KR102487730B1 - 금속 부품의 부분 열처리를 위한 템퍼링 스테이션 - Google Patents

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슈바츠 게엠베하
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Abstract

본 발명은 금속 부품을 부분 열처리하는 템퍼링 스테이션과, 금속 부품을 열처리하는 장치, 그리고 금속 부품을 부분 열처리하는 템퍼링 스테이션에서의 적어도 하나의 접선 노즐의 용도에 관한 것이다. 금속 부품(2)의 부분 열처리를 위한 템퍼링 스테이션(1)은, 템퍼링 스테이션(1) 내에 위치하며 거기에 부품(2)이 위치할 수 있는 처리 평면(3)과, 처리 평면(3)을 지향하며 부품(2)의 적어도 제1 부분 영역(6)을 냉각시키는 유체 흐름(5)을 배출하도록 구비 및 구성되는 적어도 하나의 노즐(4)을 구비하며, 적어도 하나의 노즐(4)이 접선 노즐(13)이다. 템퍼링 스테이션과 장치는 특히, 부품의 달리 열처리될 부분 영역들 사이의 천이 영역을 가능한 한 신뢰성 높고 및/또는 정확히 조정, 특히 상기 영역을 가능한 한 작게 유지할 수 있게 해준다.

Description

금속 부품의 부분 열처리를 위한 템퍼링 스테이션
본 발명은 금속 부품(metal component)의 부분 열처리(partial heat treatment)를 위한 템퍼링 스테이션(tempering station)과, 금속 부품의 열처리를 위한 장치와, 그리고 금속 부품의 부분 열처리를 위한 템퍼링 스테이션에서의 적어도 하나의 접선 노즐(tangential nozzle)의 용도(use)에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 특히 롤러 하스 로(roller hearth furnace) 등의 연속 흐름 로(continuous-flow furnace)에 프레스 경화 툴(press-hardening tool)이 후속되는 프레스 경화 라인(line)에 연계되어 사용될 수 있다.
금속 박판(sheet metal)으로 제조되는 안전 관련 차량 바디(body) 부품들의 제조를 위해서는, 일반적으로 바디 부품의 성형 동안 또는 그 이후에 금속 박판을 경화시킬 필요가 있다. 이를 위해 열처리 공정이 확립되어 왔는데, 이는 "프레스 경화(press-hardening)"로 지칭된다. 여기서 일반적으로 판재(panel)의 형태로 제공되는 금속 박판은 먼저 로(furnace) 내에서 가열된 다음 냉각됨으로써 성형 공정 동안 프레스 내에서 경화(cure)된다.
상당히 오랫동안 자동차 바디 부품을 프레스 경화에 의해 사전처리(prepare)하려는 노력들이 있어 왔으며, 이런 부품들은 A 및 B 필라, 도어의 측면 충격 보호 서포트(support), 프레임 부품, 문틀(sill), 프레임 부품, 범퍼, 플로어 및 루프의 교차 부재(cross member), 그리고 전부 및 후부 측면 부품들을 포함하는데, 이 부품들은 다른 부분 영역(sub-area)들에서 다른 강도들을 가져 바디 부품들이 다른 기능들을 부분적으로 충족할 수 있다. 예를 들어, 차량의 B 필라의 중앙 영역은 측면 충격의 경우 승객(occupant)들을 보호하기 위해 고강도를 가져야 한다. 이와 동시에, B 필라의 상부 및 부분 영역들은 측면 충격 동안 변형 에너지를 흡수하고 B 필라의 조립 동안 다른 바디 부품들과의 연결의 용이성을 촉진하기 위해 비교적 낮은 강도를 가져야 한다.
이와 같이 부분적 경화된 바디 부품이 형성을 위해서는, 경화된 부품이 다른 부분 영역들에서 다른 강도를 가지는 것이 필요하다. 이를 위해, 예를 들어 하나 이상의 템퍼링 스테이션(들)을 로와 프레스 경화 툴 사이에 배치할 수 있다. 이 경우, 템퍼링 스테이션은 부품의 부분 영역들에 다른 온도들을 제공 및 설정하는데, 이는 먼저 균일하게 가열하여 후속 프레스 경화 동안 부분 영역들에 다른 강도 특성들이 결과되도록 하는 것이다. 차량 산업에서 특히 중요한 역할을 하는 최적 사이클 시간(optimal cycle time)은 이 경우, 특히 로와, 템퍼링 스테이션 및 프레스 경화 툴이 연속으로 배치되었을 때 달성될 수 있다.
경화된 부품에서 부품의 하나 이상의 특정한 부분 영역들이 다른 영역보다 더 큰 연성(ductility) 또는 더 낮은 강도를 가져야 할 때, 특히 부품의 경화될 다른 영역들이 고온을 유지하는 동안, 부품의 경화될 부분 영역들이 템퍼링 스테이션에서 목표 집중 방식(targeted manner)으로 냉각되는 것이 유용함이 입증되었다. 이 맥락에서, 더 낮은 강도의 하나 이상의 부분 영역들을 냉각시키기 위해서는 부품의 해당 부분 영역 또는 부분 영역들에 공기를 고속으로 불어주면 특히 유용함이 파악되었다.
그러나 이러한 공기 냉각의 경우, 부품 내의 천이 영역(transition region)으로도 지칭되는 다른 강도의 부분 영역들 사이의 경계(boundary)가 충분히 규정될 수(definable) 있거나 및/또는 충분히 조정될 만큼 명확하지 못한 문제가 종종 있다. 천이 영역의 가장 정확한 조정성(adjustability)을 달성하기 위해서는, 격벽(bulkhead wall)으로도 지칭되는 구획벽(partition wall)이 일반적으로 사용되는데, 이는 템퍼링 스테이션 내의 노즐들 옆에 배치되어 다른 강도의 각 부분 영역들을 (열적으로) 구획(delimit)하도록 구비 및 구성된다. 그러나 이를 위해 구획벽들이 부품과 접촉할 수 있는데, 각 구획벽과 부품 사이에 가능한 한 작은 갭(gap)이 유지되어야 하는 경우 이는 흔히 발생된다.
구획벽과 부품 사이의 갭이 고온으로 유지되어야 하는 부품의 더 뜨거운 부분 영역으로의 냉기의 가능한 누설을 신뢰성 높게 차단(prevent)할 만큼 충분히 작지 못한 경우가 발생될 수 있다. 이는 천이 영역에 원치 않는 번짐(blurring)을 야기할 수 있는데, 이는 일반적으로 천이 영역이 필요하거나 원하던 것보다 더 커지게 할 수 있다. 예를 들어 고온의 부품의 뒤틀림(warping) 또는 부품의 충분하지 못한 정확도의 위치 설정에 기인하는 원치 않는 갭 확대의 경우도 될 수 있다. 그러나 자동차 산업은 이전 설계들, 특히 충돌 거동(crash behavior)의 이전 시뮬레이션보다 후속 충돌 거동이 더 나은 시뮬레이션 결과를 나타내도록, 최소의 가능한 천이 영역에 많은 가치를 부여하고 있다. 이에 따라 천이 영역을 가능한 한 정확하고 작게 조정할 수 있도록 하고자 하는 욕구가 증가하고 있지만, 이전의 템퍼링 스테이션에서 구획벽과 부품 사이에 발생되는 누설 때문에 이는 특히 어렵다.
이상을 배경으로 하여, 본 발명의 목적은 종래기술에 기재된 문제들을 적어도 부분적으로 해결하는 것이다. 특히, 다른 열처리 부분 영역들 사이의 천이 영역을 가능한 한 신뢰성 높고 및/또는 정확하게, 특히 천이 영역을 가능한 한 작게 유지할 수 있도록 하는 금속 부품의 템퍼링 스테이션과 열처리 장치를 목적으로 한다(indicated). 또한 이 템퍼링 스테이션 및 장치는 특히, 부품의 달리 템퍼링 되는(tempered) 부분 영역들을 (열적으로) 구획하는 구획벽과 접촉하는 부품을 더 이상 발생하지 않도록 해야 한다.
이 목적들은 독립 청구항들의 특징에 의해 달성된다. 이 명세서로 제안되는 해법의 더 유용한 실시예들은 종속항들에 규정되어 있다. 종속항들에 개별적으로 열거된 특징들은 임의의 기술적으로 합리적인 방식으로 조합될 수 있고, 그러면 이들은 본 발명의 추가적 실시예들을 형성(define)함에 주의해야 한다. 또한 청구항들에 규정된(specified) 특징들은 상세한 설명에 더 상세히 기재 및 설명됨으로써, 본 발명의 더 바람직한 실시예들이 제시된다.
금속 부품의 부분 열처리를 위한 본 발명에 따른 템퍼링 스테이션은 템퍼링 스테이션 내에 부품이 위치할 수 있는 적어도 하나의 (수평) 처리 평면(processing plane)으로, 부품이 상기 평면 내에 위치할 수 있는 평면과, 처리 평면을 지향(point)하여 부품의 적어도 제1 부분 영역의 냉각을 위한 유체 흐름(fluid stream)을 배출하도록 구비 및 구성되는 적어도 하나의 노즐을 구비한다. 이 적어도 하나의 노즐은 접선 노즐(tangential nozzle)이다.
접선 노즐은 특히 유체 흐름을 적어도 하나의 노즐 배출구(outlet)에서 생성 및/또는 배출하고, 흐름이 처리 평면 및/또는 부품의 표면에 거의 접선이거나 및/또는 평행하게 정렬되는 적어도 하나의 방향성 부품 또는 하나의 스트림라인(streamline)을 가지는 것을 특징으로 한다. 여기서 "거의 접선(substantially tangential)" 및 "거의 평행(substantially parallel)이라는 용어는 특히 이상적 형태("접선(tangential)" 또는 "평행(parallel)")로부터의 편이가 -10°내지 +20°[도(degree)], 바람직하기로 0° 내지 20°의 범위에 있는 것을 포함한다. 접선 노즐은 바람직하기로 그 노즐 배출구의 하류에 수평 흐름을 생성한다.
이를 위해, 접선 노즐의 노즐 배출구 단면 또는 노즐 배출구의 개구(opening)가 배치되는 평면은 (수평) 처리 평면에 대해 0° 내지 135°[도], 바람직하기로 0° 내지 75°, 특히 20° 내지 75°의 각도를 포함하여 배치된다. 특히 접선 노즐은 부품의 제2 부분 영역 방향의 공기 펄스(air pulse)가 노즐 배출구(nozzle exit)에서 차단(prevent)되도록 공기를 유도하도록 돕는다. 접선 노즐의 노즐 배출구 또는 노즐 배출 개구가 부품의 제1 부분 영역을 대향(face) 또는 지향(direct)하거나 및/또는 부품의 제2 부분 영역에서 멀리 대향 또는 지향하면 특히 바람직하다.
이 명세서에 제시된 해법은 부품의 제2 부분 영역 방향에 일종의 "공력 밀봉(aerodynamic seal)"을 제공하는 것을 가능하게 한다. 이는 부품의 제2 부분 영역까지 도달하는 유체 흐름의 누설이 거의 없도록 하는데 기여하여, 제2 부분 영역이 경화(cure)되도록 제2 부분 영역은 템퍼링 스테이션에서의 제1 부분 영역의 냉각 동안 이 높은 부품 온도에 거의 변화가 없거나 아주 조금만 변화해야 한다. 이는 유용한 방식으로 매우 날카롭게 형성되는 천이 영역들을 나타낼 수 있다. 특히 이 명세서에 제시된 해법에 의해 달성 가능한 천이 영역은 약 1 mm 내지 60 mm[밀리미터]의 범위에 있다. 이 명세서에 제시된 해법의 유용한 응용에 있어서, 특히 폭 등의 천이 영역의 크기는 주로(단지) 부품에서 물리적으로 차단(prevent)될 수 있는 열전도에 의해 결정된다. 이 명세서에 제시된 해법은 예를 들어 경질의 부품 상에 연질의 외부 플랜지를 용이하게 형성할 수 있게 해준다.
(템퍼링 스테이션을 사용하여 처리될) 금속 부품은 바람직하기로 금속 판재, 강제 박판 또는 적어도 부분적으로 가공된 반제품(semi-finished product)이다. 금속 부품은 바람직하기로 예를 들어 22MnB5강 등의 붕소(망간)강처럼 (경화 가능한) 강철로 구성 또는 제조된다. 더 바람직하기로 금속 부품은 적어도 대부분 (금속) 코팅을 구비하거나 사전코팅(precoat)된다. 금속 코팅은 예를 들어 (주로) 아연 포함 코팅 또는 (주로) 알루미늄 및/또는 실리콘 포함 코팅, 특히 소위 알루미늄/실리콘(Al/Si) 코팅이다. 그러나 금속 부품은 (이와는 달리) 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되거나 제조될 수 있다.
템퍼링 스테이션은 바람직하기로 제1로의 하류 및/또는 제2로의 상류에 배치된다. 처리 평면은 템퍼링 스테이션 내에 위치하며 부품은 상기 평면에 위치 또는 제거될 수 있다. 이 경우, 처리 평면은 특히 부품이 템퍼링 스테이션 내에서 처리를 위해 이동하거니 및/또는 처리 동안 부품이 템퍼링 스테이션 내에서 배치 및/또는 고정될 수 있는 평면을 지칭한다. 바람직하기로 처리 평면은 거의 수평으로 정렬된다.
템퍼링 스테이션은 적어도 하나의 노즐을 가진다. 노즐은 처리 평면을 지향한다. 또한 노즐은 특히 적어도 하나의 제1 부분 영역(완성된 처리 부품에서 연성이 있는 영역)과 부품의 적어도 제2 부분 영역(완성된 처리 부품에서 비교적 더 경질의 영역) 사이의 온도 차이를 조정할 수 있도록, 부품의 적어도 제1 부분 영역을 냉각시키는 유체 흐름을 배출하도록 구비 및 구성된다. 바람직하기로 복수의 노즐들이 구비되는데, 노즐들은 특히 바람직하기로 노즐 계(nozzle field)로 배치된다. 복수의 노즐들이 구비될 때, 노즐들 중의 적어도 하나는 접선 노즐이다.
유체 흐름은 바람직하기로 냉각 유체로 구성된다. 냉각 유체는 질소 또는 특히 공기 등과의 기체 혼합물로 구성될 수 있다. 또한 냉각 유체는 공기-물 혼합물 등의 기체-액체 혼합물로도 구성될 수 있다.
접선 노즐로 설계되는 적어도 하나의 노즐에 추가하여, 템퍼링 스테이션은 다른, 특히 구조적으로 더 단순한 노즐 구조(geometry)를 가지는 하나 이상의 추가적 노즐들을 가질 수 있다. 이와 같이, 적어도 하나의 (접선) 노즐에 추가하여 적어도 하나의 추가적 노즐이 구비될 수 있는데, 이는 처리 평면에 대략 직교하여 연장되는 적어도 하나의 노즐 채널(nozzle channel)을 가지거나 형성하거나, 특히 둘러싼다. 추가적 노즐은 템퍼링 스테이션에서 바람직하기로 (접선) 노즐에 인접하여 위치하지만, 특히 (접선) 노즐과 구획벽 사이에는 위치하지 않는다. 이 경우 추가적 노즐과 (접선) 노즐은 템퍼링 스테이션 내 및/또는 처리 평면 상에서 동일한 높이를 유지할 수 있다. 바람직하기로 적어도 하나의 추가적 노즐은 샤워(shower)의 방식으로 형성된다. 달리 말해, 이는 특히 적어도 하나의 추가적 노즐이 처리 평면을 지향하는 저면 상에 복수의 배출 개구들을 가짐을 의미한다.
특히 부품의 큰 면적의 제1 부분 영역들이 냉각되어야 하는 경우, (접선) 노즐들과 각각 샤워 방식으로 형성된 ("샤워 꼭지(shower head)"로도 알려진) 노즐들의 조합이 유용하다. 이 경우, (접선) 노즐들이 구획벽의 영역 내에 위치하고 (이에 비해) 추가적 노즐들이 냉각될 부품의 제1 부분 영역의 중심에 더 가까이 배치되는 것이 특히 유용하다. 부품의 큰 표면 상의 고유 응력 유발 변형(inherent stress-induced deformation)이, (접선 노즐들로부터의) 흐름이 순전히 수평일 때 더 낮은 유속의 데드존(dead zone)이 (변형돼) 올라온 부분 너머(behind)에 발생되는 방식으로 증가되면, 이는 이 위치들에 더 느린 냉각을 유발한다. 그러므로 넓은 표면을 따른 흐름은 (또한) 수직이어야 한다. 수직 흐름은 적어도 하나의 (접선) 노즐에 추가한, 각각 샤워의 방식으로 형성된 하나 이상의 추가적 노즐에 의해 특히 유용한 방식으로 제공될 수 있다.
한 유용한 실시예에 의하면, 적어도 하나의 노즐의 노즐 구조는 (노즐 내의) 부품의 제2 부분 영역의 방향으로 흐르는 유체 흐름의 적어도 한 요소(element)가 부품의 제1 부분 영역을 향해 편향(deflect)될 것이 제안된다. 바람직하기로, 노즐 내의 유체 흐름 및/또는 노출 배출 개구의 바로 상류의 요소가 제1 부분 영역을 향해 편향된다.
다른 유용한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 노즐의 노즐 구조는 유체 흐름의 적어도 한 요소가 먼저 부품의 제2 부분 영역을 향한 방향의 노즐을 통해 흐른 다음 제1 부분 영역을 향해 편향된다. 바람직하기로, 유체 흐름은 제1 부분 영역을 향한 노즐의 편향 영역으로부터 편향되는데, 편향 영역은 일반적으로 노즐 배출구 및/또는 노즐 배출 개구의 (바로) 상류에 배치된다.
한 유용한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 노즐의 노즐 구조는 유체 흐름(각 노즐을 통해 흐르는 전체 흐름)이 먼저 부품의 제2 부분 영역을 향하는 방향으로 노즐을 통해 흐른 다음, 제1 부분 영역을 향해 편향(divert)된다. 제1 부분 영역을 향한 유체 흐름의 편향 (바로) 후에, 유체 흐름은 처리 평면 및/또는 부품의 제1 부분 영역의 표면에 거의 접선으로 및/또는 평행하게 적어도 하나의 노즐을 이탈(leave)할 수 있다.
적어도 하나의 노즐의 노즐 구조는, 유체 흐름의 적어도 하나의 요소, 유체 흐름의 적어도 하나의 (중앙) 스트림라인 또는 심지어 전체 유체 흐름이 (초기에는) 제1 방향의 노즐을 통해 각 노즐을 통해 흐른 다음, 제2 방향으로의 노즐을 통해 흐른다. 이 경우, 제1 방향은 (주로) 반경방향 외측을 향하는 성분(component)을 가지며 제2 방향은 (주로) 반경방향 내측을 향하는 성분을 가진다. "반경방향 외측(radially-outwardly)" 및 "반경방향 내측(radially-inwardly)"이라는 표현들은 처리 평면에 거의 직교하도록 연장되는 노즐 유입 부(nozzle inlet section) 또는 노즐 유입 채널(nozzle inlet channel)에 대해 규정된다. 이에 따라 유체 흐름은 초기 또는 처음에는 노즐을 통하는 경로에서 처리 평면에 거의 평행하게 연장되는 노즐 유입 부 또는 노즐 유입 채널을 통해 수직으로(normally) 통과한 다음, 반경방향 외측으로 유도되고, 이어서 노즐 유출구의 영역에서 또는 노즐 유출구를 향해 반경방향 내측을 향하도록 편향된다.
바람직하기로 적어도 하나의 노즐은 편향 영역(deflection region)을 가진다. 편향 영역은 특히 바람직하기로 적어도 부분적으로 절곡(bent) 또는 굴곡(curve)된다. 편향 영역은 노즐 배출구의 바로 상류에 위치될 수 있다.
한 유용한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 노즐의 노즐 배출구가, 부품의 제2 부분 영역 방향의 (각) 흐름 펄스가 노즐 배출구에서 차단(prevent)되도록 노즐의 편향 영역에 대해 설계, 정렬, 및/또는 위치하는 것이 제안된다. 바람직하기로 노즐 배출구은 노즐 구조의 굴곡, 노즐의 굴곡 부 및/또는 노즐의 편향 영역의 하류 및/또는 이후에 위치한다. 바람직하기로 굴곡 부 또는 편향 영역의 굴곡의 오목한 내측은 부품의 제1 부분 영역을 지향한다. 뿐만 아니라, 굴곡 부 또는 편향 영역의 볼록한 외측은 부품의 제2 부분 영역을 지향한다. 특히 바람직하기로, 노즐 배출구는 제1 부분 영역 및/또는 제1 부분 영역의 방향을 (바로) 지향한다.
또한 적어도 하나의 노즐은 바람직하기로, 제1 부분 영역을 부품의 제2 부분 영역으로부터 (열적으로) 구획(delimit)하는 구획벽의 영역에 인접하거나 및/또는 (바로) 안에 위치된다. 이 경우 구획벽은 템퍼링 스테이션의 일부가 되거나 및/또는 (어느 경우에건) 부품의 위에 위치한다. 뿐만 아니라, 적어도 하나의 노즐이 절곡 설계(bent design)를 가지는 것이 바람직하다. 특히 바람직하기로, 적어도 하나의 노즐은 적어도 하나의 노즐의 노즐 배출구(nozzle exit)가 적어도 하나의 노즐의 노즐 유입구보다 더 작은 구획벽과의 (수평) 거리를 가지도록 하는 방식으로 절곡된다. 절곡 설계의 특별한 결과는 노즐 배출구가 구획벽에 매우 근접하거나 심지어 적어도 부분적으로 그 밑에 있어 생성될 천이 영역에 매우 근접하여 배치될 수 있으면서, 노즐과 구획벽 사이에 구획벽에 영구적인 열 절연을 제공할 충분한 잔여 공간이 여전히 존재할 수 있다.
한 유용한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 노즐이, 제1 부분 영역을 부품의 제2 부분 영역으로부터 구획하는 구획벽을 향해 연장되거나 및/또는 적어도 부분적으로 구획벽 밑으로 연장되는 편향 영역을 가지는 것이 제안된다. 구획벽은 바람직하기로 템퍼링 스테이션의 일부이고 (어느 경우에건) 항상 부품 위에 위치한다. 바람직하기로 편향 영역의 볼록한 외측은 구획벽을 향하거나 및/또는 부품의 제2 부분 영역을 향한다.
한 유용한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 노즐, 특히 적어도 하나의 노즐의 편향 영역이, 유체 흐름이 처리 평면을 지향하는 측 및/또는 부품의 제2 영역을 지향하는 영역에 부압(negative pressure) 영역을 생성할 것이 제안된다. 여기서 부압 영역은 주변 압력에 비해 감소된 압력을 가지는 영역이다. 바람직하기로 부품의 제1 부분 영역 방향의 흐름 임펄스는, 노즐의 저면에 (약간의) 부압이 생성되도록 하는 방식으로 편향 영역의 구조에 의해 조정 또는 설정된다. 결과적인 이젝터 효과(ejector effect)에 기인하여 약간 더운 공기라도 템퍼링 스테이션의 고온 영역(hot zone), 달리 말해 부품의 제2 부분 영역의 위 또는 아래의 영역으로부터 끌어올 수 있다. 뜨거운 공기의 낮은 밀도와 그 작은 양 때문에 저온 측(cold side), 즉 부품의 제1 부분 영역 위 또는 아래에 미치는 영향은 일반적으로 무시할 수 있다. 이에 따라 매우 날카롭게 형성되는 천이 영역이 특히 유용한 방식으로 나타날 수 있다.
한 유용한 실시예에 따르면, 처리 평면과 적어도 하나의 노즐 사이의 거리가, 적어도 하나의 노즐이 부품과 접촉하지 않도록 조정 가능하거나 조정된다. 바람직하기로 이 거리는 0.01 mm 내지 6 mm[밀리미터]의 범위, 더 바람직하기로 0.5 mm 내지 5 mm의 범위, 또는 심지어 1 mm 내지 3.5 mm의 범위가 된다.
바람직하기로, 노즐 구조(nozzle geometry) 및/또는 노즐의 외부 윤곽(outer contour)은 전술한 부압 영역 자체가 특히 노즐이 부품과 접촉하지 않을 때 발생하도록 설계된다. 이에 따라 이 명세서에 제시되는 해법은 부품의 위치설정 오류 및/또는 온도 관련 또는 고유 응력 관련 형상 오류(geometric error)들에 대한 오류에 매우 관대하게 구성될 수 있다.
또한 바람직하기로, 템퍼링 스테이션 내의 적어도 하나의 노즐은 특히 이동 가능하게(displaceably) 고정 또는 장착되는 등 이동 가능(movable)하다. 노즐도 이에 따라 가변으로 부착함으로써 수평 방향에서의 천이 영역의 정확한 위치가 유용한 방식으로 용이하게 재조정될 수 있다.
바람직하기로, 적어도 하나의 열원(heat source)이 템퍼링 스테이션 내에 위치하는데, 열원은 템퍼링 스테이션 내에서 적어도 하나의 노즐로부터 (열적으로) 분리되어 고정된다. 여기서 열원과 노즐은 구획벽에 의해 서로 (열적으로) 분리 및/또는 차폐된다. 적어도 하나의 열원은 바람직하기로 적어도 하나의 복사(radiant) 열원이다. 열원은 바람직하기로 능동적 작동 가능한, 특히 전기 작동 또는 전력 공급 가능한 열원이다. 특히 바람직하기로 열원은 (물리적 또는 전기적으로 부품과 접촉하지 않는) 전기 작동 가열 소자로 구성된다. 가열 소자는 가열 루프(heating loop), 완전히 세라믹인 가열 소자 및/또는 가열선(heating wire)이 될 수 있다. 이와는 달리 또는 추가적으로, (가스 가열) 복사관(radiant tube)으로 구성될 수도 있다. 유용하기로, 열원은 템퍼링 스테이션 내에 위치하는 노즐 박스(nozzle box)에 고정될 수 있는데, 노즐 박스는 열원과 노즐 사이에 적어도 하나의 구획벽을 가진다. 접선 노즐의 노즐 배출구 또는 노즐 배출 개구가 열원으로부터 멀리 지향하거나 향하는 것이 특히 바람직하다.
(본 발명의) 다른 국면에 따르면 적어도:
- 특히 복사열 및/또는 대류에 의해 가열될 수 있는 한 제1 로(furnace)와;
- 제1 로 하류의 한 템퍼링 스테이션을
구비하는 금속 부품의 (부분) 열처리 장치가 제안된다.
본 발명의 한 유용한 실시예에 따르면, 적어도:
- 특히 복사열 및/또는 대류 가열에 의해 가열되는 템퍼링 스테이션 하류의 한 제2 로, 및/또는
- 템퍼링 스테이션 및/또는 제2 로 하류의 한 프레스 경화 툴(press-hardening tool)을
더 구비하는 장치가 제안된다.
프레스 경화 툴은 특히, 동시에 또는 적어도 부분적으로 부품을 평행하게 재성형(reshape)하여 (적어도 부분적으로) 이를 담금질(quenching)하도록 구비 및 구성된다. 프레스 경화 툴은 프레스의 일부가 되거나 프레스로 구성될 수 있다. 바람직하기로, 제1 로와, 템퍼링 스테이션과, 제2 로와 프레스 경화 툴은 (기재된 순서대로), 특히 바로 연이어 배치된다. 그러나 제1 로와 템퍼링 스테이션 사이, 템퍼링 스테이션과 제2 로 사이, 및/또는 제2 로와 프레스 경화 툴 사이에 적어도 하나의 조작 장치(handling device)에 의해 이어질(bridged) 거리가 구비될 수 있는데, 이어질 거리는 바람직하기로 적어도 0.5 m[미터]이다.
적어도 제1 로 또는 제2 로가 연속 로(continuous furnace) 또는 챔버 로(chamber furnace)이면 특히 유용하다. 바람직하기로 제1 로는 연속 로, 특히 롤러 하스 로(roller hearth furnace)이다. 제2 로는 특히 바람직하기로 특히 롤러 하스 로 등의 연속 로, 또는 적어도 두 챔버들이 포개져 배치된 다층(multilayer) 로 등의 챔버 로이다. 제2 로는 바람직하기로, 특히 (전적으로) 복사열에 의해 가열될 수 있고, 그 내부에 (거의) 균일한 내부 온도가 설정될 수 있는 로 내부(furnace interior)를 가진다. 특히 제2 로가 다층 챔버 로로 설계되는 경우, 챔버의 수에 따라 복수의 이러한 로 내부 공간이 존재할 수 있다.
복사 열원은 바람직하기로 제1 로 및/또는 제2 로 내에 (전용으로) 배치될 수 있다. 특히 바람직하기로, 적어도 하나의 전기 작동 가열 루프 및/또는 적어도 하나의 전기 작동 가열선 등의 적어도 하나의 전기 작동의 (부품 비접촉) 가열 소자가 제1 로의 로 내부 및/또는 제2 로의 로 내부에 배치된다. 이와는 달리 또는 추가적으로, 적어도 하나의, 특히 가스 가열 복사관이 제1 로의 로 내부 및/또는 제2 로의 로 내부에 배치될 수 있다. 바람직하기로 복수의 복사관 가스버너들 또는 복사관들이 제1 로의 로 내부 및/또는 제2 로의 로 내부에 배치되고, 상기 버너들 또는 관들의 각각에 적어도 하나의 가스버너가 연소된다. 이 경우 가스버너가 연소되는 강제 관의 내부 영역이 로 내부로부터 분위기상(atmospherically) 분리되어 연소 가스 또는 배기가스가 로 내부로 진입하여 로 분위기(furnace atmosphere)에 영향을 끼치지 못하게 하는 것이 특히 유용하다. 이러한 구조는 "간접 가스 가열(indirect gas heating)"로도 지칭된다.
템퍼링 스테이션에 연계하여 논의된 상세, 특징 및 유용한 실시예들은 이에 따라 여기 제시된 장치에도 적용되고, 역도 마찬가지다. 이 점에 있어서, 특징들의 더 상세한 정의(characterization)에 대해서는 이들에 대해 제공된 설명을 완전히 참조할 수 있다.
(본 발명의) 또 다른 국면에 따르면, 적어도 하나의 접선 노즐의 용도(use)가 금속 부품의 부분 열처리, 특히 부품의 제1 부분 영역의 부분적 냉각을 위한 템퍼링 스테이션에 제안된다. 바람직하기로, 접선 노즐은 열처리가 완료된 상태(즉 프레스 경화된) 부품에서 (제2 부분 영역에 비해) 강도를 낮추기 위한 목적으로 제1 부분 영역을 냉각하기 위해 부품의 제1 영역의 표면을 따라 흐르는 거의 수평 방향의 공기 흐름을 배출하는 데 사용된다. 이 경우, 접선 노즐은 (조정 가능한) 모서리 또는 제1 부분 영역의 외곽 및/또는 구획벽으로부터 흐르는 공기 흐름이 제1 부분 영역의 중심으로 흐르도록 하는 방식으로 정렬될 수 있다.
템퍼링 스테이션 및/또는 장치에 연계하여 논의된 상세, 특징 및 유용한 실시예들은 이에 따라 여기 제시된 용도(use)에도 적용되고, 역도 마찬가지다. 이 점에 있어서, 특징들의 더 상세한 정의에 대해서는 이들에 대해 제공된 설명을 완전히 참조할 수 있다.
본 발명과 그 기술적 환경이 도면들을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다. 본 발명은 도시된 예시적 실시예들에 의해 한정되지 않음을 주의해야 할 것이다. 특히 명시적으로 달리 기재되지 않는 한, 도면들에 설명된 사항(fact)으로부터 부분적인 특성을 추출하여 이를 다른 구성요소들 및/또는 다른 도면들 및/또는 이 명세서로부터의 통찰과 조합하는 것 역시 가능하다. 도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 템퍼링 스테이션의 개략도이고; 그리고
도 2는 본 발명에 따른 장치의 개략도이다.
도 1은 금속 부품(component; 2)의 부분 열처리(partial heat treatment)를 위한 템퍼링 스테이션(tempering station; 1)의 개략도를 도시한다. 처리 평면(processing plane; 3)이 템퍼링 스테이션(1) 내에 위치하는데, 부품이 여기 위치한다. 또한 노즐(nozzle; 4)이 템퍼링 스테이션(1) 내에 위치하는데, 여기서의 예와 같이 이는 처리 평면(3)을 지향하고, 부품(2)의 제1 부분 영역(sub-area)(6)을 냉각시키는 유체 흐름(fluid stream; 5)(도 1에 점선으로 표시)을 배출하도록 구성된다.
또한 도 1은 노즐(4)을 접선 노즐(tangential nozzle; 13)로 도시하고 있다. 이는 노즐(4)의 노즐 배출구(nozzle outlet; 9)에서 노즐이 대략 부품(2)의 표면에, 이 경우는 부품(2)의 제1 부분 영역(6)의 표면에 거의 접선으로 또는 평행하게 지향하는 것을 특징으로 한다. 이 방향은 점선으로 도시된 유체 흐름(5)의 단부에 화살표로 도시되어 있다.
뿐만 아니라, 노즐(4)의 노즐 구조(nozzle geometry; 8)(도 1에 단면으로 도시됨)는 부품(2)의 제2 부분 영역(7) 방향으로 흐르는 유체 흐름(5)의 적어도 하나의 요소가 제1 부분 영역(6)을 향해 편향(deflect)되도록 설계된다. 도 1의 도시에 따르면, 노즐 구조는 심지어 노즐(4)을 통한 전체 유체 흐름(5)이 먼저 부품(2)의 제2 부분 영역(7)을 향하는 일방향으로 노즐(4)을 통해 흐른 다음, 부품(2)의 제1 부분 영역(6)을 향해 편향되도록 설계된다. 유체 흐름(5)을 제1 부분 영역(6)을 향해 편향시키도록 도 1의 노즐(4)은 편향 영역(deflection region; 10)을 가진다. 노즐(4)의 노즐 배출구(9)는 하류 측에서 편향 영역(10)을 따라 연장된다. 노즐 배출구(9)는, 노즐 배출구(9)에서 부품(2)의 제2 부분 영역(7) 방향의 어떤 흐름 펄스(flow pulse)가 차단(prevent)되도록 편향 영역(10)에 대해 구성, 정렬, 및 위치된다.
도 1에는, 노즐(4)의 편향 영역(10)이 부품(2)의 제1 부분 영역(6)을 제2 부분 영역으로부터 (열적으로) 구획(delimit)하는 구획벽(partition wall; 11)을 향하고 적어도 부분적으로 그 밑으로 연장되는 것이 도시되어 있다. 여기서 구획벽(11)은 예를 들어 열원(heat source; 20)을 노즐(4)과 (열적으로) 분리 또는 절연시키는 노즐 박스(nozzle box; 19)의 일부로 형성된다. 구획벽(11)은 노즐(4)과 부품(2)의 제1 부분 영역(6)을 열원(20)으로부터 (열적으로) 밀봉시키도록 협조하여, 노즐(4)에 의해 냉각되는 부품(2)의 제1 영역(6)을 열원(2)에 의해 가열되는 부품(2)의 제2 부분 영역(7)로부터 (열적으로) 구획함으로써, 부품의 부분 영역(6, 7)들에 다른 결정 구조(grain structure) 및/또는 강도 특성을 유발할 다른 부품 온도가 부분 영역(6, 7)들에 설정되도록 한다.
또한 도 1에는 도 1의 노즐(4)이, 노즐(4)이 처리 평면(3)을 지향하는 측과 부품(2)의 제2 부분 영역(7)을 지향하는 노즐(4)의 영역 상에 부압 영역(negative pressure area; 12)을 생성하도록 설계된 것이 도시되어 있다. 또한 처리 평면(3)과 노즐(4) 사이의 거리가 노즐(4)이 부품(2)과 접촉하지 않도록 설정된 것을 도 1에서 볼 수 있다.
접선 노즐(13)로 설계된 노즐(4)에 부가하여, 여기서의 템퍼링 스테이션(1)은 추가적 노즐(18)을 가진다. 추가적 노즐(18)은 샤워(shower) 방식으로 예시되어있고, 템퍼링 스테이션(1) 내의 접선 노즐(13) 옆에 고정된다.
도 2는 금속 부품(2)을 열처리하는 본 발명 장치(14)의 개략도를 도시한다. 장치(14)는 가열 가능한 제1 로(furnace)(15)와, 제1 로(15)의 (바로) 하류에 위치하는 템퍼링 스테이션(1)과, 템퍼링 스테이션(1)의 (바로) 하류에 위치하는 가열 가능한 제2 로(16)와, 그리고 제2 로(16)의 (바로) 하류에 위치하는 프레스 경화 툴(press-hardening tool; 17)을 가진다. 여기서 장치(14)는 (부분) 프레스 경화를 위한 열성형(thermoforming) 라인을 나타낸다. 프레스 경화 툴(17)은 프레스의 일부이거나 프레스로 구성된다.
종래기술에서 인식된 문제들을 적어도 부분적으로 해결하는, 금속 부품을 열처리하는 템퍼링 스테이션과 장치가 이 명세서에 개시된다. 이 템퍼링 스테이션과 장치는 천이 영역(transition area)이 부품의 달리 열처리되는 부분 영역들 사이에 가능한 한 신뢰성 높고 및/또는 정확하게, 특히 가능한 한 작게 설정될 수 있게 해준다. 또한 이 템퍼링 스테이션과 장치는 특히 부품이, 부품의 달리 템퍼링 되는 부분 영역들의 (열적) 구획을 위한 구획벽에 접촉할 필요가 없게 한다.
1 템퍼링 스테이션(Tempering station)
2 부품(Component)
3 처리 평면(Processing plane)
4 노즐(Nozzle)
5 유체 흐름(Fluid stream)
6 제1 부분 영역(First sub-area)
7 제2 부분 영역(Second sub-area)
8 노즐 구조(Nozzle geometry)
9 노즐 배출구(Nozzle exit)
10 편향 영역(Deflection area)
11 구획벽(Partition wall)
12 부압 영역(Negative pressure area)
13 접선 노즐(Tangential nozzle)
14 장치(Apparatus)
15 제1 로(First furnace)
16 제2 로(Second furnace)
17 프레스 경화 툴(Press-hardening tool)
18 추가적 노즐(Further nozzle)
19 노즐 박스(Nozzle box)
20 열원(Heat source)

Claims (11)

  1. 금속 부품(2)의 부분 열처리를 위한 템퍼링 스테이션(1)으로,
    상기 템퍼링 스테이션(1) 내에 위치하며 상기 부품(2)이 위치할 수 있는 처리 평면(3)과, 상기 처리 평면(3)을 지향하며 상기 부품(2)의 적어도 제1 부분 영역(6)을 냉각시키는 유체 흐름(5)을 배출하도록 구비 및 구성되는 적어도 하나의 노즐(4)을 구비하며, 상기 적어도 하나의 노즐(4)이 접선 노즐(13)이고, 상기 적어도 하나의 노즐(4)의 노즐 배출구(9)가, 상기 부품(2)의 제2 부분 영역(7) 방향의 유체 펄스가 상기 노즐 배출구(9)에서 차단되도록 설계되는 템퍼링 스테이션.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 노즐(4)의 노즐 구조(8)가, 상기 부품(2)의 제2 부분 영역(7) 방향으로 흐르는 상기 유체 흐름(5)의 적어도 하나의 요소가 상기 제1 부분 영역(6)을 향해 편향되도록 설계되는 템퍼링 스테이션.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 노즐(4)의 상기 노즐 구조(8)가, 상기 유체 흐름(5)의 적어도 하나의 요소가 먼저 상기 부품(2)의 상기 제2 부분 영역(7)을 향하는 일방향으로 상기 노즐(4)을 통해 흐른 다음, 상기 제1 부분 영역(6)을 향해 편향되도록 하는 방식으로 설계되는 템퍼링 스테이션.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 노즐(4)의 상기 노즐 구조(8)가, 상기 유체 흐름(5)이 상기 부품(2)의 상기 제2 부분 영역(7)을 향하는 일방향으로 상기 노즐(4)을 통해서 흐른 다음, 상기 제1 부분 영역(6)을 향해 편향되도록 설계되는 템퍼링 스테이션.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 노즐(4)이, 상기 부품(2)의 상기 제1 부분 영역(6)을 제2 영역(7)으로부터 분리하는 구획벽(11)을 향해 및/또는 적어도 부분적으로 그 밑까지 연장되는 편향 영역(10)을 가지는 템퍼링 스테이션.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 노즐(4)이, 상기 유체 흐름(5)이 상기 처리 평면(3)을 지향하는 측 및/또는 상기 부품(2)의 상기 제2 부분 영역(7)을 지향하는 상기 노즐(4)의 영역에 부압 영역(12)을 생성하도록 설계되는 템퍼링 스테이션.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 처리 평면(3)과 상기 적어도 하나의 노즐(4) 사이의 거리가, 상기 적어도 하나의 노즐(4)이 상기 부품(2)과 접촉하지 않도록 조정 가능한 템퍼링 스테이션.
  8. 금속 부품(2)의 열처리를 위한 장치(14)로, 적어도:
    - 가열 가능한 제1 로(15)와,
    - 상기 제1 로(15) 하류의 템퍼링 스테이션(1)으로, 제 1항 내지 제 7항 중 어느 하나에 따라 설계되는 템퍼링 스테이션을 구비하는,
    금속 부품의 열처리 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 적어도:
    - 상기 템퍼링 스테이션(1) 하류의 가열 가능한 제2 로(16)와, 및
    - 상기 템퍼링 스테이션(1) 및 상기 제2 로(16) 하류의 프레스 경화 툴(17)을
    더 구비하는 금속 부품의 열처리 장치.

  10. 삭제
  11. 삭제
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