KR100592757B1

KR100592757B1 - 가스 침탄 방법

Info

Publication number: KR100592757B1
Application number: KR1020047002043A
Authority: KR
Inventors: 다치사토쇼와
Original assignee: 고요 써모시스템 주식회사
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2006-06-26
Also published as: WO2003104516A1; AU2003235955A1; DE60333039D1; EP1598440B1; JP3696614B2; JPWO2003104516A1; EP1598440A4; CN1545566A; CN1257305C; KR20040106279A; EP1598440A1

Abstract

본 발명의 가스 침탄 방법은 δ철과 액상에서 철로 변태하는 포정점 온도 이하이면서, 액상에서 철과 시멘타이트로 변태하는 공정점 온도 이상의 침탄 온도에서 행해진다. 침탄 분위기중 강제 처리 대상물 샘플의 표층이 용해되지 않고 오스테나이트화되는 한계 침탄 조건을 미리 구하는 공정과, 그 처리 대상물을 상기 포정점 온도 이하이면서 공정점 온도 이상인 침탄 온도에서 상기 한계 침탄 조건에 반하지 않도록 설정한 침탄 조건하에서 가스 침탄하는 공정을 구비한다. 상기 한계 침탄 조건으로서 상기 샘플 표층이 용해되지 않고 오스테나이트화되는 침탄 가스 분압 상한치를 포함한다.

Description

가스 침탄 방법{METHOD OF GAS CARBURIZING}

본 발명은 예컨대 자동차 공업이나 기계 공업에서 이용되는 강제(鋼製) 부품을 가스 침탄하는 방법에 관한 것이다.

강제(鋼製) 처리 대상물의 가스 침탄을 행할 경우, 침탄 온도를 높게 함으로써 침탄 처리 시간을 단축할 수 있다. 그러나, 침탄 온도가 지나치게 높아지게 되면 처리 대상물이 녹아 버린다. 이 때문에 종래의 실용화되어 있는 침탄 온도는 액상에서 γ철과 시멘타이트로 변태하는 공정점(共晶點) 온도(도 1에 도시하는 철과 탄소의 평형 상태도의 경우는 C점 온도로서 1147℃)미만이 되며, 일반적으로는 1050℃ 이하였다.

종래 침탄 온도하에서 침탄 처리 시간을 단축시키기 위해서 처리 대상물 표층의 탄소 농도가 최종 목표치보다도 높아질 때까지 침탄 처리를 하고, 그러한 후에 침탄 분위기보다도 카본 농도가 낮은 고온 분위기 속에서 처리 대상물 표층의 탄소를 확산시키는 확산 처리를 행함으로써 그 표층의 탄소 농도를 최종 목표치까지 저하시켰다(일본 특공평6-45868호 공보 참조).

그러나, 침탄 온도를 공정점 온도 미만으로 제한한 경우, 처리 대상물에 있어서의 탄소 원자의 확산 속도가 제약되기 때문에 침탄 시간을 대폭 단축할 수 없 다. 즉, 확산 처리에는 장시간이 필요하므로 생산성이 저하된다고 하는 문제가 있다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제를 해결할 수 있는 가스 침탄 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 가스 침탄 방법의 한 특징은 δ철과 액상에서 γ철로 변태하는 포정점(包晶点; peritectic point) 온도 이하이면서, 액상에서 γ철과 시멘타이트로 변태하는 공정점 온도 이상의 침탄 온도에서 침탄 분위기중 강제 처리 대상물의 샘플 표층이 용해되지 않고 오스테나이트화되는 한계 침탄 조건을 미리 구하는 공정과, 그 처리 대상물을 상기 포정점 온도 이하이면서 공정점 온도 이상인 침탄 온도에서, 그 한계 침탄 조건에 반하지 않도록 설정한 침탄 조건하에서 가스 침탄하는 공정을 포함하고, 그 한계 침탄 조건은 그 샘플 표층이 용해되지 않고 오스테나이트화하는 침탄 분위기에서의 침탄 가스 분압의 상한치를 포함한다는 점에 있다.

즉, 처리 대상물을 가급적 고온으로 가열하는 것으로 오스테나이트화한 상태로 가스 침탄을 행함으로써 침탄 시간의 단축을 도모할 수 있다. 침탄 분위기에서의 침탄 가스 농도를 높게 하는 것으로 처리 대상물의 경화층이 얕아지는 것을 방지하는 동시에 단시간에 충분한 두께의 경화층을 얻을 수 있다.

처리 대상물은 도 1에 도시하는 철과 탄소의 평형 상태도에서의 GS 선 및 ES 선보다 위의 온도로 가열되면 오스테나이트화한다. 만약 처리 대상물 표층에서의 탄소 농도가 JE 선을 넘으면 그 표층에서 용해를 시작한다. 본 발명의 발명자는 침탄 온도나 침탄 시간 등의 침탄 조건에 대하여 처리 대상물의 표층이 용해되지 않는 침탄 가스 분압의 상한치가 존재하는 것, 또한 그 상한치는 침탄 온도가 높아짐과 더불어 저하되는 것, 또한 침탄 시간이 짧을 수록 높아지는 것을 각각 발견했다. 본 발명에 의한 가스 침탄 방법에서의 침탄 온도 범위는 포정점 온도(1494℃) 이하이면서 공정점 온도(1147℃) 이상이므로 침탄 시간을 대폭 단축할 수 있다. 더구나, 침탄 가스 분압을 미리 구한 상한치 이하로 설정함으로써 처리 대상물 표층에서의 용해가 생기는 일없이 고온에서의 침탄을 행할 수 있다. 이로 인해 에너지 소비량을 대폭 삭감하여 에너지 절약화를 도모할 수 있다. 또한, 가스 침탄 공정을 다른 공정, 예컨대 기계 가공 공정이나 다른 열처리 공정과 연속하여 행하는 것도 가능해진다.

상기 한계 침탄 조건은 상기 샘플의 표층이 용해되지 않고 오스테나이트화되는 침탄 온도의 상한치와 침탄 시간의 상한치를 포함하며, 상기 침탄 가스 분압의 상한치와 침탄 온도의 상한치와 침탄 시간의 상한치 사이의 관계를 미리 구하고, 그 처리 대상물의 침탄 조건으로서 상기 구한 관계를 충족시키는 한계 침탄 조건에 반하는 일이 없도록 침탄 가스 분압, 침탄 온도 및 침탄 시간을 설정하는 것이 바람직하다. 상기 한계 침탄 조건으로서의 침탄 가스 분압의 상한치, 침탄 온도의 상한치 및 침탄 시간의 상한치는 상호 관련되어 침탄 가스 분압, 침탄 온도, 침탄 시간 중 2개를 일정하게 함으로써 남는 하나의 상한치를 구할 수 있다. 이로 인해 처리 대상물의 표층이 용해되지 않는 범위에서 가급적으로 고속인 침탄 조건을 설정하는 것을 용이하게 할 수 있다.

본 발명의 가스 침탄 방법의 또 다른 특징은 강제 처리 대상물의 가스 침탄을 행함에 있어서 침탄 온도를 δ철과 액상에서 γ철로 변태하는 포정점 온도(도 1의 경우는 J 점 온도로서 1494℃) 이하이면서, 액상에서 γ철과 시멘타이트로 변태하는 공정점 온도(도 1의 경우는 C 점 온도로서 1147℃) 이상으로 설정하고, 처리 대상물의 표면 탄소 농도의 목표치를 그 설정 침탄 온도에서 처리 대상물의 표면이 용해되지 않는 값 이하로 설정하고, 침탄 분위기에서의 침탄 가스 분압을 미리 설정한 시간의 가스 침탄에 의해서 처리 대상물의 표면 탄소 농도가 설정 목표치에 달할 수 있는 값으로 설정한다는 점에 있다.

본 발명은 침탄 온도를 포정점 온도 이하이면서 공정점 온도 이상으로 설정하고, 강제 처리 대상물의 표면 탄소 농도의 목표치를 설정 침탄 온도에서 처리 대상물의 표면이 용해되지 않는 값 이하로 설정한 경우, 침탄 분위기에서의 침탄 가스 분압을 적당한 값으로 설정하면 처리 대상물의 표면 탄소 농도가 가스 침탄에 의해 설정 목표치에 달하는 동시에 충분한 침탄 깊이를 얻을 수 있는 것을 발견한 것에 기초한다. 고온에서 침탄을 행함으로서 침탄 중의 탄소 원자 이동이 종래보다도 빨라지므로 종래에는 도달하는 데 수 시간이 필요했던 경화층 깊이까지 단시간에 도달하는 것이 가능해 지고, 더구나 표면 탄소 농도가 지나치게 높아지는 일이 없다.

이에 따라 침탄 온도를 높게 함으로써 침탄 시간을 대폭 단축할 수 있다. 더구나, 처리 대상물 표층에서의 탄소 농도가 설정 목표치를 넘는 일은 없기 때문에 탄소의 확산 처리 공정이 불필요하게 된다. 이에 따라 생산성을 향상할 수 있 다. 또한, 가스 침탄 처리 공정을 다른 열처리 공정과 연속하여 행하는 것도 가능해 진다. 따라서, 상기 가스 침탄을 행한 후에 확산처리를 하지 않고 처리 대상물을 냉각하는 것이 바람직하다. 상기 냉각후에 처리 대상물을 재가열하는 것이 바람직하다. 이 재가열은 예컨대 고주파 가열에 의해 행한다. 상기 재가열된 처리 대상물의 담금질 처리를 하는 것이 바람직하다. 그 담금질 처리를 위한 냉각은 예컨대 유냉이나 가스 냉각에 의해 행한다. 상기 침탄 온도를 1200℃ 이상으로 설정하는 것이 침탄 시간을 단축하는 데에 있어서 바람직하다.

이 경우, 가스 침탄 방법을 행함에 앞서, δ철과 액상에서 γ철로 변태하는 포정점 온도 이하이면서, 액상에서 γ철과 시멘타이트로 변태하는 공정점 온도 이상의 침탄 온도에서 침탄 분위기 중 강제 처리 대상물 샘플의 표층이 용해되지 않고 오스테나이트화되는 한계 침탄 조건을 미리 구하는 것이 바람직하다. 그 한계 침탄 조건에 상기 샘플의 표층이 용해되지 않고 오스테나이트화되는 침탄 분위기에서의 침탄 가스 분압의 상한치를 포함하도록 한다. 처리 대상물은 도 1에 도시하는 철과 탄소의 평형 상태도에서의 GS 선 및 ES 선보다 높은 온도로 가열되면 오스테나이트화한다. 만약 처리 대상물 표층에서의 탄소 농도가 JE 선을 넘으면 그 표층에서 용해를 시작한다. 침탄 온도, 침탄 시간 등의 침탄 조건에 대하여 처리 대상물의 표층이 용해되지 않는 침탄 가스 분압의 상한치가 존재한다. 미리 침탄 가스 분압의 상한치를 포함하는 한계 침탄 조건을 구해 둠으로써 침탄 가스 분압과 침탄 시간의 설정이 용이해 진다.

본 발명에서는 침탄 분위기의 전체 압력은 상앞(常壓)이라도 좋으며, 상압에 서 감압되어도 좋고 가압되어도 좋다. 침탄 분위기를 전부 침탄 가스로해도 좋고, 침탄 가스와 희석 가스의 혼합 가스를 침탄 분위기로해도 좋다. 희석 가스를 이용할 경우, 질소 가스나 아르곤 가스와 같은 불활성 가스로 희석하는 것이 바람직하다. 본 발명의 가스 침탄 방법이 적용되는 처리 대상물의 강의 종류는 특별히 한정되지 않으며 그 포정점 온도 이하이면서 공정점 온도 이상의 온도하에서 오스테나이트화되는 강이면 되고, 탄소강 뿐만 아니라 합금강에도 적용할 수 있다.

본 발명에서는 처리 대상물과 상기 샘플의 가열은 상기 표층을 고속 가열할 수 있는 수단에 의해 행하는 것이 바람직하다. 예컨대 유도 가열이나 레이저 가열에 의해 행하는 것이 바람직하다. 이에 따라 침탄 대상물의 가열 효율을 향상할 수 있다. 또한, 침탄 처리가 심플하게 되기 때문에 품질 관리가 용이해 진다. 즉, 품질에 영향을 주는 요소가 적기 때문에 처리 대상물의 얼룩, 왜곡, 깨어짐 등의 품질 문제가 발생하더라도 원인 구명이 용이하다. 또한, 침탄 처리 공간을 덮는 벽을 콜드월(cold wall)로 할 수 있으며, 또한 배출 가스 연소 장치가 불필요해 지므로 작업 환경을 손상하는 일이 없으며 초기 투자를 적게 할 수 있다. 또한, 단품 소량 생산에 대응할 수 있어 생산 라인에 도입하기 쉬우며, 예를 들면 한 개씩 방출하는 인라인 처리도 가능하다. 단열벽을 설치한 종래의 침탄 처리로가 필요 없기 때문에 로의 승온이나 시즈닝(seasoning)이 불필요해져 비용을 삭감할 수 있다.

본 발명에서는 일정 분압의 침탄 가스를 포함하는 침탄 분위기를 유동시키면서 상기 가스 침탄을 행하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 침탄 가스 분압을 일정 하게 유지할 수 있는 동시에 처리 대상물의 품질 균일화를 도모할 수 있다.

본 발명의 가스 침탄 방법에 따르면 생산성을 대폭 향상할 수 있다.

도 1은 철과 탄소의 평형 상태도.

도 2는 본 발명의 실시 형태의 가스 침탄용 장치에 의해 처리 대상물의 샘플을 가열하는 상태를 도시한 도면.

도 3은 다른 침탄 온도, 침탄 시간에 대한 침탄 가스 분압의 상한치 관계의 일례를 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 실시 형태의 가스 침탄용 장치에 의해 처리 대상물을 가열하는 상태를 도시한 도면.

도 5는 침탄 온도 1573K에서 처리 대상물의 표면이 용해를 시작하기까지의 침탄 처리 시간과 침탄 가스 분압과 표면 탄소 농도와의 관계를 도시한 도면.

도 6은 침탄 온도 1623K에서 처리 대상물의 표면이 용해를 시작하기까지의 침탄 처리 시간과 침탄 가스 분압과 표면 탄소 농도와의 관계를 도시한 도면.

도 7은 본 발명의 실시예에서 침탄 온도 1250℃, 침탄 시간 1분으로 침탄된 처리 대상물 표면으로부터의 거리와 경도의 관계를 도시한 도면.

도 8은 본 발명의 실시예에서 침탄 온도 1300℃, 침탄 시간 1분으로 침탄된 처리 대상물 표면으로부터의 거리와 경도의 관계를 도시한 도면.

도 9는 본 발명의 실시예에서 침탄 온도 1250℃, 침탄 시간 10분으로 침탄된 처리 대상물 표면으로부터의 거리와 경도의 관계를 도시한 도면.

도 10은 본 발명의 실시예에서 침탄 온도 1300℃, 침탄 시간 10분으로 침탄된 처리 대상물 표면으로부터의 거리와 경도의 관계를 도시한 도면.

도 11은 가스 침탄된 처리 대상물의 표층에서의 담금질 전의 금속 조직을 도시한 도면 대용 현미경 사진.

도 12는 가스 침탄된 처리 대상물의 표층에서의 담금질 후의 금속 조직을 도시한 도면 대용 현미경 사진.

도 13은 본 발명의 실시예에 의해 얻어진 처리 대상물 표면으로부터의 거리와 탄소 농도의 관계를 도시한 도면.

도 14는 종래의 침탄 방법에 의한 처리 대상물에서의 침탄 시간과 확산 시간과 탄소 농도의 관계 일례를 도시한 도면.

도 2에 도시하는 본 발명의 실시 형태의 가스 침탄용 장치는 진공 용기(1)와 가열 장치(2)와 상기 진공 용기(1) 내를 감압하기 위한 진공 펌프(3)와, 상기 진공 용기(1) 내에 침탄 분위기용 가스를 공급하는 가스원(4)을 구비한다. 상기 가열 장치(2)는 본 실시 형태에서는 전원(7)에 접속된 코일(2a)에 의해 진공 용기(1) 내에서 유도 가열을 행한다. 상기 전원(7)으로부터 코일(2a)로의 출력은 가변된다.

우선, 강제 처리 대상물 샘플(5')의 가스 침탄을 행하기 위해서 가열 장치(2)에 셋팅된 샘플(5')의 표층에 온도 검출용 센서로서 열전쌍(6)을 용접한다. 그러한 후에 진공 용기(1) 내의 공기를 진공 펌프(3)에 의해 배기함으로써 진공 용기(1) 내를 감압한다. 이 시점에서 진공 용기(1)의 내압을 27㎩ 정도 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 온도의 검출 수단은 열전쌍에 한정되지 않는다.

상기 감압후에 진공 용기(1) 내로 가스원(4)으로부터 침탄 분위기용 가스를 도입한다. 이에 따라 진공 용기(1) 내를 침탄 분위기로 충만시키고 그 침탄 분위기의 전체 압력을 상승시킨다. 예컨대 진공 용기(1) 내의 침탄 분위기를 80㎪ 정도까지 승압한다. 상기 침탄 분위기는 침탄 가스와 희석 가스로 구성되다. 상기 침탄 가스나 희석 가스의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 본 실시 형태의 침탄 가스는 메탄 가스이며 희석 가스는 질소 가스이다. 침탄 가스로서 탄화 수소계 가스를 이용함으로써 무산화 침탄을 실현할 수 있다. 침탄 가스는 탄화 수소계 가스로 한정되지 않는다. 침탄 분위기는 침탄 가스만으로 구성해도 된다.

진공 용기(1) 내의 침탄 분위기 전체 압력을 일정하게 유지하기 위해서 진공 용기(1) 내로 가스원(4)으로부터 침탄 분위기용 가스를 일정 유량으로 공급함과 동시에 진공 펌프(3)에 의해 침탄 분위기용 가스를 일정 유량으로 배기한다. 이로 인해 진공 용기(1) 내에서 침탄 분위기용 가스가 예컨데 0.5 L/min의 일정 유량으로 흘러 침탄 분위기의 전체 압력이 예컨대 80㎪ 정도로 유지된다. 즉, 진공 용기(1) 내에서 일정 분압의 침탄 가스를 포함하는 침탄 분위기가 유동한다. 그 침탄 가스의 분압은 진공 용기(1) 내의 침탄 분위기 전체 압력에 침탄 가스의 몰 분률 또는 용적%를 곱한 값이 된다. 따라서, 진공 용기(1) 내의 침탄 분위기의 전체 압력을 변경 또는 침탄 가스와 희석 가스의 유량비를 변경함으로써 침탄 가스 분압의 설정치를 조정할 수 있다.

다음에, 가열 장치(2)에 의해 샘플(5')을 설정된 침탄 온도까지 가열한다. 상기 침탄 온도는 δ철과 액상에서 γ철로 변태하는 포정점 온도 이하이면서, 액상에서 γ철과 시멘타이트로 변태하는 공정점 온도 이상으로 설정한다. 상기 침탄 온도의 설정치는 가열 장치(2)의 코일(2a)로의 출력을 변경하는 것으로 조정할 수 있다.

상기 설정된 침탄 가스 분압 및 설정된 침탄 온도하에서 샘플(5')을 설정된 침탄 시간만큼 유지하는 것으로 가스 침탄을 행했을 때, 상기 샘플(5')의 표층이 용해되는가 아닌가를 확인한다.

상기 침탄시에 샘플(5')의 표층이 용해되어 있지 않으면 침탄 가스 분압의 설정치를 증대시켜 샘플(5')의 침탄을 행한다. 샘플(5') 표층이 용해되어 있으면 침탄 가스 분압의 설정치를 감소시켜 샘플(5')의 침탄을 행한다. 이 공정을 반복함으로써 샘플(5') 표층이 용해되지 않고 오스테나이트화되는 한계 침탄 조건으로서 침탄 가스 분압의 상한치를 미리 구한다.

이상은 침탄 온도와 침탄 시간을 일정하게 하여 침탄 가스 분압의 상한치를 결정하는 방법에 관해서 서술했는데 이것에 한정하지 않으며 본 발명의 사상으로부터 일탈하지 않고 적절히 변경을 가한 것이라도 좋다. 즉, 침탄 가스의 분압과 침탄 온도를 일정하게 하여 침탄 시간의 상한치를 구해도 되고, 침탄 가스의 분압과 침탄 시간을 일정하게 하여 침탄 온도의 상한치를 구해도 된다.

도 3은 이상과 같이 하여 미리 구한 침탄 가스 분압의 상한치, 침탄 온도의 상한치 및 침탄 시간의 상한치와의 관계 일례를 도시한다. 또한, 도 3에서의 종축은 본 실시 형태에서는 침탄 가스 분압에 대응하는 탄소 분위기 중 메탄 농도(용적%)로 했는데 침탄 가스 분압을 나타내는 것이면 된다. 예컨대, 희석 가스를 사용하지 않는 경우 침탄 가스 분압은 침탄 분위기의 전체 압력과 같으며 메탄 유량을 침탄 가스 분압을 나타내는 것으로서 이용할 수 있다. 같은 방법에 의해 도 3에 도시되어 있는 1 min, 3 min, 30 min의 선 뿐만 아니라 이들 중간 임의의 직선 또는 곡선을 구할 수 있다. 이 도 3에 있어서 침탄 분위기에서의 침탄 가스 분압의 상한치는 침탄 온도가 높아지는 만큼 저하하고 침탄 시간이 짧아지는 만큼 높아진다. 또한, 도 3에 도시하는 관계는 어디까지나 일례이며, 그 관계는 예컨데 가열 장치(2)의 구성 부재의 배치, 가열 장치(2)에서의 샘플(5')의 재질, 배치, 가열 장치(2)의 종류, 침탄 가스의 종류나 유량 등이 다르면 달라진다.

그러한 후에 상기 가스 침탄용 장치를 이용하여 상기 미리 구한 관계를 충족하는 한계 침탄 조건에 반하지 않도록 설정한 침탄 조건하에서 강제 처리 대상물(5)의 가스 침탄을 행한다. 이 처리 대상물(5)의 침탄은 샘플(5')의 침탄과 마찬가지로 행할 수 있다.

즉, 도 4에 도시한 바와 같이 처리 대상물(5)을 가열 장치(2)에 셋팅하고 진공 용기(1) 내의 공기를 진공 펌프(3)에 의해 배기하여 진공 용기(1) 내에 가스원(4)으로부터 침탄 분위기용 가스를 도입하여 설정 압력까지 침탄 분위기를 승압하고 진공 용기(1) 내에 가스원(4)으로부터 침탄 분위기용 가스를 일정 유량으로 공급함과 동시에 진공 펌프(3)에 의해 침탄 분위기용 가스를 일정 유량으로 배기한다. 이로 인해 진공 용기(1) 내의 침탄 분위기에서의 침탄 가스 분압을 한계 침탄 조건으로서 미리 구한 상한치 이하로 설정한다. 다음에, 가열 장치(2)에 의 해 처리 대상물(5)을 침탄 온도까지 가열한다. 상기 침탄 온도는 상기 포정점 온도 이하이면서 공정점 온도 이상의 침탄 온도로 설정한다. 또, 처리 대상물(5)의 가열시는 샘플(5')의 가열시와 마찬가지로 가열 장치(2)를 제어함으로써 샘플(5')의 가열시의 침탄 온도를 재현할 수 있기 때문에 열전쌍(6)을 처리 대상물(5)에 용접할 필요는 없다. 그 설정된 침탄 가스 분압 및 설정된 침탄 온도하에서 처리 대상물(5)을 설정된 침탄 시간만큼 유지하는 것으로 가스 침탄을 행한다.

예컨대, 그 강제 처리 대상물(5)의 가스 침탄을 행할 때 침탄 온도를 δ철과 액상에서 γ철로 변태하는 포정점 온도 이하이면서, 액상에서 γ철과 시멘타이트로 변태하는 공정점 온도 이상으로 설정한다. 또한, 처리 대상물(5)의 표면 탄소 농도의 목표치를 그 설정 침탄 온도에서 처리 대상물(5)의 표면이 용해되지 않는 값 이하로 설정한다. 그리고, 침탄 분위기에서의 침탄 가스 분압을 미리 설정한 시간의 가스 침탄에 의해 처리 대상물의 표면 탄소 농도가 설정 목표치에 달할 수 있는 값으로 설정한다. 상기 침탄 시간에 대한 침탄 가스 분압의 설정치는 미리 실험에 의해 구하면 된다. 그 침탄 시간과 침탄 가스 분압의 설정치는 그 설정 온도에 대응하는 상기한 상한치보다도 작아지기 때문에 상기한 상한치를 미리 구해 둠으로써 침탄 시간과 침탄 가스 분압의 설정이 용이해 진다.

예컨대, 침탄 온도가 1573K에서는 처리 대상물(5) 표면이 탄소 농도가 1.15 중량% 정도에서 용해를 개시하므로, 도 3에 도시하는 관계보다 침탄 온도 1573K에서 처리 대상물(5)의 표면이 용해를 시작하기까지의 침탄 처리 시간과 침탄 가스 분압과 표면 탄소 농도와의 관계는 도 5에 도시하는 것이 된다. 이 도 5로부터 침 탄 온도를 1573K, 처리 대상물(5)의 표면 탄소 농도의 목표치를 용해되지 않는 1.15 중량% 미만으로 설정한 경우, 침탄 시간이 1분이면 탄소 분위기중 메탄 농도를 10 용적% 미만으로 하고, 침탄 시간이 10분이면 탄소 분위기중 메탄 농도를 3 용적% 미만으로 설정하면 되는 것을 알 수 있다. 또한, 예컨대 침탄 온도가 1623K에서는 처리 대상물(5)의 표면이 탄소 농도가 0.9 중량% 정도에서 용해를 개시하므로, 도 3에 도시하는 관계보다 침탄 온도 1623K에서 처리 대상물(5)의 표면이 용해를 시작하기까지의 침탄 처리 시간과 침탄 가스 분압과 표면 탄소 농도와의 관계는 도 6에 도시하는 것이 된다. 이 도 6으로 부터 침탄 온도를 1623K, 처리 대상물(5)의 표면 탄소 농도의 목표치를 용해되지 않는 0.9 중량% 미만으로 설정한 경우, 침탄 시간이 1분이면 탄소 분위기중 메탄 농도를 1.8 용적% 미만으로 하고, 침탄 시간이 10분이면 탄소 분위기중 메탄 농도를 0.8 용적% 미만으로 설정하면 되는 것을 알 수 있다.

상기 설정된 침탄 가스 분압 및 설정된 침탄 온도하에서 처리 대상물(5)을 설정된 침탄 시간만큼 유지하는 것으로 가스 침탄을 행한다. 설정한 침탄 시간이 경과하면 침탄 가스의 공급을 정지하거나 가열 장치(2)에 의한 가열을 해제하는 것으로 침탄을 정지한다.

본 발명의 가스 침탄 방법에 따르면 침탄 온도 범위는 포정점 온도 이하이면서 공정점 온도 이상이므로 침탄 시간을 대폭 단축할 수 있다. 더구나, 침탄 가스 분압을 미리 구한 상한치 이하로 설정함으로써 처리 대상물(5) 표층에서의 용해가 생기는 일없이 고온에서의 침탄을 행할 수 있다. 예컨대 γ철중 탄소 원자의 확산 계수는 1000℃ 에서는 3.59×10^-5 ㎡/sec 인 데 대하여, 1300℃ 에서는 10배 이상인 43×10^-5 ㎡/sec가 된다. 즉, 탄소 원자의 이동 속도는 1300℃일 때는 1000℃에서 보다도 10배 이상 빨라진다. 따라서, 원하는 침탄 깊이를 얻는 데 소요하는 시간을 대폭 단축할 수 있으며 통상의 침탄 깊이라면 1분∼10분 정도의 침탄 시간으로 얻을 수 있다. 더구나, 처리 대상물(5) 표층에서의 탄소 농도가 설정 목표치를 넘는 일은 없기 때문에 탄소의 확산 처리 공정이 불필요해 진다. 이에 따라, 침탄 처리 시간을 대폭 단축하여 생산성을 향상할 수 있다. 또한, 가스 침탄 처리 공정을 다른 열처리 공정과 연속하여 행하는 것도 가능해 진다. 그 침탄 온도는 1200℃ 이상으로 설정하는 것이 침탄 시간을 단축하는 데에 있어서 바람직하며, 1300℃ 이상으로 설정해도 된다. 또한, 진공 용기(1) 내에서 일정 분압의 침탄 가스를 포함하는 침탄 분위기를 유동시키면서 가스 침탄을 행하기 때문에 침탄 가스 분압을 일정하게 유지할 수 있는 동시에 처리 대상물(5) 품질의 균일화를 도모할 수 있다. 또한, 본 발명으로 실시한 침탄 처리에서는 매연의 발생은 전혀 없었으며, 이 점에서도 종래의 진공 침탄에 비교해서 매우 바람직한 결과를 얻었다.

상기 가스 침탄을 행한 후에 확산 처리를 하지 않고 처리 대상물(5)을 냉각한다. 그 냉각 방법은 특별히 한정되지 않으며 자연 냉각이든 여러 종류의 강제(强制) 냉각이든 좋다. 또한, 가스 침탄된 처리 대상물(5)을 냉각후에 재가열하여 급냉함으로써 담금질하는 것이 바람직하다. 1차 냉각을 급냉하는 것으로 하고, 2차 담금질을 해도 좋다. 그 담금질을 하는 분위기는 중성의 보호 분위기, 즉 피처 리재가 그 온도에서 침탄도 탈탄도 되지 않는 분위기가 바람직하지만, 다른 불활성 가스 등의 분위기라도 좋다. 담금질을 위한 재가열 온도는 처리 대상물(5)의 적어도 표층이 도 1에 도시하는 평형 상태도에서의 GS 선 혹은 ES 선을 넘어서 오스테나이트화하는 온도 이상으로 한다.

실시예 1

상기 본 발명의 실시 형태의 가스 침탄 방법에 의해 한계 침탄 조건을 미리 구하고 그 한계 침탄 조건에 반하지 않도록 설정한 침탄 조건하에서 가스 침탄을 행했다. 처리 대상물(5)은 니켈ㆍ크롬ㆍ몰리브덴 강(일본 공업 규격 SNCM420)제로 직경 10㎜, 길이 52㎜의 원주 형태를 갖는 것으로 했다. 본 실시예에서는 침탄된 처리 대상물(5)을 진공 용기(1) 내에서 자연 냉각하여 담금질하고 연마하여 입자 지름 3㎛의 다이아몬드 페이스트에 의한 마무리 가공을 한 후 경도의 측정과 조직 관찰을 행했다. 침탄전에는 진공 용기(1) 내의 퍼지를 행했다. 침탄 가스는 메탄 가스이며 희석 가스는 질소 가스이다. 침탄 중에는 진공 용기(1) 내에 침탄 분위기용 가스를 0.5 L/min 일정 유량으로 흐르게 했다. 담금질은 질소 가스 분위기를 흐르게 하고 있는 860℃의 석영 튜브 로(爐)내에서 처리 대상물(5)을 10분간 유지한 후에 유냉하는 것으로 행했다. 또한, 담금질에 이용하는 것은 고주파 가열을 포함하여 다른 형식의 로(爐)이더라도 지장이 없는 것은 물론이다.

도 7은 침탄 온도 1250℃, 침탄 시간 1분, 침탄 가스인 메탄 분압에 대응하는 농도가 40 용적%의 침탄 조건하에서 가스 침탄된 처리 대상물(5) 표면으로부터의 거리(㎜)와 경도(Hv)의 관계를 나타낸다. 이 경우, 처리 대상물(5)의 표면 탄 소 농도의 목표치는 1.4 중량%로 했다.

도 8은 침탄 온도 1300℃, 침탄 시간 1분, 침탄 가스인 메탄 농도가 10 용적%인 침탄 조건하에서 가스 침탄된 처리 대상물 표면으로부터의 거리(㎜)와 경도(Hv)의 관계를 도시한다. 이 경우, 처리 대상물(5)의 표면 탄소 농도의 목표치는 1.15 중량%로 했다.

도 9는 침탄 온도 1250℃, 침탄 시간 10분, 침탄 가스인 메탄 분압에 대응하는 농도가 10 용적%인 침탄 조건하에서 가스 침탄된 처리 대상물(5) 표면으로부터의 거리(㎜)와 경도(Hv)의 관계를 나타낸다. 이 경우, 처리 대상물(5)의 표면 탄소 농도의 목표치는 1.4 중량%로 했다.

도 10은 침탄 온도 1300℃, 침탄 시간 10분, 침탄 가스인 메탄 농도가 3 용적%인 침탄 조건하에서 가스 침탄된 처리 대상물 표면으로부터의 거리(㎜)와 경도(Hv)의 관계를 나타낸다. 이 경우, 처리 대상물(5)의 표면 탄소 농도의 목표치는 1.15 중량%로 했다.

도 7 내지 도 10에 의하면 침탄 시간이 1분∼10분으로 충분한 유효 침탄깊이의 침탄층을 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있다. 또, 침탄 가스인 메탄의 분압은 침탄 분위기의 전체 압력에 메탄 농도를 곱한 값이 된다. 도 7 내지 도 10에 도시한 예에서는 침탄 분위기의 전체 압력은 80㎪ 정도로 했다.

본 발명에 의해 침탄 온도 l300℃, 침탄 시간 1분으로 가스 침탄된 처리 대상물(5) 표층의 담금질 전의 금속 조직을 도 11에 도시하고, 담금질 후의 금속 조직을 도 12에 도시한다. 담금질 전에 존재한 조대(粗大) 조직은 담금질 후에 존재 하지 않게 되며 담금질로 인해 조대 조직이 미세화하는 것을 확인할 수 있다.

실시예 2

상기 본 발명의 실시 형태의 가스 침탄 방법에 의해 설정한 침탄 조건하에서 가스 침탄을 행했다. 처리 대상물(5)은 상기 실시 형태와 마찬가지의 니켈ㆍ크롬ㆍ몰리브덴 강(일본 공업 규격 SNCM420)제로 직경 10㎜, 길이 52㎜의 원주 형태를 갖는다. 상기 처리 대상물(5)을 확산 처리 공정을 거치지 않고 진공 용기(1) 내에서 자연 냉각하여 담금질하고 연마하여, 입자 지름 3㎛의 다이아몬드 페이스트에 의한 마무리 가공을 했다. 침탄전에는 진공 용기(1) 내의 퍼지를 행했다. 침탄 가스는 메탄 가스이며 희석 가스는 질소 가스이다. 담금질은 질소 가스 분위기를 흐르게 하고 있는 860℃의 석영 튜브 로내에서 처리 대상물(5)을 10분간 유지한 후에 유냉함으로써 행했다. 또, 담금질에 이용하는 것은 고주파 가열을 포함하여 다른 형식의 로이더라도 지장이 없는 것은 물론이다. 침탄 온도는 1300℃, 침탄 시간은 1분, 침탄 분위기에서의 침탄 가스인 메탄 분압에 대응하는 농도는 10 용적%, 처리 대상물(5)의 표면 탄소 농도의 목표치는 0.74 중량%, 침탄 분위기의 전체 압력은 80㎪, 침탄중에는 진공 용기(1) 내에 침탄 분위기용 가스를 0.5 L/min의 일정 유량으로 흐르게 했다. 도 13은 본 실시예에 의해 얻어진 처리 대상물(5) 표면으로부터의 거리(㎜)와 탄소 농도(중량%)의 관계를 나타낸다. 탄소 농도가 모재의 0.2 중량%보다 높아지는 깊이, 즉 전체 침탄 깊이가 본 실시예에서는 0.9㎜로 되어 확산 처리 공정을 필요로 하지 않고도 충분한 유효 침탄 깊이를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 8로부터 얻어지는 전체 침탄 깊이의 결과와 잘 일치하 는 결과를 얻었다

상기 각 실시예에 따르면 확산 처리 공정을 거치지 않고 처리 대상물(5)의 표면 탄소 농도를 목표치로 할 수 있으며, 또한 충분한 침탄 깊이를 얻을 수 있다. 이에 대하여 도 14는 종래의 침탄 방법에 의한 처리 대상물의 침탄 시간과 표면 탄소 농도와의 관계 일례를 나타내고, 그 탄소 농도가 침탄 처리 공정만으로는 목표치를 넘기 때문에 그 후의 확산 처리 공정을 필요로 하는 것이 나타나고 있다.

본 발명에 의하면 침탄 온도를 높게 함으로써 침탄 시간을 대폭 단축할 수 있으며, 더구나, 처리 대상물(5) 표층에서의 탄소 농도가 설정 목표치를 넘는 일은 없기 때문에 탄소의 확산 처리 공정이 불필요해져 생산성을 향상할 수 있다.

본 발명은 상기 실시 형태나 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 범위 내에서 여러 가지의 변경이 가능하다.

Claims

δ철과 액상에서 γ철로 변태하는 포정점 온도 이하이면서, 액상에서 γ철과 시멘타이트로 변태하는 공정점 온도 이상의 침탄 온도에서 침탄 분위기중 강제 처리 대상물 샘플의 표층이 용해되지 않고 오스테나이트화되는 한계 침탄 조건을 미리 구하는 공정과,

상기 처리 대상물을 상기 포정점 온도 이하이면서 공정점 온도 이상인 침탄 온도에서 그 한계 침탄 조건에 반하지 않도록 설정한 침탄 조건하에서 가스 침탄하는 공정을 포함하고,

상기 한계 침탄 조건은 상기 샘플의 표층이 용해되지 않고 오스테나이트화되는 침탄 분위기에서의 침탄 가스 분압의 상한치를 포함하는 것인 가스 침탄 방법.
제1항에 있어서, 상기 한계 침탄 조건은 상기 샘플의 표층이 용해되지 않고 오스테나이트화되는 침탄 온도의 상한치와 침탄 시간의 상한치를 포함하며, 상기 침탄 가스 분압의 상한치와 침탄 온도의 상한치와 침탄 시간의 상한치 사이의 관계를 미리 구하여, 그 처리 대상물의 침탄 조건으로서 상기 구한 관계를 충족시키는 한계 침탄 조건에 반하지 않도록 침탄 가스 분압, 침탄 온도 및 침탄 시간을 설정하는 것인 가스 침탄 방법.
강제 처리 대상물의 가스 침탄을 행함에 있어서,

침탄 온도를 δ철과 액상에서 γ철로 변태하는 포정점 온도 이하이면서, 액상에서 γ철과 시멘타이트로 변태하는 공정점 온도 이상으로 설정하고,

처리 대상물의 표면 탄소 농도의 목표치를 그 설정 침탄 온도에서 처리 대상물의 표면이 용해되지 않는 값 이하로 설정하고,

침탄 분위기에서의 침탄 가스 분압을 미리 설정한 시간의 가스 침탄에 의해 처리 대상물의 표면 탄소 농도가 설정 목표치에 도달할 수 있는 값으로 설정한 후,

이와 같이 설정된 침탄 온도 및 침탄 가스 분압 하에서 상기 미리 설정한 시간 동안 처리 대상물을 가스 침탄하는 것인 가스 침탄 방법.
제3항에 있어서, 상기 가스 침탄을 행한 후에 확산 처리를 하지 않고 처리 대상물을 냉각하는 것인 가스 침탄 방법.
제4항에 있어서, 상기 냉각 후에 처리 대상물을 재가열하는 것인 가스 침탄 방법.
제5항에 있어서, 상기 재가열된 처리 대상물의 담금질 처리를 하는 것인 가스 침탄 방법.
제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 침탄 온도를 1200℃ 이상으로 설정하는 것인 가스 침탄 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 일정 분압의 침탄 가스를 포함하는 침탄 분위기를 유동시키면서 상기 가스 침탄을 행하는 것인 가스 침탄 방법.
제7항에 있어서, 일정 분압의 침탄 가스를 포함하는 침탄 분위기를 유동시키면서 상기 가스 침탄을 행하는 것인 가스 침탄 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

한계 침탄 조건으로서, 침탄 가스 분압의 상한치, 침탄 온도의 상한치 및 침탄 시간의 상한치를 포함하며,

침탄 가스 분압의 상한치는, 침탄 온도와 침탄 시간을 일정하게 함으로써 구하여지고,

침탄 온도의 상한치는, 침탄 가스 분압과 침탄 시간을 일정하게 함으로써 구하여지고,

침탄 시간의 상한치는, 침탄 가스 분압과 침탄 온도를 일정하게 함으로써 구하여지는 것인 가스 침탄 방법.