KR20130013395A - 탄소강 미소체 및 그의 탄화물 피복 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄화물 피복 탄소강 미소체 및 그의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일 관점에 따르면, 가열부를 구비한 노체에 의해 둘러싸인 레토르트를 회전 및 가열하면서, 상기 레토르트 내에 장입된 탄소강 미소체와 탄화물형성원료를 서로 반응시키는 단계; 상기 노체를 상기 레토르트의 외주면으로부터 분리하여 제거하는 단계; 및 상기 레토르트를 회전하면서 냉각시키는 단계;를 포함하는, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법이 제공된다.

Description

탄소강 미소체 및 그의 탄화물 피복 방법{Carbon steel small parts and method for carbide coating thereof}
본 발명은 분말, 강구, 베어링 또는 체인핀 등의 탄소강 미소체의 표면에 탄화물을 피복하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열화학반응에 의해 표면에 탄화물이 피복된 탄소강 미소체 및 그의 제조방법에 대한 것이다.
금속 기지에 고경도의 내마모성을 가진 세라믹 분말을 강화상으로 분포시킴으로써 복합체를 제조할 수 있다. 이러한 세라믹 분말로서 종래부터 탄화텅스텐(WC), 탄화티타늄(TiC), 탄화바나듐(VC) 및 탄화크롬(CrxCy) 등의 여러 고경도 탄화물 분말들이 사용되어 왔다. 탄화텅스텐, 탄화티타늄, 탄화바나듐 및 탄화크롬 등은 경도값이 HK1800~3000에 이르는 매우 높은 경도값을 나타내므로 금속기지에 균일하게 분산되는 경우 세라믹-금속기지 복합체의 내마모성을 현저하게 향상시킬 수 있다. 또한, 밸브용 볼, 베어링, 체인핀 등에도 도금, PVD 및 CVD 등의 방법을 통해 고경도의 크롬, 탄화물 및 질화물을 피복하여 마찰계수를 줄이고, 내마모 및 내식성을 향상시켜 적용제품의 품질개선은 물론 수명을 연장시키고 있다.
그러나 이러한 탄화물 분말들은 일반적으로 기지로 이용되는 금속과 상당한 비중의 차이를 보이며, 따라서 이러한 탄화물들을 주조하는 경우, 특히 원심주조에 의한 세라믹-금속기지 복합체를 제조하는 경우 균일하게 분산되기 어렵고. 또한 종래의 도금, PVD 및 CVD에 의한 방법으로 미소체를 처리하는 경우 표면 전체에 균일하게 피복층을 형성하기 어려운 단점을 가지고 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 금속기지와 비중차이를 크게 나타내지 않으면서도 세라믹-금속기지 복합체의 기계적 특성을 구현할 수 있는 탄화물이 균일하게 피복된 탄소강 분말, 그리고 내마모 및 내식특성이 요구되는 밸브용 볼, 베어링, 체인핀 등에 적용하여 마찰계수 및 소음을 줄이거나 수명을 향상시키는 방법을 제공하고자 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 가열부를 구비한 노체에 의해 둘러싸인 레토르트를 회전 및 가열하면서, 상기 레토르트 내에 장입된 탄소강 미소체와 탄화물형성원료를 서로 반응시키는 단계; 상기 노체를 상기 레토르트의 외주면으로부터 분리하여 제거하는 단계; 및 상기 레토르트를 회전하면서 냉각시키는 단계;를 포함하는, 탄화물 피복 탄소강 미소체의 제조방법이 제공된다.
상기 탄소강 미소체는 탄소의 함유량이 0.2 내지 5 중량% 범위에 있을 수 있다.
상기 탄소강 미소체는 탄소강 분말일 수 있다.
혹은 상기 탄소강 미소체는 탄소강으로 이루어진 강구, 베어링, 체인핀, 밸브용볼, 쇼트볼(shot ball), 그릿트(grit) 또는 절삭칩(cutting chip)일 수 있다.
상기 탄화물형성원료는 탄화물형성원소을 포함하는 분말일 수 있으며, 이때 분말인 상기 탄화물형성원료의 평균직경이 탄소강 미소체의 평균직경에 비해 더 작은 값을 가질 수 있다.
상기 탄화물형성원료는 탄화물형성원소로 티타늄(Ti)을 포함하는 분말, 예를 들어 티타늄 분말, 산화티타늄(TiO2) 분말 및 페로티타늄(Fe-Ti) 분말 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또는 상기 탄화물형성원료는 탄화물형성원소로 바나듐(V)을 포함하는 분말, 예를 들어 바나듐 분말, 산화바나듐(V2O5) 분말 및 페로바나듐(Fe-V) 분말 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또는 상기 탄화물형성원료는 탄화물형성원소로서 텅스텐(W)을 포함하는 분말, 예를 들어 텅스텐 분말 및 산화텅스텐(WO3) 분말 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또는 상기 탄화물형성원료는 탄화물형성원료로서 크롬(Cr)을 포함하는 분말 , 예를 들어 페로크롬(Fe-Cr)를 포함할 수 있다.
다른 예로서 상기 탄화물형성원료는 탄화물형성원소를 포함하는 가스일 수 있다. 이때 상기 가스형태의 탄화물형성원료는 캐리어 가스와 혼합되어 공급될 수 있다. 상기 캐리어 가스는 수소 가스를 포함할 수 있다.
상기 탄화물형성원료는 탄화물형성원소로 티타늄을 포함하는 가스, 예를 들어 TiCl4가스를 포함할 수 있다.
또는 상기 탄화물형성원료는 탄화물형성원소로 바나듐을 포함하는 가스, 예를 들어 VCl4가스, VCl2가스 및 VI2가스 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또는 상기 탄화물형성원료는 탄화물형성원소로서 텅스텐을 포함하는 가스, 예를 들어 WCl2가스를 포함할 수 있다.
또는 상기 탄화물형성원료는 탄화물형성원료로서 크롬을 포함하는 가스, 예를 들어 염화크롬(CrCl2)을 포함할 수 있다.
한편 상기 레토르트 내에 활성화제를 더 공급한 후 상기 탄소강 분말과 탄화물형성원료를 반응시킬 수 있다.
상기 활성화제는 Na3AlF6, NH4Cl, AlF3, NaCl, NaF, MgCl2 및 CaF2 분말 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또는 상기 활성화제는 HCl, CCl4 가스 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
한편, 상기 탄소강 미소체와 상기 탄화물형성원료와의 소결을 방지하기 위해 알루미나(Al2O3)분말, 탄화규소(SiC) 분말, 지르코니아(ZrO2) 분말 중 어느 하나 이상을 추가로 장입할 수 있다.
한편, 상술한 탄소강 미소체와 탄화물형성원료를 서로 반응시키는 단계는 산화방지 분위기에서 수행될 수 있다. 이러한 산화방지 분위기는 예를 들어, 질소, 아르곤, 수소 및 진공 분위기 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 탄화물이 피복된 탄소강 분말인 탄소강 미소체가 제공된다.
상기 탄화물은 티타늄 탄화물, 바나듐 탄화물, 크롬 탄화물 및 텅스텐 탄화물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 탄화물 피복 탄소강 분말을 이용하여 세라믹-금속기지 복합체를 제조하는 경우, 탄소강 분말의 표면에만 탄화물층이 형성됨에 따라 일반 탄화물 분말에 비해 기지금속, 특히 철계 기지금속과의 비중차이가 감소함에 따라 금속기지 내에 탄소강 분말을 균일하게 분산시켜 내마모성을 향상시키며, 또한 탄화물이 피복된 베어링, 체인핀 및 밸브용 볼 등의 경우 소음을 줄이고, 내마모 및 내식성을 향상시킬 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시예를 따르는 반응기를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예를 따르는 제조방법에 의해 제조된 탄화물 피복 탄소강 분말입자의 단면도를 나타낸 것이다.
도 5는 실험예에 따른 분말의 단면을 관찰한 결과이다.
도 6은 실험예에 따른 분말을 X-선 회절분석한 결과이다
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
이하의 실시예에서, x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.
본 발명에서 언급되는 탄소강 미소체는 탄소강을 포함하여 구성되는 미세한 구조체 또는 작은 구조체를 의미한다. 예를 들어, 탄소강 미소체는 탄소강 분말을 포함할 수 있다. 나아가, 탄소강 미소체는 강구, 베어링, 체인핀, 밸브용볼 등의 기계 장치 구성 부품을 포함할 수 있다. 또한, 탄소강 미소체는 탄소강으로 제조되어 사용된 후 폐기된 쇼트볼(shot ball)이나 그릿트(grit) 또는 절삭칩(cutting chip) 등 다양한 형태를 사용할 수 있다.
편의상, 이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여, 탄소강 미소체가 탄소강 분말인 경우를 상정하여 설명한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되어 적용되지 않으며, 앞에서 언급한 것처럼, 강구, 베어링, 체인핀, 밸브용볼, 그리고 탄소강으로 제조되어 사용된 후 폐기된 쇼트볼(shot ball)이나 그릿트(grit) 또는 절삭칩(cutting chip) 등 다양한 형태를 가질 수 있는 탄소강 미소체에 적용될 수 있음은 명확하다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예를 따르는 반응기(100)의 x 방향에 대해 수직한 단면도가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 반응기(100)는 레토르트(retort,10) 및 레토르트(10)를 가열할 수 있도록 둘러싸는 노체(爐體, 20)를 포함한다.
레토르트(10)는 y 방향으로 연장되는 중공원통형의 파이프 형상을 가질 수 있다. 이러한 레토르트(10)는 내부 공간에서 탄소강 미소체에 탄화물을 피복하기 위한 2종 이상의 분말이 혼합된 처리물(40)을 수용하고, 수용된 처리물(40)의 산화 및 소결을 방지한다. 또한 처리물(40)내 혼합된 분말들을 균일하게 혼합시키는 기능을 갖는다. 이를 위해 레토르트(10)는 y축 방향으로 연장되는 중심선을 기준으로 도 1의 화살표와 같이 회전할 수 있다. 레토르트(10)의 양단부에는 처리물(40)을 장입 및 취출하기 위한 도어(30)가 구비된다.
노체(20)는 레토르트(10)를 둘러싸는 프레임(21) 및 프레임(21) 내에 레토르트(10)를 가열할 수 있도록 배치되어 있는 가열부(22)를 포함한다. 이때 가열부(22)는 전기저항체, 고주파 유도가열체, 할로겐 램프 등 레토르트(10)의 외주면으로 투입되는 열을 발생시킬 수 있는 가열원이면 어떠한 형태라도 무방하다.
도 2에는 복수개의 부분노체를 가지는 반응기(100)의 레토르트(10)의 연장방향(즉 도1의 y방향)에 수직한 단면도가 도시되어 있다.
노체(20)는 각각 분리되어 이동될 수 있는 부분노체를 복수개로 가질 수 있다. 일 예로서 도 2에 도시된 바와 같이, 노체(20)는 제1부분노체(20a) 및 제2부분노체(20b)의 2개의 부분노체로 구성될 수 있다. 이때 제1부분노체(20a)는 레토르트(10) 외주면의 일부분을 둘러싸도록 배치되는 제1서브프레임(21a)과 제1서브프레임(21a) 내부에 배치되는 제1가열부(22a)로 구성되며, 제2부분노체(20b)는 레토르트(10) 외주면의 나머지 부분을 둘러싸도록 배치되는 제2서브프레임(21b)과 제2서브프레임(21b) 내부에 배치되는 제2가열부(22b)로 구성된다.
또한 제1부분노체(20a)는 레토르트(10)의 상부측에 배치되고 제2부분노체(20b)는 레토르트(10)의 하부측에 배치되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 제1부분노체 및 제2부분노체가 각각 레토르트(10)의 좌측 및 우측에 배치되는 등 서로 다양한 형태로 배치될 수 있다.
이와 같이 노체(20)를 구성하는 부분노체(20a, 20b) 각각은 모두 레토르트(10)의 외주면 상에 결합되어 레토르트(10)를 가열할 수 있으며, 반대로 레토르트(10)를 냉각시키기 위해서 각각 분리되어 레토르트(10)의 외주면으로부터 제거되도록 이동될 수 있다. 도 3에는 레토르트(10)로부터 노체(20)가 제거된 경우가 도시되어 있다.
이러한 반응기(100)에 의할 경우, 레토르트(10) 내에 장입되는 처리물(40)을 가열함으로써 처리물(40)을 구성하는 물질 간의 반응을 유도하여 목적하는 형태의 탄소강 미소체를 제조할 수 있다.
일 예로서 이러한 반응기(100)를 이용하여 탄화물 피복 탄소강 미소체를 제조할 수 있다. 즉, 처리물(40)로서 탄소강 미소체와 탄화물형성원료를 레토르트(10) 내에서 서로 반응시켜 탄소강 미소체 표면에 탄화물을 피복할 수 있다.
이때 탄소강 미소체는 탄소의 함유량이 0.2 내지 5 중량% 범위를 가질 수 있다. 탄소의 농도가 0.2 중량% 이하인 경우에는 탄화물 형성 속도가 느리고, 5 중량%를 초과하는 경우에는 이로부터 제조되는 미소체의 기계적 성질에 악영향을 줄 수 있다.
한편 탄화물형성원료는 탄소강 미소체의 표면에 피복되는 탄화물의 구성원소를 공급하는 물질로서, 탄소강 미소체 내의 탄소와 반응하여 탄화물을 형성시킬 수 있는 탄화물형성원소를 포함하는 물질이다. 이러한 탄화물형성원소는, 예를 들어 탄소와 결합력이 강한 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 바나듐(V), 텅스텐(W) 등을 예를 들 수 있다. 이러한 탄화물형성원료는 분말형태로서 레토르트(10) 내에 장입되어 처리물(40)을 형성할 수 있다.
상기 탄화물형성원료는 탄화물형성원소로 티타늄(Ti)을 포함하는 분말, 예를 들어 티타늄 분말, 산화티타늄(TiO2) 분말 및 티타늄을 포함하는 합금철 즉, 페로티타늄(Fe-Ti) 분말을 포함할 수 있다.
또는 상기 탄화물형성원료는 탄화물형성원소로 바나듐(V)을 포함하는 분말, 예를 들어 바나듐 분말, 산화바나듐(V2O5) 분말 및 바나듐을 포함하는 합금철 즉, 페로바나듐(Fe-V) 분말 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또는 상기 탄화물형성원료는 탄화물형성원소로서 텅스텐(W)을 포함하는 분말, 예를 들어 텅스텐 분말 및 산화텅스텐(WO3) 분말 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또는 상기 탄화물형성원료는 탄화물형성원료로서 크롬(Cr)을 포함하는 분말 예를 들어, 크롬 분말, 페로크롬(Fe-Cr) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
탄화물형성원료가 분말 형상일 경우, 이러한 탄화물형성원료 분말의 평균직경은 탄소강 미소체의 크기에 비해 더 작은 값을 가질 수 있다. 이는 표면에 탄화물이 피복된 탄소강 미소체와 잔류하는 탄화물형성원료 분말과의 분리를 용이하게 하기 위함이다.
이와 같이 탄화물이 표면에 피복된 탄소강 미소체를 이용하여 복합체를 형성하는 경우, 단순히 탄화크롬(CrxCy), 탄화티타늄(TiC), 탄화바나듐(VC), 탄화텅스텐(WC) 등과 같은 탄화물을 강화재로서 기지금속에 첨가할 경우보다 기지금속과의 비중 차이가 줄어들어 강화재인 탄화물이 금속기지 내에서 균일하게 분산되도록 할 수 있다.
즉, 예를 들어 도 4와 같이 탄화물 피복 탄소강 분말(400)의 경우, 탄소강 분말(410)의 표면영역에만 탄화물(420)이 층상으로 형성됨에 따라 상술한 탄화물 분말과 비교할 때 금속기지와의 비중차가 크게 감소하게 된다. 특히 금속기지가 탄소강과 같은 철강재인 경우에는 탄화물이 피복된 탄소강 분말과 기지간의 비중차가 현저하게 감소하게 된다.
한편, 레토르트(10) 내에는 처리물(40)로서 상술한 탄소강 미소체 및 탄화물형성원료 외에 추가로 활성화제 분말을 더 장입한 후 미소체와 탄화물형성원료를 반응시킬 수 있다. 이러한 활성화제는 탄소강 미소체와 탄화물형성원료의 반응온도를 낮추어 열화학석출반응을 더욱 촉진시킬 수 있다. 이러한 활성화제로는 분말형태로서 Na3AlF6, NH4Cl, AlF3, KBF4, NaCl, NaF, MgCl2 및 CaF2 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한 탄소강 미소체와 탄화물형성원료 간의 소결을 방지하기 위한 분말이 추가로 장입될 수 있다. 이러한 분말로는 예를 들어, 알루미나(Al2O3)분말, 탄화규소(SiC) 분말, 지르코니아(ZrO2) 분말 중 어느 하나 이상이 선택될 수 있다.
처리물(40)의 원료로서 탄소강 미소체와 분말 형태의 탄화물형성원료 및 활성화제가 서로 혼합된 경우, 탄화물형성원료는 5 내지 50중량%의 범위에 있을 수 있고, 활성화제는 0.5 내지 20중량% 범위에 있을 수 있다.
한편 상기 활성화제는 가스형태로서 공급할 수 있으며, HCl 또는 CCl4 가스 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 이러한 활성화제 가스는 활성화제 가스저장기(미도시)로부터 레토르트(10) 내부로 연결되는 가스 파이프(미도시)를 통해 레토르트(10) 내부로 공급할 수 있다.
이하 도 1 내지 도 3을 참조하여 탄화물 피복 탄소강 미소체의 제조방법의 일 실시예를 설명한다.
도 1을 참조하면, 우선 레토르트(10) 내에 탄소강 미소체(예를 들어, 탄소강 분말), 탄화물형성원료, 활성화제 분말을 장입한다. 물론 탄소강 미소체, 탄화물형성원료, 활성화제 및 소결방지용 알루미나 분말을 미리 혼합시켜 장입하는 것도 가능하다.
다음, 레토르트(10)를 회전시키면서 노체(20)의 가열부(22)를 이용하여 레토르트(10)를 가열한다. 이때 레토르트(10)의 외주면에 노체(20)가 결합되어 있지 않은 상태인 경우에는 우선 노체(20)를 레토르트(10)의 외주면으로 이동시켜 서로 결합시킨 다음 노체(20)의 가열부를 작동하여 레토르트(10)를 가열하게 된다.
노체(20)가 도 2와 같이 상부측의 제1부분노체(20a) 및 하부측의 제2부분노체(20b)로 구성될 경우에는 각각의 부분노체(20a, 20b)를 이동시켜 레토르트(10)의 외주면에 결합시킬 수 있다.
가열 중에 레토르트(10)를 도 1과 같이 회전시킴에 따라 혼합분말 형태의 처리물(40) 내의 분말들이 서로 골고루 혼합되는 효과와 가열부(22)를 통해 전달되는 열이 처리물(40) 내에 골고루 전달되는 효과를 얻을 수 있다.
레토르트(10)가 가열됨에 따라 레토르트(10) 내의 탄소강 미소체와 탄화물형성원료 분말 간의 반응이 일어나면서 탄소강 미소체의 표면은 탄화물로 피복된다. 구체적으로, 탄화물형성원료 분말로부터 공급되는 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 바나듐(V), 텅스텐(W) 등의 탄화물형성원소와 탄소강 미소체로부터 공급되는 탄소를 탄소강 미소체의 표면에서 반응시켜 탄소강 미소체의 표면에 탄화티타늄(TiC), 탄화바나듐(VC), 탄화텅스텐(WC), 탄화크롬(CrxCy) 등의 매우 높은 경도를 가지는 탄화물을 피복하게 된다.
이때 처리온도는 탄소강의 고용화 온도 범위인 850 내지 1250℃ 범위를 가질 수 있다. 이는 이러한 온도범위에서는 탄소강 내의 탄소가 다른 합금원소와 분리되어 철에 고용되며, 따라서 이렇게 고용된 탄소는 탄화물형성원료로부터 공급되는 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 바나듐(V), 텅스텐(W) 등과 같은 탄화물형성원소와 결합하기 용이하기 때문이다. 이때 처리시간은 30 내지 600분 범위 내에서 수행될 수 있다.
이때 탄소강 미소체와 탄화물형성원료를 서로 반응시키는 단계는 산화방지 분위기에서 수행될 수 있다. 이를 위해 레토르트(10)의 내부로 질소, 아르곤 등과 같은 불활성 가스를 도입하거나, 수소 등과 같은 환원성 가스를 도입하여 산화방지 분위기를 형성할 수 있다. 혹은 진공펌프를 이용하여 레토르트(10) 내부를 진공 분위기로 만들어 산화방지 분위기를 형성할 수 있다.
다음, 노체(20)를 레토르트(10)의 외주면으로부터 분리하여 제거한다. 이러한 노체(20)의 제거로 인하여 레토르트(10)의 가열에 이용되는 가열부(22)가 제거되며 따라서 레토르트(10)는 자연스럽게 냉각단계에 진입할 수 있다.
이때 레토르트(10)를 계속 회전시킴에 따라 레토르트(10) 내의 처리물(40)이 균일하게 냉각될 수 있게 할 수 있다. 레토르트(10)를 충분히 냉각시킨 후, 레토르트(10)로부터 탄화물 피복 탄소강 미소체를 포함하는 혼합분말 형태의 처리물(40)을 취출한다.
이러한 처리물(40)은 원료였던 탄소강 미소체와 탄화물형성원료가 서로 반응하여 형성한 탄화물 피복 탄소강 미소체와 기타 잔류하는 원료분말, 활성화제 분말 등이 모두 혼합되어 있다. 따라서 취출된 처리물(40)을 탄화물 피복 탄소강 미소체와 그 밖의 분말로 분리하는 단계를 더 수행할 수 있다. 분리하는 방법은 예를 들어 체를 이용하여 탄화물 피복 미소체와 그 밖의 분말을 분리할 수 있다.
탄화물 피복 탄소강 미소체를 제조하기 위한 또 다른 실시예로서, 탄화물형성원료를 고상의 분말 형태 대신에 탄화물형성원소를 포함하는 가스를 사용할 수 있다. 이러한 가스는 상온에서 가스 형태로 존재하는 것 일 수 있다. 또는 상온에서는 액상으로 존재하나 적절한 수단(예를 들어 가열수단)으로 증기화 되어 레토르트(10) 내부로 공급될 때에는 가스형태로 가질 수 있는 것도 포함한다.
이러한 가스형태의 탄화물형성원료는 탄화물형성원소로 티타늄을 포함하는 가스, 예를 들어 TiCl4가스를 포함할 수 있다.
또는 탄화물형성원소로 바나듐을 포함하는 가스, 예를 들어 VCl4가스, VCl2가스 및 VI2가스 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또는 탄화물형성원소로서 텅스텐을 포함하는 가스, 예를 들어 WCl2가스를 포함할 수 있다.
또는 탄화물형성원소로서 크롬을 포함하는 가스, 예를 들어 염화크롬(CrCl2)가스를 포함할 수 있다.
본 실시예에 의할 시 레토르트(10) 내에 혼합분말(40)의 원료로서 탄소강 미소체(예를 들어, 탄소강 분말)을 장입한다. 다음, 회전하는 레토르트(10)를 노체(20)를 통해 가열하여 소정의 온도범위를 유지하면서 탄화물형성원료 가스를 레토르트(10) 내부로 공급한다.
탄화물형성원소 가스는 가스저장기(미도시)로부터 레토르트(10) 내부로 연결되는 가스 파이프(미도시)를 통해 레토르트(10) 내부로 공급할 수 있다. 이때 탄화물형성원료 가스는 캐리어 가스와 혼합되어 혼합가스로서 공급될 수 있다. 이때 캐리어 가스로는 예를 들어 수소가 사용될 수 있다.
레토르트(10) 내에서의 탄소강 미소체와 탄화물형성원료 가스와의 반응이 완료되었다고 판단되는 시점에 탄화물형성원료 가스의 공급을 중단한 후, 가열부(22)를 구비한 노체(20)를 레토르트(10)의 외주면으로부터 제거한다. 이러한 과정을 통해 레토르트(10)는 자연스럽게 냉각단계에 진입할 수 있다.
균일한 냉각을 위해 레토르트(10)는 냉각시키는 동안 회전할 수 있다. 냉각이 완료된 후 레토르트(10)로부터 탄소강 미소체가 반응하여 생성된 탄화물 피복 탄소강 미소체를 취출한다. 이때 본 실시예 의할 경우에는 탄화물형성원료가 가스형태로 공급되었는바, 상술한 실시예와 달리 탄화물 피복 미소체와 다른 잔류 분말을 분리하기 위한 단계를 더 수행하지 않을 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실험예들을 제공한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.
[실험예]
평균입도가 48#인 탄소강(SM45C)의 분말에 티타늄공급물질로서 평균입도가 200# 이하인 티타늄 분말과 활성화제로서 Na3AlF6 분말을 혼합하여 혼합분말을 준비하였다. 이때 혼합분말 내에서 티타늄 분말은 20중량%를 차지하였으며, Na3AlF6 분말은 1중량%를 차지하였다.
이렇게 준비된 혼합분말을 도 1과 같이 화합물 분말 제조장치인 반응기(100)의 레토르트(10)에 장입한 후, 레토르트(10)를 950℃로 3시간 가열하여 탄소강분말의 표면에 탄화티타늄을 피복하기 위한 처리를 수행하였다. 가열 중 레토르트(10)는 50rpm으로 회전시켰다. 이러한 탄화티타늄을 피복하는 처리가 완료된 후 노체(20)를 레토르트(10)의 외주면으로부터 분리시킨 다음, 도 3과 같이 레토르트(10)를 회전시키면서 냉각시켰다. 냉각이 완료된 후 레토르트(10)로부터 혼합분말을 취출한 후 체로 쳐서 표면에 탄화티타늄이 피복된 탄소강분말과 잔류하는 티타늄 분말을 분리하였다.
도 5에는 본 실험예에 의해 제조된 분말의 단면조직을 관찰한 결과가 나타나 있으며, 도 6에는 이러한 분말의 X-선 회절결과가 나타나 있다. 도 5의 하단 사진은 상단 사진의 일부분을 확대한 것이다.
도 5를 참조하면, 분말(500)의 표면에 새로운 피복층(510)이 형성되어 있음을 확인할 수 있으며, 도 6의 X-선 회절결과로부터 상기 피복층(510)이 탄화티타늄(TiC)임을 알 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 반응기 10: 레토르트
20: 노체 20a: 제1부분노체
20b: 제2부분노체 21: 프레임
21a: 제1서브프레임 21b: 제2서브프레임
22: 가열부 22a: 제1가열부
22b: 제2가열부 30: 도어
40: 처리물 50: 핀

Claims (24)

  1. 가열부를 구비한 노체에 의해 둘러싸인 레토르트를 회전 및 가열하면서, 상기 레토르트 내에 장입된 탄소강 미소체와 탄화물형성원료를 서로 반응시키는 단계;
    상기 노체를 상기 레토르트의 외주면으로부터 분리하여 제거하는 단계; 및
    상기 레토르트를 회전하면서 냉각시키는 단계;
    를 포함하는, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소강 미소체는 탄소의 함유량이 0.2 내지 5 중량% 범위인, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소강 미소체는 탄소강 분말인, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄소강 미소체는 탄소강으로 이루어진 강구, 베어링, 체인핀, 밸브용볼, 쇼트볼(shot ball), 그릿트(grit) 또는 절삭칩(cutting chip)인, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄화물형성원료는 탄화물형성원소를 포함하는 분말인, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 탄화물형성원료의 평균직경이 상기 탄소강 미소체의 평균직경에 비해 더 작은 값을 가지는, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법
  7. 제5항에 있어서,
    상기 탄화물형성원료는 티타늄(Ti) 분말, 산화티타늄(TiO2) 및 페로티타늄(Fe-Ti) 분말 중 어느 하나 이상을 포함하는, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 탄화물형성원료는 바나듐(V) 분말, 산화바나듐(V2O5) 분말 및 페로바나듐(Fe-V) 분말 중 어느 하나 이상을 포함하는, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 탄화물형성원료는 텅스텐(W) 분말 및 산화텅스텐(WO3) 분말 중 어느 하나 이상을 포함하는, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 탄화물형성원료는 크롬(Cr) 분말 및 페로크롬(Fe-Cr) 분말 중 어느 하나 이상을 포함하는, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 탄화물형성원료는 탄화물형성원소를 포함하는 가스인, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 탄화물형성원료는 캐리어 가스와 혼합되어 공급되는, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 탄화물형성원료는 TiCl4가스를 포함하는, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 탄화물형성원료는 VCl4가스, VCl2가스 및 VI2가스 중 어느 하나를 포함하는, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 탄화물형성원료는 WCl2가스를 포함하는, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 탄화물형성원료는 염화크롬(CrCl2) 가스를 포함하는, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 레토르트 내에 활성화제를 더 공급한 후 상기 탄소강 분말과 탄화물형성원료를 반응시키는, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 활성화제는 Na3AlF6, NH4Cl, AlF3, NaCl, NaF, MgCl2 및 CaF2 분말 중 어느 하나 이상을 포함하는, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 활성화제는 HCl, CCl4 가스 중 어느 하나를 포함하는, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 탄소강 미소체와 상기 탄화물형성원료와의 소결을 방지하기 위해 알루미나(Al2O3)분말, 탄화규소(SiC) 분말, 지르코니아(ZrO2) 분말 중 어느 하나 이상을 추가로 장입하는, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 서로 반응시키는 단계는 산화방지 분위기에서 수행되는, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 산화방지 분위기는 질소, 아르곤, 수소 및 진공 분위기 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용하는, 탄소강 미소체의 탄화물 피복 방법.
  23. 탄소강 미소체로서,
    상기 탄소강 미소체는 탄화물이 피복된 탄소강 분말인, 탄소강 미소체.
  24. 제23항에 있어서, 상기 탄화물은 티타늄 탄화물, 바나듐 탄화물, 크롬 탄화물 및 텅스텐 탄화물 중 어느 하나 이상을 포함하는, 탄소강 미소체.
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