보톰피스의 화염열처리 방법(the manufacturing method of flame heattreatment with bottom piece)

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(51)Int. Cl.6
C21D 1/06
C21D 9/00
(45) 공고일자 2000년09월15일
(11) 등록번호 10-0266125
(24) 등록일자 2000년06월21일
(21) 출원번호 10-1998-0009544 (65) 공개번호 특1998-0019470
(22) 출원일자 1998년03월20일 (43) 공개일자 1998년06월05일
(73) 특허권자 주식회사대창금속 김상진
대구광역시 서구 이현동 45-53번지
(72) 발명자 김상진
대구광역시 달서구 용산동 898-23번지
(74) 대리인 배인삼
심사관 : 박기학
(54) 보톰피스의 화염열처리 방법
요약
본 발명은 선박용 엔지의 배기부분인 보톰피스(Bomttom Piece)의 열처리방법에 관한 것으로서, 보다 상세
하게는 보톰피스에 대한 기계적 성질향상을 위하여 열처리방법을 개선시킨 화염열처리 방법에 관한 것이
다.
본 발명은 소프트존 발생 및 급냉에 의한 크랙(Crack)을 방지하여 보톰피스에 대한 기계적 성질향상을 도
모할 수 있는 보톰피스열처리 방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 저주파유도열처리의 경우 표면에서 내부로 갈수록 경도가 감소되는 비율이 일정위치에서 변화
하는 현상, 즉 경화부와 비경화부의 경계에서 경도의 최저점을 가지는 경도 우물현상이 발생하여 변형시
효 및 변형에너지 집중에 의한 취성파괴가 일어나는 문제점을 해결할 수 있는 방법을 제시한다.
본 발명 화염열처리 방법은 경도의 값은 일반적인 열처리방법에 비하여 약간 낮지만 전체적으로 경도의
분포는 표면에서 내부쪽으로 가면서 변화가 완만하게 감소하도록 하는 열처리방법을 제공한다.
[색인어]
보톰피스, 화염열처리, 경화부, 비경화부
대표도
도2
명세서
도면의 간단한 설명
제1도는 저주파유도열처리후 경화층의 분포를 보인 그래프도.
제2도는 본 발명에 따른 화염열처리 후 경화층의 분포를 보인 그래프도.
제3도는 본 발명 열처리 대상이되는 소재(SCM440)를 200배 확대한 조직사진.
제4도는 저주파유도열처리 소재(C5CrMo)를 200배 확대한 조직사진.
제5도는 본 발명에 따른 화염열처리에 사용되는 장치를 보인 예시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 모터 2 : 회전다이
3 : 토오치 4 : 샤프트
5 : 본체 6 : 냉각오일
7 : 산소 및 LPG공급관
발명의 상세한 설명
발명의 목적
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발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술
본 발명은 선박용 엔지의 배기부분인 보톰피스(Bomttom Piece)의 열처리방법에 관한 것으로서, 보다 상세
하게는 보톰피스에 대한 기계적 성질향상을 위하여 열처리방법을 개선시킨 화염열처리 방법에 관한 것이
다.
현재 우리나라는 선박 수주실적이 전세계 나라중에서 가장 많으며, 이는 이웃 일본보다 앞서고 있는 것이
이를 증명하지만 선박엔진 분야에서는 아직까지 많이 낙후되어 있는 실정이며, 그 중에서도 특히 엔진부
품의 제작공정중에 속하는 금속열처리의 중요성을 인식하지 못하고 있는 실정이다.
그래서 열처리 방법에 관한 많은 연구와 개발이 진행되고 있으며, 그 중의 하나가 저주파유도열처리 방법
이 제시되고 있다.
그러나 저주파열처리의 경우 제1도에서 보는 바와 같이 표면에서 내부로 가갈수 경도가 감소되는 비율이
일정위치(4.5 - 5.5mm 깊이, 경화부와 비경화부의 경계점)에서 급격히 변화하는 현상이 일어나 경화부와
비경화부의 경계에서는 경도의 최저점을 갖는 경도 우물현상이 일어나, 저주파열처리 한 제품이 사용중에
변형시효 및 변형에너지 집중에 의한 취성파괴의 원인으로 작용하는 문제점이 있었다.
발명이 이루고자 하는 기술적 과제
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명은 경화부와 비경화부의
경계점에서 발생하는 경도 우물현상을 방지하고 나아가 급냉에 의한 크랙(Crack)을 방지하여 보톰피스에
대한 기계적 성질향상을 도모할 수 있는 방법을 제시한다.
발명의 구성 및 작용
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 살펴 보기로 한다.
본 발명에 따른 열처리 공정은 열처리 대상이 되는 가공물을 링 단조 - 황삭 - 열처리 - 정삭 - 화염열처
리 - 연삭 - 조립하는 공정을 거쳐 이루어진다.
즉 가공물을 적당한 크기와 형태로 절단하는 링 단조공정,
절단된 가공물을 표면을 거칠게 가공하는 황삭공정,
담금질과 풀림을 수행하는 열처리공정,
기대하는 수치에 맞게 가공물을 가공하는 정삭공정,
토오치를 사용하여 화염열처리하는 화염열처리공정,
가공물의 표면을 연마하는 연삭공정을 통하여 이루어진다.
위와 같은 본 발명 공정에서 담금질과 풀림을 수행하는 열처리공정을 구체적으로 살펴 보기로 한다.
본 발명에서 열처리공정은 일반적인 전기로를 사용하게 되며, 담금질의 온도는 830 - 870℃로 하고, 풀림
의 온도는 550 - 650℃에서 유지시간 40mm/inch로 열처리한다.
위와 같은 공정에서 담금질 때 온도가 830℃ 이하가 되면 온도가 너무 낮아서 가공물이 필요로하는 경도
가 나오지 않게 되고, 그 온도가 870℃ 이상이 되면 온도가 너무 높아서 가공물의 인장력이 약해지는 문
제점이 있는 것이며, 한편 풀림때 온도가 550℃이하기 되면 온도가 너무 낮아서 경도가 높아지게 되고,
650℃ 이상이 되면 온도가 너무 높아서 경도가 떨어지는 문제점이 발생하는 것이다.
위와 같이 열처리 하게 되면 담금질했을 때의 경도(로크웰 경도, HRc)는 40 - 45가 되고, 풀림한 후에 경
도(HRc)는 24 - 27가 된다.
위와 같이 담금질과 풀림 공정을 거친 가공물이 인장강도 86(Kgf.㎣)를 만족하는 가를 확인하고,
MT(Magnetic Test), UT(Ultrasonic Test)에 의한 내부결함 검사에 합격하는 경우 정삭가공 공정으로 넘어
가게 되는 것이다.
본 발명에서 정삭가공을 거친 가공물은 토오치를 통하여 화염열처리하게 되데, 제5도와 함께 그 구체적인
실시예를 살펴 보기로 한다.
제5도는 본 발명 화염열처리를 위하여 만들어지는 화염열처리장치를 보인 하나의 실시예로서, 이를 개략
적으로 살펴 보면 모터(1)에 의해 회전하며 화염열처리 대상이 되는 가공물이 안치되는 회전다이(2), 그
리고 회전다이(2)의 상부에 방사상으로 구비되는 토오치(3)로 구성된다.
도면의 미설명 부호(4)는 샤프트, (5)는 본체, (6)냉각용 오일, (7)는 산소 및 LPG 공급관이다.
위와 같이 이루어지는 장치를 이용한 화염열처리를 구체적으로 살펴 보면, 화염열처리대상이 되는 제품을
적정한 속도로 회전하는 회전다이에 안치하고 토오치에 산소와 LPG가스를 공급하여 적정시간 화염열처리
한 다음 냉각용오일에 제품을 냉각하게 된다.
즉 회전다이는 80(rpm)속도로 회전하도록 하고, 토오치는 9개를 그 각도가 60°가 되도록 방사상으로 설
치하며, 토오치에 공급되는 산소와 LPG가스의 압력은 10(psi), 그리고 냉각시간은 20(min), 냉각속도는
35(℃/min)하고, 냉각전 냉각용 오일의 온도는 50-60(℃)로 하며, 가열유지시간은 6(min) 그리고 가열온
도는 토오치의 불꽃 색깔이 회백색을 이루는 850(℃)가 바람직하다.
이때 회전다이의 회전속도가 80(rpm)이하가 되면 그 속도가 너무 느려서 토오치의 화력이 지나치게 많이
전달되는 문제점이 있고, 80(rpm)이상이 되면 너무 빨리 회전하여 토오치의 화력을 충분히 전달받지 못하
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는 문제점이 생긴다.
그리고 토오치가 방사상으로 9개를 설치하는 것은 회전다이 위에서 회전하는 가공물에 균일하게 토오치의
열을 전달하기 위한 것이고, 토오치의 설치각이 60도가 되도록하는 것은 토오치가 가공물의 상부에 위치
하기 때문에 가공물과 토오치에서 발생하는 불꽃 사이의 접촉면을 최대화하기 위한 것이다.
또한 토오치에 공급되는 산소와 LPG의 공급압력이 10(psi)이하가 되면 그 압력이 너무 작아서 토오치에서
발생되는 화염의 온도가 낮아져 열처리가 잘되지 않는 문제점이 생기고, 공급압력이 10(psi)이상이 되면
토오치에서 발생하는 불꽃의 온도가 너무 높게 되며 가공물의 표면에 균열이 생기는 문제점이 있고, 위의
조건을 만족하는 경우 토오치의 불꽃색깔은 회백색을 이루게 된다.
화염열처리된 가공물을 냉각할 때 냉각시간이 20(min), 냉각속도 35(℃/m) 이하가 되면 그 시간과 속도가
작아서 냉각이 충분히 이루어지지 않는 문제점이 생기고, 냉각시간과 속도가 20(min), 35(℃/m)이상이 되
면 그 냉각시간과 속도가 기대치에 미치지 못하는 문제점이 생기는 것이다.
그리고 가공물을 냉각하는 냉각오일의 냉각전 온도가 50(℃)이하가 되면 그 온도가 너무 낮아서 가공물에
표면에 균열이 생기는 문제점이 발생하고, 60(℃)이상이 되면 그 온도가 높아서 냉각하는데 어려움이 따
른다.
위와 같은 본 발명의 발명을 통한 구체적으로 실시예를 살펴 보기로 한다.
이하게 기재된 '표 1'은 본 발명에 따라 화염열처리를 한 경우와 종래 저주파유도열처리를 수행할 모재의
화학성분을 나타낸 것이다.
아래 표1에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 화염열처리의 소재는 SMC440{KS규격의 경우 SCM4,(이하에서
'S-2'라 한다)}를 사용하였으며, 저주파열처리의 소재는 C5CrMo(이하에서 'C-1'라 한다)를 사용하였다.
이때 조절경도(guenching and tempring)는 Hv215 - 165로 하고, 부분열처리 경화부의 경도는 Hv500이상이
며 경화부의 깊이는 4(mm)이상으로 하였다.
[표 1]
그리고 아래의 '표 2'는 C-1소재를 저주파유도열처리한 후 경도의 변화를 나타낸 표이고, '표 3'은 S-2소
재를 화염열처리한 후의 경도변화를 나타낸 표이며, '표 4'는 경도환산표이다.
[표 2]
C-1소재의 저주파열처리 후의 경도변화표
[표 3]
S-2소재의 화염열처리 후 경도변화표
[표 4]
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경도환산표
저주파열처리한 소재(C-1)의 경도변화를 나타낸 '표 2'와 본 발명에 따라 화염열처리한 소재(S-2)의 경도
변화를 나타낸 '표 3'을 통하여 경도변화를 비교해 보기로 한다.
위 '표 2'의 결과에서 보는 바와 같이 저주유도파열처리 후의 경도는 표면에서 4(mm)까지 높은 값을 가지
게 되어 표면부위와 내부의 경도는 '표 4'의 경도환산표의 범위를 만족하고 있음을 알 수 있으나, 깊이
5.0 - 5.5(mm) 깊이에서는 경도의 급감현상이 일어나고 있음을 알 수 있고, 전기한 경도의 급감 현상은
저주파 유도가열 부위가 국부적인 가열에 의해 표면부위만 급격한 급냉에 의한 경질화가 촉진되었음을 보
여 주고 있음을 알 수 있다.
그리고 '표 3'의 300(℃)에서 30분간 템퍼링한 소재 '#2'의 경도분포 및 내부경도와 500(℃)에서 30분간
템퍼링한 소재 '#3'의 경도분포 및 내부경도를 살펴 보면 이 또한 경도분포에 따른 4.5(mm) - 5.5(mm)부
분에서 변형에너지의 급증을 충분히 예상할 수 있으며, 전기한 변형에너지의 급증은 열변화 혹은 외력에
의해 취성 파괴현상을 일으키는 원인으로 작용하는 문제점이 될 것이다.
한편 '표 3'에서 보는 바와 같이 본 발명에 따라 화염열처리를 마친 후 소재(S-2)의 경도분포의 변화를
살펴 보면 경도환산표와 비교할 때 그 경도는 다소 모자라지만 소재의 내부까지 충분하게 열처리가 이루
어졌음을 알 수 있고, 특히 경도의 분포에 있어서 전체적으로 완만하게 변하는 결과를 얻을 수 있다.
본 발명 화염열처리 방법과 종래의 유도열처리방법을 통하여 소재를 열처리한 후 경도분포의 변화에 따른
비교를 첨부된 제1도 내지 제2도를 통하여 한번 더 구체적으로 살펴 보기로 한다.
첨부된 제1도는 저주파유도열처리 후 소재의 경도분포를 나타낸 그래프도이고, 제2도는 본 발명에 따른
화염열처리 후 소재의 경도분포를 나타낸 그래프 도이다.
제1도에서 보는 바와 같이 저주파유도열처리의 경우 일정부분 즉, 경도 400과 심도 5부분에서 경화층과
심부사이에 소프트존(경도층의 우물현상)이 발생되는 것을 확인할 수 있다.
그리고 위와 같은 현상은 도면대용으로 첨부된 저주파열처리전의 조직을 나타내는 사진 3과 저주파열처리
후 조직사진을 나타낸 사진 4를 통하여 확인 할 수 있다.
즉 저주파열처리전의 조직은 사진 3에서 보는 바와 같이 균질한 조직을 유지하고 있는 반면 저주파열처리
후의 조직은 사진 4에서 보는 바와 같이 조직이 혼재한 형태를 이루고 있음을 알 수 있다.
그러나 제2도에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 화염열처리를 하게 되면 경화층과 심부 사이에 경도의
분포가 완만하게 떨어지는 결과를 얻을 수 있고, 결국 본 발명 방법에 따른 열처리는 소프트존(경도층의
우물현상)이 생성되지 않음을 알 수 있다.
위에서 살펴 본 바와 같이 본 발명에 따른 화염열처리 방법은 경도분포의 완만한 변화를 가져와 경도급변
에 의한 변형시효의 영향을 훨씬 적게 받을 수 있는 열처리 방법을 제공할 수 있는 것이다.
발명의 효과
위에서 살펴 본 바와 같이 저주파열처리를 하는 경우 표면에서 내부로 갈 수록 경도가 감소하다가 일정위
치에서 급감하는 현상이 일어 났으며, 경화부와 비경화부의 경계에서는 경도의 최저점을 갖는 우물현상이
일어나 변형시효 및 변형에너지 집중에 의한 취성파괴의 원인이 되던 문제점을 화염열처리를 통하여 경도
값이 완만하게 변하도록 하므로서 종래의 문제점을 해결한 것이다.
(57) 청구의 범위
청구항 1
보톰피스(Bottom Piece)를 화염열처리하는데 있어서, 보톰피스의 회전속도를 80(rpm)으로 유지하고, 토오
치에 공급되는 산소 및 LPG의 압력이 10(pis)가 되도록 하며, 토오치를 3개가 1조를 이루도록 3조를 보톰
피스와 60°를 이루도록하고, 냉각시간 20분, 냉각속도 1분에 35℃, 냉각전 오일의 온도 50 - 60℃, 가여
열유지시간 6분, 가열온도 850℃로 조정하여 열처리됨을 특징으로하는 보톰피스의 화염열처리 방법.
도면
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