CN109983147B - 铁基合金的涂布方法及通过该方法制备的具有高硬度及低摩擦特性的产品 - Google Patents

铁基合金的涂布方法及通过该方法制备的具有高硬度及低摩擦特性的产品 Download PDF

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Abstract

本发明涉及铁基合金的涂布方法，具体涉及在铁基合金表面通过包埋渗法形成铬基涂层以后，通过利用屏幕等离子体，在所述铬基涂层上形成氮碳共渗层的方法。因此，本发明通过利用包埋渗法及屏幕等离子体来形成铬基涂层及氮碳共渗层，从而能够制备高硬度及低摩擦性优异的产品。

Description

铁基合金的涂布方法及通过该方法制备的具有高硬度及低摩 擦特性的产品
技术领域
本发明涉及铁基合金的涂布方法及通过该方法制备的具有高硬度及低摩擦特性的产品，具体涉及在铁基合金表面通过包埋渗法形成铬基涂层以后，通过屏幕等离子体(Screen Plasma)氮碳共渗法，在形成有铬基涂层的铁基合金上涂布氮碳共渗层的铁基合金的涂布方法及通过该方法制备的具有高硬度及低摩擦特性的产品。
背景技术
一般，包埋渗法(pack cementation)是一种化学气相沉积(CVD；Chemical VaporDeposition)技术，是将铁基合金及渗包混合物粉末装入到渗包内后，加热所述渗包，以涂布所述铁基合金的方法。所述渗包混合物粉末是包括如铬(Cr)、铝(Al)、硅(Si)等的反应金属、如氯化铵(NH4Cl)的活性剂及如氧化铝(Al2O3)的钝化剂的粉末。加热所述渗包时，所述反应金属及所述活性剂反应，成为气态的所述反应金属渗透到所述铁基合金表面，形成以所述反应金属为主成分的涂层。所述钝化剂在进行涂布期间防止所述铁基合金的烧结。
包埋渗法作为被长期使用的涂布方法，具有多种优点。包埋渗法简单经济，是形成紧贴力优异的涂层的涂布方法。并且，通过包埋渗法涂布的铁基合金具有如改善的硬度、耐腐蚀性、耐磨性、抗氧化性等的机械性能。此外，通过包埋渗法，对三维形状的铁基合金也可以全面形成均匀的涂层。
包埋渗法可根据反应金属的种类而被分类为渗铬(chromizing)、渗铝(aluminizing)、渗硅(siliconizing)等。关于所述渗铬，公开了授权专利第10-1384374号(发明名称：将金属烧结部件通过包埋渗法涂布的方法及经包埋渗法涂布的金属烧结部件，专利文献1)。关于所述渗铝，公开了美国公开专利第2011-0293365号(发明名称：Cementplant refractory anchor，专利文献2)。并且，关于所述渗硅，公开了美国授权专利第5275983号(发明名称：Pack mixture composition for SiC pack cementation coatingof carbonaceous substrates，专利文献3)。
另外，由于轴承、衬套等部件用于高速旋转的装置，不仅要求高硬度的表面，还要求低摩擦特性。然而，虽然铁基合金具有高硬度的表面，但是在用作轴承、衬套的材料方面具有摩擦系数高的问题。
为了解决这些问题，拟利用所述等离子体方法，对于氮及碳进行氮碳共渗，以减小铁基合金的摩擦系数。
然而，所述等离子体方法有以下问题，在铁基合金上直接发生电弧(arc)，导致铁基合金的表面受损，并由于在铁基合金表面上生成的辉光(glow)，内部温度不均匀，导致氮碳共渗层的偏差严重。
为了解决这样的问题，利用屏幕等离子体方法，使氮原子及碳原子渗透，以在铁基合金的表面上复合形成新的碳化物及氮化物，从而提高硬度并减小摩擦系数。
屏幕等离子体氮碳共渗与直接在铁基合金的表面上发生等离子体以使氮及碳渗透的方法即通常的等离子体方法不同，是在从铁基合金隔开的屏幕上发生等离子体以使氮渗透并制备氮碳共渗层的方法。
图1示出了一般的屏幕等离子体装置。所述屏幕等离子体装置具有真空室10、屏幕20、加热器30、真空泵40、阴极电源部50及加热器电源部60。参照图1说明一般的屏幕等离子体氮碳共渗。
首先，运行真空泵40，以使所述真空室10达到1×10-3Torr程度的真空压力气氛后，运行与屏幕20连接的阴极电源部50以加热屏幕，运行与加热器30连接的加热器电源部60，以加热加热器30，从而使真空室10内的温度上升到工艺温度。此时，真空室10内壁出现正(+)相对电荷，屏幕20出现负(-)相对电荷，从而在真空室10内壁与屏幕20之间产生电场。
其次，将氮气、烃气及氢气注入到真空室10内部。此时，由于真空室10内部形成为高温及真空气氛，氢气在注入到真空室10内部的瞬间，获得温度及压力的能量而等离子体化，氢等离子体及烃等离子体密集在屏幕20的周边。
氮气因离子化能量比氢气相对大，导致无法顺利地实现等离子体化。然而，已被等离子体化的氢等离子体与氮气碰撞，起到使氮等离子体能够顺利产生的作用。
所述氮及烃气等离子体渗透到位于真空室10中心部的铁基合金2，使得铁基合金氮碳共渗。
利用如上所述的屏幕等离子体装置的屏幕等离子体氮碳共渗有如下问题：为了使真空室的温度提高到工艺温度，需要利用作为附加装置的加热器加热真空室。此外，使铁基合金暴露到空气中时，在表面上自然形成铁基氧化膜，而铁基氧化膜成为抑制氮碳共渗工艺的原因，存在需要降低铁基合金的导磁性来去除铁基氧化膜的问题。
此外，由于现有的屏幕等离子体装置需要施加高电流的电源，并施以阴极(cathodic)，因辉光(glow)内氮气及烃气的反应而导致无法实施渗透型元素的高密度投入工艺，存在需要将粒子加速器或高电压投入到装置，以在铁基合金上形成渗氮化层的问题。
因此，要求对铁基合金的涂布方法进行技术开发，该涂布方法可提高铁基合金的硬度并降低摩擦系数，在控制铁基氧化膜的同时，无需附加的加热过程。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：韩国授权专利第10-1384374号
专利文献2：美国公开专利第2011-0293365号
专利文献3：美国授权专利第5275983号
发明内容
技术问题
本发明所要解决的技术问题在于提供一种铁基合金的涂布方法，其可以控制在不锈钢材料等上自然形成的Cr2O3等强力的氧化膜，同时在加热过程中无需额外的外部加热器，而是采用了利用通过极低的气体投入量及电量来形成于屏幕的辉光(glow)的加热工艺，现有的酸洗作业等只有从外部处理才能够去除所述氧化膜。具体地，其目的在于提供一种利用原子单位的氮及碳，在涂层的最外表面上赋予新的合金涂布的方法，以及通过所述方法制备的具有高硬度及低摩擦特性的产品。
本发明要解决的技术问题，不限于如上所述的技术问题，从以下描述中，本领域技术人员可以清楚地理解未提及的其他技术问题。
技术方案
为了达到与所述相同的目的，本发明的一实施例提供一种铁基合金涂布方法，其包括以下步骤：利用包埋渗法，在铁基合金表面形成铬基涂层；以及利用屏幕等离子体，在所述铬基涂层上形成氮碳共渗层。
其中，所述铁基合金可包括轴承钢或不锈钢。
其中，所述铬基涂层可包括铬(Cr)、铬(Cr)及铁(Fe)、或者铬(Cr)、铁(Fe)及钒(V)。
其中，所述利用包埋渗法，在铁基合金表面形成铬基涂层的步骤可包括：将铁基合金及渗包混合物投入到渗包(pack)内的步骤；将所述渗包装入到真空室的装入步骤；对装入到所述真空室的渗包进行加热的加热步骤；以及在所述加热步骤中保持加热期间，在所述铁基合金上形成铬基涂层的铬基涂层形成步骤；其中，所述渗包混合物包括：铬基粉末；活性剂，与所述铬基粉末反应以促进所述铬基涂层的形成；以及钝化剂，在形成所述铬基涂层的过程中，防止所述铁基合金的烧结。
其中，所述渗包混合物中的铬基粉末可包括铬(Cr)粉、铬(Cr)粉及铁(Fe)粉、或者铬(Cr)粉、铁(Fe)粉及钒(V)粉。
其中，所述渗包混合物可包括10.5重量％至52.9重量％的所述铬基粉末、0.1重量％至3重量％的所述活性剂以及47重量％至89.4重量％的所述钝化剂。
其中，所述利用屏幕等离子体，在所述铬基涂层上形成氮碳共渗层的步骤可包括：将涂布有铬基涂层的铁基合金装入到真空室，用双重屏幕覆盖所述铁基合金的步骤；将第一氢气注入到所述真空室内，以还原所述铁基合金上存在的铬基氧化膜的离子清洗步骤；将工艺电流施加到所述双重屏幕，并且将第二氢气、氮气及烃气注入到所述真空室内，以生成混合等离子体的步骤；以及使所述混合等离子体涂布在形成于铁基合金表面的铬基涂层上，以形成氮碳共渗层的步骤。
其中，所述离子清洗步骤可包括以下步骤：将第一电流施加到所述双重屏幕，以加热所述真空室；将第一氢气注入到所述真空室内；将第二电流施加到所述双重屏幕，以在所述双重屏幕的周围生成氢等离子体；以及还原并去除存在于所述铁基合金上的铬基氧化膜。
其中，所述第一电流可为3A至5A，所述第二电流可为5A至15A。
其中，所述铬基氧化膜可包括铬(Cr)、铬(Cr)及铁(Fe)、或者铬(Cr)、铁(Fe)及钒(V)。
其中，所述工艺电流可为20A至30A。
其中，所述氮气与第二氢气的含量比可为1:3至4:1。
其中，所述烃气可包括CH4或C2H2，以1sccm至10sccm的气体量并使注入区间及停止区间重复的方式进行脉冲注入。
为了达到与所述相同的目的，本发明的另一实施例提供通过铁基合金涂布方法制备的具有高硬度及低摩擦特性的产品。
其中，所述产品的硬度可为1450HV至2400HV。
其中，所述产品的摩擦系数可为0.3至0.4。
发明效果
根据具有如上所述结构的本发明，可以利用屏幕等离子体在通过包埋渗法铬化的铁基合金上制备氮碳共渗层。
此外，根据本发明，在所述屏幕等离子体中，屏幕采用双重结构，从而可以在屏幕周围以高密度形成辉光(glow)放电，即使没有加热器也可以使真空室内部充分地提高到工艺温度。
此外，根据本发明，在所述屏幕等离子体工艺中，利用离子清洗工艺，去除铁基合金上存在的铬基氧化膜，从而能够不抑制氮碳共渗工艺。
此外，根据本发明，通过铁基合金涂布方法制备的产品具有硬度在1450HV以上的硬度值，并具有摩擦系数能够降低至0.4以下的特性。
应当理解，本发明的效果不限于上述的效果，包括能够从本发明的详细说明或权利要求书中记载的发明结构推导的所有效果。
附图说明
图1是示出现有的一般屏幕等离子体装置的剖视图。
图2是示出本发明的一实施例涉及的屏幕等离子体装置的立体图。
图3是示出本发明的一实施例涉及的双重屏幕的立体图。
图4是示出本发明的一实施例涉及的形成有铬基涂层及氮碳共渗层的SUJ2的X射线衍射图谱的曲线图。
图5是示出本发明的一实施例涉及的形成有铬基涂层及渗碳层的SUJ2的X射线衍射图谱的曲线图。
图6是示出本发明的一实施例涉及的形成有铬基涂层及氮碳共渗层的SUS316的X射线衍射图谱的曲线图。
图7是示出本发明的一实施例涉及的形成有铬基涂层及渗碳层的SUS316的X射线衍射图谱的曲线图。
图8是示出本发明的一实施例涉及的制备例1(SUJ2-Cr-SPNC)的截面形状的图像。
图9是示出本发明的一实施例涉及的制备例1(SUJ2-Cr-SPNC)的元素含量随深度变化的曲线图。
图10是示出本发明的一实施例涉及的制备例2(SUJ2-Cr-Fe-SPNC)的截面形状的图像。
图11是示出本发明的一实施例涉及的制备例2(SUJ2-Cr-Fe-SPNC)的元素含量随深度变化的曲线图。
图12是示出本发明的一实施例涉及的制备例3(SUJ2-Cr-Fe-V-SPNC)的截面形状的图像。
图13是示出本发明的一实施例涉及的制备例3(SUJ2-Cr-Fe-V-SPNC)的元素含量随深度变化的曲线图。
图14是示出本发明的一实施例涉及的比较例1(SUJ2-Cr-SPC)的截面形状的图像。
图15是示出本发明的一实施例涉及的比较例1(SUJ2-Cr-SPC)的元素含量随深度变化的曲线图。
图16是示出本发明的一实施例涉及的比较例4(SUJ2-Cr-Fe-SPC)的截面形状的图像。
图17是示出本发明的一实施例涉及的比较例4(SUJ2-Cr-Fe-SPC)的元素含量随深度变化的曲线图。
图18是示出本发明的一实施例涉及的比较例5(SUJ2-Cr-Fe-V-SPC)截面形状的图像。
图19是示出本发明的一实施例涉及的比较例5(SUJ2-Cr-Fe-V-SPC)的元素含量随深度变化的曲线图。
图20是示出本发明的一实施例涉及的制备例4(SUS316-Cr-SPNC)的截面形状的图像。
图21是示出本发明的一实施例涉及的制备例4(SUS316-Cr-SPNC)的元素含量随深度变化的曲线图。
图22是示出本发明的一实施例涉及的制备例5(SUS316-Cr-Fe-SPNC)的截面形状的图像。
图23是示出本发明的一实施例涉及的制备例5(SUS316-Cr-Fe-SPNC)的元素含量随深度变化的曲线图。
图24是示出本发明的一实施例涉及的制备例6(SUS316-Cr-Fe-V-SPNC)的截面形状的图像。
图25是示出本发明的一实施例涉及的制备例6(SUS316-Cr-Fe-V-SPNC)的元素含量随深度变化的曲线图。
图26是示出本发明的一实施例涉及的比较例6(SUS316-Cr-SPC)的截面形状的图像。
图27是示出本发明的一实施例涉及的比较例6(SUS316-Cr-SPC)的元素含量随深度变化的曲线图。
图28是示出本发明的一实施例涉及的比较例7(SUS316-Cr-Fe-SPC)的截面形状的图像。
图29是示出本发明的一实施例涉及的比较例7(SUS316-Cr-Fe-SPC)的元素含量随深度变化的曲线图。
图30是示出本发明的一实施例涉及的比较例8(SUS316-Cr-Fe-V-SPC)的截面形状的图像。
图31是示出本发明的一实施例涉及的比较例8(SUS316-Cr-Fe-V-SPC)的元素含量随深度变化的曲线图。
图32是本发明的一实施例涉及的测量制备例1(SUJ2-Cr-SPNC)的摩擦系数的曲线图。
图33是本发明的一实施例涉及的测量制备例2(SUJ2-Cr-Fe-SPNC)的摩擦系数的曲线图。
图34是本发明的一实施例涉及的测量制备例3(SUJ2-Cr-Fe-V-SPNC)的摩擦系数的曲线图。
图35是本发明的一实施例涉及的测量比较例1(SUJ2-Cr-SPC)的摩擦系数的曲线图。
图36是本发明的一实施例涉及的测量比较例4(SUJ2-Cr-Fe-SPC)的摩擦系数的曲线图。
图37是本发明的一实施例涉及的测量比较例5(SUJ2-Cr-Fe-V-SPC)的摩擦系数的曲线图。
图38是本发明的一实施例涉及的测量比较例2(SUJ2-SPNC)的摩擦系数的曲线图。
图39是本发明的一实施例涉及的测量比较例3(SUJ2-SPC)的摩擦系数的曲线图。
图40是本发明的一实施例涉及的测量制备例4(SUS316-Cr-SPNC)的摩擦系数的曲线图。
图41是本发明的一实施例涉及的测量制备例5(SUS316-Cr-Fe-SPNC)的摩擦系数的曲线图。
图42是本发明的一实施例涉及的测量制备例6(SUS316-Cr-Fe-V-SPNC)的摩擦系数的曲线图。
图43是本发明的一实施例涉及的测量比较例6(SUS316-Cr-SPC)的摩擦系数的曲线图。
图44是本发明的一实施例涉及的测量比较例7(SUS316-Cr-Fe-SPC)的摩擦系数的曲线图。
图45是本发明的一实施例涉及的测量比较例8(SUS316-Cr-Fe-V-SPC)的摩擦系数的曲线图。
附图标记：
1：屏幕等离子体装置
10：真空室
20：屏幕
30：加热器
40：真空泵
50：阴极电源部
60：加热器电源部
70：双重屏幕
71：外筒
72：内筒
2：铁基合金
具体实施方式
以下，将参照附图说明本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，因此不应该被解释为限于这里说明的实施例。并且，为了在附图中明确说明本发明，省略与说明无关的部分，在整个说明书中，对于相似的部分使用相似的附图标记。
本申请中使用的术语只是为了说明特定的实施例而使用，并非旨在限定本发明。当提及第一构成要素“连接(接续、接触、接触)”到第二构成要素时，其表示第一构成要素“直接连接”到所述第二构成要素，或者通过第三构成要素“间接连接”到所述第二构成要素。除非上下文另有明确规定，否则单数的表达包括复数的表达。此外，应当理解“包括”或“具有”等术语表示存在说明书中所记载的特征、数字、步骤、操作、构成要素、部件或其组合，并非表示排除一个或其以上的其他特征、数字、步骤、操作、构成要素、部件或其组合的存在或附加可能性。
本申请中使用的术语只是为了说明特定的实施例而使用，并非旨在限定本发明。除非上下文另有明确规定，否则单数的表达包括复数的表达。在本申请中，应当理解“包括”或“具有”等术语用于指定存在说明书中所记载的特征、数字、步骤、操作、构成要素、部件或其组合，并非预先排除一个或其以上的其他特征、数字、步骤、操作、构成要素、部件或其组合的存在或附加可能性。
以下，将参照附图对实施例进行详细说明。
以下，将对铁基合金涂布方法进行说明。
本发明的实施例中，铁基合金涂布方法可以包括以下步骤：利用包埋渗法，在铁基合金表面形成铬基涂层；以及利用屏幕等离子体，在所述铬基涂层上形成氮碳共渗层。
首先，利用包埋渗法，在铁基合金表面形成铬基涂层。
本发明的实施例中，利用包埋渗法，在铁基合金表面形成铬基涂层的方法包括：将铁基合金及渗包混合物投入到渗包(pack)内的步骤；将所述渗包装入到真空室的装入步骤；对装入到所述真空室的渗包进行加热的加热步骤；以及在所述加热步骤中保持加热期间，在所述铁基合金上形成铬基涂层的铬基涂层形成步骤。
为了通过包埋渗法，在铁基合金表面形成铬基涂层，首先将铁基合金及渗包混合物投入到渗包(pack)。
包埋渗法将待处理的金属部件放入渗包混合物内，在高温下加热规定时间，从而能够在金属部件上形成表面层的同时，在金属部件的表面层上获得扩散涂层的涂层制备方法。
本发明的包埋渗法可以作为用于在铁基合金表面上形成铬基涂层的方法使用。
本发明的实施例中，所述铁基合金可以包括轴承钢或不锈钢，但不限于此。
轴承钢是高碳铬特殊钢，不锈钢是为了弥补铁的耐腐蚀性而含有镍及铬等的合金钢。
例如，本发明的铁基合金可以是SUJ2轴承钢或SUS316不锈钢。
本发明的实施例中，所述渗包混合物包括铬基粉末、活性剂以及钝化剂。
本发明的实施例中，所述渗包混合物中的铬基粉末包括铬(Cr)粉、铬(Cr)粉及铁(Fe)粉、或者铬(Cr)粉、铁(Fe)粉及钒(V)粉。
通常，由于铬金属显示硬度、耐腐蚀性及润滑性优异的特性，本发明的所述铬基粉末在制备铬基涂层时作为反应物使用，可以具有能够提高铁基合金的硬度、耐腐蚀性及润滑性的效果。
此外，本发明中，所述活性剂可以在与将要形成铬基涂层的铬粉反应的同时，有助于形成铬基涂层，可以包括卤盐。具体地，所述卤盐可以包括四氟硼酸钾(KBF4)、氯化铵(NH4Cl)、氟化铵(NH4F)、氟化钠(NaF)或氯化钠(NaCl)，但不限于此。
例如，本发明的活性剂可以是四氟硼酸钾(KBF4)。
此外，本发明的钝化剂可以防止在形成铬基涂层的过程中铁基合金的烧结。具体地，所述钝化剂可以包括氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)或氧化铬(Cr2O3)，但不限于此。
例如，本发明的钝化剂可以是氧化铝(Al2O3)。
本发明的实施例中，所述渗包混合物可以包括10.5重量％至52.9重量％的所述铬基粉末、0.1重量％至3重量％的所述活性剂及47重量％至89.4重量％的所述钝化剂，但不限于此。
其中，所述铬基粉末的含量可以包括所述渗包混合物的总含量的10.5重量％至52.9重量％。在铬基粉末的含量不到10.5重量％的情况下，铬基涂层形成得过于薄，或铬基涂层的硬度值可能未达到目标值，因此不是优选的。相反，当铬基粉末的含量超过52.9重量％时，在铬基粉末与钝化剂凝结成团的同时，铁基合金的表面添加有不必要的物质，因此，由于铁基合金可能出现过多的气孔，从而不是优选的。
例如，本发明的铬金属粉末的含量可以是30重量％。
并且，所述活性剂的含量可以包括所述渗包混合物的总含量的0.1重量％至3重量％。当活性剂的含量不到0.1重量％或超过3重量％时，考虑到如上所述的铬基粉末的含量时，形成不均匀的铬基涂层或铬基涂层内部发生斑痕，从而可能产生铬基涂层的机械性能下降的问题，因此不是优选的。
例如，本发明的活性剂的含量可以是1重量％。
此外，所述钝化剂的含量可以包括所述渗包混合物的总含量的47重量％至89.4重量％。当钝化剂的含量不到47重量％时，将要形成铬基涂层的铬的渗透及扩散可能达不到所需的程度，当钝化剂的含量超过89.4重量％时，铬基涂层的形成变慢，铬基涂层的机械性能可能达不到目标值，因此不是优选的。
例如，本发明的钝化剂的含量可以是69重量％。
其次，将所述渗包装入到真空室后，对装入到所述真空室的渗包进行加热。
再次，在保持所述加热过程的期间，在所述铁基合金上形成铬基涂层。
本发明中，在保持加热温度的期间，构成渗包混合物的成分中的铬基粉末可与活性剂反应，以形成铬基卤素化合物气体，所述铬基卤素化合物气体可吸附于铁基合金的表面，并且在向所述铁基合金的内部渗透及扩散的同时，形成铬基涂层。
本发明中，利用包埋渗法，在铁基合金表面上形成铬基涂层之后，利用屏幕等离子体，在所述铬基涂层上形成氮碳共渗层。
图2是示出本发明的一实施例涉及的屏幕等离子体装置的剖视图。所述屏幕等离子体装置具有真空室10、双重屏幕70、真空泵40以及阴极电源部50。参照图2说明本发明的屏幕等离子体的氮碳共渗。
本发明的实施例中，利用屏幕等离子体，在所述铬基涂层上形成氮碳共渗层的方法可包括：将涂布有铬基涂层的铁基合金2装入到真空室10，用双重屏幕70覆盖所述铁基合金2的步骤；将第一氢气注入到所述真空室10内，以还原所述铁基合金2上存在的铬基氧化膜的离子清洗步骤；将工艺电流施加到所述双重屏幕70，并且将第二氢气、氮气及烃气注入到所述真空室10内，以生成混合等离子体的步骤；以及使所述混合等离子体涂布在形成于铁基合金2表面的铬基涂层上，以形成氮碳共渗层的步骤。
首先，将涂布有铬基涂层的铁基合金2装入到真空室10，用双重屏幕70覆盖所述铁基合金2以后，运行真空泵40，将真空室10内部的气氛形成为1×10-3Torr至1×10-1Torr的真空度。此时，真空室10内壁出现正(+)相对电荷，双重屏幕70出现负(-)相对电荷，从而在真空室10内壁与双重屏幕70之间产生电场。
在真空室10的真空度不到1×10-1Torr的情况下，难以充分去除真空室10内的不纯物，因此不是优选的，并由于即使将真空气氛形成为1×10-3Torr，也能充分去除不纯物，因此在工艺上无需将真空气氛形成为超过1×10-3Torr，因此不是优选的。
本发明的实施例中，在通过包埋渗法将涂布有铬基涂层的铁基合金2装入到真空室10以后，用双重屏幕70覆盖所述铁基合金2。
图3是示出本发明的一实施例涉及的双重屏幕70的立体图。
参照图3，双重屏幕70作为在屏幕等离子体工艺中使用的屏幕，由外筒71及内筒72构成，并具有下部开放的圆筒形结构。
本发明的实施例中，双重屏幕70可在真空室10内发挥用于发生辉光(glow)放电的电极作用。
其次，将第一氢气注入到所述真空室10内，以还原所述铁基合金2上存在的铬基氧化膜，将该过程称为离子清洗。
所述离子清洗方法可包括以下步骤：将第一电流施加到所述双重屏幕70，以加热所述真空室10；将第一氢气注入到所述真空室10内；将第二电流施加到所述双重屏幕70，以在所述双重屏幕70的周围生成氢等离子体；以及还原并去除存在于所述铁基合金2上的铬基氧化膜。
首先，将第一电流施加到双重屏幕70时，真空室10的内部温度上升至100℃。
本发明的实施例中，若施加第一电流以将真空室10预热至100℃，则可防止在利用在屏幕之间发生的高密度的辉光(glow)使真空室10从低温到高温发生温度变化时由热膨胀引起的龟裂，并且可在燃烧位于所述真空室10内部的碳的同时，排出氧气及水分。
本发明的实施例中，所述第一电流为3A至5A。将第一电流施加到所述双重屏幕70，以使真空室10的内部温度加热至100℃的第一电流的强度优选为3A至5A。
例如，第一电流可以是5A。
其次，将第一氢气注入到所述真空室10内。
本发明的第一氢气可以是用于发生氢等离子体的气体源。
再次，将第二电流施加到所述双重屏幕70，以在所述双重屏幕20的周围生成氢等离子体。
本发明的实施例中，若将第二电流施加到所述双重屏幕70，则在双重屏幕70的外筒71及内筒72之间发生辉光(glow)放电，从而能够使所述氢等离子体收集于双重屏幕70的外筒71及内筒72之间存在的空间(S)。因此，氢等离子体的密度可以比单一的屏幕等离子体装置的密度更高地形成。因此，无需额外的外部加热器，就可以利用通过极低的气体投入量及电量来形成于屏幕的辉光(glow)，进行将真空室10的温度提升至工艺温度的加热过程。
例如，氢等离子体可以包括含有Hα、Hβ或Hγ的氢等离子体形态。
本发明的实施例中，所述第二电流为5A至15A。将第二电流施加到所述双重屏幕70，以使真空室10的内部温度加热至250℃，从而能够氢等离子体的第二电流的强度优选为5A至15A。
例如，第一电流可以是15A。
本发明的实施例中，所述氢等离子体可以通过基于真空泵的力量，位于真空室的中心部。
其次，还原并去除存在于所述铁基合金2上的铬基氧化膜。
本发明中，通过包埋渗法涂布有铬基涂层的铁基合金2，在装入到真空室10以前与外部空气接触时，有可能在其表面形成铬基氧化膜。
所述铬基氧化膜有可能成为抑制氮碳共渗工艺的原因，铁基合金的耐腐蚀性有可能变好，但是具有降低导磁性的缺点。因此，本发明中，位于真空室10的中心部的氢等离子体可与所述铬基氧化膜反应，以还原去除铬基氧化膜。
本发明的实施例中，所述铬基氧化膜可以包括铬(Cr)、铬(Cr)及铁(Fe)、或者铬(Cr)、铁(Fe)及钒(V)，但不限于此。
本发明的离子清洗工艺以后，将工艺电流施加到双重屏幕70，并且将第二氢气、氮气及烃气注入到真空室10内，以生成混合等离子体。
例如，所述混合等离子体可以是氮等离子体，氢等离子体及烃等离子体。
本发明的实施例中，所述工艺电流可以是20A至30A。将工艺电流施加到所述双重屏幕70以使真空室10的内部温度加热至450℃至550℃，从而能够发生所述混合等离子体的工艺电流的强度优选为20A至30A。
本发明中，将第二氢气及烃气注入到所述真空室10内时，由于真空室10内部形成为高温及真空气氛，第二氢气及烃气在注入到真空室10的瞬间，获得温度及压力的能量而等离子体化，氢等离子体及烃等离子体密集在双重屏幕70的周边。
所述烃气包括CH4或C2H2，以1sccm至10sccm的气体量并使注入区间及停止区间重复的方式进行脉冲注入。
本发明的实施例中，将所述烃气进行脉冲注入，从而可以提高烃气的离子化率，并且能够以比相同的时间段更深的深度形成碳及氮的扩散层。
例如，氢等离子体可以包括含有Hα、Hβ或Hγ的氢等离子体形态，烃气能够以注入区间2秒、停止区间5秒重复的方式进行脉冲注入。
本发明中，氮气因离子化能量比氢气相对大，导致无法顺利地实现等离子体化。然而，已被等离子体化的氢等离子体与氮气碰撞，起到能够使氮等离子体顺利产生的作用。氢等离子体可以提高氮等离子体的流动性。
例如，本发明的氮等离子体可以包括含有N+、N、N2 +或NH3的氮形态。
本发明的实施例中，所述氮气与氢气的含量比可以是1:3至4:1。更优选地，在铁基合金为轴承钢的情况下，氮气与氢气的含量比优选为1:3至1:2，为不锈钢的情况下，氮气与氢气的含量比优选为1:1至4:1。
在所述轴承钢中，由于与所述不锈钢相比，氮更加难以扩散到母材，优选提高氢气的含量，以提高氮等离子体的流动性，从而诱导氮的扩散。因此，优选氮气与氢气的含量比为1:3至1:2，即氢气的含量比氮的含量更高。此外，所述不锈钢作为有利于含有氮的铁基合金，为了以更高密度实施氮的扩散，优选氮气与氢气的含量比为1:1至4:1，即氮的含量比氢气的含量更高。
最后，使所述混合等离子体涂布在形成于铁基合金2表面的铬基涂层上，以形成氮碳共渗层。
本发明的实施例中，所述氮等离子体及烃等离子体通过真空泵40的影响力而位于真空室10的中心部，所述氮等离子体及烃等离子体向真空泵40吸入气体的方向移动，并渗透到位于真空室10中心部的涂布有铬基涂层的铁基合金2，从而能够在所述铁基合金2的表面上形成氮碳共渗层。
以下，将对通过铁基合金的涂布方法涂布的具有高硬度及低摩擦特性的产品进行说明。
本发明的实施例中，所述产品的硬度可以是1450HV至2400HV。
通常的铁基合金的硬度为800HV程度，本发明能够用包埋渗法及屏幕等离子体工艺来提高铁基合金的硬度。因此，以通过所述工艺制备的铁基合金为基材的产品的硬度可以是1450HV至2400HV。
本发明的实施例中，所述产品的摩擦系数可以是0.3至0.4。
本发明能够利用包埋渗法及屏幕等离子体工艺来降低铁基合金的摩擦系数。因此，将通过所述以工艺制备的铁基合金作为基材的产品的摩擦系数可以是0.3至0.4。
以下，将描述本发明的制备例及实验例。然而，这些制备例及实验例用于更具体地说明本发明的结构及效果，本发明的范围不限于此。
[制备例1]
在轴承钢(SUJ2)铁基合金上形成铬(Cr)涂层后，在所述涂层上涂布有氮碳共渗(SPNC；Screen Plasma Nitro-carburizing)层的铁基合金(SUJ2-Cr-SPNC)的制备
1-1.利用包埋渗法的铬涂层的制备
准备SUJ2作为铁基材料后，制备包括30重量％的铬粉、1重量％的四氟硼酸钾及69重量％的氧化铝的渗包混合物。然后，将SUJ2及渗包混合物投入到渗包，将渗包装入到真空室后，使真空室内部以1Torr的真空度真空化。然后，向真空室内部提供三次氩气来实施换气，并降低所提供的氩气的流量，从而使真空室内部保持为1个大气压。然后，将真空室内部的温度在设定为950℃的状态下保持10小时，以制备铬涂层。
1-2.利用屏幕等离子体，在制备有铬涂层的SUJ2上制备氮碳共渗层
将制备有所述铬涂层的SUJ2装入到真空室后，用双重屏幕覆盖被装入的SUJ2，将所述真空室内的真空度以5×10-3Torr水平保持30分钟。之后，将第一氢气以500sccm投入到真空室，以使真空度保持为0.1Torr。然后，将5A的电流施加到屏幕，进行预热，以便防止当利用发生在屏幕之间的高密度的辉光(glow)使真空室的温度从低温到高温发生温度变化时由热膨胀引起的龟裂。然后，施加15A的电流30分钟，以使真空室内部的温度上升到250℃。将20A的电流连续地施加到真空室，以使真空室内部的温度上升到450℃之后，在施加相同的电流的状态下，将氮气和第二氢气分别以250sccm、350sccm投入1小时。将烃气以5sccm注入2秒后停止5秒的间隔进行脉冲注入的过程实施1小时，从而在制备有铬涂层的SUJ2上制备氮碳共渗层。
[制备例2]
在轴承钢铁基合金上形成铬-铁(Cr-Fe)涂层后，在所述涂层上涂布有氮碳共渗层的铁基合金(SUJ2-Cr-Fe-SPNC)的制备
在所述制备例1中，除了使用铬粉及铁粉以替代铬粉以外，以相同的条件实施，从而在制备有铬-铁涂层的SUJ2上制备氮碳共渗层。
[制备例3]
在轴承钢铁基合金上形成铬-铁-钒(Cr-Fe-V)涂层后，在所述涂层上涂布有氮碳共渗层的铁基合金(SUJ2-Cr-Fe-V-SPNC)的制备
在所述制备例1中，除了使用铬粉、铁粉及钒粉以替代铬粉以外，以相同的条件实施，从而在制备有铬-铁-钒涂层的SUJ2上制备氮碳共渗层。
[制备例4]
在不锈钢(SUS316)铁基合金上形成铬涂层后，在所述涂层上涂布有氮碳共渗层的铁基合金(SUS316-Cr-SPNC)的制备
在所述制备例1中，除了使用不锈钢以替代轴承钢以外，以相同的条件实施，从而在制备有铬涂层的SUS316上制备氮碳共渗层。
[制备例5]
在不锈钢铁基合金上形成铬-铁涂层后，在所述涂层上涂布有氮碳共渗层的铁基合金(SUS316-Cr-Fe-SPNC)的制备
在制备例1中，除了使用不锈钢以替代轴承钢，并且使用铬粉及铁粉以替代铬粉以外，以相同的条件实施，从而在制备有铬-铁涂层的SUS316上制备氮碳共渗层。
[制备例6]
在不锈钢铁基合金上形成铬-铁-钒涂层后，在所述涂层上涂布有氮碳共渗层的铁基合金(SUS316-Cr-Fe-V-SPNC)的制备
在所述制备例1中，除了使用不锈钢以替代轴承钢，并且使用铬粉、铁粉及钒粉以替代铬粉以外，以相同的条件实施，从而在制备有铬-铁-钒涂层的SUS316上制备氮碳共渗层。
[比较例1]
在轴承钢铁基合金上形成铬涂层后，在所述涂层上涂布有渗碳(SPNC，ScreenPlasma Carburizing)层的铁基合金(SUJ2-Cr-SPC)的制备
在所述制备例1中，除了不使用氮气，而是持续注入烃气以外，以相同的条件实施，从而在制备有铬涂层的SUJ2上制备渗碳层。
[比较例2]
在轴承钢铁基合金上涂布有氮碳共渗的铁基合金(SUJ2-SPNC)的制备
在所述制备例1中，除了不实施包埋渗法以外，以相同的条件实施，从而在SUJ2上制备氮碳共渗层。
[比较例3]
在轴承钢铁基合金上涂布有渗碳层的铁基合金(SUJ2-SPC)的制备
在所述制备例1中，除了不实施包埋渗法，并且在利用屏幕等离子体时不使用氮气，而是持续注入烃气以外，以相同的条件实施，从而在SUJ2上制备渗碳层。
[比较例4]
在轴承钢铁基合金上形成铬-铁涂层后，在所述涂层上涂布有渗碳层的铁基合金(SUJ2-Cr-Fe-SPC)的制备
在所述制备例2中，除了不使用氮气，而是持续注入烃气以外，以相同的条件实施，从而在制备有铬-铁涂层的SUJ2上制备渗碳层。
[比较例5]
在轴承钢铁基合金上形成铬-铁-钒涂层后，在所述涂层上涂布有渗碳层的铁基合金(SUJ2-Cr-Fe-V-SPC)的制备
在所述制备例3中，除了不使用氮气，而是持续注入烃气以外，以相同的条件实施，从而在制备有铬-铁-钒涂层的SUJ2上制备渗碳层。
[比较例6]
在不锈钢铁基合金上形成铬涂层后，在所述涂层上涂布有渗碳层的铁基合金(SUS316-Cr-SPC)的制备
在所述制备例4中，除了不使用氮气，而是持续注入烃气以外，以相同的条件实施，从而在制备有铬涂层的SUS316上制备渗碳层。
[比较例7]
在不锈钢铁基合金上形成铬-铁涂层后，在所述涂层上涂布有渗碳层的铁基合金(SUS316-Cr-Fe-SPC)的制备
在所述制备例5中，除了不使用氮气，而是持续注入烃气以外，以相同的条件实施，从而在制备有铬-铁涂层的SUS316上制备渗碳层。
[比较例8]
在不锈钢铁基合金上形成铬-铁-钒涂层后，在所述涂层上涂布有渗碳层的铁基合金(SUS316-Cr-Fe-SPC)的制备
在所述制备例6中，除了不使用氮气，而是持续注入烃气以外，以相同的条件实施，从而在制备有铬-铁-钒涂层的SUS316上制备渗碳层。
[实验例1]
SUJ2-铬基涂层-SPNC及SUJ2-铬基涂层-SPC的结晶结构分析
为了确认通过包埋渗法及屏幕等离子体制备的存在有涂层的SUJ2的结晶结构，实施X射线衍射分析。
图4是在通过包埋渗法涂布有铬基涂层的SUJ2上涂布氮碳共渗层的制备例1(SUJ2-Cr-SPNC)、制备例2(SUJ2-Cr-Fe-SPNC)及制备例3(SUJ2-Cr-Fe-V-SPNC)的X射线衍射图谱。此外，图5是在通过包埋渗法涂布有铬基涂层的SUJ2上涂布渗碳层的比较例1(SUJ2-Cr-SPC)、比较例4(SUJ2-Cr-Fe-SPC)及比较例5(SUJ2-Cr-Fe-V-SPC)的X射线衍射图谱。
参照图4至图5，确认了通过屏幕等离子体形成有氮碳共渗层的SUJ2显示出与形成有渗碳层的SUJ2不同的结晶结构，并且根据用于通过包埋渗法制备涂层的铬基物质，显示出不同的结晶结构。其结果，可判断出，能够利用包埋渗法及屏幕等离子体以多种方式制备所需的结晶相。此外，可判断出，作为用于在SUJ2上制备涂层的工艺，能够一同实施包埋渗法及屏幕等离子体。
[实验例2]
SUS316-铬基涂层-SPNC及SUS316-铬基涂层-SPC的结晶结构分析
为了确认通过包埋渗法及屏幕等离子体制备的存在有涂层的SUS316的结晶结构，实施X射线衍射分析。
图6是在通过包埋渗法涂布有铬基涂层的SUS316上涂布氮碳共渗层的制备例4(SUS316-Cr-SPNC)、制备例5(SUS316-Cr-Fe-SPNC)及制备例6(SUS316-Cr-Fe-V-SPNC)的X射线衍射图谱案。此外，图7是在通过包埋渗法涂布有铬基涂层的SUS316上涂布渗碳层的比较例6(SUS316-Cr-SPC)、比较例7(SUS316-Cr-Fe-SPC)及比较例8(SUS316-Cr-Fe-V-SPC)的X射线衍射图谱案。
参照图6至图7，确认了通过屏幕等离子体形成有氮碳共渗层的SUS316显示出与形成有渗碳层的SUS316不同的结晶结构，并且根据用于通过包埋渗法制备涂层的铬基物质，显示出不同的结晶结构。其结果，可判断出，能够利用包埋渗法及屏幕等离子体以多种方式制备所需的结晶相。此外，可判断出，作为用于在SUS316上制备涂层的工艺，能够一同实施包埋渗法及屏幕等离子体。
[实验例3]
通过包埋渗法及屏幕等离子体制备的包括涂层的SUJ2的截面形状及涂层的元素含量的分析
为了分析形成有涂层的SUJ2的截面形状及随深度变化的元素含量，安装(mounting)包括涂层的SUJ2后，用盐酸蚀刻，以制备漏出截面的样品。使用光学显微镜(Optical Microscope)，分析所述样品的截面形状，通过辉光放电分光分析法(GlowDischarge Optical Emission Spectrometry，GD-OES)来实施元素含量分析。
图8是示出制备例1(SUJ2-Cr-SPNC)的截面形状的图像，图9是示出制备例1(SUJ2-Cr-SPNC)的元素含量随深度变化的曲线图，此外，图10是示出制备例2(SUJ2-Cr-Fe-SPNC)的截面形状的图像，图11是示出制备例2(SUJ2-Cr-Fe-SPNC)的元素含量随深度变化的曲线图。此外，图12是示出制备例3(SUJ2-Cr-Fe-V-SPNC)的截面形状的图像，图13是示出制备例3(SUJ2-Cr-Fe-V-SPNC)的元素含量随深度变化的曲线图。
参照图8至图13，确认了在存在有铬涂层及氮碳共渗层的制备例1的最外表面上存在的氮、碳及铬元素的含量为5重量％以上，并且确认了铬涂层的厚度约为5μm。此外，确认了在SUJ2上涂布的涂层均匀地形成。在通过包埋渗法形成的铬基涂层中含有铁(Fe)的制备例2及制备例3中，确认了在SUJ2的最外表面上存在的铁(Fe)的含量为85重量％以上，但是其厚度很薄，并且还存在5重量％左右的氮及碳元素。确认了从距离制备例2及制备例3的涂层的最外表面的1μm深度处起，铬元素的量大于其他元素，并且铬涂层以30μm以上存在。此外，确认了制备例3中钒涂层以25μm以上存在。
图14是示出比较例1(SUJ2-Cr-SPC)的截面形状的图像，图15是示出比较例1(SUJ2-Cr-SPC)的元素含量随深度变化的曲线图。此外，图16是示出比较例4(SUJ2-Cr-Fe-SPC)的截面形状的图像，图17是示出比较例4(SUJ2-Cr-Fe-SPC)的元素含量随深度变化的曲线图。此外，图18是示出比较例5(SUJ2-Cr-Fe-V-SPC)截面形状的图像，图19是示出比较例5(SUJ2-Cr-Fe-V-SPC)的涂层的元素含量的曲线图。
参照图8至图19，通过屏幕等离子体形成有氮碳共渗层的SUJ2及形成有渗碳层的SUJ2的截面形状被确认为相似。此外，制备例1及比较例1或制备例2及比较例4的涂层的元素含量被确认为除了碳以外相似。只是，比较例5与制备例3相比，铬及钒的元素存在于涂层的更深的位置，其深度被确认为35μm以上。
以这样的结果为基础，可判断出，在包埋渗法中，当混合铬及铁、或者铬、铁及钒作为铬基物质进行涂布时，被渗铬的SUJ2的深度变得更深，并且通过屏幕等离子体形成的氮碳共渗层或渗碳层的厚度约为1μm。
[实验例4]
通过包埋渗法及屏幕等离子体制备的包括涂层的SUS316的截面形状及涂层的元素含量分析
为了分析形成有涂层的SUS316的截面形状及随深度变化的元素含量，安装包括涂层的SUS316后，用王水蚀刻，以制备露出截面的样品。使用光学显微镜(OpticalMicroscope)，分析所述样品的截面形状，通过辉光放电分光分析法(Glow DischargeOptical Emission Spectrometry，GD-OES)来实施元素含量分析。
图20是示出制备例4(SUS316-Cr-SPNC)的截面形状的图像，图21是示出制备例4(SUS316-Cr-SPNC)的元素含量随深度变化的曲线图。此外，图22是示出制备例5(SUS316-Cr-Fe-SPNC)的截面形状的图像，图23是示出制备例5(SUS316-Cr-Fe-SPNC)的元素含量随深度变化的曲线图。此外，图24是示出制备例6(SUS316-Cr-Fe-V-SPNC)的截面形状的图像，图25是示出制备例6(SUS316-Cr-Fe-V-SPNC)的元素含量随深度变化的曲线图。
参照图20至图25，确认了在存在有制备例4的铬涂层及氮碳共渗层的制备例4的最外表面上存在的铬元素的含量为20重量％以上，并且确认了铬涂层的厚度为60μm以上。此外，确认了在SUS316上涂布的涂层均匀地形成。在通过包埋渗法形成的铬基涂层中含有铁(Fe)的制备例5中，确认了在SUS316的最外表面上存在的铁(Fe)的含量为90重量％以上，但是其厚度很薄，并且还存在5重量％的氮及碳元素。确认了从距离制备例5的涂层的最外表面的1μm的深度处起，铬元素的量大于其他元素，并且铬涂层以60μm以上存在。此外，确认了制备例5中的钒涂层在最外表面中存在70重量％以上，并且从距离制备例5的涂层的最外表面的10μm深度处起，形成有元素含量均匀的涂层。
图26是示出比较例6(SUS316-Cr-SPC)的截面形状的图像，图27是示出比较例6的涂层的元素含量的曲线图。此外，图28是示出比较例7(SUS316-Cr-Fe-SPC)的截面形状的图像，图29是示出比较例7的元素含量的曲线图。此外，图30是示出比较例8(SUS316-Cr-Fe-V-SPC)的截面形状的图像，图31是示出比较例8的涂层的元素含量的曲线图。
参照图20至图31，通过屏幕等离子体形成有氮碳共渗层或渗碳层的SUS316的截面形状被确认为相似。此外，制备例4及比较例6、制备例5及比较例7或制备例6及比较例8的涂层的元素含量被确认为除了碳以外相似。
以这样的结果为基础，可判断出，在包埋渗法中，当混合铬及铁、或者铬、铁及钒作为铬基物质进行涂布时，被渗铬的SUS316的深度变得更深，并且通过屏幕等离子体形成的氮碳共渗层或渗碳层的厚度约为1μm。
[实验例5]
通过包埋渗法及屏幕等离子体制备的包括涂层的SUJ2的摩擦系数分析
关于涂层的摩擦系数，采用了用于测量产品与高硬度轴承球的相对摩擦系数的球盘(Ball-on-Disk)法。球盘(Ball-on-Disk)法是，使用6mm直径的STB 2球(ball)，并以10mm/sec的线速度、1N的负载进行驱动，此时在恒温恒湿室中测量摩擦系数以保持相对湿度为50％的磨损条件的方法。
图32是测量制备例1(SUJ2-Cr-SPNC)的摩擦系数的曲线图，图33是测量制备例2(SUJ2-Cr-Fe-SPNC)的摩擦系数的曲线图，图34是测量制备例3(SUJ2-Cr-Fe-V-SPNC)的摩擦系数的曲线图。图35是测量比较例1(SUJ2-Cr-SPC)的摩擦系数的曲线图，图36是测量比较例4(SUJ2-Cr-Fe-SPC)的摩擦系数的曲线图，图37是测量比较例5(SUJ2-Cr-Fe-V-SPC)的摩擦系数的曲线图。
参照图32至图37，存在有铬涂层及氮碳共渗层的制备例1的摩擦系数为0.5，存在有铬涂层及渗碳层的比较例2的摩擦系数为0.6。此外，存在有铬-铁涂层及氮碳共渗层的制备例2的摩擦系数为0.6，存在有铬-铁涂层及渗碳层的比较例4的摩擦系数为0.7。此外，存在有铬-铁-钒涂层及氮碳共渗层的制备例3的摩擦系数为0.4，存在有铬-铁-钒涂层及渗碳层的比较例5的摩擦系数为0.6。
其结果，确认了形成有铬-铁-钒涂层及氮碳共渗层的制备例3的摩擦系数显示出比制备例1及制备例2的更小的值。此外，确认了形成有氮碳共渗层的制备例1、制备例2及制备例3显示出比形成有除氮以外的渗碳层的比较例1、比较例4及比较例5摩擦系数更小的值。可根据这样的结果判断出，在包埋渗法中，当混合铬及铁、或者铬、铁及钒作为铬基物质进行涂布时，摩擦系数变低。特别是，可判断出，在屏幕等离子体中，通过使氮及碳均渗透而形成有氮碳共渗层的SUJ2与通过仅使碳渗透而形成有渗碳层的SUJ2相比，摩擦系数变小，为了降低SUJ2的摩擦系数，优选通过使氮及碳均渗透到SUJ2而形成氮碳共渗层。
图38是不实施包埋渗法，用屏幕等离子体测量形成有氮碳共渗层的比较例2(SUJ2-SPNC)的摩擦系数的曲线图，图39是不实施包埋渗法，用屏幕等离子体测量形成有渗碳层的比较例3(SUJ2-SPC)的摩擦系数的曲线图。
参照图32及图38至图39，不实施包埋渗法，用屏幕等离子体形成氮碳共渗层的比较例2的摩擦系数为0.6，此外，形成有除了氮的渗碳层的比较例3的摩擦系数为0.6。
这种结果，只实施屏幕等离子体，形成有氮碳共渗层或渗碳层的SUJ2可以判断为比包埋渗法及屏幕等离子体都实施的SUJ2摩擦系数高。这样的结果SUJ2可以判断为为了使摩擦系数降低，优选地将包埋渗法及屏幕等离子体全实施。
[实验例6]
通过包埋渗法及屏幕等离子体制备的包括涂层的SUS316的摩擦系数分析
关于涂层的摩擦系数，采用了用于测量产品与高硬度不锈钢球的相对摩擦系数的球盘(Ball-on-Disk)法。球盘(Ball-on-Disk)法是，使用6mm直径的STS 316球(ball)，并以10mm/sec的线速度、1N的负载进行驱动，此时在恒温恒湿室中测量摩擦系数以保持相对湿度为50％的磨损条件的方法。
图40是测量制备例4(SUS316-Cr-SPNC)的摩擦系数的曲线图，图41是测量制备例5(SUS316-Cr-Fe-SPNC)的摩擦系数的曲线图，图42是测量制备例6(SUS316-Cr-Fe-V-SPNC)的摩擦系数的曲线图，图43是测量比较例6(SUS316-Cr-SPC)的摩擦系数的曲线图，图44是测量比较例7(SUS316-Cr-Fe-SPC)的摩擦系数的曲线图，图45是测量比较例8(SUS316-Cr-Fe-V-SPC)的摩擦系数的曲线图。
参照图40至图45，存在有铬涂层及氮碳共渗层的制备例4的摩擦系数为0.6，存在有铬涂层及渗碳层的比较例6的摩擦系数为0.6。此外，存在有铬-铁涂层及氮碳共渗层的制备例5的摩擦系数为0.4，存在有铬-铁涂层及渗碳层的比较例7的摩擦系数为0.6。此外，存在有铬-铁-钒涂层及氮碳共渗层的制备例6的摩擦系数为0.7，存在有铬-铁-钒涂层及渗碳层的比较例8的摩擦系数为0.7。
其结果，确认了形成有铬-铁涂层及氮碳共渗层的制备例5的摩擦系数显示出比制备例4及制备例6更小的值。此外，确认了形成有氮碳共渗层的制备例5显示出比形成有除氮以外的渗碳层的比较例7摩擦系数更小的值。包括铬涂层及铬-铁-钒涂层的制备例4及比较例6或制备例6及比较例8被确认为没有因形成氮碳共渗层及渗碳层而出现摩擦系数的差异。
可根据这样的结果判断出，在包埋渗法中，当混合混合铬及铁作为铬基物质进行涂布时，摩擦系数变低。特别是，可判断出，在屏幕等离子体中，通过使氮及碳均渗透到铬-铁涂层中而形成有氮碳共渗层的SUS316与通过仅使碳渗透而形成有渗碳层的SUS316相比，摩擦系数变小，为了降低SUS316的摩擦系数，优选通过使氮及碳均渗透到SUS316中而形成氮碳共渗层。
[实验例7]
通过包埋渗法及屏幕等离子体制备的包括涂层的SUJ2的硬度分析
为了分析形成有涂层的SUJ2的硬度，利用维氏显微硬度测量方法，测量了硬度。显微维氏硬度测量方法是通过金字塔形钻石压头对拟测量硬度的物质施加恒定载荷而出现压痕后，计算该压痕的大小，从而测量物质的硬度的方法。
计算待硬化材料的尺寸来测量材料刚度的方法。
表1是示出使用SUJ2铁基合实施金包埋渗法及屏幕等离子体，或者只实施屏幕等离子体的各实施例的硬度值的表。
[表1]
实施例 硬度(HV) 实施例 硬度(HV)
制备例1 2377 比较例2 1133
比较例1 2397 比较例3 705
参照表1，与没有实施包埋渗法而是利用屏幕等离子体来制备氮碳共渗层的比较例2及制备渗碳层的比较例3相比，通过一同实施包埋渗法及屏幕等离子体来制备氮碳共渗层的制备例1及制备渗碳层的比较例1的硬度值提高。
以这样的结果为基础，可判断出，当一同实施包埋渗法及屏幕等离子体时，与只实施屏幕等离子体时相比，SUJ2的硬度会有提高。
[实验例8]
通过包埋渗法及屏幕等离子体制备的包括涂层的SUS316的硬度分析
为了分析形成有涂层的SUS316的硬度，利用与所述实验例7相同的方法，测定了硬度。
表2是示出使用SUS316铁基合金实施包埋渗法及屏幕等离子体的各实施例的硬度值的表。
表2
实施例 硬度(HV) 实施例 硬度(HV)
制备例4 1510 比较例6 1674
制备例5 1499 比较例7 1853
制备例6 1496 比较例8 1156
参照表2，包埋渗法后，当利用屏幕等离子体形成氮碳共渗层或渗碳层时，确认为显示出比一般SUS316的硬度值800HV更高的硬度值。
以这样的结果为基础，可判断出，当一同实施包埋渗法及屏幕等离子体时，SUS316的硬度会有提高。
因此，参照本发明的制备例及实验例，可利用包埋渗法及屏幕等离子体在铁基合金上制备铬基涂层及氮碳共渗层。此外，使用SUS316作为铁基合金时，经渗铬的铬基涂层可形成为60μm以上的厚度。此外，已确认形成有铬基涂层及氮碳共渗层的铁基合金的摩擦系数显示出变低到最小0.4水平的特性，并且显示出1450HV以上的改善的硬度特性。
前述的本发明的说明是用于示例的，本领域技术人员将理解，在不变更本发明的技术思想或必要的特征的情况下，能够容易地变形为其他具体的形式。因此，应该理解的是，以上描述的实施例在所有方面是示例性的，而非说明性的。例如，被描述为单一形式的各个构成要素也可以分散实施，同理，被描述为分散的各个构成要素也可以以结合的形式实施。
本发明的范围由后述的权利要求书限定，并且从权利要求书的含义、范围以及等同概念导出的所有变更或变形的形式应被解释为落在本发明的范围内。

Claims (17)

1.一种铁基合金的涂布方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用包埋渗法，在铁基合金表面形成铬基涂层；以及
利用屏幕等离子体，在所述铬基涂层上形成氮碳共渗层，
所述利用屏幕等离子体，在所述铬基涂层上形成氮碳共渗层的步骤包括：
将涂布有铬基涂层的铁基合金装入到真空室，用双重屏幕覆盖所述铁基合金的步骤；
将第一氢气注入到所述真空室内，以还原所述铁基合金上存在的铬基氧化膜的离子清洗步骤；
将工艺电流施加到所述双重屏幕，并且将第二氢气、氮气及烃气注入到所述真空室内，以生成混合等离子体的步骤；以及
使所述混合等离子体涂布在形成于铁基合金表面的铬基涂层上，以形成氮碳共渗层的步骤。
2.根据权利要求1所述的铁基合金的涂布方法，其特征在于，
所述铁基合金包括轴承钢或不锈钢。
3.根据权利要求1所述的铁基合金的涂布方法，其特征在于，
所述铬基涂层为铬（Cr）；或者铬（Cr）及铁（Fe）；或者铬（Cr）、铁（Fe）及钒（V）。
4.根据权利要求1所述的铁基合金的涂布方法，其特征在于，
所述利用包埋渗法，在铁基合金表面形成铬基涂层的步骤包括：
将铁基合金及渗包混合物投入到渗包内的步骤；
将所述渗包装入到真空室的装入步骤；
对装入到所述真空室的渗包进行加热的加热步骤；以及
在所述加热步骤中保持加热期间，在所述铁基合金上形成铬基涂层的铬基涂层形成步骤，
其中，所述渗包混合物包括：
铬基粉末；
活性剂，与所述铬基粉末反应以促进所述铬基涂层的形成；以及
钝化剂，在形成所述铬基涂层的过程中，防止所述铁基合金的烧结。
5.根据权利要求4所述的铁基合金的涂布方法，其特征在于，
所述渗包混合物中的铬基粉末为铬（Cr）粉；或者铬（Cr）粉及铁（Fe）粉；或者铬（Cr）粉、铁（Fe）粉及钒（V）粉。
6.根据权利要求4所述的铁基合金的涂布方法，其特征在于，
所述渗包混合物包括10.5重量%至52.9重量%的所述铬基粉末、0.1重量%至3重量%的所述活性剂以及47重量%至89.4重量%的所述钝化剂。
7.根据权利要求1所述的铁基合金的涂布方法，其特征在于，
所述离子清洗步骤包括以下步骤：
将第一电流施加到所述双重屏幕，以加热所述真空室；
将第一氢气注入到所述真空室内；
将第二电流施加到所述双重屏幕，以在所述双重屏幕的周围生成氢等离子体；以及
还原并去除存在于所述铁基合金上的铬基氧化膜。
8.根据权利要求7所述的铁基合金的涂布方法，其特征在于，
所述第一电流为3A至5A，所述第二电流为5A至15A。
9.根据权利要求7所述的铁基合金的涂布方法，其特征在于，
所述铬基氧化膜包括铬（Cr）。
10.根据权利要求7所述的铁基合金的涂布方法，其特征在于，
所述铬基氧化膜包括铬（Cr）及铁（Fe）。
11.根据权利要求7所述的铁基合金的涂布方法，其特征在于，
所述铬基氧化膜包括铬（Cr）、铁（Fe）及钒（V）。
12.根据权利要求1所述的铁基合金的涂布方法，其特征在于，
所述工艺电流为20A至30A。
13.根据权利要求1所述的铁基合金的涂布方法，其特征在于，
所述氮气与第二氢气的含量比为1:3至4:1。
14.根据权利要求1所述的铁基合金的涂布方法，其特征在于，
所述烃气包括CH4或C2H2，以1sccm至10sccm的气体量并使注入区间及停止区间重复的方式进行脉冲注入。
15.一种具有高硬度及低摩擦特性的产品，其特征在于，
通过如权利要求1所述的涂布方法制备。
16.根据权利要求15所述的具有高硬度及低摩擦特性的产品，其特征在于，
所述产品的硬度为1450HV至2400HV。
17.根据权利要求15所述的具有高硬度及低摩擦特性的产品，其特征在于，
所述产品的摩擦系数为0.3至0.4。
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