KR100614288B1 - 주기적 주입방식의 저압식 진공 침탄 제어방법 - Google Patents

주기적 주입방식의 저압식 진공 침탄 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 강재의 경도를 강화시키기 위한 진공 침탄방법에 관한 것으로 특히, 환경 친화적이고 경제적인 침탄을 위해 그을음을 억제하고, 균일한 침탄을 위해 침탄가스를 주기적 주입방식으로 제어하여 저압식 진공 침탄을 행하되, 마이크로 컴퓨터가 주 제어장치가 되고 제어변수(강재종류, 온도, 로내압력, 처리시간, pulse pattern, 침탄가스 유량)에 대해서 최적의 제어조건을 경험적으로 계산하여 제어하는 주기적 주입방식의 저압식 진공 침탄공정 제어방법에 관한 것이다.
따라서 본 발명은 경험칙을 이용하여 최적의 침탄을 수행함으로 환경친화적이고 경제적이며 그을음의 억제 및 균일한 침탄을 할 수 있는 유용한 발명이다.
즉, 본 발명을 이용하면 침탄시 적정한 펄스로 인하여 탄소가 과포화되지 않고, 탄화물이 형성되지 않은 상태에서 확산시간도 적정하게 조절함으로 적절한 탄소농도를 얻을 수 있다.
또한 잔류 오스테나이트도 생성되지 않는 최적의 조직을 가진 강재로 침탄이 가능하다.
그을음, 침탄, 잔류오스테나이트, 시뮬레이션, 공정제어

Description

주기적 주입방식의 저압식 진공 침탄 제어방법{The process control technology of low-pressure carburizing with pulse injection of gas}
본 발명은 강재의 경도를 강화시키기 위한 진공 침탄방법에 관한 것으로 특히, 환경친화적이고 경제적인 침탄을 위해 그을음을 억제하고, 균일한 침탄을 위해 침탄가스를 주기적 주입방식으로 제어하여 저압식 진공 침탄을 하되, 마이크로컴퓨터가 주 제어장치가 되고 제어변수(강재종류, 온도, 로내압력, 처리시간, pulse pattern, 침탄가스 유량)에 대해서 최적의 제어조건을 경험적으로 계산하여 제어하는 주기적 주입방식의 저압식 진공 침탄공정 제어방법에 관한 것이다.
우선 본 발명은 그간 사용되어 온 침탄 방법인 상압식과 진공식 중 진공식을 선택하되, 기존에 적용되는 침탄 조건을 배제하고, 많은 실험 등을 통한 경험식을 정립하여 침탄의 최적상황을 도출시키기 위한 방법이다.
그럼 종래의 침탄에 대한 일반적인 사항을 서술하고 그 문제점을 설명한다.
아래 그림은 종래 일반적인 진공 침탄 열처리 사이클의 한 예이다.
Figure 112005002518140-pat00001
일반적으로 전체적인 진공침탄 열처리공정은 가열, 침탄, 확산, 냉각을 거쳐 최종적인 열처리 제품 즉, 침탄이 완성된 각종의 강재가 얻어지게 되는데, 그 방법으로 상압식과 진공식이 사용된다.
(1) 상압식 가스 침탄 방법
먼저 일반적으로 많이 쓰이는 상압식 가스 침탄인 경우는 대기압하에서 침탄가스를 로내에 주입하는데 침탄시, 확산시 분위기(atmosphere) 제어를 용이하게 할 수 있다.
분위기 제어는 Carbon Potential (CP)를 제어 하기 위한 것이데, 상압식 가스 침탄에서는 변성가스를 주입하기 때문에 로내 분위기에서는,
2CO ↔ C + CO2
CO+H2O ↔ CO2 + H2
C + 1/2 O2 ↔ CO
즉, 위식과 같이 분위기중 가스 성분들이 평형 상태로 존재한다.
오스테나이트에 고용되는 탄소량 Cp (%)(Carbon potential)는,
CP = {ASPCO}/{K3 PO2}1/2 와 같이 된다.
따라서 CO, CO2, O2 의 평형상태에서 O2, CO를 측정하여 carbon 분위기로 환산하여 알 수 있기 때문에 쉽게 분위기 제어가 가능하다(원하는 침탄 깊이를 제어할수 있다).
그러나 상기 상압식 가스 침탄 방법을 사용하면, 그을음이 많이 생기고 침탄의 효율이 떨어지며, 침탄의 강도도 약화되는 경향이 있다.
(2) 진공식 가스 침탄 방법
진공 침탄인 경우 침탄 분위기에서의 반응은, C3H8 + 3Fe ↔ 3Fe[C] + 4H2 와 같이 비평형 상태에서 진행된다.
즉 침탄시에는 O2 가 존재하지 않고, 분위기 상태를 감지하는 센서는 개발되어 있지 않다.
따라서 진공침탄에서의 분위기제어는 침탄 시간 및 확산 시간을 조정하면서 표면에서의 탄소 농도를 조절하는 포화치 조정법에 의존해야 되므로 경험적인 운전 지식을 이용해야 한다.
하지만 실제로는 여러 가지 작업 조건에 따른 경험적인 자료는 많지 않다.
종래의 진공식 가스 침탄 방법은 여기에 가장 큰 문제가 있다.
따라서 본 발명은 이러한 이론적인 식들과 simulator/실험로 운전결과 들을 효율적으로 조합하여 진공침탄 공정을 simulation하여 공정 제어변수들을 제어하는 것이다.
좀더 이론적으로 살펴보면 앞에서 언급한데로 진공 침탄인 경우 CP(carbon potential) 분위기 제어가 어려우나 이론적인 특성을 고찰하면 진공시 950-1000℃의 온도 분위기 상태에서 프로판(propane) 가스를 주입하면 약 5분후에는 46% , 10분후에는 약 80%의 탄소(carbon)가 강재로 유입된다.
따라서 침탄가스 양를 적당히 조정하면 충분하게 Carbon 분위기는 형성되는 것이다.
다음 그림은 강재 표면에 고용되는 탄소농도 포화치 조정을 위한 선도이다.
이 그림은 특정한 침탄 온도에서 침탄 시간 및 확산 시간을 제어 하면서 침탄층을 제어 하는 것을 보여준다.
진공분위기에서 침탄에 의해 표면 탄소 농도가 포화상태(주어진 온도, 압력에서 정해지는 최대 탄소 고용 농도)까지 증대되고 확산에 의해 표면 농도가 감소되면서 안쪽으로 침투하는 탄소 전달 메카니즘이 존재한다.
Figure 112005002518140-pat00002
위 그림에서, 침탄 깊이는,
D = K
Figure 112005002518140-pat00003
전침탄 시간(침탄시간+확산시간)은,
T = Tc + Td
침탄 시간은,
Tc = T[ { C2 - C0} / {C1 - C0 } ]2
침탄/확산시간 비는,
R = Td / Tc 와 같은 간단한 식에 의해 침탄 시간을 설정 할 수 있다.
위식은 Ficks의 법칙에 근거해서 Harris가 구한 간단한 실험식이다.
위에서 K=비례상수, C1=침탄 종료시 표면 탄소량, C2=확산후 최종 표면 탄소량, C0= 소재의 탄소량 이다.
즉 진공 침탄/확산시 시간 제어는 이론적으로는 위의 포화치 조정치의 그림과 Harris 식이 이용된다.
예를 들어 계산해보면 가공재료를 SCM415로 하고 25mmA, 50mL 환봉으로 하고, 유냉으로 하고, 목표 ECD를 0.8mm, 표면 탄소농도 0.9%로 한다면, 950C에서 탄소 포화농도를 1.4% 로 보면,
(가) 침탄온도를 960C로 고정 하면,(진공로 상태 및 침탄 속도에 관련된다.)
(나) 전침탄시간: 침탄시간은 퀸칭 능력, 전경화층 깊이와 관련된다.
여기서 유효경화율 =ECD/TCD=유효경화층 깊이/전경화층 깊이 즉, 일반적인 Hot quenching 일 때 유효경화율은 75% 정도이다.
따라서 전경화층 깊이= 0.8/0.75=1.1mm; TCD = 0.727 ROOT(T) (960C 경우) = 1.1mm이다.
따라서 전침탄시간은 2.3시간이다.
(다) 침탄/확산 시간 :
침탄시간 = Tc = 2.3 [ { 0.9 - 0.18} / {1.4 - 0.18 } ]2 = 0.95시간
확산시간 = 2.3-0.95= 1.35시간
전형적인 침탄 사이클 공정 제어에는 위와 같은 침탄 시간/ 확산 시간을 이론적으로 가정할 수 있다.
하지만 본 발명과 같은, pulse식 다단계 (boost- diffusion)와 같이 복잡한 제어 모델 일때는 Harris 식은 잘 맞지 않고 많은 경험식에 의존해야 한다.
강재로 유입되는 탄소유량 밀도는 결국 침탄시 진공압력 및 침탄 가스 유량에 의해 정해진다.
침탄 시간과 피열처리 강재 표면에서의 탄소 유입량(유량밀도)의 관계는 실험적으로만 정확히 구해진다.
다음 그림은 시험 결과의 한 예이다.
이러한 자료는 직접 실험로 운전에 의해 구해질 수 밖에 없다.
이론적으로 살펴 보면 분위기가스에서 carbon potential과 피열처리재 표면과의 반응에서 탄소유입량은,
J1 = - β(Cg - Cs )로 표현된다.
여기서 J1 : 탄소전달량(g㎝-2·sec-1), Cg : 가스중의 탄소농도(g㎝ -3), Cs : 표면탄소농도(g㎝-3), β: 탄소전달계수(㎝·sec-1)이다.
또한 Fick's Law 1법칙에 의하면,
J2 = -D ( ∂C/∂x)x=0
여기서 J2 : 탄소확산량(g㎝-2·sec-1), D : 오스테나이트 중의 탄소의 확산계수(㎝2·sec-1), ∂C / ∂x )x=0 : 최표면부터 탄소농도 분포곡선의 접선(g㎝ -1)이다.
최표면에서 J1 = J2 가 된다.
위 식에서 볼 때 표면에서의 탄소 유입량은 표면에서의 확산 속도와 carbon potential과의 평형상태(균형)에 의해 결정된다.
하지만 진공 분위기에서는 비평형적으로 탄소분위기가 정해지므로 탄소유입량의 이론적 모델링에는 또한 경험적인 지식이 포함되어야한다.
Figure 112005002518140-pat00004
[그림3] 탄소유량 밀도 및 표면 탄소 관계
앞에서 기술한 바 있는 기존의 상압식 가스 침탄 프로그램(PROGRAM) 상의 이론적인 식은 매우 간단하다.
즉, Ficks'Law를 바탕으로둔 Haris식은;
D(침탄 깊이)=K(계수, 온도의 함수) ROOT{ T(전침탄시간)}
기존의 침탄 공정 기술은 단지 위식에만 의존해서 침탄/확산시간을 정하고 있는 실정이다.
그러나 진공 침탄일 경우 단순히 위식에만 의존할 수 없는 여러 실험결과가 도출되고 있다.
예를 들면 같은 침탄/확산 시간을 주었을때도 pulse 식 침탄/확산 일때 반복횟수에 따라 큰 차이를 보이고 있다.
이러한 pulse 식 침탄 특성은 Haris식으로는 파악이 안되는 것이다.
즉, 종래에는 단지 Haris식에 의존하여 침탄의 조건을 부여하기에 실질적인 침탄작업시 많는 환경적, 실질적조건(강재의 종류, 침탄을 요하는 강재의 량 및 강재에 형성된 홈 등)에 따라 이론적으로 설정된 침탄이 정확히 될 수가 없었다.
따라서 효율적이고, 정확한 진공 침탄 공정기술 확보를 위해선 여러 가지 미래지향적인 방법이 동원되는데 이에 대한 이론적 고려는 바로 실험 결과에서 경험식을 구하고 그로부터 이론적 수치적 계산과 더불어 공정 제어 변수를 제어하는 지능형 제어 시스템이 요구된다.
상기한 문제점을 제거하고자 하는 본 발명은, 강재의 경도를 강화시키기 위한 진공 침탄방법에 관한 것으로 특히, 환경친화적이고 경제적인 침탄을 위해 그을음을 억제하고, 균일한 침탄을 위해 침탄가스를 주기적 주입방식으로 제어하여 저압식 진공 침탄을 하되, 마이트로컴퓨터가 주 제어장치가 되고 제어변수(강재종류, 온도, 로내압력, 처리시간, pulse pattern, 침탄가스 유량)에 대해서 최적의 제어조건을 경험적으로 계산한 주기적 주입방식의 저압식 진공 침탄공정 제어방법을 제공하고자 한다.
따라서 본 발명은, 그 조건으로 침탄 작업시 "가열온도", "가열시간", "침탄 압력", "침탄가스 유량", "침탄시간", "확산시 압력", "확산시간", "냉각방법", 침탄되는 강재의 종류와 처리량에 따라, 탄소유입속도 및 확산 계수 모델링(펄스 형 태에 따른: pulse pattern)으로 계산된 수치를 이용하여, 탄소농도 와 경도관의 상관 관계를 비교하여 상기 "조건"들을 최적화하며, 상기의 모든 조건을 종합적으로 고려하여 침탄 조건을 만드는 주기적 주입방식의 저압식 진공 침탄 제어방법을 제공하고자 한다.
즉, 본 발명은 강재의 침탄로에서 침탄온도에 도달하면 0.1 torr에서 10~50torr 까지 침탄가스를 주입하되 로내의 압력과 유량을 동시에 조절하고, 가스를 pump/pulse 또는 pump/fan/pulse로 주입하여 분위기 침탄 압력을 1-5분까지 제어하는 침탄시간을 갖고, 적당한 시간에 1-5분간 확산 시간을 갖고, 상기 침탄과 확산의 단계를 거듭 반복하여 침투강도 및 균일 침탄이 양호해지게 하여 환경친화적이고 경제적이며 그을음의 억제 및 균일한 침탄을 위한 주기적 주입방식의 저압식 진공 침탄 제어방법을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 침탄과 확산의 단계에서, 강재의 종류와 형태에 따라 상기 침탄 확산 과정시 압력을, 그래프상 잔진동이 일어나게 pulse형태로 감압, 증압하는 주기적 주입방식의 저압식 진공 침탄 제어방법을 제공하고자 한다.
더불어 본 발명은 각 단계의 압력 조절을, 침탄/확산 반복의 원칙은 고수하되 pulse/pump 때 가급적 침탄 가스 유동을 강재의 깊이 방향 및 좌우 방향으로 3차원적으로 매우 강하게 교란되도록 동적 유동 시키는 주기적 주입방식의 저압식 진공 침탄 제어방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 종래의 침탄방법에 많은 실험과 씨뮬레이션의 결과를 토대로한 경험치를 이용하고, 그 경험치를 컴퓨터를 통해 수집하고 제어하여 다양한 침탄환경에 따라 각기 다른 침탄조건을 부여 함으로써 침탄의 완숙도를 제고하고 자 하는 발명이라는 점에서 종래의 그것과는 확연히 다른 곤란성을 가지고 있기에 하기 본 발명을 상세히 설명한다.
즉, 본 발명은 아래에 소개될 다음의 단계들을 통하여 환경친화적이고 경제적이며 그을음의 억제 및 균일한 침탄을 위한 주기적 주입방식의 저압식 진공 침탄 제어방법에 관한 것이다.
우선 제 1단계는 강재의 침탄로에서 침탄온도에 도달하면 0.1 torr에서 10~50torr 까지 침탄가스를 주입하되, 로내의 압력과 유량을 동시에 조절을 하는 단계로서, 즉, 하기 "발명기술의 세부사항"에서 보이는 [그래프 1]에서 처럼, 침탄로 내부가 침탄을 위한 적당한 온도인 950~1000℃가 되면, 침탄가스를 주입하되 0.1 torr에서 10~50torr 까지 침탄가스를 주입하는 것이다.
이때 상기 0.1 torr는 확산시의 압력이고, 10~50torr는 침탄시의 압력이다.
물론 그 가스의 주입은 pump/pulse 또는 pump/fan/pulse로 주입하여 로내 압력을 높이고 줄이는 pulse방식으로 조절하여, 분위기 침탄 압력을 1-5분까지 제어하는 침탄 시간을 갖는 것이 중요하다.
제 2단계로는 적당한 시간에 프로판 가스의 주입이 차단되지 못하면 강재 표면에 그을음 및 과잉 침탄이 되기 때문에, 바로 확산 시간을 두어 1-5분간 확산시간을 갖는 단계를 수행한다.
즉, 만일 침탄시 계속적인 가스의 주입이 있다면, 가스는 침탄하지 못하고 그을음이나 과잉 침탄이 되어 강재를 못 쓰게 되는 경우가 발생된다.
따라서 적당한 시간(실험상 1-5분)에 프로판 가스의 주입을 차단하여 그을음이나 과잉침탄을 막는다.
즉, 하기 [그래프 1]에서 보이듯 마치 침탄시 압력(10-50torr)를 1-5분까지 유지하고, 다시 확산시 압력을 0.1 torr까지 떨어 트린후 1-5분까지 유지 시켜 확산을 진행하는 것이다.
그런데 그 가스의 주입은 pump/pulse 또는 pump/fan/pulse로 주입하여 압력이 [그래프 1] 처럼 진동이 발생될 수 있도록 pulse방식으로 분위기를 조절하는 것이다.
그렇지만 본 발명에서는 침탄과 확산의 단계를 한번만 시행하는 것은 아니다.
도시된 하기 [그래프 1]에서 처럼, 여러번의 침탄과 확산의 단계를 취한다.
이 시행의 반복횟수는 사실상 각각의 강재의 종류나 강재의 형태 및 강재의 표면이나 내부에 형성된 홈과 돌출부의 형태에 따라 아주 다양하게 실시되어야 최적의 효과를 가져 올수 있으며, 이러한 정확한 수치는 실험을 통해서만 얻어 질 수 있다.
본 발명은 이렇게 침탄과 확산이 반복되는 과정을 제3단계라 칭한다.
즉, 다양한 강재를 이용하여 수많은 실험을 통해서, 그 결과치를 얻고, 이를 프로그램밍하여 컴퓨터에 저장하여 다음의 침탄시 사용하는 것이다.
따라서 본 발명은 수많은 실험을 통해서 얻어지는 경험칙을 이론식에 적용하여 최적의 침탄조건을 만드는 것이다.
아무튼 본 발명은 전술된 상기 제 1단계와 2단계의 침탄과 확산의 단계에서, 강재의 종류와 형태에 따라 상기 침탄 확산 과정시 압력을, 그래프상 잔진동이 일어나게 pulse형태로 감압, 증압하는 것도 그 발명의 요지로 하고 있다.
즉, 도시된 [그래프 1]에서 처럼, 침탄과 확산의 과정에서도 그 압력을 pulse형태로 감압, 증압하여 마치 그래프상 톱의 이빨과 같이(미세한 교란 pulse) 압력의 변화를 유도하는 것이다.
더불어 상기 각 단계의 압력 조절은, 침탄/확산 반복의 원칙은 고수하되 pulse/pump 때 가급적 침탄 가스 유동을 강재의 깊이 방향 및 좌우 방향으로 3차원적으로 매우 강하게 교란되도록 동적 유동 시키는 것도 본 발명의 요지이다.
이는 본 발명을 많은 실험을 통해 확인하였는데, 어느 일방향으로의 가스의 유입은 침탄의 균일함을 떨어트리는 결과를 가져 왔다.
따라서 가급적 다 방향에서 침탄가스를 분사시켜, 로내의 가스 충돌을 많이 발생시키는 것이 침탄의 효과를 증진시키는데 효과가 있는 것이다.
즉, 가스의 유입을 활발하게 하여 잦은 가스입자간의 충돌을 유도시킨다는 의미이다.
마지막으로 4단계로서는 일정한 시간(침탄량에 따라 30분~1시간정도)동안에 0.1~1torr 정도의 압력에서 확산단계를 추가로 갖는다.
이를 통해 강재의 표면에서의 탄소농도를 약 0.8% 정도로 낮추고 강재 깊숙 히 탄소가 전달되는 과정을 갖는 것이다.
그럼 본 발명에서 상기한 조건의 제어가 얼마나 중요한지는 거듭되는 실험을 통해 인식되었기에 그에 대한 전반적인 사항을 살펴본다.
본 발명은 진공침탄 기술에서 보통 100torr 정도에서 침탄을 수행하는 종래의 일반적인 방법에서 50torr 이내 ,주로 10 -20 torr에서 주기적으로 침탄하는 주기적 가스 주입방식의 저압식 진공침탄 기술을 고유하게 개발했다.
Figure 112005002518140-pat00005
[그래프 1]
즉, 상기 [그래프 1]에서 보이듯 그 압력의 그래프가 마치 톱날의 형태로 삐쭉거리는 것은 그 압력을 주기적으로 조절하여 발생되는 것이다.
그에 대한 특성은 다음과 같다.
(1) 균일 침탄을 위한 공정 PULSE 식 침탄/확산 제어 모델
침탄온도에 도달하면 0.1 torr 에서 10 - 50torr 까지 침탄 가스를 주입한다.
그후에 pump/pulse 또는 pump/fan/pulse 에의해 분위기 침탄 압력은 1-5분까지 제어된다.
강재의 표면은 아주 빠른 속도로 탄소로 포화되어 탄화물을 생성하는데, 이는 5분내에 약 46% 정도가 침투하는 이론적 근거에 의하여 설명되어질 수 있다.
그리고 이후 적당한 시간에 프로판 가스의 주입을 차단하지 못하면 강재 표면에 그을음 및 과잉 침탄이 되므로 바로 확산 시간을 두어 1-5분간 확산 시간을 갖는 것이다.
이 단계에서는 탄소의 표면 농도는 감소하나 강재 속으로 깊게 침투되는 것이다.
이러한 침탄 확산 과정이 반복되는 횟수가 많을수록 침투강도 및 균일 침탄특성이 양호해지는 것이다.
즉, pulse/pump가 동시에 이루어져 빠른 시간에 반복되면서 침탄 가스의 유동이 교란되어 피열처리재 주위에서는 탄소(carbon) 입자들의 유동이 진동되며, 결국 균일한 침탄이 가능해지는 것이다.
즉, 본 발명은 실험적으로 압력의 변화를 pulse의 형태로 주는 것이 균일한 침탄을 가능하게 한다는 점을 실험으로 밝혀 이를 침탄 제어 방법에 응용한 것이다.
(2) 더 나은 침탄을 위한 회동치는 가스유입
침탄/확산 반복의 원칙은 고수하되 pulse/pump 때 가급적 침탄 가스 유동을 강재의 깊이 방향 및 좌우 방향으로 3차원적으로 매우 강하게 교란되도록 동적 유동 특성을 갖게 한다.
즉 침탄 가스의 주입시 순간적인 impuse momentum이 크게 얻어 지도록 하는 것이다(위 그림에서의 미세한 교란 pulse).
따라서,이를 위해 노즐의 형태 및 제어기 제작도 모색되어야 한다.
즉 노즐의 형태는 강한 jet flow를 만드는 노즐이고 또한 제어기는 MFC 및 압력제어기를 통해 원하는 압력 파형이 구현되도록 한다.
(3) 본 발명의 압력제어 및 유량제어
침탄 유입량 제어에서 일반적인 외국에서의 방법은 단순히 압력제어에만 의존한다.
즉 유입량은 바로 압력차(침탄후의 압력- 침탄전의 압력)에 비례하는 것이기 때문이다.
즉 압력제어가 바로 주입량 제어인 셈이다.
본 연구에서는 압력제어 및 유량제어가 동시에 가능한 시스템으로 제작되었 다.
따라서 같은 진공압력/온도 상황에서도 밸브 개도에 따라 여러가지 다른 침탄가스 유입량이 제어될 수 있는 시스템이기 때문에 엄밀하고 복잡한 강재 열처리에도 사용 될 수 있는 시스템인 것이다.
즉, 본 발명은 공지된 이론적인 식들과 simulator/실험로 운전결과 들을 실험결과를 반영하고 수정하여, 효율적으로 조합함으로써 진공침탄 공정을 simulation하여 공정 제어변수들을 제어하는 획기적인 기술인 것이다.
본 발명의 LPC 제어 인자로서는 펄스형태(pulse pattern), pulse 수, 침탄시간, 확산시간, 진공압력이 유력한 인자로 대두된 바, 이에 대한 세부 실험을 위해 pulse형태의 압력조건에 한하여 여러 가지 펄스형태(pulse pattern) 및 시간, 진공압력, 침탄가스 유량을 변화하면서 실험하였다.
즉, 연구를 통해 확인된 정보로는 pulse(압력이 맥박 처럼 진동치게 조절되는 침탄법)형태의 압력조절이 침탄에는 가장 효과적이라 판단하여 하기 다수의 실험들은 이 pulse형태의 압력조건에 또 다른 조건들을 변화시켜 가며 시뮬레이션하여 최적치를 산정한 것이다.
<세부 조건의 변화에 따른 실험들>
Figure 112005002518140-pat00006
[실험번호:C-1, 침탄온도:945℃ 침탄가스유량(LPM): 0.4]
Figure 112005002518140-pat00007
[실험번호:C-2, 침탄온도:943℃, 침탄가스유량(LPM): 0.56]
Figure 112005002518140-pat00008
[실험번호:C-3, 침탄온도:943℃, 침탄가스유량(LPM): 1]
Figure 112005002518140-pat00009
[실험번호:C-4, 침탄온도:945℃, 침탄가스유량(LPM): 0.4]
Figure 112005002518140-pat00010
[실험번호:C-5, 침탄온도:943℃, 침탄가스유량(LPM): 0.8]
Figure 112005002518140-pat00011
[실험번호:C-6, 침탄온도:943℃, 침탄가스유량(LPM): 1]
Figure 112005002518140-pat00012
[실험번호:C-7, 침탄온도:943℃, 침탄가스유량(LPM): 1]
Figure 112005002518140-pat00013
[실험번호:d-1, 침탄온도:943℃, 침탄가스유량(LPM): 0.8]
Figure 112005002518140-pat00014
[실험번호:d-2, 침탄온도:941℃, 침탄가스유량(LPM): 1]
Figure 112005002518140-pat00015
[실험번호:d-3, 침탄온도:941℃, 침탄가스유량(LPM): 0.5]
Figure 112005002518140-pat00016
[실험번호:d-4, 침탄온도:941℃, 침탄가스유량(LPM): 0.5]
Figure 112005002518140-pat00017
[실험번호:d-5, 침탄온도:941℃, 침탄가스유량(LPM): 1.35]
Figure 112005002518140-pat00018
[실험번호:d-6, 침탄온도:941℃, 침탄가스유량(LPM): 1]
Figure 112005002518140-pat00019
[실험번호:e-1, 침탄온도:943℃, 침탄가스유량(LPM): 0.8]
Figure 112005002518140-pat00020
[실험번호:e-2, 침탄온도:941℃, 침탄가스유량(LPM): 1]
Figure 112005002518140-pat00021
[실험번호:f-1, 침탄온도:941℃, 침탄가스유량(LPM): 1]
Figure 112005002518140-pat00022
[실험번호:f-2, 침탄온도:941℃, 침탄가스유량(LPM): 1]
Figure 112005002518140-pat00023
[실험번호:f-3, 침탄온도:941℃, 침탄가스유량(LPM): 0.7]
Figure 112005002518140-pat00024
[실험번호:f-4, 침탄온도:945℃, 침탄가스유량(LPM): 0.7]
Figure 112005002518140-pat00025
[실험번호:g-1, 침탄온도:945℃, 침탄가스유량(LPM): 0.7]
상기 실험들에 대한 결과들을 아래의 [그림 4]내지 [그림 7]를 통해 나타 내었다. 따라서 그 그림들과 함께 고찰해 본다.
탄소농도 분석 결과에서 보면 농도 분포의 경향은 유사한 모습을 보이고 있다.
[그림 4]에서 알 수 있듯이 C-1에서 C-7 까지의 PULSE 파형 조건에서의 결과는 비슷한 형상을 보이고 있으나 침탄 정도는 서로 차이를 보이고 있다.
결과를 분석해 보면 침탄 정도가 운전 조건의 PARAMETER와 연관짓는 데는 다음과 같은 가설을 들 수 있다.
1) 진공압력 선도에서 진공분위기의 정도를 나타내는 진공압력의 시간에 대한 적분량 즉, 진공압력 면적이라 칭하는 변수 Sp.
2) 1단계 결과에서 알 수 있듯이 pulse 수가 영향을 미치는 것으로 보여 Pn이라는 정하고.
3) 침탄시 가스 유량 Qg의 함수 이 세가지와 침탄된 탄소 농도와 연관짓는다.
또한 침탄시간, 확산시간의 비가 탄소농도에 미치는 영향은 이론적으로 계산 가능하므로 일단 확산시간/침탄시간 비가 3인 상태에서의 탄소농도로 측정된 탄소농도를 환산하여 비교해 보았다(이때 확산시간은 pusle 침탄 후에 이루어지는 확산 시간 외에 pulse 주입시 단위 pulse 침탄후 단위 pulse 확산시의 시간도 포함 하였다). 또한 특성 파악을 용이하게 하기 위해 표면 탄소 농도만을 비교하였다.
Figure 112005002518140-pat00026
[그림 4] 세부 조건 및 탄소농도 분포
Figure 112005002518140-pat00027
[그림 5]모델 Parameter 에 따른 표면 탄소농도 비교
[그림 5]에서 알수 있듯이 x 축 변수인 Sp*Pn*Qg/6000 과 표면 탄소농도는 어느 정도 비례 관계에 있음을 알 수 있다.
Figure 112005002518140-pat00028
[그림 6] 세부조건 및 탄소농도 분포
세부 시험조건일때의 [그림 6]에서 알 수 있듯이 실험 조건 D-2 인 경우(압력 48Torr, 유량 1LPM, 8cycles)는 확산 후에도 과잉 침탄이 있음을 확연하게 드러나는 경우이다.
이를 제외하고는 여러 조건들에서는 농도 프로파일이 비교적 상사성(Similarity)을 보여주고 있다.
물론 어떤 조건은 과잉 침탄에 따라 확산 후에도 잔류 오스테나이트 (Austenite)가 존재 할 수 도 있고, 어떤 경우는 침탄시 과잉 침탄이 되어도 확산 시간을 충분히 주면 잔류 오스테나이트(Austenite)가 거의 없을 수 있는 것이다.
본 연구에서는 표면 탄소 농도가 0.8 %정도로 유지되도록 한다면 어떠한 변수 제어가 필요하냐는 관점이므로 여러 가지 변수에 대한 특성파악이 더 중요한 것이다.
즉 과잉 침탄의 경우도 실험 조건에 포함 하므로 표면 탄소농도가 그림에서 알 수 있듯이 0.8 - 1.05 % 까지 변화를 주었던 것이다.
modelling을 위한 단계로서 앞 절에서와 같이 설정된 변수인자 Sp*Pn*Qg 에 대한 영향을 계산하였다.
이때 D1-D6, E1-E2, F1-F4의 조건들은 2-3분 침탄후, 1분간 pumping하고 다시 2-3분 침탄 후 1분 pumping하는 반복과정을 거친다.
즉 pulse 식이 전절과 약간 차이를 보인다.
1분간의 확산시 밸브 조정을 달리하여 충분한 배기를 안 하여 전절의 01.-0.2torr에 비해 달리 약간 높은 1-2 torr에서 확산을 하고 최종 확산시에는 0.1torr에서 확산 한다.
따라서 본 경우에도 확산 시간 계산을 1분간의 확산 시간 * 횟수 + 최종 확산 시간으로 더하였다.
또한 [그림 6]에서의 기준 탄소 농도는 확산시간/침탄시간= 2일 때로 하였다.
[그림 7]에서 보면 진공 압력면적 계수인 SP 가 크면 유량 조건 및 pulse 수 의 조건들이 매우 좁은 운전범위에 있음을 알 수 있다.
즉 진공압력이 45 torr 이상이 되면 다른 조건에 관계 없이 과잉 침탄의 범위에 접근하고 있음을 알 수 있다.
또한 그림에서 알수 있듯이 modelling 변수와 표면 탄소 농도는 양호한 상관 관계를 보이고 있다.
Sp*Pn*Qg/6000 의 값이 1.5 이상 되면서 진공 압력이 45 torr 이상이고 침탄 가스 유량이 1 LPM 이상이 되면 매우 심한 과잉 침탄 영역에 포함되는 것으로 보인다.
또한 Sp*Pn*Qg/6000 의 값이 1이하 일때는 비례관계, 1이상일때는 곡선 관계를 보이는데 이는 포화농도에 접근하기 때문으로 보이며 또한 Sp*Pn*Qg/6000 값이 크더라도 압력이나 유량이 적으면 과잉 침탄이 안 일어나기 때문이다.
즉 Sp*Pn*Qg/6000 값이 1이상일 때는 다른 진공 압력에 관한 지수 함수 같은 보조 계수가 수정항으로 개입되어야 함을 의미한다.
Figure 112005002518140-pat00029
[그림 7]모델 Parameter 에 따른 표면 탄소농도 비교
위와 같은 LPC 공정 Program 개발를 위해서는 modelling 이론식 및 경험식 도출의 과정이 필요하다.
실험적 고찰로부터 있을 수 있는 정보는 다음과 같다.
즉, 1. 시간, pulse수, 압력에 관한 경험식; 2. 포화농도에 이르는 시간과 온도 관계; 3. 침탄가스 분해 속도 고려; 4. 처리량에 따른침탄 및 확산시 진공 압력 최적화(sooting 고려); 5. 탄소유입속도 및 확산 계수 모델링( 펄스의 현태에 따른); 6. 탄소농도 와 경도관의 상관 관계가 그것이다.
먼저 이론식을 정리하면 다음과 같이 된다.
강 표면에서 침탄되고 강 내부로 확산되는 물리적인 현상을 수학적으로 표현하면,
Figure 112005002518140-pat00030
Figure 112005002518140-pat00031
위식들의 해를 구하면,
Figure 112005002518140-pat00032
여기서 C0 = initial concentration of carbon in the steel(%)
Cg = carbon potential of atmosphere(%)
C = carbon concentration at distance a from the surface
h = α / D
erfc(z)= 1-erf(z) : erf(z)=error function
여기서 확산 계수 D는 여러 가지 model식들이 제안되고 있다.
예를들면 Gary G. Tibbets 에 의하면,
D = 0.47 exp(-1.6C) exp(-(37000-6600C)/RT)와 같이 온도 및 카본 농도에 관련되고 있다.
위식들에서 침탄의 정도를 좌우하는 것이 탄소 질량 전달계수 α 와 확산 계 수 D 라고 볼수 있다.
먼저 계산에 비교적 간단한 single step 즉, 일정시간 침탄후 일정 시간 확산을 거친 실험 조건 G-2의 경우를 simulation 하였다.
이때 표면에서의 반응과 관련되는 전달계수α'와 강에서의 탄소의 확산계수 D'는 실험치를 잘 모사하는 계수를 구하여 적용하였다.
pulse 식 침탄에 대한 simulation을 위해 위에서 기술된 시험결과 분석을 통하여 수정계수를 유도하였다.
즉 전절에서 기술한바 있는 진공압력 면적이라 칭하는 변수 Sp. 또한 pulse 수가 고려된 Pn 마지막으로 침탄시 가스 유량 Qg와 침탄가스량의 상관 관계를 model식에 도입하였다.
그 방법으로서는 위 식들에서 전달계수 α 와 확산계수 D를 수정하였는데
α'' = α' F1(Sp*Pn*Qg/6000)
D''= D' F2(Sp*Pn*Qg/6000)
여기서 F1 및 F2는 [그림 7] 의 curve fitting 한 결과와 상수 값이(x축이 0 일때를 기준) 도입된 형태이다.
상기 실험에 의해 계산된 조건들을 컴퓨터를 통해 분석하고 제어되는 가운데, 실제로 개발된 소용량의 침탄기를 제작하여 씨뮬레이션을 해 보았다.
그 결과 침탄이 완성도가 높은 수치로 나왔기에 그 결과를 살펴본다.
다음 그림은 실험조건 g-2, f-3 인 경우에 있어서 modelling 후의 진공 침탄 simulation 결과이다.
그림에서 알 수 있는 바와 같이 비교적 실험과 계산 결과가 잘 일치하고 있다.
Figure 112005002518140-pat00033
다음 그림은 실지 여러 작업조건에 따른 simulation하여 그 결과로써 표면 탄소 농도를 최종적으로 구하여 실험 결과와 비교 분석한 것이다.
그림에서 알 수 있듯이 매우 잘맞고 있음을 알 수 있다.
따라서 본 기술은 환경적이고 경제적인 진공 침탄 공정기술 제어를 위해 실험 결과에서 경험식을 구하고 그로부터 이론적 수치적 계산과 더불어 공정 제어 변수를 제어하는 지능형 제어 기술 이고 PLC, computer, comtroller 가 유기적으로 한몸이 되는 실용적인 LPC 제어 시스템 기술인 것이다.
Figure 112005002518140-pat00034
그리고, 상기 본 발명은 주기적 주입방식의 저압식 진공 침탄 제어방법에서 사용된 상기 제 1 내지 4단계는, 침탄깊이, 표면농도, 표면경도, 온도, 침탄량의 요구조건에 따라 침탄시간, 확산시간, 주기적 압력의 펄스의 형태, 침탄가스 유량의 진공침탄 제어변수의 운전을 시뮬레이션 프로그램에 의거하여 작성되어야 하며, 이를 위해 이론적인 식과 경험적인 모델링식을 도출시키는 방법 및 모델식이다.
이상에서 설명된 것처럼, 본 발명의 경험칙을 이용하여 최적의 침탄을 수행하기에, 환경친화적이고 경제적이며 그을음의 억제 및 균일한 침탄을 할 수 있는 유용한 발명이다.
즉, 본 발명을 이용하면, 침탄시 적정한 펄스로 인하여 탄소가 과포화되지 않고, 탄화물이 형성되지 않은 상태에서 확산시간도 적정하게 조절함으로 적절한 탄소농도를 얻을 수 있다.
또한 잔류오스테나이트도 생성되지 않는 최적의 조직을 가진 강재로 침탄이 가능하다.

Claims (5)

  1. 강재의 침탄을 위한 진공침탄기술에 있어서, 환경친화적이고 경제적이며 그을음의 억제 및 균일한 침탄을 위한 주기적 주입방식의 저압식 진공 침탄 제어방법
    제 1단계 : 강재의 침탄로에서 침탄온도에 도달하면 0.1 torr에서 10~50torr 까지 침탄가스를 주입하되, 로내의 압력과 유량을 동시에 조절을 하는 단계 즉, 가스의 주입은 pump/pulse 또는 pump/fan/pulse로 주입하여 로내 압력을 높이고 줄이는 pulse방식으로 조절하여, 분위기 침탄 압력을 1-5분까지 제어하는 침탄 시간을 갖는 단계.
    제 2단계 : 다음으로 소정 시간 내에 프로판 가스의 주입을 차단하지 못하면 강재 표면에 그을음 및 과잉 침탄이 되기 때문에, 확산 시간을 두어 1-5분간 확산 시간을 갖는 단계.
    제 3단계 : 상기 1단계와 2단계의 침탄과 확산의 단계를 거듭 반복하여 침투강도 및 균일 침탄을 형성하는 단계.
    제 4단계 : 일정한 시간(침탄량에 따라 30분~1시간) 동안에 0.1 torr~1 torr의 압력에서 확산단계를 추가로 시행하여, 이를 통해 표면에서의 탄소농도를 0.8% 로 낮추고 강재 깊숙이 탄소가 전달되는 과정을 갖는 단계.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1단계와 2단계의 침탄과 확산의 단계에서는,
    강재의 종류와 형태에 따라 상기 침탄 확산 과정시 압력을, 그래프상 진동이 일어나게 pulse형태로 압력을 줄이고 높이는 것을 특징으로 하는 주기적 주입방식의 저압식 진공 침탄 제어방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제 4 단계 중 어느 하나의 단계의 압력 조절은,
    침탄/확산 반복의 원칙은 고수하되 pulse/pump 때 침탄 가스 유동을 강재의 깊이 방향 및 좌우 방향으로 3차원적으로 교란되도록 동적 유동시키는 것을 특징으로 하는 주기적 주입방식의 저압식 진공 침탄 제어방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 내지 4단계 중 어느 하나의 단계는,
    침탄깊이, 표면농도, 표면경도, 온도, 침탄량의 소정조건에 따라 침탄시간, 확산시간, 주기적 압력의 펄스의 형태, 침탄가스 유량의 진공침탄 제어변수의 운전을 시뮬레이션 프로그램에 의거하여 조절되는 주기적 주입방식의 저압식 진공 침탄 제어방법.
  5. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,
    상기의 제 1 내지 제 4 단계에서의 조건들의 특정 최적치를 얻기 위하여 이론적인 식과 경험적인 모델링식을 도출시키는 주기적 주입방식의 저압식 진공 침탄 제어방법.
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