KR850001012B1 - 철금속 소재의 침탄(沈炭)방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

철금속 소재의 침탄(沈炭)방법

본 발명은 철금속을 침탄시키는 방법, 특히 질소와 에탄올을 각기 혹은 혼합물로서 로에 주입함으로써 로내분위기를 형성시켜 철금속 소재를 침탄시키는 방법에 관한 것이다. 로분위기 중의 탄소포텐셜은, 침탄공정시 공급성분의 전체흐름을 조절하고, 공급 혼합물내에 물을 첨가함과 동시에 그 양을 조절하고, 공급 조성물에 침탄제 또는 농축제를 첨가함으로써, 형성 및 유지될 수 있다.

침탄법은 강과 같은 철금속 소재를 표면 경화시키기 위한 방법으로서, 통상 가스 침탄방법에서는 강을, 강표면으로 탄소를 전이시킬 수 있는 성분을 함유하는 분위기에 노출시키게해, 상기한 바와같은 탄소의 전이에 의해 탄소가 강내로 확산될 수 있게 하고 있다. 상기 분위기는 수소 40%와 일산화탄소 20%로 구성되어 있는데, 탄소 포텐셜을 증가시키기 위해서는 또 다른 성분(보통 천연가스)을 소량 첨가할 필요가 있다.

그러나, 흡열분위기를 사용하면 수많은 단점이 발생한다. 즉, 정비를 계속해야 하고 조작자의 주의를 요하는 값비싼 흡열가스 발생기가 필요하며, 더우기, 가스발생기는 임의대로 켰다 껐다 할 수 없고, 일단 작동이 개시되면 분위기에 대한 부하가 최대로부터 0까지 변하는 경우가 있을지라도, 작동상태를 그대로 유지 시킬 필요가 있고, 따라서 흡열가스와 그 흡열가스를 생성시키는데 필요한 천연가스는 수요가 적은 기간중에는 그대로 낭비되어 버리고 만다. 더우기, 천연가스는 주성분인 메탄외에도 에탄, 프로판과 고급 탄화수소를 다양한 양으로 함유하기 때문에 조성이 일정하지 않은데, 이와같이 천연가스의 조성이 다양하면 생성된 흡열가스에 상당한 변화가 있게되고, 따라서 조절상의 문제가 야기되게 된다. 이외에도 분위기를 생성시키기 위해 귀하고 값비싼 천연가스를 연소시킨다는 것은 에너지의 낭비라 할 수 있다.

최근에는 침탄로에 메탄올과 함께 값싼 부생질소를 도입하여 침탄분위기를 형성시키는 방법이 제안되었는데, 이에 있어서 메탄올은 열분해되며 침탄분위기로서 작용하는 수소 및 일산화탄소의 혼합물을 생성시키게되어 있다. 이러한 분위기의 탄소포텐셜을 증진시키기 위해서는 또 다른 성분(보통 천연가스)을 첨가할 필요가 있는데, 그러나 메탄올이 보통 천연가스 또는 석유로부터 생성되는 것이고, 그러한 화석연료가 고갈되어 가고 있다는 점을 감안해 보면, 이것은 에너지 낭비를 가져오는 것이다.

그리하여 농산물로부터 생성될 수 있는 에탄올을 사용하여, 침탄분위기를 생성시키려는 노력을 하게 되었다. 예를들면, 미합중국 특허 제2,673,821호에서는 에탄올과 물의 혼합물로부터 노분위기를 형성시키는 방법을 기술하고 있는데, 이에 있어서는 물의 첨가에 의해 탄소 포텐셜을 조절하여 대량의 탄소 부착(수우팅)을 방지하도록 되어 있다. 그러나 문헌에 의하면, 상기 특허에 따라 경화된 제품상에 나타나는 흑-청색표면은 초기 수우팅(sooting)이 발생하는 것을 나타내 주는 것으로 되어 있고, 더우기, 상기 특허에 따르면, 비교적 소량의 물을 함유하는 에탄올외에는 전혀 다른 성분이 분위기를 형성시키는데 이용되지 않기 때문에 과대한 비용과 낭비가 초래된다.

영국특허 제816,051호에서는 질소를 휘발성 유기물질로 포화시킨 다음 열처리로에 도입시켜 침탄에 적당한 분위기를 제조하도록 하는 방법에 대해서 기술하고 있는데, 이에 있어서도 상세하게 기술되지는 않았지만, 메탄올이 사용될 수 있다는 것을 나타내고 있다. 그러나, 프랑스공화국의 트레이트먼트 터미크사에서 발행된 1971년판 트레이트먼트 터미크(Traitment Thermigue), 제62호 35면 내지 45면에서는 상기 방법을 시행하는 데에는 메탄올과 아세톤만이 적당하다는 것을 시사하고 있다. 한편, 에탄올은 로의 출구에서 검(gum)을 생성시켜 오직 약하고 불규칙한 침탄을 야기시키는 것으로 보고되고 있다.

본 발명에 따르면 철금속 소재는 분리된 유체로서 또는 혼합물로서 동시에 침탄로에 도입되는 질소 및 에탄을 혼합물을 이용하여 효과적으로 침탄될 수 있다. 본 발명 제1실시예에 있어서, 침탄은 에탄올내의 함수량과 에탄올에 대한 질소의 비 뿐만 아니라 로를 통과하는 성분의 총흐름량을 조절함으로써 이루어지게 된다. 본 발명의 제2실시예에 있어서는 조절된 양의 물과 탄화수소 농축제 또는 침탄제를 첨가한 질소-에탄을 혼합물을 이용하도록 되어 있다. 상기 두 실시예는 모두 로내를 통과하는 공급조성물의 조성과 총 흐름량을 조절함으로써 로내 분위기중의 탄소 포텐셜을 조절하도록 되어 있다.

강은 질소와 에탄올의 혼합물이 공급되는 로에서 가열함으로써 성공적으로 침탄될 수 있다는 사실을 알아냈다. 분위기중의 탄소 포텐셜은 철사 감지기와 같은 적당한 장치에 의해서 연속 결정되며, 한편, 일산화탄소와 이산화탄소의 농도를 알기 위해서는 가스 크로마토 그라프 또는 적외선 분석에 의해 로분위기를 연속적으로 분석시킬 수 있는데, 탄소포텐셜은 이러한 가스분석에 의해 계산될 수 있다.

에탄올의 흐름량을 조절함으로써, 바람직한 탄소 포텐셜을 유지시킬 수 있는데, 에탄올의 흐름양이 증가하면 탄소포텐셜이 증가하는 반면 탄소포텐셜의 감소는 에탄올 흐름양을 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 탄소가 강에 흡수되는 속도는 탄소포텐셜이 증가함에 따라 감소하기 때문에, 소정의 흐름율로 작업을 개시하고, 반응이 진행됨에 따라 흐름율을 감소시킬 필요가 있다.

에탄올은 무수 또는 물을 함유할 수 있다. 시판되는 95%(190프루프) 에탄올은 본 발명의 방법에 사용하는데 편리한 생성물이지만, 약 15체적%까지의 함수량을 갖는 것을 이용할 수도 있다. 탄소 포텐셜이 비교적 낮아야하는 경우에는 보다 많은 물을 함유하는 에탄올을 사용하는 것이 유리한데, 그 이유는 물은 주어진 에탄을 흐름량에서 탄소 포텐셜을 저하시키기 때문이다.

에탄올은 증발에 의해 질소유체에 도입시키거나 또는 질소와 함께 노즐을 통하여 로로 직접 분무시킴으로써 로에 공급될 수 있는데, 사용되는 에탄올의 양은 약1%로부터 약 50%까지 변할 수 있으며 일반적으로 양호한 범위는 온도, 요구되는 탄소포텐셜과 침탄될 강부품의 표면적에 따라 약 10내지 20%로 된다. 로를 통과하는 총 흐름량은 시간당 표준부피 변화율이 2내지 6이 되게끔 정해지게 된다. (바람직하기로는 약 3내지 4이다). 흐름량이 상기의 범위보다 더 커지게 되면 에탄올의 불완전 분해가 발생하여 침탄효율이 저하되게 되며, 흐름량이 상기의 범위보다 낮아지게 되면 공기에 의해 포텐셜이 과도하게 감소되어 버리는 이른바 누설로(leaky furnace)로 만들어 버리는 문제가 야기될 수도 있다.

본 발명의 제1실시예는 본 발명을 예증하기 위해서 실시된 일련의 실험조건을 나타낸 표 I과 예 1을 참고로 하면 가장 잘 이해될 수 있을 것이다.

[예 1]

합금 복사관으로 가열되고 순환팬이 부착된 0.2m³의 회분식로를 사용하여 아메리칸 아이언 앤드 스틸 인스티튜트(AISI)형 1010강철 리벳을 침탄시켰다. 리벳을 로내에 위치시킨후에 표 I에 나타낸 흐름율로 질소와 에탄올을 공급하였다. 노를 30분동안 표 I에 나타낸 조작온도까지 상승시킨다음 같은 온도에서 2.5시간동안 유지시켰다.

[표 I (계속)]

(1) 괄호 내에 나타낸 시간당 표준 ft³에 대한 흐름율

(2) 이슬점

로분위기의 조성은 심스톡(shimstock) 시료의 탄소 포텐셜(%)과 리뱃의 강도와 깊이로 나타낸 바와같다.

부품은 깨끗하고 수우팅의 발생이 없었다. 실험 1내지 실험 4를 통하여, 에탄올 흐름율이 증가함에 따라 탄소폰텐셜이 증가된다는 것이 증명되었다. 실험 5를 통해서는 부하가 커짐에 따라 그에 상응하여 에탄올의 흐름율을 증가시키게 되면 실험 4에서와 같은 탄소포텐셜을 유지할 수 있다는 것을 알 수 있다.

이상의 실험결과에 의하여, 로내로 도입되는 에탄올과 질소의 전체흐름율과 에탄올중의 물의 양을 조절함으로써 로내로 도입되는 에탄올-질소혼합물을 이용하여 철금속 부품을 효과적으로 침탄시킬 수 있음이 증명되었다.

본 발명의 또 다른 실시예에 있어서는 질소와 메탄올로부터 유도된 것과 조성이 유사한 적당한 기본 로분위기를 에탄올과 물이 1 : 1의 몰비로 첨가된 질소유체를 로에 통과시킴으로써 생성시킬 수 있다. 에탄올과 물의 혼합물은 무수 에탄올(100%) 1l당 0.31l의 물을 첨가하거나, 또는 상용인 95%(190프루프) 에탄올 1l당 0.265 의 물을 첨가하므로써 얻을 수 있는데, 이와같이 하여 얻은 액체 혼합물중의 물의 최종 함량은 약 24체적%가 된다. 약 816°내지 1038℃의로 온도에서, 에탄올과 물은 반응하여 일산화탄소와 수소를 약 1 : 2의 비로 그리고 그와 함께 소량의 메탄, 이산화탄소 및 물을 함유하는 가스를 생성시키게 된다. 그 결과 생성된 로분위기는 탄소 함량이 낮은 강을 중성화시키는데 사용될 수 있다. 침탄시킬 필요가 있다면, 메탄, 프로판, 부탄, 에탄 및 그의 혼합물을 함유하는 중성 가스와 같은 농축가스를 첨가함으로써 분위기중의 탄소포텐셜을 증가시킬 수 있다. 분위기중의 탄소포텐셜은 철사 감지기와 같은 적당한 장치에 의해 계속 결정된다.

이와는 다른 방식으로 가스크로마토그라프 방법 또는 적외선 분석에 의해 분위기중의 일산화탄소와 이산화탄소의 농도를 연속 분석할 수 있다. 탄소포텐셜은 가스분석에 의해 계산될 수 있으며, 농축가스의 첨가율을 변화시킴으로써 상향 또는 하향으로 조절될 수 있다. 농축 가스량이 증가하면 탄소포텐셜이 증가되고, 반면 농축 가스량이 감소되면 탄소포텐셜이 낮아지게 된다. 이와같은 농축가스량의 조절은 수동으로 조절할 수 있으며, 또는 공지의 장치를 이용하여 자동으로 조절할 수 있다.

[실시예 2]

전형적인 로분위기의 발생을 입증하고 그러한 로분위기를 강부품의 침탄을 위해 효과적으로 사용할 수 있다는 것을 나타내기 위해 복사관 가열기와 순환팬이 설치된 0.2m³의 회분식로를 이용하였다. 일련의 제1실험에서는 부하를 주지 않고 조작하면서 첨가된 프로판의 양은 상당범위에 걸쳐 변경시켰다. 에탄올과 물은 질소 가스를 도입하기 위해서 사용된 포트(port)를 통하여 액체로서 로에 개별적으로 분무되었다. 프로판은 노로 도입하기전에 질소유체에 도입시켰다. 로분위기의 시료를 연속적으로 회수하여 가스 크로마토그라프에 의해서 잦은 회수로 분석하였다. 또한 두께가 0.005cm인 강철 심스톡의 스트립을 로중에 위치시켜, 탄소포텐셜을 측정하였다. 실험종료후 심스톡을 신속히 회수하여 냉각한다음 탄소에 대한 분석을 하여, 그 결과를 표 II에 나타냈다. 컬럼 상단의 이론 %C는 이산화 탄소와 일산화탄소에 대한 개발적분석으로부터 계산된 이론적 탄소포텐셜이며, %C 심(shim)은 심스톡 시료탄소의 실질분석에 의한 탄소포텐셜이다.

탄소포텐셜의 계산값 및 측정값은 서로 매우 일치하였다.

[표 II]

[표 II (계속)]

[표 II (계속)]

(1) 괄호 내조성의 부피%

(2) 부피%

(3) 이슬점

[예 3]

예 2에 기술된 방법과 노를, AISI형 1010 리벳 15 lb씩 2개를 침탄시키는데 이용하였다. 공급 유체와 로가스의 분석 결과를 하기표 III에 나타냈다.

[표 III]

[표 III (계속)]

(1) 괄호내 조성은 부피%

(2) 부피%

(3) 이슬점

리벳을 각실험온도에서 2.5시간 후에 회수한 후 냉각한 다음 전체 및 유효케이스 두께를 결정하기 위해서 금속사진 실험을 하였다. 그 결과를 표 IV에 나타냈다.

[표 IV]

이 결과치들은 전적으로 만족할만하며, 실험 2를 927℃에서 한 경우에는 메탄올, 질소와 천연가스로부터 발생된 분위기와 같은 온도에서 얻어진 것들과 동일하게 된다.

로로 도입되는 기본 가스 형성성분은 질소 약 0 내지 85%, 에탄올 약 50 내지 7.5%와 물 약 50내지 7.5%로 구성될 수 있다. 공급가스중의 양호한 질소의 최대함량은 약 80% 이며, 이 경우 다른성분의 함량은 에탄올 약 10%와 물 약 10%이다. 질소 함량이 많으면 많을수록 침탄율이 만족스럽지 못할 정도로 낮아진다.

또한, 최소한의 질소함량은 노분위기의 용도에 따라 다르게 된다. 소정의 경우 전적으로 에탄올과 물로부터 발생된 기본가스는 탄소전이율을 최대로 그리고 균일하게 제공한다는 점에서 침탄 초기에 장점을 가질 수 있다. 그러내, 이러한 분위기는 비용이 많이들고, 따라서 탄소전이율을 더 높게 유지할 수 없을때는 질소와 희석시키는 것이 바람직하다.

탄소포텐셜을 높게하기 위해서는 에탄올애 물의 비를 높게하면 되지만, 그러한 비율은 약 1 : 1로 하는것이 바람직하다. 상기 비율이 1 : 1보다 상당히 낮게되면, 강의 산화 및 침탄을 초래할 수 있기 때문에 그러한 비율은 피해야 한다. 농축 가스대 에탄올의 비는 0으로부터 로내에서 요구되는 탄소함량을 얻는 값까지 변할 수 있는데, 이러한 상한에 대한 정확한 값은 요구되는 탄소포텐셜 뿐만 아니라 로온도, 가스순환율과 침탄 되는 부픔의 표면적등과 같은 수많은 인자에 따라 달라지기 때문에 정확히는 알 수 없다. 예 3에 주어진 값은 프로판을 농축가스로 사용한 경우의 값과 같은 것이다. 분자당 탄소가 프로판보다 더적은 물질을 사용하는 경우에는 더많은 양이 필요하게 된다. 온도는 약 816내지 약 1038℃로 될 수 있다.

물과 에탄올은 별도로 또는 액체 또는 증기로하여 혼합유체에 도입될 수 있다. 일반적으로는, 액체로하여 완전 혼합시킨 다음 양을 계량하여 완전한 그리고 급속한 증기회 및 그러한 증기의 분산을 보장할 수 있는 분무 노즐 또는 적당한 장치를 통하여 로내로 도입시키는 것이 가장 단순한 조작방식이라 할 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 회분식로에서 현재 사용하고 있는 가스 침탄방법 대신에, 연속식 로에서 적당한 로 조절을 하면서 사용될 수 있다. 현존로의 경우도 현존 탄소포텐셜 측정장치를 개량할 필요없이 본 발명의 방법의 방법을 쉽게 적용할 수 있다.

Claims (1)

1. 816℃ 내지 1038℃ 온도로 유지되는 로내에 질소와 에탄올의 혼합물을 분사하여 철금속 소재를 침탄시키는 방법에 있어서, 상기 혼합물에 무수(無水)인 100% 에탄올 1ℓ당 0.31ℓ의 물 또는 상용인 95% 에탄올1l당 0.265l의 물을 첨가하여, 상기 혼합물이 7.5내지 50%의 에탄올, 7.5 내지 50%의 물, 그리고 85%이하의 질소로 조성되게 하고, 이러한 조성의 혼합물에 의해 성된형로 분위기에 메탄, 프로판, 부탄, 에탄 및 그의 혼합물등의 천연가스 중에서 선택한 가스침탄제를, 로치수 및 기하학적 형상, 로부하, 침탄시킬 소재의 조성, 로온도, 요구되는 케이스 깊이, 가스침탄제의 조성, 침탄공정중의 로분위기의 분석에 의해 요구되는 탄소 포텐셜을 제공할 수 있는 양으로 첨가하여 상기 로분위기의 탄소 포텐셜을 조절하는 것을 특징으로 하는 철금속소재의 침탄방법.