기어 침탄 및 담금질에서의 유효 경화 깊이 제어

20CrMnTi 강의 기어 침탄 및 담금질이 유효 경화 깊이를 어떻게 제어하는지 알아보세요. 목표 DS 0.8-1.5mm 및 표면 경도 58-62HRC.

핵심 요약: 20CrMnTi 기어 강을 침탄할 때, 유효 경화 깊이(DS)가 0.8-1.5mm 사이이면 미세 조직이 안정적으로 유지됩니다. 탄소 포텐셜을 1.0%C-1.2%C로 유지하면 원하는 침상 또는 미세 침상 마르텐사이트가 생성되며, 표면 경도는 58-62HRC에 도달합니다. 경화 깊이가 2.0mm를 넘으면 잔류 오스테나이트가 일반적으로 15% 임계 한계를 초과하고 피로 수명이 떨어집니다.

1. 공정 기초

침탄 후 담금질은 복합 열처리입니다. 저탄소 강 기어를 탄소가 풍부한 분위기에서 유지하여 탄소가 표층으로 확산되게 한 다음 급랭하여 단단한 마르텐사이트 경화층을 만듭니다. 목적은 내마모성의 단단한 표면과 충격을 흡수하는 인성 코어를 결합하는 것으로, 변속기 기어에 요구되는 가장 상충되는 두 가지 요구 사항입니다.

1.1 세 단계

  • 승온/균열 단계: 850–930°C
    • 사이클 비중: 15–20%
    • 주요 설정: 가열 속도 ≤100°C/h
  • 부스트(침탄) 단계: 920–950°C
    • 사이클 비중: 50–60%
    • 주요 설정: CP 1.05-1.20%C, 경화 깊이 공식에 따른 시간
  • 확산 단계: 880–920°C
    • 사이클 비중: 20–30%
    • 주요 설정: CP를 0.80-0.95%C로 낮춤, 구배 균질화

1.2 경화 깊이 추정

현장에서 사용하는 실용적인 규칙은 다음과 같습니다:

유효 경화 깊이 ( DS = k \times \sqrt{t} )

PinyiGear 생산 기록에서:

  • 920°C에서 부스트: DS(mm) ≈ 0.65 × √t(h)
  • 940°C에서 부스트: DS(mm) ≈ 0.78 × √t(h)

DS=1.2mm의 경우, 920°C 경로는 약 3.4시간의 부스트가 필요하고, 940°C는 이를 약 2.4시간으로 줄입니다. 그러나 20°C씩 올릴 때마다 입자 조대화 위험이 현저히 증가합니다.

2. 결과를 좌우하는 파라미터

2.1 탄소 포텐셜

가스 침탄 변수 중 탄소 포텐셜이 가장 중요합니다. 이는 로 분위기와 접촉하는 강 표면의 평형 탄소 함량을 나타냅니다. 제어 방법은:

  • 부스트: 1.05-1.20%C, 급경사 구배로 탄소를 내부로 밀어 넣음
  • 확산: 0.80-0.95%C, 입계 탄화물 네트워크 억제
  • CP가 너무 높으면 잔류 오스테나이트가 20% 이상 남고 입계를 따라 네트워크 탄화물이 생김
  • CP가 너무 낮으면 침탄이 느려지고 경화층이 얕아지며 표면 경화가 부족함

2.2 담금질 매체 및 냉각

변형강종담금질 매체교반코어 경도
중간20CrMnTi고속 담금질 오일높음 (1500rpm)35-42HRC
최소20CrNi2Mo마르템퍼링 오일중간 (800rpm)38-45HRC
낮음8620H고온 오일 (120°C)중간32-38HRC

2.3 미세 조직 목표 (ISO 6336 / GB/T 3480)

사양세부 사항
마르텐사이트ISO Class 3-5, 미세 침상 마르텐사이트 선호
잔류 오스테나이트≤15%, 정밀 기어의 경우 ≤10%
탄화물네트워크 탄화물 없음; 최대 2µm의 고립 구상 탄화물은 허용
코어 페라이트부피 기준 ≤1%

3. 결함, 원인 및 해결책

  • 결함: 얕은 경화층: DS가 사양 미달
    • 근본 원인: 시간 부족 또는 낮은 CP
    • 대책: 부스트 시간 연장, O₂ 프로브 재교정
  • 결함: 낮은 표면 경도: <58HRC
    • 근본 원인: 잔류 오스테나이트 과다
    • 대책: 심냉 처리 (-80°C) 또는 확산 시간 연장
  • 결함: 공차 초과 변형: 치형 또는 치선 편차
    • 근본 원인: 불균일한 담금질 응력
    • 대책: 오일 입수 방향 조정, 예비 산화 추가
  • 결함: 네트워크 탄화물: 입계에 연속 탄화물
    • 근본 원인: 확산 시간 너무 짧음
    • 대책: 확산 시간 연장, 확산 CP 낮춤

4. 현장 실무

  1. 매일 탄소 포텐셜을 확인하세요 — 이것이 최우선입니다. 산소 프로브는 매월 교정해야 하며, 강박 탄소 시험(±0.05%C)으로 교대조마다 판독값을 확인해야 합니다. 그렇지 않으면 어떤 공정 파라미터도 신뢰할 수 없습니다.
  2. 고정밀 기어에는 심냉 처리가 필요합니다. DS≥1.5mm인 기어의 경우, 담금질 후 -80°C×2h 심냉 단계를 거치면 잔류 오스테나이트가 15–20%에서 5–8%로 줄어들어 치수 안정성이 크게 향상됩니다.
  3. 예비 산화를 생략하지 마세요. 380–420°C×30min 예비 산화 단계는 표면에 Fe₃O₄ 핵생성 사이트를 만들어 침탄 균일성을 30% 이상 향상시킵니다.
  4. 변형 제어는 블랭크에서 시작됩니다. 단조 노멀라이징 후 경도 균일성(≤10HB 편차)은 최종 변형에 침탄 공정 자체보다 더 큰 영향을 미칩니다.

5. 표준 및 출처

  • GB/T 3480-2019 기어 하중 용량 계산
  • ISO 6336-5:2016 기어 강도 계산 (재료 및 열처리)
  • JB/T 6141.2-2018 기어 침탄 및 담금질 공정 사양
  • PinyiGear 공장 공정 매뉴얼

관련 읽기: 침탄 전 기계 가공 요구 사항은 기어 블랭크 준비 및 노멀라이징에서 다룹니다. 특정 기어 재료에 대한 열처리 공정 카드는 기어 가공 능력에서 확인할 수 있습니다.

문서 번호: GL-TN-20260713 | 카테고리: 열처리 | 미리보기: 기어 연삭 소손의 검출 및 제어

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