KR100605362B1 - 대량 금속분말용 진공 열처리로 장치 - Google Patents

대량 금속분말용 진공 열처리로 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대량 금속분말용 진공 열처리로 장치에 관한 것으로서, 가격이 저렴하면서 조작하기 편한 튜브형태 열처리로의 장점을 살리고 대량의 금속분말을 연속해서 열처리가 실현되도록 하기 위해서, 열처리 챔버, 열처리 챔버 내의 진공을 유지시켜주기 위한 진공시스템, 상기 열처리 챔버를 수직 및 좌우로 이동시키는 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동시스템, 열처리 챔버 내의 금속분말을 열처리하는 열처리로, 열처리된 금속분말을 담고 있는 열처리 챔버를 급냉시키는 물탱크 등으로 구성된 대량 금속분말용 진공 열처리로 장치에 관한 것이다.
진공시스템, 열처리 챔버, 열처리로, 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동시스템

Description

대량 금속분말용 진공 열처리로 장치{A VACUUM QUENCHING FURNACE FOR HEAT TREATMENT OF METAL POWDER IN CONTINUOUSLY GREAT VOLUME}
도 1은 본 발명에 따른 대량 금속분말용 진공 열처리로 장치의 일측면 개략도
도 2는 본 발명에 따른 진공 열처리로 장치 중 열처리 챔버의 일측면 개략도
도 3은 본 발명에 따른 진공 열처리로 장치 중 열처리로와 물탱크의 측단면 및 평면 개략도
도 4는 본 발명에 따른 진공 열처리로 장치 중 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동시스템의 작동상태 개략도
도 5는 본 발명에 따른 진공 열처리로 장치 중 열처리 챔버를 수직 및 좌우로 이동시키는 이동부의 개략도
(도면 부호의 설명)
(11),(54) 로터리 펌프(rotary pump)
(12),(55) 디퓨젼 펌프(diffusion pump)
(13),(51) 클램프 (14)열처리 챔버
(15) 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동시스템
(16) 단열부 (17) 시편
(18) 히터 (19) 히터 단열부
(20) 열처리로 (21) 진공 밸브
(22),(23) 압력센서 (24) 고정부
(25) 안티-익스플로젼 밸브(anti-explosion valve)
(26) 단열부 (27) 열처리로 튜브
(30) 물탱크 (31) 외장 케이스
(32) 단열재 (33) 발열체, 히터
(34) 열전대 (37) 넘침 방지막
(35) 워터 쿨링 인레트(water cooling inlet)
(36) 워터 쿨링 드레인(water cooling drain)
(38) 드레인(drain) (40) 수평 바
(41) 실린더 (42) 가이드 바
(43) LMF 가이드 부싱 (51) 클램프
(52) 벨로우즈 (53) 수직 및 좌우 이동부
(56) 열처리 챔버
본 발명은 대량 금속분말용 진공 열처리로 장치에 관한 것으로서, 상세히는 대량의 금속분말을 고온 및 고진공 하에서 열처리를 한 후, 물이나 가스로서 급속 냉각이 가능하며, 금속분말이 담겨진 열처리 챔버를 교체 가능한 구조로 하여 연속 및 대량으로 열처리할 수 있도록 한 대량 금속분말용 열처리로에 관한 것이다.
일반적으로 산화되기 쉬운 금속분말은 약 10-6 torr 이하의 고진공 중에서 열처리를 한다. 그런데 고진공을 유지하면서 고온에서 열처리하고자 할 때, 박스 형태의 열처리로는 주변의 진공장비와 발열장치 및 전력장치를 갖추어야 하고 배치(batch) 형태로 일련의 작업을 진행해야 하므로 대량의 금속분말을 연속해서 열처리하기에는 비능률적인 요소가 있다. 그리고 열처리가 끝난 금속 분말을 급속 냉각해야 하는 경우 가스로 급냉하게 되는데, 이 공정 또한 장시간이 소요되어 대량의 금속분말을 연속해서 열처리를 하기에는 부적합할 수밖에 없다.
또, 상기 박스형태의 열처리로가 아닌 기존의 튜브형태의 열처리로의 경우 히터 챔버와 열처리 챔버가 분리되어 있어 간편하게 진공을 유지하고 열처리를 할 수 있는 장점이 있으나 이도 역시 연속으로 대량의 금속분말을 열처리하기에는 부적합한 면이 있다.
또한, 또 다른 형태인 터널방식의 열처리로의 경우 진공을 유지하지 않으면서 열처리하는 시료의 경우 또는 일정 부분의 산화를 감수해도 되거나 산화의 염려를 하지 않아도 되는 시료의 경우 대량으로 연속해서 열처리를 할 수 있으나, 고진공을 요하는 곳에는 사용되지 못한다. 최근 특수 제작한 여러 개의 캔(can)을 일정 간격으로 연속해서 배치하여 열처리하는 방법도 소개되고 있으나, 캔의 진공 밀폐를 위한 가스켓(gasket)의 비용이 많이 들고, 특히 열처리가 끝난 캔을 물 속에서 잠수시켜 급냉을 하는 경우 가스켓의 변형이나 누출의 발생으로 목적하는 열처리 효과를 제대로 얻지 못하는 단점이 있다.
이러한 문제를 개선하기 위해 튜브형태 열처리로의 변형으로 히터 챔버는 고정되어 있고, 일정한 상하 각도를 가진 열처리 챔버가 서서히 회전하면서 내부의 시료를 천천히 이동시켜 열처리하는 방법이 제안되고 있으나, 대량의 금속분말을 연속으로 열처리하고자 할 때 시료 투입부와 시료 채취부가 분리 가능한 구조가 되어야 하고, 기계적 장치로서 원하는 시점에 진공을 차단해야 하는 점 때문에 열처리로의 제작비가 과다해진다.
그리고, 열처리하고자 하는 시료가 금속분말일 경우 차단막과 챔버 사이에 금속분말이 끼이게 되어 시료를 투입하거나 분리할 시점에 진공의 누출이 열처리 챔버 내부로 발생되어 금속분말이 산화되는 경우가 발생되는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 금속분말의 종래 열처리로의 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 가격이 저렴하면서 조작하기 편한 튜브형태 열처리로의 장점을 살리고 대량의 금속분말을 연속해서 열처리가 실현되도록 하기 위해서, 열처리 챔버, 열처리 챔버 내의 진공을 유지시켜주기 위한 진공시스템, 열처리 챔버와 진공시스템 사이에 연결된 수직 및 좌우 이동부, 수직 및 좌우 이동부와 함께 열처리 챔버를 수직 및 좌우로 이동시키는 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동시스템, 열처리 챔버 내의 금속분말을 열처리하는 열처리로, 열처리된 금속분말을 담고 있는 열처리 챔버를 급냉시키는 물탱크 등으로 구성하여 다음과 같은 점을 기술적으로 해 결하는 것을 그 목적으로 한다.
가. 열처리로는 진공도 10-6torr 유지 혹은 비활성 가스 분위기의 1000℃이하에서 열처리를 한 후, 물 속에서 급속 냉각되어야 하고 연속적으로 작업을 진행할 수 있어야 한다.
나. 열처리 챔버의 재질은 장시간의 고온과 급속 냉각의 환경에서 내구성 및 안전성이 보장되어야 하고 수직, 수평 이동이 가능한 구조로 설계되어야 한다.
다. 급냉을 위한 물탱크는 냉각수 인입/인출 라인이 설치되어야 하고 열처리 챔버가 잠수될 때 충분한 높이까지 물이 닿아야 하며 일정 높이가 유지되는 구조로 설계되어야 한다.
라. 10-6torr의 고진공 및 1000℃ 상태에서 열전대로 금속분말인 열처리 시편의 위치별 온도 측정이 가능하여야 하고, 열처리 챔버 내부의 다수 위치에서 실시간으로 온도를 감시할 수 있어야 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대량 금속분말용 진공 열처리로 장치는,
금속분말의 열처리 및 급냉을 위한 열처리로 장치에 있어서, 저진공을 발생시키는 로터리 펌프(rotary pump)와 고진공을 발생시키는 디퓨젼 펌프(diffusion pump) 이루어져 진공상태를 공급하는 진공시스템, 상기 진공시스템의 디퓨젼 펌프와 어느 한쪽이 클램프에 의해 착탈되면서 연결부위에 벨로우즈를 설치한 Ｔ자형의 수직 및 좌우 이동부, 이 수직 및 좌우 이동부 어느 한쪽의 직각 방향쪽이 상단부 측면에 부착된 열처리 챔버, 상기 열처리 챔버의 상단부와 플랜지에 의해 착탈되어 열처리 챔버를 수직 및 좌우로 이동시키는 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동시스템, 이 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동시스템에 의해 이동되는 상기 열처리 챔버가 장입되는 공간이 내부에 형성되고 이 공간의 주변에 설치된 히터에 의해 열처리를 실시하는 열처리로, 상기 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동시스템에 의해 인출되는 열처리 챔버를 장입하여 냉각시키는 물탱크로 구성되어 상기 열처리 챔버를 포함하는 수직 및 좌우 이동부 다수개를 순차적으로 상기 진공시스템과 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동시스템에 착탈하여 대량 및 연속으로 열처리를 진행시키는 것을 특징으로 하고 있다.
또, 상기 열처리 챔버는 상단부 일측면에 진공 밸브와 압력센서가 장착되고 타측면에 안티-익스플로젼 밸브(anti-explosion valve)가 장착된 열처리로 튜브로 구성되어, 상단부에 장착된 고정부를 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동시스템과 플랜지로 연결함으로써 착탈이 이루어지도록 한 것을 다른 특징으로 하고 있다.
또, 열처리 챔버 내부에서 히터로 발생되는 열에 의해 열처리 챔버 상단의 진공 가스켓이 손상되는 것을 방지하기 위해 상부 내에 설치된 단열부를 더 포함함을 또 다른 특징으로 하고 있다.
이하, 고진공 중 대량의 금속분말을 열처리하기 위한 본 발명의 열처리로 장치를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 주요한 특징은 열처리 챔버의 고진공 상태를 그대로 유지하면서 대량 금속분말의 열처리를 수행하고 이후, 물 속에서 급냉을 진행해야 하므로 열처리로 챔버의 재질이 내구성과 안전성이 보장되어야 하고 연속적으로 작업을 진행하기 위해서는 수직 및 수평 이동이 가능한 기계적 장치가 부가적으로 설치되어야 하며 이의 착탈이 용이해야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 열처리로 장치의 일측면 개략도를 나타낸 것으로서, 베이스 상에 일정한 간격을 두고 설치되는 열처리로(20)와 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동시스템(15), 상단부에서 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동시스템과 플랜지로 연결된 열처리 챔버(14), 열처리 챔버의 상단 일측면과 어느 한쪽이 연결되어 부착된 Ｔ자형의 수직 및 좌우 이동부(53), 수직 및 좌우 이동부 어느 한쪽의 직각 방향쪽과 클램프(13)로 연결되어 열처리 챔버로 내로 고진공의 공급을 담당하는 디퓨젼 펌프(12)와 이에 연결되어 저진공의 공급을 담당하는 로터리 펌프(11)로 이루어진 진공시스템으로 구성되어, 열처리 챔버(14) 내부의 고열이 상단부의 플랜지와 가스켓에 열전도 되는 것을 방지하기 위해 상기 열처리 챔버 내의 상부에는 단열부(16)가 설치되는 한편 하부에는 금속분말의 시편(17)이 담겨지며, 전기 저항을 이용하여 열을 발생시키는 히터(18)가 열처리로(20) 내부에 설치되고 히터를 외부로부터 보호함과 동시에 외부로 열의 유출을 방지하는 히터 단열부(19)가 상기 히터 주위에 둘러싸여 설치된다.
도 1에서 로터리 펌프(11), 디퓨젼 펌프(12), 각종의 라인(fore line, roughing line, main vacuum line) 등은 열처리 챔버(14)의 부피에 맞게 선택하고 이에 각종의 밸브(main valve, fore valve, roughing valve)를 설치한다. 진공 시 스템이 연결된 수직 및 좌우 이동부(53)를 구성할 때 주의할 점은 진공시스템에 의해 열처리 챔버(14)의 수직 및 수평운동이 방해하지 않게 하기 위하여 수직 및 좌우 이동부(53)의 일정 길이 부분에는 벨로우즈(52)를 설치해야 한다는 것이다.
열처리 챔버(14)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 상단부 일측면에 진공밸브(21)와 압력센서(22,23)가 설치되고 타측면에 안티-익스플로젼 밸브(25)가 설치되며, 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동시스템(15)과 플랜지로 연결되는 고정부(24)가 상단부에 설치되고, 열처리 챔버(14) 내부의 고열이 플랜지와 가스켓에 열전도 되는 것을 방지하는 단열부(16)와 동일한 단열부(26)를 열처리 챔버 내의 상단부에 설치한 구성으로 하되, 상기 열처리 챔버 자체는 스테인레스 310S 재질로 바깥 케이스를 구성하면서 두께가 10t 이상인 튜브(27)로 구성한다.
상기한 두개의 단열부(16, 26)는 동일한 역할을 하는 것으로 도면부호 16의 단열부는 내부에 단열 세라믹 보드를 넣은 형태로 한 것이고, 도면부호 26의 단열부는 단지 형태가 다른 것일 뿐 스테인레스나 인코넬(inconel) 재질의 플레이트(26)를 도 2에 나타낸 바와 같이 설치함으로써 복사와 전도되는 열을 차단하여 주변 가스켓을 보호하는 구조로 한다.
도 3은 열처리로(20)와 물탱크(30)의 측단면 및 평면을 나타낸 도면이다. 열처리로는 금속재질의 외장 케이스(31), 이 외장 케이스의 내벽면에서 약간 떨어져 일정두께로 설치되는 열전도율이 극히 낮은 세라믹 보드의 단열재(32), 발열을 시키는 칸탈 와이어(Kanthal wire) 또는 SiC 발열체로 구성되어 상기 단열재의 내벽면에 설치되는 발열체(33) 즉 히터와, 열처리로 내부의 온도를 실시간으로 측정하 기 위해 외장 케이스와 단열재 사이에 설치되는 열전대(34)로 구성되어, 열처리로의 길이방향 중심은 열처리 챔버를 장입하기 의해 길다란 빈 공간을 형성하고 있다. 여기에서, 특히 발열체를 구성할 때 발열체 내부로 흐르는 전류에 의해 자기장이 발생되면 금속분말인 시편에 영향을 주게 되므로 이를 방지하기 위하여 발열체는 이중으로 엮어 감는 형태로 하여 자기장이 상호 상쇄되도록 하여야 한다.
도 3에서 물탱크(30)는 상단부 일측면에 워터 쿨링 인레트(water cooling inlet)(35)가 설치되고 하단부에 워터 쿨링 드레인(water cooling drain)(36)이 설치되며, 열처리 챔버(14)가 물탱크로 잠수할 때 물이 넘쳐 외부로 나가 주변환경을 오염시키거나 혹은 악영향을 미칠 수 있으므로 완충장치 역할을 하는 넘침 방지막(37)을 내부의 타측에 수직으로 세워 설치하고, 내부에서 넘친 물을 배수하기 위한 별도의 드레인(38)도 하단부 타측면에 설치한다.
도 4는 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동시스템(15)의 작동상태를 나타낸 도면으로서, 수직으로 세워지는 실린더(41)와 이를 둘러싸고 있는 가이드 바(42), 가이드 바의 상단부에 설치되어 하단부가 실린더와 연결되고 상단부에는 열처리 챔버(14)와 플랜지로 연결되는 수평 바(40)가 부착된 LMF 가이드 부싱(43)으로 구성되어, 열처리 챔버와 함께 실린더 상승, 실린더 헤드 90도 회전, 열처리 챔버와 함께 실린더 하강, 물탱크에 열처리 챔버 담금 순으로 작동한다.
도 5는 본 발명에 따른 진공 열처리로 장치 중 열처리 챔버를 수직 및 좌우로 이동시키는 이동부의 개략도를 도시한 것이다. 도면에서 이동되는 부분은 Ｔ자형의 수직 및 좌우 이동부(53)로 표시하였고 56 또는 14는 열처리 챔버, 54 또는 11은 로터리 펌프, 55 또는 12는 디퓨젼 펌프, 51은 클램프 분리부, 52는 상기한 바와 같이 수직 및 좌우 이동부가 이동할 때 방해받지 않도록 그 길이를 일정부분 늘려줄 수 있는 벨로우즈를 나타낸다. 열처리 챔버를 수직 및 좌우 이동시스템에 의해 수직 및 좌우로 이동을 시작하기 전에 플랜지 형태로 수직 및 좌우 이동시스템과 연결되어 있는 열처리 챔버 부분은 그대로 둔 상태에서, 클램프 형태로 디퓨젼 펌프와 연결되어 있는 부분의 클램프 분리부(51)를 열어 수직 및 좌우 이동부와 함께 열처리 챔버가 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동시스템에 의해 이동이 되도록 한다.
이와 같이 구성되는 것에 의해 본 발명은 대량 및 연속으로 금속분말을 열처리할 목적으로 발명된 것이므로, 열처리 챔버가 연결된 수직 및 좌우 이동부(53)를 여러 개 제작하여 열처리 후 냉각되는 상기 이동부(53)를 분리하고 새로운 이동부를 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동 시스템(15)에 순차적으로 부착하여 열처리를 연속적으로 실시한다.
한편, 조정부(controller part)는 온도 조정부, SCR unit control, 열전대, 전원 공급장치를 포함하여 구성하며, 목적에 따라 다수개의 열전대를 시편 주변에 설치하여 온도를 실시간으로 감시한다.
[실시예]
본드 영구자석을 제조할 때 사용되는 자성재료는 잉고트(ingot)를 먼저 제조하고 이후 진공상태에서 균일하게 녹인 다음 급냉 회전체에 용사하거나 축출하여 급냉 자성리본을 제조한다. 다음에, 제조된 급냉 자성리본을 미세하게 분쇄한 후 최적의 열처리 조건에서 열처리한 다음 수지나 나일론과 섞어 목적하는 치수에 맞게 성형 및 커링(curing)하여 본드(수지)영구자석을 제조한다. 이 과정에서 급냉 자성리본의 자기특성을 가장 크게 좌우하는 것은 균일한 열처리를 하는 것이다. 특히 급냉 자성리본이 비정질 상태로 되어 있어 충분한 열원이 공급되지 않으면 자성분말 내부에 비정질 상이 부분적으로 존재하거나, 결정립의 성장이 충분하지 않으면 자기적 특성이 매우 열악해 지거나, 연자성상에 나타나는 낮은 보자력을 나타내게 된다.
본 발명에서 실시예로 선택된 자성재료는 비정질의 급냉 자성리본을 최적 열처리를 통하여 결정립이 나노 크기로 고루 분포되면서 성장되게 해야만 나노 크기의 각 자성상이 독특한 상호작용을 하여 좋은 영구자석의 특성을 나타내는 열처리에 민감한 재료이다.
이제, 구체적인 실시예를 다음과 같이 단계별로 설명한다.
먼저, 대량 생산된 급냉 자성리본 3kg을 열처리 챔버(14)에 투입한 후 로터리 펌프(11)와 디퓨젼 펌프(12)를 이용하여 10-6torr의 고진공 상태가 됨을 확인하고, 상기 열처리 챔버를 열처리로(20)에 장입한 후 칸탈 와이어(Kanthal wire)로 된 히터(18)에 전류를 흘려 온도를 상승시킨다.
다음에, 목적하는 온도에 도달하면 일정시간을 유지한 후, 클램프(51)로 열처리 챔버(14)가 연결된 수직 및 좌우 이동부(53)와 진공 시스템을 분리하고, 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동 시스템(15)을 이용하여 열처리 챔버(14)를 이동시킨 후 물탱크(30)에 담가 급냉한다.
다음에, 급냉 중인 수직 및 좌우 이동부(53)를 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동시스템에서 분리하고 새로운 이동부를 수직 및 좌우 이동시스템(15)에 다시 연결하여 열처리로에 투입한 후 상술한 방법과 동일하게 반복한다.
열처리 실험을 진행하는 동안 10-6torr의 고진공 상태를 유지하는 방법도 있지만 목적에 따라 10-6torr의 고진공 상태에서 비활성 가스를 역충진하여 내부의 열전도를 향상시킴으로써 균일한 온도분포와 급냉할 때 빠른 온도하강을 유도할 수 있다.
열처리가 완료된 금속분말의 시편을 임의 추출하여 자기특성을 평가한 결과, 실험실의 소형 열처리로 진행한 시편의 자기 특성값과 유사한 경향을 보였다.
이상과 같은 목적과 구성으로 이루어진 본 발명의 대량 금속분말용 진공 열처리로 장치는 종래 방법으로 제조되는 금속분말의 자기 특성값과 차이가 없으면서도 대량의 금속분말을 연속해서 열처리하고 급냉할 수 있으므로 그만큼 생산성이 향상되어 제조단가도 낮출 수 있게 되고, 그로 인해 경쟁력 있는 금속분말 제품을 양산할 수 있는 장점을 갖게 된다.

Claims (3)

  1. 금속분말의 열처리 및 급냉을 위한 열처리로 장치에 있어서,
    저진공을 발생시키는 로터리 펌프와 고진공을 발생시키는 디퓨젼 펌프로 이루어져 진공상태를 공급하는 진공시스템;
    상기 진공시스템의 디퓨젼 펌프와 어느 한쪽이 클램프에 의해 착탈되면서 연결부위에 벨로우즈를 설치한 Ｔ자형의 수직 및 좌우 이동부;
    상기 T자형의 수직 및 좌우 이동부 어느 한쪽의 직각 방향쪽이 상단부 측면에 부착되고 금속분말이 투입되도록 구비되는 열처리 챔버;
    상기 열처리 챔버의 상단부와 플랜지에 의해 착탈되어 열처리 챔버를 수직 및 좌우로 이동시키는 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동시스템;
    이 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동시스템에 의해 이동되는 상기 열처리 챔버가 장입되는 공간이 내부에 형성되고 이 공간의 주변에 설치된 히터에 의해 열처리를 실시하는 열처리로;
    상기 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동시스템에 의해 인출되는 열처리 챔버를 장입하여 냉각시키는 물탱크;
    로 구성되어 상기 열처리 챔버를 포함하는 수직 및 좌우 이동부 다수개를 순차적으로 상기 진공시스템과 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동시스템에 착탈하여 대량 및 연속으로 열처리를 진행시키는 것을 특징으로 하는 대량 금속분말용 진공 열처리로 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열처리 챔버는 상단부 일측면에 진공 밸브와 압력센서가 장착되고 타측면에 안티-익스플로젼 밸브가 장착된 열처리로 튜브로 구성되어, 상단부에 장착된 고정부를 열처리 챔버 수직 및 좌우 이동시스템과 플랜지로 연결함으로써 착탈이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 대량 금속분말용 진공 열처리로 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열처리 챔버 내부에서 히터로 발생되는 열에 의해 열처리 챔버 상단의 진공 가스켓이 손상되는 것을 방지하기 위해 상부 내에 설치된 단열부를 더 포함함을 특징으로 하는 대량 금속분말용 진공 열처리로 장치.
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