KR102188995B1 - 자연산화막 제거가스를 이용한 저온 침탄처리방법 - Google Patents

자연산화막 제거가스를 이용한 저온 침탄처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 자연산화막 제거가스를 이용한 저온 침탄처리방법은, 대상금속에 전처리를 수행하는 (a)단계, 상기 대상금속을 반응챔버에 투입하고, 설정온도로 승온시키는 (b)단계 및 상기 반응챔버를 진공 분위기로 형성하고, 적어도 탄화수소가스를 포함하는 반응가스를 공급하여 침탄을 수행하는 (c)단계를 포함하며, 상기 (a)단계는, 상기 대상금속에 자연산화막 제거가스를 공급하여 상기 대상금속의 응력을 완화시키고, 자연산화막과 대상금속의 결합력을 약화시키도록 한다.

Description

자연산화막 제거가스를 이용한 저온 침탄처리방법{Low-Temperature Carburizing Method Using Native Oxide Removal Gas}
본 발명은 저온 침탄처리방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자연산화막 제거가스를 이용하여 대상금속의 자연산화막을 효과적으로 제거하고, 우수한 품질의 침탄층을 얻을 수 있도록 하는 저온 진공침탄방법에 관한 것이다.
일반적으로 오스테나이트(austenite)계 스테인리스강의 경우, 상대적으로 우수한 내식성을 나타내고 있으나 Cl기가 존재하는 수용액에서는 피팅 부식에 취약하며, 경도가 상대적으로 낮아 마모에 취약하며, 특히 해수 조건에서 적용되기에는 다소 한계가 있다.
따라서 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 종래에는 다양한 표면 개질법을 적용하여 질화 또는 침탄을 수행하고 있다.
다만, 질화 또는 침탄공정을 높은 온도에서 수행하는 경우(염욕 질화, 고온 침탄 공정 등), 질화물 및 탄화물이 석출되어 내식성이 저하되는 문제가 발생한다.
또한 질화 또는 침탄공정을 낮은 온도조건에서 수행하는 경우에는, 금속의 표면에 존재하는 자연 산화막에 의하여 침탄 및 질화층을 형성하기 어렵다는 문제가 있다.
뿐만 아니라, 저온 질화 또는 저온 침탄공정은 반응성이 큰 반응가스를 사용하기 때문에 제품 표면에 수트(검댕, Soot, Metal Dust)가 쉽게 발생하게 되는 문제도 있다. 이와 같은 수트는 부식 환경에 취약하고, 일단 발생된 후에는 제거가 난해하기 때문에 제품의 품질을 크게 저하시키게 된다.
따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.
한국공개특허 제10-2011-0104631호
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 균일하고 고품질의 침탄층을 형성하기 위한 방법을 제공하기 위한 목적을 가진다.
또한 복잡한 형상을 가지는 대상금속에도 적용이 가능한 침탄방법을 제공하기 위한 목적을 가진다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자연산화막 제거가스를 이용한 저온 침탄처리방법은, 대상금속에 전처리를 수행하는 (a)단계, 상기 대상금속을 반응챔버에 투입하고, 설정온도로 승온시키는 (b)단계 및 상기 반응챔버를 진공 분위기로 형성하고, 적어도 탄화수소가스를 포함하는 반응가스를 공급하여 침탄을 수행하는 (c)단계를 포함하며, 상기 (a)단계는, 상기 대상금속에 자연산화막 제거가스를 공급하여 상기 대상금속의 응력을 완화시키고, 자연산화막과 대상금속의 결합력을 약화시키도록 한다.
그리고 상기 자연산화막 제거가스는 상기 반응가스보다 자발적 산화반응이 빠른 산화성가스일 수 있다.
또한 상기 산화성가스는 일산화탄소(CO)를 포함할 수 있다.
그리고 상기 자연산화막 제거가스는 라디칼화하여 산화막과 반응하는 탄화성가스일 수 있다.
또한 상기 탄화성가스는 메탄(CH4)을 포함할 수 있다.
그리고 상기 (a)단계는, 상기 (c)단계의 공정온도보다 낮은 공정온도에서 수행될 수 있다.
또한 상기 (a)단계는, 상기 대상금속의 응력완화 온도 분위기에서 수행될 수 있다.
그리고 상기 대상금속은 오스테나이트계 스테인리스강으로 형성되며, 상기 (a)단계는 250℃ 내지 500℃의 온도 분위기에서 수행될 수 있다.
또한 상기 (a)단계는, 상기 자연산화막 제거가스 공급 이전에, 상기 대상금속에 대해 전해연마 및 염욕 중 적어도 어느 하나 이상의 처리를 수행할 수 있다.
그리고 상기 (c)단계는, 상기 반응챔버를 진공 분위기로 형성하고, 반응가스를 기 설정된 압력으로 주입하여 침탄을 가속시키는 (c-1)단계, 상기 반응챔버에 반응가스를 상기 (c-1)단계의 반응가스의 압력 이하로 공급하여 침탄을 확산시키는 (c-2)단계 및 상기 (c-1)단계 및 상기 (c-2)단계를 기 설정된 시간 간격으로 반복 수행하는 (c-3)단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 (c-1)단계는 상기 반응챔버에 반응가스를 5mbar 이하의 압력으로 공급하여 침탄을 가속시키며, 상기 (c-2)단계는 상기 반응챔버에 반응가스를 0.5mbar 이상 상기 (c)단계의 반응가스의 압력 이하로 공급하여 침탄을 확산시키는 것으로 할 수 있다.
그리고 상기 (c-3)단계는, 반복되는 상기 (c-1)단계의 총 공정 시간을 점차 단축시키는 것으로 할 수 있다.
또한 상기 (c-3)단계는, 반복되는 상기 (c-2)단계의 총 공정 시간을 점차 증가시키는 것으로 할 수 있다.
그리고 상기 (c)단계는, 침탄을 수행하는 과정 중 복수의 침탄 공정조건들 간 관계를 고려한 기 설정된 기준 임계값 이하로 상기 탄화수소가스를 공급하도록 할 수 있다.
또한 상기 복수의 침탄 공정조건은, 상기 반응가스 중 상기 탄화수소가스의 상대유량, 침탄 처리시간, 공정압력, 공정온도 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
그리고 임계값은 상기 복수의 공정 조건 간 곱연산을 통해 산출될 수 있다.
또한 상기 임계값은,
Figure 112018108063966-pat00001
(α: 탄화수소가스의 상대유량, SLM: Standard Liter per Minute, t: 공정시간, p: 공정압력 exp(-ΔG/RT): 평형상수)
의 수식을 통해 산출될 수 있다.
그리고 상기 기준 임계값은, 1.60×1011ℓ·atm일 수 있다.
또한 상기 반응가스는 분위기제어가스를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 분위기제어가스는 수소를 포함할 수 있다.
또한 상기 분위기제어가스는 질소를 더 포함할 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 자연산화막 제거가스를 이용한 저온 침탄처리방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 가공 경화된 대상금속의 자연산화막을 제거해 저온 침탄공정의 시간을 절반 이하로 줄일 수 있는 장점이 있다.
둘째, 자연산화막 제거가스를 이용한 자연산화막 제거 과정이 반응챔버 내에서 수행되므로 별도의 설비비가 요구되지 않고, 독성물질에 대한 위험도를 저감시킬 수 있는 장점이 있다.
셋째, 복잡한 형상의 제품에 적용하여 전처리에 어려운 구조적 설계에 대한 고려를 줄일 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 침탄방법의 각 단계를 나타낸 흐름도;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 침탄방법을 적용하기 위한 대상금속인 페룰의 모습을 나타낸 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 침탄방법에 있어서, 대상금속에 전처리를 수행하는 모습을 나타낸 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 침탄방법에 있어서, 자연산화막 제거가스의 투입 시 시간의 경과에 따른 잔존 산소량의 변화를 나타낸 그래프;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 침탄방법에 있어서, 대상금속을 반응챔버 내에 장입한 모습을 나타낸 도면;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 침탄방법에 있어서, 침탄 가속 과정과 침탄 확산 과정을 반복하는 과정을 나타낸 그래프; 및
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 침탄방법에 있어서, 전처리 공건에서 조건을 다양하게 변화시키면서 침탄처리를 수행한 결과들을 나타낸 도면; 및
도 11 내지 도 15은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 침탄방법에 있어서, 침탄 공정에서 조건을 다양하게 변화시키면서 침탄처리를 수행한 결과들을 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 침탄방법의 각 단계를 나타낸 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 저온 침탄방법은 대상금속에 전처리를 수행하는 (a)단계와, 상기 대상금속을 반응챔버에 투입하고, 설정온도로 승온시키는 (b)단계와, 상기 반응챔버에 반응가스를 주입하여 침탄을 수행하는 (c)단계를 포함한다.
그리고 본 실시예에서는, 상기 (c)단계 이후 대상금속을 냉각하는 단계가 더 수행될 수 있다.
이하에서는 상기 각 단계에 대해 자세히 설명하도록 한다.
그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 침탄방법을 적용하기 위한 대상금속(10)은 스테인리스강 페룰(ferrule)인 것으로 하였다.
상기 페룰은 중공(12)에 의해 그 형상이 일반적인 대상에 비해 복잡하여 침탄 처리 시 불균일한 표면층이 형성되는 것은 물론, 또한 공정 변수의 제어가 어려운 단점이 존재한다. 따라서 일반적인 침탄방법을 적용하기가 어렵다는 문제가 있다.
본 실시예에 따른 저온 침탄방법은, 먼저 대상금속에 전처리를 수행하는 단계가 수행된다.
본 단계는 도 3에 도시된 바와 같이, 소정의 용기(50)에 유기용매(52)를 채운 뒤, 대상금속(10)을 유기용매(52) 내에 투입하여 세척하는 것으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 하는 이유는 대상금속(10)인 페룰이 연삭 가공으로 인해 표면에 다양한 윤활유 및 이물질이 잔류하기 때문이다. 따라서 효과적인 침탄 공정을 위해, 유기용매(52)를 이용하여 세척을 수행하게 된다.
이때 상기 유기용매(52)로는 아세톤, 에탄올 등이 적용될 수 있으며, 본 실시예의 경우 용기(50) 하부에 구비된 초음파 진동자(55)를 이용하여 진동을 인가하며 상기 대상금속(10)을 아세톤 또는 에탄올에 약 5분간 세척하는 것으로 하였다.
또한 본 단계에서는, 상기 대상금속에 산세 공정을 수행하는 과정이 더 수행될 수 있다. 상기 산세 공정은 산액에 침지한 후에 세정하는 공정으로서, 상기 대상금속(10) 표면에 형성된 자연산화막을 제거 또는 약화시키기 위한 것이다. 또한 이와 같이 하는 이유는, 이후 저온 분위기에서 우수한 침탄 효과를 얻기 위해서이다.
그리고 상기 산세 공정에 사용되는 산세용액은, 플루오린화 수소 암모늄((NH4)(HF2)), 질산, 물을 포함하는 제1용액과, 과산화수소, 물을 포함하는 제2용액이 7:3의 비율로 혼합된 성분을 가질 수 있다.
또한 상기 산세용액으로는 황산 10%, 염화나트륨 4%, 증류수 86%의 중량 비로 혼합된 용액이 사용될 수 있다.
또는 상기 산세용액으로서 질산 6~25%, 불화수소(HF) 0.5~8%, 상기 질산 및 불화수소의 비율에 따른 나머지 비율의 증류수가 부피 비로 혼합된 용약이 사용될 수도 있다.
한편 대상금속(10)에 전처리를 수행하는 단계에서는, 상기한 공정들 외에 자연산화막을 제거하기 위해, 상기 대상금속(10)에 자연산화막 제거가스를 공급하여 상기 대상금속(10)의 응력을 완화시키고, 자연산화막과 대상금속(10)의 결합력을 약화시키도록 하는 공정이 더 수행될 수 있다.
이때 상기 자연산화막 제거가스는 상기 반응가스보다 자발적 산화반응이 빠른 산화성가스 및 라디칼화하여 산화막과 반응하는 탄화성가스 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 산화성가스는 일산화탄소(CO)일 수 있으며, 상기 탄화성가스는 메탄(CH4)일 수 있다. 상기 산화성가스 및 상기 탄화성가스의 종류는 이에 한정되지 않음은 물론이다.
본 공정에서는 상기 대상금속(10)을 반응챔버(60, 도 5 참조)에 위치시키고, 상기 반응챔버(60) 내에 상기 자연산화막 제거가스를 장입하게 되며, 상기 자연산화막 제거가스가 산화성가스일 경우에는 상기 반응챔버(60) 내의 산소 분압을 극도로 낮추는 방법으로 스테인레스강 자연산화막의 주요 화합물인 Cr2O3와 Fe3O4 등의 평형산소압 보다 상기 반응챔버(60) 내의 산소 분압을 낮춰 자연산화막을 자연적으로 분해시키게 된다.
또한 본 공정은 후술할 (c)단계, 즉 침탄 공정에서의 공정온도보다 낮은 공정온도에서 수행될 수 있으며, 이는 상기 대상금속(10)의 응력완화 온도 분위기일 수 있다.
본 실시예에서 상기 대상금속(10)은 오스테나이트계 스테인리스강이므로, 본 공정은 250℃ 내지 500℃의 온도 분위기에서 수행되는 것으로 할 수 있다.
일반적으로 가공 경화된 오스테나이트계 스테인레스강의 자연산화막의 두께는 완전 풀림처리된 제품에 비해 약 5 ~ 10배 두껍고, 최외곽표면의 성분이 평형산소압이 더 낮은 Cr2O3로 구성되어 효율적인 제거가 난해하다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 실시예에서는 침탄 공정온도 보다 낮은 오스테나이트계 스테인레스강의 응력완화 온도인 250℃ 내지 500℃에서 산화성가스 및 탄화성가스 중 적어도 어느 하나 이상을 투입하여 응력완화와 동시에 자연산화막을 분해하여 효율적인 저온 침탄을 수행할 수 있도록 하는 것이다.
보다 자세히 설명하면, 일반적으로 산화막을 자연 분해시키기 위해서는 평형산소압이 Cr2O3의 경우 2.8×10-46bar, Fe3O4의 경우 2.6×10-32bar, 그리고 FeCr2O4의 경우 1.5×10-44bar이므로, 자연산화막의 제거를 위해서는 이보다 공정 압력을 낮게 유지해야 하기 때문에 불가능에 가깝다.
또한 저진공을 이용한 열처리로의 경우에도 10-6bar의 진공도가 한계이기 때문에 반응챔버(60)내의 잔존산소량은 수십 ppm이상에 도달할 것으로 예상된다.
하지만, 10-6bar의 진공을 유지하며 응력완화 온도로 가열되어 있는 반응챔버(60) 내부에 산화성가스인 일산화탄소(CO) 가스를 투입하면 아래와 같은 반응을 일으킨다.
Figure 112018108063966-pat00002
상기의 반응은 Go=-220.4KJ/mol로 자발적 반응이 발생하므로 상기 반응챔버(60) 내부의 산소와 반응해 이산화탄소를 만들어 내며 산소를 점진적으로 제거할 수 있으며, 따라서 평형산소압을 극도로 낮출 수 있어 스테인레스강 자연산화막을 효율적으로 분해할 수 있게 된다,
도 4에 도시된 CO/CO2 Ellingham 도표를 참고하면, 350℃의 Cr2O3 분해반응은 CO/CO2의 비가 108 이상일 때 자연적으로 분해가 되는 것으로 나타난다.
산화성가스의 투입 초기에는 반응챔버(60) 내의 잔존산소가 CO와 반응해 CO2가 생성되며 CO/CO2의 비가 상승하지만, 잔존산소가 소모됨에 따라 CO/CO2의 비가 점차적으로 상승하여 108 이상이 될 때부터 일정시간을 유지하게 되면 자연산화막이 자연적으로 분해된다.
이때 본 공정은 반응챔버(60)의 부피, 진공도, 잔존산소량, 투입되는 자연산화막 제거가스의 순도 등에 따라 유지시간을 달리할 수 있다.
이와 같은 자연산화막 제거가스를 이용하여 대상금속(10)의 자연산화막을 제거할 경우, 저온 침탄공정의 시간을 절반 이하로 줄일 수 있으며, 본 공정은 반응챔버(60) 내에서 수행하게 되므로 별도의 설비비가 요구되지 않고, 독성물질에 대한 위험성을 줄일 수 있게 된다.
한편 본 단계에서는, 상기 자연산화막 제거가스 공급 이전에, 상기 대상금속(10)에 대해 전해연마 및 염욕 중 적어도 어느 하나 이상의 처리를 더 수행할 수 있으며, 이와 같은 과정을 통해 자연산화막이 제거된 경우 또는 결합력이 낮아지거나, 두께가 얇아진 경우 가공 경화된 대상금속(10)에 비해 CO의 노출시간을 절반 이하로 줄일 수 있다.
이와 같은 자연산화막 제거가스 공급에 따른 실험 과정에 대해서는 후술하도록 한다.
다음으로, 상기 대상금속을 반응챔버에 투입하고, 설정온도로 승온시키는 (b)단계가 수행된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 단계에서는 반응챔버(60) 내에 대상금속(10)을 위치시켜 상기 대상금속(10)의 표면 온도를 적합하게 맞추게 된다.
본 실시예에서 상기 반응챔버(60)는 상기 대상금속(10)이 안착되는 스테이지(65)와, 제1가스주입구(70a)와, 제2가스주입구(70b)를 포함한다. 다만, 이는 하나의 실시예로서 다양한 반응챔버(60)가 적용될 수 있음은 물론이다.
다음으로, 상기 반응챔버(60)에 적어도 탄화수소가스를 포함하는 반응가스를 주입하여 침탄을 수행하는 (c)단계가 수행된다.
본 단계의 경우, 침탄을 수행하는 과정 중 복수의 침탄 공정조건들 간 관계를 고려한 기 설정된 기준 임계값 이하로 상기 탄화수소가스를 공급하게 된다. 본 실시예에서 상기 탄화수소가스는 아세텔린인 것으로 하였으나, 상기 탄화수소가스의 종류는 이에 한정되지 않는다.
이와 같이 하는 이유는, 저온 침탄공정 중 발생되는 수트(Soot)의 생성을 억제하여 더욱 균질하고 높은 품질을 가지는 저온 침탄층을 형성시키기 위한 것이다.
그리고 본 단계에서 고려되는 상기 복수의 침탄 공정조건은, 상기 반응가스 중 상기 탄화수소가스의 상대유량, 침탄 처리시간, 공정압력, 공정온도 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 임계값은 상기 복수의 공정 조건 간 곱연산을 통해 산출될 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에서 상기 임계값은 이하의 수식을 통해 산출될 수 있다.
Figure 112018108063966-pat00003
(α: 탄화수소가스의 상대유량, SLM: Standard Liter per Minute, t: 공정시간, p: 공정압력 exp(-ΔG/RT): 평형상수)
본 수식은, 탄화수소가스가 온도에 따른 탄화수소가스 분해율과 무관하게 대상금속(10)을 충분히 침탄할 수 있을 정도로 공급될 때 성립될 수 있다.
그리고 각 침탄 공정조건을 다양하게 변화시키며 실험을 수행한 결과, 수트 발생이 억제될 수 있는 기준 임계값은, 1.60Х1011ℓ·atm인 것으로 산출되었다. 즉 본 단계에서는, 1.60Х1011ℓ·atm 이하로 상기 탄화수소가스를 공급하여 침탄 공정을 수행할 수 있다.
이와 같은 기준 임계값을 도출하기 위한 실험 과정에 대해서는 후술하도록 한다.
또한 본 실시예에서 상기 반응가스는, 탄화수소가스 외에 분위기제어가스를 더 포함할 수 있으며, 상기 분위기제어가스는 수소와 질소 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
한편 상기 (c)단계는 침탄 공정 내내 상기 반응가스를 지속적으로 공급하면서 수행될 수도 있으나, 상기 반응가스의 공급 패턴을 변화시키며 수행될 수도 있다.
예컨대 상기 (c)단계는, 상기 반응챔버(60)를 진공 분위기로 형성하고, 반응가스를 기 설정된 압력으로 주입하여 침탄을 가속시키는 (c-1)단계와, 상기 반응챔버(60)에 반응가스를 상기 (c)단계의 반응가스의 압력 이하로 공급하여 침탄을 확산시키는 (c-2)단계와, 상기 (c-1)단계 및 상기 (c-2)단계를 기 설정된 시간 간격으로 반복 수행하는 (c-3)단계를 포함할 수 있다.
본 단계들은 대상금속(10)의 표면에 침탄층을 효과적으로 형성하기 위한 공정이다.
구체적으로 상기 (c-1)단계에서는 400℃ 내지 500℃의 분위기 내에서 반응가스를 2 내지 10mbar의 압력을 유지하며 주입하도록 할 수 있다. 이때 상기 반응가스는 20~70%의 수소가스 및 30~80%의 아세틸렌가스의 혼합가스인 것으로 하였다.
특히 본 실시예에서 상기 (c-2)단계의 경우, 상기 반응챔버(60) 내를 0 내지 2mbar의 압력으로 유지하며, 저압력 상태를 확산시키게 된다. 다만, (d)단계에서 반응가스의 주입을 완전 중단할 수도 있으나, 상기 반응가스 중 수소가스의 공급은 유지하도록 할 수도 있다.
또는 수소가스와 함께 탄화수소의 공급을 유지하도록 할 수도 있으며, 반응가스 없이 진공 분위기를 형성하는 방법이 사용될 수도 있다.
바람직하게는, 상기 (c-1)단계는 상기 반응챔버에 반응가스를 5mbar 이하의 압력으로 공급하여 침탄을 가속시키며, 상기 (c-2)단계는 상기 반응챔버에 반응가스를 0.5mbar 이상 상기 (c-1)단계의 반응가스의 압력 이하로 공급하여 침탄을 확산시키는 것으로 할 수 있다.
그리고 상기 (c-3)단계는, 이상과 같은 (c-1)단계 및 (c-2)단계를 약 5시간 내지 30시간 동안 반복 수행하는 것이며, 이후 상기 대상금속(10)의 표면에 침탄층이 형성된다. 이때 (c-3)단계의 반복 횟수 및 지속시간은 다양하게 설정될 수 있음은 물론이다.
그리고 본 실시예에서, 상기 (c-1)단계 및 상기 (c-2)단계의 반복 패턴은 기 설정된 시간 간격으로 이루어질 수 있다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 진공침탄방법에 있어서, 침탄 가속 과정과 진공 확산 과정을 반복하는 과정을 나타낸 그래프가 도시된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 (c-3)단계는 반복되는 상기 (c-1)단계의 총 공정 시간을 점차 단축시키는 것으로 할 수 있으며, 또한 반복되는 상기 (c-2)단계의 총 공정 시간을 점차 증가시키는 것으로 할 수 있다.
이와 같은 경우 보다 우수한 침탄 효과를 얻을 수 있으며, 각 단계의 시간 간격은 대상금속(10)의 특성 및 공정 환경에 따라 설정될 수 있을 것이다.
그리고 본 실시예의 경우 상기 (c-1)단계의 총 공정 시간을 점차 단축시키는 방법과 상기 (c-2)단계의 총 공정 시간을 점차 증가시키는 방법을 동시에 적용하였으나, 이와 달리 어느 하나의 방법만이 수행될 수도 있음은 물론이다.
또한 이와 같이 (c-1) 내지 (c-3)단계를 반복 수행하는 경우, 상기 임계값은 (c-1)단계의 총 공정 시간에서의 각 침탄 공정조건들 및 (c-2)단계의 총 공정 시간에서의 각 침탄 공정조건들의 총 합산값을 기초로 하여 대해 산출될 수 있다.
한편 본 단계 이후, 상기 대상금속(10)을 냉각하는 단계가 더 수행될 수 있다. 상기 (e)단계는 상기 대상금속(10)을 자연 냉각시킬 수도 있으나, 별도의 냉각장치 또는 저온의 유체를 이용하여 급속하게 냉각시키는 방법이 적용될 수도 있다.
이하에서는 전술한 각 단계 중 (a)단계에서 자연산화막 제거가스 공급량 변화에 따른 실험 결과와, (c)단계에서 임계값 변화에 따른 실험 결과에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 침탄방법에 있어서, 전처리 공건에서 조건을 다양하게 변화시키면서 침탄처리를 수행한 결과들을 나타낸 도면이다.
구체적으로 도 7은 산화성가스인 CO를 통한 전처리 과정을 적용하지 않은 상태로 침탄 처리를 수행한 결과이며, 도 8은 CO를 통한 전처리 과정을 적용한 상태로 침탄을 5시간 동안 수행한 결과이다. 또한 도 9는 CO를 통한 전처리 과정을 적용한 상태로 침탄을 10시간 동안 수행한 결과이며, 도 10은 전해연마, 염욕 등의 전처리 과정 및 CO를 통한 전처리 과정을 적용한 상태로 침탄을 5시간 동안 수행한 결과이다.
도 7에 도시된 바와 같이, CO를 통한 전처리 과정을 적용하지 않은 상태로 침탄 과정을 수행한 대상금속의 경우, 침탄층이 육안으로 확인되지 않는 반면, 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이 CO를 통한 전처리 과정을 적용한 상태로 침탄 과정을 수행한 대상금속은 침탄층이 육안으로 확인된다는 것을 알 수 있다.
또한 도 8에서 도 10으로 갈수록 침탄층이 더욱 뚜렷하게 나타나며, 침탄층의 두께가 보다 두꺼워졌음을 확인할 수 있다.
다음으로, 도 11 내지 도 15은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 침탄방법에 있어서, 침탄 공정에서 조건을 다양하게 변화시키면서 침탄처리를 수행한 결과들을 나타낸 도면이다.
구체적으로 도 11에 나타난 결과물은, 탄화수소가스로 아세틸렌을 사용하고, 분위기제어를 위해 수소를 반응챔버에 장입하였다. 또한 공정온도는 450℃, 공정압력은 8mbar, 공정시간을 45분으로 하고 아세틸렌과 수소는 각각 60SLH(Standard Liter per Hour), 240 SLH 장입하였다.
이에 따라 수식을 통해 산출된 임계값은 1.44Х1012ℓ·atm으로 도출되었으며, 이는 기준 임계값보다 높은 수치이다.
결과적으로 결과물은 도 11에 나타난 바와 같이 시료의 표면이 검정색 수트로 뒤덮혀 금속의 광택을 잃었고 잘 지워지지 않았다.
다음으로 도 12에 나타난 결과물은, 탄화수소가스로 아세틸렌을 사용하고, 분위기제어를 위해 수소와 질소를 반응챔버에 장입하였다. 또한 공정온도는 450℃, 공정압력은 1.8mbar, 공정시간을 840분으로 하고 아세틸렌, 수소, 질소를 각각 15SLH, 60SLH, 600 SLH 장입하였다.
이에 따라 수식을 통해 산출된 임계값은 1.68Х1011ℓ·atm으로 도출되었으며, 이는 기준 임계값을 약간 상회하는 수치이다.
결과적으로 결과물은 도 12에 나타난 바와 같이 시료의 표면이 검정색 수트로 엷게 뒤덥혔으나, 이는 후처리를 통해 쉽게 제거할 수 있었으며, 약 13㎛의 저온침탄층이 형성되었다.
다음으로 도 13에 나타난 결과물은, 탄화수소가스로 아세틸렌을 사용하고, 분위기제어를 위해 수소를 반응챔버에 장입하였다. 또한 공정온도는 450℃, 공정압력은 8mbar, 공정시간을 5분으로 하고 아세틸렌, 수소를 각각 60SLH, 240SLH 장입하였다.
이에 따라 수식을 통해 산출된 임계값은 1.60Х1011ℓ·atm으로 도출되었으며, 이는 기준 임계값과 일치하는 수치이다.
결과적으로 결과물은 도 13에 나타난 바와 같이 시료의 표면에 수치가 거의 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다.
다음으로 도 14에 나타난 결과물은, 탄화수소가스로 아세틸렌을 사용하고, 분위기제어를 위해 수소와 질소를 반응챔버에 장입하였다. 또한 공정온도는 450℃, 공정압력은 3mbar, 공정시간을 300분으로 하고 아세틸렌, 수소, 질소를 각각 15SLH, 100SLH, 600 SLH 장입하였다.
이에 따라 수식을 통해 산출된 임계값은 9.46Х1010ℓ·atm으로 도출되었으며, 이는 기준 임계값에 이하의 수치이다.
결과적으로 결과물은 도 14에 나타난 바와 같이 시료의 표면에 수트가 없고 금속광택이 유지되었으며, 도 15에 도시된 바와 같이 약 10㎛의 뚜렷한 저온침탄층이 형성되었다.
이와 같은 실험 결과를 통해, 수트가 발생하지 않는 임계값인 1.60Х1011ℓ·atm을 침탄 공정에서의 기준 임계값으로 설정할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
10: 대상금속
12: 중공
50: 용기
52: 유기용매
55: 초음파 진동자
60: 반응챔버
65: 스테이지
70a: 제1가스주입구
70b: 제2가스주입구

Claims (21)

  1. 대상금속에 전처리를 수행하는 (a)단계;
    상기 대상금속을 반응챔버에 투입하고, 설정온도로 승온시키는 (b)단계; 및
    상기 반응챔버를 진공 분위기로 형성하고, 적어도 탄화수소가스를 포함하는 반응가스를 공급하여 침탄을 수행하는 (c)단계;
    를 포함하며,
    상기 (a)단계는,
    상기 대상금속에 자연산화막 제거가스를 공급하여 상기 대상금속의 응력을 완화시키고, 자연산화막과 대상금속의 결합력을 약화시키도록 하고,
    상기 (c)단계는,
    침탄을 수행하는 과정 중 복수의 침탄 공정조건들 간 관계를 고려한 기 설정된 기준 임계값 이하로 상기 탄화수소가스를 공급하도록 하되, 상기 탄화수소가스가 온도에 따른 탄화수소가스 분해율과 무관하게 상기 대상금속을 침탄할 수 있는 유량으로 공급되도록 하고,
    상기 복수의 침탄 공정조건은, 상기 반응가스 중 상기 탄화수소가스의 상대유량, 침탄 처리시간, 공정압력, 공정온도를 포함하며,
    상기 기준 임계값은 상기 복수의 공정 조건 간 곱연산인,
    Figure 112020089167715-pat00020

    (α: 탄화수소가스의 상대유량, SLM: Standard Liter per Minute, t: 공정시간, p: 공정압력 exp(-ΔG/RT): 평형상수)
    의 수식을 통해 도출된 1.60×1011ℓ·atm인 저온 침탄처리방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자연산화막 제거가스는 상기 반응가스보다 자발적 산화반응이 빠른 산화성가스인 저온 침탄처리방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 산화성가스는 일산화탄소(CO)를 포함하는 저온 침탄처리방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자연산화막 제거가스는 라디칼화하여 산화막과 반응하는 탄화성가스인 저온 침탄처리방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탄화성가스는 메탄(CH4)을 포함하는 저온 침탄처리방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (a)단계는,
    상기 (c)단계의 공정온도보다 낮은 공정온도에서 수행되는 저온 침탄처리방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (a)단계는,
    상기 대상금속의 응력완화 온도 분위기에서 수행되는 저온 침탄처리방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 대상금속은 오스테나이트계 스테인리스강으로 형성되며,
    상기 (a)단계는 250℃ 내지 500℃의 온도 분위기에서 수행되는 저온 침탄처리방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 (a)단계는,
    상기 자연산화막 제거가스 공급 이전에, 상기 대상금속에 대해 전해연마 및 염욕 중 적어도 어느 하나 이상의 처리를 수행하는 저온 침탄처리방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    상기 반응챔버를 진공 분위기로 형성하고, 반응가스를 기 설정된 압력으로 주입하여 침탄을 가속시키는 (c-1)단계;
    상기 반응챔버에 반응가스를 상기 (c-1)단계의 반응가스의 압력 이하로 공급하여 침탄을 확산시키는 (c-2)단계; 및
    상기 (c-1)단계 및 상기 (c-2)단계를 기 설정된 시간 간격으로 반복 수행하는 (c-3)단계;
    를 포함하는 저온 침탄처리방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (c-1)단계는 상기 반응챔버에 반응가스를 5mbar 이하의 압력으로 공급하여 침탄을 가속시키며,
    상기 (c-2)단계는 상기 반응챔버에 반응가스를 0.5mbar 이상 상기 (c)단계의 반응가스의 압력 이하로 공급하여 침탄을 확산시키는 것으로 하는 저온 침탄처리방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 (c-3)단계는,
    반복되는 상기 (c-1)단계의 총 공정 시간을 점차 단축시키는 것으로 하는 저온 침탄처리방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 (c-3)단계는,
    반복되는 상기 (c-2)단계의 총 공정 시간을 점차 증가시키는 것으로 하는 저온 침탄처리방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제1항에 있어서,
    상기 반응가스는 분위기제어가스를 더 포함하는 저온 침탄처리방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 분위기제어가스는 수소를 포함하는 저온 침탄처리방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 분위기제어가스는 질소를 더 포함하는 저온 침탄처리방법.
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