KR20030014204A - 저-압 탄소 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중성 기체 존재하에 저-압 농축 단계와 확산 단계를 교체시키는 것으로 이루어지는 저-압 탄소 처리 방법에 관한 것이다. 농축 단계 중, 농축 기체와 중성 기체의 혼합물을 이용하며, 중성 기체의 비율은 농축 기체의 5 내지 50 부피%이다. 예를 들어, 농축 기체는 아세틸렌(C₂H₂)일 수 있다.

Description

저-압 탄소 처리 방법{LOW-PRESSURE CARBURISING METHOD}

구체적인 저-압 시멘테이션법은 이미 본 출원인(발명자: Jean Naudot)에 의한 프랑스 특허 2678287호에 기술되어 있다. 이 특허에서 농축 단계와 확산 단계를 교체시키는 방법을 제공한다. 시멘테이션 기체는 작업 온도에서 가공되는 부분을 시멘트로 분리시킬 수 있는 여하한 하이드로카본일 수 있다. 그러나, 이 방법에서는, 보다 구체적으로 시멘테이션 상들간 시멘테이션 기체로서 프로판을, 그리고 중성 기체로서 질소를 이용한다.

추가로, Metallurgical Transactions, volume 13B, June 1982 중 발표된 Jelle H, Kaspersma과 Robert H, Shay의 논문에서는 다양한 농축 기체의 이용 및 매연 형성 문제와 연계된 시멘테이션 속도를 연구하였다. 아세틸렌은 가장 빠른 시멘테이션 기체이나 가공 쳄버에서 가장 많은 매연을 생성하는 단점을 갖는다.

매연과 타르 생성 문제를 해결하면서 아세틸렌을 이용하려는 다양한 시도들이 있었다.

1977년 6월 2일 출원된 러시아 특허 6678978호에서는, 시간당 0.001부터 1기압까지 압력 변화율을 갖도록 0.01부터 0.95기압까지 압력(1 내지 95kPa)을 변화시키면서, 아세틸렌을 시멘테이션 쳄버 온도 850 내지 1000℃로 주입시키는 방법을 제공한다. 여기서 압력 증가율이 매우 낮을 때 매연량이 특히 감소하는 것을 설명한다. 그러나, 이 방법은 복잡하다. 본 출원인이 알고 있는 한, 러시아 특허에 기술된 이 방법은 산업적으로 이용된 바가 없으며 제공된 해결방안의 성과를 입증할 수 없다.

또다른 해법이 미국 특허 5702540호(Kubota)에서 제공되며, 여기서 1kPa보다 낮은 압력에서 아세틸렌을 사용하는 것이 제안된다. 약 0.7kPa로부터 주목할만한 매연의 흔적이 나타났고 1kPa 미만에서 상당량의 매연이 나왔음이 지적된다. 추가로, 이 특허 출원의 기술에서는 압력이 0.3kPa를 초과하자마자 성분의 안팎간 시멘테이션 특성이 악화되었다. 본 출원인에 의한 실험으로, 압력이 약 0.5kPa을 초과하자마자 매연의 발생이 확인되었으나, 만족스러운 시멘테이션 내부 공동(cavities)을 얻기 위해, 또는 시멘테이션 반응기의 부하가 매우 높을시, 압력을 증가시켜야만 하는 점이 지적된다. 따라서 상기 참조가 되는 특허에서 제공된 해법은 아세틸렌을 충분히 이용하지 못하는 것으로 보여진다.

본 발명은 금속 부분의 공정에 관한 것이고, 보다 구체적으로 시멘테이션, 즉, 그 기계적 특성을 향상시키기 위해 상기 부분의 주어진 깊이까지 탄소를 도입하는 것에 관한 것이다.

도 1은 시멘테이션 방법을 적용시킨 시험용 스틸 조각이다.

도 2는 시멘테이션-확산 방법의 연속상을 도해한 압력 대 시간 곡선이다.

도 3 내지 6은 시멘테이션 실험 결과를 도해한 것이다;

-도 3에서, 시멘테이션 기체는 C₂H₂이고 압력은 0.3kPa이다.

-도 4에서, 시멘테이션 기체는 C₂H₂이고 압력은 0.7kPa이다.

-도 5에서, 시멘테이션 기체는 C₂H₂이고 압력은 1.2kPa이다.

-도 6에서, 본 발명에 따라서 시멘테이션 상으로 주입된 기체는 C₂H₂와 질소의 혼합물이고 압력은1.5kPa이다.

도 7은 연속하는 시멘테이션 사이클에서 타르의 형성을 나타낸 실험 결과를 도해한다.

본 발명은 아세틸렌과, 보다 일반적으로 매연과 타르를 생성함직한 여하한 시멘테이션 기체를 효과적으로 이용할 수 있는 신규한 방법을 제공한다.

상기 목적을 실현하기 위햐여, 본 발명은 중성 기체 존재하에 저-압 농축 단계와 확산 단계의 교체 이용으로 이루어지는 저-압 시멘테이션 방법을 제공하고, 이 때, 농축 단계 중에는 농축 기체와 담체 기제의 혼합물을 이용하며 담체 기체는 농축 기체 중 5 내지 50%의 부피비로 존재한다.

본 발명의 구체예에서, 농축 기체는 아세틸렌(C₂H₂)이다.

본 발명의 구체예에서, 담체 기체는 질소이다.

본 발명의 구체예에서, 담체 기체는 수소이다.

본 발명의 구체예에서, 담체 기체는 질소와 수소를 6 내지 60% 비율로 포함한다.

본 발명의 구체예에서 시멘테이션 쳄버의 압력은 1kPa 보다 크다.

본 발명의 구체예에서, 시멘테이션 쳄버의 압력은 1 내지 2kPa 범위이다.

본 발명의 구체예에서, 확산 및 농축 단계는 실질적으로 동일한 압력하에 수행된다.

본 발명의 구체예에서, 가공 온도는 약 850 내지 1200℃이다.

본 발명의 구체예에서, 각 농축 단계는 0.5분, 보다 바람직하게는 약 10초보다 짧게 존속하는 확산 하위-단계에 의해 분리되는 1분보다 짧은 기간의 하위-단계들로 나뉜다.

본 발명의 전술한 목적, 특성 및 이점은 첨부된 도면과 관련하여, 특정한 구체예의 다음의 비-제한적인 서술로써 자세히 논의될 것이다.

본 출원인은 블라인드 보어(blind bore)로써 제공된 스틸 실린더의 형상으로, 도 1에 표시된 형태의 시험용 조각상에서 다양한 시멘테이션 실험을 수행하고, 시험 조각의 시멘테이션 외부 깊이 d_ext및 시험 조각상에 형성된 보어의 시멘테이션 내부 깊이 d_int에 관한 측정을 수행하였다.

도 2는 프랑스 특허 2678287호에서 기술한, 본 발명에 따라 이용된 형태의 시멘테이션-확산 사이클을 나타낸다. 시멘테이션-확산 조작은, 상을 조절하는 초기 온도 및 압력 이후에는 일정한 온도 및 압력에서 수행된다. 도 1에 표시한 형태의한가지 이상의 시험용 조각 중에서, 부하량을 포함하는 시멘테이션 쳄버로 시멘테이션 기체가 주입되는 동안의 농축 단계 E와, 중성 기체를 쳄버로 주입시키는 확산 단계는 시간을 따라 연속적으로 수행된다. 시멘테이션 깊이를 바꾸기 위해 개별적인 강화 단계 및 확산 단계의 지속 기간과 수를 변형시킨다. 통상적으로 온도는 850 내지 1200℃ 범위이고, 각 강화 단계 및/또는 확산 단계의 지속 기간은 수분 내외이다.

우선, 본 출원인은 시멘테이션 기체로서 순수한 아세틸렌(C₂H₂)을 이용하여 도 1에 표시한 형태의 실험용 조각 상에 연속적인 실험을 수행하였다. 도 3, 4 및 5의 곡선은, 시멘테이션-확산 단계에서 유지되는 특정한 세가지 압력, 즉 개별적으로 도 3에서 0.3kPa, 도 4에서 0.7kPa 및 도 5에서 1.2kPa에 상응한다. 각 곡선은 시험 조각의 외부(Ext) 선택점과 내부(Int) 선택점에 대하여 시멘테이션 깊이에 따른 경도를 표시한다. 별개의 공정 기간으로 주어진 다양한 시험용 조각의 실험으로부터 별개점의 각 곡선을 얻는다.

도 3에 표시한대로, 약 0.3kPa의 압력에서, 시험용 조각의 시멘테이션 내부 깊이와 외부 깊이간 큰 차이에 주목할 수 있고, 즉 시멘테이션 시험용 조각은 불충분한 내부를 가지므로 얻어진 결과는 만족스럽지 않다. 예를 들어, 시멘테이션 깊이를 1mm로 한다면, 이 깊이를 외부에서 얻을시 시멘테이션 내부 깊이는 단지 0.4mm이다.

압력이 0.7kPa인 도 4의 경우에서도 불충분한 결과가 얻어진다. 외부 시멘테이션 깊이가 1mm일 때, 내부 시멘테이션 깊이는 단지 0.6mm이다 .

그러나 압력이 1kPa를 초과하는 시점으로부터 시멘테이션에 관한 만족스러운 결과가 얻어지기 시작한다. 예를 들어, 도 5는 압력 1.2-kPa에서 얻어진 결과를 표시한다: 시험용 조각의 시멘테이션 외부 깊이가 1mm일 때, 시멘테이션 내부 깊이는 0.8mm에 이르고, 이것은 일반적으로 공인된 표준에 부합한다.

추가로, 시험용 조각의 상부 및 기부 쪽을 향한 시험용 조각의 시멘테이션 내부 깊이가 구별된다면, 단지 압력이 0.5kPa를 초과하는 순간부터 시험용 조각의 시멘테이션 내부 동질성이 나타난다.

매연과 타르의 생성을 실험한 결과, 압력 0.3kPa인 경우 무시할 정도의 매연과 타르가 생성되었으나 0.7kPa부터 심각할 정도였다.

본 발명은 도 2에 표시한 형태의 사이클을 이용하며, 더 이상 순수한 시멘테이션 기체는 아니나 시멘테이션 기체와 담체 기체의 혼합물을 이용한다. 바람직하게도, 담체 기체의 비율은 농축 기체량의 25 내지 50% 범위에서 선택될 것이다.

도 6은 도 5에 도해한 것과 실질적으로 동일하게, 예를 들어 총 압력 1.5kPa과 약 30%의 질소 비율을 이용한 아세틸렌(C₂H₂)과 질소(N₂)의 혼합물에 대해 만족스러운 시멘테이션을 얻었다. 그러나, 이 경우 매연과 타르 형성 문제는 해결된다.

도 7은 연속적인 농축 사이클의 말단에서 관찰된 벤젠(C₆H₆)의 농도를 표시한다. 실제로 타르의 형성은 벤젠 및 페닐에틸렌과 같은 방향족 화합물의 생성 단계를 수반한다. 따라서 벤젠의 생성은 매연 및 타르 생성에 대한 좋은 척도이다. 도7에서 각각 C₂H₂와 C₂H₂+N₂로 표시된 곡선은 도 5와 6에서 설명한 곡선과 일치한다. 종래 순수한 아세틸렌을 이용함으로써 벤젠의 농도가 각 농축 사이클의 말단에서 현저하게 증가하고, 이것은 상당한 타르 형성과 유효하게 일치함을 알 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 아세틸렌(C₂H₂)과 질소(N₂)의 혼합물의 경우, 벤젠의 농도는 실질적으로 일정하게 유지되고, 이것은 무시할 정도의 타르 형성에 부합한다.

보다 일반적으로, 본 발명은 매연과 타르 생성 문제가 야기되는 조건으로 지방족 하이드로카본 존재하에 시멘테이션을 수행하는 모든 경우에서, 중성 기체의 첨가를 제안한다. 바람직하게도, 중성 기체의 비율은 농축 기체량의 5 내지 50% 범위에서 선택될 것이다. 매연과 타르 생성문제는 본 발명에서 특히 유용한 아세틸렌의 경우에 매우 강하게 초래되나, 또한 그밖의 하이드로카본, 예를 들어 프로판(C₃H₈)의 경우에도 야기된다.

중성 기체는 반드시 질소일 필요는 없으나, 시멘테이션 반응에 영향을 미치지 않는 모든 기체, 예컨대 아르곤 또는 기체 혼합물 일 수 있다. 바람직하게도 질소는 그 저렴한 가격 때문에 선택된다. 그러나, 특정한 요구가 있는 경우나 기체의 가격이 보다 낮아져야 한다면, 매연 및 타르의 생성 문제를 해결하기 위한 여하한 중성 기체 또는 담체 기체를 선택할 수 있다.

또한 본 출원인은 시멘테이션 상으로 수소를 첨가하는데 이점이 존재할 수 있음을 보여준다. 비율 5 내지 40 부피%의 수소를 포함하는 중성 기체를 첨가하면, 도 6(단지 아세틸렌만을 이용한 경우인 도 4와 비교하여)과 같이 완전히 만족스러운 특징의 곡선이 얻어진다.

농축 단계 중 담체 기체에 의한 수소의 용해가 아세틸렌 및 그 유도체의 폴리머화 반응을 감소시키는 것으로 사료되며, 이것은 노의 내부에서 형성되는 타르의 양과 어쩌면 펌핑군 수준에서 알려진 상당한 감소를 야기한다.

수소화 질소 혼합물의 이용은 아세틸렌의 동적 또는 열적 크래킹 분해를 장려하는 추가의 이점을 갖고, 이것은 공동과 정상적인 시멘테이션으로의 보다 나은 침투를 야기한다. 실제로, 낮은 압력에서조차 깊은 공동벽의 균질한 시멘테이션을 얻을 수 있다. 이 해법의 이점은 시멘테이션 기체량과, 따라서 오염 및 기체 폐기물이 감소되는 것이다.

본 발명의 또다른 대안에 따라서, 본 출원인은 도 2와 관련하여 기술된 농축 (E) 및 확산 (D) 사이클의 상대적인 지속 기간을 변경함으로써 타르 형성이 추가로 감소되는 것을 제시한다. 통상적으로, 예를 들어 다음 표(제 2)에서 지적한 지속 기간을 갖는 6개의 농축 및 확산 사이클을 제공한다.

E1	D1	E2	D2	E3	D3	E4	D4	E5	D5	E6	D6
520	100	190	150	150	300	100	350	80	450	60	600

본 출원인은 각 농축 사이클을 짧은 확산 시간이 뒤따르는 짧은 단계들로 나누었다. 예를 들어, 지속 기간 약 10초의 확산 단계가 뒤따르는 최대 지속 기간 50초를 갖는 농축 단계가 제공될 수 있다. 그렇다면 첫번째 농축 사이클 E1은 10 또는 11의 농축 단계를 포함할 것이고, 약 10초의 확산 단계가 각 단계를 뒤따르며, D1의 최종적인 확산 단계는 실잘상 상기 표에 지적한 그 최초 지속 기간으로 유지된다. 두번째 농축 사이클 E2는 4의 농축 단계를 포함하고, 약 몇십초의 확산 단계가 각 단계를 뒤따르며, D2의 최종적인 확산 단계는 실질상 상기 표에 지적한 그 최초 지속 기간으로 유지된다. 등등이다. 펄스 작동 모드에서 각 농축 사이클의 종료시 벤젠 농도를 도 7 중 C₂H₂+N₂(펄스) 커브로 표시한다. 연속된 사이클이 통상적으로 이용되는 경우에 대하여 벤젠 농도가 실질적으로 둘로 나뉜 것을 볼 수 있다.

사이클의 다른 변형, 예를 들어, 주어진 압력에 대한 선택, 가변적인 유동률의 변경으로 추가 개선을 초래할 수 있다.

Claims (10)

1. 농축 단계 중 농축 기체와 담체 기체의 혼합물을 이용하고, 이 때 담체 기체는 농축 기체의 5 내지 50 부피% 비율로 존재하는 것이 특징인, 중성 기체 존재하에 저-압 농축 단계와 확산 단계의 교체 이용으로 이루어지는 저-압 시멘테이션 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 농축 기체는 아세틸렌(C₂H₂)인 것이 특징인 저-압 시멘테이션 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 담체 기체는 질소인 것이 특징인 저-압 시멘테이션 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 담체 기체는 수소인 것이 특징인 저-압 시멘테이션 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 담체 기체는 질소와 수소를 5 내지 60% 비율로 포함하는 것이 특징인 저-압 시멘테이션 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 시멘테이션 쳄버내 압력은 1kPa 이상인 것이 특징인 저-압 시멘테이션 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 시멘테이션 쳄버내 압력은 1 내지 2 kPa 범위인 것이 특징인 저-압 시멘테이션 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 확산 및 농축 단계는 실제로 동일한 압력에서 수행되는 것이 특징인 저-압 시멘테이션 방법.
9. 제 1 항에 있어서, 공정 온도는 850 내지 1200℃인 것이 특징인 저-압 시멘테이션 방법.
10. 제 1 항에 있어서, 각 농축 단계는 0.5분, 바람직하게는 약 십초보다 짧은 지속 기간의 확산 하위-단계로 분리되는, 일분보다 짧은 지속 기간의 하위-단계들로 나뉘는 것이 특징인 저-압 시멘테이션 방법.