KR101328110B1 - 저압 침탄질화법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저압의 내부 압력으로 유지되고 있는 인클로저(14) 내에 일정 온도 범위로 유지되며 적재되어 있는 강 부품을 침탄질화 하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 제1 단계와 제2 단계가 교대로 수행되는 것을 포함하는데, 탄화 가스가 제1 단계에서만 인클로저 내로 분사되고, 질화 가스가 적어도 2개의 제2 단계의 적어도 일부에서만 인클로저 내로 분사된다.
저압 침탄질화, 침탄 가스, 질화 가스, 중성 가스

Description

저압 침탄질화법 및 장치{LOW PRESSURE CARBONITRIDING METHOD AND DEVICE}
본 발명은 강 부품을 처리하는 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 침탄질화법, 다시 말하면, 강 부품의 경도와 피로 거동을 개선하기 위해 강 부품의 표면에 탄소와 질소를 침투시키는 방법에 관한 것이다.
강 부품의 표면에서 수백 마이크로미터의 깊이까지 탄소 및 질소를 침투시킬 수 있는 여러 종류의 강 부품 침탄질화법이 있다.
침탄질화법의 제1 범주는, 피처리 부품을 수용하는 인클로저가 일반적으로 전체 처리 기간 동안에 대기압에 근접하는 압력으로 유지되기 때문에 소위 고압 침탄질화법에 해당한다. 상기 방법은, 예를 들면, 인클로저에 메탄올과 암모니아의 혼합 기체를 장입한 상태에서 예를 들어 대략 880 ℃의 온도 레벨에서 상기 부품을 유지하는 단계를 포함한다. 침탄질화 단계 후에는 예를 들어, 오일 담금질 같은 담금질 단계를 거칠 수 있고, 피처리 부품을 가공 경화할 수도 있다.
침탄질화법의 제2 범주는, 피처리 부품을 수용하는 인클로저가 일반적으로 수백 파스칼(수백 밀리바)보다 낮은 압력으로 유지되기 때문에 소위 저압 침탄질화법 또는 감압(reduced-pressure) 침탄질화법에 해당한다.
미국특허공개공보 제2004/0187966호는 저압 침탄질화법의 2개의 실시예를 개 시하고 있다.
도 1은 미국특허출원 2004/0187966의 도 5(a)에 대응하는데, 도 1은 7개의 연속적인 단계(Ⅰ) 내지 단계(Ⅶ)를 포함하는 제1 실시예에 따라 침탄질화법이 수행되는 노 인클로저 내부의 온도 변화 곡선(10)을 나타낸다. 피처리 부품은 온도 레벨(12)까지 가열되고(단계 Ⅰ), 부품의 온도를 보상하기 위해 온도 레벨(12)에서 유지된다(단계 Ⅱ). 침탄질화 단계(단계 Ⅲ)는 에틸렌과 수소 가스 혼합물을 인클로저 내로 분사하는 것에 의해 온도 레벨(12)에서 수행되고, 그런 후에 온도 레벨(12)에서 확산 단계(단계 Ⅳ)가 수행된다. 인클로저 내의 온도를 온도 레벨(12)보다 낮은 온도 레벨(14)로 낮춘다(단계 Ⅴ). 온도 레벨(14)에서 인클로저 내로 암모니아를 분사시키는 것에 의해 질화 단계(단계 Ⅵ)가 수행된다. 부품은 최종적으로 예를 들면, 오일 담금질에 의해 담금질된다(단계 Ⅶ).
도 2는 미국특허출원 2004/0187966의 도 5(b) 대응하는데, 도 2는 4개의 연속적인 단계(Ⅰ') 내지 단계(Ⅳ')를 포함하는 제2 실시예에 따라 침탄질화법이 수행되는 노 내부의 온도 변화 곡선(16)을 나타낸다. 단계(Ⅰ') 및 단계(Ⅱ')는 각각 제1 실시예의 단계(Ⅰ)와 단계(Ⅱ)에 대응한다. 단계(Ⅲ')는 침탄질화 단계에 대응하는데, 상기 단계는 에틸렌과 수소 가스 혼합물로 채워진 상태에서 온도 레벨(18)에서 실시되고, 암모니아가 노 인클로저 내로 분사된다. 단계(Ⅳ')는 오일 담금질 단계에 대응한다.
미국특허공개공보 제2004/0187966호에 개시되어 있는 제1 침탄질화법 실시예의 단점은 침탄 단계 후에 침탄 온도 레벨보다 낮은 온도에서 질화 단계가 수행된 다는 점이다. 이에 따라 총 처리 시간이 지나치게 길어서, 산업적으로 이용하기가 곤란하게 된다.
미국특허공개공보 제2004/0187966호에 개시되어 있는 제2 침탄질화법 실시예의 단점은 침탄 가스와 질화 가스가 로 인클로저(furnace enclosure) 내부로 동시에 분사된다는 사실에 기인한다. 그래서 인클로저 내에서 가스 환경을 정밀하게 제어하기가 곤란하고, 이에 따라 피처리 부품 내에서 얻어지는 질소 농도 프로파일과 탄소 농도 프로파일을 정밀하고 재현성 있게 제어하는 것이 곤란하다.
본 발명은 피처리 부품 내에 원하는 질소 농도 프로파일과 탄소 농도 프로파일을 정밀하고 재현성 있게 제어할 수 있는 강 부품의 저압 침탄질화법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적은 산업적 측면에서 강 부품을 처리할 수 있는 침탄질화법을 제공하는 것이다.
본 발명은 또한 피처리 부품 내에 원하는 질소 농도 프로파일과 탄소 농도 프로파일을 정밀하고 재현성 있게 얻을 수 있는 저압 강 부품 침탄질화로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 간단한 디자인의 저압 침탄질화로를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 강 부품이 인클로저 내에 감압된 내부 압력에서 적재되어 있고, 상기 부품은 일정 온도 레벨에서 유지되는 강 부품의 침탄질화법을 제공한다. 상기 방법은 제1 단계와 제2 단계의 교번을 포함하는데, 제1 단계 동안에만 인클로저 내부로 침탄 가스가 분사되고, 적어도 2개의 제2 단계들 중 일부 또는 전체 단계 동안에만 인클로저 내부로 질화 가스가 분사된다.
일 실시예에 따르면, 침탄 가스는 프로판 또는 아세틸렌이고, 질화 가스는 암모니아이다.
일 실시예에 따르면, 중성 가스가 질화 가스와 함께 동시에 인클로저 내부로 분사된다.
일 실시예에 따르면, 질화 가스가 상기 제2 단계의 유지 시간보다 짧은 시간 동안에 적어도 하나의 제2 단계 중에 인클로저 내부로 분사되고, 상기 제2 단계의 나머지 부분은 중성 가스가 존재하는 상태에서 수행된다.
일 실시예에 따르면, 제1 단계와 제2 단계는 1,500 파스칼 미만의 일정한 압력 하에서 수행된다.
일 실시예에 따르면, 온도 레벨은 800 ℃와 1050 ℃ 사이의 범위이다.
일 실시예에 따르면, 온도 레벨은 900 ℃보다 높다.
본 발명은 또한 강 부품을 수용하기 위한 침탄질화로를 제공하는데, 상기 노는 일정한 감압된 내부 압력을 유지하도록 제어되는 가스 도입 수단과 가스 배출 수단과 연관되어 있고, 상기 부품을 일정한 온도 레벨에서 유지하기 위한 가열 수단을 포함하고 있다. 상기 도입 수단은 상기 온도 레벨에서 수행되는 제1 단계와 제2 단계가 교대로 수행되는 동안에, 침탄 가스는 제1 단계에서만 도입시키고 질화 가스는 적어도 2개의 제2 단계들 중 일부 또는 전체 단계에서만 도입시키는 수단을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 도입 수단은 중성 가스를 도입시키는 수단을 포함한다.
전술한 본 발명의 목적, 특징 및 이점과 그 외 관련 사항들을 첨부한 도면과 관련하여 특정 실시예의 한정되지 않는 기재로 상세하게 설명할 것이다.
도 1 및 도 2는 전술한 바와 같이, 종전의 저압 침탄질화법 실시예를 나타내고 있다.
도 3은 본 발명에 따른 저압 침탄질화로의 일 실시예를 개략적으로 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 저압 침탄질화법의 일 실시예를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 저압 침탄질화법의 일 실시예에 따라 처리된 강 부품 내에 얻어진 질소 농도 프로파일의 일 실시예를 나타낸다.
도 6, 도 7 및 도 8은 각각 본 발명에 따른 침탄질화법의 다른 실시예와, 그러한 침탄질화법에 의해 얻어진 탄소 농도 프로파일과 질소 농도 프로파일을 나타낸다.
도 9, 도 10 및 도 11은 각각 본 발명에 따른 침탄질화법의 또 다른 실시예와, 그러한 침탄질화법에 의해 얻어진 탄소 농도 프로파일과 질소 농도 프로파일을 나타낸다.
본 발명은 실질적으로 일정한 온도를 유지하고 있는 피처리 강 부품을 수용 하고 있는 인클로저 내에서의 실시를 포함하고, 감압 하에서 인클로저 내부로 침탄 가스가 분사되는 탄소 농축 단계(carbon enrichment step)와 침탄 가스 분사가 중단되는 탄소 확산 단계의 교번(alternation)을 포함한다. 본 발명은 탄소 확산 단계 전체 또는 그 일부 동안에 인클로저 내부로 질화 가스를 분사하는 것을 포함한다. 탄소 농축 단계는 질소 확산 단계에 대응한다. 적어도 2개의 탄소 확산 단계의 적어도 일부, 다시 말하면 2개의 탄소 농축 단계들 사이에 있는 탄소 확산 단계의 적어도 일부 중에 질화 가스가 분사된다. 질화 가스 분사가 침탄 가스 분사와는 별도로 수행되기 때문에, 피처리 부품 내에 얻어지는 탄소 농도 프로파일과 질소 농도 프로파일을 정밀하고 재현성 있게 제어할 수 있게 하여 유리하다. 또한, 탄소 확산 단계 중에 질화 가스 분사가 수행되기 때문에, 침탄질화 공정의 총 유지 시간은 종래의 침탄 공정에서의 유지 시간과 실질적으로 동일하다.
도 3은 본 발명에 따른 저압 침탄질화로(10)의 일 실시예를 개략적으로 나타낸다. 노(10)는 일반적으로 적당한 지지대 위에 배치되는 다수의 부품들인 피처리 적재물(16)이 적재되어 있는 내부 인클로저(14)를 형성하는 견고한 벽(12)을 포함한다. 추출장치(extractor)(20)에 연결되어 있는 추출 파이프(18)에 의해, 인클로저(14) 내부는 수백 파스칼(수 밀리바) 단위의 진공이 유지된다. 분사기(injector)(22)는 분산 방식(distributed fashion)으로 인클로저(14) 내부로 가스를 도입시킨다. 가스 인입구(22, 24, 26, 28)들은 일례로 나타낸 바와 같이 각각 밸브(30, 32, 34, 36)들에 의해 제어된다. 인클로저(14) 내부 온도는 가열 수단(38)에 의해 설정될 수 있다.
도 4는 본 발명의 침탄질화법의 일 실시예에 따른 침탄질화 사이클 중에 도 3의 침탄질화로(10)의 인클로저(14) 내부의 온도 변화 곡선(40)을 나타낸다. 상기 방법은 적재물(16)을 포함하고 있는 인클로저(14) 내의 온도가 온도 레벨(44), 본 실시예에서는 930 ℃이며, 일반적으로는 대략 800 ℃ 와 대략 1050 ℃ 사이 범위의 온도에 상응하는 온도 레벨까지 상승하는 상승부(42)에 해당하는 초기 단계(H)를 포함한다. 단계(H) 후에 적재물(16)을 구성하는 부품들을 온도 레벨(44)로 하는 온도 보정 단계(PH)가 수행된다. 단계(H)와 단계(PH)는 환원성 가스가 첨가될 수도 있는 중성 가스가 존재하는 상태에서 실시된다. 중성 가스는 예를 들면 질소(N2)이다. 환원성 가스, 예를 들어 수소(H2)가 중성 가스에 1 부피% 내지 5 부피% 범위 내의 비율로 부가될 수 있다. 안전성의 이유를 위해, 수소가 갑자기 주변 공기와 접촉하는 경우에 폭발 위험을 방지하기 위해 수소 성분의 함량은 대략 5% 이하로 하는 것이 바람직하다.
단계(PH) 후에, 침탄 가스가 인클로저(14) 내로 분사되는 탄소 농축 단계(C1 내지 C4)와 침탄 가스가 더 이상 인클로저(14) 내로 분사되지 않는 탄소 확산 단계(D1 내지 D4)가 교대로 수행된다. 일례로서, 도 4에는 4개의 농축 단계(C1 내지 C4)와 4개의 확산 단계(D1 내지 D4)가 도시되어 있다. 농축 단계와 확산 단계는 인클로저(14) 내에서 온도 레벨(44)이 유지되는 상태에서 이루어진다. 확산 단계(D1 내지 D4) 중에, 인클로저(14) 내로 질화 가스의 분사가 수행된다. 적재물(10)의 담금질 단계, 예를 들어 가스 담금질 단계는 침탄질화 담금질에 근사한다. 단계(H), 단계(PH), 농축 단계(C1 내지 C4) 및 확산 단계(D1 내지 D4) 중에, 인클로저(14) 내부는 수백 파스칼(수 밀리바) 압력의 진공이 유지된다. 본 발명의 변형 실시예에 따르면, 각 침탄 단계 중에 침탄 가스 분사는 펄스 형태로 수행된다.
침탄 가스는 예를 들어 프로판(C3H8) 또는 아세틸렌(C2H2)이다. 침탄 가스는 또한 인클로저 온도에서 분해되기 쉬어서 피처리 부품 표면에 침탄될 수 있는 기타 다른 탄화수소(CXHY)일 수도 있다. 질화 가스는 예를 들어 암모니아(NH3)이다. 도 3의 다이어그램을 참조하면, 탄화수소(CXHY)는 밸브(30)의 인입구(22) 상에 도달할 수 있고, 질소는 밸브(32)의 인입구(24) 상에 도달할 수 있고, 수소는 밸브(32)의 인입구(24) 상에 도달할 수 있으며, 암모니아는 밸브(36)의 인입구(28) 상에 도달할 수 있다.
질화 가스 분사는 확산 단계의 일부에서만 수행될 수 있다. 또한 질화 가스가 분사되는 확산 단계 중에, 질화 가스 분사는 확산 단계의 일부에서만 수행될 수 있다. 중성 가스, 예를 들어 질소(N2),는 모든 농축 단계 및 확산 단계에서, 확산 단계에서만 또는 확산 단계의 일부에서만 분사될 수 있다. 중성 가스 분사는 인클로저(14) 내에서 일정하게 유지되도록 조절된다. 질화 가스와 중성 가스가 동시에 분사될 때, 질화 가스와 중성 가스의 상대적인 비율은 피처리 부품 내에서 얻고자 하는 질소 농도 프로파일에 따라 결정된다. 또한, 질화 가스와 중성 가스의 상대적인 비율은 질화 가스와 중성 가스가 동시에 인클로저(14) 내에 분사되는 각 확산 단계에 있어서 상이할 수 있다.
본 발명의 대안적인 실시예에 따르면, 노(10)의 인클로저(14) 내로 분사되는 모든 가스들 또는 그 중의 일부 가스는 인클로저(14) 내로 분사되기 전에 혼합될 수 있다. 이러한 실시예는, 예를 들어 온도 상승부(H) 단계와 온도 보정부(PH) 단계 중에, 폭발의 위험성을 배제할 수 있는 수소 함량인 5부피%의 수소와 질소 혼합물이 인클로저(14) 내로 직접 분사되는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 본 실시예에 따르면, 본 침탄질화법은 압력 변동이 없으며, 농축 단계와 확산 단계 중에 침탄 가스의 분사와 질화 가스(및/또는 어떤 경우에는 중성 가스)가 연속적으로 그리고 침탄 가스와 질화 가스(및/또는 어떤 경우에는 중성 가스)의 교체가 매우 신속하게 일어나면서 수행된다.
도 5는 침탄 가스가 프로판이고 질화 가스가 암모니아인 경우, 피처리 부품의 표면으로부터 측정된 피처리 부품의 깊이에 따라 피처리 부품 내부에 확산되어 있는 질소 성분의 질량 농도 프로파일을 나타낸다.
도 6, 도 7 및 도 8은 각각 본 발명에 따른 침탄질화법의 일 실시예를 나타내는 것으로서, 침탄 가스가 아세틸렌이고 질화 가스가 암모니아인 침탄질화법에 의해 얻어진 탄소 농도 프로파일과 질소 농도 프로파일을 나타낸다. 본 실시예에서, 침탄질화는 880 ℃ 온도 레벨에서 수행된다. 일례로서, 가열 단계(H)와 온도 보정 단계(PH)는 20분간 지속되고, 그 후에 3개의 농축 단계(C1, C2, C3)(각각 123초, 51초 및 49초)와 3개의 확산 단계(D1, D2, D3)(각각 194초, 286초 및 2,957초)가 교대로 수행된다.
도 9, 도 10 및 도 11은 각각 본 발명에 따른 침탄질화법의 다른 실시예를 나타내는 것으로서, 침탄 가스가 아세틸렌이고 질화 가스가 암모니아인 침탄질화법에 의해 얻어진 탄소 농도 프로파일과 질소 농도 프로파일을 나타낸다. 본 실시예에서, 침탄질화는 930 ℃ 온도 레벨에서 수행된다. 가열 단계(H)와 온도 보정 단계(PH)는 각각 29분과 31분간 지속되고, 그 후에 5개의 농축 단계(C1 내지 C5)(각각 329초, 91초, 80초, 75초 및 49초)와 5개의 확산 단계(D1 내지 D5)(각각 108초, 144초, 176초, 208초 및 2,858초)가 교대로 수행된다.
본 출원인은 확산 단계 중의 암모니아 분사는 질소가 수백 마이크로미터의 깊이까지 침투된 침탄 층이 농축되는 것을 가능하게 한다는 것을 알게 되었다. 도시된 3개의 실시예에서, 얻어진 질소 성분은 수 마이크로미터의 깊이에서 0.2 질량% 정도이다. 그 다음, 질소 성분은 수백 마이크로미터에 걸쳐 0.2%로부터 서서히 감소한다. 일례로서, 도 6, 도 7 및 도 8과 관련하여 전술한 실시예에 있어서, 질소 농도는 30 ㎛에서 0.2%, 130 ㎛에서 0.12%, 및 200 ㎛에서 0.05% 수준이었다.
본 발명의 변형 실시예에 따르면, 온도 상승 단계(H) 중에 인클로저(14) 내의 온도가 주어진 온도를 초과하자마자, 및/또는 온도 보정 단계(PH) 중에 질화 가스가 분사될 수 있다. 일례로서, 질화 가스가 암모니아인 경우, 가스 분사는 인클로저(14) 내 온도가 약 800 ℃를 초과하자마자 수행될 수 있다.
탄소 확산 단계 중에만 질화 가스가 분사되는 것은 피처리 부품의 질소와 탄소 농축이 좀 더 잘되게 하게 소망하는 탄소 농도 프로파일과 질소 농도 프로파일을 정밀하고 재현성 있게 얻을 수 있도록 한다. 실제로, 질화 가스가 침탄 가스와 동시에 분사될 때, 침탄 가스 및 질화 가스의 희석이 발생한다. 이러한 인자는 침 탄 가스로부터 유래하는 탄소와 또는 질화 가스로부터 유래하는 질소와 피처리 부품과의 반응을 촉진하지 못해, 부품에 질소 및 탄소가 농축되는 것을 더디게 한다. 또한, 침탄 가스와 질화 가스가 혼합되는 경우, 인클로저(14) 내의 가스 환경을 정밀하게 제어하는 것이 어려워서, 부품의 질소 농도 프로파일과 탄소 농도 프로파일을 정밀하고 재현성 있게 얻는 것이 어려워진다. 또한, 동일한 처리 조건 하에서 강 부품 내부로의 질소의 확산이 탄소 확산 속도보다 빠르기 때문에, 질화 가스의 분사와 침탄 가스의 분사가 별개의 단계에서 행해지는 것이 인클로저(14) 내의 일정한 압력을 유지하면서 각 가스의 분사 유지를 좀 더 용이하게 조절하는 것이 가능하다.
물론, 본 발명은 당업계에서 다양하게 변형 및 변경될 수 있다. 일례로서, 전술한 가스 담금질 단계는 오일 담금질 단계로 대체될 수 있다.

Claims (11)

  1. 대기압보다 낮은 내부 압력으로 유지되고 있는 인클로저(14) 내에 미리 정해진 온도 레벨로 유지되어 적재되어 있는 강 부품의 침탄질화법에 있어서,
    상기 침탄질화법은 제1 단계들과 제2 단계들이 교대로 수행되며,
    침탄 가스는 제1 단계 중에만 인클로저 내로 분사되고,
    질화 가스는 적어도 2개의 제2 단계들 중 일부 또는 전체 단계 동안에만 인클로저 내부로 분사되고,
    상기 제2 단계들 중 적어도 1개의 제2 단계 중에, 제2 단계의 유지 시간보다 짧은 시간 동안, 인클로저(14) 내부로 질화 가스가 분사되며, 제2 단계의 나머지 부분은 중성 가스가 존재하는 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는 침탄질화법.
  2. 제1항에 있어서, 침탄 가스는 프로판 또는 아세틸렌인 것을 특징으로 하는 침탄질화법.
  3. 제1항에 있어서, 질화 가스는 암모니아인 것을 특징으로 하는 침탄질화법.
  4. 제1항에 있어서, 중성 가스가 질화 가스와 함께 인클로저(14) 내부로 분사되는 것을 특징으로 하는 침탄질화법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 제1 단계와 제2 단계는 1,500 파스칼 보다 낮은 일정한 압력 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 침탄질화법.
  7. 제1항에 있어서, 온도 레벨은 800 ℃와 1050 ℃ 사이인 것을 특징으로 하는 침탄질화법.
  8. 제1항에 있어서, 온도 레벨은 900 ℃보다 고온인 것을 특징으로 하는 침탄질화법.
  9. 대기압보다 낮은 내부 압력을 유지하기 위한 가스 도입 수단(22, 24, 26, 28) 및 가스 배출 수단(18, 20)과 연결되어 있으며, 부품을 미리 정해진 온도 레벨로 유지하기 위한 가열 수단(38)을 포함하고 있으며, 인클로저(14)에 적재되어 있는 강 부품을 수용하기 위한 침탄질화로(10)에 있어서,
    상기 가스 도입 수단은, 상기 온도 레벨에서 제1 단계들과 제2 단계들이 교대로 수행되는 중에 침탄 가스를 제1 단계 동안에만 도입시키고 질화 가스를 적어도 2개의 제2 단계들 중 일부 또는 전체 단계 동안에만 도입시키며 중성 가스를 도입시키는 수단(22, 26, 28)을 포함하고,
    상기 제2 단계들 중 적어도 1개의 제2 단계 중에, 제2 단계의 유지 시간보다 짧은 시간 동안, 인클로저(14) 내부로 질화 가스가 분사되며, 제2 단계의 나머지 부분은 중성 가스가 존재하는 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는 침탄질화로.
  10. 제9항에 있어서, 가스 도입 수단(22, 24, 26, 28)은 중성 가스를 도입시키기 위한 수단(24)을 포함하는 것을 특징으로 하는 침탄질화로.
  11. 삭제
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