KR100591355B1

KR100591355B1 - 핫가스 담금질 장치 및 핫가스 열처리방법

Info

Publication number: KR100591355B1
Application number: KR1020047015146A
Authority: KR
Inventors: 히로히사 타니구치
Original assignee: 히로히사 타니구치
Priority date: 2002-03-25
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2006-06-19
Also published as: EP1491642B1; ATE493520T1; US20080197546A1; DE60238790D1; US20060086442A1; JPWO2003080876A1; JP4051347B2; EP1491642A4; EP1491642A1; KR20050005429A; US7547410B2; CN1623004A; WO2003080876A1; CN1330778C

Abstract

오스템퍼링, 승온 오스템퍼링, 마르템퍼링, 마르켄칭 시에, 각종의 고품질 열처리를 염욕과 상이한 100~400℃의 불활성가스로 이루어지는 핫가스를 이용하여 효율적으로 행할 수 있는 핫가스 담금질장치 및 핫가스 열처리시스템을 제공한다. 순환로를 제1(고온용) 및 제2(저온용)의 2개의 유로로 분기하고, 양 유로에 구비된 제어창의 개방도를 조절하면서 상기 제1 및 제2 유로의 종단 위치에 구비한 믹서 출력온도를 중간온도로 제어하는 기본형의 핫가스 담금질장치. 진공로의 경우에는 도입 불활성 가스를 중간온도로 예열하는 것으로 한 가스예열형 핫가스 담금질장치. 제1 유로에 소요량의 접촉재를 배치한 핫가스 담금질장치. 유로를 분기시키지 않은 순환로 내에 대량의 접촉재를 배치한 도가니형 핫가스 담금질장치. 이들 예열로 등과의 조합시스템.

담금질, 핫가스, 가공물, 불활성가스, 급랭, 상온, 등온, 제어

Description

핫가스 담금질 장치 및 핫가스 열처리방법{HOT GAS QUENCHING DEVICES AND HOT GAS HEAT TREATING METHOD}

본 발명은 N₂가스나 Ar가스 등의 불활성가스를 금속의 변태점 온도와 관련하여 정해진 중간 온도로 조절하여 이루어지는 핫가스를 이용하여, 금속의 급랭 또는 등온 유지를 행함으로써, 염욕을 이용하지 않고 고품질의 등온 유지에 의한 열처리를 효율적으로 행할 수 있는 핫가스에 의한 금속열처리 방법 및 핫가스 담금질 장치 및 핫가스 열처리 시스템에 관한 것이다.

금속의 담금질 방법으로는, 담금질 개시 온도로 예열한 가공물을 단숨에 상온까지 냉각하고, 그 후 템퍼링하는 통상 담금질 이외에, 등온 열처리법이라 칭하고, S곡선(T, T, T, 곡선)으로 정해지는 중간 온도로 일정 시간 등온 유지하여 품질을 향상시킬 수 있는 오스템퍼링(austempering), 마르템퍼핑(martempering), 마르켄칭(marquenching) 등이 알려져 있다.

종래부터, 등온 유지에 의한 열처리는 염욕을 이용하여 행해지고 있다(사단법인 일본열처리기술협회편, 열처리기술편람, 2000년 8월 30일 발행, P.144∼147(염욕열처리) 참조). 담금질에는 150∼550℃의 저온용, 570∼950℃의 중온용, 1000 ∼1300℃의 고온용 염욕이 이용된다. 염욕재로는 KNO₂나 KNO₃과 NaNO₂의 혼합물이나, BaCl₂와 KCl 또는 CaCl₂와의 혼합물, 또는 NaCl과 LiCl 또는 KCl의 혼합물 등이 온도별로 구분되어 사용된다.

염욕을 이용한 금속의 열처리에서는 진공로나 분위기로 등의 예열로로부터 가공물을 인출 단숨에 목적으로 하는 온도로 냉각할 수 없어, 여러 가지 대책이 세워지고 있다(사단법인 일본열처리기술협회편, 열처리기술편람, 2000년 8월 30일 발행, P.769∼773 (염욕로) 참조).

예를 들면, 진공로 내에 고온의 염욕을 배치하고, 염을 표면에 붙인 상태로 가공물을 꺼내고, 방청피복을 실시한 상태에서 순차적으로 온도가 낮은 염욕으로 이행시키고, 최종 중간 온도의 염욕에서 등온 유지하는 것이 행하여지고 있다. 염욕 사이의 이동은 체인블록 등을 이용하여 한다. 고온가공물 및 고온열욕을 상대로 하는 작업으로, 숙련을 필요로 하여, 매우 조심스럽게 행해진다.

한편, 연속식이라 칭하고, 예열로의 하방에 오스템퍼링 처리용 염욕을 배치하고, 예열로로부터 배출한 작은 가공물을 염욕으로 옮기고, 컨베이어 등으로 순차 이동시키는 예도 있다. 처리품에 제한이 많고, 오스템퍼링 밖에 이용할 수 없는 결점이 있다.

다목적이라 칭하고, 트레이배치식 자동반송에 의해, 예열로 및 솔트 냉각조를 연계하여 전자동으로 오스템퍼링 처리를 행하도록 한 예도 있다. 그러나, 이것도 대규모이고 염욕을 사용하는 것에 변함은 없다.

염욕은 그 사용방법을 어떻게 하더라도, 염욕 내에 가공물을 침지하여, 냉각 또는 등온 유지하려고 하는 것이므로, 가공물의 침지 및 인상의 수단을 필요로 하여, 당연히 처리에 제한이 생긴다. 예를 들면, 승온 오스템퍼링과 같이 200℃로 급랭 후, 신속하게 250℃로 승온하여 등온 유지하고, 그 후 상온으로 냉각하도록 하는 것과 같은 복잡 공정에서는 복수의 염욕이 필요하고, 또한 가공물을 염욕에 대하여 이송하는 수단이 필요하여, 장치가 대규모이고 제품의 비용 상승이 원인이 되었다.

또, 한편, 근래, 염욕의 사용에 의한 환경열화의 문제 등으로 인해, 가공물의 냉각, 특히 담금질을 행할 때, 염욕에서의 냉각을 피하여 N₂가스나 Ar가스 등의 불활성가스를 이용하여 냉각, 담금질하는 것이 행하여지게 되어 있었다. 예를 들면, 일본 특개평 5-66090호 공보에 나타내는 진공로에서는 내압성의 로 본체 내에 가공물을 수납하여 1000∼1200℃로 가열하고, 다음에 냉각을 행하기 때문에, 상기 로 본체 내에 5Bar의 불활성가스를 도입하고, 상기 가스를 터보블로어의 작동에 의해 순환시키고, 상기 열처리품을 비교적 신속하게 냉각할 수 있다. 이 진공로는 내부에 설치한 가공물을 서열(徐熱), 1차 예열, 2차 예열, 담금질 온도로의 예열, 예열온도에서의 고온 유지 등의 일련의 가열처리를 행하는 히터 등의 가열수단이 설치되어 있다. 가공물에 일련의 예열처리를 실시하면, 계속해서 5Bar의 N₂가스를 흡입하고 냉각하여, 담금질 처리할 수 있다. 상기 로는 분류로(blast furnace)라고도 칭한다.

그러나, 종래의 가스 담금질 가능한 분류로에서는 예열된 가공물을 상온을 향해서 급랭할 수 있고, 상온으로의 담금질 처리는 할 수 있지만, 중간 온도에서의 등온 유지는 할 수 없어, 오스템퍼링, 마르템퍼링, 마르켄칭 등 등온 유지를 필요로 하는 열처리는 할 수 없었다.

상기 분류로를 이용하여, 등온 유지에 의한 오스템퍼링을 시도한 예가 있다. 이 경우, 제어장치의 목표 온도를 등온 유지 온도로 설정하여, 여기서 일정 시간의 등온을 유지시키도록 명령하게 된다. 이렇게 하면 상기 분류로는 명령에 따라서, 가스 온도가 목표 온도로부터 아래로 벗어나면, 가공물 가열용 히터가 작동하고, 위로 벗어나면 히터가 정지된다.

그 사이, 블로어(blower)에 의해서 순환되는 가스흐름은 항상 수냉 장치에 의해서 냉각되어 있다. 이로 인하여, 상기 분류로는 위로 50∼100℃, 아래로 100℃의 대폭적인 온도 변화를 나타내어, 도저히 사용에 견딜 수 없다. 즉, 종래의 분류로에서는 등온 유지의 제어는 불가능하다. 또, 불활성가스의 도입이 상온이기 때문에, 부분적, 국소적으로 과냉각이 발생한다고 하는 문제점도 있다. 그렇다고 해서, 불활성가스의 도입온도를 단순히 상승시키면 되는 것도 아니다.

본 발명자들은 등온 유지가 가능한 가스 담금질 방법을 예의 연구했다. 또, 이 연구결과에 의해, 예열 후의 가공물을 냉각할 때, 상온 불활성가스를 내뿜으면, 반드시 부분적, 국소적인 과냉각이 발생하기 때문에, 최소한 초기에 부여하는 불활성가스는 예를 들면 Ms점 부근의 고온인 것에 착안하여, 핫가스의 개념을 확립하 고, 그 응용에 대해 연구했다. 핫가스란, 예열가공물을 목표 온도로 냉각하는 데 이용되는 불활성가스로, 담금질 방법의 종류에 대응하여 가공물에 과냉각이 발생하지 않도록 하는 온도, 예를 들면 Ms점 이상의 온도로 정한 중간 온도의 불활성가스를 말한다. 보다 정확하게 정의하면, 핫가스란, 등온 유지의 목표 온도로서 참조되는 변태점 온도와 관련하여 정한 중간 온도로 조절 생성된 불활성가스를 말한다. 이 핫가스를 생성하고, 가공물에 내뿜는 것에 의해, 과냉각없이 가공물을 목표 온도로 냉각하고, 등온으로 유지할 수 있다.

본 발명은 이상 나타낸 핫가스의 개념을 답습한 뒤에, 등온 유지를 하여 열처리를 행할 수 있는 핫가스에 의한 금속열처리방법 및 이것에 이용하는 핫가스 담금질 장치 및 핫가스 열처리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이에 따라, 종래 염욕법에 의해 실시되고 있던 등온 유지에 의한 금속열처리를 보다 안전하고, 보다 효율적인 핫가스로 행할 수 있을 뿐 아니라, 핫가스 온도의 가능한 제어에 의해 종래 염욕법으로서는 행할 수 없는 금속열처리 방법도 자유롭게 실시할 수 있게 된다.

또, 구체적으로, 종래의 통상 담금질만 실시 가능한 분류로에 대하여, 중간 온도에서의 등온 유지가 가능하고, 오스템퍼링, 승온 오스템퍼링, 마르템퍼링, 마르켄칭 등, 임의의 담금질을 실시할 수 있는 5종(기본형, 가스예열형, 믹서 내 또는 유로 내 접촉재형, 도가니형)의 핫가스 담금질 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 상기 핫가스 담금질 장치를 예열로 등과 조합하고, 등온 유지를 하여 각종 열처리를 효율적으로 실시할 수 있는 핫가스 열처리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결할 수 있는 본 발명의 핫가스에 의한 금속열처리 방법은 담금질 개시 온도로 예열한 가공물에, 상기 가공물의 등온 변태점 온도부근으로 조절된 불활성가스(핫가스)를 내뿜어 급랭하고, 그 후 온도차 5℃ 이내로 임의의 시간 등온으로 유지하는 동시에, 상기 핫가스 온도를 임의로 변경 가능하게 하여, 각종 등온 유지의 금속열처리 방법에 따라서, 정적 또는 동적인 등온 유지에 의한 금속열처리를 행하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명의 핫가스에 의한 금속열처리 방법에 의하면, 종래 염욕법 대신, 각종 등온 유지에 의한 금속열처리와 핫가스를 이용하여 안전하고 효율적으로 소규모 설비로 행할 수 있다. 또한, 온도 변화의 제어를 용이하고 신속 가능하게 행할 수 있기 때문에, 종래 염욕에 의한 제어가 해제되어, 정적 등온 유지 외에 동적 등온 유지를 행할 수 있다. 동적이란, 민첩한 것과, 변화가 가능한 것을 의미한다. 예를 들면, 300℃에서 10분, 315℃에서 20분, 다시 305℃에서 30분 등으로, 설계대로 정확하고 동적인 제어가 가능하게 된다.

또한, 종래 염욕법으로 실시 가능하게 하고 있는 오스템퍼링, 마르템퍼링, 마르켄칭 등의 각종 금속열처리 방법의 개량을 도모할 수 있고, 또한 효과적인 등온 유지에 의한 금속열처리 방법을 제안할 수 있는 소재로 할 수 있다.

본 발명의 핫가스 담금질 장치는 다음 5종의 구성을 취한다. 각 구성의 핫가스 담금질 장치를 각각 H·O·T-1, H·O·T-2, H·O·T-3, H·O·T-4, H·O·T-5 로 하여, 각각의 특징을 표 1에 통합하여 나타낸다.

표 1

본 발명의 기본형의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-1은 담금질 개시 온도로 예열된 가공물을 상기 가공물의 등온 변태점 온도 부근으로 정한 중간 온도로 급랭하 고, 그 후 등온 유지할 수 있는 핫가스 담금질 장치로서, 예열된 가공물을 불활성가스 분위기 중에서 수납하는 가공물 수납부와, 상기 가공물 수납부와 연통되는 유로에 대하여, 각각으로 개방도를 조절 가능한 제어창을 가지고 분기 배치되는 제1(고온용) 및 제2(저온용) 유로와, 상기 제2 유로 중에 배치되고, 그 입구에서 입력된 불활성가스를 상온을 향해서 냉각하는 가스 상온 냉각 장치와, 상기 제1 및 제2 유로의 종단 위치에 배치되고, 양 유로로부터 보내져 온 상이한 온도의 불활성가스를 균일한 온도로 혼합하는 믹서와, 상기 믹서로부터 출력되는 불활성가스를 세관(細管)으로 분기하고, 상기 가공물의 외주면에 균일하게 내뿜는 디스트리뷰터와, 상기 믹서와 상기 디스트리뷰터 사이에 배치되고, 상기 믹서로부터 출력되는 불활성가스를 상기 디스트리뷰터에 대하여 가압하여 공급하는 블로어 장치와, 소정 양의 불활성가스를 상기 제1 또는 제2 유로에 불어넣는 불활성가스 도입 수단과, 상기 블로어 장치를 구동하고, 또한 상기 불활성가스를 도입하면서, 상기 믹서의 출력가스의 온도가 상기 중간 온도가 되도록 상기 제어창의 개방도를 조절 제어하는 컨트롤러를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 핫가스 담금질 장치는 담금질 개시 전, 가공물은 불활성가스 분위기 중에 있으므로, 제1 유로 및 제2 유로를 각각 흐르는 고온 및 저온의 가스량을 조절하고, 양 유로의 종단 위치에 배치되는 믹서로 양 가스를 혼합하고, 임의의 온도의 불활성가스를 생성할 수 있다.

각 유로 및 이들에 구비되는 제어창은 각 유로를 통과하는 가스량의 비율의 조정을 행하는 것이며, 각각의 개방도는 개별적으로 제어될 수도 있고, 연동 제어 될 수도 있다. 또, 기능적으로는 가스량을 조절할 수도 있다. 예를 들면, 풍동(風洞) 구성이 될 수도 있고, 단면 형상은 각형(角形)이거나 환형(丸形)일 수도 있다. 관재(管材)를 집합시켜 구성할 수도 있다. 또한, 제어창은 개구 부분을 판형부재로 구획하는 구성 외에 밸브부재를 이용하여 개구 부분을 폐쇄하는 형상일 수도 있다. 제어방식은 개구 부분을 연속적으로 제어하는 것 이외에, 개구 부분을 복수로 분할하고, 분할부분의 일부를 개폐제어하고, 전체유량을 조절하는 것 같은 것일 수도 있다.

가스 상온 냉각 장치의 일례로는 수냉 장치의 예가 있다. 공랭 장치도 가능하다. 이밖에, 냉각매체를 물이나 공기 이외의 것으로 한 냉각 장치의 예가 있지만, 실용적으로는 수냉 장치가 가장 이용하기 쉽다. 따라서, 본 발명에서는 가스 상온 냉각 장치는 수냉 장치를 이용하는 것으로 하여 설명한다.

일반적으로, 제1 유로를 흐르는 가스는 디스트리뷰터로부터 출력되고, 그 후 가공물에서 냉각된다. 또, 초기에서는 600∼700℃에서, 그 후는 본 발명에서 조절되는 중간 온도, 예를 들면 200∼500℃가 되고, 최종적으로는 상온이 된다. 이 때, 본 발명의 제1 유로는 가스를 통과시킬 뿐의 구성이기 때문에, 벽면을 적절하게 카본내화재 등으로 덮는 것만의 구성일 수도 있다. 또, 제2 유로는 그 내부에 수냉 장치를 배치하기 때문에, 입력된 고온가스를 바로 상온으로 냉각할 수 있고, 항상 상온에 가까운 상태이기 때문에, 특별한 내화구조로 할 필요가 없어, 용이하게 구성할 수 있다.

상기 믹서는 제1 및 제2 유로로부터 출력되는 가스를 균일하게 혼합할 뿐이 다. 따라서, 제1 및 제2 유로로부터 각각 입력되는 가스를 적절하게 금속편이나, 판, 관로 등을 통하여 혼합하는 것만의 구조로 하여 실현할 수 있다.

수냉 장치, 디스트리뷰터, 및 블로어 장치는 종래예에서 나타낸 일본 특개평 5-66090호 공보에서 나타낸 분류로와 동일한 통상의 장치로 구성할 수 있다. 냉각수관에 의한 수냉 장치의 출력온도는 입력가스의 온도에 대응하여, 20∼100℃로 할 수 있다.

본 발명의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-1에서는 믹서로부터 출력되는 불활성가스의 온도를 중간 온도로 조절할 수 있다. 따라서, 상온의 불활성가스는 제1 유로 또는 제2 유로 어느 쪽에 도입되더라도 상관없다. 예를 들면 제1 유로에 도입된 불활성가스는 제1 유로를 흐르는 불활성가스와 혼합되고, 제2 유로로부터 출력되는 불활성가스와 혼합되고, 중간 온도로 되어 디스트리뷰터로 안내된다. 가스의 도입량은 가공물을 급랭 가능한 만큼의 가스 밀도가 되도록, 압력이, 예를 들면 5Bar가 되도록 조절된다. 컨트롤러는 항상 믹서의 출력온도를 감시하여, 중간 온도를 목표 온도로 하여, 디스트리뷰터로부터 출력되는 온도가 목표 온도가 되도록, 각 유로에 구비한 제어창의 개방도를 조절한다. 목표 온도는 가변으로 할 수 있다. 예를 들면, 오스템퍼링에서의 등온 유지 온도를 300℃로 하는 경우, 목표 온도를 처음에는 200℃, 계속해서 300℃ 등으로 할 수 있다. 본 발명에서는 이들 중간 온도를 모두 핫가스라고 칭한다.

이상의 구성 및 사양에 의해, 디스트리뷰터를 통과하는 가스는 항상, 컨트롤러로 제어된 온도가 되기 때문에, 가공물에 과냉각을 발생하는 것과 같은 저온가스를 출력하는 일이 없다. 또, 온도는 제1 및 제2 유로의 가스통과량을 조절하는 형태로 행하여지기 때문에, 제어를 치밀하게 행할 수 있고, 등온 유지의 단계에서는 ±1℃로의 제어가 충분히 가능하다.

이상에 의해, 본 발명의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-1에서는 불활성가스 분위기 중에 수납된 가공물을 중간 온도로 담금질 또는 등온 유지할 수 있다. 또, 과냉각을 발생하는 일이 없다. 오스템퍼링 외에 마르템퍼링, 승온 오스템퍼링 등, 중간 온도로의 등온 유지를 필요로 하는 담금질을 실시할 수 있다.

본 발명의 가스예열형의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-1은 담금질 개시 온도로 예열된 가공물을 상기 가공물의 등온 변태점 온도 부근으로 정한 중간 온도로 급랭하여, 그 후 등온 유지할 수 있는 핫가스 담금질 장치로서, 예열된 가공물을 진공 중에서 수납하는 가공물 수납부와, 상기 가공물 수납부와 연통되는 유로에 대하여, 각각으로 개방도를 조절 가능한 제어창을 가지고 분기 배치되는 제1(고온용) 및 제2(저온용) 유로와, 상기 제2 유로 중에 배치되고, 그 입구에서 입력된 불활성가스를 상온으로 향해서 냉각하는 가스 상온 냉각(수냉)장치와, 상기 제1 및 제2 유로의 종단 위치에 배치되고, 양 유로로부터 보내져 온 다른 온도의 불활성가스를 균일한 온도로 혼합하는 믹서와, 상기 믹서로부터 출력되는 불활성가스를 세관에 분기하고, 상기 가공물의 외주면에 균일하게 내뿜는 디스트리뷰터와, 상기 믹서와 상기 디스트리뷰터 사이에 배치되고, 상기 믹서로부터 출력되는 불활성가스를 상기 디스트리뷰터에 대하여 가압하여 공급하는 블로어 장치와, 상기 중간 온도로 예열한 불활성가스를 상기 제2 유로를 제외한 임의의 위치에 불어넣는 불활성가스 도입 수단과, 상기 블로어 장치를 구동하고, 또한 상기 불활성가스를 도입하면서, 상기 믹서의 출력가스의 온도가 상기 중간 온도가 되도록 상기 제어창의 개방도를 조절 제어하는 컨트롤러를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-2는 가공물을 진공 중에서 수납하는 경우에 적용된다. 도입하는 불활성가스는 중간 온도, 예를 들면 150∼300℃로 예열하는 것을 필요로 한다. 즉, 제1 및 제2 유로는 전술한 핫가스 담금질 장치 H·O·T-1와 같이, 말하자면 단순히 가스를 통과시킬 뿐의 구조이기 때문에, 제1 또는 제2 유로에 상온의 불활성가스를 도입하면, 디스트리뷰터를 통하여 가공물에 상온의 불활성가스를 내뿜어 버린다. 이로 인해 과냉각이 생긴다. 따라서, 본 발명에서는 불활성가스를 중간 온도로 예열한 후 도입하기 때문에, 가공물에 초기에 내뿜는 가스를 과냉각을 일으키지 않는 중간 온도로 할 수 있어, 과냉각을 발생하지 않는다.

도입가스의 예열은 전기히터나, 열 교환기로 실시할 수 있다. 도입량은 1∼수 ㎏ 정도이며, 이것을 150℃ 정도로 승온시킬 수도 있다. 소요에너지는 500∼1000㎉ 정도이다. 예열온도는 컨트롤러가 제어하는 제어 목표온도와 상이하기 때문에, 어디까지나 과냉각이 일어나지 않는 온도로 정하면 좋다. 예를 들면, 불활성가스의 예열온도를 150℃, 제어목표 온도를 초기에서 200℃, 최종 300℃로 하여 등온 유지하는 것 등이 가능하다. 초기의 목표 온도를 최종목표 온도보다 낮게 설정하는 것은 냉각온도를 가능한 한 신속하게 행하도록 하기 위해서이다.

이상에 의해, 본 발명의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-2는 진공 중에 수납된 가공물을 예열된 불활성가스를 불어넣으면서, 중간 온도로 냉각하여, 등온 유지할 수 있어, 오스템퍼링, 마르템퍼링, 승온 오스템퍼링 등의 등온 열처리도 행할 수 있다.

본 발명의 믹서 내 접촉재형의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-3은 담금질 개시 온도로 예열된 가공물을 상기 가공물의 등온 변태점 온도 부근으로 정한 중간 온도로 급랭하고, 그 후 등온으로 유지할 수 있는 핫가스 담금질 장치로서, 예열된 가공물을 진공 또는 불활성가스 분위기 중에서 수납하는 가공물 수납부와, 상기 가공물 수납부와 연통되는 유로에 대하여, 각각으로 개방도를 조절 가능한 제어창을 가지고 분기 배치되는 제1(고온용) 및 제2(저온용) 유로와, 상기 제2 유로 중에 배치되고, 그 입구에서 입력된 불활성가스를 상온으로 향해서 냉각하는 가스 상온 냉각(수냉)장치와, 상기 제1 및 제2 유로의 종단 위치에 배치되고, 양 유로로부터 보내져 온 다른 온도의 불활성가스를 균일한 온도로 혼합하는 믹서와, 상기 믹서로부터 출력되는 불활성가스를 세관에 분기하고, 상기 가공물의 외주면에 균일하게 내뿜는 디스트리뷰터와, 상기 믹서와 상기 디스트리뷰터 사이에 배치되고, 상기 믹서로부터 출력되는 불활성가스를 상기 디스트리뷰터에 대하여 가압하여 공급하는 블로어 장치와, 상기 믹서 내에 배치되고, 통기성 및 열 용량을 가지고, 그 입구에서 입력된 불활성가스와 열량을 교환하는 축열형 접촉재와, 불활성가스(상온 가능)를 상기 믹서의 전단(前段) 측에 불어넣는 불활성가스 도입 수단과, 상기 블로어 장치를 구동하고, 또한 상기 불활성가스를 도입하면서, 상기 믹서의 출력가스의 온도가 상기 중간 온도가 되도록 상기 제어창의 개방도를 조절 제어하는 컨트롤러를 구비한 것 을 특징으로 한다.

본 발명의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-3에서는 제1 및 제2 유로의 종단 위치에 배치되는 믹서 내에 축열형 접촉재가 배치된다. 축열형 접촉재란, 불활성가스와 접촉하여 축열량을 열교환할 수 있는 금속 등의 물질로, 통기성이 양호하게 구성된다.

축열형 접촉재의 예로서는, 예를 들면, 철 등 금속의 칩이나 강구(鋼球), 또는 관재 등의 예가 있다. 요컨대 유로 내를 흐르는 불활성가스와 열교환하고, 불활성가스의 온도를 축열형 접촉재의 예열온도로 변환할 수 있는 것이면 좋다. 접촉재의 열 용량 Qm은 수납부에 수납된 가공물의 열 용량 Qw와의 비율로 정할 수 있다. 계산상은 가공물 및 축열형 접촉재가 동일한 재질(철)이면, 중량비율로 정할 수 있다.

축열형 접촉재의 열 용량 Qm은 가공물의 열 용량을 Qw라고 할 때, 0.1∼0.3배정도 필요하다. 초기에 도입된 상온의 불활성가스를 과냉각을 일으키는 일이 없는 온도로서 가공물에 내뿜기 때문에, 불활성가스의 도입량에 따라서 정해야 한다. 열 용량이 지나치게 작으면, 불활성가스의 도입량에 대폭적인 제한이 생긴다. 열 용량은 클수록 안정되지만, 믹서용량이 커지기 때문에, 실용적으로는 0.3배정도로 정한다.

이상에 의해, 본 발명의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-3에 의하면, 가공물이 진공 중에서 수납되어 있는 경우, 제2 유로에 도입된 상온의 불활성가스는 믹서 내의 접촉재로 가공물에 과냉각을 일으키지 않는 온도, 예를 들면 200℃까지 승온되 어, 가공물에 내뿜어진다.

수납부가 초기에 진공이 아니고, 불활성가스 분위기인 경우에는 전술한 핫가스 담금질 장치 H·O·T-1에서 나타낸 바와 같이, 각 유로의 제어창의 개방도 조절에 의해, 처음으로부터 불활성가스의 온도로 과냉각이 일어나지 않도록 제어가 가능하다. 그러나, 본 발명에서는 믹서 내에 약간의 열교환형 접촉재를 배치하고 있기 때문에, 수납부에서 출력된 고온가스를 접촉재 온도까지 급랭할 수 있고, 가스밀도, 즉 가스압력 및 가스유속을 크게 하여 가공물을 보다 급속하게 냉각할 수 있다.

본 발명의 유로 내 접촉재형의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-4는 담금질 개시 온도로 예열된 가공물을 상기 가공물의 등온 변태점 온도 부근으로 정한 중간 온도로 급랭하고, 그 후 등온 유지할 수 있는 핫가스 담금질 장치로서, 예열된 가공물을 진공 또는 불활성가스 분위기 중에서 수납하는 가공물 수납부와, 상기 가공물 수납부와 연통되는 유로에 대하여, 각각으로 개방도 조절이 가능한 제어창을 가지고 분기 배치되는 제1(고온용) 및 제2(저온용) 유로와, 상기 제1 유로 내에 배치되고, 통기성 및 열 용량을 가지고, 그 입구에서 입력된 불활성가스와 열량을 교환하는 축열형 접촉재와, 상기 제2 유로 중에 배치되고, 그 입구에서 입력된 불활성가스를 상온으로 향해서 냉각하는 수냉 장치와, 상기 제1 및 제2 유로의 종단 위치에 배치되고, 양 유로로부터 보내져 온 다른 온도의 불활성가스를 균일한 온도로 혼합하는 믹서와, 상기 믹서로부터 출력되는 불활성가스를 세관에 분기하여, 상기 가공물의 외주면에 균일하게 내뿜는 디스트리뷰터와, 상기 믹서와 상기 디스트리뷰터 사이에 배치되고, 상기 믹서로부터 출력되는 불활성가스를 상기 디스트리뷰터에 대하여 가압하여 공급하는 블로어 장치와, 불활성가스(상온 가능)를 상기 믹서의 전단 측에 불어넣는 불활성가스 도입 수단과, 상기 블로어 장치를 구동하고, 또한 상기 불활성가스를 도입하면서, 상기 믹서의 출력가스의 온도가 상기 중간 온도가 되도록 상기 제어창의 개방도를 조절 제어하는 컨트롤러를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-4는 전술한 핫가스 담금질 장치 H·O·T-3과 달리, 축열형 접촉재를 믹서가 아니라, 제1 유로 중에 배치하고 있다. 유로 치수는 자유롭게 설계할 수 있기 때문에, 다량의 축열형 접촉재를 배치할 수 있다. 가공물을 100O℃에서 1톤으로 하고, 유로 내에 각종 중량의 250℃의 철제접촉재를 배치한 경우의 평형온도는 다음의 표 2와 같다.

표 2

표 2에 도시한 바와 같이, 등량(等量)의 접촉재(1.0톤)에서는 정확히 중간의 온도가 된다. 10배량의 접촉재에서는 68℃ 상승한다. 30배량에서는 24℃의 상승으로 정지시킬 수 있다.

금속의 담금질에서는 급랭이 필요하다. 즉 1000∼1350℃로 예열된 가공물을 변태점 온도와 관련하여 정한 목표 온도, 예를 들면 300℃를 향해 수 분 내에 급랭하지 않으면 안 된다. 따라서, 제1 유로 내에 가공물과 등량의 접촉재를 배치함으로써, 보다 대량의 가스를 보다 고압 고속으로 공급하는 것이 가능하게 되어, 고속 담금질 가능하게 된다.

불활성가스의 도입을 상기 접촉재의 전방 위치로 하면, 도입하는 불활성가스는 접촉재로 가열되어 핫가스가 되기 때문에, 가공물 수납이 진공이거나 불활성가스 분위기이거나 어느 것이든, 예열은 불필요하다. 조금씩의 불활성가스의 도입에서는 도입 위치를 반드시 접촉재의 전방 위치로 할 필요는 없다. 그러나, 불활성가스의 도입 위치를 접촉재의 전방 위치로 한 쪽이 온도 불균일을 발생하지 않아 필요한 양의 불활성가스를 도입할 수 있어, 가장 적절하다.

이상과 같이 본 발명의 유로 내 접촉재형의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-4에 의하면, 제1 유로 내에 소정의 양 예를 들면 1톤의 축열형 접촉재를 배치하고 있기 때문에, 가공물 수납이 진공 또는 불활성가스 분위기 중에 있는 지 여부에 불구하고, 담금질 개시에 따르는 고온가스를 접촉재의 예열온도로 정해지는 중간 온도로 할 수 있어, 대량의 핫가스를 가공물에 분사 급랭할 수 있다. 또, 중간 온도의 제어는 1차 및 2차 유로에 구비한 제어창의 개방도 조절에 의하기 때문에, 용이하고 고정밀도로 중간 온도의 제어를 할 수 있다.

본 발명의 도가니형 핫가스 담금질 장치 H·O·T-5는 담금질 개시 온도로 예열된 가공물을 상기 가공물의 등온 변태점 온도 부근으로 정한 중간 온도로 급랭하고, 그 후 등온으로 유지할 수 있는 핫가스 담금질 장치로서, 예열된 가공물을 진공 또는 불활성가스 분위기 중에서 수납하는 가공물 수납부와, 상기 가공물 수납부의 가스 취출구(후면창 (9))로부터 취출된 불활성가스를 세관에 분기하고, 상기 가공물의 외주면에 균일하게 내뿜는 디스트리뷰터와, 상기 가스 취출구와 상기 디스트리뷰터 사이에 배치되는 가스순환로와, 상기 순환로 중에 배치되고, 상기 디스트리뷰터에 대하여 가압가스를 공급하는 블로어 장치와, 상기 순환로 중에 배치되는 대량의 열 용량형 접촉재와, 상기 열 용량형 접촉재를 상기 중간 온도로 유지하는 히터 또는 및 냉각기로 이루어지는 보조열원을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-5에 의하면, 상기 핫가스 담금질 장치 H·O·T-1∼H·O·T-4와 마찬가지로, 마치 종래의 염욕에 대신하는 핫가스 열욕(도가니)을 실현하여, 수납가공물의 온도를 접촉재의 온도로 맞추어, 소요의 온도로 등온 유지할 수 있다. 급랭도 가능하다. 핫가스의 온도, 즉 접촉재의 온도를 변경하는 것에 의해, 통상 담금질이나 오스템퍼링도 가능하다. 템퍼링 로(tempering furnace)에 이용할 수도 있다.

다른 핫가스 담금질 장치 H·O·T-1∼H·O·T-4와 상이한 점은 표 2에 나타내는 접촉재의 양을 충분히 크게 하여 가공물 온도와 접촉재 온도를 밸런스시켜 급랭하는 점이다. 본 발명의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-5는 상기 핫가스 담금질 장치 H·O·T-1∼H·O·T-4의 제2 유로를 필수로 하지는 않는다.

핫가스 담금질 장치 H·O·T-5에서의 접촉재의 열 용량은 표 2에 나타낸 관계로부터, 가공물의 열 용량을 기준으로 하여 5∼10배 이상, 바람직하게는 10∼30배의 고용량으로 하여, 수냉 장치의 작동 없이도 상기 가공물을 급랭 가능한 정도의 양으로 한다. 이에 따라, 블로어 장치의 구동에 의해서만, 중간 온도로의 급랭 및 등온 유지를 할 수 있다.

본 발명의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-5는 사용하는 접촉재의 양이 크고, 접촉재의 초기 예열온도를 변화시키는 데 다소의 시간 및 열량을 필요로 한다. 따라서, 본 장치 H·O·T-5를 복수 배치하고, 예를 들면 200℃, 250℃ 등과 각각 상이한 온도로 관리하면, 소요의 온도에 바로 대응할 수 있고, 각종 열처리를 효율적으로, 또한 원활히 실시할 수 있다.

본 발명의 핫가스 열처리 시스템은 담금질 개시 온도로 예열한 가공물을 급랭 또는 등온 유지하면서 다량의 가공물에 각종 등온 유지 열처리 방법을 적용하여, 순차 효율적으로 열처리할 수 있는 핫가스 열처리 시스템 H·O·T·S로서, 상기 가공물을 담금질 개시 온도로 예열하는 예열로와, 상기 예열로로 예열된 가공물을 상기 담금질 개시 온도로 유지한 채로 이송하는 가공물 이송 수단과, 상기 가공물 이송 수단으로 이송된 가공물을 받아 들여, 상기 담금질 개시 온도와 상온 사이로 설정된 중간 온도로 급랭 또는 등온 유지할 수 있는 핫가스 담금질 장치 H·O·T-i(i= 1∼5)를 가지고, 상기 예열로로 예열된 가공물을 상기 핫가스 담금질 장치로 이송, 오스템퍼링, 승온 오스템퍼링, 마르템퍼링, 마르켄칭, 기타 열처리를 효율적으로 행하는 것을 특징으로 한다.

상기 가공물 이송 수단은 보온 내지 보열 수단과, 내부압력을 조절하는 가스압력 조절 수단을 가지고, 열처리공장 내를 자유롭게 이동 가능한 로봇으로 구성할 수 있다. 또, 상기 가공물 이송 수단은 보온 내지 보열 수단 및 내부압력을 조절하는 가스압력 조절 수단 및 가공물 이송 수단을 구비한 터널 장치로 구성할 수 있다.

본 발명의 핫가스 열처리 시스템 H·O·T·S는 각종 핫가스 담금질 장치 H·O·T-i(i= 1∼5)를 각종 열처리 시스템에 조립하여, 가공물의 이송을 행하고, 담금질 개시 온도로 예열한 가공물을 급랭 또는 등온을 유지하면서 다량의 가공물에 각종 열처리 방법을 적용하여, 순차 효율적으로 열처리할 수 있다.

시스템 구성예로서는 핫가스 담금질 장치 H·O·T-i(i= 1∼5)와 복수 예열로를 직렬 또는 병렬로 조합한 예가 있다. 직렬접속에 의한 연속이송의 것으로서는, 각 로에 대한 택트(tact)를 적절하게 함으로써, 간헐이송되는 가공물을 순차, 효율적으로 담금질할 수 있다. 종래의 염욕을 이용하여 시스템화한 것과 달리, 가공물의 침지 및 인상의 필요가 없고, 환경 열화의 우려도 없고, 배치는 자유로우며, 응용범위가 넓은 플렉시블 열처리 시스템으로 할 수 있다.

이상 나타낸 본 발명의 핫가스 담금질 장치 및 핫가스 열처리 시스템을 이용한 열처리에서는 등온 유지에 의한 열처리를 행하기 때문에, 탈탄이나 산화와 같은 표면변질의 위험을 방지할 수 있다. 또, 표면거칠기나 왜곡이 생기지 않기 때문에, 재마무리 비용을 절감할 수 있다. 인성(靭性)이 높아 균열을 방지하여 수명을 길게 할 수 있다. 자동화에 의해 관리 파라미터를 확실하게 준수할 수 있고, 품질 보증을 할 수 있다. 불쾌한 환경을 없게 하여, 오염 및 폐수 문제도 생기지 않는다. 조업의 원활화를 도모할 수 있어, 가공비용의 저감을 도모할 수 있는 등 많은 이점이 생긴다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 핫가스 담금질 장치 H·O·T-1, H·O·T-2의 구조를 나타내는 종단면 설명도이다.

도 2는 기본형 핫가스 담금질 장치 H·O·T-1의 제어 개요를 나타내는 온도선도이다.

도 3은 가스예열형의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-2의 제어 개요를 나타내는 온도선도이다.

도 4는 본 발명의 핫가스 담금질 장치를 이용하여 행할 수 있는 등온 유지 담금질 방법을 나타내는 시간 및 온도의 담금질 선도이다.

도 5는 본 발명의 믹서 내 접촉재형 핫가스 담금질 장치 H·O·T-3의 구조를 나타내는 종단면 설명도이다.

도 6은 본 발명의 유로 내 접촉재형 핫가스 담금질 장치 H·O·T-4의 구조를 나타내는 종단면 설명도이다.

도 7은 표 2에 나타내는 가공물 및 접촉재의 순환로 내에서의 평형온도를 나타내는 선도이다.

도 8은 핫가스 담금질 장치 H·O·T-4의 제어 개요를 나타내는 플로차트이다.

도 9는 도 8의 제어에 의해 얻어지는 각종 변화 내지 동작을 나타내는 타임차트이다.

도 10은 본 발명의 도가니형 핫가스 담금질 장치 H·O·T-5(H·O·T·R)의 실시예를 나타내는 종단면 설명도이다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 관한 핫가스 열처리 시스템 H·O·T·S의 구조를 나타내는 평면설명도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-i(i= 1∼5), 및 핫가스 열처리장치 H·O·T·S에 대해, 순차 실시예를 설명한다.

도 1에, 본 발명의 일 실시예에 관한 핫가스 담금질 장치 H·O·T-1, H·O·T-2의 구성을 나타낸다. 기본형의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-1과, 가스예열형의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-2는, 외형상 동일하여, 불활성가스(N₂가스)의 도입위치와, 제어방법이 상이하다. 기본형 H·O·T-1에서는 불활성가스의 도입위치가 제1 또는 제2 유로일 수 있지만, 가스예열형에서는 제1 유로 측으로 된다. 도면에는 어느 경우에도 적용 가능하도록, 불활성가스를 제1 유로에 도입한 예로 나타내고 있다.

압력용기(1)는 5Bar의 압력에 견디도록 만들어진다. 압력용기(1)의 외주는 보온재(2)로 보온되어 있다. 압력용기(1)의 전면(도면에서 좌측)에는 개폐 가능한 도어(3)가 설치되어 있다.

상기 압력용기(1)의 앞쪽 위치에는 단열재로 만들어진 예열로(4)가 배치되고, 그 내부는 가공물(W)의 수납부로 되어 있다. 예열로(4)의 전면창(5)은 상기 도어(3)에 설치된 실린더장치(6)로, 예열로(4)의 본체 부분에 밀착할 수 있게 되어 있다. 예열로(4)의 내부에는 가공물(W)이 수납되어 있다.

본 예에서는, 예열로(4)는 가공물(W)을 수납하여, 히터(7)로 가공물의 예열을 행하는 것으로 한다. 예열된 가공물(W)이 외부로부터 이송되어 오는 경우도 있다. 예열로(4)는 분위기로 또는 진공로로서 구성할 수 있다. 예열로(4)를 진공로로 하는 경우에는 압력용기(1)의 내부에서 진공 상태가 계속 될 수 있도록 구성한다. 예열로(4)의 뒤쪽에는 회전축(8)의 회전에 따라 개폐가능한 후면창(9)이 설치되어 있다.

상기 압력용기(1)의 내측에는 상기 예열로(4)에 수납된 가공물(W)에 대하여 불활성가스를 내뿜는 동시에, 내뿜은 후의 가스를 순환시키기 위한 순환로(10)가 배치되어 있다. 순환로(10)에는 디스트리뷰터(11)의 흡기구(11a)가 배치되고, 디스트리뷰터(11)의 출력구는 밸브(V1)가 부착된 다수의 세관(11b)이 분기 접속되어, 상기 예열로(4)의 내부에서 상기 가공물(W)을 향해서 가스를 토출하도록 구성되어 있다. 디스트리뷰터(11)의 메인관(本管)의 전단에는 세공(11c)이 설치되고, 소량의 가스를 항상 토출할 수 있도록 되어 있다. 순환로(10) 내의 가스를 중간 온도로 예열 유지하기 위해서다.

상기 순환로(10)의 도중에는 순환로(10) 내를 흐르는 불활성가스를 핫가스로 하기 위해서 상하 한 쌍의 유로(F1, F2)가 분기 형성되어 있다. 양 유로(F1, F2) 의 종단 위치에는 양 유로(F1, F2)로부터 출력되는 불활성가스를 균일하게 혼합하기 위한 믹서(12)가 배치되어 있다. 각 유로(F1, F2)의 가스입구에는 실린더장치(13, 14)로 개방도를 조절 가능한 제어창(C1, C2)이 설치되어 있다. 양 창(C1, C2)은 한 쪽 창을 열 때, 다른 쪽의 창이 닫히는 형태로 연속 동작할 수도 있다.

상기 제2 유로에는 수냉 장치(15)가 배치되어 있다. 도면에는 수냉관만을 나타내고 있다. 도시하지 않은 물탱크 등으로부터 도시한 관에 상온의 물을 이송하여, 제2 유로(F2) 내를 흐르는 불활성가스를 상온으로 냉각하는 것이다. 담금질 개시 시와 같이 입력가스 온도가 500℃ 이상의 고온인 경우에는 수냉 장치(15) 통과 후의 가스 온도가 100℃ 이상이 되는 경우도 있다.

상기 믹서(12)는 양 유로(F1, F2)로부터 각각 온도가 상이한 가스를 입력하고, 양자를 혼합하여 균일온도화 하는 것이다. 이로 인해, 믹서(12) 내부에는 양 입력가스를 혼합하기 위해, 예를 들면 금속편이나, 다중의 칸막이 판이 개재되고, 또는 도시하지 않은 교반용 스크루 등이 배치된다. 상기 예열로(4)의 후면창(9)으로부터 출력된 가스는 양 유로(F1, F2)를 통하여 믹서(12)의 출력구로부터 출력된다. 순환로(10) 내에는 온도제어를 위한 온도센서와, 가스압 검출용 센서류가 배치된다.

한편, 상기 압력용기(1)의 후단에는 직류모터(16)로 회전축(17)을 회전 구동하여, 날개(18)로 가스를 가압하여 출력하는 터보블로어 장치(19)가 설치되어 있다. 블로어 장치(19)로 가압된 불활성가스는 상기 디스트리뷰터(11)의 흡기구(11a)를 향해서 출력된다.

회전축(17)은 내측이 핫가스이며, 항상 고온이기 때문에, 중간에 단열재로 만들어진 중간축을 개재시킨 구조로 하고 있다. 또, 그 주위를 수냉하여, 직류모터(16) 측에 열이 전도되기 어려운 구조로 한다. 직류모터(16)는 항상 저속 회전되어, 불활성가스를 디스트리뷰터(11)의 메인관으로 이송하고, 그 선단에 설치한 세공(11c)에서의 되돌림에 의해 순환로(10)를 항상 일정한 온도로 유지한다. 또, 상기 밸브(V1)를 열어, 모터(16)를 전체 회전함으로써, 가공물(W)에 핫가스를 내뿜을 수 있다. 상기 제1 유로 F(1)에는 불활성가스를 도입하기 위한 가스 도입관(20)의 선단이 개구되어 있다.

이상과 같은 구성의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-1, H·O·T-2는 외견상, 양자가 동일하지만, 예열로(4)가 분위기로인지, 또는 진공로인지가 상이하다. 압력, 가스 온도, 유량 등의 제어방식도 상이하다.

먼저, 예열로(4)가 분위기로인 경우, 핫가스 담금질 장치 H·O·T-1이 적용된다. 예열로(4)는 분위기로이며, 순환로(10)도 동일한 압력으로 제어할 수 있기 때문에, 후면창(9)은 완전 밀폐구조가 아니어도 된다. 담금질 개시 전, 블로어 장치(19)는 천천히 회전되고 있다. 순환로(10) 내의 가스 온도는 가공물(W)에 과냉각이 일어나지 않는 중간 온도로서 정해진다. 이 중간 온도는 등온 변태점 온도(T_A)보다 조금 낮은 온도(T_B)로 된다.

도 2에 도시한 바와 같이, 분위기로에 적용되는 핫가스 담금질 장치 H·O·T-1에서는 담금질 개시시각 t1에 있어서, 순환로(10)에는 예를 들면 200℃의 핫가스가 순환되고 있다. 등온 변태점 온도(T_A)는 300℃로 한다. 시각 t1에서 담금질이 시작되면, 제어창(C1, C2)의 각각의 개방도가 조절된 뒤에, 후면창(9)이 열려, 유로(F(1 및 F2)를 통하여 믹서(12)로 가스가 유입된다. 순환로(10) 내의 가스 온도가 도 2(a)에 나타내는 제어 목표 온도(Tp)가 되도록, 제어창(C1, C2)의 개방도가 제어된다.

이 때, 압력용기(1) 내의 가스압력은 분위기로(4)의 사용압력, 예를 들면2Bar로부터, 순차 고압, 예를 들면 5Bar로 상승하도록, 시각 t2로부터 상온의 불활성가스가 도입된다. 시각 t2와 시각 t1은 거의 동시이다.

순환로(10) 내의 온도를 검출하면서, 이 온도가 목표 온도(Tp)가 되도록, 또한 5Bar를 넘지 않도록 가스 도입량을 정한다. 가공물(W)은 도 2(b)에 도시한 바와 같이, 재료의 표면(얕은 부분)과 심부(深部)에서 냉각선 Tw1, Tw2가 다르지만, 등온 변태점 온도(T_A)를 향해서 점차 냉각된다.

가공물(W)이 균일하게 등온 변태점 온도(T_A)로 냉각되면, 제2 유로의 제어창(C2)을 좁히고, 최종적으로는 폐쇄하여, 등온을 유지할 수 있다.

예열로(4)가 진공로로 되는 경우의 가스예열형의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-2에서는 도 3에 도시한 바와 같이, 예열된 불활성가스를 불어넣는 점이 상이하다. 또, 그것에 이어서 제어창(C1, C2)을 제어하는 시각 t3을 조금 지연시켜 행하는 점이 상이하다. 불활성가스의 도입에는 분위기 생성을 위해 약간의 시간을 필요로 하기 때문에, 가공물(W)의 냉각곡선 Tw3, Tw4는 앞의 예(Tw1, Tw2)와 비교하 여, 약간 지연된 모양이 된다. 분위기 형성되면, 그 후에 관해서는 전술한 예의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-1과 동일하다.

도 4는 본 발명의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-i(i= 1∼5)에서 행할 수 있는 시간 및 온도의 담금질 선도이다. 도면에서, 파선은 통상 담금질을 나타낸다. 실선은 오스템퍼링을 나타낸다. 일점쇄선은 승온 오스템퍼링을 나타낸다. 이점쇄선은 마르켄칭과 마르템퍼링을 나타낸다.

파선으로 나타내는 통상 담금질에서는 담금질 개시 온도를 예를 들면 1000℃로 할 때, 상온으로 단숨에 냉각하고, 후에 적절하게 템퍼링한다. 이 방법은 종래의 분류로에서도 실시할 수 있다. 본 발명의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-i(i= 1∼5)에서는 등온 유지 기능을 이용하여, 동일로 내에서 템퍼링까지 행할 수 있다.

오스템퍼링에서는, 예를 들면 등온 유지의 목표 온도를 300℃로 하여, 예를 들면 250℃의 핫가스에 의해, S곡선의 코에 걸릴 때까지의 시간으로 냉각하여, 등온 유지하여 S곡선을 통과시키고, 그 후 상온으로 냉각한다.

승온 오스템퍼링에서는 목표 온도(Tp)를 상기의 목표 온도 300℃보다 어느 정도 낮은 온도, 예를 들면 250℃로 설정하여, 가공물(W)의 표면 및 내부가 균일한 온도가 되고 나서, 다음 목표 온도 300℃로 상승시켜 등온을 유지하고, S곡선 통과의 후에 상온으로 냉각한다. 상온으로의 냉각은 장치 밖에서 행할 수도 있다.

마르켄칭에서는 Ms점보다 조금 높은 온도로 등온 유지하여 담금질하고, S곡선에 접촉하기까지의 시간 내에 공랭 상당의 냉각속도로 냉각하고, 그 후 템퍼링을 행한다. 공랭은 장치 밖에서 행할 수도 있다.

마르템퍼링에서는 Ms 및 Mf 점의 중간 온도로 급랭 및 등온을 유지하고, 템퍼링된 마르텐사이트(martensite)와 하부 베이나이트(bainite)의 혼합조성을 만든다. 등온 변태의 완료를 기다리지 않고 로에서 꺼내어, 별도의 로에서 템퍼링 처리할 수도 있다.

이상과 같이 본 발명의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-i(i= 1∼5)에서는 100∼400℃의 중간 온도로 자유롭게 급랭, 또한 등온 유지할 수 있다. 온도제어의 오차는 5∼10℃ 이하, 특히, 등온 유지에서는 ±1℃ 정도로 할 수 있다.

도 5는 믹서 내 접촉재형 핫가스 담금질 장치 H·O·T-3을 나타내는 종단면도이다. 전술한 예의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-1, H·O·T-2와 달리, 믹서(12) 내에 가공물(W)의 열 용량 Qw의 0.3배 정도의 열 용량형 접촉재(21)를 배치하고 있다. 다른 부재에 있어서, 동일한 참조부호로 나타내는 부재는 전술한 예의 것과 동일한 기능을 갖는다.

접촉재(21)로는 철, 또는 알루미늄 등의 금속구나, 금속세관, 금속칩 등의 통풍성이 양호한 것을 이용할 수 있다. 직경 5∼15㎜ 정도의 금속세관을 이용하는 경우, 구멍방향을 통풍방향과 일치시켜 이용한다. 접촉재(21)는 담금질 개시 시, 미리 중간 온도로 예열해 둔다. 이들 접촉재(21)에 불활성가스를 접촉시킴으로써, 불활성가스의 온도를 바로 접촉재(21)의 온도로 변환하여, 디스트리뷰터(11)를 통하여 가공물(W)에 내뿜을 수 있다.

믹서(12) 내에 배치한 접촉재(21)의 양은 예를 들면 가공물 1톤에 대하여 300㎏이기 때문에, 표 2의 관계로부터, 평형온도를 목표온도로 하는 것은 불가능하다. 그러나, 담금질 개시 시에 믹서에 입력되는 고온의 불활성가스의 온도를 순간적으로 접촉재(21)의 온도로 냉각할 수 있다. 따라서, 접촉재의 온도를 미리 도 2 또는 도 3에 나타내는 초기의 목표 온도, 예를 들면 200℃로 설정하여 놓은 것에 의해, 도입 불활성가스를 또는 분위기 불활성가스를 최소한 초기에 200℃로 하여 가공물(W)에 내뿜을 수 있다. 바꿔 말하면, 담금질 개시 시, 다량의 불활성가스를 순간적으로 도입 가능하게 하여, 급랭속도를 빠르게 할 수 있다. 이어서, 제어창(C1, C2)의 개방도 조절을 행하고, 가스를 냉각하기 때문에, 도 2 또는 도 3에 나타낸 것과 동일한 온도제어를 행할 수 있다. 접촉재(21)를 이용함으로써, 제어안정성도 높아진다.

도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 유로 내 접촉재형의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-4는 제1 유로(F1) 내에 접촉재(21)를 배치하고 있다. 다른 부재에 관해서는 도 1, 도 5에 나타낸 것과 동일하다. 도 1, 도 5에 나타낸 것과 동일한 기능을 가지는 부재에는 동일한 참조부호를 부여하여 나타내고 있다. 접촉재(21)는 믹서(12) 내에는 배치하지 않고 있지만, 믹서(12) 내에 배치할 수도 있다.

상기 접촉재(21)의 양은 표 2를 참조하여 설정한다. 즉, 접촉재(21)로서, 예를 들면 강철구를 사용한 경우, 가공물(W)의 중량의 1.0배 등으로 정한다.

도 7은 표 2에 나타낸 조건 하에 있어서, 가공물(W) 및 접촉재(21)를 순환로(10) 내에서 온도를 평형시킨 경우의 시간 및 온도의 특성선도이다. 도시한 바와 같이, 접촉재(21)의 온도를 250℃, 등온 유지의 목표 온도(Tp)를 300℃로 하면, 접촉재(21)가 가공물(W)과 동일한 양인 1톤의 경우, 325℃ 분의 흡열을 행할 수 있다. 즉, 핫가스를 가공물(W)에 내뿜으면, 핫가스는 고온이 되고, 압력이 상승하고, 순환로(10)로를 향한다. 이 때, 온도가 상승한 가스는 접촉재(21)로 냉각한다. 압력을 보면서, N₂가스 도입관(20)의 밸브를 조절하여, 압력을 3∼5Bar로 유지하여, 제2 유로(F2)의 제어창(C2)을 서서히 열어, 순환가스 온도가 최종 목표온도가 되도록 냉각한다. 이들 처치에 의해, 핫가스 온도를 예를 들면 300℃로 할 수 있어, 가공물(W)의 온도를 목표 온도로 평형시킬 수 있다. 이후, 등온 유지를 행할 수 있다.

본 발명의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-4의 제어 개요를 도 8 및 도 9에 통합하여 나타낸다. 가공물(W) 및 접촉재(21)의 중량은 모두 1톤으로 한다. 또, 오스템퍼링의 목표 온도를 300℃로 하고, 과냉각이 일어나지 않는 중간 온도는 250℃로 한다. 도 8에 있어서, 스텝 801에서 순환로(10) 내의 접촉재(21)의 온도를 250℃로 하여, 핫가스를 생성하고, 스텝 802를 통하여 냉각공정으로 이행한다. 도 9(c)에 나타낸 바와 같이, 블로어 장치(19)는 필요에 따라 회전속도를 변경할 수 있다. 접촉재(21)의 가열에는 분위기가스 온도를 이용하는 것도 가능하지만, 도시하지 않은 히터를 이용하는 것도 가능하다.

스텝 803에서는 블로어 장치(19)를 고속 구동하고, 스텝 804에서 디스트리뷰터(11)의 밸브(V1)를 열어, 핫가스를 가공물(W)에 내뿜는다. 이 때, 스텝 805에서 후면창(9)을 연다.

스텝 806∼811에서는 핫가스의 온도검출을 행하면서, 제어창(C1, C2) 및 히 터(14)를 제어하여 목표온도에서의 등온 유지를 행한다. 스텝 812를 통하여, 목표온도의 변경 등의 별도 프로그램으로 점프할 수도 있다. 스텝 813에서 상온으로의 냉각처리를 행한다. 등온 유지 이행의 시점에서 가공물을 별도의 로에 옮기고, 장치 내부는 항상 핫가스 온도로 유지할 수도 있다. 그렇게 하는 것이 열손실이 적고, 또한, 내부구조물에 큰 온도 변화를 부여하는 일이 없기 때문에 바람직하다.

도 9에 도시한 바와 같이, 본 예의 핫가스 담금질 장치 H·O·T·C-4에 의하면, 냉각개시시각 t1보다 후의 시각 t4∼t5에 걸쳐, 정확하게 등온을 유지할 수 있다. 등온 유지의 온도오차는 수 ℃ 이하로 행할 수 있다. 도 9의 (a)는 가공물(W)의 온도를, (b)는 핫가스의 온도 변화를, (c)는 블로어 장치(19)의 회전속도의 변화를, (d)는 불활성가스의 압력변화를, (e)는 예열, 급랭, 등온 유지, 냉각의 공정을 나타내고 있다. 공정에는 가열, 템퍼링 공정을 포함하는 것도 가능하다.

이상과 같이, 본 발명의 핫가스 담금질 장치 H·O·T·C-4에 의하면, 접촉재(12)를 이용하여 생성한 핫가스에 의해, 수납가공물(W)을 급랭하고, 등온 유지할 수 있고, 또한 가열을 자유롭게 행할 수 있어, 오스템퍼링은 물론, 하나의 로에서 마르켄칭, 마르템퍼링 등을 행할 수 있다. 제어정밀도에 차이는 생기지만, 다른 핫가스 담금질 장치 H·O·T-1, H·O·T-2, H·O·T-3에 있어서도 마찬가지이다. 염욕이 불필요한 핫가스에 의한 제어이기 때문에, 안전하고 자유로이 고정밀도의 온도제어가 가능하여, 금속 제품을 이론대로 고품질로 열처리할 수 있다.

도 10은 도가니형의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-5의 일 실시예를 나타내는 종단면 설명도이다. 종형원통형의 압력용기(22)의 일 측면에는 가공물(W)을 출납 하기 위한 칸막이 창(23)이 설치되고, 그 내부에는 가공물(W)을 수납하는 수납부(24)가 설치되어 있다.

상기 압력용기(22)의 내부는 복수의 칸막이 판(25)에 의해, 하단으로부터 상단에 걸쳐 교대로 절반씩 구획되고, 유로가 형성되어 있다. 유로 내에는 전술한 것과 동일한 접촉재(21)가 충전되어 있다. 유로의 수납부(24) 근처에는 디스트리뷰터(26)가 배치되고, 도면 하방의 유로에 들어간 가스는 디스트리뷰터(26)를 통하여 가공물(W)에 내뿜어지고, 그 후 상단의 유로로 되돌아가는 구성으로 되어 있다.

상기 압력용기(22)의 상부에는 도 1에 나타낸 것과 유사한 블로어 장치(27)가 설치되고, 블로어 장치(27)로 가압된 가스는 덕트(28)를 통하여 상단으로부터 하단을 향해서 보내지고, 상기 유로를 포함해서 순환로(29)를 구성하고 있다. 덕트(28)의 일부에는 불활성가스를 보충하기 위한 가스 도입관(20)과, 온도 조절용 히터(30) 및 냉각 장치(31)가 설치되어 있다. 냉각 장치(31)는 밸브(V2)를 통하여 순환로(29) 내의 가스의 일부를 꺼내고, 이것을 수관을 이용하여 냉각하고, 순환로(29) 내에 돌려보내는 구성이다. 압력용기(22) 및 덕트(28) 외주는 적절하게 보온재(2)를 이용하여 보온된다.

접촉재(21)의 양은 표 2, 도 7을 참조하여, 예를 들면 1톤의 가공물(W)을 접촉재(21)만으로 목표온도 300℃까지 냉각유지하는 것을 상정하고, 예를 들면 10톤 이상, 30톤으로 설정된다. 접촉재(21)의 소요량(체적)은 철의 비중을 7.9g/㎤이라고 하면, 접촉재(21)가 강철구인 경우, 비중은 4.14g/㎤이기 때문에, 다음의 표 3과 같이 정해진다.

표 3

표 3으로부터, 가공물 중량을 1톤으로 하면, 접촉재량 10∼30톤이 실용적인 값인 것을 알 수 있다. 단, 가공물 중량을 100㎏으로 하면, 접촉재의 양도 1/10의 양으로 대응 가능하다.

핫가스 담금질 장치 H·O·T-5의 작용에 대해 설명한다. 지금, 칸막이 창(23)을 통하여, 수납부(24)에 예를 들면, 1000℃로 예열된 가공물(W)이 투입되었다고 한다. 그때까지, 접촉재(21)의 온도는 예를 들면 250℃의 핫가스 온도로 예열되어 있는 것으로 한다.

가공물(W)이 투입되면, 블로어 장치(27)를 고속으로 회전시켜, 디스트리뷰터(26)를 통하여 핫가스를 가공물(W)에 내뿜는다. 압력은 상승하지만, 대량의 접촉재(21)를 이용하고 있기 때문에, 3∼5Bar의 범위에서 용이하게 제어할 수 있다. 즉, 핫가스의 온도는 초기에서 250℃이다. 접촉재(21)의 양을 10톤으로 하면, 표 2로부터 평형온도는 318℃이다. 목표온도를 300℃로 하고, 이것을 정확하게 제어하고 싶은 경우에는 18℃ 만큼의 열량을 냉각 장치(31)로 제거하거나, 또는 핫가스 온도, 즉 접촉재(21)의 온도를 시작으로부터 18℃ 저하시켜 232℃로 하여 놓으면 좋다. 접촉재(21)의 양을 20톤으로 하면, 표 2로부터 핫가스 온도는 296℃가 되기 때문에, 초기온도를 4℃ 만큼 상승시키고, 254℃로 설정하여 놓으면 좋다. 이후의 등온 유지 사이의 온도저하는 1℃ 정도이기 때문에, 굳이 히터(30)를 작동시킬 필요도 없다. 이상, 보다 매우 고정밀도의 급랭 및 등온 유지를 행할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-5는 투입가공물(W)을 급랭하여, 일정 온도로 등온 유지할 수 있다. 핫가스 온도까지 냉각된 가공물(W)을 받아들여 등온 유지만 행할 수도 있다. 따라서, 도 4에 나타낸 바와 같은 각종 등온 유지를 포함한 열처리에 있어서, 급랭, 또는 등온 유지의 일부 또는 모든 공정에 이용할 수 있고, 고품질의 금속열처리를 행할 수 있다.

수납부(24)는 덕트(28) 내에 배치하는 것도 가능하다. 또, 예를 들면 150℃, 200℃, 250℃, 300℃과 같이 각종 온도가 상이한 복수의 장치 H·O·T-5를 배치하고, 순차 또는 선택적인 사용에 의해, 임의의 열처리에 이용할 수도 있다. 이러한 한정에 있어서, 본 발명의 핫가스 담금질 장치는 종래의 염욕에 대신하는 「핫가스 도가니」라고 칭할 수도 있다. 염욕과 달리, 안전하며, 침지나 인상의 필요가 없고, 유용성이 각별히 좋다. 10톤의 접촉재(21)를 이용한다고 해도, 그 체적은 2, 4㎥이며, 그다지 대형장치로 되지도 않는다. 등온 유지 전용으로 이용하는 경우에는, 본 장치를 핫가스 등온 유지장치 H·O·T·R라고 부르는 것도 가능하다.

칸막이 창(23)에, 도 1에 나타낸 것과 같은 예열로(4)의 예열 기능을 가지는 진공로, 또는 분위기로(도시하지 않음)를 직결할 수도 있다. 이 경우, 예열로(4)에서 예열한 가공물(W)을 칸막이 창(23)을 열어 수납부(24)에 수납하고, 냉각 담금질하고, 등온 유지할 수 있다.

도 11은 3대의 예열로(32)와, 1대의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-4와, 3대의 등온 유지장치 H·O·T·R을 조합하여 구성한 핫가스 열처리 시스템 H·O·T·S의 구성을 나타내는 평면도이다. 핫가스 담금질 장치 H·O·T-4는 칸막이 창(23)을 이용한 점을 제외하고 도 6에 나타낸 것과 동일하다. 핫가스 등온 유지장치 H·O·T·R은 도 10에 나타낸 것과 동일하다. 단, 본 예의 핫가스 등온 유지장치 H·O·T·R에서는 가공물 수납부(24)를 덕트(28) 내에 배치하고 있다.

도 11에 있어서, 예열로(32)는 가공물(W)의 예열을 행할 수 있다. 핫가스 담금질 장치 H·O·T·R-4는 예열된 가공물(W)을 받아 들여, 도 4에 나타내는 각종 담금질을 행할 수 있다. 핫가스 등온 유지장치 H·O·T·R은 미리 지정의 온도, 예를 들면 230℃, 250℃, 270℃ 등으로 예열되어 있어서, 수납 가공물(W)을 목표온도, 예를 들면 300℃로 급랭하고, 등온 유지할 수 있다. 또, 급랭된 가공물(W)을 수납하여 일정한 온도로 등온 유지하고, 템퍼링 등을 행할 수 있다. 가공물 이송로봇(33)은 진공 또는 가스 분위기 중, 가공물(W)을 일정한 온도로 보온하여, 로에서 로로 이송을 행하는 것이다.

가공물 이송, 보온 내지 보열 수단 및 가스압력 조절 수단, 및 롤러장치 등에 의한 가공물 이동수단을 구비한 터널을 만들어, 복수의 예열로(32)와 하나 또는 복수의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-i를 서로 연결한 모양으로 하는 것도 가능하 다. 또, 각 장치를 하나의 워크스테이션으로 연계하여, 하나 또는 복수의 가공물(W)에 각종 열처리를 가하는 것도 가능하다.

핫가스 열처리 시스템 H·O·T·S로는 상기 실시예에 관한 것 이외에, 여러 가지 형태가 있다. 예를 들면, 가공물을 이송 가능한 워크스테이션을 중심으로 하여, 주위에 예열로나 핫가스 담금질 장치, 또는 등온 유지장치를 연결한 형태가 있다. 또, 각 가열온도가 상이한 복수의 예열로를 직렬로 접속하고, 계속해서 핫가스 담금질 장치 H·O·T-i, 계속해서 병렬로 복수의 등온 유지장치 H·O·T·R을 접속한 형태 등이 있다.

이와 같이 본 발명의 핫가스 담금질 장치 H·O·T-i를 중심으로 하여, 여러 가지의 시스템을 구축할 수 있어, 고효율로 고품질의 열처리를 행할 수 있다.

복수 종류의 온도가 상이한 등온 유지로(維持盧) H·O·T·R-i를 풍동에 접속하고, 풍동 내에 설치한 가공물(W)에, 선택된 등온 유지로 H·O·T·R-i의 핫가스를 내뿜도록 할 수도 있다. 이와 같이하면, 임의의 온도가 적절하게 선택할 수 있다. 또, 순차로 자연스럽게 냉각된 등온 유지로 H·O·T·R-i의 접촉재(21)를 가열하여 사용하는 형태가 되기 때문에, 에너지 절감이 되고, 자원을 절약할 수 있다.

이상의 구체적인 예에 의해 명확히 나타난 바와 같이, 본 발명의 핫가스에 의한 금속열처리 방법은 이상 나타낸 장치, 시스템을 이용하여, 종래의 염욕법 대신 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 보다 동적인 등온 유지 제어를 행하는 것이 가능하다. 동적 특성이 우수하기 때문에, 염욕 변환 작업의 수고 및 시간이 필요없고, 또한 추종성이 양호하고, 임의의 온도 설계가 가능하다.

또, 아직 개발되어 있지 않은 등온 유지에 의한 금속열처리 방법이 확립되었을 때, 바로 이것을 실시할 수 있는 이점이 있다. 예를 들면, 조금씩의 온도 변화를 부여할 수 있고, 또, 상하 온도 변화를 가능하게 설정할 수 있다. 본 발명의 핫가스에 의한 금속열처리 방법에 의하면, 종래 염욕법 대신, 각종 등온 유지에 의한 금속열처리와 핫가스를 이용하여 안전하고 효율적으로 소규모 설비로 행할 수 있다. 또한, 온도 변화의 제어를 용이하고 신속 가능하게 행할 수 있기 때문에, 종래의 염욕에 의한 제한이 해제되어, 정적 등온 유지 외에 동적 등온 유지를 행할 수 있다. 동적이라고 하는 것은 민첩한 것과 변화가 가능한 것을 의미한다. 예를 들면, 300℃에서 10분, 315℃에서 20분, 다시 305℃에서 30분 등과, 설계대로 정확하고, 동적인 제어가 가능하게 된다.

또한, 종래의 염욕법으로 실시 가능한 오스템퍼핑, 마르템퍼링, 마르켄칭 등의 각종 금속열처리 방법의 개량을 도모할 수 있어, 보다 효과적인 등온 유지에 의한 금속열처리 방법을 제안할 수 있는 소재로 할 수 있다.

본 발명은 이상 나타낸 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 적절하게 설계적 변경을 행할 수 있어, 각종 양태로 실시할 수 있는 것은 물론이다.

본 출원에 개시의 내용은 2001년 10월 23일에 출원된 일본특허출원번호 2001-325248과, 2002년 2월 18일에 출원된 일본특허출원번호 2002-039955와, 2002년 3월 25일에 출원된 일본특허출원번호 2002-084230과, 2002년 6월 11일에 출원된 일본특허출원번호 2002-170194에 포함된 발명에 관한 것으로서, 이들 일본출원이 전체적으로 본 명세서에 조합된다.

본 발명의 핫가스에 의한 금속열처리 방법에 의하면, 종래의 염욕법 대신, 각종 등온 유지에 의한 금속열처리와 핫가스를 이용하여 안전하고 효율적으로 소규모 설비로 행할 수 있다. 또한, 온도 변화의 제어를 용이하고 신속 가능하게 행할 수 있기 때문에, 종래의 염욕에 의한 제어가 해제되어, 정적 등온 유지 외에 동적 등온 유지를 행할 수 있다.

또, 종래의 염욕법으로 실시 가능한 오스템퍼링, 마르템퍼링, 마르켄칭 등의 각종 금속열처리 방법의 개량을 도모할 수 있어, 보다 효과적인 등온 유지에 의한 금속열처리 방법을 제안할 수 있는 소재로 할 수 있다.

본 발명의 기본형의 핫가스 담금질 장치는 제1(고온용) 및 제2(저온용)의 2개의 유로를 가지고, 각 유로에 구비한 제어창의 개방도 조절을 행함으로써 순환로 내를 흐르는 가스의 온도를 등온 변태점 온도와 관련하여 정한 중간 온도로 제어한다. 따라서, 불활성가스 분위기 중에 있는 가공물을 중간 온도로 급랭할 수 있고, 등온 변태점 온도로 임의의 시간동안 고정밀도로 등온 유지할 수 있다.

컨트롤러는 믹서 출력온도가 중간 온도가 되도록 각 유로에 구비한 제어창의 개방도를 제어할 수 있다. 또, 냉각 가스압력이 소정의 가스압력, 예를 들면 5Bar가 되도록, 불활성가스 분위기 중에 추가 도입되는 상온의 불활성가스의 양을 제어하면 되고, 불활성가스의 예열도 진공로인 경우를 제외하면 불필요하다.

본 발명의 가스예열형의 핫가스 담금질 장치는 제1 및 제2 유로와, 각 유로의 종단 위치에 믹서를 가지고 있다. 또, 중간 온도로 예열된 불활성가스를 도입하면서 믹서 출력온도가 중간 온도가 되도록, 상기 제1 및 제2 유로를 구비한 제어창의 개방도를 조절한다. 따라서, 가공물이 진공 둥에서 수납되어 있는 경우라도 가공물을 중간 온도로 급랭할 수 있고, 등온 변태온도로 등온 유지할 수 있다.

본 발명의 믹서 내 접촉재형의 핫가스 담금질 장치는 기본형의 것에 비해, 믹서 내에 열 용량을 가지는 접촉재가 배치되어 있다. 따라서, 담금질 개시 시의 분위기 불활성가스 또는 도입 불활성가스를 바로 접촉재의 온도, 즉 중간 온도로 변화시킬 수 있다. 이후는 도입 불활성가스가 중간 온도가 되도록 기본형과 동일한 제어를 행할 수 있고, 급랭속도가 빨라 제어안정성이 양호하다.

본 발명의 유로 내 접촉재형의 핫가스 담금질 장치는 기본형의 것에 비해, 제1 유로 내에 소정의 열 용량형 접촉재를 배치하고 있다. 따라서, 믹서 내 접촉재형에 비해, 수 배 양의 접촉재를 배치할 수 있다. 제1 유로에 소요량의 접촉재의 배치를 행함으로써, 다량의 가스이더라도 추종성이 양호하여 중간 온도로의 냉각이 가능해져, 용이하고 신속하며 확실한 중간 온도로의 급랭이 가능하게 된다. 또, 등온 유지에서의 온도안정성이 양호하게 된다.

본 발명의 도가니형의 핫가스 담금질 장치에 의하면, 순환로 내에 다량의 열 용량형 접촉재를 배치하기 때문에, 가스순환만으로 가공물의 중간 온도로의 급랭이 가능하다. 또, 등온 유지장치로서 등온 유지만을 주체로 하여 이용하는 것도 가능하다.

본 발명의 핫가스 열처리 시스템은 이상 나타낸 각종 핫가스 담금질 장치 중 하나 또는 복수와, 다른 예열로 등을 가공물 이송 로봇이나 워크스테이션, 또는 터널 장치를 통하여 조합, 간헐 또는 연속적인 등온 유지 금속열처리를 매우 효율적으로 행할 수 있다.

Claims

담금질 개시 온도로 예열한 가공물에, 상기 가공물의 등온 변태점 온도 부근으로 조절된 불활성가스(핫가스)를 내뿜어 급랭시키고, 그 후 온도차를 5℃ 이내로 하여 임의의 시간동안 등온으로 유지하는 동시에, 상기 핫가스 온도를 임의로 변경 가능하게 하여, 각종 등온 유지의 금속열처리 방법에 따라서, 정적 또는 동적인 등온 유지에 의한 금속열처리를 행하는 것을 특징으로 하는 핫가스에 의한 금속열처리 방법.
다음 (1) ~ (12)의 요건을 갖추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 핫가스 담금질 장치.

(1) 담금질 개시온도로 예열된 가공물(W)을 수납하는 가공물 수납부(예열로(4)의 내측공간)를 구비하고,

(2) 상기 가공물(W)의 예열을 위한 공간과는 별도로, 가공물(W)의 등온 변태점 온도 T_A 부근의 온도로 정해진 온도 T_B의 핫가스를 유지하기 위한 핫가스 순환로(10)를 구비하고,

(3) 상기 핫가스 순환로(10)는, 상기 가공물(W)에 대한 담금질을 개시할 때까지 순환로(10) 중에 항상 핫가스를 유지하며,

(4) 상기 가공물 수납부는 상기 순환로(10)의 출력단과 디스트리뷰터(11)를 통하여 접속되고, 그 일 벽면에서 한 쌍의 제어창(C1, C2)을 통하여 상기 순환로(10)의 입력단과 접속되고,

(5) 상기 일측의 제어창(C1)을 통과하는 유로를 제1 유로(고온용, F1), 타측의 제어창(C2)을 통과하는 유로를 제2 유로(저온용, F2)로 하고, 상기 제2 유로(F2)에는 통과 가스를 상온냉매에 의해 상온 부근의 온도까지 냉각하는 가스 상온냉각 장치(15)가 설치되고,

(6) 상기 제1, 제2의 유로(F1, F2)의 후단에는 양 유로로부터 출력된 가스를 균일하게 혼합하는 믹서(12)가 배치되고,

(7) 상기 가공물(W)에 대한 담금질 개시까지는, 상기 제어창(C1, C2)이 열려서 상기 가공물(W)이 상기 순환로(10) 중에 배치된 형태를 형성하고,

(8) 상기 믹서(12)를 통과한 가스의 온도가 상기 핫가스 온도 T_B가 되도록 상기 제어창(C1, C2)의 열린 정도를 조절하는 컨트롤러가 설치되고,

(9) 상기 가공물(W)에 상기 순환로(10) 내부의 핫가스를 내뿜어서 온도 T_B의 핫가스로 급냉하고, 이어서 상기 가공물(W)의 변태점 온도 T_A 바로 위로 정해진 일정온도(목표온도)가 되도록 등온 유지하는 컨트롤러가 설치되고,

(10) 등온 유지 동안에 방열에 의한 냉각을 방지하기 위한 히터가 설치되고,

(11) 등온 유지 후, 가공물(W)을 상온 이하의 온도로 가스 냉각하여 담금질 하고,

(12) 상기 순환로(10) 중에는, 핫가스를 안정온도로 제어하기 위하여, 가공물의 열용량의 3 ~ 100%의 열용량을 갖는 축열형 접촉재(21)를 배치함.
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다음의 요건 (1) ~ (8)을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 핫가스 담금질 장치.

(1) 담금질 개시온도로 예열된 작업물(W)을 수납하는 수납부(24)를 가지며,

(2) 사전에 담금질 개시온도로 예열된 작업물(W)을 장입하여 수납하는 수납부(24)를 포함하여, 변태점 온도 T_A 부근의 온도 T_B로 정해진 온도의 핫가스를 유지하는 핫가스 순환로(29)를 가지며,

(3) 상기 핫가스 순환로(29)에는 상기 작업물(W)의 열용량(l)에 대하여, 그를 초과하는 열용량을 갖는 축열형 접촉재(21)가 배치되고,

(4) 상기 작업물(W)의 등온유지로의 냉각에서는, 상기 순환로(29)의 가스를 작업물(W)로 내뿜어, 그 최후 평형온도가 상기 작업물(W)의 마르텐사이트 변태점 온도 T_A의 바로 위로 정해진 등온 유지를 위한 목표온도 T_P가 되도록, 상기 핫가스 온도 T_B를 정하고,

(5) 등온유지로의 냉각에서는, 상기 순환로(29)의 가스를 작업물(W)에 대해 내뿜어 상기 축열형 접촉재(21)에 의하여 냉각하고, 등온유지의 최후단계에서는 그 평형온도를 변태점 온도 T_A의 바로 위로 정해진 목표온도 T_P로 하고,

(6) 상기 순환로(29)에서는, 상기 핫가스 온도 T_B를 정함과 동시에, 목표온도 TP를 일정하게 유지하기 위한 히터(30)와, 냉각장치(31)가 설치되고,

(7) 상기 냉각장치(31)는 순환로(29)의 일부로부터 가스를 흡입하고, 이를 수관을 이용하여 냉각하고, 이를 순환로(29) 내부로 돌려보내며,

(8) 일정 시간 등온 유지한 후에 상기 수납부(24)로부터 작업물(W)을 꺼내고, 상온 이하의 온도로 가스 냉각함.
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