KR100248825B1 - 금속의 담금질 냉각액 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속의 담금질 냉각액에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폴리 알킬렌 글리콜(Poly Alkylene Glycol : PAG)의 열 분리성(역용해성)을 이용하여 농도 및 온도, 유속에 의해 물과 같은 냉각속도에서 기름과 같은 냉각속도 까지 다양하게 얻을 수 있도록 함으로서 환경친화성, 방청성, 소포성, 내부패성, 내산성 등의 성질을 갖는 다른 물질과의 혼합으로 인한 환경에 영향을 주지않으면서도 고온에서는 폴리 알킬렌 글리콜(PAG) 자체가 금속표면에 막을 형성하여 금속표면의 열을 균일하게 유지시킴에 따라 금속 담금질시 급속냉각에 의한 균열을 방지하도록 하는 금속의 담금질 냉각액에 관한 것이다.

이를 위하여, 본 발명은, 금속의 담금질 냉각액에 있어서, 물 30∼60%와, 옥시 에틸렌 50∼80% 및 옥시프로필렌 20∼50%의 중합비로 이루어진 폴리 알킬렌 글리콜(PAG) 30∼60%와, 산화지방산 탄화수소 2∼5%와, 아세트산 0.5∼5%이 혼합 형성된 것에 특징이 있다.

Description

금속의 담금질 냉각액

본 발명은 금속의 담금질 냉각액에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폴리 알킬렌 글리콜(Poly Alkylene Glycol : PAG)의 열분리성(역용해성)을 이용하여 농도 및 온도, 유속에 의해 물과 같은 냉각속도에서 광유(oil)와 같은 냉각속도 까지 다양하게 얻을 수 있도록 함으로서 환경친화성, 방청성, 소포성, 내부패성, 내산성등의 성질을 갖는 다른 물질과의 혼합으로 인한 환경에 영향을 주지않으면서도 고온에서는 폴리 알킬렌 글리콜(PAG) 자체가 금속표면에 막을 형성하여 금속표면의 열을 균일하게 유지시킴에 따라 금속 담금질시 급속냉각에 의한 균열을 방지하도록 하는 금속의 담금질 냉각액에 관한 것이다.

일반적으로 금속재료가 각종 사용 목적에 따른 기능을 충분히 발휘하려면 각 용도에 적당한 성분을 선택해야 하고, 그 재료의 내부 결정조직이 목적하는 용도에 가장 적합한 상태로 조절되는 것이 필요하며, 이 조절 방법으로 금속을 적당한 온도에 가열 및 냉각 등의 조작을 하여 특별한 성질을 부여하는 열처리를 수행하게 된다.

따라서 상기의 열처리의 방법으로서는 담금질(quenching), 뜨임(tempering), 풀림(annealing), 불림(normalizing) 등이 있고, 이중에서 담금질은 고온으로 달구어진 금속을 급냉시켜 경화시키는 방법으로서 가장 많이 이용되고 있으며, 금속의 담금질 효과의 요인으로서는 담금질 온도, 냉각속도, 질량 효과 등이 있으나, 그중에서 냉각속도가 가장 중요하고, 이러한 냉각속도는 냉각액과 밀접한 관계가 있다.

즉, 냉각액은 보통 물과 기름이 많이 사용되며, 기타 소금물, 비눗물 및 용융염 등이 사용된다. 일반적으로 탄소강, 텅스텐강 및 망간강철 등에는 물을 사용하고, 기타 특수강에는 기름을 사용한다.

그러나 상기와 같이 냉각액으로서 물과 기름을 사용하여 담금질을 실시할 경우 금속표면은 급격한 냉각으로 인하여 수축이 생기나 금속내부는 냉각이 느려서 내부가 나중에는 퍼얼라이트로 변하여 팽창되는 결과로 균열이 담금질 직후에 발생하게 되고, 또한 외부가 마르텐사이트로 변하여 팽창하므로 전술한 바와 같은 반대의 현상으로 담금질 후 2∼3분 후에 균열이 발생하게 된다.

이와 같은 균열은 금속재료의 질을 현격히 감소시키게 되어 제품으로서의 기능을 상실하게 되며, 이러한 균열을 방지하기 위해서는 소재의 단면적, 두께, 등이 변화하는 곳, 구멍이 뚫린 곳, 기타 형상이 복잡한 곳에는 급격한 냉각속도를 피하고, 250℃ 부근에서 냉각속도를 감속시켜야 한다.

그러나 상기와 같은 방법은 냉각액의 종류에 따라 냉각속도가 불규칙하고, 또한 금속재료의 탄소 함유량에 따라 담금질 온도가 다르게 형성되므로 사실상 균열 발생을 방지할 수 없을 뿐만아니라 담금질 자체가 인위적으로 수행됨으로서 금속재료의 탄소 함유량과 냉각액의 종류에 따라 규칙적이고 정밀한 담금질이 불가능하여 균열방생을 제거할 수 없음은 물론, 냉각액을 물로 사용할 경우 증기막이 발생하게 되며, 냉각액을 기름으로 사용할 경우 발생되는 매연으로 인하여 공장환경 및 대기오염의 원인이 되며, 일정기간 사용후 폐유의 처리과정에서 많은 비용이 소모되는 등의 문제점이 있는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 옥시에틸렌(oxyethylene)과 옥시프로필렌(oxypropylene)이 소정의 중합비로 이루어진 폴리 알킬렌 글리콜(Poly Alkylene Glycol : PAG)과, 산화지방산탄화수소 및 아세트산(Acetic Acid), 그리고 물을 적정비율로 혼합하여 냉각액을 제조함으로서 상기 냉각액의 주성분인 폴리 알킬렌 글리콜의 역용해성 성질에 근거하여 냉각액의 온도조절로 인해 냉각속도를 조절하고, 폴리 알킬렌 글리콜의 농도차이로 인해 다양한 냉각능 값을 얻을 수 있으며, 냉각수의 유속조절로 인해 냉각속도를 조절할 수 있게 함으로서 담금질의 구조물이 복잡한 형상일지라도 균일한 경화가 이루어질 수 있는 금속의 담금질 냉각액을 제공하는 본 발명의 목적이 있는 것이다.

이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 금속의 담금질 냉각액에 있어서, 물 30∼60%와, 옥시에틸렌 50∼80% 및 옥시프로필렌 20∼50%의 중합비로 이루어진폴리알킬렌 글리콜(PAG) 30∼60%와, 산화지방산 탄화수소 2∼5%와, 아세트산 0.5∼5%이 혼합 형성된 것에 특징이 있다.

제1도는 본 발명에 따른 금속의 담금질 냉각액의 제조공정도.

제2도는 본 발명에 따른 냉각액의 온도별 냉각능 값을 나타낸 그래프.

제3도는 본 발명에 따른 냉각액의 농도별 냉각능 값을 나타낸 그래프.

제4도는 본 발명에 따른 냉각액의 농도별 냉각속도를 나타낸 그래프.

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 본 발명에 따른 금속의 담금질 냉각액의 제조공정을 도시한 것으로서, 먼저 미도시된 교반기에 물 30∼60%를 주입한 다음, 옥세에틸렌 50∼80%와 옥시 프로필렌 20∼50%의 중합비를 가진 폴리 알킬렌 글리콜(PAG)을 30∼60% 투입하여 40∼50℃ 온도에서 약 60분간 1차로 혼합한 후, 산화지방산 탄화수소 2∼5%를 추가 투입하여 약 10분간 2차 혼합하고, 아세트산 0.5∼5%를 투입한 다음 30℃에서 30분간 3차 혼합을 실시하여 금속의 담금질 냉각액의 제조를 완료한다.

여기서 금속의 담금질 냉각액의 주원료이며, 옥시에틸렌 50∼80%와 옥시프로필렌 20∼50%의 중합비를 가진 폴리 알킬렌 글리콜(PAG)은 화장품 및 의약품에도 많이 사용되는 알콜로서 흔히 보습제로 사용되는 글리세린 보다 저독성이며, 배수시에도 희석 상태일 때는 생물에 거의 무해하며 생물학적 산소요구량(BOD)도 적을 뿐 아니라 장기간에 걸쳐 미생물에 의해 분해되므로 0.1%정도 이하로 희석해서 폐기하면 수질오염이 문제되지 않는다.

또한 대기오염에 대해서는 담금질이 행해지는 로내(爐內)온도가 350℃ 이상일때는 완전 분해되어 탄산가스와 수증기가 되므로 문제가 없으며, 350℃ 이하의 경우에는 유독가스나 매연 등이 발생되지 않으므로 특별한 대기오염 방지시설은 필요하지 않게 된다.

그리고 상기 산화지방산 탄화수소는 금속의 발청(녹)을 방지하기 위한 것이며, 아세트산은 냉각액의 냉각속도를 일정하게 유지할 수 있는 기능을 갖게 된다.

따라서 상기와 같은 물, 폴리 알킬렌 글리콜(PAG), 산화지방산 탄화수소, 아세트산의 성분과 다수의 혼합과정을 거쳐 제조된 냉각액을 담금질이 이루어지는 로내에 투입한 후 고온으로 달구어진 금속재를 냉각액에 침적하게 되면 상기 금속재의 열에 의해 냉각액의 온도가 급격히 상승하게 된다.

이때 냉각액의 온도가 74∼88℃ 이하에서는 주성분인 폴리 알킬렌 글리콜(PAG)이 물에 완전히 용해되어 금속재 표면에 폴리 알킬렌 글리콜(PAG) 막이 형성되어 증기막 생성을 억제하고, 열을 일정하게 전달하여 금속재 표면에 균일한 경화가 이루어지는 한편, 침적된 금속재에 의해 냉각액의 온도가 89℃ 이상으로 상승하게 되면 폴리 알킬렌 글리콜(PAG)의 역용해성의 성질에 의해 일정 점도를 가지는 유기폴리머로 형성됨으로서 상기 유기폴리머에 의해 금속재 내부에 일정한 온도로 전달됨에 따라 금속재 표면에서와 같이 균일한 경화가 이루어지게 되는 것이다.

일예로서 폴리 알킬렌 글리콜(PAG)을 20% 희석액에서 온도별 냉각능을 제2도에 도시된 냉각액의 온도별 냉각능 값을 나타낸 그래프에 의해 살펴보면, 담금질 대상의 금속재가 600∼750℃의 특성 온도를 가지며, 냉각액의 온도가 상승하면 최대 냉각속도와 그 점의 온도가 낮아지고, 증기막 단계의 기간이 길어지게 되어 냉각속도가 느려지며, 반대로 액온이 낮으면 냉각속도가 빨라지게 된다. 냉각액은 보통 상온 60℃ 범위에서 사용하게 되며, 냉각액의 온도조절은 온도센서 및 히터와 열교환장치 등을 이용할 경우 쉽게 관리할 수 있음으로서 냉각액의 조절로 다양한 냉각효과를 얻을 수 있어 결국 폴리 알킬렌 글리콜(PAG)의 온도를 조절하여 냉각능 값과 냉각속도를 조정이 가능하여 금속의 재질에 따라 다양한 냉각속도의 조절이 용이하여 균일한 담금질이 이루어질 수 있는 것이다.

한편, 냉각액의 주성분인 폴리 알킬렌 글리콜(PAG)의 농도가 높으면 기름과 유사한 냉각속도로 되며, 반대로 농도가 낮으면 물과 근접한 냉각속도가 됨으로서 폴리 알킬렌 글리콜(PAG)의 농도 차이로 인하여 다양한 냉각능 값을 얻을 수 있다.

그리고 제3도에 도시된 냉각액의 농도별 냉각능 값을 나타낸 그래프에서와 같이 담금질 대상의 금속재가 600∼750℃의 특성 온도를 나타내며, 폴리 알킬렌 글리콜(PAG)의 농도가 30%인 경우 냉각능은 늦어지며, 폴리 알킬렌 글리콜(PAG)의 농도가 5%일 때 냉각능이 빨라짐을 알 수 있다.

그리고, 제4도에 도시된 냉각액의 농도별 냉각속도를 나타낸 그래프에서와 같이 폴리 알킬렌 글리콜(PAG)의 농도가 5%일 경우 냉각속도가 매우 빨라 물과 같은 냉각액의 효과를 얻고, 폴리 알킬렌 글리콜(PAG)의 농도가 30% 일 때 냉각속도가 느려 기름과 같은 냉각액의 효과를 얻음으로서 결국 폴리 알킬렌 글리콜(PAG)의 농도를 조절하여 냉각능 값과 냉각속도를 조정이 가능하여 금속의 재질에 따라 다양한 냉각속도의 조절이 용이하여 균일한 담금질이 이루어질 수 잇는 것이다.

또한, 담금질이 이루어지는 로내에 프로펠러 유속 조절방법이나, 펌프유량 조절방식 등 냉각액의 유속을 다양하게 조절하여 냉각속도를 원하는 작업조건에 조절할 수 있는 것이다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 물, 폴리 알킬렌 글리콜(PAG), 산화 지방산 탄화수소, 아세트산의 성분과 다수의 혼합과정을 거쳐 금속의 담금질 냉각액을 제조함으로서 저농도에서는 수냉의 효과를 얻을수 있고, 고농도에서는 빠른 기름의 냉각효과를 가질수 있어 구조용강은 물론 공구강 합금공구강, 각종주철의 열처리 및 연속주조와 중탄소합금강의 단조품 등을 균일하게 담금질이 가능하게 된다.

또한, 열처리시 공해방지로 연기와 그을음이 없고 폐액처리가 필요 없어 작업환경이 깨끗하여 기름에 의한 화재로부터 위험성이 전혀없으며, 공정비용의 절감으로 변형이 적고 경도 불균일이나 균열이 발생하지 않아 재처리가 감소되며, 템퍼링 전에 탈지 처리공정을 없앨수 있을 뿐만 아니라 재료비용의 원가하락, 기계적 성질이 향상되어 보다 값싼 소재를 사용할 수 있어 재료 구입 원가가 절감되며 수용성 열처리 금속재에 묻어나는 양이 적으므로 냉각액의 소모가 적은 이점이 있는 것이다.

그리고 다양성을 갖는 열처리 냉매로서 농도, 액온, 유속 등의 변화로 물과 같은 냉각속도를 얻을수 있고 고온에서는 유속을 느리게 하거나 정지시켜 이상적인 냉각이 이루어짐은 물론, 반영구적인 효과로 열화, 분해, 변질등이 없으므로 전량 교체할 필요가 없으며, 농도관리가 편리하고 거품이 억제되어 사용이 간편하며 자제 방청력만으로 제품이나 설비에 녹이 발생되지 않는 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

1. 금속의 담금질 냉각액에 있어서, 물 30∼60%와, 폴리 알킬렌 글리콜(PAG) 30∼60%와, 산화지방산 탄화수소 2∼5%와, 아세트산 0.5∼5%이 혼합 형성된 것을 특징으로 하는 금속의 담금질 냉각액.
2. 제1항에 있어서 상기 폴리 알킬렌 글리콜(PAG)은, 옥시에틸렌 50∼80%와 옥시프로필렌 20∼50%의 중합비로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속의 담금질 냉각액.