KR20110043627A - 차세대 재료 맞춤화를 위한 금속 및 합금의 자기적 처리용 연속 제조 시스템 - Google Patents

차세대 재료 맞춤화를 위한 금속 및 합금의 자기적 처리용 연속 제조 시스템 Download PDF

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아퀼 아매드
존 앨버트 코바시크
보단 리소우스키
마이클 리 킬리안
앨라 압델-아짐 엘모어시
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Abstract

재료 특성을 제조하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 고 자기장을 가진 자기 처리 챔버(14)가 워크피스를 처리하고, 컨베이어나 이송기(26)가 자기 처리 챔버(14) 내의 고 자기장을 통과하도록 워크피스(22)들을 연속적으로 이동시킨다. 마찰식 또는 기계식 결합 시스템(40a, 40b)이 워크피스들을 고 자기장을 통해 고 자기장 외부로 추출한다.

Description

차세대 재료 맞춤화를 위한 금속 및 합금의 자기적 처리용 연속 제조 시스템{CONTINUOUS PRODUCTION SYSTEM FOR MAGNETIC PROCESSING OF METALS AND ALLOYS TO TAILOR NEXT GENERATION MATERIALS}
본 발명은 자기적 제조 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 자기적으로 처리되는 재료에 대한 연속 제조 시스템에 관한 것이다.
재료는 그 특성을 조정함으로써 구체적인 적용예를 위해 맞춤화될 수 있다. 재료의 자기적 처리는 재료 특성을 변경시킬 수 있다. 예를 들어, 구조적, 자기적, 전기적, 광학적, 음향적, 그리고 마찰학적 특성을 변경시키는 데 자기적 처리를 이용할 수 있다.
재료의 자기적 처리는 다음에 설명되는 바와 같이 여러 가지 형태로 적용될 수 있다. 자기적 처리가 기존의 여러 가지 재료 처리를 대체할 수 있다. 예를 들어, 일반적으로 열처리에 의해 실행되는 재료의 경화는 자기적 처리에 의해 이루어질 수 있다. 여러 가지 재료에 대하여, 다른 형태의 처리가 가능하지 않은 경우, 자기적 처리가 사용될 수 있다. 예를 들어, 열역학적 제한사항들로 인해 특정 재료의 용해도가 제한되는 합금은 자기적 처리를 이용하여 형성될 수 있다. 몇몇 적용예에서는, 종래의 열처리가 미세 구조 및 조성에 대한 소정의 재료 특성을 얻는 데 적합하지 않을 수 있다. 특정 강도, 내마모성, 연성, 투자율 등을 재료에 요구하는 적용예들은 열처리와 같은 비-자기식 처리에 의해 실현되지 않을 수 있다.
재료 특성을 변경시키는 데 재료의 자기적 처리가 사용되고 있다. 이러한 재료 처리는 구체적 재료 특성을 달성하기 위해 재료의 기존 처리와 조합될 수도 있다. 예를 들어, 미국 특허 제 7,161,124 호[킨저 등(Kisner et al.)]에서는 전기전도성 재료를 포함하는 워크피스(workpiece)의 특성을 변경시키는 기술을 기재하고 있다. 더욱이, 킨저의 상기 미국 특허는 워크피스에 대해 자기적 처리 및 열처리를 함께 이용하여 재료 특성을 변경시킨다.
본 발명은 구체적인 재료 특성을 달성하기 위해 재료를 자기적으로 처리하기 위한 개선된 자기적 제조 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
구체적 재료 특성을 달성하기 위한 재료 처리 시스템이 기재된다. 입력 재료나 입력 부재들이 자기장 내에서 또는 열자기 영역(thermomagnetic zone)에서 처리된다. 자기장은 강도가 예컨대 2 테슬라보다 큰 고 자기장이다. 입력 재료나 공급 원료 부재들이 컨베이어 벨트와 같은 이송 메커니즘을 통해 연속적으로 이동한다. 이 부재들은 파지부(grips)들을 이용하여 처리 챔버 내에 배치될 수 있고 회전, 병진 운동, 또는 그외 다른 모션 소스를 이용하여 배치될 수도 있다. 열자기적 처리 이후 부재들의 담금질(quenching)을 위해 담금질 메커니즘이 이용될 수 있다. 담금질 메커니즘은 열자기적 처리 시스템 및, 부재들을 이동시키는 컨베이어 벨트와 일체형으로 구성될 수 있다.
도 1은 일례의 재료 처리용 연속 제조 시스템의 개략적 단면도,
도 2는 일례의 자기적 처리 시스템의 개략적 단면도,
도 3은 비교적 큰 부재들에 대한 일례의 자기적 처리 시스템의 적용예의 개략적 단면도,
도 4는 자기적 처리 시스템의 컨베이어 움직임에 대한 일례의 기계적 결합의 개략적 단면도,
도 5는 자기적 처리 시스템에서 컨베이어 병진 운동에 대한 일례의 마찰 결합의 개략적 단면도,
도 5a는 일례의 회전 워크피스 조작 시스템의 단면도,
도 5b는 일례의 병진 워크피스 조작 시스템의 단면도,
도 6은 담금질 메커니즘을 구비한 일례의 자기 시스템의 개략적 단면도.
도 1은 일례의 재료 처리용 연속 제조 시스템의 개략적 단면도를 도시한다. 연속 처리 시스템(10)은 처리할 공급 원료(12)를 수용한다. 공급 원료(12)는 다양한 재료일 수 있다. 한가지 사례로서, 공급 원료(12)가, 주어진 최종산물에 대해 요망하는 야금학적 그리고 기계적 특성을 생성할 수 있는 합금 재료일 수 있다. 합금의 특성은 구체적 적용예에 대한 강도, 내마모성, 연성, 그리고 투자율의 구체적 요건에 부합하도록 맞춤화될 수 있다.
공급 원료(12)는 여러 다른 물리적 및 구조적 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 공급 원료(12)가 개별적인 부재, 서로 연결된 부재, 또는 연속적인 재료[예를 들어, 로드(rods), 바아 원료(bar stock), 와이어, 박판, 체인, 시트 등]일 수 있다. 공급 원료(12)의 일례가, 스틸(steel) 공급 원료를 이용하여 형성되는 변속 기어의 기계적 성질을 개선시키기 위해 본 발명에 기재된 시스템 및 프로세스를 이용하여 자기적으로 처리되는, 스틸(SAE 8600 시리즈, 또는 그외 다른 스틸)일 수 있다. 변속 기어 특성은 자기적 처리를 이용하여 개선될 수 있다. 예를 들어, 인장 강도 및 내마모성과 같은 기어의 기계적 성질이 자기적 처리에 의해 개선될 수 있다.
공급 원료(12)는 비교적 저렴한 비용의 재료를 원료로 하여, 비교적 비싼 재료의 특성을 실현할 수 있다. 예를 들어, 공급 원료(12)는 SAE 1215와 같은 비교적 저렴한 스틸일 수 있는데, SAE 1215는, 본 발명에서 설명되는 바와 같이 연속적인 방식으로 자기적으로 처리될 때, 비교적 값비싼 등급의 전기적 스틸에 필적할만한 개선된 특성의 투자율, 낮은 보자력(coercivity), 그리고 개선된 자기 포화를 도출한다.
사용될 수 있는 공급 원료(12)의 다른 예들이 다음에 설명된다. 예를 들어, 공급 원료(12)가, 자기장 내에서 처리될 때, 비교적 우수한 온도 특성, 예를 들어 개선된 크리프(creep) 저항을 제공하는 공구 강일 수 있다. 다른 예에서, 공급 원료(12)가, 연속적으로 자기적으로 처리될 때, 처리되는 스테인레스강이나 주철을 이용하는 적용예들에 대해 더 우수한 적용예 성능을 도출하는 스테인레스강이나 주철일 수 있다. 처리될 수 있는 합금의 다른 예들은, 처리될 때, 소정 적용예에 대해 고유 미세 구조 및 특성을 발생시키는 니켈, 구리, 그리고 코발트의 합금을 포함한다.
공급 원료(12)는 다양한 재료일 수 있고, 예를 들어, 공급 원료(12)는 소정 재료 특성을 실현하기 위해 자기적으로 처리될 수 있는 철 재료, 또는 비철 재료일 수 있다. 공급 원료(12)가 강자성, 비-강자성, 다른 자기 상태 유형, 화합물, 합금, 가변 구배 재료, 표면 가공된 구배-화합물 재료, 금속, 비-금속, 반도체, 절연체, 세라믹, 가공 재료, 나노-재료, 복합 재료, 자기 입자 재료, 결정면 배향 및 이방성 재료 성질을 가진 결정질 및 다결정 재료, 무기 재료, 유기 및 고분자 재료, 결정질 및 비정질 재료, 등일 수 있다. 당업자라면 위 예들이 본 발명에 기재되는 연속식 자기 처리의 이용을 설명하고 있음을 이해할 수 있을 것이며, 다른 적용예도 물론 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
자기적, 또는 그외 다른 종류의 공정을 수행하는 데 처리 챔버(14)가 사용될 수 있다. 처리 챔버(14)는 자기식, 열자기식, 유도 경화, 열처리, 일체형, 비-일체형, 담금질, 또는 그외 다른 종류의 표준 재료 공정 처리에 사용될 수 있다. 이러한 처리들은 단독으로 적용될 수도 있고, 다른 처리들과 조합하여 사용될 수도 있다.
공급 원료(12)의 자기적 처리가 다음에 설명된다. 재료의 자기적 처리는 자기장 내에서 표적 재료를 처리하는 과정을 수반한다. 요구되는 자기장 강도를 얻기 위한 한가지 기법은 전자석을 이용하는 것이다. 솔레노이드 코일(16)은 코일이 여기될 때 전자석을 형성한다. 자기 처리 시스템(10)에서 재료 성질을 변경시키기 위해 고 자기장(예를 들어, 약 2 내지 30 테슬라, 또는 그 이상)이 사용된다. 한가지 기법에서는 이러한 고 자기장이 (저온 유지 시스템을 이용하여 냉각되는) 초전도 솔레노이드 코일에 의해 발생될 수 있다. 공급 원료(12)가 사전에 세척될 수 있고 또는 그외 다른 준비 공정을 거칠 수 있다.
처리 챔버(14)는 공급 원료(12)의 자기적 처리를 위한 챔버를 제공한다. 처리 챔버(14)는 자기장을 발생시키는 솔레노이드 코일(16)을 포함한다. 처리 챔버(14)는 공급 원료(12)를 처리 챔버(14)를 통해 이동시키는 메커니즘을 포함한다. (도시되지 않은) 임의의 메커니즘을 이용하여 공급 원료(12)를 처리 챔버(14)를 통해 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 컨베이어, 웜-기어 구동 장치, 또는 선형 액추에이터들이 사용될 수 있다. 이동 과정 중, 공급 원료(12)가 자기적으로 처리되어 그 재료 성질이 변경될 수 있다. 공급 원료(12)는 배출 원료(exit stock) 상태로 자기 챔버(14)를 벗어난다. 처리 챔버(14)를 통한 공급 원료(12)의 연속적 처리는 배출 원료(18)를 얻기 위해 공급 원료(12)의 재료 특성을 변경시키는 데 사용된다.
처리 챔버(14)는 자기장을 통해 공급 원료(12)의 샘플이나 워크피스(workpieces)를 연속적으로 이동시키는 추출 시스템(extraction system)의 일부분을 형성한다. 추출력(도시되지 않음)은 최대 2000파운드 또는 이보다 클 수 있으며, (1) 자기장을 통과하는 재료나 부재의 통과 속도와, (2) 처리 챔버(14) 내 자기장 강도에 따라 좌우된다. 추출력의 역할은 처리되고 있는 부재 상에 가해지는 자기장을 극복하는 것이다. 처리 챔버(14) 내 추출력은 다른 요인들 중에서도 샘플 외형 및 크기에 따라 좌우될 것이다. 축방향 및 교차-축 추출력들이 연속 샘플 조작을 통해 제어될 필요가 있다. 추출력은 전기 모터/액추에이션, 유압 모터/액추에이션, 또는 전계-유압 모터/액추에이션을 통해 공급될 수 있다.
연속 자기 처리 공정은 각각의 워크피스를 개별적으로 처리하는 경우에 비해 공정 시간을 단축시킨다. 따라서, 재료나 부재의 처리 비용이 낮아지게 된다. 본 발명에서 개시되는 연속 자기 처리 프로세스는 와이어, 로드(rods), 및 추가적인 성형 프로세스(예를 들어, 단조, 기계가공, 굽힘가공)들을 촉진시키는 그외 다른 재료를 생성하기 위한 기본적 재료를 처리하는 데 사용될 수 있다. 와이어, 로드, 그리고 상기 그외 다른 재료들은 연속적인 방식으로 자기적으로 추가적으로 처리되어 성형성을 개선시킬 수 있다. 이와 같이 개선된 재료 및 부재들은 성형 온도가 낮고, 에너지 소모가 적으며, 공구 수명이 긴 장점이 있다. 또 다른 예는 본 발명에서 설명되는 연속 자기 처리 시스템을 이용하는 연속 강편 주조 프로세스(continuous billet casting process)일 수 있다. 자기적 처리와 함께 주조되는 강편들은 함유물의 편석을 감소시키고 강편의 상대적으로 균일한 미세 구조 및 등방성 기계적 특성을 제공한다.
일부 원소들의 고용도가 열역학적 제한사항으로 인해 제한되는 합금들이, 본 발명에서 설명되는 연속 자기 처리 공정 하에서 만들어질 수 있다. 그러나, 실제 작동 상황에서 온도가 큐리 온도를 넘는 소정의 경우에, 자기 처리가 불가할 수 있다. 연속 자기 처리는 자기장 하에서, 또는 자기장 외부에서 작동하는 다른 표준 변형법들, 경화법, 처리 후 공법 등과 결합될 수 있고, 또는, 이러한 방법들과 연계하여 사용될 수 있다.
도 2는 일례의 자기 처리 시스템(20)의 개략적 단면도를 도시한다. 자기 처리 시스템은 독자적인 자기 시스템일 수도 있고, 열처리 및 자기 처리의 조합일 수도 있다. 자기 처리가 열처리와 동시에 진행될 수도 있고, 순차적으로 진행될 수도 있다. 처리되지 않은 부재(22a-22c)들은 연속적인 방식으로 시스템 내로 공급되는 부재들을 나타낸다. 일 실시예에서, 열자기 시스템(24)이 유도 가열 시스템(도시되지 않음)과 자기 처리 시스템(예를 들어, 솔레노이드 코일(16))(도 1 참조)을 포함하여, 열자기 영역을 발생시킨다. 열자기 시스템(24)은 열방식 및 자기 처리에 의해 부재(22a-22c)들의 특성을 변경시켜서, 도 2에 도시된 단일 마감 부재(28)로 도시되는, 마감 부재들을 발생시킨다.
열자기 시스템(24)은 다음에 설명되는 바와 같이, 부재(22a-22c)들에 열과 자기력의 이중 처리를 연속적으로 제공한다. 유도 경화, 유도 가열, 그리고 상변태를 위한 온도는 담금질 메커니즘, 뜨임(tempering), 저온 변태, 또는, 저온 열자기 변태의 저온[예를 들어, 약 200℉(93.33℃)]으로부터, 열자기 변태를 위한 고온[예를 들어, 약 2000℉(1093.33℃)]까지 범위에 놓일 수 있다. 열자기 시스템(24)은 재료의 저온 처리와 조합하여 극저온 공정에 사용될 수 있다. 이러한 극저온 처리는 철 재료 및 비철 재료에 모두 적용될 수 있다.
컨베이어(26)가 열자기 시스템(24)을 통해 부재(22a-22c)들을 이동시킨다. 당업자라면, 컨베이어(26)가 열자기 시스템(24)을 통해 부재(22a-22c)들을 이동시키는 데 사용될 수 있는 여러 가지 메커니즘들 중 하나를 나타내는 것에 불과하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 컨베이어(26)는 열자기 시스템(24)을 통해 연속적으로 부재(22a-22c)들을 이동시키고, 열자기 시스템(24)은 자기장 및 가열 존/영역들을 통해 연속적으로 부재(22a-22c)들을 처리한다.
본 발명에서 도시되는 부재(22a-22c)들이 일례의 용도로 실린더로 도시되고 있으나, 다른 종류의 부재들도 열자기 시스템(24)을 통해 처리될 수 있다. 일례의 부재(22a-22c)들은 열자기 처리 시스템(24)에서 상대적으로 작은 부재들이 연속적으로 처리될 수 있는 방법을 도시한다. 부재(22a-22c)들이 열자기 처리 시스템(24)의 자기장을 빠져나감에 따라, 부재(22a-22c)에 대해 작용하던 자기력이 극복된다. 열자기 처리 시스템(24)의 자기장은 초전도 자석(도시되지 않음)을 이용하여 발생될 수 있다. 초전도 자석의 자기장은 자기력을 통해 자기장의 중심에 부재들을 유지시킬 것이다. 따라서, 추출력이 요구되고 컨베이어 메커니즘에 의해 추출력이 제공되어 자기장 영역 외부로 부재를 이동시키게 된다.
열처리 제어에 의해, 여러 가지 값의 가변적 특성들을 가진 재료를 생성할 수 있다. 소정의 적용예들은 (예를 들어, 일 부재의 여러 영역별로 서로 다른 경도를 가지게 하는) 복잡한 열처리를 요구한다. 예를 들어, 기어(도시되지 않음)는 외경 상의 치형부에 대해 소정의 경도를 요구하고 내경의 스플라인(splines)에 대해 이와는 다른 경도를 요구할 수 있다. 열자기 시스템(24)은 여러 가지 주파수들을 이용하여 마지막으로 언급된 가변 경도를 가진 마지막 언급된 기어같은 부재들을 생성하도록 처리가능한 유도 코일(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
열자기 시스템(24)은 표면 코팅 및 코팅된 증착물들의 연속적 처리에 사용될 수 있다. 예를 들어, 동시에 처리될 수 있는 표면 처리들 중 일부는, 화학적 기상 증착(CVD), 물리적 기상 증착(PVD), 레이저 증착, 플라즈마 트랜스퍼 아크 증착, 도금, 플라즈마 증착, 진공 증착(evaporation deposition), 스퍼터링, 이온 빔 증착, 반응성 플라즈마 증착, 또는 화학적 빔 에피택셜 증착이 있다. 표면 코팅 처리는 열처리, 열자기 처리, 또는 자기 처리의 함수로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 표면 코팅의 처리가, 성능 개선[예를 들어, 내마모성, 연성, 윤활성(lubricity) 등]을 위해 변태한 코팅일 수 있다. 당업자라면, 본 발명에서 언급되는 표면 코팅이 예시적인 것에 불과하며 이러한 연속 처리를 이용하는 다른 표면 코팅 처리 역시 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
도 3은 상대적으로 대형 크기의 부재들에 자기 처리 시스템을 적용한 예의 개략적 단면도다. 도 2에서는, 일례의 부재(22a-22c)들이 비교적 소형의 부재들인 것으로 도시되었다. 여기서는, 대형 부재들에 대한 열자기 처리가 설명된다. 대형 부재들은 로드, 와이어, 블록 등과 같은 형태를 취할 수 있다. 이러한 부재들을 개별적인 조각으로 처리하는 것은 요구되는 처리 챔버의 크기로 인해 어려울 수 있다. 이러한 대형 부재의 연속 처리가 여기서 달성된다. 예컨대, 비교적 대형 사이즈의 로드(30)가 컨베이어(30) 상에서 이동한다. 열자기 시스템(24)은 로드(30)를 처리하여 그 특성을 변경시키고 로드(30) 내 소정의 미세 구조를 달성한다. 추가적으로, 열처리를 조합하여, 대형 부재들에 대해 필요한 수정과 함께, 도 2의 범주에서 앞서 설명한 바와 같은 열자기 처리를 달성할 수 있다. 당업자라면 로드(30)가 일례로서 도시된 것이며 와이어, 로드, 실린더, 블록, 바(bar stock), 등과 같은 임의의 대형 크기의 부재들이 마찬가지 방식으로 처리될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 4는 자기 처리 시스템에서 컨베이어 병진 운동을 위한 일례의 기계적 움직임의 개략적 단면도를 도시한다. 기계적으로 결합된 자기 처리 시스템(32)을 이용하여 로드(30)를 처리하고 소정 재료 특성을 얻는다. 열자기 시스템(24)에 의해 자기장이 제공되어 로드(30)를 처리한다. 추가적으로, 열처리 메커니즘(도시되지 않음)이 포함되어 열자기 처리를 얻을 수 있다. 로드(30)는 처리될 수 있는 부재나 재료의 일례다. 당업자라면 본 예의 로드(30)와 유사한 방식으로 임의의 크기의 부재나 재료가 처리될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
컨베이어(26)는 잠금 치형부(locking teeth)(36)와 결합하는 치형부(34)를 지지한다. 잠금 치형부(36)는 로드(30)를 지지한다. 치형부(34)와 잠금 치형부(36)는 함께, 열자기 시스템(24)을 통해 로드(30)를 이송하는 교합 시스템(interlocking system)을 형성한다. 이송 중, 로드(30)는 자기적으로 처리되어 그 특성이 변경된다. 컨베이어(24)의 이동 속도는 치형부(34)와 잠금 치형부(36)에 의해 형성되는 교합 치형부 메커니즘에 의해 제어된다. 기계적으로 결합된 자기 처리 시스템(32)은 로드(30)가 열자기 시스템(24) 바깥으로 이송되어 나감에 따라 추출력으로 자기장을 극복한다. 추출력의 역할은 처리되고 있는 부재에 인가되는 자기장을 극복하는 것이다. 로드(30)는 자기장으로부터 추출될 수 있도록 컨베이어(26)에 클램핑되거나 보지되거나 부착될 필요가 있다. 로드(30)가 이와 같이 컨베이어(26)에 클램핑, 보지, 또는 부착되지 않을 경우, 자기장으로부터 로드(30)를 제거하기 위해, 자기장이 스위치-오프되어야 한다. 따라서, 컨베이어(26)에 로드(30)를 클램핑하거나, 보지하거나, 부착함으로써, 연속 자기 또는 열자기 처리가 구현될 수 있다.
도 5는 자기 처리 시스템의 컨베이어 병진 운동을 위한 일례의 마찰 결합의 개략적 사시도다. 마찰 기반 자기 처리 시스템(38)이 도시된다. 로드(30)가 마찰 보지 메커니즘에 의해 보지된다. 일례의 마찰 기반 보지 메커니즘이 파지판(gripping plates)(40a-40b)으로 도시된다. 파지판(40a-40b)은 예시적인 것이며 로드가 컨베이어(26)에 의해 이동하면서 로드(30)를 보지하기 위해 그외 다른 마찰 기반 메커니즘들이 또한 이용될 수 있음을 당업자가 이해할 수 있을 것이다.
도 5a는 일례의 회전 워크피스 조작 시스템의 단면도이고, 도 5b는 일례의 병진 워크피스 조작 시스템의 단면도이다. 축방향 및 교차-축 추출력은 다음에 설명되는 바와 같이 연속 샘플 조작을 통해 제어될 필요가 있다. 파지판(40a-40b)들이 모터(44)에 의해 구동되는 회전 드럼(42)에 부착될 수 있어서, 로드(30)에 회전 모션을 제공할 수 있는데, 여기에서 로드(30)는 일례의 워크피스에 해당한다. 일례의 마찰판(40a-40b)들에 의해 수행되는 기능이 한가지 종류의 로드 조작 메커니즘을 나타낸다. 다른 조작 메커니즘은 워크피스[예를 들어, 로드(30)]의 병진 운동 조작을 제공하기 위한 메커니즘을 포함한다. 롤러(46a-46b)들과 마찰판(40a-40b)들이 함께, 복수의 방향으로 로드(30)에 대해 병진 움직임을 제공하는 데 사용될 수 있다. 다른 종류의 워크피스 조작 메커니즘들도 워크피스의 소정 성질 구현을 위해 제공될 수 있다.
병진, 회전, 파지, 또는 그외 다른 워크피스 조작을 위한 힘들은 전기 모터, 전기적 액추에이션, 전계-유압식 액추에이션, 유압 액츄에이션, 등에 의해 제공될 수 있다. 이러한 소스들에 의해 제공되는 힘들은 로드(30)나 유사 워크피스를 다양한 각도, 방향, 또는 위치로 배향시키는 데 사용되어, 소정 재료 특성을 위한 표적화된 처리를 구현할 수 있다. 병진, 회전, 파지를 위한 힘들에 의해, 워크피스들이 자기 처리 시스템(38)의 자기장으로부터 추출될 수 있다. 자기 처리 시스템(38)은 열처리 시스템(도시되지 않음)과 연계하여 사용되어, 열자기 처리를 제공할 수 있다. 열처리는 자기 처리 시스템(38)의 자기 처리와 동시에 제공될 수도 있고, 순차적으로 제공될 수도 있다.
앞서 설명한 워크피스 조작에 의해 구체적 재료 특성이 워크피스에서 가공될 수 있다. 예를 들어, 앞서 설명한 자기장 내에서의 워크피스의 회전 및/또는 병진 조작에 의해, 비교적 복잡한 외형의 워크피스들에 대한 벌크 처리, 표면 처리, 연성 영역, 내마모 영역, 필렛부(filet features), 기어 치형부의 경화 및 처리가 가능하다.
도 6은 담금질 메커니즘을 구비한 일례의 자기 시스템의 개략적 단면도를 도시한다. 담금질 시스템(48)을 구비한 자기 처리 시스템은 컨베이어(26)와 열자기 시스템(24)을 포함한다. 추가적으로, 담금질 메커니즘(50)이 포함되어, 로드(24)가 열자기 시스템(24)을 빠져나간 후 로드(30)를 급속 냉각시킬 수 있다. 담금질 메커니즘(50)은 담금질 재료를 이송하는 담금질 이송기(52a-52b)를 포함하며, 상기 담금질 재료는 로드(30)와, 로드(30) 상에 담금질 재료를 분사하기 위해 부착된 스프링클러(54a-54b)를 처리하는 데 사용된다. 분사되는 담금질 재료는 기체, 액체, 또는 다른 유형의 담금질 매체일 수 있다.
담금질 프로세스는 다음에 기술되는 바와 같이, 일례의 로드(30) 워크피스의 열방식 및 자기 처리의 조합과 연계하여 사용된다. 담금질 메커니즘(50)은 수평 방향 배향으로 도시된다. 그러나, 수직형 담금질 메커니즘도 또한 가능하며, 이 경우, 컨베이어(26), 담금질 이송기(52a-52b), 그리고 스프링클러(54a-54b)들이 도 6에 도시되는 수평 방향과 달리, 수직으로 배향된다. 담금질 메커니즘(50)과 함께 자기 시스템의 수직 및 수평 배향을 선택하는 것이 소정 재료 특성을 구현하기 위한 시스템의 특정 적용예에 따라 좌우된다는 것을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다.
담금질 이송기(52a-52b) 및 스프링클러(54a-54b)의 담금질 시스템(48) 내 배치는 다음에 설명되는 바와 같은 구조에 따라 좌우될 것이다. 담금질 이송기(52a-52b) 및 스프링클러(54a-54b)들이 담금질 시스템(48) 내 서로 다른 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 열자기 공정(도 2 및 관련 설명 참조)과 관련된 자기장 내에서 열자기 시스템(24)과 동위치로 배치될 수 있고, 열자기 시스템(24)의 자기장 외부에 배치될 수 있고, 컨베이어(26)와 일체형으로 구성될 수도 있고, 컨베이어(26)와 별개로 구성될 수도 있다. 담금질 메커니즘들은 기체, 오일, 고분자, 물, 그리고 그외 다른 표준 또는 비-표준 기법일 수 있다. 담금질 메커니즘(50), 담금질 이송기(52a-52b), 및/또는 스프링클러(54a-54b)의 위치가 적용예 및 소정 결과에 따라 좌우될 것임을 당업자가 이해할 수 있을 것이다.
온도 및 자기적 프로파일이 컨베이어(26) 상에서의 워크피스(여기서 일례의 로드(30)로 도시됨)의 연속적 움직임을 따라 변할 수 있다. 이는 워크피스 특성을 적절하게 변화시킬 수 있다. 더욱이, 워크피스에 구체적 재료 특성을 얻기 위해 담금질 프로세스가 급속 냉각 또는 저속 냉각으로 제어될 수 있다. 연속 공정은 소정 처리 특성을 제공하기 위해 특정 시간 동안 온도 존 및 자기 프로파일을 통과하는 워크피스들의 이동 빈도 및 속도를 제어하는 과정을 포함한다.
본 발명의 다양한 형태들이 앞서 명세서를 통해 기재되었으며, 본 발명의 다양한 변형 및 수정이, 본 명세서를 읽고 이해하면서 당업자에게 명확해질 것이다. 모든 이러한 변형 및 수정들이, 첨부 청구범위의 범위 내에 있는 한 본 발명에 포함된다.

Claims (20)

  1. 워크피스(workpieces) 내에 재료 특성을 생성하기 위한 시스템에 있어서,
    고 자기장을 발생시키는 자기 처리 챔버(14)와,
    상기 자기 처리 챔버(14) 내의 고 자기장을 통해 워크피스(22)를 연속적으로 이동시키는 이송기(26)와,
    고 자기장을 통해 워크피스를 추출하며, 상기 이송기에 연결되어 있는 마찰 결합 시스템(40a-40b)을 포함하는
    워크피스 내 재료 특성 생성 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 워크피스를 열처리하기 위한 열처리 시스템(24)을 더 포함하는
    워크피스 내 재료 특성 생성 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열처리 시스템(24)은 자기 처리 챔버(14) 내에 배치된 워크피스를 가열하는
    워크피스 내 재료 특성 생성 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 열처리 시스템(24)은, 상기 이송기가 자기 처리 챔버(14)를 통해 워크피스를 이동시킨 후에 워크피스를 가열하는
    워크피스 내 재료 특성 생성 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고 자기장은 적어도 2 테슬라의 강도를 갖는
    워크피스 내 재료 특성 생성 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 워크피스로부터 열을 제거하기 위한 담금질 시스템(50)을 더 포함하는
    워크피스 내 재료 특성 생성 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 담금질 시스템은 적어도 하나의 스프링클러(54a-54b)를 포함하는
    워크피스 내 재료 특성 생성 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 마찰 결합 시스템은 워크피스를 이송기(26)에 고정하는 치형부(34, 36)를 포함하는
    워크피스 내 재료 특성 생성 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 마찰 결합 시스템(40a-40b)은 워크피스를 이송기(26)에 보지하는 적어도 하나의 파지판(gripping plate)(40a-40b)을 포함하는
    워크피스 내 재료 특성 생성 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 마찰 결합 시스템은 자기 처리 챔버 내에서 워크피스를 회전시키는 회전 메커니즘(42)을 포함하는
    워크피스 내 재료 특성 생성 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 마찰 결합 시스템은 자기 처리 챔버 내에서 워크피스를 적어도 두 개의 방향으로 위치 설정하는 병진 메커니즘(40a-40b, 46a-46b)을 포함하는
    워크피스 내 재료 특성 생성 시스템.
  12. 워크피스 내에 재료 특성을 생성하기 위한 시스템에 있어서,
    열자기 영역을 발생시키는 열자기 처리 시스템(24)과,
    열자기 챔버(14) 내의 열자기 영역을 통해 워크피스(22)를 연속적으로 이동시키는 이송기(26)와,
    열자기 영역 내에서 워크피스를 위치 설정하는 파지부(grip)(40a-40b)와,
    워크피스로부터 열을 제거하는 담금질 시스템(50)을 포함하는
    워크피스 내 재료 특성 생성 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 파지부는 열자기 영역 내에서 파지부에 보지된 워크피스를 회전시키는 회전 조작기(rotational hanlder)(42)를 포함하는
    워크피스 내 재료 특성 생성 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 파지부는 열자기 영역 내에서 파지부에 보지된 워크피스의 위치를 적어도 두 개의 방향으로 병진 이동시키는 병진 조작기(translational handler)(40a-40b, 46a-46b)를 포함하는
    워크피스 내 재료 특성 생성 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 열자기 처리 시스템은,
    고 자기장을 발생시키는 솔레노이드 코일(16)과,
    열을 발생시키는 유도 히터를 포함하는
    워크피스 내 재료 특성 생성 시스템.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 담금질 시스템은 적어도 하나의 스프링클러(54a-54b)를 포함하는
    워크피스 내 재료 특성 생성 시스템.
  17. 워크피스(22) 내에 재료 특성을 생성하기 위한 방법에 있어서,
    자기장 내에서 워크피스를 연속적으로 처리하는 단계와,
    열 영역 내에서 워크피스를 처리하는 단계와,
    자기장 내에서 워크피스를 위치 설정하는 단계와,
    이송기(26)를 이용하여 자기장 및 열 영역을 통과하도록 워크피스를 이동시키는 단계를 포함하는
    워크피스 내 재료 특성 생성 방법.
  18. 제 18 항에 있어서,
    상기 위치 설정 단계는 워크피스(22)를 회전시키는 단계를 포함하는
    워크피스 내 재료 특성 생성 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 위치 설정 단계는 워크피스(22)를 병진 운동 위치로 이동시키는 단계를 포함하는
    워크피스 내 재료 특성 생성 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    워크피스(22)를 담금질하는 단계를 더 포함하는
    워크피스 내 재료 특성 생성 방법.
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