KR102124030B1 - 가스 ??칭 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 가스 ??칭 방법은, 냉각용 가스가 강제적인 순환에 의해 워크를 급냉하는 제1 단계(t1 내지 t2)와, 냉각용 가스의 순환을 정지함과 함께 노 내를 감압하여 단열하는 제2 단계(t2 내지 t3)와, 냉각용 가스에 의해 다시 워크를 냉각하는 제3 단계(t3 이후)를 포함한다. 제2 단계에서는, 마르텐사이트 변태 개시 온도보다도 높은 중간 온도로 워크가 유지되고, 이 사이에, 워크 각 부가 균열화된다. 따라서, 균일한 ??칭을 실현할 수 있고, 냉각 속도의 차이에 의한 왜곡을 억제할 수 있다.

Description

가스 ??칭 방법

본 발명은 강의 ??칭으로서, 워크를 가열한 후에, 냉각용 가스를 사용하여 냉각을 행하는 가스 ??칭 방법에 관한 것이다.

강의 ??칭은, 강을 고온 상태로 한 후에 급냉하여 마르텐사이트 조직을 얻는 열처리 기술이다. 종래, 비교적 큰 부품의 ??칭을 행하기 위해서는, 냉각성이 비교적 높은 기름이나 물 또는 중합체 용액 등의 액체를 냉각제로 하여, 가열 후의 냉각을 행하는 액체 ??칭 방법이 많이 채용되어 왔다. 그러나, 이 액체 ??칭에서는, ??칭 중에 불균일하게 비등이 발생하는 결과, 냉각 속도가 불균일해져, 품질이 안정되지 않는다. 또한, ??칭 후에 냉각제를 제거하는 세정 공정이 필요해서, 세정에 의해 발생한 폐수의 처리도 큰 문제가 된다.

이러한 점에서, 근년, 질소 가스 등의 불활성의 가스를 냉각제로서 사용하고, 예를 들어 노 내에 배열한 워크의 주위에 냉각용 가스를 통류시킴으로써, 워크의 급냉 즉 ??칭을 행하는 가스 ??칭 방법이 주목받고 있다.

또한, 비특허문헌 1에는, 가스 ??칭 방법의 일종으로서, 300℃ 정도의 고온의 핫 가스를 사용함으로써 냉각의 도중에 일정 시간 등온으로 유지하도록 한 등온 ??칭(다단계 ??칭이라고도 불림)이 개시되어 있다. 이것에서는, 공장 폐열 등을 이용하여 냉각용 가스를 미리 300℃ 정도로 예열해 두고, 1000℃ 정도로 가열한 워크를 수용한 가스로에, 이 핫 가스를 순환시킴으로써, 워크를 냉각함과 함께, 핫 가스의 온도와 평형을 이룬 300℃ 전후의 온도로 워크를 등온 처리한다. 그리고, 온도 평형 후, 쿨러를 통과하여 저온이 된 냉각용 가스의 순환으로 절환함으로써, 워크를 냉각하고, ??칭을 완료시킨다.

비특허문헌 1에는, 이러한 다단계 ??칭을 행함으로써, 통상의 연속적인 ??칭에 비하여, 워크에 발생하는 왜곡이 저감된다는 것이 기재되어 있다.

그러나, 비특허문헌 1과 같이 온도가 상이한 복수의 가스를 사용하여 다단계 ??칭을 실현하는 종래의 방법에서는, 가스로에, 가스 가열용 열 교환기나 가스 냉각용 쿨러, 나아가, 유로 전환의 댐퍼 등이 필요해져서, 설비가 복잡화된다.

또한, 핫 가스의 온도와 워크의 온도의 평형에 의해 등온화를 도모하고 있으므로, 워크의 온도가 목표로 하는 등온 처리 온도에 수렴할 때까지 시간이 걸리고, ??칭 처리 전체의 사이클 타임이 길어진다.

하마베 아키히로, 「핫 가스를 이용한 진공 ??칭 및 침탄 마??치 처리에 대해서」, Jaurnal of the Vacuum Society of Japan, 일반 사단 법인 일본 진공 학회, 2010년, 제53권, 제1호, p.49-52

본 발명은 강을 포함하는 워크를 가열하고, 노 내에서 냉각용 가스를 워크 주위에 통류시킴으로써 워크를 냉각하여 ??칭하는 가스 ??칭 방법에 있어서,

워크가 마르텐사이트 변태 개시 온도에 도달하기 전의 ??칭 도중에, 냉각용 가스의 공급을 정지하고,

로내를 감압 상태로 하여, 마르텐사이트 변태 개시 온도보다도 높은 중간 온도로 워크 온도를 유지하면서, 복사 냉각에 의해 워크 각 부를 균열화시켜,

워크 각 부가 균열화(均熱化)된 후에 냉각용 가스의 공급을 재개하고, 마르텐사이트 변태 개시 온도를 통과하도록 ??칭을 행한다.

즉, 본 발명의 ??칭 방법에서는, 냉각용 가스를 사용한 ??칭의 도중에, 냉각용 가스의 공급을 정지함과 함께, 노내를 감압함으로써, 워크의 냉각 속도를 억제한다. 특히, 노내의 감압에 의해, 대류에 의한 냉각 작용이 빠르게 억제되어, 실질적으로 복사 냉각만이 된다. 바꾸어 말하면, 감압에 의해 노 내가 단열된 상태가 되고, 워크는 중간 온도로 일시적으로 유지된다. 이때, 워크 중에서 상대적으로 온도가 높은 부위로부터 상대적으로 온도가 낮은 부위로 열이 이동하고, 워크 각 부가 균열화된다. 따라서, 그 후의 냉각용 가스의 공급에 의한 냉각 시에는, 워크의 각 부가 마르텐사이트 변태 개시 온도를 거의 동시에 또한 같은 온도 구배을 갖고 통과하게 되고, 보다 균일하게 ??칭이 이루어진다.

본 발명에 따르면, 온도가 상이한 복수의 가스를 필요로 하지 않고 다단계 ??칭을 실현할 수 있고, 워크 각 부의 균열화에 의해 ??칭에 수반되는 워크의 왜곡이 저감된다. 또한, 핫 가스를 사용하는 종래의 방법에 비하여, 중간 온도까지의 냉각 및 균열화 처리를 단시간에 행할 수 있고, ??칭 처리 전체의 사이클 타임이 짧아진다.

도 1은, 본 발명의 가스 ??칭 방법에 사용되는 가스 ??칭로의 구성 설명도.
도 2는, 일 실시예의 가스 ??칭 방법의 공정을 도시하는 설명도.
도 3은, 워크의 일례를 나타내는 사시도.
도 4는, 워크가 되는 로어 링크 전체의 사시도.
도 5는, ??칭에 수반되는 왜곡량을 실시예와 비교예로 비교하여 도시하는 특성도.

이하, 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은, 본 발명의 가스 ??칭 방법에 사용되는 가스 ??칭로(1)의 일례를 나타내고 있다. 이 가스 ??칭로(1)는, 전방에서 보아서 상하로 가늘고 긴 타원형을 이루는 종형의 노이고, 상부에, 가스 ??칭로(1) 내에서 냉각용 가스를 순환시킴과 함께 해당 냉각용 가스를 교반하는 팬(2)이 설치되어 있다. 하부에는, ??칭 처리의 대상이 되는 후술하는 워크가 복수 배열되는 트레이(3)가, 1단 또는 복수단 배치되어 있다. 이 트레이(3)는, 팬(2)에 의해 보내지는 냉각용 가스의 흐름(도면 중에 화살표 G로 나타냄)이 해당 트레이(3)를 관통하여 상방 방향으로 통류 가능하도록, 다수의 개구부를 갖는 격자 형상으로 구성되어 있다. 또한, 이 트레이(3)는, 도시하지 않은 도어를 통해 노 내에 출납된다.

가스 ??칭로(1)는, 소정의 감압 상태에 견딜 수 있는 밀폐 구조를 갖고, 또한 노 내부를 감압하기 위한 감압 펌프(4)를 외부에 구비하고 있다. 이 감압 펌프(4)는, 감압 통로(5)를 통해 노 내의 공간에 접속되어 있고, 감압 통로(5)는, 전자기 밸브 등을 포함하는 개폐 밸브(6)를 구비하고 있다.

또한 가스 ??칭로(1)는, 예를 들어 질소 가스, 또는 수소 가스, 헬륨 가스, 아르곤 가스 등을 포함하는 냉각용 가스를 노 내에 도입하기 위한 가스 도입 통로(7)와, 냉각용 가스를 노 내로부터 배출하기 위한 가스 배출 통로(9)를 구비하고 있다. 가스 도입 통로(7)는, 전자기 밸브 등을 포함하는 개폐 밸브(8)를 구비하고 있고, 가스 배출 통로(9)는, 동일하게 전자기 밸브 등을 포함하는 개폐 밸브(10)를 구비하고 있다.

도 2는, 상기 가스 ??칭로(1)를 사용한 본 발명의 가스 ??칭 방법의 일 실시예를 나타내고 있다. 이 실시예에 사용되는 워크는, 예를 들어 SCr420의 크롬강을 모재로 하여, 소정의 형상으로 기계 가공한 후에, 미리 가스 침탄에 의해 표면을 침탄 처리한 것이다. 침탄 처리에 있어서의 표면의 목표 탄소 농도는, 0.6％이고, 따라서, 워크 표면의 재료는 SCr460 상당의 것으로 되어 있다. 침탄 처리는, 별도의 노에서 행해지고, 침탄 처리 온도로부터 서냉한 후, ??칭을 위해서 1050℃까지 재가열한 상태에서 트레이(3)와 함께 가스 ??칭로(1) 내부에 반입된다.

가스 ??칭로(1)의 도시하지 않은 도어를 밀폐한 후, 가스 도입 통로(7)를 통해 가스 ??칭로(1) 내에 냉각용 가스를 도입하고, 냉각용 가스가 충만하면 개폐 밸브(8) 등을 폐쇄하여, 가스 ??칭로(1) 내부를 밀폐 상태로 한다. 그리고, 팬(2)을 구동하여, 냉각용 가스의 강제적인 순환에 의한 워크의 냉각을 행한다. 냉각용 가스로서는, 예를 들어 40℃로 온도 조정한 질소 가스를 사용한다.

도 2의 (a)는 워크의 온도 변화를, (b)는 가스 냉각 즉 팬(2)의 ON·OFF 상태를, (c)는 노 내의 감압 즉 감압 펌프(4)의 ON·OFF 상태를, 각각 나타내고 있지만, 시각 t1로부터 냉각용 가스가 강제적인 순환에 의한 워크의 급냉이 행해진다. 이에 의해, 워크의 온도는 비교적 급격하게 저하된다. 또한, 도 2의 (a)에는, 냉각에 따라 마르텐사이트 변태 전에 베이나이트로의 변태가 발생하는 베이나이트 변태 곡선 (B)를 함께 나타내고 있지만, 이 노즈 형상의 베이나이트 변태 곡선을 가로지르는 일이 없는 것 같이, 냉각용 가스에 의한 온도 저하 속도가 설정되어 있다.

이러한 급냉 기간에 이어, 워크의 온도가 마르텐사이트 변태 개시 온도에 도달하기 전에, 시각 t2에 있어서, 팬(2)을 정지하고, 냉각용 가스의 순환·교반을 정지한다. 이것과 실질적으로 동시에, 감압 펌프(4)를 작동시켜, 가스 ??칭로(1)의 내부를 감압한다. 팬(2)의 정지에 의해 냉각용 가스에 의한 냉각이 억제되지만, 또한 가스 ??칭로(1) 내부를 감압함으로써, 가스 ??칭로(1) 내부가 단열된 상태로 된다. 즉, 대류에 의한 냉각 작용이 빠르게 억제되고, 약간, 워크 표면으로부터의 복사에 의한 복사 냉각만이 된다. 이에 의해, 워크의 냉각 속도는 매우 작아지고, 워크의 온도는, 도 2의 (a)에 도시하는 바와 같이, 마르텐사이트 변태 개시 온도보다도 높은 중간 온도로 일시적으로 유지된다. 목표로 하는 중간 온도로서는, 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms)보다도 약간 높은 예를 들어 300℃이다.

시각 t1 내지 t2의 사이 급냉 기간에 있어서는, 워크의 각 부에서 다소의 냉각 속도의 차이가 존재하고, 냉각 속도가 빠른 부위에서는 도 2의 (a)에 실선 F로 나타내는 것처럼 온도 저하가 조기에 진행하는 것에 대해, 상대적으로 냉각 속도가 늦은 부위에서는 파선 L로 나타내는 것처럼 온도 저하의 진행이 지연된다. 그로 인해, 시각 t2에 있어서는, 각각의 부위에 온도차가 발생하고 있지만, 팬(2)의 정지 및 감압에 의해 워크를 실질적으로 단열하고 있는 사이에, 워크 중에서 상대적으로 온도가 높은 부위로부터 상대적으로 온도가 낮은 부위로 열이 이동하고, 마르텐사이트 변태 개시 온도보다도 약간 높은 목표로 하는 중간 온도(예를 들어 300℃) 부근에서 워크 각 부가 균열화된다. 즉, 도 2의 (a)의 실선 F로 나타내는 온도와 파선 L로 나타내는 온도가 서로 수렴하여, 300℃ 전후로 유지된다.

여기서, 시각 t2에 있어서의 팬(2)의 정지 및 감압 펌프(4)의 ON 작동의 제어로서는, 워크의 실제 온도를 예를 들어 적외선형 온도 센서 등을 사용하여 모니터하고, 온도 변화의 지연을 고려하여 균열 시의 목표로 하는 중간 온도보다도 약간 높은 소정의 온도가 되었을 때에, 팬(2)의 정지 및 감압 펌프(4)의 ON 작동을 실행하도록 해도 된다. 또는, 시각 t1로부터 소정의 온도로 저하될 때까지의 소요 시간을 실험적으로 구해 두고, 시각 t1로부터의 경과 시간이 소정값에 달했을 때에 팬(2)의 정지 및 감압 펌프(4)의 작동 개시를 실행하도록 해도 된다. 일 실시예에서는, 시각 t1 내지 t2 사이의 초기 급냉 기간은, 예를 들어 45초 정도이다.

중간 온도로 유지함으로써 워크 각 부의 균열화가 완료되면, 시각 t3에 있어서, 감압 펌프(4)를 OFF로 하고, 또한 가스 도입 통로(7)를 통해 가스 ??칭로(1) 내에 냉각용 가스를 다시 도입한 뒤에, 팬(2)을 구동하고, 냉각용 가스의 강제적인 순환에 의한 워크의 급냉을 재개한다. 냉각용 가스는, 초기의 급냉 기간의 것과 동일한 것이면 되고, 예를 들어 40℃로 온도 조정한 질소 가스를 사용한다.

상기 급냉에 의해, 워크의 온도는, 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms)를 가로 질러서 저하(즉, 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms)를 통과함)되고, ??칭이 행해진다. 이때, 워크 각 부가 균열화되어 있으므로, 워크의 각 부에 대해서, 마르텐사이트 변태 개시 온도를 통과할 때의 타이밍 및 온도 구배(냉각 속도)가 일정해진다. 따라서, 각 부에서 똑같이 마르텐사이트 변태가 발생하고, 균일한 ??칭이 얻어진다.

시각 t2 내지 t3 사이의 소요 시간은, 일 실시예에서는, 예를 들어 30초 정도이다. 시각 t3에 있어서의 냉각 재개의 제어로서는, 균열화에 필요한 소요 시간을 실험적으로 구하여, 시각 t2로부터의 경과 시간이 소정값에 달했을 때에, 냉각을 재개하게 하면 된다. 또는, 워크의 복수 개소의 실제 온도를 적외선형 온도 센서 등을 사용하여 모니터하고, 이들이 대략 동등한 온도에 수렴되었을 때에 냉각을 재개하게 해도 된다.

시각 t3 이후의 냉각은, 일 실시예에서는, 예를 들어 2 내지 5분 정도 행한다.

이와 같이, 상기 실시예의 ??칭 방법에서는, 단일의 냉각용 가스를 사용한 가스 ??칭으로서, 시각 t1 내지 t2 사이의 급냉 기간인 제1 단계와, 시각 t2 내지 t3 사이의 균열화 기간이 되는 제2 단계와, 시각 t3 이후의 급냉 기간인 제3 단계를 포함하는 다단계 ??칭이 실현된다. 이렇게 마르텐사이트 변태 개시 온도보다도 약간 높은 중간 온도에 있어서 균열화 기간이 되는 제2 단계를 구비함으로써, 균일한 ??칭을 행할 수 있고, ??칭에 수반되는 왜곡이 작아진다. 게다가, 제2 단계로서 감압에 의한 단열을 이용하여 냉각 속도를 빠르게 저하시킬 수 있기 때문에, 제1 단계 및 제2 단계의 소요 시간이 짧아지고, 예를 들어 종래의 핫 가스를 이용하는 방법에 비하여, 사이클 타임이 짧아진다.

여기서, 시각 t2 내지 t3 사이에 있어서의 제2 단계의 온도는, 도 2의 (a)에 도시하는 바와 같이, 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms)보다도 높고, 또한 노즈 형상의 베이나이트 변태 곡선보다도 낮은 온도로 설정된다. 즉 워크의 온도 변화의 특성이 베이나이트 변태 곡선을 가로지르는 일이 없도록, 중간 온도 및 제2 단계의 기간이 설정되어 있다. 이에 의해, ??칭 중의 베이나이트로의 변태가 억제된다.

도 3은, 본 발명의 ??칭 방법에 적합한 워크의 일례를 나타내고 있다. 이 워크는, 내연 기관의 복 링크식 피스톤 크랭크 기구에 있어서의 로어 링크(11)(도 4 참조)의 일부를 구성하는 부품이다. 이러한 종류의 로어 링크(11)는, 예를 들어 일본 특허 공개 제2015-42849호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 피스톤 핀에 일단부가 연결된 어퍼 링크와 크랭크 샤프트의 크랭크 핀을 연결하는 것으로서, 도 4에 도시한 바와 같이, 크랭크 핀에 끼워 맞추는 원통형의 크랭크 핀 베어링부(12)를 중앙에 갖고, 또한 이 크랭크 핀 베어링부(12)를 사이에 두고 서로 거의 180° 반대측이 되는 위치에, 어퍼 핀용 핀 보스부(13) 및 컨트롤 핀용 핀 보스부(14)가 각각 설치되어 있다. 이 로어 링크(11)는, 전체로서 마름모형에 가까운 평행사변형을 이루고 있고, 크랭크 핀 베어링부(12)의 중심을 통과하는 분할면(15)에 있어서, 어퍼 핀용 핀 보스부(13)를 포함하는 로어 링크 어퍼(11A)와, 컨트롤 핀용 핀 보스부(14)를 포함하는 로어 링크 로어(11B)의, 2부품으로 분할하여 형성되어 있다. 상기 실시예의 워크는, 상기 로어 링크 어퍼(11A)이다.

이 로어 링크 어퍼(11A)에 있어서의 어퍼 핀용 핀 보스부(13)는, 어퍼 링크를 축 방향 중앙부에 사이에 끼우듯이 두갈래 형상의 구성으로 되어 있고, 즉, 중앙의 오목부(16)를 사이에 두고 서로 대향한 한 쌍의 벽 형상의 것으로 되어 있다.

이러한 워크 즉 로어 링크 어퍼(11A)는, 전술한 트레이(3) 상에 도 3에 도시한 자세를 갖고 배치된다. 즉, 분할면(15)과 직교하는 한쪽의 측면(17)(도 4 참조)이 트레이(3)와 접하는 저면이 되고, 또한 분할면(15)이 트레이(3)의 면으로부터 수직으로 상승되는 형태의 종형의 자세로 유지된다. 그리고, 가스 ??칭로(1) 내에서 냉각용 가스는 분할면(15)과 평행으로 안내되게 되고, 벽 형상을 이루는 한 쌍의 핀 보스부(13)의 표리면을 따라 냉각용 가스가 통류한다.

이러한 워크에 대한 ??칭에 있어서는, 벽 형상의 핀 보스부(13)가 분할면(15) 부근의 부분에 비하여 박육임과 아울러 가스 흐름에 대하여 넓게 노출되어 있다는 점에서, 일반적으로, 벽 형상의 핀 보스부(13)가 냉각 속도가 빠른 부위가 되고, 분할면(15) 부근의 후육부가 냉각 속도가 늦은 부위가 된다. 게다가, 벽 형상의 핀 보스부(13)의 외측면과 내측면(오목부(16)측의 면)에서도 냉각 속도가 상이하다. 그 결과, ??칭에 수반하여, 벽 형상의 핀 보스부(13)가 로어 링크(11)의 축 방향으로 변위하는 왜곡이 발생하기 쉽다.

상기 실시예의 다단계 ??칭 방법에 의하면, 이러한 벽 형상의 핀 보스부(13)의 축 방향 왜곡을 억제할 수 있다.

도 5는, 상기 왜곡에 의한 한 쌍의 핀 보스부(13)의 간격(환언하면 오목부(16)의 축 방향 폭)의 변화량에 대해서, 실시예의 다단계 ??칭 방법에 의한 경우와, 비교예로서 냉각용 가스에 의한 냉각을 계속한 단순한 연속 ??칭에 의한 경우를 비교 실험한 결과를 나타내고 있다. 여기서, 실시예의 ??칭은 제1 단계로서, 40℃의 질소 가스를 0.6MPa의 압력으로 봉입하고, 팬(2)으로 순환시켜서 1분간 급냉한 후, 제2 단계로서, 1kPa로 감압해서 30초간 유지하고, 또한 제3 단계로서, 40℃의 질소 가스를 0.6MPa의 압력으로 봉입하고, 팬(2)으로 순환시켜서 1분간 냉각하였다. 비교예에서는, 40℃의 질소 가스를 0.6MPa의 압력으로 봉입하고, 팬(2)으로 순환시켜서, 2분 30초 간, 냉각하였다.

도시한 바와 같이, 실시예의 다단계 ??칭에 의하면, 연속 ??칭에 비교하여 핀 보스부(13)의 축 방향 왜곡이 반감되는 결과가 얻어졌다.

이상, 본 발명의 일 실시예를 설명했지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 처리의 온도나 시간 등을 포함하여, 다양한 변경이 가능하다. 또한, 본 발명은 도 4에 도시하는 로어 링크(11)의 로어 링크 로어(11B)의 ??칭에도 적합하고, 기타 여러 가지 부품의 ??칭에 적용하는 것이 가능하다.

Claims (4)

1. 강을 포함하는 워크를 가열하고, 노 내에서 냉각용 가스를 워크 주위에 통류시킴으로써 워크를 냉각하여 ??칭하는 가스 ??칭 방법에 있어서,
   워크가 마르텐사이트 변태 개시 온도에 도달하기 전의 ??칭 도중에, 냉각용 가스의 공급을 정지하고,
   노 내의 워크를 단열하도록 감압 펌프를 이용해서 대기압보다 낮은 감압 상태로 노 내를 감압하여, 마르텐사이트 변태 개시 온도보다도 높은 중간 온도로 워크 온도를 유지하면서, 복사 냉각에 의해 워크 각 부를 균열화시켜,
   워크 각 부가 균열화된 후에 냉각용 가스의 공급을 재개하고, 마르텐사이트 변태 개시 온도를 통과하도록 ??칭을 행하는, 가스 ??칭 방법.
2. 제1항에 있어서, 마르텐사이트 변태 개시 온도보다도 높고 또한 베이나이트 변태 곡선보다도 낮은 온도로 워크 온도를 유지하여 워크 각 부의 균열화를 행하는, 가스 ??칭 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 워크는 미리 표면의 침탄 처리가 행해져 있는, 가스 ??칭 방법.
4. 강을 포함하는 워크를 노 내에서 가열 상태로부터 냉각용 가스에 의해 급냉하는 제1 공정과,
   워크의 온도 저하의 도중에, 워크가 마르텐사이트 변태 개시 온도보다도 높은 중간 온도를 유지하도록, 워크에 대한 냉각용 가스의 공급을 정지함과 함께 노 내의 워크를 단열하도록 감압 펌프를 이용해서 대기압보다 낮은 감압 상태로 노 내를 감압하는 제2 공정과,
   워크가 균열화된 후에 다시 냉각용 가스에 의해 급냉하는 제3 공정
   을 구비하는, 가스 ??칭 방법.

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