KR102501313B1 - 탄탈륨 단편 또는 탄탈륨 합금 단편의 처리 방법 - Google Patents

Abstract

탄탈륨 단편 또는 탄탈륨 합금 단편의 처리 방법으로서, 상기 방법은 상기 단편을 로(furnace)에 배치하고, 상기 로를 진공 하에 적어도 1400℃의 온도로 가열하는 단계; 상기 가열된 로에 10 mbar 이하의 압력으로 기체 탄소 공급원을 주입함으로써, 상기 단편의 주변부에 탄소 다층을 형성하는 단계로서, 상기 탄소 다층이 상기 단편의 표면에 위치하는 적어도 1개의 탄화탄탈륨 층(C1)과, 상기 C1층의 탄소 함량보다 낮은 탄소 함량을 포함하는 2개의 층(C2 및 C3)을 포함하는 단계; 상기 단편을 냉각시킴으로써 상기 탄소 다층의 형성을 중지시키는 단계; 상기 단편의 둘레에 탄소, 산소 및 질소를 트랩핑 할 수 있는 보호 장치를 배치하여 상기 단편을 상기 로에 존재하는 미량의 탄소 및 산소 및 질소로부터 보호하는 단계; 진공 하에 상기 로를 가열함으로써, 상기 C1층에 존재하는 탄소의 전부 또는 일부의 상기 C2층 및 C3층으로의 확산을 야기하는 단계로서, 상기 단편이 상기 보호 장치 내에 수용되어 있는 단계; 및 상기 탄소 다층에 존재하는 탄소가 상기 단편의 중심부에 도달하기 전에 상기 단편을 진공 하에 냉각함으로써 상기 단편 내 탄소의 확산을 중지시키는 단계를 포함한다. 따라서, 단편의 표면에는 TaC가 없고, 단편의 중심부에는 탄소가 없으며, 상기 표면 및 상기 중심부 사이에 위치한 부분은 탄탈륨 및 탄소를 포함하는 단편이 얻어진다.

Description

탄탈륨 단편 또는 탄탈륨 합금 단편의 처리 방법{PROCESS FOR TREATING A PIECE OF TANTALUM OR OF A TANTALUM ALLOY}

본 발명은 탄탈륨 또는 탄탈륨 합금의 기계적 및 화학적 내성을 증가시키기 위한, 탄탈륨 또는 탄탄륨 합금의 금속 단편의 탄화 처리에 관한 것이다.

특히, 본 발명에 따른 방법은 이들의 구조 및 두께를 제어함으로써, 탄탈륨 단편 또는 탄탈륨 합금 단편의 표면에 1개 이상의 탄화탄탈륨 층의 형성을 가능하게 한다.

이러한 방법의 응용 분야는 매우 많으며, 이들은 모두 저항성의 탄탈륨 또는 탄탈륨 합금 단편의 제조(야금용 도가니, 전극, 램프 필라멘트, 저항기, 공구 세공(tooling) 등의 제조)를 요구하는 분야이다.

탄탈륨은 내부식성이 강한 재료로서 매우 높은 녹는점(용융 온도(T) ≥3000℃)을 갖는다. 탄탈륨 단편 또는 탄탈륨 합금 단편은 따라서 많은 분야, 특히 고온화학(pyrochemistry)에서 사용가능한 도가니의 제조에 사용된다.

이들 단편의 내부식성 및 경도를 더욱 증가시키기 위해서는, 이들에 탄화처리, 즉 단편의 표면 탄소 함량을 증가시키는 열화학 처리를 수행하는 것이 가능하다. 이후 특정 표면 미세구조를 얻기 위해서 후속의 (화학적, 기계적 또는 열)처리를 수행할 수 있다.

탄화처리 매질의 상태에 따라 3가지의 탄화처리 유형이 구별되며, 이들은 고체 탄화처리, 액체 탄화처리 및 기체 탄화처리이다. 이들 3가지의 탄화처리 유형들 중, 4가지의 중요한 탄화처리 방법(주로 강(steel)에 대해 개발됨)이 문헌에 통상적으로 기술되며, 이들은 팩 탄화처리(pack carburising), 제어된 대기 탄화처리(controlled atmosphere carburising), 저압 탄화 처리(low pressure carburising) 및 플라즈마 보조 탄화처리(plasma-assisted carburising)이다.

팩 탄화처리에서, 탄화처리될 단편은 고체 탄소와 직접적으로 접촉한다. 고체 탄소가 승화되면, 기체상이 되는 고체 탄소는 단편의 표면에 흡착되고, 이후 단편 내로 확산되어 탄탈륨과 반응할 것이다. 이 팩 탄화처리 방법은 탄탈륨이 적절하게 탄화처리 되기 위해서는 충분히 높은 탄소 증기압을 갖는 것을 요구하고, 이는 매우 높은 탄화처리 온도(＞2000℃) 및 긴 가열 시간(예를 들어 참조 문헌 [1}에서 1700℃에서 10시간)을 요구한다. 또한, 이 방법은 탄화처리될 단편의 표면상에 탄소 분말을 가압할 것을 요구하고, 따라서 복잡한 형상을 갖는 단편에 적용할 수 없다. 또한, 고체/고체 계면으로 인해, 표면에서의 탄소 공급물은 불균일하다.

제어된 대기 탄화처리는 탄화처리될 단편을 제어된 대기 로에 배치하고, 탄화처리 온도(탄탈륨의 경우 ＞1200℃)에 도달할 때까지 로를 가열하고, 약 1 bar의 압력 하에서 불활성 기체(아르곤) 및 연료 기체(일반적으로 메탄,아세틸렌, 프로판 유형의 탄화수소 등)의 혼합물을 주입하는 단계로 구성된다. 또한 일부 응용에서, 공기/메탄올 또는 질소/메탄올 혼합물이 채용될 수 있다. 이후 연료 분자는 탄화처리될 단편의 표면에서 크래킹되어 탄소를 방출하고, 탄소는 확산하여 이후 표면의 탄탈륨과 반응한다. 그러나 이 탄화처리 방법은 산소 화합물이 주입되는 경우 산화물이 생성된다는 단점을 가진다. 또한, 탄화수소가 사용되는 경우, 통상 로 인클로저 내부에 그을음이 형성되어, 로를 오염시켜 단편의 탄화처리를 방해한다.

저압 탄화처리(또한 감압 탄화처리로도 알려짐)은 탄화처리될 단편을 열화학적 처리 로에 배치하고, 이후 상기 로 인클로저를 진공하에 배치하는 단계로 구성된다. 이후 탄화처리 온도에 도달할 때까지 로 인클로저를 가열하고, 이후 기체상 탄화수소(메탄, 아세틸렌, 프로판 등)을 저압(즉, 수 mbar에서 수십 mbar에 이르는, 100 mbar 미만의 압력)하에서 주입한다. 이 방법은 매우 복잡한 형상을 갖는 단편을 효율적으로 탄화처리하여 단편의 오염을 감소시킬 수 있는 것으로 인정된다. 이 탄화처리 방법이 본 발명의 범위 내에서 사용될 것이다.

최종적으로, 플라즈마 보조 탄화처리는 저압 탄화처리와 매우 유사하다. 이 기술의 주된 관심은 탄화처리될 단편 둘레로 플라즈마를 형성하는 데에 있다. 이 플라즈마는 재료의 표면을 활성화시켜 단편 내로의 탄소의 확산을 촉진한다. 이 방법은 매우 복잡한 형상을 갖는 단편의 탄화처리에 유용하다. 그러나 저압 탄화처리에 관해서는 개발이 불충분한 상태이며, 왜냐하면 이는 매우 특유한 장비의 사용을 요구하기 때문이다. 이들 주된 단점 중 하나는 낮은 직경의 정공과 같은 특이성을 갖는 단편의 처리가 가능하지 않다는 것이고, 이러한 특이성은 중공 캐소드 현상(정공 내부로의 국소 용융)을 발생시킬 수 있다. 또한, 단편이 플라즈마와 직접 접촉하지 않기 때문에, 처리 로의 바스켓 상의 단편의 베어링 면은 전혀 처리되지 않는다.

이들 4가지의 탄화처리 방법은, 표면에는 TaC 층, 그리고 단편 코어로 좀더 가까이 가서, Ta₂C 하부층 및 이후 탄탈륨의 탄소 포화도에 따라 그레인 경계에서 Ta₂C 침전물을 가질 수 있는, 탄소로 포화된 탄탈륨층(또한 "C 포화된 Ta 층" 또는 만일 그레인 경계에서 Ta₂C 침전물을 포함하는 경우 "C 포화된 Ta + Ta₂C 층"으로도 지칭되는 층)을 포함하는 불균일 구조를 얻는 것을 가능하게 한다. 탄소 풍부 정도가 클수록, Ta₂C 층 및 C 포화된 Ta 층(또는 C 포화된 Ta + Ta₂C 층)의 두께에 대한 TaC 층의 두께가 두꺼워질 것이다. 만일 탄소 풍부 정도가 충분히 높다면, 단편의 탄탈륨을 탄화탄탈륨 TaC로 완전히 전환하는 것이 가능하다.

사용되는 탄화처리 방법에 관계없이, TaC 층은 따라서 단편의 표면에서 항상 얻어진다. 그러나 일부 응용에서, 단편의 표면에서 그러한 층을 갖는 것이 바람직하지 않으며, 따라서 이를 제거할 필요가 있다.

이 표면층을 제거하기 위해서는, 산 공격에 의한 표면 화학적 처리를 수행할 수 있다. 예를 들어, 이러한 표면 화학적 처리는 참조 문헌 [2]에 개시되어 있다. 표면 화학적 처리의 단점은 이 처리가 단편이 표면 상태를 변형시키고 높은 경도 및 탄화물의 산에 대한 높은 화학적 불활성 특성으로 인해 이 처리를 실시하기가 어렵다는 것이다. 따라서 매우 강산의 혼합물(가장 통상적으로는 질산, 불산 및 락트산의 혼합물)을 사용하는 것이 필요하고, 이는 일반적으로 독성이고 사용하기에 매우 해롭다. 또한, 화학적 공격은 TaC의 표면층 뿐만 아니라 모든 탄화물층(TaC 층 및 하부의 Ta₂C 층)을 공격하여, 그레인 경계에 Ta₂C를 갖는 탄소 포화된 탄탈륨 구조를 갖는 층만이 남게 된다.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 적어도 부분적으로 해결하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 위해, 본 발명의 일 목적은 이하의 단계를 포함하는 탄탈륨 단편 또는 탄탈륨 합금 단편을 처리하는 방법을 제공하는 것이다:

a) 상기 단편을 로(furnace)에 배치하고, 상기 로를 진공 하에 적어도 1400℃의 온도로 가열하는 단계;

b) 상기 가열된 로에, 최대 10 mbar의 압력의 기체 탄소 공급원을 주입함으로써, 상기 단편의 주변부에 탄소 다층(1)을 형성하는 단계로서, 상기 탄소 다층이 상기 단편의 표면에 위치하는 적어도 1개의 탄화탄탈륨 층(C1)과, 2개의 하부층(C2 및 C3)를 포함하고, 상기 C2층 및 C3층 각각은 서로 상이하면서 상기 C1층의 탄소 함량보다 낮은 탄소 함량을 포함하는 단계;

c) 상기 단편을 냉각시킴으로써 상기 탄소 다층(1)의 형성을 중지시키는 단계;

d) 상기 단편의 둘레에 탄소, 산소 및 질소를 트랩핑 할 수 있는 보호 장치를 배치하여 상기 로에 존재하는 탄소 및 발생가능한 미량(traces)의 산소 및 질소로부터 상기 단편을 보호하는 단계;

e) 진공 하에 상기 로를 가열함으로써, 상기 C1층에 존재하는 탄소의 전부 또는 일부의 상기 C2층 및 C3층으로의 확산을 야기하는 단계로서, 상기 단편이 상기 보호 장치 내에 수용되어 있는 단계; 및

f) 상기 탄소 다층에 존재하는 탄소가 상기 단편의 중심부에 도달하기 전에 상기 단편을 진공 하에 냉각함으로써 상기 단편 내 탄소의 확산을 중지시키는 단계;

여기서 이에 의해 단편의 표면에는 TaC 형태의 탄탈륨이 없고, 단편의 중심부에는 탄소가 없으며, 상기 표면 및 상기 중심부 사이에 위치한 부분(이하, "중간부"라 지칭함)은 탄탈륨 및 탄소를 포함하는 단편이 얻어진다.

본 발명의 방법에서, 단계 e)에서의 확산은 C1층에 존재하는 탄화물의 전부 또는 일부의 분해를 야기한다. 따라서, 온도 및 가열 시간에 따라, C1층의 탄화탄탈륨 TaC는 탄화탄탈륨 Ta₂C 및 이후 그레인 경계에 Ta₂C를 갖는 탄소 포화된 탄탈륨으로 주로 분해될 것이다. 따라서, 단편의 표면(이하에서 "표면층"으로 지칭함)은 TaC 유형의 탄화탄탈륨이 없고, 그러나 분해가 표면에 가까운 곳에서 시작하기 때문에, 이 표면층의 두께는 탄소 다층의 C1층의 두께 또는 C1층의 상부 부분에 대응될 것이다.

본 발명의 방법은 단편의 표면에 산을 이용한 화학적 처리 또는 기계적 처리를 할 필요 없이, 동일한 일련의 단계들에 의해, 단편을 탄화처리하고 동시에 상기 방법의 종료시에 얻어지는 탄화처리된 단편의 표면층의 구조 및 화학 조성을 선택할 수 있도록 한다. 예를 들어, 탄탈륨 단편에 대해, 방법의 단계의 종료시에 Ta₂C 유형의 탄화탄탈륨 또는 그레인 경계에 있는 Ta₂C를 갖는 탄소 포화된 탄탈륨의 표면층이 선택될 수 있다. 이후 예를 들어 하기 유형의 다층 구조가 얻어질 수 있다:

-　Ta₂C/C 포화된 Ta　+ Ta₂C　(즉, 표면층에서 Ta₂C를 갖고, 단편의 중간부에서 그레인 경계에 Ta₂C을 갖는 탄소 포화된 Ta 층을 가짐);

- Ta₂C/TaC/Ta₂C/C 포화된 Ta + Ta₂C　(즉, 표면층에서 Ta₂C를 갖고, 단편의 중간부에서 TaC 층, Ta₂C 층 및 그레인 경계에 Ta₂C을 갖는 탄소 포화된 Ta 층을 가짐);

- 탄소 포화된 Ta + Ta₂C/Ta₂C/탄소 포화된 Ta + Ta₂C　(즉, 표면층에서 그레인 경계에 Ta₂C을 갖는 탄소 포화된 Ta 층을 갖고, 단편의 중간부에서 Ta₂C 층 및 그레인 경계에 Ta₂C을 갖는 탄소 포화된 Ta 층을 가짐);

단, 이들 다층 구조는 탄탈륨 또는 탄탈륨 합금의 중심부 상에 있다.

또한 C 포화된 Ta + Ta₂C 의 표면층이 단순히 탄탈륨 또는 탄탈륨 합금의 중심부상에 있을 수 있다.

상기 언급된 실시예들에서, 만일 탄탈륨층의 탄소 포화도가 더 적다면, C 포화된 Ta + Ta₂C 층은 또한 탄소 포화된 Ta 층일 수 있다.

참조 문헌 [2]에 탄탈륨 단편 또는 탄탈륨 합금 단편의 표면에 탄화물층을 형성하는 단계, 이후 전체 단편을 탄화처리 하기위해 수행되는 열처리를 적용하는 단계를 포함하는 방법이 개시되어 있음을 주목하여야 한다. 따라서, 단편 코어에서 탄탈륨 또는 탄탈륨 합금을 유지 보존하고자 하는 본 발명의 방법과는 달리, 참조 문헌 [2]에 개시된 방법은 두께 전체를 통해 탄소 포화된 단편("C 포화된 Ta" 또는 "C 포화된 Ta + Ta₂C")을 제조하는 것을 목적으로 한다. 또한, 기술된 방법은 예를 들어 이하의 도 5b 및 도 6b에 예시된 바와 같이, 탄탈륨 또는 탄탈륨 합금 코어 상에 "탄소 부족층/탄소 풍부층/탄소 부족층" 유형의 복합 다층구조를 제공하지 않는다(즉 Ta₂C/TaC/Ta₂C/C 포화된　Ta　+　Ta₂C/코어 및 C 포화된 Ta + Ta₂C /Ta₂C/C 포화된 Ta + Ta₂C/코어).

본 발명의 범위 내에서, 탄탈륨 합금은 90 중량% 이상의 탄탈륨을 포함하는 합금에 대응되는 것으로 간주된다. 또한 이는 금속 합금, 즉 탄탈륨과 다른 금속의 혼합물이다. 예를 들어 이는 TaW 합금일 수 있다.

바람직하게는, 단계 a)는

- 상기 단편을 로 내로 도입하는 단계;

- 상기 로를 진공하에 두는 단계; 및

- 상기 로를 1500 내지 1700℃의 작동 온도에 도달할 때까지 서서히 가열하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 단계 b)는 1 내지 100 L.h^-1의 유동속도 및 바람직하게는 10 mbar 이하의 주입 압력으로 기체 탄소 공급원을, 바람직하게는 연속적으로, 주입하는 단계를 포함한다. 주입 지속시간은 탄탈륨 단편 또는 탄탈륨 합금 단편의 주변부에 도입되기를 소망하는 탄소 함량에 의존한다. 이 지속 시간은 탄소공급원, 단편의 표면, 및 얻기를 소망하는 탄소 다층의 두께 및 유형인 주입 파라미터에 의존한다.

바람직하게는, 단계 b)에서 기체 탄소 공급원의 주입은 5 mbar의 주입 압력에서 20 L.h^-1의 유동에 대해, 그리고 1600℃의 온도로 가열된 로에서 행해진다.

바람직하게는, 단계 b)에서 사용되는 기체 탄소 공급원은 에틸렌이다. 에틸렌의 선택은 낮은 탄소 공급을 허용하여, 예를 들어 아세틸렌과 같은 탄소 풍부 기체를 사용함에 따라 나타나는 가능한 그을음(soot)의 형성이 제한되는 장점을 갖는다.

단계 c)는 탄소 다층의 형성을 중지시키는 목적을 갖는다; 즉, 이 단계로 단편 내 탄소 공급을 중지하는 것이 시도된다. 바람직하게는, 단계 c)는 1 bar의 압력 하에서 질소 기체를 로 내로 주입하는 단계를 포함하고, 이는 획득할 단편의 신속한 냉각을 가능하게 한다.

바람직하게는, 단계 d)는

- 상기 단편을 밀폐된 공동(cavity) 내에 배치하는 단계로서, 상기 공동의 벽이 탄소, 산소 및 질소를 끌어당기는 재료(상기 선택되는 재료는 물론 로의 전반적 처리 온도를 견딜 수 있어야 한다)의 것이고, 상기 재료가 바람직하게는 탄탈륨인 단계; 및

- 불활성 가스를 사용하여 상기 공동을 배기(draining)시켜 상기 로로부터 탄소, 산소 및 질소로부터 선택되는 적어도 1종의 원자성 원소를 함유하기 쉬운 임의의 기체를 배출시키는 단계를 포함한다.

단계 e)는 탄소 다층의 C1층에 존재하는 탄소의 C2층 및 C3층으로의 확산을 허용하기에 충분한 온도에서 단편을 가열하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 단계 e)는 1600℃의 온도 및 10^-2 mbar의 압력으로 상기 로를 가열하는 단계를 포함한다.

단계 f)에서, 로가 고온에서 재가압될 때 단편에 가해질 수 있는 로의 가능한 미량의 잔여 오염물질로부터 탄탈륨 또는 탄탈륨 합금의 단편을 보호하기 위해 진공하에서 냉각을 행한다.

본 발명의 방법은 많은 장점을 갖는다.

첫째, 단편의 주변부의 탄소 공급을 제어하고 규제할 수 있는데, 왜냐하면 탄소 공급은 오직 본 발명의 방법의 단계 b) 동안에 사용되는 기체 탄소 공급원으로부터만 올 뿐이고, 따라서 본 발명의 단계 c) 및 d)에 의해서는 탄소 공급이 방지되기 때문이다. 따라서 비록 탄소가 로 벽에 남아 있고(예를 들어 그을음의 형태로, 또는 단순히 탄소 벽을 갖는 로가 사용될 경우) 또한 단계 e)에서 로의 대기에서 탄소가 발견된다고 해도, 이는 상기 보호 장치에 의해 트랩핑될 것이고, 단편 내로 도입되지는 않을 것이다. 따라서 상기 단편의 주변부의 제어된 두께 상에 탄화처리를 하고, 동시에 단편의 중심부에 원래 금속의 특성을 보존하고 또한 표면에 탄화탄탈륨 TaC를 포함하지 않는 표면층을 갖는 것을 달성하는 것이 가능하다.

한편, 저압 탄화처리 방법(본 발명의 단계 a) 및 b))의 사용은 다른 공지의 탄화처리 방법보다 더 낮은 온도에서 작동하는 것을 가능하게 하고, 또한 탄소 공급의 제어는 처리 지속 시간을 최적화하여 최종적으로 시간, 에너지 및 원료를 절감할 수 있게 한다.

실시하기 곤란한 화학약품을 사용하지 않고서도 단편의 표면층으로부터 TaC 유형의 탄화탄탈륨을 제거하여, 처리된 단편에는 산소 및 질소로 인한 오염이 없다.

최종적으로, 본 발명의 방법은 복잡한 형상 및/또는 특이점(직경이 작은 정공 등)을 갖는 단편을 처리하는데 사용할 수 있다.

본 발명의 추가 특징 및 장점은 이하의 본 발명에 따른 제조 공정의 예시적 실시에 관련되는 추가의 설명으로부터 명백할 것이다.

이 부가적 설명은 오직 본 발명의 방법의 예시적 목적으로서만 주어지며, 어떤 식으로든 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안되는 것은 물론이다.

도 1a는 일 특정 구현예에 따른 본 발명의 방법의 단계 b)(1600℃에서 1시간 탄화처리)의 종료시에 얻어지는 탄탈륨 단편의 일부의 도식적 단면도로서, 상기 단편의 표면에 생성된 탄화물층을 나타낸다.
도 1b는 도 1a에 도시된 단편의 주사 전자 현미경(SEM)에 의해 얻어진 사진을 나타낸다.
도 2a 및 2b는 각각 TaC 층의 성장(도 2a) 및 Ta₂C 층의 성장(도 2b)을 위한 상이한 온도에서의 시간에 따른 탄화처리의 지속을 나타낸다.
도 3a는 본 발명의 방법의 일 특정 구현예(1600℃에서 1시간 탄화처리, 냉각 및 1600℃에서 진공하에 1시간 가열)에 따라 얻어진 탄탈륨 단편의 일부의 도식적 단면도로서, 상기 단편의 표면에 생성된 탄화물층을 나타낸다.
도 3b는 도 3a에 도시된 단편의 SEM에 의해 얻어진 사진을 나타낸다.
도 4a는 본 발명의 방법의 일 특정 구현예(단계 b)에서 1600℃에서 1시간 탄화처리 및 단계 e)에서 진공 하에 1600℃에서 6시간 가열)에 따라 얻어진 탄탈륨 단편의 일부의 도식적 단면도를 나타낸다.
도 4b 및 도 4c는 각각 도 4a에 도시된 단편의 SEM에 의해 얻어진 2개의 상이한 배율의 사진을 나타낸다. 도 4c에서, 단편은 Ta₂C 침전물(흑색 점)의 존재 및 위치를 밝혀내기 위한 화학 처리를 받았음을 주목하여야 한다.
도 5a는 본 발명의 방법의 일 특정 구현예(단계 b)에서 1600℃에서 2시간 탄화처리 및 단계 e)에서 1600℃에서 진공 하에 30분간 가열)에 따라 얻어진 탄탈륨 단편의 일부의 도식적 단면도를 나타낸다.
도 5b는 도 5a에 도시된 단편의 SEM에 의해 얻어진 사진을 나타낸다.
도 6a는 본 발명의 방법의 일 특정 구현예(단계 b)에서 1600℃에서 2시간 탄화처리 및 단계 e)에서 1600℃에서 진공 하에 6시간 가열)에 따라 얻어진 탄탈륨 단편의 일부의 도식적 단면도를 나타낸다.
도 6b는 도 6a에 도시된 단편의 SEM에 의해 얻어진 사진을 나타낸다.
상기의 도면에서, 단편의 중심부는 도시되지 않았음을 주목하여야 한다.

본 발명의 방법은 탄탈륨 단편 또는 탄탈륨 합금 단편의 탄화처리를 제어하면서, 동시에 단편의 표면층의 성질 및 결정 구조의 선택을 가능하게 한다. 실제로, 본 발명은 단편의 표면에, TaC 유형의 탄화탄탈륨 하부층 또는 그레인 경계에서 Ta₂C를 갖는 탄소 포화된 탄탈륨 하부층을 갖는 Ta₂C 유형의 탄화탄탈륨 표면층, 그레인 경계에서 Ta₂C를 갖는 탄소 포화된 탄탈륨으로 이루어진 혼합 표면층, 또는 심지어 Ta₂C 유형의 탄화탄탈륨 하부층을 갖는 탄소 포화된 탄탈륨 표면층을 얻으면서, 동시에 이 표면층의 두께를 제어하는 것을 얻는 것을 선택하도록 돕는다.

상기에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 방법의 단계 b)에서의 가열 지속시간은 단편에 공급되기를 소망하는 탄소 함량에 의존한다. 결과적으로 단계 e)에서의 가열 지속시간은 표면에서 얻어지기를 소망하는 층의 성질 및 두께에 따라 달라진다. 이들 파라미터들을 변화시킴으로써, 단일 층 구조(탄탈륨 또는 탄탈륨 합금의 코어 상의 Ta₂C, C 포화된 Ta + Ta₂C 또는 C 포화된 Ta의 표면층) 또는 심지어 다층 구조(탄탈륨 또는 탄탈륨 합금의 코어 상의 Ta₂C/TaC/Ta₂C/C 포화된 Ta + Ta₂C 층; C 포화된 Ta + Ta₂C/Ta₂C/C 포화된 Ta + Ta₂C 층; 등)를 얻을 수 있다. 이들 상이한 구조를 얻음으로써 단편의 경도 및/또는 내부식성이 향상될 수 있어, 이의 최종 용도에 양립가능할 수 있게 된다.

본 발명을 설명하기 위하여, 본 발명의 방법의 바람직한 일 구현예를 이제 기술하기로 한다.

탄탈륨 단편, 예를 들어 100 mm의 직경, 1.5 mm의 두께 및 150 mm의 높이를 갖는 도가니(crucible)를 사용한다.

처리될 단편을 로, 예를 들어 참조 BMICRO를 포함하는 상표 BMI의 로의 인클로저 내에 배치한다.

이후, 로 인클로저를 10^-2±0.02 mbar의 압력에 도달할 때까지 진공 하에 둔다.

압력이 안정화된 후, 인클로저를 1600℃±1%에 도달할 때까지 30℃/분의 램프로 가열한다.

이후 소정의 지속시간 동안 저압(약 10 mbar 미만의 압력) 하에서 연료 기체를 인클로저에 주입함으로써 단편의 탄화처리를 수행한다. 이 예에서, 5±1 mbar의 압력 하 및 20 L/h의 제어된 유동 속도 하에서 1시간 동안 에틸렌(C₂H₆)을 인클로저 내로 주입한다.

이후 예를 들어 1 bar의 압력 하에서 90분의 지속시간 동안 로 인클로저 내로 주입되는 질소에 의해, 단편의 냉각을 수행한다.

이에 의해서 탄탈륨 단편의 주변부에, TaC 유형의 탄화탄탈륨의 표면 층 C1, Ta₂C 유형의 탄화탄탈륨의 하부층 C2, 및 그레인 경계에 Ta₂C 침전물을 갖는 탄소 포화된 탄탈륨의 하부층 C3를 포함하는 탄소 다층(1)(도 1a 및 도 1b)을 얻는다.

탄소 다층(1)의 두께(및 따라서 단편 내에 공급되는 총 탄소 함량)는 탄탈륨 단편이 연료 기체의 흐름 하에서 유지되는 시간에 의존한다(도 2a 및 도 2b). 실제로, 공지된 방식으로, 탄화탄탈륨 층의 성장은 포물선 법칙

에 따르고, 여기서 W는 탄화물층의 두께(㎛)이고, t는 유지 시간(분)이고, k는 성장 계수(㎛², 분^-1)이다. 유사하게, 동일한 식이 탄소 다층(1)의 형성에 적용된다. 또한 탄소 다층의 형성 속도는 탄화처리 온도에 의존한다. 이 형성 속도는 온도에 따라 기하급수적으로 증가한다.

따라서 처리될 단편은 이후 임의의 탄소 공급원 및 발생가능한 오염물질로부터 멀리 이동시킨다. 이 단계는 확산 단계 동안 탄탈륨의 오염 현상을 방지하여야 하고 단편 내 존재하는 탄소 함량을 제어하여야 하는 경우에는 필수적이다. 실제로, 탄탈륨은 가열시 탄소, 산소 및 질소와 같은 원자에 대해 매우 반응성이 높은 원소이며, 이들 원소들은 예를 들어 로 인클로저의 벽상에 흡착되는 분자 형태로 발견될 수 있다.

이를 위해, 본 발명의 방법의 바람직한 일 구현예에 따르면, 단편을 로 인클로저 내에 배치되는 공동(예를 들어 지지체 상에 종(bell)을 증착함으로써 형성되고, 이 종 및 지지체는 모두 탄탈륨임) 내에 배치한다. 이는 로 인클로저의 벽상에 존재하는 오염물질 원소(O, N2 등) 및 가능한 탄소 원자가 단편과 접촉하기 전에 트랩핑 되는 것을 가능하게 한다. 또한 이는 로 인클로저와 처리될 단편 사이의 기체 교환을 감소시킬 수 있고, 이는 탄소 확산 공정에서 바람직한 것으로 밝혀졌다.

로 인클로저의 이중 펌핑은 임의의 오염물질을 배출하기 위해서 중간 질소 배기(10^-2+/-0.01 mbar)를 수행함으로써 수행할 수 있다.

이후, 단편을 가열한다. 단계 e)에서 진공하의 가열은 탄소 다층(1)의 C1층에 존재하는 탄소가 다층의 C2층 및 C3층으로 확산될 수 있게 할 것이다.

단편 및 보호 장치에 의해 형성된 세트의 가열 유지시간은 하기 3개의 파라미터에 의존한다:

- 방법의 종료시에 얻어지길 소망하는 구조의 유형;

- 탄화처리 단계 동안 형성될 다층의 두께;

- 단편의 두께.

원하는 처리 온도에 도달할 때까지 30℃/분으로 단편 및 보호 장치(공동)에 의해 형성된 세트를 가열한다. 여기서 탄화처리에 사용한 동일한 온도, 즉 1600℃ +/-1%를 사용하는 것을 선택한다.

단계 b)의 종료시(탄화 처리 후)에, 상기 탄탈륨 단편은 표면에 TaC의 표면층 C1, Ta₂C의 하부층 C2 및 그레인 경계에 Ta₂C 침전물을 갖는 탄소 포화된 탄탈륨의 하부층 C3를 갖는 탄소 다층(1)을 포함하였다. 단계 e)의 가열 동안에, 탄소는 TaC의 표면층 C1(가장 풍부한 탄소층)으로부터 Ta₂C의 하부층 C2으로, 그리고 Ta₂C의 층 C2로부터 C 포화된 Ta + Ta₂C의 층 C3로 확산한다. 이러한 단계적 탄소 확산은 Ta₂C 층을 위한 TaC 층의 두께의 감소를 야기한다. 이후 단편의 표면에서 단일 Ta₂C 층을 위해 TaC 층을 완전히 소멸하게 하는 것이 가능하다. 만일 가열이 계속되면, Ta₂C 층이 또한 분해되어, 완전히 소멸한다. 따라서, 표면에는 오직 그레인 경계에 Ta₂C 침전물을 갖는 탄소 포화된 탄탈륨 만이 남게 된다.

단계 b) 및/또는 단계 e)에서의 가열 지속시간을 변화시킴으로써 얻을 수 있는 상이한 구조들을 첨부되는 도면에 예시하였다.

상기 언급한 대로, 단계 b)에서 1600℃에서 1시간 동안 탄탈륨 단편을 가열한 후, TaC 층 C1, Ta₂C층 C2 및 C 포화된 Ta + Ta₂C 층 C3를 갖는 탄소 다층(1)을 얻는다(도 1a 및 도 1b).

이후, 임의의 탄소 공급원으로부터 분리한 후 단계 e)에서 1600℃에서 진공하게 1시간 가열하는 단계를 포함하여 본 발명의 방법의 나머지 단계들을 수행하는 경우, C 포화된 Ta + Ta₂C의 하부층(3) 상에 Ta₂C의 표면층(2)을 얻는다(도 3a 및 도 3b).

반대로, 다층이 제공된 단편을 단계 e)에서 1600℃에서 진공하에 6시간 가열하는 경우, 그레인 경계에 Ta₂C 침전물을 갖는 탄소 포화된 탄탈륨의 표면층(2)을 얻는다(도 4a, 4b 및 4c, 침전물은 도 4c에서 흑색으로 보임). 여기서, 탄소 다층의 C1, C2 및 C3 층이 표면층(2)으로 변형되는 방식으로 탄소 확산이 일어난다고 추측할 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 단편을 단계 b)에서 2시간 동안 1600℃에서 진공하에 가열하고 단계 e)에서 30분간 1600℃에서 진공하에 가열함에 의해 탄화처리하는 경우, Ta₂C의 표면층(2), TaC의 제1 하부층(3), Ta₂C의 제2 하부층(4), C 포화된 Ta + Ta₂C의 제3 하부층(5)을 갖는 단편을 얻는다(도 5a 및 5b).

반대로 단계 b)에서 2시간 동안 1600℃에서 진공하에 가열하고 단계 e)에서 6시간 동안 1600℃에서 진공하에 가열하는 경우, C 포화된 Ta의 표면층(2), Ta₂C의 제1 하부층(3), C 포화된 Ta + Ta₂C의 제2 하부층(4)을 얻는다(도 6a 및 6b).

인용된 참조문헌

[1] US 5,916,77

[2] US 5,383,981

Claims (7)

1. 탄탈륨 단편 또는 탄탈륨 합금 단편의 처리 방법으로서, 상기 단편이 주변부(peripheral part)와 중심부(central part)를 가지고, 상기 방법은
   a) 상기 단편을 로(furnace)에 배치하고, 상기 로를 진공 하에 1400℃ 내지 1700℃의 온도로 가열하는 단계;
   b) 상기 가열된 로에, 최대 10 mbar의 압력으로 기체 탄소 공급원을 주입함으로써, 상기 단편의 주변부에 탄소 다층(1)을 형성하는 단계로서, 상기 탄소 다층이 상기 단편의 표면에 위치하는 적어도 1개의 TaC 유형의 탄화탄탈륨 층 C1과, Ta₂C 유형의 탄화탄탈륨 하부층 C2 및 그레인 경계에 Ta₂C 침전물을 갖는 탄소 포화된 탄탈륨 하부층 C3의 2개의 하부층을 포함하고, 상기 C2층 및 C3층 각각은 서로 상이하면서 상기 C1층의 탄소 함량보다 낮은 탄소 함량을 포함하는 단계;
   c) 상기 단편을 냉각시킴으로써 상기 탄소 다층(1)의 형성을 중지시키는 단계;
   d) 상기 단편의 둘레에 탄소, 산소 및 질소를 트랩핑 할 수 있는 보호 장치를 배치하여 상기 단편을 상기 로에 존재하는 미량의 탄소 및 발생가능한 미량의 산소 및 질소로부터 보호하는 단계;
   e) 진공 하에 상기 로를 가열함으로써, 상기 C1층에 존재하는 탄소의 전부 또는 일부의 상기 C2층 및 C3층으로의 확산을 야기하는 단계로서, 상기 단편이 상기 보호 장치 내에 수용되어 있는 단계; 및
   f) 상기 탄소 다층에 존재하는 탄소가 상기 단편의 중심부에 도달하기 전에 상기 단편을 진공 하에 냉각함으로써 상기 단편 내 탄소의 확산을 중지시키는 단계를 포함하고,
   이에 의해 단편의 표면에는 TaC 형태의 탄탈륨이 없고, 단편의 중심부에는 탄소가 없으며, 상기 표면 및 상기 중심부 사이에 위치한 부분은 탄탈륨 및 탄소를 포함하는 단편이 얻어지는, 탄탈륨 단편 또는 탄탈륨 합금 단편의 처리 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 단계 d)는
   - 상기 단편을 밀폐된 공동(cavity) 내에 배치하는 단계로서, 상기 공동의 벽이 탄소, 산소 및 질소를 끌어당기는 재료의 것인 단계; 및
   - 불활성 가스를 사용하여 상기 공동을 배기(draining)시켜 상기 로로부터 탄소, 산소 및 질소로부터 선택되는 적어도 1종의 원자성 원소를 함유하기 쉬운 임의의 기체를 배출시키는 단계를 포함하는, 탄탈륨 단편 또는 탄탈륨 합금 단편의 처리 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 단계 a)는
   - 상기 단편을 상기 로에 도입하는 단계;
   - 상기 로를 진공하에 두는 단계; 및
   - 상기 로를 1500 내지 1700℃의 작동 온도에 도달할 때까지 서서히 가열하는 단계를 포함하는, 탄탈륨 단편 또는 탄탈륨 합금 단편의 처리 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 단계 b)는 1 내지 100 L.h^-1의 유동 속도 및 10 mbar 이하의 주입 압력으로 상기 기체 탄소 공급원을 상기 로에 주입하는 단계를 포함하는, 탄탈륨 단편 또는 탄탈륨 합금 단편의 처리 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 단계 b)의 기체 탄소 공급원의 주입은 5 mbar의 주입 압력, 20 L.h^-1의 유동 속도 및 1600℃의 온도로 가열된 로에서 이루어지는, 탄탈륨 단편 또는 탄탈륨 합금 단편의 처리 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 단계 e)는 1600℃의 온도 및 10^-2 mbar의 압력으로 상기 로를 가열하는 단계를 포함하는, 탄탈륨 단편 또는 탄탈륨 합금 단편의 처리 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 단계 b)에서 사용된 기체 탄소 공급원이 에틸렌인, 탄탈륨 단편 또는 탄탈륨 합금 단편의 처리 방법.

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