대기중의 H2 분압과 진공도 계산

소개

국민대학교 신소재공학부 열역학, 금속정제프로세싱 수업 설계과제 풀이입니다.
대기중의 H2 분압과 평형하는 Fe-C-X 용액(2wt%C, 2wt%X)이 1600℃ 온도에서 수소 10 ppm(중량)을 포함하고 있다. 이 용액중의 수소함유량을 1 ppm으로 낮추기 위해서는 진공도를 얼마로 설계할 필요가 있는지 계산하시오.
1600℃, PH2 = 1 atm에서 순수한 철의 수소용해도는 0.0030 wt%이며, Henry의 법칙을 따르는 것으로 한다.

목차

1) 진공열처리
2) 진공열처리에 수반되는 여러 작용
3) 탈가스 반응
4) 설계풀이

본문내용

대기중의 H2 분압과 평형하는 Fe-C-X 용액(2wt%C, 2wt%X)이 1600℃ 온도에서 수소 10 ppm(중량)을 포함하고 있다. 이 용액중의 수소함유량을 1 ppm으로 낮추기 위해서는 진공도를 얼마로 설계할 필요가 있는지 계산하시오.
1) 진공열처리
강재를 열처리할 때 산화, 탈탄, 침탄, 질화 등 표면의 변질를 방지하기 위해 지금까지 주로 분위기 가스나 용융염 퀜칭이 이용되어 왔다. 그러나 고온이 되면 금속과 가스, 또는 염과의 반응을 방지하기 위해 분위기를 중성으로 유지하는 일이 매우 어려워진다. 분위기 가스로서 Ar, He, N2 등 불활성 가스를 사용하면 목적을 달성할 수는 있지만 비용이 많이 들어 실용적으로 불가능하다. 진공은 고온이라 하더라도 금속에 대해 불활성이므로 열처리 분위기로서 이상적이다. 그러나 지금까지는 진공 용해, 진공 탈가스, 진공 증착, 진공 소결 등 가열 후 냉각속도에 그다지 문제가 되지 않는 분야에만 사용되었고, 실험실적으로나 소규모의 것에만 이용되었다.
최근 여러 진공기기와 내열재료의 발달에 의해 과거에 비해 진공기술이 현저하게 발전되었다. 더구나 노내 냉각방법을 개량한 진공로(眞空爐)도 개발되었을 뿐만 아니라 열처리 후 소재의 표면상태가 더욱 엄격하게 관리되어야 하거나 Ti, Zr과 같은 활성 금속의 열처리도 필요하게 되는 등, 금속재료의 열처리용 노로서 진공로가 각광을 받고 있다.
한편 진공 밀폐시킨(sealing) 모터를 이용하여 고속 펌프로 불활성 가스를 순환시킴으로서 강제 대류냉각이 가능한 진공열처리로가 개발되고 오일 퀜칭까지 가능한 것이 개발됨으로서 진공열처리 법이 급속하게 발달하게 되었다. 현재는 가스 냉각, 오일 냉각 이외 수냉법까지 채택된 열처리로가 개발되어 있다.

참고자료

· 1) 철강공학 Page 464
· 2) David R. Gaskell 재료열역학 page 510~515(금속 중 가스용해도)