KR20160041017A - 기술적 설비 구성요소의 개별 켄칭 경화를 위한 장치 - Google Patents

기술적 설비 구성요소의 개별 켄칭 경화를 위한 장치 Download PDF

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Abstract

진공 노 설비 내에서 작동하는, 기어, 피니언, 링 및 다른 구성요소를 개별 켄칭하기 위한 장치로서, 켄칭 챔버(1)는 가공물 로딩 및 언로딩을 위한 밀봉 도어(2, 3)가 끼워맞춤된다. 켄칭 챔버 내에는 일련의 제거가능 노즐에 의해 둘러싸이고 단일의 가공물(14)이 배치되는 제거가능 테이블(4)이 끼워맞춤되며, 켄칭 챔버(1)의 입구에는 냉각 매체 - 공기 또는 질소, 또는 또한 아르곤, 헬륨, 또는 수소 또는 이산화탄소, 또는 이의 혼합물 - 를 노즐에 공급하는 탱크가 제공되며 켄칭 챔버의 출구는 켄칭 챔버로부터 팽창된 냉각 매체를 수집하는 탱크(7)의 입구에 연결되고, 냉각 매체의 밀폐된-루프 유동을 허용하는 압축기(15)는 2개의 탱크(7, 6)들 사이에서 연결된다.

Description

기술적 설비 구성요소의 개별 켄칭 경화를 위한 장치{Device for individual quench hardening of technical equipment components}
본 발명의 요지는 기술적 설비 구성요소의 개별 켄칭 경화, 즉 변형을 최소화하기 위한 목적으로 냉각 매체를 사용하는 개별 구성요소의 제어된 경화를 위한 장치에 관한 것이다.
근-주변 온도로 오스테나이트화 온도로부터 가공물의 신속 냉각으로 구성되는, 켄칭은 스틸에 적용되는 열 처리 공정이다. 켄칭 경화의 결과로서 스틸의 미세구조가 변화하고 기계적 및 유용 특성, 예를 들어, 내구성, 경도, 내마모성, 등의 향상된다. 다양한 현존 해결 방법은 상이한 액체 냉각 매체, 예컨대 오일, 물, 염과 같은 상이한 액체 냉각 매체 내에서 또는 덜 빈번하게는 가스 또는 공기 중에서 전용 장치 또는 켄칭 챔버 내에서 수행된다. 이러한 기간 동안에, 오일은 가장 통상적인 켄칭 매체로 유지된다.
켄칭 경화된 가공물은 소위 워크로드(workload)로 구성되는 전용 설비(트레이, 바스켓 등) 상의 배치 내에 배열되거나 또는 이 가공물은 오스테나이트화 온도로 노 내에서 가열되는 이송 벨트 상에서 벌크로 배치되며 켄칭 장치 내에서 경화된다. 켄칭 장치는 오스테나이트화 노 또는 개별 독립 용액의 통합 요소일 수 있다.
모든 켄칭 장치의 특징부는 가스의 경우에 팬, 및 액체의 경우에 냉각 유체 - 혼합기의 강제 순환을 허용하도록 설계된 유닛의 존재이다. 냉각 매체의 강제 순환은 켄칭 장치의 외측으로 열을 유도하는 열 교환기로 켄칭된 가공물로부터 열의 효과적 전달을 위해 필요하다(항시 물 또는 또 다른 외부 냉각 매체를 사용하여). 따라서, 하나 이상의 열 교환기의 존재는 또한 종래의 켄칭 장치에서의 특징이다.
종래의 켄칭 경화 장치 내에서 다음과 같이 공정이 진행된다: 오스테나이트화 온도로 가열된 후에, 워크로드는 노로부터 켄칭 장치로 전달되며, 이 켄칭 장치 내에서는 냉각 유체가 열을 흡수하여 워크로드가 냉각된다. 다음에, 냉각 유체(워크로드에 의해 가열됨)는 열 교환기로 유도되어 냉각되고 열을 흡수하기 위하여 워크로드를 향하여 재유도된다. 냉각 유체의 최저의 유동은 적합한 스테이터 및 덕트에 의해 유도되는, 팬(가스에 대해) 및 믹서(액체의 경우)에 의해 보장된다.
적합한 기계적 특성을 수득하는 것에 추가로, 켄칭 경화 공정에서는 켄칭 중에 재료 구조의 변환에 의해 그리고 열 구배로부터 야기되는 응력에 의해 야기된 변형을 최소화하는 것이 중요하다. 변형은 개별 요소의 형상을 매끄럽게 하기 위해 고가의 기계가공을 필요로 하며, 이의 목적은 최대 반복가능성을 구현하고 변형을 최소화하는 것이다.
이론적으로, 변형의 최소화는 단일의 가공물 및 모든 가공물(대량 생산이 특히 중요함)의 경우에 동일하고 균일한 냉각 조건을 제공함으로써 구현된다. 통상적인 오일 켄칭 결과는 공정의 3-단계 특성(스팀 쿠션, 버블 및 대류 단계) 및 관련된 열 흡수의 불균일 강도로 인해 증가된 변형을 야기한다. 유사하게, 워크로드 내의 이의 고유 위치로 인해 각각의 가공물은 다른 가공물과 상이한 변형을 나타내는 고유의 상이한 방식으로 경화 공격을 겪기 때문에 배치 워크로드 내에 개별 요소를 배열하는 것이 최적의 해결 방법이 아니다.
변형의 반복가능성 및 최소화에 관한, 종래의 켄칭 장치의 상기 단점이 제공됨에 따라 냉각 매체 내의 개별 가공물의 반복가능 경화를 위한 장치의 개발이 필요하다.
본 발명을 구성하는 개별 켄칭을 위한 장치의 필수 특징은 다음으로 구성된다: 켄칭 챔버 내에는 일련의 제거가능 노즐에 의해 둘러싸이고 단일의 가공물이 배치되는 제거가능 테이블이 끼워맞춤되며, 켄칭 챔버의 입구에는 냉각 매체를 노즐에 공급하는 탱크가 제공되며 켄칭 챔버의 출구는 켄칭 챔버로부터 팽창된 냉각 매체를 수집하는 탱크의 입구에 연결되고, 냉각 매체의 밀폐된-루프 유동을 허용하는 압축기는 탱크들 사이에서 연결된다.
바람직하게는, 켄칭 챔버의 입구와 탱크의 출구 사이에 셧오프 밸브와 공급 가스 유동 속도를 조절하기 위한 제어기가 연결되고, 탱크의 입구와 켄칭 챔버의 출구 사이에는 켄칭 공정 중에 가열된 냉각 매체를 냉각하기 위한 열 교환기, 수용된 가스 유동 속도를 제어하기 위한 제어기 및 셧오프 밸브가 끼워맞춤된다.
바람직하게는, 탱크의 출구는 셧오프 밸브를 통하여 압축기의 입구에 연결되고, 압축기의 출구는 냉각 매체를 냉각하기 위해 제공된 열 교환기 및 셧오프 밸브를 통하여 탱크 입구에 연결된다.
게다가, 바람직하게는, 켄칭 챔버는 진공 상태 하에서 켄칭 챔버의 로딩 및 공기 제거를 허용하기 위하여 진공 펌프의 입구에 셧오프 밸브를 통하여 연결된다.
바람직하게는, 주변 노즐 세트 및 제거가능 테이블의 배치 및 매개변수는 냉각 매체, 바람직하게는 공기 또는 질소, 또는 또한 아르곤, 헬륨, 또는 수소 또는 이산화탄소, 또는 이의 혼합물의 균일하고 최적화된 유입이 허용되기 때문에 켄칭 공정 중에 냉각에 가공물의 형상으로 조절된다.
본 발명에 따른 장치는 소정의 기간 동안에 냉각 공정 중에 주어진 지점에서 냉각 매체의 강제 유동을 억제하고 수차례 반복되는 다양한 유동 및 압력 조건에서 유동을 추후에 회복시킴으로써 켄칭에 노출되는 가공물의 제어된 냉각을 가능하게 한다. 이 방법은 냉각 곡선의 자유로운 성형을 가능하게 하고, 최적의 미세구조를 구현하며, 스틸의 기계적 특성을 최적화시키고, 템퍼링 공정을 배제시킬 수 있다(경화 이후에 필수적임).
개별 가공물의 제어된 켄칭의 적용은 각각의 가공물의 최소화된 변형을 야기할 뿐만 아니라 동일한 타입의 모든 물품에 대해 변형의 완전한 반복가능성을 야기하며, 현저한 기계적 특성을 제공한다.
본 발명은 냉각 시스템과 함께 켄칭 챔버의 도면에서 도시된 바와 같이, 특정 실행 모드의 예시가 더 상세히 하기에서 기재된다.
도 1은 본 발명에 따른 켄칭 챔버의 도면.
본 발명에 따른 장치는 가열 및 침탄, 확산, 사전-냉각 및 켄칭을 위한 개별 진공 챔버를 포함한 연속 진공 노 설비 내에서 작동된다. 서로 마주보게 배치되고, 로딩 및 언로딩을 위한 가공물(workpiece, 14)용으로 설계되며 밀폐 도어(2, 3)가 끼워맞춤된 켄칭 챔버(1)는 진공 상태에서 켄칭 챔버(quenching chamber, 1)의 공기 제거 및 로딩을 허용하기 위하여 진공 펌프 시스템(vacuum pump system, 18)의 입구와 셧오프 밸브(shut-off valve, 19)를 통하여 연결된다.
하기 아이템은 일련의 제거가능 노즐(5)에 의해 둘러싸이고, 개별 가공물(14)이 배치되는 제거가능 테이블(4)과 켄칭 챔버(1) 내에서 끼워맞춤된다. 켄칭 챔버(1)의 입구에는 노즐(5)에 냉각 매체를 공급하는 탱크(6)가 부착되며, 반면 켄칭 챔버(1)의 출구는 켄칭 챔버(1)로부터 팽창된 냉각 매체를 수집하는 탱크(7)의 입구에 연결된다. 게다가, 탱크(7, 6)들 사이에는 냉각 매체의 폐-루프 유동을 허용하는 압축기(15)가 연결된다.
항시, 제거가능 노즐(5)의 주변 세트와 제거가능 테이블(4)의 배치 및 매개변수는 냉각 매체의 균일하고 최적화된 유입을 제공하는 켄칭 공정 중에 냉각에 노출된 가공물(14)의 형상에 적합해진다.
하기 구성이 켄칭 챔버(1)의 입구와 탱크(6)의 출구 사이에서 연결된다: 공급 가스 유동 속도를 조절하기 위한 제어기(10) - 탱크(7)의 입구와 켄칭 챔버(1)의 출구 사이에 바람직하게는 끼워맞춤됨 - ; 셧오프 밸브(9), 수용된 가스 유동 속도를 제어하기 위한 제어기(11), 및 켄칭 공정 중에 가열된 냉각 매체를 냉각하기 위한 열 교환기(12).
탱크(7)의 출구는 셧오프 밸브(16)를 통하여 압축기(15)의 입구에 연결되고, 압축기(15)의 출구는 냉각 매체를 냉각하기 위하여 열 교환기(13)와 셧오프 밸브(17)를 통하여 탱크(6)의 입구에 연결된다.
전술된 예시에서, 기계용 스틸(machinery steel)로 제조된 켄칭 챔버(1) 내에는 열 처리에 노출되는 가공물(14), 20MnCr5 침탄 스틸로 제조된 150 mm기어가 제공되며, 질소는 냉각 매체로서 적용된다.
오스테나이트화 온도(예를 들어, 950oC) 초과의 온도에서 필요한 층 두께로 침탄 및 노 내에서의 가열 이후에, 가공물(14)은 켄칭 챔버(1)로 진공 상태 하에서 이송한다. 동시에, 적어도 0.1 hPa의 진공이 밸브(19)가 개방된 상태에서 진공 시스템(18)을 사용하여 켄칭 챔버(1) 내에서 구현된다. 다음에, 로딩 도어(2)가 개방된 후에, 가공물(14)은 테이블(4) 상에 배열되는 켄칭 챔버(1)로 이송 메커니즘 또는 조종기에 의해 이송된다. 로딩 도어(2)와 진공 밸브(19)는 밀폐된다. 다음에, 켄칭 챔버(1)에 대한 가스 입구에서 밸브(8)는 개방되고 이에 따라 밸브(9)는 가스 출구에 있다. 공급 탱크(6)로부터의 냉각 가스는 2 MPa에서 노즐(5)로 유동하여 켄칭에 노출되는 가공물(14) 상으로 유도된다. 가스는 가공물(14)로부터 열을 흡수하고, 이에 따라 가스가 냉각되며, 가열 시에는 가스는 주변 압력에서 수용 탱크(7)로 유동한다. 탱크(7)에 유입되기 전에, 가스는 가스-가스(질소-공기) 열 교환기(12) 내에서 냉각된다. 냉각 가스 유동 속도(냉각 속도)는 켄칭 챔버(1) 내에서 가스 압력을 설정하는 제어기(10, 11)에 의해 조절된다. 수용 탱크(7) 내의 압력이 0.1 MPa로 증가됨에 따라, 압축기(15)는 결합되고 셧오프 밸브(16, 17)는 개방되며, 가스는 냉각 가스 루프를 밀폐하는 공급 탱크(6)로 재차 펌핑된다(다른 열 교환기(13)를 통하여). 수십초 후에, 가공물(14)은 켄칭되고, 통상 200oC 미만에서 언로딩을 허용하는 온도로 냉각된다. 셧오프 밸브(8)가 밀폐되고 켄칭 챔버(1) 내의 압력이 근-주변 수준으로 감소된 후에, 셧오프 밸브(9)와 정지된 압축기(15) 둘 모두가 밀폐된다. 동시에, 셧오프 밸브(16, 17)가 또한 밀폐된다. 다음에, 언로딩 도어(3)는 개방되고 가공물(14)은 이송 메커니즘 또는 조종기에 의해 켄칭 챔버(1)로부터 제거될 수 있다. 전술된 방식으로 수행된 공정의 결과, 가공물(14)은 적절히 켄칭되고, 이에 따라 코어 내에서 32-34 HRC 및 표면 상에서 60-62 HRC의 경도 수준이 구현된다. 추가로, 도어(3)를 밀폐한 후에, 진공이 켄칭 챔버(1) 내에서 형성되고(0.1 hPa에서), 또 다른 가공물(14)이 10 s 내지 1000 s의 각각의 사이클 동안에 또 다른 켄칭 사이클과 함께 진행하도록 로딩될 수 있다.
냉각 매체로서 가스의 적용은 가스 밀도 또는 유동 속도를 조절함으로써 공정 강도의 완전한 제어 및 균일한 냉각(전적으로 대류를 기초로 한 단일-단계 공정)을 구현할 수 있다. 개별 요소의 켄칭 경화는 대량 생산 시에 각각의 가공물에 대한 냉각 조건의 완벽한 반복, 및 가공물 형상에 대한 냉각 가스 유동의 정밀한 조절을 제공한다.
1. 켄칭 챔버
2. 로딩 도어
3. 언로딩 도어
4. 테이블
5. 노즐
6, 냉각 매체를 노즐에 공급하는 탱크
7. 켄칭 챔버로부터 팽창된 냉각 매체를 수용하는 탱크
8. 셧오프 밸브
9. 셧오프 밸브
10. 제어기
11. 제어기
12. 열 교환기
13. 열 교환기
14. 켄칭 경화에 노출된 가공물
15. 압축기
16. 셧오프 밸브
17. 셧오프 밸브
18. 진공 펌프 시스템
19. 셧오프 밸브

Claims (5)

  1. 진공 노 설비 내에서 작동하는, 기어, 피니언, 링 및 다른 구성요소를 개별 켄칭하기 위한 장치로서, 켄칭 챔버는 가공물 로딩 및 언로딩을 위한 밀봉 도어가 끼워맞춤되고, 켄칭 챔버 내에는 일련의 제거가능 노즐에 의해 둘러싸이고 단일의 가공물이 배치되는 제거가능 테이블이 끼워맞춤되며, 켄칭 챔버의 입구에는 냉각 매체를 노즐에 공급하는 탱크가 제공되며 켄칭 챔버의 출구는 켄칭 챔버로부터 팽창된 냉각 매체를 수집하는 탱크의 입구에 연결되고, 냉각 매체의 밀폐된-루프 유동을 허용하는 압축기는 탱크들 사이에서 연결되는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 켄칭 챔버의 입구와 탱크의 출구 사이에 셧오프 밸브와 공급 가스 유동 속도를 조절하기 위한 제어기(10)가 연결되고, 탱크의 입구와 켄칭 챔버의 출구 사이에는 켄칭 공정 중에 가열된 냉각 매체를 냉각하기 위한 열 교환기(1), 수용된 가스 유동 속도를 제어하기 위한 제어기 및 셧오프 밸브가 끼워맞춤되는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 탱크의 출구는 셧오프 밸브를 통하여 압축기의 입구에 연결되고, 압축기의 출구는 냉각 매체를 냉각하기 위해 제공된 열 교환기 및 셧오프 밸브를 통하여 탱크 입구에 연결되는 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 켄칭 챔버는 진공 상태 하에서 켄칭 챔버의 로딩 및 공기 제거를 허용하기 위하여 진공 펌프의 입구에 셧오프 밸브를 통하여 연결되는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 주변 노즐 세트 및 제거가능 테이블의 배치 및 매개변수는 냉각 매체, 바람직하게는 공기 또는 질소, 또는 또한 아르곤, 헬륨, 또는 수소 또는 이산화탄소, 또는 이의 혼합물의 균일하고 최적화된 유입이 허용되기 때문에 켄칭 공정 중에 냉각에 가공물의 형상으로 조절되는 장치.
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