KR101391385B1 - 소결제품 국부 열처리 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저의 높은 에너지밀도와 급속 냉각에 의하여 치밀한 마르텐자이트 조직이 형성되어 열처리 부위에 높은 경도를 달성할 수 있고, 열처리 부위의 온도제어를 통하여 신뢰성을 높일 수 있으면서 모재의 손상과 변형을 최소화할 수 있고 유지관리에 별도의 비용이 소요되지 열처리비용을 저렴하게 할 수 있도록 한 것으로서;
모재에 형성되는 지름 10㎜, 깊이 5㎜ 이하의 미세 비관통홀, 관통홀 또는 계단형태의 비관통 또는 관통홀에 열처리 경화 깊이가 3 ∼ 5㎜, 경화 폭이 1.5 ∼ 6㎜이면서 열처리 된 경도는 650mHv 이상의 요구조건을 만족하도록;
모재의 열처리하고자 하는 위치에 0.5 ∼ 5초의 시간 동안 레이저를 조사시키고, 상기 레이저는 600 ∼ 900W의 출력으로 모재의 상면에 대하여 열처리하고자 하는 위치에 75 ∼ 105°의 각도로 조사시킨 후 자연냉각으로 열처리를 완성하는 것이 특징이다.

Description

소결제품 국부 열처리 방법 및 장치{HEAT TREATMENT METHOD USING LASER AND ITS DEVICE}

본 발명은 소결제품 국부 열처리 방법 및 장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 간단한 공정과 원가절감을 가능하게 하면서 높은 품질을 얻을 수 있도록 한 열처리 방법과 장치의 제공에 관한 것이다.

소결 부품은 후처리 공정에서 열처리를 통하여 기계적 특성이 향상되어 지며, 특히 부피가 크거나 국부적인 특성을 향상시키기 위하여 중요부위만을 열처리를 수행하는 국부 열처리 방법이 널리 사용되고 있는데, 이는 일반적인 열처리에 비하여 안정적인 품질을 확보할 수 있으면서 생산원가를 절감할 수 있기 때문이다.

상기와 같은 국부 열처리가 요구되는 제품으로는, 자동차에 적용되는 가변밸브 타이밍용 체인기어모듈의 로터 위치를 결정하는 핀스토퍼홀과 같은 미세 비관통 또는 관통홀에 내마모성과 강성을 요구하는 위치에 주로 실시되고 있다.

종래에도 이러한 국부 열처리 방법이 제시되어 사용되고 있는 실정이며, 본원 출원인 또한 "미세 비관통 홀의 고주파 열처리 방법"이란 명칭으로 특허(제 750766 호)를 획득한 바 있으며 이를 도 6을 통하여 살펴보면 다음과 같다.

미세 비관통홀(50)의 코너부를 고주파 열처리함에 있어서;

상기 미세 비관통홀(50)에 완전하게 삽입되는 형태의 코일(51)을 구비하고;

상기 코일(51)의 내부에 자속제어용 코어(52)를 코일(51)의 상,하측으로 돌출되도록 한 상태로 구비하여;

가열시간 2∼3초, 출력 200∼300㎾, 냉각시간 3∼5초, 양극전압 4∼8㎸, 양극전류 2.0∼4.5Ａ를 열처리 조건으로 하고;

열처리 후 가열부위 전체에 걸쳐 고르게 냉각수가 분사되게 냉각을 수행하는 것을 특징으로 하고 있다.

상기와 같은 종래 기술에서는 관통되지 않는 미세한 홀의 국부 열처리가 필요한 경우 고주파를 이용하여 열처리를 수행하여 목적하는 바의 강도와 내구성을 얻을 수 있도록 하고 있으나 하기와 같은 문제점들이 발생하게 된다.

고주파 열처리는 적절한 형상 및 크기의 코일과 주파수, 출력 및 시간과 같은 동작조건을 설정하여 필요한 부분만 오스테나이트(Austenite)가 되도록 한 후 급냉시켜 마텐자이트(Martensite) 조직으로 변태 시키는 공법이다.

이러한 고주파 열처리 방법은 제품에 형성된 관통되지 않은 미세한 홀에 코일과 코어로 구성되는 열처리수단을 삽입시킨 후 고주파를 발생시켜 미세 비관통홀의 표면에 열처리를 수행하여 내마모성과 강성을 가지도록 하고 있으나, 제품에 형성되는 미세비관통홀의 형상과 모양이 다르기 때문에 열처리하고자 하는 제품마다 또는 미세비관통홀의 형상과 모양에 따라 열처리수단을 각각 만들어야 하는 번거로움이 있다.

상기 열처리수단의 크기는 미세비관통홀에 들어갈 수 있는 크기로 만들어야 하기 때문에 지름 10㎜와 깊이 5㎜정도의 범위를 가지게 되므로 이보다 작은 크기로 코어와 코일로 구성하여야 하므로 이를 만드는 데 상당한 어려움이 따르는 것이 사실이다.

그리고, 열처리수단을 이용하여 고주파열처를 수행하는 과정에서는 모재에 냉각수(물이나 또는 기름)을 사용하여야 하기 때문에 작업장의 환경을 쾌적하게 유지하는 것이 어렵고 냉각수가 작업현장에 비산되어 미끄러짐 현상을 유발하여 안전사고의 우려가 높고, 냉각수 처리를 위한 별도의 수단을 강구하여야 하므로 많은 유지 및 관리비용이 소요되는 단점이 있다.

특히 국부 열처리하고자 하는 위치가 계단 형태와 같이 2단 또는 여러 단으로 비관통홀이 형성되어 있을 경우에는 열처리수단을 그에 맞게 만드는 것이 어렵게 되므로 실질적으로 열처리가 불가능하게 되므로 제한적으로 사용할 수밖에 없는 실정이다.

또한 열처리수단을 비관통홀에 삽입시켜 열처리를 수행한다 하여도 이론과는 다르게 실제 열처리 된 상태를 살펴보면 모재에 가하여지는 열에너지가 균일하지 못하여 열처리 상태가 불규칙적으로 이루어진 경우가 많아 실제 사용하는 과정에서 이상발생의 우려가 높게 되고, 열처리 조건을 적절하게 유지하지 못할 경우에는 모재의 변형을 초래하는 것은 물론 냉각수 잔해물과 같은 이물질에 모재 또는 열처리 부위가 오염되는 문제점이 발생하고 있는 실정이다.

이에 본 발명에서는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 모재에 형성되는 지름 10㎜, 깊이 5㎜ 이하의 미세 비관통홀, 관통홀 또는 계단형태의 비관통 또는 관통홀에 열처리 경화 깊이가 3 ∼ 5㎜, 경화 폭이 1.5 ∼ 6㎜이면서 열처리 된 경도는 650mHv 이상의 요구조건을 만족하도록;

모재의 열처리하고자 하는 위치에 0.5 ∼ 5초의 시간 동안 레이저를 조사시키고, 상기 레이저는 600 ∼ 900W의 출력으로 모재의 상면에 대하여 열처리하고자 하는 위치에 75 ∼ 105°의 각도로 조사시킨 후 자연냉각으로 완성하여;

레이저의 높은 에너지밀도와 급속 냉각에 의하여 치밀한 마르텐자이트 조직이 형성되어 열처리 부위에 높은 경도를 달성할 수 있고, 열처리 부위의 온도제어를 통하여 신뢰성을 높일 수 있으면서 모재의 손상과 변형을 최소화할 수 있고 유지관리에 별도의 비용이 소요되지 열처리비용을 저렴하게 할 수 있는 목적 달성이 가능하다.

본 발명은 크기가 작은 미세 비관통홀과 관통홀 또는 계단형태의 홀과 같이 그 형상에 구애받지 않고 레이저를 이용하여 국부적인 열처리를 수행하므로 내마모성과 강성을 가지도록 하면서 생산원가의 절감과 생산성의 향상은 물론 높은 품질을 안전적으로 유지할 수 있도록 하고, 쾌적한 작업환경을 유지할 수 있고 유지 관리에 따르는 부수적인 비용을 필요하지않는 등 다양한 효과를 가지는 발명이다.

도 1은 본 발명의 기술로 국부 열처리하기 위한 소결제품을 도시한 평면도 및 단면도.
도 2는 본 발명의 기술이 적용된 소결제품 국부 열처리 상태를 도시한 예시적인 구성도.
도 3은 본 발명의 기술이 적용된 소결제품 국부 열처리 상태를 도시한 중요부 발췌 구성도.
도 4는 본 발명의 기술이 적용된 소결제품 국부 열처리 상태를 다른 예를 도시한 중요부 발췌 구성도.
도 5는 본 발명의 기술에 의하여 열처리된 소결제품의 외관상태와 조직상태를 도시한 사진.
도 6은 종래 기술에 의하여 국부 열처리하는 상태를 도시한 구성도.

이하 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 구성과 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 기술로 국부 열처리하기 위한 소결제품을 도시한 평면도 및 단면도, 도 2는 본 발명의 기술이 적용된 소결제품 국부 열처리 상태를 도시한 예시적인 구성도, 도 3은 본 발명의 기술이 적용된 소결제품 국부 열처리 상태를 도시한 중요부 발췌 구성도, 도 4는 본 발명의 기술이 적용된 소결제품 국부 열처리 상태를 다른 예를 도시한 중요부 발췌 구성도, 도 5는 본 발명의 기술에 의하여 열처리된 소결제품의 외관상태와 조직상태를 도시한 사진으로서 함께 설명한다.

본 발명의 기술이 적용되는 소결제품 국부 열처리 방법은, 모재(100)에 형성되는 지름 10㎜, 깊이 5㎜ 이하의 미세 비관통홀, 관통홀 또는 계단형태의 비관통 또는 관통홀에 열처리 경화 깊이는 3 ∼ 5㎜, 경화 폭은 1.5 ∼ 6㎜, 열처리 된 경도는 650mHv 이상이 요구되며, 열처리 후 후공정에서 내경부의 가공문제나 외관에 영향을 미쳐 품질문제가 발생 되지 않도록 다른 부위에는 열 영향이 최소가 되어야 하는 조건을 만족하여야 한다.

본 발명에서는 열처리하고자 하는 모재(100)는 열처리장치(105)에 안정되게 위치시킨 후 모재(100)를 움직이거나 또는 열처리장치(105)를 움직여 모재(100)의 국부위치를 한정되게 점과 같은 형태 또는 국부위치를 연속적으로 선과 같은 형태로 레이저를 조사시켜 열처리하도록 한다.

상기 열처리장치(105)는, 프레임(106)의 일 측방 또는 어느 한 곳에 모재(100)를 안치하기 위한 안치지그(107)가 구비되고, 상기 안치지그(107)의 어느 한 측방에는 통상적인 레이저발생수단(108)으로부터 레이저를 인가받아 모재(100)에 조사하기 위한 통상의 레이저건(109)을 장착한 다관절 또는 직교타입의 로봇(110)에 장착한다.

상기 레이저건(109)에는 모재(100)에 레이저가 조사될 때 모재(100)의 온도를 측정하기 위한 온도센서(111)를 더 구비하여 안치지그(107) 또는 로봇(110)의 움직임을 제어하는 콘트롤러(112)로 인가하여 설정된 온도 이상일 경우에는 레이저의 조사를 정지시켜 모재(100)가 손상되거나 변형되는 것을 방지할 수 있도록 한다.

상기 콘트롤러(112)에는 모재(100)에 국부적인 열처리할 위치에 따라 움직임을 제어할 수 있도록 피엘시(PLC) 등과 같은 통합제어반을 가지도록 하여 레이저건(109)의 조사방향과 각도 및 진행 방향을 설정하거나 또는 안치지그(107)를 회전시키거나 각도를 조절하여 안치지그(107)에 안치된 모재(100)를 움직여 레이저건(109)이 조사하는 레이저가 최적의 조사각도를 이룰 수 있도록 제어할 수 있도록 한다.

상기 안치지그(107)는, 프레임(106)에 고정되는 테이블박스(115)의 내부에 구동수단(116)을 설치하고, 상기 테이블박스(115)의 상면에는 구동수단(116)의 동력을 전달받아 정,역회전하는 턴테이블(117)을 설치한다.

상기 턴테이블(117)의 상면에는 소정의 간격을 유지시켜 상방으로 지그브라켓(118)을 돌출시키고, 상기 지그브라켓(118)의 상부에는 모재(100)를 단속하기 위한 클램핑수단(119)을 가지는 클램퍼(120)를 클램퍼축(121)으로 지지되도록 한다.

상기 클램퍼축(121)의 일측에는 구동수단(122)과 웜(123) 및 웜휠(124)로 구성되는 회전자(125)를 설치하여 클램퍼(120)를 턴테이블(117)에 대하여 자유롭게 각도조절할 수 있도록 한다.

상기와 같은 열처리장치(105)에 모재(100)를 위치시킨 후, 열처리 수행시에는 레이저를 열처리하고자 하는 위치에 0.5 ∼ 5초의 시간 동안 조사시키고, 레이저의 출력은 600 ∼ 900W의 출력과, 모재(100)의 상면에 대하여 열처리하고자 하는 위치에 레이저의 조사각도는 모재(100)의 상면에 대하여 75 ∼ 105°의 각도를 유지하는 것을 조건으로 하였다.

모재(100)에 레이저가 조사되는 시간을 0.5초 이하로 할 경우에는 모재 표면의 온도가 올라가지 않게 되므로 충분한 열처리를 수행하는 것이 어려웠고, 5초 이상의 시간 동안 모재(100)에 레이저를 조사할 경우에는 온도가 과다하게 높아져 표면이 끓어 오르는 현상에 의하여 열처리 완료 후 모재가 변형되는 현상이 발생하여 바람직하지 못하였다.

또한 레이저의 출력을 600W 이하로 할 경우에는 레이저를 모재(100)에 조사하는 시간과 같이 모재 표면의 온도가 열처리할 수 있을 정도로 충분하게 상승하지 않았고, 900W 이상으로 할 경우에는 모재의 온도가 과다하게 높아져 열처리 후 변형의 우려가 높았다.

그리고, 레이저가 조사되는 각도를 모재(100)의 상면(표면)에 대하여 직각이 되도록 하는 것이 가장 바람직할 것이나 이러한 경우 열처리 위치가 계단 형태를 이루고 있을 경우 레이저가 목적하는 위치에 바르고 정상적으로 조사되지 못하기 때문에 약간의 경사를 가지는 형태로 조사하는 것이 바람직하며, 이 조사각도가 직각에서 너무 벗어날 경우에는 조사시간을 길게 하여야 하는 불편으로 열처리 효율성이 높지 못하여 바람직하지 않았다.

부수적으로 열처리를 국부적으로 수행하면서 연속적으로 길게 하여야하거나 국부적이면서 호, 형태 또는 원과 같은 형태로 수행하여야 할 경우에는 모재(100)를 유지하고 있는 안치지그(107)를 움직이거나 레이저건(109)을 장착하고 있는 로봇(110)을 움직여 수행하도록 한다.

레이저를 모재(100)에 조사하고 난 후 냉각은 냉각수 또는 냉각오일을 이용한 냉각이 아닌 자연냉각(Self Quenching)을 통하여 마르텐자이트(Martensite) 조직이 형성되어 열처리를 수행한 위치의 표면과 내부가 목표하는 높은 경도(725 ∼ 998mHv)를 얻을 수 있었으며, 소음, 소착 등의 제품 기능상 심각한 결함을 초래할 수 있는 잔류 오스테나이트(Austenite) 조직은 관찰되지 않았다.

상기와 같은 본 발명은, 레이저의 높은 에너지밀도와 급속 냉각에 의하여 치밀한 마르텐자이트조직이 형성되어 열처리 부위에 높은 경도를 달성할 수 있고, 열처리 부위의 온도제어를 통하여 신뢰성을 높일 수 있으면서 모재의 손상과 변형을 최소화 할 수 있고 유지관리에 별도의 비용이 소요되지 않는 등 다양한 장점을 가진다.

100; 모재
105; 열처리장치
107; 안치지그
109; 레이저건
111; 온도센서
115; 테이블박스
117; 턴테이블
120; 클램퍼
125; 회전자

Claims (3)

1. 모재에 형성되는 지름 10㎜, 깊이 5㎜ 이하의 미세 비관통홀, 관통홀 또는 계단형태의 비관통 또는 관통홀에 열처리 경화 깊이가 3 ∼ 5㎜, 경화 폭이 1.5 ∼ 6㎜이면서 열처리 된 경도는 650mHv 이상의 요구조건을 만족하도록;
   모재의 열처리하고자 하는 위치에 0.5 ∼ 5초의 시간 동안 레이저를 조사시키고;
   상기 레이저는 600 ∼ 900W의 출력으로 모재의 상면에 대하여 열처리하고자 하는 위치에 75 ∼ 105°의 각도로 조사시킨 후 자연냉각으로 완성하는 것을 특징으로 하는 소결제품 국부 열처리 방법.
2. 모재에 형성되는 지름 10㎜, 깊이 5㎜ 이하의 미세 비관통홀, 관통홀 또는 계단형태의 비관통 또는 관통홀에 열처리 경화 깊이가 3 ∼ 5㎜, 경화 폭이 1.5 ∼ 6㎜이면서 열처리 된 경도는 650mHv 이상의 요구조건을 만족하도록 열처리 위치에 레이저를 조사하는 소결제품 국부 열처리장치는;
   프레임에 모재를 안치할 수 있도록 구비하는 안치지그와;
   상기 안치지그에 설치되어 레이저발생수단으로부터 레이저를 인가받아 모재에 조사하기 위한 레이저건을 장착한 로봇과;
   상기 레이저건에 구비하여 모재에 레이저가 조사될 때 모재의 온도를 측정하여 콘트롤러로 인가하여 설정된 온도 이상일 경우에는 레이저의 조사를 정지시키는 온도센서와;
   상기 콘트롤러에는 레이저건의 조사방향과 각도 및 진행 방향을 설정하거나 또는 안치지그를 회전시키거나 각도를 조절하여 안치지그에 안치된 모재를 움직여 레이저건이 조사하는 레이저가 최적의 조사각도를 이룰 수 있도록 제어할 수 있는 통합제어반을 가지는 것을 특징으로 하는 소결제품 국부 열처리 장치.
3. 제 2 항에 있어서;
   상기 안치지그는, 프레임에 고정되는 테이블박스 내부에 설치하는 구동수단과;
   상기 구동수단의 동력을 전달받아 정,역회전하는 턴테이블과;
   상기 턴테이블의 상면에서 상방으로 돌출시키는 지그브라켓과;
   상기 지그브라켓의 상부에서 모재를 단속하기 위한 클램핑수단을 가지고 클램퍼축으로 지지되는 클램퍼와;
   상기 클램퍼축의 일측에 설치하여 클램퍼를 턴테이블에 대하여 자유롭게 각도 조절할 수 있는 구동수단으로 구성하는 것을 특징으로 하는 소결제품 국부 열처리 장치.

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