KR800000216B1 - 철물의 질화방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

철물의 질화방법

본 발명은 주로 질소로 구성된 매개 가스를 이용하여 철물을 질화하는 방법에 관한 것이다.

오랫동안 철물의 연성, 경도, 강도 및 내구성등을 개선시키는 방법이 추구되어 왔다. 이같은 성질을 개선하는 한가지 방법은 철물을 질화하여 표면에 질소 화합물층을 형성케하고 이 층아래에 질소용액을 생성 시키는 것이다.

기체매질을 사용한 방법에 의해 철물을 질화하려는 시도는 이전에도 있었다. 이러한 시도는 주로 암모니아를 분해하여 금속을 질화시킬 수 있는 발생기질소를 생성하는 공정을 요점으로 했다. 과거에 이 경우에는 암모니아와 수소 또는 흡열성 가스의 혼합물을 사용하는 방법을 사용했으며, 이때 암모니아는 다량(적어도 50%)을 사용했고 수소도 최소한 20% 이상을 사용하여야 했다. 이러한 종전의 방법은 몇개의 단점을 갖고 있었다. 근본적인 것은 기체 질화공정에 의해 철물에 바람직하지 않은 취성이 부여된다는 것이다. 또한 수소 가스는 생산 가격이나 구매 가격이 비싸며, 수소함량 퍼센트가 높을경우에는 폭발등의 위험을 초래한다.

기체에 의한 절화방법의 결점을 극븍하기 위해서 많은 연구자들이 염옥(salt bath)으로 질화하는 방법으로 전환했다.

이것은 보통 금속을 질화하는 방법으르 시안화물 또는 시안산염을 사용한다. 이 방법은 어느 정도 성공적이었으나, 근본적으로 불리한 점은 시안화물의 성질이 매우 유독하기 때문에 질화공정을 수행하기가 매우불편하고 위험하다는 것이다. 염욕의 오염도 이 방법의 또 다른 문제점이다. 따라서 결국은 기체에 의해서 질화시킴으로서 철물에 연성 경도 및 내구성을 부여하는 방법의 추구가 유리할 것이다.

본 발명의 목적은 기체 매질을 사용한 비교적 안전한 방법에 의해 철물을 질화하여 철물에 연성, 경도 및 높은 강도를 부여하는 것으로 수소의 량이 많은 이전의 방법보다 수소의 량을 낮춤으로서 보다 안전한 조업을 가능케하기 위한 것이다.

기체 매질을 사용하여 철물을 질화시켜서 바람직한 성질을 갖게하는 공정은 공지되어왔다. 이 기체매질은 실질적으로 질소와 소량의 암모니아 가스를함유하는 소량의 수소가스로 이루어진 매개가스(carrier gas)를 포함하며, 이때의 암모니아 량은 5∼25%정도이다. 매개가스에존재하는 수소의 량은 전체가스 혼합물의 2∼4% 이다. 이 공정은 약 537.5±55℃의 온도범위에서 일어나며 철물을 비교적 짧은 시간동안, 평균 4시간 정도 기체혼합물에 노출시킨다.

이런 방법으로 철의 표면에 비교적 얇은 화합물층이 형성되며 질소용액이 철에 깊숙히 침투되어 원하는 피로 강도 특성이 부여된다.

질화공정을 이행하는 중성가스 또는 매개가스는 생성후 곧 알맞은 로내에 도입된다. 주로 질소와 소량의 일산화 탄소 및 수소로 구성된 매개가스는 공기와 메탄 또는 천연가스를 반응시킴으로서 발열적으로 생성된다. 이 연소생성물을 냉각시킨후 분자체(molecular sieve)를 이용하여 이산화탄소를 제거하고 건조시켜서 수분을 제거한다. 그 결과로 생성기체에는 95∼96%의 질소 0.5∼1.5%의 일산화탄소 및 2∼4%의 수소를 포함하며 이것을 본 명세서에서는 매개가스라고 한다. 매개가스는 질화공정에서 반응하지 않으며 단지 철물을 필요한량 또는 밀도의 암모니아에 노출시키기 위한 매질로서 작용한다. 이런 경우 헬륨과 같은 다른 중성가스도 질소와 마찬가지로 매개가스로 작용할 수 있다.

매개가스중의 수소량은 연소수준이하이므로 매개가스는 비연소성이라는 것에 주목하여야 한다. 매개가스를 로내에 도입시킨후에는 로내에 철물을 넣고 538℃정도로 가열한다. 철물은 이온도에서 1/2-10시간동안 유지시킨다. 이 공정은 우선 일정량의 암모니아를 매개가스와 혼합후 로내에서 암모니아 함량이 일정퍼센트로 유지되도록 조절하면서, 암모니아-매개가스의 혼합가스를 로내에 도입하여 진행시킨다. 그후 다시 암모니아를 매개가스에 혼합시킨다. 암모니아의 량은 처리하는 철물의 형태에 따라 변하며 그량은 로의 공간부피의 5∼25%이다. 암모니아를 열처리실에 가압하면 가열된 철물과 반응하여 철물 표면에 질화철 화합물은 형성한다.

로안에 가스혼합물의 여분을 빼내고 새로운 가스(암모니아-매개가스혼합물)를 공급하여 처리기체의 조성물, 로안에 있는 수소가 3∼10%가 되도록 조절한다.

가능하면 저함량의 수소량을 이용하는 것이 좋다.

왜냐하면

는 가역반응이어서 H₂의 량이 많으면 반응은 왼쪽으로 진행되어 질화반응이 일어나지 않기 때문이다. 또한 수소의 연소수준은 약 4%이므로 단지 3∼10%의 수소를 포함하는 기체는 폭발위험이 감소되어 덜 위험하다.

[실시예 I]

1035 강으로 된 제품을 수소 2-4% 및 질소 95-97%를 포함하는 매개가스가 있는 로에 넣고 565℃까지 가열했다.

암모니아 12%를, 매개가스에 도입하여 1,035강을 약 4시간동안 처리했다. 처리결과를 알기위해 X-선회절 무늬를 검사했다. 검사결과, 강철 표면의 대부분은 질소와 철의 고용체인 잎실론 상의 질화철을 포함하여, Fe₄N 또는 페라이트는 조금도 없음이 발견되었다. 제품의 표면에 0.0012cm 두께의 질화물층이, 형성되었음이 발견되었다.

[실시예 II]

1,035 강으로 된 다른 제품을 실시예 1과 같은 매개가스를 가지는 로내에서 약 565℃까지 가열하고 여기에 17.2%의 암모니아를 추가했다. 약 4시간동안 처리하여 X-선 회절무늬를 검사한 결과, 이것도 역시 강철 표면의 대부분이 잎실론상의 질화철이었으며 Fe₄N 또는 페라이트는 조금도 없었다.

[실시예 III]

4,620 강으로된 샘플을 실시예 1의 매개가스가 있는 로내에서 질화시키고 암모니아 15%를 추가했다. 열처리 온도는 565℃ 이었고 처리시간은 4시간 이었다. 역기표면의 대부분이 잎실론상이었고 Fe₄N 또는 페라이트는 없었다.

물리적 시험을 한 결과, 샘플의 표면강도는 RC70 이상이 었고, 완전한 연성을 나타냈다. 얇은 쐐기 쇠를 질화시켜 표면을 경화하여 만든 줄은 부러지지 않고 180° 휘어질 수 있었다. 모든 샘플들은 그 표면에 약 0.0012cm의 비교적 얇은 여러 질화물로 된 복잡한 화합물 층과, 이 표면층의 아래에는 질소가 용액속에 있음이 발견되었다. 얇은 질화물층은 샘플의 내구성을 증가시키며 특히 샘플에 기공이 없을 때 증가된다. 고용체 형태로 질소가 확산된 부분은 특히 피로 강도가 증가된다.

기체 혼합물 중의 수소량을 고정시키고 암모니아의 량을 증가 시키면 샘플의 무게가 더 증가 될 뿐만 아니라 반응 속도도 빨라 진다. 반면에 암모니아의 량은 고정시키고 수소량을 증가시키면 무게 증가가 현저히 감소된다. 이같은 효과는 다음과 같은 암모니아 분해 반응식을 사용하여 설명할 수 있다.

2NH₃(기체)→2N (철 내부)+3H₂(기체)

(암모니아는 철속의 질소 및 수소와 평형을 이룬다.)

상기한 바와같이, 로에 도입되는 기체의 암모니아 함량을 증가 시키면 반응식이 오른쪽으로 진행하여 철속의 질소가 더 많이 형성된다. 반면에 수소함량을 증가시키면 반응식에 왼쪽으로 진행하여 철속의 질소의 생성이 적어진다. 이 같은 결과는 레코딩저울을 사용한 무게 증가 시험에 의해 관찰되었다. 상기 변화의 크기 및 속도는 이와같은 시험에 의해 증명되었다.

화합물층의 두께와 조성에 대한 암모니아와 수소의 효과를 결정하기 위해서는 현미경적 방법과 X-선회절 방법을 사용했다. 예상한대로 암모니아의 양이 많을 수록 두꺼운 화합물층이 생성되었다. 그러나 기공율(porosity)과 취성(brittleness)도 또한 증가했다. 15∼25%의 암모니아를 포함하는 기체를 사용한 결과, 화합물층은 비교적 기공이 없었다. 암모니아의 양을 고정시키고 수소양을 증가시키면 화합물층의두께가 감소되지만, 그 효과는 암모니아를 변화 시킬때만큼 현저하지는 않다. 이 효과는 1008강으로된 쐐기에 대한 다음과 같은 시험에 의해 증명되었다.

첫번 시험에서는, 1008 강으로된 쐐기 샘플을 565℃까지 가열하고, 암모니아 92%와 수소 8%로된 기체혼합물을 로에 공급하여 4시간 동안 처리했다. 화합물층을 검사한 결과 기공율이 40%이었다.

두번째 시험은, 로내의 기체 혼합물이 암모니아 25.5%, 수소 4.9%, 나머지는 질소라는 것을 제외하고는 상기와 같은 조건하에서 1008 강으로 된 샘플에 대해 수행하였다. 검사 결과 표면층이 기공율이 15%이었으며 이 숫자는 허용될 수 있는 최고치이다.

최종시험은, 로내의 기체 혼합물이 암모니아 15%, 수소 5.6%, 나머지는 질소라는 것을 제의하고는 상기와 갈은 조건하에서 수행했다. 이 샘플에서는 기공이 발견되지 않았다.

이 샘플들로부터 다른 중요한 점이 관찰되었다.

샘플들의 전체 두께는 약 0.018m 이었으며, 이 두께는 두꺼운 질소 화합물층을 갖는 샘플에서도 눈에 띌만큼 변화하지 않았다. 이와 같은 사실은 화합물층이 표면위에 생기는 것이 아니라 철의 표면층이 변화하여 질화철이 형성되었다는 것을 뜻한다. 강철에 질소를 첨가함으로 인해 두께가 조금 증가할지도 모르나, 이 크기는 측정되는 두께를 변화시킬만큼 크지는 못하다.

이것은 적어도 다음과 같은 두가지 이유로 인해 중요하다 :

(1) 주철과 같은 균일하지 않으며 또한 표면에 까지 확산된 편상 흑연 또는 구상의 흑연을 포함하는 물질은 완전한 화합물 층을 이루지는 않지만, 이러한 응력 발생요인의 존재하에서도 증가된 강도를 갖는다.

(2) 질화된 철물의 체적 변화 및 비틀림은 최소로 된다.

Claims (1)

1. 95-97%질소, 0.5-1.5% 일산화탄소와 2-4% 수소로 구성되는 비연소성 매개가스라고 정의한 분위기를 가지는 로에 질화시킬 철을 넣고 ; 약 540℃ (1,000°F)의 온도까지 가열하고 ; 암모니아 가스를 상기 매개가스에 도입시켜서 로내에 5-25 용적%의 암모니아 가스를 포함하는 질화분위기를 형성하고 ; 질화 분위기의 일부를 빼내는한편 매개가스를 추가도입하여 상기 질화분위기내의 수소가스의 용적이 10%를 초과하지 않도록 유지시키면서 ; 철을 1/2-10시간 상기 질화분위기와 접촉시켜서 주로 잎실론상의 약 0.0012cm 두께의 화합물층이 철의 표면에 형성되도록 하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 ; Fe₄N가 존재하지 않는, 주로 잎실론상을 가지는 질화물의 얇은 화합물층을 생성시키는 철물의 질화방법.