KR19980703376A - 진공 침탄법과 침탄 장치, 및 침탄 처리 제품 - Google Patents

Abstract

그을음의 발생을 억제하고, 깊은 공동을 포함하는 작업물의 모든 부분이 진공 침탄에 의해서 균일하게 침탄되도록 하며, 사용되는 가스 및 열의 양을 감소할 수 있도록 하기 위해서, 아세틸렌 가스가 가열 챔버(2) 내의 침탄 가스 공급원(C)으로부터 공급되는 동안 작업물(M)이 가열되고, 가열 챔버(2)의 내부가 진공 배기원(V)에 의해서 1 kPa 이하의 진공을 줄 수 있도록 배기되면서 진공 침탄로(1)의 가열 챔버(2)에서 침탄 처리가 수행된다.

Description

진공 침탄법과 침탄 장치, 및 침탄 처리 제품

철강의 표면을 개선하기 위한 방법으로서 가장 널리 사용되는 침탄 처리는 일반적으로 가스 대기에서의 가스 침탄(gas carburizing)이지만, 이 가스 침탄은 비정상적인 표면층을 만들고, 고온 침탄용으로 부적절한 노(furnace) 구조를 가지며, 그을음(soot)을 발생시키고, 제어하기 복잡한 많은 침탄 조건을 갖는다는 등의 문제들을 가지며, 이들 문제들을 극복하기 위해서 진공 침탄로를 사용하는 진공 침탄법이 제기되어 왔다.

종래의 진공 침탄법에서는 기체 포화 지방족 탄화수소가 침탄 가스로서 사용된다. 따라서, 메탄 가스(CH₄), 프로판 가스(C₃H₈) 및 부탄 가스(C₄H₁₀)와 같은 메탄계 가스가 기체 포화 지방족 탄화수소로서 사용되어 왔으며, 이들 침탄 가스들은 강 재료로 구성된 작업물이 약 900 내지 1000℃로 가열되는 진공 침탄로의 가열 챔버에 직접적으로 공급되어, 가열 챔버에서 열분해되고, 이 공정에서 만들어지는 활성화된 탄소가 재료의 표면에서 침탄 및 분산을 일으킬 수 있도록 강 재료의 표면으로 침투한다.

이 경우에 작업물 표면에 침탄 가스를 충분하게 공급하기 위해서는 침탄 가스가 작업물의 전체 표면으로 침투할 필요가 있으며, 따라서 작업물을 보유하고 있는 가열 챔버는 진공으로 유지되고, 노의 압력은 침탄 가스가 공급될 때 이상으로 침탄 가스를 교반시키거나 또는 주기적 주입(pulsed admission)에 의해서 변화된다.

이와 관련해서, 종래 방법의 진공 침탄법에서의 개념은 강한 침탄을 제공하기 위해서 침탄가스로서는 탄화수소가 일반적으로 사용되어야 하며, 탄화수소 중 상술한 바와 같이 메탄계 가스와 같은 기체 포화 지방족 탄화수소가 사용된다는 것이다.

그 이유는, 메탄계 가스는 강 재료가 침탄되는 최대 약 1100℃까지의 온도 범위에서 안정적이며 비록 안정성이 떨어지고 그을음이 나타난다 하더라도 분자량이 증가함에 따라 침탄력은 강해지는 반면에, 아세틸렌계 가스와 같은 기체 불포화 지방족 탄화수소는 메탄계 가스보다도 불안정적이며 침탄보다는 열분해를 진행시켜서 침탄 가스로서 사용될 때 이들은 단지 그을음만을 만들어내서 침탄 가스로는 전혀 적절하지 않은 것으로 이 분야의 당업자 사이에서 인식되고 있기 때문이다[가와카미 및 고샤의 금속 표면 경화 처리 기술 139쪽, 미키 쇼텐 (1971년 10월 25일) 참조].

결국, 실무에서는 메탄 가스(CH₄), 프로판 가스(C₃H₈) 및 부탄 가스(C₄H₁₀)와 같이 오직 기체 포화 지방족 탄화수소 메탄계 가스가 침탄 가스로서 사용되며, 기체 불포화 탄화수소 아세틸렌계 가스는 무시되어 왔다.

그렇지만, 비록 종래의 진공 침탄법이 가스 침탄으로 품질 문제를 해결해왔다 하더라도, 여전히 아래에서 기재된 바와 같은 문제들을 내포하고 있다.

1. 많은 그을음이 발생되어서, 보수 작업을 복잡하고 불결하게 만든다.

2. 가열 챔버로 주입되는 작업물 양의 감소 및 가스 양의 증가없이 균일하게 침탄하는 것은 어렵다.

3. 작업물 내의 소직경으로 된 구멍과 좁은 틈(crevice)을 침탄하기에 부적절하다.

4. 장비 단가가 비싸며, 특정 용도로 한정된다.

5. 가스 침탄에 비해 생산성이 낮으며 처리 비용이 높다.

종래 침탄 가스에서의 열분해 기구는 아래의 방정식으로 제시된다.

C₃H₈→ [C] + C₂H₆+ H₂

C₂H₆→ [C] + CH₄+ H₂

CH₄→ [C] + 2H₂

위의 방정식에서, [C]는 침탄에 기여하는 활성화된 탄소이다. 작업물 표면이 아닌 노내 공간에서의 분해에 의한 활성화된 탄소는 단지 그을음으로 되며, 이것은 진공 침탄에서 그을음 발생의 원인이다.

이러한 그을음의 발생을 감소시키기 위한 방법으로서 다음과 같은 것들이 있다.

a. 노내에서의 침탄 가스의 양을 가능한 희석시키기 위해서 불활성 가스로 (종래 방법에서와 같은 가스 압력으로) 희석화된 침탄 가스를 사용하는 것.

b. 산소 공급원[예를 들어, 알콜]과 침탄 가스를 비정상층이 발생하지 않을 정도로 혼합해서, 활성화된 탄소의 일부가 CO로서 침탄되도록 사용되고 과잉 CO 가스는 노에서 방출하는 것.

c. 그을음에 대처하는 것 이외에 장점을 갖는 방법은 희석 침탄 가스를 이온화시켜서 작업물 표면에 인력을 효율적으로 작용하기 위해서 작업물 표면에 근접해서 플라즈마를 발생시킴으로써, 나머지 노내 공간에서 분해에 의한 그을음이 거의 발생되지 않게 하는 것(플라즈마 침탄)을 포함한다.

모든 이들 대항 방법은 발생되는 그을음의 양을 감소시킬 수 있지만, 이들은 장비 및 처리 비용의 상승으로 인해서 나타나는 문제를 가지며 진공 침탄의 고유한 장점을 잃어버린다.

또한, 균일한 침탄을 얻도록 시도하게 될 때에, 장전된 작업물 사이의 간극이 부적절한 경우나 또는 작업물이 작은 구멍이나 틈을 갖는 경우, 또는 인접한 작업물들이 서로 너무 가까운 경우에는 깊은 내부 구멍 또는 틈 내에서는 적절한 침탄 경화 심도(case depth)가 얻어질 수 없기 때문에 침탄 가스로서 메탄계 가스를 사용하는 진공 침탄에서 침탄 경화 심도가 달라지는 것을 막는다는 것은 불가능하다. 예를 들어, 침탄 처리가 가스 순환 장치, 가스 혼합 장치 또는 고속 가스 분사 장치가 장착된 가열 챔버의 노내에서 수행될 때, 직경이 4 mm이고 깊이가 28 mm인 구멍이 작업물에 개구되면 구멍 저부에서의 유효 침탄 경화 심도는 작업물의 외면에서 약 0.51 mm인 것에 대해서 약 0.30 mm였다.

침탄 경화 심도의 이러한 변화는 수소 원자의 수가 탄소 원자의 수보다 크고, 원자성 탄소를 발생시키기 위한 가열 챔버에서의 분해시 분해에 의해 발생된 가스 내에는 수소 분자가 더 많이 있으며, 이것은 침탄 분자의 평균 자유 경로를 감소시키기 때문에 나타난다고 여겨진다.

따라서 작은 직경으로 된 구멍의 내벽면 상에 소정의 침탄 경화 심도를 보장할 수 있도록 침탄 처리를 수행하기 위해서는, 탄소를 구멍에 공급하거나 또는 필요한 것보다 많은 침탄 가스를 공급해서 가스를 유동 혼합시킴으로써 침탄 처리가 수행되며, 이것은 발생된 그을음의 양을 증가시키게 된다.

본 발명은 진공 침탄법과, 이 방법을 수행하기 위한 진공 침탄 장치, 및 침탄 처리된 강 제품에 관한 것이다.

도1은 본 발명에 따르는 진공 침탄 장치의 일 실시예의 형태를 도시하고있는 단면도이다.

도2는 본 발명에 따르는 진공 침탄로의 작업 패턴을 도시하는 도면이다.

도3은 본 발명의 진공 침탄법에 의해서 침탄 처리된 샘플의 단면도이다.

도4는 본 발명에 따르는 진공 침탄법을 수행할 때의 침탄 경화 심도와 노내 압력 및 그을음 발생간의 관계를 도시한 그래프이다.

도5는 본 발명의 진공 침탄법에 의해서 침탄 처리된 샘플에서의 전체 침탄층을 도시하는 단면도와, 침탄 경화 심도의 균일성을 나타내는 그래프이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제들에 대한 해결책이며, 그 목적은 그을음의 발생을 억제하고, 깊은 공동(concavities)의 내벽을 포함한 작업물의 전체 표면의 균일한 침탄을 가능하게 하고, 사용되는 가스 및 열의 양을 줄이는 진공 침탄법과 장치, 및 침탄 처리 강 제품을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르는 진공 침탄법은, 진공 침탄로의 가열 챔버 내에서 강 재료로부터의 작업물을 진공 가열하고, 가열 챔버 내로 침탄 가스를 공급함으로써 침탄 처리가 수행되는 방법에 있어서,

침탄 가스로서 기체 불포화 지방족 탄화수소가 사용되고, 침탄 처리는 1 kPa 이하의 진공에서 가열 챔버로 수행되는 것을 특징으로 한다.

상기의 기체 불포화 탄화수소로서는 아세틸렌계 가스, 특히 아세틸렌 가스의 사용이 바람직하다.

또한, 단순 진공 침탄법뿐만 아니라, 본 발명에 따르는 진공 침탄법도 질소(N)가 탄소(C)와 동시에 강 재료의 표면으로 침투하는 질화침탄(carbonitriding) 처리법에 적용될 수 있다. 이 경우에, 침탄 가스로서 아세틸렌 가스와 함께 기체 질소 공급원으로서 예를 들어 암모니아 가스(NH₃)가 첨가될 수 있다.

이와 유사하게, 본 발명에 따르는 진공 침탄 장치는 강 재료로부터의 작업물을 가열하기 위한 가열 챔버를 구비한 진공 침탄로와, 아세틸렌 가스를 상기의 가열 챔버에 공급하는 침탄 가스 공급원과, 가열 챔버를 배기시키는 진공 배기원이 마련되는 것으로서, 진공 침탄이 1 kPa 이하에서 수행되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따라 침탄 처리된 강 제품은 구멍의 내벽이 침탄 처리되고 내경(D)이 있는 밀폐된 구멍이 마련된 강 제품으로서, 상기 밀폐된 구멍의 내벽면에서의 침탄 경화 심도가 사실상 균일한 영역이 구멍의 개방 단부로부터 그 깊이(L)가 12 내지 50의 범위에 있는 깊이(L)까지 연장된 것을 특징으로 한다.

그을음이 없는 진공 침탄(감압 가스 침탄)을 달성하기 위해서는, 침탄 처리에 직접적으로 영향을 주는 탄소 이외에는 노내에서 분해가 없는 것이 바람직하며, 따라서 가능한 한 노내로 공급되는 탄소 공급원은 작업물의 표면 위에서만 분해되거나 또는 반응하며, 노 재료 상에서 또는 노내의 공간에서 분해되거나 또는 반응하지 않는 것이 바람직하다.

이러한 조건의 관점에서, 침탄 가스는 종래의 진공 침탄법의 침탄 가스로서 사용되는 안정한 메탄계 가스보다는 화학적으로 불안정한 활성 가스인 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명에 따르는 진공 침탄법에서는 메탄 가스 또는 프로판 가스 등과 같은 포화 지방족 탄화수소 가스보다 보다 좀더 화학적으로 활성이며 보다 쉽게 반응하고 분해되는 불포화 지방족 탄화수소 가스가 침탄 가스로서 사용된다.

그렇지만, 이들 불안정한 기체를 사용하면 노내에서의 체류 시간(dwell time)이 한계를 초과할 때 종래 기술에서 사용된 포화 탄화수소의 경우에서보다 그을음이 열분해에 의해서 더욱 쉽게 발생되며, 따라서 기체가 노내에 머무는 기간은 엄격하게 제한되어야 하며, 기체는 작업물 표면에서의 반응 및 분해에는 적합하지만 열분해에는 부적합한 범위 내의 시간에서 노의 외부로 방출되어야만 한다.

결국, 본 발명에 따르는 진공 침탄법에서는 작업물 표면에서 분해 반응이 발생하고 그을음이 노내 공간에서 거의 발생되지 않도록 침탄 가스가 노내에 체류하는 시간을 짧게 하기 위해서, 종래의 진공 침탄법과 비교해서 노내에 아주 낮은 압력으로, 즉 1 kPa에서 진공 침탄법이 실현된다.

이와 유사하게, 작업물 표면에서 분해된 탄소를 공급한 후에 발생된 혼합 가스를 이동시키고 새롭게 공급된 가스를 분배하기 위해서, 종래의 진공 침탄법에서는 기체 압력이 어느 정도 높게(15 내지 70 kPa) 책정되며 혼합 가스가 팬(fan)과 같은 노내의 혼합을 사용해서 압력을 감소시키거나 또는 가스의 주기적 주입에 의해서 감소되며 새로운 고압 가스가 작업물 표면에 공급되는 탄소의 양을 보장하기 위해서 주기적으로 주입된다. 자연적으로, 이것은 침탄에 필요한 것보다 훨씬 많은 침탄 가스가 공급된다는 것을 의미하며, 이는 그을음을 더 많이 발생시킨다.

이에 비해서, 본 발명에 따르는 진공 침탄법에서는 수소 원자의 수가 탄소 원자의 수에 비해서 작다는 점에서 종래에 사용된 메탄계 가스와 다른 에틸렌 가스(C₂H₄) 또는 아세틸렌 가스(C₂H₂)와 같은 기체 불포화 지방족 탄화수소가 침탄 가스로서 사용된다.

이러한 이유로 해서, 침탄 가스가 가열 챔버에서 분해되어 탄소 원자를 발생시키면, 수소 가스 등과 같은 분해 가스 분자는 많이 발생하지 않으며, 따라서 침탄 가스 분자와 작업물과의 접촉을 방해할 수 있는 수소 가스 분자의 수는 감소될 수 있다. 결국, 침탄 처리 동안의 압력은 낮으며 침탄 가스 분자의 평균 자유 경로는 연장되기 때문에, 침탄 가스의 분자가 작업물 내의 깊은 공동 둘레의 내벽으로 침투하기 쉬우며, 또한 침탄 가스 분자는 화학적으로 활성이며 이들은 쉽게 분해된 불포화 탄화수소이기 때문에, 고온에서 처리되지 않고 장시간이 아닌 때에도 단시간 내에 작업물 표면과 쉽게 반응하며, 이것은 분해된 탄소 원자가 작업물 표면으로 공급될 수 있다는 사실과 함께, 작업물의 모든 부분이 균일하게 침탄될 수 있다는 것을 의미한다.

이 침탄의 균일성은 노내에서의 압력이 낮을수록 좋다. 이것과 관련해서, 내경(D)을 갖는 밀폐된 구멍들이 마련된 작업물에서는, 침탄 처리가 0.02 kPa의 노내 압력으로 수행될 때 전체 침탄 경화 심도가 거의 균일한 영역의 깊이(L)는 최대 36의 L/D 비율로 얻어진다. 노내에서의 압력이 더욱 낮아지면, 전체 침탄 경화 심도가 거의 균일한 영역의 깊이(L)는 최대 50의 L/D 비율로 얻어진다. 물론 이러한 값은 종래의 가스 침탄이나 진공 침탄 또는 플라즈마 침탄으로는 얻을 수 없는 것이다.

본 발명에서는 침탄 처리가 1 kPa 이하에서 수행되며, 이것은 종래의 진공 침탄에 비해서 아주 낮은 것이고, 따라서 가열 챔버에 공급되어 낮은 압력을 유지하기 위해서 흡입 수단에 의해 배기되기 까지의 시간, 즉 가스의 가열 챔버 내의 체류 시간은 단축된다. 체류 시간이 짧기 때문에, 이 때 분해되지 않은 침탄 가스는 가열 챔버에서 분해되어 그을음을 발생시키기 전에 가열 챔버에서 제거될 수 있으며, 가열 챔버에서의 그을음의 발생은 방지될 수 있다.

결국, 비록 불안정하고 쉽게 분해되는 기체 불포화 탄화수소가 침탄 가스로서 사용된다 하더라도, 짧은 시간 내에 침탄을 일으키도록 필요한 양의 침탄 가스가 작업물 표면과의 접촉에 의해서 분해될 수 있기 때문에 침탄을 방해함이 없이 그을음의 발생을 막으면서 작업물을 침탄시킬 수 있으며, 한편으로 그을음을 발생시키기 쉬운 분해되지 않은 침탄 가스는 분해 후 발생된 가스(예로써, 수소 가스 등)와 함께 가열 챔버로부터 직접 방출된다. 분해에 의해서 발생된 가스도 짧은 시간 내에 가열 챔버로부터 방출된다는 사실은 침탄 가스 분자의 평균 자유 경로를 더욱 연장시키도록 하며, 작업물의 모든 부분에 균일한 침탄을 하도록 한다.

또한, 배기 펌프에 의해서 방출된 침탄 가스의 양을 측정함으로써 가열 챔버로 진입한 침탄 가스의 양을 적절하게 조절할 수 있으며 이로써 사용되는 침탄 가스의 양을 최소로 유지할 수 있다.

또한, 쉽게 반응하고 분해되는 화학적으로 활성인 기체 불포화 지방족 탄화수소가 본 발명에 따르는 진공 침탄법에서 침탄 가스로서 사용되기 때문에, 이 가스는 종래의 메탄 가스의 경우에서 필요한 것보다 많은 침탄 가스를 공급함이 없이 침탄을 일으키도록 작업물 표면과 쉽게 반응하여 분해되므로, 공급된 가스의 양은 작업물의 표면을 침탄시키는데 필요한 탄소의 총량의 약 2배 내의 탄소 원자의 수로 억제될 수 있다. 이와 관련해서, 종래의 진공 침탄에서는 필요한 것보다 수십배 정도의 침탄 탄소의 양이 노내에 공급된다. 또한, 본 발명에 따르는 진공 침탄법에서는 가열 챔버 자체가 가열 챔버의 외부에 대해 단열 효과를 나타내도록 1 kPa 이하의 저압에서 침탄이 수행되므로, 복사 열 손실이 거의 없으며 가열 챔버 내의 온도를 유지하는데 요구되는 열량이 감소될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따르는 진공 침탄법은 침탄 가스로서 종래의 기술에서 단지 그을음을 발생시키기가 쉬운 것으로서 무시되어 오던 기체 불포화 지방족 탄화수소를 사용하고 있음에도 불구하고 종래의 진공 침탄법과 비교해서 그을음의 발생이 억제될 수 있으며, 깊은 공동의 내벽면을 포함하여 작업물의 모든 부분이 균일하게 침탄될 수 있고, 사용되는 가스 및 열의 양이 감소될 수 있다는 점에서 상당한 장점을 제공한다.

또한, 본 발명에 따르는 진공 침탄법을 사용하면 가열 챔버 내부가 1 kPa 이하의 저압에서 유지되기 때문에 가열 챔버는 가열 챔버의 외부에 대해 단열 효과를 나타내며, 따라서 진공 챔버 자체에 대한 수냉 또는 열 절연의 필요성이 감소되고, 결국 가열 챔버를 포함하는 진공 용기의 외벽 구조는 오직 저압의 유지만을 고려하게 되어 특별한 열 절연 구조를 가질 필요가 없으며, 이것은 제작 공정의 수 및 제작비를 감소시키는 데 공헌을 한다.

또한, 이온 침탄 처리 및 플라즈마 침탄 처리는 작업물을 저압 침탄 처리하기 위한 공지된 방법이지만, 이들 침탄법을 사용하면 작업물이 깊은 공동을 가질 때 이온화된 가스가 공동의 저부에 다다르지 못하기 때문에 침탄 변화가 발생하는 것을 막을 수 없으며, 비록 종래의 진공 침탄법을 사용하는 것에 비해서 그을음이 적게 발생한다 하더라도 그을음의 발생은 본 발명에 따르는 진공 침탄법에서와 같이 억제될 수는 없으며, 또한 이들은 장비 단가가 높다는 단점을 갖는다.

아세틸렌 가스가 기체 불포화 지방족 탄화수소로서 사용되는 에틸렌계 가스 또는 아세틸렌계 가스로 이용될 때 에틸렌 가스에서보다 성분 수소 원자의 수는 적으며, 이것은 좀더 활성이 있으며 좀더 용이하게 침탄 처리를 수행하고, 사용되는 양은 감소될 수 있고, 처리 비용은 감소될 수 있다.

또한, 침탄 가스로서 아세틸렌 가스에 더해서 기체 질소 공급원으로서 예를 들어 암모니아(NH₃)를 첨가하여 침탄 처리가 수행됨으로써, 저온에서 급랭(quench)을 할 수 있으며 변형(distortion)이 감소된다.

본 발명의 실시예의 형태는 도면을 기초로 하여 하기에서 설명된다.

도1은 본 발명에 따르는 진공 침탄 장치의 일 실시예의 형태를 도시하는 도면으로서, 진공 침탄로(1)에는 진공 용기(4)에 의해 덮혀있는 가열 챔버(2)와, 상기 가열 챔버(2)와 접하는 냉각 챔버(3)가 구비된다.

가열 챔버(2)는 고온 진공 환경 및 대기에서 화학 및 기계적으로 안정한 발열 요소(2a)와 열절연 재료(2b)로 제작된다. 발열 요소(2a)로서는 재결정 처리된 실리콘 카바이드 발열 요소 또는 그 표면 상에 형성된 알루미나 분무 피복층을 구비한 바와 같은 요소가 사용될 수 있다. 열절연 재료(2b)로서는 고순도의 세라믹 섬유가 사용될 수 있다. 냉각 챔버(3)의 외벽은 진공 용기(4)의 일부로 구성되며, 오일 탱크(3a)가 마련된다.

진공 배기원(V)은 가열 챔버(2)와 냉각 챔버(3) 모두에 연결되며, 가열 챔버(2)는 또한 아세틸렌 가스를 공급할 수 있는 아세톤에 용해되어 있는 아세틸렌 가스의 침탄 가스 공급원(C)에 연결되고, 냉각 챔버(3)는 질소 가스 등의 불활성 가스 공급원(G)에 연결되어, 대기압 또는 그 이상으로 가압될 수 있다.

가열 챔버(2)의 상류 단부에는 입구 도어(5)가 그리고, 그 하류 단부에는 중간 도어(6)가 있고, 냉각 챔버(3)의 하류 단부에는 출구 도어(7)가 있으며, 작업물(M)을 가열 챔버(2)의 상류 단부로부터 냉각 챔버(3)의 하류 단부까지 운반하는 내부 운반 장치(8)가 있다. 냉각 챔버(3)에는 작업물(M)을 오일 탱크(3a)로 집어넣고 이것을 취출하기 위한 수직 이동 플랫폼(9)이 있다. 또한, 가열 챔버(2)에는 내부 입구 도어(5a)와 내부 중간 도어(6a)에서 그 단부들이 밀폐된 가열부가 있다.

이러한 방식으로 제작된 진공 침탄 장치를 사용하는 진공 침탄법은 도2를 참조로 해서 하기에서 설명한다. 가열 챔버(2)는 대기압에서 소정의 온도로 예열된다.

제1 공정

입구 도어(5, 5a)가 개방되면 제1 작업물(M1)이 가열 챔버(2)로 운반되며, 그후 바로 즉시 입구 도어(5, 5a)가 닫힌다.

제2 공정

가열 챔버(2)는 제1 작업물(M1)이 소정 온도로 진공 가열되는 동안 진공 배기원(V)에 의해서 0.05 kPa의 진공으로 배기되고, 그 후 침탄 가스 공급원(C)으로부터 아세틸렌 가스가 가열 챔버(2)로 공급되어[이때, 가열 챔버(2) 내의 압력은 0.1 kPa가 된다], 침탄이 수행된다. 아세틸렌 가스의 공급은 중단되며, 가열 챔버(2) 내의 진공이 다시 0.05 kPa에서 확산이 수행되며, 담금(soaking) 가열 처리가 850℃의 급랭 온도로 떨어지는 온도에서 수행된다. 한편, 냉각 챔버(3)는 배기된다.

제3 공정

중간 도어(6, 6a)는 개방되어서, 제1 작업물(M1)이 내부 운반 장치(8)에 의해서 냉각 챔버(3)의 수직 이동 플랫폼(9) 상으로 이동되고, 그후 바로 즉시 중간 도어(6, 6a)는 닫힌다.

제4 공정

수직 이동 플랫폼(9)이 제1 작업물(M1)을 급랭시키기 위해 하강됨에 따라, 냉각 챔버(3)는 비활성 가스 공급원(G)으로부터 비활성 가스를 공급함으로써 대기압 또는 그 이상으로 가압된다. 이 공정 동안에, 공기가 고온 가열 챔버(2)로 도입되어 이것을 대기압이 되도록 하며, 이어서 입구 도어(5, 5a)가 개방되어서 제2 작업물(M2)이 가열 챔버(2)로 운반되고, 그후 바로 즉시 입구 도어(5, 5a)가 닫힌다. 또한, 냉각 챔버를 대기압 또는 그 이상으로 가압하는 이유는 가열 챔버(2)로 도입된 공기가 냉각 챔버(3)로 들어가는 것을 방지하기 위한 것이다.

제5 공정

수직 이동 플랫폼(9)이 상승되며, 출구 도어(7)는 개방되고, 제1 작업물(M1)은 바로 노(1)의 외부로 운반되고, 그후 바로 즉시 출구 도어(7)가 닫히며, 냉각 챔버(7)는 진공 냉각된다. 한편, 제2 작업물(M2)은 제2 공정에서와 같이 취급된다.

그 후에 연속적인 작업물의 침탄이 제3 공정 내지 제5 공정을 반복함으로써 일반적으로 수행된다.

도3은 이러한 방식으로 침탄 처리된 작업물의 한 예를 도시한 단면도로써, 내경이 6 mm이고 깊이가 28 mm인 밀폐 구멍(11)과 내경이 4 mm이고 깊이가 28 mm인 밀폐 구멍(12)이 마련된 20 mm의 외경과 30 mm의 길이로 된 샘플 작업물(10)은 폭이 400 mm이고 길이가 600 mm이며 높이가 50 mm인 팔레트 상에 동시에 300개가 배치되고, 6개의 이러한 팔레트가 가열 챔버(2) 내에 중첩되어 배치되며, 40분의 침탄 시간과 70분의 확산 시간 및 850℃의 급랭 온도를 갖고 900℃의 침탄 온도로 처리될 때, 각 작업물의 유효 침탄 경화 심도(t₀)는 약 0.51 mm이며, 작은 직경의 구멍(12)의 저부에서의 유효 침탄 경화 심도(t₂)는 약 0.49 mm였다. 따라서, 본 실시예의 진공 침탄법을 사용하면 모든 부분에 대한 침탄 처리가 약 0.02 mm의 변화를 갖고 균일하게 수행될 수 있음이 증명되었다.

또한, 이 실험을 수백번 반복한 후에도 가열 챔버(2) 내에서 어떠한 그을음의 축적도 인지할 수 없었다. 마찬가지로, 내경이 4 mm이고 깊이가 50 mm인 밀폐된 구멍이 샘플(10)보다 거의 2배 이상의 길이인 샘플에 설치되어 동일한 방법으로 침탄 처리되었을 때, 외면에서의 유효 침탄 경화 심도와 구멍의 저부에서의 유효 침탄 경화 심도 사이의 차이는 약 0.03 mm로 억제될 수 있었으며, 이것은 본 실시예의 진공 침탄법으로써 모든 부분에 대한 균일한 침탄을 수행할 수 있다는 것을 보여주고 있다.

이와 관련해서, 작업물 샘플(10)이 침탄 가스로서 종래의 메탄계 가스를 사용하는 종래의 진공 침탄법에 의해서 침탄 처리될 때, 약 2배의 시간 동안의 침탄 처리와 가열 챔버(2) 내로의 10배 이상의 많은 침탄 가스의 공급에도 불구하고, 작업물 샘플(10)의 외면에서의 유효 침탄 경화 심도가 0.51 mm이고 4 mm의 내경을 갖는 구멍(12)의 저부에서의 유효 침탄 경화 심도가 0.30 mm인 침탄 변형이 발생하였다. 또한, 종래의 진공 침탄법을 사용하면 침탄이 5 내지 20회 반복될 때 전소(burn-out)가 발생되며, 가열 챔버(2)의 내부에는 많은 양의 그을음이 축적되어 세척이 필요하게 된다. 일반적으로 가스 침탄이 수행되는 상태에서는, 침탄이 구멍(12)의 저부에 도달될 것으로 기대할 수 없었다.

또한, 본 발명의 진공 침탄법에 있어서 가열 챔버 내에서 1 kPa 이하의 진공으로 침탄을 수행함으로써, 침탄 가스로서 비록 아세틸렌 가스가 사용되는 경우에도 침탄 작업물에서의 변형가능성을 방지할 수 있으며, 그을음의 발생을 억제하면서도 침탄이 수행될 수 있지만, 1 kPa를 초과하는 가열 챔버 내의 압력으로 침탄 처리를 수행하는 것은 바람직하지 않은 것이며, 그을음의 발생을 억제하는 것이 어렵게 되고, 침탄도 불균일하게 된다.

가열 챔버 내의 압력을 더욱 낮춤으로써, 본 발명의 진공 침탄법의 장점을 더욱 증대시킬 수 있으며, 가열 챔버 자체의 단열 효과도 또한 수냉 또는 절연 등이 불필요하게 되고 에너지 절감 효과가 높아질 수 있도록 보다 효율적으로 나타낼 수 있게 되므로서, 이러한 과점에서 침탄 처리가 양호하게는 0.3 kPa 이하, 그리고 좀더 양호하게는 0.1 kPa 이하의 가열 챔버 내의 압력으로 수행되는 것이 바람직하게 된다.

도4는 내경이 6 mm이고 깊이가 27 mm인 밀폐 구멍(6)이 구비된 직경이 20 mm이고 길이가 30 mm인 샘플(SCM415)(20)에 대해 각각 30분의 유지 시간과 30분의 침탄 시간 및 45분의 확산 시간(도2 참조)을 갖고 아세틸렌 가스를 사용해서 930℃의 온도로 침탄 처리가 수행될 때, 침탄 경화 심도와 노내 압력 및 그을음 발생 사이의 관계를 도시한 그래프이다. 선 A는 밀폐된 구멍의 저부에서의 침탄 경화 심도의 변화를 나타내며, 선 B는 작업물 샘플의 표면에서의 침탄 경화 심도의 변화를 보여준다.

샘플의 표면에 관련해서 노내 압력이 1.0 kPa 이하일 때 거의 일정한 침탄 경화 심도가 얻어진다는 것이 도4로부터 명백하다. 그렇지만, 밀폐된 구멍의 내부 및 외부를 균일하게 침탄시키기 위해서는, 노내 압력이 0.3 kPa 이하인 것이 바람직하다.

그을음의 발생을 보면, 노내 압력이 1.0 kPa 이하일 때 아무 문제가 없다.

도5는 내경이 3.4 mm이고 깊이가 175 mm인 밀폐 구멍이 마련된 외경이 20 mm이고 길이가 182 mm인 샘플(SCM415) 상에 본 발명의 침탄법을 수행함으로써 형성되는 침탄된 층의 상태를 보여주는 단면도와, 침탄의 균일성을 나타내는 그래프이다. 이러한 경우, 노내 온도는 930℃였으며, 노내 압력은 0.02 kPa이고, 침탄 시간과 확산 시간의 합은 430분이었으며, 샘플은 상술한 바와 같이 장전되었다.

밀폐된 구멍의 내벽에서는 거의 균일한 총 침탄 경화 심도(2.1 mm)의 영역이 밀폐된 구멍의 개구로부터 122 mm의 깊이 동안 달성되었으며, 총 침탄 심도가 156 mm의 깊이에서 0이 된다는 것이 도5로부터 명확해진다. 따라서, 밀폐된 구멍의 내경이 D이고 총 침탄 경화 심도가 거의 균일한 영역의 구멍의 개방 단부로부터의 깊이가 L일 때, 이 영역은 L/D가 36까지의 범위 내에서 달성된다. 따라서, 노내 압력을 낮출수록 침탄의 균일성은 더욱 커지고, 노내 압력을 더욱 낮춤으로써 총 침탄이 거의 균일한 영역의 깊이(L)는 L/D가 약 50에 도달되도록 할 수 있다.

Claims (7)

1. 진공 침탄로의 가열 챔버에서 강 재료로부터의 작업물을 진공 가열하고 상기 가열 챔버에 침탄 가스를 공급함으로서 침탄 처리가 수행되는 진공 침탄법에 있어서,

   상기 침탄 가스로서 기체 불포화 지방족 탄화수소가 사용되며, 침탄 처리는 1kPa 이하의 진공에서 가열 챔버로 수행되는 것을 특징으로 하는 진공 침탄법.
2. 제1항에 있어서, 상기 불포화 지방족 탄화수소는 아세틸렌계 가스로 이루어진 것을 특징으로 하는 진공 침탄법.
3. 제2항에 있어서, 상기 아세틸렌계 가스는 아세틸렌 가스로 이루어진 것을 특징으로 하는 진공 침탄법.
4. 제1항에 있어서, 상기 침탄 가스에 기체 질소 공급원을 첨가함으로써 질화침탄 처리가 수행되는 것을 특징으로 하는 진공 침탄법.
5. 강 재료로 이루어진 작업물을 가열하기 위한 가열 챔버가 제공된 진공 침탄로, 아세틸렌 가스를 상기 가열 챔버에 공급하는 침탄 가스 공급원과, 상기 가열 챔버를 배기시키는 진공 배기원을 포함하고, 상기 진공 침탄이 1 kPa 이하의 진공에서 수행되는 것을 특징으로 하는 진공 침탄 장치.
6. 그 내벽이 침탄 처리되는 밀페된 구멍이 구비된 강 제품으로서, 상기 밀폐된 구멍의 내벽의 침탄 경화 심도가 거의 균일하게 되는 영역의 깊이(L)와 내경(D)을 갖는 침탄 처리된 강 제품에 있어서,

   L/D의 비율이 12 내지 50의 범위인 것을 특징으로 하는 침탄 처리된 강 제품.
7. 제6항에 있어서, 상기 L/D의 비율은 12 내지 36의 범위인 것을 특징으로 하는 침탄 처리된 강 제품.