KR850001536B1 - 철금속 소재의 어니일링 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

철금속 소재의 어니일링 방법

본 발명은 제어된 분위기 하에서 철금속 소재 특히 탄소강을 어니일링 하는 방법에 관한 것이다.

철금속은 미합중국 철강협회 AISI (American Iron and Steel Institute)의 기준에 따른 강의 등급에 의해 정의되는데, 이는 탄소 함유량을 기준으로 한 것으로서, 특히 강을 편리하게 탄소강, 합금강, 합금 공구강으로 구분해준다. 이러한 강을 공기, 수소, 수증기, 탄소 또는 다른 화합물을 함유하는 로 분위기하에서 어니일링 또는 구상화(球狀化)시키기 위해 높은 온도로 가열하게 되면 강 표면에 화학 반응이 생긴다는 것은 잘 알려진 사실이다. 더우기 분위기중에 수증기, 수소, 이산화 탄소등의 존재하게 되면 강표면의 탄소가 반응하여 표면으로부터 제거되며, 이러한 탄소 제거는 화학적 변화와 결정 조직의 변화를 야기시켜 단면을 더욱 불균일 하게 만들며 표면 경도 제품의 강도등이 물리적 성질도 변화시키게되는데, 보통의 가공 공정에서는 탄소가 감손된 금속지역을 마무리 하기위해 기계가공, 연마, 산세등을 행해야 하므로 가공비가 많이들고 있었다.

탄소강, 합금강, 합금공구강을 가공할 경우에는 그 금속을 어니일링 하거나 구상화 처리를 하여 부드럽게 만들어 주어야만이 계속해서 기계가공, 내장단조, 밴딩가공 또는 실온하에서의 다른가공이 가능하게 될 경우가 많다. 어니일링은 결정조직이 오스테 나이트가 되도록 천이온도 이상으로 금속을 가열하고 변태온도 이하로서 냉시켜서 페라이트와 탄화물로 구성된 현미경 조직을 형성시키게 하는 열처리 방법이다. (여기서 오스테나이트는 감마철이 면심 입방격자를 특징으로 하는 용제로 되어 있는 탄소, 고용체이며, 페라이트는 알파철이 체심 입방격자를 특징으로하는 용제로 되어 있는 탄소 고용체이다) 이 과정에서는 판상의 페라이트와 탄화물로 이루어진 퍼얼라이트의 현미경 조직도 흔히 나타나게 된다. 구상화는 탄소성분이나 합금 성분이 증가함에 따라 최대의 공작성과 냉간 가공성을 부여하기 위해서 탄화물 입자를 둥글게 만들어주는 열처리 방법으로서, 변태 온도 이상으로 금속을 가열하고 서서히 냉각시켜 탄화물의 석출과 괴상화를 야기시키는 방식, 또는 변태온도 이하에서 서서히 가열시키고 서냉시키는 방식, 또는 변태온도 이상 그리고 그 이하로 열진동을 줌으로써 특수철 금속을 열처리 하는 방식 또는 오스테나이트화 한후 변태온도 이하로 냉각 시킨다음 그 온도를 유지시키다가 다시 냉각시키는 방식에 의해 이루게할 수 있다.

탄소의 양을 제어시킨 분위기에서 철금속을 열처리하는 것에 관한 기술은 영국특허 제1,562,739호의 명세서 요약되어 있고 본 명세서에서도, 이를 참조하였다.

상기 특허에 의하면, 공기가 천연가스 또는 다른 연료 가스와 반응함으로써 어니일링이나 구상화의 보호 분위기가 만들어지는데, 저탄소강(탄소 함유가 0.1%이하)을 어니일링 할때는 연료가스와 공기의 혼합 기체를 연소시켜 발열분위기를 형성시킴에 의해 수증기를 제거시킴으로써 분위기의 탈탄 잠재력을 약화시킬 수 있으며, 고 탄소강의 경우에는 외부 가열식으로 되어있고 촉매가 채워진 반응기에서 연료가스와 공기를 부분적으로 반응시킴으로써 형성된 흡열 분위기에서 어니일링이나 구상화를 행하게 되는데 이러한 흡열 분위기에는 많은양의 일산화탄소가 함유되어 있기때문에 연소되지 않은 연료가 철금속표면으로부터 탄소손실을 방지하는 역할을 하게되는 것이다. 연속 어니일링로 또는 연속 구상화 열처리로를 사용하는 경우에는, 다양한 비율로 흡열가스와 발열가스를 혼합시켜 로 분위기의 탄소성분을 조정함으로써 로내 철 금속 표면이 탈탄을 방지하거나 극소화시킬 수 있는데 이러한 기술은 본 기술분야에서 이미 공지되어 있는 것이다.

본 발명은 철금속 소재에 대해 야금학적인 어니일링 또는 구상화 처리를 시행할 수 있게 하는 온도로 유지되는 열처리로에 가스상의 질소와 메탄올을 주입하여 그 혼합물에 의해 형성되는 보호 분위기 하에서 철금속소재를 어니일링 시키는 방법에 관한 것으로서, 후술하는 바와같이 가스상의 질소와 0.1내지 10몰 퍼센트의 메탄올을 열처리로에 적당한 장소에서 적당한 횟동안 주입하는 공정을 포함하고 있다.

대부분의 흡열, 발열 분위기는 보조 발생기를 필요로 하므로 설비에 따른 자본 소모가 많았는데 이에 대비되는 본 발명의 장점중의 하나는 바로, 보조발생기를 사용하지 않고 필요한 성분을 간단히 로내로 주입시켜 반응케함으로써 소정의 공정을 성취시킬 수 있다는 것이다.

어니어링이라함은 금속을 가열시켜 적당한 온도를 유지시킨 다음 적당한 속도로 냉각시켜 경도를 감소시키고 공작성을 개선시키며 냉간 가공성을 양호하게 하고 소정의 현미경 조직을 제공해주는등 금속의 역학적, 물리적, 화학적성질과 그밖의 성질들을 개선시키는 열처리법이라고 정의할 수 있다.

이러한 정의에 대해서는 미국 오하이. 주 노벨티 메탈스 파-크에 소재하는 "The American Society for Metals"가 1964년에 발행한 "Metals Handbook" 제1권인 "금속의 성질과 선택"에 기재되어 있으며, 그에 기재된 구상화 변태온도, 천이점, 천이온도에 관한 정의도 본 명세서에 참조문으로 인용하고 있다.

어니일링은 강을 천이온도 이상으로 가열하여 함유되어 있는 탄소가 전부 오스테 나이트상에 용해되도록 그 온도를 소정시간 동안 유지시키고 천이온도 이하로 냉각시켜 소정시간동안 그 온도를 유지시키든지 로나 또는 단열수단을 사용하여 실온으로 서서히 냉각시켜서 오스테나이트를 페라이트와 세멘타이트라고 하는 철의 탄화물로 변태시키게 하는 열처리 과정이라할 수 있다. 세멘타이트는 FeC₃의 화학식을 갖는 사방성 결정 조직을 특징으로하고 있는데, 그 화학조성은 강조성중에 망간과 같은 합금성분과 기타 탄화물 형성분의 존재에 따라 변할 수 있다.

구상화는 철금속을 천이온도 바로 아래까지 가열해서 보통 어니일링 처리 후 판상형으로 나타나는 세멘타이트(철의 탄화물)를 구형으로 변화시키는 열처리 과정이다. 이 과정은 금속을 먼저 천이온도 이상으로 가열한하게 되는데, 천이온도 이상의 온도로부터 천이온도 바로 미만의 온도까지의 범위에서 순환시키는 방법으로 시행되기도 한다. 또한 이 과정은 상기 금속을 천이온도 이상으로 가열한 후 천이온도 미만으로 냉각하고나서 그 온도에서 구형 탄화물로 되기에 충분한 시간을 유지시켜주는 방법으로 시행되기도 하며, 또 철금속을 어니일링한 다음 천이 온도 이하나 천이온도 내외에서 열처리 시키는 방법으로 시행되기도 한다.

통상적으로 어니일링과 구상화는 둘다 여러기능이 있는 보호분위기 하에서 행해지며 이 보호 분위기는 산소나 또는 표면을 벗겨내어 결국 금속을 손상시키게 되는 산화물로 부터 강을 보호해준다. 산화를 방지하기 위해서 분위기에는 환원 성분이 함유되어 있다. 보통의 어니일링 분위기는 탈단에 의해 금속 표면으로부터 탄소가 소실되는 것을 방지해 주어야 하는데 이러한 탄탄방지 목적은 일례로 로내에서 금속표면과 반응하여 탄소를 제거시키는 성분을 최소화 시킴으로써 이루게할 수 있고 이렇게 하기위해 통상 탄소공급원을 분위기에 공급해주고 있다.

이경우 탄소 공급원의 양은 강의 표면에 의한 침탄이 발생하여 표면의 불균일성을 상승시켜 금속의 성질을 변화시키지 않도록침탄을 방지할 수 있는 범위에서 제어되어야 한다. 따라서, 특히 금속 표면에 의한 침탄이나 탈탄이 발생하지 않도록 분위기가 균형을 이루어 있어야 하는 것이다.

상기 보호 분위기는 흡열 가스나 발열가스 또는 그들의 혼합가스로 이루어진다.

합금 공구강은 물론 저탄소강과 고 탄소강을 어니일링 하거나 구상화 하기 적당한 분위기는 본 발명에 따라 0.1몰퍼센트 내지 10몰 퍼센트의 메탄올을 함유하는 질소 혼합물을 열처리로에 주입시킴으로써 간편하고도 저렴하게 만들 수 있다. 필요에 따라서 질소나 메탄올을 제각기 또는 동시에 로에 주입할 수 있는데 여기서 질소는 기체상태이고 메탄올은 증기 또는 액체상태을 갖는다. 혼합기체는 분해되어 수소와 일산화 탄소를 발생시키는데 수소는 표면 산화를 방지하고 로내로 새에 들어오는 공기를 배기시키는 환원제의 역할을하며, 일산화 탄소는 금속 표면에서의 탄소 감손을 방지시키는 탄소공급원의 역할을 하게된다. 로에 공급되는 질소 혼합기체에 대한 메탄올의양은 열처리 온도와 처리 금속의 조성, 로의 형태로의 기밀도(氣密度)(로내로 새어들어오는 공기의 양), 로의 부하등에 따라 다양하게된다. 약 0.5몰 퍼센트 내지 3몰 퍼센트의 메탄을 과 잔부의 질소를 함유하는 혼합물의 경우 대부분의 철금속을 어니일링 하거나 구상화하는데 매우 적합한 분위기를 제공해 주게된다. 메탄올의 농도가 증가하면 로분위기의 탄화력이 증가하게 되고 반대로 메탄올의 농도가 감소하면 분위기의 탄화력이 감소하게 된다. 따라서 분위기를 제어할때, 탈탄을 방지하려면 분위기 조성중의 메탄올의 양을 증가시켜야 하고 침탄을 방지하려면 메탄올의 양을 감소시켜야 하는 것이다. 열간 가공된 철금속 표면에 탄소를 복귀시키려 할때에도 질소와 메탄올의 혼합물을 주입시켜서 만든 분위기가 사용될 수 있으며 이렇기 때문에 0.5몰 퍼센트 내지 10몰 퍼센트 메탄올과 잔부의 질소를 함유하는 분위기하에서 천이온도 이상으로 어니일링을 행하게 되며, 이때 열처리 온도와 분위기의 조성은 방지해야할 탄소감손의 정도와 어니일링에 요구되는 다른 조건들에 의해 결정되게 되는 것이다.

본 발명은 다음 실시예에 의해 더욱 명확해질 것이다.

[실시예 1]

저탄소강 와이어(AISI 등급 1006, 1008, 1010 그리고 1015)를 연속 트래이 로에서 구상화 열처리를 행한후 상기 와이어를 트래이에 실어 순수한 질소로 깨끗이 정화시킨 로입구로 진입시키고, 그뒤에 8군데로 분리된 각 열처리 영역을 통과시켰다. 상기 각 영역에는 순환 팬, 각기 제어되는 방사관형 가열기 셋트, 그리고 분위기 가스(메탄올과 질소) 공급장치가 설치되어 있다. 트래이는 상기 열처리 영역을 지난 다음 질소로 정화되어 있고 순환팬이 설치되어 있는 냉각지역을 통과한 후 마지막으로 질소로 정화되어 있는 출구를 통과하게 된다. 본 실시예에 있어서, 하나의 트래이가 입구를 지나 출구로 나오는데 경과한 시간은 17 시간이며 제1영역의 온도는 749℃이고 제2영역으로 부터 제7영역까지는 696℃의 온도로 유지되고 제8영역은 621℃였다. 0.75를 퍼센트의 메탄올을 함유하는 질소가 제2영역에 주입되어 제7영역까지 통과하게 되었고, 로는 연속적으로 가동되었으며, 정상상태(定常狀態)의 온도와 기체 농도는 표(1)과 같다.

[표 (1)]

로 분위기 분석

로를 나온 와이어의 표면은 빛이나고 약간 그을린 층이 있으나 쉽게 제거시킬 수 있었으며, 이 와이어 견본을 야금학적으로 검사해보니 재침탄이 조금 발견되었다. 로 분위기를 조정하여 메탄올을 0.5를 퍼센트로 감소시키고 계속 가동시키고, 이렇게 해서만든 견본을 또 야금학적으로 검사해 보니 부분적으로 약간 탈탄형상이 발견되었다.

이러한 사실을 볼때, 0.5를 퍼센트의 메탄올과 질소를 함유하는 로 분위기와, 0.75를 퍼센트의 메탄올과 잔부의 질소를 함유하는 로 분위기를 사용함으로써 상기 와이어에 있어서 표면의 탈탄과 침탄의 범위가 아주 만족할만 하게 나타난다는 결과를 얻을 수 있었다.

[실시예 2]

고탄소 와이어와 로드 (AISI 등급 1065, 1066, 1053, 1078 1095, 4140, 1541, 1018, 1022)를 실시예 1의 경우와 동일한로에서 구성화시켰다. 로 온도를 실시예 1의 경우와 동일하게 유지한 상태에서 1를 퍼센트 메탄올, 잔부의 질소를 함유하는 기체를 제2영역내지 제7영역에 공급하고, 그 가스의 로내 잔유시간은 22시간으로 증가시키게 하였다. 정상 상태 가동은 표(2)에 나타난 것과 같이 이루어졌다.

[표 (2)]

로 분위기 분석

로를 나온 로드는 매우 가볍게 그을린 피막이 있으나 쉽게 제거시킬 수 있었고, 이 견본을 야금학적으로 검사해보아도 표면 탈탄 형상이 나타나지 않았다.

[실시예 3]

메탄올과 질소의 분위기가 재침탄에 미치는 효과를 알아보기 위해 소형의 실험용 로를 사용하여 실험을 행하였다.

AISI등급 1080로드를 5몰 퍼센트 메탄올과 잔부의 질소를 함유하는 분위기 하에서 17시간 동안 696℃로 가열하였다. 표(3-1)은 로 분위기의 조성을 타나낸 것이다.

[표 (3-1)]

열처리가 완료된 상기 로드는 매우 가볍게 그을린 표면층이 있었으나, 야금학적 검사를 해보아도로 드표면에서 탄소의 변화는 나타나지 않았다.

상기 실험의 견본 AISI 1080로드를 열간가공하여 탈탄시킨후 3몰 퍼센트의 메탄올과 잔부의 질소를 함유하는 분위기에서 17시간 동안 760℃로 가열시켰다. 이때로 분위기 조성은 표(3-2)와 같다.

[표 (3-2)]

열처리를 행한 후 로드를 검사한 결과 표면에 가볍게 그을린 피막이 있었고, 그뒤에 행한 야금학적 검사 결과 상기 열처리에 의하여 깊이 0.013cm까지의 재침탄이 이루어졌다는 사실을 알 수 있었다.

[실시예 4]

5몰 체적 퍼센트의 메탄올과 잔부의 질소로 구성되는 혼합물을 로내에 주입시킴으로써 형성시킨 로 분위기 하에서 AISI 1080로드와 AISI 1080실리콘 킬드 와이어를 17시간 동안 696℃로 가열하였다.

상기 분위기의 조성은 표(4)와 같다.

[표 (4)]

로에서 나온 로드와 와이어는 매우 가볍게 그을린 피막이 있었는데 야금학적으로 검사해 보니 표면에서의 탈탄현상은 전혀 나타나지 않았다.

[실시예 5]

3몰 퍼센트의 메탄올과 잔부의 구성된 혼합물을 로내에 주입시킴으로써 형성한 로 분위기 하에서 AISI 1080로드와 AISI 1080실리콘 킬드 와이어를 17시간 동안 760℃로 가열하였다. 이때로 분위기의 조성은 표(5)와 같았다.

[표 (5)]

열처리가 끝난 상기 로드와 와이어는 매우 가볍게 그을린 피막이 있었으며 야금학적으로 검사해보니, 길이가 0.013cm까의지 재침탄 현상을 발견할 수 있었다.

[실시예 6]

3몰 체적 퍼센트의 메탄올과 잔부의 질소의 혼합물을 로내에 주입함으로써 형성한 로 분위기 하에서, 또 6몰 퍼센트의 메탄올과 잔부의 질소를 로내에 주입시킴으로써 형성한 로 분위기 하에서, 0.01cm의 표면 탈탄층이 있는 AISI 1040강을 696℃로 어니일링 하였다. 그때의 로 분위기 조성은 표(6)과 같았다.

[표 (6)]

상기 두 분위기에서 열처리를 행한 견본에도 가볍게 그을린 피막이 있었다. 이것을 야금학적으로 검사해보니 측정하기 어려울 정도인 0.01cm의 부분적인 탈탄현상을 발견할 수 있었다.

본 발명에 따른 보호 분위기를 사용하면 다음과 같은 장점이 있다.

1. 천연 가스소비를 절감시킬 수 있음과 동시에 다양하고 조성을 알지 못하는 천연가스를 동일한 순도를 갖는 메탄올로 교체시킬 수 있다는 점.

2. 처리공정에 융통성과 신뢰성이 부여된다는 점.

3. 제품의 질이 개선된다는 점.

4. 분위기의인화성과 독성이 감소된다는 점.

5. 기존로에 적용시킬 수 있다는 점.

6. 안전도가 높다는 점.

7. 그을림이 감소된다는 점.

본 발명에 있어서는 흐름 제어기를 구비한 페널등에 의하여 로 외부에서 메탄올과 질소를 혼합시켜서 분위기를 형성시키고 있기 때문에 로가 고장나거나 해로운 조건하에서 가동될 경우에 순수한 질소를 로를 정화시키는 것이 가능하게 되고, 그에따라 로내에 불활성층을 제공할 수 있게된다.

Claims (1)

1. 탄소강인 철금속 소재의 어니일링 방법에 있어서, 처리한 소재를 538℃ 이상의 온도로 유지되는 로에 장입하고, 0.5내지 6몰%의 메탄올과 잔부의 질소 개스로된 혼합물을 38℃미만의 온도에서 상기 로에 주입하여 상기 혼합물의 반응에 의해 열처리중에 상기 소재의 탈탄을 방지시킬 수 있는 보호분위기를 형성케하고, 그러한 보호 분위기하에서 상기 소재를, 결정체로 되고 변태하여 오스테 나이트 조직을 가질때까지 538℃ 이상의 온도로 유지시키고, 상기 소재에 시행될 후속처리 공정에 의한 현미경 조직의 형성을 가능하게 하는 냉각속도로 38℃ 미만의 온도까지 상기 소재를 냉각하는 것을 특징으로하는 철금속 소재의 어니일링 방법.