KR102494316B1 - 침탄원료의 저감 및 입계산화의 저감을 위한 가스침탄방법 - Google Patents

Abstract

진공퍼지 가능한 침탄실 내로 피처리물을 투입하는 제1단계; 상기 침탄실을 가열하여 상기 침탄실 내의 온도를 침탄온도까지 승온시키는 제2단계; 상기 침탄실 내의 침탄온도와 피처리물의 온도가 동일해지도록 t₁시간동안 균열하는 제3단계; 상기 피처리물의 표면에 t₂시간동안 탄소를 침투시켜 침탄하는 제4단계; 상기 피처리물의 표면에 침투된 탄소가 원하는 깊이의 침탄층을 형성하도록 t₃시간동안 침탄원료의 투입없이 확산시키는 제5단계; 상기 침탄실 내의 온도를 소입온도까지 낮춰 강온하고 t₄시간동안 균열하는 제6단계; 및 상기 피처리물을 진공퍼지 가능한 ??칭실로 옮겨 ??칭하여 표면경화하는 제7단계;를 포함하고, 상기 제2단계, 3단계, 및 4단계는 침탄원료를 지속적으로 투입하는 단계를 포함하고, 상기 제5단계는 확산단계를 시작할 때 상기 침탄실 내부를 진공퍼지하는 퍼지단계와 상기 진공퍼지된 침탄실 내부에 비반응성 기체를 유입시켜 압력을 회복하는 복압단계를 거치는 진공퍼지 및 복압단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스침탄공정방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 가스침탄공정방법에서, 지속적인 침탄원료의 투입이 요구되지 않게 되고, 가스침탄공정방법에서의 입계산화가 최소화 되는 효과를 가진다.

Description

침탄원료의 저감 및 입계산화의 저감을 위한 가스침탄방법{GAS CARBURIZING METHOD FOR REDUCTIONS OF RAW MATERIALS OF CARBURIZING AND GRAIN BOUNDARY OXIDATION}

본 발명은 침탄원료 및 입계산화를 저감할 수 있는 가스침탄방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 진공퍼지 가능한 침탄실과 정확한 탄소농도 프로파일이 예측 가능한 공정레시피를 바탕으로 침탄 후 확산단계에서 진공퍼지 후 비반응성 기체로 복압함으로써 침탄원료의 사용량을 줄이고 침탄처리품의 입계산화를 감소시키는 가스침탄공정방법에 관한 것이다.

철은 실온에서는 체심입방구조를 가지므로 탄소원자가 스며들기 어렵지만, 910℃ 이상에서는 면심입방결정의 철이 되며, 이때에는 최대 약2%까지의 탄소원자가 철원자 사이에 끼어들 수 있으며, 침탄이란, 상기 철원자 사이에 탄소원자를 끼어들게 하는 공정을 의미한다. 상기 공정은 탄소농도가 낮은 연철의 표면부를 탄소농도가 높은 마르텐사이트로 변환시키는 표면경화법의 일종으로, 자동차, 중장비, 항공 및 각종 기계에 이용되는 기어, 샤프트, 베어링 등과 같이 고내구성을 지니는 금속 부품을 제조하기 위하여 적용된다.

상기 침탄방법에는 고체침탄방법, 가스침탄방법, 진공침탄방법 등이 있는데, 가스침탄방법은 분위기제어가 용이하고, 가격이 저렴하며 대량의 부품에 대하여 비교적 균일한 열처리가 가능하다는 등의 이유로 많이 사용되는 침탄방법이다.

가스침탄방법(공정)은, 일반적으로 승온단계, 균열단계, 침탄단계, 확산단계, 강온단계, 균열단계, 및 소입(quenching)단계로 구성된다. 이때 침탄처리품의 서는 탄소 포텐셜 (Carbon Potential, CP)의 유지가 필요하였고, 이를 위하여 기존 가스침탄공정에서는 침탄단계뿐만 아니라 확산단계, 강온단계, 및 균열단계에서 침탄원료의 지속적인 투입이 요구되었다. 이에 따라, 가스침탄공정에서의 침탄원료의 사용량이 증대되고, 그 공정비용 역시 증대된다는 문제점이 있었다.

가스침탄방법은 변성식 가스침탄방법과 적주식 가스침탄방법이 대표적으로 사용된다. 변성식 가스침탄방법은 일산화탄소, 수소, 질소로 구성된 캐리어 가스(RX가스)를 침탄로로 제공하기 위해 Ni촉매 및 히터를 포함하는 변성로가 추가적으로 설치됨에 따라 에너지 및 비용이 많이 소요되는 반면, 적주식 가스침탄방법은 캐리어 가스로 액상의 메탄올을 고온의 로 내부에 직접 투입하여 분해된 일산화탄소와 수소의 혼합가스를 사용함으로써 변성로 미사용으로 인한 에너지 절감뿐만 아니라 변성로에서 생성된 RX가스에 비해 메탄올 분해가스의 빠른 침탄속도로 인해 공정시간을 단축시킴으로써 에너지를 절감할 수 있는 장점이 있다.

하지만, 두가지 방법 모두 실제 침탄품에 필요한 탄소량에 비해 과도한 침탄원료가 사용되고, 아세틸렌을 사용하는 진공침탄과 달리 산소가 포함된 침탄 가스를 사용함으로써 침탄품의 품질을 저하시키는 입계산화를 발생시키는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-2004078호

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 가스침탄 공정시 입계산화를 최소화하는 등 침탄처리품의 품질을 향상시키고, 공정의 비용을 줄이기 위한 침탄방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에서는 가스침탄공정과정에서 원하는 표면경도와 경화깊이를 얻기위한 침탄의 단계별 공정 시간을 계산하여 진공퍼지 가능한 침탄실을 사용하여 확산단계 시작시 침탄실 내를 진공퍼지하고 비반응성기체로 복압하는 가스침탄공정방법을 제공한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는, 진공퍼지 가능한 침탄실 내로 피처리물을 투입하는 제1단계; 상기 침탄실을 가열하여 상기 침탄실 내의 온도를 침탄온도까지 승온시키는 제2단계; 상기 침탄실 내의 침탄온도와 피처리물의 온도가 동일해지도록 t₁시간동안 제1균열하는 제3단계; 상기 피처리물의 표면에 t₂시간동안 침탄하는 제4단계; 상기 피처리물의 표면에 침투된 탄소가 내부로 확산되어 침탄층을 형성하도록 t₃시간동안 침탄원료의 투입없이 확산시키는 제5단계; 상기 침탄실 내의 온도를 ??칭 직전 온도까지 낮추는 강온을 수행하고 t₄시간동안 제2균열하는 제6단계; 및 상기 피처리물을 진공퍼지 가능한 ??칭실로 옮겨 ??칭하여 표면경화하는 제7단계;를 포함하고, 상기 제2단계, 3단계, 및 4단계는 침탄원료를 지속적으로 투입하는 단계를 포함하고, 상기 제5단계는 확산단계를 시작할 때 상기 침탄실 내부를 진공퍼지하는 퍼지단계와 상기 진공퍼지된 침탄실 내부에 비반응성기체를 유입시켜 압력을 회복하는 복압단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스침탄공정방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 피처리물은 금속물인 것을 특징으로 하는, 가스침탄공정방법일 수 있다.

이때, 상기 금속물은 철을 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스침탄공정방법일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 승온단계는, 상기 침탄실 내부를 진공퍼지하는 퍼지단계를 포함하여, 침탄실 내부에 포함된 산소를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스침탄공정방법일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 침탄단계는, 상기 t₂~t₄시간을 계산하는 단계를 더 포함하여, 상기 확산단계는 침탄원료의 투입없이 진행되도록 하는, 가스침탄공정방법일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제4단계 및 상기 제5단계는, 침탄실 내부의 CP를 0.9~1.3 wt.%로 유지하는 것을 특징으로 하는, 가스침탄공정방법일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 퍼지단계는, 상기 1Torr 이하로 진공퍼지하는 것을 특징으로 하는, 가스침탄공정방법일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 복압단계는, 진공퍼지후 잔류하는 소량의 가스들이나 처리재와 반응하지 않는 비반응성 기체를 유입시켜 압력을 회복하는 것을 특징으로 하는, 가스침탄공정방법일 수 있다.

이때, 상기 기체는 질소기체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스침탄공정방법일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 확산단계는 진공퍼지단계를 포함하여, 피처리물의 표면입자들이 산화하지 않도록 하는 것을 특징으로 하는, 가스침탄공정방법일 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 본 발명의 일시예의 가스침탄공정방법을 통해 침탄한 침탄처리품을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 가스침탄 공정의 침탄원료 사용량 및 침탄처리품의 입계산화를 저감함으로써 공정 비용을 줄이고, 품질을 향상시키는 효과를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 산업규모가 큰 침탄 열처리공정에 적용 가능하므로, 이에 따른 큰 파급효과가 기대될 수 있다.

본 발명의 효과는 상기 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는, 가스침탄공정방법을 도식화한 도면이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는, 가스침탄공정방법을 진행할 때 온도조건과 압력조건을 그래프화한 것을 나타내는 도면이다.
도3과 도4는 본 발명의 일 실시예에서 사용하는 가스침탄공정장치에 대한 도면이다.
도5는 본 실시예1에 의해 제조된 침탄처리품의 입계산화층을 촬영한 도면이다. 이하에서는 도5를 참조하여 실시예1을 설명한다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다." 또는 "가지다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는, 가스침탄공정방법을 도식화한 도면이다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는, 가스침탄공정방법을 진행할 때 온도조건과 압력조건을 그래프화한 것을 나타내는 도면이다.

이하에서는 도1과 도2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는, 가스침탄공정방법에 대하여 설명한다.

본 발명은, 진공퍼지 가능한 침탄실 내로 피처리물을 투입하는 제1단계; 상기 침탄실을 가열하여 상기 침탄실 내의 온도를 침탄온도까지 승온(S100)시키는 제2단계; 상기 침탄실 내의 침탄온도와 피처리물의 온도가 동일해지도록 t₁시간동안 제1균열(S200)하는 제3단계; 상기 피처리물의 표면에 t₂시간동안 탄소를 침투시켜 침탄(S300)하는 제4단계; 상기 피처리물의 표면에 침투된 탄소가 내부로 확산되어 침탄층을 형성하도록 t₃시간동안 침탄원료의 투입없이(S900) 확산(S400)시키는 제5단계; 상기 침탄실 내의 온도를 ??칭 직전 온도까지 낮추는 강온(S500)을 수행하고 t₄시간동안 제2균열(S600)하는 제6단계; 및 상기 피처리물을 진공퍼지 가능한 ??칭실로 옮겨 ??칭(S700)하여 표면경화하는 제7단계;를 포함하고, 상기 제2단계, 제3단계, 및 제4단계는 침탄원료를 지속적으로 투입하는 단계(S800)를 포함하고, 상기 제5단계는 확산단계를 시작할 때 상기 침탄실 내부를 진공퍼지한 뒤, 상기 진공퍼지된 침탄실 내부에 비반응성 기체를 유입시켜 압력을 회복하는 복압단계를 거치는 진공퍼지 및 복압단계(S420)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스침탄공정방법을 제공한다.

상기 가스침탄공정방법은 침탄원료를 기준으로 carrier 가스로 일산화탄소와 수소의 혼합가스를 생성하는 액상의 메탄올이 사용되는 적주식 가스침탄공정방법, 또는 변성로에서 carrier 가스로 일산화탄소, 수소, 질소로 구성된 혼합가스(RX가스)를 생성하는 기체상의 탄화수소가스가 사용되는 변성식 가스침탄공정방법일 수 있다.

상기 피처리물은 금속물일 수 있다. 상기 금속물은 예를 들면, 철(Fe)일 수 있으나, 이에 한정되지 아니하고 침탄이 요구되는 금속물이면 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 상기 승온단계(S100)를 설명한다.

상기 승온단계는, 본 발명의 적주식 가스침탄공정의 대상인 피처리물을 침탄실 내로 투입한 뒤, 상기 침탄실을 가열하는 단계이다.

본 승온단계(S100)에서는, 침탄실(200)을 가열하여 침탄실(200) 내의 온도를 침탄온도까지 상승시킨다. 이때 상기 침탄실 내의 온도는 목적하는 피처리물의 종류, 침탄의 경화깊이, 등 다양한 조건에 따라 달라질 수 있으며, 본 발명의 구체적인 일구현예에서는 900℃ ~ 1,000℃로 올린다.

본 승온단계(S100)에서는, carrier 가스만을 생성하는 침탄원료를 투입하는 단계(S800)를 포함하고, 구체적으로는 침탄실내 온도가 메탄올 분해가 가능한 750℃ 에 도달하면 투입이 시작되며, 도2를 통해 알 수 있듯이, 승온단계의 초반에 내부압력을 진공퍼지하고 복압하는 진공퍼지 및 복압단계(S110)를 포함한다.

상기 진공퍼지 및 복압단계(S110)를 포함하여, 침탄실에 존재하는 수분, 산소 및 오염물을 제거함으로써 그 침탄처리품의 입계산화를 방지하는 등 품질을 향상시키는 효과와 고온의 가열실 내부 분위기를 청정하게 유지함으로써 효율적인 장비관리 효과를 제공할 수 있다.

이때 상기 복압단계에서 사용되는 복압기체는, 피처리물의 침탄 진행에 영향을 주지 않는 비반응성 기체여야 하며, 상기 비반응성 기체는 예를 들면 질소기체 또는 질소기체를 포함하는 혼합기체일 수 있다. 다만, 상기 예시에 한정되지 아니하고, 본 발명의 효과의 제공을 위해 사용할 수 있는 모든 기체는 본 권리범위에 속하는 것으로 해석해야할 것이다.

또한, 본 승온단계(S100)의 초반부에는 온도가 감소하는 구간(S120)이 나타날 수 있는데, 이는 침탄대상인 침탄실의 온도보다 낮은 온도의 피처리물이 침탄실 내에 유입됨에 따라 나타나는 현상이다.

이하에서는 상기 제1균열단계(S200)를 설명한다.

상기 승온단계(S100)를 거쳐 침탄실 내의 온도는 침탄온도에 이르게 되더라도, 상기 피처리물의 온도가 이와 동시에 침탄실 내의 온도와 동일해지는 것은 아니다. 또한, 상기 침탄실 내의 온도와 피처리물의 온도가 다른 경우에는, 피처리물의 표면에 침탄을 진행함에 있어서, 목적하는 침탄층을 수득하지 못하게 될 수 있다.

이에 따라, 상기 침탄실 내의 열에너지가 상기 저온의 피처리물에 전도되어 중심부까지 동일한 온도가 되는 데 일정시간 t₁이 필요하며, 상기 t₁시간 동안 제1균열하는 단계(S200)를 포함한다..

또한, 상기 제1균열단계(S200)에서는, carrier 가스만을 생성하는 침탄원료를 투입하는 단계(S800)를 포함한다.

이하에서는 상기 침탄단계(S300)를 설명한다.

상기 침탄단계(S300)에서는 침탄원료를 투입하는 단계(S800)를 포함하며, 정확히 계산된 t₂시간 동안 피처리물에 필요한 탄소량이 피처리물의 표면을 통해 침투된다.

본 침탄단계(S300)에서, 메탄올을 원료로 하는 carrier 가스 뿐만 아니라 주로LPG가 이용되는enrich가스를 투입하여 피처리물의 탄소 고용한도 이하의 CP값으로 침탄실 분위기를 제어하며, 이때 상기 CP값은 피처리물의 조성과 침탄 온도에 따라 0.9~1.3 wt.% 사이의 값을 갖는다.

또한, 상기 침탄단계(S300)에서는 침탄실(200) 내의 온도를 900℃~ 1,000℃로 유지하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 확산단계(S400)을 설명한다.

확산단계(S400)는, 상기 침탄단계(S300)에서 피처리물의 표면에 탄소를 침탄한 뒤, 상기 피처리물의 표면부에 존재하는 침탄된 탄소들을 좀더 피처리물의 내부로 확산시켜 원하는 깊이의 침탄층을 형성하도록 하는 단계이다.

확산단계(S400)는, 원하는 표면탄소농도(경도)의 저하 없이 원하는 침탄(경화)깊이를 만족시킬 수 있는 확산시간(t₃)을, Fick's 2^nd law에 기반한 강재의 오스테나이트역에서 탄소 확산 방정식을 바탕으로 계산하여 적용한다.

또한, 본 단계에서는, 침탄단계 완료 직후 침탄실 내부에 많은 침탄가스가 잔류하는 상태에서 확산단계가 시작하는 시점(S410)에 상기 침탄실 내부를 진공퍼지하고 즉각적으로 복압기체로 상기 침탄실 내부의 압력을 복압하는, 진공퍼지 및 복압단계(S420)를 포함한다.

고온에서 침탄공정이 진행되는 경우, 상기 침탄원료가 산소를 포함하고 있는 물질인 경우에는 피처리물의 산화를 야기시키는 물질이 발생할 수 있으며, 상기 물질들은 대표적으로 O₂, CO₂, H₂O이 있다.

즉, 침탄실(200) 내의 고온조건 하에서는 상기 물질들이 피처리물의 표면에서 산화반응을 할 수 있고, 그 결과 피처리품의 표면에서 입계산화를 발생시킬 수 있으며, 이런 입계산화층의 형성은 최종 침탄처리품의 품질과 물성을 저하시키는 것이다. 이에, 상기 입계산화층의 발생을 최소화하여야 하며, 이를 방지하기 위해 산소를 포함하고 있는 물질들을 제거함이 바람직하다.

본 발명에서는 확산단계에서의 상기 입계산화의 발생을 방지하기 위해 진공퍼지 및 복압단계(S420)를 포함하고, 이를 통해 상기 침탄실 내에 존재하는 피처리물의 산화를 야기시키는 물질들을 제거한다.

이때 상기 진공퍼지 및 복압단계(S420)는, 1torr 이하로 진공퍼지 후 50~760torr으로 복압하는 것일 수 있다.

상기 복압하는 복압기체는 피처리물의 산화 또는 다른 부반응을 방지하기 위해 비반응성 기체를 사용하며, 상기 비반응성의 기체에는 예를들면 질소기체가 있으나, 상기 예시에 한정되지 아니하고, 비반응성 기체로써 본 발명의 효과를 가지기 위하여 사용할 수 있는 모든 기체는 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석해야 할 것이다.

다만 상기 진공퍼지 및 복압단계(S420)는 그 단계 실시 중에도 일어날 수 있는 산화나 탈탄이 거의 일어나지 않도록 가급적 빠르게 이루어져야한다.

본 발명에서 제공하는 이러한 방식의 확산단계를 통해 기존 가스침탄공정의 확산단계와는 달리, 침탄원료 투입없이(S900) 확산을 진행할 수 있으며, 궁극적으로는 가스침탄공정에 사용되는 침탄원료의 총량이 감소하게 되는 효과를 제공할 수 있게 된다.

이하에서는 강온단계(S500)와 제2균열단계(S600)를 설명한다.

상기 확산단계(S400) 공정 뒤에는 상기 공정의 온도를 강하하는 강온단계(S500) 및 제2균열단계(S600)를 포함하게 된다.

본 강온단계(S500)와 제2균열단계(S600)를 통하여, 향후 ??칭단계(S700)를 진행하기에 앞서, ??칭에 의한 변형을 최소화하되 원치않는 상변태를 막을 수 있는 온도로 피처리물 전체를 냉각한다.

또한, 강온 및 제2 균열단계에서 추가적인 탄소확산에 대한 계산을 바탕으로, 본 발명에서는 기존 가스침탄공정의 강온 및 제2 균열단계와 달리 침탄원료 투입없이(S900) 원하는 표면 탄소농도(경도)의 저하없이 원하는 침탄(경화)깊이를 만족시킬 수 있는 강온과 균열을 진행할 수 있게 된다.

이에 따라, 궁극적으로는 가스침탄공정에 사용되는 침탄원료의 총량이 감소하게 되는 효과를 제공할 수 있게 된다.

본 발명에서 제공하는 구체적인 일 구현예에 의하면, 상기 ??칭 직전 온도 조건에 만족한는 범위 820℃~870℃일 수 있다.

이하에서는 ??칭단계(S700)를 설명한다.

본 ??칭단계(S700)에서는, 상기 침탄실(200)에서 침탄되었던 피처리물을, 진공퍼지 가능한 ??칭실(100)로 이동시킨 뒤 진행한다.

본 단계에서는 강온단계(S500) 및 제2균열단계(S600)를 통하여 820℃ ~ 870℃로 처리하였던 피처리물을 ??칭실 하단 유조에 침강시켜 마르텐사이트 변태 개시온도 이하까지 급랭시킨후 상승시켜 유절한 후 장출시켜 최종적으로 상온까지 냉각시킨다.

이와 같은 급랭을 통하여, 궁극적으로 침탄단계에서 피처리물에 침투되고 확산된 탄소가 고용된 상태에서 마르텐사이트 조직으로 변태함에 따라 표면부위 침탄층이 높은 강도를 지니는 표면경화열처리가 이루어진다.

이하에서는 상기 실시예에서 사용되는 진공퍼지식 가스침탄공정장치에 대해 설명한다.

도3과 도4는 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 적주식 가스침탄공정장치에 대한 도면이다. 이하에서는 도3과 도4를 참조하여 설명한다.

상기 가스침탄공정장치는 진공퍼지 가능한 가열실을 포함한다는 점 이외의 구성은 통상적으로 유통되는 제품과 동일 또는 유사하며, 본 가스침탄공정장치의 세부구성과 작동관계에 대하여서는 생략하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에서 제공하는 가스침탄공정장치는, 진공퍼지 가능한 ??칭실(100)와 진공퍼지 가능한 침탄실(200)을 포함하며, 피처리물이 상기 침탄실과 상기 ??칭실을 이동할 수 있도록 해주는 이동레일(300)을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이때 상기 침탄실과 상기 ??칭실은 진공펌프를 통해 진공퍼지 가능하게 하여 피처리물의 표면입자들이 산화하지 않도록 하는 것을 특징으로 한다.

진공퍼지 가능한 침탄실(200)에 대하여 설명한다.

상기 진공퍼지 가능한 침탄실(200)을 포함함으로써, 가스침탄공정과정 중 확산단계(S400)에서 진공퍼지하는 단계(S410)를 거칠 수 있게 되며, 이를 통해 입계산화를 최소화할 수 있게 된다. 이때 입계산화를 최소화할 수 있는 이유는, 전술한 바와 같이 침탄실 내의 잔존하는 산소원자를 포함하는 산화성가스를 최소화하기 때문이다.

진공퍼지 가능한 ??칭실(100)에 대하여 설명한다.

상기 진공퍼지 가능한 ??칭실(100)을 포함함으로써, 가스침탄공정과정 중 침탄단계 직후 고온의 처리품을 침탄실에서 ??칭실로 옮기는 도중과 ??칭단계(S700)에서 ??칭조에 침강시키 직전에 발생할 수 있는 산화를 막을 수 있다.

이는 제품의 장입 직후 ??칭실 (장입실)을 진공퍼지하고 질소복압하여 제품이 장입실을 거쳐 침탄실로 이동할 때 ??칭조 내 오일에서 발생하는 유증기나 제품 장입시 따라 들어오는 산소와 불순물 등을 제거하고 ??칭단계까지 유지되기 때문이다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 적주식 가스침탄공정방법에 의해 제공된 침탄처리품에 대하여 설명한다.

본 적주식 가스침탄공정방법에 의하면, 침탄단계(S300)에서 침탄실(200) 내부로 들어간 피처리물의 표면상에 침탄원료가 가스침탄되는 공정을 거치게 되며, 확산단계(S400) 초에 진공퍼지 및 복압단계(S420)를 거치게 되며, 상기 복압은 질소기체를 이용하여 복압할 수 있다.

이와 같은 공정을 거친 상기 침탄처리품은, 침탄 조건에 따라 상이하지만 일반적으로 0.5~2.0 mm두께의 침탄층을 가질 수 있다.

또한, 이때 상기 침탄처리품의 표면상에 형성된 침탄층은 탈탄이 거의 없고, 입계산화층도 수 μm 이내인 양질의 미세조직을 갖음으로써 침탄처리품이 높은 내구성을 갖게 해준다.

이하에서는 실시예 및 비교예를 통해 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명이 하기 실시예 및 비교예에 한정되는 것은 아니다.

실시예1

본 실시예1에서는, 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는 적주식 가스침탄공정방법을 사용하여 침탄처리품을 제조하였다.

도5는 본 실시예1에 의해 제조된 침탄처리품의 입계산화층을 촬영한 도면이다. 이하에서는 도5를 참조하여 실시예1을 설명한다.

본 실시예1에서의 적주식 가스침탄공정은, 930℃에서 가스침탄이 진행되었으며, 최종 침탄처리품의 침탄층은 0.5mm의 경화깊이를 목표로 하였다.

도5를 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는 적주식 가스침탄공정방법을 사용하여 제조한 침탄처리품의 입계산화층은 2μm(도5(a))이다. 이는, 기존의 적주식 가스침탄공정방법을 사용하여 제조한 침탄처리품의 입계산화층인 6μm(도5(a))의 33%이다.

실시예2

본 실시예2에서는 종전 적주식 가스침탄공정방법을 사용하여 침탄을 진행할 때와, 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는 적주식 가스침탄공정방법을 사용하여 침탄을 진행할 때 사용되는 carrier 가스의 원료가 되는 메탄올의 양을 비교하였다.

하기 표1은 본 실시예2에서 측정된, 적주식 가스침탄공정방법에서 요구되는 침탄원료의 양들을 정리한 표이다.

	종전 적주식 가스침탄공정	본 발명의 적주식 가스침탄공정
침탄원료 (메탄올) 사용량	6.0L	3.3L
비교	-	55%

본 실시예2에서의 구체적인 공정방법으로는, 침탄원료는 메탄올을 사용하였으며, 침탄단계에서의 공정온도는 930℃, 침탄층은 0.5mm 유효경화깊이를 목표로 하여, 적주식 침탄공정방법을 사용하였다.

본 실시예2를 통해 알 수 있듯이, 동일한 침탄처리품을 형성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 의해 제공되는 적주식 가스침탄공정방법을 사용할 때는 3.3L의 메탄올만 요구된다. 이는, 종전 적주식 가스침탄공정방법을 사용하여 침탄을 진행할 때 요구되던 6.0L의 메탄올의 55%이다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: ??칭실(장입실)
200: 침탄실(가열실)
300: 이동레일

Claims (11)

1. 진공퍼지 가능한 침탄실 내로 피처리물을 투입하는 제1단계;
   상기 침탄실을 가열하여 상기 침탄실 내의 온도를 침탄온도까지 승온시키는 제2단계;
   상기 침탄실 내의 침탄온도와 피처리물의 온도가 동일해지도록 t₁시간동안 제1균열하는 제3단계;
   상기 피처리물의 표면에 t₂시간동안 침탄하는 제4단계;
   상기 피처리물의 표면에 침투된 탄소가 원하는 깊이의 침탄층을 형성하도록 t₃시간동안 침탄원료의 투입없이 확산시키는 제5단계;
   상기 침탄실 내의 온도를 소입온도까지 낮추는 강온을 수행하고 t₄시간동안 제2균열하는 제6단계; 및
   상기 피처리물을 진공퍼지 가능한 ??칭실로 옮겨 ??칭하여 표면경화하는 제7단계;를 포함하고,
   상기 제2단계, 제3단계, 및 제4단계는 침탄원료를 지속적으로 투입하는 단계를 포함하고,
   상기 제5단계는 확산단계를 시작할 때 상기 침탄실 내부를 진공퍼지하는 퍼지단계와 상기 진공퍼지된 침탄실 내부에 비반응성 기체를 유입시켜 압력을 회복하는 복압단계를 거치는 진공퍼지 및 복압단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스침탄공정방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 피처리물은 금속물인 것을 특징으로 하는, 가스침탄공정방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 금속물은 철인 것을 특징으로 하는, 가스침탄공정방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 승온단계는, 상기 침탄실 내부를 진공퍼지하는 퍼지단계를 포함하여, 침탄실 내부에 포함된 산소원자를 포함하는 산화성 물질을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스침탄공정방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 침탄, 확산, 강온 및 제2균열 단계는, 상기 t_2, t_3, 및 t_4, 시간을 계산하는 단계를 더 포함하여, 상기 확산, 강온 및 제2균열단계는 침탄원료의 투입없이 진행되도록 하는, 가스침탄공정방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제4단계 및 상기 제5단계는, 침탄실 내부의 탄소포텐셜을 0.9~1.3 wt.%로 유지하는 것을 특징으로 하는, 가스침탄공정방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 퍼지단계는, 1torr 이하로 진공퍼지하는 것을 특징으로 하는, 가스침탄공정방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 복압단계는, 비반응성 기체를 유입시켜 침탄실 내부 압력을 50torr 이상 760torr 이하로 회복시키는, 가스침탄공정방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 비반응성 기체는 질소기체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스침탄공정방법.
10. 제1항에 있어서,
    상기 확산단계는 진공퍼지 및 복압단계를 포함하여, 침탄실 내의 산화성 물질들을 제거하여 피처리물의 표면입자들이 산화하지 않도록 하는 것을 특징으로 하는, 가스침탄공정방법.
11. 제1항의 가스침탄공정방법을 통해 침탄한 피처리물.

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