KR20120130336A - 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 열처리 방법은, 소정 온도로 유지된 피처리물을, 그 피처리물의 조직이 소정의 조직으로 변태되기 시작하는 제1 변태점의 근방으로서 그 제1 변태점보다 높은 목표 온도까지, 미스트 형태의 냉각 매체를 공급함으로써 미스트 냉각하는 제1 공정과, 제1 공정 후에 피처리물을, 미스트 형태의 냉각 매체 공급을 정지한 상태로 소정 시간 유지하는 제2 공정과, 제2 공정 후에 피처리물을 제1 변태점 이하의 온도까지 냉각하는 제3 공정을 가진다. 본 발명에 의하면, 피처리물의 조직의 불균일화 및 변형을 억제할 수 있는 열처리 방법을 제공할 수 있다.

Description

열처리 방법{Heat treatment method}

본 발명은 열처리 방법에 관한 것으로서, 특히 미스트(mist) 냉각에 의한 피처리물의 담금질(quenching) 처리의 열처리 방법에 관한 것이다.

피처리물인 금속재를 가열한 후에 냉각함으로써 담금질 처리를 하는 열처리 방법에서 고속 냉각을 필요로 할 경우, 종래에는 유냉 방식이나 가스 냉각 방식이 사용되었다.

상기 유냉 방식에서는, 냉각 효율은 우수하지만 세밀한 냉각 컨트롤이 거의 불가능하여 피처리물이 변형되기 쉽다. 한편 가스 냉각 방식에서는, 가스의 유량 제어 등에 의해 냉각 컨트롤이 용이하여 피처리물이 잘 변형되지 않지만 냉각 효율이 낮다.

특허문헌 1에는, 피처리물을 둘러싸고 액체용 노즐와 가스용 노즐이 배치되어, 액체용 노즐로부터 냉각액을 스프레이식으로 공급함과 동시에(이른바 미스트 냉각), 가스용 노즐로부터 냉각가스를 공급함으로써 냉각 컨트롤성 및 냉각 효율의 향상을 꾀한 기술이 개시되어 있다.

특허문헌 1: 일본공개특허 평11-153386호 공보

그러나, 미스트 냉각의 기본적인 냉각은 기화 잠열에 의한 냉각이므로, 미스트가 닿는 정도에 따라 피처리물 안팎에 온도차가 생기는 경우가 있다. 이 온도차가 품질에 악영향을 미칠 가능성이 있다. 예를 들면 피처리물의 외표면이 소정의 조직의 변태점에 도달하더라도 피처리물 내부가 아직 고온으로 그 변태점에 도달하지 않은 경우, 피처리물 안팎에서 조직이 불균일해질 가능성이 있다. 또한 피처리물의 외표면의 조직이 피처리물 내부보다 먼저 변태되면 내부 응력이 생겨 피처리물에 변형이 생길 가능성이 있다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 피처리물의 조직의 불균일화 및 변형을 억제할 수 있는 열처리 방법을 제공한다.

본 발명에 관한 제1 발명은, 소정 온도로 유지된 피처리물을, 그 피처리물의 조직이 소정의 조직으로 변태되기 시작하는 제1 변태점의 근방으로서 그 제1 변태점보다 높은 목표 온도까지, 미스트 형태의 냉각 매체를 공급함으로써 미스트 냉각하는 제1 공정과, 상기 제1 공정 후에, 상기 피처리물을, 상기 미스트 형태의 냉각 매체의 공급을 정지한 상태에서 소정 시간 유지하는 제2 공정과, 상기 제2 공정 후에, 상기 피처리물을, 상기 제1 변태점 이하의 온도까지 냉각하는 제3 공정을 가진다.

본 발명에서는, 제1 공정에서 피처리물 안팎에 온도차가 생긴 경우에도, 제2 공정에서의 미스트 냉각 정지 기간에 피처리물 안팎의 온도차의 확대가 억제됨과 동시에, 피처리물 안팎에서의 열전도에 의해 온도차가 완화된다. 피처리물 안팎의 온도차가 완화된 상태에서 소정의 조직의 변태점 이하까지 피처리물을 냉각함으로써 피처리물 안팎의 조직을 거의 동시에 소정의 조직으로 변태시킬 수 있다.

또 본 발명에서는, 상기 제1 공정과 상기 제2 공정 사이에서 상기 피처리물을, 상기 제1 공정의 미스트 밀도보다 작은 미스트 밀도로 미스트 냉각하도록, 상기 미스트 형태의 냉각 매체를 공급하는 완냉(緩冷) 공정을 가지는 것이 바람직하다.

제2 공정에서는 피처리물 안팎에서의 열전도에 의해 온도차가 완화되는데, 고온의 내부로부터의 열전도에 의해 피처리물 전체의 온도가 목표 온도보다 높아져, 목적으로 하지 않은 다른 조직의 변태점에 도달할 가능성이 있다. 본 발명에서는, 제2 공정에 들어가기 전에 피처리물을 완냉함으로써 피처리물 안팎의 온도차를 완화함과 동시에, 피처리물 안팎에서의 열전도에 의해 피처리물 전체의 온도가 목표 온도보다 높아지는 것을 방지할 수 있다.

또 본 발명에서는, 상기 피처리물의 외표면의 온도를 계측하는 공정을 가지며, 계측한 상기 외표면의 온도가 상기 목표 온도에 도달했을 때 상기 제1 공정으로부터 상기 완냉 공정으로 이행하는 것이 바람직하다.

이 경우에는 피처리물의 외표면의 온도를 모니터링하면서 피처리물의 외표면의 온도가 목표 온도에 도달했을 때 완냉을 개시한다.

또 본 발명에서는, 상기 피처리물 내부의 온도를 계측하는 공정을 가지며, 계측한 상기 내부의 온도가 상기 목표 온도에 도달했을 때 상기 완냉 공정으로부터 상기 제2 공정으로 이행하는 것이 바람직하다.

이 경우에는 피처리물 내부의 온도를 모니터링하면서 피처리물 내부의 온도가 목표 온도에 도달했을 때 완냉을 종료한다.

또 본 발명에서는 상기 피처리물의 외표면의 온도에 기초하여 상기 피처리물 내부의 온도를 계측하는 것이 바람직하다.

이 경우에는 온도 계측장치의 설치수를 줄일 수 있다.

또 본 발명에 관한 제2 발명은, 소정 온도로 유지된 피처리물을, 그 피처리물의 조직이 소정의 조직으로 변태되기 시작하는 제1 변태점 근방으로서 그 제1 변태점보다 높은 목표 온도까지, 미스트 형태의 냉각 매체를 공급함으로써 미스트 냉각하는 제1 공정과, 상기 제 1 공정 후에, 상기 피처리물을, 상기 제1 공정의 미스트 밀도보다 작은 미스트 밀도로 소정 시간 미스트 냉각하는 제2 공정과, 상기 제2 공정 후에, 상기 피처리물을, 상기 제1 변태점 이하의 온도까지 냉각하는 제3 공정을 가진다.

본 발명에서는 제1 공정에서 피처리물 안팎에 온도차가 발생한 경우에도, 제2 공정에서의 미스트 밀도가 작은 미스트 냉각 기간에 피처리물 안팎의 온도차의 확대가 억제됨과 동시에, 피처리물 안팎에서의 열전도에 의해 온도차가 완화된다. 피처리물 안팎의 온도차가 완화된 상태에서 소정의 조직의 변태점 이하까지 피처리물을 냉각함으로써, 피처리물 안팎의 조직을 거의 동시에 소정의 조직으로 변태시킬 수 있다.

또 본 발명에서는, 상기 목표 온도는 상기 제1 변태점과, 그 제1 변태점보다 높은 온도이며 상기 조직이 상기 소정의 조직 이외의 조직으로 변태되기 시작하는 제2 변태점 사이에서 설정되어 있는 것이 바람직하다.

또한 상기 제1 변태점은 마르텐사이트(martensite) 변태점이고, 상기 제2 변태점은 펄라이트 변태점인 것이 바람직하다.

본 발명에서는 피처리물의 조직의 불균일화 및 변형을 억제할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 실시형태에서의 진공 열처리로(爐)의 전체도이다.
도 2는, 본 발명의 실시형태에서의 냉각실의 정면 단면도이다.
도 3은, 도 2에서의 A-A선 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 실시형태에서의 열처리 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5a는, 본 발명의 실시형태에서의 피처리물 안팎의 온도차를 설명하기 위한 제1 모식 단면도이다.
도 5b는, 본 발명의 실시형태에서의 피처리물 안팎의 온도차를 설명하기 위한 제2 모식 단면도이다.
도 5c는, 본 발명의 실시형태에서의 피처리물 안팎의 온도차를 설명하기 위한 제3 모식 단면도이다.
도 6은, 미스트 냉각의 일 실험 결과를 도시한 그래프이다.
도 7은, 미스트 냉각의 일 실험 결과를 도시한 그래프이다.
도 8은, 미스트 냉각의 일 실험 결과를 도시한 그래프이다.
도 9은, 미스트 냉각의 일 실험 결과를 도시한 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도 1 내지 도 5c에 기초하여 설명하기로 한다.

아울러 이하의 설명에 사용하는 각 도면에서는, 각 부재를 인식 가능한 크기로 하기 위해 각 부재의 축척을 적절히 변경하였다.

또 본 실시형태에서는 본 발명의 열처리 방법을 실시하는 열처리 장치로서 다실(多室)형 진공 열처리로(이하, 간단히 「진공 열처리로」라고 칭한다)를 나타낸다.

도 1은, 본 실시형태의 진공 열처리로의 전체도이다.

진공 열처리로(열처리 장치)(100)는 피처리물에 대해 열처리를 실시한다. 진공 열처리로(100)는 탈기실(110), 예열실(120), 침탄실(浸炭室)(130), 확산실(140), 강온실(降溫室)(150), 냉각실(160)이 차례대로 인접하여 배치되어 있다. 피처리물은 각 실(110)?(160)에 차례대로 단열(單列)로 반송된다.

본 실시형태의 진공 열처리로(100)는 냉각실(160)에서의 냉각 처리가 특징적이므로, 이하 냉각실(160)에 대해 상술하기로 한다.

도 2는, 냉각실(160)의 정면 단면도이고, 도 3은, 도 2에서의 A-A선 단면도이다. 냉각실(160)은 진공 용기(1) 안에 형성된다. 또 진공 용기(1) 안에는 반송장치(10), 가스 냉각장치(20), 미스트 냉각장치(30), 온도 계측장치(80)로 이루어진 냉각 유닛(CU)이 설치되어 있다.

반송장치(10)는 피처리물(M)을 수평방향을 따라 반송할 수 있다. 반송장치(10)는 서로 간격을 두고 대향 배치되어 반송방향(수평방향)으로 연장되는 한쌍의 지지 프레임(11), 각 지지 프레임(11)의 대향하는 면에 회전이 자유롭게, 또한 반송방향으로 소정 간격을 두고 설치된 롤러(12), 피처리물(M)이 놓여져 롤러(12) 위에서 반송되는 트레이(13), 연직방향을 따라 설치되어 지지 프레임(11)의 양단을 지지하는 지지 프레임(14)(도 2에서는 미도시)을 가지고 있다.

아울러 이하의 설명에서는 반송장치(10)에 의한 피처리물(M)의 반송방향을 간단히 반송방향이라고 칭한다.

트레이(13)는, 예를 들면 판재를 격자형으로 배열하고 대략 직사각형으로 형성한 것이다. 트레이(13)의 폭은 피처리물(M)의 폭보다 약간 크고 트레이(13)는 저면의 폭방향의 끝단 가장자리에서 롤러(12)에 지지되는 크기로 형성되어 있다.

피처리물(M)로서는, 다이스강(SKD재)나 하이스강(SKH재) 등의 강철이 예시된다. 본 실시형태에서는 피처리물(M)이 다이스강(SKD61)인 경우에 대해 이하에서 설명하기로 한다.

가스 냉각장치(20)는, 냉각실(160) 안에 냉각가스를 공급함으로써 피처리물(M)을 냉각한다. 가스 냉각장치(20)는 헤더관(21), 공급관(22), 가스 회수?공급계(23)를 구비하고 있다. 헤더관(21)은 도 3에 2점쇄선으로 도시한 바와 같이 냉각실(160)의 반송방향 하류측 단부에 배치되고, 반송장치(10)에 의한 피처리물(M)의 반송 경로를 중심으로 하는 환형으로 형성되어 있다. 이 헤더관(21)에는 가스 회수?공급계(23)에 의해 냉각가스가 공급된다.

공급관(22)은, 일단부가 헤더관(21)에 접속되고, 타단측이 반송방향 상류측을 향해 수평방향으로 연장되어 형성되어 있다. 공급관(22)은 반송장치(10)에 의한 피처리물(M)의 반송 경로를 중심으로 하여 둘레방향으로 대략 등간격(본 실시형태에서는 90°간격)으로 복수(본 실시형태에서는 4개) 설치되어 있다. 또 도 3에 도시한 바와 같이, 공급관(22)은 환형 헤더관(21)의 3시, 6시, 9시, 12시 위치(상하좌우의 위치)에 설치되어 있다. 각 공급관(22)은 냉각실(160)의 길이에 걸치는 길이로 타단측이 냉각실(160)의 반송방향 하류측을 향해 수평방향으로 연장되어 형성되어 있다. 각 공급관(22)에는, 피처리물의 반송 경로를 향해 개구되는 분출구(24)가 길이방향 전체에 걸쳐, 각각 소정 간격을 두고 복수 형성되어 있다.

가스 회수?공급계(23)는 진공 용기(1)에 접속된 배기관(25), 배기관(25)에 설치된 개폐 밸브(26), 배기관(25)에서 회수된 냉각가스를 재냉각하는 냉각기로서의 열교환기(27), 재냉각된 냉각가스를 헤더관(21)에 공급하는 팬(28)을 주요 요소로서 가지고 있다.

냉각가스로서는, 예를 들면 아르곤, 헬륨, 질소 등의 불활성가스가 사용된다.

가스 회수?공급계(23)는 냉각액 회수?공급계(33)에서의 개폐 밸브(36)를 닫고 가스 회수?공급계(23)에서의 개폐 밸브(26)를 개방함으로써, 냉각실(160)에서 배기관(25)에 도입된 냉각가스를 열교환기(27)에서 재냉각하고 팬(28)의 작동에 의해 헤더관(21)으로 순환하도록 냉각가스를 공급할 수 있다.

미스트 냉각장치(30)는 냉각실(160) 안에 냉각액을 미스트 형태로 공급함으로써 피처리물(M)을 냉각한다. 미스트 냉각장치(30)는 헤더관(31)(도 3에서는 미도시), 공급관(32), 냉각액 회수?공급계(33)를 구비하고 있다. 헤더관(31)은 냉각실(160)의 반송방향 상류측 단부에 배치되어 반송장치(10)에 의한 피처리물(M)의 반송 경로를 중심으로 하는 환형으로 형성되어 있다. 이 헤더관(31)에는 냉각액 회수?공급계(33)에 의해 냉각액이 공급된다.

공급관(32)은, 일단부가 헤더관(31)에 접속되어 있고, 타단측이 반송방향 하류측을 향해 수평방향으로 연장되어 형성되어 있다. 공급관(32)은 반송장치(10)에 의한 피처리물(M)의 반송 경로를 중심으로 하여 둘레방향으로 대략 등간격(본 실시형태에서는 90°간격)으로 복수(본 실시형태에서는 4개) 설치되어 있다. 또 도 3에 도시한 바와 같이, 공급관(32)은 환형의 헤더관(21)에 수평방향으로부터 ±45°의 위치에 설치되어 있다. 각 공급관(32)은 냉각실(160)의 길이에 걸쳐진 길이로 타단측이 냉각실(160)의 반송방향 하류측을 향해 수평방향으로 연장되어 형성되어 있다. 각 공급관(32)에는, 피처리물의 반송 경로를 향해 냉각액을 미스트 형태로 분사하는 노즐부(34)가 길이방향 전체에 걸쳐, 각각 소정 간격을 두고 복수 형성되어 있다.

아울러 공급관(32) 및 노즐부(34)의 배치 위치는, 미스트 형태의 냉각액이 중력의 영향을 받기 때문에 공급량에 차이가 생길 가능성이 있는 상하방향을 피하는 것이 바람직하고, 수평방향을 따라 미스트 형태의 냉각액을 공급하는 것이 바람직하다. 그러나 상하방향을 따라 냉각액을 공급하는 경우라 해도 중력에 의한 영향을 고려하여 공급량을 다르게 하면 좋다. 또 공급관(32)을 4개가 아닌, 예를 들면 3개 배치할 경우에는 수직 성분을 최대한 줄이기 위해서도 천정부와,이 천정부를 사이에 두고 ±120°의 위치에 공급관(32)를 배치하는 것이 바람직하다.

냉각액 회수?공급계(33)는 진공 용기(1)에 접속된 액배출관(35), 액배출관(35)에 설치된 개폐 밸브(36), 액배출관(35)에서 회수된 냉각액을 모터(39)의 구동에 의해 배관(37)을 통해 헤더관(31)에 송액하는 펌프(38), 냉각실(160)의 압력(기압)을 계측하는 센서(40), 모터(39)의 구동을 컨트롤하는 인버터를 포함하고 센서(40)의 계측 결과에 기초하여 냉각액의 유량을 제어하는 제어장치(41), 처리품으로부터의 수열(受熱)에 의해 기화된 냉각액을 액화하는 액화기(액화 트랩)(42)를 주요 요소로서 가지고 있다.

냉각액으로서는, 예를 들면 기름, 솔트액, 후술하는 불소계 불활성 액체 등을 사용할 수 있다.

냉각액 회수?공급계(33)는 냉각실(160)에 미스트 형태로 공급된 후에 진공 용기(1)의 내벽면이나 액화기(42)에서 액화되어 진공 용기(1)의 바닥에 저류된 냉각액을, 가스 회수?공급계(23)에서의 개폐 밸브(26)를 닫고 냉각액 회수?공급계(33)에서의 개폐 밸브(36)를 연 상태에서 모터(39)를 구동하여 펌프(38)을 작동시킴으로써 배관(37)을 통해 헤더관(31)으로 순환하도록 공급할 수 있다. 특히 센서(40)가 냉각실(160) 안의 기압이 저하됨으로써 냉각액의 공급?분사량이 저하된 것을 검지한 경우에는 제어장치(41)가 모터(39)의 구동을 제어하여, 냉각액의 공급량을 조정함으로써, 항상 적절한 양의 냉각액을 헤더관(31)에 대해 공급할 수 있다.

온도 센서(80)는 피처리물(M)의 외표면에 설치되어 피처리물(M)의 온도를 계측한다. 온도 센서(80)의 계측 결과는 제어장치(41)로 출력된다. 온도 센서(80)로서, 본 실시형태에서는 열전쌍이 마련되어 있다. 그러나 예를 들면 방사 온도계와 같은 비접촉식 센서를 사용하여 온도를 계측해도 좋다.

제어장치(41)는 온도 센서(80)의 계측 결과에 기초하여 모터(39)의 구동을 제어한다. 본 실시형태의 제어장치(41)는 메모리에 미스트 형태의 냉각액의 시간당 공급량과 피처리물(M) 안팎의 온도와의 상관관계를 테이블로 나타내고 있으며 온도 센서(80)의 계측 결과(피처리물(M)의 외표면 온도)로부터 피처리물(M) 내부의 온도를 계측할 수 있다. 아울러 상기 상관관계의 테이블은, 예를 들면 예비 실험이나 시뮬레이션 등에 의해 작성된다.

다음으로 상기 진공 열처리로(100)에 있어서, 가열된 피처리물(M)을 냉각실(160)에서 냉각하는 순서에 대해 도 4 내지 도 5c에 기초하여 설명하기로 한다. 아울러 이하의 설명에서는 담금질 온도로 유지된 피처리물(M)을 마르텐사이트 조직으로 변태시키는 담금질 처리에 대해 설명하기로 한다.

도 4는, 본 실시형태의 열처리 방법을 설명하기 위한 그래프이다. 도 5a?도 5c는, 본 실시형태의 피처리물(M) 안팎의 온도차를 설명하기 위한 모식 단면도이다.

도 4에서 종축은 온도를, 횡축은 시간을 가리킨다. 또 도 4에서 실선은 피처리물(M) 외표면의 온도 변화를, 점선은 피처리물(M) 내부의 온도 변화를 나타낸다. 또 도 5a?도 5c는, 도 4의 시간 경과에 따라 차례대로 변화하는 피처리물(M)의 온도 분포 상태를 도시하고 있다. 도 5a는 시간 T1에서의 온도 분포를, 도 5b는 시간 T2에서의 온도 분포를, 도 5c는 시간 T3에서의 온도 분포를 도시한다. 아울러 도 5a?도 5c에서는 온도의 고온 저온을 도트 패턴의 농담(濃淡)으로 도시하였으며, 진한 도트 패턴이 고온을 나타낸다.

본 실시형태의 열처리 방법으로는, 우선 오스테나이트 조직 상태가 될 때까지 가열(1000℃ 정도)한 피처리물을, 마르텐사이트 조직으로 변태되기 시작하는 변태점(Ms)(제1 변태점)의 근방으로서, 변태점(Ms)보다 높은 목표 온도(Ta)까지, 미스트 형태의 냉각액을 공급함으로써 미스트 냉각한다(제1 공정(S1): 급냉 공정).

목표 온도(Ta)는, 피처리물(M)이 펄라이트 조직으로 변태되기 시작하는 변태점(Ps)(제2 변태점)보다 낮고, 피처리물(M)이 마르텐사이트 조직으로 변태되기 시작하는 변태점(Ms)보다 높은 범위내에서 설정되어 있다. 본 실시형태에서는 피처리물(M)이 다이스강(SKD61)이므로 목표 온도(Ta)는 370℃?550℃ 사이에서 설정되어 있다. 아울러 목표 온도(Ta)는, 후술하는 제3 공정에서의 프로세스를 고려하여 변태점(Ms) 근방의 온도(변태점(Ms)보다 십수℃ 정도 높은 온도)로 설정하는 것이 바람직하다.

제1 공정(S1)에서는, 피처리물(M)을, 펄라이트 조직으로 변태되기 시작하는 변태점(Ps)(이른바 펄라이트 노즈)을 피하도록 목표 온도(Ta)까지, 미스트 냉각으로 급냉한다.

본 실시형태에서는 냉각실(160)로 반송된 피처리물(M)에 대해 미스트 냉각장치(30)에서의 노즐부(34)로부터 냉각액을 미스트 형태으로 공급?분사시킴으로써 냉각을 행한다. 노즐부(34)로부터의 확산 각도가 예를 들면 도 3에 도시한 바와 같이 90°로 설정됨으로써 피처리물(M)의 측면(외표면)에 대해 전면적으로 냉각액을 분사시킬 수 있다. 또 피처리물(M)(트레이(13))의 경사 하방에 위치하는 노즐부(34)에서 분출된 냉각액은, 트레이(13)가 판재를 격자형으로 배열함으로써 형성되어 있기 때문에, 판재 사이를 통과할 수 있어 적절하게 피처리물(M)에 도달하여 냉각할 수 있다. 또 노즐부(34)가 냉각실(160)의 길이방향 전체에 걸쳐 설치되어 있기 때문에, 특히 공급관(32)의 양단쪽에 위치하는 노즐부(34)로부터의 분사에 의해 피처리물(M)의 반송방향에서의 전면 및 배면에도 미스트 형태의 냉각액이 도달하여 냉각할 수 있다. 미스트 형태의 냉각액이 소정의 미스트 밀도로 피처리물(M)의 모든 외표면에 공급되기 때문에 미스트 형태의 냉각액의 기화 잠열에 의해 적절하게 피처리물(M)을 냉각할 수 있다.

이 미스트 형태의 냉각액을 사용한 냉각인 경우에는 냉각액을 연속적으로 공급하여 피처리물(M)과의 열교환이 가능해진다. 따라서 피처리물(M)을 냉각액 중에 침지시킨 경우와 같이 고온의 피처리물(M)에 접촉한 냉각액이 비등하여 발생한 기포에 의해 냉각액과의 접촉 면적이 줄어 냉각 효율이 저하되거나, 기포의 양이 더욱 증가하여 증기막이 되어 단열층을 형성하여 냉각 효율이 현저하게 저하되는 등의 부작용을 일으키지 않고 피처리물(M)에 대한 냉각 처리를 계속적으로 실시할 수 있다.

아울러 미스트 냉각장치(30)의 노즐부(34)로부터 냉각액을 미스트 형태으로 공급?분사시킴과 동시에, 가스 냉각장치(20)의 분출구(24)로부터 냉각가스를 공급?분사시켜도 좋다. 이 방법에 의하면 냉각가스의 흐름에 의해 냉각실(160)에 미스트 형태로 분무된 냉각액이 확산되어 냉각실(160)의 분위기를 균일하게 할 수 있어 냉각 불균일을 줄일 수 있게 된다.

미스트 냉각의 기본적인 냉각은 기화 잠열에 의한 냉각이므로, 미스트가 닿는 정도에 따라 피처리물 안팎에 온도차가 생긴다(도 5a 참조). 예를 들면, 도 4에 도시한 바와 같이 피처리물(M) 외표면의 온도는, 피처리물(M) 내부의 온도보다 온도 저하가 단시간에 진행되기 때문에 시간 경과와 함께 피처리물(M) 안팎의 온도차가 커진다.

본 실시형태의 열처리 방법에서는, 다음으로 피처리물(M) 외표면에 설치된 온도 센서(80)의 계측 결과가 목표 온도(Ta)에 도달했을 때 피처리물(M)을 제1 공정의 미스트 밀도보다 작은 미스트 밀도로 미스트 냉각하도록 미스트 형태의 냉각액을 공급한다(완냉 공정(S2)).

완냉 공정(S2)에서는 냉각실(160) 안에서의 피처리물(M) 외표면 근방의 미스트 밀도를 저하시켜 제1 공정(S1)보다 낮은 냉각효율로 피처리물(M)을 냉각한다. 이 때 피처리물(M)에서는 열전도에 의해 고온의 내부로부터 저온의 외표면으로 열이 전달됨으로써 피처리물(M) 안팎의 온도차가 줄어든다.

완냉 공정(S2)에서는, 고온의 내부로부터의 열전도에 의해 피처리물(M) 전체의 온도가 목표 온도(Ta)보다 높아져, 목적으로 하지 않은 다른 조직의 변태점(예를 들면 변태점(Ps))에 도달하지 않도록 냉각을 실시한다. 즉, 완냉 공정(S2)에서는 고온의 내부로부터의 열전도에 의한 피처리물(M) 전체의 온도 상승을 상쇄하는 냉각을 실시한다. 또 완냉 공정(S2)에서는, 그 냉각에 의해 피처리물(M)의 외표면이 Ms변태점에 도달하지 않도록 냉각 효율(미스트 밀도)을 제어장치(41)에 의해 조절한다.

완냉 공정(S2)는, 피처리물(M) 내부의 온도가 목표 온도(Ta)에 도달할 때까지 실시한다. 이로써 피처리물(M) 전체의 온도가 목표 온도(Ta)보다 높아지는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 아울러 본 실시형태의 피처리물(M) 내부의 온도는, 피처리물(M)의 외표면에 설치된 온도 센서(80)의 계측 결과와, 제어장치(41)의 메모리에 기록된 테이블 데이터를 사용하여 양자를 조회함으로써 계측하고 있다.

이와 같은 완냉 공정(S2)을 거친 피처리물(M)은, 도 5b에 도시한 바와 같이 도 5a에 비해 안팎의 온도 분포가 완화된다.

본 실시형태의 열처리 방법으로는, 다음으로 미스트 형태의 냉각액 공급을 정지하고 피처리물(M)을 소정 시간 유지한다(제2 공정(S3)).

제2 공정(S3)에서는, 미스트 냉각 정지 기간에 피처리물(M) 안팎의 온도차의 확대를 억제하여, 피처리물(M) 안팎에서의 열전도에 의해 온도차를 완화하고, 피처리물(M)의 온도를 거의 균일하게 한다. 제2 공정(S3)의 미스트 냉각 정지 기간은 피처리물(M) 안팎의 온도차가 소정의 문턱값(예를 들면 10℃) 이내가 될 때까지 실시한다. 본 실시형태에서는 제2 공정(S3)의 미스트 냉각 정지 기간은, 피처리물(M) 안팎의 온도를 모니터링하면서 피처리물(M) 안팎의 온도차가 소정의 문턱값 이내가 되었을 때 종료한다. 아울러 제2 공정(S3)의 미스트 냉각 정지 기간은, 피처리물(M) 안팎의 온도차와 열전달율로부터, 피처리물(M) 안팎의 온도차가 소정의 문턱값 이내가 되는 시간을 예측하고 그 시간이 경과했을 때 종료하는 수법을 사용해도 좋다.

이와 같은 제2 공정(S3)을 거친 피처리물(M)은, 도 5c에 도시한 바와 같이 안팎의 온도가 목표 온도(Ta)가 되도록 균일화된다.

본 실시형태의 열처리 방법으로는, 마지막으로 피처리물(M)을 변태점(Ms) 이하의 온도까지 냉각한다(제3 공정(S4)).

제3 공정(S4)에서는, 제1 공정(S1), 완냉 공정(S2), 제2 공정(S3)을 거침으로써 안팎의 온도차가 완화된 상태의 피처리물(M)을 변태점(Ms) 이하까지 냉각함으로써 피처리물(M) 안팎의 조직을 거의 동시에 마르텐사이트 조직으로 변태시킨다. 아울러 목표 온도(Ta)가 변태점(Ms)보다 십수℃ 정도 높은 온도이면, 제3 공정(S4)에서의 냉각에 의해 발생하는 피처리물(M) 안팎의 온도차를 미세하게 억제할 수 있게 되어 품질의 향상을 꾀할 수 있게 된다.

아울러 제3 공정(S4)에서의 냉각은, 미스트 형태의 냉각액 공급을 재개함으로써 수행해도 좋다. 그러나 피처리물(M)을 급냉시킬 필요가 없는 경우에는, 예를 들면 가스 냉각장치(20)에 의해 냉각실(160) 안에 냉각가스를 공급함으로써 피처리물(M)을 냉각해도 좋다. 즉, 피처리물(M)에 대해 가스 냉각장치(20)에서의 분출구(24)로부터 냉각가스를 공급?분사시킴으로써 피처리물(M)을 직접 냉각한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에서는 담금질 온도로 유지된 피처리물(M)을, 그 피처리물(M)의 조직이 마르텐사이트 조직으로 변태되기 시작하는 변태점(Ms) 근방으로서 그 변태점(Ms)보다 높은 목표 온도(Ta)까지, 미스트 형태의 냉각액을 공급함으로써 미스트 냉각하는 제1 공정(S1)과, 제1 공정(S1) 후에 피처리물(M)을 미스트 형태의 냉각액 공급을 정지한 상태에서 소정 시간 유지하는 제2 공정(S3)과, 제2 공정(S3) 후에 피처리물(M)을 변태점(Ms) 이하의 온도까지 냉각하는 제3 공정(S4)을 가지는 열처리 방법을 실시한다. 따라서 제1 공정(S1)에서 피처리물 안팎에 온도차가 생긴 경우에도, 제2 공정(S3)에서의 미스트 냉각 정지 기간에 의해, 피처리물(M) 안팎의 온도차의 확대가 억제됨과 동시에, 피처리물(M) 안팎에서의 열전도에 의해 온도차가 완화된다. 또 피처리물(M) 안팎의 온도차가 완화된 상태에서, 변태점(Ms) 이하까지 피처리물을 냉각함으로써, 피처리물(M) 안팎의 조직을 거의 동시에 마르텐사이트 조직으로 변태시킬 수 있다. 피처리물(M) 안팎의 조직을 거의 동시에 변태시키기 때문에 피처리물(M)에 내부 응력이 발생하지 않는다. 따라서 본 실시형태에서는 피처리물(M)의 조직의 불균일화 및 변형을 억제할 수 있다.

또 본 실시형태에서는, 제1 공정(S1)과 제2 공정(S3) 사이에서, 피처리물(M)을, 제1 공정(S1)의 미스트 밀도보다 작은 미스트 밀도로 미스트 냉각하도록 미스트 형태의 냉각액을 공급하는 완냉 공정(S2)을 실시한다. 따라서 고온의 내부로부터의 열전도에 의해 피처리물(M) 전체의 온도가 목표 온도(Ta)보다 높아져, 목적으로 하지 않은 다른 조직의 변태점(Ps)에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 제2 공정에 들어가기 전에 피처리물(M)을 완냉함으로써, 피처리물(M) 안팎의 온도차를 완화함과 동시에, 고온의 내부의 열전도에 의한 피처리물(M) 전체의 온도 상승을 상쇄하는 냉각을 실시한다. 피처리물(M) 안팎에서의 열전도에 의해 피처리물 전체의 온도가 목표 온도보다 높아지는 것을 방지함으로써 피처리물(M) 조직의 불균일화 및 변형을 더욱 확실하게 억제할 수 있다.

아울러 상기 실시형태에서의 냉각액으로서는, 예를 들면 불소계 불활성 액체를 사용할 수 있다.

불소계 불활성 액체를 사용한 경우에는, 피처리물(M)의 구성 재료를 침범하지 않아 피처리물(M)에 악영향을 미치는 것을 방지할 수 있다. 또 불소계 불활성 액체는 불연성이므로 안전성도 향상시킬 수 있다. 또 불소계 불활성 액체는 그 비점이 물보다 높기 때문에 냉각 포텐셜도 높다. 또 불소계 불활성 액체를 사용한 경우에는 물을 사용한 경우에 생기는 산화나 증기막 등의 문제도 억제할 수 있다. 또 불소계 불활성 액체는 증발 잠열면에서도 열전달 능력이 우수하여 피처리물(M)을 효율적으로 냉각할 수 있다. 또한 피처리물(M)에 불소계 불활성 액체가 부착하더라도 세정할 필요가 없기 때문에 생산성도 향상시킬 수 있다.

(실험예)

이하, 도 6?도 9에 도시한 그래프를 참조하여 본 발명의 효과에 대해 보다 명백히 한다.

도 6은, 미스트 냉각의 일 실험 결과를 도시한 그래프이다. 본 실험에서는 SUS304(φ25㎜×60㎜)의 원기둥형 피처리물에 대한 미스트 분무량(미스트 밀도)을 변화시킨 경우에 피처리물 중심부의 온도가 어떻게 변화하는지를 조사했다.

도 6은, 로내 압력을 50kPa로 하고, 1개의 노즐을 사용하여 미스트 분무량을 8L/min으로 한 경우, 미스트 분무량을 2L/min로 한 경우, 또는 미스트 분무량을 8L/min→2L/min→8L/min로 변화시킨 경우의, 각 분무 조건에서의 피처리물 온도 변화를 도시하였다.

도 6에 도시한 바와 같이, 미스트 분무량을 변화시킴으로써 피처리물의 냉각 속도를 임의로 변화시킬 수 있다. 또 미스트 분무량을 도중에 줄임으로써 냉각 속도를 억제할 수 있다.

도 7은, 미스트 냉각의 일 실험 결과를 도시한 그래프이다. 본 실험에서는 SUS304(φ25㎜×60㎜)의 원기둥형 피처리물을 미스트 냉각 혹은 침지 냉각한 경우에 피처리물의 중심부 온도가 어떻게 변화하는지를 조사했다.

도 7은, 로내 압력을 50kPa로 하고, 3개의 노즐을 사용하여 각 노즐로부터 9L/min씩 합계 미스트 분무량을 27L/min로 일정 분사시켜 미스트 냉각한 경우와, 침지 냉각한 경우의, 각 냉각 조건에서의 피처리물의 온도 변화를 도시하였다.

도 7에 도시한 바와 같이, 피처리물을 냉매에 담가 냉각하는 침지 냉각보다 미스트 냉각쪽이 보다 빨리 피처리물을 냉각할 수 있어 미스트 냉각의 냉각 성능이 높다는 것을 알 수 있다.

도 8은, 미스트 냉각의 일 실험 결과를 도시한 그래프이다. 본 실험에서는, SUS304(φ80㎜×80㎜)의 원기둥형 피처리물을 미스트 냉각한 경우에 피처리물의 중심부, 측면으로부터 직경의 1/4만큼 직경방향 안쪽이 되는 부분(직경1/4), 측면, 중심 하부, 중심 상부의 각 온도가 어떻게 변화하는지를 조사했다.

도 8은, 로내 압력을 50kPa로 하고, 3개의 노즐을 사용하여 각 노즐로부터 9L/min씩 합계 미스트 분무량을 27L/min로 일정 분사시킨 경우의, 피처리물에서의 각 부분의 온도 변화를 도시하고 있다.

도 8에 도시한 바와 같이, 일정의 미스트를 계속 분무하여 냉각하면 피처리물 안팎의 온도차의 확대가 진행된다는 것을 알 수 있다.

도 9는, 미스트 냉각의 일 실험 결과를 도시한 그래프이다. 본 실험에서는 SUS304(φ80㎜×80㎜)의 원기둥형 피처리물에 대한 미스트 냉각을 도중에 일시정지한 경우에 피처리물의 중심부, 직경1/4, 측면, 중심 하부, 중심 상부의 각 온도가 어떻게 변화하는지를 조사했다.

도 9는, 로내 압력을 50kPa로 하고, 3개의 노즐을 사용하여 각 노즐로부터 9L/min씩 합계 미스트 분무량을 27L/min로 분사시키는 경우로서, 미스트 분무량의 총량을 27L/min→0L/min→27L/min로 변화시킨 경우의, 피처리물에서의 각 부분의 온도 변화를 도시하였다.

도 9에 도시한 바와 같이 분무를 일시정지함으로써 피처리물 안팎의 온도차가 완화되어 냉각이 진행된다는 것을 알 수 있다.

이상, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 관한 바람직한 실시형태에 대해서 설명했으나, 본 발명은 상기 예로 한정되지 않는다. 상술한 예에서 나타낸 각 구성부재의 모든 형상이나 조합 등은 일례이며, 본 발명의 주지를 벗어나지 않는 범위에서 설계 요구 등에 기초하여 변경 가능하다.

예를 들면 미스트 밀도를 조정하는 방법으로서는, 상술한 모터(39) 및 펌프(38)를 사용한 냉각액의 공급량 조정이나 공급 압력 조정, 공급 시간 조정(조리개 밸브 등을 사용한 주파수 조정) 등을 사용할 수 있다.

또 상기 실시형태에서는 온도 센서(80)에서 피처리물(M)의 온도를 계측하고, 계측한 온도에 기초하여 피처리물(M) 내부의 온도를 계측한다고 설명하였으나, 피처리물(M) 내부의 온도를 계측하는 온도 센서를 별도로 설치해도 좋다.

또 상기 실시형태에서 설명한 냉각액의 공급은 통상적으로 진공하에서 이루어지는데, 예를 들어 미스트 냉각시에 상술한 불활성 가스를 첨가해도 좋다.

통상적으로, 분위기압이 높으면 비점은 올라가고 분위기압이 낮으면 비점이 낮아진다. 따라서 불활성가스의 첨가량을 조정하여 분위기압을 상승시킴으로써 냉각액의 기화 잠열에 의한 냉각 능력을 향상시킬 수 있고, 반대로 분위기압을 하강시킴으로써 비점이 낮아져 공급액 온도와의 온도차가 좁아져 냉각 속도(냉각 능력)를 억제할 수 있다.

이와 같이 불활성가스의 첨가량을 조정함으로써 피처리물(M)에 대한 냉각 특성을 제어하는 것도 가능해져 보다 고정밀도의 냉각을 실시할 수 있다.

또 상기 실시형태에서는 미스트 냉각장치(30)와 가스 냉각장치(20)를 병용하는 구성으로 하였으나, 이에 한정되지는 않으며 미스트 냉각장치(30)만 설치되어도 좋다.

또 상기 실시형태에서는 냉각액으로서 기름, 솔트액, 불소계 불활성 액체 등을 예시했으나, 그밖에도 산화나 증기막 등의 영향이 경미한 경우에는 물을 사용해도 좋다. 미스트 형태의 냉각액으로서 물을 사용하는 경우에는, 상술한 불소계 불활성액을 사용하는 경우와 마찬가지의 이유로, 비점이 90℃가 되는 분위기 조정압 70kPa(abs)?비점이 80℃가 되는 분위기 조정압48kPa(abs) 정도의 조건으로 처리하는 것이 바람직하다.

냉각액으로서 물을 사용한 경우에는 액상이든 기상이든 복잡한 후처리를 필요로 하지 않고 안전하게 배출할 수 있어 후처리에 관련된 비용면 및 지구 환경 보호의 관점에서도 적합하다.

또 상기 실시형태에서는 제2 공정(S3)에서 미스트 형태의 냉각액 공급을 정지하고 소정 시간 유지한다고 설명하였으나, 미스트 형태의 냉각액 공급을 정지하지 않고 제1 공정(S2) 후의 피처리물(M)을 제1 공정(S1)의 미스트 밀도보다 작은 미스트 밀도로 소정 시간 미스트 냉각하더라도, 피처리물(M) 안팎의 온도차의 확대가 억제되어 피처리물(M) 안팎에서의 열전도에 의해 온도차를 완화할 수 있다.

<산업상 이용 가능성>

본 발명에 의하면, 피처리물의 조직의 불균일화 및 변형을 억제할 수 있는 열처리 방법을 제공할 수 있다.

20…가스 냉각장치
30…미스트 냉각장치
32…공급관
34…노즐부
41…제어장치
80…온도 센서
100…진공 열처리로(열처리 장치)
160…냉각실
CU…냉각 유닛
M…피처리물
S1…제1 공정
S2…완냉 공정
S3…제2 공정
S4…제3 공정

Claims (8)

1. 소정 온도로 유지된 피처리물을, 그 피처리물의 조직이 소정의 조직으로 변태되기 시작하는 제1 변태점의 근방으로서 그 제1 변태점보다 높은 목표 온도까지, 미스트 형태의 냉각 매체를 공급함으로써 미스트 냉각하는 제1 공정과,
   상기 제1 공정 후에, 상기 피처리물을, 상기 미스트 형태의 냉각 매체의 공급을 정지한 상태에서 소정 시간 유지하는 제2 공정과,
   상기 제2 공정 후에, 상기 피처리물을, 상기 제1 변태점 이하의 온도까지 냉각하는 제3 공정을 가진 열처리 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 공정과 상기 제2 공정 사이에서, 상기 피처리물을, 상기 제1 공정의 미스트 밀도보다 작은 미스트 밀도로 미스트 냉각하도록, 상기 미스트 형태의 냉각 매체를 공급하는 완냉 공정을 가지는 열처리 방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 피처리물의 외표면의 온도를 계측하는 공정을 가지며,
   계측한 상기 외표면의 온도가 상기 목표 온도에 도달했을 때 상기 제1 공정으로부터 상기 완냉 공정으로 이행하는 열처리 방법.
4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
   상기 피처리물 내부의 온도를 계측하는 공정을 가지며,
   계측한 상기 내부의 온도가 상기 목표 온도에 도달했을 때 상기 완냉 공정으로부터 상기 제2 공정으로 이행하는 열처리 방법.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 피처리물의 외표면의 온도에 기초하여 상기 피처리물 내부의 온도를 계측하는 열처리 방법.
6. 소정 온도로 유지된 피처리물을, 그 피처리물의 조직이 소정의 조직으로 변태되기 시작하는 제1 변태점 근방으로서 그 제1 변태점보다 높은 목표 온도까지, 미스트 형태의 냉각 매체를 공급함으로써 미스트 냉각하는 제1 공정과,
   상기 제 1 공정 후에, 상기 피처리물을, 상기 제1 공정의 미스트 밀도보다 작은 미스트 밀도로 소정 시간 미스트 냉각하는 제2 공정과,
   상기 제2 공정 후에, 상기 피처리물을, 상기 제1 변태점 이하의 온도까지 냉각하는 제3 공정을 가지는 열처리 방법.
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 목표 온도는, 상기 제1 변태점과, 그 제1 변태점보다 높은 온도이며 상기 조직이 상기 소정의 조직 이외의 조직으로 변태되기 시작하는 제2 변태점 사이에서 설정되어 있는 열처리 방법.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 제1 변태점은 마르텐사이트 변태점이고, 상기 제2 변태점은 펄라이트 변태점인 열처리 방법.

Images