KR101497794B1 - 열처리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

피열처리물의 변형을 방지하도록 구속을 수행하되, 피열처리물이 물이나 오일에 비접촉되는 부분없이 모든 부위가 물이나 오일에 접촉하여 원하는 경도값을 얻을 수 있는 개선된 열처리 장치 및 방법이 개시된다. 열처리 장치는 피열처리물을 안착시키는 트레이와, 상기 트레이에 안착된 피열처리물을 가압하여 구속함으로써 피열처리물의 냉각시 변형을 방지하는 가압 지그와, 상기 가압 지그를 구동시키는 지그 구동부를 포함하며, 피열처리물을 냉각하는 냉각실에 구비되어 상기 피열처리물의 온도를 감지하는 온도센서와, 상기 온도센서로 감지된 피열처리물의 온도가 기준치 범위를 만족하면 상기 지그 구동부를 작동시켜 가압 지그가 피열처리물을 구속하게 하는 제어부를 구비한다. 따라서, 피열처리물이 냉각 유체에 균일하게 접촉하고 미접촉 부위가 발생하지 않기 때문에 구속 수단과의 접촉 부위에서 경도가 낮아지는 현상을 방지할 수 있으며, 피열처리물이 일정 시간 경과 후 구속이 이루어짐에 따라 급속 냉각에 의한 비틀림 등의 변형을 방지할 수 있다.

Description

열처리 장치 및 방법{Apparatus and method for heat treatment}

본 발명은 열처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피열처리물을 프레스 가압하여 변형을 방지하는 프레스 퀀칭(Quenching)을 수행하는 열처리 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 열처리는 금속의 화학 성분을 유지한채로 조직을 변화시켜 사용 목적에 맞게 성질을 변화시키는 것으로서, 퀀칭(Quenching), 템퍼링(Tempering) 공정 등이 있다.

퀀칭은 담금질이라 명칭되는 열처리 공정 중 하나이며, 탄소강의 금속 피열처리물을 고온의 온도로 일정시간 가열한 후 물이나 오일에 담가 급랭시킴으로써 금속 재료를 단단하게 경화시킬 목적으로 수행된다. 상기 퀀칭 공정의 냉각 속도에 따라 오스테나이트, 마르텐사이트, 트루스타이트, 소르바이트의 조직이 얻어진다. 템퍼링은 뜨임이라 명칭되는 열처리 공정 중 하나이다. 퀀칭한 금속 재료는 경도가 크지만 잘 깨지는 취성을 갖게 되므로 경도를 저하시키더라도 인성을 증가시킬 목적으로 템퍼링이 수행된다.

선출원된 대한민국 등록특허공보 제10-1099909호(2011.12.21)에는 베어링용 전동체 열처리 방법이 개시된바 있다. 도 1은 종래의 열처리 방법에 따른 시간에 대한 온도의 그래프를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 열처리 방법은 피열처리물을 850℃ 내지 880℃의 고온에서 30분∼60분 동안 가열하는 단계(가열 단계)와, 40℃ 내지 80℃의 물 또는 오일에 투입하여 금속 냉각하는 퀀칭 단계 및 잔류 응력을 제거하기 위해 160℃ 내지 180℃의 온도 조건에서 90분∼120분간 유지하는 템퍼링 단계로 이루어진다.

상기의 열처리 공정 중 퀀칭 단계에서 급랭으로 인하여 피열처리물에 변형이 발생하게 되며, 이러한 변형을 방지하기 위해 프레스로 피열처리물를 가압하면서 열처리를 수행하는 방법이 사용된다. 도 2는 종래의 프레스 퀀칭 공정을 도시한 흐름도이며, 도 3은 종래의 프레스 퀀칭 장치를 이용하여 피열처리물을 구속한 상태를 도시한 단면도이고, 도 4는 도 3의 상부치구를 저면에서 도시한 것이다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 종래의 프레스 퀀칭 공정은 가열 단계(ST-10)와, 구속 단계(ST-20) 및 투입 단계(ST-30)를 거쳐 진행이 이루어진다.

종래의 프레스 퀀칭 장치(10)는 하부 치구(13) 및 상부 치구(11)를 구비하며, 가열된 피열처리물(B)을 상기 하부 치구(13) 및 상부 치구(11)를 이용하여 상하 방향에서 구속한다. 상기 상부 치구(11)는 피열처리물(B)의 내경부에 삽입되어 반경 방향으로 피열처리물(B)을 구속한 상태에서 물이나 오일에 투입하여 퀀칭 공정을 수행하게 된다. 상기에서, 피열처리물(B)은 하부 치구(13) 및 상부 치구(11)에 의해 구속된 상태에서 프레스 퀀칭이 진행되므로 비틀림 등의 변형이 발생하지 않는다. 하지만, 하부 치구(13) 및 상부 치구(11)에 접한 피열처리물(B)의 부위는 물이나 오일이 직접 접촉되지 못하여 마르텐사이트 변태 온도까지 충분히 냉각되지 못하고 퍼얼라이트 조직으로 되어 원하는 경도값이 얻어지지 않는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 피열처리물(B)과 접촉하는 하부 치구(13) 또는 상부 치구(11)에 도 4와 같은 요입 홈(11a)을 형성하여, 피열처리물(B)과 하부 치구(13) 또는 피열처리물(B)과 상부 치구(11) 간의 접촉 면적을 감소시키고 피열처리물(B)과 물이나 오일 간을 직접 접촉시키는 방법이 사용되기도 하였다. 하지만, 이 방법 역시 여전히 피열처리물(B)과 하부 치구(13) 또는 피열처리물(B)과 상부 치구(11) 간의 접촉 부위가 존재하며, 피열처리물(B)의 일부분이 물이나 오일에 직접 접촉되지 못하는 문제점이 있었다.

특허문헌 : 대한민국 등록특허공보 제10-1099909호(2011.12.21)

이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 피열처리물의 변형을 방지하도록 구속을 수행하되, 급랭시 피열처리물이 물이나 오일에 비접촉되는 부분없이 모든 부위가 물이나 오일에 접촉하여 원하는 경도값을 얻을 수 있는 개선된 열처리 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 열처리 장치는 피열처리물을 안착시키는 트레이와, 상기 트레이에 안착된 피열처리물을 가압하여 구속함으로써 피열처리물의 냉각시 변형을 방지하는 가압 지그와, 상기 가압 지그를 구동시키는 지그 구동부를 포함하며, 피열처리물을 냉각하는 냉각실에 구비되어 상기 피열처리물의 온도를 감지하는 온도센서와, 상기 온도센서로 감지된 피열처리물의 온도가 기준치 범위를 만족하면 상기 지그 구동부를 작동시켜 가압 지그가 피열처리물을 구속하게 하는 제어부를 구비한다.

상기에서, 온도센서는 피열처리물의 표면 온도 변화를 시간 단위로 측정하고, 상기 온도센서로 측정된 온도가 상기 기준치 범위를 만족하는 시점의 시간 정보를 저장하는 저장부와, 상기 저장부에 저장된 시간 정보에 도달하면 상기 제어부에 지그 구동부의 개시 신호를 전송하는 타이머를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기에서, 기준치 범위는 200℃ 내지 500℃로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기에서, 가압 지그는 피열처리물의 외측을 감싸 구속하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 열처리 방법은 피열처리물을 가열하는 단계와, 상기 피열처리물을 냉각실에 투입하는 단계와, 상기 피열처리물을 가압 지그를 이용하여 구속하는 단계를 포함하며, 상기 투입 단계와 구속 단계의 사이에 상기 피열처리물의 온도를 온도 센서로 감지하는 측정 단계를 구비하여, 상기 온도센서로 감지된 피열처리물의 온도가 기준치 범위를 만족하면 상기 구속 단계를 진행한다.

본 발명의 다른 양상에 따른 열처리 방법은 피열처리물을 가열하는 단계, 상기 피열처리물을 냉각실에 투입하는 단계 및 상기 피열처리물을 가압 지그를 이용하여 구속하는 단계로 구성된 열처리 단계를 포함하며, 상기 열처리 단계 이전에 상기 피열처리물을 가열하는 단계, 상기 피열처리물을 냉각실에 투입하는 단계 및 상기 피열처리물의 시간에 따른 온도 변화를 감지하는 측정 단계로 구성된 예비 단계를 구비하여, 상기 열처리 단계에서 상기 측정 단계에서 감지된 피열처리물의 온도가 기준치 범위를 만족하는 시점의 시간 정보에 근거하여 상기 구속 단계를 수행한다.

본 발명에 따른 열처리 장치 및 방법은 피열처리물이 급랭시 냉각 유체에 균일하게 접촉하고 미접촉 부위가 발생하지 않기 때문에 구속 수단과의 접촉 부위에서 경도가 낮아지는 현상을 방지할 수 있으며, 피열처리물이 일정 시간 경과 후 구속이 이루어짐에 따라 급속 냉각에 의한 비틀림 등의 변형을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 열처리 방법에 따른 시간에 대한 온도의 그래프를 도시한 것이고,
도 2는 종래의 프레스 퀀칭 공정을 도시한 흐름도이며,
도 3은 종래의 프레스 퀀칭 장치를 이용하여 피열처리물을 구속한 상태를 도시한 단면도이고,
도 4는 도 3의 상부치구를 저면에서 도시한 것이며,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열처리 장치를 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 구성도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열처리 장치를 이용하여 피열처리물을 구속한 상태를 도시한 단면도이며,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열처리 방법을 도시한 흐름도이고,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열처리 방법을 설명하기 위하여 예를 들어 도시한 시간-온도 그래프이며,
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열처리 장치를 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 구성도이고,
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열처리 방법을 도시한 흐름도이다.

이하 첨부된 도면에 따라서 열처리 장치 및 방법의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열처리 장치를 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열처리 장치를 이용하여 피열처리물을 구속한 상태를 도시한 단면도이다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열처리 장치는 제1 가열실(91)과, 대기실(92)과, 냉각실(93)과, 제2 가열실(94)과, 트레이(71)와, 가압 지그(73)와, 지그 구동부(74)와, 온도센서(75) 및 제어부(76)를 구비한다.

제1 가열실(91)은 가열 수단(히터, 도시하지 않음)을 구비하여 가열 온도까지 가열이 이루어지며, 입구측 및 출구측에 각각 도어(95)가 설치된다. 제1 가열실(91)의 하부에는 트레이(71)의 이송을 위한 이송 컨베이어가 설치된다. 트레이(71)의 이송 방향으로 제1 가열실(91)의 후방에는 대기실(92)이 구비된다. 대기실(92)은 제1 가열실(91)을 통해 가열된 피열처리물(B)이 이송되어 와서 대기하는 공간이다. 냉각실(93)은 대기실(92)의 후방에 배치되어 가열된 피열처리물(B)을 냉각한다. 냉각실(93)의 하부에는 피열처리물(B)을 냉각하기 위한 물 또는 오일 등의 냉각 유체(F)가 수용된 수용저가 마련된다. 제2 가열실(94)은 냉각실(93)의 후방에 배치되어 피열처리물(B)을 재가열함으로써, 퀀칭(Quenching)이 완료된 피열처리물(B)이 템퍼링(Tempering)되는 공간이다. 상기 제2 가열실(94)은 필요에 따라 생략 가능하며, 냉각실(93)과 제2 가열실(94) 사이에 별도의 대기실을 구비하는 것도 가능하다. 본 발명의 요지를 명확히 하기 위해, 다른 변경 가능한 상세 구성에 대해서는 설명을 생략한다.

트레이(71)는 피열처리물(B)이 안착되는 것으로, 이송 컨베이어를 따라 각 열처리 단계로 진행된다. 가압 지그(73)는 트레이(71)에 안착된 피열처리물(B)을 가압하여 구속함으로써 피열처리물(B)의 냉각시 변형을 방지한다. 가압 지그(73)는 냉각실(93)에 승강 가능하게 구비되어, 냉각실(93)에 수용된 냉각 유체(F) 측으로 투입되도록 후술할 지그 구동부(74)에 의해 상하로 이동된다. 상기 가압 지그(73)는 피열처리물(B)이 먼저 냉각 유체(F)로 투입된 후 냉각이 이루어지는 중에 투입되어 피열처리물(B)을 구속하도록 작동된다. 지그 구동부(74)는 가압 지그(73)를 상하로 이동시킨다. 상기 지그 구동부(74)는 상하 작동하는 유압실린더로 하는 것이 가능하다. 상기 가압 지그(73)는 유압실린더 로드에 결합되어 상하 구동된다. 온도센서(75)는 냉각실(93)에 구비되어, 피열처리물(B)의 표면 온도를 감지한다. 상기 온도센서(75)는 비접촉식 온도계로 하는 것이 가능하다.

제어부(76)는 온도센서(75)로 감지된 피열처리물(B)의 온도가 설정 온도 범위에 이르면, 지그 구동부(74)를 작동시켜 가압 지그(73)가 피열처리물(B)을 구속하게 한다. 제어부(76)는 이송 컨베이어의 구동, 트레이(71)의 승강 구동과 함께 지그 구동부(74)의 제어를 수행하게 된다.

상기 가압 지그(73)는 피열처리물(B)의 외측을 감싸 구속하는 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 프레스 퀀칭에서 피열처리물(B)의 구속 효과는 마르텐사이트 변태 과정에서 나타나며, 본 발명의 일 실시 예와 같이 피열처리물(B)이 베어링의 내, 외륜과 같은 링 형상으로 이루어질 경우 피열처리물(B)의 변형이 반경 방향으로 팽창되게 발생함에 따라 외측을 구속하는 것이다. 상기 가압 지그(73)는 피열처리물(B)의 내경 측을 추가로 구속하도록 구현하는 것도 가능하다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열처리 방법을 도시한 흐름도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열처리 방법에 따른 시간-온도 그래프이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열처리 방법은 피열처리물(B)을 가열하는 단계(ST-210)와, 피열처리물(B)을 냉각실(93)에 투입하는 단계(ST-220)와, 피열처리물(B)의 온도를 온도 센서(75)로 감지하는 측정 단계(ST-225)와, 피열처리물(B)을 가압 지그(73)를 이용하여 구속하는 단계(ST-230)를 포함한다. 상기 온도센서(75)로 감지된 피열처리물(B)의 온도가 설정 온도 범위에 이르면, 구속 단계(ST-230)가 진행된다.

상기 기준치 범위는 200℃ 내지 500℃로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 200℃를 하한 임계점으로 설정하는 이유는 예를 들어 고탄소강의 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms)에 해당되기 때문이며, 500℃를 상한 임계점으로 설정하는 이유는 퍼얼라이트 변태 온도 500℃까지는 피열처리물(B)의 접촉없이 충분히 빠르게 냉각되어야 퍼얼라이트 조직 발생을 억제할 수 있기 때문이다.

도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열처리 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다. 본 발명의 다른 실시 예에서는 전술한 실시 예와 비교하여 중복되는 구성에 대해서는 설명을 생략한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열처리 장치는 트레이(71)와, 가압 지그(73)와, 지그 구동부(74)와, 온도센서(75)와, 제어부(76)와, 저장부(77) 및 타이머(78)를 구비한다.

트레이(71)는 피열처리물(B)이 안착되는 것으로서, 이송 컨베이어를 따라 각 열처리 단계를 연속적으로 진행한다. 가압 지그(73)는 트레이(71)에 안착된 피열처리물(B)을 가압하여 구속함으로써 피열처리물(B)의 냉각시 변형을 방지한다. 가압 지그(73)는 냉각실(93)에 승강 가능하게 구비되어, 냉각실(93)에 수용된 냉각 유체(F) 측으로 투입되도록 후술할 지그 구동부(74)에 의해 상하로 이동된다. 상기 가압 지그(73)는 피열처리물(B)이 먼저 냉각 유체(F)로 투입된 후 냉각이 이루어지는 중에 투입되어 피열처리물(B)을 구속한다.

지그 구동부(74)는 가압 지그(73)를 상하로 이동시킨다. 온도센서(75)는 냉각실(93)에 구비되어, 피열처리물(B)의 표면 온도를 감지한다. 상기 온도센서(75)는 피열처리물(B)의 표면 온도 변화를 측정한다. 제어부(76)는 온도센서(75)로 감지된 피열처리물(B)의 온도가 설정 온도 범위에 이르면, 지그 구동부(74)를 작동시켜 가압 지그(73)가 피열처리물(B)을 구속하게 한다. 제어부(76)는 이송 컨베이어의 구동, 트레이(71)의 승강 구동과 함께 전반적인 제어를 수행하게 된다.

저장부(77)에는 온도센서(75)로 측정된 온도가 설정 온도 범위에 이르는 시점의 시간 정보가 저장된다. 저장부(77)는 설명의 편의를 위해 제어부(76)와 구분하여 설명하였으나, 일련의 제어 로직을 갖는 단일 제어장치로 구성할 수 있다. 타이머(78)는 저장부(77)에 저장된 시간 정보에 도달하면, 제어부(76)에 지그 구동부(74)의 개시 신호를 전송한다.

도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열처리 방법을 도시한 흐름도이다. 도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열처리 방법은 크게 예비 단계(ST-100)와, 열처리 단계(ST-200)로 구성된다.

예비 단계(ST-100)는 피열처리물(B)을 가열하는 단계(ST-110), 피열처리물(B)을 냉각실(93)에 투입하는 단계(ST-120) 및 피열처리물(B)의 시간에 따른 온도 변화를 감지하는 측정 단계(ST-130)로 구성된다. 상기 예비 단계(ST-100)는 피열처리물(B)의 마르텐사이트 변태 개시 온도인 기준치 범위에 도달하는 시간을 감지하여 열처리 단계(ST-200)에서 활용하기 위한 공정으로서, 매 열처리마다 반복할 필요는 없으며, 동일 피열처리물(B)에 대해서는 단 1회의 공정만을 수행하거나 한번씩 주기적으로 수행하여 측정의 오차 범위를 줄이도록 구현할 수 있다.

열처리 단계(ST-200)는 피열처리물(B)을 가열하는 단계(ST-210)와, 피열처리물(B)을 냉각실(93)에 투입하는 단계(ST-220) 및 피열처리물(B)을 가압 지그(73)를 이용하여 구속하는 단계(ST-230)로 구성된다. 상기 열처리 단계(ST-200)에서는 측정 단계(ST-130)에서 감지된 피열처리물(B)의 온도가 기준치 범위를 만족하는 시점의 시간 정보에 근거하여 구속 단계(ST-230)를 수행하게 된다. 상기 기준치 범위는 200℃ 내지 500℃ 범위로 하는 것이 바람직하다. 상기 200℃를 하한 임계점으로 설정하는 이유는 예를 들어 고탄소강의 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms)에 해당되기 때문이며, 500℃를 상한 임계점으로 설정하는 이유는 퍼얼라이트 변태 온도 500℃까지는 피열처리물(B)의 접촉없이 충분히 빠르게 냉각되어야 퍼얼라이트 조직 발생을 억제할 수 있기 때문이다.

지금까지 본 발명에 따른 열처리 장치 및 방법은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

71 : 트레이 73 : 가압 지그
74 : 지그 구동부 75 : 온도센서
76 : 제어부 77 : 저장부
78 : 타이머 91 : 제1 가열실
92 : 대기실 93 : 냉각실
94 : 제2 가열실

Claims (8)

1. 피열처리물을 가열하는 가열 수단이 구비된 제1 가열실(91)과, 제1 가열실(91)의 후방으로 위치하는 대기실(92)과, 상기 대기실(92)의 후방으로 위치하며 냉각 유체(F)가 수용된 수용저가 마련된 냉각실(93)과, 냉각실(93) 후방에 위치하는 제2 가열실(94)과, 피열처리물이 안착되며 이송 컨베이어에 의하여 이송되어 피열처리물의 열처리 단계가 수행되도록 하는 트레이(71)와, 냉각실(93)에 승강 가능하게 구비되어 트레이(71)에 안착된 피열처리물을 가압하여 구속하는 가압 지그(73)와, 상기 가압 지그(73)를 상하로 이동시키는 지그 구동부(74)와, 냉각실(93)에 구비되어 피열처리물의 온도를 감지하는 온도센서(75)와, 지그 구동부(74)에 연결되며 지그 구동부(74)를 작동시키는 제어부(76)와, 저장부(77)에 저장된 시간 정보에 도달하면 제어부(76)로 지그 구동부(74)의 개시 신호를 전송하는 타이머(78)로 이루어진 열처리 장치로 하는 열처리 방법에 있어서; 열처리 단계(ST-200)로 이루어지며, 열처리 단계(ST-100)는 제1 가열실(91)에서 피열처리물(B)이 가열되는 단계(ST-210)와, 가열 후 냉각실(93)로 이송되어 온 피열처리물(B)이 트레이(71)와 함께 냉각실(93)의 유체(F)에 투입되는 단계(ST-220)와, 냉각실(93)에 투입된 상기 피열처리물(B)을 가압 지그(73)를 이용하여 구속하는 단계(ST-230; 구속 단계)로 이루어지며; 상기 구속 단계(ST-230)는 피열처리물(B)의 온도가 마르텐사이트 변태 온도가 되는 시간 정보에 근거하여 수행되고, 적어도 외측을 구속하며; 상기 피열처리물(B)의 온도가 마르텐사이트 변태 온도가 되는 시간 정보는 예비 단계(ST-100)에서 마련되며, 예비 단계(ST-100)는 피열처리물(B)을 가열하는 단계(ST-110), 피열처리물(B)을 냉각실(93)에 투입하는 단계(ST-120) 및 상기 피열처리물(B)의 시간에 따른 온도 변화를 감지하는 측정 단계(ST-130)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
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