KR101166919B1

KR101166919B1 - 침탄깊이 실시간 모니터링방법

Info

Publication number: KR101166919B1
Application number: KR1020100011461A
Authority: KR
Inventors: 안경준; 김현종
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2010-02-08
Filing date: 2010-02-08
Publication date: 2012-07-23
Also published as: KR20110092037A

Abstract

본 발명은 노 내의 가열 온도를 에너지값으로 환산하여 모니터링시켜 제품의 침탄깊이를 실시간으로 모니터링할 수 있도록 한 침탄깊이 모니터링방법 및 장치에 관한 것이다.
이를 위해, 시편의 침탄활성화에너지를 컨트롤러에 입력하는 제1단계와; 시편의 목표 침탄깊이를 컨트롤러에 입력하는 제2단계와; 노 내의 온도조건과 침탄활성화에너지를 이용하여 누적에너지수치를 구하되, 누적에너지수치 변수에 따른 시편의 침탄깊이 실험값을 구할 수 있도록 모델링실험을 실시하는 제3단계와; 모델링실험의 실험값들을 통해 다수의 계수들을 도출하여 회귀식을 컨트롤러에 입력하는 제4단계와; 누적에너지수치의 변화에 따라 상기 회귀식으로 침탄깊이를 연산하여 컨트롤러에 모니터링시키는 제5단계와; 실시간 모니터링되는 침탄깊이에 따라 목표 침탄깊이와 일치여부를 판단하여 시편의 냉각 여부를 결정하는 제6단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 따라, 누적에너지수치를 이용하여 침탄깊이를 컨트롤러에 실시간 모니터링시키고 ,이를 목표 침탄깊이와 비교함으로써, 제품의 실제 침탄깊이와 목표치 사이에 편차를 최대한 줄이게 되어, 목표 침탄깊이가 일정하게 확보된 제품을 획득할 수 있는 효과가 있다.

Description

침탄깊이 실시간 모니터링방법{REAL TIME MONITORING METHOD FOR CARBURIZING DEPTH}

본 발명은 침탄깊이 실시간 모니터링방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 침탄깊이 제어 인자로써 노 내의 가열 온도를 에너지값으로 환산하여 모니터링시켜 제품의 침탄깊이를 실시간으로 모니터링하면서 침탄깊이 편차를 없애고 침탄 불량품의 생산을 방지하도록 한 금속의 침탄깊이 모니터링방법 및 장치에 관한 것이다.

침탄 열처리란, 자동차나 항공기의 기어와 축과 같이, 마찰 상태에서 지속적으로 하중이 가해지는 부품의 표면만을 우선적으로 단단한 재질로 만들기 위해 실시하는 열처리공정이다.

침탄에 사용되는 침탄제에 따라 가스침탄, 고체침탄, 액체침탄으로 나누어지는데, 고체침탄은 철제의 침탄상자에 고체침탄제(숯이나 코크스가루)와 침탄촉진제 (탄산바륨, BaCO₃)를 저탄소강 부품과 함께 장입한 후, 상기의 기체침탄과 동일한 열처리로 행하게 된다. 그러나, 최근에는 양산성 저하와 탄소농도 조절 부족으로 많이 사용되지는 않고 있다.

액체침탄은, 주로 시안소다(NaCN)를 넣는 염욕처리 방법을 말하며, 침탄과 더불어 질화도 동시에 일어나므로 침탄질화법의 일종이기도 하다. 그러나, NaCN은 시안화계열로서 환경에 좋지 않은 영향을 미치므로, 최근에는 사용되지 않는 경향에 있다.

가스침탄은, 대량생산성이 가능하고 분위기 가스농도조절이 양호하며 상대적으로 환경오염물질의 배출이 적으므로 침탄열처리로서 가장 널리 사용되는 방법으로, 매탄가스(CH₄), 아세틸렌, 부탄가스, 프로판가스(C₃H₈)와 같은 탄화수소계 가스 분위기 속에 탄소함유량이 0.2% 미만인 저탄소강이나 저탄소합금강을 투입하고 850~1000℃ 오스테나이트(γ-Fe) 범위로 가열한 다음, 그 표면에 탄소를 침입하고 확산시켜서 표면층만을 고탄소 조직으로 만든다.

이때, 변성로에서 공기와 탄화수소(프로판가스나 부탄가스)의 혼합비를 7~8:1로 하고 1080℃이상에서 가열하여 CO, H₂, N₂로 열분해한 후, 침탄로에 투입하기도 한다. 이처럼 열분해된 가스를 RX가스라고 한다.

침탄열처리가 적용되는 분야 및 부품으로는 표면층은 경도와 내마모성이 크고, 내부의 비침탄한 부분은 강인한 성질이 필요한 부품에 적용된다. 이에, 소재 강으로 SCr415, SCr420, SCM415, SCM420, SNCM220, SNCM420, SNCM616 등과 같이 탄소량이 0.2% 이하인 저탄소강의 표면에 탄소(C)를 확산시켜 침탄을 시키게 되는데, 침탄이 많이 될수록 침탄깊이가 두꺼워지며 경도가 증가하므로 내마모성이 커진다.

그러나, 침탄열처리의 또 다른 특성으로는 절삭, 단조, 소성 등의 가공이 완료된 최종제품의 형상이 정해진 뒤에 실시되는 표면경화 공정이고, 또한 형상이 복잡한 부품에도 사용되므로 담금질성이 좋고 열변형이 적은 특성이 요구되어진다. 따라서, 주어진 소재에서 가능한 고열을 피하고 노출되는 시간이 짧은 열처리가 추천된다.

또한, 과도한 침탄으로 인해 표면에 검댕(soot)이 생겨 노내에 퇴적하거나, 또는 피처리물이 검댕으로 더렵혀진다. 이러한, 수트(soot) 현상은 제품에 가해지는 과도한 침탄 외에도 노내 분위기의 과도한 탄화가스 농도가 원인이 되기도 한다.

상기와 같이 서로 상반되는 특성을 최적화하기 위하여 침탄깊이를 일반적으로 아래의 표 1의 기준을 정하여 작업하지만 온도, 시간, 가스분위기 조성 등의 주요 변수들에 의해 상기에서 설명한 침탄깊이 제어 불량이 발생하고 있다.

침탄두께, mm	특성	부품예
0.15 이하	내마모성만을 필요로 하고 강도는 별로 중요시되지 않는 부품	Shift Fork, Pump Shaft
0.5 ~ 1.0	내마모성과 동시에 높은 하중에 대한 강도를 필요로 하는 부품	Mission Gear, Steering Arm, Ball Stud, Valve Rocker
1.0 ~ 1.5	Sliding 및 회전등의 마모에 대한 고압하중, 반복굴곡 하중에 견디는 강도를 요구하는 부품	Ring Gear, Drive Pinion, Piston Pin, Cam Shaft, Gear Shaft, Roller Bearing
1.5 이상	고도의 충격적 마모, 비교적 고도의 반복하중에 충분히 견디는 부품	Connecting Shaft, Cam

한편, 가스침탄의 종류로는 일반적인 열처리와 같이 연속공정과 일괄(Batch)공정으로 제조된다.

연속공정은 탄화가스 농도와 온도가 일정하게 유지되고 있는 노에 제품이 연속적으로 투입되어 흘러가면서 제조되는 방법으로 대량 생산에 유리하지만, 일괄(Batch) 공정과 대비하여 밀폐성이 다소 부족하다. 반면, 일괄(Batch)식 공정은 노에 제품을 장입한 후, 탄화가스를 투입 및 분압유지를 한 후 승온을 시작하는 공정으로 밀폐정도에 따라 진공침탄도 가능하다.

통상적으로 일괄식 가스침탄에서의 침탄깊이에 영향을 미치는 주요 변수 중 하나로써, 도 1에 도시된 바와 같이 승온 중에는 설정된 온도(Set value, SV) 대비 열처리 되고 있는 제품의 실제온도(Present value, PV)가 0~100℃ 정도 낮은 값을 나타내며, 이 차이는 가열되는 제품보다 열원쪽의 온도가 높아야 하는 승온의 기본 원리이다.

물론, 승온이 완료되면 둘 사이의 차이가 줄어들고 결국은 같아지게 된다. 그러나, 이와 같은 공정의 문제점은 침탄공정이 일반적으로 최종단계에 해당되는 공정으로써, 다품종 소량생산의 특성상, 다양한 제품이 형태가 완성된 채로 일괄식 노에 투입되고 갯수, 크기, 무게, 형태 등이 수시로 변하므로 두 온도의 차이(SV-PV)가 항상 변한다는 것이다.

즉, 투입되는 제품의 전체 질량이 클수록, 그리고 주위의 온도가 가장 낮은 계절인 겨울 아침에 투입될수록 그 차이는 더욱 커지며, 이 경우 작업자가 경험에 의존하여 최대 온도에 도달하는 지체시간을 감안하여 추가로 시간을 설정하게 된다.

도 2에 도시한 바와 같이, 연속침탄로에서도 유사한 현상이 발생하며 상온에서 대기 중이던 제품의 장입시, 입구가 열리면서 온도(PV값)가 불규칙하게 변하게 되는 온도 헌팅(hunting) 현상이 필연적으로 발생하게 되는데, 헌팅의 크기가 투입되는 제품의 질량과 주위의 온도에 따란 항상 변하게 된다.

즉, 근본적으로 침탄깊이는 온도가 높을수록, 시간이 길수록, 탄소농도가 높을수록 커지므로, 상기의 예와 같이 항온상태 유지가 어려운 전이상태에서는 현재까지도 정확한 침탄의 깊이 제어법이 확보되어 있지 않아 적정깊이 미확보로 인해 표면 경도 불량, 사용 중 제품조기 파손 등이 나타나며, 과도한 침탄으로 인해 피처리물에 열변형이나 검댕(soot)현상이 발생하게 된다.

상기와 같은 문제들을 해결하게 위해 종래의 특허들은 주로 노내를 채우고 있는 탄화수소계 가스의 분위기 농도를 일정하게 제어하도록 하고 있으며, 결과적으로 열처리 종료시 침탄두께가 일정하게 확보하는 것이 목표이다.

일례로써, 종래의 대한민국 공개특허공보 공개번호 특1998-071377호로 공개된 "열처리로의 분위기 제어방법 및 장치"에 대한 것으로, 도 3을 통해 살펴보면, 탄화수소계 가스를 공기와 혼합하여 고온에서 CO, CO₂, H₂, H₂O, N₂ 등으로 변성한 후, 노에 투입하게 되는데, 탄화수소계 가스와 산화성가스(공기 또는 CO₂)를 노에 직접 투입(직접침탄법)하여 침탄을 행하게 된다.

이같은 방법은 노내의 탄화수소계 가스와 산소의 분압을 계속 모니터링하여 탄화수소계 가스의 첨가량을 제어하는 것이다.

또 다른 예로서, 종래의 대한민국 공개특허공보 공개번호 특1998-047301호로 공개된 "가시광선 발광 분석기를 구비한 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템"에 대한 것으로, 도 4를 통해 살펴보면, 플라즈마 내의 탄화수소 가스 농도를 제어하기 위하여 침탄용기 투시창에 가시광선 발광분석기를 설치하여 플라즈마를 감시하는 동시에 질량분석식 유량계(Mass flow controller)와 연동하여 탄소 공급원 가스의 양을 조정하는 것이다.

이와 같은, 종래의 기술들은 오염가스 발생을 대폭 감소시키거나 침탄의 속도를 증가시켜 환경에 악영향을 거의 없애고, 더불어 고성능의 침탄표면을 확보하기 위한 침탄법의 개발과 침탄분위기의 농도 제어개발을 목적으로 한다.

즉, 노 내에서 탄화수소계 가스분위기 농도를 일정하게 제어하는 것이 목적이며, 결과적으로 침탄두께가 일정하게 확보하는 것이다.

그러나, 안정된 CO분위기에서 작업하는 통상의 일괄형 혹은 연속형 침탄공정에서 발생하는 온도헌팅 또는 온도의 전이상태(즉 비평형온도 상태)에 대해서는 적절한 해결책이 되지 못하는 문제점이 있었다.

대한민국공개특허공보공개번호특1998-071377호 대한민국공개특허공보공개번호특1998-047301호

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 노 내에 일정하게 유지되고 있는 가스 분위기하에서 노 내부의 온도를 에너지값으로 환산하여 모니터링시켜 제품의 침탄깊이를 실시간으로 모니터링하므로, 침탄깊이 편차를 없애고 침탄 불량품의 생산을 방지하도록 한 금속의 침탄깊이 실시간 모니터링방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 침탄깊이 모니터링방법은, 노 내에 시편을 장입한 후 일정한 탄소농도 분위기에서 가열 및 냉각시켜 침탄 열처리 하는 방법에 있어서, 열처리하고자 하는 시편의 침탄활성화에너지를 컨트롤러에 입력하는 제1단계와; 열처리를 통해 요구되는 시편의 목표 침탄깊이를 설정하여 컨트롤러에 입력하는 제2단계와; 실시간 측정되는 노 내의 온도조건과 침탄활성화에너지를 이용하여 수학식1에 의해 누적에너지수치를 구하되, 누적에너지수치 변수에 따른 시편의 여러 침탄깊이 실험값을 구할 수 있도록 다수의 모델링실험을 실시하는 제3단계와; 상기 모델링실험의 실험값들을 통해 침탄깊이를 연산하기 위한 다수의 계수들을 도출하되, 상기 계수들과 누적에너지수치로 이루어진 회귀식을 컨트롤러에 입력하는 제4단계와; 실시간 모니터링되는 누적에너지수치의 변화에 따라 상기 회귀식으로 침탄깊이를 연산하여 컨트롤러에 실시간 모니터링시키는 제5단계와; 실시간으로 모니터링되는 침탄깊이에 따라 목표 침탄깊이와 일치여부를 판단하여 시편의 냉각 여부를 결정하는 제6단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

수학식1.

이고,

여기서, T= 절대온도, Q=침탄활성화에너지, R=기체상수, dt=가열유지시간을 나타낸다.

한편, 본 발명의 다른 침탄깊이 모니터링방법은, 노 내에 시편을 장입한 후 일정한 탄소농도 분위기에서 가열 및 냉각시켜 침탄 열처리 하는 방법에 있어서, 열처리하고자 하는 시편의 침탄활성화에너지를 컨트롤러에 입력하는 제1단계와; 열처리를 통해 요구되는 시편의 목표 침탄깊이를 설정하여 컨트롤러에 입력하는 제2단계와; 실시간 측정되는 노 내의 온도조건과 침탄활성화에너지를 이용하여 수학식1에 의해 누적에너지수치를 구하되, 누적에너지수치 변수에 따른 시편의 여러 침탄깊이 실험값을 구할 수 있도록 다수의 모델링실험을 실시하여, 이를 컨트롤러에 입력하는 제3단계와; 실시간 모니터링되는 누적에너지수치의 변화에 따라 그에 상응하는 침탄깊이 실험값을 컨트롤러에 실시간 모니터링시키는 제4단계와; 실시간으로 모니터링되는 침탄깊이에 따라 목표 침탄깊이와 일치여부를 판단하여 시편의 냉각 여부를 결정하는 제5단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

수학식1.

이고,

여기서, 상기 컨트롤러에 모니터링되는 침탄깊이가 목표 침탄깊이보다 작은 경우 계속적으로 가열하여 침탄깊이를 상승시키고, 상기 침탄깊이가 목표 침탄깊이와 일치하는 경우 시편을 냉각시킨다.

한편, 본 발명의 침탄깊이 모니터링장치의 구성은, 노 내에 시편을 장입한 후 일정한 탄소농도 분위기에서 가열 및 냉각시켜 침탄 열처리하는 것에 있어서, 노 내의 가열온도를 표시할 수 있도록 컨트롤러 전면에 가열온도표시부를 구비하고, 온도 변화에 따른 실시간 누적에너지수치를 수학식1에 의해 계산하여 표시할 수 있도록 상기 컨트롤러 전면에 누적에너지표시부를 구비하며, 열처리를 통해 요구되는 시편의 목표 침탄깊이를 표시할 수 있도록 상기 컨트롤러 전면에 목표 침탄깊이표시부를 구비하며, 상기 누적에너지수치의 변화에 따라 변화하는 시편의 침탄깊이를 실시간 표시할 수 있도록 상기 컨트롤러 전면에 침탄깊이표시부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 수학식1에 의해 계산되는 누적에너지수치를 이용하여 침탄깊이를 컨트롤러에 실시간 모니터링시켜 목표 침탄깊이와 비교될 수 있도록 하였다.

따라서, 침탄깊이 목표치를 달성할 때까지 시편을 가열함으로써, 제품의 실제 침탄깊이와 목표치 사이에 편차를 최대한 줄이게 되어, 목표 침탄깊이가 일정하게 확보된 제품을 획득할 수 있는 효과가 있다.

더욱이, 상술한 바와 같이 침탄열처리되는 제품의 침탄깊이를 실시간으로 모니터링할 수 있으므로, 제품의 침탄깊이에 의해 결정되는 표면품질을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 공정 중에 불량품을 예측할 수 있어 불량품의 생산을 방지할 수도 있는 효과도 있는 것이다.

도 1은 통상적인 일괄식 가스침탄 열처리에서의 온도의 불확실성을 나타낸 그래프,
도 2는 통상적인 연속식 가스침탄 열처리에서의 온도의 불확실성을 나타낸 그래프,
도 3은 종래 기술에 의한 열처리로의 분위기 제어방법 및 장치를 나타내는 개략도.
도 4는 다른 종래 기술에 의한 플라즈마 침탄 공정의 콘트롤 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 의한 침탄깊이 모니터링방법의 제1실시예의 각 단계를 나열한 블럭도,
도 6은 본 발명에 의한 침탄깊이 모니터링방법의 제1실시예를 순차적으로 나열한 흐름도,
도 7은 본 발명에 의한 침탄깊이 모니터링방법의 제2실시예의 각 단계를 나열한 블럭도,
도 8은 본 발명에 의한 침탄깊이 모니터링방법의 제2실시예를 순차적으로 나열한 흐름도,
도 9는 본 발명에 의한 컨트롤러를 개략적으로 나타낸 정면도,
도 10은 본 발명에 의해 누적에너지수치의 변화에 따라 침탄깊이가 변화하는 것을 나타낸 그래프.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5와 도 6은 본 발명의 침탄깊이 실시간 모니터링방법의 제1실시예에 대한 것으로, 먼저 제1단계에서는 열처리하고자 하는 시편의 침탄활성화에너지를 독립적 또는 노 외부에 부착된 컨트롤러(10)에 입력시킨다.

여기서, 상기한 침탄활성화에너지(activation energy)란 침탄 열처리시 표면에서 침탄반응이 일어나기 위한 최소한의 에너지를 말하는 것으로, 열처리에 사용되는 물질마다 침탄활성화에너지의 수치가 다르고 상기 수치는 이미 공지되어 널리 알려져 있다.

일예로, α-Fe에서 C의 침탄활성화에너지는 80kJ/mol이고, γ-Fe에서 C의 침탄활성화에너지는 148kJ/mol이며, SNCM420H는 190kJ/mol이다.

계속해서, 제2단계에서는 최종제품에 요구되는 목표 침탄깊이를 설정하여 컨트롤러(10)에 입력한다.

그리고, 제3단계에서는 실시간 측정되는 노 내의 온도조건과 침탄활성화에너지를 이용하여 수학식1에 의해 누적에너지수치를 구하되, 누적에너지수치 변수에 따른 시편의 여러 침탄깊이 실험값을 구할 수 있도록 다수의 모델링실험을 실시한다.

여기서, 상기한 누적에너지는 매 초당 입력되는 온도를 아래의 수학식1

를 이용하여 에너지값으로 환산한 후 누적에너지수치로 적분한 값이다.

그리고, T= 절대온도, Q=침탄활성화에너지, R=기체상수, dt=가열유지시간을 나타낸다.

또한, 모델링실험을 통하여 특정 온도에서 상기한 누적에너지가 변화함에 따라 침탄깊이가 어떻게 변화하는지를 아래의 표 2와 같이 침탄깊이 실험 데이터값을 확보한다.

RX 분위기가스에서의 누적에너지에 따른 제품의 침탄깊이

투입된 누적에너지	침탄깊이, mm
-19.75	0.1
-19.05	0.2
-18.63	0.3
-18.31	0.4
-18.06	0.5
-17.85	0.6
-17.66	0.7
-17.50	0.8
-17.34	0.9
-17.19	1.0
-17.05	1.1
-16.92	1.2
-16.78	1.3
-16.65	1.4
-16.52	1.5
-16.39	1.6
-16.26	1.7
-16.13	1.8
-16.01	1.9
-15.90	2.0
-15.79	2.1
-15.69	2.2
-15.57	2.3
-15.45	2.4

여기서 각 수치들은 이론식이 아닌 실제 실험을 통해 얻어진 값들로서, 예를 들어 노내 RX가스 분위기에 제품이 투입되어 가열이 되는 경우를 예시한 것으로, 시간에 따라 누적되는 에너지가 -17.50이면 침탄깊이가 0.8㎜가 된다는 실험 데이터이다.

이 표에서는 침탄두께가 0.1㎜씩 증가할 때마다 그때까지 투입된 누적에너지를 기록하였지만, 보다 상세하게는 0.05㎜ 혹은 0.01㎜, 또는 그 이하 단위로도 상세하게 기록할 수 있다.

다음으로, 제4단계에서는 상기 모델링실험의 실험값들을 통해 침탄깊이를 연산하기 위한 다수의 계수들을 도출하고, 상기 계수들과 누적에너지수치로 이루어진 회귀식을 컨트롤러(10)에 입력한다.

여기서, 상기한 모델링실험의 실험값들을 전제로 할 때에, 침탄깊이를 연산하는 회귀식은

침탄깊이 연산 회귀식 = a × 실시간 누적에너지²+ b × 실시간 누적에너지 + c (일례로서, 계수 a=0.1084, b=4.3647, c=43.99일 수 있음)

와 같다.

여기서, 상기한 모델링실험을 통해 확보한 실험 데이터는 시편 및 금속의 성분, 종류가 달라지거나, 노 내의 가스분위기 등이 달라지게 되면(RX가스가 아닌 직접탄화수소 투입 등) 투입되는 누적에너지와 그에 따른 침탄깊이가 모두 달라지게 되며, 다시 모델링실험을 통해 표 2와 같은 모델링실험값을 우선 확보하여야 한다.

또한, 상기한 회귀식에 사용된 다수의 계수들(a,b,c)(0.1084, 4.3647, 43.99)은 모델링실험을 통해 확보된 누적에너지와 그에 따른 침탄깊이 실험값들 사이의 관계에서 수학적으로 도출된 것으로, 누적에너지 수치 및/또는 침탄깊이 실험값들이 달라지게 되면 함께 달라지게 되는 변수이다.

계속해서, 제5단계에서는 수학식1에 의해 연산되어 실시간 모니터링되는 누적에너지수치의 변화에 따라 상기 회귀식으로 침탄깊이를 연산하여, 상기 누적에너지수치와 침탄깊이 연산값을 컨트롤러(10)에 실시간 모니터링시킨다.

일례로써, 노 내의 분위기를 RX분위기 가스에서 침탄열처리시, 시편으로 SNCM420H강을 사용하는 경우 침탄활성화에너지는 190kJ/mol이며, 실시간 측정되는 온도와 더불어 수학식1에 따라 누적에너지값으로 환산된다.

상기 누적에너지값은 실시간으로 컨트롤러(10)에 표시되며, 이와 동시에 도 10에 도시된 바와 같이, 누적에너지(x축)가 증가함에 따라 시편 표면에 형성된 침탄깊이가 증가하게 되는데, 이는 온도와 시간에 따른 다양한 침탄깊이변화 곡선이 x축을 제품에 가해진 누적에너지값으로 환산했을 때 에너지의 유일한 함수로 계산됨을 알 수 있게 된다. 즉, 누적에너지값이 모니터링되면 자동적으로 현재의 침탄깊이가 모니터링될 수 있는 것이다.

그리고, 제6단계에서는 실시간으로 연산되어 모니터링되는 침탄깊이에 따라 목표 침탄깊이와 일치여부를 계속적으로 비교 판단하여 시편의 냉각 여부를 결정하는 것으로, 침탄깊이가 목표 침탄깊이보다 작은 경우 계속적으로 가열하여 침탄깊이 연산값을 상승시키고, 침탄깊이와 목표 침탄깊이가 일치하는 경우 시편을 냉각구간으로 이동시켜 냉각시키게 된다.

이때, 본 발명의 컨트롤러(10)는 상기 침탄깊이와 목표 침탄깊이의 비교를 육안으로 확인할 수 있고, 또한 두 값이 일치하는 경우 별도의 확인음이 울리도록 하여 시편의 냉각시기를 용이하게 인지하도록 할 수도 있다.

한편, 도 7과 도 8은 본 발명의 침탄깊이 실시간 모니터링방법의 제2실시예에 대한 것으로, 먼저 제1단계에서는 열처리하고자 하는 시편의 침탄활성화에너지를 독립적 또는 노 외부에 부착된 컨트롤러(10)에 입력시킨다.

그리고, 제3단계에서는 실시간 측정되는 노 내의 온도조건과 침탄활성화에너지를 이용하여 수학식1에 의해 누적에너지수치를 구하되, 누적에너지수치 변수에 따른 시편의 여러 침탄깊이 실험값을 구할 수 있도록 다수의 모델링실험을 실시하고, 상기 모델링실험을 통해 확보된 누적에너지수치와 침탄깊이 실험값들을 컨트롤러(10)에 입력한다.

여기서, 상기한 수학식1과 모델링실험을 통한 실험 데이터값들을 나타낸 표 2의 수치들은 위의 실시예1에서 설명한 바와 같다.

다음으로, 제4단계에서는 실시간 모니터링되는 누적에너지수치의 변화에 따라 상기 모델링실험을 통해 입력된 데이터값들 중에서 그에 상응하는 침탄깊이 실험값을 찾아내어 컨트롤러(10)에 실시간 모니터링시킨다.

그리고, 제5단계에서는 실시간으로 모니터링되는 침탄깊이에 따라 목표 침탄깊이와 일치여부를 계속적으로 비교 판단하여 시편의 냉각 여부를 결정하는 것으로, 침탄깊이가 목표 침탄깊이보다 작은 경우 계속적으로 가열하여 침탄깊이 연산값을 상승시키고, 침탄깊이와 목표 침탄깊이가 일치하는 경우 시편을 냉각구간으로 이동시켜 냉각시키게 된다.

한편, 본 발명의 침탄깊이 실시간 모니터링장치에 대해 도 9를 통해 살펴보면, 컨트롤러(10) 전면 상부에 노 내의 가열온도를 표시할 수 있도록 가열온도표시부(11)를 구비하고, 상기 가열온도표시부(11) 하단에는 누적에너지수치를 수학식1에 의해 계산하여 표시할 수 있도록 누적에너지표시부(12)를 구비한다.

그리고, 상기 누적에너지표시부(12) 하단 우측에는 열처리를 통해 요구되는 시편의 목표 침탄깊이를 표시할 수 있도록 목표 침탄깊이표시부(14)를 구비하고, 상기 목표밀도표시부(14) 좌측에는 상기 누적에너지수치의 변화에 따라 변화하는 시편의 침탄깊이를 실시간 표시할 수 있도록 침탄깊이표시부(13)를 구비한다.

여기서, 상기 각각의 표시부 위치는 도 9에 도시한 위치에 한정되는 것은 아니며, 경우에 따라 각각의 표시부 위치를 변경하여 구성할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 침탄깊이를 실시간 모니터링 하는 방법을 상기한 실시예1을 예시로 하여 구체적으로 설명하면 먼저, 침탄 열처리하고자 하는 시편 고유의 침탄에 대한 활성화에너지를 컨트롤러(10)에 입력한다. 그리고, 상기한 시편의 목표 침탄깊이를 설정한 후 컨트롤러(10)에 입력하고, 다수의 모델링실험을 통해 확보된 누적에너지수치에 대한 침탄깊이의 데이터값으로부터 회귀식에 사용될 여러 계수들을 도출하여, 침탄깊이를 연산하기 위한 회귀식을 컨트롤러(10)에 입력한다.

이 후, 시편의 가열과 함께 매 초당 입력되는 온도를 수학식1을 통해 에너지값으로 환산한 후 누적하여 누적에너지수치를 도출한다. 그리고, 앞서 입력된 회귀식의 계수를 이용하여 실시간 표시되는 누적에너지수치로 침탄깊이를 계산하고, 이 침탄깊이를 컨트롤러(10)를 통해 실시간 모니터링시킨다.

이처럼, 모니터링되는 현재 침탄깊이와 목표 침탄깊이를 비교하여 현재의 침탄깊이가 목교 침탄깊이에 도달할 때까지 노 내부를 계속적으로 가열함으로써, 현재 침탄깊이가 목표 침탄깊이와 일치할 때에 침탄 열처리를 종료하고 냉각을 개시한다.

이처럼, 본 발명의 침탄깊이 실시간 모니터링방법 및 장치는 실시간 측정되는 온도를 수학식1에 의해 에너지값으로 환산하여 누적에너지수치를 나타내고, 누적에너지수치의 변화에 따른 현재의 침탄깊이를 회귀식에 의해 연산하여 컨트롤러(10)에 실시간으로 모니터링함으로써, 현재의 침탄깊이를 목표 침탄깊이와 비교될 수 있게 된다.

따라서, 목표 침탄깊이에 도달할 때까지만 시편을 가열시킴으로써, 제품의 실시간 침탄깊이와 목표 침탄깊이 사이에 편차를 최대한 줄이게 되고, 제품의 균일한 품질을 확보할 수 있으며, 원하는 성질의 목표 침탄깊이를 갖는 제품을 획득할 수도 있는 것이다.

더욱이, 상술한 바와 같이 침탄열처리되는 제품의 침탄깊이를 실시간으로 모니터링 및 제어할 수 있을 뿐만 아니라 공정 중에 불량품을 예측할 수 있어 불량품의 생산을 방지할 수도 있다.

한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

즉, 본 발명의 일실시예로 침탄열처리 공정을 일예로 들었으나, 이외에도 다른 열처리 공정에 적용하여 사용할 수도 있다.

10 : 컨트롤러 11 : 가열온도표시부
12 : 누적에너지표시부 13 : 침탄깊이표시부
14 : 목표 침탄깊이표시부

Claims

노 내에 시편을 장입한 후 탄소농도 분위기에서 가열 및 냉각시켜 침탄 열처리 하는 방법에 있어서,
열처리하고자 하는 시편의 침탄활성화에너지를 컨트롤러(10)에 입력하는 제1단계와;
열처리를 통해 요구되는 시편의 목표 침탄깊이를 설정하여 컨트롤러(10)에 입력하는 제2단계와;
실시간 측정되는 노 내의 온도조건과 침탄활성화에너지를 이용하여 수학식1에 의해 누적에너지수치를 구하되, 누적에너지수치 변수에 따른 시편의 여러 침탄깊이 실험값을 구할 수 있도록 다수의 모델링실험을 실시하는 제3단계와;
상기 모델링실험의 실험값들을 통해 침탄깊이를 연산하기 위한 다수의 계수들을 도출하되, 상기 계수들과 누적에너지수치로 이루어진 회귀식을 컨트롤러(10)에 입력하는 제4단계와;
실시간 모니터링되는 누적에너지수치의 변화에 따라 상기 회귀식으로 침탄깊이를 연산하여 컨트롤러(10)에 실시간 모니터링시키는 제5단계와;
실시간으로 모니터링되는 침탄깊이에 따라 목표 침탄깊이와 일치여부를 판단하여 시편의 냉각 여부를 결정하는 제6단계;로 이루어지되,
상기 컨트롤러(10)에 모니터링되는 침탄깊이가 목표 침탄깊이보다 작은 경우 계속적으로 가열하여 침탄깊이를 상승시키고, 상기 침탄깊이가 목표 침탄깊이와 일치하는 경우 시편을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 침탄깊이 실시간 모니터링방법.
수학식1.

이고,
여기서, T= 절대온도, Q=침탄활성화에너지, R=기체상수, dt=가열유지시간을 나타낸다.

침탄깊이를 연산하는 회귀식 =
a × 실시간 누적에너지²+ b ×실시간 누적에너지 + c 이고,
여기서, 계수인 a,b,c는 모델링실험을 통해 확보된 누적에너지와 그에 따른 침탄깊이 실험값들 사이의 관계에서 수학적으로 도출되는 것으로, 변수임.
노 내에 시편을 장입한 후 탄소농도 분위기에서 가열 및 냉각시켜 침탄 열처리 하는 방법에 있어서,
열처리하고자 하는 시편의 침탄활성화에너지를 컨트롤러(10)에 입력하는 제1단계와;
열처리를 통해 요구되는 시편의 목표 침탄깊이를 설정하여 컨트롤러(10)에 입력하는 제2단계와;
실시간 측정되는 노 내의 온도조건과 침탄활성화에너지를 이용하여 수학식1에 의해 누적에너지수치를 구하되, 누적에너지수치 변수에 따른 시편의 여러 침탄깊이 실험값을 구할 수 있도록 다수의 모델링실험을 실시하여, 이를 컨트롤러(10)에 입력하는 제3단계와;
실시간 모니터링되는 누적에너지수치의 변화에 따라 그에 상응하는 침탄깊이 실험값을 컨트롤러(10)에 실시간 모니터링시키는 제4단계와;
실시간으로 모니터링되는 침탄깊이에 따라 목표 침탄깊이와 일치여부를 판단하여 시편의 냉각 여부를 결정하는 제5단계;로 이루어지되,
상기 컨트롤러(10)에 모니터링되는 침탄깊이가 목표 침탄깊이보다 작은 경우 계속적으로 가열하여 침탄깊이를 상승시키고, 상기 침탄깊이가 목표 침탄깊이와 일치하는 경우 시편을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 침탄깊이 실시간 모니터링방법.
수학식1.

이고,
여기서, T= 절대온도, Q=침탄활성화에너지, R=기체상수, dt=가열유지시간을 나타낸다.
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