KR20090132611A - 감압 열처리용 지그 및 감압 열처리 방법 - Google Patents

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Abstract

철계의 피처리재(8)를 대기압보다도 감압한 감압 분위기 중에 있어서 열처리할 때에 피처리재(8)를 지지하기 위해 사용하는 감압 열처리용 지그(1)이며, 지그(1)는 철계 재료로 이루어지는 동시에, 적어도 피처리재(8)와 접촉하는 표면에, 열처리 중에 있어서 잔존하는 재료로 이루어지는 피막(2)이 형성되어 있다. 피막(2)은 감압 분위기에서의 열처리 온도보다도 증발 온도가 높은 금속 산화물을 함유하여 이루어지는 것이 바람직하다. 피막(2)은 알루미나를 함유하는 것이 바람직하다.
감압 열처리용 지그, 피막, 알루미나, 금속 산화물, 피처리재

Description

감압 열처리용 지그 및 감압 열처리 방법 {JIG FOR VACUUM HEAT TREATMENT AND METHOD OF VACUUM HEAT TREATMENT}
본 발명은 감압 분위기 하에 있어서 열처리를 행할 때에 피처리재를 지지하기 위한 열처리용 지그 및 이것을 사용한 감압 열처리 방법에 관한 것이다.
탄소강 혹은 특수강 등의 강으로 대표되는 철계 재료로 이루어지는 각종 부재는, 예를 들어 감압 침탄 처리 등의 감압 하에서의 열처리가 실시되는 경우가 있다. 이 경우에, 철계 재료로 이루어지는 피처리재는 열처리노 내에 배치되는 경우에, 직접 배치되는 것이 아니라, 열처리용 지그에 의해 지지된 상태로 배치되는 것이 통상이다.
상기 열처리용 지그로서는, 내열성이 우수하고, 내구성이 있는 Ni강 등의 강으로 대표되는 철계 재료가 사용된다.
또한, 감압 열처리로서는, 예를 들어 이하의 특허 문헌 1에 기재된 것이 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공개 평8-325701호 공보
그런데, 철계 재료로 이루어지는 열처리용 지그 상에 철계 재료로 이루어지는 피처리재를 지지하여 열처리하는 경우라도, 통상의 대기압 정도의 분위기 하에 있어서 열처리를 행하는 경우에는, 피처리재와 열처리용 지그 사이에 있어서 큰 문제가 발생하는 경우가 없다.
그러나, 대기압보다도 감압한 분위기 하에서 열처리를 행한 경우에, 열처리용 지그와 이것에 지지된 피처리재가 고착된다고 하는 문제가 발생하는 경우가 있었다.
고착의 정도가 약간이라 하더라도, 예를 들어 치수 정밀도의 요구가 매우 심한 피처리재의 경우에는, 치수 정밀도가 악화되어 불량품으로 되어 버리는 경우도 발생할 수 있다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 감압 열처리를 행한 경우에도 열처리용 지그와 피처리재가 고착되는 것을 방지할 수 있는 감압 열처리용 지그 및 이것을 사용한 감압 열처리 방법을 제공하고자 하는 것이다.
제1 발명은, 철계의 피처리재를 대기압보다도 감압한 감압 분위기 중에 있어서 열처리할 때에 상기 피처리재를 지지하기 위해 사용하는 감압 열처리용 지그이며,
상기 지그는 철계 재료로 이루어지는 동시에, 적어도 상기 피처리재와 접촉하는 표면에, 상기 열처리 중에 있어서 잔존하는 재료로 이루어지는 피막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 감압 열처리용 지그에 있다.
본 발명의 감압 열처리용 지그(이하, 적절하게 「지그」라고 함)는 상기와 같이, 철계 재료로 이루어지지만, 그 표면 중, 적어도 상기 피처리재와 접촉하는 표면에 상기 피막을 형성하고 있다. 이 피막은 상기 열처리 중, 즉 상기 감압 분위기에서 열처리 온도까지 승온하여 유지하고 있는 동안, 연소나 증발 등을 하지 않고 잔존하는 재료로 이루어지는 피막이다.
철계 재료로 이루어지는 지그 표면 및 피처리재에는, 통상 산화철의 피막이 형성되어 있다. 발명자들의 조사의 결과, 산화철의 피막은 감압 하의 고온 분위기 하에 있어서 증발하기 쉬운 것이 판명되었다. 그리고, 산화철이 증발한 표면에는 철계 재료의 신생면(新生面)이 나타나므로, 지그와 피처리재는 신생면끼리가 접촉한 상태로 고온 하에 노출되게 된다. 그 결과, 지그와 피처리재가 고착하는 경우가 발생하고 있는 것으로 추정되었다.
본 발명의 지그는 상기와 같은 재료로 이루어지는 피막이 형성되어 있고, 이 피막은 상기 열처리 중에 있어서 증발 등을 하지 않고 잔존한다. 그로 인해, 상기 지그의 표면 중 상기 피막을 형성한 면은 철계 재료의 신생면이 나타나지 않고, 피막에 덮인 상태로 있게 된다. 그로 인해, 피처리재와 지그가, 열처리 중에 신생면끼리 접촉하는 것을 방지할 수 있어, 양자가 고착되는 것을 확실하게 방지할 수 있다.
그리고, 이 지그를 사용하면, 예를 들어 치수 정밀도의 요구가 매우 엄격한 피처리재를 처리하는 경우에 있어서도 고착에 의한 변형 등을 방지할 수 있어, 품질 향상에도 기여할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면, 감압 열처리를 행한 경우에도 열처리용 지그와 피처리재가 고착되는 것을 방지할 수 있는 감압 열처리용 지그를 제공할 수 있다.
제2 발명은, 철계의 피처리재를 대기압보다도 감압한 감압 분위기 중에 있어서 열처리를 행할 때에, 상기 피처리재를 제1 발명의 감압 열처리용 지그에 의해 지지하여 행하는 것을 특징으로 하는 감압 열처리 방법에 있다.
본 발명의 감압 열처리 방법은 상술한 매우 우수한 지그에 피처리재를 지지하여 실시한다. 그로 인해, 상술한 바와 같이, 감압 하에 있어서 열처리해도, 피처리재와 지그가 고착되는 것을 확실하게 방지할 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 있어서의 감압 열처리용 지그의 구조를 도시하는 설명도.
도 2는 제1 실시예에 있어서의 피처리재(링 기어)의 구조를 도시하는 도면으로, (a)는 평면도, (b)는 단면도.
도 3은 제1 실시예에 있어서의 고온ㆍ감압 하에 있어서의 금속 산화물의 증기압 곡선을 도시하는 설명도.
도 4는 제2 실시예에 있어서의 감압 열처리용 지그의 구조를 도시하는 설명도.
도 5는 제3 실시예에 있어서의 본 발명의 감압 열처리용 지그를 사용한 경우의 BBD 타원 측정 결과를 나타내는 설명도.
도 6은 제3 실시예에 있어서의 종래의 감압 열처리용 지그를 사용한 경우의 BBD 타원 측정 결과를 나타내는 설명도.
본 발명의 감압 열처리용 지그는 상기와 같이 철계 재료를 사용하여 구성한다. 철계 재료로서는, 열처리 온도가 매우 고온인 경우에는 Ni강과 기타 각종 공지의 내열강을 사용할 수 있다. 또한, 그 형상은 피처리재를 지지하는 데 적합한 다양한 형상을 채용할 수 있다.
또한, 상기 피막으로서는, 상기 감압 분위기에서 열처리 온도로 승온한 경우에 증발 등을 하지 않고 안정적으로 잔존하는 재료이면, 다양한 재료를 사용할 수 있다.
그 중에서도 특히, 상기 피막은 상기 감압 분위기에서의 상기 열처리 온도보다도 증발 온도가 높은 금속 산화물을 함유하여 이루어지는 것이 바람직하다. 증발 온도가 높은 금속 산화물인 것에 의해, 열처리 중에 있어서도 안정적으로 존재하여, 상기한 고착 방지 효과를 확실하게 얻을 수 있다.
또한, 상기 피막은 알루미나를 함유하는 것이 바람직하다. 알루미나(Al2O3)는 후술하는 도 3으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 도 3에 도시된 전체 압력 범위에 있어서도, 산화철(FeO)보다도 증발 온도가 높아, 통상 행해지는 열처리 온도(950℃ 이상)에 있어서는, 안정적으로 존재한다. 또한, 비교적 저렴하고, 취급도 비교적 용이하므로, 상기 피막의 재질로서 매우 유효하다.
또한, 상기 피막은 상기 금속 산화물을 구성하는 금속의 용융욕 내에 상기 지그를 침지하여 상기 지그의 표면에 금속을 배치하고, 그 후, 공기 중에 방치 또 는 가열 처리를 행하여 상기 금속 산화물을 생성시킴으로써 형성할 수 있다. 이 경우에는, 용융 금속과 지그의 접촉에 의해, 지그 표면에 금속을 밀착시켜 배치시킬 수 있어, 밀착성이 높은 상기 피막을 형성할 수 있다. 또한, 용융 금속이 지그의 철계 재료 표면에 침투하여 합금화하는 효과도 얻어져, 피막의 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 금속이 공기 중에서 산화되기 쉬운 재료, 예를 들어 알루미늄 등인 경우에는 공기 중에 방치하는 것만으로 안정된 금속 산화물을 생성시킬 수 있다.
또한, 상기 피막은 상기 금속 산화물의 입자를 함유하는 도료 또는 슬러리를 상기 지그의 표면에 도포함으로써 형성할 수도 있다. 이 경우에는, 매우 간단하게 상기 피막을 형성할 수 있다. 도포하는 도료 또는 슬러리는 적어도 상기 금속 산화물의 입자를 함유하는 것이면 다양한 형태를 취할 수 있다. 그리고, 도포 방법도 공지의 다양한 방법을 이용할 수 있다. 도포 후에는 필요에 따라서 가열하여 베이킹하는 것도 유용하다.
상기 피막의 형성 방법으로서는, 상기한 예로 한정되지 않고, 다양한 방법을 채용할 수 있다.
또한, 상기 피막은, 기능적으로는, 상기와 같이 적어도 상기 피처리재와 접촉하는 표면에 형성되어 있으면 된다. 그러나, 예를 들어 상기 피막을 부분적으로 형성하는 것보다도, 지그 전체에 피막을 형성한 쪽이 용이한 경우가 있다. 따라서, 상기 피막은 상기 지그의 대략 전체면에 배치되어 있어도 좋다.
또한, 상기 열처리는 감압 침탄 처리인 것이 바람직하다. 감압 침탄 처리는 강 재료의 표면 개질 방법으로서, 매우 유효한 침탄 처리를 감압 하에 있어서 행하는 것이다. 감압 침탄 처리를 행하는 경우에는, 특히 철계 재료로 이루어지는 지그와 피처리재가 고착하기 쉽다고 하는 문제가 있었다. 그로 인해, 이 감압 침탄 처리에 있어서 상기 지그를 사용하여 고착을 방지하는 것은 매우 유효하다.
또한, 상기 열처리의 감압 상태는 0.001 내지 0.1bar의 범위로 할 수 있다. 감압 열처리로서는, 이 감압 범위에 있어서 행해지는 경우가 많으므로, 이 분위기 조건에 있어서 실시되는 열처리에 상기 지그를 사용하는 것은 매우 유효하다.
또한, 상기 피처리재가, 대략 원통 형상의 링부를 갖고, 상기 링부의 외주면 또는 내주면에 스플라인 기어를 형성하여 이루어지는 링 기어인 경우에는, 특히 유효하다. 상기 링 기어는 치수 정밀도의 요구가 매우 엄격한 부품으로, 고착이 발생하는 것에 기인하는 약간의 변형이나 치수 정밀도의 악화가 큰 문제로 된다. 따라서, 상기 링 기어에 대한 감압 열처리에 적용하는 것은 매우 유효하다.
(제1 실시예)
본 발명의 실시예에 관한 감압 열처리용 지그 및 감압 열처리 방법에 대해, 도면을 사용하여 설명한다.
본 예에서는 탄소강으로 이루어지는 피처리재(8)로서의 링 기어를 대기압보다도 감압한 감압 분위기 중에 있어서 열처리하는 방법을 예로 들어, 이 처리에 사용하는 감압 열처리용 지그(1)(이하, 적절하게 「지그(1)」라고 함)에 대해서도 설명한다.
본 예의 피처리재(8)는, 도 2에 도시한 바와 같이 원통 형상의 링부(80)를 갖고, 상기 링부(80)의 내주면에 스플라인 기어(81)를 형성하여 이루어지는 링 기어이다. 이 링 기어는 자동차용 자동 변속기(A/T)에 내장되는 부품으로, 진원도 등의 치수 정밀도에 대한 요구가 매우 높다.
이 피처리재(8)를 지지하는 지그(1)는, 도 1에 도시한 바와 같이 상기 피처리재(8)의 축심을 수직 방향으로 하여 지지하는 타입의 지그이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 지그(1)는 다수의 공극(10)을 골격부(11)에 의해 둘러싸도록 설치한 골격 구조를 갖고 있고, 열처리의 분위기 가스가 유통 가능하게 되어 있다. 또한, 지그(1)는 복수의 위치 결정 돌기부(12)를 갖고 있어, 각 피처리재(8)의 지지 위치를 용이하게 정할 수 있도록 구성되어 있다.
그리고, 지그(1)는 각 골격부(11)의 상면에 피처리재(8)의 링부(80)의 단부면이 접촉한 상태로 피처리재(8)를 지지하도록 구성되어 있다.
또한, 지그(1)는 철계 재료, 구체적으로는, 재질로서 내열주강 SCH13을 채용하였다. 그리고, 지그(1)의 골격부(11)의 상면에, 후술하는 본 예의 감압 열처리의 처리 중에 잔존하는 피막(2)이 형성되어 있다.
본 예의 피막(2)은 알루미나를 가장 많은 성분으로서 함유하는 막이고, 알루미늄 확산 침투 피막 처리 방법에 의해 형성하였다.
또한, 본 예에서 행하는 감압 열처리는 감압 침탄 처리이다.
구체적으로는, 분위기 가스로서는 침탄용 아세틸렌을 사용하고, 그 압력은 0.001bar로 감압하고, 침탄 온도는 950℃로 하고, 소정 시간 유지 후에 서냉하는 처리이다.
그리고, 이 감압 침탄 처리는, 상술한 도 1에 도시한 바와 같이 피막(2)을 표면에 갖는 상기 지그(1)에 의해 피처리재(8)를 지지한 상태로 실시한다.
상기 감압 침탄 처리를 행한 후, 피처리재(8)를 지그(1)로부터 제거할 때에, 양자 사이에 고착이 발생되어 있는지 여부를 조사한 결과, 고착된 개소는 전혀 없었다.
피막(2)을 갖고 있지 않은 종래의 지그에 의해 상기와 동일한 감압 침탄 처리를 행한 경우에 고착이 발생하고 있었던 것을 고려하면, 본 예의 지그(1)를 사용하는 것이 매우 유효한 것을 알 수 있다.
이와 같은 우수한 작용 효과가 얻어지는 이유는, 다음과 같이 추정된다.
도 3에는 고온ㆍ감압 하에 있어서의 금속 산화물의 증기압 곡선이 도시되어 있다. 도 3에는 본 예의 열처리 조건, 즉 감압도와 온도의 조건점(부호 A)을 플롯하고 있다.
도 3으로부터는, 적어도 상기 조건점에 있어서는, 산화철(FeO)은 증발하여 안정적으로는 존재할 수 없고, 한편, 알루미나(Al2O3)는 산화물의 상태로 안정되어 존재할 수 있는 것을 알 수 있다. 이 현상은 본 예의 침탄용 아세틸렌 분위기에 있어서도 마찬가지로 발생한다고 생각된다.
따라서, 종래에는 지그(1)의 표면 및 피처리재(8)의 표면이 감압 열처리 중에 산화철이 없는 신생면으로 되어 있었지만, 본 예에서는, 지그(1)의 표면에는 알루미나를 포함하는 피막(2)이 안정적으도 계속해서 존재한다. 이들의 차이가, 고 착의 발생과 고착의 방지의 차를 만들어 내고 있다고 생각된다.
(제2 실시예)
본 예에서는, 제1 실시예에 있어서의 지그(1) 대신에, 도 4에 도시한 바와 같이, 감압 열처리용 지그(3)(이하, 적절하게 「지그(3)」이라고 함)를 사용한 예이다. 피처리재(8) 및 감압 침탄 처리는 제1 실시예와 마찬가지이다.
본 예의 지그(3)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 피처리재(8)의 축심을 수평 방향으로 하여, 지그(3)의 일부인 현수 프레임(35)에 현수한 상태로 지지하도록 구성된 지그이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 지그(3)의 저판부(31)는 다수의 공극(320)을 형성한 골격 구조를 갖고 있어, 분위기 가스가 유통 가능하게 되어 있다. 저판부(31)에는 복수의 지주부(32)가 세워지고, 또한 지주부(32)에 의해, 횡 프레임(34) 및 현수 프레임(35)을 지지하도록 구성되어 있다.
그리고, 본 예에서 주목해야 할 점은, 상기 현수 프레임(35)의 표면에 제1 실시예와 동일한 피막(2)을 형성한 것이다.
그리고, 본 예의 지그(3)를 사용하여 감압 침탄 처리를 행해도, 현수 프레임(35)과 피처리재(8)의 접촉부에 있어서의 고착의 발생이 전혀 없었다.
(제3 실시예)
본 예에서는, 제1 실시예에 기재된 지그(1)를 사용하여 상기 감압 침탄 처리를 행한 경우의 효과를 명확하게 하기 위해, 피처리재(8)의 처리 후의 치수 정밀도를 측정하여 평가하는 시험을 행하였다.
구체적으로는, 상기 지그(1)와는 별도로, 피막(2)을 형성하고 있지 않은 동 일 형상의 종래의 지그를 준비하여, 각각 제1 실시예와 동일한 감압 침탄 처리를 2챠지씩 행하여, 합계 각각 336개의 피처리재(8)의 열처리를 행하였다.
치수 정밀도의 평가는, 소위 「BBD 타원」의 측정에 의해 행하였다. 구체적으로는, 도 2에 도시한 바와 같이 스플라인 기어(81)의 골부분에 접촉하도록 소정의 직경의 강구(88)를 배치하고, 대향하는 경구(88)끼리의 내경 치수를 측정하여 얻어진 치수인 「BBD」를 구한다. 이 측정을 축방향 3개소[도 2의 (b)의 a 위치, b 위치 및 c 위치]에 있어서, 전체 둘레에 대해 행하여, 그 측정치의 평균치(Ave), 최대치(Max), 최소치(Min)를 구한다.
다음에, 축방향의 각 측정 위치에 있어서의 상기 「BBD」의 최대치와 최소치의 차를 「BBD 타원(㎛)」으로서 구하였다.
본 예에서는, 상기 축방향 위치의 b 위치(축방향 중앙부)를 대표로서 예로 들어, 도 5 및 도 6에 도시하였다. 도 5는 제1 실시예에 도시한 본 발명의 지그(1)를 사용하여 감압 침탄 처리를 행한 본 발명의 실시예의 결과를 나타내는 것이다. 도 6은 피막을 갖고 있지 않은 종래의 지그를 사용하여 감압 침탄 처리를 행한 종래예의 결과를 나타내는 것이다. 도 5 및 도 6의 횡축은 BBD 타원(㎛)의 값을, 종축에 개수를 취한 것이다.
도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 피막(2)을 갖는 지그(1)를 사용한 경우에는, BBD 타원이 돌발적으로 치수 정밀도가 나쁜 것은 1개도 발생하고 있지 않고, 또한 평균치(X1) 및 평균치 + 3σ(X1 + 3σ1), (σ : 표준 편차)의 값 도 후술하는 종래예보다 대폭으로 작아져 있는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 예에서는, 지그(1)로부터 피처리재(8)를 제거할 때에 전혀 저항이 없어, 고착이 전혀 없었다.
한편, 도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 피막을 갖고 있지 않은 종래의 지그를 사용한 경우에는, BBD 타원이 매우 큰 값으로까지 악화된 것이 빈발했다. 이들의 돌발적으로 BBD 타원이 악화된 것은, 모두 지그로부터 피처리재(8)를 제거할 때에, 저항이 있고, 어느 정도의 고착이 발생되어 있었다. 또한, 고착의 유무는 피처리재(8)를 지그로부터 제거할 때의 응력을 측정함으로써 확인할 수 있다.
또한, 종래예에서는 평균치(X2) 및 평균치 + 3σ(X2 + 3σ2), (이들은 돌발적으로 큰 값의 것을 제외하고 산출하였음)의 값은 본 발명의 것보다 크게 되어 있었다. 본 발명의 경우와 종래예의 경우를 평균치 및 평균치 + 3σ의 차로 비교하면, 각각 X2 - X1 = 12㎛, (X2 + 3σ2) - (X1 + 3σ1) = 43㎛이고, 이들의 값만큼 본 발명의 쪽이 BBD 타원이 우수한 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 예에 따르면, 제1 실시예의 피막(2)을 갖는 지그(1)를 사용하여 감압 침탄 처리를 행하는 것이, 링 기어[피처리재(8)]의 품질 향상에 매우 유효한 것을 알 수 있다.

Claims (10)

  1. 철계의 피처리재를 대기압보다도 감압한 감압 분위기 중에 있어서 열처리할 때에 상기 피처리재를 지지하기 위해 사용하는 감압 열처리용 지그이며,
    상기 지그는 철계 재료로 이루어지는 동시에, 적어도 상기 피처리재와 접촉하는 표면에, 상기 열처리 중에 있어서 잔존하는 재료로 이루어지는 피막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 감압 열처리용 지그.
  2. 제1항에 있어서, 상기 피막은 상기 감압 분위기에서의 상기 열처리 온도보다도 증발 온도가 높은 금속 산화물을 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 감압 열처리용 지그.
  3. 제2항에 있어서, 상기 피막은 알루미나를 함유하는 것을 특징으로 하는, 감압 열처리용 지그.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 피막은 상기 금속 산화물을 구성하는 금속의 용융욕 내에 상기 지그를 침지하여 상기 지그의 표면에 금속을 배치하고, 그 후, 공기 중에 방치 또는 가열 처리를 행하여 상기 금속 산화물을 생성시킴으로써 형성하는 것을 특징으로 하는, 감압 열처리용 지그.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 피막은 상기 금속 산화물의 입자를 함유하는 도료 또는 슬러리를 상기 지그의 표면에 도포함으로써 형성하는 것을 특징으로 하는, 감압 열처리용 지그.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피막은 상기 지그의 대략 전체면에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 감압 열처리용 지그.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열처리는 감압 침탄 처리인 것을 특징으로 하는, 감압 열처리용 지그.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열처리의 감압 상태는 0.001 내지 0.1bar의 범위인 것을 특징으로 하는, 감압 열처리용 지그.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피처리재는 대략 원통 형상의 링부를 갖고, 상기 링부의 외주면 또는 내주면에 스플라인 기어를 형성하여 이루어지는 링 기어인 것을 특징으로 하는, 감압 열처리용 지그.
  10. 철계의 피처리재를 대기압보다도 감압한 감압 분위기 중에 있어서 열처리를 행할 때에, 상기 피처리재를 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 감압 열처리용 지그에 의해 지지하여 행하는 것을 특징으로 하는, 감압 열처리 방법.
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