KR20010021589A - 금속 링의 열처리 방법 및 그에 따라 얻어진 베어링 링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 베어링과 같은 것에 사용되는 강제(鋼製) 링의 예열된 외면 및 내면을 상이한 냉각 매체 흐름에 노출시켜 그들 표면 영역이 상이한 냉각 공정을 받도록, 강제 링에 대해 열처리를 행하는 방법에 관한 것으로, 오스테나이트로부터 마르텐사이트나 베이나이트 조직으로의 상변태 진행을 제어하는 것에 의해 상기 링 내에 소망의 내부 잔류 응력 패턴이 얻어지도록 상기 흐름의 공급을 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

금속 링의 열처리 방법 및 그에 따라 얻어진 베어링 링{METHOD FOR PERFORMING A HEAT TREATMENT ON METALLIC RINGS, AND BEARING RING THUS OBTAINED}

이러한 종류의 방법은 공개된 일본 특허 출원 소61-235509호로부터 공지된 것으로, 이 방법에 따르면, 내면과 외면이 서로 다른 경도를 갖는 베어링 링을 제조할 수 있다. 이를 위해, 강제 링의 일면을 냉각제 스프레이에 노출시켜 강제 링을 부분적으로 담금질 경화시킨다. 동시에, 나머지 표면은 압축 공기 흐름에 노출시킨다. 그에 따라, 상기 외면은 담금질 공정에 상응하는 경도를 얻는 한편, 상기 내면은 템퍼링 공정에 상응하는 경도를 얻을 수 있게 된다.

이 종래 기술의 방법은 베어링 링의 기계적 성질을 어느 정도 개선시키기는 하지만, 그것의 유용한 활용에는 한계가 있다. 구체적으로, 상기 공정은 외부 링의 외면이 마스트 레일과 구름 접촉되는(rolling contact) 포크 리프트 장치의 마스트 롤러에 사용될 베어링을 개량하도록 의도된 것이다.

본 발명은 강제(鋼製) 링, 특히 베어링에 대해 열처리를 행하는 방법에 관한 것으로, 예열된 링의 외면과 내면을 냉각 매체의 다른 흐름에 노출시킴으로써 링의 상기 내면과 외면에 인접한 영역들이 상이한 냉각 공정으로 처리되게 하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 링을 배치하는 단계에서 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치를 보여주는 도면.

도 2는 도 1에 따른 장치의 작동 상태를 보여주는 도면.

도 3은 본 발명에 따른 장치의 제어 시스템의 개략도.

도 4는 연속 냉각 변태 곡선을 나타내는 다이어그램이다.

본 발명의 목적은 링, 구체적으로, 보다 광범위하게 활용되는 소정 종류의 베어링에 사용되는 베어링 링을 제조하기 위한 전체적인 열처리 방법을 제공하는 것이다. 그러한 베어링 링을 제조하기 위한 통상의 공정은 1차적으로 튜브를 절삭하거나 적절한 강재 재료를 단조하여 링을 형성한다. 다른 가능성에 따르면, 냉간 전조(rolling) 또는 열간 성형 공정에 의해 그러한 링을 성형할 수 있다. 후속하여, 상기 링을 회전시킨 다음 열처리한다.

상기 열처리에 의해 링을 대략 오스테나이트화 온도로 가열하며, 그후 마르텐사이트 조직을 얻기 위해 담금질 작업을 행한 후, 최종적으로 템퍼링 처리를 행한다.

이 과정에서, 해당 링은 뒤틀리고, 그에 따라 링의 형태와 크기가 변화되어, 예컨대 탈진원도(脫眞圓度)가 증대된다. 베어링의 용도에 적합한 링을 제조하기 위해서는 링의 크기를 좁은 공차 내에서 복원시켜야 하며, 이는 비용이 많이 소요되는 그라인딩 작업을 수반한다.

강제 재료의 크기 변화는 경험에 기초한 합리적인 방법으로 예측될 수 있다. 이들 변화는 특히, 담금질시의 마르텐사이트 변태중에 발생하는 용적 변화에 기인한다. 이에 비해, 링의 형태 변화는 예측하기가 어렵다. 이들 변화는 링의 화학적 조성, 미세 조직, 있을 수 있는 탈탄 및 변형과 같은 링에 있어서의 "불균일성"에 기인한다.

그러나, 형태 변화는 주로 잔류 응력 차에 기인한다. 결국, 링의 형태는 열처리 이전과 도중의 소성 변형, 그리고 담금질 이후의 소성 변형에 의해 영향을 받는다.

그러므로, 본 발명의 목적은 링의 형태상 변화를 보다 신뢰성 있는 방식으로 조절할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. 이 목적은 오스테나이트에서 마르텐사이트 또는 베이나이트로의 상변태 진행을 조절하여 소망의 내부 응력 패턴을 얻기 위해 냉각 매체 흐름의 공급을 제어하는 것에 의해 달성된다.

정밀하게 제어되는 냉각제 스프레이 또는 미스트(mist)와 같은 냉각 매체의 흐름은 링이 덜 뒤틀리게 하는 응력 패턴을 확립하는데 사용된다. 특히, 일표면상에 레이스 웨이(raceway)가 있는 베어링용 링을 제조함에 있어서, 상기 표면으로의 스프레이 또는 미스트의 공급은 레이스 웨이의 표면 영역에서 압축 응력이 얻어지도록 제어된다.

링의 다른 표면 근처의 인장 응력과 평형을 이루는 레이스 웨이 근처의 압축 응력은 구름 접촉 피로로부터 야기되는 균열의 성장을 억제한다는 점에서, 롤러와 구름 접촉하고 있는 링의 거동에 긍정적인 영향을 미친다.

본 발명에 따른 방법은 링을 축방향으로 클램핑하는 것에 의해 더 개량될 수 있는데, 이때 상기 클램핑력은 냉각 공정에 기인한 탈(脫)진원도가 최소화되도록 제어된다.

제조 공정을 정확히 제어하기 위해서, 적어도 일표면의 표면 온도를 측정한다.

스프레이나 미스트와 같은 냉각 매체는 0-50℃의 적정 온도와 과압하에 있는 물과 공기에 의해 형성될 수 있다. 링의 양 표면은 물 및/또는 공기와 같은 냉각제 혼합물에 의해 동시에 처리될 수 있다.

이 공정중, 링을 그것의 축을 중심으로 하여 0-200rpm의 각 속도로 회전시킬 수 있다.

전술한 바와 같이, 스프레이 또는 미스트 공급은 강제 재료에 마르텐사이트 조직이 얻어지도록 제어되며, 그와 동시에 축방향으로 작용하는 클램핑력은 통상 마르텐사이트 변태 온도 아래로 떨어지는 링의 온도 강하와 관련하여 제어된다. 따라서, 스프레이 또는 미스트의 흐름은 상태도에서의 예정된 냉각 곡선을 따라 제어된다.

본 발명은 전술한 방법에 의해 제조된 강제 베어링 링에 관한 것이기도 한데, 이 베어링 링의 경우 소망의 응력 패턴에 따라 레이스 웨이의 표면에 인접한 영역에는 압축 응력이 작용하고 반대 영역에는 인장 응력이 작용한다.

본 발명은 강제 링에 대해 열처리를 행하는 장치에 관한 것이기도 한데, 이 장치는 처리 대상의 링을 지지하는 지지 수단, 액체, 기체 또는 그 혼합물로 된 스프레이 또는 미스트를 링의 외면과 내면에 각각 공급하는 제1 공급 수단 및 제2 공급 수단, 그리고 대기 온도에서 링의 내부 응력 패턴이 원하는 바 대로 얻어지도록 스프레이 또는 미스트의 공급을 조절하는 제어 수단을 구비한다.

상기 장치는 또한 링을 축방향으로 클램핑하기 위한 고정구를 갖는 지지 수단을 구비한다.

상기 고정구는 상부 다이와 하부 다이를 구비하고, 실린더/피스톤 기구에 의해 서로를 향해 이동되어 링을 클램핑하며, 상기 하부 다이는 베어링에 의해 베어링 축에 대해 회전 가능하게 지지된다. 실린더/피스톤 기구에 의해 가해지는 클램핑력과 다이의 회전 속도는 제어 수단에 의해 제어된다.

이하 본 발명의 개요를 간략히 설명한다.

냉각 공정은 컴퓨터에 의해 2가지의 개별적 작업용 폐루프 방식으로 제어된다. 하나의 루프는 외면의 온도를 제어하고, 다른 루프는 링의 내면의 온도를 제어하는데 할당된다.

실제적인 냉각 공정이 개시되기 이전에, 링의 내경과 외경에 대한 필요한 온도-시간 곡선을 몇 가지 전형적인 온도-시간 설정점으로서 컴퓨터에 입력한다. 이들 설정점 사이의 곡선을 컴퓨터로 계산하여, 링의 내경 및 외경에 대한 냉각 곡선을 완전히 묘사하는 2개의 곡선을 얻는다. 냉각 공정중, 2개의 비접촉식 온도 측정 기구를 사용하여 링의 내경 및 외경 모두에 대해 링의 온도를 측정한다. 이들 기구의 신호를 제어기로 피드백하는 데 사용한다. 제어기는 작동시 온도 설정점 곡선에 따른 필요 온도에 대한 실제 측정 온도 간의 차이에 의존하여 내부 노즐 및 외부 노즐로의 물 흐름을 조정한다. 노즐로의 공기 흐름은 일정한 수준으로 유지하거나 물 흐름에 의존하여 조절 가능하다.

내경 및 외경에 대한 온도 설정점 곡선은 서로 완전히 독립적이므로, 냉각 공정중 외경에 무관하게 내경의 냉각 속도를 변화시킬 수 있다. 이는 링의 횡단면에 대한 응력 프로파일 패턴을 재현 가능한 방식으로 제어할 수 있도록 하는 데 필수적이다.

도면을 참조로 본 발명에 대해 더 설명한다.

도 1,2의 장치는 베이스(1)와, 지지용 공기압 실린더/피스톤 기구(2) 및 고정된 칼럼(16)을 구비한다. 실린더/피스톤 기구(2)의 상부에는 하부 다이(17)를 유지하고 있는 하부 프레임(3)이 설치되며, 하부 다이는 다른 실린더/피스톤 기구(10)에 의해 프레임(3)에 대해 상부 및 하부로 이동 가능하다.

칼럼(16)의 상단에는 고정된 상부 다이(14)를 유지하는 상부 프레임(7)이 설치된다. 칼럼(16)은 복수개의 반경 방향 내향 노즐(5)을 구비한 공급 링(6)을 또한 유지하고 있다. 상부 프레임(7)과 상부 다이(14)를 통해 공급관(8)이 연장되며, 공급관의 하단부에는 반경 방향으로 외측을 향하는 스프레이 노즐(13)이 구비되어 있다.

작동시, 강제 재료의 링(12)을 아직 하부 위치에 있는 하부 다이(17) 위에 배치한다. 후속하여, 유압 피스톤/실린더 기구(2,10)를 링(12)의 상측 엣지가 하부 다이(17)와 상부 다이(14) 사이에 클램핑되도록 동작시킨다. 피스톤/실린더 기구(10)의 하단과 하부 프레임(3)의 프레임 부재(11) 사이에 배치된 압력 센서(9)를 이용하여, 링(12)에 가해진 클램핑력을 제어할 수 있다.

하부 다이(17)와 상부 다이(14)는 베어링(11,15) 내에 수용되어 있어서, 구동 모터(도시 생략)의 작동시, 이들 다이(14,17)는 링(12)과 함께 회전 상태가 된다. 또한, 압축 상태의 물/공기 혼합물을 관(6,8)으로 공급하여, 조절된 흐름의 냉각된 물/공기 혼합물이 링(12)의 외면과 내면으로 분무되도록 한다.

도 3의 개략도에 도시된 바와 같이, 도 1 및 도 2에 따른 장치는 컴퓨터(18)의 제어하에 작동된다. 이 컴퓨터에는 링(12)의 내면과 외면을 분무하기 위한 적절한 프로그램이 내장되어 있다. 링(12)의 온도에 대한 정보는 접촉식 열전쌍(19)이나 비접촉식 센서(20)로 측정되어 제어 유닛(18)으로 전송된다.

컴퓨터(18)는 물과 공기를 각각 노즐(5;13)로 공급하는 것을 조절하는 밸브(21,22;23,24)를 제어한다. 밸브(21,23)는 공기 버퍼(26)로부터 라인(25)을 거쳐 들어가며, 다른 밸브(22,24)는 물 버퍼(28)로부터 라인(27)을 거쳐 들어간다.

더욱이, 제어 유닛(18)은 다른 밸브(29)도 제어하는데, 이 밸브는 피스톤/실린더(10)의 압력을 조절함으로써, 하부 다이(17)와 상부 다이(14)에 의해 링(12)에 가해지는 클램핑력을 조절하게 된다.

제어 유닛(18)을 적절한 방식으로 프로그래밍하는 것에 의해, 링(12)에 대한 어떤 냉각/급냉 공정도 시뮬레이션 가능하다. 예를 들면, (환경 친화적인)냉각 매체로서 물과 공기를 사용한다 하더라도, 상기 밸브들(21-24)을 소망의 방식으로 간단히 제어함으로써 냉각 오일에 대한 냉각 곡선을 얻을 수 있다.

이 공정중, 제어 유닛(18)의 제어하에 하부 다이(17)와 상부 다이(14)로 링(12)을 축방향으로 적절히 클램핑함으로써 링의 비틀림 현상을 최소화한다.

전술한 바와 같이, 스프레이 급냉 장치는 링의 외면과 내면 각각에 대해 미리 정해진 냉각 곡선을 따르는 것이 가능하다. 링의 외경과 내경의 냉각 특성을 신중히 선택함으로써, 종국적인 미세 조직 및 잔류 응력 패턴을 제어할 수 있다. 이를 도 4의 CCT(Continuous Cooling Transformation) 다이어그램[연속 냉각 변태 곡선]과 관련하여 설명하겠다.

이 도면에서, 영역(I)은 오스테나이트 + 베이나이트 영역, 영역(II)은 오스테나이트 + 퍼얼라이트 영역, 영역(III)은 오스테나이트 + 카바이드 영역, 영역(IV)은 마르텐사이트 + 카바이드(+ 오스테나이트) 영역을 나타낸다.

예시 1: M1 곡선은 베어링 내부 링의 외경에 대한 냉각 곡선을, M2 곡선은 베어링 내부 링의 내경에 대한 냉각 곡선을 나타낸다. 마르텐사이트 개시 온도(Ms)에 가까운 온도로 내경을 보다 강력하게 냉각한 후 제어하에서 상온으로 서냉하는 것에 의해, 마르텐사이트 변태가 제어 가능하게 링 벽을 통해 진행된다. 이 급냉 공정은 내부 링의 레이스 웨이 영역에 보다 유익한 잔류 응력 패턴(인장 응력 보다 작고 심지어 압축 응력 보다도 작다.)을 제공하여, 베어링 수명을 연장하는데 일조한다. 외부 링의 경우, 냉각 공정은 내면과 외면 각각에 대해 역(逆)이 될 것이다.

예시 2: B 곡선은 베이나이트 미세 조직을 얻기 위한 냉각 경로를 나타낸다. 베이나이트 변태 온도로의 조절된 급냉 후에, 베이나이트 조직화에 충분한 시간 동안 균형적인 열전달(실제 조건에 따라, 주변에 대한 열손실을 보상하기 위한 가열 또는 변태열 제거를 위한 냉각)이 유지된다. 이 냉각 곡선은 낮은 잔류 응력만을 만들어낼 것이다.

Claims (24)

1. 베어링과 같은 것에 사용되는 강제(鋼製) 링의 예열된 외면 및 내면을 상이한 냉각 매체 흐름에 노출시켜 그들 표면 영역이 상이한 냉각 공정을 받도록, 강제 링에 대해 열처리를 행하는 방법에 있어서,

   오스테나이트로부터 마르텐사이트나 베이나이트 조직으로의 상변태 진행을 제어하는 것에 의해 상기 링 내에 소망의 내부 응력 패턴이 얻어지도록 상기 흐름의 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 냉각 매체는 액체, 가스 또는 그 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 일표면상에 레이스 웨이(raceway)를 구비한 베어링에 사용되는 링의 제조시, 상기 표면들에 대한 냉각 매체의 공급을 제어하여, 베어링의 레이스 웨이의 표면 근처에 압축 응력이 얻어지도록 하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 링은 그 내경 내에서 축방향으로 클램핑되며, 그 클램핑력은 냉각 공정에 기인한 탈진원도(脫眞圓度)가 최소로 유지되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 클램핑력은 전술한 범위로 제어되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
6. 제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 적어도 일표면의 표면 온도를 측정하여 냉각 공정(들)을 제어하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
7. 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 냉각 매체는 0-50℃의 적절한 온도와 결정된 과압에서 물 및/또는 공기에 의해 형성된 스프레이 또는 미스트(mist)인 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
8. 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 있어서, 상기 링과 노즐은 링 축을 중심으로 0-200rpm의 상대 속도로 회전되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
9. 제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 매체의 공급은 강제 재료에 마르텐사이트 미세 조직 또는 베이나이트 조직이 얻어지도록 제어되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
10. 제4항 또는 제9항에 있어서, 상기 축방향으로 가해지는 클램핑력은 링의 온도가 전체적으로 마르텐사이트 변태 온도 아래로 강하하는 것과 관련하여 제어되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
11. 제1항 내지 제10항중 어느 한 항에 있어서, 냉각 매체의 흐름은 상변태도의 미리 결정된 냉각 곡선에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
12. 제1항 내지 제11항중 어느 한 항에 있어서, 냉각 공정은 소망의 내부 응력 패턴이 얻어지도록 제어되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
13. 제1항 내지 제12항중 어느 한 항에 있어서, 링의 내면에 대한 온도-시간 영역에서 소망의 제1 냉각 곡선을 선택하는 단계와, 링의 외면에 대한 온도-시간 영역에서 소망의 제2 냉각 곡선을 선택하는 단계와, 상기 내면 및 외면의 순간 온도를 측정하는 단계와, 상기 소망의 제1 냉각 곡선 및 제2 냉각 곡선과 상기 측정된 온도를 기초로 상기 내면에 대한 냉각제 흐름과 상기 외면에 대한 냉각제 흐름을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 냉각제는 물과 같은 액체와 공기와 같은 가스의 혼합물이며, 상기 액체의 흐름을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 가스의 흐름을 본질적으로 일정한 수준으로 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
16. 제1항 내지 제15항중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된 강제(鋼製) 링으로서, 링의 레이스 웨이의 표면에 인접한 영역에는 압축 응력이, 반대측 영역에는 소망하는 응력 패턴에 따라 평형 인장 응력이 형성되는 것을 특징으로 하는 강제 링.
17. 제1항 내지 제15항중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 강제 링의 열처리 장치로서, 처리 대상의 링(12)을 지지하는 지지 수단(1-3,7,9-12,14-17)과, 액체, 가스 또는 그 혼합물로 된 스프레이나 미스트를 링(12)의 외면과 내면에 각각 공급하는 제1 공급 수단(5,6,23,24) 및 제2 공급 수단(8,13,21,22)과, 대기 온도에서 링(12) 내에 소망의 내부 응력 패턴이 얻어지도록 상기 스프레이나 미스트의 공급을 제어하는 제어 수단(18)을 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
18. 제17항에 있어서, 상기 지지 수단은 링을 축방향으로 클램핑하기 위한 고정구(14,17)를 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
19. 제18항에 있어서, 상기 고정구는 상기 다이(14)와 하부 다이(17)를 구비하며, 상기 다이들은 실린더/피스톤 기구(2)에 의해 서로를 향해 이동되어 링(12)을 클램핑하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 상부 다이(14)와 하부 다이(17)는 베어링(11,15)에 의해 베어링 축에 대해 회전 가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 실린더/피스톤 기구(2)에 의해 가해지는 클램핑력과 다이(14,17)의 회전 속도는 제어 수단(18)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
22. 제21항에 있어서, 상부 다이(14)는 고정된 위치를 가지며, 하부 다이(17)는 상기 상부 다이(14)로부터 멀어지고 가깝게 이동되도록 하는 실린더/피스톤 기구(10)에 연결되는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
23. 제22항에 있어서, 상기 하부 다이(17)를 이동시키는 실린더/피스톤 기구(10)는 서브 프레임(3)에 지지되며, 서브 프레임(3)은 상기 하부 다이(17)와 같은 방향으로 이동되도록 하는 다른 실린더/피스톤 기구(2)에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
24. 제23항에 있어서, 상기 서브 프레임(3)은 상부 다이(14)와 간격을 둔 서브 프레임(3) 위치에서 상기 하부 다이(17) 위로 링(12)을 이동시키는 컨베이어(4)를 보유하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.