분위기 열처리의 개념

-분위기의 개념

분위기란 철강을 열처리하기 위해 가열 할 때 처리물 주변의 환경을 말하며, 분위기가 적절치 못하면 위도하는 바와 상관없이 탈탄, 산화 또는 침탄 등이 이루어져 부적합품을 생성시키는 원인이 될 수 있다. 이러한 환경을 관리하고 부적합품이 발생되지 않도록 분위기를 관리, 유지하면서 열처리 조업을ㄹ 하는 것이 분위기 열처리이다.

 

1.분위기 가스의 종류

가.불활성가스

철강과 반응(작용)을 일으키지 않는 가스를 말하며, 철강과 반응하지 않으므로 무산화열처리의 분위기 가스로 이용된다.대표적으로 Ar, He, 등의 회류가스가 있으나 값이 비싸기 때문에 공ㅇ버적을로 사용되는 일은 흔지 않다.

나.중성가스

1)질소

질소가스는 철강에는 작용하지 않으므로 중성가스로 사용된다. 그러나 시중에 공급되는 질소가스에는 미량의 수분이 함유되어 있으므로 탄탄이나 산화의 우려성이 있으므로 미량의 환원성가스나 침탄성가스를 투입하여 사용하는 경우가 많다.

또한 고온에서는 Mo, Ti, Cr, Nb 등과 질화물을 형성할 수 있으므로 이러한 합금성분을 가진 특수강에서는 그 영향을 고려하여야 한다.

2)수소

수소가스는 철강과 작용하지 않으나 질소와 마찬가지로 수분을 함유하고 있으며 탈탄이나 산화가 일어난다. 또한 수소가스는 고온에서 철강 속으로 침투하여 수소취성이나 백점이 발생시키므로 주의를 요한다,

3)암모니아 분해 가스

암모니아는 고온에서 분해하여 질소와 수소로된다.

그 성질은 질소와 수소의 3:1 배합과 동일하므로 성질은 질소, 수소의 성질을 기초로하여 생각 할수 있다.

 

-흡열형 분위기에 의한 가스 침탄

침탄, 침탄질화, 소결, 광휘열처리, 무산화열처리, 복탄 등의 분위기 가스는 변성로(gas generator)에서 제조된다. 가스발생장치와 원료가스의 중료 및 발생가스의 사용 목적에 따라 여러종류가 있다. 가스 침탄에 상요되는 가스는 프로판, 부탄, 천연가스를 원료로 공기와 적정량을 혼합한 후 고온으로 가열하여 얻어지는데, 이를 일반적으로 흡열형가스(endothermic gas) 또는 RX가스라 한다.

 

1.가스 발생로(변겅로)

변성용 가스는 프로판, 부탄, 도시가스 등을 사용하며, 1050~1100도로 가열된 니켈(Ni) 촉매를 통과하면 흡열반응을 일으켜 RX가스가 만들어 진다. 이 때 만들어진 RX가스는 매우 불안정하여 냉각장치(WATER-JACKET)를 통과시켜야 한다.

 

2.가스침탄의 원리

가스 침탄은 침탄성가스(H2 31.5%, N2 44.9%, CO 23.6%, RX)를 침탄로 내로 보내어 900~950도에서 일정시간을 유지하면 침탄 작업이 일어난다. 침탄성 가스는 일부 프로판이나 부탄을 첨가하여 전체적 분위기를 조절한다.

침탄로 내의 반응을 정확히 알기는 곤란하다. 왜냐하면 실제의 공업로에서 침탄처리는 평형상태와 비평형상태에서 작업이 진행되기 때문이다. 제품표면에 부착된 기름, 녹, 수분, RX가스의 제조상태, 로벽의 연와(벽돌)등 무수히 많은 인자들에 의한 화학반응이 진행되기 때문에 로 내의 반응을 정확히 해석하기란 불가능 한 것이다.

 

-참탄 분위기 조절법

흡열형 RX가스의 카본포텐샬은 RX가스 중의 CO2농도와 H2O농도에 밀접한 관계가 있다. 그래서 가본포텐샬을 제어하기 위해서 CO2 및 H2O 농도를 측정하여 구하는 방법을 많이 사용하고 있다.

 

1.Dew Cup법

로점을 측정하여 수증기의 농도를 구하는 방법을 보통 사용하고 있다.

무엇보다도 간단하게 로점을 측정할 수 있는 기구 이다. 그래서 대략의 로점을 구하는데 널리 사용되며, 편리하다.

그러나 점도가 낮아서 자동화에 이용되지 못하는 단점이 있다. 로점컵의 측정은 느켈도금된 원통형의 겨울면 컵의 외측에 시료가스를 통과시키면, 컵의 표면에 성애가 관찰된다. 컵의 가운데에 사염화탄소등이 들어있으며, 여기에 드라이아이스

(dry-ice)를 투입하여 냉각한다. 오노도계를 컵의 중간에 넣어, 컵의 표먼에 성애가 발생하는 순간의 온도를 측정하여,로내의 로점으로 한다.

 

2.아르노 노점계(Alnor Dew pointer)

Dew Cup에 비해 냉각제를 필요로 하지 않으며, 전문가가 아니라도 측정이 가능하다. 원리는 압축된 가스가 급격히 팽장할 때 안개가 생성되는 원리를 이용한것이다. 이것도 Dew Cup과 마찬가지로 자동화로 사용되지 못하는 단점이 있다.

 

3.탄화가스 농도 측정방법

CO2가 적외선을 흡수하는 성질을 응용한 것으로 탄산가스의 농도의 변화에 따라 적외선 흡수 에너지량이 변화함을 이용한 것이다. 즉 측정하고자하는 가스를 분석계 내의 시료관을 통과시키면, 이 시료관 내에서 적외선을 흡수하는 현상이 일어난다. 이 때에 탄산가스의 농도에 따라서 흡수되는 적외선의 량이 달라서, 광량이 다르데 나타난다. 한편으로 표준관에도 적외선을 통과시켜 흡수되고난 광량을 콘덴샤의 용량 변화로 나타나면 헤드앰프에서 전압변화로 변환시키며, 프리앰프에서 전압을 증폭하여 기록계 및 조절계에 전달한다.

-분위기 열처리 조업

1.유지 시간

유지시간은 침탄깊이와 직접적인 관계가 있으며 요구되는 유효경화 깊이에 따라 선정되어야 하며 또한 침탄방법에 따라서도 시간이 달라진다.

가. 시간1

침탄시간을 의미하며 일반적으로 카본 포텐샬을 0.9~1.0%로 작업하지만 기준 상태도 상의 공석점을 중심으로 이보다 약간 높게 관리 되어 지고 있다. 일반적으로 침탄폼의 표면 탄소농도가 분위기 중의 탄소농도와 같게 나타나므로 표면의 탄소농도가 높게 형성된다.

나. 시간2

확산시간을 위미하며 일반적으로 0.8% 카본 폿텐샨 정도로 조업한다.

다. 시간3

균열시간을 의미하며 일반적으로 20분정도로 조업한다.