KR940010773B1 - 탄화물을 확산피복하는 방법 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제 1 도는 유동층 확산피복로의 개략도.
제 2 도는 VC 탄화물이 피복된 시계금형외관.
제 3 도는 VC 피복층 단면(배율 400배).
제 4 도는 TiC 피복층 단면(배율 400배).
제 5 도는 Cr-C 피복층 단면(배율 400배).
제 6 도는 NbC 피복층 단면(배율 400배).
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 유동층 2 : 할로겐화물 생성층
3 : 처리물 4 : 레토르트
5 : 가스분산판 6 : 가스혼합실
7 : 가열선 8 : 도어
9 : 배기관 10 : HCl 유량계
11 : 보호가스 유량계 12 : 보조가스 유량계
본 발명은 확산피복법에 의해 VC, TiC, NbC, Cr-C의 고경도 탄화물을 피복하는 방법으로 그 배경은 다음과 같다.
종래 금속 세맨테이션법의 일종인 확산피복법은 탄소를 함유하고 있는 탄소강, 합금강, 초경재료 등의 표면에 탄소와의 친화력이 큰 V, Cr, Ti, Nb 등의 원소를 탄화물로 석출시켜 피복하는 방법으로 피복층의 결합력이 뛰어나고 마모, 부식 및 소착저항특성 등이 우수한 특징을 가지고 있다. 따라서, 물리화학증착법과 더불어 금형, 공구 및 마모저항특성을 요구하는 부품제조에 활발히 이용되고 있다.
현재, 확산피복법으로는 염욕법, 분말법, 페이스트법 등이 있으나 염욕법을 제외한 다른 방법은 다음과 같은 단점을 가지고 있어 크게 활용되지 못하고 있다.
염욕법은 800-1100℃ 범위로 가열된 붕사(Na2B4O4) 용융염에 탄화물이나 질화물을 형성할 수 있는 원소를 함유하는 미립의 금속 또는 산화물분말 등을 첨가한 다음 침적시켜 탄화물이나 질화물을 피복하는 것으로 처리방법이 간단한 장점을 가지고 있다. 그러나 탈지, 염욕제거 등의 전후처리가 필요하고, 형상이 복잡한 제품 및 소결제품의 처리곤란, 온도별 적정염욕 선택, 염욕에 의한 환경공해 등의 여러 단점을 가지고있다.
그리고, 밀폐형 용기법은 매우 오래된 방법으로 알루미나(Al2O3), 바나늄합금철, 티타늄합금철, 크롬합금철 또는 물의 순금속분말 등의 처리제와 분말형태의 NH4Cl, KBF4등의 활성화제를 혼합한 다음 그 속에 처리물을 묻어 밀폐시킨 다음 알곤, 질소 및 수소 등의 가스를 공급하여 피복하는 방법이다.
또한 페이스트법은 전술한 분말들을 액상의 결합제와 혼합하여 페이스 상태로 만든 다음 피복하고자 하는 처리물 표면에 바르고 건조시켜 로내에 장입하고, 처리가스를 공급 가열하는 방법이다.
그러나, 이들 방법은 처리장치가 간단한 장점을 가지고 있으나 처리물의 장입 및 취출이 용이하지 못하고 처리공정이 신속하고 계속적이지 못한 단점을 가지고 있어 대량생산에는 이용되지 못하고 있다.
한편, 유동층로 레토르트 하부에 가스분산판을 설치하고 다른 매체와 반응을 하지않는 알루미나(Al2O3) 또는 지르고니아(ZrO2) 등의 분말을 충진 가스분산판을 통해 공급되는 유동화가스에 의해 분말이 부유되어 마치 액체와 같은 특성을 가지게 한 것으로 다음과 같은 장점을 얻을 수 있다.
유동입자의 촉매작용으로 말미암아 신속한 가스반응 및 분해, 빠른 온도상승 및 온도분포균일, 분말유동에 의한 표면세척작용 등의 특징과 더불어 공해방지, 처리속도 증가에 따른 에너지절감, 공정의 다양화, 처리물의 용이한 장입취출, 대형품의 처리가능 및 모든 처리 온도의 채택 등 수많은 장점을 가지므로서 현재금형, 공구 등의 열처리공정에 활발히 이용되고 있다.
이와 같은 유동층로가 확산피복법에 활용될 경우 전술한 단점들을 극복할 수 있고, 피복전후의 세척공정이 필요없으며, 피복한 다음 직접 켄칭할 수 있어 열처리 공정이 생략된다. 따라서, 처리원가를 크게 절감할 수 있는 등의 많은 장점을 얻을 수 있으며, 그 배경하에 아래와 같이 유동층을 이용한 탄화물의 확산피복법을 고안하였다.
본 발명은 아래의 확산피복법의 원리를 이용한 것으로 화학반응식(I) 식에서와 같이 피복하고자 하는 금속 Me는 HCl과 반응하여 증기상의 금속할로겐화물 MeCl2을 만든다.
Me + 2HCl = MeCl2+ H2ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ( I )
MeCl2= MeC + Cl2ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ(Ⅱ)
이 증기상금속 MeCl2는 화학반응식(II)에서와 같이 표면에 흡착되어 기지중의 탄소와 반응 MeC의 탄화물을 석출 피복하게 된다. 여기에서의 증기상금속 할로겐화물 NeCl2을 유동층반응로내의 하부에서 직접 제조하고 그것을 알루미나(Al2O3) 분말로 구성된 즉 처리물이 장입된 유동부에 도입 탄화물을 피복하는 방법이다.
그리고, 할로겐화물 제조방법은 화학반응식(I)에서와 같이 VC 탄화물 피복의 경우 분말형태의 V 합금철(ferro vanadium), TiC 탄화물 피복의 경우 Ti 합금철(ferro titanium), NbC 탄화물의 경우 Nb 합금철 그리고 CrC 탄화물 피복의 경우 Cr 합금철(ferro chromium) 분말과 기체상의 HCl이 반응 VCi3TiCi4, CrCl2을 만드는 것을 주요 특징으로 하며 그에 대한 상세한 설명은 다음과 같다.
먼저, 피복장치는 그림 1과 같으며, (1)은 유동층, (2)는 할로겐화물 생성부, (3)은 처리물, (4)는 레토르트, (5)는 가스분산판, (6)은 가스혼합실, (7)은 가열선, (8)은 도어, (9)는 배기관, (10)은 HCl 가스유량계, (11)은 운반가스 유량계, (12)는 보조가스 유량계로 구성된다.
여기에서 (1) 유동층부의 매체는 통상 열처리로에서 사용하는 #100-120(ASTM) 크기의 알루미나 분말을 사용한다. 그리고 할로겐화물 생성부의 분말은 #40-60(ASTM) 크기의 V, Ti, Nb, Cr 등의 합금철분말을 사용하며 그 량은 전체유동층의 10-25중량%로 한다. 유동 및 보호분위기를 유지하기 위한 공급가스는 불활성의 Ar, N2가스를 사용하며 공급량은 유동매체 즉 알루미나의 유동을 위한 최소가스공급량(Uml)의 2-3배로하며 가스의 공급은 계속 또는 일정시간 단속적으로 할 수 있다. 또한 보호분위기를 유지하기 위해 보조가스로 H2를 10% 이하로 공급한다. 한편, 할로겐화물생성을 위한 가스로는 HCl을 사용하며, 반드시 하부의 가스분산판을 통해 2-5% 범위로 공급해준다. 이와 같이 공급된 HCl 가스는 할로겐화물 생성부를 거치게 되며, V, Ti, Cr 등의 합금철분말과 반응하여 증기상금속 할로겐화물을 만들게 된다.
처리방법은 피복로에 N2가스를 2-3Uml로 공급하여 유동상태로 한 다음 처리물을 장입하고 목표온도로 가열한다. 이때 온도가 600℃ 이상으로 되면 보조가스로 10% 이하의 H2를 공급하고, 800-1200℃ 범위내의 피복온도에 도달하면 N2가스를 Ar 가스로 전환함과 동시에 HCl 가스를 공급하여 피복한다. 피복이 완료되면 HCl 가스의 공급을 중단하고, 각 처리물의 켄칭 온도로 유지한다. 그 다음 피복로에서 취출하여 냉각장치로 옮겨 켄칭한다. 또한 피복로에서 냉각한 다음 다시 켄칭 온도로 가열하여 켄칭할 수 있다.
본 발명은 균일한 피복층을 얻을 수 있음은 물론 유동층 하부로부터 할로겐화물을 형성하기 때문에 V,Ti, Nb, Cr 등의 합금철분말이 대기와 접촉되는 것을 차단하므로서 산화를 방지할 수 있다. 또한 분말의 입도가 커서 처리물에 달라붙거나 배기구를 통해 배출되는 량이 크게 감소되므로서 그 소모량을 줄일 수 있다, 그리고 처리물의 장입 및 취출이 자유롭고 피복과 동시에 열처리가 가능하여 처리비용절감효과와 더불어 대량생산용 피복법으로 발전할 수 있다. 한편, 물리화학증착법과는 달리 별도의 세척공정이 필요없고, 단조 및 주물품 등에도 쉽게 적용할 수 있다.
그 실시예로 제 2 도는 본 발명에 의해 VC 탄화물을 피복한 시계금형을 나타낸 것이다. 피복하기 전 그 금형은 산화피막이 국부적으로 존재하였으나 본 방법을 이용하여 처리한 결과 산화피막이 제거됨과 동시에 피복이 이루어졌다. 또한, 표면에 사용분말 등이 달라붙지 않고 깨끗한 상태를 유지하였다.
그리고, 제 3 도는 SK4 탄소공구강을 #60의 V 합금철분말을 15% 첨가하고 HCl을 4% 공급하여 950℃×2hr 조건으로 처리한 피복층의 단면을 나타낸 것이다. 여기에서 휜 부분이 VC 피복층이며, 경도는 Hv(25g) 2600-3200을 나타낸다. 또한 제 4 도는 동일조건에서 Ti 합금철분말을 사용하여 얻어진 TiC 피복층 단면으로 경도는 Hv(25g) 3200-3600을 나타낸다. 제 5 도는 Cr 합금철분말로부터 얻어진 Cr-C 탄화물 피복층의 단면이며, 경도는 Hv(25g) 1500-2000을 나타내었다. 또한 제 6 도는 NbC 탄화물 피복층의 단면을 보인 것으로 Hv(25g) 2000-2400을 나타내었다.
이와 같은 고경도 탄화물은 금형, 공구, 자동차, 항공기 등 마모저항 특성을 요구하는 부품의 수명연장과 성능향상에 크게 활용될 수 있다.
Claims (1)
- 탄소를 함유하는 소재로 제조된 금형, 공구, 기계부품 등에 마모저항특성을 부여하기 위해 800-1200℃로 가열된 유동층로 하부에서 10-25wt%범위로 첨가된 #40-60(ASTM) 크기의 V, Ti, Nb, Cr 등의 합금철분말과 가스분산판을 통해 공급되는 2-5vol%의 HCl 가스를 반응시켜 증기상금속 할로겐화물을 형성하는 것을 주요특징으로 하고, 그것을 Ar, N2또는 10vol% 이하의 H2혼합가스를 공급하는 #100-120(ASTM) 크기의 알루미나(Al2O3)로 이루어진 유동층에 도입시켜 VC, TiC, NbC, Cr-C 등의 탄화물을 확산피복함을 특징으로 하는 "탄화물을 확산피복하는 방법."
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| KR1019920001725A KR940010773B1 (ko) | 1992-02-07 | 1992-02-07 | 탄화물을 확산피복하는 방법 |
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