기어 재료 선택과 열처리 왜곡 관리

A. 왜곡은 어떻게 발생하며 어떻게 억제할 것인가

기어 생산에서 마주치는 문제 중 왜곡은 가장 다루기 어려운 축에 속한다. 치수 초과는 조정으로 교정할 수 있지만 왜곡은 그렇지 않다. 왜냐하면 왜곡은 결코 같은 방식으로 두 번 반복되지 않기 때문이다.

• 왜곡 모드 타원화: 보어 또는 외경이 타원형으로 변함
  • 발생 원인: 불균일한 가열 및 담금질 응력
• 왜곡 모드 테이퍼: 양 끝단의 직경이 다르게 측정됨
  • 발생 원인: 냉각 순서의 차이
• 왜곡 모드 휨: 축이 휘어짐
  • 발생 원인: 잔류 응력 해제와 담금질 응력의 결합
• 왜곡 모드 치형 변화: 정밀도 등급 하락
  • 발생 원인: 침탄 깊이 편차와 조직 응력

실제로 효과가 있는 대책:

1. 400~500°C에서 예비 산화 — 침탄층을 균일하게 하며, 생략은 권장되지 않음
2. 담금질 프레스 — 타원화에 대한 실용적 해답
3. 오일 온도 60~80°C 유지, PAG 농도 5~15%
4. -60~-80°C에서 심냉 — 치수 안정성이 현저히 향상됨
5. 최소 2회 템퍼링, 각 ≥2h — 이것이 실제로 변형 안정성을 고정시킴

결과를 검증하는 방법:

• 보어 타원도는 5~10개 샘플에 대해 에어 게이지로 검사, 기준 ≤0.02mm
• 치형 및 헬릭스 편차는 기어 측정 센터에서 GB/T 10095에 따라 측정

B. 삼각형: 응력, 변형, 정밀도

재료 선택 → 열처리 난이도 → 변형 크기 → 최종 정밀도

각 연결 고리는 다음 단계에 영향을 준다. 선택한 재료는 열처리가 얼마나 어려울지 결정하고, 열처리는 변형이 얼마나 나타날지 결정하며, 변형은 정밀도 목표 달성 가능 여부를 좌우한다.

20CrMo 정밀 기어를 예로 들면: 왜곡이 작게 유지되어 0.15mm 연삭 여유로 충분하다. 같은 기어를 20CrNi2Mo로 제작하면 인성이 높아지지만 변형을 억제하기 어려워져 최소 0.25mm 여유가 필요하다.

기어 제조의 수익성은 재료 비용 대 가공 여유 대 수율의 균형에 달려 있다.

PinyiGear — 정밀 기어 제조 및 전동 부품

C. 강종과 용도 매칭

핵심 아이디어: 강도만으로는 아무것도 결정되지 않는다 — 강재와 용도의 매칭이 결정한다.

• 용도 자동변속기 기어: 20CrMnTi
  • 근거: 최고의 가성비: 침탄 후 심부 인성 + 60HRC+ 표면
• 용도 중하중 기어 샤프트: 42CrMo
  • 근거: 강도 1080MPa+, 대형 단면에 우수한 경화능
• 용도 소형 모듈 정밀 기어: 20CrMo
  • 근거: 침탄 왜곡 최소, 연삭 여유 제어 가능(6등급+)
• 용도 대형 트럭 액슬 기어: 20CrNi2Mo
  • 근거: Ni 첨가로 충격 에너지 63J+ 달성, 큰 충격 하중 처리

선택의 근거가 되는 수치:

• 20CrMnTi (침탄): Rm≥1080MPa, 심부 30~42HRC, 충격 에너지 ≥55J
• 42CrMo (Q&T): Rm≥1080MPa, 경도 269~321HB
• 20CrNi2Mo (침탄): Rm≥1180MPa, 심부 35~45HRC, 충격 에너지 ≥63J

재료가 생산에 투입되기 전에 입고 검사를 실시한다: 분광계로 조성, 만능 시험기로 기계적 성질, 산 세척으로 미세조직. 열처리 배치당 하나의 샘플을 채취한다. 합격 기준은 일반 기공 ≤2등급, 개재물 A/B ≤2.5등급, C/D ≤2.0등급, 결정립도 5~8.

D. 부록: 재료 계열, 침탄 깊이 및 탄소 포텐셜

D1. 기어 재료 계열 한눈에 보기

• 재료 범주 품질 탄소강: 45#, 50#
  • 적용 시나리오: 중저속, 경하중 기어
  • 경도 범위: Q&T 220-280 HB
• 재료 범주 합금 Q&T 강: 40Cr, 42CrMo, 35CrMo
  • 적용 시나리오: 중하중, 중속 기어
  • 경도 범위: Q&T 250-320 HB
• 재료 범주 합금 침탄강: 20CrMnTi, 20CrNi2Mo, 20CrMo
  • 적용 시나리오: 고속 중하중 기어(가장 일반적)
  • 경도 범위: 침탄 58-62 HRC
• 재료 범주 질화강: 38CrMoAl, 40Cr (질화)
  • 적용 시나리오: 내마모 정밀 기어
  • 경도 범위: 질화 850-1100 HV
• 재료 범주 주강: ZG310-570, ZG40Cr
  • 적용 시나리오: 대형 기어
  • 경도 범위: 노멀라이징/Q&T
• 재료 범주 비금속: MC 나일론, POM
  • 적용 시나리오: 저소음, 경하중 기어
  • 경도 범위: —

D2. 침탄 공정과 침탄 깊이 설정

중하중 기어의 80% 이상이 침탄된다. 공정은 다음과 같다:

블랭킹 → 단조 → 노멀라이징 → 황삭 선반 → 반정삭 선반 →
호빙 → 침탄 → 담금질 + 저온 템퍼링 → 숏 피닝 → 정삭 연삭

침탄 깊이를 결정하는 세 가지 방법:

• 모듈로부터: δ ≈ (0.15~0.25) × m
• 치근 응력으로부터: 침탄 깊이 ≥ 1.2 × 굽힘 피로 임계 단면 깊이
• 아래 참조 표로부터

D3. 침탄 깊이가 잘못되었을 때

• 치면 접촉 피로 스폴링: 침탄 시간 연장, 비용 두 배
• 치근 굽힘 강도 부족: 잔류 오스테나이트 증가
• 지지력 부족한 심부 경도: 조대한 표면 탄화물, 취성 증가
• 단기 파손: 조대 결정립, 충격 인성 감소

D4. 심부 경도

침탄 기어의 심부 경도는 침탄층만큼 중요하다. 목표는 30-45 HRC이며, 피니언은 상한, 기어는 하한으로 한다. 25 HRC 미만이면 치근 피로 파괴 위험이 증가한다. 48 HRC 초과면 인성이 떨어져 충격 파손 가능성이 높아진다. 담금질 온도, 냉각 속도, 적절한 경화능의 재료가 이 범위를 유지하는 수단이다.

D5. 20CrMnTi와 침탄 깊이에 대한 오해

중국 기어 산업의 60% 이상이 20CrMnTi를 사용하며, 그 이유는 분명하다. Ti는 결정립을 미세화하여 침탄 중 결정립 성장이 낮게 유지된다 — 냉각 후 직접 담금질이 가능하며 2차 가열이 필요 없다. 경화능은 적당하여 심부 경도를 30-42 HRC로 어렵지 않게 유지한다. 가격도 합리적이고 공급망도 성숙했다.

한 가지 주의할 점: 20CrMnTi는 고온에서 침탄하는 경향이 있으므로 탄소 포텐셜을 ≤1.1%로 유지해야 하며, 그렇지 않으면 탄화물이 한계를 초과할 수 있다.

깨야 할 습관은 침탄 깊이를 상한 또는 그 이상으로 맞추는 것이다. 과도한 침탄 깊이는 표면 압축 응력 분포를 저하시켜 피로 수명이 실제로 떨어질 수 있다. 침탄 깊이 1mm 추가마다 930°C에서 약 6-8시간이 소요되어 비용이 급격히 상승한다. 올바른 접근은 치근 응력장 시뮬레이션으로 최소 안전 침탄 깊이를 도출하고 0.1-0.2mm 여유만 남기는 것이다.

D6. 침탄 후 숏 피닝

침탄 및 담금질 후 숏 피닝을 적용하면 치근 표면에 300-800 MPa 잔류 압축 응력이 생기고 굽힘 피로 수명이 2-5배 증가할 수 있다. 중요한 파라미터는 알멘 강도 0.3-0.5A와 커버리지 ≥100%이다. 대형 모듈 기어에는 더 큰 직경의 숏 미디어(S170-S230)가 필요하다.

D7. 세 단계 탄소 포텐셜

PinyiGear의 다목적 로 침탄은 세 단계 탄소 포텐셜 프로파일을 따른다:

1. 부스트 단계(탄소 포텐셜 1.0~1.2%C): 빠른 탄소 흡수, 층 깊이가 여기서 제어됨
2. 확산 단계(탄소 포텐셜 0.8~1.0%C): 탄소가 내부로 이동, 표면 농도 감소
3. 냉각 단계: 담금질 온도까지 냉각, 보호 분위기 유지

D8. 재료 선택 빠른 참조 표

D9. 이 기초가 중요한 이유

재료를 선택하고 침탄 깊이를 정하는 것은 기어 품질의 기초를 형성한다. 둘 중 하나라도 잘못되면 이후의 모든 정밀 연삭 단계가 낭비된다. 업계 데이터에 따르면 초기 기어 고장의 80% 이상이 열처리로 거슬러 올라간다 — 너무 얕은 침탄층 또는 너무 큰 왜곡.