KR19990073248A - 진공열처리시스템 - Google Patents

Abstract

(발명의 명칭) 진공 열처리 시스템

(목적) 진공 열처리에서 수행되는 냉각 가스의 다면(多面) 분사에 의한 균일한 냉각수단에 의하여 열처리 제품의 변형방지 및 품질을 향상시킬 수 있는 진공열처리 시스템을 제공한다.

(구성) 진공수단과 가열수단이 구비된 원통형 진공로에 있어서, 냉각 가스 순환수단이 구비된 진공로 내부의 열처리 챔버의 상하 좌우 사방 단열벽에 여러개의 냉각 가스분사 노즐공이 각 방향으로 분포되게 배치되고 챔버와 노벽 사이의 가스 순화통로에는 가스 급냉을 위한 나선형 핀이 일체로 형성된 수냉 열교환수단이 설치되어, 챔버에 장입된 강(鋼)제품을 소정의 진공분위기에서 목적하는 온도로 가열한 다음 냉각용 질소가스를 챔버의 사방 노즐에서 동시적으로 공급 순환시키어 균일한 온도분포로 열처리(quenching)하는 것이다.

Description

진공열처리 시스템{THE VACUUM HEAT TREATMENT-SYSTEM}

본 발명은 진공 열처리 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 특수강, 공구강(工具鋼)의 소입(燒入:quenching) 등의 열처리는 진공로를 이용한다.

현대산업의 고도화 및 정밀화의 결과로 진공 열처리방법도 많이 개선되고 있다. 도 1은 금속의 조직을 개선하고 광휘성의 표면을 제공하며 제품의 산화막의 방지와 탈탄(脫炭)방지를 위한 통상의 열처리용 진공로의 구성을 보인 단면 예시도이다.

이러한 종래의 진공로는, 냉각코일(e)과 가스 순환통로(d)가 구비된 원통형의 진공로(F)와, 가열수단이 구비되어 강(鋼)제품을 열처리하는 챔버(C)가 구성되거나 상부와 하부에 가스 유입구를, 측면에 배기구가 형성되고 챔버(C)의 중앙 하부와 상부에는 가스 유입구(i)와 배기구(u)가 형성되고 배기구(u)측에 설치된 송풍팬 등의 순환수단(f)에 의하여 진공로(F) 내부에서 챔버(C)의 내외로 냉각용 가스가 순환하게 되어 있다.

이러한 구성으로 된 진공로를 이용한 열처리방법에서는 챔버(C)에 장입된 열처리물(M)을 가열수단에 의하여 목적하는 온도로 진공로의 진공분위기에서 가열한 다음 외부에서 주입한 냉각 질소가스 등을 챔버(C)의 하방측 단일 유입구(i), 또는 상, 하방의 유입구를 통하여 유입하여 유입된 가스에 의하여 냉각되게 하고 가열된 가스는 상부측, 또는 측면의 배기구(u)를 통하여 챔버 외부의 순환통로(d)로 순환중에 냉각코일(e)에 의하여 가스를 냉각시키어 반복적으로 순환하여 열처리제품을 냉각하였다.

종래의 진공 열처리방법에서의 문제점은 진공로 내부의 챔버 하방에 형성된 단일, 또는 상, 하 방향의 유입구로 부터 유입된 냉각 가스에 의하여, 이미 가열된 강제품을 냉각하기 때문에 일정 용적의 챔버에 장입된 열처리할 물품에 있어, 냉각가스의 유입구 측에 근접한 위치의 물품과 측면 원거리 위치의 물품 간에 냉각 가스의 접촉시간 및 분포상항이 서로 다르게 되어 물품의 제한된 부분에서 부터 냉각이 진행되는 결과를 가진다.

따라서 가열 및 냉각시의 온도분포가 국부적 불균형으로 인하여 열처리 제품의 열응력의 분포가 불균형으로 되어 품질 저하 및 변형 등을 초래할 위험이 있고 열처리 후의 불량 제품이 나오게 되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은, 특수강, 공구강 등의 제품을 열처리함에 있어서, 진공로에 장입(裝入)된 열처리할 제품의 한 뱃취(batch)당, 냉각가스의 다면(多面)분사에 의한 균일한 냉각온도 분포의 유지에 의하여 열응력 분포의 균일성으로 변형을 방지하고 고품질로 열처리할 수 있는 진공열처리 시스템을 제공하려는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 진공로에 장입한 열처리할 제품의 한 뱃취당 제품의 변형방지에 의한 생산 수율을 보다 향상시킬 수 있게 하려는 데 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 진공로를 이용한 열처리 시스템에 있어서, 진공로의 챔버에 이송 수단에 의하여 열처리 할 제품을 장입하고 진공로의 문을 밀폐한 다음 제품의 표면의 탈탄과 산화방지 및 광택을 유지하기 위하여 소정의 진공도로 진공로의 분위기를 진공 유지시키면서 설정된 온도와 시간으로 가열수단에 의하여 가열한다.

이때 질소 파시얼 가스를 주입하여 고진공으로 인한 제품의 크롬 및 구리의 증발을 방지한다. 이어서 소정의 온도로 가열 유지한 다음 가열을 중지하고 진공로내부에 3∼5 바(bar), 경우에 따라 5∼7 바(bar) 압력의 질소가스를 충진시키어 냉각한다.

본 발명의 요지는 아래에 설명되는 이 냉각수단에 있는 바, 챔버에 장입된 한 뱃취의 제품의 형상 조건에 따라 상하, 좌우 2 방면, 또는 상하 좌우 다방면에서 여러개의 분사노즐에 의하여 각각의 방향으로 동시적으로 균일한 분포로 질소가스를 다면(多面)분사하여 한 차지(charge)의 제품 전체가 위치별 차이가 없이 거의 동시적으로 균일한 냉각온도의 분포에 의하여 동일 조건으로 급속히 냉각되게 하는 것이다.

한편, 송풍 순환수단에 의하여 챔버의 내외로 순환되는 가스는 강력한 냉각수단에 의하여 신속한 열교환작용으로 냉각되게 한다.

본 발명에서 챔버에 적재된 제품의 위치별 차이가 없이 동시적으로 냉각가스를 접촉하여 냉각하기 위해서, 다면 노즐분사가 제안되었으며 이 다면 노즐분사는 챔버에 적재된 각 제품의 위치별 가스가 접촉할 수 있는 거리를 최대한으로 단축하고 입체적 냉각 온도의 분포가 거의 균일하게 형성할 수 있다. 따라서 제품의 열응력 분포가 균일하게 유지되어 제품의 변형을 방지할 수 있다.

또한 다면 노즐분사는 진공로의 챔버의 사방 단열벽에 다수의 노즐을 균일한 간격과 방향으로 배치하여 성취할 수 있다.

또한 냉각가스의 원활한 순환작용을 위하여 순환통로의 유체저항을 적게하는 수단이 보강되며, 가스의 냉각수단은, 배기된 가스를 충분히 냉각시키기 위하여 챔버 외부측면과 노내부를 가스 차단벽들로 만든 후 가스 차단벽 상부에 배기구들을 마련하여 가스 흐름 통로를 하부 배기닥트로 연장하고 또한 단열벽은 종래의 단열재 보다 가열실 온도를 급격히 냉각할 수 있게 하기 위하여, 몰리브덴 박판과 세라믹 섬유를 사용하여 두께를 줄이는 한편 4각 챔버의 모서리를 줄여 노 내부와 챔버 외부에 보다 넓은 공간을 확보하므로써 열교환 튜브를 최대한 배치하여 열교환 능력을 향상시키고 또한 열교환 능력을 높힐 수 있는 나선형 방열핀과 튜브가 일체형으로 된 것이 채용된다.

본 발명 시스템에 의한 제품의 소입(燒入) 결과는 한 뱃취의 제품 전체의 품질이 균일하고 불량품이 거의 나오지 않으며, 제품의 상품적 가치가 보다 높게 되는 이점이 있다.

도 1은 통상의 진공로의 단면 예시도

도 2는 본 발명 시스템의 진공로의 단면 예시도

도 3은 도 2의 종단면 예시도

도 4 (a)(b)는 본 발명의 열처리 시간과 온도의 관계를 나타낸 도표

[도면중 중요한 부분에 대한 부호 설명]

1 : 진공로, 1a : 노벽, 2 : 챔버,

2a : 단열벽, 2d : 송풍닥트, 2d' : 배기닥트,

2c : 주름관, 2n : 노즐공, 2u : 배기구,

3 : 열교환수단, 4 : 송풍 순환수단, 5 : 가스 주입수단,

도 2 및 도 3은 본 발명의 시스템을 수행하는 열처리용 진공로에 있어서, 특히 냉각 가스의 다면노즐분사 수단을 명확하게 나타낸 단면 예시도이다.

특수강, 공구강 등의 제품을 열처리하는 진공로(1)는, 기본적으로 진공로(1)내부에 설치된 탄소봉으로 된 전기 가열수단(h)이 구비된 챔버(2), 챔버(2)에 열처리할 제품(M)의 적재물 지지대(b), 챔버(2)의 단열벽(2a)과 진공로(1)의 노벽(1a)사이의 공간에 형성된 가스의 순환통로(1b), 순환통로(1b)의 소정의 위치마다 설치된 열교환수단(3), 모터(4m)와 송풍팬(4f)으로 구성된 가스의 송풍 순환수단(4), 및 가스솔레노이드 밸브(5g)와 밸브(5v) 등이 구비된 가스 봄베에 연관된 가스 주입수단(5) 등이 구비된 것에 있어서.

본 발명은 다면(多面)노즐분사를 이루기 위하여, 몰리브덴 박판(2a')과 세라믹 섬유(2a")로 이루어진 단열벽(2a)로 된 챔버(2)의 상하 좌우 사방 단열벽(2a)에 다수개의 분사공(2n)이 일정한 간격과 각 방향으로 배치되어 있고 단열벽의 양측 중앙부에 가스 배기구(2u)와 배기변(2b)이 설치되어 있다.

분사공(2n)에는 도시되지 않은 노즐이 각 방향으로 설치되어 있어 챔버(2)에 장입된 열처리 할 제품(M)에 균일한 분포로 냉각 질소가스를 분사하게 되어 있다.

상기 분사공(2n)과 유출공(2u)에는 가스 송풍닥트(2d)와 환풍닥트(2d')가 송풍 순환수단(4)에 주름관(2c)으로 연관되어 있고 이들 닥트의 커브는 유체저항을 적게하는 곡선형태를 취하고 있으며, 챔버에서 나온 배기가스는 가스 차단벽(2e)의 상부에 있는 배기 통로를 거쳐 하부 배기닥트(2d')를 통하여 송풍팬으로 유입하게 되어 있다.

본 발명에서 열교환수단(3)은 나선형 방열핀이 튜브와 일체형으로 된 강력한 열교환능력을 가진 것이 채용된다.

본 발명의 열처리 시스템은 다음과 같이 작용한다.

즉, 열처리할 특수강, 공구강 등의 제품(M)을 적재한 대판(b)을 이송수단에 의하여 진공로(1)의 챔버(2) 내부에 장입(裝入)한다.

진공로의 문을 밀폐하고 제품의 표면의 탈탄 및 산화방지와 광택유지를 위하여 도시되지 않은 진공펌프를 가동하여 진공로(1)의 내부 분위기를 10^-2토르(Torr)정도로 진공시킨다.

이후 브로워 진공펌프를 가동하여 진공로(1)의 내부를 10^-3정도의 진공상태로 유지시킨다. 이 상태에서 전기히터를 가동하여 850℃의 온도로 1시간 유지시킨다. 이 상태에서 가스 주입수단(5)에 의하여 질소 파시얼 가스를 주입하여 장입된 제품의 고 진공으로 인한 크롬 및 구리 등의 증발을 방지한다. 전기히터를 가동하여 진공로(1) 내부 온도를 1030℃, 고속도강 SKH 55의 경우 1200℃로 상승시키고 이 온도를 30분, 제품에 따라 2시간 유지한다.(도4 a.b.)

소정시간 경과 후 히터의 가동을 중지하고 진공펌프의 가동을 중지한다. 이어서 진공로(1) 내부에 3∼5 바(bar) 압력, 경우에 따라서는 5∼7 바(bar) 압력의 질소 가스를 주입 충진한다. 주입된 가스는 송풍 닥트(2d)를 통하여 챔버(2)사방의 단열벽(2a)에 배치된 분사공(2n)을 통하여 챔버 내부로 분사 유입된다. 유입된 냉각가스에 의하여 제품은 냉각되며 이때 챔버 내의 전체 제품에 대한 가스의 분사 접촉거리가 거의 일정하여 균일한 온도분포로 냉각된다.

이때 송풍 순환수단(4)의 팬(4f)이 모터(4m)에 연결된 구동축(4s)에 의하여 구동되며, 따라서 분사공(2n)을 통하여 챔버(2) 내부로 유입된 가스는 배기구(2u)로 유출되어 좌우를 차단한 가스 차단벽(2e) 상부의 순환통로(1b)를 거쳐 하부 배기닥트(2d')를 통하여 송풍팬(4f)을 거쳐 다시 송풍닥트(2d)로 순환되어 주름관(2c)를 통하여 연속적으로 챔버 내외로 순환되면서 제품을 냉각시킨다.

한편, 제품의 열에 의하여 가열된 가스는 순환통로(1b)에 설치된 열교환수단(3)의 튜브 군(群)에 흐르는 냉수에 의하여 강력한 열교환으로 냉각시킨다.

진공로의 내부 온도가 50℃ 이하로 냉각되었을 때 진공로의 문을 열고 열처리 제품을 꺼내어 본 발명의 열처리 공정을 종료한다.

본 발명에 의한 시험결과는 다음과 같다.

(시험 1)

공구강 SKD 11 종 재질의 단이 있는 장축(長軸)(전 길이 300mm, 1단의 직경15mm, 길이 100mm, 2단의 직경은 10mm, 길이는 200mm) 30개를 바스켓 위에 놓여진 450mm×450mm 의 견고한 격자 위에 등간격으로 수직 배치하여 상기한 본 발명으로 열처리 한 다음 종래의 방법으로 열처리한 제품과 대비한 결과는 다음과 같다.

열처리후의 경도는 모두 HRC 61 에서 63.

(시험 2)

공구강 SKD 11종의 재질로 된 프레스금형(길이 500mm, 폭 300mm, 두께 25mm)을 본 발명에 의하여 열처리한 다음 종래의 방법으로 열처리한 금형과 대비한 결과는 다음과 같다.

열 처리후의 강도는 모두 HRC 61에서 63.

이상과 같이 본 발명에 의한 열처리한 제품은 종래의 것에 비하여 열처리 후의 변형이나 휨이 적고 품질이 양호한 사실을 알 수 있다.

진공로 챔버의 단열벽이 몰리브덴 박판과 세라믹 섬유로 구성되어 있어 보다 신속하게 단열벽이 냉각될 수 있고 또 챔버에 장입된 열처리 할 제품에 대하여 가열후의 냉각처리시, 냉각가스의 다면(多面)노즐분사에 의하여 한 차지(charge) 제품 전체가 위치에 상관 없이 거의 균일한 온도분포로 냉각되므로 제품의 열응력의 균일성으로 인하여 종래 일방향 가스분사에 비하여 재질의 변형이 거의 없고 제품의 품질이 보다 양호하고 생산수율이 보다 높게 되어 보다 능률적으로 고품질의 제품으로 열처리 할 수있는 등의 효과가 있다.

Claims (4)

1. 진공로의 챔버에 장입된 특수강, 또는 강공구 제품을 진공분위기에서 소정의 온도와 시간으로 가열한 후의 냉각 질소가스를 분사하여 냉각함에 있어서, 챔버에 적재된 제품의 상하 좌우 전후의 사방 다방면에서, 일정한 간격으로 분포된 다수개의 노즐에 의한 질소가스의 다면(多面)노즐분사에 의하여, 한 뱃취의 제품 전체가 균일한 온도분포로 제품의 열응력이 균일하게 냉각처리되게 함을 특징으로 하는 진공로의 열처리 시스템.
2. 제1항에 있어서, 진공로는, 진공수단과 가열수단이 구빈된 진공로(1)의 내부에 설치된 열처리할 제품을 장입하는 챔버(2), 챔버(2)의 상하 좌우의 다방면 단열벽(2a)에 일정한 간격으로 배열, 천공된 다수의 가스 노즐공(2n)과 2개의 배출구(2u), 노즐공(2n)과 배기구(2u)의 가스를 송풍닥트(2d)와 가스 차단벽(2c)내부 및 하부 배기닥트(2d')에 의하여 순환시키는 송풍순환수단(4), 진공로의 노벽(1a)과 챔버(2)의 단열벽(2a) 사이의 순환통로(1b)에 설치된 열교환수단(4)으로 구성되어, 챔버(2)에 장입되어 가열된 제품을 사방 다수의 노즐에 의한 질소가스의 다면(多面)노즐분사 및 냉각순환으로 열처리하게 된 것을 특징으로 하는 진공로의 열처리 시스템.
3. 제1항에 있어서, 제품의 요구에 따라 가스 흐름 통로에 있는 공압식 밸브를 조절하여 챔버(2)내 냉각가스의 방향을 변경, 좌우의 가스 통로를 차단 제어하게 된 것을 특징으로 하는 진공로의 열처리 시스템.
4. 제1항에 있어서, 진공로(1)의 챔버(2)의 단열벽(2a)는 몰리브덴 박판(2a')과 세라믹 섬유로(2a")로 적층 구성된 것을 특징으로 하는 진공로의 열처리 시스템.