KR102464067B1 - 기술적 설비 구성요소의 개별 켄칭 경화를 위한 장치 - Google Patents

Abstract

진공 노 설비 내에서 작동하는, 기어, 피니언, 링 및 다른 구성요소를 개별 켄칭하기 위한 장치로서, 켄칭 챔버(1)는 가공물 로딩 및 언로딩을 위한 밀봉 도어(2, 3)가 끼워맞춤된다. 켄칭 챔버 내에는 일련의 제거가능 노즐에 의해 둘러싸이고 단일의 가공물(14)이 배치되는 제거가능 테이블(4)이 끼워맞춤되며, 켄칭 챔버(1)의 입구에는 냉각 매체 - 공기 또는 질소, 또는 또한 아르곤, 헬륨, 또는 수소 또는 이산화탄소, 또는 이의 혼합물 - 를 노즐에 공급하는 탱크가 제공되며 켄칭 챔버의 출구는 켄칭 챔버로부터 팽창된 냉각 매체를 수집하는 탱크(7)의 입구에 연결되고, 냉각 매체의 밀폐된-루프 유동을 허용하는 압축기(15)는 2개의 탱크(7, 6)들 사이에서 연결된다.

Description

기술적 설비 구성요소의 개별 켄칭 경화를 위한 장치{Device for individual quench hardening of technical equipment components}

본 발명의 요지는 기술적 설비 구성요소의 개별적인 켄칭 경화 처리를 위한 장치, 즉 변형을 최소한으로 억제하는 것을 목적으로 한, 냉각 매체를 사용하는 개별 구성요소를 제어된 상태로 경화시키는 장치에 관한 것이다.

켄칭은 강에 대해 실시되는 열처리 공정이며, 가공물을 오스테나이트화 온도로부터 대략 상온으로 급속 냉각하는 처리이다. 켄칭 경화는 강의 미세 구조의 변화에 의해 발생하여, 기계적 특성 및 사용 특성 모두, 예를 들어 내구성, 경도 및 내마모성과 같은 것을 향상시킨다. 다양한 공지된 해결 방법은 전용 장치 또는 켄칭 챔버를 사용하여 오일, 물, 염 등과 같은 상이한 액체 냉각 매체, 또는 드물게 가스 또는 공기와 같은 냉각 매체에 의해 이루어지는 켄칭(급냉)과 관련된다. 지금까지, 켄칭의 매체로서는 오일이 가장 일반적인 것이다.

켄칭 경화 처리된 가공물은 통상, 소위 워크로드(workload)를 거쳐, 전용 설비(트레이, 바스켓, 등) 내에 배치식으로 늘어놓거나, 또는 노 내에서 상기 오스테나이트화 온도로 가열되도록 로딩 상태에서 이송 벨트 상에 배치되고, 켄칭 장치에서 경화 처리된다. 켄칭 장치는 오스테나이트화 노와 일체로 구성되거나, 독립적으로 또는 개별적으로 구성될 수 있다.

모든 켄칭 장치의 특징은 냉각 유체의 강제 순환을 보장하기 위한 유닛의 존재이다. 그들은 예를 들어 냉각 매체가 액체 인 경우 믹서, 가스 인 경우 팬이다. 열을 켄칭된 가공물로부터 열교환기로 효과적으로 이동시키기 위해서는, 냉각 매체의 강제 순환이 필요하다. 그 다음, 열은 일반적으로 물 또는 다른 외부 냉각 매체를 사용하여 켄칭 장치의 외부로 전달된다. 즉, 하나 이상의 열교환기의 존재는 전통적인 켄칭 장치의 특징이다.

종래의 켄칭 경화 처리 장치에서는 다음과 같은 공정이 이루어진다. 워크로드는 오스테나이트화 온도까지 가열된 후, 노로부터 켄칭 장치로 이동되고, 여기서 냉각 유체가 열을 흡수하여 워크로드를 냉각한다. 이어서, 냉각 액체(상기 워크로드에 의해 온도 상승)는 열교환기로 유도되고, 열교환기에서 냉각된 후, 워크로드에 다시 도입되어 열을 흡수한다. 상기 냉각 액체의 최적 흐름은 믹서(액체 용) 및 팬(가스 용)에 의해 보장되며, 적절한 스테이터(stators) 및 덕트에 의해 유도된다.

켄칭 경화 공정에서, 적절한 기계적 특성이 얻어지는 것 외에, 온도 구배 및 켄칭 동안 재료 구조의 변형에 의해 야기되는 응력에 의한 변형을 최소화하는 것이 중요하다. 변형은 개별 요소의 형상을 매끄럽게 하기 위한 가공 비용을 발생시킨다. 따라서 목표는 변형을 최소화하고, 반복 가능성을 최대화하는 것이다.

이론적으로, 단일 가공물 및 모든 가공물 모두에 대해 동일하고 균일한 냉각 조건을 제공함으로써, 변형을 최소화하는 것이 가능하다. 이것은 대량 생산에 특히 중요하다. 종래의 오일 켄칭은 공정의 3-단계 특성(증기 쿠션, 기포 및 대류 층) 및 관련 열흡수 강도의 불균일성으로 인해 변형이 증가한다. 유사하게 개별 가공 요소를 일괄 처리 워크로드에 배치하는 것이 최적의 해결 방법이 될 수 없다. 이것은 개별 가공물이 워크로드에서 특이한 위치 때문에, 특이하고 다른 형태의 경화 처리를 받게 되고, 결국에는 다른 가공물과는 다른 변형을 나타낸다.

종래의 켄칭 장치의 변형의 최소화 및 반복성에 관한 상기의 단점을 고려하여, 냉각 매체 내에서 개개의 가공물을 반복 경화시키는 장치의 개발이 시작되었다.

개별 켄칭을 위한 장치의 본 발명을 구성하는 주요 특징은, 켄칭 챔버 내에 제공된 다음의 요소 즉, 개별 가공물이 놓이는 이동 가능한 테이블, 및 테이블 주변에 배치되는 이동 가능한 복수의 노즐 세트; 켄칭 챔버의 입구에는 상기 노즐에 냉각 매체를 공급하는 탱크가 연결되고 한편, 켄칭 챔버의 출구는 상기 챔버로부터 팽창된 냉각 매체를 수용하는 탱크의 입구에 연결되고, 또한, 2개의 탱크 사이에 연결된 압축기가 존재하여, 냉각 매체의 폐-루프 흐름을 보장한다.

유리하게는, 탱크 출구와 켄칭 챔버 입구 사이에는 공급 가스의 유량을 조정하는 제어기 및 셧오프 밸브가 연결되고, 한편, 바람직하게, 상기 켄칭 챔버의 출구와 탱크 입구 사이에는: 셧오프 밸브, 수용 가스량을 조절하는 제어기, 및 켄칭 공정에서 가열된 냉각 매체를 냉각하는 열교환기 등이 부착되어 있다.

유리하게는, 탱크 출구는 셧오프 밸브를 통해 압축기의 입구에 연결되고, 압축기 출구는 셧오프 밸브 및 압축된 매체를 냉각시키기 위한 열교환기를 통해 탱크 입구에 연결된다.

또한, 바람직하게, 켄칭 챔버는 셧오프 밸브를 통해 진공 펌프의 입구에 연결되어 있는 경우, 진공 상태에서, 켄칭 챔버의 공기 제거 및 로딩을 가능하게 하도록 설정된다.

바람직하게는, 이동 가능한 테이블 및 주변 노즐 세트의 배치 및 매개변수는 켄칭 공정에서 냉각되는 가공물의 형상으로 매번 조절되어서, 냉각 매체의 유입을 균일하고 최적하게 하고, 상기 냉각 매체는 바람직하게는 공기 또는 질소, 아르곤 또는 헬륨, 수소 또는 이산화탄소, 또는 이들의 혼합물이다.

본 발명에 따른 장치는 냉각 공정 중 어떠한 점에서도 특정 시간 냉각 매체의 강제 흐름을 저지하고, 그 후, 한 번 또는 여러 번 반복되는 다양한 흐름 및 압력 조건으로 흐름을 재개하며, 이렇게 하면 켄칭될 가공물의 제어된 냉각이 가능하다. 이 방법은 이를 통해 냉각 곡선을 자유롭게 만들고, 강의 최적의 미세 구조 및 기계적 특성을 제공하고, 템퍼링 단계(일반적으로 경화 후에 필요함)를 제외시킬 수 있다.

개별 가공물의 제어된 켄칭을 적용함으로써, 각 가공물의 변형을 최소화하고, 동일한 유형의 전체 물품에 대한 변형의 완전한 반복성을 얻을 수 있으며, 동시에 탁월한 기계적 특성을 구할 수 있다.

본 발명은 냉각 시스템과 함께 켄칭 챔버의 도면에서 도시된 바와 같이, 특정 실행 모드의 예시가 더 상세히 하기에서 기재된다.

도 1은 본 발명에 따른 켄칭 챔버의 도면.

본 발명에 따른 장치는 가열 및 침탄, 확산, 사전-냉각 및 냉각을 위한 개별 진공 챔버를 갖는 연속 진공 노 설비에서 작동한다. 켄칭 챔버(1)에는, 가공물(workpiece, 14)의 로딩 및 언로딩을 위해 구성된 밀폐 도어(2, 3)가 서로 대향하는 위치에 배치되어 있다. 켄칭 챔버(quenching chamber, 1)는 셧오프 밸브(shut-off valve, 19)를 통해 진공 펌프 시스템(vacuum pump system, 18)의 입구에 연결되어, 공기를 제거하고, 켄칭 챔버(1) 내에 진공 상태를 생성한다.

켄칭 챔버(1)의 내부에는 개별 가공물(14)이 놓여지는 이동 가능한 테이블(4)이 설치되고, 이 테이블에는 일련의 이동 가능한 노즐(5)이 둘러싸여 설치된다. 켄칭 챔버(1)의 입구에는, 복수의 노즐(5)에 냉각 매체를 공급하는 탱크(6)가 연결되고, 반면에 켄칭 챔버(1)의 출구에는, 켄칭 챔버(1)로부터의 팽창한 냉각 매체를 수집하는 탱크(7)의 입구가 연결된다. 또한, 탱크(7)와 탱크(6) 사이에는, 냉각 매체의 폐-루프 흐름을 허용하는 압축기(15)가 연결된다.

이동 가능한 테이블(4) 및 이동 가능한 상태로 둘러싸인 노즐(5) 세트의 배열 및 매개변수는, 켄칭 공정 중에 냉각되는 가공물(14)의 형상에 매번 적합하고, 균일하고, 최적한 유입을 제공한다.

탱크(6)의 출구와 켄칭 챔버(1)의 입구 사이에는 공급 가스 유량을 조정하기위한 제어기(10) 및 셧오프 밸브(8)가 연결되어 있고; 반면에, 켄칭 챔버(1)의 출구와 탱크(7)사이에는 바람직하게, 셧오프 밸브(9), 수용 가스의 유량을 제어하는 제어기(11), 및 켄칭 공정 중에 온도가 상승한 냉각 매체를 냉각하기 위한 열교환기(12)가 제공된다.

탱크(7)의 출구는 셧오프 밸브(16)를 통해 압축기(15)의 입구에 연결되고, 압축기(15)의 출구는 셧오프 밸브(17) 및 냉각 매체를 냉각하기 위한 열교환기(13)를 통해 탱크(6)의 입구에 연결된다.

상술한 실시예에서는, 기계 구조강(machinery steel)으로 이루어지는 켄칭 챔버(1) 내에, 열처리 되는 가공물(14)로 20MnCr5 침탄 스틸로 제조된 150 mm 기어가 제공되며, 냉각 매체로서 질소가 적용된다.

가공물(14)은, 노 내에서 오스테나이트화 온도(예를 들면 950℃)를 초과하는 온도로 가열하고, 필요한 층 두께까지 침탄한 후, 진공 상태에서 켄칭 챔버(1)로 이송한다. 켄칭 챔버(1)의 내부는 밸브(19)를 개방하여, 진공 시스템(18)을 사용함으로써, 적어도 0.1 hPa 의 진공 상태가 된다. 다음, 로딩 도어(2)를 개방하고, 가공물(14)을 이송 기구 또는 조작기로 켄칭 챔버(1) 내로 이송하여, 테이블(4)상에 배치한다. 로딩 도어(2) 및 진공 밸브(19)는 폐쇄된다. 다음, 켄칭 챔버(1)에 대해, 가스 입구의 밸브(8) 및 가스 출구의 밸브(9)가 개방된다. 공급 탱크(6)로부터의 냉각 가스는 2 MPa에서 노즐(5)로 유출되어, 가공물(14)로 향해져 냉각 된다. 상기 가스가 가공물(14)의 열을 흡수함으로써, 가공물(14)은 냉각된다. 가열된 가스는 대기압에서 수용 탱크(7)로 흐른다. 가스는 탱크(7)에 도달하기 전에 가스-가스(질소-공기) 열교환기(12)로 냉각된다. 냉각 가스의 유량(냉각 속도)은 제어기(10 및 11)에 의해 조정되고, 이들 제어기는 켄칭 챔버(1) 내의 가스 압력도 설정한다. 수용 탱크(7) 내의 압력이 0.1 MPa 까지 상승하면, 압축기(15)가 작동하여 셧오프 밸브(16, 17)가 개방되고, 가스가 다른 열교환기(13)를 통해 공급 탱크(6)에 공급되고, 펌프에 의해 펌핑되어 냉각 가스 루프를 폐쇄 한다. 수십초 후에, 가공물(14)은 냉각되고, 언로딩 가능한 온도까지, 즉 통상 200℃ 미만으로 급냉된다. 셧오프 밸브(8)가 폐쇄되고, 켄칭 챔버(1) 내의 압력이 대략 대기압이 되는 수준으로 감소 한 후, 셧오프 밸브(9) 및 정지된 압축기(15)는 모두 폐쇄된다. 동시에, 셧오프 밸브(16 및 17)가 폐쇄된다. 다음, 언로딩 도어(3)가 개방되고, 이송 기구 또는 조작기로 가공물(14)을 켄칭 챔버(1)로부터 제거 할 수 있다. 전술 한 방식으로 처리한 결과는 가공물(14)을 적절하게 냉각하여, 표면에서 60 내지 62 HRC 수준 및 중심에서 32 내지 34 HRC 수준의 경도를 제공한다. 또한, 도어(3)를 폐쇄 한 후, 켄칭 챔버(1)를 0.1 hPa의 진공으로 다른 가공물(14)을 로딩하고, 다른 켄칭 사이클을 진행할 수 있다. 각 사이클의 지속 시간은 10 ~ 1000 초 이다.

냉각 매체로서 가스를 사용함으로써, 균등한 냉각(독점적으로 대류에 기초한 단일-단계 공정) 및 가스 농도 또는 유량의 조절에 의한 공정 강도의 완전한 제어가 실현된다. 개별 요소의 켄칭 경화 처리에 의해, 가공물 형상에 대하여 냉각 가스의 흐름을 정확하게 조절할 수 있고, 대량 생산된 가공물의 각각에 대해 냉각 조건을 완전히 반복 제공할 수 있다.

1. 켄칭 챔버
2. 로딩 도어
3. 언로딩 도어
4. 테이블
5. 노즐
6, 냉각 매체를 노즐에 공급하는 탱크
7. 켄칭 챔버로부터 팽창된 냉각 매체를 수용하는 탱크
8. 셧오프 밸브
9. 셧오프 밸브
10. 제어기
11. 제어기
12. 열 교환기
13. 열 교환기
14. 켄칭 경화에 노출된 가공물
15. 압축기
16. 셧오프 밸브
17. 셧오프 밸브
18. 진공 펌프 시스템
19. 셧오프 밸브

Claims (5)

1. 기어, 피니언, 베어링 링과 같은 기술 장치의 구성요소를 진공 노 설비 내에서 개별적으로 켄칭하기 위한 장치로서:
   상기 진공 노 설비의 켄칭 챔버는, 가공물을 로딩 및 언로딩하기 위한 긴밀하게 밀봉된 도어를 구비하고;
   상기 켄칭 챔버의 내부에는, 단일 가공물이 놓여지는 이동 가능한 테이블과, 상기 테이블을 둘러싸고 배치된 이동 가능한 노즐 세트가 설치되고;
   상기 켄칭 챔버의 입구에는, 상기 노즐에 가스상의 냉각 매체를 공급하기 위한 탱크가 연결되고;
   상기 켄칭 챔버로부터 팽창한 가스상의 냉각 매체를 수집하는 탱크 입구에, 상기 켄칭 챔버의 출구가 연결되고;
   양 탱크 사이에 압축기가 연결되어 상기 냉각 매체의 흐름의 폐-루프를 구성하고;
   상기 켄칭 챔버는, 셧오프 밸브를 통해 공기를 제거하고, 진공 상태에서 켄칭 챔버에 가공물을 로딩할 수 있는 진공 펌프에 연결되는, 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 냉각 매체를 공급하기 위한 탱크의 출구와 상기 켄칭 챔버의 입구와의 사이에, 공급 가스량을 조절하기 위한 제어기(10)와 셧오프 밸브가 연결되고; 상기 켄칭 챔버의 출구와 상기 냉각 매체를 모으는 탱크의 입구와의 사이에, 셧오프 밸브와, 수용된 가스의 유량을 제어하는 제어기와, 켄칭 공정 중에 가열된 냉각 매체를 냉각하기 위한 열교환기(12)를 구비하는, 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉각 매체를 수집하는 탱크의 출구는 셧오프 밸브를 통해 상기 압축기의 입구에 연결되고, 상기 압축기의 출구는 셧오프 밸브 및 상기 냉각 매체 냉각을 위한 열교환기를 통해, 상기 냉각 매체를 공급하기 위한 탱크의 입구에 연결되는, 장치.
4. 제1항에 있어서, 이동 가능한 테이블 및 노즐 세트의 배치 및 매개변수가, 켄칭 공정 중에 냉각되는 가공물 형상에 맞게 매번 조정되어, 냉각 매체의 균일하고 최적한 유입량을 제공하는, 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉각 매체는 공기 또는 질소, 아르곤 또는 헬륨, 수소 또는 이산화탄소, 또는 이들의 혼합물 인, 장치.
   

Images