기어는 기계 장비의 핵심 전달 부품으로, 그 성능과 품질은 전체 장비의 작동 효율성과 수명에 직접적인 영향을 미칩니다. 기어 제조 공정의 중요한 연결고리로서 열처리는 기어의 경도, 내마모성, 내피로성을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다. 그러나 열처리 공정에는 기어 변형 문제가 동반되는 경우가 많아 기어의 정확도에 영향을 미칠 뿐만 아니라 강도와 수명에도 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 이 기사에서는 기어 제조에 유용한 참고 자료를 제공하기 위해 기어 열처리 왜곡의 12가지 주요 요인에 대해 자세히 논의합니다.
1. 탄소 함량
탄소 함량은 기어 열처리 왜곡에 영향을 미치는 주요 요인입니다. 기어 재료의 탄소 함량이 높을수록 담금질 중에 발생하는 뒤틀림 왜곡과 부피 왜곡이 커집니다. 이는 고탄소강의 담금질 과정에서 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하면서 부피 변화가 커져 뒤틀림이 커지기 때문이다. 따라서 기어 재료를 선택할 때 특정 사용 요구 사항에 따라 탄소 함량을 합리적으로 제어해야 합니다.
2. 합금 원소
합금 원소도 기어 열처리 왜곡에 상당한 영향을 미칩니다. C, Mn, Ni, Cr, Mo 등과 같은 일부 합금 원소는 경화성을 증가시킬 수 있지만 왜곡 경향도 증가시킵니다. Cr, Mn, Mo, Si, Ni, Ti 등과 같은 기타 합금 원소는 왜곡을 줄이는 데 도움이 됩니다. 이는 주로 이러한 요소가 강철의 미세 구조에 영향을 미쳐 열처리 중 응력 분포 및 변형에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.
3. 경화성
담금질성은 담금질 과정에서 기어가 균일한 마르텐사이트 구조를 얻을 수 있는지 여부를 결정하는 기어 재료의 중요한 성능 지표입니다. 경화성이 높을수록 담금질 중에 기어에 의해 생성되는 왜곡이 커집니다. 이는 담금질성이 높은 재료의 담금질 과정에서 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하는 속도가 빠르고 부피 변화가 커서 뒤틀림이 증가하기 때문이다. 따라서 기어 재료를 선택할 때 특정 사용 요구 사항에 따라 경화성을 합리적으로 제어해야 합니다.
4. 기어 디자인
기어의 설계 모양과 크기도 열처리 변형에 중요한 영향을 미칩니다. 비대칭 형상, 불량한 단면 균일성, 불량한 스포크 강성 및 부적절한 가공 구멍 위치와 같은 설계 결함은 기어의 열처리 왜곡을 증가시킵니다. 따라서 기어를 설계할 때 대칭적인 형상, 균일한 단면, 합리적인 공정 구멍 위치를 최대한 채택하여 열처리 변형을 줄여야 합니다.
5. 미세구조 불균일성
강의 미세구조적 이질성 역시 기어 열처리 왜곡을 초래하는 중요한 요소 중 하나입니다. 불균일한 미세 구조에는 거친 조직, 큰 분리 및 망상 조직 등이 포함됩니다. 이러한 결함은 담금질 과정에서 왜곡 정도를 증가시킵니다. 따라서 기어재료를 준비하는 과정에서 균일하고 미세한 미세구조를 얻기 위해서는 이러한 미세구조적 결함을 최대한 제거해야 한다.
6. 밴드 조직 및 분리
밴딩 구조 및 편석은 강의 일반적인 결함 중 하나이며 기어의 열처리 변형에도 큰 영향을 미칩니다. 줄무늬 구조는 강철 내 합금 원소의 불균일한 분포로 인해 형성되며, 이는 담금질 과정에서 불균일한 응력 분포로 이어져 뒤틀림을 악화시킵니다. 강의 응고 과정에서 용질 원소의 재분배로 인해 편석이 형성되며, 이는 기어 재료의 성능을 불균일하게 만들어 열처리 변형에 영향을 미칩니다.
7. 연속 주조 빌렛 형상
연속 주조 빌렛의 형상도 기어 열처리의 왜곡에 일정한 영향을 미칩니다. 정사각형 연속 주조 빌렛 형태로 생산된 기어의 열처리 변형은 상대적으로 균일한 반면, 직사각형 연속 주조 빌렛 형태로 생산된 기어의 열처리 변형은 뚜렷한 방향성을 갖습니다. 이는 주로 다양한 모양의 연속 주조 빌렛이 냉각 과정에서 다양한 응력 분포를 생성하여 열처리 변형에 영향을 미치기 때문입니다.
8. 필수 입자 크기
고유 입자 크기는 오스테나이트 상태의 강의 입자 크기를 나타냅니다. 고유 입자 크기가 미세할수록 기어 담금질 후 왜곡량이 그에 따라 감소합니다. 이는 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 담금질 과정에서 세립강의 부피 변화가 상대적으로 작아서 뒤틀림이 줄어들기 때문이다. 따라서 기어재료의 준비과정에서는 가급적 세립강을 사용하여야 한다.
9. 블랭크의 원래 구조
기어 블랭크의 원래 구조도 열처리 왜곡에 중요한 영향을 미칩니다. 블랭크의 원래 구조가 고르지 않으면 열처리 중에 기어에 고르지 않은 응력 분포가 발생하여 뒤틀림이 악화됩니다. 따라서 기어 블랭크를 준비하는 과정에서 균일하고 미세한 원형 구조를 얻기 위해서는 원형 구조의 불균일성을 최대한 제거해야 한다.
10. 단조공정
단조 공정은 기어 열처리 왜곡에도 큰 영향을 미칩니다. 완전 단조는 변형을 줄이는 데 도움이 되며, 특히 단조 후 합리적인 금속 유선형 구조가 형성되어 열처리 변형을 줄일 수 있습니다. 합리적인 단조는 단조 빌렛의 편석을 줄이고 구조를 균일하게 하며 밴드 구조를 개선하고 열처리 변형을 줄이는 데 도움이 됩니다. 그러나 단조 공정 중 가열 온도가 고르지 않거나 변형 정도가 고르지 않거나 최종 단조 온도가 높으면 기어 열처리 변형이 증가합니다.
11. 예비열처리
기어 블랭크의 예비 열처리는 최종 열처리 왜곡을 줄이는 데 중요한 역할을 합니다. 일반 정규화를 사용하면 열처리 왜곡이 상대적으로 큽니다. 등온 노멀라이징 또는 담금질 및 템퍼링을 사용하면 열처리 변형을 줄일 수 있습니다. 이는 등온 노멀라이징과 담금질 및 템퍼링을 통해 강의 미세조직을 개선하여 더욱 균일하고 미세하게 만들어 열처리 변형을 줄일 수 있기 때문입니다.
12. 담금질 및 냉각 공정
담금질 및 냉각 공정은 기어 열처리 왜곡 생성의 핵심 링크입니다. 담금질 과정에서는 조직 비체적의 큰 변화, 높은 가열 온도, 강렬한 냉각 등의 요인으로 인해 왜곡이 발생하는 요인이 많이 있습니다. 냉각 속도가 빠를수록 냉각 불균일은 더욱 심각해지고 변형 왜곡도 더욱 심각해집니다. 또한 담금질 냉각 매체의 종류, 냉각 성능, 경화성 등도 변형과 관련이 있습니다. 따라서 담금질 및 냉각 공정 중에 가열 온도, 냉각 속도, 담금질 냉각 매체 유형과 같은 매개변수를 합리적으로 제어하여 열처리 왜곡을 줄여야 합니다.
기어 열처리 왜곡은 여러 요인의 결과입니다. 열처리 왜곡을 줄이기 위해서는 재료선정, 기어설계, 미세구조 제어, 단조공정, 예비열처리, 담금질 및 냉각공정 등 종합적인 관리방안이 필요하다. 이러한 방법으로만 열처리 과정에서 기어의 우수한 성능과 품질을 보장할 수 있습니다.