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■ 기어(Gear) 열처리 종류 및 사용 재질
1. 열처리
기어는 형상이 복잡하고, 기계적 성질도 내마모성이 요구되고 또 동적인 반복 충격에 강하고 게다가 변형이 극히 적어야 하는 등 서로 상반된 성질을 매우 높은 수준까지 요구한다. 따라서 이러한 요구조건을 만족할 수 있는 열처리는 대단히 어렵다.
열처리 방법은 여러 가지가 있고 각각 요구하는 바에 따라 그 재료의 선택과 열처리를 결정하고 있으며 이들 둘 사이에는 밀접한 관계가 있다. 기어재료는 치수정도를 확실히 보증하고 가공변형, 열변형, 경년변형(經年變形)을 방지하기 위하여 열처리를 황삭(荒削)뒤에 반드시 실시하는 것을 원칙으로 한다.
◎ 참고 열처리 용어
현장에서 사용하는 열처리 용어는 한글, 일본어, 영어 등이 동시에 사용되고 있다. 최근 교육받은 엔지니어는 우리말과 영어는 친숙하나 일본식 용어를 알아듣는데 어려움이 많다. 소준, 소둔, 소입, 소려, 야끼이레... 이래서는 무슨 말인지 도저히 알 수 없다. 참고삼아 열처리 용어를 정리해 본다.
⊙ 불 림 : 고름질, 燒準(やきならし 야끼나라시), Normalizing
⊙ 풀 림 : 어닐링, 燒鈍(やきなまし 야끼나마시), Annealing
⊙ 담금질 : 담금질, 燒入(やきいれ 야끼이레), Quenching
⊙ 뜨 임 : 되달굼, 燒戾(やきもどし 야끼모도시), Tempering
2. 열처리 방법 선정 기준
⊙ 침탄 열처리 : 마찰 속도가 느리고, 마찰압력이 크고 형상이 복잡할 때.
⊙ 고주파 열처리 : 침탄과 같은 조건에서 형상이 간단할 경우.
⊙ 질화 열처리 : 마찰 속도가 빠르고, 마찰압력이 낮고, 충격응력이 적을 때.
3. 열처리 방법에 따른 사용 가능 소재
3.1 침탄열처리(Carburizing)
침탄열처리는 일반적으로 저탄소강의 표면에 탄소(C)를 확산 시켜 탄소 함량을 0.8 ~1.0%로 처리하여 사용한다. 탄소량이 0.25% 이하 함량의 강이 사용된다. 침탄한 강은 침탄층만 경도와 내마모성이 크고 비침탄한 부분은 강인한 것이 필요하다.또한 형상이 복잡한 부품에 사용되므로 담금질성이 좋고 열변형이 적은 것이 요구된다. 침탄 열처리하는 소재 강의 예는 SCr415, SCr420, SCM415, SCM420, SNCM220, SNCM420, SNCM616 등이 있다.
침탄 깊이는 대략 아래의 기준으로 정한다.
0.15 이하 : 내마모성만을 필요로 하고 강도는 별로 중요시되지 않는 부품
예) Shift Fork, Pump Shaft
0.5 ~ 1.0 : 내마모성과 동시에 높은 하중에 대한 강도를 필요로 하는 부품
예) Mission Gear, Steering Arm, Ball Stud, Valve Rocker
1.0 ~ 1.5 : Sliding 및 회전등의 마모에 대한 고압하중, 반복굴곡 하중에
견디는 강도를 요구하는 부품
예) Ring Gear, Drive Pinion, Piston Pin, Cam Shaft,
Gear Shaft, Roller Bearing
1.5 이상 : 고도의 충격적 마모, 비교적 고도의 반복하중에 충분히 견디는
부품
예) Connecting Shaft, Cam
☞ 최대전단 강도 고려한 기어의 침탄 경화 깊이
깊이 = Module x 0.15 ( 또는 0.18 ) ≤ 2 mm 이하
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Module
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침탄 깊이 mm
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1.0 ~ 1.5
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0.2 ~ 0.3
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1.5 ~ 2.0
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0.4 ~ 0.7
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2.0 ~ 2.75
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0.6 ~ 1.0
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2.75 ~ 4.0
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0.8 ~ 1.2
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4.0 ~ 6.0
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1.2 ~ 1.7
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9.0 ~ 12.0
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1.3 ~ 2.0
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3.2 고주파 열처리
내마모성을 주거나 피로강도 개선 목적. 강재 내에 존재하고 있는 C를 이용하므로 탄소함량 0.35 ~ 0.60 %정도의 강이 적당하다. 고주파 처리된 조직이 중요하므로 Normalize, QT 처리 반드시 필요하다. 고주파 열처리 실시 강에는 SM40C, SM45C, SM53C, SCM435, SCM440 등이 있다.
3.3 질화처리
내마모성 향상시키고 열처리시 변형을 최소화 할 필요가 있는 부품. 질화처리 할 수 있는 강은 SUS강을 제외한 거의 모든 강재에 적용할 수 있다.
4. 참고문헌
1) Darle W. Dudley, Handbook of Practical Gear Design. MacGraw-Hill, 1984
2) 長岡齒車製作所, 齒車計算ハンドブック, 啓學出版. 1983
3) 기어편람 편집위원회, 기어편람, 도서출판 技多利, 1988
☞ 주) 본 내용은 위의 참고문헌과 기타의 자료를 기반으로 기어의 열처리에 대한 일반적인 내용을 간략하게 정리한 내용입니다. 따라서 기어 열처리의 절대적인 기준이 아님을 유념하여 주시길 바랍니다.
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