기어의 열처리 및 기어의 오차와 개념

1. 열처리 종류

철강 재료는 같은 성분이라도 열처리 방법에 따라 조직이 크게 달라질 수 있다.

따라서 열처리를 알맞게 하면 필요에 따라 철강 재료의 기계적 성질과 그 밖의 성질을 변화시켜 사용 용도에 따라 효과적으로 이용할 수 있다.   열처리는 이와 같이 재료에 특별한 성질을 부여하는 것이라 정의할 수 있으며 다음과 같이 분류한다.

① 계단 열처리(interrupted heat treatment)

② 항온 열처리(isothermal heat treatment)

③ 연속 냉각 열처리(continuous cooling heat treatment)

④ 표면 경화 열처리(surface hardening heat treatment)

이중 기어를 열처리하는데 주로 쓰이는 계단 열처리와 표면 경화 열처리에 대해서만 알아보도록 하겠다.

2. 계단 열처리

① 담금질(quenching)

강을 적당한 온도로 가열하여 오스테나이트 조직에 이르게 한 뒤, 마텐자이트 조직으로 변화시키기 위해 급냉시키는 열처리 방법이다.   담금질은 강의 경도와 강도를 증가시키기 위한 것이다.

강의 담금질 온도가 너무 높으면 강의 오스테나이트 결정 입자가 성장하여 담금질후에도 기계적 성질이 나빠지고 균열이나 변형이 일어나기 쉽다. 따라서 담금질 온도에 주의해야 한다.

② 뜨임(tempering)

담금질한 강은 경도가 증가된 반면 취성을 가지게 되고, 표면에 잔류 응력이 남아 있으면 불안정하여 파괴되기 쉽다. 따라서

적당한 인성을 재료에 부여하기 위해 담금질 후에 반드시 뜨임 처리를 해야한다.    즉 담금질 한 조직을 안정한 조직으로 변화시키고 잔류 응력을 감소시켜, 필요로 하는 성질과 상태를 얻기 위한 것이 뜨임의 목적이다.   담금질한 강을 적당한 온도까지 가열하여 다시 냉각시킨다.

③ 풀림(annealing)

일반적으로 풀림이라 하면 완전 풀림(full annealing)을 말한다.   주조나 고온에서 오랜 시간 단련된 금속재료는 오스테나이트 결정 입자가 커지고 기계적 성질이 나빠진다.    재료를 일정 온도까지 일정 시간 가열을 유지한 후 서서히 냉각시키면, 변태로 인해 최초의 결정 입자가 붕괴되고 새롭게 미세한 결정입자가 조성되어 내부 응력이 제거될 뿐만 아니라 재료가 연화된다.    이러한 목적을 위한 열처리 방법을 풀림이라 부른다. 풀림의 목적을 다음과 같이 정리할 수 있다.

a) 단조나 주조의 기계 가공에서 발생한 내부 응력 제거

b) 열처리로 인해 경화된 재료의 연화

c) 가공이나 공작으로 경화된 재료의 연화

d) 금속 결정 입자의 미세화

④ 불림(normalizing)

불림의 목적은 결정 조직을 미세화하고 냉간 가공이나 단조 등으로 인한 내부 응력을 제거하며 결정 조직이나 기계적 성질과 물리적 성질 등을 표준화시키는 데 있다.    강을 불림 처리하면 취성이 저하되고 주강의 경우 주조 상태에 비해 연성이나 인성 등 기계적 성질이 현저히 개선된다.   재료를 변태점 이상의 적당한 온도로 가열한 다음 일정 시간 유지시킨 후 공기 중에서 냉각시킨다.    이렇게 하여 미세하고 균일하게 표준화된 금속 조직을 얻을 수 있다.

3. 표면 경화 열처리

표면 경화 열처리는 재료의 표면만을 단단한 재질로 만들기 위한 방법으로 크게 화학적 방법과 물리적 방법으로 나눌 수 있다. 기어에 적용되는 화학적 방법에는 침탄법(carburizing)과 질화법(nitriding)이 있고, 물리적 방법에는 고주파 표면 경화법(induction hardening)이 있다.

① 침탄법

침탄이란 재료의 표면만을 단단한 재질로 만들기 위해 다음과 같은 단계를 사용하는 방법이다.    탄소함유량이 0.2% 미만인 저탄소강이나 저탄소합금강을 침탄제 속에 파묻고 오스테나이트 범위로 가열한 다음, 그 표면에 탄소를 침입하고 확산시켜서 표면 층만을 고탄소 조직으로 만든다.

침탄 후 담금질하면 표면의 침탄층은 마텐자이트 조직으로 경화시켜도 중심부는 저탄소강 성질을 그대로 가지고 있어 이중 조직이 된다. 표면이 단단하기 때문에 내마멸성을 가지게 되며, 재료의 중심부는 저탄소강이기 때문에 인성을 가지게 된다.

이러한 성질 때문에 고부하가 걸리는 기어에는 대개 침탄 열처리를 사용한다.

침탄법은 침탄에 사용되는 침탄제에 따라 고체침탄과 액체침탄과 가스 침탄으로 나눈다.    특별히 액체 침탄의 경우, 질화도 동시에 어느 정도 이루어지기 때문에 침탄 질화법이라 부른다.

② 질화법

금속 재료 표면에 질소를 침투시켜서 매우 단단한 질소화합물(Fe2N) 층을 형성하는 표면경화법을 질화라 부른다.    이것은 담금질과 뜨임 등의 열처리 후 약 500℃로 장시간 가열한 후 질소를 침투시켜 경화시킨다.   침탄처럼 침탄 후 담금질이 필요 없으므로 다른 열처리 방법에 비해 변형이 매우 작으면 내마멸성과 내식성과 피로 강도 등이 우수하다.    그러나 다른 열처리에 비해 가격이 많이 든다.

질화법은 다음과 같은 특징이 있다.

a) 침탄에 비해 경화층이 얕고 경화는 침탄한 것보다 크다.

b) 마모나 부식에 대한 저항력이 크다.

c) 담금질이 필요없으며 열처리에 의한 재료의 변형이 가장 적다.

d) 600℃ 이하의 온도에서는 재료의 경도가 감소되지 않으며 산화작용도 잘 일어나지 않는다.

③ 고주파 표면경화법

0.4 - 0.5%의 탄소를 함유한 고탄소강을 고주파를 사용하여 일정 온도로 가열한 후 담금질하여 뜨임하는 방법이다.   이 방법에 의하면 0.4% 전후의 구조용 탄소강으로도 합금강이 갖는 목적에 적용할 수 있는 재료를 얻을 수 있다.    표면 경화 깊이는 가열되어 오스테나이트 조직으로 변화되는 깊이로 결정되므로 가열 온도와 시간 등에 따라 다르다.

보통 열처리에 사용되는 가열 방법은 열에너지가 전도와 복사 형식으로 가열하는 물체에 도달하는 방식을 이용하고 있다.  

그러나 고주파 가열법에서는 전자 에너지 형식으로 가공물에 전달되고, 전자 에너지가 가공물의 표면에 도달하면 유도 2차 전류가 발생한다.   이 때 가공물 표면에 와전류(eddy current)가 발생하여 표피효과(skin effect)가 된다.   2차 유도전류는 표면에 집중하여 흐르므로 표면경화에는 다음과 같은 장점이 나타난다.

a) 표면에 에너지가 집중하기 때문에 가열 시간을 단축할 수 있다.

b) 가공물의 응력을 최대한 억제할 수 있다.

c) 가열 시간이 짧으므로 산화나 탈탄 염려가 없다.

d) 값이 싸다.

기어의 오차와 개념

각 등급에 따라 측정할 기어의 오차를 다음과 같이 나눌 수 있다. 먼저 JIS 정밀도 규격에 규정된 기어 오차이다.

a) 단일피치오차

-- 기어의 피치원 상에서 한 개의 이에서 다음 이까지의 원주상 피치를 측정하여 계산상의 피치와 차이를 계산한 값.

b) 인접피치오차

-- 연이어 두 개의 피치를 측정하였을 때 피치의 차이값.

c) 누적피치오차

-- 임의로 인접한 두 개의 기어이 사이의 피치를 측정하였을 때 실제 계산 치수와의 차이 값.

d) 법선피치오차

-- 법선피치를 측정할 때 계산 치와의 차이 값.

e) 치형오차

-- 인볼류트 곡선의 계산치와 가공된 기어의 치형을 측정하였을 때 나온 값과의 차이. 치형오차는 축직각방향의 치형에 대한 것이다.

f) 치홈의 흔들림

-- 볼이나 핀을 양쪽 치면에 접촉시켰을 때 반경방향으로 발생하는 오차의 최대값과 최소값의 차이.

g) 잇줄방향오차

-- 피치원통 상에 있는 기어의 잇줄 오차를 말함.

독일의 DIN 3960 규격에 따르면 다음과 같이 분류된다.

기어 오차 :

단일 오차

종합 오차 - 한쪽치면맞물림오차, 양쪽치면맞물림오차

한조의 기어 오차 :

조립 오차 - 중심거리오차, 축평행오차, 백래시 오차

종합 오차 - 한쪽치면맞물림오차, 양쪽치면맞물림오차

위에 언급한 오차들은 정확한 기어의 등급에 따라 정밀하게 측정하는 값이다.    흔히 기어가 제대로 가공되었는지를 간단하게 알아보기 위해서 기어의 이두께를 측정하거나 두 기어가 맞물리게 하여 백래시를 측정한다.

기어의 이두께는 마이크로미터로 간단히 측정할 수 있으며 백래시의 경우에도 간단한 도구로 측정한다.    기어의 이두께 측정시 필요한 걸치기 잇수와 걸치기 두께는 기어 치수 계산시 계산에 의해 산출된다<기어 치수 계산 참조>

걸치기 잇수와 두께는 기어마다 다르기 때문에 손으로 계산하여 사용하는 것은 매우 번거롭다.    따라서 자동 계산식을 사용하는 것이 편리하다.   또한 내기어의 경우에는 이두께를 측정하기 위해 오버핀법을 사용한다.   이것은 기어 이 사이에 일정한 지름을 가진 볼을 두 개 끼워 넣고, 두 볼 사이의 거리를 측정하는 방법이다.    마이크로미터를 사용하기 어려운 경우 오버핀 측정법을 사용하면 매우 편리하다.

참조> HELLICAL 기어의 경우 상기의 요목표상에 HELLICAL ANGLE과 방향이 표시되는 것이 일반적이다.(예 LEFT / 20 도)