KR20080082219A - 강종의 등온어닐링 열처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 등온어닐링공정 기술개발을 통하여 각 기어(gear) 강종의 최적 열처리 조건 및 최적 공정을 확립하고, 기계가공성 향상을 위한 페라이트(ferrite), 펄라이트(pearlite)의 부피분율 제어, 최종열처리 공정에서의 열처리 변형제어, 기계적 특성의 균일성 등을 위한 밴드 스트럭쳐(band structure), Bainite(베이나이트), 펄라이트(Pearlite) 뭉침의 제거를 목적으로 개발한 강종의 등온어닐링 열처리방법에 관한 것이다.

본 발명은 1차 가열로를 가열하여 930℃ ~ 950℃의 온도를 유지시켜 열처리 소재를 투입 후 120~150분 가열한 1차 가열공정이 끝남과 동시에 연속적으로 연동되는 제1소둔로로 유입하며,

외부면에 설치되는 파이프에 10℃~20℃의 온도를 유지하며 왕복 순환되는 냉각수에 의해 내부의 온도를 600℃~630℃를 유지한 상태의 제1소둔로의 내부 온도를 분당 80℃~100℃ 까지 급속히 냉각시켜 내부 온도가 600℃~630℃를 유지 한 제1소둔로에서 5~8분간 냉각시켜주며,

내부 온도를 650℃~680℃로 유지한 제2소둔로에 유입시킨 상태에서 다시 5~8분간 저온 유지를 시켜주며,

상기 제2소둔로에서 저온유지를 위해 5~8분간의 작업시간이 경과하면 열처리 소재는 다시 마지막으로 내부온도를 680℃~700℃로 유지시킨 소려로에 유입시켜 120~210분간 온도를 유지시켜 열처리함을 특징으로 한 것이다.

Description

강종의 등온어닐링 열처리방법{Metal isothermal annealing heat treatment method}

본 발명은 등온어닐링공정 기술개발을 통하여 각 기어(gear) 강종의 최적 열처리 조건 및 최적 공정을 확립하고, 기계가공성 향상을 위한 페라이트(ferrite), 펄라이트(pearlite)의 부피분율 제어, 최종열처리 공정에서의 열처리 변형제어, 기계적 특성의 균일성 등을 위한 밴드 스트럭쳐(band structure), Bainite(베이나이트), 펄라이트(Pearlite) 뭉침의 제거를 목적으로 개발한 강종의 등온어닐링 열처리방법에 관한 것이다.

종래의 열처리 기술은 켄칭(quenching), 템퍼링(tempering)이나 표면경화(surface hardening)등 주로 제품의 강도, 내마모성을 향상시키는 기술에 초점이 맞추어졌으나 링 기어(ring gear)등 자동차부품의 가공성 향상, 열처리 후의 변형량 제어, 제품의 기계적 특성 향상 등을 위하여 제품의 초기 공정인 단조 후의 어널링공정의 경제성에 관심을 기울이고 있다.

현재의 열처리 기술은 켄칭(quenching), 템퍼링(tempering)에 의한 경도, 미 세조직, 변형량 제어기술은 어느정도의 수준에 도달하였으나 어널링(annealing)에 의한 열처리 기술은 단지 경도 제어 수준에 머물러 있는 실정이다.

자동차 부품의 단조품은 단조 후 어널링(annealing)이나 노멀라이징 (normalizing) 공정을 거쳐서 기계 가동 후 켄칭, 템퍼링 또는 침탄공정을 거쳐서 제품의 강도를 향상시킨 다음 최종 연마공정을 통하여 제품의 치수를 조절하는 것이 일반적인 제조공정이며, 노멀라이징 (normalizing)이나 어널링(annealing)을 통하여 미세한 페라이트(ferrite)와 펄라이트(pearlite) 조직이 생성된다.

이러한 열처리는 단조에 의해 잔류되어 있는 단조응력을 제거하는 역할을 한다.

단조응력을 제거하지 않으면 절삭 및 침탄, 도장, 도금에 많은 영향을 주게 되며, 절삭 공정에서 가공성 및 가공생산성을 저하시키며, 가공툴의 조기마모를 유발한다.

또한, 침탄시 변형 또는 크랙과 같은 결함이 나타나며, 침탄 소입능력을 나쁘게 하며, 최종 기어의 소음문제, 내구성을 해치게 된다.

이와 같은 일반적인 공정 중에서 제품의 가공성, 최종제품의 기계적 특성 그리고 최종 연마 등에 영향을 미치는 중요한 공정으로 단조 후의 어널링 공정이 크게 부각되고 있고 있는 실정이다.

이와 같은 이유로 제품의 가공성, 최종제품의 기계적 특성 그리고 최종연마등에 영향을 미치는 중요한 공정으로 단조의 어널링공정이 크게 부각되고 있으며, 제품의 가공비, 기계적 특성 등에 직접적인 영향을 미치므로 자동차 부품의 제조원 가 절감에 있어서 중요한 변수로 대두 되고 있다.

그러나 현재의 등온 어닐링은 노멀라이징 후 템퍼링을 실시하는 공정을 사용하여 변형된 등온어닐링을 실시함으로 서 등온열처리의 이론적 근거를 확보하지 못하여 경도, 조직의 불균일한 품질을 생산하고 있는 실정이다.

종래 자동차용기어등은 침탄부품으로서 열간단조용 저탄소합금강, Cr-Mo강, Ni-Cr-Mo강 및 고탄소강이 사용되고 있으나, 통상의 노말라이징 또는 어닐링에 의한 연화(150~180Hv)가 어렵고, 냉각중 베이나이트(bainite)조직의 출현으로 가공성이 악화되어 가공 생산성에 많은 문제점을 가지고 있다.

따라서 노말라이징 또는 어닐링처리에 의한 미세한 페라이트와 펄라이트 조직을 얻기 위해서 오스테나이트화 온도에서 일정 시간 동안 가열한 후 600~700℃에서 등온어닐링 공정이 요구되는 것으로, 종래 대부분의 열처리공정에서 고온로와 저온로를 연결하여 연속냉각처리방식에 의한 열처리를 실시하므로서 조직의 60%이상이 베이나이트(bainite)조직을 형성시켜 그 후 기계가공성을 악화시키고, 이어서 조직의 불균일 때문에 침탄의 불균일이 일어나 변형 및 크랙의 원인이 되고 있다.

기존 등온 어닐링으로 발생되는 조직불균열의 문제점으로는 다음과 같다.

펄라이트(pearlite) + 페라이트(ferrite)의 부피분율의 불균형으로 인한 가공성 저하와, 단조작업시 발생한 단류선이 불균일한 냉각으로 인한 밴드 스트럭쳐(band structure) 과다 석출, 펄라이트(pearlite) + 페라이트(ferrite)의 뭉침 과다로 인한 가공 후 침탄 열처리시 변형 발생과, 베이나이트(bainite) 및 초석 페라이트로 인한 잔류 오스테나이트의 증가로 인한 기어(gear) 치절부의 폐 팅(petting) 현상 발생 등이 있다.

본 기술개발을 통하여 기존 등온 어닐링 공정으로 발생되는 결함을 개선하고, 열처리 품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 품질을 획득함으로써 국제 경쟁력을 확보할 수 있으며, 국내 열처리업계로의 파급시 국내 기술수준의 국제적 수준으로 향상시킬 수 있다.

본 발명에서는 등온어닐링공정 기술개발을 통하여 각 기어(gear) 강종의 최적 열처리 조건 및 최적 공정을 확립하고, 기계가공성 향상을 위한 페라이트(ferrite), 필라이트(pearite)의 부피분율 제어, 최종열처리 공정에서의 열처리 변형제어, 기계적 특성의 균일성 등을 위한 밴드 스트럭쳐(band structure), Bainite(베이나이트), 펄라이트(pearlite) + 페라이트(ferrite) 뭉침의 제거를 목적으로 개발한 것이다.

본 발명은 상기와 같은 열처리 하고자하는 강종에 따라 각기 다른 열처리 공정이 필요한 것으로, 그 실시 예로 SCM822HVSI와 SCM920HVSI, SCR420HB의 강종에 있어서는 다음과 같다.

제 1 공정(가열공정)

1차 가열로를 가열하여 930℃ ~ 950℃의 온도를 유지시켜 열처리 소재를 투 입 후 102분~150분 가열한다.

상기 제 1공정에 있어 1차 열처리함에 있어 각각의 강종에 따라 그 시간은 다소의 분화를 두고 조절하여야하는 것으로 1차 가열공정이 끝남과 동시에 연속적으로 연동되는 제1소둔로로 유입되는 것이다.

제 2 공정(냉각공정)

제 2공정에 있어서는 제1소둔로는 외부면에 설치되는 파이프에 10℃~20℃의 온도를 유지하며 왕복 순환되는 냉각수에 의해 내부의 온도를 600℃~630℃를 유지한 상태에서 소둔로에서 유입되는 1차 가열된 열처리 소재를 급냉 시키는 냉각공정으로 상기 제1공정을 거친 열처리 소재는 내부 온도가 600℃~630℃를 유지 한 제1소둔로에서 5~8분간 냉각시켜준다.

상기와 같이 냉각수를 사용함에 있어 냉각수를 순환시며 주면 제1소둔로의 내부 온도를 분당 80℃~100℃ 까지 급속히 냉각시켜준다.

제 3 공정(저온유지 송풍공정)

제 2공정의 제1소둔로에서 5~8분간 냉각 처리된 열처리 소재는 내부 온도를 650℃~680℃로 제1소둔로의 내부 온도보다 다소 높게 유지시킨 제2소둔로에 유입시킨 상태에서 다시 5~8분간 저온 유지를 시켜준다.

이때 제2소둔로에서는 냉각 순환팬을 제2소둔로 상단부분에서 아래로 지속지적으로 바람을 불어주어 내부의 온도가 일정하게 650℃~680℃로 유지되게 한다.

제 4 공정(회수공정)

상기의 제 3공정인 제2소둔로에서 저온유지를 위해 5~8분간의 작업시간이 경 과하면 열처리 소재는 다시 마지막 공정인 제4공정에서 사용하는 내부온도 680℃~700℃를 유지시킨 소려로로 유입시켜 120~210분간 온도를 유지시켜 마감시킨다.

상기와 같이 SCM822HVSI와 SCM920HVSI, SCR420HB의 강종은 가열과 냉각, 송풍공정을 모두 거치는 열처리 과정으로 열처리 후에 따른 강종의 화학 성분 함유량은 아래의 참고 표와 같다.

재 질	화학 성분 함량(wt.%)
	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Cu	Nb	B(ppm)	O2(ppm)
SCM822HVSI	0.17 - 0.21	0.15 이하	0.75 - 0.90	0.015 이하	0.01 - 0.02	0.25 이하	1.05 - 1.15	0.40 - 0.42	0.25 이하	0.015 - 0.035	-	15이하
SCM920HVSI	0.17 - 0.21	0.15 이하	0.65 - 0.85	0.02 이하	0.03 이하	0.25 이하	1.25 - 1.45	0.55 - 0.65	-	0.015 - 0.035	-	-
SCR420HB	0.18 - 0.23	0.15 - 0.35	0.55 - 0.90	0.015 이하	0.015 이하	-	0.85 - 1.25	-	-	0.025 - 0.035	10 - 15	15이하

또한 상기와 같은 공정을 거쳐지는 SCM920HVSI의 강종의 기계적 성질변화는 아래의 참고 표와 같다.

상기와 같은 본 발명의 다른 실시 예로서 SCR420HB의 강종에 있어서는 다음과 같은 공정을 거치게 된다.

제 1 공정(가열공정)

1차 가열로를 가열하여 930℃ ~ 950℃의 온도를 유지시켜 열처리 소재를 투입 후 90분~120분 가열한다.

상기 제 1공정에 있어 1차 열처리함에 있어 각각의 강종에 따라 그 시간은 다소의 분화를 두고 조절하여야하는 것으로 1차 가열공정이 끝남과 동시에 연속적으로 연동되는 제1소둔로로 유입되는 것이다.

제 2 공정(냉각공정)

제 2공정에 있어서는 제1소둔로는 외부면에 설치되는 파이프에 10℃~20℃의 온도를 유지하며 왕복 순환되는 냉각수에 의해 내부의 온도를 600℃~620℃를 유지한 상태에서 소둔로에서 유입되는 1차 가열된 열처리 소재를 급냉 시키는 냉각공정으로 상기 제1공정을 거친 열처리 소재는 600℃~620℃를 유지한 제1소둔로에서 3~6분간 냉각시켜준다.

상기와 같이 냉각수를 사용함에 있어 냉각수를 순환시며 주면 제1소둔로의 내부 온도를 분당 80℃~100℃ 까지 급속히 냉각시켜준다.

제 3 공정(저온유지공정)

제 2공정의 제1소둔로에서 3~6분간 냉각 처리된 열처리 소재는 내부 온도를 580℃~620℃로 제1소둔로의 내부 온도보다 다소 낮거나 동일하게 유지시킨 제2소둔 로에 유입시킨 상태에서 다시 3~6분간 저온 유지를 시켜준다.

이때 제2소둔로에서는 냉각 순환팬을 제2소둔로 상단부분에서 아래로 지속지적으로 불어 주어 내부의 온도가 일정하게 580℃~620℃로 유지되게 한다.

제 4 공정(회수공정)

상기의 제 3공정인 제2소둔로에서 저온유지를 위해 5~8분간의 작업시간이 경과하면 열처리 소재는 다시 마지막 공정인 제4공정에서 사용하는 내부온도 600℃~650℃를 유지시킨 소려로로 유입시켜 120분~150분간 온도를 유지시켜 마감시킨다.

상기와 같은 공정을 거쳐지는 SCR420HB의 강종의 기계적 성질변화는 아래의 참고표와 같다.

상기 표는 SCR420HB 등온 온도별 기계적 성질변화를 그래프로 표 하였다.

상기와 같은 본 발명의 또 다른 실시 예로서 CSS4136의 강종에 있어서는 다음과 같은 공정을 거치게 된다.

제 1 공정(가열공정)

1차 가열로를 가열하여 930℃ ~ 950℃의 온도를 유지시켜 열처리 소재를 투입 후 120분~150분 가열한다.

상기 제 1공정에 있어 1차 열처리함에 있어 각각의 강종에 따라 그 시간은 다소의 분화를 두고 조절하여야하는 것으로 1차 가열공정이 끝남과 동시에 연속적으로 연동되는 제1소둔로로 유입되는 것이다.

제 2 공정(냉각공정)

제 2공정에 있어서는 냉각수를 사용하지 않은 상태에서 제1소둔로 내부의 온도를 600℃~630℃를 유지하여 소둔로에서 유입되는 1차 가열된 열처리 소재를 급냉 시키는 냉각공정으로 상기 제1공정을 거친 열처리 소재를 내부 온도를 600℃~630℃로 유지한 제1소둔로에서 8~12분간 냉각시켜준다.

상기와 같은 CSS4136의 강종을 열처리할 경우 냉각수를 사용하지 않고 냉각시킨다.

제 3 공정(저온유지공정)

제 2공정의 제1소둔로에서 8~12분간 냉각 처리된 열처리 소재는 내부 온도를 620℃~650℃로 유지시킨 제2소둔로에 유입시킨 상태에서 다시 8~12분간 저온 유지를 시켜준다.

이때 제2소둔로에서는 냉각 순환팬을 제2소둔로 상단부분에서 아래로 지속지적으로 불어 주어 내부의 온도가 일정하게 620℃~650℃로 유지되게 한다.

제 4 공정(회수공정)

상기의 제 3공정인 제2소둔로에서 저온유지를 위해 8~12분간의 작업시간이 경과하면 열처리 소재는 다시 마지막 공정인 제4공정에서 사용하는 내부온도 660℃~680℃를 유지시킨 소려로로 유입시켜 150분~180분간 온도를 유지시켜 마감시킨다.

상기와 같은 공정을 거쳐지는 CSS4136의 강종의 기계적 성질변화는 아래의 참고표와 같다.

상기 표는 CSS4136 등온 온도별 기계적 성질변화를 그래프로 표 하였다.

이와 같이 된 본 발명은 소둔로에서 대량생산시 SCM822HVSI와 SCM920HVSI, SCR420HB 강종의 등온 변태 온도는 650℃~680℃이며, 자동차용 단조 부품용 소재로 사용되는 SCR420HB 강종의 변태 온도는 600℃~650℃에서 항온제어냉각을 실시하여야만 베이나이트, 밴드 스트럭쳐, 초석페라이트등이 생성되지 않고 페라이트와 퍼얼라이트의 부피분율이 약 50:50인 가장 이상적인 조직을 얻을 수 있는 것이다.

이와 같이 된 본 발명은 기존의 열처리 공정으로 발생되는 결함을 개선하고, 열처리 품질을 향상시킬 수 있으며 또한, 품질을 획득함으로써 국제 경쟁력을 확보할 수 있으며, 국내 열처리업계로의 파급시 국내 기술수준의 국제적 수준으로 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

1차 가열로를 가열하여 930℃ ~ 950℃의 온도를 유지시켜 열처리 소재를 투입 후 120~150분 가열한 1차 가열공정이 끝남과 동시에 연속적으로 연동되는 제1소둔로로 유입하며,

외부면에 설치되는 파이프에 10℃~20℃의 온도를 유지하며 왕복 순환되는 냉각수에 의해 내부의 온도를 600℃~630℃를 유지한 상태의 제1소둔로의 내부 온도를 분당 80℃~100℃ 까지 급속히 냉각시켜 내부 온도가 600℃~630℃를 유지 한 제1소둔로에서 5~8분간 냉각시켜주며,

내부 온도를 650℃~680℃로 유지한 제2소둔로에 유입시킨 상태에서 다시 5~8분간 저온 유지를 시켜주며,

상기 제2소둔로에서 저온유지를 위해 5~8분간의 작업시간이 경과하면 열처리 소재는 다시 마지막으로 내부온도를 680℃~700℃로 유지시킨 소려로에 유입시켜 120~210분간 온도를 유지시켜 열처리하는 강종의 등온어닐링 방법.

1차 가열로를 가열하여 930℃ ~ 950℃의 온도를 유지시켜 열처리 소재를 투입 후 90~120분 가열한 1차 가열공정이 끝남과 동시에 연속적으로 연동되는 제1소둔로로 유입하며,

외부면에 설치되는 파이프에 10℃~20℃의 온도를 유지하며 왕복 순환되는 냉 각수에 의해 내부의 온도를 600℃~620℃를 유지한 상태의 제1소둔로의 내부 온도를 분당 80℃~100℃ 까지 급속히 냉각시켜 내부 온도가 580℃~620℃를 유지 한 제1소둔로에서 3~6분간 냉각시켜주며,

내부 온도를 580℃~620℃로 유지한 제2소둔로에 유입시킨 상태에서 다시 3~6분간 저온 유지를 시켜주며,

상기 제2소둔로에서 저온유지를 위해 3~6분간의 작업시간이 경과하면 열처리 소재는 다시 마지막으로 내부온도를 600℃~650℃로 유지시킨 소려로에 유입시켜 120~150분간 온도를 유지시켜 열처리하는 강종의 등온어닐링 방법.

1차 가열로를 가열하여 930℃ ~ 950℃의 온도를 유지시켜 열처리 소재를 투입 후 120~150분 가열한 1차 가열공정이 끝남과 동시에 연속적으로 연동되는 제1소둔로로 유입하며,

내부의 온도를 600℃~630℃를 유지한 상태의 제1소둔로의 내부 온도를 분당 80℃~100℃ 까지 급속히 냉각시켜 내부 온도가 600℃~630℃를 유지 한 제1소둔로에서 5~8분간 냉각시켜주며,

내부 온도를 650℃~680℃로 유지한 제2소둔로에 유입시킨 상태에서 다시 8~12분간 저온 유지를 시켜주며,

상기 제2소둔로에서 저온유지를 위해 3~6분간의 작업시간이 경과하면 열처리 소재는 다시 마지막으로 내부온도를 660℃~680℃로 유지시킨 소려로에 유입시켜 150~180분간 온도를 유지시켜 열처리하는 강종의 등온어닐링 방법.