KR20090000957A - 열처리강의 심냉처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열처리강의 심냉처리방법에 관한 것으로, 특히 심냉처리장치의 온도를 떨어트림에 있어서 각각의 열처리강의 특성에 따라 프로그램화 된 냉각온도까지 차츰 냉각시키는 방법을 채택하여 각각의 열처리강에 합당한 심냉처리를 자동으로 수행함으로 잔류 오스테나이트 제거하는 열처리강의 심냉처리방법에 관한 것이다.

따라서 본 발명에 따른 열처리강의 심냉처리방법에 의하면, 퀘칭 및 템퍼링 후 열처리강에 포함된 잔류 오스테나이트 조직을 마텐사이트 조직으로 변태하기 위한 필수적인 공정으로 심냉처리를 함에 있어서, 고가의 고압설비를 필요치 않으므로 보다 저렴하게 심냉처리장치를 설비 할 수 있을 뿐만 아니라, 심냉처리온도에서는 물론이고 상온에서 액체 상태를 유지하는 냉매를 사용함으로써 그 취급이 간편하므로, 궁극적으로 심냉처리방법을 보편화하여 금형과 같은 열처리강 제품의 수명연장 및 그에 따른 생산성 향상을 기대할 수 있다.

심냉처리장치, 금형, 오스테나이트, 냉매

Description

열처리강의 심냉처리방법{Sub-zero treatment of steel}

도 1은 본 발명에 따른 심냉처리장치를 나타내는 사시도

도 2는 본 발명에 따른 심냉처리장치를 나타내는 종단면도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 심냉처리장치 20: 냉각장치

30: 제어기 40: 용기

50: 냉각파이프 60: 단열재

70: 덮개 80: 금형

90: 냉매

본 발명은 열처리강의 심냉처리방법에 관한 것으로, 특히 심냉처리장치의 온도를 떨어트림에 있어서 각각의 열처리강의 특성에 따라 프로그램화 된 냉각온도까지 차츰 냉각시키는 방법을 채택하여 각각의 열처리강에 합당한 심냉처리를 자동으 로 수행함으로 잔류 오스테나이트 제거하는 열처리강의 심냉처리방법에 관한 것이다.

일반적으로 강(steel)은 열처리를 함으로써 내구성과 내마모성을 증대하는 바, 통상적인 열처리방법은 고탄소 또는 고합금강을 고온으로 가열하여 급냉하는 퀘칭(quenching, 담금질)을 한 후 템퍼링(tempering, 뜨임)을 하는 것으로, 상기와 같은 통상적인 퀘칭 후 템퍼링에 의한 열처리 방법에 의하면 강의 조직이 오스테나이트(austenite)에서 마텐사이트(martensite)로 변태함으로써 강의 마모특성이 향상되는 것이다.

그러나 상기 마텐사이트로 변태된 강의 조직에는 필연적으로 잔류 오스테나이트 조직을 포함하며, 잔류 오스테나이트 조직은 열처리강의 마모 및 열처리강을 이용한 제품의 수명에 악영향을 미치는 바, 이를 하기에서 보다 상세히 살펴본다.

열처리강에 포함된 잔류 오스테나이트(retained austenite)는 사용여건에 따라 점진적으로 마텐사이트 조직으로 변태하는 바, 예컨대 상기 열처리 공정을 거친 금형의 경우 금형의 사용에 따른 온도 상승에 의해 잔류 오스테나이트가 서서히 마텐사이트 조직으로 변태함에 따라 팽창하여 치수 변형과 조기마모 및 변태 응력으로 인한 경화층 표면에 균열이 발생할 뿐만 아니라, 잔류 오스테나이트 조직과 마텐사이트 조직 사이에 미세한 크랙(crack)이 발생하여 치수 변형과 아울러 피로강 도에 치명적인 저하를 유발함으로써, 결과적으로 금형의 조기 폐기에 따른 경제적 손실과 금형의 교체주기가 짧아지는 것에 따른 생산성 저하의 문제점을 야기한다.

한편, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하는 방법으로 열처리강을 심냉처리(sub-zero)하는 방법이 공지되어 있는데, 상기 심냉처리방법은 퀘칭 및 템퍼링한 열처리강을 0℃ 이하의 온도(통상 -80℃ 내외)로 냉각하여 잔류 오스테나이트 조직을 마텐사이트화 하는 처리방법으로, 잔류 오스테나이트에 의한 퀘칭경도의 저하, 치수 불안정, 연마균열의 문제점을 해소하여 퀘칭경도의 향상 및 경도를 균일화시켜 내마모성을 향상함과 아울러 치수 안정성을 보장할 수 있다.

상기 공지된 열처리강의 심냉처리방법은 액체질소, 액체수소, 액체헬륨 등의 액화가스를 금형에 분사하여 금형으로부터 상기 액화가스가 기화열을 흡수하는 방법을 취하며, 대부분의 경우 액체질소를 주로 사용한다.

그러나, 상기 종래 심냉처리방법은 액화가스를 사용함으로써 고압용기를 포함한 고가의 설비를 필요로 함과 아울러 액체질소, 액체수소, 액체헬륨과 같은 액화가스를 냉매로 사용하여 취급이 까다롭고 폭발의 위험이 있어 그 필요성에도 불구하고 열악한 국내 실정에 의해 널리 보급되지 못한 문제점이 있으며, 한편으론 금형에 분사되는 액화가스의 분포가 균일하지 않음으로써 금형의 두께가 두꺼운 부분과 얇은 모서리 부분의 냉각속도의 차이에 따라 금형 등의 대상물에 균열을 유발 하는 문제점이 있었다.

즉, 금형을 포함한 열처리강의 경우 내마모성과 치수안정성을 위하여 심냉처리가 필수적임에도 불구하고 국내에서는 선택적으로 심냉처리가 이루어짐으로써, 선진국에서 제작된 금형에 비하여 국내에서 제작된 금형의 수명이 짧은 주요 원인으로 작용하는 바, 이는 국내 관련업체의 사정에 비추어 종래의 심냉처리방법이 고가의 설비를 필요로 함과 아울러 그 취급이 용이하지 못하는 것에서 기인한다 할 것이다.

따라서, 여타 선진국에서 금형이나 각종 공구 등에 필수적으로 적용하는 심냉처리를 국내에 보편화하기 위해서 그 설비가 저렴하고도 취급이 용이한 심냉처리방법의 제공이 시급한 한편, 종래 심냉처리시 냉각속도의 차이에 따른 균열을 방지할 수 있는 심냉처리방법이 제공되어야 할 것이다.

나아가 이러한 심냉처리에 있어서 가장 큰 문제점은 심냉을 위한 냉매를 열처리강의 종류에 따라 다른 심냉의 온도(공지됨)로 냉각시킨 상태에서 상기 열처리강을 투입하여 심냉시키는 것이다. 이는 일반적으로 미리 셋팅해야만 하는 번거러움이 있고, 다양한 열처리강의 종류에 부합하게 셋팅을 다시 처리해야만 하는 문제점도 발생된다.

상기한 문제점을 해결한 본 발명은 열처리강의 심냉처리방법에 관한 것으로, 특히 심냉처리장치의 온도를 떨어트림에 있어서 각각의 열처리강의 특성에 따라 프로그램화 된 냉각온도까지 차츰 냉각시키는 방법을 채택하여 각각의 열처리강에 합당한 심냉처리를 자동으로 수행함으로 잔류 오스테나이트 제거하는 열처리강의 심냉처리방법을 제공하고자 한다.

따라서 본 발명은 열처리강의 심냉처리방법에 있어서, 심냉처리장치의 내부에, 상온에서 액체 상태이고 응고점이 -80~-150℃인 실리콘오일을 채운 용기를 비치한 뒤, 실리콘오일에 열처리강을 담가 온도를 차츰 떨어트리므로 열처리강과 실리콘오일을 열평형시켜 심냉처리하는 열처리강의 심냉처리방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 열처리강의 심냉처리방법에 관한 것이다. 따라서 본 발명을 도시된 도 1과 2를 통해 상세히 설명한다.

즉, 본 발명은 심냉처리장치의 내부에, 상온에서 액체 상태이고 응고점이 -80~-150℃인 실리콘오일을 채운 용기를 비치한 뒤, 실리콘오일에 열처리강을 담가 온도를 차츰 떨어트리므로 열처리강과 실리콘오일을 열평형시켜 심냉처리하는 심냉처리방법이다.

보다 상세히 설명하자면, 본 발명에 따른 열처리강의 심냉처리방법은, 통상의 냉각장치가 구비된 심냉처리장치의 용기 내부에 상온에서 액체상태이고 응고점이 -80℃ ~ -150℃ 사이인 냉매를 채우게 된다. 심냉처리장치 내부에 별도의 용기를 내장하고 이 내장된 용기의 내부에 냉매를 채우는 것이다. 이때 이 용기의 내부에는 다시 다양한 종류의 열처리강을 투입하게 되는데, 이 각각의 열처리강에서 오스테나이트의 잔류량을 최소한으로 유지시키기 위한 심냉온도는 이미 연구를 통해 공지된 상태이다.

본 발명은 바로 이러한 공지된 심냉의 온도가 이미 심냉처리장치의 제어부에 입력이 된 상태이기에 입력된 온도로 냉각을 시작하는 것이다. 본 발명에서 중요한 점은 종래의 심냉처리장치나 방법에서는 이미 열처리강의 종류에 따라 공지된 온도로 냉매의 온도를 떨어트린 상태에서 열처리강을 투입하고 있지만, 본 발명은 미리 열처리강을 냉매의 내부에 투입한 상태에서 심냉처리장치를 가동함으로 온도를 떨어트려 상기 공지된 입력 온도로 떨어트린다는 것이다. 이러한 방법은 미리 셋팅을 할 필요가 없고, 그에 따라 적정온도의 유지와 심냉처리장치의 도어를 개폐하는 동안에 발생되는 외부공기와의 접촉으로 내부 온도의 심각한 변화에 두려울 필요가 없다. 본 발명의 가장 중요한 점은 미리 열처리강을 내장하고, 그 후에 차츰 온도를 하강시켜 공지된 심냉 온도로 떨어트려 준다는 것이다.

물론 이렇게 냉매의 온도가 하강하게 되면, 냉매와 그 내부에 투입된 대상물인 열처리강이 열평형을 이룸으로써 심냉처리되는 것이다.

그럼 여기서 본 발명의 바람직한 실시예를 하기에서 도면을 참조하여 보다 상세히 살펴본다.

도 1은 본 발명에 따른 심냉처리장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 심냉처리장치의 종단면도 이다.

본 발명에 따른 열처리강의 심냉처리방법의 바람직한 실시예를 살펴보면, 전원공급기 및 온도제어수단 등 통상의 제어기(30)를 포함하는 냉각장치(20)가 구비된 심냉처리장치(10)를 구성하되, 상기 심냉처리장치(10)에는 냉매(90)가 채워지는 용기(40)가 형성되는 바, 상기 용기(40)의 외주면 및 바닥면에는 냉각장치(20)의 냉각파이프(50)를 나관식으로 형성함과 아울러 냉각파이프(50)의 바깥측면은 통상의 단열재(60)로써 커버하고, 용기(40)의 상부에는 덮개(70)를 형성함이 바람직하다.

상기 심냉처리장치의 용기(40)에 채워지는 냉매(90)는 열처리강의 심냉처리온도인 -80℃ 내외에서 응고하지 않도록 응고점이 -80℃ ~ -150℃ 사이이어야 함과 아울러 그 취급이 용이하도록 상온에서 액체 상태의 조건을 만족하여야 하는 바, 에탄올(ethanol)이나 메탄올(methanol) 또는 온도에 따른 점성계수 변화가 작고 응고점이 낮은 실리콘유(silicone oil)를 사용함이 바람직하다.

상기 에탄올의 응고점은 -114.5℃이고, 메탄올의 응고점은 -97.78℃이며, 실리콘 오일은 그 종류에 따라 다소 유동적인 한편, 도면 중 미설명 부호인 "8"는 심냉처리의 대상물인 열처리강으로서 금형(80)이다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열처리강의 심냉처리방법 및 그 작용을 살펴보면, 심냉처리장치(10)의 용기(40) 내부에 냉매(90)로서 에탄올 또는 메탄올 또는 실리콘오일을 채우고, 상기 냉매(90)에 심냉처리하고자 하는 대상물인 금형(80)을 상기 냉매(90)에 담그는 것이다.

그후 냉각장치(20)로써 통상의 심냉가공온도인 -80℃로 냉각시키면서 냉매(90)와 금형(80)이 열평형을 이루도록 하여 심냉처리를 한다. 따라서 상기 금형(80)에 포함된 잔류 오스테나이트가 마텐사이트로 변태함으로써 잔류 오스테나이트를 원인으로 하는 퀘칭경도의 저하 및 치수 불안정과 연마균열의 문제점을 해소하여 열처리강의 퀘칭경도를 향상할 수 있을 뿐만 아니라 경도를 균일화시켜 내마모성을 향상함과 아울러 치수 안정성을 보장할 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 열처리강의 심냉처리방법에 의하면, 퀘칭 및 템퍼링 후 열처리강에 포함된 잔류 오스테나이트 조직을 마텐사이트 조직으로 변태하기 위한 필수적인 공정으로 심냉처리를 함에 있어서, 고가의 고압설비를 필요치 않으므로 보다 저렴하게 심냉처리장치를 설비 할 수 있을 뿐만 아니라, 심냉처리온도에서는 물론이고 상온에서 액체 상태를 유지하는 냉매를 사용함으로써 그 취급이 간편하므로, 궁극적으로 심냉처리방법을 보편화하여 금형과 같은 열처리강 제품의 수명연장 및 그에 따른 생산성 향상을 기대할 수 있다.

또한, 액체질소와 같은 액화가스를 열처리강에 분사하여 기화열을 흡수하는 종래 심냉처리방법과 달리, 본 발명은 열처리강을 액체 냉매에 담가 열평형을 이루는 방법을 취함에 따라 열처리강 전체를 균일하게 냉각할 수 있음으로, 종래 불균일한 액화가스의 분사에 따른 불균일한 금형의 냉각으로 인한 열처리강의 균열을 예방한다.

Claims (1)

1. 열처리강의 심냉처리방법에 있어서,

   심냉처리장치의 내부에, 상온에서 액체 상태이고 응고점이 -80~-150℃인 실리콘오일을 채운 용기를 비치한 뒤, 실리콘오일에 열처리강을 담가 온도를 차츰 떨어트리므로 열처리강과 실리콘오일을 열평형시켜 심냉처리하는 것을 특징으로 하는 열처리강의 심냉처리방법.

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