KR20110102438A - 열처리 장치 및 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각시의 온도 분포를 억제하는 열처리 장치 및 열처리 방법에 관한 것으로, 가열된 피처리물을 미스트 상의 냉각액을 이용하여 냉각하는 냉각 공정을 가지고, 제1 미스트 밀도로 피처리물을 냉각하는 제1 공정(K1)과 제1 미스트 밀도보다도 밀도가 작은 제2 미스트 밀도로 피처리물을 냉각하는 제2 공정(K2)을 교대로 반복하여 열처리를 행한다.

Description

열처리 장치 및 열처리 방법{Heat treatment device and heat treatment method}

본 발명은 열처리 장치 및 열처리 방법에 관한 것으로, 예를 들면 피처리물의 담금질 등의 처리에 이용하기 적합한 열처리 장치에 관한 것이다.

본원은 2009년 2월 10일에 일본에 출원된 특원 2009-028900호 및 2009년 2월 27일에 일본에 출원된 특원 2009-047227호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

피처리물인 금속재를 가열하고 냉각함으로써, 이른바 담금질 등의 처리를 하는 열처리 장치에서 고속의 냉각을 필요로 하는 경우에 종래부터 유냉 방식의 냉각 장치나 가스 냉각 방식의 냉각 장치가 이용되고 있다. 상기 유냉 방식의 냉각 장치에서는 냉각 효율은 뛰어나지만 미세한 냉각 콘트롤이 거의 불가능하여 피열처리품이 변형되기 쉽다는 문제가 있다. 한편, 가스 냉각 방식의 냉각 장치에서는 가스의 유량 제어 등에 의해 냉각 콘트롤이 용이하여 피열처리품의 변형에 관해서는 뛰어나지만 냉각 효율이 낮다는 문제가 있다.

그래서, 특허문헌 1에는 피열처리품을 둘러싸고 액용 노즐과 가스용 노즐을 배치하고, 액용 노즐로부터 냉각액을 스프레이식으로 공급하고(이른바 미스트 냉각), 가스용 노즐로부터 냉각 가스를 공급함으로써 냉각 콘트롤성 및 냉각 효율의 향상을 도모한 기술이 개시되어 있다.

특허문헌 1: 특개평11-153386호 공보

그러나, 상술한 바와 같은 종래 기술에는 이하와 같은 문제가 존재한다.

냉각실 내의 미스트 밀도에 분포가 생기는 경우에는 냉각 특성에 차이가 생겨 피처리물에 온도 분포가 생겨 버릴 가능성이 있다. 또한, 피처리물이 복수인 경우에는 미스트 밀도의 분포에 따라 피처리물 간에 온도 차가 생길 가능성이 있다.

이와 같이 온도 분포가 피처리물에 생긴 경우에는 피처리물의 변형의 원인이 될 우려가 있음과 동시에, 온도 분포가 생긴 피처리물을 담금질 처리에 이용한 경우에는 피처리물이 똑같은 경도가 되지 않을 우려가 있다.

한편, 복수의 피처리물에 온도 차가 생긴 경우에는 피처리물 간에 품질에 차이가 생겨 품질 불량이 될 가능성도 있다.

본 발명은 이상과 같은 점을 고려하여 이루어진 것으로 냉각시의 온도 분포를 억제할 수 있는 열처리 장치 및 열처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 이하의 구성을 채용하고 있다.

(1)본 발명의 열처리 방법은 가열된 피처리물을 미스트 상의 냉각액을 이용하여 냉각하는 냉각 공정을 가지는 열처리 방법으로서, 제1 미스트 밀도로 상기 피처리물을 냉각하는 제1 공정과 상기 제1 미스트 밀도보다도 밀도가 작은 제2 미스트 밀도로 상기 피처리물을 냉각하는 제2 공정을 교대로 반복하여 행한다.

따라서, 본 발명의 열처리 방법에서는 제1 공정에서 피처리물에 온도 분포가 생긴 경우라도 제2 공정에서는 미스트 밀도가 작아지기 때문에 미스트 냉각에 의한 온도 분포의 확대가 억제됨과 동시에, 피처리물에서의 열 전도에 의해 온도 분포가 완화된다. 따라서, 본 발명에서는 피처리물에 대한 냉각시의 온도 분포를 억제하는 것이 가능하게 되고, 변형이나 경도의 불균일 등의 품질 불량의 발생을 회피할 수 있다.

(2)상기 (1)에 기재된 열처리 방법에서는 상기 제1 공정에서는 상기 냉각액을 미스트 상으로 공급하고, 상기 제2 공정에서는 상기 미스트 상의 냉각액의 공급을 정지해도 된다.

이에 의해 본 발명에서는 제2 공정에서 피처리물에서의 열 전도에 의한 온도 분포의 완화를 효과적으로 촉진할 수 있다.

(3)상기 (1) 또는 (2)에 기재된 열처리 방법에서는 상기 미스트의 밀도를 상기 냉각액의 공급량, 공급 압력, 공급 시간 중 적어도 하나로 조정해도 된다.

(4)상기 (1)~(3)에 기재된 열처리 방법에서는 상기 미스트 상의 냉각액의 공급 상태와 상기 피처리물의 온도 특성의 상관 관계를 유지하고, 상기 상관 관계에 기초하여 상기 제1 공정과 상기 제2 공정을 전환해도 된다.

이에 의해 본 발명에서는 미리 유지한 상관 관계에 기초하여 상기 제1 공정과 상기 제2 공정을 전환하는 오픈 제어를 실시할 수 있고, 효율적이고 또한 고정밀도의 열처리를 실시하는 것이 가능하게 된다.

(5)상기 (1)~(4)에 기재된 열처리 방법에서는 상기 피처리물의 온도를 계측하는 공정과 계측한 온도에 기초하여 상기 미스트 상의 냉각액의 공급을 제어하는 공정을 가져도 된다.

이에 의해 본 발명에서는 피처리물의 온도에 따라 미스트 상의 냉각액의 공급량, 공급 압력, 공급 시간 등을 조정함으로써 최적의 냉각 처리를 실시하는 것이 가능하게 되고, 피처리물에 대한 고정밀도의 열처리를 실현할 수 있다.

(6)상기 (5)에 기재된 열처리 방법에서는 상기 피처리물의 온도를 복수 개소에서 계측하고, 계측한 상기 피처리물에서의 온도 차에 기초하여 상기 제1 공정과 상기 제2 공정을 전환해도 된다.

이에 의해 본 발명에서는 피처리물에서의 온도 차가 소정의 문턱값을 넘은 후에 제1 공정으로부터 제2 공정으로 전환하여 온도 차의 확대를 억제하고, 열 전도에 의해 피처리물에서의 온도 차가 문턱값 내에 들어간 후에 제2 공정으로부터 제1 공정으로 전환하여 피처리물에 대한 냉각 처리를 행할 수 있다.

(7)상기 (5)에 기재된 열처리 방법에서는, 또한 피처리물이 복수 존재하는 경우에는 복수의 상기 피처리물에 대해 온도를 계측하고, 계측한 상기 피처리물 간의 온도 차에 기초하여 상기 제1 공정과 상기 제2 공정을 전환해도 된다.

이에 의해 본 발명에서는 복수의 피처리물 간에서의 온도 차를 억제하여 각 피처리물에서 품질 불량의 발생을 억제하는 것이 가능하게 된다.

그리고, 본 발명의 열처리 장치는 미스트 상의 냉각액을 냉각실에 공급하여 가열된 피처리물을 냉각하는 열처리 장치로서, 상기 미스트 상의 냉각액의 공급을 제1 미스트 밀도와 상기 제1 미스트 밀도보다도 작은 밀도의 제2 미스트 밀도로 교대로 전환하는 전환 장치를 구비한다.

따라서, 본 발명의 열처리 장치에서는 제1 미스트 밀도로 냉각액을 공급함으로써 피처리물에 온도 분포가 생긴 경우에도 제1 미스트 밀도보다도 작은 밀도의 제2 미스트 밀도로 냉각액을 공급함으로써 미스트 냉각에 의한 온도 분포의 확대가 억제됨과 동시에, 피처리물에서의 열 전도에 의해 온도 분포가 완화된다. 따라서, 본 발명에서는 피처리물에 대한 냉각시의 온도 분포를 억제하는 것이 가능하게 되고, 변형이나 경도의 불균일 등의 품질 불량의 발생을 회피할 수 있다.

본 발명에서는 피처리물에 대한 냉각시의 온도 분포를 억제하는 것이 가능하게 되고, 변형이나 경도의 불균일 등의 품질 불량의 발생을 회피할 수 있다.

도 1은 본 실시형태의 진공 열처리로의 전체 구성도이다.
도 2는 냉각실(160)의 정면 단면도이다.
도 3은 도 2에서의 A-A선에서 본 단면도이다.
도 4는 미스트 냉각을 행한 경우의 시간과 온도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 제1 공정과 제2 공정을 교대로 반복한 경우의 시간과 온도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 복수의 피처리물을 냉각할 때의 냉각실(160)의 정면 단면도이다.

이하, 본 발명의 열처리 장치 및 열처리 방법의 실시형태를 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한다.

또, 이하의 설명에 이용하는 각 도면에서는 각 부재를 인식 가능한 크기로 하기 위해 각 부재의 축척을 적절히 변경하고 있다.

또한, 본 실시형태에서는 열처리 장치로서 다실형의 진공 열처리로(이하, 단순히 「진공 열처리로」라고 칭함)의 예를 나타낸다.

도 1은 본 실시형태의 진공 열처리로의 전체 구성도이다.

진공 열처리로(열처리 장치)(100)는 피처리물에 대해 열처리를 실시하는 것으로, 탈기실(110), 예열실(120), 침탄실(130), 확산실(140), 강온실(150), 냉각실(160)이 순차적으로 인접하여 배치되어 있고, 피처리물은 각 실(110~160)에 순차적으로 단열(單列)로 반송된다.

본 발명은 냉각실(160)에서의 냉각 처리에 특징을 가지고 있기 때문에 이하 냉각실(160)에 대해 상술한다.

도 2는 냉각실(160)의 정면 단면도이고, 도 3은 도 2에서의 A-A선에서 본 단면도이다. 냉각실(160)은 진공 용기(1) 내에 형성된다. 또한, 진공 용기(1) 내에는 반송 장치(10), 가스 냉각 장치(20), 미스트 냉각 장치(30), 온도 계측 장치(80)를 포함하는 냉각 유닛(CU)이 설치되어 있다.

반송 장치(10)는 피처리물(M)을 수평 방향을 따라 반송 가능한 것으로, 서로 간격을 두고 대향 배치되어 반송 방향(수평 방향)으로 연장되어 있는 한 쌍의 지지 프레임(11); 각 지지 프레임(11)의 대향하는 면에 회전 자유자재이면서 반송 방향으로 소정 간격을 두고 설치된 롤러(12); 피처리물(M)이 놓여 롤러(12) 위를 반송되는 트레이(13); 연직 방향을 따라 설치되어 지지 프레임(11)의 양단을 지지하는 지지 프레임(14)(도 2에서는 도시생략);을 가지고 있다.

또, 이하의 설명에서는 반송 장치(10)에 의한 피처리물(M)의 반송 방향을 단순히 반송 방향이라고 칭한다.

트레이(13)는 예를 들면 판재를 격자 형상으로 배열하고, 대략 직사각형이다. 트레이(13)의 폭은 피처리물(M)의 폭보다도 약간 크고, 바닥면의 폭방향의 끝테두리에서 롤러(12)에 지지되는 크기이다. 피처리물(M)의 예로서, 여기서는 중앙부에 공간이 형성되는 링형상의 물체를 예시하고 있다.

가스 냉각 장치(20)는 냉각실(160) 내에 냉각 가스를 공급함으로써 피처리물(M)을 냉각하는 것으로, 헤더관(21), 공급관(22), 가스 회수 및 공급계(23)를 구비하고 있다. 헤더관(21)은 도 3에 이점쇄선으로 도시된 바와 같이 냉각실(160)의 반송 방향의 하류측 단부에 배치되고, 반송 장치(10)에 의한 피처리물(M)의 반송 경로를 중심으로 하는 환상으로 형성되어 있다. 이 헤더관(21)에는 가스 회수 및 공급계(23)에 의해 냉각 가스가 공급된다.

공급관(22)은 일단부가 헤더관(21)에 접속되어 있고, 타단측이 반송 방향 상류측으로 향하여 수평 방향으로 연장되어 형성되며, 반송 장치(10)에 의한 피처리물(M)의 반송 경로를 중심으로 하여 둘레방향으로 대략 등간격(여기서는 90°간격)으로 복수(여기서는 4개) 설치되어 있다. 구체적으로 도 3에 도시된 바와 같이, 공급관(22)은 환상의 헤더관(21)의 3시, 6시, 9시, 12시의 위치(상하좌우의 위치)에 설치되어 있다. 각 공급관(22)은 냉각실(160)의 길이에 걸친 길이로 타단측이 냉각실(160)의 반송 방향 상류측으로 향하여 수평 방향으로 연장되어 형성되어 있다. 각 공급관(22)에는 피처리물의 반송 경로로 향하여 개구하는 분출구(24)가 길이 방향 전체에 걸쳐 각각 소정 간격을 두고 복수 형성되어 있다.

가스 회수 및 공급계(23)는 진공 용기(1)에 접속된 배기관(25), 배기관(25)에 설치된 개폐 밸브(26), 배기관(25)에서 회수된 냉각 가스를 재냉각하는 냉각기로서의 열 교환기(27), 재냉각된 냉각 가스를 헤더관(21)에 공급하는 팬(28)을 포함하고 있다.

냉각 가스로서는, 예를 들면 아르곤, 헬륨, 질소 등의 비활성 가스가 이용된다.

미스트 냉각 장치(30)는 냉각실(160) 내에 냉각액을 미스트 상으로 공급함으로써 피처리물(M)을 냉각하는 것으로, 헤더관(31)(도 3에서는 도시생략), 공급관(32), 냉각액 회수 및 공급계(33)를 구비하고 있다. 헤더관(31)은 냉각실(160)의 반송 방향 상류측 단부에 배치되고, 반송 장치(10)에 의한 피처리물(M)의 반송 경로를 중심으로 하는 환상으로 형성되어 있다. 이 헤더관(31)에는 냉각액 회수 및 공급계(33)에 의해 냉각액이 공급된다.

공급관(32)은 일단부가 헤더관(31)에 접속되어 있고, 타단측이 반송 방향 하류측으로 향하여 수평 방향으로 연장되어 형성되어 있다. 또한, 공급관(32)은 반송 장치(10)에 의한 피처리물(M)의 반송 경로를 중심으로 둘레방향으로 대략 등간격(여기서는 90°간격)으로 복수(여기서는 4개) 설치되어 있다. 구체적으로 도 3에 도시된 바와 같이 공급관(32)은 환상의 헤더관(21)에 수평 방향으로부터 ±45°의 위치에 설치되어 있다. 각 공급관(32)은 냉각실(160)의 길이에 걸친 길이로 타단측이 냉각실(160)의 반송 방향 하류측으로 향하여 수평 방향으로 연장되어 형성되어 있다. 각 공급관(32)에는 피처리물의 반송 경로로 향하여 냉각액을 미스트 상으로 분사하는 노즐부(34)가 길이 방향 전체에 걸쳐 각각 소정 간격을 두고 복수 형성되어 있다.

또, 공급관(32) 및 노즐부(34)의 배치로서는 미스트 상의 냉각액이 중력의 영향을 받기 때문에 공급량에 차이가 생길 가능성이 있는 상하 방향을 피하는 것이 바람직하고, 적합하게는 수평 방향을 따라 미스트 상의 냉각액을 공급한다. 단, 상하 방향을 따라 냉각액을 공급하는 경우에는 중력에 의한 영향을 고려하여 공급량을 다르게 하면 된다. 또한, 공급관(32)을 4개가 아니라, 예를 들면 3개 배치하는 경우에는 수직 성분을 최대한 줄이기 위해서도 천정부와 이 천정부를 사이에 두고 ±120°의 위치에 배치하는 것이 바람직하다.

냉각액 회수 및 공급계(33)는 진공 용기(1)에 접속된 배액관(35), 배액관(35)에 설치된 개폐 밸브(36), 배액관(35)에서 회수된 냉각액을 모터(39)의 구동에 의해 배관(37)을 개재하여 헤더관(31)에 송액하는 펌프(38), 냉각실(160)의 압력(기압)을 계측하는 센서(40), 센서(40)의 계측 결과에 기초하여 모터(39)의 구동을 콘트롤하는 냉각액의 유량 제어기로서의 인버터(41), 처리품으로부터의 수열(受熱)에 의해 기화한 냉각액을 액화하는 액화기(액화 트랩)(42)를 포함하고 있다.

냉각액으로서는, 예를 들면 기름, 솔트, 후술하는 불소계 비활성 액체 등을 이용할 수 있다.

온도 계측 장치(80)는 피처리물(M)의 온도를 계측하는 것으로, 피처리물(M)의 외주에 설치된 온도 센서(80A)와 피처리물(M)의 내주 중앙에 설치된 온도 센서(80B)를 포함한다. 온도 센서(80A, 80B)의 계측 결과는 인버터(41)에 출력된다. 온도 센서(80A, 80B)로서는 여기서는 열전쌍이 설치되어 있는데, 예를 들면 방사 온도계와 같은 비접촉식 센서에 의해 복수 개소를 계측해도 된다.

인버터(41)는 온도 센서(80A, 80B)의 계측 결과에 따라 모터(39)의 구동을 제어한다.

이어서, 상기 진공 열처리로(100)에서 가열된 피처리물(M)을 냉각실(160)에서 냉각하는 순서에 대해 설명한다.

냉각실(160)로 반송된 피처리물(M)에 대해서는 미스트 냉각 장치(30)에서의 노즐부(34)로부터 냉각액이 미스트 상으로 공급 및 분사된다. 여기서, 노즐부(34)로부터의 확산 각도로서는, 예를 들면 도 3에 도시된 바와 같이 90°로 설정됨으로써 피처리물(M)의 측면(외주면)에 대해 전면적으로 분사시킬 수 있다. 또한, 이 때 피처리물(M)(트레이(13))의 경사 하방에 위치하는 노즐부(34)로부터 분출한 냉각액은 트레이(13)가 판재를 격자 형상으로 배열한 것으로 형성되어 있기 때문에 판재의 간극을 통과함으로써 지장 없이 피처리물(M)에 도달하여 냉각할 수 있다. 또한, 피처리물(M)의 반송 방향 전면 및 배면에 대해서도 노즐부(34)가 냉각실(160)의 길이 방향 전체에 걸쳐 설치되어 있기 때문에 특히 공급관(32)의 양단측에 위치하는 노즐부(34)로부터의 분사에 의해 미스트 상의 냉각액이 소정의 미스트 밀도(제1 미스트 밀도)로 공급되기 때문에, 미스트 상의 냉각액의 증발 잠열에 의해 지장 없이 피처리물(M)을 냉각할 수 있다(제1 공정, 도 5 중 부호 K1).

여기서, 냉각실(160)에서의 미스트 밀도는 똑같지 않고 노즐부(34)의 배치 등에 의해 분포가 생기기 때문에 피처리물(M)에 대한 냉각 특성에 차이가 생긴다. 특히, 본 실시형태에서의 피처리물(M)과 같이 중심부에 공간이 형성되어 있는 경우에는 외주부 근방과 내주부 근방에서는 미스트 밀도의 차에 기인하여 냉각 특성에 차이가 생기기 때문에 온도 차가 생겨 버린다.

예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이 미스트 밀도가 크고 냉각 효율이 높은 개소의 온도(TA)는 미스트 밀도가 작고 냉각 효율이 낮은 개소의 온도(TB)보다도 온도 저하가 단시간에 진행되기 때문에, 시간 경과와 함께 온도 차(TS)가 커져 버린다.

그 때문에 본 실시형태에서는 온도 차가 가장 크다고 추정되는 피처리물(M)의 외주면 및 내주면의 안쪽에 온도 센서(80A, 80B)를 각각 배치하고 있다.

그리고, 온도 센서(80A, 80B)의 계측 결과로부터 구해진 피처리물(M)의 온도 차(TS)가 소정의 문턱값(예를 들면, 10℃)을 넘었을 때(시간(T1))에는 인버터(41)가 전환 장치로서 기능하고, 모터(39)의 구동을 제어하여 미스트 냉각 장치(30)에서의 노즐부(34)로부터의 미스트 공급을 정지시킨다.

이에 의해 냉각실(160) 내에서의 특히 피처리물(M)의 외주 근방의 미스트 밀도가 저하되어(제2 미스트 밀도가 되어), 제1 공정보다도 낮은 냉각 효율로 피처리물(M)을 냉각하게 된다(제2 공정, 도 5 중 부호 K2). 이 때, 피처리물(M)에서는 열 전도에 의해 고온부에서 저온부로 열이 전해짐으로써 온도 차(TS)가 작아진다.

그리고, 온도 차(TS)가 소정의 문턱값(예를 들면, 10℃) 이내가 된 후에 다시 노즐부(34)로부터 미스트 상의 냉각액을 냉각실(160)에 공급 및 분사한다. 이와 같이 소정의 문턱값을 설정하고 온도 센서(80A, 80B)의 계측 결과를 이용하여 피처리물(M)이 소정 온도가 될 때까지 제1 공정과 제2 공정을 교대로 반복하여 행한다.

여기서, 문턱값을 넘은 곳에서 바로 미스트 공급의 정지 또는 미스트 공급의 재개를 행해도 되지만, 모터(39) 및 펌프(38)가 단시간 운전을 반복하여 부하가 커지는 것을 회피하기 위해, 예를 들면 문턱값을 넘은 후에 소정 시간(예를 들면, 5초간) 경과한 후에 모터(39) 및 펌프(38)의 구동 또는 구동 정지를 행하는 것이 바람직하다.

또한, 지연 시간을 설정하는 것이 아니라 디퍼렌셜(differential) 온도(예를 들면, 2℃)를 설정하여 온도 차(TS)가 12℃를 넘은 곳에서 미스트 냉각을 정지하고, 온도 차(TS)가 8℃ 이내가 된 곳에서 미스트 냉각을 재개해도 된다.

상기 미스트 상의 냉각액 공급에서는 처리 중에 진공 용기(1)로부터의 냉각액의 누출을 방지하는 관점에서도 대기압 이하에서의 처리가 바람직하다. 또한, 냉각액에 관한 물성값으로서는 대기압 하에서 상온(常溫) 25℃로 한 경우에 물과 동등 이상의 비점(100℃이상의 비점)인 것이 바람직하다. 이는 미스트로서 분출시킨 냉각액이 피처리물(M)과의 열 교환에 의해 온도가 상승하기 때문에 이를 냉각하는 기구(액화기(42))로서 열 교환기가 이용되고, 열 교환 매체로서는 일반적으로는 물이 이용되기 때문이다.

보다 상세하게는 열 교환 매체로서의 물은 냉각 탑을 이용하여 냉각되는 형태가 일반적이기 때문에 냉각액과의 열 교환 효율을 고려하면 40~50℃정도에서 이용하는(즉, 열 교환 후의 냉각액 온도(미스트 상 냉각액의 공급 온도)가 40~50℃정도에서 이용되는) 것이 타당하다. 또한, 냉각액은 그 비점과 피처리물(M)의 온도의 차에 따른 열량을 흡열하기 때문에 보다 많은 열량을 흡열하는 것을 고려하면 미스트 상 냉각액의 공급 온도에 대해 30~50℃정도 높은 온도의 비점을 가지는 것이 바람직하다. 이로부터 냉각액의 비점으로서는 물과 동등 이상의 비점(100℃이상의 비점)인 것이 바람직하다.

구체적으로, 예를 들면 대기압 하(101kPa(abs))에서 상온 25℃에서 비점 131℃의 불소계 비활성액을 이용하는 경우에는 비점이 110℃가 되는 분위기 조정압 55kPa(abs)~비점이 80℃가 되는 분위기 조정압 20kPa(abs) 정도의 조건으로 처리하는 것이 바람직하다.

또한, 냉각액은 그 비점과 피처리물(M)의 온도의 차에 따른 열량을 흡열하기 때문에 피처리물(M)로부터의 흡열량의 불균일을 억제하는 것을 고려하면 미스트 상 냉각액의 공급 온도와 냉각액의 비점의 온도 차가 일정한 것이 바람직하다.

구체적으로는 미스트 상 냉각액의 공급 온도가 내려간 경우에는 그 내려간 온도의 분만큼 냉각액의 비점도 낮게 하도록 분위기 조정압을 높게 하는 것이 바람직하다. 한편, 미스트 상 냉각액의 공급 온도가 올라간 경우에는 그 올라간 온도의 분만큼 냉각액의 비점도 높게 하도록 분위기 조정압을 낮게 하는 것이 바람직하다. 또, 도시하지 않은 진공 배기 장치에 의해 용기 내의 기체를 배기함으로써 분위기 조정압을 낮게 한다.

한편, 피처리물(M)에 대해서는 가스 냉각 장치(20)에서의 분출구(24)로부터 냉각 가스가 공급 및 분사된다. 분출된 냉각 가스에 의해 피처리물(M)이 직접 냉각됨과 동시에 냉각 가스의 흐름에 의해 냉각실(160)에 미스트 상으로 분무된 냉각액이 확산됨으로써 냉각실(160)의 분위기를 똑같이 할 수 있다.

이 미스트 상의 냉각액을 이용한 냉각의 경우에는 냉각액을 연속적으로 공급하여 피처리물(M)과의 열 교환이 가능하게 된다. 그 때문에 피처리물(M)을 냉각액 중에 침지한 경우와 같이 고온의 피처리물(M)에 접촉한 냉각액이 비등하여 생긴 기포에 의해 냉각액과의 접촉 면적이 줄어 냉각 효율이 저하되거나, 또 기포의 양이 증가하여 증기막이 되어 단열층을 형성하여 냉각 효율이 현저하게 저하되는 등의 문제를 발생시키지 않고 피처리물(M)에 대한 냉각 처리를 계속적으로 실시할 수 있다.

냉각실(160)에 미스트 상으로 공급된 냉각액은 진공 용기(1)의 내벽면이나 액화기(42)에서 액화하여 진공 용기(1)의 바닥부에 저류된다. 그리고, 가스 회수 및 공급계(23)에서의 개폐 밸브(26)를 닫고, 냉각액 회수 및 공급계(33)에서의 개폐 밸브(36)를 연 상태에서 모터(39)를 구동하여 펌프(38)를 작동시킴으로써 저류된 냉각액은 배관(37)을 개재하여 헤더관(31)에 순환하도록 공급된다. 특히, 센서(40)가 냉각실(160) 내의 기압이 저하되어 냉각액의 공급·분사량이 저하된 것을 검지한 경우에는 인버터(41)에 의해 모터(39)의 구동을 제어하여 냉각액의 공급량을 조정함으로써 항상 적절한 양의 냉각액을 헤더관(31)에 대해 공급할 수 있다.

한편, 냉각실(160)에 공급된 냉각 가스에 대해서도 순환하여 재사용된다.

구체적으로는 냉각액 회수 및 공급계(33)에서의 개폐 밸브(36)를 닫고, 가스 회수 및 공급계(23)에서의 개폐 밸브(26)를 개방함으로써 냉각실(160)로부터 배기관(25)에 도입한 냉각 가스를 열 교환기(27)에서 재냉각하고, 팬(28)의 작동에 의해 헤더관(21)에 순환하도록 공급할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 실시형태에서는 제1 미스트 밀도로 피처리물(M)을 냉각하는 제1 공정과 제2 미스트 밀도로 피처리물(M)을 냉각하는 제2 공정을 교대로 반복함으로써, 냉각 처리시의 피처리물(M)에서의 온도 차(TS)를 작게 할 수 있다. 그 때문에 본 실시형태에서는 냉각 처리에 의해 피처리물(M)에 생기는 변형을 억제할 수 있음과 동시에 피처리물(M)에서의 열처리 후의 경도 분포를 억제할 수 있어 고품질의 피처리물을 얻는 것이 가능하게 된다.

특히, 본 실시형태에서는 제2 공정에서 미스트 상의 냉각액의 공급을 정지시키고 있기 때문에, 제1, 제2 미스트 밀도 차를 최대로 할 수 있고, 보다 효율적으로 피처리물(M)에서의 온도 차(TS)를 작게 하는 것이 가능하다.

또한, 본 실시형태에서는 피처리물(M)의 온도를 복수 개소, 보다 상세하게는 냉각 효율이 높은 개소와 낮은 개소에서 계측하여, 이 계측 결과에 따라 제1 공정과 제2 공정을 전환하고 있기 때문에 자동 운전에 의한 높은 생산성을 실현하는 열처리를 실시할 수 있다. 또한, 담금질시 등에는 원하는 냉각 곡선(시간과 온도 저하 특성의 관계)을 설정하고, 이 냉각 곡선에 따른 피처리물(M)의 냉각도 실시할 수 있기 때문에, 예를 들면 강재의 피처리물(M)에 대해 담금질 등의 열처리를 실시할 때에도 강재에 딱딱하고 무른 퍼라이트 조직이 형성되지 않은 조건으로 냉각할 수 있어 고품질의 피처리물(M)을 얻을 수 있다.

또, 상기 실시형태에서의 냉각액으로서는 불소계 비활성 액체를 적합하게 이용할 수 있다.

불소계 비활성 액체를 이용한 경우에는 피처리물(M)의 구성 재료를 침해하지 않고 피처리물(M)에 악영향을 미치는 것을 방지할 수 있다. 또한, 불소계 비활성 액체는 불연성을 가지고 있기 때문에 안전성도 향상시키는 것이 가능하다. 또한, 불소계 비활성 액체는 비점이 물보다도 높기 때문에 냉각 포텐셜도 높고, 물을 이용한 경우에 생기는 산화나 증기막 등의 문제도 억제할 수 있다. 이와 함께 증발 잠열의 점에서도 열전달 능력이 뛰어나 피처리물(M)을 효율적으로 냉각하는 것이 가능하다. 또, 피처리물(M)에 불소계 비활성 액체가 부착되어도 세정할 필요가 없기 때문에 생산성도 향상된다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명에 관한 적합한 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는다. 상술한 예에서 나타낸 각 구성 부재의 여러 가지 형상이나 조합 등은 일례로서, 본 발명의 주지에서 벗어나지 않는 범위에서 설계 요구 등에 기초하여 다양하게 변경 가능하다.

예를 들면, 상기 실시형태에서는 제2 공정에서 미스트 상의 냉각액의 공급을 정지시켰지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 제1 공정에서 공급되는 냉각액의 미스트 밀도보다도 작은 밀도이면, 제2 공정에서는 냉각액을 미스트 상으로 공급해도 된다.

미스트 밀도를 조정하는 방법으로서는 상술한 모터(39) 및 펌프(38)를 이용한 냉각액의 공급량 조정이나 공급 압력 조정, 공급 시간 조정(조리개 밸브 등을 이용한 주파수 조정) 등을 채용할 수 있다. 어떤 경우에서도 피처리물(M)에 대한 냉각 특성에 따라 제1, 제2 미스트 밀도를 적절히 설정 가능하다.

또한, 상기 실시형태에서는 복수의 노즐부(34)로부터의 냉각액(미스트) 공급량이 똑같았지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 온도 계측 결과에 따라 공급량 등을 다르게 해도 된다. 예를 들면, 4개의 공급관(32)마다 공급량을 제어 가능한 공급계를 구축해 두고, 온도 계측 결과에 따라 공급관(32)마다 공급량을 증감시켜도 되고, 또 노즐부(34)마다 개폐 밸브를 설치하여 노즐부(34)마다 공급량을 조정해도 된다.

또한, 상기 실시형태에서는 온도 센서(80A, 80B)로 피처리물(M)의 온도를 계측하고, 계측한 온도 차에 따라 제1 공정과 제2 공정을 전환하였지만, 온도 차 이외에도 피처리물(M)의 대표 온도나 계측한 온도의 평균값에 따라 제1 공정과 제2 공정을 전환해도 된다.

또한, 피처리물(M)의 온도 계측을 행하면서 공정 전환을 행하는 것이 아니라, 예를 들면 미리 실험이나 시뮬레이션 등에 의해 미스트 상의 냉각액의 공급과 피처리물(M)의 온도(냉각 특성)의 상관 관계를 표(테이블)로서 유지해 두고, 그 상관 관계에 기초하여 냉각액의 공급을 조정하면서 타이머 운전을 해도 된다.

또한, 상기 실시형태에서는 단체(單體)의 피처리물(M)에서 복수 개소에서 온도를 계측하여 온도 차를 구하였지만, 예를 들면 도 6에 도시된 바와 같이, 가대(架臺)(15)에 지지된 복수의 피처리물(M)에 대해 냉각 처리를 하는 경우에도 본 발명이 적용 가능하다.

이 경우 복수의 피처리물(M) 중에서 미스트 밀도가 큰 위치(예를 들면, 바깥쪽의 위치)에 배치되는 피처리물(M)에 온도 센서(80A)를 설치함과 동시에, 미스트 밀도가 작은 위치(예를 들면, 중간쪽의 위치)에 배치되는 피처리물(M)에 온도 센서(80B)를 설치하고, 상술한 바와 같이 이들 온도 센서(80A, 80B)에서 계측된 온도 차에 따라 제1 공정과 제2 공정을 전환해도 된다.

이에 의해 본 발명에서는 복수의 피처리물(M) 간에서의 온도 차를 억제하여 각 피처리물에서 품질 불량의 발생을 억제하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기 실시형태에서 설명한 냉각액의 공급은 통상 진공 하에서 행해지는데, 예를 들면 미스트 냉각시에 상술한 비활성 가스를 첨가해도 된다.

통상 분위기압이 높으면 비점은 올라가고, 분위기압이 낮으면 비점이 내려간다. 그 때문에 비활성 가스의 첨가량을 조정하여 분위기압을 상승시킴으로써 냉각액의 기화 잠열에 의한 냉각 능력을 높일 수 있고, 반대로 분위기압을 하강시킴으로써 비점이 내려가 공급액 온도와의 온도 차가 좁아져 냉각 속도(냉각 능력)를 억제할 수 있다.

이와 같이 비활성 가스의 첨가량을 조정함으로써, 피처리물(M)에 대한 냉각 특성을 제어하는 것도 가능하게 되고, 보다 고정밀도의 냉각을 실시할 수 있다.

또한, 상기 실시형태에서는 미스트 냉각 장치(30)와 가스 냉각 장치(20)를 병용하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고 미스트 냉각 장치(30)만이 설치되어도 된다.

또한, 상기 실시형태에서는 냉각액으로서 기름, 솔트, 불소계 비활성 액체 등을 예시하였지만, 그 밖에 산화나 증기막 등의 영향이 경미한 경우에는 물을 이용해도 된다. 미스트 상의 냉각액으로서 물을 이용하는 경우에는, 상술한 불소계 비활성액을 이용하는 경우와 같은 이유에 의해 비점이 90℃가 되는 분위기 조정압 70kPa(abs)~비점이 80℃가 되는 분위기 조정압 48kPa(abs) 정도의 조건으로 처리하는 것이 바람직하다.

냉각액으로서 물을 이용한 경우에는 액상 또는 기상 어느 것이어도 번잡한 후처리를 필요로 하지 않고 안전하게 배출하는 것이 가능하며, 후처리에 드는 비용면 및 지구 환경 보호의 관점에서도 적합하다.

본 발명의 열처리 장치 및 열처리 방법에 의하면, 냉각시의 온도 분포를 억제할 수 있어 변형이나 경도의 불균일 등의 품질 불량의 발생을 회피할 수 있다.

20…가스 냉각 장치, 30…미스트 냉각 장치, 32…공급관(관체), 34…노즐부, 41…인버터(전환 장치), 80…온도 계측 장치, 100…진공 열처리로(열처리 장치), 160…냉각실, CU…냉각 유닛, M…피처리물, K1…제1 공정, K2…제2 공정

Claims (8)

1. 가열된 피처리물을 미스트 상의 냉각액을 이용하여 냉각하는 냉각 공정을 가지는 열처리 방법으로서,
   제1 미스트 밀도로 상기 피처리물을 냉각하는 제1 공정과,
   상기 제1 미스트 밀도보다도 밀도가 작은 제2 미스트 밀도로 상기 피처리물을 냉각하는 제2 공정을 교대로 반복하여 행하는 열처리 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 공정에서는 상기 미스트 상의 냉각액을 공급하고,
   상기 제2 공정에서는 상기 미스트 상의 냉각액의 공급을 정지하는 열처리 방법.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   상기 미스트 상의 냉각액의 밀도를 상기 냉각액의 공급량, 공급 압력, 공급 시간 중 적어도 하나로 조정하는 열처리 방법.
4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 미스트 상의 냉각액의 공급 상태와 상기 피처리물의 온도 특성의 상관 관계를 유지하고,
   상기 상관 관계에 기초하여 상기 제1 공정과 상기 제2 공정을 전환하는 열처리 방법.
5. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 피처리물의 온도를 계측하는 공정과
   계측한 온도에 기초하여 상기 미스트 상의 냉각액의 공급을 제어하는 공정을 가지는 열처리 방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 피처리물의 온도를 복수 개소에서 계측하고,
   계측한 상기 피처리물에서의 온도 차에 기초하여 상기 제1 공정과 상기 제2 공정을 전환하는 열처리 방법.
7. 청구항 5에 있어서,
   복수의 상기 피처리물에 대해 온도를 계측하고,
   계측한 상기 피처리물 간의 온도 차에 기초하여 상기 제1 공정과 상기 제2 공정을 전환하는 열처리 방법.
8. 미스트 상의 냉각액을 냉각실에 공급하여 가열된 피처리물을 냉각하는 열처리 장치로서,
   상기 미스트 상의 냉각액의 공급을 제1 미스트 밀도와 상기 제1 미스트 밀도보다도 작은 제2 미스트 밀도로 교대로 전환하는 전환 장치를 구비하는 열처리 장치.

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