KR20200043560A - 금속 가공품의 열처리와 표면 증식방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 덕타일 주철 재질의 로터에 대하여 깨짐과 변형의 발생을 방지하면서 필요한 강도와 강화성을 얻어 로터의 수명을 연장할 수 있게 되는 덕타일 주철제 로터의 표면 열처리 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 덕타일 주철체 로터의 표면을 연마하는 제1단계와, 연마된 상기 덕타일 주철체 로터의 표면에 대하여 마모가 일어나게 되는 국소 부위에 대해서만 고주파로 열처리한 다음 급냉하는 제2단계와, 상기 덕타일 주철체 로터를 650～950℃에서 표면과 하면부에 대해 6～10초간 가열하여 급냉하는 제3단계와, 상기 덕타일 주철체 로터를 230～240℃에서 2～4시간 템퍼링하는 제4단계를 포함하는 덕타일 주철제 로터의 표면 열처리 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 변형 없이 로터와 임펠러의 표면 열처리와 용접으로 표면 증식시 축간 열변형 없이 금속 가공품의 표면 강화와 사용 중 마모부를 변형 없이 증식해 재가공 후 사용할 제품을 만드는 방법에 관한 것으로, 특히 덕타일 주철 재질 및 탄소강 재질의 로터와 임펠러에 대하여 깨짐과 변형의 문제를 방지함과 동시에 필요한 강도와 강화성을 얻어 로터의 수명을 연장할 수 있고, 재사용으로 경제성을 얻게 되는 덕타일 주철제 및 탄소강 재질의 로터와 임펠러의 변형없는 표면 열처리 및 변형 없는 금속 용접으로 표면 증식 후 재사용을 위한 방법에 관한 것이다.
펌프. 발전기, 전동기, 터빈 및 수차 등의 회전기계에서 회전하는 요소인 로터는 강도를 향상시키고 수명을 연장시키기 위한 표면 열처리를 요하게 된다. 그런데, 덕타일 주철 및 탄소강 소재로 이루어진 로터의 경우 열처리를 하면 깨짐과 변형이 발생하는 것이 일반적이다.
구상 흑연 주철 또는 노듈러(nodular) 주철이라고도 하는 덕타일 주철(ductile cast iron)은 주철에 규소나 마그네슘을 첨가하여 산소를 구상의 흑연조직으로 함으로써 연성과 강도를 증대시킨 것으로, 내열성과 내식성이 좋고 강도를 필요로 하는 주철 기계부품에 많이 사용되고 있다. 본 발명에서는 이러한 덕타일 주철제 및 탄소강 로터의 열처리시 발생하는 깨짐과 변형을 방지하면서 사용 허용치에 필요한 강도와 강화성을 얻을 수 있도록 하고 있다.
일반적으로 로터를 200℃로 가열처리할 경우 경도 증가에 따른 가공성에 있어서는 변화가 없으나, 400℃로 가열 처리을 하면 가공성이 현저히 나빠지게 된다. 그리고, 가공성뿐만 아니라 열변성형도 갖는 덕타일 주철 및 탄소강 소재는 열처리만으로는 강화성을 얻기에는 무리가 있는 소재이다.
또한 표면 처리시 유성 코팅과 금속증착 및 도금법을 이용하여 표면 처리에 적용하게 되면 코팅이 벗겨지는 현상이 발생하고, 증착은 두꺼운 피막층을 생성할 수 없고. 도금은 두께 증가로 인하여 경제성이 떨어지기 때문에 사용수명 연장에 있어서 기대에 미치지 못하게 되므로 제작단계에서 열처리를 하여 표면을 강화 한다면 품질이 향상될 것이다.
하기 선행기술문헌의 특허문헌 1은 고강도 구상 흑연 주철을 짧은 시간동안 열처리하여 강도 및 연신율을 향상시킬 수 있는 열처리 방법으로서, 고강도 구상 흑연 주철을 870~890℃의 온도에서 30~60분 동안 유지시켜서 오스테나이트화시킨 후, 강제 공냉 시키는 공정을 개시하고 있다.
또한 특허문헌 2는 수차례에 걸쳐 설정온도로의 가열 후 일정시간 유지단계와 급냉단계를 반복함으로써 안정화된 조직을 갖는 구상흑연주철 워크롤의 열처리 방법을 개시하고 있다.
덕타일 주철(구상 흑연 주철) 제품에 대하여 종래에 실시되던 열처리 방법으로는 깨짐과 변형의 발생을 방지하는 데에 한계가 있어 사용 허용치에 필요한 강도와 강화성을 얻기 힘들다는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 요구하는 가공이 완성된 제품을 변형 없이 깨짐과 변형의 발생을 방지하면서 필요한 강도와 강화성을 얻어 로터의 수명을 연장할 수 있게 되는 덕타일 주철제 및 탄소강 로터의 표면 열처리 방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 덕타일 주철체 및 탄소강 로터와 임펠러의 가공 완성 후 연마 가공하는 제1단계와, 연마된 상기 덕타일 주철체 및 탄소강 로터나 임펠러의 표면에 마모가 일어나게 되는 국소 부위에 대해서만 고주파로 열처리한 다음 급냉하는 제2단계와, 상기 덕타일 주철체 및 탄소강 로터를 650∼950℃에서 표면과 하면부에 대해 2∼30초간 가열하여 급냉하는 제3단계와, 상기 덕타일 주철체 및 탄소강 로터를 230∼240℃에서 2∼4시간 템퍼링 하는 것을 특징으로 한다.
또한 덕타일 주철체 로터의 표면에 마모된 부위가 있는 경우, 상기 마모된 부위를 180∼320℃의 온도로 예열하고, 상기 덕타일 주철제 및 탄소강 로터나 임펠러와 동일한 소재의 용접봉을 이용하여 상기 마모된 부위를 1000℃ 이상의 온도로 전기용접 한 다음, 상기 마모된 부위가 신품과 동일한 수치가 되도록 용접된 부위를 가공하는 공정을 더 수행하는 것을 특징으로 한다.
위와 같이 구성되는 본 발명은 덕타일 주철체 및 탄소강 로터의 표면에서 마모가 일어나게 되는 국소 부위에 대해서만 고주파로 열처리를 수행하기 때문에 로터 변형의 발생을 방지할 수 있게 됨과 아울러 필요한 강도와 강화성을 얻어 로터의 수명을 연장하게 되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 열처리 방법의 실시예를 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명의 열처리 직후의 덕타일 주철제 및 탄소강 로터를 보인 사진이다.
도 3은 본 발명의 공정 중 템퍼링 후의 덕타일 주철제 및 탄소강 로터를 보여주는 사진이다.
도 4는 본 발명의 공정 중 표면의 이물질 제거 후 덕타일 주철제 및 탄소강 로터를 보여주는 사진이다.
도 5은 마모된 로터와 본 발명에 따라 용접 및 연마 가공한 주철재 및 탄소강 로터를 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 열처리 직후의 덕타일 주철제 및 탄소강 로터를 보인 사진이다.
도 3은 본 발명의 공정 중 템퍼링 후의 덕타일 주철제 및 탄소강 로터를 보여주는 사진이다.
도 4는 본 발명의 공정 중 표면의 이물질 제거 후 덕타일 주철제 및 탄소강 로터를 보여주는 사진이다.
도 5은 마모된 로터와 본 발명에 따라 용접 및 연마 가공한 주철재 및 탄소강 로터를 나타낸 사진이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 이하의 실시 예는 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 열처리 방법의 실시예를 나타낸 공정도로서, 덕타일 주철제 및 탄소강 로터에 대한 깨짐과 변형의 발생을 방지하면서 필요한 강도와 강화성을 얻을 수 있는 열처리 방법을 도 1을 참조로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제1단계로 덕타일 주철체 및 탄소강 로터는 가공 후 정밀성을 위해 표면을 연마 가공한다(S1). 이때 덕타일 주철체 및 탄소강 로터는 고속으로 회전하는 부품이다.
열처리를 하고 밸런스를 잡는 이유는 불 균질한 형태의 표면에 열처리를 가하게 되면 크랙이 발생하므로 균질한 상태의 제품형상을 구현할 수 없기 때문이다.
그리고 제2단계로서 위와 같이 연마된 덕타일 주철체 로터의 표면에 대하여 마모가 일어나게 되는 국소 부위에 대해서만 고주파로 열처리한 다음 급냉한다(S2). 고주파 열처리는 가열시간이 짧기 때문에 로터의 표면에 대한 열 영향이 적어 변형의 발생 우려가 낮다.
이 밖에 고주파 열처리의 특징으로는, 산화 스케일의 발생이 적다는 점, 장시간 가열에 의한 탈탄 현상이 없다는 점, 필요한 부분만의 국부 열처리가 용이하다는 점, 경화 깊이의 조정이 용이하다는 점, 표면경화의 경우 내부의 인성을 유지할 수 있다는 점, 표면경화/풀림/뜨임/불림 등 모든 열처리에 적용이 용이하다는 점 등을 들 수 있다.
이처럼 덕타일 주철체 로터에서 회전 작동으로 인해 마모가 발생하게 되는 국소 부위에 대해서만 그 표면만을 열처리한 다음, 급냉을 하게 되면 로터의 중심에 변형이 발생하지 않게 된다. 또한, 로터의 표면만 열처리함에 따라 제품에 변형을 유발하지 않고 필요한 정도의 표면경도를 높여주게 되어 제품의 수명을 연장시킬 수 있게 된다.
만일 열처리 후에 변형이 발생하면 선행가공 후 열처리를 할 수 없지만, 완전 가공 후에 열처리를 할 수 있다면 경화되지 않은 금속이므로 가공성이 우수해 가공이 용이하고 열처리를 통하여 필요 부위를 강화시킬 수 있다.
다음으로, 제3단계로서 덕타일 주철체 및 탄소강 로터를 650∼950℃에서 표면과 하면부에 대해 2∼30초간 가열하여 급냉한다(S3). 이때 가스를 열원으로 하여 로터의 윗부분과 아랫부분을 균일하게 가열하는 것이 바람직하다.
그리고, 냉각수로 로터의 표면을 급속 냉각함으로써 로터의 표면 경도가 증가하게 된다. 한편, 950℃ 보다 높은 온도로 가열할 경우 로터의 표면에 크랙이 생하게 되고, 650℃ 보다 낮은 온도로 가열하면 열처리 효과를 적어지는데 이는 소재 상황에 따라 달라진다.
또한, 로터를 과한 시간 가열할 경우에는 소재에 변형이 유발되므로, 소재의 Ø및 길이에 따라 2∼30초간 가열하는 것이 바람직하다. 도 2는 840℃에서 열처리 직후의 덕타일 덕타일 주철체 및 탄소강 로터를 나타낸 사진이다.
제4단계에서 덕타일 덕타일 주철체 및 탄소강 로터를 230∼240℃에서 2∼4시간 템퍼링한다(S4). 제4단계는 상기의 제3단계에서와 같이 급속하게 가열된 금속은 강성을 갖게 되는데, 이러한 강성을 풀어주기 위한 과정이다.
본 발명의 실시 예에서는 전기로를 이용하여 235℃에서 3시간 동안 템퍼링을 수행하는데 도 3은 이러한 템퍼링 후의 덕타일 덕타일 주철체 및 탄소강 로터를 보여주고 있다.
상술한 바와 같은 공정에 따라 열처리가 이루어진 본 발명의 덕타일 덕타일 주철체 및 탄소강 로터에 대하여 HRC 경도를 측정한 결과, 14-15의 HRC 에서 34-35의 HRC로 경도가 증가한 것을 알 수 있었다.
한편, 신제품이 아닌 재생품인 덕타일 주철체 및 탄소강 로터에 대해서는 다음과 같은 공정을 더 수행할 수 있다. 재생품인 덕타일 주철제 및 탄소강 로터는 오랜 시간 사용이 된 이력이 있기 때문에 표면에 마모된 부위가 존재하게 된다.
종래에는 도금방법을 통해 마모된 부위를 재생하였는데, 이 방법은 30미크론 이하의 마모도 하에서만 채택될 수 있는 방법이다.
본 발명에서는 마모도가 30미크론 이상일 경우에 마모된 부위를 용접한 후 연마 과정을 통해 어떠한 치수의 마모도를 가진 로터에 대해서도 수리 재사용을 가능하도록 한다. 여기서 중요한 것은 먼저 열을 가하는 전기용접을 통하여 금속 표면에 다른 금속을 덧붙이는 방법으로 높은 열을 소재에 가하여 열에 의해 금속을 입일 때 열변성을 최소화 하여 변형율 발생을 방지할 수 있다.
먼저 마모된 부위를 180∼320℃의 온도로 예열한다. 이처럼 기초 예열을 통해 로터나 임펠러 소재의 온도를 상승시킴에 따라 로터 또는 임펠러가 변형되는 것을 배제할 수 있게 된다. 이처럼 마모된 로터나 임펠러에 표면에만 1000℃ 이상의 온도를 가해도 변형됨 없이 재생처리를 할 수 있게 되는 것이다.
이어서, 덕타일 주철제 및 탄소강의 소재에 로터 또는 임펠러와 동일한 소재의 용접봉을 이용하여 상기 마모된 부위를 1000℃ 이상의 온도로 전기로 용접한다. 이렇게 용접을 마치고나서 로터의 경도를 측정하면 기존의 소재가 갖는 표면경도 대비 400∼500% 경도가 증가하며 HRC 14-15에서 60-80이상으로 강화되는 결과를 얻을 수 있다.
이후, 용접된 부위를 연마함으로써 표면을 다듬는다. 도 5는 마모된 로터와 본 발명에 따라 용접 및 연마 가공된 로터를 보여주고 있다. 이처럼 로터와 동일한 소재를 가열한 후 로터의 표면에 용접을 진행하면, 동일한 소재로 로터의 표면에 덧살을 입히게 되어 어떠한 코팅보다도 우수한 접착력을 갖게 되고 표면 강도가 크게 증가된 원하는 두께로 가공이 가능해진다.
이상에서는 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
Claims (2)
- 덕타일 주철체 및 탄소강 로터와 임펠러의 가공 완성 후 연마 가공하는 제1단계;
연마된 상기 덕타일 주철체 및 탄소강 로터나 임펠러의 표면에 마모가 일어나게 되는 국소 부위에 대해서만 고주파로 열처리한 다음 급냉하는 제2단계;
상기 덕타일 주철체 및 탄소강 로터를 650∼950℃에서 표면과 하면부에 대해 2∼30초간 가열하여 급냉하는 제3단계;
상기 덕타일 주철체 및 탄소강 로터를 230∼240℃에서 2∼4시간 템퍼링하는 제4단계를 포함하는 금속 가공품의 열처리와 표면 증식법.
- 제1항에 있어서,
상기 덕타일 주철체 로터의 표면에 마모된 부위가 있는 경우,
상기 마모된 부위를 180∼320℃의 온도로 예열하고,
상기 덕타일 주철제 및 탄소강 로터나 임펠러와 동일한 소재의 용접봉을 이용하여 상기 마모된 부위를 1000℃ 이상의 온도로 전기용접 한 다음,
상기 마모된 부위가 신품과 동일한 수치가 되도록 용접된 부위를 가공하는 공정을 더 수행하는 것을 특징으로 하는 금속 가공품의 열처리와 표면 증식법.
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