KR20120112381A - 작업편을 경화시키기 위한 방법 및 장치와, 상기 방법에 따라 경화된 작업편 - Google Patents

작업편을 경화시키기 위한 방법 및 장치와, 상기 방법에 따라 경화된 작업편 Download PDF

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Abstract

본 발명은 작업편들을 열처리하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이며, 상기 장치는 냉각 챔버와 2개 이상의 시멘팅 챔버(cementing chamber)를 포함하며, 상기 작업편들이 가열 장치의 직접 열복사에 의해 950 내지 1200 ℃의 온도로 가열된다.

Description

작업편을 경화시키기 위한 방법 및 장치와, 상기 방법에 따라 경화된 작업편{METHOD AND DEVICE FOR HARDENING WORKPIECES, AND WORKPIECES HARDENED ACCORDING TO SAID METHOD}
본 발명은 작업편들을 경화시키기 위한 방법, 상기 방법을 수행하기 위한 장치, 및 상기 방법에 따라 경화된 작업편에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
(a) 상기 작업편들은 950 내지 1200 ℃의 온도로 가열된다.
(b) 상기 작업편들은 950 내지 1200 ℃의 온도 및 100 mbar 미만의 압력에서 탄소-함유 가스 및/또는 질소-함유 가스에 종속된다.
(c) 상기 작업편들은 950 내지 1200 ℃의 온도에서 100 mbar 미만의 압력으로 대기 중에 유지된다.
(d) 적절할 경우, 단계 (b)와 (C)가 일회 또는 수회 반복된다.
(e) 상기 작업편들은 냉각된다.
본 발명에 따른 장치는 2개 이상의 침탄 챔버들, 적어도 하나의 냉각 챔버 및 작업편을 위한 랙들을 처리하기 위한 전달 시스템을 포함하며, 상기 침탄 챔버들 각각은 하나 이상의 진공 게이트 밸브들 또는 열적 절연 게이트 밸브들을 통해 상기 냉각 챔버에 연결될 수 있으며, 각각의 침탄 챔버는 랙을 위한 용기 및 또한 가열 요소들을 갖는다.
상기 작업편들은 주로 금속 재료들로 제조된 기계 부품들 및 기어링 메커니즘(gearing mechanism)으로서, 예를 들면, 중공형 휠들, 기어 휠들, 샤프트들, 또는 (ASTM 5130에 따른) 28Cr4, 16MnCr5, 18CrNi8 및 18CrNiMo7-6과 같은 강철 합금으로 제조된 분사 요소들이다.
침탄에 의해 작업편을 경화시키기 위한 방법과 장치는 종래 기술에서 공지된 바 있다.
DE 103 22 255 A1은 소개될 수 있는 처리 챔버 내에 탄소 도너 가스(donor gas)를 구비하고 930 ℃ 이상의 온도에서 강철 부품들을 침탄시키기 위한 방법이 개시되어 있으며, 여기서, 암모니아와 같은 질소-배출 가스는 가열 단계 및 확산 단계 동안 상기 처리 챔버 내로 공급된다.
DE 103 59 554 B4는 진공 노에서 금속 작업편들을 침탄시키기 위한 방법을 개시하고 있으며, 여기서 상기 노 분위기는 침탄을 위한 처리 상태 하에서 순수 탄소의 배출을 고수하는 탄소 캐리어를 함유하며, 상기 탄소 캐리어는 펄스 방식으로 공급되고, 각각의 침탄 펄스는 확산 펄스가 이어지고, 침탄 펄스 동안 공급될 탄화수소의 양은 현재의 재료 용량에 적응되는 방식으로 변화되어, 각각의 침탄 펄스의 개시에서의 아세틸렌의 용적 유동 속도가 말미에 높게 치수화되고, 노 분위기 또는 오프-가스에서 발생하는 산소 및/또는 아세틸렌 및/또는 전체 탄소의 농도가 측정되고, 그에 따라 아세틸렌의 용적 유동 속도가 적당하게 낮아진다.
DE 10 2006 048 434 A1은 가열 처리 노의 처리 분위기 또는 보호 가스에서 수행되는 침탄 방법에 대해 개시하고 있으며, 여기서는 알콜 및 이산화탄소가 상기 가열 처리 노 내로 도입되어 화학적 반응을 한다. 에탄올 및 이산화탄소가 상기 가열 처리 노 내로 도입되며, 이 경우 도입된 이산화탄소에 대한 도입된 에탄올의 비율은 적합하게도 1:0.96이 된다. 이와 같은 방식으로 생성된 열처리 분위기는 특히 금속 재료들, 예를 들면 철제 재료들의 침탄 및 침탄-뉴트럴 어닐링에 적합하다.
DE 10 2007 038 991 A1은 작업편들의 열처리, 특히 금속 작업편들의 가스 침탄을 위한 회전 노상로(rotary hearth furnace)를 개시하고 있으며, 이 회전 노상로는 노 챔버, 상기 노 챔버를 저부에서 바운드시키는 회전 노상, 상기 노 챔버를 측면으로 둘러싸는 외부벽 및 상기 노 챔버를 상부에서 바운드시키는 커버 플레이트를 포함하며, 상기 노 챔버는 회전 플레이트의 회전축에 대해 방사상으로 연장하는 내부벽들을 갖는 적어도 2개의 처리 영역들로 세분화된다. 작업편들의 처리를 위하여, 상기 회전 플레이트의 회전축에 대해 방사상으로 배향되며 또한 작업편들 또는 작업편 캐리어들을 수용하도록 구성된 복수의 방사상으로 적재 가능한 랙(rack)들이 상기 회전 플레이트 상에 배열되며, 여기서, 각각의 내부벽은 상기 랙들과 상보적 방식으로 성형된 통로를 가지며, 상기 랙들은 상기 회전 플레이트가 원주 방향으로 회전할 때 각각의 내부벽을 통해 안내될 수 있다.
DE 10 2007 047 074 A1은 강철 작업편들, 특히 외부 및 내부 표면들을 갖는 작업편들을 침탄시키기 위한 방법을 개시하고 있으며, 여기서, 상기 작업편은 기체 탄화수소를 함유하는 분위기에서 850 내지 1050 ℃ 범위의 온도 하에 보유된다. 적어도 2개의 다른 기체 탄화수소가 사용되고 그리고/또는 상기 작업편은 기체 탄화수소를 함유하는 분위기 하에서 침탄 펄스 동안 그리고 탄화수소가 없는 분위기 하에서의 다른 단계 동안 교대로 보유된다.
상기 종래 기술에서 공지된 방법들은 하나 이상의 다음과 같은 단점들을 갖는다:
－ 침탄에 의해 작업편들을 경화시키기 위해 요구되는 온도가 850 ℃ 이상이며, 가열을 위해 일반적으로 45분 이상의 시간이 요구된다. 작업편들의 충분한 생산성 또는 높은 처리량을 성취하기 위하여, 침탄은 다량의 작업편들을 갖는 배치식(batch-wise) 방식으로 수행되어야 하며, 여기서 작업편들은 적재 랙에서 하나 위에 다른 하나가 배치되는 복수의 층들로 배열된다. 한 예로서, 10 그릴들을 갖는 적층 랙은 전체 28Cr4 합금(ASTM 5130에 따름)의 160 중공 휠 모드로, 각각의 10 그릴들 상에 서로 나란히 배열되는 16 중공 휠로서 적재된다. 일반적으로 적재부들 또는 적재 랙들은 3 공간 방향 각각에서 400 mm 내지 2000 mm 범위의 칫수를 갖는다. 여기 또는 다음의 문헌에서, 이와 같은 종래 타입의 적재부는 또한 "3D 적재부"라는 용어로 나타낸다. 생산 시퀀스에 있어서, 상기 침탄에는 실질적으로 연속 기계가공(소위, 소프트 기계가공)이 이어진다. 그 결과, 구성은 버퍼 구역들로 이루어지며, 소프트 기계 가공된 작업편들은 침탄을 위한 3D 적재부가 완료될 때까지 수집된다. 3D 적재부의 침탄은 가열로와 버퍼 구역 모두를 위한 중요한 영역을 취한다. 또한, 그는 기계가공의 유사-연속 유동을 방해하고, 실행 계획을 위한 추가적인 소비를 유발시킨다. 따라서, 3D 적재부의 버퍼링은, 이와 같은 목적에 적합한 로봇 시스템이 기술적 및 경제적 이유로 사용될 수 없기 때문에, 작업편들의 수동 처리를 필요로 한다;
－ 3D 적재부의 침탄은 잔류물 함유 탄소의 형성을 증가시키며, 이로 인해 작업편들 및 또한 주변 생산 라인을 오염시킬 수 있다;
－ 3D 적재부에서 침탄되는 작업편들은 일반적으로 심각한 열적 뒤틀림을 경험하게 되며, 이는 복잡한 재 기계가공(소위, 하드 기계가공)을 필요로 하게 된다;
－ 3D 적재부에서 침탄되는 작업편들은 침탄 깊이, 표면 탄소 함유량 및 코어 경도와 같은 특징적 특성들에 있어서 폭넓은 변동 폭을 가지며, 따라서, 예를 들어 침탄된 부품들로 구성되는 기계적 기어링 기구의 미끄럼 또는 마찰 손실과 같은, 직접 또는 간접으로 영향을 미치는 특징적인 품질 가치를 개선시키는 것이 불가능하다.
DE 103 22 255 A1 DE 103 59 554 B4 DE 10 2006 048 434 A1 DE 10 2007 038 991 A1 DE 10 2007 047 074 A1
본 발명의 목적은 상술된 단점들이 크게 회피될 수 있으며 높은 생산성을 갖는 작업편들을 경화시키기 위한 방법을 제공하는 것이다.
이와 같은 목적은 다음의 단계들을 포함하는 방법에 의해 성취된다:
(a) 작업편들은 950 내지 1200 ℃의 온도로 가열되며, 각각의 작업편의 표면의 30 내지 100 %는 가열 디바이스의 직접 열복사로 가열된다;
(b) 상기 작업편들은 950 내지 1200 ℃의 온도 및 100 mbar 미만의 압력에서 탄소-함유 가스 및/또는 질소-함유 가스에 종속된다;
(c) 상기 작업편들은 950 내지 1200 ℃의 온도에서 100 mbar 미만의 압력으로 대기 중에 유지된다;
(d) 적절할 경우, 단계 (b)와 (C)가 일회 또는 수회 반복된다;
(e) 상기 작업편들이 냉각된다.
상기 작업편들은 상기 가열 디바이스의 한 층 또는 열에서 상기 작업편들을 서로 나란히 배열시킴으로써 본 발명에 따른 방법의 단계 (a)에서 가열된다. 이와 같은 타입의 구성은 또한 본원에 개시되며, 이후에 "2D 적재부"라는 용어로서 사용된다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 구성들은 다음을 특징으로 한다:
－ 단계 (a)에서, 상기 작업편들 각각은 2개 이상의 공간 방향으로부터의 열복사로 가열된다;
－ 단계 (a)에서, 상기 작업편들 각각의 표면 근방 구역은 35 내지 135 ℃ㆍmin-1의 속도, 적합하게는 50 내지 110 ℃ㆍmin-1의 속도, 특히 50 내지 75 ℃ㆍmin-1의 속도로 가열된다;
－ 단계 (a)에서, 상기 작업편들 각각의 코어는 18 내지 120 ℃ㆍmin-1의 속도로 가열된다;
－ 단계 (e)에서, 상기 작업편들은 2 내지 20 kjㆍkg-1ㆍs-1의 냉각 비속도로 800 내지 500 ℃의 온도 범위에서 냉각된다;
－ 단계 (b)에서, 상기 작업편들은 아세틸렌(C2H2) 및/또는 암모니아(NH3)에 종속된다;
－ 단계 (e)에서, 상기 작업편들은 가스로, 적합하게는 질소로 냉각된다;
－ 상기 작업편들은 2 내지 20 bar, 적합하게는 4 내지 8 bar, 특히 5 내지 7 bar의 압력에서 질소에 의해 냉각된다;
－ 단계 (e)에서, 상기 작업편들의 표면은 4 내지 100초 이내에서 900 내지 1200 ℃ 범위의 온도로부터 300 ℃의 온도로 냉각된다;
－ 하나의 작업편에 기초하여 단계 (a) 내지 단계 (e)를 수행하기 위한 순환 시간은 5 내지 120초, 적합하게는 5 내지 60초, 특히 5 내지 40초이다.
본 발명에 따른 방법에 따라 50 내지 300 g의 중량을 갖는 내연기관용 분사 노즐이나 또는 나선형 볼트들과 같은 소형 작업편 또는 요소들을 경화하기 위해, 약 50 내지 400개의 구성 요소들이 바스켓으로서 형성된 랙이나 또는 상기 구성 요소들의 순차적 위치 결정을 위해 특별히 제조된 랙에 하나 내지 3개의 층들로 베드 형태로 배열된다. 상기 바스켓에 위치하는 다수의 작업편들로 인해, 단계 (a) 내지 (e)를 수행하기 위해 각각의 작업편에 대해 20초 내지 5초 범위의 짧은 순환 시간을 성취하는 것이 가능하다. 이 경우, 상기 작업편의 부피 밀도(bulk density)는 각각의 작업편의 표면의 적어도 30 %가 가열 디바이스의 직접 열복사로 가열되는 방식으로 선택된다.
특히, 본 발명에 따른 방법은 다음과 같은 단계들을 포함한다:
(ⅰ) 상기 작업편들은 단일층에 있는 랙에/그 위에 배열된다;
(ⅱ) 상기 작업편들을 구비한 상기 랙은, 100 mbar 미만의 압력으로의 진공 배기로, 냉각 챔버 내로 도입된다;
(ⅲ) 상기 랙은 침탄 챔버 내로 전달되며, 상기 랙은 적절할 경우 상기 침탄 챔버 내로 도입되기 전에 파킹 용기(parking receptacle)에 일시적으로 저장된다;
(ⅳ) 상기 작업편들은 열복사에 의해 950 내지 1200 ℃의 온도로 가열되며, 각각의 작업편의 표면의 30 내지 100 %는 상기 침탄 챔버의 직접 열복사로 가열된다;
(ⅴ) 상기 작업편들은 950 내지 1200 ℃의 온도 및 100 mbar 미만의 압력에서 탄소-함유 가스 및/또는 질소-함유 가스에 종속된다;
(ⅵ) 상기 작업편들은 950 내지 1200 ℃의 온도에서 100 mbar 미만의 압력으로 대기 중에 유지된다;
(ⅶ) 적절할 경우, 단계 (ⅳ)와 (ⅴ)가 일회 또는 수회 반복된다;
(ⅷ) 상기 작업편들을 구비한 상기 랙이 상기 냉각 챔버 내로 전달된다;
(ⅸ) 상기 작업편들은 가스로, 적합하게는 질소로 냉각된다;
(ⅹ) 상기 작업편들을 구비한 상기 랙이 상기 냉각 챔버로부터 제거된다.
상술된 방법에 따라 작업편들을 경화시키기 위한 장치를 제공하는 것이 본 발명의 또 다른 목적이다.
이와 같은 목적은 2개 이상의 침탄 챔버들과, 적어도 하나의 냉각 챔버 및 상기 작업편들용 랙들을 처리하기 위한 전달 시스템을 포함하며, 여기서, 상기 냉각 챔버는 하나 이상의 진공 게이트 밸브들을 통해 상기 침탄 챔버들 각각에 연결될 수 있으며, 각각의 침탄 챔버는 랙과 적어도 2개의 가열 요소들을 위한 용기를 가지며, 그로 인해 방출되는 복사가 0.5 Π 내지 2 Π의 평균 입체각(solid angle)에서 상기 작업편들의 각각의 표면을 조사하는 방식으로 배열된다.
대안적 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 장치는 2개 이상의 침탄 챔버들과, 적어도 하나의 냉각 챔버와, 상기 침탄 챔버들과 상기 냉각 챔버 사이에 배열되는 로크 챔버(lock chamber) 및 상기 작업편들용 랙들을 처리하기 위한 전달 시스템을 포함하며, 여기서, 상기 냉각 챔버는 진공 게이트 밸브를 통해 상기 록크 챔버에 연결될 수 있으며, 각각의 침탄 챔버는 열적 절연 게이트 밸브들을 통해 상기 록크 챔버에 연결될 수 있으며, 각각의 침탄 챔버는 랙과 적어도 2개의 가열 요소들을 위한 용기를 가지며, 그로 인해 방출되는 복사가 0.5 Π 내지 2 Π의 평균 입체각에서 상기 작업편들의 각각의 표면을 조사하는 방식으로 배열된다.
본 발명에 따른 장치의 개발은 다음을 특징으로 한다:
－ 상기 열적 절연 게이트 밸브들은 진공 게이트 밸브 형태를 갖는다.
－ 상기 냉각 챔버는 작업편들을 도입 및 제거하기 위한 2개의 진공 게이트 밸브들을 포함한다.
－ 상기 가열 요소들은 표면 이미터(emitter) 형태를 갖는다.
－ 상기 가열 요소들은 흑연 또는 탄소-섬유-보강 탄소(CFC)로 구성된다.
－ 상기 랙들은 그리드형 팰릿(pallet) 형태를 갖는다.
－ 상기 랙들은 탄소-섬유-보강 탄소(CFC)로 구성된다.
－ 상기 전달 시스템은 상부 및 하부 가이드들을 구비한 수직으로 배열된 체인 드라이브들 및 또한 팰릿들을 수용하기 위한 수평으로 이동 가능한 텔레스코픽 포크(telescopic fork)를 포함하며, 상기 텔레스코픽 포크는 기어링 메커니즘(gearing mechanism)을 통해 상기 체인들 중 하나에 결속된다.
개선된 특성들, 특히 감소된 열적 뒤틀림을 갖는 경화 작업편들을 제공하는 것이 본 발명의 또 다른 목적이다. 감소된 뒤틀림으로 인해, 재 기계가공(소위, 하드 기계가공)을 위한 비용이 현저히 감소한다.
이와 같은 목적은, 상술된 방법들 중 하나에 따라 경화된, 금속 재료로 제조된 작업편에 의해 성취된다.
본 발명에 따른 작업편은 다음과 같은 사실에 의해 구분된다:
－ 케이스 경화 깊이(CHD)는 공칭값에 대해 ± 0.05 mm 범위 이내, 적합하게는 ± 0.04 mm 범위 이내, 특히 ± 0.03 mm 범위 이내에 놓이며, 상기 공칭값은 0.3 내지 1.4 mm이다.
－ 표면 탄소 함량은 공칭값에 대해 ± 0.025 중량% 범위 이내, 적합하게는 ± 0.015 중량% 범위 이내, 특히 ± 0.01 중량% 범위 이내에 놓이며, 상기 공칭값는 0.6 내지 0.85 중량%이다.
－ 코어 경도는 공칭값에 대해 ± 30 HV 범위 이내, 적합하게는 ± 20 HV 범위 이내에 놓이며, 상기 공칭값은 280 내지 480 HV이다.
상기 케이스 경화 깊이(CHD), 표면 탄소 함량 및 코어 경도의 상기 공칭값으로부터의 편차 또는 변이 범위(즉, 가장 큰 측정값과 가장 작은 측정값 사이의 차이)는 적재된 1 내지 5개의 작업편들 상에서의 측정에 의해 결정된다.
상기 작업편들은 주로 금속 재료들로 제조된 기계 부품들 및 기어링 메커니즘으로서, 예를 들면, 중공형 휠들, 기어 휠들, 샤프트들, 또는 (ASTM 5130에 따른) 28Cr4, 16MnCr5, 18CrNi8 및 18CrNiMo7-6과 같은 강철 합금으로 제조된 분사 요소들이다.
본 발명은 이하에서 도면들을 참고로 더욱 상세히 설명된다
도 1a는 2개의 가열 요소들을 구비한 작업편의 구성을 도시하는 도면.
도 1b는 작업편의 복사 가열을 도시하는 도면.
도 2는 작업편을 구비한 팰릿을 도시한 도면.
도 3은 수직으로 이동 가능한 냉각 챔버를 구비한 경화 장치를 도시한 도면.
도 3a는 전달 챔버를 구비한 장치를 도시한 도면.
도 4는 고정 냉각 챔버 및 중앙 록크 챔버를 구비한 경화 장치를 도시한 도면.
도 5a 및 도 5b는 중앙 록크 챔버를 구비한 장치를 위한 전달 시스템을 도시한 도면.
도 6은 수직 구성에 있어서 2개의 가열 요소들 사이의 복수의 작업편들을 도시한 도면.
도 7은 작업편들의 가열과 관련된 측정 데이터를 도시한 도면.
도 8은 작업편들의 경화 프로파일과 관련된 측정 데이터를 도시한 도면.
도 9는 작업편들의 코어 경도와 관련된 측정 데이터를 도시한 도면.
도 10은 작업편들의 표면 탄소와 관련된 측정 데이터를 도시한 도면.
도 11은 작업편의 난형(ovality)과 관련된 측정 데이터를 도시한 도면.
도 1a는 2개의 가열 요소들(21, 22)을 구비한 작업편들(6)에 대한 구성을 도시한다. 상기 작업편들(6)은 그리드-형 팰릿 형태로 랙(5) 상에 저장된다. 상기 가열 요소들(21, 22)은 상기 팰릿(5) 또는 작업편들(6)과 관련하여, 도 1에서 화살표 8로 나타내는, 상기 가열 요소들(21, 22)에 의해 방출되는 복사가 다양한 공간 방향들로부터 상기 작업편들(6)의 표면 상으로 입사되는 방식으로 배열된다. 상기 가열 소자들(21, 22)은 상기 팰릿(5)의 양쪽 측면 상에서 서로 마주보고 놓이도록 배열되는 것이 적합하다. 상기 가열 요소들(21, 22)의 구성은 상기 작업편(6)의 표면의 30 내지 100 %가 직접 가열 복사(8)에 노출되는, 즉 상기 가열 소자들(21, 22)의 표면과 직접 시각 접촉되는 방식으로 선택된다. 본 발명의 편의주의적 개발에 있어서, 상기 가열 요소들(21, 22)은 작업편(6)의 표면의 지점(9, 9') 상으로 입사되는 복사(8)에 의해 평균적으로 조명되는 평균 입체각(solid angle)이 0.5 Π 내지 2 Π가 되는 방식으로 상기 작업편들(6)과 관련하여 형성 및 배열된다. 각각의 작업편(6)의 표면의 30 내지 100 %가 0.5 Π 내지 2 Π의 평균 입체각에서 열복사(8)로 조명되는 이와 같은 구성은 상기 작업편들(6)을 신속하게 가열하는 것을 가능하게 한다. 도 2b는 작업편(6)의 표면 상에 지점(9)의 복사를 위해 2 Π 크기의 최대 입체각(Ω)을 나타내는 사시도이다. 상기 작업편(6)의 표면의 부분적인 영역들이 상기 팰릿(5)에 의해 눈에 띄지 않고 또한 상기 가열 요소들(21, 22)과 어떠한 직접 시각 접촉도 되지 않는다는 사실을 도 1a로부터 볼 수 있다. 상기 작업편들(6)의 표면이 오목 형태를 갖는 영역들에도 동일하게 적용된다. 상술된 표면 영역들은 작업편들(6) 내의 열전도에 의해 간접적으로 가열된다. 만약 본 발명에 따라 상기 각각의 작업편의 표면의 적어도 30 %가 상기 가열 요소들(21, 22) 중 하나와 직접 시작 접촉된다면, 상기 작업편들(6)의 신속한 가열이 보장받게 된다.
상기 가열 요소들(21, 22)은 적합하게도 전력으로 작동되는 "능동 복사 히터"이다. 그러나, 본 발명은 또한, 예를 들면, 복사 히터에 의해 1000 ℃ 이상의, 특히 1400 ℃ 이상의 높은 온도로 가열되는 침탄 챔버의 벽이 상기 침탄 챔버에 배열되는, "수동 복사 히터"도 포함한다. 상기 침탄 챔버의 벽들은 적합하게도 경화될 작업편들의 열용량의 몇배인 열용량을 갖는다. 이는 상기 작업편들이 적하 및 제거되는 동안 상기 침탄 챔버의 온도가 약간만 낮아지게 한다. 본 발명에 따른 이와 같은 효과는 복사 히터에 의해 가열된 침탄 챔버의 벽들과 같이 전기 복사 히터들에서도 동일한 방식으로 성취된다.
도 2는, 예를 들면 그리드형 팰릿(5) 상의 기어 휠들인, 본 발명에 따른 작업편들(6)의 단일층 구성을 나타내는 사시도이다. 이후 본 발명에 따라 본원에서 개방비(opening ratio)로서 언급되는, 상기 팰릿(5)의 가로 대칭 평면(7)에서 측정되고, 상기 가로 대칭 평면(7)과 수직인 표준 표면(7')과 관련된, 상기 그리드에 대한 개방 영역의 비는 60 % 초과, 적합하게는 70 % 초과, 특히 80 % 초과이다. 편리하게도, 상기 팰릿(5)은 탄소-섬유-보강 탄소(CFC)로 구성되며, 따라서 그것은 높은 기계적 및 열적 안정성을 갖는다.
도 3에 개략적으로 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 장치(100)는 수직으로 이동 가능한 냉각 챔버(190) 및 수직으로 겹쳐 싸이도록 배열된 4개의 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140)을 구비한다. 상기 냉각 챔버(190)와 각각의 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140)은 진공 펌프 또는 진공 펌프 스탠드(도 3에는 도시되지 않음)에 연결된다. 상기 진공 펌프들에 의해, 각각의 챔버들(190; 110, 120, 130, 140)은 다른 챔버들과는 독립적으로 100 mbar 미만, 적합하게는 20 mbar 미만의 압력으로 소개될 수 있다. 상기 냉각 챔버(190)는 또한 가스 라인을 통해 헬륨이나 또는 질소와 같은 냉각 가스를 위한 압력 용기(도 3에는 도시되지 않음)에 연결된다. 상기 냉각 가스는 2 내지 25 bar 압력에서 상기 압력 용기 내에 보유된다. 압력을 발생시키기 위해, 상기 압력 용기는 압축기 또는 고압 가스 공급부에 공지된 방식으로 연결된다. 상기 압력 용기로부터 냉각 챔버(190)로의 가스 라인에는 조절 밸브가 구비된다. 상기 냉각 챔버(190)를 충전 또는 소개시키기 위해, 상기 조절 밸브는 어떠한 냉각 가스도 압력 용기로부터 냉각 챔버(190) 내로 통과하지 못하도록 폐쇄 위치 내로 이동된다.
각각의 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140)은 전용 가스 라인을 통해 아세틸렌과 같은 탄소-함유 가스를 위한 용기(도 3에는 도시되지 않음)에 연결된다. 선택적으로, 각각의 침탄 챔버들은 질소-함유 가스를 위한 추가의 용기에 연결된다. 상기 용기(들)로부터 상기 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140)로의 가스 라인들에는 상기 각각의 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140)로 공급되는 가스 유동을 정확하게 제어하기 위한 조절 가능한 밸브, 적합하게는 질량 흐름 제어기(MFC)가 구비된다.
또한, 각각의 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140)은 2개의 가열 요소들(21, 22) 및 팰릿(5)용 용기 또는 홀더-도 3에는 도시되지 않음-를 포함한다. 상기 가열 요소들(21, 22)은 전기적으로 작동되며, 적합하게도 광범위한 형태를 가지며, 흑연 또는 탄소-섬유-강화 탄소(CFC)와 같은 물질로 구성된다. 특히, 상기 가열 요소들(21, 22)은 곡절 형태의 대영역 히터들의 형태를 취한다(도 6 참조).
상기 냉각 챔버(190)는 제 1 및 제 2 진공 게이트 밸브(191, 192)를 구비한 2개의 대향 단부들에 장착된다. 상기 진공 게이트 밸브들(191 및/또는 192)이 개방될 때, 작업편들(6)을 구비한 팰릿(5)은 상기 냉각 챔버(190) 내로 도입되거나 또는 상기 냉각 챔버로부터 제거될 수 있다. 상기 팰릿(5)을 이동시키거나 처리하기 위해서, 상기 냉각 챔버(190)는 자동화된 전달 시스템(153)을 구비하며, 특히 프로그램화된 로직 제어기(PLC)에 결합된다. 상기 냉각 챔버(190)는 수직 부양 장치(160)의 공급부 상에 장착된다. 상기 부양 장치(160)에 의해, 상기 냉각 챔버(190)는 상기 각각의 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140) 전방에 위치될 수 있다. 상기 각각의 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140)에는 진공 게이트 밸브(111, 121, 131)가 구비된다. 상기 냉각 챔버(190) 및 상기 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140)은, 상기 냉각 챔버(190)가 상기 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140) 중 하나의 전방에 위치될 때, 진공-기밀 방식으로 서로 연결될 수 있는 방식으로 설계된다. 그와 같은 커플링에 적합할 수 있는 진공 요소들(도 3에는 도시되지 않음)은 당업자들에게는 공지된 바 있으며, 상업적으로도 이용 가능하다. 도 3은 상기 냉각 챔버(190)와 상기 침탄 챔버들(120) 사이의 진공-기밀 커플링을 예로서 도시한다. 이 경우, 상기 냉각 챔버(190)와 상기 침탄 챔버들(120)의 진공 게이트 밸브들(192, 121)은 상기 챔버들 중 하나에서의 진공이 손상되는 일 없이 동시에 개방될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 진공 기술을 갖는 상기 챔버들(190; 110, 120, 130, 140)의 구성은 진공을 손상시키는 일 없이 작업편들(6)을 구비한 팰릿(5)을 상기 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140) 중 하나와 상기 냉각 챔버(190) 사이에서 전후로 이동시킬 수 있게 한다.
도 3a는 본 발명에 따른 장치의 유리한 실시예(100A)를 도시하며, 냉각 챔버(195)와 전달 챔버(196)를 포함한다. 상기 전달 챔버(196)는 상기 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140)과 마주하는 상기 냉각 챔버(195)의 측면 상에 장착되며, 수평 전달 시스템(154)을 수용하도록 작용한다. 상기 전달 챔버(196)의 구성으로 인해, 상기 전달 시스템(154)은, 작업편들(6)을 갖는 팰릿(5)으로 상기 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140) 중 하나를 적재하기 위해, 상기 냉각 챔버(195)의 작동 상태와 관계없이 이용 가능하다. 상기 전달 시스템(154)은 양쪽 방향들로 수평 이동될 수 있으며, 따라서 상기 팰릿(5)은 상기 냉각 챔버(195)와 상기 각각의 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140) 사이로 전달될 수 있다. "신규" 작업편들(6), 즉 경화될 작업편들(6)을 갖는 팰릿(5)을 파킹하기 위한 수납실(도 3a에는 도시되지 않음)이 최상위 침탄 챔버(140) 상의 장치(100A)에 추가로 제공된다. 진공-기밀 분리를 위하여, 진공 게이트 밸브(197)가 상기 냉각 챔버(195)와 상기 전달 챔버(196) 사이에 배열된다. 상기 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140)과 마주하는 단부에서, 상기 전달 챔버(196)는 개구의, 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140)에 진공-기밀 방식으로 연결될 수 있는 에지를 갖는다. 이것 때문에, 상기 개구의 에지에는 원주 진공 시일부(198)가 구비된다. 예를 들면 고무로 구성되는 상기 진공 시일부(198)는 상기 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140) 중 하나 상에 상기 전달 챔버(196)를 적재시키도록 작용한다. 상기 냉각 챔버(195) 및 상기 각각의 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140) 뿐만 아니라 상기 전달 챔버(196)는 전용 진공 펌프(도 3a에는 도시되지 않음) 또는 진공 펌프 스탠드에 연결된다. 따라서, 상기 전달 챔버(196)는 상기 냉각 챔버(195)와 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140) 사이에서 진공 록크로서 사용될 수 있다. 상기 부양 장치(160)에 의해, 상기 전달 챔버(196)는 상기 냉각 챔버(195)와 함께 수직 방향으로 이동될 수 있으며, 상기 각각의 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140)의 전방에 위치된다. 상기 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140) 상에 적재하기 위해, 상기 전달 챔버(196)와 상기 냉각 챔버(195)는 수평으로 배열된 선형 구동 기구(도 3a에는 도시되지 않음) 상에 장착된다. 상기 수평 선형 구동 기구는 부품으로서 상기 수직 부양 장치(160)의 지지부 상에 장착된다. 전달 챔버(196)를 포함하는 상술된 실시예(100A)는 ALD 진공 기술(AG)로부터 모듈섬(ModulTherm) 타입의 설치 개념에 대응한다.
상기 각각의 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140)은 전기적으로 가열될 수 있다. 이와 같은 가열은 적합하게도, 광범위한 형태를 가지며 또한 각각의 경우 상기 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140) 각각의 저부 측면 및 상부 측면 상에 서로 대향하여 위치하도록 배열되는, 2개의 전기적으로 작동되는 가열 요소들(21, 22)에 의해 수행된다. 상기 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140)의 벽들은 금속 재료, 특히 강철로 구성되며, 만약 적절한 2중 벽 형태를 가질 경우, 물과 같은 냉각 유체를 위한 라인과 함께 구비된다. 상기 챔버의 내부와 마주하는 상기 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140)의 벽들의 측면은 흑연 펠트(도 3에는 도시되지 않음)와 같은 열적 절연 물질과 한줄로 정렬된다. 본 발명의 특정 적합한 실시예에 있어서, 상기 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140)의 벽들은 강철 또는 흑연과 같은 열-저장 물질로 내부 측면 상에 추가적으로 구비된다. 열적 절연 물질에 대한 열-저장 물질의 두께 또는 질량비[예를 들면, 흑연 펠트 질량 점유(kg/m2)에 대한 흑연 질량 점유(kg/m2)]를 적절히 선택함으로써, 상기 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140)의 열용량 및 열적 동력 손실은 지정값(specified value)으로 변경될 수 있다. 따라서, 높은 열용량을 갖는 두꺼운 흑연 플레이트들을 사용함으로써, 상기 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140) 내로/로부터 상기 작업편들(6)이 도입 및 제거되는 동안 온도 저하를 감소시키는 것이 가능하다. 이는 가열 시간을 단축시키고 상기 장치의 생산량 또는 생산성을 증가시키는 것을 가능하게 한다. 열-저장 내부 라이닝을 갖는 방식으로 구비된 침탄 챔버(110, 120, 130, 140)는 열용량 라디에이터 방식으로 작동될 수 있으며, 작업편들(6)로 및/또는 상기 환경 내로 복사되는 '동력 손실"은 상기 침탄 챔버(110, 120, 130, 140)의 어떠한 소망 위치에 배열되는 전기 히터에 의해 내부로 공급된다. 본 실시예에 있어서, 상기 작업편들(6)은 상기 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140)의 "수동" 내부 라이닝에 의해 방출되는 복사에 의해 가열된다.
도 4는 록크 챔버(280)를 통해 수직으로 겹쳐 쌓이도록 배열된 4개의 침탄 챔버들(210, 220, 230, 240)에 연결되는 고정 냉각 챔버(290)를 포함하는 특히 적합한 장치(200)를 나타낸다. 상기 냉각 챔버(290)에는 작업편들(6)을 갖는 팰릿(5)을 도입 및 제거하기 위한 제 1 및 제 2 로크(291, 292)가 구비된다. 수직 이동 가능한 지지부(250)를 갖는 부양 장치(260)는 상기 록크 챔버(290)에 제공된다. 양쪽 방향으로 수평 이동할 수 있는 자동 전달 시스템(253)은 상기 지지부(50) 상에 장착된다. 상기 전달 시스템(253)과 함께 수직 부양 장치(260)는 작업편들(6)을 갖는 패릿(5)을 상기 냉각 챔버(290)과 상기 침탄 챔버들(210, 220, 230, 240) 사이로 전달하도록 작용한다.
상기 록크 챔버(280)과 상기 냉각 챔버(290)는 진공 펌프들 또는 진공 펌프 스탠드- 도 4에는 도시되지 않음-에 연결되며, 서로 독립적으로 100 mbar 미만의 압력으로 소개될 수 있다. 선택적으로, 상기 각각의 침탄 챔버들(210, 220, 230, 240)은 추가적으로 진공 챔버 또는 진공 챔버 스탠드에 연결되며, 다른 챔버들과는 독립적으로 소개될 수 있다. 도 3에 도시된 장치(100)와 유사하게도, 상기 냉각 챔버(290)는 예를 들면 헬륨 또는 질소와 같은 냉각 가스를 위한 압력 용기에 연결되며, 상기 각각의 침탄 챔버들(210, 220, 230, 240)은 아세틸렌과 같은 질소-함유 가스를 위한 용기 및/또는 질소-함유 가스를 위한 용기에 연결된다.
상기 각각의 침탄 챔버들(210, 220, 230, 240)에는 이동 가능한 게이트 밸브들(211, 221, 231, 241)이 구비되며, 이들은 일차적으로 열적 유폐 및 상기 침탄 챔버들(210, 220, 230, 240)에서의 열적 유폐 및 열에너지의 저장을 위해 작용한다. 상기 열적 절연 게이트 밸브들(211, 221, 231, 241)은 단순히 작업편들을 상기 침탄 챔버들(210, 220, 230, 240) 내로/로부터 도입 및 제거시키기 위해 개방된다. 선택적으로, 상기 열적 절연 게이트 밸브들(211, 221, 231, 241)은 진공 게이트 밸브들 형태로 존재할 수 있으며, 이것 때문에 상기 침탄 챔버들(210, 220, 230, 240)은 상기 록크 챔버(280)에 대해 진공-기밀 방식으로 밀봉될 수 있다.
도 3에 도시된 장치(100)와 유사하게도, 상기 장치(200)의 상기 침탄 챔버들(210, 220, 230, 240)에는 흑연과 같은 열-저장 물질 및 흑연 펠트와 같은 열적 절연 물질로 제조된 다층 라이닝이 구비된다.
상기 장치(200)의 편의주의적 개발에 있어서, 상기 록크 챔버(280)는 팰릿(5)을 위한 용기를 포함하며, 이는 작업편들이 양하 및 해제되자마자 상기 침탄 챔버들(210, 220, 230, 240) 중 하나를 적재시킬 준비를 유지하기 위해서 작업편들(6)을 갖는 팰릿(5)을 일시적으로 보관(park)시킬 수 있게 한다. 이와 같은 "파킹 용기"는 적합하게도 상기 침탄 챔버들(210, 220, 230, 240) 수직 위로 배열된다. 상기 파킹 용기에 의해, 팰릿을 침탄시키기 위한 순환 시간이 감소될 수 있으며, 따라서, 상기 장치(200)에서 성취될 수 있는 생산성 또는 처리량은 증가될 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 장치들(100, 200)은 모듈식 디자인을 가지며, 따라서, 생산성을 증가시키기 위해 추가의 침탄 챔버들을 첨가하는 것이 가능하다. 아래에 기재된 개별 방법 단계들의 지속 기간에 의존하여:
－ 상기 냉각 챔버 내로의 상기 팰릿의 도입,
－ 상기 냉각 챔버 밖으로 펌핑,
－ 선택적으로 파킹 용기에 일시 저장되는, 빈 침탄 챔버 내로의 전달,
－ 침탄화 및 확산,
－ 상기 냉각 챔버 내로의 전달,
－ 냉각,
－ 상기 냉각 챔버로부터 상기 팰릿 제거,
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 4개 대신 6개의 침탄 챔버들을 사용하기 위한 편의화가 입증될 수 있다. 만약 요구되는 생산량이 낮을 경우, 다른 한편으로 초기 투자 비용을 감소시키기 위해 오직 2개 또는 3개의 침탄 챔버들만 사용하는 것도 가능하다.
도 5a 및 도 5b는 도 4에서 나타낸 바와 같은 록크 챔버(280)를 포함하는 장치(200)를 위한 본 발명에 따라 적합화된 전달 장치(260, 253)의 개략적인 정면도 및 측면도를 도시한다. 상기 전달 시스템(260, 253)은 상부 및 하부 가이드들(261, 263; 261', 263')을 갖는 2개의 수직으로 배열된 체인 드라이브들을 포함한다. 상기 체인(262')은 수평 플랫폼(254)에 연결된다. 상기 플랫폼(254)은 하나 또는 2개의 수직 베어링들(265) 상에 안내된다. 팰릿들(5)을 수용하기 위한 수평으로 이동 가능한 텔레스코픽 포크(255, 256)는 상기 체인(262)에 연결되는 기어링 기구(251)를 통해 구동된다. 상기 체인(262)과 상기 기어링 기구(251) 사이의 결속은 복수의 가이드들에 의해 초래된다. 적합하게는 기어 휠들인, 상기 가이드들(263 및 263')은 샤프트들(264)을 통해 상기 록크 챔버(280) 외측에 배열된 모터(도 5a 및 도 5b에는 도시되지 않음)에 결속된다. 상기 샤프트들(264)을 통해 공급하기 위해, 상기 록크 챔버(280)의 벽에는 진공-기밀 회전 리드스루(leadthrough)들이 구비된다. 상기 플랫폼(254)을 수직으로 이동시키기 위해, 상기 체인 드라이브들[(261, 262, 263) 및 (261', 262', 263')]이 동시에 작동되어, 상기 체인(262)과 상기 텔레스코픽 포크(255, 256) 사이의 설정이 불변 상태로 잔류하며, 상기 텔레스코픽 포크(255, 256)은 그의 수평 위치를 유지한다. 이는 상기 텔레스코픽 포크(255, 256)와 침탄 챔버들과 같은 상기 장치(200)의 다른 부품들 사이의 충돌을 방지한다. 상기 텔레스코픽 포크(255, 256)은 수평으로 이동되며, 만약 상기 플랫폼(254)이 고정 수직 위치들에 위치할 경우, 상기 체인(262)은 상기 로크 챔버(280) 외측에 배열된 모터에 의해 상기 기어 휠(263)과 샤프트(264)를 통해 작동된다.
도 6은, 작업편들(61), 예들 들면, 기어 샤프트들이 침탄 챔버의 가열 요소들(21, 22) 사이의 수직층 또는 열에 배열된, 본 발명의 다른 실시예들의 부분 사시도를 나타낸다. 상기 작업편들(61)은 랙(도 6에는 도시되지 않음)에 의해 그들의 위치에 보유된다. 이 경우, 상기 랙은 현수 브래킷을 갖는 프레임 형태 또는 샤프트들에서 가압하기 위한 보어들 또는 랙킹하기 위한 스파이크들과 같은 기계적 보유 장치들을 갖는 지지 플레이트 형태를 갖는다. 도 6에 따른 수직 배열에서 작업편들을 경화시키기 위한 본 발명에 따른 장치는 도 3 및 도 4에 도시된 장치들과 유사하게 디자인되었으며, 단순히 침탄 챔버들이 수직으로 겹쳐 쌓이기보다는 수평 방향으로 서로 나란히 배열된다는 점에서 다르다. 이에 따르면, 상기 냉각 챔버는 수평으로 이동 가능하도록 배열되며, 상기 록크 챔버와 전달 장치는 수평으로 배열된다. 본 발명은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 (예를 들면 팰릿 상에) 작업편들이 수평으로 장착되는 것과 도 6에 도시된 바와 같이 수직으로 장착 또는 현수되는 것 모두를 포함한다. 이들 실시예들 모두는, 상기 가열 장치에서 작업편들이 하나의 층 또는 하나의 열로, 즉 2D 적재부의 방식으로 배열되어, 각각의 작업편의 표면의 30 내지 100 %가 상기 가열 장치에 의해 방출되는 열복사에 직접 노출된다는, 본 발명에 필수적인 공통의 특징을 갖는다.
도 6에 도시된 가열 요소들(21, 22)은 흑연 또는 CFC로 제조된 구불구불한 대영역 히터들 형태를 갖는다. 이와 같은 타입의 대영역 히터들(21, 22)은 종래 기술에서 공지된 바 있으며, 다양한 제조업체들로부터 상업적으로 이용 가능하다.
본 발명의 발전으로서, 상기 냉각 챔버에는 기계 고정 장치 및/또는 상기 냉각 가스용 유동 안내 장치가 구비된다. 상기 고정 장치는 상기 작업편들의 기하학적 구조에 적응되며, 본 발명에 따르는 경우 냉각될 작업편들 위의 냉각 챔버에 배열된다. 가스 도입 개시 전에, 작업편들을 갖는 팰릿이 한정된 힘으로 고정 장치에 대항하여 아래로부터 가압되거나 또는 상기 고정 장치가 상기 가스 도입 개시 전에 한정된 힘으로 위로부터 상기 작업편들 상으로 가압된다. 상기 고정 장치의 도움으로, 상기 작업편들 다음의 냉각 평면은 현저히 개선되고, 따라서 상기 작업편들의 비틀림은 현저히 감소된다.
또한, 상기 냉각 챔버에는 낮은 왜곡을 갖는 작업편들을 냉각시키기 위한 유동 안내 장치가 구비될 수 있다. 이 경우, 상기 안내 장치는 냉각될 작업편들 위의 냉각 챔버에 배열되고, 가스가 높은 국부적 속도로 상기 요소들 상에 입사되는 방식으로 형성되고, 또한 냉각이 매우 균일하게 수행된다. 가능하면 가장 균일한 냉각을 수행하기 위해, 이 경우 큰 벽 두께를 갖는 요소 세그먼트들이 높은 유동 속도에 종속되고, 작은 벽 두께를 갖는 요소 세그먼트들이 낮은 유동 속도에 종속된다. 또한, 상기 작업편들이 상기 측면 위와 상기 측면 모두로부터 상기 냉각 가스에 조직적으로 종속되도록, 상기 안내 장치를 "3차원적으로" 디자인하는 것이 가능하다. 이것 때문에, 가스 도입 개시 전에, 상기 작업편들은 상기 가이드 장치 내로 아래로부터 상승되거나, 또는 상기 안내 장치가 상기 작업편들 위로 위로부터 하강되어야만 한다.
상기 유동 안내 장치의 도움으로, 상기 작업편들의 냉각 속도는 현저하게 증가된다. 이는 철저히 합금되지 않은 물질들로 제조된 작업편들을 경화시키는 것을 가능하게 한다. 또한, 담금질이 낮은 가스 압력 하에서 수행될 수 있으므로, 상기 가스 소모 비용이 감소된다. 또한, 상기 냉각이 훨씬 균일하게 수행되고 따라서 상기 작업편에 응력이 덜 생성되므로, 상기 작업편들의 왜곡이 현저히 감소된다. 오직 본 발명에 따른 단일층(2D 적재부) 열처리를 고려하여, 상기 고정 장치 및/또는 상기 유동 안내 장치를 사용하는 것이 가능하다. 다층 3D 적재부를 갖는 종래 기술에 있어서는, 이와 같은 선택 사항을 사용하는 것이 가능하지 않다.
온도 및 탄소 함유량 측정 방법
당 업계에 숙련된 자들리라면 금속 작업편들의 온도를 측정하는 방법에 친숙하다. 본 발명의 내용 안에서, 상기 작업편 표면의 온도는 서모커플(thermocouple)들, 고온계들 및 열 이미지 카메라들에 의해 측정된다. 서모커플들 각각은, 상기 서모커플의 전체 센서 영역이 상기 작업편 표면과 접촉되는 방식으로, 와이어링에 의해 상기 작업편들에 체결된다. 상기 센서와 상기 작업편 사이의 가능한 양호한 접촉을 얻기 위해, 작은 홈이 상기 요소 표면에 형성된다. 상기 서모커플 및 체결 와이어는 상기 작업편과 비교하여 무시할 수 있을 정도의 열용량을 갖는다.
상기 작업편들의 코어에서의 온도도 마찬가지로 서모커플들에 의해 측정된다. 이것 때문에, 0.5 내지 1.5 mm 직경을 갖는 블라인드 홀(blind hole)이 측정될 작업편의 위치에서 드릴작업되며, 상기 서모커플은 상기 블라인드 홀 내로 삽입된다. 작업편들의 코어에서의 온도는 [kKJㆍkg-1ㆍs-1] 단위로 냉각 비속도를 결정하기 위해 사용된다. 이것 때문에, 측정된 온도(T) 및 800 내지 500 ℃의 범위에서 상기 작업편의 비열용량 (C)(단위 kJㆍkg-1ㆍK-1)의 결과물이 관계식 Q = ∫c(T)dT에 따라 적분되고, 냉각을 위해 요하는 시간으로 나누어진다. 철강의 경우, 800 ℃의 온도에서 비열용량은 0.8 kJㆍkg-1ㆍK-1이고, 735 ℃ 근방의 좁은 온도 범위에서 이 값의 배수로 증가한다.
상기 서모커플들로부터의 신호들은 이동식, 열적 절연된 전자 측정값 탐지기("노 트래커(furnace tracker)"에 의해 기록되며, 상기 탐지기는 작업편들과 함께 경화 장치 내로, 즉, 상기 냉각 챔버 및 상기 침탄 챔버 내로 도입된다.
상기 서모커플들은 상기 침탄 챔버들에서 작업편들을 가열하는 동안, 그리고 또한 상기 냉각 챔버에서 냉각되는 동안 열 프로파일을 결정하기 위해 사용된다.
표면 탄소 함유량을 결정하기 위해, 상기 작업편 표면은 10°의 얕은 각도에서 약 1000 ㎛ 깊이로 마찰되며, 세심한 세척이 이어지는 상기 마찰된 표면은 광학적 스펙트럼 분석, 2차 이온 질량 분석(SIMS), 및 또한 전자 프로브 미량 분석(EPMA)에 의해 측정되며, 10 ㎛ 미만의 수평 분해능(lateral resolution), 즉 3.5 ㎛[= 10 ㎛ x sin(10°)] 미만의 깊이 분해능을 갖는다. 탄소에 대해 SIMS에 의해 성취되는 화학적 검출 한계는 1 ppm 미만의 영역이다.
예들
예 1 :
금속 20MoCr4로 제조되고, 54 mm의 외경, 30 mm의 내경 및 35 mm의 높이를 갖는 선 기어(sun gear)들이 본 발명에 따른 각각 한 층이 5열인 8피스, 즉 전체 중량 12.5kg인 40 피스를 갖는 2D 적재부와, 각각 8층이 5열인 8피스, 즉 전체 중량 100 kg인 320 피스를 갖는 3D 적재부에 사용되었다. 한 층에 대한 적재 랙으로서, CFC로 제조되고 450 mm x 600 mm 치수를 갖는 구조적으로 동일한 메시 그리드(mesh grid)들이 상기 2D 적재부 및 3D 적재부 모두에 대해 사용되었다.
경화 처리 결과에 대해, 다음의 타게트값들이 미리 정의되었다 :
－ 610 HV의 한계 경도를 갖고 0.3 내지 0.5 mm 깊이로 경화된 케이스;
－ 단부면 상에 670 HV의 표면 경도; 및
－ 이뿌리 원(root circle)의 톱니 중심에서 280 HV10 초과의 코어 경도.
도 7은 본 발명에 따라 경화된 작업편들(2D 적재부, 단일층)과 종래의 작업편들(3D 적재부, 다층)의 온도 프로파일의 비교를 나타낸다. 이때 온도는 양쪽 모두 복수의 서머커플들에 의해 측정되었으며, 상기 서모커플들은 각각의 적재부의 중앙 및 에지에 위치된 작업편들에 체결된다. 상기 서모커플들에 의해 측정된 데이터는 노 트래커에 의해 기록된다. 본 발명에 따른 2D 적재부의 경우, 상기 온도는 신속히 상승되고, 상기 적재부의 중앙에 위치한 작업편과 상기 적재부의 에지에 위치한 작업편 사이에 어떠한 온도 프로파일상의 차이도 인식할 수 없었다. 이와 대조적으로, 상기 3D 적재부의 경우, 상기 적재부의 중앙에 위치한 작업편의 온도 프로파일은 상기 적재부의 에지에 위치한 작업편의 온도 프로파일과 현저히 달랐다. 또한, 상기 2D 적재부에서의 작업편들의 온도는 상기 3D 적재부의 에지에서의 작업편들의 온도보다 더욱 신속하게 상승하였다. 이와 같은 차이점은 상기 3D 적재부의 외측 상에 위치하는 작업편들이 내측 상에 위치하는 작업편들로 발하거나 또는 소실되는 복사 에너지의 결과 때문이다. 3D 적재부에 있는 모든 작업편들, 특히 상기 내측 상에 위치하는 작업편들을 1050 ℃의 온도로 가열하기 위해서는, 약 130분의 시간의 요구된다. 이와는 대조적으로, 상기 2D 적재부의 경우의 가열 시간은 약 15분 정도 소요된다.
도 8은 작업편들의 표면으로부터의 거리의 함수로서 경도 프로파일을 나타낸다. 측정 커브들을 참고로 하여, 케이스 경화 깊이(CHD)를 아는 것이 가능하다. 상기 CHD는 DIN ISO 2629 (2002)에 따라 결정된다. 이것 때문에, 테스트될 요소는 상기 표면과 수직으로 절단되고, 열의 발전을 피한다. 상기 표면으로부터 증가된 거리에서, 비스커 경도 HV1은 일반적으로 9.8 N의 테스트 부하로 측정된다. 경도가 상기 한정 경도(Hs, 이 경우 610 HV1)에 대응하는 지점에서 표면으로부터의 거리는 CHD로 언급된다.
상기 CHD값의 차이(가장 큰 측정값과 가장 작은 측정값의 차이)는 상기 2D 적재부에서, 약 0.12 mm를 갖는 상기 3D 적재부에서보다 현저히 적은, 약 0.06 mm를 갖는다는 사실에 대한 정보를 도 8로부터 얻을 수 있다.
도 9는 코어 경도에 대한 측정값의 비교를 나타낸다. 코어 경도를 결정하기 위해, 경화된 작업편(여기서는 상술된 선 기어들)은 대칭축에 수직으로 절단되고, 열의 발전을 피한다. 절단된 표면은 분쇄 및 광택 작업된다. 이때, 비커스 경도 [HV10]는 상기 이뿌리의 코어(= 톱니 팰릿들 사이의 중앙)에서 결정된다. 이와 같은 구성은 DIN EN ISO 6507-1(금속 재료들 - 비커스 경도 테스트 - 부품 1: 테스트 방법 ISO 6507-1: 2005; 독일 버젼 EN ISO 6507-1: 2005)에 따라 형성된다.
상기 2D 적재부에의 코어 경도의 차이는 상기 3D 적재부에서보다 현저히 적다는 사실에 대한 정보를 도 9로부터 얻을 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 2D 적재부와 종래 침탄된 3D 적재부의 표면 탄소 함유량의 차이에 대한 비교를 나타낸다. 상기 표면 탄소 함유량은 상술된 바와 같이, 분쇄된 표면 상에 스펙트럼 분석, SIMS 및 EPMA에 의해, 탄소 신호를 0 내지 100 ㎛ 범위의 깊이 위로 통합시킴으로써 결정된다.
예 2:
재료 28Cr4로 제조되고, 140 mm의 외경, 28 mm의 높이 및 98개의 톱니를 갖는 중공형 휠들은, 전체 중량 6.5kg인 8 피스로 된 한 층을 갖는 본 발명에 따른 2D 적재부와, 각각 8 피스를 갖는 10층, 즉, 전체 중량 65 kg인 80 피스를 갖는 3D 적재부를 축적하기 위해 사용된다. 한 층에 대한 적재 랙으로서, CFC로 제조되고 450 mm x 600 mm 치수를 갖는 구조적으로 동일한 메시 그리드들이 상기 2D 적재부 및 3D 적재부 모두에 대해 사용되었다.
도 11은 상기 2D 적재부로부터의 8개의 중공형 휠들 및 3D 적재부로부터의 8개의 중공형 휠들의 열적 왜곡 또는 난형 변형에 대한 측정 결과들을 나타낸다. 이와 같은 점과 관련하여, 상기 2D 적재부의 8개의 중공형 휠들 및 3D 적재부의 8개의 중공형 휠들의 위치는 상기 2D 및 3D 적재부들의 영역 또는 용적에 걸쳐 균일하게 분포된다. 상기 난형은 3D 좌표 측정 시스템에 의해 침탄 전후에 외부 원주 상에서 측정되었고, 상기 침탄 전후의 난형값들에 대한 차이가 형성되었다.

Claims (24)

  1. 작업편들(6)을 경화시키기 위한 방법으로서,
    (a) 상기 작업편들(6)은 950 내지 1200 ℃의 온도로 가열되며, 각각의 작업편(6)의 표면의 30 내지 100 %는 가열 디바이스(110, 120, 130, 140; 210, 220, 230, 240)의 직접 열복사로 가열되는 단계와;
    (b) 상기 작업편들(6)은 950 내지 1200 ℃의 온도 및 100 mbar 미만의 압력에서 탄소-함유 가스 및/또는 질소-함유 가스에 종속되는 단계와;
    (c) 상기 작업편들(6)은 950 내지 1200 ℃의 온도에서 100 mbar 미만의 압력으로 대기 중에 유지되는 단계와;
    (d) 적절할 경우, 단계 (b)와 (C)가 일회 또는 수회 반복되는 단계; 및
    (e) 상기 작업편들(6)이 냉각되는 단계를 포함하는 작업편들을 경화시키기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 단계 (a)에서, 상기 작업편들(6)의 각각은 2개 이상의 공간 방향으로부터의 열복사로 가열되는 것을 특징으로 하는 작업편들을 경화시키기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 단계 (a)에서, 상기 작업편들(6) 각각의 표면 근방 구역은 35 내지 135 ℃ㆍmin-1의 속도, 적합하게는 50 내지 110 ℃ㆍmin-1의 속도, 특히 50 내지 75 ℃ㆍmin-1의 속도로 가열되는 것을 특징으로 하는 작업편들을 경화시키기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 단계 (a)에서, 상기 작업편들(6) 각각의 코어는 18 내지 120 ℃ㆍmin-1의 속도로 가열되는 것을 특징으로 하는 작업편들을 경화시키기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 단계 (e)에서, 상기 작업편들(6)은 2 내지 20 kjㆍkg-1ㆍs-1의 냉각 비속도로 800 내지 500 ℃의 온도 범위에서 냉각되는 것을 특징으로 하는 작업편들을 경화시키기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 단계 (b)에서, 상기 작업편들(6)은 아세틸렌 및/또는 암모니아에 종속되는 것을 특징으로 하는 작업편들을 경화시키기 위한 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 단계 (e)에서, 상기 작업편들(6)은 가스로, 적합하게는 질소로 냉각되는 것을 특징으로 하는 작업편들을 경화시키기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 단계 (e)에서, 상기 작업편들(6)은 2 내지 20 bar, 적합하게는 4 내지 8 bar, 특히 5 내지 7 bar의 압력에서 질소에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 작업편들을 경화시키기 위한 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 단계 (e)에서, 상기 작업편들(6)의 표면은 4 내지 100초 이내에서 900 내지 1200 ℃ 범위의 온도로부터 300 ℃의 온도로 냉각되는 것을 특징으로 하는 작업편들을 경화시키기 위한 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 하나의 작업편(6)에 기초하여 단계 (a) 내지 단계 (e)를 수행하기 위한 순환 시간은 5 내지 120초, 적합하게는 5 내지 60초, 특히 5 내지 40초인 것을 특징으로 하는 작업편들을 경화시키기 위한 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    (ⅰ) 상기 작업편들(6)은 단일층에 있는 랙(5)에/그 위에 배열되는 단계와;
    (ⅱ) 상기 작업편들(6)을 구비한 상기 랙(5)은, 100 mbar 미만의 압력으로의 진공 배기로, 냉각 챔버(190, 290) 내로 도입되는 단계와;
    (ⅲ) 상기 랙(5)은 침탄 챔버(110, 120, 130, 140; 210, 220, 230, 240) 내로 전달되며, 상기 랙은 적절할 경우 상기 침탄 챔버(110, 120, 130, 140; 210, 220, 230, 240) 내로 도입되기 전에 파킹 용기(parking receptacle)에 일시적으로 저장되는 단계와;
    (ⅳ) 상기 작업편들(6)은 열복사에 의해 950 내지 1200 ℃의 온도로 가열되며, 각각의 작업편(6)의 표면의 30 내지 100 %는 상기 침탄 챔버(110, 120, 130, 140; 210, 220, 230, 240)의 직접 열복사로 가열되는 단계와;
    (ⅴ) 상기 작업편들(6)은 950 내지 1200 ℃의 온도 및 100 mbar 미만의 압력에서 탄소-함유 가스 및/또는 질소-함유 가스에 종속되는 단계와;
    (ⅵ) 상기 작업편들(6)은 950 내지 1200 ℃의 온도에서 100 mbar 미만의 압력으로 대기 중에 유지되는 단계와;
    (ⅶ) 적절할 경우, 단계 (ⅳ)와 (ⅴ)가 일회 또는 수회 반복되는 단계와;
    (ⅷ) 상기 작업편들(6)을 구비한 상기 랙(5)이 상기 냉각 챔버(190, 290) 내로 전달되는 단계와;
    (ⅸ) 상기 작업편들(6)은 가스로, 적합하게는 질소로 냉각되는 단계; 및
    (ⅹ) 상기 작업편들(6)을 구비한 상기 랙(5)이 상기 냉각 챔버(190, 290)로부터 제거되는 단계를 특징으로 하는 작업편들을 경화시키기 위한 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 작업편들(6)을 경화시키기 위한 장치(100)로서,
    2개 이상의 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140)과, 적어도 하나의 냉각 챔버(190, 195) 및 상기 작업편들(6)용 랙들(5)을 처리하기 위한 전달 시스템(160, 153, 154)을 포함하며,
    상기 냉각 챔버(190, 195)는 하나 이상의 진공 게이트 밸브들(111, 121, 131, 141, 192, 197)을 통해 상기 침탄 챔버들(110, 120, 130, 140) 각각에 연결될 수 있으며, 각각의 침탄 챔버(110, 120, 130, 140)는 랙(5)과 적어도 2개의 가열 요소들(21, 22)을 위한 용기를 가지며, 그로 인해 방출되는 복사가 0.5 Π 내지 2 Π의 평균 입체각(solid angle)에서 상기 작업편들(6)의 각각의 표면을 조사하는 방식으로 배열되는 경화 장치(100).
  13. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 작업편들(6)을 경화시키기 위한 장치(200)로서,
    2개 이상의 침탄 챔버들(210, 220, 230, 240)과, 적어도 하나의 냉각 챔버(290)와, 상기 침탄 챔버들(210, 220, 230, 240)과 상기 냉각 챔버(290) 사이에 배열되는 로크 챔버(lock chamber; 280) 및 상기 작업편들(6)용 랙들(5)을 처리하기 위한 전달 시스템(260, 253)을 포함하며,
    상기 냉각 챔버(290)는 진공 게이트 밸브(292)를 통해 상기 록크 챔버(280)에 연결될 수 있으며, 각각의 침탄 챔버(210, 220, 230, 240)는 열적 절연 게이트 밸브들(211, 221, 231, 241)을 통해 상기 록크 챔버(280)에 연결될 수 있으며, 각각의 침탄 챔버(210, 220, 230, 240)는 랙(5)과 적어도 2개의 가열 요소들(21, 22)을 위한 용기를 가지며, 그로 인해 방출되는 복사가 0.5 Π 내지 2 Π의 평균 입체각(solid angle)에서 상기 작업편들(6)의 각각의 표면을 조사하는 방식으로 배열되는 경화 장치(200).
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 열적 절연 게이트 밸브들(211, 221, 231, 241)은 진공 게이트 밸브 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 경화 장치(200).
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 챔버(190, 195, 290)는 작업편들(6)을 도입 및 제거하기 위한 2개의 진공 게이트 밸브들(191, 192, 197; 291, 292)을 포함하는 것을 특징으로 하는 경화 장치(100, 200).
  16. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 요소들(21, 22)은 표면 이미터(emitter) 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 경화 장치(100, 200).
  17. 제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 요소들(21, 22)은 흑연 또는 탄소-섬유-보강 탄소(CFC)로 구성되는 것을 특징으로 하는 경화 장치(100, 200).
  18. 제 12 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 랙들(5)은 그리드형 팰릿(pallet) 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 경화 장치(100, 200).
  19. 제 12 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 랙들(5)은 흑연 또는 탄소-섬유-보강 탄소(CFC)로 구성되는 것을 특징으로 하는 경화 장치(100, 200).
  20. 제 13 항에 있어서, 상기 전달 시스템(260, 253)은 상부 및 하부 가이드들(261, 263; 261', 263')을 구비한 수직으로 배열된 체인 드라이브들 및 또한 팰릿들(251)을 수용하기 위한 수평으로 이동 가능한 텔레스코픽 포크(telescopic fork; 255, 256)를 포함하며, 상기 텔레스코픽 포크(255, 256)는 기어링 메커니즘(gearing mechanism; 251)을 통해 상기 체인들(262) 중 하나에 결속되는 것을 특징으로 하는 경화 장치(200).
  21. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 경화된 금속 물질로 제조된 작업편(6).
  22. 제 21 항에 있어서, 케이스 경화 깊이(CHD)는 공칭값에 대해 ± 0.05 mm 범위 이내, 적합하게는 ± 0.04 mm 범위 이내, 특히 ± 0.03 mm 범위 이내에 놓이며, 상기 공칭값은 0.3 내지 1.4 mm인 것을 특징으로 하는 작업편(6).
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서, 표면 탄소 함량은 공칭값에 대해 ± 0.025 중량% 범위 이내, 적합하게는 ± 0.015 중량% 범위 이내, 특히 ± 0.01 중량% 범위 이내에 놓이며, 상기 공칭값는 0.6 내지 0.85 중량%인 것을 특징으로 하는 작업편(6).
  24. 제 21 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 코어 경도는 공칭값에 대해 ± 30 HV 범위 이내, 적합하게는 ± 20 HV 범위 이내에 놓이며, 상기 공칭값은 280 내지 480 HV인 것을 특징으로 하는 작업편(6).
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