KR20110058763A - 노 분위기 활성화 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

가스가 열처리로의 챔버 내로 배출되기 전에 고전압/저전류 전기 방전부를 통과하는 가스 주입기가 개시된다. 가스의 전기적 활성화는 가스, 노 챔버 내의 가스 및 챔버 작업물 사이의 바람직한 반응을 가속화한다. 바람직하게는, 고온 전극이 전기적으로 하전되고, 가스 주입기 및 노의 다른 부분은 접지된다.

Description

노 분위기 활성화 방법 및 장치{FURNACE ATMOSPHERE ACTIVATION METHOD AND APPARATUS}
본 발명은 반응성 분위기(atmosphere)를 사용하여 노(furnace) 또는 반응기 내의 금속 또는 서멧(cermet) 재료 및 작업물부(work part)의 상승된 온도의 열처리에 관한 것이다. 본 발명의 범주 내에서의 분위기 및 처리는 침탄(carburizing), 질화(nitriding), 침탄질화(carbonitriding), 침질탄화(nitrocarburizing), 침붕(boronizing), 광휘 어닐링(bright annealing) 또는 산화물 환원(oxide reduction), 브레이징(brazing), 납땜 및 소결을 위한 환원 분위기, 위상 변환 합금의 중성 열처리, 용체화(solutionizing), 시효(aging), 구상화(spheroidizing), 경화, 응력 완화, 노멀라이징(normalizing), 불활성 어닐링 등을 위한 탄소 잠재 분위기를 포함한다. 상기 분위기의 성분은 질소(N2), 수소(H2), 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2), 에틸렌(C2H4), 프로판(C3H8) 및 다수의 고분자량 탄화수소와 같은 탄화수소 가스(HC), 암모니아(NH3), 메탄올(CH3OH) 또는 에탄올(C2H5OH)과 같은 증발 알코올, 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O) 및 아르곤(Ar) 및 헬륨(He)과 같은 희가스를 포함할 수도 있다. 분위기의 부가의 성분은 반응 부산물(byproduct) 및 노 로딩물(load) 또는 벽 및/또는 가열 부품으로부터 방출하는 가스 뿐만 아니라 예를 들면 공기와 같은 외부로부터 노 내로 누설하는 가스를 포함할 수도 있다. 분위기 가스는 가스 유동 제어 시스템의 노의 상류측에서 미리 혼합된 혼합물로서 노 내로 도입될 수도 있고, 또는 노 챔버 내부에서 혼합될 수 있다. 분위기 가스 공급에 대한 다른 선택 사양은 공기, 해리된 NH3에 의한 CH4의 개질 또는 예를 들면 CH3OH와 같은 액체의 주입 또는 증발에 의해 형성되는 예를 들면 20% CO, 40% H2 및 40% N2의 흡열 혼합물(달리 언급되지 않으면, 본 출원에서 식별되는 모든 백분율은 체적 기초인 것을 이해해야 함)과 같은 흡열 및 발열 발생기에 의해 생성된 스트림을 포함할 수도 있다.
상승된 온도의 열처리에 분위기를 사용할 때 3개의 일반적인 프로세스 제어 문제점이 있는데, 이들은 (1) 주입된 가스의 느린 동역학 반응, (2) 노에 로딩된 작업물부의 재료의 표면 조건, 및 (3) 주위 공기 누설이다. 예를 들면, 침탄을 위해 노 내로 주입된 CH4는 바람직하지 않은 산소(O2) 또는 CO2와 서서히 반응하여 이들을 소모할 수도 있고, 및/또는 노 분위기의 열역학적 잠재성을 전이시킬 수도 있고, 및/또는 노 온도가 매우 높지 않으면 단지 한계적으로 해리하여 반응할 수도 있지만, 높은 온도는 로딩된 금속 재료 또는 작업물부에 손상을 주는 위험을 갖고 있다. 유사한 상황이 H2, NH3 및 다른 HC에 의해 더 큰 정도 또는 더 작은 정도로 발생한다. 또한, 노 내에 로딩된 재료 또는 작업물 표면이 두꺼운 산화물막, 녹(rust) 또는 수계(water-based) 유성 잔류물로 덮여질 수도 있고, 원래 분위기의 반응성이 소정의 처리 시간 및 온도 범위 내에서 이 막 제거에 불충분한 것으로 판명될 수도 있다. 마지막으로, 노 공기 누설 및 오염물의 다른 O2-함유 소스는, 가장 바람직한 분위기가 특정 열 변환 프로세스를 위한 부분에 대한 불활성 환경, 즉 환원 및/또는 침탄 가스가 없는 분위기일지라도, 분위기로의 환원 가스 및 때로는 침탄 가스의 첨가를 필요로 할 수도 있다. 이러한 원위치 게터링(in-situ gettering) 기술은 다수의 프로세스 고려 사항에 의해 제한되어 있다. 예를 들면, 인쇄 회로 기판 상에 땜납을 리플로우(reflow)하기 위해 N2 분위기에 첨가되는 H2의 양은 안전을 위해, 즉 개방형 또는 반개방형 리플로우 오븐에서의 폭발 위험성의 제거를 위해 5% 미만으로 유지되어야 하고, 온도는 기판 및 부품 손상을 방지하도록 일반적으로는 250℃ 미만으로 유지되어야 한다. 이들 낮은 온도 및 농도에 의해, H2의 게터링 및 산화물 제거 효과는 느린 환원 동역학에 기인하여 한계적이다. 유사한 제한이 흡열성의 CO-함유 분위기가 없을 때에 천연 가스에 의한 강철부의 침탄에서 발견될 수 있다. 예를 들면, CH4는 열적으로 해리하여 단지 1000℃보다 높은 온도에서만 급속한 산업적으로 매력적인 속도로 강 표면과 반응하지만, 처리된 다수의 강은 이러한 높은 온도에서 바람직하지 않은 결정립 성장 효과를 나타낸다.
다수의 방법이 설명된 문제점을 처리하는데 사용되어 왔다. 진공로가 주위 공기 누설을 회피하고 로딩된 재료 또는 부분으로부터 불순물 응축물을 증발시키기 위해 열처리에 사용된다. 불행하게도, 모든 진공로 시스템은 자본 및 운영 관점에서 고가이다. 더욱이, 진공로의 사용은 가스 안전성의 문제점을 해결하지 않는다. 따라서, 침탄의 경우에, 예를 들면 C2H2와 같은 더 고가의 덜 안정한 탄화수소(HC)가 사용되어야 하고, 최저가의 CH4의 사용은 매우 제한되어 있다. 이온 플라즈마 진공로가 가스 안정성 및 로딩된 작업물부를 초기에 덮고 있는 표면막의 문제점에 대처하기 위해 개발되었지만, 이들 시스템의 비용, 복잡한 부분 기하학적 형상을 처리하는 과제 및 온도 제어의 어려움이 이온 플라즈마 시스템의 사용을 제한하고 있다. 코로나, 직접 아크 또는 플라즈마 전달 아크와 같은 이들 전기 방전법 및 유사한 전기 방전법에 의한 부가의 문제점은 작업물부(처리될)를 방전 회로를 폐쇄하는 전극 중 하나가 되게 하는 요구이다. 노 또는 반응 용기는 더 복잡하고, 복잡한 작업물부 또는 전자 작업물부의 경우에는, 전류가 작업물부를 손상시킬 수도 있다. 대기압에서 작동하는 것이 가능한 비전달 아크 열적 플라즈마 시스템이 작업물부를 거쳐 전기 회로를 폐쇄할 필요가 없는 가스 활성화 주입기로서 연구되어 왔다. 그럼에도, 이들 시스템에 요구되는 높은 온도 및 전류는 전극의 수명을 100 시간 이하로 단축시키고 노 오염을 초래한다. 최신 세대의 마이크로파 노 시스템은 로딩된 재료 또는 작업물부의 표면을 활성화하면서 진공 또는 저압 챔버 및 빈번한 전극 변화의 요구를 배제한다. 그럼에도, 산업 규모의 마이크로파 노 시스템은 복잡하고, 고가이며, 다양한 금속 재료 및 작업물부의 기하학적 형상을 수용하는데 있어서 전통적인 열적으로 가열되는 노만큼 융통적이지 않다.
드리센(Drissen) 등(미국 특허 제5,717,186호)은 이온성 진공 열처리로 내의 작업편(workpiece)을 통해 흐르는 직류를 제어하기 위한 부가의 수단을 제안하고 있다. 로(Law) 등(미국 특허 제5,059,757호)은 동일한 유형의 노 내에 수팅(sooting)을 제한하는 방법을 고안하고 있다. 오리타(Orita)(미국 특허 제5,605,580호)는 통상의 가스 침탄에서보다 진공 플라즈마 시스템에서 훨씬 더 정확한 불균일 에지-침탄 효과를 최소화하기 위해 다단 열처리 절차를 사용하고 있다. 조지(Georges)(미국 특허 제5,989,363호)는 방전후 진공 플라즈마 질화에 있어서의 복사 스크린(radiation screen)의 필요성을 설명하고 있다. 지아코베(Giacobbe)(유럽 특허 제0324294 A1호)는 수냉식 열 플라즈마 토치를 사용하는 작업편 표면 및 전체 경화를 설명하고 있다. 지아코베 및 파가네시(Paganessi)(PCT 공보 WO2005/009932 A1호)는 또한 후속하여 진공로 내에 주입되는 처리 가스를 생성하기 위해 고출력(50 내지 500 kW) 플라즈마 반응기를 사용하고 있다. 체르니코프스키(Czernichowski)(미국 특허 제6,007,742호)는 천연 가스 및 다른 탄화수소를 개질하기 위한 일련의 실험적인 정상 대기압 "글리드아크(GlidArc)" 플라즈마 방법을 개시하고 있다. 열처리 적용에 있어서의 금속 처리 뿐만 아니라 가스 스트림 조성의 변경을 위한 다소 정교한 일반적으로 저압의 실험실 규모 플라즈마 시스템의 사용에 관한 수백의 연구 논문이 존재한다. 그럼에도, 금속 열처리 산업 및 열적 프로세스 작동기의 대부분은 가스 상태에서 그리고 작업물 표면에서의 반응의 동역학을 향상시킬 수 있는 동시에 현존하는 정상 압력 또는 감소된 압력 노 또는 반응기를 개장(retrofit)할 수 있고 높은 자본 또는 운영 및 유지 비용을 필요로 하지 않는 개량된 반응 분위기 시스템을 계속 추구하고 있다.
일 관점에서, 본 발명은 반응기 챔버를 갖는 분위기 제어식 반응기와 함께 사용하기 위한 활성 가스 주입기를 포함한다. 이 활성 가스 주입기는 출구를 갖는 활성화 챔버를 형성하는 쉘(shell)과, 제1 가스의 공급부에 접속되고 활성화 챔버 내로 제1 가스를 도입하도록 구성된 제1 가스 입구와, 활성화 챔버 내로 연장되고 활성화 챔버 내에서 종료하는 제1 전극과, 제1 전극에 접속되어, 작동될 때 적어도 1 kV의 평균 전압 출력과 10 A 미만의 평균 전류 출력을 제공하는 전원과, 활성화 챔버에 노출되어 있고 제1 전극에 대한 접지 전위를 제공하는 제2 전극을 포함한다. 제1 및 제2 전극은, 전원이 작동될 때 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 방전이 발생하도록 위치 설정되고, 전기 방전이 발생하는 영역은 전기 방전 구역을 형성한다. 활성화 챔버, 제1 전극, 제2 전극 및 제1 가스 입구는, 제1 가스가 출구를 통해 활성화 챔버를 나오기 전에 전기 방전 구역을 통해 취출되도록 구성된다.
다른 관점에서, 본 발명은 처리할 작업물을 수용하도록 구성되고 배기구를 갖는 반응기 챔버와, 공동으로 반응기 챔버를 적어도 90℃의 온도로 상승시키는 것이 가능한 적어도 하나의 열원과, 적어도 하나의 가스 주입기를 포함하는 분위기 제어식 반응기 장치를 포함한다. 적어도 하나의 가스 주입기의 각각은, 반응기 챔버와 흐름 연통하는 출구를 갖는 활성화 챔버를 형성하는 쉘과, 제1 가스의 공급부에 접속되도록 구성되고 활성화 챔버 내로 제1 가스를 도입하도록 위치 설정된 제1 가스 입구와, 활성화 챔버 내로 연장되고 활성화 챔버 내에서 종료하는 제1 전극과, 제1 전극에 접속되고, 작동될 때 적어도 1 kV의 평균 전압 출력과 10 A 미만의 평균 전류 출력을 제공하는 전원과, 활성화 챔버에 노출되어 있고 제1 전극에 대한 접지 전위를 제공하는 제2 전극을 포함한다. 제1 및 제2 전극은, 전원이 작동될 때 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 방전이 발생하도록 위치 설정되고, 전기 방전이 발생하는 영역은 전기 방전 구역을 형성한다. 활성화 챔버, 제1 전극, 제2 전극 및 제1 가스 입구는, 제1 가스가 출구를 통해 활성화 챔버를 나오기 전에 전기 방전 구역을 통해 취출되도록 구성된다.
또 다른 관점에서, 본 발명은 분위기 제어식 반응기의 반응기 챔버에 의해 포함된 분위기를 활성화하기 위한 분위기 활성화 방법을 포함한다. 이 방법에 따르면, 제1 가스가 고압력원으로부터 활성화 챔버 내로 공급된다. 전기 방전부가 적어도 1 kV의 평균 출력 전압 및 10 A 미만의 평균 출력 전류를 제공하는 전원에 제1 전극을 접속함으로써, 활성화 챔버 내에 위치된 제1 전극과 제1 전극에 대한 접지 전위를 갖는 제2 전극 사이에 생성된다. 제1 가스는 전기 방전부로 노출되고, 활성화 챔버 내에 형성된 출구를 통해 반응기 챔버 내로 배출된다. 제1 가스가 분위기 제어식 반응기 챔버 내로 배출되는 동안 1 밀리바아 이상의 압력이 반응기 챔버 내에 유지된다. 제1 가스가 반응기 챔버 내로 배출되는 동안에 반응기 챔버 내는 적어도 90℃의 온도로 유지된다.
본 발명에 따르면, 가스 상태에서 그리고 작업물 표면에서의 반응의 동역학을 향상시킬 수 있는 동시에 현존하는 정상 압력 또는 감소된 압력 노 또는 반응기를 개장할 수 있고 높은 자본 또는 운영 및 유지 비용을 필요로 하지 않는 개량된 노 분위기 활성화 장치 및 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 활성 가스 주입기를 포함하는 열처리로의 개략적인 단면도.
도 2a는 개방 출구를 갖는 활성 가스 주입기의 대안적인 실시예의 정면도.
도 2b는 도 2a의 라인 2B-2B를 따라 취한 단면도.
도 2c는 도 2a에 도시되어 있는 활성 가스 주입기와 유사하지만, 다중 공급 파이프를 포함하는 활성 가스 주입기의 다른 대안적인 실시예의 정면도.
도 3a는 도 2a에 도시되어 있는 활성 가스 주입기와 유사하지만, 더 제한된 출구를 포함하는 활성 가스 주입기의 다른 대안적인 실시예의 단면도.
도 3b는 도 3a에 도시되어 있는 활성 가스 주입기와 유사하지만, 출구 단부 상에 팽창 튜브를 포함하는 활성 가스 주입기의 다른 대안적인 실시예의 단면도.
도 3c는 인라인 공급 파이프 및 주입기 쉘 내에 절결되어 있는 경사진 슬롯을 포함하는 활성 가스 주입기의 다른 대안적인 실시예의 단면도.
도 4는 열적 활성화, DC-플라즈마 및 AC-스파크를 포함하는 상이한 활성화 방법을 사용하는 상이한 온도에서의 NH3 및 CH4 분위기 활성화의 효과를 나타내는 막대 그래프.
도 5는 열적 활성화, DC-플라즈마 및 AC-스파크를 사용하는 활성화 노 분위기에서의 NH3 및 H2의 실행 시간 농도를 나타내는 그래프.
도 6은 열적 활성화, DC-플라즈마 및 AC-스파크를 포함하는 상이한 활성화 방법을 사용하는 O2-오염된 C2H4 분위기의 효과를 나타내는 막대 그래프.
도 7은 DC-플라즈마(주입된 가스의 주성분으로서 Ar 또는 N2를 가짐) 및 열처리(주입된 가스의 주성분으로서 N2를 가짐)를 사용하는 AISI-SAE 1010 강철부의 활성화 침탄 테스트의 마이크로 경도를 나타내는 그래프.
도 8은 DC-플라즈마를 사용하는 활성화 침탄 테스트의 개요도.
본 발명의 바람직한 실시예의 이하의 상세한 설명은 첨부 도면과 관련하여 숙독할 때 더 양호하게 이해될 수 있을 것이다. 본 발명을 예시하기 위해, 도면은 현재 바람직한 실시예를 도시하고 있다. 그러나, 본 발명은 도면에 도시되어 있는 그 장치 및 수단에 한정되는 것은 아니라는 것이 이해된다.
이하에 설명되는 본 발명은 전기 방전 장치 및 금속 또는 금속 함유 성분의 열처리, 열화학 처리 또는 표면 처리를 위해 통상의 노 내에 이 장치를 사용하는 방법을 포함한다. 통상의 노는 임의의 유형의 분위기 제어식 열처리로, 즉 배치형(batch-type), 박스형 또는 벨형로 또는 대략 대기압에서 작동하는 푸셔 또는 롤러 허스로(roller hearth furnace), 또는 장치를 사용할 때 1 밀리바아 이상의 감소된 압력에서 작동하는 소위 진공로일 수 있다. 각각의 경우에, 통상의 노는 그 고유의 가열 요소 및 온도 제어 시스템을 필요로 한다. 장치 및 방법은 배경기술 섹션에 설명되어 있는 임의의 유형의 분위기 및 노 작동에 적용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 본 실시예는 작업물(2)이 위치되어 있는 노 챔버(1)를 형성하는 노벽(101)을 갖는 열처리로(100)를 포함한다. 노는 또한 본 발명에 따르면 복수의 히터(5a, 5b, 5c), 배기구(6) 및 활성 가스 주입기(20)를 포함한다.
활성 가스 주입기(20)는 노 챔버(1) 내로 연장되어 출구(103)에서 종료하는 주입기 쉘(7)을 포함한다. 본 실시예에서, 주입기 쉘(7)은 대체로 원통형 파이프이다. 가스 공급 파이프(21)가 주입기 쉘(7) 내로 연장하여 출구(103)에 도달하기 전에 주입기 쉘(7) 내부에서 종료한다. 활성 가스 주입기(20)는 또한 주입기 쉘(7) 내로 연장하여 출구(103) 내부에서 종료하고 바람직하게는 공급 파이프(21)의 출구 단부와 출구(103) 사이에 위치되어 있는 전극(8, 104)을 포함한다. 전극(104), 주입기 쉘(7), 공급 파이프(21) 및 노벽(101)은 모두 바람직하게 접지된다[이는 본 명세서에 설명되어 있는 방식으로, 전극(8)에 전력이 공급될 때 전극(8)에 대한 접지 전위를 생성함]. 전극(8)은 고전압 전원(110)에 접속되고, 절연기(38)에 의해 전극(104), 주입기 쉘(7), 공급 파이프(21) 및 노벽(101)으로부터 절연되어 있다. 절연기(38)는 바람직하게는 유기 첨가제 없이 세라믹 산화물 재료로 제조되고, 전기 절연을 위해 사용될 수 있다. 예는 알루미나, 실리케이트, 운모(mica), 마그네시아(magnesia) 또는 글래스를 포함한다.
임의의 유형의 고전압 저전류 전원(110)이 사용될 수 있다. 예를 들면, 110 V 내지 230 V의 입력 전압, 1 kV 내지 50 kV(모두 대략 50 Hz 내지 60 Hz의 주파수에서)의 범위의 평균 출력 전압을 갖는 교류(AC) 전원이 사용될 수 있다. 대안적으로, 12 V 내지 230 V의 입력 전압, 1 kV 내지 50 kV의 범위의 평균 출력 전압을 갖는 직류(DC) 전원이 사용될 수 있다. DC 전원이 사용되면, 이는 바람직하게는 반파 정류기(half-wave rectifier) 또는 전파 정류기(full-wave rectifier)를 포함한다. 양 경우에, 전원(110)을 위한 평균 작동 전류가 10 A 이하, 더 바람직하게는 5 A 이하인 것이 바람직하다. 명백하게, 본 발명은 간단한 저가의 AC 또는 DC 전원을 사용하여 구현될 수 있다. 고주파수, 고전압 전원(또한 "펄스" 또는 "펄스식" 전원이라 칭함)이 요구되지 않는다.
프로세스 가스를 활성화하기 위한 고전압, 저전류 전원의 사용은 활성 가스 주입기(20)가 유체계(예를 들면, 물) 냉각 시스템의 사용 없이 높은 반응기 챔버 온도에서 작동할 수 있게 하고, 고전류 전원이 사용되는 경우보다 더 긴 수명을 제공한다. 저전류의 사용은 전극 표면을 손상하거나 또는 용융시키는 가능성을 감소시킬 수 있을 것이다. 고전압의 사용은 저전류에서도 프로세스 가스 스트림 내의 큰 풍부한 방전을 보장한다.
주입기 쉘(7)이 노 챔버(1) 내로 돌출되어 전극(8, 104)이 노 챔버(1)로부터 열을 흡수할 수 있는 것이 바람직하다. 대안적으로, 주입기 쉘(7)은 출구(103)가 노벽(101)과 동일 높이에 있도록 장착될 수 있다. 주입기 쉘(7)은 프로세스 가스가 노 챔버(1) 내로 배출되기 전에 활성화되는 내부 체적(본 명세서에서는 활성화 챔버라 칭함)을 포함한다.
"고온" 전극(8)이 전원(110)에 의해 전력이 공급될 때, 전기 방전부가 "고온" 전극(8)과 접지 전극(104)[및 가능하게는 주입기 쉘(7)] 사이에 형성된다. 개별 접지 전극(104)이 제공되지 않는 실시예에서, 전기 방전부가 "고온" 전극(8)과 주입기 쉘(7) 사이에 형성될 수 있을 것이다. 프로세스 가스 스트림(4)은 공급 파이프(21)를 통해 유동하고 이어서 전기 방전부를 통과하여 노 챔버(1) 내로 유도되는 전기 방전 활성화 스트림(9)을 생성한다. 전기 방전 활성화 스트림(9)은 이어서 화살표(10)에 의해 도시되어 있는 바와 같이 노 내부로 팽창한다. 전극(104, 8)은 전원이 작동될 때 1 kV/cm 내지 100 kV/cm의 강도를 갖는 전기장이 전극(104, 8) 사이에 형성되도록 위치되는 것이 바람직하다.
대부분의 작동 조건 하에서, 팽창된 스트림(10)의 부분은 노 챔버(1) 내부에서 재순환하고, 노 챔버(1) 내에 존재하는 다른 가스와 함께 배기구(6)를 거쳐 노 챔버(1)를 나오기 전에 작업물(2)의 표면(12)과 접촉하게 될 수도 있다. 전기 방전 활성화 스트림(9)이 노 챔버(1) 내로 팽창됨에 따라, 이는 챔버 내에 이미 존재하는 가스 분위기의 체적의 부분을 흡인하여 포집할 수도 있다. 도 1에 화살표(11a, 11b)에 의해 도시되어 있는 이 흡인 포집 효과는 전기 방전 활성화 스트림(9)과 노 분위기의 나머지 사이의 화학적 상호 작용을 초래한다. 따라서, 전기 방전 활성화 스트림(9)의 도입은 노 분위기에 2개의 영향을 주는데, (1) 전기 방전 활성화 스트림(9)이 노 분위기에 첨가되고, (2) 2차 상호 작용이 전기 방전 활성화 스트림(9)과 노 분위기 내의 현존하는 가스 사이에 발생한다. 2차 상호 작용은 전기 방전 활성화 스트림(9)의 도입에 앞서 노 챔버(1) 내부에 가스가 존재할 것을 요구한다. 따라서, 2차 상호 작용은 분위기 활성화 프로세스 중에 1 밀리바아(mbar) 미만의 압력을 갖는 "경진공(hard-vacuum)" 노 챔버에서는 발생하지 않을 수 있다. 게다가, 본 발명은 작업물(2)의 표면(12)에서의 활성 가스종의 직접적인 충돌에 의존하지 않고, 작업물(2)이 전기 방전을 생성하는 회로의 부분이 되는 것을 요구하지 않는다[즉, 어떠한 전하도 작업물(2)에 인가되지 않음]. 따라서, 본 발명은 감소된 압력에서 작동하고 모든 로딩된 작업편으로의 전기적인 접속을 요구하는 플라즈마 이온 질화로 및 이온 침탄로에 대한 개량된 대안을 제공한다.
활성 가스 주입기(20)(더 구체적으로는, 활성화 챔버)는 노 챔버(1)의 작동 온도와 실질적으로 동일한 온도에서 작동하도록 구성된다. 활성 가스 주입기(20)는, 프로세스 가스가 노 챔버(1)의 작동 온도보다 낮은 온도에서 공급되는 경우에 및/또는 활성화 챔버의 부분이 노 챔버(1)의 외부에 위치되는 경우에 노 챔버(1)의 작동 온도보다 약간 더 낮은 온도에서 작동할 수 있다.
본 발명의 활성 가스 주입기는 다수의 대안적인 유형의 분위기 제어식 반응기 장치 및 반응기 챔버 구조에 합체될 수 있다. 연속적인 반응기 챔버 적용(즉, 로딩 단부 및 언로딩 단부를 갖는 반응기 챔버)에서, 하나 이상의 활성 가스 주입기를 로딩 단부에 근접하여 위치시키고 하나 이상의 활성 가스 주입기를 언로딩 단부에 근접하여 위치시키는 것이 바람직하다.
이하는 본 발명의 특정 구현의 예이다. 20% CO, 40% H2 및 40% N2의 공칭 조성을 갖는 흡열성 침탄로에서는 침탄 반응, 작업물 상의 산화물 스케일의 환원 또는 노 내로의 공기 침입에 기인하여 과잉량의 해로운 CO2를 축적하는 것이 일반적이지 않다. CH4와 같은 HC 가스의 주입은 화학 반응 CH4+CO2=2CO+2H2를 거쳐 과잉의 CO2를 중재하는데 사용될 수 있다. 불행하게도, 이 반응은 열적 활성화가 느림에도 불구하고 열적 활성화를 요구한다.
본 발명에 따르면, CH4 가스가 전기 방전부 및/또는 플라즈마를 가로질러 노 챔버 내로 주입되면(이하, "전기적 활성화"라 칭함), 가스 스트림의 부분은 H, H*, H+, H2 *, H3 *, C2, CH, CH2, CH3, CH3 + 등과 같은 이온, 원자, 래디컬 및 여기된 분자로 변환될 수 있을 것이다. 방전에 있어서의 클러스터링 반응(clustering reaction)은 또한 C2계 반응성 아세틸렌, C2H2 또는 에틸렌, C2H4와 같은 상이한 유형의 탄화수소를 본질적으로 생성할 수도 있다. 이들 생성물의 전부가 아닌 경우 노 분위기 내에 주입된 대부분의 생성물은 통상의 CH4의 열적 활성화만에 의한 것보다 훨씬 더 완전하고 더 신속하게 바람직하지 않은 CO2와 반응한다.
본 발명은 분위기-변경 가스 및/또는 분위기-형성 가스를 노 내로 주입하는데 사용될 수 있다. 분위기-변경 가스는 적어도 가스 스트림의 일부분이 H, H*, H+, H2 *, H3 *, C2, CH, CH2, CH3, CH3 + 등과 같은 이온, 원자, 래디컬 및 여기된 분자로 변환되는 가스이다. 분위기-형성 가스는 공급 가스의 조성이 변화하는, 즉 주입기에 의해 제공된 에너지에 기인하여 새로운 분자가 형성되는 가스이다.
본 발명의 5개의 부가의 실시예는 도 2a 내지 도 3c에 도시되어 있다. 각각의 연속적인 실시예에서, 도 1에 도시되어 있는 특징에 대응하는 도면에 도시되어 있는 특징은 100의 인자만큼 증가되어 있는 도면 부호로 나타내고 있다. 예를 들면, 활성 가스 주입기(20)는 제2 및 제3 실시예 각각에서는 도면 부호 120 및 220으로 나타내고 있다. 대응 특징의 일부는 도 2a 내지 도 3c에 전후 관계를 제공하도록 도면 부호를 붙이고 있지만, 부가의 실시예의 설명에서 구체적으로 언급되지 않는다.
도 2a 및 도 2b는 개방 단부(122), 공급 파이프(121) 및 전극(108)을 갖는 원통형 컵(113)을 포함하는 활성 가스 주입기(120)의 제2 실시예를 도시하고 있다. 컵(113) 및 개방 단부(122)에 의해 규정된 내부 체적은 본 실시예의 활성화 챔버이다. 도 1에 도시되어 있는 전극(8)과 마찬가지로, 전극(108)은 바람직하게는 고전압, 저전류 전원(도시 생략)에 접속되어 있다. 전극(108)은 그 중심축을 따라 컵(113) 내로 연장되고, 컵(113)의 내부에서 종료하고[즉, 컵(113)의 개방 단부(122)를 지나 연장되지 않음], 바람직하게는 세라믹 고온 저항성 절연기(138)에 의해 컵(113)으로부터 절연된다. 컵(113)은 바람직하게는 도전성 금속으로 제조되고 접지 도선(115)에 의해 접지된다.
작동시에, 프로세스 가스 스트림(114)은 외부 소스로부터 가스 공급 파이프(121)로부터 입구(140)를 거쳐 컵(113) 내로 주입된다. 가스 공급 파이프(121) 및 입구(140)는 바람직하게는 컵(113)의 둘레에 접선으로 위치된다. 컵(113)에 진입한 후에, 프로세스 가스는 컵(113) 내부에서 선회(swirl)하고, 전기 방전부(119)에 노출되고, 화살표(109a, 109b)에 의해 도시되어 있는 라인을 따라 컵(113)을 나온다. 개방 단부형의 짧은 컵(113) 내부에 형성된 와류 유동의 특성에 기인하여, 저압 영역이 컵(113)의 중앙 구역에 형성되고, 이는 노 분위기 가스를 흡입하고 흡인한다[화살표(117)로 도시되어 있음]. 흡인된 스트림(117)은 선회하는 프로세스 가스 스트림(114)과 혼합되어 라인(109a, 109b)을 따라 나온다.
본 실시예에서, 전기 방전부(119)는 프로세스 가스 스트림(114) 및 흡인된(노 분위기) 스트림(117) 모두에 전기 방전 활성화 반응을 실시하는 설명된 와류 혼합 프로세스 중에 전극(108)과 컵(113) 사이로 연장된다. 방전부(119)는 고온 전극(108)의 팁과 컵(113)의 내경 사이로 연장하는 스트리머(streamer)와 이산 아크(discrete arc)에 의해 형성된다. 스트림(114)의 유량이 초과하지 않는 경우에 이들 아크 둘레의 더 균일한 플라즈마 글로우(glow)의 형성이 또한 주목된다. 프로세스 가스의 유량은 과잉의 프로세스 가스 유량에 의해 방해될 수 있는 전기 방전부(119) 둘레에 비교적 균일한 플라즈마 글로우를 생성하는 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 전기 방전부(119)는 또한 접선방향으로 주입된 프로세스 가스 스트림(114)에 의해 강제 이동되고 있는 와류 유동에 기인하여 컵(113)의 내부 둘레에서 회전하는 경향이 있다. 전기 방전부(119)의 회전은 컵(113)의 표면 상에 어떠한 단일 지점 아크 루트(root) 부착도 존재하지 않는 것을 보장하고, 이는 컵(113)의 내부면에 대한 열 손상의 가능성을 감소시킨다.
도 2c는 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있는 활성 가스 주입기의 제3 실시예를 도시하고 있다. 본 실시예에서, 활성 가스 주입기(220)는 프로세스 가스를 위한 다수의 접선방향 주입 포트(221a, 221b, 221c, 221d)를 포함하고, 이는 컵(213) 내부에서의 더 균일한 선회를 보장한다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 활성 가스 주입기의 3개의 추가의 실시예를 도시하고 있다. 도 3a에 도시되어 있는 활성 가스 주입기(320)는, 주입기 컵(313)의 개방 단부(322)가 축방향 구멍(331)이 내부에 형성되어 있는 덮개(lid)(330)에 의해 부분적으로 덮여져 있는 것을 제외하고는 활성 가스 주입기(120)(도 2a 및 도 2b에 도시되어 있음)와 동일하다. 활성 가스 주입기(120)와 비교할 때, 활성 가스 주입기(320)는 주입기 컵(313) 내로의 노 분위기 가스의 흡인을 감소시키고, 주입기 컵(313)을 나올 때 전기 방전 활성화 스트림(309)의 속도를 증가시킨다. 그 결과, 전기 방전 활성화 스트림(309)에 의한 노 가스의 증가된 흡인 및 포집이 컵의 외부에서 발생한다. 따라서, 흡인된 노 분위기(311a, 311b)는 전기 방전 활성화 스트림(309)과 혼합되어 주입기 컵(313)의 외부에 새로운 반응 스트림(310a, 310b)을 형성한다.
도 3b에 도시되어 있는 활성 가스 주입기(420)는, 축방향 구멍(431)으로부터 연장하는 팽창 튜브(432)를 포함하는 점에서 도 3a에 도시되어 있는 활성 가스 주입기(320)와는 상이하다. 전기 방전 활성화 스트림(409)은 팽창 튜브(432)의 축을 따라 더 고속으로 이동하고, 이는 전기 방전부(419)의 적어도 일부가 팽창 튜브(432) 내로 연장되게 한다. 따라서, 본 실시예에서, 활성화 챔버는 컵(413)과 팽창 튜브(432)의 모두에 의해 규정된 내부 체적을 포함한다. 전기 방전부(419)의 가시적인 발광부는 더 높은 프로세스 가스 유량을 사용함으로써 팽창 튜브(432)를 (즉, 노 챔버 내로) 용이하게 지나갈 수 있다. 노 분위기를 갖는 전기 방전 활성화 스트림(409)의 흡인, 포집 및 혼합은 팽창 튜브(432)의 하류측에서 외부에서 발생한다. 다른 실시예에서와 마찬가지로, 2차 반응이 전기 방전 활성화 스트림(409)과 노 분위기(도 3b에 도면 부호 410a, 410b로 식별되어 있음)로부터의 흡인 가스로서 발생한다. 주입 가스는 도 2에 도시되어 있는 활성 가스 주입기(120)와 동일한 방식으로 활성 가스 주입기(320, 420)(도 3a 및 도 3b)로 공급된다.
도 3c에 도시되어 있는 활성 가스 주입기(520)는 활성 가스 주입기(420)와 유사하지만, 접선방향 배치 공급 파이프(421) 대신에 인라인 공급 파이프(521)를 포함한다. 프로세스 가스의 회전 운동을 생성하기 위해, 선회 플레이트(523)가 고온 전극(508) 팁의 바로 상류에서 주입 컵(513) 내부에 제공된다. 선회 플레이트(523)는 바람직하게는 고온 유전성 세라믹으로 제조되고, 그 상부에 형성된 일련의 경사진 또는 나선형 슬롯(534)을 포함한다. 프로세스 가스 스트림(514)은 슬롯(534)을 통해 강제 이동되고, 이는 프로세스 가스 스트림(514)이 주입기 축 둘레에서 선회되게 하여 와류 유동을 형성한다.
전술된 모든 실시예에서, 주입기 쉘 및 전극은 예를 들면 강, 코바(Kovar), 니켈 합금, 텅스텐, 몰리브덴 및 이들의 합금과 같은 임의의 도전성 고온 내식성 금속 또는 합금으로 형성될 수도 있다. 고온 전극에 사용되는 절연부는 예를 들면 알루미나, 멀라이트(mullite), 알루미노-실리케이트, 세라믹 글래스 또는 변성 지르코니아와 같은 임의의 적합한 유전성 및 열화학적 저항성 산화물 세라믹으로 형성될 수도 있다.
더욱이, 다중 활성 가스 주입기가 노 크기에 따라서 동일한 구조 및 열 처리 또는 열화학적 표면 처리 프로세스 요건에서 노 내에 사용될 수 있다. 따라서, 개방 단부형 연속로의 경우에, 하나 이상의 활성 가스 반응기는 미반응 주위 공기에 의한 노 내부의 침투를 방지하기 위해 노의 단부에 인접하여 설치될 수 있다. 이러한 시스템은 노 분위기의 개량된 제어 및 균일성, 뿐만 아니라 잠재적으로 폭발성 가스 혼합물 포켓의 제거에 기인하여 향상된 안전성을 제공할 수 있을 것이다. 본 발명의 실시예의 테스트를 통해, 본 출원인은 본 발명의 고전압/저전류 방전 특징 및 2차 가스 포집의 조합이 "고온" 전극에 공급된 총 전력이 비교적 낮은 경우에도 향상된 가스 반응 및 노 분위기 변경을 유도한다는 것을 관찰하였다. 본 발명의 방법에 따른 HC 가스의 주입의 경우에, 생성된 그을음 입자의 양은 또한 무시할만하다. 이는 애노드의 수냉을 빈번히 요구하는 저전압/고전류 디바이스이고 몇몇 금속 처리 작업에 바람직한 1050℃를 초과하는 온도에서 고온로 내부에서 기능할 수 없는 통상의 열 플라즈마(아크) 주입 시스템, 즉 "가스 히터"와 대조된다. 고온 가스 분자는 저온 가스 분자보다 전기 방전부에서 해리되어 활성화되기가 용이하기 때문에, 본 발명의 고전압/저전류 장치와 노 챔버(1)로부터 열을 흡수하도록 주입기 쉘을 위치시키는 것은 통상의 열 플라즈마(아크) 주입 시스템보다 훨씬 더 낮은 전력을 사용하여 분위기를 활성화하는 것을 가능하게 한다.
전원(110)과 연계하여 전술된 바와 같이, 저전류, 고전압 전원의 사용은 주입기 전극의 수명을 연장시킨다. 저전류 아크는 전극 표면을 용융시키는 경향이 없고, 고전압 아크는 (저전류 레벨에서도) 가스 스트림 내에서의 매우 풍부한 방전을 보장한다. 본 발명에 있어서, "저전류, 고전압" 전원은 10 A 미만의 평균 전류 출력과 적어도 1.0 kV의 평균 전압 출력을 갖는 전원인 것으로 이해되어야 한다. 와류 안정화 회전 플라즈마 컬럼(column) 및 반응기는 당업계에 공지되어 있지만, 본 발명의 유닛은 전기 방전부를 통해 그 코어[예를 들면, 컵(113)] 내로 고온 노 분위기 가스를 흡인하고, 흡인된 고온 노 분위기 가스를 신선한 프로세스 가스 스트림과 혼합하고, 최종 혼합물을 전기 방전부를 통해 재차 배기함으로써 모두 가스-플라즈마 상호 작용을 최대화하는 점에서 종래 기술과는 상이하다. 동일한 설명이 당업계에 공지되어 있고 집합적으로 비평형 또는 저온 플라즈마라 칭하는 화학 반응성 고저압/저전류/고주파수 또는 펄스식 전기 방전에 관련하여 이루어질 수 있다. 본 출원인은 본 발명의 고전압/저전류 방전 특징과 2차 가스 포집의 조합이 사용된 방전부의 총 전력(P=볼트×암페어)이 낮은 경우에도 향상된 가스 반응 및 노 분위기 변경을 유도한다는 것을 관찰하였다.
일련의 노 분위기 활성화 테스트가 도 2a 내지 도 3c에 도시되어 있는 것들과 유사한 활성 가스 주입기를 사용하여 본 출원인에 의해 실행되었다. 실험은 10 scfh(0.28 m3/hr) 내지 210 scfh(5.95 m3/hr)의 범위의 프로세스 가스 유량과, 2개의 차이가 있는 유형의 고압 전원, (1) 0.5 A 및 2 kV 내지 10 kV 사이(평균 전압은 대략 2 kV이지만, 전기 방전부가 손실되거나 또는 회로가 개방될 때 10 kV까지 증가함)에서 작동하는 DC-플라즈마 유닛과, (2) 대략 10 kV 전압 및 0.09 A에서 작동하는 AC-플라즈마 또는 스파크 유닛(통상의 60 Hz AC 가정용 전력 그리드를 사용함)을 사용한다. AC 주입기(스파크 주입기)의 고온 전극의 팁과 접지 전극 사이의 최단 거리는 0.14 in(0.355 cm)로 설정되고, 이는 28 kV/cm의 최대 전기장 강도(E)를 생성한다. DC 주입기 내의 고온 전극(이 경우, 캐소드)의 팁과 접지 전극(이 경우, 애노드) 사이의 최단 거리는 0.218 in(0.55 cm)로 설정되고, 이는 정상 상태 작동 중에 4.5 kV/cm의 최대 전기장 강도(E)를 생성하고, 최대 전기장 강도는 생성된 방전이 약하거나 또는 손실될 때 업셋 모드(upset mode)에서 18 kV/cm로 증가한다. 각각의 유형의 주입기에 대해 약 1 kW의 대략적인 총 에너지 입력을 가정하면, 주변으로의 에너지 손실을 배제하고 처리된 가스 스트림에 추가된 몰 에너지는 스트림 유량에 반비례하는데, 1 scfh(0.028 m3/hr)의 유량에 대해 23.9 eV, 10 scfh(0.28 m3/hr)의 유량에 대해 2.39 eV, 100 scfh(2.8 m3/hr)의 유량에 대해 0.239 eV 및 200 scfh(5.7 m3/hr)의 유량에 대해 0.12 eV이다. 따라서, 제1 근사법에서, 감소된 체적 농도에서 그리고 더 낮은 활성화 에너지를 형성하는 우선 순위를 갖고, 더 높은 프로세스 가스 유량이 더 낮은 유량과 동등한 수의 활성 가스종을 생성하는 것으로 예측된다. 실온 테스트 중에, 주입기 출구의 전방에 배치된 열전대는 약 0.25 in(6.3 mm) 하류측의 활성화 스트림의 평균 온도가 200℉(93℃)를 초과하지 않고 단지 사용된 프로세스 가스 스트림 유량에 기인하는 작은 편차만을 갖는다는 것을 지시한다. 설명된 장치에 의한 분위기 활성화 실험이 세라믹 재료로 라이닝된 전기적으로 가열된 반제조 규모 박스형 노에서 본 출원인에 의해 실행되었고, 생성물 분위기는 라만 분광법(Raman spectroscopy) 원리에 기초하여 ARI 레이저 가스 분석기, LGA 2107을 사용하여 노 배기구로부터 샘플링되었다. 결과는 이하에 제시된다.
도 4는 프로세스 가스 스트림의 통상의 "열적" 해리를 사용하는 노 가스의 조성과 본 발명의 프로세스 가스 활성화 방법, 즉 DC-플라즈마, 또는 "플라즈마" 및 AC-스파크 또는 "스파크"를 사용하는 노의 가스 조성을 비교함으로써 본 발명에 따른 분위기 활성화의 효과를 도시하고 있다. 평가는 4개의 상이한 온도: 600℃(1110℉), 800℃(1470℉), 850℃(1560℉) 및 1000℃(1830℉)에서 유지되고 있는 노 내에 다양한 반응 가스, NH3 및 CH4의 N2계 혼합물을 주입하는 것을 수반한다. 모든 혼합물 내의 NH3 및 CH4의 농도는 폭발성/인화성 하한(LEL) 미만으로 유지되는데, 이는 혼합물이 폭발 또는 인화의 위험 없이 주위 공기로 방출될 수 있다는 것, 즉 인화성 가스의 취급에 전용되지 않는 열처리로에서도 사용될 수 있다는 것을 의미한다.
600℃(1110℉)에서 테스트된 제1 혼합물은 노 또는 전기 방전 주입기로의 입구에서 측정된 바와 같은 N2 및 2.5% NH3를 포함하였다. 제2 혼합물은 N2 및 3.4% CH4이었다. 제3 혼합물은 N2 및 2.2% CH4로 이루어졌다. 800℃(1470℉)에서 테스트된 제1 혼합물은 N2 및 3.4% CH4로 이루어졌고, 제2 혼합물은 N2 및 2.2% CH4로 이루어졌다. 850℃(1560℉)에서 테스트된 혼합물은 N2 및 2.4% CH4로 이루어졌다. 1000℃(1830℉)에서 테스트된 제1 혼합물은 N2 및 3.41% CH4로 이루어졌고, 제2 혼합물은 N2 및 2.2% CH4로 이루어졌다. 모든 테스트는 노벽 상에서의 가스의 촉매 해리를 회피하기 위해 세라믹 라이닝된 노에서 실행되었다.
평가는 동일한 프로세스 가스 조성을 갖는 열적 및 활성화 조건에 대한 노 배기구 내의 H2/HC 및 H2/NH3의 평균 몰비의 비교에 기초하였다. 더 높은 비(y축에 도시되어 있음)는 노 분위기 내의 가스 스트림의 더 높은 해리 및 반응을 지시하고 있고, 더 낮은 비는 이러한 반응의 부재 및 불활성의 바람직하지 않은 거동을 나타내고 있다. 어떠한 특정 가스 및 전기 방전 반응이 주입된 NH3 및 CH4로부터 H2를 방출하는데 책임이 있는지가 본 출원인에게 명확하지는 않지만, 전체 화학양론(stoichiometry)은 다음의 표준 반응, 즉 도 4에 플롯팅되어 있는 H2/NH3비가 1.5(m/n-1)인 mNH3→nNH3+0.5(m-n)N2+1.5(m-n)H2의 사용을 제안할 수 있다. CH4 혼합물에 대한 표준 반응은, 생성물 탄화수소가 이들 테스트에 사용된 가스 분석 시스템에 의해 지정되지 않을 수 있는 것을 제외하고는 유사한 방식으로 기재될 수 있지만, 조성(가능하게는, 예를 들면 C2H2와 같은 새로운 HC 분자에서의 더 낮은 H-함량)에 의해 원래 주입된 CH4와는 상이할 수 있고 금속 표면을 향한 증가된 반응성을 제공한다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, DC 및 AC 방전을 사용하는 노 분위기 내로의 프로세스 가스의 주입은 특히 1000℃ 미만의 작동 온도에서 소정의 가스 반응의 향상을 유도한다. 이들 작동 온도는 금속 처리 산업에서 최대의 관심사이다.
도 5에는 N2 내에 12% NH3를 포함하는 프로세스 가스 스트림의 주입을 수반하는 525℃(975℉)에서의 실험을 위한 노 배기구로부터 샘플링된 노 분위기 내의 NH3 및 H2의 실행 시간 농도가 플롯팅되어 있다. 어떠한 전기 방전 활성화도 사용되지 않은 제1 테스트(도 5에 "활성화 없음"이라 라벨 부착되어 있음)는 NH3 농도의 최저 강하 및 분해된 NH3로부터 방출된 H2의 최저 농도를 나타낸다. AC 스파크 주입이 사용되는 제2 테스트(도 5에 "AC 스파크"라 라벨 부착되어 있음)는 원래 NH3 농도의 최강 강하(12% 내지 8.8%) 및 최고 H2 이득(4% 정도)을 생성한다. DC 플라즈마 주입이 사용되고 있는 제3 테스트(도 5에 "DC 플라즈마"라 라벨 부착되어 있음)는 제1 및 제2 실행에서의 농도 사이의 NH3 및 H2 농도 강하를 생성한다.
도 6은 2개의 주요한 차이점, (1) N2에 희석된 HC가 CH4보다는 C2H4이고, (2) O2-오염물의 소스가 내부에 로딩된 상당히 산화된 강철부의 형태로 노에 첨가되는 차이점을 갖는 도 4에 도시되어 있는 바와 동일한 방법론을 사용하는 분위기 활성화의 효과를 나타낸다. 산화철의 환원 뿐만 아니라 금속 철의 침탄은 CO2를 생성하고 이 CO2와 HC의 바람직하지만 동역학적으로 느린 반응이 CO 및 H2를 생성하기 때문에, 분위기 활성화의 평가는 H2/HC의 몰비 뿐만 아니라 (H2+CO)/HC의 몰비에 기초한다. 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, DC-플라즈마 주입 시스템은 활성화시에 노 내부의 가장 효과적인 바람직한 반응이고, AC-스파크 주입 시스템은 약간 덜 효과적이고, 통상의 열적 활성화 시스템(즉, 어떠한 전기 방전 활성화도 없음)은 가장 덜 효과적이다.
도 7은 통상의 열적 활성화법 및 본 발명의 DC-플라즈마 활성화법을 사용하여 AISI-SAE 1010 강철부(0.1 중량 %의 초기 탄소 레벨을 가짐) 상에 수행된 비교 경우 침탄 테스트의 결과를 도시하고 있다. 침탄은 열적 제1 DC-플라즈마 실행 중에 N2에 희석된 2.5% CH4와 2차 DC-플라즈마 실행에서 아르곤(Ar)에 희석된 2.5% CH4를 사용하여 3시간 동안 850℃(1560℉)에서 실행되었다. 침탄 단계 후에, 모든 샘플은 추가의 담금질(quenching) 및 템퍼링 작업 없이 노에 의해 실온으로 냉각되었다. 침탄의 결과는 침탄된 강 표면 하부의 깊이(마이크로미터 단위)의 함수로서 강 단면의 마이크로 경도(비커스 스케일의 HV-경도)를 프로파일화함으로써 평가된다. 최고 침탄 정도를 지시하는 최고 표면 및 기판 경도는 플라즈마 활성화 N2-2.5% CH4 스트림의 경우에 발견되었다. 플라즈마 활성화 Ar-2.5% CH4 스트림은 매우 유사한 결과를 생성하였다. 통상의 열적 활성화를 사용하여 침탄된 강철부의 표면 경도는 상당히 낮았다. 명백하게, 이들 테스트는 주입된 프로세스 스트림 내에 1차 가스로서 사용될 때 N2가 Ar(N2보다 반응성이 적고 더 고가임)보다 약간 더 효과적이라는 것을 나타낸다. 이는 전기 방전부 내에서의 1차 반응, 분위기 내에서의 2차 가스 반응 및 강 표면 상에서의 반응이 적어도 비반응성 에너지 캐리어의 주입만큼 활성화된 불안정성 가스종의 존재에 의해 추진되는 것을 제안한다.
도 8은 도 7에 나타낸 N2 플라즈마 활성화 침탄 테스트, 뿐만 아니라 증가된 초기 탄소 레벨, AISI-SAE 강 등급 1010 부분에 대해 0.1중량%, AISI-SAE 1050 부분에 대해 0.5중량% 및 AISI-SAE 1075 부분에 대해 0.75중량%를 갖는 강철부를 사용하여 동일한 조건 하에서 실행된 추가의 침탄 테스트의 결과를 도시하고 있다. 도 8에 도시되어 있는 그래프에서, 온도가 Y축(좌측에는 ℃로, 우측에는 ℉로)에 도시되어 있고, 탄소 함량(중량%)은 X축에 도시되어 있다. 3개의 테스트의 결과가 표준 Fe-C 2원 상태도에 중첩된 화살표 라인에 의해 제시되어 있다. 결과는 도 8에 "케이스"로서 표식되어 있는 표면 탄소 레벨이 시작 탄소 함량에 무관하게 모든 3개의 테스트에서 0.9중량%로 증가되어 있고, 따라서 DC 방전 활성화 N2-2.5% CH4 분위기의 침탄 가능성을 결정한다.
추가의 테스트가 순수한 H2 분위기를 사용하여 표면 산화된 강철부의 가속화된 광휘 어닐링을 위해 실행되었다. AISI-SAE 101 탄소강, A2 공구강 및 304 오스테나이트 스테인레스강의 3개의 유형의 고온 밀-스케일링된(mill-scaled) 테스트 쿠폰이 사용되었다. 어닐링 테스트는 90 scfh(2.55 m3/hr)의 H2 프로세스 스트림 유량을 사용하여 2시간 동안 1000℃(1830℉)에서 실행되었다. 3개의 쿠폰으로 이루어진 한 세트가 통상의 열적 H2 분위기 하에서 실행되었고, 다른 세트는 AC-스파크 주입된 활성화된 H2 분위기 하에서 실행되었다. 탄소강의 표면은 완전히 환원되고 양 테스트의 종료시에 빛난다. 공구강의 표면은 환원되고 통상의 열적 테스트가 아니라 AC-스파크 활성화 테스트에서만 빛난다. 스테인레스강의 표면은 어떠한 테스트 후에도 빛나지 않지만, AC-스파크 테스트는 질화금속의 존재를 나타내는 갈색 막으로 초기 산화물 막을 교체한다.
표 1은 본 발명의 몇몇 실시예의 몇몇 특징을 열거한다.
유틸리티 몇몇 실시예에서의 경계 조건
이들로 한정되는 것은 아니지만, N2, H2, HC, CO, NH3, 흡열 가스, 알코올 증기 및 희가스 성분을 갖는 침탄, 질화 및 환원 조성물을 포함하는 모든 유형의 열처리 및 열화학적 표면 처리 분위기를 활성화함 프로세스 스트림 내의 가스 분자를 열분해하거나 완전히 해리하지 않을 수도 있음
전기적 활성화가 2 단계로 실행됨: 1차 가스 반응이 발생하는 방전부 내부에서 그리고 2차 반응이 발생하는 노 분위기의 포집된 스트림에서 하류측에서 2차 반응을 가능하게 하기 위해 노 분위기의 존재를 요구할 수도 있음: 대기압 작동이 바람직하지만, 저압 작동(1 밀리바아 초과)이 계속 효과적임
작동 중에 냉각이 요구되지 않고 처리로로부터 흡수된 열의 양에 의한 유효성을 얻음 고온에 저항하는 구조의 금속 및 세라믹 재료
고전압/저전류 작동이 생성된 가스종의 화학 반응성을 최대화하면서 전극의 마모를 최소화함: DC 및 저주파수 2상 AC(60 Hz 이하일 수 있음) 전원 유닛이 소형이고 저가임 양호한 품질의 세라믹 유전체가 주입기에 사용될 수 있음
장치 및 방법은 임의의 통상의 노 또는 반응기로 개장될 수 있음: 또한 개방 단부형 연속로에서의 프로세스 제어 및 안전성을 향상시키는데 사용될 수 있음 다중 주입기 및 더 복잡한 전원 유닛이 큰 기다란 산업형 열처리 라인에 요구될 수도 있음
어떠한 전류도 다수의 전기 부품을 처리하기 위해 요구되는 작업물을 통해 흐르지 않고, 노 디자인 및 생산 작업을 단순화하는 것을 보조하고, 작업물부 에지 및 복잡한 표면 특징의 불균일 처리를 방지함 일 전극으로서 작업물부를 사용하는 방법을 특정화하는 활성 가스종의 직접적인 충돌의 결여는 예측된 표면 반응의 동역학을 감소시킴
본 발명의 넓은 발명적인 개념으로부터 벗어나지 않고 본 발명의 전술된 실시예에 변경이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에 의해 인식된다. 따라서, 본 발명은 개시되어 있는 특정 실시예로 제한되는 것이 아니라, 청구범위의 전체 범주 내에 있는 모든 수정을 포함하도록 의도되는 것이 이해된다.
1: 노 챔버 2: 작업물
5a, 5b, 5c: 히터 6: 배기구
7: 주입기 쉘 8, 104: 전극
9: 전기 방전 활성화 스트림 20: 활성 가스 주입기
100: 열처리로 101: 노벽
103: 출구 110: 전원
119: 전기 방전부 108: 전극
120: 활성 가스 주입기 121: 가스 공급 파이프
220: 활성 가스 주입기 309: 전기 방전 활성화 스트림
320: 활성 가스 주입기 409: 전기 방전 활성화 스트림
420: 활성 가스 주입기 432: 팽창 튜브
520: 활성 가스 주입기 523: 선회 플레이트

Claims (20)

  1. 침탄(carburizing), 질화(nitriding), 침탄질화(carbonitriding), 침질탄화(nitrocarburizing), 침붕(boronizing), 광휘 어닐링(bright annealing), 산화물 환원, 브레이징, 납땜, 소결, 중성 탄소 잠재 어닐링, 불활성 어닐링, 열처리, 용체화(solutionizing), 시효(aging), 구상화(spheroidizing), 경화, 응력 완화, 또는 불림(normalizing)을 위한 분위기 제어식 반응기 장치로서,
    처리할 작업물을 수용하도록 되어 있고, 분위기를 가지며, 배기구를 갖는 반응기 챔버와,
    공동으로 상기 반응기 챔버를 적어도 90℃의 온도로 상승시키는 것이 가능한 적어도 하나의 열원, 그리고
    적어도 하나의 가스 주입기
    를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 가스 주입기의 각각은,
    상기 반응기 챔버와 흐름 연통하는 출구를 갖는 활성화 챔버를 형성하는 쉘과,
    제1 가스의 공급부에 접속되도록 되어 있고, 상기 활성화 챔버 내로 제1 가스를 도입하도록 배치된 제1 가스 입구와,
    상기 활성화 챔버 내로 연장되고 활성화 챔버 내에서 종료하는 제1 전극과,
    상기 제1 전극에 접속되고, 작동될 때 적어도 1 kV의 평균 전압 출력과 10 A 미만의 평균 전류 출력을 제공하는 전원, 그리고
    상기 활성화 챔버에 노출되어 있고, 제1 전극에 대한 접지 전위를 제공하는 제2 전극을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 전극은 전원이 작동될 때에 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 방전이 발생하도록 배치되고, 상기 전기 방전이 발생하는 영역은 전기 방전 구역을 형성하며,
    상기 활성화 챔버, 제1 전극, 제2 전극 및 제1 가스 입구는 제1 가스가 출구를 통해 활성화 챔버를 빠져나오기 전에 전기 방전 구역을 통해 취출되도록 구성되고,
    상기 제1 가스는 분위기 변경 가스 또는 분위기 형성 가스인 것인 분위기 제어식 반응기 장치.
  2. 제1항에 있어서, 제2 전극은 상기 쉘로 구성되는 것인 분위기 제어식 반응기 장치.
  3. 제1항에 있어서, 전원이 작동될 때 제1 및 제2 전극 사이에 전기장이 생성되고, 상기 전기장은 1 kV/cm 내지 100 kV/cm의 강도를 갖는 것인 분위기 제어식 반응기 장치.
  4. 제1항에 있어서, 활성화 챔버는 냉각 시스템의 사용 없이 반응기 챔버와 동일한 온도에서 작동하도록 구성되는 것인 분위기 제어식 반응기 장치.
  5. 제1항에 있어서, 반응기 챔버는 적어도 하나의 가스 주입기가 작동될 때 적어도 1 밀리바아의 압력을 유지하도록 되어 있는 것인 분위기 제어식 반응기 장치.
  6. 제1항에 있어서, 활성화 챔버는 적어도 부분적으로 반응기 챔버 내에 위치하는 것인 분위기 제어식 반응기 장치.
  7. 제1항에 있어서, 반응기 챔버는 작업물 상에, 침탄(carburizing), 질화(nitriding), 침탄질화(carbonitriding), 침질탄화(nitrocarburizing), 침붕(boronizing), 광휘 어닐링(bright annealing), 산화물 환원, 브레이징, 납땜, 소결, 중성 탄소 잠재 어닐링 및 불활성 어닐링 중 하나 이상을 수행하도록 되어 있는 것인 분위기 제어식 반응기 장치.
  8. 제1항에 있어서, 반응기 챔버는 로딩 단부와 언로딩 단부를 갖는 연속적인 반응기 챔버를 포함하고, 적어도 하나의 가스 주입기는 로딩 단부에 근접하게 위치된 제1 가스 주입기와 언로딩 단부에 근접하게 위치된 제2 가스 주입기를 포함하는 것인 분위기 제어식 반응기 장치.
  9. 제1항에 있어서, 전원은 비펄스식 전원인 것인 분위기 제어식 반응기 장치.
  10. 제1항에 있어서, 활성화 챔버 및 제1 가스 입구는, 제1 가스가 제1 가스 입구를 통해 활성화 챔버 내로 도입될 때에 제1 가스 입구로부터 출구로 제1 가스의 와류(vortex) 또는 선회류(swirling)를 제공하도록 구성되는 것인 분위기 제어식 반응기 장치.
  11. 제1항에 있어서, 활성화 챔버는 원통형 부분을 갖고, 제1 가스 입구는 상기 원통형 부분에 접선방향으로 연결되는 것인 분위기 제어식 반응기 장치.
  12. 제1항에 있어서, 활성화 챔버 내에 배치되는 선회 플레이트를 더 포함하는 분위기 제어식 반응기 장치.
  13. 침탄, 질화, 침탄질화, 침질탄화, 침붕, 광휘 어닐링, 산화물 환원, 브레이징, 납땜, 소결, 중성 탄소 잠재 어닐링, 불활성 어닐링, 열처리, 용체화, 시효, 구상화, 경화, 응력 완화, 또는 불림을 위한 분위기 제어식 반응기의 반응기 챔버가 포함하는 분위기를 활성화하기 위한 분위기 활성화 방법으로서,
    고압력원으로부터 활성화 챔버 내로 제1 가스를 공급하는 단계와,
    적어도 1 kV의 평균 출력 전압 및 10 A 미만의 평균 출력 전류를 제공하는 전원에 제1 전극을 접속함으로써, 상기 활성화 챔버 내에 위치된 제1 전극과 이 제1 전극에 대한 접지 전위를 갖는 제2 전극 사이에 전기 방전부를 생성하는 단계와,
    상기 전기 방전부에 제1 가스를 노출하는 단계와,
    상기 활성화 챔버 내에 형성된 출구를 통해 반응기 챔버 내로 제1 가스를 배출하는 단계와,
    상기 제1 가스가 상기 반응기 챔버 내로 배출되는 동안에 반응기 챔버 내에서 1 밀리바아 이상의 압력을 유지하는 단계, 그리고
    상기 제1 가스가 반응기 챔버 내로 배출되는 동안에 반응기 챔버 내에서 적어도 90℃의 온도를 유지하는 단계
    를 포함하는 분위기 활성화 방법.
  14. 제13항에 있어서, 활성화 챔버 내로 제1 가스를 공급하는 단계는 적어도 부분적으로 반응기 챔버 내에 위치하는 활성화 챔버 내로 제1 가스를 도입하는 단계를 포함하는 것인 분위기 활성화 방법.
  15. 제13항에 있어서, 활성화 챔버 내로 분위기의 적어도 일부를 흡인하는 단계와,
    전기 방전부에 분위기의 적어도 일부를 노출시키는 단계
    를 더 포함하는 분위기 활성화 방법.
  16. 제13항에 있어서, 반응기 챔버 내에 위치된 적어도 부분적으로 금속인 작업물을 열처리하는 단계와,
    제14항에 따른 단계들이 수행되고 있는 동안에 상기 열처리 단계의 적어도 일부를 수행하는 단계
    를 더 포함하는 분위기 활성화 방법.
  17. 제13항에 있어서, 반응기 챔버와 동일한 온도에서 활성화 챔버를 작동시키는 단계를 더 포함하는 분위기 활성화 방법.
  18. 제13항에 있어서, 제14항에 따른 단계들이 수행되는 동안에, 침탄, 질화, 침탄질화, 침질탄화, 침붕, 광휘 어닐링, 산화물 환원, 브레이징, 납땜, 소결, 중성 탄소 잠재 어닐링 및 불활성 어닐링으로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상의 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 분위기 활성화 방법.
  19. 제18항에 있어서, 반응기 챔버 내의 제1 가스의 농도를 제1 가스에 대한 폭발성/인화성 하한 미만으로 유지하는 단계를 더 포함하는 분위기 활성화 방법.
  20. 제13항에 있어서, 상기 전기 방전부 생성 단계가 수행되고 있을 때 제1 전극과 제2 전극 사이에 형성되는 전기장이 1 kV/cm 내지 100 kV/cm의 전기장 강도를 갖도록 제1 및 제2 전극을 배치하는 단계를 더 포함하는 분위기 활성화 방법.
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