KR101873367B1 - 용융염조에서 질화/침질탄화 처리를 거친 금속 부품을 냉각하는 방법, 상기 방법을 구현하는 장치 및 처리된 금속 부품 - Google Patents

Abstract

용융염조에서 질화/침질탄화 처리를 거친 금속 부품을 냉각하는 방법, 상기 방법을 구현하는 장치 및 처리된 금속 부품이 개시된다. 상기 방법에 따르면,
- 처리의 종료 이전에, 챔버(1) 내에 존재하는 산소를 배출하여 불활성 분위기를 조성하기 할 수 있도록 구성된 챔버(1)가 액체 형태의 냉매로 충전되고, 냉매가 증발할 때 강력한 부피 확장 능력을 갖고,
- 처리된 모든 부품이 챔버(1) 내로 이송되고,
- 챔버(1)가 폐쇄되고,
- 염이 응결되어 방어 장벽을 형성하는 온도에 도달하는 소정 시간 동안 챔버 내에 부품이 방치되고,
- 부품이 제거되고 세척 작업을 거친다.

Description

용융염조에서 질화/침질탄화 처리를 거친 금속 부품을 냉각하는 방법, 상기 방법을 구현하는 장치 및 처리된 금속 부품{METHOD FOR COOLING METAL PARTS HAVING UNDERGONE A NITRIDING/NITROCARBURIZING TREATMENT IN A MOLTEN SALT BATH, UNIT FOR IMPLEMENTING SAID METHOD AND THE TREATED METAL PARTS}

본 발명은 용융염조(molten salt bath) 질화/침질탄화 처리(nitriding/nitrocarburizing treatment)를 거친 금속 부품을 냉각하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이렇게 처리된 부품에 관한 것이다.

마찰 계수를 줄이고 금속 부품의 응착(adhesive) 및 연삭 마모 저항(abrasive wear resistance)을 향상시키기 위해 용융염조에서 질화 또는 침질탄화에 의한 질소의 열화학적 확산을 채용하는 방법의 사용은 본 기술분야의 숙련자에게 공지되어 있다. 대체로, 이러한 염조(salt bath)은 일반적으로 시안산염(cyanate)과 알칼리 탄산염(alkaline carbonate)을 포함한다. 질화 온도에 도달했을 때, 알칼리 시안산염은 질소와 탄소를 방출하고 이는 부품의 표면에서 확산된다. 400 내지 700℃에서 처리 시간은 일반적으로 20 내지 180 분이다. 이러한 산업적으로 이용되는 공정들은 예를 들어 SURSULF 또는 TENIFER이란 브랜드 명으로 잘 알려져 있다.

질화/침질탄화 처리 공정은 다음과 같은 주요 단계를 포함한다는 것에 주목해야 한다:

- 부품의 기름 제거,

- 예열,

- 침질탄화 처리,

- 냉각,

- 세척,

- 건조.

철 합금의 경우, 처리는 일반적으로 다음과 같은 특징적인 영역이 형성되게 한다: 주로 ε질화물(Fe2-3n) 및 γ'질화물(Fe4N)로 이루어진 5 내지 30 ㎛의 두께를 갖고 혼합 영역으로 알려진 제 1 표면 영역, 그리고 철 입자(iron grains)의 고용체(solid solution)에서 그리고 합금 원소의 질화물 형태로의 질소의 존재로 특징지어지는 대략 0.2 내지 1.5 mm의 두께를 갖고 확산층으로 알려진 제 2 영역.

처리된 부품의 다음과 같은 일부 기능을 향상시키기 위해 침질탄화 처리 이후의 냉각의 다양한 다른 방법들이 개발되었다:

- 물 담금질 냉각을 산화 염조 담금질(380-420℃)로 대체함으로써 처리된 부품의 내부식성의 향상이 달성된다. 예를 들어 Arcor® 또는 AB®이라는 브랜드 명으로 알려진 이러한 유형의 처리는 처리된 표면에서 흑색 산화철(Fe3O4)을 생성한다.

- 수냉 담금질을 유냉(oil cooling) 또는 공냉(air cooling)보다 느린 냉각으로 대체함으로써 처리된 부품의 취성의 감소 또는 연성의 향상이 달성된다. 서냉(slow cooling)은 또한 큰 변형을 견딜 수 없는 부품에 대해 추천된다. 수득한 부품은 확산층에서의 결정립계(grain boundary)와 평행한 질화철 침전(γ'-Fe₄N 및 α"-Fe₁₆N₂)의 존재로 특징지어진다. 침전은 온도에 따른 철에서의 질소의 용해도 한계의 감소와 관련된다.

부품의 산업적 처리를 위해, 이는 예를 들어 로봇을 이용하여 다양한 처리 스테이션 사이에서의 이의 수송을 용이하게 하기 위해 금속 랙(metal rack) 안에 배치된다. 생산성의 이유로, 부품들이 서로 접촉할 수 있도록 랙의 충전율(fill factor)은 최대이다. 부품은 일정 시간 동안 질화조(nitriding bath)에서 냉각 영역으로 이송되어 대기와 접촉함으로써, 처리된 부품의 거의 많은 부분의 표면에서 산화 또는 표면 탈색 얼룩이 발생한다. 실험실에서 수행된 시험은, 대략 30 초 이상의 이송 시간 이후엔 산화 얼룩(oxidation spot)이 일부 부품에서만 발생되지만, 대략 120 초의 이송 시간 이후엔 모든 부품이 산화되는 것으로 나타났다. 공교롭게도, 두 개의 연속된 처리 영역 사이에서의 이송 시간은 일반적으로 이러한 두 값 사이이다.

또한 공냉은 불가피하게 부품의 표면 산화를 유발한다는 것에 주목해야 한다.

이러한 산화 얼룩의 존재는 일부 응용에서 허용되지 않는다는 것은 명백하다. 이러한 얼룩이 부품의 외관에 해로울 뿐 아니라, 특히 표면 청결의 관점에서 필요로 하는 응용의 경우 이들의 사용에 해가 된다. 실제로, 산화된 영역은, 윤활유가 존재하는 경우, 응집체를 생성할 수 있는 먼지를 생성하고 의도된 응용에 해가 되는 연삭 마모를 초래한다.

현재의 기술 상태에서, 제안된 산업적 해결책들은, 매우 높은 청결도를 갖고 충분히 양호한 외관을 갖는, 다시 말해, 처리된 부품 어디에서도 산화 흔적을 갖지 않는 용융염조 질화/침질탄화 처리를 보장할 수 없다.

이 점에 있어서, 본 발명의 기술 분야는, 소량의 부품만이 처리되는 실험실 수준에서 수행되는 질화/침질탄화 처리와는 비교될 수 없는, 부품의 산업적 처리에 관한 것임에 주목해야 한다. 그 결과, 실험실에서, 질화조 이후, 부품은 예를 들어 수냉하는 동안 산화를 피하기에 충분히 신속하게 이송될 수 있다.

이는, 다수의 부품이 동시에 처리될 때, 산업적 규모로는 불가능하며, 따라서 상당한 거부율을 발생시킨다는 것이 이해될 것이다. 특히 처리 영역에서 냉각 영역 사이에서, 가능한 한 부품의 이송 시간을 줄인다 해도, 산화 흔적의 부재를 보장하기 위해 육안 검사와 부품의 단위 선별을 수행할 필요가 있다.

미국 특허 제 3560271호는 작용 응력 수준을 줄이고 이에 따라 층 균열의 위험을 제한하기 위해 질화 이후 냉각 속도의 감소를 목표로 용융염조에서의 질화 방법에 관한 것이다. 진공 냉각이 방사선에 의해 발생될 수 있고, 따라서 산업적 공정(몇 시간 내지 수십 시간)과는 쉽게 비교될 수 없는 냉각 시간을 제공한다.

또한, 상기한 공정의 사용은, 처리 스테이션과 냉각 스테이션 사이에서 비교적 많은 이송 시간을 필요로 하는 다수의 부품을 처리할 때, 산화 흔적의 완벽한 부재를 보장하지 못한다(즉, 부하를 전송할 때, 관성 모멘트는 감속 이후 특히 수평 이송 시 부분 부하의 안정화 단계를 필요로 하고 따라서 이송 시간을 최소화한다).

따라서, 사용되고 있는 산업적 해결책은, 매우 높은 청결도를 갖고 충분히 양호한 외관을 갖는, 다시 말해, 처리된 부품 어느 부위에서도 산화 흔적을 갖지 않는 용융염조 질화/침질탄화 처리를 보장할 수 없다는 것은 종래 기술의 분석으로부터 명백하다.

또한, 특히 산업적 처리의 경우, 충분히 연성이고 동시에 산화 흔적을 나타내지 않는 부품을 얻는 것은 불가능하다는 것을 이해해야 한다.

본 발명에 따른 목적은 이러한 단점을 간단하고, 안전하고, 효율적이고 합리적인 방식으로 극복하는 것이다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 용융염조 질화/침질탄화 처리를 거친 금속 부품의 산업적 처리에 있어서, 금속 부품의 연성이 향상될 수 있도록 어떠한 산화-부식의 흔적도 없는 것을 보장하기 위한 것이다.

이러한 과제를 해결하기 위해, 용융염조 질화/침질탄화 처리를 거친 금속 부품을 냉각시키기 위한 방법이 고안되고 완성되었으며, 이에 따르면:

- 처리된 모든 부품이 챔버 내로 이송되고,

- 챔버가 폐쇄되고,

- 염이 응결되어 방어 장벽을 형성하는 온도에 도달하는 소정 시간 동안 챔버 내에 부품이 방치되고,

- 부품이 제거되고 세척 작업을 거친다.

유리하게, 냉매는 염조와 부품의 열로 인해 매우 빠르게 증발하는 액체 질소이다. 상기 증발은 대략 630 배 이상의 가스의 부피를 생성하고, 이는 챔버 내에 존재하는 산소를 매우 빠르게 배출시킬 것이다. 이는 불활성 분위기 하의 부품의 야금학적 의미에서 느리지만, 산업적 공정과 비교하기에는 충분히 빠른 냉각을 야기하여, 산화 얼룩이 나타나는 위험 및 후속적인 먼지 배출의 위험 없이 연성도를 갖는 것을 보장한다.

또 다른 특징에 따르면, 챔버는 질화/침질탄화 처리의 종료 이전에 2 내지 3 mm로 충전된다. 질화/침질탄화 처리의 끝에서, 부품은 6 m/min의 최소 속도로 액체 질소가 충전된 챔버로 수직 이송된다. 대략 350℃의 온도로의 냉각 이후, 부품은 40 내지 50℃의 온도의 수중에서 세척되고, 이후 15 내지 25℃의 온도의 수중에서 세척된다.

방법을 구현하기 위해, 냉각 챔버는 상기 챔버 내로의 모든 부품의 빠른 이송을 위해 이송 카트리지에 고정된 채 질화/침질탄화 스테이션과 직접적인 연결로 배치된다.

처음에 존재하는 공기를 배출하기 위한 펌프 시스템에 의존할 필요 없이, 부품의 서냉 및 챔버 내부에서의 매우 빠른 질소 포화를 달성하기 위한 과제를 해결하기 위해, 챔버는 액체 질소가 주입되는 이중벽으로 된 벨(double-walled bell)로 구성되고, 상기 이중벽은 벨 내부로 질소를 확산시키기 위한 배열을 갖는다.

또 다른 특징에 따르면, 벨의 베이스는 부품의 이송을 위해 상기 벨의 내부로의 자유로운 출입을 제공할 수 있고, 냉각 단계 동안 이러한 출입을 폐쇄할 수 있는 수단과 결합한다. 이러한 수단은 처리 스테이션의 일부에 고정된 도어(door)로 구성된다.

본 발명은 또한, 청구된 발명의 특징에 따라, 용융염조 질화/침질탄화 처리를 거친 부품에 관한 것이다. 더욱 일반적으로, 본 발명은 어떠한 산화 얼룩도 볼 수 없고 질화물 침전이 확산 영역에 존재하는 금속 부품에 관한 것이다.

본 발명의 방법은, 수냉에 비해, 부품의 연성을 향상시키고 서냉을 통한 변형의 위험을 제한한다.

또한, 산업적 공정이 관련된 공냉 또는 수냉에 비해, 본 발명의 방법은 처리 이후 부식의 흔적의 부재로 인한 부품의 정확한 외관을 보장하고, 따라서 부품의 청결 상태를 향상시킨다.

본 발명은 첨부한 도면을 이용하여 아래에서 더욱 상세히 설명된다. 도면에서:
도 1은 본 발명의 특징에 따른 벨-형상의 챔버의 개략적인 단면도이다.
도 2, 도 3 및 도 4는 본 발명의 특징에 따른 처리 방법의 주요 단계를 도시하는 개략도이다.
도 5, 도 6, 도 7, 도 8 및 도 9는 580℃의 SURSULF 침질탄화조(CN-: 4.15%; CNO- 30.5%) 내에서 60 분간의 처리 이후 종래 기술에 따라 냉각된 그리고 다양한 조건(도 5, 도 6, 도 7 및 도 8) 및 본 발명에 따라 냉각된 부품의 샘플을 도시하고, 각각의 샘플은 해당 마이크로-섹션(micro-section)과 연관이 있다.

금속 부품의 용융염조 질화/침질탄화 처리를 위한 장치는 본 기술분야의 숙련자에게 공지되어 있고 다양한 다른 구현에서 발견될 수 있으므로, 상세하게 설명되지 않는다.

상기 장치는 산업적 기반에서, 즉, 다양한 처리 스테이션 사이에서 로봇에 의해 부품의 수송을 용이하게 하기 위해, 예를 들어 상기 부품을 금속 랙 안에 배치함으로써, 개별적으로가 아닌 일괄적으로 부품을 처리하도록 구성된다.

본 발명에 따르면, 냉각 챔버(1)는 상기 챔버(1) 내로의 고려 중인 모든 부품(P)의 빠른 이송을 위해 이송 카트리지에 고정된 채 질화/침질탄화 스테이션과 직접적인 연결로 배치된다. 도시된 바와 같이, 부품(P)은, 예를 들어, 랙(R) 안에 배치된다.

본 발명의 중요한 하나의 특징에 따르면, 챔버(1)는 액체 질소가 주입되는 이중벽으로 된 벨(1a)로 구성된다. 이 이중벽(1a)은 벨(1) 내부로 액체 질소를 확산시키기 위한 배열을 갖는다. 예를 들면, 이중벽(1a)은 교정 오리피스(calibrated orifice, 1c)를 통해 액체 질소를 확산시키기 위한 배플(baffle, 1b)을 갖는다. 액체 질소는 임의의 공지된 적절한 수단(2)을 통해 공급된다. 벨(1)은 이송 카트리지에 고정된다. 벨의 하단에 배치된 벨의 개구부는, 침질탄화 스테이션에 고정된 도어(3 및 4)와 결합된다.

본 발명의 기본적인 특징을 형성하는 방법의 주요 단계를 도시한 도 2, 도 3 및 도 4를 참조한다. 이와 같은 침질탄화 처리는, 예를 들어, SURSULF, TENIFER 등의 브랜드 명으로 공지된 유형일 수 있다. 처리 시간은 일반적으로 20 내지 180 분이며, 통상적으로 50 내지 60 분이다. 벨(1)은 랙(R) 안에 배치된 모든 부품(P)이 담금질되는 염조(T) 상에 배치된다. 도어(3 및 4)는 개방되어 있다(도 2).

침질탄화 공정이 끝나기 전 대략 2 내지 3 분 동안, 벨(1) 내부에 산소를 매우 빠르게 배출시켜 불활성 분위기에서 부품(P)에 야금학적인 서냉을 제공하기 할 수 있도록 액체 질소(A)가 상기한 이중벽(1a)를 통해 주입된다(도 3).

도 4에서, 모든 부품은 액체 질소(A)로 충전된 벨(1) 내부로 이송된다. 이송은 대략 6 m/min의 빠른 속도로 수행된다. 도어(3 및 4)는 이후 폐쇄되어 냉각 작업이 발생할 수 있게 한다. 부품의 질량에 따라, 산소의 부재 하에 대략 350℃에 도달하기 위해 소정 시간 동안 냉각이 이루어지며, 상기 온도 이상에서는 더 이상의 산화가 없는 것이 관찰된다. 이러한 시간은 통상적으로 부품의 질화 또는 침질탄화 처리 시간보다 작거나 실질적으로 동일하다.

6 m/min의 속도는 질화조의 높이와 벨 내부로의 투입 간의 거리에 따라 달라진다는 것에 주목해야 하고, 이러한 속도는 따라서 상황에 따라 빠르거나 늦을 수 있으며, 속도가 빠를수록 결과는 더욱 정확할 것이다.

이러한 냉각 이후, 모든 부품이 세척되는데, 상기 세척은 40 내지 50℃의 온도의 수중에서 수행되고 이후 대략 20℃의 온도의 수중에서 수행된다.

도 5 내지 도 8에 도시된 종래 기술에 따른 해결책으로 처리된 그리고 도 9에 도시된 본 발명에 따라 처리된 부품에 대해 얻어진 결과를 도시한 도 5, 도 6, 도 7, 도 8 및 도 9를 참조한다.

도 5, 도 6, 도 7 및 도 8에서, 냉각은 종래 기술에 따라 수행되며, 도 5에서와 같이, 질화/침질탄화 처리(산업적 조건에서는 불가능) 이후 즉시 또는 처리 이후 다소 긴 시간 이후, 즉 처리 이후 30 초(도 6), 처리 이후 60 초(도 7) 및 처리 이후 120 초(도 8) 이후 수중에서 부품을 담금질함으로써 수행된다.

부품 상의 산화 얼룩의 부재와 확산층 내의 질화물 침전의 부재를 도 5에서 볼 수 있다. 산화 얼룩(갈색 얼룩)의 출현 및 무엇보다도 염조를 떠나는 것과 수중 담금질 시간의 증가로 인해 산화된 영역의 수의 뚜렷한 증가를 도 6, 도 7 및 도 8에서 볼 수 있다.

이러한 산화된 영역의 출현과 병행해서, 마이크로-섹션은 결정립계와 평행한, 증가된 수의 산화철 침전의 출현을 나타낸다. 상기한 출현은 서냉의 특징이며 온도에 따른 질소의 용해도 한계의 감소와 관련된다.

따라서, 도 6, 도 7 및 도 8과 같은 조건에서 수행된 실험으로부터, 질화/침질탄화 이후의 수냉은, 산업적 기반에서, 깨끗한 연성 부품, 즉 어떠한 산화 흔적도 없고 확산층 내에 질화물 침전이 존재하는 부품을 제공하지 않는다는 것은 명백하다.

본 발명에 따르면, 도 9에서와 같이, 액체 질소에서의 냉각은, 표면 산화 흔적의 부재 및 질화물 침전의 존재를 명백하게 보여주며, 결과적으로 향상된 기계적 특성을 제공한다.

수행되고 도 5 내지 도 9에 도시된 실험 조건에 따라, 580℃의 침질탄화조(CN-: 4.15%; CNO-: 30.5%)에서의 60분 처리 이후, 즉, 처리조(treatment bath)를 떠난 즉시 수중 담금질에 의한 냉각(A 열), 처리조를 떠나고 30 초 이후 수중 담금질에 의한 냉각(B 열), 처리조를 떠나고 60 초 이후 수중 담금질에 의한 냉각(C 열), 처리조를 떠나고 120 초 이후 수중 담금질에 의한 냉각(D 열), 및 액체 질소에서의 냉각(E 열) 이후의 부품에 대한 경도 측정(Rq: 경도 측정은 아무것도 추가하지 않음)를 도시하는 아래의 표를 참조하자.

	A	B	C	D	E
화합물층 아래 20 ㎛에서의 경도(Hv0.1)	295	265	230	170	190

장점은 설명으로부터 명확하며, 다음을 강조하고 주목하는 것이 특히 중요하다:

- 수냉에 비해, 본 발명의 방법은 부품의 연성을 향상시키고 서냉을 통한 변형의 위험을 제한한다.

- 산업적 공정이 관련된 공냉 또는 수냉에 비해, 본 발명의 방법은 처리 이후 부식의 흔적의 부재로 인한 부품의 정확한 외관을 보장하고, 따라서 부품의 청결 상태를 향상시킨다.

Claims (10)

1. 처리 스테이션에서 용융염조 질화/침질탄화 처리를 거친 금속 부품을 냉각하는 방법으로서,
   - 냉각 챔버를 상기 처리 스테이션과 직접 중첩되도록 배치하는 것,
   - 상기 처리의 종료 이전에, 상기 냉각 챔버(1)를 증발할 때 강력한 부피 팽창 능력을 갖는 액체 형태의 냉매로 충전시켜, 상기 냉매 증발에 따른 부피 팽창이 상기 냉각 챔버로부터 산소를 배출시켜 불활성 분위기를 만드는 것,
   - 처리된 모든 부품을 상기 처리 스테이션으로부터 상기 냉각 챔버 내의 불활성 분위기 내로 직접 수직 이송하는 것,
   - 상기 냉각 챔버를 폐쇄하는 것,
   - 상기 부품을 미리 설정된 길이의 시간 동안 상기 챔버 내에 방치하여 염이 응결되어 방어 장벽을 형성하는 온도에 도달시키는 것,
   - 상기 냉각 챔버로부터 상기 부품을 제거한 다음 상기 부품을 세척 작업을 거침으로써, 상기 냉각 방법으로 인해 부품이 표면 산화의 흔적을 나타내지 않게 하는 것
   을 포함하는 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉매는 액체 질소를 포함하는 것인, 방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 냉각 챔버 (1)를 충전시키는 것은 상기 질화/침질탄화 처리의 종료 2 내지 3 분 전에 액체 질소로 충전시키는 것을 포함하는 방법.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 부품은 6 m/min의 최소 속도로 액체 질소가 충전된 챔버로 수직 이송되는 것인, 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 세척은 40 내지 50℃의 온도의 수중에서 수행되고, 이후 15 내지 25℃의 온도의 수중에서 수행되는 것인, 방법.
   
6. 제 1 항에 따른 방법을 실시하기 위한 장치로서,
   일련의 부품의 처리를 위한 용융염조 질화/침질탄화 처리 스테이션 및
   상기 질화/침질탄화 스테이션과 직접 중첩되도록 배치되는 냉각 챔버로서, 모든 상기 부품을 상기 냉각 챔버 내로 빠르게 직접 수직 이송하기 위해 이송 수단에 고정된 것
   을 포함하는 장치.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 냉각 챔버는 액체 질소가 주입되는 이중벽으로 된 벨을 포함하고, 상기 이중벽은 벨 내부로 질소를 확산시키기 위한 배열을 갖는 것인, 장치.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 벨의 하단부는 일련의 부품을 상기 냉각 챔버 내로 직접 수직 이송하기 위해 상기 벨의 내부로의 자유로운 출입을 제공할 수 있고, 냉각 단계 동안 이러한 출입을 폐쇄할 수 있는 수단과 결합하는 것인, 장치.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 수단은 상기 처리 스테이션의 일부에 고정된 도어를 포함하는 것인, 장치.
   
10. 제 1 항의 방법에 따라 처리된 금속 부품.
    

Images