KR20010075165A

KR20010075165A - 강철의 열처리방법 및 열처리장치

Info

Publication number: KR20010075165A
Application number: KR1020017003435A
Authority: KR
Inventors: 오오이시유키히로; 카와배노조무
Original assignee: 오카야마 노리오; 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 1998-09-18
Filing date: 1999-09-13
Publication date: 2001-08-09
Also published as: CN1318109A; US6471798B1; WO2000017405A1; EP1126038A1; EP1126038A4; AU755695B2; AU5650499A; CA2343305A1; CN1105190C; BR9913830A; JP2001081515A

Abstract

높은 열전달계수를 가진 냉매를 이용하고, 저코스트이며 또한 환경친화적인 무공해의 강철의 열처리방법 및 열처리장치를 제공한다.

오오스테나이트화된 강철을 냉매속에 침지해서 냉각하는 강철의 열처리방법에 있어서, 냉매는 고체입자와 물과의 혼합물을 사용한다. 고체입자는 수중에 침전되고, 이 침전층속으로 강철을 통과시켜서 냉각하는 것이 바람직하다. 산화물은 Al₂O₃, CaO, MgO, SiO₂, ZrO₂, ZrO₂·SiO₂, B₂O₃, FeO, FeO₂및 Fe₂O₃에서 선택된적어도 1종이 적합한 것이다.

Description

강철의 열처리방법 및 열처리장치{METHOD AND APPARATUS FOR HEAT TREATIONG STEEL}

종래, 페이턴팅처리로서는, 납 페이턴팅, 용융염(鹽) 페이턴팅, 유동층페이턴팅, 공기 페이턴팅, 미스트 페이턴팅 등이 알려져있다. 오프라인에서 페이턴팅처리하는 경우에는, 납층 또는 유동층이 많이 사용되고, 압연후의 직접열처리에서는, 용융염, 공기, 미스트 등이 사용되고 있다.

납, 및 용융염은 열전달계수가 크고, 강철재의 냉각속도가 빠르기 때문에 고강도의 강철재를 얻을 수 있다고 하는 메릿이 있으며, 고품질인 특성을 얻기위해서는 가장 효과적인 냉매이다. 그러나, 반면에, 높은 코스트인 것에 더하여, 연용로(鉛溶爐)나 용융염로를 사용하기 때문에, 유해가스 및 산화연등의 유해물질이 발생하고, 공해발생의 관점에서 바람직하지 않다.

또, 공기나 미스트를 냉매로서 사용한 경우는, 환경면에서는 문제가 없으나, 열전달계수가 작고, 냉각속도가 느리기 때문에, 강철재에 퍼얼라이트변태를 지연시키는 원소의 첨가없이는, 고강도재가 얻기 어렵고, 납에 의한 페이턴팅재의 강도에 뒤떨어진다고 하는 문제가 있다.

유동층에 의한 열처리에 있어서도 열전달계수가 작기 때문에, 선의 열처리에 있어서는 ø2.0㎜이상의 굵은선으로의 적용은, 강도를 얻기 어렵다고 하는 문제로 곤란하다.

이와같이, 오프라인에서의 페이턴팅처리 및 압연후의 직접 열처리의 어느것에 있어서도, 고강도를 얻을 수 있도록 열전달계수가 크며, 저코스트 및 무공해라는 3가지의 과제를 동시에 해결할 수 있게 되는 냉매는 알려져 있지 않다.

따라서, 본 발명의 주목적은, 높은 열전달계수를 가진 냉매를 이용하고, 저코스트이며 또한 환경에 친화적인 무공해의 강철의 열처리방법 및 열처리장치를 제공하는데 있다.

본 발명은, 저렴하고 또한 열처리 후에 충분한 강도를 얻을 수 있는 강철의 열처리방법 및 열처리장치에 관한 것이다.

도 1은, 본 발명 열처리 방법의 설명도.

도 2는, 본 발명 열처리 방법의 설명도.

도 3은, 냉각속도, 냉매온도 및 마르텐사이트의 발생의 유무와의 관계를 표시한 그래프.

도 4는, (a)는 지르콘모래(Zircon Sand)와 물을 냉매로한 열처리장치의 개략도, (b)는 지르콘모래와 물을 메시로 구획한 본 발명 열처리장치의 개략도, (c)는(b)의 장치에 부가해서 액체탱크의 물을 교반하는 본 발명 열처리장치의 개략도.

도 5는, 도 4(a)~(c)의 각 장치에서 열처리한 강철선의 길이방향에 있어서의 인장강도분포를 표시한 그래프.

도 6은, 지르콘모래와 물의 혼합물속에 강철선을 삽입하는 깊이의 서로의 틀림과 강철선길이 방향에 있어서의 인장강도분포와의 관계를 표시한 그래프.

도 7은, 지르콘모래에 물을 공급하는 본 발명장치의 개략도.

도 8은, 도 7의 장치를 사용해서 지르콘모래에 물을 공급한 경우와 하지않는 경우에 대해서, 강철선 길이 방향에 있어서의 인장강도분포를 표시한 그래프.

도 9는, 지르콘모래를 유통시키는 본 발명장치의 개략도.

도 10은, 도 9의 장치를 사용해서 지르콘모래를 유동한 경우와 하지않는 경우에 대해서, 강철선 길이 방향에 있어서의 인장강도분포를 표시한 그래프.

부호의 설명은 다음과 같다.

1: 가열로 2: 냉매탱크

3: 강철선 4: 물

5: 모래 11: 비등수

12: 고체입자 13: 강철선

21: 지르콘모래 22: 물

23: 메시 24: 고체입자탱크

25: 액체탱크 26: 고탄소강선

27: 파이프 28: 작은구멍

본 발명은, 고체입자와 물이 혼합물속에서 강철을 냉각함으로써, 상기의 목적을 달성한다.

여기서, 상기혼합물은 고체입자가 수중에 분산한 현탁상태라도 되나, 고체입자를 수중에 침전시키고, 그 침전층속에서 강철을 냉각하는 것이 바람직하다. 이에의해 냉각속도는 보다 빠르게 되어, 한층 더 효과적이다.

고체입자로서는, 열전도율이 크며, 900~1000℃정도의 강철이 접촉하더라도 변질하지 않는 내화재료가 바람직하다. 특히 산화물이 적절하다. 보다 구체적으로는, Al₂O₃, CaO, MgO, SiO₂, ZrO₂, ZrO₂·SiO₂, B₂O₃, FeO, FeO₂및 Fe₂O₃에서 선택된 적어도 1종을 들수 있다. 특히, 산화철(FeO, FeO₂또는 Fe₂O₃)을 혼합하면, 장기간의 열처리에 있어서 냉매의 변질을 전혀 없게하는 점에서 유효하다. 고체입자에는, 산화물계의 모래의 그 외에, 금속, 합금입자 등, 어느것을 적용하더라도 효과는 얻게되나, 장기간에 걸친 연속사용을 고려하면, 열악화, 부식의 점에서 산화물계의 모래가 바람직하다. 그 외에, 고체입자로서 흑연분말을 사용해도 된다. 흑연분말은 비중이 가볍고, 열전도율이 크기 때문에, 특히 코일현상으로 성형된 가철선의 냉매재료로서 적합하고있다. 흑연분말 등의 응집하는 성질이 있는 물질은, 계면활성제의 첨가에 의해 응집을 방지하는것이 바람직하다.

다음에, 고체입자의 비중은 1.0이상으로 하는것이 바람직하다. 비중이 1.0미만에서는 고체입자가 물에 부상하기 때문에, 입자속으로의 강절의 통과가 곤란해지기 때문이다. 또, 비중의 상한은 5.0으로 하는것이 바람직하다. 5.0을 초과하면 고체입자속으로의 강철의 삽입 및 반송이 곤란해지기 때문이다. 특히, 코일형상으로 성형한 강철선의 열처리를 행하는 경우, 고체입자속으로의 강철선의 삽입 및 반송이 곤란하게된다. 보다 바람직한 고체입자의 비중의 상한은 3.0이다. 또한, 비중이 큰 재료라도, 중공(中空)으로 형성함으로써, 단위체적당의 중량을 작게한 내화물을 고체입자로 해도된다.

고체입자의 입자직경은, 80wt% 이상을 입자직경 1.0㎜이하로 하는것이 바람직하다. 이 입자직경이 1㎜를 초과하면, 물이 직접 강철과 접촉할 수 있는 공간이 커지게되어, 물의 핵비등에 의한 냉각효과가 나타나고 마르텐사이트가 생성되는일이 있어, 바람직하지 않기 때문이다. 특히, 고체입자의 평균입자직경은 150㎛이하가 바람직하다. 150㎛이하로 함으로써, 비중이 5.0에 가까운 고체입자에서도 강철의 삽입·반송이 용이하게 행해진다. 보다 바람직하게는 100㎛이하이다.

또, 다음의 ①~③의 어느하나의 구성을 채택함으로써, 강철주변의 물이 결핍됨으로써 냉각속도가 저하해서 강철의 길이방향에서 강도가 불균일하게 되는 것을 개선할 수 있다.

① 물이 비축된 액체탱크와, 액체탱크속에서 메시에 의해 구획되어서 고체입자가 장전된 고체입자탱크를 구비한 열처리장치를 사용한다. 이 메시는 고체입자의 입자직경보다도 미세한 열린 구멍으로 구성되어있다. 그리고, 고체입자탱크에 있어서의 고체입자와 물과의 혼합물속에 강철을 삽입해서 냉각을 행한다.

② 고체입자와 물과의 혼합물속으로의 강철의 삽입깊이를 40㎝이내로 한다.

③ 고체입자간에 강제적으로 물을 공급하고, 강철주변에 있어서의 고체입자 사이의 물의 결핍을 방지한다.

구성 ①에 있어서, 메시는 고체입자의 입자직경보다도 미세한 열린구멍으로 구성되고 있기 때문에, 고체입자가 메시의 바깥쪽에 흘러나오는 일은 없다. 그 때문에, 고체입자탱크는 고체입자와 물과의 혼합물로 구성되고, 액체층은 물만으로 구성된다. 메시의 재료는 고체입자를 유지할 수 있으면 특별히 한정되지않는다. 스테인레스등이 썩 알맞는 것이다. 메시에 의해서 열처리장치를 2중으로 함으로써, 고체입자탱크의 주위에는 항상 물이 있는 상태를 달성할 수 잇어, 강철주변의 물의 결핍을 방지한다.

또, 액체탱크속의 물은 교반하는것이 바람직하다. 교반하는 수단은, 액체탱크속에서 핀이 부착된 로터를 회전시키거나, 펌프에 의해 물흐름을 형성하는것 등을 들수 있다. 액체탱크속의 물을 교반함으로써, 고체입자탱크속으로의 물의 침투를 촉진하고, 강철주변의 물의 결핍을 억제한다.

구성 ②에 있어서, 고체입자와 물과의 혼합물속(특히 고체입자속)으로의 강철의 삽입하는 깊이는, 보다 바람직하게는 25㎝이내, 더욱 바람직하게는 10㎝이내이다. 삽입하는 깊이가 깊을수록 고체입자층속의 강철주위에 물을 공급하는 것이 곤란하게 되기 때문이다.

구성 ③은, 고체입자 사이에 물흐름을 형성해서 강철주변의 물의 결핍을 방지한다. 보다 구체적으로는, 고체입자의 하부에 파이프형상의 분출구를 병렬로 해서, 이 분출구로부터 고체입자를 향해서 물을 공급하는것이 바람직하다. 이에의해, 고체입자는 유동하지 않으나, 고체입자사이에 물흐름을 형성해서 강철주변에서의 물의 결핍을 억제한다.

그 외, 고체입자 사이에 물흐름을 형성할 뿐만 아니라, 고체입자자체를 유동시켜도 된다. 고체입자를 유동화시키는데는, 고체입자의 하부에 다수에 작은구멍이 개공된 메시형상의 분출구를 형성하고, 이분출구로부터 물을 공급하는 것을 들 수 있다. 유동화의 방법에는, 물, 증기, 공기 등의 공급이 있으나, 증기, 공기에서는 고체입자사이에 증기나 공기의 공간이 형성되어서 바람직하지 않다. 물의 공급에 의해 유동화함으로써 비로소 안정된 열처리를 행할 수 있다.

한편, 냉매에 있어서의 「물」에는 온도도 포함된다. 바람직하게는 수온으로서는 50℃이상, 보다 바람직하게는 70℃이상, 더욱 바람직하게는 90℃이상이다. 50℃미만에서는 마르텐사이트가 생성되는 우려가 있다. 수온을 90℃이상으로하면, 강철의 온도에 의해서 수온이 변화하는것을 극력억제되어, 안정된 열처리를 행할수 있다.

또, 본 발명의 열처리방법은, 압연후의 강재에 대해서 오프라인에서 행하더라도 인라인에 의한 집접열처리로서도 어느 것이나 된다.

또한, 본 발명열처리의 대상재료에는 여러가지의 강철을 예거할 수 있으나, 탄소강에 대해서 효과적이다. 특히 고탄소강이 썩 알맞는 것이다. 또, 열처리대상의 형상은, 판, 선 등의 어떠한 형상에 대해서도 적용가능하다. 특히, 선재에 대해서 가장 적합하다.

그리고, 본 발명열처리장치는, 강철을 냉매탱크조속에 침지하는 열처리장치에 있어서, 상기 냉매탱크조는, 물이 비축된 액체탱크와, 액체탱크속에서 메시에 의해 구획되어서 고체입자가 장전된 고체입자탱크를 구비하고, 이 메시는 고체입자의 입자직경보다도 미세한 열린구멍으로 구성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 액체탱크에 있어서의 물의 교반수단을 구비하는것이 바람직하다. 또, 고체입자사이에 강제적으로 물을 공급하는 수단을 구비하는 것이 썩 알맞는 것이다. 특히, 물의 공급에 의해 고체입자의 유동화수단을 구비하는 것이 바람직하다.

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

이하, 본 발명의 실시의 형태를 설명한다.

<시험예 1>

C: 0.8wt%, Si: 0.22wt%, Mn: 0.73%를 함유하는 ø11.5㎜의 탄소강선을 가열후, 다음의 2가지의 조건으로 냉각함으로써, 오프라인의 페이턴팅처리를 실시하였다.

① 도 1에 표시한 바와같이, 가열로(1)의 직후에 냉매탱크(2)를 설치하고, 가열로(1)에서 가열한 강철선(3)을 냉매탱크(2)에 도입한다. 냉매탱크(2)에는 물(4)와 모래(5)가 투입되고, 모래(5)가 수중에 침전한 상태로 유지되고 있다. 가열로(1)에서의 강철선(3)의 가열온도를 950℃, 물(4)를 97℃의 온수로 하고, 가열한 강철선(3)을 침전한 모래속에 도입해서 냉각한다(실시예 1-1). 또한, 모래의 주성분은 ZrO₂(지르코니아)이다.

② 가열한 강철선을 540℃의 납속에서 냉각한다(비교예 1-1).

각 열처리종료후 인장시험을 실시하고, 인장강도를 조사했다. 그 결과, 실시예 1-1의 조건①에서는 1222N/㎟, 비교예 1-1인 조건 ②에서는 1222N/㎟이 되고, 마찬가지의 강도였다. 이러한 일로, 본 발명 방법에 의하면, 납을 사용한 페이턴팅과 동등한 강도가 얻게되는 것을 알게 되었다.

<시험예 2>

C: 0.80wt%, Si: 0.22wt%, Mn: 0.73wt%를 함유하는 강철재를 ø11.5㎜의 선재로 압연가공하고, 이 선재를 바로 시험예 1의 조건①에 있어서의 냉매탱크에 도입해서, 인라인에서의 페이턴팅을 실시했다. 그 강철선의 인장시험을 실시한 결과, 1225N/㎟이며, 오프라인에서의 페이턴팅과 마찬가지의 강도가 얻게되었다. 이러한 일로, 본 발명방법은, 압연후의 직접열처리에 있어서도 적용할수 있는 것을 알게 된다.

<시험예 3>

C: 0.80wt%, Si: 0.22wt%, Mn: 0.73wt%를 함유한 ø11.5㎜의 탄소강철선을 가열후, 다음의 세가지의 조건에서 냉각함으로써 온라인의 페이턴팅처리를 실시하고, 열처리후의 강철선의 인장강도를 추정하였다.

① 도 1에 표시한 바와같이, 가열로(1)의 직후에 냉매탱크(2)를 설치하고, 가열로(1)에서 가열한 강철선(3)을 냉매탱크(2)에 도입한다. 냉매탱크(2)에는 냉매로서 물(4)과 고체입자(5)가 투입되고, 고체입자(5)가 수중에 침전한 상태로 유지되고 있다. 냉매탱트(2)에 도입된 강철선(3)은 침전된 고체입자속을 통과해서열처리된다(실시예 2-1).

② 도 1에 있어서 고체입자를 침전시키는 대신에, 물을 교반해서 고체입자가 수중에 분산된 상태로해서 강철선의 도입을 실시한다(실시예 2-2).

③ 가열한 강철선을 540℃의 납속에서 냉각한다(비교예 2-1).

상기의 조건 ①, ②에 있어서, 고체입자에는, Al₂O₃, CaO, MgO, SiO₂, ZrO₂, ZrO₂·SiO₂, B₂O₃및 산화철(FeO, FeO_2,Fe₂O₃)을 사용하고, 그 각각에 대해서 열처리를 실시하였다. 각 고체입자의 평균입자직경은 0.2㎜이다. 냉각탱크투입시의 강철선의 온도는 900℃, 수온은 97℃로 하고, 냉매와 강철선과의 상대속도는 약 50㎝/sec로 하였다. 시험결과를 표 1에 표시한다.

고체입자	조건①(㎫)	조건②(㎫)	조건③(㎫)
Al₂O₃	1241	1229	1222납페이턴텅에서고체입자없음
CaO	1238	1225
MgO	1241	1228
SiO₂	1235	1221
ZrO₂	1245	1232
ZrO₂·SiO₂	1245	1231
B₂O₃	1230	1215
FeO, FeO₂, Fe₂O₃	1244	1232

표 1에서 명백한 바와같이, 실시예 2-1, 2-2 다같이 비교예 2-1의 납페이턴팅과 거의 동등한 강도를 표시했다. 고체입자는 시험에 사용한 어느것에도 효과가 있는것을 알게된다. 또, 고체입자를 수중에 분산시킨 실시예 2-2보다도 고체입자를 침전시킨 실시예 2-1 쪽이 강도향상에 효과적인 것을 알수 있다. 따라서, 본 발명방법에 의하면, 납페이턴팅과 동등한 강도를 얻게되는것을 알수 있다.

<시험예 4>

다음에, 고체입자를 수중에 침전시키고, 입자직경이 다른 고체입자를 사용해서 상기 실시예 2-1과 마찬가지로 열처리를 실시하고, 핵비등의 유무를 조사했다. 고체입자는 ZrO₂·SiO₂(지르콘)로 하고, 입자직경 1㎜를 초과하는 ZrO₂·SiO₂의 함유량을 바꾸어서 시험을 실시했다. 그 결과를 표 2에 표시한다.

입자직경 1㎜를 초과하는 입자비율(wt%)	핵비등 개시온도(℃)
15	핵비등 없음
19	핵비등 없음
24	249
36	315
50	353
79	356
83	365

표 2에서 명백한 바와 같이, 입자직경 1㎜를 초과하는 고체입자의 함유량이 20wt% 미만이면 핵비등을 발생하는 일이 없고, 얻게되는 조직도 마르텐사이트의 발생비율이 적은것을 알수 있다.

<시험예 5>

C: 0.80wt%, Si: 0.22wt%, Mn: 0.73wt%를 함유하는 ø11.5㎜의 탄소강선을 직경 약 1.2㎜의 코일형상으로 성형하고, 이 강철선을 냉매탱크에 도입해서 냉매에의 삽입성의 가부 및 열처리후의 선재의 인장강도를 조사해 보았다. 도 2에 표시한 바와같이, 냉매에는 비등수(11)속에 고체입자(12)를 침전시킨 것을 사용하고, 이 침전층속에 강철선(13)을 삽입하기 쉬운지 여부를 판단한다. 도 2에서는, 강철선(13)은 직선형상으로 표시되고 있으나, 실제로는 코일형상으로 성형되어 있다. 고체입자는 비중이 다른 3종류를 사용하고, 그 각각에 대해서 평균입자직경을 바꾸어서 시험을 실시하였다. 그 결과를 표 3에 표시한다. 이 표에 있어서, ○는 삽입용이, ×는 삽입곤란을 표시하고 있다.

고체입자	비중	입자직경	선재삽입의 가부	인장강도(㎫)
ZrO₂	5.6	40㎛이하	×	-
		40초과~150㎛	×	-
		150초과~400㎛	×	-
		400초과~1000㎛	×	-
Al₂O₃	3.9	40㎛이하	○	1232
		40초과~150㎛	○	1230
		150초과~400㎛	×	-
		400초과~1000㎛	×	-
SiO₂	2.2	40㎛이하	○	1231
		40초과~150㎛	○	1229
		150초과~400㎛	○	1229
		400초과~1000㎛	○	1228

표 3에 표시한 바와같이, 비중이 5.6의 ZrO₂를 고체입자로 사용했을 경우, 강철선을 삽입할 수 없었다. 또, 비중이 3.9의 Al₂O₃을 고체입자로 사용했을 경우, 평균입자직경이 150㎛이하의 경우에 강철선을 삽입할 수 있는 것을 확인하였다. 또, 비중이 2.2의 SiO₂를 고체입자를 했을 경우에는, 입자직경에 상관없이 용이하게 강철선의 삽입이 행하여지는 것을 알게 되었다. 따라서, 고체입자의 비중은 5.0이하로 하는 것이 바람직하고, 입자직경은 150㎛이하로 하는것이 바람직한 것을 알수있다. 또, 어느 입자에 있어서도 1228~1232㎫의 강도를 표시하고, 동일한 직경의 납의 페이턴팅처리를 행한 선의 강도 1222㎫와 동등 이상의 강도를 표시하고 있다.

<시험예 6>

다음에, C가 0.82wt% 함유된 ø11.5㎜의 강철선을 코일형상으로 성형하고, 이하의 각 조건 ①~④에서 냉매속에 도입해서 열처리를 행하여, 열처리후의 강철선의 인장강도를 측정하였다. 고체입자에는, 비중 2.2, 평균입자직경 400㎛의 흑연분말을 사용했다. 또, 강철선의 냉매투입시의 온도는 900℃, 수온은 97℃로 하고, 냉매와 강철선과의 상대속도는 약 50㎝/sec로 했다.

① 물과 흑연분말과의 혼합용액을 교반하고, 흑연분말이 수중에 분산한 냉매속에 강철선을 도입한다(실시예 6-1).

② 흑연분말을 수중에 침전시키고, 이 침전층 속에 강철선을 도입한다(실시예 6-2).

③ 물과 흑연분말의 속에 계면활성제를 첨가한 것을 냉매로 하고, 이 냉매속에 강철선을 도입한다. 흑연분말은 수중에 분산되어서 침전하고 있지 않다(실시예 6-3).

④ 가열한 강철선을 540℃의 납속에서 냉각한다(비교예 6-1).

그 결과, 조건 ①은 1232㎫, 조건②는 1242㎫, 조건③은 1235㎫, 조건④는 1222㎫이며, 본 발명방법인 조건①~③은 모두 비교예가 되는 조건④보다 결과가 양호하였다. 또, 흑연분말은 분산시키는 것보다도 침전시킨 쪽이 효과적인 것을 알수 있다. 또, 조건③은 계면활성제의 효과에 의해, 흑연 분말의응집이 확인되지 않았다.

<시험예 7>

상기 시험예 6에 있어서의 조건②에 있어서, 흑연분말에 함유되는 입자직경 1㎜를 초과하는 입자의 비율을 바꾸고, 열처리중에 있어서의 핵비등의 유무를 조사했다. 그 결과를 표 4에 표시한다.

입자직경 1㎜를 초과하는 입자비율(wt%)	핵비등 개시온도(℃)
12	핵비등없음
18	핵비등없음
25	251
38	310
52	348
83	352
92	361

표 4에 표시한 바와같이, 입자직경 1㎜를 초과하는 분말의 비율이 20wt% 미만이면, 핵비등이 발생하는 일은 없고, 얻게되는 조직도 마르텐사이트의 발생비율이 적은 것을 알수 있다.

<시험예 8>

상기시험예 6에 있어서의 조건 ①에 있어서, 흑연분말과 물의 혼합용액의 온도를 변화시켜, 냉각속도를 평가했다. 강철선의 냉매투입시의 온도는 900℃, 냉매와 강철선과의 상대속도는 약 50㎝/sec이다. 그 결과를 도 3의 그래프에 표시한다. 도 3에 표시한 바와같이, 냉매온도가 50℃ 미만에서는 냉각속도가 높고, 마르텐사이트의 발생이 확인된다. 또, 냉매온도를 90℃ 이상으로 했을 경우, 냉각속도가 안정되고 있는 것을 알수 있다.

<시험예 9>

SiO₂및 Al₂O₃을 주성분으로한 중공입자(내화물로서의 시중판매품: 비중0.7)를 비등수속에 분산시켜, 이것을 냉매로하고, 이 냉매속에 시험예 6과 마찬가지의 강철선을 도입해서 냉각을 행하였다. 강철선의 냉매투입시의 온도는 900℃, 냉매와 강철선과의 상대속도는 약 50㎝/sec이다. 열처리후의 인장강도를 측정하면, 1221㎫로 납 페이턴팅재에 상당하는 높은 강도를 표시하였다.

<시험예 10>

도 4에 본 발명 열처리장치의 개략도를 표시한다. (a)의 장치는, 열처리탱트내에 입자직경 0.1~0.3㎜의 지르콘모래(21)(ZrO₂·SiO₂)을 투입하고, 97℃의 물(22)속에 침전시킨 것이다. (b) 및 (c)의 장치는, 열처리장치가 열린구멍 0.09㎜의 메시(23)에 의해서, 안쪽의 고체입자탱크(24)와 바깥쪽의 액체탱크(25)로 구획되어 있다. 고체입자탱크(24)에는, 입자직경 0.1~0.3㎜의 지르콘모래(21)(ZrO₂·SiO₂)를 투입하고, 97℃의 물(22)속에 침전시키고 있다. 액체탱크(25)에는, 97℃의 물(22)만이 존재하고, 지르콘모래는 존재하지 않는다. (c)에 표시한 장치는, 메시(23)의 바깥쪽에 있어서의 물(22)를 교반기(도시생략)에 의해 교반하고 있는 점에서 (b)의 장치와 다르다.

이들 3종의 열처리장치를 사용해서, 950℃에 가열한 ψ7.0㎜의 고탄소강선(26)(C=0.82wt%)을, 열처리장치의 침전된 지르콘모래속을 연속해서 통과시킴으로써 페이턴팅을 행하였다. 또한, 강철선은, 지르콘모래의 윗면에서 약 50㎝의 깊이에 삽입했다. 얻게된 선을 10ｍ간격으로 샘플링해서 인장강도를 평가하였다. 그 결과를 도 5에 표시한다.

비교예인 (a)도면에 기재된 장치를 사용한 강철선에는, 고강도가 얻게되나 시간이 경과함에 따라 강도의 저하가 발생하고 있다. 실시예인 (b)도면에 기재된 장치를 사용함으로써, 강철선의 강도의 저하가 완화되고 있는 것을 알수 있다. 또, 실시예인 (c)도면에 기재된 장치를 사용한 강철선에서는, 강도의 저하는 거의 확인되지 않는다.

이상의 사실에서, 열처리장치를 메시에 의해 액체탱크와 고체입자탱크로 구획해서, 고체입자와 물과의 혼합물속에 강철선을 도입함으로써, 안정된 고강도강철선을 얻게되는 것을 알수 있다. 특히, 고체입자탱크의 바깥족의 물을 교반함으로써 더욱 안정된 강도가 얻게 된다. 이 경우, 교반방법은 교반기 이외에서도 물론 문제는 없고, 펌프에 의한 물의 순환 등, 물흐름의 발생에서도 마찬가지의 결과가 얻어진다.

<시험예 11>

도 4(a)의 열처리장치를 사용하여, 지르콘모래속으로의 삽입깊이를 10, 20, 40, 50㎝로 변화시켜, 시험예 10과 마찬가지의 열처리를 행하였다. 그 결과를 도 6에 표시한다. 50㎝의 깊이에서 생기는 시간경과에 따른 강도의 저하는, 40㎝, 20㎝로 얕아짐에 따라 완화되며, 10㎝의 깊이에서는 극히 안정된 강도가 얻어진다.

<시험예 12>

도 7에 본 발명 열처리장치의 개략도를 표시한다. 이 장치는, 열처리탱크속에 물(22)와 지르콘모래(21)이 장전되고, 물(22)속에 지르콘모래(21)이 침전되어있다. 열처리층의 바닥부분에는, 파이프(27)이 복수개 병렬되고, 각 파이프(27)로부터 물(97℃)에 지르콘모래(21)을 향해서 항상 공급된다. 이에의해, 지르콘모래입자사이에 물이 강제적으로 공급되어서, 각 입자 사이에 물흐름이 형성된다. 이 열처리탱크를 사용해서 실험예(10)과 마찬가지의 실험을 행하였다. 비교예로서 파이프(27)로부터의 물의 공급이 없는 장치에 대해서도 마찬가지로 열처리를 행하고, 처리후의 강철선 강도를 측정하였다. 결과를 도 8에 표시한다. 본 방법에 의해서 안정된 고강도가 얻게되는 것을 알수 있다.

<시험예 13>

도 9에 본 발명 열처리장치의 개략도를 표시한다. 이 장치는, 열처리탱크속에 물(22)와 지르콘모래(21)이 장전되고, 물(22)속에 지르콘모래(21)이 침전되어 있다. 열처리층의 바닥부분에는, 거의 전체면에 다수의 작은구멍(28)이 똑같이 형성되고, 거기에서 물을 분출함으로써 지르콘모래(21)을 유동시킨다. 이 처리탱크를 사용해서 시험예 10과 마찬가지의 시험제작을 행하였다. 비교예로서, 지르콘모래(21)의 유동을 행하지않는 장치에 대해서도 마찬가지로 열처리를 행하고, 처리후의 강철선 강도를 측정하였다. 그 결과를 도 10에 표시한다. 본 발명방법에 의해 안정된 고강도가 얻어지는 것을 알수 있다.

<시험예 14>

C: 0.82wt%를 함유하는 모재를, ø11.5㎜로 열간압연하고, 비동심원의 링형상으로 성형된 압연선재를 이하의 조건에서 직접열처리를 실시하였다. 냉매는, 고체입자와 물의 혼합물이며, 냉매온도는 97℃로 하였다. 고체입자에는, 지르코니아(ZrO₂), 지르콘(ZrO₂·SiO₂), 알루미나(Al₂O₃), 실리카(SiO₂)의 4종을 사용했다. 각 고체입자의 평균입자직경은 200㎛정도이다. 그리고, 이들 고정입자는 수중에 침전되고 있다. 냉각탱크의 하부로부터 동일한 온도의 온수를 분출시켜 고체입자의 유동을 행하였다.

고체입자의 종류에 상관없이, 선재는 저항없이 냉각탱크속으로 삽입되었다. 또, 얻게된 강도도, 고체입자의 종류에 관계없이 1230~1250㎫로 납 페이턴팅처리를 행하였을 경우와 동등하였다.

<시험예 15>

또, 냉매를 지르콘모래에 한정하고, 냉매온도를 30, 50, 70, 80, 90, 97℃로 변화시켜서 시험예 14와 마찬가지의 열처리를 실시하였다. 그 결과, 30℃에서는, 퍼얼라이트는 생성하지 않고 마르텐사이트 조직으로 되었다. 50℃에서는, 거의가 퍼얼라이트조직이었으나, 유동상태에 따라서는 부분적으로 마르텐사이트조직이 확인되고 있으며, 안정된 열처리에는 반드시 적당하지는 않다. 70℃, 80℃, 90℃, 97℃에서는, 전체면 퍼얼라이트조직이며 안정된 열처리가 가능하다. 얻게된 강도는, 70℃ 이상의 온도에서는 어느 것이나 1230~1250㎫로 온도에 의해 명확한 차이는 확인되지 않았다

이상 설명한 바와같이, 본 발명의 열처리방밥에 의하면, 고강도의 강철재를 저코스트이며 또한 무공해로 얻을수 있다. 또, 고체입자의 입자직경을 특정함으로써, 핵비등의 발생을 억제하고, 마르텐사이트의 발생을 억제할수도 있다. 또, 고체입자의 비중을 특정, 또는 고체입자를 수중에서 유동화함으로써, 특히 코일형상의 선재를 냉매속에 용이하게 삽입할수 있도록 한다. 그리고, 압연후의 직접열처리 및 오프라인의 열처리에 적용가능하며, 선재의 페이턴팅처리에 대해서 효과적이다.

본 발명 열처리장치에 의하면, 높은 열전달계수를 가진 냉매를 이용하고, 저코스트이며 또한 환경친화적인 무공해의 열처리를 행할수 있다. 특히, 긴 강철선을 장시간 처리했을 경우에, 강철선 근처에서 물의 결핍이나 고체입자의 온도상승이 발생해서 열처리후의 강철선 강도가 저하하는 것을 억제할수 있어, 안정된 강도의 강철선을 얻을수 있다.

Claims

오오스테나이트화된 강철을 냉매속에 침지해서 냉각하는 강철의 열처리 방법에 있어서, 상기 냉매는, 고체입자와 물과의 혼합물인 것을 특징으로 하는 강철의 열처리방법.
제 1항에 있어서, 고체입자는 수중에 침전되고, 이 침전층 속에 강철을 통과시켜서 냉각하는 것을 특징으로 하는 강철의 열처리 방법.
제 1항에 있어서, 고체입자는 수중에 분산되고, 이 혼합액 속에 강철을 통과시켜서 냉각하는 것을 특징으로 하는 강철의 열처리 방법.
제 1항~제 3항의 어느 한 항에 있어서, 고체입자가 산화물인 것을 특징으로 하는 강철의 열처리방법.
제 1항~제 3항의 어느 한 항에 있어서, 고체입자가 흑연분말인 것을 특징으로 하는 강철의 열처리방법.
제 1항~제 3항의 어느 한 항에 있어서, 열처리대상이 탄소강철선인 것을 특징으로 하는 강철의 열처리방법.
제 1항~제 3항의 어느 한 항에 있어서, 열처리대상이 압연후의 선재이고, 이 압연후에 직접 행하여지는 것을 특징으로 하는 강철의 열처리방법.
제 1항에 있어서, 고체입자 사이에 강제적으로 물을 공급하고, 강철의 주변에 있어서의 고체입자사이의 물의 결핍을 방지하는 것을 특징으로 하는 강철의 열처리방법.
제 8항에 있어서, 고체입자를 유동시키는 것을 특징으로 하는 강철의 열처리방법.
제 9항에 있어서 고체입자의 하부로부터 물을 공급함으로써 고체입자를 유동시키는 것을 특징으로 하는 강철의 열처리 방법.
강철을 냉매조에 침지하는 열처리방법에 있어서, 상기 냉매층은, 물이 비축된 액체조와, 액체조 속에서 메시에 의해 구획되어서 고체입자가 장전된 고체입자조를 구비하고, 이 메시는 고체입자의 입자직경보다도 미세한 열린구멍으로 구성된 것을 특징으로 하는 강철의 열처리장치.
고체입자와 물이 냉매로서 장전된 강철의 열처리장치에 있어서, 상기 고체입자사이에 강제적으로 물을 공급하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 강철의 열처리장치.
제 12항에 있어서, 고체입자의 유동화 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 강철의 열처리방법.