기어의 재료, 기어의 열처리

기어의 열처리란?

 

1. 개요

 

1) 기어의 재료 개요

 치차는 기본적으로 큰 동력을 전달해야하기 때문에 제한된 수의 금속과 합금강만 적합함 
충분한 강도와 마모 저항, 경도를 확보하기 위해서는 합금강에 표면경화 혹은 전경화를 하는 것이 일반적임 
혹은, 해양 환경과 같이 높은 부식저항이 필요한 경우 청동이 사용됨. 
청동 기어와 강 피니언의 조합은 재료 호환성과 적합성에서 장점을 가지게 된다 


치차 파손의 두 가지 형태는 이뿌리에서 발생하는 변동 굽힘 응력으로 인한 피로파괴와 치면피로파손 (피팅, pitting)임
따라서 재료 선정시, 굽힘응력과 접촉응력에 관한 피로강도 자료가 필요함. (AGMA에 의해 축적되어옴)

AGMA 굽힘피로강도 데이터는 반복횟수 10^7회의 반복응력에 대하여 99%의 신뢰도 수준을 가짐

 

 

2. 치차 재료 종류

 

1) 주철 (Cast Iron)

회주철은 저가격, 제작의 용이성, 높은 마모저항 등의 특징이 있으며, 내부 감쇠(흑연)으로 인해 소음이 적은 장점이 있음 
하지만 인장강도가 낮아 충분한 강도를 얻기 위해서는 강으로 제작된 치차보다 큰 이가 요구됨 

구상흑연주철은 회주철에 비해 높은 인장강도와, 가공성, 마모저항, 내부감쇠 등의 장점 또한 가지고 있어서 선호되지만 가격이 상대적으로 비싸다. 강피니언 (큰 응력을 받는 부재의 강도 목적) + 주철 기어 조합이 많이 사용됨 

주철의 종류, 주철 명칭 KC규격, 합금성분의 성질, 주철형성과정, 주철의 성장, 주철의 수축

주철의 열처리(SRA, 연화풀림, 시효처리), 주강의 열처리(기본열처리)

 

2) 강 (Steel) : 표면경화, 침탄, 질화, 전경화

주철보다 우수한 인장강도 
마모저항을 위해 표면 경화 혹은 전경화가 필요하며 저부하, 저속용일때나 수명이 주요 관심사가 아니라면 연강 치차도 사용됨

열처리를 위해서는 중, 고탄소강 혹은 합금강 (특히 소입성 보증강)이 필요함.
작은 치차들은 대부분 전경화되며, 큰 치차들은 비틀림을 최소화하기 위해 화염경화 혹은 고주파경화 실시한다

저탄소강은 침탄, 혹은 질화에 의해 표면경화가 가능하며 표면경화 치차는 중심부 인성이 높고 동시에 표면부 경도가 높은 장점이 있지만 경화 깊이가 충분하지 않으면 (얕게 되면) 경화층 아래가 피로로 인해 조기 파손될 수 있다

마이크로지오메트리 적용시, 혹은 고정밀도가 요구될시 연삭, 래핑, 호닝 등의 2차 다듬질법으로 경화 치차의 열처리 후 변형(비틀림 등)을 제거할 필요가 있음  

킬드강은 Fe-Si, Al 등의 강탈산제로 충분히 탈산시킨 강으로, 품질이 좋고 불순물이 적으며, 균질을 요구하는 합금강이나 침탄강에 주로 사용된다 (표면경화강에 주로 사용되기 때문에 기어 재료는 킬드강괴를 이요하는 것이 좋다) 

금속의 표면경화법 정리, 금속의 강화기구, 표면처리

금속 조직별 일반적인 기계적 성질, 자성차이 - 마르텐사이트, 오스테나이트, 페라이트, 펄라이

철강재료의 선정요령, 선정 방법

기본열처리 - 뜨임 (Tempering)

강재 분류; 탄소강, 합금강, 특수강, 비조질강, 조질강, 듀얼페이스강, 스테인리스 강(듀플렉스강

압연 - 열간압연강판 / 냉간압연강판 제조 공정

 

(1) 일반적인 치차용 강재

기계구조용 탄소강 (SM - ) 
이중 끝에 K를 붙인 강이 있는데, 이는 킬드 강재로 표면 경화용 강
 기어는 부품 표면의 내마모성이 요구되고, 피로에 대해서 강건해야하기 때문에 기어에서는 특히 표면경화강이 많이 사용됨
 표면경화강은 침탄경화강과 질화경화강으로 나뉜다 
 
 <침탄경화강 : 재료의 표면만을 경화시키는 C함유량이 낮은 강 (C : 0.13 ~ 0.23) >
 SM15CK (탄소강) 
 Ni-Cr강 (SNC415) 
 Ni-Cr-Mo강 (SNCM415)
 Mn강 (SMn420) 
 Mn-Cr강 (SMnC420) 

 <질화강 : 표면 질화에 이용하는 강, 중탄소강에 질소와 결합하기 쉬운 Al, Cr등을 첨가한 강>
KS규격에는 Al-Cr-Mo계 강의 SAlCrMo1 1종류가 명기되어있음 (C 0.4 ~ 0.5)
SACM645강 등 

 <기어에 사용되는 대표적인 특수강>
Ni-Cr강 (SNC415) : 인장강도 785MPa 이상, 연신율 17% 이상
Ni-Cr-Mo강 (SNCM220) : 인장강도 835MPa이상, 연신율 17% 이상
Cr-Mo강 (SCM415) : 인장강도 835MPa, 연신율 16% 이상 
Mn강 (SMn420) : 인장강도 685MPa, 연신율 14% 이상 

침탄강의 기계적 성질, 인장강도와 피로한도가 동시에 증가하고 연신율과 수축률이 급감한다, HRD

질화처리한 강의 기계적 성질, 인장강도는 소폭 증가하였지만 경도가 대폭 증가, HRD

침탄법 (Carburizing), 고체침탄법, 가스침탄법, 액체침탄법, 침탄 기구 (mechanism), 침탄로

질화법 (Nitriding), 연질화법, 이온질화법, 가스질화법, 청화법, 액체질화법, 표면경화

합금강, 철강, 강 합금 원소별 성분에 따른 성질과 특징 (철강 5대원소; C, P, S, Si, Mn), 합금원소(Mg,

 

(2)고피로강도 치차용 강재 

고피로강도 확보 목적 강재로, 아래가 대표적임 
SCM815NbH, SCM820NbH (Nb첨가 크로뮴 몰리브데넘 강재) 
SNCM820NbH (Nb첨가 니켈 크로뮴 몰리브데넘 강재)

 - 강재는 탈가스 정련을 거친 킬드 강괴로 제조해야함 
 - 비금속 개재물의 함량 또한 관리되어야하며 
 - 오스테나이트 결정 입도도 관리되어야함 (조대화 방지) 
 - Si성분을 제한하는데, 이는 침탄열처리시 결정입계에 SiO2 생성으로 인한 침탄 입계 이상층 형성 방지를 위함임 
    (SiO2는 피로 특성을 저하시킴) 
 - P 불순물 또한 제한 : 높을경우 Fe3P을 형성하여 입자 조대화를 촉진시키고 피로 특성을 해침 
 - Nb의 첨가 : 고강도 기어강에서는 미세화원소인 Nb를 첨가하여 결정립 미세화를 유도, 피로 특성을 개선함

이런 표면 경화용 고피로강도 강재는 거의 필수적으로 표면경화가 들어가기 때문에, 경화능을 지정해줘야한다 
경화능 지정 예시 : J5mm = 41/44, J11mm = 31/34 
(J 는 경화능 시험시 맨 끝부에서의 거리, 경도값은 로크웰 기준 상한 및 하한값을 나타냄)

 

 

3) 청동 (Bronze)

청동은 치차에 사용되는 가장 흔한 비철금속 
동합금은 낮은 탄성계수 (쉽게 변형됨)를 가져 휨이 보다 크게 일어나 이 사이의 하중 분담을 개선함 
청동과 강은 또하나 적합성이 좋아 강 피니언 + 청동 기어 조합이 자주 사용됨 

(기본적으로 피니언의 강도가 더 쌘 재료를 사용함) 

구리(Cu), 구리합금, 황동(brass), 청동(bronze)

 

 

4) 비철금속 치차 (Nonmetallic Gear)

나일론, 아세탈 등 열가소성 수지를 사출하여 제작 
테프론을 첨가하여 마찰계수를 낮추기도 하며, 흑연과 이황화 몰리브덴과 같은 건식 윤활제를 첨가하여 무윤활 구동을 구현 
직물을 보강한 열경화성 복합재 치차는 캠축 구동 기어 분야 등에서 많이 사용되었음 

비철금속 치차는 소음이 낮지만 재료 강도가 낮아 토크 용량이 제한됨