기어의 침탄 및 담금질: 유효경화깊이 균일성과 변형 제어
20CrMnTi 기어를 920-950°C에서 침탄 및 담금질하면 표면 경도 HRC 58-62, 심부 경도 HRC 30-42를 얻을 수 있으며, 변형은 0.05-0.15 mm로 억제됩니다.
침탄 경화가 기어 피로 수명을 연장하는 방법
침탄 및 담금질은 여전히 변속기 기어에 사용되는 주된 표면 경화 방법입니다. 이는 연성 심부에 의해 지지되는 단단한 외층을 형성합니다. 20CrMnTi가 대표적인 예인 저탄소 합금강은 920°C에서 950°C 사이에서 침탄 처리한 후 담금질과 저온 뜨임을 거칩니다. 그 결과 치면은 HRC 58–62에 도달하고 심부는 HRC 30–42를 유지합니다. 피로 수명은 3–5배 향상됩니다. 기어가 최종적으로 달성할 수 있는 정밀 등급은 열처리 변형을 0.05–0.15 mm로 얼마나 엄격하게 억제하느냐에 달려 있습니다.
공정 기초 및 매체 선택
침탄 및 담금질의 메커니즘
탄소가 풍부한 분위기는 0.10%–0.25%C를 함유한 저탄소강 표면으로 확산되는 탄소 원자를 공급합니다. 이후 담금질과 뜨임을 통해 고탄소 마르텐사이트 표면층과 저탄소 뜨임 마르텐사이트 심부로 구성된 경사 조직이 생성됩니다.
세 가지 침탄 매체 비교
- 가스 침탄: 프로판 + 캐리어 가스
- 온도 범위: 920–950°C
- 탄소 침투 속도(mm/h): 0.15–0.35
- 일반 용도: 배치 생산, 기어 침탄 서비스
- 진공 침탄: 아세틸렌
- 온도 범위: 950–1050°C
- 탄소 침투 속도(mm/h): 0.25–0.50
- 일반 용도: 고정밀 기어, 내부 링
- 염욕 침탄: 시안화물 염
- 온도 범위: 900–930°C
- 탄소 침투 속도(mm/h): 0.20–0.40
- 일반 용도: 소형 모듈 기어
진공 침탄은 입계 산화를 완전히 제거하고 변형을 최소로 유지합니다. 정밀 변속기 기어의 경우 이것이 현재 이 방법이 선호되는 이유입니다.
유효 경화 깊이: 권장 값 및 검증
| 검사 방법 | 기어 모듈 m (mm) | 권장 ECD (mm) |
|---|---|---|
| 비커스 경도 HV1 | m ≤ 3 | 0.4–0.8 |
| 비커스 경도 HV5 | 3 < m ≤ 6 | 0.8–1.2 |
| 비커스 경도 HV10 | m > 6 | 1.2–2.0 |
ECD는 표면에서 경도가 550 HV로 떨어지는 지점까지의 수직 거리입니다.
변형의 원인
담금질 중 기어가 얼마나 변형되는지는 여러 요인에 의해 결정됩니다:
- 예비 열처리: 노멀라이징과 고온 뜨임을 조합하면 가공 응력이 감소하고 담금질 변형이 30%–50% 줄어듭니다.
- 담금질 온도: Ac3보다 30–50°C 높은 온도에서 최상의 결과를 얻을 수 있으며, 이를 초과하면 변형 위험이 증가합니다.
- 담금질 매체: 80–120°C로 유지된 열유는 냉유보다 40%–60% 적은 변형을 발생시킵니다.
- 로 적재: 기어를 수직으로 세우거나 전용 지그에 걸어 두십시오. 쌓지 마십시오.
결함, 근본 원인 및 해결책
- 결함 — 경도 부족: 치면이 HRC 55 미만
- 근본 원인: 침탄 농도 부족 또는 담금질 약화
- 해결책: 탄소 포텐셜을 0.8%–1.0%C로 높이고 오일 온도를 확인하십시오.
- 결함 — 과도한 변형: 리드 편차 0.15 mm 초과
- 근본 원인: 불균일한 담금질 응력, 연삭 여유 부족
- 해결책: 응력 제거 어닐링 도입, 기어 블랭크 설계 최적화
- 결함 — 표면 탈탄: 표면에 페라이트 층
- 근본 원인: 로 내 탄소 포텐셜 부족 또는 불량한 밀봉
- 해결책: 로 압력을 조절하고 산소 프로브를 정기적으로 교정하십시오.
- 결함 — 입계 산화: 입계를 따라 검은 네트워크
- 근본 원인: 로 분위기 내 O₂/H₂O 불순물
- 해결책: 고순도 캐리어 가스를 사용하고 진공 침탄을 채택하십시오.
현장 작업 노트
팁 1: 최근 DIN 6에 맞는 m=5 스파이럴 베벨 기어 작업에서 마르템퍼링을 동반한 진공 침탄이 필요했습니다. 세 차례 공정 조정 후 변형이 0.08 mm 이내로 유지되었고 1차 검사 수율이 92%에 도달했습니다.
팁 2: 침탄 전에 650°C × 2시간 응력 제거 어닐링을 추가하면 연삭 균열 발생이 5%에서 0.3% 미만으로 감소했습니다. 추가 비용은 개당 약 $1.2였습니다.
팁 3: 검사 빈도의 경우, 로 부하당 최소 3개의 시편을 금속 조직 검사, 경도 구배 프로파일링 및 파단 분석에 사용하십시오. 대형 모듈 기어를 가동할 때는 모든 기어의 각 치아에서 치면 경도를 확인하십시오.
참고 문헌
- ISO 2639:2002 — 강 — 침탄 및 경화된 케이스의 유효 깊이 측정 및 검증
- AGMA 2001-D04 — 기어의 경화 및 열처리
- PinyiGear 내부 문서 — 열처리 볼륨
- 기어 정밀 제조 역량 및 맞춤형 기어 솔루션 살펴보기
일일 학습 노트 · PinyiGear · 2026-07-10