KR101177183B1 - 가열된 금속의 냉각 방법 및 냉각 장치, 이에 사용되는 염 - Google Patents

Abstract

질산칼륨(KNO₃), 아질산나트륨(NaNO₂) 및 질산 나트륨(NaNO₃)으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 염으로 금속을 염욕하는 가열된 금속의 냉각 방법 및 장치, 이에 이용되는 염을 제공한다. 이와 같이 특정 염을 이용하는 염욕에 의하여 금속 재료를 냉각하는 방법은 열처리 후 냉각 특히 퀀칭 공정 시에도 Ms 점 온도까지는 급냉 시키되 Ms 점과 Mf 점 온도 사이에서는 서냉을 가능하게 하고 또한 냉각되는 금속 재료 전체에 균일하게 냉각을 수행할 수 있도록 함으로써, 냉각 시의 금속 표면과 내부의 온도 차이를 줄일 수 있고 이에 따라 금속 표면과 내부의 조직 변화폭을 줄일 수 있어서 금속 냉각 시 발생할 수 있는 크랙, 변형 등을 방지 또는 최소화할 수 있다.

Description

가열된 금속의 냉각 방법 및 냉각 장치, 이에 사용되는 염{Method and apparatus for cooling heated metal and salts used therefor}

본 명세서는 가열된 금속의 냉각 방법 및 냉각 장치, 이에 사용되는 염에 관하여 기술한다.

금속 재료(강재)는 일반적으로 열처리를 통하여 소정의 효과를 얻을 수 있다. 이러한 열처리에는 퀀칭(quenching; 담금질), 템퍼링(tempering; 뜨임), 노말라이징(normalizing, 불림), 어닐링(annealing, 풀림) 등이 있다.

퀀칭은 재료의 경도와 강도를 높이기 위한 작업으로서, 재료를 일정 온도(오스테나이트화 온도)까지 가열하여 일정 시간 유지한 후에 냉각제 중에서 냉각하여 재료의 경도 및 강도를 높이는 작업이다.

템퍼링은 인성을 부여하기 위한 작업이다. 일반적으로 퀀칭 후 경도가 높아져 있는 반면 인성이 약하기 때문에 인성을 부여하고자 템퍼링을 할 수 있다.

템퍼링에는 일반적으로 150~200℃ 사이에서 이루어지는 저온 템퍼링과 200~400℃에서 이루어지는 중온 템퍼링, 500℃ 이상에서 이루어지는 고온 템퍼링이 있다. 중온 템퍼링 시에는 트루스타이트조직을 고온 템퍼링 시에는 소르바이트조직을 얻는 것이 일반적이다.

노멀라이징은 재료를 표준 조직(조직 균질화)으로 만들기 위한 것이다. 가공성을 높이기 위하여 노멀라이징 처리를 하는 경우도 있지만, 일반적으로는 가공 후 담금질 처리시 변형을 줄이기 위한 작업으로서 행해지고 있다. 일반적으로 금속 재료를 일정 온도(오스테나이트화 온도)로 가열한 후 냉각제 중에서 냉각하여 재료의 표준 조직을 얻게 된다.

어닐링은 금속 재료에 연성을 부여하기 위한 것으로서, 일반적으로 금속 재료를 일정 온도로 가열 유지한 후 냉각하여 금속 재료에 연성을 부여하는 것이다. 이러한 어닐링에는 가공을 쉽게 하기 위한 연화 어닐링, 응력을 제거하기 위한 어닐링, 완전 어닐링 등이 있다.

상기 열처리(특히 퀀칭)에 있어서 사용되는 주요 냉각 방법으로서 물을 이용하는 수냉법, 기름을 이용하는 유냉법, 공기를 이용하는 공냉법, 기타 로냉법 등 이 있는데, 이들 방법이 금속의 성질이나 특성에 따라서 적용되고 있다.

상기 수냉법은 대표적인 냉각 방법으로서 냉각제로서 물을 이용하여 가열된 금속 재료를 급냉하는 것이다. 참고로, 가열 온도는 금속 재료의 평형 상태도에 의거하여 A3 또는 A1 변태점 이상의 일정 온도 범위로 정해지게 된다. KS 규격에는 예컨대 탄소 공구강으로 규정된 STC 5강(0.8%C)을 퀀칭할 경우에는 760~820℃의 온도 범위로 가열 후 수냉하는 것을 규정하고 있다.

이러한 수냉법에 의하면 퀀칭 시 다른 냉각 방법에 비하여 높은 경도를 얻을 수 있다. 그러나, 급냉으로 인한 크랙 등 변형이 발생할 수 있다. 이러한 점 때문에 수냉법에서 냉각제인 물로부터 금속 재료를 빼내는 시기 즉, 냉각 시간이 중요하게 된다.

냉각제인 물로부터 금속 재료를 빼내는 방법의 예시로서, 금속 재료의 직경 또는 두께 3mm 당 1초 후 빼내도록 하는 방법을 들 수 있다. 또는, 금속 재료가 냉각될 때 급냉에 의하여 발생하는 소리 또는 강재의 진동이 멈추는 순간 빼내도록 하는 방법이 있다. 또는, 금속 재료의 화색(火色)이 없어질 때까지 소요되는 시간의 약 2배의 시간이 경과한 후 빼내도록 할 수 있다.

그런데, 이와 같이 냉각제인 물에서 금속 재료를 빼내는 시기는 금속 재료의 물성에 많은 영향을 미치는 것임에도 불구하고 현장에서의 실제 작업 조건 설정은 작업자의 숙련도에 많이 의존할 수밖에 없다. 이에 따라 작업 시마다 작업 조건이 달라지고 작업 후 금속의 물성이 달라지는 등의 문제가 발생하게 된다.

상기 유냉법은 미네랄 오일 또는 코튼 시드 등의 식물성 오일을 사용하여 금속 재료를 냉각하는 것이다. 이러한 유냉법은 수냉법에 비하여 냉각 속도가 느리므로 퀀칭 시 수냉법에 비하여 경도가 떨어질 수 있더라도 크랙 등의 변형 발생 가능성은 상대적으로 줄일 수 있다.

그러나 이러한 유냉법 역시 급냉에 의하는 것이므로 냉각제인 오일로부터 금속 재료를 빼내는 시기가 중요하다. 예컨대, 금속 재료의 직경 또는 두께 1mm 당 1초 후 빼내도록 할 수 있다. 또는, 오일의 기포가 올라오는 것이 멈추는 순간 금속 재료를 빼내도록 할 수 있다. 한편, 유냉법에 의하면 금속 표면의 산화 가능성이 있고 이에 따라 슬러지를 발생시킬 수 있다. 이와 같이 발생한 슬러지는 냉각 효율을 저감시킬 수 있다. 따라서 슬러지의 발생을 줄이도록 냉각 시간 등의 냉각 조건을 조절할 필요가 있다. 이와 같이 냉각제로 오일을 사용하여 냉각 작업을 수행하는 경우의 냉각 유지 시간 등 작업 조건 설정 역시 작업자의 숙련도에 많이 의존하게 되고, 이에 따라 수냉법이 가지는 것과 같은 문제점을 가지게 된다.

상기 공냉법은 공기를 사용하여 금속 재료를 냉각하는 것이다. 공냉법은 수냉법과 유냉법에 비하여 냉각 속도가 느리므로 크랙 등의 발생 가능성을 최소화할 수 있지만, 냉각 속도가 느리므로 특히 퀀칭에서는 충분한 경도를 확보하기 어렵게 된다.

상기 로냉법은 열을 가지는 로(furnace), 즉 보열로내에서 금속 재료를 서서히 냉각하는 방법인데, 이 방법 역시 냉각 속도가 느려서 특히 퀀칭에서는 충분한 경도를 확보하기 어려운 경우가 많다.

이상의 수냉법, 유냉법, 공냉법, 로냉법 중에서 냉각 속도별로 보면 수냉법이 가장 냉각 속도가 빠르고, 이어서 유냉법, 공냉법, 로냉법의 순서로 냉각 속도가 빠르다고 할 수 있다.

이러한 수냉법, 유냉법, 공냉법, 로냉법의 냉각 방법은 열처리 시의 목적과 금속 등에 따라서 하나 이상의 방법을 혼용할 수도 있는데, 이 경우 냉각 작업 조건의 설정이 더욱 어려워지고 작업자의 숙련도에 더 많이 의존하게 된다.

뿐만 아니라, 상기 수냉법, 유냉법, 공냉법, 로냉법 등의 냉각 방법은 대부분의 강종에 공통적으로 적용하기에도 적절하지 않다. 특히, 위와 같은 방법에 의하여 냉각을 수행하는 경우 요구되는 기계적 성능을 발현하기 어려운 특수강들도 다수 존재한다. 특수강 들은 원가 절감의 측면 등에서 업계에서 그 사용에 대한 요구 정도가 크지만 열처리 과정 특히 가열 후 냉각 과정에서 만족할 만한 효과를 내지 못하고 있으므로 실제 사용에서는 많은 문제가 발생되고 있다. 예컨대, 대부분의 특수 강종의 금속 합금은 가열 후 냉각하는 과정에서 수냉 및 유냉 방식을 이용하게 되는데, 앞서 설명한 바와 같이, 이 경우 냉각 속도가 지나치게 빠르므로 냉각 과정에서 크랙이나 변형이 발생하기가 쉽다. 또한, 공랭이나 로냉 방식을 이용하는 경우 너무 냉각 속도가 느리게 때문에 열처리를 수행하더라도 원하는 경도를 얻기 어려운 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 금속 재료의 질량이나 형상에 따라 냉각 유지 시간을 조절하여 적절한 시간 동안 냉각을 유지하는 방식이 이용되고 있지만, 이러한 방식 역시 앞서 설명한 바와 같이 작업자 개인의 숙련도에 대한 의존성이 지나치게 크고 또한 작업 시마다 작업 결과에 차이가 있으며 열처리된 금속의 물성이나 수명도 일정하지 않은 등 작업 신뢰성이 매우 저조하다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것이다.

본 발명의 목적의 일측면은 금속의 열처리 과정 특히 퀀칭 과정에서 적용될 수 있는 냉각 방법으로서, 가열된 금속 재료의 냉각 과정에서 금속 재료의 크랙, 변형을 방지 또는 최소화할 수 있는 가열된 금속의 냉각 방법 및 냉각 장치, 이에 사용되는 염을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 목적의 다른 측면은 대부분의 강종의 열처리 특히 퀀칭에 용이하게 적용될 수 있으면서도 작업의 신뢰성이 큰 가열된 금속의 냉각 방법 및 냉각 장치, 이에 사용되는 염을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 구현예에서는, 질산칼륨(KNO₃), 아질산나트륨(NaNO₂) 및 질산나트륨(NaNO₃)으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 염으로 금속을 염욕하는 가열된 금속의 냉각 방법을 제공한다.

상기 염으로 금속을 염욕하면 160℃ 이상 550℃ 이하에서 염욕을 용이하게 또한 높은 작업 신뢰성을 가지고 행할 수 있다.

여기서, 상기 염욕은 질산칼륨; 및 아질산나트륨 또는 질산나트륨 중 하나;를 배합한 염으로 금속을 염욕할 수 있다. 이와 같은 배합에 의하여 염욕하는 경우 특히 220℃ 이상 550 ℃ 이하, 더 바람직하게는 220℃ 이상 350 ℃ 이하에서 염욕을 수행하는 것에 적합하다.

이와 같이 질산칼륨 및 질산나트륨을 배합하는 경우 배합비는 중량비로 1:0.5~2의 비율로 배합하는 것이 적합하다.

또한, 질산칼륨 및 아질산나트륨을 배합하는 경우 배합비는 중량비로 1:8~12의 비율로 배합하는 것이 적합하다.

상기 염욕은 질산나트륨 및 아질산나트륨을 배합한 염으로 금속을 염욕할 수 있다. 이와 같은 배합에 의하여 염욕하는 경우 특히 160℃ 이상 350 ℃ 이하에서 염욕을 수행하는 것에 적합하다.

이와 같이 질산나트륨 및 아질산나트륨을 배합하는 경우 배합비는 중량비 1:8~12의 비율로 배합하는 것이 적합하다.

상기 염욕은 질산칼륨과 아질산나트륨 및 질산나트륨을 배합한 염으로 금속을 염욕할 수 있다. 이와 같은 배합에 의하여 염욕하는 경우 특히 160℃ 이상 220℃ 미만에서 염욕을 수행하는 것에 적합하다.

이와 같이 질산칼륨과 아질산나트륨 및 질산나트륨을 배합하는 경우 배합비는 중량비 5~3:4~2:1의 비율로 배합하는 것이 적합하다.

본 발명의 구현예들에서는 또한, 질산칼륨(KNO₃), 아질산나트륨(NaNO₂) 및 질산나트륨(NaNO₃)으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 염을 이용하여 염욕을 수행하는 염욕조를 포함하는 가열된 금속의 냉각 장치를 제공한다. 이와 같은 염욕조에서는 160~550℃의 온도에서도 높은 작업 신뢰성을 가지고 용이하게 금속의 냉각을 수행할 수 있게 된다.

여기서, 상기 장치는 상기 염을 포함하는 내부 염욕조; 상기 내부 염욕조와 접촉하고 열 전달을 수행하는 외부 염욕조; 및 상기 외부 염욕조에 부착된 가열 또는 냉각 수단;을 포함하도록 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 구현예들에서는 또한, 가열된 금속 합금의 냉각을 위한 염욕에 사용되는 것으로서, 질산칼륨(KNO₃), 아질산나트륨(NaNO₂) 및 질산나트륨(NaNO₃)으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상인 가열된 금속 냉각용 염을 제공한다. 앞서 설명한 바와 같이, 이러한 염들을 이용하면, 160~550℃ 온도 구역에서 금속 재료를 높은 작업 신뢰성을 가지고 용이하게 냉각시킬 수 있게 된다.

본 발명의 구현예들에서와 같이 염욕에 의하여 금속 재료를 냉각하는 방법은 열처리 후 냉각 특히 퀀칭 공정 시에도 Ms 점 온도까지는 급냉 시키되 Ms 점과 Mf 점 온도 사이에서는 천천히 냉각시키는 서냉을 가능하게 하고 또한 냉각되는 금속 재료 전체에 균일하게 냉각을 수행할 수 있도록 함으로써, 냉각 시의 금속 표면과 내부의 온도 차이를 줄일 수 있고, 이에 따라 금속 표면과 내부의 조직 변화 폭을 줄일 수 있어서 금속 냉각 시 발생할 수 있는 크랙이나 변형 등을 방지 또는 최소화할 수 있다.

이러한 염욕 방법에 의하면 종래의 수냉, 유냉, 공냉, 로냉 등의 냉각 방법이 가지는 문제점 즉, 크랙, 변형 등의 발생 가능성이 크거나 충분한 경도를 확보할 수 없는 문제, 급냉과 또한 균일한 냉각을 위하여 작업자의 개인 숙련도에 의존하고 냉각된 제품의 품질이 냉각 작업자 및 매 냉각 시마다 달라지며 이에 따라 열처리에 따라서 제품의 물성이 상이하게 될 수밖에 없는 작업 신뢰성에서의 한계를 극복할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 가열된 금속의 냉각 장치를 나타내는 개략도이다.

이하, 본 발명의 예시적인 구현예들을 설명한다.

본 명세서에서 금속은 각종 공구강, 구조용 강 등의 합금 재료를 모두 포함하는 의미로 사용되는 것이다.

본 명세서에서 염욕이란 소정의 염을 이용하여 가열된 금속을 냉각하는 것을 의미한다.

본 명세서에서 금속의 Ms 점이란 금속에서 마르텐사이트 조직의 발생하기 시작하는 온도를 의미한다.

본 명세서에서 Mf 점이란 금속에서 마르텐사이트 조직의 생성이 끝나는 온도를 의미한다.

본 명세서에서 작업의 신뢰성이란 가열된 금속의 냉각 시 냉각 시간 등의 냉각 조건의 설정에 있어서 작업자 개인의 숙련도에 대한 의존성이 작고, 또한 작업 시마다 동일하거나 유사한 작업 결과와 금속 수명, 물성 등의 품질을 보장할 수 있는 것을 의미한다.

가열된 금속을 급속 냉각하게 되면 금속 재료는 오스테나이트(austenite)에서 마르텐사이트(martensite) 조직으로 변태가 일어나는데 이 과정에 표면과 내부에 조직 변화에 대한 시간적인 차이가 발생한다. 그로 인하여 변태 응력이 발생하게 되고 인장 잔류 응력이 발생할 수 있다.

마르텐사이트 조직은 단일 고용체이며, 무확산 변태이고 협동적 원자 운동에 의하여 일어나는 변태이다. 마르텐사이트 변태는 순간적으로 일어나는 격자 변태로서, 결정 한 개의 생성기간이 10^-7 초 정도이며, 마르텐사이트 결정 내에는 많은 결함(defect)이 존재한다. 마르텐사이트 변태는 응력의 영향을 받기 쉬우며 이러한 마르텐사이트 변태는 온도 강하에 의하여만 일어나게 되는 것이다.

금속 재료의 냉각 과정에서 표면과 내부의 냉각 속도가 다르므로 금속 재료 표면은 이미 오스테나이트에서 마르텐사이트 조직으로의 변태가 완료된 상태인 반면 금속 재료 내부는 계속하여 마르텐사이트 조직으로 변태되는 과정 중에 있게 될 수 있으므로, 금속 재료 내부에서는 계속하여 체적 팽창이 발생하게 되고, 이와 같은 내부의 팽창력에 기인하여 금속 재료 표면에는 크랙 또는 변형이 발생할 수 있다.

이와 같은 마르텐사이트 사이트 조직 발생 시작 온도를 Ms로 마르텐사이트 조직으로의 조직 변화가 완료되는 온도를 Mf 점으로 정의하면, Ms 점과 Mf 점은 금속 재료의 재질별로 상이하지만, 급속 냉각을 겪게 되는 경우 거의 모든 재질의 금속 재료는 그 Ms 점과 Mf 점 사이에서 크랙과 변형이 동반되는 현상이 나타날 수 있는 것이다.

즉, Ms 점과 Mf 점 사이의 온도 구간은 냉각 시 소위 위험 구역에 해당한다고 할 수 있다. 참고로, 상기 Ms 점과 Mf 점의 온도는 냉각 속도를 크게하더라도 변하지 않는다.

본 발명자는 고온으로 가열된 금속을 Ms 점까지는 급속히 냉각시킬 수 있으면서도, Ms 점과 Mf 점 사이에서는 천천히 또한 금속 재료에 대하여 균일하게 냉각하면, 금속 합금의 표면과 내부의 온도 차이를 줄일 수 있고, 이에 따라 표면과 내부의 조직 변화 폭을 줄일 수 있으며, 이로 인하여 금속 재료의 급속 냉각 시 발생하는 크랙, 변형 등을 방지 또는 최소화할 수 있음을 인지하고 그러한 냉각 방법에 대하여 연구하여 왔다.

그 결과, 놀랍게도, 질산칼륨(KNO₃), 아질산나트륨(NaNO₂) 및 질산 나트륨(NaNO₃)으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 염을 이용하는 염욕에 의하면, 특히 160~500℃ 온도 구역에서 대부분의 금속 강종에 대하여 금속의 크랙, 변형 등을 방지 또는 최소화하면서 냉각을 효과적으로 수행할 수 있음을 확인하였다.

위와 같이 특정 염을 이용하는 염욕 방법에 의하면 고온으로 가열된 금속 합금을 Ms 점까지는 급속히 냉각하면서도 Ms 점과 Mf 점 사이에서는 서서히 냉각할 수 있을 뿐만 아니라, 염욕에 의한 전체적인 열전달이 동시에 또한 균일하게 일어나서 크랙, 변형 등을 방지 또는 최소화하여 원하는 조직을 얻는 것에 매우 유리할 수 있다.

이와 같은 염욕 방법은 종래의 냉각 방법인 수냉, 유냉, 공냉 등이 가지는 한계 즉, 크랙, 변형 등의 발생 우려, 저조한 경도, 작업 신뢰성 문제 등을 해결할 수 있는 것이다.

상기 염들은 금속의 Ms 점과 Mf 점 사이의 융점을 가지는 것이고 우수한 냉각 성능을 가지는 것에 의하여 Ms 점까지는 급속 냉각을 수행할 수 있는 반면, Ms 점과 Mf 점 사이에서의 천천히 냉각을 수행할 수 있는 것으로 생각된다.

따라서, 본 발명의 구현예들에 따른 가열된 금속의 냉각 방법은 질산칼륨(KNO₃), 아질산나트륨(NaNO₂) 및 질산 나트륨(NaNO₃)으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 염을 이용하여 염욕을 수행하는 과정을 포함한다.

상기 염을 이용한 금속 합금의 냉각 시 냉각 온도 구간은 예컨대 160~550℃ 바람직하게는 160~500℃ 가 될 수 있다.

상기 냉각 온도 구간이 160℃ 미만인 경우 염 자체가 고체가 되어 염욕이 수행되지 않을 수 있다. 또한 550℃를 초과하는 것에 의하면 마르텐사이트 조직을 얻지 못하고 펄라이트 조직과 마르텐사이트 조직이 함께 형성되어 충분한 경도를 확보할 수 없게 될 수 있다.

160~550℃ 바람직하게는 160~500℃의 온도 구간에서 냉각을 수행하는 것에 의하여 다양한 재질의 금속을 크랙이나 변형 등을 방지 또는 최소화하면서 냉각 처리할 수 있는 것이다.

또한, 본 발명의 구현예들에 따른 가열된 금속의 냉각 장치는 질산칼륨(KNO₃), 아질산나트륨(NaNO₂) 및 질산나트륨(NaNO₃)으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 염을 이용하여 염욕을 수행하는 염욕조를 포함하는 것이다.

예시적인 구현예에서, 상기 가열된 금속의 냉각 장치는 상기 염들을 포함하는 내부 염욕조, 상기 내부 염욕조와 접촉하고 열 전달을 수행하는 외부 염욕조 및 상기 외부 염욕조에 부착된 가열 또는 냉각 수단을 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 예시적인 구현예에 따른 가열된 금속의 냉각 장치를 나타내는 개략도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 하나의 예시적인 구현예에 따른 염욕 장치(100)는 가열 또는 냉각을 수행할 수 있는 가열 또는 냉각 수단(111)이 부착된 외부 염욕조(110)의 내부에 내부 염욕조(120)가 장착된다.

상기 내부 염욕조(120) 내에는 해당 염들의 고체(분말) 상태로 장입된다. 가열 또는 냉각 수단(111)으로부터 열을 발생시켜 상기 외부로(110)를 거쳐 내부 염욕조(120)로 열이 전달되고 해당 열에 의하여 해당 염들은 고체(분말)에서 용융되어 액체 상태로 된다.

용융된 염(130)이 함유된 내부 염욕조(120)에 냉각을 원하는 가열된 금속 재료가 장입되어 냉각이 수행된다. 이러한 용융 상태 염(130)을 이용한 냉각 시 냉각 온도 구간은 바람직하게는 160~550℃, 더욱 바람직하게는 160~500℃가 될 수 있다. 해당 범위의 온도 구간은 염들의 사용 배합에 따라서 달라질 수 있으며 냉각을 원하는 금속에 따라서 염들의 배합을 달리 조절할 수 있다.

냉각 시 용융된 염의 온도는 금속 합금에 의하여 상승되어 질 수 있다. 해당 온도의 상승을 방지하고 일정한 냉각 온도 구간(160~550℃)을 유지하기 위하여 예컨대 써모 커플과 같은 온도 측정 장치(112)를 이용하여 염의 온도를 측정하고 가열 또는 냉각 수단(111)을 이용하여 염욕조 중의 염의 온도를 조절하도록 할 수 있다.

비제한적인 예시에서, 상기 염은 고체 상태의 것 예컨대 분말 형태의 것을 사용할 수 있다. 즉, 고체 상태의 것을 염욕조 내부에 채우고 가열을 통하여 이를 일정한 온도로 용융한 후 용융된 염에 냉각하고자 하는 금속을 담그어 염욕을 수행할 수 있다.

비제한적인 예시에서, 염욕을 수행하는 염 중에는 대기 중으로부터 함유된 수분이 불가피하게 유입될 수 있지만, 냉각 과정에서의 악영향을 방지하고 위하여 수분의 유입이 방지되도록 하여야 하며, 불가피하게 수분이 유입되더라도 전체 염 중 0.03 중량% 이하가 되도록 하여야 한다.

예시적인 구현예에서, 질산 칼륨, 아질산 나트륨 또는 질산 나트륨을 각각 단독으로 사용할 수도 있고 둘 또는 세가지 염을 배합하여 염욕을 수행할 수 있다. 참고로, 한가지 성분보다 두가지 이상의 성분을 배합하는 경우 특히 질산 칼륨을 포함하면서 이에 나머지 성분들을 하나 이상 배합하는 방식에 의하면 낮은 온도에서 높은 온도까지 염욕의 온도를 조절하기 쉬운 장점이 있다.

상기 질산 칼륨은 융점이 대략 220℃ 정도이고, 이에 아질산나트륨 또는 질산 나트륨 중 하나 이상을 배합함으로써 매우 용이하게 냉각 처리 온도를 조절할 수 있게 된다.

비제한적인 예시에서, 질산칼륨과 아질산나트륨 및 질산나트륨을 모두 배합할 수 있다. 이러한 배합에 의하여 염욕을 수행하면 바람직하게는 160℃ 이상 220℃ 미만의 온도에서 염욕을 수행하는데 효과적이다. 세가지 염을 배합하므로 용융 온도를 해당 온도 범위로 낮출 수 있는 효과가 있다. 상기 3가지 염을 모두 혼합하는 경우의 중량비(질산칼륨:아질산나트륨:질산나트륨)는 바람직하게는 5~3:4~2:1 로 배합할 수 있다. 특히 바람직하게는, 질산칼륨 47중량%, 아질산나트륨 38중량%, 질산나트륨 15중량%로 배합하는 것이 냉각 온도의 조절이 쉽고 크랙과 변형을 최소화하는데 유리하다.

비제한적인 예시에서, 질산칼륨; 및 아질산나트륨 또는 질산나트륨 중 하나 이상;을 배합한 염으로 금속을 염욕할 수 있다. 이러한 배합에 의하여 염욕을 수행하면 160℃ 이상 550℃ 이하, 바람직하게는 220℃ 이상 550℃ 이하, 더욱 바람직하게는 220℃ 이상 350℃ 이하, 특히 바람직하게는 220℃ 이상 300℃ 이하에서 염욕을 수행하는데 효과적이다.

구체적으로, 비제한적인 예시에서, 질산칼륨과 질산나트륨을 배합하여 염욕을 수행할 수 있다. 이러한 배합에 의하여 염욕을 수행하면 160℃ 이상 550℃ 이하, 바람직하게는 220℃ 이상 550℃ 이하, 더욱 바람직하게는 220℃ 이상 350℃ 이하, 특히 바람직하게는 220℃ 이상 300℃ 이하에서 염욕을 수행하는데 효과적이다. 비제한적인 예시에서, 질산칼륨 및 질산나트륨의 중량비는 1:0.5~2일 수 있다. 해당 범위에서 냉각 온도의 조절이 쉽고 크랙과 변형을 최소화하는데 유리하다.

또한, 비제한적인 예시에서, 질산칼륨과 아질산나트륨을 배합하여 염욕을 수행할 수 있다. 이러한 배합에 의하여 염욕을 수행하면 160℃ 이상 550℃ 이하, 바람직하게는 220℃ 이상 550℃ 이하, 더욱 바람직하게는 220℃ 이상 350℃ 이하, 특히 바람직하게는 220℃ 이상 300℃ 이하에서 염욕을 수행하는데 효과적이다. 비제한적인 예시에서, 질산칼륨 및 아질산나트륨의 중량비는 바람직하게는 1:8~12, 더욱 바람직하게는 1:10 일 수 있다. 해당 범위에서 냉각 온도의 조절이 쉽고 크랙과 변형을 최소화하는데 유리하다.

한편, 비제한적인 예시에서, 질산나트륨과 아질산나트륨을 배합하여 염욕을 수행할 수 있다. 이러한 배합에 의하여 염욕을 수행하면 바람직하게는 160℃ 이상 350℃ 이하, 바람직하게는 160℃ 이상 300℃ 이하에서 염욕을 수행하는데 효과적이다. 비제한적인 예시에서, 질산나트륨 및 아질산나트륨의 중량비는 바람직하게는 1:8~12, 더욱 바람직하게는 1:10 일 수 있다. 해당 범위에서 냉각 온도의 조절이 쉽고 크랙과 변형을 최소화하는데 유리하다.

예시적인 구현예에서, 160~550℃ 구간에서 크랙 및 변형을 방지 또는 최소화하면서 용이하게 냉각 작업 가능한 금속은 각종 강종 예컨대 저탄소강(0.3%C 이하), 고탄소강(0.3%C 이상) 등의 각종 공구강, 구조용 강을 포함할 수 있다. 그 비제한적인 예시는 SKS-3, SKD-11, SKD-61, SCM440C, SUS 420J2, SUS 410, SKH-51, SKH-55, SKH-57, SKH-59, KCW-1, KHW-1, KH-4M 등을 포함하지만, 이들에 제한되는 것은 아니다.

참고로, 상기 각 금속의 재질별 Ms점은 다음과 같다. SKS-3은 290℃, SKD-11은 400℃, SKD-61은 450℃, SCM440C 은 160℃, SUS420J2은 400℃, SUS410은 400℃, SKH51은 500℃, SKH55는 520℃, SKH57은 520℃, SKH59은 520℃, KCW-1은 350℃, KHW-1은 300℃, KH-4M은 280℃ 이다.

상기 각 금속의 재질별 Mf 점은 다음과 같다. SKS-3은 60℃, SKD-11은 80℃, SKD-61은 120℃, SCM 440C 은 60℃, SUS420J2은 80℃, SUS410은 80℃, SKH51은 120℃, SKH55은 110℃, SKH57은 110℃, SKH59은 110℃, KCW-1은 110℃, KHW-1은 250℃, KH-4M은 200℃ 이다.

예시적인 구현예에서, 냉각하고자 합금의 질량은 소형으로 염욕로를 구성하는 경우 예컨대 1~3ton 일 수 있으며 대형으로 염욕로를 구성하는 경우는 예컨대 7~10ton일 수 있다. 냉각하고자 합금의 질량은 염욕로의 사이즈나 염욕 처리 시간 등을 고려하여 결정할 수 있다. 참고로, 질량이 지나치게 크면 냉각이 느릴 수밖에 없고 냉각이 느리게 되면 원하는 경도를 달성하기 어려울 수 있다. 또한 질량이 너무 작게 되면 냉각이 지나치게 빠르면 크랙과 변형이 동반될 가능성이 높다. 그러나, 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 구현예들에 따른 특정 염을 사용하는 염욕에 의한 냉각 방법은 종래의 수냉, 유냉 등의 냉각 방법들에 비하여 그 질량 효과가 매우 작은 것이다.

참고로, 질량 효과란 금속 강재를 퀀칭할 때 강재의 질량에 따라 퀀칭 후 표면 조직이 중심부의 조직과 기계적 성질에서 차이를 보이는 현상을 의미한다. 본 발명의 구현예들에 따른 방법에 의하면 강재의 질량이 변화하더라도 퀀칭 후 표면 조직과 중심부의 조직이 기계적 성질에서 큰 차이를 보이지 않도록 할 수 있으므로, 질량 효과가 종래의 수냉 등의 냉각 방법들에 비하여 매우 작은 것이라고 할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 냉각 시간은 처리하고자 하는 금속의 질량에 따라 다르지만 대략 1 ton 처리 시 1 시간 정도를 냉각할 수 있다.

이상에서 본 발명의 비제한적이고 예시적인 구현예를 설명하였으나, 본 발명의 기술 사상은 첨부 도면이나 상기 설명 내용에 한정되지 않는다. 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함이 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하며, 또한, 이러한 형태의 변형은 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 할 것이다.

100: 염욕 장치 110: 외부 염욕조
111: 가열 또는 냉각 수단 112: 온도 측정 장치
120: 내부 염욕조 130: 용융된 염
M: 금속

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6. 질산칼륨과 질산나트륨을 중량비 1:0.5~2의 비율로 배합한 염으로 금속을 염욕하는 것을 특징으로 하는 가열된 금속의 냉각 방법.
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8. 질산나트륨 및 아질산나트륨을 배합한 염으로 금속을 염욕하는 것을 특징으로 하는 가열된 금속의 냉각 방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   160℃ 이상 350 ℃ 이하에서 염욕을 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 8 항에 있어서,
    질산나트륨 및 아질산나트륨을 중량비 1:8~12의 비율로 배합한 염으로 금속을 염욕하는 것을 특징으로 하는 방법.
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