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문제 정의
- 본 연구에서는 고밀도 소결 소재 및 표면치밀화 공법을 개발하여 파워트레인 구동용 고밀도 기어를 개발하였다. 고압 성형, 고온 소결을 적용하여 7.
- 표면치밀화 공정은 치형의 완성과 함께 표면을 치밀화 시키는데 그 목적이 있다. 치밀화의 경우 치면 및 치저부 공히 최대 응력이 집중되는 수십 µm 이상까지 치밀화가 이루어져야 하므로, 본 개발에서는 최저 치밀화 깊이를 200 µm 수준으로 설정하였다.
제안 방법
- 고압 성형, 고온 소결을 적용하여 7.5 g/cm3 이상의 고밀도를 확보하였고, 표면치밀화공법을 통해 표면밀도 7.8 g/cm3 수준을 달성하였다.
- 또한 소결재와 비교 평가를 위해 기존 양산재인 Cr계 합금 SCr420H1도 동일형상으로 제작하여 평가하였다.
- 1) 고밀도 소재인 FL5202와 표면치밀화 기술을 적용하여 차량의 구동용 기어 부품을 소결화할 수 있는 신기술을 개발하였다.
- 1차적인 치형을 부여하는 공정인 헬리컬 성형에 대해 최적 성형압 및 밀도를 선정하였다. 그림 8에 헬리컬 성형시 성형압에 따른 성형 밀도 및 소결 후 밀도를 도시하였다.
- 시험편은 각각 성형-소결-표면치밀화-열처리의 순으로 제작되었다. 굽힘피로강도는 로터리 벤딩(rotary bending) 시험편을 제조하여 평가하였고, 접촉피로시험 강도는 TCRF(thrust rontact rolling fatigue) 평가로 실시하였다. 접촉 피로시험에 경우, 표면치밀화의 효과를 확인하기 위해, 압연을 통해 제작된 시험편을 별도로 추가 제작하여 평가하였다.
- 기어에서 요구되는 피로 물성치를 확인하기 위해 굽힘피로강도 및 접촉피로강도를 평가하였다(그림 5). 소결재의 굽힘강도는 표면치밀화가 되지 않은 상태에서 시험한 결과이다.
- 소결은 N2 가스 환원분위기, 1300 ℃에서 20분간 실시하였다. 본 조건으로 인장 및 충격 시험 편을 제작하고, 열처리 특성 평가를 위해 가스 침탄 열처리를 실시하였다. 제작된 시험편을 통해 열처리 전후로 인장시험, 충격시험, 경도 및 미세조직에 대한 소재 검증을 실시하였다.
- 상기 소재의 기계적 성질을 바탕으로 표면치밀화에 적합한 소재를 FL5202로 선정하여 굽힘피로강도, 접촉피로 강도를 평가하였다. 시험편은 각각 성형-소결-표면치밀화-열처리의 순으로 제작되었다.
- 제조된 시제품에 대해 치형 및 조도측정, 기공 분포, 미세조직, 표면 경도 및 유효 경화깊이를 측정하였다. 시제품에 대한 내구성은 당사 변속기를 대상으로 한 내구평가를 통해 검증하였다.
- 시제품의 성형성을 평가하기 위해 헬리컬 성형 시 성형압과 성형밀도, 소결 밀도와의 상관관계를 도출하였고, 최적 치밀화량과 이에 따른 치밀화 깊이를 선정하기 위해 치밀화량에 따른 표면의 기공 분포 및 치밀화 깊이를 이미지 분석을 통해 평가하였다. 제조된 시제품에 대해 치형 및 조도측정, 기공 분포, 미세조직, 표면 경도 및 유효 경화깊이를 측정하였다.
- 8 g/cm3 수준을 달성하였다. 이러한 과정으로 제작된 소결재의 열처리 전 후의 인장강도 및 피로강도을 평가하여 기존 양산재인 Cr계 단조 합금강(SCr420H1)과 비교하였으며, 이를 바탕으로 자동변속기용 피니언 기어 시제품을 제작하여 치형의 완성도 및 내구성을 평가하였다.
- 열처리 후에도 프로파일 및 리이드의 큰 변화는 발생하지 않았다. 이러한 치형 개발을 통해 설계 요구 수준인 JIS 3급의 기어등급을 확보하였다. 또한 치표면 조도는 표면치밀화 후에 Ra 0.
- 굽힘피로강도는 로터리 벤딩(rotary bending) 시험편을 제조하여 평가하였고, 접촉피로시험 강도는 TCRF(thrust rontact rolling fatigue) 평가로 실시하였다. 접촉 피로시험에 경우, 표면치밀화의 효과를 확인하기 위해, 압연을 통해 제작된 시험편을 별도로 추가 제작하여 평가하였다.
- 본 조건으로 인장 및 충격 시험 편을 제작하고, 열처리 특성 평가를 위해 가스 침탄 열처리를 실시하였다. 제작된 시험편을 통해 열처리 전후로 인장시험, 충격시험, 경도 및 미세조직에 대한 소재 검증을 실시하였다. 시험은 국제 표준규격에 준하여 실시하였다.
- 시제품의 성형성을 평가하기 위해 헬리컬 성형 시 성형압과 성형밀도, 소결 밀도와의 상관관계를 도출하였고, 최적 치밀화량과 이에 따른 치밀화 깊이를 선정하기 위해 치밀화량에 따른 표면의 기공 분포 및 치밀화 깊이를 이미지 분석을 통해 평가하였다. 제조된 시제품에 대해 치형 및 조도측정, 기공 분포, 미세조직, 표면 경도 및 유효 경화깊이를 측정하였다. 시제품에 대한 내구성은 당사 변속기를 대상으로 한 내구평가를 통해 검증하였다.
- 그림 9에 치밀화량에 따른 표면 치밀화 깊이를 도시하였다. 치밀화 깊이는 치면 P.C.D(pitch circle diameter) 부을 기준으로 측정하였다. 결과에서, 치밀화량 0.
- 치밀화의 경우 치면 및 치저부 공히 최대 응력이 집중되는 수십 µm 이상까지 치밀화가 이루어져야 하므로, 본 개발에서는 최저 치밀화 깊이를 200 µm 수준으로 설정하였다.
- 본 제작의 핵심 공정인 헬리컬 성형, 표면치밀화 공법을 그림 3에 나타내었다. 헬리컬 성형은 성형 시 상부 펀치(upper punch)를 회전시키면서 가압하여 1차 치형을 완성하였고, 표면치밀화 시에는 최종 치형의 완성 및 표면 밀도 상승을 위해 양측에 전조 다이를 위치시켜, 회전 및 가압을 실시하였다.
대상 데이터
- 기어 시제품은 헬리컬 성형-소결-표면치밀화-가스 침탄 소입 및 소려-내경 및 좌면 가공 순으로 제조하였다. 본 제작의 핵심 공정인 헬리컬 성형, 표면치밀화 공법을 그림 3에 나타내었다.
- 두 소재는 열처리 후 강도가 유사하지만, 소재상태의 가공성 및 표면치밀화 용이성을 고려하여 FL5202을 개발 재질로 선정하였다.
- 50 g/cm3 수준의 높은 밀도를 확보하였다. 본 개발에서는 금형 수명과 요구 밀도를 고려 약 11 ton/cm3의 성형압을 선정하여 시제품을 제작하였다.
- 본 개발에서는 기어부품으로서의 작동성 및 내구성을 평가하기 위해 자동변속기용 피니언 기어 2종을 제조하였다(그림 2). 피니언 기어는 유성캐리어에 장착되어 선기어 및 링기어와의 섭동을 통해 변속을 발생시키는 유성기어 세트의 한 부품으로 높은 강도와 치형의 정밀도가 요구된다.
- 상기 소재의 기계적 성질을 바탕으로 표면치밀화에 적합한 소재를 FL5202로 선정하여 굽힘피로강도, 접촉피로 강도를 평가하였다. 시험편은 각각 성형-소결-표면치밀화-열처리의 순으로 제작되었다. 굽힘피로강도는 로터리 벤딩(rotary bending) 시험편을 제조하여 평가하였고, 접촉피로시험 강도는 TCRF(thrust rontact rolling fatigue) 평가로 실시하였다.
이론/모형
- 제작된 시험편을 통해 열처리 전후로 인장시험, 충격시험, 경도 및 미세조직에 대한 소재 검증을 실시하였다. 시험은 국제 표준규격에 준하여 실시하였다. 또한 소결재와 비교 평가를 위해 기존 양산재인 Cr계 합금 SCr420H1도 동일형상으로 제작하여 평가하였다.
성능/효과
- 2) 고성형성 분말을 이용하여, 일반적인 분말야금공법에서 달성할 수 없었던 7.5 g/cm3 수준의 높은 소재밀도를 달성하였고, 이를 통해 인장강도 1000 MPa 급의 고강도 재질을 개발하였다.
- 3) 표면치밀화 기술을 통해 표면은 진밀도에 가까운 7.8 g/cm3을 달성하였고, 굽힘 피로강도 및 접촉 피로강도 평가 결과, 기어에서 요구되는 강도 수준 이상의 물성을 달성하였다.
- 결과에서, 치밀화량 0.15 mm에서도 200 µm 이상의 치밀화 효과를 나타내었다.
- 이러한 결정립도의 차이가 접촉강도에서의 열세의 원인으로 판단되며, 결정립 크기 제어는 향후 본 기술의 개선 과제로 판단된다. 그러나 본 개발에서 목표로 하는 피니언 기어의 접촉 응력인 1,450 MPa 이상의 우수한 강도를 확보하였음을 알 수 있다.
- 기어의 구동환경에서 최대 접촉 응력은 최표면 및 표면 수십 µm에서 발생함을 고려할 때, 낮은 치밀화량으로도 높은 치밀화 효과를 확인할 수 있었다.
- 또한 치표면 조도는 표면치밀화 후에 Ra 0.12 µm 수준으로서, 기존 쉐이빙(shaving) 가공재 대비(Ra: 0.69 µm) 우수한 표면조도를 확보하였다(그림 13).
- FL5202와 FLN2-4402M는 모두 열처리 후 단조재인 SCr420H1과 유사한 1,000 MPa 이상의 높은 항복강도를 나타내었다. 밀도측면에서는 FL5202가 7.63 g/cm3으로서, 이론밀도 대비 96%, FLN2-4402M 가 7.47 g/cm3으로 이론밀도 대비 94%의 높은 밀도 수준을 달성하였다.
- 그림 8에 헬리컬 성형시 성형압에 따른 성형 밀도 및 소결 후 밀도를 도시하였다. 성형압 증가에 따라 선형적으로 성형 밀도가 증가함을 알 수 있고, 소결 시 성형 밀도 대비 약 0.1 g/cm3의 밀도 상승효과를 확인할 수 있다. 또한 약 10.
후속연구
- 이는 소결 시 발생하는 결정립 성장에 의해 단조재 대비 조대한 결정립을 갖는 것으로 사료된다. 이러한 결정립도의 차이가 접촉강도에서의 열세의 원인으로 판단되며, 결정립 크기 제어는 향후 본 기술의 개선 과제로 판단된다. 그러나 본 개발에서 목표로 하는 피니언 기어의 접촉 응력인 1,450 MPa 이상의 우수한 강도를 확보하였음을 알 수 있다.
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