KR20090076781A - 강을 소결하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 퍼니스 분위기에서 소결하기 위한 방법에 관한 것이고 이 경우 상기 퍼니스 분위기는 질소 및 일산화탄소를 포함한 수소가 없는 분위기이다.

Description

강을 소결하기 위한 방법 {METHOD FOR SINTERING STEEL}

본 발명은 제어된 분위기로 퍼니스에서 소결하기 위한 방법에 관한 것이다.

소결은 주요 성분의 녹는점 아래의 온도에서 파우더 또는 성형체(compact)의 열처리로서 정의되고, 이는 입자를 서로 결합함에 의해 그 강도를 증가시키는 것이 목적이다. 소결 동안 원자 확산이 일어나고 파우더 입자는 서로 결합된다.

소결 작동은 제어된 보호성 분위기 하에서 일반적으로 수행되어야 하고 이에 의해 산화를 방지하고 표면 산화물의 환원을 촉진시키며 또한 전체 소결된 예를 통해 원하는 레벨로 탄소 함유량을 제어한다.

퍼니스 분위기의 탄소 포텐셜은 순수한 철이 이 분위기와 평형에서 갖는 탄소 함유량과 동일하다. 퍼니스 분위기의 탄소 활성도(carbon activity)(aC)는 금속 또는 합금이 가질 탄소 함유량이고, 이는 aC=1과 동일하게 정의된 그라파이트와 같은 참조와 비교된다. 소결 프로세스에서 탄소 활성도 및 탄소 포텐셜 모두는 많은 방식으로 소결된 부품의 최종 성질에 영향을 미친다.

탄소는 이산화탄소와 같은 산화물 형성 가스와 반응할 것이고 이에 의해 이 구성요소를 비탄소처리화(decarburize)한다. 또한, 수소가 이용 가능하다면, 탄소는 CH₄와 같은 주위 분위기 성형 가스와 반응할 것이다. 또한, 수소가 이용 가능하다면 산소 및 수소가 반응하여 매우 비탄소처리화 성질의 물을 형성한다. 수소가 이용가능하지 않다면, 산소는 또한 비탄소처리화 성질의 이산화탄소를 형성할 것이다. 소결되는 물질에서 탄소 함유량의 결과적인 변화는 상변화 온도 및 결과적인 미세구조를 변화시킬 것이다.

비탄소화가 피로 파괴에 대한 적은 저항을 유도하기 때문에 견본의 표면에서 탄소의 함유량이 특히 중요하다. 이는 예를 들어 모터 구성요소 또는 변속기 부품에 대해 고강도 소결 부품의 생산으로 소결 비지니스를 확대하는 것이 중요한 이슈이다.

실행에 있어서, 오늘날 대부분의 이용된 소결 분위기는 약 90% 질소 및 10% 수소를 함유하고, 때때로 CH₄의 작은 첨가를 갖는다. 그러나, 이러한 분위기는 소결 퍼니스의 조건에서 열역학적 평형에 있지 아니한다. 이는 소결된 물질 안으로 그리고 밖으로 탄소 유동을 제어하는 것을 매우 어렵게 만든다. 실행에 있어서, 탄소 제어는 물 레벨을 최소로 유지함에 의해 이루어진다.

설명된 합성 질소-수소 분위기뿐만 아니라, 오늘날 소결 분위기는 제한된 양의 공기와 탄화수소 가스의 반응에 의해 만들어진다. 이러한 반응은 흡열성이기 때문에, 외부 열이 공급되어야 하고 결과적인 분위기는 흡수가스(endogas)라고 불 린다. 천연 가스로 만들어진다면, 흡수가스는 40vol%에 이르는 수소, 일정한 일산화탄소(ca 20 vol%), 이산화탄소 및 물(ca 0.3 - 1 vol%)을 포함할 수 있고, 나머지로 질소를 포함할 수 있다.

퍼니스 분위기의 조성에서 수소의 역할은 소결되는 물질의 파우더 입자 표면 상의 산화물의 환원을 돕는 것이다. 그러나 종종 미세한 그라파이트 파우더의 형태의 탄소가 소결 물질에 첨가된다. 첨가된 탄소는 또한 표면 산화물과 반응한다고 알려져 있고, 따라서 환원 촉진물(promoter)로서 특히 수소로 된 분위기 구성요소의 중요성을 감소시킨다. 그러나, 모든 첨가된 탄소가 이미 매트릭스 안으로 용해된 때의 소결 프로세스의 끝에서, 퍼니스 분위기의 역할은 더욱 중요하게 된다.

본 발명의 목적은 제어된 퍼니스 분위기를 조성하는 것이고, 이 분위기는 특히 소결 단계의 마지막에서 소결된 물질의 비탄소처리화를 막는다.

이 목적은 제어된 퍼니스 분위기에서 소결을 위한 방법에 의해 이루어지고, 이 경우 상기 퍼니스 분위기는 질소 및 일산화탄소를 포함하는 수소가 없는 분위기이다.

본 발명에 따르면, 수소가 본질적으로 없고 질소 및 일산화탄소를 포함하는 퍼니스 분위기가 이용된다. 질소에 대한 일산화탄소의 농도는 0.1 내지 99vol%일 수 있다. 제안된 소결 분위기는 비탄소처리화를 위한 구동력이 없거나 또는 매우 작은 구동력을 갖는다.

종래의 N₂-H₂-프로세스 분위기에 CO를 첨가할 때, 탄소 이동이 워크피스로의 표면 상에서 CO 분자의 접합을 통해 일어나고 C 및 O로의 분해가 일어난다:

CO → CO_(ad) → C_(ad) + O_(ad)

그리고 H₂ 분자에 의해 흡착된 산소 원자의 탈착에 의해

O_(ad) + H₂ → H₂O

이에 의해 수증기를 형성하고 CO-흡착을 위한 새로운 빈 공간을 생성한다. 성형된 수증기는 매우 비탄소처리화인 것으로 고려된다.

본 발명은 수소를 제거함에 의해 흡착된 CO 분자가 상기에서 설명된 것처럼 C_(ad) + O_(ad)로 분해되지만 산소 원자가 수소와 반응할 수 없다는 차이점으로 오직 이 반응을 따라 반응하며

O_(ad) + C → CO

이는 이하보다 훨씬 더 느린 반응이다

O_(ad) + H₂ → H₂O.

그 결과 수소를 함유한 종래 분위기보다 훨씬 덜 비탄소처리화 분위기에 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 본 발명의 소결 분위기는 80vol% 내지 99.9vol%의 질소, 더욱 바람직하게는 95vol% 내지 99.5vol%의 질소, 그리고 0.2vol% 내지 20vol%의 일산화탄소, 더욱 바람직하게는 0.2vol% 내지 5vol%의 일산화탄소를 포함 한다.

바람직하게, 상기 퍼니스 분위기는 탄소 함유 부유 가스(carbon containing enrichment gas)를 포함한다. 특히 부유 가스로서 아세틸렌, 프로판 및/또는 메탄을 이용하는 것이 바람직하다. 퍼니스 분위기에 탄소 함유 가스를 첨가함에 의해 탄소 활성도는 긍정적으로 영향을 받을 수 있다.

부유 가스의 목적은 미리 설정된 값으로 탄소 포텐셜/활성도를 조정하는 것이다. 부유 가스는 이하의 프로판 및 메탄의 예에 따라 물과 같은 산화종, 이산화탄소 및 자유 산소와 반응한다:

C₃H₈ + 3CO₂ → 6CO + 4H₂

C₃H₈ + 3H₂O → 3CO + 7H₂

또는

CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

바람직하게, 소결 프로세스 이후, 소결된 물질은 특히 가스 냉각에 의해 빠르게 냉각된다. 이는 냉각 보호성 가스에 의해 소결된 부품을 퀀칭(quenching)함에 의해 이루어지는 것이 바람직하다. 이에 의해 50℃/sec에 이르는 냉각 속도가 얻어질 수 있다. 균일한 마르텐사이트 미세구조가 얻어지고 이 구조는 소결 이후 케이스-경화(case-hardening)에 대한 필요 없이 소결된 부품을 최종 작동에 놓기에 충분히 뛰어나다. 일 단계에서 소결 및 경화의 조합은, 특히 저합금강 부품의 생산 비용을 감소시킨다.

이미 언급된 것처럼, 본 발명의 퍼니스 분위기는 열역학적 평형에 있다. 따라서, 일산화탄소 레벨 및 프로세스 온도의 측정과 함께 외부 가열된 산소 프로브 또는 이산화탄소를 측정하는 가스 분석기를 이용하여 프로세스 제어를 수행하는 것이 가능하다.

본 발명은 철, 강, 알루미늄, 구리, 황동, 청동 또는 중금속 중 하나 이상을 포함한 특히 금속성 물질과 같은 종류의 금속을 소결하는데 이용되는 것이 바람직하다. 크롬, 망간, 실리콘, 니켈, 몰리브덴, 코발트 또는 텅스텐과 같은 추가적인 합금 성분들이 소결되는 물질에 첨가되거나 또는 포함될 수 있다.

본 발명은, 탄소 중성 소결(carbon neutral sintering)이라는 이름의 소결 기술에서 가장 제한적인 요소에 해법을 제공한다. 본 발명의 방법을 이용함에 의해, 기계가공 또는 터닝(turning)과 같은 기계적 작동에서 비용적으로 이후의 노력과 함께 고체 강에서 오늘날 만들어진 소결에 의한 부품을 제조하는 것이 가능하다. 본 발명에 따라 소결된 부품들은 오직 매우 작은 치수적인 허용한도를 나타내고 이에 의해 재가공에 대한 필요가 없다.

본 발명은 종래 기술과 비교하여 다양한 장점을 갖는다. 본 발명의 분위기는 탄소처리화에 대해 중성적인데, 즉 원하지 않는 비탄소처리화 및 탄소처리화는 피해진다. 특히 표면 금속 산화물과 같은 금속 산화물이 감소되고 산화가 방지된다.

본 발명의 분위기는 이하의 방법 중 하나에 의해 유리하게 만들어질 수 있다.

● 흡수가스로부터 수소의 제거

본 발명의 분위기를 만들기 위해 수소가 흡수가스로부터 제거된다. 이는 특히 PSA 프로세스(압력 스윙 흡착)와 같은 흡착 기술을 이용함에 의해 이루어진다.

● 합성가스로부터 수소의 제거

합성가스 또는 합성 가스는 석탄 가스화 및 폐기물을 에너지(waste-to-energy)로의 가스화 설비의 일정한 유형에서 생성된 변하는 조성의 가스에 주어진 이름이다. 합성가스는 주로 일산화탄소 및 수소로 이루어진다. 합성가스로부터 수소를 제거함에 의해 높은 일산화탄소 농도를 갖는 본 발명의 분위기가 만들어진다.

● 크랙된 메탄올은 33% CO 및 67% H₂의 조성을 갖는 합성가스로서 여겨질 수 있기 때문에 크랙된 메탄올로부터 수소의 제거

● 도핑된 그라파이트의 가열된 베드 위에서(over a heated bed of doped graphite) 첨가된 에어와 함께 일산화탄소의 생산:

3%에 이르는 잔류 산소 레벨을 함유한 품질을 갖는 에어 또는 질소가 이용되고, 함유된 산소는 외부 석탄이 채워진 반응기에서 또는 그라파이트 또는 석탄 베드 위의 퍼니스 내부에서 일산화탄소에 반응하도록 야기된다.

● 황산 또는 인산으로 채워진 가열된 반응기 안으로 주입된 포름산을 분해시킴에 의해 일산화탄소의 생산. 이 형성된 일산화탄소는 이후 물로부터 건조되고 중성 pH-값에 도달하도록 스크럽된다(scrubbed).

예로서, 바람직한 분위기 조성은 3% CO, 96.8% N₂ 및 0.2% C₃H₈일 것이다.

본 발명의 소결 방법은 1120℃ 내지 1250℃의 온도에서 작업하는 것이 바람직하다.

Claims (8)

1. 퍼니스 분위기에서 소결하기 위한 방법으로서,

   상기 퍼니스 분위기는 질소 및 일산화탄소를 포함하고 수소가 없는 분위기인 것을 특징으로 하는,

   퍼니스 분위기에서 소결하기 위한 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 퍼니스 분위기가 탄소 함유 부유 가스(carbon containing enrichment gas)를 포함하는 것을 특징으로 하는,

   퍼니스 분위기에서 소결하기 위한 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 탄소 함유 부유 가스로서 아세틸렌, 프로판 및/또는 메탄이 이용되는 것을 특징으로 하는,

   퍼니스 분위기에서 소결하기 위한 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 퍼니스 분위기가 합성가스로부터 또는 흡수가스로부터 또는 크랙된 메탄올로부터 수소의 제거에 의해 만들어지는 것을 특징으로 하는,

   퍼니스 분위기에서 소결하기 위한 방법.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 퍼니스 분위기가 그라파이트 위에서(over graphite) 10% 미만의 산소, 바람직하게는 3% 미만의 산소를 함유한 질소를 반응시킴에 의해 만들어지는 것을 특징으로 하는,

   퍼니스 분위기에서 소결하기 위한 방법.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 일산화탄소가 황산 또는 인산으로 채워진 가열된 반응기로 포름산을 주입하고 상기 포름산을 분해함에 의해 만들어지는 것을 특징으로 하는,

   퍼니스 분위기에서 소결하기 위한 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 소결 프로세스가 일산화탄소 및 퍼니스 온도의 측정과 함께 가열된 외부 산소 프로브 또는 이산화탄소 가스 분석기에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는,

   퍼니스 분위기에서 소결하기 위한 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 퍼니스 분위기가 1% 내지 5% CO, 90% 내지 99% N₂, 및 0.05% 내지 1% 탄화수소 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는,

   퍼니스 분위기에서 소결하기 위한 방법.