KR19980019470A

KR19980019470A - 보톰피스의 화염열처리방법(A heat treatment method of bottom piece)

Info

Publication number: KR19980019470A
Application number: KR1019980009544A
Authority: KR
Inventors: 김상진
Original assignee: 김상진; 주시회사 대창금속
Priority date: 1998-03-20
Filing date: 1998-03-20
Publication date: 1998-06-05
Also published as: KR100266125B1

Abstract

본 발명은 선박용 엔진의 배기부분인 보톰피스(Bottom piece)의 열처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 보톰피스에 대한 기계적 성질 향상을 위해 열처리 방법을 개선시킨 화염열처리방법에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 소프트존 발생 및 급냉에 의한 크랙(crack)을 방지하여 보톰피스에 대한 기계적 성질 향상을 도모함으로써 엔진부품의 국산화 개발에 이바지 할수 있도록 한 보톰피스의 화염 열처리 방법을 제공하는데 있다.

이를 실현하기 위하여 본 발명은 저주파 유도 열처리의 경우 표면에서 내부로 갈수록 경도가 감소되는 비율이 일정위치(4.5∼5.5mm깊이)에서 급격히 변화하는 현상이 일어났으며, 경화부와 비경화부의 경계에서는 경도의 최저점을갖는 경도 우물현상이 일어나는 것이 관찰되었으며 이것이 사용중에 변형시효 및 변형에너지 집중에 의한 취성파괴의 원인으로 작용했던 것이나, 상기와 같은 저주파 유도 열처리에 비해 본 발명 화염열처리에 의한 부분열처리가 경도값은 약간 낮았지만 전체적으로 경도의 분포는 표면에서 내부쪽으로 가면서 경도값의 변화가 완만하게 감소토록 하고 있다.

Description

보톰피스(Bottom piece)의 화염 열처 리 방법

현재 우리나라 선박 수주실적이 전세계 나라중에서 가장 많으며 이는 이웃 일본보다 수주실적이 앞서고 있는 것이 이를 증명하지만 선박엔진 분야에서는 아직까지 많이 낙후되어 있는 실정이며, 그증에서도 특히 엔진부품의 제작 공정중에 속하는 금속열처리의 중요한 점을 아직 인식하지 못하고 있는 실정이다.

따라서, 열처리 방법에 대한 연구가 현재로서는 가장 시급한 실정이며, 이러한 열처리 방법에 대해 많은 연구개발을 하고 있는바, 현재 시행되고 있는 열처리 방법은 대부분이 저주파 유도 열처리로서 이를 시험예와 관련하여 구체적으로 설명한다.

먼저, 유럽의 C5CrMo란 재질을 선택하여 보톰피스를 제작하였으나 이는 열처리 전에 주조기술 부족으로 성분은 만족하였지만 조직의 균질성 문제로 기계적 성질, 인장강도, 충격치, 항복점, 신율 등 여러항목에서 부적합성이 판단되었고, 다시 독일의 BW사 재질 S43Cr1H로 변경한 주강을 시도하여 기계적성길을 만족시키기 위해 열처리(guenching and tempedng)를 먼지 실시하고, 인덕트히터 저주파가 전문인 미국회사의 자문을 얻어 작업을 시행하였는바, 이때 경도 및 경화 깊이 기계적 성질을 만족시켜 충분한 검토와 검사를 거쳐서 선박엔진에 장착시켜 시운전을 몇달간 하였으나 제품의 유도경화부에 피팅(pitting)현상이 발생하여 선박이 해상에 표류하는 사고가 발생하게 되었다.

그리하여 열처리 전문업체가 연구개발에 다시 착수하였으나 피팅현상을 유발시키는 소프트존(soft zone)을 제거할수가 없어서 포기하게 되었다.

본 발명은 상기한 바와같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 소프트존 발생 및 급냉에 의한 크랙(crack)을 방지하여 보톰피스에 대한 기졔적 성질 향상을 도모함으로써 엔진부품의 국산화 개발에 이바지 할수 있도록 한 보톰피스의 화염 열처리 방법을 제공하는데 있다.

[발명의 예]

이를 실현하기 위하여 본 발명은 저주파 유도 열처리의 경우 표면에서 내부로 갈수록 경도가 감소되는 비율이 일정위치(4.5∼5.5mm깊이)에서 급격히 변화하는 현상이 일어났으며, 경화부와 비경화부의 경계에서는 경도의 최저점을갖는 경도 우물현상이 일어나는 것이 관찰되었으며 이것이 사용중에 변형시효및 변형에너지 집중에 의한 취성파괴의 원인으로 작용했던 것이나, 상기와 같은 저주파 유도 열처리에 비해 본 발명 화염열처리에 의한 부분열처리가 경도값은 약간 낮았지만 전체적으로 경도의 분포는 표면에서 내부쪽으로 가면서경도값의 변화가 완만하게 감소토록 하고 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 종래기술인 비교예와 대비하면서 더욱 상세히 설명한다.

표1은 본 발명에 사용된 재료의 화학성분을 나타낸 것이며, 표에서 SCM440(KS규격, SCM4)(이하 S-2로 약칭함)소재는 화염 열처리 시험에 사용하였으며, C5CrMo(이하, C-1으로 약칭함) 소재는 저주파 유도 열처리에 사용한 것으로 탄소, 규소, 크롬 둥의 함량이 크게 차이가 나는 것을 알수있다.

S-2소재의 경우 구매가 훨씬 용이하여 화염 열처리 소재로 선택하게 되었다.

한편, 조절경도(퀘인칭후 템터링처리)는 Hv215∼165, 부분열처리 경화부의 경도는 Hv500이상이며 경화부의 깊이는 4mm이상이었다.

사용재료의 화학조성

재질기호	화학성분 ％
재질기호	C	Si	Mn	P	S	Cr0	Mo
SCM440	0.38 ~0.43	0.15 ~ 0.35	0.60 ~ 0.85	0.03	0.03	0.90 ~ 1.20	0.15 ~ 0.30
C5CrMo	3.2	1.89	0.8	0.03	0.03	0.34	0.48

( 비교예 )

표2는 C-1소재를 저주파 유도 열처리한 소재의 인장 및 조직시험결과를 나타낸 것이다.

C5CrMo소재의 저주파열처리후의 인장특성 및 조직특성

#	TS(㎏/㎟)	HB	pearlite	ferrite	steadite	cementite	graphite size
TKIL10	28.6	202	95-96％	0-1％	0-1％	1-2％	4

표2의 결과는 BW사의 C-1소재의 스펙에 잘 만족하는 결과로서 기계적 성질에서는 큰문제가 없는것으로 나타났다.

다음은 열처리전공정에 대해 설명하자면 저주파 유도열처리는 C-1소재를 이용하여 실시하였으며 저주파 열처리후의 경도분포 및 300℃와 500℃에서의 템퍼링처리후의 경도분포는 표3에 나타내었다.

저주파열처리 소재의 템퍼링처리 조건과 경도의 변화

#1	depth(mm)	1.0	2.0	2.5	3.0	3.5	4.0	4.5	5.0	5.5	6.0
//	hardness(HRc)	57.0	59.5	58.3	57.3	57.3	56.0	46.5	28.0	23.0	30.0
#2	depth(mm)	1.0	2.0	2.5	3.0	3.5	4.0	4.5	5.0	5.5	6.0
//	hardness(HRc)	58.3	59.2	58.0	60.5	56.5	54.5	59.5	28.5	28.0	27.5
#3	depth(mm)	1.0	2.0	2.5	3.0	3.5	4.0	4.5	5.0	5.5	6.0
//	hardness(HRc)	28.0	27.5	28.7	30.0	32.5	31.0	25.8	27.1	19.0	3.0

#1: 저주파열처리재

#2: 저주파열처리후 300。C x 30min 템퍼링처리재

#3: 저주파열처리후 500。C x 30min 템퍼링처리재

depth : depth from the surface

(HRc)	60	50	40	35	30	20
(Hv)	697	513	392	345	302	231

표3의 결과에서 보듯이 저주파유도열처리 후의 경도는 표면에서 4mm까지 높은 값을 갖고있어 표면부위와 내부의 경도는 모두 요구사항(표면강도;Hv500이상, 조질경도;Hv215∼265:표3의 경도환산표 참조)을 만족한다는 것을 알수있으나 깊이 5.0∼5.5mm깊이에서는 경도의 급감현상이 일어나고 있음을 알수있으며, 이현상은 저주파유도가열 부위의 국부적인 가열에 의해 표면부위만 급격한 급냉에 의한 경질화가 촉진되었으며, S-2소재에 비해 탄소의 함량이 많으므로 급냉에 의한 소입효과가 증대하여 국부적인 표면강화가 일어난것이라고 생각된다.

또한 이것은 후열처리에서도 쉽게 조절될수 없는 정도의 큰 편차일 것으로 예상된다.

한편, 표3의 #2는 300℃에서 30분간 텐퍼링한 소재의 경도분포를 나타낸것으로 #1의 결과와 유사한 경도분포를 하고 있음을 알수있다.

이결과로 볼때 경도분포의 급변에 따른 4.5-5.5mm부근에서 변형에너지의 급증이 예상되며, 이것은 추후의 열변화 혹은 외력에 의해 쉽게 취성파괴 현상이 일어날 가능성이 있을 것으로 예상되고, C-1소재의 경우 사용온도(450℃부근)에서의 변형시효의 가능성이 있을수 있음을 알수있다.

#3의 경우는 표면의 경도와 내부의 경도 모두 요구조건에 크게 못미치는 값임을 알수있으며, 후처리에 따른 경저주파 열처리부의 경도분포에 미치는 영향은 #1·2·3에서 거의 유사한 결과를 가져옴을 알수있다.

따라서, 이와같은 경도분포의 급변현상이 사용중의 사고원인이 된것이라고 생각된다.

(실시예 )

다음은 비교예의 C-1재질이 아닌 순수한 국산재질 S-2재질로 링단조(ring-millfodng)를 한후 황삭→열처리→정삭→화염표면열처리→연삭→조립공정으로 생산한 경우의 예이다.

이때 비교예의 저주파유도열처리와의 차이점은칭과 템퍼링의 공정이었으며,칭온도는 830∼870℃로 하고 텐퍼링 온도는 550∼650℃에서 유지시간을 40mm/inch로 하였을때,칭시 경도는 HRc 40∼45이었으며 템퍼링 후의 경도값은 HRc 24-27로 하여 조질의 조직은 소바이트(Sorbite)되도록 하는 것이었다· 또한 이때의 기계적 성질중 인장강도는 86㎏f/㎣를 만족하는 가를 확인하고 MT(magnetic test), UT(ultrasonic test)에 의한 내부결함 검사에 합격하면 정삭가공을 실시하였다.

정삭가공에서 후 열처리시 발생되는 크랙변형 등을 감안하여 가공조도, 가공여유를 생각하여 설계한후에 화염열처리를 실시하였다.

이때, 화염열처리방법은 배열된 다수의 토오치로 부분 열처리 하였으며, 사용개스는 프로판개스와 산소의 혼합개스를 사용하여 압력을 원활하게 조정될수 있도록 장치하여 불꽃이 최상의 적정온도를 유지할수 있도록 하고 보톰피스 표면 열처리 부위에 토오치를 조정하여 고정시키고 산소와 프로판을 열고 점화함과 동시에 가열이 시작되면 수동으로 희전을 시켜 균일하케 가열하였으며, 온도가 850。C 부근인 뷸꽃색깔이 회백색으로 나타날때까지 약15분이 소요되는 것으로 나타났다.

이후에칭은 크랙방지를 위하여 오일중에서 냉각을 하였으며, 예비시험시 수냉할 경우 경도는 높게나오지만 냉각속도가 빨라지므로 제품에 변태응력에의한 크랙이 발생하게 되이 수냉작업은 부적당하다는 것을 알았고, 또한 상기재질의 합금강은 수냉시 첨가원소인 Cr, Mo 등의 자경성 성분에 의해 크랙이 생긴다는 사실과 좋은 일치성을 갖는것을 확인할수 있었다.

이어서 내부의 잔류응력의 제거와 추후 사용시에 나타날수 있는 시효현상을제거해주기 위해 250-300。C의 온도에서 템퍼링처리를 행하였다.

이와같은 방법으로 열처리한 경우 처음에는 경도값이 아주 낮게 나타났으며,여기서 경도가 낮은것은 오일냉각을 하기 위해서 오일냉각 탱크까지 이동중에 제품온도가 낮아져서 경도하락된 원인으로 밝혀내고 가능성이 있다는 확신을갖고 다시 재화염을 상기와 같이 시도를 하고 오일냉각, 탱크옆으로 이동한후,자연냉각시간을 짧게하여 냉각을 하였더니 경도가 월등히 상승하는 것을 확인할수 있었다.

화염열처리후 템퍼링한 소재의 경도분포(심부의 경도는 HRc로 21.3)

depth(mm)	0.5	1.5	2.5	3.5	4.1	4.5	5.1	5.5	6.1	6.5	7.1
hard(HRc)	45.8	45.5	45.5	45.0	45.6	45.5	45.0	45.0	29.2	21.2	19.8

표4는 화염열처리후 텐퍼링한 소재의 경도변화를 나타낸 것이다.

상기한 바에서 경도는 미달되지만 경화깊이는 충분하게 깊게 들어가며, 경도분포의 차이는 전체적으로 완만하다는 것을 알수있었다.

이결과를 토대로 하여 보톰피스의 열처리작업을 10기압으로 조정하여 좀더 정확하고 정밀하게 작업하기 위해 제품회전속도(80rpm), 산소압력(10psi), LPG압력(10psi), 토오치 각도(60˚), 토오치 숫자(9ea), 냉각시간(20min), 냉각속도(35℃/min), 토오치불꽃색깔(회백색), 냉각전오일온도(50∼60℃), 가열유지시간(6min), 가열온도(850℃)등 상기의 모든것을 조정하여 준비완료된 상태에서 열처리작업을 시작하였으며, 토오치에 불꽃이 나옴과 동시에 제품을 회전되게하고 가열하여 작업이 이루어지도록 하였다.

작업이 완료된후 실제품을 절단하여 검사를 한결과 경도값과 경화층의 분포등의 값이 만족할만한 것을 얻을수 있었다.

또한 이때 경도값이 상당히 높으므로 템퍼링온도를 280。C까지 상승시켜 흡기가스온도 보다 높은 온도에서 실시할수 있었다(표4 참조).

도면1은 저주파유도열처리 소재의 경도분포를 나타낸 것이며, 도면2는 화염열처리소재의 경도분포를 나타낸 것으로 도면1과는 달리 경화층과 심부 사이에 경도분포가 완만하게 떨어지고 소프트존(경도값의 우물형성 부분)이 생성되지 않아 변형에 의한 크랙 등이 발생되지 않을것으로 예측된다.

사진3은 S-2 원소재의 조직사진으로 비교적 균질의 mill annealed조직을 나타내고 있으며, 사진4는 저주파유도열처리 소재의 급냉부위의 사진으로 troostite와 bainite의 조직이 혼재한 형태로 구성된 것으로 예측되고, 따라서이 부위의 경도는 상당히 높을것으로 생각된다.

사진5는 S-2소재의 화염열처리 결과를 비교하기 위한 조직사진으로 a)는 화염열처리부의 조직을 나타낸 것으로 b)의 화염열처리가 되지 않은 부분에 비해 조직은 미세화 되었으나 사진4에서와 같은 탄화물의 층상배열은 엾는 것으로 나타났다.

이것으로부터 원소재에 비해 결정립미세화에 의한 경화효과는 있을것으로 기대되지만 상변태에 의한 조직의 강화현상은 거의 기대하기 어려울것으로 생각된다.

지금까지의 결과를 비교해보면 두소재간의 탄소함량의 차이에 의해 S-2소재가 C-1소재에 비해 경도분포의 완만한 변화가 가능하므로 겅도급변에 기인한변형시효의 영향을 훨씬 적게 받게되어 사용중의 파괴 및 열화에 의한 수명감소 현상이 크게 감소될수 있는 것이다.

도면 1은 저주파 유도가열 열처리시의 경화층 분포를 나타내는 그래프도

도면 2는 본 발명 화염열처리시의 경화층 분포를 나타내는 그래프도

사진 3은 본 발명 화염열처리 소재인 SCM440 소재의 조직사진(배율 200배)

사진 4는 저주파 유도 열처리 소재인 C5CrMo 소재의 조직사진(배율 200배)

사진 5의 a) b)는 본 발명 화염열처리 결과를 비교하기 위한 조직사진으로(배율 200배), a)는 화염열처리 부분 b)는 화염열처리가 되지 않은 부분

이상 설명한 바와같이 저주파유도열처리재의 경우 표면에서 내부로 갈수록 경도가 감소되는 비율이 일정위치(4.5-5.5mm깊이)에서 급격히 변화하는 현상이 일어났으며, 경화부와 비경화부의 경계에서는 경도의 최저점을 갖는 경도우물현상이 일어나 이것이 사용중의 변형시효 및 변형에너지 집중에 의한 취성파괴의 원인으로 작용했을 것인바, 이에 비해 화염열처리에 의한 부분열처리는 경도값은 약간 낮았으나 전체적으로 경도의 분포는 표면에서 내부쪽으로 가면서 경도값의 변화가 완만하게 감소하게 되었으며, 이모두 검사결과를 확인후 선박엔진에 장착하여 시운전을 6개월간 하였던바, 전혀 이상없는 것으로 나타나게 되어 저주파유도가열 열처리 보다 화염열처리가 가일층 우수한 효과를 갖게됨이 입증되는 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims

보톰피스(Bottom piece)의 화염열처리 소재로 SCM440소재를 이용하되, 열처리공정을 10기압으로 조정하여 좀더 정확하고 정밀하게 작업하기 위해 회전다이에 장착된 보톰피스의 회전속도를 80rpm으로 유지하고, 산소압력 10psi, LPG압력 10psi, 토오치각도 60°, 토오치배열 방사형으로 3개 1조썩 3조 9개, 냉각시간 20분, 냉각속도 1분에 35℃, 토오치 뷸꽃색깔 회백색, 냉각전 오일온도 50∼60℃, 가열유지시간 6분, 가열온도 850℃로 조정하여 부분열처리 하여서 됨을 특징으로 하는 보톰피스(Bottom piece)의 화염열처리방법.