KR100923374B1 - 열처리유 조성물 - Google Patents

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Abstract

(A) 온도 40℃에서의 동점도가 5 내지 60mm2/s인 저점도 기재유 50 내지 95중량% 및 (B) 온도 40℃에서의 동점도가 300mm2/s 이상인 고점도 기재유 50 내지 5중량%로 이루어진 혼합 기재유를 포함하는 열처리유 조성물이 제공된다.
상기 열처리유 조성물에 의해, 금속 재료의 경화에 있어서 냉각 불균일의 발생을 방지하고, 경화 처리물의 경도를 확보하는 동시에, 담금질 변형을 저감시킬 수 있다.

Description

열처리유 조성물{OIL COMPOSITION FOR HEAT TREATMENT}
본 발명은 열처리유 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 재료의 경화(hardening)에 있어서 냉각 불균일의 발생을 방지하고, 경화 처리물의 경도를 확보하는 동시에, 담금질 변형을 저감시킬 수 있는 열처리유 조성물에 관한 것이다.
강재 등의 금속 재료에 있어서, 그의 성질을 개선시킬 목적으로 경화, 뜨임(tempering), 풀림(annealing), 불림(normalizing) 등의 열처리가 실시된다.
이러한 열처리 중에서 경화는 예컨대 오스테나이트 상태의 가열된 강재를 상부 경계 냉각 속도 이상으로 냉각하여 마르텐사이트와 같은 경화된 조직으로 변태시키는 처리이며, 이러한 경화에 의해 처리물이 매우 딱딱해진다. 이 때, 냉각제로는 일반적으로 유계, 수계(수용액계) 또는 에멀젼계 열처리액이 사용된다.
강재의 경화에 관하여 설명하자면, 가열된 강재를 냉각제인 열처리액에 투입하는 경우 냉각 속도는 일정하지 않으며 통상 세 단계를 거친다. 즉, (1) 강재가 열처리액의 증기로 둘러싸이는 제 1 단계(증기막 단계), (2) 증기막이 파열되어 비등이 일어나는 제 2 단계(비등 단계), 및 (3) 강재의 온도가 열처리액의 비점 이하 로 된 후 대류에 의해 열이 소실되는 제 3 단계(대류 단계)를 거쳐 냉각된다. 이 세 단계 중에서 냉각 속도는 제 2 단계의 비등 단계가 가장 크다.
종래의 열처리유에 있어서, 냉각 성능을 나타내는 열전도율은 특히 비등 단계에서 급격히 상승하고, 처리물 표면상에 증기막 단계와 비등 단계가 혼재하는 상태에서 지극히 큰 온도차가 생기며, 또한 그에 따른 열수축의 차이 및 변태의 시간차에 기인하는 열응력 및 변태 응력이 발생하여 담금질 변형이 증대된다.
도 2는 종래의 열처리유의 교반에 의한 열전도율의 변화의 일례를 나타낸 그래프이다. 이 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 열전도율은 특성 온도 이하가 되는 부분에서 급격히 증가하고 있다.
발명의 요약
본 발명은 이러한 종래의 열처리유가 갖는 결점을 극복하고, 금속 재료의 경화에 있어서 냉각 불균일의 발생을 방지하고, 경화 처리물의 경도를 확보하는 동시에, 담금질 변형을 저감시킬 수 있는 열처리유 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 상기 바람직한 성질을 갖는 열처리유 조성물을 개발하도록 예의 연구한 결과, 기재유로서 특정 동점도를 갖는 저점도 기재유 및 고점도 기재유로 이루어진 혼합 기재유를 사용하고, 바람직하게는 증기막 파단제를 추가로 배합함으로써 그 목적을 달성할 수 있음을 밝혀냈다. 본 발명은 이러한 견지에 따라 완성된 것이다.
즉, 본 발명은 (A) 온도 40℃에서의 동점도가 5 내지 60mm2/s인 저점도 기재유 50 내지 95중량% 및 (B) 온도 40℃에서의 동점도가 300mm2/s 이상인 고점도 기재유 50 내지 5중량%로 이루어진 혼합 기재유를 포함하고, 경우에 따라 (C) 증기막 파단제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리유 조성물을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 열처리유 조성물의 교반에 의한 열전도율의 변화의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 2는 종래의 열처리유의 교반에 의한 열전도율의 변화의 일례를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 열처리유 조성물에 있어서는, 기재유로서 (A) 저점도 기재유 및 (B) 고점도 기재유로 이루어진 혼합 기재유가 사용된다.
상기 성분 (A)의 저점도 기재유의 온도 40℃에서의 동점도는 5 내지 60mm2/s이다. 이 동점도가 5mm2/s 미만이면 휘발성이 높아서 열처리유 조성물의 기재유로서 적합하지 않고, 60mm2/s를 초과하면 충분한 경도를 갖는 경화 처리물이 수득되지 않는다. 따라서, 동점도는 5 내지 60mm2/s, 보다 바람직하게는 5 내지 35mm2/s의 범위이다.
또한, 상기 성분 (B)의 고점도 기재유의 온도 40℃에서의 동점도는 300mm2/s 이상이다. 이 동점도가 300mm2/s 미만이면 비등 단계에서의 냉각 성능이 높아져 담금질 변형의 저감 효과가 발휘되지 않는다. 또한, 상기 동점도가 지나치게 높으면 냉각 성능 면에서 바람직하지 못하다. 따라서, 바람직한 동점도는 400 내지 1000mm2/s의 범위이다.
본 발명에서는 이와 같이 저점도 기재유와 고점도 기재유로 이루어진 혼합 기재유를 사용함으로써, 비등 단계에서의 냉각 성능의 증대를 조절하여 담금질 변형을 저감시킬 수 있는 동시에, 비등 단계의 온도 범위를 넓힐 수 있어 그 결과 경화 처리물의 경도를 확보할 수 있다. 이러한 열처리유 조성물의 성능을 효과적으로 발휘시키기 위해, 본 발명에서는 성분 (A)의 저점도 기재유 50 내지 95중량%와 성분 (B)의 고점도 기재유 50 내지 5중량%로 이루어진 혼합 기재유가 사용된다.
상기 성분 (A)의 저점도 기재유 및 성분 (B)의 고점도 기재유로는 광유 및 합성유가 사용된다. 광유로는 파라핀계 광유, 나프텐계 광유, 방향족계 광유 중 임의의 유분이 바람직하고, 용제 정제, 수소화 정제 또는 수소화 분해 등의 정제법을 거친 것도 사용할 수 있다. 합성유로는, 예컨대 알킬 벤젠류, 알킬 나프탈렌류, α-올레핀 올리고머 또는 입체장애 에스테르유 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 열처리유 조성물에 있어서, 전술한 성분 (A)의 저점도 기재유 및 성분 (B)의 고점도 기재유로서 각각 상기 광유를 1종 사용할 수 있고, 2종 이상을 조합하여 사용할 수도 있으며, 상기 합성유를 1종 사용할 수 있고, 2종 이상을 조합하여 사용할 수도 있다. 또한, 상기 광유 1종 이상과 합성유 1종 이상을 조합하여 사용할 수도 있다.
또한, 본 발명의 열처리유 조성물에서는 성분 (C)로서 증기막 파단제를 배합할 수 있다. 이 증기막 파단제를 배합함으로써 증기막 단계를 단축시킬 수 있다. 상기 증기막 파단제로는, 예컨대 고분자 폴리머, 구체적으로는 에틸렌-α-올레핀 공중합체, 폴리올레핀, 폴리메타크릴레이트류 등, 또는 아스팔텀 등의 고분자 유기 화합물, 및 유분산형의 무기물 등을 들 수 있다. 이러한 증기막 파단제는 1종을 단독으로 사용할 수 있고, 2종 이상을 조합하여 사용할 수도 있다.
또한, 열처리유 조성물 중의 상기 증기막 파단제의 함유량은 통상 1 내지 10중량%, 바람직하게는 3 내지 6중량%의 범위이다. 상기 함유량이 1중량% 미만이면 증기막 파단제를 첨가한 효과가 충분히 발휘되지 않을 수 있고, 10중량%를 초과하면 열처리유 조성물의 점도가 높아져 그 성능이 저하되는 원인이 된다.
이러한 조성을 갖는 본 발명의 열처리유 조성물은 증기막 단계가 짧고 또한 비등 단계의 냉각 성능의 증대가 제어된다는 점에서, 냉각 불균일에 의한 담금질 변형을 저감시킬 수 있다. 또한, 비등 단계의 온도 범위가 넓어져 처리물의 충분한 경도를 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 열처리유 조성물의 교반에 의한 열전도율의 변화의 일례를 나타낸 그래프이다. 이 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 도 2의 종래품에 비해 비등 단계에서의 열전도율의 상승이 완만하고, 또한 비등 단계의 온도 범위가 넓다.
본 발명에 따른 열처리유 조성물을 사용함으로써, 동일한 담금질 변형을 유발하는 고점도 마템퍼링유(martempering oil)와 비교하여, 경화 처리물의 경도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 열처리유 조성물에는 본 발명의 목적이 손상되지 않는 범위에서 필요에 따라 종래 열처리유에 관용되고 있는 상기 첨가제 이외의 첨가제, 예컨대 열화 산중화제, 산화 방지제, 광휘성 향상제 등을 배합할 수 있다.
상기 열화 산중화제로는, 예컨대 알칼리 토금속의 살리실레이트, 황화페네이트, 설포네이트 등을 들 수 있다. 알칼리 토금속으로는 칼슘, 바륨 및 마그네슘이 바람직하다.
또한, 산화 방지제로는 종래 공지된 아민계 산화 방지제 및 입체장애 페놀계 산화 방지제 등을 들 수 있다. 또한, 광휘성 향상제로는 종래 공지된 유지 및 유지 지방산, 알케닐 숙신산 이미드, 치환 하이드록실 방향족 카복실레이트 유도체 등을 들 수 있다.
다음으로, 본 발명을 실시예에 의해 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 예에 의해 하등 한정되지 않는다.
또한, 경화를 실시한 시험편의 담금질 변형 및 경도를 이하에 나타내는 방법에 따라 측정하였다.
(1) 담금질 변형
시험편의 고리 부품의 상부 및 하부로부터 각각 3mm의 위치에서 외경 치수를 재고, 각각의 위치의 최대치와 최소치의 평균차(상부평균치 - 하부평균치)를 구하여 이를 원통 변형으로 정의하였다. 목표치는 50㎛ 이하이다.
(2) 경도
시험편의 고리 부품의 중심 경도를 JIS Z2245에 규정되어 있는 록웰(Rockwell)-경도 시험법에 의해 측정하였다. 목표치는 36 이상이다.
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4
SCM 420에서 제조한 외경 80mm, 높이 44mm 및 두께 5mm의 고리 부품으로 이루어진 시험편을 930℃에서 2.5시간 동안 Cp(카본 포텐셜) 1.1%로 침탄 처리한 후, 1.0시간 동안 Cp 0.8%로 확산 처리하였다. 그 후, 850℃로 온도를 내리고, 20분간 작열시킨 후, 표 1a 및 1b에 나타낸 배합 조성의 열처리유 조성물(100℃)을 사용하여 경화 처리를 실시하였다. 그 결과를 표 1a 및 1b에 나타낸다.
실시예
1 2 3 4
배합조성 (중량%) 저점도 기재유 A-1(13.5㎟/s) 50 60 80 60
A-2(90.5㎟/s) - - - -
고점도 기재유 B-1(435㎟/s) 50 35 15 -
B-2(781㎟/s) - - - 37
증기막 파단제 - 5 5 3
성능 원통 변형(㎛) 48.5 20.1 25 18.2
경도 35 38 41 37
기재유의 괄호안의 수치는 40℃에서의 동점도이다. 저점도 기재유 A-1: 13.5mm2/s(40℃)의 파라핀계 광유 저점도 기재유 A-2: 90.5mm2/s(40℃)의 파라핀계 광유 고점도 기재유 B-1: 435mm2/s(40℃)의 파라핀계 광유 고점도 기재유 B-2: 781mm2/s(40℃)의 파라핀계 광유 증기막 파단제: 수평균분자량 2000의 폴리부텐

비교예
1 2 3 4
배합조성 (중량%) 저점도 기재유 A-1(13.5㎟/s) 95 - 30 -
A-2(90.5㎟/s) - - - 50
고점도 기재유 B-1(435㎟/s) - 95 65 50
B-2(781㎟/s) - - - -
증기막 파단제 5 5 5 -
성능 원통 변형(㎛) 179 18.2 55.9 62.5
경도 42 25 28 32
기재유의 괄호안의 수치는 40℃에서의 동점도이다. 저점도 기재유 A-1: 13.5mm2/s(40℃)의 파라핀계 광유 저점도 기재유 A-2: 90.5mm2/s(40℃)의 파라핀계 광유 고점도 기재유 B-1: 435mm2/s(40℃)의 파라핀계 광유 고점도 기재유 B-2: 781mm2/s(40℃)의 파라핀계 광유 증기막 파단제: 수평균분자량 2000의 폴리부텐

본 발명에 따르면, 금속 재료의 경화에 있어서 냉각 불균일의 발생을 방지하 고, 경화 처리물의 경도를 확보하는 동시에, 담금질 변형을 저감시킬 수 있는 열처리유 조성물이 용이하게 수득된다.

Claims (5)

  1. (A) 온도 40℃에서의 동점도가 5 내지 60mm2/s인 저점도 기재유 50 내지 95중량% 및 (B) 온도 40℃에서의 동점도가 300mm2/s 이상인 고점도 기재유 50 내지 5중량%로 이루어진 혼합 기재유를 포함하는 것(상기 각 중량%는 혼합 기재유의 중량을 기준으로 함)을 특징으로 하는 열처리유 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    성분 (B)의 고점도 기재유의 온도 40℃에서의 동점도가 300 내지 1000mm2/s인 열처리유 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    성분 (A)의 저점도 기재유의 온도 40℃에서의 동점도가 5 내지 35mm2/s이고, 성분 (B)의 고점도 기재유의 온도 40℃에서의 동점도가 400 내지 1000mm2/s인 열처리유 조성물.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    (C) 증기막 파단제를 추가로 포함하는 열처리유 조성물.
  5. 제 4 항에 있어서,
    열처리유 조성물의 중량을 기준으로, 성분 (C)의 증기막 파단제의 함유량이 1 내지 10중량%인 열처리유 조성물.
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