KR101281584B1 - 온간단조품 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경도산포 균일화를 위한 온간단조품 냉각장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예는, 온간 단조 부품의 냉각을 제어하는 장치에 있어서, 당해 온간 단조 부품의 단조 공정 후에, 상기 온간 단조 부품을 소정의 온도로 유지시켜주는 가열 구간과; 상기 가열구간을 거친 제품을 소정의 온도로 유지시켜주는 보온 구간; 상기 보온 구간을 거친 제품을 자연 냉각시키는 공랭 구간; 상기 공랭 구간을 거친 제품을 소정의 온도로 냉각시켜 유지시켜주는 풍랭 구간; 상기 풍랭 구간을 거친 제품이 150℃ 이하의 온도를 유지한 상태에서 상하 좌우로 적층되어 포장되는 포장구간;을 포함한다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시 예에 의하면 온간 단조과정을 거친 강(鋼)을 사용한 자동차 부품, 예를 들어 등속조인트 및 허브 등의 서스펜션 부품이나 크랭크 샤프트 등의 엔진 부품으로 대표되는 기계 구조용 부품의 경도 산포 불균일로 인한 문제점을 해결하기 위한 온간단조품 냉각장치에 관한 것이다.

Description

온간단조품 냉각장치 { Cooling equipment for warm forged product }

본 발명은, 강(鋼)을 사용한 자동차 부품, 예를 들어 등속조인트 및 허브 등의 서스펜션 부품으로 대표되는 기계 구조용 부품을 전형적인 예로 하는 단조품의, 부분 열처리에 바람직한 온간단조 부품을 냉각하는 장치에 관한 것이다.

단조 [鍛造, forging]란, 고체인 금속재료를 해머 등으로 두들기거나 가압하는 기계적 방법으로 일정한 모양으로 만드는 조작을 말한다. 이때, 두들기는 온도는 상온(常溫)인 경우도 있으나, 녹는점이 높은 재료에서는 가열해야 할 때가 많다. 일반적으로 그 재료에서 재결정(再結晶)이 진행되는 온도를 경계로 하여 그 이상의 온도에서 단조하는 것을 열간단조(熱間鍛造), 그보다 낮은 온도에서 단조하는 것을 냉간단조(冷間鍛造)라고 한다.

단조는 상온에서 작업되거나(냉간 단조), 열간에서 작업된다(작업 온도에 따라 온간 단조 또는 열간 단조). 냉간 단조시에는 재료의 강도가 커지므로 큰 단조 하중을 필요로 하고 소재 재질은 상온에서 충분한 연성을 갖고 있어야 한다.

냉간 단조 제품은 표면 정도와 치수의 정확도가 우수하다. 열간 단조는 상대적으로 단조 하중이 작아도 되나, 치수 정확도와 표면 정도가 좋지 않다. 단조 작업 후에는 제품의 성질을 개선하기 위한 열처리나 최종 치수로 정밀하게 절삭하는 등의 마무리 작업이 이루어 진다. 열간단조는 소재를 1000~1200도℃ 정도 가열하여 프레스(유압,크랭크,함마 등)에서 소재를 일정형상의 틀(금형 or.Die)에의하여 단련(두드려서 변형시킴)을 하여 만든다. 온간단조는 소재를 600~950℃ 정도 가열하여 프레스에서 단련하게 된다.

기계 구조용 강은 통상적으로 열간 단조 혹은 온간 단조에 의해 소정의 형상으로 성형된 후, 절삭 가공에 의한 마무리 가공을 실시하여 제조하는 것이 일반적이다. 이러한 부품의 제조 공정으로서, 예를 들어 일본특허공보 제3100432호에는 단조 생산 공정의 대표적인 프로세스, 즉, 재료를 절단 그리고 가열 후, 단조 공정에 의해 성형하고, 필요에 따라 열처리를 하는 프로세스가 개시되어 있다.

그런데, 최근 상기 용도의 제품에 대해, 그 적용처인 상기 부품의 경량화를 기대한 소형화나 박육화의 실현을 위해서 피로강도를 높히는 것이 요구되고 있다.

그러나, 상기 일본특허공보 제3100432호에 기재된 방법에서는, 열간 단조후의 부품 그 자체를 직접 냉각시키기 때문에 부품 전체의 강도가 상승하여 피로강도가 요구되지 않는 부위에 대해서도 불필요하게 고강도화되게 된다. 소재의 강도와 가공성은 상반되므로, 피로 특성이 문제가 되지 않는 부위에 대해서도 고강도화되어 가공성이 희생되게 된다. 즉, 피삭성의 저하가 큰 문제가 된다. 또한, 이 방법을 실현하는 제조 설비로는, 석출 강화처리를 위해 별도 뜨임 처리를 실시하기 위한 가열설비가 필요하게 되므로, 에너지 소비의 관점에서도 바람직하지 않다는 문제점이 있었다.

또한, 열간 단조과정을 마친 제품을 적층하여 창고 등에 보관하는 경우, 직접 외부 공기와 접촉하는 외측에 위치한 제품과, 적층된 제품 가운데 위치하는 제품간의 냉각 속도에 따른 차이로 인해서, 경도 산포가 불균일하게 된고, 계절별, 일별 외부공기의 온도차로 인해서 특히 외부 공기와 접촉하는 제품들은 급격한 온도 강하로 인해서 경도 불량의 문제가 종종 발생하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 온간 단조과정을 거친 강(鋼)을 사용한 자동차 부품, 예를 들어 등속조인트 및 허브 등의 서스펜션 부품이나 크랭크 샤프트 등의 엔진 부품으로 대표되는 기계 구조용 부품의 경도 산포 불균일로 인한 문제점을 해결하기 위한 온간단조품 냉각장치에 관한 것으로서, 온간 단조과정을 거친 제품을 냉각시키는 과정에서, 계절별, 일별 주위 온도조건에 따라서 포장된 외측에 위치하는 제품과 적층된 제품 가운데 위치하는 제품간의 온도 편차로 인해서 포장외측에 위치하는 제품들의 급격한 온도변화에 따른 경도 불량 및 제품간의 경도 산포의 문제점을 해결하는 온간단조품 냉각장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 온간 단조 부품의 냉각을 제어하는 장치에 있어서, 당해 온간 단조 부품의 단조 공정 후에, 상기 온간 단조 부품을 소정의 온도로 유지시켜주는 가열 구간과; 상기 가열구간을 거친 제품을 소정의 온도로 유지시켜주는 보온 구간; 상기 보온 구간을 거친 제품을 자연 냉각시키는 공랭 구간; 상기 공랭 구간을 거친 제품을 소정의 온도로 냉각시켜주는 풍랭 구간; 상기 풍랭 구간을 거친 제품이 150℃ 이하의 온도를 유지한 상태에서 상하 좌우로 적층되어 포장되는 포장구간;을 포함한다.

그리고, 상기 가열 구간은, 850~950℃의 온도를 지닌 채 이송된 제품을, 구간 내에서 500~700℃를 유지할 수 있도록 30KW 용량의 히터가 장착되어 작동하고, 구간 통과시간은 8분인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 보온 구간은, 600~700℃의 온도를 지닌 채 이송된 제품을, 구간 내에서 제품이 300~500℃를 유지할 수 있도록 40KW 용량의 히터가 장착되어 작동하고, 구간 통과시간은 20분인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 공랭 구간의 통과시간은 5분인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 풍랭 구간에서는, 송풍 팬(Fan)과 배기 팬을 구비하여, 상기 풍랭 구간내에서 제품의 온도가 100~150℃의 온도가 되도록 강제 공랭시키며, 구간 통과시간은 22분인 것을 특징으로 한다

그리고, 상기 풍랭 구간을 거친 제품은, 온도가 100~150℃의 온도를 유지하며, 제품의 조직 및 경도의 산포가 균일한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 이루는 본 발명의 실시 예에 따른 경도산포 균일화를 위한 온간단조품 냉각장치에 의하면, 온간 단조과정을 거친 강(鋼)을 사용한 자동차 부품, 예를 들어 등속조인트 및 허브 등의 서스펜션 부품으로 대표되는 기계 구조용 부품의 경도 산포 불균일로 인한 문제점을 해결하기 위한 온간단조품 냉각장치에 것으로서, 온간 단조과정을 거친 제품을 냉각시키는 경우, 계절별, 일별 주위 온도조건에 따라서 포장된 외측에 위치하는 제품과 적층된 제품 가운데 위치하는 제품간의 온도 편차로 인해서 포장외측에 위치하는 제품들의 급격한 온도변화에 따른 경도 불량 및 제품간의 경도 산포의 문제점 등을 해결할 수 있게 된다.

도 1은 온간 단조의 과정을 마친 제품의 적재 상태 및 경도를 측정하는 위치를 나타내는 도면이다.
도 2는 기존의 온간 단조의 과정을 마친 제품을 위치별로 측정한 경도 및 그 산포를 나타낸 표이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 경도산포 균일화를 위한 온간단조품 냉각장치의 배치에 관한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 경도산포 균일화를 위한 온간단조품 냉각장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 경도산포 균일화를 위한 온간단조품 냉각장치를 이용하여 생산된 제품을 위치별로 측정한 경도 및 그 산포를 나타낸 표이다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면과 함께 상세히 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 사상이 제시되는 실시예에 제한된다고 할 수 없으며, 또 다른 구성요소의 추가, 변경, 삭제 등에 의해서, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있다.

도 1은 온간 단조의 과정을 마친 제품의 적재 상태 및 경도를 측정하는 위치를 나타내는 도면이다. 도 2는 온간 단조의 과정을 마친 제품의 위치별로 측정한 경도를 나타낸 표이다.

도 1을 참조하면, 온간 단조 과정을 마친 강(鋼)을 사용한 자동차 부품, 예를 들어 등속조인트 및 허브 등의 서스펜션 부품으로 대표되는 기계 구조용 부품을 보관하기 위해 적재하는 상태를 나타내는 도면이다.

살펴보면, 온간 단조 과정을 마친 강을 사용한 제품들의 경우에는, 설비의 구성에 따라서 차이가 있기는 하지만 일반적으로 완성품의 온도가 대략 800℃ 이상이다.

상기와 같은 상태의 제품을, 도면에서와 같이 파렛(Pallet) 위에 좌우 및 상하로 정렬해서 적층해서 소정의 부피단위로 보관하게 된다. 보관은 주로 창고와 같은 장소에 제품별, 생산일자별로 정렬해서 보관하게 된다.

이때, 보관장소의 외부온도는 계절별 그리고 일별의 경우에도 날씨에 따라서 그 차이가 클 수 밖에 없다.

상기와 같은 보관장소의 외부온도 조건으로 인해서 상기 보관된 제품간에는, 그 위치조건에 따라서 냉각 속도에 큰 차이를 보이게 된다.

도면에서와 같이, 높이별로 상, 중, 하 세군데 지점에 대해서 각 모서리에 해당하는 지점과 그리고 가운데 지점에 대해서 각각 그 경도를 측정하였다.

도 2는 기존의 보관된 제품의 각 위치별 측정한 경도 및 그 산포를 나타낸 표이다.

살펴보면, 높이별로는 측정된 경도값의 산포는 균일하다고 볼 수 있으나, 같은 평면상에서, 각 모서리부와 중앙부에 위치한 제품의 경도값에는 차이가 났으며, 산포가 불균일함을 알 수 있다.

이러한 결과는, 계절별로도 차이가 크게 나타났으며, 동일한 계절 내에서도 날씨변화에 따라서 그리고 일별 기온차이에서도 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다.

특히, 포장된 제품의 각 모서리부에 위치하여 외부 공기와 직접 접촉을 하는 제품의 경우에는 그 냉각 속도가 중앙부에 위치한 제품에 비해서 클 수 밖에 없다.

상기와 같은 제품의 냉각 속도의 차이로 인해서, 급랭으로 인해 제품의 불량이 발생할 수 밖에 없다.

따라서, 급랭으로 인한 제품의 불량을 방지하기 위해서는 완성된 제품의 냉각속도를 완만하게 제어할 수 있는 장치가 필요하게 된 것이다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 경도산포 균일화를 위한 온간단조품 냉각장치의 배치에 관한 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 경도산포 균일화를 위한 온간단조품 냉각장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 3을 살펴보면, 앞서 설명한 온단 단조 과정을 마친 제품의 경도 불량 및 산포불량으로 인한 문제점을 해결하기 위해서, 일반적인 온간 단조를 위한 설비장치의 맨마지막 공정에 추가적으로 별도의 경도산포 균일화를 위한 온간단조품 냉각장치(1)를 구비하였다.

상기 경도산포 균일화를 위한 온간단조품 냉각장치(1)는 온간 단조 과정을 마친 제품의 온도의 냉각속도 및 온도를 제어하여 보관하는 환경과는 상관없이 일정한 경도 및 경도 산포를 가지도록 만드는 장치이다.

상세하게는, 상기 경도산포 균일화를 위한 온간단조품 냉각장치(1)는 당해 온간 단조 부품의 단조 작업후에, 상기 온간 단조 부품을 소정의 온도로 유지시켜주는 가열 구간(10)과, 상기 가열구간을 거친 제품을 소정의 온도로 유지시켜주는 보온 구간(20), 상기 보온 구간(20)을 거친 제품을 자연 냉각시키는 공랭 구간(30), 상기 공랭 구간(30)을 거친 제품을 소정의 온도로 냉각시켜 유지시켜주는 풍랭 구간(40), 상기 풍랭 구간(40)을 거친 제품이 100~150℃의 온도를 유지한 상태에서 상하 좌우로 적층되어 포장되는 포장구간(50)을 포함하는 구성된다.

상기 가열 구간(10)은 양 끝단에 입구부와 출구부가 형성된 긴 터널의 형태로 구비되고, 그 내부에는 제품의 이송이 가능하도록 하는 이송수단이 구비된다.

상기 가열 구간(10)에는 그 내부를 500~700℃의 온도를 유지시켜 줄 수 있는 30kw급의 히터(Heater)가 장착된다. 그리고, 그 내부에는 온간 단조 과정을 마친 제품이 인입되고, 그리고 소정의 속도로 내부를 이동할 수 있는 장치가 구비된다. 본 발명의 실시 예에서는 콘베이어 벨트(미도시)가 적용된다.

상기 가열 구간(10)은 내부로 인입된 제품이 본 구간을 통과하는 데에는 대략 5 내지 11분이 소요되도록 구비된다. 바람직한 소요시간은 8분이다.

상기 가열 구간(10)으로 인입되는 온간 단조 과정을 마친 제품은 일반적으로 그 온도가 대략 900℃를 유지한 채로 인입되게 된다. 상기 30kw 히터(100)는 상기 가열 구간(10)의 내부를 500~700℃의 온도를 유지할 수 있도록 제어하게 된다. 상기 가열 구간(10)에서 배출되는 제품의 온도는 대략 600~700℃가 되게 된다.

다음으로, 보온 구간(20)이 구비된다. 상기 보온 구간(20)도 상기 가열 구간(10)과 유사한 형태로 이루어진다.

상기 보온 구간(20)내에도 그 내부를 300~500℃의 온도를 유지시켜 줄 수 있는 40kw급의 히터(Heater)(200)가 장착된다. 상기 보온 구간(20)으로 인입되는 제품의 온도는 대략 600~700℃이다.

상기 보온 구간(20)을 통과하는 데에는 대략 15 내지 25분(min)이 소요되도록 구성되고, 상기 보온 구간(20)의 내부는 300~500℃의 온도를 유지할 수 있도록 상기 40kw 히터(Heater)(200)가 작동된다. 바람직한 소요시간은 20분이다.

상기 보온 구간(20)에서 배출되는 제품의 온도는 대략 300~400℃이다.

다음으로, 공랭 구간(30)이 구비된다. 상기 공랭 구간(30)에서는 자연 냉각이 이루어지는 구간이다. 상기 보온 구간(20)에서 대략 300~400℃의 온도로 인입되는 제품은 대략 3~7분의 이송속도로 통과하게 되나, 바람직하게는 5분의 이송속도로 본 구간을 통과하게 된다.

상기 공랭 구간(30)을 마친 제품의 온도는 대략 200~300℃에 해당하게 되고, 이때부터는 상기 제품의 조직의 변화가 거의 발생하지 않게 된다.

다음으로, 풍랭 구간(40)이 구비된다. 상기 풍랭 구간(40) 내에는 바람을 일으키는 송풍 팬(Fan)(42)과, 내부의 열기를 외부로 배출시키는 배기 팬(Fan)(44)이 구비된다.

상기 풍랭 구간(40)을 통과하는 데에는 대략 10분에서 30분이 소요되도록 구성된다. 바람직하게는 22분이 이상적이다.

상기 풍랭 구간(40)을 통과한 제품의 온도는 대략 100~150℃로 배출되게 된다. 상기 풍랭 구간(40)까지를 모두 거친 온간 단조 제품은 그 조직 및 경도 그리고 그 경도의 산포가 균일하게 유지되게 된다.

다음으로, 상기 풍랭 구간(40)을 거친 제품은 포장 구간(50)에서 상하 좌우로 적층되어 포장되게 된다.

상기 포장 구간(50)에서의 제품의 온도는 대략 150℃ 이하이다.

상기와 같이, 온간 단조 과정을 거친 제품을 상기 경도산포 균일화를 위한 온간단조품 냉각장치를 통해서 그 냉각 속도와 냉각 온도를 제어한 후에 포장을 해서 보관을 하게 되면, 온단 단조 제품은 최종적으로 그 경도가 균질하게 되고, 그리고 그 경도의 산포도 일정하게 되는 효과를 가지게 된다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 경도산포 균일화를 위한 온간단조품 냉각장치를 이용하여 생산된 제품을 위치별로 측정한 경도 및 그 산포를 나타낸 표이다.

상기 도 5를 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 온간단조품 냉각장치를 이용하여 온간단조품의 위치별 경도 및 그 산포를 측정한 결과는, 도 2와 비교해서 볼때, 측정된 산포값의 대역폭이 반으로 줄어든 것을 알 수가 있다.

따라서, 제품의 경도값이 일정하여서 제품의 품질을 안정적으로 확보할 수 있고, 제품의 불량에 따른 손실 및 기회비용 등의 Loss를 줄일 수 있게 된다.

* 주요도면 부호에 관한 간단한 설명
1. 경도산포 균일화를 위한 온간단조품 냉각장치
10. 가열 구간 20. 보온 구간
30. 공랭 구간 40. 풍랭 구간
42. 송풍 팬 44. 배기 팬
50. 포장 구간 100. 30Kw 히터
200. 40Kw 히터

Claims (6)

1. 온간 단조 부품의 냉각을 제어하는 장치에 있어서,
   상기 온간 단조 부품의 단조 공정 후에, 상기 온간 단조 부품을 850~950℃의 온도로 유지시켜주고 이송된 제품을, 구간 내에서 500~700℃를 유지할 수 있도록 30KW 용량의 히터가 장착되어 작동하고, 구간 통과시간은 8분인 것을 특징으로 하는 가열 구간과;
   상기 가열구간을 거친 제품을 구간 내에서 제품이 300~500℃를 유지할 수 있도록 40KW 용량의 히터가 장착되어 작동하고, 구간 통과시간은 20분인 것을 특징으로 하는 보온 구간;
   상기 보온 구간을 거친 제품을 자연 냉각시키며, 통과시간은 5분인 것을 특징으로 하는 공랭 구간;
   상기 공랭 구간을 거친 제품을 송풍 팬(Fan)과 배기 팬을 구비하여, 본 구간내에서 제품의 온도가 200~300℃의 온도가 되도록 강제 공랭시키며, 구간 통과시간은 22분이며, 본 구간을 거친 제품은, 온도가 100~150℃의 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 풍랭 구간;
   상기 풍랭 구간을 거친 제품이 150℃ 이하의 온도를 유지한 상태에서 상하 좌우로 적층되어 포장되는 포장구간;을 포함하는 경도산포 균일화를 위한 온간단조품 냉각장치.
   
   
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