KR20010049819A - 금속원통체의 열처리방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

롤 등의 외주면측에 연속이동식 유도가열과 냉각조작을 적용하여 열처리를 행한 때의 열처리후의 외경변형을 근소하게 억제할 수 있는 열처리방법의 제공에 관한 것이다.

상기 롤 등의 외주면측의 열처리를, 내주면도 냉각시키면서 행하도록해서, 외경변형을 경감하였다.

Description

금속원통체의 열처리방법{METHOD AND APPARATUS FOR HEAT-TREATING METALLIC CYLINDRICAL BODY}

본 발명은 금속판 처리라인 등에 많히 사용되고 있는 중공의 롤의 동체부재로 대표되는 금속원통체의 외주면측에, 유도가열에 의해 담금질등의 열처리를 행하는 방법에 관한 것으로, 이 열처리에 따른 문제의 외경변형을 경감할 수 있는 열처리방법을 제공하는 것이다.

유도가열을 이용한 중공의 롤동체 등 금속원통체의 열처리는, 종래 도 6에 도시하는 상태로 행해져 왔다. 즉, 금속원통체(1)의 외주면측에 이 원통체(1)를 둘러싸는 형상으로 원통체 축선방향의 단구간(1a)을 가열할 수 있는 가열코일(2)을 배치하고, 이 코일에 고주파교류를 통전시켜서 상기 단구간을 열처리온도로 유도가열하는 조작을 원통체의 일단측으로부터 타단측을 향해서 연속적으로 진행시킴과 동시에, 가열부의 후단측 인접부(1b)를 분사냉각하는 조작을 상기 유도가열을 추종시키는 형상(도 5의 예에서는 코일(2)에 전체둘레에 걸쳐서 설치된 작은 구멍군으로부터 코일의 냉각을 겸한 냉각수를 분사하여 행하고 있다)으로 동일하게 연속적으로 진행시켜서 행해지고 있다.

그렇게 해서, 상기 열처리가 행해진 원통체의 외경이, 열처리이전의 외경으로부터 0.5% 전후 축소되어 있는 것이 통예이다. 상기 직경축소의 직경축소율이 원통체의 둘레방향 및 축선방향으로, 혹은 열처리작업마다 일정해 있으면, 열처리에 의해 제공되는 금속원통체의 내외경치수를, 직경축소를 예상하고 조금 크게 해놓는 것만으로 대처할 수 있다. 그렇지만, 상기 직경축소는 둘레방향으로도 축선방향으로도 동일하지 않고, 또 열처리작업마다 분산상태가 되기 때문에, 외경치수를 평균적인 직경축소 여유보다 더 크게 취한 원통체를 열처리에 제공하고, 열처리후에 외경 혹은 내외경을, 소정치수의 진원통으로 절삭하는 처치를 부득이하게 하고 있었다. 예를 들면, 외경 800mm의 롤동체에서, 절삭여유가 5mm이상에 이르기 때문에, 근년 특히 요청이 높아지고 있는 저원가화에 대한 큰 장애로 되어 있었다. 또 원통체에 고가의 금속재료를 충당하고 있는 경우에는 재료면의 손실도 무시할 수 없었다.

본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 중공의 롤동체 등의 금속원통체를 열처리했을 때 생기는 외경변형을 경감하고, 열처리후의 절삭여유를 작게 할 수 있는 열처리방법의 제공을 과제로 하였다.

도 1은 본 발명의 방법의 실시형태의 일예를 모식적으로 도시하는 정단면도,

도 2는 본 발명의 방법의 실시형태의 제 1의 별도의 예를 모식적으로 도시하는 정단면도,

도 3은 본 발명의 방법의 실시형태의 제 2의 별도의 예를 모식적으로 도시하는 정단면도,

도 4는 본 발명의 방법의 실시형태의 제 3의 별도의 예를 모식적으로 도시하는 정단면도,

도 5는 본 발명의 방법의 작용을 설명하기 위한 원통체의 평면도, 및

도 6은 종래방법의 실시형태를 모식적으로 도시하는 정단면도,

도 7은 가열코일에 작은 구멍군을 설치한 냉각수단을 예시한 확대단면도.

(부호의 설명)

1 : 금속원통체 1a : 축선방향의 단구간

1b : 1a의 후단측 인접부 2 : 가열코일

2a: 냉각수단 2aa: 작은구멍군

3 : 분사노즐

상기 과제를 해결하도록 이루어진 본 발명의 요지는, 금속원통체의 외주면측을 대상으로 하여, 그 일단측으로부터 타단측을 향해서 이동시키는 형상으로, 축선방향의 단구간을 유도가열함과 동시에 이 가열을 추종시켜서 가열부의 후단측 인접부를 분사냉각하는 열처리조작을 연속적으로 진행시켜서 열처리를 행할 때에, 당해 금속원통체의 내주면의 상기 열처리조작 진행부의 이면측에 위치하는 부분의 상기 유도가열에 따른 온도상승을 원통체 내주면의 냉각에 의해 억제하면서 상기 열처리조작을 진행시키므로써, 열처리에 따른 원통체의 외경변형을 경감하는 것을 특징으로 하는 금속원통체의 열처리방법이다.

즉, 본 발명은, 금속원통체의 열처리에 따른 외경변형의 상기 둘레방향, 축선방향의 비동일성 혹은 열처리작업마다의 분산이, 외경변형량의 증대와 함께 증대하는 것에 착안하여, 변형의 비동일성이나 분산을 경감하기 위하여 외경변형량을 적게하는 수단을 추구하여 달성된 것이다.

상기 본 발명의 방법에 의해 외경변형을 경감할 수 있었든 것은, 원통체의 외주면측이 유도가열에 계속되는 냉각에 의해 강성화를 수반하여 열수축되고, 내주면측에 체결력이 미친 때에 그 체결력에 의한 내주면측의 압축소성변형을, 내주면의 냉각으로 내주면측의 온도를 낮추어서 내주면측을 강성화함으로써 작게된 때문이라고 고려된다.

이와 관련하여, 종래의 열처리방법에 있어서는, 상기 체결력이, 외주면측의 유도가열의 열영향으로 승온하고 변형저항이 저하하고 있었든 내주면측에 큰 직경축소 소성변형을 생기게 하여, 이것이 열처리후의 큰 외경변형을 가져온 것이라고 고려된다.

(발명의 실시형태)

본 발명은 금속원통체의 용도나 재질을 불문하고 실시될 수 있는데, 원통체의 주된 용도로서는 롤, 샤프트류를, 또, 주된 재질로서는 탄소강, 저합금강, 다이스강, 고속도강, 혹은 스테인리스강을 예시할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태의 일예를 모식적으로 도시하는 정단면도로서, 외주면측에서는, 금속원통체(1)의 축선방향의 단구간(1a)을, 그 주위를 둘러싸는 형상으로 배치된 가열코일(2)에 의해 열처리온도로 유도가열하는 조작을, 원통체의 하단측으로부터 상단측을 향해서 연속적으로 진행시킴과 동시에, 이 조작을 추종시키는 형상으로 가열부(1a)의 후단측 인접부(1b)코일에 설치된 작은구멍군(2aa)로부터 코일내의 냉각수를 분사시키도록 된 냉각수단(2a)에 의해서 냉각하는 조작을 연속적으로 진행시킨다. 즉 원통체 외주면측의 열처리를 코일(2)과 분사냉각수단(2a)을 구비한 유니트에 의해서 행한다. 여기서 상기 코일(2)로서는 통상은 가열할 단구간(1a)의 길이에 대응한 폭의 1턴의 환상의 코일이 사용된다. 또한, 상기 분사냉각은 도 1등에 도시된 코일(2)에 그 전체둘레 걸쳐서 설치된 작은구멍군(2aa)으로 부터 코일(2)의 냉각수를 분사시켜 행하여도 좋고 전용의 분사냉각장치를 별도 배열설치하여도 좋다. 한편, 내주면측에서는, 원통체의 내측에 배치된 링형상의 분사노즐(3)로부터 냉각수를 분사하여 내주면을 냉각하는 조작을, 상기 외주면측 열처리조작 진행부의 이면측에 닿는 부분에 대하여, 외주면측 조작의 진행에 동조시키는 형상으로 연속적으로 적용하여, 원통체 외주면측에 열처리를 행하는 상황을 나타내고 있다. 상기 코일(2)에 냉각수단(2a)를 겸비시키기 위하여 작은군(2aa)을 설치한 형태에 관해서는 도 7에 그 주요부를 확대하여 예시하고 있다.

이 실시형태에서는, 내주면측의 냉각조작을, 상기 가열부(1a)의 상단부근을 기점으로 하여 적용하고, 유하수(流下水)에 의해 1a, 1b의 양부를 함께 냉각하는 구성으로 하고, 외주면측으로부터의 열영향에 의한 내주면측의 승온과 이것에 따른 변형저항의 저하를 1a, 1b 양부에 걸쳐서 억제하도록 하고 있는데, 도 2에 도시하는 바와 같이, 상기 냉각조작을 1b부의 상단부근을 기점으로 하여 적용하는 구성으로서, 1b만에 관해서 승온과 변형저항저하를 억제하게 해도, 본 발명의 외경변형 경감효과는 얻을 수 있다. 더욱이 도 3에 도시하는 바와 같이, 원통체 내주면의 상단에 고정배치된 링형상의 분사노즐(3)로부터 냉각수를 분사하여 그 하방 전역을 시종 냉각하도록 해도 좋다.

또한, 도 1, 도 2의 실시형태에서는, 원통체의 축선을 연직방향으로 배치하여 세워놓고, 코일등을 상방으로 이동시키고 있는데, 원통체를 수평방향으로 배치하고, 외주면측에는 수분제거기구를 배열설치하여 가열부(1a)에 냉각수가 가지않도록 하면서 실시해도 좋다. 또 원통체를 회전시키면서 실시해도 좋고, 더욱이는 코일등을 세워놓고 원통체 쪽으로 이동시키도록 해도 좋다.

내주면의 냉각수단으로서는, 상기 분사방식이 냉매의 분사량이나 온도를 변경함으로써 냉각조건을 용이하게 조정할 수 있어 유리하다. 특히 도 1, 도 2에 도시한 동조이동방식이, 소요 냉각부에 대한 냉각조건의 조정을 즉응적으로 행하는 점에서 추천장려된다. 이 밖의 냉각수단으로서는 도 4에 예시하는 바와 같이, 면판(4)을 배치하여 지수된 원통체 내부전체 내지는 원통체내부에 배치된 내통 사이에 냉매를 채우고, 필요에 따라서 냉매를 교환하면서 냉각하는 방식이 이용가능하며, 설비가 간단하다는 이점을 갖는다. 내면냉각용의 냉매로서는, 냉각능력이 큰 물이 최적인데, 완만한 냉각을 행하는 등의 목적으로 다른 냉매를 충당해도 좋다.

원통체 내주면의 냉각조건(냉매의 종류, 유량등)은, 내주면의 소요 냉각부의 온도가 300℃ 이하로 억지되도록 설정하는 것이 바람직하다. 상기 온도를 300℃ 이하로 억제하면서 외주면측의 열처리를 진행함으로써, 열처리에 따른 원통체의 외경변형을 외경의 0.1% 전후로 억제할 수 있으며, 변형량의 원주방향, 축선방향의 비동일성 혹은 열처리작업마다의 분산이 현저히 감소되고, 상기 열처리후의 절삭여유를, 외경 800mm의 롤동체의 경우에 외경으로서 1∼2mm 정도로 근소화할 수 있기 때문이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은, 금속원통체의 외주면측의 열처리를, 내주면을 냉각하면서 행함으로써, 열처리후의 외경변형을 경감한 것이다. 즉 본 발명에 있어서는, 내주면의 냉각이 필수적이다. 그런데 이 냉각의 의의는, 외주면측에 열처리조작이 가해져 있는 부위의 내주면측을 강성화하는데 있다.

여기서, 도 5에 도시하는 내주면측의 두께(t₁) 영역이 강성화되고 있어, 상기 외주면측의 체결력에 의한 상기 t₁영역의 압축소성변형에 의한 직경축소율이 α₁(반경이 γ로부터 γ'로 변화하였다고 하여, 직경축소율 α＝(γ－γ')/γ, 직경확대율 β＝(γ'－γ)/γ로 정의)이고, 이 때 이 t₁영역(두께 방향으로 온도분포를 갖는 승온상태에 있는)의, 그 지표온도(T₁)에 유래하는 열팽창에 의한 일시적인 직경확대율이 β₁이었다고 하면, t₁영역의 이 시점에서의 직경축소율은 α₁－β₁이다. 외주면측의 나머지 두께영역(t₂)(전체 두께를 t로하고, t＝t－t₁)은, 유도가열과정에서 연화된 후 냉각과정에서 강성화하는데, 내주면에도 냉각을 행하고 있는 본 발명의 방법의 경우에는, 상기 열처리조작의 전과정에서 본 소성변형능력은, t₂영역의 쪽이 t₁영역보다도 높게 되어 있다. 이 때문에, t₂영역의 쪽은 t₁영역을 모방하는 형상으로 소성변형하는 것으로 되고, 이 소성변형의 직경축소율을 α₂(직경확대, 즉 α₂＜0 로 되는 일도 있다), t₂영역의 열팽창에 의한 일시적인 직경확대율을 β₂로 하면, 열처리 조작시점에서는 t₁영역과 t₂영역 각각의 직경치수변화가 α₁－β₁＝α₂－β₂의 관계로 균형이 잡히게 된다. 그렇게 해서 원통체 전체가 상온으로 냉각된 단계에서는, β₁＝β₂＝0 로 되어, α₁, α₂만이 남는데, α₁≠α₂이기 때문에 t₁영역과 t₂영역을 상호 탄성변형시켜 맞추는 형상으로 치수적으로 균형잡히게 된다. 이 때, 양 영역의 직경축소율은 각각 α₁'＝α₂'≡α_final로 변화되어 있다.

즉 열처리에 따른 외경변형의 직경축소율은 상기 α_final이다. 이 α_final은 α₁과 α₂의 크기로 결정되고, 또 α₁,α₂에는 상기 β₁, β₂의 크기도 영향을 미친다. 그래서 α₁, α₂, β₁, β₂의 값을 변화시키도록, 상술한 본 발명의 열처리방법을, 예열된 금속원통체에 적용해본 결과, 원통체 내주면의 온도가 700℃를 초과하지 않는 예열이면 본 발명의 방법의 외경변형 경감효과는 소실되지 않고, 조건에 따라서는 외경변형량이 예열없는 경우보다도 경감되고, 더욱이는, 플러스측의 변형으로 변하는 (즉 α_final＜0) 경우도 있었다. 즉 이 경우에서는, 열처리조작시점에서 t₂영역이 직경확대변형(즉 α₂＜0)되고 있었든 것으로 추정된다.

이상 본 발명의 방법에 있어서 원통체 내주면의 냉각을 중심으로 상세히 설명했는데, 외주면측에서 적용되는 열처리에 관해서는, 그 열처리 규격에 따른 종래와 같은 형태로 실시되어도 좋고, 하등 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

외경 1200mm, 두께 40mm, 길이 2000mm의, 중탄소강(JIS G4051/S50C)제의 원통체의 외주면측에, 연속이동식의 유도가열과 이것에 계속되는 급냉조작을 적용해서, 930℃의 담금질온도, 2.0mm/초의 이동속도로 담금질을 행하였다.

이 때, 원통체의 예열조건 및 원통체 내주면의 냉각조건을 표 1에 기재된 바와 같이 할당해 본 결과, 열처리후의 외경변형의 양이나 분산이 표 1에 병기한 바와 같이 크게 변화하였다. 또한, 원통체의 예열은 도 3에 기재된 형태로 외주면측으로부터 유도가열해서 행하고, 내주면의 냉각은 도 1에 기재된 형태로 행했다.

표 1의 결과에서 보는 바와 같이, 본 발명의 방법으로 담금질한 실시예에 있어서 원통체의 외경변형은 종래방법으로 담금질한 비교예의 1/3 이하로 되어 있고, 본 발명의 방법의 현저한 효과가 확인되었다.

No	적요	시험조건	시험결과
		원통체의 예열(내주면온도℃)	원통체 내주면의 냉각(내주면온도℃)	외경변형의 종류	외경의 증감
1	비교예	예열안함	냉각안함	직경축소	-3∼-9
2	본발명예	예열안함	냉각있음(약100)	직경축소	-0.8∼-1.3
3	본발명예	예열안함	냉각있음(약300)	직경축소	-1.0∼-1.8
4	본발명예	예열안함	냉각있음(약400)	직경축소	-1.3∼-2.0
5	본발명예	예열있음(약600)	냉각있음(약400)	직경축소∼직경확대	-1.0∼+1.0
6	본발명예	예열있음(약700)	냉각있음(약500)	직경확대	±0.0∼+2.0

본 발명은, 상술한 바와 같이, 롤등의 금속원통체의 외주면측에 연속이동식 유도가열과 냉각조작을 적용하여 행하는 담금질등의 열처리를, 원통체의 내주면을 냉각하면서 행하도록 함으로써, 열처리후의 외경변형을 근소하게 억제하는 것을 가능하게 하였다.

이 결과, 열처리후의 외경변형의, 원주방향, 축선방향의 비동일성, 혹은 열처리작업마다의 분산이 현저히 경감되고, 원통체를 소정의 치수의 진원통으로 절삭하기 위하여 예상해 놓는 절삭여유를 종래의 1/5 ∼ 1/3의 레벨로까지 저감할 수 있게 되었다. 롤 등에 관해서는, 보다좋은 품질을 보다 안가로 제공하라는 요청이 점점 더 높아지고 있으며, 본 발명에 의해 상기 요청에 대한 대응에 장애로 되어 있었든 열처리변형의 문제가 해결된 것은, 산업계에 절대적인 이익을 가져오는 것이다.

Claims (6)

1. 금속원통체의 외주면축을 대상으로하여, 그 일단측으로부터 타단측을 향하여 이동시키는 형상으로, 축선방향의 단구간을 유도가열함과 동시에 이 가열에 추종시켜서 가열부의 후단측 인접부를 분사냉각하는 열처리조작을 연속적으로 진행시켜서 열처리를 행함에 있어서, 당해 금속 원통체의 내주면의 상기 열처리조작 진행부의 이면측에 위치하는 부분의 상기 유도가열에 따르는 온도상승을 원통체 내주면의 냉각에 의해 억제하면서 상기 열처리조작을 진행시키므로써, 열처리에 따르는 원통체의 외경변형을 경감하는 것을 특징으로 하는 금속 워통체의 열처리방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 원통체 내주면의 냉각을, 외주면측의 열처리조작과 동조시킨 이동식 분사냉각에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 금속 원통체의 열처리방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 금속 원통체 내주면의 상기 열처리조작 진행부의 이면측에 위치하는 부분의 온도가 300℃ 이하로 억제되도록 상기 원통체 내주면의 냉각을 행하는 것을 특징으로 하는 금속 원통체의 열처리방법.
4. 내주면의 온도가 700℃를 초과하지 않는 범위로 예열되어 있는 금속 원통체에, 제 1 내지 제 3항중 어느 한 항에 기재된 방법을 적용하는 것을 특징으로 하는 금속 원통체의 열처리방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 기재된 금속원통체의 열처리방법을 실시하기 위한 장치에 있어서, 금속 원통체의 축선방향의 단구간을 유도가열하기 위한 가열코일과 이 코일에 의한 가열에 추종하여 가열부분을 냉각하기 위한 분사냉각수단을 구비한 열처리 유니트를 원통체의 외주면측에 배치하고, 이 열처리 유니트와 원통체를 개별로 지지하여 적어도 그 한쪽을 원통체 축선방향으로 주행시키기 위한 지지·주행기구를 배열설치함과 동시에, 상기 코일의 이면측에 위치하는 원통체 내주면의 온도상승을 억제하기 위한 냉각수단을 원통체의 내주면측에 배열설치한 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 원통체의 내주면측에 배치된 냉각수단이 상기 열처리유니트와 동조하여 원통체 축선방향으로 주행하는 것이 가능하도록 배열설치한 분사냉각장치인 것을 특징으로 하는 장치.