WO2023054924A1 - Soft nitriding method - Google Patents

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WO2023054924A1
WO2023054924A1 PCT/KR2022/013304 KR2022013304W WO2023054924A1 WO 2023054924 A1 WO2023054924 A1 WO 2023054924A1 KR 2022013304 W KR2022013304 W KR 2022013304W WO 2023054924 A1 WO2023054924 A1 WO 2023054924A1
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ammonia
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이원범
손석원
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한국생산기술연구원
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Abstract

The present invention relates to a soft nitriding method capable of improving wear resistance, fatigue resistance, and the like by diffusing nitrogen and carbon into a metal product, wherein the method comprises: a treatment gas introduction step of introducing ammonia gas and carbonizing gas into a reaction chamber; an ammonia gas decomposition step of decomposing the ammonia gas to generate hydrogen gas; a nitriding potential control step of maintaining the close of a treatment gas feeding part by the hydrogen gas until the nitriding potential value inside the reaction chamber reaches a predetermined first reference value; a carbonizing gas introduction step of introducing the carbonizing gas into the reaction chamber by controlling the treatment gas feeding part; and a carbonizing potential control step of controlling the flow rate of the carbonizing gas introduced into the reaction chamber by the hydrogen gas and the carbonizing gas until the carbonizing potential value inside the reaction chamber reaches a predetermined second reference value.

Description

연질화 처리 방법Soft nitriding treatment method
본 발명은 연질화 처리 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 금속 제품에 질소 및 탄소를 확산시켜 내마모성, 내피로성 등을 향상시킬 수 있는 연질화 처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a soft nitriding treatment method, and more particularly, to a soft nitriding treatment method capable of improving wear resistance, fatigue resistance, and the like by diffusing nitrogen and carbon into a metal product.
철의 표면 경화법에는 철 표면에 열을 가하여 반응 가스 중에 필요한 성분을 확산 침투시킴으로서 철 표면의 화학 성분을 변화시키는 열화학적 표면 경화법과 철 표면의 화학 성분을 변화시키지 않으면서 담금질만으로 경화하는 물리적 표면 경화법이 있다. 일반적으로, 열화학적 표면 경화법은 침탄, 질화, 침황, 침붕 등이 있고, 물리적 표면 경화법은 유도가열 담금질, 화염 담금질 등이 있다.The surface hardening method of iron includes a thermochemical surface hardening method that changes the chemical composition of the iron surface by applying heat to the iron surface to diffuse and penetrate necessary components in the reaction gas, and a physical surface that hardens only by quenching without changing the chemical composition of the iron surface. There is a hardening method. In general, thermochemical surface hardening methods include carburizing, nitriding, sulfurization, chimbung, and the like, and physical surface hardening methods include induction heating quenching, flame quenching, and the like.
이중에서, 열화학적 표면 경화법의 일종인 연질화법은 질소 원자 및 탄소 원자를 철의 표면에 침투 및 확산시키는 방식으로서, 침탄과 같은 타 표면 처리법에 비해 치수나 모양의 변형이 거의 없고 정밀하게 생산할 수 있다는 장점이 있다. 이러한, 연질화법은, 퍼니스(Furnace)와 같은 반응 챔버 내부에 강(Steel)으로 이루어진 제품을 장입하고 소정의 온도로 승온한 후 반응 가스인 암모니아(NH3) 가스 및 이산화탄소(CO2) 가스와 같은 탄화 가스를 포함하는 처리 가스를 상기 반응 챔버에 투입하는 과정이 수행된다. 이때, 투입된 암모니아 가스가 질소 가스와 수소 가스로 분해되면서 발생하는 질소 원자와, 탄화 가스가 수소 가스와 반응하면서 발생하는 탄소 원자가 강의 표면으로 침투 확산됨에 따라 강의 표면에 Fe-N-C계의 화합물층을 형성하게 된다.Among them, the soft nitriding method, which is a type of thermochemical surface hardening method, is a method in which nitrogen atoms and carbon atoms penetrate and diffuse into the surface of iron. Compared to other surface treatment methods such as carburizing, the soft nitriding method has little dimensional or shape deformation and can be produced precisely. There are advantages to being able to. In this soft nitriding method, after charging a product made of steel into a reaction chamber such as a furnace and raising the temperature to a predetermined temperature, the reaction gas is ammonia (NH 3 ) gas and carbon dioxide (CO 2 ) gas and A process of introducing a processing gas including the same carbonized gas into the reaction chamber is performed. At this time, nitrogen atoms generated as the injected ammonia gas is decomposed into nitrogen gas and hydrogen gas, and carbon atoms generated as the carbonized gas reacts with the hydrogen gas permeate and diffuse into the surface of the steel to form a Fe-NC-based compound layer on the surface of the steel. will do
이와 같은, 연질화 처리 과정에서 반응 챔버 내에서 일어나는 연질화 정도를 눈으로 관찰할 수 없기 때문에 금속 제품의 표면에서 연질화 정도를 측정하기 위해 암모니아 가스의 분해율 및 탄화 가스의 반응율을 측정할 수 있다. 암모니아 가스 분해율의 측정 방법은, 반응 챔버 내부의 수소 분압을 측정하여 이를 바탕으로 질화 포텐셜 값을 계산하고, 탄화 가스 반응율의 측정 방법은, 반응 챔버 내부의 이산화탄소 분압과 일산화탄소 분압을 측정하여 이를 바탕으로 탄화 포텐셜 값을 계산하여 연질화 정도를 측정하는 방법이 있다. 이러한, 질화 포텐셜 값 및 탄화 포텐셜 값은, 연질화를 할 수 있는 성능을 의미하며 연질화 정도를 결정짓는 가장 중요한 요소일 수 있다. 질화 포텐셜(Kn)과 탄화 포텐셜(Kc)은 AMS2759-12B에 다음과 같이 정의되어 있다.Since the degree of softening occurring in the reaction chamber cannot be visually observed during the softening process, the decomposition rate of ammonia gas and the reaction rate of carbonized gas can be measured to measure the degree of softening on the surface of the metal product. . The method for measuring the ammonia gas decomposition rate measures the hydrogen partial pressure inside the reaction chamber and calculates the nitridation potential value based on this, and the method for measuring the carbonization gas reaction rate measures the partial pressure of carbon dioxide and carbon monoxide inside the reaction chamber, and based on this, There is a method of measuring the degree of softening by calculating the carbonization potential value. These nitridation potential values and carbonization potential values mean the ability to soften nitride and may be the most important factor in determining the degree of softening. Nitriding potential (Kn) and carbonization potential (Kc) are defined in AMS2759-12B as follows.
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000001
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000001
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000002
: 수성가스반응(Water gas shiftreaction)
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000002
: Water gas shiftreaction
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000003
: 부두아반응(Boudouard reaction)
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000003
: Boudouard reaction
여기서,
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000004
는 암모니아의 분압,
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000005
는 수소의 분압,
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000006
는 일산화탄소의 분압,
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000007
는 이산화탄소의 분압,
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000008
는 수증기의 분압을 의미한다.here,
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000004
is the partial pressure of ammonia,
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000005
is the partial pressure of hydrogen,
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000006
is the partial pressure of carbon monoxide,
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000007
is the partial pressure of carbon dioxide,
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000008
is the partial pressure of water vapor.
그러나, 이러한 종래의 연질화 처리 방법은, 암모니아 가스, 탄화 가스 및 질소 가스가 일정한 비율로 혼합된 처리 가스가 항상 일정하게 반응 챔버에 주입됨으로써, 반응 챔버 내의 반응 가스의 상태를 알 수 없다는 문제점이 있었다. 예컨대, 일반적으로 사용하는 종래의 연질화 처리 방법은, 질소 가스, 암모니아 가스 및 탄소계 가스(변성가스, 이산화탄소 등)를 일정 비율로 반응 챔버 내에 항상 일정하게 주입함으로써, 상술한 질화 포텐셜과 탄화 포텐셜을 전혀 파악할 수 없었다. 즉, 종래의 연질화 처리 방법은, 질화 포텐셜 값의 제어와 함께, 연질화 제어의 중요 요소인 탄화 포텐셜 값의 제어가 불가능함으로써, 연질화 정도를 정확히 제어하여 금속 제품의 표면에 생성되는 화합물층의 제어가 어렵다는 문제점이 있었다.However, this conventional soft nitrocarping treatment method has a problem in that the state of the reaction gas in the reaction chamber cannot be known because the treatment gas in which ammonia gas, carbonization gas, and nitrogen gas are mixed at a constant ratio is constantly injected into the reaction chamber. there was. For example, the conventional soft nitriding treatment method generally used constantly injects nitrogen gas, ammonia gas, and carbon-based gas (modified gas, carbon dioxide, etc.) could not figure it out at all. That is, in the conventional soft nitriding treatment method, it is impossible to control the carbonization potential value, which is an important element of the soft nitridation control, together with the control of the nitridation potential value, thereby accurately controlling the degree of soft nitriding to obtain a compound layer generated on the surface of a metal product. The problem was that it was difficult to control.
또한, 종래의 연질화 처리 방법은, 암모니아 가스 및 탄화 가스가 일정한 비율로 혼합된 처리 가스를 항상 일정하게 반응 챔버에 주입함으로써, 연질화 처리 단계에서 소모되는 처리 가스의 양도 지나치게 증가하여 경제성이 떨어지는 문제점이 있었다.In addition, in the conventional nitrocarburization treatment method, the amount of treatment gas consumed in the nitrocarburization step is excessively increased by constantly injecting a treatment gas in which ammonia gas and carbonized gas are mixed at a constant ratio into the reaction chamber, resulting in poor economic efficiency. There was a problem.
한편, 종래의 순질화 처리의 경우에는, 질화 포텐셜 값의 조절을 위해서는 별도의 가스 분해로 내에서 암모니아 가스를 분해하여 질소 가스와 수소 가스의 혼합으로 이루어진 분해 암모니아 가스를 생성하고, 반응 챔버로 공급되는 분해 암모니아 가스의 양을 조절함으로써, 질화 포텐셜 값을 조절할 수 있는 방법이 제시되어 있다.(WO 2019/009408 A1) 그러나, 이와 같은 경우에는 질화 포텐셜 값의 제어를 위한 수소 가스의 생성을 위해 고가의 암모니아 가스 분해로의 설치가 추가로 필요하여, 질화 처리 장치의 비용이 상승하고, 설치 공간이 많이 필요한 문제점이 있었다. 이에, 이를 극복하기 위한 방법으로 별도의 가스 분해로를 사용하지 않고 질화 포텐셜 값을 제어하는 방법이 새로 제안되어 있다.(10-2019-0085835)On the other hand, in the case of the conventional nitrification process, in order to adjust the nitridation potential value, ammonia gas is decomposed in a separate gas cracking furnace to generate decomposed ammonia gas composed of a mixture of nitrogen gas and hydrogen gas, and supplied to the reaction chamber. A method for adjusting the nitridation potential value by adjusting the amount of decomposed ammonia gas is proposed. (WO 2019/009408 A1) However, in this case, it is expensive to generate hydrogen gas for control of the nitridation potential value. The installation of an ammonia gas decomposition furnace is additionally required, which increases the cost of the nitriding treatment device and requires a lot of installation space. Accordingly, as a method to overcome this problem, a method of controlling the nitridation potential value without using a separate gas cracking furnace has been newly proposed. (10-2019-0085835)
그러나, 상술한 순질화 처리의 두 방식에서도 공통적으로 질화 포텐셜 값을 제어하는 방법에 대해서는 제안되어 있지만, 탄화 가스를 통해 화합물을 만드는 연질화 공정에 대해서는 어떠한 제어 및 방식에 대해서도 제안되어 있지 않다.However, although a method of controlling the nitridation potential value is commonly proposed in the above two methods of nitriding treatment, no control or method is proposed for the soft nitriding process of making a compound through carbonized gas.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 연질화 처리 시, 질화 포텐셜 값과 탄화 포텐셜 값을 동시에 제어함으로써, 반응 챔버 내에서 일어나는 금속 제품의 연질화 정도를 용이하게 조절할 수 있는 연질화 처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The present invention is to solve various problems, including the above problems, and to control the nitridation potential value and the carbonization potential value at the same time during the softening process, thereby easily controlling the degree of softening of the metal product occurring in the reaction chamber. It is an object of the present invention to provide a method for softening treatment that can be performed. However, these tasks are illustrative, and the scope of the present invention is not limited thereby.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연질화 처리 방법이 제공된다. 상기 연질화 처리 방법은, 내부에 처리 공간이 형성되고, 상기 처리 공간으로 금속의 연질화 처리를 위해 암모니아 가스 및 탄화 가스를 포함하는 처리 가스가 투입되는 반응 챔버를 이용한 연질화 처리 방법에 있어서, 처리 가스 공급부를 통해 제 1 온도로 가열된 상기 반응 챔버의 내부로 상기 암모니아 가스 및 상기 탄화 가스를 소정의 비율로 투입하는 처리 가스 투입 단계; 상기 처리 가스 공급부를 폐쇄한 후, 상기 반응 챔버의 온도를 상기 제 1 온도 보다 높은 제 2 온도로 가열하여, 상기 반응 챔버 내부의 상기 암모니아 가스를 분해하여 수소 가스를 생성하는 암모니아 가스 분해 단계; 상기 암모니아 가스의 분해로 상기 반응 챔버 내부에서 생성되는 상기 수소 가스에 의해, 상기 반응 챔버 내부의 질화 포텐셜 값이 기 설정된 제 1 기준 값에 도달될 때까지 상기 처리 가스 공급부의 폐쇄를 유지하는 질화 포텐셜 제어 단계; 상기 질화 포텐셜 값이 상기 제 1 기준 값에 도달하면, 상기 처리 가스 공급부를 제어하여 상기 반응 챔버의 내부로 상기 탄화 가스를 투입하는 탄화 가스 투입 단계; 및 상기 암모니아 가스의 분해로 생성되는 상기 수소 가스와 상기 탄화 가스에 의해 상기 반응 챔버 내부의 탄화 포텐셜 값이 기 설정된 제 2 기준 값에 도달될 때까지 상기 처리 가스 공급부를 통해 상기 반응 챔버로 투입되는 상기 탄화 가스의 유량을 조절하는 탄화 포텐셜 제어 단계;를 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a soft nitriding treatment method is provided. In the soft nitro nitration treatment method using a reaction chamber in which a processing space is formed therein and a processing gas containing ammonia gas and carbonization gas is injected into the processing space for soft nitro nitration of metal, a processing gas input step of injecting the ammonia gas and the carbonized gas at a predetermined ratio into the reaction chamber heated to a first temperature through a processing gas supply unit; an ammonia gas decomposition step of heating the reaction chamber to a second temperature higher than the first temperature after closing the processing gas supply unit to decompose the ammonia gas in the reaction chamber to generate hydrogen gas; A nitridation potential for keeping the processing gas supply unit closed until the value of the nitridation potential inside the reaction chamber reaches a predetermined first reference value by the hydrogen gas generated inside the reaction chamber by decomposition of the ammonia gas control step; injecting the carbonized gas into the reaction chamber by controlling the processing gas supply unit when the nitridation potential value reaches the first reference value; and the hydrogen gas generated by decomposition of the ammonia gas and the carbonized gas are introduced into the reaction chamber through the processing gas supply unit until a carbonization potential value inside the reaction chamber reaches a preset second reference value. A carbonization potential control step of adjusting the flow rate of the carbonized gas; may include.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄화 포텐셜 제어 단계는, 상기 탄화 포텐셜 제어 단계에서 소모되는 상기 수소 가스에 의해 상기 제 1 기준 값에서 벗어난 상기 질화 포텐셜 값이 다시 상기 제 1 기준 값에 도달한 후 계속해서 유지될 수 있도록, 상기 처리 가스 공급부를 통해 상기 반응 챔버의 내부로 투입되는 상기 암모니아 가스의 유량을 조절하는 질화 포텐셜 유지 단계;를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the carbonization potential control step, the nitridation potential value deviating from the first reference value due to the hydrogen gas consumed in the carbonization potential control step reaches the first reference value again. and adjusting the flow rate of the ammonia gas introduced into the reaction chamber through the processing gas supply unit so that the nitridation potential can be continuously maintained after the storage.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄화 포텐셜 제어 단계는, 상기 질화 포텐셜 유지 단계에서 생성되는 상기 수소 가스와 상기 탄화 가스에 의해 상기 탄화 포텐셜 값이 상기 제 2 기준 값으로 계속해서 유지될 수 있도록, 상기 처리 가스 공급부를 통해 상기 반응 챔버의 내부로 투입되는 상기 탄화 가스의 유량을 조절하는 탄화 포텐셜 유지 단계;를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbonization potential control step is such that the carbonization potential value can be continuously maintained at the second reference value by the hydrogen gas and the carbonization gas generated in the nitridation potential maintenance step. The method may further include a carbonization potential maintenance step of adjusting a flow rate of the carbonization gas introduced into the reaction chamber through the processing gas supply unit.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 질화 포텐셜 유지 단계 및 상기 탄화 포텐셜 유지 단계에서, 상기 처리 가스 공급부를 온/오프 제어 방식 또는 PID 제어 방식에 의해 제어하여 상기 암모니아 가스 또는 상기 탄화 가스의 유량을 조절할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the nitridation potential maintenance step and the carbonization potential maintenance step, the processing gas supply unit is controlled by an on/off control method or a PID control method to control the flow rate of the ammonia gas or the carbonization gas. can be adjusted
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 질화 포텐셜 유지 단계 및 상기 탄화 포텐셜 유지 단계에서, 상기 반응 챔버의 내부 온도는 상기 제 2 온도로 일정하게 유지될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the step of maintaining the nitridation potential and the step of maintaining the carbonization potential, the internal temperature of the reaction chamber may be constantly maintained at the second temperature.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 처리 가스 투입 단계에서, 상기 제 1 온도를 상기 처리 가스에 포함된 상기 암모니아 가스가 열분해되지 않는 온도로 제어하고, 상기 암모니아 가스 분해 단계에서, 상기 제 2 온도를 상기 반응 챔버의 상기 처리 공간에서 상기 암모니아 가스가 상기 수소 가스와 질소 가스로 분해되는 온도로 제어할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the step of introducing the processing gas, the first temperature is controlled to a temperature at which the ammonia gas contained in the processing gas is not thermally decomposed, and in the step of decomposing the ammonia gas, the second temperature may be controlled to a temperature at which the ammonia gas is decomposed into the hydrogen gas and nitrogen gas in the processing space of the reaction chamber.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 온도는, 300℃ 내지 450℃의 온도 범위에서 제어되고, 상기 제 2 온도는, 450℃ 내지 650℃의 온도 범위에서 제어될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the first temperature may be controlled in a temperature range of 300 °C to 450 °C, and the second temperature may be controlled in a temperature range of 450 °C to 650 °C.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 암모니아 가스 분해 단계 및 상기 질화 포텐셜 제어 단계에서, 상기 반응 챔버가 외부와 단절될 수 있도록 상기 처리 가스 공급부 및 상기 반응 챔버에서 분해되거나 미분해된 상기 처리 가스를 배출하는 배출부 모두를 폐쇄할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the ammonia gas decomposition step and the nitridation potential control step, the processing gas decomposed or undecomposed in the processing gas supply unit and the reaction chamber is removed so that the reaction chamber is disconnected from the outside. It is possible to close all the discharge parts that discharge.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 연질화 처리 방법에서, 상기 반응 챔버의 내부 압력이 기 설정된 압력 미만일 경우에는 상기 배출부를 폐쇄하고, 상기 기 설정된 압력 이상일 경우에는 상기 배출부를 개방할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, in the softening treatment method, when the internal pressure of the reaction chamber is less than the predetermined pressure, the discharge unit is closed, and when the predetermined pressure or more, the discharge unit may be opened.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 질화 포텐셜 제어 단계에서, 상기 질화 포텐셜 값은, [수식 1]
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000009
에 의해 계산될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the nitridation potential control step, the nitridation potential value is [Equation 1]
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000009
can be calculated by
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄화 포텐셜 제어 단계에서, 상기 탄화 포텐셜 값은, [수식 2]
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000010
에 의해 계산될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the carbonization potential control step, the carbonization potential value is [Equation 2]
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000010
can be calculated by
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 [수식 1] 및 상기 [수식 2]의 상기 암모니아 분해율 x는, [수식 3]
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000011
에 의해 계산될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the ammonia decomposition rate x of [Equation 1] and [Equation 2] is [Equation 3]
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000011
can be calculated by
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 [수식 3]의 상기 수소 가스
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000012
는, 수소 센서를 포함하는 센서부에 의해 계측되는 수소 분압일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hydrogen gas of [Equation 3]
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000012
may be a hydrogen partial pressure measured by a sensor unit including a hydrogen sensor.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 [수식 1] 및 상기 [수식 3]의 수성가스 반응율 y는, [수식 4]
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000013
의 수성 가스 반응식에 의한 반응율로서, 상기 [수식 4]의 일산화탄소 가스 CO 및 이산화탄소 가스
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000014
는, 일산화탄소 센서 및 이산화탄소 센서를 포함하는 상기 센서부에 의해 계측되는 일산화탄소의 분압 및 이산화탄소의 분압일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the water gas reaction rate y of [Equation 1] and [Equation 3] is [Equation 4]
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000013
As the reaction rate according to the water gas reaction equation of, the carbon monoxide gas CO and carbon dioxide gas of [Equation 4]
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000014
may be the partial pressure of carbon monoxide and the partial pressure of carbon dioxide measured by the sensor unit including the carbon monoxide sensor and the carbon dioxide sensor.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 [수식 1] 및 상기 [수식 3]의 수성가스 반응율 y는, [수식 5]
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000015
에 의해 계산되고, 상기 [수식 5]의 산소 분압
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000016
는, 산소 센서를 포함하는 상기 센서부에 의해 계측될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the water gas reaction rate y of [Equation 1] and [Equation 3] is [Equation 5]
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000015
Calculated by , and the partial pressure of oxygen in [Equation 5]
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000016
, may be measured by the sensor unit including an oxygen sensor.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 처리 가스 투입 단계에서, 상기 처리 가스에 포함된 상기 암모니아 가스의 비율은 90% 내지 100%이고, 상기 탄화 가스의 비율은 10% 내지 0%일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the process gas input step, the ratio of the ammonia gas included in the process gas may be 90% to 100%, and the ratio of the carbonized gas may be 10% to 0%.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 제품의 연질화 처리 시, 반응 챔버를 암모니아 가스 및 탄화가스의 분해로로 사용하여, 반응 챔버의 내부에서 처리 가스에 포함된 암모니아 가스를 열분해하여 수소 가스를 생성하고, 이를 이용하여 탄화 가스와 반응시킴으로써, 질화 포텐셜 값 및 탄화 포텐셜 값을 용이하게 제어할 수 있다.According to one embodiment of the present invention made as described above, in the case of soft nitriding of a metal product, the reaction chamber is used as a decomposition furnace for ammonia gas and carbon gas, and ammonia gas included in the processing gas is released from the inside of the reaction chamber. By thermally decomposing to generate hydrogen gas and reacting with the carbonized gas using the hydrogen gas, the nitridation potential value and the carbonization potential value can be easily controlled.
이에 따라, 별도의 암모니아 가스 분해로를 설치할 필요 없이 연질화 처리 장치의 반응 챔버 내에서 일어나는 금속 제품의 연질화 처리를 용이하게 제어하여, 금속 제품의 표면에 생성되는 화합물층을 용이하게 조절할 수 있다.Accordingly, it is possible to easily control the softening treatment of the metal product occurring in the reaction chamber of the softening treatment device without the need to install a separate ammonia gas decomposition furnace, thereby easily adjusting the compound layer generated on the surface of the metal product.
또한, 반응 챔버의 내부에서 암모니아 가스를 분해하여 생성된 수소 가스로 질화 포텐셜 값 및 탄화 포텐셜 값을 기 설정된 기준값으로 제어하는 과정에서, 반응 챔버가 외부와 단절될 수 있도록 처리 가스 공급부 및 배출부를 모두 폐쇄하여 처리 가스의 공급 및 배출이 중단된 상태를 유지하고, 기 설정된 기준값으로 조절된 질화 포텐셜 값 및 탄화 포텐셜 값을 유지하는 과정이 암모니아 가스 및 탄화 가스의 미세 공급 제어로 이루어져, 연질화 처리 과정에서 소모되는 처리 가스의 양을 대폭 절감함으로써, 연질화 처리의 경제성을 증가시키는 효과를 가지는 연질화 처리 방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.In addition, in the process of controlling the nitridation potential value and the carbonization potential value with hydrogen gas generated by decomposing ammonia gas inside the reaction chamber to a preset reference value, both the processing gas supply unit and the discharge unit are connected so that the reaction chamber can be disconnected from the outside. The process of maintaining the state in which supply and discharge of processing gas is stopped by closing and maintaining the nitridation potential value and the carbonization potential value adjusted to the preset reference value is performed by controlling the fine supply of ammonia gas and carbonization gas, By significantly reducing the amount of processing gas consumed in, it is possible to implement a softening nitriding treatment method having an effect of increasing the economics of the softening nitriding treatment. Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연질화 처리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a softening treatment apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 연질화 처리 장치의 처리 가스 공급부를 개략적으로 나타내는 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating a processing gas supply unit of the soft nitrocarburization apparatus of FIG. 1 .
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연질화 처리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.Figure 3 is a cross-sectional view schematically showing a soft nitriding treatment apparatus according to another embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연질화 처리 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.Figure 4 is a flow chart schematically showing a soft nitriding treatment method according to another embodiment of the present invention.
도 5는 도 4의 연질화 처리 방법에 따라 반응 챔버의 내부 온도와 질화 포텐셜 값 및 탄화 포텐셜 값을 제어하는 공정을 나타내는 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing a process of controlling the internal temperature of the reaction chamber, the nitriding potential value, and the carbonization potential value according to the soft nitriding treatment method of FIG. 4 .
도 6은 도 4의 연질화 처리 방법에 따라 반응 챔버로 공급되는 암모니아 가스의 유량 및 질화 포텐셜 값을 제어하는 공정을 나타내는 그래프이다.FIG. 6 is a graph showing a process of controlling a flow rate of ammonia gas supplied to a reaction chamber and a nitridation potential value according to the soft nitriding treatment method of FIG. 4 .
도 7은 도 4의 연질화 처리 방법에 따라 반응 챔버로 공급되는 이산화탄소 가스의 유량 및 탄화 포텐셜 값을 제어하는 공정을 나타내는 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing a process of controlling the flow rate and carbonization potential value of carbon dioxide gas supplied to a reaction chamber according to the soft nitriding treatment method of FIG. 4 .
도 8은 종래의 연질화 처리 방법과 본 발명의 연질화 처리 방법을 이용하여 연질화 처리를 실시한 실험 예를 나타내는 이미지이다.8 is an image showing an experimental example in which a soft nitriding treatment is performed using a conventional softening treatment method and a softening nitriding method of the present invention.
도 9는 도 8의 실험 예에서 질화 공정 중에 소모된 반응 가스의 양을 비교한 표이다.9 is a table comparing the amount of reactive gas consumed during the nitridation process in the experimental example of FIG. 8 .
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, several preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art, and the following examples may be modified in many different forms, and the scope of the present invention is as follows It is not limited to the examples. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art. In addition, the thickness or size of each layer in the drawings is exaggerated for convenience and clarity of explanation.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to drawings schematically showing ideal embodiments of the present invention. In the drawings, variations of the depicted shape may be expected, depending on, for example, manufacturing techniques and/or tolerances. Therefore, embodiments of the inventive concept should not be construed as being limited to the specific shape of the region shown in this specification, but should include, for example, a change in shape caused by manufacturing.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연질화 처리 장치(100)를 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 연질화 처리 장치(100)의 처리 가스 공급부(20)를 개략적으로 나타내는 단면도이며, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연질화 처리 장치(200)를 개략적으로 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a soft nitro nitration processing apparatus 100 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a process gas supply unit 20 of the soft nitro nitriding processing apparatus 100 of FIG. 1 And, Figure 3 is a cross-sectional view schematically showing a soft nitrification treatment apparatus 200 according to another embodiment of the present invention.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연질화 처리 장치(100)는, 크게, 반응 챔버(10)와, 처리 가스 공급부(20)와, 배출부(30)와, 센서부(40)와, 제어부(50)와, 가스 유동 팬부(60)와, 냉각부(70)와, 진공부(80) 및 버닝 가스 공급부(90)를 포함할 수 있다.First, as shown in FIG. 1 , the soft nitriding apparatus 100 according to an embodiment of the present invention includes, largely, a reaction chamber 10, a processing gas supply unit 20, a discharge unit 30 and , a sensor unit 40, a control unit 50, a gas flow fan unit 60, a cooling unit 70, a vacuum unit 80, and a burning gas supply unit 90.
도 1에 도시된 바와 같이, 반응 챔버(10)는, 금속 제품의 연질화 처리를 수행할 수 있도록 내부에 처리 공간(A)이 형성되는 일종의 퍼니스(Furnace)일 수 있다. 더욱 구체적으로, 반응 챔버(10)는, 후술될 처리 가스 공급부(20)로부터 암모니아 가스 및 탄화 가스를 포함하는 처리 가스를 공급받고, 일측에 설치된 히터에 의해 처리 공간(A)의 내부 온도를 일정 온도로 일정 시간 동안 유지시켜 그 내부에서 금속 제품의 표면을 연질화 처리 할 수 있다. 이때, 반응 챔버(10)에서 원하는 두께의 연질화층을 형성할 수 있도록, 내부 온도와 지속 시간은 다양하게 조절될 수 있다.As shown in FIG. 1 , the reaction chamber 10 may be a kind of furnace in which a processing space A is formed therein so as to perform a softening treatment of a metal product. More specifically, the reaction chamber 10 receives a processing gas including ammonia gas and a carbonized gas from a processing gas supply unit 20 to be described later, and the internal temperature of the processing space A is kept constant by a heater installed on one side. By maintaining the temperature for a certain period of time, the surface of the metal product can be softened. At this time, the internal temperature and duration may be variously adjusted so as to form a soft nitride layer having a desired thickness in the reaction chamber 10 .
아울러, 반응 챔버(10)의 상부에는 가스 유동 팬부(60)가 설치되어, 처리 공간(A) 내부에서 회전하는 팬(Fan)에 의해 처리 공간(A) 내부에서 처리 가스의 유동을 발생시킴으로써, 처리 공간(A) 내부에 처리 가스가 균일하게 확산되어 분포되도록 유도할 수 있다. 또한, 처리 공간(A) 내부에서 회전하는 가스 유동 팬부(60)의 팬이 처리 가스에 의해 오염되지 않도록, 가스 유동 팬부(60)를 통해 팬을 향해서 미세하게 질소 가스를 투입하여 팬을 퍼징할 수 있다.In addition, a gas flow fan unit 60 is installed above the reaction chamber 10 to generate a flow of processing gas in the processing space A by a fan rotating inside the processing space A, The processing gas may be uniformly diffused and distributed in the processing space A. In addition, in order to prevent the fan of the gas flow fan unit 60 rotating inside the processing space A from being contaminated by the processing gas, nitrogen gas may be finely injected toward the fan through the gas flow fan unit 60 to purge the fan. can
또한, 반응 챔버(10)는, 진공 펌프와 연결되어 처리 공간(A) 내부의 공기를 배기하여 진공 분위기를 형성할 수 있는 배기 라인(80) 및 금속 제품의 연질화 처리 후 처리 공간(A) 내부의 열기를 배출할 수 있는 냉각부(70)가 연결될 수 있다.In addition, the reaction chamber 10 includes an exhaust line 80 connected to a vacuum pump to exhaust air inside the processing space A to form a vacuum atmosphere, and a processing space A after softening treatment of metal products. A cooling unit 70 capable of discharging internal heat may be connected.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 처리 가스 공급부(20)는, 상기 처리 가스를 반응 챔버(10)로 공급할 수 있다. 더욱 구체적으로, 처리 가스는, 질소(N2) 가스와, 암모니아(NH3) 가스 및 탄화 가스 중 어느 하나 이상을 포함하는 혼합 가스일 수 있다. 여기서, 상기 탄화 가스는, 이산화탄소(CO2) 가스, 일산화탄소(CO) 가스, RX 가스 및 탄화수소(hydrocarbon) 가스 중 어느 하나가 사용될 수 있다.As shown in FIGS. 1 and 2 , the processing gas supply unit 20 may supply the processing gas to the reaction chamber 10 . More specifically, the processing gas may be a mixed gas containing at least one of a nitrogen (N 2 ) gas, an ammonia (NH 3 ) gas, and a carbonized gas. Here, as the carbonized gas, any one of carbon dioxide (CO 2 ) gas, carbon monoxide (CO) gas, RX gas, and hydrocarbon gas may be used.
또한, 처리 가스 공급부(20)는, 질소 가스를 공급하는 제 1 가스 공급 라인(21)과, 암모니아 가스를 공급하는 제 2 가스 공급 라인(22)과, 탄화 가스로서 이산화탄소 가스, 일산화탄소 가스, RX 가스 및 탄화수소 가스 중 어느 하나의 가스를 공급하는 제 3 가스 공급 라인(23) 및 제 1 가스 공급 라인(21), 제 2 가스 공급 라인(22) 및 제 3 가스 공급 라인(23)과 연결되어, 처리 가스를 반응 챔버(10)로 공급하는 제 4 가스 공급 라인(25)을 포함할 수 있다.In addition, the processing gas supply unit 20 includes a first gas supply line 21 for supplying nitrogen gas, a second gas supply line 22 for supplying ammonia gas, carbon dioxide gas, carbon monoxide gas, and RX as carbonized gases. connected to the third gas supply line 23 and the first gas supply line 21, the second gas supply line 22 and the third gas supply line 23 for supplying any one of gas and hydrocarbon gas , a fourth gas supply line 25 for supplying processing gas to the reaction chamber 10 .
이러한, 처리 가스 공급부(20)의 제 1 가스 공급 라인(21), 제 2 가스 공급 라인(22) 및 제 3 가스 공급 라인(23)은 질량 흐름 제어기(M)(Mass Flow Controller, MFC)가 각각 설치되고, 질량 흐름 제어기(M)는 제어부(50)에 의해 개폐가 제어되어, 반응 챔버(10)로 공급되는 처리 가스를 각각 미세하게 조절할 수 있다.The first gas supply line 21, the second gas supply line 22, and the third gas supply line 23 of the processing gas supply unit 20 are mass flow controllers M (Mass Flow Controller, MFC). Each of the mass flow controllers M is controlled by the control unit 50 to finely adjust the processing gas supplied to the reaction chamber 10 .
예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 질소 가스를 공급하는 제 1 가스 공급 라인(21)은, 반응 챔버(10)의 처리 공간(A)의 압력을 빠르게 높일 수 있도록 고압 질소 공급 라인(21b)이 구비되어, 고압 질소 공급 라인(21b)을 통해서 고압으로 처리 공간(A) 내에 질소 가스를 채울 수 있다. 또한, 고압 질소 공급 라인(21b)을 통해서 처리 공간(A)의 압력이 일정 압력으로 도달하였을 경우, 메인 질소 공급 라인(21a)을 통해서 정밀하게 질소 가스를 공급하게 되며 메인 질소 공급 라인(21a)에 설치된 제 1 MFC(M1)를 통해 질소 가스의 유량을 정밀하게 제어할 수 있다. 또한, 질소 바이 패스 라인(21c)이 구비되어, 질화 처리 공정 중 이상이 발생되었을 경우 반응 챔버(10)의 처리 공간(A) 내의 처리 가스를 배출시키기 위한 안전장치로 사용될 수 있다.For example, as shown in FIG. 2 , the first gas supply line 21 for supplying nitrogen gas is a high-pressure nitrogen supply line 21b to rapidly increase the pressure in the processing space A of the reaction chamber 10. This is provided so that nitrogen gas can be filled in the processing space A at high pressure through the high-pressure nitrogen supply line 21b. In addition, when the pressure in the processing space A reaches a certain pressure through the high-pressure nitrogen supply line 21b, nitrogen gas is precisely supplied through the main nitrogen supply line 21a, and the main nitrogen supply line 21a It is possible to precisely control the flow rate of nitrogen gas through the first MFC (M1) installed in. In addition, a nitrogen bypass line 21c is provided and can be used as a safety device for discharging the processing gas in the processing space A of the reaction chamber 10 when an abnormality occurs during the nitriding process.
이러한, 제 1 가스 공급 라인(21)의 각 라인(21a, 21b, 21c)에는 솔레노이드 밸브(V)가 설치되어 개폐를 조절할 수 있으며, 일측에 압력 센서(P) 및 압력 게이지(G)가 구비되어 제 1 가스 공급 라인(21)의 압력을 적절히 조절할 수 있다. 아울러, 메인 질소 공급 라인(21a)의 상류 부분에는 압력 조정기(R)가 설치되어 메인 질소 공급 라인(21a)으로 공급되는 질소 가스의 압력을 정밀하게 조절할 수 있다.A solenoid valve (V) is installed in each of the lines (21a, 21b, 21c) of the first gas supply line (21) to control opening and closing, and a pressure sensor (P) and a pressure gauge (G) are provided on one side. Thus, the pressure of the first gas supply line 21 can be properly adjusted. In addition, a pressure regulator R is installed upstream of the main nitrogen supply line 21a to precisely control the pressure of nitrogen gas supplied to the main nitrogen supply line 21a.
또한, 제 2 가스 공급 라인(22)은, 제 2 MFC(M2)를 통해 반응 챔버(10)의 처리 공간(A)으로 암모니아 가스를 정밀하게 공급할 수 있는 메인 암모니아 공급 라인(22a) 및 수동 밸브에 의한 바이 패스(By pass) 라인으로서 제 2 MFC(M2)가 고장 났을 경우 사용할 수 있는 암모니아 바이 패스 라인(22b)을 포함할 수 있다. 이러한, 메인 암모니아 공급 라인(22a)에는 솔레노이드 밸브(V)가 설치되어 개폐를 조절할 수 있으며, 일측에 압력 센서(P) 및 압력 게이지(G)가 구비되어 제 2 가스 공급 라인(22)의 압력을 적절히 조절할 수 있다.In addition, the second gas supply line 22 includes a main ammonia supply line 22a and a manual valve capable of precisely supplying ammonia gas to the processing space A of the reaction chamber 10 through the second MFC (M2). As a bypass line by , an ammonia bypass line 22b that can be used when the second MFC (M2) is out of order may be included. A solenoid valve (V) is installed in the main ammonia supply line (22a) to control opening and closing, and a pressure sensor (P) and a pressure gauge (G) are provided on one side to measure the pressure of the second gas supply line (22). can be properly adjusted.
이때, 연질화 처리 공정 후에도 제 2 가스 공급 라인(22) 및 제 2 MFC(M2)에 암모니아 가스가 차있을 경우 액화 현상이 발생하여 제 2 MFC(M2)의 고장, 솔레노이드 밸브(V)의 고장 등을 야기할 수 있다. 따라서, 처리 가스 공급부(20)는, 제 2 가스 공급 라인(22)으로 질소 가스를 공급하여 제 2 가스 공급 라인(22)을 퍼징(Purging)할 수 있도록, 메인 질소 공급 라인(21a)과 제 2 가스 공급 라인(22)의 일측을 연결하는 퍼지 라인(24)을 구비할 수 있다. 이에 따라, 질화 처리 공정 후 퍼지 라인(24)으로 공급되는 질소 가스에 의해 제 2 가스 공급 라인(22)을 퍼징하여 클리닝할 수 있다.At this time, if ammonia gas is filled in the second gas supply line 22 and the second MFC (M2) even after the soft nitriding treatment process, a liquefaction phenomenon occurs, resulting in failure of the second MFC (M2) and failure of the solenoid valve (V). can cause etc. Therefore, the process gas supply unit 20 supplies nitrogen gas to the second gas supply line 22 to purify the second gas supply line 22, and the main nitrogen supply line 21a and the second gas supply line 21a. A purge line 24 connecting one side of the two gas supply lines 22 may be provided. Accordingly, after the nitriding process, the second gas supply line 22 may be purged and cleaned by nitrogen gas supplied to the purge line 24 .
또한, 제 3 가스 공급 라인(23)은, 제 3 MFC(M3)를 통해 반응 챔버(10)의 처리 공간(A)으로 탄화 가스로서 이산화탄소 가스, 일산화탄소 가스, RX 가스 및 탄화수소 중 어느 하나의 가스를 정밀하게 공급할 수 있는 메인 공급 라인(23a) 및 수동 밸브에 의한 바이 패스(By pass) 라인으로서 제 3 MFC(M3)가 고장 났을 경우 사용할 수 있는 바이 패스 라인(23b)을 포함할 수 있다. 이러한, 메인 공급 라인(23a)에는 솔레노이드 밸브(V)가 설치되어 개폐를 조절할 수 있으며, 일측에 압력 센서(P) 및 압력 게이지(G)가 구비되어 제 3 가스 공급 라인(23)이 압력을 적절히 조절할 수 있다.In addition, the third gas supply line 23 passes through the third MFC (M3) to the processing space (A) of the reaction chamber 10 as a carbonized gas of carbon dioxide gas, carbon monoxide gas, RX gas, and any one gas of hydrocarbons. It may include a main supply line 23a capable of precisely supplying and a bypass line 23b that can be used when the third MFC (M3) fails as a bypass line by a manual valve. A solenoid valve (V) is installed in the main supply line (23a) to control opening and closing, and a pressure sensor (P) and a pressure gauge (G) are provided on one side so that the third gas supply line (23) checks the pressure. can be properly adjusted.
도 1에 도시된 바와 같이, 배출부(30)는, 가스 배출 라인(31)을 통해 반응 챔버(10)에서 분해되거나 미분해된 처리 가스를 배출할 수 있다. 또한, 배출부(30)의 후단에는 버닝 가스 공급부(90)가 연결되어, 배출부(30)로 LPG 가스 또는 LNG 가스를 주입하여 배기되는 암모니아 가스를 연소시킬 수 있다.As shown in FIG. 1 , the discharge unit 30 may discharge decomposed or undecomposed processing gas from the reaction chamber 10 through the gas discharge line 31 . In addition, a burning gas supply unit 90 is connected to the rear end of the discharge unit 30, and LPG gas or LNG gas may be injected into the discharge unit 30 to burn exhausted ammonia gas.
센서부(40)는, 반응 챔버(10)와 배출부(30)를 연결하는 가스 배출 라인(31) 상에 설치되어 반응 챔버(10) 내부의 수소 분압, 일산화탄소 분압, 이산화탄소 분압, 산소 분압, 수증기 분압 등을 검출하는 각종 센서(S)를 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 센서부(40)는, 가스 배출 라인(31)으로 배출되는 처리 가스를 펌핑하여 센서(S)로 공급하는 펌프(41) 및 센서(S)를 통과한 처리 가스를 가스 배출 라인(31)으로 배기하는 배기 라인(42)을 포함할 수 있다.The sensor unit 40 is installed on the gas discharge line 31 connecting the reaction chamber 10 and the discharge unit 30 to determine the hydrogen partial pressure, carbon monoxide partial pressure, carbon dioxide partial pressure, oxygen partial pressure inside the reaction chamber 10, It may include various sensors (S) that detect water vapor partial pressure and the like. More specifically, the sensor unit 40 includes a pump 41 that pumps the processing gas discharged to the gas discharge line 31 and supplies the processing gas to the sensor S, and the processing gas that has passed through the sensor S to the gas discharge line. It may include an exhaust line 42 exhausting to (31).
이와 같이, 반응 챔버(10) 내의 각종 가스의 분압을 측정하는 방식은 순환형으로 구성된 센서부(40)를 이용할 수 있지만, 이외에도, 도 3의 본 발명의 다른 실시예에 따른 연질화 처리 장치(200)와 같이, 센서부(40)가 반응 챔버(10)에 직접 설치되어 각종 가스의 분압을 측정할 수도 있다.In this way, the method of measuring the partial pressure of various gases in the reaction chamber 10 can use the sensor unit 40 configured in a circular type, but in addition to the soft nitrocarp treatment device according to another embodiment of the present invention of FIG. 3 ( 200), the sensor unit 40 may be directly installed in the reaction chamber 10 to measure the partial pressure of various gases.
예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 센서(S)를 반응 챔버(10)의 일측에 직접 설치함으로써, 반응 챔버(10)의 처리 공간(A) 중의 각종 가스의 분압을 직접 측정할 수 있다. 이에 따라, 연질화 처리 공정 중, 반응 챔버(10) 내의 각종 가스의 분압을 실시간으로 계속해서 모니터링할 수 있다. 이와 같이, 실시간으로 센싱 되는 각종 가스의 분압에 의해 질화 포텐셜 값(Kn) 및 탄화 포텐셜 값(Kc)도 실시간으로 확인할 수 있다.For example, as shown in FIG. 3 , partial pressures of various gases in the processing space A of the reaction chamber 10 may be directly measured by directly installing the sensor S on one side of the reaction chamber 10 . Accordingly, during the softening process, the partial pressures of various gases in the reaction chamber 10 can be continuously monitored in real time. In this way, the nitridation potential value (Kn) and the carbonization potential value (Kc) can also be checked in real time by the partial pressure of various gases sensed in real time.
제어부(50)는, 반응 챔버(10)와, 처리 가스 공급부(20)와, 배출부(30) 및 센서부(40)와 전기적으로 연결되어 각 구성요소를 제어할 수 있다. 예컨대, 제어부(50)는, 센서부(40)의 센서(S)로부터 센싱된 수소 분압, 일산화탄소 분압, 이산화탄소 분압, 산소 분압 및 수증기 분압 중 적어도 하나의 센싱값을 인가받아, 반응 챔버(10) 내부의 질화 포텐셜 값(Kn) 및 탄화 포텐셜 값(Kc)를 계산하고, 질화 포텐셜 값(Kn) 및 탄화 포텐셜 값(Kc)을 기설정된 기준 값으로 조절 및 유지할 수 있도록, 반응 챔버(10)의 내부 온도 제어와, 반응 챔버(10)로 공급되는 처리 가스의 유량 제어를 위한 처리 가스 공급부(20)의 제어 및 배출부(30)의 개폐 여부를 제어할 수 있다.The control unit 50 is electrically connected to the reaction chamber 10, the processing gas supply unit 20, the discharge unit 30, and the sensor unit 40 to control each component. For example, the control unit 50 receives at least one sensed value of hydrogen partial pressure, carbon monoxide partial pressure, carbon dioxide partial pressure, oxygen partial pressure, and water vapor partial pressure sensed from the sensor S of the sensor unit 40, and the reaction chamber 10 of the reaction chamber 10 to calculate the internal nitridation potential value (Kn) and the carbonization potential value (Kc), and adjust and maintain the nitridation potential value (Kn) and the carbonization potential value (Kc) to a predetermined reference value. Control of the processing gas supply unit 20 for internal temperature control and flow rate control of the processing gas supplied to the reaction chamber 10 and whether or not the discharge unit 30 is opened or closed may be controlled.
이하에서는 상술한 연질화 처리 장치를 이용한 연질화 처리 방법에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, a soft nitriding treatment method using the above-described softening nitriding apparatus will be described in detail.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연질화 처리 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이고, 도 5는 도 4의 연질화 처리 방법에 따라 반응 챔버(10)의 내부 온도와 질화 포텐셜 값(Kn) 및 탄화 포텐셜 값(Kc)을 제어하는 공정을 나타내는 그래프이다. 그리고, 도 6은 도 4의 연질화 처리 방법에 따라 반응 챔버(10)로 공급되는 암모니아 가스의 유량 및 질화 포텐셜 값(Kn)을 제어하는 공정을 나타내는 그래프이고, 도 7은 도 4의 연질화 처리 방법에 따라 반응 챔버(10)로 공급되는 이산화탄소 가스의 유량 및 탄화 포텐셜 값(Kc)을 제어하는 공정을 나타내는 그래프이다.Figure 4 is a flow chart schematically showing a soft nitriding treatment method according to another embodiment of the present invention, Figure 5 is the internal temperature of the reaction chamber 10 and the nitridation potential value (Kn) according to the soft nitriding treatment method of FIG. and a graph showing a process of controlling the carbonization potential value (Kc). 6 is a graph showing a process for controlling the flow rate and nitridation potential value (Kn) of ammonia gas supplied to the reaction chamber 10 according to the nitrocarburization treatment method of FIG. 4, and FIG. It is a graph showing a process of controlling the flow rate of the carbon dioxide gas supplied to the reaction chamber 10 and the carbonization potential value (Kc) according to the treatment method.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연질화 처리 방법은, 크게, 처리 가스 투입 단계(S10)와, 암모니아 가스 분해 단계(S20)와, 질화 포텐셜 제어 단계(S30)와, 탄화 가스 투입 단계(S40) 및 탄화 포텐셜 제어 단계(S50) 순으로 이루어질 수 있다.As shown in FIG. 4, the soft nitriding treatment method according to another embodiment of the present invention largely includes a process gas input step (S10), an ammonia gas decomposition step (S20), and a nitriding potential control step (S30). Then, the carbonization gas input step (S40) and the carbonization potential control step (S50) may be performed in this order.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 처리 가스 투입 단계(S10)에서, 처리 가스 공급부(20)를 개방하여 반응 챔버의 내부로 암모니아 가스 및 이산화탄소 가스를 소정의 비율로 투입할 수 있다. 여기서, 반응 챔버(10)의 내부 온도는 투입되는 암모니아 가스의 분해가 실질적으로 일어나지 않는 제 1 온도(T1)로 가열될 수 있다. 예컨대, 반응 챔버(10)의 내부 분위기가 질소 분위기 또는 공기 분위기인 상태에서, 반응 챔버(10)의 가열을 시작하며, 제 1 온도(T1)는, 300℃ 내지 450℃ 범위에서 제어될 수 있다.First, as shown in FIG. 5 , in the processing gas input step ( S10 ), the processing gas supply unit 20 may be opened to introduce ammonia gas and carbon dioxide gas into the reaction chamber at a predetermined ratio. Here, the internal temperature of the reaction chamber 10 may be heated to a first temperature T1 at which decomposition of the introduced ammonia gas does not substantially occur. For example, in a state where the internal atmosphere of the reaction chamber 10 is a nitrogen atmosphere or an air atmosphere, the reaction chamber 10 is started to be heated, and the first temperature T1 may be controlled in the range of 300° C. to 450° C. .
이와 같은, 처리 가스 투입 단계(S10)에서, 처리 가스에 포함된 암모니아 가스의 비율은 90% 내지 100%이고, 이산화탄소 가스의 비율은 10% 내지 0%일 수 있다. 예컨대, 암모니아 가스와 이산화탄소 가스의 혼합 비율을 80:20 내지 100:0의 범위내에서 다양하게 설정하여 혼합 투입할 수 있으며, 바람직하게는, 암모니아 가스와 이산화탄소 가스의 혼합 비율이 90:10 이하 인 것이 가장 바람직할 수 있다.In the process gas input step (S10), the ratio of ammonia gas included in the process gas may be 90% to 100%, and the ratio of carbon dioxide gas may be 10% to 0%. For example, the mixing ratio of ammonia gas and carbon dioxide gas may be variously set and introduced within the range of 80:20 to 100:0. Preferably, the mixing ratio of ammonia gas and carbon dioxide gas is 90:10 or less. may be most desirable.
또한, 본 실시예에서는, 탄화 가스로 이산화탄소 가스가 사용되는 것을 예로 들었지만, 반드시 이에 국한되지 않고, 일산화탄소 가스, RX 가스 및 탄화수소 중 어느 하나의 가스가 탄화 가스로 사용될 수도 있다.Also, in the present embodiment, although carbon dioxide gas is used as the carbonized gas as an example, it is not necessarily limited thereto, and any one of carbon monoxide gas, RX gas, and hydrocarbon may be used as the carbonized gas.
이어서, 암모니아 가스 분해 단계(S20)에서, 암모니아 가스 및 이산화탄소 가스의 투입을 중지하고, 처리 가스 공급부(20) 및 배출부(30)를 폐쇄하여 반응 챔버(10)의 처리 공간(A)을 외부와 완전히 단절 시킨 후, 반응 챔버(10) 내부의 온도를 제 1 온도(T1) 보다 높은 제 2 온도(T2)로 가열할 수 있다. 예컨대, 제 2 온도(T2)는, 암모니아 가스의 열분해가 가능한 온도로서, 예를 들어, 450℃ 내지 650℃의 온도 범위에서 제어될 수 있다.Subsequently, in the ammonia gas decomposition step (S20), the introduction of ammonia gas and carbon dioxide gas is stopped, and the processing gas supply unit 20 and the discharge unit 30 are closed to open the processing space A of the reaction chamber 10 to the outside. After completely disconnecting from the reaction chamber 10, the temperature inside the reaction chamber 10 may be heated to a second temperature T2 higher than the first temperature T1. For example, the second temperature T2 is a temperature at which thermal decomposition of ammonia gas is possible, and may be controlled in a temperature range of, for example, 450°C to 650°C.
이에 따라, 반응 챔버(10) 내의 온도가 상승하여 제 2 온도(T2)에 도달하는 과정 중에 반응 챔버(10) 내에 존재하는 암모니아 가스가 수소 가스와 질소 가스로 분해되는 단계가 수행될 수 있다. 본 단계에서는 수소 가스가 생성됨에 따라 반응 챔버(10) 내부의 압력이 증가하면서, 도 5에 도시된 바와 같이, 질화 포텐셜 값(Kn)이 감소하기 시작한다.Accordingly, while the temperature in the reaction chamber 10 rises to reach the second temperature T2, a step of decomposing the ammonia gas present in the reaction chamber 10 into hydrogen gas and nitrogen gas may be performed. In this step, as the pressure inside the reaction chamber 10 increases as hydrogen gas is generated, the nitridation potential value Kn starts to decrease, as shown in FIG. 5 .
이때, 반응 챔버(10)의 내부에서 암모니아 가스가 분해되어 생성된 수소 가스가 외부로 배출되지 않고, 반응 챔버(10) 내부에 계속해서 축적될 수 있도록 처리 가스 공급부(20) 및 배출부(30)는 계속해서 폐쇄 상태를 유지할 수 있다.At this time, the processing gas supply unit 20 and the discharge unit 30 allow the hydrogen gas generated by the decomposition of ammonia gas inside the reaction chamber 10 to be continuously accumulated inside the reaction chamber 10 without being discharged to the outside. ) can continue to remain closed.
이어서, 질화 포텐셜 제어 단계(S30)에서, 암모니아 가스의 분해 과정에서 반응 챔버(10) 내부에 생성되는 수소 가스에 의해, 반응 챔버(10) 내부의 질화 포텐셜 값(Kn)이 기 설정된 제 1 기준 값(C1)에 도달될 때까지, 반응 챔버(10)의 처리 공간(A)을 외부와 완전히 단절시킬 수 있도록 처리 가스 공급부(20) 및 배출부(30)의 폐쇄를 유지할 수 있다.Then, in the nitridation potential control step (S30), the nitridation potential value (Kn) inside the reaction chamber 10 is determined by the hydrogen gas generated inside the reaction chamber 10 in the process of decomposing ammonia gas. Until the value C1 is reached, the processing gas supply unit 20 and the discharge unit 30 may be kept closed so that the processing space A of the reaction chamber 10 is completely isolated from the outside.
예컨대, 질화 포텐셜 제어 단계(S30)에서, 제어부(50)는, 반응 챔버(10)의 내부 온도가 제 2 온도(T2)에 도달한 후, 수소 센서를 포함하는 센서부(40)로부터 전송되는 수소 분압을 수신하고, 이를 바탕으로 질화 포텐셜 값(Kn)을 계산할 수 있다. For example, in the nitridation potential control step (S30), the control unit 50, after the internal temperature of the reaction chamber 10 reaches the second temperature (T2), is transmitted from the sensor unit 40 including a hydrogen sensor The hydrogen partial pressure may be received, and based on this, the nitridation potential value Kn may be calculated.
이러한 본 발명의 기술 사상에 의할 경우, 제어부(50)의 제어에 의해 연질화 처리가 수행되기 전에 외부와 단절된 반응 챔버(10) 내에서 암모니아 가스가 분해되어 수소 가스가 생성되게 되며, 따라서, 반응 챔버(10)는, 연질화 처리가 수행되는 처리 공간 이외에 질화 포텐셜 값(Kn) 및 탄화 포텐셜 값(Kc) 제어의 기반이 되는 수소 가스 생성을 위한 암모니아 가스의 분해로로서의 기능도 수행하게 될 수 있다.According to the technical idea of the present invention, ammonia gas is decomposed in the reaction chamber 10 isolated from the outside before the soft nitriding process is performed under the control of the control unit 50 to generate hydrogen gas. Therefore, The reaction chamber 10 will also function as an ammonia gas decomposition furnace for generating hydrogen gas, which is the basis for controlling the nitridation potential value (Kn) and the carbonization potential value (Kc), in addition to the processing space in which the soft nitriding treatment is performed. can
이러한, 질화 포텐셜 제어 단계(S30)에서, 질화 포텐셜 값(Kn)은, 하기 [수식 1]에 의해 계산될 수 있다.In the nitridation potential control step (S30), the nitridation potential value Kn may be calculated by the following [Equation 1].
[수식 1][Formula 1]
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000017
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000017
Kn: 질화 포텐셜 값Kn: nitridation potential value
a: 암모니아 가스a: ammonia gas
d: 탄화 가스d: carbonized gas
x: 암모니아 분해율x: ammonia decomposition rate
y: 수성가스 반응율y: water gas reaction rate
본 발명은, 이러한 [수식 1]을 따르는 질화 포텐셜 값(Kn)의 계산식을 기반으로 질화 포텐셜 값(Kn)의 제어를 수행함으로써, 별도의 암모니아 가스 분해로를 구비하지 않고 반응 챔버(10)를 암모니아 가스 분해로로 사용함으로써 매우 높은 정밀도로 질화 포텐셜 값(Kn)을 제어할 수 있다.The present invention controls the nitridation potential value (Kn) based on the calculation formula of the nitridation potential value (Kn) according to [Equation 1], so that the reaction chamber 10 is formed without a separate ammonia gas decomposition furnace. By using it as an ammonia gas cracking furnace, it is possible to control the nitridation potential value (Kn) with very high precision.
이때, [수식 1]에 포함된 암모니아 분해율(x)은, 수소 센서를 포함하는 센서부(40)를 통해 측정되는 수소 분압을 이용하여, 하기 [수식 3]에 의해 계산될 수 있으며, 이러한, [수식 3]에 의한 암모니아 분해율(x)은, 후술될 탄화 포텐셜 값(Kc)의 계산식에서도 이용될 수 있다.At this time, the ammonia decomposition rate (x) included in [Equation 1] can be calculated by the following [Equation 3] using the hydrogen partial pressure measured through the sensor unit 40 including the hydrogen sensor, The ammonia decomposition rate (x) according to [Equation 3] can also be used in the calculation formula of the carbonization potential value (Kc) to be described later.
[수식 3][Formula 3]
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000018
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000018
x: 암모니아 분해율x: ammonia decomposition rate
y: 수성가스 반응율y: water gas reaction rate
a: 암모니아 가스a: ammonia gas
d: 탄화 가스d: carbonized gas
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000019
: 수소 분압
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000019
: hydrogen partial pressure
더욱 구체적으로, 질화 포텐셜 제어 단계(S30)에서, 처리 가스 공급부(20)와 배출부(30)를 암모니아 가스 분해 단계(S20) 이후 계속해서 폐쇄함으로써, 반응 챔버(10)의 내부에서 암모니아 가스가 분해되어 생성된 수소 가스가 외부로 배출되지 않고 반응 챔버(10)의 내부에 축적되게 할 수 있다.More specifically, in the nitridation potential control step (S30), by continuously closing the process gas supply unit 20 and the discharge unit 30 after the ammonia gas decomposition step (S20), ammonia gas is released from the inside of the reaction chamber 10. The hydrogen gas generated by decomposition may be accumulated inside the reaction chamber 10 without being discharged to the outside.
이와 같이, 암모니아 가스 분해에 의해 증가하는 수소 분압에 따라 질화 포텐셜 값(Kn)이 점점 감소하고, 이때, 수소 센서를 포함하는 센서부(40)를 통해 반응 챔버(10) 내부의 수소 분압을 실시간으로 검출함으로써, 질화 포텐셜 값(Kn)의 변화를 실시간으로 센싱할 수 있다. 이 과정에서, 경우에 따라 생성된 수소 가스의 양이 지나치게 많아 반응 챔버(10)의 내부 압력이 기준 압력 이상으로 증가할 경우에는 배출부(30)를 일시적으로 개방하여 압력을 기준 압력 이하로 유지되도록 제어할 수 있다.In this way, the nitridation potential value Kn gradually decreases according to the hydrogen partial pressure increased by decomposition of ammonia gas, and at this time, the hydrogen partial pressure inside the reaction chamber 10 is measured in real time through the sensor unit 40 including the hydrogen sensor. By detecting with, it is possible to sense the change of the nitridation potential value (Kn) in real time. In this process, if the amount of hydrogen gas generated is excessively large, and the internal pressure of the reaction chamber 10 increases to more than the reference pressure, the discharge unit 30 is temporarily opened to maintain the pressure below the reference pressure. can be controlled as much as possible.
따라서, 질화 포텐셜 제어 단계(S30)를 통해서, 연질화 정도를 제어할 수 있는 두가지 중요 요소인, 질화 포텐셜 값(Kn)과 탄화 포텐셜 값(Kc) 중, 우선적으로 질화 포텐셜 값(Kn)의 제어가 이루어질 수 있다.Therefore, through the nitridation potential control step (S30), the nitridation potential value (Kn) is controlled preferentially among the nitridation potential value (Kn) and the carbonization potential value (Kc), which are two important factors capable of controlling the degree of soft nitridation. can be done
이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 질화 포텐셜 제어 단계(S30)를 통해서, 질화 포텐셜 값(Kn)이 제 1 기준 값(C1)에 도달하면, 탄화 가스 투입 단계(S40)를 통해, 처리 가스 공급부(20)를 제어하여 반응 챔버(10)의 내부로 이산화탄소 가스를 투입할 수 있다.Then, as shown in FIG. 5, through the nitridation potential control step (S30), when the nitridation potential value (Kn) reaches the first reference value (C1), through the carbonization gas input step (S40), the processing gas Carbon dioxide gas may be introduced into the reaction chamber 10 by controlling the supply unit 20 .
이어서, 탄화 포텐셜 제어 단계(S50)를 통해, 앞선 암모니아 가스 분해 단계(S20)에서 암모니아 가스의 분해로 생성된 수소 가스와, 탄화 가스 투입 단계(S40)에서 투입된 이산화탄소 가스의 반응에 의해 반응 챔버(10) 내부의 탄화 포텐셜 값(Kc)이 기 설정된 제 2 기준값(C2)에 도달될 때까지 처리 가스 공급부(20)를 통해 반응 챔버(10)로 투입되는 이산화탄소 가스의 유량을 조절할 수 있다.Subsequently, through the carbonization potential control step (S50), the reaction chamber ( 10) The flow rate of the carbon dioxide gas introduced into the reaction chamber 10 through the processing gas supply unit 20 may be adjusted until the internal carbonization potential value Kc reaches the preset second reference value C2.
예컨대, 탄화 포텐셜 제어 단계(S50)는, 반응 챔버(10)의 처리 공간(A)을 외부와 최대한 단절시킬 수 있도록 배출부(30)의 폐쇄를 유지한 상태에서, 처리 가스 공급부(20)를 통해 이산화탄소 가스 만을 미세 공급하여, 암모니아 가스 분해 단계(S20)에서 암모니아 가스의 분해로 생성되어 반응 챔버(10) 내부에 존재하는 수소 가스와 미세 투입되는 이산화탄소 가스를 반응시킴으로써, 반응 챔버(10) 내부의 탄화 포텐셜 값(Kc)을 제어할 수 있다.For example, in the carbonization potential control step (S50), the processing gas supply unit 20 is supplied while the discharge unit 30 is kept closed so that the processing space A of the reaction chamber 10 is disconnected from the outside as much as possible. In the ammonia gas decomposition step (S20), the hydrogen gas generated by the decomposition of ammonia gas and present in the reaction chamber 10 is reacted with the carbon dioxide gas, which is finely introduced, by supplying only carbon dioxide gas through a microscopic supply, so that the inside of the reaction chamber 10 The carbonization potential value (Kc) of can be controlled.
이러한, 탄화 포텐셜 제어 단계(S50)에서, 탄화 포텐셜 값(Kc)는, 하기 [수식 2]에 의해 계산될 수 있다.In this carbonization potential control step (S50), the carbonization potential value (Kc) can be calculated by the following [Equation 2].
[수식 2][Formula 2]
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000020
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000020
Kc: 탄화 포텐셜 값Kc: carbonization potential value
a: 암모니아 가스a: ammonia gas
x: 암모니아 분해율x: ammonia decomposition rate
본 발명은, 이러한 [수식 2]를 따르는 탄화 포텐셜 값(Kc)의 계산식을 기반으로 탄화 포텐셜 값(Kc)의 제어를 수행함으로써, 암모니아 가스 분해 단계(S20)에서 생성된 수소 가스와, 미세 공급되는 이산화탄소 가스의 반응을 이용하여, 매우 높은 정밀도로 탄화 포텐셜 값(Kc)을 제어할 수 있다.The present invention controls the carbonization potential value (Kc) based on the calculation formula of the carbonization potential value (Kc) according to [Equation 2], so that the hydrogen gas generated in the ammonia gas decomposition step (S20) and fine supply It is possible to control the carbonization potential value (Kc) with very high precision by using the reaction of carbon dioxide gas.
이때, [수식 2]에 포함된 암모니아 분해율(x)은, 상술한 [수식 3]에 의해 계산될 수 있으며, 또한, [수식 2]의 계산의 기반이 되는 상술한 [수식 1] 및 [수식 3]에 포함된 수성가스 반응율(y)은, 하기 [수식 4]의 수성 가스 반응식에 의한 반응율로서, 하기 [수식 4]의 일산화탄소 가스 CO 및 이산화탄소 가스
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000021
는, 일산화탄소 센서 및 이산화탄소 센서를 포함하는 센서부(40)에 의해 계측되는 일산화탄소의 분압 및 이산화탄소의 분압일 수 있다.At this time, the ammonia decomposition rate (x) included in [Equation 2] can be calculated by the above-described [Equation 3], and also the above-described [Equation 1] and [Equation 2] that are the basis for the calculation of [Equation 2] The water gas reaction rate (y) included in 3] is a reaction rate according to the water gas reaction equation of [Equation 4] below, and the reaction rate of carbon monoxide gas CO and carbon dioxide gas of [Equation 4]
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000021
may be the partial pressure of carbon monoxide and the partial pressure of carbon dioxide measured by the sensor unit 40 including the carbon monoxide sensor and the carbon dioxide sensor.
[수식 4][Formula 4]
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000022
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000022
CO: 일산화탄소 가스CO: carbon monoxide gas
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000023
: 이산화탄소 가스
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000023
: carbon dioxide gas
이와 같이, 본 발명의 연질화 처리 방법은, 수소 센서와, 일산화탄소 센서 및 이산화탄소 센서와 같이 3개의 센서를 포함하는 센서부(40)에 의해 수소 분압과, 일산화탄소 분압 및 이산화탄소 분압이 계측되어, 질화 포텐셜 값(Kn) 및 탄화 포텐셜 값(Kc)을 상술한 계산식들에 의해 계산할 수 있다.As described above, in the soft nitriding treatment method of the present invention, the hydrogen partial pressure, the carbon monoxide partial pressure, and the carbon dioxide partial pressure are measured by the sensor unit 40 including three sensors such as a hydrogen sensor, a carbon monoxide sensor, and a carbon dioxide sensor, and nitriding The potential value (Kn) and the carbonization potential value (Kc) can be calculated by the above formulas.
그러나, 센서부(40)에 포함되는 센서는 종류는 반드시 이에 국한되지 않고, 수소 센서 및 산소 센서 2개의 센서를 포함하는 센서부(40)에 의해 계측되는 수소 분압 및 산소 분압으로, 질화 포텐셜 값(Kn) 및 탄화 포텐셜 값(Kc)을 계산할 수 있다.However, the type of sensor included in the sensor unit 40 is not necessarily limited thereto, and the hydrogen partial pressure and oxygen partial pressure measured by the sensor unit 40 including two sensors, a hydrogen sensor and an oxygen sensor, determine the nitridation potential value. (Kn) and carbonization potential value (Kc) can be calculated.
이때, 상술한 [수식 1] 및 [수식 3]에 포함된 수성가스 반응율(y)은, 상기 [수식 4]의 계산식을 이용하지 않고, 하기 [수식 5]에 의해 계산되고, 하기 [수식 5]의 산소 분압
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000024
는, 산소 센서를 포함하는 센서부(40)에 의해 계측될 수 있다.At this time, the water gas reaction rate (y) included in the above-described [Equation 1] and [Equation 3] is calculated by the following [Equation 5] without using the calculation formula of [Equation 4], and the following [Equation 5] ] of the oxygen partial pressure
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000024
, may be measured by the sensor unit 40 including an oxygen sensor.
[수식 5][Formula 5]
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000025
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000025
y: 수성가스 반응율y: water gas reaction rate
k: 일산화탄소(CO) 가스와 이산화탄소(
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000026
) 가스의 반응에 의한 계수k: carbon monoxide (CO) gas and carbon dioxide (
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000026
) Coefficient by reaction of gas
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000027
: 산소 분압
Figure PCTKR2022013304-appb-img-000027
: oxygen partial pressure
따라서, 연질화 정도를 제어할 수 있는 두가지 중요 요소인, 질화 포텐셜 값(Kn)과 탄화 포텐셜 값(Kc) 중, 우선적으로 질화 포텐셜 제어 단계(S30)를 통해서 질화 포텐셜 값(Kn)의 제어가 이루어진 뒤, 탄화 포텐셜 제어 단계(S50)를 통하여, 탄화 포텐셜 값(Kc)의 제어가 이루어질 수 있다.Therefore, among the two important factors that can control the degree of soft nitridation, the nitridation potential value (Kn) and the carbonization potential value (Kc), the control of the nitridation potential value (Kn) is preferentially through the nitridation potential control step (S30). After this is done, the carbonization potential value Kc may be controlled through the carbonization potential control step (S50).
그러나, 상술한 탄화 포텐셜 제어 단계(S50)에서, 반응 챔버(10) 내에서 암모니아 가스의 분해로, 질화 포텐셜 값(Kn)의 제 1 기준 값(C1)으로의 제어 및 유지를 위해 존재하는 수소 가스가, 이산화탄소 가스와의 반응에 의해 소모되면서 질화 포텐셜 값(Kn)이 제 1 기준 값(C1)에서 벗어날 수 있다.However, in the above-described carbonization potential control step (S50), ammonia gas is decomposed in the reaction chamber 10, and hydrogen exists for control and maintenance of the nitridation potential value Kn to the first reference value C1. As the gas is consumed by reaction with the carbon dioxide gas, the nitridation potential value Kn may deviate from the first reference value C1.
이에 따라, 탄화 포텐셜 제어 단계(S50)는, 탄화 포텐셜 제어 단계(S50)에서 소모되는 수소 가스에 의해 제 1 기준 값(C1)에서 벗어난 질화 포텐셜 값(Kn)이 다시 제 1 기준 값(C1)에 도달한 후 계속해서 유지될 수 있도록, 처리 가스 공급부(20)를 통해 반응 챔버(10)의 내부로 투입되는 암모니아 가스의 유량을 조절하는 질화 포텐셜 유지 단계(S51)를 포함할 수 있다.Accordingly, in the carbonization potential control step (S50), the nitridation potential value (Kn) deviating from the first reference value (C1) due to the hydrogen gas consumed in the carbonization potential control step (S50) is returned to the first reference value (C1). A nitridation potential maintenance step (S51) of adjusting the flow rate of the ammonia gas introduced into the reaction chamber 10 through the processing gas supply unit 20 so that it can be continuously maintained after reaching .
예컨대, 질화 포텐셜 유지 단계(S51)는, 계산된 질화 포텐셜 값(Kn)과 기 설정된 제 1 기준 값(C1)을 실시간으로 비교하여 반응 챔버(10) 내부의 질화 포텐셜 값(Kn)이 제 1 기준 값(C1)으로 계속해서 유지되도록, 계산된 질화 포텐셜 값(Kn)과 제 1 기준 값(C1)의 차이가 최소가 되는 방향으로 제어를 수행할 수 있다. 구체적으로, 제어부(50)가 처리 가스 공급부(20)를 구성하는 가스 공급 라인의 개폐를 제어하여 반응 챔버(10)로 투입되는 처리 가스, 예를 들어 암모니아 가스의 유량을 제어할 수 있다. For example, in the nitridation potential maintenance step (S51), the calculated nitridation potential value (Kn) and a preset first reference value (C1) are compared in real time, so that the nitridation potential value (Kn) inside the reaction chamber 10 is the first Control may be performed in a direction in which a difference between the calculated nitridation potential value Kn and the first reference value C1 is minimized so that the reference value C1 is continuously maintained. Specifically, the control unit 50 may control the opening and closing of the gas supply line constituting the processing gas supply unit 20 to control the flow rate of the processing gas introduced into the reaction chamber 10 , for example, ammonia gas.
이때, 도 6에 도시된 바와 같이, 처리 가스 공급부(20)를 통해 공급되는 암모니아 가스의 유량을 미세 제어하는 제어부(50)의 제어 방식은 요구되는 금속 제품의 연질화 처리 정밀도에 따라 온/오프(On/Off)제어 방식 또는 PID제어 방식이 선택적으로 사용될 수 있다.At this time, as shown in FIG. 6, the control method of the control unit 50 for finely controlling the flow rate of the ammonia gas supplied through the processing gas supply unit 20 is turned on/off according to the required precision of the softening treatment of the metal product. (On/Off) control method or PID control method can be used selectively.
예컨대, 탄화 포텐셜 제어 단계(S50)에서, 반응 챔버(10) 내의 수소 가스와 이산화탄소 가스의 반응으로 인해 수소 가스의 양이 줄어들면서 질화 포텐셜 값(Kn)이 제 1 기준값(C1)에서 벗어날 수 있다. 그러면, 제어부(50)가 처리 가스 공급부(20)의 제 2 가스 공급 라인(22) 만을 제어하여 처리 가스 중 암모니아 가스만 일정 시간 동안 반응 챔버(10)로 추가 공급해 줄 수 있다.For example, in the carbonization potential control step (S50), the nitridation potential value Kn may deviate from the first reference value C1 as the amount of hydrogen gas decreases due to the reaction between the hydrogen gas and the carbon dioxide gas in the reaction chamber 10. . Then, the control unit 50 may control only the second gas supply line 22 of the processing gas supply unit 20 to additionally supply only ammonia gas among the processing gases to the reaction chamber 10 for a certain period of time.
이에 따라, 반응 챔버(10) 내에서 다시 암모니아 가스의 분해가 일어나 수소 가스의 양이 다시 늘어나면서 질화 포텐셜 값(Kn)은 다시 제 1 기준값(C1)으로 수렴될 수 있다. 이 경우 다시 제 2 가스 공급 라인(22)을 폐쇄하면 다시 수소 가스와 이산화탄소 가스의 반응이 일어나면서 질화 포텐셜 값(Kn)의 변동이 일어날 수 있고, 다시 제 2 가스 공급 라인(22)을 개방하여 암모니아 가스를 추가 공급해주는 로직을 반복함으로써, 유효 값 내에서 질화 포텐셜 값(Kn)이 미세하게 변동되면서 제 1 기준 값(C1)을 계속해서 유지하도록 할 수 있다.Accordingly, decomposition of ammonia gas occurs again in the reaction chamber 10, and the amount of hydrogen gas increases again, and the nitridation potential value Kn may converge to the first reference value C1 again. In this case, when the second gas supply line 22 is closed again, the reaction between hydrogen gas and carbon dioxide gas may occur again, and the nitridation potential value Kn may change. By repeating the logic of additionally supplying ammonia gas, the first reference value C1 can be continuously maintained while the nitridation potential value Kn is slightly fluctuated within an effective value.
또한, 탄화 포텐셜 제어 단계(S50)는, 질화 포텐셜 유지 단계(S51)에서 생성되는 수소 가스와 이산화탄소 가스에 의해 탄화 포텐셜 값(Kc)이 제 2 기준 값(C2)으로 계속해서 유지될 수 있도록, 처리 가스 공급부(20)를 통해 반응 챔버(10)의 내부로 투입되는 이산화탄소 가스의 유량을 조절하는 탄화 포텐셜 유지 단계(S52)를 더 포함할 수 있다.In addition, in the carbonization potential control step (S50), the carbonization potential value (Kc) is continuously maintained at the second reference value (C2) by the hydrogen gas and the carbon dioxide gas generated in the nitridation potential maintenance step (S51), A carbonization potential maintenance step ( S52 ) of adjusting the flow rate of the carbon dioxide gas introduced into the reaction chamber 10 through the processing gas supply unit 20 may be further included.
예컨대, 탄화 포텐셜 유지 단계(S52)는, 계산된 탄화 포텐셜 값(Kc)과 기 설정된 제 2 기준 값(C2)을 실시간으로 비교하여 반응 챔버(10) 내부의 탄화 포텐셜 값(Kc)이 제 2 기준 값(C2)으로 계속해서 유지되도록, 계산된 탄화 포텐셜 값(Kc)과 제 2 기준 값(C2)의 차이가 최소가 되는 방향으로 제어를 수행할 수 있다. 구체적으로, 제어부(50)가 처리 가스 공급부(20)를 구성하는 가스 공급 라인의 개폐를 제어하여 반응 챔버(10)로 투입되는 처리 가스, 예를 들어 이산화탄소 가스의 유량을 제어할 수 있다.For example, in the carbonization potential maintenance step (S52), the calculated carbonization potential value (Kc) and the predetermined second reference value (C2) are compared in real time, so that the carbonization potential value (Kc) inside the reaction chamber 10 is the second Control may be performed in a direction in which a difference between the calculated carbonization potential value Kc and the second reference value C2 is minimized so that the reference value C2 is continuously maintained. Specifically, the control unit 50 may control the opening and closing of the gas supply line constituting the processing gas supply unit 20 to control the flow rate of the processing gas introduced into the reaction chamber 10, for example, carbon dioxide gas.
이때, 도 7에 도시된 바와 같이, 처리 가스 공급부(20)를 통해 공급되는 이산화탄소 가스의 유량을 미세 제어하는 제어부(50)의 제어 방식은 요구되는 금속 제품의 연질화 처리 정밀도에 따라 온/오프(On/Off)제어 방식 또는 PID제어 방식이 선택적으로 사용될 수 있다.At this time, as shown in FIG. 7, the control method of the control unit 50 for finely controlling the flow rate of the carbon dioxide gas supplied through the processing gas supply unit 20 is turned on/off according to the required precision of the softening treatment of the metal product. (On/Off) control method or PID control method can be used selectively.
예컨대, 질화 포텐셜 유지 단계(S51)에서 추가로 공급되어 분해되는 암모니아 가스에 의해 발생하는 새로운 수소 가스로 인해, 반응 챔버(10) 내의 수소 가스의 양이 변화되어 수성가스 반응율(y) 또한 변화가 발생됨으로써, 탄화 포텐셜 값(Kc)이 제 2 기준값(C2)에서 벗어날 수 있다. 그러면, 제어부(50)가 처리 가스 공급부(20)의 제 3 가스 공급 라인(23) 만을 제어하여 처리 가스 중 이산화탄소 가스만 일정 시간 동안 반응 챔버(10)로 추가 공급해 줄 수 있다.For example, due to new hydrogen gas generated by ammonia gas that is additionally supplied and decomposed in the nitridation potential maintenance step (S51), the amount of hydrogen gas in the reaction chamber 10 is changed, so that the water gas reaction rate (y) also changes. By being generated, the carbonization potential value Kc may deviate from the second reference value C2. Then, the control unit 50 may control only the third gas supply line 23 of the processing gas supply unit 20 to additionally supply only carbon dioxide gas among the processing gases to the reaction chamber 10 for a certain period of time.
이에 따라, 수소 가스와 이산화탄소 가스의 반응율 또한 다시 적절하게 제어되면서 탄화 포텐셜 값(Kc)은 다시 제 2 기준값(C2)으로 수렴될 수 있다. 이 경우 다시 제 3 가스 공급 라인(23)을 폐쇄하면 다시 수소 가스와 이산화탄소 가스의 반응율의 변화가 발생하면서 탄화 포텐셜 값(Kc)의 변동이 일어날 수 있고, 다시 제 3 가스 공급 라인(23)을 개방하여 이산화탄소 가스를 추가 공급해주는 로직을 반복함으로써, 유효 값 내에서 탄화 포텐셜 값(Kc)이 미세하게 변동되면서 제 2 기준값(C2)을 계속해서 유지하도록 할 수 있다.Accordingly, the carbonization potential value Kc may again converge to the second reference value C2 while the reaction rate of the hydrogen gas and the carbon dioxide gas is appropriately controlled again. In this case, if the third gas supply line 23 is closed again, a change in the reaction rate of hydrogen gas and carbon dioxide gas may occur and the carbonization potential value Kc may change, and the third gas supply line 23 may be changed again. By repeating the logic of opening and supplying additional carbon dioxide gas, the second reference value C2 can be continuously maintained while the carbonization potential value Kc is slightly fluctuated within the effective value.
상술한, 탄화 포텐셜 제어 단계(S50)의 질화 포텐셜 유지 단계(S51) 및 탄화 포텐셜 유지 단계(S52)는, 질화 포텐셜 값(Kn) 및 탄화 포텐셜 값(Kc)을 기준값(C1, C2)으로 일정하게 유지할 수 있도록, 질화 포텐셜 값(Kn) 및 탄화 포텐셜 값(Kc)의 변화에 따라, 질화 포텐셜 유지 단계(S51) 및 탄화 포텐셜 유지 단계(S52)가 번갈아가면서 반복적으로 수행되거나 동시에 수행될 수 있다.In the nitridation potential maintenance step (S51) and the carbonization potential maintenance step (S52) of the above-described carbonization potential control step (S50), the nitridation potential value Kn and the carbonization potential value Kc are constant as reference values C1 and C2. According to the change of the nitridation potential value (Kn) and the carbonization potential value (Kc), the nitridation potential maintenance step (S51) and the carbonization potential maintenance step (S52) are alternately and repeatedly performed or simultaneously. .
이때, 반응 챔버(10) 내에 추가로 투입되는 암모니아 가스의 분해가 반응 챔버(10) 내에서 용이하게 이루어질 수 있도록, 질화 포텐셜 유지 단계(S51) 및 탄화 포텐셜 유지 단계(S52)에서 반응 챔버(10)의 내부 온도는 제 2 온도(T2)로 계속해서 일정하게 유지되는 것이 바람직할 수 있다.At this time, in the nitridation potential maintenance step (S51) and the carbonization potential maintenance step (S52), the reaction chamber 10 ) It may be preferable that the internal temperature of the second temperature (T2) is continuously maintained constant.
이와 같이, 본 발명의 연질화 처리 방법에 따르면, 질화 포텐셜 제어 단계(S30)를 통해 질화 포텐셜 값(Kn)이 우선적으로 제 1 기준값(C1)으로 맞춰진 후, 질화 포텐셜 유지 단계(S51) 및 탄화 포텐셜 유지 단계(S52)를 포함하는 탄화 포텐셜 제어 단계(S50)에 의해, 암모니아 가스와 이산화탄소 가스를 온/오프 제어 방식 또는 PID 제어 방식에 의해 추가적으로 투입함으로써, 질화 포텐셜 값(Kn) 및 탄화 포텐셜 값(Kc)을 각각 제 1 기준값(C1) 및 제 2 기준값(C2)에 수렴하도록 제어할 수 있다.As such, according to the soft nitriding treatment method of the present invention, after the nitridation potential value Kn is preferentially set to the first reference value C1 through the nitridation potential control step (S30), the nitridation potential maintenance step (S51) and carbonization In the carbonization potential control step (S50) including the potential maintenance step (S52), by additionally introducing ammonia gas and carbon dioxide gas by an on/off control method or a PID control method, the nitridation potential value (Kn) and the carbonization potential value (Kc) may be controlled to converge to the first reference value C1 and the second reference value C2, respectively.
즉, 질화 포텐셜 값(Kn)이 우선적으로 제 1 기준값(C1)으로 맞춰진 후, 투입되는 이산화탄소 가스에 의해 탄화 포텐셜 값(Kc)의 제어가 이루어지기 때문에, 일정한 질화 포텐셜 값(Kn)의 위치에서 탄화 포텐셜 값(Kc)의 변화를 예측하는 것이 가능해질 수 있다. 예컨대, 질화 포텐셜 값(Kn)의 조절 후 암모니아 가스의 유량 변화가 없는 상태에서, 그 다음 탄화 포텐셜 값(Kc)을 원하는 값에 맞추기 위해 이산화탄소 가스의 유량을 변화시킬 수 있다.That is, since the carbonization potential value Kc is controlled by the injected carbon dioxide gas after the nitridation potential value Kn is preferentially set to the first reference value C1, at a position of a constant nitridation potential value Kn It may become possible to predict the change of the carbonization potential value (Kc). For example, in a state in which there is no change in the flow rate of ammonia gas after adjusting the nitridation potential value Kn, the flow rate of carbon dioxide gas may be changed to adjust the next carbonization potential value Kc to a desired value.
이와 같이, 본 발명의 연질화 제어 방법은, 상술한 [수식 1] 내지 [수식 5]에 기반한 계산식에 기초를 두고 암모니아 가스 및 이산화탄소 가스 두 개의 가스를 동시 또는 교대로 조절함으로써, 질화 포텐셜 값(Kn)과 탄화 포텐셜 값(Kc)을 원하는 값에 맞춰 금속 제품의 연질화 정도를 용이하게 조절할 수 있다. 이때, 본 발명의 연질화 제어 방법에서, 전체적인 공정 진행 동안 반응 챔버(10)의 내부 압력이 기 설정된 압력 미만을 경우에는 배출부(30)를 폐쇄한 상태를 유지하다가, 상기 기 설정된 압력 이상일 경우에만 배출부(30)를 개방하여 반응 챔버(10) 내부의 처리 가스를 배출할 수 있다.As such, the nitriding potential value ( The degree of softening of the metal product can be easily adjusted according to the desired value of Kn) and carbonization potential value (Kc). At this time, in the softening control method of the present invention, when the internal pressure of the reaction chamber 10 is less than the predetermined pressure during the entire process, the discharge unit 30 is kept closed, and when the pressure is greater than the predetermined pressure Only when the discharge unit 30 is opened, the process gas inside the reaction chamber 10 may be discharged.
따라서, 본 발명의 여러 실시예에 따른 연질화 처리 방법에 따르면, 금속 제품의 연질화 처리 시, 반응 챔버(10)를 암모니아 가스의 분해로로 사용하여, 반응 챔버(10)의 내부에서 처리 가스에 포함된 암모니아 가스를 열분해하여 수소 가스를 생성하고 이를 이용하여 질화 포텐셜 값(Kn) 및 탄화 포텐셜 값(Kc)을 용이하게 제어할 수 있다.Therefore, according to the nitrocarburization method according to various embodiments of the present invention, in the case of nitrocarburization of a metal product, the reaction chamber 10 is used as an ammonia gas decomposition furnace, and the processing gas inside the reaction chamber 10 The ammonia gas included in is thermally decomposed to generate hydrogen gas, and the nitridation potential value (Kn) and the carbonization potential value (Kc) can be easily controlled using this.
이에 따라, 별도의 암모니아 가스 분해로를 설치할 필요 없이 연질화 처리 장치의 반응 챔버(10) 내에서 일어나는 금속 제품의 연질화 처리를 용이하게 제어하여, 금속 제품의 표면에 생성되는 화합물층을 용이하게 조절할 수 있다.Accordingly, without the need to install a separate ammonia gas decomposition furnace, the softening process of the metal product occurring in the reaction chamber 10 of the nitrocarburizing treatment device is easily controlled, and the compound layer generated on the surface of the metal product is easily controlled. can
또한, 반응 챔버(10)의 내부에서 암모니아 가스를 분해하여 생성된 수소 가스로 질화 포텐셜 값(Kn) 및 탄화 포텐셜 값(Kc)을 기 설정된 기준값으로 제어하는 과정에서, 반응 챔버(10)가 외부와 단절될 수 있도록 처리 가스 공급부(20) 및 배출부(30)를 모두 폐쇄하여 처리 가스의 공급 및 배출이 중단된 상태를 유지하고, 기 설정된 기준값으로 조절된 질화 포텐셜 값(Kn) 및 탄화 포텐셜 값(Kc)을 유지하는 과정이 암모니아 가스 및 탄화 가스의 미세 공급 제어로 이루어져, 연질화 처리 과정에서 소모되는 처리 가스의 양을 대폭 절감함으로써, 연질화 처리의 경제성을 증가시키는 효과를 가질 수 있다.In addition, in the process of controlling the nitridation potential value (Kn) and the carbonization potential value (Kc) to a predetermined reference value with hydrogen gas generated by decomposing ammonia gas inside the reaction chamber 10, the reaction chamber 10 is outside Both the processing gas supply unit 20 and the discharge unit 30 are closed so as to be disconnected from the processing gas supply unit 20 and the discharge unit 30 to maintain a state in which supply and discharge of the processing gas are stopped, and the nitridation potential value Kn adjusted to a preset reference value and the carbonization potential The process of maintaining the value (Kc) is made by controlling the fine supply of ammonia gas and carbonized gas, thereby significantly reducing the amount of processing gas consumed in the soft-nitriding process, thereby increasing the economic feasibility of the soft-nitriding process. .
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 상술한 기술적 사상을 적용한 실험 예를 설명한다. 다만, 하기의 실험 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험 예에 의해서 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, in order to help understanding of the present invention, an experimental example to which the above-described technical idea is applied will be described. However, the following experimental examples are only for helping understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following experimental examples.
도 8은 종래의 연질화 처리 방법과 본 발명의 연질화 처리 방법을 이용하여 연질화 처리를 실시한 실험 예를 나타내는 이미지이고, 도 9는 도 8의 실험 예의 질화 공정 중에 소모된 반응 가스의 양을 비교한 표이다.8 is an image showing an experimental example in which a soft nitriding treatment is performed using a conventional softening nitriding method and a soft nitriding treatment method of the present invention, and FIG. 9 shows the amount of reaction gas consumed during the nitriding process of the experimental example of FIG. 8 This is a comparison table.
도 8에 도시된 바와 같이, N2, NH3, CO2 가스를 일정비율로 계속해서 주입하는 종래의 연질화 처리 방법(비교 예)은, 570℃에서 5시간 동안 연질화 처리한 경우에 표면에 기공이 많이 발생하며, 일부 화합물의 깨짐 현상이 발생됨을 알 수 있었다. 그러나, 질화 포텐셜 값과 탄화 포텐셜 값을 일정한 값으로 제어하여 유지시키는 본 발명의 연질화 처리 방법(실시 예 1, 실시 예 2)은, 570℃에서 5시간 동안 연질화 처리한 경우에 화합물에 어떠한 기공도 없이 매우 균질하고 단단한 화합물을 만들 수 있는 것으로 확인이 되었다. 또한, 실시 예 1 및 실시 예 2에 나타난 바와 같이, 질화 포텐셜 값 및 탄화 포텐셜 값을 조절함으로써 화합물의 두께를 변화시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 8, in the conventional nitrocarburization treatment method (comparative example) in which N 2 , NH 3 , CO 2 gas is continuously injected at a constant ratio, when the nitrocarburization treatment is performed at 570 ° C. for 5 hours, the surface It was found that a lot of pores were generated and that some compounds were broken. However, the nitriding potential value and the carbonization potential value of the present invention, which control and maintain the value of the carbonization potential at constant values (Example 1 and Example 2), when softening treatment at 570 ° C. for 5 hours, do not affect the compound It was confirmed that a very homogeneous and hard compound could be made without pores. In addition, as shown in Examples 1 and 2, it was confirmed that the thickness of the compound can be changed by adjusting the nitridation potential value and the carbonization potential value.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 종래의 연질화 처리 방법(비교 예)에 비해, 질화 포텐셜 값 및 탄화 포텐셜 값을 조절한 본 발명의 연질화 처리 방법(실시 예 1, 실시 예 2)의 경우, 가스 소모량이 종래 대비 3% ~ 16% 정도로 획기적으로 줄어들었음을 확인할 수 있었다. 물론, 이와 같이 가스 소모량이 줄어들게 된 것은, 상술한 기술적 사상을 적용한 본 발명의 특징으로, 원하는 질화 포텐셜 값 및 탄화 포텐셜 값으로 제어하는 과정에서 처리 가스의 투입을 중지하고 반응 챔버 내부를 폐쇄하는 방법에 의한 경제적 효과일 수 있다.In addition, as shown in FIG. 9, compared to the conventional nitrocarburization process (Comparative Example), the nitridation potential value and the carbonization potential value of the soft nitrocarp treatment method of the present invention are adjusted (Example 1 and Example 2) In this case, it was confirmed that the gas consumption was drastically reduced by 3% to 16% compared to the prior art. Of course, the reduced gas consumption is a feature of the present invention to which the above-described technical concept is applied, and a method of stopping the introduction of the processing gas and closing the inside of the reaction chamber in the process of controlling the nitridation potential value and the carbonization potential value as desired. It can be an economic effect by
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.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

Claims (16)

  1. 내부에 처리 공간이 형성되고, 상기 처리 공간으로 금속의 연질화 처리를 위해 암모니아 가스 및 탄화 가스를 포함하는 처리 가스가 투입되는 반응 챔버를 이용한 연질화 처리 방법에 있어서,In the soft nitriding treatment method using a reaction chamber in which a processing space is formed and a processing gas containing ammonia gas and carbonization gas is injected into the processing space for soft nitriding of metal,
    처리 가스 공급부를 통해 제 1 온도로 가열된 상기 반응 챔버의 내부로 상기 암모니아 가스 및 상기 탄화 가스를 소정의 비율로 투입하는 처리 가스 투입 단계;a processing gas input step of injecting the ammonia gas and the carbonized gas at a predetermined ratio into the reaction chamber heated to a first temperature through a processing gas supply unit;
    상기 처리 가스 공급부를 폐쇄한 후, 상기 반응 챔버의 온도를 상기 제 1 온도 보다 높은 제 2 온도로 가열하여, 상기 반응 챔버 내부의 상기 암모니아 가스를 분해하여 수소 가스를 생성하는 암모니아 가스 분해 단계;an ammonia gas decomposition step of heating the reaction chamber to a second temperature higher than the first temperature after closing the processing gas supply unit to decompose the ammonia gas in the reaction chamber to generate hydrogen gas;
    상기 암모니아 가스의 분해로 상기 반응 챔버 내부에서 생성되는 상기 수소 가스에 의해, 상기 반응 챔버 내부의 질화 포텐셜 값이 기 설정된 제 1 기준 값에 도달될 때까지 상기 처리 가스 공급부의 폐쇄를 유지하는 질화 포텐셜 제어 단계;A nitridation potential for keeping the processing gas supply unit closed until the value of the nitridation potential inside the reaction chamber reaches a predetermined first reference value by the hydrogen gas generated inside the reaction chamber by decomposition of the ammonia gas control step;
    상기 질화 포텐셜 값이 상기 제 1 기준 값에 도달하면, 상기 처리 가스 공급부를 제어하여 상기 반응 챔버의 내부로 상기 탄화 가스를 투입하는 탄화 가스 투입 단계; 및injecting the carbonized gas into the reaction chamber by controlling the processing gas supply unit when the nitridation potential value reaches the first reference value; and
    상기 암모니아 가스의 분해로 생성되는 상기 수소 가스와 상기 탄화 가스에 의해 상기 반응 챔버 내부의 탄화 포텐셜 값이 기 설정된 제 2 기준 값에 도달될 때까지 상기 처리 가스 공급부를 통해 상기 반응 챔버로 투입되는 상기 탄화 가스의 유량을 조절하는 탄화 포텐셜 제어 단계;The hydrogen gas and the carbonized gas generated by the decomposition of the ammonia gas are introduced into the reaction chamber through the processing gas supply unit until the value of the carbonization potential inside the reaction chamber reaches a preset second reference value. A carbonization potential control step of adjusting the flow rate of the carbonized gas;
    를 포함하는, 연질화 처리 방법.Including, softening treatment method.
  2. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 탄화 포텐셜 제어 단계는,The carbonization potential control step,
    상기 탄화 포텐셜 제어 단계에서 소모되는 상기 수소 가스에 의해 상기 제 1 기준 값에서 벗어난 상기 질화 포텐셜 값이 다시 상기 제 1 기준 값에 도달한 후 계속해서 유지될 수 있도록, 상기 처리 가스 공급부를 통해 상기 반응 챔버의 내부로 투입되는 상기 암모니아 가스의 유량을 조절하는 질화 포텐셜 유지 단계;The reaction through the processing gas supply unit so that the nitridation potential value deviating from the first reference value due to the hydrogen gas consumed in the carbonization potential control step reaches the first reference value and continues to be maintained. A nitridation potential maintenance step of adjusting the flow rate of the ammonia gas introduced into the chamber;
    를 포함하는, 연질화 처리 방법.Including, softening treatment method.
  3. 제 2 항에 있어서,According to claim 2,
    상기 탄화 포텐셜 제어 단계는,The carbonization potential control step,
    상기 질화 포텐셜 유지 단계에서 생성되는 상기 수소 가스와 상기 탄화 가스에 의해 상기 탄화 포텐셜 값이 상기 제 2 기준 값으로 계속해서 유지될 수 있도록, 상기 처리 가스 공급부를 통해 상기 반응 챔버의 내부로 투입되는 상기 탄화 가스의 유량을 조절하는 탄화 포텐셜 유지 단계;The hydrogen gas and the carbonization gas that are introduced into the reaction chamber through the processing gas supply unit so that the carbonization potential value can be continuously maintained at the second reference value by the hydrogen gas and the carbonization gas generated in the nitridation potential maintenance step. Carbonization potential maintenance step of controlling the flow rate of carbonized gas;
    를 더 포함하는, 연질화 처리 방법.Further comprising a, softening treatment method.
  4. 제 3 항에 있어서,According to claim 3,
    상기 질화 포텐셜 유지 단계 및 상기 탄화 포텐셜 유지 단계에서,In the nitridation potential maintenance step and the carbonization potential maintenance step,
    상기 처리 가스 공급부를 온/오프 제어 방식 또는 PID 제어 방식에 의해 제어하여 상기 암모니아 가스 또는 상기 탄화 가스의 유량을 조절하는, 연질화 처리 방법.Controlling the processing gas supply unit by an on / off control method or a PID control method to adjust the flow rate of the ammonia gas or the carbonized gas, the soft nitrocarburization method.
  5. 제 3 항에 있어서,According to claim 3,
    상기 질화 포텐셜 유지 단계 및 상기 탄화 포텐셜 유지 단계에서,In the nitridation potential maintenance step and the carbonization potential maintenance step,
    상기 반응 챔버의 내부 온도는 상기 제 2 온도로 일정하게 유지되는, 연질화 처리 방법.The internal temperature of the reaction chamber is maintained constant at the second temperature, the soft nitriding treatment method.
  6. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 처리 가스 투입 단계에서,In the process gas input step,
    상기 제 1 온도를 상기 처리 가스에 포함된 상기 암모니아 가스가 열분해되지 않는 온도로 제어하고,Controlling the first temperature to a temperature at which the ammonia gas contained in the processing gas does not thermally decompose;
    상기 암모니아 가스 분해 단계에서,In the ammonia gas decomposition step,
    상기 제 2 온도를 상기 반응 챔버의 상기 처리 공간에서 상기 암모니아 가스가 상기 수소 가스와 질소 가스로 분해되는 온도로 제어하는, 연질화 처리 방법.The second temperature is controlled to a temperature at which the ammonia gas is decomposed into the hydrogen gas and nitrogen gas in the processing space of the reaction chamber.
  7. 제 6 항에 있어서,According to claim 6,
    상기 제 1 온도는,The first temperature is
    300℃ 내지 450℃의 온도 범위에서 제어되고,It is controlled in the temperature range of 300 ° C to 450 ° C,
    상기 제 2 온도는,The second temperature is
    450℃ 내지 650℃의 온도 범위에서 제어되는, 연질화 처리 방법.Controlled in the temperature range of 450 ℃ to 650 ℃, the nitrocarburization treatment method.
  8. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 암모니아 가스 분해 단계 및 상기 질화 포텐셜 제어 단계에서,In the ammonia gas decomposition step and the nitridation potential control step,
    상기 반응 챔버가 외부와 단절될 수 있도록 상기 처리 가스 공급부 및 상기 반응 챔버에서 분해되거나 미분해된 상기 처리 가스를 배출하는 배출부 모두를 폐쇄하는, 연질화 처리 방법.Closing both the processing gas supply unit and a discharge unit discharging the processing gas decomposed or undecomposed in the reaction chamber so that the reaction chamber can be disconnected from the outside,
  9. 제 8 항에 있어서,According to claim 8,
    상기 연질화 처리 방법에서,In the softening treatment method,
    상기 반응 챔버의 내부 압력이 기 설정된 압력 미만일 경우에는 상기 배출부를 폐쇄하고, 상기 기 설정된 압력 이상일 경우에는 상기 배출부를 개방하는, 연질화 처리 방법.When the internal pressure of the reaction chamber is less than the preset pressure, the outlet is closed, and when the preset pressure is higher than the outlet, the outlet is opened.
  10. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 질화 포텐셜 제어 단계에서,In the nitridation potential control step,
    상기 질화 포텐셜 값은, 하기 [수식 1]에 의해 계산되는, 연질화 처리 방법.The nitridation potential value is calculated by the following [Equation 1], soft nitriding treatment method.
    [수식 1][Formula 1]
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000028
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000028
    Kn: 질화 포텐셜 값Kn: nitridation potential value
    a: 암모니아 가스a: ammonia gas
    d: 탄화 가스d: carbonized gas
    x: 암모니아 분해율x: ammonia decomposition rate
    y: 수성가스 반응율y: water gas reaction rate
  11. 제 10 항에 있어서,According to claim 10,
    상기 탄화 포텐셜 제어 단계에서,In the carbonization potential control step,
    상기 탄화 포텐셜 값은, 하기 [수식 2]에 의해 계산되는, 연질화 처리 방법.The carbonization potential value is calculated by the following [Equation 2], soft nitriding treatment method.
    [수식 2][Formula 2]
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000029
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000029
    Kc: 탄화 포텐셜 값Kc: carbonization potential value
    a: 암모니아 가스a: ammonia gas
    x: 암모니아 분해율x: ammonia decomposition rate
  12. 제 11 항에 있어서,According to claim 11,
    상기 [수식 1] 및 상기 [수식 2]의 상기 암모니아 분해율 x는, 하기 [수식 3]에 의해 계산되는, 연질화 처리 방법.The ammonia decomposition rate x of the [Equation 1] and the [Equation 2] is calculated by the following [Equation 3].
    [수식 3][Formula 3]
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000030
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000030
    x: 암모니아 분해율x: ammonia decomposition rate
    y: 수성가스 반응율y: water gas reaction rate
    a: 암모니아 가스a: ammonia gas
    d: 질소 가스d: nitrogen gas
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000031
    : 수소 가스
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000031
    : hydrogen gas
  13. 제 12 항에 있어서,According to claim 12,
    상기 [수식 3]의 상기 수소 가스
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000032
    는,    The hydrogen gas in [Formula 3]
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000032
    Is,
    수소 센서를 포함하는 센서부에 의해 계측되는 수소 분압인, 연질화 처리 방법.Hydrogen partial pressure measured by a sensor unit including a hydrogen sensor, a soft nitriding treatment method.
  14. 제 13 항에 있어서,According to claim 13,
    상기 [수식 1] 및 상기 [수식 3]의 수성가스 반응율 y는, 하기 [수식 4]의 수성 가스 반응식에 의한 반응율로서,The water gas reaction rate y of [Equation 1] and [Equation 3] is a reaction rate according to the water gas reaction equation of [Equation 4] below,
    [수식 4]의 일산화탄소 가스 CO 및 이산화탄소 가스
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000033
    는,    Carbon monoxide gas CO and carbon dioxide gas in [Equation 4]
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000033
    Is,
    일산화탄소 센서 및 이산화탄소 센서를 포함하는 상기 센서부에 의해 계측되는 일산화탄소의 분압 및 이산화탄소의 분압인, 연질화 처리 방법.The partial pressure of carbon monoxide and the partial pressure of carbon dioxide measured by the sensor unit including a carbon monoxide sensor and a carbon dioxide sensor, a soft nitriding treatment method.
    [수식 4][Formula 4]
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000034
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000034
    CO: 일산화탄소 가스CO: carbon monoxide gas
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000035
    : 이산화탄소 가스
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000035
    : carbon dioxide gas
  15. 제 13 항에 있어서,According to claim 13,
    상기 [수식 1] 및 상기 [수식 3]의 수성가스 반응율 y는, 하기 [수식 5]에 의해 계산되고,The water gas reaction rate y of the [Equation 1] and the [Equation 3] is calculated by the following [Equation 5],
    [수식 5]의 산소 분압
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000036
    는, 산소 센서를 포함하는 상기 센서부에 의해 계측되는, 연질화 처리 방법.    Oxygen partial pressure in [Equation 5]
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000036
    is measured by the sensor unit including an oxygen sensor.
    [수식 5][Formula 5]
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000037
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000037
    y: 수성가스 반응율y: water gas reaction rate
    k: 일산화탄소(CO) 가스와 이산화탄소(
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000038
    ) 가스의 반응에 의한 계수    k: carbon monoxide (CO) gas and carbon dioxide (
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000038
    ) Coefficient by reaction of gas
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000039
    : 산소 분압
    Figure PCTKR2022013304-appb-img-000039
    : oxygen partial pressure
  16. 제 1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 처리 가스 투입 단계에서,In the process gas input step,
    상기 처리 가스에 포함된 상기 암모니아 가스의 비율은 90% 내지 100%이고, 상기 탄화 가스의 비율은 10% 내지 0%인, 연질화 처리 방법.The proportion of the ammonia gas contained in the processing gas is 90% to 100%, and the proportion of the carbonized gas is 10% to 0%, the soft nitriding treatment method.
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