KR102560920B1 - 철 합금 및 다른 금속으로 제조된 가공물의 저압 침탄(lpc) 방법 - Google Patents
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Abstract
가스 분위기에서 820 °C 내지 1200 °C의 온도의 포화 상태에서 일정한 시간 단계에서 연속적인 인-라인 열화학 표면 처리를 위한 장치 내에서 철 합금 및 다른 금속으로 제조된 요소의 저압 침탄(LPC)의 방법으로서, 상기 장치의 작업 시간 단계에 따라 동조되고 일정한 흐름-시간 순서의 임펄스를 사용하여 장치의 진공 챔버 내로 가스상 탄소 담체(gaseous carbon carrier)가 도입된다.
Description
본 발명의 목적은 가공물의 연속, 인-라인, 열화학 표면 처리를 위한 장치 내에서 철 합금 및 다른 금속으로 제조된 가공물의 저압 침탄(LPC)의 방법에 관한 것이다.
특허 공보 제US 5,205,873호는 820 ℃ 내지 1100 ℃의 온도로 가열된 노 챔버에서 저압 침탄의 공정을 기술한다. 이 공정은 공기를 제거하기 위하여 약 10- 1 hPa의 초기 진공이 생성되는 챔버 내에서 개시된다. 그 뒤에, 순수 질소로 충전되면 챔버는 침탄이 수행되는 가공물이 적재된다. 챔버를 적재한 후, 약 10- 2 hPa의 진공이 생성되고, 충전물은 오스테나이트화 온도까지 가열된다. 이러한 온도는 침탄될 가공물 내에서 온도가 균등해질 때까지 유지되고, 그 다음에 챔버는 500 hPa의 압력까지 수소로 충전된다. 이어서, 탄소 담체인 에틸렌이 10 내지 100hPa의 압력 하에 도입하고, 수소 및 에틸렌으로 이루어진 가스 혼합물이 생성되며, 이는 혼합물의 2 부피% 내지 약 60 부피%를 형성한다.
특허 공보 제US 6,187,111 B1호는 1 내지 10 hPa의 진공이 생성되는 노 챔버 내에서 스틸로 제조된 가공물을 침탄하는 방법을 기재하며, 침탄이 수행되는 온도는 900°C 내지 1100°C이다. 이 방법에서 석탄의 담체는 가스 에틸렌이다.
특허 공보 제US 5,702,540호 및 제EP 0 882 811 B1호는 1 내지 50 hPa의 압력에서 진공 노에서 수행되는 철 합금으로 제조된 가공물의 진공 침탄 방법을 기술하고, 여기서 탄소 분위기는 메탄, 프로판, 아세틸렌 또는 에틸렌으로부터 고온 노 챔버에서 수행된다. 이들 화합물은 개별적으로 또는 혼합물로 사용된다. 일반적으로 이 공정에서 탄소 포화 및 확산 단계를 구성하는데 2가지의 방법이 사용된다. 충격 법(impulse method)으로 불리는 제1 방법에서 침탄 분위기는 진공 노 챔버에서 주기적으로 도징되고 그 뒤에 반응 생성물을 제거되고 챔버에서 기술적 진공이 얻어질 때까지 몇 분간 유지된다. 임펄스의 횟수는 생성된 침탄 표면의 두께에 따르고 수 내지 수십의 범위에 따른다. 제2 방법은 침탄 단계에서 진공 노의 챔버에서 충전물에 직접 노즐 시스템을 통해 침탄 분위기를 연속적인 도징으로 구성되는 주입 방법이다. 이 단계에서, 탄소 함유 분위기의 일정한 작동 압력이 유지되고, 확산 단계가 각 침탄 단계 후에 일어난다. 이 배열 방법의 사이클 수는 1에서부터 몇 가지까지 다양하다.
특허 공보 제PL 202 271 B1호는 감소된 압력 하에서 무-산소 분위기의 진공 노에서 수행되는 스틸 가공물을 침탄하는 방법을 기재하며, 여기서 침탄 단계는 0.1 kPa 내지 3 kPa의 압력 변경 상태 및 5 내지 40분에 걸쳐 1.5 내지 10의 체적 비율에서 수소를 갖는 아세틸렌 또는 프로판 또는 에틸렌의 혼합물의 대기에서 수행되며 압력 증가 시간은 압력 감소 시보다 3 내지 20배 더 길다.
특허 공보 제PL 204 747 B1호는 증가된 온도에서 감압 하에 진공 노에서 스틸 가공품, 주로 기계, 차량 및 기타 기계 장치의 요소를 침탄하는 방법을 기재한다. 감압 하에서 스틸 요소를 침탄시키는 방법은 전하를 가열하는 동안 활성 질소의 담체를 도입하는 것으로 구성된다. 활성 질소 담체의 도입 공정은 충전물이 침탄 공정의 개시에 필요한 온도에 도달하면 중단되고, 그 뒤에 탄소의 담체가 공급된다. 활성 질소 담체를 도입하는 시간에 걸쳐, 0.1 내지 50 kPa로 노 챔버 내의 압력을 유지해야 한다.
또한, 폴란드 특허 출원 번호 제P.411158호에는 연결된 공정 챔버를 통해 가공된 가공물의 인라인 흐름과 함께 진공 침탄 및 켄칭을 위한 다중 챔버 노가 기재된다.
본 발명에 따라서, 820 °C 내지 1200 °C의 침탄 온도에서 가공물의 연속적인 인-라인 열화학 표면 처리를 위한 장치 내에서 철 합금 및 다른 금속으로 제조된 요소의 저압 침탄(LPC)의 방법으로서, 상기 장치의 작업 시간 단계에 따라 동조되고 일정한 흐름-시간 순서의 임펄스를 사용하여 장치의 진공 챔버 내로 가스상 탄소 담체가 도입된다.
바람직하게, 가스상 탄소 담체는 1 내지 5 시간 단계(time-step)가 스킵되거나(skipping) 또는 장치의 모든 작업 시간 단계 동안에 도입된다.
바람직하게, 가스상 탄소 담체는 시간-단계 당 1 내지 5 임펄스로 구성되는 순서로 도입된다.
바람직하게, 가스상 탄소 담체는 1초 내지 300초의 임펄스 지속 상태에서 분당 0.1 내지 100 dm3의 흐름의 임펄스로 도입된다.
바람직하게, 가스상 탄소 담체는 1초 내지 300초의 임펄스 지속 상태에서 분당 0.1 내지 100 dm3의 흐름의 임펄스로 도입된다.
또한 바람직하게, 가스상 탄소 담체는 0.2 내지 10 hPa의 절대 압력 하에서 도입된다.
추가로, 가스상 탄소 담체는 탄화수소, 바람직하게는 아세틸렌 또는 탄화수소의 혼합물이다.
본 발명에 따라서, 이 침탄 방법에 따라 하기 공정 파라미터: 온도, 압력, 시간-단계의 지속 시간 및 임펄스뿐만 아니라 가스상 탄소 담체의 흐름의 조절로부터 야기되는 탄소 농도 구배의 무제한 분포의 침탄된 층을 형성할 수 있다. 이는 특히 더 높은 온도가 사용될 때 중요하며, 이는 공정 시간 및 비용을 감소시킨다.
임펄싱 동안에 시간-단계가 스키핑되고(skipping), 즉 시간-단계(time-step)가 스키핑되지 않는 경우 가스 임펄스가 각각의 시간-단계 동안에 동일하며, 하나의 시간-단계가 스키핑되는 경우 임펄스는 제2 시간-단계에 있고, 2개의 시간-단계가 스키핑되는 경우 그 뒤에 임펄스는 제3 시간-단계에 있으며 등등이다.
실시예
1
15개의 위치로 각각 구성되고, 각각 가열, 침탄 및 확산을 위한 3개의 공정 챔버로 구성되며, 인-라인 가공물 흐름에 따른 진공 노 내에 180 초 시간 단계에서 0.054 m2의 표면을 가지며 2.49 kg인 16MnCr5 스틸로 제조된 동일한 톱니 기어의 배치를 배열하였다. 순차적으로, 휠들인 3개의 챔버 내의 15개의 위치 모두를 통해 이동하고 이 챔버는 가열, 그 후에 침탄 및 그 뒤에 확산을 위한 챔버이다. 가열 챔버 내에서 이 휠들은 950°C의 온도로 가열된다. 그 뒤에, 950°C로 가열된 침탄 챔버 내에서 휠들은 15개의 위치 각각에 대해 180 초 시간 단계 각각에서 분당 16 dm3의 흐름으로 8초 동안에 아세틸렌의 도입에 의해 저압 침탄이 수행된다. 그 후, 휠은 확산 챔버로 이동하여 950 °C의 온도에서 10개의 위치에 잔류하고 나머지 5개의 위치에서는 온도가 860 °C로 감소된다. 그런 다음 휠은 0.3 MPa의 압력하에서 질소에서 개별적으로 켄칭되고 수반된 장치에서 180°에서 템퍼링된다.
모든 휠에서 균일하게 침탄된 표면은 하위 표면 영역에서 임의의 탄화물 석출 없이 적절한 마르텐사이트 미세구조를 갖는 톱니의 측면 표면상에서 측정된 0.60±0.02mm의 두께가 구현된다. 침탄된 요소의 표면은 금속 광택을 나타냈고, 노 설치 시에 탄소-관련 오염이 없었다.
실시예
2
15개의 위치로 각각 구성되고, 각각 가열, 침탄 및 확산을 위한 3개의 공정 챔버로 구성되며, 인-라인 가공물 흐름에 따른 진공 노 내에 90 초 시간 단계에서 0.07 m2의 표면을 가지며 1.66 kg인 16MnCr5 스틸로 제조된 동일한 톱니 기어의 배치를 배열하였다. 순차적으로, 휠들인 3개의 챔버 내의 15개의 위치 모두를 통해 이동하고 이 챔버는 가열, 그 후에 침탄 및 그 뒤에 확산을 위한 챔버이다. 가열 챔버 내에서 상기 휠들은 1040°C의 온도로 가열된다. 그 뒤에, 1040°C로 가열된 침탄 챔버 내에서 휠들은 15개의 위치 각각에 대해 90 초 시간 단계 각각에서 분당 22 dm3의 흐름으로 10초 동안에 아세틸렌의 도입에 의해 저압 침탄이 수행된다. 그 후, 휠은 확산 챔버로 이동하여 1040 °C의 온도에서 10개의 위치에 잔류하고 나머지 5개의 위치에서는 온도가 860 °C로 감소된다. 그런 다음 휠은 0.3 MPa의 압력하에서 질소에서 개별적으로 켄칭되고 수반된 장치에서 180°에서 템퍼링된다.
모든 휠에서 균일하게 침탄된 표면은 하위 표면 영역에서 임의의 탄화물 석출 없이 적절한 마르텐사이트 미세구조를 갖는 톱니의 측면 표면상에서 측정된 0.60±0.02mm의 두께가 구현된다. 침탄된 요소의 표면은 금속 광택을 나타냈고, 노 설치 시에 탄소-관련 오염이 없었다.
Claims (8)
- 가스 분위기에서 820 °C 내지 1200 °C의 온도의 포화 상태에서 일정한 시간 단계에서 연속적인 인-라인 열화학 표면 처리를 위한 장치 내에서 철 합금 및 다른 금속으로 제조된 요소의 저압 침탄(LPC)의 방법으로서,
상기 장치의 작업 시간 단계에 따라 동조되고 일정한 흐름-시간 순서의 임펄스를 사용하여 장치의 진공 챔버 내로 가스상 탄소 담체(gaseous carbon carrier)가 도입되고,
상기 임펄스 기간이 1초 내지 10초 지속되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서, 가스상 탄소 담체는 1 내지 5 시간 단계(time-step)가 스킵되거나(skipping) 또는 장치의 모든 작업 시간 단계 동안에 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 가스상 탄소 담체는 시간-단계 당 1 내지 5 임펄스로 구성되는 순서로 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 가스상 탄소 담체는 1초 내지 10초의 임펄스 지속 상태에서 분당 0.1 내지 100 dm3의 흐름의 임펄스로 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 가스상 탄소 담체는 0.2 내지 10 hPa의 절대 압력 하에서 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제5항에 있어서, 가스상 탄소 담체는 탄화수소인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제5항에 있어서, 가스상 탄소 담체는 탄화수소의 혼합물인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제5항에 있어서, 가스상 탄소 담체는 아세틸렌인 것을 특징으로 하는 방법.
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