KR20220042709A - 특성 복귀능을 가지는 기어 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 특성 복귀능을 가진 비정질 합금을 구비한 기어를 제공한다. 본 발명의 기어는 모재로 특성 복귀능이 극대화된 비정질 합금을 포함하고, 상기 비정질 합금은 (a) Ti, Zr 및 Hf 과 (b) Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn 로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함하고, 추가적으로 열역학적으로 구성원소간 혼합열 관계의 복잡성이 극대화되도록 하나 이상의 금속 원소를 포함하여, 비정질 기지내 다양한 원자단위 클러스터 형태의 다중 회복 코어를 포함하여 구조의 복잡성(Complexity)이 극대화 된 구조를 갖는다. 또한, 본 발명은 특성 복귀능을 가지는 비정질 합금을 제조하는 단계; 기어의 외형(블랭크 기어)을 성형하는 단계; 및 기어의 치형부를 정밀 성형하는 단계; 2단 열처리를 통해 특성 복귀능을 최적화 하는 단계;를 체계적으로 구현하여 특성 복귀능을 가진 기어의 효과적 제조 방법을 제공한다. 특히, 2단 열처리를 통해 특성 복귀능을 최적화 하는 단계는 제 1단계 구조안정화 열처리 (Relaxation Treatment, RX-treatment); 및 제 2단계 특성복귀 후처리 (Resetting Treatment, RS-treatment)를 포함하며, 특성복귀 후처리는 반복적으로 수행될 수 있다. 본 발명을 통해 안출된 특성 복귀능을 가진 기어는 종래보다 개선된 1 GPa 이상의 고강도, 1.5 % 이상의 탄성 변형율, 5 MJ/m3 이상의 회복력 뿐만 아니라 1.5 배 이상의 피로수명 특성을 갖는다. 이러한 특성을 가지는 특성 복귀능을 가진 비정질 합금을 모재로 하는 기어는 자동차, 우주항공, 원자력 분야, 군수산업 등과 같은 관련 산업에 미치는 파급 효과가 매우 큰 기술이다.

Description

특성 복귀능을 가지는 기어 {RESETTABLE GEARS}
본 발명은 특성 복귀능을 가진 기어에 관한 것이다. 부연하면, 특성 복귀능 (Resettability)이란 재료가 사용 환경 중 형성되는 미소 결함영역을 회복처리 (Resetting treatment)를 통해 치유하여 초기 미세구조로 환원시켜 장수명화 할 수 있도록 하는 특성으로, 본 발명에서는 특성 복귀능을 가지는 비정질 합금을 기어에 적용하여 장수명화 하는 기술을 제공한다.
기어는 다양한 기계 부품에 활용되어 구동기에서 작동부로 힘을 전달하는 역할을 한다. 특히, 이러한 기어와 관련 부품의 경우 사용 환경 중 응력이 반복적으로 작동하는 환경에서 주로 활용되어 피로(fatigue) 변형에 취약한 특성을 가지는 것으로 알려져 있다. 하지만, 치형 등의 정밀 가공을 위해 고강도의 재료를 사용하기 어려워, S45C 철강 등 저품위 소재를 활용하여 가공 후 침탄 등의 후 열처리로 표면 강도를 높이는 방법을 통해 장수명화를 꾀하는 것이 일반적인 방법이다.
한편, 비정질 합금은 액상구조와 같은 무질서한 원자배열로 인해 결정질 합금과는 구별되는 우수한 기계적 특성을 가지며, 벌크 비정질 합금의 경우 약 1 GPa의 커다란 파괴강도와 약 1.5 % 이상의 탄성한계를 갖는 것으로 알려져 있어 고품질 구조용 재료로써 그 응용 가능성이 큰 신소재이다. 특히, 벌크 비정질 합금을 이용하면 초고강도의 재료를 얻는 것이 가능할 뿐만 아니라 비강도가 높아짐으로써 경량화를 이룰 수 있고, 결정립계 등이 존재하지 않는 균일한 미세조직으로 이루어져 있기 때문에 내식성 및 내마모성이 높은 장점이 있다. 또한, 비정질 합금은 강소성 가공이나 Thermo-cycle 방법으로 후처리시 내부 응력 변화를 유발하여 국부적 응력유기 팽창을 통해 구조 회복이 가능하여 인성을 향상시키는 효과를 낼 수 있음이 보고되었다. 하지만, 일반적인 비정질 합금은 초고강도 특성에 반해 유리천이온도 (Glass transition temperature, Tg) 이하에서는 연성이 거의 없는 취성 파괴 경향을 나타내고, 용융온도의 약 60 % 이하의 낮은 온도에서 점성 유동을 하는 유리천이거동을 나타내며 쉽게 결정화되어 가공 등을 수행하기 어려우며, 기존에 개발된 합금조성들은 재활용이 가능할 정도의 특성 복귀능이 확보되지 않아 폭넓은 활용에 제약을 가진다.
따라서, 이러한 종래의 기술적 한계를 극복하고 비정질 합금을 활용한 장수명 기어 및 관련 부품 개발에 대한 기술 개발이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 KR101954757B1, 기어 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해서 제조된 기어 일본 등록 특허 JP6177327B2, Wave gear device
본 발명의 일 목적은 특성 복귀능을 가진 비정질 합금을 구비하는 기어를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 종래보다 개선된 고도, 탄성 변형률, 회복력 (Resilience) 및 피로수명 특성을 갖는 기어를 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 기어는, 기어의 모재로 특성 복귀능을 가지는 비정질 합금을 포함하고, 상기 비정질 합금은 (a) Ti, Zr 및 Hf 과 (b) Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn 로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소를 포함하고, 추가적으로 열역학적으로 구성원소간 혼합열 관계의 복잡성이 극대화되도록 하나 이상의 금속 원소를 포함하여, 비정질 기지내 다양한 원자단위 클러스터 형태의 다중 회복 코어를 포함하여 구조의 복잡성(Complexity)이 극대화 된 구조를 갖는다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 비정질 합금은 상기 원소군 (a)의 원소 대비 상기 원소군 (b)의 원소 비율이 15 내지 66.6 at.% 이며, 추가적으로 (c) Mg, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Ho 및 Er 으로 구성된 원소군에서 선택된 1종 이상의 원소를 5 at.% 이하로 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 비정질 합금은 상기 원소군 (a)의 원소 대비 상기 원소군 (b)의 원소 비율이 15 내지 66.6 at.% 이며, 추가적으로 (d) Be, B, Al, V, Mn, Ga, Ag, In, Sn, Pb 및 Bi 로 구성된 원소군에서 선택된 1종 이상의 원소를 15 at.% 이하로 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 비정질의 강도는 1 GPa 이상일 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 비정질의 탄성 변형률은 1.5 % 이상일 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 비정질의 회복력 (Resilience)은 5 MJ/m3 이상일 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 비정질 합금은 (e) Nb, Mo, Ta 및 W 혹은 (f) C, N, Si, P, Ge, Pd, Pt 및 Au에서 적어도 1종 이상의 원소를 전체 합금화 원소 대비 3 at.% 이하로 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 비정질 합금은 원소 구성의 복잡성이 극대화되도록 추가적으로 포함되는 원소군 (c), 원소군 (d), 원소군 (e), 및 원소군 (f) 중 적어도 3 개 이상의 원소군에서 각각 1종 이상의 원소를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 기어의 특성 복귀 공정은, 이미 사용되어 내부에 연점(Soft spot)을 다량 포함하는 소재에 외부 에너지를 인가하여 수행되는 것일 수 있다. 이때, 인가되는 에너지는 반복적인 (승온)-(냉각) 사이클의 열에너지, 반복 하중에 따른 기계 에너지, 전기 펄스 에너지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 비정질의 회복 처리 (Resetting treatment, RS-treatment)로 특성복귀가 가능한 변형의 임계값(Critical point)이 최대 파단 피로 변형의 75 % 일 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 비정질의 회복 처리 (Resetting treatment, RS-treatment) 후 특성 회복이 ΔEc 의 50 % 이상 일 수 있다.(이때, ΔEc 는 제조된 직후의 비정질 합금의 ΔH와, 최대 피로 파괴 사이클의 50 % 수준에서 측정된 ΔH 값 사이의 차를 의미한다.)
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 기어는 평기어, 헬리컬기어, 랙기어 등의 평행축 기어, 베벨기어, 크라운 기어 등의 교차축 기어, 나사기어, 헬리컬 기어, 웜기어, 파동기어 등의 엇갈림 기어를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 기어의 외형 (블랭크 기어) 성형은 타겟 조성으로 제조된 모합금을 녹여 블랭크 기어 형태의 주조용 몰드(mold)에 직접 부어 급랭시키는 드롭 주조, 가압 주조, 다이캐스팅, 원심 주조의 직접 주조법이거나 비정질로 제조된 모재를 결정화 온도 이하에서 가압을 통해 가공하는 열성형 가공 (열+기계적 응력) 혹은 블로우 몰딩 (열+공기압력)의 열소성가공(Thermo-plastic forming) 후 냉각하는 방법 중 적어도 하나의 방법을 통해 제조한 것일 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 기어의 치형부 정밀 성형은 제조된 외형부인 블랭크 기어를 방전 가공, 트윈롤 가공의 절삭 가공 방법으로 성형한 것이거나, 블로우 몰딩 (열+공기압력) 혹은 열성형 가공 (열+기계적 응력)의 열소성가공(Thermo-plastic forming) 중 적어도 하나의 방법을 통해 성형한 것일 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 기어의 모재는 비정질 기지내 다양한 원자단위 클러스터 형태의 다중 회복 코어를 포함하여 구조의 복잡성(Complexity)이 극대화 된 구조를 가지므로, 비정질의 회복 처리 (Resetting treatment, RS-treatment) 후 특성 회복이 ΔEc 의 50 % 이상으로 우수한 특성 복귀능을 가질 수 있다.
일반적으로 기어는 저품위 강재를 활용해 가공 후 열처리를 통해 표면 침탄 등을 활용해 특성을 개선하는데 반해, 본 발명의 특성 복귀능을 가진 비정질 합금을 모재로 하는 기어는 1 GPa 이상의 고강도, 1.5 % 이상의 탄성 한계, 5 MJ/m3 이상의 회복력을 가져 상대적으로 높은 강도와 우수한 탄성회복력을 제공하여 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 본 발명의 특성 복귀능을 가진 비정질 합금을 모재로 하는 기어는 일정 기간 사용 후 간단한 외부에너지 인가의 회복 처리를 통해 사용 중 발생하는 결함영역을 치유하여 기존 소재의 피로 특성 대비 1.5 배 이상의 피로수명한계를 가질 수 있도록 하여 사용내구한계를 향상시킬 수 있다.
또한, 이러한 특성을 가지는 특성 복귀능을 가진 비정질 합금을 모재로 하는 기어는 자동차, 우주항공, 원자력 분야, 군수산업 등과 같은 관련 산업에 미치는 파급 효과가 매우 큰 기술이다.
[도 1]은 본 발명에 의한 특성 복귀능을 가지는 기어를 제조하는 방법 및 특성 복귀 공정을 설명하는 순서도이다.
[도 2]는 비정질 구조에 외부 자극 (기계적 응력, Thermo-cycle, 전기 펄스 자극 등)을 인가하는 경우에 국부적 응력관계 변화를 보여준다.
[도 3]은 본 발명에 의한 (a1) Ti와 (b4) Cu, (a2) Zr과 (b3) Ni,(a2) Zr과 (b5) Zn, (a3) Hf과 (b1) Fe 간의 2원계 상태도를 작도한 결과를 나타낸다.
[도 4]는 본 발명의 특성 복귀능을 가지는 비정질 합금 중 실시예 1의 투과전자현미경 사진이다.
[도 5]는 본 발명의 특성 복귀능을 가지는 비정질 합금 중 실시예 1의 비정질 구조에 의도적으로 고에너지빔을 집속한 경우에 결정화 거동을 보여주는 고분해능 전자현미경 사진이다.
[도 6]은 본 발명 특성 복귀능을 가지는 비정질 합금 중 실시예 2의 응력-변형률 곡선을 나타낸다.
[도 7]은 본 발명의 실시예 3 조성에 대해 조건 2, 조건 3 및 조건 6 처리 후 시편에 대한 시차주사열량분석 (Differential Scanning Calorimetry, DSC 분석) 결과를 나타낸다.
[도 8]은 기어의 종류를 기어 축간 관계를 통해 평행축 기어, 교차축 기어, 엇갈림 기어로 분류하고, 각 분류에 해당하는 대표적 기어의 외형을 보여준다.
[도 9]는 엇갈림축 기어 중 웜기어 일종인 파동기어의 (a) 주요 구성부품, (b) Flax spine 블랭크 기어 및 (c) 완성된 Flax spine 의 사진이다.
[도 10]은 본 발명에서 실시예로 활용한 파동기어의 Flax spine 드롭 주조용 몰드의 형상 및 치수를 보여주는 상세 도면이다.
[도 11]은 본 발명에서 실시예로 활용한 (a) 파동기어의 Flax spine 드롭 주조용 몰드 개략도 및 제작한 몰드 사진, (b) 드롭 주조 직후 주조체의 이미지 및 X-선 회절 분석 결과를 나타낸다.
[도 12]는 본 발명에서 실시예로 제작한 파동기어의 Flax spine 각 파트의 형상 및 치수를 보여주는 상세 도면이다.
[도 13]은 본 발명에서 제작한 특성 복귀능을 가지는 파동기어 Flax spine의 (a) 치형을 확대해서 보여주는 주사전자현미경 사진과 (b) Circular spline 과의 맞물림 정도를 확대해서 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
[도 14]은 본 발명의 실시예 3 조성으로 제조된 기어의 as-cast 시편 (조건 1)과 최대 피로 변형의 50 % 변형 후 조건 6 의 회복 처리를 진행한 시편에 대해 피로시험을 행한 결과를 나타낸다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다. 한편, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 특성 복귀능을 가진 기어에 관한 것이다. 부연하면, 특성 복귀능 (Resettability)이란 재료가 사용 환경 중 형성되는 미소 결함영역을 회복처리 (Resetting treatment)를 통해 치유하여 초기 미세구조로 환원시켜 장수명화 할 수 있도록 하는 특성으로, 본 발명에서는 특성 복귀능을 가지는 비정질 합금을 기어 및 관련 부품에 적용하여 장수명화 하는 기술을 제공한다. [도 1]은 본 발명에 의한 특성 복귀능을 가지는 비정질 금속을 포함하는 기어를 제조하는 방법 및 특성 복귀 공정을 설명하는 순서도이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 특성 복귀능을 가진 기어는 (1) 특성 복귀능을 가지는 비정질 합금을 제조하는 단계 (2) 기어의 외형(블랭크 기어)을 성형하는 단계 (3) 기어의 치형부를 정밀 성형하는 단계, 그리고 (4) 기어의 특성 복귀능을 최적화 하는 단계를 통해서 제조될 수 있다. 하기에서는 이와 같은 특성 복귀능을 가진 기어를 제조하는 단계들에 대해 상세하게 설명한다.
특성 복귀능을 가지는 비정질 합금을 제조하는 단계
일반적으로 비정질 금속은 금속 소재를 용융하고, 이를 매우 빠르게 응고하여 특별한 결정학적 규칙 구조를 가지지 않는 무질서한 원자배열구조를 가지는 것을 의미한다. 이때, 조밀한 무질서 구조인 Solid-like 영역과, 느슨한 무질서 구조인 Liquid-like 영역이 비정질 금속 내에 동시에 존재하게 된다. 이 때, Solid-like 영역은 연질의 연점(Soft spot)으로 역할을 하는 Liquid-like 영역에 비해 더 원자들이 조밀하게 존재하는 조밀 충진 구조(Dense packing structure)를 가지며 더 안정한 비정질 구조를 나타낸다. [도 2]는 비정질 구조에 외부 자극 (기계적 응력, Thermo-cycle, 전기 펄스 자극 등)을 인가하는 경우에 국부적 응력 관계 변화를 보여준다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이 무질서한 구조에서 조밀한 Solid-like 영역과 느슨한 Liquid-like 영역이 서로 다른 수축과 팽창을 하면서 국부적으로 상이한 변형장을 형성하여 비정질 구조 전반에 걸쳐 국부적 응력 유기 팽창을 통한 초기 미세구조로 회복을 용이하게 하여 특성 복귀능이 발현된다. 따라서, 비정질 합금에서 이러한 특성 복귀능을 극대화하기 위해선 비정질 기지 내 구성 원소간 혼합열 관계의 복잡성을 증대시켜 다양한 형태의 원자단위 클러스터가 형성되도록 인위적으로 조성 설계를 하는 것이 필요하다. 단, 일반적으로 비정질 합금은 경쟁 결정상으로 성장하는 주요 원자단위 클러스터를 가지며, 이러한 클러스터가 많아지는 경우 비정질 형성능(GFA, Glass forming ability)을 감소시켜 두 특성을 동시에 만족하는 비정질 합금을 설계하는 것은 용이하지 않다.
먼저, 다중 원자단위 클러스터 회복 코어를 가지면서도 1 mm 이상의 벌크 비정질 형성이 가능한 비정질 합금 설계를 위하여 본 발명에서는 우선 액상의 안정성이 뛰어난 조성 범위를 한정하고자 하였다. 이를 위해 본 발명에서는 깊은 공정 반응(Deep eutectic reaction)을 형성하는 4주기 전이금속으로 구성된 (a) Ti, Zr 및 Hf 와 3d 전이금속으로 구성된 (b) Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속원소를 포함하도록 하였다.
비정질 형성능을 갖는 조성은 넓은 범위일수록 바람직하다. 지나치게 좁은 조성 범위는 비정질 형성능을 충분히 갖지 못할 수도 있을 뿐 아니라, 조성에 의해 달라지는 특성을 개선하기 어렵기 때문이다. [도 3]은 본 발명에 의한 (a1) Ti와 (b4) Cu, (a2) Zr과 (b3) Ni,(a2) Zr과 (b5) Zn, (a3) Hf과 (b1) Fe 간의 2원계 상태도를 작도한 결과를 나타낸다. 본 발명에서 상태도의 작도는 Thermo-Calc. 소프트웨어를 활용하여 수행되었으며, 고용체 상태의 관계를 가장 잘 보여주는 SSOL6 데이터베이스를 기준으로 계산하였다. 본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한, 모든 열역학 계산은 같은 조건으로 수행되었다고 판단할 수 있다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 원소군 (a)와 원소군 (b)의 원소 쌍은 깊은 공정 반응을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이때, 비정질이 형성되기 쉬운 영역은, 상기에서 언급했듯이 응고 시 액상의 안정성이 커지는 공정 점 부근 조성으로 판단할 수 있다. 단, 비정질 합금의 제조시 급냉 방법을 활용하기 때문에 용융 액상이 작도한 상태도와 같이 평형응고를 하지 않고, 비평형 응고를 하게 되며, 일반적으로 최대의 고상 안정성을 가지는 점(최고점)에서 비평형 응고가 시작되기 때문에, 이를 기준으로 최대 합금 조성을 구성할 수 있다. 따라서, 이를 기준으로 조성 범위를 한정하면, 원소군 (a)에 원소군 (b)의 최소 고용도와 최대 고용도는 각각 15 at.%와 66.6 at.% 으로 한정할 수 있다.
다음으로 상기와 같은 구조적으로 안정한 비정질 합금의 구성에 더하여, 우수한 특성 복귀능을 가지도록 비정질 구조 내에 다중 원자단위 클러스터 회복 코어를 가지도록 하는 합금화 원소를 한정한다. 이때, 독특한 비정질 구조인 다중 원자단위 클러스터 회복 코어를 가지도록 하기 위해서는 구성하는 원소들간에 복잡한 혼합열 관계를 가지도록 인위적으로 조작해야 한다. 이와 같은 관점에서, 특성 복귀능을 가지는 비정질 합금은 전술한 원소군 (a)와 양(+)인 동시에 원소군 (b)와 음(-)의 혼합열을 가지는 클러스터 형성 원소군 (c) 혹은 반대로 원소군 (a) 와 음(-)인 동시에 원소군 (b)와는 양(+)의 혼합열을 가지는 클러스터 형성 원소군 (d)를 포함하는 것일 수 있다.
이때, 원소군 (c)를 (a)-(b)를 동시에 포함하는 비정질 합금과 합금화 하는 경우, 합금화 원소 중 커다란 음의 혼합열 관계를 가지는 (a)-(b) 클러스터 회복 코어; 원소군 (a)와는 척력이 작용하는 (c)가 인력이 작용하는 원소군 (b)와 형성하는 (b)-(c) 클러스터 회복 코어를 동시에 형성하여, 하나 이상의 다중 원자단위 클러스터 회복 코어를 형성할 수 있을 것으로 판단된다. (상술한 (a)-(b) 및 (b)-(c) 는 각각 원소군 (a)와 원소군 (b)간의 결합에 의한 클러스터, 원소군 (b)와 원소군 (c) 간의 결합에 의한 클러스터를 의미한다.) 다만, 전술한 조건을 만족하더라도, 원소군 (a)를 구성하는 원소들과 혼합열 관계가 + 15 J/mol 이상인 경우는 강한 상분리 경향으로, 계면을 가진 이상 분리된 미세조직을 형성할 수 있어, 청구 범위에서 제외되어야 한다. 뿐만 아니라, 원소군 (c)의 함량이 5 at.% 초과로 포함되는 경우에도 클러스터 성장이 촉진되어 나노 크기 이상의 이상 분리 영역을 형성하여 특성복귀능이 저하되어 청구 범위에서 제외되는 것이 바람직하다. 이와 같은 방법으로 구성원소간 혼합열 관계를 통해 한정한 원소군 (c)는 Mg, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Ho 및 Er 으로 구성된 원소군에서 선택된 1종 이상의 원소를 5 at.% 이하로 포함할 수 있다.
이때, 원소군 (d)를 합금화 하는 경우 역시, 구성 합금화 원소 중 커다란 음의 혼합열 관계를 가지는 (a)-(b) 클러스터 회복 코어; (b)와 척력이 작용하는 (d)가 인력이 작용하는 (a)와 (a)-(d) 클러스터 회복 코어를 동시에 형성하여 하나 이상의 다중 원자단위 클러스터 회복 코어를 형성할 수 있을 것으로 판단된다. 다만, 전술한 조건을 만족하더라도, 원소군 (b)를 구성하는 원소들과 혼합열 관계가 + 15 J/mol 이상인 경우는 강한 상분리 경향으로, 계면을 가진 이상 분리된 미세조직을 형성할 수 있어, 청구 범위에서 제외되어야 한다. 뿐만 아니라, 원소군 (d)의 함량이 15 at.% 초과로 포함되는 경우에도 클러스터 성장이 촉진되어 나노 크기 이상의 이상 분리 영역을 형성하여 특성복귀능이 저하되어 청구 범위에서 제외되는 것이 바람직하다. 이와 같은 방법으로 구성원소간 혼합열 관계를 통해 한정한 원소군 (d) Be, B, Al, V, Mn, Ga, Ag, In, Sn, Pb 및 Bi 로 구성된 원소군에서 선택된 1종 이상의 원소를 15 at.% 이하로 포함할 수 있다.
[도 4] 는 본 발명의 특성 복귀능을 가지는 비정질 합금 중 실시예 1의 투과전자현미경 사진이다. 실시예 1은 상기 (a2) Zr과 상기 (b3) Ni의 비율을 Zr:Ni=62:38 at.%이고, 여기에 추가로 원소군 (d)의 Al, Be, Ag를 등원소비로 15 at.% 첨가한 합금이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 비정질 합금은 저배율 이미지 상에 나노 석출물이 없는 깨끗한 비정질 이미지를 나타낸다. 단, 본 발명의 다중 원자단위 클러스터 회복 코어를 가지는 비정질 합금의 경우 일반적인 비정질 합금보다 상대적으로 두꺼운 SAD (Selected Area Diffraction) 회절 패턴을 가지는 것을 확인할 수 있으며, 이는 다중 원자단위 클러스터 회복 코어를 가지는 비정질 형성시 국부적 조성 편차를 유발함에 기인한다.
[도 5] 는 본 발명의 특성 복귀능을 가지는 비정질 합금 중 실시예 1의 비정질 구조에 의도적으로 고에너지빔을 집속한 경우에 결정화 거동을 보여주는 고분해능 전자현미경 사진이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이 고에너지빔을 집속하지 않은 영역에 본 발명의 비정질 합금은 전형적인 비정질의 고분해능 이미지를 나타낸다. ([도 5] (a)의 우측 영역) 단, [도 5] (a), (b)에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 다중 원자단위 클러스터 회복 코어를 가지는 비정질 합금은 의도적으로 집속된 전자빔 하에서 특이하게도 서로 다른 2가지 결정화 거동 ([도 5] (b)에 하얀 spot과 주변부 미세한 회색 spot)이 동시에 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같이 본 발명의 다중의 원자단위 클러스터 회복 코어를 가지는 비정질 합금의 경우 독특한 미세구조적 특징 및 외부 자극에의 반응을 나타냄을 확인 할 수 있었다.
또한, 본 발명의 합금은 원소군 (a) 및 원소군 (b) 와 모두 양(+)의 혼합열을 가져 (a)-(b) 클러스터 회복 코어와 (e) 중심 클러스터 회복 코어를 동시에 형성하는 원소군 (e) 혹은 모두와 음(-)의 혼합열을 가져 (a)-(b)-(f) 클러스터 회복 코어와 (f)-(a) 클러스터 회복 코어를 동시에 형성하는 원소군 (f) 을 더 포함하는 것일 수 있다. (이때, (a)-(b)-(f) 은 각각 원소군 (a), 원소군 (b), 원소군 (c)의 원소가 동시에 포함된 원자 클러스터를 의미하며, 마찬가지로 (a)-(f) 이란 원소군 (a)와 원소군 (f)간에 형성된 클러스터를 의미한다.) 하기 [표 1]의 원소 1 내지 원소 12는 전술한 구성원소간 혼합열 관계를 통해 한정한 원소군 (e) 및 원소군 (f)을 구성하는 Nb, Mo, Ta 및 W 과 C, N, Si, P, Ge, Pd, Pt 및 Au 원소들이다. 이때, 상기 원소들의 경우 과량 합금화되는 경우 쉽게 안정 석출상을 형성하기 때문에, 전체 합금원소 대비 3 at.% 이하로 합금화 하는 것이 바람직하다.
구분 원자 번호 원소 ΔHmix, Zr
(J/mol)		 ΔHmix, Cu
(J/mol)		 원소군 구분 구조
원소 1 41 Nb 4 3 e 비정질
원소 2 42 Mo 19 6 e 비정질
원소 3 73 Ta 2 3 e 비정질
원소 4 74 W 22 9 e 비정질
원소 5 6 C -131 -33 f 비정질
원소 6 7 N -233 -84 f 비정질
원소 7 14 Si -84 -19 f 비정질
원소 8 15 P -127.5 -17.5 f 비정질
원소 9 32 Ge -72.5 -11.5 f 비정질
원소 10 46 Pd -91 -14 f 비정질
원소 11 78 Pt -100 -12 f 비정질
원소 12 79 Au -74 -9 f 비정질
상기 설명한 바와 같이 본 발명의 합금은 구성원소간 혼합열 관계의 복잡성을 극대화 하여 다중의 원자단위 클러스터 회복 코어를 형성하는 것이 유리하기 때문에, 본 발명에서 한정한 원소군 (c), 원소군 (d), 원소군 (e), 및 원소군 (f) 중 적어도 3 개 이상의 원소군에서 각각 1종 이상의 원소를 포함하는 것이 바람직하다.
[도 6] 은 본 발명의 특성 복귀능을 가지는 비정질 합금 중 실시예 2의 인장시험을 통해 얻은 응력-변형율 곡선을 나타낸다. 실시예 2는 상기 (a2) Zr과 상기 (b1, b2) Fe와 Co의 비율을 Zr:Fe:Co=58:14:28 at.%이고, 여기에 추가로 원소군 (c)의 Y 를 1 at.%, 원소군 (d)의 Al을 5 at.%, (e)의 Nb 를 2 at.% 첨가한 합금이다. 실시예 2에서 얻어진 기계적 특성치들은 [도 6] 에 삽입된 표로 정리하여 SUS 304에서 보고된 값들과 비교해 도시하였다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 2는 1.140 GPa의 강도(σy, SUS 304 대비 3 배 이상), 1.54 %의 항복 변형율 (SUS 304 대비 3 배 이상), 그리고 8.9 MJ/m3의 회복력 (Resilience U=σy 2/2E, 여기서, E는 Young’s modulus)(SUS 304 대비 40 배 이상)의 값을 가지는 것을 확인하였으며, 이를 통해 SUS 304 합금보다 2 배 이상의 피로파괴 저항성을 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 이와 같이, 본 발명의 특성 복귀능을 가지는 비정질 합금은 1 GPa 이상의 강도, 1.5 % 이상의 항복 변형률, 그리고 5 MJ/m3의 회복력을 가져 기존 기어를 구성하는 모재 대비 우수한 기계적 특성을 가진다.
본 단락에서는 하기 [표 2]를 통해 다중 원자단위 클러스터 회복 코어를 가지는 본 발명의 비정질 합금의 특성 복귀능을 상세히 설명한다. 이 때, 특성 복귀 공정은 다양한 추가적인 외부에너지를 인가함으로써 수행 할 수 있다. 본 명세서에서는 실시예 3을 극저온과 고온으로 온도를 변화시켜 가며 반복적으로 에너지를 인가하는 Thermo-Cycle 처리 공정을 기반으로 하여 비정질 합금에서 특성 복귀능을 최적화하는 공정 조건을 제시하고자 하였다. 실시예 3은 상기 (a2) Zr과 상기 (b3) Ni의 비율을 Zr:Ni=62:38 at.%이고, 여기에 추가로 원소군 (d)의 Be 를 7.5 at% 첨가한 합금이다. 이때, 온도 환경 변화는 (1) 온도 변화에 따른 열에너지 인가, (2) 원자간 결합 팽창-수축의 반복에 의한 국부적 기계 에너지 인가 등의 복합적 환경을 손쉽게 제공할 수 있어, 특성 복귀 공정에 유리하다. 이외에도 외부 에너지 인가가 상술한 열반복 조건에 준하는 수준의 기계적, 전기적, 열적, 자기적 에너지를 포함하는 외력에 의해 수행될 수 있다.
이때, 일반적으로 비정질내 결함은 구성원소의 원자 확산을 통한 자리 교환을 통해 전단변형영역 (Shear Transformation Zone, STZ)의 형성 후 활성화된 STZ 간 연결을 통해 전단띠 (Shear band)가 형성되는 과정으로 발달된다. 따라서 반복적 응력 하에서 발생한 활성화된 STZ를 소멸시키는 것을 통해, 비정질 합금의 미세구조 회복 및 특성 복귀가 가능하다. 이때, 비정질 구조 내 활성화된 STZ (혹은 Soft spot)의 상대적인 양은 시차주사열량분석법을 통해 확인할 수 있다. 부연하면, 일반적으로 활성화된 STZ는 높은 에너지 상태를 가지는 것으로 알려져 있기 때문에, 반복적인 사용 후 비정질 기지내 활성화된 STZ 양이 많아지면, DSC 분석시 결정화 온도 이하의 낮은 온도대에서 완만한 발열반응 곡선이 커지며, 결함 영역을 치유하는 특성 복귀 공정 이후에는 이 곡선의 크기가 줄어드는 현상을 나타낸다.
구분 특성 복귀 공정 조건 　ΔH (J/mol) 비고
최저 온도 (℃) 최대 온도 (℃) 반복 회수 (회) 유지 시간 (초) 에너지 (E) 변화량 (ΔE)
조건 1 - - - - -100.3 - as-cast
조건 2 - - - - -5.8 - relaxed
조건 3 - - - - -408.5 - fatigued
시험 조건 (특성 복귀능을 가진 비정질 합금- 실시예 3)
조건 4 -20 100 30 60 -376.5 32.0 -
조건 5 -50 100 30 60 -222.7 185.8 -
조건 6 -100 100 30 60 -149.7 258.8 -
조건 7 -200 100 30 60 -130.6 277.9 -
조건 8 -100 25 30 60 -315.2 93.3 -
조건 9 -100 150 30 60 -135.6 272.9 -
조건 10 -100 200 30 60 -139.8 268.7 -
조건 11 -100 100 1 60 -374.7 33.8 -
조건 12 -100 100 5 60 -175.2 233.3 -
조건 13 -100 100 100 60 -137.6 270.9 -
조건 14 -100 100 30 10 -284.3 124.2 -
조건 15 -100 100 30 20 -153.9 254.6 -
조건 16 -100 100 30 300 -159.2 249.3 -
비교 조건 (일반 비정질 금속 - 비교예 1)
조건 17 - - - - -321.8 - 비교예 1 (fatigued)
조건 18 -100 100 30 60 -274.7 47.1 비교예 1
이때, 조건 1은 실시예 3을 제조한 직후에 DSC를 측정한 결과를 나타낸다. 이와 같은 비정질 합금을 유리천이온도의 70 % 이상의 온도에서 열처리 하게 되면, 합금 제조 시에 형성된 STZ 영역이 줄어들며, DSC 분석시 결정화 온도 이하의 낮은 온도대에서 완만한 발열반응을 나타내는 에너지 영역의 ΔH 값이 작아진다. 즉, 이 구간에서 ΔH 값의 변화를 확인함으로써, 합금의 비정질 구조를 미루어 짐작할 수 있다. 이 때의 ΔH 값은 [도 7]에 나타난 것과 같은 DSC 커브의 결정화 온도 이전 발열 Peak 면적을 계산하여 구한다.
부연하면, 실시예 3의 조성을 갖는 시편을 제조하는 경우, 상기 [표 2]에 나타난 것과 같이 약 -100 J/mol 의　ΔH 값을 보이게 된다. 이 에너지는 비정질 형성 중에 필연적으로 발생하는 liquid-like 영역에 의한 것으로 판단할 수 있다. 하지만, 이와 같은 합금을 해당 합금의 유리 천이 온도의 약 0.8 배인, 350 ℃에서, 10 분간 열처리 하면, 이 값이 매우 작아져, 0 에 근접하게 된다. ([도 7]의 빨간 선, 조건 2) 하지만 이와 같은 소재가 사용 환경에서 응력을 받으면, STZ의 양을 증가시키는 경우 ΔH가 증가하게 된다. 이에 대한 검증을 위해, 본 발명에서는 개발된 합금에 대해 임계 변형 이내의 변형된 시편을 회복처리 공정 조건을 달리하여 후처리 후 피로 파괴 테스트를 수행하였다. 그 결과, 피로 테스트 사이클이 증가함에 따라 합금 내의 STZ 영역이 증가하며, DSC 분석시 결정화 온도 이하의 낮은 온도대에서 완만한 발열반응을 나타내는 에너지 영역의 ΔH가 약 408.5 J/mol로 As-cast 상태에 비해 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. ([도 7]의 파란선, 조건 3) 이러한 결과는 특성 복귀능의 효과적 제어를 위해 상기 구조안정화 열처리를 적극적으로 활용하는 것이 필요함을 의미한다.
하기에서는 상기 표의 조건 4 내지 조건 16을 기준으로 본 발명의 특성 복귀 공정 조건을 한정한다. 이 때 특성 복귀 공정은 상기의 피로 응력이 집중되어 STZ 영역이 극대화된 소재에 특정 시간(유지 시간)동안, 저온 환경(최저 온도)에서 고온 환경(최대 온도)을 반복적으로 가하여 수행되었다. 이때, STZ 영역의 상대적 변화는 ΔH 값으로 확인하였으며, 이 값은 조건 3 에서의 값을 기준으로 그 크기(변화량, ΔE)을 평가하였다.
먼저 조건 4 내지 조건 7 은 특성 복귀 공정의 최저 온도를 변화시켜가며 결과를 확인한 것이다. 표에 나타난 것과 같이 최저 온도가 -20 ℃ 수준으로 너무 높아 소재에 에너지를 충분히 인가할 수 없는 경우, 그 ΔE가 32 J/mol 수준이었으나, 최저 온도를 -50 ℃ 이상으로 낮춤에 따라, 그 효과가 증대되어, 185.8 이상의 ΔE 값을 보였다. 이는 조건 1의 as-cast 합금과 조건 3의 fatigued 합금 간의 ΔE인 308.2 J/mol의 50 % 이상으로, 큰 특성 복귀능을 보인다고 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 공정조건의 최저 온도는 -50 ℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 이때, 두 에너지의 차이는 308.2 J/mol로 결정되는 것이 아니며, 합금계 별로 특성이 변화한다. 이 기준 값을 하기에서는 ΔEc 로 표기하며, 본 발명에서는 각 공정에서 발생한 에너지 ΔE와 ΔEc 의 비율(백분율)을 특성 복귀율로 정의하였다.
다음으로 조건 8 내지 조건 10은 공정의 최대 온도를 변화한 결과를 나타낸다. 이 결과에서 역시, 최대 온도가 상온 수준으로 너무 낮은 경우에는 ΔE가 매우 작게 발생하기 때문에, 최소 100 ℃ 이상의 온도에서 처리를 수행하는 것이 바람직하다. 다만, 각 합금 별로 결정되는 유리천이온도의 0.7 이상에서 특성 복귀 공정을 행하는 경우에는 구조 완화 (Structural relaxation)가 일어나 조건 2와 같은 상태가 될 수 있기 때문에, 이 온도 이하에서 수행되는 것이 바람직하다.
다음으로, 조건 11 내지 조건 13은 이와 같은 특성 복귀 공정의 반복 회수를 제어한 결과를 나타낸다. 이때 반복 회수는 상온에서 준비된 합금을, 저온 조건에서 고온 조건으로 1 회 옮긴 후, 상온까지 공랭한 것을 의미한다. 결과를 통해 알 수 있듯이, 반복 회수가 5 회 미만으로 적은 경우에는 특성 복귀에 거의 효과가 없는 것으로 나타났으며, 최소 5 회 이상 반복하는 경우에만 ΔEc 의 50 % 이상 값을 보이는 것으로 나타났다.
마지막으로 조건 14 내지 조건 16은 특성 복귀 공정의 유지 시간을 제어한 결과이다. 유지 시간의 경우, 다른 변수 대비 그 영향력이 적었으나, 유지 시간이 20 초 미만으로 짧은 경우에는 시편 전체에 전도를 통한 온도의 안정화가 미흡하여 그 공정의 효율이 매우 감소하였다. 따라서 특성 복귀 공정의 1 회당 시간은 최소 20 초 이상으로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 준안정 상인 비정질 합금을 너무 장시간 고온에 유지하는 경우, 원하지 않는 구조 완화 거동이 일어나거나 결정상이 형성될 수 있기 때문에, 1 시간 이상의 공정 수행은 바람직하지 않다.
한편, 조건 17 및 조건 18은 비교예 1의 비정질 합금에서 피로파괴 후 피로변형 영역 (조건 17)과 조건 17 시편에 대해 조건 6을 적용하여 특성 복귀 공정을 수행한 후 (조건 18) 열분석 결과이다. 이 때, 비교예 1은 Zr:Cu=62:38 2원계 비정질 합금이다. 결과에서 알 수 있듯이, 실시예 3 시편에서는 특성 복귀율이 83 % 이상 발생한 특성 복귀 공정 (조건 6)을 적용했음에도 불구하고, 비교예 1 조성에 대해서는 15 % 수준으로 낮은 정도로 특성 복귀가 이루어 진 것을 확인할 수 있었다.
이를 통해, 고효율 특성 복귀 거동은 기존 비정질 합금에서 일반적으로 발현되는 것이 아니며, 다중 원자단위 클러스터 회복 코어를 가진 본 발명의 합금계에서만 한정적으로 가능한 것으로 알 수 있다. 본 명세서에서는 실험상 편의를 위해서 실시예 3을 대표합금으로 선정하여, 특성 복귀 최적화 공정을 한정하였으나, 본 발명의 합금이 다중 원자단위 클러스터 회복 코어를 가진 유사한 비정질 구조를 가지기 때문에, 개발된 모든 조성에서 이와 같은 현상이 발생하는 것으로 인식해야 한다.
특성 복귀능을 가진 기어의 제조
기어는 서로 맞물려 쌍으로 돌아가는 마찰 접촉면에 이(= 치형)를 만들어 돌아가면서 연속적으로 힘, 동력을 전달하도록 설계된 기계의 부품을 의미한다. 기어는 2개의 축 사이가 짧을 때 큰 동력을 일정한 속도비율로 정확하게 전달할 수 있기 때문에 기계 및 산업 분야에서 널리 사용되는 부품이다. 이러한 기어는 두 축의 상대위치, 사용재료, 기어의 모양과 크기, 치형이 닿는 방법, 가동법 등으로 다양하게 분류 가능하며, 본 발명의 기어는 동력 전달 장치로 활용되는 다양한 형태를 포함한다. [도 8]은 기어의 종류를 기어 축간 관계를 통해 평행축 기어, 교차축 기어, 엇갈림 기어로 분류하고, 각 분류에 해당하는 대표적 기어의 외형을 보여준다. 단, 본 발명의 기어가 이 도면에 제시된 형태에 한정되는 것은 아니다. [도 8] (a)는 서로 맞물리는 기어의 중심축이 나란히 평행하는 상태로 작동하는 평행축 기어를 보여준다. 이 때, 기어의 이가 원통의 외부에 있으면 외기어, 내부에 있으면 내기어라고 한다. 첫 번째로 도시한 평기어는 스퍼기어라고도 부르는데 이빨 끝이 직선이고 축과 평행한 원통 기어를 말한다. 두 번째로 도시한 헬리컬 기어는 이빨 끝이 나선형으로 된 원통 기어를 말한다. 톱니바퀴 자체가 두껍고 통니가 사선으로 되어 있기 때문에 순차적으로 기어가 맞물리고 회전에 의해 점진적으로 맞닿아 돌아가기 때문에 닿는 면적이 넓고 힘 또한 강하다. 셋째로 도시한, 랙기어는 원통 기어의 잇수가 무한히 많아져 원통의 직경이 거의 무한대가 되어 직선으로 기어가 늘어선 형태를 말한다. [도 8]의 (b)는 두 축이 서로 수직으로 교차되는 교차축 기어를 보여준다. 이러한 기어는 베벨 기어, 스트레이트 베벨 기어, 스파이럴 베벨 기어, 제롤 베벨 기어, 헬리컬 베벨 기어, 앵귤러 베벨 기어 등이 있다. [도 8]의 (c)는 기어의 맞물리는 중심축이 교차하지도 않고 평행하지도 않은 채로 작동하는 엇갈림축 기어를 보여준다. 첫 번째로 도시한 나사기어는 헬리컬 기어의 두 중심축이 평행하지도 않고 교차하지도 않은 상태로 운동을 전달하는 기어로, 중심축의 각이나 거리에 민감하지 않기 때문에 설치가 쉽지만, 두 개의 기어가 허용치 이상의 하중을 받게 되면 쉽게 마모된다. 두 번째로 도시한 하이포이드 기어는 스파이럴 기어와 닮은 기어로 축을 어긋나게 한 기어이고, 세 번째로 도시한 웜기어는 큰 감속비를 얻을 수 있으나 기어의 효율이 낮다는 것이 단점이다. 이외에도 헬리컬 크라운 기어, 더블 엔벨로핑 웜기어, 스피로이드 기어, 플라노이드 기어 등이 있다.
본 발명에서는 최근 각광받고 있는 엇갈림축 기어의 웜기어 일종인 파동기어 (Strain wave gear)를 실시예로 특성 복귀능을 가진 비정질 합금을 모재로 하는 기어 성형에 관해 상세히 설명하고자 한다. 단, 이는 단순히 설명의 용이성을 위한 것이지, 본 발명이 실시예의 경우에 국한되는 것은 아니다. [도 9]의 (a)에 도시한 바와 같이 파동기어는 기어를 구동하는 (1) 구동부 (Wave generator)와 (2) 플렉스 스플라인(FS, Flex spline) 및 (3) 원형 스플라인(CS, Circular spline)으로 구성되어 있으며, FS 와 CS 간의 치형 개수 차이로 인해 발생하는 웨이브로 힘을 전달하게 된다.
이때, 기어는 크게 2 단계의 공정을 거쳐 제조될 수 있다. 부연하면, (1) 기어의 전체 형상을 결정하는 외형부, 즉 블랭크 기어를 성형하는 단계와 (2) 기어의 치형부를 정밀 성형하는 단계이다. 하기에서는 이와 같은 단계들에 대해 보다 상세하게 설명한다.
기어의 외형부(블랭크 기어)를 성형하는 단계
본 단계에서는 특성 복귀능을 가지는 비정질 합금을 기어에 적용하기 위해 외형 (블랭크 기어)을 성형하는 것에 대해 설명한다. 이때, 블랭크 기어란 [도 9]의 (b)에 도시한 FS의 형상에서 보여주는 것과 같이 기어의 전체 외형을 결정하는 것으로써, 기어의 치형부가 형성되기 이전의 상태를 의미한다.
이와 같은 블랭크 기어를 성형하는 방법은 타겟 조성으로 제조된 모합금을 녹여 블랭크 기어 형태의 주조용 몰드(mold)에 직접 부어 응고시키는 드롭 주조, 가압주조, 다이캐스팅, 원심 주조의 직접 주조법이거나 비정질로 제조된 모재를 결정화 온도 이하에서 가압을 통해 가공하는 열성형 가공 (열+기계적 응력) 혹은 블로우 몰딩 (열+공기압력)의 열소성 가공(Thermo-plastic forming)을 통해 제조한 것일 수 있다.
이때, 상기 블랭크 기어를 성형하는 방법의 일례인 드롭 주조는 타겟 조성으로 제조된 모합금을 녹여 용탕을 원하는 형태의 몰드 안쪽으로 중력에 의해 흘려보내 제조하는 것이다. 이때 비정질 금속 용탕을 제조하는 방법으로는, 아크 멜팅, 인덕션 멜팅을 포함한 상용 용해 공정이 활용될 수 있으며, 중력에 의해 몰드 내부로 흘러들어간 비정질 용탕은 최종적으로 몰드의 형상을 따르게 된다. 이와 같은 드롭 주조 방식은 비정질 합금제조에 대표적으로 활용되는 기법이다.
이하에서는 본 발명의 일예로 드롭 주조를 대표적인 예시로 하여, 파동기어의 FS을 구성하는 블랭크기어를 제조한 방법을 설명한다. [도 10]은 본 발명에서 실시예로 활용한 파동기어의 FS 드롭 주조용 몰드의 형상 및 치수를 보여주는 상세 도면이다. 이때, 주조용 몰드는 열전도도가 높은 구리 합금으로 제조되었으며, 이를 수냉하여 비정질 형성을 위한 냉각 속도를 구현하였다. [도 11] (a)에 나타난 것처럼 몰드는 총 3 가지 부분으로 구성하였다. 먼저 몰드 전체 외형을 형성하는 부분(빨간색, 부품 1로 명명_용용체 지지부 윗단과 외경파트를 구성하는 아랫단으로 구성), 충진 공간 확보 및 냉각효율증대를 위해 구리봉을 넣은 부분 (파란색, 부품 2로 명명)과 블랭크 기어의 높이를 결정하는 부분(노란색, 부품 3으로 명명)으로 구성된다. 이 때, 부품 1의 크기는 블랭크 기어의 외경을 결정 (5 mm 내지 500 mm)하며, 용탕의 양호한 충진을 위해 2 개의 가스제거 홀 (Degassing hole)을 구비하였고, 부품 2의 두께는 블랭크 기어의 컵 형상 외벽 두께를 결정 (0.5 mm 내지 5 mm)한다. 또한, 부품 3의 크기는 블팽크 기어의 높이를 결정(5 mm 내지 150 mm)하며, 용탕의 양호한 충진을 위해 4 개의 가스제거 홀을 구비하였다. 이 때, 각 부품들에서 가스 제거 홀의 수가 2 개 미만인 경우 용탕이 원활하게 충진되지 않으며, 가스 제거 홀의 수가 6 개 초과로 많으면 용탕의 손실이 커서 바람직하지 않다.
상기와 같은 몰드에 완전히 용융된 타겟 조성 모합금을 흘려 넣어 냉각시킴으로써, 부품 1과 부품 2 사이의 공간에서 FS 블랭크 기어를 구성하는 컵 형상의 비정질 주조체가 형성된다. 이 때, 용탕의 냉각은 비정질 형성을 용이하게 하기 위해 10 K/s 이상의 냉각속도를 가지도록 하는 것이 바람직하다. [도 10]과 [도 11]를 참고하여 제조된 비정질 주조체를 보다 자세하게 설명하면, 제조된 비정질 주조체는 내경 18.5 mm, 외경 21.5 mm, 바닥 두께 3 mm의 컵 형상으로 주조되었으며, 일차적으로 비정질 합금 내부에는 파란색 18.5 mm의 직경을 가진 구리봉이 장입된 상태로 제조되어, 최종적으로 내부 구리봉을 제거함으로써 블랭크 기어를 제조할 수 있다. [도 11] (b)의 하단부에 도시한 것처럼 제조된 주조체의 X-선 회절 분석결과는 비정질상에서 얻어지는 전형적인 할로 패턴을 나타내었다.
다만, 상기 단계를 통해 주조된 블랭크 기어는 주조 중 형성된 외부 요철 등 주조결함을 가지게 된다. 따라서, 최종적인 블랭크 기어는 상기 단계에서 제조된 것을 표면 혹은 내부에 대해 가공하는 단계를 더 포함한 것일 수 있다. 이때, 가공의 방법으로는 TiN 등 고경도 물질이 코팅된 초경팁을 활용한 CNC (Computerized Numerical Control) 선반 가공법이 활용될 수 있다. 선반 가공시 위치별로 상이하지만 500 ~ 2000 rpm을 유지하며 가공을 진행하였으며, 가공 시 발생하는 열로 인한 결정화 및 열팽창으로 인한 파손을 방지하고자 비수용수 절삭유를 이용하여 냉각하며 가공을 진행하였다. 특히, 상기 주조체에 초기 장입된 구리봉은 제조된 컵 형상의 비정질 주조체의 후가공시 그립부를 제공하여 가공 효율을 높이는 역할을 하기 때문에 바람직하다. 이러한 추가 가공을 통해 [도 11]의 (b)와 같이 제조된 FS 블랭크 기어 주조체를, [도 9]의 (b)와 같은 최종 형태의 블랭크 기어로 성형할 수 있다.
상기와 같은 방법은 단순히 비정질 합금을 모재로 하는 파동기어의 FS 뿐만 아니라 CS 혹은 더 나아가 다양한 형상의 블랭크 기어를 제작할 때도 동일하게 활용될 수 있는 것으로 판단되어야 한다. 이때, 상기의 드롭 주조 방식은 용탕의 주입 전후 압력을 가하는 가압 주조 혹은 다이캐스팅 주조나 몰드를 회전시켜 원심력을 가하는 원심주조 방식으로 대체될 수 있다.
또한, 본 발명의 특성 복귀능을 가지는 비정질 합금을 적용한 외형 (블랭크 기어) 성형은 비정질로 제조된 모재를 결정화 온도 이하에서 가압을 통해 가공하는 열성형 가공 (열+기계적 응력) 혹은 블로우 몰딩 (열+공기압력)의 열소성가공(Thermo-plastic forming) 후 냉각하는 방법으로 제조할 수 있다. 이러한 열소성 가공은 비정질의 특성화온도인 유리천이온도 (Tg)의 70 % 수준의 온도부터 활성화 되는 점성유동을 활용하여 결정화 온도 이하에서 몰드 내로 가압하여 성형하는 방식으로, 표면 거칠기 조절 및 치수 정밀도 확보 등이 보장되는 방법이다. 본 발명의 특성 복귀능을 가지는 비정질 합금의 열소성 가공은 본 발명의 합금들이 고온 산화에 취약한 특성으로 0.1 Torr 이상의 진공도 확보 후 아르곤 혹은 질소의 비활성 가스를 10 내지 103 저진공 범위까지 충진한 조건에서 비정질 모재를 Tg+△Tx(=Tx-Tg)/2 내지 Tx (결정화 개시온도)의 온도로 유지되도록 하여 1010 Pa·s 이하의 충분히 낮은 점도가 확보되도록 하는 것이 바람직하다.
기어의 치형부를 정밀 성형하는 단계
본 단계에서는 특성 복귀능을 가지는 비정질 합금을 성형하여 상기에서 제조한 블랭크 기어를 활용하여, 기어의 치형부를 정밀 성형하는 방법에 대해 상술한다. 이때 블랭크 기어에 치형을 성형하는 것은 기어의 특성을 결정하는 가장 중요한 단계로 판단 될 수 있다.
이와 같은 기어의 치형부를 정밀 성형하는 방법은 제조된 외형부인 블랭크 기어를 방전 가공(Electric discharging machining) 혹은 트윈롤 가공의 절삭 가공 방법으로 성형한 것이거나, 블로우 몰딩 (열+공기압력) 혹은 열성형 가공 (열+기계적 응력)의 열소성가공(Thermo-plastic forming) 중 적어도 하나의 방법을 통해 성형한 것일 수 있다.
먼저, 본 발명에서는 상기 기어의 치형부를 정밀 성형하는 일례인 방전 가공(Electric discharging machining)을 대표적 예시로 하여, 파동기어의 FS 치형부를 정밀 성형하는 방법을 설명한다. [도 12]는 본 발명에서 가공한 FS 치형부의 외형과 치수를 나타내는 상세 도면이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 FS 치형부는 톱니간 3.6°간격과 이빨의 R=0.05, 각도 58.31°로 정밀 가공을 요한다. 방전가공시 상기 도면을 따라 0.1 mm - 1.0 mm 지름의 황동 64 와이어에 전류를 인가하여 가공을 진행하였으며, 방전 가공 수행시 발생하는 열에 의해 비정질 모재에 결정화가 발생할 수 있어, 가공에 사용되는 전력이 1 kW 를 넘지 않도록 조절하였다. 이와 같은 방법은 기계적 외력에 취약한 비정질 소재를 가공하는 데에, 매우 유용하게 활용될 수 있다. 추가적으로 표면 거칠기를 조절하기 위해 다양한 Grinding 표면처리를 행할 수 있다. 이를 통해 [도 9]의 (b)에 나타난 블랭크 기어를 가공함으로써, [도 9]의 (c) 와 같은 형태의 최종 기어를 제조할 수 있었다.
[도 13]은 [도 9] (c)의 제조된 특성 복귀능을 가지는 비정질 합금이 적용된 기어의 치형 가공상태를 확대해서 보여준다. [도 13]의 (a)에 나타낸 바와 같이 가공된 기어의 치형이 매우 균일한 형상을 가지는 것을 확인할 수 있으며, [도 13]의 (b)에서 알 수 있는 바와 같이 가공한 FS의 치형이 CS와 양호한 맞물림 거동을 할 수 있음을 확인하였다. 이 때, 제조된 치형의 치수 정밀도는 약 1 um 정도 내외로 양호한 치수 정밀도를 유지하며 치형 가공이 이루어졌다. 이는 본 발명의 특성 복귀능을 가진 기어를 상기 방법을 통해 성공적으로 가공할 수 있음을 의미한다. 특히, 일반적으로 정밀 가공은 작은 크기의 가공이 더 어렵기 때문에, 본 발명의 치형 이상의 크기에 대해선 본 발명의 가공법으로 가공이 가능하다고 판단할 수 있다.
상기 기어의 치형부를 정밀 성형하는 방법은 트윈롤 가공법에 의해 대체 될 수 있다. 트윈롤 가공은 블랭크 기어를 회전시키고, 이와 동시에 외부에서 원하는 형상의 치형 몰드를 가지는 가공 롤러를 회전시켜 가공하는 방식으로, 빠르고 정밀한 가공을 수행할 수 있다. 이와 같은 트윈롤 가공을 수행함에 있어, 소재의 점도가 치수 정밀도에 큰 영향을 미치기 때문에, 본 발명의 특성 복귀능을 가진 비정질 합금을 가공하는 경우는 비정질 소재의 유리천이 온도 대비 70 % 이하의 온도까지만 승온하도록 제어하는 것이 필요하다.
또한, 상기 열소성 가공법을 활용하면 앞서 설명한 바와 같이 블랭크 기어 뿐 아니라 치형 부분도 함께 제조하는 것이 가능하다. 따라서, 이미 제조된 블랭크 기어를 원하는 치형 모양의 몰드에서 가압하여 열소성 가공함으로써 매우 정밀한 기어를 제조할 수 있다.
기어의 특성 복귀능을 최적화하는 단계
본 단락에서는 상기 제조한 기어의 특성 복귀능을 최적화 하는 단계를 상세히 설명한다. 상기한 바와 같이 본 발명의 특성 복귀능을 가진 기어는 비정질 합금을 가공하여 성형하였기 때문에 제조 후에 일정부분 재료의 구조 완화 (Structural Relaxation)를 동반한다. 따라서, 본 발명의 특성 복귀능을 가진 기어의 특성 복귀능 최적화를 위해 제조된 합금을 2단 열처리 하여 활용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 2단 열처리는, 급랭되어 제조된 비정질 합금에 대하여, 제 1단계인 구조안정화 열처리 단계; 및 제 2단계인 특성복귀 후처리 단계를 포함한다.
이때, 1단계의 구조안정화 열처리란, 비정질 합금을 유리천이온도 이하에서 열처리함으로써, 주조시 필수적으로 형성되는 STZ 영역을 완전히 없앤 것일 수 있다. 실제로 본 발명에 의한 [표 2]와 [도 7]에 나타난 바와 같이, 제조된 직후의 합금(조건 3)을 열처리 하는 경우, 조건 2와 같이 그 내부에 존재하는 에너지가 모두 사라지는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 1단계 열처리는, 각 합금 조성마다 정해지는 유리천이온도 미만, 그리고 유리천이온도의 70 % 이상 (0.7 Tg)에서 열처리 한 것일 수 있다. 이때, 이와 같은 열처리의 경우 비정질이 가지는 준안정성 때문에, 너무 장시간 수행되는 경우, 결정화가 발생할 수 있어 60 분 이하로 수행되는 것이 유리하며, 소재의 열전달을 고려하여 10 초 이상 수행되는 것이 유리하다.
한편, 이와 같이 1단계 열처리 된 합금의 내부 STZ 영역 증대 혹은 준안정성의 극대화를 위하여, 상기 합금을 다시 2단계 열처리인 특성복귀 후처리를 수행한 것일 수 있다. 특성복귀 후처리는 소재 자체의 내부 에너지를 증대 시키는 역할을 하며, 특성복귀 공정의 효율을 극대화 할 수 있다. 이와 같은 특성복귀 후처리는 소재 결정화 혹은 파단을 피하는 수준에서, 소재에 에너지 인가가 가능한 기계 변형, 열출입 사이클, 전기에너지, 자기에너지 인가 등을 포함한 방식에 의해 수행될 수 있다. 이와 같이 에너지를 인가하는 경우, [도 7]의 조건 3 및 조건 6에서와 같이, 그 내부 에너지가 증대 될 수 있다. 부연하면, 외부 에너지 인가가 -50 ℃ 이하인 환경과 100 ℃ 이상인 환경을 최소 20 초 이상 교대로 작동시키는, 열반복 공정 (Thermo-cylcing Process)을 5 회 이상 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 이와 같은 2단계의 처리 공정을 위한 외부 에너지 인가가 상술한 열반복 조건에 준하는 수준의 기계적, 전기적, 열적, 자기적 에너지를 포함하는 외력에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
[도 14]는 본 발명의 실시예 3 조성으로 제조된 기어의 as-cast 시편 (조건 1)과 최대 피로 변형의 50 % 변형 후 조건 6 의 회복 처리를 반복적으로 진행한 시편에 대해 피로시험을 행한 결과를 나타낸다. (상세한 조건은 상기 [표 2]에서 설명함) 이 때, 도면은 피로 파괴 사이클 수에 따라, 소재의 저항이 변화하는 것을 나타낸 것이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 결함이 커져 피로 크랙이 발생하여 점진적으로 전파하게 되면 재료의 저항이 급격하게 증가한다. 따라서, 실시예 3의 as-cast 시편 (조건 1)의 경우, 약 14,000 회 정도의 피로 응력을 받은 후 파단에 이르렀음을 확인할 수 있다. 특히 약 10,500 회 지점 (= 파단 Cycle의 75 % 지점)이상의 경우 내부 결함의 급격한 증가를 통해 저항이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 점에 착안하여 본 발명에서는 해당 합금을 파단 사이클 수의 50 % 인 7,000 회 까지만 피로 응력을 가한 후(빨간색), 조건 6 의 특성 복귀 공정을 수행하였다. 이와 같이 개발된 비정질 합금에 대해 반복적으로 회복처리를 수행하는 경우, 원래 소재 수명인 14,000 회를 넘어서 20,000 회 이상 변형 되는 것을 확인할 수 있었다 (파란색). 상기 조건 6의 회복처리는 반복적으로 수행할 수 있으며 3 회 처리시 소재 수명이 28,000 회를 상회하여 초기 소재 수명의 2 배 이상, 10 회 처리시 소재 수명이 14 만회를 넘어서 초기 소재 수명의 5 배 이상을 확보할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 특성 복귀 공정을 반복적으로 수행함을 통해, 소재에 발생한 피로 변형 영역을 효과적으로 제거하여 장수명화 할 수 있음을 확인하였다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허 청구 범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (28)

  1. 특성 복귀능을 가지는 비정질 합금으로 구성된 기어.
  2. 청구항 1에 있어서,
    특성 복귀능을 가지는 비정질 합금이 (a) Ti, Zr 및 Hf 과 (b) Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn 로 이루어진 군으로부터 각각 선택된 적어도 하나의 금속원소를 반드시 포함하고, 상기 원소군 (a)의 원소 대비 상기 원소군 (b)의 원소의 비율이 비정질을 형성할 수 있도록 15 내지 66.6 at.% 이며,
    추가적으로 (c) Mg, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, 및 Er 으로 구성된 원소군에서 선택된 1종 이상의 원소를 5 at.% 이하로 포함하여, 비정질 기지내 다중 원자단위 클러스터 회복 코어를 가진 복잡구조를 갖는 것을 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어.
  3. 청구항 1에 있어서,
    특성 복귀능을 가지는 비정질 합금이 (a) Ti, Zr 및 Hf 과 (b) Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn 로 이루어진 군으로부터 각각 선택된 적어도 하나의 금속원소를 반드시 포함하고, 상기 원소군 (a)의 원소 대비 상기 원소군 (b)의 원소의 비율이 비정질을 형성할 수 있도록 15 내지 66.6 at.% 이며,
    추가적으로 (d) Be, B, Al, V, Mn, Ga, Ag, In, Sn, Pb, 및 Bi 로 구성된 원소군에서 선택된 1종 이상의 원소를 15 at.% 이하로 포함하여, 비정질 기지내 다중 원자단위 클러스터 회복 코어를 가진 복잡구조를 갖는 것을 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어.
  4. 청구항 1에 있어서,
    특성 복귀능을 가지는 비정질 합금이 (a) Ti, Zr 및 Hf 과 (b) Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn 로 이루어진 군으로부터 각각 선택된 적어도 하나의 금속원소를 반드시 포함하고, 상기 원소군 (a)의 원소 대비 상기 원소군 (b)의 원소의 비율이 비정질을 형성할 수 있도록 15 내지 66.6 at.% 이며,
    특성 복귀능을 가지는 비정질 합금의 구조적 복잡성을 향상시키기 위해 추가적으로 (e) Nb, Mo, Ta, 및 W 혹은 (f) C, N, Si, P, Ge, Pd, Pt, 및 Au에서 적어도 1종 이상의 원소를 전체 합금화 원소 대비 3 at.% 이하로 더 포함한 것을 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어.
  5. 청구항 1에 있어서,
    특성 복귀능을 가지는 비정질 합금내 원소 구성의 복잡성이 극대화되도록 전술한 추가 원소군 (c), 원소군 (d), 원소군 (e), 및 원소군 (f) 중 3 개 이상의 원소군에서 각각 1종 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어.
  6. 청구항 1에 있어서,
    특성 복귀능을 가지는 비정질 합금의 비정질 형성능 (Glass-forming ability)이 1 mm 이상인 것을 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어.
  7. 청구항 1에 있어서,
    특성 복귀능을 가지는 비정질 합금의 강도가 1 GPa 이상인 것을 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어.
  8. 청구항 1에 있어서,
    특성 복귀능을 가지는 비정질 합금의 탄성 변형률이 1.5 % 이상인 것을 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어.
  9. 청구항 1에 있어서,
    특성 복귀능을 가지는 비정질 합금의 회복력 (Resilience)이 5 MJ/m3 이상인 것을 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어.
  10. 특성 복귀능을 가지는 비정질 합금을 제조하는 단계;
    기어의 외형(블랭크 기어)을 성형하는 단계; 및
    기어의 치형부를 정밀 성형하는 단계;
    2단 열처리를 통해 특성 복귀능을 최적화 하는 단계;를 포함하는 특성 복귀능을 가진 기어 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    특성 복귀능을 가지는 비정질 합금을 제조하는 단계가 (a) Ti, Zr 및 Hf 과 (b) Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn 로 이루어진 군으로부터 각각 선택된 적어도 하나의 금속원소를 반드시 포함하고, 상기 원소군 (a)의 원소 대비 상기 원소군 (b)의 원소의 비율이 비정질을 형성할 수 있도록 15 내지 66.6 at.% 이며,
    추가적으로 (c) Mg, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, 및 Er 으로 구성된 원소군에서 선택된 1종 이상의 원소를 5 at.% 이하로 포함하여, 비정질 기지내 다중 원자단위 클러스터 회복 코어를 가진 복잡구조를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어 제조방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    특성 복귀능을 가지는 비정질 합금을 제조하는 단계가 (a) Ti, Zr 및 Hf 과 (b) Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn 로 이루어진 군으로부터 각각 선택된 적어도 하나의 금속원소를 반드시 포함하고, 상기 원소군 (a)의 원소 대비 상기 원소군 (b)의 원소의 비율이 비정질을 형성할 수 있도록 15 내지 66.6 at.% 이며,
    추가적으로 (d) Be, B, Al, V, Mn, Ga, Ag, In, Sn, Pb, 및 Bi 로 구성된 원소군에서 선택된 1종 이상의 원소를 15 at.% 이하로 포함하여, 비정질 기지내 다중 원자단위 클러스터 회복 코어를 가진 복잡구조를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어 제조방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    특성 복귀능을 가지는 비정질 합금을 제조하는 단계가 (a) Ti, Zr 및 Hf 과 (b) Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn 로 이루어진 군으로부터 각각 선택된 적어도 하나의 금속원소를 반드시 포함하고, 상기 원소군 (a)의 원소 대비 상기 원소군 (b)의 원소의 비율이 비정질을 형성할 수 있도록 15 내지 66.6 at.% 이며,
    비정질 합금의 구조적 복잡성을 향상시키기 위해 추가적으로 (e) Nb, Mo, Ta, 및 W 혹은 (f) C, N, Si, P, Ge, Pd, Pt, 및 Au에서 적어도 1종 이상의 원소를 전체 합금화 원소 대비 3 at.% 이하로 더 포함한 것을 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어 제조방법.
  14. 청구항 10에 있어서,
    특성 복귀능을 가지는 비정질 합금을 제조하는 단계가 비정질 합금내 원소 구성의 복잡성이 극대화되도록 상기 추가 원소군 (c), 원소군 (d), 원소군 (e), 및 원소군 (f) 중 3 개 이상의 원소군에서 각각 1종 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어 제조방법.
  15. 청구항 10에 있어서,
    특성 복귀능을 가지는 비정질 합금을 제조하는 단계가 준비한 모원소를 균질한 액상으로 용융 시킨 후 10 K/sec 이상의 급냉을 하는 것을 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어 제조 방법.
  16. 청구한 10에 있어서,
    기어의 외형(블랭크 기어)을 성형하는 단계가, 타겟 조성으로 제조된 모합금을 녹여 블랭크 기어 형태의 주조용 몰드에 직접 부어 급랭시키는 드롭 주조, 가압 주조, 다이캐스팅, 원심 주조의 직접 주조법이거나 비정질로 제조된 모재를 결정화 온도 이하에서 가압을 통해 가공하는 열성형 가공 (열+기계적 응력) 혹은 블로우 몰딩 (열+공기압력)의 열소성 가공(Thermo-plastic forming) 후 냉각하는 방법 중 적어도 하나의 방법을 통해 제조하는 것을 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어 제조 방법.
  17. 청구한 10에 있어서,
    기어의 외형(블랭크 기어)을 성형하는 단계가, 드롭 주조를 통해 외경 5 내지 500 mm, 높이 5 내지 150 mm, 외벽 두께 0.5 내지 5 mm 몰드를 구비하고, 외경 및 블랭크 기어의 높이를 결정하는 파트에 용탕의 양호한 충진을 위해 2 내지 6 개의 가스 제거 홀을 설치하여 컵 형상으로 제조한 것을 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어 제조 방법.
  18. 청구한 13에 있어서,
    주조결함을 제거하기 위해 500 ~ 2000 rpm 범위에서 비수용수 절삭유를 이용하여 냉각하며 고경도 초경팁을 활용한 CNC (Computerized Numerical Control) 선반 가공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어 제조 방법.
  19. 청구한 10에 있어서,
    기어의 외형(블랭크 기어)을 성형하는 단계가, 0.1 Torr 이상의 진공도 확보 후 아르곤 혹은 질소 중 선택된 1종의 비활성 가스를 10 내지 103 저진공 범위까지 충진한 조건에서, 비정질 모재를 Tg (유리천이온도)+△Tx(=Tx-Tg)/2 내지 Tx(결정화 개시온도)의 온도 범위에서 1010 Pa·s 이하의 점도가 확보되도록 하여 열소성 가공(Thermo-plastic forming)을 통해 수행하는 것을 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어 제조 방법.
  20. 청구한 10에 있어서,
    기어의 치형부를 정밀 성형하는 단계가, 제조된 외형부인 블랭크 기어를 방전 가공, 트윈롤 가공의 절삭 가공 방법으로 성형한 것이거나, 블로우 몰딩 (열+공기압력) 혹은 열성형 가공 (열+기계적 응력)의 열소성 가공(Thermo-plastic forming) 후 냉각하는 방법 중 적어도 하나의 방법을 통해 제조하는 것을 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어 제조 방법.
  21. 청구한 10에 있어서,
    기어의 치형부를 정밀 성형하는 단계가, 절삭 가공 중 방전 가공(Electric discharging machining)을 통해, 0.1 mm - 1.0 mm 지름의 황동 64 와이어에 1 kW 이하의 전류를 인가하여 수행한 것으로 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어 제조 방법.
  22. 청구한 10에 있어서,
    2단 열처리를 통해 특성 복귀능을 최적화 하는 단계가,
    제 1단계 구조안정화 열처리 (Relaxation Treatment, RX-treatment); 및
    제 2단계 특성복귀 후처리 (Resetting Treatment, RS-treatment)를 포함하는 것을 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어 제조 방법.
  23. 청구항 22에 있어서,
    RX-treatment가 각 합금의 유리천이온도의 70 % 이상의 온도에서 10 초 이상 1 시간 이하로 수행되는 것을 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어 제조 방법.
  24. 청구항 22에 있어서,
    RS-treatment를 위한 외부 에너지 인가가 -50 ℃ 이하인 환경과 100 ℃ 이상인 환경을 최소 20초 이상 교대로 작동시키는, 열반복 공정(Thermo-cylcing Process)을 5 회 이상 수행하는 것을 특징으로 하는 특성 복귀능을 가진 기어 제조 방법.
  25. 청구항 22에 있어서,
    RS-treatment를 위한 외부 에너지 인가가 상술한 열반복 조건에 준하는 수준의 기계적, 전기적, 열적, 자기적 에너지를 포함하는 외력에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 비정질 합금을 제조하는 방법.
  26. 청구항 22에 있어서,
    RS-treatment 후 소재의 특성 열화가 회복되는 것이, ΔEc 의 50 % 이상인 것을 특징으로 하는 비정질 합금을 제조하는 방법.
    (이때, ΔEc 는 제조된 직후의 비정질 합금의 ΔH와, 최대 피로 파괴 사이클의 50 % 수준에서 측정된 ΔH값 사이의 차를 의미한다.)
  27. 청구항 22에 있어서,
    RS-treatment 후 소재의 피로 수명이 1.5 배 이상 증가하는 것을 특징으로 하는 비정질 합금을 제조하는 방법.
  28. 특성 복귀능을 가지는 비정질 합금으로 구성된 평기어, 헬리컬기어, 랙기어의 평행축 기어, 베벨기어, 크라운 기어의 교차축 기어, 나사기어, 헬리컬 기어, 웜기어, 파동기어의 엇갈림 기어.
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Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10296424A (ja) * 1997-05-01 1998-11-10 Ykk Corp 金型で加圧鋳造成形された非晶質合金成形品の製造方法及び装置
JP2005273010A (ja) * 2004-02-27 2005-10-06 Jfe Steel Kk 歯車およびその製造方法
KR20100095456A (ko) * 2007-12-21 2010-08-30 아레바 엔피 지르코늄이나 하프늄 합금의 표면 가공 방법, 이에 의해 가공된 부품
KR20130063026A (ko) * 2010-11-02 2013-06-13 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤 기계 구조용 강의 절삭 방법
KR20130110689A (ko) * 2012-03-30 2013-10-10 서울대학교산학협력단 가공경화가 가능한 비정질 금속 기지 복합재료
KR20130142467A (ko) * 2012-06-19 2013-12-30 한국과학기술연구원 티타늄계 벌크 비정질 매트릭스 복합체 및 그 제조 방법
KR20140130388A (ko) * 2014-09-22 2014-11-10 서울대학교산학협력단 가공경화가 가능한 비정질 금속 기지 복합재료
KR20160089746A (ko) * 2015-01-20 2016-07-28 현대자동차주식회사 고강도 강 및 기어 제조 방법
KR20180091602A (ko) * 2017-02-07 2018-08-16 엘지전자 주식회사 초탄성 b2상을 포함한 타이타늄 비정질 합금
KR20180092012A (ko) * 2017-02-07 2018-08-17 엘지전자 주식회사 고성능 고체 윤활 타이타늄 비정질 합금
KR101954757B1 (ko) 2016-12-26 2019-03-06 이광희 기어 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해서 제조된 기어
KR20190109004A (ko) * 2018-03-16 2019-09-25 서울대학교산학협력단 고강도 고연신 컴플렉스 내화금속-규소화합물 복합재 및 그 제조 방법
KR20200104080A (ko) * 2019-02-26 2020-09-03 주식회사 퓨트로닉 평기어의 제조 방법

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6623566B1 (en) * 2001-07-30 2003-09-23 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Method of selection of alloy compositions for bulk metallic glasses
US7052561B2 (en) * 2003-08-12 2006-05-30 Ut-Battelle, Llc Bulk amorphous steels based on Fe alloys
TWI268289B (en) * 2004-05-28 2006-12-11 Tsung-Shune Chin Ternary and multi-nary iron-based bulk glassy alloys and nanocrystalline alloys
EP1632584A1 (en) * 2004-09-06 2006-03-08 Eidgenössische Technische Hochschule Zürich Amorphous alloys on the base of Zr and their use
US8480864B2 (en) * 2005-11-14 2013-07-09 Joseph C. Farmer Compositions of corrosion-resistant Fe-based amorphous metals suitable for producing thermal spray coatings
AU2009313602B2 (en) * 2008-11-04 2015-08-20 The Nanosteel Company, Inc. Exploitation of deformation mechanisms for industrial usage in thin product forms
US9328404B2 (en) * 2009-04-20 2016-05-03 Lawrence Livermore National Security, Llc Iron-based amorphous alloys and methods of synthesizing iron-based amorphous alloys
JP2019014968A (ja) * 2018-08-01 2019-01-31 アップル インコーポレイテッドＡｐｐｌｅ Ｉｎｃ． アモルファス合金粉末原料の加工プロセス
WO2020050851A1 (en) * 2018-09-07 2020-03-12 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Injection molds with metallic glass coating
US11428257B2 (en) * 2018-09-24 2022-08-30 Liquidmetal Technologies, Inc. Amorphous metal rivet systems
FR3090431B1 (fr) * 2018-12-20 2023-02-10 Vulkam Dispositif de moulage par injection et procédé pour la fabrication de pièces en verres métalliques
EP3695920B1 (de) * 2019-02-13 2022-04-06 Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG Robuster ingot für die herstellung von bauteilen aus metallischen massivgläsern
TR201904074A2 (tr) * 2019-03-19 2019-04-22 Afyon Kocatepe Ueniversitesi Rektoerluegue Yüksek oranda refrakter metal ve bor i̇çeren ni̇kel esasli i̇ri̇ haci̇mli̇ metali̇k cam alaşimlari

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10296424A (ja) * 1997-05-01 1998-11-10 Ykk Corp 金型で加圧鋳造成形された非晶質合金成形品の製造方法及び装置
JP2005273010A (ja) * 2004-02-27 2005-10-06 Jfe Steel Kk 歯車およびその製造方法
KR20100095456A (ko) * 2007-12-21 2010-08-30 아레바 엔피 지르코늄이나 하프늄 합금의 표면 가공 방법, 이에 의해 가공된 부품
KR20130063026A (ko) * 2010-11-02 2013-06-13 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤 기계 구조용 강의 절삭 방법
KR20130110689A (ko) * 2012-03-30 2013-10-10 서울대학교산학협력단 가공경화가 가능한 비정질 금속 기지 복합재료
KR20130142467A (ko) * 2012-06-19 2013-12-30 한국과학기술연구원 티타늄계 벌크 비정질 매트릭스 복합체 및 그 제조 방법
KR20140130388A (ko) * 2014-09-22 2014-11-10 서울대학교산학협력단 가공경화가 가능한 비정질 금속 기지 복합재료
KR20160089746A (ko) * 2015-01-20 2016-07-28 현대자동차주식회사 고강도 강 및 기어 제조 방법
KR101954757B1 (ko) 2016-12-26 2019-03-06 이광희 기어 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해서 제조된 기어
KR20180091602A (ko) * 2017-02-07 2018-08-16 엘지전자 주식회사 초탄성 b2상을 포함한 타이타늄 비정질 합금
KR20180092012A (ko) * 2017-02-07 2018-08-17 엘지전자 주식회사 고성능 고체 윤활 타이타늄 비정질 합금
KR20190109004A (ko) * 2018-03-16 2019-09-25 서울대학교산학협력단 고강도 고연신 컴플렉스 내화금속-규소화합물 복합재 및 그 제조 방법
KR20200104080A (ko) * 2019-02-26 2020-09-03 주식회사 퓨트로닉 평기어의 제조 방법

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
일본 등록 특허 JP6177327B2, Wave gear device

Also Published As

Publication number Publication date
KR102569110B1 (ko) 2023-08-23
US20220098714A1 (en) 2022-03-31
US11873548B2 (en) 2024-01-16

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