KR20100070506A - 금속 표면 처리 방법 및 처리 장치 - Google Patents

Abstract

금속 조직을 더욱 미세화 함으로써 금속 표면 조직의 인성을 향상시키고 잔류 응력이 존재함으로써 고강도화는 물론 내 충격성과 내 피로 특성을 획기적으로 개선할 수 있도록, 금속 표면에 레이저를 조사하여 급속 가열하는 단계와, 가열된 부위를 두들기는 단조 가공단계를 포함하는 금속 표면 처리 방법을 제공한다.

레이저빔, 단조, 회전판, 빔홀, 단조툴

Description

금속 표면 처리 방법 및 처리 장치{METHOD AND DEVICE FOR TREATING METAL SURFACE}

본 발명은 금속 표면의 처리 방법 및 처리 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 금속 표면을 처리하여 고강도이며 내마모성과 내충격성 등의 표면 특성을 향상시킬 수 있도록 된 금속 표면 처리 방법 및 처리장치에 관한 것이다.

금속 표면의 강도를 높이고 내마모성과 내충격성 등의 표면 특성을 개선하기 위하여 열처리가 행해진다.

이를 위해 고주파 열처리, 레이저 열처리, 레이저 피닝(laser peening), 숏블라스트 피닝(shot blast peening), 초음파 텍스쳐링(texturing) 등 다양한 기술이 개발되어 금속의 표면 특성을 개선시켜왔다.

그러나, 상기한 대부분의 기술들은 급가열과 급냉에 의한 표면 경화만 일어나므로, 금속 표면이 고강도화 되면서 내 충격성 또는 내 피로 특성은 저하될 가능성이 높다는 단점이 있다. 또한, 인성이 저하되어 진동이나 외부 충격에 의해 표면층이 박리되는 문제를 야기한다. 또한, 온도가 상승함에 따라 우수한 특성들이 쉽게 없어지는 단점을 갖는다.

이에 금속 조직을 더욱 미세화 함으로써 금속 표면 조직의 인성을 향상시키고 잔류 응력이 존재함으로써 고강도화는 물론 내 충격성과 내 피로 특성을 획기적으로 개선할 수 있도록 된 금속 표면 처리 방법 및 처리 장치를 제공한다.

이를 위해 본 제거방법은 금속 표면에 레이저를 조사하여 급속 가열하는 단계와, 가열된 부위를 두들기는 단조 가공단계를 포함할 수 있다.

이에 각기 다른 두가지 에너지 원이 금속 표면에 가해짐에 따라 강도와 인성이 향상된다.

한편, 본 처리장치는 금속의 표면에 레이저빔을 조사하기 위한 레이저부와, 레이저빔이 조사되어 가열된 부위로 이동되어 가열 부위를 단조가공하기 위한 단조부를 포함할 수 있다.

상기 레이저부는 레이저빔을 발진하는 발진기와, 이 발진기로부터 발진된 레이저빔을 금속 표면에 조사하기 위한 광학부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 단조부는 전면에 레이저빔이 관통되는 빔홀이 형성된 회전판과, 이 회전판의 하부에 형성되어 금속 표면을 두들기기 위한 단조툴, 상기 회전판을 회동시켜 빔홀의 위치로 단조툴을 이동시키기 위한 회동부, 상기 회동부와 연결설치되어 상기 회전판을 상하운동시켜 단조툴로 금속 표면을 두드릴 수 있도록 된 구동부를 포함할 수 있다.

여기서 상기 회전판은 회동축을 중심으로 상기 빔홀과 단조툴이 동일 회전반경 내에 형성되는 구조일 수 있다.

또한, 상기 회전판은 적어도 두 개 이상의 빔홀과 적어도 두 개 이상의 단조툴이 간격을 두고 교대로 형성될 수 있다.

또한, 상기 단조툴은 표면에 줄눈이 형성될 수 있다.

또한, 상기 단조툴은 표면에 파형의 굴곡진 요철부가 형성될 수 있다.

이와 같이 레이저빔에 의한 열처리와 단조 가공을 통해 금속 표면의 강도를 높이면서 표면 조직의 인성을 향상시켜 내마모성을 향상시키고, 내충격성과 내 피로 특성을 개선할 수 있게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 다른 실시예에서 대응하거나 유사한 특징을 나타 내기 위해 사용된다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

사시도를 참조하여 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형, 예를 들면 제조 방법 및/또는 사양의 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다. 예를 들면, 편평하다고 도시되거나 설명된 영역은 일반적으로 거칠거나/거칠고 비선형인 특성을 가질 수 있다. 또한, 날카로운 각도를 가지는 것으로 도시된 부분은 라운드질 수 있다. 따라서 도면에 도시된 영역은 원래 대략적인 것에 불과하며, 이들의 형태는 영역의 정확한 형태를 도시하도록 의도된 것이 아니고, 본 발명의 범위를 좁히려고 의도된 것이 아니다.

이하 본 실시예는 압연롤에 대한 표면 처리를 예로서 설명한다. 본 처리방법과 처리장치는 압연롤에 한정되지 않으며 다양한 금속의 표면 처리에 적용가능하다.

도 1은 본 장치의 구성을 도시하고 있는 사시도이고, 도 2는 본 장치의 측면도이다.

상기한 도면에 의하면, 본 장치는 압연롤(100)의 표면에 레이저빔을 조사하여 가열하기 위한 레이저부와, 레이저빔이 조사되어 가열된 부위로 이동되어 가열 부위를 단조가공하기 위한 단조부를 포함한다.

본 장치는 레이저빔의 조사 후 바로 조사된 압연롤(100)의 표면을 단조 가공하기 이하여 레이저부와 단조부가 유기적으로 결합된 구조로 되어 있다.

이를 위해 상기 단조부는 레이저빔이 관통되는 빔홀(12)이 전면에 형성된 회전판(10)과, 이 회전판(10)의 하부에 형성되어 금속 표면을 두들기기 위한 단조툴(14), 상기 회전판(10)을 회동시켜 빔홀(12)의 위치로 단조툴(14)을 이동시키기 위한 회동부(20), 상기 회동부(20)와 연결설치되어 상기 회전판(10)을 상하운동시켜 단조툴(14)로 금속 표면을 두드릴 수 있도록 된 구동부(22)를 포함한다.

상기 회전판(10)은 원판 구조물로 이루어지며, 전면에는 외주부를 따라 레이저빔이 지나갈 수 있도록 원형의 빔홀(12)이 관통형성된다. 상기 회전판(10)의 중심에는 축(16)이 수직으로 설치된다. 상기 축(16)을 중심으로 회전판(10)이 회동하는 구조로 되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예에서 상기 빔홀(12)은 4개가 형성되며, 상기 축(16)을 중심으로 90도 각도로 배치된다. 상기 회전판(10)의 하부에는 압연롤(100)의 표면을 두들기기 위한 단조툴(14)이 돌출 설치된다. 본 실시예에서 상기 단조툴(14)은 4개가 구비되며 상기 빔홀(12)의 사이에 배치된다. 상기 빔홀(12)과 단조툴(14)의 형성 개수에 있어서는 4개 외에 두 개 또는 세 개 또는 네 개 이상의 개수로 형성가능하며 특별히 한정되지 않는다.

또한, 상기 단조툴(14)은 상기 회전판(10)의 축(16)을 중심으로 상기 빔홀(12)과 동일한 회전반경 내에 위치한다. 이는 상기 회전판(10)을 회동하였을 때 빔홀(12)을 통한 레이저빔 조사 위치에 정확히 단조툴(14)을 위치시키기 위함이다.

상기 회전판(10)의 축(16)에는 구동부(22)와 회동부(20)가 연결설치된다. 상기 구동부(22)는 축(16)에 연결설치되어 축(16)을 매개로 상기 원판을 압연롤(100) 표면에 대해 상하로 운동시키게 된다. 상기 구동부(22)는 축(16)에 연결되는 구동실린더를 포함할 수 있다. 상기 구동부(22)는 축(16)을 수직방향을 운동시키는 구조면 특별히 한정없이 적용할 수 있다.

상기 회동부(20)는 축(16)을 중심으로 회전판(10)을 회동시키기 위한 것이다. 본 실시예에서 상기 회동부(20)는 구동부(22)와 연결되어 구동부(22)와 이 구동부(22)에 연결된 회전판(10) 전체를 회동시키는 구조로 되어 있다. 물론 이러한 구조 외에 구동부(22)와 별도로 회전판(10)만을 회동시킬 수 있다. 상기 회동부(20)는 구동모터의 회전력을 이용한 구조일 수 있으며 특별히 한정되지 않는다.

이에 상기 회동부(20)가 작동되면 회전판(10)이 축(16)을 중심으로 회동되어 레이저빔 조사를 위한 빔홀(12)과 단조툴(14)을 원하는 작업 위치로 이동시킬 수 있게 된다.

여기서 상기 단조툴(14)은 압연롤(100)의 표면과 접하는 가공면이 평면 구조로 이루어지고, 상기 평면의 가공면에 줄눈(18)이 형성된 구조로 되어 있다. 상기와 같이 줄눈(18)이 가공된 단조툴(14)로 압연롤 표면을 두들김으로써 표면 조도를 일정하게 가공할 수 있게 된다. 따라서 압연롤(100)에 있어서 고강도이며 일정한 표면조도를 확보할 수 있게 되어 제품의 품질을 균일하게 유지할 수 있게 된다. 또한, 압연연롤(100) 사용 후 상기 레이저빔에 의한 가열과 단조툴(14)에 의한 단조 가공을 통해 표면을 가공하여 반복적인 재사용이 가능하게 된다.

상기한 구조 외에 도 4에 도시된 바와 같이 단조툴(14)의 가공면이 파형으로 굴곡진 요철부(19)가 형성될 수 있다. 이러한 구조의 단조툴(14)은 압연롤(100) 이외의 일반적인 금속에 대해 경도와 인성 확보를 위한 표면 처리용으로 사용될 수 있다.

한편, 상기 레이저부는 레이저빔을 발진하는 발진기(30)와, 이 발진기(30)로부터 발진된 레이저빔을 금속 표면에 조사하기 위한 광학부를 포함할 수 있다.

상기 광학부는 상기 회전판(10)의 빔홀(12) 상부에 위치하어 레이저빔을 집광하기 위한 집광렌즈(34)와, 상기 발진기(30)로부터 발진된 레이저빔을 집광렌즈(34)로 유도하기 위한 반사판(32)을 포함한다.

이에 발진기(30)에서 발진된 레이저빔은 반사판(32)에 의해 경로가 바뀌어 집광렌즈(34)로 유도되고 집광렌즈(34)에 의해 압연롤(100) 표면으로 조사된다. 이 때 상기 레이저빔은 집광렌즈(34)를 지나 회전판(10)에 형성된 빔홀(12)을 관통하게 된다.

이하 도 5와 도 6을 참조하여 본 장치의 작용과 이에 따라 금속의 표면을 처리하는 과정에 대해 살펴보면 다음과 같다.

본 실시예에 따른 압연롤(100)의 표면 처리는 압연롤(100)의 표면을 레이저빔으로 가열하는 단계와, 가열된 표면을 단조툴(14)로 두들려 단조가공하는 단계를 반복하여 이루어진다.

레이저 빔에 의한 표면 가열과정은 다음과 같다. 발진기(30)로부터 레이저빔이 발진되면 레이저빔은 반사판(32)과 집광렌즈(34)를 통해 압연롤(100)의 표면에 수직으로 조사된다. 여기서 상기 회전판(10)은 빔홀(12)이 바로 집광렌즈(34) 밑으로 이동된 상태로 조사되는 레이저빔은 빔홀(12)을 통해 회전판(10)을 관통하여 노출된 압연롤(100) 표면으로 조사된다.

도 6에 도시된 바와 같이 상기 레이저빔의 조사는 시간차를 두고 이루어진다. 그리고 레이저빔의 조사 후 표면 냉각시점에서 단조툴(14)에 의한 단조 공정이 이어진다.

상기 레이저빔의 조사가 완료되면 회동부(20)가 구동되어 회전판(10)을 일방향으로 회동시킨다.

회전판(10)이 축(16)을 중심으로 회동되면 레이저빔이 조사된 위치로 단조툴(14)이 이동하게 된다. 이는 축(16)을 중심으로 빔홀(12)과 단조툴(14)이 동일 회전반경에 위치하기 때문이다. 이에 단조툴(14)은 정확히 레이저빔에 위해 가열된 표면 상에 위치하게 된다.

회동부(20)가 구동을 멈추게 되면 구동부(22)가 작동되어 회전판(10)을 상하로 왕복 운동시키게 된다. 따라서 회전판(10) 하부에 설치된 단조툴(14)이 레이저빔에 의해 가열된 압연롤(100) 표면을 두들겨 단조가공하게 되는 것이다.

상기 단조공정은 도 6에 도시된 바와 같이 레이저빔에 의해 압연롤(100) 표면 온도가 높인 후 냉각 과정에서 이루어진다. 압연롤(100) 표면온도가 떨어지면 다시 레이저 빔의 조사를 통한 열처리 공정이 이어진다. 이때 상기 회전판(10)은 회동부(20)의 구동에 따라 다시 회동하여 빔홀(12)을 집광렌즈(34)의 위치와 일치시키게 된다.

상기와 같은 과정을 반복하여 압연롤(100)의 표면 온도를 급상승시키고, 레이저빔의 조사가 끝나는 시점에서 단조툴(14)에 의해 냉각도중 금속 표면을 두들김으로써 우수한 표면 특성을 얻을 수 있게 된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

도 1은 본 실시예에 따른 금속 표면 처리 장치의 구성을 도시한 개략적인 사시도이다.

도 2는 본 실시예에 따른 금속 표면 처리 장치의 측면도이다.

도 3은 본 실시예에 따른 금속 표면 처리 장치의 회전판 하부를 도시한 평면도이다.

도 4는 본 단조툴의 또다른 실시예를 도시한 개략적인 단면도이다.

도 5는 본 실시예에 따른 금속 표면 처리장치의 작용을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.

도 6은 본 실시예에 따른 금속 표면 처리장치의 레이저빔 조사와 단조 시간대를 도시한 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 회전판 12 : 빔홀

14 : 단조툴 16 : 축

18 : 줄눈 20 : 회동부

22 : 구동부 30 : 발진기

32 : 반사판 34 : 집광렌즈

Claims (8)

1. 금속의 표면에 레이저빔을 조사하기 위한 레이저부와,

   상기 레이저부에 의해 레이저빔이 조사되어 가열된 부위로 이동되어 가열 부위를 단조가공하기 위한 단조부

   를 포함하는 금속 표면 처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 레이저부는 레이저빔을 발진하는 발진기와, 이 발진기로부터 발진된 레이저빔을 금속 표면에 조사하기 위한 광학부를 포함하는 금속 표면 처리 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 단조부는 전면에 레이저빔이 관통되는 빔홀이 형성된 회전판과, 이 회전판의 하부에 형성되어 금속 표면을 두들기기 위한 단조툴, 상기 회전판을 회동시켜 빔홀의 위치로 단조툴을 이동시키기 위한 회동부, 상기 회동부와 연결설치되어 상기 회전판을 상하운동시켜 단조툴로 금속 표면을 두드릴 수 있도록 된 구동부를 포함하는 금속 표면 처리 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 회전판은 회동축을 중심으로 상기 빔홀과 단조툴이 동일 회전반경 내에 형성되는 구조의 금속 표면 처리 장치.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 회전판은 적어도 두 개 이상의 빔홀과 적어도 두 개 이상의 단조툴이 간격을 두고 교대로 형성된 금속 표면 처리 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 단조툴은 금속표면에 접하는 가공면에 줄눈이 더욱 형성된 금속 표면 처리 장치.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 단조툴은 금속 표면에 접하는 가공면에 파형으로 굴곡진 요철부가 형성된 금속 표면 처리 장치.
8. 금속 표면에 레이저를 조사하여 급속 가열하는 단계와,

   상기 가열된 부위를 두들기는 단조 가공단계

   를 포함하는 금속 표면 처리 방법.

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