려져 있으나, 합금 상태에서는 이보다 낮은 규소(Si) 함유량에서도 초정 Si가 생성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 Si 및 초정 Si를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 규소(Si) 함유량을 적어도 10.5wt% 이상 유지했을 때 일부 초정 Si(20)와 다수의 공정 Si(30) 조직이 형성되면서 내마모성이 증가하게 된다. 이는 내마모 입자가 작더라도 기질의 강도가 높을 경우 규소(Si)입자의 탈락을 방지하여 내마모성이 유지되기 때문이다.
한편, 알루미늄 합금 내 규소(Si) 함유량이 13.5wt%를 초과하는 경우, 연속 주조로 빌렛을 제조하는 중 조대한 초정 Si가 다수 형성될 수 있고 이는 이후 단조 공정 중 성형을 어렵게 하고 최종품의 물성을 저하시키므로 알루미늄 합금은 13.5wt% 이하의 규소(Si)를 포함하는 것이 바람직하다.
더블레이어 캐리어 및 기어의 접촉면에 마모 방지 목적으로 와셔를 적용한다. 일반 스틸재 캐리어에 비해 알루미늄재 캐리어는 내마모성이 부족하므로 와셔의 재질을 스틸에서 동으로 변경하거나 와셔의 개수를 늘리는 방법들이 제안되어 왔다. 하지만, 10.5~13.5wt%의 규소(Si)를 포함하는 알루미늄 합금으로부터 플레이트를 제작하는 경우 와셔의 재질 및 개수의 변경 없이 그대로 사용할 수 있게 된다.
한편, 후술하는 바와 같이 10.5~13.5wt%의 규소(Si)를 포함하는 알루미늄 합금으로부터 플레이트를 제작하고 두 플레이트를 용접할 경우 용가재의 사용없이 핫크랙의 발생을 방지할 수 있다는 장점 또한 있다.
이하에서, '10.5~13.5wt%의 규소(Si)를 포함하는 알루미늄 합금'을 '본 알루미늄 합금'또는 '본 합금'이라 한다.
구분 Cu Mg Si Ni Al
6082 MF 0.2~0.4 0.6~1.2 0.7~1.3 - Rem.
본 합금 3.0~5.0 0.2~1.0 10.5~13.5 - Rem.
비교예 0.5~1.3 0.8~1.3 11.0~13.5 0.5~1.3 Rem.
구분 본 합금 비교예
경도
(HrB)		 RT 76.2 74.1
100℃ 74.9 72.7
150℃ 74.6 71.7
항복강도(MPa) 414.98 355.54
인장강도(MPa) 453.84 399.17
신율(%) 1.66 1.651
충격치(J/cm2) 1.22 1.14
표 1은 알루미늄 단조합금인 6082 MF, 본 알루미늄 합금 및 비교예 알루미늄 합금의 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 규소(Si), 니켈(Ni) 및 알루미늄(Al)의 조성범위를 정리한 표이다. 표 1에 다섯 원소의 조성범위를 기재하였으나, 본 알루미늄 합금은 0.5wt% 이하의 철(Fe), 0.1wt% 이하의 망간(Mn), 0.1wt% 이하의 아연(Zn), 0.25wt% 이하의 티타늄(Ti), 0.1wt% 이하의 크롬(Cr)을 포함할 수 있다.
표 1을 참조하면, 본 알루미늄 합금은 알루미늄 단조합금 6082 MF 보다 더 많은 구리(Cu) 및 규소(Si)를 포함하는 것이 특징이며, 본 합금은 비교예 합금보다 더 많은 구리(Cu)를 포함하되, 비교예에 포함되는 니켈(Ni)을 포함하지 않는 것이 특징이다.
본 합금에 있어 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)의 역할은 열처리에 의한 강도 향상 및 규소(Si) 입자의 고정 및 성능 향상으로 각각 Al2Cu 및 Mg2Si 석출상을 통해 알루미늄 합금의 물성을 강화시킨다. 본 합금의 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)의 조성범위는 과포화 고용체를 최대로 형성하고 급냉 시 미세한 정합석출상을 유도함으로써 강도 향상을 극대화하기에 적합한 조성범위이다.
표 2는 본 합금 및 비교예 합금의 경도, 항복강도, 인장강도, 신율 및 충격치를 비교 정리한 표이다. 경도는 상온(RT: Room Temperature), 100℃ 및 150℃에서 각각 측정하였다. 표 2를 참조하면, 본 합금의 물성은 비교예 합금의 물성보다 우수함을 알 수 있다. 비교예 합금의 주요 강화상은 마그네슘(Mg) 및 니켈(Ni)인 반면, 본 합금의 주요 강화상은 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)이기 때문에 이러한 물성 차이가 나타나는 것이다.
도 5는 내마모성을 평가할 수 있는 왕복동 마찰 평가의 결과를 정리한 그래프로서 중량 변화량을 통해 내마모성을 비교한다. 내마모성 평가 비교 대상은 본 합금, 비교예 합금, 현재 양산되고 있는 SCR420HB, 4000계 소재 내마모성 과공정 합금인 K14 및 ADC14 및 다이캐스팅 소재인 ADC12이다.
도 5를 참조하면, 기존 다이캐스팅 소재와 대비하여 본 합금의 내마모성은 약 10배 이상 향상된 것을 알 수 있다. 전술한 바와 같이 비교예 합금의 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)의 조성범위는 본 합금과 달리하나, 규소(Si)의 조성범위가 11.0~13.5wt%에서 중복되며 규소(Si)는 내마모성 향상을 위해 첨가하는 원소이므로 비교예 합금의 내마모성 평가 결과를 본 합금의 내마모성 평가 결과로서 간주할 수 있다. 본 합금의 내마모성은 4000계 소재 내마모성 과공정 합금과 동등한 수준임을 알 수 있다. 이를 통해, 본 합금은 기어와의 마찰에서 우수한 내마모성을 나타내므로 더블레이어 캐리어의 소재로서 적합함을 알 수 있다.
본 발명인 더블레이어 캐리어의 제조방법은 두 플레이트를 용접하기 전 두 플레이트를 T7 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. T7 열처리 단계는 다량의 규소(Si)가 포함된 알루미늄 소재의 취약한 취성을 보완하기 위함이며, 안정화 열처리로써 단조 소재의 잔류응력을 줄여주고 작동 후 치수변화를 억제하여 용접 부위의 신율 및 피로강도를 향상시켜 캐리어에 요구되는 내구성을 확보할 수 있다.
합금 및
열처리		 항목 피로강도
(MPa)		 충격치
(J/cm2)		 항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 신율
(%)		 경도
(HrB)
본 합금
- T6		 평균 108 1.22 415.0 453.8 1.6 76.2
본 합금
- T7 (1)		 평균 99 1.33 330.3 374.2 1.7 72.1
편차 8.0 8.7 0.5 0.95
본 합금
- T7 (2)		 평균 129 1.96 291.0 356.9 2.4 70.9
편차 15.1 6.9 0.6 1.19
6082 MF
- T6		 평균 96.5 - 233.5 345.0 16.8 41.9
편차 6.6 1.8 1.5 1.48
표 3은 본 합금에 T6 열처리를 한 경우(이하, 'A 소재'), T7 (1) 열처리를 한 경우(이하, 'B 소재'), T7 (2) 열처리를 한 경우(이하, 'C 소재'), 알루미늄 단조합금 6082 MF에 T6 열처리를 한 경우(이하, 'D 소재') 기계 물성을 정리한 표이다. 여기서, T7 (1) 및 T7 (2) 열처리란 모두 T7 열처리를 말하나, 열처리 조건을 달리했다는 의미이며, 보다 구체적으로 T7 (1) 열처리는 480℃에서 4시간 열처리 한 후 180℃에서 16시간 열처리를 했다는 의미이며, T7 (2)는 480℃에서 4시간 열처리 한 후 195℃에서 8시간 열처리를 했다는 의미이다. 두 경우 모두 사이클 수는 5.0E+8이다.
표 3을 참조하면, B 소재는 A 소재보다 강도가 낮지만 신율은 높으며 C 소재는 A 소재보다 피로강도가 크며 신율은 50% 증가하였으며, B 및 C 소재는 D 소재보다 강도 면에서 우수함을 알 수 있다. 이를 통해, T7 열처리 단계는 기어로부터 가해지는 단속적인 하중에 대한 내구성을 확보할 수 있는 열처리인 것을 알 수 있다.
소재 파단 강도(모재 대비%) 파단 신율
A+A 266.3 MPa (66.0%) 1.09
B+C 242.8 MPa (68.0%) 1.56
C+D 221.5 MPa (64.2%) 1.49
D+D 121.3 MPa (47.2%) 0.68
표 4는 A 내지 D 소재 간의 접합 경우를 달리하였을 때 파단 강도 및 파단 신율을 측정한 것으로 소재 별 용접 부위의 강도 저하를 평가할 수 있다. 평가 대상은 A 소재 간 접합 소재(이하, 'A+A 소재'), B 및 C 소재 간 접합 소재(이하, 'B+C 소재'), C 및 D 소재 간 접합 소재(이하, 'C+D 소재'), D 소재 간 접합 소재(이하, 'D+D 소재')이다. 용접 면적 기준은 실제 용접 면적의 70~80%이며, 파단 신율은 Extension 측정 값이다. 용접 부위의 파단 강도의 모재 대비 비율이 65% 이상인 접합 소재를 더욱 바람직한 접합 소재 내지 더욱 우수한 접합 소재라 한다.
표 4를 참조하면, 알루미늄 합금에 T7 (2) 열처리를 한 C 소재와 알루미늄 단조합금 6082 MF에 T6 열처리를 한 D 소재를 접합한 C+D 소재는 파단강도, 모재 대비 비율 및 파단 신율이 D+D 소재 보다 크게 측정되었다.
본 알루미늄 합금에 열처리한 소재 및 이의 접합 소재인 A+A 소재 및 B+C 소재의 용접 부위의 파단 강도는 모재 대비 65% 이상으로 양호하다. 한편, 열처리 조건을 달리하였으나 T7 열처리를 한 B 소재 및 C 소재 그리고 이들의 접합 소재인 B+C 소재의 용접 부위의 파단 강도는 T6 열처리게 나타났으나 모재 대비 파단 강도의 비율은 B+C 소재가 A+A 소재보다 상대적으로 더 양호함을 알 수 있다.
한편, 본 알루미늄 합금은 10.5~13.5wt%의 규소(Si)를 포함함으로써 레이저 용접을 용이하게 할 수 있다. 알루미늄 합금의 용접을 어렵게 만드는 이유 중 가장 큰 이유는 용접 부위에 발생하는 핫크랙인데, 알루미늄 단조합금으로서 가장 많이 사용되는 소위 6천계 합금의 경우 용융 용접 시 핫크랙을 방지하기 위해 용가재를 반드시 사용해야 한다.
도 6은 D+D 소재의 레이저 용접면 및 용접 부위의 X-ray 사진으로 용접 시 용가재를 사용하지 않았을 때의 비드 단면을 OM(Optical Microscope) 촬영한 것이다. 도 7(a), 7(c) 및 7(d)는 도 6의 D+D 소재의 비드 단면의 OM 사진이며 도 7(b)는 CT 사진이다. 도 6 내지 도 7(d)를 참조하면, 용접 시 용가재를 사용하지 않은 경우 비드 단면에 핫크랫(40)이 발생하였음을 알 수 있다. 나아가, 용입 깊이는 전체 깊이 9mm 중 70~80%로 나타났으며 전체 깊이의 50~80%의 깊이에 0.5~1.7mm 다수의 기포 결함 특히, 1.66mm의 기포 결함(41)이 발견되었다.
도 8은 C+D 소재의 레이저 용접면 및 용접 부위의 X-ray 사진으로 용접 시 용가재를 사용하지 않았을 때의 비드 단면을 OM 촬영한 것이다. 도 9(a), 9(c) 및 9(d)는 도 8의 C+D 소재의 비드 단면의 OM 사진이며 도 9(b)는 CT 사진이다. 도 8 내지 도 9(b)를 참조하면, 용접 시 용가재를 사용하지 않았음에도 비드 단면에 핫크랙이 발생하지 않았음을 알 수 있다. 나아가, 용입 깊이는 전체 깊이 9mm 중 70~80%로 나타났으며 전체 깊이의 50~80%의 깊이에 0.5~1.7mm의 다수 기포 특히, 2.3mm의 기포 결함(51)이 발견되었다.
도 10은 B+C 소재의 레이저 용접면 및 용접 부위의 X-ray 사진으로 용접 시 용가재를 사용하지 않았을 때의 비드 단면을 OM 촬영한 것이다. 도 11(a), 11(c), 11(d)는 도 10의 B+C 소재의 비드 단면의 OM 사진이며, 도 11(b)는 CT 사진이다. 도 10 내지 도 11(d)를 참조하면, 용접 시 용가재를 사용하지 않았음에도 비드 단면에 핫크랙이 발생하지 않았음을 알 수 있다. 나아가, 용입 깊이는 전체 깊이 9mm 중 80~90%로 비교적 고르게 나타났다. 한편, 용접 시작 부위에서 백비드 관찰되었고 용접 전 범위에서 걸쳐 기포가 관찰되었는데 최대 기포 결함(61)의 크기는 1.7mm였다.
용접 시 용가재를 사용할 경우 비드 폭이 2~3배 가량 넓어질 수 밖에 없어 캐리어 레이아웃 상 불리해지며 용가재 장비 추가 및 사이클 타임 증가에 따른 손실이 발생하게 되므로 알루미늄간 용접에서는 본 발명의 방법이 유리하다고 할 수 있다.
도 12(a) 및 12(b) 본 발명의 일 실시예에 따라 열간 단조, 열처리 및 가공이 완료된 캐리어 플레이트 및 베이스 플레이트의 사진이며, 도 12(c)는 도 12(a) 및 12(b)의 플레이트를 용접 완료한 캐리어의 사진이며, 도 12(d)는 선 기어 등 더블캐리어의 조립에 필요한 모든 기어 세트를 조립한 조립완료품의 사진이다.
보다 상세한 제조방법은 다음과 같다. 빌렛 소재를 업세팅한 후 2단 열간 단조 및 트리밍을 실시한 소재를 선삭 가공한 것으로 다량의 규소(Si)를 포함하는 소재의 열간 단조이므로 일반 재질보다 어닐링 온도를 20도 높여서 업세팅한 후 열간 단조를 실시하였고 이후 T7 열처리를 하였다. 레이저 용접은 대기압 조건에서 Dual focused 방식을 적용하였으며 용접 조건은 아래의 표 5와 같다. 용접 깊이는 총 깊이 10mm 중 용접 깊이는 8mm 형성되었고, 용접 폭은 2mm로 형성되었다.
Process
gas		 Gas-
pressure		 Magni-
fication		 speed Focus
Level		 Fcoll Focus Pow.lev.
center		 Pow.lev.
ring
N2 30.0
l/min		 1.25 130.00 -2.00 200 250 4000W 4000W
도 13은 용접 부위의 기포 결함을 CT 촬영한 사진으로 도 13(b)는 캐리어의 측단면 CT 사진이다. 도 13을 참조하면, 기포 결함의 크기는 1mm이내이고 결함 면적은 용접 부위의 10% 이하임을 알 수 있다.
소재 비틀림 강도
측정치(kgf-m)		 비틀림 내구평가
(CYCLE)
베이스
플레이트		 캐리어
플레이트
A A 177.1 ~ 238.1 468,211
C C 209.9 ~ 238.9 500,000
D C 221.5 ~ 260.6 500,000
표 6은 베이스 플레이트 및 캐리어 플레이트의 소재를 달리하여 도 12(d)의 조립완료품과 같이 조립한 후 강도 및 내구 평가한 결과 표이다. 본 평가는 실제 캐리어에 부여되는 회전수와 토크를 조립완료품에 동일하게 부여하여 실 사용조건과 최대한 유사하게 설정하였다. 표 6에 기재된 A 내지 D 소재는 전술하였다.
표 6을 참조하면, 베이스 플레이트 및 캐리어 플레이트 모두를 C 소재로 하거나, 캐리어 플레이트만을 C 소재로 한 경우 비틀림 내구 평가에서 50만 사이클을 충족할 수 있음을 알 수 있다.
이하에서는, 본 발명인 더블레이어 캐리어의 제조방법에 따라 제조된 더블레이어 캐리어에 대하여 설명한다. 다만, 더블레이어 캐리어의 구성에 대해서는 이미 상세하게 설명하였는 점을 고려하여 간략히 설명하도록 한다.
더블레이어 캐리어는 캐리어 플레이트 및 캐리어 플레이트와 용접되는 베이스 플레이트를 포함하되 두 플레이트의 소재는 알루미늄 단조 합금인 것을 특징으로 한다. 두 플레이트 중 적어도 하나는 10.5~13.5wt%의 규소(Si)를 포함할 수 있고, 10.5~13.5wt%의 규소(Si)를 포함하는 플레이트는 초정 Si 및 공정 Si를 포함할 수 있으며, 3.0~5.0wt%의 구리(Cu) 및 0.2~1.0wt%의 마그네슘(Mg)을 더 포함할 수 있다. 또한, 10.5~13.5wt%의 규소(Si)를 포함하는 플레이트의 피로강도는 99~129MPa일 수 있고 신율은 1.7~2.4%일 수 있다. 연결부의 파단 강도는 상기 플레이트의 파단 강도 대비 65% 이상일 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
10: 용접 부위
20: 초정 Si
30: 공정 Si
40: 핫크랙부
41: D+D 소재의 기포 결함
51: C+D 소재의 기포 결함
61: B+C 소재의 기포 결함

Claims (12)

  1. 두 개의 알루미늄 합금을 각각 열간 단조하여 캐리어 플레이트 및 베이스 플레이트로 성형 및 가공하는 단계; 및
    상기 두 플레이트의 연결부를 용접하는 단계;를 포함하는 더블레이어 타입 변속기 유성 기어 캐리어의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 두 플레이트의 연결부는 레이저 용접되는 것을 특징으로 하는 더블레이어 타입 변속기 유성 기어 캐리어의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 두 개의 알루미늄 합금 중 적어도 하나는 10.5~13.5wt%의 규소(Si)를 포함하는 것을 특징으로 하는 더블레이어 타입 변속기 유성 기어 캐리어의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    10.5~13.5wt%의 규소(Si)를 포함하는 알루미늄 합금은,
    3.0~5.0wt%의 구리(Cu) 및 0.2~1.0wt%의 마그네슘(Mg)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 더블레이어 타입 변속기 유성 기어 캐리어의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 두 플레이트를 용접하기 전,
    상기 두 플레이트를 T7 열처리하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 더블레이어 타입 변속기 유성 기어 캐리어의 제조방법.
  6. 캐리어 플레이트; 및
    상기 캐리어 플레이트의 연결부와 용접되는 베이스 플레이트;를 포함하되,
    상기 두 플레이트의 소재는 알루미늄 단조 합금인 것을 특징으로 하는 더블레이어 타입의 변속기 유성 기어 캐리어.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 두 플레이트 중 적어도 하나는,
    10.5~13.5wt%의 규소(Si)를 포함하는 것을 특징으로 하는 더블레이어 타입의 변속기 유성 기어 캐리어.
  8. 제 7항에 있어서,
    10.5~13.5wt%의 규소(Si)를 포함하는 플레이트는,
    초정 Si 및 공정 Si를 포함하는 것을 특징으로 하는 더블레이어 타입의 변속기 유성 기어 캐리어.
  9. 제 7항에 있어서,
    10.5~13.5wt%의 규소(Si)를 포함하는 플레이트는,
    3.0~5.0wt%의 구리(Cu) 및 0.2~1.0wt%의 마그네슘(Mg)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 더블레이어 타입의 변속기 유성 기어 캐리어.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 플레이트의 피로강도는 99MPa 이상인 것을 특징으로 하는 더블레이어 타입의 변속기 유성 기어 캐리어.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 플레이트의 신율은 1.7% 이상인 것을 특징으로 하는 더블레이어 타입의 변속기 유성 기어 캐리어.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 연결부의 파단 강도는 상기 플레이트의 파단 강도 대비 65%이상인 것을 특징으로 하는 더블레이어 타입의 변속기 유성 기어 캐리어.

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