KR100521595B1 - 열변형 저감을 위한 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소입시 소입냉매(오일)의 교반조건을 기존의 방식과는 달리 연속식 냉각방식에서 시퀀스 제어식 냉각방식으로 공법을 변경함으로써, 안정적인 소입조건의 확보와 충분한 냉각효과를 얻을 수 있고, 궁극적으로 열변형의 최소화로 고품질을 제품을 얻을 수 있도록 한 열변형 저감을 위한 열처리 방법에 관한 것이다.

본 발명은 침탄 또는 침탄/질화 열처리단계와 소입단계를 포함하는 열처리 방법에 있어서, 상기 소입단계에서는 소입냉매 교반시 적어도 2차례의 교반 일시 중지과정을 수행하는 것이 특징이다.

Description

열변형 저감을 위한 열처리 방법{Heat treatment method for decreasing thermal deformation}

본 발명은 열변형 저감을 위한 열처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 침탄 또는 침탄/질화 열처리 후 소입단계에서 냉각이 불안정한 단계에서는 교반을 중단하고 냉각이 활발히 진행되는 단계에서는 교반을 수행하는 시퀀스 제어식 냉각방식을 적용함으로써, 안정적인 소입조건을 확보하여 충분한 냉각효과를 얻을 수 있으며, 이에 따라 열변형 최소화로 품질을 향상시킬 수 있고, 제품별 품질의 균일성을 향상시킬 수 있는 열변형 저감을 위한 열처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 강은 철(Fe) 중에 탄소(C)를 0.02∼2.0% 정도 함유하는 합금으로 탄소의 양이 적으면 연하나 인성이 있고, 탄소의 양이 많으면 경하나 취약한 성질을 갖는다.

따라서, 기계의 부품 재료로서는 사용 목적에 따라 탄소를 표면부에는 많게 분포시키고 중심부에는 적게 분포시키면 표면은 경하여 내마모성이 좋고 중심부는 연하고 인성이 있어 전체로서는 취약성에 의한 파괴를 피할 수 있다.

이와 같은 제품을 만들기 위해서는 저탄소재료를 절삭가공한 후, 그 표면에 탄소를 확산시켜 고탄소의 합금층을 만드는 조작을 하는데, 이러한 과정을 침탄(Carburizing)이라고 한다.

침탄에는 고체침탄법, 가스침탄법, 액체침탄법이 있으며, 본 발명에서는 이러한 여러 침탄법 중에서 액체침탄법을 그 안출의 대상으로 한다.

상기 액체침탄법은 시안화나트륨(NaCN)을 주성분으로 하는 염욕(鹽浴) 내에 제품을 넣어서 침탄시키는 방법으로 가열온도는 보통 750∼900℃이다.

이러한 액체침탄법에서는 침탄과 함께 질화도 일어나므로 침탄질화법(Carbo-nitriding)이라고도 한다.

시안화나트륨의 분해로 일산화탄소와 질소 가스가 발생하고, 이것이 강의 표면에서 분해하여 탄소와 질소를 생성함으로써 침탄과 질화가 일어나는 것이다.

통상 트랜스미션 기어류는 침탄 또는 침탄/질화 열처리하여 강의 피로강도를 향상시킨다.

예를 들면, 도 1에 도시한 바와 같이, 탈지 →침탄 또는 침탄/질화 →소입(Quenching) →세정 →소려(Tempering) →숏 블라스트 또는 숏 피닝으로 진행되는 열처리 공정을 거친다.

위와 같은 열처리 공정 중 열변형에 영향을 주는 인자로서 침탄온도, 침탄시간, 소입냉매, 소입온도 등이 있으며, 특히 소입시에는 필연적으로 열변형이 수반되면서 벤딩, 치형 변형 등의 품질저하가 일어나므로, 후공정에서 치연마, 호닝 등의 방법을 적용하여 열변형을 수정하고 있는 실정이다.

그러나, 근본적으로 열변형을 최소화시켜야 후공정에서의 치연마, 호닝 등의 방법도 효과를 극대화할 수 있다.

침탄 열처리 후 소입시 열변형을 최소화하기 위한 방법으로는 소입냉매 선택, 소입온도 설정 등 여러가지 방법이 있다.

열변형을 최소화하기 위한 기존의 일반적인 방법으로는 소입냉매(오일 또는 솔트)의 온도를 저하시키는 냉각방식이 있으며, 이때 가장 많이 쓰이는 냉각방식으로는 교반 펌프 또는 애지테이터(Agitator)를 연속적으로 가동하는 냉각방식이다.

즉, 교반 펌프 또는 애지테이터가 상시 가동되는 상태에서 가열 침탄된 제품이 오일 탱크 내로 침전되어 소입이 진행된다.

그러나, 위의 냉각방식은 교반상태에서 소입시 제품에 흔들림이 일어나고, 또 제품의 냉각이 급격히 이루어지면서 변형이 발생하는 문제가 있다.

이렇게 종전과 같이 교반 펌프 또는 애지테이터를 연속적으로 가동하면서 소입냉매의 온도를 저하시켜 열변형을 최소화시키는 방법은 그 한계에 도달한 실정이며, 현재까지의 기술로는 더 이상의 열변형을 최소화하기란 거의 불가능하다.

또한, 소입냉매의 신규 개발 등의 노력도 지속적으로 이루어지고 있으나, 열처리 공법 자체를 변화시키지 않는 한 현행 수준을 벗어나기 어렵다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 소입시 소입냉매(오일)의 교반조건을 기존의 방식과는 달리 연속식 냉각방식에서 시퀀스 제어식 냉각방식으로 공법을 변경함으로써, 안정적인 소입조건의 확보와 충분한 냉각효과를 얻을 수 있고, 궁극적으로 열변형의 최소화로 고품질을 제품을 얻을 수 있도록 한 열변형 저감을 위한 열처리 방법를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 침탄 또는 침탄/질화 열처리단계와 소입단계를 포함하는 열처리 방법에 있어서, 상기 소입단계에서는 소입냉매 교반시 적어도 2차례의 교반 일시 중지과정을 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 교반 일시 중지과정은 3단계의 소입단계 중에서 디핑이 시작되는 증기막단계와 물성치 결정 후 안정화를 위한 유속단계에서 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 교반 일시 중지과정은 제품이 오일 탱크 내로 디핑되는 시점부터 20∼30초간 교반을 중지하고, 디핑 완료 후 1분간 교반을 수행한 다음, 계속해서 2∼3분간 교반을 중지하는 과정으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 발명에서는 도 2에 도시한 바와 같은 샤프트, 기어 등의 강을 900∼930℃에서 2∼4시간 동안 침탄하는 단계와, 상기 단계에서 침탄처리한 강을 750∼850℃에서 2∼3시간 동안 침탄 질화하는 단계와, 상기 단계에서 침탄질화한 강을 130℃에서 오일 소입하는 단계 등을 포함하는 열처리 방법을 포함한다.

특히, 상기 소입단계에서 소입냉매(오일)의 온도를 저하시키기 위한 냉각방식으로는 교반 펌프 또는 애지테이터의 가동을 통해 소입냉매를 교반시키는 냉각방식을 채용한다.

예를 들면, 기존의 연속식 냉각방식과는 달리 시퀀스 제어식 냉각방식, 즉 교반 펌프 또는 애지테이터가 상시 가동하다가 제품이 오일 탱크 내로 디핑(Deeping)되기 시작하는 시점부터 소입을 마치고 오일 탱크 내에서 빠져나오는 시점까지 적어도 2차례 교반을 중지시켜 줌으로써, 미교반 상태의 오일에서 와류발생을 최대한 억제하여 열변형에 불리한 온도분포 편차발생 가능성을 최소화시킬 수 있다.

소입단계는 크게 증기막단계(Voper stage), 비등단계(Boilling stage), 유속단계(Liquid stage)의 3단계로 이루어진다.

즉, 상기 증기막단계는 제품을 오일 탱크 내에 디핑하는 시점부터 디핑이 완료되는 시점까지 약 20∼30초간 초기냉각이 이루어지는 단계로서, 이때에는 증기막에 의한 냉각 불균일 상태가 된다.

상기 비등단계는 제품의 물성치가 결정되는 약 1분간의 시간으로서, 이때에도 기포에 의한 냉각 불균일 상태가 되지만, 경도 등의 물성치가 이미 결정되었기 때문에 냉각특성에 대해서 크게 영향을 받지 않게 된다.

상기 유속단계는 제품의 물성치가 결정된 후, 이를 안정화시켜주는 단계로서, 약 2∼3분간 진행되며, 이때에는 유체 흐름에 의한 균일한 냉각 상태가 된다.

따라서, 본 발명에서는 소입시 위의 각 단계에서 제품의 냉각이 필요한 단계에서만 교반을 수행함으로써, 제품의 열변형 피해를 감소시킬 수 있게 된다.

이를 위하여, 불안정한 증기막단계에서는 교반을 일시 중지하여 와류를 억제시켜 줌으로써, 열변형을 저감할 수 있고, 안정화를 위한 유속단계에서 교반을 일시 중지하여 유체의 잔잔한 흐름을 유도함으로써, 유체의 흐름에 의한 균일한 냉각효과를 얻을 수 있다.

본 발명에서 제공하는 시퀀스 제어식 냉각방식은 구체적으로 다음과 같은 과정을 통해 수행된다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 소입단계에서는 제품을 오일 탱크 내에 집어 넣은 후 다시 빼내는 전체 소입구간 중 2차례 교반을 일시 중지하는 과정을 수행한다.

교반 펌프 또는 애지테이터를 상시 가동하다가 제품이 오일 탱크 내로 디핑되는 시점부터 20∼30초(바람직하게는 30초) 정도 교반을 중지한다.

위의 20∼30초 정도의 시간은 제품이 오일 속으로 진입하기 시작하는 시점부터 완전히 오일 내에 디핑되는데 소요되는 시간을 의미하며, 이때 제품의 표면에 생기는 증기막에 의해 냉각의 불균일이 일어나게 되므로, 이를 해소하기 위해 교반을 일시 중지한다.

또한, 제품을 디핑하는 과정에서 교반이 이루어지지 않기 때문에 제품을 흔들림없이 안정적으로 디핑할 수 있다.

즉, 종전에는 교반상태에서 제품의 디핑이 이루어지기 때문에 제품이 심하게 흔들리면서 제품의 냉각이 급격히 이루어져 변형이 발생하였지만, 본 발명에서는 교반이 중지된 상태에서 제품의 디핑이 이루어지기 때문에 제품을 안정화시킬 수 있게 된다.

위와 같이 제품의 디핑이 완료된 후에는 약 1분 정도 재차 교반을 수행한다.

이때의 단계가 제품의 물성치를 결정하는 비등단계로서, 충분한 냉각을 위해 약 1분간 교반을 수행한다.

계속해서, 제품의 물성치가 결정된 후, 재차 교반을 2∼3분(바람직하게는 3분) 정도 중지하여 유체를 잔잔한 흐름으로 유도한다.

이때의 단계는 유체의 흐름에 의한 균일한 냉각이 이루어지는 유속단계로서, 물성치가 결정된 제품의 안정화를 위해 교반을 일시 중지시킨다.

이렇게 위의 3단계를 거치면 소입단계가 완료된다.

이와 같이 본 발명에서는 소입시 2차례 정도의 교반 일시 중지과정을 수행함으로써, 미교반상태에서 소입시 제품이 안정되고, 또 제품의 냉각이 필요한 구간에서만 교반하므로 열변형을 감소시킬 수 있다.

따라서, 소입개시 후 교반을 약 1분간 수행하여 오일 온도를 냉각시킨 다음, 다시 약 3분간 교반을 중지하여 와류에 의한 온도분포 발생편차를 최소화시키는 한편, 도 3에 도시한 바와 같은 시퀀스 제어식으로 순차적인 교반을 수행함으로서, 냉각속도를 조절하여 최적의 온도분포 조건을 확보한다.

이는 소입 후 냉각이 가장 불안정한 증기막단계에서 교반을 일시 중지함으로써, 안정적인 소입조건을 확보하고, 냉각이 가장 활발하게 이루어지는 시점에서 교반을 해줌으로써, 충분한 냉각효과를 얻을 수 있도록 하기 위한 것이다.

본 발명의 실시예에서는 트랜스미션 아웃풋 샤프트를 사용하여 920℃에서 4시간 동안 침탄한 후, 850℃에서 1시간 동안 질화하면서 소입하였다.

130℃에서 오일 소입한 다음, 소려 과정을 거쳐 침탄 아웃풋 샤프트를 얻은 후, 얻어진 침탄 아웃풋 샤프트에 대해 열변형 정도, 표면경도 등의 기계적 성질을 측정하였다.

그 결과, 본 발명의 방법(특히, 소입방법)에 의해 열처리된 침탄 아웃풋 샤프트는 기존의 방법에 의해 얻어진 침탄 아웃풋 샤프트에 비해 열처리로 인한 변형, 즉 열변형이 크게 감소하였으며, 또한 아래의 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이 열처리 물성치와 열변형 산포도에서도 우수한 기계적 성질을 확보함을 알 수 있었다.

여기서, 열변형 산포 fHα는 치형 프로파일 측정 산포값(Profile angle error)을 나타내고, 열변형 산포 fHβ는 치형 리드 측정 산포값(Lead angle error)을 나타낸다.

위의 열변형 시험결과를 보여주는 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 기존의 연속식 냉각방식에 비해 본 발명의 시퀀스 제어식 냉각방식에 의한 열변형 시험결과가 우수하게 나타났다.

표 1에서의 fHα, fHβ값은 치형의 정도를 나타내는 측정항목이며, 그 값은 테스트 샘플 50개의 정도 산포를 의미한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 여기서는 기존의 연속식 냉각방식과 본 발명의 시퀀스 제어식 냉각방식에 대한 열변형 산포를 보여준다.

도면에서 노란색으로 표시한 막대가 기존의 냉각방식을 적용한 제품을 시험한 열변형 산포를 나타내고, 파란색으로 표시한 막대가 본 발명의 냉각방식을 적용한 제품을 시험한 열변형 산포를 나타내며, 기존의 제품에 비해 본 발명의 제품이 열변형 산포가 저감된 것을 알 수 있다.

이와 같은 열변형 시험결과, 정밀도를 요구하는 기어부품, 특히 소음발생과 관련한 기어류나 샤프트 등의 대물 열처리품은 본 발명에서 제공하는 시퀀스 제어식 냉각방식을 포함하는 열처리 방법에 의해 소입 교반조건의 최적화가 조성되고, 따라서 열변형 산포가 개선될 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 소입단계에서 2차례 정도 교반을 중지하는 시퀀스 제어식 냉각방식을 포함하는 열처리 방법을 제공함으로써, 열변형 최소화로 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있으며(열변형 산포 10% 정도 개선), 또한 제품별 품질균일성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 열처리 공정을 보여주는 도면

도 2는 일반적인 열처리 사이클을 보여주는 도면

도 3은 본 발명의 소입 사이클과 기존의 소입 사이클을 비교한 도면

도 4는 본 발명에 따른 열처리 방법을 적용한 제품과 기존의 열처리 방법을 적용한 제품의 품질(열변형 산포)을 비교한 도면

Claims (3)

1. 삭제
2. 침탄 또는 침탄/질화 열처리단계와 소입단계를 포함하는 열처리 방법에서 상기 소입단계에서는 소입냉매 교반시 적어도 2차례의 교반 일시 중지과정을 수행하는 열변형 저감을 위한 열처리 방법에 있어서,

   상기 교반 일시 중지과정은 3단계의 소입단계 중에서 디핑이 시작되는 증기막단계와 물성치 결정 후 안정화를 위한 유속단계에서 수행하는 것을 특징으로 하는 열변형 저감을 위한 열처리 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 교반 일시 중지과정은 제품이 오일 탱크 내로 디핑되는 시점부터 20∼30초간 교반을 중지하고, 디핑 완료 후 1분간 교반을 수행한 다음, 계속해서 2∼3분간 교반을 중지하는 과정으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 열변형 저감을 위한 열처리 방법.